G O R A

G O R A

G O R A

G O R A

N

N

N

N

ASZE

ASZE

ASZE

ASZE

P

P

P

P

UBLIKACJE

UBLIKACJE

UBLIKACJE

UBLIKACJE

N

N

N

N

OWOCZESNY

OWOCZESNY

OWOCZESNY

OWOCZESNY

W

W

W

W

ARSZTAT

ARSZTAT

ARSZTAT

ARSZTAT

Artyku

ł 

zastrze

ż

ony prawem autorskim - kopiowanie w ca

ł

o

ś

ci bez zgody autora zabronione

Analiza spalin w silniku z zapłonem iskrowym

Ś

wiatowy rozwój motoryzacji przyniós

ł 

nie tylko nowe rozwi

ą

zanie techniczne, technologiczne, ale równie

ż 

zagro

ż

enia dla naszego

ś

rodowiska. Analiza spalin silnika ZI umo

ż

liwia zatem poznanie sk

ł

adników spalin przedostaj

ą

cych si

ę 

do atmosfery.

Ostatnie normy dotycz

ą

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

ł

y producentów

analizatorów spalin do produkcji przyrz

ą

dów czterosk

ł

adnikowych (CO,HC,CO

2

,O

2

) z mo

ż

liwo

ś

ci

ą 

pomiaru wspó

ł

czynnika nadmiaru

powietrza

●

(lambda). Takie analizatory jako standardowe pracuj

ą 

na wszystkich Stacjach Kontroli Pojazdów (SKP) i warsztatach

diagnostycznych, posiadaj

ą 

Certyfikat Zgodno

ś

ci wydany przez Instytut Transportu Samochodowego w Warszawie.

Obowi

ą

zuj

ą

ce normy dotycz

ą

ce toksyczno

ś

ci w Polsce podane zosta

ł

y indywidualnie przy omawianiu poszczególnych sk

ł

adników

spalin.

Podzia

ł 

sk

ł

adników spalin silnika ZI :

1.

Toksyczne

a)- tlenek w

ę

gla (CO)

b)- w

ę

glowodory (HC)

c)- tlenki azotu (NO

x

)

2.

Nietoksyczne

a)- dwutlenek w

ę

gla (CO

2

)

b)- tlen (O

2

)

c)- azot (N

2

)

d)- para wodna (H

2

O)

1. Toksyczne sk

ł

adniki spalin

Tlenek w

ę

gla (CO)

Jest produktem niedoko

ń

czonego procesu spalania w

ę

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

ś

ci powietrza. Jest

gazem silnie truj

ą

cym,bezbarwnym i bezwonnym, którego st

ęż

enie w spalinach mo

ż

e przekroczy

ć 

poziom nawet 10% (obj

ę

to

ś

ciowo).

St

ęż

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

ę

gla w ci

ą

gu 30 minut powoduje

ś

mier

ć

, gdy

ż 

tlenek w

ę

gla odbiera ca

łą 

zawarto

ść 

tlenu z krwi

cz

ł

owieka. Przy st

ęż

eniu obj

ę

to

ś

ciowym 0,01% tlenku w

ę

gla w ci

ą

gu d

ł

u

ż

szego czasu mog

ą 

wyst

ą

pi

ć 

przewlek

ł

e lub ostre zatrucia.

Łą

czy si

ę 

z hemoglobin

ą 

200-300 razy szybciej ni

ż 

tlen, powoduj

ą

c zak

ł

ócenia procesu oddychania prowadz

ą

c do

ś

mierci. Wysokie

warto

ś

ci (CO) wskazuj

ą 

na zbyt bogat

ą 

mieszank

ę 

paliwowo-powietrzn

ą

. W pojazdach posiadaj

ą

cych katalizator tlenek w

ę

gla (CO)

utlenia si

ę 

przechodz

ą

c w dwutlenek w

ę

gla (CO

2

) co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia emisji tlenku w

ę

gla w spalinach.

Wymagania dotycz

ą

ce zawarto

ś

ci tlenku w

ę

gla w spalinach w pojazdach z uk

ł

adem wtryskowym, katalizatorem i sond

ą 

lambda:

●

na wolnych obrotach biegu ja

ł

owego do 0,5(% vol)

●

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

W

ę

glowodory (HC)

S

ą 

to nie spalone lub cz

ęś

ciowo spalone cz

ą

steczki paliwa- zwi

ą

zki szczególnie truj

ą

ce o bardzo negatywnym dzia

ł

aniu na organizm

cz

ł

owieka. Najbardziej niebezpieczn

ą 

grup

ą 

s

ą 

w

ę

glowodory aromatyczne jednopier

ś

cieniowe, a w

ś

ród nich benzen, który w du

ż

ych

st

ęż

eniach powoduje

ś

mier

ć

. Rozpuszczaj

ą

c si

ę 

w t

ł

uszczach mog

ą 

kumulowa

ć 

si

ę 

tkankach ludzi i zwierz

ą

t. W

ę

glowodory (HC) na

analizatorach spalin mierzy si

ę 

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

ź

ród

ł

em w

ę

glowodorów w samochodzie

s

ą 

te

ż 

skrzynia korbowa silnika i zbiornik paliwa. W pojazdach posiadaj

ą

cych katalizator utlenia on zawarte w spalinach w

ę

glowodory

na dwutlenek w

ę

gla (CO

2

) i par

ę 

wodn

ą 

(H

2

O).

*-

okre

ś

lenie to opisano w temacie : “

Jednostki emisji spalin

”

Wymagania dotycz

ą

ce zawarto

ś

ci (HC) w spalinach:

-pojazdy z uk

ł

adem zasilania ga

ź

nikowym od 100-300(ppm)

-pojazdy z uk

ł

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

ł

owego i na obrotach 2000-3000 do

100 (ppm)

UWAGA; Niektóre firmy podaj

ą 

zawarto

ść 

(HC) na obrotach podwy

ż

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

ś

ci pokrywa

si

ę 

z moimi badaniami diagnostycznymi ( tabela 1)

Tlenki azotu (NOx)

Wielko

ść 

emisji tlenków azotu zale

ż

y od ci

ś

nie

ń 

i szczytowych temperatur (ponad 1800

o

C) podczas procesu spalania w komorze

silnika. W wy

ż

ej wymienionym procesie azot wchodzi w reakcj

ę 

z tlenem tworz

ą

c tlenek azotu (NO) oraz niewielkie ilo

ś

ci dwutlenku

azotu (NO

2

) i podtlenku azotu (N

2

O). Te zwi

ą

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

ą 

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

ą

, w tkankach utlenia si

ę 

do (NO

2

). Dwutlenek azotu w kolorze czerwono-br

ą

zowym o ostrym zapachu i

truj

ą

cych w

ł

a

ś

ciwo

ś

ciach wyst

ę

puje zawsze w towarzystwie innych nitrogenów.W ma

ł

ych st

ęż

eniach wywo

ł

uje podra

ż

nienie dróg

oddechowych, przy st

ęż

eniu w powietrzu powy

ż

ej 0,38(mg/dm

3

) prowadzi do zatrucia

ś

miertelnego.W pojazdach posiadaj

ą

cych

katalizator nast

ę

puje redukcja tlenków azotu zawartych w spalinach- czyli od

łą

czanie tlenu od tlenków azotu i uzyskanie czystego

azotu (N

2

). Zawarto

ść 

tlenków azotu podaje si

ę 

w (ppm).

W Polsce nie ma jeszcze przepisów nakazuj

ą

cych sprawdzanie tego sk

ł

adnika.

Wymagania dotycz

ą

ce zawarto

ś

ci tlenków azotu w spalinach:

-silnik bez katalizatora spalin, pracuj

ą

cy na biegu ja

ł

owym- od 100-300 ppm

-silnik z katalizatorem i sond

ą 

lambda, pracuj

ą

cy na biegu ja

ł

owym od 0-30 ppm

UWAGA: Prawid

ł

owy pomiar tlenków azotu powinien odbywa

ć

si

ę

na hamowni podwoziowej (lub podczas próby

drogowej), gdy

ż

najwi

ę

ksze st

ęż

enie gazy te osi

ą

gaj

ą

przy du

ż

ych obci

ąż

eniach silnika.

2. Nietoksyczne sk

ł

adniki spalin

Dwutlenek w

ę

gla (CO

2

)

Jest gazem bezbarwnym nietoksycznym bez zapachu, niepalnym, ci

ęż

szym 1,5 raza od powietrza. Nadmierny wzrost zawarto

ś

ci

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

ę

gla (C) w komorze spalania silnika.

Dwutlenek w

ę

gla jest wynikiem bardziej efektywnego spalania. Im wy

ż

sza procentowo zawarto

ść 

CO

2

w spalinach, tym efektywniej

pracuje silnik Najwi

ę

ksze warto

ś

ci st

ęż

enia osi

ą

ga CO

2

przy wspó

ł

czynniku nadmiary powietrza

●

=1, a wi

ę

c dla mieszanki

stechiometrycznej. Zawarto

ść 

CO

2

jest podawana w jednostkach udzia

ł

u obj

ę

to

ś

ci (% vol).

W pojazdach posiadaj

ą

cych katalizator, CO

2

utlenia pozosta

ł

e po procesie spalania tlenki w

ę

gla (CO) i w

ę

glowodory (HC). Powstaje

zatem dwutlenek w

ę

gla (CO

2

) i para wodna (H

2

O).

Zak

ł

ada si

ę

,

ż

e najw

ł

a

ś

ciwsza zawarto

ść 

dwutlenku w

ę

gla w spalinach dla pojazdów z uk

ł

adem wtryskowym, katalizatorem i sond

ą 

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

Tlen (O

2

)

Jest gazem bezbarwnym, bez zapachu i smaku. Wyst

ę

puje w atmosferze w stanie wolnym stanowi

ą

c 20,94 % obj

ę

to

ś

ci powietrza.

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

ą

ce. W pojazdach posiadaj

ą

cych katalizator tlen utlenia

zawarte w spalinach CO i HC. Tak

ż

e sonda lambda reaguje na ilo

ść 

tlenu w spalinach, przekazuje dalsze informacje do sterownika i

uk

ł

adu wtryskowego. Zawarto

ść 

O

2

w spalinach jest podawana w jednostkach udzia

ł

u obj

ę

to

ś

ciowego (% vol). Wymagana

(prawid

ł

owa) zawarto

ść 

tlenu w spalinach dla pojazdów z uk

ł

adem wtryskowym, katalizatorem i sond

ą 

lambda to 0,0 – 0,2 (% vol)

(Tabela 1)

Azot (N

2

)

Jest to gaz bezbarwny, bez zapachu i smaku – g

ł

ówny sk

ł

adnik powietrza (ok. 78%), dostaje si

ę 

do komory spalania, a nast

ę

pnie do

spalin.

Para wodna (H

2

O)

Jest to ko

ń

cowy produkt procesu spalania w silniku i utleniania w katalizatorze.

1

Jednostki emisji spalin

Warto

ść 

emisji sk

ł

adników toksycznych mo

ż

e by

ć 

podawana w nast

ę

puj

ą

cych jednostkach:

a.

% vol (vol oznacza obj

ę

to

ś

ciowo) – informuje nas jaki procent obj

ę

to

ś

ci gazów spalinowych zajmuje okre

ś

lony sk

ł

adnik

toksyczny

b.

ppm (jest to skrót wywodz

ą

cy si

ę 

z j.angielskiego i w pe

ł

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

odpowiednikiem jednej milionowej cz

ęś

ci obj

ę

to

ś

ci czyli:

1 ppm = 0,000001 vol

Wyst

ę

puj

ą 

te

ż 

inne zale

ż

no

ś

ci pomi

ę

dzy emisj

ą 

wyra

ż

an

ą 

w jednostkach ppm, a wyra

ż

an

ą 

w procentowym udziale obj

ę

to

ś

ci :

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

Jak wida

ć 

z powy

ż

szych przelicze

ń 

emisja na poziomie jednego ppm-a jest relatywnie niewielk

ą 

emisj

ą

, gdy

ż 

dopiero emisja

na poziomie 100 ppm oznacza,

ż

e emitowany sk

ł

adnik toksyczny zajmuje 0,01 % obj

ę

to

ś

ci gazów spalinowych

Sk

ł

ad mieszanki paliwowo-powietrznej

●

wspó

ł

czynnik nadmiaru powietrza

●

( (lambda)

●

parametr AFR

Wspó

ł

czynnik nadmiaru powietrza jest liczb

ą

, wskazuj

ą

c

ą 

ile powietrza znajduje si

ę 

w spalonej mieszance. Wiemy,

ż

e dla spalenia 1

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

ę

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

ł

adzie nazywana jest mieszank

ą 

stechiometryczn

ą 

i wówczas

l = 1 .

W rzeczywistych warunkach procesu spalania mieszanka o sk

ł

adzie stechiometrycznym nie

spala si

ę 

ca

ł

kowicie i pozostaje niewielka ilo

ść 

sk

ł

adników toksycznych (Tabela 1). Je

ż

eli

l > 1 ,

to mieszanka jest uboga, co

oznacza

ż

e zmieszali

ś

my 1kg paliwa z wi

ę

ksz

ą 

ilo

ś

ci

ą 

powietrza ni

ż 

14,7 kg.

Je

ż

eli

l

< 1

,

to mieszanka jest bogata, czyli zmieszali

ś

my 1kg paliwa z mniejsz

ą 

ilo

ś

ci

ą 

powietrza ni

ż 

14,7 kg.

Wspó

ł

czynnik nadmiaru powietrza lambda [

l

] mo

ż

emy zapisa

ć 

jako:

l

= L / L

t

L – masa powietrza zassana przez silnik (kg).

L

t

– teoretyczna masa powietrza niezb

ę

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

Wymagania dotycz

ą

ce wspó

ł

czynnika nadmiaru powietrza

l

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

ł

owego i obrotach podwy

ż

szonych (2000 – 3000 obr/min)

Podsumowanie.

Rzetelno

ść 

wskaza

ń 

analizatorów spalin zale

ż

y w du

ż

ym stopniu od spe

ł

nienia okre

ś

lonych warunków wst

ę

pnych i zachowania

prawid

ł

owej procedury sprawdzania. Na pocz

ą

tku nale

ż

y sprawdzi

ć 

szczelno

ść 

uk

ł

adu wydechowego (t

ł

umiki, katalizator, rury

łą

cz

ą

ce), jakiekolwiek przedmuchy spalin eliminuj

ą 

celowo

ść 

pomiaru. Tak

ż

e prawid

ł

owo umocowana sonda poboru spalin – jej

cz

ęś

ciowe wysuni

ę

cie fa

ł

szuje wyniki pomiaru.

Najwa

ż

niejszym jednak elementem uzyskania prawid

ł

owych wyników jest rozgrzanie silnika do w

ł

a

ś

ciwej temperatury eksploatacyjnej

tj. p

ł

yn ch

ł

odz

ą

cy min. 80

o

C lub olej w misce olejowej min 70

o

C).

Nieprzestrzeganie nagrzania silnika jest niedopuszczalne, powoduje zwi

ę

kszenie szczególnie toksycznych w

ę

glowodorów [HC] i

tlenków w

ę

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

ę

puj

ą

ca:

●

zaczynamy zawsze pomiar toksyczno

ś

ci spalin od obrotów podwy

ż

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

ń

czeniu

badania czekamy ok. 1,5 minuty na stabilizacj

ę

wyników i dopiero po tym przechodzimy na wolne obroty biegu

ja

ł

owego i dokonujemy odczytu (tak

ż

e wydruk na drukarce).

Typ pojazdu

Obroty
silnika
(obr/min)

Temperatura
oleju (

o

C)

CO
(%)

HC
(ppm)

CO

2

(%)

O

2

(%)

AFR

Wspó

ł

czynnik

l

Lanos 1600
(katalizator)

850

± 50

83

0,07

72

15,2

0,18

14,33

-

2000 - 3000

85

0,00

29

15,60

0,00

14,20

1,00

Opel Astra 1,4
(katalizator)

850

± 50

76

0,00

15

14,80

0,01

14,66

-

2000 - 3000

81

0,00

13

15,30

0,00

14,33

0,99

Toyota Corolla
1,4 (katalizator)

850

± 50

79

0,00

97

15,50

0,00

14,15

-

2000 - 3000

84

0,00

29

15,60

0,00

14,12

0,99

Volkswagen
Polo 1,4
(katalizator)

850

± 50

70

0,00

90

15,20

0,05

14,36

-

2000 - 3000

76

0,14

22

15,20

0,00

14,25

0,99

Opracowanie mgr in

ż

. Edward Rymaszewski

Zespó

ł 

Szkó

ł 

Samochodowych w Bydgoszczy

pocz

ą

tek strony