Powszechny światowy rozwój motoryzacji stał się zagrożeniem dla naszego środowiska naturalnego. Moda na ekologię czyste środowisko oraz bardziej zaostrzone normy toksyczności spalin zmusiły konstruktorów pojazdów samochodowych do opracowania nowych jednostek napędowych zmniejszających emisję szkodliwych składników spalin. Wprowadzono bezpośredni wtrysk paliwa o coraz wyższym ciśnieniu, dopalacze katalityczne, sondy lambda itp. Produkuje się seryjnie pojazdy z napędem hybrydowym oraz prototypy na ogniwa paliwowe. Wszystko to po to aby ograniczyć do minimum toksyczność spalin oraz zmniejszyć zużycie paliwa.

Analiza spalin silnika ZI umożliwia zatem poznanie składników spalin przedostających się do atmosfery oraz jest podstawowym testem decydującym o dopuszczeniu pojazdu do ruchu drogowego.

Obowiązujące normy dotyczące toksyczności spalin dla silników o zapłonie iskrowym (Wg Dziennika Ustaw nr 227 z 30.12.2003r).

• W pojazdach rejestrowanych po raz pierwszy do dnia 30.09.1986r zawartość tlenku węgla (CO) przy prędkości obrotowej biegu jałowego nie może przekroczyć 4,5%;

• W pojazdach   rejestrowanych po raz pierwszy od dnia 01.10.1986 do dnia 30.06.1995 roku zawartość tlenku węgla (CO) przy prędkości obrotowej biegu jałowego nie może przekroczyć 3,5%;

Bardziej rygorystyczne przepisy obowiązują dla pojazdów zarejestrowanych po raz pierwszy po 30.06.1995 roku wyposażonych w sondę lambda. Wieloskładnikowy analizator spalin powinien wskazywać:

• do 0,5% CO i do 100 ppm CH mierzonych na biegu jałowym silnika;

• do 0,3% CO i do 100 ppm CH mierzonych z prędkością obrotową 2000-3000 obr./min.;

• wartość współczynnika nadmiaru powietrza lambda powinna wynosić od 0,97 – 1,03 mierzona z podwyższoną prędkością obrotową silnika w zakresie od 2000-3000 obr./min.;

W wyniku spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w silniku z zapłonem iskrowym powstają substancje zarówno toksyczne jak i nietoksyczne.

Podział składników spalin silnika ZI :

1. Toksyczne

a) tlenek węgla (CO)
b) węglowodory (HC)
c) tlenki azotu (NO_x)

2. Nietoksyczne

a) dwutlenek węgla (CO₂)
b) tlen (O₂)
c) azot (N₂)
d) para wodna (H₂O)

1. Toksyczne:

 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.

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).

Tlenki azotu (NOx)
Wielkość emisji tlenków azotu zależy od ciśnień i szczytowych temperatur (ponad 1800^oC) 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.

Jeżeli analizator spalin posiada możliwość sprawdzenia tlenków azotu (NOx) to  prawidłowy pomiar powinien odbywać się na hamowni podwoziowej (lub podczas próby drogowej), gdyż największe stężenie gazy te osiągają przy dużych obciążeniach silnika.

2. Nietoksyczne

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). W najbliższym czasie mają obowiązywać nowe przepisy unijne ograniczające emisję CO₂ przez samochody, by w ten sposób przyczynić się do ogólnej redukcji tego gazu do atmosfery który jest współodpowiedzialny za groźne zjawisko klimatycznego ocieplenia.

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.

     Wartość emisji składników toksycznych może być podawana w następujących jednostkach:

a)       % vol (vol oznacza objętościowo) – informuje nas jaki procent objętości gazów spalinowych zajmuje określony składnik toksyczny;

b)       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

L_t – teoretyczna masa powietrza niezbędna do spalenia 1kg paliwa – dla benzyny silnikowej wynosi ona 14,7 kg.

Analizatory spalin

Na swoim stanowisku pracy używam analizatora spalin ISC-Oliver K-9000, który umożliwia pomiar tlenku węgla (CO), dwutlenku węgla (CO₂), węglowodorów (HC), tlenu (O₂), temperatury oleju, obrotów silnika, współczynnika nadmiaru powietrza lambda () i współczynnika AFR.

W/w przyrząd posiada ponadto: sterowanie mikroprocesorowe, automatyczną procedurę kontroli szczelności i pozostałości HC, filtry usuwające wodę i zanieczyszczenia stałe, drukarkę umożliwiającą dokumentowanie pomiarów.

Analizator pracujący na Stacji Kontroli Pojazdów musi posiadać Certyfikat Instytutu Transportu Samochodowego oraz Świadectwo Legalizacji wydane przez Wydział Metrologii Okręgowego Urzędu Miar (Świadectwo Legalizacji musi być odnawiane co pół roku).

W/w Certyfikat i Świadectwo Legalizacji są niezbędne aby z dużą dokładnością dokonywać pomiary stężenia składników toksycznych  spalin (CO i HC), nietoksycznych (CO₂ i O₂) oraz współczynnika nadmiary powietrza lambda ( ),

który jest   =f(CO, CO₂, HC, O₂).

Pomiary stężenia CO, CO₂ i HC odbywają się na zasadzie absorpcji przez badany gaz promieniowania podczerwonego o określonej długości fali, natomiast tlen O₂ mierzy się za pomocą specjalnego ogniwa elektrochemicznego. (Zdjęcie A)

- Temperatura nagrzania silnika jest niezbędna do otrzymywania prawidłowych  wyników pomiaru. Ponadto katalizator jak i sonda lambda zaczynają prawidłowo pracować także  w temperaturze od 300(^oC). Sprawdzanie temperatury silnika odbywa się za pomocą sondy, którą wkładamy w miejsce bagnetu miarki poziomu oleju. Sonda temperatury w wyposażeniu posiada tzw. „spławik” umożliwiający prawidłowo dobrać jej długość na taką samą jaką ma bagnet danego pojazdu.
Według wspomnianego Dziennika Ustaw silnik powinien być nagrzany do normalnej temperatury pracy (minimum 70^oC dla oleju silnikowego, minimum 80^oC dla płynu chłodzącego. (Sonda temperatury na zdjęciu A)

- Układ dolotowy silnika tj. filtr powietrza, kolektor odpowietrzania skrzyni korbowej, układ pochłaniania par paliwa oraz układ wydechowy (tłumiki i rury łączące) powinny być kompletne i szczelne.

- Sonda poboru spalin pracuje w bardzo ciężkich warunkach, narażona jest na agresywne działanie trujących związków oraz wysokich temperatur. Powinna być wprowadzona do rury wydechowej silnika bezpośrednio przed pomiarem na głębokość co najmniej 30cm i prawidłowo umocowana za pomocą posiadanego uchwytu. Prawidłowe zamocowanie sondy jest niezbędne, ponieważ podczas zwiększania prędkości obrotowej wysuwa się ona (lub całkowicie wypada) fałszując wyniki pomiarów. Ważnym elementem podczas dokonywania pomiaru spalin jest czas utrzymywania sondy w rurze wydechowej. Jeżeli mamy bardzo wysokie stężenie CO (nieraz przekraczające zakres przyrządu – szczególnie w starszych pojazdach) należy natychmiast wyjąć sondę z rury wydechowej. Powyższy „manewr” pozwoli przedłużyć żywotność analizatora a szczególnie  jego filtrów. (Sonda poboru spalin na zdjęciu A)   Rys. 5

- Sonda indukcyjna służy do pomiaru prędkości obrotowej silnika, którą zakładamy na przewód zapłonowy jednego z cylindrów. Praktyczne w czasie pomiarów wykorzystujemy tylko dwie prędkości obrotowe tj. wolne obroty biegu jałowego (ok.850±50 obr./min) i zakres (2000÷3000 obr./min).

(Sonda indukcyjna na zdjęciu A).

Sposób pomiaru emisji spalin dla pojazdów zarejestrowanych po raz pierwszy od dnia 01.07.1995 roku.

Pomiar zawartości tlenku węgla (CO), węglowodorów (CH) i współczynnika nadmiaru powietrza (lambda) powinien być dokonywany najpierw przy podwyższonej prędkości obrotowej silnika (2000÷3000 obr./min), a następnie przy prędkości obrotowej biegu jałowego. Pomiary powinny być dokonywane bezpośrednio po sobie, przy czym odczyt wyników pomiaru na wolnych obrotach biegu jałowego powinien być dokonany po ustabilizowaniu się wskazań miernika tlenku węgla(CO) i węglowodorów (CH), w czasie pomiędzy 30 i 60 sekundą od momentu ustabilizowania się prędkości biegu jałowego. Na koniec włączamy drukarkę aby udokumentować wyniki pomiarów.

Analiza otrzymanych wyników pomiarów

 Normy toksyczności spalin obowiązujące w Polsce sugerują, że do pomiaru analizy wystarczą dwa toksyczne składniki CO i HC. Rzeczywistość jest jednak inna i niezbędny jest analizator spalin czteroskładnikowy, który oprócz CO i HC mierzy stężenie nietoksycznych składników CO₂ i O₂, które są potrzebne do wyznaczania współczynnika nadmiaru powietrza lambda.

λ=f(CO,CO₂, HC,O₂).

Znajomość wartości poszczególnych składników spalin ułatwia nam podjęcie diagnozy o występujących usterkach.

Wg tabel 1-3 widać, że stężenie CO₂ prawie we wszystkich pojazdach wynosi ok. 15%. Jeżeli będą wartości niższe może to świadczyć o wypadaniu zapłonu na którymś  z cylindrów. Podobna jest sytuacja z zawartością tlenu O₂ – im niższe wartości tego składnika tym układ wydechowy jest bardziej szczelny. Jeżeli wartości tlenu O₂ jest w granicach 4÷6% ( CO₂ wtedy maleje do ok.9÷11%) wówczas usterką jest nieszczelność układu wydechowego.

Również zbyt duże stężenie tlenku węgla CO może świadczyć o zanieczyszczonym filtrze powietrza, uszkodzonej sondzie lambda, zaworze AGR, wtryskiwaczu i tp. Wysokie wartości HC sugerują o usterkach w układzie zapłonowym np.: wypadanie zapłonów, niesprawność świec zapłonowych, przewodów itp.

Reasumując stwierdzam, że analiza spalin powinna być ostatnią fazą diagnostyki – poprzedzoną jednak koniecznie sprawdzeniem wszystkich układów silnika i osprzętu np: (układu zapłonowego, chłodzenia, wydechowego, zasilania w paliwo, a także ciśnienia sprężania itp.) aby wyniki pomiaru były wiarygodne.

 W tabelach od 1÷3 przedstawiłem wyniki analizy spalin wybranych pojazdów wg posiadanego systemu wtrysku na wolnych obrotach biegu jałowego i obrotach podwyższonych (2000÷3000obr./min).

Tabela 1 – przedstawia pojazdy z jednopunktowym wtryskiem paliwa (SPI – Single Point Injection). Proces tworzenia mieszanki w tym systemie odbywa się przez wtrysk paliwa o ciśnieniu 0,08÷0,12MPa do obszaru przepustnicy (Rys.1).

Tabela 2 – przedstawia najliczniejszą grupę pojazdów z pośrednim wielopunktowym wtryskiem paliwa (MPI – Multi Point Injection). Proces tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej odbywa się poprzez wtrysk paliwa do obszaru zaworów ssących danego cylindra (Rys.2). Ciśnienie paliwa w tym systemie wynosi od 0,3÷0,4MPa.    

Wielopunktowy pośredni wtrysk paliwa (MPI).

Tabela 3 – przedstawia najmniej liczna grupę  pojazdów z bezpośrednim wtryskiem paliwa do komory spalania np.GDI (Gasoline Direct Injection), gdzie producentem jest Firma Mitsubishi (Rys.3). Paliwo  podawane jest bezpośrednio do komory spalania przez wysokociśnieniowy wtryskiwacz o ciśnieniu 5MPa, powietrze natomiast dopływa przez zawór ssący. Są również inne firmy, które produkują w/w system np.: Alfa Romeo(JTS), Volkswagen(FSI), Peugeot(HPI) (Rys.4). W najnowszych wersjach ciśnienie paliwa wynosi od 11÷20MPa.

rys. 4 - wtrysk paliwa HPI 1 - świeca zapłonowa 2 - kolektor dolotowy 3 - wtryskiwacz 4 - rozpylone paliwo 5 - korbowód 6 - ruch mieszanki wywołany odbiciem od denka tłoka

Patrząc perspektywicznie system ten ma największą przyszłość w produkcji pojazdów najnowszej generacji.  

Bezpośredni wtrysk paliwa do komory spalania (JTS, GDI).

rys. 3 - bezpośredni wtrysk paliwa 1 - pionowy kanał dolotowy 2 - wysokociśnieniowa pompa paliwa 3 - wtryskiwacz z "turbinką" wywołującą zawirowanie paliwa 4 - kształt tłoka wywołuje zawirowanie mieszanki doprowadzające najbogatszą w paliwo frakcję w pobliże świecy zapłonowej

Kierunki obniżania zawartości toksycznych składników spalin.

Wejście Polski do Unii przyspieszyło wdrażanie nowych przepisów chroniących środowisko naturalne. Zastosowanie nowoczesnych dopalaczy katalitycznych (katalizatorów spalin), sondy lambda w pojazdach samochodowych już nie wystarcza, by całkowicie wyeliminować trujące związki chemiczne powstające w procesie spalania paliwa. Wśród zanieczyszczeń jest też nietoksyczny składnik spalin  dwutlenek węgla(CO₂) – patrz wyżej już opisany.

W 2007 roku Komisja Europejska zdecydowała o obniżeniu do roku 2012 dopuszczalnej ilości CO₂ do poziomu 120g/km, a roku 2020 do 90g/km.

Najwięcej CO₂ emitują samochody luksusowe wyposażone w silniki o dużej pojemności np.:

-Lamborghini Murcielago – 495g/km

-BMW 540 (silnik o poj.4l) – 259g/km

-Porsche 911 – 260g/km.

Najbardziej ekologiczne są samochody o małej pojemności np.:

-Fiat Panda – 128g/km

-Toyota Prius (napęd hybrydowy) – 104g/km

-Honda Civic 1,3 (napęd hybrydowy) – 109g/km.

Sposoby zmniejszania emisji CO₂.

- zmniejszanie zużycia paliwa – przez zastosowanie bezpośredniego wtrysku paliwa (praca silnika na ubogich mieszankach)

- zastosowanie tzw. downsizingu –czyli stosowanie jednostek o małych pojemnościach – turbodoładowanych

- zastosowanie nowoczesnej technologii materiałowej (lżejsze materiały – stopy aluminium, magnez, tytan), powodujące zmniejszenie tarcia ruchomych części silnika np: dźwigienki rolkowe, lżejsze tłoki, drążone wałki rozrządu itp.

-zastosowanie jednostek z napędem hybrydowym umożliwiającym odzysk energii podczas hamowania

-zastosowanie systemu stop-and-go (zatrzymywanie i uruchamianie pojazdu w zależności od potrzeb.

Uważam, że dalszy wzrost cen ropy naftowej zmusi konstruktorów jednostek napędowych do dalszego doskonalenia pojazdów hybrydowych a szczególnie napędów na wodór przy wykorzystaniu ogniw paliwowych, z których w ogóle nie powstaje dwutlenek węgla (CO₂), a z rury wydechowej wydobywa się tylko para wodna.