G O R A

ASZE

UBLIKACJE

OWOCZESNY

ARSZTAT

Artyku

zastrze

ony prawem autorskim - kopiowanie w ca

ci bez zgody autora zabronione

Analiza spalin w silniku z zapłonem iskrowym

wiatowy rozwój motoryzacji przyniós

nie tylko nowe rozwi

zanie techniczne, technologiczne, ale równie

zagro

enia dla naszego

rodowiska. Analiza spalin silnika ZI umo

liwia zatem poznanie sk

adników spalin przedostaj

cych si

do atmosfery.

Ostatnie normy dotycz

ce ograniczenia emisji spalin w Polsce wprowadzono 01.07.1995 roku. W/w normy zmusi

y producentów

analizatorów spalin do produkcji przyrz

dów czterosk

adnikowych (CO,HC,CO

) z mo

liwo

pomiaru wspó

czynnika nadmiaru

powietrza

●

(lambda). Takie analizatory jako standardowe pracuj

na wszystkich Stacjach Kontroli Pojazdów (SKP) i warsztatach

diagnostycznych, posiadaj

Certyfikat Zgodno

ci wydany przez Instytut Transportu Samochodowego w Warszawie.

Obowi

zuj

ce normy dotycz

ce toksyczno

ci w Polsce podane zosta

y indywidualnie przy omawianiu poszczególnych sk

adników

spalin.

Podzia

adników spalin silnika ZI :

Toksyczne

a)- tlenek w

gla (CO)

b)- w

glowodory (HC)

c)- tlenki azotu (NO

)

Nietoksyczne

a)- dwutlenek w

gla (CO

)

b)- tlen (O

)

c)- azot (N

)

d)- para wodna (H

1. Toksyczne sk

adniki spalin

Tlenek w

gla (CO)

Jest produktem niedoko

czonego procesu spalania w

gla (C), w komorze spalania silnika przy ograniczonej ilo

ci powietrza. Jest

gazem silnie truj

cym,bezbarwnym i bezwonnym, którego st

ęż

enie w spalinach mo

e przekroczy

poziom nawet 10% (obj

ciowo).

ęż

enie od 0,10-0,20% tlenku w

gla w ci

gu 30 minut powoduje

mier

, gdy

tlenek w

gla odbiera ca

łą

zawarto

ść

tlenu z krwi

owieka. Przy st

ęż

eniu obj

ciowym 0,01% tlenku w

gla w ci

gu d

szego czasu mog

wyst

przewlek

e lub ostre zatrucia.

Łą

czy si

z hemoglobin

200-300 razy szybciej ni

tlen, powoduj

c zak

ócenia procesu oddychania prowadz

c do

mierci. Wysokie

warto

ci (CO) wskazuj

na zbyt bogat

mieszank

paliwowo-powietrzn

. W pojazdach posiadaj

cych katalizator tlenek w

gla (CO)

utlenia si

przechodz

c w dwutlenek w

gla (CO

) co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia emisji tlenku w

gla w spalinach.

Wymagania dotycz

ce zawarto

ci tlenku w

gla w spalinach w pojazdach z uk

adem wtryskowym, katalizatorem i sond

lambda:

●

na wolnych obrotach biegu ja

owego do 0,5(% vol)

●

na obrotach 2000-3000 Obr/min do 0,3(% vol)

glowodory (HC)

to nie spalone lub cz

ęś

ciowo spalone cz

steczki paliwa- zwi

zki szczególnie truj

ce o bardzo negatywnym dzia

aniu na organizm

owieka. Najbardziej niebezpieczn

grup

glowodory aromatyczne jednopier

cieniowe, a w

ród nich benzen, który w du

ych

ęż

eniach powoduje

mier

. Rozpuszczaj

c si

w t

uszczach mog

kumulowa

tkankach ludzi i zwierz

t. W

glowodory (HC) na

analizatorach spalin mierzy si

w jednostkach ppm (parts per milion)*.Oprócz rury wydechowej

ród

em w

glowodorów w samochodzie

skrzynia korbowa silnika i zbiornik paliwa. W pojazdach posiadaj

cych katalizator utlenia on zawarte w spalinach w

glowodory

na dwutlenek w

gla (CO

) i par

wodn

O).

okre

lenie to opisano w temacie : “

Jednostki emisji spalin

”

Wymagania dotycz

ce zawarto

ci (HC) w spalinach:

-pojazdy z uk

adem zasilania ga

nikowym od 100-300(ppm)

-pojazdy z uk

adem wtryskowym, katalizatorem i sonda lambda na wolnych obrotach biegu ja

owego i na obrotach 2000-3000 do

100 (ppm)

UWAGA; Niektóre firmy podaj

zawarto

ść

(HC) na obrotach podwy

szonych w zakresie od 0-30(ppm), co w rzeczywisto

ci pokrywa

z moimi badaniami diagnostycznymi ( tabela 1)

Tlenki azotu (NOx)

Wielko

ść

emisji tlenków azotu zale

y od ci

nie

i szczytowych temperatur (ponad 1800

C) podczas procesu spalania w komorze

silnika. W wy

ej wymienionym procesie azot wchodzi w reakcj

z tlenem tworz

c tlenek azotu (NO) oraz niewielkie ilo

ci dwutlenku

azotu (NO

) i podtlenku azotu (N

O). Te zwi

zki azotu i tlenu wspólnie nazywamy tlenkami azotu i oznaczamy (NOx). Zaliczane s

one do najbardziej toksycznych gazów spalinowych. Tlenek azotu (NO) jest gazem bezbarwnym, w organizmie ludzkim szybko
reaguje z hemoglobin

, w tkankach utlenia si

do (NO

). Dwutlenek azotu w kolorze czerwono-br

zowym o ostrym zapachu i

truj

cych w

ciwo

ciach wyst

puje zawsze w towarzystwie innych nitrogenów.W ma

ych st

ęż

eniach wywo

uje podra

nienie dróg

oddechowych, przy st

ęż

eniu w powietrzu powy

ej 0,38(mg/dm

) prowadzi do zatrucia

miertelnego.W pojazdach posiadaj

cych

katalizator nast

puje redukcja tlenków azotu zawartych w spalinach- czyli od

łą

czanie tlenu od tlenków azotu i uzyskanie czystego

azotu (N

). Zawarto

ść

tlenków azotu podaje si

w (ppm).

W Polsce nie ma jeszcze przepisów nakazuj

cych sprawdzanie tego sk

adnika.

Wymagania dotycz

ce zawarto

ci tlenków azotu w spalinach:

-silnik bez katalizatora spalin, pracuj

cy na biegu ja

owym- od 100-300 ppm

-silnik z katalizatorem i sond

lambda, pracuj

cy na biegu ja

owym od 0-30 ppm

UWAGA: Prawid

owy pomiar tlenków azotu powinien odbywa

na hamowni podwoziowej (lub podczas próby

drogowej), gdy

najwi

ksze st

ęż

enie gazy te osi

gaj

przy du

ych obci

ąż

eniach silnika.

2. Nietoksyczne sk

adniki spalin

Dwutlenek w

gla (CO

)

Jest gazem bezbarwnym nietoksycznym bez zapachu, niepalnym, ci

ęż

szym 1,5 raza od powietrza. Nadmierny wzrost zawarto

tego gazu w atmosferze powoduje tzw. Efekt cieplarniany. Powstaje jako produkt spalania w

gla (C) w komorze spalania silnika.

Dwutlenek w

gla jest wynikiem bardziej efektywnego spalania. Im wy

sza procentowo zawarto

ść

w spalinach, tym efektywniej

pracuje silnik Najwi

ksze warto

ci st

ęż

enia osi

ga CO

przy wspó

czynniku nadmiary powietrza

●

=1, a wi

c dla mieszanki

stechiometrycznej. Zawarto

ść

jest podawana w jednostkach udzia

u obj

ci (% vol).

W pojazdach posiadaj

cych katalizator, CO

utlenia pozosta

e po procesie spalania tlenki w

gla (CO) i w

glowodory (HC). Powstaje

zatem dwutlenek w

gla (CO

) i para wodna (H

O).

Zak

ada si

e najw

ciwsza zawarto

ść

dwutlenku w

gla w spalinach dla pojazdów z uk

adem wtryskowym, katalizatorem i sond

lambda to : 14,5-16,0 (% vol).

Tlen (O

)

Jest gazem bezbarwnym, bez zapachu i smaku. Wyst

puje w atmosferze w stanie wolnym stanowi

c 20,94 % obj

ci powietrza.

Tlen jest bardzo potrzebny w procesie spalania – inicjuje reakcje tam zachodz

ce. W pojazdach posiadaj

cych katalizator tlen utlenia

zawarte w spalinach CO i HC. Tak

e sonda lambda reaguje na ilo

ść

tlenu w spalinach, przekazuje dalsze informacje do sterownika i

adu wtryskowego. Zawarto

ść

w spalinach jest podawana w jednostkach udzia

u obj

ciowego (% vol). Wymagana

(prawid

owa) zawarto

ść

tlenu w spalinach dla pojazdów z uk

adem wtryskowym, katalizatorem i sond

lambda to 0,0 – 0,2 (% vol)

(Tabela 1)

Azot (N

)

Jest to gaz bezbarwny, bez zapachu i smaku – g

ówny sk

adnik powietrza (ok. 78%), dostaje si

do komory spalania, a nast

pnie do

spalin.

Para wodna (H

Jest to ko

cowy produkt procesu spalania w silniku i utleniania w katalizatorze.

Jednostki emisji spalin

Warto

ść

emisji sk

adników toksycznych mo

e by

podawana w nast

puj

cych jednostkach:

% vol (vol oznacza obj

ciowo) – informuje nas jaki procent obj

ci gazów spalinowych zajmuje okre

lony sk

adnik

toksyczny

ppm (jest to skrót wywodz

cy si

z j.angielskiego i w pe

nym brzmieniu oznacza parts per million) – jedna jednostka ppm jest

odpowiednikiem jednej milionowej cz

ęś

ci obj

ci czyli:

1 ppm = 0,000001 vol

Wyst

puj

inne zale

ci pomi

dzy emisj

wyra

w jednostkach ppm, a wyra

w procentowym udziale obj

ci :

100 ppm = 0,01% vol ; 10000 ppm = 1% vol

Jak wida

z powy

szych przelicze

emisja na poziomie jednego ppm-a jest relatywnie niewielk

emisj

, gdy

dopiero emisja

na poziomie 100 ppm oznacza,

e emitowany sk

adnik toksyczny zajmuje 0,01 % obj

ci gazów spalinowych

ad mieszanki paliwowo-powietrznej

●

wspó

czynnik nadmiaru powietrza

●

( (lambda)

●

parametr AFR

Wspó

czynnik nadmiaru powietrza jest liczb

, wskazuj

ile powietrza znajduje si

w spalonej mieszance. Wiemy,

e dla spalenia 1

kg benzyny potrzeba ok. 14,7 kg powietrza. Jest to wi

c wagowy stosunek powietrza do paliwa w mieszance paliwowo-powietrznej i

oznaczamy go symbolem AFR (z j.angielskiego Air Fuel Ratio). Mieszanka o takim sk

adzie nazywana jest mieszank

stechiometryczn

i wówczas

l = 1 .

W rzeczywistych warunkach procesu spalania mieszanka o sk

adzie stechiometrycznym nie

spala si

kowicie i pozostaje niewielka ilo

ść

adników toksycznych (Tabela 1). Je

eli

l > 1 ,

to mieszanka jest uboga, co

oznacza

e zmieszali

my 1kg paliwa z wi

ksz

ilo

powietrza ni

14,7 kg.

eli

< 1

to mieszanka jest bogata, czyli zmieszali

my 1kg paliwa z mniejsz

ilo

powietrza ni

14,7 kg.

Wspó

czynnik nadmiaru powietrza lambda [

] mo

emy zapisa

jako:

= L / L

L – masa powietrza zassana przez silnik (kg).

– teoretyczna masa powietrza niezb

dna do spalenia 1kg paliwa – dla benzyny silnikowej wynosi ona 14,7 kg.

Wymagania dotycz

ce wspó

czynnika nadmiaru powietrza

to od 0,97 do 1,03 przy obrotach silnika 2000 – 3000 obr/min

Tabela 1

Wyniki analizy spalin wybranych pojazdów na wolnych obrotach biegu ja

owego i obrotach podwy

szonych (2000 – 3000 obr/min)

Podsumowanie.

Rzetelno

ść

wskaza

analizatorów spalin zale

y w du

ym stopniu od spe

nienia okre

lonych warunków wst

pnych i zachowania

prawid

owej procedury sprawdzania. Na pocz

tku nale

y sprawdzi

szczelno

ść

adu wydechowego (t

umiki, katalizator, rury

łą

ce), jakiekolwiek przedmuchy spalin eliminuj

celowo

ść

pomiaru. Tak

e prawid

owo umocowana sonda poboru spalin – jej

ęś

ciowe wysuni

cie fa

szuje wyniki pomiaru.

Najwa

niejszym jednak elementem uzyskania prawid

owych wyników jest rozgrzanie silnika do w

ciwej temperatury eksploatacyjnej

tj. p

yn ch

odz

cy min. 80

C lub olej w misce olejowej min 70

C).

Nieprzestrzeganie nagrzania silnika jest niedopuszczalne, powoduje zwi

kszenie szczególnie toksycznych w

glowodorów [HC] i

tlenków w

gla [CO]. Procedura sprawdzania pojazdów rejestrowanych po 1.07.1995 roku jest nast

puj

ca:

●

zaczynamy zawsze pomiar toksyczno

ci spalin od obrotów podwy

szonych (2000 – 3000 obr/min) i po zako

czeniu

badania czekamy ok. 1,5 minuty na stabilizacj

wyników i dopiero po tym przechodzimy na wolne obroty biegu

owego i dokonujemy odczytu (tak

e wydruk na drukarce).

Typ pojazdu

Obroty
silnika
(obr/min)

Temperatura
oleju (

CO
(%)

HC
(ppm)

(%)

AFR

Wspó

czynnik

Lanos 1600
(katalizator)

850

± 50

0,07

15,2

0,18

14,33

2000 - 3000

0,00

15,60

0,00

14,20

1,00

Opel Astra 1,4
(katalizator)

850

± 50

0,00

14,80

0,01

14,66

2000 - 3000

0,00

15,30

0,00

14,33

0,99

Toyota Corolla
1,4 (katalizator)

850

± 50

0,00

15,50

0,00

14,15

2000 - 3000

0,00

15,60

0,00

14,12

0,99

Volkswagen
Polo 1,4
(katalizator)

850

± 50

0,00

15,20

0,05

14,36

2000 - 3000

0,14

15,20

0,00

14,25

0,99

Opracowanie mgr in

. Edward Rymaszewski

Zespó

Szkó

Samochodowych w Bydgoszczy

pocz

tek strony