Diagnostyka

– analiza spalin (6)

W poprzednich częściach artykułu przedstawiono wpływ czynników eksploatacyjnych na skład spalin, metodę badania toksyczności spalin, warunki techniczne i przebieg analizy spalin oraz wymagania prawne dotyczące analizatorów spalin. Natomiast w tej części opisano wybrane rozwiązania konstrukcyjne analizatorów spalin, kontrolę składu spalin w pojazdach z systemem OBD oraz analizę spalin silników motocyklowych.

1. Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne analizatorów spalin

MGT 5 firmy Maha
Analizator spalin MGT 5, oferowany przez firmę Maha, jest 4(5)-gazowym przyrządem do pomiaru koncentracji CO, CO2, CH, O2 oraz NOx (opcja) w spalinach silników o zapłonie iskrowym (zasilanych etyliną i gazem). Przyrząd oblicza współczynnik nadmiaru powietrza λ oraz mierzy prędkość obrotową silnika i temperaturę oleju. Analizator spełnia wysokie wymagania dotyczące jakości wykonania i dokładności pomiarów (klasa 0 zgodnie z OIML). Zatwierdzony do użytkowania na podstawie ustawy prawo o miarach (zatwierdzenie typu GUM). Może być zastosowany jako urządzenie stacjonarne lub przenośne (podczas badań trakcyjnych pojazdów). W zależności od potrzeb, po uzupełnieniu wyposażenia, analizator może być stosowany jako:
- samodzielne urządzenie ze zintegrowanymi wyświetlaczami diodowymi do pomiaru stężenia składników spalin silników o ZI (rys. 1a),
- jeden ze składników uniwersalnego stanowiska diagnostycznego (wspólnie z dymomierzem, zestawem komputerowym z monitorem i drukarką oraz mobilnym wózkiem) do badania spalin zarówno silników o ZI, jak i o ZS (rys. 1b),
- element wyposażenia pomiarowego linii diagnostycznych, z możliwością pracy w sieci (rys. 1c),
- element wyposażenia kontrolnego stanowiska hamowni podwoziowej, do pomiaru składu spalin silników o ZI (na biegu luzem i w stanie obciążenia).









Rys.1. Przykłady wykorzystania analizatora spalin MGT 5 firmy Maha: a – samodzielne urządzenie z wyświetlaczami LCD wraz z wyposażeniem (terminal z drukarką, sonda poboru spalin, sondy prędkości obrotowej i temperatury silnika), b – uniwersalne stanowisko z analizatorem spalin, dymomierzem, zestawem komputerowym z monitorem i drukarką oraz mobilnym wózkiem, c – element wyposażenia kontrolnego linii diagnostycznej z możliwością pracy w sieci.

Układ pomiarowy analizatora umieszczono w trwałej metalowej obudowie, którą otacza osłona z tworzywa sztucznego z praktycznym uchwytem. Sonda poboru spalin jest wykonana ze stali nierdzewnej, a wąż doprowadzający spaliny został wzmocniony oplotem stalowym. Jest to urządzenie zwarte, o niewielkiej masie i wytrzymałej konstrukcji, które można dalej rozbudować po dodaniu:
- złączy szeregowych służących do połączenia analizatora z dymomierzem, komputerem zewnętrznym PC i linią diagnostyczną,
- modułów o różnorodnych funkcjach, co umożliwia współpracę z różnymi czujnikami prędkości obrotowej silnika (indukcyjne, wibracyjne itd.), sondą pomiaru temperatury oleju, systemem diagnostyki pokładowej OBD oraz sieciami wymiany danych (Eurosystem, ASA, Citrix).

Analizator firmy Maha zapewnia czytelne i przejrzyste przedstawienie wyników pomiarów na wewnętrznych wyświetlaczach diodowych LED, na ekranie monitora komputerowego lub na dwuwierszowym wyświetlaczu przenośnego terminalu (z wbudowaną klawiaturą i drukarką). Oprogramowanie oferuje odpowiednie warunki obsługi urządzenia oraz dostarcza niezbędnych informacji pomiarowych i diagnostycznych. Dodatkowymi zaletami analizatora są: krótki czas nagrzewania (uzyskany dzięki zwartej konstrukcji komory pomiarowej), łatwa obsługa i wygodny dostęp do elementów podlegających wymianie (filtr, czujnik tlenu). Urządzenie MGT 5 automatycznie wykonuje takie czynności, jak: zerowanie, odprowadzanie kondensatu przez osobną pompę, test pozostałości węglowodorów CH.






Rys. 2. Wieloskładnikowy analizator spalin CAP 3201 firmy Capelec: a – prezentacja wyników pomiaru na ekranie (w dolnej części przyciski do sterowania przyrządem), b – kompleksowe stanowisko diagnostyczne z analizatorem, modułem dymomierza i wózkiem.

CAP 3201 firmy Capelec
Analizator spalin CAP 3201 firmy Capelec jest nowoczesnym przyrządem pomiarowym, który spełnia wymagania dyrektywy MID i zapewnia bardzo dużą dokładność pomiaru (OIML klasa 0). Służy do pomiaru zawartości CO, CO2, CH, O2 i opcjonalnie NOx oraz określania wartości współczynnika l. Oprócz tego mierzy prędkość obrotową i temperaturę oleju silnikowego. Prędkość obrotowa silnika mierzona jest za pomocą sondy (na podstawie tętnienia napięcia w instalacji elektrycznej), po jej przyłączeniu do zacisków akumulatora lub gniazda zapalniczki. Przyrządem można sterować za pomocą przycisków umieszczonych na płycie czołowej poniżej ekranu wyświetlacza (rys. 2a) oraz z komputera zewnętrznego. Urządzenie może pracować w trybie pomiaru urzędowego (w SKP) i trybie pomiaru ciągłego, który umożliwia diagnozowanie i regulację silnika. Analizator spalin posiada wbudowaną drukarkę termiczną, umożliwiającą wybór rodzaju protokołu z badań. Istotne cechy analizatora: zwarta i wytrzymała konstrukcja, wyświetlacz LCD z dużym ekranem o wysokiej rozdzielczości, interaktywna klawiatura, krótki czas nagrzewania (poniżej 5 min) i łatwa obsługa. Przyrząd automatycznie wykonuje takie czynności, jak: zerowanie (co 30 min), usuwanie kondensatu, kompensacja zmian ciśnienia powietrza oraz test zawartości resztkowych HC. Analizator ma strukturę modułową, co pozwala na jego rozbudowę od samodzielnego urządzenia do stanowiska składającego się ze współpracujących ze sobą modułów obejmujących także dymomierz i tester OBD. Wszystkie elementy znajdują się na mobilnym wózku. Takie uniwersalne stanowisko zostało pokazane na rys. 2b i służy do badania spalin w silnikach o zapłonie iskrowym i samoczynnym.
Wyposażenie opcjonalne analizatora umożliwia komunikację bezprzewodową (Bluetooth) zarówno z dymomierzem, jak i podczas pomiaru prędkości obrotowej silnika oraz temperatury oleju przez złącze OBD (takie rozwiązanie eliminuje potrzebę stosowania tradycyjnych sond). Dodatkowe wyposażenie zawiera także klawiaturę.
Identyczne rozwiązanie konstrukcyjne analizatora spalin dostarcza także firma Sun pod nazwą DGA 1500.

2. Kontrola składu spalin w pojazdach z systemem OBD
Pojazdy samochodowe wyposażone w system diagnostyki pokładowej OBD wyróżniają się przede wszystkim umieszczeniem: wskaźnika MIL, 16-stykowego trapezowego złącza diagnostycznego DLC oraz drugiej sondy lambda (usytuowanej za reaktorem katalitycznym). Każda procedura kontrolna stosowana w stacjach kontroli pojazdów musi wskazywać sposób postępowania w przypadku, gdy system diagnostyki pokładowej OBD jest uszkodzony lub wykazuje dysfunkcje. Niżej wymieniono charakterystyczne cechy procedury kontroli pojazdów z wykorzystaniem systemu OBD stosowanej w Polsce w stacjach kontroli pojazdów:
- Badanie systemu diagnostyki pokładowej OBD jest badaniem podstawowym i decydującym o dopuszczeniu pojazdu do ruchu,
- Badanie emisji zanieczyszczeń gazowych z rury wydechowej silnika (analizatorem spalin) wykonuje się dodatkowo, jeżeli komunikacja bazowego czytnika ze sterownikami samochodu nie może być nawiązana, system OBD jest niekompletny lub niektóre testy diagnostyczne (monitory) nie zostały wykonane. W dwu ostatnich przypadkach wykonuje się także test czujnika tlenu. Do dopuszczenia pojazdu do ruchu niezbędny jest pozytywny wynik obu testów,
- W przypadku braku informacji o sygnale z czujnika stężenia tlenu, o ostatecznym wyniku badań decyduje test toksyczności wykonany analizatorem spalin. Nie wykonuje się żadnych procedur zastępczych badań czujnika tlenu.



Rys. 3. Niezbędne wyposażenie dodatkowe analizatora wykorzystywanego do analizy spalin silników dwusuwowych (źródło: AVL DiTest): 1 – adapter do poboru spalin, 2 – zestaw filtracyjny zawierający separator oleju i dodatkowy filtr zanieczyszczeń, 3 – sondy o zwiększonej długości, 4 – statyw.

Narzędziem, za pomocą którego wykonuje się badania systemów pokładowych, jest czytnik informacji diagnostycznej (tester, skaner). Czytnik musi spełniać normę ISO 15031-4 (odpowiednik normy amerykańskiej SAE J1978) oraz mieć oprogramowanie umożliwiające wykonanie testu czujnika stężenia tlenu.
Podczas badań kontrolnych pojazdów z wykorzystaniem systemu diagnostyki pokładowej OBD II/EOBD należy wykonać niżej wymienione czynności:

a.) Oględziny zewnętrzne układu wtryskowego paliwa i systemu redukcji spalin
Przed przystąpieniem do czynności kontrolnych trzeba wykonać oględziny zewnętrzne elementów i podzespołów układu wtryskowego i systemu redukcji spalin. Przede wszystkim należy sprawdzić: elementy układu wydechowego, reaktor katalityczny, sondy lambda, system powietrza dodatkowego, elementy systemu odprowadzania par paliwa, czujniki i elementy wykonawcze oraz korek paliwa i zabezpieczenie przed jego utratą. Widoczny brak elementów lub ich uszkodzenia dyskwalifikują pojazd.

b.) Identyfikacja złącza diagnostycznego i wskaźnika MIL
Należy określić położenie złącza diagnostycznego oraz położenie lampki MIL na tablicy rozdzielczej. Niekiedy czynności te mogą być kłopotliwe i czasochłonne. Akceptowane kształty wskaźnika MIL występują w postaci napisów (Service Engine Soon, Check Engine) lub symbolu silnika z napisami (Service Check Soon, Check). Informacje odnośnie lokalizacji złącza diagnostycznego w typowych samochodach zamieszczone są m.in. w literaturze oraz w witrynie internetowej Instytutu Transportu Samochodowego. Brak złącza diagnostycznego w określonym miejscu lub jego uszkodzenie dyskwalifikuje pojazd (koniec badania).
c.) Badanie obwodu elektrycznego wskaźnika MIL i próba nawiązania komunikacji



Rys. 4. Adapter do poboru spalin firmy Maha: 1 – rura przedłużająca układ wydechowy, 2 – kołnierz zakładany na tłumik i zaciskany opaską, 3 – standardowa sonda poboru spalin.

Kontrola rozpoczyna się przy wyłączonym silniku. Po włączeniu zapłonu wskaźnik powinien zapalić się i po chwili zgasnąć (obwód lampki MIL jest zdatny). Jeżeli po włączeniu zapłonu wskaźnik się nie zapali, świadczy to o uszkodzeniu lampki lub jej obwodu. To uszkodzenie dyskwalifikuje pojazd, jednak powinno się kontynuować badanie i podjąć próbę nawiązania komunikacji przy włączonym zapłonie i wyłączonym bądź pracującym silniku (zgodnie z instrukcją testera). Jeżeli komunikacja między czytnikiem a sterownikami pojazdu nie zostanie nawiązana, dalsze postępowanie jest związane tylko z oceną zachowania wskaźnika MIL:
- obwód lampki MIL jest uszkodzony – kończymy badanie z wynikiem negatywnym,
- obwód lampki MIL działa poprawnie i po włączeniu silnika kontrolka świeci w sposób ciągły – kończymy badanie z wynikiem negatywnym,
- obwód lampki MIL pracuje poprawnie i po włączeniu silnika lampka zostanie wygaszona (nie wykryto usterek w systemie, z którym nie możemy się skomunikować). Należy wykonać test toksyczności analizatorem spalin. Jeżeli uzyskano pozytywny wynik – samochód uznajemy za zdatny.

d.) Odczyt stanu sterowania wskaźnika MIL oraz kodów uszkodzeń
W przypadku nawiązania komunikacji w pierwszej kolejności należy odczytać stan sterowania wskaźnika MIL. Stan lampki powinien być zgodny ze stanem generowanym przez sterownik (sygnał 1 = lampka zapalona, sygnał 0 = lampka wygaszona). Sytuacja odwrotna świadczy o uszkodzeniu obwodu sterowania lampki i dyskwalifikuje pojazd. Jeżeli sterownik wysyła sygnał aktywacji lampki, a ona się nie świeci – należy odczytać kody usterek i określić ich znaczenie.
Należy w takiej sytuacji zakończyć badanie z wynikiem negatywnym.
Jeżeli sterowanie wskaźnikiem MIL jest zgodne z jego wskazaniami, należy kontynuować badanie w sposób przedstawiony niżej:
- przy zapalonej podczas pracy silnika lampce MIL – odczytać i zinterpretować kody usterek (badanie zakończyć z wynikiem negatywnym),
- przy wygaszonej podczas pracy silnika lampce MIL – należy odczytać, które testy diagnostyczne (monitory) zostały w systemie pokładowym samochodu zainstalowane i wykonane. W pojeździe muszą być zainstalowane następujące monitory: test podzespołów systemowych, test procesu spalania (wykrywanie wypadania zapłonów), test czujnika stężenia tlenu i test reaktora katalitycznego,
- jeżeli nie wszystkie wymagane monitory diagnostyczne są w pojeździe zainstalowane lub nie wszystkie zostały wykonane, należy przeprowadzić klasyczny test toksyczności (analizatorem spalin) i test czujnika tlenu czytnikiem OBD. W sytuacji, gdy wyniki obu testów są prawidłowe, ostateczny wynik badań pojazdu jest pozytywny.



Rys. 5. Adapter ProBike 420 firmy AVL DiTest do poboru spalin z rur wydechowych motocykli: 1 – elastyczny stożek uszczelniający, 2 – uchwyt, 3 – rura przedłużająca układ wydechowy.

Przedstawiona procedura nie nakazuje przeprowadzania badania toksyczności za pomocą analizatora spalin i testu czujnika stężenia tlenu czytnikiem OBD w przypadku, gdy w samochodzie zainstalowano i wykonano wszystkie wymagane monitory diagnostyczne, a wskaźnik MIL nie jest aktywny (wynik badania jest pozytywny). Jeżeli chociaż jeden z monitorów w chwili badań jest niewykonany, to należy wówczas przeprowadzić test toksyczności (analizatorem spalin) i test czujnika stężenia tlenu. Wyniki obu testów muszą być pozytywne, aby można było dopuścić pojazd do ruchu.
W przypadku, kiedy test czujnika stężenia tlenu nie może być wykonany za pomocą testera OBD (brak informacji o sygnale z czujnika stężenia tlenu w zbiorze parametrów bieżących), to o ostatecznym wyniku badań decyduje wynik uzyskany z analizy spalin. Polska procedura (w odróżnieniu od niemieckiej) nie przewiduje żadnych procedur zastępczych badań czujnika tlenu.
Podsumowując, zgodnie z wymaganiami prawnymi, w czasie pomiaru emisji zanieczyszczeń gazowych spalin w pojazdach z systemem diagnostyki pokładowej OBDII/EOBD konieczne jest sprawdzenie, czy:
- prawidłowo działa kontrolka MIL,
- wszystkie procedury (monitory) diagnostyczne są wykonane,
- nie występują zarejestrowane kody usterek.

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

W celu spełnienia wymagań związanych z ochroną środowiska, w pojazdach z systemem diagnostycznym OBDII/EOBD niedopuszczalne jest:
- wystąpienie zarejestrowanego kodu usterki sygnalizowanego kontrolką MIL, przy jednoczesnym prawidłowym działaniu jej obwodu,
- nieprawidłowe działanie kontrolki MIL,
- nieprawidłowe działanie elementów systemu, a w szczególności: reaktorów katalitycznych, czujników tlenu, systemu powietrza wtórnego, systemu kontroli emisji par paliwa (w tym zamknięcia i szczelności korka wlewu paliwa), pozostałych czujników i systemu połączeń elektrycznych,
- niewykonanie wszystkich procedur diagnostycznych (monitorów),
- otrzymanie negatywnego wyniku testu czujników tlenu (sond lambda), który wykonany został na podstawie: zarejestrowanych wartości bieżących lub pomiaru emisji zanieczyszczeń gazowych.






Rys. 6. Sposoby połączenia adaptera Pro Bike 420 z końcówką układu wydechowego motocykli wykorzystujące dwa różne ustawienia elastycznego stożka uszczelniającego (źródło: AVL DiTest): a – sposób pierwszy, b – sposób drugi.

Pozostałe wymagania i warunki dotyczące pomiaru emisji zanieczyszczeń gazowych w pojazdach z systemem OBDII/EOBD są takie same, jak dla pojazdów bez tego systemu.

3. Analiza spalin silników motocyklowych
Zgodnie z krajowym ustawodawstwem, stacje kontroli pojazdów mają obowiązek sprawdzać emisję spalin również w pojazdach jednośladowych. Obecnie kontroli podlega wyłącznie zawartość w spalinach tlenku węgla CO. Stosowne rozporządzenie uzależnia dopuszczalne stężenie w spalinach tlenku węgla od daty pierwszej rejestracji pojazdu. Koncentracja tlenku węgla w spalinach silników motocyklowych nie może przekraczać:
- 5,5% obj. – dla motocykli rejestrowanych do 30 września 1986 r.,
- 4,5% obj. – dla motocykli rejestrowanych od 1 października 1986 r.

Wyżej wymienione wartości dla wielu współczesnych motocykli stały się archaiczne i nie korespondują z rozwiązaniami konstrukcyjnymi stosowanymi obecnie w motocyklach z silnikiem czterosuwowym i reaktorem katalitycznym (np. firmy Honda czy Yamaha). W tych odmianach motocykli skład mieszanki jest regulowany przez układy sterowania, na podstawie sygnałów z czujnika tlenu w spalinach. Dla porównania, samochody wyposażone w takie silniki nie powinny mieć obecnie większej koncentracji CO w spalinach niż 0,3% obj. Nasuwa się oczywisty wniosek, że ze względów ekologicznych normy emisji spalin dla nowoczesnych silników motocyklowych powinny być bardziej rygorystyczne.
Analizę spalin w pojazdach jednośladowych nie można wykonać w sposób prawidłowy, jeżeli nie uwzględnimy:
- zwiększonego, dla silników dwusuwowych, zanieczyszczenia spalin olejem i pozostałościami procesu spalania (konieczność użycia analizatora spalin z dodatkowym filtrem i separatorem oleju),
- niskiej częstotliwości pulsacji ciśnienia spalin w układzie wylotowym, co wymaga wydłużenia układu wydechowego i pobierania spalin z większej głębokości.

W motocyklach z silnikiem dwusuwowym spaliny są zanieczyszczone olejem i pozostałościami procesu spalania w stopniu większym niż w silnikach czterosuwowych. Zwiększona obecność w spalinach cząstek oleju i pozostałości po procesie spalania wynika ze sposobu smarowania silnika dwusuwowego. Z tego powodu analizatory spalin przystosowane do kontroli emisji spalin silników motocyklowych powinny być wyposażone w dodatkowe filtry oraz separatory oleju. Na rys. 3 pokazano niezbędne wyposażenie dodatkowe analizatora firmy AVL DiTest wykorzystywanego do kontroli spalin w silnikach dwusuwowych.
Podczas sprawdzania emisji spalin w pojazdach jednośladowych występują trudności związane z konstrukcją tłumika, która najczęściej uniemożliwia wprowadzenie sondy poboru spalin na wymaganą głębokość (30 cm w silniku czterosuwowym, 75 cm w silniku dwusuwowym). Rozwiązanie tego problemu jest możliwe po przedłużeniu układu wydechowego, ale niekiedy nie zapewnia warunków do prawidłowego poboru spalin. W spalinach przepływających w układzie wydechowym występują przemiennie strefy nadciśnienia i podciśnienia. W czasie pomiaru należy zapewnić taką głębokość poboru spalin, aby między miejscem poboru spalin a końcem układu wydechowego występowała strefa, w której panuje nadciśnienie. To uniemożliwia napływ powietrza atmosferycznego do miejsca poboru spalin i zapobiega rozcieńczeniu spalin, co spowodowałoby zmiany stężenia mierzonych składników i wartości obliczanego współczynnika λ. W niektórych rodzajach silników motocyklowych (o małej liczbie cylindrów) występuje niska częstotliwość pulsacji ciśnienia spalin w układzie wydechowym. W przypadku umieszczenia sondy poboru spalin w miejscu położonym zbyt blisko końca układu wydechowego, może wystąpić strefa podciśnienia powodująca rozcieńczenie spalin przez napływające powietrze.
W praktyce stosuje się dwa sposoby radzenia sobie z tym problemem:
- wydłużenie układu wydechowego, co pozwala na zastosowanie odpowiednio długiej sondy poboru spalin (zassanie spalin z większej głębokości),
- wydłużenie układu wydechowego rurą z bocznym poborem spalin, co również umożliwia pobieranie spalin z większej głębokości.

Pierwszy z wyżej wymienionych sposobów można zrealizować wykorzystując oferowane przez niektórych wytwórców adaptery do poboru spalin z układu wydechowego motocykli. Przykład adaptera proponowanego przez firmę Maha przedstawiono na rys. 4. Z zewnątrz na obudowie tłumika należy zacisnąć opaską kołnierz (wykonany z materiału odpornego na wysoką temperaturę). Kieruje on spaliny do rury przedłużającej układ wydechowy, do której należy wprowadzić sondę poboru spalin analizatora. Stosowanie takich adapterów jest rozwiązaniem stosunkowo prostym, pod warunkiem, że osłony zewnętrzne tłumika nie utrudniają szczelnego połączenia z układem wydechowym.

Natomiast firma AVL DiTest w adapterze Pro Bike 420 (rys. 5) proponuje wykorzystanie drugiego sposobu wydłużenia układu wydechowego (rurą z bocznym poborem spalin). Adapter można szczelnie połączyć z końcówką układu wydechowego motocykla, wykorzystując dwa różne ustawienia elastycznego stożka uszczelniającego (rys. 6). Dodatkowe wyposażenie adaptera Pro Bike 420 zawiera podwójne sondy poboru spalin, które są potrzebne dla motocykli o dwóch wyprowadzeniach z układu wydechowego. Adapter może współpracować z różnymi rodzajami analizatorów spalin. Producent deklaruje, że uszczelnienie układu wydechowego za pomocą elastycznego stożka umożliwia wykorzystanie adaptera do około 85% motocykli znajdujących się w eksploatacji.

dr inż. Kazimierz Sitek