Diagnostyka

Rodzaje i zasada działania dymomierzy
W warunkach warsztatowych oraz drogowych, dla celów diagnostycznych i kontrolnych, do badania poziomu emisji sadzy w spalinach (stopnia zadymienia) stosuje się dymomierze. Ze względu na zasadę działania dymomierze dzieli się na filtracyjne (metoda pośrednia) i absorpcyjne (metoda bezpośrednia). Do pomiaru stopnia zadymienia spalin w stacjach kontroli pojazdów metodą swobodnego przyspieszania wykorzystuje się odpowiednio zautomatyzowane dymomierze absorpcyjne (optyczne).

Dymomierze filtracyjne
Zasada działania dymomierza filtracyjnego polega na zassaniu pompą określonej porcji spalin z rury wydechowej i przepuszczeniu jej przez papier (bibułę) filtracyjną. Stopień zaciemnienia papieru jest oceniany za pomocą optycznego układu pomiarowego i jest miernikiem zawartości sadzy w spalinach. Z uwagi na różny sposób pobierania próbki spalin dymomierze filtracyjne można podzielić na dymomierze z pompą tłokową i dymomierze z pompą przeponową. Dymomierzy filtracyjnych z pompą tłokową nie można używać do pomiaru zadymienia spalin metodą swobodnego przyspieszania silnika, ze względu na zbyt małą dokładność pomiaru (niemożliwe ustalenie optymalnej chwili włączenia pompy, za długi czas pobierania próbki). Do tego celu można jednak zastosować dymomierze filtracyjne z pompą przeponową sterowane mikroprocesorem (np. Bosch RFT 100). Dymomierze filtracyjne praktycznie są obecnie coraz rzadziej stosowane.

Dymomierze absorpcyjne (optyczne)
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 i z częściowym poborem spalin. 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 otoczenia do przestrzeni pomiarowej) lub otwartą. Źródło światła i fotoelement leżą w płaszczyźnie poprzecznej do kierunku przepływu gazów spalinowych. Na schemacie 1 przedstawiono zasadę działania dymomierza absorpcyjnego pełnoprzepływowego zamkniętego. Układ optyczny dymomierza skupia wiązkę promieniowania wysyłaną przez nadajnik (lampa halogenowa 3) i przesyła wewnątrz komory pomiarowej (1), przez którą przepływają spaliny, do lustra (4). Odbite promieniowanie wraca do odbiornika (element światłoczuły 2), który mierzy stopień absorpcji światła przez spaliny. Skala dymomierza ma zakres od 0 do 100 proc., 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 samochodów grubość warstwy spalin między elementami układu pomiarowego jest zmienna, co wpływa na wynik pomiaru. Jest to wadą dymomierzy pełnoprzepływowych. W związku z tym jest konieczne mierzenie średnicy rury wydechowej i uwzględnianie współczynników korygujących.



Tabela 1. Zadymienie spalin: procentowa skala Hartridge’a (HRT) a wartość współczynnika k.

Drugi rodzaj dymomierzy absorpcyjnych, o częściowym przepływie spalin (np. Radiotechnika DO 9500, AWAT DGS-1), pobiera część spalin z rury wydechowej przez sondę o określonym przekroju. Zasadę działania dymomierza absorpcyjnego o częściowym przepływie spalin pokazano na schemacie 2. Pobrana próbka spalin jest badana w wydzielonej komorze pomiarowej (7) o określonej długości (najczęściej 430 mm). Na końcach komory pomiarowej znajdują się nadajnik (źródło światła 1) i odbiornik (fotodioda 9). Temperatura spalin w komorze pomiarowej dymomierza powinna wynosić 80-1000C, a do jej uzyskania służą grzałki (4). To zapobiega wytrącaniu się kondensatu pary wodnej. Czyszczenie szkieł układu optycznego (2 i 8) umożliwia pompa (3), która może w sposób automatyczny tłoczyć powietrze. Pomiar zadymienia jest zawsze poprzedzony kontrolą zerowania dymomierza. W czasie zerowania w komorze pomiarowej musi się znajdować czyste powietrze. W starszych typach dymomierzy zerowanie przeprowadza się pokrętłem potencjometru umieszczonym na płycie czołowej urządzenia. W nowszych dymomierzach, sterowanych mikroprocesorem, zerowanie odbywa się automatycznie przed każdym pomiarem.



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

Najczęściej występują dwa rodzaje sondy poboru spalin:
- średnicy 10 mm dla rur wydechowych o średnicach do 70 mm,
- średnicy 27 mm dla rur wydechowych o średnicach ponad 70 mm.
- Większość dymomierzy absorpcyjnych o częściowym przepływie spalin wyposażona jest w dwie skale:
- liniową, wycechowaną w procentach stopnia zadymienia (pochłaniania światła) N, 0 proc. oznacza pełną przezroczystość spalin, a 100 proc. całkowicie nieprzezroczyste spaliny;
- logarytmiczną, wycechowaną w jednostkach współczynnika pochłaniania światła k (m-1), zero (0) oznacza pełną przezroczystość spalin, a nieskończoność (Ą) całkowity jej brak.



Schemat 2. Schemat działania dymomierza absorpcyjnego o częściowym przepływie spalin: 1 – nadajnik (lampa halogenowa, dioda pulsująca), 2, 8 – element optyczny, 3 – pompa układu oczyszczania szkieł, 4 – grzałka, 5 – elektrozawór (zawór kalibracji), 6 – filtr, 7 – komora pomiarowa, 9 – odbiornik (fotodioda).

Na fot. 1-7 przedstawiono dymomierze absorpcyjne z częściowym przepływem spalin różnych firm. Jeżeli podejmuje się decyzję o zakupie dymomierza do stacji kontroli lub obsługi pojazdów, należy zalecić wybór dymomierza absorpcyjnego o częściowym przepływie spalin, umożliwiającego pomiar współczynnika pochłaniania światła. Współczesne przyrządy tej klasy odznaczają się łatwością obsługi, na przykład: samoczynne zerowanie, automatyczna kontrola zabrudzenia elementów optycznych i oczyszczanie układu optycznego (strumieniem powietrza tłoczonym przez pompę), półautomatyczna kalibracja, samoczynna
autodiagnostyka oraz możliwość wydruku wyników pomiaru.



Fot. 1. Dymomierz absorpcyjny D 60 firmy Arcon ISC.

Przyrządy są przystosowane do pomiaru temperatury oleju silnikowego i prędkości obrotowej silnika. Do pomiaru prędkości obrotowej silników wysokoprężnych używa się następujących metod: czujnikiem GMP, czujnikiem optycznym i czujnikiem piezoelektrycznym zakładanym na przewód wysokiego ciśnienia. Temperatura oleju silnikowego powinna przekraczać wartość minimalną ustaloną przez wytwórcę silnika. W przypadku braku odpowiednich danych należy przyjąć minimum 800C. Podczas pomiaru zadymienia spalin szczelność układu wydechowego 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 w silniku). 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. Dymomierze występują jako przyrządy samodzielne, bądź jako przystawki do analizatorów spalin, albo też mogą pełnić jedną z funkcji wielozadaniowego analizatora spalin. 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 przyrządu 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, szybkość podłączania i odłączania. W celu zmniejszenia czasu przygotowania przyrządu do badań konieczne jest krótkie podgrzanie komory pomiarowej za pomocą instalacji elektrycznej pojazdu i ewentualne podgrzanie soczewek układu optycznego przy niewielkim poborze prądu (około 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. Podczas pomiarów dymomierzem liczba niezbędnych danych jest znacznie mniejsza niż w analizatorze spalin, nie jest więc konieczne stosowanie komputera zewnętrznego. Jednak przyrządy wyższej klasy mogą współpracować za pośrednictwem odpowiedniego interfejsu z komputerem zewnętrznym klasy PC. W celu zwiększenia zakresu działania przyrządu producenci oferują wersje z czytnikiem kart magnetycznych. W ten sposób powiększa się bank danych, na przykład o informacje z zakresu zadymienia spalin różnych marek samochodów. Dymomierze absorpcyjne sterowane mikroprocesorem po wykonaniu wymaganej liczby przyspieszeń (obecnie 4)
obliczają średnią arytmetyczną i często sygnalizują potrzebę wykonania dodatkowych pomiarów w celu zwiększenia dokładności badań.

Warunki techniczne i przebieg pomiaru zadymienia spalin
Pomiar zadymienia spalin w celach diagnostycznych dokonuje się na stojącym pojeździe, z dźwignią zmiany biegów w położeniu neutralnym, podczas pracy silnika na biegu luzem metodą swobodnego przyspieszania. Hamulec postojowy powinien być włączony. Ustawienie śruby regulacyjnej dawki paliwa pompy wtryskowej - zgodne z zaleceniami producenta.
Na miarodajność wyników pomiaru zadymienia spalin ma wpływ wiele czynników, wśród których wymienić należy:
- miejsce poboru spalin w układzie wydechowym,
- sposób mocowania sondy poboru spalin w rurze wydechowej,
- temperatura spalin i stopień ich ochłodzenia w układzie wydechowym,
- stopień kondensacji pary wodnej w zassanych do przyrządu spalinach,
- nadciśnienie spalin dopływających do dymomierza w czasie pomiaru.
Dlatego też podczas pomiarów powinny być spełnione następujące warunki techniczne:
- luz zaworowy prawidłowo wyregulowany,
- układ wydechowy całkowicie szczelny,
- wykonana obsługa techniczna filtra powietrza,
- silnik nagrzany do temperatury pracy (temperatura oleju silnikowego minimum 800C),
- oczyszczony układ wydechowy przez kilkakrotne gwałtowne przyspieszenie silnika,
- zachowany jednakowy sposób przyspieszania silnika podczas kolejnych pomiarów,
- sonda dymomierza wprowadzona do rury wydechowej na głębokość równą minimum trzem średnicom wewnętrznym rury,
- pomiar wykonany w temperaturze dodatniej (temperatura otoczenia powinna być wyższa niż 50C).



Fot. 2. Widok dymomierza absorpcyjnego DGS-1 (źródło: AWAT).

Podczas badań należy uwzględnić następujące dane: dopuszczalne zadymienie spalin, zakres wymaganej prędkości obrotowej biegu jałowego, zakres wymaganej maksymalnej prędkości obrotowej silnika nieobciążonego i minimalną wymaganą temperaturę oleju silnikowego. W nowych odmianach dymomierzy dane te można wprowadzić do ich pamięci.
Oceny stopnia zadymienia spalin dokonuje się na podstawie wykonania czterech kolejnych cykli pomiarowych o powtarzalnych wynikach. Za powtarzalne wyniki pomiarów uważa się wówczas, gdy rozrzut współczynnika pochłaniania światła k nie przekracza 0,25 m-1. Jako wartość ostateczną stopnia zadymienia spalin przyjmuje się średnią arytmetyczną z czterech następujących po sobie pomiarów.



Fot. 3. Dymomierz AT 600L firmy Atal.

Jeden cykl pomiarowy zamyka się w następujących fazach pracy silnika:
- praca silnika na biegu jałowym,
- podwyższenie prędkości obrotowej do wartości, przy której następuje całkowite wyłączenie urządzenia rozruchowego pompy wtryskowej,
- przyspieszenie prędkości obrotowej silnika do prędkości maksymalnej przy pełnej dawce paliwa,
- praca z maksymalną prędkością obrotową,
- zmniejszanie prędkości obrotowej po wyłączeniu pełnej dawki paliwa,
- praca na biegu jałowym.



Fot. 4. Stanowisko stacjonarne firmy Maha (dymomierz MDO 2Lon, analizator spalin MGT 5, komputer, monitor, drukarka, miernik prędkości obrotowej silnika RPM 100 i terminal).

W celu wykonania pomiaru stopnia zadymienia spalin należy wykonać następujące czynności:
- uruchomić i zagrzać silnik do temperatury eksploatacyjnej,
- sprawdzić szczelność układu wydechowego pojazdu (usunąć widoczną nieszczelność),
- przygotować dymomierz do pracy zgodnie z instrukcją obsługi (włączyć, nagrzać, wyzerować, przeczyścić szkła układu optycznego),
- oczyścić układ wydechowy silnika z sadzy,
- umieścić sondę dymomierza w rurze wydechowej,
- wykonać cykl pomiarowy i dokonać pomiaru zadymienia spalin,
- powtarzać cykle pomiarowe do chwili, w której uzyska się wymaganą powtarzalność w czterech kolejnych pomiarach,
- dokonać oceny stopnia zadymienia spalin na podstawie uzyskanych wyników pomiarów i ustalić stan techniczny silnika (głównie układu zasilania paliwem).



Fot. 5. Dymomierz absorpcyjny Opacylit 1030 (z modułem OBD) firmy Saxon.

Kryteria oceny stanu technicznego silnika na podstawie zadymienia spalin
Wytwórcy silników z zapłonem samoczynnym najczęściej nie podają wymaganych wartości zadymienia spalin. W związku z tym zaleca się przyjmować do oceny wartość zadymienia ustaloną na podstawie pomiarów technicznie zdatnych, nowych pojazdów. Współczesne silniki z zapłonem samoczynnym samochodów osobowych i pochodnych (dostawczych, osobowo-terenowych) najczęściej wykazują zadymienie spalin w granicach k = 0,5-0,85 m-1, a samochodów ciężarowych 1,0-1,6 m-1. Pomiar zadymienia spalin powinien umożliwić określenie współczynnika absorpcji światła k wyrażonego w m-1. Dopuszcza się pomiar zadymienia według skali procentowej Hartridge’a (HRT) i przeliczenie uzyskanych wartości na współczynnik k zgodnie z tabelą 1.



Fot. 6. Stanowisko analizy spalin BEA 350 z dymomierzem, analizatorem spalin, komputerem, monitorem i drukarką (źródło: Bosch).

Względy ekologiczne wymusiły wprowadzenie kryterium granicznego zadymienia spalin ogólnego dla wszystkich rodzajów pojazdów z silnikami o zapłonie samoczynnym. Zadymienie spalin nie może przekroczyć określonej w obowiązujących przepisach (rozporządzenie Ministra Infrastruktury o warunkach technicznych pojazdów) wartości granicznej, która wynosi:
- k=2,5 m-1 (66 proc. HRT) dla silników wolnossących (niedoładowanych),
- k=3,0 m-1 (72 proc. HRT) dla silników turbodoładowanych.



Fot. 7. Wersja mobilna dymomierza DS 2R firmy Premier Diagnostic.

Samochody z silnikami o zapłonie samoczynnym nie spełniające wyżej podanego kryterium nie mogą być dopuszczone do ruchu drogowego. W rozporządzeniu Ministra Infrastruktury dot. zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów ustalono sposób pomiaru zadymienia spalin podczas przeprowadzania badania technicznego pojazdu.

dr inż. Kazimierz Sitek