Первый автосервисный журнал
Издается с 1997 года

Школа Федора Рязанова. Диагностика дизельных систем с электронным управлением. Урок 4. Диагностика дизельных систем с электронным управлением

Школа Федора Рязанова. Диагностика дизельных систем с электронным управлением. Урок  4. Диагностика дизельных систем с электронным управлением

На прошлых занятиях мы рассмотрели, как блок электронного управления осуществляет расчет величины топливной подачи. Также были рассмотрены причины ее ограничения. Давайте еще раз повторим пройденный материал. Расчет цикловой подачи ведется по показаниям датчика педали газа (намерения водителя) и корректируется по показаниям датчика числа оборотов двигателя. Основным ограничивающим фактором является цикловая наполняемость воздухом. Замер этих параметров в разных режимах позволяет практически однозначно определить причину сниженной динамики и, как следствие, повышенного расхода топлива.

Многие могут задать вопрос – зачем нам все это? Когда же закончатся эти скучные теоретические выкладки и автор статей укажет, какой прибор надо купить? А также на какую «волшебную» кнопочку нужно на нем нажать, чтобы без труда сразу заработать много денег? Вынужден вас огорчить – такой прибор еще не создан, и вряд ли появится в ближайшем будущем. Диагностика (поиск дефектов) имеет много общего с охотой на диких зверей. Все мужчины в душе (а некоторые и реальной жизни) охотники.

Чтобы выследить и добыть зверя, одного ружья за очень большую сумму денег недостаточно. Нужно сначала изучить его повадки, выследить, иметь зоркий глаз и твердую руку – только потом можно будет гордиться добытыми трофеями. Так же и с «охотой» на дефекты. Без понимания, как это работает, как и чем это проверить, подходить к автомобилю бессмысленно. Поэтому продолжим наше теоретическое обучение, чтобы в дальнейшем не растеряться при виде открытого капота на практике.

Процесс горения смеси в дизельном двигателе

Очень много полезной информации при поиске дефектов может дать анализ дымности выхлопа на разных режимах. Чтобы лучше понять суть этого метода, рассмотрим, как горит смесь в дизельной камере сгорания.

Газ, бензин, дизельное топливо и мазут являются углеводородами. Каждая молекула, входящая в их состав, состоит из определенного количества атомов углерода и соответствующего количества атомов водорода. С точки зрения химии это один класс веществ – разница заключается в длине и структурной формуле молекул. Воздух, в свою очередь, состоит из 78% азота и 21% кислорода. Участие в горении принимает только кислород воздуха – азот является инертным газом и в горении не участвует.

При полном и правильном сгорании топлива в выхлопе образуется СО2 (углекислый газ) и Н2О (вода). Эти компоненты не опасны для здоровья человека, так как содержатся в выдыхаемом им воздухе. Они – основной материал для осуществления фотосинтеза растениями и кладут начало пищевой цепочке всех живых существ на планете. Но, по мнению ряда экологов, углекислый газ приводит к появлению парникового эффекта и вызывает глобальное потепление.

Продукты горения углеводородов
Продукты горения углеводородов

Оспаривать это утверждение мы не будем ввиду его неподтвержденности из-за крайне малого времени проведения метеорологических наблюдений. Они ведутся всего лишь несколько сотен лет, что по геологическим меркам ничтожный срок. Отметим только, что, по расчетам ученых, вся суша планеты в год выбрасывает 10 гигатонн этого газа, в то время как его выбросы из Мирового океана за тот же год составляют 90 гигатонн. Как мы видим, вклад промышленных предприятий и автомобильного транспорта в возникновение этой проблемы невелик.

Но количество выбросов СО2 в атмосферу ограничивается Парижским (ранее Киотским) соглашением. Каждой стране выделяются определенные квоты на его выбросы. Торговля этими квотами промышленно отсталыми странами является неплохим способом пополнения бюджета – таким образом, наличие углекислого газа в выхлопе ограничивается скорее политическими, чем техническими требованиями. Наличие только этих двух компонентов (углекислый газ и вода) однозначно указывает на правильность горения смеси в цилиндре. Но в реальном двигателе всегда имеются нарушения – и в выхлопе появляются несгоревшие и/или частично сгоревшие углеводороды, видимые как дым.

– CH. Это несгоревшее топливо в виде либо чистого дизельного топлива, либо разрушенных в результате пиролиза более коротких, вплоть до чистого углерода, молекул, входящих в его состав. Как таковой чистый углерод в виде сажи не очень опасен для здоровья человека. Но на этих частицах оседают другие вещества, получившиеся в результате пиролиза топлива и не сгоревшие в камере сгорания. Коварство этих компонентов заключается в том, что, являясь сильными канцерогенами, на фоне частиц сажи человеческим глазом они не обнаруживаются. С точки зрения диагностики высокое их содержание говорит о том, что большое количество топлива вылетает в выхлопную трубу в несгоревшем виде и не вносит вклад в получение механической работы. Крутящий момент снижается, и, как следствие, водителю приходится больше нажимать на педаль газа. Что приводит к повышенному расходу топлива. Данный параметр является определяющим при диагностике горения смеси в цилиндре. Чем больше дымность – тем хуже динамика автомобиля, выше расход топлива, а также загрязнение атмосферы.

– СО (угарный газ). Еще один компонент неполного сгорания топлива. Представляет из себя наполовину сгоревшее топливо. Один атом углерода может присоединить два атома кислорода, а в данном случае он присоединил только один. Из-за чего это может происходить? Только из-за нехватки воздуха. На бензиновых моторах наличие СО в выхлопе однозначно говорит о богатой смеси. Дизель всегда работает на избытке воздуха – образование СО сведено к минимуму. На дизельных автомобилях при диагностике данный параметр является не очень информативным, и его замер используется крайне редко.

– О2 (свободный кислород, или, говоря проще, – несгоревший воздух). На бензиновых двигателях однозначно указывает на бедную смесь и/или пропуски воспламенения. Дизельный двигатель практически всегда работает на избытке воздуха. Его избыток всегда присутствует в выхлопе, поэтому при диагностике горения смеси в цилиндре данный параметр является не очень информативным. Обращать на него внимание следует только для проведения мониторинга за системой EGR.

Как мы видим, применение 4-компонентного газоанализатора для проверки правильности горения топлива в цилиндре нецелесообразно. Больше информации может дать дымомер – прибор для суммарного замера количества несгоревшего топлива. Способен «видеть» дым, не видимый человеческим глазом, и выводить на экран его числовое значение. За что иногда его называют «калиброванный глаз».

Ассортимент дымомеров на рынке велик. Какой выбрать? Для проведения техосмотра автотранспорта желательно иметь более точный прибор. Для проведения диагностики высокая точность не важна: важен порядок цифр и их изменение в разных режимах. Оптимальным вариантом следует считать отечественный дымомер «Инфракар» (показан на фото). Выпускается нескольких классов точности. Но, как показывает опыт автора этой статьи, неплохо работают приборы всех классов.

Более крупным центрам для «престижа» есть смысл взять прибор с более высокой ценой какого-нибудь ведущего бренда – например, дымомер итальянской фирмы Brain Bee – конечный результат диагностики будет точно таким же.

Рассмотрим, какие дефекты можно обнаружить дымомером. Замеры проводим в трех режимах:

1) холостой ход;

2) резкая перегазовка;

3) высокие обороты.

Левый верхний рисунок – нормально работающий автомобиль. На холостом ходу (малая подача) дымность маленькая. При наборе газа подача увеличивается – дымность увеличивается. При дефектах распыла дымность увеличена на всех режимах (правый верхний рисунок). Если дымность увеличивается только на режиме максимальной цикловой подачи (левый нижний рисунок) – есть проблемы с подачей воздуха. Ну а если дымность возрастает только при увеличении оборотов (правый нижний рисунок) – проблема кроется в неправильной работе механизма опережения угла впрыска (кроме систем Common Rail). Также с помощью дымомера можно «отловить» неисправную форсунку.

Как видно из верхнего рисунка – при поочередном отключении 1-й, 2-й и 3-й форсунок дымность практически не меняется. А вот при отключении 4-й форсунки резко падает. Вывод: неисправна 4-я форсунка.

Еще одно применение дымомера – определение причины, по которой автомобиль не заводится. Если при прокрутке стартером наблюдается дымность, как на нижнем рисунке (красный и синий цвет), – топливная аппаратура работоспособна. Если нет (зеленый цвет) – это отказ ТПА.

Горение смеси в дизельном двигателе

Как же горит смесь в дизельном двигателе, и какие нарушения бывают в этом процессе?

В процессе горения гетерогенной смеси разделяют несколько фаз. Нарушения в каждой из них способны сбивать последующие фазы и приводить к неполному сгоранию топлива.

Фаза 1. Фаза задержки воспламенения. Капля начинает испаряться. Горение еще не началось – испарившегося топлива недостаточно для создания стехиометрической смеси.

Фаза 2. Фаза начала горения. На определенном расстоянии от капли соотношение «пары топлива – воздух» достигает стехиометрии, и в этой зоне начинается горение. Капля горит своеобразным «ореолом».

Фаза 3. Фаза горения. Пламя уже распространилось по всему объему, но форсунка продолжает подавать топливо. Оно, попадая в открытое пламя, испаряется и воспламеняется значительно быстрее.

Фаза 4. Фаза догорания. Форсунка прекратила впрыск топлива. В цилиндре происходит догорание его остатков.

Нарушение процессов горения

Молекулы веществ, входящих в состав дизельного топлива, имеют большую длину и в этом виде горят очень долго. В отличие от лабораторных условий, время, отведенное для горения смеси в цилиндре, начинаясь с момента впрыска, ограничено началом открытия выпускного клапана. При увеличении оборотов это время сокращается еще больше. Поэтому для правильного и быстрого горения эти молекулы должны быть разрушены до более коротких. Этот процесс носит название пиролиз. Он возможен только при высоких температурах и давлениях.

Таким образом, если в цилиндре отсутствовали эти условия, пиролиз не происходит, дизельное топливо в чистом виде выходит в выхлопной тракт – дизель дымит белым дымом. Если пиролиз прошел, но смесь по каким-либо причинам не загорелась – в выхлопе наблюдаются более короткие (вплоть до чистого углерода) молекулы, дизель дымит черным дымом. Следует отметить, что в черном дыме (чистый углерод) всегда присутствуют элементы белого дыма (более длинные молекулы). Но из-за их абсорбирования на частицах сажи человеческим глазом они практически не видны.

Белый дым. Дизельное топливо не подвергалось пиролизу и в чистом виде вылетает в выхлопную трубу. Из-за чего это может произойти? Причина только одна – температура и давление в цилиндре на момент впрыска не достигли необходимых для этого процесса значений. Это может произойти в случае:

– отсутствия компрессии (давление и температуры не достигают необходимого значения);

– очень позднего угла впрыска (топливо впрыскивается в тот момент, когда поршень прошел верхнюю мертвую точку и давление в цилиндре уже упало).

Таким образом, при наличии белого дыма в первую очередь следует проверить компрессию и угол впрыска. Верно и обратное – при наличии черного дыма вероятность проблем с компрессией крайне низка.

Черный дым. Топливо подверглось пиролизу, но не сгорело до конца. Сниженная компрессия крайне маловероятна, ее проверку можно отложить. Причин в этом случае значительно больше. Чтобы разобраться в них, рассмотрим процесс горения смеси в цилиндре. Топливо (газ, бензин, солярка) не горит. Горят только его пары в смеси с кислородом воздуха, и то только в определенной пропорции. На бензиновом двигателе в цилиндр поступает уже готовая стехиометрическая смесь, приготовленная системой топливоподачи во впускном коллекторе.

Такая смесь носит название «гомогенная». На дизельном двигателе впрыск топлива осуществляется на такте сжатия в виде отдельных капель. Такая смесь носит название «гетерогенная» и в этом виде гореть не может. В самой капле нет кислорода – горение невозможно. Рядом чистый воздух, в котором нет топлива – горение также невозможно.

В обоих случаях давление и температура недостаточны для прохождения пиролиза и начала горения, но достаточны для испарения капель. Поршень идет вверх, давление, необходимое для воспламенения (переход к фазе 2) задерживается. За это время в камере сгорания скапливается большое количество паров топлива. При начале горения оно воспламеняется с выделением большого количества тепла, что приводит к резкому росту давления. Слышится характерный «дизельный звон». Многие путают его с детонацией на бензиновом двигателе – это неверно, хотя что-то общее в этих процессах имеется. По крайней мере, последствия одинаковы: резкое нарастание давления всегда заканчивается механическим разрушением двигателя. Но данные отклонения к появлению повышенного количества дыма не приводят.

Качество распыла

Нарушение распыла является наиболее частой причиной появления черного дыма. Чем вызываются эти нарушения?

1. Большой диаметр капель. Испарение капель и последующее их горение идет с определенной скоростью, на что указывает испаряемость топлива. То есть проходит за какое-то вполне определенное (причем достаточно большое!) время. Оно, в отличие от лабораторных условий, ограничено. Время, отведенное на полное сгорание, определяется интервалом между началом впрыска и началом открытия выпускного клапана. При увеличении оборотов оно уменьшается. Если капля имеет большой диаметр, она физически не успевает испариться и сгореть – на выхлопе появляется смесь черного и белого дыма.

Для создания высокооборотистых дизелей, соответствующих современным нормам по экологии, единственно возможным техническим решением по уменьшению диаметра капель является уменьшение диаметра отверстий в распылителе. На современных форсунках эти отверстия делаются диаметром 80 мкм. Для сравнения заметим, что диаметр человеческого волоса – 60 мкм. Но уменьшение проходного сечения отверстий в распылителях для сохранения прежней производительности форсунки в целом требует увеличения количества этих отверстий и повышения давления впрыска.

На современных системах Common Rail количество отверстий – 6, но заявлено, что оно увеличится до 8. Давление впрыска в среднем составляет 1600 бар, но уже есть модели с давлением впрыска 2400 бар. Заявлено, что производители готовятся к выпуску аппаратуры, работающей на давлениях 3000 бар.

2. Скорость движения капель относительно воздуха. Если капля неподвижна относительно воздуха, она выжигает весь кислород около себя. В других областях цилиндра наблюдается его избыток, но пары топлива его достигнуть не могут – горение прекращается. Поскольку часть топлива уже подверглась пиролизу, а часть топлива еще не успела испариться – дизель начинает дымить смесью черного и белого дыма. В решении этой проблемы есть два пути:

– повышение скорости движения капли относительно воздуха;

– повышение скорости движения воздуха относительно капли.

Первое достигается, как и в предыдущем случае, повышением давления впрыска. Второе достигается организацией вихрей в камере сгорания – подбирается форма проточек в поршне, расположение и угол наклона впускных клапанов, шероховатость поверхностей впускного коллектора и самой камеры сгорания и многое другое. Правильную разработку камеры сгорания можно сравнить не с наукой, а, скорее, с искусством. Эти работы ведущими производителями проводятся на специально сконструированных стеклянных двигателях, где с помощью высокоскоростной видеосъемки определяются недоработки при проектировании ее формы и вносятся соответствующие изменения.

3. Количество и направление факелов распыла. Наиболее важный момент в процессе горения. Остановимся на нем поподробнее. В процессе впрыска и последующего горения капель они должны пройти по всему объему цилиндра, чтобы максимально полно использовать весь имеющийся в нем воздух. Впрыск топлива через отверстия в распылителях идет струей, называемой факелом распыла. Если они будут группироваться только в одной части камеры сгорания, может сложиться неприятная ситуация. При достаточном количестве воздуха в среднем по цилиндру, в зоне неравномерно скопления капель будет наблюдаться его нехватка.

В соседней области будет избыток воздуха, но если капли до нее не долетят, дизель начнет дымить черным дымом. Мы помним, что при нехватке воздуха блок управления ограничивает цикловую подачу. Но в случае неравномерного распространения факелов он не в состоянии обнаружить этот дефект и ограничения цикловой подачи не происходит. На автомобилях, оборудованным сажевым фильтром, это приводит к преждевременному выходу из строя этого не очень дешевого узла. Чем вызывается этот дефект? Можно выделить несколько причин:

– неправильно спроектированная камера сгорания и распылитель;

– износ отверстий в распылителях («промывы»);

– неправильный поток воздуха из-за нагара на клапанах и стенках цилиндра, а также на стенках впускного коллектора.

Для примера рассмотрим схемы распространения факелов, полученные с помощью специальной программы, разработанной студентами МГТУ им. Н.Э. Баумана.

На малой цикловой подаче (холостой ход) факелы распространяются равномерно по всему объему. Все топливо сгорает, но остается много неиспользованного воздуха. Дым не образуется.

Но стоит только водителю нажать на педаль газа, цикловая подача увеличивается и возникают зоны перекрытия факелов. При наличии избытка свободного воздуха в среднем по цилиндру в этих зонах наблюдается его нехватка. Данный дефект при проектировании не устраним. Поэтому производителям приходиться ограничивать подачу топлива и делать полуторакратный коэффициент избытка воздуха. Чем пользуются не совсем грамотные чип-тюнеры. Они без всякой меры программно повышают цикловую подачу. Динамика двигателя после этого повышается, а неизбежное появление черного дыма и повышенный расход списывают на дефекты топливной аппаратуры, качество топлива и на прочие несуществующие причины. Уход от этих зон можно реализовать грамотной организацией завихрений в камере сгорания.

Как мы видим, частично это решает проб­лему. Но наличие нагара сводит на нет все усилия конструкторов. Помним: чистка двигателя от нагара не экзотика, а обычное техническое обслуживание!

Не пугайтесь – это реальный случай (фото взято из интернета).

4. Цетановое число топлива. Этот параметр характеризует способность топлива к испарению. Применение топлива с высокой испаряемостью (например, бензин) приводит к быстрому его испарению и воспламенению. Что приводит к резкому нарастанию давления и, как следствие, разрушению двигателя. Применение топлива с низкой испаряемостью приводит к замедленному его испарению и воспламенению. Помним: время, отведенное для горения смеси в цилиндре, ограничено временем открытия выпускного клапана. Топливо просто физически не успевает сгореть, и в виде смеси черного и белого дыма вылетает в выхлопную трубу.

Несмотря на принимаемые в стране меры, качество дизельного топлива на ряде заправок по-прежнему оставляет желать лучшего. Ну и нельзя не учитывать патологическую страсть некоторых наших водителей к заправке «левым» топливом. К сожалению, ГОСТ на топливо имеет очень размытые требования, по которым даже разбавленное непонятно чем топливо (вспомните известный фильм «Джентльмены удачи» и одного из его героев, разбавлявшего топливо ослиной мочой) может быть признано удовлетворительным.

Если при диагностике возникает подозрение на то, что клиент заправился каким-то некачественным топливом, лучше всего для проверки этой версии запитать топливную систему из отдельной емкости с заведомо качественным топливом.

5. Поздний угол опережения впрыска. Этот дефект был рассмотрен выше.

Вопросы образования оксидов азота, назначение систем EGR и впрыска мочевины ввиду их важности рассмотрим на следующем занятии, а пока вопросы для самоконтроля.

Где следует искать дефекты при следующих условиях?

1. Двигатель не заводится и дымит белым дымом.

2. Двигатель не заводится, дыма нет.

3. Двигатель пытается «схватить» и дымит черным дымом.

4. Двигатель издает характерный «дизельный» звон.

5. Удовлетворительная работа на холостом ходу и черный дым на мощностном режиме (до Euro III) и падение мощности без дыма после Euro III.

6. Черный дым появляется на любом режиме работы двигателя.

7. Черный дым появляется на мощностном режиме на автомобилях после Euro III.

Адрес редакции

111033 Москва, ул. Самокатная, 2а, стр.1, офис 313

На карте

Контакты

Тел.: (495) 361-1260

E-mail: отправить письмо

Социальные сети

Журнал «АБС-авто» © 2018, все права защищены