VÝFUKOVÉ EMISE ZE SILNIČNÍCH VOZIDEL PŘI NARUŠENÉ PLYNULOSTI TOKU DOPRAVY
Souhrn Výfukové emise ze spalovacích motorů jsou jedním z nějvětších zdrojů znečištění ovzduší v městských aglomeracích. Za zvláště škodlivé lze považovat velmi jemné částice o velikostech jednotek až desítek nanometrů, které pronikají hluboko do plic a dále do krevního oběhu, obsahují škodlivé organické látky a jsou emitované v bezprostřední blízkosti lidí. Při narušení plynulosti silniční dopravy a vzniku kongescí se emise zejména velmi jemných částic nadále zhoršují vlivem (a) neúčelného provozu motoru na volnoběh, (b) ochlazování vnitřních povrchů spalovacího prostoru a tím zhoršení spalování při nízkých zatíženích, (c) tvorby částic ve výfukovém potrubí a v bezprostřední blízkosti vozidla vlivem nukleace a kondenzace těkavých organických látek, (d) ochlazování a tím snižování účinnosti katalytických zařízení pro dodatečnou úpravu výfukových plynů, a (e) značných dynamických změn v otáčkách a zatížení motoru. Tato práce popisuje výfukové emise několika osobních a nákladních automobilů, které byly měřeny přenosnou palubní aparaturou pro měření výfukových emisí během skutečné jízdy těchto vozidel v Praze a okolí při různé intenzitě provozu, od dopravní kongesce po plynulý provoz. Úvod Doprava v městských aglomeracích je zajišťována převážně vozidly poháněnými pístovými spalovacími motory. Třetina až polovina lehkých vozidel a prakticky veškerá těžká vozidla využívají motory vznětové. Vznětové motory jsou též hojně využívány ve stavebních a dalších pojízdných strojích, lodích a na některých tratích i ve drážních vozidlech. V roce 2008 se v ČR spotřebovalo 4 Tg motorové nafty a 2 Tg benzinu [1], přičemž intenzita silniční dopravy se v ČR zdvojnásobila během 15 let [3], a to i přes rostoucí a nestálé ceny ropy. Nemalý podíl na tomto nárůstu má současná politika výstavby mimo stávající zastavěné oblasti, rozpínání městských aglomerací a rozšiřování silniční sítě [4-6]. Spalovací motory emitují částice o velikosti převážně jednotek až stovek nm, přičemž nejvyšší početní zastoupení mají částice o ekvivalentním průměru vyšších desítek nm [7]. Tyto částice jsou vypouštěny nikoliv z vysokých komínů mimo obydlené oblasti, nýbrž v bezprostřední blízkosti lidí: osádek vozidel, cyklistů, chodců, obyvatel a návštěvníků přilehlých oblastí. Proti takto malým částicím organismus nemá účinné obranné mechanismy - jsou jen obtížně zachycovány v nose a pronikají hluboko do plic, kde jsou z velké části zachyceny. Částice o velikosti jednotek až desítek nm též mohou pronikat buněčnou membránou do krevního oběhu [8-11]. Tyto částice obsahují složitou směs organických látek, z nichž mnohé jsou zdraví škodlivé. Například polyaromatické uhlovodíky mohou negativně ovlivňovat porodní hmotnost, genotyp, dýchací funkce, neuropsychologické funkce a nemocnost obecně [12]. U lidí žijících v blízkosti frekventovaných komunikací bylo zjištěno (mimo jiné) vyšší riziko například astma [11] a infarktu [8]. Splnění stále se zpřísňujících emisních limitů pro nové motory [13-15] je závislé na pečlivé optimalizaci a správné funkci mnohdy elektronicky řízeného celku motor-katalyzátor, kde odchylky od optimálního stavu mohou způsobit výrazný nárůst emisí (podrobnější rozbor v [16]).
Výraznými odchylkami od optimálního stavu jsou zpravidla dlouhodobý provoz motoru při nízkých zatíženích a prudké změny v otáčkách a zatíženích motoru. Při delším volnoběhu může dojít k ochlazení katalytických zařízení a tím ke snížení jejich účinnosti, a to zejména u vznětových motorů. Při prudkých rozjezdech pak u mnohých motorů dochází k "předávkování" palivem za účelem krátkodobého navýšení výkonu a tím i rychlého rozjezdu. Cílem této práce bylo experimentální zjišťování vlivu pomalé jízdy v hustém městském provozu v Praze na okamžité emise výfukových plynů. Měření
Měření byla provedena na zapůjčených nákladních a osobních automobilech vozidlech (detaily vozidel v sekci výsledky) v takovém stavu, v jakém byla obdržena. Výsledky
Katal. Katal.
ECU
Přímé měření
Diagnostické rozhraní
Tok nasávaného vzduchu Tlak, teplota vzduchu Teplota motoru Otáčky motoru Rychlost vozidla
Měřené koncentrace HC, CO, CO2, NO, částice
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
Synchronizace dat Harmonizace intervalu - 1 s 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
Katal.
Obr. 1: Celkové schéma palubní přenosné měřicí aparatury.
Filtrovaný ředicí vzduch Nefelometr (dopředný rozptyl laserového paprsku)
10-12 lpm odběr
Katal.
Pro měření emisí částic byla použita přenosná měřicí aparatura vyvinutá prvním autorem a detailně popsaná v [16,17]. Tato aparatura odebírá vzorek výfukových plynů a měří koncentrace HC, CO a CO2 infračervenými spektrome-try (VMK Praha), NOx elektrochemickými články (VMK Praha), a částice metodou rozptylu laserového paprsku (popis v [16]) a měřicí ionizační komorou (vlastní výroba popsaná v [18]). Tok výfukových plynů je vypočten z konstrukčních parametrů motoru, měřených otáček motoru, a teploty a tlaku v sacím potrubí [16,17]. Aparatura byla umístěna v kabině vozidla a napájena nezávislým zdrojem elektrické energie nebo z elektrického systému vozidla.
Motor
Před nebo za katalytickým zařízením – není nutný laminární tok ani izokinetický odběr vzorku
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
F-FC-P
NDIR-HC,CO,CO2
chem.cell NO
F-FC-P
Filtr, regulace průtoku, čerpadlo
Motor
Obr. 2: Schéma měření koncentrací škodlivin.
Výsledky zde představené jsou typickou ukázkou provozních měření. Na obr. 3 jsou vyneseny koncentrace částic ve výfukových plynech osobního automobilu Škoda Octavia (r.v. 2003, vznětový motor 1,9 TDI 66 kW, Euro 3). Měření byla provedena při jízdě z areálu Technické univerzity v Liberci do areálu ČVUT v Praze-Dejvicích během denních hodin za běžného
provozu. Na pravém grafu jsou vyneseny průběhy rychlosti (dle řídící jednotky, skutečná rychlost byla nižší) a koncentrací částic, které jsou výrazně vyšší při akceleracích při jízdě městem. Na levém grafu jsou okamžité emise částic v každé sekundě jízdy v závislosti na otáčkách (vodorovná osa) a zatížení motoru (svislá osa). Zde je patrné, že nejvyšších koncentrací bylo dosaženo při akceleracích na plný výkon z malých otáček. Na horních grafech je "vzorná" jízda učitele autoškoly, na dolním pak "obecná" jízda automechanika. Na obr. 4 jsou vyneseny průběhy rychlostí nákladního automobilu Iveco Euro Cargo při průjezdu Prahou při velmi husté, leč nikoliv neobvyklé dopravní kongesci. Zdaleka se nejedná o ustálenou jízdu malou průměrnou rychlostí, zpravidla uvažovanou ve výpočtových modelech, ale o sérii rozjezdů z klidu na rychlosti výrazně vyšší než je průměr. Na obr. 5 jsou vyneseny rychlosti jízdy (horní graf) a emise NOx a PM přepočtené na kg paliva (střední a dolní graf) u nákladního tahače DAF se vznětovým motorem Paccar (r.v. 2006, norma EURO V, motor vybaven oxidačním katalyzátorem a katalyzátorem pro selektivní redukci NOx, najeto přes 520 tis. km, hmotnost soupravy 40 t) při pojíždění po pražském okruhu při plynulém provozu i obvyklé kongesci. Tenkou čarou jsou znázorněny okamžité hodnoty a tlustou čarou průměr za posledních 30 s (rychlost) nebo 120 s (NOx a PM). Je zřejmé, že při zpomalení rychlosti jízdy vlivem kongesce kolem 11:20 a dále mezi 16:10 a 17:30 dochází k navýšení emisí NOx a PM na kg paliva a pravděpodobně k výraznějšímu nárůstu emisí na km. Trasa z TU Liberec do ČVUT Praha via centrum – řídil instruktor autoškoly
rychlost [km/h]
throttle position [%]
PM
80 60 40 20 0 0
1000
2000 engine rpm
3000
4000
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 10:00:00
30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 11:45:00
VAG_km/h PM [mg/m3]
10:15:00
10:30:00
10:45:00
11:00:00
11:15:00
11:30:00
PM [mg/m3]
100
Nejvyšší koncentrace: počátek
80
PM
rychlost [km/h]
throttle position [%]
100
60
40
20
0 0
1000
2000 3000 engine rpm
4000
5000
150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 17:45:00
30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
VAG_km/h PM [mg/m3]
18:00:00
18:15:00
18:30:00
18:45:00
19:00:00
19:15:00
19:30:00
Obr. 3: Emise částic osobního automobilu Škoda Octavia s motorem 1,9 TDI při jízdě z Liberce (TU v Liberci) do Prahy-Dejvic (areál ČVUT).
PM [mg/m3]
Trasa z ČVUT Praha do TU Liberec – řídil automechanik
akcelerace z nízkých otáček
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
km/h
25
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
16:51:00
Obr. 4: Rychlost jízdy nákladního automobilu Iveco Eurocargo při jízdě z Teplic přes Prahu do Říčan. Na dolním grafu je detail rychlosti jízdy při "poskakování" napříč Prahou.
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
Obr. 5: Rychlost jízdy a emise NOx a PM na kg paliva dálničního tahače DAF se vznětovým motorem Paccar (r.v. 2006, Euro V) při okružních jízdách po pražském okruhu [19].
Rozprava a závěr Měření výfukových emisí za reálného provozu v Praze poukazují na to, že jízda v kongesci je vysoce dynamická, s častými rozjezdy, opětovným zastavením a čekáním. Příklady zde uvedené dokladují navýšení emisí částic při akceleracích osobního automobilu se vznětovým motorem (obr. 3) a na zvýšení emisí částic a snížení účinnosti katalytických zařízení při pomalé jízdě nákladního automobilu v koloně (obr. 5). Všechny sledované motory však vykazovaly emise srovnatelné s příslušnými EURO limity za provozních podmínek odpovídajícím zkušebním testům – tyto testy však nezahrnují pomalou jízdu, stále častěji typickou pro přeplněné komunikace ve městech. Příklady jsou z běžného provozu s normální mírou kongesce; v extrémních případech (obr. 4) může být dopad na emise ještě výraznější. Zavedení další EURO normy a čekání na obnovu vozového parku je poměrně zdlouhavým řešením, rychlejšího snížení emisí by mohlo být dosaženo vhodnými opatřeními pro snížení výskytu a intenzity kongesce. Poděkování Měření byla provedena v projektech MDČR CG912-058-520 "Metodika kvantifikace environmentálních a bezpečnostních vlivů dopravy" a MŠMT 1M0568 "Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka II". Části úvodu byly převzaty z [20].
Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.
17. 18. 19. 20.
Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR. http://www.mpo.cz/cz/energetika-a-suroviny/statistiky-energetika/ (staženo 14.3:2010) Czech Statistical Yearbook, 2001-2007. Czech Bureau of Statistics, online at http://www.czso.cz/csu/redakce.nsf/i/statisticke_rocenky_ceske_republiky Statistical Environmental Yearbook of the Czech Republic. Ministry of Environment of the Czech Republic, 2000-2007. Rajan, Sudhir Chella: The enigma of automobility : democratic politics and pollution. University of Pittsburgh Press, Pittsburgh, USA, 1996. Kunstler, James Howard: The Geography of Nowhere: The Rise and Decline of America's Man-Made Landscape. Simon & Schuster, New York, USA, 1993. Noland, R.B.; Cowart, W.A.: Analysis of Metropolitan Highway Capacity and the growth in vehicle miles of travel. Transportation 27, 2000, 363–390. Kittelson, D. B., W. F. Watts, and J. P. Johnson 2006. “On-road and Laboratory Evaluation of Combustion Aerosols Part 1: Summary of Diesel Engine Results,” Journal of Aerosol Science, 37, 2006, 913-930. A. Mayer, 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, 2007. Gehr, P.; Blank, F.; Rothen-Rutishauser, B.: Fate of inhaled particles after interaction with the lung surface. Paediatric Respiratory Reviews, Vol. 7, Suppl. 1, 2006, pp. S73-S75. Peters, A.: Epidemiology on Health Effects of Solid Nanoparticles. Proceedings of the 12th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, Switzerland, June 2008. Kuenzli, S.: Chronic pulmonary effects of ambient nano-PM: Lessons learned from PM. 13th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, Zurich, Switzerland, June 2009 Šrám, R., Ústav experimentální medicíny AVČR. Prezentace na jednání v rámci Plánu pro ozdravení Ostravy, MŽP ČR, 11. března 2010. Směrnice a nařízení evropského parlamentu 91/441/EEC, 93/59/EEC, 94/12/EC, 96/69/EC, 98/69/EC, 2002/80/EC, 715/2007, 692/2008 a následující pro emise z lehkých silničních vozidel. Směrnice a nařízení evropského parlamentu 88/77/EEC, 1999/96/EC, 2001/27/EC, 2005/55/EC, 2005/78/EC, 595/2009 a následující pro emise z motorů pro těžká silniční vozidla. Federální zákon USA (Code of Federal Register), svazek 40, část 51 a 86. http://ecfr.gpoaccess.gov/cgi/t/text/textidx?c=ecfr&tpl=/ecfrbrowse/Title40/40cfr86_main_02.tpl40 CFR86 Vojtíšek-Lom, M. ; Fenkl, M.; Dufek, M.; Mareš, J.: Off-cycle, real-world emissions of modern light-duty diesel vehicles. SAE Technical Paper 2009-24-0148. Society of Automotive Engineers, Warrensdale, PA, USA, 2009, ISSN 0148-7191. Vojtíšek-Lom, M., Cobb, J.T.: On-road light-duty vehicle emission measurements using a novel inexpensive on-board portable system. Proceedings of the 8th CRC On-road vehicle emissions workshop, San Diego, CA, April 20-22, 1998. Vojtíšek-Lom, M.: Total Diesel Exhaust Particulate Length Measurements Using a Modified Household Smoke Alarm Ionization Chamber. Journal of the Air and Waste Management Association, 61, 2011, 126-134. Vojtíšek, M.: O provozu vznětových motorů a aerosolech jimi produkovaných v městských aglomeracích. Sborník Výroční konference České aerosolové společnosti, Praha, 18.-19.9.2010. Vojtíšek, M.: Nanoparticles emitted by internal combustion engines. Measurement of nanoparticles emitted by internal combustion engines during real-world urban operation. High-Level Symposium on Nanotechnology Safety, Prague, Czech Republic, November 29-30, 2010.
