Daniel Baumann, IT TECNOLOGÍA DE LOS EQUIPOS DE MEDICIÓN DE EMISIONES PROCEDENTES DE MOTORES DE COMBUSTIÓN (NOX Y PARTÍCULAS) MEDICIÓN DE LAS EMISIONES DE GASES DE ESCAPE DE LOS VEHÍCULOS AUTOMÓVILES DE LA HOMOLOGACIÇON A LA INSPECCIÓN TÉCNICA Jornada técnica – Madrid – 12 de Julio 2016 Fernando Moreno AVL Ibérica S.A ÍNDICE 1 – Introducción. 2 – Tecnologías de los equipos de medición de NOX 3 – Tecnologías de los equipos de medición de partículas 4 – Conclusión y perspectivas de futuro 2 INTRODUCCIÓN EVOLUCIÓN DE LAS NORMATIVAS DE TURISMOS… Measures: Targets: Issues: Today pollutant emissions are in average app. 7 times (Diesel NOx) higher on the road than in the lab. RDE PEMS testing Euro-6 Limits 130 95 gCO2 / km GTR-15 Technical Regulation Close the gap between lab and real life pollutant emission limits Further reducing NOx and PN emissions Further reducing CO2 and fuel consumption targets Close the gap between norm and real life CO2 and fuel consumption Today CO2 emissions and fuel consumption are in average app. 40% higher on the road than the declared norm values. 3 INTRODUCCIÓN EVOLUCIÓN DE LAS NORMATIVAS DE TURISMOS… 2015 2016 Limits 2014 Euro 6b Test Procedure 2013 NEDC (Emissions) NEDC (CO2) 2018 2019 Euro 6d TEMP RDE RDE CO2 Limits 2017 (monitoring) Phase-in of 130 g/km 2020 2021 2022 2023 Euro 6d WLTP (Emissions) WLTP (CO2)* WLTP (CO2)** RDE (CF=2.1) RDE (CF=1.5)*** PN RDE (CF=tbd) PN RDE (stringent CF=tbd) 130 g/km Phase-in 95 g/km 95 g/km * WLTP CO2 converted (CO2MPAS or double testing) to NEDC, NEDC value for compliance ** Compliance checked against WLTP based targets *** CF = 1+ Margin for measurement uncertainties, currently set to 0.5. Margin is to be evaluated annually ?: Vote on RDE in EU Parliament expected for February 3, 2016 Implementation dates for new type approval if applicable Source: AVL / TCMV Meeting October 28, 2015 and November 17, 2015 / CIRCABC June 2015 / LAT December 2013 / 17/12/2014 WLTP in TA process E. Collot / http://europa.eu/rapid/press-release_IP-15-5945_en.htm 4 INTRODUCCIÓN EVOLUCIÓN DE LAS NORMATIVAS DE VEHICULOS PESADOS… Random NOx screening points New test requirements: OCE CVS for transient CH4 and NH3 Analyzer Particle Counter Regulation: Exhaust After- Treatment ECE R49 CI - Diesel: conventional PI – Gasoline, CNG: conventional 1990 EU-I ECE R49 + ISO16183 SCR or DPF + EGR 13 Mode Test Cycle: Limits: ECE R49 SCR + DPF ESC + ETC + ELR EU-III EU-II 2000 EU-IV GTR-4 WHSC+WHTC+OCE EU-V 2010 Continuous increase of requirements over time. EU-VI 2020 AVL Emission Test Systems | Engeljehringer | 5 5 INTRODUCCIÓN EVOLUCIÓN DE LAS NORMATIVAS DE VEHICULOS PESADOS… ¿SON LOS EQUIPOS (¡Y los PROCEDIMIENTOS!) DE ITV AÚN CAPACES DE EVALUAR LAS EMISIONES DE LOS VEHÍLOS MAS RECIENTES? 6 MEDICIÓN DE NOX LISTADO DE TECNOLOGÍAS Actualmente las principales tecnologías utilizadas para la detección de NOx son: - Analizador por quimioluminiscencia (CLD). - Espectroscopia Infrarroja con Transformada de Fourier (FTIR). Por precio, complejidad, tamaño, etc… no apto a priori para inspección técnica. - Analizador de infrarrojo no dispersivo (NDIR) - Analizador ultravioleta no-dispersivo (NDUV). - Célula electroquímica (Sensor de zirconio) Uso en equipo PEMS. ¿Alternativa a la célula electroquímica para inspección técnica? Por precio, sencillez y robustez solución más común para equipos de inspección técnica 7 MEDICIÓN DE NOX NDUV VS CÉLULA ELECTROQUÍMICA Analizador ultravioleta no-dispersivo (NDUV). Ventajas Inconvenientes Célula electroquímica (Sensor de zirconio) Precisión Correlación con equipos de laboratorio Sin interferencia CO2 and H2O Fiabilidad Durabilidad Tamaño Sencillez Coste – xx k€ Coste – xxx k€ Complejidad Menor precisión Estabilidad en el tiempo Interferencias (HC y CO) Dinámica 8 MEDICIÓN DE NOX CONCLUSIÓN • Los equipos más adecuados para la medición de NOX durante las pruebas de inspección técnica son los basados: • en la espectroscopia ultravioleta no dispersivo (NDUV). • o en células electroquímicas, • Los NDUV son de un precio más elevado pero su precisión queda demostrada por su aplicación en equipos PEMS. • Para las células electroquímicas, se requieren aún mejoras en varias áreas: • la estabilidad a largo plazo, • reducción de la sensibilidad cruzada con otros componentes del escape, • y la respuesta dinámica. • Suponiendo que estas mejoras se lleven a cabo los instrumentos que utilizan células electroquímicas podría ser capaz de cumplir con los requisitos de la inspección técnica. 9 MEDICIÓN DE PM INTRODUCCIÓN La medición de PM en el escape Diesel es, en general, técnicamente más exigente que el medición de los contaminantes gaseosos. Las partículas en el tubo de escape son variables en química y física naturaleza, lo que hace el muestreo y caracterización difícil. Varios indicadores pueden ser cuantificados ,incluyendo la concentración de masa, la opacidad, el número de opacidad filtro (FSN), la concentración del número , superficie concentración área y distribuciones de tamaño, etc… Gravimetric Filter Paper Opacity, Absorption g/m3 FSN % , m-1 optic reflective optic light extinction weight 10 MEDICIÓN DE PM LISTADO DE TECNOLOGÍAS – EQUIPOS DE LABORATORIO Equipos de laboratorio Por precio, complejidad, tamaño, etc… la mayoría de estos métodos no son a priori apotos para inspección técnica. A día de hoy solución más común para equipos de inspección técnica An Overview of Particulate Matter Measurement Instruments 11 MEDICIÓN DE PM LISTADO DE TECNOLOGÍAS Equipos permanentemente on-board Compared to laboratory equipment, on-board sensors are significantly smaller, bur also less accurate. A research consortium by the SwRI that evaluated six soot sensors for OBD applications found that the accuracy was ±60% [Khalek 2015]—quite an encouraging result, considering that the sensors were of the size of a spark plug and most of them were still pre-production prototypes. Dieselnet: https://www.dieselnet.com/tech/dpf_soot_sensors.php 12 MEDICIÓN DE PM CONCLUSIÓN Evaluación independiente precisión opacimetros Accuracy tests of 7 opacimeters from different manufacturers performed by PTB- approvals ~10 years Conclusion: Accuracy is sufficient down to 0,1m-1 13 MEDICIÓN DE PM CONCLUSIÓN • Muchos instrumentos diferentes están disponibles para la caracterización de PM. • Al igual que con analizadores para NO y NO2, algunos de los instrumentos son relativamente grandes, sofisticado, delicado y costoso, y tienden a ser diseñado para su uso en el entorno de laboratorio (por ejemplo TEOM, SMPS, ELPI). • Tales instrumentos son considera que es inadecuado o no apropiado para las pruebas de PTI. • Para instrumentos relativamente simples, portátiles y de bajo costo, que hacen tienen el potencial de ser utilizado para la PTI y podría conducir a mejoras en la sensibilidad por encima de instrumentos actuales. El rendimiento de los opacímetros actualmente utilizado en PTI está determinada en gran medida por las especificaciones que se requieren para cumplir con un plazo de mercado competitivo en lugar de por los límites de la tecnología, teniendo en cuenta que de alto rendimiento instrumentos están disponibles para su uso en laboratorio. • Hay, por tanto, parece haber cierto margen para mejora de las capacidades de los instrumentos de PTI que actualmente 14 CONCLUSIÓN Y PERSPECTIVAS DE FUTURO Inspección tecníca : Detección y “eliminación” grandes vehículos que más contaminan. Particulate Emission: para problemas de filtro de partículas, opacimetros son suficientes. Estudio SET (Sustainable Emission Testing - Cita study 2014) demuestra que los limites pueden reducirse hasta 0.2m-1 (a partir de EURO5+). Grandes “contaminantes” y vehiculos con filtros de particulas defectuosos pueden ser detectados usando este procedimiento. Ensayos en PTB demuestran que opacimetros actuales son los suficientemente precisos. NOx Emission: A día de hoy no existe un valor límite ni una correlación con valores de homologación. Estudio SET 2 (mediciones empiezan en Julio 2016) aborda esta problematica. Procedimientos se tendrán que investigar. Existen metodos para realizar mediciones. Resultods Estudio SET2 se presentarán en Q1 2017. 15 CONCLUSIÓN Y PERSPECTIVAS DE FUTURO FINDINGS OF SET STUDY SET STUDY – SUSTAINABLE EMISSION TESTING CONCLUSION Mandatory Combination of OBD and Tailpipe test New thresholds: CO max. 0.1 % (EURO 4) Plate value or K-value max. 1.0 m-1 (EURO 4) K-value max. 0,2 m-1 (EURO 5) EFFECTIVE CONTRIBUTION TO AIR QUALITY AND HEALTH HIGH BENEFIT-COST RATIO 16 Gracias por su atención. 17 BACK-UP 18 CONCLUSIÓN Y PERSPECTIVAS DE FUTURO 1st step: lower the current PTI limits (maybe according to SET study findings) 2nd step: investigate possible procedures and limits for NOx measurement enforce new legislation according the findings 3rd step: discuss and investigate “particulate matter” petrol cars- emissions?, test procedures, limit values future measurement values (opacity measurement is maybe not the most suitable indicator): particle number, particle mass, … discuss and investigate new measures or the combination of measures 19 MEDICIÓN DE PM LISTADO DE TECNOLOGÍAS Actualmente las principales tecnologías utilizadas para la detección de particulas - Gravimetrica - Fotoacustíca - Incandescenia inducida por laser - Electrico (ELPI) Por precio, complejidad, tamaño, etc… no apto a priori para inspección técnica. - Basado en frecuencia (TEOM) - Optical: Light transmission (opacimeter) Light scattering (LLSP) Solución más común para equipos de inspección técnica Reflectometria (filtro papel) Counting: e.g. CPC (butanol used – toxic) (AVL APC) Etc… 20 MEDICIÓN DE NOX CÉLULA ELECTROQUÍMICA 21