Emission of metal-oxide particles from IC-engines

• Autorzy: Ulrich A , Mayer A. , Kasper M. , Wichser A. , Czerwiński J.

Warianty tytułu

PL

Emisja cząstek tlenków metali z silnika spalinowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

All conventional piston-driven combustion engines emit metal oxide particles. The main sources are the abrasion between piston-ring and cylinder, abrasion in the bearings, catalyst coating, lube-oil additives, and fuel additives for promoting the exhaust-gas after-treatment. Metal oxides, especially from transition metals, are very toxic when they are very fine. These particles have a high BET surface and penetrate the biological system. Hence, these particles must be scrutinized for quantity, size distribution and composition. This paper draws from published data and mainly the VERT certification tests, which prescribe a size specific metal analysis. The total mass of metal oxide is 0.1 - 1 mg/km, which appears negligible. But these particles are in the 10 - 20 nm size range. Hence, this small mass represents 1015 particles per kilometer. This is approximately the same number as soot particles emitted by diesel engines. Public health should focus on the metal oxide particles that are smaller and probably more toxic than the soot particles. SI engines run at higher RPM and therefore emit more metal oxide particles than Diesel engines. Highly efficient filtration of such particles seems therefore necessary for all engine categories.

PL

Wszystkie konwencjonalne tłokowe silniki spalinowe emitują cząstki tlenków metali. Głównymi źródłami tej emisji są: zużycie ścierne pomiędzy układem tłok-pierścień i cylinder, zużycie ścierne zachodzące w łożyskach, powłoka reaktora katalitycznego, dodatki oleju smarującego, dodatki do paliwa wspomagające pozasilnikową neutralizację toksyczności spalin. Tlenki metali, zwłaszcza metali przejściowych, są bardzo toksyczne, gdy mają niewielkie wymiary. Te cząstki metali mają dużą powierzchnię BET i przenikają do systemu biologicznego. Dlatego muszą być szczegółowo zbadane pod kątem ich ilości, rozkładu wymiarowego i składu chemicznego. Niniejszy artykuł zawiera dane i głównie testy certyfikacyjne VERT, opisujące analizę wymiarową wybranego metalu. Masa całkowita tlenku metalu wynosi od 0,1 do 1 mg/km, co wydaje się wartością nieistotną. Należy jednak zaznaczyć, iż wymiar powyższych cząstek mieści się w zakresie 10- 20 nm. Skutkiem tego, tak niewielka masa oznacza 1015 cząstek na 1 km, co jest w przybliżeniu taką samą wartością, jak ilość cząstek sadzy emitowanych przez silniki o zapłonie samoczynnym. Troska o zdrowie społeczne powinna uwzględniać emisję cząstek tlenków metali, których wymiary są mniejsze i prawdopodobnie bardziej toksyczne niż cząstki sadzy. Silniki o zapłonie iskrowym osiągają większe prędkości obrotowe, dlatego emitują więcej cząstek tlenków metali niż silniki o zapłonie samoczynnym. Wysokosprawne odfiltrowanie rozważanych cząstek wydaje się konieczne przy zastosowaniu w silnikach wszystkich kategorii.

Słowa kluczowe

EN

metal-oxide particles; exhaust emission; IC engines

PL

cząstki tlenków metali; emisja spalin; silniki spalinowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Naukowe Silników Spalinowych
• Czasopismo: Silniki Spalinowe
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 50, nr 1
• Strony: 72--88
• Opis fizyczny: Bibliogr. 52 poz.

Twórcy

autor

Ulrich A

autor

Mayer A.

autor

Kasper M.

autor

Wichser A.

autor

Czerwiński J.

• EMPA, Swiss Federal Laboratories for Material Testing and Research, Switzerland,

Bibliografia

• [1] Ultrafeine (Aerosol)- Teilchen und deren Agglomerate und Aggregate, Grundsatzpapier des Deutschen Berufsgenossenschaftlichen Instituts für Arbeitssicherheit BIA, 20.5.1998.
• [2] Kasper M. et al.: PM10-TEQ, Approach to a Health-Oriented Descriptor of Particulate Air Pollution, 11th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, August 2007.
• [3] Hinds W.C. : Aerosol Technology, Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles, John Wiley & Sons, ISBN 0-471-08726-2, 1889.
• [4] Gehr P., Heyder J.: Particle-Lung Interactions, Marcel Dekker, Inc., New York - Basel, ISBN: 0-8247-9891-0.
• [5] Daunderer M.: Metallvergiftungen, Diagnostik und Therapie, Kompendium der Klinischen Toxikologie, ecomed, ISBN 3-609-63700-5.
• [6] Oberdorster G. et al.: Nanotoxicology: An Emerging Discipline Evolving from Studies of Ultrafine Particles, Environmental Health Perspectives, volume 113, number July 2005.
• [7] Gatti M.: Impact on health by nanoparticles created by high temperature explosions, 8th ETH Conference on Combustion Generated Nanoparticles, August 2004.
• [8] Costantini M./HEI, An Evaluation of the health risk of using a cerium-based diesel fuel additive in conjunction with a particular filter, 5th ETH Conference on Nanoparticle Measurement, July 2001.
• [9] Costantini M./HEI, Relation between particle metal content (with focus on iron) and biological responses, 4th ETH Conference on Nanoparticle Measurement, August 2000.
• [10] Limbach L.K. et al.: Exposure of Engineered Nanoparticles to Human Lung Epithelial Cells: Influence of Chemical Composition and Catalytic Activity on Oxidative Stress, Environmental Science & Technology, November 2007.
• [11] Uptake and Inflammatory Effects of Nanoparticles in a Human Vascular Endothelial Cell Line, HEI Synopsis of Research Report 136, 2009.
• [12] Gojova A. et al.: Induction of Inflammation in Vascular Endothelial Cells by Metal Oxide Nanoparticles: Effect of Particle Composition, Environmental Health Perspectives, volume 115, March 2007.
• [13] Dick C.A.J. et al.: The Role of Free Radicals in the Toxic and Inflammatory Effects of Four Different Ultrafine Particle Types, Inhalation Toxicology, International Forum for Respiratory Research, 15.1, 39-52, link: http://dx.doi.org/10.1080/08958370304454.
• [14] Heeb N., empa: Effects of low- and high-oxidation DPFs on genotoxic exhaust constituents, 13th ETH Conference on Nanoparticle Measurement, June 2009.
• [15] Consultation on guidelines for metals and metalloids in ambient air for the protection of human health, defra, May 2008, Quelle www.defra.gov.uk/corporate/consult/metals-metalloids
• [16] Stoger T.: Particle related inflammation as results from oxidative stress caused by particle surface properties and/or bioavailability of organic compounds, 11th ETH Conference on Nanoparticle Measurement, August 2007.
• [17] Hannoschock N.: Kolbenringschmierung und -Verschleiss, Dissertation ETH Nr. 7635, Zurich 1984.
• [18] Eberle K.: Linear Wear of a Two-Stroke Diesel Engine Operated at Very High Temperatures, Pressures and Reduced Cylinder Lubricant Feed Rates, ETH Zurich, CIMAG 1989.
• [19] Hardenberg H.: Schwefelarmer Dieselkraftstof für Stadtverkehrsfahrzeuge, Der Nahverkehr 3/87.
• [20] Hildemann L.M.: Chemical Composition of Emissions from Urban Sources of Fine Organic Aerosol, Environ. Sci. Technol., Vol. 25, No. 4/1991.
• [21] Israel G.W. et al.: Analyse der Herkunft und Zusammensetzung der Schwebestaubimmission, VDI Fortschritt-Berichte, Umwelttechnik Nr. 92.
• [22] Bockhorn H. et al.: In-situ berührungslose Bestimmung der Grossenverteilung nanoskaliger Metallteilchen, Abschlussbericht des Forschungsvorhabens 2442, Max Buchner-Stiftung, 2004.
• [23] Griguli U., Sander H.: Warmeleitung, Springer Berlin und New York, 1979.
• [24] Hu S., Ayala A. et al.: Metals emitted from heavy-duty diesel vehicles equipped with advanced PM and NOx emission controls, Atmospheric Environment 43 (2009).
• [25] Miller A.I.: The Origin and Fate of Metals during Diesel Engine Combustion, Dissertation University of Minnesota, 2005.
• [26] Gautam M.: Issues in Measurement of Particle Size Distribution from In-Use Heavy-Duty Vehicles, ETH Conference on Nanoparticle Measurement, 2002.
• [27] Grutering U.F. et al.: Bilanzierung von Motorölkomponenten bei einem PKW-Dieselmotor mit Abgasnachbehandlungs-System, 15. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2006.
• [28] Miller A.L. et al.: Role of Lubrication Oil in Particulate Emissions from a Hydrogen-Powered Internal Combustion Engine, Environ. Sci. Technol., 41, 19, 6828-6835, 2007, 10.1021/es070999r.
• [29] Hill R.F., Mayer W.J.: Radiometric Determination of Platinum and Palladium attrition from automotive catalysts. Transactions on nuclear science, 1977.
• [30] Edelmetall-Emissionen, GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit GmbH, Projektträger "Umwelt- und Klimaforschung", Abschlusspräsentation 17./18. Oktober 1996, Hannover.
• [31] Gidney J.T., Twigg M., Kittelson D.: Effect of Organometallic Fuel on Nanoparticle Emissions from a Gasoline Passenger Car, Environmental Science & Technology, 2009.
• [32] Mayer A. et al.: Qualitätsstandards und Prüfverfahren für Partikelfilter zur Nachreistung von Nutzfahrzeugen, MTZ 0112009.
• [33] Mayer A. et al.: Secondary Emissions from Catalytic Active Particle Filter Systems, SAE 2003-01-0291.
• [34] Testing of Particle Filter Systems for Internal Combustion Engines, SNR 277205, Source: SNY Schweizerische Normenvereinigung, Winterthur, Schweiz, 2007.
• [35] Mayer A. et al.: Retention of Fuel Borne Catalyst Particles by Diesel Particle Filter Systems, SAE 2003-01-0287.
• [36] Ulrich A., Wichser A.: Metal analysis of Diesel vehicle emissions, 6th ETH Conference on Nanoparticle Measurement, August 2002.
• [37] Czerwinski J. et al.: Nanoparticle Emissions of a DI 2-Stroke Scooter with varying Oil- and Fuel Quality, SAE 2005-01-1101.
• [38] Mooney, Wall flow catalyst for SI engines.
• [39] Degussa, SAE Wall flow cat. SI engines.
• [40] SN 181163 Qualitätsrechtlinie für Geratebenzine in der Schweiz.
• [41] Richards R.: DPF technology for older vehicles and high sulphur fuel; SAE 2005-26-020.
• [42] Belot G.et al.: Passenger car serial application of a particulate filter system on a common rail direct injection Diesel engine, SAE 2000-01-0473.
• [43] Shafer M.M. et al.: Investigation of Platinum and Cerium from use of a FBC; SAE 2006-01-1517.
• [44] Richards R. et al.: Results from a 1/4 million km heavy duty truck using FBC regenerated DPF, SAE 2004-01-0074.
• [45] Skillas, Burtscher et al.: Combustion science and Technology, 154, 2000, 259-273.
• [46] Euro 5/6 für PKW: EC-Regulation No. 71512007, ec.europa.eu/enterprise/automotive/index_en.htm
• [47] Wichmann H.E. et al.: Gesundheitliche Wirkungen von Feinstaub, ecomed 2002. ISBN 3-609-16105-1.
• [48] Kattouah P. et al.: Materials for catalyzed and non-catalyzed diesel particulate filters; 5.lnternational CTI-Forum, July 2008 Stuttgart.
• [49] Worle J.M. et al.: Nanoparticle Vanadium oxide potentiated Vanadium toxicity in human lung cells; Environ. Sci. Technol. 2007, 41, 331-336.
• [50] Ogami A. et al.: Pathological features of different sizes of nichel oxide following intratracheal instillation in rats; Inhalation toxicology, 19.Feb. 2009.
• [51] Karlson H.L. et al.: Copper Oxide nanoparticles arc highly toxic: a comparison between metal oxide nanoparticles and carbon nanotubes Chem Res.Toxicol. published on web 08/19/2008.
• [52] Riediker M.: A system to test the toxicity of brake wear particles from cars; 12th ETH conference on combustion generated nanoparticles 2008.