Стендовые испытания двигателя автомобиля

На токсичность выхлопных газов

В простейшем варианте, когда нет испытательного стенда, зонд газоанализатора вводят в выхлопную трубу автомобиля, двигатель которого работает на холостых оборотах, и производят замеры на токсичность. Проводятся замеры и во время различных ездовых циклов.

В стационарных условиях, чтобы проверить, удовлетворяет ли автомобиль нормам на токсичность (от ЕURO-2, действующим в России до более жестких в Калифорнии), используются динамометрические стенды (рис. 2).

Динамометрический стенд – это сложная компьютерная установка, обеспечивающая хорошую повторяемость условий тестирования. Ведущие колеса автомобиля приводят во вращение инерционный маховик, имитирующий нагрузку. Водитель получает необходимую информацию с видеомонитора.

Рис. 2. Автомобиль на динамометрическом стенде

Рис. 3. Маршрут теста IМ240 для испытуемого автомобиля

На стенде имитируются различные режимы движения автомобиля и производится определение содержания токсичных веществ в выхлопных газах на единицу пройденного пути (Г/км или Г/миля) или на единицу совершенной работы (Г/кВт *ч).

Например, в США применяются несколько видов тестов для, проверки на токсичность, чаще всего тест IМ240 (Inspection and Maintennance, 240 —длительность теста в секундах). Этот тест проводится на динамометрическом стенде. На рис. 3 показан график изменения скорости автомобиля во время проведения теста IМ240. График является маршрутом теста и имитирует езду условного автомобиля в черте города Лос-Анджелес (штат Калифорния): разгон до скорости 20 миль в час, подъем в гору на скорости 30 миль в час, остановка на 94-й секунде, разгон в гору до скорости 50 миль В час, езда с постоянной скоростью на пологом участке, остановка на 240 с.

Содержание СН, СО, и NО_X, в выхлопных газах измеряется ежесекундно и регистрируется в памяти мотор-тестера. На рис. 41 (позиции а, в, с) показаны временные развертки этих зависимостей для каждого компонента в отдельности. По результатам тестирования выдаются максимальные весовые значения вредных компонентов.

Из рассмотрения разверток тестирования для автомобиля № 1 очевидно, что во второй части теста (рис. 4в) отмечено значительное увеличение эмиссии СО, во время ускоренного .движения автомобиля в гору.

Рис. 4. Зависимости СН, СО, NО_X. полученные во время проведения теста IМ240 на автомобиле № 1. Весовое содержание компонента выражено в граммах на милю, скорость в милях в час, время в секундах

Изменения компонентов СН и NО_X близки к норме (рис. 4а, 4с). Вывод: в двигатель додавалась топливовоздущная смесь с обогащением выше допустимого значения.

Рис. 5. Зависимости полученные во время поведения тестаIМ240 на автомобиле № 2

На рисунках 5 (позиции а, в, с) приведены временные развертки, отображающие зависимость весовых значений компонентов СН, СО, NО_X, в выхлопных газах условного автомобиля №2 при его, испытании по маршрутному тесту IМ240 (рис. 3).

Из рассмотрения разверток для этого автомобиля следует, что имеет место одновременное увеличение выброса компонентов СН и NО_X, при низком уровне содержания компонента СО. Такое соотношение компонентов в выхлопных газах указывает на пропуски зажигания при разгоне автомобиля в гору, что может быть следствием подачи в цилиндры недопустимо бедной топливовоздушной смеси.

В отличие от показателей, полученных на динамометрическом стенде, газоанализатор выдает результаты не в граммах на милю, а РРМ или процентах.

Для сравнения в таблицу 2 сведены результаты тестирования условного грузового автомобиля № 3, имеющего несколько неисправностей. Тестирование проведено двумя способами: на динамометрическом стенде и с помощью портативного пятикомпонентного газоанализатора во время ездовых испытаний.

Таблица 2

Компонент, выхлопных газов	По показаниям на стенде	По показаниям газоанализатора	Результат тестирования
Норма, г/миль	Измерено, г/миль	Норма	Измерено
СН	2.40	15.13	100 РРМ	415 РРМ	Тест не пройден
СО	60.00	144.35	2%	8,36%	Тест не пройден
NОх	3.00	16.73	1000 РРМ	2273 РРМ	Тест не пройден

В США используются и другие режимы тестирования:

АSМ 15/50 и, АSМ 25/25. — эти тесты имитируют движение с ускорением и проводятся на динамометрическом стенде. Первое число (15 или 25) — скорость автомобиля в милях в час; второе число (50 или 25) — процент нагрузки от мощности, необходимой для движения автомобиля с ускорением 3,3 мили/час за секунду.

• ВАR90 — тест стендового испытания, которое проводится на холостых оборотах без определения содержания NОх (применяется только в Калифорнии).

• Тест по запаху выхлопных газов, без подключения газоанализатора. Сильный запах бензина указывает на то, что не все топливо сгорает и содержание СН высокое. Следует проверить систему зажигания, утечку разрежения во впускном коллекторе — все то, что может вызывать пропуски воспламенения.

Если глаза слезятся или возникает резь — скорее всего имеет место высокое содержание NОх. Окись азота реагирует с влагой в глазах, создавая слабый раствор азотной кислоты.

Следует проверить утечку разрежения во впускном коллекторе, правильность установки угла опережения в системе зажигания, работу системы рециркуляции выхлопных газов (если имеется) — все то, что может повышать температуру в камере сгорания,

Повышенное содержание СО в выхлопных газах вызывает головокружение и головную боль. Этот газ при длительном простое в «пробках» может попадать в салон автомобиля. Нужно немедленно выйти на свежий воздух. Вероятная причина — работа двигателя на богатой смеси.

Следует отметить, что проведение тестовых испытаний автомобиля на динамометрическом стенде включает в себя не только определение процентного содержания вредных веществ в выхлопных газах, но и целый ряд других диагностических процедур по проверке таких агрегатов автомобиля, как рулевое управление, тормоза, КПП, фарное освещение и т. д.

Стационарные диагностические стенды являются универсальным, сложным и дорогостоящим испытательным оборудованием, работа на котором требует высокой профессиональной подготовки контролера-оператора.

Диагностика систем рециркуляции выхлопных газов

1. Общие сведения

Система рециркуляции выхлопных газов (ЕGR от ехhaust gas гесirculation) предназначена для уменьшения содержания оксидов азота N0x в выхлопных отработавших газах (ВОГ) автомобиля. Оксиды азота вредны сами по себе, кроме того, они способствуют образованию фотохимического смога, затрудняющего дыхание, обостряющего легочные и сердечные заболевания.

Содержание токсичных веществ в выхлопных тазах автомобилей ограничивается законодательно, в табл. 1 приведены некоторые нормы для легковых автомобилей:

Таблица 1

Норма	СН	СО	NOx
Калифорния, 1972 г.	3,2 г/Миля	39 г/миля	3,2 г/миля
Калифорния, 1980г	0,41 г/миля	9 г/миля	1,0 г/миля
США, 1994 — 2000 г., федеральная	0,41 г/миля	3,4 г/миля	0,4 г/миля
Япония, 2002 г.	0,13 г/км 0,58 г/кВт час	3,3 г/км	0,13 г/км
Еurо III, 2000 г.	0,2 г/км	2,3 г/км	0,15 г/км

Азот N начинает вступать в реакцию с кислородом O₂ в камере сгорания при температуре выше 1370 ^oС и при высоком давлении. Для снижения температуры и давления в камере сгорания возможно применение следующих методов:

• Обогащение топливовоздушной смеси (ТВ-смеси). Температура горения ТВ-смеси снижается, как следствие понижается концентрация NOx. Но в выхлопных газах растет содержание других токсичных веществ, углеводорода СН и окиси углерода СО. Работа двигателя становится не экономичной.

• Уменьшение степени сжатия. Применение неэтилйрованного бензина приводит к необходимости снижать компрессию для предотвращения детонации, содержание NOx, в выхлопных газах при этом уменьшается. Но уменьшение компрессии с целью снижения концентраций NOx, в выхлопных газах оказывается мало эффективным, кроме того, начинают расти выбросы компонентов СН и СО.

• Уменьшение установочного угла опережения зажигания. При этом незначительно уменьшаются температура и давление в камере сгорания. Метод, ограниченно применятся до 1972 г., но оказался не эффекимвным когда нормы на содержание NOx ужесточились.

• Разбавление ТВ-смеси инертным газом, не участвующим в горении. Для этой цели используется выхлопной газ, небольшое количество которого (3,..5%) из выпускного коллектора подается во впускной коллектор. Соотношение. воздух/топливо для ТВ-смеси в этом случае не изменяется, но в камере сгорания оказывается меньше топлива и кисдорoда. Как следствие горение происходит при меньших температуре и давлении. Это одиница наиболее эффективных методов уменьшения содержания NОх в выхлопных газах без существенного изменения характеристик двйгатеая. Процедура возврата части выхлопных газов обратно в камеру сгорания называется рециркуляцией. Система реализующая рециркуляцию может быть как внутренней (за счет управляемого перекрытия газораспределительных клапанов), так и внешней, когда применяется система ЕGR с внешним ЕGR клапаном. Некоторые современные двигатели с электронной системой автоматического управления удовлетворяют строгим нормам по токсичности выхлопных газов за счет изменения фаз газораспределения (без системы ЕGR).

1.1 Функционирование системы ЕGR при различных режимах работы двигателя

Для эффективной работы системы ЕGR достаточно небольшого количества выхлопных газов, поэтому для их подачи используются каналы малого сечения.

Концентрация NOx в выхлопных газах зависит от оборотов, температуры и нагрузки двигателя. При низких оборотах образуется незначительное количество NOx, и в рециркуляции выхлопных газов нет необходимости. При езде на большой скорости или при ускорении, когда двигатель должен работать на полной мощности, система, ЕGR не используется, так как основным приоритетом: в, таких режимах является не понижение концентрации NOx в выхлопных газах, а максимальная мощность.

Как правило, система ЕGR не используется и при прогреве двигателя, когда образование NOx, незначительно, но двигатель нуждается в высокой температуре сгорания для быстрого прогрева. Наиболее интенсивно система рециркуляции используется при средних нагрузках двигателя на скорости 50 — 120 км/ч.

Ранние механические системы ЕGR были несовершенными и несколько cнижали мощность двигателя. Их вытеснили современные системы ЕGR с электронным управлением.

1.2. Система EGR и детонация

Детонация возникает при: повышеных давлении и температуре в камере сгорания. Мощность двигателя при этом уменьшается, могут иметь место механические повреждения. Двигатели с каталитическими нейтрализаторами, работающие на неэтилированном бензине, более склонны к детонации, чем двигатели без нейтрализатора, использующие этилированный бензин. В' современных двигателях с электронным управлением способность Системы ЕGR понижать давление и температуру в камере сгорания используется и для контроля за детонацией. Такой метод более эффективен по cравнению c задержкой искрообразбвания. Если на современном двигателе с электронным управлением отключить ЕGR, можно услышать характерный для детонации звон клапанов, исчезающий при восстановлении работоспособности системы ЕGR.

2. Пневмомеханические системы ЕGR

Впервые система ЕОК была'применена в 1972 году на американских автомобилях Сhryslег, продаваемых в Калифорнии. Сиcтема была пневмомеханической и в ней через впускную трубу ниже карбюратора проходил патрубок с выхлопными газами, которые поступали в ТВ-смесь через калиброванные отверстия. Эта простейшая конструкция оказалась неэффективной, так как рециркуляция выхлопных газов производилась постоянно, на всех режимах, приводя к замедлению прогрева двигателя и к неустойчивой работе на холостых оборотах.

В 1972 г. на автомобилях Вuick была применена другая пневмомеханическая система ЕGR, где потоком рециркуляции управлял специальных клапан (рис. 1). Конструкция оказалась удачной и в различных вариантах исполнения применяется и по настоящее время. Клапан 1 удерживается в закрытом состоянии пружиной 2. При подаче разрежения в вакуумную полость 3 мембрана 5 преодолевает сопротивление пружины 2 и открывает клапан 1, выхлопные газы по каналу 6 проходят в задроссельную зону 7 впускного коллектора.

Рис. 1. Клапан ЕGR с пневматическим управлением

Патрубок 4 клапана ЕGR подключается к впускному коллектору в области дроссельной заслонки 8 (рис. 2). На холостых оборотах и при торможении дроссельная заслонка 8 закрыта, разрежение над заслонкой практически отсутствует, клапан ЕGR закрыт, что и требуется. При средних Рис. 2. вариант подключениянагрузках двигателя дроссельная заслонка 8 приоткрыта, и так как под ней возникает разрежение, то клапан ЕGR открывается. При полной мощности дроссельная заслонка открыта, разрежение в области дроссельной заслонки слабое, клапан ЕGR будет закрыт.

Рис 2. Вариант подключения EGR

В большинстве случаев такой пневмоклапан ЕОК монтируется на впускном коллекторе и соединяется с впускной и выпускной системами проходами в стальными внешними трубками (см. рис 2).

На некоторых моделях автомобилей Fоrd и Сhryslег (выпуска до начала 80-х годов) в системе ЕGR использовалось разрежение в диффузоре карбюратора.

Так как разрежение здесь слабое, приходилось использовать вакуумный усилитель, что значительно усложняло систему. В исправном состоянии такие Пневмомеханические системы способны управлять рециркуляцией выхлопных газов при изменений нагрузки двигателе пневмомеханические системы ЕGR с сигналом разрежения от диффузора из-за низкой их надежности и высокой сложности в настоящее время не находят применения.

Пневмомеханические системы ЕGR с управлением от разрежения за дроссельной заслонкой работают надежно, но не обладают достаточной точностью, для обеспечения эффективной и экономичной работы двигателя на всех режимах. Так как температура двигателя не влияет на величину разрежения в задросcельной зоне, то система ЕGR включается и в режиме прогрева двигателя, что приведет к неустойчивости его оборотов.

Для управления системой ЕGR по температуре двигателя на радиаторе или в водяной рубашке устанавливается термоклапан (рис. 3), который подключает систему ЕGR к источнику разреже­ния только после прогрева двигателя рабочей температуры.

(Тg >60°С)

Для пневмомеханических cистем EGR разработаны и применяются различные способы управления рециркуляцией выхлопных газов в зависимости от режима двигателя:

• Таймера, блокирующие систему ЕGR сразу после включения двигателя.

• Термоклапаны, отключающие источник разрежения от клапана ЕGR при низкой температуре ТВ-смеси во впускном коллекторе.

• Блокировка системы ЕGR при высокой скорости движения автомобиля сигналу отяияометра.

• Двухступенчатое управление по высокому и низкому разрежению в пневмoклапане ЕGR с двумя диафрагмами (рис. 4).

Рис.3. Термоклапан.

Слева двигатель не прогрет, справа прогрет — термочувствительныйэлемент 2 — запирающий клапан 3 —канал.омкрыт 4 — патрубок к клапану EGR 5 •— патрубок к источнику разрежения; 6 охлаждающая жидкость

Рис. 4. Клапан EGR с. двумя, диафрагмами 1 — диафрагмы; 2 — малый диск; 3 — к впускному коллектору 4— большой диск; 5 — к термоклапану

2.1 Работа системы EGR с учетом давления выхлопных газов

Давление выхлопных, газов в выпускном коллекторе связано с нагрузкой двигателя и используется в системе ЕОК для оптимизации ее работы. Наиболее удачной оказалась конструкция, появившаяся в конце 70-х годов на автомобилях Ford и General Моtогs, где преобразователь давления выхлоиньх газов интегрирован в клагйан ЕGR. Различают преобразователи высокого давлея рис. 5 и преобразователи низкого давления (рис. 6).

В системах с г преобразователем высокого; давления (рис. 5) выхлопные газы 11 через полый шток 8 закрытого клапана ЕGR поступают: в пространство под диафрагмой 7. При достаточном давлении они преодолевают сопротивление вспомогательной пружины 2 и закрывают жиклерное отверстие 3 в вакуумной камере 5. Вакуумная камера 5 становится герметичной'и прикладываемое через штуцер 6 разрежение открывает клапан ЕGR. Давление выхлрпиых газов в зоне клапана EGR падает, жиклерное отверстие открывается и клапан ЕGR снова закрывается. Процесс повторяется с частотой около 30 Гц.

Рис. 5. Клапан ЕGR с преобразователем высокого давления выхлопных газов — вентиляционноеотверстие (cвязь с атмосферой); 2 — вспомогательная пружина; 3 — жиклерное отверстие вакуумной камеры (открыто); 4 — жиклерное отверстие вакуумной камеры, (закрыто); 5 — вакуумная камера с главной пружиной; 6 — штуцер для подвода, разрежения 7 — диафрагма; 8 - полый шток; 9 поток выхлопных газов во впускной коллектор: 10 — низкое давление, выхлопных газов (клапан ЕGR закрыт); 11 — выхлопные газы под высоким давлением (клапан ЕGR открыт)

Рис. 6. Клапан ЕGR с•преобразователем низкого давления: 1 — диафрагма; 2 — преобразователь; 3 — поток выхлопных газов во впускной коллектор; 4 — выхлопные газы из выпускного коллектора; 5 — запорное устройство клапана ЕGR; 6 — диафрагма преобразователя; 7 — штуцер для подвода разрежения; 8 — жиклерное отверстие (закрыто) 9 — главная пружина

Системы ЕGR с преобразователем низкого давления (рис. 6) используются в двигателях, где давление выхлопных газов в выпускном коллекторе относительно невелико. Здесь жиклерное отверстие 8 преобразователя 2 и запорное устройство 5 клапана ЕGR нормально закрыты. При подаче разрежения в штуцер 7 диафрагма 6 преодолевает сопротивление главной пружины 9, шток 10 поднимается и запорное устройство 5 клапана ЕGR открывается. Часть выхлопных газов 4 перепускается во впускной коллектор. Теперь давление выхлопных газов несколько падает, и жиклерное отверстие открывается, а клапан ЕGR закрывается. Процесс повторяется периодически.

Клапан ЕGR с преобразователем низкого давления имеет, вы­сокое быстродействие и может устанавливаться на двигателях с высокой степенью сжатия, склонных к детонации.

3. Системы ЕGR с электронным управлением

3.1. Электропневматические системы

С начала 80-х годов систему ЕGR с пневмоклапаном начинают интегрировать в электронную систему управления двигателем. Подпрограммы в ЭБУ (электронном блоке управления) двигателя, обслуживающие. ЕGR, получают входную информацию от датчиков положения дроссельной заслонки, разрежения во впускном коллекторе, на некоторых моделях, от датчика давления выхлопных газов в выпускном коллекторе. Кроме того, используется сигнал от датчика температуры охлаждающей жидкости или устанавливается, терморезистор в основании клапана ЕGR.

Положение клапана ЕGR контролируется специальным датчиком (поз. 4 на рис. 8). ЭБУ управляет пневмоклапаном ЕGR опосредовано, с применением управляющего электропневмоклапана. Подключая или отключая источник разрежения через управляющий электропневмоклапан, ЭБУ реализует программное управление процессом рециркуляции.

Типичная схема такого управления показана на рис. 7. Здесь ЭБУ коммутирует соленоид электроклапана на постояной частоте 32 Гц (General Motors), а для управления разрежением, подаваемым на клапан ЕGR, используется широтно-импульсная модуляция, при которой изменяется соотношение времени открытого и закрытого состояний электропневмоклапана за период.

Рис. 7. Электропневмоклапан с управлением по принципу широтно-импульсной модуляции: 1 —вакуумная линия к клапану £0'К; <? -т, линия к источнику разрежения; 3 — диагностический нормально разомкнутый вакуумный ключ; 4 — запорная пружина; 5 — Нормально закрытый пружиной 4 и обесточенный электроклапан; 6 —-рабьем;7— шина пищания; 8 - ЭБУ

Рис. 8. Клапан ЕGR с управлением по утечке разрежения: 1 — ввод разрежения в воздушный фильтр для подачи атмосферного воздуха;3— элвктроклапан; 4 -датчик положения клапана ЕGR 8 — диафрагма; 6— поток выхлопных газов на выходе клапана ЕGR; 7шина питания; 8 — ЭБУ; 9 — сигнал включения злектроклапа;O₂ —атмосферный воздух; 11 – вакуумная камера.

В другом варианте (Оldsmobile) электроклапан управляет утечкой разрежения над диафрагмой пневмоклапана системы ЕОК (рис. 8).

В качестве датчика положения клапана ЕGR используется потенциометр 4 (рис. 8), преобразующий перемещение штока в напряжение управляющего сигнала на клемме АЗ.

Управление по утечке разрежения cводится к подаче атмосферного вояздуха 10 в вакуумную камеру 11 клапана ЕGR через электрoклапан 3 с управлением от ЭБУ 8.

Для повыщения точности и быстродействия потенциометр.

Цифровые клапаны ЕGR

Такие клапаны впервые применены в 1990 году на некоторых двигателях General Motors. Вакуумный сигнал здесь не используется. В цифровом клапане ЕGR между впускяым и выпускным коллекторами (рис., 9); имеется три отверстия с площадями сечений в пропорции 4:2:1 или два отверстия с площадями в пропорции 2:1. Независимо управляемые от ЭБУ три сoленоида в электроклапане открывают; отверстия в различных комбинациях, обеспечивая 7, уровней потока рециркуляции выхлопных электроклапана запитывается от стабилизатора напряжения через клемму А4-ЭБУ. Это обеспечивает быстродействие, достаточное для работы в двигателях с наддувом.газов для трех отверстий или 3 уровня для двух Конструкция оказалась надежней в эксплуатации и проще при сборке, чем традиционная система ЕGR с вакуумным управлением. В цифровом клапане запорные устройства с большим усилием прижаты к основанию и утечки маловероятны.

Рас. 9. Цифровой клапан ЕGR с тремя отверстиями: 1 — крышка; 2 — болт; 3 — клапан; 4 — основание клапана ЕGR; 5 — прокладка; 6 — прокладка между основанием и блоком клапанов; 7 — основание блока электроклапа­нов; 8 —. Соленоиды.