EMFO. -nanopartiklar från däck och vägbaneslitage? Mats Gustafsson & Göran Blomqvist

Transkript

1 EMFO -nanopartiklar från däck och vägbaneslitage? Mats Gustafsson & Göran Blomqvist Göran Blomqvist EMFO workshop 934-5

2 Deltagande forskare Mats Gustafsson, Göran Blomqvist Anders Gudmundsson, Erik Swietlicki Christer Johansson Eva Brorström-Lundén, Erika Junedahl WEAREM, m.fl. Göran Blomqvist EMFO workshop 934-5

3 Syfte Att: på en och samma beläggningstyp studera ett antal olika däcktypers generering g av nanopartiklar vid slitage, undersöka dessa partiklars egenskaper samt relatera dessa egenskaper till däckens egenskaper, identifiera partiklarnas förekomst i väg- och gatumiljöer och beräkna emissionsfaktorer för partiklarna och testa dessa i befintlig spridningsmodell Göran Blomqvist EMFO workshop 934-5

4 Storleksfördelningar dubbdäck [# cm -3 ] dn/dlogdp Bridegstone Noranza Michelin X-Ice North Nokian Hakkapeliitta km h -1 5 km h -1 3 km h dm/dlog Dp [mg m -3 ] Storleksfördelning (µm) Göran Blomqvist EMFO workshop 934-5

5 Exempel på elementsammansättning (PIXE) 1 1 Sommardäck, Bridgestone Dubbdäck, Bridgestone Si Si S Cl K Ca dm/dlogdp (ng/m 3 ) 1 S Cl K Ca Ti 1 1 dm/dlogdp (ng/m 3 ) 1,1,1,1 1 1 Areodynamisk diameter (µm) Fe Cu Zn W Co 1 1,1, Areodynamisk diameter (µm) Ti Fe Cu Zn W Co 1% 1% Co Co 8% 6% 4% 2% W Zn Cu Fe Ti Ca K Cl S Si Relativ koncentration (%) 8% 6% 4% 2% W Zn Cu Fe Ti Ca K Cl S Si Relativ koncentration (%) % %,42,8,14,21,32,51,81 1,26 2, 3,32 5,47 8,25 Däck Filler,42,8,14,21,32,51,81 1,26 2, 3,32 5,47 8,25 12,25 Tyre Bitumen Filler Areodynamisk diameter (µm) Bitumen Areodynamisk diameter (µm) Göran Blomqvist EMFO workshop 934-5

6 Några centrala slutsatser Partiklar i intervallet 2-4 nm kan endast påvisas tydligt då dubbdäck används Troligen bildas en ännu mindre partikelfraktion (<2 nm) vid flera däcktyper Både PM 1 och PM 2,5 innehåller PAH och PAH-profilerna skiljer sig mellan däcktyper Mest PAH i PM 2,5 Grövre partiklar (> 2 µm) domineras av mineralanknutna grundämnen (Si, Ca, K, Fe), men under ca 2 µm ökar partiklarnas innehåll av svavel Emissionsfaktorerna för nanopartiklar ca 1 ggr lägre än för avgaspartiklar Tack för uppmärksamheten! Göran Blomqvist EMFO workshop 934-5

7 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM WEAREM Trafikgenererade inandningsbara slitagepartiklar: bildningsprocesser, emissionsfaktorer, och förekomst ur åtgärdsperspektiv Åke Sjödin, IVL EMFO slutseminarium, 4-5 mars 29

8 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM

9 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Projektdeltagare Mats Gustafsson, Göran Blomqvist m fl, VTI Anders Gudmundsson, Erik Swietlicki m fl, LTH Christer Johansson, Billy Sjölund m fl, SLB-analys Martin Ferm, Anders Björk, Magnus Rahmberg m fl, IVL

10 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Mål Bestämma sammansättningen av trafikgenererade partiklar (PM 1, PM 2.5, PM 1 ) Klarlägga faktorer som påverkar bildningen av partiklar vid däck- vägbaneslitage och hbestämma emissionsfaktorer i Bestämma trafikens bidrag till partiklar i urban miljö och identifiera partiklarnas ursprung (bromsar, däck, vägbana etc.)

11 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Approach Modellering -COPREM -PMF - PCA m.m. - Hornsgatan, Sthlm PVM Labmätningar Fältmätningar - Amiralsg, Malmö - PVM Mätning av Mätning av antal: massa: - SMPS - TEOM - DustTrak - APS m fl Kemisk sammansättning: - ICP-MS -PIXE - Urbanmätnätet

12 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Mätningar i PVM

13 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Masskoncentration av PM 1 i PVM för olika däck 6 5 Nokian Hakkapeliitta 4, studded tyre Nokian Hakkapeliitta RSi, Nordic unstudded winter tyre Nokian NRHi Ecosport, summer tyre 4 [mg m -3 ] 3 PM : 12: 13: 14: 15: 16: 17: 18: 19: Time [hh:mm]

14 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET Emissionsfaktorer för olika storleksfraktioner s tio e av partiklar a i PVM 1 WEAREM or ( mg/fkm m ) Emi ission fact Aerodynamic diameter (µm)

15 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Mätningar i Stockholm

16 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Ag Al As Ba Bi Ca Cd Ag Al As Ba Bi Ca Cd Ag Al As Ba Bi Ca Cd Lon Ag Al As Ba Bi Ca d Ag Al As Ba Bi Ca d Källprofiler utnyttjade Cd Co Cr Cu Fe K Li Exhaus Cd Co Cr Cu Fe K Li Brake Cd Co Cr Cu Fe K Li ng range trans Cd Co Cr Cu Fe K Li R Cd Co Cr Cu Fe K Li utnyttjade för beräkningar Mg Mn Mo Na Ni Pb Rb st Li Mg Mn Mo Na Ni Pb Rb lining wear Li Mg Mn Mo Na Ni Pb Rb sport Li Mg Mn Mo Na Ni Pb b Road wear Li Mg Mn Mo Na Ni Pb b Tire wear be g med COPREM Rb Sb Si Sr Th Ti Tl Rb Sb Si Sr Th Ti Tl Rb Sb Si Sr Th Ti Tl Rb Sb Si Sr Th Ti Tl Rb Sb Si Sr Th Ti Tl U V Zn Tl U V Zn Tl U V Zn Tl U V Zn Tl U V Zn

17 - 3 µgm EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM 25 Residue Aspvreten Hornsg_filter_VPM VTI_7 Brake_Hjort_ppm Exhaust PMx Bidrag från olika källor till halten PM 1 på Hornsgatan enligt beräkningar med COPREM d 5 PM y = x R² =.855 apr -7 6 apr-13 6 apr nov -5 6 mar -9 7 mar mar-2 7 maj-21 7 maj-24 7 maj-27 7

18 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Hornsgatan emissionsfaktorer och källbidrag PM PM PM PM 1, PM 2.5, PM /vehkm) ission factor (mg/ Em Tire wear Brake wear Exhaust Road wear % contribution to PM Long-range Brake wear Exhaust Road wear PM1 PM2.5 PM1

19 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Mätningar i Malmö

20 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Emissionsfaktorer för PM 1 och PM 2.5 för Amiralsgatan vid torra resp. våta perioder March April May June EF PM1. all EF PM1. wet road EF PM 2.5. all EF PM 2.5. wet road (g/fkm)

21 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Jämförelse emissionsfaktor PM 1 PVM: 35 mg/fkm dubbdäck 7 km/h Hornsgatan: 1-6 mg/fkm vintertid Amiralsgatan: 1-3 mg/fkm d:o

22 EMFO EMISSIONSFORSKNINGSPROGRAMMET WEAREM Slutsatser PM 1 -emissioner från dubbdäck ca 1 ggr högre än från sommardäck PM 1 -emissionerna ökar med ökande hastighet h för alla däckstyper God överensstämmelse i EF PM 1 mellan PVM och Hornsgatan (samma beläggning) I gatunivå vägslitage g dominerande källan till PM 1,, långdistanstransport till PM 2.5 Behov av bättre kunskap om källprofiler och elementarsammansättning på luftpartiklarna

23 GM Powertrain Sweden projekt: titel : Partikelemissioner från DI-motor, bensin och alternativa bränslen parter: KCK, Chalmers GM Powertrain AB deltagare : Per Ericsson, GM Powertrain AB Carolin Ohlson, doktorand KCK tid: Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 1

24 GM Powertrain Sweden PM mg/km Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 2

25 GM Powertrain Sweden PM mg/km Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 3

26 partikel massa [g/km] GM Powertrain Sweden,18,16,14,12,1,8,6,4,2 Europeiska emissionskrav, diesel årtal Euro1 Euro2 Euro3 Euro4 Euro5 Euro6 Partikel antal lagkrav för diesel och bensin från Euro 5+ Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 4

27 GM Powertrain Sweden PM mg/km PN #/km PM mg/km PN? #/km Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 5

28 PI sug PI turbo PI turbo E85 Diesel med DPF SIDI WG hom SIDI SG stra Partikel emissioner normerat mot diesel GM Powertrain Sweden Partikel emissioner från 4-cyl, 2 liter motorer 4 35 PN 3 PM Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 6

29 PI sug PI turbo PI turbo E85 Diesel med DPF SIDI WG hom SIDI SG stra Partikel emissioner normerat mot diesel GM Powertrain Sweden Partikel emissioner från 4-cyl, 2 liter motorer 4 35 PN 3 PM Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 7

30 Particle diameter (nm) Vehicle speed (kmph) Particle diameter (nm) Vehicle speed (kmph) GM Powertrain Sweden Avgasrör, partiklar 5 PI turbo dn/dlogdp /cc SIDI WG Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 8

31 Particle diameter (nm) Particle diameter (nm) GM Powertrain Sweden vehicle speed [kmph] Vehicle speed (kmph) Råemissioner, partiklar 1,E+4 1,E+5 1,E+6 1,E+7 1,E+8 1,E+9 dn/dlogdp /cc 5 PI turbo SIDI WG Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 9

32 GM Powertrain Sweden Partikel emissioner 1,E+4 3,2E+5 1,E+7 3,2E PI turbo dn/dlogdp /cc dn/dlogdp /cc PI turbo Partikel reduktion = 96% SIDI WG SIDI WG Partikel reduktion = 75% Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 1

33 CO + CO 2 [vol.-ppm] GM Powertrain Sweden Oxidations studier av uppsamlade partiklar - DI partiklar oxideras vid högre temperatur än PI - Etanol ökar reaktivitet Printex U Diesel Gasoline DI Gasoline PI EtOH PI Temperature [C] Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 11

34 SEM studier av uppsamlade partiklar GM Powertrain Sweden Diesel - Inga tydliga resultat förutom E85 mindre diameter Diesel DI Bensin Gasoline DI PI Bensin PI E85 Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 12

35 Particle diameter (nm) Vehicle speed (kmph) Particle diameter (nm) Vehicle speed (kmph) Particle diameter (nm) Vehicle speed (kmph) GM Powertrain Sweden Partiklar, SIDI WG råemission PI turbo dn/dlogdp /cc avgasrör, orginal avgasrör, filtrerat Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 13

36 GM Powertrain Sweden Catalytic Efficiency [%] Partikel Reduktion mha filter, SIDI WG 1,2E+8 1,E+8 8,E+7 EO NEUDC TP NEUDC DPF2 NEUDC 6,E+7 4,E+7 2,E+7,E Dp (nm) EFF TP total EFF DPF total ECE1 ECE2 ECE3 ECE4 EUDC Total Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 14

37 GM Powertrain Sweden Slutsatser Resultat visar DI motorer kan få problem att möte kommande PN lagkrav Oxidation av DI partiklar svår, kan filtreras bort Optimering av efterbehandlingssystem mot motor EMFO gav möjlighet till partikelsammarbete mellan GMPT och KCK 1st lic. examen (Carolin Ohlson), 4 st publikationer Tack till EMFO Issued by Per Ericsson Date Info Class Internal Reg No No Reg Issue 1 Slide 15

38 Measurements, modeling, and optimization of transient and stationary particle emissions s from diesel engines es Ann Grant 1*, Anna Hägg 2,Olle Berg 2, Lars-Olof Carlsson 1, Mikael Nilsson 1 Roger Westerholm 3, Carl Justin Kamp 4 Magnus Skoglund 4 1 AB Volvo, Göteborg. 2 Vl Volvo Personvagnar, Götb Göteborg. 3 Analytisk kemi, Stockholms universitet. 4 KCK, Chalmers, Göteborg GOAL: Gain a detailed understanding of how transient conditions in the engine affect particle emissions and how the emitted particles in the exhaust line are transformed and collected (i.e. by a diesel particle filter). Volvo Technology AB Volvo, Volvo Car Corporation, Chalmers, and Stockholm University 4/2/29

39 TYPICAL DIESEL PARTICLE SIZE DISTRIBUTIONS soot HC + sulfate Kittelson, D.B Engines and Nanoparticles: ARe Review, J. Aerosol Sci., Vol. 29, No. 5/6, pp , Volvo Technology AB Volvo, Volvo Car Corporation, Chalmers, and Stockholm University 4/2/29

40 PSD distribution during soot loading at different sampling locations: Engine out 1 2.5E+3 Particle diameter (nm) E+3 1.5E+3 1.E+3 5.E+2 moment (Nm) E+ After DOC: 1 2.5E E+3 DOC Particle diameter (nm) E+3 1.E+3 moment (Nm) E+2 5.E DPF 1 5 After DPF (up to 3g/L): 2.5E+3 2.E+3 Particle diameter (nm) E+3 1.E+3 5.E+2 moment (Nm) 5.E Soot loading at C25 1.E+4 1.E+5 1.E+6 1.E+7 1.E+8 1.E+9 dn/dlogdp /cc Volvo Technology AB Volvo, Volvo Car Corporation, Chalmers, and Stockholm University 4/2/29

41 PSD during soot loading of a highly porous DPF 1.E+6 6.E+7 9.E+5 8.E+5 5.E+7 d Dp/d log Dp/ cc 7.E+5 6.E+5 5.E+5 4.E+5 3.E+5 degreened DPF DPF with 7.2 g/l soot After DOC 4.E+7 3.E+7 2.E+7 2.E E+5 1.E+7.E+.E Dp (nm) 99,97% of all PM sizes are collected by filter even at high soot loading All PSD are averaged over a 3 minute European steady state cycle Volvo Technology AB Volvo, Volvo Car Corporation, Chalmers, and Stockholm University 4/2/29

42 Particle size distribution from a onecylinder engine during an EGR-Sweep 1.4E+8 d N/d lo ogdp /cc 1.2E+8 1.E+8 8.E+7 6.E+7 4.E+7 5g/kWhNOx 3.5 g/kwh NOx 2 g/kwh NOx 1.3 g/kwh NOx.8 g/kwh NOx 2.E+7.E Dp (nm) Follows the NOx/soot tradeoff with less soot (less PM) at higher NOx Volvo Technology AB Volvo, Volvo Car Corporation, Chalmers, and Stockholm University 4/2/29

43 Correlation between PM size and PAH content geomet tric mean dia ameter (nm) PAH (ng/m mg) NOx (g/kwh) Larger particles have high PAH content (>5% phenathracene) Unburnt HC with ~1 nm PM has almost undetectable PAH (not shown) Volvo Technology AB Volvo, Volvo Car Corporation, Chalmers, and Stockholm University 4/2/29

44 LD diesel with and without EGR 1.E+4 1.E+5 1.E+6 1.E+7 1.E+8 1.E+9 dn/dlogdp /cc rticle diameter (nm) Par with EGR 1.7E+2 1.5E+2 1.3E+2 1.1E+2 9.9E+1 moment 9.7E E+4 1.E+5 1.E+6 1.E+7 1.E+8 1.E+9 5 dn/dlogdp /cc 9.5E Pa article diameter (nm) 1 12E+2 1.2E+2 5 w/o EGR 1.15E+2 1.1E E E E E+1 moment E+1 8.E+1 Turn on and off PN with injection timing i by ~x2: transient t response time Mass emission varies by 15 to 25% (22 to 29 mg/m 3 with EGR) Turn on and off nucleation mode without EGR with later timing Volvo Technology AB Volvo, Volvo Car Corporation, Chalmers, and Stockholm University 4/2/29

45 Chalmers: structure based microkinetic modeling of soot (Printex U) oxidation CO+ +CO2 [ppm] Isothermal TPO at 58C a Active sites: (a) semi-quinone Shrinking core b. (b) o-quinone a. b. Time [sec] CO desorption from o-quinone oxygen atoms require over 3% less energy than that from semi-quinone oxygen atoms Courtesy Justin Kamp, KCK Volvo Technology AB Volvo, Volvo Car Corporation, Chalmers, and Stockholm University 4/2/29

46 number of sites x 17 o- and semi-quinone count vs. conversion, square crystallite, overlap= ppm [CO] o-quinone semiquinone total sites conversion Isothermal 8% O2, 53C Conversion Active site distribution as a function of crystallite size Square crystallite Distribution from SEM Roughly identical i peaks compared to exp. data demonstrates shrinking core after ca. 5% burnoff Good explanation of soot oxidation before 5% Courtesy Justin Kamp, KCK Volvo Technology AB Volvo, Volvo Car Corporation, Chalmers, and Stockholm University 4/2/29

47 Summary: Extremely good efficiency of prototype highly porous filters over all particulate sizes has been shown, 99.97% The geometric mean particle size increases when NOx decreases following the soot/nox tradeoff. Great amounts of PAH were detected on the larger particles It is possible to systematically vary the number of particles emitted (and mass) by slightly changing the injection timing keeping all other engine parameters constant Modeling the active site distribution on C crystallites shows promise for accurately predicting soot oxidation kinetics Volvo Technology AB Volvo, Volvo Car Corporation, Chalmers, and Stockholm University 4/2/29

48 EMFO 4-5 maj 29 Avancerade partikelefterbehandlingssystem för tunga dieselmotorer, EU6 och framåt Swenox AB Mikael Karlsson, Åsa Johansson, Mikaela Wallin, Phil Bush (Eminox ltd) Kompetenscentrum katalys, Chalmers Per-Anders Carlsson och Magnus Skoglundh Swenox AB a Hexadex Company

49 EMFO 4-5 maj 29 Projektbeskrivning Kommande utsläppskrav för tunga fordon kommer sannolikt innebära att man måste kombinera partikelfiltrering med aktiv regenerering och NOx reduktionskatalysatorer Swenox AB a Hexadex Company

50 EMFO 4-5 maj 29 Projektbeskrivning Schematisk beskrivning av kombinerade system urea injection DOC DPF SCR ASC mixing device Swenox AB a Hexadex Company

51 EMFO 4-5 maj 29 Projektbeskrivning Dieselpartikelfilter Kräver sotförbränning - passiv/aktiv regenerering Höga systemtemperaturer under aktiv regenerering (upp till 75 C) Canning SCR katalysatorer Höga utloppstemperaturer Materialegenskaper Återkommande asktömning Filtret måste vara uttagbart filtrering filtration PM CO2 2 regeneration regenerering O2 O 2 NO O2 O 2 he vä ärme eat Swenox AB a Hexadex Company

52 EMFO 4-5 maj 29 Filteregenskaper Flera olika typer av filter Keramiska helfilter Cordierit SiC Metalliska halvfilter Mottryck Regenereringsgrad Akustik Canning Swenox AB a Hexadex Company

53 EMFO 4-5 maj 29 Motortester t t olika filtertyper t Båda filter är av storlek som rekomenderats av tillverkaren för en 2kW tillämpning. Filter A En typ av metallfilter Filter B Keramiskt filter Storlek Ø12 x13.5 Ø1.5 x12 Volym 23.1 l 17. l Filtreringsareai m 2 1. m 2 Specifik filtreringsarea.282 m 2 /l.582 m 2 /l Cannad vikt 24.4 kg 13.5 kg Densitet (cannad) 1.6 kg/l.82 kg/l Swenox AB a Hexadex Company

54 EMFO 4-5 maj 29 Mottryck sotinlagringing FIlter B FIlter B FIlter B FIlter B FIlter A FIlter A FIlter A FIlter A FIlter A Båda filter återgick till >8% av ursprungliga mottrycket. Swenox AB a Hexadex Company

55 EMFO 4-5 maj 29 Akustik rena filter B A Swenox AB a Hexadex Company

56 EMFO 4-5 maj 29 Mottryck filterdimensioner i (keramiska k filter) 17 dp vs. dp vs. Diameter 17 dp vs. Volume for different lengths dp vs. Volume for different lengths dp [Pa Pa] dp [P in 8i in 12 in 14 in 15 in dp [Pa Pa] dp [P in 8i in 12 in 14 in 15 in diam. [in] Diam. [in] Volume [litre] [litre] 3 Volume vs. Diameter Volume vs. Diameter 17 dp vs. Volume for different diameters dp vs. Volume for different diameters Volume [l [Litre] Volume [ Diam. diam. [in] [in] Swenox AB a Hexadex Company in 8 in in 14 in 15 in dp [Pa] dp a] Volume [litre] [litre] in 7.5 in 9 in 1.5 in in 12 in

57 EMFO 4-5 maj 29 Aktiv regenerering höga temperaturer Simulering av utloppstemperaturer Designa specifikt för att kyla avgaser Avgastemperaturer utanför systemet. Utloppsdesignen ökar kylningen av avgaserna. a Swenox AB a Hexadex Company

58 EMFO 4-5 maj 29 Outlet example 1 Outlet example 2 Iso-surface 25ºC Iso-surface 25ºC Temperature 15 mm beside and below the system [ C] Temperature 15 mm beside and below the system [ C] Maximum temperature 15 mm below ATS: 269 C Maximum temperature 15 mm below ATS: 38 C Maximum temperature 15 mm beside ATS: 269 C Maximum temperature 15 mm beside ATS: 317 C Swenox AB a Hexadex Company

59 EMFO 4-5 maj 29 Canning Höga temperaturer Hög värmeexpansion i plåtskalet runt filtret och katalysatorer Mycket låg värmeexpansion i filter och katalysatorsubstrat Canningmattan måste klara att kompensera för det ökade gapet mellan substrat och kanna vid höga temperaturer Hög kompression av mattan risk att krossa substratet Swenox AB a Hexadex Company

60 EMFO 4-5 maj 29 Kompressionstest - canning Still frame of movie as mandrel passing through cone Still frame of movie as mandrel passing through cone with averaging software applied Swenox AB a Hexadex Company

61 EMFO 4-5 maj 29 Sotförbränningsmodell Modellerar sotinlagring och sotförbränning i pseudo 3D Swenox AB a Hexadex Company

62 EMFO 4-5 maj 29 Simuleringsresultat T, P and Soot at t=3 [min] [K o ] T out x [m] x 1-7 z [m] um. 5 Drop 2 Soot acc Pressure x [m] z [m] x [m] z [m] Swenox AB a Hexadex Company

63 EMFO 4-5 maj 29 Sotinsamling Sot från motortestbänkstest har samlats in för att analyseras i labbskaleförsök på Chalmers med syftet att jämföra verkligt diesel sot med det modellsot Chalmers använt Swenox AB a Hexadex Company

64 EMFO 4-5 maj 29 Competence Centre for Catalysis Summary of Chalmers contribution Within the EMFO program, a general experimental method for studies of reactions between gaseous and solid reactants, in specific oxidation of soot, have been elaborated. The method eliminates temperature variations and to a large extent also diffusion limitations that otherwise may influence the results. Based on the method, oxidation of a synthetic carbon material serving as a model soot as well as real diesel soot collected from a heavy-duty engine at Eminox have been studied. In parallel, in order to reveal critical steps in the oxidation mechanism, detailed kinetic models for simulation of soot oxidation kinetics have been formulated and implemented in a Matlab code. The influence of physical shape of the soot particles on the oxidation kinetics have been theoretically investigated as well. The theoretical work together with a relatively extensive literature overview have been condensed into two scientific papers. Swenox AB a Hexadex Company Per-Anders Carlsson

65 EMFO 4-5 maj 29 Competence Centre for Catalysis Two examples of simulations of soot oxidation based on microkinetic models Temperature programmed oxidation Isothermal O 2 step-response tests ncentration [ppm m] Co O co overage carbon 5 O CO 6 CO 2 CO 7 Inlet gas temperature [ C] Carbon mass [m g] 2x1-4 Scrutinizing various models it turns out that activation of the carbon surface by oxygen adsorption is a key-step for further carbon oxidation and that gas phase oxygen plays a direct role in the formation of CO and CO CO co ov. Conc. [ppm] O, O* cov. O, O* cov. Conc. [p ppm] O, O* cov. Con nc. [ppm] O* oxygen step carbon CO CO 2 CO O C 65 C 63 C Mass [mg] CO cov. Mas ss [mg] CO cov v. Mass [m mg] CO cov. Swenox AB a Hexadex Company Time [min] Per-Anders Carlsson

66 EMFO 4-5 maj 29 Vidareutveckling av Swenox SCR modell Höga temperaturer kräver tåliga SCR katalysatorer Fe-zeolit bra kandidat Swenox SCR-modell har utökats t för att bli kompatibel med nya katalysatorer och den nya filtermodellen NO/NO 2 förhållande NH 3 lagring Ny parametrisering för Fe-zeolitkatlaysatorer Swenox AB a Hexadex Company

67 EMFO 4-5 maj 29 Parametrisering Fe-zeolit Swenox AB a Hexadex Company

68 EMFO 4-5 maj 29 Summering Olika filtertyper har jämförts både vad gäller filtreringsgrad, mottryck men också pris. Även akustiska egenskaper är viktiga vilket visade sig skilja mycket mellan filtertyper Vi har lärt oss att utloppstemperaturen kan styras genom ändamålsenlig design av utloppet Canningmattans egenskaper är viktiga för ett hållbart Euro6-system Ett fungerande simuleringsverktyg av filtret har byggts upp som är kompatibelt med Swenox SCR-modell I samarbete med KCK på Chalmers utvecklas kinetik för sotförbränning samt att verkligt Dieselsot har analyserats som input till microkinetiken i sotmodellen En detaljerad mikrokenetisk modell har formulerats och implementerats i en MatLab-kod Det teoretiska arbetet har sammanställts i två vetenskapliga publikationer SCR-modellen har framgångsrikt förfinats fi och fungerar nu med zeolitkatalysatorer Swenox AB a Hexadex Company