Analiza spalin silnikĂlw z zapłonem iskrowym.doc

WOJSKOWA  AKADEMIA  TECHNICZNA

im. Jarosława Dąbrowskiego

WYDZIAŁ  MECHANICZNY

Temat: Pomiar toksyczności spalin 

W a r s z a w a   2012

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.

Analiza przeprowadzonych pomiarów toksyczności spalin:

Zadane parametry podczas pomiaru i normy zmętnienia silnika o ZS: Ford Modeno 1,8 TCI 1997 r.:

·         Liczba obrotów biegu jałowego: 850-860 /min

·         Ograniczenie obrotów: 5250+/- 50/min

·         Temperatura oleju silnikowego: 80°C

·         Liczba obrotów biegu jałowego –podczas pomiaru zmętnienia spalin: 800-900/min

·         Ograniczenie obrotów-podczas pomiaru zmętnienia : 5200-5300/min

·         Udział czasu pomiaru: 2s

·         Tryb pomiaru A/B: B

·         Sonda pomiarowa 1/2: 1

·         Wartość zmętnienia- wartość graniczna wg EU: 2,50 (66%)

·         Wartość zmętnienia- homologowana wartość graniczna: 3,00 (73%)

Wartość zmętnienia uzyskana w wyniku przeprowadzonego badania danego pojazdu wykazała, że wartość zmętnienia wyniosła 4,00 . Jak łatwo zauważyć wynik znacznie przekracza przyjęte normy. Silnik tego pojazdu uznaje się za niesprawny.

Zadane wartości i przyjęte normy podczas badania toksyczności spalin silnika o ZI: Peugeot 307 2,0i 16V 2004-2006:

·         Temperatura oleju silnikowego podczas testu CO: 80°C

·         Zawartość CO na biegu jałowym- rura układu wydechowego: 0,5% Max

·         Wskaźnik HC na obrotach biegu jałowego: 100ppm

·         Wskaźnik C02 na obrotach biegu jałowego:14,5- 16 %

·         Wskaźnik 02 na obrotach biegu jałowego:0,1- 0,5 %

·         Podwyższona liczba obrotów biegu jałowego: 2000-3000/min

·         Zawartość CO2 przy podwyższonej liczbie obrotów biegu jałowego: 0,3%

·         Wartość lambda przy podwyższonej liczbie obrotów biegu jałowego: 0,97- 1,03

              Otrzymane wyniki pomiaru:

·         Zawartość CO na biegu jałowym- rura układu wydechowego: 0,45%

·         Wskaźnik HC na obrotach biegu jałowego: 100ppm

·         Wskaźnik C02 na obrotach biegu jałowego:16%

·         Wskaźnik 02 na obrotach biegu jałowego:1%

·         Zawartość CO2 przy podwyższonej liczbie obrotów biegu jałowego:0,3%

·         Wartość lambda przy podwyższonej liczbie obrotów biegu jałowego: 1,23

Analizując otrzymane wyniki można wszystkie składniki toksyczne spalin mieszczą się w dopuszczalnej normie. Wyjątkiem jest wartość lambda, która przekracza górną granicę wartości dopuszczalnej. Oznacza to, że ilość powietrza dostarczonego do silnika jest mniejsza niż ilość powietrza potrzebna do spalenia 1kg paliwa. Wnioskować można, że w samochodzie tym występują nieszczelności w układzie dolotowym silnika.

Wnioski:

Analiza toksyczności spalin pozwala nam zmierzyć jedynie kilka składników spalin: CO, CO2, HC oraz O2. Do badania toksyczności spalin silników o ZS używa się dymomierzy, natomiast do badania toksyczności spalin silników o ZI używane są analizatory czterogazowe. Wskazania zawartości poszczególnych substancji toksycznych nie rozwiązują problemu, urządzenia pomiarowe nie pokazują przyczyn danej zawartości tych substancji.