Name: Mesure des émissions du nombre de particules de conduite réelle du sous-23 Nanomètre à l’aide du système d’échantillonnage à faible valeur (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: Découvrez la mesure des émissions de particules sub-23 nm en conduite réelle avec le système DownToTen. Cette méthode portable évalue les nanoparticules automobiles non réglementées pour l'environnement.

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Ces travaux sont réalisés dans le cadre du projet H2020 DownToTen. Ce projet a reçu un financement du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de l’accord de subvention Nr. 724085.

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</ol>

Les auteurs n’ont rien à révéler.

Ce travail présente le système d’échantillonnage de la TNT et son application en tant que système portatif de mesure des émissions. Le système a été conçu et construit dans le cadre du projet DTT de l’UE Horizon 2020 afin de permettre des mesures d’émission de nombre de particules inférieures à la limite législative actuelle de la taille des particules de 23 nm. La polyvalence du système permet d’évaluer les émissions de particules solides réglementées ainsi que les émissions totales de particules et les études sur les aérosols secondaires. Pour interpréter les résultats de mesure avec précision, une procédure d’étalonnage est nécessaire avec le système DTT. Il s’agit d’évaluer la pénétration relative des particules pour différentes tailles de particules, pour être en mesure de calculer un facteur de correction qui explique les pertes de particules. Il est essentiel de fournir suffisamment de temps d’échauffement pour le système d’échantillonnage lui-même et le reste de la configuration expérimentale pour atteindre l’équilibre thermique et obtenir des résultats précis de mesure d’étalonnage.
L’application du système DTT pour la mesure des émissions de nombre de particules solides avec une coupure de taille de particules inférieure de 23 nm (régulation actuelle) et de 10 nm (expérimentale) est décrite. Pour être en mesure d’évaluer les émissions de nombre de particules d’un véhicule, il est nécessaire de déterminer la concentration du nombre de particules et le débit de masse d’échappement. Le système DTT couvre la mesure de la concentration des particules. Le débit de masse d’échappement est mesuré à l’aide d’un débitmètre d’échappement (EFM). Il est essentiel d’installer l’EFM selon les instructions du fabricant. Les mesures erronées du débit d’échappement affectent directement les taux d’émission déduits. Lors du traitement des données mesurées, il est important d’effectuer un alignement précis des données de concentration des particules et des données de débit d’échappement. Ceci est nécessaire parce que le taux d’émission est le débit d’échappement multiplié par la concentration du nombre de particules. Si les deux signaux ne sont pas alignés correctement, les émissions sur l’ensemble du disque peuvent s’écarter de manière significative des émissions réelles.
Le système DTT n’est pas un dispositif commercial mais un outil de recherche polyvalent. Il est utilisé pour étudier les émissions non réglementées des véhicules plutôt que d’effectuer des mesures de certification validant le respect de la réglementation en vigueur. La grande polyvalence se fait au prix d’une consommation accrue d’énergie et de dilution de l’air. Lors de l’utilisation du système pour les mesures mobiles, le poids ajouté au véhicule en raison de la batterie (30 kg) et la bouteille de gaz (20 kg) pour couvrir la consommation d’énergie et d’air du système doit être gardé à l’esprit. Le poids total ajouté à la voiture lors de la mesure des émissions de PN avec le système DTT est d’environ 80 kg, ce qui est comparable à celui d’une autre personne transportée dans le véhicule. Le poids supplémentaire peut conduire à des émissions légèrement accrues, surtout si le lecteur comprend beaucoup d’accélération et / ou de collines.
Le système DTT peut être utilisé pour étudier les émissions non réglementées d’échappement du numéro de particules <23 nm. Les émissions de nombre de particules solides et totales peuvent être mesurées. En outre, il peut être un outil utile pour étudier le domaine complexe de la formation secondaire d’aérosols. Une autre application possible du système est la mesure des particules d’usure des freins automobiles. Une fraction significative des particules émises lors des événements de freinage peut être inférieure à 30 nm34. Avec un d50 d’environ 11 nm, le système DTT est adapté à l’étude de ces émissions. Bien qu’on sache que les émissions non d’échappement contribuent presque également aux émissions de PM10 liées au trafic35,les émissions de particules non d’échappement ne sont toujours pas réglementées. Cela est dû au processus complexe et rarement reproductible de la génération de particules, ce qui rend très difficile l’organisation de mesures réglementaires. En outre, la composition chimique et la toxicité connexe des particules organiques d’usure des freins est encore largement inconnue35.
Le système DTT est un outil utile pour améliorer notre compréhension des émissions de particules liées au trafic d’échappement et non d’échappement.

<table><tbody><tr><td>2x compteur de particules de condensation 4 nm</td><td>TSI</td><td>3775</td><td>Compteur de particules avec un point de coupure de 4 nm</td></tr><tr><td>5x régulateurs de débit massique (MFC)</td><td>V&ouml ; gtlin</td><td></td><td>Régulateurs de débit massique pour le contrôle des débits de gaz miniCast</td></tr><tr>Débitmètre <td></td><td></td> de gaz<td>d’échappement AVL M.O.V.E. EFM</td><td>Appareil pour la mesure du débit d’échappement des véhicules</td></tr><tr><td>Décapant catalytique Appareil</td><td>sur</td><td></td> mesure <td>pour l’élimination des composés volatils dans un aérosol par oxydation</td></tr><tr><td>Air comprimé</td><td></td><td></td><td>Alimentation en air d’oxydation et de dilution pour miniCast</td></tr><tr><td>Compteur de particules à condensation 10 nm</td><td>AVL</td><td></td><td>Compteur de particules avec un point de coupure de 10 nm</td></tr><tr><td>Compteur de particules à condensation 23 nm</td><td>TSI</td><td>3790A</td><td>Compteur de particules avec un point de coupure de 23 nm</td></tr><tr><td>Analyseur de mobilité différentielle</td><td>TSI</td><td>3085</td><td>Partie du classificateur électrostatique où les particules sont séparées par mobilité.</td></tr><tr><td>Pont de dilution</td><td>Vanne</td> à pointeau sur <td></td> mesure <td>en parallèle aux filtres HEPA. Utilisé pour ajuster les concentrations de particules à des fins d’étalonnage</td></tr><tr><td>Système d’échantillonnage DownToTen</td><td>Système</td><td></td><td>d’échantillonnage sur mesure pour l’évaluation des émissions de particules automobiles inférieures à 23 nm</td></tr><tr><td>Classificateur électrostatique</td><td>TSI</td><td>3082</td><td>Dispositif pour la classification des particules d’arosol par diamètre de mobilité électrique</td></tr><tr><td>Débitmètre massique portatif (MFM)</td><td>V&ouml ; gtlin</td><td></td><td>Appareil de mesure du débit d’entrée des instruments de mesure</td></tr><tr><td>miniCast Générateur de suie Jing</td><td>Ltd</td><td></td><td>Norme d’aérosol Combastion, générateur de suie</td></tr><tr><td>Batterie mobile LPS 1500</td><td>Clayton Power</td><td></td><td>Battery pour l’alimentation du système de mesure DTT Bouteille d’azote</td></tr><tr><td>Azote</td><td></td><td></td><td>pour l’alimentation en gaz de mélange et en gaz de trempe du gaz propane miniCast</td></tr><tr><td> Bouteille</td><td></td><td></td><td>de carburant pour</td></tr><tr><td>neutralisateur de rayons X doux</td> miniCast <td>TSI</td><td>3088</td><td>Dispositif pour l’établissement de la distribution de charge d’équilibre des particules d’aérosol</td></tr><tr><td>Bouteille d’air synthétique Bouteille de gaz de 10 L</td><td></td><td></td><td>pour l’alimentation en air de dilution</td></tr></tbody></table>

mesure des émissions du nombre de particules de conduite réelle du sous-23 nanomètre à l’aide du système d’échantillonnage à faible valeur

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

Le seuil actuel de taille des particules des normes d’émission du nombre européen de particules (PN) est de 23 nm. Ce seuil pourrait changer parce que la future technologie des véhicules à moteur à combustion peut émettre de grandes quantités de particules de moins de 23 nm. Le projet financé par Horizon 2020, DownToTen (TNT), a mis au point une méthode d’échantillonnage et de mesure pour caractériser les émissions de particules dans cette gamme de tailles actuellement non réglementée. Un système de mesure pn a été mis au point à partir d’un examen approfondi de la littérature et des expériences de laboratoire testant une variété d’approches de mesure et d’échantillonnage du PN. Le système de mesure développé est caractérisé par une forte pénétration et polyvalence des particules, ce qui permet d’évaluer les particules primaires, les particules primaires retardées et les aérosols secondaires, à partir de quelques nanomètres de diamètre. Ce document fournit des instructions sur la façon d’installer et d’utiliser ce système portatif de mesure des émissions (PEMS) pour les émissions réelles (RDE) et d’évaluer les émissions de nombre de particules en dessous de la limite législative actuelle de 23 nm.

Données d’étalonnage (pénétration des particules):
La figure 11 montre une parcelle exemplaire de la pénétration relative des particules du système TNT en fonction du diamètre de la mobilité des particules. Les données correspondantes ont été mesurées et évaluées comme décrit dans la section 1 de l’instruction. L’intrigue montre que les écarts entre deux points de mesure au même diamètre de mobilité étaient inférieurs à 5%. Les écarts supérieurs à 10 % indiquent des instabilités dans la configuration expérimentale. Dans ce cas, l’étalonnage a dû être répété avec des temps de stabilisation accrus de réchauffement. Le temps d’échauffement (généralement 30 min) et le temps de stabilisation (généralement 30 s) ont augmenté d’un facteur de 1,5.
Les particules passant par le système DTT ont été perdues en raison de la diffusion et de la thermophorèse. Les pertes thermophorétiques ont été causées par un gradient de température qui a entraîné des particules vers les parois du système d’échantillonnage. Il s’agit d’un effet indépendant de la taille des particules29; en revanche, la diffusion dépend fortement de la taille des particules. Un gradient de concentration a provoqué un flux net de particules vers les murs où des particules ont été perdues. La diffusion augmentant avec la taille inférieure des particules en a fait le mécanisme de perte dominant pour les particules ≤10 nm. Les lignes de la figure 11 indiquant des pertes thermophorétiques, diffusionnelles et totales démontrent les dépendances respectives de la taille des particules. Pour les pertes de diffusion, cette fonction a été utilisée pour illustrer la dépendance approximative de la taille des particules :
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ11.jpg">
La pénétration P dépend d’un paramètre d’ajustement a et du coefficient de diffusion D:
<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ12.jpg">
Le coefficient de diffusion dépend de la constante boltzmann k, de la température absolue T, de la viscosité η, du diamètre des particules dp, et du facteur de correction de glissement Cunningham Cc, qui est fonction de la trajectoire libre moyenne et du diamètre des particules29.
Les données illustrées à la figure 11 ont donné lieu à l’efficacité moyenne de pénétration des particules P:
<img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ13.jpg">
La taille des particules où l’efficacité de pénétration s’élève à 50% est appelée d50. Le d50 décrit la caractéristique de coupure de pénétration d’un système. Pour le système DTT, le d50 était de 11 nm. Le d50 est indiqué à la figure 11.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig11.jpg"> Figure 11 : Pénétration des particules en fonction du diamètre de la mobilité des particules. Les points marqués en bleu sont des résultats de mesure. Les lignes pointillées en orange et vert indiquent les pertes associées à la thermophorèse et à la diffusion, respectivement. La ligne rouge représente les pertes totales comme la somme des pertes de diffusion et thermophorétiques. La ligne pourpre pointdashed montre la pénétration moyenne des particules Pmean tel que calculé dans la section d’instruction de mesure d’étalonnage 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig11large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>
Numéro de particule solide:
La figure 12 montre le taux d’émission du nombre de particules au fil du temps pendant les dix premières minutes d’un lecteur de mesure rde. Les données du PEMS DTT utilisant un CPC de 10 nm et un CPC de 23 nm sont affichées avec les données d’un système de points de coupe de 23 nm disponible dans le commerce. Les taux d’émission des particules ont été calculés à partir des concentrations de particules respectives multipliées par le débit d’échappement décrit ci-dessus dans la section 4 de l’instruction d’analyse des données. L’instrument de référence (AVL MOVE) s’appuyait sur un chargeur de diffusion pour la mesure de la concentration du nombre de particules. Malgré les différents principes du capteur, les données mesurées avec le PEMS DTT étaient globalement en très bon accord avec les données mesurées par le PEMS disponible dans le commerce. Des pics aigus vers le bas dans les trois signaux se sont produits parce que les dispositifs de mesure des particules peuvent signaler des concentrations de particules nulles temporairement et que les zéros ne peuvent pas être affichés dans les parcelles logarithmiques. Les émissions de particules mesurées avec le CPC de 10 nm étaient très proches des émissions mesurées avec le CPC de 23 nm pour la majorité de la période indiquée à la figure 12. Cependant, juste au début entre 10 s et 25 s il y avait une occurrence d’émission significative de particules de &lt;23 nm. Le signal DTT 10 nm était significativement supérieur au signal de 23 nm du système DTT et du MOUVEMENT AVL. Dans ce cas, &gt;50% du nombre total de particules émises se trouvaient entre 10 nm et 23 nm. Les processus dynamiques de démarrage à froid en équilibre non thermique peuvent faire en sorte que les distributions de la taille des particules diffèrent des émissions d’un véhicule chaud30. La discussion de ces processus complexes dépasse le cadre de ce travail. Plus d’informations sur ce sujet peuvent être trouvées dans la littérature31,32,33.
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig12.jpg"> Figure 12 : La partie supérieure de la figure montre le taux d’émission du nombre de particules au fil du temps pendant les 10 premières minutes d’un lecteur de mesure rde. Les données mesurées avec le PEMS DTT à l’aide de 10 nm et 23 nm CPC et un système de points de coupe de 23 nm (AVL MOVE) disponible dans le commerce sont utilisées comme référence. La partie inférieure de la figure indique la vitesse du véhicule. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig12large.jpg" target="_blank">Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.</a>

Présenté ici est le DownToTen (DTT) système de mesure des émissions portables pour évaluer les émissions réelles de conduite automobile de moins de 23 nm particules.

Mesure des émissions du nombre de particules de conduite réelle du sous-23 Nanomètre à l’aide du système d’échantillonnage à faible valeur

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

Ce protocole peut être utilisé pour acquérir une mesure mobile des émissions de particules de moins de 23 nanomètres actuellement non réglementées à l’aide d’un système conçu et construit dans le cadre du projet Horizon 2020 DownToTen. Les faibles pertes de particules dans le régime d’intérêt des sous-23 nanomètres et le degré élevé de polyvalence au sein du système ont permis d’évaluer les différentes propriétés des particules émises. Cette exception aux émissions d’échappement, Cette méthode serait idéale pour l’étude de la volatilité et les mécanismes de formation des particules nano-dimensionnées Commencer par choisir un compteur d’écoulement d’échappement avec une plage de mesure correspondant à la plage de débit d’échappement prévue du véhicule à mesurer.Placez la boîte de commande du compteur d’écoulement d’échappement dans le coffre du véhicule et installez le compteur d’écoulement d’échappement à l’extérieur de la voiture. Selon les spécifications du fabricant en prenant soin que la distance en amont et en aval du compteur se conforme au Règlement fédéral. Vérifiez que les connecteurs du tuyau du compteur d’écoulement d’échappement au tuyau d’échappement du véhicule peuvent résister aux températures des gaz d’échappement.Lorsque le compteur d’écoulement d’échappement a été installé, utilisez des tuyaux de raccordement et des pinces à tuyaux pour raccorder l’échappement au premier tuyau, en serrant les pinces du tuyau à l’extrémité seulement pour faciliter l’alignement des tuyaux pendant le raccord. Lorsqu’il y a une connexion entre l’échappement et le compteur d’écoulement d’échappement, placez la boîte de commande du compteur d’écoulement d’échappement et le support de montage du compteur d’échappement dans le coffre pour s’assurer que rien ne glisse pendant le voyage de mesure et vérifier que toute la tuyauterie est serrée et que rien ne se détachera pendant le voyage de mesure. Après un temps d’échauffement de jusqu’à 15 minutes, selon la température ambiante, le compteur d’écoulement de masse d’échappement est prêt à prendre des mesures.Pour installer le système de mesure DownToTen, placez la bouteille d’air synthétique dans le coffre et fixez la bouteille en place avec des sangles. Placez la batterie dans le coffre du véhicule et branchez le câble d’entrée AC, fixez la batterie en place et connectez le câble AC à une source d’énergie locale. Fixez les pompes à vide pour le système d’échantillonnage et les compteurs de particules de condensation dans le coffre du véhicule et connectez les pompes à la batterie.La prochaine place, le système DownToTen dans le coffre du véhicule et le fixer à la position avec des sangles connecter le système à la batterie mobile et connecter les deux contrôleurs de flux de masse d’entrée du système DownToTen, à un approvisionnement en air pressurisé stationnaire. connecter les deux contrôleurs de débit de masse de sortie du système DownToTen à la pompe à vide et utiliser le tube approprié pour conduire l’échappement de la pompe, à l’extérieur du véhicule. Utilisez un câble USB pour connecter le système DownToTen à l’ordinateur portable de mesure et connecter l’entrée du système au point d’échantillonnage, en aval du compteur d’écoulement d’échappement.Connectez l’entrée de puissance du système à la batterie et connectez les entrées de puissance du compteur de particules de condensation à la batterie. Connectez les compteurs de particules de condensation à la pompe à vide externe respective et utilisez le tube approprié pour conduire l’échappement du compteur de particules de condensation et de toute la pompe externe à l’extérieur du véhicule. Ensuite, utilisez un câble USB pour connecter les compteurs de particules de condensation à l’ordinateur portable de mesure Pour chauffer et démarrer le système de mesure, allumez les compteurs de particules de condensation et leur alimentation externe sous vide.Et ouvrez le logiciel condensation particle counter. Établissez la communication avec les compteurs de particules de condensation et fermez les vannes d’aiguille des contrôleurs de flux de masse. Ensuite, poussez le commutateur rouge de la pompe DownToTen Sampling System pour activer le système et ouvrir la vue de laboratoire DownToTen Application.La communication avec le système démarre automatiquement et l’interface utilisateur graphique affichera le flux dans et hors aux étapes de dilution un et deux. Entrez le flux de masse tiré par les instruments de mesure connectés dans les litres standard par minute et ouvrez lentement les vannes d’aiguille jusqu’à ce que les deux écoulements atteignent 10 plus ou moins 0,5 litres standard par minute Ajustez l’AdFlow des deux étapes de dilution de sorte que le débit dans la strip-teaseuse catalytique est égal à un plus ou moins 0,1 litres par minute à travers la strip-teaseuse catalytique et un flux d’entrée d’échantillon de catalytique débit d’échantillon strip-teaseuse équivaut à un plus ou moins 0,1 litres par minute. Sous l’onglet chauffage, réglez les températures de chauffage de l’alimentation en air de dilution.Le premier pours se penche Diluter et la strip-teaseuse catalytique à 350 degrés Celsius. Le système va commencer à chauffer. Ensuite, attendez jusqu’à ce que la température du gaz en aval dilution étape un, atteint 290 degrés Celsius avant de commencer le lecteur de mesure.Pour enregistrer les données, sur le dispositif de mesure connecté au système d’échantillonnage DownToTen, démarrez rapidement Data Logging’to start pour commencer à enregistrer les données du système d’échantillonnage. Et sélectionnez un chemin et un nom de fichier dans la fenêtre contextée. Le chemin de fichier journal sera affiché et le feu vert indiquera que les données sont enregistrées.Utilisez ensuite le logiciel approprié pour enregistrer les données de concentration de particules, du compteur de particules de condensation et commencer à enregistrer le flux d’échappement avec le compteur d’écoulement d’échappement. Pour enregistrer les données pendant la conduite, avant de conduire l’itinéraire choisi, déconnectez le câble de charge de la batterie et passez de l’alimentation en air pressurisé stationnaire à la bouteille de gaz. Ensuite, conduisez l’itinéraire sélectionné.Après avoir conduit, appuyez sur Connectez-vous pour arrêter l’enregistrement des données et arrêter les instruments. Ensuite, recharger la batterie pour se préparer pour le prochain lecteur Ici, une parcelle exemplaire de la pénétration relative des particules du système DownToTen en fonction du diamètre de mobilité des particules est montré. Les données thermophoredic, diffusionnelles et totales de perte ont été tracées pour déterminer les dépendances respectives de taille de particule.Dans cette analyse, la diffusion augmentant avec la taille inférieure de particule en a fait le mécanisme dominant de perte pour les particules inférieures ou égales à 10 nanomètres. L’efficacité totale de pénétration est également représentée, permettant de déterminer la taille des particules à laquelle l’efficacité de pénétration s’élève à 50%Ici, le taux d’émission de nombre de particules au fil du temps pour les 10 premières minutes d’un lecteur réel de mesure des émissions du lecteur est montré. Des pointes de pointage vers le bas dans les trois signaux se sont produites parce que les dispositifs de mesure des particules peuvent signaler temporairement zéro concentration de particules et que les zéros ne peuvent pas être affichés dans les parcelles logarithmiques.Les émissions de particules mesurées avec le compteur de particules de condensation de 10 nanomètres étaient très proches des émissions mesurées avec le compteur de particules de condensation de 23 nanomètres pendant la majeure partie de la période de mesure. Cependant, entre 10 et 25 secondes, il y a eu une occurrence d’émission significative de particules inférieure à 23 nanomètres. Comme dans cette analyse, plus de 50% du nombre total de particules émises, se trouvaient entre 10 et 23 nanomètres.Lorsque vous essayez cette procédure, il est important de se rappeler d’insérer correctement le compteur d’échappement et de fournir suffisamment de temps d’échauffement pour le système d’échantillonnage. La polyvalence et les faibles pertes du système DownToTen en font un outil idéal pour l’étude des émissions de particules non réglementées telles que les particules d’échappement totales. Ce système et cette méthode ont été utilisés dans le cadre du projet Horizon 2020 DownToTen pour évaluer les émissions de particules de moins de 23 nanomètres d’une variété de véhicules afin de fournir une base scientifique pour les futures réglementations sur les émissions.

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