Trojcestný ventil - přívod paliva. Izolované potrubí. Snímač teploty paliva. Filtr nafty. Přídatný výměník - řepk. olej

_____________________________________________________________________________________

Nanoč Nanočástice emitované emitované spalovací spalovacími motory a jejich rizika Michal Vojtíšek, M.Sc., Ph.D. Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka Fakulta Strojní, Technická univerzita v Liberci / Fakulta Strojní, ČVUT v Praze michal.vojtisek(at)tul.cz, michal.vojtisek(at)fs.cvut.cz, tel. (+420) 774 262 854

_____________________________________________________________________________________

Emise ze spalovacích motorů představují průmyslové bezpečnostní riziko pro: - Zaměstnance přímo pracující se stroji (řidiči, obsluha, pracovníci údržby) - Zaměstnance vyskytující se v blízkosti (až stovky metrů) běžících motorů - Obyvatele / uživatele přilehlých budov / oblastí riziko škod způsobených: (a možné odpovědnosti za ně v občansko-právním řízení) - Zaměstnancům (zdraví) - Uživatelům přilehlých budov / oblastí - Na životním prostředí

Progresivní průmyslový podnik 21. století všechna předvídatelná rizika studuje, hodnotí, a aktivně podniká kroky k jejich minimalizaci (předcházení ztrátám a náhradě škod, udržování dobrých vztahů s veřejností, dobrý soused a dobrý správce). Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

Představení edstavení... Co dě děláme... Laboratoř Laboratoř spalovací spalovacích motorů motorů _____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________

Emise ze spalovacích motorů představují průmyslové bezpečnostní riziko pro: - Zaměstnance přímo pracující se stroji (řidiči, obsluha, pracovníci údržby) - Zaměstnance vyskytující se v blízkosti (až stovky metrů) běžících motorů - Obyvatele / uživatele přilehlých budov / oblastí riziko škod způsobených: (a možné odpovědnosti za ně v občansko-právním řízení)

-

Základní a aplikovaný výzkum, vývoj; bakalářské, magisterské, doktorské studium Zkušební stanoviště s dynamometry pro motory do 700 kW / 3000 Nm Válcová vozidlová zkušebna pro lehká vozidla Rozvody vodíku, zemního plynu, LPG, úpravy motorů pro plynná paliva Dvoj- a různopalivové systémy (nafta-plyn, nafta-rostlinné oleje, nafta-alkoholy...) Měření emisí plynných látek a částic Základní výzkum spalování Vývojové a konstrukční práce Snímač tlaku paliva

- Zaměstnancům (zdraví) - Uživatelům přilehlých budov / oblastí

Trojcestný ventil - přívod paliva Izolované potrubí

- Na životním prostředí

Stávající Dopravní Čerpadlo - olej

Snímač teploty paliva

Přídatné čerpadlo - nafta

Téma práce: Filtr nafty

Jaké emise?

Trojcestný ventil - přepad paliva

Co na ně má vliv? Přídatný výměník - řepk. olej

Jaké škody? Co s tím lze dělat?

Vyhřívaný filtr řepkového oleje

Úprava motoru Zetor pro spalování rostlinných olejů


Hlavní hala laboratoře


Představení edstavení... Co dě děláme... Měřen ěřeníí emisí emisí za reá reálné lného provozu _____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________

Nárůst intenzity dopravy způsobuje, že téměř polovina emisí pevných částic pochází z mobilních zdrojů v Praze doprava vyprodukuje 10,8 Gg (mil. tun) částic ročně – to je 14-15x více 0,7-0,8 Gg/rok ze stacionárních zdrojů (dle Praha – Životní prostředí 2009) 6

„Celý den jezdí auty sem a tam, aby ukázal, že ježdění autem je špatné pro životní prostředí.“ (Steve Taylor, New York)

5

4

3

2

silniční nákladní doprava, desítky milionů tunokilometrů prodej motorové nafty, miliony tun registrované automobily, miliony

1

registrované nákladní vozy, statisíce podíl dopravy na celkových emisích PM10, desítky procent 0

(A taky traktorem, kamionem, lokomotivou, bagrem, autobusem, sekačkou, nakladačem, malým letadlem, na motorce, trajektem, ... ) Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

Jan-98

Jan-99

Jan-00

Jan-01

Jan-02

Jan-03

Jan-04

Jan-05

Jan-06

Jan-07

Jan-08

Zdroj data v grafu: Ročenka životního prostředí, MŽP ČR, 2007; Centrální registr motorových vozidel; Ministerstvo dopravy Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

1

Typické velikostní spektrum částic - vznětové motory

_____________________________________________________________________________________

Zachycovací Zachycovací účinnost dýchací dýchacího systé systému _____________________________________________________________________________________

Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 29, No. 5/6, pp. 575-588, 1998 A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, 2008 Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

Zachycovací Zachycovací účinnost dýchací dýchacího systé systému _____________________________________________________________________________________


Zachycovací Zachycovací účinnost dýchací dýchacího systé systému _____________________________________________________________________________________ Lung deposition fraction: ET – extrathoracic TB – tracheobronchial PU – pulmonary Particle mass median diameter: NM – nucleation mode AM – accumulation mode

Muir, R. et al., High-level symposium on nanotechnology safety, Praha, 30.11.2011 Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

Proniká Pronikání velmi jemných částic (des nou membrá desítky nm) nm) buněč buněčnou membránou _____________________________________________________________________________________ 1000 nm Polystyrene Particles

B. Alfoldy et al., Aerosol Science 40 (2009) 652—663. Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

Typické velikostní spektrum částic Zážehové vs. Vznětové motory (USA) _____________________________________________________________________________________

78 nm Polystyrene Particles

Barbara Rothen-Rutishauer, as quoted by A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 29, No. 5/6, pp. 575-588, 1998 Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

2

Koncentrace částic ve výfukových plynech: Zážehové vs. Vznětové motory (USA) _____________________________________________________________________________________

Koncentrace emitovaných částic jsou nejvyšší nejvyšší v př přímé blí blízkosti dopravní dopravních tepen

_____________________________________________________________________________________

Inkrementální PM2.5 koncentrace z těžkých vozidel se vznětovými motory (průjezd ve směru modrých šipek) Kittelson, J. Aerosol Sci. Vol. 29, No. 5/6, pp. 575-588, 1998

Modelová Modelování: Konheim & Ketcham, Ketcham, Brooklyn, New York Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

Prostorové rozložení imisí PM10

(ATEM / Praha – Životní prostředí 2009)

_____________________________________________________________________________________


_____________________________________________________________________________________


Prostorové rozložení zdrojů emisí PM (Český hydrometerologický ústav)

_____________________________________________________________________________________


_____________________________________________________________________________________

Ekvivalentní z hlediska „PM2,5“ - ale ekvivalentní zdravotní riziko?

Jedna anorganická částice o průměru 2000 nm (2 um)

Tisíc částic sazí (element. uhlík) nanočástic o průměru 200 nm ve výfuk. plynech

Milion organických nanočástic o průměru 20 nm

x 1,000

x 1,000,000


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. Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

3

_____________________________________________________________________________________

“Fine particulate matter (PM2,5) is responsible for significant negative impacts on human health. Further, there is as yet no identifiable threshold below which PM2,5 would not pose a risk. As such, this pollutant should not be regulated in the same way as other air pollutants. The approach should aim at a general reduction of concentrations in the urban background to ensure that large sections of the population benefit from improved air quality. However, to ensure a minimum degree of health protection everywhere, that approach should be combined with a limit value, which is to be preceded in a first stage by a target value.” (Směrnice 2008/50/EC, úvodní část)

Zároveň s narůstajícími emisemi z dopravy narůstá výskyt onemocnění (a to nejen dýchacích cest) _____________________________________________________________________________________ 4

50% 45%

3.5

40% 3 35%

?

2.5

30%

2

25% 20%

1.5

15% 1

prodej motorové nafty, miliony tun 10%

Asthma bronchiale, statisíce Pollinosis, statisíce

0.5

5%

Stálá alergická rýma, statisíce podíl dopravy na celkových emisích PM10, % 0 Jan-02

0% Jan-03

Jan-04

Jan-05

Jan-06

Zdroj: Ročenka životního prostředí, MŽP ČR, 2007. Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011


Nádory, novotvary, a kvalita ovzduší _____________________________________________________________________________________

?


Počet hlášených zhoubných nádorů a novotvarů in situ na 100 tis. obyvatel


Zdroj: Praha - Životní prostředí 2009.


?

? ?




Co s tím? ... Osvěta! _____________________________________________________________________________________ (Např.: Nesušit si rukavice výfukovými plyny ze svářecího agregátu)


?


?



4

Co s tím? ... Údržba!

Co s tím? ... Údržba!

_____________________________________________________________________________________ (Malé procento motorů ve špatném stavu = velký podíl na celkových emisích)

_____________________________________________________________________________________ (Malé procento motorů ve špatném stavu = velký podíl na celkových emisích)

Graph: Prof. Donald Stedman, University of Denver, University lecture on vehicle emissions, 1995 Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011


Co s tím? ... Kvalita obsluhy!

Co s tím? ... Kvalita obsluhy!

_____________________________________________________________________________________ Typické provozní režimy autobusového motoru v běžném provozu (International DTA-360 turbodiesel, 145 kW, 6.0 l)

Vliv agresivní jízdy na emise částic - každá bublina znázorňuje hmotnostní emise PM za jednu sekundu jízdy

Studený start

Všechny režimy

točivý moment

Agresivní jízda

točivý moment

Klidná jízda

_____________________________________________________________________________________

0

500

1000

1500 2000 otáčky motoru

2500

3000

Autobus International 3400 145 kW 6,0 l turbodiesel

Agresivní jízda

Normální jízda

(při dodržení bezpečnosti provozu a předpisů)

Termín „kvalita obsluhy“ převzat z přednášky dr. Horáka, VŠB Ostrava, o emisích z lokálních topenišť, Ovzduší 2011

Tato data jsou z autobusu ve státě New York 0

1000

2000

3000

Velmi klidná jízda (bez omezení dopravy pomalou jízdou)

Obsah kruhu je úměrný okamžitým emisím pevných částic, kruh = 1 s jízdy

otáčky motoru Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

Co s tím? ... Čistší paliva! _____________________________________________________________________________________


Co s tím? ... Filtry částic! (účinnost 90 až 99.9%) _____________________________________________________________________________________

Výfuk lokomotivy na stlačený zemní plyn Napa Valley, Kalifornie, USA (ukázkový projekt California Air Resources Board, 2004)

Vstupní strana


Výstupní strana


5

Co s tím? ... Filtry částic!

Co s tím? ... Filtry částic! (Pilotní projekt, World trade center, New York, 2003) _____________________________________________________________________________________

PM e missions [mg/s]

(Pilotní projekt, World trade center, New York, 2003) _____________________________________________________________________________________

Engine-out

10

PM

Tailpipe

1 0.1 0.01 0.001 0:00


0:02

0:04

0:06

0:08

0:10

0:12

0:14

0:16


Co s tím? ... Měřit a limitovat emise tak,

Co s tím? ... Filtry částic!

aby to odpovídalo zdravotnímu riziku _____________________________________________________________________________________

(Běžná stavba, Biel, Švýcarsko, 2011) _____________________________________________________________________________________

Ekvivalentní z hlediska „PM2,5“ - ale ekvivalentní zdravotní riziko?

Jedna anorganická částice o průměru 2000 nm (2 um)


Co s tím? ... Emisní limity které

NOx: Higher loads (lower benefits of EGR), possibly higher rpm

100 throttle position [%]

PM 80

PM: Acceleration from low rpm, full-load

60

operation, onset of any acceleration

40

(also onset of an aborted or short acceleration)

20

NO emissions - Skoda Fabia turbodiesel 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

Supplemental tests

50

NEDC Run 1

45

NEDC Run 2

engine rpm PM concentrations Supplemental tests NEDC Run 1 NEDC Run 2

fuel delivery rate [relative]

40 35 30 25

fuel delivery rate [relative]

40

45

35 30 25 20 15

20

10

15

5

10 5

0

0 0


x 1,000,000

Passenger cars: Identified problematic areas and Recommendations for future scrutiny

50

(Kdesi v ČR. Foto: autor.)

x 1,000

_____________________________________________________________________________________

Euro 5. Pohled do výfukového potrubí tomu neodpovídá.

Milion organických nanočástic o průměru 20 nm


skutečně sníží emise! _____________________________________________________________________________________

Motor tohoto vozu byl homologován podle normy

Tisíc částic sazí (element. uhlík) nanočástic o průměru 200 nm ve výfuk. plynech

1000

2000 3000 engine rpm Vojtíšek:

4000

5000

0

1000

2000

3000

4000

5000

engine rpm Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

6

Dovolíme-li 160 km/h na dálnici,

Co s tím? ... Zamyslet se nad tím, jak

jaké budou emise? _____________________________________________________________________________________ PM

15

Real freeway

Každá bublina reprezentuje okamžité koncentrace emisí (úměrné ploše bubliny) v každé sekundě jízdy. Poloha bubliny udává okamžitou rychlost a zrychlení

ECE 2 (dyno)

acceleration [km/h/s]

10

5

0 Cruise

NO

15

ECE 1

-5

ECE 2

-10 0

20

40

60

80

100

120

140

road speed [km/h]

Měřen ěřeníí emisí emisí – Škoda Octavia

acceleration [km/h/s]

10

160

5180

dopravovat náklad přes město! _____________________________________________________________________________________ Nákladní automobil Iveco Eurocargo (7 t) Teplice - Říčany Dálnice

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

Není to jízda ustálenou rychlostí!

30

km/h

25 0

Průjezd Prahou

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

2.43 km celkem - průměrná rychlost 2.07 km/h

20 15

-5

10 5

-10 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 15:41:00

15:51:00

16:01:00

16:11:00

16:21:00

16:31:00

16:41:00

16:51:00

road speed [km/h]

Vlastní měření autora



Co s tím? ... Zamyslet se nad tím, jak dopravovat náklad přes město! _____________________________________________________________________________________

Effect of prolonged idling on PM emissions _____________________________________________________________________________________ 1999 Freightliner truck, CAT 3406 engine, ~150,000 miles 8-hour extended idling test Idle Aire Technologies, Knoxville, TN, December 17, 2001

Nákladní automobil DAF (40 t) na pražském okruhu • Průměrná rychlost (30 s průměr) a emise NOx a PM na kg paliva (120 s průměr) • 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

17:00:00

-200 18:00:00

Vojtisek-Lom, , CRC On-road vehicle Vojtisek Lomemitované On Vojtíšek: Nanočástice spalovacími motory aemissions jejich rizika – workshop, CZ TPIS, Praha 2002 2.11.2011


Effect of prolonged idling on emissions during subsequent driving

_____________________________________________________________________________________

Co s tím? ... Zamyslet se nad tím, jak dopravovat náklad přes město! _____________________________________________________________________________________ •

Lokomotiva řady 749, ČKD Praha, r.v. 1968

• Class 8 truck idled for 8 hours at high idle, then driven for ~32 miles on an interstate highway

•

Motor: K 6S310 DR, ČKD Praha, r.v. 1968, řadový přeplňovaný šestiválec, zdvihový objem 163,2 litru, výkon 1500 k při 775 ot/min

•

5 vagonů, hmotnost soupravy 290-300 tun (počet a hmotnost cestujících nebyly přesně známy)

• PM emissions were sampled at the turbocharger outlet (engine-out) and at each stack (tailpipe) using three portable, on-board systems

•

Měření provedena při běžném provozu rychlíku na trati Praha - Tanvald

1999 Freightliner truck, CAT 3406 engine, ~150,000 miles 8-hour extended idling test Idle Aire Technologies, Knoxville, TN, December 17, 2001

Vojtisek-Lom, , CRC On-road vehicle Vojtisek Lomemitované On Vojtíšek: Nanočástice spalovacími motory aemissions jejich rizika – workshop, CZ TPIS, Praha 2002 2.11.2011


7

Rozumně využívaný starý motor

Co s tím? ... Věrnější

Emise PM (průměr Praha-Turnov): 1.05 g/km, 0.66 g/kg paliva (spotřeba paliva 185 l/100 km), ~ 0.0035 g/t-km (300 tun), ~ 0.0026 g na “sedadlo-kilometr” (Euro 6: 0.0045 g/km automobil)

100 90 80

700

70

600

60

500

50

400 300

40 30

200

20

100

10

0

0 7:45:00

8:00:00

8:15:00

8:30:00

8:45:00

9:00:00

9:15:00

9:30:00

9:45:00

10:00:00

Lokomotiva ČKD řady 749

2000

NO [ppm] CO 50 [ppm]

1800

45 PM [mg/m3] 40

1600 1400

35

1200

30

1000

25

800

20

600

15

400

10

200

5

0

0

7:00:00

7:15:00

7:30:00

7:45:00

8:00:00

8:15:00

8:30:00

8:45:00

9:00:00

9:15:00

9:30:00

9:45:00

100 80

4

60

3

40

2

20

1

0 14:00:00

15:00:00

Emise za provozu –

3

20

2

10

1

0 16:25:00

16:35:00

16:45:00

16:55:00

Toto je cesta po Praze po místních komunikacích (nikoliv po obchvatu)

17:05:00

17:15:00

0 17:25:00

Jízda ustálenou rychlostí - Takto byla provozována většina motorů v tunelových studiích a při měřeních ze kterých jsou vypočteny mnohé emisní faktory

60

Rychlost [km/h] 6 Emise PM [mg/s]

50

5

40

4

30

3

20

2

10 0 16:48:00

1

16:50:00

16:52:00

16:54:00

16:56:00

0 16:58:00


rychlost [km/h], emise HC a NOx [mg/s]

4

30

19:00:00

0 20:00:00

Škoda Fabia – benzinový motor 1,2 HTP

90

emise PM [mg/s]

40

18:00:00

_____________________________________________________________________________________ 100

emise PM [mg/s]

5

Rychlost [km/h]

Rychlost [km/h]


17:00:00


Škoda Octavia (nafta) _____________________________________________________________________________________ 50

16:00:00

10:00:00


60

5

80

Rychlost [km/h] emise NOx [mg/s] emise HC [mg/s] emise CO [mg/s]

500

400

70

350

60

300

50

250

40

200

30

150

20

100

10 0 17:15:00

50 17:25:00

Toto je výjezd z Prahy a cesta po příměstské arteriální komunikaci

450

17:35:00

Jízda ustálenou rychlostí (řidič se snažil, jinak se takto příliš nejezdí) Toto je cesta po Praze po místních komunikacích (nikoliv po obchvatu)

0 17:55:00

17:45:00

100 90 80

Jízda po městě – 0,7 až 2 litry benzinu za hodinu „vlastní“ spotřeba motoru a příslušenství (jen 1-2 litry na 100 km na „pohon“ vozidla)

Rychlost [km/h] emise NOx [mg/s] emise HC [mg/s] emise CO [mg/s]

500 450 400

70

350

60

300

50

250

40

200

30

150

20

100

10 0 16:25:00

emise CO [mg/s]

7:30:00


Emise za provozu – Škoda Octavia (nafta) Praha a okolí okolí

emise CO [mg/s]

7:15:00

120

rychlost [km/h], emise HC a NOx [mg/s]

7:00:00

exhaust NO [ppm], CO [ppm]

110

800

Rychlost [km/h]

Track speed [km/h]

1000 900

Emisní modely se používají pro odhady současných nebo budoucích emisí z dopravy při plánování staveb apod. Jsou založené zpravidla na měřeních v laboratoři při ustálených rychlostech, což nevyjadřuje (a podhodnocuje) celkové emise...

PM [mg/m3]

generator power [kW]

1100

track speed [km/h]

Power [kW]

emisní modely! _____________________________________________________________________________________

emise PM [mg/s]

lepší než neefektivně využívaný nový? _____________________________________________________________________________________

50 16:35:00

16:45:00

16:55:00

0 17:05:00


Konstrukce přenosné palubní aparatury _____________________________________________________________________________________

(Technická univerzita v Liberci, 2009) _____________________________________________________________________________________

Měření emisí z reálných vozidel, v reálném provozu, se zahrnutím všech „anomálií“, je základem pro účinná opatření pro jejich snižování. Měřit základní sledované látky nestačí. Nejlepší je přímo měřit vliv na zdraví... Projekt Medetox: Sledování toxicity výfukových plynů v podmínkách městského provozu Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011


8

Konstrukce přenosné palubní aparatury

Konstrukce přenosné palubní aparatury

- analytická část _____________________________________________________________________________________

- výpočet emisí _____________________________________________________________________________________

Katal.

Motor

Nefelometr (dopředný rozptyl laserového paprsku) Ochlazení a ohřátí Odstranění vzorku kondenzátu a větších částic

F-FC-P Měřicí ionizační komora

F-FC-P

F-FC-P

NDIR-HC,CO,CO2

chem.cell NO

NDIR-HC,CO,CO2

chem.cell NO

Diagnostické rozhraní

Tok nasávaného vzduchu Tlak, teplota vzduchu Teplota motoru Otáčky motoru Rychlost vozidla

Měřené koncentrace HC, CO, CO2, NO, částice Katal.

Katal.

Před nebo za katalytickým zařízením – není nutný laminární tok ani izokinetický odběr vzorku

Přímé měření

Katal.

Filtrovaný ředicí vzduch 10-12 lpm odběr

ECU

GPS – poloha, výška, rychlost, časový signál

Časový posun pro ηdopr x Mvzd x psani x ω x zdvih. objem kompenzaci odezvy Qvzd = --------------------------------------------(zjištěn experimentálně) RxT sani

F-FC-P F-FC-P

Synchronizace dat Harmonizace intervalu - 1 s

Filtr, regulace průtoku, čerpadlo

1. Výpočet toku výfukových plynů (tok nasávaného vzduchu, složení vzduchu, paliva, emisí) 2. Hmotnostní tok emisí = const. x koncentrace x tok výf. plynů 3. Spotřeba paliva = emise uhlíku (PM, HC, CO, CO2) / podíl uhlíku v palivu Integrace: Emise na test, km, kg paliva Záznam všech dat po 1 s

Odtok vzorku

Motor Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011


Ověření (validace) měření částic (Technická univerzita v Liberci, 2008-2011) _____________________________________________________________________________________

Semikondenzační integrující nefelometr - kalibrován pro měření celkové hmotnosti částic

Měřicí ionizační komora - kalibrována pro měření celkové délky částic [Vojtíšek, Journal of the Air & Waste Management Association, 61, 2011, 126-134]

[Vojtíšek, Society of Automotive Engineers Technical Paper Series, 2001-01-3641 (2001) a 2009-24-0148 (2009)]

porovnání provedeno se spektrometrem/klasifikátorem

porovnání provedeno s měřením gravimetrickou depozicí na filtr

(Engine Exhaust Particulate Sizer, TSI, St. Paul, MN, USA)

10

100 PM emissions by portable system [g/h]

~ 0.01 g/kWh with DPF 1

0.1 Diesel fuel without DPF (R2 = 0.974) Diesel fuel with DPF (R2 = 0.945)

0.01 0.01

10

1

0.1 0.1 1 10 100 PM emissions by standard gravimetric method [g/h]

0.1 1 10 total PM lengt h by EEPS [m/cm3]



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

10000

160

PM [mg/m3]

Riding lawnmower

140

km/h GPS 1000

120 100

100

80 60

10

40

road speed [km /h]

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

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

20 1 12:15:00

0 12:25:00

12:35:00

Měření emisí z malých motorů _____________________________________________________________________________________

12:45:00

12:55:00

TCP 102, Castelgarden, Italy, mfg. in 2001, 4-cycle gasoline Mowing family house lawn PM length is relative units per kg of fuel All other data is in grams per kg of fuel Riding lawnmower 4-cycle

13:05:00 10000

Instantaneous PM emissions

6

4 3 2 1 0 -1 -2

4 3 2 1 0 -1 -2

-3

-3

-4

-4

0

20

40 60 80 100 vehicle speed [km/h]

120

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

5

Fuel consumption acceleration [m/s2]

acceleration [m/s2]

5

140

0

20

40 60 80 100 vehicle speed [km/h]

120

taxiing

taxiing

taxiing

1000

6

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

140


fuel-specific em issions [g / kg fuel] or [ / kg fuel]

Instantaneous fuel consumption

mowing

HC 5

CO

4.5

NOx

4

CO2

3.5

100

3 2.5

10

2 1

1.5 1

0.1

0.5 0.01 9:45:00

0 9:50:00

9:55:00

10:00:00

10:05:00

10:10:00

PM-Opt PM-Ion km/h ground speed [km/h]

ionization chamber [rel. units]

Škoda Fabia, zážehový motor 1,4 MPI _____________________________________________________________________________________

10:15:00


9

Měření emisí z malých motorů

Měření emisí z malých motorů

_____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________

Chainsaws

Chainsaws

Stihl 029 (top) Stihl MS361 (bottom) 2-cycle gasoline

Stihl 029 (top) Stihl MS361 (bottom) 2-cycle gasoline

Cutting firewood (logs) On-board system mounted on accompanying tractor

Cutting firewood (logs) On-board system mounted on accompanying tractor Log #2

idling

Log #3

1000

100

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

Chain saw 2-cycle 10000

4.5

5

HC CO

4.5 NOx CO2 4 PM-Opt 3.5 PM-Ion km/h 3

1000

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

idling

ground speed [km/h]

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

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

Log #1

100

2.5 10

2 1.5

1

1 0.5

0.1 11:27:00


0 11:29:00

11:31:00

11:33:00

ground speed [km/h]

Chain saw 2-cycle 10000

11:35:00


Particle size distribution measurements (Engine Exhaust Particulate Sizer)

Měření emisí z malých motorů _____________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________________

Sampling from the improvised dilution tunnel (dilution ratio 15:1-100:1) Good repeatability for total particle number and volume Additional dilution necessary

Weed-whacker Oleo-Mac 746T 2-cycle gasoline Cutting /clearing an overgrown ditch On-board system mounted on accompanying tractor HC CO NOx CO2 4 PM-Opt 3.5 PM-Ion km/h 3

Weed-whacker 2-cycle 10000

5

100

2.5 10

2 1.5

1

1 0.5

0.1 11:56:00

0 11:58:00

12:00:00

12:02:00

12:04:00

12:06:00

Additional dilution system (max. 10:1) HEPA filter

Mass flow controller 0-10 lpm


particle count [#/cm3]

Particle size distribution Cummins ISBe4 diesel engine 1.0E+05

idle 25% load 50% load full load

1.0E+04

1.0E+03



_____________________________________________________________________________________ 1480 RPM, full load, without EGR

1.0E+08 number of particles - dN/dlogDp [1/cm3]


_____________________________________________________________________________________

EEPS 10 lpm flow

Sample from tunnel

1.0E+07 Diesel fuel (519 Nm)

1.0E+06 Rapeseed oil (476 Nm)

1.0E+05

1.0E+04

1.0E+03 10

1.0E+02

100 equivalent diameter Dp [nm]

1.0E+01 1

10 100 1000 equivalent mobility diameter [nm]


780 RPM, no load, without EGR

1.0E+08 number of particles - dN/dlogDp [1/cm3]

1000

ground speed [km/h]

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

4.5

1.0E+07 Rapeseed oil

1.0E+06

1000 Diesel fuel

1.0E+05

1.0E+04

1.0E+03 10

100

1000

equivalent diameter Dp [nm]


10

_____________________________________________________________________________________

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

Vzorkování částic ve výfukových plynech vysokoobjemovými vzorkovači

_____________________________________________________________________________________

Laboratory main exhaust duct used as an improvised full-flow dilution tunnel

Sampling ports for high-volume samplers for toxicological assays

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 Městský provoz: -- nejvíce technicky náročný z hlediska emisí -- nejvyšší míra expozice (blízkost, počet lidí) Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

High-volume sampling of PM for toxicological assays

_____________________________________________________________________________________

Sampling ports for particulate sizing (EEPS) and for gravimetric measurement Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011

High-volume sampling of PM for toxicological assays

_____________________________________________________________________________________ High-volume Digitel samplers vs. conventional gravimetric measurements: Conventional

High-vol sampler

Sampling rates [l/min]

30-50

500-1000

Filter diameter [mm]

47

150

Mass of PM deposited [ug]

50 - 500

3 000 – 20 000

Filter diameter [mm]

47

150

Filter active area [cm2]

11-13

~ 150

Sampled volume [m3]

~ 0.1 – 0.5

10 - 100

For toxicological assays and advanced chemical characterization, large quantities of PM are needed – about two orders of magnitude more than for gravimetric measurement… usually, full-flow dilution tunnel / CVS system is used.

High-volume samplers (Digitel, normally used for ambient air quality measurements, here adapted for use with diluted diesel exhaust)

Results of these studies have been presented: Vojtíšek et al., Ovzduší 2011 Škrdlíková et al., Ovzduší 2011 Topinka et al., ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, 2011



Shrnutí _____________________________________________________________________________________ Velmi jemné částice emitované spalovacími motory jsou jedním z největších a nejvíce rizikových zdrojů znečištění ovzduší všude, kde se spalovací motory hojně používají. Nanočástice (do 50-100 nm) se usazují v plicích, pronikají buněčnou membránou, a působí na „celý“ organismus; tyto vlivy jsou dlouhodobé a kumulativní; není známa existence „bezpečné“ koncentrace. Progresivní průmyslový podnik 21. století všechna rizika studuje, hodnotí, a aktivně podniká kroky k jejich minimalizaci (předcházení ztrátám a náhradě škod, udržování dobrých vztahů s veřejností, dobrý soused a dobrý správce).

_____________________________________________________________________________________

S rachotivým pozdravem, Vaši spolehliví služebníci, největší zdroj „vyrobených“ nanočástic Já už jich moc nedělám...

Emise lze snižovat vhodnou volbou technologie motorů a paliva (filtry částic, plynná paliva), která musí být vhodně využívána (kvalita údržby, kvalita obsluhy, provozní podmínky), případně náhradou motorů jinými pohony (elektrické manipulační vozíky v uzavřených prostorech). Realizace opatření pro snižování emisí částic vyžadují znalost mnoha oborů

Já jim to o co přišli vynahradím

(spalovací motory, paliva a spalování, fyzika a chemie aerosolů, dopravní inženýrství, ekonomika, životní prostředí a zdraví), rozhodnutí musí být podepřena smysluplnými měřeními a modely; jinak hrozí neúčelné vynaložení nákladů, a rozsáhlé škody na lidském zdraví. Vojtíšek: Nanočástice emitované spalovacími motory a jejich rizika – CZ TPIS, Praha 2.11.2011


11

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

Podě Poděková kování

Příspěvek byl vytvořen částečně v rámci projektu MŠMT 1M0568: "Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka II“, částečně v rámci projektu LIFE10 ENV/CZ/651: MEDETOX ("Innovative Methods of Monitoring of Diesel Engine Exhaust Toxicity in Real Urban Traffic"), financovaného Evropskou komisí v programu LIFE+ a Ministerstvem životního emitované prostředíspalovacími České Republiky, a částečně iniciativy a přispění autorů. Vojtíšek: Nanočástice motory a jejich rizika – zCZosobní TPIS, Praha 2.11.2011

12

Trojcestný ventil - přívod paliva. Izolované potrubí. Snímač teploty paliva. Filtr nafty. Přídatný výměník - řepk. olej

Recommend Documents