Proč jsou emise v reálném provozu vyšší než během testování nových vozidel na zkušebně Doc. Michal Vojtíš íšek,, M.S., Ph.D. Centrum vozidel udržiteln itelné mobility Fakulta strojní, ČVUT v Praze EU LIFE+ projekt MEDETOX, Technická univerzita v Liberci michal.vojtisek@fs.cvut.cz tel. (+420) 774 262 854 1

Částice a ozon v přízemních vrstvách atmosféry jsou příčinou cca 406 tisíc předčasných úmrtí v EU ročně (dopravní nehody jen 39 tisíc) 2

Přehled problematických látek Částice + sekundární aerosol NOx + tvorba troposférického ozonu CO, benzen, olovo přestávají být problém Nové problémy: NO2 - tvorba v oxidačních katalyzátorech NH3 - tvorba v redukčních a třícestných kat. Aldehydy - kyslíkatá paliva (etanol) Skleníkové plyny N2O - redukční katalyzátory v určitých režimech CH4 - motory na zemní plyn a bioplyn 3

S čím m si hrajeme v naší laboratoři Online měření částic VTP Roztoky (ČVUT v Praze) 4

Vzorkování částic ve VTP Roztoky (nové laboratoře ČVUT v Praze) Benzinové a naftové automobily a motory, klasická a alternativní paliva, klasické i neregulované emise, měření & vysokoobjemové vzorkování 5

S čím m si hrajeme v naší laboratoři Měření emisí za reáln lného provozu projekt MEDETOX měření nanočástic ve výfukových plynech a jejich vzorkování pro toxikologické analýzy Rychlý klasifikátor částic (EEPS) Celý den jezdí auty sem a tam, aby ukázali, že ježděníautem je špatnépro životní prostředí. (Steve Taylor, New York) Přenosný systém PEMS CO, CO2, NO, NO2, částice (Jezdíme traktorem, kamionem, lokomotivou, bagrem, autobusem, sekačkou, nakladačem, malým letadlem, na motorce, trajektem,... ) 6

S čím m si hrajeme v naší laboratoři Měření autobusu za provozu projekt MEDETOX Přenosný FTIR analyzátor online měření mnoha plynných látek CO, CO2, NO, NO2, NH3, N2O,... 7

Škola hrou: Studentský projekt TU v Liberci n-butanol a isobutanol jako alternativní paliva Sériově vyráběný benzinový motor provozovaný na E85, butanol, isobutanol,... Dopady nových paliv na emise, ovzduší, zdraví: FTIR měří formaldehyd, acetaldehyd, CH4, N2O, NH3, NO, NO2, CO, CO2... 8

Výzkumnická sestava : FTIR (plynné emise), EEPS (velikostní spektra částic), UF-CPC (početní koncentrace částic) 9

Low-cost on-board monitoring system designed & used by the first author: Mini-PEMS also Poor man s PEMS Response approximately proportional to PM mass concentrations for a given engine Nephelometer (laser scattering) Filtered dilution air 45 x 31 x 18 cm 14 kg + battery 9-14 V, 50 W ~15 K EUR CAT 10-12 lpm raw exhaust Before or after DOC, DPF, Condensate and large particle removal F-FC-P Sample cool & reheat Filter, flow control, pump Charge meter (ionization chamber) F-FC -P NDIR- HC,CO,CO2 Engine Modified ionization smoke alarm (a 100 EUR system) - response proportional to total particle length (close to lung deposited surface area?) F-FC-P F-FC-P chem.cell NO, NO2 outflow CO CO 2 NO NO 2 ~ PM ~ PN 10

MiniPEMS applications: Motorcycle to locomotive Truck Battery 5 Hz GPS receiver Speed, position, altitude Intake air manifold absolute pressure Raw exhaust sampling point (no dilution) 2009 Coliber Fartt scooter 0.049 liter carbureted engine Locomotive 163 liter diesel Special adapter fabricated and inserted before muffler (outside air penetrates well into tailpipe) Engine speed measured with optical tachometer 11

Motorová pila: stovky až tisíc gramů CO na kg paliva 12

Motorový vlak ČD řady 854, 1 milion km nájezd na motoru: stovky až tisíc gramů CO na hodinu provozu 13

Spořilov koncentrace nanočástic 26.3. Štolcpartová a kol., Atmosphere 2015 14

Velikostní spektrum částic v ovzduší u silnice Spořilov, únor 2014, průměr r 40 lokalit normalized particle number concentration 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 6 ~ 10 nm 7 8 9 11 12 14 17 19 ~ 30-40 nm 22 26 29 34 39 45 52 60 70 81 93 Mean (error bars - st.dev.) Geometric mean Median particle electric mobility diameter [nm] Vojtíšek a kol., NanoCon 2014 108 124 143 166 191 221 255 294 340 392 453 523 Naftový motor Ronkko a kol, EST 2013 15

Právě tato velikost částic se bohužel zachycuje v plicích... ch... Zachycovací účinnost dýchacího ho systému A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, 2008 16

Moderní vůz s filtrem částic (DPF) ideální stav: Nízké emise částic Dnešní možnosti technologie: (a stav např. autobusy v New Yorku) Méně částic na m3 ve výfuku než v ostravském vzduchu v zimě EURO 5 DOC, DPF (particle filter), no SCR 2012 Iveco Daily, 3.0-liter Iveco engine Emissions of particulate matter very low even during 1-hour idle and generally well below 1 mg/m3 17

Dnešní technologie umožňuje velmi nízké emise částic. Jak je využívána v ČR? Euro 5, kdesi v Praze (bez DPF) Motor s DPF Nidau, Švýcarsko 18

Technická omezení teplota katalyzátoru, teplota, průtok, složení výfukových plynů Seřízení výrobcem - Level I: Víceemise v režimech nepokrytých cyklem - Level II: Víceemise i v režimech obsažených v cyklu Seřízení a úpravy uživatelem Stárnutí a poruchy Homologační zkouška vs. reálný provoz Role technické kontroly vozidla Nežádoucí dopady paliv a technologií 19

Technická omezení Teplota katalyzátoru nízká vysoká Rychlost proudění katalyzátorem Složení výfukových plynů 20

Tahač DAF 105 Průměrná rychlost (30 s průměr) a emise NOx a PM na kg paliva (120 s průměr) 0.08 g PM/kg paliva odpovídá při 40 t a 32 kg/100 km: 0.025 g PM/km, 0.0006 g PM/t-km Při jízdě cestovní rychlostí se emise výrazně neliší od limitů Euro 5 i při stáří motoru 109% deklarované minimální životnosti (500 000 km). Při snížení průměrné rychlosti NOx i PM na kg paliva i spotřeba paliva výrazně narůstají! (např. při 0.2 g PM/kg paliva, 50 kg/100 km: 0.1 g PM/km, 0.0025 g PM/t-km) FS-Nox FS-PM10000 km/h 30 per. Mov. Avg. (km/h) 1000 120 per. Mov. Avg. (FS-PM) 120 per. Mov. Avg. (FS-Nox) Euro 5 equivalents at 250 g/kwh: 2.0 g/kwh ~ 8 g NOx/kg fuel / 0.02 g/kwh ~ 0.08 g PM/kg fuel 100 50 fuel-specific NOx and PM emissions [g/kg] 100 10 1 0.1 0 road speed [km/h] -50-100 -150 0.01-200 9:00:00 10:00:00 11:00:00 12:00:00 13:00:00 14:00:00 15:00:00 16:00:00 17:00:00 18:00:00 21

Seřízení výrobcem Level 1: Režimy mimo jízdní cyklus Vztahují-li se limity pouze na jízdní cyklus, kdo ošetří přijatelně nízké emise v ostatních režimech? 22

Nižší zdvihové objemy a turbo: výkon v malých otáčkách zajišťován předávkováním palivem Emisní problémy automobilových vznětových motorů v EU Euro 4 Skoda Fabia vozidlová zkušebna NEDC vs. vyšší výkonové hladiny Emise zhoršeny nízku účinností oxidačního katalyzátoru po delším volnoběhu Požadavek potřebného přebytku vzduchu je protichůdný požadavku na vysoký výkon NOx: Použití EGR je protichůdné požadavku vyššího výkonu 50 45 40 PM concentrations Supplemental tests NEDC Run 1 NEDC Run 2 50 45 40 NO emissions - Skoda Fabia turbodiesel NOx Supplemental tests NEDC Run 1 NEDC Run 2 fuel delivery rate [relative] 35 30 25 20 15 fuel delivery rate [relative] 35 30 25 20 15 10 5 PM 10 5 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 engine rpm Dlouhý provoz v nízkém zatížení: Zhoršení spalování, vyšší podíl OC v PM, snížení účinnosti katalyzátorů 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 engine rpm NOx sníženy EGR (recirkulace výfukových plynů)? 23

Jízda po městm stě Osobní automobil Škoda Octavia, naftový motor, 103 kw 60 CO2 NOx PM*10 rpm km/h NOx [mg/s], PM*10 [mg/s], CO2 [g/s], speed [km/h] 50 40 30 20 10 0 14:13:00 14:15:00 14:17:00 14:19:00 14:21:00 Velká část celkových emisí krátké epizody s 24

Euro 4 Škoda Octavia dálnice, vysoká rychlost Agresivní rychlá jízda, nikoliv netypická pro české poměry Výsledky porovnány s jízdním cyklem ECE v laboratoři Vysoké zatížení vyšší emise NOx i částic 4 PM 4 NO 3 3 2 2 acceleration [m/s 2 ] 1 0-1 acceleration [m/s 2 ] 1 0-1 -2-3 -4 Real-world freeway ECE 2 (dyno) -2-3 -4 Real-world freeway ECE 1 ECE 2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 road speed [km/h] road speed [km/h] 25

BMEP [MPa] 1,2 0,8 0,6 0,4 0,2 Emisní problémy automobilových zážehových motorů v EU Euro 5 Škoda 1,2 HTP motorová zkušebna Vysoké zatížení vyšší emise částic 1 0 0 Přebytek vzduchu (λ) 1,02 Characteristic of λ ratio for gasoline 1000 1,02 0,91 1,03 1,02 1,03 2000 NEDC vs. vyšší výkonové hladiny 0,95 1,02 1,02 1,02 3000 4000 0,88 0,90 0,91 0,93 5000 rpm 6000 Stechiometrický poměr palivo-vzduch BMEP [MPa] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 Snížení teploty výfukových plynů (ochrana katalyzátoru) přechodem na bohatou směs při vysokých zatíženích Concentration of THC [ppm] for gasoline 305 1000 4 43 30 34 1763 2000 394 3000 41 30 24 4000 427 342 320 370 5000 HC rpm 6000 26

Škoda Fabia, zážehový motor 1,4 MPI acceleration [m/s2] Jízda po letišti ustálené rychlosti a akcelerace (pokusná měření) Vysoké zatížení vyšší emise částic 6 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4 PM in raw exhaust [m g/m 3] PM m ass em issions [ug/s] 10000 1000 100 Instantaneous fuel consumption Fuel consumption 0 20 40 60 80 100 120 140 vehicle speed [km/h] 10 1 acceleration [m/s2] 6 5 4 3 2 1 0-1 -2-3 -4 PM [ug/s] PM [mg/m3] km/h GPS 12:15:00 12:25:00 12:35:00 12:45:00 12:55:00 13:05:00 Instantaneous PM emissions Area of each mark is proportional to the instantaneous PM emissions in mg/s 0 20 40 60 80 100 120 140 vehicle speed [km/h] 160 140 120 100 80 60 40 20 0 road speed [km /h] Okamžitá spotřeba paliva a emise v závislosti na okamžité rychlosti a zrychlení při vysokých zrychleních jsou emise částic neúměrně vyšší než spotřeba paliva 27

Emise částic z benzinových motorů: Vliv jízdního cyklu WLTP není tak měkké jako NEDC, ale nepokrývá obohacení palivem při vysokých zatíženích (praktika výslovně zakázaná US EPA) Jsou US06 cyklus a dálniční část cyklu Artemis lepšími kandidáty na homologační cyklus? EURO 5 PM mass limit EURO 5 PN limit NEDC direct injection 20 K km NEDC direct injection 20 K km Artemis urban & rural port injection 30 K km Artemis urban & rural port injection 30 K km WLTP WLTP US06 US06 Artemis motorway 130 Artemis motorway 130 Artemis motorway 150 Artemis motorway 150 0 10 20 30 40 50 60 PM mass [mg/km] PN [#/km] 28

Seřízení výrobcem Level 2: Víceemise i v režimech cyklu (cílené obcházení cyklu???) Milý motoristo, jsi ochoten za nižší emise NOx zaplatit (zaškrtni alespoň jednu možnost) a) Vyšší pořizovací cenu vozidla b) Vyšší spotřebu paliva c) Nižší maximální výkon d) Vyšší spotřebu (a četnost dolévání) močoviny Ty můj příteli, blouzníš, nic z uvedeného, nějaké emise jsou mi uzenka, šuměnka, takový vůz nekoupím, výrobci, slyšíš? 29

Seřízení výrobcem Level 2: Víceemise i v režimech cyklu (cílené obcházení cyklu???) Milý motoristo, jsi ochoten za nižší emise NOx zaplatit (zaškrtni alespoň jednu možnost) a) Vyšší pořizovací cenu vozidla b) Vyšší spotřebu paliva c) Nižší maximální výkon d) Vyšší spotřebu (a četnost dolévání) močoviny Ty můj příteli, blouzníš, nic z uvedeného, nějaké emise jsou mi uzenka, šuměnka, takový vůz nekoupím, výrobci, slyšíš? 30

Seřízení výrobcem Level 2: Vysoké emise i v režimech obsažených v NEDC cyklu 120 km/h 120 km/h 160 0.16 roll speed [km/h] 140 120 100 80 60 Euro 6 limit pro NEDC cyklus: 0.08 g/km roll speed Nox 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 NOx [g/s] 40 0.04 20 0.02 0 7:30:00 7:40:00 7:50:00 8:00:00 8:10:00 0.00 31

Seřízení výrobcem Level 2: Vysoké emise i v režimech obsažených v NEDC cyklu 1600 2000 2400 2800 5 4.5 4 135 120 105 g NOx (NO+NO2) 3.5 3 2.5 2 1.5 NEDC-4wd-cold-NOx NEDC-4wd-hot-NOx road speed 90 75 60 45 30 roll speed [km/h] 1 15 0.5 0 0 0 200 400 600 800 1000 1200-15 32

Seřízení výrobcem Level 2: Vysoké emise i v režimech obsažených v NEDC cyklu Vztahují-li se limity pouze na jízdní cyklus, kdo ošetří přijatelně nízké emise v ostatních režimech? (Odpověď: Možná CARB nebo US EPA, pokud občané z vlastní iniciativy provedou měření, vyhodnotí je, naleznou nesrovnalosti, a upozorní na ně.) 33

Seřízení a úpravy uživatelem Pokud filtr / katalyzátor vytluču, vymontuji, obejdu, do SCR místo močoviny liji vodu, a přeprogramuji řídící jednotku, aby to nezjistila...... mohu stále očekávat, že účinnost filtru nebo katalyzátoru bude zachována, a emise přijatelně nízké??? 34

Filtry částic (účinnost 90 až 99,99%) Vstupní strana Výstupní strana 35

Filtr částic A. Liati, P. Dimopoulos Eggenschwiler / Combustion and Flame 157 (2010) 1658 1670 36

Filtr částic A. Liati, P. Dimopoulos Eggenschwiler / Combustion and Flame 157 (2010) 1658 1670 37

Filtry částic (DPF( DPF) ) fungují,, ale... jsou v EU normou, nebo jsou privilegiem bohatší ších a pokrokovější ších zemí a regionů? Český inzerát t na odstranění DPF z dovezených vozidel 38

Schizofrenie demokratické společnosti z hlediska filtrů částic Zavedení filtrů částic požadujeme (Evropská legislativa pro schvalování nových vozidel)... a zároveň tolerujeme jejich demontáž??? 39

Stárnutí a poruchy Nesprávná (neoptimální) funkce motoru & katalyzátorů Vyšší emise z motoru Neoptimální složení emisí (syndrom liché ponožky) Postupné zhoršování nebo skoková změna Toto má odhalit a) palubní diagnostický systém OBD (oranžová kontrolka grilované kuře ) b) pravidelné emisní a technické kontroly 40

Spořilov koncentrace nanočástic 26.3. jižní strana pěšíp šílávky přes p 5. května vs. Celkový počet částic, Řimnáčová a kol., Atmos. Environ. 2011 vs. UFIREG 2012 (7th Newsletter, zde rozdávaný) 6-7 tis. částic na cm 3 průměr 2012 Augsburg, Dresden, Praha, Ljubljana částice počet / cm3 1000000 100000 10000 šum při převozu přístroje filtrovaný vzduch 1000 10:53:00 10:58:00 11:03:00 11:08:00 11:13:00 11:18:00 11:23:00 11:28:00 5-100 nm 5-20 nm 5-40 nm 5-560 nm 7 tis. částic na cm 3 průměr 2008-2009 Praha-Suchdol 14 tis. částic na cm 3 křižovatka Praha-Suchdol 20-40 tis. částic na cm 3 Jižní Spojka těsná blízkost 41

Celkové počty částic 10-500 nm Líbeznice, 15. 5. 2014, ranní špička severní šířka 50.195 50.194 15 11 33 56 25 114 Ranní špička 15.5. Kouřící vozidla 50.193 50.192 29 16 55 27 43 31 29 21 30 67 30 7 492 89 171 9 13 7 3 3 2 35 50.191 14.491 14.493 14.495 14.497 14.499 14.501 14.503 východní délka 14.505 42

Zařiďte mi nějak STK a emise, zaplatím... 43

Technická omezení teplota katalyzátoru, teplota, průtok, složení výfukových plynů Seřízení výrobcem - Level I: Víceemise v režimech nepokrytých cyklem - Level II: Víceemise i v režimech cyklu Seřízení a úpravy uživatelem Stárnutí a poruchy Homologační zkouška vs. reálný provoz Role technické kontroly vozidla Nežádoucí dopady paliv a technologií 44

Podceňování rizika v posuzování vlivů (EIA apod.) Emise jsou vyšší v reálném provozu Emise jsou blíže plicím než u jiných zdrojů Emitované částice jsou rizikovější než průměrné Nic z toho není zohledněno v legislativě při posuzování vlivů skladišť, montoven, nákupních center, a dalších zbytných záměrů. 45

Emisní faktory BaP: model MEFA vs. měření ČR+zahraničí M EFA (RS Park M alšovice), EURO 3, automobil-benzin, 20 km/h M EFA (RS Park M alšovice), EURO 3, automobil-nafta, 20 km/h M EFA (RS Park M alšovice), EURO 3, maly nakl. vuz, 20 km/h M EFA (RS Park M alšovice), EURO 3, tezsi nakl. vuz, 20 km/h Rozptylová studie (2012) odkazující na MEFA06 Nákupní centrum Park Malšovice, HK ing. Bureš, TESO, M ŠM T 2B08040, tunel, 96% osobní vozy ing. Bureš, TESO, M ŠM T 2B08040, tunel, 96% osobní vozy ing. Bureš, TESO, 96% osobní vozy, model CDV Měření ČR ing. Bureš, TESO, M ŠM T 2B08040, tunel, 75% nákladní vozy ing. Bureš, TESO, M ŠM T 2B08040, tunel, 75% nákladní vozy ing. Bureš, TESO, 75% nákladní vozy, model CDV Měření ČR Phuleria 2007, automobily, jen částice < 180 nm Karavalakis 2010, automobil, UDC cyklus Kristensson 2004, reálný provoz, smíšený vozový park Gertler 2004, tunel, tezke nakladni vozy Přístup MŽP k 2008/50/EC: Dva řády žádná míra??? Gertler 2004, osobní vozy - benzin Nelson 2008, smíšený vozový park Ludykar 1999, automobily, -7 C Ludykar 1999, automobily, -22 C Zahr. měření BaP [ug/km] 0.01 0.1 1 10 100 1000 46

Spalovací motory produkují velmi malé a zdraví nebezpečné částice (a další škodliviny), a to v těsné blízkosti lidí. Technická řešení dostupná jsou, ale nevyužíváme je v dostatečné míře, a samotná nestačí. Má-li být zlepšení ovzduší dosaženo, rozhodování musí být kvalifikované a podložené fakty. 47

Poděkování: Proč jsou emise v reáln lném m provozu EU LIFE+ program, projekt LIFE10 ENV/CZ/651 MEDETOX, "Inovativní metody monitorování toxicity výfukových plynů v podmínkách reálného městského provozu" vyšší než během testování Grantová agentura ČR, projekt 13-01438S BIOTOX, "Mechanismy toxicity pevných částic z biopaliv" MŠMT Národní program udržitelnosti - NPU I (LO), projekt # LO1311 Rozvoj Centra vozidel udržitelné mobility nových vozidel na zkušebn ebně Foto pro zamyšlení: Útlum automobilové dopravy a podpora pěší a cyklistické dopravy, Manhattan, New York Poděkování - doktorandi: Mgr. Jitka Štolcpartová, PřF UK ing. Vít Beránek, FS ČVUT ing. Luboš Dittrich, FS TU v Liberci ing. Martin Pechout, FS TU v Liberci Doc. Michal Vojtíšek, M.S., Ph.D. Centrum vozidel udržitelné mobility Fakulta strojní, ČVUT v Praze EU LIFE+ projekt MEDETOX, Technická univerzita v Liberci michal.vojtisek@fs.cvut.cz tel. (+420) 774 262 854 48