lného provozu měření nanočástic ve výfukových plynech a jejich vzorkování pro toxikologické analýzy

Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích

Michal Vojtíšek, M.S., Ph.D. Centrum vozidel udržitelné mobility Fakulta strojní, ČVUT v Praze EU LIFE+ projekt MEDETOX, Technická univerzita v Liberci [email protected] Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice 1 262 854 tel.věd(+420) emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie ČR, 20.2.2014 774

Představení... Co děláme... Měření emisí za reálného provozu … měření nanočástic ve výfukových plynech a jejich vzorkování pro toxikologické analýzy

„Celý den jezdí auty sem a tam, aby ukázali, že ježdění autem je špatné pro životní prostředí.“ (Steve Taylor, New York) (A taky traktorem, kamionem, lokomotivou, bagrem, autobusem, sekačkou, nakladačem, malým letadlem, na motorce, trajektem, ... ) Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

2

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

Rozjezd kamionu na 90 km/h: 0,5 až 1 litr nafty Volnoběh osobního automobilu: 0,5 až 1 litr paliva za hodinu Dříve než motory zavrhnete, zkuste spálit stejné množství uhlí či biomasy uprostřed ulice. Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

3

Současná situace silniční dopravy Automobily nabízí mnoho výhod, ale ... • Emise ze spalovacích motorů, zejména velmi jemné částice, jsou 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, náhrada za kapalná paliva těžká • ČR i EU jsou energeticky závislé na jiných zemích

Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

4

Souhrn současných trendů Nízké emise podmíněny pokročilými technologiemi – velká část emisí = malý počet vozidel / malá část celkové doby jízdy – nefunkčnost (konstrukce, výroba, údržba, sabotáž,...) = vysoké emise – nová paliva a nové technologie = nové druhy znečišťujících látek - tvorba NO2 v oxidačních katalyzátorech - reálné emise NOx u automobilů s naftovými motory: téměř žádné výhody Euro 5 oproti Euro 3 Přílišná intenzita silniční dopravy - nezvládnutý územní rozvoj (výstavba satelitů, skladišť, ...) - přetížení dopravní sítě vyvolá zhroucení toku dopravy a kongesci


5

Částice ve výfukových plynech naftového motoru Zvětšíme-li tyto částice na velikost zrnka máku, částice o průměru 10 mikrometrů (součást PM10) bude velká jako meloun.

Liati A., Dimopoulos P.E., Combustion and Flame 157 (2010) 1658–1670.


6

Částice ve výfukových plynech

A.Mayer, TTM Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

7

Typické velikostní spektrum částic - vznětové motory

Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 29, No. 5/6, pp. 575-588, 1998 Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

8

Zachycovací účinnost dýchacího systému

A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, 2008 Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

9

Pronikání velmi jemných částic (desítky nm) buněčnou membránou 1000 nm Polystyrene Particles

78 nm Polystyrene Particles

Barbara Rothen-Rutishauer, as quoted by A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

10

Prostorové rozložení imisí PM10 (ATEM / Praha – Životní prostředí 2009)

Nejvyšší koncentrace jsou podél hlavních dopravních tahů. Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

11

Poměrné riziko infarktu myokardu v závislosti na vzdálenosti od komunikace s vysokou intenzitou dopravy 3399 pacientů, věk 45-75, Essen, Germany (A. Mayer, TTM, Switzerland)

Risiko OR

3 2.5 2 1.5 1 > 200

100-200

50-100

< 50 m Distanz

0.5 0

Hoffmann 2006


12

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 PM a O3 - 406 tisíc, dopravní nehody - 39 tisíc Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

13

Projekt MEDETOX: EU LIFE+ program, projekt LIFE10 ENV/CZ/651 2011-2016

Ústav experimentální medicíny AV ČR, Technická univerzita v Liberci (+ Michal Vojtíšek FS ČVUT v Praze), Ministerstvo životního prostředí ČR Inovativní metody pro sledování toxicity výfukových emisí ze spalovacích motorů v podmínkách městského provozu Městský provoz: -- nejvíce technicky náročný z hlediska emisí -- nejvyšší míra expozice (blízkost, počet lidí) Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

14

Palubní měřicí zařízení Odezva přibližně úměrná hmotnostní koncentraci částic (představte si laserové ukazovátko namířené do cigaretového kouře)

Nefelometer (rozptyl laserového paprsku) Filtrovaný ředicí vzduch

10-12 dm3/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 100 EUR) – odezva přibližně úměrná celkové délce částic (korelace s celkovým povrchem částic F-FC-P zachycených v plicních sklípcích?) F-FC-P

F-FC-P

NDIR-HC,CO,CO2

chem.cell NO

F-FC-P

NDIR-HC,CO,CO2

chem.cell NO

F-FC-P

Filtr, čerpadlo, regulace průtoku

Motor Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

Vzorek ven 15

Měření emisí plynných látek a částic přenosnou aparaturou Vzorkování částic přenosným proporcionálním vzorkovačem PEMS

“Nízkoprofilová” instalace

Miniaturní ředicí tunel s průtokem části vzorku

Proporcionální vzorkování částic ve výfukových plynech


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

Jízda po dálnici

Fraction of total trip CO

17:29:00

17:28:30

17:28:00

17:27:30

17:27:00

17:26:30

17:26:00

10

17:25:30

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 17:25:00

CO [g/s]

Osobní automobil, benzinový motor, 138 kW 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100 %

9

Fraction of trip time

8

Velká část celkových emisí – krátké epizody s vysokými emisemi

6 5 4 3 2 1


18

19:25

19:15

19:05

18:55

18:45

18:35

18:25

18:15

18:05

17:55

17:45

17:35

17:25

17:15

17:05

0 16:55

CO [g/s]

7

Jízda po městě Osobní automobil Škoda Octavia, naftový motor, 103 kW CO2

NOx

PM*10

rpm

km/h

NOx [mg/s], PM*10 [mg/s], CO2 [g/s], speed [km/h]

60 50 40 30 20 10 0 14:13:00

14:15:00

14:17:00

14:19:00

Velká část celkových emisí – krátké epizody s vysokými emisemi Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

14:21:00

19

Emisní problémy automobilových vznětových motorů v EU Euro 4 Skoda Fabia – vozidlová zkušebna NEDC vs. vyšší výkonové hladiny Nižší zdvihové objemy a turbo: výkon v malých otáčkách zajišťován předávkováním palivem

Emise zhoršeny nízku účinností oxidačního katalyzátoru po delším volnoběhu

Požadavek potřebného přebytku vzduchu je protichůdný požadavku na vysoký výkon

NO emissions - Skoda Fabia turbodiesel

PM concentrations Supplemental tests

50

50

NEDC Run 1

45

Supplemental tests NEDC Run 1

NOx

45

NEDC Run 2

NEDC Run 2

40 fuel delivery rate [relative]

40 fuel delivery rate [relative]

NOx: Použití EGR je protichůdné požadavku vyššího výkonu

35 30 25 20 15 10

30 25 20 15 10

PM

5

35

5 0

0 0

1000

2000 3000 engine rpm

4000

5000

0

Dlouhý provoz v nízkém zatížení: Zhoršení spalování, vyšší podíl OC v PM, snížení účinnosti katalyzátorů

1000

2000 3000 engine rpm

NOx sníženy EGR (recirkulace výfukových plynů)


20

4000

5000

?

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 PM

3

3

2

2

1 0 -1 -2

NO

4

acceleration [m/s 2]

acceleration [m/s 2]

4

1 0 -1 -2

Real-world freeway

-3

ECE 2 (dyno)

-4

Real-world freeway ECE 1

-3

ECE 2 -4

0

20

40

60

80

100

120

road speed [km/h]

140

160

180

0

20

40

60

80

100

120

road speed [km/h]


21

140

160

180

Emisní problémy automobilových zážehových motorů v EU Euro 5 Škoda 1,2 HTP – motorová zkušebna NEDC vs. vyšší výkonové hladiny Vysoké zatížení –

vyšší emise částic Snížení teploty výfukových plynů (ochrana katalyzátoru) přechodem na bohatou směs při vysokých zatíženích

1,2

0,95 1

0,88

0,91 1,02

0,6

1,02

1,02

HC

1,2

0,90

1,03

0,91

394 1

41

0,8

320

0,4

305

370

4


22

rpm

6000

0 5000

Stechiometrický poměr palivo-vzduch

24

34

0,2

0

rpm

6000

5000

4000

3000

2000

0

4000

1,02 1000

30

30

3000

1,02

0,93

1000

0,2

0,6

1,02

342

43

0,4

1,03

427

1763

2000

0,8

BMEP [MPa]

Concentration of THC [ppm] for gasoline

0

BMEP [MPa]

Přebytek Characteristicvzduchu of λ ratio for(λ) gasoline

Škoda Fabia, zážehový motor 1,4 MPI


23

Škoda Fabia, zážehový motor 1,4 MPI PM [ug/s]

10000

120 100

100

80 60

10

40 20

1 12:15:00

0 12:25:00

12:35:00

12:45:00

12:55:00

6

acceleration [m/s2]

3 2 1 0 -1 -2

4 3 2 1 0 -1 -2

-3

-3

-4

-4

20

40 60 80 100 vehicle speed [km/h]

120

140

Okamžitá spotřeba paliva a emise v závislosti na okamžité rychlosti a zrychlení – při vysokých zrychleních jsou emise částic neúměrně vyšší než spotřeba paliva

Area of each mark is proportional to the instantaneous PM emissions in mg/s

5

Fuel consumption

0

13:05:00

Instantaneous PM emissions

Instantaneous fuel consumption

4

road speed [km /h]

1000

5 acceleration [m/s2]

140

km/h GPS

Vysoké zatížení – vyšší emise částic 6

160

PM [mg/m3] PM in raw exhaust [m g/m 3] PM m ass em issions [ug/s]

Jízda po letišti – ustálené rychlosti a akcelerace (pokusná měření)

0

20

40 60 80 100 vehicle speed [km/h]

120

140


24

Měření emisí z malých motorů

Žádné katalyzátory, elektronické řízení...

Chainsaws Stihl 029 (top) Stihl MS361 (bottom) 2-cycle gasoline Cutting firewood (logs) On-board system mounted on accompanying tractor 10000

Log #1

fuel-specific emissions [g / kg fuel] or [ / kg fuel]

idling

idling

Log #2

idling

Log #3

1000

100

HC 5 CO NOx 4.5 CO2 4 PM-Opt 3.5 PM-Ion km/h 3 2.5

10

2 1.5

1

1 0.5

0.1 11:06:00

11:08:00

11:10:00

0 11:14:00

11:12:00


25

ground speed [km/h]

Chain saw 2-cycle

Emise částic z benzinového motoru – alternativní paliva – 14 km okruh – Škoda Felicia 1,3 MPI – E85, n-butanol


26

Měření neregulovaných plynných emisí Ford F-350 – nafta, bionafta, použitý fritovací olej (měření autora na State University of New York, aparatura připravována pro měření v rámci MEDETOX)


27

Měření plynných emisí mobilním spektrometrem FTIR (práce autora na Atmospheric Sciences Research Center, SUNY)

Uložení za jízdy Napájení 12V, celkový v odpruženém rámu příkon za jízdy < 300W IR spektrum

Ovládání za jízdy průmyslovým PC

FTIR spektrometr MIDAC I-series

Regulace vyhřívání

Kyveta 0.3 dm3, 6 m optická délka Vyhřívaná na 191°C

Vzorkovací hadice - 191°C


28

Složení HC a NOx emisí – použitý fritovací olej Nákladní vůz Ford F-350 (Vojtisek-Lom, JRC Transp. and Env. 2007)

Concentration (ppm)

600

US EPA FTP test

US EPA HFET test

500

USO6 test

NO

(vysoká rychlost, agresivní jízda)

NO2 CO

NYCC test

400

(střed města)

300 200 100 0 1

301

601

901

1201

1501

1801

time (s)

2101

Ethylene

25

Concentration (ppm)

Formaldehyde N2O

20

CH4 n-alkanes

15 10 5 0 1

301

601

901

time (s) 1201

1501


1801

29

2101

Emise NO a NO2 – nafta, bionafta, fritovací olej Nákladní vůz Ford F-350 (Vojtisek-Lom, JRC Transp. and Env. 2007) Porovnání emsí - nafta, 100% bio nafta, rostlinný olej

D-1--NO (ppm) Ford F-350 pickup truck, r.v. 1999, Powerstroke V-8 7.3-l turbodiesel s přímým vstřikem D-2--NO (ppm) Měření FTIR spektrometrem MIDAC I-series 700 US EPA Highway LA 92 Fuel Economy 600 koncentrace [ppm vol]

US EPA FTP test

V-1--NO (ppm)

B-1--NO (ppm)

V-2--NO (ppm)

B-2--NO (ppm)

USO6 test

NYCC

US EPA HFET test

USO6


500

NYCC test

400

(střed města)

300 200 100 0 Porovnání emsí - nafta, 100% bio nafta, rostlinný olej

koncentrace [ppm vol]

D-1--NO2 (ppm) Ford F-350 pickup truck, r.v. 1999, Powerstroke V-8 7.3-l turbodiesel s přímým vstřikem D-2--NO2 (ppm) Měření FTIR spektrometrem MIDAC I-series 70 US EPA Highway LA 92 Fuel Economy 60

V-1--NO2 (ppm)

B-1--NO2 (ppm)

V-2--NO2 (ppm)

B-2--NO2 (ppm)

NYCC

50 40 30 20 10 0


30

USO6

Emise alkanů a alkenů – nafta, bionafta, fritovací olej Nákladní vůz Ford F-350 (Vojtisek-Lom, JRC Transp. and Env. 2007)


Porovnání emsí - nafta, 100% bio nafta, rostlinný olej D-1--Hexane (ppm) Ford F-350 pickup truck, r.v. 1999, Powerstroke V-8 7.3-l turbodiesel s přímým vstřikem D-2--Hexane (ppm) Měření FTIR spektrometrem MIDAC I-series 4.5 US EPA Highway LA 92 4 Fuel Economy 3.5

US EPA FTP test

V-1--Hexane (ppm)

B-1--Hexane (ppm)

V-2--Hexane (ppm)

B-2--Hexane (ppm)

US EPA HFET test

3

USO6 test

NYCC

USO6


NYCC test

2.5

(střed města)

2 1.5 1 0.5 0

Porovnání emsí - nafta, 100% bio nafta, rostlinný olej


Ford F-350 pickup truck, r.v. 1999, Powerstroke V-8 7.3-l turbodiesel s přímým vstřikem Měření FTIR spektrometrem MIDAC I-series 14 US EPA Highway LA 92 Fuel Economy 12

D-1--Ethylene (ppm) B-1--Ethylene (ppm) V-2--Ethylene (ppm)

V-1--Ethylene (ppm) D-2--Ethylene (ppm) B-2--Ethylene (ppm)

NYCC

10 8 6 4 2 0 Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

31

USO6

Emise aldehydů a dienů – nafta, bionafta, fritovací olej Nákladní vůz Ford F-350 (Vojtisek-Lom, JRC Transp. and Env. 2007) Poznámka: acetaldehyd, akrylaldehyd a 1,3-butadien pod prahem detekce (cca 1 ppm) Porovnání emsí - nafta, 100% bio nafta, rostlinný olej


D-1--HCHO (ppm) Ford F-350 pickup truck, r.v. 1999, Powerstroke V-8 7.3-l turbodiesel s přímým vstřikem D-2--HCHO (ppm) Měření FTIR spektrometrem MIDAC I-series 25 US EPA Highway LA 92 Fuel Economy 20

US EPA FTP test

V-1--HCHO (ppm)

B-1--HCHO (ppm)

V-2--HCHO (ppm)

B-2--HCHO (ppm)

US EPA HFET test

USO6 test

NYCC

USO6


NYCC test

15

(střed města)

10 5

0

Porovnání emsí - nafta, 100% bio nafta, rostlinný olej


Ford F-350 pickup truck, r.v. 1999, Powerstroke V-8 7.3-l turbodiesel s přímým vstřikem Měření FTIR spektrometrem MIDAC I-series 2.5 US EPA Highway LA 92 2 Fuel Economy

D-1--butadiene (ppm) B-1--butadiene (ppm) V-2--butadiene (ppm)

V-1--butadiene (ppm) D-2--butadiene (ppm) B-2--butadiene (ppm)

NYCC

1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

32

USO6

Vliv biopaliv na BaP TEQ: větší vliv má technologie motoru a provozní podmínky 10 B[a]P TEQ - biofuels [ug/kWh]

Vojtíšek a kol., Atmos. Environ. 2011

1

Rapeseed Oil B-100 all B-100 DPF B-30 all B-30 DPF

0.1

0.01

0.001 0.001

0.01 0.1 1 B[a]P TEQ - diesel fuel [µg/kWh]


33

10

Nákladní automobil Iveco Eurocargo (7 t) (Liberec – Ústí n.L. –) Teplice - Říčany Dálnice

Průjezd Prahou

(Ďáblice – Vysočany – Jižní spojka – Spořilov – D1 – Říčany)

90 26.22 km celkem - průměrná rychlost 7.04 km/h 80 70 60 50 km/h 40 30 20 10 0 14:15:00 14:45:00 15:15:00 15:45:00 16:15:00 16:45:00 17:15:00 17:45:00 18:15:00 18:45:00 19:15:00

30

Není to jízda ustálenou rychlostí!

25

km/h

2.43 km celkem - průměrná rychlost 2.07 km/h

20 15 10 5 0 15:41:00

15:51:00

16:01:00

16:11:00

16:21:00

16:31:00


16:41:00

34

16:51:00

Problém delšího nízkého zatížení motorů těžkých vozidel * Zhoršující se kvalita spalování * Nízké teploty výfukových plynů -> snižující se účinnost oxidačních a redukčních katalyzátorů * Tvorba úsad ve výfukovém potrubí – ty se uvolní později Praktický limit katalyzátorů: 150-250 oC

50

EGT/10[C]

90

45

PM [mg/m3] speed [km/h]

75

40

60

35

45

30

30

25

15

20

0

15

-15

10

-30

5

-45

0 16:00:00

16:15:00

-60 16:45:00

16:30:00


35

speed [km/h]

PM in exhaust [mg/m3] exhaust temp [C] / 10

Vyšší emise částic po následném rozjezdu

Problém delšího nízkého zatížení motorů těžkých vozidel * Zhoršující se kvalita spalování * Nízké teploty výfukových plynů -> snižující se účinnost oxidačních a redukčních katalyzátorů * Tvorba úsad ve výfukovém potrubí – ty se uvolní později

90

Pomalý pojezd

80 Speed [km/h]

70

Praktický limit katalyzátorů: 150-250 oC

speed [km/h] Teplota výfukových plynů

450

EGT [C] na konci výf. potrubí

400 350

60

300

50

250

40

200

30

150

20

100

10 0 9:30:00

50

rychlost 9:45:00

10:00:00

10:15:00

10:30:00


0 10:45:00

36

Exhaust Gas Temperature at tailpipe [C]

„Skákání“ – při rozjezdu kabina se tahače naklápí do strany vlivem reakční síly

Tahač DAF 105 • 2006 DAF, 540 tis. km, s návěsem, 24 t náklad, celkem 40 tun • Motor Paccar, přeplňovaný šestiválec, zdvihový objem 12,9 litru, výkon 410 k, emisní norma Euro 5, se selektivní redukcí NOx („Ad-blue“) • Jízda Mělník – Rudná s několikerým průjezdem po Jižní spojce (Běchovice – Spořilov) • Velmi klidný, rozvážný řidič (prémie za ušetřené palivo – motivace k „eko-jízdě“!)


37

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

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

FS-PM10000

100

km/h 30 per. Mov. Avg. (km/h)

1000

50

120 per. Mov. Avg. (FS-PM) 120 per. Mov. Avg. (FS-Nox)

0 road speed [km/h]

fuel-specific NOx and PM emissions [g/kg]

100

10

-50

1

-100

0.1

-150

0.01 9:00:00

10:00:00

11:00:00

12:00:00

13:00:00

14:00:00

15:00:00

16:00:00


38

17:00:00

-200 18:00:00

Laboratorní simulace pomalého pojezdu (volnoběžné otáčky + 100, 2% zatížení), naftový motor Zetor 600 “Dlouhý volnoběh” > 20 minut 500

Zatížení motoru torque [Nm] Tepl výf plynů EGT [C] 1.E+06

400 300

1.E+05

200 100

1.E+04 14:20:00

14:25:00

14:30:00

“Dlouhý volnoběh” > 20 minut

14:35:00

14:40:00

“Krátký” volnoběh

“Odpal” úsad při 100% zatížení po pomalém pojezdu

“Stabilizované” 100% zatížení („plný plyn“)

EU Tier IIIA engine, 0.10-0.15 g/kWh PM EEPS sampling from CVS with 10:1 additional dilution

particle concentration in CVS [#/cm3]

particle number [#/cm3]

PN Počet částic PN>23 Počet > 23 nm

EGT [C], torque [Nm]

1.E+07

extended idle 1.E+06 burn-off at 100% load 14:45:00 14:50:00

0 14:55:00

stabilized 100% load 1.E+05 short idle extended idle 1.E+04

1.E+03

1.E+02

1.E+01 1

10

100

mobility diameter [nm]


39

1000

Vzorkování spřaženými vysokoobjemovými vzorkovači membránové (Pall TX40) a křemenné (Whatman QMA) filtry EcoTech 3000 Hi-vol vzorkovač

Tok ředicího vzduchu měřen termickým průtokoměrem

Nezávislé měření průtoku a ředicího poměru

Ředěné výfukové plyny 67.8 m3/h

Vstup upraven pro 40 mm trubku

Ředicí vzduch 61 m3/h

PM2.5 hlavice

8”x10” filtr (vzorek) 10-200 mg částic na filtr CO2 koncentrace měřeny ve výfukových plynech a na výstupu HiVolu (ověření ředicího poměru)

8”x10” filtr (ředicí vzduch)

Miniaturní ředicí tunel 10:1 ředění

67.8 m3/h nominální průtok PM2.5 hlavice

Přívod výfukových plynů Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

(pro ředicí vzduch použit nižší průtok, částice jsou stejně filtrovány)

40

Laboratorní simulace pomalého pojezdu (volnoběžné otáčky + 100, 2% zatížení), naftový motor Zetor

BaP cPAH Σ PAH Σ PM

Filtry z borosilikátových vláken / fluorokarbon Pall TX40 30% zatížení (dálnice) krátký volnoběh po zatížení (5 min.) dlouhý volnoběh (od 20. minuty) 100% zatížení 5 min. po 90 min. volnoběhu 100% zatížení stabilizované

ug / kg paliva PM v mg/kg

0.1

1

10

100


1000 41

10000

Laboratorní simulace pomalého pojezdu Porovnání klasická nafta a 100% bionafta (metylester řepkového oleje) • Celková hmotnost částic vyšší při volnoběhu, nižší při 30% a 100% zatížení • Karcinogenní PAU (7 PAU dle US EPA) vyšší při 100% zatížení, nižší při všech ostatních režimech Vlivy pomalého pojezdu: • Celková hmotnost částic – vyšší vliv u bionafty než u ropné nafty • Karcinogenní PAU – nižší vliv u bionafty než u ropné nafty diesel PM mass g/kg fuel B100 PM mass g/kg fuel

idle after full load (5 min)

idle after full load (5 min)

idle > 20 min.

idle > 20 min.

full load after idle (5 min)

full load after idle (5 min)

full load stabilized

full load stabilized

30% load stabilized

30% load stabilized 0.1

1

10

diesel cPAH ng/dm3 B100 cPAH ng/dm3

0.01

0.1


1 42

10

Laboratorní simulace pomalého pojezdu Porovnání klasická nafta a 100% bionafta (metylester řepkového oleje) DNA adukty (nebuněčný test): • Bionafta – zpravidla méně aduktů než ropná nafta • Nejhorší režim – vysoké zatížení po dlouhém velmi nízkém zatížení - menší vliv u bionafty než u ropné nafty

*5 minut 100% zatížení po dlouhém volnoběhu


43

Laboratorní simulace pomalého pojezdu Porovnání klasická nafta a 100% bionafta (metylester řepkového oleje) Cytotoxicita, buňky A549: • Nejhorší režim – vysoké zatížení po dlouhém velmi nízkém zatížení - menší vliv u bionafty než u ropné nafty


44

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


45

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 Předběžný výrok o významu výsledků: Déletrvající kongesce škodí osádkám vozidel i okolním obyvatelům Městský provoz: -- nejvíce technicky náročný z hlediska emisí -- nejvyšší míra expozice (blízkost, počet lidí) Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

46

Spořilov a tranzitní kamionová doprava Jízda do Spořilovského kopce: 1 kamion = 200-300 kW výkon = 500-750 kW tepelný výkon = cca 100 kamen na tuhá paliva Dříve než motory zavrhnete, zkuste spálit stejné množství uhlí či biomasy uprostřed ulice.

Příjezdové trasy tranzitní dopravy

kongesce Spořilov: Jízda do kopce Po pobytu v kongesci


47

Spořilov – nanočástice v ovzduší ~ 104 částic/cm3 klidná část Spořilova ~ 105 #/cm3 podél Spořilovské 105-106+ #/cm3 exponované křižovatky 104-107 #/cm3 vně vozidla (jízda Liberec-výjezd z Prahy po D1)

90-95% jsou nanočástice (do 100 nm) průměr

1000000

0.10% 0.50% 1%

100000 počet částic na cm3

5% 10% medián

10000

HEPA-pozadí

1000

100

10 1

10 100 průměr (dle ekvivalentní mobility) [nm]


48

1000

Souhrn: Problémová souhra faktorů v hustě obydlených místech s vysokou hustotou provozu 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

-> vyšší a/nebo více nebezpečné emise

Částice obsažené ve výfukových plynech spalovacích (nejen naftových) motorů způsobují rakovinu

Doporučení: 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. Nepřetěžovat dopravní síť – zachovat plynulý provoz Vojtíšek: Dopad nových technologií, paliv a rozvoje automobilové dopravy na nanočástice emitované spalovacími motory v městských aglomeracích. Akademie věd ČR, 20.2.2014

49

Doprava a BaP: realita v městských aglomeracích BaP řádově vyšší při Studeném startu (Karavalakis 2010) Reálném provozu (Kristensson 2004) Pomalém pojezdu (Shah 2005) Nízkých teplotách (Ludykar 1999) Absenci katalyzátoru (Ravindra 2007) „předávkování“ motoru palivem (EC 2001)

Literatura viz. souhrnná práce o dopadu parkovišť na BaP, Vojtíšek, Ochrana ovzduší 3/2013

Koncentrace BaP v budkách pro výběrčí mýtného na dálnici: 105-121 ng/m3 327-482 osobních automobilů 61-111 nákladních automobilů / hodina / jízdní pruh (Tsai 2004)


50

Emisní faktory BaP: model MEFA vs. měření ČR+zahraničí M EFA (RS Park Malšovice), 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

Zahr. měření

Karavalakis 2010, automobil, UDC cyklus Kristensson 2004, reálný provoz, smíšený vozový park Gertler 2004, tunel, tezke nakladni vozy Gertler 2004, osobní vozy - benzin Přístup MŽP k Nelson 2008, smíšený vozový park

2008/50/EC: „Dva řády žádná míra“ ???

Ludykar 1999, automobily, -7 C Ludykar 1999, automobily, -22 C

BaP [ug/km]

0.01

0.1

1


10 51

100

1000

Dnešní technologie umožňuje velmi nízké emise částic. V ČR je využívána minimálně.

Euro 5, kdesi v Praze (bez DPF)

Motor s DPF Nidau, Švýcarsko


52

Filtry částic (DPF) fungují, ale ... jsou v EU normou, nebo jsou privilegiem bohatších a pokrokovějších zemí a regionů? Český inzerát na odstranění DPF z dovezených vozidel


53

Problém emisí ze spalovacích motorů 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. 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 3,4,5,…) 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.


54

Foto pro zamyšlení: Útlum automobilové dopravy a podpora pěší a cyklistické dopravy, Manhattan, New York


55

lného provozu měření nanočástic ve výfukových plynech a jejich vzorkování pro toxikologické analýzy

Recommend Documents