Diagnostyka

Szybki rozwój motoryzacji powoduje również nieustanny wzrost zagrożenia ekologicznego, wynikającego przede wszystkim z emisji spalin do atmosfery. Działania polegające na wprowadzaniu coraz bardziej rygorystycznych norm dotyczących dopuszczalnych poziomów emisji toksycznych składników spalin obciążają przede wszystkim producentów pojazdów, którzy muszą uzyskać homologację na swój wyrób. Podczas eksploatacji tę rolę przejmują stacje kontroli pojazdów, w których podczas okresowych badań technicznych sprawdza się, czy pojazd dopuszczony do ruchu spełnia obowiązujące wymagania ekologiczne.

Wprowadzenie
W tłokowym silniku spalinowym następuje zamiana energii cieplnej na mechaniczną. Podstawową rolę w tym procesie odgrywają przygotowanie i spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej. Układ zasilania paliwem dostarcza do silnika spalinowego paliwo oraz umożliwia wytworzenie mieszanki paliwowo-powietrznej o odpowiednim składzie i odpowiednich właściwościach palnych. Sprawne działanie układu zasilania paliwem polega na przyporządkowaniu masie pobieranego przez silnik powietrza takiej masy paliwa, aby uzyskać optymalny w danych warunkach pracy współczynnik nadmiaru powietrza (współczynnik składu mieszanki) – l. 
Zasilanie silnika spalinowego mieszanką o odpowiednim składzie pozwala optymalizować jego pracę w zależności od potrzeb ze względu na: maksymalną moc, minimalne zużycie paliwa i najmniejszą toksyczność spalin, tj. minimalną koncentrację toksycznych składników spalin. Optymalizowanie pracy silnika spalinowego wymaga zastosowania odpowiedniej konstrukcji układu zasilania paliwem, umożliwiającego sterowanie procesem spalania mieszanki przez precyzyjne dawkowanie paliwa.
Efektem ubocznym spalania mieszanki paliwowo-powietrznej jest powstawanie gazów spalinowych, które są odprowadzane do otoczenia. W spalinach silników pojazdów samochodowych znajduje się wiele różnych związków chemicznych w postaci gazowej, ciekłej i stałej (rys. 1). Są one bardzo zróżnicowane pod względem stężenia i toksyczności. Spaliny w znacznej części składają się z substancji nietoksycznych, normalnie występujących w powietrzu, to jest: azotu (N2), tlenu (O2), dwutlenku węgla (CO2) i pary wodnej (H2O). Tylko niewielką ich część stanowią substancje szkodliwe, jak: tlenek węgla (CO), węglowodory (CH), tlenki azotu (NOx), węgiel (C, w postaci sadzy) i inne. Są one jednak na tyle niebezpieczne, że stwarzają zagrożenie dla człowieka i jego środowiska naturalnego. 
Z tego powodu kilkanaście lat temu nastąpiło przewartościowanie wymagań stawianych silnikom spalinowym. Problemy związane ze zwiększeniem osiągów silników oraz ich trwałością i niezawodnością odsunięto na nieco dalszy plan, a rozwój silników podporządkowano obniżeniu zużycia paliwa i spełnieniu coraz bardziej rygorystycznych norm ekologicznych.
Składem mieszanki, spełniającym obowiązujące wymagania ekologiczne, jest skład stechiometryczny o współczynniku l = 1 w całym zakresie obciążeń i prędkości obrotowych silnika. Wymóg zasilania współczesnego silnika o zapłonie iskrowym (ZI) mieszanką stechiometryczną wynika z zastosowania katalizatora o działaniu redukcyjnym, który przy tym składzie mieszanki osiąga najwyższą sprawność (rys. 2). Katalizator redukcyjny neutralizuje wszystkie grupy substancji toksycznych w spalinach: węglowodory, tlenek węgla i tlenki azotu, przetwarzając je z około 90-proc. sprawnością na parę wodną, dwutlenek węgla i azot.
Spośród wielu związków zawartych w spalinach obecnie tylko nieliczne podlegają kontroli zawartości podczas eksploatacji pojazdów. Są to między innymi tlenek węgla (CO), dwutlenek węgla (CO2), węglowodory (CH) – w spalinach silników o zapłonie iskrowym (ZI) oraz koncentracja węgla (C, sadzy) – w spalinach silników o zapłonie samoczynnym (ZS). Analiza składu spalin emitowanych przez silnik spalinowy jest jednym z podstawowych testów decydujących o dopuszczeniu pojazdu do ruchu drogowego. Ma też istotne znaczenie diagnostyczne.
W Polsce dopuszczalny poziom stężenia tlenku węgla i węglowodorów oraz współczynnika nadmiaru powietrza lambda określa rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych pojazdów oraz zakresu ich niezbędnego wyposażenia. Wymagania dotyczące toksyczności spalin dla silników o zapłonie iskrowym zostały zróżnicowane w zależności od rodzaju pojazdu i daty pierwszej rejestracji.
Zakres i sposób określania toksyczności spalin silników pojazdów reguluje rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów oraz wzorów dokumentów stosowanych przy tych badaniach. Warunki techniczne oraz metodyka badań tam zawarte pozwalają w sposób jednoznaczny ocenić poziom emisji szkodliwych składników spalin i na tej podstawie określić, czy dany pojazd może być dopuszczony do ruchu po drogach publicznych.
W silnikach o zapłonie iskrowym zakres i przebieg analizy spalin zależy od rodzaju układu zasilania (gaźnikowy, wtrysk benzyny) oraz od konstrukcji układu wydechowego (bez katalizatora, z katalizatorem). Mierzone są udziały tlenku węgla i węglowodorów lub tylko tlenku węgla oraz określany jest skład spalanej mieszanki. Obecnie nie jest wymagany bezpośredni pomiar stężenia tlenków azotu, co byłoby trudne do wykonania w stacji kontroli pojazdów (bez użycia hamowni podwoziowej), ponieważ tlenki azotu występują przede wszystkim w czasie pracy silnika pod obciążeniem. Z tego powodu wprowadzono obowiązek kontroli układu zasilania silnika przez pomiar współczynnika składu mieszanki (l). Jego wartość powinna wynosić 0,97-1,03, co odpowiada składowi stechiometrycznemu. Przy takim składzie mieszanki w sprawnie działającym katalizatorze uzyskujemy optymalną konwersję jednocześnie tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu. Pośrednio zyskujemy pewność, że zawartość tlenków azotu pozostanie na odpowiednio niskim poziomie.
Podczas analizy spalin pierwszy pomiar wykonuje się dla silnika pracującego na biegu jałowym. W celach diagnostycznych wartość emisji porównuje się odpowiednio do wartości maksymalnych podawanych przez wytwórcę pojazdu, a jeżeli celem badania jest dopuszczenie do ruchu – z wymaganiami prawnymi. Po raz drugi kontrolę składu spalin wykonuje się podczas pracy silnika z prędkością od 2000 do 3000 obr./min. 
Uzyskane wyniki nie mogą wówczas przekraczać wartości określonych w przepisach.
Natomiast dla silników o zapłonie samoczynnym powinno się określić koncentrację węgla (sadzy) w spalinach, nazywaną stopniem zadymienia.
Obowiązujące warunki badań nakazują przeprowadzenie pomiarów w określonym stanie cieplnym silnika i przy zadanej prędkości obrotowej. Dla silników o ZI istotne są również: kąt wyprzedzenia zapłonu, skład mieszanki oraz stężenie tlenu i dwutlenku węgla. Parametry te w sposób bezpośredni wpływają na mierzony poziom emisji składników toksycznych. Ich sprawdzenie pozwala na wykonanie badań w porównywalnych warunkach oraz na uwzględnienie ich wpływu na mierzony skład spalin.
Dobra znajomość wzajemnych zależności między składem spalin a wymienionymi czynnikami pozwala diagnoście nie tylko na świadome dopuszczenie pojazdu do eksploatacji. Umiejętna interpretacja wyników otrzymanych podczas analizy spalin umożliwia również podejmowanie trafnych decyzji w zakresie oceny faktycznego stanu technicznego silnika, z lokalizacją niedomagań włącznie.

Czynniki eksploatacyjne a skład spalin
Emisja toksycznych składników spalin jest zjawiskiem nieuniknionym, związanym z pracą silnika spalinowego w każdych warunkach eksploatacyjnych, i wynika z niedoskonałości zachodzących w nim procesów spalania. Udziały objętościowe lub wagowe poszczególnych związków chemicznych w gazach spalinowych są różne i zależą od czynników, które wpływają na przebieg procesu. Są to zarówno czynniki konstrukcyjno-technologiczne (budowa komory spalania, stopień sprężania, ustawienie faz rozrządu), jak i czynniki eksploatacyjne, związane z użytkowaniem oraz obsługiwaniem silnika, na przykład:

• jednorodność i skład mieszanki paliwowo-powietrznej,
• kąt wyprzedzenia zapłonu w silniku o ZI,
• ciśnienie, kąt wyprzedzenia i czas trwania wtrysku paliwa w silnikach o ZS,
• warunki pracy silnika (obciążenie, stan cieplny, prędkość obrotowa),
• stan techniczny silnika (szczelność przestrzeni roboczej).

Wszelkie zmiany tych czynników, wynikające na przykład ze zużycia eksploatacyjnego, zawsze oddziaływają na przebieg spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. Decydują więc o jego ilościowym i jakościowym charakterze oraz o składzie i koncentracji składników toksycznych w spalinach.
Można więc przyjąć, że udział w spalinach składników świadczących o niezupełnym oraz niecałkowitym spaleniu paliwa (CO, CH, C) jest miarą niedoskonałości spalania, a zatem również wskaźnikiem stanu technicznego silnika. Dotyczy to w szczególności układów wpływających na przebieg tego procesu, tj. układu zasilania, zapłonowego, tłokowo-korbowego i rozrządu.
Wykaz podstawowych składników spalin silników spalinowych i średni poziom ich koncentracji przedstawiono w tabeli 1.

Wpływ składu mieszanki na skład spalin
Pomiędzy parametrami charakteryzującymi spalaną mieszankę palną a parametrami produktów jej spalania (spalinami) istnieje ścisła współzależność. Mieszankę paliwowo-powietrzną charakteryzują odpowiednie współczynniki, które określają wzajemne proporcje masowe powietrza i paliwa w niej zawartych. W praktyce do celów diagnostycznych wykorzystuje się dwa parametry, którymi są:

• współczynnik składu mieszanki (współczynnik nadmiaru powietrza – l) wyrażony stosunkiem rzeczywistej masy powietrza znajdującego się w mieszance (mpow) do masy powietrza teoretycznie potrzebnej (mpowT) do całkowitego i zupełnego spalenia masy paliwa (mpal) znajdującej się w mieszance; współczynnik l określony jest wzorem:

gdzie:
L0    – stała stechiometryczna paliwa, określająca teoretyczną ilość powietrza niezbędną do całkowitego i zupełnego spalenia 1 kg paliwa,

• niemianowana liczba AFR, będąca ilorazem masy powietrza (mpow) i masy paliwa (mpal) zawartych w mieszance; liczbę AFR określa wzór:

Między tymi dwoma parametrami, wyrażającymi w różny sposób tę samą cechę mieszanki, istnieje następująca współzależność przedstawiona na rys. 3 i wyrażona wzorem:

Skład mieszanki wyrażany współczynnikiem l lub AFR wywiera istotny wpływ na skład spalin i poziom emisji ich toksycznych składników w silnikach o zapłonie iskrowym i o zapłonie samoczynnym. W praktyce diagnostycznej wykorzystywane jest to do oceny stanu technicznego i regulacji elementów układu zasilania silnika.
W silniku spalinowym o zapłonie iskrowym zupełne i całkowite spalanie mieszanki następuje przy jej stechiometrycznym składzie, gdy współczynnik l = 1 (wówczas na 1 kg benzyny przypada około 14,6 kg powietrza). Wtedy spaliny składają się przede wszystkim z pary wodnej, nietoksycznego dwutlenku węgla oraz pozostałego z powietrza azotu. Zależnie od warunków pracy silnika spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej wytworzonej przez układ wtryskowy lub gaźnik przebiega:

• z pewnym nadmiarem powietrza (l > 1) – mieszankę określa się wtedy jako ubogą, 
• lub jego niedomiarem (l < 1) – mówi się wówczas o mieszance bogatej.

Zmiany składu mieszanki mogą odbywać się tylko w pewnych granicach określonych parametrami eksploatacyjnymi silnika (moc, moment obrotowy i zużycie paliwa) oraz dopuszczalną zawartością w spalinach substancji toksycznych.
W silnikach o zapłonie iskrowym stężenie w spalinach tlenku węgla osiąga wartości bliskie zeru dla mieszanek stechiometrycznych (rys. 4) i utrzymuje minimum dla mieszanek ubogich (l > 1). W tej grupie silników czynnikiem decydującym o poziomie emisji tlenku węgla jest skład mieszanki, zależny przede wszystkim od stanu technicznego i właściwej regulacji układu zasilania paliwem.

Tabela 1. Przeciętne stężenie podstawowych składników spalin [1]

Tabela 2. Porównanie jednostek miary objętościowych udziałów składników w spalinach

Minimalne stężenie węglowodorów występuje dla współczynnika nadmiaru powietrza osiągającego wartości l = 1,10-1,15. Stężenie węglowodorów dla innych wartości składów mieszanki jest zawsze większe i rośnie zarówno w miarę wzbogacania, jak i zubażania mieszanki palnej.
Maksymalna koncentracja tlenków azotu w spalinach silników o ZI występuje w zakresie najbardziej ekonomicznych warunków pracy silnika (lek =1,10-1,15). W miarę zubażania mieszanki, mimo wzrastającej w niej ilości tlenu, emisja NOx maleje. Świadczy to o decydującym wpływie temperatury spalania na przebieg procesu utleniania azotu i koncentrację tlenków azotu w spalinach. 
Oceniając wpływ składu mieszanki (l) na skład spalin w silniku o zapłonie iskrowym, można stwierdzić, że w przypadku zasilania mieszanką ekonomiczną (lek) silnik zużywa minimalną ilość paliwa i osiąga najwyższą sprawność ogólną, emituje jednocześnie najmniejsze ilości tlenku węgla i węglowodorów oraz maksymalną ilość tlenków azotu. Natomiast przy zasilaniu mieszanką dynamiczną (ld= 0,8-0,9) silnik osiąga moc maksymalną przy stosunkowo dużej emisji produktów niezupełnego spalania, to jest tlenku węgla i węglowodorów.
Charakter przedstawionych zmian stężenia składników spalin w funkcji zmiany składu mieszanki (l) jest podobny dla wszystkich silników o zapłonie iskrowym, niezależnie od różnic konstrukcyjnych ich układów i zespołów.
Dla potrzeb diagnostyki ilość składników spalin określa się przez podanie objętościowego udziału (stężenia) poszczególnych składników w mieszaninie gazów spalinowych. Wartość emisji CO, CO2 i O2 jest wyrażana ich procentowym udziałem w ogólnej objętości spalin (% obj., % vol.). Natomiast zawartość CH i NOx jest podawana w jednostkach ppm (parts per million), tj. w milionowych częściach całkowitej objętości gazów spalinowych. Wymienione jednostki miary porównano w tabeli 2.
Wpływ składu mieszanki (l) na skład spalin w silniku o zapłonie samoczynnym oraz oddziaływanie innych czynników eksploatacyjnych na skład spalin silników o zapłonie iskrowym (ZI) i silników o zapłonie samoczynnym (ZS) zostanie przedstawiony w części drugiej artykułu. 

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura
1. Praca zbiorowa (red. S. Niziński): Diagnostyka samochodów osobowych i ciężarowych. Dom Wydawniczy Bellona, Warszawa 1999. 
2. Praca zbiorowa (red. A. Wysocki): Diagnozowanie silnika. Analiza spalin. Zadymienie spalin. Korespondencyjna Szkoła Diagnostyki – Zeszyt nr 7.
3. Sitek K., Syta S.: Pojazdy samochodowe. Badania stanowiskowe i diagnostyka. WKŁ, Warszawa 2011.