Biodiesel Alternative Biofuels for Compression Ignition Engines. Influence of Fuel on Emissions and Health Jorma Jokiniemi Kuopion yliopisto VTT Tampereen teknillinen yliopisto KTL Tekes Ecocat Oy SisuDiesel Oy Preseco Oy 2006-2009
BiodieselAlternative Biofuels for Compression Ignition Engines.
Influence of Fuel on Emissions and Health
Jorma Jokiniemi
Kuopion yliopistoVTT
Tampereen teknillinen yliopistoKTL
TekesEcocat Oy
SisuDiesel OyPreseco Oy
20062009
Motivaatio• Toimivuus jälkikäsittelylaitteissa ja uusilla moottoritekniikoilla
– laitteet suunniteltu tavanomaisille dieselpolttoaineille, kuinka toimiirikittömän dieselpolttoaineen ja biodieseleiden yhdistelmillä?
• Emissioiden syvällinen karakterisointi– tehty pääasiassa tavanomaisille dieselpolttoaineille
• Terveysvaikutuksista vain rajoitetusti tutkimuksia– ja pääasiassa vain tavanomaisella dieselpolttoaineella
• Tarpeellinen, koska– biopohjaisia moottoripolttoaineita otetaan käyttöön
• ilmastovaikutukset (CO2 päästön vähennys)• EU:n komissio on asettanut tavoitteen, että vuonna 2010
liikennepolttoaineissa olisi 5,75 prosenttia biopohjaista komponenttia.• Vuonna 2020 tavoite on, että 20 prosenttia on valmistettu
vaihtoehtoisista raakaaineista. Siitä 8 prosenttia olisi biopolttoaineita ja12 prosenttia muuta, kuten turvetta, kivihiiltä ja maakaasua.
– ei haluta ojasta allikkoon
Dieselmoottorit
Pakokaasujälkikäsittely Terveys
vaikutukset
Biodiesel
Polttoaineidenominaisuus
Päästömittaus
Moottoriteknisetvaikutukset
Jälkikäsittelyteknisetvaikutukset
Biodiesel
• Polttoaineet– Eurooppalainen vähärikkinen dieselpolttoaine– Neste Oil:n NExBTL biodiesel– RME– GastoLiquids, GTL
• Polttoaineiden ominaisuuksien mittaaminen– fysikaaliset ominaisuudet (mm. tiheys, viskositeetti, kylmäominaisuudet
jne.)– kemialliset ominaisuudet (mm. koostumus, tuhka, energiasisältö, jne.)– tekniset ominaisuudet mm. (setaaniluku, voitelevuus, korroosio, jne.)– polttotekniset ominaisuudet
Dieselmoottorit
Moottorit• IDIdiesel, eri jälkikäsittelylaitteita, ahdettu,
työkonemoottori• DIdiesel (SCR), Euro 3, työkonemoottori• DIdiesel, Euro 4 linjaauto alustadynamometrilla• DIdiesel, esim. commonrail SCR eri
jälkikäsittelytekniikoita• HD Scania (ei SCR) moottori tai linjaauto tai
henkilöauto alustadynamometrillä (commonrail)
Mittaukset• Moottorilaboratoriomittaukset standardi
olosuhteissa• kulutus• kestävyys/tekniset ongelmat
Euro 3 PM raja 0,10 g/kWh – v. 2000Euro 4 PM raja 0,02 g/kWh – v. 2005
Pakokaasujälkikäsittely
• Eri jälkikäsittelymenetelmät– hapetuskatalysaattorit– POC, Particle Oxidation Catalyst– SCR– hiukkassuodattimet
• Mittaukset– mittaukset kts. päästömittaukset– pre ja post emissiomittauksia
• hiukkaset• kaasut
– vertailu tavanomaiseen dieselpolttoaineeseen
Päästörajat raskaat ajoneuvot
0,50,022,00,461,5Euro 5v. 2008
0,50,023,50,461,5Euro 4v. 2005
0,80,105,00,662,1Euro 3v.2000
Savum1
PMg/kWh
NOx
g/kWhHCg/kWh
COg/kWh
Normi
Dieselautojen päästöt:hiilimonoksidi: 500 mg/km,hiukkaset: 5 mg/km (80 prosenttia vähemmän päästöjä kuin Euro 4 standardissa),typpioksidit (NOx): 180 mg/km (yli 20 prosenttia vähemmän päästöjä kuinEuro 4 standardissa),hiilivetyjen ja typpioksidien päästöt yhteensä: 230 mg/km.
Emissiomittaukset
• lakisääteiset (CO, HC, NOx, PM)• muut kaasut (NO,NO2, NH3, N2O, SO2, O2,
CO2, aldehydit)• hiukkasten lukumääräjakauma
– termodenuderi– eri laiteet (ELPI, FMPS)– TEM/SEM kuvat
• hiukkasmassa– fraktio– OC/EC (ehkä myös fraktiona)– epäorgaaninen koostumus (mm. anionit, tuhka,
metallit)– orgaaninen koostumus (SOF/IOF, PAH, nitroPAH)
• kaasufaasi (osittainhaihtuva aines)orgaaninen koostumus (PAH)
absorbenttiannulaarinen denuder
without DPF
Componentsoot SOF
Perc
enta
ge
0
20
40
60
80
100with DPF
Componentsoot SOF
Per
cent
age
0
20
40
60
80
100
~100 fold reductionin total PM mass
FTP cycle
Soot and SOF fractions for diesel with and without trap [Maricq 2002]
nucleated sulphuric acid and/or hydrocarbons
solid carbon (soot) spheres2050 nm with inner structureform agglometes 80150 nm
Adsorbed/condensed hydrocarbonsand sulphuric acid/sulphates
Schematics of Diesel particle and vapor phase compounds
Biodieselhanke
Alustavia Tuloksia
Measurements at the emission laboratory of VTT inEspoo 4.6. 19.6.2007
• Department of Physics, Tampere University of Technology, P.O. Box 692,33101Tampere, Finland. Keskinen J., Virtanen A., Rönkkö T., Lähde T., Heikkilä J.
• Vehicles Research Group, VTT Technical Research Centre of Finland, P.O. Box1000, 02044 VTT, Finland. Kytö M., Murtonen T., Solla A., Vesala H.
• University of Kuopio, Department of Environmental Science, Fine Particle andAerosol Technology Laboratory, P.O. Box 1627 Kuopio, Finland. Jokiniemi J.,Kuuspalo K.
Test engine: EURO IV heavyduty diesel engine.Test fuels: EN590, GTL, RME.Aftertreatment: POC+DOC (Particle oxidation catalyst + diesel oxidation catalyst).Tests: European steadystate cycle and four steadystate conditions.
Steady state modes: 11, 3, 10 and 12.
VTT group: Regulated emissions, dilution for OC/EC samples.Tampere group: ELPI and SMPS measurements. Dilution for all particle size
distribution measurements.Kuopio group: FMPS measurements, OC/EC measurements.
Raskaan kalustonajoneuvomittaukset 2006
q Bus A/SCR, Euro 4ØMoottorin tilavuus 7.2 lØTeho 213 kW, vääntö 1200 NmØSCRØKorin pituus/leveys/istumapaikat 12,86/2,55/43
q Bus B/EGR, Euro 4ØMoottorin tilavuus 8.9 lØTeho 169 kW, vääntö 1050 NmØEGR + hapetuskatalysaattoriØKorin pituus/leveys/istumapaikat 12,9/2,55/44
Alustadynamometri
NOx: 6.8%
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
EN590 NExBTL
PM: 30%
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
EN590 NExBTL
CO2: 2.7%
1000
1010
1020
1030
1040
1050
1060
1070
1080
1090
EN590 NExBTL
Bus A Linjaauto, SCR
CO: 5.4%
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
EN590 NExBTL
HC: not relevant
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
EN590 NExBTL
ØYakseleiden yksikkö g/km
CO2: 2.4%
1000
1020
1040
1060
1080
1100
1120
1140
1160
1180
1200
EN590 NExBTL
Bus B Linjaauto, EGR +hapetuskatalysaattori
PM: 46%
0.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
EN590 NExBTL
CO: 78%
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
EN590 NExBTL
HC: not relevant
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
1.00
EN590 NExBTL
ØYakseleiden yksikkö g/km
NOx: 9.4%
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
EN590 NExBTL
Alustavia ELPI –tuloksiaLinjaauto EGR
Particle size distribution over theBraunschweig test cycle, Bus B
0.0E+00
5.0E+13
1.0E+14
1.5E+14
2.0E+14
0.01 0.1 1Aerodynamic diameter, [mm]
dN/d
logD
p, [#
/km
]
EN590NExBTL
http://www.dieselnet.com/standards/cycles/esc.html
European Stationary Cycle (ESC)
• Biodieselprojekti: Kuopion yliopiston Dieselmoottori
– Valmistaja: Kubota– Tyyppi: D1105T– Iskutilavuus: 1123 ccm– Sylinteri lkm: 3– Ruiskutus: ETVCS (IDI)– Polttoainesyöttö: Rivipumppu– Pakokaasuluokitus: CARB ULGE– TIER STAGE 1
• Käyttökohteet:
– Pienet työkoneet:– Lakaisukoneet:– MADVACCN 100 (D1105) ((turboton))– Pyöräkuormakaivurit:– BOBCAT EF100 D1105T+D1105– BOBCAT EF 200 D1105T– Trukit:– Donkey D12 series D1105– Ruohonleikkurit:– Kubota F 2560 D1105
Composition and health risks ofparticulate emissions from biodieselvehicle engines (BIODIESELhealth)
• Project coordination: Raimo O. Salonen, KTL• Participants (responsible scientist): National
Public Health Institute (KTL; RO Salonen, MRHirvonen); Technical Research Centre of Finland(VTT; M Kytö); University of Kuopio (UKU; JJokiniemi)
• Project period: 1.6.200731.12.2009• Measurements: emissions; chemical composition;
inflammatory, cytotoxic and genotoxic activities ofcollected PMsamples in mammalian cells
BIODIESELhealth:Study objectives
1) To add a toxicological health study to an ongoingBIODIESELemissions study (Jokiniemi et al.; Tekes40227/06).
2) To compare the effects of the first and secondgeneration biodiesel fuels and fossil diesel on thequantity and toxicological properties of particulateemissions from heavy duty diesel engines, and toinvestigate the composition and health effects ofparticulate emissions from a bus using natural gas.
3) To estimate the net effect of observed changes(quantity, chemical composition, toxicity) inparticulate emissions on human health risks in urbanenvironments.
Terveysvaikutukset
• Kerätään päästöistä näytteet terveysvaikutustenmäärittämiseksi– toksisuusprofiilit, KTL
• solutoksisuus• liukoisuus
– hiukkasten fysikaaliskemialliset ominaisuudet• kokojakauma• kemia (SOF, anionit, PAH, nitroPAH,
Ames, OC/EC, tuhka, metallit, jne.)• morfologia
– toksisuusprofiilien ja hiukkastenominaisuuksien välinen kytkentä
>10µm510µm
15µm
<1µm?