Particulate matter emissions from Heavy Duty Diesel Vehicles

1. Size and Composition
Distributions of Particulate
Matter Emissions Part 2—Heavy-
Duty Diesel Vehicles
Michael A. Robert and Michael J. Kleeman Department of Civil and Environmental Engineering, University of California–Davis, Davis, CA
Christopher A. Jakober Department of Environmental Toxicology, University of California–Davis, Davis, CA
ISSN:1047-3289 J. Air & Waste Manage. Assoc. 57:1429–1438
DOI:10.3155/1047-3289.57.12.1429
December, 2007
Universidad de Chile
Programa Inter-Facultades
Magister en Gestión y Planificación Ambiental
Química de la Atmósfera
Profesora: Margarita Préndez
Alumno: Sergio Ibarra

2. Abstract
●Se tomaron muestras de camiones pesados adiesel (Heavy-
duty diesel vehicles; HDDVs) con dinamómetro de chasis
usando muestreadores con filtros, impactadores de cascada
y Escaneo de tamaño de partículas de movilidad (Scanning
mobility particle size;SMPS).
●4 camiones con ciclo de 5 modos, pesos de 56.000 lb a
66.000 lb (25.401t -29.937 t)
●Análisis Partículas tubo de escape: Carbono Total (CT),
Carbono Elemental (CE), Materia Orgánica (MO), iones
solubles en agua (ISA).

3. Abstract
●Emisiones MP1.8= 181-581 mg/km
●Emisiones MP0.1= 25-72 mg/km.
●Mayor emisión de partículas finas y ultrafinas en camiones
viejos, con mayor CE/MO que los camiones nuevos.
●Modo transient (Transitorio) mayor CE/MO, y modo idle
(ocioso) y creep (arrastre) menos CE/MO.
●ISA: Ca mas abundante , luego Mg, Na, NH4, y sulfato.
●Peaks MP: 100-180 nm.
●Peaks MP Ocioso y Arrastre: nuevos = 70 nm, viejos = 100
nm.
●A mayor carga, menor MO y menor tamaño CE. A mayor
carga, y mismo peso, + 22% MP0.1 EC, y - .38% MO

4. Definiciones
● Carbon elemental (CE, Elemental Carbon EC, o black
carbon BC): este aerosol incluye material que absorve la luz
y se piensa que origina forzamientos radiativos positivos. A
temperaturas elevadas se combina con el oxígeno para
formar monóxido o dióxido de carbono. Con agentes
oxidantes calientes, como ácido nítrico y nitrato de potasio,
se obtiene ácido melítico C6(CO2H)6. De los halógenos
sólo el flúor reacciona con el carbono elemental. Un gran
número de metales se combinan con el elemento a
temperaturas elevadas para formar carburos.
● Materia Orgánica (MO): primario o secundario, biog´penico
o antropogénico, o derivado de la oxidación de Compuestos
Orgánicos Volátiles. La MO influye en el campo de la
radiación atmosférica tanto por dispersión y absorción.
● Read more:

5. Introducción
● Es importante cuantificar el impacto de
partículas de vehículos a diesel.
● Efectos en Morbilidad y Mortalidad.
● Compuestos mutagénicos y
carcinogénicos.
● Se piensa que motores a diesel es la
principal fuente de CE, nivel urbano y
global.
● El PM del diesel reduce la visibilidad y
afecta el balance radiativo de la

6. ● A chassis dynamometer
measures power delivered to
the surface of the "drive
roller" by the drive wheels.
The vehicle is often parked
on the roller or rollers, which
the car then turns and the
output is measured.
Universidad de Chile
http://www.etclab.com/Chassis-Dynamometer-Testing.asp
Medición de emisiones -
Chassis dynamometer
● A chassis dynamometer is used to simulate driving on
a road inside a laboratory under controlled conditions.
The vehicle is driven on rolls, while a dynamometer
simulates the inertia of the vehicle as well as the drag
and friction on the vehicle (known as "road load").

7. ● Chassis dynamometer testing allows a better
assessment of the benefits of new fuels and vehicle
technologies, and is absolutely essential to
assessing the performance of heavy hybrid trucks
and buses.
● Chassis (Emissions) Dynamometer: A special
chassis dynamometer used for emission testing. It
is calibrated to accommodate weights of various
vehicles, referred to as “inertia weight” categories.
The dynamometer is also calibrated for various road
load horsepower (RLHP) settings to simulate the
amount of horsepower required to move the vehicle
over a level road surface at 50 miles per.
Universidad de Chile
http://www.etclab.com/Chassis-Dynamometer-Testing.asp
Medición de emisiones -
Chassis dynamometer

8. Introducción
● Como camiones son muy grandes para la
mayoría de los dinamómetro de chasis, se
usan ciclos de conducción simplificados.
● Los estudios de túneles tampoco capturan
completamente los ciclos de conducción.
● No hay método perfecto, por lo que en
este estudio se presenta uno combinado

9. Introducción - Propósito
● Reprotar las distribuciones de los tamaños y
composición del MP emitido por HDDVs
mediedno con dinamómetro de chasis con
mnuestreo por dilución, impactadores de cascada
y escaneo de tamaño de partículas de movilidad.
● Se reportaron 6 fracciones de tamañoentre 0.056-
1.8 um.
● Partículas ultrafinas 56-100 nm, MP0.1, con
MOUDI (Micro Orifice Uniform Deposit Impactor).
● Partículas finas con RAAS (Reference Ambient
Air Quality Sampler filters).

10. frmOMNITM
Ambient Air Sampler (Filter
Reference Method)
The frmOMNITM
provides a
flexible, low cost solution for TSP,
PM 10, PM 2.5, PM 1 and Lead
Monitoring
MOUDI
micro-orifice uniform deposit impactor
http://www.ev.ncu.edu.
tw/aql/English/Facilities/tabid/571/Default.
aspx
http://www.bgiusa.com/aam/frmomni.
htm
Filtros de Teflón y
Cuarzo

11. Métodos experimentales
●Emisiones de MP de HDDVs se tomaron en West Virginia
University (WVU) entre Junio y Julio del 2003.

12. ● Los vehículos no tenían sistemas de reducción
de emisiones adicionales. Ciclo: California Air
Resources Borad (CARB) Heavy Heavy-Duty
Diesel Truck (HHDDT):
● 1 idle (ocioso),
● 2 creep (arrastre),
● 3 transient (Transitorio)
● 4, velocidad baja crucero, y
● 5 velocidad alta crucero
● Teóricamente el combustible es 10% aromáticos,
y 500 ppm Azufre, sin embargo en realidad es
19-20 % aromáticos y 150-200 ppm Azufre (año
2003 en California).Universidad de Chile
Métodos experimentales

13. Universidad de Chile
Métodos experimentales

14. Universidad de Chile
Métodos experimentales

15. ● Se colectaron las muestras de MP luego
de dos diluciones.
● La dilución primaria fue a volumen
completo constante mezclando las
emisiones con el aire ambiental pre
calentado con el filtro HEPA para remover
partículas.
● La dilución secundaria fue precalentada
usando carbón activado y un filtro HEPA.
Universidad de Chile
Métodos experimentales

16. ● High-
Efficiency Particu
late Air or HEPA
● An air filter must
remove 99.97%
of all particles
greater than 0.3
micrometer from
the air that
passes through
Universidad de Chile
Filtro HEPA
http://en.wikipedia.
org/wiki/HEPA

17. ● MP con MOUDIS, RAAS, con filtros de teflón, cuarzo y
papel de los substratos (foil substrates)
● MP contínuo con SMPS (modelo 3080, 3081, CPC
Model 3025ª)
● Muestras gravimétricas, carbonáceas y especies
iónicas con (Part 1).
● CE con Carbon Aerosol Analysis Lab Instrument
(Sunset Laboratories) con protocolo 5040 de National
Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH)
● Se multiplicó por 1.4 el carbón orgánico (CO) para
obtener materia orgánica (MO)
● Los iones solubles en agua fuieron medidos con
cromatografía (DX-600).Universidad de Chile
Métodos experimentales

18. Resultados y Discución
●
●Las distribuciones de MP por tamaño fueron construidas
como la suma de CE y MO en las etapas MOUDI.
●El máximo de tres co-localizados mediciones Moudi en
cada fracción de tamaño se utiliza para representar
el tamaño de los datos más exactos de distribución bajo el
supuesto de que el rebote de partículas fue el
artefacto colección dominante y que las partículas que
rebotan en una etapa superior será recogido
por elpostfiltro Moudi .
●Entonces, el 64% de las masas etapa de reconstrucción
Moudi cayó dentro de los respectivos límites de error de

19. Universidad de Chile
Resultados y Discusión
La alta correlación entre las mediciones colocadas MOUDI y los muestreos RAAS
mejora la confianza de la precisión de las mediciones

20. Universidad de Chile
Resultados y Discusión
MPF 183-581 mg/km
MPUF 24-72 mg/km
Emisiones son funciones de
tecnología del motor
Emisiones idle/creep mayores que
ciclo HHDDT Debido a la menor
distancia recorrida en estos modos
CARGA: de 55.000 lb a 66.000 lb
-6% MPUF, -5% MPF
+22% MPUF CE
-2% MPF CE
+38% MPUF MO
-7% MPF MO
a + carga, cambia diámetro
partículas

21. Universidad de Chile
Resultados y Discusión
● Razon CE/MO MPUF Idle/Creep= 2.72
● Razon CE/MO MPF Idle/Creep= 1.63
● Razon CE/MO MPUF Promedio= 0.57
● Razon CE/MO MPF Promedio= 0.34
● Alander et al, CE/MO = 0.64-1.61
● CE/MO Vehículos diesel inyección indirecta =
1.06-2.63
● CE/MO Vehículos diesel inyección directa =
2.86-6.25

22. Universidad de Chile
Resultados y Discusión
Distribución de la masa de partículas
SMPS escalada y sobrepuesta sobre
la reconstrucción MOUDI de las
distribuciones de masa en el rango de
partículas ultrafinas
Mediciones SMPS fueron escaladas
por que SMPS mide el n° de
partículas en función del diámetro de
movilidad eléctrico, en cambio MOUDI
mide el diámetro de la parícula en
función del diámetro aerodinámico

23. Universidad de Chile
Resultados y Discusión
Coker et al, MP HDDV crucero = 81 mg/km
MP HDDV Idle/Creep = 588 mg/km
Shah et al, MP HDDV crucero = 134 mg/km
MP HDDV Idle/Creep = 635 mg/km
MP HDDV sin Iddle/Creep = 299 mg/km
MP Idle/Creep = 1486 mg/km
similar a Coker et al y Shah et al

24. Universidad de Chile
Distribución de las
composiciones de
iones solubles en
agua Na, NH3,
Mg, Ca y sulfato
Barra representa
límite de
detección del
equipo
Gráfico incluye
comparación con
muestreos
MOUDI y RAAS
Los paneles que
faltan no
cumplieron
calidad
Ca el mas abundante
Ca en lubricante reduce acidificación

25. Universidad de Chile
Resultados y Discusión
Emisiones de MPUF como función
del tiempo para HDDT. Consumo
de combustible se calculó de los
datos de CO2 consumido
La mayor parte de MPUF se emitió
en modos transiente y crucero.
La mayor masa por kilómetro se
emitió en Creep, luego transiente,
crucero lento y crucero rápido
La mayor emisión por combustible
se emitió en transiente

26. Universidad de Chile
Distribución del tamaño de MPUF durante IDDLE (5a), CREEP (5b), Transiente y crucero (5c). Vehículos
viejos emiten mas MP que nuevos. Peak a 70 nm en Idle y Creep.

27. Conclusiones
●
●Las mediciones con dinamómetro de chasis a HDDV en
idle/creep y HDDT revela importantes tendencias en emisiones.
●La mayor parte de las emisiones es carbonaceo.
●En HDDT las emisiones fueron dominadas por por CE, y en
Idle/Creep MO
●El peak en la distribución se dió entre 100 y 180 nm
●Aumentar la carga no aumenta MP, pero si aumenta CE con
diámetros mas pequeños.
●Ca abundante
●MP: mg/seg +transiente-crucero. mg/kg + creep. mg/lt
+transiente
●Número pequeño de muestra para amplias conclusiones