Diagnostyka

W poprzednich częściach artykułu opisano metody pomiaru stopnia zadymienia spalin i stosowane jednostki pomiarowe, warunki techniczne i przebieg badania zadymienia spalin, kryteria oceny stanu technicznego silnika na podstawie stopnia zadymienia spalin oraz pomiar zawartości cząstek stałych w spalinach. Tym razem zostaną przedstawione rodzaje, budowa i zasady działania przyrządów do pomiaru zadymienia spalin (dymomierzy).

Rodzaje urządzeń do badania zadymienia spalin
W stacjach kontroli i obsługi pojazdów, warsztatach naprawy samochodów oraz podczas badań drogowych do określania stopnia zadymienia spalin (poziomu emisji sadzy) w celach kontrolnych lub diagnostycznych stosuje się dymomierze optyczne. Ze względu na zasadę działania dzieli się je na: filtracyjne (metoda pośrednia) i absorpcyjne (metoda bezpośrednia). Aktualnie w stacjach kontroli pojazdów powszechnie stosuje się dymomierze absorpcyjne, które ze względu na konstrukcję mogą być pełnoprzepływowe lub o częściowym poborze spalin. Ta druga wersja występuje najczęściej. W stacjach kontroli pojazdów do pomiaru stopnia zadymienia spalin metodą swobodnego przyspieszania silnika wykorzystuje się tylko dymomierze sterowane mikroprocesorem, które umożliwiają automatyzację procesu. 

Optyczne dymomierze filtracyjne
Działanie dymomierza filtracyjnego polega na zassaniu pompą określonej porcji spalin z rury wydechowej silnika i przepuszczeniu jej przez papier (bibułę) filtracyjny. Stopień zaciemnienia papieru jest oceniany za pomocą optycznego układu pomiarowego i stanowi miernik zawartości sadzy w spalinach. Dymomierze filtracyjne nadają się tylko do pomiarów zadymienia spalin w ustalonych warunkach pracy silnika i praktycznie są obecnie coraz rzadziej stosowane. Z uwagi na różny sposób pobierania próbki spalin dymomierze filtracyjne można podzielić na te z pompą tłokową i z pompą przeponową.
Dymomierzy filtracyjnych z pompą tłokową nie można używać do pomiaru zadymienia spalin metodą swobodnego przyspieszania silnika ze względu na trudności w pobraniu reprezentatywnej próbki spalin i wynikającą stąd zbyt małą dokładność pomiaru (niemożliwe ustalenie optymalnej chwili włączenia pompy, za długi czas pobierania próbki). Do tego celu można jednak wykorzystać dymomierze filtracyjne z pompą przeponową sterowane mikroprocesorem.

Optyczne dymomierze absorpcyjne
Do pomiaru stopnia zadymienia spalin metodą swobodnego przyspieszania mogą być stosowane dymomierze absorpcyjne (opacimetry), które mierzą przezroczystość spalin (stopień osłabienia strumienia światła przechodzącego przez spaliny). Ten rodzaj dymomierzy może występować w dwóch wersjach: pełnoprzepływowej (do komory pomiarowej wpływa cały strumień spalin) lub próbkującej (do komory pomiarowej pobiera się część spalin). 

1. Schemat budowy dymomierza absorpcyjnego pełnoprzepływowego zamkniętego [3]: 1 – komora pomiarowa, 2 – odbiornik (element światłoczuły), 3 – nadajnik (lampa halogenowa), 4 – lustro

2. Schemat budowy dymomierza absorpcyjnego o częściowym przepływie spalin [4]: 1 – rura wylotowa, 2 – sonda do poboru spalin, 3 – nadajnik strumienia świetlnego, 4 – wentylatory, 5 – nadmuch powietrza, 6 – strumień świetlny, 7 – komora pomiarowa, 8 – odbiornik strumienia świetlnego, 9 – wyloty spalin i powietrza, 10 – grzałki, L – długość komory pomiarowej

Dymomierze absorpcyjne pełnoprzepływowe
W dymomierzach pełnoprzepływowych pomiar odbywa się bezpośrednio na końcu rury wydechowej pojazdu w swobodnie wypływającym, całym strumieniu spalin. Dymomierze absorpcyjne pełnoprzepływowe mogą mieć konstrukcję zamkniętą, niedopuszczającą światła z otoczenia do przestrzeni pomiarowej, lub otwartą. Źródło światła i element światłoczuły (fotoelement) znajdują się w płaszczyźnie poprzecznej do kierunku przepływu gazów spalinowych. Budowę i zasadę działania dymomierza absorpcyjnego pełnoprzepływowego zamkniętego przedstawiono na rys. 1. Układ optyczny przyrządu skupia wiązkę promieniowania wysyłaną przez nadajnik (3), którym jest lampa halogenowa, i przesyła wewnątrz komory pomiarowej (1), przez którą przepływają spaliny, do lustra (4). Odbite promieniowanie wraca do odbiornika (2), który jest elementem światłoczułym. Odbiornik mierzy stopień absorpcji światła przez spaliny. Skala dymomierza ma zakres od 0% do 100%, nazywany niekiedy jednostkami Hartridge’a (HRT). Zastosowanie odbicia promieni światła umożliwiło uzyskanie długości odcinka pomiarowego 400 mm przy szerokości komory pomiarowej 200 mm. Szczeliny na krańcach komory umożliwiają przepływ powietrza, co zapobiega osadzaniu się zanieczyszczeń na elementach optycznych. Przy różnych średnicach rur wydechowych stosowanych w pojazdach grubość warstwy spalin między elementami układu pomiarowego jest zmienna, co wpływa na uzyskany wynik pomiaru. To wada dymomierzy pełnoprzepływowych. W związku z tym konieczne jest mierzenie średnicy rury wydechowej i uwzględnianie współczynników korygujących.

3. Przykładowy ekran z wynikami pomiaru stopnia zadymienia spalin zgodnie ze skalą logarytmiczną (współczynnik pochłaniania światła K w m-1) – źródło: Brain Bee

Dymomierze absorpcyjne o częściowym przepływie spalin
W dymomierzach o częściowym przepływie spalin (drugi rodzaj dymomierzy absorpcyjnych) część spalin pobiera się z rury wydechowej silnika przez sondę o określonym przekroju. Zasadę działania dymomierza absorpcyjnego o częściowym przepływie spalin pokazano na rys. 2. Pobrana próbka spalin jest następnie badana w wydzielonej komorze (7). Na jej końcach znajdują się nadajnik strumienia świetlnego (źródło światła – 3) i odbiornik strumienia świetlnego (fotoelement – 8). Przepływające w rurze pomiarowej spaliny zawierające cząstki sadzy absorbują światło, co powoduje zmianę prądu płynącego w fotoelemencie. Na dokładność pomiaru mają wpływ temperatura i ciśnienie spalin, które należy utrzymywać w określonych granicach. Każda komora pomiarowa charakteryzuje się określoną długością (L) drogi przebywanej przez strumień świetlny. Najczęściej długość drogi strumienia świetlnego wynosi 430 mm. Temperatura spalin w komorze pomiarowej dymomierza jest mierzona podczas pracy i powinna wynosić 80-120ºC. Optymalną temperaturę komory pomiarowej ustalono na 100ºC i względem niej są przeliczane wyniki pomiaru zadymienia spalin otrzymane przy innych temperaturach. Do uzyskania i utrzymania wymaganej temperatury komory pomiarowej służą grzałki (10). Zapobiega to wytrącaniu się kondensatu pary wodnej. Czyszczenie szkieł układu optycznego dymomierza umożliwia pompa, która może w sposób automatyczny tłoczyć powietrze. 
Pomiar zadymienia spalin powinien być zawsze poprzedzony kontrolą zerowania dymomierza. W czasie zerowania w komorze pomiarowej musi znajdować się czyste powietrze. W starszych odmianach dymomierzy zerowanie przeprowadza się pokrętłem potencjometru umieszczonym na płycie czołowej urządzenia. W pierwszym z dwóch położeń zaworu kalibracji pompa zasysa czyste powietrze do komory pomiarowej (oczyszczanie szkieł układu optycznego), w położeniu drugim do komory wpływają spaliny, które podlegają ocenie. Komora pomiarowa jest podgrzewana. W nowszych dymomierzach, sterowanych mikroprocesorem, zerowanie odbywa się automatycznie przed każdym pomiarem.

Najczęściej stosuje się dwa rodzaje sond do poboru spalin:

•     o średnicy 10 mm dla rur wydechowych o średnicach do 70 mm,
•     o średnicy 27 mm dla rur wydechowych o średnicach ponad 70 mm.

W zależności od producenta dymomierza sondy poboru spalin mogą się różnić średnicą. Sondy należy dobierać zgodnie z wytycznymi podanymi przez wytwórcę dymomierza lub samochodu. Przewód łączący sondę z dymomierzem powinien być oryginalny, o wymaganej długości. Należy go ułożyć bez zagięć, które mogłyby ograniczyć przekrój wewnętrzny i ułatwić osadzanie się sadzy.
Większość dymomierzy absorpcyjnych o częściowym przepływie spalin wyposażona jest w dwie skale pomiarowe: liniową, wycechowaną w jednostkach stopnia pochłaniania światła A (%), lub logarytmiczną, wycechowaną w jednostkach współczynnika pochłaniania światła (K, m-1). Na rys. 3 przedstawiono przykład ekranu z wynikami pomiaru zadymienia spalin podanymi w postaci współczynnika pochłaniania światła (K) w m-1 (skala logarytmiczna).
Jeżeli podejmuje się decyzję o zakupie dymomierza do stacji kontroli pojazdów, to należy wybrać dymomierz absorpcyjny o częściowym przepływie spalin, który umożliwia pomiar współczynnika pochłaniania światła (K). Korzystne jest, aby zarówno analizator spalin stosowany do silników o zapłonie iskrowym, jak i dymomierz do silników o zapłonie samoczynnym były produktami tej samej firmy. Współczesne dymomierze odznaczają się łatwością obsługiwania, tj. samoczynnym zerowaniem, automatyczną kontrolą zabrudzenia elementów optycznych i oczyszczaniem układu optycznego (strumieniem powietrza tłoczonym przez pompę), półautomatyczną kalibracją, samoczynną autodiagnostyką oraz możliwością wydrukowania wyników pomiaru. Są przystosowane do pomiaru temperatury oleju silnikowego oraz prędkości obrotowej silnika za pomocą dodatkowych czujników (piezoelektrycznych, wibracyjnych lub innych).
Pomiar zadymienia spalin silnika o zapłonie samoczynnym można poprawnie przeprowadzić jedynie przy nagrzanym silniku. Wynika stąd potrzeba pomiaru temperatury pracy silnika. Sprawdzenie tego parametru wykonuje się za pomocą sondy mierzącej temperaturę oleju. Temperatura oleju silnikowego powinna przekraczać wartości minimalne ustalone przez wytwórcę silnika. W przypadku braku odpowiednich danych należy przyjmować minimum 60ºC (dla oleju silnikowego). Typowym sposobem pomiaru jest włożenie sondy temperatury w miejsce miarki poziomu oleju. Konstrukcja sondy powinna umożliwiać regulację jej długości. Jeżeli nie ma możliwości pomiaru temperatury, to należy doprowadzić silnik do stanu cieplnego, przy którym wentylator chłodnicy włączy się.

Nieprawidłowe wartości prędkości obrotowej silnika (biegu jałowego i maksymalnej) wpływają na wynik pomiaru zadymienia spalin. Wzrost mierzonego zadymienia spalin może nastąpić w przypadku:

•     za niskiej prędkości obrotowej biegu jałowego,
•     za wysokiej maksymalnej prędkości obrotowej silnika.

Natomiast zmniejszenie mierzonego zadymienia spalin silników o zapłonie samoczynnym może być spowodowane:

•     za wysoką prędkością obrotową biegu jałowego,
•     za niską maksymalną prędkością obrotową silnika.

4. Sposób zakładania czujnika piezoelektrycznego na przewód doprowadzający paliwo do wtryskiwacza [1]

Z praktyki wiadomo, że już różnica o 100 obr./min względem wymaganych zakresów wartości obu prędkości obrotowych zauważalnie wpływa na wynik pomiaru zadymienia spalin.
Pomiar prędkości obrotowej silników o zapłonie samoczynnym najczęściej wykonuje się czujnikiem piezoelektrycznym (rys. 4) zakładanym na przewód wysokiego ciśnienia, który wykrywa zmiany średnicy tego przewodu spowodowane pulsacją ciśnienia paliwa i przekształca je na sygnał napięciowy. Sygnał ten po wzmocnieniu jest przesyłany do układu zliczającego liczbę impulsów w jednostce czasu. Jeden impuls oznacza wykonanie przez silnik dwóch obrotów (dla silnika czterosuwowego). Należy stosować czujnik odpowiedni do średnicy zewnętrznej przewodu wtryskowego. Czujnik montuje się na wolnym od zanieczyszczeń, prostym odcinku przewodu wtryskowego (o długości min. 20 mm), możliwie blisko wtryskiwacza lub pompy wtryskowej. Jeżeli czujnik jest przykręcany, to należy go dokręcić zgodnie z zaleceniami producenta. Po zamontowaniu czujnika nie można przesuwać i obracać. W standardowym wyposażeniu dymomierza znajduje się czujnik piezoelektryczny o średnicy 6 mm. W nietypowych konstrukcjach silników występują również inne średnice przewodów zasilających. Dlatego dodatkowe wyposażenie dymomierzy zawiera również czujniki o innych średnicach.

Jeżeli rozwiązanie konstrukcyjne silnika o zapłonie samoczynnym uniemożliwia zastosowanie czujników piezoelektrycznych, to do pomiaru prędkości obrotowej silnika należy zastosować inne metody pomiarowe wykorzystujące:

•     częstotliwość tętnienia napięcia w instalacji elektrycznej pojazdu,
•     przebieg drgań silnika (czujniki wibracyjne),
•     sygnały z refleksyjnego czujnika optycznego,
•     informacje pobrane ze złącza OBD (w pojazdach wyposażonych w system diagnostyki pokładowej OBDII/EOBD).

Podczas pomiaru zadymienia spalin szczelność układu wylotowego silnika odgrywa dużą rolę, ponieważ wszelkie nieszczelności wykluczają dokonanie prawidłowego pomiaru. Nowoczesne dymomierze rejestrują również temperaturę spalin w komorze pomiarowej, nadciśnienie panujące w komorze, czas przyspieszania silnika.
Zasadnicze elementy dymomierza mieszczą się we wspólnej obudowie. Najczęściej wydzielony jest panel sterujący z wyświetlaczami, podającymi wartość zadymienia spalin oraz pozostałe dane (prędkość obrotowa silnika, temperatura oleju silnikowego). Na panelu sterującym znajduje się także przełącznik trybu pracy dymomierza (test swobodnego przyspieszania, pomiar ciągły) oraz często przycisk wydruku protokołu z badań. Na tylnej ścianie obudowy wykonane są zwykle przyłącza: zasilania elektrycznego, sondy poboru spalin, zdalnego termometru mierzącego temperaturę oleju i czujnika prędkości obrotowej silnika. Jeżeli dymomierz będzie wykorzystywany do pracy w warunkach terenowych (Inspekcja Transportu Drogowego, Policja), to powinien mieć możliwość zasilania z akumulatora samochodowego (napięcie 12 lub 24 V).
Konstrukcja układu pomiarowego dymomierza powinna umożliwić odseparowanie elementów optycznych od strumienia spalin wywołującego zabrudzenie. Stosowanym rozwiązaniem jest kurtyna powietrzna, która dzięki wykorzystaniu wydajnych wentylatorów oraz odpowiedniemu ukształtowaniu komory pomiarowej zapewnia ochronę elementów optycznych. Dodatkowym elementem chroniącym wnętrze przyrządu jest elektrozawór otwierający dopływ spalin tylko podczas pomiaru. Takie rozwiązanie nie wymaga wyjmowania sondy poboru spalin z rury wydechowej w trakcie zerowania toru pomiarowego. Zerowanie najczęściej wykonywane jest automatycznie, więc nawet w przypadku niewielkiego zabrudzenia elementów optycznych urządzenie powinno uwzględniać poprawkę i wykonywać obliczenia tak, aby wynik pomiaru był poprawny.
Spaliny silników o zapłonie samoczynnym oprócz cząstek stałych zawierają również węglowodory i parę wodną. Z tego powodu stosuje się podgrzewane komory pomiarowe, ze stabilizacją temperatury na poziomie 100ºC, co zapobiega skraplaniu kondensatu.

Obecnie najczęściej oferowane są następujące warianty konstrukcyjne dymomierzy absorpcyjnych:

•     pojedyncze, samodzielne urządzenie kontrolne (rys. 5),
•     przystawka do analizatora spalin (rys. 6 i 7), 
•     element wielozadaniowego stanowiska do badania spalin silników o zapłonie samoczynnym i iskrowym (rys. 8). 

Stacje kontroli pojazdów wykonujące okresowe badania techniczne powinny być wyposażone w dymomierze, które zostały poddane ocenie zgodności i posiadają deklarację zgodności wystawioną przez wytwórcę.
O walorach dymomierza decydują jego poręczność, możliwość swobodnego usytuowania podczas pomiarów, łatwość przemieszczania przy pojeździe (dotyczy zwłaszcza samochodów ciężarowych i autobusów), zasilanie prądem o napięciu 230 V i 12/24 V oraz szybkość podłączania i odłączania. W celu zmniejszenia czasu przygotowania przyrządu do badań konieczne jest szybkie podgrzanie komory pomiarowej i ewentualne podgrzanie soczewek układu optycznego przy niewielkim poborze prądu (ok. 10 A). Przewód doprowadzający spaliny do dymomierza powinien mieć długość powyżej 3 m, aby można było pobierać spaliny przy górnym wylocie spalin w samochodach ciężarowych (rys. 9).
Podczas wykonywania pomiarów dymomierzem liczba potrzebnych danych jest znacznie mniejsza niż w przypadku analizatora spalin, wobec czego stosowanie komputera zewnętrznego nie jest konieczne. Przyrządy wyższej klasy mogą współpracować za pośrednictwem odpowiedniego interfejsu z komputerem zewnętrznym (PC, laptop). W celu zwiększenia zakresu działania urządzenia niektórzy producenci oferują wersje z czytnikiem kart magnetycznych. W ten sposób powiększa się bazę danych, na przykład o informacje z zakresu zadymienia spalin różnych marek samochodów.
Nowe odmiany dymomierzy absorpcyjnych sterowane mikroprocesorem po wykonaniu wymaganej liczby przyspieszeń automatycznie obliczają średnią arytmetyczną z pomiarów i często sygnalizują potrzebę wykonania dodatkowych pomiarów w celu zwiększenia dokładności badań.
Producenci dymomierzy w instrukcjach obsługi podają określone zalecenia dotyczące czyszczenia komory pomiarowej i sondy poboru spalin. Jeżeli w komorze pomiarowej znajduje się tylko powietrze, to urządzenie powinno wskazywać zerową wartość zadymienia. W praktyce mogą wystąpić odchyłki, ale nie powinny one przekraczać wartości określonych przez wytwórcę (zostaną wówczas uwzględnione przez program sterujący dymomierzem). Przewód sondy poboru spalin powinno się przedmuchać codziennie. Dotyczy to szczególnie sytuacji, gdy wyniki pomiarów zbyt się różnią. Najczęściej powodem zakłóceń bywa sadza zgromadzona w przewodzie sondy.
Klasyczne dymomierze absorpcyjne nadają się do kontroli zadymienia spalin (pośrednio zawartości cząstek stałych) w starszych pojazdach. Do pojazdów wyposażonych w nowoczesne silniki o zapłonie samoczynnym i spełniających normy emisji spalin Euro 5 i wyższe powinno się stosować bezpośredni pomiar zawartości cząstek stałych w spalinach za pomocą liczników cząstek stałych (dokładność pomiaru dymomierzy jest zbyt mała). Na tym etapie pomiar stężenia cząstek stałych jest dobrowolny dla krajów członkowskich Unii Europejskiej. Test cząstek stałych podczas badania okresowego nowoczesnych pojazdów z silnikiem ZS wprowadziły już: Belgia, Niderlandy, Szwajcaria i Niemcy. Przewiduje się, że w najbliższych latach kolejne kraje członkowskie Unii Europejskiej wprowadzą takie badanie. W przypadku starszych pojazdów w dalszym ciągu będzie wykonywane tradycyjne badanie zadymienia spalin (dymomierzem).

dr inż. Kazimierz Sitek 

Literatura
1. Analiza spalin silników ZI. Pomiar zadymienia spalin silników ZS. Poradnik Serwisowy 3/2010.
2. Praca zbiorowa (red. Bocheński C.): Badania kontrolne samochodów. WKŁ, Warszawa 2000.
3. Sitek K.: Diagnostyka samochodowa. Układy odpowiedzialne za bezpieczeństwo jazdy. Wydawnictwo AUTO, Warszawa 1999.
4. Sitek K.: Badania techniczne pojazdów. Poradnik diagnosty. WKŁ, Warszawa 2020.