Name: 使用便携式 DownToTen 采样系统测量低于 23 纳米实际驱动粒子数排放 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: 了解如何使用DownToTen便携式采样系统在实际驾驶条件下测量低于23纳米的颗粒物排放。该方法可有效评估汽车尾气中纳米级颗粒物的形成机制与挥发性特征，为环境科学研究提供重要数据支持。

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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。

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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&#60;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。

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 &lt;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 &gt;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。
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>阶段</td>
			<td>组件</td>
			<td>功能</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>0</td>
			<td>样品来源</td>
			<td>样品的来源</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1</td>
			<td>颗粒物传输</td>
			<td>将样品从来源处输送至测量系统</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2</td>
			<td>挥发性颗粒去除器</td>
			<td>去除挥发性物质，确定待测的非挥发性颗粒</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3</td>
			<td>颗粒计数器</td>
			<td>计数非挥发性颗粒，并确定可测颗粒的最小尺寸下限</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
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 &lt;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 &gt;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 &lt;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：
<ol>
	<li>第一级颗粒物数量稀释阶段</li>
	<li>碳氢化合物/挥发性物质去除阶段</li>
	<li>第二级颗粒物数量稀释阶段</li>
</ol>
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：
<ol>
	<li>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</li>
	<li>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</li>
	<li>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</li>
</ol>
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）。
<img alt="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。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig01.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1：DTT颗粒物数量便携式排放测量系统的示意图。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig01large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="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。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig02.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图2"> 
图2：DTT采样系统的俯视图。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig02large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
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（&lt;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。
<img alt="样品分析的传热方程，ΣQ 系统，热力学过程图。" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ01.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 1">
总稀释倍数 DR 的计算公式如下：
<img alt="动态范围方程示意图；显示包含符号变量的 DR 计算公式。" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ02.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Equation 2">
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 &lt;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。
<img alt="催化脱除过程中稀释阶段的控制界面；流量、压力、温度设置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig03.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图3"> 
图3：DTT虚拟仪器稀释阶段参数概览。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig03large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="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。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig04.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图4"> 
图4：DTT虚拟仪器加热器控制面板。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig04large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
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。
<img alt="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。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig05.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 5"> 
图 5：用于 DTT 采样系统校准的实验装置示意图。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig05large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

<table><tbody><tr><td>2x 凝结粒子计数器 4 nm</td><td>TSI</td><td>3775</td><td>粒径截止点为 4 nm 的粒子计数器</td></tr><tr><td>5x 质量流量控制器 (MFC)</td><td>V&amp;ouml;gtlin</td><td></td><td>用于控制 miniCast 气体流量的质量流量控制器</td></tr><tr><td>AVL M.O.V.E. EFM 排气流量计</td><td>AVL</td><td></td><td>用于测量车辆排气流量的装置</td></tr><tr><td>催化 stripper</td><td>定制</td><td></td><td>通过氧化去除气溶胶中挥发性化合物的装置</td></tr><tr><td>压缩空气</td><td></td><td></td><td>miniCast 的氧化和稀释空气供应</td></tr><tr><td>凝结粒子计数器 10 nm</td><td>AVL</td><td></td><td>粒径截止点为 10 nm 的粒子计数器</td></tr><tr><td>凝结粒子计数器 23 nm</td><td>TSI</td><td>3790A</td><td>粒径截止点为 23 nm 的粒子计数器</td></tr><tr><td>差分迁移率分析仪</td><td>TSI</td><td>3085</td><td>静电分类器的一部分，用于按粒子迁移率进行分离</td></tr><tr><td>稀释桥</td><td>定制</td><td></td><td>与 HEPA 过滤器并联的针阀，用于校准目的时调节粒子浓度</td></tr><tr><td>DownToTen 采样系统</td><td>定制</td><td></td><td>用于评估汽车亚 23 nm 粒子排放的定制采样系统</td></tr><tr><td>静电分类器</td><td>TSI</td><td>3082</td><td>按电迁移直径对气溶胶粒子进行分类的装置</td></tr><tr><td>手持式质量流量计 (MFM)</td><td>V&amp;ouml;gtlin</td><td></td><td>用于测量仪器进气流量的装置</td></tr><tr><td>miniCast 炭黑发生器</td><td>Jing Ltd</td><td></td><td>燃烧气溶胶标准源，炭黑发生器</td></tr><tr><td>移动电池 LPS 1500</td><td>Clayton Power</td><td></td><td>为 DTT 测量系统供电的电池</td></tr><tr><td>氮气瓶</td><td></td><td></td><td>miniCast 的混合气体和淬火气体用氮气供应</td></tr><tr><td>丙烷气瓶</td><td></td><td></td><td>miniCast 的燃料</td></tr><tr><td>软 X 射线中和器</td><td>TSI</td><td>3088</td><td>用于建立气溶胶粒子平衡电荷分布的装置</td></tr><tr><td>合成空气瓶 10 L</td><td></td><td></td><td>用于稀释空气供应的气瓶</td></tr></tbody></table>

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

Measuring Sub-23 Nanometer Real Driving Particle Number Emissions Using the Portable DownToTen Sampling System

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。

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：
<img alt="指数衰减公式 P=exp(-a/D(dp))，方程，概率分析。" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ11.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 11">
渗透深度 P 取决于拟合参数 a 和扩散系数 D：
<img alt="扩散系数方程 D=kT*Cc/(3πηdp)，与动态光散射研究相关。" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ12.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="方程 12">
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：
<img alt="平均压力计算公式，P_mean 公式，数学方程，学术用途。" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ13.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="公式 13">
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。
<img alt="渗透率与 d_p 关系图；热泳、扩散分析；科学测量结果" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig11.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图11"> 
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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig11large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
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 &lt;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， &gt;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.
<img alt="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。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig12.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图12"> 
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。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig12large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>

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)。

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

目前，欧洲颗粒物数量（PN）排放标准的粒径阈值为23 nm。该阈值可能发生变化，因为未来……

该方案可用于获取当前尚未受监管的亚23纳米颗粒排放物的移动测量数据，所用系统由“地平线2020”计划项目DownToTen设计并构建。该系统在目标亚23纳米粒径范围内的颗粒物损失极低，且具备高度灵活性，因而能够评估所排放颗粒物的不同特性。针对尾气排放的这一例外情况，本方法特别适用于研究纳米级颗粒的挥发性及其形成机制。首先，选择一个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。将排气流量计控制箱放置在车辆的后备箱内，并在车外安装排气流量计。根据制造商的技术要求进行安装，确保流量计上下游距离符合联邦法规的规定。检查排气流量计管道与车辆排气管之间的连接部件是否能够耐受排气温度。安装排气流量计后，使用连接管和管夹将排气口与第一根管道相连，仅在末端拧紧管夹，以便在安装过程中便于管道对齐。当排气口与排气流量计连接完成后，将排气流量计控制箱和排气流量计安装支架放置于车辆后备箱内，确保在测量行驶过程中不会发生滑动，并检查所有管路连接是否紧密，防止在测量过程中出现松脱。根据环境温度的不同，经过最长15分钟的预热时间后，排气质量流量计即可准备就绪，开始进行测量。 安装 DownToTen 测量系统时，将合成空气瓶放入车辆后备箱，并用绑带固定。将电池放入车辆后备箱，插入交流输入电缆，固定电池位置，并将交流电缆连接至本地电源。将采样系统的真空泵和凝结粒子计数器的真空泵固定在车辆后备箱内，并将泵连接至电池。接下来，将DownToTen系统放置于车辆后备箱内，并使用绑带将其固定到位。将系统连接至移动电池组，并将DownToTen系统的两个进气质量流量控制器连接至固定的加压空气供应源。将DownToTen系统的两个出口气体质量流量控制器连接至真空泵，并使用合适的管路将泵的排气引至车外。使用USB线缆将DownToTen系统连接至测量用笔记本电脑，并将系统的进气口连接至排气流量计下游的采样点。将系统电源输入端连接至电池，并将冷凝粒子计数器的电源输入端连接至电池组。将冷凝粒子计数器连接至相应的外部真空泵，并使用合适的管路将冷凝粒子计数器及所有外部泵的排气引至车外。然后使用USB线缆将冷凝粒子计数器连接至测量用笔记本电脑。为加热并启动测量系统，请打开冷凝粒子计数器及其外部真空泵电源。打开冷凝粒子计数器软件。与冷凝粒子计数器建立通信，并关闭质量流量控制器的针阀。接下来，按下 DownToTen 采样系统泵的红色开关以启动系统，并打开 LabVIEW DownToTen 应用程序。系统通信将自动开始，图形用户界面将显示一级和二级稀释阶段的流入和流出流量。输入连接的测量仪器所抽取的质量流量（单位为标准升/分钟），并缓慢打开针阀，直至两个流出流量均达到10 ± 0.5 标准升/分钟。调节两个稀释阶段的AdFlow，使通过催化去除器的流量等于1 ± 0.1 升/分钟，同时催化去除器的样品入口流量也等于1 ± 0.1 升/分钟。在加热器选项卡下，设置稀释空气供应的加热器温度。首先将稀释器和催化裂解器加热至350摄氏度。系统将开始升温。然后等待稀释阶段一的下游气体温度达到290摄氏度后，再开始测量运行。为记录数据，请在连接至 DownToTen 采样系统的测量设备上，快速启动“数据记录”以开始记录采样系统的数据。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，绿灯将指示数据正在保存。然后使用适当的软件记录凝结粒子计数器的粒子浓度数据，并开始使用排气流量计记录排气流量。在驾驶过程中记录数据时，应在驾驶选定路线前，断开电池充电电缆，并将静态加压空气供应切换为气瓶供气。随后驾驶选定路线。驾驶结束后，按“Log IN”以停止数据记录并关闭仪器。然后为电池充电，为下一次驾驶做好准备。此处展示了 DownToTen 系统的相对颗粒物穿透率随颗粒物迁移直径变化的典型图谱。通过绘制热泳、扩散及总损失数据，确定了各自颗粒物尺寸的依赖关系。在此分析中，随着颗粒尺寸减小，扩散系数上升，使得扩散成为粒径小于或等于10纳米颗粒的主要损失机制。图中还展示了总穿透效率，可用于确定穿透效率达到50%时对应的颗粒粒径。此处显示的是实际驾驶排放测量过程中前10分钟内颗粒物数量排放速率随时间的变化。三种信号中均出现了急剧向下的尖峰，这是由于颗粒物测量设备可暂时报告零浓度颗粒物，而零值无法在对数坐标图中显示所致。在测量周期的大部分时间内，使用10纳米冷凝粒子计数器测得的颗粒物排放量与使用23纳米冷凝粒子计数器测得的排放量非常接近。然而，在10至25秒之间，出现了显著的粒径小于23纳米的颗粒物排放。在本项分析中，排放的颗粒物总数中超过50%的粒径介于10至23纳米之间。在进行该操作时，重要的是要牢记正确插入排气检测仪，并为采样系统提供足够的预热时间。DownToTen 系统具有高灵活性和低损失特性，是研究非法规管控颗粒物排放（如总排气颗粒物）的理想工具。该系统与方法已被 Horizon 2020 DownToTen 项目用于评估多种车辆的亚 23 纳米颗粒物排放，为未来排放法规的制定提供科学依据。

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科研

JoVE Journal

Engineering

工程

使用便携式 DownToTen 采样系统测量低于 23 纳米实际驱动粒子数排放

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全身纳米颗粒气溶胶吸入暴露

本文介绍了一种实验方案，用于研究产品在摩擦和环境风化作用下颗粒物的气溶胶化过程。文中展示了以气溶胶形式释放的工程纳米材料的排放结果，并详细描述了特定的实验装置。...

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我们设计并开发了一种高效的纳米粉末气溶胶化装置及操作方案。该系统能够长时间生成具有稳定粒子数量浓度和粒径分布的纳米颗粒气溶胶，且仅需少量测试材料（最少200...

一种从纳米粉末产生稳定纳米颗粒气溶胶的系统

采用包含冷凝粒子计数器、光学粒子计数器以及用于收集滤膜样品以进行显微镜分析的采样口的腔室系统来测试纳米颗粒的释放。该腔室系统可有效用于纳米材料释放的测试，获得可重复且一致的数据范围。...

使用腔室系统检测含纳米材料复合物中纳米颗粒的释放

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流动管反应器中有机颗粒物的生成与测量

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