Diagnostyka

– zadymienie spalin (1)

Silniki o zapłonie samoczynnym różnią się, w porównaniu z silnikami o zapłonie iskrowym, sposobem przygotowania mieszanki, jej spalania oraz rodzajem stosowanego paliwa. Konsekwencją tych różnic są inne wartości parametrów charakteryzujących proces spalania oraz inny skład i koncentracja głównych składników spalin.

Spaliny w przeważającej części składają się z substancji normalnie występujących w powietrzu, a więc azotu N2, tlenu O2, dwutlenku węgla CO2 i pary wodnej H2O. Tylko nieznaczną ich część stanowią substancje szkodliwe (w silnikach o zapłonie samoczynnym nie więcej niż 0,3% objętości). Podstawowymi składnikami toksycznymi spalin silników o zapłonie samoczynnym są tlenki azotu NOx oraz cząstki stałe PM. Emisja tlenku węgla CO oraz węglowodorów CH jest niewielka i ma znaczenie drugorzędne. Emisja cząstek stałych PM jest specyficzna dla silników wysokoprężnych i wynika z właściwości stosowanego paliwa oraz z przebiegu procesu spalania i tworzenia mieszanki palnej. Głównym, ale nie jedynym, składnikiem cząstek stałych jest węgiel C (w postaci sadzy). Skład mieszanki bezpośrednio wpływa na skład spalin, a więc i na poziom emisji toksycznych składników spalin (rys. 1). Charakter przedstawionych 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.

Rys.1. Wpływ składu mieszanki l na skład spalin silnika o zapłonie samoczynnym: lgd – skład mieszanki odpowiadający granicy dymienia, lbj – skład mieszanki odpowiadający pracy silnika na biegu jałowym.

Maksymalne stężenie tlenków azotu w spalinach występuje w czasie zasilania silników mieszanką ekonomiczną (lek= lgd=1,2÷2). W miarę zubażania mieszanki, mimo wzrastającej ilości tlenu w spalinach, emisja NOx się zmniejsza (wpływ temperatury spalania). W silnikach o zapłonie samoczynnym emisja tlenku węgla CO zależy głównie od zastosowanego systemu spalania oraz lokalnego składu mieszanki w komorze spalania. Jej poziom jest znacznie niższy niż w silnikach o zapłonie iskrowym i nie przekracza 600 ppm. Wynika to z tego, że w tych silnikach skład mieszanki zmienia się w bardzo dużym zakresie mieszanek ubogich z dużym nadmiarem powietrza (od lbj do lgd) i jest równoznaczny ze zmianą obciążenia silnika oraz rozwijanej mocy użytecznej. Konieczność zasilania silników o zapłonie samoczynnym w pełnym zakresie obciążeń mieszanką z dużym nadmiarem powietrza wynika z odmiennego niż w silnikach o zapłonie iskrowym sposobu tworzenia mieszanki i jej zapłonu, uniemożliwiających całkowite spalanie paliwa. Gazy spalinowe tych silników zawierają zawsze produkty niecałkowitego spalania, których głównym składnikiem jest węgiel w postaci sadzy. Skład spalin silnika o zapłonie samoczynnym na biegu jałowym, gdy zasilany jest on mieszanką najuboższą (lbj=8÷12) charakteryzuje bardzo duży udział objętościowy tlenu i azotu oraz śladowa ilość pozostałych składników: CH, CO, CO2, H2, H2O, NOx oraz sadzy (węgla). W miarę wzbogacania mieszanki, z racji podawania przez układ wtryskowy coraz większej dawki paliwa i zwiększania mocy silnika, maleje w spalinach udział tlenu, natomiast rośnie stężenie tlenku węgla oraz sadzy. Wartość graniczną sadzy w spalinach (granicę dymienia) wyznacza graniczna wartość współczynnika lgd = 1,2÷2, odpowiadająca pełnemu obciążeniu silnika (patrz rys. 1). Wzrost koncentracji sadzy w spalinach w miarę wzbogacania mieszanki do wartości granicznej lgd jest spowodowany ciągłym zwiększaniem się udziału niecałkowitego spalania paliwa w procesie spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. W celu ograniczenia zawartości składników toksycznych w spalinach, w nowszych modelach silników o ZS stosuje się m.in. katalizatory utleniające oraz filtry cząstek stałych (sadzy). Podstawowym zadaniem katalizatora utleniającego jest zmniejszenie w spalinach zawartości tlenku węgla CO i węglowodorów CH. Katalizator utleniający zmniejsza również emisję cząstek stałych (sadzy) o około 30%. Następuje to w wyniku spalania cząstek sadzy, podczas ich kontaktu z warstwą aktywną katalizatora, w temperaturze około 600OC. W układach wydechowych nowoczesnych silników o ZS montuje się również filtry cząstek stałych (sadzy) o różnej konstrukcji. Na przykład, filtr ceramiczny podczas przepływu spalin przez ścianki kanałów wymusza ich filtrację, co powoduje zatrzymywanie sadzy. Filtr cząstek stałych może być zespolony w jednej obudowie z katalizatorem utleniającym lub powierzchnia kanałów filtra może być pokryta warstwą katalityczną o działaniu utleniającym. Filtr wyposażony jest w dodatkowe układy służące do wypalania podczas jazdy zgromadzonej sadzy. Minimalna temperatura pracy katalizatora wynosi około 250OC. Uzyskanie przez silnik wymaganej temperatury płynu chłodzącego (80OC) nie zawsze oznacza, że katalizator osiągnął wymaganą temperaturę pracy. Aby to uzyskać należy, przed badaniem spalin, wykonać określone czynności przygotowawcze.

1. Pomiar zadymienia spalin
Obecnie podczas okresowych badań technicznych pojazdów z silnikiem o zapłonie samoczynnym nie wymaga się bezpośredniego pomiaru żadnego ze składników toksycznych spalin (NOx, PM, CO, CH). Obowiązujące przepisy określają natomiast dopuszczalny poziom zadymienia spalin, co można traktować jako pośredni pomiar zawartości cząstek stałych PM, ponieważ obecność w spalinach cząstek stałych (sadzy) jest główną przyczyną ich zadymienia. Sytuacja taka jest spowodowana zarówno łatwością wykonania pomiaru zadymienia, jak i możliwością zastosowania mniej skomplikowanych przyrządów. Jeżeli silnik o zapłonie samoczynnym pracuje na biegu jałowym, to wartość współczynnika składu mieszanki l wynosi od 11 do 12. W komorze spalania do sprężonego powietrza wtryskiwana jest mała dawka paliwa, tworzy się mieszanka uboga i podczas jej spalania powstaje mało cząstek stałych (sadzy). Wraz ze wzrostem obciążenia układ zasilania podaje coraz większe dawki paliwa, mieszanka staje się coraz bogatsza i wzrasta zawartość sadzy w spalinach (rys. 2). Gdy silnik osiąga moc równą maksymalnej, współczynnik składu mieszanki l ma wartość bliską jedności, a zawartość cząstek stałych (sadzy) jest największa. Można więc stwierdzić, że większe ilości cząstek stałych powstaną dopiero przy wzroście obciążenia silnika. W stacjach kontroli pojazdów obciążenie w trakcie pomiaru zadymienia spalin jest realizowane w teście swobodnego przyspieszania, tj. podczas wywoływania nagłego przyrostu prędkości obrotowej silnika od prędkości obrotowej biegu jałowego do prędkości maksymalnej. Moment bezwładności powstający podczas zwiększania prędkości obrotowej mas wirujących jest wówczas momentem obciążającym silnik. Umożliwia to krótkotrwałe osiągnięcie dużego obciążenia silnika i pozwala na wykonanie pomiaru. Podczas pomiaru zadymienia spalin dymomierz wykonuje serię pomiarów (min. 3 cykle swobodnego przyspieszania). Każdy cykl przyspieszania jest zdarzeniem losowym i charakteryzuje się pewną niepowtarzalnością. Dlatego wyniki pomiarów są poddawane obróbce statystycznej. Mikroprocesor dymomierza oblicza średnią, odchylenie standardowe, odrzuca wyniki obarczone błędem grubym i ponownie oblicza średnią z pozostałych wyników pomiarów.

Rys. 2. Zależność zadymienia spalin od współczynnika składu mieszanki l.

1.1. Metody pomiaru stopnia zadymienia spalin
W zasadzie, poza tlenkami azotu NOx, wszystkie składniki spalin pochodzące z zupełnego i całkowitego spalania paliw silnikowych są przezroczyste i bezbarwne. O niewłaściwym przebiegu procesu spalania mieszanki świadczy wydalanie do otoczenia przez pracujący silnik nieprzezroczystych gazów spalinowych o określonym zabarwieniu. Spaliny ulegają zabarwieniu wskutek niecałkowitego spalania paliwa. Produkty takiego spalania to węgiel w postaci drobnych cząsteczek sadzy i niespalone węglowodory oraz para wodna kondensująca się w rurze wydechowej. Sadza nie występuje w czystej postaci. Absorbuje duże ilości węglowodorów i dlatego stanowi bardzo toksyczny, głównie w silnikach o zapłonie samoczynnym, składnik spalin. Barwa spalin oraz stopień ich zaczernienia pozwala z dużym prawdopodobieństwem określić rodzaj niedomagania oraz stopień zużycia silnika.

Pomiar zadymienia spalin wykonuje się w celu:
- dokonania ogólnej oceny stanu technicznego silnika i układu zasilania paliwem przez porównanie wyników pomiaru stopnia zadymienia spalin z wartościami granicznymi,
- sprawdzenia prawidłowości działania zespołów układu wtryskowego silnika (np. wtryskiwaczy, pompy wtryskowej, regulatora kąta wyprzedzenia wtrysku), po wykonaniu czynności obsługowych i naprawczych.

Do badania zadymienia spalin stosuje się następujące metody:
- wzrokową kontrolę barwy spalin,
- metodę grawimetryczną,
- metodę optyczną.

Ocena zabarwienia spalin jest metodą stosunkowo mało dokładną i może służyć jedynie do badań wstępnych. Na podstawie barwy spalin można w pewnym przybliżeniu określić stopień zużycia silnika, ekonomiczność jego pracy oraz rodzaj niesprawności. O zmianie zabarwienia spalin wydostających się z silnika decydują przede wszystkim drobne cząstki sadzy (nadają charakterystyczną czarną barwę) oraz niespalone cząstki węglowodorów (nadające kolor niebieski). Sama sadza (czysty chemicznie węgiel) nie ma własności toksycznych. Charakteryzuje się jednak dużą zdolnością wchłaniania węglowodorów aromatycznych, które są bardzo toksyczne. Z tego względu sadza jest zaliczana do składników szkodliwych, zanieczyszczających środowisko naturalne. Spaliny mogą mieć zabarwienie: białe, niebieskie (stalowobłękitne) lub czarne. Białe lub jasnoszare zabarwienie spalin może być spowodowane przedostawaniem się do przestrzeni roboczej silnika wody z układu chłodzenia (pęknięcie cylindra lub głowicy, uszkodzenie uszczelki), przechłodzeniem silnika lub stosowaniem paliwa o niskiej jakości. Jasnoszara barwa spalin może być także związana z niewłaściwym stanem technicznym lub niewłaściwą regulacją układu zasilania i wtrysku paliwa. Natomiast podczas pracy silnika w niskiej temperaturze następuje skraplanie pary wodnej i biała barwa spalin jest wówczas objawem naturalnym. Z kolei niebieski lub stalowoniebieski kolor spalin jest skutkiem spalania zbyt dużej ilości oleju silnikowego, w wyniku nadmiernego zużycia układu tłokowo-korbowego lub rozrządu bądź zbyt wysokiego poziomu oleju w misce olejowej. Przyczyną tego może być również przechłodzenie silnika. Najbardziej groźne jest czarne (brunatne) zabarwienie spalin, będące wynikiem zwiększonej zawartości sadzy oraz węglowodorów, które są produktami niecałkowitego i niezupełnego spalania. Czarny kolor spalin może również wystąpić w chwili gwałtownego zwiększenia obciążenia silnika i jest wówczas zjawiskiem naturalnym.

Poziom sadzy w spalinach może wielokrotnie wzrosnąć ponad graniczne wartości w wyniku:
- niewłaściwego rozpylania wtryskiwanego paliwa na skutek niezdatności wtryskiwaczy (zbyt niskie ciśnienie wtrysku, nieszczelność rozpylacza, zużycie otworów wylotowych rozpylacza),
- nieprawidłowej regulacji kąta wyprzedzenia wtrysku (zbyt mały kąt wyprzedzenia wtrysku paliwa, zużyte elementy napędu pompy wtryskowej),
- zbyt dużej, większej od znamionowej, dawki paliwa (niewłaściwa regulacja pompy wtryskowej),
- pogorszenia się stanu technicznego silnika (niewłaściwe luzy zaworowe, nadmiernie zużyte cylindry i pierścienie tłokowe, nieszczelność głowicy, zanieczyszczony filtr powietrza, dławienie w układzie dolotowym powietrza),
- nieprawidłowej pracy układu chłodzenia silnika lub układu podgrzewania komór spalania (uszkodzone świece żarowe, usterki układu sterowania).

Metoda grawimetryczna polega na określeniu masy sadzy w jednostce objętości spalin (mg/m3) i jest stosowana w warunkach laboratoryjnych. W ostatnim okresie firma Maha opracowała przyrząd do pomiaru koncentracji cząstek stałych w spalinach, nadający się do zastosowania w warunkach eksploatacyjnych.
Z uwagi na trudności określenia wagowej ilości sadzy w spalinach w praktyce stosuje się optyczne sposoby pomiaru stopnia ich zadymienia. Metoda optyczna polega na ocenie nieprzezroczystości spalin w sposób pośredni (przez pomiar stopnia zaczernienia bibuły filtracyjnej) albo w sposób bezpośredni, w wyniku pomiaru pochłaniania (absorpcji) światła przez rozproszoną sadzę zawartą w spalinach.
Pomiar zadymienia sposobem filtracyjnym polega na przepuszczaniu przez bibułę filtracyjną ściśle określonej objętości spalin pobranej z układu wydechowego pojazdu i ocenie stopnia zaciemnienia bibuły osadem naniesionym przez spaliny. Stopień zadymienia określany jest na drodze pomiaru zaczernienia powierzchni bibuły filtracyjnej lub zmniejszenia jej przezroczystości. Badanie zadymienia sposobem absorpcyjnym polega na pomiarze stopnia pochłaniania światła przepuszczanego przez zadymione spaliny zmagazynowane w specjalnej komorze pomiarowej lub przez tę komorę przepływające.

Rys. 3. Zależność współczynnika pochłaniania światła K od stopnia pochłaniania światła A dla trzech różnej długości L (0,20 m, 0,40 m i 0,43 m) słupów spalin.

Metodę optyczną wykorzystano w budowie najpopularniejszych dymomierzy stosowanych w warunkach eksploatacyjnych do celów diagnostycznych, to jest dymomierzy filtracyjnych i absorpcyjnych. Do oceny zadymienia spalin jest konieczne doprowadzenie pełnej dawki paliwa, jaka może wystąpić w czasie eksploatacji silnika, ponieważ im większa dawka wtryśniętego paliwa, tym większe zadymienie. Z tego powodu zadymienie spalin silników o zapłonie samoczynnym powinno się mierzyć w warunkach pełnego obciążenia silnika lub w warunkach swobodnego przyspieszenia, to jest gwałtownego zwiększania jego prędkości obrotowej na biegu luzem. Najbardziej uzasadnione byłyby badania zadymienia w warunkach pełnego obciążenia silnika pracującego z prędkością obrotową maksymalnego momentu obrotowego. Taki pomiar wykonuje się przy ustalonych parametrach pracy silnika. Gwarantuje to dużą dokładność i powtarzalność wyników pomiarów oraz późniejsze włączenie się regulatora prędkości obrotowej. Do tego rodzaju badań niezbędna jest hamownia podwoziowa lub inny sposób obciążenia silnika. W warunkach eksploatacyjnych tego typu badania dymienia są zbyt kosztowne i czasochłonne, dlatego stosuje się prostszą metodę pomiarową, zwaną metodą swobodnego przyspieszania. Polega ona na pomiarze największego dymienia występującego podczas przyspieszania silnika pracującego bez obciążenia od prędkości obrotowej biegu jałowego do prędkości obrotowej maksymalnej. Zwiększanie prędkości obrotowej silnika powinno odbywać się w sposób następujący. Lekko naciskać na pedał przyspieszenia, aby doprowadzić prędkość obrotową do wartości, przy której reguluje się ją nie regulatorem, lecz pedałem. Następnie pedał przyspieszenia szybko nacisnąć do oporu, a wówczas silnik przyspieszy do maksymalnej prędkości obrotowej. W praktyce swobodne przyspieszenie polega na zwiększeniu prędkości obrotowej silnika o 200÷400 obr./min powyżej prędkości biegu jałowego, a po jej ustaleniu – na szybkim zwiększeniu prędkości obrotowej do wartości maksymalnej. Pomiar zadymienia jest więc wykonywany w bardzo krótkim czasie (około 1 s). Występujące podczas tego przyspieszenia zadymienie spalin uważa się za porównywalne z dymieniem przy największym momencie obrotowym silnika. Takie założenie pozwala na znaczne uproszczenie pomiaru i zastosowanie tej metody na stacjach kontroli pojazdów lub podczas kontroli w warunkach drogowych.

1.2. Jednostki pomiarowe
Wyniki pomiarów stopnia zadymienia spalin uzyskane różnymi metodami pomiarowymi i różnymi przyrządami nie są sobie równoważne (brak jednoznacznej zależności między zawartością sadzy w spalinach a przezroczystością spalin). Z tej przyczyny przeliczanie jednostek określających stopień zadymienia spalin, stosowanych w różnych przyrządach, na procentową zawartość sadzy ma znaczenie umowne. Do badania zadymienia spalin, w zależności od rodzaju zastosowanego dymomierza i metody pomiarowej, stosuje się różne jednostki i skale pomiarowe. W dymomierzach filtracyjnych jednostką pomiarową stopnia zadymienia spalin jest umowna jednostka dziesięciostopniowej skali Boscha lub liczba z zakresu 1÷100, obrazująca procent światła pochłoniętego przez zaczernioną bibułę filtracyjną. W tej skali 0% reprezentuje przepuszczalność czystej bibuły, a 100% ciała absolutnie czarnego. Dymomierze absorpcyjne pozwalają oceniać zadymienie spalin bezpośrednio, w oparciu o pomiar jednej z pięciu, wzajemnie współzależnych wielkości fizycznych:


Zadymienie spalin mierzone w stacjach kontroli i obsługi pojazdów określa się obecnie za pomocą dwóch z opisanych wyżej jednostek, to jest: stopnia pochłaniania światła A oraz współczynnika pochłaniania światła K. Z tego powodu większość obecnie stosowanych dymomierzy optycznych wyposażona jest w dwie skale:
- liniową, tj. stopnia pochłaniania światła A, zwaną także Hartridge’a (HRT), dla której zero (0) oznacza pełną przezroczystość spalin (Φ0 = Φ), a podziałka 100 całkowity jej brak;
- logarytmiczną, wycechowaną w jednostkach współczynnika pochłaniania światła K (tj. w m-1), na której zero (0) oznacza pełną przezroczystość spalin, a nieskończoność (∞) całkowity jej brak.

Wskazania przyrządu na skali liniowej A są zależne nie tylko od stopnia zadymienia spalin, ale także od długości pomiarowej L słupa gazu. Ponieważ w dymomierzach stosuje się różne długości pomiarowe słupa gazów, więc mierząc zadymienie tych samych spalin kilkoma dymomierzami (o innej długości pomiarowej L) uzyska się, dla tej samej wartości współczynnika pochłaniania światła K, różne wyniki stopnia zadymienia w skali liniowej A (rys. 3). W normach ekologicznych, obowiązujących w stacjach kontroli pojazdów, podstawowym parametrem pomiaru zadymienia spalin jest współczynnik pochłaniania światła K, który ustala granice dopuszczalnego stopnia zadymienia spalin dla silników o zapłonie samoczynnym: wolno ssących (niedoładowanych) i turbodoładowanych. Obowiązujące przepisy dopuszczają pomiar stopnia zadymienia spalin według skali liniowej HRT (Hartridge’a) i przeliczanie uzyskanych wartości na współczynnik pochłaniania światła K (skalę logarytmiczną). Do przeliczenia wartości zadymienia z jednej jednostki na drugą konieczna jest znajomość długości pomiarowej L komory dymomierza. Wykorzystuje się do tego tabele, które można jednak stosować tylko do przeliczania wyników uzyskanych za pomocą dymomierzy o określonej długości pomiarowej L.

dr inż. Kazimierz Sitek