Luky, Bloguj!: Technologie snižování emisí u nákladních vozidel

1. Úvod

1.1 EURO IV, V

V souvislosti se zvyšujícími se ekologickými požadavky a nároky na nově vyvíjené spalovací motory a dopravní prostředky vůbec, zavedla Evropská unie závazné emisní normy pro nově na trh uváděné spalovací motory. Jejich hlavním cílem je průběžně snižovat emise dopravních prostředků spolu se zaváděním přísnějších norem (označované Euro 1-6 u vozidel kategorie M1,N1 a Euro I-V u vozidel těžších než 3,5t). Tyto předpisy upravují emise oxidu uhelnatého, uhlovodíků, oxidů dusíku, a jemných pevných částic. Je potřeba poznamenat, že od zavedení EURO 2 (1993) jsou stanoveny rozdílné emisní limity pro vznětové a zážehové motory. Motory spalující naftu jsou tak zavázáni přísnějšími limity oxidu uhelnatého (ale norma je mírnější v exhalacích oxidů dusíku), naopak benzínové motory nemusí splňovat limity emisí pevných částic. Rozdílná situace v pojetí také nastává u emisních norem pro osobní vozidla a nákladní vozidla. Zatímco u vozidel pro osobní dopravu nepřesahující maximální provozní hmotnost 3,5t jsou nejvyšší povolené limity exhalací regulovaných plynů udávány v jednotkách g/km, u těžkých nákladních vozidel nad 3,5t pak v odlišných jednotkách g/kWh. Proto nejsou, jak některé zdroje mylně udávají, porovnatelné. Emisní normy tak jsou spolu se zaváděním nových, sofistikovanějších technologií, hlavním nástrojem k uskutečnění budoucího cílu bezemisní dopravy. V další části se už budeme zabývat jen emisními normami u nákladních vozidel.

1.2 EURO VI

Normu EURO IV uvedenou v platnost v roce 2005 nahradí v září 2008 emisní norma EURO V. Ta do příchodu EURO VI (ještě nebyly ujednány přesné podmínky) v roce 2012 upravuje oproti předchozí množství exhalací ze vznětových motorů především v oblasti emisí oxidů dusíku NO_x (snížení o téměř 43%), které jsou u těžkých nákladních vozidel vedle exhalací hluku jedním z největších problémů (zvláště uvědomíme-li si, kolik nákladních automobilů projíždí centry měst a skrz hustě zabydlené oblasti. To samé platí např. pro autobusy městské hromadné dopravy). Horní mez povolených emisí oxidů dusíku tak poklesla z 3,5 g/kWh na 2,0 g/kWh. Ještě přísnější by měla být norma EURO VI. Ta začne s největší pravděpodobností platit někdy po roce 2012 a je teprve předmětem horlivých diskuzí mezi odborníky a výrobci vozidel. Jak se zdá, jsou možné čtyři různě přísné scénáře. Nejpřísnější limit by snížil maximální množství emisí na pouhou desetinu hodnot emisní normy EURO V, nejbenevolentnější pak na polovinu. Současný trend snižování emisních hodnot tak představuje značnou zátěž pro vývojová oddělení automobilek a do budoucna bude ještě stát mnoho úsilí finančních prostředků. A to nejen privátních, ale i těch veřejných. Je otázkou, jestli další zpřísňování emisních norem má ještě z hlediska technologického cenu. Zda raději již ve střednědobém horizontu pobízet trh k výrobě nových alternativních a sofistikovanějších druhů pohonu. Každopádně, ze současného vývoje můžeme vyčíst, že spalovací motor tak jak ho známe dnes, ještě zdaleka neřekl své poslední slovo. Ač se to zdá neuvěřitelné, prostor stálé zlepšovaní (a to nejen v otázce exhalací) tu stále existuje a každou technologickou novinkou se neustále zvětšuje.

2. Snižování Emisí NO_x

Cest ke snížení především emisí NO_x je několik. Jedná se principielně o dvě metody:

· Úpravu spalování uvnitř válců

· Úprava výfukových plynů

2.1 Úprava spalování

Cílem první metody je potlačit či upravit emise NOx již při spalování natolik, že by již dále nebyly ve výfukovém potrubí potřeba žádné další speciální úpravy a ke stlačení na požadovanou úroveň by stačil již běžný katalytický proces. V menší míře již tato technologie je v moderních spalovacích motorech s přímým vstřikováním a rychlými řídícími jednotkami schopnými v reálném čase sledovat podmínky v jednotlivých válcích a pružně na ně reagovat. Problémem je zatím zaostalý technologický pokrok. Pro splnění aktuální normy EURO V ještě tato technologie není příliš rozvinutá a řada odborníků míní, že další emisní normy již tento způsob redukce oxidů dusíku nebude reálně zvládat. Přesto však např. ve Spojených státech existuje program sponzorovaný americkou vládní agenturou EPA – Diesel Combustion sloužící pro výzkum spalování paliva a jeho sledování řídící jednotkou. Podstatou je několikanásobné vstřikování paliva, kdy jsou velmi malé dávky paliva dodatečně vstřikování do druhé frakce ve spalovacím prostoru před a po hlavním vstřikování paliva. Předstřik redukuje mechanické napětí ve spalovacím prostoru a rovněž hlučnost motoru. Zlepšuje se také spouštění motoru za studena. Následný vstřik redukuje černání výfuku a zvyšuje teplotu výfuku , takže výfukové saze hoří snadněji. Restartuje tak spalování v pozdější fázi, zbývající saze shoří a tím se významně redukují emise částic. Několika násobné vstřikování paliva klade vysoké požadavky na systém vstřikování paliva a jeho elektronické řízení. Velmi malé dávky paliva (5 až 30mm3) musí být přesně odměřeny v přesném sleduj několika tisícin vteřiny, protože palivo může hořet optimálně jako výsledek přesně propočítané interakce mezi jednotlivými vstřiky. Dále parametry vstřiku se nesmí mezi intervaly měnit a musí být zabráněno zvýšenému opotřebení mechanických součástek, jako jsou válce a písty.

2.2 Úprava výfukových plynů

Druhá metoda se v dnešní době zdá jako mnohem nadějnější a o poznání progresivnější. Její vývoj (ve dvou lehce odlišných směrech) ale už i zavádění do praxe je velmi rychlý. Jedná se jednak o technologii EGR - Exhaust Gas Recirculation (recyklace výfukových plynů) a především v současné době mezi výrobci velmi populární technologií SCR – Selective Catalytic Reduction (selektivní katalytická reakce). Vývoj obou těchto metod jde razantně dopředu a zdá se, že je to ta správná cesta ke splnění i budoucích mnohem přísnějších emisních norem. Přesto však tyto fascinující technologie mají několik výrazných nevýhod a nepříjemných detailů.

Hlavním problémem při každém pokusu o snížení emisí NOx je skutečnost, že pokud se sníží emise oxidů dusíku, dochází k navýšení měrné spotřeby paliva. Proto musí být navrhované technologické řešení vždy rozumným kompromisem mezi spotřebou paliva a emisemi oxidů dusíku. To mimo jiné vyžaduje přesné řízené spalovaní, probíhající při relativně nízkých teplotách.

2.2.1 EGR

Tato technologie využívá prověřené vyzkoušené řešení používané již běžně u trucků ve Spojených státech a již několik let i u osobních vozidel. Vznik emisí se potlačuje již během spalování ve válcích a odpadá tak potřeba dalšího zařízení pro následnou úpravu spalin a nádrží pro přepravu aditiv jako u technologie SCR (viz. níže). Je tak potlačena jedna z největších nevýhod SCR. Řidič tak tankuje jen naftu tak, jak byl zvyklý doposud. Ekonomické výhody jsou tak zřejmé. Bez nutnosti tankovat další látky je také usnadněna problematická kontrola, zda dopravce opravdu aditivní látky doplňuje a splňuje tak emisní normy. Problémem u technologie EGR bylo vždy nadměrné zahřívání motorového prostoru. Proto např. firma Scania u své nové řady motorů splňující normu EURO V zavedla do dnešní doby unikátní konstrukci bloku motoru s druhou fází chlazení vzduchem.

Princip spočívá v ochlazení části výfukových plynů speciálními tepelnými výměníky, ještě před vstupem do turbodmychadla smíchání s nasávaným vzduchem (většinou po mezistupňovém chlazení v chladiči) a jejich přivedení zpět do spalovacího prostoru (obrázek 1). Tím se sníží teplota spalování, a jako následek se sníží emise oxidů dusíku. Sekundárně se tímto procesem i zvýší vstřikovací tlaky ve spalovací komoře. To umožní výrazné snížení exhalací pevných částic ( a „odlehčení“ tak filtru pevných částic u kterých je největším problémem právě jejich zanášení a samočistění). To vše umožňuje účinné omezení emisí za všech okolností a režimů jízdy. To mimo jiné znamená, že je tento způsob redukce emisí vhodný i pro městský režim s častou změnou režimu chodu motoru vozidla, častým zastavováním a rozjezdem. EGR proto nabízí dokonalé řešení i pro městskou hromadnou dopravu. Velkou výhodou pak je nízká hmotnost celého zařízení (pouhých 25kg). To je opravdu výrazněn méně než kolik váží nádrž i s aditivy u technologie SCR. Prostorové požadavky jsou také minimální.

Největší výhodou technologie EGR je tak jistě finanční nenáročnost. Jde o výhodnou a maximálně finančně úspornou technologii. Přesto však v současné době tak rozšířená jako technologie SCR. Ačkoli tento systém nevyžaduje žádné aditivum, omezení v prostoru podvozku je příčinnou toho, že u větších motorů nelze tento systém použít. V důsledku opětovného spalování výfukových plynů bohatých na uhlík se navíc zkracuje interval výměny oleje. Zatím si v oblasti těžkých nákladních vozidel troufá splňovat normu EURO V s technologií EGR pouze společnost SCANIA a MAN (ale obě u svých vysokovýkonných motorů přesto nabízejí SCR).

2.2.2 SCR

Jako do budoucna velmi slibná technologie snižování emisí oxidů dusíku ve výfukových plynech se jeví v současné době selektivní katalytická redukce. (obrázek 3, 4 a 5) Jedná se o reakci, při níž oxidy dusíku reagují v přítomnosti katalyzátoru s amoniakem NH3 za vzniku plynného dusíku a vody. Obě tyto látky jsou pak pro ovzduší a životní prostředí vůbec naprosto neškodné. Odborníci soudí, že díky této metodě se podaří snížit obsahy dusíku ve výfukových plynech až někam k jedné desetině g/kWh.

Z principu je využití samotného čistého amoniaku nemožné, je totiž velmi jedovatý a navíc vysoce korozívní. Z bezpečnostního hlediska se tedy jako zdroj amoniaku se pro tyto účely používá močovina (NH2)2CO – známá pod nejčastěji komerčně využívaným názvem AdBlue umístěné v samostatné nádrži ve vozidle. Odstraňování oxidů dusíku metodou SCR probíhá v čisticí jednotce, která je zařazena na samotný konec systému pro čistění výfukových plynů. Do výfukových plynů se rozprašuje roztok močoviny, která se okamžitě rozkládá na oxid uhličitý a amoniak. Ten na speciálním katalyzátoru reaguje s oxidy dusíku.

Tato na první pohled jednoduchá a elegantní metoda má však spoustu velkých, hlavně provozních nevýhod. Především systém vyžaduje neustálé doplňování močoviny. Ta musí být velmi čistá; hlavně nesmí obsahovat ani stopy látek, které by zničily katalyzátor. Bohužel mezi tzv. katalytickými jedy jsou v tomto případě například měď nebo hliník. Jsou to běžně se vyskytující látky a je proto problém zajistit, aby používaná močovina jimi nebyla kontaminovaná. Dále, provoz SCR jednotky musí být velmi přesně řízen. Proces odstraňování oxidů dusíku je citlivý na teplotu, a ta musí být udržována ve velmi úzkém rozmezí. Dávkování močoviny také musí být velmi přesné: její nedostatek by omezil účinnost odstraňování NOx a naopak přebytek by vedl k úniku jedovatého amoniaku. Velkým problémem je také skutečnost, že roztok AdBlue tuhne při jedenácti stupních pod nulou. Je potřeba jej vyhřívat. Což jen zvětšuje technologickou a energetickou náročnost a dále tak podražuje provoz.

Dalším problémem je relativně složitá výrobní technologie technické močoviny. Konsorcium výrobců z automobilového a chemického průmyslu vypracovalo standard, kterým se v současné výrobě řídí výroba 32.5% vodného roztoku močoviny a nechalo zaregistrovat ochranou známku AdBlue. Tím se zajistila unifikace technologie a nedojde tak k situaci, že by každý výrobce vyžadoval např. jinou koncentraci močoviny v roztoku nebo jiné parametry. To by představovalo ještě vyšší finanční zátěž pro provozovatele dopravních prostředků vybavených technologií SCR. Již teď jsou provozní náklady na čerpání AdBlue téměř 7% z ceny spotřebované nafty (pro splnění normy EURO V) – cena za litr AdBlue je však cca poloviční oproti ceně za litr nafty. Proto se zatím SCR prosadila jen povětšinou u těžkých nákladních vozidel. Tam se cena za instalaci a provoz této technologie v celkových nákladech na pořízení a provoz vozidla projeví jen málo. Stejně tak nároky na infrastrukturu a logistiku dodávek AdBlue k běžným čerpacím stanicím nejsou tak vysoké. U osobních vozidel však výše uvedené nedostatky přetrvávají a zabraňují tak širšímu využití SCR.

Posledním, spíše politickým a právním problémem, je míra dodržování emisních norem po zakoupení vozidla vybavených selektivní katalytickou redukcí výfukových plynů. Oproti technologii EGR musí totiž provozovatel vozidla neustále doplňovat AdBlue a zabezpečovat tak bezproblémový chod zařízení. Pokud se tak nestane objem exhalací z výfukových plynů stoupne přes povolené limity. To je výrazný problém. Oxidy dusíku se špatně ve výfukových plynech detekují (odpadá tak možnost namátkových kontrol orgány státem k tomu pověřenými) a například vizuální kontrola hladiny AdBlue kapaliny v nádrži je taktéž neúčinná. Nepoctivému dopravci totiž nic nebrání používat čistou destilovanou vodu. Od kapaliny AdBlue na první pohled nerozeznatelná. Katalytické čištění výfukových plynů tak představuje velkou změnu ve filozofii regulace emisí. Aby vozidlo mohlo vykázat, že splňuje emisní normu např. EURO V nejen v testovacím cyklu, musí být jednotka SCR naprosto funkční. Proto výrobci nahrazují starší typ palubních jednotek (povinné u dieselových motorů od roku 2003), která neumí analyzovat složení výfukových plynů novými jednotkami nové generace, kterými budou muset být vybaveny všechny těžké nákladní vozy nově registrované po říjnu 2008. Tyto řídící palubní jednotky v případě překročení limitu pro obsah škodlivin ve výfukových plynech automaticky sníží výkon motoru a jeho kroutící moment. A to podle některých zdrojů až o čtyřicet procent. To je jistě velmi významný zásah do provozu vozidla a mohl by tak přinutit velké procento dopravců k dodržování stanovených technologických postupů pro správný provoz jednotky SCR. Tímto směrem snižování emisí se dala většina velkých výrobců nákladních vozů, včetně Tatry Kopřivnice, která letos představila první a zatím jediný vzduchem chlazený vznětový motor splňující emisní normu EURO V.

2.3 HCCI a DiesOtto

Další velmi sofistikovanou metodou blízké budoucnost by se mohla stát technologie HCCI vyvíjená společností Scania. Principielně se jedná o zapalování homogenní směsi kompresí. Technologie využívá homogenního smíšení paliva se vzduchem před zapálením, podobně jako u většiny stávajících zážehových motorů. Směs je pak zapálena pomocí komprese, jako u vznětových motorů. Podobnou technologií se zabývá i společnost Mercedes. Ta nedávno představila technologii DiesOtto, kombinující princip vznětového a zážehového motoru. Je jen otázkou budoucnosti, zda se jedná o slepou uličku, nebo o velmi efektivní nástroj ke splnění budoucích emisních norem při současném zvyšování požadavků na výkon a spotřebu paliva vozidla. Obě technologie totiž podle obou společností vykazují fantastické výsledky.

3. Závěr

Směr, kterým se bude udávat vývoj čistých dieselových motorů nejen pro těžká nákladní vozidla je v současné době již téměř pevně daný. Jistě lze očekávat spoustu vedlejších technologií, či kombinaci, ale masivní rozšíření se čeká jen u dvou výše uvedených technologií EGR a SCR. Obě by tak mohli existovat bez větších potíží či omezování bedle sebe a vhodným způsobem se tak doplňovat. Každá z metod je více či méně vhodná pro jiný typ provozu a výkonů motorů. Navíc je očekáváno, že v době zavedení evropské emisní normy EURO VI, budou emise oxidů dusíku již na tak nízké úrovni, že se jak legislativa tak výrobci budou soustředit spíše na snižování emisí dnes tolik diskutovaného oxidu uhličitého. Do budoucna lze tak předvídat a někteří výrobci tak plánují již dnes, že dojde ke kombinaci několika metod. Jak k úpravě spalování, dalšímu zvyšování spalovacích tlaků a masivní zavedení v reálném čase řízeného spalování pomocí časovaného vstřikování, tak k recyklaci výfukových plynů (se stále zvětšujícím se objemem recyklace) a selektivní katalytické redukci. Otázkou do budoucna je samozřejmě využití alternativních paliv. Při současných cenách motorové nafty (a barelu ropy na světových trzích obecně) je tato problematika stále více významná. Možná, že tak technologie řešené v této práci jsou jenom krátkou přestupní stanicí na cestě k odlišnému pojetí spalovacích motorů či pohonů dopravních prostředků vůbec. Nicméně jsou relativně rychle zaváděnou a relativně efektivní metodou jak zlepšit životní prostředí okamžitě.

4. Seznam použité literatury

Internetové zdroje:

http://www.volvo.com/trucks/czech-market/cs-cz/trucks/environment/euro4_euro5/

http://en.wikipedia.org/wiki/European_emission_standards

http://www.dieselnet.com/standards/eu/ld.php

http://news.auto.cz/uzitkove/tatra-on-air-jediny-vzduchem-chlazeny-motor-euro-5-na-svete.html

http://stavebni-technika.cz/clanky/motory-euro-4-egr-nebo-scr/

http://technik.ihned.cz/109-22737520-on-adblue-800000_d-45

http://www.karosa.cz/main.php?language=czech&show=press2&date=2006-09-12+09%3A04%3A40

http://www.air1.info/ch/air1/adblue/european_legislation/

Elektronické publikace PDF:

http://www.rivm.nl/bibliotheek/rapporten/500043002.pdf