Diagnostyka

za pomocą dymomierzy optycznych

Powszechny, światowy pęd do nowoczesności, także w motoryzacji, przyniósł nie tylko nowe rozwiązania techniczne, technologiczne, ale również nowe zagrożenia – zwłaszcza dla naszego środowiska. Naturalną konsekwencją tych zjawisk staje się rosnąca liczba eksploatowanych pojazdów, co pociąga za sobą zwiększenie emisji produktów spalania. Ograniczenie szkodliwości tej emisji staje się zatem zadaniem o dużym znaczeniu. Ogromną popularnością cieszą się obecnie jednostki napędowe z silnikami wysokoprężnymi. Współczesne silniki diesla charakteryzują się: małym zużyciem paliwa, niskim hałasem, zwiększoną mocą oraz bardzo małą toksycznością spalin.
Mimo ogromnego postępu technicznego aktualnie produkowane silniki wysokoprężne wydzielają niewielkie ilości dwutlenku węgla (CO2), tlenków węgla (CO), węglowodorów (HC), tlenków azotu (NOx) oraz cząstek stałych (PM), których charakterystyka została przedstawiona poniżej.
Charakterystyka zanieczyszczeń w spalinach silników wysokoprężnych
- Dwutlenek węgla(CO2) – nie jest gazem trującym, jest wynikiem bardzo efektywnego spalania. Jest podstawowym produktem spalania paliwa. Emisja dużych ilości CO2 w skali globalnej zakłóca równowagę termodynamiczną atmosfery, powodując tzw. efekt cieplarniany.
- Tlenek węgla (CO)– jest gazem trującym, bezbarwnym i bezwonnym, który powstaje głównie na skutek niedoboru tlenu. Jest jednym z najbardziej toksycznych składników gazów spalinowych silników samochodowych. Wdychanie tlenku węgla powoduje zakłócenia procesu oddychania, bóle i zawroty głowy.
- Węglowodory (HC)– są to niespalone lub częściowo spalone cząstki paliwa, są to związki szczególnie trujące o bardzo negatywnym działaniu na organizm człowieka. Główną przyczyną emisji węglowodorów przez silnik jest chłodzące oddziaływanie ścianek komory (efekt szczelinowy). Węglowodory powstają również w reakcjach zubożałej mieszanki wskutek powolnego spalania. Najbardziej niebezpiecznymi związkami są wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, które mają działanie rakotwórcze oraz uczestniczą w tworzeniu smogu komunikacyjnego.
- Tlenki azotu (NOx) – przyczyną ich powstania jest obecność cząstek tlenu O2 i azotu N2 w strefie spalania w cylindrze silnika, gdzie w wysokiej temperaturze następuje ich rozpad, tlenu i azotu. Powstaje zatem tlenek azotu (NO) i dwutlenek azotu (NO2). W praktyce oba te związki oznacza się (NOx). Tlenki azotu zaliczane są do bardziej toksycznych składników gazów spalinowych.
- Cząstki stałe (PM) – (ang. Particulate Matter). Zaliczamy do nich wszystkie substancje, które opuszczają rurę wydechową w stanie innym niż gazowym, czyli w stanie ciekłym lub stałym. Mogą to być cząstki niespalonego węgla (sadza) oraz związki azotu i siarki oraz różnego rodzaju węglowodory ciężkie. Sadza powstaje w procesie spalania w wyniku rozpadu cząstek paliwa w wysokich temperaturach, co skutkuje tworzeniem drobnych kryształków węgla. Powstanie sadzy prowadzi do zadymienia spalin. W silnikach wysokoprężnych wydzielaniu się sadzy towarzyszy zwykle zwiększona emisja ww. składników, tj. (CO2, CO, HC, NOx). Tak więc kontrola zadymienia spalin służy tylko pośrednio kontroli obecności wspomnianych substancji toksycznych.

Zadymienie spalin
Zadymienie spalin jest wynikiem obecności w nich cząstek stałych (sadza) oraz innych składników. Przy zawartości sadzy 100-300 (mg/m3) zadymienie spalin staje się widoczne. Czarny dym pojawia się przy stężeniu ok. 500 (mg/m3). Jedynym wymaganym w kraju pomiarem przy okresowych badaniach technicznych pojazdów z silnikami wysokoprężnymi jest zadymienie spalin. Przyrządy do pomiaru zadymienia spalin to dymomierze optyczne, wykorzystujące w działaniu zjawisko pochłaniania promieniowania widzialnego (światła) w gazach. Do pomiarów roboczych wybrano więc metodę swobodnego przyśpieszenia obrotów silnika, podczas której przeprowadza się pomiar dymienia w wyżej opisany sposób. Stanowi to rozwiązanie kompromisowe, które umożliwia modelowanie pełnego obciążenia silnika. Metoda ta ma wprawdzie pewne wady, ponieważ spaliny zawierające rozpylone cząsteczki wody i niespalonego oleju napędowego rozpraszają strumień światła, co wprowadza błąd pomiarowy. Ponadto nie jest to jednak pomiar obiektywny, gdyż wiele ze składników toksycznych jest “niewidocznych” dla dymomierza. Jednak z możliwością do przyjęcia dokładnością można uzyskać wyniki pomiarów o wystarczającej powtarzalności. Obowiązujące normy w Polsce określają dopuszczalne zadymienie na poziomie do 2,5 (m-1) (silniki wolno ssące) a w przypadku silników z turbodoładowaniem do 3,0 (m-1).
W celu powiązania z poprzednio stosowaną generacją typu Hartride, dymienie można określić także w jednostkach (%).
Przykład:
2,50 (m-1) ————— 66 (%)
3,00 (m-1) ————— 73 (%)

Zasada działania dymomierza optycznego
Zasadę działania dymomierza przedstawimy na podstawie dwóch dymomierzy optycznych: pierwszy – starszej generacji Oliver D-60 oraz drugi nowszej generacji ATAL – AT600M produkcji czeskiej. Działanie polega na pomiarze ilości światła przechodzącego przez próbkę gazów spalinowych. Brak dymu w kuwecie pomiarowej (1) oznacza zerową wartość pochłaniania światła. Pełne zasłonięcie kuwety pomiarowej (1) (nieprzejrzysty gaz) oznacza stuprocentowe tłumienie optyczne. Zgodnie z rys.1, gaz spalinowy doprowadzany jest przez sondę pomiarową (6) do kuwety pomiarowej (1) o długości efektywnej 415 mm. Sondę poboru spalin (6) można umocować w rurze wydechowej za pomocą zacisków mocujących. Przejrzystość słupa dymu w kuwecie pomiarowej (1) mierzona jest za pomocą układu optycznego, w którym źródłem światła (2) jest zielona dioda LED, emitująca światło widzialne o długości fali 560 (nm). Detektorem światła (3) jest fotodioda ogrzewana do minimalnej temperatury 300 (oC). W celu zapewnienia stabilności i dokładności pomiaru kuweta pomiarowa (1) ogrzewana jest do temperatury minimalnej 70 (oC) (5). Metoda swobodnego przyśpieszenia obrotów jest próbą pomiaru dymienia, podczas której silnik jest przyśpieszony od obrotów biegu jałowego do obrotów maksymalnych, przy pełnej dawce paliwa, przy czym silnik jest obciążony własną bezwładnością, masą sprzęgła i przekładni (przy położeniu neutralnym dźwigni zmiany biegów). Podczas swobodnego przyśpieszenia obrotów silnika wywołanego gwałtownym wciśnięciem pedału “gazu” z pozycji “obrotów biegu jałowego do pozycji maksymalnej” dawka – dymomierz dokonuje pomiaru w czasie maksymalnie 10(s), wartość pochłaniania światła z próbkowaniem wynoszącym 20(ms). Pomierzone próbki dymu oceniane są w sposób matematyczny i na płycie czołowej wyświetlona zostaje stwierdzona wartość dymienia k= m-1.

Dodatkowe wyposażenie dymomierza:
- sondy poboru spalin (Ř10 mm i Ř27 mm)
- czujnik temperatury oleju
- czujniki obrotów:
a) czujnik ciśnieniowy
b) optyczny czujnik obrotów
c) indukcyjny czujnik obrotów
- drukarka
Warunki pomiaru zadymienia spalin reguluje Dziennik Ustaw Nr 227 z dn. 30.12.2003 roku. Najważniejsze punkty ww. Dziennika to:
- temperatura otoczenia w czasie pomiaru powinna być wyższa niż 5oC,
- układ wydechowy powinien być całkowicie szczelny aż do miejsca poboru spalin,
- silnik powinien być nagrzany do normalnej temperatury pracy (min. 70oC) dla oleju silnikowego, (min. 80oC) dla płynu chłodzącego,
- przed pomiarem układ wydechowy powinien być przedmuchany przez kilkakrotne naciśniecie pedału przyspieszenia.
- podczas pracy silnika na biegu jałowym należy szybko, lecz niegwałtownie, nacisnąć pedał przyspieszenia, tak aby uzyskać pełny wydatek pompy wtryskowej,
- pozycję pełnego wydatku należy utrzymać do momentu uzyskania przez silnik maksymalnej prędkości obrotowej i zadziałania regulatora obrotów, jednak nie krócej niż przez 1,5 sekundy.

Uwaga:
Podczas sprawdzania zadymienia silników wyposażonych w turbosprężarkę należy zwrócić szczególną uwagę na sposób zatrzymania silnika, aby nie doprowadzić do przegrzania turbiny. Nie wolno zatrzymać silnika, jeśli pracuje on na wysokich obrotach, ponieważ turbosprężarka wiruje nadal, a ciśnienie oleju spada do zera. Turbina nie jest wówczas smarowana, a ma bardzo duże obroty i wysoką temperaturę. Należy zatem przez ok. 1 minutę utrzymać wolne obroty i wyłączyć silnik.

Wymiana przegrzanej turbosprężarki to koszt przekraczający często 10 tys. złotych.
- Należy wykonać co najmniej trzy pomiary następujące po sobie nieróżniące się od siebie o więcej niż 0,50 (m-1).
- Jako wynik końcowy pomiaru należy przyjąć średnią arytmetyczną z pomiarów z dokładnością 0,01 (m-1).
Problem zanieczyszczenia atmosfery przez pojazdy samochodowe napędzane silnikami wysokoprężnymi jest bardzo ważny. Coraz ostrzejsze przepisy (normy) emisji zanieczyszczeń wymagają prowadzenia rozszerzonych prac badawczych, konstrukcyjnych, homologacyjnych, a co za tym idzie,
również kontrolno–diagnostycznych w dziedzinie czystości spalin.
Sposoby ograniczania emisji głównych składników toksycznych idą w następujących kierunkach:
- nowoczesne dopalacze katalityczne (filtry cząstek stałych typu FAP i nowsze typu DPF);
- stosowanie systemu bezpośredniego wtrysku typu Common Rail, pozwalającego uzyskiwać stałe, bardzo wysokie ciśnienie (180Mpa – 250Mpa) niezależne od obrotów silnika;
- wprowadzenie do systemu wtrysku typu Common Rail wtryskiwaczy piezoelektrycznych, które pozwalają skrócić czas wtrysku do 1/10000 sekundy. Krótszy czas wtrysku to zwiększenie obrotów, mocy a także wyciszenie silnika;
- stosowanie pompowtryskiwaczy w pojazdach Volkswagen dające ciśnienie 205 MPa (przyszłość jednak będzie należała do systemu Common Rail);
- stosowanie turbodoładowania silników – ponieważ przy nadmiarze powietrza w cylindrach poprawia się proces spalania, a im lepsze spalanie, tym toksyczność spalin mniejsza;
- stosowanie układów recyrkulacji spalin (EGR), które w określonych warunkach pracy silnika umożliwia doprowadzenie części spalin do mieszanki paliwowo–powietrznej, co obniża maksymalne wartości temperatur występujące podczas procesu spalania, a przez to obniża emisję trujących tlenków azotu (NOx);
- wprowadzanie w pojazdach układu odprowadzania par ze zbiornika paliwa. Odparowane w zbiorniku paliwo, opuszczające go, jest zatrzymane przez pochłaniacz z węglem aktywnym – gdzie dalej doprowadzane przez zawór do kolektora ssącego;
- wykorzystanie czystych paliw (olejów napędowych) o coraz wyższej liczbie cetanowej pozbawionej zupełnie siarki już od 2009 roku;
- instalowanie we wszystkich pojazdach systemu diagnostyki pokładowej (EOBD, OBDII), które jest ukierunkowane emisyjnie i jego głównym zadaniem jest bieżący nadzór nad poziomem związków toksycznych z układu wydechowego i zasilania w paliwo.
Pompy wtryskowe możemy podzielić na następujące grupy:
- pompy wtryskowe rzędowe,
- pompy wtryskowe rozdzielaczowe,
- układu z systemem Common Rail,
- układu z pompowtryskiwaczami.

Powyżej przedstawiamy wybrane protokóły pomiaru zadymienia spalin na dymomierzach typu Oliver-D60 i ATAL – AT601. Badane pojazdy to Fiat Punto 1.9 D, Daihatsu Charade 1.0 D i Skoda Octavia TDI; wszystkie posiadają pompy wtryskowe rozdzielaczowe. Badanie Renault Clio Dci 1.5 posiada system wtrysku typu Common Rail i bardzo ciekawe wyniki pomiarów – mianowicie sumaryczny k = m-1 —— 0,00.
Uwzględniając powyższe można stwierdzić, że coraz wyższe ciśnienia wtrysku podawane do najczęściej bezpośrednich komór spalania, powiązane z nowoczesną elektroniką, potrafią zmniejszyć toksyczność spalin współczesnych silników wysokoprężnych do minimum. Ważnym jednak elementem prawidłowej pracy nowoczesnych
układów zasilania silników wysokoprężnych jest czyste paliwo. Brudny, niewłaściwy olej napędowy (mimo stosowania filtrów) powoduje powolne zużycie dokładnie pasowanych elementów aparatury wtryskowej (pompy, wtryskiwacza). Np. koszt wymiany kompletu pompowtryskiwaczy w Volkswagenie 1.9 Tdi to ok. 15 tys. złotych.

mgr inż. Edward Rymaszewski
Zespół Szkół Samochodowych
w Bydgoszczy