Bilag C: Litteraturanalyse – Arbejdsrapport fra Miljøstyrelsen Nr. 4 2008 – Partikeludslip fra nye tunge køretøjer (Euronorm IV og V)

I dette bilag redegøres overordnet for resultater og metoder i den i første omgang udvalgte litteratur. Gennemgangen i det følgende er efter forfatterens efternavn.

Jon Andersson (2004):

UN-GRPE PMP Phase 3 Inter-laboratory Correlation Exercise: Framework and Laboratory Guide. Great Britain: UK Department for Transport.

Projektets aktører
Projektet er gennemført af Ricardo Consulting Engineers for UK DfT som del af Particle Measurement programme (PMP).

Ricardo Consulting Engineers er et engelsk privat rådgivende ingeniørfirma indenfor primært transport og energi.

UK Department for Transport (DfT) er en britisk ministerium, med formålet at varetage befolkningen og regeringens interesser indenfor transport i forhold til energi, miljø og samfund.

Formål og baggrund
Formålet med projektet er, at specificere og teste guidelines og protokol for interlaboratory correllation exercise. Formålet er, at evaluere 'draft revised Regulation 83 dokument'.

Metode
Projektet rummer en række retningslinier til brug for tests på området.

Resultater og observationer
Projektet fremviser ikke egne resultater på området.

Validitet, usikkerhed og robusthed
Der er ingen usikkerhed i dette studie alene, da dette refererer til tidligere studier.

R. Carbone, A. Jørgensen, N. Ranchet, D.J. Rickeard, C.J. Rowntree, R.J. Stradling og P.J. Zemroch (2005):

Fuel effects on the characteristics of particle emissions from advanced motors and vehicles. Brussels: Concawe.

Projektets aktører
Projektet er gennemført/artiklen er udgivet af: CONCAWE Fuels quality and Emissions Management Group Special Task Force FE/STF-10 for at aktualisere forståelsen af emissioner fra færdsel på veje. Projektet er en del af CONCAWE's bidrag til DG TREN 'Particulates' konsortium.

Formål og baggrund
Studiet vurderer brændselseffekter på emissioner fra nye motorer/køretøjers teknologier. Der testes på motorer der dækker EURO-III til EURO-V teknologier. Målinger testes på partikel massen (PM), det totale antal partikler, antal kulholdige partikler og størrelsesfordelingen af partikelemissionen. Der testes ved DPF (filter) og 'after treatment' teknologier, hvilken virkning det har på partikel emissionerne. EURO-IV er udstyret med CRT, mens EURO-V er med SCR.

Metode
Legislative test cycles. ESC and ETC tests. Desuden SMPS og DDMPS for steady state - og CPC samt TrDMPS for "transient operation" ved mål af total antal partikler. Desuden målinger af finere partikler ved PM₁₀-PM_2,5.

Resultater og observationer
Ved test af partikel masse (PM) klarer EURO-IV sig bedst, dernæst EURO-V og dårligst EURO-III. EURO-IV og EURO-V producere en signifikant lavere PM end EURO-III. EURO-IV med DPF (filter) producere den laveste PM.

Ved test af antal kulholdige partikler klarer EURO-IV med CRT sig bedre end EURO-III. EURO-V producerer op til 70% færre partikler end EURO-III, men er stadig væsentlig flere end EURO-IV med CRT.

Ved test af totalt partikel antal producerer EURO-IV motor med CRT færrest partikler, dernæst EURO-V og sidst EURO-III. EURO-IV reducere både partikler over og under 30nm.

Figure: ESC total particle count by SMPS: particles <30nm and >30nm, different fuels

Validitet, usikkerhed og robusthed
Usikkerheden er den samme som i Particulates projektet, hvorfor der henvises til dette.

Yuichi Goto, Hajime Ishii, Hisakazu Suzui & Terunao Kawai (2005):

Particles Emission from HD diesel vehicle with urea SCR Catalyst. Japan: Environment Research Department, National Traffic Safety and Environment Laboratory.

Projektets aktører
Projektet er gennemført af: Environment Research Department, National Traffic Safety and Environment Laboratory, Japan.

Formål og baggrund
Formålet er, at undersøge hvorvidt urea SCR (Selective Catalytic Reduction) system er en løsning til at imødekomme nye japanske krav om NO_x udledning. SCR opfylder målsætning om partikelmasse (PM), men det skal her undersøges hvorledes partikel antallet påvirkes.

Det søges at undersøge, hvorvidt partikel antallet reduceres ved urea SCR system (uden DPF), da det blot vides at der opnås PM reduktioner. Der testes kun på SCR system uden DPF (filter). Desuden testes NO_x reduktioner ved urea SCR.

Metode
Her undersøges ved EEPS (Engine Exhaust Particle Sizer, TSI3090), hvorvidt SCR påvirker såvel størrelsen af partikler samt partikel antallet. Test køres på 25t køretøj med installeret SCR system og der benyttes JIS No. 2 light oil med svovlindhold på 24ppm. Test "urea" vand tilsvarer DIN standard. Der måles på 60 og 80 km/t.

Resultater og observationer
Ved test af partikel antal er antallet højere ved SCR system end for køretøjer med DPF (CRT). Køretøjer der benytter SCR system opfylder PM regulering (masse), men partikel koncentrationen (antallet) er høj sammenlignet med køretøjer med DPF.

Partikeldistributionen ved 'idling' har peaks omkring 6nm og 70nm, de der er størst mængdemæssig emission af disse størrelsesgrupper. Flere forskellige kørecyklusser er underlagt tests og et køretøj med kun urea SCR overholder reglerne om PM regulering (<0,027g/kWh).

Validitet, usikkerhed og robusthed
Emissionen fra urea SCR system opfylder kravene om PM (masse), men emissionen er anderledes end konventionel partikel emission og det er nødvendigt at lave yderligere research.

Ove Holm (2006):

Erfaringer med partikelfiltre til lastbiler. Denmark: Dansk Transport & Logistik (DTL).

Formål og baggrund
Oplægget er lavet i forbindelse med en høring i det danske folketing om SCR-katalysatorer og partikelfilterkrav og præsenterer dels egne holdninger, dels et resultat fra Particulates projektet.

DTL er for miljøzoner som i Sverige og foreslået i Aalborg over tid og ser løbende udskiftning til mere miljøvenlige lastbiler samt eftermontering af filtre på gamle lastbiler som løsning.

Resultater og observationer
Oplægget fremsætter foreslag om nej til SCR og filter på EURO-IV og EURO-V, da eftermontering af DPF på disse kun resulterer i små reduktioner. Som det ses af figuren herunder reducerer EURO-IV og EURO-V alle størrelser partikler - også de ultrafine.

Magdi Khair, Chris Sharp & Imad Khalek (2005):

Characterization of Nanoparticles from a 2010-Type Heavy-Duty Diesel Engine. United States: Southwest Research Institute.

Projektets aktører
Projektet er gennemført/artiklen er udgivet af: Southwest Research Institute

Projektet er sponseret af US Dept. of Energy og der er input fra bl.a. EMA (Engine Manufacturers Association) og MECA (Manufacturers of Emission Controls Association).

Formål og baggrund
Formålet med projektet er, at:
1) udvikle 2010 Emission Control System (ECS) til tunge køretøjer baseret på EGR, SCR og CDPF teknologier.
2) evaluere effekter af 'Fuel Sulphur'
3) evaluere varigheden af ECS

Metode
Beskriver ESC kørecyklus i forhold til 'Transient' (ETC). Foretager ældning af HD motorer og måler NO_x og PM.

Resultater og observationer
Indeholdet af NO_x er lavere ved ESC end 'Transient', omvendt er PM højere. NO_x emissionen efter 200 timer er 0,27g/hp-hr for transient, mens denne er 0
19g/hp-hr ved ESC kørecyklus. Efter 6000 timer er emissionen ved transient 0,24g/hp-hr, mens denne er 0,21g/hp-hr ved ESC. PM er højere ved ESC cyklus end ved transient, idet denne er 0,008g/hp-hr efter 200 og 6000 timer, mens transient er hhv. 0,005g/hp-hr og 0,003g/hp-hr.

Validitet, usikkerhed og robusthed
Temperaturafhængig, idet ESC sammenlignet med FTP.

David B. Kittelson (2006):

Ultrafine Particle Emission & Control Strategies. Minnesota: University of Minnesota.

Projektets aktører
Projektet, et oplæg, er gennemført ved: South Coast Air Quality Management District Conference on Ultrafine Particles: The Science, Technology, and Policy Issues, 30. april - 2. maj 2006 i Los Angeles.

Oplægget er af David B. Kittelson fra University of Minnesota, Centre for Diesel Research.

Formål og baggrund
Oplæget belyser emissionsstandarder, problemstillingen vedrørende partikelmasse og partikelantal samt sundhedseffekter af partikelemission.

Metode
Der ses på standardemissioner af PM og partikeldistribution samt emission af NO₂. Partikeldistributionen og -massen belyses idet de sundhedsmæssige effekter af små partikler er lige så skadelige som større partikler.

Resultater og observationer
Af nedenstående figur ses ligeledes tests PM10, PM2,5 (fine particles) og PM0,1 (ultrafine particles). Til sammenligning måler SMPS nanopartikler og ultrafine partikler.

Figure: Typical engine exhaust particle size distribution by mass, number and surface area

I projektet foretages en række tests på vej og i laboratorium for en række motorer. Den generelle trend er, at partikelemissionen er højest ved kørsel på vej. Fordelingen af partikler observeres ved SMPS (9-300nm), ELPI (30-2500nm) og CPC (>3nm). Herunder ses resultater fra CRC E-43 program samt laboratorium tests på to forskellige brændsler.

Figur: Size distributions for HD Diesel engine with electronic engine control - no aftertreatment.

Lars Christian Larsen (2006):

Høring om SCR og partikelfilterkrav. Denmark: Dinex.

Projektets aktører
Projektet er gennemført/artiklen er udgivet af: Dinex og fremlagt i forbindelse med den danske regerings høring om SCR og partikelfilterkrav d. 21. november 2006.

Dinex Emission Technology A/S er et privatejet firma fra 1982, der udvikler, producerer og distribuere udstødningssystemer, heriblandt filtre, SCR og DiNO_x.

Formål og baggrund
Projektet omhandler primært emission af NO_x fra busser.

Resultater og observationer
Projektet tilføjer ikke nye resultater til analyse, men gennemgår emissionsstandarder.

Validitet, usikkerhed og robusthed
Der er ingen usikkerhed i dette studie alene, da dette refererer til tidligere studier.

Marko Marjamäki og Jorma Keskinen (2001):

Particulates - Characterisation of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles. Deliverable 2: Vehicle exhaust, particulates characterisation, properties, instrumentation and sampling requirements. Brussels: European Commission.

Projektets aktører
Artiklen er udgivet af: Europa Kommisionens DG TREN, 5th framework.

Projektet er udført i samarbejde mellem flere europæiske aktører, heriblandt: Aristotle University of Thessaloniki (EL), CONCAWE (B), AB Volvo (S), AVL List GmbH (A), Swiss Federal Laboratories for Material Testing and Reasearch (CH), MTC AB (S), Tampere University of Technology (FI), Institute for Internal Combustion Engines and Thermodynamics, Tech. University Graz (A), Institut Français du Pétrole (F), AEA Technology plc (UK), European Commission – Joint Research Centre (NL), REGIENOV - RENAULT Recherche Innovation (F), Institut National de Recherche sur les Transports et leur Securité (F), DEKATI Oy (FI), Department of Analytical Chemistry, Stockholm University (S), Department of Hygiene and Epidemiology, University of Athens Medical School (EL), Institut National de l’ Environment Industriel et des Risques (F), Les White Associates (UK), Transport Research Laboratory (UK) og Institute for Internal Combustion Engines, Aachen University of Technology (D).

Projektet opsummerer resultater fra tidligere studier og kan derfor fungere som referenceramme i forhold til udregninger på EURO-IV og EURO-V.

Formål og baggrund
Particulates projektet sigter mod at tilføre viden og forståelse for emissioner fra motorer i køretøjer. Hovedformålet er, at skabe overblik over den nuværende status på måling af partikel emission fra køretøjer.

Projektet er igangsat på baggrund af informationer om, at sundhedseffekter af partikelemissioner ikke blot afhænger af partikelmassen, men ligeledes af partikelantallet. Projektet er opbygget som litteraturstudie.

Metode
På baggrund af et litteraturstudie opdeles partikelemissioner i <300nm og >300nm. SMPS benyttes som baseline teknik. Der testes på kold og varm start NEDC og FAS kørecyklusser. Der ses desuden på PM₁₀, PM_2,5 og PM_0,1 tests.

Der ses desuden på tests: CPC til måling af antal partikler (N/cm3), TEOM til måling af partikelmasse

Resultater og observationer
Gennemgang af tests og studier. Anbefaler bl.a. SMPS til steady-state målinger, mens ELPI bør benyttes ved transient kørecykler.

Af nedenstående figur illustreres forskellen mellem måling af partikel masse og antal. Det er dermed vigtigt, at reducere også de små partikler, da partikel antallet er vigtigt i forhold til sundhedseffekter af emissioner.

Figure 4-4: Diesel exhaust particle size distribution. Number weighted distribution with black line and mass weighted with grey line. (Adapted from Kittelson, 1998).

Der er ingen usikkerhed i dette studie alene, da dette refererer til tidligere studier.

John May, Jon Andersson, Dirk Bosteels, Andrew Nicol og Chris Such (2007):

The Application of Emissions Control Technologies to a Low-Emission Engine to Evaluate the Capabilities of Future Systems for European and World-Harmonised Regulations. Brussels: AECC.

Projektets aktører
Projektet er gennemført/artiklen er udgivet af: Ricardo Consulting Engineers, Shoreham-by-Sea (UK) og Association for Emissions Control by Catalyst (AECC), Brussels (BE) i 2007.

Ricardo Consulting Engineers er et engelsk privat rådgivende ingeniørfirma indenfor primært transport og energi.

Association for Emissions Control by Catalyst er en belgisk baseret non-profit forsknings sammenslutning mellem europæiske producenter af teknologi til kontrol af køretøjers emissioner.

Formål og baggrund
Formålet ved projektet er, at teste NO_x samt PM. Formålet er, at undersøge hvorvidt en NO_x emission på under 0,4g/hWh kan opnås ved ETC test, ved EURO-III med SCR urea samt DPF (hvorved EURO-V standard nås ifølge tidligere studie). Der ses desuden også på anden emission fra motoren. Fokus er på EURO-IV og EURO-V standarder.

Metode
En eksisterende motor med lavt NO_x udslip (cooled EGR) testes, idet motoren udstyres med DOC, C-DPF, 'airless urea dosing system', SCR og ASC. Der testes på kørecyklusser ETC og ESC samt WHTC. Der benyttes ligeledes PMP metode til at måle nitrogen og partikelantal.

Resultater og observationer
'Tailpipe' NO_x emissionerne i ETC og ESC var 0,15g/kWh, dvs. lavere end målsætningen på 0,4g/kWh og indenfor den ventede EURO-6 norm. PM emissioner er desuden meget lave, især for ETC tests.

Ved WHTC test er NO_x emissionen dobbelt så høj, dvs. 0,3g/kWh, hvilket skyldes manglende brug af EGR indtil 60°C og lavere udstødningstemperatur, da dette var en koldere test-temperatur. De øvrige parametre var stort set identiske til de under de første tests.

I undersøgelsen fremgår endvidere resultater for emission af øvrige gasser samt tests temperaturer. 'Engine out' partikel massen var omkring 2,5 til 5*10¹⁴/kWh.

Andreas Mayer, M.Kasper, Th.Mosimann, F.Legerer, J.Czerwinski, L.Emmenegger, J.Mohn, A.Ulrich og P.Kirchen (2007):

Nanoparticle-Emission of EURO-4 and EURO-5 HDV compared with EURO3 with and without DPF. United States: SAE International.

Projektets aktører
Projektet er gennemført/artiklen er udgivet af: TTM, Matter Engineering (CH), AKPF, FHS Biel, EMPA (CH) og ETH (CH) i 2007.

Matter Engineering er et schweizisk privat firma, specialiseret i måling og karakteristik af nanopartikler. Arbejder tæt sammen med en række forskningsinstitutioner: ETH, FHNW og FHB.

AKPF er dannet af de industrielle partnere i VERT-projektet, der gennemførtes af erhvers- og sundhedsmyndigheder i Østrig, Schweiz og Tyskland (AUVA, SUVA og TBG).

EMPA er en forskningsinstitution i ETH-Bereich og dermed under Schweizer Bildungs-, Forschungs- und Innovationsszene (BFI).

Swiss Federal Institute of Technology, Zürich (ETH) er det schweiziske teknologiske institut.

SAE (The Society of Automobile Engineers) international er en amerikansk sammenslutning af bilproducenter.

Formål og baggrund
Projektet havde til formål, at måle emissionerne fra køretøjer, idet der fokuseres på nanopartikler: partikelmasse, partikel distribution og partikel antal. Emissioner fra tre moderne køretøjer måles: en HDV motor der opfylder EURO-IV (PM-Kat), en motor der opfylder EURO-V (med SCR) og en motor der opfylder EURO-III hhv. med og uden DPF. Undersøgelsen er især rettet mod nanopartikler (10-400nm) og tester distributionen, massen og mængden af nanopartikler.

Metode
Der måles ved metoderne SMPS (PMP), NanoMet, PASS og ELPI. Kørecyklus der fokuseres på er ESC.

Resultater og observationer
For EURO-IV med PM-kat og EURO-V med SCR ses en moderat reduktion af nanopartikler i forhold til EURO-III uden DPF. Ved full load udleder EURO-V dog højere koncentrationer end EURO-III uden DPF.

Sammenlignes med en EURO-III med DPF, der opfylder VERT kriterier, udleder begge de mere moderne motorer 100-500 gange flere nanopartikler. Udstyres moderne motorer derimod med DPF vil emissioner i forhold til EURO-III uden DPF være reduceret 0,1%, dvs. partikel koncentrationen i udstødningen vil være lavere end i trafikerede omgivelser.

Figure: Emissions of ultrafine particles in the nano-scale range at 1400 rpm at different loads of all 4 test candidates (with SMPS and PMP-sampling)

Udledning af NH₃ og N₂O ser fint ud for EURO-V, da SCR ikke har ulemper på dette felt og udledte tæt på emissionsgrænseværdi. EURO-IV udledte høje koncentrationer af NO₂ ved half load. Både EURO-IV og EURO-V skal forbedres signifikant mht. partikelfiltre for at kunne konkurrere med EURO-III med DPF indenfor emissioner af nanopartikler.

Zissiz Samaras, Neville Thompson, Leonidas Ntziachristos, Diane Hall, Roger Westerholm og Paul Boulter (2005):

Caracterisation of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles (Particulates). Brussels: DG TREN.

Projektets aktører
Artiklen er udgivet af: Europa Kommisionens DG TREN, 5th framework.

Projektet er udført i samarbejde mellem flere europæiske aktører, heriblandt: CONCAWE (B), AB Volvo (S), AVL List GmbH (A), Swiss Federal Laboratories for Material Testing and Reasearch (CH), MTC AB (S), Tampere University of Technology (FI), Institute for Internal Combustion Engines and Thermodynamics, Tech. University Graz (A), Institut Français du Pétrole (F), AEA Technology plc (UK), European Commission – Joint Research Centre (NL), REGIENOV - RENAULT Recherche Innovation (F), Institut National de Recherche sur les Transports et leur Securité (F), DEKATI Oy (FI), Department of Analytical Chemistry, Stockholm University (S), Department of Hygiene and Epidemiology, University of Athens Medical School (EL), Institut National de l’ Environment Industriel et des Risques (F), Les White Associates (UK), Transport Research Laboratory (UK), Institute for Internal Combustion Engines, Aachen University of Technology (D), VTT ENERGY - Engine Technology and Energy in Transportation (FI) og Ford Forschungszentrum Aachen GmbH (D).

Formål og baggrund
Particulates konsortiet er etableret med henblik på, at udvikle viden på området indenfor emissioner fra køretøjer, inklusiv karakteristik af partikel størrelse og antal. Formålet med dette projekt er, at

Metode
Der sammenlignes emissioner fra motorer der opfylder euronormer EURO-III, EURO-IV (CRT) og EURO-V. Der testes ved PM₁₀->PM_2,5, SMPS, ELPI. Der kigges på kørecyklusserne ETC og ESC, men i dette fokuseres på ESC resultaterne.

Resultater og observationer
Partikelantallet er højere for EURO-V ved SCR/urea og NO_x aftertreatment end for EURO-III med DPF, idet der er flere små partikler med mindre masse. Målinger med DPF/filter giver markant bedre resultater end uden DPF.

Partikelmassen er klart højest for EURO-III, mens partikelmassen er en smule højere for EURO-V end EURO-IV. EURO-IV udleder den laveste partikelmasse i dette studie.

Partikeldistributionen af partikler over og under 30nm målt ved SMPS ved en ESC kørecyklus for seks forskellige brændsler ses herunder. Det ses tydeligt, at EURO-IV udleder færrest store partikler (>30nm), mens der er mere tvivl om hvilken euronorm der sikrer lavest emission af små partikler (<30nm). Det kan desuden ses, at brændselsvalget har større effekt på emissioner <30nm end på >30nm.

Figure: SMPS distributions of Euro-III to Euro-V engines from AVL over the ESC cycle, split into particles <30 nm and particles =30 nm

Projektet betrageter ligeledes emissioner af NO_x. Emissionen af NO_x er højest for EURO-III, mens EURO-V ligger lavest af de tre. EURO-III og EURO-V emissioner ligger tæt på grænseværdierne, mens EURO-IV ligger markant under grænseværdien.

Neville Thompson, Urban Wass, Leonidas Ntziachristos, Zissis Samaras, Stephan Hausberger, Paivi Aakko og Theodor Sams (2004):

Overview of the European “Particulates” Project on the Characterization of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles - Results for Heavy-Duty Engines. Brussels: European Commission, DG TREN.

Projektets aktører
Oplægget er udgivet af: Europa Kommisionens DG TREN, 5th framework.

Formål og baggrund
Oplægget fremligger resultater for Particulates projektet, idet der ses på resultater ved HD motorer.

Metode
Samme metode som i Particulates (se Samaras, 2005). SMPS, DDMPS og ELPI tests er udført ved ETC og ESC kørecyklusser, idet der ses på forskellige brændsler ved tests på EURO-1 til EURO-V.

Resultater og observationer
Der opnås lave PM emissioner ved DPF udstyrede motorer samt ved EURO-V SCR/urea uden DPF. Partikelantallet er målt ved ELPI for EURO-V motor er således lavere end en EURO-III uden DPF, men højere end EURO-III med DPF.

Partikeldistributionen illustreres ved SMPS test ved partikel antal >30nm og <30nm afhængig af brændstoftyper. Heraf ses, at brændstoftypen især påvirker emissionen af de små partikler. Det laveste antal partikler er desuden ved EURO-IV DPF system. Tilsvarende er gældende ved DDMPS test.

HD diesel motorer med 'particulate traps' producerer lave PM emissioner og lavt antal partikler, hvis denne køre på 'low sulphur fuels'. HD EURO-V med SCR/urea men uden DPF producerer lav PM emissioner, men partikelantallet er højere end med DPF.

Usikkerhed ved resultaterne er de samme som i Particulates, hvorfor der henvises til denne.