Podstawowymi składnikami toksycznymi spalin silników z zapłonem samoczynnym są tlenki azotu NOx oraz cząstki stałe. 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.

Obecnie, podczas badań technicznych pojazdów nie wymaga się bezpośredniego pomiaru żadnego z wyżej wymienionych składników. Obowiązujące przepisy określają natomiast dopuszczalny poziom zadymienia spalin, co można traktować jako pośredni pomiar zawartości cząstek stałych, ponieważ obecność w spalinach cząstek stałych jest główną przyczyną ich zadymienia. Sytuacja taka jest spowodowana łatwością wykonania pomiaru zadymienia i możliwością zastosowania mniej skomplikowanych przyrządów. Większe ilości cząstek stałych powstają dopiero przy wzroście obciążenia silnika. W stacjach kontroli pojazdów obciążenie podczas pomiaru zadymienia jest realizowane w teście swobodnego przyspieszania, czyli 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 (minimum 4 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.

Skład mieszanki a skład 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 proc. objętości).
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 reprezenta-tywny dla ogółu silników o zapłonie samoczynnym, niezależnie od różnic konstrukcyjnych ich układów i zespołów.



Rys. 1. Wpływ składu mieszanki na skład spalin silnika o zapłonie samoczynnym: lgd – skład mieszanki odpowiadającej 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 i 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.

Metody badania zadymienia spalin
W zasadzie, poza tlenkami azotu, 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 (wtryskiwacz, pompa wtryskowa, przestawiacz 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 do badań wstępnych. Spaliny mogą mieć zabarwienie: białe, stalowobłękitne
(niebieskie) lub czarne. Białe zabarwienie spalin może być spowodowane przedostawaniem się wody do przestrzeni roboczej silnika. Jasnoszara barwa spalin może być 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 objawem naturalnym. Z kolei niebieski lub stalowoniebieski kolor spalin jest skutkiem spalania nadmiernej ilości oleju silnikowego, w wyniku nadmiernego zużycia układu tłokowo-korbowego lub rozrządu bądź zbyt wysokiego poziomu oleju w misce olejowej. Najbardziej groźne jest czarne zabarwienie spalin, będące wynikiem zwiększonej zawartości sadzy i węglowodorów, produktów niecałkowitego i niezupełnego spalania.

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, zanieczyszczony filtr powietrza).

Metoda grawimetryczna polega na określeniu masy sadzy w jednostce objętości spalin (mg/m3) i jest stosowana w warunkach laboratoryjnych.Z uwagi na trudności określenia wagowej ilości sadzy w spalinach, stosuje się w praktyce 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. Metodę optyczną wykorzystano w budowie najpopularniejszych dymomierzy stosowanych w warsztatach 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 mierzy się w warunkach pełnego obciążenia silnika lub w warunkach swobodnego przyspieszenia, to jest zwiększania jego prędkości obrotowej. 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 to 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.

dr inż. Kazimierz Sitek