Emise Euro 6 a limity dalšího vývoje

17. 9. 2021 / Nároky státních orgánů a Evropské unie na straně jedné a technologický pokrok na straně druhé jsou určitým způsobem limitující faktory, které ohraničují rámec nově utvářených zákonných požadavků na budoucí emise nově vyráběných a homologovaných silničních vozidel. Článek rekapituluje dílčí poznatky týkající se současné regulatorní úrovně a očekávaných výhledů do budoucna.

Úvodem je dobré zopakovat, že soudobé 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 jsou označované jako stupeň V (nebo Stage V), což 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.

Kontinuální vývoj technických opatření ke snižování emisí

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 viz výše),
  • volnoběh a jízda s nízkým zatížením (řešení viz 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. Pro bližší představu uveďme dřívější stručnou přehledovou tabulku týkající se emisí NOx, která byla koncem minulého roku předmětem jednání evropských zákonodárců:

Euro 7 – naftová osobní vozidla:

  • A: 60 mg/km;
  • B: 35 mg/km;
  • C: 25 mg/km (možná účinnost od 1. 1. 2025)

Euro VII – naftová užitková vozidla s celkovou hmotností nižší než 7,5 t:

  • A: 230 mg/kWh;
  • B: 100 mg/kWh;
  • C: 30 mg/kWh (možná účinnost od 1. 1. 2027)

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). Z výše uvedeného je tedy zřejmá snaha o drastické snížení limitů škodlivin (i těch ostatních – CO, HC, PM/PN…) v horizontu několika málo roků.

Zároveň se předpokládá anulování současného existujícího rozdílu mezi konstrukčně srovnatelnými typy lehkých vozidel, především mezi M1 a N1. Kategorizace lehkých a typicky užitkových vozidel může nastat na základě jiných klíčových údajů – maximální technicky přípustné hmotnosti, namísto provozní jako v současnosti, a poměrového ukazatele systémového výkonu pohonného agregátu vůči této maximální hmotnosti.

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. Zároveň přitom bude nutné konstrukčně řešit protichůdné požadavky včetně extrémních situací (viz úvod článku): start a jízda vozidla za nízkých teplot – při minusových teplotách hrozí riziko „zamrznutí“ SCR, vysoké zatížení při nízkých teplotách s neohřátým aftertreatmentem, navíc v kombinaci s možným připojením přívěsu nebo jízdou ve vyšší nadmořské výšce, možné omezení použití ochranných strategií proti poškození motoru apod.

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. km).

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. technická nula a koncentrace škodlivin může být za určitých okolností stejná na výfuku z motoru jako v nasávaném vzduchu do motoru.

Další snižování skleníkových plynů

V každém případě se nejméně v regionu EU očekává aplikace určitých restrikcí stran regulace spotřeby paliva a produkce CO₂, minimálně co se týká velkosériových výrobců vozidel; nelze vyloučit ani určitá omezení nebo finanční stimulátory na straně koncových uživatelů vozidel pro postupně všechny kategorie silničních vozidel.

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. Lze tedy předpokládat, že bude kladen důraz na měření a možné limitovaní uvedených „škodlivin“, ať už je jejich původ ze spalování paliva (CH₄) nebo jako sekundární emise aftertreatmentu (N₂O).

Na základě všech zmiňovaných, zpřísňujících požadavků lze tak předpokládat, že se pro budoucnost rozšíří paleta pohonů, pravděpodobně v následujícím duchu (seznam je jen průřezový):

  • použití konvenčních pohonů (benzin, nafta, CNG) v kombinaci s elektrifikovaným stupněm pohonu „hybrid“ (vysokonapěťový nebo mild hybrid nebo ze sítě dobíjený plug-in hybrid),
  • nasazení čistě elektrických pohonů pro osobní a lehká užitková vozidla, popř. městskou přepravu cestujících (autobusy čistě elektrické, s různou možností dobíjení – kabel, trolej apod.),
  • rozšíření pohonu na zemní plyn (NG) pro těžkou silniční přepravu s použitím tradičního CNG nebo LNG (dálková tranzitní kamionová doprava),
  • využívání nových druhů uměle připravených uhlovodíkových paliv (hydrogenovaný rafinovaný olej, dimetyleter, etanol… a jejich směsi)
  • perspektivní pohon H₂, v čisté podobě do palivových článků (pro elektrické resp. hybridní pohony), nebo „nečisté“ pro modifikovaný spalovací motor (zde se nabízí palivová kombinace H₂ a zemního plynu).

Zároveň s tím se očekává časově paralelní zavedení povinnosti měření a výpočtu emisí CO₂ (resp. spotřeby paliva) pro nové kategorie užitkových vozidel a patrně také pro autobusy, i když by k tomu nemělo dojít před rokem 2025.

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. On Board Monitoring (OBM), která zajistí potvrzení shody s plněním emisního limitu po dobu provozování vozidla.

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“). Rámcovým cílem zákonodárců pak může být i snaha o sdílení emisního stavu vozidla směrem ke státním kontrolním a dozorovým orgánům, případně oprávněnému zástupci výrobce vozidla, poskytovaného v reálném čase.

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. CH₄.

Geofancing předpokladem dalšího omezování lokálních emisí

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. dalších zásobníků energie.

Závěrem je možno konstatovat, že ze všech výše uvedených skutečností vyplývá nutnost předpisové harmonizace a také určité racionalizace zkušebních metod tak, aby bylo možné opakovatelným způsobem kontrolně měřit vozidla nejenom při samotné homologaci, ale také při testech CoP (Conformity of Production, shoda sériové výroby nových vozidel), ISC/ISM (In-Service-Conformity nebo In-Service-Monitoring u vozidel nasazených v provozu), MaS (Market Survaillance – dozor nad trhem), eventuálně PTI (Periodic Technical Inspection, pravidelné prohlídky vozidel v provozu, prováděné v rozsahu naší STK).

Luboš Trnka, ředitel sekce vlivu vozidel na prostředí

TÜV SÜD Czech


úvodní foto: zdroj ARVAL