Dt47www

Kompendium praktycznej wiedzy Autor: mgr inż. Stefan Myszkowski

Dodatek techniczny do WIADOMOŚCI Inter Cars SA nr 47/Grudzień 2012

Spis treści

Dodatki techniczne dostępne w wersji elektronicznej na www.intercars.com.pl

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

1.

1.1.

1.2.

2.

2.1.

2.2.

2.3.

2.4.

2.5.

2.6.

2.7.

2.8.

2.9.

3.

3.1.

3.2.

3.3.

3.4.

3.5.

3.6.

3.7.

3.8.

Od autora Mieszanka paliwowo-powietrzna Powstawanie mieszanki paliwowo-powietrznej Współczynnik lambda (λ) składu mieszanki Składniki spalin silnika ZI i ich powstawanie Skład spalin silnika ZI Jednostki zawartości składników spalin Azot (N2) w spalinach silnika ZI Para wodna (H2O) w spalinach silnika ZI Dwutlenek węgla (CO2) w spalinach silnika ZI Tlen (O2) w spalinach silnika ZI Tlenek węgla (CO) w spalinach silnika ZI Węglowodory (HC) w spalinach silnika ZI Tlenki azotów (NOX) w spalinach silnika ZI Trójfunkcyjny konwerter katalityczny w układzie wylotowym silnika ZI Katalizator w układzie wylotowym silnika Konwerter katalityczny Ceramiczny konwerter katalityczny Metalowy konwerter katalityczny Budowa pojedynczego kanału bloku katalitycznego Trójfunkcyjny konwerter katalityczny Współczynnik konwersji konwertera katalitycznego Nagrzewanie konwertera katalitycznego i jego temperatura pracy

2 2

3.9.

3.10.

3.11.

4.

3 4.1.

4.2.

4.3.

5.

5.1.

5.2.

7

5.3.

5.4.

5.5.

5.6.

5.7.

Ceramiczny a metalowy konwerter katalityczny Starzenie konwertera katalitycznego Uszkodzenia konwertera katalitycznego Wstępna diagnostyka trójfunkcyjnego konwertera 15 katalitycznego Pomiar podciśnienia w układzie dolotowym silnika Pomiar nadciśnienia w układzie wylotowym silnika Pomiar temperatur spalin w układzie wylotowym silnika Kontrola sprawności trójfunkcyjnego konwertera 17 katalitycznego analizatorem spalin Wpływ sprawności trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego na skład spalin Wpływ składu spalin napływajcych do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego na skład spalin wypływających Wpływ nieszczelności układu wylotowego na skład spalin i jej wykrywanie Nagrzewanie trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego i czujnika tlenu do temperatury pracy Wpływ pokrycia osadami węglowymi trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego i czujnika tlenu, na skład spalin Pomiar i ocena składu spalin za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym Analizator spalin a tester diagnostyczny

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

Od autora

Szanowni czytelnicy, tematem tego wydania powinny być układy ABS - kontynuacja Dodatku technicznego 46/2012. Niestety pracochłonne rysunki pogrążyły mnie - nie zdążyłem z przygotowaniem materiału, o tej tematyce, do bieżącego wydania. Osoby, które są zainteresowane tą tematyką przepraszam. Temat układów ABS będzie kontynuowany w kolejnym wydaniu Dodatku Technicznego.

Dziś małe repetytorium, o trójfunkcyjnych konwerterach katalitycznych silników z zapłonem iskrowym (ZI). To im i czujnikom tlenu były poświęcone moje pierwsze materiały szkoleniowe, w roku 1993. Kiedyś trójfunkcyjne konwertery katalityczne postrzegano jako element zmniejszający osiągi silnika. Tak w niewielkim stopniu było. Jednak rozwój konstrukcji silników spowodował, że trójfunkcyjny konwerter katalityczny został integralną częścią układu wylotowego. Dziś mało kto chce go usuwać. Wzrosła istotnie ich trwałość (3 razy), za sprawą:

• eliminacji z obrotu handlowego benzyny z dodatkiem związków ołowiu;

• zmiany składu olejów silnikowych; • wprowadzeniu systemu diagnostyki pokładowej standardu OBDII/EOBD, który nadzoruje prawidłowość przebiegu procesów spalania, mówiąc inaczej, wykrywa tzw. wypadania zapłonów; Wypadania zapłonów, jeśli nie zostaną możliwie szybko wykryte, potrafią w czasie liczonym w minutach spowodować przegrzanie bloku katalitycznego (patrz rys.9). Następstwem jest jego pękanie i topienie. Dotyczy to również metalowych bloków katalitycznych, mimo, że są one bardzie odporne na wysokie temperatury od ceramicznych bloków katalitycznych.

Obecnie, z podobną rezerwą, część branży motoryzacyjnej i kierowców odnosi się do filtrów cząstek stałych. Kłopoty eksploatacyjne wynikają częściowo z niewątpliwych „chorób wieku dziecięcego” części tych konstrukcji. Ale filtry cząstek stałych będą niebawem akceptowane - muszą dorosnąć.

W przeciwnym wypadku, przy obecnej ilości pojazdów, odczuje to nasze zdrowie. Szczególnie mieszkańców miast.

1. Mieszanka paliwo-powietrzna 1.1. Powstawanie mieszanki paliwowo-powietrznej Benzyna, gazy LPG i CNG, są paliwami węglowodorowymi.

Aby benzyna i przewożony w stanie płynnym w zbiorniku gaz LPG, mogły najpierw utworzyć mieszankę a potem się spalić, muszą najpierw przejść w stan gazowy. Paliwo w stanie ciekłym nie spala się!

Ta uwaga jest szczególnie istotna w stosunku do benzyny, bowiem jest ona mieszaniną ciekłych węglowodorów, o temperaturach wrzenia od 30 do ok. 215°C. Nie zawsze są jednak warunki, by odparowały jej wszystkie frakcje. Tak jest np. podczas uruchamiania silnika, nagrzewania i szybkiego zwiększania prędkości obrotowej silnika (przyspieszanie samochodu). Wówczas niespalone frakcje benzyny są usuwane ze spalinami przez układ wylotowy.

Paliwo w stanie gazowym, tworzy z mieszankę palną z powietrzem, które jest mieszaniną wielu składników (rys.1.).

Dwa z nich: azot (N2) i tlen (O2) są najważniejsze. Azot (N2) pełni w komorze spalania ważną rolę niepalnego gazu roboczego, który umożliwia uzyskanie pożądanych wartości ciśnień (podczas suwów sprężania i spalania). Tlen (O2) jest niezbędny w procesie spalania.

Aby mieszanka paliwowo-powietrzna zasilająca silnik ZI zapaliła się od iskry elektrycznej, a następnie spaliła, musi mieć określony zakres składu, bowiem mieszankę nie o każdym składzie może zapalić iskra elektryczna (mówimy, że mieszanka musi być palna).

Stefan Myszkowski stefan.myszkowski@skk.auto.pl

Zdjęcie na okładce - metalowy blok katalityczny. Na jego bazie, zależnie od pokrycia katalitycznego, można wyprodukować konwerter katalityczny typu trójfunkcyjnego dla silników ZI lub typu utleniającego dla silników ZS. (Źródło: Emitec)

2

Dodatek techniczny

Rys.1. Skład powietrza i udziały objętościowe jego składników.

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

1.2. Współczynnik lambda (λ) składu mieszanki To podstawowa wielkość charakteryzująca skład mieszanki paliwowo-powietrznej. Obliczamy go z wzoru: (1)

gdzie: λ - współczynnik składu mieszanki - bezwymiarowy; mPOW. - masa powietrza w mieszance paliwowo-powietrznej [kg]; mPAL. - masa paliwa w mieszance paliwowo-powietrznej [kg]; LT - teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia 1 kg paliwa; Teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia 1 kg paliwa, to masa powietrza wynikająca z równania chemicznego - patrz rozdz.2.1. Jej wartość zależy od składu chemicznego paliwa. Jest wielkością charakterystyczną dla każdego paliwa. Teoretyczna masa powietrza potrzebna do spalenia:

• 1 kg benzyny - wynosi 14,7 kg powietrza; • 1 kg gazu LPG (propan 50 %/butan 50 %) - wynosi 15,5 kg powietrza;

• 1 kg gazu CNG - wynosi 17,2 kg powietrza.

Jeśli wartość współczynnika lambda:

Rys.2. Udziały objętościowe składników spalin silnika ZI. (Źródło: Robert Bosch)

Masa tlenu w takiej mieszance, jest dokładnie taka, jaka według powyższego równania jest konieczna do spalenia masy paliwa znajdującej się w mieszance, więc po procesie spalania powinny pozostać tylko dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O). W rzeczywistych warunkach procesu spalania, również mieszanki stechiometrycznej, spaliny emitowane przez silnik ZI mają skład przedstawiony na rys.2. Tylko ok.

1% ich objętości to składniki szkodliwe. Jednak z powodu ilości samochodów poruszających się po drogach i innych eksploatowanych silników, składniki szkodliwe spalin stwarzają istotne zagrożenia dla otoczenia naturalnego, w tym również nas, ludzi.

• λ = 1 - to oznacza, że w mieszance paliwowo-powietrznej jest dokładnie tyle tlenu, ile trzeba do spalenia paliwa; mówimy, że mieszanka ma skład stechiometryczny;

• λ > 1 - to oznacza, że w mieszance paliwowo-powietrznej jest więcej tlenu niż jest potrzebne do spalenia paliwa, a więc część tlenu nie zostanie wykorzystana w procesie spalania; mówimy, że jest to mieszanka uboga (w domyśle w paliwo);

• λ < 1 - to oznacza, że w mieszance paliwowo-powietrznej jest miej tlenu niż jest potrzebne do spalenia paliwa; mówimy, że jest to mieszanka bogata (w domyśle w paliwo).

2. Składniki spalin i ich powstawanie 2.1. Skład spalin silnika ZI Mieszanka o składzie stechiometrycznym (λ = 1) spala się teoretycznie według równania chemicznego: (2)

2.2. Jednostki zawartości składników spalin W praktyce warsztatowej, udziały: dwutlenku węgla (CO2), tlenku węgla (CO) i tlenu (O2) w spalinach, są określane przez podanie ich udziału objętościowego UOBJ. Obliczamy go z wzoru: (3)

gdzie: UOBJ - udział objętościowy określonego składnika spalin [%] VSSP - objętość określonego składnika spalin [m3]; VCSP - całkowita objętość spalin [m3]; Jest to stosunek objętości określonego składnika spalin VSSP, która znajduje się w spalinach, do całkowitej objętości spalin VCSP. Jest on podawany w procentach i oznaczany [%vol] (vol to skrót od słowa volume, które znaczy objętość). Jest to więc informacja, jaki procent objętości spalin zajmuje określony ich składnik.

Zawartość w spalinach węglowodorów (HC) oraz tlenków azotu (NOX) jest określana też jako udział objętościowy, ale ze względu na ich małe zawartości, z wykorzystaniem jednostki [ppm]. Oznaczenie [ppm] to skrót z języka angielskiego, od słów parts per million, oznaczający jedno milionową część objętości, a więc

Dodatek techniczny

3

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

1ppm = 1 × 10-6 Przykładowo, jeśli zawartość węglowodorów (HC) wynosi 50ppm, to znaczy, że węglowodory wypełniają 50 milionowych części objętości spalin.

Pomiędzy podawaniem udziału objętościowego w [ppm] i [%vol], istnieją następujące zależności: 100ppm = 0,01%vol 10000ppm = 1%vol

2.3. Azot (N2) w spalinach silnika ZI Azot (N2) w spalinach pochodzi z powietrza. Dla człowieka jest gazem obojętnym.

2.4. Para wodna (H2O) w spalinach silnika ZI Para wodna (H2O) w spalinach jest produktem spalania wodoru (H), składnika paliwa węglowodorowego. Przykładowo, w spalinach silnika zasilanego np. gazem CNG jest go więcej niż w spalinach silnika zasilanego benzyną, bowiem w gazie CNG jest więcej atomów wodoru (H) w stosunku do atomów węgla (C), niż w benzynie silnikowej.

2.5. Dwutlenek węgla (CO2) w spalinach silnika ZI Powstawanie. Dwutlenek węgla (CO2), to produkt spalania węgla (C), składnika paliwa węglowodorowego. Powstaje tylko wówczas, gdy mieszanka jest spalana. Jeśli nie ma procesu spalania, to dwutlenek węgla (CO2) nie powstaje.

Zawartość w spalinach silnika ZI przed konwerterem katalitycznym (rys.3.). Najwyższa zawartość dwutlenku węgla (CO2) jest w spalinach, powstałych ze spalenia mieszanki stechiometrycznej. Jeśli:

• są spalane mieszanki bogate lub ubogie; • spaleniu ulega tylko część mieszanki - przykładowo: w jednym cylindrze spala się tylko część mieszanki do niego wprowadzonej, bo proces spalania przebiega za wolno, lub nie spala się ona wcale; to zawartość w spalinach dwutlenku węgla (CO2) jest mniejsza od maksymalnej.

Własności. Powietrze, którym oddychamy, zawiera dwutlenek węgla (CO2). Jest on bezwonny, przeźroczysty, nietrujący i nieszkodliwy. W opinii części ekspertów, nadmierny wzrost jego zawartości w atmosferze powoduje na kuli ziemskiej tzw. efekt cieplarniany, a w konsekwencji zmianę klimatu i kataklizmy. Ponieważ zależy nam by paliwa spalały się jak najpełniej, a wówczas powstaje najwięcej dwutlenku węgla (CO2), więc jedyną metodą ograniczenia jego emisji jest zmniejszenie zużycia paliwa, lub stosowanie paliw o małej zawartości węgla (C), np. paliw z wysoką zawartością metanu CH4.

2.6. Tlen (O2) w spalinach silnika ZI Pochodzenie. Tlen (O2) wprowadzany do komory spalania, jest składnikiem powietrza (ok. 21% jego objętości).

Jego niewielka ilość, jest też w benzynie silnikowej. Jest niezbędny do procesów spalania.

Zawartość w spalinach silnika ZI przed konwerterem katalitycznym (rys.4.). Cały tlen (O2), znajdujący się w mieszance paliwowo-powietrznej, nigdy nie jest wykorzystywany w procesie spalania, dlatego jest on też w spalinach powstałych ze spalenia mieszanki bogatej (λ<1).

Gdy spalane są mieszanki uboższe od stechiometrycznej, w spalinach pozostaje również tlen (O2), którego jest za dużo w stosunku do paliwa znajdującego się w mieszance - im uboższa jest mieszanka, tym więcej tlenu (O2) jest w spalinach.

Jeśli spaleniu ulega tylko część mieszanki zasilającej silnik, ponieważ np. w jednym cylindrze: Rys.3. Zawartość dwutlenku węgla (CO2) w spalinach silnika ZI, przed konwerterem katalitycznym, w zależności od wartości współczynnika lambda (λ).

4

Dodatek techniczny

• spala się tylko część mieszanki, bo proces spalania przebiega za wolno;

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

ale palna. Jednym z produktów jej spalania jest tlenek węgla (CO), dlatego w spalinach powstałych ze spalenia mieszanki ubogiej też jest on obecny. Im uboższa jest mieszanka, tym mniejsza jest zawartość tlenku węgla (CO).

Jednak im uboższa jest mieszanka, tym większa jest w spalinach zawartość azotu (N2) oraz niewykorzystanego w procesie spalania tlenu (O2) - patrz rys.4. Powoduje to wzrost całkowitej objętości spalin (VCSP - patrz wzór 3), a więc zmniejszenie udziału objętościowego tlenku węgla (CO).

Jego zawartość błędnie informuje o przebiegu procesu spalania mieszanek ubogich, o większych wartościach współczynnika lambda (λ). Dla prawidłowej oceny procesu spalania takiej mieszanki, należy dodatkowo mierzyć zawartość węglowodorów (HC) w spalinach.

Rys.4. Zawartość tlenu (O2) w spalinach silnika ZI, przed konwerterem katalitycznym, w zależności od wartości współczynnika lambda (λ).

Własności. Tlenek węgla (CO) jest bezwonny, przeźroczysty, bezbarwny i pozbawiony smaku. Jest to silna trucizna, szczególnie niebezpieczna, bo niewyczuwalna „nosem”. Oddychanie przez 30min. powietrzem o zawartości 0,3%vol tlenku węgla (CO), może spowodować śmierć.

• mieszanka nie spala się wcale, bo jej skład uniemożliwia jej zapłon przez iskrę elektryczną lub iskra ta ma za mała moc; to niewykorzystany w procesie spalania tlen (O2) opuszcza komorę spalania wraz ze spalinami - wzrasta więc jego zawartość w spalinach.

Własności. Tlen (O2) jest gazem niezbędnym do życia dla nas i wielu innych organizmów żywych, pochodzenia roślinnego i zwierzęcego.

2.7. Tlenek węgla (CO) w spalinach silnika ZI Powstawanie. Tlenek węgla (CO) jest produktem niedokończonego procesu spalania węgla (C), składnika paliwa węglowodorowego. Nigdy w komorze spalania nie ma warunków, aby całość węgla (C) spaliła się tak, by powstał tylko dwutlenek węgla (CO2), dlatego tlenek węgla (CO) zawsze jest w spalinach silnika.

Powstawanie tlenku węgla (CO) towarzyszy procesowi spalania mieszanki. Jeśli mieszanka nie jest spalana, to tlenek węgla (CO) nie powstaje.

Zawartość w spalinach silnika ZI przed konwerterem katalitycznym (rys.5.). W mieszance bogatej (λ<1) ilość tlenu (O2) jest za mała, aby całość węgla (C) spaliła się tak, by powstał tylko dwutlenek węgla (CO2). Im bogatsza jest mieszanka, tym powstaje więcej tlenku węgla (CO). Dla mieszanek bogatych, zawartość tlenku węgla (CO) w spalinach, jest dobrą informacja o składzie spalonej mieszanki.

W mieszance ubogiej (λ>1) ilość tlenu (O2) jest większa niż wymagana, aby całość węgla (C) mogła się spalić tak, by powstał tylko dwutlenek węgla (CO2). Zawsze jednak w komorze spalania są takie strefy, w których mieszanka jest bogata,

2.8. Węglowodory (HC) w spalinach silnika ZI Powstawanie. „Węglowodorami” nazywamy grupę związków chemicznych, które składają się z węgla (C) i wodoru (H). Oznaczamy je symbolem (HC). W spalinach jest ok.180 różnych związków typu węglowodór. Mają one różne własności i są w różnym stopniu toksyczne.

Paliwa silnikowe składają się głównie z węglowodorów benzyny silnikowe też z innych składników. Ich końcowymi produktami spalania (patrz równanie 2) są dwutlenek węgla (CO2) i para wodna (H2O). W komorze spalania nie ma warunków, by wszystkie węglowodory tak się spaliły. Są strefy, w których:

• proces spalania części węglowodorów rozpoczyna się, ale na którymś etapie, pomiędzy kolejnymi reakcjami, zostaje przerwany i nie kończy się (spalanie paliwa jest tzw. procesem łańcuchowym, składającym się z wielu następujących po sobie reakcji); w następstwie przerwania procesu spalania część węglowodorów zmienia tylko swój rodzaj, pozostając nadal węglowodorami;

• proces spalania węglowodorów nie nastąpił.

Oba procesy, powodują, ze w spalinach zawsze znajdują się węglowodory (HC). Im lepiej przebiega proces przygotowania i spalania mieszanki, tym jest ich mniej.

Zawartość w spalinach silnika ZI przed konwerterem katalitycznym (rys.6.). Zawsze w komorze spalania są strefy, w których:

• proces spalania węglowodorów nie kończy się; • mieszanka paliwowo-powietrzna jest za bogata lub za uboga, aby proces spalania nastąpił.

W mieszance bogatej (λ<1), ilość tlenu (O2) jest za mała, aby wszystkie węglowodory spaliły się tak, by zostały po nich

Dodatek techniczny

5

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

tylko para wodna (H2O) i dwutlenek węgla (CO2), dlatego im bogatsza jest mieszanka, tym emisja węglowodorów (HC) jest wyższa.

W mieszance ubogiej (λ>1) ilość tlenu (O2) jest większa niż wymagana, aby wszystkie węglowodory spaliły się, dlatego przy spalaniu lekko zubożonych mieszanek - przykładowo λ od 1,05 do 1,1 (rys.5), emisja węglowodorów jest najmniejsza.

Jeśli są spalane mieszanki uboższe, w porównaniu z mieszanką, przy spalaniu której zawartość węglowodorów (HC) w spalinach jest najniższa, to w komorze spalania jest więcej stref, w których:

• mieszanka uboga spala się za wolno, aby proces spalania skończył się przed otwarciem zaworu wylotowego (jego otwarcie pogarsza warunki procesu spalania);

• mieszanka jest tak uboga, że nie spala się.

Powoduje to wzrost emisji węglowodorów (HC).

Zawartość węglowodorów (HC) w spalinach lepiej informuje o jakości procesu spalania niż zawartość tlenku węgla (CO), szczególnie w zakresie mieszanek ubogich.

Rys.5. Zawartość tlenku węgla (CO) w spalinach silnika ZI, przed konwerterem katalitycznym, w zależności od wartości współczynnika lambda (λ).

Własności. Grupa węglowodorów (HC) obejmuje związki chemiczne o różnych własnościach. Niektóre są bezwonne, a inne mają intensywny zapach. Większość z nich szkodliwie oddziałuje na drogi oddechowe i układ krwionośny. Mają również działanie rakotwórcze. Uczestniczą w tworzeniu smogu.

2.9. Tlenki azotów (NOX) w spalinach silnika ZI

Rys.6. Zawartość węglowodorów (HC) w spalinach silnika ZI, przed konwerterem katalitycznym, w zależności od wartości współczynnika lambda (λ).

Powstawanie. Przy ciśnieniu i temperaturze panujących w naszym otoczeniu, azot (N2) nie reaguje z tlenem (O2) - oba są składnikami powietrza. Jednak w komorze spalania silnika, przy ciśnieniach i temperaturach towarzyszących procesowi spalania, przekraczających lokalnie ok. 1800°C, azot (N2) wchodzi w reakcje z tlenem (O2), tworząc tlenek azotu (NO). Przyjmuje się, że temperatura 1800°C jest graniczną, po przekroczeniu której ilość powstających tlenków azotu (NO) szybko rośnie.

Podkreślam - powstawanie tlenków azotu (NO) w komorze spalania silnika nie jest bezpośrednim wynikiem procesu spalania paliwa, ale wynikiem reakcji pomiędzy azotem (N2) i tlenem (O2), w korzystnych warunkach panujących w komorze spalania, stworzonych przez proces spalania.

W następstwie procesów zachodzących w komorze spalania i w układzie wylotowym silnika, przez końcówkę układu wylotowego są emitowane różne związki chemiczne, będące połączeniem azotu (N2) i tlenu (O2). Podstawowe z nich to:

• tlenek azotu (NO); • dwutlenek azotu (NO2); Rys.7. Zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach silnika ZI, przed konwerterem katalitycznym, w zależności od wartości współczynnika lambda (λ).

6

Dodatek techniczny

• podtlenek azotu (N2O).

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

Wszystkie związki azotu (N2) i tlenu (O2) są ogólnie nazywane tlenkami azotu i oznaczane symbolem NOX. Zawartość w spalinach silnika ZI przed konwerterem katalitycznym (rys.7.). Zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach jest najwyższa, gdy spalane są mieszanki trochę zubożone, charakteryzowane współczynnikiem lambda λ, o wartości z zakresu od 1,05 do 1,1 (rys.7.). Gdy spalane są mieszanki uboższe lub bogatsze, to emisja tlenków azotu (NOX) jest niższa od maksymalnej.

Zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach zależy silnie od ciśnień i temperatur panujących w komorze spalania, a więc od obciążenia silnika. W warunkach warsztatowych lub stacji kontroli pojazdów, analiza składu spalin silnika ZI jest wykonywana prawie wyłącznie dla silnika nieobciążonego - wówczas emisja tlenków azotu (NOX) jest bardzo niska. Dopiero obciążenie silnika powoduje wyraźny wzrost emisji tlenków azotu (NOX).

Przykładowo, zawartość tlenków azotu (NOX) w spalinach przed konwerterem katalitycznym wynosi:

• na biegu jałowym silnika 300ppm; • przy pełnym obciążeniu silnika 5000ppm.

Z powyższego powodu, oraz ze względu na różnice konstrukcyjne między silnikami (np. wartość stopnia sprężania), trudno jest określić normę emisji tlenków azotu (NOX) dla silnika nieobciążonego, dlatego pomiar ich zawartości w spalinach silnika nieobciążonego, nie ma znaczenia praktycznego.

Własności. Związki z grupy tlenków azotu (NOX), mają różne własności:

• tlenek azotu (NO) - bezwonny, bezbarwny gaz, powodujący ciężkie zatrucie krwi i porażenie centralnego układu nerwowego;

• dwutlenek azotu (NO2) - gaz o czerwono-brunatnym za-

barwieniu, o drażniącym zapachu, podrażnia i powoduje choroby układu oddechowego;

• podtlenek azotu (N2) - bezbarwny gaz, o działaniu odurzającym, stosowany też jako gaz rozweselający.

Tlenkom azotu (NOX) przypisuje się ok. dziesięciokrotnie silniejsze szkodliwe oddziaływanie na organizm człowieka niż tlenkowi węgla (CO). Ponadto tlenki azotu (NOX) reagując z węglowodorami (HC) w atmosferze, już po opuszczeniu układu wylotowego, powodują powstanie ozonu i kolejnych „odmian” trujących węglowodorów (zjawisko smogu).

Przyczyniają się również do powstawania kwaśnych deszczy (opady kwasu azotowego) i obumierania roślinności.

3. Trójfunkcyjny konwerter katalityczny w układzie wylotowym silnika ZI 3.1. Katalizator w układzie wylotowym silnika W układzie wylotowym silnika ZI, bez konwertera katalitycznego, podczas przepływu spalin pomiędzy silnikiem a końcem układu wylotowego, tlenek węgla (CO) oraz węglowodory (HC) reagują z tlenem obecnym w spalinach - utleniają się. Powstają: dwutlenek węgla (CO2) - nieszkodliwy dla człowieka w bezpośrednim działaniu, może szkodliwy w sposób pośredni (dużo propagandy na ten temat, trudno o obiektywną opinię) i para wodna (H2O). Dzięki tym reakcjom, zmniejsza się zawartość tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC) w spalinach - nazywamy to procesem samooczyszczania spalin.

To, o ile zmniejszy się zawartość tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC) w spalinach, zależy jednak silnie od:

• temperatury spalin - im wyższa tym lepiej; jej wartość zależy istotnie od kąta wyprzedzenia zapłonu, dlatego ważna jest jego prawidłowa regulacja;

• prędkości przepływu spalin - im spaliny płyną wolniej tym lepiej;

• zawartości tlenu w spalinach - lepsza jest większa zawartość.

Podobnie jest z tlenkami azotu (NO), które głównie powstają w komorach spalania silnika. W trakcie przepływu przez układ wylotowy ulegają one rozpadowi, na tlen (O2) i obojętny azot (N2). Jednak ilość reakcji rozpadu jest zależna od temperatury spalin oraz zawartości tlenu w spalinach.

Usunięcie zdecydowanie większej ilości substancji szkodliwych ze spalin, umożliwia substancja, wprowadzona do układu wylotowego, nazywana w terminologii chemicznej - katalizatorem. Ma ona następujące cechy:

• tylko swoją obecnością powoduje obniżenie temperatury, w której zaczynają zachodzić reakcje chemiczne i przyspiesza te reakcje (większa ilość substancji może przereagować);

• nie uczestniczy bezpośrednio w reakcjach chemicznych, lub inaczej, nie jest składnikiem produktów reakcji chemicznych, na które wpływa.

Dodatek techniczny

7

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

3.2. Konwerter katalityczny Urządzenie montowane w układzie wylotowym silnika, którego zadaniem jest umożliwienie bezpośredniego kontaktu z substancją chemiczną, nazywaną katalizatorem, jak największej ilości spalin 1 (rys.8), które wypływają z komór spalania silnika.

Podstawowym elementem konwertera katalitycznego jest blok katalityczny 2 (rys.8). Posiada on dużą ilość kanałów, przez które przepływają spaliny (budowa pojedynczego kanału jest przedstawiona w podrozdziale 3.5.). Blok katalityczny może być wykonany z materiału ceramicznego lub folii żaroodpornej. Materiały te nazywamy nośnikami.

Konwerter katalityczny pełni w układzie wylotowym również funkcję tłumika.

Rys.8. Przekrój konwertera katalitycznego. Spaliny 1, płynące z silnika, wpływają do bloku katalitycznego 2. Jest w nim wykonana duża ilość kanałów 4, przez które przepływają spaliny. Ścianki kanałów 3 i cały blok katalityczny jest wykonany z materiału ceramicznego lub folii żaroodpornej. Spaliny 5, po przepłynięciu przez kanały bloku katalitycznego, zawierają już znacznie mniejszą ilość składników szkodliwych spalin. (Źródło: Eberspächer)

3.3. Ceramiczny konwerter katalityczny Odcinek dolotowy spalin (1, rys.9). Zapewnia takie wprowadzenie spalin do boku katalitycznego, aby z możliwie takim samym natężeniem, płynęły przez wszystkie jego kanały.

Ceramiczny blok katalityczny (2, rys.9). Najważniejsza część konwertera katalitycznego. Znajduje się w nim wiele tysięcy kanałów, o przekroju poprzecznym w kształcie kwadratu, a długości równiej długości bloku katalitycznego.

Tymi kanałami płyną spaliny. Przeciętnie na 1 cal2 przekroju poprzecznego bloku katalitycznego przypada 400 kanałów.

Może mieć różny kształt - rys.10.

Ceramiczny blok katalityczny, jest zbudowany z materiału zwanego kordierytem (krzemian aluminium i magnezu), odpornego na temperatury do 950°C. Niestety materiał ten jest kruchy i nieodporny na zginanie.

Rys.9. Przekrój ceramicznego konwertera katalitycznego. Elementy na rysunku 1 - odcinek dolotowy; 2 - ceramiczny blok katalityczny; 3 - warstwa elastyczna; 4 - warstwa izolacyjna; 5 - obudowa; 6 - odcinek wylotowy. Opis w tekście artykułu. (Źródło: Eberspächer)

Warstwa elastyczna (3, rys.9). Jest wykonana np. ze specjalnych włókien lub splecionego wysokostopowego drutu.

Spełnia następujące zadania:

• uszczelnia ceramiczny blok katalityczny względem obudowy;

• trzyma ceramiczny blok katalityczny w obudowie (siła naporu spalin chcę go „wypchnąć”);

• chroni ceramiczny blok katalityczny przed uderzeniami z zewnątrz;

• umożliwia wzajemne ruchy ceramicznego bloku katalitycznego względem obudowy (różnica współczynników wydłużenia temperaturowego między nim a obudową);

• umożliwia montaż ceramicznego bloku katalitycznego, który ma znaczne tolerancje wykonania (do 1-go milimetra na długości i na średnicy), w obudowie.

Obudowa (5, rys.9). Jest wykonana z blachy. Składa się z dwóch ścianek: wewnętrznej i zewnętrznej.

Rys.10. Przykłady dwóch ceramicznych bloków katalitycznych, o różnych kształtach. (Źródło: Leistritz AG)

8

Dodatek techniczny

Warstwa izolacyjna (4, rys.9). Rozdziela dwie ścianki obudowy. Ma za zadanie:

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

Rys.11. Przekrój metalowego konwertera katalitycznego. Elementy na rysunku - 1 - dwa metalowe bloki katalityczne; 2 - osłona termiczna; 3 - szczelina powietrzna; 4 - odcinek wylotowy; 5 - odcinek dolotowy. Opis w tekście artykułu. (Źródło: Eberspächer)

Po zwinięciu, obie warstwy folii są umieszczane w rurze stalowej, tzw. opasce. Jest ona jednocześnie obudową zewnętrzną konwertera katalitycznego.

W opisany powyżej sposób uzyskujemy strukturę składającą się w wielu kanałów, o przekroju poprzecznym w kształcie trójkąta (najczęściej), biegnących przez całą długość bloku katalitycznego. Tymi kanałami płyną spaliny. Przeciętnie na 1 cal2 przekroju poprzecznego bloku katalitycznego przypada 400 kanałów.

Do opaski są przyspawane bezpośrednio: odcinek dolotowy 5 i wylotowy 4 spalin oraz osłony termiczne 2 (rys.11).

Osłona termiczna (2, rys.11). Ma za zadanie obniżyć temperaturę zewnętrzną konwertera katalitycznego i chronić metalowy blok katalityczny przed schłodzeniem.

Szczelina powietrzna (3, rys.11). Spełnia rolę izolatora.

Odcinek dolotowy 5 i wylotowy 4 spalin (rys.11). Spełniają te same zadania jak w ceramicznym konwerterze katalitycznym.

Rys.12. Metalowy blok katalityczny. (Źródło: Leistritz AG)

3.5. Budowa pojedynczego kanału bloku katalitycznego Nośnik katalizatora (1, rys.14). Tak nazywamy materiał wykorzystany do budowy bloku katalitycznego. Są nośniki ceramiczne lub metalowe.

Rys.13. Metalowy blok katalityczny, powstaje przez zwinięcie wstęgi z płaskiej folii 1 wraz z wstęgą ukształtowanej faliście folii 2 (kształtowana jest w wcześniejszej operacji). (Źródło: Leistritz AG)

Warstwa pośrednia (2, rys.14). W języku angielskim nazywana Wash Coat. Jest to warstwa tlenku aluminium (Al2O3), o grubości ok. 0,01mm, nakładana na ścianki kanałów ceramicznych i metalowych bloków katalitycznych.

• chronić część zewnętrzną obudowy przed nadmiernym nagrzewaniem się;

• ograniczyć odkształcenia termiczne obudowy; • zapewnić równomierny rozkład temperatury obudowy.

Odcinek wylotowy spalin (6, rys.9). Odprowadza spaliny do pozostałej części układu wylotowego.

3.4. Metalowy konwerter katalityczny Metalowy blok katalityczny (1, rys.11). Jest wykonany z folii żaroodpornej, np. chromowo-niklowej, z dodatkiem aluminium. Stal żaroodporna to materiał odporny na utlenianie, czyli korozję, w wysokich temperaturach.

Metalowy blok katalityczny (rys.12) powstaje przez zwinięcie dwóch warstw foli (rys.13):

• płaskiej 1; • uformowanej faliście 2.

Rys.14. Przekrój pojedynczego kanału, ceramicznego lub metalowego bloku katalitycznego. Oznaczenia na rysunku: 1 - materiał ceramiczny lub metalowy (tzw. nośnik), z którego jest wykonany blok katalityczny; 2 - warstwa pośrednia; 3 - promotory (stosowane tylko w trójfunkcyjnych konwerterach katalitycznych dla silników ZI); 4 - warstwa aktywna. Opis w tekście artykułu. (Źródło: Eberspächer)

Dodatek techniczny

9

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

Ma za zadanie zwiększyć o 6000-7000 razy powierzchnię kanałów bloku katalitycznego. Jest to możliwe dzięki temu, że jeden gram materiału warstwy pośredniej ma powierzchnię wynoszącą w rozwinięciu (suma powierzchni wszystkich porów) od 10 do 15 m2. Tak duża powierzchnia jest konieczna, aby jak największa ilość spalin miała bezpośredni kontakt z warstwą aktywną, nałożoną na warstwę pośrednią, bowiem reakcje wspierane przez katalizator, zachodzą w strefie bezpośredniego kontaktu, pomiędzy nim a warstwą spalin.

Promotory (3, rys.14). Dodatki tlenku ceru, są wprowadzane do warstwy pośredniej trójfunkcyjnych konwerterów katalitycznych (patrz podrozdział 3.6.), w dwóch celach:

• zwiększenie odporności warstwy pośredniej na starzenie się w wysokich temperaturach;

• „gospodarka” tlenem zwartym w spalinach.

Co rozumiemy przez „gospodarkę” tlenem? Jeśli przez kanały trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego przepływają spaliny pochodzące ze spalania mieszanki ubogiej (λ > 1), czyli zawierające nadmiar tlenu, jest on zatrzymywany przez promotory, aby w korzystnych warunkach, przy małej zawartości tlenu w bezpośredniej bliskości warstwy aktywnej 4 (patrz następny podpunkt), mogły przebiegać reakcje redukcji.

Jeśli natomiast przez trójfunkcyjny konwerter katalityczny przepływają spaliny pochodzące ze spalania mieszanki bogatej (λ < 1), czyli zawierające mało tlenu, wcześniej zmagazynowany przez promotory tlen jest oddawany, aby w korzystnych warunkach, przy dużej zawartości tlenu w bezpośredniej bliskości warstwy aktywnej 4, mogły przebiegać reakcje utleniania.

Rys.15. Zawartości w spalinach silnika ZI tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC) przed (pkk) i za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym (zkk), w zależności od wartości współczynnika lambda (λ) składu spalonej w silniku mieszanki.

10

Dodatek techniczny

Warstwa aktywna (4, rys.14). Warstwa metali szlachetnych np. platyny, palladu czy rodu nakładana na wartę pośrednią 2. To one intensyfikują przebieg reakcji chemicznych, w których są usuwane szkodliwe składniki spalin.

W konwerterze katalitycznym są dwa grupy reakcji chemicznych:

• utleniania - dzięki nim, ze spalin są usuwane: tlenek węgla (CO) i węglowodory (HC); można powiedzieć, że proces spalania przebiegający szybko w komorach spalania silnika, jest kończony w konwerterze katalitycznym, dzięki reakcjom utleniania;

• redukcji - dzięki nim, ze spalin są usuwane tlenki azotu.

Wzajemne proporcje pomiędzy pierwiastkami wchodzącymi w skład warstwy aktywnej, są zależne od tego, jakie reakcje ma stymulować dany konwerter katalityczny.

3.6. Trójfunkcyjny konwerter katalityczny Trójfunkcyjny konwerter katalityczny ma w układzie wylotowym silnika następujące zadania:

• usunięcie ze spalin tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC);

• usunięcie ze spalin tlenków azotu (NOX).

Tlenek węgla (CO) i węglowodory (HC) są usuwane ze spalin w procesach utleniania. Przebiegają one w konwerterze katalitycznym tym intensywniej, im więcej tlenu (O2) jest w spalinach. Dlatego im uboższa jest spalana mieszanka, a więc o wyższej wartości współczynnika lambda (λ), tym niższa

Rys.16. Zawartość w spalinach silnika ZI tlenków azotu (NOX) mierzone przed (pkk) i za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym (zkk), w zależności od wartości współczynnika lambda (λ) składu spalonej w silniku mieszanki.

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

jest zawartość w spalinach za konwerterem katalitycznym (rys.15; skrót zkk - oznacza „za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym” a skrót pkk - oznacza „przed trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym”):

• tlenku węgla CO(zkk); • węglowodorów HC(zkk), mimo że ich zawartość w spalinach przed konwerterem katalitycznym HC(pkk) wzrasta, gdy są spalane ubogie mieszanki (np. dla λ > 1,1).

Inaczej jest z tlenkami azotu (NOX). Są one usuwane ze spalin w reakcji redukcji, czyli rozpadu tlenków azotu (NOX) na azot (N2) i tlen (O2). Jest to reakcja odwrotna do utleniania.

Jeśli silnik spala mieszankę bogatą (λ<1), to zawartość tlenków azotu w spalinach przed konwerterem katalitycznym NOX(pkk), (rys.16, oznaczenia takie same jak na rys.15) jest mniejsza od możliwej maksymalnej zawartości tlenków azotu w spalinach przed konwerterem katalitycznym. Tlen (O2) znajdujący się w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki bogatej (λ<1), to tlen, który, mimo że był potrzebny w procesie spalania w komorach spalania silnika, nie został wykorzystany, bo nie było to możliwe ze względów technicznych. Niska zawartość tlenu (O2) powoduje, że w trójfunkcyjnym konwerterze katalitycznym są korzystne warunki dla reakcji redukcji tlenków azotu (NOX). Zachodzą one w nim łatwo, dlatego zawartość tlenków azotu w spalinach za konwerterem katalitycznym NOX(zkk) (rys.16), pochodzących ze spalenia mieszanki bogatej, jest niska.

Jeśli silnik spala mieszankę ubogą (λ>1), to zawartość tlenków azotu w spalinach przed konwerterem katalitycznym NOX(pkk) (rys.16) osiąga swoje maksimum przy spalaniu lek-

ko zubożonych mieszanek - λ od 1,05 do 1,1, a przy dalszym zubożeniu mieszanki - λ > 1,1, maleje.

Tlen (O2) znajdujący się w spalinach pochodzących ze spalenia mieszanki ubogiej (λ>1), to w większości tlen niewykorzystany w procesie spalania komorach spalania silnika, bo było go za dużo w stosunku do paliwa. Jego obecność stwarza niekorzystne warunki dla reakcji redukcji tlenków azotu (NOX) w trójfunkcyjnym konwerterze katalitycznym.

Im spalana mieszanka jest uboższa, tym zawartość tlenu w spalinach jest coraz większa, więc reakcje redukcji tlenków azotu w konwerterze katalitycznym zachodzą coraz „mniej chętnie”.

Dlatego wystarczy nawet niewielkie zubożenie mieszanki, w stosunku do mieszanki stechiometrycznej (λ = 1), aby zawartość tlenków azotu w spalinach za konwerterem katalitycznym NOX(zkk) (rys.16) istotnie wzrosła i osiągnęła swoje maksimum. Dalsze zubażanie mieszanki powoduje, że emisja tlenków azotu za konwerterem katalitycznym NOX(zkk) maleje, ale dlatego że emisja tlenków azotu bezpośrednio z silnika, czyli przed konwerterem katalitycznym NOX(pkk), też maleje.

Aby zawartości: tlenku węgla (CO), węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NOX) w spalinach za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym były ok. 90% - lub więcej, niższe od zawartości w spalinach przed nim, silnik musi być zasilany mieszanką o składzie bliskim stechiometrycznemu, czyli z zakresu tzw. okna lambda (rys.17). Spełnienie tego warunku, to zadanie układu regulacji składu mieszanki, z jednym lub dwoma czujnikami tlenu, współpracującymi z jednym trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym.

3.7. Współczynnik konwersji konwertera katalitycznego Współczynnik konwersji dla określonego składnika spalin, podaje w procentach, jaka część zawartości określonego składnika w spalinach jest usuwana ze spalin przez konwerter katalityczny, w stosunku do zawartości tego składnika w spalinach przed konwerterem katalitycznym. Obliczamy go ze wzoru:

Rys.17. Zawartości składników szkodliwych w spalinach silnika ZI, mierzone za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym (zkk): CO - tlenku węgla; HC - węglowodorów; NOX - tlenków azotu, w zależności od wartości współczynnika lambda (λ) składu spalonej w silniku mieszanki.

Rys.18. Jeśli rurką (1), można pobrać spaliny przed konwerterem katalitycznym (2), to na podstawie zmierzonej w nich zawartości tlenku węgla (COPKK), oraz na podstawie zawartości tlenku węgla w spalinach pobranych za konwerterem katalitycznym, a więc z końca układu wylotowego (COZKK), można obliczyć współczynnik konwersji konwertera katalitycznego dla tlenku węgla (KCO) - patrz wzór nr 5.

Dodatek techniczny 11

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

(4)

 w którym: KX - współczynnik konwersji dla określonego składnika spalin [%] XPKK - zawartość określonego składnika w spalinach przed konwerterem katalitycznym [%obj.]

XZKK - zawartość określonego składnika w spalinach za konwerterem katalitycznym [%obj.]

Jeśli konwerter katalityczny posiada rurkę do poboru spalin przez nim (rys.18), to w warunkach serwisu samochodowego, z poniższego wzoru, można obliczyć współczynnik konwersji dla tlenku węgla (CO): (5)

w którym: KCO - współczynnik konwersji dla tlenku węgla [%] COPKK - zawartość tlenku węgla w spalinach przed konwerterem katalitycznym [%obj.]

COZKK - zawartość tlenku węgla w spalinach za konwerterem katalitycznym [%obj.]

Na podstawie wartości współczynnika KCO, można ocenić stopień zużycia konwertera katalitycznego. Wykonywane to było w serwisach samochodowych, ale nie wchodziło z zakres obowiązków stacji kontroli pojazdów, również ich zagranicznych odpowiedników.

W warunkach serwisu samochodowego, nie ma sensu obli-

Rys.19. Zmiana wartości współczynnika konwersji tlenku węgla (KCO) przez konwerter katalityczny, czyli zdolności do usuwania ze spalin tlenku węgla (CO), podczas nagrzewania konwertera katalitycznego: 1 - nowego; 2 - częściowo zużytego. Umowna temperatura początku pracy (KCO = 50%) dla nowego konwertera katalitycznego (pkt.A) jest niższa niż dla konwertera katalitycznego o częściowym zużyciu (pkt.B).

12

Dodatek techniczny

Rys.20. Zmiana emisji składników szkodliwych spalin od momentu uruchomienia zimnego silnika. Przez ok. 1,5min od chwili uruchomienia zimnego silnika, spaliny nie są wcale oczyszczane (bezpośrednio po uruchomianiu silnika) lub są oczyszczane w niewielkim stopniu, wskutek za niskiej temperatury konwertera katalitycznego. Dopiero po ok. 1,5min pracy silnika, temperatura konwertera katalitycznego umożliwia usuwanie ze spalin większości składników szkodliwych. (Źródło: Gilardini)

czanie współczynników konwersji dla węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NOX), bowiem pomiar warsztatowym analizatorem spalin, ich rzeczywistej zawartości w spalinach, jest obarczony znacznym błędem.

3.8. Nagrzewanie konwertera katalitycznego i jego temperatura pracy Aby konwerter katalityczny pracował, musi mieć określoną temperaturę. Po uruchomieniu silnika, jest on początkowo nagrzewany tylko przez przepływające spaliny. Każdy ze składników szkodliwych zaczyna być usuwany ze spalin dopiero po osiągnięciu przez konwerter katalityczny określonej temperatury. Przykładowe wykresy zmiany współczynnika konwersji dla tlenku węgla (KCO) przedstawia rys.19.

Nowy konwerter katalityczny zaczyna usuwać ze spalin tlenek węgla (CO) gdy osiągnie temperaturę ok. 220°C (linia 1, rys.19). Jednak zgodnie z umową, za temperaturę początku usuwania ze spalin każdego składnika szkodliwego, przyjmuje się temperaturę, przy której konwerter katalityczny usuwa ze spalin 50% danego składnika szkodliwego, w stosunku do jego zawartości przed konwerterem katalitycznym. Oznacza to, że w tej temperaturze współczynnik konwersji dla tego składnika spalin osiąga wartość 50%.

Dla przykładowego, nowego konwertera katalitycznego (linia 1, rys.19), temperatura ta wynosi ok.260°C - punkt A na linii 1 wykresu. Jednak dla częściowo zużytego konwertera katalitycznego (linia 2, rys.19), temperatura ta jest wyższa i wynosi ok. 330°C - punkt B na linii 2 wykresu. Wynika z tego wniosek praktyczny - im większy jest przebieg samochodu (od 80000 km dla konwerterów katalitycznych w pojazdach z końca lat osiemdziesiątych i początku dziewięćdziesiątych; znacznie wyższy dla konwerterów katalitycznych w samo-

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

Rys.21. Ceramiczny blok katalityczny (rys.a) składa się z dużej liczby kanałów o przekroju kwadratowym (rys.c). Metalowy blok katalityczny (rys.b) składa się z dużej liczby kanałów o przekroju trójkątnym (rys.d).

Rys.22. Ceramiczny blok katalityczny nadtopiony wskutek przegrzania. (Źródło: Leistritz AG)

chodach współczesnych) tym sumienniej trzeba dbać, aby podczas analizy spalin konwerter katalityczny miał wymaganą temperaturę pracy. Jeśli będzie ona za niska, to zmierzone zawartości składników spalin, będą sugerować większe jego zużycie niż jest ono w rzeczywistości.

Gdy konwerter katalityczny rozpoczął pracę, czyli gdy przebiegają w nim reakcje katalityczne to ciepło w nich powstające ogrzewa go do temperatury wyższej od temperatury napływających spalin. Optymalnym zakresem temperatur pracy dla konwertera katalitycznego, jest zakres od 400 do 800°C. Rys.20. pokazuje zmiany zawartości trzech głównych składników szkodliwych spalin z silnika ZI (CO, HC i NOX), od chwili uruchomienia silnika z zimnym konwerterem katalitycznym, przez okres nagrzewania konwertera katalitycznego ( ok. 1,5 min - tak wynika z wykresu na rysunku) aż do pracy silnika z nagrzanym do temperatury pracy konwerterem katalitycznym.

Temperatura pracy ceramicznego konwertera katalitycznego nie powinna przekraczać 800°C, a metalowego konwertera katalitycznego 950°C. Przekroczenie tych temperatur rozpoczyna proces topienia nośnika i innych jego uszkodzeń.

O to, by temperatura konwertera katalitycznego nie przekroczyła wartości bezpiecznej, dba program sterownika silnika.

Jeśli w silniku i jego układzie sterowania nie ma uszkodzeń, to przekroczenie nie nastąpi. „Zabójcze” dla konwertera katalitycznego są wszystkie nieprawidłowości przebiegu procesu spalania, w komorach spalania silnika, które powodują, że nie cała mieszanka paliwowo-powietrzna ulega w nich spaleniu (przyczynami są nie tylko uszkodzenia układu zapłonowego!).

Potocznie mówimy o „wypadaniu zapłonów”. Niespalona w silniku mieszanka paliwowo-powietrzna, utlenia (dopala) się w konwerterze katalitycznym, silnie zwiększając jego temperaturę. Może ona przekroczyć znaczenie temperaturę bezpieczną dla ceramicznego lub nawet metalowego wkładu katalitycznego (patrz rys.22 i 23). Wszystkie silniki z systemem diagnostycznym standardu OBDII/EOBD mają specjalny program, tzw. monitor wypadania zapłonów, który wykrywa wypadania zapłonów. Zapobiega to uszkodzeniom, które są ich następstwem.

3.9. Ceramiczny a metalowy konwerter katalityczny

Rys.23. Pęknięcia i nadtopienia ceramicznego bloku katalitycznego, wskutek przegrzania. Pierwotną przyczyną mogło być uszkodzenie układu zapłonowego (brak lub osłabienie iskry elektrycznej) względnie nieprawidłowy skład mieszanki zasilającej silnik (za uboga lub za bogata, trudno zapalna iskrą elektryczną). (Źródło: Ernst Apparatebau GmbH & Co. KG)

Ceramiczny blok katalityczny (rys.21a) można odróżnić wzrokowo od metalowego (rys.21b) na podstawie kształtu przekroju poprzecznego kanałów prowadzących spaliny. Kanał ceramicznego bloku katalitycznego ma przekrój kwadratowy (rys.21c) a kanał metalowego bloku katalitycznego ma przekrój trójkątny (rys.21d).

Metalowy, w porównaniu z ceramicznym konwerterem katalitycznym, ma następujące zalety:

• Dobra przewodność cieplna i niska pojemność cieplna.

Dodatek techniczny 13

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

Dzięki tym cechom, metalowy konwerter katalityczny, szybciej niż ceramiczny, nagrzewa się do temperatury pracy, a więc po uruchomieniu silnika, szybciej zaczyna oczyszczać spaliny.

• Jest bardziej odporny na szoki termiczne: gwałtowne wzrosty temperatury i nadmierne różnice temperatur, występujące w różnych punktach bloku katalitycznego. Mniejsze jest więc ryzyko jego uszkodzenia oraz szybkość starzenia i dezaktywacji konwertera katalitycznego.

• Ze względu na mniejszą grubość ścianek kanałów prowadzących spaliny, metalowy konwerter katalityczny, o takiej samej zdolności do oczyszczania spalin, ma mniejsze wymiary od ceramicznego konwertera katalitycznego.

• W metalowym bloku katalitycznym można łatwiej uzyskać strukturę z większą ilość kanałów na 1 cal2 niż w ceramicznym bloku katalitycznym.

• Stwarza mniejsze opory przepływu dla spalin.

• Jest bardziej odporny na uszkodzenia mechaniczne np. drgania układu wydechowego, czy obciążenia wynikające z jazdy po dziurawych drogach. W przypadku uderzenia w przeszkodę może ulec tylko częściowemu zgnieceniu, w przeciwieństwie do ceramicznego konwertera katalitycznego, który cały może ulec pęknięciu lub skruszeniu.

• Jeśli nastąpi zniszczenie konwertera katalitycznego, metalowy blok katalityczny nie niszczy układu wydechowego, a ściślej tłumików, wskutek przedostania się do nich kawałków bloku katalitycznego, co ma miejsce w przypadku uszkodzenia i rozkruszenia ceramicznego bloku katalitycznego.

• Z kolei ceramiczny konwerter katalityczny, w porównaniu z metalowym, ma następujące zalety.

• Mała zmiana wymiarów ceramicznego bloku katalitycznego, podczas nagrzewania.

• Duża pojemność cieplna. Jest ona korzystna w ruchu miejskim, przy dużej ilości zatrzymań i długim czasie pracy silnika na biegu jałowym.

• Niższa masa od masy metalowego konwertera katalitycznego.

3.10. Starzenie konwertera katalitycznego Wraz ze wzrostem liczby przejechanych kilometrów, zmniejsza się aktywność konwertera katalitycznego. Objawia się to przez:

• podwyższanie temperatury początku pracy (patrz rys.19) • obniżanie wartości współczynników konwersji dla poszczególnych składników szkodliwych spalin (wzrost emisji z układu wylotowego silnika).

14

Dodatek techniczny

Rys.24. Uszkodzenie ceramicznego bloku katalitycznego, wskutek mechanicznego uderzenia. Część spalin, płynących z silnika, przepływa obok pokruszonego bloku katalitycznego i jako nieoczyszczone są odprowadzane do atmosfery. (Źródło: Ernst Apparatebau GmbH & Co. KG)

Zmniejszenie zdolności do oczyszczania spalin, przez konwerter katalityczny, jest spowodowane przez opisane poniżej czynniki.

• Usuwanie warstwy aktywnej w wyniku erozyjnego działania spalin.

• Zmniejszenie powierzchni warstwy aktywnej wskutek: spiekania warstwy aktywnej z warstwą pośrednią, nadtapiania i łączenia się metali szlachetnych warstwy aktywnej w większe cząstki.

• Stopniowe zatrucie wynikające z reakcji pomiędzy dodatkami zawartymi w paliwie i oleju silnikowym, a warstwą pośrednią, oraz zawartymi w niej promotorami. Następuje też stopniowe pokrywanie warstwy aktywnej przez powłokę z tych dodatków, co powoduje utrudniony kontakt pomiędzy spalinami i warstwą aktywną. Zanieczyszczenia takie jak ołów, fosfor i siarka pochodzą z paliwa. Z kolei w oleju smarującym zawarte są wapń, magnez, cynk, bar, fosfor oraz popiół. Przedostają się one również do oleju silnikowego, jako wynik procesów zużycia ściernego zachodzącego w silniku.

• Producenci olejów wprowadzili zmiany w składzie olejów silnikowych (i czynią to nadal), zastępując w miarę możliwości innymi te składniki oleju silnikowego, które powodują przyspieszoną utratę aktywności przez konwerter katalityczny. Ponadto dążą, aby oleje silnikowe w możliwie dużym stopniu ograniczały zużycie ścierne elementów silnika, bowiem sprzyja to wydłużeniu okresu eksploatacji konwertera katalitycznego.

• Zwiększenie nieszczelności warstwy uszczelniającej i utrzymującej ceramiczny blok katalityczny w obudowie. Powodują one wzrost ilość spalin przepływających pomiędzy nim a obudową, bez procesu oczyszczania.

• Zmniejszenie szerokości okna lambda (patrz rys.17), przy którym trójfunkcyjny konwerter katalityczny pracuje naj-

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

efektywniej. Jeśli uwzględnimy również powolną zmianę charakterystyki czujnika tlenu, w wyniku której silnik jest zasilany nieco uboższymi mieszankami, to oba czynniki przyczyniają się do wzrostu zawartości składników szkodliwych w spalinach.

Utratę sprawności konwertera katalitycznego przyspiesza:

• zwiększone zużycie oleju silnikowego; • przedostawanie się płynu niskokrzepnącego z układu chłodzenia do układu wylotowego (szkodliwe działanie mają dodatki uszlachetniające).

3.11. Uszkodzenia konwertera katalitycznego Przykłady typowych uszkodzeń ceramicznych konwerterów katalitycznych, przestawiają rys.22, 23 i 24.

4. Wstępna diagnostyka trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego Opisane w tym rozdziale metody diagnostyczne, nie umożliwiają dokładnej oceny sprawności trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego. Powalają tylko wstępnie ocenić, czy:

• należy sprawdzić stan bloku katalitycznego (patrz rys.9), bez demontażu (z pomocą endoskopu) lub po uprzednim wymontowaniu trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego;

Rys.25 Zestaw pomiarowy PCS-Kat firmy HP, do pomiaru nadciśnienia spalin w układzie wylotowym silnika, przed trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym.

4.

Zwiększamy prędkość obrotową do ok. 2500obr/min i utrzymujemy ją około jednej minuty. Obserwujemy mierzoną wartość podciśnienia w kolektorze dolotowym.

5. Jeśli wartość podciśnienia zmierzona przy prędkości obrotowej ok. 2500obr/min jest równa lub większa od wartości podciśnienia zmierzonej przy prędkości obrotowej biegu jałowego, to w układzie wylotowym nie występują nadmierne opory przepływu.

6. Jeśli wartość podciśnienia mierzona przy prędkości obrotowej ok. 2500obr/min jest mniejsza od wartości podciśnienia zmierzonej przy prędkości obrotowej biegu jałowego, to w układzie wylotowym występują nadmierne opory przepływu. Mogą być one spowodowane przez częściowo lub całkowicie stopiony blok katalityczny, względnie wskutek popękania tego bloku.

Proszę jednak zwrócić uwagę, że gdy blok katalityczny ulegnie znacznemu rozdrobnieniu (najpierw pęka, potem „luźne” kawałki ulegają dalszemu pokruszeniu), może on nie stwarzać strumieniowi spalin dodatkowych oporów przepływu. Wówczas ta metoda nie da nam odpowiedzi, w jakim stanie znajduje się blok katalityczny.

• wskazany jest pomiar składu skład spalin.

4.1. Pomiar podciśnienia w układzie dolotowym silnika Do tego pomiaru wykorzystujemy manowakuometr. Pomiar wykonujemy w sposób opisany poniżej.

1. Przyłączamy manowakuometr do kolektora dolotowego silnika (pomiędzy przepustnicą a zaworami dolotowymi).

2. Uruchamiamy silnik i nagrzewamy go do temperatury pracy. Nie ma potrzeby nagrzewać trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego do temperatury pracy.

3. Odczytujemy wartość podciśnienia, dla silnika pracującego na biegu jałowym. Jego wartość powinna wynosić od 57 do 75kPa.

Rys.26 Pomiar nadciśnienia spalin przed trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym.

Jest to informacja o tym czy opór stawiany spalinom przez blok katalityczny nie jest za duży. Elementy na rysunku: 1 - silnik ZI; 2 - gniazdo czujnika tlenu (sondy lambda); 3 - trójfunkcyjny konwerter katalityczny; 4 - manowakuometr.

Dodatek techniczny 15

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

Powyższa metoda nie umożliwia oceny trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego pod względem zdolności do usuwania składników szkodliwych spalin. Ne można jej również wykorzystać w silnikach, w których napełnienie komór spalania silnika jest regulowane zaworami dolotowymi o zmiennym wzniosie i czasie otwarcia. Dotyczy to np. układów: Valvetronic firmy BMW i Multiair firmy Fiat.

4.2. Pomiar nadciśnienia w układzie wylotowym silnika Mierzymy nadciśnienie spalin, panujące w odcinku układu wylotowego pomiędzy silnikiem a trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym. Do takich pomiarów są produkowane manowakuometry, z końcówkami pomiarowymi umożliwiającymi ich przyłączenie do gniazda czujnika tlenu (po jego uprzednim zdemontowaniu) - np. rys.25. Pomiar wykonujemy w sposób opisany poniżej.

1.

Przyłączamy manowakuometr do gniazda po wymontowanym uprzednio czujniku tlenu - patrz rys.26.

Ze względu na często trudny demontaż czujnika tlenu (korozja), manowakuometr możny przyłączyć w miejsce wymontowanego zaworu recyrkulacji spalin lub do rurki układu dotłaczania powietrza dodatkowego (po uprzednim jej odłączeniu), od strony układu wylotowego. Oba dodatkowe miejsca przyłączenia, wymagają posiadania odpowiednich adapterów.

2.

Uruchamiamy silnik i nagrzewamy go do temperatury pracy. Nie ma potrzeby nagrzewać trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego do temperatury pracy.

3.

Odczytujemy wartość nadciśnienia, dla silnika pracującego na biegu jałowym - powinna wynosić ok.10kPa

4.

Zwiększamy prędkość obrotową silnika do ok.

2500obr/min i odczytujemy wartość nadciśnienia - powinna wynosić ok.15kPa.

5.

Zmierzone wartości nadciśnień, wyższe niż podane w pkt.3 i 4, oznaczają, że opory przepływu przez układ wylotowy są nadmierne.

6.

Za niska wartość nadciśnienia dla silnika pracującego na biegu jałowym, przy jednoczesnym występowaniu nierównej pracy silnika na biegu jałowym, może oznaczać, że nieszczelny jest zawór recyrkulacji spalin.

Proszę jednak zwrócić uwagę, że gdy blok katalityczny ulegnie znacznemu rozdrobnieniu (najpierw pęka, potem „luźne” kawałki ulegają dalszemu pokruszeniu), stwarza on strumieniowi spalin mniejsze opory przepływu niż w przypadku, gdy blok katalityczny jest nieuszkodzony. Wówczas trudno mówić o zwiększonych oporach przepływu spalin przez układ wylotowy silnika.

Powyższa metoda nie umożliwia oceny trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego pod względem zdolności do usuwania składników szkodliwych spalin.

16

Dodatek techniczny

Rys.27 Pomiar temperatury układu wylotowego przed i za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym. Oznaczenia na rysunku: T(pkk) - temperatura układu wylotowego przed trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym; T(zkk) - temperatura układu wylotowego za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym; Elementy na rysunku: 1 - silnik ZI; 2 czujnik tlenu w spalinach (sonda lambda); 3 - trójfunkcyjny konwerter katalityczny; 4 i 5 - termometr do bezkontaktowego pomiaru temperatury tzw.pirometr.

4.3. Pomiar temperatur spalin w układzie wylotowym silnika Jeśli trójfunkcyjny konwerter katalityczny pracuje, tzn. zachodzą w nim reakcje chemiczne, w wyniku których obniża się zawartość składników szkodliwych w spalinach, wówczas reakcjom tym towarzyszy wywiązywanie się ciepła.

W następstwie, temperatura spalin za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym jest wyższa niż przed nim.

Im większa jest sprawność trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego, czyli im większa ilość składników szkodliwych jest usuwana ze spalin, tym temperatura spalin za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym jest wyższa od temperatury spalin przed nim. Obniżanie się sprawności trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego powoduje, że temperatura spalin za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym, w porównaniu do temperatury spalin przed nim, obniża się.

Przedstawioną powyżej zasadę wykorzystuje się w badaniach konwerterów katalitycznych. Można ją też wykorzystać w serwisie samochodowym do:

• sprawdzenia czy trójfunkcyjny konwerter katalityczny jest zamontowany w układzie wylotowym;

• mało dokładnego sprawdzenia sprawności trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego W warunkach warsztatowych mierzymy temperatury rury układu wylotowego (rys.27): bezpośrednio przed trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym - temperatura T(pkk) i bezpośrednio za nim - temperatura T(zkk).

Pomiar wykonujemy termometrem bezkontaktowym, tzw. pirometrem, w sposób opisany poniżej.

1. Uruchamiamy silnik i nagrzewamy go do temperatury pracy.

2. W sposób opisany w podrozdziale 5.4. nagrzewamy trójfunkcyjny konwerter katalityczny i czujnik tlenu do temperatury pracy.

3. Utrzymujemy prędkość obrotową silnika w zakresie od 2500 do 3000obr/min.

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

4.

5.

6.

7.

8.

Mierzymy temperaturę T(pkk) rury układu wylotowego bezpośrednio przed trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym (4, rys.27).

Mierzymy temperaturę T(zkk) rury układu wylotowego bezpośrednio za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym (5, rys.27).

Temperatura układu wylotowego T(zkk), zmierzona bezpośrednio za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym, powinna być co najmniej 10% wyższa od temperatury T(pkk) zmierzonej bezpośrednio przed nim. Oznacza to, że prawdopodobnie trójfunkcyjny konwerter katalityczny pracuje prawidłowo.

Jeśli temperatura układu wylotowego T(zkk), zmierzona bezpośrednio za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym, jest większa od temperatury T(pkk) zmierzonej bezpośrednio przed nim, ale różnica ta jest mniejsza niż 10%, to prawdopodobnie, ze sprawność trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego jest obniżona. Może być to również spowodowane tym, że komory spalania silnika opuszczają spaliny o małej zawartości składników szkodliwych.

Jeśli temperatura układu wylotowego T(zkk), zmierzona bezpośrednio za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym, jest w przybliżeniu równa temperaturze T(pkk) zmierzonej bezpośrednio przed nim, to trójfunkcyjny konwerter katalityczny jest całkowicie zużyty, lub w obudowie nie ma bloku katalitycznego (ceramicznego lub metalowego), względnie jest on zniszczony.

5. Kontrola sprawności trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego analizatorem spalin 5.1. Wpływ sprawności trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego na skład spalin Pod określeniem „sprawność” trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego rozumiemy jego zdolność do usuwania składników szkodliwych ze spalin napływających z silnika.

Miarą tej sprawności są wartości współczynników konwersji dla: tlenku węgla (CO), węglowodorów (HC) i tlenków azotu

(NOX) - patrz podrozdział 3.7. Współczynniki konwersji dla tych składników spalin informują, jak ich część jest usuwana ze spalin.

Przykład 1. Jeśli dla tlenku węgla (CO) wartość współczynnika konwersji trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego wynosi 80%, to znaczy, że:

• z tlenku węgla (CO) zawartego w spalinach napływających do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego, usuwa on 80% tlenku węgla (CO);

• w spalinach wypływających z trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego pozostaje 20% tlenku węgla (CO), stosunku do zawartości tlenku węgla w spalinach napływających do niego.

Trzy współczynniki konwersji trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego mają różne wartości. Wartość każdego z nich zależy od (najważniejsze czynniki):

• składu spalin napływających do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego.

• jakości trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego; • stopnia zużycia trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego;

• aktualnej temperatury trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego; W warunkach stacji kontroli pojazdów ani serwisu samochodowego, diagnosta nie jest w stanie w żaden sposób zmierzyć lub ocenić wpływu wymienionych powyżej czynników na wartości współczynników konwersji szkodliwych składników spalin. Nie znamy więc ich wartości, a więc nie wiemy, jakie ilości tlenku węgla (CO), węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NOX), są usuwane ze spalin napływających z silnika, przez trójfunkcyjny konwerter katalityczny określonego pojazdu.

5.2. Wpływ składu spalin napływajcych do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego na skład spalin wypływających Skład spalin napływających z silnika do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego, jest tak dobrany, aby pracował on z możliwie maksymalną sprawnością, czyli aby wartości trzech wymienionych wcześniej współczynników konwersji, osiągały maksymalne wartości.

Aby spełnić powyższy warunek, zawartości składników szkodliwych: tlenku węgla (CO), węglowodorów (HC) i tlenków azotu (NOX), w spalinach napływających z silnika do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego nie są możliwie najniższe, ale muszą pozostawać w określonych proporcjach względem siebie.

Przykład 2. Charakterystyka układu zapłonowego jest tak dobrana, aby w spalinach napływających z silnika do trój-

Dodatek techniczny 17

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

Rys.28 Od miejsca nieszczelności układu wylotowego: A, B lub C, zależy wpływ powietrza wpływającego przez nieszczelność, na: pracę układu regulacji składu mieszanki, pracę trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego oraz skład spalin mierzony na końcu układu wylotowego. Elementy na rysunku: 1 - trójfunkcyjny konwerter katalityczny; 2 i 3 - tłumiki; 4 - połączenie kolektora wylotowego i rury układu wylotowego, przykładowe miejsce nieszczelności A; 5 - czujnik tlenu w spalinach tzw. regulacyjny; 6 - czujnik tlenu w spalinach, stosowany w silnikach ZI z systemem diagnostyki pokładowej standardu OBDII/EOBD, tzw. prowadzący.

funkcyjnego konwertera katalitycznego była podwyższona zawartość tlenku węgla (CO). Jest to spowodowane tym, że część tlenku węgla (CO) jest wykorzystywana w trójfunkcyjnym konwerterze katalitycznym do redukcji tlenków azotu (NOX). Jeśli zmniejszy się zawartość tlenku węgla w spalinach napływających z silnika do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego, to w spalinach wypływających z trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego zwiększy się zawartość tlenków azotu (NOX).

Jeśli dla danego pojazdu, dopuszczalna zawartość tlenku węgla (CO) w spalinach, mierzona na końcu układu wylotowego, wynosi 0,3%vol, to znaczy, że emisja tlenku węgla (CO) jest niższa od wartości dopuszczonej, ponieważ:

Z powyższych informacji, wynikają dla diagnostów poniższe wnioski.

1. Każdy trójfunkcyjny konwerter katalityczny, nawet najlepszy, usuwa ze spalin napływających do niego tylko część składników szkodliwych znajdujących się w nich.

2. Jeśli zawartość jednego lub więcej składników szkodliwych, w spalinach napływających z silnika do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego, będzie nadmierna, to w spalinach wypływających z trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego może również pozostać ich nadmierna zawartość, np. większa niż wynika to z urzędowych wymagań technicznych dla pojazdów.

3. Zmiana proporcji między zawartością składników szkodliwych w spalinach napływających z silnika do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego, może również spowodować zwiększenie zawartości jednego lub więcej składników szkodliwych, w spalinach wypływających z niego - patrz przykład 2.

Wnioski nr 1 i 2 ilustruję przykładem 3.

• jeśli pozwoli na to zawartość tlenu w spalinach, obniża

Przykład 3. W układzie wylotowym silnika ZI zamontowany jest trójfunkcyjny konwerter katalityczny, którego współczynnik konwersji dla tlenku węgla wynosi 80% (patrz przykład 1). Jeśli w spalinach napływających z silnika do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego zawartość tlenku węgla (CO) jest równa 1%vol, to:

• obniży on zawartość tlenku węgla (CO) w spalinach o 80% z 1%vol CO = 0,8%vol CO

• w spalinach za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym, zawartość tlenku węgla (CO) wynosi 1%vol CO - 0,8%vol CO = 0,2%vol CO

18

Dodatek techniczny

0,2%vol < 0,3%vol Jeśli jednak w spalinach napływających z silnika do trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego zawartość tlenku węgla (CO) jest wyższa - wynosi np. 4%vol, to: on w spalinach zawartość tlenku węgla (CO) o maksymalnie 80% z 4%vol CO = 3,2%vol CO

• w spalinach za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym, pozostaje tlenku węgla (CO) 4%vol CO - 3,2%vol CO = 0,8%vol CO Jeśli dopuszczalna zawartość tlenku węgla (CO) w spalinach, mierzona na końcu układu wylotowego, wynosi również 0,3%vol, to znaczy, że emisja tlenku węgla (CO) jest wyższa od wartości dopuszczonej, ponieważ: 0,8%vol > 0,3%vol

5.3. Wpływ nieszczelności układu wylotowego na skład spalin i jej wykrywanie Szczelność układu wylotowego, to bezwzględny warunek:

• prawidłowej pracy silnika ZI; • prawidłowego pomiaru składu spalin silnika ZI. Ogólna zasada mówi, że im nieszczelność układu wylotowego jest bliżej silnika, tym ma ona większy wpływ na pracę silnika.

W układach wylotowych silników, w których nie było trójfunkcyjnych konwerterów katalitycznych i czujników tlenu, jeśli powietrze wpływało przez nieszczelność do układu wylotowego silnika, to tylko rozcieńczało spaliny, fałszując wyniki pomiaru.

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

Rys.29 Zestaw urządzeń niezbędnych do pełnej oceny silnika, pod względem składu spalin silnika ZI, w serwisie samochodowym, oraz ich przyłączenie do układów silnika. Elementy na rysunku: 1 - kolektor dolotowy silnika; 2 - wtryskiwacz; 3 - tester czujnika tlenu; 4 - oscyloskop; 5 - sterownik silnika; 6 - tester diagnostyczny lub czytnik OBD; 7 - wieloskładnikowy analizator spalin; 8 - sonda poboru spalin; 9 - tłumiki układu wylotowego; 10 - trójfunkcyjny konwerter katalityczny; 11 - regulacyjny czujnik tlenu; 12 - silnik ZI. Na rysunku nie pokazałem czujnika tlenu za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym, występującego w układach wylotowych silników z systemem OBDII/EOBD, gdyż jego sygnał nie jest przeznaczony do interpretacji przez diagnostę serwisu samochodowego - jest to sygnał dla systemu OBDII/EOBD sterownika.

Obecnie, gdy trójfunkcyjne konwertery katalityczne i czujniki tlenu (co najmniej jeden) są montowane w prawie wszystkich układach wylotowych silników samochodowych oraz często również motocykli, przedostawanie się powietrza do układu wylotowego może mieć dalej idące konsekwencje.

Wyjaśnia to rys.28 i poniższy komentarz do niego.

1. Jeśli nieszczelność (C) znajduje się pomiędzy trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym 1 a końcówką układu wylotowego, to powietrze wpływające przez nieszczelność tylko rozcieńcza spaliny, powodując pozorne zmniejszenie zawartości składników toksycznych.

Rośnie zawartość tlenu w spalinach, a w następstwie rośnie również wartość współczynnika λ składu mieszanki, obliczana przez analizator spalin.

2. Jeśli nieszczelność (B) znajduje się pomiędzy pierwszym (licząc od silnika) czujnikiem tlenu w spalinach (nazywany regulacyjnym) a trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym, to powietrze wpływające przez nieszczelność rozcieńcza spaliny oraz powoduje, że trójfunkcyjny konwerter katalityczny przestaje prawie całkowicie usuwać tlenki azotu NOX (patrz rys.16).

Wprawdzie zwiększona zawartość tlenu w spalinach powoduje, że trójfunkcyjny konwerter katalityczny bardzo skutecznie usuwa ze spalin tlenek węgla (CO) i węglowodory (HC) - patrz rys.15, ale to nie rekompensuje dużego wzrostu zawartości tlenków azotu (NOX) w spalinach.

3. Jeśli nieszczelność (A) znajduje się pomiędzy silnikiem

a pierwszym (licząc od silnika) czujnikiem tlenu w spalinach (nazywany regulacyjnym), to powietrze wpływające przez nieszczelność rozcieńcza spaliny, istotnie obniża zdolność trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego do usuwania ze spalin tlenków azotu (NOX) oraz - co najważniejsze, tlen, składnik wpływającego przez nieszczelność (A) powietrza, powoduje wzbogacenie mieszanki zasilającej silnik. Obecność większej ilości tlenu w spalinach jest bowiem interpretowana przez układ regulacji składu mieszanki, z czujnikiem tlenu w spalinach, jako następstwo spalania ubogiej mieszanki, dlatego poleca on wzbogacić mieszankę zasilającą silnik.

Jeśli nieszczelność (A) jest niewielka, układ regulacji składu mieszanki, z czujnikiem tlenu w spalinach, nadal pracuje w tzw. pętli zamkniętej (skład mieszanki jest regulowany), ale dostarczana do silnika mieszanka jest za bogata. Rośnie więc zawartość tlenku węgla (CO) i węglowodorów (HC) w spalinach.

Jeśli natomiast nieszczelność (A) jest na tyle duża, że układ regulacji składu mieszanki, z czujnikiem tlenu w spalinach, nie jest w stanie tak wzbogacić mieszanki, aby uzyskać skład bliski stechiometrycznemu, to przechodzi on do pracy w tzw. pętli otwartej. Układ regulacji składu mieszanki nie uwzględnia wówczas sygnału czujnika tlenu (skład mieszanki jest tylko sterowany).

Może również zostać zapisany kod błędu w pamięci sterownika, jeśli przewiduje to program diagnostyczny układu sterującego silnikiem. Zapisany kod usterki

Dodatek techniczny 19

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

może mieć następującą treść: „za uboga mieszanka”, „korekcja dawki paliwa - nieprawidłowa wartość” lub „za niska wartość sygnału czujnika tlenu”.

W układzie wylotowym silnika, z systemem diagnostyki pokładowej standardu OBDII/EOBD, za trójfunkcyjnym konwerterem jest dodatkowo zamontowany tzw. prowadzący czujnik tlenu (6, rys.28). Jeśli powietrze wpływa przez nieszczelności (A) lub (B), to również zakłóca pracę tego czujnika tlenu.

Jeśli ilość wpływającego powietrza jest niewielka, to w sterowniku może zostać zapisany kod usterki, informujący błędnie o niskiej sprawności trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego.

Jeśli ilość powietrza wpływającego przez nieszczelność (A) lub (B) jest duża, to najprawdopodobniej zostanie to wykryte przez system OBDII/EOBD i nastąpi zapisanie w sterowniku kodu usterki, który informuje o uszkodzeniu lub za niskiej wartości sygnału czujnika tlenu zamontowanego za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym.

Proszę również zwrócić uwagę, że skład spalin silnika ZI będzie też sugerował nieszczelność układu wylotowego, jeśli:

• sonda poboru spalin analizatora spalin, jest włożona na zbyt małą głębokość do końcówki układu wylotowego;

• sonda, rurka poboru spalin lub połączenia na drodze doprowadzającej spaliny do komór pomiarowych analizatora spalin, są nieszczelne.

Nieszczelności układu wylotowego można wykryć bez żadnych urządzeń diagnostycznych: • przez kontrolę wzrokową - metoda ta nie daje jednak pewności wykrycia małych, trudno widocznych nieszczelności;

• słuchając, czy występuje dźwięk towarzyszący przepływowi spalin lub powietrza, z dużą prędkością, przez nieszczelności - metoda w mojej opinii skuteczna, pozwala wskazać miejsce nieszczelności, ale tylko dla osób z dobrym słuchem.

Uniwersalne są metody oparte na pomiarze składu spalin.

Jeśli nie posiadamy analizator spalin, który oblicza tzw. korygowaną zawartość tlenku węgla (COkor) to postępujemy w sposób opisany poniżej.

• Wykonujemy pomiar składu spalin. Czekamy na ustabilizowanie wartości podawanych przez analizator spalin (min. 15s).

• Po ich ustabilizowaniu się, sumujemy zawartości w spalinach tlenku węgla (CO) i dwutlenku węgla (CO2).

• Jeśli suma zawartości w spalinach tlenku węgla (CO) i dwutlenku węgla (CO2) jest równa w zaokrągleniu 15 (proszę pamiętać o dokładności pomiarowej analizatora spalin), to oznacza, że układ wylotowy silnika oraz sonda i rurka poboru spalin analizatora spalin są szczelne, a sonda poboru spalin jest włożona do końcówki układu wylotowego silnika na prawidłową głębokość.

• Jeśli suma zawartości w spalinach tlenku węgla (CO) i dwutlenku węgla (CO2) jest mniejsza od 15, to oznacza,

20

Dodatek techniczny

że układ wylotowy silnika lub sonda poboru spalin lub rurka poboru spalin analizatora spalin są nieszczelne, względnie głębokość osadzenia sondy poboru spalin w końcówce układu wylotowego silnika jest za mała.

• Jeśli suma zawartości w spalinach tlenku węgla (CO) i dwutlenku węgla (CO2) jest większa od 15 to oznacza, że trójfunkcyjny konwerter katalityczny ma wysoką sprawność i „dopala” w spalinach prawie wszystko to, co może, dzięki czemu zawartość dwutlenku węgla (CO2) w spalinach jest wysoka. Trudno wówczas jednoznacznie określić, czy układ wylotowy oraz układ poboru spalin analizatora spalin są całkowicie szczelne.

5.4. Nagrzewanie trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego i czujnika tlenu do temperatury pracy Wiemy z podrozdziału 3.8., że zdolność oczyszczania spalin przez trójfunkcyjny konwerter katalityczny, zależy istotnie od jego temperatury. Dopiero po osiągnięciu określonej umownie temperatury początku pracy, trójfunkcyjny konwerter katalityczny zaczyna oczyszczać spaliny.

Wraz z rosnącym przebiegiem samochodu rośnie wartość temperatury początku pracy trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego. Orientacyjnie wiemy, że następuje to już po przebiegu ok. 80000km, w samochodach z przełomu lat osiemdziesiątych i dziewięćdziesiątych. W samochodach współczesnych następuje to po znacznie większym przebiegu.

Również, aby czujnik tlenu w spalinach mógł pracować, czyli wysyłać do sterownika sygnał, który sterownik może wykorzystać, czujnik tlenu musi osiągnąć określoną, minimalną temperaturę pracy - ok. 350°C. Temperatura czujników tlenu, bez własnej grzałki (jedno lub dwuprzewodowe) zależy tylko od temperatury opływających je spalin, dlatego gdy silnik pracuje przez dłuższy czas na biegu jałowym, temperatura spalin może nie zapewnić czujnikowi tlenu minimalnej, wymaganej dla niego pracy temperatury. Układ regulacji składu mieszanki przestaje wówczas pracować, co może spowodować, że skład spalin nie będzie odpowiadał wymaganemu.

W silnikach, w których zamontowane są czujniki tlenu z grzałką (z trzema i więcej przewodami), grzałka dogrzewa czujnik tlenu tak, aby mógł on pracować niezależnie od temperatury spalin.

Jeśli wykonujemy pomiary, przy których trójfunkcyjny konwerter katalityczny oraz czujnik tlenu muszą pracować w swoich temperaturach pracy, wówczas obu elementom należy zapewnić osiągnięcie tych temperatur. W przeciwnym wypadku wyniki tych pomiarów mogą być nieprawidłowe.

Proponuję trzy metody nagrzewania obu podzespołów.

Metoda pierwsza.

1. Nagrzewamy silnik do temperatury pracy - min. 80°C. 2. Bezpośrednio przed pomiarem składu spalin, silnik powinien pracować z prędkością obrotową ok. 3000obr/ min, przez ok. 3 minuty.

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

Metoda druga - podaję ją za dokumentacją serwisową firmy Honda.

1.

Proszę uzyskać temperaturę silnika nie niższą niż 80°C.

2.

Proszę zwiększyć prędkość obrotową silnika do ok.

2500 - 3000obr/min.

3.

Po ok. 20s pracy silnika z prędkością obrotową silnika od 2500 do 3000obr/min, proszę szybkim naciśnięciem pedału gazu podnieść prędkość obrotową silnika do ok. 4500obr/min, a zaraz po jej osiągnięciu proszę szybko, całkowicie zdjąć nogę z pedału gazu. Czekamy, aż prędkość obrotowa silnika obniży się do prędkości obrotowej biegu jałowego.

4.

Niezwłocznie po osiągnięciu prędkości obrotowej biegu jałowego, proszę powtórzyć czynności opisane w pkt.2 i 3. Cykl ten powtarzamy 6 razy.

Na czym polega skuteczność powyższej metody? Podczas gwałtownego wzrostu prędkości obrotowej silnika, od ok.

3000obr/min do ok. 4500obr/min, układ wtryskowy podaje dodatkową dawkę paliwa. Jak zawsze przy gwałtownym przyspieszaniu, silnik nie spala całej dawki paliwa. Jej część przedostaje się do układu wylotowego (w postaci par) i trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego.

Ponieważ zaraz po gwałtownym przyspieszeniu, całkowicie cofamy pedał gazu, dlatego dawka wtryskiwanego paliwa jest zmniejszana lub całkowicie wyłączana. W konsekwencji, przez trójfunkcyjny konwerter katalityczny, przepływają spaliny z ubogiej mieszanki lub tylko powietrze. Tlen znajdujący się w takich spalinach lub powietrzu „spotyka się” w trójfunkcyjnym konwerterze katalitycznym z paliwem, które wcześniej napłynęło. Następuje intensywne utlenianie paliwa, a w konsekwencji rośnie temperatura trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego.

Trzecią metodą nagrzewania trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego oraz czujnika tlenu, jest ich nagrzewanie podczas jazdy. Nie może to być jednak jazda miejska, ale jazda z w średnim zakresie obciążeń, np. 70km/h na V biegu, na odcinku kilku kilometów. Pomiary należy wykonywać bezpośrednio po przyjeździe do serwisu.

5.5. Wpływ pokrycia osadami węglowymi trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego i czujnika tlenu, na skład spalin Podczas nagrzewania się silnika, zanim osiągnie on temperaturę 80°C, spaliny zawierają większą ilość produktów niedokończonego spalania paliwa - nazywamy je osadami węglowymi lub nagarami miękkimi. Pokrywają one kanały trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego, przez który płyną spaliny, oraz ceramikę specjalną czujnika tlenu - jego element pomiarowy.

Jeśli proces nagrzewania silnika do prawidłowej temperatury pracy jest możliwie krótki, co warunkuje:

• rozpoczęcie jazdy samochodem niezwłocznie po uruchomieniu silnika (jedynie przy temperaturach rzędu -15°C i niższych, można odczekać do 15s od chwili uruchomienia silnika, aż olej silnikowy dopłynie do elementów układu rozrządu, w głowicy);

• możliwie mały udział pracy silnika na biegu jałowym; • możliwie duży udział pracy silnika z obciążeniem (korzystny jest styl jazdy tzw. Eco-driving); to podczas nagrzewania powstaje możliwie mało osadów węglowych.

Po nagrzaniu silnika do prawidłowej temperatury, jeśli trójfunkcyjny konwerter katalityczny i czujnik tlenu osiągną temperatury rzędu 600°C, to nagromadzone wcześniej osady węglowe ulegają stopniowo utlenieniu (dopaleniu). Przy niższych temperaturach proces ten nie następuje.

Jeśli warstwa osadów węglowych powstała podczas jednej jazdy nie utleniła się, a podczas następnych jazd powstały kolejne warstwy osadów węglowych, to coraz bardziej utrudniają dostęp spalinom do warstwy aktywnej (katalitycznej) zarówno trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego (patrz rys.14) oraz do ceramiki specjalnej czujnika tlenu.

Będą się one wówczas zachowywać, jak mniej lub bardzie zużyte - zależy to od ilości nagromadzonych osadów).

Powyższy problem dotyczy samochodów eksploatowanych głównie w ruchu miejskim. Jego powstawaniu sprzyjają:

• duży udział jazd na krótkich odcinkach, na których silnik nie zdąży się nagrzać

• długie czasy postoju w „korkach” Może być też spowodowane uszkodzeniem, które powoduje, że silnik za długo się nagrzewa. Przyczyną takiego uszkodzenia może być przykładowo zablokowanie termostatu w pozycji otwartej.

Jeśli skład spalin jest nieprawidłowy, a zapytany kierowca potwierdzi, że samochód jest eksploatowany głównie w mieście, to pomiar składu spalin należy powtórzyć. Przed powtórnym pomiarem, samochód powinien wyjechać na „przejażdżkę”, podczas której przez ok. 15 do 20km będzie jechał z możliwie stałą prędkością od 70 do 90 km/h, na 5 lub wyższym biegu. Celem tej jazdy jest utlenienie zgromadzonych osadów węglowych. Jeśli to one były przyczyną nieprawidłowego składu spalin, to taka „przejażdżka” powinna go zdecydowanie poprawić.

5.6. Pomiar i ocena składu spalin za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym W serwisie samochodowym, sprawność trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego można ocenić tylko przez pomiar składu opuszczających go spalin. Przed wieloma laty układy wylotowe posiadały rurkę do poboru spalin, przed trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym, co umożliwiało obliczenie współczynnika konwersji dla tlenku węgla - patrz podrozdział 3.7.

Dodatek techniczny 21

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

Obecnie takiej rurki nie ma, co utrudnia zadanie.

Mierząc skład spalin analizatorem, nieznamy:

• aktualnej temperatury trójfunkcyjnego konwertera katalitycznego;

• składu spalin napływających z silnika - patrz podrozdział 5.2; Dla uzyskania prawidłowej temperatury pracy, nagrzewamy trójfunkcyjny konwerter katalityczny przed pomiarem patrz podrozdział 5.4.

Nie jest natomiast możliwy bezpośredni pomiar składu spalin napływających z silnika. Można to tylko ocenić pośrednio.

W tym celu, podczas wykonywania analizy spalin, oprócz analizatora spalin, proponuję użycie dodatkowych urządzeń - patrz rys. 29 Tester diagnostyczny (6), wykorzystujemy do odczytu z programu sterownika wartości dwóch paramentów:

• SHRT FT X - chwilowa korekcja czasu wtrysku dla bloku cylindrów nr X silnika [%].

• LONG FT X - długookresowa korekcja czasu wtrysku dla bloku cylindrów nr X silnika [%]; Opisywałem te parametry w „Dodatkach Technicznych” nr 40/2011 i 41/2011.

Jeśli wartość parametru:

Rys.30 Zmiana składu spalin, wyrażona zmianą wartości współczynnika lambda (λR) rzeczywistego składu mieszanki (linia nr 1 wykresu), to następstwo pracy układu regulacji składu mieszanki. Wieloskładnikowy warsztatowy analizator spalin oblicza wartość współczynnika lambda (λŚR) średniego składu mieszanki zasilającej silnik (linia nr 2 wykresu). Potrzebuje na to wiele czasu (tzw. czas narostu mierzonej wartości może wynosić do 60s), dlatego wartość tego współczynnika ulega powolnym zmianom, które nie odpowiadają rzeczywistym zmianom składu spalanej przez silnik mieszanki.

Nie obrazuje więc on pracy układu regulacji składu mieszanki w stopniu, który pozwala na jednoznaczną ocenę sprawności układu regulacji składu mieszanki.

• SHRT FT X - stale zmienia się w zakresie ±3%, z dopuszczalnymi chwilowymi przekroczeniami tego zakresu, do 7% lub -7% (w niektórych samochodach, prawidłowy jest zakres zmian wartości wynosi ±5%, z dopuszczalnymi chwilowymi przekroczeniami do 10% lub do -10%)

• LONG FT X - jest w zakresie ±10% (w długich okresach czasu jego wartość nie ulega zmianie); to oznacza, że układ sterowania zasila silnik mieszanką o wymaganym składzie. Nie oznacza to jednak, że nie występuje jakieś uszkodzenie w układzie sterowania silnika. Jeśli występuje, to nie ma ono wpływu na skład mieszanki zasilającej silnik. Jeśli system diagnostyczny układu sterowania silnika umie wykryć uszkodzenie, to będzie o tym zapewne informacja w postaci kodu usterki.

Jeśli: • wartość parametru SHRT FT X nie ulega stałym zmianom lub zmienia się w zakresie innym niż podałem;

• wartość parametru LONG FT X ma wartość po za podanym zakresem; wówczas skład mieszanki zasilającej silnik, a więc również skład spalin opuszczających układ wylotowy, mogą odbiegać od wymaganych.

Tester (3) lub oscyloskop (4) służy do sprawdzenia sygnału dwustanowego czujnika tlenu. Do sprawdzenia sygnału szerokopasmowego czujnika tlenu zalecam wykorzystywać tester diagnostyczny.(6). Można to wykonać oscyloskopem, ale tylko pod warunkiem znajomości konstrukcji szerokopasmowego czujnika tlenu, danego producenta.

Sygnał czujnika tlenu jest konieczny dla oceny, czy układ regulacji składu mieszanki pracuje prawidłowo. Po co potrzebna jest ta wiedza?

22

Dodatek techniczny

Trójfunkcyjny konwerter katalityczny pracuje najsprawniej tylko wówczas, gdy skład spalanej mieszanki oscyluje w zakresie tzw. okna lambda, w stosunku do składu stechiometrycznego (λ = 1) - patrz rys.17. Tylko sygnał czujnika tlenu, odpowiedni dla danego typu czujnika tlenu, jest pośrednią informacją o wartości współczynnik lambda rzeczywistego składu mieszanki (λR). Jeśli:

• czujnik tlenu nie jest zużyty tzn. posiada prawidłową charakterystykę;

• układ regulacji składu mieszanki pracuje i wykorzystuje sygnał czujnika tlenu;

• sygnał czujnika tlenu zmienia się w sposób wskazujący na prawidłową pracę układu regulacji składu mieszanki; to oznacza, że również wartość współczynnika lambda rzeczywistego składu mieszanki (λR) zmienia się w sposób prawidłowy.

Uważny czytelnik zapewne zapyta: ale analizator spalin również mierzy współczynnik lambda składu mieszanki (λ) - czy to nie jest to samo? Odpowiedź - nie. Analizator spalin mierzy tzw. współczynnik lambda średniego składu mieszanki (λŚR), a to nie to samo. Zmiana wartości tego parametru, nie daje pewności, czy układ regulacji składu mieszanki pracuje prawidłowo. Wyjaśnia to rys.30.

Jeśli ktoś jest osobą dokładną, to dopiero po omówionych powyżej czynnościach sprawdzających, przyłączy analizator spalin i rozpocznie pomiar składu spalin. Pierwszą czynnością po ustabilizowaniu się odczytów zawartości tlenku węgla (CO) i dwutlenku węgla (CO2) w spalinach (min.15s od ustalenia warunków pracy silnika lub włożenia sondy ana-

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

którą mierzy analizator spalin. Wynika to z tego, że skład spalanej mieszanki ma istotny wpływ na skład spalin opuszczających trójfunkcyjny konwerter katalityczny - przeanalizujmy wykres na rys.31.

Jeśli silnik ZI jest zasilany mieszanką bogatą, o składzie charakteryzowanym wartością współczynnika λ = 0,95 (rys.31), to w porównaniu z silnikiem zasilanym mieszanką stechiometryczną (λ = 1):

• większe jest zużycie paliwa; • spaliny za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym zawierają więcej węglowodorów (HC, punkt B wykresu) i tlenku węgla (CO, punkt C wykresu) - więcej tych składników spalin powstaje w komorach spalania silnika (patrz rys.15), a ze względu na małą ilość tlenu (O2) w spalinach (patrz rys.4), trójfunkcyjny konwerter katalityczny usuwa ze spalin tylko ich małą część (patrz rys.15);

• spaliny za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym

Rys.31 Jeśli silnik ZI jest zasilany mieszanką bogatą, o współczynniku lambda (λ) składu mieszanki równym 0,95, to mierzone za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym (zkk) zawartości w spalinach tlenków azotu (NOX), węglowodorów (HC) i tlenku węgla (CO) są oznaczone odpowiednio literami A, B i C. Jeśli natomiast silnik ZI jest zasilany mieszanką ubogą, o współczynniku lambda (λ) składu mieszanki równym 1,05, to mierzone za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym (zkk) zawartości w spalinach tlenków azotu (NOX), węglowodorów (HC) i tlenku węgla (CO) są oznaczone odpowiednio literami D, E i F. Na wykresie jest zaznaczony zakres wartości współczynnika lambda (λZW) składu mieszanki, od 0,97 do 1,03, w którym, zgodnie z urzędowymi wymaganiami technicznymi dla samochodów wyposażonych w trójfunkcyjny konwerter katalityczny i czujnik tlenu w układzie wylotowym silnika, ma mieścić się wartość współczynnika lambda (λ) składu mieszanki, obliczana przez analizator spalin.

lizatora spalin do końcówki układu wylotowego) jest ocena szczelności układu wylotowego na podstawie udziału tych składników - patrz rozdział 5.3.

Drugą czynnością (min.60s od ustalenia warunków pracy silnika lub włożenia sondy analizatora spalin do końcówki układu wylotowego) jest odczyt wartości współczynnika lambda średniego składu mieszanki (λŚR).

Jeśli wymagania techniczne nie podają inaczej, to wartość współczynnika lambda średniego składu mieszanki (λŚR), mierzona analizatorem spalin, powinna się mieścić w zakresie od 0,97 do 1,03. Jest to szczególnie istotne, jeśli uprzednio nie sprawdzaliśmy, czy układ regulacji składu mieszanki pracuje (przez sprawdzenie sygnału czujnika tlenu).

Może się jednak zdarzyć, że mimo sprawności silnika i jego układów oraz szczelności układu wylotowego, współczynnik lambda średniego składu mieszanki (λŚR) nie mieści się w wymaganym zakresie. Jest to spowodowane zużyciem lub uszkodzenie czujnika tlenu, co powoduje zmianę jego charakterystyki. W układach regulacji składu mieszanki, z jednym czujnikiem tlenu w układzie wylotowym bloku cylindrów, sterownik nie ma możliwości wykrycia tej zmiany i jej skorygowania.

Analizując skład mieszanki, powinniśmy uwzględniać wartość współczynnika lambda średniego składu mieszanki (λŚR),

zawierają mniej tlenków azotu (NOX, punkt A wykresu) - mniej tych składników spalin powstaje w komorach spalania silnika (patrz rys.16), a ze względu na małą ilość tlenu (O2) w spalinach (patrz rys.4), trójfunkcyjny konwerter katalityczny usuwa ze spalin ich dużą część (patrz rys.16).

Jeśli silnik ZI jest zasilany mieszanką ubogą, o składzie charakteryzowanym wartością współczynnika λ = 1,05 (rys.31), to w porównaniu z silnikiem zasilanym mieszanką stechiometryczną (λ = 1):

• mniejsze jest zużycie paliwa; • spaliny za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym zawierają mniej węglowodorów (HC, punkt E wykresu) i tlenku węgla (CO, punkt F wykresu) - mniej tych składników spalin powstaje w komorach spalania silnika (patrz rys.15), a ze względu na dużą ilość tlenu (O2) w spalinach (patrz rys.4), trójfunkcyjny konwerter katalityczny usuwa ze spalin ich dużą część (patrz rys.15);

• spaliny za trójfunkcyjnym konwerterem katalitycznym zawierają bardzo dużo tlenków azotu (NOX, punkt D wykresu) - więcej tych składników spalin powstaje w komorach spalania silnika (patrz rys.16), a ze względu na dużą ilość tlenu (O2) w spalinach (patrz rys.4), trójfunkcyjny konwerter katalityczny usuwa ze spalin jedynie ich bardzo małą część, lub nawet powoduje zwiększenie ich zawartości (patrz rys.16).

Konieczny jest komentarz dotyczący tlenków azotu (NOX).

Większość związków tlenu i azotu bardzo szkodliwie oddziałuje na nasz organizm - patrz podrozdział 2.9. Słusznie więc, że część diagnostów chce mierzyć zawartość w spalinach również tej grupy związków, ale obecnie bezpośredni pomiar zawartości tlenków azotu (NOX) w spalinach, analizatorem spalin, wiąże się z dużymi nakładami (hamownia podwoziowa) i jest trudny do interpretacji. Przy aktualnym stanie techniki diagnostycznej, dostępnej dla serwisów, łatwiej i taniej można kontrolować emisję tlenków azotu (NOX) dwoma pośrednimi sposobami:

Dodatek techniczny 23

Trójfunkcyjne konwertery katalityczne

• kontrola wartości współczynnika lambda (λ) mieszanki

• kontrola sprawności regulacyjnego czujnika tlenu i ukła-

silnika, przez bezpośredni pomiar. Nawet, jeśli kod usterki informuje nieprawidłowym składzie mieszanki zasilającej silnik, to program systemu diagnostycznego sterownika uzyskuje tę wiedzę pośrednio, przez analizę parametrów pracy silnika i jego układów.

Nie jest więc prawdą, że:

du regulacji składu mieszanki.

Uwzględniając przedstawione zależności, proponuję korzystania przy analizie składu spalin z informacji ujętych w tabeli 1.

w serwisie samochodowym i stacji kontroli pojazdów (a twierdzą to nawet przedstawiciele firm sprzedających te urządzenia);

zasilającej silnik - nie może być ona uboższa niż dopuszczają to wymagania techniczne producenta samochodu lub urzędowe wymagania techniczne dla pojazdów (λ od 0,97 do 1,03);

• wieloskładnikowy analizator spalin jest już niepotrzebny

• tester diagnostyczny już zastąpił analizator spalin.

5.7. Analizator spalin a tester diagnostyczny

Jest natomiast prawdą, że coraz trudniejsza jest interpretacja wyników uzyskiwanych z pomocą wieloskładnikowego analizatora spalin i ich powiązanie z informacjami uzyskanymi z pomocą innych urządzeń diagnostycznych silników.

Wieloskładnikowy analizator spalin to nadal jedyne urządzenie diagnostyczne, które informuje nas o składzie spalin

Interpretacja składu spalin silnika ZI, mierzonego warsztatowym analizatorem spalin (1,2,3 Lp.

Opis stanu technicznego silnika i jego układów lub ich uszkodzenia

1

Silnik sprawny, czujnik tlenu i konwerter katalityczny nowy lub o niewielkim zużyciu

λ

HC

CO

O2

CO2

0,98-1,02

0-30

0-0,30

0-0,20

14,8-16,0

↓↓

↓↓

↑↑

2

Konwerter katalityczny o podwyższonej sprawności

0,98-1,02

↓↓

3

Konwerter katalityczny o obniżonej sprawności

0,98-1,02

↑↑

↑↑

↑↑

↓↓

0,98-1,02

↑

↑

↑

↓

Konwerter katalityczny: 4

• o za niskiej temperaturze; • pokryty osadami.

5

Silnik jest zasilany mieszanką bogatą

<0,98

↑

↑↑

↓

↓

6

Silnik jest zasilany mieszanką ubogą

>1,02

↓

↓

↑↑

↓

↓

↓

↑↑

↓

↑↑

↑

↑

↓

• Jeden lub więcej wtryskiwaczy benzyny zanieczyszczone - wtryskują mniej

0,98-1,02

paliwa.

7

• Jeden z wtryskiwaczy nie wtryskuje paliwa.

• Nieszczelność układu wylotowego pomiędzy silnikiem a pierwszym (regulacyjnym) czujnikiem tlenu.

8

• Niepełny proces spalania w jednej z komór spalania np. wskutek jej nieszczelności • „Słaba” iskra na świecy zapłonowej lub przeskok iskry w niewłaściwym miejscu

">1,02 układ regulacji składu mieszanki nie pracuje”

<1,00

świecy zapłonowej lub jej brak

Uwagi: W tabeli są podane najbardziej prawdopodobne zmiany składu spalin silnika ZI, występujące przy różnych uszkodzeniach silnika i jego układów, w stosunku do wzorcowego składu spalin podanego w pozycji 1.

Pomiar składu spalin należy wykonywać:

• dla silnika nagrzanego do temperatury pracy; • dla konwertera katalitycznego nagrzanego do temperatury pracy (nie można jej zmierzyć, ale można zapewnić jej prawdopodobne osiągnięcie); • dla czujnika tlenu bez grzałki, nagrzanego do temperatury pracy (analizę spalin należy wykonywać bezpośrednio po jeździe lub nagrzewaniu konwertera katalitycznego); jeśli czujnik tlenu ma grzałkę, zapewnia mu ona wymaganą temperaturę pracy; przy prędkości obrotowej biegu jałowego oraz przy prędkości obrotowej w zakresie od 2000 do 3000 obr/min.

Symbole w tabeli oznaczają: ↑ - mały wzrost udziału objętościowego składnika spalin; ↑↑ - duży wzrost udziału określonego składnika spalin; ↓ - małe zmniejszenie udziału objętościowego składnika spalin; ↓↓ - duże zmniejszenie udziału objętościowego składnika spalin.

24

Dodatek techniczny