Zanieczyszczenie wtryskiwaczy benzyny - przyczyny, następstwa i przeciwdziałanie

Zawartość zanieczyszczeń w benzynie 

Zanieczyszczeniami benzyny nazywamy substancje stałe i ciekłe, które:

- przedostają się do benzyny podczas produkcji, magazynowania, transportu, dystrybucji i użytkowania 

- ograniczają własności eksploatacyjne benzyny 

Za istotne zanieczyszczenia benzyny uważa się te substancje stałe, które są zatrzymywane przez filtr membranowy o porach 0,8 μm. 

Zagrożeniem dla wtryskiwaczy benzyny są cząstki zanieczyszczeń mineralnych, o wymiarach powyżej 5 μm.

Mogą one: 

- powodować zużycie ścierne i erozyjne współpracujących powierzchni iglicy wtryskiwacza i rozpylacza (zamykają one wypływ paliwa z wtryskiwacza) oraz otworków końcówki rozpylacza 

- osadzać się na elementach wtryskiwacza. 

Oba procesy powodują pogarszanie jakości rozpylania paliwa wzrost oporów przepływu paliwa przez wtryskiwacz. 

Benzyna nie powinna zawierać zanieczyszczeń stałych większych niż: 

- 15 do 20 μm - paliwa dla silników z układami jedno lub wielopunktowego pośredniego wtrysku benzyny; 

- 5 do 10 μm - paliwa dla silników z układami bezpośredniego wtrysku benzyny. 

Żywice - ich rodzaje i zawartość w benzynie 

Żywice to organiczne związki chemiczne, o charakterze polarnym i złożonej budowie chemicznej. Składają się głównie z węgla i wodoru, ale zawierają również: tlen, siarkę, azot i inne pierwiastki. Mają kolor brązowy do ciemnobrązowego. 

Żywice powodują istotne zanieczyszczenie wtryskiwaczy benzyny. Ich obecność w benzynie, to w dużym stopniu następstwo starzenia się benzyny. Jest ono nieuniknione, ale są okoliczności, w których proces starzenia przebiega szybciej - powstaje wówczas więcej żywic. Można temu przeciwdziałać. 

Podstawowe rodzaje żywic występujących w paliwach (rys. 1). 

- Żywice obecne (nieprzemyte). Po wzięciu naczynia z benzyną, a następnie odparowaniu jej (rys. 1a), to osady, które pozostaną na dnie naczynia nazywane żywicami obecnymi lub nieprzemytymi (rys. 1b). Określenie „żywice obecne" pochodzi stąd, że są to żywice, które znajdują się w benzynie od chwili jej wyprodukowania. Drugie określenie „żywice nieprzemyte" pochodzi stąd, że w tej grupie żywic są takie, które można rozpuścić w rozpuszczalniku. Żywice obecne, gdy osiągną określone stężenie w benzynie, odkładają się jako osady: we wtryskiwaczach benzyny, na ściankach układu dolotowego, zaworach i ściankach komory spalania. 

Żywice przemyte. Jeśli do obecnych pozostałych po odparowaniu benzyny, wlejemy rozpuszczalnik, np. benzen lub heptan (rys. 1c), mieszając, to część żywic obecnych rozpuści się w nim. Rozpuszczają się substancje nielotne np. ciężkie węglowodory, olej napędowy lub oleje, które służą jako nośnik dla dodatków do benzyny. Jeśli następnie rozpuszczalnik zlejemy z naczynia, wraz z rozpuszczanymi w nim żywicami (rys. 1d), to na dnie pozostaną tzw. żywice przemyte (rys. 1e). Są to żywice, które nie rozpuściły się w rozpuszczalniku. W normach dotyczących paliw, żywice przemyte są określane Jako „żywice obecne po przemyciu rozpuszczalnikiem". Część żywic przemytych jest rozpuszczalna w benzynie, a część nie. Żywice nierozpuszczalne w benzynie, mogą blokować filtry paliwa. 

Żywice potencjalne. Są to żywice, których nie ma w benzynie, ale mogą w niej powstać, pod wpływem działania tlenu, ciepła i światła. Powstają w benzynie podczas długotrwałego przechowywania, transportu i dystrybucji. W sprzyjających warunkach, powstają one również w Iistwie paliwowej zasilającej wtryskiwacze i we wtryskiwaczach benzyny. Zawartość żywic przemytych lub jak podaje norma „zawartość żywic obecnych po przemyciu rozpuszczalnikiem" wyznacza się jako masę osadów, pozostałych po odparowaniu benzyny, w warunkach określonych normą, a następnie przemyciu ich rozpuszczalnikiem. Przed odparowaniem benzyna jest oczyszczana z zanieczyszczeń stałych i wody. Zawartość żywic przemytych nie może być większa niż 5 mg/100cm3 benzyny. 

Zawartość żywic obecnych (nieprzemytych), określona dla benzyn kategorii 4 , w światowej karcie paliw, nie może być większa niż 30 mg/100cm3 benzyny. Różnica pomiędzy dopuszczalnymi zawartościami w benzynie żywic obecnych i przemytych, wynika z tego, że dodatki myjące dodawane do benzyny zwiększają zawartość żywic obecnych w benzynie.

Trwałość chemiczna benzyny 

W benzynie substancje żywiczne kwaśne powstają w następujących procesach: 

- utleniania - reakcja z tlenem

- kondensacji tak nazywany proces powodujący wzrost gęstości substancji, lub reakcje chemiczne, pomiędzy dwoma lub więcej cząsteczkami, w wyniku których powstaje cząsteczka o większym ciężarze wydziela się prosty związek chemiczny, woda lub alkohol

- polimeryzacji - reakcja chemiczna łączenia wielu małych cząstek tego samego związku w cząstkę a wielokrotnie większym ciężarze cząsteczkowym o odmiennych własnościach chemicznych fizycznych, podczas tej reakcji chemicznej nie powstają substancje uboczne 

Trwałością chemiczną benzyny nazywana jest odporność benzyny, na zachodzenie w niej wymienionych powyżej procesów.

Powodują one, że benzyna: 

- nie spełnia wymagań stawianych jej w normie 

- działa silniej korozyjnie na elementy metalowe, z którymi się styka 

- pozostawia po sobie więcej osadów na zaworach dolotowych i w komorze spalania 

Trwałość chemiczna benzyny handlowej, od chwili wyprodukowania, wynosi 3 miesiące. W tym okresie powinna ona spełniać wszystkie wymagania jej stawiane i powinna być zużyta. Są benzyny, np. do celów militarnych, które mają wydłużony okres trwałości chemicznej. Miarą trwałości chemicznej benzyny jest tzw. okres indukcyjny. 

Zanieczyszczenie wtryskiwaczy benzyny 

Elementy wtryskiwaczy benzyny, pokrywają się osadami żywicznymi i węglowymi, które: 

- są zanieczyszczeniami znajdującymi się w benzynie; 

- powstają w procesach: utleniania, kondensacji i polimeryzacji, które zachodzą w benzynie. 

Przykłady zanieczyszczonych wtryskiwaczy benzyny, prezentują rys. 2, 3 i 4. 

Przebiegi procesów chemicznych, w których powstają osady, intensyfikują się wówczas, gdy benzyna w listwie paliwowej i we wtryskiwaczach, jest ogrzewana ciepłem od gorących elementów silnika.

Warunki takie występują. 

- po wyłączeniu nagrzanego silnika - benzyna pozostaje zamknięta we wtryskiwaczach i w listwie paliwowej: 

- w silnikach z układem wtryskowym benzyny i z układem zasilania gazem, podczas zasilania silnika gazem, benzyna jest zamknięta we wtryskiwaczach niezależnie od typu układu wtryskowego, benzyna jest również zamknięta w listwie paliwowej bezpowrotowego układu paliwowego, natomiast może przepływać, ale tylko przez listwę paliwową powrotowego układu paliwowego.

Warunki sprzyjające intensywnemu wytrącaniu się osadów z benzyny, które występują po wyłączeniu nagrzanego silnika, trwają krócej niż analogiczne warunki, które towarzyszą zawsze zasilaniu silnika gazem. Warunki, w których znajduje się benzyna wypełniająca wtryskiwacze, podczas zasilania silnika gazem, przypomina warunki testu ASTM D6421, w którym sprawdzana jest odporność benzyny na powstawanie w niej osadów zanieczyszczających wtryskiwacze benzyny (jeden z dwóch testów wykorzystywanych w tym celu). 

Następstwa zanieczyszczenia wtryskiwaczy benzyny 

Wzrost oporów ruchu iglicy wtryskiwacza. Przebieg jednego cyklu otwierania i zamykania elektromagnetycznego wtryskiwacza benzyny, w odpowiedzi na elektryczny sygnał sterujący, przedstawia rys. 5b.

Przebiega on następująco. 

1. Od początku impulsu otwierającego wtryskiwacz (rys. 5a), rozpoczyna się narastanie prądu w cewce elektromagnesu, a za nim wzrost natężenia pola magnetycznego, a więc również siły podnoszącej iglicę wtryskiwacza. Dopiero po upływie czasu t1  (rys.5b), siła generowana przez pole magnetyczne cewki, ma wartość, która rozpoczyna podnoszenie iglicy wtryskiwacza, czyli jego otwieranie. 

2. Otwieranie wtryskiwacza, do osiągnięcia maksymalnego skoku iglicy wtryskiwacza, trwa przez czas t2. Jeśli iglica wtryskiwacza została uniesiona o maksymalny skok, to oznacza, że wtryskiwacz jest maksymalnie otwarty. 

3. Z chwilą zakończenia impulsu otwierającego wtryskiwacz (rys. 5a), pole magnetyczne w cewce jeszcze przez chwilę pozostaje - nie zanika nagle, dlatego opuszczanie iglicy wtryskiwacza, pod wpływem siły sprężyny, czyli zamykanie wtryskiwacza, zaczyna się po czasie t4 i trwa przez czas t5.

Na rys. 5a i b widoczne jest, że: 

- czas wtrysku - suma czasów t2, t3 i t5 różni się od czasu ti, trwania impulsu otwierającego wtryskiwacz 

- tylko przez czas t3, wtryskiwacz jest maksymalnie otwarty iglica wtryskiwacza jest podniesiona o maksymalny skok; 

- w trakcie podnoszenia iglicy – czas t2 i w trakcie opuszczanie iglicy wtryskiwacza - czas t5 , skok uniesienia iglicy, a więc otwarcie wtryskiwacza, zmieniają się. 

To, że czas wtrysku różni się od czasu trwania impulsu otwierającego wtryskiwacz ti, jest uwzględnione w programie sterownika. 

Zanieczyszczenie wtryskiwacza może hamować ruch iglicy wtryskiwacza (rys. 5c). Wydłużeniu może ulec czas podnoszenia iglicy - czas t2 oraz jej zamykania czas t5 . Skróci się czas t3 , gdy iglica wtryskiwacza jest podniesiona o maksymalny skok. Prawdopodobnie zmniejszy się wtryskiwana dawka benzyny (trudno jednoznacznie przewidzieć zmianę czasu zamykania wtryskiwacza t5. Jeśli czas ti, trwania impulsu otwierającego wtryskiwacz, będzie krótki, iglica wtryskiwacza może zacząć się zamykać, bez osiągnięcia maksymalnego skoku podczas otwierania. 

Podobnie zachowa się wtryskiwacz, z cewką posiadającą zwarcie międzyzwojowe (rys. 5d). Wówczas pracuje tylko część cewki. Pole magnetyczne jest więc słabsze. Mniejsza jest siła podnosząca iglicę wtryskiwacza. Dłużej będzie trwać otwieranie wtryskiwacza - czas t2. Czas zamykania t5 nie ulegnie zmianie. Krótszy jest czas t3 maksymalnego otwarcia wtryskiwacza. 

Rysunki 5 przedstawiają: rys. a - elektryczny impuls sterujący wtryskiwaczem; rys. b prawidłowy przebieg podnoszenia i opuszczania iglicy wtryskiwacza; rys. c - przykładowy przebieg podnoszenia i opuszczania iglicy wtryskiwacza, hamowany przez osady znajdujące się we wtryskiwaczu; rys. d - przykładowy przebieg podnoszenia i opuszczania iglicy wtryskiwacza, którego cewka ma zwarcie międzyzwojowe. Oznaczenia na rysunku: Uw - napięcie sygnału sterującego wtryskiwaczem; ΔS - skok iglicy wtryskiwacza; ti - czas trwania impulsu otwierającego wtryskiwacz; Z - zamknięcie iglicy wtryskiwacza; 0 - maksymalny skok iglicy wtryskiwacza; t1 - czas opóźnienia początku otwarcia wtryskiwacza; t2 - czas otwierania wtryskiwacza (czas podnoszenia iglicy wtryskiwacza); t3 - czas maksymalnego otwarcia wtryskiwacza (czas maksymalnego podniesienia iglicy wtryskiwacza); t4 - czas opóźnienia początku zamknięcia wtryskiwacza; t5 - czas zamykania wtryskiwacza (czas opuszczania iglicy wtryskiwacza)

Wzrost oporów przepływu benzyny przez wtryskiwacz. Powodują one zmniejszenie natężenia przepływu benzyny przez wtryskiwacz. W konsekwencji zmniejsza się dawka paliwa wtryskiwanego przez wtryskiwacz. 

Gorsze rozpylanie benzyny. Zanieczyszczenie wtryskiwacza powoduje wzrost średniej wielkości kropli paliwa, z których składa ją struga wtryskiwanej benzyny - patrz rys. 6. Spowalnia to proces odparowania benzyny, a w konsekwencji, opóźnia proces powstawania mieszanki paliwowo-powietrznej. 

Zmiana kształtu i kierunku rozchodzenia się strugi benzyny. W układach jednopunktowego wtrysku benzyny (rys. 7a), struga benzyny 4 jest wtryskiwana symetrycznie do wspólnego dla wszystkich cylindrów odcinka kanału dolotowego, przed przepustnicą 5. Dzięki temu paliwo jest rozdzielane równomierne - oczywiście z założoną tolerancją, dla wszystkich cylindrów silnika. 

Jeśli w wyniku zanieczyszczenia wtryskiwacza nastąpi zmiana kierunku wtryskiwania strugi paliwa 8 (rys. 7b), to różnice w rozkładzie ilości paliwa na poszczególne cylindry silnika są większe, niż pozwala na to założona tolerancja. Występują więc nadmiernie duże różnice pomiędzy składami mieszanek zasilających poszczególne cylindry silnika. 

Jeśli, tak jak na rys. 7b, struga wtryskiwanego paliwa 8 jest odchylona w stronę cylindrów 3 i 4, to te cylindry będą zasilane mieszanką bogatszą, a cylindry 1 i 2 uboższą. Może to powodować trudności przy uruchamianiu zimnego silnika, jego nierówną pracę w trakcie nagrzewania, a nawet wyłączanie się z pracy cylindrów zasilanych nadmiernie ubogą mieszanką. 

W układach wielopunktowego wtrysku benzyny (rys. 8a), struga paliwa 4 ma trafiać w określone miejsce, np. szczelinę pomiędzy zaworem a jego gniazdem (rys. 8a) lub w grzybek zaworu. Takie ukierunkowanie strugi paliwa zostało zaprojektowane dla danego typu silnika i gwarantuje, że cała objętość komory spalania każdego cylindra zostanie wypełniona możliwie homogeniczną mieszanką (wyjątkiem są silniki zasilane mieszanką uwarstwioną). Jeśli wskutek zanieczyszczenia wtryskiwacza, struga paliwa nie trafi tam gdzie zostało to zaprojektowane, np. zamiast w szczelinę pomiędzy zaworem a jego gniazdem (rys. 8a), duża część strugi paliwa trafi na ścianki układu dolotowego (na rys. 8b jej większa część trafia na do na ściankę), to mieszanka, która wypełni komorę spalania będzie cechować się nadmiernymi różnicami składu. 

W części objętości komory spalania, wypełnionej mieszanką bogatą, po jej spaleniu, pozostanie większa ilość osadów, a w części objętości komory spalania, wypełnionej mieszanką ubogą, mieszanka może nie spalić się całkowicie. 

Zmiana składu mieszanki zasilającej poszczególne cylindry silnika. 

Nie ma silnika, którego wszystkie cylindry są zasilane mieszanką o tym samym składzie - to cel jeszcze nieosiągalny (rys. 9). Jest to spowodowane tym, że do każdego z cylindrów, w suwie napełniania, wpływa inna ilość powietrza, natomiast wprowadzana jest taka sama dawka benzyny. Powoduje to, że każdy cylinder silnika jest zasilany mieszanką o innym składzie. 

Rysunek 10 przedstawia rzeczywisty rozkład wartości współczynnika składu mieszanki lambda mieszanek zasilających poszczególne cylindry przykładowego silnika czterosuwowego - widać różnice. Dobrze, jeśli różnice tych wartości współczynnika składu mieszanki lambda mieszczą się w dopuszczalnym zakresie. 

Składy spalin, pochodzących z poszczególnych cylindrów, są różne, jednak czujnik zawartości tlenu w spalinach 2 (rys. 11), zamontowany przed konwerterem katalitycznym 3, wykonując pomiary zawartości tlenu w spalinach z poszczególnych cylindrów uśrednia je (obecność czujnika tlenu za konwerterem katalitycznym, lub jego brak, nie ma w tym przypadku znaczenia). W związku z tym, układ regulacji składu mieszanki silnika Zl również uśrednia skład mieszanki zasilającej cylindry jednego bloku cylindrów silnika. Jest on bliski składowi stechiometrycznemu (λ=1) - dla wszystkich silników z małymi wyjątkami, ale tak naprawdę, żaden cylinder silnika nie jest zasilany mieszanką o takim składzie (rys. 10). Średni skład spalanej mieszanki, bliski stechiometrycznemu, pozwala konwerterowi katalitycznemu na możliwie najwydajniejszą pracę. Wyjątkiem od przedstawionej zasady są najnowsze konstrukcje silników, z indywidualną regulacją składu mieszanki da każdego z cylindrów silnika.

Zanieczyszczenie wtryskiwaczy benzyny i wszystkie omówione tego następstwa powodują, zmianę składów mieszanek, które zasilają poszczególne cylindry silnika. Nie byłoby problemu, jeśli ta zmiana byłaby taka sama, dla wszystkich cylindrów silnika, ponieważ program sterownika, w dość szerokim zakresie umie poradzić sobie z takim problemem, dzięki funkcji adaptacji. Tak jednak nie jest. 

Wskutek zanieczyszczenia wtryskiwaczy benzyny, rosną różnice pomiędzy składami mieszanek zasilających poszczególne cylindry silnika. Nie jest korzystne dla silnika oraz środowiska naturalnego, jeśli różnice te przekraczają dopuszczalny zakres - rys. 12. 

Przykładowo:

- cylinder nr 1 jest zasilany mieszanką zubożoną, co może powodować wypadanie zapłonów. oraz pozostawianie w spalinach za dużej ilości tlenu (nadmierna ilość tlenu, obniża zdolność konwertera katalitycznego do usuwania tlenków azotu NOx. 

- cylinder nr 3 jest zasilany mieszanką bogatą, co powoduje powstawanie nadmiernej ilości nagaru oraz wzrost emisji tlenku węgla CO i węglowodorów HC. 

Mimo nadmiernych różnic w składach mieszanek zasilających poszczególne cylindry: 

- układ regulacji nadal pracuje, właściwie prawidłowo 

- parametry pracy silnika przeważnie nie wskazują na jakieś problemy

- w sterowniku nie ma żadnych kodów usterek; bo średni skład mieszanki jest jeszcze prawidłowy. Jednak nadmiernie duże różnice, pomiędzy składami mieszanek, które zasilają poszczególne cylindry silnika, powodują:

- zwiększenie zawartości tlenku węgla CO i węglowodorów HC w spalinach 

- pogorszenie osiągów silnika, 

- zwiększenie zużycia paliwa 

Użytkownik samochodu może nie zgłaszać problemów z pogorszeniem osiągów samochodu, bo pogarszają się one stopniowo, w sposób dla niego trudno zauważalny. Również zwiększone zużycie paliwa może ujść uwadze lub zostać przypisane niskiej jakości paliw (nie jest już z tym tak źle) czy „korkom" na drogach. Opisana sytuacja jest wskazaniem do czyszczenia wtryskiwaczy benzyny.

Przeciwdziałanie zanieczyszczeniu wtryskiwaczy benzyny 

1. Stopniowe zanieczyszczanie wtryskiwaczy benzyny, jest normalne i nieuniknione. Można tylko spowolnić ten proces

2. Zanieczyszczenie wtryskiwaczy można spowolnić, stosując stale, lub od czasu do czasu, benzyny o zwiększonej zawartości dodatków czyszczących (należy zatankować wówczas możliwie pusty zbiornik, do pełna). Takimi benzynami, według deklaracji producentów, są: BP Ultimate, Orlen Verva, Shell V-Power i Suprema (Statoil). Pisząc o deklaracji producentów, warto wspomnieć, że mimo próśb, żadna z wymienionych firm paliwowych dotychczas nie potwierdziła wynikami testów, przewidzianymi w światowej karcie paliw, zwiększonej zdolności tych paliw, do utrzymania czystości wtryskiwaczy. 

3. Nie kupować benzyny o nieznanej jakości lub wieku 

4. Nie przechowywać benzyny: 

- dłużej niż 3 miesiące 

- w przezroczystych pojemnikach

- o podwyższonej temperaturze

5. Należy uważać, aby podczas przelewania paliwa, nie zanieczyścić go. 

6. Profilaktycznie, jeśli nie jest stosowana jedna z benzyn wymienionych w pkt. 2, powinno się dodawać co 10000 km dodatek do czyszczenia wtryskiwaczy.

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułu „Zanieczyszczenie wtryskiwaczy benzyny – przyczyny, następstwa i przeciwdziałanie” w dodatku technicznym do Wiadomości IC „Diagnostyka i czyszczenie wtryskiwaczy benzyny” nr 37/ grudzień 2010