Diagnostyka

W pierwszej części artykułu opisaliśmy 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 (ZS) na podstawie stopnia zadymienia spalin oraz pomiarem zawartości cząstek stałych w spalinach.

Warunki techniczne 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 ma wpływ wiele czynników, wśród których wymienić należy:
- sposób mocowania sondy poboru spalin w rurze wydechowej,
- miejsce poboru spalin w układzie wydechowym,
- temperatura spalin i stopień ich ochłodzenia w układzie wydechowym,
- stan cieplny silnika,
- stopień kondensacji pary wodnej w zassanych do przyrządu spalinach,
- nadciśnienie spalin dopływających do dymomierza w czasie pomiaru.

Z tego też względu podczas pomiarów powinny być spełnione następujące warunki techniczne:
- prawidłowo wyregulowany luz zaworowy,
- wykonana obsługa techniczna filtra powietrza,
- kompletny układ wydechowy, całkowicie szczelny aż do miejsca poboru spalin (w razie konieczności dla potrzeb pomiaru dopuszcza się szczelne przedłużenie układu wydechowego),
- silnik nagrzany do normalnej temperatury pracy (min. 70°C dla oleju silnikowego, min. 80°C dla płynu chłodzącego),
- układ wydechowy oczyszczony przez kilkakrotne szybkie naciśnięcie pedału przyspieszenia, a następnie pracę silnika z podwyższoną prędkością obrotową (około 1 minuty),
- zachowany jednakowy sposób przyspieszania silnika podczas kolejnych pomiarów, pomiar wykonany w temperaturze dodatniej (temperatura otoczenia powinna być wyższa niż 5°C),
- sonda dymomierza wprowadzona do rury wydechowej możliwie centrycznie, na wymaganą głębokość (równą minimum trzem średnicom wewnętrznym rury).

Szczególnie ważne jest, aby przed rozpoczęciem pomiarów przygotować układ wydechowy. 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 przy podwyższonej prędkości biegu luzem (około 50% maksymalnej prędkości obrotowej).

Takie postępowanie spowoduje oczyszczenie układu wydechowego 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 należy szczelnie przedłużyć układ wydechowy.
Aby umożliwić wykonanie pomiaru zadymienia spalin zgodnie z warunkami technicznymi, producenci dymomierzy dostarczają niezbędne wyposażenie, to jest: sondy poboru spalin dostosowane do średnicy rury wydechowej (rys. 1) oraz przystawki do pomiaru temperatury oleju i prędkości obrotowej silnika (rys. 2). Podczas pomiarów należy uwzględnić następujące dane: dopuszczalne zadymienie spalin, zakres wymaganej prędkości obrotowej biegu jałowego, zakres wymaganej maksymalnej prędkości obrotowej silnika nieobciążonego i minimalną wymaganą temperaturę oleju silnikowego. W nowych odmianach dymomierzy, wyposażonych w mikroprocesor, dane te można wprowadzić do ich pamięci.

Przebieg pomiaru zadymienia spalin
Jeden cykl pomiarowy zadymienia spalin (rys. 3) zamyka się w następujących fazach pracy silnika:
- praca silnika na biegu jałowym,
- podwyższenie prędkości obrotowej do wartości, przy której następuje całkowite wyłączenie urządzenia rozruchowego pompy wtryskowej,
- zwiększenie prędkości obrotowej silnika do prędkości maksymalnej przy pełnej dawce paliwa,
- praca z maksymalną prędkością obrotową,
- zmniejszanie prędkości obrotowej po wyłączeniu pełnej dawki paliwa,
- praca na biegu jałowym.

W celu przeprowadzenia pomiaru stopnia zadymienia spalin należy wykonać następujące czynności:
- uruchomić i zagrzać silnik do temperatury eksploatacyjnej,
- sprawdzić szczelność układu wydechowego pojazdu (w razie potrzeby usunąć widoczną nieszczelność),
- przygotować dymomierz do pracy zgodnie z instrukcją obsługi (włączyć, nagrzać, wyzerować, przeczyścić szkła układu optycznego itp.),
- oczyścić układ wydechowy 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 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:

K1 - K2 ≤ 0,50 m-1

K2 - K3 ≤ 0,50 m-1
 
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;
- nie tworzą sekwencji malejącej, co oznacza, że nie może być spełnione równanie:

K1 > K2 > K3

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]:

K ≤ Kg

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 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 ZS na podstawie stopnia zadymienia spalin
Producenci silników o zapłonie samoczynnym często nie podają wymaganych wartości zadymienia spalin. Z tego powodu do oceny wartość zadymienia zaleca się przyjmować ustaloną na podstawie pomiarów technicznie zdatnych, nowych pojazdów.
Współczesne silniki o zapłonie samoczynnym (zwłaszcza z filtrami cząstek stałych) charakteryzują się bardzo niskimi wartościami zadymienia spalin, które są wielokrotnie niższe od obowiązujących norm prawnych. Silniki wysokoprężne samochodów osobowych i pochodnych na ogół wykazują zadymienie spalin w granicach K = 0,50 ÷ 0,85 m-1, a samochodów ciężarowych K = 1,0 ÷ 1,6 m-1. Pomiar zadymienia spalin, przeprowadzany w celu dopuszczenia pojazdów do ruchu (na 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 zgodnie z tabelą 1 [2].
Względy ekologiczne wymusiły wprowadzenie kryterium granicznego zadymienia spalin, ogólnego dla wszystkich rodzajów pojazdów z silnikami ZS (o zapłonie samoczynnym). Zadymienie spalin nie może przekroczyć określonej w przepisach (rozporządzenie o warunkach technicznych pojazdów) wartości granicznej, która wynosi [3]:
- K = 2,5 m-1 (66% HRT) – dla silników wolnossących,
- K = 3,0 m-1 (72% HRT) – dla silników turbodoładowanych,
- K = 1,5 m-1 (47% HRT) – dla silników wytwarzanych po 30.06.2008 r.

Pojazdy z silnikami o zapłonie samoczynnym niespełniające podanych kryteriów nie mogą być dopuszczone do ruchu drogowego.
W rozporządzeniu o zakresie i sposobie przeprowadzania badań technicznych pojazdów [2] ustalono sposób pomiaru zadymienia spalin podczas przeprowadzania badania technicznego pojazdu.


Pomiar zawartości cząstek stałych w spalinach
Współczesne silniki o zapłonie samoczynnym, m.in. dzięki zastosowaniu filtrów cząstek stałych, charakteryzują się niższym poziomem zadymienia spalin niż silniki starszej generacji (z pompami wtryskowymi rzędowymi i rozdzielaczowymi). W tych silnikach stosuje się bardzo wysokie ciśnienia wtrysku paliwa. Spaliny nowoczesnych silników wysokoprężnych zawierają jednak więcej bardzo małych cząstek stałych (o wielkości ok. 0,001 mm). Dotyczy to również silników o zapłonie iskrowym z wtryskiem bezpośrednim benzyny, które spalają mieszanki ubogie. Specyficzne warunki przygotowania i spalania ubogiej mieszanki oraz wzrost ciśnienia spalania powodują powstawanie bardzo niewielkich cząstek stałych.
Sumaryczna masa cząstek stałych w spalinach nowych odmian silników jest niewielka, ale dla układu oddechowego człowieka te małe cząstki są groźniejsze od tych większych emitowanych przez starsze silniki, ponieważ wnikają do płuc na większą głębokość. Z tego powodu wprowadzane normy ekologiczne emisji cząstek stałych są coraz bardziej rygorystyczne.
Podstawową metodą badania zawartości cząstek stałych w spalinach silników o zapłonie samoczynnym był i jest nadal pomiar zadymienia spalin. Współczesne silniki wysokoprężne (zwłaszcza z filtrami cząstek stałych) charakteryzują się bardzo niskimi wartościami stopnia zadymienia spalin, wielokrotnie niższymi od obowiązujących norm prawnych. Na przykład, standardowa wartość współczynnika pochłaniania światła (K) dla pojazdów z filtrem cząstek stałych wynosi około 0,02 m-1, co jest poza zakresem dokładności pomiarowej używanych dymomierzy optycznych (absorpcyjnych) [4]. Z tego powodu pomiar zadymienia spalin nie jest dla tych silników odpowiednią metodą diagnostyczną.
Badanie zadymienia spalin jest pośrednim sposobem określania zawartości cząstek stałych. Z danych opublikowanych przez firmę Maha, po porównaniu wyników pomiarów zadymienia spalin i emisji cząstek stałych dla kilkuset autobusów, wynika, że nie ma jednoznacznej korelacji między zadymieniem spalin a zawartością cząstek stałych.
Kontrola sprawności działania filtra cząstek stałych podczas eksploatacji pojazdu jest obecnie niezadowalająca i mało dokładna. Dotyczy to nie tylko oceny za pomocą pomiaru zadymienia spalin, ale także z wykorzystaniem pokładowych systemów diagnostycznych OBDII/EOBD, które nie mierzą bezpośrednio składu spalin (wykorzystują dane z układu sterowania silnikiem i wyniki wykonanych testów kontrolnych, tzw. monitorów). Do poprawnej oceny zdatności filtra cząstek stałych należy zatem zastosować przyrządy umożliwiające bezpośredni pomiar zawartości cząstek stałych w spalinach.
W ostatnim okresie firma Maha opracowała MPM-4 (rys. 4), przyrząd umożliwiający pomiar stężenia masowego cząstek stałych w spalinach silników. Charakterystykę techniczną tego urządzenia przedstawiono w tabeli 2.
W MPM-4, urządzeniu do pomiaru w spalinach masowego stężenia cząstek stałych, zastosowano laser. Spaliny z układu wydechowego silnika są pobierane w sposób tradycyjny, za pomocą sondy. Po ogrzaniu strumień spalin wpływa do przewodu prowadzącego (rys. 5). Koncentrację cząstek stałych mierzy się, wykorzystując światło laserowe, które kierowane jest na strumień spalin, prostopadle do jego osi. Cząstki stałe znajdujące się w spalinach powodują rozproszenie światła laserowego. Jego natężenie będzie więc zależało od ich zawartości w spalinach. Sygnał z detektora światła rozproszonego jest przesyłany do wzmacniacza i przeliczany na masowe stężenie cząstek stałych w miligramach na metr sześcienny (mg/m3). Takie rozwiązanie konstrukcyjne umożliwia pomiar cząstek stałych o wielkości nawet 0,001 mm.


Wyniki pomiaru mogą być prezentowane w różny sposób:
- bezpośrednio na wyświetlaczu urządzenia,
- na ekranie monitora po ich przesłaniu do komputera zewnętrznego oraz zainstalowaniu odpowiedniego oprogramowania,
- za pomocą zewnętrznych urządzeń pomiarowych, po podłączeniu ich do miernika MPM-4 (złącza analogowe, złącze RS 232).

Urządzenie firmy Maha może mierzyć zawartość cząstek stałych w spalinach silników zasilanych różnymi paliwami: benzyną, olejem napędowym, gazem oraz paliwami alternatywnymi. Producent zapewnia, że zawartość cząstek stałych w spalinach mierzona miernikiem MPM-4 jest porównywalna z wynikami pomiaru uzyskanymi metodami laboratoryjnymi.
Zastosowanie MPM-4 w stacjach kontroli pojazdów wymaga opracowania specjalnej metody pomiarowej, wraz z określeniem dopuszczalnych zawartości cząstek stałych w spalinach silników badanych tą metodą. Nie jest bowiem możliwe bezpośrednie porównanie masy cząstek stałych otrzymanej w mg/m3 z wynikami pomiaru uzyskanymi w homologacyjnych testach drogowych (w g/km).

Najnowszą propozycją firmy Maha są dymomierze serii MET 6 (rys. 6), które dostępne są m.in. w następujących wersjach:
- MET 6.2 – dymomierz o dużej dokładności do pomiaru zadymienia spalin,
- MET 6.2.1 – dymomierz drugiej generacji do pomiaru masowego stężenia cząstek stałych.

W dymomierzu MET 6.2.1 do pomiaru masowego stężenia cząstek stałych w spalinach zastosowano technikę laserową. Wysoka rozdzielczość pomiaru umożliwia diagnozę filtrów cząstek stałych i systemów oczyszczania spalin. Na podstawie zawartości cząstek stałych określa się również zadymienie spalin.

dr inż. Kazimierz Sitek

Literatura:
1. Praca zbiorowa (red. C.Bocheński): „Badania kontrolne samochodów”. WKŁ, Warszawa 2000.
2. Rozporządzenie o zakresie i sposobie badań technicznych pojazdów (Dz.U. z 2015 r., poz. 776, tekst jednolity).
3. Rozporządzenie o warunkach technicznych pojazdów (Dz.U. z 2015 r., poz. 305, tekst jednolity).
4. Trzeciak K.: „Diagnostyka samochodów osobowych”, WKŁ, Warszawa 2011.