– analiza spalin (1)

W tłokowym silniku spalinowym następuje zamiana energii cieplnej na energię mechaniczną. Podstawową rolę odgrywa w tym proces przygotowania i spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. Układ zasilania paliwem dostarcza do silnika spalinowego paliwo i umożliwia wytworzenie mieszanki paliwowo-powietrznej o odpowiednim składzie i odpowiednich właściwościach palnych. Sprawne działanie układu zasilania paliwem polega na przyporządkowaniu masie pobieranego przez silnik powietrza takiej masy paliwa, aby uzyskać optymalny w danych warunkach pracy współczynnik nadmiaru powietrza (składu mieszanki) l. Efektem ubocznym procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej jest powstawanie gazów spalinowych, które są odprowadzane do otoczenia. W spalinach silników pojazdów znajduje się wiele różnych związków chemicznych w postaci gazowej, ciekłej oraz stałej (rys. 1). Są one bardzo zróżnicowane pod względem stężenia oraz toksyczności. Spaliny w znacznej części składają się z substancji nietoksycznych, normalnie występujących w powietrzu, to jest azotu N2, tlenu O2, dwutlenku węgla CO2 i pary wodnej H2O. Tylko niewielką ich część stanowią substancje szkodliwe, jak tlenek węgla CO, węglowodory CH, tlenki azotu NOx, węgiel C (w postaci sadzy) i inne. Są one jednak na tyle niebezpieczne (toksyczne), że stanowią zagrożenie dla człowieka i jego środowiska naturalnego. Z tego powodu kilkanaście lat temu nastąpiło przewartościowanie wymagań stawianych silnikom spalinowym. Problemy związane ze zwiększeniem osiągów silników oraz ich trwałości i niezawodności odsunięto na nieco dalszy plan, a rozwój silników podporządkowano obniżeniu zużycia paliwa i spełnieniu coraz bardziej rygorystycznych norm ekologicznych.



Rys. 1. Podstawowe składniki mieszanki paliwowo-powietrznej oraz spalin.

Najbardziej odpowiednim składem mieszanki, spełniającym obowiązujące wymagania ekologiczne, jest skład stechiometryczny o współczynniku l = 1 w całym zakresie obciążeń i prędkości obrotowych silnika. Wymóg zasilania współczesnego silnika o zapłonie iskrowym (ZI) mieszanką stechiometryczną wynika z zastosowania katalizatora o działaniu redukcyjnym, który przy tym składzie mieszanki osiąga najwyższą sprawność działania (rys. 2). Katalizator redukcyjny neutralizuje wszystkie trzy grupy substancji toksycznych w spalinach: węglowodory, tlenek węgla i tlenki azotu, przetwarzając je z 90 proc. sprawnością na parę wodną, dwutlenek węgla i azot.



Rys. 2. Emisja toksycznych składników spalin: a – bez katalizatora i sondy lambda, b – z katalizatorem i sondą lambda w zakresie regulacji l od 0,97 do 1,03.

Spośród wielu związków zawartych w spalinach obecnie tylko nieliczne podlegają kontroli zawartości podczas eksploatacji pojazdów. Są to między innymi tlenek węgla CO, dwutlenek węgla CO2, węglowodory CH – w spalinach silników o ZI, koncentracja węgla C (sadzy) – w spalinach silników o ZS. Analiza składu spalin emitowanych przez silnik spalinowy jest jednym z podstawowych testów decydującym o dopuszczeniu pojazdu do ruchu drogowego. Ma też istotne znaczenie diagnostyczne. W Polsce dopuszczalny poziom stężenia tlenku węgla CO i węglowodorów CH oraz współczynnika nadmiaru powietrza l określa Rozporządzenie Ministra Infrastruktury o warunkach technicznych pojazdów. Wymagania dotyczące toksyczności spalin dla silników o zapłonie iskrowym zostały zróżnicowane w zależności od rodzaju pojazdu i daty pierwszej rejestracji. Zakres i sposób określania toksyczności spalin silników pojazdów reguluje Rozporządzenie Ministra Infrastruktury o zakresie i sposobie przeprowadzania badań technicznych pojazdów. Warunki techniczne oraz metodyka badań tam zawarte pozwalają w sposób jednoznaczny ocenić poziom emisji szkodliwych składników spalin i na tej podstawie określić, czy dany pojazd może być dopuszczony do ruchu po drogach publicznych. W silnikach o zapłonie iskrowym zakres i przebieg analizy spalin zależy od rodzaju układu zasilania (gaźnikowy, wtrysk benzyny) oraz od konstrukcji układu wydechowego (bez katalizatora, z katalizatorem). Mierzone są udziały tlenku węgla CO i węglowodorów CH lub tylko tlenku węgla oraz określany jest skład spalanej mieszanki. Obecnie nie jest wymagany bezpośredni pomiar stężenia tlenków azotu NOx, co byłoby trudne do wykonania w stacji kontroli pojazdów (bez użycia hamowni podwoziowej), ponieważ tlenki azotu występują przede wszystkim w czasie pracy silnika pod obciążeniem. Z tego powodu wprowadzono obowiązek kontroli układu zasilania silnika przez pomiar współczynnika składu mieszanki l. Jego wartość powinna wynosić 0,97÷1,03, co odpowiada składowi stechiometrycznemu. Przy takim składzie mieszanki w sprawnie działającym katalizatorze uzyskujemy optymalną konwersję jednocześnie tlenku węgla CO, węglowodorów CH i tlenków azotu NOx. Pośrednio uzyskujemy pewność, że zawartość tlenków azotu NOx pozostanie na odpowiednio niskim poziomie.
Podczas analizy spalin pierwszy pomiar wykonuje się dla silnika pracującego na biegu jałowym. W celach diagnostycznych wartość emisji porównuje się odpowiednio do wartości maksymalnych podawanych przez wytwórcę pojazdu, a jeżeli celem badania jest dopuszczenie do ruchu – z wymaganiami prawnymi. Po raz drugi kontrolę składu spalin wykonuje się podczas pracy silnika z prędkością obrotową od 2000 do 3000 min-1. Uzyskane wyniki nie mogą wówczas przekraczać wartości określonych w przepisach.

Tabela 1. Przeciętne stężenie podstawowych składników spalin.

Dla silników o zapłonie samoczynnym (ZS) określa się koncentrację węgla (sadzy) w spalinach, nazywaną stopniem zadymienia. Obowiązujące obecnie warunki badań nakazują przeprowadzenie pomiarów w określonym stanie cieplnym silnika i przy zadanej prędkości obrotowej. Dla silników o ZI istotne są również kąt wyprzedzenia zapłonu, skład mieszanki oraz stężenie tlenu i dwutlenku węgla. Parametry te w sposób bezpośredni wpływają na mierzony poziom emisji składników toksycznych. Ich sprawdzenie pozwala na wykonanie badań w porównywalnych warunkach oraz na uwzględnienie ich wpływu na mierzony skład spalin. Dobra znajomość wzajemnych zależności między składem spalin a wyżej wymienionymi czynnikami pozwala diagnoście nie tylko na świadome dopuszczenie pojazdu do eksploatacji. Warto podkreślić, że umiejętna interpretacja wyników otrzymanych podczas analizy spalin umożliwia również podejmowanie trafnych decyzji w zakresie oceny faktycznego stanu technicznego silnika, z lokalizacją niedomagań włącznie.

1. Czynniki eksploatacyjne a skład spalin

Emisja toksycznych składników spalin jest zjawiskiem nieuniknionym związanym z pracą silnika spalinowego w każdych warunkach eksploatacyjnych i wynika z niedoskonałości zachodzących w nim procesów spalania. Udziały objętościowe lub wagowe poszczególnych związków chemicznych w gazach spalinowych są różne i zależą od czynników, które wpływają na przebieg procesu spalania. Są to zarówno czynniki konstrukcyjno-technologiczne (budowa komory spalania, stopień sprężania, ustawienie faz rozrządu), jak i czynniki eksploatacyjne, związane z użytkowaniem oraz obsługiwaniem silnika:
- skład i jednorodność mieszanki paliwowo-powietrznej,
- kąt wyprzedzenia zapłonu,
- ciśnienie, kąt wyprzedzenia i czas trwania wtrysku paliwa,
- warunki pracy silnika (obciążenie, stan cieplny, prędkość obrotowa),
- stan techniczny silnika.

Wszelkie zmiany tych czynników, wynikające na przykład ze zużycia eksploatacyjnego, zawsze oddziaływają na przebieg procesu spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. Decydują więc o jego ilościowym i jakościowym charakterze oraz o składzie i koncentracji składników toksycznych w spalinach. Można więc przyjąć, że udział w spalinach składników świadczących o niezupełnym oraz niecałkowitym spaleniu paliwa (CO, CH, C) jest miarą niedoskonałości procesu spalania, a zatem również wskaźnikiem stanu technicznego silnika. Dotyczy to w szczególności układów wpływających na przebieg procesu spalania, to jest układu zasilania, zapłonowego, tłokowo-korbowego i rozrządu. Wykaz podstawowych składników spalin silników spalinowych i średni poziom ich koncentracji przedstawiono w tabeli 1.

Rys. 3. Współzależność między współczynnikiem składu mieszanki l oraz stosunkiem mas powietrza i paliwa AFR.

Wpływ składu mieszanki na skład spalin
Między parametrami charakteryzującymi spalaną mieszankę palną a parametrami produktów jej spalania (spalinami) istnieje ścisła współzależność. Mieszankę paliwowo-powietrzną charakteryzują odpowiednie współczynniki, które określają wzajemne proporcje masowe powietrza i paliwa w niej zawartych. W praktyce do celów diagnostycznych wykorzystuje się dwa parametry, którymi są:
- współczynnik składu mieszanki (nadmiaru powietrza) l wyrażony stosunkiem rzeczywistej masy powietrza znajdującego się w mieszance mpow do masy powietrza teoretycznie potrzebnej mpowT, do całkowitego i zupełnego spalenia masy paliwa mpal znajdującej się w mieszance; współczynnik l określony jest wzorem:

gdzie:
LO – stała stechiometryczna paliwa, określająca teoretyczną ilość powietrza niezbędną do całkowitego i zupełnego spalenia 1 kg paliwa.
- niemianowana liczba AFR, będąca ilorazem masy powietrza mpow i masy paliwa mpal zawartych w mieszance; liczbę AFR określa wzór:

Między tymi dwoma parametrami, wyrażającymi w różny sposób tę samą cechę mieszanki, istnieje następująca współzależność przedstawiona na rys. 3 i wyrażona wzorem:

Skład mieszanki wyrażany współczynnikiem l lub AFR wywiera istotny wpływ na skład spalin i poziom emisji ich toksycznych składników w silnikach o zapłonie iskrowym i zapłonie samoczynnym. W praktyce diagnostycznej wykorzystywane jest to do oceny stanu technicznego i regulacji elementów układu zasilania silnika. W silniku spalinowym o zapłonie iskrowym zupełne i całkowite spalanie mieszanki następuje przy jej stechiometrycznym składzie, gdy współczynnik l = 1 (wówczas na 1 kg benzyny przypada około 14,7 kg powietrza). Wtedy spaliny składają się przede wszystkim z pary wodnej, nietoksycznego dwutlenku węgla CO2 oraz pozostałego z powietrza azotu. Zależnie od warunków pracy silnika, spalanie mieszanki paliwowo- -powietrznej wytworzonej przez gaźnik lub układ wtryskowy przebiega z pewnym nadmiarem powietrza (l>1), mieszankę określa się wtedy jako ubogą, lub jego niedomiarem (l< 1), mówi się wówczas o mieszance bogatej. Zmiany składu mieszanki mogą odbywać się tylko w pewnych granicach określonych parametrami eksploatacyjnymi silnika (moc, moment obrotowy i zużycie paliwa) oraz dopuszczalną zawartością w spalinach substancji toksycznych. W silnikach o zapłonie iskrowym stężenie w spalinach tlenku węgla CO osiąga wartości bliskie zeru dla mieszanek stechiometrycznych (rys. 4) i utrzymuje minimum dla mieszanek ubogich (l>1). W tej grupie silników czynnikiem decydującym o poziomie emisji tlenku węgla jest skład mieszanki, zależny przede wszystkim od stanu technicznego i właściwej regulacji układu zasilania paliwem.

Rys. 4. Wpływ składu mieszanki l na skład spalin w silniku o zapłonie iskrowym: ldgz – skład mieszanki odpowiadający dolnej granicy jej zapalności, lggz – skład mieszanki odpowiadający górnej granicy jej zapalności.

Minimalne stężenie węglowodorów CH występuje dla współczynnika nadmiaru powietrza osiągającego wartości l = 1,10÷1,15. Stężenie węglowodorów dla innych wartości składów mieszanki jest zawsze większe i rośnie zarówno w miarę wzbogacania, jak i zubażania mieszanki palnej. Maksymalna koncentracja tlenków azotu NOx w spalinach silników o ZI występuje w zakresie najbardziej ekonomicznych warunków pracy silnika (lek=1,10÷1,15). W miarę zubażania mieszanki, mimo wzrastającej w niej ilości tlenu, emisja NOx maleje. Świadczy to o decydującym wpływie temperatury spalania na przebieg procesu utleniania azotu i koncentrację tlenków azotu w spalinach. Oceniając wpływ składu mieszanki l na skład spalin w silniku o zapłonie iskrowym można stwierdzić, że w przypadku zasilania mieszanką ekonomiczną lek silnik zużywa minimalną ilość paliwa i osiąga najwyższą sprawność ogólną, emituje jednocześnie najmniejsze ilości tlenku węgla i węglowodorów oraz maksymalną ilość tlenków azotu. Przy zasilaniu mieszanką dynamiczną (ld = 0,8÷0,9) osiąga natomiast moc maksymalną przy stosunkowo dużej emisji produktów niezupełnego spalania, to jest tlenku węgla i węglowodorów. Charakter przedstawionych zmian stężenia składników spalin w funkcji zmiany składu mieszanki l jest podobny dla wszystkich silników o zapłonie iskrowym, niezależnie od różnic konstrukcyjnych ich układów i zespołów.
Dla potrzeb diagnostyki ilość składników spalin określa się przez podanie objętościowego udziału (stężenia) poszczególnych składników w mieszaninie gazów spalinowych. Wartość emisji CO, CO2 i O2 jest wyrażana ich procentowym udziałem w ogólnej objętości spalin (% obj., % vol.). Natomiast zawartość CH i NOx jest podawana w jednostkach ppm (parts per million), to jest w milionowych częściach całkowitej objętości gazów spalinowych. Wyżej wymienione jednostki miary porównano w tabeli 2.

Tabela 2. Porównanie jednostek miary objętościowych udziałów składników w spalinach.

Podstawowymi składnikami toksycznymi w spalinach silników o zapłonie samoczynnym (ZS) są tlenki azotu NOx oraz cząstki stałe (węgiel w postaci sadzy). Emisja tlenku węgla CO i węglowodorów CH jest niewielka i ma znaczenie drugorzędne. Emisja cząstek stałych jest specyficzna dla silników wysokoprężnych i wynika z właściwości stosowanego paliwa oraz z przebiegu procesu spalania i tworzenia mieszanki palnej. Również w silniku o zapłonie samoczynnym skład mieszanki bezpośrednio wpływa na skład spalin, a więc i na poziom emisji składników spalin. Charakter przedstawionych na rys. 5 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. Maksymalne koncentracja tlenków azotu NOx w spalinach silnika o zapłonie samoczynnym występuje w zakresie najbardziej ekonomicznych warunków pracy silnika (lek =lgd=1,2÷2) i następnie zmniejsza się, mimo wzrastającej ilości tlenu w mieszance. Jest to spowodowane decydującym wpływem temperatury spalania mieszanki na proces utleniania azotu. W silnikach o zapłonie samoczynnym emisja tlenku węgla CO zależy głównie od zastosowanego systemu spalania oraz lokalnego składu mieszanki w komorze spalania a jej poziom jest znacznie niższy niż w silniku o zapłonie iskrowym i nie przekracza 600 ppm. Wynika to z tego, że w silnikach o ZS zmiana składu mieszanki paliwowo-powietrznej zachodzi w bardzo szerokim przedziale mieszanek ubogich z dużym nadmiarem powietrza (od lbj do lgd) i jest równoznaczna zmianie obciążenia silnika oraz rozwijanej mocy użytecznej. Konieczność zasilania silnika o zapłonie samoczynnym w pełnym zakresie obciążeń mieszanką z dużym nadmiarem powietrza (ubogą) wynika z odmiennego niż w silniku o zapłonie iskrowym sposobu tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej i jej zapłonu (mieszanka niejednorodna, zapłon samoczynny), uniemożliwiającego całkowite spalanie paliwa. Tak więc gazy spalinowe silników o ZS zawierają zawsze produkty niecałkowitego spalania, którego głównym składnikiem jest węgiel w postaci sadzy.

Skład spalin silnika o zapłonie samoczynnym na biegu jałowym, który zasilany jest mieszanką najuboższą o składzie lbj=8÷12, charakteryzuje się bardzo dużym udziałem objętościowym (wagowym) tlenu O2 i azotu N2 oraz śladową ilością pozostałych składników spalin: H2O, CO2, H2, CO, CH, NOx oraz węgla w postaci sadzy. W miarę zmniejszania się współczynnika nadmiaru powietrza, spowodowanego podawaniem przez układ wtryskowy coraz to większej dawki paliwa i zwiększania mocy silnika, maleje udział tlenu O2, natomiast rośnie stężenie tlenku węgla oraz sadzy w spalinach do wartości granicznej określanej jako granica dymienia. Wyznacza ona graniczną wartość współczynnika nadmiaru powietrza lgd=1,2÷2, odpowiadającą maksymalnemu obciążeniu silnika. Wzrost koncentracji sadzy w spalinach silników o ZS w miarę wzbogacania mieszanki do wartości granicznej lgd jest spowodowany ciągłym zwiększaniem udziału spalania niecałkowitego masy paliwa biorącej udział w procesie spalania. Między emisją tlenku i dwutlenku węgla w silnikach o zapłonie iskrowym istnieje ścisła współzależność, wynikająca z równania bilansu masy substratów biorących udział w spalaniu i masy produktów spalania zupełnego i niezupełnego.

Rys. 5. Wpływ składu mieszanki l na skład spalin w silniku o zapłonie samoczynnym: lgd – skład mieszanki odpowiadający granicy dymienia, lbj – skład mieszanki odpowiadający pracy silnika na biegu jałowym.

Maksymalne stężenie dwutlenku węgla CO2 w spalinach występuje podczas spalania mieszanki stechiometrycznej (l=1,0), teoretycznie osiągając wartość odpowiadającą spalaniu zupełnemu, tj. około 15% obj., a następnie zmniejsza się zarówno przy zubażaniu, jak i wzbogacaniu mieszanki palnej (patrz rys. 4). W miarę wzbogacania mieszanki (l<1,0) i zwiększania się udziału niezupełnego spalania procentowy udział tlenku węgla w spalinach rośnie liniowo od wartości bliskich zeru (spalanie prawie zupełne) przy zasilaniu mieszanką stechiometryczną do około 21% obj. przy współczynniku nadmiaru powietrza l=0,67 (teoretycznie spalanie w 100% niezupełne). Natomiast stężenie dwutlenku węgla proporcjonalnie maleje do zera, gdy tlenek węgla osiąga maksimum przy l=0,67. Tak więc sumaryczne stężenie obydwu zależnych od siebie składników CO i CO2, w przedziale mieszanek bogatych zmienia się od około 15% obj. przy l=1,0 do około 21% obj. przy l=0,67. W zakresie mieszanek ubogich l>1,0 stężenie dwutlenku węgla systematycznie maleje w miarę rozcieńczania gazów spalinowych nadmiarem powietrza, podczas gdy ilość tlenku węgla w spalinach utrzymuje się na poziomie zerowym. W warunkach rzeczywistych dla celów diagnostycznych, pomiaru tlenku węgla dokonuje się w przedziale od 0 do 10% obj., a dwutlenku węgla od 0 do 15% obj. Wzajemne zależności parametrów składu mieszanki l i AFR oraz koncentracji tlenku i dwutlenku węgla umożliwiają ich wykorzystanie w diagnostyce układu zasilania paliwem. Pomiar stężenia CO i CO2 w zakresie mieszanek bogatych pozwala w sposób jednoznaczny określić skład mieszanki, jakim zasilany jest silnik o zapłonie iskrowym, pod warunkiem, że spaliny nie są rozcieńczone powietrzem dostającym się przez nieszczelności układu wydechowego. Aby uniknąć błędów, po każdym pomiarze stężenia CO i CO2 należy sprawdzić, czy suma stężeń obydwu składników mieści się w przedziale 15-21% obj. Jeżeli CO+CO2≥15% obj., to zmierzone wartości odpowiadają rzeczywistym i nie należy ich korygować. W przypadku przeciwnym, gdy suma pomierzonych wartości stężeń CO i CO2<15% obj. oznacza to, że spaliny zostały wymieszane z fałszywym powietrzem, a wyniki pomiarów są błędne i należy je skorygować wykorzystując zależności:

gdzie: (CO)K i (CO2)K są skorygowanymi wartościami stężenia tlenku węgla oraz dwutlenku węgla, bliskimi wartościom rzeczywistym (jednostki sterujące współczesnych analizatorów spalin posiadają odpowiednie oprogramowanie umożliwiające obliczenie skorygowanych wartości tlenku i dwutlenku węgla).
W oparciu o pomiar stężenia CO i CO2 metodą pośrednią z zależności matematycznych można wyznaczyć współczynnik nadmiaru powietrza zarówno dla mieszanek stechiometrycznych i bogatych, jak i dla mieszanek ubogich.

dr inż. Kazimierz Sitek