Analiza spalin

ani

ESPÓŁ

ZKÓŁ

AMOCHODOWYCH W

OZNANIU

Klasa IV

Analiza spalin

Dwiczenia Pracowni Diagnostyki

Samochodowej

R A C O W N I A

I A G N O S T Y K I

O J A Z D Ó W

A M O C H O D O W Y C H

P r a c o w n i a D i a g n o s t y k i P o j a z d ó w S a m o c h o d o w y c h

Strona 2

1). Informacje wprowadzające

Powszechny  światowy  rozwój  motoryzacji  stał  się  zagrożeniem  dla  naszego  środowiska
naturalnego.  Światowe  i  europejskie  zaostrzone  normy  toksyczności  spalin  zmusiły
konstruktorów  pojazdów  samochodowych  do  opracowania  nowych  jednostek  napędowych
zmniejszających  emisję  szkodliwych  składników  spalin.  Wprowadzono  bezpośredni  wtrysk
paliwa  o  coraz  wyższym  ciśnieniu,  dopalacze  katalityczne,  sondy  lambda  itp.  Produkuje  się
seryjnie pojazdy z napędem hybrydowym oraz prototypy na ogniwa paliwowe. Wszystko to
po to aby ograniczyd do minimum toksycznośd spalin oraz zmniejszyd zużycie paliwa.
Analiza spalin silnika ZI umożliwia zatem poznanie składników spalin przedostających się do
atmosfery  oraz  jest  podstawowym  testem  decydującym  o  dopuszczeniu  pojazdu  do  ruchu
drogowego.

a). Obowiązujące normy dotyczące toksyczności spalin dla silników o zapłonie iskrowym
(Wg Dziennika Ustaw nr 227 z 30.12.2003r).



W pojazdach rejestrowanych po raz pierwszy do dnia 30.09.1986r zawartośd tlenku
węgla (CO) przy prędkości obrotowej biegu jałowego nie może przekroczyd 4,5%;



W  pojazdach    rejestrowanych  po  raz  pierwszy  od  dnia  01.10.1986  do  dnia
30.06.1995  roku  zawartośd  tlenku  węgla  (CO)  przy  prędkości  obrotowej  biegu
jałowego nie może przekroczyd 3,5%;

Bardziej rygorystyczne przepisy obowiązują dla pojazdów zarejestrowanych po raz pierwszy
po 30.06.1995 roku wyposażonych w sondę lambda. Wieloskładnikowy analizator spalin
powinien wskazywad:



do 0,5% CO i do 100 ppm CH mierzonych na biegu jałowym silnika;



do 0,3% CO i do 100 ppm CH mierzonych z prędkością obrotową 2000-
3000 obr./min.;



wartośd współczynnika nadmiaru powietrza lambda powinna wynosid od 0,97 – 1,03
mierzona z podwyższoną prędkością obrotową silnika w zakresie od 2000-3000
obr./min.;

W wyniku spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku z zapłonem iskrowym powstają
substancje zarówno toksyczne jak i nietoksyczne.

b). Podział składników spalin silnika ZI :

Toksyczne;

a) tlenek węgla (CO)
b) węglowodory (HC)
c) tlenki azotu (NO

)

Nietoksyczne;

a) dwutlenek węgla (CO

)

b) tlen (O

)

c) azot (N

)

d) para wodna (H

P r a c o w n i a D i a g n o s t y k i P o j a z d ó w S a m o c h o d o w y c h

Strona 3

 Toksyczne:

Tlenek węgla (CO)

Jest produktem niedokooczonego procesu spalania węgla (C), w komorze spalania silnika

przy

ograniczonej ilości powietrza. Jest gazem silnie trującym, bezbarwnym i bezwonnym, którego
stężenie w spalinach może przekroczyd poziom nawet 10% (objętościowo). Stężenie od 0,10-
0,20% tlenku węgla w ciągu 30 minut powoduje śmierd, gdyż tlenek węgla odbiera całą
zawartośd tlenu z krwi człowieka. Przy stężeniu objętościowym 0,01% tlenku węgla w ciągu
dłuższego czasu mogą wystąpid przewlekłe lub ostre zatrucia. Łączy się z hemoglobiną 200-
300 razy szybciej niż tlen, powodując zakłócenia procesu oddychania prowadząc do śmierci.
Wysokie wartości (CO) wskazują na zbyt bogatą mieszankę paliwowo-powietrzną. W
pojazdach posiadających katalizator tlenek węgla (CO) utlenia się przechodząc w dwutlenek
węgla (CO

) co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia emisji tlenku węgla w spalinach.

Węglowodory (HC)
Są  to  nie  spalone  lub  częściowo  spalone  cząsteczki  paliwa-  związki  szczególnie  trujące  o
bardzo  negatywnym  działaniu  na  organizm  człowieka.  Najbardziej  niebezpieczną  grupą  są
węglowodory  aromatyczne  jednopierścieniowe,  a  wśród  nich  benzen,  który  w  dużych
stężeniach powoduje śmierd. Rozpuszczając się w tłuszczach mogą kumulowad się tkankach
ludzi  i  zwierząt.  Węglowodory  (HC)  na  analizatorach  spalin  mierzy  się  w  jednostkach  ppm
(parts per milion)*.Oprócz rury wydechowej źródłem węglowodorów w samochodzie są też
skrzynia korbowa silnika i zbiornik paliwa. W pojazdach posiadających katalizator utlenia on
zawarte w spalinach węglowodory na dwutlenek węgla (CO

) i parę wodną (H

O).

Tlenki azotu (NOx)
Wielkośd emisji tlenków azotu zależy od ciśnieo i szczytowych temperatur (ponad 1800

podczas procesu spalania w komorze silnika. W wyżej wymienionym procesie azot wchodzi w
reakcję z tlenem tworząc tlenek azotu (NO) oraz niewielkie ilości dwutlenku azotu (NO

) i

podtlenku azotu (N

O). Te związki azotu i tlenu wspólnie nazywamy tlenkami azotu i

oznaczamy (NOx). Zaliczane są one do najbardziej toksycznych gazów spalinowych. Tlenek
azotu (NO) jest gazem bezbarwnym, w organizmie ludzkim szybko reaguje z hemoglobiną, w
tkankach utlenia się do (NO

). Dwutlenek azotu w kolorze czerwono-brązowym o ostrym

zapachu i trujących właściwościach występuje  zawsze w towarzystwie innych nitrogenów.W
małych  stężeniach  wywołuje  podrażnienie  dróg  oddechowych,  przy  stężeniu  w  powietrzu
powyżej  0,38(mg/dm

) prowadzi do zatrucia śmiertelnego.W pojazdach posiadających

katalizator następuje redukcja tlenków azotu zawartych w spalinach- czyli odłączanie tlenu
od tlenków azotu i uzyskanie czystego azotu (N

). Zawartośd tlenków azotu podaje się w

(ppm).

W Polsce nie ma jeszcze przepisów nakazujących sprawdzanie tego składnika.
Jeżeli analizator spalin posiada możliwośd sprawdzenia tlenków azotu (NOx) to prawidłowy
pomiar powinien odbywad się na hamowni podwoziowej (lub podczas próby drogowej), gdyż
największe stężenie gazy te osiągają przy dużych obciążeniach silnika.

P r a c o w n i a D i a g n o s t y k i P o j a z d ó w S a m o c h o d o w y c h

Strona 4

 Nietoksyczne

Dwutlenek węgla (CO

)

Jest  gazem  bezbarwnym  nietoksycznym  bez  zapachu,  niepalnym,  cięższym  1,5  raza  od
powietrza.  Nadmierny  wzrost  zawartości  tego  gazu  w  atmosferze  powoduje  tzw.  Efekt
cieplarniany.  Powstaje  jako  produkt  spalania  węgla  (C)  w  komorze  spalania  silnika.
Dwutlenek  węgla  jest  wynikiem  bardziej  efektywnego  spalania.  Im  wyższa  procentowo
zawartośd  CO

w spalinach, tym efektywniej pracuje silnik Największe wartości stężenia

osiąga CO

przy współczynniku nadmiary powietrza l=1, a więc dla mieszanki

stechiometrycznej. Zawartośd CO

jest podawana w jednostkach udziału objętości (% vol.).

W pojazdach posiadających katalizator, CO

utlenia pozostałe po procesie spalania tlenki

węgla (CO) i węglowodory (HC). Powstaje zatem dwutlenek węgla (CO

) i para wodna (H

O).

W najbliższym czasie mają obowiązywad nowe przepisy unijne ograniczające emisję CO

przez samochody, by w ten sposób przyczynid się do ogólnej redukcji tego gazu do atmosfery
który jest współodpowiedzialny za groźne zjawisko klimatycznego ocieplenia.
Zakłada się, że najwłaściwsza zawartośd dwutlenku węgla w spalinach dla pojazdów z
układem wtryskowym, katalizatorem i sondą lambda to : 14,5-16,0 (% vol).

Tlen (O

)

Jest  gazem  bezbarwnym,  bez  zapachu  i  smaku.  Występuje  w  atmosferze  w  stanie  wolnym
stanowiąc  20,94  %  objętości  powietrza.  Tlen  jest  bardzo  potrzebny  w  procesie  spalania  –
inicjuje reakcje tam zachodzące. W pojazdach posiadających katalizator tlen utlenia zawarte
w  spalinach  CO  i  HC.  Także  sonda  lambda  reaguje  na  ilośd  tlenu  w  spalinach,  przekazuje
dalsze  informacje  do  sterownika  i  układu  wtryskowego.  Zawartośd  O

w spalinach jest

podawana w jednostkach udziału objętościowego (% vol). Wymagana (prawidłowa)
zawartośd tlenu w spalinach dla pojazdów z układem wtryskowym, katalizatorem i sondą
lambda to 0,0 – 0,2 (% vol).

Azot (N

)

Jest to gaz bezbarwny, bez zapachu i smaku – główny składnik powietrza (ok. 78%), dostaje
się do komory spalania, a następnie do spalin.

Para wodna (H

Jest to koocowy produkt procesu spalania w silniku i utleniania w katalizatorze.

2.) Jednostki emisji spalin

Wartośd emisji składników toksycznych może byd podawana w następujących
jednostkach:

% vol (vol oznacza objętościowo) – informuje nas jaki procent objętości gazów
spalinowych zajmuje określony składnik toksyczny;

ppm (jest to skrót wywodzący się z j.angielskiego i w pełnym brzmieniu
oznacza parts per million) – jedna jednostka ppm jest odpowiednikiem jednej
milionowej części objętości czyli: 1 ppm = 0,000001 vol

P r a c o w n i a D i a g n o s t y k i P o j a z d ó w S a m o c h o d o w y c h

Strona 5

Występują też inne zależności pomiędzy emisją wyrażaną w jednostkach ppm, a wyrażaną w
procentowym udziale objętości :
100 ppm = 0,01% vol ; 10000 ppm = 1% vol

Wynika z powyższych przeliczeo emisja na poziomie jednego ppm-a jest relatywnie niewielką
emisją, gdyż dopiero emisja na poziomie 100 ppm oznacza, że emitowany składnik toksyczny
zajmuje 0,01 % objętości gazów spalinowych.

3.) Skład mieszanki paliwowo-powietrznej



współczynnik nadmiaru powietrza [ λ ] ( (lambda)



parametr AFR

Współczynnik  nadmiaru  powietrza  jest  liczbą,  wskazującą  ile  powietrza  znajduje  się  w
spalonej mieszance. Dla spalenia 1 kg benzyny potrzeba ok. 14,7 kg powietrza.
Jest  to  wagowy  stosunek  powietrza  do  paliwa  w  mieszance  paliwowo-powietrznej  i
oznaczamy go symbolem AFR (z j.angielskiego Air Fuel Ratio).
Mieszanka o takim składzie nazywana jest mieszanką stechiometryczną i wówczas λ = 1.
W  rzeczywistych  warunkach  procesu  spalania  mieszanka  o  składzie  stechiometrycznym  nie
spala się całkowicie i pozostaje niewielka ilośd składników toksycznych (Tabela 1).

Jeżeli λ > 1, to mieszanka jest uboga, co oznacza że zmieszaliśmy 1kg paliwa z większą

ilością powietrza niż 14,7 kg.

Jeżeli λ < 1, to mieszanka jest bogata, czyli zmieszaliśmy 1kg paliwa z mniejszą ilością

powietrza niż 14,7 kg.

Współczynnik nadmiaru powietrza lambda * λ + możemy zapisad jako:

λ = L / L

L – masa powietrza zassana przez silnik (kg).
L

– teoretyczna masa powietrza niezbędna do spalenia 1kg paliwa – dla benzyny silnikowej

wynosi ona 14,7 kg.

Tabela 1
Wyniki analizy spalin wybranych pojazdów na wolnych obrotach biegu jałowego i obrotach
podwyższonych (2000 – 3000 obr/min)

Typ pojazdu

Obroty silnika

(obr/min)

Temperatura

oleju (

(%)

(ppm)

(%)

AFR

Współczynnik

Opel Astra 1,4
(katalizator)

850

± 50

0,00 15

14,80

0,01 14,66

2000 - 3000

0,00 13

15,30

0,00 14,33

0,99

Toyota Corolla
1,4 (katalizator)

850

± 50

0,00 97

15,50

0,00 14,15

2000 - 3000

0,00 29

15,60

0,00 14,12

0,99

Volkswagen Polo
1,4 (katalizator)

850

± 50

0,00 90

15,20

0,05 14,36

2000 - 3000

0,14 22

15,20

0,00 14,25

0,99

P r a c o w n i a D i a g n o s t y k i P o j a z d ó w S a m o c h o d o w y c h

Strona 6

4). Technologia wykonania analizy spalin w silnikach z zapłonem iskrowym.



warunkiem prawidłowego przeprowadzenia analizy spalin jest doprowadzenie silnika
do eksploatacyjnej temperatury pracy,



całkowite wyłączenie urządzenia rozruchowego,



prawidłowe ustawienie zapłonu



szczelnośd układu wydechowego.



sonda pobierająca spaliny musi sięgad w głąb rury wydechowej co najmniej 30 cm.

Pierwszy etap analizy spalin - to praca silnika na biegu jałowym. Prędkośd obrotowa

biegu  jałowego  silnika,  chod  wpływa  na  proces  oczyszczania  spalin,  nie  podlega  normom.
Jeśli jednak odbiega ona od danych fabrycznych, powinno się pojazd skierowad do warsztatu
serwisowego. Po uruchomieniu silnika należy przestrzegad tego, aby sonda do poboru spalin
była  osadzona  w  rurze  wydechowej  pojazdu  na  głębokośd  min.  30  cm.  Po  upływie  czasu,
podanego  w  instrukcji  obsługi  analizatora,  można  odczytad  wynik pomiaru.  Wartości  emisji
nie mogą przekraczad: dla tlenku węgla CO - 0,5% vol, dla węglowodorów CH - 100 ppm.

Drugi etap analizy spalin - to praca silnika z podwyższoną prędkością obrotową (2000

- 3000 obr/min). Pomiarowi podlega również współczynnik składu mieszanki λ w pojazdach
posiadających sondę lambda.

Do pomiarów używane są tzw. czterogazowe analizatory spalin. Umożliwiają one

określenie w spalinach zawartości: tlenku węgla CO, dwutlenku węgla CO

, tlenu O

Dokonują  też  pomiaru:  współczynnika  składu  mieszanki  lambda,  współczynnika  AFR
(informującego,  ile  kilogramów  powietrza  w  przeliczeniu  na  1  kg  paliwa  wchodzi  w  skład
spalonej  mieszanki),  temperatury  oleju  silnikowego,  prędkości  obrotowej  silnika.
Składnikami toksycznymi są tylko: tlenek węgla CO, węglowodory CH.

Pomiar zawartości pozostałych gazów czyli dwutlenku węgla CO

i O

, umożliwia

ocenę sprawności katalizatora oraz diagnostykę i regulację silnika. Pomiar współczynnika
służy do oceny pracy układu regulacji składu mieszanki. Współczynnik AFR pełni analogiczną
funkcję diagnostyczną, jak współczynnik składu mieszanki lambda.

Wartośd emisji tlenku węgla CO jest wyrażona jego procentowym udziałem w ogólnej

objętości spalin. Jednostka ta jest oznaczona jako *% vol+. Wartośd emisji węglowodorów CH
jest wyrażona w jednostkach ppm (1 ppm odpowiada jednej milionowej części objętości).
Współczynnik składu mieszanki lambda jest wielkością nie posiadającą jednostki.

P r a c o w n i a D i a g n o s t y k i P o j a z d ó w S a m o c h o d o w y c h

Strona 7

5). Wnioskowanie

Rys.1. Wykres zmian zawartości ważniejszych składników spalin w funkcji współczynnika
nadmiaru powietrza (składu mieszanki).

Rys. 2. Emisja spalin w przypadku zastosowania katalizatora trójfunkcyjnego.

0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2

1,3

Współczynnik λ

BOGATA

NORMALNA

UBOGA

Skład mieszanki paliwowo-powietrznej

śd

* %

0,9 0,95 1,0 1,05 1,1

współczynnik składu mieszanki λ

isja

spal

zakres
regulacji

P r a c o w n i a D i a g n o s t y k i P o j a z d ó w S a m o c h o d o w y c h

Strona 8

Tabela: Wartości normatywne (graniczne) dla analizy spalin

Lp. Pojazd

Prędkośd

obrotowa

silnika

Zawartośd CO w % objętości spalin, CH w ppm (cząstki na

milion) oraz współczynnik "lambda" dla pojazdu

zarejestrowanego po raz pierwszy.

Do dnia 30

września 1986 r.

Od dnia 1

października 1986 r.

do dnia 30 czerwca

1995 r.

Po dniu 30

czerwca1995 r.

CO CH "Lambda"

1 Motocykl

Bieg jałowy

5,5

4,5

Inny pojazd
samochodowy *

Bieg jałowy

4,5

3,5

0,5 100

2000 - 3000
obr/min

0,3 100 0,97 - 1,03

* dla pojazdu zarejestrowanego po raz pierwszy do 31 grudnia 1996 r. wyposażonego w silnik
o pojemności skokowej do 700 cm3 dopuszcza się wartośd CO do 4,5