dla środowiska naturalnego

Rozwój motoryzacji to wielki problem ekologiczny, widoczny głównie w miastach.

Podstawowym źródłem napędu pojazdów samochodowych są paliwa ropopochodne. Do ich produkcji zużywa się w kraju rocznie ok. 15-16 mln ton ropy naftowej, z czego ok. 45 proc. stanowi ropa uralska, charakteryzująca się dużą zawartością siarki, a ok. 26-27 proc. ropa z Morza Północnego i arabska o mniejszej zawartości siarki. Wzrost zużywanego paliwa, a co za tym idzie zwiększona emisja szkodliwych składników spalin wywołuje niekorzystne skutki w środowisku naturalnym. Według danych z krajów OECD, z paliw samochodowych pochodzi: 75 proc. CO, 40 proc. NOx, 3 proc. SO2, 17 proc. CO2 i 13 proc. pyłów. Ze względu na swój skład grupowy benzyny silnikowe należą do najbardziej niebezpiecznych dla środowiska. Większość toksycznych składników benzyn to jednopierścieniowe węglowodory aromatyczne C6-C10, w tym benzen, jak również niektóre alkeny i dodatki uszlachetniające. Od wielu lat w Polsce wprowadza się na rynek paliwa o mniejszej szkodliwości. Stosowane są benzyny reformułowane, komponenty tlenowe, jak: etanol, metanol, TBA (alkohol tert-butylowy), MTBE (eter metylowo-tert-butylowy), ETBE (eter etylowo-tert-butylowy) i inne. Stosowanie komponentów tlenowych umożliwia całkowitą eliminację lub zmniejszenie udziału takich toksycznych wysokooktanowych składników, jak węglowodory aromatyczne i stężenie CO
w spalinach.

Kierunki rozwoju samochodowych silników benzynowych
O kierunkach rozwoju samochodowych silników spalinowych i paliw samochodowych decydują stale rosnące wymagania ekologiczne. Wymagania te są określone w międzynarodowych regulacjach prawnych, ograniczających wielkość emisji toksycznych składników spalin. Propozycja EURO V wprowadza dalsze ograniczenia emisji szkodliwych składników spalin z samochodów. W odniesieniu do samochodów z zapłonem iskrowym docelowo proponuje się:
- dalszą redukcję emisji NOx i HC;
- wprowadzenie normy ilości cząstek stałych;
- wydłużenie okresu eksploatacji samochodu z 80 000 km do 160 000 km, w czasie którego jego producent ma zapewnić takie funkcjonowanie wszystkich układów, aby spełnione były normy emisji;
- zniesienie braku ograniczenia dla ciężkich samochodów osobowych o całkowitej masie >2500 kg, które umożliwiało stosowanie mniej ostrych limitów emisji. Oznacza to zakończenie wybiegu legislacyjnego, który dla tych samochodów był korzystny. Według propozycji EURO V samochody te muszą spełniać wymagania emisji takie, jak samochody osobowe.
Zapoczątkowano już działania zmierzające do obniżenia emisji CO2. W tym celu przemysł samochodowy realizuje proekologiczny program rozwoju silników spalinowych ze szczególnym uwzględnieniem doskonalenia układów katalitycznego oczyszczania spalin, łącznie z katalitycznymi filtrami spalin o ciągłej regeneracji. Wprowadza się szerokie rozpowszechnienie nowej odmiany katalizatorów typu DeNOx do eliminacji tlenków azotu. Aby ograniczyć w silnikach benzynowych poziom emisji zanieczyszczeń do wymagań EURO V oraz zmniejszyć zużycie paliwa, a tym samym uzyskać mniejszą emisję CO2 w strategii rozwoju tych silników zakłada się:
- doskonalenie systemu wielopunktowym wtryskiem paliwa;
- bezpośredni wtrysk benzyny.

Przyczyny emisji związków szkodliwych w spalinach
Za podstawowe substancje zanieczyszczające atmosferę emitowane przez pojazdy samochodowe napędzane silnikami benzynowymi uważa się:
- tlenki węgla;
- węglowodory;
- tlenki azotu.
Istotnym składnikiem emisji silnikowej jest również dwutlenek węgla. 16 lutego 2005 r. wszedł w życie tzw. Protokół z Kioto, zobowiązujący państwa-sygnatariusze do ograniczenia emisji ?gazów cieplarnianych?. Dokument podpisany w Kioto na konferencji ONZ 16 lutego 1997 r. ma doprowadzić w okresie 2008--2012 do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych o 5 proc. w stosunku do stanu z 1990 r. Głównym składnikiem gazów cieplarnianych jest dwutlenek węgla (CO2), którego większość pochodzi ze spalanych paliw. W ślad za ustaleniami protokółu z Kioto ACEA (Association des Constructeurs Europeens Automobiles) przyjęła limit silnikowej emisji CO2 na poziomie 140 g/km, który ma obowiązywać od roku 2008, a po roku 2012 zostanie obniżony. Innymi substancjami występującymi w spalinach w niewielkich stężeniach, których udział w zanieczyszczeniu atmosfery jest minimalny, są np. aldehydy, związki siarki oraz fosforu. Skład paliwa, a przede wszystkim jego właściwości fizykochemiczne mają obok cech konstrukcyjnych silnika oraz jego stanu technicznego decydujący wpływ na jakościowy i ilościowy charakter emisji związków toksycznych w spalinach. Właściwości paliwa mogą wpływać na emisję w następujący sposób:
- poprzez wpływ na przebieg procesu wtrysku i formowania mieszanki palnej;
- poprzez wpływ na formowanie substancji toksycznych w procesie roboczym silnika;
- poprzez wpływ na skuteczność układów oczyszczania spalin.
Źródłami substancji zanieczyszczających wydalanych do atmosfery są:
- układ wylotowy spalin;
- skrzynia korbowa silnika;
- układ zasilania silnika w paliwo.

Parametry benzyn silnikowych o kluczowym znaczeniu dla pojazdu i jego emisji spalin
Wśród parametrów benzyn o implikacjach ekologicznych można wyodrębnić grupę, która nie budzi kontrowersji, gdy mowa o ich wpływie na emisję obecnych i przyszłych silników. Jest to:

- zawartość siarki
Zastosowanie trójzadaniowych katalizatorów w pojazdach benzynowych,
które efektywnie oczyszczą spaliny, wymagało ograniczenia w znacznym stopniu poziomu siarki w paliwie. Osiąganie dalszych celów emisji w obszarze zmniejszenia zużycia paliwa i emisji CO2 z pojazdów benzynowych wiąże się nierozerwalnie z rozwojem nowych technologii samochodowych. Niektóre z nich dla odpowiedniej pracy wymagają niskich poziomów siarki w paliwie. Przykładem niech będzie rozwój silników benzynowych na ubogą mieszankę, które mogą zmniejszyć zużycie paliwa i zredukować emisję CO2, lecz wymagają czułych na siarkę katalizatorów magazynowania NOx zapewniających również spełnienie standardów emisji NOx. Przemysł samochodowy potwierdził, że redukcja zawartości siarki w paliwie jest jego najwyższym priorytetem uwieńczonym w Światowej Karcie Paliw - wydanie 2002 zapisem ?Poziomy siarki w obu paliwach: benzynie i oleju napędowym muszą być dostosowane do przyszłych technologii pojazdów silnikowych w celu spełnienia nowych wymagań?. Coraz ostrzejsze standardy emisji, bezpośredni wpływ siarki na regulowaną redukcję emisji i potrzeby nowych technologii oczyszczania spalin powodują, że legislacja europejska zmierza w kierunku obniżenia poziomu siarki w paliwach poniżej 50 mg/kg, co znalazło wyraz w Dyrektywie 2003/17/EC i prawdopodobnie znajdzie wyraz w EURO V.

- zawartość aromatów
Węglowodory aromatyczne są pożądanymi składnikami paliwa o dużej gęstości energetycznej, korzystnie wpływającymi na liczbę oktanową. Nośnikami węglowodorów aromatycznych w benzynie silnikowej są przede wszystkim reformat, benzyna krakingowa oraz frakcje aromatyczne C7+. Ciężkie węglowodory aromatyczne C9+ sprzyjają wzrostowi masy osadów tworzących się w komorze spalania i masy benzenu w spalinach. Osady w komorze spalania podwyższają temperaturę mieszanki, co podwyższa zapotrzebowanie oktanowe silnika i stwarza zagrożenie spalania detonacyjnego. Zawartość węglowodorów aromatycznych w benzynie bezpośrednio wpływa na emisję benzenu, HC, NOx i CO2 z układu wydechowego samochodu. Doświadczalnie stwierdzono, że ograniczanie zawartości węglowodorów aromatycznych w benzynie korzystnie wpływa na eksploatację silnika, obniżenie emisji kancerogennego benzenu w gazach wylotowych, obniżenie emisji CO2, zachowanie czystości komory spalania (co również wiąże się z ograniczeniem emisji szkodliwych składników gazów spalinowych). Zawartość węglowodorów aromatycznych w benzynie, jak wykazał program europejski (EPEFE), jest wprost proporcjonalna do emisji CO2. Redukcja ich zawartości z 50 do 20 proc. spowodowała redukcję emisji CO2 o 5 proc. Zmiana standardów emisji z EURO III na EURO IV wymusiła więc obniżenie zawartości aromatów w benzynie silnikowej na razie z 42 proc.(V/V) do 35 proc.(V/V). Do stosowanych obecnie wysokooktanowych komponentów benzyny, pozbawionych niepożądanych węglowodorów typu aromatycznego, należą alkilat, etery, izomeryzat. Ich sumaryczny udział w formule benzyny wynosi tylko około 30 proc.

- zawartość olefin
Olefiny są węglowodorami nienasyconymi, charakteryzującymi się dobrymi właściwościami oktanowymi. Jednakże ze względu na obecność wiązań podwójnych -C=C- są chemicznie niestabilne ze skłonnością do tworzenia żywic i osadów w układzie dolotowym silnika, szczególnie na zaworach ssących. Osady na zaworach dolotowych prowadzą do wzrostu emisji toksycznych substancji. Postęp w dziedzinie dodatków detergentowych do benzyn pozwolił uporać się z problemem osadów w układzie dolotowym. Niestety, substancje osadotwórcze, które zostały usunięte z zaworów dolotowych, przedostają się do komory spalania silnika i tam tworzą nagary na głowicy cylindra, denku tłoka i pierścieniach. Olefiny, szczególnie lekkie, odparowując do atmosfery są przyczyną powstawania ozonu, a spalając się tworzą toksyczne dieny. Wpływ olefin na potencjał tworzenia ozonu (PTO) przebadano w programie amerykańskim (AQIRP). Stwierdzono, że w około 70 proc. lekkie olefiny są odpowiedzialne za PTO. Redukcja zawartości olefin w benzynie z 20 proc.(V/V) do 5 proc. (V/V) spowodowała obniżenie PTO o 13-25 proc. Zawartość olefin ograniczono w Europie do poziomu 18 proc.(V/V). Światowa Karta Paliw, która wymaganiami dla paliw w kategorii 3 i 4 odpowiada rynkom z zaostrzonymi standardami norm emisji w Europie - EURO III i EURO IV - wprowadza maksimum 10 proc. (V/V) zawartości olefin.

- zawartość benzenu
Benzen jest naturalnie występującym składnikiem ropy naftowej. Pojawia się on także w procesie reformowania katalitycznego, z którego pochodzi jeden z głównych komponentów benzyn silnikowych ? reformat. Zawartość benzenu w benzynie silnikowej (około 75 proc. jego całkowitej ilości) i jego emisja zależy bezpośrednio od jego zawartości w reformacie. Dlatego też w tym wysokooktanowym komponencie, jakim jest reformat - minimalizuje się zawartość benzenu, np. podwyższając temperaturę wsadu na instalację reformingu.

- lotność
Lotność łączy ze sobą dwa parametry istotne dla stabilnej pracy silnika samochodowego: prężność par i skład frakcyjny. Aby zapewnić właściwy rozruch silnika samochodowego i płynną jazdę w lokalnych warunkach klimatycznych, prężność par benzyny jak i procent oddestylowania do temperatury 70oC są sterowane sezonowo. Z perspektywy ekologicznej kontrola prężności par jest konieczna ze względu na problem redukcji emisji na skutek parowania węglowodorów będących prekursorami ozonu. Obowiązujące obecnie limity dla prężności par mogą być poddawane rewizji w aspekcie rozważania możliwości stosowania bioetanolu w benzynie silnikowej w ilości powyżej 5 proc.(V/V).

- oktanowość
Usunięcie w 2004 roku z najnowszej wersji specyfikacji EN 228 gatunków o innych wymaganiach oktanowych niż 95 może świadczyć o przekonaniu, że w dziedzinie wymagań oktanowych oczekiwana jest stabilizacja. Tymczasem, dostępne od 1997 roku na rynku europejskim samochody produkowane zarówno przez europejskie, jak i japońskie oraz amerykańskie koncerny, wyposażone w układ automatycznego dostosowywania kąta wyprzedzenia zapłonu do warunków jazdy, pozwalają nie tylko uniknąć niebezpieczeństwa spalania detonacyjnego paliwa, lecz jednocześnie realizują funkcję minimalizacji zużycia paliwa, co przekłada się na redukcję emisji. Przeprowadzone dla tej grupy samochodów badania na hamowni podwoziowej wykazały, że efektywność ich pracy przy danym LOB paliwa można zwiększyć, obniżając jego LOM. Podobne wymagania oktanowe mają silniki ZI z bezpośrednim wtryskiem paliwa do komory spalania. Temperatura mieszanki w tych silnikach jest niższa niż w tradycyjnych konstrukcjach, w wyniku odparowania paliwa, a to wymaga wyższej LOB. Dlatego pożądaną cechą benzyn dla najnowszych i przyszłych konstrukcji jest podwyższenie ich LOB przy jednoczesnym obniżeniu LOM, co powinno doprowadzić w przyszłości do zmian w specyfikacji dotyczących liczb oktanowych. Najtańszym sposobem podwyższenia LOB benzyny jest zwiększenie udziału węglowodorów aromatycznych, podobny efekt osiąga się dodając pewne etery lub alkohole. Zwiększenie różnicy między LOB i LOM paliwa, czyli zwiększenie czułości, osiąga się poprzez zwiększenie udziału olefin. Stoi to w sprzeczności ze specyfikacją EN 228, ograniczającą udział węglowodorów aromatycznych do 35 proc., olefin do 18 proc., a udział eterów i alkoholi również jest przez tę specyfikację ograniczony. Na podstawie zmieniającego się zapotrzebowania oktanowego nowoczesnych i przyszłych silników rewizja wymagań oktanowych wydaje się nieunikniona, a w pierwszym rzędzie powinno to dotyczyć minimalnego LOM na poziomie niższym niż 85. Również obecne ograniczenia zawartości węglowodorów aromatycznych i olefin stracą swe ekologiczne uzasadnienie, a podwyższenie dopuszczalnej ich zawartości będzie miało kluczowe znaczenie dla zapewnienia wymagań oktanowych przyszłych, energooszczędnych silników. Jednak takie zmiany będą wymagały powtórnego wspólnego wysiłku przemysłu samochodowego i rafineryjnego, podobnego jak podczas programu Auto/Oil, by w sposób doświadczalny potwierdzić słuszność przewidywanych kierunków zmian parametrów jakościowych benzyn silnikowych prowadzących do dalszego obniżenia jednostkowego zużycia paliwa i obniżenia emisji toksycznych substancji spalin.
Realizacja wszystkich dotychczasowych zamierzeń dotyczących obniżenia emisji wymagała ogromnych zmian zarówno w zakresie konstrukcji silników, jak i jakości stosowanych paliw silnikowych. Realizacja przyszłościowych, jeszcze bardziej rygorystycznych ograniczeń, uzależniona będzie przede wszystkim od konstruktorów silników. W zakresie paliw konwencjonalnych pozostaje już niewielki margines dla wprowadzenia istotnych zmian ich jakości. Konieczne będzie zwiększanie udziału w rynku paliw alternatywnych, które w wyniku procesu spalania tworzą mniej substancji toksycznych.

Janusz Jakóbiec
Grzegorz Wysopal