Diagnostyka

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 (λW 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

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.
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.

Wpływ obciążenia i prędkości obrotowej na skład spalin
W silnikach o zapłonie iskrowym wytwarzanie i dostosowanie mocy do obciążenia zewnętrznego jest możliwe w wyniku zmiany położenia przepustnicy mieszanki (silniki gaźnikowe) lub przepustnicy powietrza (silniki z wtryskiem benzyny), które regulują moc silnika ilością spalanej mieszanki. Jest to ilościowa regulacja mocy silnika, ponieważ jej wartość zależy od stopnia napełnienia cylindrów silnika mieszanką regulowanego kątem ustawienia przepustnicy:
- przepustnica zamknięta – pracuje układ biegu jałowego, a silnik wytwarza moc indykowaną, która równoważy moc oporów wewnętrznych silnika przy ustalonej prędkości obrotowej biegu jałowego (moc użyteczna Ne=0, silnik pracuje bez obciążenia zewnętrznego);
- przepustnica całkowicie otwarta – funkcjonuje układ wzbogacający mieszankę do składu dynamicznego λd=0,9, a silnik wytwarza maksymalną moc użyteczną Nemax wskutek maksymalnego napełnienia cylindrów mieszanką o składzie dynamicznym, co odpowiada maksymalnemu obciążeniu silnika.
Obciążeniom częściowym silnika o zapłonie iskrowym odpowiada częściowe otwarcie przepustnicy. Jej przymykanie w miarę spadku obciążenia silnika pogarsza proces wymiany ładunku i zwiększa udział resztek spalin z poprzedniego obiegu w świeżo zassanej mieszance. Nie sprzyja to dobremu spalaniu mieszanki. W związku z tym spadek obciążenia wywiera istotny wpływ na wymagany skład mieszanki, którą trzeba wzbogacać i na przebieg procesu spalania, a w końcowym efekcie na skład spalin oraz stężenie poszczególnych składników spalin.
W zakresie średnich obciążeń, przy zasilaniu mieszanką ubogą o składzie bliskim stechiometrycznemu, stężenie tlenku węgla i węglowodorów jest niskie i utrzymuje się na stałym poziomie (CO zawiera się w granicach do 1,0% obj., a CH około 150 ppm), podczas gdy tlenki azotu NOx uzyskują swoje maksimum. Przy wzroście obciążenia silnika ZI układ zasilania wzbogaca mieszankę do składu dynamicznego λd=0,9 w celu uzyskania jak największej mocy, czemu towarzyszy gwałtowny wzrost emisji tlenku węgla (do 4÷5% obj.) i węglowodorów (do 250÷350 ppm) oraz obniżenie emisji tlenków azotu (rys. 3). Z tego powodu dla silników o zapłonie iskrowym najkorzystniejszym ze względu na wymagania ekologiczne składem mieszanki jest skład stechiometryczny, nazywany też składem ekologicznym.
W silniku o zapłonie samoczynnym zmiana mocy użytecznej Ne w zależności od obciążenia zewnętrznego uzyskiwana jest przez zmianę ilości paliwa podawanego przez układ wtryskowy do cylindrów, w których znajduje się praktycznie jednakowa ilość zasysanego powietrza, jeżeli zmiana obciążenia odbywa się przy stałej prędkości obrotowej. Tak więc moc silnika ZS regulowana jest składem mieszanki paliwowo-powietrznej w bardzo szerokim zakresie (od λbj=8-12 do λgd=1,2-2), co można wyrazić następująco: moc silnika jest funkcją składu spalanej mieszanki (patrz rys. 3). Jest to jakościowa regulacja mocy silnika.
Wpływ obciążenia na skład spalin i emisję poszczególnych składników spalin w silniku ZS jest znacznie mniejszy niż w silniku ZI, ponieważ silnik ZS pracuje zawsze z nadmiarem powietrza. W całym zakresie obciążeń emisja tlenku węgla CO i węglowodorów CH jest wielokrotnie mniejsza i osiąga wartości: CO do 0,1% obj., CH do 40 ppm, natomiast emisja tlenków azotu NOx jest stosunkowo duża i rośnie wraz z obciążeniem silnika.
Niejednorodność tworzonej mieszanki w silniku o zapłonie samoczynnym w pełnym zakresie obciążeń uniemożliwia całkowite spalenie paliwa, wskutek czego tworzy się sadza jako produkt niecałkowitego spalania. Koncentracja sadzy w spalinach rośnie wraz z obciążeniem silnika, ponieważ z coraz to większą dawką podawanego paliwa rośnie udział spalania niecałkowitego. Maksymalną dopuszczalną wartość stężenia sadzy, na tzw. granicy dymienia uzyskuje się przy maksymalnej znamionowej mocy silnika. Przekroczenie dopuszczalnej wartości zadymienia spalin dla danego silnika świadczy o pojawieniu się niedomagań (najczęściej w układzie zasilania) pogarszających przebieg procesów tworzenia się i spalania mieszanki w silniku ZS.
Prędkość obrotowa silnika ma wpływ na warunki przepływu ładunku przez układ dolotowy oraz intensywność jego zawirowania w cylindrze, a tym samym na warunki odparowania paliwa i tworzenia mieszanki. Dotyczy to zarówno silników o zapłonie iskrowym, jak i samoczynnym. Wzrostowi prędkości obrotowej silnika ZI przy stałej wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ towarzyszy zmniejszanie się stężenia CO i CH w spalinach. Podobnie jest w silnikach o zapłonie samoczynnym, z tym że w zakresie prędkości obrotowych bliskich maksymalnym (powyżej 0,75 nmax) stężenia CO i CH utrzymują się na stałym poziomie. Tlenki azotu NOx osiągają maksymalne wartości stężeń w zakresie tych prędkości obrotowych, w obszarze których silnik charakteryzuje się najefektywniejszą pracą.

Wpływ kąta wyprzedzenia zapłonu i kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa na skład spalin
Na przebieg procesu spalania, a tym samym na emisję toksycznych składników spalin silnika o zapłonie iskrowym, istotny wpływ wywierają współczynnik składu mieszanki i kąt wyprzedzenia zapłonu (rys. 4a).
Wpływ kąta wyprzedzenia zapłonu na stężenie tlenku węgla i dwutlenku węgla jest praktycznie niezauważalny, niezależnie od kierunku zmian kąta wyprzedzenia zapłonu (przyspieszanie, opóźnianie). W przypadku węglowodorów CH opóźnianie kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje spadek ich koncentracji w spalinach, gdyż wzrasta temperatura spalin, w wyniku czego następuje intensywniejsze ich dopalanie w układzie wydechowym.
Na emisję tlenku azotu kąt wyprzedzenia zapłonu ma wpływ podobny, ale tylko w przypadku zasilania silnika ZI mieszankami ubogimi. Związane to jest z obniżeniem się maksymalnej temperatury spalania mieszanki, która wywiera decydujący wpływ na tworzenie się tlenków azotu. Podczas pracy silnika na bogatej mieszance emisja tlenków azotu ograniczona jest niedoborem tlenu w mieszance, dlatego kąt wyprzedzenia zapłonu praktycznie nie wpływa na ich stężenie w spalinach.
W silniku o zapłonie samoczynnym jeszcze kilkanaście lat wstecz kąt wyprzedzenia wtrysku paliwa dobierany był ze względu na maksymalną moc silnika. W chwili obecnej o właściwym doborze kąta wyprzedzenia wtrysku decydują względy ekologiczne. Przy dużych wartościach kąta wyprzedzenia wtrysku uzyskuje się wczesny samozapłon i duże szybkości spalania, efektem czego jest duża moc i małe jednostkowe zużycie paliwa. Jednak zbyt duży kąt wyprzedzenia wtrysku niekorzystnie wpływa na stopień zadymienia spalin i emisję tlenków azotu, powoduje duże przyrosty ciśnień, a przez to „twardą” pracę silnika. Wpływ kąta wyprzedzenia wtrysku na osiągi silnika z wtryskiem bezpośrednim i emisję toksycznych składników spalin przedstawiony jest na rys. 4b.
W celu obniżenia emisji tlenków azotu opóźnia się wtrysk paliwa, co w przypadku silnika niedoładowanego wywołuje zawsze zmniejszenie ekonomiczności silnika i straty mocy, a ponadto wzrost zadymienia spalin i emisji węglowodorów, wskutek niepełnego spalania paliwa.
Te sprzeczne wzajemnie zależności emisji toksycznych składników spalin, hałasu (twardość pracy silnika) i zużycia paliwa wymagają bardzo dokładnego doboru i właściwej regulacji kąta wyprzedzenia wtrysku.
Wzajemne proporcje paliwa i powietrza w mieszance dobierane są przez układ zasilania zgodnie z wymaganą charakterystyką dla danego typu silnika. Zależy to od rodzaju przyjętej optymalizacji pracy silnika: maksymalne osiągi, ekonomiczność pracy, ekologia. Dostarczenie mieszanki do silnika w każdych warunkach pracy o wymaganym składzie zapewnia sprawne funkcjonowanie silnika i osiąganie pożądanych wartości parametrów użytkowych. Współczynniki nadmiaru powietrza (składu mieszanki) λ i AFR są parametrami roboczymi układu zasilania paliwem i zależą od stanu technicznego poszczególnych zespołów i elementów tego układu. W czasie eksploatacji silnika procesy starzenia oraz niewłaściwe obsługiwanie techniczne układu zasilania powodują powstawanie niedomagań zespołów układu i zmianę ich parametrów roboczych, co z kolei powoduje zmianę składu mieszanki i najczęściej obniżenie własności użytkowych silnika (spadek mocy, wzrost zużycia paliwa i toksyczności spalin).

Wpływ regulacji biegu jałowego na skład spalin
Podtrzymanie pracy silnika spalinowego na biegu jałowym z określoną prędkością obrotową wymaga zasilania silnika odpowiednią ilością mieszanki paliwowo-powietrznej o odpowiednim składzie. W silniku o zapłonie samoczynnym skład mieszanki dobierany jest w sposób automatyczny przez regulator prędkości obrotowej, który steruje ilością wtryskiwanego paliwa w taki sposób, aby zachować stałą prędkość obrotową biegu jałowego niezależnie od zmiany stanu technicznego silnika i jego układów. Podczas pracy w warunkach ustalonych bez obciążenia (na biegu luzem), w pełnym zakresie prędkości obrotowych od biegu jałowego do maksymalnych, silnik o zapłonie samoczynnym zasilany jest mieszanką bardzo ubogą (λbj=8-12), w związku z czym można przyjąć, że spalanie paliwa w tych warunkach ma charakter spalania zupełnego i całkowitego. Zatem stężenie i emisja produktów niepełnego (niecałkowitego i niezupełnego) spalania paliwa w sprawnym technicznie silniku wysokoprężnym jest znikoma.
Aby ocenić graniczną wartość zadymienia spalin, można zasymulować pracę silnika na biegu luzem w sposób odpowiadający pracy silnika przy jego maksymalnym obciążeniu, co jest równoznaczne z zasilaniem silnika wysokoprężnego mieszanką o składzie na granicy dymienia λgd. Polega to na spowodowaniu podania maksymalnej dawki paliwa przez pompę wtryskową w chwili, gdy silnik pracuje na biegu jałowym aż do momentu, w którym rozwinie maksymalną prędkość obrotową na biegu luzem. W czasie rozpędzania od prędkości obrotowej biegu jałowego aż do osiągnięcia prędkości maksymalnej biegu luzem, przy której regulator prędkości obrotowej wyłącza dawkę maksymalną paliwa, silnik zasilany jest mieszanką o składzie odpowiadającym granicy dymienia λgd. W tym też czasie emituje wraz ze spalinami do otoczenia produkty niezupełnego spalania tlenek węgla CO i węglowodory CH (niewielkie ilości w porównaniu z silnikiem ZI) oraz maksymalne ilości węgla C w postaci sadzy wskutek niecałkowitego spalania paliwa. Obecność węgla w postaci sadzy sygnalizowana jest intensywnością zabarwienia i nieprzezroczystości spalin wydalanych przez silnik. Bezpośredni pomiar ilości węgla w spalinach wydalanych przez silnik nie jest obecnie wymagany. Dlatego też metodę maksymalnego obciążania silnika na biegu luzem wykorzystuje się do oceny stopnia zadymienia spalin na zasadzie optycznego pomiaru przezroczystości spalin (metoda bezpośrednia) lub pomiaru zawartości w spalinach cząstek sadzy oddzielonych bibułą filtracyjną (metoda pośrednia).
Do celów diagnostycznych wykorzystuje się wszystkie dostępne metody pomiaru zadymienia spalin, gdyż niezależnie od rodzaju mierzonego parametru pozwalają one dokonać prawidłowej oceny stanu technicznego układu zasilania paliwem. Jednak określone w rozporządzeniu o warunkach technicznych wymagania techniczne dopuszczenia silnika o zapłonie samoczynnym do eksploatacji dotyczą tylko granicznych wartości stopnia zadymienia spalin mierzonego dymomierzem metodą bezpośrednią, przy swobodnym zwiększaniu prędkości obrotowej silnika podczas pracy na biegu luzem do prędkości maksymalnej. Miarą zadymienia spalin zgodnie z obowiązującymi wymaganiami jest współczynnik pochłaniania światła K.
Obecnie w silnikach o zapłonie iskrowym ze względów ekologicznych dąży się do tego, aby stężenie i emisja produktów niezupełnego spalania paliwa była jak najmniejsza przy możliwie niskim zużyciu paliwa. Wysokie wymagania stawiane pod względem ekologicznym silnikom ZI podczas pracy na biegu jałowym, mimo niekorzystnych warunków tworzenia się i spalania mieszanki, są możliwe do spełnienia pod warunkiem, że:
- układ biegu jałowego, niezależnie od zmieniającego się stanu technicznego silnika, zapewni stały skład mieszanki paliwowo-powietrznej o λ=1 przy niezmiennej i stabilnej prędkości obrotowej biegu jałowego,
- silnik wyposażony jest w trójfunkcyjny katalityczny dopalacz spalin (katalizator trójdrożny) i sondę lambda,
- silnik ma wysoki stopień sprężania,
- kąt wyprzedzenia zapłonu dostosowywany jest automatycznie do zmieniających się warunków spalania mieszanki w cylindrze spowodowanych zużyciem silnika.

Wyżej wymienione wymagania w nowszych typach silników o zapłonie iskrowym spełniają systemy wtrysku benzyny.
W starszych typach silników z zasilaniem gaźnikowym utrzymanie wymaganego poziomu stężenia toksycznych składników spalin nie jest możliwe i dla tej grupy silników istnieją odrębne kryteria odnoszące się tylko do jednego składnika spalin, jakim jest tlenek węgla CO. Układy biegu jałowego stosowane w gaźnikach pozwalają regulować skład mieszanki (wkręt regulacji ilości emulsji paliwowo-powietrznej) i jej ilość (śruba zderzakowa kątowego ustawienia przepustnicy mieszanki) w dość szerokim zakresie i dostosowywać regulowane parametry mieszanki do wymaganej wartości stężenia CO ze znacznym zapasem. Wskazują na to zakresy regulacyjne biegu jałowego silników stosowanych w starszych odmianach samochodów osobowych, w których prędkość obrotową można ustalać w zakresie od 600 do 750 obr./min., a stężenie tlenku węgla regulować od 5 do 0,5% obj. w zależności od stanu technicznego silnika i regulacji układu zapłonowego oraz mechanizmu rozrządu. Na rys. 5 przedstawiono wpływ regulacji biegu jałowego na skład spalin w silniku o zapłonie iskrowym.

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura
1.    Praca zbiorowa: Diagnostyka samochodów osobowych i ciężarowych. Dom Wydawniczy Bellona, Warszawa 1999.
2.    Praca zbiorowa: Diagnozowanie silnika. Analiza spalin. Zadymienie spalin. Korespondencyjna Szkoła Diagnostyki – Zeszyt nr 7/2000.
3.    Sitek K.: Diagnostyka samochodowa. Układy odpowiedzialne za bezpieczeństwo jazdy. Wydawnictwo Auto, Warszawa 1999.