Powszechny, światowy pęd do nowoczesności także w motoryzacji przyniósł nie tylko nowe rozwiązania techniczne, technologiczne, ale również nowe zagrożenia – zwłaszcza dla naszego środowiska. Naturalną konsekwencją tych zjawisk staje się rosnąca liczba eksploatowanych pojazdów, co pociąga za sobą zwiększenie emisji produktów spalania. Ograniczenie szkodliwości tej emisji staje się zatem zadaniem o dużym znaczeniu. Ogromną popularnością cieszą się obecnie jednostki napędowe z silnikami wysokoprężnymi. Współczesne silniki diesla charakteryzują się: małym zużyciem paliwa, niskim hałasem, zwiększoną mocą, oraz bardzo małą toksycznością spalin.

Mimo ogromnego postępu technicznego aktualnie produkowane silniki wysokoprężne wydzielają niewielkie ilości dwutlenku węgla (CO₂), tlenków węgla (CO), węglowodorów (HC), tlenków azotu (NO_x) oraz cząstek stałych (PM), których charakterystyka została przedstawiona poniżej.

• 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

• 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.

• Węglowodory (HC) – są to nie spalone lub częściowo spalone cząstki paliwa, są to związki szczególnie trujące o bardzo negatywnym działaniu na organizm człowieka. Główną przyczyną emisji węglowodorów przez silnik jest chłodzące oddziaływanie ścianek komory (efekt szczelinowy). Węglowodory powstają również w reakcjach zubożałej mieszanki wskutek powolnego spalania. Najbardziej niebezpiecznymi związkami są wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, które mają działanie rakotwórcze oraz uczestniczą w tworzeniu smogu komunikacyjnego.

• Tlenki azotu (NO_x) – 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. Powstaje zatem tlenek azotu (NO) i dwutlenek azotu (NO₂). W praktyce oba te związki oznacza się (NO_x). Tlenki azotu zaliczane są do bardziej toksycznych składników gazów spalinowych.

• Cząstki stałe (PM) – (ang. 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.

W silnikach wysokoprężnych wydzielaniu się sadzy towarzyszy zwykle zwiększona emisja w/w składników tj. (CO₂, CO, HC, NO_x). Tak więc kontrola zadymienia spalin służy tylko pośrednio kontroli obecności wspomnianych substancji toksycznych.

Zadymienie spalin – jest wynikiem obecności w nich cząstek stałych (sadza) oraz innych składników. Przy zawartości sadzy 100-300 (mg/m³) zadymienie spalin staje się widoczne. Czarny dym pojawia się przy stężeniu ok. 500 (mg/m³).

Jedynym wymaganym w kraju pomiarem przy okresowych badaniach technicznych pojazdów z silnikami wysokoprężnymi jest zadymienie spalin. Przyrządy do pomiaru zadymienia spalin to dymomierze optyczne wykorzystujące w działaniu zjawisko pochłaniania promieniowania widzialnego (światła) w gazach. Do pomiarów roboczych wybrano więc metodę swobodnego przyśpieszenia obrotów silnika, podczas której przeprowadza się pomiar dymienia w wyżej opisany sposób. Stanowi to rozwiązanie kompromisowe, które umożliwia modelowanie pełnego obciążenia silnika. Metoda ta ma wprawdzie pewne wady, ponieważ spaliny zawierające rozpylone cząsteczki wody i nie spalonego oleju napędowego rozpraszają strumień światła, co wprowadza błąd pomiarowy. Ponadto nie jest to jednak pomiar obiektywny, gdyż wiele ze składników toksycznych jest “niewidocznych” dla dymomierza. Jednak z możliwością do przyjęcia dokładnością można uzyskać wyniki pomiarów o wystarczającej powtarzalności. Obowiązujące normy w Polsce określają dopuszczalne zadymienie na poziomie do 2,5 (m^-1) (silniki wolno ssące) a w przypadku silników z turbodoładowaniem do 3,0 (m^-1).

W celu powiązania z poprzednia stosowaną generacją typu Hartride, dymienie można określić także w jednostkach (%).

Przykład:

2,50 (m^-1) ---------- 66 (%)

3,00 (m^-1) ---------- 73 (%)

Na swoim stanowisku pracy mam do dyspozycji dwa dymomierz optyczne: pierwszy – starszej generacji Oliver D-60 oraz drugi nowszej generacji ATAL – AT600M produkcji czeskiej – rozprowadzany przez firmę Precyzja – Bit w Bydgoszczy.

Zasada działania tego drugiego dymomierza typu AT600M (Rys 1) przedstawiam poniżej

Rysunek 1. część pneumatyczna zespołu pomiarowego dymomierza

• długość efektywna kuwety: 415 mm
• średnica kuwety: f 20mm
• temperatura regulowana w zakresie: 70 – 130 ^oC
• zakres temperatur roboczych: 5 – 40 ^oC

Pomiar polega na pomiarze ilości światła przechodzącego przez próbkę gazów spalinowych. Brak dymu w kuwecie pomiarowej (1) oznacza zerową wartość pochłaniania światła. Pełne zasłonięcie kuwety pomiarowej (1) (nieprzejrzysty gaz) oznacza stuprocentowe tłumienie optyczne. Zgodnie z rys.1, gaz spalinowy doprowadzany jest przez sondę pomiarową (6) do kuwety pomiarowej (1) o długości efektywnej 415 mm . Sondę poboru spalin (6) można umocować w rurze wydechowej za pomocą zacisków mocujących. Przejrzystość słupa dymu w kuwecie pomiarowej (1) mierzona jest za pomocą układu optycznego, w którym źródłem światła (2) jest zielona dioda LED, emitująca światło widzialne o długości fali 560 (nm). Detektorem światła (3) jest fotodioda ogrzewana do minimalnej temperatury 300 (^oC).

W celu zapewnienia stabilności i dokładności pomiaru kuweta pomiarowa (1) ogrzewana jest do temperatury minimalnej 70 (^oC) (5).

Metoda swobodnego przyśpieszenia obrotów jest próbą pomiaru dymienia, podczas której silnik jest przyśpieszony od obrotów biegu jałowego do obrotów maksymalnych, przy pełnej dawce paliwa, przy czym silnik jest obciążony własną bezwładnością, masą sprzęgła i przekładni ( przy położeniu neutralnym dźwigni zmiany biegów). Podczas swobodnego przyśpieszenia obrotów silnika wywołanej gwałtownym wciśnięciem pedału “gazu” z pozycji “obrotów biegu jałowego do pozycji maksymalnej” dawka – dymomierz dokonuje pomiaru w czasie maksymalnie 10(s), wartość pochłaniania światła z próbkowaniem wynoszącym 20(ms). Pomierzone próbki dymu oceniane są w sposób matematyczny i na płycie czołowej wyświetlona zostaje stwierdzona wartość dymienia k= m^-1

• sondy poboru spalin (f10 mm i f27 mm)

• czujnik temperatury oleju

• czujniki obrotów:

1. czujnik ciśnieniowy
2. optyczny czujnik obrotów
3. indukcyjny czujnik obrotów

• drukarka

Warunki pomiaru zadymienia spalin reguluje Dziennik Ustaw Nr 227 z dn. 30.12.2003 roku. Najważniejsze punkty w/w Dziennika to:

• temperatura otoczenia w czasie pomiaru powinna być wyższa niż 5(^oC),

• układ wydechowy powinien być całkowicie szczelny aż do miejsca poboru spalin,

• silnik powinien być nagrzany do normalnej temperatury pracy (min 70^oC) dla oleju silnikowego, (min 80^oC) dla płynu chłodzącego,

• przed pomiarem układ wydechowy powinien być przedmuchany przez kilkakrotne naciśniecie pedału przyspieszenia.

• podczas pracy silnika na biegu jałowym należy szybko, lecz niegwałtownie, nacisnąć pedał przyspieszenia, tak aby uzyskać pełny wydatek pompy wtryskowej

• pozycja pełnego wydatku należy utrzymać do momentu uzyskania przez silnik maksymalnej prędkości obrotowej i zadziałania regulatora obrotów, jednak nie krócej niż przez 1,5 sekundy.

Podczas sprawdzania zadymienia silników wyposażonych w turbosprężarkę należy szczególnie zwrócić uwagę na sposób zatrzymania silnika aby nie przegrzać turbiny. Zatrzymać silnika nie wolno jeśli pracuje on na wysokich obrotach, ponieważ turbosprężarka wiruje nadal, a ciśnienie oleju spada do zera. Turbina nie jest wówczas smarowana, a nadal ma bardzo duże obroty i wysoką temperaturę. Należy zatem przez ok. 1 minutę utrzymać wolne obroty i wyłączyć silnik.

Wymiana przegrzanej turbosprężarki to koszt przekraczający często 10 tys. złotych.

• należy wykonać co najmniej trzy pomiary następujące po sobie nie różniące się od siebie o więcej niż 0,50 (m^-1).

• jako wynik końcowy pomiaru należy przyjąć średnią arytmetyczną z pomiarów z dokładnością 0,01 (m^-1).

•  

Problem zanieczyszczenia atmosfery przez pojazdy samochodowe napędzane silnikami wysokoprężnymi jest bardzo ważny.

Coraz ostrzejsze przepisy (normy) emisji zanieczyszczeń wymagają prowadzenia rozszerzonych prac badawczych, konstrukcyjnych, homologacyjnych, a co za tym idzie, również kontrolno – diagnostycznych w dziedzinie czystości spalin.

Sposoby ograniczania emisji głównych składników toksycznych idą w następujących kierunkach:

• nowoczesne dopalacze katalityczne (filtry cząstek stałych typu FAP i nowsze typu DPF).

• stosowanie systemu bezpośredniego wtrysku typu Common rail pozwalające uzyskiwać stałe, bardzo wysokie ciśnienie (180Mpa – 250Mpa) niezależne od obrotów silnika.

• wprowadzenie do systemu wtrysku typu common rail wtryskiwaczy piezoelektrycznych, które pozwalają skrócić czas wtrysku do 1/10.000 sekundy. Krótszy czas wtrysku to zwiększenie obrotów, mocy a także wyciszenie silnika.

• stosowanie pompowtryskiwaczy w pojazdach Volkswagen dające ciśnienie 205 MPa ( przyszłość jednak będzie należała do systemu common rail)

• stosowanie turbodoładowania silników – ponieważ przy nadmiarze powietrza w cylindrach poprawia się proces spalania, a im lepsze spalanie, tym toksyczność spalin mniejsza.

• stosowanie układów recyrkulacji spalin (EGR) – które w określonych warunkach pracy silnika, umożliwia doprowadzenie części spalin do mieszanki paliwowo – powietrznej co obniża maksymalne wartości temperatur występujące podczas procesu spalania, a przez to obniża emisję trujących tlenków azotu (NO_x).

• wprowadzanie w pojazdach układu odprowadzania par ze zbiornika paliwa. Odparowane w zbiorniku paliwo, opuszczające go, jest zatrzymane przez pochłaniacz z węglem aktywnym – gdzie dalej doprowadzane przez zawór do kolektora ssącego.

• wykorzystanie czystych paliw (olejów napędowych) o coraz wyższej liczbie cetanowej pozbawionej zupełnie siarki już od 2009 roku

• instalowanie we wszystkich pojazdach systemu diagnostyki pokładowej (EOBD, OBDII) które jest ukierunkowane emisyjnie i jego głównym zadaniem jest bieżący nadzór nad poziomem związków toksycznych z układu wydechowego i zasilania w paliwo.

1. pompy wtryskowe rzędowe,
2. pompy wtryskowe rozdzielaczowe,
3. układu z systemem common rail,
4. układu z pompowtryskiwaczami

Poniżej przedstawiam wybrane protokóły pomiaru zadymienia spalin na dymomierzach typu Oliver-D60 i ATAL – AT601. Badane pojazdy Fiat Punto 1.9D, Daihatsu Charade 1.0D i Skoda Octawia TDI posiadają pompy wtryskowe rozdzielaczowe. Badanie Renault Clio dci 1.5 posiada system wtrysku typu common rail i bardzo ciekawe wyniki pomiarów – mianowicie sumaryczny k = m^-1 ----- 0,00.

Uwzględniając powyższe można stwierdzić, że coraz wyższe ciśnienia wtrysku podawane do najczęściej bezpośrednich komór spalania powiązane z nowoczesną elektroniką potrafią zmniejszyć toksyczność spalin współczesnych silników wysokoprężnych do minimum. Ważnym jednak elementem prawidłowej pracy nowoczesnych układów zasilania silników wysokoprężnych jest czyste paliwo.

Brudny, niewłaściwy olej napędowy (mimo stosowania filtrów) powoduje powolne zużycie dokładnie pasowanych elementów aparatury wtryskowej (pompy, wtryskiwacza). Np. koszt wymiany kompletu pompowtryskiwaczy w volkswagenie 1.9 Tdi to ok. 15 tys. złotych.

Powyższa publikacja pozwala na poznanie zasad, obsługi i norm dotyczących czystości spalin silników wysokoprężnych co ułatwi ich lepsze wykorzystanie

Opracowanie: mgr inż. Edward Rymaszewski @
                    SKP Zespół Szkół Samochodowych