Kontynuujemy tematykę związaną z wpływem składu mieszanki λ na skład spalin w silniku o zapłonie iskrowym (ZI) i samoczynnym (ZS). Przedstawiamy również wpływ innych czynników eksploatacyjnych na skład spalin silników spalinowych.

Wpływ składu mieszanki na skład spalin
Między emisją tlenku i dwutlenku węgla w silnikach o zapłonie iskrowym istnieje ścisła współzależność wynikająca z równania bilansu masy substratów biorących udział w spalaniu i masy produktów spalania zupełnego i niezupełnego. Maksymalne stężenie dwutlenku węgla CO2 w spalinach występuje podczas spalania mieszanki stechiometrycznej (λ=1,0), teoretycznie osiągając wartość odpowiadającą spalaniu zupełnemu, tj. około 15% obj., a następnie zmniejsza się zarówno przy zubażaniu, jak i wzbogacaniu mieszanki palnej (rys. 1). W miarę wzbogacania mieszanki (λ<1,0) i zwiększania się udziału niezupełnego spalania procentowy udział tlenku węgla w spalinach rośnie liniowo od wartości bliskich zeru (spalanie prawie zupełne) przy zasilaniu mieszanką stechiometryczną do około 21% obj. przy współczynniku nadmiaru powietrza λ=0,67 (teoretycznie spalanie w 100% niezupełne). Natomiast stężenie dwutlenku węgla proporcjonalnie maleje do zera, gdy tlenek węgla osiąga maksimum przy λ=0,67. Tak więc sumaryczne stężenie obydwu zależnych od siebie składników CO i CO2 w przedziale mieszanek bogatych zmienia się od około 15% obj. przy λ=1,0 do około 21% obj. przy λ=0,67.


Rys. 1. Wpływ składu mieszanki λ na skład spalin w silniku o zapłonie iskrowym [3]: λdgz – skład mieszanki odpowiadający dolnej granicy jej zapalności; λggz – skład mieszanki odpowiadający górnej granicy jej zapalności.

W zakresie mieszanek ubogich λ>1,0 stężenie dwutlenku węgla systematycznie maleje w miarę rozcieńczania gazów spalinowych nadmiarem powietrza, podczas gdy ilość tlenku węgla w spalinach utrzymuje się na poziomie zerowym. W warunkach rzeczywistych dla celów diagnostycznych pomiaru tlenku węgla dokonuje się w przedziale od 0 do 10% obj., a dwutlenku węgla od 0 do 15% obj.
Wzajemne zależności parametrów składu mieszanki λ i AFR oraz koncentracji tlenku i dwutlenku węgla umożliwiają ich wykorzystanie w diagnostyce układu zasilania paliwem.
Pomiar stężenia CO i CO2 w zakresie mieszanek bogatych pozwala w sposób jednoznaczny określić skład mieszanki, jakim zasilany jest silnik o zapłonie iskrowym, pod warunkiem, że spaliny nie są rozcieńczone powietrzem dostającym się przez nieszczelności układu wydechowego. Aby uniknąć błędów, po każdym pomiarze stężenia CO i CO2 należy sprawdzić, czy suma stężeń obydwu składników mieści się w przedziale 15÷21% obj. Jeżeli CO + CO2≥15% obj., to zmierzone wartości odpowiadają rzeczywistym i nie należy ich korygować. W przypadku przeciwnym, gdy suma pomierzonych wartości stężeń CO i CO2<15% obj., oznacza to, że spaliny zostały wymieszane z fałszywym powietrzem, a wyniki pomiarów są błędne i należy je skorygować, wykorzystując zależności:

gdzie: (CO)K i (CO2)K są skorygowanymi wartościami stężenia tlenku węgla oraz dwutlenku węgla, bliskimi wartościom rzeczywistym (jednostki sterujące współczesnych analizatorów spalin posiadają odpowiednie oprogramowanie umożliwiające obliczenie skorygowanych wartości tlenku i dwutlenku węgla).
W oparciu o pomiar stężenia CO i CO2 metodą pośrednią z zależności matematycznych można wyznaczyć współczynnik nadmiaru powietrza zarówno dla mieszanek stechiometrycznych i bogatych, jak i dla mieszanek ubogich.
Podstawowymi składnikami toksycznymi w spalinach silników o zapłonie samoczynnym są tlenki azotu NOx oraz cząstki stałe (węgiel w postaci sadzy). Emisja tlenku węgla CO i węglowodorów CH jest niewielka i ma znaczenie drugorzędne. Emisja cząstek stałych jest specyficzna dla silników ZS i wynika z właściwości stosowanego paliwa oraz z przebiegu procesu spalania i tworzenia mieszanki palnej. Również w silniku o zapłonie samoczynnym skład mieszanki bezpośrednio wpływa na skład spalin, a więc i na poziom emisji składników spalin. Charakter przedstawionych na rys. 2 zmian koncentracji poszczególnych składników spalin w funkcji zmiany składu mieszanki jest reprezentatywny dla ogółu silników o zapłonie samoczynnym, niezależnie od różnic konstrukcyjnych ich układów i zespołów.


Rys. 2. Wpływ składu mieszanki λ na skład spalin w silniku ZS [3]: λgd – skład mieszanki odpowiadający granicy dymienia, λbj – skład mieszanki odpowiadający pracy silnika na biegu jałowym.

Maksymalna koncentracja tlenków azotu NOx w spalinach silnika o zapłonie samoczynnym występuje w zakresie najbardziej ekonomicznych warunków pracy silnika (λek=λgd=1,2÷2) i następnie zmniejsza się mimo wzrastającej ilości tlenu w mieszance. Jest to spowodowane decydującym wpływem temperatury spalania mieszanki na proces utleniania azotu.
W silnikach o zapłonie samoczynnym emisja tlenku węgla CO zależy głównie od zastosowanego systemu spalania oraz lokalnego składu mieszanki w komorze spalania, a jej poziom jest znacznie niższy niż w silniku o zapłonie iskrowym i nie przekracza 600 ppm. Wynika to z tego, że w silnikach ZS zmiana składu mieszanki paliwowo-powietrznej zachodzi w bardzo szerokim przedziale mieszanek ubogich z dużym nadmiarem powietrza (od λbj do λgd) i jest równoznaczna zmianie obciążenia silnika oraz rozwijanej mocy użytecznej. Konieczność zasilania silnika o zapłonie samoczynnym w pełnym zakresie obciążeń mieszanką z dużym nadmiarem powietrza (ubogą) wynika z odmiennego niż w silniku o zapłonie iskrowym sposobu tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej i jej zapłonu (mieszanka niejednorodna, zapłon samoczynny) uniemożliwiającego całkowite spalanie paliwa. Tak więc gazy spalinowe silników ZS zawierają zawsze produkty niecałkowitego spalania, którego głównym składnikiem jest węgiel w postaci sadzy.
Skład spalin silnika o zapłonie samoczynnym na biegu jałowym, który zasilany jest mieszanką najuboższą o składzie λbj=8÷12, charakteryzuje się bardzo dużym udziałem objętościowym (wagowym) tlenu O2 i azotu N2 oraz śladową ilością pozostałych składników spalin: H2O, CO2, H2, CO, CH, NOx i węgla w postaci sadzy. W miarę zmniejszania się współczynnika nadmiaru powietrza, spowodowanego podawaniem przez układ wtryskowy coraz to większej dawki paliwa i zwiększania mocy silnika, maleje udział tlenu, natomiast rośnie stężenie tlenku węgla oraz sadzy w spalinach do wartości granicznej, określanej jako granica dymienia. Wyznacza ona graniczną wartość współczynnika nadmiaru powietrza λgd=1,2÷2, odpowiadającą maksymalnemu obciążeniu silnika. Wzrost koncentracji sadzy w spalinach silników ZS w miarę wzbogacania mieszanki do wartości granicznej λgd jest spowodowany ciągłym zwiększaniem udziału spalania niecałkowitego masy paliwa biorącej udział w procesie spalania.