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Paul Scherrer Institut • 5232 Villigen PSI

P A U L S C H E R R E R I N S T I T U T

Urs BaltenspergerPaul Scherrer Institut, Villigen

Wissenschaftliche Grundlagen zur Reduktion von Feinstaub, Sekundäraerosol und Ozon

Vortragstagung SSMSursee, 22. September 2010



Grössenverteilungen bei verschiedenen Temperaturen

Maricq, Nanoparticle Conf,ETH 2010

“Solid“: nicht alles fest, sondern EC (elementalcarbon, fest) und OC (1000e verschiedene Verbindungen mit unterschiedlicher Flüchtigkeit)



Flüchtigkeitsverteilung von Dieselabgas

C* = Sättigungskonzentration in der Gasphase Robinson et al., JAWMA 2010

SVOC: semivolatile organiccompounds;Sampled on Teflon filter

IVOC: intermediate volatilityorganic compounds;Not sampled on Teflon filter



Der PM-Emissionsfaktor ändert sich mit der Temperatur und dem Verdünnungsfaktor

Robinson et al., Science, 2007; JAWMA 2010



Primares organisches Aerosol (POA)

Primary Organic Aerosol(POA)

High temperature

Ambient temperatureLow dilution ratio (10-100)

Ambient temperatureHigh dilution ratio (1000-10000)

time < 1 sec

Black Carbon

(BC)



Regulated emissions (CO, CO2, NOx, PM)Non-regulated emissions (organic aerosol, black carbon, PAHs, etc)

HDDV; Euro 3+4 diesel car; Euro 3 diesel van; Euro 4 gasoline car; Euro 1 moped; Euro 2 moped

Konsequenzen für Teststand-Messungen



Emissionsfaktoren für organisches Aerosol (OA)

MOPEDS: 86-486 mg/kmDIESEL VEHICLES: 0.14-23 mg/km GASOLINE VEHICLES:1*10-6-0.02 mg/km Problem: Kaltstart



Hohe Geschwindigkeiten (> 120 km/h) verursachen hohe Emissionen

1 4 0

1 2 0

1 0 0

8 0

6 0

4 0

2 0

0

1 0 0 08 0 06 0 04 0 02 0 0

3 5 0

3 0 0

2 5 0

2 0 0

1 5 0

1 0 0

5 0

2 0 x 1 0 3

1 5

1 0

5

0

OR

G

1 5 0 x 1 0 3

1 0 0

5 0

0

BC

TempBC

Organicmass

Speed



2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

00:0005.06.2008

00:0006.06.2008

00:0007.06.2008

00:0008.06.2008

00:0009.06.2008

Date and time

160

120

80

40

0

µg/m

3

OA/BC

BC OA

Tunnelmessungen: repräsentative Flotte. Ideal?

Saturday Sunday



OA/BC Verhältnis steigt mit zunehmender OA-Konz.



PM1-Emissionsfaktoren

EF(PM1)HDV=60 mg km-1

EF(PM1)HDV=77 mg km-1 Without considering theorganic loading effect

Considering the organicloading effect

(OA concentration=60-90 µg/m3)

Überschätzung der Emssionsfaktorenwegen des Partitionierungseffekts



Was passiert mit den Emissionen in der Atmosphäre? Untersuchungen in der PSI Smogkammer



Primares und sekundäres organisches Aerosol

Primary Organic Aerosol(POA)

High temperature

Ambient temperatureLow dilution ratio (10-100)

Ambient temperatureHigh dilution ratio (1000-

10000)Secondary Organic

Aerosol(SOA)

OH

O3NO3

hvtime < 1 sec

Black Carbon

(BC)



Der ‘Teststand‘ am PSI

Filling the chamberin ~15 min

Euro 3 diesel car (without particle filter) running at 60 km per hour



Set-up für die Smogkammer-Experimente

Smog Chamber

Heated Diluter (150°C)

Clean air generator

Pressurised air heater (150°C)

Ambient air

Excess air

Hea

ted

line

(150

°C)

Diesel vehicle

Diluter

1:84

~ 1:7

CO2 Analyzer

CO2 Analyzer SMPS

AMS

CPC

MAAP

CO, NO, NOx, O3 Analyzer

DC

PAS

Drier

Heated filter (150°C)

1 - Euro 2 - No aftertreatments devices2 - Euro 3 - Only diesel oxidation catalyst (DOC)3 - Euro 3 - DOC + particulate filter (DPF)



Wichtig: die Smogkammer-Experimente spielen sich im atmosphärenrelevanten Konzentrationsbereich ab

und sind mit den Tunnel-Messungen kompatibel

3.0

2.0

1.0

0.0

OM

/BC

160140120100806040200Organic loading

Tunnel Smog Chamber



3 0

2 5

2 0

1 5

1 0

5

0

µg/m3

543210T i m e a f t e r l i g h t s o n ( h r s )

Dieselabgas in der Smogkammer

Primary aerosols consist mainly of BC with a low fraction of OA (OA/BC~0.2)Photo-oxidation of gaseous organics produces SOA

µg/m

3

Wall-loss corrected dataTime after lights on (hrs)

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5



3 0

2 5

2 0

1 5

1 0

5

0

µg/m3

543210T i m e a f t e r l i g h t s o n ( h r s )

Dieselabgas in der Smogkammer

SOA

POA

BC

µg/m

3

Time after lights on (hrs)

10

0

5

15

20

25

30

0 1 2 3 4 5



100

80

60

40

20

0

% P

OA

543210Time after lights on (hrs)

100

80

60

40

20

0

% SO

A

No DOC DOC deactivated DOC activated

SOA Beitrag zur totalen organischen Masse 100t)SOA(t)/OM(%SOA(t)

DOC effect on SOA production



Effekt der Nachbehandlung auf die Gesamt-Emissionen

0.490

0.7000.763

0.444

0.081

0.1470.143

0.091

0.254

0.461

0.019

0.030

0.0120.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

1.200

1.400

No aftertreatments-Cold start DOC deactivated-Idle DOC activated-Idle DOC activated-Cold start DOC activated and Filter-Coldstart

g/kg

fuel

E.F.(BC) E.F.(POA) E.F.(SOA5h)

DOC effect Particulate filter effect

NO DOC - NO FILTER YES DOC - NO FILTER YES DOC - YES FILTER



Emissionsfaktoren von THC (Total hydrocarbons)

MOPEDS: 1510-3590 mg/kmDIESEL VEHICLES: <119 mg/km

GASOLINE VEHICLES:<201 mg/km(emission factors from regulated test cycles)

MopedsGasoline vehiclesDiesel vehicles



Zukunft: Mobile Messkammer, mit der Sekundäraerosolbildung an beliebigem Ort

untersucht werden kann



Reduktion in NOx (und VOC) führt auch zu Reduktion bei Ozon



Zusammenfassung• Emissionsmessungen müssen unter gleichen Bedingungen

wie in der realen Atmosphäre durchgeführt werden• Tunnelmessungen liefern eine repräsentative Übersicht über die

aktuelle Flotte, liegen aber typischerweise bei etwas höheren Konzentrationen als in der Atmosphäre

• Nicht nur die primären Emissionen, sondern auch das Aerosolbildungspotential muss in Emissionsüberlegungenmiteinbezogen werden

• Dieselfahrzeuge mit Partikelfilter ergeben in beiden Bereichen sehr tiefe Werte

• Was gibt es noch zu tun: CO2, NOx, sowie alles was dieGesetzgebung (noch) nicht genügend vorschreibt:Kaltstart, hohe Geschwindigkeiten, Mopeds, …

• Reduktion in NOx (und VOC) führt auch zu Reduktion bei Ozon



Ich danke:

• PSI:- A. Prévôt, E. Weingartner, J. Dommen- R. Chirico, P. DeCarlo, M. Heringa, V. Lanz, C. Mohr, T. Tritscher, R. Richter, G. Wehrle, ….

• Finanzielle Unterstützung:- BAFU- Schweiz. Nationalfonds- ETH-Kompetenzzentrum-Projekt CCEM- EU-Projekte ACCENT, EUCAARI, POLYSOA - IVECO

• Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit

Mehr Information: http://lac.web.psi.ch/

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