Akademia Techniczno-Humanistyczna

Mechanika i Budowa Maszyn

Semestr 7

Rok akademicki: 2014/2015

Laboratorium

Eksploatacja silników Spalinowych

Temat: Analiza spalin

Artur Wojtala

1. Cel ćwiczenia

Ćwiczenie miało na celu:

• zapoznanie się z aspektami pomiarów i analizy składników spalin silników z zapłonem iskrowym

• zapoznanie się z aspektami pomiarów i analizy składników spalin silników z zapłonem samoczynnym wraz z pomiarem stopnia zadymienia

• przybliżenie składników spalin i ich wpływu na środowisko naturalne i organizmy żywe

• omówienie w ujęciu uproszczonym metod i zasad pomiaru frakcji spalin stosowanych w warsztatowych analizatorach spalin.

2. Wstęp teoretyczny

Cel analizy składu spalin silników z zapłonem iskrowym

Analiza składu spalin stanowi podstawową metodę oceny prawidłowości przebiegu spalania w silniku o zapłonie iskrowym. Weryfikacja wyników pozwala bowiem na szybkie sprawdzenie działania układów wpływających na przebieg spalania. Skład spalin kształtowany jest w głównej mierze przez skład mieszanki paliwowo-powietrznej, kąt wyprzedzenia zapłonu, prędkość obrotową oraz obciążenie silnika. Bardzo istotny jest prawidłowy skład mieszanki paliwowo-powietrznej, który w silnikach ZI może zmieniać się w ściśle określonych granicach z uwagi na generowanie toksycznych frakcji spalin. Analizatory spalin weryfikują skład spalin także pod kątem regulacji prawnych.

Skład mieszanki paliwowo - powietrznej a ilościowe ujęcie toksycznych frakcji spalin.

Do analizy składu i jakości spalin wykorzystywane są analizatory spalin. Wyróżniamy analizatory:

• Warsztatowe — pracujące w oparciu o zasady NDIR — niedyspersyjnego pochłaniania promieniowania podczerwonego przez spaliny, wykorzystywane w badaniach diagnostycznych dla których uzyskiwana dokładność pomiarowa jest wystarczająca (przeprowadzane według oprogramowania do kontroli składu spalin zgodnie z przepisami stacji kontroli pojazdów).

• Pomiary [CO], [CO₂], [HC], NDIR;

• Pomiary opcjonalne [O₂ ],[NOx] met. chemiluminescencyjne lub elektrochemiczne

• Obliczenia współczynnika składu mieszanki [λ], [CO skorygowane] — ocena szczelności układu wydechowego,

• Współczynniki AIR FRACTION RATE [AFR] — masa powietrza w odniesieniu do 1kg paliwa.

• Pomiary dodatkowe: prędkość obrotowa silnika, temperatura oleju silnikowego, kąty wyprzedzenia zapłonu, moduły diagnostyki pokładowej OBD, OBDII

Rodzaje analizatorów warsztatowych:

• Dwuskładnikowe [CO], [CO₂]

• Czteroskładnikowe [CO], [CO₂], [HC], NDIR; [O₂] opcjonalnie, met. chemiluminescencyjne lub elektrochemiczne

• Wieloskładnikowe [CO], [CO₂], [HC], NDIR; [O₂], [NO_X] opcjonalnie, met. chemiluminescencyjne lub elektrochemiczne

• Laboratoryjne — o bardzo dużej dokładności i dużej szybkości pomiarów, pracujące w oparciu metody uwarunkowane złożonymi procesami fizycznymi. Wyniki pomiarów uwzględniają wiele składników chemicznych. Wykorzystywane do badań homologacyjnych silników.

Metody diagnostyczne wykorzystywane do pomiaru jakości składu spalin

Metody pierwotne pomiaru wybranych składników spalin — niestosowane z uwagi na niską dokładność i problematyczność stosowania.

• Metody kolorymetryczne

• Metody chemiczne

• Metody chromatografii gazowej — duża dokładność

Metody wykorzystywane w analizatorach laboratoryjnych

• Metoda przewodnictwa cieplnego — określająca zawartość [CO], [CO₂], [H₂], wykorzystując różnice w przewodnictwie cieplnym obwodów elektrycznych zanurzonych w strumieniu spalin oraz czystego powietrza.

• Metody płomieniowej jonizacji gazów (FID) — weryfikująca zawartość niespalonych węglowodorów. W ujęciu uproszczonym polega na jonizacji płomienia pod wpływem wybranych składników spalin i pomiar napięcia [V].

• Metody magnetyczne — określające ilość tlenu [O₂], wyznaczające stosunek nadmiaru powietrza [λ]. Wykorzystywane do weryfikacji poprawności przebiegu procesu spalania.

• Metody eksperymentalne — laserowe z wykorzystaniem spektrometrów masowych.

Metody wykorzystywane w analizatorach warsztatowych

• Porównania przewodności cieplnej spalin — ogólna kontrola składu mieszanki na podstawie wagowego stosunku zassanego powietrza i pobranego paliwa. Pomiar [CO], wartości przybliżone.

• NDIR (Non Dispersive Infrared) — metoda niedyspersyjnego pochłaniania promieniowania podczerwonego — pozwalająca określić stężenia w spalin składników: [CO], [CO₂], [CH]. Metoda wykorzystuje właściwości pochłaniania przez gazy promieniowania podczerwonego o danej długości fali. Absorpcja energii fali przez dane składniki spalin wymusza drgania rezonansowe cząstek a sumaryczna energia fali promieniowania podczerwonego zmniejsza się. Realizacja fizyczna sprowadza się do pobrania w sposób ciągły porcji spalin z rury wydechowej i przepuszczenia przez komorę pomiarową, gdzie detektor mierzy spadek natężenia wiązki promieniowania podczerwonego. Następnie detektor odfiltrowuje długości fal przy pomocy filtrów. Intensywność odbieranego promieniowania jest miarą stężenia danego gazu.

Schemat analizatora czteroskładnikowego.

• Metody chemiluminescencyjne — pomiar zawartości [NOx], [O₂]. Oparte o zjawisko emisji promieniowania elektromagnetycznego o długości fali 0,6 — 3,0μm, które skierowane na fotopowielacz generuje sygnał elektryczny. Metoda ta wykazuje dużą czułość pomiaru — analizatory laboratoryjne.

• Metody elektrochemiczne — pomiary stężenia [NO_X], [O₂] z wykorzystaniem czujników elektrochemicznych. Zjawiska przebiegają analogicznie jak przy met. chemiluminescencyjnych. Zachodzące reakcje tlenu lub NO powodują powstawanie napięcia elektrycznego, który przetwarzany jest przez procesor na wynik widoczny na wyświetlaczu. Pomiar przebiega w komorze galwanicznej, która podlega okresowej wymianie. Metody chemiczne cechuje duża dokładność oraz selektywność pomiaru składników spalin. Czujnik chemiczny mierzący stężenie NO_x, O₂ wymaga procesu kalibracji.

Czujnik elektrochemiczny

Składniki spalin — regulacje ilościowe

Silnik sprawny technicznie i prawidłowo wyregulowany powinien wykazywać emisyjność na poziomie gwarantowanym przez producenta lub zgodnie z przepisami ministerstwa transportu w zakresie emisyjności CO [%], CO₂ [%], CH [ppm], NOX [ppm],O₂ [%]. Typowe udziały objętościowe składników spalin silnika o zapłonie iskrowym.

Ilościowe proporcje składników spalin dla typów pojazdów tj. (NOx), (HC), (CO) i cząstek stałych (PM) podlegają regulacjom prawnym tj. przepisy wewnątrz krajowe oraz europejskie standardy emisji spalin — norma dopuszczalnych emisji spalin w nowych pojazdach sprzedawanych na terenie Unii Europejskiej. Standardy te sukcesywnie zwiększają swoją restrykcyjność. Od 2009 roku obowiązuje norma EURO V.

Wartości emisji spalin wg norm EURO dla silników ZS/ZI.

Charakterystyka składników spalin:

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, co jest powiązanie z łatwym wiązaniem hemoglobiny będącej nośnikiem tlenu we krwi człowieka. Proces ten prowadzi do wypierania tlenu z oksyhemoglobiny co prowadzi do zaburzenia procesów oddychania (tzw. „cichy zabójca”). Badania wskazują, iż nawet małe ilości CO zawarte powietrzu miejskich zwiększają prawdopodobieństwo wystąpienia chorób serca.

Nieprawidłowe stężenie CO w spalinach — produkt nieprawidłowo przebiegającego procesu spalania. Proces weryfikacji przyczyn zbyt dużej lub zbyt małej ilości CO w spalinach przeprowadza się w zależności od fazy pracy silnika — tj. na biegu jałowym, podczas przyspieszania lub przy zwiększonej prędkości obrotowej. Dokładne przyczyny podaje literatura oraz książki serwisowe.

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. Dwutlenek węgla ma istotne znaczenie dla organizmu człowieka ponieważ wpływa m. in. na poziom odczynu krwi i szybkość pracy serca. Indywidualna wrażliwość ludzi na działanie dwutlenku węgla jest bardzo zróżnicowana. Jego wpływ na organizm ludzki rośnie przy jednoczesnym obniżaniu się zawartości tlenu w powietrzu. Z reguły nadmierne stężenie CO₂ objawia się zmęczeniem, sennością.

Nieprawidłowe stężenie CO₂ w spalinach — jego pomiar stanowi pomoc diagnostyczną. Im wyższe stężenie CO₂ tym efektywniejsza praca silnika i katalizatora. Zbyt niskie stężenie świadczy o nieszczelności układu wydechowego lub uszkodzenia katalizatora.

Węglowodory (HC) — są to nie spalone lub częściowo spalone cząstki paliwa (grupa około 180 związków) . Związki te cechuje szczególnie trujące działanie na organizm człowieka. Właściwości toksyczne uzależnione są od rozpuszczalności we krwi i wodzie. Najbardziej niebezpiecznymi związkami są wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, które mają działanie rakotwórcze oraz uczestniczą w tworzeniu smogu komunikacyjnego. Długotrwałe przebywanie w atmosferze skażonej HC może wywołać uszkodzenie narządów krwionośnych i szpiku kostnego.

Nieprawidłowe stężenie HC w spalinach — główną przyczyną emisji węglowodorów przez silnik jest chłodzące oddziaływanie ścianek komory (efekt szczelinowy). Węglowodory powstają również w reakcjach zubożałej mieszanki wskutek powolnego spalania. Zbyt duże stężenie może świadczyć o usterce technicznej silnika. Bardzo często podejmuje się czynności regulacyjne silnika na podstawie stężenia CO oraz CH.

Tlenki azotu (NO_x) — zaliczane są do bardziej toksycznych składników gazów spalinowych. Wykazują tzw. powinowactwo do hemoglobiny. Zatrucie objawia się osłabieniem, zawrotami głowy, paraliżem kończyn, osłabionym tętnem, zmianą barwy krwi, kaszlem. Stężenie >0,38—1,33mg/dm³ śmierć.

Nieprawidłowe stężenie NO_X — w spalinach 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. W konsekwencji powstaje tlenek azotu (NO) i dwutlenek azotu (NO₂). W praktyce oba związki oznaczane są jako (NO_x). Diagnostyka NOX pomocna jest podczas oceny sprawności działania katalizatora.

Cząstki stałe (PM) - (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 nie spalonego 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 (widoczny dym 100—300mg/m^3, czarny dym >500 mg/m³).

Wpływ na człowieka i szkodliwość działania wynika z faktu łatwego wchłaniania przez organizm na skutek niewielkich rozmiarów i długotrwałego utrzymywania się w atmosferze. PM wykazują zdolność do łączenia się z innymi szkodliwymi cząstkami lub metalami ciężkimi, węglowodorami, związkami siarki i azotu.

Pozostałe związki toksyczne obejmują śladowe ilości aldehydów oraz związków siarki.

Pozostałe związki nie wykazujące toksycznego wpływu na organizm człowieka:

• Azot (N₂) - w otaczającym powietrzu jest go ok. 78%. Wraz z nim dostaje się do komory spalania pełniąc w niej ważną rolę niepalnego gazu roboczego, a następnie ulatuje ze spalinami.

• Tlen (O₂) - w otaczającym powietrzu jest go około 20,95%. Wraz z nim dostaje się do komór spalania, a jego niewykorzystana w procesie spalania część ulatuje ze spalinami.

• Para wodna (H₂O) - produkt prawidłowo przebiegającego procesu spalania.

3. Przebieg ćwiczenia

Pomiar emisji spalin silnika ZI za pomocą analizatora warsztatowego Techno-test MOD 455.

Jest to analizator wieloskładnikowy z możliwością pomiaru wszystkich kluczowych składników spalin: [CO], [CO₂], [NO_x], [CH], [O₂] a także wyznaczania współczynnika nadmiaru powietrza [λ].

Analizator posiada wbudowaną funkcję autokalibracji uruchamianą co 5 minut (kalibracja skokowa). Zabieg ma na celu weryfikację dokładności pomiarów (pomiar energii fal podczerwonych dla czystego powietrza celem późniejszego porównania z wynikami dla spalin). Kompletna kalibracja przeprowadzana jest przez producenta z wykorzystaniem gazów wzorcowych o określonym składzie i późniejszej weryfikacji wskazań pomiarów.

KALIBRACJA — analizator wyposażony jest w filtr z węglem aktywnym co pozwala filtrować cząstki stałe o średnicy minimalnej do 5μm. Analizator posiada funkcję testu czystości (weryfikacja pozostałości HC na drodze powietrznej do komory analizatora). Jeśli test wykaże pozostałości HC należy wymienić filtr. Wynik testu przeprowadzonego podczas laboratorium pozostał pozytywny — filtr czysty.

Analizator wykorzystywany do pomiarów na laboratorium. Widoczny układ filtrów.

Pomiar składu spalin samochodu Daewoo Tico przy biegu jałowym oraz przy utrzymywaniu prędkości obrotowych na poziomie 2750obr/min.

Warunki poprawnego pomiaru:

• Nagrzanie silnika, temperatur chłodziwa i oleju około 90^oC

• Układ wydechowy szczelny

• Prędkość obrotowa biegu jałowego odpowiada zaleceniom producenta

Pomiar emisji spalin dla samochodu Daewoo Tico dla różnych prędkości obrotowych:

L.p	Prędkość obrotowa [obr/min]	CO [%]	CO2 [%]	HC [ppm]	O2 [%]		NOx [ppm]	Wsp. nadmiaru powietrza λ [1]
1	Bieg jałowy ( nagrzany silnik)	2.84	11,7	0188	1.08		0000	0.956
2	Podwyższona prędkość obrotowa 2750 obr/min	5.80	9.7	0264	1.19	0000		0.869

Pomiar stopnia zadymienia silnika ZS Dymomierzem Pełnoprzepływowym TYP M-490 zgodnie z przepisami włoskimi N-615.

Przed pomiarem zadymienia należy spełnić następujące warunki:

• Pomiary zadymienia spalin nie powinno się dokonywać w warunkach atmosferycznych niekorzystnych w stopniu mogącym wpływać na wynik pomiaru. Temperatura otoczenia powinna być wyższa niż 5⁰C.

• Przy przeprowadzaniu pomiaru w pomieszczeniu zamkniętym należy zapewnić skuteczną wentylację stanowiska pomiarowego albo stosować indywidualne wyciągi spalin o odpowiedniej wydajności.

• Układ wydechowy powinien być całkowicie szczelny aż do miejsca poboru spalin

• Dźwignia zmiany biegów powinna być ustawiona w pozycji `'luz''

• Hamulec postojowy powinien być włączony

• Silnik powinien być nagrzany do normalnej temperatury pracy (min.70⁰C)

• Przed pomiarem układ wydechowy powinien być przedmuchany przez kilkakrotne naciśnięcie pedału przyspieszenia.

• Ustawienie śruby regulacji dawki paliwa pompy wtryskowej powinno być zgodne z zaleceniami producenta.

Wykaz czynności podczas badania stopnia zadymienia spalin zgodnie z przepisami włoskimi N-615 silnika 1.9td:

• Połączyć zaciski zasilania dymomierza z odpowiednimi biegunami akumulatora 12V;

• Włączyć zasilanie dymomierza i odczekać co najmniej 5 minut do nagrzania się i termicznego ustabilizowania przyrządu zanim podejmie się czynności regulacyjne;

• Sprawdzić, czy obydwa światła ostrzegawcze pozostają wygaszone co oznacza prawidłowy stan naładowania akumulatora;

• Nacisnąć przycisk `'0''. Na wyświetlaczu po prawej stronie pojawi się komunikat `'CAL” (kalibracja) i nastąpi automatyczne wyzerowanie przyrządu.

• Założyć wąż doprowadzenia spalin na końcówkę rury wydechowej pojazdu wykorzystując do tego właściwą końcówkę.

• Teraz można rozpocząć badanie diagnostyczne.

• Po uruchomieniu silnika samochodu na wyświetlaczu pojawi się wskazanie zadymienia spalin, proporcjonalne do stężenia produktów niepełnego spalania w spalinach, jednak wartości pomiarowe nie będą wpisywane do pamięci.

• Trzykrotnie nacisnąć pedał przyspieszenia doprowadzając za każdym razem silnik do max. dopuszczalnej prędkości obrotowej.

• Wybrać tryb pracy urządzenia „TEST 2”.

• Pięciokrotnie przyspieszyć silnik, za każdym razem inicjując zapis w pamięci wyznaczonej wartości pomiarowej.

• Zainicjować obliczenie wartości średniej.

• Zainicjować wydruk protokołu badania diagnostycznego.

Pomiar zadymienia spalin polega na ustaleniu współczynnika absorbcji k.

Ocena wyników pomiaru:

„Zadymienie spalin pojazdu z silnikiem o zapłonie samoczynnym, mierzone przy swobodnym przyśpieszaniu silnika w zakresie od prędkości obrotowej biegu jałowego do maksymalnej prędkości obrotowej, wyrażone w postaci współczynnika pochłaniania światła, nie przekraczało 2,5 m^-1, a w odniesieniu do silników z turbodoładowaniem 3,0 m^-1.”

Średnia z 5 pomiarów wyniosła 88% co odpowiada wartości współczynnika k=4,93.

4. Wnioski

• Badania emisyjności składników spalin pozwala określać poprawność procesów spalania w silnikach . Analiza składników spalin ma także na celu potwierdzić czy dany silnik spełnia krajowe i unijne regulacje prawne dotyczące emisji zanieczyszczeń (normy Ministerstwa Transportu a także normy emisyjności EURO.

• Analiza spalin silnika o ZI dowiodła, że mieszanka paliwowo-powietrzna nie jest odpowiednia. Pomimo prób wyregulowania gaźnika nie udało się jej prawidłowo skorygować. Przyczyna może leżeć w wyeksploatowanych już elementach składowych gaźnika.

• Właściwa mieszanka przedłuża żywotność silnika i w mniejszym stopniu zanieczyszcza środowisko.

• Zadymienie spalin badanego silnika o ZS przekraczało ustanowione normy. Jedną z przyczyn tego stanu może być niesprawny wyrównywacz dawkowania paliwa. Zapobiega on zwiększaniu się dawkowania wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika przez ograniczenie ilości paliwa tłoczonego do wtryskiwaczy.

• Wraz ze wzrostem ilości samochodów zaostrzają się normy dotyczące emisji szkodliwych związków w gazach spalinowych, co zmusza konstruktorów do konstruowania silników ekonomiczniejszych i mniej toksycznych.

• Powszechne w użyciu w stacjach diagnostycznych są analizatory warsztatowe wieloskładnikowe, które oprócz pomiaru podstawowych frakcji spalin pozwalają na pomiary dodatkowe parametrów pracy silnika. Gwarantują dokładność pomiarów wystarczającą na poziomie diagnostycznym. Dla celów homologacyjnych stosowane są dokładne analizatory laboratoryjne, wykorzystujących metody NDIR, jonizacji płomienia gazowego FID itd.

• Wiodącą metodą pomiaru stężenia [CO], [CO₂], [CH] jest niedyspersyjne pochłanianie promieniowania podczerwonego (Stężenie [NOx], [O₂] odbywa się przy użyciu metod elektrochemicznych.

• Proces pomiaru składników spalin przebiega w sposób ciągły poprzez umieszczenie rurki analizatora w rurze wydechowej pojazdu.

• Większość składników spalin wywiera niekorzystny wpływ na środowisko człowieka , które mogą się przyczynić do różnego rodzaju chorób.

• Przed przystąpieniem do badań emisyjności spalin należy przestrzegać zasad gwarantujących uzyskanie wiarygodnych pomiarów. Szczególnie istotne są: odpowiednie nagrzanie silnika, szczelność układu wydechowego oraz właściwie pracujący układ zapłonowy. W razie niespełnienia wymagań wskaźniki emisji mogą wykroczyć poza dopuszczalne granice lub nie przedstawiać wiarygodnych informacji.

2

---