Vznětové motory: Emise nás budou zabíjet do té míry, do jaké jim to sami dovolíme 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. (+42) 774 262 854 1
Částice a ozon v přízemních vrstvách atmosféry jsou příčinou cca 46 tisíc předčasných úmrtí v EU ročně (dopravní nehody jen 39 tisíc) 2
Přehled problematických látek Částice + sekundární aerosol NO x + tvorba troposférického ozonu CO, benzen, olovo přestávají být problém Nové problémy: NO 2 - tvorba v oxidačních katalyzátorech NH 3 - tvorba v redukčních a třícestných kat. Aldehydy - kyslíkatá paliva (etanol) Skleníkové plyny N 2 O - redukční katalyzátory v určitých režimech CH 4 - motory na zemní plyn a bioplyn, LNT kat. 3
Potenciál technologie filtru částic: 111 částic / kwh odpovídá (5-1 m3/kwh) 1-2 tisíc částic na cm3. To je méně než podél silnic v ovzduší. EURO 5 DOC, DPF (particle filter), no SCR 212 Iveco Daily, 3.-liter Iveco engine Emissions of particulate matter very low even during 1-hour idle and generally well below 1 mg/m3 4
Měření emisí nákladního vozu Euro 6 Reálný provoz okolo Prahy Kondenzační čítač částic akumulátory a měnič FTIR MEDETOX TU v Liberci 3 tuny závaží (celk. náklad 3,5 t = 58%) celková hmotnost 12 t okamžitá hmotnost 9,5 t FTIR CVUM ČVUT v praze 5
Emise částic (včetně < 23 nm a volatilních) Nákladní vůz, dieselový motor Euro 6 Říčany Kostelec nad Černými Lesy, listopad 215 počet emitovaných částic 8.E+11 7.E+11 6.E+11 5.E+11 4.E+11 3.E+11 2.E+11 1.E+11.E+ Kumulativní emise částic (včetně volatilních, > 5 nm) Emisní limit Euro 6: 6 x 1 11 částic/kwh při spotřebě 2 litrů/1 km, 83 g/litr a 22 g/kwh ~ 4.5 x 1 11 částic na km ~ 2 x 1 1 částic na km Jízda_1 Jízda_2 Jizda_3 Jizda_4 Dráha [km] 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 6
Koncentrace částic ve výfukovém potrubí Nákladní vůz, dieselový motor Euro 6 Říčany Kostelec nad Černými Lesy, listopad 215 3 25 2 Roční průměrné městské pozadí Praha-Suchdol (data z projektu UFIREG) Koncentrace částic na centimetr krychlový Jízda_1 Jízda_2 Jizda_3 Jizda_4 PM [1/cm 3 ] 15 1 5 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 Dráha [km] 7
Spořilov koncentrace nanočástic 26.3. jižní strana pěšíp lávky přes p 5. května vs. Celkový počet částic, Řimnáčová a kol., Atmos. Environ. 211 vs. UFIREG 212 (7th Newsletter, zde rozdávaný) 6-7 tis. částic na cm 3 průměr 212 Augsburg, Dresden, Praha, Ljubljana částice počet / cm3 1 1 1 šum při převozu přístroje filtrovaný vzduch 1 1:53: 1:58: 11:3: 11:8: 11:13: 11:18: 11:23: 11:28: 5-1 nm 5-2 nm 5-4 nm 5-56 nm 7 tis. částic na cm 3 průměr 28-29 Praha-Suchdol 14 tis. částic na cm 3 křižovatka Praha-Suchdol 2-4 tis. částic na cm 3 Jižní Spojka těsná blízkost 8
Filtry částic (účinnost 9 až 99,99%) Vstupní strana Výstupní strana 9
Filtr částic A. Liati, P. Dimopoulos Eggenschwiler / Combustion and Flame 157 (21) 1658 167 1
Filtr částic A. Liati, P. Dimopoulos Eggenschwiler / Combustion and Flame 157 (21) 1658 167 11
Emise částic benzínových nových motorů Instrumentation: particle classifier (EEPS), mini-pems, batteries Rotating disc microdiluter, (15 C, DR 3:1) sampling from the tailpipe -> -> EEPS (5-56 nm, 1 Hz) Vojtisek et al., butanol blends in Euro 6 DISI - emissions ICE 215 Intl. Conference on Engines and Vehicles Capri, Napoli, Italy, September 14, 215 12 215-24-2513
Instantaneous PN emissions along the test route 517 516 515 514 513 E E15 nbu25 ibu25 512 511 51 59 58 57 145 147 149 1411 1413 1415 1417 1419 Vojtisek et al., butanol blends in Euro 6 DISI - emissions ICE 215 Intl. Conference on Engines and Vehicles Capri, Napoli, Italy, September 14, 215 1421 1423 13 215-24-2513
EEPS total PN [#] EEPS based PM mass [g] Emise 2x1 12-1 13 částic na km 6.E+14 5.E+14 4.E+14 3.E+14 2.E+14 1.E+14.E+.2.18.16.14.12.1.8.6.4.2. 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 Gas-1 Gas-2 Gas-3 E15-1 E15-2 nbu-1 nbu-2 ibu-1 ibu-2 Gas-1 Gas-2 Gas-3 E15-1 E15-2 nbu-1 nbu-2 ibu-1 ibu-2 elapsed distance [km] 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 elapsed distance [km] EEPS total PN > 23 nm [#] 5.E+14 4.E+14 3.E+14 2.E+14 1.E+14.E+ Vojtisek et al., butanol blends in Euro 6 DISI - emissions ICE 215 Intl. Conference on Engines and Vehicles Capri, Napoli, Italy, September 14, 215 road speed [km/h] 14 12 1 altitude [m] 8 6 4 2 Gas-2 Gas-3 Gas-1 E15-1 E15-2 nbu-1 nbu-2 ibu-1 ibu-2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 35 325 3 275 25 elapsed distance [km] Gas-2 225 Gas-1 E15-1 2 E15-2 175 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 Gas-1 Gas-2 Gas-3 E15-1 E15-2 nbu-1 nbu-2 ibu-1 ibu-2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 55 elapsed distance [km] 14 215-24-2513
Dnešní technologie umožňuje velmi nízké emise částic. Jak je využívána v ČR? Euro 5, kdesi v Praze (bez DPF) Motor s DPF Nidau, Švýcarsko 15
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 16
Měření emisí autobusů Euro 6 letiště Hradčany any Měření autobusu za provozu projekt MEDETOX Přenosný FTIR analyzátor online měření mnoha plynných látek 17
rychlost [km/h], palivo [dm3/h] Naftový autobus SOR CN12 Euro 6 letiště Hradčany any Měření reaktivních sloučenin dusíku projekt MEDETOX 14 palivo-dle-ecu [dm3/h] palivo-dle-co2 [dm3/h] rychlost [km/h] NO [mg/s] NO2 [mg/s] 12 1 8 6 4 2 3 6 9 12 15 18 21 4 3 2 1 NO, NO2 [mg/s] -1-2 -3 rychlost [km/h], palivo [dm3/h] 14 12 1 8 6 4 2 palivo-dle-ecu [dm3/h] palivo-dle-co2 [dm3/h] rychlost [km/h] NO [mg/s] NO2 [mg/s] 3 6 9 12 15 18 21 2 1 NO [mg/s], NO2 [mg/s] -1-2 -3-4 -5 18
Naftový autobus SOR CN12 Euro 6 letiště Hradčany any Průměrné hodnoty Braunschweig cycle: 195 mg/km NO x. Při 37 litrů na 1 km, 22 g/kwh: 162 mg/kwh (Euro 6: 46 mg/kwh) Limit pro automobily (nafta): 18 mg/km Euro 5, 8 mg/km Euro 6 Průměrné reálné emise automobilu (nafta), Euro 3-5: 1 mg/km Jedno Euro 5 naftové auto = 1 mg/km = pět nových autobusů Ale pět autobusů uveze stovky cestujících!!! 19
Kongesce a pomalá jízda: Ochlazování katalyzátorů Průměrná rychlost (3 s průměr) a emise NOx a PM na kg paliva (12 s průměr).8 g PM/kg paliva odpovídá při 4 t a 32 kg/1 km:.25 g PM/km,.6 g PM/t-km Při jízdě cestovní rychlostí se emise výrazně neliší od limitů Euro 5 i při stáří motoru 19% deklarované minimální životnosti (5 km). Při snížení průměrné rychlosti NOx i PM na kg paliva i spotřeba paliva výrazně narůstají! (např. při.2 g PM/kg paliva, 5 kg/1 km:.1 g PM/km,.25 g PM/t-km) FS-Nox FS-PM1 km/h 3 per. Mov. Avg. (km/h) 1 12 per. Mov. Avg. (FS-PM) 12 per. Mov. Avg. (FS-Nox) Euro 5 equivalents at 25 g/kwh: 2. g/kwh ~ 8 g NOx/kg fuel /.2 g/kwh ~.8 g PM/kg fuel 1 5 fuel-specific NOx and PM emissions [g/kg] 1 1 1.1 road speed [km/h] -5-1 -15.1-2 9:: 1:: 11:: 12:: 13:: 14:: 15:: 16:: 17:: 18:: 2
DieselGate : Detekuje-li motor, že je testován dle požadavků na typové schválení, plní limity pro NOx, zatímco za jiných podmínek ale ve stejných provozních režimech - jsou emise NOx vyšší (? - malá úspora paliva či pořizovací ceny) g NOx (NO+NO2) 3.5 2.5 1.5 16 18 2 22 24 26 28 3 3 2 1 Euro 5 limit 18 mg/km NEDC-cold-NOx NEDC-hot-NOx road speed 12 1 8 6 4 2.5 2 4 6 8 1 12 14 km/h -2 21
DieselGate : Detekuje-li motor, že je testován dle požadavků na typové schválení, plní limity pro NOx, zatímco za jiných podmínek ale ve stejných provozních režimech - jsou emise NOx vyšší (? - malá úspora paliva či pořizovací ceny) NOx [mg/km] 1 1 ECE R83 S vozidlem ježděno vně zkušebny ECE R83 S vozidlem ježděno vně zkušebny Jiný přípravný cyklus 1 Euro 6 limit NEDC cycle 8 mg/km 1 NEDC NEDC 3xEUDC Typové schválení ECE R83: 3xEUDC, ochlazení, NEDC NEDC NEDC NEDC Artemis (entire cycle) 3xEUDC NEDC NEDC NEDC 2xEUDC NEDC WLTP NEDC cold ECE 1 ECE 2 EUDC 1 EUDC 2 EUDC 3 NEDC NEDC-16 22
Širší disparita v NOx emisích: NOx jsou vyšší v jiných provozních režimech než v režimech schvalovacího cyklu g/s NOx (NO+NO2).16.14.12.1.8.6 16 2 24 28 32 36 4 NEDC-cold-NOx NEDC-hot-NOx 12-15-12-15 Series5 road speed Avg. 18 mg/km (Euro 5 limit) 16 14 12 1 8 6 4.4.2 2-2 4 8 12 16 2 24 23
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 5 45 4 PM concentrations Supplemental tests NEDC Run 1 NEDC Run 2 5 45 4 NO emissions - Skoda Fabia turbodiesel NOx Supplemental tests NEDC Run 1 NEDC Run 2 fuel delivery rate [relative] 35 3 25 2 15 fuel delivery rate [relative] 35 3 25 2 15 1 5 PM 1 5 1 2 3 4 5 engine rpm Dlouhý provoz v nízkém zatížení: Zhoršení spalování, vyšší podíl OC v PM, snížení účinnosti katalyzátorů 1 2 3 4 5 engine rpm NOx sníženy EGR (recirkulace výfukových plynů)? 24
Jízda po městm stě Osobní automobil Škoda Octavia, naftový motor, 13 kw 6 CO2 NOx PM*1 rpm km/h NOx [mg/s], PM*1 [mg/s], CO2 [g/s], speed [km/h] 5 4 3 2 1 14:13: 14:15: 14:17: 14:19: 14:21: Velká část celkových emisí krátké epizody s vysokými emisemi 25
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 ] 1-1 acceleration [m/s 2 ] 1-1 -2-3 -4 Real-world freeway ECE 2 (dyno) -2-3 -4 Real-world freeway ECE 1 ECE 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 4 6 8 1 12 14 16 18 road speed [km/h] road speed [km/h] 26
Automobil, r.v. 215, Euro 5, naftový motor s LNT ry c h lo s t [k m /h ] 75 6 45 3 15-15 -3-45 -6-75 Vysoké zatížení vyšší emise NOx i částic 8 7 6 5 4 3 2 1-1 -2 z ry c h le n í [m /s 2 ] N O [p p m ], C H 4 [p p m ] 8 7 6 5 4 3 2 CH4 [ppm] NOx [ppm] N2O [ppm] CO2 [%] regenerace LNT absence regenerace LNT = vyšší NOx 12 15 9 75 6 45 3 C O 2 [% ], N 2 O [p p m ] 1 15 13:4 13:45 13:5 13:55 14: 14:5 14:1 14:15 14:2 14:25 14:3 14:35 14:4 Při dynamičtější jízdě nedocházelo k regeneraci zásobníkového katalyzátoru ( úspora paliva?) a emise NO x byly výrazně vyšší. 27
Výsledky testů ADAC Naftové automobily Cyklus WLTP, NOx 28
Potenciál vznětových=naftových=dieselových motorů v těžkých vozidlech (např. autobusy): Emise částic o 1-3 řády nižší než benzinové motory Emise NOx nižší než naftové automobily Vysoká účinnost a spolehlivost - pokud úspěšně navržen, kompetentně seřízen, pečlivě udržován, a odpovědně provozován. *) *) Designed successfully, calibrated competently, and maintained assiduously. Eastwood, Particulate emissions, 28. Nezakazujte plošně naftový motor, pokud problém není v technologii, ale ve svévolné bezohlednosti výrobců a provozovatelů. 29
Návrhy opatření na razantní a rychlé snížení emisí oxidů dusíku a částic z motorových vozidel A) Zlepšení technického stavu vozidel 1. Dodržování legislativy výrobcem Vyšetření DieselGate, vynucení nápravy či kompenzačních opatření (snížení NOx z jiných zdrojů) 2. Dodržování legislativy provozovatelem Zákaz nezákonných úprav vytloukání filtrů, demontáž katalyzátorů, zásahy do řídící jednotky 3. Fungující systém technické kontroly Účinné pravidelné a namátkové kontroly za účelem nalezení vozidel s vysokými emisemi a jejich následné opravy nebo vyřazení z provozu 3
Návrhy opatření na razantní a rychlé snížení emisí oxidů dusíku a částic z motorových vozidel B) Snížení přetížení dopravní sítě a kongesce Kongesce vede k prudkému zvýšení emisí rizikových látek i skleníkových plynů a doby jízdy, a jejím vznikem klesne skutečný počet vozidel, která sítí projedou. Kritické hodnocení jakýchkoli záměrů vedoucích ke zvýšení intenzivy silniční dopravy - Průmysl s vysokou přidanou hodnotou místo překladišť - Rozvoj ve vnitřním prostoru měst, ne na zelené louce Dodržování cílů již vytyčených v Národní dopravní politice a dalších strategických dokumentech. - Podpora nemotorové a hromadné dopravy - Podpora železniční a vodní nákladní dopravy 31
Návrhy opatření na razantní a rychlé snížení emisí oxidů dusíku a částic z motorových vozidel Opatření která nemusejí mít žádaný přínos Ekologická daň pokud stará vozidla jsou nahrazována novějšími, které však mají v reálném provozu vyšší emise Nízkoemisí zóny pokud vinětu či výjimku dostanou vozidla, která v reálném provozu mají vysoké emise Výstavba obchvatů a dálnic pokud tyto povedou k navýšení intenzity dopravy do té míry, že celkové emise se zvýší, a nikoliv sníží pokud podél těchto bude vznikat nízkohustotní zástavba Zemní plyn a další čistá paliva pokud tyto budou mít v reálu vyšší emise než klasika 32
Poděkování: EU LIFE+ program, projekt LIFE1 ENV/CZ/651 MEDETOX, "Inovativní metody monitorování toxicity výfukových plynů v podmínkách reálného městského provozu" Grantová agentura ČR, projekt 13-1438S BIOTOX, "Mechanismy toxicity pevných částic z biopaliv" MŠMT Národní program udržitelnosti - NPU I (LO), projekt # LO1311 Rozvoj Centra vozidel udržitelné mobility Měření autobusů: Petr Formánek, SOR Libchavy, a Libor Špička, Centrum dopravního výzkumu, projekt TA23831 - Nové metody stanovení emisních faktorů a celkových nákladů za dobu životnosti těžkých vozidel ve smyslu směrnice 29/33/ES o podpoře čistých a energeticky účinných silničních vozidel. 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. (+42) 774 262 854 33