Methods and techniques for the assessment of vehicular exhaust particulate emissions using alternative fuels and advanced emission control systems

Abstract

The current PhD Thesis presents the assessment of vehicular exhaust particulate emissions, covering a wide range of different vehicle types (light-duty and L-category vehicles, the latter including 2-, 3-, and light 4-wheelers), fuel types (gasoline, diesel, Liquified Petroleum Gas-LPG, Compressed Natural Gas-CNG and hybrid-electric powertrains), engine and emission control technologies. The method followed comprised emission measurements under laboratory (chassis dynamometer) and real-world driving conditions. The main objective was to identify those cases where particulate control regulation needs to be extended, further to the current coverage of diesel and gasoline direct injection (GDI) technologies. The potential to further decrease particulate emissions of diesel vehicles through fuel refinement was evaluated, with the focus being on latest-technology DPF-equipped passenger cars. Focusing on L-category vehicles (the current and forthcoming regulation prescribe only a particulate mass limit), the results of the current study revealed that, apart from diesel and GDI, high particulate emissions are also observed in other engine technologies. More specifically, vehicles equipped with 2-stroke gasoline engines were found to be high particulate mass (PM) and solid particle number (SPN) emitters, reaching the emission levels of diesel vehicles (without diesel particulate filter). Furthermore, high SPN emissions were also observed in the other L-sub-categories, although their PM emissions were in low levels, already below the respective limits. With regard to light-duty vehicles, the highest SPN emissions (under real-world driving conditions) were observed in the case of gasoline (with port fuel injection-PFI system) and LPG vehicles, especially in old-technology ones, exceeding the regulation limit (although this is not applicable on this engine technology). Diesel vehicles (equipped with DPF) were found to be the lowest emitters, while similar emission levels were observed in the case of the CNG vehicle. SPN emissions from the hybrid-electric vehicle (equipped with gasoline PFI engine) were found to be rather high compared to conventional PFI engines, exceeding the regulation limit (although not applicable also in this case). With regard to the fuel properties effects, the current study revealed that these can significantly affect particulate emissions even in the case of latest-technology DPF-equipped diesel vehicles. Thus, the conclusion of the current study is that in both L-category and light-duty vehicles, regulation focus should be extended to other engine and powertrain technologies, which were found to be high emitters. In the case of L-category vehicles, the PM limit should be extended to 2-stroke engines, while for the other sub-categories the introduction of a SPN limit may be required. In the case of light-duty vehicles, close attention should be focused on old-technology gasoline and LPG vehicles, while even latest technology gasoline (PFI) and hybrid-electric vehicles should also come under scrutiny. Finally, regarding the fuel properties refinement, it is suggested that the regulation limits on fuel properties should be revised in order to take into account the fuel properties effects on particulate emissions from latest-technology vehicles.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην αξιολόγηση των σωματιδιακών εκπομπών οχημάτων, καλύπτοντας ένα ευρύ φάσμα διαφορετικών τύπων οχημάτων (επιβατικά και οχήματα της κατηγορίας «L», δηλαδή δίτροχα, τρίτροχα και ελαφρά τετράτροχα), καυσίμων (πετρέλαιο, βενζίνη, υγραέριο, φυσικό αέριο και ηλεκτρο-υβριδικά οχήματα), τεχνολογιών κινητήρα και συστημάτων αντιρρύπανσης. Η μελέτη βασίζεται σε μετρήσεις ρύπων σε εργαστηριακό περιβάλλον (πέδη οχημάτων) και σε πραγματικές συνθήκες στο δρόμο. Ο κύριος στόχος της διατριβής ήταν να προσδιοριστούν οι τεχνολογίες κινητήρα και τα είδη καυσίμου, στα οποία θα πρέπει να επεκταθεί η υπάρχουσα νομοθεσία, η οποία επικεντρώνεται προς το παρόν μόνο στις σωματιδιακές εκπομπές από πετρελαιοκίνητα οχήματα και από οχήματα με κινητήρα άμεσης έγχυσης καυσίμου. Επιπλέον, αξιολογήθηκε το περιθώριο περαιτέρω μείωσης των σωματιδιακών εκπομπών των σύγχρονων πετρελαιοκίνητων οχημάτων μέσω της αλλαγής των ιδιοτήτων του καυσίμου. Εστιάζοντας αρχικά στα οχήματα της κατηγορίας «L» (η υπάρχουσα και η προσεχής νομοθεσία προβλέπουν όριο εκπομπών μόνο για την μάζα των σωματιδίων), τα αποτελέσματα της έρευνας φανέρωσαν ότι εκτός από τα πετρελαιοκίνητα οχήματα, υψηλές σωματιδιακές εκπομπές (μάζας και αριθμού σωματιδίων) παρατηρούνται και σε άλλες τεχνολογίες κινητήρα. Πιο συγκεκριμένα, οχήματα εφοδιασμένα με δίχρονους βενζινοκινητήρες παρουσίασαν υψηλές εκπομπές μάζας και αριθμού σωματιδίων, κοντά στα επίπεδα των πετρελαιοκίνητων οχημάτων (χωρίς φίλτρο κατακράτησης σωματιδίων), ενώ υψηλές εκπομπές αριθμού σωματιδίων παρατηρήθηκαν και στις υπόλοιπες υποκατηγορίες που μελετήθηκαν, παρόλο που η εκπεμπόμενη μάζα σωματιδίων ήταν σε επίπεδα κάτω από τα νομοθετημένα όρια. Όσον αφορά τα επιβατικά οχήματα, οι υψηλότερες εκπομπές αριθμού σωματιδίων (υπό πραγματικές συνθήκες οδήγησης) παρατηρήθηκαν στα οχήματα βενζίνης (έμμεσης έγχυσης καυσίμου) και υγραερίου, ιδιαίτερα στα παλαιότερης τεχνολογίας, ξεπερνώντας κατά πολύ το όριο της νομοθεσίας (παρόλο που αυτό δεν ισχύει για αυτές τις τεχνολογίες κινητήρα). Πολύ χαμηλές ήταν οι εκπομπές των πετρελαιοκίνητων οχημάτων (χάρη στην τοποθέτηση φίλτρου σωματιδίων) αλλά και του οχήματος φυσικού αερίου που μελετήθηκε. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι οι εκπομπές του ηλεκτρο-υβριδικού οχήματος ήταν σχετικά υψηλές συγκριτικά με συμβατικά οχήματα με κινητήρα έμμεσης έγχυσης καυσίμου, ξεπερνώντας μάλιστα το όριο της νομοθεσίας (το οποίο δεν ισχύει ούτε σε αυτή την τεχνολογία κινητήρα). Όσον αφορά την μελέτη των ιδιοτήτων του καυσίμου, προέκυψε ότι αυτές μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά τις σωματιδιακές εκπομπές ακόμα και των σύγχρονων πετρελαιοκίνητων οχημάτων που είναι εφοδιασμένα με φίλτρο κατακράτησης σωματιδίων. Το συμπέρασμα που προκύπτει, λοιπόν, από την παρούσα διδακτορική έρευνα είναι ότι τόσο στα οχήματα της κατηγορίας «L», όσο και στα επιβατικά οχήματα, το ενδιαφέρον της νομοθεσίας θα πρέπει να στραφεί και προς άλλες τεχνολογίες, οι οποίες παρουσίασαν υψηλές σωματιδιακές εκπομπές. Στην περίπτωση των οχημάτων της κατηγορίας «L» το όριο εκπομπών μάζας σωματιδίων θα πρέπει να επεκταθεί και στους δίχρονους κινητήρες, ενώ για τις υπόλοιπες υποκατηγορίες η υιοθέτηση ενός ορίου για τις εκπομπές αριθμού σωματιδίων ίσως είναι απαραίτητη. Στα επιβατικά οχήματα, προσοχή θα πρέπει να δοθεί στα παλαιότερης τεχνολογίας οχήματα βενζίνης και υγραερίου, ενώ στο μικροσκόπιο θα πρέπει επίσης να βρεθούν τα βενζινοκίνητα (έμμεσης έγχυσης καυσίμου) και τα ηλεκτρο-υβριδικά οχήματα τελευταίας τεχνολογίας. Τέλος, όσον αφορά την βελτίωση των ιδιοτήτων του καυσίμου, προτείνεται η αναθεώρηση των ορίων που θέτει η νομοθεσία ώστε να ληφθεί υπόψη και η επίδρασή τους στις σωματιδιακές εκπομπές των οχημάτων τελευταίας τεχνολογίας.