Laboratorium

LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH
ĆWICZENIE NR 3: DIAGNOSTYCZNE POMIARY SKŁADNIKÓW
TOKSYCZNYCH SPALIN
WPROWADZENIE
Wzrost liczby eksploatowanych silników spalinowych spowodował konieczność ograniczenia
szkodliwych dla środowiska oraz ludzi zagroŜeń. Składają się na nie w głównej mierze:
- emisja toksycznych składników spalin,
- zadymienie spalin.
Obecnie w większości krajów dąŜy się do redukcji szkodliwych skutków eksploatacji silników
spalinowych. Wynikiem tych dąŜeń są coraz bardziej rygorystyczne przepisy dotyczące emisji
zanieczyszczeń oraz konstrukcje spełniające wymogi tych przepisów.
Do głównych toksycznych składników spalin zalicza się:
- tlenek węgla CO,
- węglowodory CnHm,
- tlenki azotu NOX,
- tlenki siarki SOX,
- cząstki stale,
- związki ołowiu.
2. OCZYSZCZANIE SPALIN
W samochodowych silnikach spalinowych stosuje się kilka róŜnych rozwiązań systemów
katalitycznego oczyszczania spalin. Zadaniem tych systemów jest przemiana szkodliwych
składników spalin w nieszkodliwe, w szczególności węglowodorów l IC, tlenku węgla CO, tlenków
azotu NOX w obecności katalizatora. Katalizatorem nazywamy substancję, która bierze udział w
procesie chemicznym innych substancji, przyspieszając go lub nadając właściwy kierunek, sama
jednak nie ulega przemianie chemicznej. Najbardziej wydajnym systemem oczyszczania spalin jest
system wyposaŜony w katalityczny reaktor trój funkcyjny oraz system regulacji składu mieszanki w
układzie sprzęŜenia zwrotnego.
Rys. l Schemat systemu oczyszczania spalin.
1 – paliwo; 2 – powietrze; 3 – zespół wtryskowy; 4 – wtryskiwacz; 5 – silnik; 6 - czujnik tlenu; 7 - reduktor
katalityczny; 8 - urządzenie sterujące; 9 – spaliny; Uλ - napięcie czujnika tlenu; Uv impuls sterujący do wtrvskiwacza
System wyposaŜony w katalityczny reaktor trój funkcyjny oraz system regulacji składu
mieszanki w układzie sprzęŜenia zwrotnego składa się z układu wtrysku benzyny wyposaŜonego
w czujnik tlenu oraz reaktora katalitycznego spełniającego funkcje redukujące (NOX → N2) oraz
utleniające (CO → CO2, HC → H2O+CO2). Zaletą tego układu jest praca w pętli sprzęŜenia
zwrotnego czyli moŜliwość kontroli składu mieszanki na podstawie pomiaru występowania tlenu
w spalinach (czujnik tlenu). Pozwala to na ustalenie składu mieszanki palnej bardzo zbliŜonego
do składu stechiometrycznego. Przy takim składzie mieszanki trójfunkcyjny reaktor katalityczny
wykazuje się najlepszymi właściwościami.
3. BUDOWA REAKTORA KATALITYCZNEGO
Rys. 2 Budowa trójfunkcyjnego reaktora katalitycznego.
1 -ceramiczny monolit z warstwą katalizatora; 2 - elastyczny oplot z drutu; 3 - czujnik zawartości tlenu;
4 – obudowa z blachy nierdzewnej
Jako materiał, na który nanosi się substancje katalityczną, czyli inaczej nośnik katalizatora,
stosuje się prawie wyłącznie materiał ceramiczny o strukturze plastra miodu, w formie cylindra o
przekroju kołowym lub owalnym. Materiałem do produkcji nośników ceramicznych jest kordieryt krystaliczna masa z tlenku magnezu (MgO), tlenek glinu (Al2O3) oraz krzemionka (SiO2).
Właściwy katalizator nakładany jest na powierzchnie plastrowego monolitu. Składa się on głównie
z platyny, rodu lub palladu. Na rys. 3 przedstawiono wygląd i działanie pojedynczej celi reaktora
katalitycznego oraz strukturę powierzchni ścianek monolitu
Rys. 3 Budowa i zasada działania pojedynczej celi reaktora katalitycznego oraz struktura powierzchni ścianki monolitu
1 – warstwa katalityczna; 2 - warstwa pośrednia zawierająca aktywatory; 3-nośnik ceramiczny
Dzięki zastosowaniu warstwy pośredniej o bardzo duŜej powierzchni porowatej udało się
uzyskać powierzchnię roboczą o wartości około 20 000 m2 dla monolitu o objętości l dm3 i
długości około 150 mm (powierzchnia robocza monolitu wynosi 3m2 ).
4. BADANIA DIAGNOSTYCZNE
Silniki o zapłonie iskrowym (ZI)
W silnikach spalinowych o zapłonie iskrowym główne znaczenie dla celów diagnostycznych
mają następujące składniki spalin: tlenek węgla CO, węglowodory HC oraz tlenki azotu NOX.
Znajomość wielkości emisji tych składników pozwala na ustaleni składu mieszanki palnej,
szczelności komory spalania oraz temperatury procesu spalania. W dawniejszych konstrukcjach
silników spalinowych badanie składu spalin było związane z czynnościami regulacyjnymi układu
zasilania. Obecne konstrukcje wyposaŜone w układy wtrysku benzyny nie posiadają moŜliwości
regulacji i pomiar zawartości składników toksycznych spalin moŜe być traktowany tylko jako
kontrola poprawności działania układu zasilania oraz reaktora katalitycznego.
Badanie składu spalin wykonywane jest takŜe w związku z procesem rejestracji pojazdu.
Normy dla kolejnych lat rejestracji pojazdu podano w tabeli poniŜej:
Rok rejestracji
CO[%vol.]
HC [ppm]
do 1985
4,5
-
1985 - 1995
3,5
-
od 1995
0,5
100
NaleŜy zauwaŜyć, Ŝe obecnie obowiązująca norma wyklucza moŜliwość rejestracji pojazdu
niewyposaŜonego w system oczyszczania spalin. Badanie diagnostyczne polega na kontroli
wymienionych w tabeli składników spalin w trakcie pracy silnika na biegu jałowym.
Analizatory spalin umoŜliwiają szybkie i dokładne określenie stęŜenia w spalinach takich
składników, jak: tlenek węgla CO, dwutlenek węgla CO2, węglowodory HC i tlenki azotu NOX.
Budowane są jako urządzenia wielofunkcyjne, w których poszczególne panele, działające według
roŜnych zasad, spełniają określone funkcje. W praktyce do pomiaru poszczególnych substancji
wykorzystuje się następujące analizatory:
- do pomiaru CO, CO2 i HC- analizatory niedyspersyjne, absorbujące promienie
podczerwone (NDIR). Działają one na zasadzie porównania absorpcji promieniowania
podczerwonego poprzez badany składnik spalin (CO, CO2, HC) z absorbcją gazu
wzorcowego, którego pochłanianie jest równe zeru. Jako gaz wzorcowy stosuje się gazy
obojętne - np. azot lub argon. Wskaźnik wyskalowany jest w procentach stęŜenia badanego
składnika.
- do pomiaru NOX - analizatory chemiluminescyjne (CLD), wykorzystujące zjawisko emisji
promieniowania elektromagnetycznego o długości fali 0,6-3 mikrometra, towarzyszące
reakcji tlenku azotu NO z ozonem O3. Reakcja ta zachodzi tylko w warunkach zbliŜonych
do absolutnej próŜni dlatego w reaktorze utrzymywane jest ciśnienie absolutne poniŜej
1000 Pa. Do reaktora doprowadzane są spaliny o bardzo małym stęŜeniu oraz ozon z
wytwornicy. Reakcji chemicznej zachodzącej w reaktorze towarzyszy promieniowanie
elektromagnetyczne, które przetwornik przekształca na sygnał elektryczny o napięciu
proporcjonalnym do natęŜenia promieniowania, a więc do stęŜenia tlenków azotu w
spalinach. Oprócz tlenku azotu NO w spalinach występuje takŜe dwutlenek azotu NO2, nie
wchodzący w reakcję z ozonem. Dlatego analizatory CLD wyposaŜa się dodatkowo w
termiczny konwertor rozkładający NO2 na tlenek azotu i tlen. W ten sposób konwertor
umoŜliwia łączne oznaczanie zawartości tlenków azotu NOx w spalinach.
Silniki o zapłonie samoczynnym (Diesel’a)
W badaniach diagnostycznych tego typu silników mierzy się tylko zawartość jednego
składnika spalin - cząstek stałych. Pomiar ten nazywa się kontrolą zadymienia spalin.
Zadymienie spalin ocenia się na podstawie zawartości w nich sadzy. Najczęściej stosuje się
dwie metody:
- optyczną (typu Hartridge’a) polegającą na pomiarze pochłaniania światła
przepuszczanego przez spaliny. Im większy jest stopień zadymienia spalin, tym większe
jest pochłanianie światła. Miernik jest wyskalowany w tzw. stopniach dymienia
Hartridge’a od l do 100 lub poprzez współczynnik pochłaniania światła [m-1].
- filtracyjną (typu Boscha) polegająca na przepuszczaniu pobieranych spalin przez filtr
(najczęściej jest to bibułka filtracyjna) i pomiarze stopnia zaczernienia wkładu filtrującego.
SłuŜące do tych badań dymomierze Bosch'a składają się z pompy zasysającej i miernika
zaciemnienia bibułki. NatęŜenie światła odbitego od badanej bibułki filtracyjnej jest
mierzone za pomocą pierścieniowego fotoogniwa. Prąd w obwodzie fotoogniwa odczytuje
się na miliamperomierzu wyskalowanym w umownych jednostkach skali
Badanie diagnostyczne silnika ZS polega na swobodnym przyspieszeniu nagrzanego do
temperatury pracy silnika od prędkości biegu jałowego do prędkości maksymalnej. Pomiar
powtarza się sześciokrotnie i wylicza średnią. Zadymienie spalin wyraŜone w postaci
współczynnika zadymienia spalin nie moŜe przekraczać wartości 2 m-1 dla silników wolnossących i
2,5 m-1 dla silników doładowanych.
Literatura:
1. Kasedorf J.: Układy wtryskowe i katalizatory, WKL, Warszawa 1996
2. Wajand J.A., Wajand J.T.: Tłokowe silniki spalinowe, WNT, Warszawa 1993
3. Bernhardt M., Dobrzyński S., Loth E.: Silniki samochodowe, WKŁ, Warszawa 1965
LABORATORIUM PODSTAW SILNIKÓW I NAPĘDÓW SPALINOWYCH
Nazwisko i imię: ...........................................................................Grupa: ............Data: ........
ĆWICZENIE NR 3:
DIAGNOSTYCZNE POMIARY SKŁADNIKÓW TOKSYCZNYCH SPALIN
KARTA POMIAROWA
1. Badanie silnika ZI
Dane techniczne:
Typ: ......................
Pojemność skokowa: ............ cm3
Liczba cylindrów: ............
Pomiary:
- bieg jałowy:
CO: ............
NOX: ............
- prędkość obrotowa n=
% vol
ppm
HC:
CO2:
............
............
ppm
% vol
........... obr/rnin
CO:
............
%vol
HC:
............
ppm
NOX:
............
ppm
CO2:
.............
% vol
2. Badanie silnika ZS
Dane techniczne: Typ:
......................
Pojemność skokowa: ............ cm3
Liczba cylindrów: .............
Pomiary:
- zadymienie w skali Bosch’a: ..........
- zadymienie wyraŜone współczynnikiem pochłaniania światła: ........... m-1