Benzinli, dizel ve sıvılaştırılmış petrol gazı yakıtlı araçlardan kaynaklanan VOC'lerin yol egzozu emisyon özellikleri ve ozon oluşum potansiyelleri

SEÇMELER

  • Çeşitli araç türlerinden gelen VOC'ler, PEMS ile sistematik olarak araştırıldı.
  • Aromatikler ve alkanlar, kullanımdaki araç egzozundaki baskın VOC gruplarıydı.
  • Aromatikler, toplam OFP'lerin en önemli katkılarıydı ve %49.6-93.4'e karşılık geliyordu.
  • Naftalin, %31.8 ile HDDT tarafından yayılan en bol VOC türüydü.
  • Yol koşullarının egzoz borusu VOC emisyonları üzerinde büyük etkileri oldu.

Anahtar Kelimeler: Uçucu organik bileşik (VOC), Ozon oluşum potansiyeli (OFP), Portatif emisyon ölçüm sistemi (PEMS), Benzinli araç, Dizel kamyon, Sıvılaştırılmış petrol gazı otobüsü

ÖZET

Motorlu araçların uçucu organik bileşikleri (VOC'ler), özellikle megakent bölgelerinde, yer seviyesinde ozon oluşumuna büyük ölçüde katkıda bulunur. Araç teknolojileri ve yol koşulları ile birlikte egzoz borusu VOC emisyonlarının varyasyonları nadiren sistematik olarak araştırılır. Böylece, hafif hizmet benzinli araçlar (LDGV), hafif hizmet dizel kamyonlar (LDDT), ağır hizmet dizel kamyon (HDDT) ve sıvılaştırılmış petrol gazı-elektrikli hibrit otobüs dahil olmak üzere kullanımdaki araçlardan kaynaklanan yol egzoz borusu VOC emisyonları ( LPGB), kombine bir taşınabilir emisyon ölçüm sistemi (PEMS) ile örneklenmiştir. Toplam 102 ayrı VOC türü, bir gaz kromatografi kütle spektrometrisi detektörü (GC-MSD) ile nicelendirildi ve ozon oluşum potansiyellerini (OFP'ler) hesaplamak için maksimum artımlı reaktivite (MIR) ölçeği kullanıldı. Sonuçlar, aromatiklerin ve alkanların, araç tipinden bağımsız olarak ana VOC grupları olduğunu ve %68.1-98.0'a tekabül ettiğini gösterdi. LDGV için i-pentan, aseton ve propan ilk üç VOC türüydü. Naftalin, dodekan ve n-undekan dizel egzozundaki ana VOC bileşenleriydi. Aseton, LPGB için en bol bulunan VOC türüydü ve onu i-pentan, ibütan ve n-bütan izledi. Yol koşullarının VOC emisyon faktörleri üzerinde önemli bir etkisi olmuştur. Spesifik olarak, kentsel yollardaki emisyon faktörleri, otoyoldakilerin 3.3-7.0 katıydı. LDGV, LDDT, HDDT ve LPGB için OFP'ler sırasıyla 70.7, 128.1, 2189.4 ve 124.7 mg O3/km idi; aromatikler, toplam OFP'lerin %49.6-93.4'ünü işgal eden ana katkı maddeleriydi. Sonuçlar, emisyon faktörlerinin ve baskın VOC türlerinin araç teknolojilerinden ve yol koşullarından güçlü bir şekilde etkilendiğini, ancak hem VOC bileşimi hem de OFP'ler için aromatiklerin ana grup olduğunu gösterdi.

1. Giriş

Uçucu organik bileşikler (VOC'ler) özellikle ilgi çekicidir çünkü birçoğu yüksek kimyasal reaktiviteye sahiptir ve yer seviyesindeki ozonun önemli öncüleri olarak davranır (Song ve diğerleri, 2019). Makromoleküler VOC'lerin, atmosferik ikincil organik aerosollerin oluşumuna ana katkıda bulunanlar olduğu tespit edilmiştir (Dai ve diğerleri, 2010). Giderek artan kanıtlar, benzen, toluen, etilbenzen ve ksilen (BTEX) gibi bazı VOC'lerin insan sağlığı üzerinde zararlı etkileri olduğunu (örneğin tahriş edici, kanserojen, mutajenik ve teratojenik) göstermektedir (Hao ve diğerleri, 2018; Ke ve diğerleri). ., 2018). Son yıllarda otomobil egzozu, özellikle kentsel alanlarda önemli bir antropojenik hava kirliliği kaynağı haline geldi (Garzon ve diğerleri, 2015; Hui ve diğerleri, 2018; Li ve diğerleri, 2018). Çin'deki araç nüfusunun sürekli ve hızlı büyümesi ve artan araç kullanım yoğunluğu (Huo ve diğerleri, 2012) göz önüne alındığında, mega kent bölgelerinde şiddetli atmosferik kirliliğin kontrolü için araç egzozundan çıkan VOC emisyonlarının daha iyi anlaşılması arzu edilir. .

VOC'lerin kimyasal profilleri, genellikle, toplam VOC emisyonlarına göre bireysel türlerin ağırlık fraksiyonları olarak ifade edilir. Doğru ve güvenilir VOC profilleri, kaynak paylaştırma, sağlık maruziyeti değerlendirmesi ve hava kalitesi modelleri için temel verilerdir (Qiao ve diğerleri, 2012; Ou ve diğerleri, 2014). Bu amaçla, farklı araçlardan kaynaklanan VOC emisyonlarının özelliklerini araştırmak için artan sayıda çalışma yapılmıştır. Örneğin, Cao ve ark. (2016), PEMS'li benzinli arabalardan kaynaklanan VOC emisyonlarının özelliklerini araştırdı. Ayoko et al. (2014), bir şasi dinamometresinde LPG ve binek otomobillerden gelen VOC'lerin emisyon karakterizasyonunu karşılaştırdı. Diğer bazı araştırmalar da dizel araçlardan gelen VOC'leri araştırdı (Yao ve diğerleri, 2015a; Wang ve diğerleri, 2016; Jung ve diğerleri, 2019). Ancak tüm bu çalışmalar, çeşitli test yöntemleri ile farklı koşullar altında gerçekleştirilmiştir. Bildiğimiz kadarıyla, farklı otomobil türlerinden egzoz borusu VOC emisyonları hakkında sistematik çalışmalar hala nadirdir. Wang et al. (2017), 2001'den 2016'ya kadar olan referanslara dayanarak Çin'deki farklı araç kategorilerinin yoldaki VOC profillerini özetledi, ancak farklı çalışmalarda yakıt kalitesi, test yöntemleri ve VOC türlerindeki farklılıklar, VOC profillerinin anlaşılmasında büyük belirsizliklere yol açabilir. farklı araç kategorilerinden Bu nedenle, farklı araç tiplerinden egzoz borusu VOC emisyon özelliklerinin daha iyi anlaşılması için aynı test yöntemine dayalı sistematik araştırma yapılması gerekmektedir.

Tek bir aracın veya tüm filonun emisyon özelliklerini araştırmak için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Tünel çalışmaları ve yol kenarı ölçümlerinin, gerçek dünya sürüş koşullarında filo ortalama emisyon faktörlerini elde etmek için sağlam yöntemler olduğu kanıtlanmıştır, ancak bunlara buharlaşma emisyonları veya diğer kaynaklar tarafından müdahale edilebilir (Araizaga ve diğerleri, 2013; Li ve diğerleri). diğerleri, 2017; Zhang ve diğerleri, 2018). Bench testi her zaman yakıt özelliği, araç tipi ve iyi tekrarlanabilirliği için sürüş döngüsü gibi tek bir faktörün etkisini araştırmak için kullanılır. Ancak bu sonuç, gerçek yoldaki egzoz emisyonlarını yansıtmayabilir (Pang ve diğerleri, 2014; Chen ve diğerleri, 2018). Böylece, California Hava Kaynakları Kurulu, karayolu taşıtları emisyon ölçümleri için taşınabilir emisyon ölçüm sistemini (PEMS) geliştirdi (CARB, 1996). PEMS, gerçek dünyadaki çalışma durumunda anlık egzoz gazı emisyonlarını tespit etmek için kullanıldı ve şimdi bazı düzenlenmemiş kirleticiler de cihaz yükseltmesiyle test edilebilir veya örneklenebilir. Son yıllarda PEMS, farklı araç türlerinden kaynaklanan egzoz borusu CO, CO2, NOx ve THC emisyonlarının ölçümünde yaygın olarak kullanılmaktadır (Huang ve diğerleri, 2013; Kousoulidou ve diğerleri, 2013; May ve diğerleri, 2014; Wang ve diğerleri, 2016; Bishop ve diğerleri, 2019). Bununla birlikte, PEMS ile ölçülen VOC emisyonlarına ilişkin raporlar hala sınırlıydı ve bunların çoğu ağırlıklı olarak benzinli araçlara odaklanmıştı (Cao ve diğerleri, 2016; Yao ve diğerleri, 2016; Hao ve diğerleri, 2018). Sadece birkaç yayın, PEMS sistemine sahip dizel araçların yoldaki VOC emisyon özelliklerine atıfta bulunurken, VOC türlerinin miktarı ve sonuçları her zaman tutarlı değildi. Örneğin, Yao ve ark. (2015a, 2015b), formaldehit ve asetaldehitin baskın VOC türleri olduğunu gösterdi, ancak Wang ve ark. (2016), dizel araç emisyonlarında alkan bolluğunun önemli ölçüde daha yüksek olduğunu, ardından aromatikler ve alkenlerin geldiğini göstermiştir.

Bu çalışmada, benzinli arabalar, dizel kamyonlar ve sıvılaştırılmış petrol gazı-elektrikli hibrit otobüs dahil olmak üzere farklı araç türlerinden gelen yol egzoz borusu VOC emisyonlarını örneklemek için bir VOC örnekleme ünitesi ile birleştirilmiş bir PEMS sistemi kullanıldı. Egzoz borusu VOC'lerinin kimyasal profilleri ve emisyon özellikleri araştırıldı ve ardından VOC türlerinin OFP'leri MIR ölçeği ile değerlendirildi. Sonuçlar, modern araçların VOC özelliklerini daha iyi anlamak ve kentsel alanlarda ozon kirliliğini azaltmak için çıkarımlar sağlamak için önemli olacaktır.

2. Malzemeler ve yöntemler

2.1. Araçları ve rotaları test edin

Ağır kirletici araçların kademeli olarak ortadan kaldırıldığı göz önüne alındığında, bu çalışmada iki benzinli araba (LDGV), üç hafif hizmet dizel kamyon (LDDT), bir ağır hizmet dizel olmak üzere Çin III-V'ye uygun yedi tipik kullanımda araç seçildi. kamyon (HDDT) ve sıvılaştırılmış petrol gazı-elektrik hibrit otobüsü (LPGB). Her bir test aracı için ayrıntılı bilgiler Tablo 1'de özetlenmiştir.

Test edilen bu araçların farklı kullanımlarına göre iki rota (rota A ve rota B) belirlendi. Spesifik olarak, LDDT, HDDT ve LDGV testleri için A rotası seçildi ve B rotası LPGB içindi. Şekil S1'de gösterildiği gibi, A rotasının toplam uzunluğu, şehir içi yollar (kırmızı), banliyö yolları (sarı) ve otoyol yolları (mavi) dahil olmak üzere yaklaşık 68 km idi. Kentsel aglomerasyonlarda şehirlerarası ulaşımdan esas olarak kamyonların sorumlu olduğu göz önüne alındığında, VOC emisyonları yalnızca kamyonlar sırasıyla kentsel ve karayolu yollarında seyahat ettiğinde örneklenmiştir. Benzinli arabalar için sırasıyla kentsel, banliyö ve otoyol yollarında VOC numuneleri almak için üç bidon kullanıldı. B Rotası (yeşil renkli), Çin'in Zhengzhou kentindeki B12 Nolu otobüsün rotasıydı ve tek yolculuk 18 istasyon dahil yaklaşık 29 km idi. Yolcuların inip bindiğini simüle etmek için, test edilen otobüsün her istasyonda 10 saniye durması gerekiyordu. Otobüs testinin VOC örneklemesi için, biri başlangıç ​​istasyonundan terminale yolculuk ve diğeri dönüş yolculuğu için olmak üzere iki kutu kullanıldı. Sonuçların güvenilirliğini artırmak için her araç iki kez test edildi. VOC örnekleme kampanyası sırasında toplam 30 örnek alındı. Bu araçların olağan koşullar altında çalışabilmesini sağlamak için, her araç test boyunca sahibi tarafından kullanıldı ve Çin VI standartlarını karşılayan tüm yakıtlar yerel bir PetroChina benzin istasyonundan alındı. Analiz, VOC'lerin çoğunluğunun (%65.7-%86.3) belirsizliklerinin, ppb seviyelerindeki (45-10) konsantrasyonlar için %9'lik tolerans seviyesinin altında olduğunu göstermiştir (Hortwitz, 1982; Ayoko ve diğerleri, 2014). Artık VOC türlerinin daha büyük sapmaları, esas olarak çok düşük konsantrasyonlara (10-13 – 10-11) bağlandı.

2.2. Egzoz örnekleme sistemi

Gerçek dünya sürüş koşulları altında araçlardan çıkan egzoz emisyonlarını ölçmek için ek bir VOC örnekleme ünitesi ile birleştirilmiş bir SEMTECH ECOSTAR PLUS (Sensors Inc., ABD) kullanıldı. Yerleşik emisyon ölçüm sisteminin şeması, Şekil S2'de gösterilmektedir.

SEMTECH ECOSTAR PLUS temel olarak üç ünite içeriyordu: bir gaz analizörü, bir mikro orantılı örnekleme sistemi (MPS) ve bir partikül madde (PM) analizörü. Gaz analizörü, NOx'i dağılmayan bir ultraviyole (NDUV) analizörü ile, THC'yi bir hidrojen alev iyon dedektörü (FID) ile ve bir yayılmayan kızılötesi (NDIR) analizörü ile CO ve CO2'yi ölçmek için kullanıldı. Egzoz debisini ölçmek için SEMTECH-FEM (Sensors Inc., ABD) ve SEMTECH-HTF (Sensors Inc., ABD) kullanıldı. Gerçek ortam nemi, sıcaklık ve anlık enlem ve boylamı kaydetmek için bir hava durumu probu (WP) ve bir küresel konum sistemi (GPS) kullanıldı. Tüm veriler 1 saniyelik bir çözünürlükte toplandı ve gerçek zamanlı olarak bir dizüstü bilgisayara teslim edildi.

MPS, SEMTECH-FEM tüpünden örneklenen egzozu seyreltmek için kullanılan bir kısmi akış seyreltme sistemidir. Seyreltilmiş egzoz, biri PM filtre örneklemesi için SEMTECH-PFM modülüne ve diğeri anlık PM izlemesi için SEMTECH-CPM modülüne olmak üzere iki şeride bölünmüştür. VOC örnekleme ünitesi, SEMTECH-CPM modülü aracılığıyla SEMTECH ECOSTAR PLUS'a bağlandı. VOC emisyon örneklemesi için bazı 3.2 L vakumlu Summa bidonları (Entech Inst., ABD) kullanıldı. Örnekleme akış hızı, A rotasında giden test edilmiş araçlar için yaklaşık 0.10 L/dak ve B rotasında test edilen otobüs sürüşü için yaklaşık 0.08 L/dak'da bir pasif sınırlama valfi tarafından kontrol edildi. Örnekleme sürecinde VOC'lerin adsorpsiyonunu azaltmak için Teflon Bağlantılar için borular kullanıldı.

2.3. VOC analizi

VOC numuneleri, Yöntem TO-7890'e (US EPA, 5975) dayalı olarak bir gaz kromatografi-kütle spektrometrisi detektörü (15 GC-1999 MS, Agilent Technologies, ABD) ile analiz edildi. İlk olarak, VOC numuneleri otomatik bir seyreltici (model 85A, Nutech, ABD) ile analizden önce atmosfer basıncının yaklaşık %2201'ine seyreltildi. Daha sonra numuneler, üç aşamalı bir kriyotrap ile bir 3600DS Otomatik Örnekleyici (Nutech, ABD) ve bir 8900DS ön yoğunlaştırıcı (Nutech, ABD) kullanılarak ön konsantre edildi. İlk kriyotrap, tüm VOC'ler, nem ve CO2 dahil olmak üzere tüm yoğunlaşabilir maddeleri yakalayabilen geleneksel bir cam boncuk kriyotraptır. İkinci kriyotrap, VOC'ler için güçlü adsorpsiyon kapasitesine sahip olan ancak nemi emmeyen bir Tenax multimedya kapanıdır. İkinci kriyotrapın çalışma sıcaklığı sadece yaklaşık 10 ℃'ye ayarlandı ve CO2 bu ortamda yoğuşamadı. Böylece, numuneler birinci kriyotraptan ikinci kriyotrapa aktarıldığında nem ve CO2 uzaklaştırılacaktır. Üçüncüsü, geleneksel bir kriyo odaklı tuzaktı. VOC'ler daha da yoğunlaştırılacak ve daha sonra sıcak desorpsiyon enjeksiyonu yoluyla kromatografik analizler için kolona girmek üzere hızla ısıtılacaktır.

Her bir bileşen için farklı adsorpsiyon kapasitesi nedeniyle belirli bir süre sonra her VOC türünün kolondaki hareket hızı farklı olmuştur. Bu nedenle, bileşenler kolonda ayrıldı ve ardından dedektörde sırayla algılandı ve kaydedildi. Hedef bileşikler, kromatografik alıkonma süresi ve kütle spektrometrisi diyagramına dayalı olarak kalitatif olarak analiz edildi ve numune konsantrasyonları harici standart yöntemle hesaplandı. Toplamda 102 VOC tanımlanmış ve ölçülmüştür ve türler Tablo S1'de gösterilmiştir.

2.4. Kalite güvencesi ve kalite kontrol (QA/QC)

Numune alma ve analize ilişkin katı QA/QC prosedürü, veri kalitesini sağlamak için Yöntem TO-15'te belirtilen kriterlere göre yürütülmüştür (US EPA, 1999). Numune almadan önce, tüm bidonlar, bir bidon temizleyici (Model 2101DS, Nutech, ABD) kullanılarak nemlendirilmiş sıfır havayı tekrar tekrar doldurup boşaltarak en az beş kez yıkandı. Bidonlarda kontaminasyon olup olmadığını kontrol etmek için temizleme işlemlerinden sonra bir bidon boşaltıldı, tekrar saf nitrojen ile dolduruldu, laboratuvarda en az 24 saat saklandı ve daha sonra saha numuneleri ile aynı şekilde analiz edildi. tüm hedef VOC bileşiklerinin mevcut olmadığından veya tespit limitlerinin altında olduğundan emin olun.

2.5. Veri analizi

Ölçülen konsantrasyonlar (ppbv), her test sırasında egzoz akış hızları ve seyahat mesafeleri ile emisyon faktörlerine (g/km) dönüştürüldü. Egzoz akış hızı, seyreltme oranı ve hızın anlık verileri zamana göre toplanmıştır. Toplam VOC'lerin emisyon faktörlerini hesaplamak için formül (1) kullanıldı.

burada EFTVOC, toplam VOC'lerin emisyon faktörüdür, mg/km; Ci, VOC türlerinin konsantrasyonu i (i ¼ 1, 2, 3 … n), ppbv; Mi, VOC türü i'nin molar kütlesidir, g/mol; Vj, anlık egzoz debisidir, m3 /s; DRj, MPS'nin anlık seyreltme oranıdır; Sj, j saniyede (j ¼ 1, 2, 3 … t), m'de kat edilen mesafedir ve GPS sistemi tarafından kaydedilen j saniyedeki (j ¼ 1, 2, 3 … t) anlık hızın değerine eşittir. , Hanım; ve n, VOC türlerinin miktarıdır, n = 102. t, karşılık gelen deneyin toplam süresidir, s. Hacim ve konsantrasyon verilerinin tümü, standart ortam sıcaklığı ve basınç koşullarına (273.12 K, 101.33 kPa) normalleştirildi.

Araç egzozundan tek tek VOC türlerinin OFP'sini tahmin etmek için maksimum artımlı reaktivite (MIR) ölçeği benimsenmiştir (Carter WPL, 1994, 2010; Li ve diğerleri, 2014). Bireysel VOC türlerinin OFP'si Formül (2) ile hesaplanmıştır:

burada OFPi (mg O3/km) VOC türlerinin ozon oluşum potansiyelini temsil eder i; EFi (mg/km), VOC türlerinin emisyon faktörüdür i; ve MIRi, VOC türlerinin maksimum artımlı reaktivitesidir i, mg 3/mg VOC. VOC'lerin toplam OFP'si, her bir OFPi'nin toplamıydı.

3. Sonuçlar ve tartışma

3.1. Farklı araçlardan egzoz borusu VOC'lerinin kaynak profilleri

102 ayrı VOC türü, alkanlar, alkenler, aromatikler, halokarbonlar, karboniller ve diğerleri olmak üzere altı gruba ayrıldı. Tespit edilen tüm VOC bileşenleri ve LDGV, LDDT-1, LDDT-2, LDDT-3, HDDT ve LPGB'nin ayrıntılı VOC konsantrasyonları, emisyon faktörleri ve profilleri Ek Excel'de sağlanmıştır. Toplam VOC emisyon faktörleri LDGV, LDDT, HDDT ve LPGB için sırasıyla 20.1 ± 10.8 mg/km, 82.2 ± 45.0 mg/km, 706.7 ± 107.0 mg/km ve 42.5 ± 3.4 mg/km idi. FID yöntemiyle PEMS tarafından ölçülen THC'nin ilgili emisyon faktörleri, LDGV, LDDT ve LPGB için sırasıyla 39.4 ± 19.6 mg/km, 227.4 ± 129.8 mg/km, 76.6 ± 35.4 mg/km idi. Yani, tanımlanan VOC türleri, bu çalışmada THC'nin %36.1-55.5'ini oluşturuyordu ve bu, önceki çalışmalarda bildirilen %65.5-82.1'e kıyasla biraz daha düşüktü (Chiang ve diğerleri, 2007; Tsai ve diğerleri, 2012; Araizaga ve diğerleri). al., 2013). Makul bir açıklama, etan, eten ve etin gibi C2 hidrokarbonlarının bu çalışmada tespit edilmemesiydi.

Ağırlık yüzdesine (%) dayalı olarak farklı araç türlerinin VOC profilleri Şekil 1'de gösterilmektedir. Genel olarak, aromatikler LDGV'den %38.5 ile en bol bulunan VOC grubuydu, ardından alkanlar (%29.6), karboniller ( %15.5, halokarbonlar (%7.1) ve diğerleri (%7.0). Bu sonuç, Dai ve diğerleri tarafından elde edilen sonuçlarla kısmen tutarlıydı. (2010) şasi dinamometre testlerine dayanmaktadır. Dizel kamyonlar (%1.0–1.4) ve LPGB (%3.6) ile karşılaştırıldığında, LDGV'nin toplam VOC'lerinde (%7.1) halokarbon grubunun yüzdesi, özellikle klorobenzen, 1,2-dikloroetan, 1,2,4- triklorobenzen. Benzinli aracın neden bu kadar çok halokarbon yaydığı hemen belli değil. Bir hipotez, yanma sırasında halokarbonlara dönüşebilen benzindeki klor içeriğinin, ham petrolün kalitesiz olması nedeniyle yüksek olduğu ve katalitik reform sırasında katkı maddeleriyle birlikte çok fazla klorun katılacağıdır. LDDT'ler için, alkanlar %69.9'luk bir kesir ile önemli ölçüde daha yüksekti, ardından aromatikler (%17.8) geldi. Sırasıyla China III, China IV ve China V ile uyumlu bu LDDT araçlarının ilk 15 VOC türü Şekil S3'te gösterilmektedir. Aseton, 1-büten, 1,2,3-trimetilbenzen, 1,4-dietilbenzen varyasyon eğilimleri tam tersi olurken, dodekanın ağırlığı standartlar sıkılaştıkça azalan eğilimler gösterdi. Ve kalan türler bariz varyasyon eğilimleri göstermedi. Özetle, emisyon standartlarının egzoz borusu VOC emisyonları üzerinde önemli etkileri vardır, ancak çoğu VOC türünün varyasyon eğilimleri açık değildi. HDDT için aromatikler ve alkanlar, Wang ve ark. (98.0) ve Liu ve diğerleri. (2017a). LPGB için, alkanlar ve aromatikler, sırasıyla %2008 ve %44.2'e karşılık gelen baskın VOC gruplarıydı, bunu karboniller (%24.5), alkenler (%16.3), halokarbonlar (%8.6) ve diğerleri (%3.7) izledi. Genel olarak, alkanlar ve aromatikler, test edilen tüm araçlar için ana egzoz borusu VOC emisyonlarıydı ve toplam VOC'lerin %2.7-68.1'ini oluşturuyordu. VOC dağılımları, yakıt özelliklerinden veya araç tiplerinden önemli ölçüde etkilenebilir.

İncir. 1. Farklı araç türlerinin VOC kaynak profilleri (X ekseni, Tablo S1 ile aynı olan VOC türlerinin kimliğini temsil eder. Ağırlık yüzdeleri, araç tipinin çeşitli test gezilerinin ortalama değerleridir ve hata çubuğu, 1 standart sapmayı temsil eder. ortalama değerler).

Farklı araç türlerinin ilk 10 VOC türü, karşılık gelen toplam VOC emisyonlarının yaklaşık %61-91'ini oluşturuyordu ve bu da ilk 10 türün ana VOC olabileceğini gösteriyordu. Farklı araç türlerinin ilk 10 VOC türü Tablo 2'de listelenmiştir. Bu araçlar aynı VOC türlerine sahip olabilir, ancak bollukları farklıydı. Örneğin, 1,4-Diethybenzen, tüm test araçları için ilk 10 egzoz borusu VOC türüydü, ancak bolluklar LDGV, LDDT, HDDT ve LPGB için sırasıyla %5.6, %2.7, %3.0 ve %3.8 idi. LDGV'de asetonun ortalama ağırlık yüzdesi %8.9, ancak HDDT ve LPGB için sırasıyla %31.8 ve %14.4'tü.

Tablo 2'de gösterildiği gibi, farklı araçların bol VOC türleri arasında bariz bir fark vardı. Spesifik olmak gerekirse, i-pentan, aseton, propan ve toluen, sırasıyla %9.8, %8.9, %8.1 ve %6.2 ağırlık yüzdeleriyle LDGV egzozundan çıkan başlıca VOC türleriydi. Bu türlerin bazıları başka çalışmalarda da tanımlanmıştır. Örneğin, i-pentan ve toluen, Cao ve diğerleri tarafından ana VOC bileşenleri olarak tanımlandı. (2016) ve Wang ve diğerleri. (2013). 1,4-dietilbenzen ve 1,2,3-trimetilbenzen, muhtemelen rafinerilerin Çin VI standartlarını karşılamak için oktan sayısını artırmak için daha fazla C9-C10 aromatik eklemesine atfedilen başlıca VOC türleriydi. LDDT'ler için en bol bulunan türler esas olarak dodekan (%41.5), n-undekan (%16.3), naftalin (%6.4) ve n-dekan (%6.2) gibi uzun zincirli alkanlardı. Ek olarak, aseton (%2.7), propan (%2.7) ve akrolein (%2.4) gibi bazı kısa zincirli VOC'ler de tespit edilen toplam VOC'lerin önemli oranlarını oluşturmuştur. Bu sonuç, geçici dinamometre ve yol testine dayanan bazı yeni çalışmalarla benzerdi (Qiao ve diğerleri, 2012; Wang ve diğerleri, 2016). HDDT için, %31.8 ağırlık yüzdesi ve 222.0 ± 16.2 mg/km emisyon faktörü ile büyük miktarda naftalin tanımlandı. Lin ve ark. (2019b), ağır dizel kamyonlardan kaynaklanan ortalama naftalin emisyon faktörünün 312 mg/km'ye kadar çıktığına dair benzer bir sonuç bildirmiştir. Yüksek naftalin emisyonları esas olarak motor çalışma koşullarına ve eksik yanmadan kaynaklanan pirolizlemeye bağlıydı (Lin ve diğerleri, 2019a, 2019b). Naftalin dışında dodekan, n-undekan 1,4-dietilbenzen, 3-etiltoluen en bol bulunan türlerdir. Dizel araçlardan farklı olarak, LPGB'den gelen VOC'ler çoğunlukla kısa zincirli hidrokarbonlardı. Aseton, i-pentan, i-bütan, n-bütan ve propan, toplam VOC'lerin %46.7'sini oluşturan ana türlerdi. Sonuçlarımız önceki bazı sonuçlarla kısmen uyumluydu. Örneğin, Lai ve ark. (2009) ve Guo ve diğerleri. (2011), LPGB için propan, n-bütan ve i-bütanın en önemli VOC türleri olduğunu belirtmiştir. Bununla birlikte, diğer bazı çalışmalar da n-heksan ve n-bütanın (Ho ve diğerleri, 2009), bütanın (Ayoko ve diğerleri, 2014) aynı zamanda en bol bulunan VOC türleri olduğunu bildirmiştir. Bir bütün olarak propan, n-bütan, i-bütan en bol bulunan VOC türleriydi. Propan, çalışmamızda bol bulunan VOC türlerinden biriydi, ancak en fazla değildi. Bunun nedeni, daha önce yapılan çalışmaların çoğunun LPG Sedan veya taksi bazında yapılmış olması, bizim çalışmamızda kullanılan aracın LPG-elektrikli hibrit otobüs olması ve LPG'nin ancak araç hızı 40 km'ye kadar çıkıldığında kullanılabiliyor olması olabilir. /h. Böylece, farklı motor teknolojilerinin ve kullanılan yakıtların, farklı çalışmalarda en iyi VOC türlerinin farklılıklarına neden olabileceği sonucuna vardık.

3.2. Yol koşullarının VOC bileşimleri üzerindeki etkisi

Şehir içi ve karayolu koşullarında sırasıyla %39.4. İkinci en bol VOC türü olarak, alkanların ağırlık yüzdeleri, aromatiklerin tam tersi varyasyon eğilimleri gösterdi. Bu çalışmada, ultra yüksek hızlı çalışma koşullarında liman yakıt enjeksiyonlu (PFI) arabaların daha düşük hava/yağ oranı, otoyol yollarında daha yüksek aromatik emisyonlara neden olabilir. Bu sonuç bazı yayınlanmış referanslarla benzerdi. Örneğin, Wang ve ark. (2013) ve Guo ve diğerleri. (2011), sürüş hızı arttıkça alkan emisyonlarının hafif bir artış eğilimi gösterdiğini ve aromatik emisyonlarının azalan bir model gösterdiğini belirtmiştir. Şekil 2'de gösterildiği gibi, LDDT'den gelen aromatikler ve alkanlar, LDGV ile ilgili olarak zıt bir eğilim sergilemiştir. Bununla birlikte, önceki çalışmalar (Tsai ve diğerleri, 2012; Cao ve diğerleri, 2017), düşük çalışma hızlarının yüksek aromatik ve düşük alkan emisyonuna neden olduğunu bildirmiştir. Bu farklılıklar, dizel motor yanma ve son işlem cihazlarının karmaşıklığından kaynaklanıyor olabilir. Spesifik olarak, LDDT-3 (DOC ve SCR ile donatılmış) tarafından yayılan aromatikler, şehir içi yollarda %14.8'den otoyolda %27.5'e yükseldi ve alkanlar %71.3'ten %54.0'a düştü. Bunun nedeni muhtemelen LDDT-3 için kullanılan DOC + SCR sisteminin yüksek egzoz sıcaklığından dolayı karayolu koşullarında verimli olabilmesi ve alkanlarda daha fazla azalmaya neden olmasıdır. Hem DPF hem de SCR sistemlerinin, n-alkan türlerinin emisyonlarının çoğunu %85'ten fazla azaltma yeteneğine sahip olduğu bildirildi (Liu ve diğerleri, 2008b). HDDT için, yol koşulları ve VOC bileşimleri arasında belirgin bir korelasyon gözlenmedi.

Teoride, yol durumu emisyon faktörü ve kaynak profili için çok önemliydi. Ancak, farklı yollara sahip egzoz borusu VOC'lerinin kaynak profili varyasyonları, özellikle LDDTS için bu çalışmada önemli değildi. Bu, farklı yollardaki gerçek yakıt tüketimiyle ilişkilendirilebilir. Örneğin LDDT'leri ele alalım, LDDT-1, LDDT2 ve LDDT-3'ün şehir içi yollardaki yakıt tüketimi sırasıyla 12.6 L/100 km, 10.1 L/100 km ve 13.1 L/100 km iken, otoyoldaki yakıt tüketimi 13.8 L idi. / 100 km, 10.1 L/100 km ve 14.6 L/100 km. Hem LDGV hem de HDDV için, karayolu üzerindeki yakıt tüketimi en düşük ve şehir içi yakıt tüketimi en yüksekti ve bu, VOC emisyon faktörü ve kaynak profili ile kısmen tutarlıydı.

3.3. Egzoz borusu VOC'lerinin emisyon faktörleri

Bu çalışmada ve bazı diğer referanslardan elde edilen egzoz borusu VOC'lerinin emisyon faktörleri Tablo 3'te gösterilmektedir. Bu çalışmada, HDDT'nin (706.7 mg/km) ortalama VOC emisyon faktörü en yüksekti, LDDT'nin (8.6 mg) yaklaşık 82.2 katıydı. /km). HDDT'den kaynaklanan ciddi VOC emisyonları, kamyon sürücülerinin çoğunun her zaman saate karşı mal taşımakla meşgul olmalarına ve aracın bakımını zamanında yapamamasına ve aslında test kamyonunun SCR cihazının etkin bir şekilde çalışmamasına bağlanabilir. Çin araçlarını temel alan bazı araştırmalar da, mesafeye bağlı olarak HDDT'lerin egzoz borusu VOC emisyon faktörlerinin LDDT'lerinkinden önemli ölçüde daha yüksek olduğu ile aynı sonuçları aldı (Yao ve diğerleri, 2015a; Deng ve diğerleri, 2018; Zhang ve diğerleri, 2018) . Tablo 3'te listelendiği gibi, LDGV ve LPGB'nin VOC emisyon faktörleri sırasıyla 20.1 mg/km ve 42.5 mg/km idi ve dizel araçlardan çok daha düşüktü. Tüm test benzinli araçlar, VOC emisyonlarını verimli bir şekilde azaltabilen üç yollu katalizör dönüştürücü (TWC) ile donatıldı. LPGB, düşük bir VOC emisyon faktörüne sahipti ve bu, esas olarak, test edilen LPGB'nin motorunun gaz-elektrikli hibrit olması ve gaz motorunun yalnızca araç hızı 30 km/s'den yüksek olduğunda çalışmasına bağlanıyordu. Aslında, toplam testin sadece %40'ı gaz motoruyla çalışıldı.

Şekil 3, farklı yol koşullarında toplam egzoz borusu VOC'leri, alkanlar, alkenler, aromatikler ve diğer bazı VOC gruplarının emisyon faktörlerini göstermektedir. Genel olarak, hem toplam VOC'lerin hem de her grubun emisyon faktörleri, karayolu koşullarındaki emisyonların kentsel yol koşullarındakilerden çok daha düşük olduğu konusunda tutarlı bir varyasyon eğilimi sergiledi. LDGV'nin kentsel koşullarda ortalama VOC emisyon faktörü 41.7 mg/km olup, bu, banliyö ve otoyol koşullarında sırasıyla 1.8 kat ve 3.9 kat olmuştur. Daha önceki bazı çalışmalarda da benzer sonuçlar bulunmuştur. Örneğin, Cao ve ark. (2016) ve Yang ve diğerleri. (2018) her ikisi de VOC emisyon faktörlerinin hız arttıkça azalan bir sıra izlediğini bildirdi. LDGV'ye benzer şekilde, hem LDDT hem de HDDT, kentsel koşullarda ortalama VOC emisyon faktörlerinin karayolu koşullarındakilerden çok daha yüksek olduğu yönünde aynı eğilimi sergiledi. LDDT için emisyon faktörü, şehir içi yollarda 164.1 ± 92.8 mg/km'den otoyolda 50.2 ± 28.3 mg/km'ye, %69.4'lük bir düşüşle düştü. Alkanlar, özellikle dodekan ve n-undekan için en önemli azalmayı (%71.0) sundu. Aromatikler ve alkanlar, HDDT'den kaynaklanan VOC emisyonlarının azaltılmasına büyük ölçüde katkıda bulundu (her ikisi de yaklaşık %86 oranında azaltıldı), bu da HDDT için kentsel yol koşullarıyla ilgili karayolu koşullarında %85.8'lik bir azalmayla sonuçlandı. Banliyö ve otoyol yol koşullarında, araç motorlarının yağlanması ve egzoz son işlem cihazlarının sıcaklığı optimum durumdaydı ve bu da daha düşük emisyonlara neden oldu. Şehir içi yollardayken, motor yükleri sık sık hızlanır ve yavaşlar, bu da düşük hava-yakıt oranına neden olur. Bu nedenle, düşük hız koşullarında emisyon faktörü nispeten yüksektir.

3.4. Ozon oluşum potansiyelleri

LDGV, LDDT, HDDT ve LPGB'den kaynaklanan toplam VOC emisyonlarının ortalama OFP değerleri sırasıyla 70.7 mg O3/km, 128.1 mg O3/km, 2189.4 mg O3/km ve 124.7 mg O3/km idi. LDGV'nin ortalama OFP değeri, önceki bazı çalışmalarla kısmen tutarlıydı. Örneğin, Cao ve ark. (2016), farklı emisyon standartlarına uyan hafif hizmet benzinli araçlar için OFP'nin 33 mg O3/km ile 1300 mg O3/km arasında değiştiğini belirtmiş ve Wang ve ark. (2013) benzinli arabalar için OFP değerlerinin 380–920 mg O3/km olduğunu göstermiştir. Bu çalışmada LDDT'nin OFP değeri, Yao ve ark. (2015a) LDDT için OFP'nin 306.7 mg O3/km olduğunu söyledi. Ayrıca, bu çalışmada HDDT için OFP, Bermu'dez ve ark. (2011), dizel araçların OFP'sinin 967 ila 1281 mg O3/km arasında değiştiğini, ancak Yao ve diğerleri tarafından bulunandan daha yüksek olduğunu belirtti. (2015a). Bu çalışma ve referanslar arasındaki OFP değerlerinin tutarsızlığı, esas olarak farklı sürüş döngüsüne ve kullanılan yakıt bileşimine ve tespit edilen VOC türlerine bağlandı. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, benzinli araçlarla karşılaştırıldığında, dizel araçların neden olduğu OFP'nin göz ardı edilmemesi gerektiğini göstermiştir.

Şekil 4, test edilen araçlar için farklı VOC gruplarının OFP'ye katkılarını sunar. Açıkça, aromatikler, test edilen araçların OFP'si için, özellikle de HDDT için, %49.6 ila %93.4 arasında değişen baskın VOC grubuydu. Ek olarak, alkanlar ve alkenler de VOC emisyonlarının ozon oluşumunda önemli bir rol oynamıştır, özellikle LDDT için %18.3 ve %20.4 ve LPGB için %15.0 ve %27.5'i oluşturmaktadır. LDDT ve LPGB ile karşılaştırıldığında, LDGV ve HDDT'nin diğer VOC grupları daha az belirgindi. Daha önce yapılan bazı çalışmalarda da benzer sonuçlar bulunmuştur. Örneğin, Guo ve ark. (2011), aromatiklerin, benzinli araçlar için toplam OFP'nin %80'inden fazlasını oluşturan en büyük katkı olduğunu ve alkenlerin yaklaşık %14'ünü oluşturduğunu gözlemledi. Tsai et al. (2012) aromatiklerin, karbonillerin, alkenlerin ve alkanların fraksiyonlarının FTP-69 için sırasıyla %16, %12, %3.1 ve %75 ve FTP-69 için sırasıyla %14, %11, %6.1 ve %10 olduğunu bulmuştur. otoyol döngüsü. OFP'lere katkıda bulunan ilk 4 VOC türü, Şekil S10'te sunulmuştur. İlk 60 tür, toplam OFP'nin yaklaşık %90-10'ını oluşturuyordu. LDGV ve HDDT için, ilk XNUMX türün çoğu aromatikken, LDDT ve LPGB için alkenler ve alkanlar da önemli kısımlar aldı. Bu sonuçlar, aromatiklerin ve alkenlerin azaltılmasının araçlardan kaynaklanan VOC emisyonlarının ozon oluşumunu kontrol etmenin anahtarı olduğunu gösterdi.

İncir. 3. Farklı yol koşullarında VOC gruplarının emisyon faktörleri. (Emisyon faktörleri, birkaç test gezisinin ortalama değerleridir ve hata çubuğu, ortalama değerlerin 1 standart sapmasını temsil eder).

İncir. 4. VOC gruplarının toplam OFP'ye katkısı.

4. sonuçlar

Dört tip kullanımdaki aracın egzoz borusu VOC emisyon özellikleri kombine bir PEMS ile araştırıldı ve OFP'ler MIR yöntemiyle hesaplandı. Ana bulgular aşağıdaki gibidir.

(1) Bu test edilen araçların egzoz borusu VOC'lerinde aromatikler ve alkanlar baskındı. Bununla birlikte, VOC'lerin ayrıntılı bileşimi, farklı araç türlerine göre değişiklik göstermiştir. i-pentan, aseton ve propan, LDGV için ilk üç VOC türüydü. Dizel kamyonlar daha fazla naftalin, dodekan ve n-undekan emisyonuna sahipti. Aseton, LPGB için en bol bulunan türdü, ardından i-pentan, i-büten, n-bütan ve propan geldi. Genel olarak, dizel kamyonlar daha uzun zincirli hidrokarbonlar yayarken, LDGV ve LPGB kısa zincirli hidrokarbonlarda daha boldu.

(2) Yol koşullarının, HDDT hariç, egzoz borusu VOC'lerinin bileşimi üzerinde hafif etkileri olmuştur. LDGV için kentsel yollarda daha fazla aromatik bulunurken, LDDT'den kentsel yollarda daha fazla alkan yayıldı.

(3) Karayolu koşullarıyla karşılaştırıldığında, şehir içi yollarda daha fazla VOC yayılmıştır. LDGV'den gelen egzoz borusu VOC'lerinin şehir içi yollardaki emisyon faktörleri, banliyö yollarındakinin 1.8 katı ve otoyol yollarındakinin 3.9 katıydı. Şehir içi yollardaki emisyon faktörleri, LDDT ve HDDT için karayolu yollarındakilerin sırasıyla 3.3 ve 7.0 katıydı.

(4) HDDT'nin OFP'si diğer araçlarla karşılaştırıldığında çok daha yüksekti. OFP'ler LDGV, LDDT, HDDT ve LPGB için sırasıyla yaklaşık 70.7, 128.1, 2189.4 ve 124.7 mg O3/km idi. Ek olarak, aromatikler OFP'lerin ana katkılarıydı ve toplam OFP'lerin %49.6-93.4'ünü oluşturuyordu.

Yukarıda belirtilen sonuçlara rağmen, hala yapılması gereken bazı işler var. Örneğin, bu çalışmada test edilen LDDT'nin farklı emisyon standartları vardı ve bunların VOC bileşimleri test edilen araçlar arasında büyük ölçüde değişiklik gösteriyordu. Örnekler emisyon standartlarının araştırılması için küçüktü. Ek olarak, LPGB'nin önemli miktarda VOC emisyonuna sahip olduğunu tespit ettik. Yüksek emisyonlu kamyonları kontrol etmek için daha sıkı ölçümler uygulanmalıdır. LPGB, yakıt tüketimine dayalı olarak geleneksel LPG otobüslerine kıyasla VOC emisyonlarını azaltır mı? Böylece, bir sonraki aşamada ek göreceli çalışmalar yapılabilir.

İlgili Enstrümanlar

2703 Otomatik Numune Alma Cihazı

3610 Otomatik Numune Alma Cihazı

8910 Ön Konsantratör

2104 Kanister Temizleme Sistemi

Nutech 2104 Kanister Temizleme Sistemi

2203 Hassas Statik Seyreltici 

Nutech 2203 Hassas Statik Seyreltici