Wydechowe ograniczenia

Samochody są coraz mniejszym balastem dla środowiska naturalnego – w takim przekonaniu przez lata utwierdzały nas zarówno koncerny motoryzacyjne, jak również unijni urzędnicy, systematycznie narzucający kolejne normy i obostrzenia. Ekologiczną mrzonkę rozwiała „afera Volkswagena”.

Przez dekady nikt nie przejmował się toksycznością spalin wydostających się z rur wydechowych samochodów osobowych, ciężarówek, autobusów i motocykli. Toksyczność gazów wylotowych podnosiły niedoskonałości procesu spalania. Podczas pracy pod obciążeniem wolnossącym dieslom brakowało powietrza – efektem były tumany sadzy z wydechu. Z kolei gaźnikowe silniki benzynowe często pracowały na przesadnie wzbogaconej mieszance, a czteroetylek ołowiu – dodawany w celu podniesienia liczby oktanowej oraz ochrony gniazd zaworowych – był toksyczny. Na tyle, że w wielu opracowaniach jest umieszczany w jednym ciągu z bojowymi środkami trującymi.

Problem spalin samochodowych zaczął zaprzątać umysły pod koniec lat 60. ubiegłego wieku. Niewielkie obniżenie emisji szkodliwych substancji uzyskano dzięki zwiększeniu ilości powietrza doprowadzanego do cylindrów oraz jego wstępnemu podgrzewaniu. Efekty pozostawały jednak dalekie od oczekiwań, więc zaczęto prowadzić badania nad pierwszymi katalizatorami.

W 1972 roku, podczas światowej konferencji w Sztokholmie dotyczącej środowiska naturalnego, dyrektor Volvo wskazał motoryzację jako poważny czynnik postępującego wzrostu zanieczyszczenia atmosfery. Nie skończyło się na deklaracjach. Już wtedy inżynierowie Volvo intensywnie pracowali nad systemem neutralizacji toksycznych związków w spalinach. Kluczem do sukcesu była sonda lambda, czyli umieszczony między silnikiem a katalizatorem czujnik zawartości tlenu. Jego wskazania trafiają do sterownika silnika, który odpowiednio koryguje skład mieszanki paliwowo-powietrznej. Celem było utrzymanie go na poziomie 14,7:1. Odpowiada to współczynnikowi nadmiaru powietrza lambda =1, który zapewnia maksymalną skuteczność reaktora katalitycznego. Reakcje, jakim podlegają wówczas gazy spalinowe, zachodzą z na tyle wysoką sprawnością, że zostaje wyeliminowane ponad 90 procent szkodliwych węglowodorów oraz tlenków węgla i azotu.

W 1977 roku w amerykańskim stanie Kalifornia zostały wprowadzone nowe obostrzenia w zakresie dopuszczalnej emisji trzech najbardziej toksycznych składników spalin – węglowodorów (do 0,41 g/milę), tlenku węgla (do 9,0 g/milę) oraz tlenków azotu (do 1,5 g/milę). W tych czasach były to najostrzejsze na świecie wymogi w zakresie czystości spalin. Volvo z trójfunkcyjnymi katalizatorami oraz sondami lambda emitowały odpowiednio 0,2 g/milę węglowodorów, 3,0 g/milę tlenku węgla oraz 0,2 g/milę tlenków azotu. Spektakularne wyniki oraz rosnąca presja na ochronę środowiska przyczyniły się do szybkiej popularyzacji katalizatorów. Zbiegło się to z odejściem od etyliny, która nie mogła być stosowana w samochodach w reaktorami katalitycznymi. Benzynę z czteroetylkiem ołowiu najwcześniej wycofano z Japonii (1986), Niemiec (1988), Szwecji (1992) oraz USA (1992 – 1996). Systematycznie ograniczano także zasiarczenie paliw, które dawało się we znaki katalizatorom, wtryskiwaczom (w szczególności bezpośrednim) oraz nikasilowi, czyli nakładano na gładzie cylindrów silników samochodów z wyższej półki niezwykle odpornej na ścieranie powłoce z niklu i węgliku krzemu.

Kolejny etapem walki o czyste powietrze było wprowadzenie systemu norm Euro. W 1992 roku zaczęło obowiązywać Euro 1. W 1996 i 2000 roku wprowadzano standardy Euro 2 i Euro 3. Toksyczność spalin istotnie spadła po 2005 roku, kiedy zaczęło obowiązywać Euro 4. Silniki benzynowe wymogi spełniały bez trudu. Przed sporym wyzwaniem stanęli natomiast konstruktorzy diesli. W części z nich konieczne stało się zamontowanie filtrów cząstek stałych, które są niezbędne do spełnienia jeszcze bardziej restrykcyjnej normy Euro 5. Dla obowiązującego już standardu Euro 6 diesle muszą posiadać układ redukcji tlenków azotu. Mniejszym wystarcza tzw. pułapka tlenków azotu, większe potrzebują układu selektywnej redukcji katalitycznej (SCR), który podaje do układu wydechowego AdBlue – wodny roztwór mocznika reaguje z tlenkami azotu, tworząc cząsteczkowy azot i parę wodną.

Początkiem afery spalinowej stały się rozbieżności w emisji tlenków azotu wykryte w turbodieslach grupy Volkswagena. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska zakwestionowała wyniki z cykli badawczych. W jej ocenie istotnie różniły się od uzyskiwanych w warunkach ruchu drogowego. Koncern jest podejrzewany o manipulowanie z oprogramowaniem dla silników. Eksperci mówią wręcz o rozwiązaniach, które ściśle dopasowano do wymogów cyklu pomiarowego. Volkswagen może stanąć przed koniecznością doprowadzenia do porządku 11 milionów samochodów, także sprzedanych w Europie. W grę wchodzą również odszkodowania i kary. Odczuwalnym ciosem dla koncernu był już spadek cen akcji do poziomu z przełomu lat 2010 – 2011.

Natychmiast zaczęto przyglądać się dieslom innych marek. Wiele wskazuje, że „afera Volkswagena” może być wierzchołkiem góry lodowej. Sięgająca 40 procent sprawność współczesnych diesli, rosnące prędkości obrotowe oraz ogromne wartości ciśnienia i temperatury w komorach spalania utrudniają uzyskanie spalin o składzie, który jest narzucany przepisami. Pojawiają się pierwsze głosy, że spełnienie normy Euro 6 bez balansowania na granicy prawa jest wręcz niemożliwe. Pozostaje poczekać na rozwój wydarzeń. Aktualnie tylko nieliczne firmy badawcze decydują się na wskazanie konkretnych marek bądź modeli w obawie przed roszczeniami za bezpodstawne zarzuty.

Nie zmienia to faktu, że tworzenie algorytmów oszukujących cykle pomiarowe zasługuje na potępienie. W końcu chodzi o czystość powietrza, którym oddycha każdy mieszkaniec planety. Jednocześnie dobrze się stało, że świat zaczął mówić o oderwaniu cyklu homologacyjnego od rzeczywistości.
W 2005 roku wszedł w życie protokół z Kioto. Jego istotą jest ograniczenie emisji gazów cieplarniach – z dwutlenkiem węgla na czele. Na cenzurowanym znalazła się m.in. motoryzacja. Czy słusznie? Oszacowano, że na terenie Unii Europejskiej samochody odpowiadają za 12 procent całkowitej emisji dwutlenku węgla. Aby ją ograniczyć, trzeba zredukować zużycie paliwa. Uznano, że najbardziej sprawiedliwym rozwiązaniem będzie wyliczenie średniej emisji dla całej gamy pojazdów danego koncernu. W przypadku Daimlera oznacza to branie pod uwagę zarówno smarta, jak i maybacha z dwunastocylindrowym silnikiem.

W latach 90. XX wieku producenci samochodów z dobrej woli podejmowali działania mające na celu obniżenie emisji dwutlenku. Od sześciu lat zasady gry narzuca Unia Europejska. Celem na 2015 rok jest uzyskanie średniej emisji CO2 dla na poziomie 130 gramów na kilometr, co w przypadku silników benzynowych odpowiada spalaniu 5,6 l/100 km, a w przypadku diesli – 4,9 l/100 km. Koncerny narzekają na obostrzenia, ale robią wszystko, by zrealizować plan. Obliczono, że statystyczny nowo rejestrowany samochód w Europie emituje 123,4 g CO2. Przekroczenie progu o 1 g CO2/km jest równoznaczne z koniecznością uiszczenia pięciu euro za każdy zarejestrowany samochód. Kolejne gramy kosztują 15, 25 i 95 euro!

W równie spektakularnym tempie przebiega zaciskanie pasa. Do 2021 roku średnia emisja dwutlenku węgla powinna spaść do poziomu 95 g CO2/km. To równowartość 4,1 l/100 km dla samochodów z silnikami benzynowymi oraz 3,6 l/100 km dla diesli. Jeżeli plan uda się zrealizować, emisja spadnie o 40 procent względem 2007 roku (158,7 g CO2/km). Teoretycznie. Nie brakuje opinii, że system bazujący na emisji dwutlenku węgla jest kolosem na glinianych nogach. Podstawą do karania producentów oraz nakładania na kierowców podatków za eksploatację paliwożernych samochodów są wyniki spalania w cyklu homologacyjnym, który jest kompletnie oderwany od drogowej rzeczywistości, gdyż odbywa się w warunkach laboratoryjnych. Badania wykazały, że rzeczywiste zużycie paliwa jest o 10 – 35 procent wyższe od deklarowanego.

Na razie pod lupą jest toksyczność spalin, czyli emisja sadzy, węglowodorów oraz tlenków węgla i azotu. Naturalną koleją rzeczy powinno być przyjrzenie się katalogowej i rzeczywistej emisji dwutlenku węgla. Jedną ze zmian na lepsze będzie zastąpienie cyklu badawczego NEDC urealnionym WLTP, który powinien zostać wdrożony najpóźniej do września 2017 roku.

Łukasz Szewczyk