Euro 6 se blíží

Vladimír Simanov

V současné době platí pro emise motorů vyráběných v EU norma Euro 5, a přibližuje se rok 2014, ve kterém začne platit přísnější Euro 6. To vyvolává diskuse, zda je další zpřísnění limitů emisí vůbec nezbytné, a za jakou cenu se výrobcům strojů podaří novým limitům vyhovět.

Historie a současnost emisních norem
První zákon na světě limitující výfukové zplodiny (Motor Vehicle Air Pollution Control Act) byl přijat v Kalifornii v roce 1965 (s účinností od roku 1968), a první evropská emisní norma EHK 15 začala platit od roku 1971. Norma Euro, používaná v členských státech Evropské unie, platí od roku 1992 (v ČR od 2003), a od té doby téměř pravidelně každé čtyři roky vychází další, přísnější norma. Čím vyšší je tedy pořadové číslo normy, tím je přísnější. V současnosti platí Euro 5 (od roku 2009), které bude v prosinci 2014 vystřídáno Eurem 6. Každé Euro je avizované 3 roky dopředu, a vztahuje se jen na nově vyrobené motory vozidel a strojů registrovaných po datu počátku její platnosti. V praxi se týká hlavně výrobců motorů, a zprostředkovaně i provozovatelů vozidel a strojů. Postupné zpřísňování motivuje výrobce motorů k tomu, aby očekávaným limitům vyhověli v předstihu a s rezervou. Stává se tak, že motor je homologován např. podle Euro 3, ale později vyhoví i Euro 4. Nová vozidla a stroje jsou v důsledku legislativního tlaku šetrnější k životnímu prostředí než výrobky starší, a proto některé státy daňově zvýhodňují nákup vozidel splňujících přísnější normu, u vozidel a strojů pro veřejně prospěšné práce může být přechodná doba prodloužena až o 3 roky, a „ve hře“ je i snížení dálničních poplatků. Evropské emisní standardy jsou odlišné pro benzínové a pro naftové motory, a jsou rozděleny do více kategorií: pro osobní vozidla, lehká a těžká nákladní auta, autobusy, traktory, lokomotivy, pracovní stroje a říční lodě. Nevztahují se jen na letadla a mořská plavidla. Normy pro osobní a lehká nákladní vozidla jsou číslovány arabskými číslicemi, pro nákladní auta a autobusy římskými. Vyznačení homologace podle Euro není v technických průkazech vozidel a strojů v EU jednotné, v některých státech je uváděna norma Euro, v jiných číslo EHK, které lze na Euro převést (např. Euro 3 = EHK 83.05).

Sledované emisní složky
Evropské emisní standardy Euro stanovují závazné limity pro složení výfukových plynů motorů vyráběných v členských zemích EU, přičemž hodnoty limitů jsou uváděny v gramech na ujetý kilometr nebo v gramech na kWh. Cílem je postupné snižování obsahu oxidů dusíku – nitrogen oxides, NOx (vznikajících za vysokých teplot a tlaků při spalování za přebytku vzduchu), nespálených uhlovodíků – total hydrocarbon, THC či HC, resp. non-methane hydrocarbons NMHC (odcházejících do ovzduší při nedokonalém spalování), oxidu uhelnatého – carbon monoxide, CO (který v běžných koncentracích relativně rychle oxiduje na CO2) a pevných částic, sazí – particulate matter, PM (které jsou ve výfukových plynech nosiči karcinogenů a mutagenů, a při vdechování způsobují mechanické dráždění). Emisemi oxidu uhličitého CO2 se standardy nezabývají, nicméně legislativní návrh na jeho omezení byl už schválen. Zmiňován je ještě oxid siřičitý SO2 (uvolňující se ze sirnatých paliv, který se může v dýchacích cestách transformovat na kyselinu siřičitou) a olovo Pb (jehož mazací vlastnosti byly v bezolovnatých palivech nahrazeny aditivy).

Čím se od sebe liší jednotlivé stupně emisních standardů Euro?
Označení Euro 0 není číslem reálně existující normy, ale používá se pro charakteristiku emisí vozidel vyrobených před rokem 1993.
Euro 1 byla poměrně benevolentní, benzinovým i naftovým motorům stanovila limit CO 3 g/km a   NOx a HC se sčítaly. Omezení pevných částic se týkalo jen dieselových motorů, a benzínové motory musely přejít na bezolovnatá paliva.
Euro 2 oddělila oba typy motorů, naftovým zůstal limit NOx a HC jako součet, benzínovým motorům bylo povoleno více CO, ale byl omezen obsah pevných olovnatých částic.
Euro 3 snížilo obsah PM (pevných částic) o 50 % u naftových motorů a stanovilo limit pro emise NOx na 0,50 g/km a obsah CO snížilo o 36 %. Benzínovým motorům stanovilo přísnější podmínky pro emise NOx a HC.
Euro 4 snížilo u naftových motorů limity NOx a CO cca na 1/5 oproti Euro 1, u benzínových motorů vyloučilo olovnatá paliva a omezilo produkci NOx a uhlovodíků.   
Euro 5 se snaží vzájemně přiblížit naftové a benzínové motory (v USA platí jediný standard, ale podíl naftových osobních automobilů v USA je 5 %, zatímco v Evropě 50 %) při ponechání limitu pevných částic (0,02 g/kWh), ale snížení emisí NOx. Většina benzínových motorů homologovaných podle Euro 4 splňuje i Euro 5, přestože se limity HC a NOx snižují o 25 %, ale nemění se emise CO.
Euro 6 dále sníží limity NOx i PM, a přiblíží se tak standardům v Severní Americe (EPA 10) a Japonsku (Post NLT) natolik, že budoucí Euro bude moci mít shodné limity s nimi.
Mimoto existuje kategorie limitů, jejichž splnění umožňuje udělení značky EEV - Enhanced Environmentally friendly Vehicle (vozidlo zvláště šetrné k životnímu prostředí), ale tyto limity, deklarované směrnicí 2005/55 ES, jsou dobrovolné.

Technická řešení
Ke zvýšení účinnosti spalování uhlíkatých paliv a minimalizaci exhalací z tohoto procesu je nutná optimalizace, spočívající v tom, že veškerý uhlík obsažený v palivu by měl být okysličen – palivo by mělo dokonale vyhořet bez sazí a nespálených uhlovodíků, ale bez nárůstu NOx. Tento požadavek není jednoduché splnit, protože za vysokých spalovacích teplot a tlaků se každá molekula uhlíku nemusí s kyslíkem „potkat“ a může odejít do ovzduší. Pro usnadnění procesu okysličení se palivo do spalovacího prostoru dávkuje v co nejjemnější mlhovině; spalování se realizuje s větším, než teoreticky nutným objemem vzduchu; a palivo se co nejdokonaleji mísí se vzduchem. Vývoj proto šel od karburátorových motorů ke vstřikování; od vstřikování jednobodového k vícebodovému, při zvyšování vstřikovacích tlaků a optimalizaci časování vstřiků; od atmosférických motorů k motorům přeplňovaným a s proměnlivou geometrií lopatek turbodmychadla; od pístů s plochým dnem k pístům s vířící komůrkou atd. Zdánlivě nejjednodušší metodou je použití přebytku vzduchu, protože ten zvyšuje podíl spáleného uhlíku, a zvětšením objemu spalin klesá objemová koncentrace nespálených uhlíkových sloučenin. Na druhé straně se ale ohřevem přebytečného vzduchu zvyšují energetické ztráty a roste podíl NOx ve spalinách. Vzduch totiž obsahuje 78 % N2, 21 % O2 a 1 % ostatních plynů, což znamená, že se při zvýšení přísunu kyslíku o 1 díl zvýší přísun dusíku o 3,7 dílu.

Složení vzduchu
Převážná část dusíku se po dokončení spalovacího procesu vrací zpět do ovzduší, ale část jej reaguje s kyslíkem na NOx. Proto bohužel platí závislost, že čím více se snižuje podíl nespáleného uhlíku ve výfukových plynech, tím více v nich narůstá podíl NOx. Způsob řešení tohoto rozporu rozděluje výrobce motorů do dvou skupin, podle zvoleného konstrukčního řešení.

Recirkulace ochlazených výfukových plynů
Recirkulace ochlazených výfukových plynů, Cooled Exhaust Gas Regeneration (CEGR), pracuje tak, že se část výfukových plynů ochladí ve speciálním chladiči, smísí se s čerstvým vzduchem z turbodmychadla a vhání opět do motoru. Chlazení výfukových plynů musí být velmi intenzivní, aby vysoká teplota vzduchu vháněného do motoru nesnižovala účinnost spalování. Podíl přisávaných výfukových plynů je regulován řídicí jednotkou podle zatížení, otáček motoru a teploty vzduchu. Filtr na pevné částice PM „saze“ je čištěn mechanicky, nebo jsou saze spalovány přídavným hořákem. Snižování NOx spočívá v tom, že se NO okysličuje na NO2, který okysličuje uhlík obsažený v sazích na CO2, a uhlovodíky HC, a přitom se CO transformuje na CO2 a vodu H2O. Nevýhodou je spotřebovávání části výkonu motoru na chlazení a citlivost na síru v pohonných hmotách.

Selektivní katalytická redukce
Selektivní katalytická redukce, Selective Catalytic Reduction (SCR), je postup, při kterém se v první části výfukového potrubí při teplotě 600 °C spalují pevné částice PM „saze“, NO okysličuje na NO2, ten okysličuje uhlík obsažený v sazích na CO2 a uhlovodíky HC, a přitom se CO se transformuje na CO2 a vodu H2O. Do další části výfuku se pak periodicky vstřikuje amoniová kapalina (močovina) – AdBlue, jejímž působením se NOx mění na vodu a dusík. Spotřeba této kapaliny je cca 6 % spotřeby paliva. Nevýhodou je další provozní kapalina a požadavek na prostor pro příslušenství motoru i zvýšení hmotnosti stroje. Popis obou základních principů je velice zjednodušený, a pro oba je významné, že dokonalejší prohoření paliva je zajímavé pro provozovatele motoru následným snížením spotřeby paliva, což ale současně znamená nižší množství vstupního uhlíku, a tak je efekt snížení emisí motorů svým způsobem dvojnásobný.

Co přinese budoucnost?
Zatímco u pohonu osobních vozidel je spektrum očekávatelných technických řešení širší, od kapalného propan-butanu LPG (Liquefied petroleum gas), stlačeného zemního plynu CNG (Compressed natural gas), elektromobilů až po kapalná biopaliva (etanol) a vizionářské použití vodíku, jsou tato řešení u nákladních vozidel a pracovních strojů použitelná omezeně. V nejbližší budoucnosti bude jako pohonná jednotka převládat naftový motor, doplněný možná asistenčním elektromotorem. Uživatele nemusí příliš zajímat, jakým způsobem se výrobci motorů vyrovnají se stálým zpřísňováním limitů exhalací, ale zajímat je určitě bude, jaké provozní komplikace jim využívání toho kterého systému přinese, kolik to bude stát, a jakou životnost stroje budou moci očekávat. Důležité budou určitě i požadavky na seřizování a údržbu. Z pohledu provozovatelů je jistě potěšitelné, že každé snížení exhalací sazí a nespálených uhlovodíků přináší snížení spotřeby pohonných hmot. Zda je takové snížení v přijatelné relaci s provozními komplikacemi, to již provozovatelé velkých flotil vozidel jistě vědí.

Autor:
Prof. Ing. Vladimír Simanov, CSc.
E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.