Normy emisji spalin Euro i badanie NEDC – o co w tym chodzi?

Komisja Europejska wymaga od producentów stosowania coraz „czystszych” silników, emitujących coraz mniej szkodliwych substancji. Producenci stojący po drugiej stronie negocjują i starają się maksymalnie opóźnić wprowadzanie kolejnych ograniczeń. Obecnie wszyscy podlegają normie Euro 6 oraz ustalonemu limitowi emisji CO2 dla całego parku samochodowego. Nagminną praktyką jest „oszukiwanie” podczas testów NEDC. O co w tym wszystkim chodzi i dlaczego dochodzi do tak kuriozalnych sytuacji jak trwająca obecnie „afera spalinowa” z silnikami TDI Volkswagena?

W jaki sposób można ustalić emisję szkodliwych substancji wydostających się z rury wydechowej przed homologowaniem nowego samochodu? Oczywiście badając emisję podczas jazdy. Jednak producenci nie badają samochodów podczas jazdy w środowisku naturalnym, ale w testach przeprowadzonych w laboratoriach, na hamowniach podwoziowych, jedynie imitujących prawdziwą drogę i tym samym prawdziwą jazdę. Wprowadzony w latach 90. test NEDC (New European Driving Cycle) polega na postawieniu samochodu na hamowni podwoziowej, na której ma się poruszać w określonych warunkach – rozpędzanie, zwalnianie i jazda z określoną prędkością to ustalone parametry. W zasadzie wszystkie samochody podlegają tym samym procedurom, więc wyniki wydają się jak najbardziej porównywalne. Chodzi o to, że nawet jeżeli wartości zużycia paliwa czy emisji spalin nie oddają rzeczywistości ze względu na laboratoryjne warunki testu, to te, podane przez producentów można między sobą porównywać. Ale czy na pewno?

Badanie na hamowni to jedno, ale podczas testów NEDC konieczne jest wyznaczenie poziomu bezwładności samochodu. Każda hamownia podwoziowa potrzebuje takiej informacji by w teorii podać wyniki rzeczywiste – również podczas pomiaru mocy wyznacza się bezwładność układu napędowego. Tu producenci mają bardzo duże pole do popisu tworząc indywidualne egzemplarze samochodów, przygotowane tylko w tym celu. O tym, w jaki sposób przygotowuje się samochody do testów przeczytacie dalej. Po dokonaniu pomiaru NEDC producenci mają prawo odliczyć sobie dodatkowe 4 procent z wyniku. Te 4 procent traktowane jest jako tolerancja i oczywiście każdy z tego korzysta. Już na tym etapie można doszukiwać się tzw. oszustw producentów, bowiem na samej tolerancji można zyskać kilka-kilkanaście procent.

Cały test podzielony jest na dwie części. Pierwsza to jazda miejska, druga oczywiście pozamiejska. Całość daje średnie zużycie paliwa oraz średnią emisję CO2 i substancji szkodliwych. Warto w tym miejscu wspomnieć, że tak naprawdę NEDC został przygotowany głównie do sprawdzania emisji spalin, a nie zużycia paliwa – to dlatego ten parametr tak często odbiega od rzeczywistości.

Test NEDC zaczyna się od cyklu miejskiego, trwającego 780 sekund, czyli 13 minut. Ta część podzielona jest na cztery identyczne, powtarzające się cykle, polegające na bardzo powolnym rozpędzaniu samochodu do prędkości 15, 32 oraz 50 km/h i po każdym rozpędzeniu następuje trwające określony czas zatrzymanie pojazdu. Samochód w cyklu miejskim pokonuje dystans około 4 km, natomiast średnia prędkość jazdy to 18,35 km/h. W czasie całego cyklu miejskiego samochód zatrzymuje się łącznie na ponad 3 minuty, z czego większość czasu skrzynia manualna pozostaje w pozycji neutralnej z włączonym sprzęgłem. To dlatego producentom zależy na systemie start/stop wyłączającym silnik.

Po cyklu miejskim następuje cykl pozamiejski, polegający na rozpędzeniu samochodu do 70, 100 i 120 km/h. W całym cyklu pozamiejskim nie ma zatrzymania, a jedynie pojedyncze zmniejszenie prędkości do 50 km/h na 69 sekund. Cykl pozamiejski trwa 400 sekund, czyli 6 minut i 40 sekund, a samochód przemierza dystans około 7 km ze średnią prędkością 62,6 km/h.

Tak wygląda badanie na hamowni podwoziowej imitującej rzeczywiste warunki, ale trzeba pamiętać, że na hamowni nie zdarzają się nagłe hamowania, nieprzewidywalne zachowania innych uczestników ruchu, wyprzedzanie oraz skręcanie nie tylko na zakrętach, ale i skrzyżowaniach. Nie ma więc możliwości, by warunki testu NEDC odpowiadały warunkom rzeczywistym, zarówno w zakresie jazdy miejskiej jak i pozamiejskiej. Jednak czy producenci naprawdę oszukują?

Biorąc pod uwagę logikę trzeba odpowiedzieć: NIE. Czy olimpijczyk oszukuje trenując tylko w swojej konkurencji zgodnie z zasadami przyjętymi przez organizatora zawodów, stosując przed zawodami restrykcyjną dietę? A może powinien być wyrwany z domu o nieokreślonej porze o od razu stanąć do konkurencji? Czy student oszukuje przygotowując się do egzaminu z określonej części materiału, a nie z całego przedmiotu? Czy jeżeli student wie, że konikiem profesora fizyki jest II zasada termodynamiki to czy oszukuje, gdy przygotowuje się idealnie z tej właśnie dziedziny fizyki, pomijając inne? Czy ucząc się na prawo jazdy do testu teoretycznego większość z nas uczyła się przepisów czy testów? Oczywiście, że testów, a czy to było oszustwo? Jeżeli NEDC stawia takie wymagania w takim, a nie innym zakresie, to producent ma prawo się do tego przygotować najlepiej jak potrafi. Na dobrą sprawę system odłączania części cylindrów przy niskim obciążeniu i systemy start/stop są praktycznie takim samym oszustwem jak oprogramowanie silnika TDI Volkswagena.

Co jest zatem prawdziwym oszustwem? Oczywiście podawanie wartości z testu NEDC jako wartości realnych. Jeżeli producent podaje katalogową wartość zużycia paliwa jako rzeczywiste, można to z miejsca uznać za oszustwo i to samo dotyczy emisji spalin – co do tego nie ma najmniejszych wątpliwości. A zatem oszustwo Volkswagena rzeczywiście jest oszustwem.

Można zacząć od tego, że nawet w zakresie jednego modelu istnieją przeróżne wersje, różniące się zużyciem paliwa. Do testu NEDC producent przedstawia wersje podstawowe czyli z wąskim ogumieniem, bez dodatków karoserii zwiększających opory powietrza i bez wyposażenia zwiększającego jego masę. W rzeczywistości w klasach od segmentu D w górę takich aut się nie sprzedaje – często nie są nawet dostępne, ale teoretycznie muszą być w cenniku ze względu na przepisy.

Teraz przejdźmy do przygotowania konkretnego egzemplarza do testu NEDC. Tu liczą się jak najmniejsze opory nie tylko samochodu, ale i silnika. Dlatego też nagminne praktyki, które zresztą nie są zabronione, to zwiększanie ciśnienia w ogumieniu do wartości ponadnormatywnych, stosowanie ogumienia o niskich oporach toczenia, ustawianie geometrii zawieszenia sprzyjającej niskim oporom toczenia, maksymalne zmniejszenie masy, zaklejanie szczelin pomiędzy blachami karoserii i szybami, manualne odsunięcie od siebie elementów ciernych w układzie hamulcowym, odłączenie akumulatora, wyłączone wszystkie urządzenia elektryczne i wyposażenia (np. klimatyzacja), optymalizacje oprogramowania pracy silnika oraz stosowanie specjalnych środków smarnych w silniku i skrzyni biegów. Mowa tu zarówno o wyznaczaniu bezwładności, jak i już samej jeździe na hamowni. Oczywiście podczas testu diesla na hamowni nie ma mowy o wypalaniu sadzy w filtrze cząstek stałych. Tak przygotowane samochody istnieją tylko w laboratoriach.

Pierwszą normę emisji spalin Euro 1 wprowadzono w 1992 roku. Wówczas katalizatory spalin stały się koniecznością. Już po wprowadzeniu normy Euro 3 producenci zauważyli potrzebę budowania bardzo wydajnych układów oczyszczania spalin, głównie dla silników Diesla i pojawiały się filtry cząstek stałych. Norma Euro 4 zmniejszyła dozwoloną ilość emisji cząstek stałych z 0,05 do 0,025, a Euro 5 wprowadziło limit obowiązujący do dziś na poziomie 0,005. W porównaniu z Euro 1 jest to zmniejszenie emisji tylko tego szkodliwego czynnika o 97 procent. Emisję CO2 zmniejszono ponad 6-krotnie, natomiast w silnikach benzynowych na przestrzeni niewiele ponad 20 lat emisja węglowodorów musiała spaść ponad 11-krotnie.

Tak wyśrubowane wartości osiągnięto dzięki rozwojowi silników, optymalizacji ich pracy, wyższej efektywności cieplnej, redukcji oporów, redukcji spalin zanim trafią do układu wydechowego, poprawie układów wtryskowych i niemal powszechnemu już turbodoładowaniu. Nie bez znaczenia jest downsizing, który pozwolił zredukować emisję spalin dzięki mniejszej pojemności, ale czy rzeczywiście? Litrowy silnik benzynowy napędzający samochód kompaktowy radzi sobie dobrze z turbosprężarką, ale nie zużywa o wiele mniej paliwa niż wolnossący po pojemności 1,6 litra gdy oba są porządnie obciążone. Natomiast w teście NEDC jak nigdy nie są. W warunkach laboratoryjnych taki silnik nie potrzebowałby nawet turbodoładowania, wystarczyłaby moc 50 KM do spełnienia łagodnych wymagań odnośnie rozpędzania w NEDC. W praktyce okazuje się, że mała jednostka zużywa więcej paliwa niż teoretycznie powinna. Zasada jest prosta – silnik wolnossący o określonej pojemności spala ogólnie więcej paliwa, ale przy dużym wykorzystaniu mocy ma swoje limity niezbyt wysokie limity. Silnik turbo, który przy łagodnej eksploatacji potrzebuje mniej paliwa, przy dynamicznej jeździe bez trudu wyjdzie poza limit spalania w silniku wolnossącym.

W tym miejscu trzeba jeszcze wspomnieć o limitach CO2 dla całego parku samochodowego danego producenta. Tu wylicza się średnią dla wszystkich modeli, której nie można przekroczyć. W tym roku limit wynosi 130 g CO2 na kilometr – jako średnia wartość. Oznacza to, że jeden model może emitować 200 g, ale drugi musi już tylko 60 g. To dlatego w gamie wielu producentów pojawiają się samochody hybrydowe, mimo iż nie sprzedają się najlepiej. To dlatego marki tworzące auta sportowe, muszą równocześnie wprowadzać na rynek samochody tzw. miejskie lub jak to jest obecnie modne - hybrydy. Średnia musi się zgadzać. I tu warto dodać o postępach jakie mają miejsce na przestrzeni lat. 10 lat temu dopuszczalny poziom emisji CO2 w Europie wynosił 150 g/km, dziś jest to 130 g/km. Od zeszłego roku spadek emisji CO2 ma postępować praktycznie liniowo, ponieważ kolejne limity to 120 g w przyszłym roku, 110 g/km w 2018 roku, aż do 95 g/km w roku 2020. To będzie bardzo trudny okres dla producentów.

Z jednej strony możemy się cieszyć czystszymi spalinami w samochodzie, którym wyjeżdżamy z salonu, ale z drugiej trzeba być świadomym, jeżeli rzeczywiście problem toksyczności spalin nas interesuje. Słowem – trzeba być naiwnym by wierzyć w zapewnienia producenta. Żaden samochód opuszczający salon sprzedaży nie uzyska wyniku takiego, jak egzemplarz testowany na hamowni w laboratorium. Druga sprawa to eksploatacja. By cieszyć się podawanym przez producenta zużyciem paliwa oraz emisją spalin nie tylko należy jeździć tak jak w NEDC, ale też dbać o silnik i pozostałe elementy auta. Nie ma mowy o wycinaniu filtra cząstek stałych czy odłączaniu systemu selektywnej redukcji katalitycznej SCR. Ten wymaga stosowania płynu AdBlue, nie tylko kosztownego, ale i sprawiającego nierzadko problemy z dalszą jazdą. Innym problemem jest zaślepianie czy odłączanie zaworów EGR, które również mają wpływ na emisję spalin, a także chiptuning silników, zwłaszcza Diesla. W zasadzie stosowanie zamienników EGR, katalizatorów, filtrów DPF czy jakichkolwiek innych elementów mających wpływ na skład spalin to postępowanie wbrew przekonaniom o tym, że silnik powinien emitować jak najmniej szkodliwych substancji.

Choć silniki benzynowe nie są całkowicie „czyste”, to właśnie silniki Diesla od kilku lat są na cenzurowanym. To one emitują cząstki stałe – nawet 20 razy więcej niż benzyniaki – oraz bardzo szkodliwe tlenki azotu. To w dieslach dochodzi najczęściej do nielegalnych „modyfikacji” mających pozwolić na dalszą eksploatację, a jednocześnie pogarszających czystość spalin. Rząd Wielkiej Brytanii jeszcze niedawno zachęcał do kupowania diesli i niechętnie patrzył na samochody zasilane LPG, teraz jest dokładnie odwrotnie. Francja, gdzie producenci mają ogromne doświadczenie i potężny park samochodów z bardzo dobrymi dieslami własnej produkcji, odwraca się od oleju napędowego plecami. Substancje emitowane przez jednostki wysokoprężne powodują choroby serca i płuc, cząstki stałe wpływają na rozwój nowotworów, osadzając się głęboko w płucach, nierzadko pozostając tam na wiele lat. To wszystko to zła reklama dla Diesli, a obecna afera spalinowa Volkswagena to miód na serce przeciwników Diesli.

Niektórzy mogą zadać proste pytanie: skoro Komisja Europejska – swoją drogą poddana silnemu lobbingowi koncernów - stoi w opozycji dla producentów samochodów, którzy muszą się dostosować do restrykcyjnych norm, to dlaczego nie ma protestu z ich strony? Odpowiedź na pewno nie jest prosta i jednoznaczna, a taki stan rzeczy ma wiele różnych przyczyn. Często podawaną jest teoria tzw. zaplanowanej nieprzydatności, według której producenci celowo obniżają czas przydatności produktu. Rzeczywiście, realne koszty napraw silnika Diesla zgodnie z technologią producenta jest niewspółmiernie wysoki do ceny zakupu nowego samochodu, co w krajach bogatszych prowadzi do wymiany aut na nowe co kilka lat. Wystarczy wspomnieć, że nowy filtr cząstek stałych kosztuje od kilku do kilkunastu tysięcy złotych. Zawór recyrkulacji spalin, który nierzadko już przed przebiegiem 100 tys. km odmawia posłuszeństwa też kosztuje sumy czterocyfrowe. Naprawa najnowszej generacji układów wtryskowych to wydatek kolejnych kilku, a nawet kilkunastu tysięcy złotych. Producentom jest to na rękę – klient wyda dużo pieniędzy w serwisie lub kupi nowy samochód – rachunek i tak zostanie wystawiony.

Drugie dno tej sprawy to ochrona przed konkurencją z innych kontynentów. Obecnie przepisy europejskie dotyczące dopuszczalnej emisji CO2 są na równi z japońskimi i jednocześnie są najniższymi na świecie. W Stanach Zjednoczonych obowiązuje obecnie limit 180 g/km, czyli o 50 g wyższy niż w Unii. W Chinach jest to wartość 165 g/km. Zgodnie z obowiązującymi normami postępuje rozwój techniki. Producenci europejscy muszą najszybciej rozwijać technologie mające wpływ na emisję szkodliwych substancji i obecnie są w tym liderami. Z jednej strony „afera spalinowa” to jawne oszustwo, ale z drugiej, można docenić pomysłowość techników Volkswagena, którzy wymyślili oprogramowanie samo rozpoznające warunki NEDC. Jak mówią niezależni eksperci – spełnienie normy Euro 6 dla diesli nie jest możliwe w warunkach rzeczywistych. W 2020 roku w UE ma obowiązywać limit 95 g CO2 na kilometr – to najniższy globalnie. W Japonii w tym czasie będzie to limit 110 g, w USA 131 g, a w Chinach 138 g. Te ostatnie potęgi nie osiągną poziomu, jaki już dziś mamy w UE. Tym samym europejscy producenci są dobrze chronieni przed konkurencją zza Oceanu, nieważne którego.

Od dłuższego czasu Komisja Europejska dąży do zastąpienia testu NEDC testem WLTP (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedures), przeprowadzonym w warunkach bliższym rzeczywistym, tak jak w USA. To dlatego za Oceanem dopuszczalne poziomy są wyższe – warunki testów są zupełnie inne. Nowy test WLTP jest bardziej dynamiczny, trwa niespełna dwa razy dłużej, a do pokonania jest dystans ponad dwukrotnie większy. Jednocześnie średnia prędkość rośnie o 40 procent, a czas postoju zmalał o połowę. Tym samym, producenci nie zyskają już tak dobrych wyników dzięki systemom start/stop. Również auta hybrydowe po wprowadzeniu WLTP okażą się bardziej paliwożerne, a eksperci twierdzą, że również wielostopniowe przekładnie automatyczne nie dadzą takich korzyści jak do tej pory. W tym teście wezmą udział dwa egzemplarze jednego modelu – wersja najlżejsza o najniższych oporach oraz najcięższa o najwyższych oporach.

Jeżeli wyniki testu WLTP wejdą w życie, klienci otrzymają katalogowe wartości zużycia paliwa bliższe rzeczywistym, choć nadal osiągnięte w laboratoriach, a więc częściowo mijające się z prawdą. Z drugiej strony, jeżeli wyniki testu WLTP będą obowiązywały przy planowanych limitach norm Euro oraz CO2, to producenci będą mieli wielki i twardy orzech do zgryzienia. Czy zaczną produkować oszczędniejsze samochody z jeszcze mniejszymi silnikami, czy może też zaczną kombinować w inny sposób, by sprzedawać samochody, które klienci rzeczywiście chcą kupić? Możemy się o tym przekonać za kilka lat, a dzięki „aferze spalinowej” TDI nawet szybciej niż planowano.