Norma Euro 5. O co w tym wszystkim chodzi?

Nieco błędnie i stereotypowo uważa się, że normy Euro to normy emisji spalin. Lecz zakres regulacji, które pod nimi się kryją, nie kończy się na składzie tego, co wylatuje z wydechu. Obejmują też wymogi bezpieczeństwa dla wszystkich podzespołów oraz limity głośności motocykli. Dlatego np. od wejścia w życie Euro 4 obowiązkowym wyposażeniem motocykli są zaawansowane układy hamulcowe (w przypadku pojazdów z silnikami o pojemności do 125 ccm minimum to układ kombinowany CBS, a w większych motocyklach musi być montowany przynajmniej ABS). Wyjątek stanowią motocykle enduro (te prawdziwe, a nie turystyczne) oraz trialowe.

Troska czy złośliwość?

Te same przepisy sprawiły też, że bez względu na pojemność silnika każdy motocykl (poza trialowym i enduro) musi być wyposażony w system autodiagnostyczny OBD. Choć użytkownicy obawiali się tego rozwiązania, okazało się sporym ułatwieniem, bo dzięki modułom bluetooth za kilkadziesiąt złotych, dostępnych w sklepach motoryzacyjnych, nawet w warunkach domowych można dojść do większości bolączek, które trapią nasz motocykl.

Wraz z wejściem 1 stycznia 2020 normy Euro 5 wymagany będzie systemem autodiagnostyki OBD II, który oprócz monitorowania pracy silnika i układu elektrycznego będzie także nadzorował sprawność systemów oczyszczania spalin (o nich w dalszej części tekstu).

Teoretycznie w wyniku spalania mieszanki paliwowo-powietrznej mogłyby powstać jedynie para wodna i dwutlenek węgla. W rzeczywistości jednak w silnikach o zapłonie iskrowym większość mieszanki spala się tylko częściowo. W wyniku tego, oprócz H2O i CO2 powstają szkodliwe tlenki węgla (pot. czad), tlenki siarki i cząstki stałe (PM) jak sadze i popioły oraz pozostają niespalone węglowodory. Stanowią one zagrożenie dla środowiska i człowieka, w szczególności dla jego układu krążenia i oddechowego. Co prawda w Europie motocykle są odpowiedzialne zaledwie za 1,2% emisji szkodliwych substancji do atmosfery, ale inne środki transportu również muszą spełniać restrykcyjne normy.

Wprowadzane limity nie tylko ograniczają emisję niespalonych węglowodorów, ale także wyraźnie obniżają udział w nich tzw. węglowodorów niemetanowych, czyli np. rakotwórczego benzenu oraz cząstek stałych (ten element normy obowiązują jednoślady z silnikami o bezpośrednim wtryskiem paliwa, lecz na razie nie ma takich na rynku).

Sztuczna rzeczywistość

Tematem, który zawsze będzie budził kontrowersje, jest sposób przeprowadzenia badania homologacyjnego. Obecnie obowiązuje poprawiony cykl WMTC II (World Motorcycle Test Cycle). Przeprowadza się go na hamowni, gdzie pojazd jest podpięty do aparatury badawczej. Test składa się z trzech etapów, trwających po 600 sekund każdy. Pierwszy symuluje jazdę w mieście – wolną (do 60 km/h), z dużą liczbą krótkich postojów. W drugim etapie symulowana jest jazda w cyklu mieszanym do 95 km/h z jedynie trzema postojami, natomiast trzeci to szybka jazda pozamiejska bez przystanków i z prędkościami dochodzącymi do 125 km/h. Etapy muszą odbywać się bez przerwy między sobą, a test wymaga, żeby zaczynać z zimnym silnikiem.

Po zakończeniu badania wyliczana jest średnia emisja spalin. Jak nietrudno się domyślić, procedura badawcza nie jest w stanie dobrze odzwierciedlić rzeczywistych warunków użytkowania. Ze względu na liczbę zmiennych, budowa modelu bliskiego rzeczywistości jest niemożliwa. Na realne spalanie wpływ mają: kierowca, droga, warunki atmosferyczne i oczywiście motocykl. W takim badaniu trudniej mają silniki chłodzone powietrzem, ponieważ są mniej stabilne pod względem temperatury i efektywności spalania.

Nie demonizujmy

Normy Euro nie są zbyt łaskawe dla wielu motocykli i wymagają więcej pracy od inżynierów, lecz mówienie, że zabijają motocykle, jest jednak niepotrzebnym demonizowaniem zjawiska. Biję się w pierś, bo zdarzyło mi się lamentować, że Euro zabiło Yamahę Tenere 660, Hondę CBR 600RR czy Yamahę XJR 1300. Oczywiście, szkoda tych motocykli, ale normy emisji spalin jedynie przyśpieszyły to, co nieuniknione. Były to bowiem motocykle, które nie sprzedawały się w Europie w spektakularnych ilościach. Gdyby było inaczej, producenci ponieśliby koszty dostosowania ich do Euro 4 czy 5. Zresztą w Japonii czy USA funkcjonują podobnie rygorystyczne limity, a wiele motocykli, wycofanych już z naszego rynku, tam nadal jest dostępnych. Wszystko rozbija się o koszty.

Arsenał technologii, wspomagających cięcie emisji, jest szeroki. Chłodzenie powietrzem można wspomóc częściowym chłodzeniem cieczą, tak jak w Harleyu-Davidsonie czy BMW. Płaszcz wodny znajduje się tylko w głowicach, gdzie temperatura jest najwyższa. Mały obieg cieczy zapewni szybsze rozgrzanie silnika na starcie, a gdy termostat otworzy duży obieg, temperatura się stabilizuje.

Szlachetne spaliny

Najpopularniejszym sposobem na oczyszczenie spalin jest stosowany już powszechnie „katalizator” (to nazwa potoczna, ale pozostańmy przy niej; fachowo powinno się mówić reaktor lub dopalacz katalityczny). Katalizatorem – by być precyzyjnym – jest pierwiastek lub związek chemiczny, przyśpieszający bądź ułatwiający reakcję. Przy dopalaniu spalin funkcję tę pełnią metale szlachetne (platyna, pallad lub rod). Nośnikiem dla nich są gęsto upchane, cienkie, stalowe blaszki (0,4 mm) pokryte aluminium. Dzięki obecności metali szlachetnych szkodliwe substancje, powstałe z niepełnego spalania benzyny, mogą być zamienione na dwutlenek węgla, azot oraz parę wodną.

By spaliny oczyszczać jak najsprawniej, trzeba spełnić kilka warunków. Przede wszystkim do zajścia reakcji katalizator musi być rozgrzany przynajmniej do 300°C, a optymalny zakres temperatur to 700-800°C. Nie bez znaczenia jest także skład spalin, wychodzących z komory spalania. Proporcje ich składu też muszą trzymać się w ryzach. Ani nadmiar niewykorzystanego tlenu, ani niedopalonego paliwa nie jest korzystny.

Tego pilnuje sonda lambda, która znajduje się w kolektorze wydechowym. Sygnał o tym, jaki jest skład spalin, przesyła do komputera sterującego zapłonem i wtryskiem paliwa. Na podstawie tej i innych informacji, jak np. temperatura powietrza zewnętrznego, wyliczane są dawki paliwa, jakie powinny być podane przez wtrysk, by zachować idealny stosunek powietrza do paliwa (14,7:1 kg). Dzięki temu nie tylko spaliny będą łatwiejsze do oczyszczenia, ale i silnik będzie mógł spalać mieszankę ze swoją maksymalną wydajnością.

Coś za coś

Niestety, każde takie rozwiązanie to dodatkowy koszt i masa, którą trudno zredukować. Jeden katalizator bardzo często okazuje się niewystarczający i trzeba go zdublować. W najnowszym modelu Yamahy R1 na każde dwa cylindry przypada układ dwóch katalizatorów. Razem jest więc ich aż cztery. Zakup takiego nowego zestawu to koszt ok. 8 tys. zł. Na szczęście katalizatory nie są rzeczami awaryjnymi. Co prawda norma Euro 5 określa minimalną trwałość tego elementu na poziomie 20 tys. km, ale w rzeczywistości spokojnie wytrzymują 60-80 tys. km.

Mniej przyjemna cecha katalizatorów wynika z ich budowy. Składają się z gęsto ułożonych blaszek, a to ogranicza przepływ spalin, czyli obniża osiągi silnika czasem nawet o kilkanaście koni.

Dla bardziej precyzyjnej kontroli składu spalin rozbudowywane są też układy sond lambda. A choć rzadko kiedy się zużywają, to jednak takie rozwiązanie podnosi koszty produkcji.

Przyjemne z pożytecznym

Norma Euro 5 największe trudności sprawiła inżynierom jeśli chodzi o limity emisji węglowodorów. Dotyczy to zwłaszcza mocnych, wysokoobrotowych silników. Czas otwarcia zaworów ssących jest w nich dosyć długi, a zawory wydechowe otwierają się stosunkowo wcześnie. Sprzyja to oczywiście poprawie osiągów, ale bardzo dużo mieszanki pozostaje niespalone, zwłaszcza na niskich obrotach. To podnosi zawartość węglowodorów w spalinach.

Rozwiązania są dwa: opóźnienie i skrócenie otwarcia zaworów, a w efekcie redukcja osiągów albo zastosowanie zmiennych faz rozrządu.

To drugie wykorzystują już tacy producenci, jak Suzuki, Ducati czy BMW. Co prawda nieco komplikuje się konstrukcja rozrządu, podnoszą koszty i potrzeba więcej miejsca, ale korzyści w przebiegu krzywej mocy i momentu obrotowego są nieocenione. Zmienne fazy rozrządu zdołały przedłużyć życie wielu modeli.

Innym, nieco tańszym rozwiązaniem, jest po prostu zwiększenie pojemności silnika, co można dość łatwo zrobić w motocyklach turystycznych. Przykładem mogą być Suzuki V-Strom czy Honda Africa Twin, których silniki zwiększyły się o kilkadziesiąt centymetrów sześciennych, co pozwoliło skrócić czas otwarcia zaworów bez utraty osiągów.

Co dalej?

Według zapewnień Komisji Europejskiej, motocykle spełniające normę Euro 5 są obecnie najczystszymi pojazdami spalinowymi w Europie. A warto pamiętać, że samochody obowiązuje już druga wersja normy Euro 6. To postępowanie o krok za branżą samochodową pozwala korzystać z dopracowanych tam rozwiązań. Układ zmiennych faz rozrządu staje się coraz powszechniejszy właśnie dzięki dokonanej tam miniaturyzacji. Podobnie może być np. z turbosprężarkami, które w przeszłości okazywały się za duże i mało efektywne dla silników motocyklowych. Mamy tylko nadzieję, że w jednośladach nie pojawią się układy recyrkulacji spalin – komplikujące ich obieg, przysparzające kłopotów użytkownikom i masy pojazdom.

Na razie producenci jednośladów starają się korzystać z jak najmniej skomplikowanych rozwiązań. Wbrew obiegowej opinii normy emisji spalin to nie „szykany wobec motocykli”, choć trudno je pokochać.

Limity emisji spali w mg/km