Niestety zanim Szpec będzie mógł przenieść skład spalin na określone osiągi, oszczędność, lub elestyczność, Szpec musi wiedzieć jakie są składniki spalin, skąd one pochodzą i dlaczego sie tam pojawiaja. Identyfikacja składników to jest ta łatwiejsza część. Z wielu chemicznych kombinacji które składają się na typowe gazy wydechowe, tylko 4 z nich dają przydatną informację. Tymi gazami są - weglowodory (hydrocarbons) HC, tlenek węgla (carbon monoxide) CO, tlen (oxygen) O2 i dwutlenek węgla (carbon dioxide) CO2. Piąty składnik - tlenek azotu (oxides of nitrogen) NO - jest obecny ale mierzenie go na etapie serwisowym jest nie praktyczne i nie ekonomiczne.
Co to jest HC???
Pierwszą grupą gazów którą mierzymy są węglowodory HC. Węglowodory odpowiadaja za foto-chemiczny smog, który podrażnia oczy i zawiera znane substancje rakotwórcze. Złą wiadomością jest to, że HC są obecne we wszystkich produktach bazujacych na ropie naftowej (benzyna, oleje silnikowe, oleje przekładniowe, diesel itp)
Składniki, które są stworzone z kilku atomów wodoru H i węgla C, mogą dostać sie do atmosfery na dwa sposoby. Pierwszy - przez parowanie, drugi i najczęstszy - przez ich obecność w spalinach.
W momencie pomiaru spalin analizatorem (z próbnikiem na podczerwień), HC wskazuje ilość niedopalonego paliwa w częściach na milion (Parts Per Million) PPM które "uciekły" z procesu spalania.
Co powoduje niedopalanie HC???? Podczas procesu spalania, każde zgubienie zapłonu (bez znaczenia z jakiego powodu) będzie przyczyniało się do wyższych niż normalnie wskazań HC. Typową przyczyną wysokiego poziomu HC są: brak iskry, niewystarczający czas trwania iskry, niewłaściwy moment zapłonu, problemy z zapaleniem mieszanki oraz uszkodzenie mechaniczne ( zbyt niski stopień sprężania). Jako dodatek do tego, niewłaściwy skład mieszanki przyczynia sie również do wyższych odczytów HC niż normalne.
Mieszanka zbyt bogata (za dużo paliwa) lub zbyt uboga (za dużo powietrza) nie bedzie ulegała całkowitemu spaleniu.
Co to jest CO???
Po zrozumieniu podstaw HC, następnym gazem którym się zajmiemy jest tlenek węgla CO. Tlenek węgla jest wysoko toksycznym gazem (mierzonym jako procent ilości spalin) który formuje się w komorze spalania w momencie gdy jest tam za mało tlenu O2 aby podczas procesu spalania mieszanki paliwowej utworzyć CO2.
W przeciwieństwie do HC, CO może sie utworzyć tylko jeśli miał miejsce proces spalania. Aby zilustrować to stwierdzenie, załóżmy, że skład mieszanki (powietrze/paliwo) jest właściwy ale na świecach załonowych nie przeskoczyła iskra w wyniku uszkodzonej cewki zapłonowej. To w momencie odpalania silnika będzie powodowało wskazania HC poza górnym zakresem, w momencie gdy odczyt CO będzie na poziomie zero (bo nie zachodzi proces spalania). Inny przykład. Załóżmy że skład mieszanki został ustawiony na bardzo bogaty i mieszanka próbuje się spalić. W tym wypadku oba odczyty HC i CO bedą wysokie. Aby zrozumieć dlaczego, musimy przyjrzeć się końcowemu rezultatowi procesu spalania bardzo bogatej mieszanki. W momencie gdy jest więcej paliwa niż powietrza, występuje niedobór tlenu, co przyczynia się do nie całkowitego dopalenia i tworzy się CO.
Kolejnym składnikiem nie całkowitego spalenia są małe cząsteczki paliwa, które są wykrywane w spalinach jako HC.
[center]
[/center]Przed rozpoczęciem poszukiwań przyczyny.....
Przed rozpoczęciem poszukiwań przyczyny wysokich odczytów CO, zanotuj, że jakakolwiek przyczyna zwiększająca ilość paliwa (bez kompensacji ilości powietrza) lub ograniczająca ilość powietrza (bez kompensacji ilości paliwa) wlatującego do komory spalania, będzie uwidaczniało się tworzeniem się podwyższonego CO.
Częstymi przyczynami takiej mieszanki i związanych z nią wysokich odczytów CO są: "zabity" filtr powietrza, zacięte ssanie, wewnętrzny wyciek paliwa, niewłaściwe ustawienie pływaka, zacięty system PCV, bogate ustawienie biegu jałowego, brudny gaźnik lub cieknące wtryskiwacze.
Podsumowując, odczyty HC odnoszą się do tego, jak dobrze silnik spala mieszankę, gdy CO jest wskaźnikiem jak poprawnie paliwo i powietrze jest zmieszane i spalone.
Potrzeba analizowania 4 gazów.
Katalizatory spalin zostały wprowadzone w USA i niektórych krajach Europy w połowie lat 70, głównie aby zredukować emisje CO i HC. Katalizator łączy O2 i CO i HC w wodę H2O i dwutlenek węgla CO2.
Przez umieszczenie katalizatora po stronie wydechowej, wydajność silnika, zużycie paliwa i elastyczność samochodów jest najmniej pogorszona. Niestety takie położenie katalizatora stanowi główny problem, gdy chcemy odczytać wskazania składu spalin, które odzwierciedlają wydajność silnika.
Jeśli katalizator robi to co powinien, może on sprawić, że źle działający silnik będzie miał odzczyty jak sprawny, przez chemiczną redukcję HC i CO, przed tym jak opuszczą one rurę wydechową. Jeśli chodzi o wydajność, to wartości odczytane za katalizatorem nie są dokładnie tym, co Szpec chciałby zobaczyć.
Aby obejść problem wpływu katalizatora na HC i CO, producenci odkryli sposób odczytu zawarości dwóch gazów, które nie są zafałszowane przez katalizator: O2 i CO2. Jak się okazało, CO2 jest w rzeczywistości lepszym wskaźnikiem wydajności silnika niż łącznie CO i HC.
HC, CO, CO2, O2
Tak jak CO, również CO2 i O2 są wyrażane jako procent objętości spalin. Generalna zasada, silnik pracuje najbardziej wydajnie, gdy CO2 jest w najwyższym stężeniu (poziom pomiędzy 12-15% jest pożądanym zakresem).
CO2 będzie miało max na danej wartości bez względu czy samochód ma, czy nie ma katalizatora, co czyni CO2 doskonałym wskaźnikiem wydajności spalania. Gdy tylko zawartość CO2 jest określona, Szpec może szybko ustalić jak wydajnie silnik działa przez eksperymentowanie ze składem mieszanki. Umieść swoją rękę nad wlotem powietrza do gaźnika i obserwuj, co się stanie. Jeśli wskazania CO2 podskoczą , to znaczy, że silnik nie pracuje tak wydajnie jak jest to możliwe, i dalsze poszukiwania są wymagane aby odkryć przyczynę dlaczego. Odwrotnie, jeśli CO2 spadną, to znaczy, że silnik obecnie pracuje w najlepszych warunkach, przed dokonaniem jakichś zmian.
Generalną zasadą jest, niższe niż normalne wskazania CO2 są spowodowane przez niewłaściwy skład mieszanki lub gubienie zapłonów. Z drugiej strony tlen O2 jest dobrym wskaźnikem czysto pracującego silnika. Jednakże, O2 ma dyskusyjną wartość diagnostyczną. Gdy silnik pracuje na ubogiej mieszance, ilość O2 będzie wzrastać proporcjonalnie do wzrostu ilości powietrza w mieszance (coraz uboższa mieszanka). W momencie, gdy punkt gubienia zapłonów z powodu zbyt ubogiej mieszanki zostanie osiągnięty, poziom O2 będzie wzrastał bardzo szybko wraz ze wzrostem ilości wypadniętych zapłonów.
Można zweryfikować wypadanie zapłonów z powodu zbyt ubogiej mieszanki przez obserwację dodatkowo HC i CO. Jeśli poziom CO jest niski a poziom HC jest wysoki i niestabilny (impulsowy), znajdujesz się w obszarze gubienia zapłonów z powodu zbyt ubogiej mieszanki. Normalny silnik na wolnych obrotach (biegu jałowym) powinien dawać odczyty pomiędzy 0.5 do 4%. Wszystko powyżej 4% jest mieszanką za ubogą plus "wypadające" zapłony. Poniżej 0.5% znaczy, że marnujesz paliwo.
Szukając powiązań
Kiedy jesteśmy gotowi zrobić pomiary składu spalin, szukanie związków jest znacznie ważniejsze niż zwykłe zbieranie i zapisywanie danych. Jeśli jesteś zakręcony, właśnie planuję wyjaśnienie. Przypuśćmy, że dokonując pomiaru składu spalin na wolnych obrotach otrzymaliśmy następujące wskazania: CO=1.2%, HC=200PPM, CO2=7,2% i O2=7,2%. Teraz, gdy mamy te dane, co one znaczą?
Wykorzystując wskazówki dane wcześniej, możesz naszkicować jakieś wnioski, ale gdy dojdzie do interpretacji tych wyników, czy są dobre czy złe, nie ma ściśle określonej i szybkiej w użyciu skali, względem której można interpretować wyniki.
Co nam pozostaje? A co z powiązaniami (dlatego poświęciliśmy tak dużo miejsca opisując składniki spalin). Ponieważ nie ma nic drastycznie złego z odczytem zawartości HC i CO, zignorujemy je w tej chwili i skoncentrujemy sie na CO2 i O2. Po szybkiej ocenie wskazań, powinieneś dojść do wniosku, że CO2 jest niższe niż normalne (zakres pomiędzy12-15%) i O2 jest bardzo wysoki (powinien byc 0.5% do 4%).
Ponieważ wysokie wskazania O2 oznaczają ubogą mieszankę, pierwszą rzeczą do zrobienia jest sprawdzenie twojej diagnozy. Spróbuj wzbogacić mieszankę przez umieszczenie kawałka tkaniny ponad wlotem powietrza, otworzeniem ssania, lub symulacją zimnego rozruchu (w samochodach z wtryskiem) i obserwuj co się stanie. Jeśli O2 zacznie spadać i CO2 wzrastać, wtedy twoja początkowa diagnoza była dobra. Od tego momentu zacznij szukać przyczyny ubogiej mieszanki. Jeśli silnik zareaguje inaczej niż sie spodziewałeś, lub nie interpretujesz wskazań poprawnie, lub zmieniłeś nie tą składową (bardziej zubożyłeś w momencie gdy miałeś wzbogacić), lub też nie rozumiesz do końca relacji pomiędzy składem spalin a działaniem silnika. W ostatnim przypadku przejrzyj część o składzie spalin.
Dołączony graf streszcza relacje zachodzące pomiędzy CO2, CO i O2. Zacieniony obszar oznacza "punkt stochiometryczny", który jest zdefiniowany jako teoretyczny stosunek masowy powietrza do paliwa, przy którym mieszanka ulega całkowitemu spaleniu.
Ten punkt to stosunek 14.7:1 oznacza, że 1kg paliwa potrzebuje do całkowiteo spalenia 14.7 kg powietrza. Na lewo od tego punktu oznacza bogatą mieszankę, na prawo oznacza ubogą mieszankę. Zauważysz, że maksymalna efektywność spalania jest związana z najwyższymi odczytami CO2.
Troche rzeczy o których instrukcja nie wspomniała
Dyskutowaliśmy o właściwościach podczerwieni do analizowania wydajności spalania, jak się okazuje podczerwień jest nawet bardziej wszechstronna. Aby stwierdzić dlaczego silnik nie chce zapalić lub gaśnie, przeprowadź test, ponów próbę zapalania (zacznij kręcić rozrusznikiem) z podłączonym analizatorem.
To jest szybki sposób aby rozwiązać problem, czy przyczyną jest brak zasilania paliwem, czy zapłon. W momencie, gdy kręcisz silnikiem, obserwuj co się dzieje ze wskazaniami HC. Jeśli wskazania są wysokie, trzeba sprawdzić system zapłonowy oraz rozrząd, jeśli wskazania są niskie umieść swoją rękę nad gaźnikiem lub wlotem powietrza i zakręć rozrusznikiem i sprawdzaj czy czujesz ssanie.
Małe podciśnienie z podniesionym poziomem HC jest dobrym wskaźnikiem niskiej kompresji i/lub dużego zaciągania powietrza inną drogą (lub przedmuchów). Jeśli odczuwałeś "dobre" podciśnienie na ręce na wlocie powietrza z małym poziomem HC, jest szansa, że problemem jest brak zasilania silnika paliwem.
Ten analizator jest również dobry do potwierdzenia diagnozy "wydmuchanej" uszczelki pod głowicą, lub pękniętego bloku pomiędzy komorą spalania a układem chłodzenia. Po usunięciu korka chłodnicy ( Proszę testuj to na zimnym silniku!!!!!!!!!!) trzymaj końcówkę sondy tuż nad wlewem. Zapal silnik, jeśli pojawią się bąbelki powietrza i będziesz miał wskazania CO i HC, to znaczy, że gazy wylotowe znalazły drogę i dostają się do układu chłodzenia.
Co robić jeśli?
Jest oczywistym, że ten artykuł nie będzie w stanie odpowiedzieć na wszystkie twoje pytania, ale ja próbowałem przewidzieć niektóre z nich, bazując na moich wcześniejszych doświadczeniach. Większość Szpeców wytyka producentom samochodów, że nie zamieszczają oni specyfikacji. Może tak być, ale jeśli popatrzysz na naszą dyskusję, czy ma to znaczenie?
My omawialiśmy w tym przykładzie silnik benzynowy 4 suwowy i żaden z producentów nie może przypisywać sobie że to wymyślił. Pamietaj - podstawowe zasady działania są te same. Tym, czym się różnią samochody pomiędzy sobą jest to, jak dobrze samochód może utrzymać się w powyżej opisanych granicach w dużym zakresie obrotów, w różnych warunkach obciążenia i jak długo.
Tu możesz dostrzec zalety technologii wielozaworowych, wyższość wtrysku paliwa nad gaźnikiem i co jest sednem zapłonu elektronicznego.
Co jeśli odczyty nie są nawet bliskie tego, co jest wymagane, ale silnik wygląda, że jest OK? To jest tak samo jak pytać sie, co jest jeśli dostaję takie odczyty a samochód nawet nie zapalił? Ja myśle że nasuwa się ostrzeżenie. Sprawdź czy układ wydechowy jest szczelny. Jakikolwiek wyciek bedzie oceniony jako pochodzący z silnika. Upewnij się, że test przeprowadzasz w normalnych temperaturach pracy i obroty silnika są stałe!!!
Musisz zapamiętać, że warunki pracy przy zmieniajacych się obrotach nie muszą przestrzegać tych zasad, inaczej samochód nie nadawałby się całkowicie do jazdy. Ostatecznie, upewnij się, że twój analizator jest właściwie wykalibrowany i jest w dobrej kondycji. Nigdy nie wyłączaj swojego analizatora - niezależnie od producenta - z gazami w komorze analizatora. Pozwól oczyścić się urządzeniu przez conajmniej 3 minuty czystym powietrzem, przed wyłączeniem. I jeszcze jedno połóż kopię tego artykułu w bezpiecznym miejscu - wcześniej czy później będziesz potrzebował tych informacji.
[center]Spalanie w silniku benzynowym [/center]
Proces spalania w silniku benzynowym zapoczątkowywany jest przeskokiem iskry o energii około 0,1 J. Miedzy elektrodami świecy gwałtownie rośnie temperatura, w krótkim czasie osiągając 10 000 °C. Intensywna jonizacja powoduje rozpoczęcie reakcji chemicznych spalania. Jednak nie każda iskra spowoduje zapłon mieszanki umożliwiający rozprzestrzenianie się płomienia. Spalanie to może być zapoczątkowane tylko wtedy, gdy energia iskry przekroczy graniczną wartość, która z kolei zależy od paru czynników. Przy jednorodnej mieszance o składzie stechiometrycznym (AFR=14,7 lub lambda=1) ta niezbędna energia to 0,001...0,003 J, czyli nie ma problemu, ponieważ jest to zaledwie setna część energii, którą posiada iskra. Jednak zarówno wzbogacanie, zubożanie, bądź zmniejszenie stopnia odparowania podnosi tą wymaganą energię dość gwałtowanie (np.10 x). Poza tym są jeszcze inne czynniki podnoszące wymagania co do energii zapłonu, takie jak stopień zawirowania mieszanki, na które jednak nie mamy zbyt wielkiego wpływu.
Wyładowanie iskrowe następuje, jak wiadomo, jeszcze na kilka do kilkudziesięciu stopni przed osiągnięciem przez tłok GMP. Jest to tak zwany kąt wyprzedzenia zapłonu, który daje mieszance czas na zapalenie się i przyrost ciśnienia. Wyprzedzenie zapłonu jest niezbędne, aby maksymalne ciśnienie nastąpiło tuż po osiągnięciu przez tłok GMP.
Podczas spalania mieszanki można wyróżnić trzy okresy: powstawania płomienia, rozprzestrzeniania się płomienia oraz dopalania.
Okres powstawania płomienia zaczyna się wyładowaniem na świecy a kończy gwałtownym wzrostem ciśnienia. Jest on tym krótszy im większa jest jednorodność mieszanki, dobre rozpylenie paliwa, podgrzewanie kolektora dolotowego oraz wzrost zawirowania ładunku pozwalają znacznie skrócić ten okres. Równie zwiększenie otwarcia przepustnicy, podnoszące temperaturę ścian komory spalania oraz zmniejszenie pozostałości spalin w cylindrze korzystnie wpływają na skrócenie czasu trwania tego okresu. W odróżnieniu od wymaganej energii iskry, ten okres przebiega najszybciej przy mieszankach bogatych (AFR=9...12 lambda=0,6...0,8).
Okres rozprzestrzeniania się płomienia, który umownie kończy się wraz z osiągnięciem przez ładunek największej temperatury, obejmuje największy wzrost ciśnienia (maksymalne jest osiągane w jego połowie). W tym okresie spaleniu ulega 85...90% mieszanki.
Okres dopalania charakteryzuje gwałtowny spadek ilości reakcji i przy prawidłowym przebiegu spalania w okolicach 60°OWK praktycznie jest już po spalaniu (aczkolwiek minimalna ilość reakcji zachodzi jeszcze nawet w kolektorze wydechowym). Jednak ten proces spalania może się znacznie przedłużyć w przypadku mieszanek ubogich i wtedy okres intensywnego oddawania ciepła może trwać nawet przez cały suw pracy, doprowadzając do przegrzania silnika.
Aby moc silnika była największa (a jednocześnie jego praca najbardziej optymalna) kąt wyprzedzenia zapłonu należy dobierać tak, aby maksymalne ciśnienie występowało przy kącie obrotu wału korbowego około 10°OWK po GMP. Zbyt duże wyprzedzenie zapłonu spowoduje, że maksimum ciśnienia natrafi na tłok wykonujący jeszcze suw sprężania czyli będzie to oczywista starta energii oraz nadwerężanie elementów silnika, z kolei zbyt późny zapłon spowoduje późniejsze wystąpienie piku ciśnienia a tym samym sprawi, że gazy wykonają mniejszą pracę ograniczając tym samym moc silnika.
Kąt wyprzedzenia zapłonu nie jest wartością stałą podczas pracy silnika. Zarówno zmieniające się obroty, jak i stopień uchylenia przepustnicy decydują o tym, że musi się on zmieniać.
Przeanalizujmy wpływ obrotów na kąt wyprzedzenia zapłonu. W miarę wzrostu prędkości obrotowej zwiększa się wprawdzie zawirowanie ładunku (przyspieszając reakcje spalania), jednak nie rekompensuje to zmniejszenia czasu trwania obiegu i konieczne jest zwiększanie kąta wyprzedzenia zapłonu. Kąt ten zwiększa się aż do obrotów momentu maksymalnego, kiedy ilość mieszanki jest największa (tym samym największe jest ciśnienie w cylindrze). Następnie współczynnik napełniania spada (przebieg współczynnika napełniania jest podobny do krzywej momentu obrotowego) a obroty cały czas wzrastają. Powoduje to, że w rezultacie wypadkowy kąt wyprzedzenia zapłonu pozostaje mniej-więcej stały. Czy teoria zgadza się w tym miejscu z praktyką? łatwo to sprawdzić. Wystarczy spojrzeć na wykresy odśrodkowych regulatorów zapłonu (w autach z tradycyjnym aparatem zapł.). Kąt wyprzedzenia zapłonu narasta do obrotów około momentu maksymalnego i dalej utrzymuje się na stałym poziomie.
Kolejnym czynnikiem warunkującym kąt wyprzedzenia zapłonu jest stopień uchylenia przepustnicy, a ściślej wartość podciśnienia w układzie dolotowym. Wiadomo przecież, że silnik może pracować jednocześnie z prędkością 3000 obr./min przy pełnym otwarciu przepustnicy, jak i przy lekkim naciśnięciu pedału gazu. Dla regulatora odśrodkowego, a w układach elektronicznych dla mapy będącej jego odpowiednikiem jest to nadal to samo 3000. A jak wiadomo dla silnika i przebiegu spalania są to już dwie zupełnie różne sytuacje. Przepustnica ma za zadanie ograniczyć ilość mieszanki dostającej się do cylindrów, regulując tym samym moc oddawaną przez silnik. Tak wiec przy częściowych uchyleniach przepustnicy ciśnienie w cylindrze zmniejsza się, a to jak wiadomo spowalnia proces spalania. Należy więc odpowiednio wyprzedzić kąt zapłonu, aby mimo to maksymalne ciśnienie występowało tuż po GMP. I tu, podobnie jak w przypadku regulatora odśrodkowego, nie ma uniwersalnych kątów dla wszystkich silników. Wszystko zależy od konstrukcji komory spalania, zawirowania ładunku, umieszczenia świecy, jakości mieszanki i jeszcze paru innych czynników.
[center]
[/center]Na przedstawionym powyżej wykresie widać przebieg ciśnienia (czerwona, zielona, niebieska linia) oraz temperatury (zolta linia) w funkcji obrotu wału korbowego, przy czym 0 jest oczywiście GMP tłoka. Linie ciągłe obrazują przebieg parametrów przy prawidłowo dobranym kącie wyprzedzenia zapłonu. Pole pod krzywą ciśnienia jest proporcjonalne do pracy wykonywanej przez gazy, czyli w efekcie także do mocy rozwijanej przez silnik.
Linia czerwona przedstawia przebieg ciśnienia przy zbyt wczesnym zapłonie. Widać wyraźnie, że ciśnienie rośnie do wysokiej wartości, gdy tłok porusza się jeszcze go góry, przez co energia gazów jest tracona. Moc silnika jest mała.
Linia niebieska odzwierciedla przebieg ciśnienia przy zbyt późnym zapłonie. Intensywny ruch tłoka w dół powoduje, że gazy nie są w stanie wykonać dostatecznie dużej pracy i moc również spada.
Przedstawiony wykres nosi nazwę otwartego wykresu indykatorowego i pokazuje, iż aby proce spalania przebiegał poprawnie kąt wyprzedzenia zapłonu powinien być dobierany tak, by szczytowe ciśnienie w cylindrze nastąpiło w granicach ok. 10°OWK po GMP. Dzieje się tak dla wszystkich bez wyjątku silników benzynowych na świecie.
Mierzenie punktu maksymalnego ciśnienia na dowolnym silniku jest w praktyce nierealne i dlatego najbardziej optymalny kąt zapłonu dobiera się na hamowni (Dyna Tuning), poprzez taką regulację kąta wyprzedzenia zapłonu, aby osiągnąć największą przy danych obrotach i wciśnięciu pedału gazu moc silnika.