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 C n H m, - tlenki azotu NO X, - tlenki siarki SO X, - 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 NO X 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; U λ - napięcie czujnika tlenu; U v 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 (NO X N 2 ) oraz utleniające (CO CO 2, HC H 2 O+CO 2 ). 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 (Al 2 O 3 ) oraz krzemionka (SiO 2 ). 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 m 2 dla monolitu o objętości l dm 3 i długości około 150 mm (powierzchnia robocza monolitu wynosi 3m 2 ). 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 NO X. 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 do 1985 1985-1995 od 1995 CO[%vol.] 4,5 3,5 0,5 HC [ppm] - - 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 CO 2, węglowodory HC i tlenki azotu NO X. 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, CO 2 i HC- analizatory niedyspersyjne, absorbujące promienie podczerwone (NDIR). Działają one na zasadzie porównania absorpcji promieniowania podczerwonego poprzez badany składnik spalin (CO, CO 2, 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 NO X - analizatory chemiluminescyjne (CLD), wykorzystujące zjawisko emisji promieniowania elektromagnetycznego o długości fali 0,6-3 mikrometra, towarzyszące reakcji tlenku azotu NO z ozonem O 3. 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 NO 2, nie wchodzący w reakcję z ozonem. Dlatego analizatory CLD wyposaŝa się dodatkowo w termiczny konwertor rozkładający NO 2 na tlenek azotu i tlen. W ten sposób konwertor umoŝliwia łączne oznaczanie zawartości tlenków azotu NO x 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:... cm 3 Liczba cylindrów:... Pomiary: - bieg jałowy: CO:... % vol HC:... ppm NO X :... ppm CO 2 :... % vol - prędkość obrotowa n=... obr/rnin CO:... %vol HC:... ppm NO X :... ppm CO 2 :... % vol 2. Badanie silnika ZS Dane techniczne: Typ:... Pojemność skokowa:... cm 3 Liczba cylindrów:... Pomiary: - zadymienie w skali Bosch a:... - zadymienie wyraŝone współczynnikiem pochłaniania światła:... m -1