Hybridiautojen tuoreen pakokaasun ultrapienten hiukkasten päästöt muuttuvissa ajo-olosuhteissa

Abstract

Liikenteen sähköistäminen on jo pitkään nähty merkittävänä keinona minimoida ilmanlaadun kannalta haitallisia liikenteen pakokaasupäästöjä, sillä täyssähköautot eivät tuota niitä lainkaan. Toisaalta sähkö- ja polttomoottoria käyttävät hybridiautot tuottavat edelleen pakokaasupäästöjä. Hybridiautojen pakokaasupäästöjen arviointi on kuitenkin haastavaa, sillä hybridiautoissa erilaiset ajoasetukset ja akuston varaustaso vaikuttavat polttomoottorin toimintaan ja muodostuviin pakokaasupäästöihin. Ajoasetusten huomattavan määrän ja suhteellisen uuden ajoneuvoteknologian takia hybridiautojen päästötutkimus onkin vielä melko vajavaista. Tällä diplomityöllä on osaltaan paikattu tätä tutkimusvajetta.

Tässä työssä tutkittiin kahden ladattavan hybridiauton (PHEV, engl. Plug-in Hybrid Electric Vehicles) tuoreen pakokaasun ultrapieniä, eli alle 100 nm:n kokoisia hiukkasia muuttuvissa ajo-olosuhteissa. Mittauksissa autoja ajettiin alustadynamometrilla todellista ajoa simuloivan mittaussyklin mukaisesti lämpötilakontrolloidussa tilassa. Kuumaa pakokaasua laimennettiin ja jäähdytettiin ilmakehässä tapahtuvan prosessin mukaisesti, jolloin näyte vastasi tuoretta pakokaasua. Käytetyillä mittalaitteilla selvitettiin pakokaasun hiukkasten lukumäärä- ja mustahiilipitoisuus sekä kokojakauma.

Tutkittujen hybridiautojen hiukkaspäästöt olivat pääasiassa pieniä lukumäärän ja mustan hiilen osalta. Hiukkaslukumäärän päästökertoimet alittivat nykyisen Euro 6 ja tulevan Euro 7 -päästörajan selvästi, vaikka tutkittu pakokaasu sisälsi myös haihtuvia hiukkasia. Poikkeuksena oli hiukkassuodattimen regeneraatiosykli, jossa esimerkiksi yli 23 nm:n kokoisten hiukkasten päästökerroin oli 5,2·10^12 #/km. Hiukkaskoon osalta huomattava osa hiukkaspäästöistä oli yli 23 nm:n kokoisia, mutta myös tätä pienempiä hiukkasia muodostui merkittäviä määriä. Päästöraja ylittyikin muutamissa sykleissä, jos huomioitiin myös Euro 7 -päästörajan alarajakokoa (10 nm) pienemmät hiukkaset.

Tuloksista havaittiin, että hybridiautojen hiukkaspäästöt ovat riippuvaisia käytettävistä ajoasetuksista ja ympäristön lämpötilasta. Yli 23 nm:n kokoisten hiukkasten päästökertoimet olivat PHEV-bensiini -autolla 4,5·10^8–1,6·10^11 #/km ja PHEV-diesel -autolla 1,2·10^8–1,8·10^10 #/km. Suurimmat hiukkaspäästöt havaittiin tyypillisesti silloin, kun akuston varaustaso oli matala, käytössä oli varausta ylläpitävä ajomoodi tai ympäristön lämpötila poikkesi merkittävästi huoneenlämpötilasta. Näillä asetuksilla polttomoottorin käynnistyksiä oli eniten tai polttomoottorin suhteellinen käyttöosuus oli suurin. Kun hybridiautojen hiukkaspäästöjä verrattiin perinteisten polttomoottoriautojen hiukkaspäästöihin, havaittiin, että modernien polttomoottoriautojen hiukkaspäästöt olivat samalla tasolla, mutta vanhempien polttomoottoriautojen hiukkaspäästöt olivat selvästi suurempia. Jotta liikenteen päästöjä saataisiin vähennettyä, pakokaasupäästöjen mittausmenetelmiä, päästörajoituksia ja ajoneuvoteknologioita tulisi vielä tämän diplomityön tulosten perusteella kehittää.

The electrification of transport has been seen as a significant way to minimize detrimental traffic exhaust emissions, as electric cars do not produce any exhaust emissions. On the other hand, hybrid cars that use both an electric and an internal combustion engine (ICE) still contribute to the production of exhaust emissions in traffic. The operation of the ICE in a hybrid car is affected by different driving settings and the state of charge of the battery (SoC), complicating the estimations on hybrid car emissions. Due to the considerable number of driving settings and relatively new vehicle technology, the research considering the exhaust emissions from hybrid cars is still incomplete. This Master’s Thesis has been filling this research gap.

In this thesis, ultrafine particles (diameter size < 100 nm) in the fresh exhaust of two Plug-in Hybrid Electric Vehicles (PHEV) were studied under changing driving conditions. The studied vehicles were driven on a chassis dynamometer according to real driving emissions simulating test cycle in a temperature-controlled room. The hot exhaust gas was diluted and cooled, mimicking the process occuring naturally in the atmosphere to create fresh exhaust. With the used measurement instruments, the measured variables were number concentration, black carbon and particle size distribution.

Based on particle number and black carbon, the particle emissions of the studied hybrid vehicles were mostly low. Even though the studied exhaust gas included volatile particles, the emission factors of particle number were clearly below the present Euro 6 and upcoming Euro 7 emission limits. An exception in the results occurred during a regeneration cycle of the particle filter, as a measured emission factor for example for particles larger than 23 nm was 5,2·10^12 #/km. Overall, most of the particles were above 23 nm but smaller particles were also formed. If the sub-10 nm particles (not included to Euro 7) were included, the emission limit was exceeded in a few test cycles.

Results showed that the particle emissions of the hybrid cars depend on the used driving settings and the ambient temperature. The measured emission factors for particles larger than 23 nm were 4,5·10^8–1,6·10^11 #/km for the gasoline-PHEV and 1,2·10^8–1,8·10^10 #/km for the diesel-PHEV. The highest particle emissions were typically seen when the SoC was low, the used driving mode was maintaining the SoC, or when the ambient temperature differed greatly from room temperature. With these settings the number of startups of the ICE or the usage of the ICE was highest. When particle emissions from PHEVs were compared to particle emissions from modern ICE cars, it was noticed that emissions were on a same level. However, particle emissions from older ICE cars were much higher. In order to reduce traffic emissions further, future developments for exhaust emission measurements, emission limitations, and vehicle technologies are needed based on the results achieved in this thesis.