Biodiesel Alternative Biofuels for Compression Ignition Engines. Influence of Fuel on Emissions and Health Jorma Jokiniemi Kuopion yliopisto VTT Tampereen teknillinen yliopisto Ecocat Oy SisuDiesel Oy Preseco Oy 2006 2009
Motivaatio Toimivuus jälkikäsittelylaitteissa ja uusilla moottoritekniikoilla laitteet suunniteltu tavanomaisille dieselpolttoaineille, kuinka toimii rikittömän dieselpolttoaineen ja biodieseleiden yhdistelmillä? Emissioiden syvällinen karakterisointi tehty pääasiassa tavanomaisille dieselpolttoaineille Terveysvaikutuksista vain rajoitetusti tutkimuksia ja pääasiassa vain tavanomaisella dieselpolttoaineella Tarpeellinen, koska paineita ottaa biopohjaisia moottoripolttoaineita käyttöön ilmastovaikutukset (CO 2 päästön vähennys) EU direktiivin 2003/30/EC vaatimukset ei haluta ojasta allikkoon
Biodiesel Polttoaineiden ominaisuus Jälkikäsittelytekniset vaikutukset Dieselmoottorit Pakokaasujälkikäsittely Terveysvaikutukset Moottoritekniset vaikutukset Päästömittaus
Biodiesel Polttoaineet Eurooppalainen dieselpolttoaine Neste Oil:n NExBTL biodiesel RME Gas to Liquids, GTL Diesel/etanoli seos 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 IDI diesel, eri jälkikäsittelylaitteita, ahdettu, työkonemoottori DI diesel (SCR), Euro 3, työkonemoottori DI diesel, Euro 4 linja auto alustadynamometrilla DI diesel, esim. common rail SCR eri jälkikäsittelytekniikoita HD Scania (ei SCR) moottori tai linja auto tai henkilöauto alustadynamometrillä (common rail) Mittaukset Moottorilaboratoriomittaukset standardiolosuhteissa kulutus kestävyys/tekniset ongelmat
Pakokaasujälkikäsittely Eri jälkikäsittelymenetelmät hapetuskatalysaattorit POC, Particle Oxidation Catalyst SCR hiukkassuodattimet Mittaukset mittaukset kts. päästömittaukset pre ja post emissiomittauksia hiukkaset kaasut vertailu tavanomaiseen dieselpolttoaineeseen
Terveysvaikutukset (Ei vielä mukana) Kerätään päästöistä näytteet terveysvaikutusten määrittämiseksi toksisuusprofiilit, KTL solutoksisuus liukoisuus hiukkasten fysikaalis kemialliset ominaisuudet kokojakauma kemia (SOF, anionit, PAH, nitro PAH, Ames, OC/EC, tuhka, metallit, jne.) morfologia toksisuusprofiilien ja hiukkasten ominaisuuksien välinen kytkentä >10µm? 5 10µm 1 5µm <1µm
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, nitro PAH) kaasufaasi (osittainhaihtuva aines) orgaaninen koostumus (PAH) absorbentti annulaarinen denuder
dn/dlogd p (cm 3 ) 10 9 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 nuclei mode not always present gdi pfi gasoline diesel (non DPF) 10 20 mg/mi 0.5 2 mg/mi FTP 50 80 mg/mi Number size distributions for diesel and gasoline engines [Maricq 2002] 10 3 10 2 nanoparticles ultrafine 10 100 1000 D p (nm)
100 without DPF FTP cycle with DPF Percentage 80 60 40 20 Percentage 100 80 60 40 20 ~100 fold reduction in total PM mass 0 soot SOF Component 0 soot SOF Component Soot and SOF fractions for diesel with and without trap [Maricq 20
SEM/TEM sampling and analyses Grid holder used for both filter and thermophoresis sampling. Three copper grids assembled to the impactor foil (stage 3 of DLPI) and impactor jet plate
Schematics of Diesel particle and vapor phase compounds nucleated sulphuric acid and/or hydrocarbons Adsorbed/condensed hydrocarbons and sulphuric acid/sulphates solid carbon (soot) spheres 20 50 nm with inner structure form agglometes 80 150 nm
Osapuolet Osapuolet Kuopion yliopisto VTT Tampereen teknillinen yliopisto SisuDiesel Oy Ecocat Oy Preseco Oy Liitännäishankkeet KTL (Terveysvaikutustutkimus, hallinto erillisessä hankkeessa) Neste Oil Oyj (Alustadynamometrimittaukset, hallinto erillisessä hankkeessa)
Biodiesel hanke Alustavia Tuloksia
Raskaan kaluston ajoneuvomittaukset 2006 q Bus A/SCR, Euro 4 Moottorin tilavuus 7.2 l Teho 213 kw, vääntö 1200 Nm SCR Korin pituus/leveys/istumapaikat 12,86/2,55/43 q Bus B/EGR, Euro 4 Moottorin tilavuus 8.9 l Teho 169 kw, vääntö 1050 Nm EGR + hapetuskatalysaattori Korin pituus/leveys/istumapaikat 12,9/2,55/44
Alustadynamometri
Analysointijärjestelmä Alustadynamometri Valmistaja: Froude Consine, UK Suurin teho: ± 300 kw (alue 54 110 km/h) Ylikuormitusvara: 120 %/300 s Jarrutustehon nosto: mahdollista lisäjarrun avulla Suurin vetovoima: ± 20 000 N (alue 0 54 km/h) Inertiasimulointi: 2 500 30 000 kg Telojen halkaisija: 2 500 mm Suurin telipaino: 20 000 kg Nopea ja tarkka IGBT säätö, transienttimahdollisuus Driver s aid sisältäen erilaisia dynaamisia ajosyklejä Analysaattorit Valmistaja Pierburg, Saksa Pakokaasujen keräyslaitteisto CVS 120 WT Multiple (3) CFV venturi system Suurin virtaus 120m 3 /min Tunnelin mitat 8000 * 450 mm Secondary tunnel VT 458 Particle collector PS2000 C Analysaattorijärjestelmä AMA 4000 HFID THC 0 1000 ppm HFID CH 4 0 3000 ppm HCLD NO x 0 10 000 ppm NDIR CO 2 0 20 % NDIR CO 0 2500 ppm NDIR CO 2 tracer 0 20 %
Braunschweig sykli Braunschweig cycle speed [km/h] 70 60 50 40 30 20 10 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 time [s]
Bus A Linja auto, SCR Y akseleiden yksikkö g/km 10.0 NOx: 6.8% 0.14 PM: 30% 1090 CO2: 2.7% 10.00 CO: 5.4% 1.00 HC: not relevant 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 1080 1070 1060 1050 1040 1030 1020 1010 9.00 8.00 7.00 6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.0 EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL 1000 EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL
Bus B Linja auto, EGR + hapetuskatalysaattori Y akseleiden yksikkö g/km 10.0 NOx: 9.4% 0.14 PM: 46% 1200 CO2: 2.4% 0.90 CO: 78% 1.00 HC: not relevant 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 0.12 0.10 0.08 0.06 1180 1160 1140 1120 1100 1080 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 3.0 2.0 1.0 0.04 0.02 1060 1040 1020 0.30 0.20 0.10 0.30 0.20 0.10 0.0 EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL 1000 EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL 0.00 EN590 NExBTL
Alustavia ELPI tuloksia Particle size distribution over the Braunschweig test cycle, Bus A 3.0E+14 dn/dlogdp, [#/km] 2.5E+14 2.0E+14 1.5E+14 1.0E+14 5.0E+13 0.0E+00 0.01 0.1 1 Aerodynamic diameter, [µm] EN590 NExBTL
Alustavia ELPI tuloksia Linja auto EGR Particle size distribution over the Braunschweig test cycle, Bus B 2.0E+14 dn/dlogdp, [#/km] 1.5E+14 1.0E+14 5.0E+13 EN590 NExBTL 0.0E+00 0.01 0.1 1 Aerodynamic diameter, [mm]