Analiza spalin - to nie puste hasło
Autor: Andrzej Kowalewski
Miejsce publikacji: "Auto Moto Serwis" - maj 2001r. nr 5 (86)
W dzisiejszych czasach samochodem posługujemy się na co dzień. Przyzwyczailiśmy się do niego i nie wyobrażamy sobie bez niego życia. Mimo niewątpliwych korzyści wynikających z używania samochodu, nie można zapomnieć o ekologicznych konsekwencjach rozwoju motoryzacji.
Efekty procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej często odbiegają od pożądanych.
Paliwa silnikowe stanowią mieszaninę węglowodorów różniących się budową chemiczną i wynikającymi z tego właściwościami chemicznymi. Węglowodory podczas spalania ulegają rozpadowi na składniki podstawowe: węgiel C i wodór H. Spalanie jest zupełne, jeśli produktami reakcji są związki, które nie mogą ulec dalszemu utlenianiu. Warunkiem koniecznym do spalania zupełnego jest dostateczna ilość tlenu.
Przy spalaniu zupełnym benzyny, pozbawionej domieszki: wodór H łączy się z tlenem O2 i daje wodę H2O, która w temperaturze wydechu występuje w postaci pary wodnej oraz węgiel C łączy się z tlenem O2 i daje dwutlenek węgla CO2. Pozostałe gazy będące składnikami powietrza, jak azot (N), trudno wchodzą lub nie wchodzą w żadne związki, a więc w znacznie mniejszym stopniu środowisko ulega skażeniu.
Praktycznie w silniku występuje spalanie niezupełne paliwa zawierającego dodatki i zanieczyszczenia, co sprawia, że w spalinach znajdują się:
- azot (N2) - produkt zużycia tlenu zawartego w mieszance paliwowo-powietrznej
- tlen (O2) - jego ilość jest uzależniona od tego, ile pozostało go z mieszanki paliwowo-powietrznej; jego zawartość w spalinach wynosi ok. 1 %
- tlenek węgla (CO) - produkt nie dokończonego spalania węgla w wyniku zbyt małej ilości tlenu oraz zbyt krótkiego czasu do zupełnego spalenia; jest bezbarwnym i bezwonnym gazem trującym; jego zawartość w spalinach wynosi 10%
- dwutlenek węgla (CO2) - nie jest gazem trującym; jego zawartość w spalinach wynosi ok. 14-16%
- węglowodory (HC) - są to nie spalone lub częściowo spalone cząstki paliwa; przyczyny ich powstawania są takie same jak tlenku węgla; są związkami szczególnie trującymi, mają działanie rakotwórcze oraz przyczyniają się do powstawania smogu
- tlenki azotu (NOX) - przede wszystkim przyczyniają się do powstawania smogu; stanowią jego główny składnik
- związki ołowiu i siarki - składniki pochodzące z dodatków i zanieczyszczeń paliw, uchodzą również za kancerogenne oraz przyczyniają się do umierania lasów
Wzrost emisji do atmosfery szkodliwych zanieczyszczeń, pochodzących z samochodowych gazów spalinowych, skłania do szukania wszystkich możliwych sposobów ochrony naturalnego środowiska człowieka przed nadmiernym skażeniem. Nawet najbardziej proekologiczny silnik spalinowy wymaga odpowiedniej cyklicznej kontroli i regulacji, tak więc znaczna część prac prowadzona w dziedzinie zanieczyszczenia powietrza przez te silniki dotyczy budowy i doskonalenia przyrządów do pomiaru zawartości poszczególnych substancji szkodliwych w gazach emitowanych do atmosfery, czyli analizy spalin. Do badania emisji toksycznych substancji w spalinach silników stosuje się: analizatory spalin dla silników z zapłonem iskrowym oraz dymomierze dla silników z zapłonem samoczynnym.
Analiza spalin silników z zapłonem iskrowym
Badania spalin za pomocą analizatorów potrzebne są nie tylko do sprawdzania, czy samochód spełnia wyznaczone przez prawo normy emisji. Dostarczają też pełnych informacji diagnostycznych na temat sprawności katalizatorów, systemów regulacji innych tradycyjnych układów silnika. Pomiar CO2 w spalinach może ujawnić np.:
- niewłaściwą regulację gaźnika lub układu wtryskowego
- nie w pełni drożny filtr powietrza
- nieszczelność układu wydechowego
- brak odpowietrzenia skrzyni korbowej
- uszkodzony układ wzbogacania mieszanki pracującej w rozgrzanym silniku
Informacje te, łącznie z pomiarem poziomu węglowodorów, mogą być pomocne w ujawnieniu:
- niesprawności układu zapłonowego
- spadku ciśnienia w cylindrach
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.
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. Jest on stosowany w urządzeniach pomiarowych w Niemczech w warunkach AU (poprzednia nazwa ASU II). W Polsce zostały ustalone specjalne przepisy dotyczące urządzeń do kontroli emisji, które są podobne do ww. standardu. Produktem spełniającym te przepisy jest np. czterogazowy analizator spalin AT 501 firmy ATAL, spełniający międzynarodowy standard 41ML R 99 (klasa I). Urządzenie to umożliwia pomiar zawartości tlenku węgla (CO), dwutlenku węgla (CO2), węglowodorów (HC), tlenu (O2) oraz zapewnia stałą kontrolę współczynnika nadmiaru powietrza lambda. Mierzy również prędkość obrotową silnika, temperaturę oleju, kąt wyprzedzenia zapłonu, kąt zwarcia styków przerywacza, sygnał napięciowy sondy lambda oraz oblicza COCOR.
Analizator AT 501 umożliwia badanie silników dwu- i czterosuwowych, a także silników z układem zapłonowym DIS. Ponadto ma w wyposażeniu sondę indukcyjną do pomiaru obrotów silnika, montowaną na przewodzie wysokiego napięcia między aparatem zapłonowym a świecą zapłonową. Jest on prosty w obsłudze, a wszystkie wyniki pomiaru możemy wydrukować na drukarce wbudowanej w przyrząd. To nowoczesne urządzenie diagnostyczne daje także możliwość przeprowadzenia testu lambda przez zastosowanie dodatkowego przyłącza. Ponadto możemy sprawdzić działanie dopalacza katalitycznego przez pomiar składu spalin przed i za katalizatorem.
Pomiar zadymienia spalin silników z zapłonem samoczynnym
Ze względu na rodzaj spalanego paliwa silniki wysokoprężne nie emitują związków ołowiu, tak jak to czynią starsze silniki benzynowe. Jednak ich układy wydechowe emitują do atmosfery znaczne ilości tlenku i dwutlenku węgla, węglowodorów, tlenków azotu i siarki, a przede wszystkim sadzy, której obecność powoduje ich zadymienie. Sadza, która jest w istocie chemicznie czystym węglem, sama nie jest toksyczna. Stanowi jednak nośnik węglowodorów, w tym aromatycznych, uznawanych za najbardziej rakotwórcze. Tak więc pomiar stopnia zadymienia jest podstawowym badaniem składu spalin silników wysokoprężnych.
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).
Czynniki wpływające na intensywność dymienia można podzielić na dwie grupy: konstrukcyjne oraz regulacyjne i eksploatacyjne. Czynniki regulacyjne i eksploatacyjne są zależne od przyjętej regulacji fabrycznej pojazdu, jak również i jej utrzymania w trakcie użytkowania samochodu. Czynnikami tymi są:
- kąt wyprzedzenia wtrysku (przy wtrysku bezpośrednim - duże wyprzedzenie wtrysku zmniejsza dymienie, a przy komorach wstępnych - nadmierne wyprzedzenie wtrysku zwiększa stopień dymienia)
- rodzaj paliwa (mniejsze dymienie występuje w przypadku paliwa o dużej lotności i małej liczbie cetanowej, bądź też paliw o małej lotności i dużej liczbie cetanowej)
- warunki otoczenia (temperatura, wilgotność i ciśnienie otaczającego powietrza, podwyższeniu temperatury i wilgotności towarzyszy zwiększone dymienie, natomiast wzrost ciśnienia obniża je)
- warunki eksploatacyjne silnika (wzrost dymienia obserwuje się przy przyspieszeniu pojazdu, przy ruszaniu z miejsca lub przy szybkiej zmianie prędkości oraz pokonywaniu wzniesień, kiedy od silnika wymaga się dużego momentu obrotowego przy niewielkich prędkościach obrotowych)
- niesprawności silnika (zanieczyszczenia filtrów powietrza, powiększenie się luzów zaworów ssących, zanieczyszczenie zaworów i kanałów ssących, nieszczelne pierścienie, niesprawność układu wtryskowego nie zapewniającego właściwego rozpylania paliwa)
Do pomiaru zadymienia spalin silników wysokoprężnych stosuje się dymomierze. Zasada
działania dymomierza polega na pomiarze stopnia pochłaniania światła w komorze wypełnionej próbką spalin. Ponieważ światło pochłaniane jest przez cząstki sadzy, zwiększanie się ich ilości na drodze promienia świetlnego przebiegającego przez komorę pomiarową powoduje zmniejszenie się energii docierającej do elementu pomiarowego.
Dobrym przykładem wyrobu, który spełnia najnowsze wymagania ochrony środowiska jest np. dymomierz AT 600 M firmy ATAL, w którym do badania dymienia stosowana jest metoda pomiaru nieprzenikalności strumienia światła. Dymomierz ten składa się z podstawowego przyrządu służącego do wyświetlania zmierzonych wielkości i komunikowania się z obsługą oraz z zespołu pomiarowego MDOT (Modified Digital Opacity Transducer), służącego do pobierania i obróbki próbek gazów silników wysokoprężnych.
Dymomierz AT 600 M w funkcji "pomiar dymienia" pracuje w dwóch różnych trybach pomiarowych, a mianowicie w trybie "pomiaru ciągłego dymienia" i w trybie "pomiaru dymienia przy swobodnym przyspieszeniu 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.
Zasada pomiaru za pomocą przyrządu polega na pomiarze ilości światła przechodzącego przez próbkę gazów spalinowych. Brak dymu w kuwecie pomiarowej oznacza zerową wartość pochłaniania światła. Pełne zasłonięcie kuwety pomiarowej (nieprzejrzysty gaz) oznacza stuprocentowe tłumienie optyczne.
Gaz spalinowy doprowadzany jest przez sondę pomiarową do kuwety pomiarowej o długości efektywnej 415 mm. 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. W celu zapewnienia stabilności i dokładności pomiaru kuweta pomiarowa ogrzewana jest do temperatury minimalnej 70°C.
Metoda swobodnego przyspieszania obrotów jest próbą pomiaru dymienia, podczas której silnik jest przyspieszany od obrotów biegu jałowego do obrotów maksymalnych, przy pełnej dawce paliwa, przy czym silnik jest obciążony własną bezwładnością, masą sprzęgła i przekładni (przy położeniu naturalnym dźwigni zmiany biegów).
Podczas swobodnego przyspieszania obrotów silnika (wywołanej gwałtownym wciśnięciem pedału "gazu" z pozycji "obroty biegu jałowego" do pozycji "maksymalna dawka") dymomierz dokonuje pomiaru w czasie maks. 10 s wartości pochłaniania światła z próbkowaniem wynoszącym 20 ms. Pomierzone próbki dymu są oceniane matematycznie i na płycie czołowej wyświetlona zostaje stwierdzona wartość dymienia K[1/m]. Opisany wyżej pomiar powtarzany jest w ramach ustalonej wcześniej liczby pomiarów do czasu, kiedy pomierzone wartości dymienia nie spełnią warunku powtarzalności. 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 przyspieszania.
Nowoczesnym i progresywnym wariantem rozwiązania problemu pełnego wyposażenia stacji kontroli pojazdów jest obecnie najnowszej generacji uniwersalny przyrząd do pomiaru emisji obu typów silników, a mianowicie analizator spalin AT 501 wraz z modułem dymomierza AT 601 (również firmy ATAL). Ten uniwersalny zestaw umożliwia przeprowadzanie kompleksowych pomiarów emisji spalin silników przeznaczonych do samochodów osobowych, samochodów ciężarowych oraz pojazdów specjalnych.
Samochód jest dobrem, z którego wszyscy bardzo chętnie korzystamy. Musimy jednak wyeliminować bądź zredukować do minimum uboczne, szkodliwe dla środowiska naturalnego skutki, które rodzi rozwój motoryzacji. Należy podjąć takie działania zapobiegawcze, aby powietrze, którym oddychamy, było pozbawione szkodliwych dla zdrowia składników chemicznych. Regularne poddawanie pojazdów specjalistycznym badaniom zabezpiecza ludzi przed skutkami cywilizacji. Nie tylko nadmierna prędkość jest przyczyną utraty zdrowia w wyniku wypadków na drodze, lecz także silnoceny ekologiczności naszego pojazdu, a przynajmniej - tak jak ma to miejsce w niektórych krajach - przyjrzał się rurze wydechowej startującego lub przyspieszającego pojazdu. O ile mniej zatłoczone byłyby nasze ulice...