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使用便携式DownToTen采样系统测量低于23纳米的实际驾驶颗粒物数量排放

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DOI：

10.3791/61287

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2020年5月22日

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1Institute of Electrical Measurement and Sensor Systems, Graz University of Technology, 2Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamic, Graz University of Technology, 3Ricardo UK Ltd., 4AVL List GmbH

本文内容

摘要

本文介绍了一种用于评估实际驾驶条件下亚23 nm颗粒物汽车排放的便携式排放测量系统——DownToTen (DTT)。

摘要

目前，欧洲颗粒物数量（PN）排放标准的粒径阈值为23 nm。由于未来内燃机车辆技术可能排放大量小于23 nm的颗粒物，该阈值可能会发生变化。由“地平线2020”计划资助的DownToTen（DTT）项目开发了一种采样和测量方法，用于表征当前尚未受监管的这一粒径范围内的颗粒物排放。该颗粒物数量测量系统基于对大量文献的综述以及对多种颗粒物数量测量与采样方法的实验室实验测试而开发。所开发的测量系统具有高颗粒穿透率和多功能性，能够评估直径低至几纳米的原生颗粒物、延迟生成的原生颗粒物以及二次气溶胶。本文详细说明了如何安装和操作该便携式排放测量系统（PEMS），用于实际驾驶排放（RDE）测量，并评估低于现行法规限值23 nm的颗粒物数量排放。

引言

粒子测量计划（Particle Measurement Programme，PMP）由英国政府发起，旨在“制定型式核准测试协议，用于评估配备先进颗粒物减排技术的车辆，以补充或取代现行的法规测量程序”1。PMP 是全球首个基于颗粒物数量的排放法规，专门针对粒径大于等于23 nm的碳质颗粒物。最近的测量结果表明，可能有必要将更小的颗粒物纳入监管范围。

柴油烟尘对健康的负面影响已得到充分认识2因此，基于健康考虑，必须通过强制使用柴油颗粒过滤器（DPF）来消除柴油尾气中的碳颗粒，由此援引了“预防原则”。然而，由于欧洲立法要求限值必须推动排放控制技术的应用，若无适当的测量方法则无法实现这一目标。在欧洲各国强有力的政策支持下，英国政府牵头提出了颗粒物测量计划（PMP），以改进颗粒物的测量技术。该PMP在联合国欧洲经济委员会（UN-ECE）的主持下开展3，包括了来自全球各地其他专家的专业知识。2001年完成了两个颗粒物研究项目。其中之一（颗粒物研究4）由英国政府环境、交通与地区事务部（DETR）联合汽车制造商和贸易商协会（SMMT）以及欧洲石油公司环境、健康与安全组织（CONCAWE）共同开展。另一项研究（PARTICULATES5）由欧盟的5th 框架由14个不同的欧洲合作伙伴实施。两个项目的结果均表明，基于颗粒数的检测方法具有应用前景，但在实现可重复和可复现的测量方面仍存在挑战。

2007年，《颗粒物测量计划（PMP）轻型车辆实验室间比对试验最终报告》发布6，其中对基于滤膜的质量测量方法进行了一些改进，主要证明了基于特定粒径范围和颗粒挥发性的颗粒物计数法在法规监管应用中的可行性。这两种方法均基于现有的恒定体积采样器（CVS）稀释通道系统进行采样，该系统最初是为颗粒物质量及稀释气袋法测量气态污染物排放而开发的。

在基于数量计数的方法中，选定的颗粒物尺寸下限约为20 nm。该项目的主要目标是确保通过立法手段管控此类尺寸及更大的颗粒物。目前已知发动机排放尾气中的初级颗粒物尺寸可小至 <20 nm7,8,9出于实际原因，使用计数效率为50%的颗粒计数器（d50在23 nm处被选定，该尺寸成为公认的最小尺寸阈值。人们认识到，由于对稀释度、空气温度、湿度和比例等性质的高度敏感性10，挥发性颗粒物的粒径分布和总数量测量在配备CVS系统的同一设施内使用同一辆汽车时可能具有较好的重复性，但在不同设施之间则重复性显著降低。因此，对于严格的法规而言，必须将重点严格限定于非挥发性颗粒物，而测量方法实际上定义了法规对颗粒物在尺寸和挥发性方面的边界条件。欧洲柴油燃料具有一定的高沸点馏分挥发性，仅有百分之几的组分在高于 350 °C，且PMP内的早期工作表明，在该温度下停留较短时间即可使四十烷完全蒸发，四十烷是一种含有40个碳原子的直链烃，其挥发性接近发动机润滑油的终馏点11因此，温度为 350 °C 已成为监管的实际参考标准 >23 nm 粒子挥发性

PMP测量系统的规格包括采样、样品调理和测量组件，如表1所示。

阶段组件功能
0样品来源样品的来源
1颗粒物传输将样品从来源处输送至测量系统
2挥发性颗粒去除器去除挥发性物质，确定待测的非挥发性颗粒
3颗粒计数器计数非挥发性颗粒，并确定可测颗粒的最小尺寸下限

表1：PMP测量系统的组成部分。

欧洲颗粒物质量浓度（PMP）型式核准程序正在实施中，目前已适用于轻型柴油车（2011年9月，欧5b标准）和汽油直喷（GDI）车辆（2014年9月，欧6标准），以及柴油和燃气重型发动机（2013年2月，欧VI标准）。

近期测量结果表明，一些轻型车辆尤其是火花点火式技术车辆，可能排放大量颗粒物 <23 nm12,13,14这促使欧洲委员会资助研究项目，以开发可快速实施的新方法或扩展方法，作为对现有方法的替代或补充 >23 nm 调控。

一个名为 DownToTen (DTT) 的项目旨在保留 PMP 的总体方法，并将测量范围进一步扩展至 d50 ≤10 nm。为此，DTT 测量系统的构型设计包含了前述描述的相同基本组件 表1，但对条件化和测量步骤进行了优化，以实现高效运输和检测 <23 nm 颗粒。DTT 系统最初为实验室使用而开发，后经改进可用于便携式排放测量系统（PEMS）。对于 DTT PN-PEMS 系统，各组件经过优化，以减轻重量、降低功耗并提高物理耐用性，同时基本保持原有设计不变。为适用于移动场景，该系统必须能够耐受轻型和重型 PEMS 测试中可能遇到的更严苛且不稳定的温度、压力和振动环境。系统进气口处压力变化的影响已通过建模和实验研究进行了分析。15使用专用试验台评估了抗振性能16典型的RDE行驶过程中产生的振动和加速度并未影响所用凝结粒子计数器的测量结果。DTT系统还设计用于低温环境，在此条件下挥发性去除功能不启用，以便向老化室供样并研究二次有机气溶胶的形成。17.

DTT测量系统中用于定义颗粒物调节挥发性边界的热调节元件，与PMP系统的元件非常相似，因为这两个系统都包含以下序列：

  1. 第一级颗粒物数量稀释阶段
  2. 碳氢化合物/挥发性物质去除阶段
  3. 第二级颗粒物数量稀释阶段

DTT 系统与 PMP 系统之间的主要区别在于，DTT 系统的组件选择旨在：

  1. 采用低损耗稀释和颗粒物传输方法，最大限度地将样品源中约10 nm的颗粒物（PN）传输至颗粒物计数器
  2. 通过氧化法去除挥发性物质，全面消除挥发性颗粒物，而非仅通过蒸发和稀释降低可凝结碳氢化合物（HC）的分压
  3. 对约10–50 nm的颗粒物进行计数，其计数效率高于当前的PMP系统

本文的目的是介绍使用DTT PN-PEMS系统对在用道路车辆排放的粒径≥10 nm的非挥发性颗粒物进行测量的方法。内容包括测量系统的简介及其主要组成部分、基于实验室的校准测量、将设备安装于移动平台的应用、开展实际驾驶排放测量，以及对采集到的测量数据进行处理。

仪器设备

DTT PN-PEMS 的设计旨在实现低至数纳米的高颗粒物穿透率、稳定的颗粒物数量稀释、去除挥发性颗粒物，并防止人为颗粒物的生成。系统各组件的选择基于实验室实验结果，这些实验对比了多种稀释与气溶胶调节技术。本节将概述该系统的结构、工作原理及所用组件。图1展示了系统的示意图，图2展示了系统的实物照片。DTT 系统高 60 cm，占地面积为 50 cm × 50 cm，重量约为 20 kg。若包括所需外围设备（即电池和气瓶），总重量约为 80 kg。系统的主要组成部分包括两级稀释装置（第一级为热稀释，第二级为冷稀释）、催化去除器以及至少一台凝聚粒子计数器（CPC）。

带有孔管稀释器、催化去除器和流量控制器的颗粒物测量示意图。
图1：DTT颗粒物数量便携式排放测量系统的示意图。 请点击此处查看此图的放大版本。

稀释空气加热器装置示意图，用于温度控制实验中的气体流量分析。
图2：DTT采样系统的俯视图。 请点击此处查看此图的放大版本。

两个稀释阶段将颗粒物浓度降低至冷凝颗粒计数器可测量的水平（<104 #/cm3）。两个稀释阶段均采用定制的多孔管稀释器。选择该技术的原因在于其颗粒损失较低18,19。稀释空气以径向流入的方式通过多孔管，通过对流作用使颗粒远离管壁，从而减少颗粒损失。此外，这些稀释器体积小巧，且可耐受高达400 °C的温度。所用多孔材料为烧结Hastelloy X管（GKN Filters Metals GmbH, Radevormwald, Germany）。多孔管内部的静态混合元件可在稀释器下游立即实现气溶胶的充分混合。这使得可在稀释器下游直接分流气溶胶，从而获取具有代表性的稀释后气溶胶样品用于后续调节或测量，并有助于构建紧凑的采样系统。第一级稀释阶段通常加热至350 °C，而第二级则在环境温度下运行。该系统的稀释倍数约为80。精确值取决于入口流量和质量流量管理：采样系统中的流量由两个质量流量控制器和两个质量流量计组成的系统进行调控。质量流量控制器用于控制稀释空气的流量，质量流量计用于监测从第一级和第二级稀释阶段下游提取的流量。提取流量与供给流量之间的差值可以调节，即可以定义在某一稀释阶段中净增加或净减少的流量。样品流量 Qsample 定义为所有其他流量的总和：1）测量仪器抽取的流量（Qinst）；2）稀释空气流量（Qdil,i）；3）过剩流量 Qex,i。在计算样品流量时，从系统中提取的流量贡献为正值，输入系统的流量贡献为负值。

样品分析的传热方程，ΣQ 系统，热力学过程图。

总稀释倍数 DR 的计算公式如下：

动态范围方程示意图；显示包含符号变量的 DR 计算公式。

在稀释阶段1和阶段2之间设置一个催化 stripper（CS），其在350 °C下以每分钟1升（L/min）的流速运行。催化 stripper 可实现有机化合物的氧化和硫的储存。去除这些物质可确保固体颗粒物组分的分离，防止挥发性和半挥发性颗粒的非预期生成以及亚微米颗粒的长大。所使用的催化 stripper 为市售产品（AVL GmbH）。根据RDE法规20的定义，通过多分散的刚玉油颗粒（>50 nm，>1 mg/m3，浓度为3.5–5.5 mg/m3）对CS的挥发性颗粒去除效率进行了验证，结果显示效率>99%（实际值为99.9%）。该测试比当前PMP规程中规定的四十烷测试更为严格。

一个或多个凝聚粒子计数器用于测量第二级稀释阶段下游的粒子数量浓度。使用一台粒径截止点为 d 的凝聚粒子计数器50 23 nm的粒径阈值能够实现对当前受监管的、粒径大于23 nm的固体颗粒物排放的测量。此外，通过使用一台或多台具有更低d50 切割点（例如，10 nm，4 nm）可用于评估当前尚未被监管的固体颗粒物组分 <23 nm 下降至 d50 所用CPC的切割尺寸。

稀释空气供应管路、主多孔管稀释器和催化去除器均配有独立的加热元件，内含K型热电偶（TC）。通过独立加热不同区段，可控制系统的温度分布。

除了加热元件中的热电偶外，还在稀释阶段1和2的下游位置各放置了一个热电偶。这两个热电偶用于直接测量气溶胶的温度。

使用两个绝压传感器（NXP MPX5100AP）监测采样系统的入口和出口压力。

进行移动测量时，使用 Clayton Power LPS 1500 电池组。一个 10 L 的合成空气瓶在移动应用期间为系统提供稀释空气。电池和气瓶的尺寸经过选择，以确保系统可独立运行 100 分钟。

该系统通过运行LabVIEW虚拟仪器的NI myRIO进行控制。该虚拟仪器可用于调节流速和加热器温度。除受控参数外，还可监测和记录气溶胶的温度、压力以及加速度（通过myRIO集成的传感器）。myRIO的GPS模块附件可实现位置数据的记录。 图3 和 图 4 展示用于控制DTT系统的虚拟仪器的用户界面。

催化脱除过程中稀释阶段的控制界面；流量、压力、温度设置。
图3：DTT虚拟仪器稀释阶段参数概览。 请点击此处查看此图的放大版本。

稀释系统界面示意图；空气供应的温度、功率设置，催化去除器。
图4：DTT虚拟仪器加热器控制面板。 请点击此处查看此图的放大版本。

任何采样过程都会导致颗粒物损失。为了能够校正这些损失，需通过实验室测量来确定颗粒物在不同粒径下穿过DTT采样系统的穿透率。在这些测量中，使用两台冷凝颗粒物计数器分别测量采样系统上游和下游的单分散气溶胶颗粒物浓度。图5展示了校准测量的实验装置。在此装置中，采用Jing miniCAST作为颗粒物源21,22。使用质量流量控制器（MFC）调节进入燃烧器的气体流量。稀释桥用于调节颗粒物数浓度。该稀释桥由一个高效颗粒空气（HEPA）过滤器与一个针阀并联组成。通过调节针阀的位置，可改变穿过HEPA过滤器与穿过针阀的气溶胶比例，从而调整稀释比。经过过滤和未经过过滤的气溶胶通过T型接头重新混合，形成稀释后的气溶胶。使用催化去除器以去除燃烧过程中可能大量产生的挥发性副产物。采用TSI 3082静电分类器与TSI 3085差分迁移率分析仪（nano DMA）进行颗粒物的粒径选择。使用两台TSI 3775型冷凝颗粒计数器（d50 = 4 nm）测量DTT采样系统上游和下游的颗粒物数浓度。该计数器的截止粒径d50 = 4 nm，使得可在低至10 nm及以下的粒径范围内测定颗粒物穿透率。

气溶胶生成与粒径选择示意图；催化去除器、纳米微分电迁移分析仪、凝聚粒径谱仪分析装置。
图 5：用于 DTT 采样系统校准的实验装置示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。

方案

1. 校准程序

  1. 设置并准备仪器。
    1. 将图5中描述和展示的仪器有序且紧凑地放置在配备排风系统的实验室中。
    2. 使用导电管路按照图5中箭头所示连接仪器。应尽量缩短管路长度，以最小化扩散导致的颗粒物损失。
    3. 将需要供电的仪器（即DTT系统、DTT系统泵、两台CPC、DMA、催化去除器和MFC）连接至电源插座。
    4. 将CPC、DTT系统和MFC连接至笔记本电脑。
    5. 确保笔记本电脑已安装必要的软件，以便与所连接设备通信。
    6. 如有需要，安装缺失的软件。
  2. 在开始校准测量前至少预热实验组件30分钟，以确保测量系统达到热稳定状态。
    1. 通过将外部MFC控制的气体流量设置为用户手册中指定的启动值，启动燃烧器运行。
    2. 点燃火焰。
    3. 将生成的炭黑导入排风系统。
    4. 通过调节MFC控制的气体流量，生成平均直径为50 ± 5 nm的炭黑颗粒。相关设置参数与预期粒径分布的对照表可参见燃烧器手册或文献23。对于miniCAST，可参考表2中的设置：
    5. 启动催化去除器的加热程序，将相应的温控器设定为350 °C。
    6. 开启CPC，并将其设置为低流量模式（即入口流量为0.3 L/min）。
    7. 使用CPC制造商提供的软件或串行通信方式，建立CPC与笔记本电脑之间的通信连接。
    8. 按照第3.1节所述，启动DTT系统的预热程序。
    9. 根据用户手册，在分类器入口处安装带有0.071 cm喷嘴的撞击器。
    10. 开启分类器。分类器显示屏应显示撞击器流量为1.30 ± 0.05 L/min。若显示值不同，请仔细检查分类器与CPC及DTT系统之间的管路连接。
    11. 通过用户界面将分类器的鞘气流速设置为13 L/min。
    12. 若使用软X射线源（TSI 3088），请开启分类器的中和器。
气体流速
丙烷20 mL/min
淬灭气体 (N2)2 L/min
稀释空气5 L/min
氧化空气0.5 L/min
混合气体 (N2)0 L/min

表2：校准测量建议的miniCAST流量设置。

  1. 至少预热 30 分钟后，进行校准测量。
    1. 停止将生成的烟黑通入采样系统，并将燃烧器出口连接至稀释桥。
    2. 通过用户界面将分类器选定的粒径设为 10 nm。
    3. 使用稀释桥上的针阀，调节 DTT 系统上游的颗粒物数量浓度至 104 ± 103 #/cm3。该颗粒物浓度可产生相对较高的信号，使测量时间较短，同时保证 CPC 在单计数模式下运行，从而确保高精度。若因烟黑发生器排放的颗粒物浓度过低而无法达到目标浓度 104 ± 103 #/cm3，则应将针阀完全打开，以最大化通过稀释桥的通量。
    4. 点击 DTT Labview 软件中的“Start Data Logging”按钮，开始记录 DTT 系统的数据（如尚未开始）。
    5. 使用专用软件或串行通信方式，开始记录两个 CPC 的数据。
    6. 等待 30 秒，使实验装置稳定。
    7. 记录时间戳和设定的粒径，以标记测量的开始。
    8. 持续运行测量 2 分钟。
    9. 记录时间戳，以标记测量的结束。
    10. 对粒径为 15 nm、30 nm、50 nm 和 100 nm 的情况，重复步骤 1.3.3–1.3.9。若需要更高的粒径分辨率，可增加额外测量点。
    11. 重复步骤 1.3.2–1.3.10，再次在相同粒径下进行一组测量。
    12. 停止记录两个 CPC 和 DTT 系统的测量数据。
    13. 关闭所有仪器。
  2. 使用电子表格程序评估采集的校准数据。
    1. 将 CPC 测量的颗粒物浓度数据导出为 .csv 或 .txt 文件。
    2. 将 CPC 和 DTT 系统的数据导入数据分析工具。
    3. 通过将各仪器（即两个 CPC 和 DTT 系统）在每次测量起止时间戳之间的数据分配给对应测量，完成数据归类。建议使用数据分析工具自动完成此任务。
    4. 对所有测量点的两个颗粒物浓度数据集（CPC）和稀释比（DTT 系统）进行时间平均。
    5. 根据以下公式计算所有测量点的相对颗粒物穿透率：
      用于物理分析中计算目的的静态平衡方程数学公式。
      其中 Pn 表示在特定测量点 n 的相对颗粒物穿透率。C'(d,n) 符号；公式；概率分析；统计建模；方程表示。 表示 DTT 系统下游 CPC 在测量点 n 的测量时间段内平均测得的颗粒物浓度。静态平衡；数学符号；方程；ΣFx=0；简洁的教育关键词；物理原理。 表示 DTT 系统上游 CPC 在测量点 n 的测量时间段内平均测得的对应颗粒物浓度。动态平衡，方程：\( D'R_n \)，数学符号，研究分析，物理概念。 表示 DTT 系统的稀释比，在测量点 n 的测量时间段内取平均值。
    6. 通过对 30 nm、50 nm 和 100 nm 粒径下的平均颗粒物穿透率取平均，计算平均颗粒物穿透率 Pmean。
      显示在 30nm、50nm、100nm 尺度上压力计算的算术平均公式示意图。
      该值用于计算颗粒物浓度降低因子（PCRF），即用稀释比 DR 除以平均穿透效率 Pmean。
      用于光学系统动态范围计算的 PCRF 方程。
      PCRF 由 30 nm、50 nm 和 100 nm 粒径下的穿透率计算得出，以便与符合 PMP 标准的商用仪器进行比较。其他粒径下的测量用于确定系统的 d50 截止粒径，以在法规框架之外更好地表征系统性能。

2. 实际驾驶排放测量的安装与准备

  1. 选择一种车辆，用于评估颗粒物数量排放 <23 nm
  2. 选择一条路线以测量所选车辆的颗粒物数量排放。文献中提供了如何选择合适路线的指导。24.
  3. 排气流量计（EFM）安装
    1. 选择一款测量范围与待测车辆预期排气流量范围相匹配的排气流量计（EFM）24.
    2. 将EFM控制箱放置在车辆的后备箱中。
    3. 根据制造商的规格说明书，将EFM安装在汽车外部。 图6 显示了一个安装好的外夹式流量计（EFM）示例，该流量计安装在通向主管道的异形管道外部。
    4. 确保电磁流量计（EFM）的上游和下游距离符合欧盟法规要求（即，流量传感器的上游和下游应至少为管道直径的4倍或150 mm，取两者中较大值）。
    5. 当测量具有多个排气歧管的车辆时，应在排气质量流量计（EFM）前方将各个排气管汇合，并相应增加该汇合管道的横截面积，以尽可能降低排气背压的升高。若此方法不可行，则可使用多个排气质量流量计分别测量排气质量流量。
    6. 确保从EFM管道到车辆排气管的连接部件能够承受废气温度（即，不得使用塑料材料）。
    7. 管道直径、连接器直径以及采样所需任何延伸部分的直径均不应小于排气管的直径，以尽可能降低排气背压。
    8. 从车辆的排气口开始安装管道。
    9. 使用连接管和管夹将排气管与第一根管道相连。为便于安装过程中调整管道位置，管夹应在最后进行紧固。
    10. 一次连接一根管道，并使用连接管和管夹，直至从排气口到EFM建立通路。该通路应尽可能短。
    11. 将EFM控制箱和EFM安装支架放置在后备箱内，以确保测量行程中无任何物品滑动。
    12. 检查所有管路是否紧固，确保在测量过程中无任何部件松动。
    13. 打开 EFM。
    14. 根据环境温度，经过最长15分钟的预热时间（参见EFM用户指南）后，排气质量流量计即可准备进行测量。25,26,27,28.

车辆排放测试装置、尾管传感器、EFM、加热采样管、尾气分析。
图6：已安装的EFM示意图。 请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 在车辆后备箱中准备并安装 DTT 测量系统
    注意：此处所述测量采用两台凝结粒子计数器作为 DTT 系统的计数装置。其中一台 CPC（TSI 3790A）具有较低的 d50 23 nm的截断尺寸，相当于当前法规限定的限值。另一台CPC（商用10 nm AVL CPC）具有更低的d50 截断粒径为10 nm。通过这两种仪器并行测量颗粒物排放，可实现对当前受监管排放物的评估（>23 nm）和 <23 nm 组分
    1. 准备一台笔记本电脑，安装 DTT 软件以及用于记录 CPC 测量数据的软件。
    2. 将合成空气瓶放置在后备箱内或后座前方的地板上，并使用绑带固定。
    3. 将电池放置在车辆的后备箱中并固定。插入交流电源输入电缆，并将其连接至本地电源。
    4. 将采样系统和凝结粒子计数器的真空泵放置并固定在车辆后备箱中，并连接至电池。
    5. 将 DTT 系统放置于车辆的后备箱内，并使用绑带固定其位置。 图7 和 图8 展示汽车后备箱中的DTT系统。将该系统连接到移动电池组。
    6. 将DTT系统的两个进气端MFC连接至固定的加压空气源。将DTT系统的两个出气端MFM连接至真空泵。
    7. 使用合适的管路将泵的排气导出车外。
    8. 使用USB线缆将DTT系统连接至测量用笔记本电脑。
    9. 将系统的进样口连接到EFM下游的采样点。将系统电源输入端连接到电池。将凝结粒子计数器的电源输入端连接到电池组。
    10. 将CPCs连接至相应的外部真空泵。
    11. 将CPCs的丁醇瓶牢固地安装在稀释系统的框架上，并尽可能远离车辆乘员。
    12. 确保盖子已拧紧，在加速测量过程中不会打开。
    13. 使用合适的管路将CPC的排气和/或外接泵的排气导出至车外。使用USB线缆将CPC连接到测量用笔记本电脑。
      注意： 图9 显示了准备好的测试车辆。DTT系统安装在车辆的后备箱中。同时安装了一套商用PN-PEMS系统，用于作为固体颗粒物排放法规检测的参考。 >23 nm

用于排放测试设置中气体分析的 DTT 系统示意图，配备 AVL 车载排放测量系统（PEMS）设备。
图 7：车辆内部的 DTT 车载排放测量系统（PEMS）。 请点击此处查看此图的放大版本。

移动式空气分析装置；DTT系统、CPC仪器、泵、气瓶置于车辆后备箱内
图8：置于车辆后备箱内的DTT便携式排放测量系统（PEMS）。 请点击此处查看此图的放大版本。

在汽车上使用便携式设备进行车辆排放测试，分析尾气气体。
图9：安装了商用PN-PEMS（AVL MOVE）和DTT PEMS的车辆。 请点击此处查看此图的放大版本。

3. 测量操作

  1. 加热并启动测量系统
    1. 打开两台CPC及其外部真空供应源。
    2. 在测量用笔记本电脑上打开CPC软件，并与CPC建立通信。通信可通过仪器专用软件或按照CPC手册中所述的串行通信方式进行。
    3. 关闭质量流量计（MFM）下游的针阀。
    4. 启动DTT采样系统的泵。
    5. 通过按下红色开关启动采样系统。
    6. 在计算机上打开LabVIEW DTT应用程序。系统将自动开始通信。
    7. DTT LabVIEW应用程序的图形用户界面（GUI）现在将显示一级和二级稀释阶段的进出流量，应为0.00 L/min。若非如此，请仔细检查针阀是否已完全关闭。
    8. 输入所连接测量仪器抽取的质量流量，单位为sL/min。若仪器抽气流量未知，可使用手持式质量流量计（例如Vögtlin red-y compact系列）进行测量。测量CPC抽气流量后，重新连接管路。
    9. 缓慢打开针阀，直至两个“流出流量”均达到10.0 ± 0.5 sL/min。此时两个“流入流量”将上升至与对应“流出流量”相同的数值。
    10. 调节两级稀释阶段的“附加流量”（即稀释空气流量与过剩流量之差），使通过催化 stripper 的流量QCS = 1.0 ± 0.1 L/min，采样入口流量Qsample = 1.0 ± 0.1 L/min。
    11. 点击“Heater”标签页以设置加热器温度。
    12. 将稀释空气供应、第一级多孔管稀释器和催化 stripper 的加热器温度均设为350 °C。系统将开始加热。在“Set”界面下方将显示当前温度及加热功率百分比。
    13. 在开始驾驶前，需等待一级稀释阶段下游的气体温度（GUI中显示为“T DilStage 1”）达到290 °C，此过程大约需要20分钟。
  2. 数据记录
    1. 开始记录连接至DTT采样系统的测量设备的数据。
    2. 点击“Start Data Logging”按钮，开始记录采样系统数据，并在弹出窗口中选择保存路径和文件名。日志文件路径将被显示，绿色指示灯表示数据正在保存。系统数据以2 Hz的频率进行记录。
    3. 使用适当的软件记录CPC的颗粒物浓度数据。可使用制造商提供的软件或串行通信软件（例如PuTTY）。
    4. 使用EFM开始记录排气流量。
  3. 驾驶过程
    1. 在开始预定路线驾驶前，断开电池充电电缆，并将固定式加压空气源切换至气瓶供气。
    2. 驾驶预定路线。
  4. 驾驶后操作
    1. 点击“Logging ...”以停止数据记录。关闭所有仪器。
  5. 为电池充电，以准备下一次驾驶。

4. 数据分析

  1. 将采样系统、排放流量测量装置（EFM）以及各测量设备的数据导入同一数据分析程序中。
  2. 根据排气从排气管末端传输至测量设备所需的时间，进行时间对齐。稀释系统中的传输时间 tdil 为 2.5 s。采样管路中的传输时间 tsample 可按以下公式计算：
    采样分析公式，t_sample=(A_sample*l_sample)/Q_sample，数学方程。
    其中，tsample 为采样管路中的传输时间（单位：秒），tdil 为稀释系统中的传输时间（2.5 s），Asample 为采样管路的横截面积（单位：m2），lsample 为从采样点到稀释系统入口的采样管路长度（单位：米），Q̇sample 为稀释系统的采样流量（单位：m3/s）。将 tsample 与 tdil 相加，得到总延迟时间 ttotal：
    时间计算公式：t_total = t_sample + t_dil；分析化学概念。
    注：例如，当采样管长度为 0.5 m、管内径为 4 mm、采样流量为 1 L/min 时，ttotal 等于 2.88 s。图 10 展示了实测颗粒数（蓝色虚线）与时间偏移后颗粒数（蓝色实线）进行时间对齐的一个示例。

PN 浓度与排气质量流量图；时间序列；排放分析结果。
图 10：实测颗粒物数量浓度 PN（#/cm3）与实测排气质量流量（kg/h）时间对齐示例。 请点击此处查看该图的放大版本。

  1. 为计算 PN #/s 中的颗粒物数量，需首先根据以下公式计算标准状态下的排气气体体积流量 V̇exhaust_norm（单位：cm3/s）：
    排气流量计算公式，用于气体性质和物理计算的 \( \dot{V}_{exhaust} \) 公式。
    其中，V̇exhaust_norm 表示标准状态下的排气体积流量（单位：m3/s），ṁexhaust 为实测排气质量流量（单位：kg/s），R 为空气的理想气体常数（287.1 J/kg·K），Tnorm 为标准状态下的温度（273.15 K），pnorm 为标准状态下的压力（101,330 Pa）。利用该标准状态下的排气体积流量，可通过将 V̇exhaust_norm 与采样系统的稀释比 DR、CPC 测得的颗粒物浓度 cPN 以及换算系数 106（用于将 m3 转换为 cm3）相乘，计算出颗粒物数量。
    颗粒物数量计算公式示意图，PN=V_exhaust*c_PN*DR*10^6，用于排放分析。
  2. 为校正颗粒物损失，应使用系统颗粒物浓度降低因子（PCRF）代替稀释比 DR，将其与排气颗粒物体积流量和颗粒物浓度相乘。关于 PCRF 的测定方法，详见校准说明第1节：
    颗粒物数量校正公式：PN_corr = V_exhaust_norm * C_PN * PCRF。

结果

校准数据（颗粒穿透）：

图11 显示了DTT系统相对颗粒穿透率随颗粒迁移率直径变化的典型曲线图。相应数据的测量与评估方法如第1节操作说明所述。该图表明，在相同迁移率直径下的两个测量点之间的偏差小于5%。偏差超过10%则表明实验装置存在不稳定性。在此情况下，必须通过延长预热稳定时间重新进行校准。预热时间（通常为30分钟）和稳定时间（通常为30秒）均增加至原来的1.5倍。

穿过 DTT 系统的颗粒因扩散和热泳作用而损失。热泳损失由温度梯度引起，该梯度将颗粒吸引至采样系统的管壁。这是一种与颗粒尺寸无关的效应29；相比之下，扩散损失则高度依赖于颗粒尺寸。浓度梯度导致颗粒向管壁发生净通量，从而造成颗粒损失。随着颗粒尺寸减小，扩散率升高，使得扩散成为粒径 ≤10 nm 颗粒的主要损失机制。图 11 中的曲线分别表示热泳损失、扩散损失和总损失，展示了各自对颗粒尺寸的依赖关系。对于扩散损失，采用以下函数来描述其近似的颗粒尺寸依赖性：

指数衰减公式 P=exp(-a/D(dp))，方程，概率分析。

渗透深度 P 取决于拟合参数 a 和扩散系数 D：

扩散系数方程 D=kT*Cc/(3πηdp)，与动态光散射研究相关。

扩散系数取决于玻尔兹曼常数 k、绝对温度 T、黏度 η、颗粒直径 dp 以及坎宁汉滑移修正因子 Cc，其中后者是平均自由程和颗粒直径的函数29。

图11 所示数据得到的平均颗粒穿透效率 Pmean 如下：

平均压力计算公式，P_mean 公式，数学方程，学术用途。

穿透效率达到50%时的粒径被称为d50。d50用于描述系统的穿透截止特性。对于DTT系统，其d50为11 nm。d50值如图11所示。

渗透率与 d_p 关系图；热泳、扩散分析；科学测量结果
图11：粒子穿透率随粒子迁移率直径的变化关系。
蓝色标记的点为测量结果。橙色虚线和绿色虚线分别表示与热泳和扩散相关的损失。红色实线表示扩散损失与热泳损失之和的总损失。紫红色点划线表示根据校准测量说明第1节计算得到的平均颗粒穿透率Pmean。 请点击此处以查看此图的放大版本。

固体颗粒数量：

图12 显示了RDE测量驾驶前10分钟内颗粒物数量排放速率随时间的变化。图中展示了使用10 nm和23 nm CPC的DTT PEMS数据，以及一套商用23 nm截止粒径系统的数据。颗粒物排放速率根据上述数据分析部分第4节所述方法，由相应的颗粒物浓度乘以排气流量计算得出。参考仪器（AVL MOVE）采用扩散充电器测量颗粒物数量浓度。尽管传感器原理不同，DTT PEMS测得的数据与商用PEMS测得的数据整体上具有很好的一致性。所有三条信号曲线中均出现明显的向下尖峰，这是由于颗粒物测量设备可能暂时报告零颗粒物浓度，而零值无法在对数坐标图中显示所致。在所示时间段的大部分时间内，使用10 nm CPC测得的颗粒物排放量与使用23 nm CPC测得的结果非常接近。 图12然而，在开始阶段的10秒至25秒之间，出现了一次显著的 <23 nm 粒子排放。DTT 10 nm 信号显著高于 DTT 系统和 AVL MOVE 的 23 nm 信号。在此情况下， >总排放颗粒物中，50%的颗粒粒径介于10 nm至23 nm之间。非热平衡状态下的冷启动动态过程可能导致颗粒物粒径分布与高温运行车辆的排放存在差异。30这些复杂过程的讨论已超出本研究的范围。有关该主题的更多信息可参见相关文献。31,32,33.

颗粒物事件分析；DTT纳米颗粒数；车辆速度；亚23纳米颗粒物事件数据。
图12：该图上半部分显示了RDE测量驾驶过程中前10分钟的颗粒物数量排放速率随时间的变化。
使用DTT便携式排放测量系统（PEMS）结合10 nm和23 nm凝结粒子计数器（CPC），以及商用23 nm切割点系统（AVL MOVE）测得的数据作为参考。图的下半部分显示了车辆行驶速度。请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

本研究介绍了DTT采样系统及其作为便携式排放测量系统的应用。该系统是在欧盟“地平线2020”计划DTT项目中设计和构建的，旨在实现低于现行法规规定的23 nm颗粒物尺寸限值的颗粒物数量排放测量。该系统的多功能性使其可用于评估受规管的固体颗粒物数量排放、总颗粒物排放，以及二次气溶胶的相关研究。为了准确解读测量结果，必须对DTT系统进行校准。校准的目的是评估不同粒径颗粒的相对穿透率，从而计算出用于修正颗粒物损失的校正因子。为获得准确的校准测量结果，必须为采样系统本身及整个实验装置提供足够的预热时间，以达到热平衡状态。

本文描述了使用 DTT 系统测量固体颗粒物数量排放的应用，其颗粒粒径检测下限分别为 23 nm（现行法规）和 10 nm（实验条件）。要评估车辆的颗粒物数量排放，必须确定颗粒物数量浓度和排气质量流量。DTT 系统用于颗粒物数量浓度的测量，而排气质量流量则通过排气流量计（EFM）进行测定。EFM 的安装必须严格遵循制造商的说明。排气流量测量错误会直接影响推导出的排放率。在处理测量数据时，必须对颗粒物浓度数据和排气流量数据进行精确的时间对齐。这是因为排放率等于排气流量乘以颗粒物数量浓度。如果两个信号未正确对齐，则整个行驶过程中的排放量可能显著偏离实际排放值。

DTT 系统并非商用设备，而是一种多功能的研究工具。该系统用于研究未受监管的车辆排放，而非进行验证是否符合现行法规的认证测量。其高灵活性的代价是能耗和稀释空气消耗的增加。在使用该系统进行移动测量时，必须考虑到为满足系统能量和空气消耗需求而增加的电池（30 kg）和气瓶（20 kg）所带来的车辆负载。当使用 DTT 系统测量颗粒物数量（PN）排放时，车辆增加的总重量约为 80 kg，相当于车内多载运一名乘客。这种额外重量可能导致排放轻微增加，尤其是在行驶过程中包含大量加速和/或爬坡的情况下。

DTT 系统可用于研究未受监管的<23 nm 粒子数量排放。既可测量固体粒子数量排放，也可测量总粒子数量排放。此外，该系统还可作为研究二次气溶胶形成这一复杂领域的有用工具。该系统的另一潜在应用是测量机动车制动磨损颗粒。制动过程中排放的颗粒中有相当一部分可小于 30 nm34。由于 DTT 系统的 d50 约为 11 nm，因此适用于研究此类排放。尽管已知非排气源排放对交通相关 PM10 排放的贡献几乎与排气源相当35，但非排气颗粒排放目前仍不受监管。这主要是由于颗粒生成过程复杂且难以重复，使得制定监管措施极为困难。此外，有机制动磨损颗粒的化学组成及其相关毒性至今仍知之甚少35。

DTT系统是提高我们对尾气和非尾气交通相关颗粒物排放认识的有效工具。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本工作是在H2020项目DownToTen的框架下进行的。该项目获得了欧盟“地平线2020”研究与创新计划在资助协议编号724085下的资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
2x 凝结粒子计数器 4 nmTSI3775粒径截止点为 4 nm 的粒子计数器
5x 质量流量控制器 (MFC)Vögtlin用于控制 miniCast 气体流量的质量流量控制器
AVL M.O.V.E. EFM 排气流量计AVL用于测量车辆排气流量的装置
催化 stripper定制通过氧化去除气溶胶中挥发性化合物的装置
压缩空气miniCast 的氧化和稀释空气供应
凝结粒子计数器 10 nmAVL粒径截止点为 10 nm 的粒子计数器
凝结粒子计数器 23 nmTSI3790A粒径截止点为 23 nm 的粒子计数器
差分迁移率分析仪TSI3085静电分类器的一部分，用于按粒子迁移率进行分离
稀释桥定制与 HEPA 过滤器并联的针阀，用于校准目的时调节粒子浓度
DownToTen 采样系统定制用于评估汽车亚 23 nm 粒子排放的定制采样系统
静电分类器TSI3082按电迁移直径对气溶胶粒子进行分类的装置
手持式质量流量计 (MFM)Vögtlin用于测量仪器进气流量的装置
miniCast 炭黑发生器Jing Ltd燃烧气溶胶标准源，炭黑发生器
移动电池 LPS 1500Clayton Power为 DTT 测量系统供电的电池
氮气瓶miniCast 的混合气体和淬火气体用氮气供应
丙烷气瓶miniCast 的燃料
软 X 射线中和器TSI3088用于建立气溶胶粒子平衡电荷分布的装置
合成空气瓶 10 L用于稀释空气供应的气瓶

参考文献

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23 DownToTen stripper 2020 DownToTen
使用便携式DownToTen采样系统测量低于23纳米的实际驾驶颗粒物数量排放
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