Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika 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. (+) 77 6 8 Emise z motorových vozidel jsou příčinou cca 6 tisíc předčasných úmrtí v EU ročně (dopravní nehody jen 9 tisíc) - Těžká vozidla a pojezd v kongesci Částice ve výfukových plynech naftového motoru Typické velikostní spektrum částic - vznětové motory Zvětší šíme-li tyto částice na velikost zrnka máku, m částice o průměru ru mikrometrů (součást st PM) bude velká jako meloun. Liati A., Dimopoulos P.E., Combustion and Flame 7 () 68 67. Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 9, No. /6, pp. 7-88, 998 7 Zachycovací účinnost dýchacího ho systému Pronikání velmi jemných částic (desítky nm) ) buněč ěčnou membránou nm Polystyrene Particles 78 nm Polystyrene Particles A. Mayer, th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, 8 8 Barbara Rothen-Rutishauer, as quoted by A. Mayer, th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles 9

Prostorové rozložení imisí PM (ATEM / Praha Životní prostředí 9) Poměrné riziko infarktu myokardu v závislosti na vzdálenosti od komunikace s vysokou intenzitou dopravy 99 pacientů, věk -7, Essen, Germany (A. Mayer, TTM, Switzerland) Risiko OR.. Nejvyšší koncentrace jsou podél hlavních dopravních tahů.. > - - < m Distanz Hoffmann 6 Emise se zvyšuj ují s najetými km - a to ne stejně,, i pro jinak stejná vozidla! Příklad: Emise NM, autobusy poháněné zemním plynem Pittsburgh, Pennsylvánie, USA Měření za reálného provozu autorem, 996-999.. 7 7 8 8.. 6 6 7 7 8 8 9 9 6 6 9 9........ 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. Předčasná úmrtí v EU ročně: Emise z dopravy 6 tisíc, dopravní nehody 9 tisíc............ 6 Euro Škoda Octavia, nafta kdesi v Praze za provozu NOx [mg/s], PM* [mg/s], CO [g/s], speed [km/h] 6 CO NOx PM* rpm km/h :: :: :7: :9: :: Emisní problémy automobilových vznětových motorů v EU Euro Skoda Fabia vozidlová zkušebna NEDC vs. vyšší výkonové hladiny Nižší zdvihové objemy a turbo: výkon v malých otáčkách zajišťován předávkováním palivem fuel delivery rate [relative] PM concentrations Emise zhoršeny nízku účinností oxidačního katalyzátoru po delším volnoběhu Supplemental tests NEDC Run NEDC Run PM Požadavek potřebného přebytku vzduchu je protichůdný požadavku na vysoký výkon fuel delivery rate [relative] NO emissions - Skoda Fabia turbodiesel NOx NOx: Použití EGR je protichůdné požadavku vyššího výkonu Supplemental tests NEDC Run NEDC Run engine rpm Dlouhý provoz v nízkém zatížení: Zhoršení spalování, vyšší podíl OC v PM, snížení účinnosti katalyzátorů engine rpm NOx sníženy EGR (recirkulace výfukových plynů)? Measurement by the author. 9

Problé Problém emisí emisí ze spalovací spalovacích motorů motorů Euro Škoda Octavia dálnice, vysoká rychlost Agresivní rychlá jízda, nikoliv netypická pro české poměry Výsledky porovnány s jízdním cyklem ECE v laboratoři Emise ze spalovacích motorů jsou z hlediska zdravotního rizika jedním z největších zdrojů znečištění ovzduší v městských aglomeracích. Většina našich odhadů celkových emisí je založena převážně na měření relativně malého počtu relativně nových motorů za ideálních podmínek v laboratoři, a na měření imisí. PM - - NO acceleration [m/s ] acceleration [m/s] - - Real-world freeway - ECE (dyno) Real-world freeway ECE - ECE - Emise z daného vozidla v daném okamžiku jsou velmi různé závisí na technologii motoru, technickém stavu, atmosférických a provozních podmínkách, způsobu jízdy,... na to se často zapomíná! Splňuje-li nějaký motor nové emisní normy (Euro,,, ) při homologačních zkouškách za ideálních podmínek, neznamená to nutně že má odpovídající nízké emise i po celou dobu reálného provozu. Pouze sledováním emisí (regulovaných i neregulovaných) během reálného provozu a po celou dobu životnosti vozového parku můžeme získat podklady pro uvážená rozhodnutí o vhodných opatřeních pro snížení emisí. - 6 8 6 8 road speed [km/h] 6 8 6 8 road speed [km/h] Projekt MEDETOX: EU LIFE+ program, projekt LIFE ENV/CZ/6 Měření emisí plynných látek a částic přenosnou aparaturou Vzorkování částic přenosným proporcionálním vzorkovačem PEMS Ústav experimentální medicíny AV ČR, Technická univerzita v Liberci, Ministerstvo životního prostředí ČR Inovativní metody pro sledování toxicity výfukových emisí ze spalovacích motorů v podmínkách městského provozu Nízkoprofilová instalace Miniaturní ředicí tunel s průtokem části vzorku Proporcionální vzorkování částic ve výfukových plynech Palubní měřicí zařízení Problém kongesce u tranzitní kamionové dopravy Odezva přibližně úměrná hmotnostní koncentraci částic (představte si laserové ukazovátko namířené do cigaretového kouře) Spalovací motory hlavní zdroj velmi jemných částic ve většině městských aglomeracích Nárůst intenzity dopravy zvyšuje emise a zvyšuje míru výskytu kongesce Nefelometer (rozptyl laserového paprsku) Filtrovaný ředicí vzduch Emise jsou vyšší než odpovídá modelům - dm/min surových plynů Před nebo za filtrem nebo katalyzátorem Kat. Separace velkých částic a kondenzátu Ochlazení a ohřátí vzorku Elektrický detektor nanočástic Upravený detektor kouře (součástky za cca EUR) odezva přibližně úměrná celkové délce částic (korelace s celkovým povrchem částic zachycených v plicních sklípcích?) Tato práce je zaměřena na vliv déletrvající kongesce na emise naftových motorů v těžkých vozidlech NDIR-,CO,CO chem.cell NO NDIR-,CO,CO chem.cell NO U současného vozového parku má vliv na emise též: technický stav, kvalita jízdy, a provozní podmínky Filtr, čerpadlo, regulace průtoku Motor Vzorek ven 6 8

Problé Problémy motorů motorů těžkých ěžkých vozidel: Euro,, splně splněno i bez filtru (DPF) Spalová m ní Spalování a účinnost katalyzá katalyzátorů torů klesají klesají při delší delším nízké zkém zatí zatížení ení Nákladní automobil Iveco Eurocargo (7 t) Iveco Eurocargo, r.v. 6, 87 tis. km Motor Iveco Tector, Euro Jízda Liberec Ústí Teplice Říčany u Prahy (rozvoz vysokoobjemových vzorkovačů) Příjezdové trasy tranzitní dopravy Měřicí aparatura Káva (nevylitá) Horor tranzitní kamionové dopravy kongesce Spořilov: Jízda do kopce Po pobytu v kongesci 9 Nákladní automobil Iveco Eurocargo (7 t) (Liberec Ústí n.l. ) Teplice - Říčany Dálnice Průjezd Prahou Tahač DAF 6 DAF, tis. km, s návěsem, t (Ďáblice Vysočany Jižní spojka Spořilov D Říčany) náklad, celkem tun 9 6. km celkem - průměrná rychlost 7. km/h 8 7 6 km/h :: :: :: :: 6:: 6:: 7:: 7:: 8:: 8:: 9:: Motor Paccar, přeplňovaný šestiválec, zdvihový objem,9 litru, výkon k, emisní norma Euro, se selektivní redukcí NOx ( Ad-blue ) Jízda Mělník Rudná s několikerým průjezdem po Jižní spojce (Běchovice Spořilov) Velmi klidný, rozvážný řidič (prémie za Není to jízda ustálenou rychlostí! ušetřené palivo motivace k eko-jízdě!) km/h. km celkem - průměrná rychlost.7 km/h :: :: 6:: 6:: 6:: 6:: 6:: 6:: Problém delšího nízkého zatížení motorů těžkých vozidel Tahač DAF * Zhoršující se kvalita spalování * Nízké teploty výfukových plynů -> snižující se účinnost oxidačních a redukčních katalyzátorů * Tvorba úsad ve výfukovém potrubí ty se uvolní později Průměrná rychlost ( s průměr) a emise NOx a PM na kg paliva ( s průměr).8 g PM/kg paliva odpovídá při t a kg/ km:. g PM/km,.6 g PM/t-km Při jízdě cestovní rychlostí se emise výrazně neliší od limitů Euro i při stáří motoru 9% deklarované minimální životnosti ( km). Při snížení průměrné rychlosti NOx i PM na kg paliva i spotřeba paliva výrazně narůstají! Vyšší emise částic po následném rozjezdu (např. při. g PM/kg paliva, kg/ km:. g PM/km,. g PM/t-km) FS-Nox Euro equivalents at g/kwh:. g/kwh ~ 8 g NOx/kg fuel /. g/kwh ~.8 g PM/kg fuel FS-PM km/h Praktický limit katalyzátorů: - oc per. Mov. Avg. (km/h) road speed [km/h] fuel-specific NOx and PM emissions [g/kg] - -. - :: :: :: :: :: :: 6:: 7:: - 8:: PM in exhaust [mg/m] exhaust temp [C] /. 9:: EGT/[C] PM [mg/m] speed [km/h] per. Mov. Avg. (FS-Nox) 9 7 6 - - 6:: speed [km/h] per. Mov. Avg. (FS-PM) - 6:: -6 6:: 6:: 6

Problém delšího nízkého zatížení motorů těžkých vozidel Speed [km/h] * Zhoršující se kvalita spalování * Nízké teploty výfukových plynů -> snižující se účinnost oxidačních a redukčních katalyzátorů * Tvorba úsad ve výfukovém potrubí ty se uvolní později 9 8 7 6 Skákání při rozjezdu kabina se tahače naklápí do strany vlivem reakční síly Pomalý pojezd Teplota výfukových speed plynů [km/h] na konci výf. potrubí EGT [C] rychlost 9:: 9:: :: :: :: :: 7 Praktický limit katalyzátorů: - o C Exhaust Gas Temperature at tailpipe [C] Simulace pomalého pojezdu na zkušebně Motor: Zetor, vznětový přeplňovaný čtyřválec, 9 kw, řadové vstřikovací čerpadlo,.-. g/kwh PM bez recirkulace výfukových plynů Provozní podmínky: ot/min, % zatížení (odpovídá jízdě po dálnici) 9 ot/min, % zatížení (odpovídá - km/h pojezdu) ot/min, % zatížení (odpovídá jízdě do Spořilovského kopce) 9 Palivo: nafta EN9 Vzorkování spřaženými vysokoobjemovými vzorkovači membránové (Pall TX) a křemenné (Whatman QMA) filtry Tok ředicího vzduchu měřen termickým průtokoměrem Nezávislé měření průtoku a ředicího poměru 8 x filtr (vzorek) - mg částic na filtr CO koncentrace měřeny ve výfukových plynech a na výstupu Hi- Volu (ověření ředicího poměru) Ředěné výfukové plyny 67.8 m /h Miniaturní ředicí tunel : ředění Ředicí vzduch 6 m /h Přívod výfukových plynů EcoTech Hi-vol vzorkovač Vstup upraven pro mm trubku PM. hlavice 8 x filtr (ředicí vzduch) 67.8 m /h nominální průtok PM. hlavice (pro ředicí vzduch použit nižší průtok, částice jsou stejně filtrovány) Gravimetrická analýza Extrakce Analýza PAH: HPLC, fluorescenční detekce 6 PAH dle US EPA 7 karcinogenních PAH dle US EPA: benzo[a]anthracen chrysen benzo[b]fluoranthen benzo[k]fluoranthen benzo[a]pyren dibenzo[a,h]anthracen indeno[,,-cd]pyren Křemenné filtry Whatman QMA % zatížení (dálnice) krátký volnoběh po zatížení ( min.) BaP cpah Σ PAH Σ PM Filtry z borosilikátových vláken / fluorokarbon Pall TX % zatížení (dálnice) krátký volnoběh po zatížení ( min.) BaP cpah Σ PAH Σ PM dlouhý volnoběh (od. minuty) dlouhý volnoběh (od. minuty) % zatížení min. po 9 min. volnoběhu % zatížení min. po 9 min. volnoběhu % zatížení stabilizované ug / kg paliva PM v mg/kg.. % zatížení stabilizované ug / kg paliva PM v mg/kg.

Laboratorní simulace pomalého pojezdu (volnoběžné otáčky +, % zatížení) Dlouhý volnoběh 6 > minut PN Počet částic PN> Počet > nm Zatížení motoru torque [Nm] plynů.e+ EGT [C], torque [Nm] Tepl[C] výf EGT.E+6 Moderní vůz s filtrem částic (DPF) ideální stav: Nízké emise částic (ve výfuku jich na m bylo většinou méně, než je v ostravském vzduchu v zimě) EURO DOC, DPF (particle filter), no SCR Iveco Daily,.-liter Iveco engine Emissions of particulate matter very low even during -hour idle and generally well below mg/m.e+ :: :: :: Dlouhý volnoběh > minut Odpal úsad při % zatížení po pomalém pojezdu :: :: Krátký volnoběh Stabilizované % zatížení ( plný plyn ) EU Tier IIIA engine,.-. g/kwh PM EEPS sampling from CVS with : additional dilution particle concentration in CVS [#/cm] particle number [#/cm].e+7 extended idle.e+6 burn-off at % load :: :: :: stabilized % load.e+ short idle extended idle.e+.e+.e+.e+ mobility diameter [nm] 6 Souhrn: Problémová souhra faktorů v hustě obydlených místech s vysokou hustotou provozu Závěry Během laboratorní simulace podmínek odpovídajících kongesci na typickém vznětovém motoru s řadovým vstřikovacím čerpadlem bylo zjištěno, že během setrvalého provozu na nízká zatížení se zvyšují emise částic (celkové hmotnosti), PAH, karcinogenních PAH i benzo(a)pyrenu, a to cca o řád a zejména setrvalý provoz na nízké zatížení způsobuje, že během následného provozu na vysoké zatížení jsou v prvních několika minutách vyšší emise částic (celkové hmotnosti), PAH, karcinogenních PAH i benzo(a)pyrenu, a to cca o řád Vysoká koncentrace vozidel -> vysoký příspěvek vozidel k imisím Vysoká hustota obyvatel -> vysoký počet osob exponován Vysoká frekvence problematických provozních režimů protáhlý provoz na volnoběh, pojíždění malou rychlostí vysoce dynamické změny akcelerace na plný výkon Výfukové emise naftových motorů způsobují rakovinu -> vyšší a/nebo více nebezpečné emise Doporučení: Předběžný výrok o významu výsledků: Déletrvající kongesce škodí osádkám vozidel i okolním obyvatelům Pro hodnocení toxicity výfukových plynů u nových technologií a nových paliv hodnotit použít realistické městské provozní podmínky. Brát v úvahu současný stav poznání a pečlivě přistupovat k hodnocení dopadu záměrů na ovzduší a zdraví. 7 Projekt MEDETOX: EU LIFE+ program, projekt LIFE ENV/CZ/6 Nepřetěžovat dopravní síť zachovat plynulý provoz 8 Foto pro zamyšlení: Útlum automobilové dopravy a podpora pěší a cyklistické dopravy, Manhattan, New York Ústav experimentální medicíny AV ČR, Technická univerzita v Liberci, Ministerstvo životního prostředí ČR Inovativní metody pro sledování toxicity výfukových emisí ze spalovacích motorů v podmínkách městského provozu 9 6