Μελέτη της χημικής σύστασης των σωματιδιακών εκπομπών από καύση βιοντίζελ

Abstract

atty Acid Methyl Esters (FAMEs) are the most common renewable fuels used for diesel fuel blending. Rapeseed Methyl Ester (RME) is currently the most common FAME type throughout Europe and was chosen for this study. The objective of this study was to evaluate the impact of higher RME levels on unregulated particle emissions. Three Euro 4-compliant light-duty diesel vehicles were selected. All vehicles featured exhaust gas recirculation (EGR) and some type of diesel oxidation catalyst (DOC). Two vehicles were also equipped with Diesel Particulate Filters (DPF) using two different DPF regeneration strategies. Four FAME/diesel blends were blended and tested: A reference diesel fuel (<10mg/kg sulphur) (B0) and 3 blends of this fuel with RME at 10% v/v (B10), 30% v/v (B30), and 50% v/v (B50) over both the regulatory New European Driving Cycle (NEDC) and ‘real-world’ ARTEMIS driving cycle for particulate matter (PM), particularly: (a) determination of the Soluble Organic Fraction (SOF) of the emitted PM followed by a breakdown to fuel- and oil- derived hydrocarbons, (b) determination of the n-alkanes of the emitted SOF, (c) determination of the major anion and cation components of the emitted PM, (d) estimation of the EC content of the PM by subtracting the sum amount of SOF and ions from the gravimetrically measured PM mass and finally (e) determination of the oxidation potential of the SOF. The vehicle testing protocol was statistically designed in order to provide robust results for all emissions. Biodiesel in higher amounts reduced emissions of most of the chemical constituents of PM even if the reduction was not significant in DPF equipped vehicles. DPF equipped vehicles appeared a general tendency of increase of % total SOF and % F-D SOF with increasing blend, in both driving cycles. On the other hand, % O-D SOF was not affected by increasing blend. The major constituent of the DPM was F-D SOF. On the other hand, the non-DPF equipped vehicle appeared a general tendency of increase of % total SOF with increasing blend. In that case the major constituent of the DPM was EC. All vehicles emitted significantly higher % F-D SOF than % O-D SOF. In brief, F-D SOF emissions comprised from 70% to 90% of total SOF emissions. Although SOF emissions (mg/km) were generally higher in Artemis Urban than in NEDC, in DPF equipped vehicles % emissions were higher in NEDC due to the cold start of the engine during this cycle. N-alkanes were detected only in case of the non-DPF equipped vehicle and comprised about 20-40% of the emitted SOF. DPF equipped vehicles recorded slight differences in % nitrate emissions with increasing blend. Sulphates were not detected in DPF equipped vehicles as a result of getting trapped in the filter. The non-DPF equipped vehicle also recorded slight differences in % anion emissions with increasing blend. Sulphate emissions were slightly higher compared to nitrate emissions. All vehicles recorded ammonium emissions which not exceeded 4% of the total DPM emitted. EC percentage in the DPM determined by subtraction recorded a general tendency of decrease with increasing blend. Oxidation activity slightly increased with increasing blend, regardless the vehicle. DPF equipped vehicles recorded higher values of oxidation activity than the non-DPF equipped vehicle thus indicating more toxic organic emissions.

Η απαίτηση της Ε.Ε. ώστε το 10% των ενεργειακών αναγκών για τις μετακινήσεις να καλύπτεται από ανανεώσιμα καύσιμα ως το 2020 οδήγησε τα τελευταία χρόνια στην εκτεταμένη χρήση του βιοντίζελ. Από τους μεθυλεστέρες των λιπαρών οξέων, αυτός του κραμβελαίου (Rapeseed Methyl Ester, RME) χρησιμοποιείται συχνότερα στην Ευρώπη για τη παραγωγή του βιοντίζελ και για το λόγο αυτό επιλέχθηκε στην παρούσα διατριβή. Στόχος της διατριβής είναι ο προσδιορισμός της επίδρασης της αύξησης του ποσοστού του βιοντίζελ στις εκπομπές των κυριότερων σωματιδιακών ρύπων και στην οξειδωτική δραστικότητα του διαλυτού οργανικού κλάσματος (Soluble Organic Fraction, SOF) της σωματιδιακής ύλης (Diesel Particulate Matter, DPM). Για το λόγο αυτό, επιλέχθηκαν τρία σύγχρονα επιβατηγά οχήματα ντίζελ (Euro 4+) εφοδιασμένα με οξειδωτικό καταλύτη, ενώ τα οχήματα 1 (V1) και 3 (V3) έφεραν επιπλέον διαφορετικού τύπου συστήματα ελέγχου των σωματιδιακών εκπομπών. Για τις δοκιμές επιλέχθηκε ένα συμβατικό καύσιμο ντίζελ χαμηλού θείου (B0) και τρία μίγματα του B0 με RME (B10, B30 και B50). Οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν στο νέο ευρωπαϊκό κύκλο οδήγησης (NEDC) και τον αστικό κύκλο Artemis Urban. Οι αναλύσεις της DPM των καυσαερίων περιελάμβαναν: (α) τον προσδιορισμό του SOF και το διαχωρισμό του σε προερχόμενο από το καύσιμο (Fuel Derived SOF, F-D SOF) και το λιπαντικό (Oil Derived SOF, O-D SOF), (β) τον προσδιορισμό των κ-αλκανίων και (γ) τον προσ-διορισμό των ιοντικών συστατικών. Επιπλέον, υπολογίστηκε ο στοιχειακός άνθρακας (Elemental Carbon, EC) με αφαίρεση του SOF και των ιοντικών συστατικών από τη συνολική DPM. Τέλος, προσδιορίστηκε η οξειδωτική δραστικότητα του SOF μέσω της δοκιμής της διθειοθρεϊτόλης (DTT test). Παρά το γεγονός ότι η χρήση του βιοντίζελ φαίνεται να έχει θετικό αντίκτυπο στις εκπομπές των περισσότερων ρύπων εντούτοις οι διαφορές δεν είναι σημαντικές, ειδικά στην περίπτωση των οχημάτων με παγίδα. Τα V2 και V3 εμφανίζουν μία τάση αύξησης των εκατοστιαίων περιεκτικοτήτων των SOF και F-D SOF στη DPM με την αύξηση του ποσοστού του βιοντίζελ. Στον αντίποδα, οι εκατοστιαίες περιεκτικότητες του O-D SOF δε φαίνεται να μεταβάλλονται με την αύξηση του βιοντίζελ. Το V2 σημειώνει χαμηλότερες εκατοστιαίες περιεκτικότητες του SOF στη DPM από τα οχήματα με παγίδα. Το F-D SOF συνιστά το 70-90% του ολικού SOF, ενώ στα V1 και V3 αποτελεί το κυρίαρχο συστατικό της DPM. Στο V2 τα προσδιοριζόμενα κ-αλκάνια αποτελούν το 21-39% του SOF και το 4-8% της συνολικής DPM. Σε αντίθεση με το SOF, οι εκατοστιαίες περιεκτικότητες των νιτρικών ιόντων στη DPM δε φαίνονται να επηρεάζονται από την αύξηση του βιοντίζελ. Στα V1 και V3 δεν ανιχνεύονται θειικά ιόντα, ενώ στο V2 προσδιορίζονται σε ποσοστά λίγο υψηλότερα από τα νιτρικά. Όλα τα οχήματα σημειώνουν χαμηλές εκπομπές αμμωνιακών. Τα V2 και V3 εμφανίζουν μία τάση ελάττωσης των εκατοστιαίων περιεκτικοτήτων του EC στη DPM με την αύξηση του βιοντίζελ. Στο συγκεκριμένο στήσιμο των κινητήρων οι χαμηλότερες εκπομπές των εξεταζόμενων ρύπων εμφανίζονται με το Β30. Ανεξαρτήτως οχήματος, παρατηρείται αύξηση της οξειδωτικής δραστικότητας ανά μο-νάδα μάζας του εκπεμπόμενου SOF με την αύξηση του βιοντίζελ. Αυτό αποτελεί ένδειξη ότι οι οργανικές ενώσεις που εκπέμπονται με τα βιοντίζελ είναι δυνητικά πιο επικίνδυνες από τις αντίστοιχες του συμβατικού ντίζελ. Οι τιμές της οξειδωτικής δραστικότητας ανά μονάδα μάζας είναι υψηλότερες στα οχήματα με φίλτρο σωματιδίων από ότι στο V2.