Według prostej definicji cząstki stałe to te składniki spalin silnika, które w stanie innym niż gazowy opuszczają układ wylotowy. Oznaczane są skrótem PM. Najbardziej znana cząstka stała, do niedawna głównie składnik spalin silników ZS i zwana potocznie sadzą, składa się z rdzenia węglowego (rys. 1.) i małych cząstek stałych przez niego zaabsorbowanych. Pierwotne cząsteczki węgla, z których zbudowany jest rdzeń węglowy, nie uczestniczyły w procesie spalania w silniku. Chętnie łączą się, tworząc większe rdzenie węglowe. Gdy cząstki sadzy są odpowiednio duże (widoczne ludzkim okiem), spaliny silnika ZS mają zabarwienie czarne. Jednak rozwój konstrukcji silników i wprowadzenie filtrów cząstek stałych do układów wydechowych pozbawiły je takiego zabarwienia. Czy jest to sukces? Powiedzmy, że połowiczny. Spaliny nowoczesnych silników ZS zawierają bowiem więcej małych cząstek stałych. Ich sumaryczna masa jest niewielka, ale im są one mniejsze, tym głębiej wnikają do naszego organizmu, omijając zabezpieczenia fizjologiczne układu oddechowego, które powinny nas chronić przed stałymi zanieczyszczeniami (rys. 2.). Cząstki stałe przedostają się do krwioobiegu, który „transportuje" je w organizmie. Te najdrobniejsze wnikają do niego również przez skórę. Według raportu Światowej Organizacji Zdrowia z września 2005 roku w krajach Unii Europejskiej rocznie: wskutek stałego oddziaływania cząstek stałych na organizm umiera ok. 288 000 osób; cząstki stałe powodują zachorowania na chroniczny bronchit u ok. 138 000 osób; cząstki stałe przyczyniają się do śmierci ok. 600 dzieci. Wszystkie powyższe skutki, oprócz ludzkich tragedii, generują też straty w gospodarce w wysokości ok. 600 mld dolarów rocznie. Problem więc istnieje, a jego źródła należy upatrywać we wzroście liczby samochodów osobowych z silnikami ZS oraz rosnącym natężeniu transportu drogowego. Ustawodawcy widzą to, dlatego zaostrzają dla producentów kolejne homologacyjne normy emisji składników szkodliwych w spalinach silników (patrz: tabela 1.). Proszę zauważyć, że norma Euro 5, która obowiązuje wszystkie nowo rejestrowane pojazdy od 01.01.2011 r., określa dopuszczalny poziom emisji cząstek stałych przez silniki ZI z bezpośrednim wtryskiem benzyny, spalające mieszanki ubogie. Specyficzny sposób przygotowania i spalania mieszanki ubogiej w silnikach tego typu oraz wzrost ciśnień spalania wpłynęły na wzrost ilości powstających cząstek stałych. Trzeba też zauważyć, że dopuszczalna zawartość cząstek stałych w spalinach tych silników jest taka sama jak w spalinach silników ZS. Dobrze, że współczesny silnik ZS nowego samochodu emituje mało cząstek stałych. Ale poziom ten musi być utrzymany w trakcie jego eksploatacji. Konieczna jest więc skuteczna diagnostyka i naprawa tych silników.

PODPISY DO RYSUNKÓW 

Rys. 1. Cząstka stała, zwana potocznie sadzą, emitowana przez silniki ZS. Zbudowana jest z rdzenia węglowego i zaabsorbowanych w jego objętości innych cząstek stałych

Rys. 2. Części układu oddechowego człowieka zagrożone szkodliwym działaniem cząstek stałych. Głębokość wnikania cząstek stałych do tego układu zależy od ich wielkości. Oznaczenie [nm] to 1/109 części metra (Źródło: Szwajcarski Związkowy Urząd Ochrony Środowiska)

Rys. 3. Porównanie wyników pomiaru zadymienia spalin i emisji cząstek stałych na podstawie 1435 pomiarów, wykonanych w ramach testu DT80 (rys. 13.) 700 autobusów tego samego modelu (Źródło: Maha)

Rys. 4. Porównanie wyników pomiarów zadymienia spalin samochodu BMW 320d (model E46, rok pierwszej rejestracji: 2002) wykonanych w teście swobodnego przyspieszania silnika (zgodnie z przepisami niemieckimi dotyczącymi urzędowej kontroli spalin – są one bardzo podobne do przepisów polskich) dla samochodu z wymontowanym (A) oraz zamontowanym (B) filtrem cząstek stałych. Wartość dopuszczalnego zadymienia spalin: k = 1,5 1/m, jest obowiązująca dla silników ZS z i bez turbosprężarki, homologowanych zgodnie z wymaganiami normy Euro 4. Sprawność filtra cząstek stałych, obliczona na podstawie przedstawionych wyników pomiarów zadymienia spalin, wynosi 33% (Źródło: Dekra)

Rys. 5. Masowe stężenia cząstek stałych w spalinach silnika mierzone przed i za filtrem cząstek stałych samochodu, dla którego wykonywano również ocenę sprawności tego filtra na podstawie pomiarów zadymienia spalin (rys. 4.). Sprawność filtra cząstek stałych, obliczona na podstawie przedstawionych wyników pomiarów masowych stężeń cząstek w stałych spalinach silnika przed i za tym filtrem, wynosi 69% (Źródło: Dekra) 

Podstawową metodą diagnostyczną był, i jest nadal, pomiar zadymienia spalin. Jeśli jest wykonywany prawidłowo, nie jest niebezpieczny dla silnika, a szczególnie nowoczesnego. Pomiar ten jest pośrednią metodą określania emisji cząstek stałych, bazuje bowiem na ich własnościach optycznych. Nie ma natomiast jednoznacznej korelacji pomiędzy emisją cząstek stałych a zadymieniem spalin (rys. 3.). Spaliny nowoczesnych silników ZS, szczególnie te z filtrami cząstek stałych, cechują się bardzo niskimi wartościami zadymienia spalin. Ale dopuszczalna wartość zadymienia spalin silników ZS spełniających wymagania normy Euro 4 jest od nich wielokrotnie większa (rys. 4.). Pomiar zadymienia spalin nie jest więc dla tych silników skutecznym narzędziem diagnostycznym. Bezpośredni pomiar zawartości cząstek stałych w spalinach silników jest więc niezbędny.

Dąży się do tego, aby sprawność filtrów cząstek stałych była mierzona przez pokładowe systemy diagnostyczne. Nie mierzą one jednak bezpośrednio składu spalin. Przy ocenie sprawności bazują one tylko na danych otrzymywanych z układu sterowania silnika i wynikach testów kontrolnych. Obecne metody diagnozowania filtrów cząstek stałych silników ZS przez pokładowe systemy diagnostyczne nie są zadowalające. Ocena sprawności filtra cząstek stałych z wykorzystaniem pomiaru zadymienia spalin jest również niedokładna. Przykładowo: sprawność filtra cząstek stałych, obliczona na podstawie zmierzonych wartości zadymienia spalin: z wymontowanym (A, rys. 4.) i zamontowanym (B) filtrem cząstek stałych, wynosi 33%. Sprawność tego samego filtra cząstek stałych, obliczona na podstawie pomiarów stężenia masowego cząstek stałych przed i za tym filtrem (rys. 5.) to już 69%. Różnica ta pokazuje, że pomiar zadymienia spalin nie pozwala na prawidłową ocenę jego sprawności. Umożliwia ją za to bezpośredni pomiar zawartości cząstek stałych w spalinach silników.

Rys. 6. MPM-4 – miernik stężenia masowego cząstek stałych w spalinach silników znajdujący się w ofercie firmy Maha (Źródło: Maha)

Rys. 7. Układ pomiarowy MPM-4 i droga sygnału pomiarowego informującego o mierzonej wartości stężenia masowego cząstek stałych w spalinach silników (Źródło: Maha)

Rys. 8. MPM-4 podaje na wyświetlaczu aktualnie mierzoną wartość stężenia masowego cząstek stałych w spalinach silników (Źródło: Maha)

Rys. 9. Mierzone przez MPM-4 wartości masowego stężenia cząstek stałych w spalinach silników można przesłać do komputera z oprogramowaniem Eurosystem firmy Maha. Służy ono do zbiorczej prezentacji wielkości mierzonych przez różne urządzenia diagnostyczne tej firmy. Wartość mierzonego masowego stężenia cząstek stałych w spalinach można obserwować w formie graficznej wraz z innymi wartościami, np. prędkości obrotowej silnika lub zawartości składników spalin mierzonych analizatorem spalin (Źródło: Maha)

Rys. 10. Porównanie stężeń masowych cząstek stałych obecnych w spalinach silnika, mierzonych miernikiem laboratoryjnym oraz MPM-4. Punkty niebieskie oznaczają wartości stężeń masowych cząstek stałych w spalinach silnika, przy których porównywano pomiary. Linia ciągła to zbiór punktów pomiarowych o całkowitej zgodności wartości mierzonych z wykorzystaniem obu urządzeń (Źródło: Maha)

W Niemczech producenci urządzeń diagnostycznych, kilka uczelni technicznych, organizacje rzeczoznawcze (np. Dekra i TÜV) i kilka stacji diagnostycznych wykonujących okresowe, obowiązkowe kontrole spalin (badanie AU) uczestniczy w programie badawczym, którego celem jest skonstruowanie urządzeń do pomiaru zawartości cząstek stałych w spalinach silników oraz opracowanie metod pomiaru zawartości cząstek stałych w spalinach silników przeprowadzanych w warunkach stacji diagnostycznej lub serwisu samochodowego, z wykorzystaniem przeznaczonych do tego urządzeń. Pierwsze urządzenie do pomiaru stężenia masowego cząstek stałych w spalinach silników, zaprezentowała firma Maha (rys. 6.). Ma ono symbol MPM-4 i jest w sprzedaży (podstawowe dane techniczne takiego urządzenia znajdują się w tabeli 2.). Jego działanie polega na tym, iż spaliny z końcówki układu wylotowego spalin silnika są pobierane sondą i przepływają do miernika rurką - tak jak to dzieje się w analizatorze spalin. Po ogrzaniu (rys. 7.) spaliny wpływają do toru pomiarowego. Tutaj strumień światła laserowego o długości 650 nm pada na strumień spalin, prostopadle do jego osi. Strumień światła laserowego ulega rozproszeniu na napotkanych cząstkach stałych. Część rozproszonego strumienia światła lasera jest rejestrowana przez odbiornik. Natężenie tego strumienia, a więc i wartość sygnału odbiornika, zależy do ilości cząstek stałych obecnych w spalinach silników. Sygnał z odbiornika jest przesyłany do wzmacniacza, a następnie przeliczany na mierzoną wartość stężenia masowego cząstek stałych w spalinach silników wyrażaną w [mg/m3]. Mierzoną wartość można: odczytać bezpośrednio na wyświetlaczu urządzenia (rys. 8.); przesłać do komputera z oprogramowaniem Eurosystem firmy Maha (rys. 9.); przesłać do zewnętrznych urządzeń pomiarowych za pośrednictwem interfejsu RS232, USB lub dwóch złącz analogowych miernika MPM-4; wykorzystać do tworzenia wykresów z wykorzystaniem standardowych narzędzi, np. programu Excel. Miernik MPM-4 mierzy zawartość cząstek stałych w spalinach silników bez względu na ich budowę i pochodzenie. Silniki mogą być zasilane benzyną, olejem napędowym, gazem lub dowolnymi paliwami alternatywnymi. Jak wynika z badań (przeprowadzonych także przez jedną z firm konkurencyjnych Mahy) korelacja wartości stężenia masowego cząstek stałych w spalinach silników, mierzonych przez MPM-4 z wartościami tej samej wielkości, mierzonej równolegle miernikiem laboratoryjnym, jest bardzo dobra, zarówno przy pomiarach w warunkach stacjonarnych (rys. 10.), jak i przy szybko zmieniających się zawartościach cząstek stałych w spalinach silników (rys. 11.). Trzeba jednak zauważyć, że miernik MPM-4 i inne tego typu urządzenia pracowywane przez firmy konkurencyjne nie umożliwią pomiaru masy cząstek stałych emitowanych przez silnik w przeliczeniu na kilometr drogi przejechanej w homologacyjnym teście drogowym, czyli w [g/km] (tabela 1.). Konieczne więc będzie opracowanie dla stacji diagnostycznych i serwisów samochodowych specjalnej metody pomiarowej wraz z dopuszczalnymi zawartościami cząstek stałych spalinach silników, które będą obowiązujące przy pomiarach z wykorzystaniem tej metody pomiarowej. A może wystarczający okaże się pomiar wykorzystujący znany cykl swobodnego przyspieszania silnika ZS? Może pomocny będzie odczyt wybranych danych z systemu diagnostycznego pojazdu? Przypuszczam jednak, że konieczny będzie też specjalny test wykonywany na hamowni podwoziowej. Zobaczmy, jak ten problem rozwiązano w Australii.

Rys. 11. Porównanie stężeń masowych cząstek stałych w spalinach silnika mierzonych miernikiem laboratoryjnym oraz MPM-4, w warunkach szybko zmieniającej się wartości tego stężenia. Pomiar ten wykonano podczas części pozamiejskiej europejskiego testu drogowego NEDC, symulującej ruch samochodu poza miastem (Źródło: Maha)

Rys. 12. Stanowisko pomiarowe wykorzystywane w australijskim teście DT80: 1 – badany samochód; 2 – pobór nierozcieńczonych powietrzem spalin z rury wydechowej; 3 – pomiar zadymienia spalin; 4 – dopływ powietrza rozcieńczającego spaliny; 5 – elastyczny przewód metalowy prowadzący spaliny zmieszane z powietrzem; 6 – analizator mierzący zawartość tlenków azotu (NOx) w spalinach rozcieńczonych powietrzem; 7 – analizator mierzący zawartość cząstek stałych (PM) i dwutlenku węgla (CO2) w spalinach rozcieńczonych powietrzem; 8 – wentylator, o zmiennej wydajności zależnej od prędkości obrotowej silnika, zapewniający stały stosunek rozcieńczenia spalin przez powietrze; 9 – tunel pomiarowy, przez który przepływają spaliny rozcieńczone powietrzem; 10 – hamownia podwoziowa (Źródło: Diesel Test Australia)

Rys. 13. Cykl jezdny australijskiego testu DT80: A – początek rejestracji zadymienia spalin i pomiaru zawartości w spalinach wybranych składników; A do B – praca silnika na biegu jałowym, przez 60 s; od B do C – przyspieszanie do prędkości 80 km/h, przy pełnym otwarciu przepustnicy i ze zmianą biegów; od C do D – hamowanie silnikiem z lekkim wspomaganiem hamulcami pojazdu; od D do E – praca silnika na biegu jałowym, przez 10 s; od E do F – analogicznie jak na odcinku od B do C; od F do G – analogicznie jak na odcinku od C do D; od G do H – praca silnika na biegu jałowym przez 10 s; od H do I – analogicznie jak na odcinku od B do C; od I do J – jazda ze stałą prędkością 80 km/h przez 60 s; J – koniec rejestracji zadymienia spalin i pomiaru zawartości w spalinach wybranych składników oraz koniec testu (Źródło: Diesel Test Australia)

Rys. 14. Pomiar stężenia masowego cząstek stałych w spalinach silnika samochodu BMW 320d z filtrem cząstek stałych w układzie wydechowym, wykonanego w teście DT80. Na wykresie jest pominięta początkowa część testu – odcinek od A do B (rys. 13.)

Rys. 15. Pomiar stężenia masowego cząstek stałych w spalinach silnika samochodu VW T5 bez filtra cząstek stałych w układzie wydechowym, wykonanego w teście DT80. Na wykresie jest pominięta początkowa część testu – odcinek od A do B (rys. 13.)