ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012 Jerzy Cisek 1 ANALIZA NORM TOKSYCZNOŚCI SPALIN DLA SILNIKÓW SPALINOWYCH RÓŻNYCH ZASTOSOWAŃ l. Wstęp Przepisy prawne dotyczące emisji toksycznych składników spalin silników ewaluują w Europie na przestrzeni ostatnich lat w postaci zmieniających się limitów, ograniczanych składników spalin, testów badawczych, oraz wymaganych w badaniach metodyk pomiaru. Różne były również daty wprowadzania wspólnych w Europie norm dla poszczególnych państw członkowski UE. Dla Belgii, Niemiec, Francji, Włoch, Luxemburga oraz Holandii ujednolicenie tego aspektu prawa nastąpiło już w 1951 roku. Dania, Irlandia i Anglia przystąpiły do tego porozumienia w 1973 roku, Grecja w 1981, Hiszpania i Portugalia w roku 1986, Austria, Finlandia, Szwecja 1995 rok, Polska, Czechy, Słowacja, Węgry, Litwa, Łotwa dołączyły w 2004 roku, natomiast Bułgaria i Rumunia zakończyły na razie ten proces w roku 2007. Wszelkie zmiany w domenie ograniczania emisji toksycznych składników spalin muszą być zatwierdzone przez Parlament Europejski, złożony z przedstawicieli państw członkowskich. Obecnie stosowane są następujące kategorie [1] podziału silników spalinowych i/lub pojazdów: M samochody osobowe i samochody dostawcze, N samochody ciężarowe i autobusy, O pojazdy szynowe, G silniki przemysłowe i maszyny robocze. Dodatkowe kategorie - silniki spalinowe motocykli oraz małych silników użytkowych są określone odrębnymi dyrektywami [2,3]. W niniejszej publikacji przedstawiono dopuszczalne wartości toksycznych składników spalin oraz wymagane testy badawcze dla kategorii M, N, O i G. 2. Silniki spalinowe samochodów osobowych Kategoria M silniki spalinowe samochodów osobowych i samochodów dostawczych została podzielona na dwie zasadnicze podgrupy silniki z zapłonem iskrowym i silniki z zapłonem samoczynnym. W kategorii silniki z zapłonem iskrowym nastąpiły nie tylko zmiany ilościowe (Euro 1 Euro 6), ale również zmiany jakościowe, tzn. wprowadzono dodatkowo limity emisji cząstek stałych PM (Euro 5/6) oraz zmieniono przebieg testu badawczego z UDC+EUDC na test NEDC. Zmieniły się również regulacje prawne odnośnie stosowanych paliw do tych silników. Przykładowo: maksymalna zawartość siarki w benzynie w roku 2000 wynosiła 150 ppm, 50 ppm od 2005 roku. Pojęcie Sulfur-free wprowadzono w roku 2005 i dotyczy benzyn o zawartości siarki mniejszej niż 10 ppm. W dziedzinie silników z zapłonem samoczynnym maksymalna zawartość siarki w paliwie wynosiła kolejno: 350 ppm (2000 rok), 50 ppm (2005 rok) i 10 ppm w roku 2009. Od roku 2000 minimalna wartość liczby cetanowej oleju napędowego wynosi LC min =51. Dodatkowo wprowadzono standard emisji nanocząstek (Euro 5/6). Wiązało 1 dr inż. Jerzy Cisek - Instytut Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych, Politechnika Krakowska 17

się to z normalizacją dodatkowej metodyki pomiaru określenie ilości cząstek stałych w spalinach (Particle Number PN). Limity toksyczności spalin dla silników ZI i ZS samochodów osobowych i samochodów dostawczych przedstawiono w tab.1. i tab.2. Przebieg testów badawczych dla tej kategorii silników spalinowych zaprezentowano na rys.1 i rys.2. Tab.1. Limity toksyczności spalin dla silników ZI samochodów osobowych [4] LIMIT DATA TEST CO HC HC+NOx NOx PM PM# [g/km] [#/km] EURO 1 1992.07 ECE+EUDC 2,72-0,97 - - - EURO 2 1996.01 ECE+EUDC 2,2-0,5 - - - EURO 3 2000.01 NEDC 2,3 0,2-0,15 - - EURO 4 2005.01 NEDC 1,0 0,1-0,08 - - EURO 5 2009.09 NEDC 1,0 0,1-0,06 0,005 - EURO 6 2014.09 NEDC 1,0 0,1-0,06 0,005 - Tab.2. Limity toksyczności spalin dla silników ZS samochodów osobowych [4] LIMIT DATA TEST CO HC HC+NOx NOx PM PN [g/km] [#/km] EURO 1 1992.07 ECE+EUDC 2,72-0,97-0,14 - EURO 2, IDI EURO 2, DI 1996.01 ECE+EUDC 1,0-0,7-0,08-1996.01 ECE+EUDC 1,0-0,9-0,10 - EURO 3 2000.01 NEDC 0,54-0,56 0,50 0,05 - EURO 4 2005.01 NEDC 0,50-0,30 0,25 0,025 - EURO 5a 2009.09 NEDC 0,50-0,23 0,18 0,005 - EURO 5b 2009.09 NEDC 0,50-0,23 0,18 0,005 6,0. 10 11 EURO 6 2014.09 NEDC 0,50-0,17 0,08 0,005 6,0. 10 11 18

Rys.1. Schemat przebiegu testu UDC+EUDC [4] Rys.2. Schemat przebiegu testu NEDC [4] Pierwsze limity CO2 dla nowych samochodów osobowych powstały w Unii Europejskiej na przełomie lat 1998/1999. Było to wolontaryjne porozumienie pomiędzy Komisja Europejską a firmami samochodowymi, reprezentowanymi przez: ACEA (European Automobile Manufactureres Association), JAMA (Japanese Automobile Manufacturers Assiociation) i KAMA (Korean Automobile Manufacturers Association), które ustalało poziom emisji dopuszczalnej 140 g/km. W kwietniu 2009 roku [??] ustalono obligatoryjną wartość graniczną CO2 wynoszącą 130 g/km. Jednocześnie zdefiniowano długoterminowy cel obniżenia emisji CO2 do wartości 95 g/km w roku 2020. Regulation 443/2009/EC dotyczyła wyłącznie emisji CO2, natomiast inne gazy cieplarniane nie zostały objęte tymi przepisami prawnymi. Limit emisji CO2 wynoszący 130 g/km (w teście NEDC) dotyczy nowych samochodów osobowych, o masie referencyjnej Mo = 1372 kg (do roku 2005). Wówczas, dla samochodu osobowego o dowolnej masie M, rzeczywista wartość limitu CO2 jest określona tzw. Specific Emissions, której wartość oblicza się ze wzoru [9]: 19

Specific Emissions of CO2 = 130 + 0,0457x(M-Mo) Z tej formuły wynika, że dla samochodu o masie 1372 kg wartość graniczna CO2 wynosi 130 g/km, dla samochodów lżejszych jest mniejsza, a dla samochodów cięższych wartość limitu jest większa. Od roku 2016 masa referencyjna Mo pojazdu będzie ustalana corocznie jako średnia wartość masy samochodów osobowych produkowanych w ostatnich trzech latach. Ponadto przewidziano grzywny finansowe dla producentów samochodów, których silniki spalinowe emitują ilości CO2 większe niż przewidziany limit. W latach 2012 do 2018 kara finansowa wynosiła będzie 5 za pierwszy g/km CO2 ponad limit, 15 za drugi g/km, 25 za trzeci g/km i 95 za czwarty g/km CO2 wykraczające ponad określoną wartość dopuszczalną. Od roku 2019 producenci płacić będą 95 za każdy g/km CO2 ponad dopuszczalne przez normy. 3. Silniki spalinowe samochodów ciężarowych i autobusów Podstawowym aktem prawnym dla silników spalinowych tej kategorii (HDV heavy duty vehicles), aplikowanych do pojazdów o masie całkowitej pow. 3500 kg, była Dyrektywa 88/77/EEC [5] określająca limity toksycznych składników spalin oraz przebieg testów badawczych. Zgodnie z tym przepisem prawnym badania emisji toksycznych składników spalin dla tej kategorii (HDV heavy duty vehicles) są przeprowadzane na hamowni silnikowej, w odróżnieniu od silników klasy LDV light duty vehicles, dla których testy badawcze są realizowane na hamowni podwoziowej. Limity granicznych wartości składników spalin są wyrażone w g/kwh. W roku 1999 wprowadzono Dyrektywę 1999/96/EC [6] dotyczącą kolejnych standardów Euro3/5. Dyrektywa 2005/55/EC [7] z roku 2001 określała zastosowanie systemów OBD (On- Board Diagnostic) w silnikach spalinowych. Tab.3. Limity toksyczności spalin dla silników ZS samochodów ciężarowych i autobusów [4] LIMIT DATA TEST EURO 1 <85 kw EURO 1 >85 kw CO HC NOx PM DYM [g/kwh] [m -1 ] 1992.07 ECE R49 4,5 1,1 8,0 0,612-1992.01 ECE R49 4,5 1,1 8,0 0,36 - EURO 2 1996.01 ECE R49 4,0 1,1 7,0 0,25 - EURO 2 1998.01 ECE R49 4,0 1,1 7,0 0,15 - EURO 3 2000.10 ESC/ELR 2,1 0,66 5,0 0,10 0,8 EURO 4 2005.10 ESC/ELR 1,5 0,46 3,5 0,02 0,5 EURO 5 2008.10 ESC/ELR 1,5 0,46 2,0 0,02 0,5 EURO 6 2013.01 ESC/ELR 1,5 0,13 0,4 0,01-20

Obciazenie [%] Zgodnie z wymienionymi aktami prawnymi silniki wysokoprężne klasy HDV były badane w oparciu o 13-punktowy test ECE R49 (rys.3). Jednak od poziomu Euro3 (rok 2000) test ten został zastąpiony przez 3 cykle pomiarowe: test ESC (European Stacionary Cycle) rys.4, test ETC (European Transient Test) oraz test ELR (European Load Response) zadymienie spalin. Dla Euro3 obowiązywał test ESC+ELR, w przypadku konwencjonalnych silników z zapłonem samoczynnym oraz dodatkowo test ETC dla silników wysokoprężnych wyposażonych w konwertor katalityczny NOx i/lub filtr cząstek stałych. Dla Euro4/5 obligatoryjnie są stosowane testy ESC, ELR i ETC. Dla poziomu Euro6 emisja cząstek stałych PM jest tak niska, że nie ma sensu określanie zadymienia spalin, dlatego też zrezygnowano z testu zadymienia spalin obowiązuje test ESC+ETC. 25% 6 8 75 8% 5 2% 9 50 8% 4 2% 10 25 8% 3 2% 11 10 0 25/3% 1,7,13 Bieg luzem 8% posrednia [%] 2 2% 12 znamionowa Rys.3. Schemat przebiegu testu ECE R49 [4] 21

Obciazenie [%] 75 8% 9% 8% 2 8 10 5% 5% 6 4 12 50 5% 5 3 5% 13 25 10 0 15% 1 Bieg luzem 5% 5% 7 9 11 70 posrednia 80 [%] Rys.4. Schemat przebiegu testu ESC [4] 90 znamionowa 4. Silniki spalinowe maszyn roboczych Standardy Unii Europejskiej odnośnie toksyczności spalin silników maszyn roboczych i silników stacjonarnych są bardziej surowe niż dla silników pojazdów samochodowych.. Limity toksyczności spalin, oznaczane jako StageI..StageIV (PoziomI..PoziomIV), dotyczą silników spalinowych: platform wiertniczych, kompresorów, agregatów prądotwórczych, ładowarek, koparek, spychaczy, pługów, dźwigów, maszyn obsługi dróg i portów lotniczych [5]. Maszyny rolnicze i leśne obowiązują te same normy, jednak wprowadzane w innych terminach [6]. Ponieważ w tej grupie mieszczą się zarówno małe silniki benzynowe jak i duże silniki wysokoprężne limity toksyczności spalin zostały podzielone dodatkowo na 8 zakresów mocy silników, od kilku do powyżej 559 kw. Limity toksycznych składników spalin dla tej kategorii silników spalinowych zostały, dla StageI/II, określone przez Dyrectywę 97/68/EC, zamienioną w 2002 roku na Dyrektywę 2002/88/EC. Dopuszczalny poziom toksyczności spalin dla StageIII/IV dla silników spalinowych maszyn niedrogowych został zatwierdzony przez Dyrektywę 2004/26/EC oraz Dyrektywę 2005/13/EC dla maszyn rolniczych i leśnych. Obowiązujący test badawczy dla tych kategorii silników spalinowych przedstawiono schematycznie na rys.5. Limity toksycznych składników spalin dla StageI/IV oraz różnych zakresów mocy silników zaprezentowano w tab.4. 22

Tab.4. Limity toksycznych składników spalin, dla StageI/IV oraz różnych zakresów mocy przemysłowych silników spalinowych ROK 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 MOC [kw] EMISJA JEDNOSTKOWA [g/kwh] 0-7 nie limitowane 8-18 nie limitowane 19-36 CO=5,5 HC=1,5 HC+NOx=7,5 NOx=8,0 PM=0,8 PM=0,8 37-56 57-74 75-129 130-559 CO=6,5 HC=1,3 NOx=9,2 PM=0,85 CO=6,5 HC=1,3 NOx=9,2 PM=0,85 HC=1,3 NOx=9,2 PM=0,7 CO=5 HC=1,3 NOx=9 PM=0,5 HC=1,3 NOx=7,0 PM=0,4 HC=1,3 NOx=7,0 PM=0,4 HC=1,0 NOx=6,0 PM=0,3 CO=3,5 HC=1,0 NOx=6,0 PM=0,2 CO=3,5 HC+NOx=4,0 PM=0,2 HC+NOx=4,7 PM=0,4 HC+NOx=4,7 PM=0,4 HC+NOx=4,0 PM=0,3 > 559 nie limitowane HC=0,19 NOx=3,3 HC=0,19 NOx=3,3 CO=3,5 HC=0,19 NOx=2,0 HC+NOx=4,7 HC=0,2 NOx=0,4 HC=0,2 NOx=0,4 CO=3,5 HC=0,19 NOx=0,4 23

Obciazenie [%] 5 15% 1 75 6 15% 2 50 7 15% 3 25 10 0 15% 8 Bieg luzem posrednia [%] 4 znamionowa Rys. 5. Schemat przebiegu testu C1 wg ISO 8178-4 [4] 5. Silniki spalinowe pojazdów szynowych Przepisy prawne obowiązujące w Unii Europejskiej dotyczące toksyczności spalin silników pojazdów szynowych, zostały wprowadzone stosunkowo późno dopiero w roku 2003. Międzynarodowy Kodeks UIC, zgodnie z Dyrektywą 2004/26/WE, określił 3 poziomy dopuszczalnej emisji jednostkowej CO, HC, NOx i PM w zależności od mocy silnika. Na poziomie UIC II rozdzielono limity dla silników spalinowych o mocy mniejszej i większej niż 560 kw. UIC III wprowadza różne limity dla silników o mocy mniejszej od 130 kw, w zakresie 130-560 kw oraz dla mocy większej niż 2000 kw, jeżeli pojemność skokowa jednego cylindra silnika jest większa niż 5 dm 3. UIC IV dotyczy silników spalinowych małych o mocy poniżej 130 kw i silników dużych o mocy powyżej 130 kw. Badania toksyczności spalin przeprowadza się w oparciu o test F (rys.6), za wyjątkiem silników o mocy mniejszej niż 130 kw w ramach UIC III, gdzie obowiązuje test C1. Wartości limitów toksycznych składników spalin dla UIC I/III przedstawiono w tab.5. 24

Obciazenie [%] Tab.5. Limity toksyczności spalin dla silników ZS pojazdów szynowych [4] LIMIT MOC P [kw] DATA TEST CO HC NOx+HC NOx PM [g/kwh] UIC II P<560 2003.01 F 2,5 0,6-6,0 0,250 UIC II P>560 2003.01 F 3,0 0,8-9,5 0,250 UIC III P<130 2006.01 C1 3,5-4,0-0,200 UIC III 130>P>560 2007.01 F 3,5-4,0-0,200 UIC III P>2000 i Vss>5dm 3 /cyl 2009.01 F 3,5 0,5-6,0 0,200 UIC IV P<130 2012.01 F 3,5 0,19-2,0 0,025 UIC IV P>130 2012.01 F 3,5-4,0-0,025 25% 1 75 50 15% 2 25 10 0 6% 3 Bieg luzem posrednia [%] znamionowa Rys. 6. Schemat przebiegu testu F wg. ISO 8178-4 [4] 25

6. Metodyki pomiaru toksycznych składników spalin Pomiar stężenia gazowych składników spalin jest podstawą do określenia emisji jednostkowej wyrażanej w g/km dla testów realizowanych na hamowni podwoziowej lub emisji jednostkowej obliczanej w g/kwh w testach na hamowni silnikowej. Dla każdego z limitowanych składników spalin normy ISO 8178-4 (RIC engines Exhaust emission measurement) jednoznacznie określają wymaganą metodykę pomiaru, zdefiniowaną poniżej: Stężenie CO, CO 2 analizator niedyspersyjny na podczerwień NDIR (Non-Dispersive Infrared), Stężenie HC analizator płomieniowo-jonizacyjny FID (Flame Ionisation Detector), Stężenie NO analizator chemiluminescencyjny CLD (Chemiluminescent Detector), Emisja PM pomiar grawimetryczny masy cząstek stałych na filtrze pomiarowym z wykorzystaniem tunelu rozcieńczającego spaliny, Stężenie cząstek stałych PN (Particle Number) system pomiarowy wyposażony w dwa moduły: Electrostatic Classifier (EC), pozwalający na wydzielenie cząstek o ściśle określonych rozmiarach ze strumienia gazu, oraz urządzenie noszące nazwę Condensation Particle Counter (CPC) umożliwiające określenie stopnia koncentracji dla każdego rozmiaru cząstek. Dodatkowo normy wymagają wyposażenia systemów pomiarowych w następujące moduły: o grzana droga próbkowania spalin z grzanym filtrem wstępnym (dla pomiaru stężenia HC i NOx, o grzany analizator FID i CLD, o moduł określania sprawności konwersji NO 2 /NO, o dzielnik stężenia gazów kalibrujących do określania funkcji linearyzującej dla stosowanych analizatorów, o tester interferencji dla analizatorów CO i CO 2. 6. Podsumowanie Przedstawione fakty dotyczące przepisów prawnych odnośnie limitów toksyczności spalin, testów badawczych oraz wymaganych metodyk pomiarów pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: 1. Na przestrzeni lat zmieniają się nie tylko wartości graniczne toksycznych składników spalin, ale również wprowadzane zostają dodatkowe składniki, np. cząstki stałe dla silników ZI, czy stężenie cząstek dla silników ZS klasy LDV. 2. Zmianom podlegają testy badawcze, np. Test NEDC zamiast testu UDC+EUDC. 3. Wprowadzenie coraz bardziej restrykcyjnych limitów toksyczności spalin może prowadzić do braku konieczności limitowania niektórych parametrów spalin. Przykładowo: ograniczenie emisji PM do poziomu 0,01 g/kwh dla silników ZS kategorii HDV nie wymaga już pomiaru zadymienia spalin (Euro6), ponieważ przy tak małej emisji PM zadymienie spalin nie ma już znaczenia. 4. Zmniejszanie wartości mierzonych może spowodować konieczność zmiany metodyki pomiaru. Przykładowo: emisja PM na poziomie 0,01 g/kwh jest w zasadzie granicą pomiarową obowiązującego stanowiska pomiarowego 26

z tunelem rozcieńczającym ze względu na dokładność pomiaru i błędy pomiarowe. 5. Znaczące obniżanie wartości limitów toksyczności spalin wiąże się z koniecznością stosowania zmian parametrów regulacyjnych i konstrukcyjnych silników spalinowych, stosowanych metod postprocesowych oraz zmianami parametrów fizyko-chemicznych paliw, co w efekcie prowadzi do nieuniknionego wzrostu kosztów produkcji silników. Literatura [1] Directive 2002/116/EC [2] Directive 2002/51/EU [3] Directive 2002/88/EU [4] Directive ISO 8178-4 [5] Directive 97/68/EC [6] Directive 2000/25/ EC [7] Directive 2004/26/EC [8] Directive 2005/13/EC [9] Directive 443/2009/EC Streszczenie W artykule przedstawiono analizę norm toksycznych składników spalin obowiązujących w Unii Europejskiej dla silników spalinowych. Pod uwagę wzięto wartości limitów emisji toksycznych składników od poziomu EURO I do EURO VI oraz odpowiadające im przebiegi testów badawczych. Testy badawcze, podobnie jak limity toksyczności spalin uzależniono od roku ich wprowadzenia w życie przepisami prawnymi. Niezależnie od tego rozgraniczono testy badawcze dla różnych grup silników spalinowych. Do analizy porównawczej wybrano: - silniki z zapłonem iskrowym samochodów osobowych - silniki z zapłonem samoczynnym samochodów osobowych - silniki spalinowe samochodów ciężarowych i autobusów - silniki spalinowe przemysłowe (stacjonarne) i maszyn roboczych ciężkich w zakresie mocy od 7 do pow. 559 kw - silniki spalinowe pojazdów szynowych w zakresie mocy od 130 do pow. 560 kw. Dla wszystkich przedstawionych grup silników spalinowych oraz limitów toksyczności spalin przedstawiono wymagane przez normy ECE metodyki pomiaru i obliczeń emisji tlenku węgla, dwutlenku węgla, niespalonych węglowodorów, cząstek stałych oraz stężenia nanocząstek. Słowa kluczowe: silniki spalinowe, emisja gazów spalinowych, standard, przepisy. 27

REGULATIONS OF EXHAUST GASES EMISSIONS OF COMBUSTION ENGINES VARIOUS APPLICATIONS Abstract: Year after year regulations of exhaust gases of combustion engines apply to various applications are changed. Paper described limits of exhaust gases emissions for gasoline and diesel car engines, have duty engines, industrial engines and rail vehicles engines. For different engine groups homologations test was analysed. Was presented chassis and dynamometers homologation test for each group of engines. From Euro 1 to Euro 6 limits were presented. Additional measurement methodology for emission of CO, THC, NOx, PM, nanopm was described. Keywords: combustion engines, exhaust gases emissions, standards, regulations. 28