Здесь представлена портативная система измерения выбросов DownToTen (DTT) для оценки реальных автомобильных выбросов частиц суб-23 нм.
Текущий порог размера частиц в европейских стандартах выбросов частиц (PN) составляет 23 нм. Этот порог может измениться, поскольку будущая технология двигателя внутреннего сгорания может излучать большое количество частиц суб-23 нм. Финансируемый Horizon 2020 проект DownToTen (DTT) разработал метод отбора проб и измерения для характеристики выбросов частиц в этом в настоящее время нерегулируемом диапазоне размеров. На основе обширного обзора литературы и лабораторных экспериментов была разработана система измерений PN, в ходе работы над тестированием различных подходов к измерению и отбору проб PN. Разработанная система измерений характеризуется высоким проникновением частиц и универсальностью, что позволяет проводить оценку первичных частиц, отложенных первичных частиц и вторичных аэрозолей, начиная с нескольких нанометров в диаметре. В настоящем документе содержится инструкция о том, как установить и эксплуатировать эту Портативную систему измерения выбросов (PEMS) для измерения реальных выбросов привода (RDE) и оценить выбросы количества частиц ниже действующего законодательного предела в 23 нм.
Программа измерения частиц (PMP) была основана правительством Великобритании для “разработки протоколов испытаний типа утверждения для оценки транспортных средств, оснащенных передовой технологией сокращения твердых частиц, которая будет дополнять или заменять существующие законодательные процедурыизмерения” 1. ПМП является первой в мире регуляцией выбросов на основе количества частиц, нацеленной конкретно на углеродистые частицы ≥23 нм. Недавние измерения показывают, что может потребоваться включить мелкие частицы.
Негативные последствия для здоровья дизельной сажихорошо понимают 2, и, следовательно, “принцип предосторожности” был вызван на том основании, что устранение частиц углерода из дизельных выхлопных газов, через обязательное использование дизельных фильтров твердых частиц (DPFs), было необходимо по состоянию здоровья. Однако, поскольку в европейском законодательстве предельное значение должно вынудить внедрение технологий контроля выбросов, этого нельзя добиться без соответствующего метода измерения. При сильной политической поддержке по всей Европе правительство Соединенного Королевства возглавило концепцию ПМП по улучшению измерений твердых частиц. ПМП под эгидой Экономической комиссии Организации Объединенных Наций по Европе (UN-ECE)3включила в себя опыт других людей со всего мира. В 2001 году были завершены два проекта по исследованию частиц. Один из них (Particulate Research4)был проведен Департаментом окружающей среды, транспорта и регионов Великобритании (DETR) в партнерстве с Обществом автопроизводителей и трейдеров (SMMT) и Европейской организацией нефтяных компаний по окружающей среде, здоровью и безопасности (CONCAWE). Другая (PARTICULATES5) финансировалась 5-й Рамочнойпрограммой Европейского союза и осуществлялась 14 различными европейскими партнерами. Результаты обоих проектов свидетельствуют о том, что процедуры, основанные на количестве частиц, являются многообещающими, однако проблемы, связанные с повторяемыми и воспроизводимыми измерениями, остаются.
В 2007 году был опубликован окончательный доклад PMP Light-duty Inter-laboratory CorrelationExercise, в томчисле некоторые улучшения метода измерения массы на основе фильтра, в первую очередь демонстрирующие осуществимость метода, основанного на количестве, для регуляторных целей, основанного на определенном диапазоне размеров частиц и волатильности частиц. Оба метода были внедрены на основе выборки из существующего подхода к разбавлению тоннеля постоянного объема (CVS), первоначально разработанного для измерения выбросов твердых частиц и мешков разбавленных газификационных выбросов.
В рамках метода, основанного на подсчете числа, был выбран более низкий предел размера частиц в 20 нм. Основная цель проекта заключалась в обеспечении того, чтобы частицы такого размера и выше контролировались законодательством. В настоящее время известно, что размер первичной частицы в выхлопных газах двигателя может быть lt;20нм 7,8,9. По практическим причинам был выбран счетчик частиц с 50% эффективностью подсчета (d50)при 23 нм, и этот размер стал общепринятым порогом более низкого размера. Было признано, что из-за высокой чувствительности к таким свойствам, как разбавление, температура воздуха, влажность исоотношение 10, распределение летучихчастиц и комплексные измерения числа могут быть повторяемыми в одном CVS-оборудованном объекте с одним транспортным средством, но гораздо меньше от объекта к объекту. Таким образом, для строгого регулирования необходимо сосредоточить внимание исключительно на неволатилистых частицах, при этом подход к измерению эффективно определяет условия границы регулятивных частиц по размеру и волатильности. Европейское дизельное топливо имеет бэк-энд волатильность такова, что только несколько процентов кипит при температурах выше 350 градусов по Цельсию, и ранние работы в рамках PMP показали, что короткое время пребывания при этой температуре были пригодны для полного испарения тетраконтана, линейного углеводорода, содержащего 40 атомов углерода с волатильностью к концуточки кипения двигателя смазки 11. Таким образом, температура 350 градусов по Цельсию стала де-факто точкой отсчета для регулятивной волатильности частиц.
Спецификация системы измерения PMP включает компоненты для отбора проб, кондиционирования образцов и измерения, обобщенные в таблице 1.
Этапе | Идентичности | Цель |
0 | Источник образца | Происхождение образца |
1 | Транспорт частиц | Проведение выборки от происхождения до системы измерений |
2 | Летучий удаления частиц | Устранение летучих веществ и определение нестабильных частиц, которые должны быть измерены |
3 | Счетчик номеров частиц | Перечислите нестабильные частицы и определите предел нижнего размера |
Таблица 1: Элементы системы измерения ПМП.
В настоящее время реализуется европейский подход PMP PN, который теперь распространяется на легкие дизельные (сентябрь 2011 г., ЕВРО 5b) и GDI (сентябрь 2014 г., ЕВРО-6), а также на дизельные и газовые тяжелые двигатели (февраль 2013 г., ЕВРО VI).
Недавние измерения показали, что некоторые легкие транспортные средства и, в частности, технологии зажигания искры, могут излучать значительные уровни частиц lt;23 nm12,13,14. Это привело к тому, что Европейская комиссия финансировала исследовательские проекты для разработки новых или расширенных методов, которые могут быть быстро реализованы в качестве замены или дополнения к действующему регулированию в размере 23 нм.
Один из таких проектов, DownToTen (DTT), направлен на сохранение общего подхода ПМП и расширение диапазона измерений до d50 ≤10 нм. С этой целью конфигурация системы измерения DTT была разработана таким образом, чтобы включить те же основные элементы, описанные в таблице 1, но с кондиционированием и измерения шаги оптимизированы для обеспечения эффективного транспортировки и обнаружения частиц lt;23 нм. Система DTT была первоначально разработана для лабораторного использования, но была изменена для работы в качестве портативной системы измерения выбросов (PEMS). Для системы DTT PN-PEMS компоненты были оптимизированы для снижения веса и энергопотребления и повышения физической надежности без существенного отхода от первоначальной конструкции. Для мобильного приложения система должна быть устойчива к более суровым и неустойчивым температурам, давлению и вибрационным средам, которые, вероятно, встречаются при испытаниях PEMS легкой и большой грузоозарядки. Влияние колебаний давления на входе системы было смоделировано и изучено экспериментально15. Устойчивость к вибрациям оценивалась с помощью специальной испытательнойкровати 16. Вибрации и ускорения, которые происходят во время типичных дисков RDE, не нарушили результаты измерений используемых счетчиков частиц конденсата. Система DTT также предназначена для использования при низких температурах, где неустойчивая функция удаления неактивна, чтобы кормить стареющую камеру и изучать вторичное органическое образованиеаэрозолей 17.
Тепловые элементы системы измерения DTT, определяющие регулятивную границу волатильности частиц, тесно параллельные элементам системы PMP, в том, что обе системы содержат последовательность:
Основные различия между системами DTT и PMP заключается в том, что компоненты системы DTT выбираются для:
Цель настоящего документа заключается в том, чтобы представить использование системы DTT PN-PEMS для измерения неволатиловых частиц ≥10 нм от транспортного средства, на самом пользования. Это включает в себя введение в систему измерений и ее основных компонентов, проведение лабораторных измерений калибровки, установку устройства для мобильного приложения, проведение реального измерения выбросов и обработку собранных данных измерений.
Инструментария
DTT PN-PEMS был разработан, чтобы обеспечить высокое проникновение частиц до нескольких нанометров, надежное разбавление числа частиц, удаление летучих частиц и предотвращение образования искусственных частиц. Компоненты системы были отобраны на основе результатов лабораторных экспериментов, в ходе которые были сопоставлены различные технологии разбавления и кондиционирования аэрозолей. В этом разделе представлен обзор системы, ее рабочего принципа и используемых компонентов. На рисунке 1 показана схема системы. На рисунке 2 показана фотография системы. Размер системы DTT составляет 60 см и имеет размер 50 см х 50 см. Вес системы составляет около 20 кг. Включая необходимые периферийные элементы (т.е. аккумулятор и газовую бутылку) общий вес составляет около 80 кг. Основными элементами системы являются две стадии разбавления (т.е. первая горячая, вторая холодная), каталитическая стриптизерша и, по крайней мере, один счетчик частиц конденсации (CPC).
Рисунок 1: Схематический рисунок переносной системы измерения выбросов DTT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Изображение верхнего вида системы выборки DTT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Две стадии разбавления снижают концентрацию числа частиц до уровней, измеримых счетчиками частиц конденсата (Lt;104 q/cm3). На заказ пористые разбавления трубки используются для обеих стадий разбавления. Эта технология была выбрана из-за его низкойпотери частиц 18,19. Радиальный вход разбавленного воздуха конвективно удерживает частицы от стенок, что уменьшает потери частиц. Кроме того, эти разбавления могут быть очень маленькими и могут выдерживать температуру 400 градусов по Цельсию. Используемый пористый материал является спекаемой hastalloy X трубки (GKN Фильтры Металлы GmbH, Radevormwald, Германия). Статические элементы смешивания внутри пористой трубки обеспечивают хорошо смешанный аэрозоль непосредственно вниз по течению от разбавляя. Это позволяет взять репрезентативную выборку разбавленного аэрозоля для дальнейшего кондиционирования или измерения путем разделения аэрозольного потока непосредственно вниз по течению от разбавляемого, и позволяет компактную систему отбора проб. Первичная стадия разбавления обычно нагревается до 350 градусов по Цельсию, в то время как вторая ступень работает при температуре окружающей среды. Коэффициент разбавления системы составляет около 80. Точное значение зависит от потока входов и управления массовым потоком: скорость потока в системе отбора проб управляется системой из двух контроллеров массового потока и двух метров массового потока. Контроллеры массового потока контролируют скорость разбавления воздушного потока. Метры массового потока отслеживают скорость потока, извлеченную вниз по течению от этапов разбавления 1 и 2. Различия между извлекаемыми потоками и поставляемыми потоками могут быть изменены. Другими словами, чистый поток, добавленный или вычитаемый в одном этапе разбавления, может быть определен. Выборка скорости потока,Q выборкаsample, определяется как сумма всех других скоростей потока: 1) Скорость потока, нарисованная измерительных приборов(No inst); 2) скорость разбавления воздушного потокаQ(дил,i); и 3) превышение ставок потока иex,i. При расчете потока выборки вклад потоков, извлеченных из системы, является положительным, а вклад потоков, покапленых в систему, отрицательным.
Общее коэффициент разбавления DR рассчитывается по:
Каталитическая стриптизерша (CS) расположена между стадией разбавления 1 и 2 и работает при 350 градусах по Цельсию при скорости потока 1 литр в минуту (L/min). Каталитическая стриптизерша обеспечивает окисление органических соединений и хранение серы. Удаление этих веществ обеспечивает изоляцию фракции твердых частиц. Предотвращается нежелательное образование летучих и полуволатильных частиц и рост частиц подкожного размера. Используемая каталитическая стриптизерша доступна на коммерческой основе (AVL GmbH). Эффективность удаления летучих частиц CS была проверена с помощью частиц масла polydisperse emery (50 нм и 1мг/м 3 (3,5-5,5 мг/м3),показав эффективность в размере 99% (фактическое значение 99,9%) в соответствии с правилами RDE20. Это более строгий тест, чем тест тетраконтана, предписанный в текущем протоколе PMP.
Один или несколько счетчиков частиц конденсации используются для измерения концентрации числа частиц ниже по течению второй стадии разбавления. КТК с d50 из 23 нм позволяет измерять регулируемое в настоящее время излучение твердых частиц, более 23 нм. Кроме того, измерение концентрации числа частиц с помощью одного или нескольких КТКс более низкой точкой разреза d 50 (например, 10 нм, 4 нм) позволяет оценить нерегулируемую в настоящее время фракцию твердых частиц lt;23 нм до размера D50, применяемого КПК.
Линия разбавления воздуха, первичный пористый разбавитель трубки и каталитическая стриптизерша имеют независимые нагревательные элементы, содержащие термокоупли k-типа (ТК). Самостоятельное нагревание различных секций контролирует распределение температуры в системе.
В дополнение к термокуплам в нагревательных элементах, два термокоупла помещаются вниз по течению от стадии разбавления 1 и 2. Эти два термокупла непосредственно измеряют температуру аэрозоля.
Два датчика абсолютного давления (NXP MPX5100AP) используются для мониторинга давления на входе и выходе системы отбора проб.
Для мобильных измерений используется аккумуляторная батарея Clayton Power LPS 1500. 10-луночное синтетическое воздушное баллон снабжает систему разбавленным воздухом во время мобильных приложений. Размеры аккумулятора и газового баллона выбраны таким образом, чтобы система можно было работать самостоятельно в течение 100 минут.
Система управляется с помощью NI myRIO под управлением виртуального инструмента LabVIEW. Виртуальный прибор позволяет контролировать скорость потока и температуру нагревателя. Помимо контролируемых параметров, температура аэрозоля, давление и ускорение (через датчик, интегрированный в MYRIO) можно контролировать и войти. Модуль GPS-аксессуар myRIO позволяет ведения журнала данных о положении. На рисунке 3 и рисунке 4 показывается пользовательский интерфейс виртуального инструмента, используемого для управления системой DTT.
Рисунок 3: Обзор параметра виртуального инструмента DTT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Виртуальная панель управления обогревателем приборов DTT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Любая процедура отбора проб приводит к потерям частиц. Для учета этих потерь проводятся лабораторные измерения для определения размера частиц, зависящих от проникновения частиц через систему отбора проб DTT. В этих измерениях концентрация частиц монодисперсного аэрозоля измеряется вверх и вниз по течению от системы отбора проб с использованием двух счетчиков частиц конденсата. На рисунке 5 показана экспериментальная установка для калибровочные измерения. В этой установке, Цзин miniCAST используется в качестве источника частиц21,22. Контроллеры массового потока (МФЦ) используются для управления потоками газа в горелку. Разбавляемый мост позволяет корректировать концентрацию числа частиц. Разбавляемый мост является высокой эффективностью твердых частиц воздуха (HEPA) фильтр параллельно иглы клапана. Корректировка положения иглы клапана изменяет коэффициент разбавления, изменяя соотношение между долей аэрозоля, проходящего через фильтр HEPA, и долей аэрозоля, проходящего через игольчатый клапан. Фильтрованные и нефильтрованные аэрозоли рекомбинируются Т-куском для формирования разбавленного аэрозоля. Каталитическая стриптизерша используется для удаления возможных обильных летучих соединений, генерируемых в качестве побочных продуктов процесса сгорания. Электростатический классификатор TSI 3082 вместе с анализатором дифференциальной мобильности TSI 3085 (nano DMA) используется для выбора размеров частиц. Два TSI CPCs 3775 (d50 и 4 нм) используются для измерения концентрации числа частиц вверх по течению и вниз по течению от системы отбора проб DTT. Точка разреза счетчиков d50 и 4 нм позволяет определить проникновение при размерах частиц до 10 нм и ниже.
Рисунок 5: Схематического чертежа экспериментальной установки, используемой для калибровки системы отбора проб DTT. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
В этой работе представлена система отбора проб НТТ и ее применение в качестве портативной системы измерения выбросов. Система была разработана и построена в рамках проекта ЕС Horizon 2020 DTT, чтобы измерения выбросов частиц ниже текущего законодательного предела размера частиц в 23 нм. Универсальность системы позволяет оценить регулируемые выбросы твердых частиц, а также общие выбросы частиц и исследования вторичных аэрозолей. Для точной интерпретации результатов измерений необходима процедура калибровки с помощью системы DTT. Это необходимо для оценки относительного проникновения частиц для различных размеров частиц, чтобы иметь возможность рассчитать фактор коррекции, который учитывает потери частиц. Крайне важно обеспечить достаточное время для разогрева самой системы отбора проб и остальной части экспериментальной установки для достижения теплового равновесия и достижения точных результатов измерения калибровки.
Описано применение системы ДДТ для измерения выбросов твердых частиц с более низким размером частиц 23 нм (текущее регулирование) и 10 нм (экспериментальное). Для оценки количества частиц в транспортном средстве необходимо определить концентрацию количества частиц и скорость потока выхлопных газов. Система DTT покрывает измерение концентрации числа частиц. Поток выхлопной массы измеряется с помощью счетчика выхлопных газов (EFM). Очень важно установить EFM в соответствии с инструкциями производителя. Ошибочные измерения скорости потока выхлопных газов непосредственно влияют на выведенные показатели выбросов. При обработке измеренных данных важно выполнить точное выравнивание данных о концентрации частиц и данных о выхлопных газах. Это необходимо, поскольку скорость выбросов является скоростью потока выхлопных газов, умноженной на концентрацию числа частиц. Если эти два сигнала не выровнены правильно, выбросы в течение всего диска может значительно отклоняться от реальных выбросов.
Система DTT является не коммерческим устройством, а универсальным исследовательским инструментом. Он используется для расследования нерегулируемых выбросов транспортных средств, в отличие от проведения сертификационных измерений, подтверждающих соблюдение действующих правил. Высокая универсальность происходит за счет увеличения потребления энергии и разбавления воздуха. При использовании системы для мобильных измерений, вес, добавленный в транспортное средство из-за батареи (30 кг) и газовой бутылки (20 кг) для покрытия потребления энергии и воздуха системы должны иметь в виду. Общий вес автомобиля при измерении выбросов PN с помощью системы DTT составляет примерно 80 кг, что сопоставимо с другим лицом, перевозимым в транспортном средстве. Дополнительный вес может привести к незначительному увеличению выбросов, особенно если привод включает в себя значительное ускорение и / или холмы.
Система DTT может быть использована для исследования нерегулируемых выбросов выхлопных газов частиц. Можно измерить как твердые, так и общие выбросы количества частиц. Кроме того, он может быть полезным инструментом для изучения сложной области вторичного образования аэрозолей. Другим возможным применением системы является измерение частиц износа автомобильных тормозов. Значительная часть частиц, испускаемых во время торможения, может быть меньше 30 нм34. С d50 из приблизительно 11 нм, система DTT подходит для изучения этих выбросов. Хотя известно, что выбросы, не связанные с выхлопными газами, вносят почти равный вклад в связанные сдвижением выбросы ТЧ 10 35, выбросыне выхлопных частиц по-прежнему не регулируются. Это связано со сложным и редко воспроизводимым процессом генерации частиц, что затрудняет принятие нормативных мер. Кроме того, химический состав и связанная с ним токсичность органических частиц износа тормозов до сих пор широконеизвестны 35.
Система DTT является полезным инструментом для улучшения нашего понимания выбросов частиц, связанных с выхлопными газами и не выхлопными газами.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа проводится в рамках проекта H2020 DownToTen. Этот проект получил финансирование от научно-исследовательской и инновационной программы Европейского союза Horizon 2020 в рамках грантового соглашения Nr. 724085.
2x Condensation Particle Counter 4 nm | TSI | 3775 | Particle counter with a cut point of 4 nm |
5x Mass Flow Controllers (MFC) | Vögtlin | Mass flow controllers for controlling the miniCast gas flows | |
AVL M.O.V.E. EFM Exhaust Flow Meter | AVL | Device for the measurement of the exhaust flow rate of vehicles | |
Catalytic Stripper | Custom made | Device for the removal of volatile compounds in an aerosol by oxidation | |
Compressed Air | Oxidation and dilution air supply for miniCast | ||
Condensation Particle Counter 10 nm | AVL | Particle counter with a cut point of 10 nm | |
Condensation Particle Counter 23 nm | TSI | 3790A | Particle counter with a cut point of 23 nm |
Differential Mobility Analyzer | TSI | 3085 | Part of the electrostatic classifier where the particle are separeted by mobility. |
Dilution Bridge | Custom made | Needle valve in parallel to HEPA filters. Used to adjust particle concentrations for calibration purposes | |
DownToTen Sampling System | Custom made | Custom made sampling system for the assessment of automotive sub-23 nm particle emissions | |
Electrostatic Classifier | TSI | 3082 | Device for the classifaction of arosol particles by electrical mobility diameter |
Hand held Mass Flow Meter (MFM) | Vögtlin | Device for measuring the inlet flow of measurement instruments | |
miniCast Soot Generator | Jing Ltd | Combastion aerosol standard, soot generator | |
Mobile Battery LPS 1500 | Clayton Power | Battery for power supply of the DTT measurement system | |
Nitrogen Gas Bottle | Nitrogen for Mixing gas and quench gas supply of miniCast | ||
Propane Gas Bottle | Fuel for miniCast | ||
Soft X-Ray Neutralizer | TSI | 3088 | Device for the establishmentof the equillibrium charge distribution of aerosol particles |
Synthetic Air Bottle 10 L | Gas Bottle for the dilution air supply |