Secondary particulate matter from traffic

• Research unit: FEDRO RBT
• Project number: ASTRA2010/021

Key words (German)

Sekundärer/primärer Feinstaub, Feinstaubbildungspotential, Verkehrsemissionen, Motortechnologie, Abgasnachbehandlung, Biotreibstoffe

Key words (English)

secondary and primary particulate matter, particle production potential, traffic emissions, engine technology, exhaust aftertreatment, biofuels

Short description (German)

Die Belastung der Luft mit PM10-Feinstaub ist eines der grössten Probleme der Luftreinhaltung. Dies ist nicht nur in der Schweiz, sondern in praktisch allen Gebieten auf der Welt der Fall, wo viele Leute leben. Beim Feinstaub unterscheidet man primäre, direkt emittierte Beiträge, die beispielsweise bei Abriebsprozessen oder bei unvollständiger Verbrennung von Treibstoffen entstehen (z.B. Dieselruss), und sekundäre Beiträge, welche aus ursprünglich gasförmigen Stoffen stammen und erst in der Atmosphäre durch Photochemie Feinstaub bilden. Wichtige gasförmige Vorläufer sind Ammoniak, Stickoxide, Schwefeldioxid und flüchtige organische Verbindungen (VOC). Neben den Russemissionen haben vor allem auch die sekundär gebildeten organischen Bestandteile eine starke Toxizität. Der Beitrag des Verkehrs, bzw. verschiedener Verbrennungsmotoren am sekundären Feinstaub kann für die Stickoxide relativ gut abgeschätzt werden mit der Annahme, dass der Verkehrsanteil am Nitrat proportional ist zum Emissionsanteil der Stickoxide. Bei den sekundären organischen Verbindungen ist das Feinstaubbildungspotential nicht einfach apriori abschätzbar, da die Flüchtigkeit und chemische Zusammensetzung der verschiedenen VOC im Abgas wichtig ist. Chemische Analysen des Feinstaubes in der Umgebungsluft zeigen einen hohen Anteil an organischen Verbindungen (in Switzerland typically between 20-80%). Bei der organischen Masse ist der sekundäre Anteil am OM im Winter an schweizerischen Mittellandstationen zwischen 55% in Zürich (städtischer Hintergrund) und 71% in Payerne (ländlich). Im Sommer ist der sekundäre Anteil noch höher, mit Werten von 66% in Zürich und 96% in Payerne. Bisher berücksichtigten Abgasmessungen bei Fahrzeugen das sekundäre Partikelbildungspotential trotz ihrer grossen Bedeutung nicht. Diese Lücke soll durch dieses Projekt geschlossen werden. Die primären Emissionen und das sekundäre Feinstaubbildungspotential soll für folgende Fahrzeugkategorien/Emissionsquellen mit Hilfe einer neuen mobilen Smogkammer an Emissionsprüfständen quantifiziert werden:

· Lastwagen mit unterschiedlicher Abgasnachbehandlungstechnologie

· Diesel-PKWs bei hohen Geschwindigkeiten

· Benzinfahrzeuge während Kaltstartemissionen bei tiefen Temperaturen

· Motorräder (inklusive Mopeds)

· Non-road-Dieselmotoren wie Baumaschinen mit Partikelfilter

· Verwendung von Bio-Treibstoffen (exemplarische Beispiele)

Aufgrund von Messungen und Überlegungen im Rahmen des CCEM-Projektes NEADS wurden diese Fahrzeuge/Motoren/Betriebsbedingungen als potentiell besonders relevant aufgrund der hohen Partikel-Emissionen (Lastwagen, Motorräder/Mopeds), hohen VOC-Emissionen (Kaltstart von Benzin-Fahrzeugen, Motorräder,/Mopeds, Dieselmotoren) und potentiell geringerer Flüchtigkeit der Partikel (Biotreibstoffe) eingeschätzt. Die Resultate sollen dazu dienen, Abgasreinigungs- und Motorentechnologien umfassender zu beurteilen und Grundlagen für Verbesserungsmöglichkeiten bei den Emissionen aufzuzeigen. Schlussendlich soll der Strassenverkehrsanteil am sekundären Feinstaub in der Schweiz abgeschätzt werden. Das Messkonzept der mobilen Smogkammer soll in zukünftigen Projekten auf andere Emissionen wie Holzfeuerungen (insbesondere Messungen bei tiefen Temperaturen), Schiffsdieselmotoren, Flugzeug-Düsentriebwerke, kleine Motoren (z. B. Rasenmäher) und weitere ausgedehnt werden.

Short description (English)

PM10 Particulate matter is one of the biggest problems concerning air pollution and control. That is not only in Switzerland the case but basically in all areas with increased population density. One distinguishes primary directly emitted particulate matter, for example from abrasion or incomplete combustion of fuels (e.g. soot) and secondary particulate matter that are formed from originally gasphase compounds by photochemistry. Important precursors are ammonia, nitrogen oxides (NOx), sulfur dioxide, and volatile organic compounds (VOC). Besides the soot emissions, especially the secondary organic aerosols (SOA) are considered to have a high toxicity. The contribution of the traffic from the nitrogen oxide emissions can be estimated rather well with the assumption that the formed nitrate from traffic is proportional to its share of the NOx emissions. For the secondary organic compounds the formation is not easily apriori estimated because the chemical composition and the volatility of the various VOC in the exhaust are important. Chemical analysis of particulate matter shows a substantial fraction of organic mass (in Switzerland typically between 20 and 80%). The secondary fraction of the organic mass in winter for stations in the Swiss Plateau vary between 55% in Zürich (urban background) and 71% in Payerne (rural). The secondary fractions in summer are even higher with 66% in Zürich and 96% in Payerne. Emission measurements so far do not consider the secondary particle formation potential in spite of its high importance. This gap shall be filled by this project. The primary emissions and secondary particulate matter formation poitential shall be quantified for the follwing vecicle categories/emission sources with the help of a new mobile smog chamber at emission test benches:

• Trucks with different aftertreatment systems
• Diesel passenger cars at high speeds
• Gasoline vehicles during cold start emissions at low temperatures
• Motor cycles (including mopeds)
• Non-road diesel engines like construction machinery with particulate filters
• Use of biofuels (examples)

These vehicles/engines/operation conditions were chosen according to measurements and thoughts in the frame of the CCEM-project NEADS because of their potential high relevance due to high particulate emissions (trucks, motor cycles/mopeds), high VOC emissions (coldstart of gasoline vehicles, motor cycles/mopeds, big diesel engines) and potentiall y lower volatility of the particles (biofuels). The results shall be used to more comprehensively judge the after treatment and engine technologies and provide the basis to show improvement potentials of the emissions. Finally, the total contribution of traffic on the secondary particulate matter shall be estimated. The measuring concept of the mobile smog chamber shall be used in future projects for other emission sources like wood combustion (especially measurements at low temperatures), ship diesel engines, aircraft jet engines, small engines (e.g. lawn mower).

Project description (German)

Siehe Projektbeschreibung in der Beilage

Related documents

• ASTRA 2010 021 Beilage.pdf [PDF] 915 kB

Expected findings/ usefulness, beneficiaries (German)

Das schlussendliche Ziel ist die Verbesserung der Luftqualität durch technologische Verbesserungen bei den Emissionen. Dieses Projekt wird vor allem eine Grundlage sein, welche Emissionsbedingungen besonders wichtig sind bezüglich der Luftqualität.

Weitere Details werden in der Beilage 1.4 dargestellt.

Methods (German)

Die Vorgehensweise / Methoden sind in Beilage 1.3 beschrieben

Special tools and infrastructure (German)

Dieses Projekt bedingt den Bau einer neuen Smogkammer, welche zur photochemischen Alterung der Emissionen direkt bei den Prüfständen dient. Einige wichtige Geräte wie das Aerosolmassenspektrometer sind am Paul Scherrer Institut vorhanden. Weitere Instrumente, welche der vollständigen Evaluation der Emissionen dienen, sind in der Beilage (2.1) aufgeführt.

Overview of research activities (German)

Der Stand der internationalen und eigenen Forschung ist detailliert in der Beilage dargestellt (1.1 und 1.2)

Project aims (German)

A) Emissionsmessungen von schwarzem Kohlenstoff (BC) und organische Masse (OM) von folgenden Emissionsquellen:

• Lastwagen mit unterschiedlicher Abgasnachbehandlungstechnologie
• Diesel-PKWs bei hohen Geschwindigkeiten
• Benzinfahrzeuge während Kaltstartemissionen bei tiefen Temperaturen
• Motorräder (inklusive Mopeds)
• Non-road Dieselmotoren wie Baumaschinen mit Partikelfiltern
• Verwendung von Bio-Treibstoffen (exemplarische Beispiele)

B) Bestimmung der sekundären Feinstaubbildung für die Emissionsquellen in A)

C) Beurteilung der Abgasreinigungstechnologien bezüglich primärer und sekundärer Emissionen

D) Abschätzung der Strassenverkehrsanteile am sekundären Feinstaub in der Schweiz

Project aims (English)

A) Emission measurements of black carbon (BC) and organic mass (OM) of the following emission sources:

• Trucks with different aftertreatment systems
• Diesel passenger cars at high speeds
• Gasoline vehicles during cold start emissions at low temperatures
• Motor cycles (including mopeds)
• Non-road diesel engines like construction machinery with particulate filters
• Use of biofuels (examples)

B) Determination of the secondary particulate matter production potential for the emission sources in A)

C) Evaluation and judgement of the after treatment technologies concerning primary and secondary emissions

D) Estimation of the traffic share for the secondary particulate matter in Switzerland

Research agenda (German)

Detaillierter Forschungsplan/Arbeitsprogramm siehe Beilage (1.3).

Im Überblick:

Monate 1-4 : Bau der Smogkammer

Meilenstein 1, Monat 5: Bau der Smogkammer abgeschlossen

Monate 5-7 : Test der Smogkammer/Vergleich mit PSI-Kammer

Meilenstein 2, Monat 7: Test der Smogkammer abgeschlossen

Monate 8-9 : Erste Messkampagne in Ispra

Meilenstein 3, Monat 9: Erste Messkampagne abgeschlossen

Monate 9-16: Auswertungen der 1. Kampagne und Planung der nächsten Kampagne.

Meilenstein 4, Monat 17: Erste Publikationen eingereicht

Monate 17-19: 2. und 3. Messkampagne

Meilenstein 5, Monat 20: Messkampagnen abgeschlossen

Monate 20-28: Auswertung der Messkampagnen

Meilenstein 6, Monat 29: Weitere Publikationen eingereicht

Monat 29: Letzte Messkampagne, insbesondere um offene Fragen zu klären

Meilenstein 7, Monat 30: Messkampagnen des Projektes abgeschlossen

Monate 30-36: Finale Auswertungen, Verfassung des Schlussberichts

Meilenstein 8, Ende Monat 36: Schlussbericht abgeschlossen, Überblickspublikationen geschrieben

Transfer and application (German)

Die Resultate dieses Projektes werden aufzeigen, bei welchen Bedingungen welche Fahrzeuge wieviel Feinstaub durch ihre Emissionen generieren können. Dies könnte neue Gesetzesregelungen und technologische Entwicklungen fördern, welche die Feinstaubbelastung effizient senken. Mögliche Resultate können sein, dass
- die Katalysatoren bei Benzinfahrzeugen vorgeheizt werden sollten,
- die Oxidationskatalysatoren bei den Diesel-PW für höhere Lasten ausgelegt werden müssten,
- bei Lastwagen eine Technologiepräferenz gegeben werden könnte,
- die Entwicklung von Oxidationskatatalysatoren für non-road Dieselmotoren wie Baumaschinen gefordert werden sollte, sowie
- neue Abgasvorschriften für Moped erlassen werden sollten, welche wiederum einen Technologieschub zur Folge hätten.

Berichtsnummer (German)

1467

Berichtsnummer (English)

1467

Literature (German)

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