Diagnostyka

– analiza spalin (4)

W poprzednich częściach artykułu przedstawiono wpływ czynników eksploatacyjnych na skład spalin, metodę badania toksyczności spalin oraz warunki techniczne i przebieg analizy spalin. Natomiast w tej części opisano kryteria oceny stanu technicznego silnika na podstawie analizy spalin oraz wymagania prawne dotyczące analizatorów spalin.

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 dot. warunków technicznych pojazdów, 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.

Tabela 1. Graniczne poziomy emisji zanieczyszczeń gazowych i współczynnika lambda.

Z analizy danych zawartych w tabeli 1 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 (np. Autodata). W przypadku braku danych można stosować ogólne kryteria zamieszczone w tabeli 2.

Tabela 2. Średnie stężenie składników spalin na biegu jałowym dla zdatnych silników.

Do oceny stanu technicznego silnika na podstawie stężenia węglowodorów CH, tlenku węgla CO i dwutlenku węgla CO2 należy wykorzystać tabelę 3.

Tabela 3. Ocena stanu technicznego silnika o zapłonie iskrowym na podstawie składu spalin.

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 proc.. 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 proc. Pomiar tlenków azotu NOx jest wykorzystywany do oceny zdatności katalizatora. Skuteczność redukcji tlenków azotu przez zdatny katalizator wynosi ponad 90 proc. 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.

Wymagania prawne dotyczące analizatorów spalin

1. 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).

Rys.1. Przykład oznaczenia analizatora spalin zgodnego z dyrektywą 2004/22/WE (oznaczenie CE informuje o zgodności z dyrektywą MID, wyprodukowaniu urządzenia w 2009 r. i wykonaniu badania typu przez jednostkę notyfikowaną nr 0071).

Rys. 2. Przykład oznaczania analizatora spalin po wykonaniu wzorcowania przez Polskie Centrum Akredytacji (PCA).

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. 1. 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 delegował 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 takie ważne decyzje. W większości przypadków ich ważność wygaśnie w 2014 roku. Wymagania dotyczące analizatorów spalin wprowadzanych do obrotu na podstawie różnych przepisów zestawiono w tabeli 4.

Tabela 4. Wymagania prawne obowiązujące analizatory spalin wprowadzane do obrotu.

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 daty 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. Jeżeli na analizatorze umieszczono oznaczenie 09 za literą M, to zgodnie z prawem zgłoszenie do pierwszej legalizacji ponownej powinno nastąpić w dowolnym dniu 2010 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, i 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). Przykładowy wzór oznakowania analizatora po wykonaniu wzorcowania przedstawiono na rys. 2.

2. 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 takiej czynności (co 6 lub 12 miesięcy) z powodu automatycznego wyłączenia się lub wprowadzenia ograniczeń w funkcjonowaniu. Starsze odmiany analizatorów mogą nie posiadać takich ograniczeń. Pomimo to co pewien czas taką kalibrację 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