Artykuł metodologiczny

Pomiar rzeczywistej liczby cząstek stałych w ruchu poniżej 23 nanometrów za pomocą przenośnego systemu pobierania próbek DownToTen

6.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/61287

⸱

22 maja 2020

 ,  ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

Prezentowany tutaj jest przenośny system pomiaru emisji DownToTen (DTT) do oceny rzeczywistych emisji samochodowych cząstek poniżej 23 nm.

Streszczenie

Obecny próg wielkości cząstek w europejskich normach emisji liczby cząstek (PN) wynosi 23 nm. Próg ten może ulec zmianie, ponieważ przyszła technologia pojazdów z silnikami spalinowymi może emitować duże ilości cząstek o długości fali poniżej 23 nm. W ramach finansowanego w ramach programu "Horyzont 2020" projektu DownToTen (DTT) opracowano metodę pobierania próbek i pomiaru w celu scharakteryzowania emisji cząstek w tym obecnie nieuregulowanym zakresie wielkości. System pomiaru cząstek stałych został opracowany w oparciu o obszerny przegląd literatury i eksperymentów laboratoryjnych, w których testowano różne podejścia do pomiaru i pobierania próbek cząstek stałych. Opracowany system pomiarowy charakteryzuje się wysoką penetracją cząstek i wszechstronnością, co umożliwia ocenę cząstek pierwotnych, opóźnionych cząstek pierwotnych i aerozoli wtórnych, począwszy od kilku nanometrów średnicy. Niniejszy dokument zawiera instrukcje dotyczące instalacji i obsługi przenośnego systemu pomiaru emisji (PEMS) do pomiarów emisji w rzeczywistych warunkach jazdy (RDE) oraz oceny emisji cząstek stałych poniżej obecnego limitu prawnego wynoszącego 23 nm.

Wprowadzenie

Program Pomiaru Cząstek (Particle Measurement Programme, PMP) został powołany przez rząd Wielkiej Brytanii w celu „opracowania protokołów testowych dla homologacji typów w celu oceny pojazdów wyposażonych w zaawansowaną technologię redukcji cząstek, która uzupełni lub zastąpi obecne ustawowe procedury pomiarowe”1. PMP jest pierwszą na świecie regulacją emisji opartą na liczbie cząstek, ukierunkowaną specjalnie na cząstki węglowe ≥23 nm. Ostatnie pomiary wskazują, że konieczne może być uwzględnienie mniejszych cząstek.

Negatywny wpływ sadzy z oleju napędowego na zdrowie jest dobrze znany2, w związku z czym przywołano „zasadę ostrożności”, uznając, że eliminacja cząstek węgla z spalin silników Diesla poprzez obowiązkowe stosowanie filtrów cząstek stałych (DPF) jest konieczna ze względów zdrowotnych. Jednakże, ponieważ w ustawodawstwie europejskim wprowadzenie technologii kontroli emisji musi być wymuszone przez określoną wartość graniczną, nie można było tego osiągnąć bez odpowiedniej metody pomiarowej. Przy silnym wsparciu politycznym w całej Europie, rząd Wielkiej Brytanii zainicjował koncepcję PMP w celu ulepszenia pomiarów cząstek. PMP, pod auspicjami Europejskiej Komisji Gospodarczej Narodów Zjednoczonych (UN-ECE)3, wykorzystała wiedzę ekspertów z całego świata. W 2001 roku zakończono dwa projekty badawcze dotyczące cząstek. Jeden z nich (Particulate Research4) został przeprowadzony przez brytyjskie Ministerstwo Środowiska, Transportu i Regionów (DETR) we współpracy z Towarzystwem Producentów i Handlarzy Silnikami (SMMT) oraz Europejską Organizacją Firm Naftowych ds. Środowiska, Zdrowia i Bezpieczeństwa (CONCAWE). Drugi projekt (PARTICULATES5) był finansowany z 5th Programu Ramowego Unii Europejskiej i został zrealizowany przez 14 różnych europejskich partnerów. Wyniki obu projektów wykazały, że procedury oparte na liczbie cząstek są obiecujące, jednak nadal istnieją wyzwania w zakresie powtarzalności i odtwarzalności pomiarów.

W 2007 roku opublikowano raport końcowy z międzylaboratoryjnego badania korelacyjnego PMP dla pojazdów lekkich6, który zawierał pewne ulepszenia metody pomiaru masy opartej na filtrach, wykazując przede wszystkim wykonalność metody opartej na liczbie cząstek do celów regulacyjnych w oparciu o zdefiniowany zakres wielkości cząstek i ich lotność. Obie metody wdrożono w oparciu o pobieranie próbek z istniejącego tunelu rozcieńczeń w systemie CVS (constant volume sampler), pierwotnie opracowanego do pomiarów masy pyłów oraz pomiarów gazowych emisji rozcieńczonych w workach.

W metodzie opartej na liczeniu cząstek wybrano dolną granicę rozmiaru cząstek wynoszącą ~20 nm. Głównym celem projektu było zapewnienie, aby cząstki o tym rozmiarze i większe były objęte regulacjami prawnymi. Obecnie wiadomo, że pierwotny rozmiar cząstek w spalinach silnika może wynosić <20 nm7,8,9. Z powodów praktycznych wybrano licznik cząstek o 50% wydajności liczenia (d50) przy 23 nm i rozmiar ten stał się przyjętym dolnym progiem wielkości. Uznano, że ze względu na wysoką wrażliwość na takie właściwości jak rozcieńczenie, temperatura powietrza, wilgotność i stosunek10, rozkład wielkości cząstek lotnych i zintegrowane pomiary liczby cząstek mogły być powtarzalne w jednej placówce wyposażonej w system CVS z jednym pojazdem, ale w znacznie mniejszym stopniu między różnymi placówkami. W związku z tym, w celu wprowadzenia rygorystycznych przepisów, konieczne było skupienie się wyłącznie na cząstkach nielotnych, przy czym podejście pomiarowe skutecznie definiowało regulacyjne warunki brzegowe cząstek w zakresie rozmiaru i lotności. Europejskie paliwo olej napęd końcową lotność taką, że tylko kilka procent wrze w temperaturach powyżej 350 °C, a wczesne prace w ramach PMP wykazały, że krótkie czasy przebywania w tej temperaturze były odpowiednie dla całkowitego odparowania tetrakontanu, liniowego węglowodoru zawierającego 40 atomów węgla o lotności zbliżonej do końcowej temperatury wrzenia smaru silnikowego11. W rezultacie temperatura 350 °C stała się de facto punktem odniesienia dla regulacyjnej lotności cząstek >23 nm.

Specyfikacja systemu pomiarowego PMP obejmuje komponenty do pobierania próbek, przygotowania próbek oraz pomiaru, które zestawiono w Tabeli 1.

EtapTożsamośćCel
0Próbka źródłowaPochodzenie próbki
1Transport cząstekTransport próbek od miejsca pobrania do systemu pomiarowego
2Urządzenie do usuwania lotnych cząstekUsunięcie substancji lotnych i określenie cząstek nielotnych do pomiaru
3Licznik cząstekWymień cząstki nieulotne i określ dolną granicę wielkości

Tabela 1: Elementy systemu pomiarowego PMP.

Europejskie podejście PMP PN jest wdrażane i obecnie ma zastosowanie do lekkich pojazdów z silnikiem Diesla (wrzesień 2011, EURO 5b) i pojazdów GDI (wrzesień 2014, EURO 6), a także do ciężkich silników Diesla i gazowych (luty 2013, EURO VI).

Niedawne pomiary wykazały, że niektóre pojazdy lekkie, a w szczególności technologie z zapłonem iskrowym, mogą emitować znaczne ilości cząstek <23 nm12,13,14. Skłoniło to Komisję Europejską do sfinansowania projektów badawczych mających na celu opracowanie nowych lub rozszerzonych metod, które mogą zostać szybko wdrożone jako zamiennik lub uzupełnienie obecnych regulacji dotyczących cząstek >23 nm.

Jednym z takich projektów jest DownToTen (DTT), którego celem jest zachowanie ogólnego podejścia PMP i rozszerzenie zakresu pomiarowego w dół do d50 ≤10 nm. W tym celu konfiguracja systemu pomiarowego DTT została zaprojektowana tak, aby obejmowała te same podstawowe elementy opisane w Table 1, jednak z optymalizacją etapów kondycjonowania i pomiaru w celu umożliwienia wydajnego transportu i detekcji cząstek o rozmiarze <23 nm. System DTT został początkowo opracowany do użytku laboratoryjnego, a następnie zmodyfikowany, aby działać jako przenośny system pomiaru emisji (PEMS). W przypadku systemu DTT PN-PEMS zoptymalizowano komponenty w celu zmniejszenia masy i zużycia energii oraz zwiększenia wytrzymałości fizycznej, bez istotnego odbiegania od pierwotnego projektu. Do zastosowań mobilnych system musi być odporny na trudniejsze i zmienne temperatury, ciśnienia oraz środowiska wibracyjne, z którymi można napotkać podczas testów PEMS dla pojazdów lekkich i ciężkich. Wpływ wahań ciśnienia na wlocie systemu został wymodelowany i zbadany eksperymentalnie15. Odporność na wibracje oceniono za pomocą dedykowanego stanowiska badawczego16. Wibracje i przyspieszenia występujące podczas typowych przejazdów w trybie RDE nie pogorszyły wyników pomiarowych stosowanych liczników cząstek kondensacyjnych. System DTT został również zaprojektowany do pracy w niskich temperaturach, przy nieaktywnej funkcji usuwania substancji lotnych, w celu zasilania komory starzenia i badania tworzenia się wtórnych aerozoli organicznych17.

Elementy warunkowania termicznego systemu pomiarowego DTT, które definiują granicę zmienności regulacyjnej cząstek, są bardzo podobne do elementów systemu PMP, ponieważ oba systemy zawierają następującą sekwencję:

  1. Pierwszy stopień rozcieńczania liczby cząstek
  2. Stopień eliminacji HC/lotnych związków organicznych
  3. Drugi stopień rozcieńczania liczby cząstek

Główne różnice między systemami DTT i PMP polegają na tym, że komponenty systemu DTT są dobierane w celu:

  1. Maksymalizacja transmisji cząstek PN o rozmiarze ~10 nm ze źródła próbki do licznika cząstek poprzez zastosowanie metod rozcieńczania i transmisji cząstek o niskich stratach
  2. Całkowite usunięcie substancji lotnych za pomocą oksydacyjnej eliminacji cząstek, zamiast jedynie redukcji ciśnień cząstkowych kondensowalnych gatunków HC poprzez odparowanie i rozcieńczanie
  3. Zliczanie cząstek o rozmiarze ~10–50 nm z większą wydajnością niż w obecnych systemach PMP

Celem niniejszej pracy jest przedstawienie zastosowania systemu DTT PN-PEMS do pomiaru cząstek nielotnych ≥10 nm emitowanych przez pojazd drogowy podczas eksploatacji. Obejmuje to wprowadzenie do systemu pomiarowego i jego głównych komponentów, wykonanie pomiarów kalibracyjnych w warunkach laboratoryjnych, instalację urządzenia do zastosowań mobilnych, przeprowadzenie pomiaru emisji podczas rzeczywistej jazdy oraz przetwarzanie zgromadzonych danych pomiarowych.

Aparatura

Urządzenie DTT PN-PEMS zostało zaprojektowane w celu zapewnienia wysokiej penetracji cząstek aż do kilku nanometrów, stabilnego rozcieńczania liczby cząstek, usuwania cząstek lotnych oraz zapobiegania sztucznemu powstawaniu cząstek. Komponenty systemu zostały dobrane na podstawie wyników eksperymentów laboratoryjnych porównujących różne technologie rozcieńczania i kondycjonowania aerozolu. Niniejsza sekcja zawiera opis systemu, jego zasadę działania oraz wykorzystanych elementów. Rycina 1 przedstawia schemat systemu. Rycina 2 przedstawia zdjęcie systemu. System DTT ma wysokość 60 cm i zajmuje powierzchnię 50 cm x 50 cm. Masa systemu wynosi około 20 kg. Wraz z wymaganymi elementami peryferyjnymi (tj. akumulatorem i butlą z gazem) całkowita masa wynosi około 80 kg. Głównymi elementami systemu są dwa stopnie rozcieńczania (odpowiednio: pierwszy gorący, drugi zimny), stripper katalityczny oraz co najmniej jeden kondensacyjny licznik cząstek (CPC).

Schemat pomiaru cząstek z rozcieńczalnikiem z rurką porowatą, stripperem katalitycznym i sterownikami przepływu.
Rycina 1: Schemat przenośnego systemu pomiaru emisji liczby cząstek DTT. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat urządzenia grzewczego do rozcieńczania powietrza dla analizy przepływu gazu w eksperymencie kontroli temperatury.
Rysunek 2: Widok z góry systemu pobierania próbek DTT. Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Dwa stopnie rozcieńczania redukują stężenia liczbowe cząstek do poziomów mierzalnych za pomocą kondensacyjnych liczników cząstek (<104 #/cm3). W obu stopniach rozcieńczania zastosowano wykonane na zamówienie rozcieńczalniki z rur porowatych. Technologię tę wybrano ze względu na niskie straty cząstek18,19. Radialny dopływ powietrza rozcieńczającego konwekcyjnie oddala cząstki od ścianek, co zmniejsza ich straty. Ponadto rozcieńczalniki te mogą być bardzo małe i wytrzymywać temperatury do 400 °C. Wykorzystanym materiałem porowatym jest rura z spiekanego stopu hastalloy X (GKN Filters Metals GmbH, Radevormwald, Niemcy). Elementy mieszania statycznego wewnątrz porowatej rury zapewniają dobrze wymieszany aerozol bezpośrednio za rozcieńczalnikiem. Pozwala to na pobranie reprezentatywnej próbki rozcieńczonego aerozolu do dalszego kondycjonowania lub pomiaru poprzez rozdzielenie strumienia aerozolu bezpośrednio za rozcieńczalnikiem, co umożliwia budowę kompaktowego systemu pobierania próbek. Pierwszy stopień rozcieńczania jest zazwyczaj podgrzewany do 350 °C, natomiast drugi stopień pracuje w temperaturze otoczenia. Współczynnik rozcieńczenia systemu wynosi około 80. Dokładna wartość zależy od przepływu wlotowego i zarządzania przepływem masowym: natężenia przepływu w systemie pobierania próbek są zarządzane przez układ dwóch kontrolerów przepływu masowego i dwóch przepływomierzy masowych. Kontrolery przepływu masowego regulują natężenia przepływu powietrza rozcieńczającego. Przepływomierze masowe monitorują natężenia przepływów pobieranych za pierwszym i drugim stopniem rozcieńczania. Różnice między przepływami pobieranymi a dostarczanymi mogą być zmieniane. Innymi słowy, można zdefiniować netto przepływ dodany lub odjęty w jednym stopniu rozcieńczania. Natężenie przepływu próbki, Qsample, definiuje się jako sumę wszystkich pozostałych natężeń przepływu: 1) natężenia przepływu pobieranego przez instrumenty pomiarowe (Qinst); 2) natężeń przepływu powietrza rozcieńczającego (Qdil,i); oraz 3) nadmiarowych natężeń przepływu Qex,i. Do obliczenia przepływu próbki wkłady przepływów pobieranych z systemu są dodatnie, a wkłady przepływów doprowadzanych do systemu są ujemne.

Równanie przekazywania ciepła dla analizy próbki, układ ΣQ, schemat procesu termodynamicznego.

Całkowity współczynnik rozcieńczenia DR oblicza się według wzoru:

Schemat równania zakresu dynamicznego; przedstawiający wzór na obliczanie DR z wykorzystaniem zmiennych symbolicznych.

Katalityczny separator (CS) znajduje się pomiędzy 1. i 2. stopniem rozcieńczenia i pracuje w temperaturze 350 °C przy natężeniu przepływu 1 litra na minutę (L/min). Katalityczny separator zapewnia utlenianie związków organicznych oraz usuwanie siarki. Eliminacja tych substancji umożliwia wyizolowanie frakcji cząstek stałych. Zapobiega to niepożądanemu tworzeniu się cząstek lotnych i półlotnych oraz wzrostowi cząstek o rozmiarach subkut. Wykorzystany separator katalityczny jest dostępny w sprzedaży (AVL GmbH). Efektywność usuwania cząstek lotnych przez CS została zweryfikowana przy użyciu polidyspersyjnych cząstek oleju szmiernego o rozmiarach >50 nm i stężeniu >1 mg/m3 (3,5–5,5 mg/m3), wykazując efektywność >99% (wartość rzeczywista 99,9%) zgodnie z regulacjami RDE20. Jest to test bardziej rygorystyczny niż test tetrakontanu przewidziany w aktualnym protokole PMP.

Do pomiaru liczbowej koncentracji cząstek za drugim stopniem rozcieńczania wykorzystuje się jeden lub więcej kondensacyjnych liczników cząstek. CPC o d50 wynoszącym 23 nm umożliwia pomiar aktualnie regulowanej emisji cząstek stałych większych niż 23 nm. Ponadto pomiar liczbowej koncentracji cząstek za pomocą jednego lub większej liczby urządzeń CPC o niższej wartości punktu odcięcia d50 (np. 10 nm, 4 nm) pozwala na ocenę obecnie nieregulowanej frakcji cząstek stałych <23 nm, aż do wielkości odcięcia d50 zastosowanego urządzenia CPC.

Linia doprowadzająca powietrze rozcieńczające, główny porowaty rozcieńczacz rurkowy oraz stripper katalityczny posiadają niezależne elementy grzejne zawierające termopary typu K (TC). Niezależne ogrzewanie poszczególnych sekcji pozwala na kontrolę rozkładu temperatury w układzie.

Oprócz termopar znajdujących się w elementach grzejnych, dwie termopary są umieszczone za pierwszym i drugim stopniem rozcieńczania. Te dwie termopary służą do bezpośredniego pomiaru temperatury aerozolu.

Do monitorowania ciśnienia na wlocie i wylocie systemu pobierania próbek wykorzystuje się dwa czujniki ciśnienia absolutnego (NXP MPX5100AP).

Do pomiarów mobilnych wykorzystuje się zestaw baterii Clayton Power LPS 1500. Butla z 10 L syntetycznego powietrza zasila system powietrzem rozcieńczającym podczas zastosowań mobilnych. Rozmiary baterii oraz butli z gazem dobrano tak, aby system mógł pracować niezależnie przez 100 min.

System jest sterowany za pomocą urządzenia NI myRIO uruchamiającego wirtualny instrument LabVIEW. Wirtualny instrument umożliwia kontrolę szybkości przepływu i temperatur grzałek. Poza parametrami sterowanymi, możliwe jest monitorowanie i rejestrowanie temperatury aerozolu, ciśnień oraz przyspieszenia (za pomocą czujnika zintegrowanego z myRIO). Akcesorium w postaci modułu GPS do myRIO umożliwia rejestrowanie danych o pozycji. Rysunek 3 oraz Rysunek 4 przedstawiają interfejs użytkownika wirtualnego instrumentu służącego do sterowania systemem DTT.

Interfejs sterowania stopniem rozcieńczania dla procesu stripingu katalitycznego; ustawienia przepływu, ciśnienia i temperatury.
Rycina 3: Przegląd parametrów stopnia rozcieńczania wirtualnego instrumentu DTT. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Schemat interfejsu systemu rozcieńczania; ustawienia temperatury i mocy dopływu powietrza, katalitycznego strippingu.
Rysunek 4: Panel sterowania grzałką wirtualnego instrumentu DTT. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Każda procedura pobierania próbek powoduje straty cząstek. Aby móc uwzględnić te straty, przeprowadza się pomiary laboratoryjne w celu określenia penetracji cząstek przez system pobierania DTT w zależności od ich wielkości. W pomiarach tych stężenie cząstek aerozolu monodyspersyjnego jest mierzone przed i za systemem pobierania za pomocą dwóch kondensacyjnych liczników cząstek. Rycina 5 przedstawia układ doświadczalny dla pomiarów kalibracyjnych. W tym układzie jako źródło cząstek wykorzystywany jest Jing miniCAST21,22. Do sterowania przepływami gazów do palnika używa się regulatorów przepływu masowego (MFC). Mostek rozcieńczający umożliwia regulację liczbowego stężenia cząstek. Mostek rozcieńczający składa się z filtru powietrza o wysokiej wydajności (HEPA) połączonego równolegle z zaworem iglicowym. Regulacja pozycji zaworu iglicowego zmienia stopień rozcieńczenia poprzez zmianę stosunku frakcji aerozolu przechodzącej przez filtr HEPA do frakcji aerozolu przechodzącej przez zawór iglicowy. Aerozole filtrowane i niefiltrowane są ponownie łączone za pomocą trójnika, tworząc aerozol rozcieńczony. Do usunięcia ewentualnie licznych związków lotnych powstałych jako produkty uboczne procesu spalania stosuje się stripper katalityczny. Do selekcji cząstek pod względem wielkości wykorzystywany jest klasyfikator elektrostatyczny TSI 3082 wraz z analizatorem różnicowej mobilności TSI 3085 (nano DMA). Dwa liczniki TSI CPC 3775 (d50 = 4 nm) służą do pomiaru liczbowego stężenia cząstek przed i za systemem pobierania DTT. Punkt odcięcia liczników wynoszący d50 = 4 nm pozwala na wyznaczenie penetracji dla cząstek o wielkościach nawet 10 nm i mniej.

Schemat generowania aerozolu i selekcji rozmiarów; stripper katalityczny, nano DMA, układ analizy CPC.
Rysunek 5: Schematyczny rysunek układu doświadczalnego wykorzystanego do kalibracji systemu pobierania próbek DTT. Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Protokół

1. Procedura kalibracji

  1. Przygotowanie i konfiguracja aparatury.
    1. Umieść opisane i pokazane w Rycina 5w sposób uporządkowany i zwarty, w laboratorium wyposażonym w system odciągu.
    2. Podłącz urządzenia zgodnie ze strzałkami wskazanymi w Rysunek 5 przy użyciu przewodów przewodzących. Należy zachować jak najkrótsze odcinki przewodów, aby zminimalizować straty cząstek wynikające z dyfuzji.
    3. Podłącz do gniazd zasilających instrumenty wymagające zasilania (tj. system DTT, pompę systemu DTT, dwa urządzenia CPC, DMA, stripper katalityczny oraz MFC).
    4. Podłącz CPC, system DTT oraz MFC do laptopa.
    5. Upewnij się, że na laptopie zainstalowano oprogramowanie niezbędne do komunikacji z podłączonymi urządzeniami.
    6. W razie potrzeby zainstaluj brakujące oprogramowanie.
  2. Należy rozgrzać komponenty eksperymentalne co najmniej 30 minut przed rozpoczęciem pomiarów kalibracyjnych, aby zapewnić termiczną stabilność układu pomiarowego.
    1. Uruchom palnik, ustawiając przepływ gazu sterowany przez zewnętrzny MFC zgodnie z wartością startową określoną w instrukcji obsługi.
    2. Zapalić płomień.
    3. Wprowadzić wygenerowaną sadzę do systemu ekstrakcyjnego.
    4. Wytworzyć cząstki sadzy o średnicy średniej 50 ± 5 nm, odpowiednio ustawiając przepływy sterowane przez MFC. Tabelę z ustawieniami i oczekiwanym rozkładem wielkości cząstek można znaleźć w instrukcji palnika lub w literaturze.23Dla ustawień miniCAST w Tabela 2 można stosować:
    5. Rozpocznij ogrzewanie strippingowej kolumny katalitycznej, ustawiając odpowiedni regulator temperatury na 350 °C.
    6. Włącz urządzenia CPC i ustaw je w trybie niskiego przepływu (tj. przepływ wlotowy 0,3 l/min).
    7. Skonfiguruj komunikację między kontrolerami CPC a laptopem, korzystając z oprogramowania producenta CPC lub komunikacji szeregowej.
    8. Uruchom procedurę rozgrzewania systemu DTT zgodnie z opisem w sekcji 3.1.
    9. Zainstaluj impaktor z dyszą o średnicy 0,071 cm przy wlocie klasyfikatora zgodnie z instrukcją obsługi.
    10. Włącz klasyfikator. Wyświetlacz klasyfikatora powinien wskazywać przepływ przez impaktor na poziomie 1,30 ± 0,05 L/min. Jeśli wyświetlany przepływ jest inny, należy ponownie sprawdzić przewody łączące klasyfikator z CPC oraz systemem DTT.
    11. Ustaw szybkość przepływu cieczy osłaniającej klasyfikatora na 13 L/min za pomocą interfejsu użytkownika.
    12. W przypadku użycia źródła miękkiego promieniowania rentgenowskiego (TSI 3088), należy włączyć neutralizator klasyfikatora.
GazNatężenie przepływu
Propan20 ml/min
Gaz chłodzący (N2)2)2 L/min
Powietrze rozcieńczające5 L/min
Powietrze utleniające0,5 l/min
Gaz mieszany (N22)0 l/min

Tabela 2: Sugerowane szybkości przepływu miniCAST dla pomiarów kalibracyjnych.

  1. Po co najmniej 30 min czasu rozgrzewania przeprowadź pomiary kalibracyjne.
    1. Przerwij podawanie generowanej sadzy do systemu ekstrakcji i podłącz wylot palnika do mostka rozcieńczającego.
    2. Ustaw rozmiar cząstek wybrany przez klasyfikator na 10 nm za pomocą interfejsu użytkownika.
    3. Za pomocą zaworu iglicowego mostka rozcieńczającego dostosuj stężenie liczbowe cząstek przed systemem DTT, aby wynosiło 104 ± 103 #/cm3. Takie stężenie cząstek zapewnia stosunkowo wysoki sygnał, co umożliwia krótkie czasy pomiaru przy jednoczesnej pracy CPC w trybie pojedynczego zliczenia, co gwarantuje wysoką dokładność. Jeśli pożądane stężenie 104 ± 103 #/cm3 nie może zostać osiągnięte z powodu zbyt niskiego stężenia cząstek emitowanych przez generator sadzy, zmaksymalizuj przepływ przez mostek rozcieńczający, całkowicie otwierając zawór.
    4. Rozpocznij rejestrację danych systemu DTT (jeśli nie została jeszcze uruchomiona), klikając przycisk „Start Data Logging” w oprogramowaniu DTT Labview.
    5. Rozpocznij rejestrację danych z dwóch urządzeń CPC, korzystając z dedykowanego oprogramowania lub komunikacji szeregowej.
    6. Odczekaj 30 s, aż układ eksperymentalny się ustabilizuje.
    7. Zanotuj znacznik czasu oraz ustawiony rozmiar cząstek, aby oznaczyć początek pomiaru.
    8. Przeprowadź pomiar przez 2 min.
    9. Zanotuj znacznik czasu, aby oznaczyć koniec pomiaru.
    10. Powtórz kroki 1.3.3–1.3.9 dla rozmiarów cząstek 15 nm, 30 nm, 50 nm i 100 nm. Można wykonać dodatkowe pomiary, jeśli wymagana jest lepsza rozdzielczość rozmiarów.
    11. Przeprowadź kolejny zestaw pomiarów dla tych samych rozmiarów cząstek co wcześniej, powtarzając kroki 1.3.2–1.3.10.
    12. Zatrzymaj rejestrację danych pomiarowych z dwóch urządzeń CPC oraz systemu DTT.
    13. Wyłącz wszystkie instrumenty.
  2. Przeanalizuj zebrane dane kalibracyjne za pomocą programu arkusza kalkulacyjnego.
    1. Wyeksportuj dane stężenia cząstek zmierzone przez CPC do pliku .csv lub .txt.
    2. Zaimportuj dane z CPC i systemu DTT do narzędzia do analizy danych.
    3. Przypisz dane do odpowiednich pomiarów, przypisując dane z każdego instrumentu (tj. 2 CPC, system DTT) ze znacznikiem czasu mieszczącym się między znacznikiem rozpoczęcia a zakończenia pomiaru do odpowiedniego pomiaru. Zaleca się zautomatyzowanie tego zadania za pomocą narzędzia do analizy danych.
    4. Wyznacz średnią czasową dla dwóch zestawów danych stężenia cząstek (CPC) i współczynnika rozcieńczenia (system DTT) dla wszystkich punktów pomiarowych.
    5. Oblicz względną przenikalność cząstek dla wszystkich punktów pomiarowych zgodnie z następującym wzorem:
      Równanie równowagi statycznej, wzór matematyczny do celów obliczeniowych w analizie fizycznej.
      Gdzie Pn to względna przenikalność cząstek w określonym punkcie pomiarowym n. Notacja C'(d,n); wzór; analiza prawdopodobieństwa; modelowanie statystyczne; reprezentacja równania. to stężenie cząstek zmierzone przez CPC za systemem DTT, uśrednione w czasie trwania punktu pomiarowego n. Równowaga statyczna; symbol matematyczny; równanie; ΣFx=0; zwięzłe słowo kluczowe edukacyjne; zasada fizyczna. to odpowiadające stężenie cząstek zmierzone przez CPC przed systemem DTT, uśrednione w czasie trwania punktu pomiarowego n. Równowaga dynamiczna, równanie: \( D'R_n \), symbol matematyczny, analiza badawcza, koncepcja fizyczna. to współczynnik rozcieńczenia z systemu DTT, uśredniony w czasie trwania punktu pomiarowego n.
    6. Oblicz średnią przenikalność cząstek Pmean, wyciągając średnią z przeciętnych przenikalności cząstek o rozmiarach 30 nm, 50 nm i 100 nm.
      Schemat wzoru na średnią arytmetyczną pokazujący obliczenia ciśnienia w skalach 30nm, 50nm, 100nm.
      Wartość ta jest wykorzystywana do obliczenia Współczynnika Redukcji Stężenia Cząstek (PCRF) poprzez podzielenie współczynnika rozcieńczenia DR przez średnią wydajność przenikania Pmean.
      Równanie PCRF dla obliczeń zakresu dynamicznego w systemach optycznych.
      Wartość PCRF jest obliczana na podstawie przenikalności dla 30 nm, 50 nm i 100 nm, aby była porównywalna z dostępnymi komercyjnie instrumentami zgodnymi z normą PMP. Pomiary dla rozmiarów innych niż 30 nm, 50 nm i 100 nm są wykorzystywane do wyznaczenia rozmiaru odcięcia d50 systemu, aby lepiej scharakteryzować system poza ramami regulacyjnymi.

2. Instalacja i przygotowanie do pomiarów rzeczywistych emisji z pojazdów

  1. Wybierz pojazd w celu oceny emisji liczby cząstek dla cząstek <23 nm.
  2. Wybierz trasę do pomiaru emisji liczby cząstek dla wybranego pojazdu. W literaturze dostępne są wytyczne dotyczące wyboru odpowiednich tras24.
  3. Instalacja przepływomierza spalin (EFM)
    1. Wybierz EFM o zakresie pomiarowym odpowiadającym przewidywanemu zakresowi przepływu spalin mierzonego pojazdu24.
    2. Umieść skrzynkę sterującą EFM w bagażniku pojazdu.
    3. Zainstaluj EFM na zewnątrz samochodu, zgodnie z arkuszem specyfikacji producenta. Rycina 6 przedstawia przykład zainstalowanego EFM, zamontowanego zewnętrznie na rurach kształtowanych prowadzących do bagażnika.
    4. Upewnij się, że odległości przed i za EFM są zgodne z przepisami UE (tj. przed czujnikiem przepływu i za nim powinien znajdować się odcinek rury prostej o długości 4x średnicy rury lub 150 mm, zależnie od tego, która wartość jest większa).
    5. W przypadku pomiarów pojazdów z wieloma kolektorami wydechowymi, poszczególne rury wydechowe należy połączyć przed EFM, a przekrój tej rury odpowiednio zwiększyć, aby maksymalnie ograniczyć wzrost ciśnienia zwrotnego spalin. Jeśli nie jest to możliwe, masowy przepływ spalin można mierzyć za pomocą kilku urządzeń EFM.
    6. Upewnij się, że złącza z rury EFM do rury wydechowej pojazdu są odporne na temperatury gazów wylotowych (tj. nie należy stosować tworzyw sztucznych).
    7. Średnica rury, średnica złącza oraz średnica wszelkich przedłużeń wymaganych do pobierania próbek nie powinny być mniejsze od średnicy rury wydechowej, aby utrzymać jak najniższe ciśnienie zwrotne spalin.
    8. Rozpocznij montaż instalacji rur od wylotu spalin pojazdu.
    9. Połącz wydech z pierwszą rurą za pomocą rurek łączących i opasek zaciskowych. Zaciśnij opaski dopiero na koniec, aby móc wyrównać rury podczas dopasowywania.
    10. Podłączaj rury pojedynczo, stosując rurki łączące i opaski zaciskowe, aż powstanie połączenie od wylotu spalin do EFM. Połączenie to powinno być jak najkrótsze.
    11. Umieść skrzynkę sterującą EFM oraz uchwyt montażowy EFM w bagażniku, aby mieć pewność, że nic nie przesunie się podczas przejazdu pomiarowego.
    12. Sprawdź, czy całe okablowanie i rurkowanie jest szczelne oraz czy nic nie poluzowało się podczas przejazdu pomiarowego.
    13. Włącz EFM.
    14. Po czasie rozgrzewania wynoszącym do 15 min, w zależności od temperatury otoczenia (patrz instrukcja obsługi EFM), przepływomierz masowy spalin jest gotowy do pomiaru25,26,27,28.

Układ do testowania emisji pojazdów, czujnik rury wydechowej, EFM, podgrzewana linia pobierania próbek, analiza spalin.
Rycina 6: Zdjęcie zainstalowanego EFM. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Przygotowanie i instalacja systemu pomiarowego DTT w bagażniku pojazdu
    UWAGA: Pomiary opisane w niniejszym rozdziale są przeprowadzane z wykorzystaniem dwóch kondensacyjnych liczników cząstek jako urządzeń pomiarowych systemu DTT. Jeden z liczników CPC (TSI 3790A) posiada dolną granicę odcięcia d50 wynoszącą 23 nm, co odpowiada obecnym limitom ustawowym. Drugi licznik CPC (dostępny w sprzedaży AVL CPC 10 nm) posiada dolną granicę odcięcia d50 wynoszącą 10 nm. Równoległe pomiary emisji cząstek za pomocą tych dwóch urządzeń umożliwiają ocenę emisji regulowanych obecnie (>23 nm) oraz frakcji <23 nm.
    1. Przygotuj laptop i zainstaluj oprogramowanie DTT oraz oprogramowanie do rejestrowania danych pomiarowych CPC.
    2. Umieść butlę z syntetycznym powietrzem w bagażniku lub na podłodze przed tylnymi siedzeniami i zabezpiecz ją pasami.
    3. Umieść akumulator w bagażniku pojazdu i zabezpiecz go. Podłącz kabel zasilający AC do lokalnego źródła zasilania.
    4. Umieść i zabezpiecz pompy próżniowe systemu pobierania próbek oraz kondensacyjne liczniki cząstek w bagażniku pojazdu i podłącz je do akumulatora.
    5. Umieść system DTT w bagażniku pojazdu i zabezpiecz jego położenie pasami. Rysunek 7 i Rysunek 8 przedstawiają system DTT w bagażniku samochodu. Podłącz system do mobilnego zestawu akumulatorów.
    6. Podłącz dwa wlotowe MFC systemu DTT do stacjonarnego zasilania sprężonym powietrzem. Podłącz dwa wylotowe MFM systemu DTT do pompy próżniowej.
    7. Użyj odpowiednich przewodów, aby wyprowadzić wylot pompy na zewnątrz pojazdu.
    8. Podłącz system DTT do laptopa pomiarowego za pomocą kabla USB.
    9. Podłącz wlot systemu do punktu pobierania próbek za urządzeniem EFM. Podłącz wlot zasilania systemu do akumulatora. Podłącz wloty zasilania kondensacyjnych liczników cząstek do zestawu akumulatorów.
    10. Podłącz liczniki CPC do odpowiedniej zewnętrznej pompy próżniowej.
    11. Mocno zamocuj butelki z butanolem liczników CPC na ramie systemu rozcieńczania, jak najdalej od osób przebywających w pojeździe.
    12. Upewnij się, że korek jest szczelnie przykręcony i nie otworzy się podczas jazdy pomiarowej przy przyspieszaniu.
    13. Użyj odpowiednich przewodów, aby wyprowadzić wylot liczników CPC i/lub zewnętrznej pompy na zewnątrz pojazdu. Podłącz liczniki CPC do laptopa pomiarowego za pomocą kabli USB.
      UWAGA: Rysunek 9 przedstawia przygotowany pojazd. System DTT jest zainstalowany w bagażniku pojazdu. Zainstalowano również dostępny w sprzedaży system PN-PEMS, aby służył jako referencja dla regulowanej emisji cząstek stałych >23 nm.

Schemat systemu DTT z urządzeniem AVL PEMS do analizy gazów w układzie testowania emisji.
Rysunek 7: PEMS DTT widziany z wnętrza pojazdu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Mobilna konfiguracja analizy powietrza; system DTT, urządzenia CPC, pompa, butla z gazem w bagażniku pojazdu.
Rysunek 8: DTT PEMS w bagażniku pojazdu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Układ do testowania emisji pojazdu na samochodzie, analizujący spaliny za pomocą przenośnego sprzętu.
Rysunek 9: Pojazd z zainstalowanym komercyjnie dostępnym systemem PN-PEMS (AVL MOVE) oraz systemem DTT PEMS. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

3. Procedura pomiarowa

  1. Nagrzewanie i uruchamianie systemu pomiarowego
    1. Włącz dwa urządzenia CPC oraz ich zewnętrzne zasilanie próżniowe.
    2. Otwórz oprogramowanie CPC na laptopie pomiarowym i nawiąż komunikację z urządzeniami CPC. Komunikacja może odbywać się za pomocą dedykowanego oprogramowania instrumentu lub poprzez komunikację szeregową, zgodnie z opisem w instrukcji obsługi CPC.
    3. Zamknij zawory iglicowe znajdujące się za przepływomierzami masowymi (MFM).
    4. Włącz pompę systemu pobierania próbek DTT.
    5. Uruchom system pobierania próbek, naciskając czerwony przełącznik w dół.
    6. Otwórz aplikację DTT w środowisku LabVIEW na komputerze. Komunikacja z systemem rozpocznie się automatycznie.
    7. Graficzny interfejs użytkownika (GUI) aplikacji DTT LabVIEW wyświetli teraz przepływy wejściowe i wyjściowe w stopniach rozcieńczenia 1 i 2, które powinny wynosić 0,00 L/min. Jeśli tak nie jest, upewnij się, że zawory iglicowe są prawidłowo zamknięte.
    8. Wprowadź wartość przepływu masowego pobieranego przez podłączone instrumenty pomiarowe w sL/min. Jeśli przepływ pobierany przez instrumenty jest nieznany, zmierz go za pomocą przenośnego przepływomierza masowego (np. serii Vögtlin red-y compact). Po zmierzeniu przepływów pobieranych przez urządzenia CPC ponownie podłącz przewody.
    9. Powoli otwieraj zawory iglicowe, aż oba parametry „Flows out” osiągną wartość 10,0 ± 0,5 sL/min. Oba parametry „Flows in” wzrosną do wartości odpowiadających odpowiednim „Flows out”.
    10. Dostrój „Add Flow” (tj. różnicę między przepływem powietrza rozcieńczającego a przepływem nadmiarowym) w obu stopniach rozcieńczenia, aby uzyskać QCS = 1,0 ± 0,1 L/min przez katalityczny stripper oraz przepływ wlotowy próbki Qsample = 1,0 ± 0,1 L/min.
    11. Kliknij kartę „Heater”, aby ustawić temperatury grzałek.
    12. Ustaw temperatury grzałek zasilania powietrza rozcieńczającego, pierwszego porowatego rozcieńczalnika rurkowego oraz katalitycznego strippera na 350 °C. System rozpocznie teraz nagrzewanie. Poniżej interfejsów „Set” wyświetlane są aktualna temperatura oraz procentowa moc grzania.
    13. Przed rozpoczęciem jazdy pomiarowej poczekaj, aż temperatura gazu za pierwszym stopniem rozcieńczenia („T DilStage 1” w GUI) osiągnie 290 °C. Zajmie to około 20 min.
  2. Rejestracja danych
    1. Rozpocznij rejestrowanie danych w urządzeniach pomiarowych podłączonych do systemu pobierania próbek DTT.
    2. Rozpocznij rejestrowanie danych systemu pobierania próbek, naciskając przycisk „Start Data Logging”, a następnie wybierz ścieżkę i nazwę pliku w oknie wyskakującym. Wyświetlona zostanie ścieżka pliku logu, a zielone światło wskaże, że dane są zapisywane. Dane systemowe są rejestrowane z częstotliwością 2 Hz.
    3. Rejestruj dane o stężeniu cząstek z CPC za pomocą odpowiedniego oprogramowania. Może to być oprogramowanie producenta lub program do komunikacji szeregowej (np. PuTTY).
    4. Rozpocznij rejestrację przepływu spalin za pomocą EFM.
  3. Jazda
    1. Przed przejazdem wybraną trasą odłącz kabel ładujący akumulator i przełącz zWhoever stacjonarnego zasilania sprężonym powietrzem na butlę z gazem.
    2. Przejedź wybraną trasę.
  4. Po jeździe
    1. Naciśnij „Logging ...”, aby zatrzymać zapisywanie danych. Wyłącz instrumenty.
  5. Naładuj akumulator, aby przygotować się do następnego przejazdu.

4. Analiza danych

  1. Zaimportuj dane z systemu pobierania próbek, EFM (dla przepływu spalin) oraz z urządzeń pomiarowych do tego samego programu do analizy danych.
  2. Wykonaj synchronizację czasową, uwzględniając czas transportu spalin z rury wydechowej do urządzeń pomiarowych. Czas transportu tdil przez system rozcieńczania wynosi 2,5 s. Czas transportu tsample przez linię pobierania próbek można obliczyć w następujący sposób:
    Wzór analizy próbki, t_sample=(A_sample*l_sample)/Q_sample, równanie matematyczne.
    Gdzie tsample to czas transportu przez linię pobierania próbek w sekundach, tdil to czas transportu przez system rozcieńczania (2,5 s), Asample to powierzchnia przekroju poprzecznego linii pobierania próbek w m2, lsample to długość linii pobierania próbek od punktu poboru do wlotu systemu rozcieńczania w metrach, a Q̇sample to przepływ próbki w systemie rozcieńczania DTT w m3/s. Dodaj tsample do tdil, aby uzyskać całkowity czas opóźnienia ttotal:
    Równanie wzoru czasu: t_total = t_sample + t_dil; koncepcja chemii analitycznej.
    UWAGA: Jako przykład, ttotal dla rury o długości 0,5 m z wewnętrzną średnicą 4 mm i przepływem próbki 1 L/min wynosi 2,88 s. Rycina 10 przedstawia przykład synchronizacji czasowej zmierzonej liczby cząstek (niebieska przerywana linia) względem przesuniętej w czasie liczby cząstek (niebieska linia).

Wykres stężenia PN i masowego natężenia przepływu spalin; szeregi czasowe; wyniki analizy emisji.
Rysunek 10: Przykład wyrównania czasowego zmierzonej liczby cząstek PN w #/cm3 w porównaniu ze zmierzonym masowym natężeniem przepływu spalin w kg/h. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

  1. Aby móc obliczyć liczbę cząstek w PN #/s, należy najpierw obliczyć objętościowy strumień gazów wylotowych V̇exhaust_norm w cm3/s zgodnie z poniższym wzorem:
    Równanie przepływu spalin, wzór na \( \dot{V}_{exhaust} \) dla właściwości gazu, obliczenia fizyczne.
    gdzie V̇exhaust_norm to standardowy objętościowy strumień spalin w m3/s, ṁexhaust to zmierzony masowy strumień spalin w kg/s, R to stała gazu doskonałego dla powietrza (287,1 J/kg*K), Tnorm to temperatura w warunkach standardowych (273,15 K), a pnorm to ciśnienie w warunkach standardowych (101 330 Pa). Wykorzystując ten objętościowy strumień spalin w warunkach standardowych, liczbę cząstek można obliczyć, mnożąc V̇exhaust_norm przez współczynnik rozcieńczenia DR systemu pobierania próbek, stężenie cPN zmierzone przez CPC oraz czynnik 106 (w celu konwersji z m3 na cm3).
    Schemat równania liczby cząstek, PN=V_exhaust*c_PN*DR*10^6, dla analizy emisji.
  2. Aby skorygować straty cząstek, należy pomnożyć strumień cząstek w spalinach przez szybkość stężenia liczby cząstek, stosując systemowy współczynnik redukcji stężenia cząstek (PCRF) zamiast współczynnika rozcieńczenia DR. Wyznaczenie PCRF opisano w rozdziale 1 instrukcji kalibracji:
    Wzór korekcji liczby cząstek: PN_corr = V_exhaust norm * C_PN * PCRF równanie.

Wyniki

Dane kalibracyjne (penetracja cząstek):

Rycina 11 przedstawia przykładowy wykres względnej penetracji cząstek w systemie DTT w funkcji średnicy mobilności cząstek. Odpowiadające im dane zostały zmierzone i ocenione zgodnie z opisem w sekcji instruktażowej 1. Wykres pokazuje, że odchylenia między dwoma punktami pomiarowymi przy tej samej średnicy mobilności wynosiły mniej niż 5%. Odchylenia przekraczające 10% wskazują na niestabilność układu eksperymentalnego. W takim przypadku kalibrację należało powtórzyć, zwiększając czas rozgrzewania i stabilizacji. Zarówno czas rozgrzewania (zazwyczaj 30 min), jak i czas stabilizacji (zazwyczaj 30 s) zwiększono 1,5-krotnie.

Cząstki przechodzące przez system DTT ulegały utracie w wyniku dyfuzji i termoforezy. Straty termoforetyczne były spowodowane gradientem temperatury, który przyciągał cząstki w stronę ścianek systemu pobierania próbek. Efekt ten jest niezależny od wielkości cząstek29; w przeciwieństwie do dyfuzji, która jest silnie zależna od ich rozmiaru. Gradient stężeń powodował wypadkowy strumień cząstek w kierunku ścianek, gdzie dochodziło do ich utraty. Wzrost dyfuzyjności wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru cząstek sprawił, że stał się on dominującym mechanizmem strat dla cząstek ≤10 nm. Linie na Rysunku 11 wskazujące na straty termoforetyczne, dyfuzyjne i całkowite obrazują odpowiednie zależności od wielkości cząstek. W przypadku strat dyfuzyjnych użyto następnej funkcji, aby zilustrować przybliżoną zależność od wielkości cząstek:

Wzór na zanik wykładniczy P=exp(-a/D(dp)), równania, analiza prawdopodobieństwa.

Przenikanie P zależy od parametru dopasowania a oraz współczynnika dyfuzji D:

Równanie współczynnika dyfuzji D=kT*Cc/(3πηdp), związane z badaniami dynamicznego rozpraszania światła.

Współczynnik dyfuzji zależy od stałej Boltzmanna k, temperatury bezwzględnej T, lepkości η, średnicy cząstki dp oraz czynnika korekcyjnego poślizgu Cunninghama Cc, który jest funkcją średniej drogi swobodnej i średnicy cząstki29.

Dane przedstawione na Rysunku 11 pozwoliły na uzyskanie następnej średniej wydajności przenikania cząstek Pmean:

Równanie obliczania średniego ciśnienia, wzór na P_mean, równanie matematyczne, zastosowanie akademickie.

Rozmiar cząstek, przy którym efektywność penetracji wynosi 50%, określa się jako d50. Wartość d50 opisuje charakterystykę odcięcia penetracji układu. Dla układu DTT d50 wynosiło 11 nm. Wartość d50 przedstawiono na Rysunku 11.

Wykres penetracji w funkcji d_p; termoforeza, analiza dyfuzyjna; wyniki pomiarów naukowych.
Rycina 11: Penetracja cząstek jako funkcja średnicy mobilności cząstek.
Punkty zaznaczone na niebiesko to wyniki pomiarów. Przerywane linie w kolorze pomarańczowym i zielonym wskazują odpowiednio straty związane z termoforezą i dyfuzją. Linia czerwona przedstawia całkowite straty jako sumę strat dyfuzyjnych i termoforetycznych. Fioletowa linia kropkowo-kreskowa pokazuje średnią penetrację cząstek Pmean obliczoną zgodnie z instrukcją pomiaru kalibracyjnego w sekcji 1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Liczba cząstek stałych:

Rysunek 12 przedstawia tempo emisji liczby cząstek w czasie podczas pierwszych dziesięciu minut pomiarowej jazdy w trybie RDE. Dane z systemu DTT PEMS z wykorzystaniem CPC 10 nm i 23 nm pokazano wraz z danymi z komercyjnie dostępnego systemu z punktem odcięcia 23 nm. Tempa emisji cząstek obliczono z odpowiednich stężeń cząstek pomnożonych przez natężenie przepływu spalin, zgodnie z opisem w sekcji 4 dotyczącą instrukcji analizy danych. Instrument referencyjny (AVL MOVE) opierał się na ładowarce dyfuzyjnej do pomiaru stężenia liczby cząstek. Pomimo różnych zasad działania czujników, dane zmierzone za pomocą DTT PEMS były ogólnie w bardzo dobrej zgodności z danymi zmierzonymi przez komercyjnie dostępny system PEMS. Ostry spadek sygnałów w trzech przebiegach wynikał z faktu, że urządzenia do pomiaru cząstek mogą tymczasowo raportować zerowe stężenia cząstek, a zer nie można wyświetlić na wykresach logarytmicznych. Emisje cząstek zmierzone za pomocą CPC 10 nm były bardzo zbliżone do emisji zmierzonych za pomocą CPC 23 nm przez większość okresu czasu pokazanego na Rysunku 12. Jednak tuż na początku, między 10 s a 25 s, wystąpiła znacząca emisja cząstek <23 nm. Sygnał DTT 10 nm był znacznie wyższy niż sygnał 23 nm systemu DTT oraz urządzenia AVL MOVE. W tym przypadku >50% całkowitej liczby emitowanych cząstek mieściło się w przedziale od 10 nm do 23 nm. Dynamiczne procesy zimnego rozruchu w stanie braku równowagi termicznej mogą powodować, że rozkłady wielkości cząstek różnią się od emisji z rozgrzanego pojazdu30. Omówienie tych złożonych procesów wykracza poza zakres niniejszej pracy. Dalsze informacje na ten temat można znaleźć w literaturze31,32,33.

Analiza zdarzeń cząsteczkowych; wykres DTT nm; prędkość pojazdu; dane zdarzeń cząsteczkowych poniżej 23 nm.
Rycina 12: Górna część rysunku przedstawia szybkość emisji liczby cząstek w czasie podczas pierwszych 10 min jazdy pomiarowej RDE.
Jako odniesienie wykorzystano dane pomiarowe uzyskane za pomocą DTT PEMS z wykorzystaniem CPC 10 nm i 23 nm oraz komercyjnego systemu z punktem odcięcia 23 nm (AVL MOVE). Dolna część rysunku przedstawia prędkość pojazdu. Kategorie kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Dyskusja

W pracy przedstawiono system pobierania próbek DTT i jego zastosowanie jako przenośnego systemu pomiaru emisji. System został zaprojektowany i zbudowany w ramach unijnego projektu DTT w ramach programu Horyzont 2020, aby umożliwić pomiar emisji cząstek poniżej obecnego ustawowego limitu wielkości cząstek wynoszącego 23 nm. Wszechstronność systemu umożliwia ocenę regulowanej liczby cząstek stałych, jak również całkowitych emisji cząstek stałych oraz badania aerozoli wtórnych. Aby dokładnie zinterpretować wyniki pomiarów, konieczna jest procedura kalibracji systemu naziemnej telewizji cyfrowej. Ma to na celu ocenę względnej penetracji cząstek dla różnych rozmiarów cząstek, aby móc obliczyć współczynnik korekcyjny, który uwzględnia straty cząstek. Niezwykle ważne jest, aby zapewnić wystarczający czas nagrzewania się samego układu pobierania próbek i reszty zestawu eksperymentalnego, aby osiągnąć równowagę termiczną i uzyskać dokładne wyniki pomiarów kalibracyjnych.

Opisano zastosowanie systemu naziemnej telewizji cyfrowej do pomiaru emisji liczby cząstek stałych przy dolnej granicy wielkości cząstek wynoszącej 23 nm (regulacja prądu) i 10 nm (eksperymentalna). Aby móc ocenić liczbę emisji cząstek stałych przez pojazd, konieczne jest określenie stężenia liczby cząstek stałych i masowego natężenia przepływu spalin. System naziemnej telewizji cyfrowej obejmuje pomiar stężenia liczby cząstek. Przepływ masowy spalin jest mierzony za pomocą przepływomierza spalin (EFM). Bardzo ważne jest, aby zainstalować EFM zgodnie z instrukcjami producenta. Błędne pomiary natężenia przepływu spalin mają bezpośredni wpływ na wywnioskowane natężenia emisji. Podczas przetwarzania danych pomiarowych ważne jest, aby wykonać dokładne wyrównanie w czasie danych dotyczących stężenia cząstek stałych i danych dotyczących przepływu spalin. Jest to konieczne, ponieważ natężenie emisji to natężenie przepływu spalin pomnożone przez stężenie liczby cząstek. Jeśli oba sygnały nie są prawidłowo wyrównane, emisje w całym napędzie mogą znacznie odbiegać od rzeczywistych emisji.

System naziemnej telewizji cyfrowej nie jest urządzeniem komercyjnym, ale wszechstronnym narzędziem badawczym. Służy do badania nieuregulowanych emisji z pojazdów, w przeciwieństwie do wykonywania pomiarów certyfikacyjnych potwierdzających zgodność z obowiązującymi przepisami. Wysoka wszechstronność odbywa się kosztem zwiększonego zużycia energii i powietrza rozcieńczającego. Podczas korzystania z systemu do pomiarów mobilnych należy pamiętać o masie dodanej do pojazdu dzięki akumulatorowi (30 kg) i butli gazowej (20 kg) w celu pokrycia zużycia energii i powietrza przez system. Całkowita masa dodana do samochodu podczas pomiaru emisji cząstek stałych za pomocą systemu naziemnej telewizji cyfrowej wynosi około 80 kg, co jest porównywalne z inną osobą przewożoną w pojeździe. Dodatkowa masa może prowadzić do nieznacznego zwiększenia emisji, zwłaszcza jeśli napęd obejmuje duże przyspieszenie i/lub wzniesienia.

System naziemnej telewizji cyfrowej może być wykorzystywany do badania nieuregulowanej liczby cząstek stałych <23 nm w spalinach. Można mierzyć zarówno emisje ciał stałych, jak i całkowitą liczbę cząstek. Ponadto może być użytecznym narzędziem do badania złożonej dziedziny powstawania aerozoli wtórnych. Innym możliwym zastosowaniem systemu jest pomiar cząstek zużycia hamulców samochodowych. Znaczna część cząstek emitowanych podczas hamowania może być mniejsza niż 30 nm34. Dzięki d50 wynoszącemu około 11 nm system naziemnej telewizji cyfrowej nadaje się do badania tych emisji. Chociaż wiadomo, że emisje inne niż spaliny przyczyniają się prawie w równym stopniu do emisji PM10 związanych z ruchem drogowym35 , emisje cząstek stałych innych niż spaliny są nadal nieuregulowane. Wynika to ze złożonego i rzadko powtarzalnego procesu wytwarzania cząstek, co bardzo utrudnia ustalenie działań regulacyjnych. Ponadto skład chemiczny i związana z nim toksyczność organicznych cząstek zużycia hamulców są nadal powszechnie nieznane35.

System naziemnej telewizji cyfrowej jest użytecznym narzędziem pozwalającym lepiej zrozumieć emisje cząstek stałych związanych zarówno ze spalinami, jak i innymi emisjami związanymi z ruchem drogowym.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca jest prowadzona w ramach projektu H2020 DownToTen. Projekt ten otrzymał dofinansowanie z programu Unii Europejskiej w zakresie badań naukowych i innowacji Horyzont 2020 na podstawie umowy o udzielenie dotacji nr 724085.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
2x Licznik cząstek kondensacji 4 nmTSI3775Licznik cząstek z punktem odcięcia 4 nm
5x Regulatory przepływu masowego (MFC)Vö gtlinRegulatory przepływu masowego do sterowania przepływem gazu miniCast
Przepływomierz spalin AVL M.O.V.E. EFM Miernik przepływu spalinAVLUrządzenie do pomiaru natężenia przepływu spalin w pojazdach
Ściągacz katalitycznyWykonaneurządzenie do usuwania lotnych związków w aerozolu przez utlenianie
Sprężone powietrzeZasilanie powietrzem utleniającym i rozcieńczającym dla miniCast
Licznik cząstek kondensacji 10 nmAVLLicznik cząstek o punkcie odcięcia 10 nm
Licznik cząstek kondensacji 23 nmTSI3790ALicznik cząstek o punkcie odcięcia 23 nm
Analizator ruchliwości różnicowejTSI3085Część klasyfikatora elektrostatycznego, w której cząstki są oddzielone przez ruchliwość.
Mostek rozcieńczającyWykonanyna zamówienie zawór iglicowy równoległy do filtrów HEPA. Służy do regulacji stężeń cząstek do celów kalibracji
System pobierania próbek DownToTenWykonanySystem pobierania próbek do oceny emisji cząstek samochodowych poniżej 23 nm
Klasyfikator elektrostatycznyTSI3082Urządzenie do klasyfikacji cząstek arozolu według średnicy ruchliwości elektrycznej
Ręczny przepływomierz masowy (MFM)Vö gtlinUrządzenie do pomiaru przepływu wlotowego przyrządów pomiarowych
miniCast Generator sadzy JingLtdCombastion aerozol standardowy, generator sadzy
Mobilna bateria LPS 1500Clayton PowerBateria do zasilania systemu pomiarowego naziemnej telewizji cyfrowej
ButlaAzot do mieszania gazu i gaszenia Zasilanie gazem propan miniCast
Butelkapaliwa do miniCast
Soft X-Ray NeutralizerTSI3088Urządzenie do ustalania równowagowego rozkładu ładunku cząstek aerozolu
Syntetyczna butla powietrzna Butla gazowa 10 ldo dostarczania powietrza rozcieńczającego
na zamówienie na zamówienie z azotem

Bibliografia

  1. Dunne, M. GRPE Particulate Measurement Programme (PMP). 7th ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles. , (2003).
  2. Sydbom, A., et al. Health effects of diesel exhaust emissions. European Respiratory Journal. 17 (4), 733-746 (2001).
  3. UNECE. Vehicle Regulations - Transport. UNECE. , Available from: https://www.unece.org/trans/main/welcwp29.html (2020).
  4. Andersson, J., Wedekind, B. DETR / SMMT / CONCAWE Particulate Research Programme 1998-2001 SUMMARY REPORT. , (2001).
  5. Samaras, Z., et al. Publication data form 1. Framework Programme European Commission-DG TrEn. 5 th Framework Programme Competitive and Sustainable Growth Sustainable Mobility and Intermodality 2. Contract No. , Available from: http://vergina.eng.auth.gr/mech/Lat/particulates/private/index.htm (2005).
  6. Andersson, J., Giechaskiel, B., Muñoz-Bueno, R., Sandbach, E., Dilara, P. Particle Measurement Programme (PMP) Light-duty Inter-laboratory Correlation Exercise (ILCE_LD) Final Report Institute for Environment and Sustainability 2007 EUR 22775 EN. , Available from: http://publications.jrc.ec.europa.eu/repository/bitstream/111111111/429/2/7386-PMP_LD_final.pdf (2007).
  7. Rönkkö, T., et al. Effects of gaseous sulphuric acid on diesel exhaust nanoparticle formation and characteristics. Environmental Science and Technology. 47 (20), 11882-11889 (2013).
  8. Liati, A., Dimopoulos Eggenschwiler, P. Characterization of particulate matter deposited in diesel particulate filters: Visual and analytical approach in macro-, micro- and nano-scales. Combustion and Flame. 157 (9), 1658-1670 (2010).
  9. Liati, A., Schreiber, D., Arroyo Rojas Dasilva, Y., Dimopoulos Eggenschwiler, P. Ultrafine particle emissions from modern Gasoline and Diesel vehicles: An electron microscopic perspective. Environmental Pollution. 239, 661-669 (2018).
  10. Kittelson, D. B. Recent Measurements of Nanoparticle Emissions from Engines. Current Research on Diesel Exhaust Particles Japan Association of Aerosol Science and Technology. , 5(2001).
  11. Bruno, T. J., Ott, L. S., Smith, B. L. Composition-Explicit Distillation Curves of Waste Lubricant Oils and Resourced Crude Oil: A Diagnostic for Re-Refining and Evaluation. American Journal of Environmental Sciences. 6 (6), 523-534 (2010).
  12. Giechaskiel, B., Vanhanen, J., Väkevä, M., Martini, G. Investigation of vehicle exhaust sub-23 nm particle emissions. Aerosol Science and Technology. 51 (5), 626-641 (2017).
  13. Andersson, J. Call: H2020-GV-2016-2017: DownToTen. 48th PMP Update. , Available from: https://wiki.unece.org/download/attachments/73924923/PMP-48-10/DTT_Update_Nov_2018.pdf (2018).
  14. Andersson, J. PMP 50th Session - Transport - Vehicle Regulations - UNECE Wiki. , Available from: https://wiki.unece.org/display/trans/PMP+50th+Session (2019).
  15. Martikainen, S., et al. Dependence of Dilution Performance of a Prototype Setup for Sampling Non- volatile Engine Exhaust Particles down to ten Nanometer in Diameter on Pressure Variations in Sample Line. 22nd ETH Conference on Combustion Generated Particles. , Available from: http://www.nanoparticles.ch/2018_ETH-NPC-22/2018_ETH-NPC-22_book_of_abstracts_posters.pdf 1(2018).
  16. Landl, L., Vuckovic, T., Hausberger, S. PEMS accuracies under harsh environmental conditions. 23rd Transport and Air Pollution Conference, Thessaloniki 2019. , Available from: https://www.tapconference.org/assets/files/previous-confereces/proceedings/2019_Proceedings.zip (2019).
  17. Karjalainen, P., et al. Time-resolved characterization of primary particle emissions and secondary particle formation from a modern gasoline passenger car. Atmospheric Chemistry and Physics. 16 (13), 8559-8570 (2016).
  18. Mikkanen, P., Moisio, M., Keskinen, J., Ristimäki, J., Marjamäki, M. Sampling method for particle measurements of vehicle exhaust. SAE Mobilus. , 219(2001).
  19. Giechaskiel, B., et al. Review of motor vehicle particulate emissions sampling and measurement: From smoke and filter mass to particle number. Journal of Aerosol Science. 67, 48-86 (2014).
  20. EC Commission Regulation (EU) 2017/1154. Official Journal of the European Union. , Available from: https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2017/1154/oj (2017).
  21. Mamakos, A., Khalek, I., Giannelli, R., Spears, M. Characterization of combustion aerosol produced by a mini-CAST and treated in a catalytic stripper. Aerosol Science and Technology. 47 (8), 927-936 (2013).
  22. Jing, L. Standard Combustion Aerosol Generator (SCAG) for Calibration Purposes. Atmospheric Environment. 27 (8), 1271-1275 (1999).
  23. Moore, R. H., et al. Mapping the operation of the miniature combustion aerosol standard (Mini-CAST) soot generator. Aerosol Science and Technology. 48 (5), 467-479 (2014).
  24. Giechaskiel, B., et al. Implementation of portable emissions measurement systems (PEMS) for the real-driving emissions (RDE) regulation in Europe. Journal of Visualized Experiments. (118), e54753(2016).
  25. EC Commission Regulation (EU) 2017/1151. Official Journal of the European Union. (692), Available from: https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2017/1151/oj 1(2017).
  26. EC REGULATION (EC) No 715/2007 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL. Official journal of the European Union. , Available from: https://eur-lex.europa.eu/Legal-content/EN/ALL/?uri=CELEX:32007R0715 (2007).
  27. EC DIRECTIVE 2007/46/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL. Official journal of the European Union. , Available from: https://eur-lex.europa.eu/Legal-content/EN/ALL/?uri=CELEX:32007L0046 (2007).
  28. EC Commission Regulation 2790/99. Official Journal of the European Communities. , Available from: https://eur-lex.europa.eu/Legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:3A31999R2790 (1999).
  29. Hinds, W. C. Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles. , John Wiley & Sons. (2012).
  30. Badshah, H., Kittelson, D., Northrop, W. Particle Emissions from Light-Duty Vehicles during Cold-Cold Start. SAE International Journal of Engines. 9 (3), 1775-1785 (2016).
  31. Andersson, J., et al. First results of vehicle technology effects on sub-23nm exhaust particle number emissions using the DownTo10 sampling and measurement system. 22nd ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles. , Available from: https://www.nanoparticles.ch/archive/2018_Andersson_PR.pdf (2018).
  32. Giechaskiel, B., Manfredi, U., Martini, G. Engine exhaust solid sub-23 nm particles: I. Literature survey. SAE International Journal of Fuels and Lubricants. 7 (2834), 950-964 (2014).
  33. Weiss, M., et al. Including cold-start emissions in the Real-Driving Emissions (RDE) test procedure. Publications Office of the European Union. , Available from: https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/66874f0c-fd85-11e6-8a35-01aa75ed71a1/language-en/format-PDF/source-120155396 (2017).
  34. Mathissen, M., Scheer, V., Vogt, R., Benter, T. Investigation on the potential generation of ultrafine particles from the tire-road interface. Atmospheric Environment. 45 (34), 6172-6179 (2011).
  35. Grigoratos, T., Martini, G. Brake wear particle emissions: a review. Environmental Science and Pollution Research. 22 (4), 2491-2504 (2015).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Cz stki poni ej 23 nanometr wprzeno ny system DownToTenrzeczywista emisja z pojazd wlicznik cz stek kondensacyjnychprzep ywomierz spalinstripper katalitycznyefektywno penetracji cz stekHorizon 2020 DownToTenmobilny pomiar emisji

Powiązane artykuły