Analiza składu spalin emitowanych przez silnik jest jednym z podstawowych testów decydujących o dopuszczeniu pojazdu do ruchu drogowego. Ma też istotne znaczenie diagnostyczne.

Pomiar prędkości obrotowej i temperatury oleju silnika
Warunkiem prawidłowego wykonania analizy spalin jest sprawdzenie szczelności układu wydechowego. Jeżeli nieszczelność występuje przed katalizatorem, to zakłócona jest praca całego układu sterowania, jeżeli za katalizatorem – zafałszowane są wyniki badań. Na uzyskane wyniki pomiaru składu spalin w istotny sposób wpływa temperatura silnika. Producenci pojazdów podają minimalną temperaturę wykonania pomiaru, a analizatory spalin wyposażone są w układy mierzące pośrednio temperaturę silnika (sonda wkładana do miski olejowej). W przypadku braku danych badania należy wykonywać, jeżeli temperatura oleju silnikowego osiągnie co najmniej 800C. Obowiązujące przepisy określają również prędkości obrotowe silnika wymagane podczas przeprowadzania pomiaru zawartości składników spalin. Dlatego koniecznym wyposażeniem analizatora spalin jest miernik prędkości obrotowej silnika (fot. 1 i 2). Do tego celu najczęściej wykorzystuje się sygnały z sondy indukcyjnej z zamkniętym rdzeniem ferrytowym, zakładanej na przewód wysokiego napięcia. W przypadku, gdy rozwiązanie konstrukcyjne pojazdu uniemożliwia wykonanie pomiaru w podany sposób, należy stosować metody pomiarowe wykorzystujące:
- sygnały z sondy indukcyjnej zakładanej na przewód zasilający uzwojenie pierwotne cewki zapłonowej lub wtryskiwacza elektromagnetycznego,
- sygnały zakłócające emitowane przez pracujący układ zapłonowy (przystawki radiowe),
- częstotliwość tętnienia napięcia alternatora z automatycznym określeniem przełożenia między silnikiem a alternatorem,
- sygnały z istniejących indukcyjnych czujników prędkości obrotowej silnika.

Warunki techniczne i przebieg analizy spalin
Analizę spalin wykonuje się na stojącym pojeździe z dźwignią zmiany biegów ustawioną w położeniu neutralnym, podczas pracy silnika na biegu luzem (bez obciążenia). Urządzenie rozruchowe i odbiorniki energii elektrycznej powinny być wyłączone, a hamulec postojowy włączony. Rzetelność wyników analizy spalin zależy od zachowania następujących warunków:
- układ dolotowy i wylotowy są kompletne i szczelne,
- luzy zaworów i kąt wyprzedzenia zapłonu są prawidłowo wyregulowane,
- silnik jest nagrzany do temperatury pracy (minimalna temperatura oleju 800C),
- sonda analizatora spalin jest wprowadzona do rury wydechowej silnika bezpośrednio przed pomiarem na głębokość nie mniejszą niż 30 cm (silnik czterosuwowy) lub 75 cm (silnik dwusuwowy),
- prędkość obrotowa biegu jałowego jest zgodna z zaleceniami producenta (w przypadku braku danych przyjmować najniższą prędkość obrotową zapewniającą równomierną pracę silnika, jednak nie większą niż 900 obr./min).

Diagnozowanie układu zasilania paliwem metodą analizy spalin wymaga wykonania następujących czynności:
1. Przygotowania analizatora spalin do pracy zgodnie z instrukcją obsługi (nagrzewanie przyrządu, kalibracja wskazań, sprawdzenie szczelności drogi gazowej).
2. Podłączenia miernika prędkości obrotowej i temperatury oleju silnikowego.
3. Uruchomienia silnika i sprawdzenia szczelności układu wydechowego.
4. Nagrzania silnika do wymaganej temperatury pracy.
5. Włożenia sondy poboru spalin na wymaganą głębokość do rury wydechowej.
6. Odczytania lub zarejestrowania wartości zmierzonych parametrów analizy spalin (CO, CO2, CH, O2, l lub AFR) i obserwowania ich zmiany:
- przy ustalonej prędkości obrotowej biegu jałowego nbj,
- przy ustalonej prędkości obrotowej biegu luzem w wybranym przedziale prędkości obrotowych silnika (2000 ÷ 3000 obr./min),
- podczas gwałtownego przyspieszania silnika od prędkości biegu jałowego do prędkości maksymalnej,
- podczas zmniejszania prędkości obrotowej od wartości maksymalnych do prędkości biegu jałowego.
7. Dokonania oceny wyników pomiaru analizy spalin i ustalenia diagnozy w zakresie:
- ogólnego stanu układu zasilania paliwem,
- sprawności działania gaźnika i jego urządzeń,
- regulacji stężenia tlenku węgla i węglowodorów na biegu jałowym,
- sprawności działania katalizatora i sondy lambda oraz układu wtryskowego benzyny.

Kryteria oceny stanu technicznego silnika na podstawie analizy spalin
Nowoczesne analizatory spalin umożliwiają sprawdzenie nie tylko składu gazów spalinowych, ale są narzędziem do diagnozowania silnika. Określenie zawartości podstawowych składników spalin umożliwia ocenę zdatności katalizatora, sondy lambda oraz diagnostykę 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 uszkodzony układ rozruchowego wzbogacania składu mieszanki. Informacja o zawartości CH może być przydatna do określenia niezdatności układu zapłonowego lub spadku ciśnienia w cylindrach. Zmierzona wartość współczynnika l jest wykorzystywana do oceny funkcjonowania systemu regulacyjnego składu mieszanki. Zgodnie z obowiązującymi przepisami (rozporządzenie Ministra Infrastruktury dot. warunków technicznych pojazdów), stężenie tlenku węgla i węglowodorów w spalinach oraz współczynnika nadmiaru powietrza l dla silników o zapłonie iskrowym nie może przekraczać wartości maksymalnych podanych w tabeli 1. 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 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 niektórych publikacjach książkowych W przypadku braku danych można stosować ogólne kryteria zamieszczone w tabeli 2. Do oceny stanu technicznego silnika na podstawie stężenia węglowodorów CH, tlenku węgla CO i dwutlenku węgla CO2 należy wykorzystać tabelę 3. 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.



Fot. 1. Miernik prędkości obrotowej silnika RPM 100 (źródło: Maha).

Wzrost zawartości węglowodorów w spalinach, czyli pozostałości nie spalonego paliwa, wskazuje na niewłaściwe spalanie, usterki stanu technicznego silnika (mechanizmu tłokowo-korbowego, 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 i 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.



Fot. 2. Miernik prędkości obrotowej silnika Dispeed 490 firmy AVL.

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.



Tabela 1. Graniczne poziomy emisji zanieczyszczeń gazowych i współczynnika lambda

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

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

Wartość współczynnika nadmiaru powietrza l 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.

Kontrola składu spalin w pojazdach z systemem OBD
W czasie pomiaru emisji zanieczyszczeń gazowych w pojazdach samochodowych z systemem diagnostyki pokładowej OBDII/EOBD konieczne jest sprawdzenie, czy:
- prawidłowo działa kontrolka MIL,
- wszystkie procedury (monitory) są wykonane,
- nie występują zarejestrowane kody usterek.

Jeżeli wynik sprawdzenia jest pozytywny, to można odstąpić od wykonywania pomiarów analizatorem spalin. W przeciwnym przypadku (wynik sprawdzenia negatywny) dopuszczalne jest wykonanie:
- testu czujników tlenu za pomocą czytnika OBDII/EOBD,
- pomiaru zanieczyszczeń gazowych analizatorem spalin i ich wynik uznajemy wtedy za wiążący.

Niedopuszczalne jest, aby:
- wskazania czytnika OBDII/EOBD wykazywały jakiekolwiek kody uszkodzeń,
- występowały nieprawidłowości w sygnalizacji kontrolki MIL,
- działanie systemu było niezgodne z wymaganiami Regulaminu EKG ONZ Nr 83.05.
Pozostałe wymagania i warunki dotyczące pomiaru emisji zanieczyszczeń gazowych w pojazdach z systemem OBDII/EOBD są takie same, jak dla pojazdów bez tego systemu.

dr inż. Kazimierz Sitek