Szczelność układu wylotowego – wybrane aspekty z analizy składu spalin silników ZI cz. 2.

Szczelność układu wylotowego pod kątek jego nieszczelności opisaliśmy w pierwszej części artykułu. Przedstawiliśmy tam również systemy diagnostyczne oraz jak powstaje mieszanka paliwowo-powietrzna. Ponadto zwróciliśmy szczególną uwagę na współczynnik λ składu mieszanki paliwowo-powietrznej, który jest podstawową jego wielkością. Dodatkowo podaliśmy teoretyczne masy powietrza potrzebne do spalenia 1 kg paliwa, w tym benzyny, gazu LPG i CNG. W tej części poruszymy kwestie związane z analizą składu spalin. Wszystkie te zagadnienia zmierzają do omówienia głównego tematu tj. szczelności układu wylotowego.

Współczynnik lambda w mieszance paliwowo-powietrznej

Jeżeli wartość współczynnika lambda (λ) jest równa 1 to oznacza, że mieszanka paliwowo-powietrzna zawiera dokładnie tyle tlenu, ile trzeba do spalenia paliwa. Wtedy określamy ją jako mieszankę o składzie stechiometrycznym.

Natomiast jeżeli wartość ta jest > 1 oznacza to, że w mieszance paliwowo-powietrznej jest więcej tlenu niż jest potrzebne do spalenia paliwa. W związku z tym części tlenu nie wykorzystuje się w procesie spalania i wtedy mówimy, że jest to mieszanka uboga.

Wartości < 1 oznacza, iż w mieszance paliwowo-powietrznej jest miej tlenu niż jest potrzebne do spalenia paliwa. Wtedy nazywamy ją mieszanką bogatą.

Szczelność układu wylotowego, a składniki spalin  – zarys ich powstawania, właściwości, obliczanie i prezentacja wyników

Wszystkie opisane niżej zagadnienia są istotne, aby przejść do opisu szczelności układu wylotowego oraz jego nieszczelności.

Podczas spalania mieszanki paliwowo – powietrznej powstają produkty takie  jak: azot – 72,3 %, para wodna – 12,7 %, argon, inne składniki – 1,0 %, dwutlenek węgla – 12,3 % oraz tlen – 0,7 %. Ponadto tworzą się składniki szkodliwe w ilości 1,0 % takie jak: cząstki stałe (też sadza) – 0,005 %, węglowodory – 0,050 %, tlenki azotu – 0,085 % i tlenek węgla – 0,850 %.

Azot N2 w spalinach silnika

Azot N₂ w spalinach pochodzi z powietrza i dla ludzi jest on gazem obojętnym.

Para wodna H₂O w spalinach silnika

Para wodna H₂O w spalinach powstaje podczas spalania wodoru H będącego składnikiem paliwa węglowodorowego. W spalinach silnika, który jest zasilany np. gazem CNG jest go więcej niż zasilanego benzyną. Wynika to z faktu, że w gazie CNG jest więcej atomów wodoru H w stosunku do atomów węgla C, niż w benzynie silnikowej.

Dwutlenku węgla CO₂, tlenek węgla CO i tlen O₂ w spalinach silnika

W praktyce udziały dwutlenku węgla CO₂, tlenku węgla CO i tlenu O₂ w spalinach oblicza się za pomocą wzoru, który określa ich udział objętościowy UOBJ. Wynik obliczeń jest podawany w procentach i oznaczany [%vol], gdzie vol to skrót od słowa volume, które oznacza objętość. W ten sposób mamy informację, jaki procent objętości spalin stanowi mierzony składnik.

Dwutlenek węgla CO₂ w spalinach silnika

CO2 jest produktem spalania węgla C, wchodzącego w skład paliwa węglowodorowego. Powstaje tylko w wyniku spalenia mieszanki. Najczęściej zawartość w spalinach silnika dwutlenku węgla przed konwerterem katalitycznym zależy od wartości współczynnika lambda λ dla określonych rodzajów mieszanek. Jeżeli chodzi o właściwości to powietrze, którym oddychamy, zawiera dwutlenek węgla CO₂. Jest on gazem bezwonnym, przeźroczystym, nietrującym i nieszkodliwym.

Tlen O₂ w spalinach silnika

Tlen wprowadzany do komory spalania jest składnikiem powietrza w ilości ok. 21% jego objętości. Jednocześnie jego nieduża ilość, jest też w benzynie silnikowej. Potrzebny jest on do zachodzenia procesów spalania. Co ciekawe, tlen O₂, znajdujący się w mieszance paliwowo-powietrznej nie jest w całości wykorzystywany w procesie spalania. Dlatego też występują on w spalinach powstałych ze spalenia mieszanki bogatej (λ<1).

Tymczasem podczas gdy spalane są mieszanki uboższe od stechiometrycznej, w spalinach pozostaje również tlen, którego jest za dużo w stosunku do paliwa wchodzącego w skład mieszanki. Im uboższa jest mieszanka, tym więcej tlenu O₂ jest w spalinach. Zatem jeżeli spaleniu ulega tylko część mieszanki, np. z uwagi na to, że w jednym cylindrze spala się tylko jej część, gdyż proces spalania przebiega za wolno, lub nie spala się ona wcale. Wówczas ten niewykorzystany w procesie spalania tlen wylatuje z komory spalania wraz ze spalinami. W następstwie tego wzrasta jego zawartość w spalinach.

Tlenek węgla (CO) w spalinach silnika

Tlenek węgla CO jest produktem niedokończonego procesu spalania węgla C, który jest składnikiem paliwa węglowodorowego. Okazuje się, że w komorze spalania nigdy nie ma warunków, aby całość węgla C uległa spaleniu, czyli aby  powstał jedynie dwutlenek węgla.

Zawartość w spalinach silnika CO przed konwerterem katalitycznym zależy od współczynnika λ określającego rodzaj mieszanki paliwowo-powietrznej. Wówczas dostajemy rożne wyniki. Dlatego też dla prawidłowej oceny procesu spalania danej mieszanki, należy dodatkowo mierzyć zawartość węglowodorów HC w spalinach.

Tlenek węgla CO jest gazem bezwonnym, bezbarwnym, przeźroczystym i pozbawionym smaku. Jest to substancja bardzo niebezpieczna, ponieważ nie wyczuwamy jej węchem. Zbadano, że oddychanie przez 30 min powietrzem o zawartości 0,3 % vol. tlenku węgla CO może być przyczyną śmierci.

Węglowodory (HC) w spalinach silnika

Zawartość w spalinach węglowodorów HC, a także tlenków azotu NOX jest podawana jako udział objętościowy, ale w jednostce [ppm] ze względu na ich małe zawartości. Skrót nazwy [ppm] pochodzi z języka angielskiego od słów parts per milion i oznacza jedną milionową część objętości.

Węglowodory to grupa związków chemicznych, w skład których wchodzi węgiel C i wodór H. Oznaczamy je symbolem HC. Z badań wynika, że w spalinach jest ok. 180 różnych związków typu węglowodór. Charakteryzują się one różnymi właściwościami i są w różnym stopniu toksyczne. Należy zaznaczyć, iż paliwa silnikowe składają się głównie z węglowodorów, a benzyny silnikowe także z innych składników. Końcowymi produktami ich spalania są dwutlenek węgla CO2 i para wodna H₂O.

W komorze spalania nie ma warunków, aby wszystkie węglowodory całkowicie się spaliły. Dlatego proces spalania części węglowodorów rozpoczyna się, ale pomiędzy kolejnymi reakcjami następuje jego przerwanie i nie kończy się. W następstwie tego część węglowodorów zmienia tylko swój rodzaj, pozostając nadal węglowodorami. Druga sytuacja występuje, gdy proces spalania węglowodorów nie nastąpił w ogóle.

W obu przypadkach w spalinach zawsze są węglowodory HC. Im lepiej przebiega proces przygotowania i spalania mieszanki, tym jest ich mniej.

Tlenki azotów NO_X w spalinach silnika

Azot N₂ i tlen O₂ są składnikami powietrza. Zatem przy ciśnieniu oraz temperaturze, które panują w naszym otoczeniu nie reagują one ze sobą. Natomiast w komorze spalania silnika ciśnienie i temperatura, które towarzyszą procesowi spalania, lokalnie są wyższe i wynoszą ok. 1800⁰ C. Wówczas  azot wchodzi w reakcję z tlenem tworząc tlenek azotu NO. Jednocześnie przyjmuje się, że temperatura 1800⁰C jest graniczna. Po przekroczeniu jej ilość tworzących się tlenków azotu NO szybko wzrasta.

Przy czym na podkreślenie zasługuje fakt, że powstawanie tlenków azotu NO_X w komorze spalania silnika nie jest bezpośrednim wynikiem procesu spalania paliwa. Jest natomiast wynikiem reakcji pomiędzy azotem N₂ i tlenem O₂. Następuje to dzięki korzystnym warunkom panującym w komorze spalania. W wyniku procesów, które w niej zachodzą, oraz dalej w układzie wylotowym silnika, z układu wylotowego są emitowane różne związki chemiczne będące połączeniem azotu N₂ i tlenu O₂.

Podstawowe związki NO_X

Do podstawowych związków azotu należą: tlenek azotu NO, dwutlenek azotu NO₂ i podtlenek azotu N₂O. Wszystkie związki azotu N₂ i tlenu O₂ są nazywane tlenkami azotu i oznacza się je symbolem NO_X.

Zawartość tlenków azotu NO_X w spalinach zależy w bardzo dużym stopniu od ciśnień i temperatur panujących w komorze spalania, czyli od obciążenia silnika. Ponadto w warunkach warsztatowych analizę składu spalin silnika ZI wykonuje się głównie dla silnika nieobciążonego. Wtedy emisja tlenków azotu NOX jest bardzo niska. Natomiast dopiero obciążenie silnika powoduje widoczny wzrost emisji tych tlenków azotu.

Na przykład zawartość tlenków azotu NO_X w spalinach przed konwerterem katalitycznym wynosi na biegu jałowym silnika 300ppm. Tymczasem przy pełnym obciążeniu silnika ma ono wartość 5000ppm. Z tego względu oraz z powodu różnic konstrukcyjnych między silnikami w zakresie wartości stopnia sprężania, trudno jest określić normę emisji tlenków azotu NO_X dla silnika nieobciążonego. Dlatego też pomiar ich zawartości w spalinach silnika nieobciążonego, nie ma znaczenia praktycznego. Na uwagę zasługuje też fakt, iż właściwości związków z grupy tlenków azotu NO_X są  głównie bardzo szkodliwe. Zatem od szczelności układu wylotowego zależy również zdrowie i życie człowieka.

Szczelność układu wylotowego silnika ZI – podstawowe informacje dotyczące analizatorów spalin tych silników

Ogólnie można powiedzieć, że analizatory spalin samochodowych są urządzeniami pomiarowymi przeznaczonymi do pomiaru zawartości składników spalania mieszanki paliwowo-powietrznej.

Typy analizatorów spalin

Wyróżniamy dwa podstawowe typy analizatorów tj. laboratoryjne i warsztatowe. Analizator laboratoryjny spalin dokonuje pomiaru zawartości w spalinach tych samych składników spalin co warsztatowy. Jednak dodatkowo może mierzyć też inne, o istotnym wpływie na organizmy żywe i otoczenie. Urządzenie to zatem w porównaniu z analizatorem warsztatowym wykorzystuje inne metody pomiarowe. Mierzy z większą dokładnością i szybciej reaguje na zmiany składu spalin. Ponadto podaje zawartości poszczególnych składników spalin w innych jednostkach np. w gramach.

Laboratoryjne analizatory spalin są niezbędne w pracach badawczo – rozwojowych dotyczących silników oraz w badaniach homologacyjnych toksyczności spalin.

Tymczasem warsztatowy analizator spalin, w porównaniu z analizatorem laboratoryjnym, dokonuje mniej dokładnie pomiary. Jednocześnie wolniej reaguje na zmiany składu spalin. Nie mniej jednak jest wielokrotnie tańszy od laboratoryjnego i ma możliwości pomiarowe wystarczające do prac wykonywanych w serwisach. Takim analizatorem spalin nie można weryfikować badań homologacyjnych.

Zawartości węglowodorów HC mierzona przez warsztatowe analizatory spalin

Konstrukcja takiego analizatora przystosowano w tym celu, aby głównie wykrywał on w spalinach obecność węglowodoru typu heksan C₆H₁₄. Jest to związane z tym, że jego zawartość w spalinach silnika ZI zasilanego benzyną, jest dobrą informacją o jakości procesu spalania. Dodatkowo wykrywa on obecność węglowodorów innych typów, ale pomiar ich zawartości jest obarczony dużym błędem. Dlatego też mówimy, że mierzona przez warsztatowy analizator spalin zawartość węglowodorów HC w spalinach silnika zasilanego benzyną jest przeliczana na węglowodór o nazwie heksan C₆H₁₄.

Analizator warsztatowy spalin w porównaniu do laboratoryjnego analizatora spalin, mierzy ok. 16% zawartości węglowodorów HC w spalinach. Wynika to z faktu stosowania różnych metod pomiarowych w obu analizatorach. Jeżeli zatem analizator spalin chcemy również zastosować do pomiaru zawartości węglowodorów HC w spalinach silnika zasilanego gazem LPG lub CNG, to wtedy powinna być możliwość wyboru rodzaju paliwa tj. benzyny, gazu LPG lub gazu CNG. Zależnie od rodzaju wybranego gazu, powinien on przeliczać pomierzone zawartości węglowodorów HC. Przeliczanie dotyczy propanu C₃H₈ przy zasilaniu silnika gazem LPG. Również dotyczy metanu CH₄ przy zasilaniu silnika gazem CNG.

Szczelność układu wylotowego silnika ZI – możliwości wykorzystania wiedzy o składzie spalin silnika ZI

Możliwości te zależą w szczególności od tego, czy w układzie wylotowym silnika są zamontowane określone urządzenia. Należą do nich konwerter katalityczny (jeden lub więcej) i rurka do poboru spalin przed konwerterem katalitycznym. Ponadto dotyczy to także obecności jednego lub więcej czujników tlenu w spalinach. Obecność konwertera katalitycznego w układzie wydechowym powoduje zmianę składu spalin w stosunku do składu spalin opuszczających silnik.

Obecność w układzie wydechowym jednego bądź więcej czujników zawartości tlenu w spalinach oznacza, że najbardziej prawdopodobne jest to, iż nie ma możliwości regulacji układu zasilania. Z kolei w niektórych układach zasilania gaźnikowego, lub w pierwszych konstrukcjach układów zasilania wtryskowego, które współpracowały z czujnikiem tlenu w układzie wylotowym była możliwość regulacji układu zasilania. Nie mniej jednak wówczas na pewno w układzie wylotowym była rurka poboru spalin przed konwerterem katalitycznym.

Natomiast jeżeli w układzie wylotowym zamontowano konwerter katalityczny, to z powodu jego wpływu na skład spalin opuszczających silnik nie ma możliwości diagnostyki tylko silnika i jego układów. Dotyczy to także konwertera katalitycznego, na postawie składu spalin pobranych do analizy z końca układu wylotowego. Możliwa jest jedynie łączna diagnostyka silnika oraz jego układów i konwertera katalitycznego. Wyjątek stanowią silniki, które układzie wylotowym mają zamontowaną rurkę poboru spalin. Dodatkowo dla większości silników z konwerterem katalitycznym i jednym, bądź  kilkoma czujnikami tlenu w spalinach pomocne w interpretacji składu spalin są określone parametry bieżące. Odczytywane są one testerem diagnostycznym ze sterownika silnika. Jednak nie dotyczy to starszych konstrukcji układów sterowania.

Szczelność układu wylotowego

Szczelność układu wylotowego jest podstawowym warunkiem prawidłowej pracy układu regulacji składu mieszanki. Warunkiem jest obecność w układzie wydechowym zamontowanych jednego lub więcej czujników tlenu.

Szczelność układu wylotowego, a jego nieszczelność

Nieszczelność układu wylotowego diagnozujemy w zależności od udziałów objętościowych składników spalin. Może to mieć miejsce, gdy niewłaściwe zamontowano końcówki wyciągu spalin i sondy poboru spalin (końcówka wyciągu spalin jest założona na końcówkę układu wylotowego). Wtedy sonda poboru spalin analizatora pobiera rozrzedzone powietrzem spaliny z rury wyciągu spalin, zamiast pobierać nierozcieńczone powietrzem spaliny z końcówki układu wylotowego. Wtedy udziały objętościowe poszczególnych składników spalin maleją.

Okazuje się, że problem ten jest ważny, podczas mierzenia tylko zawartości tlenku węgla CO, na której to podstawie określa się skład spalanej w silniku mieszanki. Wówczas występuje jego pozornie niska zawartość w spalinach rozrzedzonych powietrzem. Sytuacja taka jest myląca. Można uniknąć tego błędu poprzez

• sprawdzenie szczelności układu wylotowego przed pomiarem i wtedy, gdy jest on nieszczelny pomiar składu spalin nie ma sensu
• zamontowanie prawidłowo sondy do poboru spalin w końcówce układu wylotowego. W wykryciu rozrzedzenia spalin powietrzem pomocna jest tzw. korygowana zawartość tlenku węgla CO _kor.

Nieszczelność w układzie wylotowym – korekcja zawartości w spalinach tlenku węgla CO

W przypadku, gdy przez nieszczelność wpływa do układu wylotowego powietrze, to mogą mieć miejsce sytuacje:

• zmniejszają się udziały objętościowe tlenku węgla CO i dwutlenku węgla CO₂ w spalinach. Następuje to wtedy, gdy  powietrze zwiększa objętość spalin. Nie mniej jednak nie zwiększa zawartość tych związków w sposób możliwy do pomiaru przez analizator,
• udział objętościowy tlenu O₂ zwiększa się, ponieważ powietrze składa się w ok. 21% z tlenu. Zatem po zmieszaniu ze spalinami jego zawartość w tej mieszaninie rośnie.

Dlatego też pomierzony przez analizator spalin udział objętościowy tlenku węgla w mieszaninie spalin i powietrza, będzie niższy od udziału objętościowego tlenku węgla w spalinach nierozcieńczonych powietrzem. Niektóre analizatory spalin obliczają tzw. korygowaną zawartość tlenku węgla CO _kor w spalinach. Uwzględnia ona występowanie ewentualnego rozcieńczenia spalin powietrzem.

Nieszczelność w układzie wylotowym – korekcja zawartości w spalinach tlenku węgla CO i CO _kor

W przypadku prawie równych zawartości tlenku węgla CO i jego korygowanej zawartość CO _kor  oznacza to, że układ wylotowy i rurka poboru spalin analizatora są szczelne. Dodatkowo sonda poboru spalin włożono na prawidłową głębokość do końcówki układu wylotowego powietrza.

Jeżeli zawartość tlenku węgla CO jest niższa od jego korygowanej zawartości to znaczy, iż układ wylotowy lub rurka poboru spalin analizatora nie są szczelne. Ewentualnie głębokość montażu sondy poboru spalin w końcówce układu wylotowego jest za mała. Wtedy należy usunąć przyczynę dopływania dodatkowego powietrza i powtórzyć pomiar.

Gdy zawartość tlenku węgla CO jest wyższa od jego korygowanej zawartości, to oznacza, że konwerter katalityczny ma wysoką sprawność.

Ponadto można także ocenić szczelność układu wylotowego rurki poboru spalin analizatora lub prawidłowość osadzenia rurki poboru spalin. Należy wówczas zsumować zmierzone przez analizator spalin zawartości tlenku węgla CO i dwutlenku węgla CO₂.

Interpretacja uzyskanych wyników jest następująca:

• gdy suma wynosi 15 – to znaczy, że powietrze nie rozcieńcza spalin, czyli wyniki pomiaru są prawidłowe,
• jeżeli suma jest < 15 oznacza to, że powietrze rozcieńcza spaliny, czyli trzeba znaleźć tego przyczynę,
• jeśli suma jest > 15 to oznacza, że konwerter katalityczny ma wysoką sprawność.

Nieszczelności układu wylotowego z konwerterem katalitycznym oraz czujnikiem zawartości tlenu w spalinach

Każda nieszczelność w układzie wylotowym powoduje rozcieńczenie spalin powietrzem. Ponadto wpływające powietrze zakłóca pracę układu regulacji składu mieszanki. Jeżeli taka nieszczelność jest mała, to czujnik tlenu w układzie mierzy dodatkową ilość tlenu, która wpłynęła z powietrzem. Tymczasem sterownik interpretuje ten fakt, jako wynik spalania mieszanki ubogiej. Wydaje zatem polecenie, aby  wzbogacić mieszankę zasilającą silnik.

Natomiast jeśli nieszczelność jest duża, to sterownik nie jest w stanie na tyle wzbogacić mieszanki, aby sterownik uznał, że silnik spala mieszankę bogatą. Powinno to zatem spowodować rejestrację kodu usterki w sterowniku silnika. Informuje on alternatywnie, zależnie od programu sterownika tj.:

• o niemożności uzyskania mieszanki o wymaganym składzie,
• o za ubogiej mieszance.

Powietrze wpływające przez nieszczelności zakłócają pracę konwertera katalitycznego. Co prawda lepiej usuwa on ze spalin tlenek węgla CO i węglowodory HC. Jednak znacznie gorzej usuwa ze spalin tlenki azotu NOX.

W przypadku, gdy nieszczelność jest za czujnikiem tlenu, ale blisko niego, to w wyniku tzw. przepływów zwrotnych spalin, tlen z powietrza wpływającego przez tę nieszczelność może również zakłócić pracę układu regulacji składu mieszanki.

Nieszczelności układu wylotowego z konwerterem katalitycznym oraz czujnikiem zawartości tlenu w spalinach wraz z systemem  OBDII/EOBD silnika

Dodatkowo za konwerterem katalitycznym w układzie wylotowym silnika z systemem OBDII/EOBD montuje się następny czujnik tlenu. W takim układzie tlen z powietrza wpływającego przez nieszczelności może zakłócić też pracę tego czujnika. Według wszelkich danych wykryje to  system OBDII/EOBD. Nastąpi wówczas rejestracja kodu usterki w sterowniku silnika.