Motorová nafta s katalyzátorem: Účinnost a emise

Auta bez katalyzátoru patří minulosti. V dnešních vozech už je ale složitých chemických továren a emisního příslušenství tolik, že se v nich přestáváme orientovat. Emisní příslušenství moderních aut je stále složitější a neinformovaný uživatel se v něm co chvíli ztrácí.

V uplynulých letech se emisní příslušenství citelně rozrostlo, což je dobrá příležitost udělat si pořádek v pojmech. Aktuálním tématem současnosti jsou čím dál přísnější požadavky ochranu klimatu, ke které by měly přispět také vznikající normy na budoucí emise nově vyráběných a homologovaných silničních vozidel. Nároky státních orgánů a Evropské unie na straně jedné a technologický pokrok na straně druhé jsou určitým způsobem limitujícími faktory, které ohraničují rámec nově utvářených zákonných požadavků.

Současné legislativní požadavky jsou souhrnně označované pojmem Euro 6 (pro osobní a lehká užitková vozidla) nebo Euro VI (pro nákladní vozidla a autobusy). V případě traktorů je užíváno označení stupeň V (nebo Stage V), který však technologicky odpovídá silničním (těžkým) motorům Euro VI. Obdobná logika označování „o stupeň výš“ bude tedy patrně platná i v případě nových norem Euro 7/VII, resp. Stage VI.

Benzinové motory a katalyzátory

Neřízený katalyzátor

Dávno uzavřená záležitost, s níž jsme se nejčastěji setkávali hned po revoluci, kdy se k nám ve velkém dovážely ojetiny z 80. let. Praotec všech pozdějších katalyzátorů zvládá pouze dvě funkce: zaprvé přeměnit jedovatý oxid uhelnatý (CO) na neškodný oxid uhličitý (CO2), zadruhé zredukovat rakovinotvorné nespálené uhlovodíky (HC) na CO2 a vodní páru. Tehdejší řídicí jednotky či karburátory se nedokázalypotřebám katalyzátoru přizpůsobovat, takže se často dostával do nevýhodných podmínek a jeho účinnost dosahovala jen asi 50 %. Z Evropy zmizel v létě 1993 po nástupu normy Euro 1, kterou už nedokázal splnit.

• Výhoda: Jednoduché provedení, nejsou třeba žádná čidla
• Nevýhoda: Nízká účinnost
• Kde ho najdeme: V mnoha vozech z 80. let. Nezáleží však na modelu a motoru, ale spíš na konkrétním trhu. Emisní normy ještě nebyly sjednocené, takže stejné auto se mohlo třeba v Itálii prodávat bez katalyzátoru, v Německu s katalyzátorem neřízeným a v Rakousku či Švýcarsku s řízeným.

Třícestný katalyzátor

Základ je stejný jako u katalyzátoru neřízeného, k jeho dovednostem ale přidává ještě jednu: rozkládat oxidy dusíku (NOX) na vzdušný dusík N2 a kyslík O2. K této reakci je už potřeba přesně hlídat složení spalin, konkrétně množství oxidu uhelnatého a kyslíku. To zajišťuje elektrochemická sonda lambda, podle jejíchž údajů řídicí jednotka stále upravuje poměr benzinu a vzduchu. Nevýhodou je, že k zajištění správného poměru kyslíku a oxidu uhelnatého ve výfuku je třeba neustále udržovat směs benzinu a vzduchu v přesnémrozmezí 14,6 až 14,8 : 1 (takzvaný stechiometrický poměr). Při jízdě s lehkou nohou to nejde udělat jinak než škrcením přívodu vzduchu, což snižuje účinnost. To je jeden z důvodů, proč benzinový motor nikdy nedožene ve spotřebě diesel, dnešní móda přeplňování tento rozdíl pouze zmírnila.

Čtěte také: Vše o ekologické dani na auta

• Výhoda: Vyšší spotřeba
• Nevýhoda: Komplexní pokrytí všech hlavních složek škodlivin, vysoká účinnost
• Kde ho najdeme: V Evropě jsou třícestným katalyzátorem se sondou lambda vybavena povinně všechna auta od léta 1993, kdy vstoupila v platnost norma Euro 1. Některé vozy ovšem tuto techniku používaly už dřív.

Uvedení třícestného katalyzátoru patří k historickým úspěchům emisní techniky. Traduje se, že když kalifornské úřady na podzim 1976 poprvé měřily emise Volva 240 se sondou lambda, technici se domnívali, že jim selhaly přístroje - tak nízko ručky všech ukazatelů nikdy neležely.

Co vadí třícestnému katalyzátoru?

V době uvedení třícestných katalyzátorů se hodně mluvilo o jejich poškození olovnatým benzinem. Ten se však téměř v celém světě kolem roku 2000 přestal prodávat. Dnes bývá nejčastější příčinou poškození katalyzátoru nevhodný poměr benzinu a vzduchu způsobený odchylkou sondy lambda. Pokud vašemu autu nápadně roste spotřeba nebo pod plynem cuká, zbystřete. Kdo vymění sondu včas, většinou nemusí měnit nic dalšího.

A proč by se nemělo auto s katalyzátorem startovat rozjezdem z kopce? Protožeřídicí jednotka musí dávkovat palivo tak opatrně, aby všechen benzin shořel ve válci a nedohoříval na jemné aktivní vrstvě katalyzátoru. Pokud auto roztáhnete na laně, zařadíte dvojku a motor se rovnou vytočí do vyšších otáček, dávka paliva je větší a její spálení ve studeném motoru není zaručeno.

Pozor na spotřebu oleje!

Životnosti katalyzátoru rozhodně neprospívá zvýšená spotřeba oleje, jehož nespalitelné zbytky zanášejí aktivní povrch. Dříve bývala příčina nejčastěji v opotřebení samotného motoru nebo ložisek turbodmychadla. U dnešních mimořádně řídkých olejů je bohužel zvýšená spotřeba běžná. Automobilky ji nedokážou úplně vyloučit, a aby se vyhnuly reklamacím, v návodu k obsluze povolují spotřebuaž 1 l/1000 km, což by katalyzátor po krátké době zničilo. Těmto nepříjemnostem dnes brání hlavně složení oleje, zejména speciální přísady proti spalování. Takže nevzplane ani tenký film, který zůstane na stěně válce. Tyto přísady se ale postupně chemicky vyčerpajía olej se stejně začne spalovat. Pokud chcete auto dlouho zachovat v dobrém stavu, rozhodně olej v motoru nenechávejte příliš dlouho - to platí pro benzin i diesel.

Filtr pevných částic (GPF, OPF)

Zážehové motory s přímým vstřikováním vypouštějí saze, a tak se letos po vzoru dieselu dočkaly filtru pevných částic. Jsou tu ale dva rozdíly: sazí je méně a díky vyšší teplotě spalin snadno vzplanou. Regenerace se tedy vyvolá jen mírnými korekcemi v bohatosti směsi, aby se do filtru dostalo víc kyslíku, který podpoří hoření. Výrobci slibují, že k vyvolání plamene není třeba dopravovat do výfuku další palivo, s čímž někdy bývají potíže u dieselu. Na hodnocení počkejme přes zimu. Zatím vnímáme o něco vlažnější reakce na přidání plynu, jelikož filtr představuje ve výfuku překážku, která zpomaluje roztočení turbodmychadla.

Čtěte také: Znečištění Ovzduší v Gruzii: Role Dopravy

• Výhoda: Snížení emisí sazí až o 95 %
• Nevýhoda: Zpomalené reakce na plyn
• Kde ho najdeme: S nástupem normy Euro 6.2 od letošního září skoro u všech benzinových motorů s přímým vstřikováním. Jedinými dosud známými výjimkami jsou vozy Mazda a Toyota. Filtr nemají žádné motory se vstřikováním MPI.

Dieselové motory a katalyzátory

Oxidační katalyzátor

Nejobvyklejší čistič dieselových spalin je v podstatě starý známý neřízený katalyzátor z benzinových motorů z 80. let. Stejně jako on redukuje pouze dvě nejškodlivější složky emisí, tedy oxid uhelnatý a nespálené uhlovodíky, tedy částečně i saze. S oxidy dusíku toho moc nepořídí. Ovšem zatímco z benzinových motorů musel zmizet v roce 1993, většině dieselových aut stačil až do roku 2015. Regulátoři ještě chápali, že když tlačí na snižování emisí CO2, musejí někde jinde ubrat, a tak oxidům dusíku u dieselu nechávali trojnásobně mírnější limit než u benzinu. Takové předpisy šlo splnit s pomocí výkonnějšího vstřikování a recirkulace spalin (EGR). Když ovšem v roce 2010 padla kosa na kámen a na normu Euro 5 jednoduchý katalyzátor nestačil, začaly seprototypové zkoušky jednoduše šidit.

• Výhoda: Jednoduchost, absence čidel, nízká cena a minimální servisní náročnost
• Nevýhoda: Snižuje jen emise CO a HC, případně mění oxid dusný (NO) na dusnatý (NO2)
• Kde ho najdeme: U všech dieselů splňujících normu Euro 2 až Euro 5, tedy z let 1996 až 2014

A zase lambda?

Když měly diesely neřízený katalyzátor, proč některé z nich už od roku 2000 používaly kyslíkovou sondu lambda? Ta sloužila pouze tomu, aby si z ní řídicí jednotka nepřímo dopočítala kouřivost. Tento hrubý odhad ovšem fungoval, jen dokud byl motor a vstřikovánív dobrém stavu. Dnes některé staré diesely kouří jako parní válec a sonda nic nepozná, protože kolem sazí ze špatně rozprášeného paliva stále zbývá dost kyslíku.

Filtr pevných částic (DPF)

Nafta se před vznícením odpařuje pomaleji než benzin, některé části kapek to nestihnou a spečou se na saze - to je základní vlastnost dieselu, kterou dokážou tak dobře prodat staré avie. Saze jsou vysoce rakovinotvorné, proto se jejich emise snažíme maximálněpotlačit. U moderních dieselů k tomu slouží výfukové filtry, do osobních aut uváděné postupně od roku 2000 a povinné od roku 2010. Po zaplnění, které elektronika pozná z čidla tlaku, vyšlehne plamen a saze dohoří přímo v tělese filtru.

• Výhoda: Téměř dokonalá účinnost, emise nebezpečných sazí klesly o víc než 95 %
• Nevýhoda: Plamen k vypálení filtru vyvolává palivo, které musejí výfukové plyny nejdříve vynést z válce do katalyzátoru. Za nepříznivých podmínek se palivo na stěnách válce vysráží, takže nejenže se do katalyzátoru nedostane, ale navíc ředí motorový olej. Proto se diesel s filtrem cítí nejlépe při souvislých jízdách na delší vzdálenosti, kdy se plně prohřeje a vypalovaní je snazší.
• Kde ho najdeme: Jako první ho v roce 2000 použil Peugeot u motoru 2.2 HDI. Postupně se o jeho rozšířeni zasloužily hlavně francouzské značky, naopak Volkswagen či Ford dodávaly dlouho stěžejní modely bez filtru (Golf 1.9 TDI-PD, Focus 1.8 TDCI), případně byl filtr k dispozici jen pro některé trhy. Od roku 2010 je povinny pro všechny osobní diesely.

Co vadí filtru pevných částic

1. Časté krátké jízdy po městě, kdy je teplota ve výfuku příliš nízká a není čas na vypálení sazí. Pokud takto jezdíte celý týden, vyvenčete vůz o víkendu souvislou čtvrthodinkou ustáleným tempem 100-120 km/h.
2. Zvýšená kouřivost motoru (špatné vstřikovače, netěsnosti sání), kvůli níž se filtr plní příliš rychle a musí se častěji vypalovat. Vzdálenosti mezi posledními regeneracemi vám ukáže servisní diagnostika, měly by se pohybovat kolem 600 až 700 km. Pokud se interval při stejném provozním režimu výrazně zkrátí, je něco špatně.
3. Nekvalitní palivo - problém aktuální zejména při dnešní povinné biosložce. Ta obsahuje kovy, které se napékají na trysky vstřikovačů, způsobují špatné rozprášení paliva a vysokou kouřivost. Kvalitně aditivované palivo tyto úsady rozpouští a vstřikovače zůstávají čisté.
4. Vysoká spotřeba oleje - stejný problém jako u benzinových aut, viz výše v textu o třícestném katalyzátoru.

Záchytný katalyzátor LNT

Norma Euro 6.1 zpřísnila dieselům limit oxidů dusíku na jednu šestinu proti roku 2000. Proto musely přijít řízené katalyzátory. Ne ovšem třícestné jako u benzinu - ty by zde nefungovaly, protože diesel spaluje chudší směs a ve výfuku má příliš mnoho volného kyslíku. Nejjednodušším řešením je katalyzátor záchytný, známý pod zkratkou LNT. Oxidy dusíku váže takzvanou měkkou chemickou vazbou, asi jako kdyby se k němu na chvíli přilepily. Když se jich nahromadí dost, zvýšená dávka paliva vyvolá nárůst teploty a přísun oxidu uhelnatého. S ním oxidy dusíku zreagují na vzdušný dusík N2 a oxid uhličitý CO2.

• Výhoda: Levné provedení, i když už přibylo dalších několik čidel
• Nevýhoda: Dvojí zvýšení spotřeby. První už v motoru - zádržná kapacita katalyzátoru je malá, takže oxidy dusíku stejně musí potírat už samotná strategie spalování, což snižuje účinnost. Další nafta navíc padne na spuštěni „vypalovací“ reakce.
• Kde ho najdeme: V době platnosti Euro 6.1 - tedy rámcově od roku 2014 do letoška - u všech dieselů, které nepoužívaly katalyzátor SCR AdBlue.

Katalyzátor SCR (AdBlue)

Pokročilejší z dieselových dusíkových katalyzátorů je založený na takzvané selektivní redukci - tedy nic nezadržuje, funguje za plynulého průtoku spalin. Aby v tomto kvapíku stíhala náročná reakce probíhat, musí se do něj jemně rozprašovat aditivum AdBlue, lidově označované jako močovina.

Čtěte také: Dopad motorových vozidel na ovzduší

• Výhoda: Daleko vyšší účinnost. Katalyzátor pochytá oxidů dusíku tolik, že motor jich může vypouštět víc a tím pracuje úsporněji.
• Nevýhoda: Nejsložitější chemická továrna v osobních autech. Potřebuje chemická i teplotní čidla před i za katalyzátorem a dolévaní aditiva. Kdyby došlo, vůz by odmítl nastartovat. Nádržka musí být navíc vyhřívaná, aby vodný roztok v zimě nezamrzl. Samotný modul nádrže s dávkovačem běžně stoji kolem 20.000 Kč.
• Kde ho najdeme: Už od roku 2009 používaly SCR + AdBlue některé šestiválcové modely BMW a Mercedesu, od podzimu 2010 Volkswagen Sharan. Po roce 2014 ho někteří výrobci nasazovali do silnějších verzi - například Škoda Superb 2.0 TDI o výkonu 140 kW ano, 110 kW ne -, případně do těžších modelů jako Volkswagen Touran a Opel Zafira. Naopak Peugeot ho ve stejné době nasadil do všech dieselových modelů včetně nejmenšího 208. Od letošního září už se bez něj obejde jen par vyjimek jako Honda Civic 1.6 i-DTEC a novy Ford Focus 1.5 TDCI.

Nesmrdět a neplést

AdBlue je přesně chemicky vodný roztok močoviny, což je směs čpavku a oxidu uhličitého. Tedy velmi levná látka, u čerpacích stanic se tankuje kolem deseti korun za litr. Většina vozů má nápusť tam, kde se tankuje nafta. Spousta modelů Peugeotu nebo Volkswagen Sharan mají nápusť pod podlahou kufru, což je náročnější na manipulaci - rozlitá močovina nehezky zapáchá a jde obtížně vyčistit.

Pozor také na to, že do některých dieselů se nedolévá močovina, ale aditiva na usnadnění vypalování sazí - u modelů Peugeotu a Citroënu přípravek Eolys, u Passatu B5, sharanu i superbu první generace s motorem 2.0 TDI-PD 8V DPF jde o ferrocenový aditiv Satacen 25.

Budoucí vývoj a normy Euro 7/VII

Vzhledem ke zpřísňování emisních nároků je jasné, že vývoj technologií pohonných řetězců bude muset intenzivně pokračovat. Pro snižování škodlivin konstruktéři již nyní řeší následující oblasti (v závorce jsou nastíněna jejich řešení):

• studený start motoru a velmi krátké jízdy (dodatečné systémy pro ohřev, vč. předehřevu katalyzátorů, popř. využití systému přisávání sekundárního vzduchu)
• nízké (minusové) teploty okolí (řešení stejné jako výše)
• volnoběh a jízda s nízkým zatížením (řešení stejné jako výše)
• jízda s vysokým zatížením (dostatečně dimenzované katalyzátory i pro vysoký průtok výfukových spalin)
• emise NOX u naftových motorů (zdvojený systém SCR v sériovém uspořádání)
• regenerace filtru pevných částic (vysoká účinnost filtrace i pro nanočástice a regenerace na čistý stav)
• emise PN (osazení výfukových systémů účinnými systémy viz výše)
• emise NH3 u naftových motorů (výzbroj katalyzátorem ASC) a benzinových motorů (výzbroj pomocí oxidačního katalyzátoru ASC/CUC v kombinace se systémem sekundárního vzduchu).

Poznámka: za studený start se obvykle považuje spuštění motoru s teplotou motoru (chladiva) nižší než 40°C. Přestože stále, bohužel, chybí jasně definované požadavky budoucích norem úrovně Euro 7/VII, z dostupných informací lze usoudit, že přichází v úvahu různé scénáře možného zpřísnění emisních limitů, z nichž některý může být zvolen jako základ pro Euro 7/VII.

V kontextu je vhodné připomenout současné limity Euro 6/VI, kde v případě NOx u osobních vozidel činí 80 mg/km a v případě užitkových vozidel s naftovým motorem činí 460 mg/kWh (pro dynamický měřicí cyklus WHTC). Zároveň se předpokládá anulování současného existujícího rozdílu mezi konstrukčně srovnatelnými typy lehkých vozidel, především mezi M1 a N1.

V případě osobních automobilů (Euro 7) navíc hrozí zpřísnění při RDE, kdy by se tzv. faktor shody (conformity faktor, CF) snížil u NOx na možná jen 1,32 (z dnešních 1,43), anebo se zcela odbourá, navíc ještě s možným rozšířením okrajových podmínek RDE (nižší minus teploty, vyšší zatížení vč. jízdy s přívěsným vozíkem atp.), což by znamenalo stejné limity pro reálnou jízdu jako pro emisní laboratoř.

Různé technologie následného zpracování výfukových plynů pracují na různých principech a každá má své výhody a nevýhody - bude nutné řešit také problémy se sekundárními emisemi škodlivin, je např. problematické snižování NH₃ u benzinových motorů nebo N₂O/skleníkový plyn u vznětových motorů.

Zároveň se očekává také zvýšení nároků na zaručenou emisní životnost: v případě osobních automobilů na 240 tis. km (z dnešních 160 tis. km), nebo 15 let; u užitkových (kat. N3) na 1200 tis. km (z dnešních 600 tis. Z technického pohledu se však jeví nezbytné, aby při stanovení nových emisních limitů byly zohledněny možnosti současné měřicí techniky, včetně existující nepřesnosti měření způsobené metodou měření, způsob stanovení emisních limitů odvislý např. od kategorie vozidla či použitého paliva, i fakt, že nastavené limity se budou uplatňovat při kontrolních ověřovacích měřeních z hlediska stability parametrů sériově vyráběných vozidel a jejich pohonných agregátů.

Již dnes se u mnoha měřených veličin nových typů pohonů naměří tzv. Proklamovaná strategie současných lídrů Evropské komise a jejich odborných pracovních skupin zůstává nadále s cílem provozovat v členských zemích od roku 2050 uhlíkově neutrální silniční dopravu. V odborných kruzích se objevují názory, že je nutné zvýšit tlak také na snižování ostatních skleníkových plynů - metanu CH₄ a oxidu dusného N₂O, které mají násobně vyšší skleníkový účinek než CO₂.

nasazení čistě elektrických pohonů pro osobní a lehká užitková vozidla, popř. perspektivní pohon H₂, v čisté podobě do palivových článků (pro elektrické resp. Zároveň s tím se očekává časově paralelní zavedení povinnosti měření a výpočtu emisí CO₂ (resp.

OBD vs. OBM

V rámci nových norem Euro 7/VII se rýsují i další nadstavbové požadavky na funkce OBD (On Board Diagnostic), přičemž OBD zůstane klíčovým prvkem vnitřní diagnostiky za účelem sledování emisně-relevantních funkcí a monitorování pravděpodobných příčin jejich neshody, pakliže se vyskytne. Nicméně jeho konstrukční softwarovou nadstavbou bude zřejmě funkce tzv. Kromě funkcí spadajících pod OBD by tak z funkce OBM mělo být možno získat informace o tom, zda je vozidlo technicky způsobilé k emisnímu kontrolnímu přeměření (pomocí speciálního sdělovače tzv. TCI, Testing Conformity Indicator), zda má vozidlo fyzicky odpovídající spotřebu paliva (pomocí funkce OBFCM, On Board Fuel Consumption Monitoring) nebo zda nebyly provedeny nežádoucí zásahy do továrního nastavení (chiptuning, který by neměl být již vůbec proveditelný, a tak se i zde objeví nová opatření na „cybersecurity“).

Funkce OBM bude patrně využívat signály řízení motoru a senzory primárně určené pro OBD. S jeho vývojem se však předpokládá doplnění o detailnější analýzu emisních škodlivin, kritické jsou z pohledu zákonodárců, i zde zejména NOx a PN (počet částic, tj. nad rámec hmotnostní zaplněnosti filtru pevných částic ať už u benzinových nebo naftových vozidel). K tomu budou muset být použity odpovídající snímače koncentrací těchto látek ve výfukovém potrubí - O₂ (širokopásmová lambda-sonda), NOx, PM (dnes standardně na bázi diferenciálního tlaku filtru DPF a teplot) a dále také NH₃ (podobně jako NOx dnes), počet částic PN (s novými principy měření - odporové, elektrostatické, tzv. diffusion charger nebo laserové), výhledově také škodlivin CO, HC, popř.

Geofencing

Poměrně novým tématem, které se do některé legislativní podúrovně Euro 7/VII může dostat, je také funkce tzv. geofancingu (s využitím konektivity vozidel). Jedná se prakticky o vlastnost vozidel v souvislosti se zónou či regionem, do kterého tyto vozy budou vjíždět. Funkce umožní včas nastavit jízdní režim např. v čistě elektrickém módu při vjezdu do centra měst, regulaci rychlosti jízdy pomocí adaptivního tempomatu, prediktivní nastavení chování energetického řetězce vozidla v závislosti na zvolené a satelitem sledované jízdní trase, případně i budoucí sdílení informací mezi jednotlivými vozidly apod.

Aktivace geofancingu pro správnou ekologicko-energetickou funkcí pohonného agregátu bude logicky umožněna při splnění některých nezbytných podmínek, zejména nechybových údajů z OBD a dostatečným stavem nabití trakčních akumulátorů příp.

tags: #motorová #nafta #s #katalyzátorem #emise #účinnost

Oblíbené příspěvky:

• Jak vyřešit komplikované napojení odpadu
• Záchrana v odpadu
• Ochrana přírody
• PCDD/F emise v ČR
• Seznam dobrodružných knih o přírodě