home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / autos / gasoline-faq / part2 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  2004-01-16  |  58.9 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!news2.telebyte.nl!news.completel.fr!ircam.fr!freenix!nntp.cs.ubc.ca!newsfeeds.ihug.co.nz!ihug.co.nz!news.comnet.co.nz!not-for-mail
  2. From: Bruce Hamilton <B.Hamilton@irl.cri.nz>
  3. Newsgroups: rec.autos.tech,rec.answers,news.answers
  4. Subject: Gasoline FAQ - Part 2 of 4
  5. Followup-To: rec.autos.tech
  6. Date: Thu, 15 Jan 2004 22:16:08 +1300
  7. Organization: Industrial Research Limited
  8. Lines: 1002
  9. Approved: news-answers-request@mit.edu
  10. Expires: 15 Feb 2004 00:00:01 GMT
  11. Message-ID: <ahmc001kmh4ljv13jma1anklganqnntsmm@4ax.com>
  12. Reply-To: B.Hamilton@irl.cri.nz
  13. NNTP-Posting-Host: ippool31-189-irl.remote.irl.cri.nz
  14. Mime-Version: 1.0
  15. Content-Type: text/plain; charset=us-ascii
  16. Content-Transfer-Encoding: 7bit
  17. X-Trace: news.comnet.co.nz 1074158167 19334 131.203.243.189 (15 Jan 2004 09:16:07 GMT)
  18. X-Complaints-To: usenet@news.comnet.co.nz
  19. NNTP-Posting-Date: 15 Jan 2004 09:16:07 GMT
  20. X-Newsreader: Forte Free Agent 1.93/32.576 English (American)
  21. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.autos.tech:530535 rec.answers:84596 news.answers:264293
  22.  
  23. Archive-name: autos/gasoline-faq/part2
  24. Posting-Frequency: monthly
  25. Last-modified: 17 November 1996
  26. Version: 1.12
  27.  
  28. 4.12 Are brands different?
  29.  
  30. Yes. The above specifications are intended to ensure minimal quality 
  31. standards are maintained, however as well as the fuel hydrocarbons, the 
  32. manufacturers add their own special ingredients to provide additional 
  33. benefits. A quality gasoline additive package would include:-
  34. * octane-enhancing additives ( improve octane ratings )  
  35. * anti-oxidants ( inhibit gum formation, improve stability ) 
  36. * metal deactivators ( inhibit gum formation, improve stability )
  37. * deposit modifiers ( reduce deposits, spark-plug fouling and 
  38.   preignition )
  39. * surfactants ( prevent icing, improve vaporisation, inhibit deposits,
  40.   reduce NOx emissions ) 
  41. * freezing point depressants ( prevent icing )
  42. * corrosion inhibitors ( prevent gasoline corroding storage tanks ) 
  43. * dyes ( product colour for safety or regulatory purposes ).
  44.  
  45. During the 1980s significant problems with deposits accumulating on intake 
  46. valve surfaces occurred as new fuel injection systems were introduced. 
  47. These intake valve deposits (IVD) were different than the injector deposits,
  48. in part because the valve can reach 300C. Engine design changes that prevent 
  49. deposits usually consist of ensuring the valve is flushed with liquid 
  50. gasoline, and provision of adequate valve rotation. Gasoline factors that 
  51. cause deposits are the presence of alcohols or olefins [46]. Gasoline 
  52. manufacturers now routinely use additives that prevent IVD and also maintain 
  53. the cleanliness of injectors. These usually include a surfactant and light 
  54. oil to maintain the wetting of important surfaces. Intake valve deposits have 
  55. also been shown to have significant adverse effects on emissions [47], and
  56. deposit control additives will be required to both reduce emissions and 
  57. provide clean engine operation [48]. A slighty more detailed description 
  58. of additives is provided in Section 9.1.
  59.  
  60. Texaco demonstrated that a well-formulated package could improve fuel 
  61. economy, reduce NOx emissions, and restore engine performance because, as 
  62. well as the traditional liquid-phase deposit removal, some additives can 
  63. work in the vapour phase to remove existing engine deposits without adversely 
  64. affecting performance ( as happens when water is poured into a running engine 
  65. to remove carbon deposits :-) )[49]. Chevron have also published data on the 
  66. effectiveness of their additives [50], and successfully litigated to get 
  67. Texaco to modify some of their claims [51]. Most suppliers of quality 
  68. gasolines will formulate similar additives into their products, and cheaper 
  69. product lines are less likely to have such additives added. As different 
  70. brands of gasoline use different additives and oxygenates, it is probable 
  71. that important fuel parameters, such as octane distribution, are slightly
  72. different, even though the pump octane ratings are the same. 
  73.  
  74. So, if you know your car is well-tuned, and in good condition, but the
  75. driveability is pathetic on the correct octane, try another brand. Remember 
  76. that the composition will change with the season, so if you lose 
  77. driveability, try yet another brand. As various Clean Air Act changes are 
  78. introduced over the next few years, gasoline will continue to change.
  79.  
  80. 4.13 What is a typical composition?
  81.  
  82. There seems to be a perception that all gasolines of one octane grade are
  83. chemically similar, and thus general rules can be promulgated about "energy 
  84. content ", "flame speed", "combustion temperature" etc. etc.. Nothing is 
  85. further from the truth. The behaviour of manufactured gasolines in octane 
  86. rating engines can be predicted, using previous octane ratings of special
  87. blends intended to determine how a particular refinery stream responds to 
  88. an octane-enhancing additive. Refiners can design and reconfigure refineries 
  89. to efficiently produce a wide range of gasolines feedstocks, depending on
  90. market and regulatory requirements. There is a worldwide trend to move to
  91. unleaded gasolines, followed by the introduction of exhaust catalysts and 
  92. sophisticated engine management systems. 
  93.  
  94. It is important to note that "oxygenated gasolines" have a hydrocarbon
  95. fraction that is not too different to traditional gasolines, but that the
  96. hydrocarbon fraction of "reformulated gasolines" ( which also contain 
  97. oxygenates ) are significantly different to traditional gasolines.
  98.  
  99. The last 10 years of various compositional changes to gasolines for
  100. environmental and health reasons have resulted in fuels that do not follow 
  101. historical rules, and the regulations mapped out for the next decade also 
  102. ensure the composition will remain in a state of flux. The reformulated
  103. gasoline specifications, especially the 1/Jan/1998 Complex model, will
  104. probably introduce major reductions in the distillation range, as well as
  105. changing the various limits on composition and emissions.
  106.  
  107. I'm not going to list all 500+ HCs in gasolines, but the following are 
  108. representative of the various classes typically present in a gasoline. The 
  109. numbers after each chemical are:- Research Blending Octane : Motor Blending 
  110. Octane : Boiling Point (C): Density (g/ml @ 15C) : Minimum Autoignition 
  111. Temperature (C). It is important to realise that the Blending Octanes are 
  112. derived from a 20% mix of the HC with a 60:40 iC8:nC7 ( 60 Octane Number )
  113. base fuel, and the extrapolation of this 20% to 100%. These numbers result
  114. from API Project 45, and are readily available. As modern refinery streams 
  115. have higher base octanes, these Blending Octanes are higher than those 
  116. typically used in modern refineries. For example, modern Blending Octane
  117. ratings can be much lower ( toluene = 111RON and 94MON, 2-methyl-2-butene 
  118. = 113RON and 81MON ), but detailed compilations are difficult to obtain. 
  119.  
  120. The technique for obtaining Blending Octanes is different from rating the 
  121. pure fuel, which often requires adjustment of the test engine conditions 
  122. outside the acceptable limits of the rating methods. Generally, the actual 
  123. octanes of the pure fuel are similar for the alkanes, but are up to 30 
  124. octane numbers lower than the API Project 45 Blending Octanes for the 
  125. aromatics and olefins [52].   
  126.  
  127. A traditional composition I have dreamed up would be like the following, 
  128. whereas newer oxygenated fuels reduce the aromatics and olefins, narrow the
  129. boiling range, and add oxygenates up to about 12-15% to provide the octane.
  130. The amount of aromatics in super unleaded fuels will vary greatly from
  131. country to country, depending on the configuration of the oil refineries 
  132. and the use of oxygenates as octane enhancers. The US is reducing the levels 
  133. of aromatics to 25% or lower for environmental and human health reasons.
  134.  
  135. Some countries are increasing the level of aromatics to 50% or higher in 
  136. super unleaded grades, usually to avoid refinery reconfiguration costs or
  137. the introduction of oxygenates as they phase out the toxic lead octane
  138. enhancers. An upper limit is usually placed on the amount of benzene
  139. permitted, as it is known human carcinogen.
  140.  
  141. 15% n-paraffins                       RON   MON    BP      d     AIT  
  142.         n-butane                      113 : 114 :  -0.5:  gas  : 370
  143.         n-pentane                      62 :  66 :  35  : 0.626 : 260
  144.         n-hexane                       19 :  22 :  69  : 0.659 : 225
  145.         n-heptane (0:0 by definition)   0 :   0 :  98  : 0.684 : 225
  146.         n-octane                      -18 : -16 : 126  : 0.703 : 220
  147.      ( you would not want to have the following alkanes in gasoline, 
  148.        so you would never blend kerosine with gasoline )
  149.         n-decane                      -41 : -38 : 174  : 0.730 : 210
  150.         n-dodecane                    -88 : -90 : 216  : 0.750 : 204
  151.         n-tetradecane                 -90 : -99 : 253  : 0.763 : 200
  152. 30%  iso-paraffins  
  153.         2-methylpropane               122 : 120 : -12  :  gas  : 460
  154.         2-methylbutane                100 : 104 :  28  : 0.620 : 420
  155.         2-methylpentane                82 :  78 :  62  : 0.653 : 306
  156.         3-methylpentane                86 :  80 :  64  : 0.664 :  -
  157.         2-methylhexane                 40 :  42 :  90  : 0.679 : 
  158.         3-methylhexane                 56 :  57 :  91  : 0.687 :
  159.         2,2-dimethylpentane            89 :  93 :  79  : 0.674 :
  160.         2,2,3-trimethylbutane         112 : 112 :  81  : 0.690 : 420
  161.         2,2,4-trimethylpentane        100 : 100 :  98  : 0.692 : 415
  162.           ( 100:100 by definition )
  163. 12% cycloparaffins 
  164.         cyclopentane                  141 : 141 :  50  : 0.751 : 380
  165.         methylcyclopentane            107 :  99 :  72  : 0.749 : 
  166.         cyclohexane                   110 :  97 :  81  : 0.779 : 245
  167.         methylcyclohexane             104 :  84 : 101  : 0.770 : 250
  168. 35% aromatics        
  169.         benzene                        98 :  91 :  80  : 0.874 : 560
  170.         toluene                       124 : 112 : 111  : 0.867 : 480
  171.         ethyl benzene                 124 : 107 : 136  : 0.867 : 430
  172.         meta-xylene                   162 : 124 : 138  : 0.868 : 463
  173.         para-xylene                   155 : 126 : 138  : 0.866 : 530
  174.         ortho-xylene                  126 : 102 : 144  : 0.870 : 530
  175.         3-ethyltoluene                162 : 138 : 158  : 0.865 : 
  176.         1,3,5-trimethylbenzene        170 : 136 : 163  : 0.864 : 
  177.         1,2,4-trimethylbenzene        148 : 124 : 168  : 0.889 :
  178. 8% olefins               
  179.         2-pentene                     154 : 138 :  37  : 0.649 :
  180.         2-methylbutene-2              176 : 140 :  36  : 0.662 :
  181.         2-methylpentene-2             159 : 148 :  67  : 0.690 :
  182.         cyclopentene                  171 : 126 :  44  : 0.774 :
  183.     ( the following olefins are not present in significant amounts
  184.       in gasoline, but have some of the highest blending octanes )   
  185.         1-methylcyclopentene          184 : 146 :  75  : 0.780 :
  186.         1,3 cyclopentadiene           218 : 149 :  42  : 0.805 :
  187.         dicyclopentadiene             229 : 167 : 170  : 1.071 :     
  188.  
  189. Oxygenates 
  190. Published octane values vary a lot because the rating conditions are 
  191. significantly different to standard conditions, for example the API Project 
  192. 45 numbers used above for the hydrocarbons, reported in 1957, gave MTBE 
  193. blending RON as 148 and MON as 146, however that was partly based on the 
  194. lead response, whereas today we use MTBE in place of lead.
  195.   
  196.         methanol                      133 : 105 :  65  : 0.796 : 385
  197.         ethanol                       129 : 102 :  78  : 0.794 : 365
  198.         iso propyl alcohol            118 :  98 :  82  : 0.790 : 399
  199.         methyl tertiary butyl ether   116 : 103 :  55  : 0.745 : 
  200.         ethyl tertiary butyl ether    118 : 102 :  72  : 0.745 :
  201.         tertiary amyl methyl ether    111 :  98 :  86  : 0.776 : 
  202.         
  203. There are some other properties of oxygenates that have to be considered
  204. when they are going to be used as fuels, particularly their ability to
  205. form very volatile azeotropes that cause the fuel's vapour pressure to
  206. increase, the chemical nature of the emissions, and their tendency to 
  207. separate into a separate water-oxygenate phase when water is present. 
  208. The reformulated gasolines address these problems more successfully than 
  209. the original oxygenated gasolines.
  210.  
  211. Before you rush out to make a highly aromatic or olefinic gasoline to 
  212. produce a high octane fuel, remember they have other adverse properties, 
  213. eg the aromatics attack elastomers, may generate smoke, and result in
  214. increased emissions of toxic benzene. The olefins are unstable ( besides 
  215. smelling foul ) and form gums. The art of correctly formulating a gasoline 
  216. that does not cause engines to knock apart, does not cause vapour lock in 
  217. summer - but is easy to start in winter, does not form gums and deposits, 
  218. burns cleanly without soot or residues, and does not dissolve or poison the 
  219. car catalyst or owner, is based on knowledge of the gasoline composition.
  220.  
  221. 4.14 Is gasoline toxic or carcinogenic? 
  222.  
  223. There are several known toxins in gasoline, some of which are confirmed
  224. human carcinogens. The most famous of these toxins are lead and benzene, and 
  225. both are regulated. The other aromatics and some toxic olefins are also 
  226. controlled. Lead alkyls also require ethylene dibromide and/or ethylene 
  227. dichloride scavengers to be added to the gasoline, both of which are 
  228. suspected human carcinogens. In 1993 an International Symposium on the Health
  229. Effects of Gasoline was held [53]. Major review papers on the carcinogenic,
  230. neurotoxic, reproductive and developmental toxicity of gasoline, additives,
  231. and oxygenates were presented, and interested readers should obtain the
  232. proceedings. The oxygenates are also being evaluated for carcinogenicity, and 
  233. even ethanol and ETBE may be carcinogens. The introduction of oxygenated
  234. gasoline to Alaska and some other areas of the USA resulted in a range of
  235. complaints. Recent research has been unable to identify additional toxicity,
  236. but has detected increased levels of offensive smell [54]. It should be noted 
  237. that the oxygenated gasolines were not initially intended to reduce the 
  238. toxicity of emissions. The reformulated gasolines will produce different 
  239. emissions, and specific toxins must initially be reduced by 15% all year.
  240.  
  241. The removal of alkyl lead compounds certainly reduces the toxicity of 
  242. exhaust gas emissions when used on engines with modern engine management
  243. systems and 3-way exhaust catalysts. If unleaded gasolines are not 
  244. accompanied by the introduction of catalysts, some other toxic emissions
  245. may increase. Engines without catalysts will produce increased levels of
  246. toxic carbonyls such as formaldehyde and acrolein when using oxygenated
  247. fuels, and increased levels of toxic benzene when using highly aromatic 
  248. fuels.   
  249.  
  250. There is little doubt that gasoline is full of toxic chemicals, and should
  251. therefore be treated with respect. However the biggest danger remains the 
  252. flammability, and the relative hazards should always be kept in perspective. 
  253. The major toxic risk from gasolines comes from breathing the tailpipe, 
  254. evaporative, and refuelling emissions, rather than occasional skin contact 
  255. from spills. Breathing vapours and skin contact should always be minimised.
  256.  
  257. 4.15 Is unleaded gasoline more toxic than leaded?
  258.  
  259. The short answer is no. However that answer is not global, as some countries 
  260. have replaced the lead compound octane-improvers with aromatic or olefin
  261. octane-improvers without introducing exhaust catalysts. The aromatics
  262. contents may increase to around 40%, with high octane unleaded fuels reaching 
  263. 50% in countries where oxygenates are not being used, and the producers have 
  264. not reconfigured refineries to produce high octane paraffins. In general, 
  265. aromatics are significantly more toxic than paraffins. Exhaust catalysts  
  266. have a limited operational life, and will be immediately poisoned if 
  267. misfuelled with leaded fuel. Catalyst failure can result in higher levels of
  268. toxic emissions if catalysts or engine management systems are not replaced or
  269. repaired when defective. Maximum benefit of the switch to unleaded are
  270. obtained when the introduction of unleaded is accompanied by the introduction
  271. of exhaust catalysts and sophisticated engine management systems.
  272.  
  273. Unfortunately, the manufacturers of alkyl lead compounds have embarked on a 
  274. worldwide misinformation campaign in countries considering emulating the 
  275. lead-free US. The use of lead precludes the use of exhaust catalysts, thus 
  276. the emissions of aromatics are only slightly diminished, as leaded fuels
  277. typically contain around 30-40% aromatics. Other toxins and pollutants that 
  278. are usually reduced by exhaust catalysts will be emitted at significantly 
  279. higher levels if leaded fuels are used [55]. 
  280.  
  281. The use of unleaded on modern vehicles with engine management systems and 
  282. catalysts can reduce aromatic emissions to 10% of the level of vehicles 
  283. without catalysts [55]. Alkyl lead additives can only substitute for some of 
  284. the aromatics in gasoline, consequently they do not eliminate aromatics,
  285. which will produce benzene emissions [56]. Alkyl lead additives also require 
  286. toxic organohalogen scavengers, which also react in the engine to form and 
  287. emit other organohalogens, including highly toxic dioxin [57]. Leaded fuels 
  288. emit lead, organohalogens, and much higher levels of regulated toxins 
  289. because they preclude the use of exhaust catalysts. In the USA the gasoline
  290. composition is being changed to reduce fuel toxins ( olefins, aromatics ) 
  291. as well as emissions of specific toxins. 
  292.  
  293. 4.16 Is reformulated gasoline more toxic than unleaded?
  294.  
  295. The evidence so far indicates that the components of reformulated gasolines
  296. ( RFGs ) are more benign than unleaded, and that the tailpipe emissions of 
  297. hydrocarbons are significantly reduced for cars without catalysts, and 
  298. slightly reduced for cars with catalysts and engine management systems. The
  299. emissions of toxic carbonyls such as formaldehyde, acetaldehyde and acrolein 
  300. are increased slightly on all vehicles, and the emission of MTBE is increased
  301. about 10x on cars without catalysts and 4x on cars with catalysts [55].
  302. When all the emissions ( evaporative and tailpipe ) are considered, RFGs
  303. significantly reduce emissions of hydrocarbons, however the emissions of
  304. carbonyls and MTBE may increase [55]. There has been an extensive series
  305. of reports on the emissions from RFGs, produced by the Auto/Oil Air Quality 
  306. Improvement Research Program, who measured and calculated the likely
  307. effects of RFG [18,19,20,58,59,60,61]. More research is required before 
  308. a definitive answer on toxicity is available.  
  309.  
  310. The major question about RFGs is not the toxicity of the emissions, but 
  311. whether they actually meet their objective of reducing urban pollution.
  312. This is a more complex issue, and most experts agree the benefits will only
  313. be modest [18,19,20,61,62]. 
  314.  
  315. 4.17 Are all oxygenated gasolines also reformulated gasolines?
  316.  
  317. No. Oxygenates were initially introduced as alternative octane-enhancers in 
  318. the 1930s, and are still used in some countries for that purpose. 
  319. In the US the original "oxygenated gasolines" usually had a slightly-
  320. modified gasoline as the hydrocarbon fraction. The US EPA also mandated 
  321. their use to reduce pollution, mainly via the "enleanment" effect on engines 
  322. without sophisticated management systems, but also because of the "aromatics 
  323. substitution" effect. As vehicles with fuel injection and sophisticated 
  324. engine management systems became pervasive, reformulated gasolines could be 
  325. introduced to further reduce pollution. The hydrocarbon component of RFGs is 
  326. significantly different to the hydrocarbon fraction in earlier oxygenated 
  327. gasolines, having lower aromatics contents, reduced vapour pressure, and a 
  328. narrower boiling range. RFGs do contain oxygenates as the octane-enhancer, 
  329. but have different hydrocarbon composition profiles [34,41,42,43,44].
  330.  
  331. ------------------------------
  332.  
  333. Subject: 5. Why is Gasoline Composition Changing?
  334.  
  335. 5.1  Why pick on cars and gasoline? 
  336.  
  337. Cars emit several pollutants as combustion products out the tailpipe,
  338. (tailpipe emissions), and as losses due to evaporation (evaporative 
  339. emissions, refuelling emissions). The volatile organic carbon (VOC) 
  340. emissions from these sources, along with nitrogen oxides (NOx) emissions 
  341. from the tailpipe, will react in the presence of ultraviolet (UV) light
  342. (wavelengths of less than 430nm) to form ground-level (tropospheric) ozone, 
  343. which is one of the major components of photochemical smog [63]. Smog has 
  344. been a major pollution problem ever since coal-fired power stations were 
  345. developed in urban areas, but their emissions are being cleaned up. Now it's 
  346. the turn of the automobile.
  347.  
  348. Cars currently use gasoline that is derived from fossil fuels, thus when 
  349. gasoline is burned to completion, it produces additional CO2 that is added 
  350. to the atmospheric burden. The effect of the additional CO2 on the global 
  351. environment is not known, but the quantity of man-made emissions of fossil 
  352. fuels must cause the system to move to a new equilibrium. Even if current 
  353. research doubles the efficiency of the IC engine-gasoline combination, and 
  354. reduces HC, CO, NOx, SOx, VOCs, particulates, and carbonyls, the amount of 
  355. carbon dioxide from the use of fossil fuels may still cause global warming. 
  356. More and more scientific evidence is accumulating that warming is occurring 
  357. [64,65]. The issue is whether it is natural, or induced by human activities
  358. and and a large panel of scientific experts continues to review scientific 
  359. data and models. Interested reader should seek out the various publications
  360. of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). There are 
  361. international agreements to limit CO2 emissions to 1990 levels, a target that 
  362. will require more efficient, lighter, or appropriately-sized vehicles, - if 
  363. we are to maintain the current usage. One option is to use "renewable" fuels 
  364. in place of fossil fuels. Consider the amount of energy-related CO2 emissions 
  365. for selected countries in 1990 [66].
  366.  
  367.                               CO2 Emissions
  368.                          ( tonnes/year/person )
  369. USA                               20.0
  370. Canada                            16.4
  371. Australia                         15.9
  372. Germany                           10.4
  373. United Kingdom                     8.6
  374. Japan                              7.7
  375. New Zealand                        7.6 
  376.              
  377. The number of new vehicles provides an indication of the magnitude of the
  378. problem. Although vehicle engines are becoming more efficient, the distance
  379. travelled is increasing, resulting in a gradual increase of gasoline 
  380. consumption. The world production of vehicles (in thousands) over the last 
  381. few years was [67];-
  382.  
  383. Cars
  384.  
  385. Region                       1990      1991     1992     1993     1994
  386.  
  387. Africa                        222       213      194      201      209
  388. Asia-Pacific               12,064    12,112   11,869   11,463   11,020
  389. Central & South America       800       888    1,158    1,523    1,727
  390. Eastern Europe              2,466       984    1,726    1,837    1,547
  391. Middle East                    35        24      300      390      274
  392. North America               7,762     7,230    7,470    8,172    8,661
  393. Western Europe             13,688    13,286   13,097   11,141   12,851
  394. Total World                37,039    34,739   35,815   34,721   36,289
  395.  
  396. Trucks ( including heavy trucks and buses )
  397.  
  398. Region                       1990      1991     1992     1993     1994
  399.  
  400. Africa                        133       123      108      101      116
  401. Asia-Pacific                5,101     5,074    5,117    5,057    5,407
  402. Central & South America       312       327      351      431      457
  403. Eastern Europe                980       776      710      600      244
  404. Middle East                    36        28      100      128       76
  405. North America               4,851     4,554    5,371    6,037    7,040
  406. Western Europe              1,924     1,818    1,869    1,718    2,116
  407. Total World                13,336    12,701   13,627   14,073   15,457
  408.  
  409. To fuel all operating vehicles, considerable quantities of gasoline
  410. and diesel have to be consumed. Major consumption in 1994 of gasoline 
  411. and middle distillates ( which may include some heating fuels, but
  412. not fuel oils ) in million tonnes.
  413.  
  414.                              Gasoline    Middle Distillates
  415. USA                           338.6            246.3
  416. Canada                         26.8             26.1
  417. Western Europe                163.2            266.8
  418. Japan                          60.2             92.2
  419. Total World                   820.4           1029.0
  420.  
  421. The USA consumption of gasoline increased from 294.4 (1982) to 335.6 (1989)
  422. then dipped to 324.2 (1991), and has continued to rise since then to reach 
  423. 338.6 million tonnes in 1994. In 1994 the total world production of crude oil
  424. was 3209.1 million tonnes, of which the USA consumed 807.9 million tonnes 
  425. [68]. Transport is a very significant user of crude oil products, thus 
  426. improving the efficiency of utilisation, and minimising pollution from 
  427. vehicles, can produce immediate reductions in emissions of CO2, HCs, VOCs, 
  428. CO, NOx, carbonyls, and other chemicals. 
  429.  
  430. 5.2  Why are there seasonal changes?
  431.  
  432. Only gaseous hydrocarbons burn, consequently if the air is cold, then the 
  433. fuel has to be very volatile. But when summer comes, a volatile fuel can 
  434. boil and cause vapour lock, as well as producing high levels of evaporative 
  435. emissions. The solution was to adjust the volatility of the fuel according 
  436. to altitude and ambient temperature. This volatility change has been 
  437. automatically performed for decades by the oil companies without informing 
  438. the public of the changes. It is one reason why storage of gasoline through 
  439. seasons is not a good idea. Gasoline volatility is being reduced as modern 
  440. engines, with their fuel injection and management systems, can automatically 
  441. compensate for some of the changes in ambient conditions - such as altitude 
  442. and air temperature, resulting in acceptable driveability using less volatile
  443. fuel.
  444.  
  445. 5.3  Why were alkyl lead compounds removed?
  446.  
  447. " With the exception of one premium gasoline marketed on the east coast
  448. and southern areas of the US, all automotive gasolines from the mid-1920s
  449. until 1970 contained lead antiknock compounds to increase antiknock quality. 
  450. Because lead antiknock compounds were found to be detrimental to the 
  451. performance of catalytic emission control system then under development, 
  452. U.S. passenger car manufacturers in 1971 began to build engines designed to 
  453. operate satisfactorily on gasolines of nominal 91 Research Octane Number. 
  454. Some of these engines were designed to operate on unleaded fuel while others
  455. required leaded fuel or the occasional use of leaded fuel. The 91 RON was 
  456. chosen in the belief that unleaded gasoline at this level could be made 
  457. available in quantities required using then current refinery processing
  458. equipment. Accordingly, unleaded and low-lead gasolines were introduced 
  459. during 1970 to supplement the conventional gasolines already available.
  460.  
  461. Beginning with the 1975 model year, most new car models were equipped
  462. with catalytic exhaust treatment devices as one means of compliance with
  463. the 1975 legal restrictions in the U.S. on automobile emissions. The need
  464. for gasolines that would not adversely affect such catalytic devices has 
  465. led to the large scale availability and growing use of unleaded gasolines,
  466. with all late-model cars requiring unleaded gasoline."[69].
  467.  
  468. There was a further reason why alkyl lead compounds were subsequently 
  469. reduced, and that was the growing recognition of the highly toxic nature of 
  470. the emissions from a leaded-gasoline fuelled engine. Not only were toxic 
  471. lead emissions produced, but the added toxic lead scavengers ( ethylene 
  472. dibromide and ethylene dichloride ) could react with hydrocarbons to produce 
  473. highly toxic organohalogen emissions such as dioxin. Even if catalysts were 
  474. removed, or lead-tolerant catalysts discovered, alkyl lead compounds would 
  475. remain banned because of their toxicity and toxic emissions [70,71].
  476.  
  477. 5.4  Why are evaporative emissions a problem?
  478.  
  479. As tailpipe emissions are reduced due to improved exhaust emission control 
  480. systems, the hydrocarbons produced by evaporation of the gasoline during 
  481. distribution, vehicle refuelling, and from the vehicle, become more and
  482. more significant. A recent European study found that 40% of man-made 
  483. volatile organic compounds came from vehicles [72]. Many of the problem 
  484. hydrocarbons are the aromatics and olefins that have relatively high octane 
  485. values. Any sensible strategy to reduce smog and toxic emissions will also
  486. attack evaporative and tailpipe emissions. 
  487.  
  488. The health risks to service station workers, who are continuously exposed 
  489. to refuelling emissions remain a concern [73]. Vehicles will soon be 
  490. required to trap the refuelling emissions in larger carbon canisters, as 
  491. well as the normal evaporative emissions that they already capture. This 
  492. recent decision went in favour of the oil companies, who were opposed by the 
  493. auto companies. The automobile manufacturers felt the service station 
  494. should trap the emissions. The activated carbon canisters adsorb organic
  495. vapours, and these are subsequently desorbed from the canister and burnt in 
  496. the engine during normal operation, once certain vehicle speeds and coolant
  497. temperatures are reached. A few activated carbons used in older vehicles
  498. do not function efficiently with oxygenates, but carbon cannister systems 
  499. can reduce evaporative emissions by 95% from uncontrolled levels.
  500.  
  501. 5.5  Why control tailpipe emissions?
  502.  
  503. Tailpipe emissions were responsible for the majority of pollutants in the 
  504. late 1960s after the crankcase emissions had been controlled. Ozone levels 
  505. in the Los Angeles basin reached 450-500ppb in the early 1970s, well above 
  506. the typical background of 30-50ppb [74].
  507.  
  508. Tuning a carburetted engine can only have a marginal effect on pollutant 
  509. levels, and there still had to be some frequent, but long-term, assessment 
  510. of the state of tuning. Exhaust catalysts offered a post-engine solution 
  511. that could ensure pollutants were converted to more benign compounds. As 
  512. engine management systems and fuel injection systems have developed, the 
  513. volatility properties of the gasoline have been tuned to minimise
  514. evaporative emissions, and yet maintain low exhaust emissions.
  515.  
  516. The design of the engine can have very significant effects on the type and 
  517. quantity of pollutants, eg unburned hydrocarbons in the exhaust originate 
  518. mainly from combustion chamber crevices, such as the gap between the piston 
  519. and cylinder wall, where the combustion flame can not completely use the HCs. 
  520. The type and amount of unburnt hydrocarbon emissions are related to the fuel 
  521. composition (volatility, olefins, aromatics, final boiling point), as well 
  522. as state of tune, engine condition, and condition of the engine
  523. lubricating oil [75]. Particulate emissions, especially the size fraction 
  524. smaller than ten micrometres, are a serious health concern. The current 
  525. major source is from compression ignition ( diesel ) engines, and the
  526. modern SI engine system has no problem meeting regulatory requirements. 
  527.  
  528. The ability of reformulated gasolines to actually reduce smog has not yet 
  529. been confirmed. The composition changes will reduce some compounds, and 
  530. increase others, making predictions of environmental consequences extremely 
  531. difficult. Planned future changes, such as the CAA 1/1/1998 Complex model 
  532. specifications, that are based on several major ongoing government/industry 
  533. gasoline and emission research programmes, are more likely to provide 
  534. unambiguous environmental improvements. One of the major problems is the
  535. nature of the ozone-forming reactions, which require several components 
  536. ( VOC, NOx, UV ) to be present. Vehicles can produce the first two, but the
  537. their ratio is important, and can be affected by production from other 
  538. natural ( VOC = terpenes from conifers ) or manmade ( NOx from power 
  539. stations ) sources [62,63].  The regulations for tailpipe emissions 
  540. will continue to become more stringent as countries try to minimise local 
  541. problems ( smog, toxins etc.) and global problems ( CO2 ). Reformulation 
  542. does not always lower all emissions, as evidenced by the following aldehydes 
  543. from an engine with an adaptive learning management system [55].
  544.  
  545.                            FTP-weighted emission rates (mg/mi)
  546.                                 Gasoline      Reformulated
  547. Formaldehyde                      4.87           8.43
  548. Acetaldehyde                      3.07           4.71
  549.  
  550. The type of exhaust catalyst and management system can have significant
  551. effects on the emissions [55].
  552.  
  553.                            FTP-weighted emission rates. (mg/mi)
  554.                          Total Aromatics          Total Carbonyls
  555.                      Gasoline  Reformulated    Gasoline  Reformulated
  556. Noncatalyst          1292.45     1141.82        174.50     198.73
  557. Oxidation Catalyst    168.60      150.79         67.08      76.94
  558. 3-way Catalyst        132.70       93.37         23.93      23.07
  559. Adaptive Learning     111.69      105.96         17.31      22.35
  560.  
  561. If we take some compounds listed as toxics under the Clean Air Act, then the 
  562. beneficial effects of catalysts are obvious. Note that hexane and iso-octane 
  563. are the only alkanes listed as toxics, but benzene, toluene, ethyl benzene, 
  564. o-xylene, m-xylene, and p-xylene are aromatics that are listed. The latter 
  565. four are combined as C8 Aromatics below [55].
  566.                         
  567. Aromatics               FTP-weighted emission rates. (mg/mi)
  568.                       Benzene          Toluene        C8 Aromatics
  569.                     Gas   Reform     Gas   Reform     Gas   Reform
  570. Noncatalyst       156.18  138.48   338.36  314.14   425.84  380.44
  571. Oxidation Cat.     27.57   25.01    51.00   44.13    52.27   47.07
  572. 3-way Catalyst     19.39   15.69    36.62   26.14    42.38   29.03
  573. Adaptive Learn.    19.77   20.39    29.98   29.67    35.01   32.40
  574.  
  575. Aldehydes               FTP-weighted emission rates. (mg/mi)
  576.                     Formaldehyde      Acrolein        Acetaldehyde
  577.                     Gas   Reform     Gas   Reform     Gas   Reform
  578. Noncatalyst        73.25   85.24    11.62   13.20    19.74   21.72
  579. Oxidation Cat.     28.50   35.83     3.74    3.75    11.15   11.76
  580. 3-way Catalyst      7.27    7.61     1.11    0.74     4.43    3.64
  581. Adaptive Learn.     4.87    8.43     0.81    1.16     3.07    4.71
  582.  
  583. Others              1,3 Butadiene       MTBE
  584.                     Gas   Reform     Gas   Reform
  585. Noncatalyst         2.96    1.81    10.50  130.30  
  586. Oxidation Cat.      0.02    0.33     2.43   11.83
  587. 3-way Catalyst      0.07    0.05     1.42    4.59
  588. Adaptive Learn.     0.00    0.14     0.84    3.16
  589.  
  590. The author reports analytical problems with the 1,3 Butadiene, and only
  591. Noncatalyst values are considered reliable. Other studies from the
  592. Auto/Oil research program indicate that lowering aromatics and olefins
  593. reduce benzene but increase formaldehyde and acetaldehyde [20]  
  594.  
  595. Emission Standards
  596.  
  597. There are several bodies responsible for establishing standards, and they
  598. promulgate test cycles, analysis procedures, and the % of new vehicles that 
  599. must comply each year. The test cycles and procedures do change ( usually 
  600. indicated by an anomalous increase in the numbers in the table ), and I 
  601. have not listed the percentages of the vehicle fleet that are required to 
  602. comply. This table is only intended to convey where we have been, and where 
  603. we are going. It does not cover any regulation in detail - readers are 
  604. advised to refer to the relevant regulations. Additional limits for other 
  605. pollutants, such as formaldehyde (0.015g/mi.) and particulates (0.08g/mi), 
  606. are omitted. The 1994 tests signal the federal transition from 50,000 to 
  607. 100,000 mile compliance testing, and I have not listed the subsequent 
  608. 50,000 mile limits [28,76,77].
  609.  
  610. Year                    Federal                      California
  611.                 HCs    CO    NOx    Evap       HCs    CO    NOx    Evap
  612.                g/mi   g/mi  g/mi   g/test     g/mi   g/mi  g/mi   g/test
  613. Before regs   10.6   84.0   4.1    47        10.6   84.0   4.1    47
  614. add crankcase +4.1                           +4.1 
  615. 1966                                          6.3   51.0   6.0
  616. 1968           6.3   51.0   6.0
  617. 1970           4.1   34.0                     4.1   34.0           6
  618. 1971           4.1   34.0           6(CC)     4.1   34.0   4.0     6
  619. 1972           3.0   28.0           2         2.9   34.0   3.0     2
  620. 1973           3.0   28.0   3.0               2.9   34.0   3.0     2
  621. 1974           3.0   28.0   3.0               2.9   34.0   2.0     2
  622. 1975           1.5   15.0   3.1     2         0.90   9.0   2.0     2
  623. 1977           1.5   15.0   2.0     2         0.41   9.0   1.5     2
  624. 1980           0.41   7.0   2.0     6(SHED)   0.41   9.0   1.0     2
  625. 1981           0.41   3.4   1.0     2         0.39   7.0   0.7     2
  626. 1993           0.41   3.4   1.0     2         0.25   3.4   0.4     2
  627. 1994  50,000   0.26   3.4   0.3     2   TLEV  0.13   3.4   0.4     2 
  628. 1994 100,000   0.31   4.2   0.6     2
  629. 1997                                    LEV   0.08   3.4   0.2
  630. 1997                                    ULEV  0.04   1.7   0.2
  631. 1998                                    ZEV   0.0    0.0   0.0     0
  632. 2004           0.125  1.8   0.16    2
  633.  
  634. It's also worth noting that exhaust catalysts also emit platinum, and the
  635. soluble platinum salts are some of the most potent sensitizers known.
  636. Early research [78] reported the presence of 10% water-soluble platinum in 
  637. the emissions, however later work on monolithic catalysts has determined the
  638. quantities of water soluble platinum emissions are negligible [79]. The 
  639. particle size of the emissions has also been determined, and the emissions 
  640. have been correlated with increasing vehicle speed. Increasing speed also 
  641. increases the exhaust gas temperature and velocity, indicating the emissions 
  642. are probably a consequence of physical attrition.
  643.  
  644.            Estimated Fuel                           Median Aerodynamic
  645. Speed       Consumption         Emissions           Particle Diameter
  646. km/h          l/100km            ng/m-3                    um
  647. 60              7                  3.3                     5.1           
  648. 100             8                 11.9                     4.2
  649. 140            10                 39.0                     5.6
  650. US Cycle-75                        6.4                     8.5
  651.  
  652. Using the estimated fuel consumption, and about 10m3 of exhaust gas per 
  653. litre of gasoline, the emissions are 2-40 ng/km. These are 2-3 orders
  654. of magnitude lower than earlier reported work on pelletised catalysts.
  655. These emissions may be controlled directly in the future. They are currently 
  656. indirectly controlled by the cost of platinum, and the new requirement for 
  657. the catalyst to have an operational life of at least 100,000 miles.
  658.                                                  
  659. 5.6  Why do exhaust catalysts influence fuel composition?
  660.  
  661. Modern adaptive learning engine management systems control the combustion
  662. stoichiometry by monitoring various ambient and engine parameters, including
  663. exhaust gas recirculation rates, the air flow sensor, and exhaust oxygen 
  664. sensor outputs. This closed loop system using the oxygen sensor can 
  665. compensate for changes in fuel content and air density. The oxygen sensor
  666. is also known as the lambda sensor because the actual air-fuel mass ratio 
  667. divided by the stoichiometric air-fuel mass ratio is known as lambda or the
  668. air-fuel equivalence ratio. 
  669.  
  670. The preferred technique for describing mixture strength is the fuel-air 
  671. equivalence ratio ( phi ), which is the actual fuel-air mass ratio divided 
  672. by the stoichiometric fuel-air mass ratio, however most enthusiasts use 
  673. air-fuel ratio and lambda. Lambda is the inverse of the fuel-air equivalence 
  674. ratio. The oxygen sensor effectively measures lambda around the 
  675. stoichiometric mixture point. Typical stoichiometric air-fuel ratios are 
  676. [80]:- 
  677.       6.4  methanol
  678.       9.0  ethanol
  679.      11.7  MTBE
  680.      12.1  ETBE, TAME
  681.      14.6  gasoline without oxygenates
  682.  
  683. The engine management system rapidly switches the stoichiometry between 
  684. slightly rich and slightly lean, except under wide open throttle conditions 
  685. - when the system runs open loop. The  response of the oxygen sensor to 
  686. composition changes is about 3 ms, and closed loop switching is typically 
  687. 1-3 times a second, going between 50mV ( lambda = 1.05 (Lean)) to  900mV 
  688. (lambda = 0.99 ( Rich)). The catalyst oxidises about 80% of the H2, CO, 
  689. and HCs, and reduces the NOx [76]. 
  690.  
  691. Typical reactions that occur in a modern 3-way catalyst are:-
  692.                 2H2 + O2  ->  2H2O
  693.                 2CO + O2  ->  2CO2
  694.     CxHy + (x + (y/4))O2  ->  xCO2 + (y/2)H2O
  695.                2CO + 2NO  ->  N2 + 2CO2
  696.    CxHy + 2(x + (y/4))NO  ->  (x + (y/4))N2 + (y/2)H2O + xCO2
  697.                2H2 + 2NO  ->  N2 + 2H2O
  698.                 CO + H20  ->  CO2 + H2
  699.              CxHy + xH2O  ->  xCO + (x + (y/2))H2          
  700.  
  701. The use of exhaust catalysts have resulted in reaction pathways that can 
  702. accidentally be responsible for increased pollution. An example is the 
  703. CARB-mandated reduction of fuel sulfur. A change from 450ppm to 50ppm, which 
  704. will reduce HC & CO emissions by 20%, was shown to increase formaldehyde by 
  705. 45%, but testing in later model cars did not exhibit the same effect [32,58,
  706. 59]. This demonstrates that continuing changes to engine management systems
  707. can also change the response to fuel composition changes.
  708.  
  709. The requirement that the exhaust catalysts must now endure for 10 years or 
  710. 100,000 miles will also encourage automakers to push for lower levels of 
  711. elements that affect exhaust catalyst performance, such as sulfur and 
  712. phosphorus, in both the gasoline and lubricant. Modern catalysts are unable 
  713. to reduce the relatively high levels of NOx that are produced during lean 
  714. operation down to approved levels, thus preventing the application of 
  715. lean-burn engine technology. Recently Mazda has announced they have 
  716. developed a "lean burn" catalyst, which may enable automakers to move the 
  717. fuel combustion towards the lean side, and different gasoline properties may 
  718. be required to optimise the combustion and reduce pollution [81]. Mazda 
  719. claim that fuel efficiency is improved by 5-8%, while meeting all emission 
  720. regulations, and some Japanese manufacturers have evaluated lean-burn 
  721. catalysts in limited numbers of 1995 production models. 
  722.  
  723. Catalysts also inhibit the selection of gasoline octane-improving and 
  724. cleanliness additives ( such as MMT and phosphorus-containing additives ) 
  725. that may result in refractory compounds known to physically coat the 
  726. catalyst, reducing available catalyst and thus increasing pollution. 
  727.  
  728. 5.7  Why are "cold start" emissions so important?
  729.  
  730. The catalyst requires heat to reach the temperature ( >300-350C ) where it 
  731. functions most efficiently, and the delay until it reaches operating 
  732. temperature can produce more hydrocarbons than would be produced during 
  733. the remainder of many typical urban short trips. It has been estimated that
  734. 70-80% of the non-methane HCs that escape conversion by the catalysts 
  735. are emitted during the first two minutes after a cold start. As exhaust 
  736. emissions have been reduced, the significance of the evaporative emissions 
  737. increases. Several engineering techniques are being developed, including the 
  738. Ford Exhaust Gas Igniter ( uses a flame to heat the catalyst - lots of 
  739. potential problems ), zeolite hydrocarbon traps, and relocation of the
  740. catalyst closer to the engine [76]. 
  741.  
  742. Reduced gasoline volatility and composition changes, along with cleanliness 
  743. additives and engine management systems, can help minimise cold start 
  744. emissions, but currently the most effective technique appears to be rapid, 
  745. deliberate heating of the catalyst, and the new generation of low thermal 
  746. inertia  "fast light-up" catalysts reduce the problem, but further research 
  747. is necessary [76,82].
  748.  
  749. As the evaporative emissions are also starting to be reduced, the emphasis
  750. has shifted to the refuelling emissions. These will be mainly controlled
  751. on the vehicle, and larger canisters may be used to trap the vapours emitted
  752. during refuelling. 
  753.  
  754. 5.8  When will the emissions be "clean enough"?
  755.  
  756. The California ZEV regulations effectively preclude IC vehicles, because
  757. they stipulate zero emissions. However, the concept of regulatory forcing
  758. of alternative vehicle propulsion technology may have to be modified to
  759. include hybrid or fuel-cell vehicles, as the major failing of EVs remains
  760. the lack of a cheap, light, safe, and  easily-rechargeable electrical 
  761. storage device [83,84]. There are several major projects intending to 
  762. further reduce emissions from automobiles, mainly focusing on vehicle mass 
  763. and engine fuel efficiency, but gasoline specifications and alternative 
  764. fuels are also being investigated. It may be that changes to IC engines and 
  765. gasolines will enable the IC engine to continue well into the 21st century 
  766. as the prime motive force for personal transportation [77,85]. There have 
  767. also been calls to use market forces to reduce pollution from automobiles 
  768. [86], however most such suggestions ( increased gasoline taxes, congestion 
  769. tolls, and emission-based registration fees ) are currently considered 
  770. politically unacceptable. The issue of how to target the specific "gross 
  771. polluters" is being considered, and is described in Section 5.14.
  772.  
  773. 5.9  Why are only some gasoline compounds restricted?
  774.  
  775. The less volatile hydrocarbons in gasoline are not released in significant 
  776. quantities during normal use, and the more volatile alkanes are considerably
  777. less toxic than many other chemicals encountered daily. The newer gasoline 
  778. additives also have potentially undesirable properties before they are even
  779. combusted. Most hydrocarbons are very insoluble in water, with the lower
  780. aromatics being the most soluble, however the addition of oxygen to 
  781. hydrocarbons significantly increases the mutual solubility with water.
  782.  
  783.                       Compound in Water            Water in Compound       
  784.                       % mass/mass @  C             % mass/mass @  C
  785. normal decane            0.0000052  25               0.0072      25
  786. iso-octane               0.00024    25               0.0055      20
  787. normal hexane            0.00125    25               0.0111      20
  788. cyclohexane              0.0055     25               0.010       20
  789. 1-hexene                 0.00697    25               0.0477      30
  790. toluene                  0.0515     25               0.0334      25
  791. benzene                  0.1791     25               0.0635      25
  792.  
  793. methanol                complete    25              complete     25
  794. ethanol                 complete    25              complete     25 
  795. MTBE                     4.8        20               1.4         20
  796. TAME                      -                          0.6         20
  797.           
  798. The concentrations and ratios of benzene, toluene, ethyl benzene, and xylenes 
  799. ( BTEX ) in water are often used to monitor groundwater contamination from
  800. gasoline storage tanks or pipelines. The oxygenates and other new additives 
  801. may increase the extent of water and soil pollution by acting as co-solvents 
  802. for HCs. 
  803.  
  804. Various government bodies ( EPA, OSHA, NIOSH ) are charged with ensuring
  805. people are not exposed to unacceptable chemical hazards, and maintain
  806. ongoing research into the toxicity of liquid gasoline contact, water and soil
  807. pollution, evaporative emissions, and tailpipe emissions [87]. As toxicity 
  808. is found, the quantities in gasoline of the specific chemical ( benzene ), 
  809. or family of chemicals ( alkyl leads, aromatics, olefins ) are regulated.
  810.  
  811. The recent dramatic changes caused by the need to reduce alkyl leads,
  812. halogens, olefins, and aromatics has resulted in whole new families of 
  813. compounds ( ethers, alcohols ) being introduced into fuels without prior 
  814. detailed toxicity studies being completed. If adverse results appear, these 
  815. compounds are also likely to be regulated to protect people and the 
  816. environment. 
  817.  
  818. Also, as the chemistry of emissions is unravelled, the chemical precursors
  819. to toxic tailpipe emissions ( such as higher aromatics that produce benzene  
  820. emissions ) are also controlled, even if they are not themselves toxic.
  821.  
  822. 5.10 What does "renewable" fuel or oxygenate mean?
  823.  
  824. The general definition of "renewable" is that the carbon originates from 
  825. recent biomass, and thus does not contribute to the increased CO2 emissions. 
  826. A truly "long-term" view could claim that fossil fuels are "renewable" on a
  827. 100 million year timescale :-). There was a major battle between the 
  828. ethanol/ETBE lobby ( agricultural, corn growing ), and the methanol/MTBE 
  829. lobby ( oil company, petrochemical ) over an EPA mandate demanding that a
  830. specific percentage of the oxygenates in gasoline are produced from 
  831. "renewable" sources [88]. On 28 April 1995 a Federal appeals court 
  832. permanently voided the EPA ruling requiring "renewable" oxygenates, thus
  833. fossil-fuel derived oxygenates such as MTBE are acceptable oxygenates [89]. 
  834.  
  835. Unfortunately, "renewable" ethanol is not cost competitive when crude oil 
  836. is $18/bbl, so a federal subsidy ( $0.54/US Gallon ) and additional state 
  837. subsidies ( 11 states - from $0.08(Michigan) to $0.66(Tenn.)/US Gal.) are 
  838. provided. Ethanol, and ETBE derived from ethanol, are still likely to be 
  839. used in states where subsidies make them competitive with other oxygenates. 
  840.  
  841. 5.11 Will oxygenated gasoline damage my vehicle?
  842.  
  843. The following comments assume that your vehicle was designed to operate on 
  844. unleaded, if not, then damage such as exhaust valve seat recession may occur. 
  845. Damage should not occur if the gasoline is correctly formulated, and you 
  846. select the appropriate octane, but oxygenated gasoline will hurt your pocket.
  847. In the first year of mandated oxygenates, it appears some refiners did not 
  848. carefully formulate their oxygenated gasoline, and driveability and emissions 
  849. problems occurred. Most reputable brands are now carefully formulated. 
  850. Some older activated carbon canisters may not function efficiently with
  851. oxygenated gasolines, but this is a function of the type of carbon used.
  852. How your vehicle responds to oxygenated gasoline depends on the engine 
  853. management system and state of tune. A modern system will automatically 
  854. compensate for all of the currently-permitted oxygenate levels, thus your
  855. fuel consumption will increase. Older, poorly-maintained, engines may 
  856. require a tune up to maintain acceptable driveability.
  857.  
  858. Be prepared to try several different brands of oxygenated or reformulated 
  859. gasolines to identify the most suitable brand for your vehicle, and be 
  860. prepared to change again with the seasons. This is because the refiners can 
  861. choose the oxygenate they use to meet the regulations, and may choose to set 
  862. some fuel properties, such as volatility, differently to their competitors. 
  863.  
  864. Most stories of corrosion etc, are derived from anhydrous methanol corrosion 
  865. of light metals (aluminum, magnesium), however the addition of either 0.5% 
  866. water to pure methanol, or corrosion inhibitors to methanol-gasoline blends 
  867. will prevent this. If you observe corrosion, talk to your gasoline supplier.  
  868. Oxygenated fuels may either swell or shrink some elastomers on older cars, 
  869. depending on the aromatic and olefin content of the fuels. Cars later than 
  870. 1990 should not experience compatibility problems, and cars later than 1994 
  871. should not experience driveability problems, but they will experience 
  872. increased fuel consumption, depending on the state of tune and engine 
  873. management system.  
  874.           
  875. 5.12 What does "reactivity" of emissions mean?
  876.  
  877. The traditional method of exhaust regulations was to specify the actual HC, 
  878. CO, NOx, and particulate contents. With the introduction of oxygenates and 
  879. reformulated gasolines, the volatile organic carbon (VOC) species in the 
  880. exhaust also changed. The "reactivity" refers to the ozone-forming potential 
  881. of the VOC emissions when they react with NOx, and is being introduced as a 
  882. regulatory means of ensuring that automobile emissions do actually reduce 
  883. smog formation. The ozone-forming potential of chemicals is defined as the 
  884. number of molecules of ozone formed per VOC carbon atom, and this is called 
  885. the Incremental Reactivity. Typical values ( big is bad :-) ) are [74]: 
  886.  
  887. Maximum Incremental Reactivities as mg Ozone / mg VOC 
  888.  
  889.                   carbon monoxide           0.054
  890. alkanes           methane                   0.0148
  891.                   ethane                    0.25
  892.                   propane                   0.48
  893.                   n-butane                  1.02
  894. olefins           ethylene                  7.29
  895.                   propylene                 9.40
  896.                   1,3 butadiene            10.89
  897. aromatics         benzene                   0.42
  898.                   toluene                   2.73
  899.                   meta-xylene               8.15      
  900.                   1,3,5-trimethyl benzene  10.12
  901. oxygenates        methanol                  0.56
  902.                   ethanol                   1.34
  903.                   MTBE                      0.62
  904.                   ETBE                      1.98
  905.  
  906. 5.13 What are "carbonyl" compounds?
  907.  
  908. Carbonyls are produced in large amounts under lean operating conditions,
  909. especially when oxygenated fuels are used. Most carbonyls are toxic, and the 
  910. carboxylic acids can corrode metals. The emission of carbonyls can be 
  911. controlled by combustion stoichiometry and exhaust catalysts, refer to
  912. section 5.5 for typical reductions for aldehydes.  
  913. Typical carbonyls are:-
  914. * aldehydes ( containing -CHO ),
  915.   - formaldehyde (HCHO) - which is formed in large amounts during lean 
  916.                           combustion of methanol [90].
  917.   - acetaldehyde (CH2CHO) - which is formed during ethanol combustion. 
  918.   - acrolein (CH2=CHCHO) - a very potent irritant and toxin.
  919. * ketones ( containing C=0 ),
  920.   - acetone (CH3COCH3)
  921. * carboxylic acids ( containing -COOH ),
  922.   - formic acid (HCOOH) - formed during lean methanol combustion. 
  923.   - acetic acid (CH3COOH). 
  924.  
  925. 5.14 What are "gross polluters"? 
  926.  
  927. It has always been known that the EPA emissions tests do not reflect real 
  928. world conditions. There have been several attempts to identify vehicles on 
  929. the road that do not comply with emissions standards. Recent remote sensing 
  930. surveys have demonstrated that the highest 10% of CO emitters produce over 
  931. 50% of the pollution, and the same ratio applies for the HC emitters 
  932. - which may not be the same vehicles [91-102]. 20% of the CO emitters are 
  933. responsible for 80% of the CO emissions, consequently modifying gasoline 
  934. composition is only one aspect of pollution reduction. The new additives can 
  935. help maintain engine condition, but they can not compensate for out-of-tune,
  936. worn, or tampered-with engines. There has recently been some unpublished
  937. studies that demonstrate that the current generation of remote sensing
  938. systems can not provide sufficient discrimination of gross polluters without
  939. also producing false positives for some acception vehicles - more work
  940. is required, and in some states I&M emissions testing using dynamometers
  941. is being introduced to identify gross polluters.
  942.  
  943. The most famous of the remote sensing systems is the FEAT ( Fuel Efficiency 
  944. Automobile Test ) team from the University of Denver [99]. This team is 
  945. probably the world leader in remote sensing of auto emissions to identify 
  946. grossly polluting vehicles. The system measures CO/CO2 ratio, and the 
  947. HC/CO2 ratio in the exhaust of vehicles passing through an infra-red light 
  948. beam crossing the road 25cm above the surface. The system also includes a 
  949. video system that records the licence plate, date, time, calculated exhaust 
  950. CO, CO2, and HC. The system is effective for traffic lanes up to 18 metres
  951. wide, however rain, snow, and water spray can cause scattering of the beam.
  952. Reference signals monitor such effects and, if possible, compensate. The
  953. system has been comprehensively validated, including using vehicles with 
  954. on-board emissions monitoring instruments.
  955.  
  956. They can monitor up to 1000 vehicles an hour and, as an example,they were 
  957. invited to Provo, Utah to monitor vehicles, and gross polluters would be 
  958. offered free repairs [100]. They monitored over 10,000 vehicles and mailed 
  959. 114 letters to owners of vehicles newer than 1965 that had demonstrated high 
  960. CO levels. They received 52 responses and repairs started in Dec. 1991, and 
  961. continued to Mar 1992. 
  962.  
  963.  The entire monitored fleet at Provo (Utah) during Winter 1991:1992 
  964.  Model year               Grams CO/gallon            Number of
  965.                     (Median value) (mean value)      Vehicles
  966.    92                    40             80              247
  967.    91                    55                            1222
  968.    90                    75                            1467
  969.    89                    80                            1512
  970.    88                    85                            1651
  971.    87                    90                            1439
  972.    86                   100            300             1563
  973.    85                   120                            1575
  974.    84                   125                            1206
  975.    83                   145                             719
  976.    82                   170                             639
  977.    81                   230                             612
  978.    80                   220            500              551
  979.    79                   350                             667
  980.    78                   420                             584
  981.    77                   430                             430
  982.    76                   770                             317
  983.    75                   760            950              163
  984.    Pre 75               920           1060              878
  985.  
  986. As observed elsewhere, over half the CO was emitted by about 10% of the 
  987. vehicles. If the 47 worst polluting vehicles were removed, that achieves 
  988. more than removing the 2,500 lowest emitting vehicles from the total tested 
  989. fleet.
  990.  
  991. Surveys of vehicle populations have demonstrated that emissions systems had 
  992. been tampered with on over 40% of the gross polluters, and an additional 20% 
  993. had defective emission control equipment [101]. No matter what changes are 
  994. made to gasoline, if owners "tune" their engines for power, then the majority
  995. of such "tuned" vehicle will become gross polluters. Professional repairs to 
  996. gross polluters usually improves fuel consumption, resulting in a low cost to
  997. owners ( $32/pa/Ton CO year ). The removal of CO in the Provo example above 
  998. was costed at $200/Ton CO, compared to Inspection and Maintenance programs 
  999. ($780/Ton CO ), and oxygenates ( $1034-$1264/Ton CO in Colorado 1991-2 ), and
  1000. UNOCALs vehicle scrapping programme ( $1025/Ton of all pollutants ).
  1001.  
  1002. Thus, identifying and repairing or removing gross polluters can be far more 
  1003. cost-effective than playing around with reformulated gasolines and 
  1004. oxygenates. A recent study has confirmed that gross polluters are not always
  1005. older vehicles, and that vehicles have been scrapped that passed the 1993 new
  1006. vehicle emission standards [102]. The study also confirmed that if estimated
  1007. costs and benefits of various emission reduction strategies were applied to
  1008. the tested fleet, the identification and repair techniques are the most 
  1009. cost-effective means of reducing HC and CO. It should be noted that some 
  1010. strategies ( such as the use of oxygenates to replace aromatics and alkyl 
  1011. lead compounds ) have other environmental benefits. 
  1012.  
  1013. Action                      Vehicles   Estimated  % reduction  % reduction 
  1014.                             Affected     Cost                  per $billion
  1015.                            (millions) ($billion)   HC    CO     HC    CO
  1016. Reformulated Fuels            20         1.5       17    11     11     7.3
  1017. Scrap pre-1980 vehicles        3.2       2.2       33    42     15    19
  1018. Scrap pre-1988 vehicles       14.6      17         44    67      2.6   3.9
  1019. Repair worst 20% of vehicles   4         0.88      50    61     57     69
  1020. Repair worst 40% of vehicles   8         1.76      68    83     39     47
  1021.  
  1022. ------------------------------
  1023.  
  1024.