2011-1 - MEDETOX

Transkript

2011-1 - MEDETOX

Motivation and goals of work
_____________________________________________________________________________________
Výfukové
Výfukové emise částic ze zá
zážehových motorů
motorů s vně
vnější
tvorbou smě
směsi bě
během reá
reálné
lného provozu
ONON-ROAD PARTICULATE MATTER EMISSIONS FROM
HOMOGENEOUS CHARGE SPARK IGNITION ENGINES
Michal Vojtíšek1,2, Aleš Dittrich2, Martin Mazač2, Martin Dufek2, Michael Fenkl2
_____________________________________________________________________________________
Internal combustion engine emissions are one of the key sources of urban air pollution,
with significant negative impact on human health, notably in densely populated areas.
Emissions limits are increasingly strict, but there is no corresponding improvement to
public health.
Probably the most dangerous component of vehicle exhaust are ultrafine particles, which
have the ability to deposit in lungs and to penetrate through cell membranes into the
Výzkumné centrum spalovacích motorů
a automobilů Josefa Božka
1
FS ČVUT Praha, 2 FS TU v Liberci
organism.
Ultrafine particles are not just a diesel engine problem – they are also emitted
by spark ignition engines – and perhaps at levels not insignificant compared to
Josef Božek Research Center for
Automobiles and Engines –
1
Faculty of Mechanical Engineering,
Czech Technical University in Prague /
2
Faculty of Mechanical Engineering,
Technical University of Liberec
Contact: [email protected],
[email protected]
tel. (+420) 774 262 854
Vojtíšek et al.: ON-ROAD PARTICULATE MATTER EMISSIONS FROM HOMOGENEOUS CHARGE SPARK IGNITION ENGINES– KOKA 2011
Současná situace silniční dopravy
_____________________________________________________________________________________
latest diesels.
The goal of this study was to investigate the exhaust emissions of particulate
matter from common homogeneous charge spark ignition engines during realworld operation.
Of particular concern were: a) small engines without electronically controlled fuel
metering and without exhaust gas aftertreatment, and b) automobile engines during
extreme low, high and transient load operation.
Automobilismus
_____________________________________________________________________________________
• Intenzita dopravy i spotřeba paliva rostou
• Emise ze spalovacích motorů, zejména velmi jemné částice, se stávají
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
• ČR i EU jsou energeticky závislé na jiných zemích
_____________________________________________________________________________________
Praha, 2009
_____________________________________________________________________________________
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
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
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
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
Zachycovací
dýchacího systé
systému
_____________________________________________________________________________________
Zachycovací
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
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.
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
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)
Modelová
Modelování: Konheim & Ketcham,
Ketcham, Brooklyn, New York
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.
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.
Nádory, novotvary, a kvalita ovzduší
_____________________________________________________________________________________
?
_____________________________________________________________________________________
Počet hlášených
zhoubných nádorů
a novotvarů in situ
na 100 tis.
obyvatel
Počet hlášených
zhoubných nádorů
na 100 tis.
obyvatel
Zdroj: Praha - Životní
prostředí 2009.
prostředí 2009.
?
?
?
_____________________________________________________________________________________
Počet hlášených
zhoubných nádorů
na 100 tis.
obyvatel
?
prostředí 2009.
Cíle práce
_____________________________________________________________________________________
Předběžné, orientační měření emisí částic ze zážehových motorů
během reálného provozu z hlediska
a) Technických možností proveditelnosti takového měření
b) Funkce měřicí aparatury
c) Vztahu mezi měřicím rozsahem a měřenými hodnotami
d) Celkového množství emitovaných částic
e) Orientační indikace velikosti emitovaných částic
?
4
Konstrukce přenosné palubní aparatury
- analytická část
_____________________________________________________________________________________
Katal.
(Technická univerzita v Liberci, 2009)
_____________________________________________________________________________________
Filtrovaný ředicí
vzduch
Nefelometr
(dopředný rozptyl
laserového paprsku)
10-12 lpm
odběr
Katal.
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
Odtok vzorku
Motor
Ověření (validace) měření částic
Tok nasávaného vzduchu
Tlak, teplota vzduchu
Teplota motoru
Otáčky motoru
Rychlost vozidla
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
Škoda Fabia, zážehový motor 1,4 MPI
_____________________________________________________________________________________
[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
~ 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
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 – benzinový motor 1,2 HTP
_____________________________________________________________________________________
100
rychlost [km/h],
emise HC a NOx [mg/s]
90
80
Rychlost [km/h]
emise NOx [mg/s]
emise HC [mg/s]
emise CO [mg/s]
500
400
350
60
300
50
250
40
200
30
150
20
100
50
17:25:00
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
rychlost [km/h],
emise HC a NOx [mg/s]
0
17:15:00
Toto je výjezd z Prahy
a cesta po příměstské
arteriální komunikaci
450
70
10
10
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]
Diagnostické
rozhraní
Semikondenzační integrující
nefelometr
- kalibrován pro měření celkové
hmotnosti částic
Měřicí ionizační komora
- kalibrována pro měření celkové
délky částic
emise CO [mg/s]
Katal.
Přímé
měření
Měřené koncentrace
HC, CO, CO2, NO,
částice
Katal.
ECU
PM emissions by portable system [g/h]
Motor
(Technická univerzita v Liberci, 2008-2011)
_____________________________________________________________________________________
ionization chamber [rel. units]
- výpočet emisí
_____________________________________________________________________________________
50
16:35:00
16:45:00
16:55:00
0
17:05:00
5
PM [ug/s]
100
80
60
10
40
5,000
100
5,000
80
4,000
km/h
rpm
80
4,000
60
3,000
40
2,000
60
3,000
km/h
40
20
1,000
1
0
-1
-2
3
2
1
0
-1
-2
-3
-3
-4
-4
120
140
0
20
40
60
80
100
vehicle speed [km/h]
120
Okamžitá spotřeba
paliva a emise v
závislosti na
okamžité rychlosti a
zrychlení – při
vysokých zrychleních
jsou emise částic
neúměrně vyšší než
spotřeba paliva
10
21:55
Škoda Favorit - aggressive driving
0.9
10
9
8
0.8
8
0.8
7
0.7
7
0.7
6
0.6
6
0.6
5
0.5
5
0.5
4
0.4
4
0.4
3
0.3
3
0.3
2
0.2
2
0.2
1
0.1
21:41
21:42
21:43
21:44
21:45
90
60
30
0
22:10
22:11
22:12
22:13
22:14
22:15
22:16
22:17
22:18
22:19
22:20
22:21
22:22 time [hh:mm]
computer
0.1
0
21:54
21:46
21:55
21:57
21:58
21:59
computer time [hh:mm]
CO [%]
7
PM [mg/m3]
NOx [ppm/100]
road speed [km/h]
140
6
120
5
100
4
80
3
60
2
40
1
20
0
8:35:00
8:55:00
9:15:00
9:35:00
9:55:00
10:15:00
10:35:00
1.6
%_CO
1.4
1
4
0.8
3
0.6
2
0.4
1
0.2
-
0
22:10
22:11
22:12
22:13
22:14
22:15
22:16
22:17
22:18
22:19
22:20
22:21 computer
22:22time [hh:mm]
100
80
3
60
2
40
1
20
0
11:50:00
12:10:00
Cutting firewood (logs)
On-board system mounted
on accompanying tractor
Mowing family house lawn
PM length is relative units per kg of fuel
All other data is in grams per kg of fuel
fuel-specific emissions
[g / kg fuel] or [ / kg fuel]
mowing
CO
4.5
NOx
4
CO2
3.5
100
3
10
2.5
2
1
1.5
1
0.1
0.5
0.01
0
10:00:00
10:05:00
10:10:00
Chain saw 2-cycle
HC
5
PM-Opt
PM-Ion
km/h
10:15:00
10000
HC
CO
NOx
CO2
4 PM-Opt
3.5 PM-Ion
km/h
3
5
Log #1
idling
taxiing
taxiing
ground speed [km/h]
Riding lawnmower 4-cycle
9:55:00
13:10:00
Měření emisí z malých motorů
Chainsaws
9:50:00
12:50:00
_____________________________________________________________________________________
Stihl 029 (top)
Stihl MS361 (bottom)
2-cycle gasoline
9:45:00
12:30:00
Riding lawnmower
1000
140
120
TCP 102, Castelgarden,
Italy, mfg. in 2001,
4-cycle gasoline
taxiing
road speed [km/h]
4
_____________________________________________________________________________________
10000
NOx [ppm/100]
5
0
11:30:00
PM [mg/m3]
6
idling
Log #2
idling
1000
100
Log #3
4.5
2.5
10
2
1.5
1
1
0.5
0.1
11:06:00
11:08:00
11:10:00
11:12:00
0
11:14:00
ground speed [km/h]
22:09
CO [%]
7
road speed [km/h]
1.2
5
PM[mg/m3], NOx [ppm/100], CO[%]
PM_mg/mol
6
PM [mg/mol]
7
% CO
21:56
Škoda Octavia, zážehový motor s přímým
0
8:15:00
8
0.9
vstřikem (DISI)
_____________________________________________________________________________________
PM[mg/m3], NOx [ppm/100], CO[%]
road speed [km/h]
rpm
engine rpm [1/min]
5,000
4,500
4,000
3,500
3,000
2,500
2,000
1,500
1,000
500
-
km/h
1
PM_mg/mol
1
0
21:40
%_CO
Škoda Favorit, 1.3-liter carbureted gasoline engine –
aggressive and normal freeway driving
_____________________________________________________________________________________
120
21:59
1
150
21:58
PM_mg/mol
21:39
21:57
-
140
21:56
%_CO
9
% CO
2
21:54
Škoda Favorit - normal driving
Area of each mark is
proportional to the
instantaneous PM
emissions in mg/s
4
0
21:46
Instantaneous PM emissions
5
3
40
60
80
100
vehicle speed [km/h]
13:05:00
21:44 21:45
PM [mg/mol exhaust]
12:55:00
21:42 21:43
road speed [km/h]
12:45:00
21:40 21:41
% CO
12:35:00
-
21:39
PM [mg/mol exhaust]
12:25:00
6
22:09
2,000
rpm
1,000
0
0
acceleration [m/s2]
acceleration [m/s2]
6,000
100
20
Fuel consumption
20
120
20
Instantaneous fuel consumption
0
6,000
road speed [km/h]
100
road speed [km/h]
120
road speed [km /h]
1000
5
4
Škoda Favorit - aggressive driving
120
140
km/h GPS
1
12:15:00
6
Škoda Favorit - normal driving
160
PM [mg/m3]
engine rpm [1/min]
10000
PM in raw exhaust [m g/m 3]
PM m ass em issions [ug/s]
Jízda po letišti –
ustálené rychlosti
a akcelerace
(pokusná měření)
Škoda Favorit, 1.3-liter carbureted gasoline engine –
Normal and aggressive driving up a hilly road
_____________________________________________________________________________________
engine rpm [1/min]
Škoda Fabia, zážehový motor 1,4 MPI
_____________________________________________________________________________________
6
_____________________________________________________________________________________
Weed-whacker
Chainsaws
Oleo-Mac 746T
2-cycle gasoline
Stihl 029 (top)
Stihl MS361 (bottom)
2-cycle gasoline
Cutting /clearing
an overgrown ditch
On-board system
mounted on
accompanying
tractor
HC
CO
1000
100
2.5
10
2
1.5
1
1
0.5
0
11:29:00
11:31:00
11:33:00
HC
CO
NOx
CO2
4 PM-Opt
3.5 PM-Ion
km/h
3
Weed-whacker 2-cycle
10000
4.5 NOx
CO2
4 PM-Opt
3.5 PM-Ion
km/h
3
ground speed [km/h]
5
11:35:00
Závěry
_____________________________________________________________________________________
5
4.5
Chain saw 2-cycle
10000
1000
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
ground speed [km/h]
Cutting firewood (logs)
On-board system mounted
on accompanying tractor
0.1
11:27:00
_____________________________________________________________________________________
12:06:00
Foto pro zamyšlení: Útlum automobilové
dopravy a podpora pěší a cyklistické
dopravy, Manhattan, New York
_____________________________________________________________________________________
Podě
Poděková
kování
Byla provedena předběžná, orientační měření výfukových emisí částic ze
zážehových motorů během reálného provozu.
Měření byla provedena na třech automobilech a čtyřech malých motorech (zahradní traktor,
dvě motorové pily a křovinořez).
Měření byla provedena přenosným zařízením umístěným na měřeném vozidle, v případě
ručně nesených strojů (pily, křovinořez) na doprovodném vozidle.
Byla sledována celková hmotnost (nefelometr) a celková délka (ionizační komora) částic.
Měření přenosným zařízením byla vyhodnocena jako technicky proveditelná.
Naměřené hodnoty byly v řádu setin až jednotek gramu částic na kg paliva, což je
zpravidla vyšší, než u vznětových motorů vybavených zachycovačem pevných
částic (DPF), ale zpravidla nižší, než u vznětových motorů srovnatelné velikosti a
technologie.
Přesnost měření u zážehových motorů nebyla kvantifikována, nebyla k dispozici spolehlivá
referenční metoda.
Vzhledem k malému rozsahu měření a prozatím neověřené přesnosti měřicí
aparatury je nutné tato měření považovat za orientační, naměřené hodnoty však
potvrzují, že problémem emisí částic ze zážehových motorů je třeba se zabývat.
Příspěvek byl vytvořen v rámci projektu MŠMT 1M0568 "Výzkumné centrum spalovacích motorů a automobilů Josefa
Božka II“ a projektu MEDETOX ("Innovative Methods of Monitoring of Diesel Engine Exhaust Toxicity in Real Urban
Vojtíšek et
al.: ON-ROAD PARTICULATE
FROM
HOMOGENEOUS
CHARGEživotního
SPARK IGNITION
ENGINES–
2011
Traffic"),
financovaného
EvropskouMATTER
komisíEMISSIONS
v programu
LIFE+
a Ministerstvem
prostředí
ČeskéKOKA
Republiky.
7

2011-1 - MEDETOX

Transkript

Podobné dokumenty

2012-8 - MEDETOX

2014-09 - MEDETOX

Nedořečená otázka a nalézání aury Nicolas Bourriaud a

Brzdy, spojky

O odhadech topologické entropie intervalových zobrazení

Dodatek č. 1 Komplet

Aerosolový slovník