Henkilöautojen pakokaasun haihtuvien orgaanisten yhdisteiden hapettuminen ja kaasu-hiukkasmuuntuma

Abstract

Henkilöautoliikenteen kaasumaiset ja hiukkasmaiset päästöt aiheuttavat terveys- ja ympäristöongelmia. Polttomoottorissa ja pakoputkessa muodostuviin primääripäästöihin kohdistuvat päästörajoitukset ovat edistäneet teknologista kehitystä ja vähentäneet päästöjä viime vuosikymmeninä. Esimerkiksi vähäpäästöisten polttoaineiden, kuten maakaasun (Compressed Natural Gas, CNG), käyttö hillitsee primääripäästöjä.

Päästörajoituksissa ei kuitenkaan huomioida ilmakehässä muodostuvia sekundääripäästöjä. Yksi esimerkki sekundääripäästöistä on sekundäärinen aerosoli (Secondary Aerosol, SecA), jota muodostuu kaasufaasissa olevien yhdisteiden hapetusreaktioiden tuotteena. SecAn muodostuminen on monimutkainen prosessi, jonka yksityiskohtia ei vielä tunneta täysin. Vaikka henkilöautot on tunnistettu SecAn lähtöaineiden lähteeksi, vaikuttavan sääntelyn kehittämistä vaikeuttaa tutkimustiedon puute esimerkiksi polttoaineiden vaikutuksesta SecAn muodostumiseen.

Tässä tutkimuksessa vertailtiin Euro 6 CNG-auton ja Euro 4 dieselauton pakokaasun SecAn muodostumista ja tutkittiin orgaanisten yhdisteiden osuutta siihen. Mittauksissa autoilla ajettiin alustadynamometrillä todellista ajoa simuloiva sykli. Pakokaasunäytettä ikäännytettiin hapettavassa läpivirtausreaktorissa (Oxidation Flow Reactor, OFR), jonka tarkoitus on alle minuutissa simuloida ilmakehässä minuuttien, tuntien ja päivien kuluessa tapahtuvia prosesseja. Tutkimuksessa käytettiin rinnakkain kahta samalla periaatteella toimivaa, mutta ominaisuuksiltaan erilaista OFR:ää. Ennen ikäännytystä pakokaasusta mitattiin haihtuvien orgaanisten yhdisteiden (Volatile Organic Compounds, VOC) spektriä korkealla aika- ja massaresoluutiolla sekä hiukkaskokojakaumaa. Lisäksi ikäännytyksen jälkeen mitattiin hiukkaskokojakaumaa ja hiukkasten koostumusta.

Tuloksista havaittiin, että Euro 4 dieselautolla hiukkasmassaa oli tuoreessa pakokaasussa paljon, (116,10 ± 38,53) mg/km, mutta ikääntymisessä hiukkasmassa ei lisääntynyt. Sen sijaan Euro 6 CNG-autolla ikääntymisessä hiukkasmassa kasvoi (1,57 ± 0,51) mg/km:stä (13,44 ± 2,23) mg/km:iin DOFRissa ja (32,46 ± 2,81) mg/km:iin PAMissa, mikä on selvä merkki kaasu-hiukkasmuuntumasta. Ikääntyneiden hiukkasten koostumuksen mittauksessa selvisi, että Euro 6 CNG-autolla suurin sekundäärihiukkasten muodostaja oli ammoniumnitraatti NH4NO3 orgaanisten yhdisteiden ollessa toiseksi suurin. Molemmilla autoilla suurin osa VOCeista oli sellaisia hapettuneita yhdisteitä, joiden potentiaali muodostaa SecAa tiedetään pieneksi. Työn tuloksia voidaan hyödyntää päästömittausmenetelmien kehittämisessä ja ajoneuvopäästöjen ja ilmanlaadun hallinnassa.

Gaseous and particulate emissions of passenger car traffic cause problems to health and the environment. The emission limits targeting primary emissions formed in the combustion engine and the exhaust pipe, have promoted technological development and reduced emissions in recent decades. For example low-emission fuels such as compressed natural gas (CNG) have been used to diminish primary emissions.

However, the emission limits do not take into account secondary emissions formed in the atmosphere. One example of secondary emissions is the secondary aerosol (SecA), which forms as a product of oxidation reactions of gaseous compounds. SecA formation is a complex process and the details are not yet fully understood. Even though passenger cars have been identified as a source of SecA precursors, the development of effective regulation is hampered by the lack of research data on, for example, the effect of fuels on SecA formation.

This study compared the SecA formation from the exhaust of a Euro 6 CNG car and a Euro 4 diesel car and investigated the contribution of organic compounds to it. In the measurements, the cars were driven a cycle on a chassis dynamometer, simulating real driving. The exhaust sample was aged in an oxidation flow reactor (OFR), that is used to simulate the processes that take place in the atmosphere over minutes, hours and days, in less than a minute. Two OFRs were used in parallel, and they operate on the same principle, but have different characteristics. Before aging, the spectrum of volatile organic compounds (VOC) was measured with high time and mass resolution as well as particle size distribution. In addition, after aging the particle size distribution and particle composition were measured.

The results showed that there was a large amount of particle mass in the fresh exhaust of the Euro 4 diesel car, (116.10 ± 38.53) mg/km, but the particle mass did not increase with aging. On the other hand, when aging the exhaust of the Euro 6 CNG car, the particle mass increased from (1.57 ± 0.51) mg/km to (13.44 ± 2.23) mg/km in DOFR and to (32.46 ± 2.81) mg/km in PAM, which is a clear sign of gas-to-particle transfer. The composition of aged particles showed that ammonium nitrate NH4NO3 contributed most to secondary particles with the Euro 6 CNG car, followed by organic compounds. With both cars, most of the VOCs were oxidized compounds which are known to have a low potential to form SecA. The results of this study can be used in the development of emission measurement methods and in the management of vehicle emissions and air quality.