Diagnostyka

– analiza spalin (2)

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. W pierwszej części artykułu przedstawiono wpływ składu mieszanki na skład spalin. W części drugiej opisano wpływ na skład spalin innych czynników eksploatacyjnych, to jest: kąta wyprzedzenia zapłonu i kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa, obciążenia i prędkości obrotowej oraz regulacji biegu jałowego.

Wpływ kąta wyprzedzenia zapłonu i kąta wyprzedzenia wtrysku paliwa na skład spalin
Na przebieg procesu spalania, a tym samym na emisję toksycznych składników spalin silnika o zapłonie iskrowym, istotny wpływ wywierają współczynnik składu mieszanki i kąt wyprzedzenia zapłonu (rys. 1).



Rys. 1. Wpływ zmiany kąta wyprzedzenia zapłonu na moc (Ne), jednostkowe zużycie paliwa (ge) oraz koncentrację toksycznych składników spalin: CO, CH i NOx w silniku o zapłonie iskrowym.

Wpływ kąta wyprzedzenia zapłonu na stężenie tlenku węgla i dwutlenku węgla jest praktycznie niezauważalny, niezależnie od kierunku zmian kąta wyprzedzenia zapłonu (przyspieszanie, opóźnianie). W przypadku węglowodorów opóźnianie kąta wyprzedzenia zapłonu powoduje spadek koncentracji CH w spalinach, gdyż wzrasta temperatura spalin, w wyniku czego następuje intensywniejsze ich dopalanie w układzie wydechowym. Na emisję tlenku azotu kąt wyprzedzenia zapłonu ma wpływ podobny, ale tylko w przypadku zasilania silnika o ZI mieszankami ubogimi. Związane to jest z obniżeniem się maksymalnej temperatury spalania mieszanki, która wywiera decydujący wpływ na tworzenie się tlenków azotu. Podczas pracy silnika na bogatej mieszance emisja tlenków azotu ograniczona jest niedoborem tlenu w mieszance, dlatego kąt wyprzedzenia zapłonu praktycznie nie wpływa na ich stężenie w spalinach. W silniku o zapłonie samoczynnym jeszcze kilkanaście lat wstecz kąt wyprzedzenia wtrysku paliwa dobierany był ze względu na maksymalną moc silnika. Obecnie o właściwym doborze kąta wyprzedzenia wtrysku decydują względy ekologiczne. Przy dużych wartościach kąta wyprzedzenia wtrysku, uzyskuje się wczesny samozapłon i duże szybkości spalania, efektem czego jest duża moc i małe jednostkowe zużycie paliwa. Jednak zbyt duży kąt wyprzedzenia wtrysku niekorzystnie wpływa na stopień zadymienia spalin i emisję tlenków azotu, powoduje duże przyrosty ciśnień a przez to “twardą” pracę silnika. Wpływ kąta wyprzedzenia wtrysku na osiągi silnika z wtryskiem bezpośrednim i emisję toksycznych składników spalin przedstawiony jest na rys. 2.



Rys. 2. Wpływ zmiany kąta wyprzedzenia zapłonu na moc (Ne), jednostkowe zużycie paliwa (ge) oraz koncentrację toksycznych składników spalin: C (sadza), CH i NOx w silniku o zapłonie samoczynnym.

W celu obniżenia emisji tlenków azotu opóźnia się wtrysk paliwa, co w przypadku silnika niedoładowanego wywołuje zawsze zmniejszenie ekonomiczności silnika i straty mocy, a ponadto wzrost zadymienia spalin i emisji węglowodorów, wskutek niepełnego spalania paliwa.
Te sprzeczne wzajemnie zależności emisji toksycznych składników spalin, hałasu (twardość pracy silnika) i zużycia paliwa wymagają bardzo dokładnego doboru i właściwej regulacji kąta wyprzedzenia wtrysku. Wzajemne proporcje paliwa i powietrza w mieszance dobierane są przez układ zasilania zgodnie z wymaganą charakterystyką dla danego typu silnika. Zależy to od rodzaju przyjętej optymalizacji pracy silnika: maksymalne osiągi, ekonomiczność pracy, ekologia. Dostarczenie mieszanki do silnika w każdych warunkach pracy o wymaganym składzie zapewnia sprawne funkcjonowanie silnika i osiąganie pożądanych wartości parametrów użytkowych. Współczynniki nadmiaru powietrza (składu mieszanki) l i AFR są parametrami roboczymi układu zasilania paliwem i zależą od stanu technicznego poszczególnych zespołów i elementów tego układu. W czasie eksploatacji silnika procesy starzenia oraz niewłaściwe obsługiwanie techniczne układu zasilania powodują powstawanie niedomagań zespołów układu i zmianę ich parametrów roboczych, co z kolei powoduje zmianę składu mieszanki i najczęściej obniżenie własności użytkowych silnika (spadek mocy, wzrost zużycia paliwa i toksyczności spalin).

Wpływ obciążenia i prędkości obrotowej na skład spalin
W silnikach o zapłonie iskrowym wytwarzanie i dostosowanie mocy do obciążenia zewnętrznego jest możliwe w wyniku zmiany położenia przepustnicy mieszanki (silniki gaźnikowe) lub przepustnicy powietrza (silniki z wtryskiem benzyny), które regulują moc silnika ilością spalanej mieszanki. Jest to ilościowa regulacja mocy silnika, ponieważ jej wartość zależy od stopnia napełnienia cylindrów silnika mieszanką, regulowanego kątem ustawienia przepustnicy:
- przepustnica zamknięta – pracuje układ biegu jałowego, a silnik wytwarza moc indykowaną, która równoważy moc oporów wewnętrznych silnika przy ustalonej prędkości obrotowej biegu jałowego (moc użyteczna Ne=0, silnik pracuje bez obciążenia zewnętrznego);
- przepustnica całkowicie otwarta – funkcjonuje układ wzbogacający mieszankę do składu dynamicznego ld=0,9, a silnik wytwarza maksymalną moc użyteczną Nemax wskutek maksymalnego napełnienia cylindrów mieszanką o składzie dynamicznym, co odpowiada maksymalnemu obciążeniu silnika.

Obciążeniom częściowym silnika o zapłonie iskrowym odpowiada częściowe otwarcie przepustnicy. Jej przymykanie w miarę spadku obciążenia silnika pogarsza proces wymiany ładunku i zwiększa udział resztek spalin z poprzedniego obiegu w świeżo zassanej mieszance. Nie sprzyja to dobremu spalaniu mieszanki. W związku z tym spadek obciążenia wywiera istotny wpływ na wymagany skład mieszanki, którą trzeba wzbogacać i na przebieg procesu spalania, a w końcowym efekcie na skład spalin oraz stężenie poszczególnych składników spalin. W zakresie średnich obciążeń, przy zasilaniu mieszanką ubogą o składzie bliskim stechiometrycznemu, stężenie tlenku węgla i węglowodorów jest niskie i utrzymuje się na stałym poziomie (CO zawiera się w granicach do 1,0 - proc. obj., a CH około 150 ppm), podczas gdy tlenki azotu NOx uzyskują swoje maksimum. Przy wzroście obciążenia silnika o ZI, układ zasilania wzbogaca mieszankę do składu dynamicznego ld=0,9 w celu uzyskania jak największej mocy, czemu towarzyszy gwałtowny wzrost emisji tlenku węgla (do 4÷5 proc. obj.) i węglowodorów (do 250÷350 ppm) oraz obniżenie emisji tlenków azotu (rys.3). Z tego powodu dla silników o zapłonie iskrowym najkorzystniejszym ze względu na wymagania ekologiczne składem mieszanki jest skład stechiometryczny, nazywany też składem ekologicznym.



Rys. 3. Wpływ obciążenia na wartość współczynnika l i na koncentrację toksycznych składników spalin: CO, CH i NOx w silniku o zapłonie iskrowym.

W silniku o zapłonie samoczynnym zmiana mocy użytecznej Ne w zależności od obciążenia zewnętrznego uzyskiwana jest przez zmianę ilości paliwa podawanego przez układ wtryskowy do cylindrów, w których znajduje się praktycznie jednakowa ilość zasysanego powietrza, jeżeli zmiana obciążenia odbywa się przy stałej prędkości obrotowej. Tak więc, moc silnika o ZS regulowana jest składem mieszanki paliwowo- -powietrznej w bardzo szerokim zakresie (od lbj=8-12 do lgd=1,2-2), co można wyrazić następująco: moc silnika jest funkcją składu spalanej mieszanki (rys. 4). Jest to jakościowa regulacja mocy silnika.



Rys. 4. Wpływ obciążenia na wartość współczynnika l i na koncentrację toksycznych składników spalin: CO, CH i NOx w silniku o zapłonie samoczynnym.

Wpływ obciążenia na skład spalin i emisję poszczególnych składników spalin w silniku o ZS jest znacznie mniejszy niż w silniku o ZI, ponieważ silnik o ZS pracuje zawsze z nadmiarem powietrza. W całym zakresie obciążeń emisja tlenku węgla CO i węglowodorów CH jest wielokrotnie mniejsza i osiąga wartości: CO do 0,1 proc. obj., CH do 40 ppm, natomiast emisja tlenków azotu NOx jest stosunkowo duża i rośnie wraz z obciążeniem silnika. Niejednorodność tworzonej mieszanki w silniku o zapłonie samoczynnym w pełnym zakresie obciążeń uniemożliwia całkowite spalenie paliwa, wskutek czego tworzy się sadza, jako produkt niecałkowitego spalania. Koncentracja sadzy w spalinach rośnie wraz z obciążeniem silnika, ponieważ z coraz to większą dawką podawanego paliwa rośnie udział spalania niecałkowitego. Maksymalną dopuszczalną wartość stężenia sadzy, na tzw. granicy dymienia, uzyskuje się przy maksymalnej znamionowej mocy silnika. Przekroczenie dopuszczalnej wartości zadymienia spalin dla danego silnika świadczy o pojawieniu się niedomagań (najczęściej w układzie zasilania) pogarszających przebieg procesów tworzenia się i spalania mieszanki w silniku o ZS. Prędkość obrotowa silnika ma wpływ na warunki przepływu ładunku przez układ dolotowy oraz intensywność jego zawirowania w cylindrze, a tym samym na warunki odparowania paliwa i tworzenia mieszanki. Dotyczy to zarówno silników o zapłonie iskrowym jak i samoczynnym. Wzrostowi prędkości, obrotowej silnika o ZI przy stałej wartości współczynnika nadmiaru powietrza l towarzyszy zmniejszanie się stężenia CO i CH w spalinach. Podobnie jest w silnikach o zapłonie samoczynnym, z tym że w zakresie prędkości obrotowych bliskich maksymalnym (powyżej 0,75 nmax) stężenia CO i CH utrzymują się na stałym poziomie. Tlenki azotu NOx osiągają maksymalne wartości stężeń w zakresie tych prędkości obrotowych, w obszarze których silnik charakteryzuje się najefektywniejsza pracą.

Wpływ regulacji biegu jałowego na skład spalin
Podtrzymanie pracy silnika spalinowego na biegu jałowym z określoną prędkością obrotową wymaga zasilania silnika odpowiednią ilością mieszanki paliwowo-powietrznej o odpowiednim składzie. W silniku o zapłonie samoczynnym skład mieszanki dobierany jest w sposób automatyczny przez regulator prędkości obrotowej, który steruje ilością wtryskiwanego paliwa w taki sposób, aby zachować stałą prędkość obrotową biegu jałowego niezależnie od zmiany stanu technicznego silnika i jego układów. Podczas pracy w warunkach ustalonych bez obciążenia (na biegu luzem), w pełnym zakresie prędkości obrotowych od biegu jałowego do maksymalnych, silnik o zapłonie samoczynnym zasilany jest mieszanką bardzo ubogą (lbj = 8-12), w związku z czym można przyjąć, że spalanie paliwa w tych warunkach ma charakter spalania zupełnego i całkowitego. Zatem stężenie i emisja produktów niepełnego (niecałkowitego i niezupełnego) spalania paliwa w sprawnym technicznie silniku wysokoprężnym jest znikoma. Aby ocenić graniczną wartość zadymienia spalin, można zasymulować pracę silnika na biegu luzem w sposób odpowiadający pracy silnika przy jego maksymalnym obciążeniu, co jest równoznaczne z zasilaniem silnika wysokoprężnego mieszanką o składzie na granicy dymienia lgd. Polega to na spowodowaniu podania maksymalnej dawki paliwa przez pompę wtryskową, w chwili gdy silnik pracuje na biegu jałowym aż do momentu, w którym rozwinie maksymalną prędkość obrotową na biegu luzem. W czasie rozpędzania od prędkości obrotowej biegu jałowego aż do osiągnięcia prędkości maksymalnej biegu luzem, przy której regulator prędkości obrotowej wyłącza dawkę maksymalną paliwa, silnik zasilany jest mieszanką o składzie odpowiadającym granicy dymienia lgd. W tym też czasie emituje wraz ze spalinami do otoczenia produkty niezupełnego spalania tlenek węgla CO i węglowodory CH (niewielkie ilości w porównaniu z silnikiem o ZI) oraz maksymalne ilości węgla C w postaci sadzy wskutek niecałkowitego spalania paliwa. Obecność węgla w postaci sadzy sygnalizowana jest intensywnością zabarwienia i nieprzezroczystości spalin wydalanych przez silnik. Bezpośredni pomiar ilości węgla w spalinach wydalanych przez silnik nie jest obecnie wymagany. Dlatego też metodę maksymalnego obciążania silnika na biegu luzem wykorzystuje się do oceny stopnia zadymienia spalin na zasadzie optycznego pomiaru przezroczystości spalin (metoda bezpośrednia) lub pomiaru zawartości w spalinach cząstek sadzy oddzielonej bibułą filtracyjną (metoda pośrednia). Do celów diagnostycznych wykorzystuje się wszystkie dostępne metody pomiaru zadymienia spalin, gdyż niezależnie od rodzaju mierzonego parametru pozwalają one dokonać prawidłowej oceny stanu technicznego układu zasilania paliwem. Jednak określone w przepisach wymagania techniczne dopuszczenia silnika o zapłonie samoczynnym do eksploatacji dotyczą tylko granicznych wartości stopnia zadymienia spalin mierzonego dymomierzem metodą bezpośrednią, przy swobodnym zwiększaniu prędkości obrotowej silnika podczas pracy na biegu luzem do prędkości maksymalnej. Miarą zadymienia spalin, zgodnie z obowiązującymi wymaganiami, jest współczynnik pochłaniania światła k.
Obecnie w silnikach o zapłonie iskrowym ze względów ekologicznych dąży się do tego, aby stężenie i emisja produktów niezupełnego spalania paliwa była jak najmniejsza przy możliwie niskim zużyciu paliwa. Wysokie wymagania stawiane pod względem ekologicznym silnikom o ZI podczas pracy na biegu jałowym, mimo niekorzystnych warunków tworzenia się i spalania mieszanki, są możliwe do spełnienia pod warunkiem, że:
- układ biegu jałowego, niezależnie od zmieniającego się stanu technicznego silnika, zapewni stały skład mieszanki paliwowo-powietrznej o l=1 przy niezmiennej i stabilnej prędkości obrotowej biegu jałowego;
- silnik wyposażony jest w trójfunkcyjny katalityczny dopalacz spalin (katalizator trójdrożny) i sondę lambda;
- silnik ma wysoki stopień sprężania,
- kąt wyprzedzenia zapłonu dostosowywany jest automatycznie do zmieniających się warunków spalania mieszanki w cylindrze spowodowanych zużyciem silnika.

Wyżej wymienione wymagania w nowszych typach silników o zapłonie iskrowym spełniają systemy wtrysku benzyny
W starszych typach silników z zasilaniem gaźnikowym utrzymanie wymaganego poziomu stężenia toksycznych składników spalin nie jest możliwe i dla tej grupy silników istnieją odrębne kryteria odnoszące się tylko do jednego składnika spalin, jakim jest tlenek węgla CO. Układy biegu jałowego stosowane w gaźnikach pozwalają regulować skład mieszanki (wkręt regulacji ilości emulsji paliwowo-powietrznej) i jej ilość (śruba zderzakowa kątowego ustawienia przepustnicy mieszanki) w dość szerokim zakresie i dostosowywać regulowane parametry mieszanki do wymaganej wartości stężenia CO ze znacznym zapasem. Wskazują na to zakresy regulacyjne biegu jałowego silników stosowanych w starszych odmianach samochodów osobowych, w których prędkość obrotową można ustalać w zakresie od 600 do 750 obr./min, a stężenie tlenku węgla regulować od 5 do 0,5 proc. obj. w zależności od stanu technicznego silnika i regulacji układu zapłonowego oraz mechanizmu rozrządu. Wpływ regulacji biegu jałowego na skład spalin w silniku o zapłonie iskrowym przedstawiono na rys. 5.



Rys. 5. Wpływ regulacji biegu jałowego na skład mieszanki l oraz na skład spalin: CO i CH w silniku o zapłonie iskrowym.

dr inż. Kazimierz Sitek