KURZUS: Járműdiagnosztika I.

MODUL: Elmélet

6. hét: Gázemisszió diagnosztika: Otto-motorok gázelemzése

| A lecke célja: Az Otto-motorok gázelemzéséhez szükséges főbb definíciók, méréstechnikai alapfogalmak megismerése és elsajátítása.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
logikusan át tudja gondolni, hogy melyek az Otto-motorok által kibocsátott emissziós komponensek, milyen jellemzőik vannak az emissziós komponenseknek és milyen mértékegységben mérjük őket milyen műszerekkel lehet mérni a kipufogógáz összetevőket.
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 90 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak:
CO, HC, NOx, O2 NDIR gázelemző Brettschneider képlet
A motorok károsanyag-kibocsátását nagyon erőteljesen befolyásolja az adott üzemállapot üzemanyag-levegő keverési aránya (vagy másként fogalmazva a légviszony-tényező - λ). Ennek értékét üzem közben a keverékképző berendezések határozzák meg.
A keverék minőségétől függvényében az alábbi ábra mutatja az Ottó-motorok emissziós komponenseinek változását a katalizátor nélküli motor (vagy katalizátoros jármű katalizátor előtt mért kipufogógáz-összetételére) esetében: ez az ún. nyers emisszió. A diagramon ezt a folytonos vonallal kihúzott görbék mutatják.
A CO-emisszió a dús tartományban - a léghiány miatt - közel lineárisan változik a légfelesleg-tényező függvényében. Szegény keverék esetén viszont alacsony szinten (0,1-0,2 tf%, térfogat százalék) állandósul. A függvény töréspontja a λ = 1,0 érték közelébe esik.
A HC-emisszió mind dús, mind szegény keverék esetén emelkedő jellegű. Minimumát a λ = 1,0 - 1,1 intervallumban éri el.
Az NOx-kibocsátás éppen fordítva viselkedik a λ függvényében, mint a szénhidrogén-emisszió. A függvény szélső értéke (maximuma) λ = 1,05-1,1 közé esik.
A katalitikus utánkezelés segítségével a motor által kibocsátott káros kipufogógáz-komponensek több mint 90%-a átalakítható veszélytelen összetevőkké. Az ún. három komponensre ható katalizátor arról kapta nevét, hogy egyidejűleg alakítja át a CO-, a HC-, és az NOx -összetevőket. A katalizátor után a λ függvényében felrajzolt emissziós értékekből (szaggatott vonallal rajzolt görbék) kitűnik, hogy mindhárom komponens tekintetében a katalizátor csak a λ=1 érték szűk környezetében, az ún. lambda-ablakban működik hatékonyan. Emiatt kell a keverékképző rendszereket a λ-szonda segítségével szabályozottá tenni. A HC és az NOx összetevőket ppm (parts per million, milliomod térfogategység) mértékegységben mérjük.
Kipufogógáz-összetevők változása a légviszony függvényében
1. ábra
A mérőműszerek felépítése és működése
A diagnosztikai gyakorlatban az infravörös-elven (NDIR) működő műszerek terjedtek el. A mérési elv azon alapul, hogy a különböző atomokból felépülő molekulájú gázok az infravörös hullámhossz-tartományú sugárzás energiáját anyagfajtájuknak megfelelően nyelik el.
A szén-monoxid például a 4,6 μm hullámhosszúságú sugarakat abszorbeálja. A CO, a HC és a CO2 tehát a beérkező fény különböző hullámhosszúságú sugarait nyeli el.
Meg kell jegyezni, hogy ezzel a módszerrel a szénhidrogén koncentráció meghatározása csak részlegesen lehetséges. A kipufogógázban ugyanis mintegy 200 féle szénhidrogén van jelen, így egy anyagfajtára érzékenyített infra-elemzővel nem lehet a HC-kibocsátásról teljes képet adni. A szervizgyakorlatban elterjedt gázelemzőket normál-hexán komponensre állítják be (ezzel töltik fel az érzékelő-kamrát). Így a teljes szénhidrogén-emissziónak mintegy a felét-harmadát mérjük, de ez jellegben hűen követi a motorok teljes HC-kibocsátását.
NDIR mérőkamra működése
A műszer mérőkamrája egyetlen gázra (pl. CO) bemutatva az alábbi elven működik:
A mintegy 700 °C-ra felhevített (5) infravörös sugárzó által létrehozott sugárzás átáramlik a kipufogógázzal töltött (3) mérőküvettán, majd belép az (1) érzékelő kamrába. Az érzékelő kamra ismert CO-hányadú gázzal van feltöltve. A gáz elnyeli a CO-nak megfelelő hullámhosszúságú sugárzást. Ez az abszorpció hőmérséklet-növekedéssel jár, amely gázáramlást idéz elő a V1 térfogatból a V2 irányába.
Mivel az infra-sugárzást állandó frekvenciával a (4) blende szaggatja, emiatt az előbb említett áramlás is váltakozó jellegű. Ennek jelét a (2) áramlásérzékelő váltakozó villamos jellé alakítja. A mérőküvetta CO-tartalmától függően változik az érzékelő-kamrába érkező sugárzás energiája és emiatt az alapáramlás is. Tehát a váltakozó elektromos jel középértéke jellemző lesz az emittált CO-mennyiségre.
NDIR mérőkamra (1 - érzékelő-kamra V1 és V2 kiegyenlítő térfogattal, 2 - áramlásérzékelő, 3 - mérőküvetta, 4 - forgó blende, 5 - infravörös sugárzó)
2. ábra
A fenti elven működő műszer így már tehát alkalmas egyetlen gázkomponens mérésére.
Az elvet felhasználva, három "csatornát" egyetlen műszerbe építve már a CO, CO2, HC mérésére egyaránt alkalmas műszert kapunk.
3-gáz elemző működése
Természetesen ilyenkor mindhárom érzékelő kamra más gázzal, CO-val, CO2-vel, illetve HC-vel van kitöltve.
3-gáz analizátor (1 - infra-sugárzó, 2 - mérőkamra, 3 - NDIR-mérőkamrák, 4 - blende, 5 - kipufogó gáz, 6 - infra-szűrő, 7 - elektronika)
3. ábra
4-gáz elemző (oxigén-cella)
Az elterjedten használt 4-gáz analizátorok a fenti három komponensen kívül még az O2-koncentrációt is mérik.
Ez azonban NDIR-elven nem lehetséges. Erre a célra oxigén-cellát (elektrokémiai mérőcella) használnak. Az anód ólomból a katód nikkelből készül. Az érzékelő kimenő jele az NTC terhelő ellenálláson folyó áram, amely arányos az oxigén-koncentrációval.
Légviszony meghatározás
A légviszony meghatározása a diagnosztikában közvetett úton történik. (A közvetlen út a motor légnyelésének és a tüzelőanyag-fogyasztásának egybevetésével történhetne, de a szervizgyakorlatban ez nem járható út.).
A közvetett út a kipufogógáz elemzésén alapszik. Kémiai reakcióegyenletek (pl. Brettschneider-formula) segítségével lehet a légviszony-tényező értékét kiszámítani, mely számítás alapadatait az egyes kipufogógáz-alkotók koncentrációi adják. (A gázkoncentrációkat térfogatszázalékban kell a képletbe behelyettesíteni.)
Az egyszerűsített Brettschneider-formula:
Ahol: [ ]: koncentráció, CO, CO2, HC, O2 komponensek tf%, K: FID/NDIR - műszergyártói adat
Az egyszerűsített formula csak akkor érvényes, ha a kipufogógázban az NOx koncentrációja elhanyagolható (Mivel a szervizgyakorlatban a 4-gáz analizátorok terjedtek el, a műszerek e szerint a képlet szerint számolnak.).
Lássunk erre egy számpéldát:
A vizsgált jármű katalizátor után mért értékei az alábbiak: CO2 - 15,9 tf% CO - 0,01 tf% O2 - 0,1 tf% HC - 15 ppm = 0,0015 tf%
A kijelzett érték:
Mért jellemzők
A katalizátor előtt és után mért emissziós jellemzők megfelelő értékeire az alábbi ábra mutat példát. Nagyon lényeges, hogy a légviszony-tényező (() értéke megegyezik a katalizátor előtt és után mérve!
Mért kipufogógáz jellemzők
4. ábra

| Önellenőrző kérdések
1. Mit a jelent HC elnevezés?!
| A honoris causa szavak kezdőbetűiből álló betűszó.
| Szénhidrogének, gyűjtőnév, mintegy 200 féle vegyület a kipufogógázban.
| Kipufogógáz elemző műszer működési elvére utaló elnevezés.
2. Mennyi a tf% és a ppm mértékegység közötti váltószám?
| 1 tf% = 10-4 ppm
| 1 ppm = 104tf%
| 1 tf% = 10 ppm
3. Mit mérnek a 4-gáz analizátorok?
| A szénmonoxidot (CO) és szénhidrogéneket (HC), valamint a nitrogén-dioxid (NO2) és az oxigén (O2)-koncentrációt mérik.
| A szénmonoxidot (CO) és szénhidrogéneket (HC), valamint a széndioxid (CO2) és az oxigén (O2)-koncentrációt mérik.
| A nitrogént (N2) és szénhidrogéneket (HC), valamint a széndioxid (CO2) és az oxigén (O2)-koncentrációt mérik
4. Mekkora értékű szegény keverék esetében a CO-emisszió?
| 1-2 tf%, ppm.
| 1-2 tf%, térfogat százalék.
| 0,1-0,2 tf%, térfogat százalék.
5. Hol éri el minimumát a HC-emisszió?
| λ = 1,5 - 1,6 intervallumban.
| λ = 1,0 - 1,1 intervallumban.
| λ = 0,8 - 0,9 intervallumban.
6. Hol éri el szélső értékét az NOx-kibocsátás?
| A maximuma λ = 1,15-1,25 közé esik.
| A minimuma λ = 1,05-1,1 közé esik.
| A maximuma λ = 1,05-1,1 közé esik.
7. Hogyan működnek az infravörös-elven (NDIR) működő műszerek?
| A különböző gáz összetevők eltérő színárnyalatot vernek vissza.
| A mérési elv azon alapul, hogy a különböző atomokból felépülő molekulájú gázok az infravörös hullámhossz-tartományú sugárzás energiáját anyagfajtájuknak megfelelően nyelik el.
| Adott emissziós összetevők elnyelik, míg mások visszaverik a fényt.
8. Hogyan méri az NDIR-technika a szénhidrogén koncentrációt?
| A szervizgyakorlatban elterjedt gázelemzőket normál-hexán komponensre állítják be.
| Nem tudja mérni.
| A gázelemzőket normál-heptán komponensre állítják be.
9. Hogyan méri az NDIR mérőkamra az O2-kibocsátást?
| Nem tudja mérni, ehhez előbb redukálnia kelle.
| Csak az O-koncentrációt tudja mérni.
| Erre a célra oxigén-cellát (elektrokémiai mérőcella) használnak.
10. Mire szolgál a Brettschneider-formula?
| A légviszony mért és tapasztalati értékekből történő kiszámítására.
| Nincs ilyen formula, helyesen Brettsincler a név.
| Ez egy differenciál egyenlet, az égésfolyamatot írja le.
11. Milyen mértékegységben kell behelyettesíteni a Brettschneider képletbe az emissziós összetevőket?
| Mindent tf%-ban.
| Mindent ppm-ben.
| Vegyesen tf% és ppm mértékegységben.
12. A Lorentz erő függ a:
| Az indukciótól.
| A vezeték hőmérsékletétől.
| A vezetőre kapcsolt feszültségtől.
| A vezeték ellenállásától.
13. Mi határozza meg legnagyobb mértékben egy elektromos személygépkocsi motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomatékát?
| A jármű össztömege és a kerék rádiusza.
| A motor tengelyére szerelt fogaskerék tehetetlenségi nyomatéka.
| A hajtómű utolsó fogaskerekének a tehetetlenségi nyomatéka.
| A hajtómű fogaskerekeinek tömege.