Diagnostyka

W pierwszej części artykułu przedstawiliśmy metody pomiaru stopnia zadymienia spalin i stosowane jednostki pomiarowe. Tym razem zajmiemy się warunkami technicznymi i przebiegiem pomiaru zadymienia spalin, kryteriami oceny stanu technicznego silnika o zapłonie samoczynnym na podstawie stopnia zadymienia spalin oraz pomiarem zawartości cząstek stałych w spalinach.

Warunki pomiaru zadymienia spalin 
Pomiaru 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 wpływa wiele czynników, wśród których wymienić należy:

•     stan cieplny silnika,
•     miejsce poboru spalin w układzie wylotowym,
•     sposób mocowania sondy poboru spalin w rurze wydechowej,
•     temperaturę spalin i stopień ich ochłodzenia w układzie wylotowym,
•     stopień kondensacji pary wodnej w zassanych do przyrządu spalinach,
•     nadciśnienie spalin dopływających do dymomierza w czasie pomiaru.

Z tego względu podczas pomiarów zadymienia spalin silników o zapłonie samoczynnym powinny być spełnione następujące warunki techniczne:

•     prawidłowo wyregulowany luz zaworów,
•     wykonane obsługiwanie techniczne filtra powietrza,
•     układ wylotowy kompletny i całkowicie szczelny aż do miejsca poboru spalin (w razie konieczności dla potrzeb pomiaru można szczelne przedłużyć układ wylotowy),
•     silnik nagrzany do normalnej temperatury pracy (minimum 60°C dla oleju silnikowego),
•     układ wylotowy oczyszczony przez kilkakrotne szybkie naciśnięcie pedału przyspieszenia, a następnie pracę silnika z podwyższoną prędkością obrotową (około minuty),
•     zachowany jednakowy sposób przyspieszania silnika podczas kolejnych pomiarów, temperatura otoczenia wyższa niż 0°C,
•     sonda dymomierza wprowadzona do rury wydechowej możliwie centrycznie, na wymaganą głębokość (równą minimum trzem średnicom wewnętrznym rury),
•     przewody łączące sondę z dymomierzem oryginalne, o tej samej długości, bez ostrych zagięć,
•     stabilna praca silnika na prędkości biegu jałowego i regulatorowej,
•     pomiar wykonuje się w jednym wylocie (w silnikach wyposażonych w dwudrożny układ wylotowy).

Szczególnie ważne jest, aby przed rozpoczęciem pomiarów przygotować układ wylotowy. Powinno się przedmuchać go spalinami, co pozwoli na usunięcie zgromadzonej w nim sadzy. Należy to wykonać w następujący sposób: 

•     kilkakrotnie szybko zwiększyć prędkość obrotową silnika aż do osiągnięcia prędkości maksymalnej (bez chwilowego utrzymywania tej prędkości),
•     przez około minutę utrzymywać silnik na podwyższonej prędkości biegu luzem (około 50% maksymalnej prędkości obrotowej).

Takie postępowanie spowoduje oczyszczenie układu wylotowego silnika oraz umożliwi podgrzanie silnika i katalizatora (jeżeli występuje). Dopiero po wykonaniu tych czynności należy włożyć sondę poboru spalin do końcówki rury wydechowej. Jeżeli długość prostego odcinka końcówki rury wydechowej uniemożliwia centryczne umieszczenie sondy na wymaganej głębokości lub dostęp do końcówki rury wydechowej jest utrudniony, to można szczelnie przedłużyć układ wylotowy.
Aby umożliwić wykonanie pomiaru zadymienia spalin zgodnie z warunkami technicznymi, wytwórcy dymomierzy dostarczają niezbędne wyposażenie, to jest: sondy do poboru spalin dostosowane do średnicy rury wydechowej (rys. 1) oraz przystawki do pomiaru temperatury oleju i prędkości obrotowej silnika (rys. 2 i 3). Podczas pomiaru trzeba uwzględnić następujące dane: dopuszczalne zadymienie spalin, zakres wymaganej prędkości obrotowej biegu jałowego, zakres wymaganej maksymalnej prędkości obrotowej silnika nieobciążonego i minimalną wymaganą temperaturą oleju silnikowego. W nowych odmianach dymomierzy, wyposażonych w mikroprocesor, dane te można wprowadzić do ich pamięci. 

Przeprowadzenie pomiaru zadymienia spalin 
Jeden cykl pomiarowy zadymienia spalin silników o zapłonie samoczynnym zamyka się w następujących fazach pracy silnika (rys. 4):

•     praca silnika na biegu jałowym,
•     podwyższenie prędkości obrotowej do wartości, przy której następuje całkowite wyłączenie urządzenia rozruchowego pompy wtryskowej,
•     zwiększenie prędkości obrotowej silnika do wartości maksymalnej przy pełnej dawce paliwa,
•     praca z maksymalną prędkością obrotową,
•     zmniejszanie prędkości obrotowej po wyłączeniu pełnej dawki paliwa,
•     praca na biegu jałowym.

W celu prawidłowego przeprowadzenia pomiaru stopnia zadymienia spalin powinno się wykonać następujące czynności:

•     uruchomić i zagrzać silnik do temperatury eksploatacyjnej,
•     sprawdzić szczelność układu wylotowego silnika (w razie potrzeby usunąć widoczną nieszczelność),
•     przygotować dymomierz do pracy zgodnie z instrukcją obsługi (włączyć, nagrzać, wyzerować, przeczyścić szkła układu optycznego itp.),
•     oczyścić układ wylotowy silnika z sadzy,
•     umieścić sondę dymomierza w rurze wydechowej na wymaganej głębokości,
•     wykonać cykl pomiarowy i dokonać pomiaru zadymienia spalin,
•     powtarzać cykle pomiarowe aż do chwili, w której uzyska się wymaganą powtarzalność w co najmniej trzech kolejnych pomiarach,
•     dokonać oceny stopnia zadymienia spalin na podstawie uzyskanych wyników pomiarów i ustalić stan techniczny silnika (głównie układu zasilania paliwem).

Oceny stopnia zadymienia spalin silnika o zapłonie samoczynnym dokonuje się na podstawie wykonania co najmniej trzech kolejnych cykli pomiarowych (swobodnego przyspieszania) o powtarzalnych wynikach [2]. Wyniki pomiarów uważa się za powtarzalne wówczas, gdy wartości współczynnika pochłaniania światła K1, K2, K3:
    nie różnią się od siebie o więcej niż 0,50 m-1, czyli: 

    nie różnią się od siebie o więcej niż 0,1 m-1 (dla pojazdów rejestrowanych po 30 czerwca 2008 r.), czyli: 

Przedstawiony zapis oznacza, że niezależnie od tego, czy różnica K1 – K2 oraz K2 – K3 jest dodatnia, czy ujemna, to wartość tej różnicy przyjmuje się jako dodatnią.
Jeżeli uzyskane wyniki pomiarów spełniają przedstawione wymagania, to jako wartość ostateczną stopnia zadymienia spalin przyjmuje się średnią arytmetyczną z wykonanych pomiarów (z dokładnością do 0,01 m-1):

gdzie:
K    – ostateczna wartość stopnia zadymienia spalin (współczynnika pochłaniania światła),
K1, K2, K3 – wartości stopnia zadymienia spalin zmierzone w trzech ostatnich cyklach swobodnego przyspieszania. 

Obliczony w wymieniony sposób stopień zadymienia spalin należy porównać z wartością graniczną określoną w obowiązujących przepisach [3]: 

gdzie:
K    – ostateczna wartość stopnia zadymienia spalin (współczynnika pochłaniania światła),
Kg    – graniczna wartość stopnia zadymienia spalin określona w przepisach (dla danego rodzaju silnika).

Należy zauważyć, że podczas badania zadymienia spalin silników o zapłonie samoczynnym procedura uzyskiwania wyników końcowych jest dużo bardziej skomplikowana niż w przypadku analizy spalin silników o zapłonie iskrowym. Nie jest to jednak uciążliwe dla diagnosty, ponieważ współczesne dymomierze zostały wyposażone w mikroprocesor z odpowiednim oprogramowaniem, więc czynności obliczeniowe wykonywane są automatycznie.

Kryteria oceny stanu technicznego silnika na podstawie wartości stopnia zadymienia spalin K
Producenci silników o zapłonie samoczynnym często nie podają wymaganych wartości zadymienia spalin. Z tego powodu do oceny zadymienia spalin zaleca się przyjmować wartość ustaloną na podstawie pomiarów technicznie zdatnych, nowych pojazdów. Współczesne silniki o zapłonie samoczynnym (szczególnie z filtrami cząstek stałych) charakteryzują się bardzo niskimi wartościami zadymienia spalin, które są wielokrotnie niższe od obowiązujących obecnie norm prawnych. Silniki o zapłonie samoczynnym samochodów osobowych i pochodnych na ogół wykazują zadymienie spalin w granicach K = 0,5-0,85 m-1, a samochodów ciężarowych K = 1,0-1,6 m-1. Pomiar zadymienia spalin, przeprowadzany w celu dopuszczenia pojazdów do ruchu (w stacjach kontroli pojazdów), 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 [m-1] zgodnie z tabelą [2]. Wówczas przy dymomierzu powinno się umieścić tabelę przeliczeniową, która ułatwi ocenę wyników pomiaru. 
Względy ekologiczne wymusiły wprowadzenie kryterium granicznego zadymienia spalin ogólnego dla wszystkich rodzajów pojazdów wyposażonych w silniki o zapłonie samoczynnym. Dopuszczalne wartości zadymienia spalin wyrażone w jednostkach współczynnika pochłaniania światła K, określone w rozporządzeniu o warunkach technicznych pojazdów [3], nie mogą przekraczać: 
    wartości umieszczonej na tabliczce znamionowej pojazdu, a w przypadku jej braku:
    2,5 m-1 (66% HRT) – dla silników wolnossących,
    3,0 m-1 (72% HRT) – dla silników turbodoładowanych,
    1,5 m-1 (47% HRT) – dla pojazdów rejestrowanych po 30 czerwca 2008 r. 

Pojazdy z silnikami o zapłonie samoczynnym niespełniające podanego kryterium nie mogą być dopuszczone do ruchu drogowego.
Natomiast w przepisach w sprawie zakresu i sposobu przeprowadzania badań technicznych pojazdów [2] ustalono sposób pomiaru zadymienia spalin podczas przeprowadzania badania technicznego.
Na wniosek właściciela pojazdu powinno się wydać wydruk z przyrządu potwierdzający wyniki pomiarów lub podaje się je w uwagach zaświadczenia o przeprowadzonym badaniu technicznym.

Tabela zamiany jednostek skali procentowej Hartridge’a (HRT) na jednostki współczynnika K [m-1]

Pomiar zawartości cząstek stałych w spalinach
Współczesne silniki o zapłonie samoczynnym (ZS), zwłaszcza z filtrami cząstek stałych, charakteryzują się znacznie niższym poziomem zadymienia spalin niż silniki starszej generacji (z pompami wtryskowymi rzędowymi i rozdzielaczowymi). W tych silnikach stosuje się bardzo wysokie ciśnienia wtrysku paliwa. Z tego powodu spaliny nowoczesnych silników ZS zawierają o wiele więcej bardzo małych cząstek stałych (o wielkości około 0,001 mm). Dotyczy to również silników o zapłonie iskrowym (ZI) z wtryskiem bezpośrednim benzyny, które spalają mieszanki ubogie (specyficzne warunki przygotowania i spalania ubogiej mieszanki oraz wysokie ciśnienia wtrysku również powodują powstawanie cząstek stałych o bardzo małych rozmiarach). Mimo że sumaryczna masa cząstek stałych w spalinach nowych odmian silników jest niewielka, to dla układu oddechowego człowieka są one groźniejsze od większych cząstek emitowanych przez starsze silniki, ponieważ wnikają do płuc na większą głębokość. Z tego powodu nowo wprowadzane normy ekologiczne emisji cząstek stałych w spalinach są coraz bardziej rygorystyczne. 
Pomiar zadymienia spalin jest pośrednią metodą określania koncentracji cząstek stałych w spalinach. Spaliny nowoczesnych silników o zapłonie samoczynnym (m.in. z powodu stosowania filtrów cząstek stałych) cechują się bardzo niską wartością stopnia zadymienia spalin i bardzo małymi rozmiarami cząstek stałych. Aktualnie stosowane w stacjach kontroli pojazdów optyczne dymomierze absorpcyjne mają rozdzielczość pomiaru (działkę elementarną) rzędu 0,01 m-1. Taka dokładność pomiaru jest niewystarczająca do określenia stopnia zadymienia spalin (emisji cząstek stałych) w nowoczesnych silnikach o zapłonie samoczynnym oraz ustalenia, czy pojazd spełnia normy Euro 5 i wyższe. Pomiar zadymienia spalin nie jest więc dla tych silników skutecznym narzędziem diagnostycznym. Z kolei pokładowe systemy diagnostyczne OBD nie mierzą bezpośrednio składu spalin. Do oceny poprawności działania układu oczyszczania spalin wykorzystują dane z układu sterowania silnika i wyniki testów kontrolnych. Obecnie stosowane metody diagnozowania filtrów cząstek stałych przez pokładowe systemy diagnostyczne również nie są zadowalające.
Z podanych powodów konieczny jest bezpośredni pomiar stężenia cząstek stałych w spalinach nowoczesnych pojazdów z silnikiem o zapłonie samoczynnym. Jednym z pierwszych przyrządów przeznaczonych do realizacji tego celu jest MPM-4 firmy Maha, w którym do pomiaru masowego stężenia w spalinach cząstek stałych (w mg/m3) wykorzystano światło laserowe. Takie rozwiązanie konstrukcyjne umożliwia pomiar cząstek stałych o wielkości nawet 0,001 mm. Urządzenie może mierzyć zawartość cząstek stałych w spalinach silników zasilanych różnymi paliwami: benzyną, olejem napędowym, gazem oraz paliwami alternatywnymi. Inną propozycją firmy Maha są dymomierze drugiej generacji – MET 6.2.1 (rys. 5), w których do pomiaru masowego stężenia cząstek stałych w spalinach zastosowano taki sam sposób pomiaru (technikę laserową). Na podstawie zawartości cząstek stałych można również określić zadymienie spalin. Wysoka rozdzielczość pomiaru umożliwia diagnozowanie filtrów cząstek stałych i systemów oczyszczania spalin. 
Obowiązkowy test cząstek stałych podczas okresowego badania technicznego pojazdów został już wprowadzony w kilku krajach (Belgia, Niderlandy, Szwajcaria, Niemcy) i dotyczy pojazdów kategorii M1, N1 i N2 od normy Euro 5 w górę. Obecnie podczas badania okresowego pojazdu zalecane są dwie metody liczenia cząstek stałych w spalinach: metoda kondensacji (CPC) i metoda jonizacji (DC). 
W licznikach opartych na metodzie kondensacji (CPC) używa się specjalnego płynu na bazie alkoholu, który wywołuje koncentrację cząstek sadzy, co powoduje, że stają się większe i łatwiejsze do policzenia. Liczenie cząstek stałych wykonuje się w sposób optyczny. Spaliny z układu wylotowego silnika pobierane są tradycyjnie (za pomocą sondy). Po ogrzaniu strumień spalin wpływa do przewodu prowadzącego. Koncentrację cząstek stałych w spalinach mierzy się, wykorzystując światło laserowe, które kierowane jest na strumień spalin, prostopadle do jego osi (rys. 6). Cząstki stałe znajdujące się w spalinach powodują rozproszenie światła laserowego. Jego natężenie będzie więc zależało od ich zawartości w spalinach. Sygnał z detektora rozproszonego światła jest przesyłany do wzmacniacza i przeliczany na masowe stężenie cząstek stałych. Licznik wykorzystujący tę metodę umożliwia określenie stopnia koncentracji dla różnych rozmiarów cząstek stałych. Przykładami liczników cząstek stałych, które wykorzystują metodę kondensacji, są: BEA 090 firmy Bosch, PMU 400 firmy Mahle (rys. 7) oraz CPC 500 firmy Orange Equipment Nederland. 
Natomiast w licznikach, które wykorzystują metodę jonizacji (DC), nazywaną również ładowaniem dyfuzyjnym, następuje zjonizowanie cząstek stałych przez przekazanie im dodatnich i ujemnych ładunków elektrycznych o wielkości zależnej od rozmiarów cząstek. Pole elektryczne wewnątrz licznika zmienia trajektorię ruchu naładowanych cząstek, co umożliwia wybór rozmiarów cząstek. W zależności od natężenia prądu określa się ilościowe stężenia cząstek w funkcji ich rozmiarów. Licznikami wykorzystującymi metodę jonizacji są na przykład: Counter firmy AVL DiTest, CAP 3070 firmy Capelec, NP 01 firmy Texa, PNC 500 firmy Saxon Junkalor oraz HGK-PCK firmy Hella Gutman (rys. 8).
Na tym etapie pomiar stężenia cząstek stałych w spalinach jest przewidziany tylko w nowoczesnych pojazdach z silnikiem o zapłonie samoczynnym. W przypadku starszych pojazdów nadal wykonuje się pomiar zadymienia spalin (dymomierzem). Badanie zawartości cząstek stałych jest obecnie dobrowolne dla krajów członkowskich Unii Europejskiej. Przewiduje się, że w najbliższych latach coraz większa liczba państw UE wprowadzi obowiązek wykonywania takiego pomiaru. Procedura badania, konfiguracja licznika cząstek stałych i wartości graniczne stężenia tych cząstek mogą różnić się w zależności od kraju (poszczególne państwa samodzielnie ustalają własne kryteria).
Po zastosowaniu liczników cząstek stałych w badaniach okresowych pojazdów uzyskuje się możliwość diagnozowania filtrów cząstek stałych i układów oczyszczania spalin oraz wykrywania niedozwolonych modyfikacji (np. wycięcie DPF-a, zaślepienie zaworu EGR, zmiana oprogramowania sterownika silnika). 

dr inż. Kazimierz Sitek 

Literatura
1. Praca zbiorowa (red. Bocheński C.): Badania kontrolne samochodów. WKŁ, Warszawa 2000.
2. Rozporządzenie o zakresie i sposobie przeprowadzania badań technicznych pojazdów (Dz.U. z 2015 r., poz. 776, z późn. zm.).
3. Rozporządzenie w sprawie warunków technicznych pojazdów (Dz.U. z 2016 r., poz. 2022, z późn. zm.).
4. Trzeciak K.: Diagnostyka samochodów osobowych, WKŁ, Warszawa 2011.