Prawidłowa analiza spalin

Autor: Andrzej Kowalewski
Miejsce publikacji: "autoEXPERT" - kwiecień 2001r. nr 4 (62)

Negatywne skutki rozwoju motoryzacji, przejawiające się w stale wzrastającej emisji do atmosfery szkodliwych zanieczyszczeń, pochodzących z samochodowych gazów spalinowych, skłoniły do szukania wszystkich możliwych sposobów ochrony naturalnego środowiska człowieka przed nadmiernym skażeniem.

Produkty spalania

Paliwa silnikowe stanowią mieszaninę węglowodorów różniących się budową chemiczną i wynikającymi stąd właściwościami chemicznymi. Węglowodory podczas spalania ulegają rozpadowi na składniki podstawowe: węgiel i wodór.

Przy spalaniu zupełnym benzyny pozbawionej domieszek:

• wodór (H) łączy się z tlenem (O₂) i daje wodę (H₂O), która w temperaturze wydechu występuje w postaci pary wodnej;
• węgiel (C) łączy się z tlenem (O₂), tworząc dwutlenek węgla (CO₂).

Pozostałe gazy będące składnikami powietrza, jak azot (N), trudno wchodzą w związki lub nie wchodzą wcale, a więc w znacznie mniejszym stopniu przyczyniają się do skażenia środowiska.

Jednak w silnikach występuje w praktyce spalanie niezupełne paliwa zawierającego dodatki i zanieczyszczenia, co sprawia, że w spalinach znajdują się:

• azot (N₂),
• tlen (O₂),
• dwutlenek węgla (CO₂),
• węglowodory (HC),
• tlenki azotu (NO_X).

Normy emisji są lub będą wprowadzone w większości krajów europejskich. Jako że normy te są narzucane urzędowo, urządzenia pomiarowe muszą spełniać odpowiednie standardy, które niestety nie są do końca ujednolicone. Różnią się przede wszystkim w podstawowych wymaganiach dokładności pomiaru. Większość znaczących standardów dla analizatorów spalin w Europie jest zdefiniowana przez międzynarodowy standard OIML R 99 dla urządzeń Klasy I. Ten standard jest stosowany w urządzeniach pomiarowych w Niemczech w warunkach AU (poprzednia nazwa ASU II). W Polsce zostały ustalone specjalne przepisy dotyczące urządzeń do kontroli emisji, podobne do wymienionego wyżej standardu.

Do badania emisji toksycznych substancji w spalinach silników stosuje się:

• analizatory spalin - dla silników z zapłonem iskrowym,
• dymomierze - dla silników z zapłonem samoczynnym.

Analiza spalin silników z zapłonem iskrowym

Przepisy dotyczące emisji składników toksycznych przez silniki spalinowe nakazują, aby w spalinach pojazdu z silnikiem o zapłonie iskrowym:

1) zawartość tlenku węgla (CO) i węglowodorów (CH) nie przekraczała:

• 0,5% objętości spalin (CO) i 100 ppm (CH) - przy pomiarze na biegu jałowym, a w odniesieniu do motocykli 4,5% objętości spalin (CO),
• 0,3% objętości spalin (CO) i 100 ppm (CH) - przy pomiarze z podwyższoną prędkością obrotową silnika, czyli z zakresu od 2000 do 3000 obr./min;

2) w przypadku pojazdu wyposażonego w sondę lambda wartość współczynnika nadmiaru powietrza (lambda) przy pomiarze z podwyższoną prędkością obrotową silnika (z zakresu od 2000 do 3000 obr./min), zawierała się w granicach od 0,97 do 1,03.

Analizator spalin AT 501

Podstawowym warunkiem prawidłowej analizy spalin jest sprawdzenie szczelności układu wydechowego. Nieszczelny układ wydechowy nie tylko wyrzuca spaliny, ale także zasysa powietrze. Jeśli jest ono zasysane przed katalizatorem i sondą lambda, zakłóca pracę całego układu sterowania, jeśli za nimi - to fałszuje wyniki prowadzonych pomiarów.

Dymomierz AT 600 M

Po uruchomieniu silnika należy przestrzegać zasady, aby sonda pomiarowa analizatora była osadzona w rurze wydechowej pojazdu na głębokość co najmniej 30 cm. Silnik powinien być nagrzany do normalnej temperatury pracy (min. 70°C dla oleju silnikowego, min. 80°C dla płynu chłodzącego).

Pomiar należy dokonać najpierw przy podwyższonej prędkości obrotowej silnika, a następnie przy prędkości obrotowej biegu jałowego.

Urządzeniami pomiarowymi, które odpowiadają obowiązującym dziś standardom, są czterogazowe analizatory spalin. Umożliwiają one pomiar zawartości tlenku węgla (CO), dwutlenku węgla (C0₂), węglowodorów (HC) i tlenu (0₂) oraz zapewniają stałą kontrolę współczynnika nadmiaru powietrza lambda. Mierzą również prędkość obrotową silnika, temperaturę oleju, kąt wyprzedzenia zapłonu, kąt zwarcia styków przerywacza, sygnał napięciowy sondy lambda oraz obliczają CO_COR. Przeznaczone są do badania silników dwu- i cztero-suwowych, a także silników z układem zapłonowym DIS. Ponadto mogą mieć w wyposażeniu sondę indukcyjną do pomiaru obrotów silnika, montowaną na przewodzie wysokiego napięcia między aparatem zapłonowym a świecą zapłonową.

Pomiar zadymienia spalin silników z zapłonem samoczynnym

Aktualne wymagania dotyczące emisji składników toksycznych przez silniki spalinowe nakazują, aby w spalinach pojazdu z silnikiem o zapłonie samoczynnym zadymienie spalin nie przekroczyło 2,5 [m^-1], a w odniesieniu do silnika z turbodoładowaniem 3,0 [m^-1].

Podstawowym warunkiem prawidłowego pomiaru jest i w tym wypadku szczelność układu wydechowego. Silnik powinien być nagrzany do normalnej temperatury pracy (min. 70°C dla oleju silnikowego, min. 80°C dla płynu chłodzącego).

Przed pomiarem układ wydechowy powinien być przedmuchany przez kilkukrotne naciśnięcie pedału przyspieszenia, a następnie przez pracę silnika przy podwyższonej prędkości obrotowej przez okoł0 1 minutę. Sondę pomiarową należy wprowadzić do rury wydechowej możliwie centrycznie, na głębokość co najmniej równą trzem średnicom wewnętrznym rury.

Pomiaru dokonuje się przy swobodnym przyspieszaniu silnika - w zakresie od prędkości obrotowej biegu jałowego do maksymalnej prędkości obrotowej. Należy przeprowadzić co najmniej trzy następujące po sobie pomiary, przy czym po każdym pojedynczym pomiarze powinna nastąpić przerwa trwająca ok. 15 sekund. Wyniki nie mogą się różnić od siebie o więcej niż 0,50 [m^-1]. Jako rezultat końcowy należy przyjąć średnią arytmetyczną pomiarów z dokładnością do 0,01 [m^-1].

Urządzenia pomiarowe spełniające najnowsze wymagania techniczne i ekologiczne pracują w dwóch różnych trybach pomiarowych, a mianowicie w trybie "pomiaru ciągłego dymienia" i w trybie "pomiaru dymienia przy swobodnym przyśpieszeniu obrotów". Po włączeniu i wykonaniu wstępnych operacji przyrząd automatycznie przechodzi do trybu "pomiar ciągły dymienia". Tryb pomiaru dymienia przy swobodnym przyspieszaniu obrotów uruchamiany jest odpowiednim przyciskiem.

Gaz spalinowy doprowadzany jest przez sondę pomiarową do kuwety pomiarowej. Sondę można umocować w rurze wydechowej za pomocą zacisków mocujących. Przejrzystość słupa dymu w kuwecie mierzona jest za pomocą układu optycznego, w którym źródłem światła jest zielona dioda (LED), emitująca światło widzialne o długości fali 560 nm. Detektorem światła jest fotodioda (GaAs) ogrzewana do minimalnej temperatury 30°C.

Brak dymu w kuwecie pomiarowej oznacza zerową wartość pochłaniania światła. Pełne zasłonięcie kuwety pomiarowej (nieprzejrzysty gaz) oznacza stuprocentowe tłumienie optyczne. W celu zapewnienia stabilności i dokładności pomiaru kuweta pomiarowa ogrzewana jest do temperatury minimalnej 70°C.

Podczas swobodnego przyśpieszania obrotów silnika (wywołanej gwałtownym wciśnięciem pedału "gazu" z pozycji "obroty biegu jałowego" do pozycji "maksymalna dawka") dymomierz dokonuje pomiaru wartości pochłaniania światła w czasie maksymalnie 10 sekund z próbkowaniem wynoszącym 20 ms. Pomierzone próbki dymu oceniane są w sposób matematyczny i na płycie czołowej wyświetlona zostaje stwierdzona wartość dymienia K [1/m]. Opisany wyżej pomiar powtarzany jest w ramach ustalonej wcześniej ilości pomiarów do czasu, gdy mierzone wartości zaczną się powtarzać. Wynik pomiaru dymienia podany w jednostkach bezwzględnych [1/m] stanowi dla badanego pojazdu arytmetyczną średnią z ostatnich czterech mierzonych wartości.

Jednocześnie w przyrządzie ustalany jest czas przyśpieszania t_p na podstawie wzoru:

t_p = t_m * {(n₂ - n_l) / (0,9n₂ - 1,1n₁)}

gdzie:
  t_m - zmierzony przedział czasu między osiągnięciem 110% n₀ i 90% n₂ [s],
  n₁ - obroty biegu jałowego [1/min],
  n₂ - maksymalne obroty [1/min].

Przyrządy uniwersalne

Nowoczesnym wariantem rozwiązania problemu pełnego wyposażenia Stacji Kontroli Pojazdów (SKP) jest najnowsza generacja uniwersalnych przyrządów do pomiaru emisji silników ZI i ZS, czyli analizatory spalin z modułem dymomierza. Taki uniwersalny zestaw umożliwia przeprowadzanie kompleksowych pomiarów emisji spalin silników przeznaczonych do samochodów osobowych, ciężarowych oraz pojazdów specjalnych.