22 let na trhu autoopravárenství

Fenomén současnosti – emise (1. díl)

Pokračování článku najdete v časopisu AutoEXPERT 7+8/2017.

 

<Votviracek prosim stejny jako v AE3/2016 – str.20 Emise věc veřejná (EmiseVojtisek)>

 

Červená

Na aktuální téma

Emisní legislativa

 

Fenomén současnosti – emise <prosim nejak pridejte jednicku, protože toto je první dil ze serialu>

 

Text: Michal Vojtíšek

Foto: autor a archiv

 

Vážení čtenáři, počátkem loňského roku jste se na stránkách AutoEXPERTU setkávali se seriálem Emise – věc veřejná, kterou připravoval doc. Michal Vojtíšek, M.S., Ph.D., z Centra udržitelné mobility při Strojní fakultě ČVUT v Praze. Na toto téma, doplněné o nejnovější poznatky, autor volně navazuje další sérií článků, jimiž se prolíná hlavní motto: Budoucnost dieselů ve městech záleží na nás – proč filtry částic, močovina a poctivá údržba mohou být tím nejlevnějším řešením.

 

Začátkem června pořádala automobilka PSA tiskovou konferenci, na které představila automobily se vznětovými motory se selektivními redukčními katalyzátory (SCR); to jsou ty katalyzátory, dobře známé řidičům těžkých vozidel, které potřebují močovinu rozpuštěnou ve vodě, známou jako AdBlue. Vezl jsem se tam po debatě o zákazu dieselů na Ministerstvu životního prostředí, kam jsem přijel osmisetkoňovým dvanáctiválcem, kterým cesta přes Prahu poklidnou, až stokilometrovou rychlostí trvá asi čtvrt hodiny (motorový rychlík Českých drah), z čehož vznikla zajímavá diskuse, zda motorový vlak je ekologická doprava (relativně ano, ale je otázka, zda je jakákoli doprava ekologická), zda lokomotivní motory také obcházejí emisní limity (ze všech měření vyplývá, že ne) a zda zakázat naftové motory. Univerzitní prostředí (pracuji, a často si hraji s motory, na ČVUT v Praze) má při takových úvahách, a obecně pro politiku založenou na vědeckých poznatcích, tzv. science-based policy, tři obrovské výhody: knihovny, kde lze dohledat a nastudovat literaturu, laboratoře, kde při troše štěstí to, co v knihovně nenajdu, změřím (obr. 1), a kolegy, ať již o pár dveří dál, nebo na druhém konci světa, se kterými se lze poradit. Vybaven přemírou informací k údivu více stran odpovídám, že není motor jako motor a že z měst by neměly být vykázány všechny vznětové motory, ale pouze ty „špatné“, protože je možné, že kvalitní vznětové motory mohou být méně škodlivé než jejich alternativy.

 

<M> Hrozba pro naše zdraví

Spalovací motory, hojně využívané ve vozidlech a pracovních strojích, jsou jedním z hlavních zdrojů znečištění ovzduší ve městech (obr. 2). Neúplným spálením paliva a motorového oleje vznikají mimo jiné uhlíkaté nanočástice o velikosti desítek nanometrů, tj. řádově tisíciny průměru lidského vlasu. Takto malé částice se na rozdíl od těch větších účinně zachycují v plicních sklípcích a pronikají do krevního oběhu, případně z nosu podél čichového nervu pronikají přímo do mozku. Na ty jsou navázány různé rakovinotvorné a genotoxické látky (to znamená látky, které poškozují a pozměňují genetickou informaci, například poměrně známý benzo[a]pyren, či méně sledované látky, například nitropyren nebo 3-nitro-benz[a]benzantron). Tyto částice motory vypouštějí uprostřed ulic, v blízkosti lidí, což motory staví do obrovské nevýhody oproti topeništím a elektrárnám, které mají komíny (obr. 3). Má to bohužel dopady na lidské zdraví, a to poměrně velké. Například počet předčasných úmrtí v Evropě je odhadován na stovky tisíc ročně, to je asi desetinásobek v porovnání s dopravními nehodami. Druhým největším zlem (z hlediska počtu předčasných úmrtí „jen“ srovnatelným s dopravními nehodami) jsou oxidy dusíku, dusnatý a dusičitý, dohromady označované jako NOx. Ty vznikají za vysokých teplot při spalování z dusíku, který je ve vzduchu. Nahnědlý oxid dusičitý je dráždivý a díky NOx (a slunečnímu záření a organickým látkám, ty se ale vyskytují i běžně v přírodě) vzniká ozon, ten je velmi reaktivní, používá se také k bělení papíru a čištění vody, bohužel ale také poškozuje buňky.

 

<M> Řešení

Problém částic jsme vyřešili u naftových motorů filtry částic (DPF, z anglického diesel particle filter), umístěnými ve výfukovém potrubí. Ty jsou z porézní keramiky, pod elektronovým mikroskopem struktura připomíná molitan. Částice se na nich zachytávají, a protože většina částic je uhlík nebo organické látky, odstraňují se průběžným nebo pravidelným vypalováním (regenerace). Jejich funkce je povětšinou bezproblémová, navíc slouží jako výborný tlumič výfuku, takže se nesnižuje ani výkon, ani se samotnou přítomností filtru příliš nezvyšuje spotřeba. Nějakých pár procent paliva navíc je třeba tam, kde se DPF pro dosažení zápalné teploty částic ohřívá palivem, jsou ale i jiné způsoby, například snížení zápalné teploty katalyzátorem dávkovaným do paliva nebo naneseným na vlastním tělese filtru. Většina potíží s DPF pramení ze zanášení filtru popelem z nesprávného paliva nebo motorového oleje nebo z nadměrných emisí částic v důsledku nezvládnutého seřízení, závady nebo nadměrného opotřebení motoru.

 

<M> Problém pro emise – čipování

Častou příčinou nezvládnutého seřízení je nepříliš propracované přenastavení („přečipování“) motoru na vyšší výkon – dostat vyšší výkon z motoru je samo o sobě relativně jednoduché, naopak velmi náročné může být udělat to tak, aby byla v rozumné míře zachována životnost, spolehlivost, spotřeba paliva, emise a další vlastnosti motoru. Například u závodních motorů často stačí, když vydrží jeden závod. Přečipovaný motor s odmontovaným filtrem částic, z něhož se zakouří při každém rozjezdu, tak může na kilometr jízdy vyprodukovat více částic než vlak tažený dieselovou lokomotivou – nevěřili jsme, a tak jsme dvě staré lokomotivy osadili aparaturou a měřili jsme emise u motorových rychlíků z Prahy. Výsledky jsou nádhernou ukázkou toho, jak i starý, ale dobře seřízený, pečlivě udržovaný a profesionálně obsluhovaný motor může mít nižší emise částic než nový motor vykazující jistou absenci technologické kázně. Podělíme-li navíc emise vlaku i automobilu počtem sedadel (průměrná obsazenost obou je srovnatelná, kolem třiceti procent), emise částic ze starších lokomotiv bez katalyzátorů a DPF jsou někde na úrovni automobilů s benzinovými motory; naftové automobily s funkčním DPF pak mají emise částic nižší, bez DPF však výrazně vyšší.

 

<M> Perfektní seřízení motorů je základ

Pokud jde o oxidy dusíku, zážehové motory jich mohou produkovat více než vznětové, ale u zážehových motorů se již desítky let používají třícestné katalyzátory, které, při pečlivém řízení poměru paliva a vzduchu a po krátkém ohřátí, velmi účinně snižují emise všech plynných látek. Otázka emisí plynných rizikových látek ze zážehových motorů je tak spíše otázkou dodržení kvality seřízení, údržby a obsluhy. Zbývají částice, kterých je u klasických benzinových motorů se vstřikem do sání relativně málo, vyjma provozu s bohatou směsí, využívaného některými výrobci při vyšším výkonu – proto mají některé levné benzinové motory obrovskou spotřebu při sportovnější jízdě na dálnici. U benzinových motorů s přímým vstřikem je částic více, i když zpravidla ne tolik jako u naftových bez DPF, a i zde mnozí výrobci uvažují o zavedení filtru částic. Poměrně velkým problémem s benzinovými motory je tvorba tzv. sekundárních organických aerosolů z organických látek ve výfukových plynech. Dalším problémem je vstřikování mazacího oleje do sání u některých motorů na plynná paliva – obdobně jako u dvoudobých motorů působí mazací olej poměrně značné emise částic. Ani benzinové, ani plynové motory proto nemusí být nutně „čisté“.

 

<M> Snižování emisí vznětových motorů

Třícestné katalyzátory bohužel nelze použít u vznětových motorů, protože ty pracují s přebytkem vzduchu. Nižších NOx je již dlouho dosahováno zpožděním vstřiku (a tím i zpožděním hoření) paliva, o něco později přibyla recirkulace výfukových plynů, a protože nebyly emise NOx sníženy dostatečně, následně katalyzátory, kde se nabízejí dva koncepty – zásobníkový (LNT, z anglického lean NOx trap, tj. zachycovač NOx), a selektivně redukční (SCR). V zásobníkovém katalyzátoru se NOx ukládají a každou řádově minutu motor na několik sekund přejde do bohaté směsi, kdy se NOx uvolní a jsou redukovány jako v třícestném katalyzátoru. U SCR katalyzátoru probíhá reakce amoniakem (plynným čpavkem), který vzniká rozkladem močoviny, jež je vstřikovaná ve formě vodného roztoku do výfukového potrubí před katalyzátor.

 

<M1> Snižování emisí s SCR

Zatímco zpoždění hoření, recirkulace výfukových plynů a zásobníkové katalyzátory mírně zvyšují spotřebu paliva, SCR je jedinou technologií, která dovoluje optimalizovat motor na nízkou spotřebu a účinně likvidovat vyšší množství NOx. SCR vyžaduje určitou minimální teplotu výfukových plynů a redukční činidlo, AdBlue. Toho spotřebuje několik procent spotřeby paliva, tj. několik litrů na sto litrů nafty, což odpovídá jednomu procentu ceny paliva. Téměř všechna těžká vozidla, u kterých se na spotřebu paliva bere ohled, se dnes vyrábějí s SCR. Je to i nejúčinnější způsob redukce NOx. Například dvanáctimetrový autobus SOR vybavený DPF a SCR má za provozu na kilometr jízdy emise NOx srovnatelné s lepšími automobily Euro 6 s naftovým motorem a asi pětinové oproti průměrným emisím automobilu Euro 5 s naftovým motorem za běžné jízdy. Připravované nové emisní limity USA přitom počítají od roku 2020 s dalším snížením emisí NOx u těžkých vozidel, takže za několik let vyrobené autobusy a nákladní vozy budou muset za skutečného provozu vyprodukovat méně NOx, než smějí dnes vyprodukovat tamější automobily v laboratoři během amerických homologačních testů – a to je pouhý zlomek toho, co by během takových testů vyprodukovaly automobily současně prodávané na evropském trhu.

 

Technologie vznětového motoru s nízkými emisemi je tedy nejen známa; většina nově vyráběných těžkých vozidel v USA i EU skutečně relativně nízkých emisí, při dodržení požadavků na kvalitu seřízení, údržby a obsluhy, dosahuje. Vícenáklady spojené s úpravou výfukových plynů jsou přitom nižší než investice do jakékoli jiné formy nízkoemisního pohonu, ať již jde o vozidla na zemní plyn, nebo ještě dražší elektrická vozidla s akumulátory nebo palivovými články na vodík, přičemž každá z možností je spojena s určitými negativními dopady na životní prostředí; i na bezemisní sluneční a větrné elektrárny jsou stížnosti, že hyzdí krajinu.

 

<M> Těžká vozidla jsou nejmenší problém

Těžká vozidla se vznětovými motory bych proto z měst nevykazoval, pouze bych vyžadoval, aby motory byly kompetentně seřízené, udržované a provozované. Navíc pro ně není snadná náhrada – mnohem raději budu do práce jezdit na bicyklu, až to neušlapu, tak elektrickém, než že bych si vozil dřevo na topení rikšou či obdělával pole ruchadlem taženým voly (kteří emitují metan, což je poměrně potentní skleníkový plyn – a proti čemuž by pravděpodobně někdo namítl, že je to zotročování zvířat).

 

Dosavadní praxe u osobních automobilů, kdy se emisní limity snižovaly pouze „na papíře“, je z hlediska lidského zdraví nepřijatelná, a to nejen pro odborníky, ale pro stále větší počet občanů. Výrobci a provozovatelé automobilů se vznětovým motorem budou proto muset počítat s tím, že buď jejich motory budou mít přijatelně nízké emise během reálného provozu, nebo nebudou smět být alespoň ve větších městech provozovány. Je přitom možné, že malý počet nezodpovědných výrobců nebo motoristů to „zkazí všem“. Nějaké peníze to bude stát a je pravděpodobné, že levnější malé automobily a městská vozítka provozovaná na krátkých trasách přejdou na jednodušší a emisně relativně zvládnuté zážehové motory nebo na elektrický pohon. Domnívám se ale, že diesely zdaleka nekončí, protože těch několik set eur, navíc investovaných do DPF a SCR, pravidelné dolévání močoviny a pravidelné technické a emisní kontroly, je, obdobně jako u těžkých vozidel, tím nejméně bolestným, nejlevnějším a nejpraktičtějším řešením pro relativně intenzivně využívaná vozidla.

 

Než proto zakážeme plošně naftové motory ve městech, zkusme dát šanci rozumnému a odpovědnému využívání kvalitně navržených, seřízených a udržovaných motorů a také se zeptejme, jaké problémy přináší různé zamýšlené alternativy.

 

 

Obr 1 <mozna tento obrazek i s textem do samostatného ramecku?>: Hodnocení dopadů nových paliv a technologií na emise a lidské zdraví: Automobil na stlačený zemní plyn (CNG) při zevrubném emisním testu na válcové zkušebně Centra vozidel udržitelné mobility ČVUT. Na válcích dynamometru jsou všechna čtyři kola, testy nejsou omezeny na homologační test NEDC, ale zahrnují nový cyklus WLTC, americký cyklus US06 a výzkumné cykly Artemis (zohledňující skutečnou jízdu v Evropě) a New York City Cycle (intenzivní městský provoz). Z ředicího tunelu (vlevo nahoře) jsou odebírány vzorky tak jako u legislativních testů, nad rámec legislativních požadavků jsou měřeny početní koncentrace a velikostní distribuce částic (dva klasifikátory a čítač vlevo od vozidla). Přístroje ve vozidle – vlevo FTIR analyzátor pro měření plynných emisí, vpravo čítač částic – měří v laboratoři a také během jízdy po několika testovacích okruzích v Praze a okolí.

 

 

 

Obr. 2: Zda je motor vhodný do města, je patrné na první pohled do výfukového potrubí: Vlevo lokomotiva (zemní plyn, Kalifornie, ve výfuku jsou měřicí sondy), uprostřed stavební stroj (nafta, filtr částic, Švýcarsko), vpravo nákladní vozidlo Euro 5 (nafta, bez funkčního filtru částic, Praha, ČR).

 

 

 

Obr 3: Částice navzorkované z motoru na zemní plyn (vlevo) a z naftového motoru ve špatném stavu bez filtru částic (uprostřed); částice z lokálního topeniště jsme raději nevzorkovali (pohled do komínu vpravo). Emisní limity pro celkovou hmotnost emitovaných částic jsou pro lokální topeniště nějaké stonásobky limitů pro silniční motory – motory však nemají komíny, výfuky jsou přímo tam, kde dýcháme, a je jich hodně.