Normy emisji spalin

BoschSygnał sondy λ (czujnik tlenu w spalinach) właściwie od momentu wprowadzenia katalizatorów jest podstawowym parametrem sterującym w układach zasilania silników o ZI

Współcześnie zakłady przemysłowe budowane są poza obszarami miejskimi lub na przedmieściach, dlatego ich udział w emisji szkodliwych składników spalin w aglomeracjach jest ograniczony do minimum. Obecnie to transport stał się głównym źródłem zanieczyszczeń powietrza w miastach. Ocenia się, że 20% emisji CO₂ w całej UE pochodzi właśnie z transportu drogowego.

Zaczęło się w Stanach

W celu ograniczenia emisji spalin samochodowych, tworzone są uregulowania prawne, określające górne granice zawartości poszczególnych toksycznych składników w gazach wydechowych.
Ojczyzną norm emisyjnych w odniesieniu do silników trakcyjnych są Stany Zjednoczone i stan Kalifornia. W 1942 r. po raz pierwszy stwierdzono tam zjawisko smogu, mieszkało tam wtedy 7 mln ludzi, którzy użytkowali 3 mln samochodów. Dopiero 10 lat później poznano mechanizm powstawania smogu, określanego jako fotochemiczny. Wskutek oddziaływania promieni ultrafioletowych na tlenki azotu i niespalone węglowodory, emitowane przez silniki powstają szkodliwe substancje, przede wszystkim ozon i formaldehydy.

BoschSonda λ jest montowana w układzie wydechowym silników o ZI. Jej zamontowanie jak najbliżej silnika ułatwia osiągnięcie temperatury pracy, co jest gwarancją jej prawidłowego działania

W tym okresie tamtejsi naukowcy powiązali postępujące skażenie środowiska z nasilającym się ruchem pojazdów. W Kalifornii już w 1964 r. opracowano system kontroli emisji w samochodach, który zaczął obowiązywać w 1966 r. W 1970 r. wprowadzono pierwszą ustawę o czystości powietrza oraz powołano EPA (Environmental Protection Agency), agencję federalną określającą normy emisji zanieczyszczeń. W 1971 r. wprowadzono pierwsze limity emisji.
Efektem wprowadzonych uregulowań prawnych odnośnie wymagań emisyjnych było zastosowanie w samochodach pierwszych katalizatorów podwójnego działania (1975 r.), a wraz z nimi wprowadzenie na stacjach paliw benzyny bezołowiowej. W 1978 r. koniecznym stało się wprowadzenie katalizatorów potrójnego działania, nieco później, w 1981 r. trójdrożne katalizatory spalin z czujnikami tlenu (sonda lambda) pojawiły się w większości nowych samochodów.
Przepisy odnośnie emisji spalin są w Stanach Zjednoczonych niejednolite i mało przejrzyste, równolegle stosowanych jest kilka norm emisyjnych, które częściowo się powielają.

Departament Energii USAOgraniczenie emisji poszczególnych składników spalin na przestrzeni 35 lat

Ważniejsze amerykańskie normy emisji:
-TLEV (Transient Low Emission Vehicles), poziom emisji węglowodorów < 0,125 g/milę,
-LEV (Low Emission Vehicle), poziom emisji węglowodorów < 0,075 g/milę,
-ULEV (Ultra Low Emission Vehicle), poziom emisji węglowodorów < 0,04 g/milę,
-SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle), poziom emisji węglowodorów < 0,01 g/milę, poziom emisji tlenków azotu < 0,02 g/milę,
-EZEV (Equivalent Zero Emission Vehicle), pojazd tej kategorii nie może emitować większej ilości zanieczyszczeń niż pojazd kategorii ZEV razem z wszystkimi etapami procesu przetwarzania energii,
ZEV (Zero Emission Vehicle), pojazd tej kategorii nie może emitować zanieczyszczeń.

Coraz częściej określona część pojazdów danego wytwórcy lub importera musi spełniać najwyższe standardy emisyjne. Producenci i władze stanowe mają jeszcze dodatkowe ustalenia pomiędzy sobą co komplikuje wymagania emisyjne jeszcze bardziej. Nie są prowadzone okresowe badania techniczne samochodów. Przeglądom poddaje się wyrywkowo wybrane pojazdy. W takich warunkach wymaga się aby pojazdy spełniające np. SULEV zachowywały niezmienny poziom emisji przez 15 lat i na dystansie równym 150 tys. mil. Najbardziej narażone na skutki emisji 22 stany, począwszy od roku modelowego 1999 muszą wykazywać sprzedaż części samochodów spełniających kategorię Clean Fuel Vehicles. Udziały tej kategorii pojazdów są sukcesywnie zwiększane od 30% w 1999 r. do 70% w 2001 r. Natomiast w Kalifornii 10% wszystkich sprzedawanych przez producentów i importerów samochodów musi spełniać wymagania ZEV.

Implants.co.zaZwiększanie wymagań emisyjnych w krajach pozaeuropejskich

Stałe podnoszenie wymagań emisyjnych w nowo rejestrowanych pojazdach doprowadziło 200 krotnego zmniejszenia emisji węglowodorów, 30 krotnego zmniejszenia emisji tlenku węgla i 5 krotnego zmniejszenia zawartości tlenków azotu w spalinach w stosunku do pierwszych wymagań wprowadzonych w USA w 1966 r. Obrazowo rzecz ujmując 20 współczesnych samochodów jest łącznie źródłem mniejszej emisji niż jeden pojazd sprzed 40 lat. Zawartość niektórych składników toksycznych w spalinach silnika spełniającego wymagania Euro4 jest czasami mniejsza niż w powietrzu zasysanym przez silnik.

Czas na Europę

W Europie pierwsza norma dotycząca ograniczenia emisji szkodliwych składników spalin pojawiła się w 1972 r. i miała oznaczenie ECE 15/01 (ECE - Ecnomic Commision for Europe - Europejska Komisja Gospodarcza - EKG). Limity emisji były ograniczane stopniowo do 1982 r. kiedy wprowadzono normę ECE 1504. W 1992 r. wprowadzono obowiązek stosowania katalizatorów w układach wylotowych, zaczęły obowiązywać normy

BoschMożliwości redukcji emisji CO2 w zależności od zastosowanego źródła napędu

emisyjne Euro1. Badania na zgodność z wymaganiami Euro1 samochodów osobowych odbywały się w oparciu o nowy cykl jezdny NEDC, obejmujący fazę ruchu miejskiego i występującą po niej fazy odzwierciedlającej ruch pozamiejski. Począwszy od normy Euro3 nastąpiła kolejna zmiana w warunkach przeprowadzania testu emisyjnego. Spaliny są pobierane do urządzeń pomiarowych od razu po rozruchu silnika, zlikwidowano 40 sekundową fazę, w której silnik po rozruchu pracował na biegu jałowym bez pomiaru poziomu emisji spalin. Norma Euro4, która dotyczy samochodów poddawanych homologacji od początku 2005 r. i nowo rejestrowanych od początku 2006 r. wprowadza w praktyce zmniejszenie emisji o połowę w stosunku do wymagań Euro3. Samochody podzielono na kilka kategorii, dla których wprowadzono odrębne wymagania odnośnie emisji. Dla poszczególnych składników spalin określono współczynniki o wartościach 1,1-1,2, uwzględniające stopień zużycia samochodu w czasie eksploatacji. Pomiar emisji dwutlenku węgla uwzględnia zwiększone zużycie paliwa przez nowy silnik w stosunku do późniejszego osiąganego przez silnik dotarty. Dlatego współczynnik stosowany przy tym pomiarze wynosi 0,92.

BoschWpływ rozwiązań konstrukcyjnych w układzie napędowym na zużycie benzyny i emisję CO2

Europejskie przepisy wprowadziły również, wzorem kalifornijskich norm (SULEV bądź ZEV - pojazdy o skrajnie niskiej lub zerowej emisji) wymagania EEV - pojazdu bardziej przyjaznego dla środowiska. Dotychczas wymagania te spełniały silniki zasilane gazem ziemnym (przy zastosowaniu jedynie trójdrożnego katalizatora spalin) oraz niektóre z dieslowskich jednostek napędowych (po dodatkowej obróbce gazów spalinowych). Spełnienie wymagań EEV jest dobrowolne, a normy emisji poszczególnych składników spalin mieszczą się pomiędzy wymaganiami Euro5 a Euro6.

Systematyczne zaostrzanie norm emisyjnych jest nie lada wyzwaniem dla producentów, których działy rozwoju muszą opracować nowe technologie oczyszczania spalin. Dlatego daty wprowadzania kolejnych wymagań emisyjnych są podawane z dość dużym wyprzedzeniem, np. limity obowiązującej od 2009 r. normy Euro5 zostały ogłoszone już w 2006 r., podobnie zresztą jak postanowienia normy Euro6 przewidzianej do wprowadzenia w 2014 r.

BoschWpływ zużycia paliwa na ograniczenie emisji CO2

Obowiązujące w Europie normy emisji spalin definiują różne wymagania w stosunku do silników samochodów osobowych i dostawczych oraz ciężarowych i autobusów. W pierwszej grupie pojazdów emisja poszczególnych szkodliwych składników spalin jest podawana w g/km, dla ciężarówek emisje podaje się w g/kWh.

Wymagania dla paliw

W ramach przepisów „ekologicznych” stopniowej ewolucji podlegają również paliwa silnikowe. Na przestrzeni ostatnich lat radykalnemu zmniejszeniu ulega zawartość siarki w paliwach. W 2000 r. maksymalna zawartość siarki w oleju napędowym mogła wynosić 300 ppm (parts per million - części na milion), a w benzynie 150 ppm. W 2005 r. limity te ograniczono już do 50 ppm dla obu nośników energii. Od 2009 r. maksymalna zawartość siarki w obu paliwach jest ograniczona do 10 ppm. Dość kłopotliwym paliwem jest pod tym względem LPG, do którego nawaniania używa się związków na bazie siarki.

Cząstki stałe są najtrudniejsze do usunięcia ze spalin, podobnie jak tlenki azotu. Oba te składniki powstają w różnych warunkach. Okoliczności, w których nie powstają tlenki azotu (obniżenie temperatury w cylindrze, co z kolei uzyskuje się poprzez zastosowanie recyrkulacji spalin) powoduje powstawanie sadzy, natomiast podwyższenie temperatury powoduje obniżenie emisji cząstek stałych, podwyższając jednocześnie zawartość NO_x w spalinach.

EPACząstki stałe są na tyle małe, że przedostają się przez pęcherzyki płucne do krwiobiegu

Są to bardzo trudne do pogodzenia kryteria, powodujące, że współczesne silniki Diesla muszą pracować w nienaturalnych warunkach (kąt wyprzedzenia wtrysku), wykorzystując dodatkowe systemy eliminujące ze spalin różne szkodliwe składniki, włącznie z obróbką gazów spalinowych z wykorzystaniem dodatkowych substancji. Stopień skomplikowania Diesli pokazuje do jakiego stadium rozwoju je doprowadzono.
Jest to również powodem wzrostu kosztów wytwarzania silników o ZS, co może skutkować zmniejszeniem popytu na samochody z silnikami Diesla.

Obecnie, najprostszą receptą na spełnianie wymagań emisyjnych wydają się być silniki zasilane gazem ziemnym, którego głównym składnikiem jest metan, będący najprostszym węglowodorem. Prosta budowa tego związku chemicznego powoduje, że jego spalanie nie nastręcza żadnych trudności, a spaliny po przejściu przez zwykły trójdrożny katalizator osiągają już obecnie poziomy emisji wymagane normą Euro6. Niestety silniki gazowe cały czas stanowią marginalną część rynku.
Normy emisyjne dla samochodów osobowych i dostawczych są zestawione w poniższej tabeli. Począwszy od Euro2, wprowadzono zróżnicowanie w poziomach emisji dla silników o zapłonie iskrowym i samoczynnym. Wymagania dla diesli są bardziej rygorystyczne niż w przypadku silników benzynowych w zakresie tlenku węgla (CO), dopuszczają jednak większe wartości tlenków azotu (NO_x). Do normy Euro4 włącznie nie są limitowane cząstki stałe w silnikach o ZI. Wyjątkiem są silniki z bezpośrednim wtryskiem benzyny, w których począwszy od normy Euro5, wprowadzono limity emisji cząstek stałych takie same jak dla diesli. Kolejne tabele zawierają wymagania emisyjne dla silników samochodów dostawczych i ciężarowych, ostatni pokazuje wymagania emisyjne dla silników zasilanych gazem (LPG lub CNG).

W przyszłości, mówi się, że począwszy od wprowadzenia normy Euro6 planuje się zaniechanie podziału na rodzaje silników. Norma będzie określać wymagania emisyjne zarówno dla silników benzynowych jak i Diesla.

Normy emisji dla samochodów osobowych w [g/km]

CO- tlenek węgla,HC - niespalone węglowodory, NMHC - niespalone węglowodory niemetanowe, PM - cząstki stałe

Normy emisji dla samochodów dostawczych o masie ≤1305 kg w [g/km]

Normy emisji dla samochodów dostawczych o masie 1305 - 1760 kg w [g/km]

Normy emisji dla samochodów dostawczych o masie 1760 - 3500 kg

*wyłącznie dla silników z wtryskiem bezpośrednim


Normy emisji dla silników samochodów ciężarowych i autobusów w [g/kWh]

*dla silników o pojemności skokowej cylindra 0,75 dm³ i prędkości
znamionowej >3000 obr/min


Limity emisji zanieczyszczeń w spalinach silników o ZS i zasilanych gazem (LPG, CNG), dla samochodów o DMC powyżej 3,5 t w [g/kWh]

*dla silników o pojemności skokowej cylindra 0,7 dm³ i prędkości
znamionowej >3000 obr/min.,
**dla silników o pojemności skokowej cylindra 0,75 dm³ i prędkości
znamionowej >3000 obr/min.
ESC - European Steady Cycle (Europejski Test Stacjonarny),
ELR - European Load Response Test (Europejski Test Obciążenia - pomiar zadymienia spalin)

*wyłącznie dla silników zasilanych gazem ziemnym,
**nie dotyczy silników zasilanych gazem,
***dla silników o pojemności skokowej cylindra 0,75 dm³ i prędkości
znamionowej >3000 obr/min.
ETC - European Transient Cycle - (Europejski Test Niestacjonarny)