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Semana Europeade la Movilidad 2009Metodología de caracterización real de las partículas en motores

diesel con instrumentación a bordo.

Carmen Barrios Sánchez

Centro de Investigaciones

Energéticas Medioambientales y

Tecnológicas.

Medida en tiempo real y continuo de las

emisiones de partículas

MOTIVACIÓN:

Efectos medioambientales y sobre la salud humana de las

emisiones de material particulado provenientes del transporte, en particular del

transporte con propulsión de motores Diesel.

CIEMAT

Emisiones de los vehículos

Actividad del transporte

Concentración de partículas

Enfermedades respiratorias

Efectos medioambientales

Medida en tiempo real y continuo de las emisiones de partículas

CIEMAT


Porque medir distribución de tamaños y número de partículas emitidas por los coches?

• Medida en masa (históricamente)

• Medida en número (futuro cercano)

• Medida en distribución de tamaño y número (futuro necesario)

� Tecnologías tradicionales de post tratamiento de gases

permitían la emisión de partículas > 2.5 µm

� Nuevas Tecnologías de post tratamiento de gases

minimizan la cantidad de masa emitida, pero el número de

partículas aumenta y el tamaño disminuye < 2.5 µm.

PARTICULAS(nm) PROBLEMAS RESPIRATORIOS

CIEMAT


Problema

No existen equipos comerciales que permitan medir “on board” en

tráfico real, a diferencia de los equipos portátiles de Medida de

gases. Por lo que ha sido necesario desarrollar una

metodología y un sistema de medida, que nos permita obtener

medidas fiables y con la suficiente velocidad para correlacionar

emisión y actividad del vehículo. CIEMAT

1. Escape2. Tubería calefactada3. Probeta del Diluidor4. Tubería del aire de dilución5. Muestra de gases diluida6. Salida de los gases sin diluir7. Termodiluidor8. Aire de dilución9. Entrada de muestra al EEPS10. Engine Exhaust particulate Sizer (EEPS).


Solución: Esquema del Equipo Experimental

CIEMAT


Laboratorio Móvil, SEAT Alhambra año 2007, 140CV, TDI, 2.0 ccCIEMAT

Rampas INTA

Banco rodillos INSIA


Medidas en tráfico real:

• Circuito Madrid M-10*



* Nominación oficial del Ayuntamiento de Madrid

CIEMAT


Circuito Madrid M-10

Número de

partículas

agrupadas por segundo, a partir

de un análisis

estadístico para

separación de

grupos homogéneos.

CIEMAT


RESULTADOS.

CIEMAT

Una vez validados los equipos en banco de pruebas y recorridos urbanos, se obtuvieron los siguientes resultados:

• Los motores Diesel de nueva generación emiten un mayor número de partículas pequeñas de orden de nanómetros.

• El comportamiento del conductor o su tipo de conducción tiene influencia sobre el tamaño y número de partículas que emite el motor del coche.

• En condiciones reales de operación de un motor Diesel, las condiciones del tráfico y las características de la vía (planificación urbana y orografía), tienen una influencia relevante sobre la emisión de partículas.

Medida en tiempo real y continuo delas emisiones de partículasRESULTADOS.

CIEMAT

Comparación Euro 0 con Euro 4 RD=3700, N=1800 rpm.

a) Curvas de velocidad vs tiempo en el ciclo NEDC urbano y extraurbano. b)

Medida de la concentración de partículas en los gases de escape en

función del tiempo.

MAXIMOS DE PARTICULAS EMITIDAS NEDC

5ta100%

4ta46,6%

3ra29%

2da25,5%

1era34%

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

69,8 69,8 80,6 93,1 93,1

D(nm)

#/cm

3

MAXIMOS DE PARTICULAS EMITIDAS NEDC

Ciclo NEDC

0

20

40

60

80

100

120

140

0 200 400 600 800 1000 1200

tiempo (s)

vel

ocid

ad (k

m/h

)

CIEMAT

RESULTADOS

5TA MARCHA

0,0E+00

1,0E+07

2,0E+07

3,0E+07

4,0E+07

5,0E+07

6,0E+07

6,04

8,06

10,8

14,3

19,1

25,5 34

45,3

60,4

80,6

107,

514

3,3

191,

125

4,8

339,

845

3,2

Diámetro, D(nm)

Conce

ntr

ació

n, (#

/cm

3)

5TA M ARCHA

ERROR

4TA MARCHA

0,0E+00

5,0E+06

1,0E+07

1,5E+07

2,0E+07

2,5E+07

3,0E+07

6,04

8,06

10,8

14,3

19,1

25,5 34

45,3

60,4

80,6

107,

514

3,3

191,

125

4,8

339,

845

3,2

D(nm)

Co

nce

ntr

ació

n(#

/cm

3)

4TA M ARCHA

ERROR

3RA MARCHA

0,0E+00

2,0E+06

4,0E+06

6,0E+06

8,0E+06

1,0E+07

1,2E+07

1,4E+07

1,6E+07

1,8E+07

6,04

8,06

10,8

14,3

19,1

25,5 34

45,3

60,4

80,6

107,

514

3,3

191,

125

4,8

339,

845

3,2

Diámetro, (nm)

Co

nce

ntr

ació

n,

(#/c

m3)

3RA M ARCHA

ERROR

2DA MARCHA

0,0E+00

2,0E+06

4,0E+06

6,0E+06

8,0E+06

1,0E+07

1,2E+07

1,4E+07

1,6E+07

6,0

4

8,0

6

10,8

14,3

19,1

25,5 34

45,3

60,4

80,6

108

143

191

255

340

453

Diámetro, (nm)

Co

nce

ntr

ació

n,

(#/c

m3)

2DA M ARCHA

ERROR

1RA MARCHA

0,0E+00

2,0E+06

4,0E+06

6,0E+06

8,0E+06

1,0E+07

1,2E+07

1,4E+07

1,6E+07

1,8E+07

2,0E+07

6,0

4

8,0

6

10,8

14,3

19,1

25,5 34

45,3

60,4

80,6

108

143

191

255

340

453

Diámetro, D(nm)

Co

nce

ntr

ació

n,

(#/c

m3)

1era M ARCHA

ERROR

2DA MARCHA

0,0E+00

2,0E+06

4,0E+06

6,0E+06

8,0E+06

1,0E+07

1,2E+07

1,4E+07

1,6E+07

6,0

4

8,0

6

10,8

14,3

19,1

25,5 34

45,3

60,4

80,6

108

143

191

255

340

453

Diámetro, (nm)

Co

nce

ntr

ació

n,

(#/c

m3)

2DA M ARCHA

ERROR

1RA MARCHA

0,0E+00

2,0E+06

4,0E+06

6,0E+06

8,0E+06

1,0E+07

1,2E+07

1,4E+07

1,6E+07

1,8E+07

2,0E+07

6,0

4

8,0

6

10,8

14,3

19,1

25,5 34

45,3

60,4

80,6

108

143

191

255

340

453

Diámetro, D(nm)

Co

nce

ntr

ació

n,

(#/c

m3)

1era M ARCHA

ERROR

CIEMAT

DESACELERACION DE 120 A 0 km/h

0,00E+00

1,00E+07

2,00E+07

3,00E+07

4,00E+07

5,00E+07

6,00E+07

7,00E+076,

04

8,06

10,8

14,3

19,1

25,5 34

45,3

60,4

80,6

107,

514

3,3

191,

125

4,8

339,

845

3,2

Diámetro,D(nm)

Co

nce

ntr

ació

n,(

#/cm

3)

DESACELERACION DE 120 A 0 km/h

ERROR

Distribución de tamaño y número de partículas en el circuito urbano del

ciclo NEDC durante una desaceleración de 50 kmh-1 a 120 kmh-1.

RESULTADOS

ACELERACION DE 50 A 120 km/h

0,00E+00

5,00E+06

1,00E+07

1,50E+07

2,00E+07

2,50E+07

3,00E+07

3,50E+07

4,00E+07

6,04

8,06

10,8

14,3

19,1

25,5 34

45,3

60,4

80,6

107,

514

3,3

191,

125

4,8

339,

845

3,2

Diámetro,D(nm)

Co

nce

ntr

ació

n,(

#/cm

3)

ACELERACION DE 50 A 120 km/h

ERROR

Distribución de tamaño y número de partículas en el circuito urbano

del ciclo NEDC durante una aceleración de 50 kmh-1 a 120 kmh-1.

Emisión de partículas durante la aceleración y desaceleración de un motor Diesel.

CIEMAT

RESULTADOS

Número de partículas estimado por segundo y por Km. para cada tramo

del circuito. También se muestra el caudal total de gases emitidos.

Stretch & TEF Stretch & DF

Par

ticl

e n

um

ber

per

sec

on

d

Stretch

#/s

ec

TEF

Peak

Off-peak

0

4

8

12

16

(X 1,E12)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Stretch

Qm

ax (

m3

/min

)

1,9

2,9

3,9

4,9

5,9

6,9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Stretch

#/s

ec

Direction Factor

Anti-clockwise

Clockwise

0

4

8

12

16

(X 1,E12)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Stretch

Qm

ax (

m3/m

in)

1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Par

ticl

e n

um

ber

per

kilo

met

re

Stretch

#/k

m

TEF

Peak

Off-peak

0

3

6

9

12

15

18

(X 1,E14)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Stretch

#/k

m

Direction Factor

Anti-clockwise

Clockwise

0

3

6

9

12

15

18

(X 1,E14)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Off-peak

Peak

Off-peak

Peak

CIEMAT

C ic lo Madrid M-10. Hora punta

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

0 500 1000 1500 2000

tiem po (seg undos)

velo

cid

ad

(km

/h)

C ic lo Madrid M-10. Hora Valle

0

10

20

30

40

50

60

0 500 1000 1500 2000

tiempo (seg undos)

ve

loc

idad

(km

/h)

Ciclo NEDC

0

20

40

60

80

100

120

140

0 200 400 600 800 1000 1200

tiempo (s)

vel

ocid

ad

(km

/h)

Ciclo Europa urbano y extraurbano

RESULTADOS

CIEMAT

RESULTADOS

•Los valores medios de emisión de la concentración de partículas por segundo y por Km., asociados con el tráfico urbano muestran la importancia de las variables consideradas (factor de hora de trafico y el factor de dirección).

•El factor TEF (Factor de hora de trafico) es especialmente significativo en las variables asociadas con las emisiones de partículas. El tráfico en hora pico se caracteriza por altos períodos de inactividad, con bruscos arranques y paradas por lo que los valores medios de emisión de partículas son superiores a los obtenidos fuera de la hora pico.

• El factor DF ( factor de dirección) se presenta como un factor relacionado con la intensidad del tráfico y la topografía del terreno (colinas y tramos sin pendientes), por lo que su influencia sobre las emisiones de partículas es muy importante también.

CIEMAT

CONCLUSIONES

•Es necesario regular la emisión de materia particulada,

considerando distribución de tamaño y número.

•Con la tecnología desarrollada es posible medir en tiempo

real y considerando la actividad del vehículo, la emisión de

partículas de una manera mas concienzuda y útil.

•Educar para lograr una conducción mas eficiente son muy

relevantes para mejorar la salud de nuestra ciudad.

• Considerando que el parque automotor del futuro, se

presenta con la coexistencia de diferentes tecnologías de

propulsión en el transporte, a la utilización del Diesel como combustible en coches le quedan aún muchos años, por lo

que se hace necesario un control mas estricto de las

emisiones de partículas provenientes del transporte.

CIEMAT

Semana Europea

de la Movilidad

2009

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