Name: Medindo emissões de número de partículas reais de condução sub-23 nanômetros usando o sistema portátil de amostragem DownToTen (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-05-22T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: Aprenda a medir emissões de partículas sub-23 nm em condução real usando o sistema portátil DownToTen. Este método avalia nanopartículas automotivas não regulamentadas para estudos de qualidade do ar.

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Este trabalho é realizado no âmbito do projeto H2020 DownToTen. Este projeto recebeu financiamento do programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia sob o acordo de subvenção N. 724085.

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</ol>

Os autores não têm nada a revelar.

Este trabalho apresenta o sistema de amostragem DTT e sua aplicação como um sistema portátil de medição de emissões. O sistema foi projetado e construído dentro do projeto DTT do Eu Horizon 2020 para permitir medições de emissão de números de partículas abaixo do limite atual de tamanho de partículas legislativas de 23 nm. A versatilidade do sistema permite a avaliação das emissões de números de partículas sólidas reguladas, bem como emissões totais de partículas e estudos sobre aerossóis secundários. Para interpretar os resultados da medição com precisão, é necessário um procedimento de calibração com o sistema DTT. Isto é para avaliar a penetração relativa de partículas para diferentes tamanhos de partículas, para ser capaz de calcular um fator de correção que contabiliza as perdas de partículas. É fundamental fornecer tempo de aquecimento suficiente para o próprio sistema de amostragem e o resto da configuração experimental para alcançar o equilíbrio térmico e alcançar resultados precisos de medição de calibração.
Descreve-se a aplicação do sistema DTT para a medição de emissões de números de partículas sólidas com um corte de tamanho de partícula menor de 23 nm (regulação atual) e 10 nm (experimental). Para ser capaz de avaliar as emissões numéculas de partículas de um veículo é necessário determinar a concentração do número de partículas e a taxa de fluxo de massa de escape. O sistema DTT cobre a medição da concentração do número de partículas. O fluxo de massa de escape é medido usando um medidor de fluxo de escape (EFM). É fundamental instalar o EFM de acordo com as instruções do fabricante. Medições errôneas da taxa de fluxo de escape afetam diretamente as taxas de emissão deduzidas. Ao processar os dados medidos, é importante realizar um alinhamento de tempo preciso dos dados de concentração de partículas e dos dados de fluxo de escape. Isso é necessário porque a taxa de emissão é a taxa de fluxo de escape multiplicada pela concentração do número de partículas. Se os dois sinais não estiverem alinhados corretamente, as emissões ao longo de toda a unidade podem desviar-se significativamente das emissões reais.
O sistema DTT não é um dispositivo comercial, mas uma ferramenta de pesquisa versátil. É usado para investigar emissões de veículos não regulamentadas em vez de realizar medições de certificação que validem o cumprimento das normas vigentes. A alta versatilidade vem ao custo do aumento do consumo de energia e diluição do ar. Ao utilizar o sistema para medições móveis, o peso adicionado ao veículo devido à bateria (30 kg) e ao botijão de gás (20 kg) para cobrir o consumo de energia e ar do sistema deve ser mantido em mente. O peso total adicionado ao carro ao medir as emissões PN com o sistema DTT é de aproximadamente 80 kg, o que é comparável a outra pessoa que está sendo transportada no veículo. O peso adicional pode levar a um pouco maior de emissões, especialmente se a unidade incluir uma grande quantidade de aceleração e/ou colinas.
O sistema DTT pode ser usado para investigar as emissões de escape de número de partículas não regulamentadas <23 nm. As emissões sólidas e totais de número de partículas podem ser medidas. Além disso, pode ser uma ferramenta útil para estudar o complexo campo da formação de aerossóis secundários. Outra possível aplicação do sistema é a medição de partículas de desgaste do freio automotivo. Uma fração significativa das partículas emitidas durante eventos de frenagem pode ser menor que 30 nm34. Com um d50 de aproximadamente 11 nm, o sistema DTT é adequado para estudar essas emissões. Embora se saiba que as emissões não exaustivas contribuem quase igualmente para as emissões de PM10 relacionadas ao tráfego35, as emissões de partículas não exaustivas ainda não são regulamentadas. Isso se deve ao complexo e raramente reproduzível processo de geração de partículas, dificultando muito a fixação de ações regulatórias. Além disso, a composição química e a toxicidade relacionada das partículas orgânicas de desgaste do freio ainda são amplamentedesconhecidas 35.
O sistema DTT é uma ferramenta útil para melhorar nossa compreensão das emissões de partículas relacionadas ao tráfego de exaustão e não exaustivas.

<table><tbody><tr><td>2x Contador de Partículas de Condensação 4 nm</td><td>TSI</td><td>3775</td><td>Contador de partículas com um ponto de corte de 4 nm</td></tr><tr><td>5x Controladores de Fluxo de Massa (MFC)</td><td>V&ouml; gtlin</td><td></td><td>Controladores de fluxo de massa para controlar os fluxos de gás miniCast</td></tr><tr><td>AVL M.O.V.E. EFM Medidor de fluxo de escape</td><td>AVL</td><td></td><td>Dispositivo para a medição da vazão de escape de veículos</td></tr><tr><td>Catalisador</td> Dispositivo <td>feito</td><td></td> sob medida <td>para a remoção de compostos voláteis em um aerossol por oxidação</td></tr><tr><td>Ar</td><td></td><td></td> comprimido <td>Oxidação e fornecimento de ar de diluição para miniCast</td></tr><tr><td>Contador de Partículas de Condensação 10 nm</td><td>AVL</td><td></td><td>Contador de partículas com um ponto de corte de 10 nm Contador de Partículas de</td></tr><tr><td>Condensação 23 nm</td><td>TSI</td><td>3790A</td><td>Contador de partículas com um ponto de corte de 23 nm</td></tr><tr><td>Analisador de Mobilidade Diferencial</td><td>TSI</td><td>3085</td><td>Parte do classificador eletrostático onde as partículas são separadas por mobilidade.</td></tr><tr><td>Ponte de diluição</td><td>Válvula</td> de agulha feita <td></td><td>sob medida em paralelo aos filtros HEPA. Usado para ajustar as concentrações de partículas para fins de calibração</td></tr><tr><td>Sistema de Amostragem DownToTen</td><td>Feito sob medida</td><td></td><td>Sistema de amostragem personalizado para a avaliação das emissões de partículas automotivas sub-23 nm</td></tr><tr><td>Classificador Eletrostático</td><td>TSI</td><td>3082</td><td>Dispositivo para a classificação de partículas de arosol por diâmetro de mobilidade elétrica</td></tr><tr><td>Medidor de Fluxo de Massa Portátil (MFM)</td><td>V&ouml; gtlin</td><td></td><td>Dispositivo para medir o fluxo de entrada de instrumentos de medição</td></tr><tr><td>miniCast Soot Generator</td><td>Jing Ltd</td><td></td><td>Combastion aerosol standard, gerador de fuligem</td></tr><tr><td>Bateria móvel LPS 1500</td><td>Clayton Power</td><td></td><td>Bateria para alimentação do sistema de medição TDT</td></tr><tr>Garrafa <td></td><td></td> de<td>gás nitrogênio Nitrogênio</td><td>para mistura de gás e fornecimento de gás de têmpera de gás propano miniCast</td></tr><tr><td> Garrafa</td><td></td><td></td><td>de combustível para neutralizador</td></tr><tr><td>de raios X macio</td> miniCast <td>TSI</td><td>3088</td><td>Dispositivo para o estabelecimento da distribuição de carga de equílio de partículas de aerossol Garrafa de</td></tr><tr><td>ar sintético Garrafa de gás de 10 L</td><td></td><td></td><td>para o suprimento de ar de diluição</td></tr></tbody></table>

medindo emissões de número de partículas reais de condução sub-23 nanômetros usando o sistema portátil de amostragem downtoten

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

O limite atual de tamanho de partículas dos padrões europeus de emissão do Número de Partículas (PN) é de 23 nm. Esse limiar pode mudar porque a tecnologia futura do motor a combustão pode emitir grandes quantidades de partículas abaixo de 23 nm. O projeto financiado pela Horizon 2020 DownToTen (DTT) desenvolveu um método de amostragem e medição para caracterizar as emissões de partículas nesta faixa de tamanho atualmente não regulamentada. Um sistema de medição PN foi desenvolvido com base em uma extensa revisão da literatura e experimentos laboratoriais testando uma variedade de abordagens de medição e amostragem pn. O sistema de medição desenvolvido é caracterizado pela alta penetração de partículas e versatilidade, o que permite a avaliação de partículas primárias, partículas primárias atrasadas e aerossóis secundários, a partir de alguns nanômetros de diâmetro. Este artigo fornece instruções sobre como instalar e operar este Sistema portátil de medição de emissões (PEMS) para medições de Emissões de Unidade Real (RDE) e avaliar as emissões de números de partículas abaixo do limite legislativo atual de 23 nm.

Dados de calibração (penetração de partículas):
A Figura 11 mostra um enredo exemplar da penetração relativa de partículas do sistema DTT em função do diâmetro da mobilidade das partículas. Os dados correspondentes foram medidos e avaliados conforme descrito na seção de instrução 1. O enredo mostra que os desvios entre dois pontos de medição no mesmo diâmetro de mobilidade foram inferiores a 5%. Desvios maiores que 10% indicam instabilidades na configuração experimental. Neste caso, a calibração teve que ser repetida com o aumento dos tempos de estabilização do aquecimento. Tanto o tempo de aquecimento (tipicamente 30 min) quanto o tempo de estabilização (tipicamente 30 s) aumentaram em um fator de 1,5.
As partículas que passavam pelo sistema DTT foram perdidas devido à difusão e à termoforese. As perdas termoforéticas foram causadas por um gradiente de temperatura desenhando partículas em direção às paredes do sistema de amostragem. Este é um efeito independente de tamanho de partícula29; em contraste, a difusão é altamente dependente do tamanho das partículas. Um gradiente de concentração causou um fluxo de partículas líquidas em direção às paredes onde as partículas foram perdidas. A difusividade subindo com menor tamanho de partícula fez deste o mecanismo de perda dominante para partículas ≤ 10 nm. As linhas da Figura 11 que indicam perdas termoforal, difusional e total demonstram as respectivas dependências de tamanho de partículas. Para as perdas difusionais, esta função foi usada para ilustrar a dependência aproximada do tamanho das partículas:
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ11.jpg">
A penetração P depende de um parâmetro de ajuste a e do coeficiente de difusão D:
<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ12.jpg">
O coeficiente de difusão depende da constante boltzmann k, a temperatura absoluta T, a viscosidade η,o diâmetro da partícula dp, e o fator de correção de deslizamento de Cunningham Cc, que é uma função do caminho livre médio e do diâmetro da partícula29.
Os dados ilustrados na Figura 11 resultaram na seguinte eficiência média de penetração de partículas Pmédia:
<img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ13.jpg">
O tamanho das partículas onde a eficiência de penetração é de 50% é referido como d50. O d50 descreve a característica de corte de penetração de um sistema. Para o sistema DTT o d50 era de 11 nm. O d50 é mostrado na Figura 11.
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig11.jpg"> Figura 11: Penetração de partículas em função do diâmetro da mobilidade de partículas. Pontos marcados em azul são resultados de medição. As linhas tracejadas em laranja e verde indicam as perdas associadas à termoforese e difusão, respectivamente. A linha vermelha representa as perdas totais como a soma das perdas difusionais e termoforéticas. A linha roxa pontuada mostra a penetração média de partículas Pmean como calculado na instrução de medição de calibração seção 1. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig11large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
Número de partículassólidas:
A Figura 12 mostra a taxa de emissão de número de partículas ao longo do tempo durante os primeiros dez minutos de uma unidade de medição RDE. Os dados do PEMS DTT usando um CPC de 10 nm e 23 nm são mostrados juntamente com dados de um sistema de ponto de corte de 23 nm disponível comercialmente. As taxas de emissão de partículas foram calculadas a partir das respectivas concentrações de partículas multiplicadas pela taxa de fluxo de escape, conforme descrito acima na instrução de análise de dados seção 4. O instrumento de referência (AVL MOVE) contava com um carregador de difusão para a medição da concentração do número de partículas. Apesar dos diferentes princípios dos sensores, os dados medidos com o PEMS DTT foram em geral muito bons acordos com os dados medidos pelo PEMS comercialmente disponível. Os picos acentuados para baixo nos três sinais ocorreram porque os dispositivos de medição de partículas podem relatar zero concentrações de partículas temporariamente e zeros não podem ser exibidos em parcelas logarítmicas. As emissões de partículas medidas com o CPC de 10 nm foram muito próximas das emissões medidas com o CPC de 23 nm durante a maior parte do período de tempo mostrado na Figura 12. No entanto, logo no início entre 10 e 25 s houve uma ocorrência de emissão significativa de partículas &lt;23 nm. O sinal DTT 10 nm foi significativamente maior do que o sinal de 23 nm do sistema DTT e o AVL MOVE. Neste caso, &gt;50% do número total de partículas emitidas estavam entre 10 nm e 23 nm. Processos dinâmicos de início frio em equilíbrio não térmico podem fazer com que as distribuições de tamanho de partículas diferam das emissões de um veículo quente30. A discussão desses processos complexos está além do escopo deste trabalho. Mais informações sobre o tema podem ser encontradas na literatura31,32,33.
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig12.jpg"> Figura 12: A parte superior da figura mostra a taxa de emissão de número de partículas ao longo do tempo para os primeiros 10 minutos de uma unidade de medição de RDE. Os dados medidos com o DTT PEMS utilizando CPC de 10 nm e 23 nm e um sistema de ponto de corte de 23 nm comercialmente disponível (AVL MOVE) são usados como referência. A parte inferior da figura mostra a velocidade do veículo. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig12large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

Apresentado aqui é o sistema de medição de emissões portáteis DownToTen (DTT) para avaliar as emissões automotivas reais de partículas sub-23 nm.

Medindo emissões de número de partículas reais de condução sub-23 nanômetros usando o sistema portátil de amostragem 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 pode ser usado para adquirir uma medição móvel de emissões de partículas sub-23 nanômetros não regulamentadas usando um sistema que foi projetado e construído no Projeto Horizon 2020 DownToTen. Baixas perdas de partículas no Regime de Interesse do Nanômetro Sub-23 e o alto grau de versatilidade dentro do sistema permitiram a avaliação das diferentes propriedades das partículas emitidas. Esta exceção às emissões de escape, este método seria ideal para a investigação dos mecanismos de volatilidade e formação de partículas nano-dimensionadas Comece selecionando um Medidor de Fluxo de Exaustão com uma faixa de medição que corresponda à faixa de fluxo de escape esperada do veículo a ser medida.Coloque a caixa de controle do medidor de fluxo de escape no porta-malas do veículo e instale o medidor de escape na parte externa do carro. De acordo com as especificações do fabricante, o cuidado é que a distância rio acima e a jusante do medidor esteja em conformidade com o Regulamento Federal. Verifique se os conectores do tubo do medidor de fluxo de escape até o tubo de escape do veículo podem suportar as temperaturas do gás de escape.Quando o medidor de fluxo de escape tiver sido instalado use tubos de conexão e grampos de tubulação para conectar o escapamento ao primeiro tubo, apertando os grampos do tubo no final apenas para facilitar o alinhamento dos tubos durante a montagem. Quando há uma conexão do escapamento ao medidor de escape coloque a caixa de controle do medidor de fluxo de escape e o suporte de montagem do medidor de fluxo de escape no porta-malas para garantir que nada deslize durante a viagem de medição e verifique se toda a tubulação está apertada e que nada se soltará durante a viagem de medição. Após um tempo de aquecimento de até 15 minutos, dependendo da temperatura ambiente, o medidor de fluxo de massa de escape está pronto para fazer medições.Para instalar o sistema de medição DownToTen, coloque a garrafa de ar sintética no porta-malas e fixe a garrafa no lugar com alças. Coloque a bateria no porta-malas do veículo e conecte o cabo de entrada CA, fixe a bateria no lugar e conecte o cabo CA a uma fonte de energia local. Fixar as bombas de vácuo para o sistema de amostragem e os contadores de partículas de condensação no porta-malas do veículo e conectar as bombas à bateria.Em seguida, o sistema DownToTen no porta-malas do veículo e fixá-lo para posicionar com correias conectam o sistema à bateria móvel e conectam os dois controladores de fluxo de massa de entrada do sistema DownToTen, a uma fonte de ar pressurizada estacionária. conectar os dois controladores de fluxo de massa de saída do Sistema DownToTen, à bomba de vácuo e usar a tubulação apropriada para conduzir o escape da bomba, fora do veículo. Use um cabo USB para conectar o Sistema DownToTen ao laptop de medição e conectar a entrada do sistema ao ponto de amostragem, a jusante do medidor de fluxo de escape.Conecte a entrada de alimentação do sistema à bateria e conecte as entradas de alimentação do contador de partículas de condensação à bateria. Conecte os contadores de partículas de condensação à respectiva bomba de vácuo externa e use tubos apropriados para conduzir o escape do contador de partículas de condensação e toda a bomba externa fora do veículo. Em seguida, use um cabo USB para conectar os contadores de partículas de condensação ao laptop de medição Para aquecer e iniciar o sistema de medição, ligue os contadores de partículas de condensação e sua fonte de vácuo externa.E abra o Software de Contador de Partículas de Condensação. Estabeleça a comunicação com os contadores de partículas de condensação e feche as válvulas de agulha dos controladores de fluxo de massa. Em seguida, pressione o interruptor vermelho da bomba downToTen Sampling System para ligar o sistema e abrir a exibição de laboratório DownToTen Application.A comunicação com o sistema será iniciada automaticamente e a Interface Gráfica do Usuário exibirá o fluxo dentro e fora nos estágios de diluição um e dois. Digite o fluxo de massa desenhado pelos instrumentos de medição conectados em litros padrão por minuto e abra lentamente as válvulas da agulha até que ambos os fluxos atinjam 10 mais ou menos 0,5 litros padrão por minuto Ajuste o AdFlow de ambos dil estágios de ção de modo que a taxa de fluxo na Stripper Catalítico seja igual a um mais ou menos 0,1 litros por minuto através da Stripper Catalítico e um fluxo de entrada amostral da taxa de fluxo de amostra Catalytic Stripper é igual a um plus ou menos 0,1 litros por minuto. Sob a aba do aquecedor, defina as temperaturas do aquecedor da fonte de ar de diluição.O Primeiro Derrama Diluter e a stripper catalítica a 350 graus Celsius. O sistema começará a esquentar. Em seguida, espere até que a temperatura do gás a jusante estágio um, atinja 290 graus Celsius antes de iniciar a unidade de medição.Para registrar os dados, no dispositivo de medição conectado ao Sistema de Amostragem DownToTen, inicie rapidamente o Data Logging', para começar a registrar os dados do sistema de amostragem. E selecione um caminho e um nome de arquivo na janela pop-up. O caminho do arquivo de registro será exibido e a luz verde indicará que os dados estão salvos.Em seguida, use o software apropriado para registrar os dados de concentração de partículas, do contador de partículas de condensação e começar a registrar o fluxo de escape com o Medidor de Fluxo de Exaustão. Para registrar os dados enquanto dirige, antes de conduzir a rota selecionada, desconecte o cabo de carregamento da bateria e mude do fornecimento de ar pressurizado estacionário para o botijão de gás. Em seguida, dirija a rota selecionada.Depois de dirigir, pressione o Log IN"para parar de gravar os dados e desligar os instrumentos. Em seguida, recarregue a bateria para preparar para a próxima unidade Aqui, um gráfico exemplar da penetração de partículas relativas do sistema DownToTen em função do diâmetro da mobilidade de partículas é mostrado. Os dados termoforódicos, difusionais e de perda total foram traçados para determinar as respectivas dependências de tamanho de partículas.Nesta análise, a difusividade subindo com o tamanho de partículas inferior fez deste o mecanismo de perda dominante para partículas menores ou iguais a 10 nanômetros. A eficiência total de penetração também é representada, permitindo a determinação do tamanho das partículas em que a eficiência de penetração chega a 50%Aqui, a taxa de emissão de número de partículas ao longo do tempo durante os primeiros 10 minutos de uma unidade real de medição de emissões de unidade é mostrada. Picos acentuados para baixo apontando em todos os três sinais ocorreram porque os dispositivos de medição de partículas podem relatar zero concentrações de partículas temporariamente e zeros não podem ser exibidos em parcelas logarítmicas.As emissões de partículas medidas com o contador de partículas de condensação de 10 nanômetros foram muito próximas das emissões medidas com o contador de partículas de condensação de 23 nanômetros durante a maior parte do período de medição. No entanto, entre 10 e 25 segundos, houve uma ocorrência de significativa emissão de partículas de menos de 23 nanômetros. Como nesta análise, mais de 50% do número total de partículas emitidas, estavam entre 10 e 23 nanômetros.Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de inserir corretamente o medidor de escape e fornecer tempo suficiente de aquecimento para o sistema de amostragem. A versatilidade e as baixas perdas do sistema DownToTen o tornam uma ferramenta ideal para a investigação de emissões de partículas não regulamentadas, como partículas de escape total. Este sistema e método foram utilizados no Projeto Horizon 2020 DownToTen para avaliar as emissões de partículas sub-23 nanômetros de uma variedade de veículos para fornecer uma base científica para futuras regulamentações de emissões.

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Research

JoVE Journal

Engineering

Engenharia

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