Diagnostyka

Do pomiarów stężenia poszczególnych składników spalin wykorzystuje się analizatory spalin, których budowa i zasada działania zależą od rodzaju mierzonego gazu i wymaganej przepisami ekologicznymi dokładności pomiaru. Liczba, zakres i rodzaj mierzonych w analizie parametrów uzależniona jest od typu zastosowanego analizatora, przy czym wszystkie mogą być w większym lub mniejszym stopniu wykorzystane do celów diagnostycznych. Do diagnozowania oraz regulacji wtryskowego układu zasilania z katalizatorem, sterowanego sondą lambda, powinno się wykorzystywać analizatory czteroskładnikowe, które mierzą stężenie CO, CO2, CH i O2. Na podstawie zmierzonych wartości stężeń w oparciu o obliczenia określają one również współczynniki λ i AFR.

1. Rodzaje analizatorów spalin
Względy techniczne (utrzymanie silnika w stanie sprawności), ekonomiczne (zmniejszenie zużycia paliwa) i ekologiczne (ograniczenie emisji szkodliwych składników) decydują o konieczności badania stężenia składników spalin pojazdów samochodowych znajdujących się w fazie użytkowania. Przyrządami przeznaczonymi do ich badania są analizatory spalin, umożliwiające pomiar jednego, dwóch lub kilku gazów (CO, CO2, CH, O2 i NOX).
Pierwsze analizatory spalin do celów diagnostycznych stosowano już w latach 60. ubiegłego wieku. Były to tak zwane analizatory składu mieszanki wyposażone w galwanometr. Analizatory spalin działające na zasadzie zmiany przewodnictwa cieplnego gazów, mierzące stosunek mas powietrza do paliwa (AFR) i przybliżoną zawartość tlenku węgla w procentach, stanowiły kolejne rozwiązania. Ze względu na niewielką dokładność pomiaru stężenia CO mogły być stosowane jedynie do diagnozowania i regulacji gaźnikowego układu zasilania. Nie nadawały się natomiast do diagnozowania wtryskowego układu zasilania z katalizatorem.
Postęp techniczny w zakresie budowy analizatorów spalin jest bardzo duży. W najnowszych przyrządach do badania składu spalin silników o zapłonie iskrowym wykorzystano zdobycze elektroniki, ponieważ coraz bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące toksyczności spalin powodują konieczność szybkiego oraz dokładnego sprawdzania ich składu i stężenia.
Obowiązujący od lat 70. ubiegłego wieku w krajach rozwiniętych stan prawny ograniczający emisję CO w spalinach spowodował powstanie następnej wersji analizatorów działających według zasady pochłaniania przez spaliny promieniowania podczerwonego. Przyrządy te pozwalały na szybkie i dokładne określenie stężenia w spalinach takich składników, jak: CO, CO2, CH. Najczęściej budowane były jako dwuskładnikowe, umożliwiające pomiar stężenia CO i CO2 lub CO i CH. Zasadę działania tego typu analizatora przedstawiono na rys. 1. Polega ona na wykorzystaniu właściwości pochłaniania przez gazy promieniowania podczerwonego o określonej długości fali. Promienniki (1) wysyłają dwie równoległe wiązki promieniowania podczerwonego, z których jedna przechodzi przez komorę porównawczą (3), a druga przez komorę pomiarową (4). Komora porównawcza jest wypełniona gazem wzorcowym (np. azot lub argon), którego pochłanianie jest równe zero. Natomiast przez komorę pomiarową przepuszcza się gazy spalinowe pobierane w sposób ciągły z rury wydechowej pojazdu. Ich składniki pochłaniają częściowo promieniowanie, w związku z czym wiązka ta ma mniejsze natężenie niż przechodząca przez komorę porównawczą. Wiązki promieniowania trafiają do detektora (5) wypełnionego badanym gazem (np. CO, CH) i przedzielonego w połowie kondensatorem przeponowym (8). Różnice absorpcji promieniowania podczerwonego w komorach (3 i 4) sprawiają, że inny jest stopień nagrzania, a więc i ciśnienie nad i pod przeponą. Spowoduje to ugięcie przepony oraz odpowiednią zmianę pojemności kondensatora, którą przetwarza się na zmianę napięcia prądu. Układ pomiarowy jest wyposażony we wzmacniacz (6) i wskaźnik (7) wyskalowany w procentach stężenia odpowiedniego składnika gazów spalinowych. Ponieważ zmiany pojemności nie są duże, w celu ułatwienia pomiaru stosuje się modulację o małej częstotliwości, wywołaną przez wirującą tarczę (2) z otworami, napędzaną silniczkiem (9).
Znane są rozwiązania konstrukcyjne analizatorów spalin, które na podstawie zmierzonych zawartości CO i CO2 obliczają tak zwane skorygowane wartości (CO)K i (CO2)K:

gdzie:
(CO)K i (CO2)K są skorygowanymi wartościami stężenia tlenku węgla oraz dwutlenku węgla, bliskimi wartościom rzeczywistym (jednostki sterujące analizatorów spalin posiadają odpowiednie oprogramowanie umożliwiające obliczenie skorygowanych wartości tlenku i dwutlenku węgla).
Jeżeli między zmierzonym stężeniem tlenku węgla i obliczoną skorygowaną jego zawartością występuje różnica, świadczy to o nieszczelności układu wydechowego silnika lub przewodu wlotowego analizatora. Ewentualną regulację gaźnika można wtedy przeprowadzić na podstawie skorygowanej wartości (CO)K.
Zastosowanie analizatorów do mierzenia dwóch i trzech gazów, działających według zasady absorpcji promieniowania podczerwonego, jest jednak ograniczone do badania spalin silników gaźnikowych i z wtryskiem benzyny bez katalizatora lub z katalizatorem nieregulowanym pojedynczego działania.

Uwagi:
1. WM oznacza wartość mierzoną (np. ± 5% WM oznacza, że błąd względny wynosi ± 5% wartości mierzonej).
2. Błąd obliczenia współczynnika λ wynika z tolerancji pomiaru zawartości CO, CO2, HC i O2.
3. Dokładność pomiaru zawartości tlenków azotu (NOx) nie jest normowana dla analizatorów stosowanych na obszarze Unii Europejskiej. 
4. Oceniając dokładność konkretnego pomiaru, zawsze bierzemy pod uwagę większą wartość błędu, tj. wartość tylko jednego z błędów: bezwzględnego lub względnego.

2. Zasada działania analizatorów spalin
Najnowsze analizatory spalin mogą mierzyć cztery gazy, oprócz CO, CO2 i CH dodatkowo tlen (O2). Jednocześnie są przystosowane do pomiaru prędkości obrotowej silnika i temperatury oleju silnikowego oraz obliczają współczynnik nadmiaru powietrza λ lub AFR. Obecnie dostępne są także analizatory wieloskładnikowe, które dodatkowo mierzą stężenie tlenków azotu (NOX), co pozwala na lepszą ocenę skuteczności działania katalizatora. Z powodu wysokiej ceny analizatory przystosowane do pomiaru stężenia NOX nie są jeszcze powszechnie stosowane na stanowiskach diagnostycznych.
Zasadę działania analizatora do pomiaru czterech gazów przedstawiono na rys. 2. Spaliny z układu wydechowego silnika, po oczyszczeniu z wody w separatorze (9) oraz z zanieczyszczeń przez filtr (10), są doprowadzane do komory pomiarowej (2). Objętości CO, CO2 i CH są mierzone na zasadzie pochłaniania promieni podczerwonych. Promiennik (1) wysyła wiązkę światła podczerwonego, która przechodzi przez spaliny w komorze pomiarowej. Każdy z badanych gazów pochłania inne długości fali promieniowania podczerwonego. Specjalne filtry (3), umieszczone po stronie odbiorczej bloku pomiarowego, odfiltrowują określone długości fal i każda z nich jest mierzona oddzielnym detektorem (4) lub pojedynczym czujnikiem optycznym. Proporcjonalnie do koncentracji gazu dociera do detektora mniejsza lub większa dawka wysyłanego promieniowania podczerwonego o określonej długości fali. Intensywność odbieranego promieniowania jest miarą stężenia danego gazu.
Stężenie tlenu w spalinach mierzy się z wykorzystaniem elektroniki. Do tego celu stosuje się galwaniczną komorę pomiarową (8), w której przebiegają procesy chemiczne. W ich wyniku powstaje sygnał elektryczny proporcjonalny do zawartości tlenu w spalinach. Do mikroprocesora (6) doprowadzane są sygnały z detektorów (4) i komory galwanicznej (8). Po odpowiednim opracowaniu wynik pomiaru pojawia się na wskaźniku (7). 
Za pomocą tego rodzaju analizatorów czteroskładnikowych można również z zależności matematycznych obliczyć, na podstawie stężeń poszczególnych gazów, współczynnik nadmiaru powietrza λ lub AFR. Współczynnik nadmiaru powietrza jest obliczany przez mikroprocesor analizatora spalin.
Do pomiaru zawartości w spalinach NOX stosuje się analizatory chemiluminescencyjne, które wykorzystują zjawisko emisji promieniowania elektromagnetycznego towarzyszące reakcji tlenku azotu (NO) z ozonem (O3). Do reaktora, przy bardzo małym ciśnieniu utrzymywanym przez pompę próżniową, doprowadzane są spaliny oraz ozon z wytwornicy. W wyniku reakcji z NO i O3 powstaje dwutlenek azotu (NO2) oraz wytwarza się energia promieniowania proporcjonalna do jego stężenia. Energia ta zamieniana jest następnie na proporcjonalny sygnał elektryczny. 
Nowe wersje analizatorów spalin są wyposażone w drukarki rejestrujące wyniki pomiarów, mogą też współpracować z komputerem zewnętrznym (PC lub laptopem) przez złącze RS 232 lub za pomocą komunikacji bezprzewodowej (Bluetooth), co pozwala na elektroniczne przetwarzanie i archiwizację danych. Obecnie analizatory spalin wykorzystuje się nie tylko do badania składu spalin, ale również do oceny stanu technicznego układu zasilania i układu wylotowego silników spalinowych.
Stanowisko diagnostyczne stacji obsługi powinno być wyposażone przynajmniej w analizator do mierzenia dwóch gazów działający na zasadzie absorpcji promieniowania podczerwonego lub najlepiej w analizator do mierzenia kilku gazów. Natomiast stacje kontroli pojazdów, przeprowadzające okresowe badania techniczne, muszą być wyposażone w analizator czteroskładnikowy z odczytem współczynnika nadmiaru powietrza λ. Przyrządy te powinny wykonywać pomiary z dokładnością zgodną z wymaganiami OIML (Organisation Internationale de Metrologie Legale). W tabeli 1 podano wymaganą dokładność pomiaru dla analizatorów klasy zerowej i pierwszej.
Jeżeli analizator spalin stanowi wyposażenie stacji kontroli pojazdów, to powinien również spełniać obowiązujące wymagania prawne dotyczące jego legalizacji pierwotnej (wprowadzania do obrotu), użytkowania (legalizacji ponownej) i okresowej kalibracji. 
Współczesne analizatory spalin wykonywane są w postaci pojedynczych przyrządów pomiarowych (rys. 3) lub stanowią część kompleksowego stanowiska diagnostycznego (tzw. stacji kontroli spalin), które obejmuje również moduł dymomierza, stanowisko komputerowe z monitorem i drukarką oraz mobilny wózek (rys. 4).

Do zasadniczych podzespołów analizatora spalin należą:

• układ doprowadzania spalin (sonda poboru spalin i pompa ssąca),
• układ przygotowania spalin (zespół filtrów i chłodnica spalin ze skraplaczem pary wodnej),
• główne ścieżki pomiarowe dla CO i CH,
• dodatkowe ścieżki pomiarowe dla CO2 i O2, które w połączeniu z głównymi ścieżkami pomiarowymi pozwalają na obliczenie współczynnika nadmiaru powietrza λ zgodnie z wzorami wynikającymi z teorii spalania.

Stężenie CO, CH i CO2 mierzone jest metodą kontroli absorpcji promieniowania podczerwonego. Natomiast zawartość NOX i O2 określana jest za pomocą ogniw elektrochemicznych o stabilnej temperaturze utrzymywanej automatycznie.
Uzupełniająca informacja o stężeniu CO2 pozwala również ocenić, czy pomiary nie są obarczone nadmiernym błędem z powodu rozcieńczenia spalin powietrzem (np. nieszczelny układ wydechowy, niewłaściwie zamontowana sonda poboru spalin, wyłączenie z pracy jednego lub więcej cylindrów). Korzysta się z faktu, że dla spalin nierozcieńczonych (stechiometrycznych) suma stężenia CO i CO2 wynosi około 15%. Mniejsza wartość wskazuje na rozcieńczenie spalin. Analizator umożliwia określenie skorygowanej (rzeczywistej) zawartości tlenku węgla. W przypadku dużej różnicy w koncentracji zmierzonej i skorygowanej zawartości CO, świadczącej o rozcieńczeniu spalin, należy przed badaniem zlokalizować i usunąć nieszczelność, aby wyniki pomiarów stężenia składników spalin były zgodne ze stanem faktycznym.
Analizator spalin umieszczony jest najczęściej w prostopadłościennej obudowie. Na przednim panelu (rys. 5) znajdują się elementy do sterowania pomiarem (przyciski) i umożliwiające odczyt mierzonego parametru (wyświetlacze, drukarka wewnętrzna). Na płycie tylnej (rys. 6) umieszczono gniazda do podłączenia: napięcia zasilania, sondy do poboru spalin, miernika temperatury oleju, sondy umożliwiającej pomiar prędkości obrotowej silnika. Często są też instalowane gniazda przyłączeniowe dodatkowych urządzeń, na przykład komputera PC, modułu drukarki zewnętrznej, modułu dymomierza. 
Obecne wymagania dotyczące kontroli składu spalin w stacjach kontroli pojazdów zmuszają do stosowania precyzyjnych urządzeń pomiarowych. Stan techniczny podzespołów tych urządzeń wpływa na dokładność wyników. Należy pamiętać o legalizacji analizatorów spalin oraz okresowej kalibracji, konserwacji, czyszczeniu, wymianie filtrów. Dla analizatorów czteroskładnikowych istotny jest fakt, że ścieżki pomiarowe dla CO, CO2 i CH są wykonane w oparciu o bezobsługowe (poza okresową kalibracją) analizatory typu NDIR. Natomiast pomiar stężenia O2 odbywa się za pomocą ogniwa elektrochemicznego o ograniczonej żywotności, które po około 3 latach należy wymienić. Dokładność pomiaru O2 ma bowiem duże znaczenie dla określenia wartości współczynnika λ. Sprawne urządzenia pomiarowe gwarantują uzyskanie prawidłowych wyników pomiarów podczas badań kontrolnych pojazdów.

O nowoczesności analizatorów spalin decydują przede wszystkim następujące cechy:

• zastosowanie techniki mikroprocesorowej umożliwiającej automatyzację procesu pomiarowego,
• możliwość współpracy z komputerem zewnętrznym i centralną jednostką sterującą (np. linii diagnostycznej, hamowni podwoziowej),
• duża dokładność pomiaru i rozdzielczość wskazań (spełnienie wymagań OIML klasy 0 lub klasy 1),
• samoczynne zerowanie,
• obliczanie współczynnika nadmiaru powietrza λ, AFR) na podstawie zmierzonych składników spalin,
• wyposażenie w dodatkowe sondy do pomiaru prędkości obrotowej silnika i temperatury oleju,
• łatwość obsługi i krótki czas nagrzewania do stanu gotowości do pracy,
• wyposażenie w drukarkę rejestrującą wartości zmierzonych parametrów i dodatkowe dane (pojazdu, stacji kontroli itp.),
• dokładne filtrowanie spalin i samoczynne wytrącanie kondensatu.

dr inż. Kazimierz Sitek 

Literatura
1. Sitek K.: Analiza spalin silników ZI. Pomiar zadymienia spalin silników ZS. Poradnik Serwisowy 3/2010.
2. Sitek K.: Diagnostyka samochodowa. Układy odpowiedzialne za bezpieczeństwo jazdy. Wydawnictwo Auto, Warszawa 1999.
3. Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych. WKŁ, Warszawa 2011.