Analizator spalin, testy emisji i silniki pracujące na ubogiej mieszance (wtrysk bezpośredni np. BMW N43, N53) Analizator spalin (EGAs). Analizator spalin (EGAs) został tradycyjnie zaprojektowany do pomiaru emisji w silnikach benzynowych, w których dochodzi do spalania homogenicznego/jednorodnego (Homogenous). Takie silniki muszą być kontrolowane przez system zarządzania, aby silnik pracował w stosunku powietrza do paliwa (AFR – Air-fuel Ratio): 14.75 do 1 (lambda=1). Utrzymanie wskaźnika AFR w takim stosunku (lambda=1) umożliwia katalizatorowi pojazdu na usunięcie niechcianych związków CO, HC i NOx. (dwutlenek wegla, weglowodory, tlenki azotu). Dziś kilka producentów samochodów opracowało silniki benzynowe które są w stanie pracować na mieszankach ubogich (duża zawartość tlenu, mało paliwa, lambda > 1). Mieszanka uboga jest uzyskiwana poprzez wyjście ze spalania homogenicznego/jednorodnego, takie spalanie nazywane jest uwarstwionym (stratified). Przy przejściu do spalania uwarstwionego wskaźnik AFR jest bardzo słaby, wartości lambda mogą sięgać wówczas aż do 4. Do niedawna były problemy podczas prowadzenia testów emisji spalin, ponieważ większość testów odbywało się gdy pojazd stał, a producenci samochodów tylko przełączali spalanie w tryb ubogiej mieszanki gdy pojazd się poruszał. Z czasem coraz więcej producentów zaczęło korzystać ze spalania uwarstwionego (uboga mieszanka) kiedy pojazd się nie porusza lub może zmieniać spalanie pomiędzy dwoma trybami (jednorodny/uwarstwiony) w dowolnym momencie, kiedy system zarządzania silnikiem o tym zdecyduje. Większość analizatorów spalin przeznaczonych jest do badania standardowych silników, więc mogą nie być zdolne do zmierzenia wysokich wartości lambda. Pojazdów mierzących wysokie odczyty nie ma zbyt wielu na naszych drogach. Jeśli zechcesz wykonać testy upewnij się że Twój EGA (analizator spalin) pracuje na wysokich wartościach lub jeśli nie, można taki analizator zmodernizować, wystarczy skontaktować się z producentem analizatora EGA i poprosić o radę. Chcesz wiedzieć więcej o uwarstwionym spalaniu (Stratified) ? Uwarstwione spalanie jest tradycyjnie używane w silnikach diesel'a, gdzie paliwo jest wtryskiwane na wypukłość tłoka która jest częściowo naładowana przez wirujące powietrze. W diesel'u kiedy paliwo jest wtryskane natychmiast dochodzi do zapłonu ponieważ dochodzi do mieszania i spalania. Paliwo spala się przy odpowiednim wskaźniku spalania ale tylko w centralnej części cylindra. Zewnętrzne części cylindra są zasilone w czyste powietrze które działa jak izolacja pomiędzy płonącym paliwem a ścianami cylindra. Taka sytuacja prowadzi do przekształcania większej ilości ciepła w energię zamiast do systemu chłodzącego. Ponadto łączny stosunek powietrza do paliwa jest znacznie wyższy, dając uwarstwionej metodzie przewagę w ekonomicznej jeździe i w emisji spalin. Użycie samej uwarstwionej metody w silnikach benzynowych nie znalazło zastosowania, ze względu na inne właściwości benzyny (w porównaniu do oleju napędowego), gdzie przy ubogich mieszankach notowane są utrata mocy, momentu obrotowego, głównie gdy auto jest pod obciążeniem (przyspieszanie). Emisja i ekonomia są zaletami, ale kluczem do sukcesu są silniki benzynowe które pracują na mieszankach ubogich (uwarstwione spalanie) gdy silnik nie ma obciążenia, i które potrafią przejść do homogenicznego/jednorodnego spalania pod obciążeniem - poprawa emisji i ekonomii przy jednoczesnym zachowaniu dobrej wydajności gdy jest taka potrzeba. Spalanie. Aby w silniku mogło odbywać się spalanie obu typów (jednorodnego i uwarstwionego) konstrukcja komory spalania silnika jest specyficzna. Na pierwszy rzut oka wygląda jak silnik diesel'a. Wtryskiwacz jest celowo ustawiony tuż pod zaworem dolotowym a tłok zawiera dużą wnękę po stronie wlotowej, która jest wykorzystywana do zawirowania paliwa. Na wylotowej stronie tłoka jest mniejsze wgłębienie, które służy do zawirowania wzbudzonego powietrza. Kolektor ssący posiada jeden zawór dławiący i jedną klapkę na cylinder. Kolektor jest podzielony na górny i dolny kanał i kiedy klapki są uruchamiane, dolny kanał jest całkowicie zamknięty. Podczas pracy w trybie uwarstwionym otwieranie przepustnicy odbywa się w sposób ciągły i kontrolowany przez ECU. W tym samym czasie klapki są ustawiane tak aby zablokować dolny kanał. To działanie sprawia, że dochodzące powietrze dolotowe przepływa ponad górną krawędzią zaworu dolotowego, które skutkuje wyraźnym spadkiem lub zawirowaniem w indukowanym powietrzu. Gdy tłok zaczyna poruszać się w górę na suw sprężania, przepływ czystego powietrza jest zintensyfikowany przez wewnętrzne wgłębienie tłoka powodując zawirowanie powietrza. Co więcej, w miarę zbliżania się do górnego martwego położenia tłoka stale mieszające się powietrze jest podobne do trąby powietrznej. W tym momencie paliwo wtryskuje się bezpośrednio do wgłębienia tłoka, co powoduje że paliwo obraca się w kierunku przeciwnym do kierunku zawirowanego powietrza. Gdy tłok zbliża się do swojej czwartej części `skoku, wirujące powietrze razem z wirującym paliwem, tworzą w pobliży świecy zapłonowej małą kulkę łatwopalnej mieszanki. Ta kulka to uwarstwiony ładunek, który ulega zapłonowi i spalaniu bezpośrednio przy świecy zapłonowej. Kiedy silnik pracuje w uwarstwionym trybie spalania, przepustnica jest niemal całkowicie otwarta. Moc jest sterowana przez regulację ilość wtryskiwanego paliwa, co z kolei jest podobne jak w silniku wysokoprężnym. Co się dzieje przy przejściu do trybu jednorodnego z uwarstwionego ? Przepustnica ustawiana jest względem pedału gazu. W tym samym czasie klapki są deaktywowane aby kierować powietrze przez oba kanały dolotowe. Ponieważ powietrze jest zasysane do cylindra w czasie suwu indukcyjnego, paliwo jest wtryskiwane bezpośrednio do niego. Wstrzykiwanie w tej początkowej części cyklu pracy silnika dają czas paliwu do całkowitego zmieszania się z powietrzem, co prowadzi do wstępnego mieszania całego ładunku. Tłok następnie powraca na suw sprężania i tuż przed górnym martwym punktem ładunek jest zapalany. System zarządzania silnikiem (ECU) decyduje, który tryb najlepiej nadaje się do warunków jazdy, ale zasady są proste. Przy delikatnym podróżowaniu i przy delikatnym otwarciu przepustnicy silnik pracuje głównie w uwarstwionym trybie a pod obciążeniem i przy przyspieszaniu jest przełączany do trybu homogenicznego/jednorodnego. Przełączenie następuje tak płynnie, że jest niezauważalne dla kierowcy. Dlatego przy samej przepustnicy, mamy potencjalną oszczędność paliwa nawet do 15 procent, a jednocześnie silnik utrzymuje imponującą moc poprzez automatyczne przełączenie na tryb homogeniczny/jednorodny, gdy jest taka potrzeba. System emisji. Podczas pracy w trybie spalania warstwowego silniki działają przy bardzo słabych mieszankach, na przykład ich wartość lambda wynosi od 1,6 do 4,0, takie słabe mieszanki powodują wysokie temperatury spalania, stąd ich efektywność. Słabe mieszanki zmniejszają emisję tlenku węgla oraz węglowodorów. Jednak ma to inne negatywne skutki w postaci innych zanieczyszczeń co jest wadą. Spalanie w wysokich temperaturach na uwarstwionej mieszance sprawia że przez cylinder przechodzą niedopalone tlenki azotu (NO). Spalanie azotu daje w rezultacie różne tlenki azotu które tworzą grupę i są znane jako NOx Emisja tlenków azotu NOx w Stratyfikowanym Trybie Wtrysku (Fuel Stratified Injection [F.S.I.] - uwarstwionym) była nieakceptowalna przez kontrolerów emisji spalin. Przyjrzyjmy się zatem bliżej stratyfikowanemu trybowi wtrysku w autach z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Jak widać z listy poniżej układ kontroli emisji ma sześć głównych części i komponentów: 1. Podstawowa sonda lambda 2. Podstawowy 3-drożny katalizator (blisko silnika) 3. Sonda lambda tylna (monitor) 4. Czujnik temperatury spalin 5. Katalizator Nox 6. Czujnik Nox Podstawowa sonda lambda jest zawsze szerokopasmowa, czasem nazywana liniową (linear) lub uniwersalną sondą lambda. Sygnał wyjściowy z tego typu czujnika różni się od tradycyjnej sondy lambda. Czujniki tradycyjne wytwarzają napięcie które ciągle się zmienia pomiędzy 0.2 do 0.8 Volt nawet gdy spaliny przekroczą wartość lambda 1 (mieszanka uboga). Czujniki szerokopasmowe produkują prawie liniowo prąd zmienny, który umożliwia odczyty wartość lambda ponad zakresem pomiarowym, stąd nazwa szerokopasmowa. Główną funkcją podstawowej sondy (czujnika szerokopasmowego) jest utrzymanie wartości lambda=1, podczas gdy silnik pracuje w trybie homogenicznym/jednorodnym. Jak w każdym silniku benzynowym utrzymanie wartości lambda=1 jest koniecznie do pracy 3-drożnego katalizatora w celu skutecznego zmniejszenia emisji NOx z wydechu. Jednakże, jeśli silnik może pracować na wartości lambda > 1 (czyli na ubogiej mieszance), np. w trybie uwarstwionym, zbiera się nadmiar tlenu w spalinach, a zatem katalizator trójdrożny nie jest w stanie skonwertować tlenków azotu - NOx. Podczas pracy w trybie warstwowym funkcjonuje tylko jako katalizator do utleniania (CO, HC). Oznacza to NOx nie są brane pod uwagę! Tak więc w celu zmniejszenia emisji NOx zastosowano drugi konwerter, znany jako katalizator magazynujący NOx. Katalizator magazynujący NOx Mimo, że składa się z nieco cieńszego rdzenia o strukturze plastra miodu, jest bardzo podobny w konstrukcji do konwencjonalnego trójdrożnego katalizatora. Rdzeń jest pokryty powłoką zawierających te same metale szlachetne platyna lub pallad i rod, co oznacza, że działa jako 3-drożny konwencjonalny katalizator. Na przykład, gdy silnik pracuje w trybie jednorodnym (lambda<=1) platyna lub pallad utleniania węglowodory, a ponieważ tlen nie jest dostępny, rod redukuje NOx. Gdy silnik pracuje w trybie uwarstwionym (lambda > 1) jest nadmiar tlenu w spalinach, więc redukcja NOx nie jest możliwa. Aby przezwyciężyć ten problem, do katalizatora wprowadzono trzecią substancję - tlenek baru. Pochłania on NOx i trzyma go w katalizatorze. Wkrótce katalizator staje się pełny NOx, co jest szybko wykrywane przez czujnik NOx. Sygnał z czujnika odbierany jest przez jednostkę sterującą i przekazuje do układu sterowania silnikiem. W odpowiedzi, silnik jest natychmiast przełączany do pracy w jednorodnym trybie. Zmiana w tryb homogeniczny przywraca wartość lambda=1 i natychmiast usuwa się nadmiar tlenu w gazach spalinowych. W rezultacie rod w katalizatorze rozpoczyna proces redukcji NOx i przekształca je w tlen i azot. To wszystko jest możliwe dzięki czujnikowi NOx który stale monitoruje nagromadzenie wewnątrz katalizatora NOx. Pełny cykl trwa 2 sekundy pracy w trybie homogenicznym, aby całkowicie opróżnić katalizator NOx. Jednak gdy jednostka sterująca (ECU) wykryje że czas napełniania katalizatora NOx maleje oznacza to że katalizator wypełnił się siarką. Aby usunąć siarkę silnik wraca do trybu homogenicznego (lambda <= 1), zapłon jest opóźniany aż temperatura w katalizatorze nie wzrośnie do 650 stopni Celsjusza. Dopiero wtedy magazynowana siarka przekształca się w dwutlenek siarki i zostaje usunięta. Aby zwiększyć ilość czasu, w którym silnik pracuje w trybie uwarstwionym, a tym samym zmniejszyć zużycia paliwa zaleca się używanie benzyny bezsiarkowej w samochodach z bezpośrednim wtryskiem i pracującym w trybie uwarstwionym/stratyfikowanym Do pełnej efektywności katalizator NOx wymaga temperatury spalin w granicach od 250 do 500 stopni Celsjusza. Więc aby zachować odpowiednie temperatury system wyposażony jest w czujnik temperatury spalin. Czujnik jest ciągle kontrolowany przez sterownik silnika ECU. Gdy silnik pracuje w trybie uwarstwionym i temperatury gazów wydechowych stają się zbyt wysokie, silnik jest natychmiast przełączany w tryb pracy jednorodnej. Nawiasem mówiąc, druga sonda lambda (2) jest wykorzystywana tylko do EOBD i służy do wykrywania usterek podstawowego katalizatora. Przekład na podstawie GEA 2010, b4rtimp, bmw-klub.pl