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?