Name: Medición de emisiones de número de partículas de conducción real de sub-23 nanómetros utilizando el sistema de muestreo portátil DownToTen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: Aprende a medir emisiones de partículas sub-23 nm en conducción real con el sistema portátil DownToTen. Este método evalúa nanopartículas no reguladas para investigar su volatilidad y mecanismos de formación en vehículos.

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Este trabajo se lleva a cabo en el marco del proyecto H2020 DownToTen. Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención Nr. 724085.

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</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Este trabajo presenta el sistema de muestreo de TDT y su aplicación como un sistema portátil de medición de emisiones. El sistema fue diseñado y construido dentro del proyecto de la UE Horizonte 2020 TDT para permitir mediciones de emisiones de número de partículas por debajo del límite de tamaño de partícula legislativo actual de 23 nm. La versatilidad del sistema permite evaluar las emisiones de número de partículas sólidas reguladas, así como las emisiones totales de partículas y los estudios sobre aerosoles secundarios. Para interpretar los resultados de la medición con precisión, es necesario un procedimiento de calibración con el sistema TDT. Esto es para evaluar la penetración relativa de partículas para diferentes tamaños de partículas, para poder calcular un factor de corrección que tenga en cuenta las pérdidas de partículas. Es fundamental proporcionar suficiente tiempo de calentamiento para que el propio sistema de muestreo y el resto de la configuración experimental alcancen el equilibrio térmico y logren resultados de medición de calibración precisos.
Se describe la aplicación del sistema TDT para la medición de emisiones de número de partículas sólidas con un menor límite de tamaño de partícula de 23 nm (regulación actual) y 10 nm (experimental). Para poder evaluar las emisiones del número de partículas de un vehículo es necesario determinar la concentración del número de partículas y el caudal de masa de escape. El sistema de TDT cubre la medición de la concentración del número de partículas. El flujo de masa de escape se mide utilizando un medidor de flujo de escape (EFM). Es fundamental instalar el EFM de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Las mediciones erróneas del caudal de escape afectan directamente a las tasas de emisión inducidas. Al procesar los datos medidos, es importante realizar una alineación de tiempo precisa de los datos de concentración de partículas y los datos de flujo de escape. Esto es necesario porque la tasa de emisión es el caudal de escape multiplicado por la concentración del número de partícula. Si las dos señales no están alineadas correctamente, las emisiones en todo el accionamiento pueden desviarse significativamente de las emisiones reales.
El sistema de TDT no es un dispositivo comercial, sino una herramienta de investigación versátil. Se utiliza para investigar las emisiones no reguladas de los vehículos en lugar de realizar mediciones de certificación que validen el cumplimiento de la normativa vigente. La alta versatilidad viene a costa de un mayor consumo de energía y dilución de aire. Cuando se utiliza el sistema para mediciones móviles, debe tenerse en cuenta el peso añadido al vehículo debido a la batería (30 kg) y la botella de gas (20 kg) para cubrir el consumo de energía y aire del sistema. El peso total añadido al coche al medir las emisiones de PN con el sistema TDT es de aproximadamente 80 kg, lo que es comparable a que otra persona se transporta en el vehículo. El peso añadido puede conducir a un ligero aumento de las emisiones, especialmente si la unidad incluye una gran cantidad de aceleración y / o colinas.
El sistema de TDT se puede utilizar para investigar las emisiones de escape del número de partícula no regulado <23 nm. Se pueden medir las emisiones de número de partículas sólidas y totales. Además, puede ser una herramienta útil para estudiar el complejo campo de la formación secundaria de aerosoles. Otra posible aplicación del sistema es la medición de partículas de desgaste de frenos automotrices. Una fracción significativa de las partículas emitidas durante los eventos de frenado puede ser menor que 30 nm34. Con un d50 de aproximadamente 11 nm, el sistema de TDT es adecuado para el estudio de estas emisiones. Aunque se sabe que las emisiones no de escape contribuyen casi igualmente a las emisiones de PM10 35relacionadas con el tráfico, las emisiones de partículas no de escape siguen sin estar reguladas. Esto se debe al complejo y rara vez reproducible proceso de generación de partículas, lo que hace muy difícil establecer acciones regulatorias. Además, la composición química y la toxicidad relacionada de las partículas orgánicas de desgaste de los frenos todavía es ampliamente desconocida35.
El sistema de TDT es una herramienta útil para mejorar nuestra comprensión de las emisiones de partículas relacionadas con el tráfico de escape y no de escape.

<table><tbody><tr><td>2x Contador de partículas de condensación 4 nm</td><td>TSI</td><td>3775</td><td>Contador de partículas con un punto de corte de 4 nm</td></tr><tr><td>5x Controladores de flujo másico (MFC)</td><td>V&ouml; gtlin</td><td></td><td>Controladores de caudal másico para el control de los caudales de gas miniCast</td></tr><tr><td>AVL M.O.V.E. EFM Caudalímetro de escape</td><td>AVL</td><td></td><td>Dispositivo para la medición del caudal de escape de vehículos</td></tr><tr><td>Separador catalítico</td><td>Dispositivo a</td><td></td> medida <td>para la eliminación de compuestos volátiles en un aerosol por oxidación</td></tr><tr><td>Aire</td><td></td><td></td> comprimido <td>Suministro de aire de oxidación y dilución para miniCast</td></tr><tr><td>Contador de partículas de condensación</td><td>AVL</td><td></td> de 10 <td>nm Contador de partículas con un punto de corte de 10 nm</td></tr><tr><td>Contador de partículas de condensación 23 nm</td><td>TSI</td><td>3790A</td><td>Contador de partículas con un punto de corte de 23 nm</td></tr><tr><td>Analizador de movilidad diferencial</td><td>TSI</td><td>3085</td><td>Parte del clasificador electrostático donde las partículas se separan por movilidad.</td></tr><tr><td>Puente de dilución</td><td>Válvula</td> de aguja hecha <td></td><td>a medida en paralelo a los filtros HEPA. Se utiliza para ajustar las concentraciones de partículas con fines de calibración</td></tr><tr><td>Sistema de muestreo DownToTen</td><td>Hecho</td><td></td> a medida <td>Sistema de muestreo a medida para la evaluación de las emisiones de partículas de automóviles por debajo de 23 nm</td></tr><tr><td>Clasificador electrostático</td><td>TSI</td><td>3082</td><td>Dispositivo para la clasificación de partículas de arosol por diámetro de movilidad eléctrica Medidor de</td></tr><tr><td>flujo másico de mano (MFM)</td><td>V&ouml; gtlin</td><td></td><td>Dispositivo para medir el caudal de entrada de los instrumentos de medición</td></tr><tr><td>Generador de hollín miniCast Jing</td><td>Ltd</td><td></td><td>Combastion aerosol estándar, generador de hollín</td></tr><tr><td>Batería móvil LPS 1500</td><td>Clayton Power</td><td></td><td>Batería para la alimentación del sistema de medición TDT</td></tr><tr><td>Botella de gas nitrógeno Nitrógeno</td><td></td><td></td><td>para la mezcla de gas y gas de enfriamiento suministro de miniCast</td></tr><tr><td>Gas propano Botella</td><td></td><td></td><td>de combustible para miniCast</td></tr><tr><td>Neutralizador de rayos X blando</td><td>TSI</td><td>3088</td><td>Dispositivo para el establecimiento de la distribución de la carga ecuilíbria de partículas de aerosol</td></tr><tr><td>Botella de aire sintético Botella de gas de 10 L</td><td></td><td></td><td>para el suministro de aire de dilución</td></tr></tbody></table>

medición de emisiones de número de partículas de conducción real de sub-23 nanómetros utilizando el sistema de muestreo portátil downtoten

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

El umbral actual de tamaño de partícula de las normas europeas de emisión del número de partículas (PN) es de 23 nm. Este umbral podría cambiar porque la tecnología futura del vehículo del motor de combustión puede emitir grandes cantidades de partículas inferiores a 23 nm. El proyecto financiado por Horizonte 2020 DownToTen (TDT) desarrolló un método de muestreo y medición para caracterizar las emisiones de partículas en este rango de tamaño actualmente no regulado. Se desarrolló un sistema de medición de PN basado en una extensa revisión de la literatura y los experimentos de laboratorio que prueban una variedad de enfoques de medición y muestreo de PN. El sistema de medición desarrollado se caracteriza por una alta penetración de partículas y versatilidad, que permite la evaluación de partículas primarias, partículas primarias retardadas y aerosoles secundarios, a partir de unos pocos nanómetros de diámetro. Este documento proporciona instrucciones sobre cómo instalar y operar este Sistema Portátil de Medición de Emisiones (PEMS) para mediciones de Emisiones de Unidad Real (RDE) y evaluar las emisiones del número de partículas por debajo del límite legislativo actual de 23 nm.

Datos de calibración (penetración departículas):
La Figura 11 muestra una gráfica ejemplar de la penetración relativa de partículas del sistema TDT en función del diámetro de la movilidad de partículas. Los datos correspondientes se han medido y evaluado como se describe en la sección 1 de la instrucción. La gráfica muestra que las desviaciones entre dos puntos de medición en el mismo diámetro de movilidad fueron inferiores al 5%. Las desviaciones superiores al 10% indican inestabilidades en la configuración experimental. En este caso, la calibración tuvo que repetirse con un mayor calentamiento de los tiempos de estabilización. Tanto el tiempo de calentamiento (normalmente 30 min) como el tiempo de estabilización (normalmente 30 s) aumentaron en un factor de 1,5.
Las partículas que pasaban a través del sistema TDT se perdieron debido a la difusión y la termoforesis. Las pérdidas termoforéticas fueron causadas por un gradiente de temperatura que dibujaba partículas hacia las paredes del sistema de muestreo. Este es un efecto independiente de tamaño de partícula29; en cambio, la difusión depende en gran medida del tamaño de las partículas. Un gradiente de concentración causó un flujo de partículas neta hacia las paredes donde se perdieron partículas. La difusividad que aumenta con un tamaño de partícula más bajo hizo de este el mecanismo de pérdida dominante para partículas ≤10 nm. Las líneas de la Figura 11 que indican pérdidas termoforéticas, difusivas y totales demuestran las respectivas dependencias de tamaño de partícula. Para las pérdidas de difusión, esta función se utilizó para ilustrar la dependencia aproximada del tamaño de partícula:
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ11.jpg">
La penetración P depende de un parámetro de ajuste a y del coeficiente de difusión D:
<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ12.jpg">
El coeficiente de difusión depende de la constante Boltzmann k, la temperatura absoluta T, la viscosidad η, el diámetro de partícula dp, y el factor de corrección de deslizamiento Cunningham Cc, que es una función de la trayectoria libre media y el diámetro de partícula29.
Los datos ilustrados en la Figura 11 dieron como resultado la siguiente media de eficiencia de penetración departículas P: P
<img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ13.jpg">
El tamaño de partícula donde la eficiencia de penetración asciende al 50% se conoce como d50. El d50 describe la característica de corte de penetración de un sistema. Para el sistema TDT el d50 era de 11 nm. El d50 se muestra en la figura 11.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig11.jpg"> Figura 11: Penetración de partículas en función del diámetro de la movilidad de partículas. Los puntos marcados en azul son resultados de medición. Las líneas discontinuas en naranja y verde indican las pérdidas asociadas con la termoforesis y la difusión, respectivamente. La línea roja representa las pérdidas totales como la suma de las pérdidas difusas y termoforéticas. La línea púrpura con puntos muestra la penetración media de partículas Pmean calculada en la sección 1 de la instrucción de medición de calibración. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig11large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>
Número de partículassólidas:
La Figura 12 muestra la tasa de emisión del número de partículas a lo largo del tiempo durante los primeros diez minutos de una unidad de medición RDE. Los datos del PEMS de TDT utilizando un CPC de 10 nm y un CPC de 23 nm se muestran junto con los datos de un sistema de punto de corte de 23 nm disponible comercialmente. Las tasas de emisión de partículas se calcularon a partir de las concentraciones de partículas respectivas multiplicadas por el caudal de escape descrito anteriormente en la sección 4 de la instrucción de análisis de datos. El instrumento de referencia (AVL MOVE) se basó en un cargador de difusión para la medición de la concentración del número de partículas. A pesar de los diferentes principios del sensor, los datos medidos con el PEMS de la TDT fueron en general en muy buen acuerdo con los datos medidos por el PEMS disponible comercialmente. Se produjeron picos afilados hacia abajo en las tres señales porque los dispositivos de medición de partículas pueden notificar temporalmente concentraciones de partículas cero y los ceros no se pueden mostrar en parcelas logarítmicas. Las emisiones de partículas medidas con el CPC de 10 nm fueron muy cercanas a las emisiones medidas con el CPC de 23 nm durante la mayor parte del período de tiempo indicado en la Figura 12. Sin embargo, justo al principio entre 10 s y 25 s hubo una ocurrencia de una emisión significativa de partículas &lt;23 nm. La señal de TDT 10 nm fue significativamente mayor que la señal de 23 nm del sistema TDT y el AVL MOVE. En este caso, &gt;50% del número total de partículas emitidas estaban entre 10 nm y 23 nm. Los procesos dinámicos de arranque en frío en equilibrio no térmico pueden hacer que las distribuciones de tamaño de partícula difieran de las emisiones de un vehículo caliente30. La discusión de estos complejos procesos está fuera del alcance de este trabajo. Puede encontrar más información sobre este tema en la literatura31,32,33.
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig12.jpg"> Figura 12: La parte superior de la figura muestra la tasa de emisión del número de partículas a lo largo del tiempo durante los primeros 10 minutos de una unidad de medición RDE. Los datos medidos con el PEMS de TDT utilizando CPC de 10 nm y 23 nm y un sistema de punto de corte de 23 nm disponible comercialmente (AVL MOVE) se utilizan como referencia. La parte inferior de la figura muestra la velocidad del vehículo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig12large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a>

Aquí se presenta el sistema de medición de emisiones portátil DownToTen (TDT) para evaluar las emisiones automotrices reales de partículas de menos de 23 nm.

Medición de emisiones de número de partículas de conducción real de sub-23 nanómetros utilizando el sistema de muestreo portátil DownToTen

The current particle size threshold of the European Particle Number (PN) emission standards is 23 nm. This threshold could change because future ...

Este Protocolo se puede utilizar para adquirir una medición móvil de las emisiones de partículas de sub-23 nanómetros no reguladas actualmente utilizando un sistema diseñado y construido en el proyecto DownToTen de Horizonte 2020. Bajas pérdidas de partículas en el Régimen de Interés Sub-23 Nanómetros y el alto grado de versatilidad dentro del sistema permitieron evaluar las diferentes propiedades de las partículas emitidas. Esta excepción a las emisiones de escape, Este método sería ideal para la investigación de la volatilidad y los mecanismos de formación de partículas de tamaño nanoneso Comience seleccionando un medidor de flujo de escape con un rango de medición que coincida con el rango de flujo de escape esperado del vehículo a medir.Coloque la caja de control del medidor de flujo de escape en el maletero del vehículo e instale el caudalímetro de escape en el exterior del coche. De acuerdo con las especificaciones del fabricante teniendo cuidado de que la distancia aguas arriba y aguas abajo del medidor cumplen con las regulaciones federales. Compruebe que los conectores del tubo del medidor de flujo de escape al tubo de escape del vehículo puedan soportar las temperaturas de los gases de escape.Cuando se ha instalado el medidor de flujo de escape, utilice tubos de conexión y abrazaderas de tubería para conectar el escape al primer tubo, apretando las abrazaderas de la tubería al final sólo para facilitar la alineación de los tubos durante el montaje. Cuando hay una conexión desde el escape al medidor de flujo de escape coloque la caja de control del medidor de flujo de escape y el soporte de montaje del medidor de flujo de escape en el maletero para asegurarse de que nada se desliza durante el viaje de medición y compruebe que toda la tubería está apretada y que nada se soltará durante el viaje de medición. Después de un tiempo de calentamiento de hasta 15 minutos, dependiendo de la temperatura ambiente, el medidor de flujo de masa de escape está listo para tomar medidas.Para instalar el sistema de medición DownToTen, coloque la botella de aire sintética en el maletero y fije la botella en su lugar con correas. Coloque la batería en el maletero del vehículo y conecte el cable de entrada de CA, fije la batería en su lugar y conecte el cable de CA a una fuente de alimentación local. Fije las bombas de vacío para el sistema de muestreo y los contadores de partículas de condensación en el maletero del vehículo y conecte las bombas a la batería.Siguiente lugar, el sistema DownToTen en el maletero del vehículo y fijarlo a la posición con correas conectar el sistema a la batería móvil y conectar los dos controladores de flujo de masa de entrada del sistema DownToTen, a un suministro de aire presurizado estacionario. conecte los dos controladores de flujo de masa de salida del sistema DownToTen, a la bomba de vacío y utilice el tubo adecuado para conducir el escape de la bomba, fuera del vehículo. Utilice un cable USB para conectar el sistema DownToTen al portátil de medición y conectar la entrada del sistema al punto de muestreo, aguas abajo del medidor de flujo de escape.Conecte la entrada de alimentación del sistema a la batería y conecte las entradas de alimentación del contador de partículas de condensación a la batería. Conecte los contadores de partículas de condensación a la bomba de vacío externa respectiva y utilice un tubo adecuado para controlar el escape del contador de partículas de condensación y toda la bomba externa fuera del vehículo. A continuación, utilice un cable USB para conectar los contadores de partículas de condensación al portátil de medición Para calentar y poner en marcha el sistema de medición, Encienda los contadores de partículas de condensación y su suministro de vacío externo.Y abra el software de contador de partículas de condensación. Establezca la comunicación con los contadores de partículas de condensación y cierre las válvulas de aguja de los controladores de flujo de masa. A continuación, presione el interruptor rojo de la bomba DownToTen Sampling System para encender el sistema y abrir la vista de laboratorio DownToTen Application.La comunicación con el sistema se iniciará automáticamente y la interfaz gráfica de usuario mostrará el flujo de entrada y salida en las etapas de dilución uno y dos. Introduzca el flujo de masa dibujado por los instrumentos de medición conectados en litros estándar por minuto y abra lentamente las válvulas de la aguja hasta que ambos fluyan alcancen 10 más o menos 0,5 litros estándar por minuto Ajuste el Flujo de cobertura de ambas etapas de dilución de modo que el caudal en la Stripper catalítico sea igual a uno más o menos 0,1 litros por minuto a través de la Stripper catalítico y una muestra en flujo de muestra de catalítico o menos 0,1 litros por minuto. Bajo la pestaña del calentador, ajuste las temperaturas del calentador del suministro de aire de dilución.El diluyor de la estación First Pours y la stripper catalítica a 350 grados Celsius. El sistema comenzará a calentarse. A continuación, espere hasta que la temperatura del gas en la etapa de dilución aguas abajo uno, alcance 290 grados Celsius antes de iniciar la unidad de medición.Para registrar los datos, en el dispositivo de medición conectado al sistema de muestreo DownToTen, inicie rápidamente el registro de datos para iniciar el registro de los datos del sistema de muestreo. Y seleccione una ruta y un nombre de archivo en la ventana emergente. Se mostrará la ruta del archivo de registro y la luz verde indicará que los datos se guardan.A continuación, utilice el software adecuado para registrar los datos de concentración de partículas, del contador de partículas de condensación y empezar a registrar el flujo de escape con el medidor de flujo de escape. Para registrar los datos mientras conduce, antes de conducir la ruta seleccionada, desconecte el cable de carga de la batería y cambie del suministro de aire presurizado estacionario a la botella de gas. A continuación, conduzca la ruta seleccionada.Después de conducir, pulse Iniciar sesión para detener la grabación de los datos y apagar los instrumentos. A continuación, recargue la batería para prepararse para la siguiente unidad Aquí, se muestra una gráfica ejemplar de la Penetración relativa de partículas del sistema DownToTen en función del diámetro de movilidad de las partículas. Los datos de pérdida termofódica, difusión y total se trazaron para determinar las respectivas dependencias de tamaño de partícula.En este análisis, la difusividad que aumenta con el tamaño de partícula más bajo hizo de este el mecanismo de pérdida dominante para partículas menores o iguales a 10 nanómetros. También se representa la eficiencia de penetración total, lo que permite determinar el tamaño de partícula en el que la eficiencia de penetración asciende al 50% Aquí, se muestra la tasa de emisión del número de partícula a lo largo del tiempo durante los primeros 10 minutos de un accionamiento de medición de emisiones de accionamiento real. Se produjeron picos agudos hacia abajo en las tres señales porque los dispositivos de medición de partículas pueden notificar temporalmente concentraciones de partículas cero y los ceros no se pueden mostrar en parcelas logarítmicas.Las emisiones de partículas medidas con el contador de partículas de condensación de 10 nanómetros fueron muy cercanas a las emisiones medidas con el contador de partículas de condensación de 23 nanómetros durante la mayor parte del período de medición. Sin embargo, entre 10 y 25 segundos, hubo una ocurrencia de una emisión significativa de partículas inferiores a 23 nanómetros. Al igual que en este análisis, más del 50% del número total de partículas emitidas, se encontraban entre 10 y 23 nanómetros.Al intentar este procedimiento, es importante recordar insertar correctamente el medidor de escape y proporcionar suficiente tiempo de calentamiento para el sistema de muestreo. La versatilidad y las bajas pérdidas del sistema DownToTen lo convierten en una herramienta ideal para la investigación de emisiones de partículas no reguladas como y partículas de escape totales. Este sistema y método se utilizaron en el proyecto DownToTen de Horizonte 2020 para evaluar las emisiones de partículas de nanómetros Sub-23 de una variedad de vehículos para proporcionar una base científica para futuras regulaciones de emisiones.

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