1. Cel ćwiczenia.

              Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z wpływem składu mieszanki na toksyczność spalin.

2. Wstęp.

Do podstawowych zadań stawianych przed urządzeniami zasilającymi należy zaliczyć uzyskanie właściwego składu mieszanki paliwowo-powietrznej zapewniającego wymagane własności silnika oraz odpowiedniego rozkładu przestrzenno-czasowego składu mieszanki w cylindrze (jednorodnego w systemach homogenicznych i uwarstwionego w systemach heterogenicznych).

Z punktu widzenia ekonomii eksploatacji samochodów najkorzystniej byłoby, gdyby silnik pracował ze zmiennym współczynnikiem nadmiaru powietrza, tym większym im mniejsze jest zapotrzebowanie mocy. Ponieważ wraz ze zubożeniem mieszanki po przekroczeniu l>1,3 wzrasta zagrożenie brakiem palności stref położonych w pobliżu świecy zapłonowej, w grę wchodzą jedynie silniki z uwarstwieniem mieszanki, w których sumaryczny współczynnik nadmiaru powietrza w znaczny sposób może przekraczać wartość l =1,5. Zadawana wartość współczynnika nadmiaru powietrza zależy od przyjętego wskaźnika jakości. Zwykle pod uwagę bierze się poziom toksyczności gazów spalinowych, zużycie paliwa oraz użyteczny moment obrotowy. Spalanie mieszanek stechiometrycznych przy równoczesnym użyciu katalizatora trójdrożnego jest kompromisem pozwalającym spełnić wymagania w zakresie toksyczności spalin, jednakże kosztem zwiększonego zużycia paliwa, a więc zarówno i zwiększonej emisji dwutlenku węgla i ograniczenia możliwych osiągów silników. Niemożliwe jest osiągnięcie optymalnej wartości każdego ze wskaźników.

Obok nich pod uwagę bierze się jeszcze jeden - często decydującą o ostatecznym składzie mieszanki tzw. zdolność jezdną (ang. - driveability ). Najczęściej zdolność jezdną rozumie się jako iloraz użytecznego momentu obrotowego i odchylenia standardowego tej wartości w niezmiennych warunkach zasilania. Podczas działania silnika występuje naturalny rozrzut składu mieszanki w kolejnych cyklach. W warunkach mieszanki ubogiej (bądź zbyt bogatej) występuje zjawisko znacznych różnic kolejnych wartości momentu obrotowego wskutek wahań składu mieszanki. Zjawisko to jest niepożądane z punktu widzenia komfortu jazdy, w związku z czym wyznaczoną wartość współczynnika l sprawdza się pod kątem zachowania przez pojazd zdolności jezdnej.

W procesie spalania mieszanki w silnikach powstają następujące składniki spalin:

- dwutlenek węgla (CO2),

- tlenek węgla(CO),

- nie spalone węglowodory (HC),

- tlenki azotu(NOx),

- para wodna,

- tlen,

-azot,

- wodór,

              Ponadto spaliny zawierają cząstki stałe, tlenki ołowiu pochodzące z dodatków zawartych w paliwie, dwutlenek siarki z zanieczyszczeń zawartych w paliwie.

              Emisja szkodliwego dwutlenku siarki jest jednak niewielka a substancjami najbardziej toksycznymi są tlenek węgla, tlenki azotu, tlenek ołowiu oraz tlenki siarki. Także nie spalone węglowodory stanowią poważne zagrożenie dla środowiska.

              W związku z zaostrzonymi wymaganiami dotyczącymi czystości spalin wykorzystano sondę lambda w układzie wydechowym, w celu spełnienia między innymi utrzymania stałego składu mieszanki palnej (λ=1). W ten sposób z duża dokładnością zostaje utrzymany średni stechiometryczny stosunek paliwa do powietrza w mieszance palnej. Dzięki temu zostają spełnione warunki uzyskania wysokiej sprawności reaktora katalitycznego.

              Układ recyrkulacji spalin może być stosowany w określonych przypadkach w celu zmniejszenia tlenków azotu (NOx).

              Układ regulacji mieszanki z sondą lambda stanowi najskuteczniejszy sposób katalitycznego oczyszczania spalin w silnikach. Obecnie nie ma innego systemu, który pozwoliłby na osiągniecie tak małych zawartości toksycznych składników spalin. Jednak dalsze zmniejszenie zawartości krytycznych składników, jak węglowodory, tlenek węgla oraz tlenki azotu, można osiągnąć tylko dzięki zastosowaniu reaktorów katalitycznych. Szczególnie skuteczne jest użycie katalizatora wielofunkcyjnego. Ma on własność rozkładu węglowodorów, tlenków węgla oraz tlenków azotu w stopniu przekraczającym 90%, o ile silnik otrzymuje mieszankę o małym rozrzucie współczynnika nadmiaru powietrza (λ~1%), zachowując stechiometryczny współczynnik nadmiaru powietrza λ=1. Zachowanie tak ścisłego składu mieszanki jest konieczne w całym zakresie pracy silnika.

3. Wnioski.

Współczynnik nadmiaru powietrza λ wyraża stosunek powietrza do paliwa w mieszance. Im więcej paliwa zostanie dodane do mieszanki, tym będzie mniejsza wartość λ, tzn. mieszanka będzie bogatsza. W obszarze mocy maksymalnej silnika zawartość CO w spalinach bardzo się zwiększa. W obszarze umiarkowanych obciążeń silnika współczynnik nadmiaru powietrza λ=1, wtedy emisja tlenków azotu osiąga wartość maksymalną, natomiast emisja tlenków węgla nie odgrywa żadnej roli. Znaczne zubożenie mieszanki powoduje gwałtowne zwiększenie ilości nie spalonych węglowodorów.