Silniki spalinowe: Już nie takie straszne, jak mogłoby się wydawać

Nikt nie ma chyba wątpliwości, że silnik spalinowy jest wielkim osiągnięciem ludzkości. Zrewolucjonizował nie tylko transport, ale też cały przemysł motoryzacyjny oraz pozytywnie wpłynął na gospodarkę. Niestety ma też negatywny wpływ, szczególnie na środowisko. To znaczący problem współczesnych czasów.

Nowe diesle są wyposażane w coraz doskonalsze systemy filtrujące zanieczyszczenia / fot. VW

Foto: moto.rp.pl

Unowocześnianie jednostek napędowych wymaga rozwoju całych gałęzi gospodarki. Wymusza progres wielu gałęzi przemysłu, wprowadzania nowych technologii, jak i opracowywania nowych materiałów czy kompozytów. Wszystko po to, by samochody z konwencjonalnym napędem były przyjaźniejsze dla środowiska. Mimo to pojawiają się głosy, że ich żywot powoli dobiega końca. Czy oby na pewno? Według przewidywań na świecie do 2040 roku będzie około 2 mld pojazdów, z czego zapewne tylko parę procent będą stanowiły auta o napędzie alternatywnym, w co wlicza się także hybrydy. Z tego względu przewidywania, że era silnika spalinowego dobiega końca, są raczej zdecydowanie przesadzone.

Emisja a rodzaj zasilania

Obecnie proces spalania jest znacznie bardziej złożony i skomplikowany niż kiedyś. W zależności od rodzaju wtrysku i paliwa zasilającego inna jest też emisja poszczególnych szkodliwych składników. Najlepszym tego przykładem są różnice w emisji tlenków azotu w zależności od tego, czy mamy do czynienia z jednostkami z wtryskiem bezpośrednim czy pośrednim. Wpływa to bowiem zarówno na temperaturę mieszanki oraz na sam proces jej spalania w cylindrze. Jeżeli proces ten ulega zaburzeniu, występują warunki idealne do powstawania różnych toksycznych składników spalin.

CZYTAJ TAKŻE: Nowe normy emisji CO2 zatwierdzone. Następne 10 lat zmieni oblicze motoryzacji

Obecnie największą uwagę przywiązuje się do tlenków azotu. W silniku spalinowym (mówiąc laicko) jego powstawanie jest związane ze zwiększaniem się temperatury spalania. Im jest większa, tym więcej wytwarzanych jest tlenków azotu. Problem ten dotyczy zwłaszcza silników z bezpośrednim wtryskiem paliwa. Z tego względu konieczne jest stosowanie reaktorów katalitycznych oraz układów oczyszczania spalin SCR. Jest to układ, który działa skutecznie. Jedynie podczas oczyszczania się filtra cząstek stałych może dochodzić do zwiększonej emisji tlenków azotu. Wynika to z faktu, że temperatura podczas tego procesu jest zdecydowanie wyższa.

fot. AdobeStock

Foto: moto.rp.pl

Inny problem stanowią cząstki stałe. Ten problem został jednak rozwiązany przez zastosowanie filtrów DPF w silnikach wysokoprężnych i – od niedawna – GPF w tych zasilanych benzyną. Badania wykazują, że pozwalają one na nawet na kilkukrotne obniżenie poziomu emisji tego składnika. To jednak nie rozwiązuje całkowicie problemu. Mimo że skuteczność układu DPF określa się na 99 proc. to nie jest ona stała. Filtr cząstek stałych musi być oczyszczany i trzeba o tym pamiętać przy okazji wizyt w serwisie.

Detronizacja diesla

Świat zwrócił na to wszystko uwagę przy okazji tzw. afery Volkswagena. Manipulacje związane z wykazywaną emisją substancji toksycznych podczas testów homologacyjnych były czymś w rodzaju detonatora, który wywołał potężną dyskusję i o problemie zanieczyszczeń, za które odpowiada transport. Nie ma zresztą co ukrywać, przekroczone limity emisji – choćby tlenków azotu – mają zgubny wpływ na ludzkie zdrowie. Z badań opublikowanych w czasopiśmie naukowym „Nature” wynika, że co najmniej 38 tys. ludzi na świecie umiera co roku w wyniku niespełnienia przez pojazdy z silnikiem diesla oficjalnych limitów emisji w rzeczywistych warunkach jazdy. Co więcej, jeśli nic się z tym nie zrobi, to według prognoz globalna emisja NO_Xbędzie cały czas wzrastać, co w efekcie może doprowadzić do wzrostu liczby ofiar śmiertelnych do 174 tys. w ciągu najbliższych 25 lat.

CZYTAJ TAKŻE: Elektryfikacja Volkswagena: to dzieje się naprawdę

Takie badania oraz coraz większe problemy ze spełnieniem wymagań spowodowały, że producenci zaczęli odwracać się od silnika diesla i według oficjalnych komunikatów przynajmniej niektórzy zarzucają prace nad jego rozwojem. Decyzje te są również podyktowane sytuacją rynkową. W Europie przez ostatnie dwa lata odnotowany został spadek rejestracji pojazdów wyposażonych w jednostki wysokoprężne, a to właśnie na naszym kontynencie cieszyły się one największą popularnością. Tyle, że to właśnie diesle, od których chcemy się odwrócić, w wyniku technologicznego rozwoju zaczęły być czystsze od silników benzynowych pod względem emisji choćby dwutlenku węgla (CO₂), tlenku węgla (CO), jak też węglowodorów (THC). Oczywiście nie dotyczy to starszych silników, których emisje są zdecydowanie wyższe.

Zakazywanie wjazdu diesli do centrów miast nie przynosi oczekiwanych efektów / fot. Krisztian Bocsi/Bloomberg

Foto: moto.rp.pl

Różnice na drodze

Przeprowadzane w Polsce badania pojazdów o różnym rodzaju układu zasilania w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego zgodne z założeniami tzw. cyklu RDE (stanie się obowiązkowy przy homologacji jednostek napędowych od września 2019 r.) wykazały ciekawą zależność. Otóż jednostki napędowe z zapłonem samoczynnym – bo to w ich przypadku jest największy problem m.in. z emisją tlenków azotu – po downsizingu charakteryzują się większą ich emisją niż silniki o większej pojemności skokowej. Różnica ta jest znacząca, ponieważ w niektórych przypadkach może wynosić nawet kilkaset procent. Różnice wynikają choćby z konieczności jazdy pod większym obciążeniem, a tym samym jednostka napędowa pracuje przy mniejszym współczynniku nadmiaru powietrza. Oczywiście trzeba pamiętać, że nie dzieje się tak w każdym przypadku, badania cały czas trwają i na ostateczne wnioski jeszcze trzeba chwilę poczekać. W przypadku pojazdów z zapłonem iskrowym różnice pomiędzy jednostką downsizingowaną a klasyczną były o wiele mniejsze i wyniosły kilka, maksymalnie kilkanaście procent. Jednak proces „wyłapywania” NOx jest wciąż udoskonalany, a kolejne rozwiązania w znaczący sposób ograniczają ich emisję.

CZYTAJ TAKŻE: Downsizing: Co może silnik o pojemności małego garnka

O wiele większym problemem w przypadku silników z zapłonem iskrowym jest większa emisja dwutlenku węgla oraz zużycia paliwa. Potwierdzeniem tej sytuacji jest fakt, że w Europie po raz pierwszy od dekady zaczęła wzrastać średnia emisja dwutlenku węgla z sektora pojazdów osobowych. Według Jato Dynamics, średnia emisja dwutlenku węgla w Europie z samochodów do 3,5 tony wynosi 120,5 g/km. Jest to o 2,4 g/km więcej niż rok temu. Ten trend jest wynikiem przede wszystkim odchodzenia Europy od silników diesla, który emituje znacznie mniej CO2.

CZYTAJ TAKŻE: Toyota: nadciąga alkoholowa hybryda

Wbrew pozorom problem jest poważny i potencjalnie kosztowny. Już w 2021 r. koncerny produkujące powyżej 300 tysięcy pojazdów rocznie – według ustaleń UE – muszą podporządkować się bardzo rygorystycznej normie emisji CO2. Średnia ze wszystkich nowo produkowanych pojazdów to 95 g/km. Przekroczenie tych wartości będzie oznaczać kary, liczone od każdego grama powyżej normy i liczby wprowadzonych na rynek aut, więc koszty mogą iść w miliardy euro. Największe wyzwanie stoi m.in. przed FCA, które musi obniżyć emisję tego składnika o 35,5 g/km (obecnie średnia wynosi: 125,3 g/km), czy Daimlerem –  o 33,6 g/km (obecnie średnia to: 134,3 g/km). Zapobiegawczo FCA podpisał niedawno porozumienie z Teslą, by wspólnie liczyć wartość emisji.