Dziura w wydechu

Spaliny wydają się być mało ważnym produktem spalania paliwa. Jednak ich prawidłowe odprowadzenie i sprawność układu wydechowego odgrywają ważną rolę w przygotowaniu mieszanki, którą zasilany jest silnik.

System odprowadzania spalin składa się z układu tłokowo- korbowego, rozrządu, kanałów wylotowych, kolektora odprowadzania spalin, zestawu tłumików i elektronicznego wyposażenia pomiarowego temperatury i składu spalin. Jego zadaniem jest odprowadzanie spalin z przestrzeni roboczej silnika.
W układach odprowadzania spalin silników o zapłonie iskrowym - oprócz wymienionych elementów - w układzie wydechowym instalowane jest również urządzenie do oczyszczania spalin, czyli katalizator. W silnikach o zapłonie samoczynnym zainstalowany jest katalizator oraz dodatkowy filtr cząstek stałych. Budowa kanałów wylotowych i kolektora wylotu spalin muszą zapewniać małe opory przepływu. Z kolektora przez rurę wylotową, urządzenia oczyszczania spalin i tłumik spaliny wypływają na zewnątrz pojazdu. Uszkodzenie jakiegokolwiek z elementów układu odprowadzania spalin może determinować nieprawidłowy dobór mieszanki paliwowopowietrznej do rzeczywistych warunków pracy silnika oraz wzrost emisji substancji szkodliwych dla środowiska.

Zużycie elementów i zespołów układu odprowadzania spalin
Układ odprowadzania spalin zawiera w sobie złożenie tłokowo-korbowe i rozrząd, których zużycie prowadzi do pogorszenia parametrów technicznych oraz zmian w przebiegu napełniania cylindra powietrzem, wylotu spalin oraz przepłukiwania silnika. Parametrami diagnostycznymi złożenia tłokowo-korbowego i rozrządu są: ciśnienie sprężania, szczelność przestrzeni roboczej cylindra, przedmuchy spalin do skrzyni korbowej, ciśnienie zasysania, parametry wibroakustyczne, szczelność łożysk, skład oleju smarującego, ciśnienie i temperatura oleju, zużycie paliwa, toksyczność spalin, moc i moment obrotowy silnika.

Zaniżenie wartości napięcia sygnału sondy lambda
Sonda lambda mierzy zawartość tlenu w spalinach, aby silnik mógł pracować w optymalnym zakresie współczynnika nadmiaru powietrza (lambda). Do pomiaru tlenu pozostałego w spalinach wykorzystuje się różnego rodzaju sondy lambda, tj. napięciową (dwustanową wykonaną z dwutlenku cyrkonu), rezystancyjną (pasywną wykonaną z dwutlenku tytanu) oraz szerokopasmową. Silniki o zapłonie iskrowym z wtryskiem bezpośrednim, które pracują w różnych trybach oraz silniki o zapłonie samoczynnym z regulacją sondy lambda są wyposażone w sondy szerokopasmowe ze względu na możliwość pomiaru współczynnika nadmiaru powietrza o wartości >0,7.
Jeżeli w spalinach pozostaje dużo tlenu wynikającego z dopływu zewnętrznego (nieszczelności na danym odcinku układu wylotowego) w stosunku do powietrza atmosferycznego to powstaje niewielka różnica potencjałów - dla dwustanowej sondy lambda. W tym momencie z powietrza dostającego się w nieprawidłowy sposób do układu spalinowego niewielka ilość jonów tlenu przenika przez ceramiczny korpus i tym samym powstaje zaniżone napięcie poniżej 0,3 V. Im większa nieszczelność układu wylotowego, tym większe jest zaniżenie wartości napięcia sygnału sondy lambda. Przebieg taki prowadzi do wydłużenia czasu wtrysku i wzbogacenia mieszanki paliwowo-powietrznej. Gdy zmniejsza się ilość tlenu pozostałego w spalinach, rośnie dyfuzja jonów tlenu i sygnał napięciowy wzrasta do 0,9 V - co oznacza bogatą mieszankę paliwowo-powietrzną.
Dla rezystancyjnej tytanowej sondy lambda wartość napięcia sygnału odpowiadająca mieszance ubogiej wynosi powyżej 4,4 V, a bogatej poniżej 1,2 V (BMW). Jeżeli rezystor pomiarowy rezystancyjnej sondy lambda jest zamocowany w przewodzie minusowym sondy, to dla mieszanki ubogiej wartość napięcia sygnału wynosi poniżej 0,8 V, a dla mieszanki bogatej - powyżej 3,8 V (Opel).
Nieszczelność układu wylotowego można sprawdzić, wtryskując środek do wykrywania nieszczelności. Jeżeli układ jest szczelny, przebieg napięcia sygnału będzie ciągły na poziomie wartości napięcia sygnału odpowiadającego mieszance bogatej, zachwiania przebiegu napięciowego na oscylogramie świadczą o przedmuchach zewnętrznych do układu. Do sprawdzania przebiegów szerokopasmowych sond lambda trzeba użyć skanera OBD, w którym odczytuje się wartości rzeczywiste prądu pompowania. Powinien on oscylować wokół 0,000 mA. Poprzez dopływ fałszywego powietrza lub dodatkowego paliwa można obserwować reakcję sondy lambda, zmieniając prąd pompowania i wartość lambda. Alternatywnie można wykonać pomiar przebiegu sygnału między stykiem 5 i 6 sondy lambda za pomocą oscyloskopu dynamicznego. Poziom sygnału powinien wynosić 0 V. Jeżeli przekracza tę wartość, mamy do czynienia z mieszanką bogatą. Jeżeli wzbogacenie mieszanki obserwowane jest przez dłuższy czas, a wartość napięcia znacznie przekracza 0,1 V, to prawdopodobnie układ wylotowy przed sondą jest nieszczelny i zafałszowuje sygnał.

Niesprawność reaktora katalitycznego
|Rozróżnia się dwie formy utleniających reaktorów katalitycznych, tzw. monolity ceramiczne i metalowe. Funkcją reaktorów katalitycznych jest wspomaganie reakcji zmniejszających zawartość składników szkodliwych w spalinach. Ich sprawność w dużej mierze zależy od temperatury jego pracy. Największa efektywność zmniejszenia emisji HC, CO, aldehydów, węglowodorów aromatycznych oraz cząstek stałych jest realizowana w temperaturze od 350 do 400°C.
Nieszczelność układu wylotowego przed katalizatorem zmniejsza temperaturę pracy reaktora oraz zwiększa dopływ tlenu, zmieniając parametry jego pracy i nieprawidłowe sterowanie. Temperatura niezawodnej pracy dopalacza katalitycznego wynosi od 250 do 900°C, a jego graniczna wartość jest określana na ok. 1200°C. Poprzez termiczne starzenie dochodzi do zwiększenia temperatury zapłonu do 300°C. Tak wysoka temperatura powstała podczas dopalania toksycznych składników spalin wymaga zastosowania osłon termicznych chroniących podwozie pojazdu przed nadmiernym nagrzaniem. W związku z tym dla zapewnienia pracy reaktora w wymaganym zakresie temperatury należy zapewnić odpowiednie jego położenie w układzie wylotowym.
Obudowa reaktora katalitycznego z nośnikiem ceramicznym wykonana jest z blachy nierdzewnej i powinna być odpowiednio odizolowana od monolitu, aby wysoka temperatura nie rozprzestrzeniała się bezpośrednio na obudowę i elementy pomiarowe. Reaktor katalityczny z nośnikiem metalowym wykonany jest z dwóch blach - gładkiej i falowanej. Materiałem jest odporna na temperaturę i korozję stal o grubości od 0,05 do 0,07 mm. Zaletą tych reaktorów w stosunku do reaktorów z nośnikiem ceramicznych są niskie opory przepływu, lepsze przewodnictwo cieplne, duża powierzchnia czynna oraz zwar ta budowa. Obecnie produkowane reaktory katalityczne mają trwałość ok. 200 tys. km dla pojazdów osobowych (LDV) oraz 1 mln km dla pojazdów użytkowych (HDV). Do eksploatacyjnych parametrów wpływających na sprawność katalitycznych utleniających reaktorów zalicza się temperaturę spalin, zawartość dodatków do oleju smarującego oraz objętość i opór hydrauliczny. Pozostałe parametry, tj. ukształtowanie i gęstość porów, ukształtowanie dyfuzora, typ powłoki myjącej, materiał substratu, wybór i obciążenie metalu szlachetnego stanowią czynnik konstrukcyjny ustalany podczas projektowania układu odprowadzania spalin.
Niesprawność reaktora może spowodować zafałszowanie napięciowego sygnału sondy lambda i czujnika temperatury spalin za katalizatorem. Jeżeli przebieg sygnału z sondy lambda za katalizatorem jest zbliżony do przebiegu sygnału z sondy lambda przed katalizatorem, to uszkodzeniu uległ katalizator. Przy takim nałożeniu przebiegów sygnałów z sond lambda uszkodzeniu prawdopodobnie uległ materiał nośnika lub katalizator nie może osiągnąć wymaganej temperatury pracy. Nieprawidłowa wartość napięcia sygnału z tych czujników uniemożliwia prawidłową regulację dawką zasadniczego wtrysku paliwa podczas pracy silnika oraz dawką wtrysku dodatkowego w fazie hamowania silnikiem. Wartość wtrysku dodatkowego zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury za katalizatorem lub filtrem cząstek stałych. Uszkodzenie katalizatora lub filtra cząstek stałych (lub zintegrowanych w monolit) zmienia wartość temperatury spalin na skutek niekontrolowanego dopływu powietrza zewnętrznego do układu wylotowego. Sytuacja ta dotyczy również uszkodzenia rur łączących poszczególne odcinki układu.

mgr inż. Piotr Wróblewski
Autor jest pracownikiem Politechniki Poznańskiej

O Autorze

Piotr Wróblewski

Pracownik naukowy WSKM Konin

Tagi artykułu

Zobacz również

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę