Automobilismus. lného provozu ON-ROAD PARTICULATE MATTER EMISSIONS FROM HOMOGENEOUS CHARGE SPARK IGNITION ENGINES. Motivation and goals of work

Transkript

1 Výfukové emise částic ze zážehových z motorů s vnější tvorbou směsi si během b reáln lného provozu ONROAD PARTICULATE MATTER EMISSIONS FROM HOMOGENEOUS CHARGE SPARK IGNITION ENGINES Michal Vojtíšek,, Aleš Dittrich, Martin Mazač, Martin Dufek, Michael Fenkl Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka FS ČVUT Praha, FS TU v Liberci Josef Božek Research Center for Automobiles and Engines Faculty of Mechanical Engineering, Czech Technical University in Prague / Faculty of Mechanical Engineering, Technical University of Liberec Contact: michal.vojtisek@tul.cz, michal.vojtisek@fs.cvut.cz tel. (+) 8 Motivation and goals of work Internal combustion engine emissions are one of the key sources of urban air pollution, with significant negative impact on human health, notably in densely populated areas. Emissions limits are increasingly strict, but there is no corresponding improvement to public health. Probably the most dangerous component of vehicle exhaust are ultrafine particles, which have the ability to deposit in lungs and to penetrate through cell membranes into the organism. Ultrafine particles are not just a diesel engine problem they are also emitted by spark ignition engines and perhaps at levels not insignificant compared to latest diesels. The goal of this study was to investigate the exhaust emissions of particulate matter from common homogeneous charge spark ignition engines during realworld operation. Of particular concern were: a) small engines without electronically controlled fuel metering and without exhaust gas aftertreatment, and b) automobile engines during extreme low, high and transient load operation. Současná situace silniční dopravy Intenzita dopravy i spotřeba paliva rostou Emise ze spalovacích motorů, zejména velmi jemné částice, se stávají jedním z hlavních problémů většiny měst Spalování fosilních paliv vede k emisím skleníkových plynů, jejich narůstající koncentrace spojena s rizikem klimatických změn Zásoby fosilních zdrojů jsou omezené ČR i EU jsou energeticky závislé na jiných zemích Automobilismus Praha, 9 Nárůst intenzity dopravy způsobuje, že téměř polovina emisí pevných částic pochází z mobilních zdrojů v Praze doprava vyprodukuje,8 Gg (mil. tun) částic ročně to je x více,,8 Gg/rok ze stacionárních zdrojů (dle Praha Životní prostředí 9) silniční nákladní doprava, desítky milionů tunokilometrů prodej motorové nafty, miliony tun registrované automobily, miliony registrované nákladní vozy, statisíce podíl dopravy na celkových emisích PM, desítky procent Jan98 Jan99 Jan Jan Jan Jan Jan Jan Jan Jan Jan8 Zdroj data v grafu: Ročenka životního prostředí, MŽP ČR, ; Centrální registr motorových vozidel; Ministerstvo dopravy

2 Typické velikostní spektrum částic vznětové motory Zachycovací účinnost dýchacího ho systému Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 9, No. /, pp. 88, 998 A. Mayer, th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, 8 Zachycovací účinnost dýchacího ho systému Zachycovací účinnost dýchacího ho systému Lung deposition fraction: ET extrathoracic TB tracheobronchial PU pulmonary Particle mass median diameter: NM nucleation mode AM accumulation mode Muir, R. et al., Highlevel symposium on nanotechnology safety, Praha,.. B. Alfoldy et al., Aerosol Science (9). Pronikání velmi jemných částic (desítky nm) ) buněč ěčnou membránou nm Polystyrene Particles 8 nm Polystyrene Particles Typické velikostní spektrum částic Zážehové vs. Vznětové motory (USA) Barbara RothenRutishauer, as quoted by A. Mayer, th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 9, No. /, pp. 88, 998

3 Koncentrace částic ve výfukových plynech: Zážehové vs. Vznětové motory (USA) Koncentrace emitovaných částic jsou nejvyšší v přímép blízkosti dopravních tepen Inkrementální PM. koncentrace z těžkých vozidel se vznětovými motory (průjezd ve směru modrých šipek) Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 9, No. /, pp. 88, 998 Modelování: Konheim & Ketcham,, Brooklyn, New York Prostorové rozložení imisí PM (ATEM / Praha Životní prostředí 9) Prostorové rozložení zdrojů emisí PM (Český hydrometerologický ústav) Ekvivalentní z hlediska PM, ale ekvivalentní zdravotní riziko Jedna anorganická částice o průměru nm ( um) Tisíc částic sazí (element. uhlík) nanočástic o průměru nm ve výfuk. plynech Milion organických nanočástic o průměru nm x, x,, Mikroskopické pevné částice vznikající spalováním jsou jedna z nejčastějších příčin předčasného úmrtí. V Kalifornii zabíjejí více lidí, než dopravní nehody, a přibližně stejně jako druhotný cigaretový kouř.

4 Zároveň s narůstajícími emisemi z dopravy narůstá výskyt onemocnění (a to nejen dýchacích cest) Fine particulate matter (PM,) is responsible for significant negative impacts on human health. Further, there is as yet no identifiable threshold below which PM, would not pose a risk. As such, this pollutant should not be regulated in the same way as other air pollutants. The approach should aim at a general reduction of concentrations in the urban background to ensure that large sections of the population benefit from improved air quality. However, to ensure a minimum degree of health protection everywhere, that approach should be combined with a limit value, which is to be preceded in a first stage by a target value. (Směrnice 8//EC, úvodní část)... prodej motorové nafty, miliony tun Asthma bronchiale, statisíce. Pollinosis, statisíce Stálá alergická rýma, statisíce podíl dopravy na celkových emisích PM, % Jan Jan Jan Jan Jan Zdroj: Ročenka životního prostředí, MŽP ČR,. % % % % % % % % % % % Nádory, novotvary, a kvalita ovzduší Nádory, novotvary, a kvalita ovzduší Počet hlášených zhoubných nádorů a novotvarů in situ na tis. obyvatel Zdroj: Praha Životní prostředí 9. Počet hlášených zhoubných nádorů a novotvarů in situ na tis. obyvatel Zdroj: Praha Životní prostředí 9. Nádory, novotvary, a kvalita ovzduší Cíle práce Počet hlášených zhoubných nádorů a novotvarů in situ na tis. obyvatel Zdroj: Praha Životní prostředí 9. Předběžné, orientační měření emisí částic ze zážehových motorů během reálného provozu z hlediska a) Technických možností proveditelnosti takového měření b) Funkce měřicí aparatury c) Vztahu mezi měřicím rozsahem a měřenými hodnotami d) Celkového množství emitovaných částic e) Orientační indikace velikosti emitovaných částic

5 Konstrukce přenosné palubní aparatury (Technická univerzita v Liberci, 9) Konstrukce přenosné palubní aparatury analytická část Katal. Katal. lpm odběr Před nebo za katalytickým zařízením není nutný laminární tok ani izokinetický odběr vzorku Ochlazení a ohřátí Odstranění vzorku kondenzátu a větších částic Filtrovaný ředicí vzduch Nefelometr (dopředný rozptyl laserového paprsku) Měřicí ionizační komora NDIR,, NDIR,, chem.cell NO chem.cell NO Filtr, regulace průtoku, čerpadlo Motor Odtok vzorku Konstrukce přenosné palubní aparatury výpočet emisí Katal. Katal. Měřené koncentrace,,, NO, částice Motor Přímé měření Tok nasávaného vzduchu Tlak, teplota vzduchu Teplota motoru Otáčky motoru Rychlost vozidla Časový posun pro η kompenzaci odezvy dopr x M vzd x p sani x ω x zdvih. objem Q (zjištěn experimentálně) vzd = R x T sani ECU Diagnostické rozhraní Synchronizace dat Harmonizace intervalu s. Výpočet toku výfukových plynů (tok nasávaného vzduchu, složení vzduchu, paliva, emisí). Hmotnostní tok emisí = const. x koncentrace x tok výf. plynů. Spotřeba paliva = emise uhlíku (PM,,, ) / podíl uhlíku v palivu Integrace: Emise na test, km, kg paliva Záznam všech dat po s GPS poloha, výška, rychlost, časový signál ionization chamber [rel. units] Ověření (validace) měření částic (Technická univerzita v Liberci, 8) Měřicí ionizační komora kalibrována pro měření celkové délky částic [Vojtíšek, Journal of the Air & Waste Management Association,,, ] porovnání provedeno se spektrometrem/klasifikátorem (Engine Exhaust Particulate Sizer, TSI, St. Paul, MN, USA). ~. g/kwh with DPF Diesel fuel without DPF (R =.9) Diesel fuel with DPF (R =.9)... total PM length by EEPS [m/cm] PM emissions by portable system [g/h] Semikondenzační integrující nefelometr kalibrován pro měření celkové hmotnosti částic [Vojtíšek, Society of Automotive Engineers Technical Paper Series, () a 98 (9)] porovnání provedeno s měřením gravimetrickou depozicí na filtr.. PM emissions by standard gravimetric method [g/h] Škoda Fabia, zážehový motor, MPI Škoda Fabia benzinový motor, HTP rychlost [], emise a [mg/s] 9 8 Rychlost [] emise [mg/s] emise [mg/s] :: :: :: :: :: Toto je výjezd z Prahy a cesta po příměstské arteriální komunikaci Jízda po městě, až litry benzinu za hodinu vlastní spotřeba motoru a příslušenství (jen litry na km na pohon vozidla) Jízda ustálenou rychlostí (řidič se snažil, jinak se takto příliš nejezdí) Toto je cesta po Praze po místních komunikacích (nikoliv po obchvatu) rychlost [], emise a [mg/s] Rychlost [] emise [mg/s] 9 emise [mg/s] 8 :: :: :: :: ::

6 PM [ug/s] 8,, 8, rpm 8,,,,, 8 vehicle speed [] Okamžitá spotřeba paliva a emise v závislosti na okamžité rychlosti a zrychlení při vysokých zrychleních jsou emise částic neúměrně vyšší než spotřeba paliva : Škoda Favorit aggressive driving : : : : : 9 : : : : : : : : :8 :9 : : : time [hh:mm] computer. : : : : :8 :9 [%] PM [mg/m] [ppm/] 8 8:: 8:: 9:: 9:: 9:: :: ::. %_ : : : : : : : : :8 :9 : : computer :time [hh:mm] 8 :: :: Cutting firewood (logs) Onboard system mounted on accompanying tractor Mowing family house lawn PM length is relative units per kg of fuel All other data is in grams per kg of fuel fuelspecific emissions mowing :: :: :: Chain saw cycle PMOpt PMIon :: PMOpt. PMIon Log # idling fuelspecific emissions taxiing taxiing ground speed [] Riding lawnmower cycle 9:: :: Měření emisí z malých motorů Chainsaws 9:: :: Stihl 9 (top) Stihl MS (bottom) cycle gasoline 9:: :: Riding lawnmower TCP, Castelgarden, Italy, mfg. in, cycle gasoline taxiing Měření emisí z malých motorů [ppm/] :: PM [mg/m] idling Log # idling Log #..... :: :8: :: :: :: ground speed [] :9 [%]. PM[mg/m], [ppm/], [%] PM_mg/mol PM [mg/mol] % : Škoda Octavia, zážehový motor s přímým 8:: 8.9 vstřikem (DISI) PM[mg/m], [ppm/], [%] rpm engine rpm [/min],,,,,,,,, PM_mg/mol : %_ Škoda Favorit,.liter carbureted gasoline engine aggressive and normal freeway driving :9 :8 PM_mg/mol :9 : : %_ 9 % : Škoda Favorit normal driving Area of each mark is proportional to the instantaneous PM emissions in mg/s : Instantaneous PM emissions 8 vehicle speed [] :: : : PM [mg/mol exhaust] :: : : :: : : % :: :9 PM [mg/mol exhaust] :: :9, rpm, acceleration [m/s] acceleration [m/s], Fuel consumption Instantaneous fuel consumption, road speed [km /h] Škoda Favorit aggressive driving GPS :: Škoda Favorit normal driving PM [mg/m] engine rpm [/min] PM in raw exhaust [m g/m ] PM m ass em issions [ug/s] Jízda po letišti ustálené rychlosti a akcelerace (pokusná měření) Škoda Favorit,.liter carbureted gasoline engine Normal and aggressive driving up a hilly road engine rpm [/min] Škoda Fabia, zážehový motor, MPI

7 Měření emisí z malých motorů Chainsaws Stihl 9 (top) Stihl MS (bottom) cycle gasoline Cutting firewood (logs) Onboard system mounted on accompanying tractor Měření emisí z malých motorů Weedwhacker OleoMac T cycle gasoline Cutting /clearing an overgrown ditch Onboard system mounted on accompanying tractor fuelspecific emissions Chain saw cycle. :: :9: :: :: ::..... PMOpt PMIon ground speed [] fuelspecific emissions Weedwhacker cycle. :: :8: :: :: :: ::..... PMOpt PMIon ground speed [] Závěry Byla provedena předběžná, orientační měření výfukových emisí částic ze zážehových motorů během reálného provozu. Měření byla provedena na třech automobilech a čtyřech malých motorech (zahradní traktor, dvě motorové pily a křovinořez). Měření byla provedena přenosným zařízením umístěným na měřeném vozidle, v případě ručně nesených strojů (pily, křovinořez) na doprovodném vozidle. Byla sledována celková hmotnost (nefelometr) a celková délka (ionizační komora) částic. Foto pro zamyšlení: Útlum automobilové Poděkov kování dopravy a podpora pěší a cyklistické dopravy, Manhattan, New York Měření přenosným zařízením byla vyhodnocena jako technicky proveditelná. Naměřené hodnoty byly v řádu setin až jednotek gramu částic na kg paliva, což je zpravidla vyšší, než u vznětových motorů vybavených zachycovačem pevných částic (DPF), ale zpravidla nižší, než u vznětových motorů srovnatelné velikosti a technologie. Přesnost měření u zážehových motorů nebyla kvantifikována, nebyla k dispozici spolehlivá referenční metoda. Vzhledem k malému rozsahu měření a prozatím neověřené přesnosti měřicí aparatury je nutné tato měření považovat za orientační, naměřené hodnoty však potvrzují, že problémem emisí částic ze zážehových motorů je třeba se zabývat. Příspěvek byl vytvořen v rámci projektu MŠMT M8 "Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka II a projektu MEDETOX ("Innovative Methods of Monitoring of Diesel Engine Exhaust Toxicity in Real Urban Traffic"), Vojtíšek et financovaného al.: ONROAD PARTICULATE Evropskou MATTER komisíemissions v programu FROM LIFE+ HOMOGENEOUS a Ministerstvem CHARGE životního SPARK IGNITION prostředí ENGINES České Republiky. KOKA