Wymagania Euro 4
Konstruktorzy silników i producenci olejów silnikowych stają przed wyzwaniem kolejnych zaostrzeń emisji substancji szkodliwych znanych jako normy Euro. Normy te regulują miedzy innymi emisję:
NOx – tlenków azotu
Co – tlenku węgla
HC – węglowodorów
PM – cząstek stałych

Emisja ta jest ograniczana przy okazji kolejnego wydania nawet 2 czy 3 krotnie, co przy ostatnim wydaniu czyli Euro 4 stawia naprawdę trudne wyzwanie zarówno producentom silników jak i oleju. Norma Euro 4 została ogłoszona w październiku 2004 i zaczęła obowiązywać od października 2005 roku. Od tej daty wszystkie nowo wprowadzane pojazdy przeznaczone do ruchu po drogach publicznych muszą spełniać te restrykcyjne wymagania. Limity emisji spalin dla dużych silników wysokoprężnych ustalane kolejnymi normami Euro wraz z datami ich wejścia w życie (na podstawie: www.dieselnet.com) podane są w  poniższej tabeli.

Problemem dla konstruktorów stało się jednoczesne ograniczenie emisji tlenków azotu (NOx) i cząstek stałych (PM) – czyli przede wszystkim zadymienia.
Cząstki stałe (PM)
Pierwszym problemem, jaki postawił przed konstruktorami układów napędowych normy Euro 4, jest drastyczne ograniczenie limitów emisji cząstek stałych w spalinach – w porównaniu z Euro 3 aż 5-ciokrotne. Większość producentów pojazdów stosuje podobne, dosyć proste rozwiązanie, jakim jest wychwytywanie i wiązanie ich w układzie wydechowym. Zadanie to spełniają różnego rodzaju filtry cząstek stałych (DPF, CRT) lub kompletne katalizatory z wbudowanymi filtrami (np. opatentowany przez MAN PM-KAT). Niektórzy producenci zdecydowali się dodatkowo na optymalizację procesu spalania poprzez zwiększenie ciśnienia wtrysku (np. układ Scania HPI). Z tego schematu wyłamali się jedynie konstruktorzy holenderskiego DAF-a, którym przyświecała zasada unikania rozwiązań dławiących wydech, wówczas filtry nie wchodzą w rachubę. DAF postanowił więc skupić się na bardziej precyzyjnej regulacji wtrysku paliwa, co uzyskano dzięki użyciu dwustopniowej turbosprężarki oraz układu wtrysku wysokociśnieniowego, który daje możliwość bardzo elastycznego regulowania dawki wtryskiwanego paliwa.
Tlenki azotu (NOx)
Emisja tlenków azotu przysporzyła konstruktorom znacznie więcej problemów. Związane jest to niestety z tym, że sprawnie działający silnik ZS pracujący przy dużym nadmiarze powietrza przy częściowych obciążeniach emituje znaczne ilości tlenków azotu. Związane jest to oczywiście ze zwiększoną temperaturą spalania w takich warunkach, która jest czynnikiem decydującym o powstawaniu podczas spalania takich właśnie związków. Zdecydowana większość producentów (Cummins, DAF, IVECO, Mercedes-Benz, Volvo) postawiła ostatecznie na wtórną obróbkę gazów wydechowych bez ingerencji w sam silnik czyli na układ selektywnej redukcji katalitycznej (SCR) lub – w przypadku DAF-a – na własnego pomysłu układ DeNOx o podobnym sposobie działania.
Istnieją jeszcze inne sposoby ograniczenia emisji tlenków azotu. MAN-owi oraz Scanii udało się ograniczyć emisję NOx bez konieczności stosowania układu SCR. Osiągnięto to poprzez zwiększenie ciśnienia wtrysku (Scania – układ HPI, MAN – wtrysk common-rail) oraz zastosowanie układu recyrkulacji spalin (EGR, AGR). Rozwiązania te zmieniają w zasadniczy sposób warunki spalania w silniku. Układ wtórnej recyrkulacji gazów wydechowych (EGR, AGR) doprowadza poprzez wprowadzenie części spalin do zasysanego przez silnik powietrza do stabilizowanego zmniejszenia temperatury spalania, a tym samym do znacznego zmniejszenia emisji tlenków azotu.
Zastosowanie jednak układu EGR (AGR) prowadzi do pewnego zwiększenia dymienia przez silnik. Niesie to za sobą co najmniej dwa podstawowe skutki; konieczność stosowania filtrów cząstek stałych (DPF, CRT) a także poprzez zwiększoną emisję sadzy dużo trudniejsze warunki smarowania, co bezpośrednio rzutuje na jakość stosowanego oleju silnikowego i maksymalne okresy międzywymianowe.
Dwa podstawowe rozwiązania
Wyżej wspomniane dwa sposoby ograniczania emisji szkodliwych substancji w spalinach – w samym silniku poprzez udoskonalanie procesu spalania oraz poza silnikiem, poprzez wtórne oczyszczanie spalin w układzie wydechowym stają się obecnie równolegle konieczne do zastosowania w jednym pojeździe. O ile pierwsze z nich okazywało się wystarczające jeszcze przy normach Euro 3, o tyle w przypadku norm Euro 4 i nowszych, możliwości zwiększenia sprawności i czystości spalania wyczerpują się. Konstruktorzy osiągnęli w pewien sposób granicę doskonałości konstrukcyjnej silników i dlatego coraz uważniej zaczęli przyglądać się tej drugiej opcji.
Ograniczenie emisji zmusiło konstruktorów silników do stosowania coraz bardziej zaawansowanych konstrukcji silnika i układów pomocniczych takich jak; zawory recyrkulacji spalin EGR (AGR), poprawy procesu spalania poprzez przekonstruowanie układów wtryskowych czy konstrukcji głowic czy tłoków i zamkniętej pętli odpowietrzania skrzyni korbowej CCV. Stosuje się także proces opóźnienia wtrysku. Niestety w ostatnich czasach koniecznością stały się układy wtórnej obróbki gazów wydechowych czyli przede wszystkim filtry cząstek stałych DPF (CRT) czy nawet układy SCR czyli selektywnej redukcji katalitycznej przy pomocy roztworu mocznika znanego jako AdBlue.
Takie zmiany konstrukcyjne w znacznym stopniu utrudniają pracę oleju silnikowego. Koniecznym zatem się stało opracowanie nowych olejów silnikowych, które przeznaczone mają być do smarowania kolejnych ewolucji silników spalinowych.
Biorąc zatem pod uwagę z jednej strony chęć wydłużania okresów międzywymianowych a z drugiej coraz trudniejsze warunki pracy oleju silnikowego koniecznym stało się stosowanie bardzo zaawansowanych olejów silnikowych z reguły syntetycznych lub częściowo syntetycznych nazywanych potocznie półsyntetykami.
Euro 4 u poszczególnych producentów pojazdów
Producenci pojazdów „heavy duty” dość wcześnie przewidzieli komplikacje wynikające ze spełnienia najnowszej normy Euro 4 a dostrzegając kres możliwości technologicznych i czystościowych samych silników spalinowych postawili na modernizację układów katalitycznych. Większość konstrukcji (Mercedes-Benz Actros, Iveco Stralis czy Volvo FH12) opiera się na SCR (Selektywna Redukcja Katalityczna), przy wykorzystaniu wodnego roztworu mocznika i substancji pomocniczych nazywanego AdBlue. Nieco wcześniej, ciekawą konstrukcję filtra CRT (Continuously Regenerating Trap) na licencji firmy Johnson Matthey zastosowali inżynierowie szwedzkiego koncernu w Volvo FL z silnikiem D6B, jak również w autobusach serii 7000. Oryginalny filtr z nawiązką spełnia normę Euro 3 i praktycznie zastępuje tradycyjny tłumik.
Scania wolała jednak postawić na nową jednostkę i już w październiku 2004 roku przygotowała 12-litrowy silnik HPI (High Pressure Injection) wykorzystujący technikę wysokiego wtrysku paliwa pod ciśnieniem 1800 barów (maksymalnie nawet do 2400 barów) i zawór EGR. Zastosowano tu patent Cumminsa polegający na powtórnym wykorzystaniu energii kinetycznej gazów spalinowych i podłączeniu dodatkowej turbosprężarki „turbocompound”.
MAN poszedł w podobnym kierunku i opracował od podstaw jednostkę D20 common rail, z zewnętrznie chłodzonym odprowadzaniem spalin AGR (powszechnie znany pod nazwą EGR – Abgasruckfuhrung – Recyrkulacja Gazów Wylotowych). Nowa jednostka po zastosowaniu dodatkowego filtra DPF (Filtr Cząstek Stałych) natychmiast spełnia wymagania Euro 4, przyszłościowo nawet Euro 5.
Podstawą do stworzenia rodziny silników Euro 4 niemieckiego potentata jest wprowadzony w ubiegłym roku, bardzo nowoczesny silnik D20, opatentowany układ filtrujący PM-KAT i specjalny niskopopiołowy olej silnikowy opracowany wspólnie przez Castrol i MAN – Castrol Enduron Euro 4 Low SAPS przewyższający wymagania normy MAN M3477. Wyposażona w układ wtrysku common-rail jednostka już w momencie debiutu posiadała odmianę spełniającą wymogi najnowszej normy. MAN łącząc technologię common-rail, która przyczynia się do bardziej precyzyjnego spalania – z układem recyrkulacji schłodzonych gazów spalinowych (AGR) zmniejszył emisję NOx poniżej limitu określonego normami Euro 4 w samym silniku, bez konieczności dodatkowego oczyszczania spalin w układzie wydechowym. Tym samym, pojazdy z silnikami MAN D20 Euro 4 nie muszą być dodatkowo wyposażane w zbiorniki z AdBlue i nie są uzależnione od infrastruktury umożliwiającej jego tankowanie, której budowa dopiero się rozpoczyna. Nad emisją cząstek stałych (PM) czuwa specjalny katalizator MAN PM-KAT. Jego częścią jest opracowany przez inżynierów MAN filtr cząstek stałych, który nie wymaga stosowania żadnych dodatkowych substancji, nie zapycha się i jest praktycznie bezobsługowy. Jest to prosta, niezawodna konstrukcja, nie korzystająca ze skomplikowanych układów elektronicznych. Całość zabudowana jest w nieco innym niż tradycyjny, stalowym tłumiku.
Zupełnie inaczej postąpili konstruktorzy DAF-a przygotowując silnik 12.9 MX Paccar, w którym zastosowano precyzyjną regulację wtrysku paliwa, dwustopniową turbosprężarkę, inteligentny układ wtrysku wysokociśnieniowego firmy Cummins i katalizator typu DeNOx (do eliminowania szkodliwych tlenków azotu). Seryjna jednostka będzie gotowa jesienią 2005 i od razu z podwójną normą Euro4 i Euro 5.
Wato wspomnieć, że ciekawą koncepcję przyjęła natomiast firma IVECO Motors, która zapobiegawczo postanowiła zastosować zarówno układ SCR, jak i recyrkulację spalin (EGR) oraz – w pojazdach o masie całkowitej większej niż 5 ton – filtr cząstek stałych CRT.
Uwarunkowania praktyczne – nowe oleje silnikowe dla silników Euro 4
Nowe konstrukcje silników wyposażone w układy pomocnicze np. EGR i układy wtórnej obróbki gazów wydechowych wymagają oczywiście nowych olejów silnikowych. Jakość oleju jest uzależniona od warunków pracy oleju w silniku, a teraz także od zastosowanego układu obróbki spalin. Dwa główne sposoby obróbki spalin – SCR i filtry DPF spowodowały konieczność opracowania całkowicie różnych 2 grup olejów silnikowych. Stowarzyszenie producentów pojazdów europejskich ACEA ogłosiło zatem nowe wymagania olejowe opisane normami ACEA E6 – 04 i ACEA E7 – 04.
Dlaczego wymagane są 2 różne oleje? Odpowiedzią na to pytanie jest nie tylko trwałość i skuteczność pracy samej jednostki napędowej, ale przede wszystkim układów obróbki spalin. Silniki wyposażone w filtry cząstek stałych wymagają zastosowania olejów niskopopiołowych – Low SAPS. Low SAPS to oleje o niskiej zawartości SA – Sulphated Ash – popiołów siarczanowych, P – fosforu, S – siarki. Dzieje się tak, ponieważ materiały, z których zbudowane są filtry są bardzo czułe na zawartość tych właśnie pierwiastków. Kontakt substancji zawierających takie właśnie pierwiastki prowadzi do nieodwracalnego „zapchania” porowatej struktury filtra. Popioły siarczanowe, fosfor i siarka tworzą stały osad, którego nie udaje się usunąć z powierzchni filtra i jedyną drogą jest jego wymiana. Tradycyjne oleje silnikowe stosowane do tej pory skomponowane są z udziałem dodatków olejowych zawierających bardzo duże ilości tych pierwiastków. Zatem do smarowania silników wyposażonych w filtry DPF konieczne jest stosowanie niekonwencjonalnych olejów niskopopiołowych Low SAPS.
ACEA E6-04 – oleje niskopopiołowe Low SAPS – przeznaczone specjalnie do silników Euro 4 wyposażonych w filtry DPF o doskonałych własnościach myjąco – dyspergującyh mających wpływ na czystość tłoka, rozpraszanie sadzy i utrzymywanie żądanej lepkości w dużym przedziale temperatur. Oleje klasy E6 spełniają wszystkie wymagania eksploatacyjne poprzedniej klasy E4, ale postawiono dodatkowe dotyczące większej trwałości silnika – zużycie łożysk ślizgowych i specjalnego składu chemicznego. Norma ta zakłada ograniczenie składu chemicznego oleju do poziomów do tej pory niespotykanych w konwencjonalnych olejach. Popioły siarczanowe max. 1,0%, Fosfor max. 0,08%, Siarka max. 0,3%. Zalecane są do wysoko obciążonych silników Euro 4 z filtrami DPF jak i do starszych Euro 1, 2 i 3 z wydłużonym okresem pomiędzy wymianami (zgodnie z zaleceniami producenta silnika), pracujących w bardzo trudnych warunkach. Szczególnie polecane do silników wysokoprężnych z zaworem EGR i filtrami DPF.
E7-04 – oleje do silników Euro 4 wyposażonych w układy katalityczne SCR. W związku z czym nie stawia się im ograniczeń dotyczących składu chemicznego. Są modyfikacją olejów klasy ACEA E5, zatem ich zadaniem jest utrzymywanie stałej lepkości nawet przy dużej zawartości sadzy w oleju i ochrona przed zużyciem w takich warunkach. Mają one wysokie własności czyszczące (tłoki, pierścienie czy łożyska ślizgowe turbosprężarek), rozpraszające sadze, jak również zapewniają ochronę przed tzw. polerowaniem gładzi cylindrowej. Dodatkowe wymagania w porównaniu z ACEA E5 dotyczą przede wszystkim polepszonych własności przeciw zużyciowych, odporności oksydacyjnej i korozyjnej. Zalecane są do silników Diesla Euro 4 oraz Euro 1, 2 i 3 z wydłużonymi okresami pomiędzy wymianami i pracującymi w bardzo ciężkich warunkach.
Wymagania producentów pojazdów (OEM)
Producenci pojazdów stawiają z reguły bardziej rygorystyczne wymagania niż cała grupa ACEA. Jeżeli chodzi o silniki Euro 4 to postąpiły tak do tej pory dwie firmy Daimler Chrysler i MAN. Opracowały one dodatkowe wymagania dla olejów niskopopiołowych mających smarować silniki wyposażone w filtry cząstek stałych. Daimler Chrysler zaleca także stosowanie takich olejów w innych silnikach. O ile Daimler Chrysler zdecydował się montować filtry cząstek stałych tylko w mniejszych pojazdach do 6t dmc to MAN stosuje układy PM-KAT we wszystkich silnikach Euro 4. Warto się tutaj dokładniej przyjrzeć wymaganiom MAN.
MAN i Castrol – współpraca technologiczna z przyszłością
Dla nowych silników Euro 4 MAN przewiduje stosowanie oleju silnikowego spełniającego wymagania opisane jako MAN M3477. MAN M3477 jest nową specyfikacją, którą ogłoszono w celu wprowadzenia wydłużonych okresów międzywymianowych dla swoich nowych silników Euro 4. Nowe pojazdy są wyposażone układy recyrkulacji gazów spalinowych (EGR) i filtry cząstek stałych (DPF – CRT(TM) jest specjalną zastrzeżoną nazwą handlową dla filtrów cząstek stałych). Nowe oleje muszą być niskopopiołowymi, aby przedłużyć trwałość i skuteczność tych filtrów. Nowe oleje Low SAPS, które zostały zaaprobowane zgodnie z normą MAN M3477, są również dopuszczone zgodnie z MAN M3277 CRT ale już nie z MAN M3277. Wymagania tej specyfikacji opierają się głównie na zapewnieniu trwałości i czystości samego silnika ale tym razem także samego filtra DPF na zakładanym minimalnym poziomie przy wydłużonych okresach międzywymianowych.
Oleje silnikowe Castrol do silników Euro 4
Pracując nad nowymi wymaganiami dla olejów niskopopiołowych MAN musiał poszukać partnera technologicznego specjalizującego się opracowaniu unikalnych olejów silnikowych. Wybór padł na firmę Castrol. Wspólnie opracowano nowy olej silnikowy zgodnie z hasłem Castrola „Clean Performance Technology (TM)” – Castrol Enduron Euro 4 Low SAPS. Ten nowy niskopopiołowy olej został opracowany specjalnie, aby utrzymać silnik i filtry cząstek stałych DPF w maksymalnej czystości zmniejszając tym samym emisję substancji szkodliwych do atmosfery. Podczas testów najnowszych silników MAN Euro 4 wyposażonych w układy EGR i filtry DPF nowy olej wykazał nadzwyczajną czystość tłoków i lepszą ochronę niż inne oleje Low SAPS dotyczącą wzrostu lepkości powodowaną zwiększaniem zawartości sadzy w oleju. Uzyskane wyniki znacząco przewyższyły wymagania MAN M3477 i to właśnie dlatego MAN wybrał olej Castrol Enduron Euro 4 Low SAPS do pierwszego napełnienia silników w fabryce, a w wielu serwisach autoryzowanych MAN w całej Europie stosuje się go do obsługi posprzedażnej.
Olej Castrol Enduron Euro 4 Low SAPS dzięki swoim unikalnym własnościom spełnił także wymagania innych producentów według norm: ACEA E4/E6, API CF, MB 228.5/228.51, MAN M3277 CRT/ M 3477, RVI RXD.
Przewiduje się, że w przypadku stosowania oleju Castrol Enduron Euro 4 Low SAPS i spełnieniu wszystkich innych wymagań MAN trwałość filtra będzie tak wysoka, iż nie trzeba będzie go wymieniać przez cały okres eksploatacji.
Dla silników Euro 4 wyposażonych w inne układy firma Castrol Proponuje dwa produkty. Olej opracowany w technologii syntetycznej Castrol Enduron Euro 4 spełniający wymagania większości pozostałych producentów ciężarówek: ACEA E4/E5/E7, API CF, MB 228.5, RVI RXD, Volvo VDS 2 (VDS 3 w trakcie testów), DAF.
Spełnienie wymagań silników Euro 4 nie wyposażonych w filtry DPF możliwe jest także przez najlepszej jakości oleje mineralne. Taką propozycją Castrola jest olej Tection Euro 4 w klasie lepkości SAE 15W-40 spełniający wiele wymagań: ACEA E3/E5/E7/B3/B4, API CI-4/CF/SL, MB 228.3, Volvo VDS-3, RVI RLD (RLD 2), Cummins CES 20071, 72, 76, 77,78, Mack EO-M Plus, Caterpillar ECF-1.
Propozycja Castrola powinna zatem zaspokoić potrzeby wszystkich użytkowników pojazdów użytkowych z silnikami Euro 4.
Ograniczenia eksploatacyjne – Jakie paliwo dla silników Euro 4?
Zastosowanie filtrów DPF wymusiło zastosowanie olejów o niskiej zawartości popiołów siarczanowych, fosforu i siarki. Jednak siarka, która nieodwracalnie niszczy filtr DPF obecna jest w pewnej ilości także w paliwie – czyli w tym przypadku w oleju napędowym. Aby zapewnić dostateczną trwałość filtra należy stosować paliwo o zawartości siarki max. 50 ppm. Takie paliwa są dostępne w całej wspólnocie europejskiej od wielu lat. Także w Polsce 50 ppm to od dawna przyjęty standard. Filtry cząstek stałych pracują skuteczniej i dłużej jeżeli spotykają się z możliwie najmniejszą ilością siarki. Najlepiej zatem stosować paliwa niskosiarkowe. Od 01.01.2005 obowiązują w Polsce nowe wymagania dotyczące między innymi zawartości siarki w paliwach i wszystkie oficjalne sieci sprzedaży paliwa sprzedają na terenie całego kraju olej napędowy o zawartości siarki max. 10 ppm. Niebezpieczeństwem jest stosowanie paliwa z niepewnego źródła, bądź oleju opałowego albo paliw zza naszej wschodniej granicy. Takie paliwa mogą osiągać poziom zawartości siarki nawet 0,2% czyli nawet 200 razy więcej. Tak duża zawartość siarki paliwie powoduje zniszczenie filtra DPF już po kilku tysiącach kilometrów przebiegu.
Ograniczenia eksploatacyjne – Dostępność AdBlue
Większość z producentów postanowiła zastosować jednak inne rozwiązanie – zestaw układu SCR, wykorzystującego roztwór AdBlue. Tankując olej napędowy do ciężarówki czy autobusu Euro 4 z katalizatorem SCR będziemy musieli pamiętać także o sprawdzeniu poziomu AdBlue w zbiorniku. Na obecnym etapie nie wiadomo jeszcze jak będzie wyglądała sieć sprzedaży AdBlue w Polsce. Nie wiadomo czy będzie on dostępny w ogóle w którejkolwiek z sieci stacji paliwowych czy może np. u dystrybutorów środków smarnych czy może w innych punktach. Dla kierowcy okazać się to może dużo większym problemem niż zatankowanie paliwa „europejskiej” jakości. Pamiętać też trzeba o tym, że zbiorniki z AdBlue muszą być specjalnie termoizolowane lub podgrzewane przy temperaturach poniżej -12 stopni C.
Wady i zalety – koszty eksploatacji
Przyjrzyjmy się nieco kosztom eksploatacji ciężarówki Euro 4 w wersji filtr DPF czyli MAN i w wersji katalizator SCR – czyli wszystkie ciężarówki AdBlue.
Rozwiązanie MAN gwarantuje następujące zalety stosowania układu filtra DPF:
– mniejszą o 150 kg masę, dzięki czemu ładowność pojazdu nie ulega ograniczeniu – więcej zarobionych pieniędzy na jednym transporcie
– niewielkie rozmiary, nie ograniczające pojemności zbiorników paliwa
– neutralność tego rozwiązania względem zużycia paliwa – a przypomnijmy, że koszt paliwa to niekiedy ponad 75% kosztów całkowitych w firmie
– nie potrzeba żadnych dodatkowych płynów eksploatacyjnych np. AdBlue – czyli nie podnosimy kosztów
– podobne ceny dosługi serwisowej w porównaniu do poprzednich modeli
– mniejszy koszt układu filtra w porównaniu do katalizatora SCR nawet o 10 tys. Euro – co w przypadku np. konieczności wymiany jest dużym plusem

Poza tym, opatentowany przez MAN filtr wyróżnia się bardzo wysoką zdolnością filtracyjną najmniejszych cząstek stałych. MAN i Castrol przyznają wprawdzie, że w kontekście norm Euro 5 i kolejnych nie wyklucza się zastosowania układu SCR lub innych rozwiązań np. SCRT.
Rozwiązanie SCR daje pewne korzyści:
– brak konieczności stosowanie olejów niskopopiołowych
– brak konieczności stosowania paliwa niskosiarkowego
– możliwość zmniejszenia zużycia paliwa w porównaniu do modeli Euro 3
Ale z drugiej strony także niedogodności:
– konieczność stosowania AdBlue co może być kłopotliwe ze względu na dostępność. Należy także pamiętać o cenie, którą szacuje się na ok. 1,6 zł za litr. Tym samym pieniędzy zaoszczędzonych na paliwie może nie wystarczyć na AdBlue i tym samym koszty eksploatacji ciężarówki z systemem AdBlue mogą przewyższyć konkurencyjne rozwiązanie filtra DPF.

Artykuł przygotował:
Piotr Pyrka
Specjalista ds Szkoleń i Doradztwa Technicznego w Castrol Lubricants