СО в выхлопе: проценты и причины

СО в выхлопе: проценты и причины.

Загрязнение окружающей среды отработавшими газами автомобилей — одна из наиболее острых экологических проблем нашего времени. Регламентированию выброса токсичных веществ в атмосферу посвящен ряд государственных стандартов. С одним из них, а именно с ГОСТ 17.2.2.03 – 77, водители знакомы хорошо: им руководствуется ГАИ, контролируя состояние автомобилей во время плановых технических осмотров и непосредственно на дорогах.

О содержании этого документа известно из журнальных публикаций и популярной литературы, поэтому ограничимся кратким перечнем основных его положений. Прежде всего: ГОСТ 17.2.2.03 – 77 регламентирует количество лишь одного компонента в выхлопных газах — окиси углерода СО (в быту его называют угарным газом) и лишь при работе двигателя без нагрузки (на холостом ходу). Предусмотрены два контрольных режима – работа двигателя на малых оборотах и с частотой вращения коленчатого вала, составляющей 60 % от номинального значения, указанного заводом-изготовителем. Выбор именно этих режимов закономерен, поскольку, как показывают исследования, на холостом ходу концентрация СО примерно в два раза выше, чем при движении с установившейся скоростью. Заботясь о том, чтобы автомобиль всегда соответствовал требованиям упомянутого стандарта, нужно ясно представлять, какие причины и в какой мере влияют на контролируемые показатели.

Сам факт появления СО в отработавших газах объясняют несовершенством смесеобразования, диффузионным горением, отдельных капель топлива и сажи, незначительной продолжительностью процесса горения, диссоциацией СО₂ и некоторыми другими причинами. Нас особо интересуют две первые причины, поскольку они характеризуют техническое состояние двигателя и могут быть устранены или ослаблены проведением необходимых ремонтно-регулировочных работ.

На рис. 1 показана зависимость между составом (качеством) смеси при работе двигателя на малых оборотах холостого хода и содержанием СО в отработавших газах (опыты проводились на двигателях ВАЗ). Как видим, при завертывании винта качества рабочая смесь, как и положено, резко и неуклонно обедняется, коэффициент избытка воздуха α возрастает (α = 1,0 указывает на то, что соотношение бензина и воздуха в горючей смеси обеспечивает их полную взаимную реакцию). Практически так же, но в обратной пропорции изменяется содержание СО в выхлопных газах, достигая минимума при α = 1,0...1,1. При этом двигатель работает вполне устойчиво, а резкое нажатие на педаль газа не вызывает «провала». Дальнейшее обеднение смеси ведет к неравномерной работе двигателя, начинаются пропуски в воспламенении смеси, соответственно ухудшаются и показатели СО.

Из того же графика следует, что увеличение частоты вращения на холостом ходу при прочих равных условиях приводит к снижению СО в выхлопных газах. Данное явление закономерно, поскольку с увеличением частоты вращения возрастает температура в цилиндрах и уменьшается количество остаточных газов, а это, в свою очередь, способствует более полному сгоранию и снижению СО. Кстати, именно поэтому автомобильные заводы в инструкциях последних лет существенно подняли регулируемое значение частоты вращения на холостом ходу и рекомендуют устанавливать ее на уровне 800...900 об/мин.

Рис. 1. Зависимость концентрации СО в выхлопных газах от состава смеси при работе двигателя на холостом ходу:

1—600 об /мин; 2—700 об /мин; 3—800 об /мин.

Рис. 2. Зависимость содержания СО в выхлопных газах от температуры охлаждающей жидкости.

Практика показывает, что регулировка системы холостого хода в карбюраторе довольно нестабильна и заметно изменяется в среднем через каждые 8000 км пробега. Нарушение может происходить и при засорении воздушного фильтра, когда рабочая смесь обогащается, а это, как мы видели, вызывает увеличение СО.

Угол опережения зажигания, вопреки распространенному мнению, очень мало влияет на концентрацию СО. Правда, косвенное влияние здесь есть. Дело в том, что при уменьшении опережения появляется возможность больше завернуть винт качества, обедняя тем самым рабочую смесь и уменьшая образование СО в режиме холостого хода. Но при этом увеличивается расход бензина в рабочих режимах, ухудшается долговечность деталей двигателя. Поэтому заводские рекомендации по углу опережения зажигания являются оптимальными и их следует придерживаться.

Из сказанного также следует, что содержание СО в отработавших газах прямо/зависит от рабочей температуры двигателя. Переохлажденный или недостаточно прогретый мотор выбрасывает в атмосферу значительно больше угарного газа (рис. 2).

Наконец, немаловажное значение имеет и степень изношенности цилиндропоршневой группы двигателя. Если износы велики, то через зазоры между цилиндрами и поршнями и систему вентиляции в камеры сгорания проникает заметное количество картерных газов. В результате выхлоп становится не только дымным, но и более токсичным. Так, снижение компрессии в цилиндрах на 25 % от номинального уровня увеличивает содержание СО в отработавших газах примерно так же, как неправильная регулировка холостого хода (обогащенная смесь). Если же износ цилиндропоршневой группы в норме, но на поверхности камеры сгорания и поршня образовался довольно толстый слой нагара, то концентрация окиси углерода в выхлопных газах от этого не увеличивается. Более того, она имеет тенденцию к уменьшению, поскольку нагар служит теплоизолирующим слоем, и температура сгорания в пристеночной зоне повышается. Но не следует пренебрегать нагаром, так как он оказывает отрицательное влияние на другие параметры двигателя.

Было бы неверно ограничить наше рассмотрение только теми параметрами и условиями, которые предусмотрены действующей сегодня регламентацией. Сохранение чистоты воздушного бассейна должно заботить всех вне зависимости от наличия или отсутствия проверок со стороны ГАИ и других организаций. В этом плане уместно хотя бы кратко остановиться на двух неконтролируемых режимах, которые играют очень заметную роль в городской езде.

Во время интенсивного разгона с резким и большим открытием дроссельной заслонки характер смесеобразования во впускном трубопроводе существенно изменяется по сравнению с равномерным движением; здесь доминирует испарение и расходование дозы бензина, впрыснутой ускорительным насосом карбюратора для временного обогащения рабочей смеси. Понятно, что и токсичность отработавших газов в этот период неизбежно возрастет. Средняя статистическая зависимость для наших массовых легковых автомобилей здесь такова. Если производительность ускорительного насоса относительно невелика (3...4 см3 на 10 полных нажатий), содержание СО не поднимается выше 3%. При 8...9 см3 оно доходит до 5%, а при 12...14 см³ – примерно до 9%. Таким образом, завышенная производительность ускорительного насоса (параметр, который поддается регулировке) увеличивает не только расход топлива, но и загрязнение атмосферы.

Еще один часто используемый режим — принудительный холостой ход. Его отрицательное действие сказывается в том, что после него, когда двигателю вновь дают нагрузку, некоторое время идет активный выброс окиси углерода (примерно в 2...2,5 раза больше обычного). Этого не происходит, если двигатель оснащен экономайзером принудительного холостого хода. Как видим, затраты на установку этого устройства окупаются опять-таки двумя достоинствами: снижением расхода топлива и выброса СО в воздух, которым мы же дышим.

А. ФЕДОРОВ