Emissionsprovning av MK 1 och EN 590-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. En rapport av Jacob Almén för Preem AB Rapport #

Transkript

1 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. En rapport av Jacob Almén för Preem AB Rapport #

2 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 2 of 25 Innehåll AVL MTC... 3 Sammanfattning... 3 Introduktion... 3 Provmetod... 4 Chassidynamometer... 4 Provtagning reglerade emissioner... 4 Provtagning oreglerade emissioner... 4 Körcykel... 5 Provfordon Resultat... 8 Reglerade emissioner... 8 Kolmonoxid... 8 Kolväten Kväveoxider...1 Partiklar Koldioxid och bränsleförbrukning...12 Polycykliska aromatiska kolväten...13 Partikelstorleksfördelning...14 Ames mutagenisitets test...17 TCDD- receptor affinitet Appendix...2 Partikeldiagram...2 AVL MTC Motortestcenter AB Armaturvägen 1, Box 223, Haninge Tel , info@avlmtc.com,

3 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 3 of 25 AVL MTC. AVL är, med sina 4 2 anställda globalt, värdens största privatägda och oberoende företag inom drivlineutveckling samt utveckling och tillverkning av mät- och testinstrument. I Sverige finns ett avgaslaboratorium och ca 2 anställda. Verksamheten omfattar motorutveckling, motorcertifieringar samt forskning gällande avgasemissioner och bränslen. Sammanfattning Reglerade samt oreglerade lastbilsemissioner från två olika dieselkvaliteter, MK1 och, med 5 % inblandning av RME har analyserats. Gällande de reglerade avgaskomponenterna uppmättes inte någon signifikant skillnad mellan kolväten, kväveoxider, koldioxid (därmed också bränsleförbrukning) från de olika bränslekvaliteterna. Mängden partiklar från MK1 diesel är 3 % lägre jämfört med EN 59 vilket ger en signifikant höjning av negativa hälsoeffekter vid användandet av EN 59 diesel. Även emissionerna av kolmonoxid var högre för jämfört med. Utöver reglerade emissioner har även polycykliska aromatiska kolväten (PAH) samt partikelantal och storlek analyserats. Gällande PAH syns en mycket tydlig och signifikant skillnad mellan MK1 och EN 59. Emissionen av PAH från MK1 ligger en faktor av 2.6 gånger under EN 59 vilket är en funktion av det låga innehållet av PAH i bränslet. Resultaten för samtliga storlekar av partiklar visar att vid förbränning av EN 59 ökar antalet jämfört med MK1. I kombination med avgasanalyserna har biologiska test genomförts. Dessa test är ett komplement till kemiska analyser då biologiska test även belyser effekter från komponenter som inte kvantifierats. En tydlig trend från dessa analyser visar att mutagena/cancerframkallande effekter ökar vid användandet av EN 59 diesel jämfört med MK1,detta bland annat beroende på högre halter av aromater och polyaromater. Exponering av avgaser från kommer därför att öka risken för negativa hälsoeffekter relaterade till PAH och partiklar. Introduktion På uppdrag av Preem AB har AVL MTC analyserat emissioner från en tung lastbil då den körts på chassidynamometer enligt en standardiserad körcykel (Braunschweig). Två basdieselbränslen av olika kvalitet, MK1 och, användes. Dessa bränslen provades sedan med 5 % inblandning av biobränsle, rapsoljemetylester (RME). Bakgrunden till undersökningen var att verifiera eventuella skillnader i emissionsbilden från de undersökta bränslena. Fordonet som användes var en Scania Euro III lastbil och körprov från samtliga bränslekombinationer utfördes tre gånger för att beräkna medelemissionen och standardavvikelsen. De emissioner som analyserades var de reglerade

4 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 4 of 25 avgaskomponenterna kolmonoxid (CO), kolväten (HC) kväveoxider (NOx), koldioxid (CO2) samt partiklar (PM). Utöver detta så analyserades oreglerade emissioner dvs föreningar som saknar gränsvärden enligt gällande lagkrav men som är kända för att ha en negativ påverkan på hälsa och miljö. De föreningar som analyserades var polycykliska aromatiska kolväten (PAH) samt partikelstorleksfördelning. I kombination med provextrakten från PAH analyserna genomfördes även biologiska prover, Ames salmonella test och dioxin (TCDD) receptor affinitets test. Provmetod Chassidynamometer Chassidynamometern som användes var en två rullars dynamometer med en diameter av 515 mm. Fordonets rullmotstånd simuleras med en kombination av svängmassor i steg av 226 kg från 2 5 kg till kg och två likströmsmotorer med en effekt av vardera 2 kw användes för adsorption av effekten. Ett AVL PUMA data system används för styrning av det transienta förloppet och lagring av fordonsparametrar samt signaler från provcellens analysinstrument. Provtagning reglerade emissioner Provtagnings och analysutrustningen använder sig av en fullflödes utspädningstunnel dvs. fordonets totala avgasutsläpp späds under provet till en konstant volym CVS (Constant Volume Sampling). Den totala volymen mäts och emissioner från transienta körningar kan beräknas. För mätningar av partiklar späds avgaserna ytterligare i en sekundär spädningstunnel. Den utrustning som används för analys av gasformiga avgaskomponenter är ett Horiba 94D system. Hela analyssystemet uppfyller kraven i enlighet med direktivet 25/55/EEC och U.S. Federal Register. Tabell 1: Reglerade komponenter och mätprinciper. Komponenter Mätmetoder Kolväten (HC) HFID (heated flame ionization detector) (19 C) Kolmonoxid (CO) NDIR (non-dispersive infrared analyzer) Koldioxid (CO 2 ) NDIR Kväveoxider (NO X ) CL (chemiluminescence) Bränsleförbrukning (Bf) Kolbalansmetoden (HC, CO, CO 2 ) Partiklar (PM) Filter, gravimetriskt Provtagning oreglerade emissioner PAH är föreningar med relativt hög molekylvikt och som kan förekomma både kondenserade på partiklar och i gasfas. Partikelbundna PAH samlas på ett glasfiberfilter och gasfas PAH på ett polyurethanskum (PUF) filter. Dessa filter extraheras och analyseras med masspektrometri (MS). En delmängd av extrakten används även för biologiska prover. Ames salmonella och TCDD prov mäter den mutagena effekten respektive hur hårt avgaskomponenterna

5 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 5 of 25 binder till protein. Båda proven är ett bra komplement till kemisk analys då effekter från samtliga föreningar, inte bara de som analyseras kemiskt, kan detekteras. För mätning av partikelantal och storleksfördelning används en Electronic Low Presure Impactor (ELPI) av märket Dekati. Partiklar laddas och beroende på storlek kolliderar mot väggen i en kolonn. Detta ger upphov till en spänning som mäts och är direkt proportionell till antalet. Körcykel Braunschweigkörcykeln är en transient körcykel som simulerar stadskörning med flera frekventa stopp. Den totala körsträckan är 11 km med en medelhastighet av 22.9 km/t och en maximal hastighet av 58.2 km/t. Tomgångskörning utgör 22 % av totala provtiden (174 s). Körcykeln valdes då den sedan länge är internationellt känd och använd, varvid emissionsfaktorer från olika fordon och bränslen finns att finna i litteraturen. En uppskattning av uttagen medeleffekt är ca 35 kw. Figur 1. Braunschweigkörcykeln, hasighet vs. tid. Provfordon. För provningarna valdes en lastbil i Euro III utförande. Detta därför att ca 85 % av lastbilsparken i Sverige består av Euro III eller äldre fordon år 28. Tabell 2. Data från provfordonet. Fabrikat Scania R42 LA6*2MNA Fordonsår 26 Miljöklass Euro III Motoreffekt 39 kw Växellåda Manuell Tjänstevikt 8 7 kg Totalvikt 26 5 kg

6 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 6 of 25 Bild 1. Provfordon (Scania R42) med last på chassidynamometer. Fordonets motor var försedd med Scanias egna insprutningssystem kallat HPI. Med detta insprutningssystem regleras både insprutningstidpunkt och insprutad bränslemängd genom att en kolv styrd av kamaxeln trycker på en vätskevolym fylld med bränsle som i sin tur trycker på en annan kolv som öppnar spridaren. Genom att reglera mängden vätska i den första volymen påverkas insprutningstidpunkten. Detta kan medföra att med ett bränsle med låg viskositet så hinner man få in en större mängd bränsle än för ett bränsle med högre viskositet och detta kan då leda till en tidigare insprutning. En tidigarelagd insprutning leder ofta till något bättre prestanda/verkningsgrad men också ofta till högre utsläpp av NOx. Detta kan leda till att bränsleförbrukning och NOx skiljer mindre än väntat mellan olika bränslen jämfört med prov på motorer med andra insprutningssystem.

7 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 7 of 25 Bild 2. 1-Övre kolv styrd av kamaxeln, 2 Tillflöde styrbränsle (mängden reglerar insprutningstidpunkten), 3-Retur styrbränsle, 4-Tillflöde förbränningsbränsle (mängden reglerar insprutad mängd), 5-Undre kolv, 6-Öppen spridare

8 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 8 of 25 Resultat Reglerade emissioner Nedan presenteras resultaten av undersökningen där procenttalet anger inblandningen av RME i MK1 respektive EN 59 diesel. På staplarna i diagrammen finns standard avvikelsen inlagd som sträck. Om dessa sträck överlappar varandra mellan de olika bränslekombinationerna är skillnaden inte signifikant. Kolmonoxid. Kolmonoxid är en giftig gas att andas in. Orsaken är att den binder till de röda blodkropparna starkare än vad syre gör, vilket gör att blodkropparnas förmåga att transportera syre försämras kraftigt med ökande dos. Från resultaten i Figur 2 kan en tydlig trend utläsas. Generellt är emissionen lägre för MK1 jämfört med EN 59 diesel. Nivåerna från båda bränslena sjunker något med en ökad inblandning av RME. CO 3 2, ,9 2,4 2,1 g/km 1,5 1,5 MK1 +5% Figur 2. Kolmonoxidemission, g/km.

9 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 9 of 25 Kolväten. Kolväten är ett samlingsnamn på ett mycket stort antal komponenter bestående av kol och väte. Vid analys med flamjonisations teknik detekteras även kolväteföreningar innehållande syre, kväve etc. Många av dessa föreningar är kända för att framkalla cancer och mutationer, speciellt föreningar med dubbelbindningar. Kolväte emissionen från samtliga bränslen ligger mycket nära detektionsgränsen för analysinstrumenten, runt dubbla brusnivån. Detta medför att skillnaden mellan.2 och.4 g/km inte kan sägas vara signifikant. HC,45,4,4,35,3,3,3 g/km,25,2,2,15,1,5 MK1 +5% Figur 3. Kolväteemission, g/km.

10 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 1 of 25 Kväveoxider. Kväveoxid (NO), är en giftig gas som bildas vid motorns förbränning med luft. Gasen verkar irriterande på hud och ögon. Kväveoxid reagerar med syre och bildar kvävedioxid (NO 2 ) vilken är lungskadande och ökar risken för cancer. Kväveoxid, kvävedioxid och några andra kväveoxider kallas med ett gemensamt namn för NOx. Som tidigare nämnts kan en tidigarelagd insprutning leda till något bättre verkningsgrad men också ofta till högre utsläpp av NOx vilket kan förklara att emissionen av NOx skiljer mindre än väntat mellan olika bränslen jämfört med prov på motorer med andra insprutningssystem. Resultaten visar inte på någon signifikant skillnad mellan de olika bränslena. NOx ,8 11,9 11,8 1 g/km MK1 +5% Figur 4. Kväveoxidemission, g/km.

11 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 11 of 25 Partiklar. Höga partikelnivåer i inandningsluften ger direkta effekter i form av ökat antal akutbesök och sjukhusintagningar för luftvägssjukdom och astma. Denna påverkan anses bl a ske genom att partiklarna skapar eller förvärrar en inflammation i luftvägarna. Studier visar att inhalation av dieselavgaser kan ge upphov till lungtumörer, samt att det främst är partiklarnas kärna av elementärt kol som framkallar dessa. Partikelemissionen från MK1 diesel är 3 % lägre jämfört med EN 59 vilket ger en signifikant höjning av negativa hälsoeffekter vid användandet av EN 59 diesel. Mängden partiklar minskar för vid inblandning av RME. Partiklar mg/km MK1 +5% Figur 5. Partikelemission, g/km.

12 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 12 of 25 Koldioxid och bränsleförbrukning. Koldioxid är en växthusgas som bildas vid förbränning av kolföreningar i syre. Emissionen av koldioxid är direkt proportionell till bränsleförbrukningen. Som nämnts tidigare kan skillnaden i bränsleförbrukning vara något mindre än väntat mellan de olika bränslena jämfört med prov på motorer med andra insprutningssystem än HPI. Denna undersökning visar att koldioxidemissionen och därmed bränsleförbrukningen inte påverkas signifikant av bränslevalet. CO g/km MK1 +5% Figur 6. Koldioxidemission, g/km. Bf l/1 km MK1 45,1 45,3 45, % Figur 7. Bränsleförbrukning, l/1 km.

13 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 13 of 25 Polycykliska aromatiska kolväten Ett stort antal PAH är bevisat eller misstänkt mutagena och cancerframkallande. Studier på dieselexponerade personer antyder att en långvarig exponering för höga halter av dieselavgaser ger en ökad risk för lungcancer. Både partiklar och gasfasen från dieselmotorer innehåller PAH. Gällande PAH syns en mycket tydlig och signifikant skillnad mellan MK1 och EN 59. Emissionen av PAH från MK1 ligger en faktor av 2.6 gånger under EN 59 vilket är en funktion av det låga innehållet av PAH i bränslet. Exponering av avgaser från kommer därför att signifikant öka risken för negativa hälsoeffekter relaterade till PAH. Den relativt höga emissionen för MK1 + 5 % beror på att endast två analysresultat (med stor spridning) erhölls. PAH ug/km MK1 +5% Figur 8. PAH, ug/km.

14 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 14 of 25 Partikelstorleksfördelning Resultat tyder på att de allra minsta partiklarna är av betydelse för dödligheten i hjärtkärlsjukdom. Förhöjda luftföroreningsnivåer av små partiklar kan bidra till att utlösa livshotande hjärtflimmer hos särskilt känsliga personer samt öka blodets viskositet och samband har påvisats mellan förhöjda halter av luftburna partiklar och en lätt ökning av hjärtfrekvensen. I diagrammen nedan visas totala antalet partiklar samt tre exempel på storleksfördelningen mellan små, medelstora, respektive stora partiklar. Resterande diagram återfinns i Appendix. Resultaten för samtliga storlekar av partiklar visar att vid förbränning av EN 59 ökar antalet jämfört med MK1. Denna ökning korrelerar med partiklar (mängd) och PAH vilket understryker bränslekvalitetens betydelse för hälsorisker. Antal totalt 5E+14 5E+14 4E+14 4E+14 Antal / km 3E+14 3E+14 2E+14 2E+14 1E+14 5E+13 +5% Figur 9. Antal partiklar, totalt/km

15 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 15 of nm 1,4E+13 1,2E+13 1E+13 Antal 8E+12 6E+12 4E+12 2E+12 +5% Figur 1. Antal 7 nm partiklar /km. 213 nm 7E+12 6E+12 5E+12 Antal 4E+12 3E+12 2E+12 1E+12 +5% Figur 11. Antal 213 nm partiklar /km.

16 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 16 of nm Antal % Figur 12. Antal 3786 nm partiklar/km.

17 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 17 of 25 Ames mutagenisitets test Vid Ames test använder man sig av genmodifierade salmonellabakterier som saknar förmågan att tillverka histidin. Histidin är en essentiell aminosyra som bakterierna behöver för att kunna växa. Bakterierna exponeras för bilavgasextraktet och om extraktet är mutagent så leder detta till en förändring i bakteriens DNA varvid bakterierna börjar växa till. Bakteriestammen som används kallas TA 98 och prövas med och utan ett metaboliserande system (+S9 respektive S9). Utan metaboliserande system detekteras direktmutagena komponenter medan det metaboliserande systemet visar på effekter under nedbrytning av PAH. De lägsta effekterna erhölls med prover från och med 5 % inblandning av RME. Den högsta biologiska effekten fanns i EN 59 dieseln oavsett om metaboliserande system användes eller ej. En inblandning av 5 % RME i MK1 verkar vara optimal ur mutagenicitetssynpunkt. Dessa resultat korrelerar med PAH men även andra avgaskomponenter kan vara aktiva. TA 98 - S revertanter / m MK1 +5% Figur 13. Ames test utan metaboliserande system.

18 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 18 of 25 TA 98 + S revertanter / m MK1 +5% Figur 14. Ames test med metaboliserande system.

19 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 19 of 25 TCDD- receptor affinitet. Extrakt från gas och partikelfas provades för innehåll av Ah-receptorbindande substanser uttryckt som TCDD-ekvivalenter i pg TCDD (2,3,7,8-tetraklordibenzo-pdioxin, Mw 322 g/mol.). Bilavgasextrakten har dessutom jämförts med ett blankprov också i triplikat. Provmängderna som använts motsvarar, cm körsträcka. Alla proven gav relativt likartade respons vad gäller Ah-receptorbindande komponenter, motsvarande c:a 3 pg TCDD. De lägsta värdena erhölls med MK1 med 5 % RME inblandning. TCDD-ekvivalenter pg MK1 +5% Figur 15. TCDD-receptor test.

20 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 2 of 25 Appendix. Partikeldiagram.

21 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 21 of nm 1,4E+14 1,2E+14 1E+14 Antal 8E+13 6E+13 4E+13 2E+13 +5% 3 nm 1,6E+14 1,4E+14 1,2E+14 1E+14 Antal 8E+13 6E+13 4E+13 2E+13 +5%

22 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 22 of nm 1,6E+14 1,4E+14 1,2E+14 1E+14 Antal 8E+13 6E+13 4E+13 2E+13 +5% 98 nm 3,5E+13 3E+13 2,5E+13 Antal 2E+13 1,5E+13 1E+13 5E+12 +5%

23 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 23 of nm 1,6E+12 1,4E+12 1,2E+12 1E+12 Antal 8E+11 6E+11 4E+11 2E+11 +5% 581 nm 6E+11 5E+11 4E+11 Antal 3E+11 2E+11 1E+11 +5%

24 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 24 of nm 3E+11 3E+11 2E+11 Antal 2E+11 1E+11 5E+1 +5% 1515 nm 1,4E+11 1,2E+11 1E+11 Antal 8E+1 6E+1 4E+1 2E+1 +5%

25 Emissionsprovning av och EN 59-diesel med och utan inblandning av 5 % RME. Page 25 of nm Antal %