Diagnostyka

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.

Do pomiarów stężenia poszczególnych składników spalin wykorzystuje się analizatory spalin (rys. 1), których budowa i zasada działania zależy od rodzaju mierzonego gazu i wymaganej przepisami ekologicznymi dokładności pomiaru.

Przebieg analizy spalin
Diagnozowanie układu zasilania paliwem silnika o ZI metodą analizy spalin wymaga wykonania niżej wymienionych czynności.
1. Przygotowania analizatora spalin do pracy zgodnie z instrukcją obsługi (nagrzewanie przyrządu, kalibracja wskazań, sprawdzenie szczelności drogi gazowej).
2. Podłączenia miernika prędkości obrotowej i temperatury oleju silnikowego.
3. Uruchomienia silnika i sprawdzenia szczelności układu wydechowego.
4. Nagrzania silnika do wymaganej temperatury pracy (temperatura oleju silnikowego lub cieczy chłodzącej).
5. Włożenia sondy poboru spalin na wymaganą głębokość do rury wydechowej.
6. Odczytania lub zarejestrowania wartości mierzonych parametrów analizy spalin (CO, CO2, CH, O2, λ i AFR) i obserwowania ich zmiany:
- przy ustalonej prędkości obrotowej biegu jałowego nbj,
- przy ustalonej prędkości obrotowej biegu luzem w wybranym przedziale prędkości obrotowych silnika (2000 ÷ 3000 obr./min.),
- podczas gwałtownego przyspieszania silnika od prędkości biegu jałowego do prędkości maksymalnej,
- podczas zmniejszania prędkości obrotowej od wartości maksymalnych do obrotów biegu jałowego.
7. Dokonania oceny wyników pomiaru analizy spalin i ustalenia diagnozy w zakresie:
- ogólnego stanu układu zasilania paliwem (zdatny, niezdatny),
- sprawności działania gaźnika i jego urządzeń,
- regulacji stężenia tlenku węgla i węglowodorów na biegu jałowym,
- sprawności działania katalizatora i sondy lambda oraz układu wtryskowego benzyny.

W każdym analizatorze ważną rolę odgrywa układ poboru spalin (rys. 2). Składa się on z sondy poboru spalin, węża doprowadzającego spaliny do analizatora, odstojnika kondensatu i zespołu filtrującego oraz pompy poboru spalin i pompy odprowadzającej skroplony kondensat. Analizator należy przygotować do pracy zgodnie z instrukcją obsługi. Duże znaczenie ma sprawdzenie szczelności układu poboru spalin. Podczas kontroli należy uszczelnić wlot sondy poboru spalin, odpompować powietrze do określonego poziomu podciśnienia i obserwować przez określony czas wartość tego podciśnienia. Nowsze typy przyrządów (klasy zerowej i pierwszej) w przypadku wykrycia nieszczelności drogi gazowej automatycznie uniemożliwiają prowadzenie pomiarów.
W wężu doprowadzającym spaliny oraz we wnętrzu analizatora osadzają się węglowodory, których obecność będzie miała wpływ na wyniki pomiarów. Aby do tego nie dopuścić, przyrząd przed każdym badaniem powinien wykonywać test pozostałości CH i wstrzymać pomiar, jeżeli nie uzyska się wymaganych warunków początkowych (wartość graniczna 20 ppm CH). Współczesne analizatory spalin automatycznie wykonują procedurę zerowania zarówno przed rozpoczęciem pracy przyrządu, jak i podczas pomiarów. Powietrze do zerowania zasysane jest przez filtr węglowy (rys. 3) redukujący zanieczyszczenia.
Każdy analizator spalin wyposażony jest w system filtracyjny (rys. 4), który zabezpiecza przyrząd przed uszkodzeniem. Użytkownik ma obowiązek przeprowadzać okresową wymianę lub czyszczenie wkładów filtra. Przyrząd powinien automatycznie sygnalizować ograniczenie przepływu spalin spowodowane zabrudzeniem filtra. W spalinach zawarta jest duża ilość skroplonej pary wodnej. Skroplona ciecz gromadzi się w odstojniku kondensatu (rys. 5) i jest samoczynnie usuwana na zewnątrz.
Sondę poboru spalin należy bezpośrednio przed pomiarem włożyć do rury wydechowej na głębokość nie mniejszą niż: 30 cm (silniki czterosuwowe) lub 75 cm (silniki dwusuwowe). W przypadku niespełnienia tego wymogu pulsacje ciśnienia spalin występujące w końcówce rury wydechowej spowodują, że analizator będzie zasysał mieszaninę spalin z powietrzem, co daje analogiczny efekt jak nieszczelność układu wydechowego. Jeżeli konstrukcja tłumika uniemożliwia montaż sondy poboru spalin na wymaganej głębokości, to należy przedłużyć (tylko dla potrzeb pomiaru) końcówkę rury wydechowej przewodem gumowym szczelnie osadzonym na końcówce rury i zaciśniętym opaską. Sonda poboru spalin nie powinna być umieszczona zbyt głęboko, ponieważ gdy jej elastyczna końcówka znajdzie się w tłumiku końcowym, to może zassać zgromadzoną tam wodę. Jeśli jest używany wyciąg spalin, to jego końcówka powinna mieć otwór umożliwiający prawidłowe umiejscowienie w rurze wydechowej sondy poboru spalin. Na rys. 6 pokazano różne sposoby montażu sondy poboru spalin. Niedopuszczalny jest taki sposób osadzenia sondy poboru spalin, który umożliwia zasysanie spalin razem z powietrzem.
W przypadku silników wyposażonych w pojedynczy układ wydechowy o więcej niż jednej końcówce końcowego tłumika lub podwójny układ wydechowy należy w każdej z końcówek rur wydechowych wykonać oddzielny pomiar składu spalin i ocenić jego wyniki.

Kryteria oceny stanu technicznego silnika na podstawie analizy spalin
Nowoczesne analizatory spalin umożliwiają sprawdzenie nie tylko składu i stężenia gazów spalinowych, ale są narzędziem do diagnozowania silnika. Określenie zawartości podstawowych składników spalin umożliwia ocenę zdatności katalizatora, sondy lambda oraz diagnozowanie i regulację innych układów silnika.
Na podstawie stężenia CO i CO2 można stwierdzić niewłaściwą regulację układu zasilania, nadmierne zanieczyszczenie filtra powietrza, nieszczelność układu wydechowego, brak odpowietrzania skrzyni korbowej oraz uszkodzenie układu rozruchowego wzbogacania składu mieszanki. Informacja o zawartości CH może być przydatna do określenia niezdatności układu zapłonowego lub spadku ciśnienia w cylindrach. Zmierzona wartość współczynnika składu mieszanki paliwowo-powietrznej λ (AFR) jest wykorzystywana do oceny funkcjonowania systemu regulacyjnego składu mieszanki.
Zgodnie z obowiązującym na stacjach kontroli pojazdów rozporządzeniem ministra infrastruktury w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia stężenie tlenku węgla CO i węglowodorów CH w spalinach oraz wartość współczynnika nadmiaru powietrza λ dla silników o zapłonie iskrowym nie mogą przekraczać wartości maksymalnych podanych w tabeli 1. Z analizy tych danych wynika, że wymagania dotyczące toksyczności spalin dla silników o zapłonie iskrowym zróżnicowano w zależności od rodzaju pojazdu i daty jego pierwszej rejestracji.
Stężenie składników spalin w silniku prawidłowo wyregulowanym i zdatnym technicznie powinno być zgodne z wymaganiami producenta pojazdu. Niezbędne do kontroli toksyczności spalin dane umieszczone są w oprogramowaniu (bazie danych) nowoczesnych analizatorów spalin, a ponadto zawarte są w instrukcjach fabrycznych pojazdów oraz w dostępnych publikacjach książkowych i w formie elektronicznej (np. Autodata). W przypadku braku danych można stosować ogólne kryteria zamieszczone w tabeli 2.



Do oceny stanu technicznego silnika na podstawie stężenia węglowodorów CH, tlenku węgla CO i dwutlenku węgla CO2 można wykorzystać informacje zamieszczone w tabeli 3.
Określenie wysoka (niska) zawartość CH i CO odnosi się do wartości stężenia tych składników zalecanych przez producenta pojazdu. W każdym przypadku należy stosować się do obowiązujących przepisów ograniczających zawartość toksycznych składników w spalinach. Wzrost zawartości węglowodorów w spalinach, czyli pozostałości niespalonego paliwa, wskazuje na niewłaściwe spalanie, usterki stanu technicznego silnika (mechanizmu tłokowo- -korbowego, mechanizmu rozrządu, układu zasilania, układu zapłonowego) lub złą regulację silnika. Regulacja składu mieszanki tylko na podstawie pomiaru CO tak, aby nie przekroczyć wartości ustalonej przez producenta, jest niewskazana. Takie postępowanie może doprowadzić do powstania zbyt ubogiej mieszanki, wypalenia zaworów i uszkodzenia silnika.
Pomiar zawartości dwutlenku węgla CO2, który nie jest gazem toksycznym, ma dla diagnostyki znaczenie pomocnicze. Wysokie stężenie CO2 w spalinach świadczy o efektywnej pracy silnika oraz katalizatora. Za niskie stężenie CO2 wskazuje na nieszczelności układu wydechowego lub uszkodzenie katalizatora.
Przyjmuje się, że stężenie tlenu w spalinach powinno zawierać się w granicach 0,1-2,0%. Znajomość zawartości tlenu można wykorzystać do oceny szczelności układu dolotowego i układu wylotowego silnika. Podczas regulacji gaźnika często korzysta się z faktu, że zawartość tlenu w spalinach intensywnie wzrasta podczas przejścia z bogatej mieszanki do ubogiej. O ustawieniu (podczas regulacji) punktu przejścia z mieszanki bogatej do ubogiej świadczy skokowy wzrost stężenia tlenu O2 do wartości około 0,5%.
Pomiar tlenków azotu NOx jest wykorzystywany do oceny zdatności katalizatora. Skuteczność redukcji tlenków azotu przez zdatny katalizator wynosi ponad 90%. Silnik z niezdatnym katalizatorem (lub bez katalizatora) powoduje powstawanie trujących tlenków azotu, zwłaszcza podczas spalania mieszanek ubogich.
Wartość współczynnika nadmiaru powietrza λ pozwala wnioskować, czy proces spalania odbywa się przy właściwych proporcjach paliwa i powietrza. Wymagane wartości współczynników lambda dla silników z wtryskiem benzyny i gaźnikowych podano w tabeli 2.

Legalizacja analizatorów spalin
Analizator spalin jest urządzeniem, wobec którego obowiązujące przepisy prawne nakładają określone obowiązki związane z jego obrotem oraz użytkowaniem. Te obowiązki określone są dyrektywami Unii Europejskiej i przepisami krajowymi.

Wprowadzanie analizatorów do obrotu
W Polsce aktualnym aktem prawnym regulującym wprowadzanie analizatorów spalin do obrotu jest ustawa o ocenie zgodności. Aktem wykonawczym do tej ustawy jest Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 18.12.2006 r. w sprawie zasadniczych wymagań dla przyrządów pomiarowych. Załącznik nr 10 do tego rozporządzenia określa wymagania dla analizatorów spalin. Wyżej wymienione rozporządzenie przenosi do polskiego systemu prawnego ustalenia dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2004/22/WE z dnia 31.03.2004 r. w sprawie przyrządów pomiarowych, zwanej potocznie MID (Measuring Instruments Directive).
Producent może spełnić wymagania dyrektywy trzema możliwymi sposobami:
- badanie typu analizatora połączone z zapewnieniem jakości produkcji,
- badanie typu analizatora połączone z weryfikacją każdego egzemplarza,
- pełne zapewnienie jakości z badaniem projektu.

Do wykonania wyżej wymienionych czynności upoważnione są jednostki notyfikowane Komisji Europejskiej.
Jedynym dokumentem, jaki obowiązkowo powinien być dostarczony wraz z analizatorem, jest deklaracja zgodności CE. Deklaracja CE wystawiona przez producenta urządzenia ma powoływać się na zgodność z dyrektywą 2004/22/WE. Dodatkowe wymagania dotyczące stacji kontroli pojazdów nakładają obowiązek posiadania polskiego tłumaczenia deklaracji zgodności (jego brak nie jest jednak wadą prawną). Analizator zgodny z dyrektywą MID dodatkowo powinien być oznaczony znakiem CE i następującą po nim dużą literą M wraz z rokiem produkcji (ostatnie dwie cyfry) oraz numerem jednostki notyfikowanej dokonującej badania typu. Wzór takiego oznaczenia przedstawiono przykładowo na rys. 7. Zgodnie z przepisami producent wystawiający deklarację CE sam potwierdza zgodność z dyrektywą MID. Powinien to jednak zrobić w sposób odpowiedzialny, dopiero po spełnieniu wymaganych warunków. Producent ponosi konsekwencje związane z błędnym lub fałszywym wystawieniem deklaracji zgodności. W kraju do weryfikacji deklaracji CE został uprawniony Urząd Ochrony Konkurencji, który wyznaczył do tej czynności Inspekcję Handlową.
Przepisy przejściowe umożliwiają wprowadzenie do obrotu analizatorów spalin przed 29 października 2016 r. na podstawie wcześniejszych regulacji prawnych. W Polsce takie przepisy są zawarte w ustawie Prawo o miarach. Analizator, który w deklaracji CE nie ma powołania na dyrektywę MID, musi obowiązkowo posiadać świadectwo legalizacji pierwotnej wystawione przez upoważniony do tego organ administracji miar. Legalizację pierwotną mogą uzyskać analizatory, które do 29 października 2006 r. otrzymały zatwierdzenie typu w Głównym Urzędzie Miar, a wydana decyzja jeszcze nie wygasła. Obecnie tylko kilka typów analizatorów spalin ma ważne takie decyzje. W większości przypadków ich ważność wygasła w 2014 roku.


Użytkowanie analizatorów spalin
Zgodnie z obecnie obowiązującymi polskimi przepisami dotyczącymi użytkowania analizatorów spalin przyrządy te podlegają legalizacji ponownej. Obowiązek ten wynika z ustawy Prawo o miarach i dotyczy użytkowników tych urządzeń. Aktem wykonawczym, regulującym to szczegółowo, jest Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 7.01.2008 r. w sprawie prawnej kontroli metrologicznej przyrządów pomiarowych.
W przypadku analizatorów wprowadzonych do obrotu na podstawie ustawy Prawo o miarach urządzenie należy zgłosić do legalizacji ponownej w ostatnim miesiącu ważności świadectwa legalizacji pierwotnej.
Dla analizatorów wprowadzonych do obrotu na podstawie ustawy o ocenie zgodności ustawodawca określa termin pierwszej legalizacji ponownej na 1 rok, licząc od 1 grudnia roku produkcji analizatora. Rok produkcji wytwórca umieszcza na urządzeniu w postaci ostatnich dwóch cyfr za dużą literą M następującą po znaku CE. Rozporządzenie określa, że urządzenie należy zgłaszać do legalizacji w ostatnim okresie ważności poprzedniego świadectwa (cechy). W tym przypadku cechę określa oznaczenie producenta. Na przykład, jeżeli na analizatorze umieszczono oznaczenie 14 za literą M, to zgodnie z prawem zgłoszenie do pierwszej legalizacji ponownej powinno nastąpić do dnia 30 listopada 2015 roku.
Kolejne zgłoszenia do legalizacji ponownej analizatorów spalin wprowadzonych do obrotu na podstawie obydwu ustaw powinny nastąpić w terminach co 6 miesięcy.
Wymieniona wyżej legalizacja potwierdza, że analizator spełnia wymagania i jego błędy wskazań nie przekraczają dopuszczalnych maksymalnych wartości. Legalizacja jest czynnością obowiązkową wykonywaną przez upoważnione laboratoria. Jednak świadectwo legalizacji nie zawiera wielkości tych błędów. Z tego powodu użytkownicy analizatorów spalin często zlecają wykonanie nieobowiązkowego wzorcowania analizatora. Wzorcowanie jest wyższą formą sprawdzenia analizatora. Po jego wykonaniu wydawany jest dokument, który potwierdza zgodność z wymaganiami oraz określa błędy analizatora i niepewność ich wyznaczenia. Wzorcowanie mogą wykonywać laboratoria akredytowane przez Polskie Centrum Akredytacji (PCA). Na rys. 8 przedstawiono przykładowy wzór oznakowania analizatora po wykonaniu wzorcowania.

Kalibracja analizatorów spalin
Analizatory spalin oprócz obowiązkowej legalizacji wymagają wykonywania określonych czynności obsługowych. Taką czynnością jest kalibracja (adjustacja) wskazań. Nowsze rodzaje analizatorów spalin zmuszają użytkowników do wykonania kalibracji (co 6 lub 12 miesięcy) z powodu automatycznego wyłączenia się lub wprowadzenia ograniczeń w ich funkcjonowaniu. Natomiast starsze odmiany analizatorów najczęściej nie posiadają takich ograniczeń. Pomimo tego co pewien czas taką czynność należy przeprowadzić. Kalibrację wskazań wykonuje się za pomocą gazu wzorcowego o określonym składzie. Do jej wykonywania nie są wymagane uprawnienia, wystarcza odpowiednia wiedza i umiejętności.
Konieczną do wykonania czynnością obsługową jest również okresowa (średnio co 3 lata) wymiana ogniwa tlenowego (czujnika tlenu). Czynność ta nie oznacza naprawy uszkodzenia. Ogniwo tlenowe jest wypełnione stale utleniającą się substancją, która wytwarza niewielką różnicę potencjałów (napięcie). W przypadku braku dostępu do tlenu następuje szybki spadek wytwarzanego napięcia, co powoduje zmianę wskazań analizatora. Proces zużycia ogniwa tlenowego nie jest związany z użytkowaniem analizatora i następuje również przy wyłączonym urządzeniu.

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura:
1. Praca zbiorowa: Inżynieria diagnostyki maszyn. Instytut Technologii Eksploatacji PIB, Radom 2004.
2. Rozporządzenie o warunkach technicznych pojazdów (tekst jednolity Dz.U. z 2015 r., poz. 305).
3. Analiza spalin silników ZI. Pomiar zadymienia spalin silników ZS. Poradnik Serwisowy 3/2010.
4. Trzeciak K: Diagnostyka samochodów osobowych. WKŁ, Warszawa 2011.