Analiza spalin

Analiza spalin
Światowy rozwój motoryzacji przyniósł nie tylko nowe rozwiązanie techniczne, technologiczne, ale również zagrożenia dla naszego środowiska. Analiza spalin silnika ZI umożliwia zatem poznanie składników spalin przedostających się do atmosfery.
Proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej jest procesem, którego efekty końcowe często odbiegają od pożądanych. Analiza spalin pozwala na bezpośrednią ocenę stężenia poszczególnych związków spalin jak i samej sprawności tego procesu. Badania spalin przy pomocy analizatorów potrzebne są do sprawdzania, czy samochód spełnia wyznaczone przez prawo normy emisji. Dostarczają też pełnych informacji diagnostycznych na temat sprawności katalizatorów, systemów regulacji innych tradycyjnych układów silnika.


Ostatnie normy dotyczące ograniczenia emisji spalin w Polsce wprowadzono 01.07.1995 roku. W/w normy zmusiły producentów analizatorów spalin do produkcji przyrządów czteroskładnikowych (CO,HC,CO2,O2) z możliwością pomiaru współczynnika nadmiaru powietrza l (lambda). Takie analizatory jako standardowe pracują na wszystkich Stacjach Kontroli Pojazdów (SKP) i warsztatach diagnostycznych, posiadają Certyfikat Zgodności wydany przez Instytut Transportu Samochodowego w Warszawie.
Obowiązujące normy dotyczące toksyczności w Polsce podane zostały indywidualnie przy omawianiu poszczególnych składników spalin.
Podział składników spalin silnika ZI :
Toksyczne
a)- tlenek węgla (CO)
b)- węglowodory (HC)
c)- tlenki azotu (NOx)
Nietoksyczne
a)- dwutlenek węgla (CO2)
b)- tlen (O2)
c)- azot (N2)
d)- para wodna (H2O)
1. Toksyczne składniki spalin
Tlenek węgla (CO)
Jest produktem niedokończonego procesu spalania węgla (C), w komorze spalania silnika przy ograniczonej ilości powietrza. Jest gazem silnie trującym,bezbarwnym i bezwonnym, którego stężenie w spalinach może przekroczyć poziom nawet 10% (objętościowo). Stężenie od 0,10-0,20% tlenku węgla w ciągu 30 minut powoduje śmierć, gdyż tlenek węgla odbiera całą zawartość tlenu z krwi człowieka. Przy stężeniu objętościowym 0,01% tlenku węgla w ciągu dłuższego czasu mogą wystąpić 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 (CO2) co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia emisji tlenku węgla w spalinach.
Wymagania dotyczące zawartości tlenku węgla w spalinach w pojazdach z układem wtryskowym, katalizatorem i sondą lambda:
na wolnych obrotach biegu jałowego do 0,5(% vol)
na obrotach 2000-3000 Obr/min do 0,3(% vol)
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 śmierć. Rozpuszczając się w tłuszczach mogą kumulować 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 (CO2) i parę wodną (H2O).
Określenie to opisano w temacie-''jednostki emisji spalin”
Wymagania dotyczące zawartości (HC) w spalinach:
-pojazdy z układem zasilania gaźnikowym od 100-300(ppm)
-pojazdy z układem wtryskowym, katalizatorem i sonda lambda na wolnych obrotach biegu jałowego i na obrotach 2000-3000 do 100 (ppm)
UWAGA; Niektóre firmy podają zawartość (HC) na obrotach podwyższonych w zakresie od 0-30(ppm), co w rzeczywistości pokrywa się z moimi badaniami diagnostycznymi ( tabela 1)

Tlenki azotu (NOx)
Wielkość emisji tlenków azotu zależy od ciśnień i szczytowych temperatur (ponad 1800oC) 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 (NO2) i podtlenku azotu (N2O). 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 (NO2). 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/dm3) 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 (N2). Zawartość tlenków azotu podaje się w (ppm).
W Polsce nie ma jeszcze przepisów nakazujących sprawdzanie tego składnika.
Wymagania dotyczące zawartości tlenków azotu w spalinach:
-silnik bez katalizatora spalin, pracujący na biegu jałowym- od 100-300 ppm
-silnik z katalizatorem i sondą lambda, pracujący na biegu jałowym od 0-30 ppm
UWAGA: Prawidłowy pomiar tlenków azotu powinien odbywać się na hamowni podwoziowej (lub podczas próby drogowej), gdyż największe stężenie gazy te osiągają przy dużych obciążeniach silnika.
2. Nietoksyczne składniki spalin
Dwutlenek węgla (CO2)
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 zawartość CO2 w spalinach, tym efektywniej pracuje silnik Największe wartości stężenia osiąga CO2 przy współczynniku nadmiary powietrza l =1, a więc dla mieszanki stechiometrycznej. Zawartość CO2 jest podawana w jednostkach udziału objętości (% vol).
W pojazdach posiadających katalizator, CO2 utlenia pozostałe po procesie spalania tlenki węgla (CO) i węglowodory (HC). Powstaje zatem dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O).
Zakłada się, że najwłaściwsza zawartość dwutlenku węgla w spalinach dla pojazdów z układem wtryskowym, katalizatorem i sondą lambda to : 14,5-16,0 (% vol).
Tlen (O2)
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 ilość tlenu w spalinach, przekazuje dalsze informacje do sterownika i układu wtryskowego. Zawartość O2 w spalinach jest podawana w jednostkach udziału objętościowego (% vol). Wymagana (prawidłowa) zawartość tlenu w spalinach dla pojazdów z układem wtryskowym, katalizatorem i sondą lambda to 0,0 – 0,2 (% vol) (Tabela 1)
Azot (N2)
Jest to gaz bezbarwny, bez zapachu i smaku – główny składnik powietrza (ok. 78%), dostaje się do komory spalania, a następnie do spalin.
Para wodna (H2O)
Jest to końcowy produkt procesu spalania w silniku i utleniania w katalizatorze.
1
Jednostki emisji spalin
Wartość emisji składników toksycznych może być 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
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
Jak widać z powyższych przeliczeń 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
Skład mieszanki paliwowo-powietrznej
współczynnik nadmiaru powietrza l( (lambda)
parametr AFR
Współczynnik nadmiaru powietrza jest liczbą, wskazującą ile powietrza znajduje się w spalonej mieszance. Wiemy, że dla spalenia 1 kg benzyny potrzeba ok. 14,7 kg powietrza. Jest to więc 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 l = 1. W rzeczywistych warunkach procesu spalania mieszanka o składzie stechiometrycznym nie spala się całkowicie i pozostaje niewielka ilość składników toksycznych (Tabela 1). Jeżeli l > 1, to mieszanka jest uboga, co oznacza że zmieszaliśmy 1kg paliwa z większą ilością powietrza niż 14,7 kg.
Jeżeli l < 1, to mieszanka jest bogata, czyli zmieszaliśmy 1kg paliwa z mniejszą ilością powietrza niż 14,7 kg.
Współczynnik nadmiaru powietrza lambda [l] możemy zapisać jako:
l = L / Lt
L – masa powietrza zassana przez silnik (kg).
Lt – teoretyczna masa powietrza niezbędna do spalenia 1kg paliwa – dla benzyny silnikowej wynosi ona 14,7 kg.
Wymagania dotyczące współczynnika 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 jałowego i obrotach podwyższonych (2000 – 3000 obr/min)

Patrz załącznik

Podsumowanie.
Rzetelność wskazań analizatorów spalin zależy w dużym stopniu od spełnienia określonych warunków wstępnych i zachowania prawidłowej procedury sprawdzania. Na początku należy sprawdzić szczelność układu wydechowego (tłumiki, katalizator, rury łączące), jakiekolwiek przedmuchy spalin eliminują celowość pomiaru. Także prawidłowo umocowana sonda poboru spalin – jej częściowe wysunięcie fałszuje wyniki pomiaru.
Najważniejszym jednak elementem uzyskania prawidłowych wyników jest rozgrzanie silnika do właściwej temperatury eksploatacyjnej tj. płyn chłodzący min. 80 oC lub olej w misce olejowej min 70 oC).
Nieprzestrzeganie nagrzania silnika jest niedopuszczalne, powoduje zwiększenie szczególnie toksycznych węglowodorów [HC] i tlenków węgla [CO]. Procedura sprawdzania pojazdów rejestrowanych po 1.07.1995 roku jest następująca:
zaczynamy zawsze pomiar toksyczności spalin od obrotów podwyższonych (2000 – 3000 obr/min) i po zakończeniu badania czekamy ok. 1,5 minuty na stabilizację wyników i dopiero po tym przechodzimy na wolne obroty biegu jałowego i dokonujemy odczytu (także wydruk na drukarce).