Faktory ovlivňující emise z dopravních prostředků
Motory s téměř nulovými emisemi již existují.
Road Transport & Environment, Brno, 12.6.2007
Emise z motorových vozidel však zůstávají jedním z hlavním zdrojů znečištění ovzduší. Proč tomu tak je? A co s tím můžeme dělat?
Michal Vojtíšek-Lom
Katedra vozidel a motorů, Fakulta strojní, Technická univerzita v Liberci
Spalovací motory jsou dnes jedním z největších zdrojů znečištění ovzduší
Emise ze spalovacích motorů - plyny • Oxid uhelnatý (CO) – jedovatý plyn • Směs uhlovodíků (vyjma metanu) (NMHC) • Oxidy dusíku (NOx)
=
+
- látky podílející se na tvorbě přízemního ozonu a smogu • Metan (CH4) • Oxid uhličitý (CO2) - Skleníkové plyny • Těkavé organické sloučeniny (VOC) odpařené z paliva •
Podíl motorových vozidel na celkových emisích (USA):
(source: Office of Air & Radiation, EPA, www.epa.gov/oar)
• Oxid uhelnatý (CO) • Oxidy dusíku (NOx) • Toxické látky
60-90% 45-50% 35-40%
• Oxid uhličitý
30-35%
Toxické látky, zejména formaldehyd, acetaldehyd, benzen, acrolein, 1,3-butadien, a směs plynných, kapalných a pevných organických látek vznikajících spalováním nafty ve vznětových motorech
Emise ze spalovacích motorů - částice • Černé saze – povětšinou „čistý“ uhlík, částice mají velikost 0.1 až 1 mikrometr, mají složitý fraktální tvar připomínající sněhové vločky, na těchto částicích se nachytávají aerosoly, plyny, pyl, mikroorganismy, atd. • Aerosoly – směs organických látek z nespáleného nebo částečně spáleného paliva a oleje, kyseliny sírové a dusičné a jejich sloučenin, částice mají velikost řádově od 0.005 do 0.1 mikrometru, nejsou proto téměř viditelné • Částice se zachycují a usazují v plicích, vyvolávají onemocnění dýchacích cest, napadají i srdce a mozek
1
Emise lze drasticky snížit lepší technologií motorů
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.
Nízkoemisní vznětové motory Vysokotlaké elektronicky řízené vstřikování paliva Snížení emisí pevných částic řádově o 90% i více
Filtry pevných částic částice se zachytí v keramických pórech, poté se spálí při „regeneraci“, účinnost 90% až více než 99%
Oxidační katalyzátory Snížení emisí organických látek a oxidu uhelnatého
Redukce oxidů dusíku Snižování lepší konstrukcí a řízením motorů Recirkulace výfukových plynů (EGR) Selektivní redukce (SCR) za pomoci roztoku čpavku nebo močoviny, redukce použitím paliva vstříknutého do výfuku
Počet automobilů (osobních i nákladních) na našich silnicích neustále roste
Zavedením kombinace elektronického řízení motoru, zejména bohatosti palivové směsi, účinného katalyzátoru, a bezolovnatého benzínu se snížily emise z nových automobilů s benzínovými motory za posledních 2030 let o 96-99%. Podobný osud čeká vznětové motory.
Proč tedy emise tak výrazně neklesají? Počet ujetých kilometrů narůstá (=více emisí) Nahrazování starších motorů novými trvá desetiletí Emise se s počtem najetých km zvyšují Účinnost katalyzátorů se s najetými km snižuje Poruchou systému se emise mohou zvýšit až 100x Emise při reálném provozu jsou vyšší než v laboratoři Dopravní zácpy, jízda po městě a běh naprázdno zvyšují emise Agresivní styl jízdy zvyšuje emise
Celkové emise = (emise/km) * počet najetých kilometrů Příklad: USA, 1970 – 1996:
Snížení norem pro emise CO g/km: – 96% Snížení průměrných emisí CO g/km: – 69% Nárůst celkového počtu ujetých km: + 121% Snížení celkových emisí CO: – 32%
Zdroj: EPA National Air Quality and Emissions Trends Report, 1996
2
Nepoměrně velký podíl na celkových emisích má na svědomí poměrně malá část vozidel
Emise se s počtem najetých kilometrů zvyšují (a to nestejně, i u jinak stejných motorů)
(největší znečišťovatelé jsou motory ve špatném technickém stavu, méně pak starší vozidla a vozidla s vysokým počtem km)
(Příklad: Data z 20 15-místných minibusů Dodge na pohon na stlačený zemní plyn. Měření prováděna autorem za reálného provozu, 1996-1999. 1 míle = 1,609 km)
HC HC [g/mile] [g/mile] 2.5 2.5
11
22
33
17 17
18 18
HC HC [g/mile] [g/mile] 2.5 2.5
20 20
2.0 2.0
2.0 2.0
1.5 1.5
1.5 1.5
1.0 1.0
1.0 1.0
0.5 0.5
0.5 0.5
0.0 0.0
00
0.0 0.0
5000 5000 10000 10000 15000 15000 20000 20000 25000 25000 30000 30000 test testmileage mileage
0 0
44 11 11
55 13 13
66 14 14
77 15 15
88 16 16
99 19 19
10 10
5000 10000 15000 20000 25000 30000 5000 10000 15000 20000 25000 30000 test mileage test mileage
Graph: Prof. Donald Stedman, University of Denver, University lecture on vehicle emissions, 1995
Výsledky měření autorovy diplomové práce na University of Pittsburgh, USA, 1996-99
Emise v reálném světě jsou vyšší než v laboratoři
Emise moderních motorů za reálného provozu jsou velmi proměnlivé
(Příklad: Emise NOx (g/s) z minibusu Dodge na pohon na stlačený zemní plyn. Měření prováděna autorem za reálného provozu, 1997. 1 mph = 1,609 km/h)
(Příklad: Emise CO (g/km) z minibusu Dodge na pohon na benzín. Měření prováděna autorem za reálného provozu, 2000. 1 míle = 1,609 km)
0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0
Run 1
<<< -------------- Commuter Příměstská route linka ----------------- >>>
speed (mph) engine temp (C)
<----------->
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Run 2
Run 3
Run 4
Run 5
Run 6
Average
100 CO emissions [carats per furlong]
g/s NOx
0.1 0.09 0.08
I/M 240 cyklus I/M 240 (válcová brzda)
van;plně 20 minutes, 3 min. 15-místný(full minibus, obsazený, 20 minutmissing) (Pittsburgh, USA)
>----< break due to analyzer zeroing
10 1 0.1 0.01 0.001
0.0001 0
0.5
1
1.5 2 2.5 3 distance from start [miles]
3.5
4
4.5
time (1 square = 1 minute) Výsledky měření autorovy diplomové práce na University of Pittsburgh, USA, 1996-99
Měřeno autorem. Použito se svolením Isabel Berger, Erie County Dept. of Environmental Planning, New York, USA
Vliv stylu jízdy na emise pevných částic
Nepoměrně velká část emisí vzniká během relativně krátkých úseků
Studený start
(Příklad: Emise HC (g/km) z minibusu Dodge na pohon na benzín. Měření prováděna autorem za reálného provozu, 2000. 1 míle = 1,609 km)
HC emissions [g/mile]
Run 1
Run 2
Run 3
Run 4
Run 5
Run 6
Average
10
Å
Zde řidič prudce zrychloval, aby unikl nabíhající červené.
8 6
Autobus International 3400 145 kW 6,0 l turbodiesel
Agresivní jízda
Normální jízda
(při dodržení bezpečnosti provozu a předpisů)
4 2
Velmi klidná jízda
0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
distance from start [miles] Měřeno autorem. Použito se svolením Isabel Berger, Erie County Dept. of Environmental Planning, New York, USA
(bez omezení dopravy pomalou jízdou)
Obsah kruhu je úměrný okamžitým emisím pevných částic, kruh = 1 s jízdy
Zdroj: Soukromé měření autorem z vlastní iniciativy
3
Účinnost katalyzátorů klesá při volnoběhu, a zůstává snížena do opětovného ohřátí katalyzátoru
Účinnost katalyzátorů klesá při malém zatížení a volnoběhu, a zůstává snížena do opětovného ohřátí katalyzátoru Koncentrace HC ve výfukových plynech během dvou na sebe navazujících I/M 240 cyklů po několikaminutovém běhu naprázdno. Minibus Dodge, r.v. 1996, pohon na zemní plyn. Měřeno autorem.
Approximate idle time before run [minutes]
0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04
V O L N O B Ě H
V O L N O B Ě H
241
0.00 221
20
201
15
181
10
161
5
141
0
0.16
0.02 1
0
121
0.1
81
0.2
101
0.3
Run 1 Run 2
61
0.4
40 35 30 25 20 15 10 5 0 41
0.5
21
0.6
ppm HC
NOx emissions during first 0.25 miles of run [grams]
0.7
PM emissions from Caterpillar engine equipped with diesel particulate trap Tailpipe 0.18 PM [grams per test]
Svislá osa: Emise NOx za prvních 0,4 km jízdy. Vodorovná osa: Doba běhu naprázdno před jízdou. Benzínový minibus Dodge, r.v. 2000, měřeno autorem za reálného provozu
Příklad: Kolový nakladač Caterpillar vybavený filtrem pevných částic. Emise před filtrem: 1,5 až 1,8 gramu na přesun hromady štěrku. Chod naprázdno snižuje účinnost filtru z ~99% na ~90%.
time (s)
Zdroj: Měřeno autorem. Vlevo - Erie County, New York, 2000. Vpravo – University of Pittsburgh, 1997.
Long Test Test Test Test Test Test Test 3-hr. Test idle 1 2 3 4 5 6 7 idle 8 Zdroj: Měřeno autorem, New York, 2003. Použito se svolením Newyorského ministerstva pro životní prostředí.
Co z toho vyplývá pro další snižování emisí
Co z toho vyplývá pro další snižování emisí
Hlavním důvodem snižování emisí je nahrazování starších motorů novými. Ty by měly být co nejčistší.
Selhání vedoucí k zvýšeným emisím je třeba kontrolovat průběžně. Je-li technická prohlídka jednou za dva roky, zjištění selhání trvá v průměru celý rok.
Nízkých emisí se dosahuje použitím katalyzátorů a přesného řízení motoru. To je obtížné při rychle se měnících režimech, nebo při jakémkoli selhání v systému. I při malých odchylkách emise narůstají. U nových motorů je třeba se zaměřit na režimy s vysokými emisemi a na poruchy nebo opotřebení způsobující vysoké emise. Takové motory a režimy je potřeba najít, nejlépe zkoumáním emisí z velkého počtu motorů za reálného provozu.
Emise každého projíždějícího vozidla mohou být měřeny například na dálničních nájezdech, vozy s vysokými emisemi jsou pak pozvány na technickou kontrolu, vozy s nízkými emisemi naopak na technickou kontrolu nemusí. Starší a hodně používané motory lze nahradit novými nebo provést dodatečné úpravy, např. dovybavení katalyzátory.
Ověřit emise u nového motoru při laboratorním měření nestačí. Nové motory by měly dosahovat nízkých emisí po celou dobu své životnosti, za všech provozních podmínek.
Příklad: Náhrada staršího motoru lokomotivy (r.v.1959) moderním nízkoemisním agregátem.
Budoucí emise ovlivní i dostupnost paliv, a omezování růstu intenzity dopravy z jiných důvodů. Nová paliva a nové technologie však s sebou přinesou i nové druhy dopadů na životní prostředí a na zdraví
Foto: Autor. Měření emisí provedeno jako součást Carl Moyer Program (náhrada starých motorů), ve spolupráci s California Air Resources Board. Napa Valley, Kalifornie, USA, 2004.
4
Nejistota budoucí ceny ropy
Světová těžba je blízko svého maxima a bude klesat, poptávka vzrůstá, vzrůstat budou i ceny.
Negativní vlivy motorů a dopravy Emise z výfuků a z odpařeného paliva
Hlavní zdroj toxických plynů, smogu, a přízemního ozonu v obydlených oblastech, jedna z hlavních příčin různých onemocnění, zejména dýchacích cest
Emise skleníkových plynů
Skleníkové plyny způsobují globální klimatické změny
Spotřeba neobnovitelných zdrojů
Cena a dostupnost neobnovitelných zdrojů není zaručena, a může býti problematická
Závislost na dovážených zdrojích energie
Nepřímé náklady (náklady na vojenské akce, ovlivnění balance zahraničního obchodu, ekonomické důsledky)
Graf: Objevy nových nalezišť ropy (levá křivka) klesají. A lze vytěžit jen to co bylo objeveno. Převzato z Ivanhoe, L.F.: World Oil, October 1995, p. 77-87
Čas ztracený čekáním v zácpách, pozemky zabrané pro silnice a parkoviště, hluk, škody způsobené nehodami, a další nepřímé škody
Celková skrytá cena: desítky až stovky Kč na litr paliva
Města pro pěší a ekologická doprava
Nová paliva Plynná paliva – z obnovitelných zdrojů: - metan, dimetyléter, vodík, bioplyny - z fosilních zdrojů – vodík, zemní plyn (CNG, LNG), propan (LPG) Kapalná paliva - metanol, etanol, rostlinné oleje a tuky, bionafta, syntetická paliva z obnovitelných i fosilních zdrojů, směsi nových a klasických paliv (lihobenzín) Elektrická energie Mechanická energie - setrvačníky, stlačené plyny, zkapalněné plyny...
Nové technologie Hybridní pohony
- elektrická nebo mechanická energie, uložená při brždění nebo při nízkých zatíženích, se použije k rozjezdům a při vysokých zatíženích - některá vozidla lze provozovat na krátké vzdálenosti pouze v elektrickém režimu
Zážehové motory spalující chudé směsi Zážehové motory s přímým vstřikem Vícepalivové motory Katalytická redukce NOx
- použitím redukčního činidla (čpavek, močovina) - použitím nespáleného paliva
Filtry pevných částic se samočinnou regenerací (částice se spalují s pomocí NO2 nebo katalyzátorů)
Nové druhy znečištění Tradičně regulované složky – organické plyny, CO, NOx, částice podle hmotnosti
Skleníkové plyny – CO2, metan, oxid dusný
Toxické plyny ze spalovacích motorů – formaldehyd, acetaldehyd, benzen, acrolein, 1,3-butadiene, organické látky (plyny, aerosoly a částice) vznikající spalováním nafty
Dříve nesledované látky – čpavek, NO2, metanol, etanol, kyselina mravenčí, a další o kterých zatím nevíme že jsou problematické
5
Nový pohled na regulované látky NO vs. NO2 – Většina NOx je emitována jako NO, po zředění vzniká v atmosféře nahnědlý NO2. Katalyzátory dokáží však při chudé směsi vytvořit NO2.
Vlastnosti pevných částic – Emise černých sazí, dříve více než 90% částic podle hmotnosti, klesají. Emise nano-částic, převážně složené z kyselin a organických látek, klesají méně, nebo neklesají. Nanočástice mají malý podíl na celkové hmotnosti, ale velký
Jak vy můžete snížit svoje emise? Snížení potřeby pro dopravu – Volba bydlení, pracoviště, školy, atd., tak, aby se snížilo časově zdlouhavé dojíždění - Podpora místní ekonomiky (zamezení nadměrného dovozu zboží zdaleka)
Volba způsobu dopravy – Chůze, jízda na kole, cestování veřejnou dopravou jsou energeticky méně náročné a než jízda automobilem
podíl na dopadu na lidský organismus. Proto je současné měření hmotnosti částic nedostačující.
Jak vy můžete snížit svoje emise?
Příklad: Jak jsem jezdil já, 2000-2005 30-100% metylestery sojového a hořčičného oleje, 6,5 l / 100 km
Jezdíte-li autem, pak... - Volba podle paliva a jeho spotřeby je při koupi nového vozu na vás – výrobci budou prodávat to, o co je zájem - Většinu stávajících vznětových motorů lze provozovat na bionaftu - Pravidelná údržba snižuje emise i spotřebu paliva - Plánováním cest a společným cestováním lze snížit počet najetých km - Cestováním mimo špičku se sníží emise a ušetří palivo a čas - Jemný styl jízdy snižuje emise a spotřebu paliva, zvyšuje životnost vozu i Vaši bezpečnost
Poděkování Ke zpracování příspěvku byly použity materiály z autorových měření, prací, a přednášek pro širší veřejnost z let 1996-2006. Část příspěvku byla zpracována v rámci projektu Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR č.1M68407700002 – Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka II.
6
Factors affecting motor vehicle emissions (An overview)
Road Transport & Environment, Brno, Czech Republic, 12.6.2007
Michal Vojtíšek-Lom
Department of Vehicles and Engines, Technical University of Liberec Liberec, Czech Republic
Despite our efforts towards sustainable transportation…
… with detrimental effects on our air quality …
+
Near zero-emissions engine technology is here, today. Yet motor vehicle emissions remain one of the key sources of air pollution, with major impacts on our environment and on our health. Why? And what can we do about it?
… we still heavily rely on automobiles with internal combustion engines …
… and detrimental effects on our health.
=
1
Particulate matter emissions • Black soot – elemental carbon – particles have a typical aerodynamic diameter of 0.1 až 1 micrometers. They have a complex, fractal shape resembling a snowflake, and a large surface area, onto which aerosols, pollen, microorganisms, and other polluting material can be deposited. • Aerosols – a mixture of organic compounds from unburned or partially burned fuel and lubricating oil, sulfuric and nitric acid and their compounds. Also called nanoparticles, their size ranges from 5 to 100 nanometers (0.005 to 0.1 micrometers). • When inhaled, nanoparticles penetrate deep into the lungs, where they are deposited, causing chronic respiratory ailments, but also affecting nervous and circulatory systems.
Each year from vehicles (USA):
Gaseous pollutants of interest Regulated pollutants – organics (VOC, NMHC, NMOG), CO and NOx Greenhouse gases – CO2, methane, nitrous oxide Mobile source air toxics (MSAT) – formaldehyde, acetaldehyde, benzene, acrolein, 1,3-butadiene, diesel organics (gases+particulates) New pollutants due to new technologies and fuels – ammonia, NO2, methanol, ethanol, formaldehyde, formic acid, and some that we don’t know about yet
Current transportation problems
(source: Office of Air & Radiation, EPA, www.epa.gov/oar)
Pollutant
share
billion lbs./yr.
• • • •
60-90% 45-50% 39% 30-35%
120-180 10 3.43 2600
Carbon monoxide (CO) Nitrogen oxides (NOx) Toxic air pollutants Carbon dioxide
A train carries 10-20 million pounds of coal The weight of all air sitting on 1 sq mi is 57 billion pounds
• Exhaust emissions and fuel spills The leading source of toxic air pollutants, smog, ground level ozone, loss of visibility
• Greenhouse gas emissions • Depletion of non-renewable resources • Military and economic costs of petroleum imports • Congestion, land use, noise, other externalities
TOTAL HIDDEN COSTS (1997): $378-$730 billion / year = $5-10 / gallon
(This number is gradually increasing as economic values are assigned to damages)
Petroleum availability predictions
Emission reduction accomplishments through better technology Gasoline engines, USA, 70’s-90’s Reduction of new car emissions by 96-99% •unleaded gasoline •closed-loop computer controlled fuel injection •three-way catalytic converter •low-sulphur diesel •inspection/maintenance programs
Similar dramatic reductions are being implemented for diesel engines (1980’s-2010’s) Source: Ivanhoe, L.F.: World Oil, October 1995, p. 77-87
2
Decrease in total emissions vs. increase in vehicle use
So why are total emissions not decreasing so dramatically?
Example: USA, 1970 – 1996, CO emissions: Emissions standards decreased by 96% Average emissions (g/mile) have decreased by 69% Vehicle miles traveled have increased by 121% Total CO emissions have decreased by 32%
Total vehicle-miles traveled increase Fleet turnover (replacement of old engines with new ones) takes decades Emissions deteriorate over engine useful life Catalyst efficiency decreases with aging Malfunctions can increase emissions up to 100x Emissions are higher in the real world than in the laboratory Driving in congested city traffic and idling increase emissions Aggressive driving style increases emissions
Source: EPA National Air Quality and Emissions Trends Report, 1996
To evaluate the benefits of various vehicle emissions reduction strategies,
life-cycle emissions of each option need to be quantified. This is difficult.
Otherwise identical vehicles exhibit different emissions characteristics...
...and different emissions deterioration rates. (fleet of 20 1996 Dodge Ram CNG vans; each point represents a 4-mile test run)
(fleet of 20 1996 Dodge Ram CNG vans; each point represents a 4-mile test run) 1.40 Van 1 Van 11 Van 20
CO (grams/mile)
1.20 1.00 0.80
HC HC [g/mile] [g/mile] 2.5 2.5
11
22
33
17 17
18 18
20 20
HC HC [g/mile] [g/mile] 2.5 2.5
2.0 2.0
2.0 2.0
1.5 1.5
1.5 1.5
1.0 1.0
1.0 1.0
0.5 0.5
0.5 0.5
44 11 11
55 13 13
66 14 14
77 15 15
88 16 16
99 19 19
10 10
0.60 0.40 0.20
0.0 0.0
0.00 0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
0.0 0.0 0 0
5000 10000 15000 20000 25000 30000 5000 10000 15000 20000 25000 30000 test mileage test mileage
0 0
5000 10000 15000 20000 25000 30000 5000 10000 15000 20000 25000 30000 test mileage test mileage
1.20
NOx (grams/mile) Data collected by author as part of M.S. thesis work, University of Pittsburgh, 1996-99
Data collected by author as part of M.S. thesis work, University of Pittsburgh, 1996-99
3
Large portion of total emissions is produced by small fraction of vehicles
Emissions during driving cycles do not necessarily correspond to emissions on the road
g/s NOx
(typically malfunctioning vehicles, to some extent also older and high mileage vehicles)
0.1 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0
speed (mph) engine temp (C)
<-----------> I/M 240
Run 4
Run 5
... with short high emissions episodes accounting for a significant part of total emissions.
Run 6
(HC, 1999 Dodge Ram gasoline van; six runs along the same route)
Average
Run 1
HC emissions [g/mile]
CO emissions [carats per furlong]
100 10 1 0.1 0.01 0.001
0.0001 0
0.5
1
1.5 2 2.5 3 distance from start [miles]
>----< break due to analyzer zeroing
time (1 square = 1 minute)
Emissions vary with operating conditions...
Run 3
(full van; 20 minutes, 3 min. missing)
Data collected by author as part of M.S. thesis work, University of Pittsburgh, 1996-99
(CO, 1999 Dodge Ram gasoline van; six runs along the same route)
Run 2
<<< -------------- Commuter route ----------------- >>>
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Graph: Prof. Donald Stedman, University of Denver, University lecture on vehicle emissions, 1995
Run 1
Real-world
Cycle
3.5
4
4.5
Data collected by author. Courtesy of Isabel Berger, Erie County Dept. of Environmental Planning, New York
Individual driving habits also tend to have influence on emissions.
Run 2
Run 3
Run 5
Run 6
Average
Å Here the driver accelerated wildly to beat a red light.
8 6 4 2 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
distance from start [miles]
Data collected by author. Courtesy of Isabel Berger, Erie County Dept. of Environmental Planning, New York
Effect of driving style on particulate matter emissions 1991 International school bus 195-hp DTA-360 turbodiesel Area of bubble proportional to emissions Each point = 1 second of driving
(1999 Dodge Ram gasoline van; eight runs along the same route)
CO (grams per segment)
Run 4
10
30 25
Aggressive driving
Normal driving
20 15 10 5 0 Joe 10/6
Joe 10/6
Joe 10/6
Joe 10/6
Doug 11/7
Doug 11/7
Michal Michal 11/8 11/8
2001-01-3641
Data collected by author. Courtesy of Isabel Berger, Erie County Dept. of Environmental Planning, New York
Zenmaster driving
Source: Author data, personal research
4
Efficiency of catalytic converters can decrease during idling and can remain decreased for a period of time after idling NOx emissions during the first 0.25mile segment of a 4.2-mile run. 2000 Dodge RAM-2500 gasoline powered van
Efficiency of catalytic converters can decrease during idling and can remain decreased for a period of time after idling Example: Caterpillar engine in a front end loader Note: the same engine without particulate trap produced 1.5 to 1.8 grams of PM per test
Concentrations of HC during two consecutive I/M 240 tests, following approx. 30 minutes of idle, on a 1996 CNG Dodge 2500 van.
PM emissions from Caterpillar engine equipped with diesel particulate trap Tailpipe 0.18
Approximate idle time before run [minutes]
241
221
201
20
181
15
161
10
141
5
81
0
0.14 0.12 0.10 0.08 0.06
I D L I N G
I D L I N G
0.04 0.02
1
0
121
0.1
61
0.2
101
0.3
Run 1 Run 2
41
0.4
40 35 30 25 20 15 10 5 0 21
0.5
ppm HC
NOx emissions during first 0.25 miles of run [grams]
0.6
PM [grams per test]
0.16 0.7
time (s)
Source: Data collected by author. Left – courtesy of Erie County, NY. Right – University of Pittsburgh, 1997.
What can we do?
0.00 Long Test Test Test Test Test Test Test 3-hr. Test idle 1 2 3 4 5 6 7 idle 8
Source: Data collected and presented by author. Data courtesy of NYS DEC.
What can we do? Vehicle emissions, along with other transportation issues, are a complex problem. There are many solutions. No solution along will solve the problem. And different situations will require different solutions.
Solution #1: Less transportation
Land use planning
- Better land use planning or personal choices of residence resulting in less automobile use - “Buy local” – reliance on local economy resulting in less freight traffic - Less fuel, less emissions, less congestion, less land taken up
5
More efficient transportation methods
Solution #2: More efficient transportation methods - Mass transit - Carpools, vanpools, sharing rides - Combining multiple trips - Optimizing delivery and passenger bus routes
More efficient transportation methods
Solution #3: Improved transportation technology - Smaller, lighter vehicles - Hybrid-electric propulsion - Low-emissions technology - Alternative fuels / alternative propulsion
Emerging technologies (examples)
Emerging transportation fuels Natural gas (CNG, LNG) Biogas (landfill gas, sewage gas, digestor gas)
¾
Electronically controlled high-pressure injection in
compression ignition engines
Hydrogen
¾
Lean-burn, direct injection spark ignition engines
Alcohols (methanol, ethanol)
¾
Flexible-fuel / multi-fuel engines
Dimethyl ether (DME)
¾
NOx absorbers
Synthetic gasoline / diesel
¾
Catalytic reduction of NOx
Biodiesel (esters of fatty acids)
¾
using hydrocarbons (fuel)
Vegetable oils
¾
using reducing agent (urea, ammonia)
Electrical and mechanical hybrids
¾
Particulate traps utilizing NO2 to burn particles
Electrical and mechanical propulsion systems
¾
Fuel-based catalysts
6
Solution #4: Optimal use of existing vehicles - Bulk of emissions come from a very small portion of vehicles in poor condition = keep vehicles well maintained - On most vehicles, emissions skyrocket during aggressive driving = drive peacefully - Idling of engines is detrimental to emissions = avoid congested city traffic, don’t idle Most diesel engines can be operated on biodiesel Older engines can be replaced / retrofitted
Retrofit of a 1959 Alco locomotive engine with a modern, lowemissions natural gas fueled EMD engine
Author’s pickup truck, a well-maintained 1981 Datsun, operated on 30-100% methylester of soy and yellow mustard oils. 36 miles per gallon, ~30-50 g/km CO2, reduced HC, CO and PM emissions
Photo: Author. Carl Moyer program, California Air Resources Board. Napa Valley, California, 2004.
In summary… Vehicle emissions are one of the key sources of air pollution and of greenhouse gases. They have a significant, detrimental effect on our environment and especially on our health. • Emissions can be dramatically reduced by known technologies. Malfunctions, engine and catalyst deterioration, less than optimal engine control during certain operating conditions, and slow fleet turnaround are some of the limiting factors. Large portion of emissions come from disproportionally small number of vehicles, and large of portion of a vehicle’s emissions can come from a disproportionately short high emission episodes. • Sharp increase in vehicle miles traveled, larger, heavier and more powerful vehicles, and aggressive driving are countering emissions reduction efforts. • New fuels and new technologies are likely to bring new challenges. • Reducing vehicle miles traveled and replacement of petroleum by renewable fuels will reduce emissions of both classical pollutants and greenhouse gases, as well as dependency on imported resources.
Acknowledgments
•
This presentation is compiled from author’s own work, measurements, presentations, and lectures to general public during 1996-2006. Portion of this presentation has been prepared under the auspices of the Josef Božek II. Internal Combustion Engine and Automobile Research Center, funded by the Czech Ministry of Education, project no. 1M68407700002.
7
