No title

Neohlídáme-li si emise z motorů sami, budou motory z měst vykázány???

Doc. 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] tel. (+420) 774 262 854 Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

1

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

Motory patří mezi nejčistší spalovací zařízení. Nemají však komín, ani nejsou daleko za městem. Jsou všude mezi námi uprostřed ulic. Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

2

Přehled problematických látek • Částice + sekundární aerosol • NOx + tvorba troposférického ozonu • Organické látky (HC) • 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 (LNT, SCR) v určitých režimech • CH4 - motory na zemní plyn a bioplyn, LNT Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

3

Částice se měří dle celkové hmotnosti, nově též dle počtu, tj. „na váhu“ a „na kus“. (Není ideální, ale zatím nic jiného není.) – zkuste takto prodá prodávat autodí autodíly, 1 ná nárazní razník vá váží jako ně několik ECU, 1 žárovka jako 1 motor -

Emisní limity v širší perspektivě Euro 6 autobus 1 km jízdy ~ 1 mg částic ~ 1 cigareta Výfuk lokomotivy na zemní plyn (CNG)

Spalování odpadků ~ 500 mg/m3 Christian et al., Atmos. Chem. Phys., 10, 565–584, 2010

Komín lokálního topeniště Limit pro lokální topeniště do 300 kW (201/2012 Sb., příloha 10)

Euro 6 HDV limit: 5 mg/kWh ~ 0,6 mg/m3

125-150 mg/m3 od 1.1.2014 60-75 mg/m3 od 1.1.2018

Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

4

Motory produkují velmi malé částice, ty se bohužel s vysokou účinností zachycují v plicích a pronikají do krevního oběhu... Zachycovací účinnost dýchacího systému (Oberdoerster)

Naftový motor Ronkko a kol, EST 2013

Spořilov, prům ěr 40 lokalit Mean (error bars - st.dev.)

normalized particle number concentration

0.12

Vojtíš ek a kol.,Geometric NanoCon 2014 Vojtíšek mean

0.10

Median 0.08

0.06

0.04

0.02

70 81 93 10 8 12 4 14 3 16 6 19 1 22 1 25 5 29 4 34 0 39 2 45 3 52 3

45 52 60

34 39

22 26 29

17 19

8

9 11 12 14

6

7

0.00 particle electric mobility diameter [nm]


5

Koncentrace částic 10-500 nm ve venkovním ovzduší Líbeznice 15. 5. 2014

15

Ranní špička 15.5.

11

56

25

Kouřící vozidla

114

33 29 16 27 43

9 55 31 29

492 89

21 30 67 30

13

7

2

171

pozadí (pole)

7 35

14.491

Spořilov 26. 3. 2014

14.493

14.495

14.497

14.499

14.501

3

3

východní délka 14.503 14.505


6

Velký podíl na znečištění má malá část vozů s vysokými emisemi

Denver, USA

HC HC [g/mile] [g/mile] 2.5 2.5

(Stedman 1995)

4 5 6 7 8 9 10 10 114 135 146 157 168 199 11 13 14 15 16 19

2.0 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 0.0 0.00 0

15

Ranní špička 15.5.

11

56

29 16 27 43

25

Kouřící vozidla

114

33

CNG autobusy

9 55 31 29

492 89

21 30 67 30

13

(měření autora, Pittsburgh, USA, 1996-99)

7

2

171

3

3

7

14.493

HC HC [g/mile] [g/mile] 2.5 2.5

1

1

2

2

3

3

17 17

18 18

20 20

2.0 2.0 1.5 1.5 1.0 1.0 0.5 0.5 0.0 0.00

35

14.491

5000 10000 15000 20000 25000 30000 5000 10000 15000 20000 25000 30000 test mileage test mileage

14.495

14.497

14.499

14.501

východní délka 14.503 14.505


5000 10000 15000 20000 25000 30000 5000 10000 15000 20000 25000 30000 test mileage test mileage

0

7

Měření u ZŠ Sion, Hr. Králové Nejvyšší koncentrace částic na parkovišti u školy, většina částic z malé části automobilů

parkoviště

vchod do školy

koncentrace částic v tisících na cm3

100

UF-CPC-1s

90

Parkoviště u školy 5s

80

Před vchodem do školy 5s

70 60

maximum: 738 720 částic/cm3

50 40 30 20 10 0 7:38

7:42

7:46

7:50


7:54

7:58

8

8:02

8:06

8:10

Potenciál technologie filtru částic: < 1011 částic / kWh Při 5-10 m3/kWh to odpovídá < 10-20 tisíc částic na cm3. To je méně než podél silnic v ovzduší. 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


9

Filtry částic

Vstupní strana

- účinnost 90 až 99,99%

Výstupní strana


10

Filtr částic

A. Liati, P. Dimopoulos Eggenschwiler / Combustion and Flame 157 (2010) 1658–1670 Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

11

Koncentrace částic ve výfukovém potrubí Nákladní vůz, dieselový motor Euro 6 Říčany – Kostelec nad Černými Lesy, listopad 2015 Koncentrace částic na centimetr krychlový

Jízda_1

30000

Jízda_2

20000

Jizda_4

(data z projektu UFIREG)

3

PM[1/cm ]

Jizda_3

Roční průměrné městské pozadí Praha-Suchdol

25000

15000

10000

5000

0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

Dráha [km] Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

12

24

26

28

•

Oxidy dusíku (NOx)

Vznikají při vysokých teplotách z dusíku ve vzduchu

• Benzinové motory: redukce v třícestném katalyzátoru – přebytek vzduchu: vyšší emise NOx - přebytek paliva: vyšší emise částic

• Naftové motory: – V motoru vzniká NO, NO2 se „vyrábí“ v oxidačním katalyzátoru pro spalování částic (sazí), červenohnědý plyn leptající sliznice – Snížení o desítky % recirkulací (EGR) (vyšší emise částic) – Snížení o desítky % zpožděním vstřiku paliva (vyšší spotřeba a částice) – Zásobníkový katalyzátor (záchyt + pravidelná redukce při provozu bez přebytku vzduchu) (vyšší spotřeba paliva) – Selektivní redukční katalyzátor (SCR): do výfuku dávkován roztok močoviny, ta se rozkládá na amoniak (NH3), NH3 reaguje s NO a NO2, vzniká dusík, účinnost až 99%, nutné přesné řízení!!! Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

13

Nízké emise oxidů dusíku (NOx) jsou reálně dosažitelné Naftový autobus SOR CN12 Euro 6 – letiště Hradčany Měření ČVUT&TUL při testech Centra dopravního výzkumu a TUV SUD

Průměrné hodnoty Braunschweig cycle: 195 mg/km NOx. Při 37 litrů na 100 km, 220 g/kWh: 162 mg/kWh (Euro 6: 460 mg/kWh)

Limit pro automobily (nafta): 180 mg/km Euro 5, 80 mg/km Euro 6

Průměrné reálné emise automobilu (nafta), Euro 3-5: 1000 mg/km

Limit pro automobily (nafta): 180 mg/km Euro 5, 80 mg/km Euro 6 Jedno Euro 5 naftové auto = 1000 mg/km = pět nových autobusů Ale pět autobusů uveze stovky cestujících !!! Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

14

Proč jsou emise v reálném provozu vyšší oproti homologačním testům (typové schválení) • Technická omezení – teplota katalyzátoru, teplota, průtok, složení výfukových plynů • Nežádoucí dopady paliv a technologií • „Neoptimální“ seřízení výrobcem - Level I: Víceemise v režimech nepokrytých cyklem - Level II: Víceemise i v režimech cyklu („DieselGate“)

• „Neoptimální“ seřízení a úpravy uživatelem – palivo navíc zpravidla zvýší výkon i když se úplně nespálí

• Stárnutí a poruchy – Nemusí být pozorovatelné – proto pravidelné technické kontroly Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

15

Kongesce a pomalá jízda: Ochlazování SCR katalyzátorů DAF XF1105, Euro 5, 540 tis. km, 39 tun, Pražský okruh

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

km/h

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

1000 120 per. Mov. Avg. (FS-PM)

50

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

0

NOx

road speed [km/h]

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

100

10

-50

1

-100

částice 0.1

0.01 9:00:00

-150

10:00:00

11:00:00

12:00:00

13:00:00

14:00:00

15:00:00


16:00:00

16

17:00:00

-200 18:00:00

Emisní problémy automobilových vznětových motorů v EU Euro 4 Skoda Fabia – vozidlová zkušebna NEDC vs. vyšší výkonové hladiny

NO emissions - Skoda Fabia turbodiesel

Supplemental tests

50

NEDC Run 1

45

(recirkulace výfukových plynů)

NOx: Použití EGR je protichůdné požadavku vyššího výkonu

50

NEDC Run 2

Supplemental tests NEDC Run 1

NOx

45

NEDC Run 2

40

40 fuel delivery rate [relative]

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

Požadavek potřebného přebytku vzduchu je protichůdný požadavku na vysoký výkon

PM concentrations

fuel delivery rate [relative]

Nižší zdvihové objemy a turbo: výkon v malých otáčkách zajišťován předávkováním palivem

Emise zhoršeny nízku účinností oxidačního katalyzátoru po delším volnoběhu

NOx sníženy EGR

35 30 25 20 15

35 30 25 20 15 10

10

PM

5

5

?

0

0 0

1000

2000 3000 engine rpm

4000

5000

0


1000

2000 3000 engine rpm

17

4000

5000

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

CO2

NOx

PM*10

rpm

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

60

km/h

Velká část celkových emisí – krátké epizody s vysokými emisemi

50 40 30 20 10 0 14:13:00

14:15:00

14:17:00

14:19:00


14:21:00 18

Jízda po dálnici Osobní automobil Škoda Octavia, naftový motor Euro 4, 103 kW Nad 120 km/h se emise částic a NOx prudce zvyšují... protiargument: takto se nejezdí v obydlených oblastech 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

140

160

180

0

20

40

60

80

100

120

road speed [km/h]

road speed [km/h] Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

19

140

160

180

Vysoké zatížení – vyšší emise NOxregenerace i částic LNT

800

CH4 [ppm] NOx [ppm] N2O [ppm] CO2 [%]

NO [ppm], CH4 [ppm]

700 600 500

absence regenerace LNT = vyšší NOx

120 105 90 75

400

60

300

45

200

30

100

15

0 13:40

2

8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2

zrychlení [m/s ]

75 60 45 30 15 0 -15 -30 -45 -60 -75

CO2 [%], N2O [ppm]

rychlost [km/h]

Automobil, r.v. 2015, Euro 5, naftový motor s LNT

0 13:45

13:50

13:55

14:00

14:05

14:10

14:15

14:20

14:25

14:30

14:35

14:40

Při dynamičtější jízdě nedocházelo k regeneraci zásobníkového katalyzátoru („úspora paliva“?) a emise NOx byly výrazně vyšší. Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

20

WLTP - Nov 12, 12:58 v Front left [km/h]

600

120

500

100

400

80

300

60

200

40

100

20

0

200 1 8 7 0

400

600

2 3 7 0

800

2 8 7 0

1000

3 3 7 0

1200

1400

3 8 7 0

1600

4 3 7 0

1800

4 8 7 0

5 3 7

8 00

NO+NO2 (NOx) [ppm]

0

1 60 N O x [ppm] in ra w e xhaus t v Front le ft [k m/h]

7 00

1 40

6 00

1 20

5 00

1 00

4 00

80

3 00

60

2 00

40

1 00

20

0

<- WLTP cyklus Koncentrace NOx ve výfukových plynech

0

0

roll speed [km/h]

NOx raw [ppm]

140

NOx [ppm] in raw exhaust - FTIR

roll speed [km/h]

700

Euro 6 automobil r.v. 2015 (nafta) <- CADC cyklus (Artemis)

0 0

300

600

90 0

12 00

1500

1800

2100

2400

2700

30 00

3 30 0


21

„DieselGate“: Detekuje-li motor, že není testován dle požadavků na typové schválení, upraví se řízení motoru (spalování a/nebo úprava výfukových plynů), s vedlejším důsledkem zvýšení NOx

grams per second

Run 1 2 3 4

NOx 65.31 100.05 65.29 95.31

Grams per cycle HC CO CO2 [kg] 94.30 11.32 5.92 92.49 11.84 6.44 91.88 18.52 6.15 93.74 16.50 6.35

PM 0.256 0.305 0.296 0.314

(Nákladní vozidlo, měřeno autorem v USA před více než 10 lety)

0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00

NOx WVU Run WVU Run WVU Run WVU Run

1

61

121

181

241

301

361

421

481

541


601

661

721

22

781

1 2 3 4

„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]

10000

S vozidlem ježděno vně zkušebny 1000

ECE R83

S vozidlem ježděno vně zkušebny

Jiný přípravný cyklus

ECE R83

100

Euro 6 limit NEDC cycle 80 mg/km

Typové schválení ECE R83: 3xEUDC, ochlazení, NEDC

NE DC NE DC -16 0

EC E 2 EU DC 1 EU DC 2 EU DC 3

EC E1

W LT P NE DC co ld

NE DC

NE DC 2x EU DC

NE DC

NE DC

3x EU DC

(en NED tire C cy cle )

NE DC

Ar tem is

NE DC

NE DC 3x EU DC

NE DC

10

(Opel Zafira 1.6 CDTi, r.v. 2015, Euro 6, měření ČVUT v Praze pro reportáž WHR)


23

„DieselGate“: NEDC s nízkými NOx a s EGR, a opačně (VW Passat, Euro 5, měření ČVUT v Praze pro reportáž BBC) 1 6 0 0

1 8 0 0

2 0 0 0

2 2 0 0

2 4 0 0

2 6 0 0

2 8 0 0

g NOx (NO+NO2)

3.5

120

3

100

NEDC-cold-NOx NEDC-hot-NOx road speed

2.5 2

80 60

1.5

40

1

20 0 km/h

0.5 0

-20 0

NEDC-4WD-hot-NOx

400 NEDC-4WD-cold-NOx

600 NEDC-4WD-cold-CO2

800

1000

NEDC-4WD-hot-CO2

1200

120000

700

100000

600

80000

500

60000

400

40000

300

20000

200

0

100

-20000

0

-40000

100

ppm CO2

ppm NOx (NO+NO2)

800

200

300

500

700

900


1100

24

1300

Odstranění DPF: Krátkozraké řešení

Problém s DPF je zpravidla důsledkem jiných problémů s motorem

???

Typický stavební stroj, Švýcarsko

Vozidlo neplní EU legislativu (jiné než schválené provedení) Dodatečná montáž DPF Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

25

česká „realita“?

Proč je nutná pečlivá údržba a emisní kontroly • Nízkoemisní technologie je složitá, pokud vše nepracuje správně, emise mohou být vysoké !!! • Problémem nejsou ani tak staré motory, jako motory ve špatném stavu. • Automobil - s filtrem: ~ 0.001 g/km i méně částic - bez filtru, seřízený: ~ 0.02-0.1 g/km částic • Automobil kouřící, ve špatném stavu, neseřízený, neodborně přečipovaný: „Hulí jako lokomotiva“ více než ~ 0.5-5 a více g/km • Stará dieselová lokomotiva: 0.4-1.1 g/km částic - ČKD 749 107-9, r.v. 1968, 163 litrů objem Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

26

Proč je nutná pečlivá údržba a emisní kontroly • Cílem emisní legislativy EU je především chránit lidské (tj. naše) zdraví. • Velká část celkových emisí pochází z malé části vozidel. • Cíl technických kontrol: tyto nalézt a opravit. • Je to mnohem levnější než další zpřísňování emisních limitů. • Logika některých (spíše ne technicky orientovaných) voličů a politiků: Vzduch stále špatný? Ještě více zpřísnit emisní limity. Nelze již zpřísnit? Tak (naftové?) motory zakažte! • „Udržitelná mez“ emisí: Pro částice není „bezpečná“ hodnota. Doporučení zdravotníků a limity US EPA poloviční oproti limitům EU. Je mnohem nižší, než současné hodnoty. Můžeme začít tím, že budeme pečlivě udržovat motory, jezdit rozumně, a nepřetěžovat dopravní síť. Vojtíšek: Výfukové emise. DiagCon, Praha, 2.2.2016

27

No title

Recommend Documents