Diagnostyka

O prawidłowości przebiegu procesu spalania w tłokowym silniku spalinowym świadczy skład oraz koncentracja poszczególnych składników spalin. Miarą niedoskonałości tego procesu jest natomiast masowy lub objętościowy udział w wydalanych spalinach tych składników, których obecność świadczy o niezupełnym lub niecałkowitym spalaniu (CO, CH, C).

Metoda badania toksyczności spalin
Analiza spalin jest diagnostyczną metodą pomiarową (stosowaną w czasie badania silników o zapłonie iskrowym), która umożliwia dokładne określenie ilości poszczególnych składników spalin w wydalanych do otoczenia gazach spalinowych. Pomiar ten polega na ilościowym określeniu objętościowego udziału składników spalin w mieszaninie gazów spalinowych metodami opartymi na własnościach fizycznych lub chemicznych poszczególnych składników wchodzących w skład mieszanin gazowych. Objętościowy udział mierzonych składników spalin określa się w procentach (% obj., % vol.) lub w milionowych częściach całkowitej objętości gazów spalinowych (ppm obj., ppm vol.). Jednostka, w której mierzy się dany składnik spalin, zależy od poziomu jego stężenia w gazach spalinowych. Natomiast poziom stężenia poszczególnych składników spalin zależy od wielu czynników konstrukcyjnych oraz eksploatacyjnych silnika.
Metodą analizy spalin mierzy się następujące składniki spalin:
- tlenek węgla CO,
- dwutlenek węgla CO2,
- węglowodory CH,
- tlenki azotu NOx,
- tlen O2.

Pomiędzy składem i natężeniem emisji gazów spalinowych oraz zmieniającymi się w procesie eksploatacji parametrami układów silnika i jego stanem technicznym istnieje ścisły związek wyrażający się zmianą składu spalin. Tak więc ilościowe określenie udziału poszczególnych składników spalin metodą analizy ich składu w gazach spalinowych silnika o zapłonie iskrowym podczas pracy w określonych warunkach pozwala ocenić:
- stopień toksyczności spalin,
- współczynnik składu mieszanki.

Stopień toksyczności spalin określony jest na podstawie pomiaru stężenia produktów niezupełnego spalania tlenku węgla CO i węglowodorów CH, aby:
- w silnikach z elektronicznym wtryskiem benzyny i katalizatorem oraz sondą lambda umożliwić ocenę zdatności silnika i układu zasilania paliwem,
- w silnikach gaźnikowych oraz z wtryskiem paliwa w czasie pracy silnika na biegu jałowym sprawdzić i wyregulować poziom stężenia tlenku węgla w spalinach,
- w oparciu o pomiar stężenia węglowodorów ocenić ogólny stan techniczny silnika i wyregulować właściwie, zwłaszcza w częściowo zużytych silnikach gaźnikowych, odpowiedni poziom stężenia tlenku węgla w spalinach i zapobiec tym samym regulacji gaźnika na zbyt ubogą mieszankę (nadmierne zubożenie mieszanki powoduje wzrost stężenia CH).

Współczynnik składu mieszanki paliwowo-powietrznej (λ i AFR) określany jest na podstawie pomiaru stężenia dwóch: CO2 i CO, trzech: CO2, CO i CH lub czterech składników spalin: CO2, CO, CH i O2 metodą pośrednią na podstawie zależności matematycznych, uwzględniających mierzone stężenie wskazanej ilości składników spalin. Przyjęta w obecnie używanych przyrządach do analizy spalin metoda do określania składu mieszanki, w której zlicza się ilości CO2, CO, CH i O2, oparta jest na wzorach Brettschneidera lub Spindta. Charakteryzuje ją wysoka dokładność, ponieważ zapewnia ona takie same wyniki pomiarów przed i za katalizatorem spalin. Pomiar współczynników λ i AFR w czasie pracy silnika na biegu jałowym i biegu luzem z tak dużą dokładnością pozwala sprawdzić charakterystykę pracy układu zasilania paliwem i ocenić funkcjonowanie zespołów regulujących skład mieszanki na biegu luzem w pełnym zakresie prędkości obrotowych.
W silnikach gaźnikowych można sprawdzić i ocenić działanie:
- poszczególnych urządzeń gaźnika: układu kompensacyjnego, urządzenia biegu jałowego, urządzenia wzbogacającego, pompki przyspieszającej, zaworu hamowania silnikiem,
- układu dolotowego: filtra powietrza, układu przewietrzania skrzyni korbowej.

W silnikach z wtryskiem benzyny można sprawdzić i ocenić działanie układu sterowania składem mieszanki zarówno na biegu jałowym, jak i przy wyższych prędkościach obrotowych silnika na biegu luzem (bez obciążenia) oraz działanie sondy lambda i katalizatora spalin.
Głównym celem wykonywanej na stacjach i stanowiskach diagnostycznych analizy spalin jest:
- zmierzenie rzeczywistej wartości emisji toksycznych składników spalin,
- sprawdzenie stanu technicznego układu zasilania paliwem,
- sprawdzenie funkcjonowania układu sterowania składem mieszanki,
- sprawdzenie funkcjonowania urządzeń ograniczających emisję toksycznych składników spalin,
- dokonanie regulacji pracy silnika na biegu jałowym.

Warunki techniczne analizy spalin
Analizę spalin w celach diagnostycznych wykonuje się na stojącym pojeździe z włączonym sprzęgłem i dźwignią zmiany biegów w położeniu neutralnym podczas pracy silnika na biegu luzem. Urządzenie rozruchowe i wszystkie odbiorniki energii elektrycznej powinny być wyłączone, a hamulec postojowy włączony. W rurę wydechową badanego silnika wprowadza się sondę poboru spalin połączoną przewodem elastycznym z analizatorem spalin. Przed pomiarami analizator spalin musi być przygotowany do pracy zgodnie z wymaganiami jego instrukcji obsługi. Przyrząd i jego układy pomiarowe muszą być nagrzane do odpowiedniej temperatury, zapewniającej wymagane wartości stabilności wskazań, a ponadto muszą być cechowane i korygowane przed każdym pomiarem. Sprawdzeniu podlega również szczelność wszystkich połączeń między sondą poboru spalin i analizatorem. Istotne znaczenie mają również stan cieplny silnika i zagłębienie sondy w rurze wydechowej.
Zmiana stanu cieplnego silnika zmienia warunki tworzenia się i spalania mieszanki, co wpływa na wyniki pomiarów analizy spalin, dlatego pomiary należy prowadzić na silniku nagrzanym o ustalonym stanie cieplnym. Stopień nagrzania silnika ocenia się na podstawie temperatury cieczy chłodzącej lub oleju w układzie smarowania. Obecnie stosowane analizatory spalin wyposażone są w mierniki prędkości obrotowej oraz temperatury oleju silnikowego, które przed pomiarami należy podłączyć do silnika zgodnie z zaleceniami instrukcji obsługi.

Minimalna głębokość wprowadzania sondy do rury wydechowej (rys. 1), zapewniająca uzyskanie maksymalnych wskazań analizatora, zależy od prędkości obrotowej silnika n, przy której prowadzi się pomiary. Podczas badań wykonywanych w celu kontroli stanu i lokalizacji uszkodzeń silnika (szczególnie układu zasilania paliwem) powinna ona wynosić [1]:
- 800 mm dla n = 650 obr./min.,
- 650 mm dla n = 750 obr./min.,
- 500 mm dla n = 1000 obr./min.,
- 400 mm dla n = 1500 obr./min.,
- 100 mm dla n = 2500 obr./min.

W trakcie badań prowadzonych na stacji kontroli pojazdów sonda analizatora powinna być wprowadzona do rury wydechowej silnika na głębokość nie mniejszą niż [2]:
- 300 mm dla silnika czterosuwowego,
- 750 mm dla silnika dwusuwowego.

Na wyniki badania składu spalin i dokładność pomiarów ma wpływ szereg czynników, których kontrola umożliwia prawidłowe wykonanie analizy spalin oraz bezbłędne wnioskowanie o stanie technicznym układu zasilania. Należą do nich:
- cechy konstrukcyjne i charakterystyka pracy układu zasilania,
- właściwy luz zaworowy oraz kąt wyprzedzenia zapłonu,
- temperatura oleju silnikowego,
- szczelność układów dolotowego i wylotowego,
- prędkość obrotowa silnika.

Cechy konstrukcyjne i charakterystyka pracy układu zasilania zależą od jego rodzaju: gaźnikowy czy wtryskowy, z katalizatorem czy bez katalizatora, z sondą lambda czy bez sondy, z sondą podgrzewaną czy bez podgrzewania itp. Dodatkowo należy uwzględnić dotychczasowy czas pracy tych urządzeń podczas eksploatacji samochodu. Katalizator i sonda lambda mogą skutecznie pracować tylko w określonym zakresie temperatur. Nowy katalizator uzyskuje wymaganą skuteczność pracy w temperaturze od 240oC do 270oC. Im większy przebieg ma samochód, tym wyższej temperatury wymagają katalizator i sonda lambda. Przykładowo, po przebiegu około 80.000 km wymagana temperatura początku pracy katalizatora wynosi od 330oC do 380oC. Z tego powodu dopuszczalne okresy prawidłowej pracy mierzone przebiegiem wynoszą dla:
- sondy lambda nieogrzewanej: 80.000 km,
- sondy lambda ogrzewanej: 160.000 km,
- katalizatora: 80.000 km.

Osiągnięcie przez silnik wymaganej dla przeprowadzenia kontroli składu spalin temperatury pracy nie zawsze oznacza, że również katalizator uzyskał wymaganą temperaturę roboczą. W przypadku niedogrzania katalizatora zaleca się przed wjazdem na stanowisko diagnostyczne i przystąpieniem do wykonania analizy spalin przeprowadzić procedurę dogrzewania katalizatora, którą można wykonać w niżej opisany sposób:
- utrzymać przez około 2 minuty prędkość obrotową silnika pomiędzy 2500 a 3000 obr./min.,
- zdecydowanie nacisnąć na pedał przyspieszenia i zwiększyć prędkość obrotową do około 4000 obr./min., po czym zwolnić nacisk na pedał gazu aż do uzyskania obrotów biegu jałowego, następnie powrócić do utrzymania stałej prędkości obrotowej z zakresu 2500 do 3000 obr./min.,
- kilka razy powtórzyć wymienione wyżej czynności.

Nieprawidłowa wartość luzu zaworowego i kąta wyprzedzenia zapłonu zmienia warunki tworzenia i spalania mieszanki, co wpływa na wyniki pomiarów analizy spalin, dlatego przed wykonaniem pomiarów zaleca się sprawdzić i wyregulować luz zaworowy oraz kąt wyprzedzenia zapłonu.
Bardzo ważnym warunkiem wstępnym, którego należy przestrzegać podczas wykonywania analizy spalin, jest temperatura silnika. Obowiązujące wymagania [2] określają, że silnik przygotowany do wykonania analizy spalin powinien mieć temperaturę oleju wynoszącą min. 70oC i temperaturę płynu chłodzącego silnik min. 80oC. Wymaganą minimalną temperaturę dla wykonania analizy spalin określa także instrukcja danego pojazdu. Temperaturę oleju silnikowego mierzy się specjalną sondą analizatora wkładaną do miski olejowej w miejsce wskaźnika poziomu oleju. Jeżeli wyposażenie analizatora nie zawiera takiej sondy, to można zastępczo przyjąć, że temperatura płynu chłodzącego silnik jest prawidłowa, gdy włączył się wentylator chłodnicy. Uzyskanie przez silnik wymaganej temperatury pracy jest konieczne, aby proces spalania przebiegał prawidłowo. Wpływ temperatury silnika na wyniki pomiaru emisji zanieczyszczeń gazowych jest różny i zależy od rodzaju układu zasilania.
Warunkiem prawidłowego wykonania analizy spalin jest sprawdzenie kompletności i szczelności układu dolotowego (wraz ze wszystkimi układami połączonymi z kolektorem dolotowym) oraz wylotowego. Nieszczelność układu wylotowego w istotny sposób wpływa na skład spalin. Im bliżej silnika występuje miejsce nieszczelności, tym jest większy jej wpływ na pracę silnika. Możliwe miejsca występowania nieszczelności w układzie wylotowym silnika (z katalizatorem i sondą λ) przedstawiono na rys. 2. Jeżeli nieszczelność występuje między silnikiem a sondą lambda (A), to spaliny są rozrzedzone zasysanym powietrzem, co obniża sprawność katalizatora w zakresie usuwania tlenków azotu NOx. Jednocześnie tlen znajdujący się w zassanym przez spaliny powietrzu powoduje wzbogacenie mieszanki zasilającej silnik, ponieważ dla sterownika większa ilość tlenu w spalinach oznacza spalanie mieszanki ubogiej oraz wynikającą stąd konieczność jej wzbogacenia. Jeżeli nieszczelność znajduje się między sondą lambda a katalizatorem (B), to dodatkowe powietrze spowoduje, że katalizator praktycznie przestanie usuwać tlenki azotu. Powietrze przedostające się przez nieszczelność między katalizatorem a końcówką rury wydechowej (C) rozcieńcza spaliny, co powoduje pozorne zmniejszenie zawartości składników toksycznych. Wzrost zawartości tlenu w spalinach spowoduje również zwiększenie wartości współczynnika składu mieszanki.
Oprócz układu wylotowego szczelne i kompletne powinny być także inne układy silnika, które wpływają na emisję zanieczyszczeń gazowych spalin. Poważnym źródłem emisji węglowodorów jest układ przewietrzania skrzyni korbowej. W przypadku jego niezdatności tą drogą może przedostawać się do atmosfery od 20% do 50% wszystkich węglowodorów emitowanych przez silnik. Szczelny i kompletny układ przewietrzania skrzyni korbowej umożliwia dopalenie węglowodorów przedostających się do skrzyni korbowej, które są bardzo toksyczne. Należy również sprawdzić, czy szczelny i kompletny jest układ pochłaniania par paliwa ze zbiornika w pojazdach z silnikiem o zapłonie iskrowym. Uniemożliwia to przenikanie par benzyny (węglowodorów) do otoczenia i zapewnia warunki do prawidłowej pracy katalizatora spalin (brak zakłóceń w pracy układu regulacji składu mieszanki).
Warunki techniczne analizy spalin dotyczą również prędkości obrotowych silnika wymaganych podczas przeprowadzania pomiaru zawartości składników spalin. Prędkość obrotowa biegu jałowego powinna być zgodna z zaleceniami producenta (dla współczesnych silników wynosi zwykle od 800 do 1000 obr./min.). W przypadku braku danych należy przyjmować najniższą prędkość obrotową zapewniającą równomierną i stabilną pracę silnika. Za niska prędkość obrotowa biegu jałowego pogarsza warunki, w jakich przebiega proces spalania i przyspiesza stygnięcie katalizatora. Natomiast za wysoka prędkość obrotowa biegu jałowego silnika na ogół umożliwia obniżenie zawartości składników toksycznych, ale powoduje wzrost zużycia paliwa.
Dlatego koniecznym wyposażeniem analizatora spalin jest miernik prędkości obrotowej silnika. Większość analizatorów spalin ma możliwość pomiaru prędkości obrotowej silnika za pomocą sondy indukcyjnej zakładanej na przewód wysokiego napięcia jednego z cylindrów. Sonda jest cewką indukcyjną z uzwojeniem nawiniętym na rdzeniu ferrytowym. Rdzeń ten (często w kształcie litery U) może być założony na przewód zapłonowy i po zamknięciu otwartego boku za pomocą ruchomego elementu ferrytowego skupia pole magnetyczne w momencie przepływu prądu w układzie zapłonowym. Powoduje to wytworzenie impulsu elektrycznego w obwodzie cewki. Sygnał ten może być doprowadzony do odpowiedniego wejścia analizatora spalin.

W przypadku, gdy rozwiązanie konstrukcyjne pojazdu uniemożliwia wykonanie pomiaru w podany sposób, należy stosować metody pomiarowe wykorzystujące:
- sygnały z sondy indukcyjnej zakładanej na przewód zasilający uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej lub przewód sterujący wtryskiwacza elektromagnetycznego (rys. 3),
- sygnały zakłócające emitowane przez pracujący układ zapłonowy (tzw. przystawki radiowe),
- częstotliwość tętnienia napięcia w instalacji elektrycznej pojazdu (rys. 4) z automatycznym określeniem przełożenia między silnikiem a alternatorem,
- przebieg drgań bloku silnika,
- sygnały z refleksyjnego czujnika optycznego,
- sygnały z istniejących indukcyjnych czujników prędkości obrotowej silnika.

Jednym ze sposobów pomiaru prędkości obrotowej jest wykorzystanie przystawki radiowej. Przystawka wyposażona jest w antenę odbierającą zakłócenia powstające w układzie zapłonowym silnika. Ilość impulsów jest proporcjonalna do prędkości obrotowej i liczby cylindrów silnika. Sygnał elektryczny po wzmocnieniu i przetworzeniu może być bezpośrednio wykorzystany do sterowania wejściem obrotów analizatora spalin. Z reguły przystawki tego typu wyposażone są w przełącznik do ustawiania liczby cylindrów.
Inną metodę pomiaru zastosowano w przystawce BDM 298 firmy Bosch, która umożliwia pomiar prędkości obrotowej silnika na podstawie cyklicznych zmian napięcia (tzw. tętnienia) w instalacji elektrycznej o amplitudzie od 10 do 30 mV. Ten rodzaj czujników wymaga kalibracji, która obecnie jest wykonywana automatycznie. Polega ona na określeniu liczby tętnień napięcia w instalacji elektrycznej przypadającej na dwa obroty wału korbowego. Po przyłączeniu do instalacji elektrycznej samochodu można zmierzyć prędkość obrotową w zakresie od 600 do 6000 obr./min. Przystawkę należy podłączyć do instalacji elektrycznej bezpośrednio do akumulatora lub do zacisku B alternatora albo za pośrednictwem gniazda zapalniczki. W celu wzmocnienia tętnienia napięcia należy włączyć odbiorniki energii elektrycznej w samochodzie. Gdy przystawka pomiarowa dla silnika pracującego na biegu jałowym określi liczbę tętnień przypadającą na dwa obroty wału korbowego oraz czas wykonania dwóch obrotów wału korbowego, to może zmierzyć każdą prędkość obrotową silnika. Przystawka samoczynnie określa liczbę cylindrów silnika. Firma Bosch ocenia, że tą metodą można zmierzyć prędkość obrotową silnika w około 80% użytkowanych pojazdów. Przystawki wykorzystujące do pomiaru prędkości obrotowej silnika częstotliwość tętnienia napięcia znajdują się także w ofercie innych producentów, na przykład RT 113 firmy Actia Atal (rys. 5), CAP 8500 firmy Capelec. Niektóre z nich przed rozpoczęciem pomiaru wymagają ustawienia liczby cylindrów.
Na rys. 6 przedstawiono przystawkę DiSpeed 490 firmy AVL DiTest, która do pomiaru prędkości obrotowej silnika wykorzystuje zjawisko cyklicznego powtarzania się przebiegu drgań bloku silnika. Umożliwia to określenie czasu wykonania dwóch obrotów wału korbowego, a więc pomiar każdej prędkości obrotowej silnika. Sonda pomiarowa, mocowana magnesem do kadłuba silnika, rejestruje impulsy akustyczne towarzyszące pracy silnika, które są wykorzystywane do pomiaru prędkości obrotowej silników o zapłonie iskrowym i samoczynnym (od 400 do 8000 obr./min.). Przystawka samoczynnie identyfikuje liczbę cylindrów silnika i dostarcza do wykorzystania trzy rodzaje sygnałów wyjściowych, zawierających informację o prędkości obrotowej: sygnał cyfrowy, sygnał symulujący wyładowanie iskrowe (dla sondy indukcyjnej) i sygnał symulujący działanie czujnika piezoelektrycznego (silniki ZS).
Z kolei firma Maha wytwarza przystawkę RPM VC2 (rys. 7), która pozwala mierzyć prędkość obrotową dwoma sposobami, tj. wykorzystując tętnienie napięcia w instalacji elektrycznej lub przebieg drgań silnika (za pomocą czujnika wibracyjnego). Tego typu mierniki prędkości obrotowej mogą być stosowane zarówno w silnikach o zapłonie iskrowym, jak i samoczynnym.
Pomiar prędkości obrotowej silnika można również wykonać refleksyjnym czujnikiem optycznym. Na dostępny, obracający się element silnika (koło pasowe wału korbowego, koło pasowe alternatora itp.) należy nakleić pasek odblaskowy. Czujnik optyczny wysyła strumień świetlny, którego odbicia od elementu odblaskowego są zliczane i na tej podstawie jest obliczana prędkość obrotowa. Ta metoda pomiaru prędkości obrotowej jest uniwersalna i może być wykorzystana w różnych rodzajach silników (ZI, ZS).
Na rys. 8 przedstawiono uniwersalne przystawki do pomiaru prędkości obrotowej i temperatury silnika RC2 i RC3 firmy Texa. Czujniki prędkości obrotowej i temperatury silnika komunikują się z jednostkami wizualizacyjnymi Texa oraz ze stacją Multipegaso w sposób bezprzewodowy (technologia Bluetooth). Wersja RC2 może wykonać pomiary przy pomocy mikrofonu oraz tętnienia napięcia w instalacji elektrycznej lub też poprzez sondę indukcyjną i czujnik piezoelektryczny. Odmiana RC3 poza wymienionymi wcześniej sposobami może także odczytać dane bezpośrednio ze złącza diagnostycznego OBD pojazdu.
Jeżeli nie ma innej możliwości, to kontrola prędkości obrotowej silnika może być wykonana za pomocą obrotomierza montowanego w pojeździe.
Do pomiarów stężenia poszczególnych składników spalin wykorzystuje się analizatory spalin, których budowa i zasada działania zależy od rodzaju mierzonego gazu i wymaganej przepisami ekologicznymi dokładności pomiaru. Liczba, zakres i rodzaj mierzonych w analizie parametrów zależy od typu zastosowanego analizatora, przy czym wszystkie mogą być w większym lub mniejszym zakresie wykorzystane dla celów diagnostycznych. Do diagnozowania oraz regulacji wtryskowego układu zasilania z katalizatorem, sterowanego sondą lambda powinno się wykorzystywać analizatory czteroskładnikowe, które mierzą stężenie CO, CO2, CH i O2. Na podstawie zmierzonych wartości stężeń w oparciu o obliczenia określają one również współczynniki λ i AFR.

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura:
1. Praca zbiorowa: Diagnostyka samochodów osobowych i ciężarowych. Dom Wydawniczy Bellona, Warszawa 1999.
2. Rozporządzenie o zakresie i sposobie badań technicznych pojazdów (tekst jednolity Dz. U. z 2015 r., poz. 776).
3. Analiza spalin silników ZI. Pomiar zadymienia spalin silników ZS. Poradnik Serwisowy 3/2010.