Znamená EU7 konec spalovacích motorů? Vol.1

Možná jste si všimli, že po několikaleté diskuzi byl 10.11.2022 Evropskou komisí vyplivnut konkrétní návrh o zavedení nové emisní normy od roku 2025. Konečné znění je trochu poplatné době, neb před 3 lety, kdy byla korona jen podivný pivo a na východní frontě vládl klid, si první návrhy Euro7 nekladly za cíl nic menšího, než konečné řešení otázky spalovacích motorů a to včetně MHEVů (v Mild-Hybridu hraje spalovák pořád první housle).

Ačkoli je nynější návrh o něco méně přísnější než předloha, pořád je (alespoň z mého pohledu) svým způsobem likvidační, minimálně co se týče peněženky koncového Franty Uživatele. Nicméně sázím na zkušenost, že nic se nejí horký přímo z plotny, a než to projde Evropským parlamentem spolu se schválením členských států, mohlo by dojít i na západě k malému blackoutíku, aby si nejen tamní společnost mohla utřídit priority.

Rád bych nástínil to, co nás možná čeká a nemine. Počínaje porovnáním současné emisní normy EU6AP (Euro 6d) s návrhem nastávající normy EU7 z hlediska limitů a okrajových podmínek a konče teoretickými cestami, jak toho dosáhnout. Původně jsem to chtěl pojmout v rámci jednoho článku, ale přesáhlo by to únosnou mez.

Zaměstnání (a trochu i koníček) mi umožňuje nahlédnout pod pokličku řízení zážehovýho spalovacího motoru, což je sice poněkud komplexní téma, ale skrz vybrané kapitoly se pokusím ctěnému čtenářstvu osvětlit, jak udělat z auta čističku vzduchu. U svého bývalého chlebodárce jsem navíc prokopával slepé chodby vývoje právě pro potenciální EU7, je to tudíž tak trochu srdcovka. Jsem si též vědom scestí, kterým se vývoj automobilových technologií vydal, protože požadovat snížení spotřeby paliva (produkce CO₂, chcete-li) a zároveň emise škodlivin stlačovat ad-absurdrum, je mírně řečeno protichůdné, lépe řečeno píčovina pitomost. Zejména ve světle globální produkce škodlivin působí snaha zkrotit zlé automobilové exhalace jako jásat nad zhášením svíčky, zatímco za zády nám vesele hoří stodola. O orientaci na předražené akunářadí k přepravě osob mluvit nebudu a nechci, rád přenechám kompetentějším. Nemám sice nic proti hračkám na baterky (ba naopak, ten krouťák ♥), ale nahradit jimi v našich končinách na sílu spalováky je pokrytecké, hloupé, drahé a vůbec. Snažím se brát věci z nadhledu, takže jasný, ani spalováky nejsou zdaleka sluníčkový, ale smiřme se s tím, že nic lepšího nemáme a když vidím ty tlaky na udržitelnost, tak v dohledný době mít ani nebudeme…

Následující text bude obsahovat odpornosti a sakrasmus, bez trocha rekvizit to nemusí dávat sysla. Sorry dafür.

Ačkoli je toho internet plný, neodpustím si předem definovat to, co nás (potažmo automobilky) zajímá, neboť bez splnění exhalačních limitů není homologace, bez homologace je mrzení a s mrzením není co žrát. Aktuálně se tedy sledují níže zmíněné škodliviny, tvořící ovšem méně než 0,5% výfukových plynů, složené převážně z inertního dusíku, zlé vody a hodného CO_2. Nebo dneska naopak? Né, že by na tom záleželo, pač v důsledku potřebujem k životu obojí…

NOx – strašáci numero uno, z velké části opodstatněně. Oxid dusičitý (vznětové motory) i oxid dusný (zážehové) jsou dosti toxické, kyselé deště tvořící. Ve spalovacím prostoru vzniká při vysokých teplotách, zpravidla v důsledků chudé (nebo lokálně chudé) směsi paliva se vzduchem. Proto mají problém především přeplňované diesely, které z principu věci fungují v pásmu přebytku vzduchu. Bohužel na to doplatily i snahy ušetřit palivo u benzínovejch motorů, viz veškeré vrstevné směsi, kdy se ladilo časování ventilů a vstřiků tak, aby byla bohatá směs přítomna pouze poblíž elektrody svíčky v momentě zážehu, ale všude jinde chudý jak blázen, však ono to už nějak prohoří. Prohořelo, ale za cenu prudkého nárůstu a následného poklesu teploty, při níž se „zaseknou“ oxidační reakce a jako meziprodukt hoření se vyblijou právě oxidy dusíku.

Potichu se tedy strategie tvorby směsi vrátila k homogenní (rovnoměrně rozvrstvená, zpravidla lambda 1), jež má bezpochyby vyšší měrnou spotřebu paliva, ale zlý dusíci se dusí pod kontrolou. Tedy, v rámci možností, jak si rozebereme třeba výhledově.

THC – Zkratka značí Total Hydrocarbons a znamené souhrně všechny organické uhlovodíky, které z nějaké příčiny neshoří (úplně) a skončí tak v emisních analyzátorech. Sloučenin jsou v palivu desítky (olefíny, aromáty, parafíny,…), některé zlé, jiné voňavé a zpravidla obojí, čuchačům Toluenu asi netřeba vysvětlovat. Vznikají zpravidla při nedostatku vzduchu. Ačkoli teoreticky při dokonalém spalování při lambda = 1 (kdy by mělo shořet všechno palivo) by nic jako zbytkový uhlovodíky z výfuku lézti neměli, pravda je bohužel jinde.

Jednak je to dáno tím, že spalovacím prostorem šířící se plamen se „bojí“ stěny válce, pístu, zkrátka čehokoliv na co cestou narazí. Zainteresování si mohou vyhledat terminus „zhášecí vrstva“, ale pro nás lopaty stačí vědět, že se plamen stěny lekne, tím se tudíž ochladí a nestačí spálit uhlovodíky, co se stihly schovat. Spalovací prostor je totiž pln různejch škvír, kde se to dá dobře praktikovat. A kde není plamen, zůstávají uhlovodíky = kapénky nablitýho paliva.
Druhak nám do hry vstupuje olej ze skříně, ať už cestou přirozenou přes odvětrání klikový skříně (nutno dodat, že se jedná zejména o výpary paliva z oleje, jenž se tam dostane ve formě neodpařenýho paliva při studených startech), nebo méně přirozenou skrz vyrajglovaný pístní kroužky.

No a už vůbec se nebavíme o tom, kdy do válce naschvál stříkáme bohatou směs, která prostě prohořet nestihne. Případů kdy se tak děje je celá řada.

NMHC – Totéž, co předešlě, očesané o metan. Zkratka znamená Non Methan Hydrocarbons. Prakticky se limity emisí uhlovodíků určují tady, protože NMHC má limity na 2/3 THC a nemetany u běžných paliv, tzn. nafty, benzínu a LPG tvoří 90 % všech uhlovodíků. Vyjímku představuje tak nějak z podstaty CNG, které tvoří naopak z většiny metan.

CO – Kysličník uhelnatý, dobrý sluha, špatný pán, záleží jestli na Gaswagen nahlížíte z venku nebo sedíte uvnitř. Vzniká podobně jako uhlovodíky při bohaté směsi, tedy během spalování při nedostatku vzduchu, díky čemuž se nestihne oxidovat na CO₂. Dochází k tomu v podmínkách vysokých teplot a následném zamrznutí reakcí, tedy přesně jako oxidy dusíku, které ale vznikají při přebytku vzduchu. Takže ano, v praxi je to taková volba prezidenta menšího zla, které vlastně ani není menší.

PM/PN – Oblíbené pevné částice. Záměřně uvádím oba dva emisní limity zároveň, protože se legračně doplňují. PM (Particle mass) je hmotnost částic, zatímco PN10 (Particle number) je počet částic, jejichž poloměr je větší než 10 μm, čili asi desetina opičího chlupu. Na jednu stranu je teda lepší vyrobit míň ale zato větších částíc, ideálně kus uhlí co by se vykutálel z výfuku do připravenýho kýblu, do čehož ovšem hází vidle onen hmotnostní limit. V praxi se teda zvyšováním vstřikovacích tlaků snižuje i velikost částic, které pak zvesela poletují kolem a skrz nás. Na pravdu o tom, jak moc to škodí zdraví si budeme muset počkat, ale za sebe rozhodně preferuju ty částíce, které jsou vidět, neb je první déšť spláchne a kytičky mají co žrát.

NH3 – Amoniak, odborně též chcany. Dobře, to je poněkud zavádějcí, do svých SCR nádrží na močovinu nečůrejte, nebude to fungovat. Každopádně se jedná o novinku v rámci EU7, protože proč ne. Vznětový motor s ním bude mít problémy, když si bude chtít snížit oxidy dusíku právě za pomocí SCR, tedy vstřikování močoviny, neboť amoniak je přímým výstupem. Vtipné. U benzínu vzniká zejména díky Posuvné reakci vodního plynu (volný překlad reakce WGSR), kdy vznikající vodík reaguje s předchozím bordelem, konkrétně NO a CO. Bohužel postrádám jakékoliv zkušeností ohledně vzniku této složky, protože se zkrátka doteď neměřila, nebo alespoň ne pro mé oči.

To bychom měli výčet jednotlivých složek. Níže můžete vidět rozdíl EU7 vůči normě EU6AP (poslední typové schválení platné od začátku roku 2020). Důležitá je informace, že byly sjednoceny limity pro vznětový i zážehový motor. Na první pohled se vlastně nic neděje, poloviční limity CO zamrzí, hmotností limit částíc a nováček Amoniak nám tolik sandál nerozhodí, s tímhle by se pořád dalo žít.

Co na první pohled patrné není, jsou kumulativní emise, tzv „Emission budget“, kde hraniční limity značí nahromaděné emise za 10km jízdy od startu. Zde upřímně doufám, že se v interpretaci pletu, protože se mi nepodařilo najít žádné upřesňující dokumenty, ale obávám se, že toto bude kámen úrazu #1.

Potíž je totiž v tom, že obecně nám většina škodlivin prská z roury během prvních dvou minut od startu motoru, v závislosti na laboratorním emisním cyklu (NEDC, WLTP, …) je to 60 – 95 % všeho zlýho! Čím agresivnější test, tím větší podíl. Pokud vezmem v potaz standardní „lážoplážo“ cyklus WLTP o celkové délce přes 23 km, kdy se průměrné emise v mg/km počítají z celkové vzdálenosti, nám tento „Emission budget“ udělá čáru přes budget tím, že se začnou počítat z 10 km. Tím se sníží 2,3x. Takže kupříkladu NMHC – výše zmíněné nemetany, strašák to zážehových motorů, které vznikají zejména během prvních minut testu, pokud by byly plácnu 500 mg během prvního kilometru a dál nic, tak pro standardní EU6 WLTP by to znamenalo 500 mg / 23 km = 22 mg/km, takže jsme na 30 % průměrného limitu. V případě EU7 se to sice tváří na první pohled stejně, ale jakmile přepneme na kumulativní 10 km limit, tak to najednou dělá 500 mg / 10 km = 50 mg/km, kde jsme hupem na 74 % kumulativního limitu. Olalá.

 Nyní se podíváme na testovací procedury. Limity samy o sobě jsou nám k ničemu, nejsou-li definovány podmínky pro uplatnění. V Evropě byl ještě donedávna platný cyklus NEDC, který je sice k motoru velmi šetrný, ale s reálnou jízdou má společnýho velký nic. Zkoušeli jste někdy zrychlovat na padesátku 26 vteřin? Od roku 2018 platí už cyklus WLTP, který už provoz víceméně reflektuje. Pro EU7 má být ovšem WLTP použit pouze k měření zlého sodovkového plynu a ověření reálné x modelované spotřeby paliva či elektriky. Exhalace jako takové se budou měřit při testu reálného provozu (RDE – Real Driving Emissions), jež má své vlastní okrajové podmínky. Ten bude pravděpodobné pro potřeby vývoje nahrazen teoreticky nejhorším možným případem reálného provozu, říkejme mu třeba RDE-Brutal. Představte si to jako situaci, kdy dorazí od děvčete z opačný části města SMSka „Prijd, nikdo neni doma“. Po 5 vteřinách od startu motoru dáváte cihlu na plyn, takže kat nedostane šanci se ani nadechnout, natož zahřát.

Tedy, celé je to takové dynamičtější. Řidič přikurtovaného auta na válcích v emisní laboratoři se snaží držet rychlostní křivku, ale s imaginárním karavanem na kouli to jde stěží. Navíc do kopce. Při mínusových teplotách. Studenému motoru se zdá o čertech a obsluha labiny brbrlá něco o prdelích, sledujíc, kdy se hodnoty z průběžných emisních analyzátorů dostanou pod „out of range“. Tož asi tak pro hrubou představu.

Takže zatím máme výrazně snížený limity a výrazně tvrdší testovací proceduru. Aby toho nebylo málo, pro RDE se rozšiřuje i možnost testování při nižších teplotách a při vyšší nadmořské výšce než doposud. Kombinace těchto vlivů bude muset být zahrnuta ve „worst-case“ testu RDE-Brutal, protože nějakýho pačmáka může napadnout se jet s autem takto projet.

Pomyslným hřebíčkem do rakve je navýšení pomyslného nájezdu, kdy pohonná jednotka musí splňovat exhalační limity za celou dobu své „životnosti“, tzv. durability, který se zvyšuje z aktuálních 160 000 km na 200 000 km (byť je v tomto rozmezí tolerováno 20% zhoršení). Zdá se mi tudíž býti nepravdivé tvrzení článku Českého rozhlasu, který vykřikuje cosi o zdvojnásobení. Patrně si to spletli s ISC (In Service Conformity), kteréžto znamená, že si kontrolní autority mohou vyzobnout jakékoli auto z provozu do definováného nájezdu a přezkoušet ho. Tento definovaný nájezd je u normy EU5/6 právě 100 000 km, což by vysvětlovalo záměnu. Pro EU7 se pro sichr žádná horní hranice ISC neuvádí… No, možná by bylo jistější si ji stanovit předem, třeba náročnou kalibraci defeat device nahradit půl kilem detonation device.

Dál obsahuje návrh normy EU7 spřísnění odparných emisí (tzv. SHED test), kdy se auto nejdřív za odměnu projede na válcích a pak za trest zavře do uzavřené komory. Tam na něj dva dny praží imaginární sluníčko a měří se odpar uhlovodíků. Účelem tohodle testu je zamezit jakýmkoliv netěsnostem v nádrži a potrubí, veškeré odpařené palivo musí skončit v nádržce s aktivním uhlím. Ta se samozřejmě za běžné jízdy musí odvětrávat a to dosti zhusta. Každopádně nový limit uniknuvších uhlovodíku během dvou dnů je stanoven na 0.5g (aktuálně 2g).

Na závěr už jen chuťovky, měření pevných částic z brzdového obložení během WLTP testu a nutnost zavést OBM (On Board Monitoring), jež by na rozdíl od systému OBD (On Board Diagnosis) nevyhodnocoval závady, ale monitoroval by aktuální hodnoty vypouštěných škodlivin. Nepodařilo se mi dohledat jakých škodlivin, což může být kruciální záležitost, takže předpokládám že všech. Monitoring NOxů není problém, na to již existuje sériová senzorika. To se ale nedá říct u ostatních exhalací, kde technologie sice existuje, ale převážně pro laboratorní užití, což nepřímo znamená, že je drahá jako prase. Samozřejmě se nabízí cesta hodnoty exhalací modelovat, z čehož mám a zároveň nemám, díky vlastním zkušenostem, radost.

Inu, tak to je. Trochu doufám, že jsem něco špatně pochopil a bude to jinak, nebo to v této podobě zkrátka neprojde. Pokud ano, nebude to znamenat konec spalovacíh motorů, jenom se v nejhorším případě dostanou s cenou někam ke hračkám na baterky. Jo aha, o to tu vlastně jde celou dobu… Naštěstí zbytek světa nesdílí evropskou potřebu střílet se do vlastní nohy, takže spalovací motory jako forsáž civilizačního vývoje tu s námi ještě pobudou, i když možná v nějaké civilizovanější části zeměkoule.

V příštím článku, bude-li zájem, bych se rozepsal o možnostech, jak této zhůvěřilosti na evropském bojišti čelit.

Zdroj