Analiza spalin

Celem ćwiczenia laboratoryjnego było przeprowadzenie analizy spalin w samochodzie marki Nissan Sunny z silnikiem o zapłonie iskrowym.

Pomiar dokonano dla czterech wartości temperatury i sześciu wartości prędkości obrotowej.

Żeby pomiar był przeprowadzony prawidłowo silnik musi być rozgrzany do temperatury

75°C oleju lub 85°C cieczy chłodzącej (podczas pomiaru silnik jednak nie był rozgrzany do wymaganej temperatury).

Analizator spalin.

Analizator spalin AT 501 to czteroskładnikowy (opcjonalnie pięcioskładnikowy, również NOX), przeznaczony do badania i regulacji silników z zapłonem iskrowym, oraz do wykonywania kontroli emisji z tych silników wg właściwych norm państwowych.

Umożliwia pomiar stężenia HC; CO; CO2; O2 i na podstawie tych parametrów wyliczenie CO oraz współczynnika nadmiaru powietrza Lambda.

Przyrząd ten mierzy:

- prędkość obrotową silnika, (czujnik klamerkowy podłączany do przewodu iskrowego)

- kąt wyprzedzenia zapłonu przed górnym punktem zwrotnym,

- kąt zwarcia styków przerywacza,

- test lambda na biegu jałowym,

- test szczelności,

- temperaturę oleju.

Zmierzone dane można wydrukować, bądź jako wyniki pomiarów cząstkowych lub jako kompletny protokół z emisji, a po wpisaniu odpowiednich danych do urządzenia diagnostycznego Mega Macs dowiemy się czy są to poprawne wyniki, a jeśli nie to co może być przyczyną złej pracy silnika.

Przyrząd umożliwia pomiary parametrów czujnika tlenu (tzw. sondy lambda).

Zakres wskazań analizatora spalin:

Badany składnik	Zakres pomiarowy	Rozdzielczość
CO	0-10 %	0,01 %
CO2	0-20 %	0,1 %
HC	-12-9000ppm	1 do 10 ppm
O2	0-22 %	0,01 do 0,1 %

Rys.1. Analizator spalin At 501

Warunki przeprowadzenia pomiaru analizy spalin:

Układ wydechowy powinien być szczelny. Jest to podstawowy warunek prawidłowości przeprowadzenia pomiaru. Wiadomo, że tzw. "lewe powietrze" zaciągane wskutek nieszczelności układu wydechowego będzie nam fałszowało wyniki. W samochodach z katalizatorem należy na to zwracać szczególna uwagę. Jeżeli bowiem będziemy mieli nieszczelny układ przed sondą lambda to zakłócona będzie praca całego układu sterowania składem mieszanki co przełoży się na skład spalin. Jeżeli natomiast układ będzie nieszczelny za sondą lambda to ta będzie pracować prawidłowo natomiast my będziemy mieli zafałszowany wynik na analizatorze.

Silnik powinien być nagrzany do normalnej temperatury pracy czyli min 70° C dla oleju silnikowego lub 80° C dla cieczy chłodzącej. I tutaj również muszę wspomnieć, że warunek poprawnej temperatury podobnie jak bardzo istotny w samochodach wyposażonych w katalizator. Wiadomo bowiem, że katalizator zaczyna właściwie pracować dopiero po jego nagrzaniu.

Procedura pomiarowa :

- wyzerowanie analizatora spalin, włożenie sondy pomiarowej do rury wydechowej, podłączenie czujnika klamerkowego do pierwszego przewodu iskrowego (ustalenie prędkości obrotowej silnika na podstawie liczby wystąpienia iskry), wsadzenie czujnika pomiarowego temperatury oleju

- pierwszy etap to pomiar składu spalin silnika z zapłonem iskrowym dokonywany przy podwyższonej prędkości obrotowej tj. (2000 - 3000 obr/min).

- drugi etap to badanie składu spalin podczas pracy silnika na biegu jałowym.

Każdorazowo sondę spalin wkładamy do rury wydechowej na głębokość co najmniej 30 cm.

Wyniki pomiarów i ich interpretacja

Wyniki uzyskane podczas pomiarów możemy rozpatrywać poprzez: porównując uzyskane wartości z wartościami granicznymi dla danego samochodu podanymi przez jego producenta, lub wpisanie wyników do urządzenia diagnostycznego Mega Macs i odczytanie wskazanych informacji.

Sonda lambda - czujnik umieszczony w kolektorze wylotowym benzynowego silnika spalinowego mierzący zawartość tlenu w spalinach. Pozwala to na precyzyjne dozowanie składu mieszanki paliwowo-powietrznej.

Skład tej mieszanki, a więc stosunek paliwa do powietrza, jest ściśle określony i musi być zawsze taki sam. W przeciwnym razie katalizator nie będzie właściwie oczyszczał spalin. Dzięki pomiarowi zawartości tlenu w spalinach można określić, czy silnik spala właściwą mieszankę paliwowo-powietrzną. Sonda lambda nieustannie mierzy zawartość tlenu w spalinach, przekazując informacje w systemie dwustanowym - “za dużo” lub “za mało”.

Sonda lambda czyli ogniwo galwaniczne zbudowane z materiału ceramicznego - dwutlenku cyrkonu, na którym napylone są po obu jego stronach cienkie warstwy platyny. Sondę umieszcza się na kolektorze wydechowym, tak, że jedna strona urządzenia styka się z gorącymi gazami spalinowymi, osiągającymi w tym miejscu ok. 300 °C, a druga strona styka się z zimnym powietrzem z otoczenia.

Spiek ceramiczny dwutlenku cyrkonu w temperaturze powyżej 300°C staje się swoistym elektrolitem zdolnym do przewodnictwa jonowego. W celu utrzymania odpowiedniej temperatury, niektóre sondy mają grzałkę. Warstwy platyny na jego powierzchni pełnią rolę elektrod, przy czym ich potencjał elektryczny jest funkcją stężenia tlenu w gazach, z którymi się stykają. Przy dużej różnicy stężenia tlenu po obu stronach ogniwa generuje ono siłę elektromotoryczną dochodzącą do 1 V.

Napięcie generowane przez ogniwo jest przekazywane do modułu sterującego składem mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku. Moduł ten dostosowuje na bieżąco skład mieszanki, tak aby w określonych warunkach obciążenia silnika, rodzaju paliwa i warunków atmosferycznych zapewnić jak najdoskonalszą pracę silnika i zmniejszyć do minimum emisję tlenku węgla. Należy jednak pamiętać, że górną granicą "wytrzymałości" sondy jest temperatura w pobliżu 800°C.

.

Rys.2. Sonda lambda.

1 - strumień spalin 2 - ścianka rury wydechowej 3 - wkład ceramiczny 4 - napięcie sondy (zależne od wielkości lambda) 5 - styki 6 - elektrody 7 - warstwa ochronna

Rys.3. Zasada działania sondy lambda

Spaliny (1) których kierunek przepływu zaznaczono na rysunku strzałkami opływają część pomiarową sondy wkręconą w przewód wylotowy (2). Przed uszkodzeniem termicznym sondę chroni warstwa ochronna (7). Wkład ceramiczny sondy (3) otoczony jest platynowymi elektrodami (6) zakończonymi stykami (5). Po uzyskaniu temperatury pracy sondy (300°C), przepływające jony tlenu powodują powstanie napięcia (4) między elektrodami. Wielkość napięcia zależy od ilości tlenu w spalinach. Znając zatem wartość napięcia wiemy jaka mieszanka jest spalana. Zależność napięcia od zawartości tlenu w spalinach jak również od temperatury pokazuje wykres.

Z wykresu widać, że przy wartości lambda =1 napięcie zmienia się skokowo o ok.500 [mV] Sygnał z sondy jest przekazywany do mikroprocesorowego układu sterującego pracą silnika, który koryguje odpowiednio skład mieszanki, np. poprzez ilość wtryskiwanego paliwa. Korekcja taka odbywa się około 300 razy na minutę, a pomiar ilości tlenu w spalinach wykonywany jest ok. 100 razy na sekundę.
W niektórych zaawansowanych rozwiązaniach mających na celu jeszcze dokładniejszą korekcję mieszanki stosuje się czujniki tlenu oddzielnie dla każdego cylindra lub drugą sondę spalin za reaktorem katalitycznym. Sonda lambda nie jest elementem niezniszczalnym. Przyjmuje się, że po przebiegu ponad 100 tys. km traci ona stałość charakterystyki co skutkuje niewłaściwymi sygnałami przekazywanymi do układu sterowania, a zatem i złą korekcją składu mieszanki.

Lambda	Rodzaj mieszanki	Emisja CO	Emisja HC	Emisja NOx
λ = 1	Mieszanka optymalna	niska	niska	niska
λ > 1	Mieszanka uboga	niska	niska	wysoka
λ < 1	Mieszanka bogata	wysoka	wysoka	niska

Najkorzystniejsze jest utrzymanie spalania jak najbliższego spalaniu λ = 1. Wymusza to ciągłą regulację składu mieszanki jaka jest doprowadzana do cylindrów. Regulacja ta jest możliwa właśnie dzięki sondzie lambda. Sonda ta jest inaczej nazywana czujnikiem tlenu, bada bowiem zawartość tlenu w spalinach określając w ten sposób współczynnik nadmiaru powietrza - lambda. Określa czy mieszanka jest właściwa, czy jest zbyt uboga lub zbyt bogata. W zależności od wyniku obserwacji przekazuje do układu sterowania sygnał jak skorygować skład mieszanki.

Specyfika procesu spalania jest taka, że w warunkach przy których emisja tlenków azotu jest niska to emisja CO i HC jest wysoka. I odwrotnie. W warunkach pracy przy których emisja CO i HC jest niska to emisja NO_X jest wysoka. Istnieje jednak wąski obszar pracy w którym emisja wszystkich wspomnianych związków trujących jest względnie mała. Obszar ten wyznacza nam współczynnik nadmiaru powietrza lambda. Lambda wynosi jeden jeżeli na

1 kg spalanego paliwa przypada 14,7 kg powietrza. Spalanie takie nazywamy spalaniem mieszanki stechiometrycznej.
Jeżeli na 1 kg spalanego paliwa przypada więcej niż 14,7 kg powietrza to mamy do czynienia ze spalaniem mieszanki ubogiej. Jeżeli z kolei na 1 kg spalanego paliwa przypada mniej niż 14,7 kg powietrza to mamy do czynienia z mieszanką bogatą. Optymalna, niską emisję związków toksycznych uzyskuje się dla lambda =1 ± 1% (od 0,97 do 1,03)

Rys.4. Emisja składników toksycznych w funkcji λ

Awaria sondy lambda.

Gdy sonda lambda przestanie przekazywać informacje, mikroprocesor sterujący układem wtryskowym silnika przestawi się na tzw. tryb stały. W efekcie moc silnika zostanie zredukowana, zużycie paliwa wzrośnie o ok. 15%. Wiec naprawić trzeba jak najszybciej, bowiem niekorzystny skład mieszanki paliwowo-powietrznej może uszkodzić katalizator. Obecnie większość producentów stosuje tzw. podgrzewane sondy lambda, których żywotność określa się na 100 - 160 tys. km przebiegu pojazdu. Sonda lambda pracuje w wyjątkowo niekorzystnych warunkach termicznych i chemicznych. Przyspieszone zużycie sondy lambda powodują olej (zużyte pierścienie tłokowe) lub woda (uszkodzona uszczelka pod głowicą) w układzie wydechowym.

Wnioski

Przy zastosowaniu jednej sondy lambda w przewodzie wylotowym mierzy ona ilość tlenu pochodzącego z komór spalania wszystkich cylindrów, więc mierzy średnią ilość tlenu nie dając nam informacji o tym jak przebiega spalanie w każdym z cylindrów.

Przyjmijmy bowiem, że w jednym cylindrze mamy niedobór tlenu a w drugim jego nadmiar. W obu cylindrach spalaniu ulega mieszanka o nieprawidłowym składzie. Czujnik tlenu pokaże jednak, że wszystko jest w porządku (współczynnik lambda w granicach

0,97 do 1,03), natomiast ilość substancji toksycznych w spalinach będzie powyżej normy.

Widzimy więc, że działanie pojedynczej sondy lambda nie będzie obarczone żadnym błędem jedynie w sytuacji, gdy w każdym cylindrze spalana będzie mieszanka o prawidłowym składzie.
Gdy zastosowalibyśmy jeden czujnik tlenu na jeden cylinder to korekcja składu mieszanki odbywa się dla każdego cylindra z osobna i na podstawie osobnych sygnałów. Wyżej wspomniany błąd nie występuje. Ale jest to drogie rozwiązanie.

W działaniu sondy lambda może wystąpić również inne niedomaganie. W wyniku nieprawidłowego spalania, np. niecałkowitego, w spalinach są obecne parafiny i sadza. Mikropory materiału ceramicznego sondy lambda zostaną zatkane przez popioły co będzie skutkować wydłużeniem czasu reakcji sondy, a co za tym idzie błędną (spóźnioną) korekcją składu mieszanki. Widzimy zatem, że czasami należy oczyścić czujnik tlenu nie zapominając jednak o likwidacji przyczyny nadmiernego zanieczyszczenia.

Pomiar analizy spalin powinien być przeprowadzany dla temperatury silnika 75°C oleju lub 85°C cieczy chłodzącej by wyniki były prawidłowe

Sonda lambda powinna być rozgrzana spalinami lub elektrycznie (ok. 300°C) w celu natychmiastowej poprawnej pracy

---