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Engineering

Messung der realen Partikelzahlemissionen von Sub-23 Nanometern mit dem tragbaren DowntoTen-Probenahmesystem

Published: May 22, 2020 doi: 10.3791/61287
Automatic Translation
1, 2, 3, 4, 2, 1
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

Summary

Hier wird das tragbare Emissionsmesssystem DownToTen (DTT) vorgestellt, um reale Fahrzeugemissionen von Partikeln mit unter 23 nm zu bewerten.

Abstract

Die aktuelle Partikelgrößenschwelle der Europäischen Partikelzahl (PN) Emissionsnormen beträgt 23 nm. Dieser Schwellenwert könnte sich ändern, da die zukünftige Fahrzeugtechnologie für Verbrennungsmotoren große Mengen von Partikeln unter 23 nm ausstoßen kann. Das von Horizont 2020 finanzierte Projekt DownToTen (DTT) entwickelte eine Probenahme- und Messmethode zur Charakterisierung von Partikelemissionen in diesem derzeit unregulierten Größenbereich. Ein PN-Messsystem wurde auf der Grundlage einer umfassenden Überprüfung der Literatur und Laborexperimente entwickelt, die eine Vielzahl von PN-Mess- und Probenahmeansätzen testeten. Das entwickelte Messsystem zeichnet sich durch eine hohe Partikeldurchdringung und Vielseitigkeit aus, die die Beurteilung von Primärpartikeln, verzögerten Primärpartikeln und Sekundäraerosolen ab wenigen Nanometern Durchmesser ermöglicht. Dieses Papier enthält Anweisungen zur Installation und zum Betrieb dieses Tragbaren Emissionsmesssystems (PEMS) für REAL Drive Emissions (RDE)-Messungen und zur Bewertung der Partikelzahlenemissionen unterhalb des aktuellen gesetzlichen Grenzwerts von 23 nm.

Introduction

Das Particle Measurement Programme (PMP) wurde von der britischen Regierung für die "Entwicklung von Typgenehmigungsprüfprotokollen zur Bewertung von Fahrzeugen mit fortschrittlicher Partikelreduktionstechnologie gegründet, die die derzeitigen gesetzlichen Messverfahren ergänzen oder ersetzen würde"1. Das PMP ist die weltweit erste partikelnummernbasierte Emissionsverordnung, die speziell auf kohlenstoffhaltige Partikel ≥23 nm ausgerichtet ist. Jüngste Messungen deuten darauf hin, dass es notwendig sein kann, kleinere Partikel einzubeziehen.

Negative gesundheitliche Auswirkungen von Dieselruß sind gut verstanden2, und daher wurde das "Vorsorgeprinzip" mit der Begründung geltend gemacht, dass die Beseitigung von Kohlenstoffpartikeln aus Dieselabgasen durch den obligatorischen Einsatz von Dieselpartikelfiltern (DPF) aus gesundheitlichen Gründen zwingend erforderlich sei. Da jedoch in der europäischen Gesetzgebung ein Grenzwert die Einführung von Emissionskontrolltechnologien erzwingen muss, könnte dies ohne eine geeignete Messmethode nicht erreicht werden. Mit starker politischer Unterstützung in ganz Europa führte die britische Regierung die Konzeption des PMP an, um die Partikelmessungen zu verbessern. Die PMP unter der Schirmherrschaft der Wirtschaftskommission der Vereinten Nationen für Europa (UN-ECE)3umfasste das Fachwissen anderer aus der ganzen Welt. Zwei Teilchenforschungsprojekte wurden 2001 abgeschlossen. Eine davon (Partikelforschung4) wurde vom britischen Ministerium für Umwelt, Verkehr und Regionen (DETR) in Zusammenarbeit mit der Gesellschaft der Automobilhersteller und -händler (SMMT) und der Europäischen Organisation für Umwelt, Gesundheit und Sicherheit (CONCAWE) durchgeführt. Der andere (PARTICULATES5) wurde aus dem5. Rahmenprogramm der Europäischen Union finanziert und von 14 verschiedenen europäischen Partnern durchgeführt. Die Ergebnisse beider Projekte zeigten, dass partikelzahlenbasierte Verfahren vielversprechend waren, aber herausforderungen für wiederholbare und reproduzierbare Messungen blieben bestehen.

Im Jahr 2007 wurde der Abschlussbericht der PMP Light-duty Inter-laboratory Correlation Exercise veröffentlicht6, einschließlich einiger Verbesserungen bei der filterbasierten Massenmessmethode, die in erster Linie die Machbarkeit einer zahlenzählbasierten Methode für regulatorische Zwecke auf der Grundlage eines definierten Partikelgrößenbereichs und einer Partikelvolatilität demonstriert. Beide Methoden wurden auf der Grundlage von Probenahmen aus dem bestehenden Verfahren für den Verdünnungstunnel (CVS) durchgeführt, der ursprünglich für Partikelmassen und verdünnte gasförmige Emissionsmessungen entwickelt wurde.

Innerhalb der zahlenzählbasierten Methode wurde eine niedrigere Partikelgrößengrenze von 20 nm ausgewählt. Das vorrangige Ziel des Projekts bestand darin, sicherzustellen, dass Partikel dieser Größe und darüber durch Rechtsvorschriften kontrolliert werden. Es ist nun bekannt, dass die primäre Partikelgröße im Motorauspuff <20 nm7,8,9sein kann. Aus praktischen Gründen wurde ein Partikelzähler mit einem Zählwirkungsgrad von 50 % (d50) bei 23 nm ausgewählt, und diese Größe wurde zur akzeptierten unteren Größenschwelle. Es wurde erkannt, dass aufgrund der hohen Empfindlichkeit gegenüber Eigenschaften wie Verdünnung, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Verhältnis10flüchtige Partikelgrößenverteilung und integrierte Zahlenmessungen in einer CVS-ausgestatteten Anlage mit einem Fahrzeug wiederholbar sein konnten, aber viel weniger von Anlage zu Anlage. Für strenge Vorschriften war es daher notwendig, sich ausschließlich auf nichtflüchtige Partikel zu konzentrieren, wobei der Messansatz die regulatorischen Partikelrandbedingungen hinsichtlich Größe und Volatilität effektiv definierte. Der europäische Dieselkraftstoff weist eine Back-End-Volatilität auf, so dass nur wenige Prozent bei Temperaturen über 350 °C kochen, und frühe Arbeiten innerhalb des PMP zeigten, dass kurze Verweilzeiten bei dieser Temperatur für die vollständige Verdunstung von Tetracontan geeignet waren, einem linearen Kohlenwasserstoff, der 40 Kohlenstoffatome mit Volatilität gegen Ende des Siedepunkts des Motorschmierstoffs11enthält. Folglich ist eine Temperatur von 350 °C de facto zum Bezugspunkt für die regulatorische >23 nm Partikelvolatilität geworden.

Die PMP-Messsystemspezifikation umfasst Komponenten für Probenahme, Probenkonditionierung und Messung, zusammengefasst in Tabelle 1.

Bühne Identität Zweck
0 Beispielquelle Herkunft der Probe
1 Partikeltransport Durchführung von Proben vom Ursprung zum Messsystem
2 Flüchtiger Partikelentferner Beseitigen Sie flüchtige Stoffe und definieren Sie nichtflüchtige Partikel, die gemessen werden sollen
3 Partikelnummernzähler Aufzählen nichtflüchtiger Partikel und Definieren der unteren Größengrenze

Tabelle 1: Elemente des PMP-Messsystems.

Der europäische PP-PN-Ansatz wird umgesetzt und gilt nun für leichte Diesel (September 2011, EURO 5b) und GDI-Fahrzeuge (September 2014, EURO 6) sowie für Diesel- und Gas-Schwerlastmotoren (Februar 2013, EURO VI).

Jüngste Messungen haben gezeigt, daß einige leichte Nutzfahrzeuge und insbesondere Funkenzündungstechnologien erhebliche Partikelmengen ausstoßen können <23 nm12,13,14. Dies veranlasste die Europäische Kommission, Forschungsprojekte zur Entwicklung neuer oder erweiterter Methoden zu finanzieren, die als Ersatz oder zusätzlich zur derzeitigen Verordnung von >23 nm rasch umgesetzt werden können.

Ein solches Projekt, DownToTen (DTT), zielt darauf ab, den allgemeinen Ansatz von PMP zu erhalten und den Messbereich auf d50 ≤10 nm zu erweitern. Zu diesem Zweck wurde die Konfiguration des DTT-Messsystems so konzipiert, dass es dieselben Instandsetzungselemente umfasst, die in Tabelle 1beschrieben sind, jedoch mit den Konditionierungs- und Messschritten, die optimiert wurden, um einen effizienten Transport und die Detektion der <23 nm Partikel zu ermöglichen. Das DTT-System wurde ursprünglich für den Laboreinsatz entwickelt, wurde aber für den Betrieb als tragbares Emissionsmesssystem (PEMS) modifiziert. Für das DTT PN-PEMS-System wurden die Komponenten optimiert, um Gewicht und Stromverbrauch zu reduzieren und die körperliche Robustheit zu erhöhen, ohne erheblich vom ursprünglichen Design abzuweichen. Für mobile Anwendungen muss das System resistent gegen rauere und unregelmäßige Temperaturen, Drücke und Vibrationsumgebungen sein, die bei leichten und schweren PEMS-Tests wahrscheinlich auftreten. Der Einfluss von Druckschwankungen am Einlass des Systems wurde modelliert und experimentell untersucht15. Die Vibrationsbeständigkeit wurde anhand eines speziellen Prüfstandes16bewertet. Vibrationen und Beschleunigungen, die bei typischen RDE-Antrieben auftreten, beeinträchtigten nicht die Messergebnisse der verwendeten Kondensationspartikelzähler. Das DTT-System ist auch für den Einsatz bei niedrigen Temperaturen, bei denen die flüchtige Entfernungsfunktion inaktiv ist, zur Fütterung einer Alterungskammer und zur Untersuchung der sekundären organischen Aerosolbildung17konzipiert.

Die thermischen Konditionierungselemente des DTT-Messsystems, die die regulatorische Volatilitätsgrenze von Partikeln definieren, sind eng parallel zu den Elementen des PMP-Systems, da beide Systeme die Reihenfolge enthalten:

  1. Erste Partikelzahlverdünnungsstufe
  2. HC/flüchtige Eliminationsstufe
  3. Zweite Partikelzahlverdünnungsstufe

Die Hauptunterschiede zwischen dTT- und PMP-Systemen bestehen darin, dass die DTT-Systemkomponenten ausgewählt sind, um:

  1. Maximierung der Übertragung von 10 nm PN von der Probenquelle zum Partikelzähler mit Verlustverdünnungs- und Partikelübertragungsansätzen
  2. Vollständige Entfernung von Flüchtigen durch oxidative Partikelbeseitigung, anstatt nur den Teildruck kondensierbarer HC-Arten durch Verdunstung und Verdünnung zu reduzieren
  3. Zählpartikel von 10 bis 50 nm mit größerer Effizienz als aktuelle PMP-Systeme

Ziel dieses Papiers ist es, den Einsatz des DTT PN-PEMS-Systems zur Messung nichtflüchtiger Partikel ≥10 nm eines in Betrieb gebrachten Straßenfahrzeugs vorzustellen. Dazu gehören eine Einführung in das Messsystem und seine Hauptkomponenten, die Durchführung von laborbasierten Kalibrierungsmessungen, die Installation des Geräts für eine mobile Anwendung, die Durchführung einer echten Fahremissionsmessung und die Verarbeitung der gesammelten Messdaten.

Instrumentation

Das DTT PN-PEMS wurde entwickelt, um eine hohe Partikeldurchdringung bis auf wenige Nanometer, eine robuste Partikelzahlverdünnung, die Entfernung flüchtiger Partikel und die Verhinderung künstlicher Partikelbildung zu ermöglichen. Die Komponenten des Systems wurden auf der Grundlage von Ergebnissen aus Laborexperimenten ausgewählt, die eine Vielzahl von Technologien für Verdünnung und Aerosolkonditionierung verglichen. Dieser Abschnitt bietet einen Überblick über das System, sein Funktionsprinzip und die verwendeten Komponenten. Abbildung 1 zeigt einen Schaltplan des Systems. Abbildung 2 zeigt ein Foto des Systems. Das DTT-System ist 60 cm hoch und hat eine Grundfläche von 50 cm x 50 cm. Das Gewicht des Systems beträgt ca. 20 kg. Inklusive der erforderlichen Peripherieelemente (z.B. Batterie und Gasflasche) beträgt das Gesamtgewicht ca. 80 kg. Die Hauptelemente des Systems sind die beiden Verdünnungsstufen (z. B. erste heiße, zweite Kälte), ein katalytischer und mindestens ein Kondensationspartikelzähler (CPC).

Figure 1
Abbildung 1: Schematische Zeichnung des tragbaren Emissionsmesssystems DTT-Partikelnummer. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Bild der Oberansicht des DTT-Samplingsystems. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Zwei Verdünnungsstufen reduzieren die Partikelzahlenkonzentrationen auf Werte, die durch Kondensationspartikelzähler messbar sind (<104 x/cm3). Für beide Verdünnungsstufen werden maßgeschneiderte poröse Rohrverdünner eingesetzt. Diese Technologie wurde aufgrund ihres geringen Partikelverlustes18,19ausgewählt. Das radiale Eindringen von Verdünnungsluft hält Partikel konvektiv von den Wänden fern, was Partikelverluste reduziert. Darüber hinaus können diese Verdünner sehr klein sein und Temperaturen von 400 °C standhalten. Bei dem verwendeten porösen Material handelt es sich um ein geinter Hastalloy X Rohr (GKN Filters Metals GmbH, Radevormwald, Deutschland). Statische Mischelemente im inneren Porenrohr sorgen für ein gut gemischtes Aerosol direkt unterhalb des Verdünners. Dies ermöglicht die Entnahme einer repräsentativen Probe des verdünnten Aerosols zur weiteren Konditionierung oder Messung durch Aufspaltung des Aerosolstroms direkt flussabwärts des Verdünners und ermöglicht ein kompaktes Probenahmesystem. Die primäre Verdünnungsstufe wird in der Regel auf 350 °C erhitzt, während die zweite Stufe bei Umgebungstemperatur betrieben wird. Der Verdünnungsfaktor des Systems beträgt ca. 80. Der genaue Wert ist abhängig vom Einlassstrom und dem Massendurchflussmanagement: Die Durchflussraten im Abtastsystem werden von einem System aus zwei Massendurchflussreglern und zwei Massendurchflussmessern gesteuert. Die Massenstromregler steuern die Verdünnungsluftdurchflussraten. Die Massendurchflussmesser überwachen die Fließgeschwindigkeiten, die nach den Verdünnungsstufen 1 und 2 extrahiert werden. Die Unterschiede zwischen den extrahierten und den gelieferten Strömen können geändert werden. Mit anderen Worten, der Nettofluss, der in einer Verdünnungsstufe hinzugefügt oder subtrahiert wird, kann definiert werden. Die Abtastdurchflussrate Q-Probesampleist definiert als die Summe aller anderen Durchflussraten: 1) Durchflussrate, die von den Messinstrumenten gezogen wird (Qinst); 2) die Verdünnungsluftdurchflussraten (Qdil,i); und 3) die Überflussraten Qex,i. Für die Berechnung des Stichprobenflusses sind die Beiträge der aus dem System extrahierten Ströme positiv und die Beiträge der in das System eingespeisten Ströme sind negativ.

Equation 1

Das Gesamtverdünnungsverhältnis DR wird berechnet durch:

Equation 2

Ein katalytischer (CS) befindet sich zwischen Verdünnungsstufe 1 und 2 und wird bei 350 °C bei einem Durchfluss von 1 Liter pro Minute (L/min) betrieben. Der katalytische sorgt für die Oxidation organischer Verbindungen und schwefelhaltige Lagerung. Die Entfernung dieser Stoffe sorgt für die Isolierung der Feststofffraktion. Die unerwünschte Bildung flüchtiger und halbflüchtiger Partikel und das Wachstum von Subcut-Größenpartikeln werden verhindert. Der verwendete Katalysator ist im Handel erhältlich (AVL GmbH). Die flüchtige Partikelentfernungseffizienz des CS wurde mit polydispersen Emery-Ölpartikeln >50 nm und >1 mg/m3 (3,5–5,5 mg/m3 ) mit einem Wirkungsgrad von >99% (Istwert 99,9%) überprüft.3 im Sinne der RDE-Verordnungen20. Dies ist ein strengerer Test als der Tetracontantest, der im aktuellen PMP-Protokoll vorgeschrieben ist.

Ein oder mehrere Kondensationspartikelzähler werden verwendet, um die Partikelzahlenkonzentration flussabwärts der zweiten Verdünnungsstufe zu messen. Ein CPC mit d50 von 23 nm ermöglicht die Messung der derzeit regulierten Emission fester Partikel größer als 23 nm. Darüber hinaus ermöglicht die Messung der Partikelzahlkonzentration mit einem oder mehreren CPCs mit einem niedrigeren d50-Schnittpunkt (z.B. 10 nm, 4 nm) die Beurteilung der derzeit unregulierten Feststoffpartikelfraktion <23 nm bis zur d50 Schnittgröße des angewendeten CPC.

Die Verdünnungsluftversorgungsleitung, der primäre poröse Rohrverdünner und der katalytische verfügen über unabhängige Heizelemente, die k-Typ-Thermoelemente (TC) enthalten. Unabhängig voneinander steuern verschiedene Abschnitte die Temperaturverteilung im System.

Neben den Thermoelementen in den Heizelementen werden zwei Thermoelemente nach der Verdünnungsstufe 1 und 2 platziert. Diese beiden Thermoelemente messen direkt die Aerosoltemperatur.

Zur Überwachung des Drucks am Einlass und am Ausgang des Probenahmesystems werden zwei Absolutdrucksensoren (NXP MPX5100AP) eingesetzt.

Für mobile Messungen wird ein Clayton Power LPS 1500 Akku verwendet. Eine 10-L-Luftflasche versorgt das System bei mobilen Anwendungen mit Verdünnungsluft. Die Größen der Batterie und der Gasflasche werden so gewählt, dass das System 100 min unabhängig arbeiten kann.

Das System wird über ein NI myRIO gesteuert, das ein virtuelles LabVIEW-Instrument ausführt. Das virtuelle Instrument ermöglicht die Steuerung der Durchflussmengen und Heiztemperaturen. Neben den kontrollierten Parametern können aerosoltemperaturen, drücke und acceleration (über den in myRIO integrierten Sensor) überwacht und protokolliert werden. Ein myRIO Zubehör-GPS-Modul ermöglicht die Protokollierung der Positionsdaten. Abbildung 3 und Abbildung 4 zeigen die Benutzeroberfläche des virtuellen Instruments, das zur Steuerung des DTT-Systems verwendet wird.

Figure 3
Abbildung 3: DTT-Parameterparameterübersicht für virtuelle Instrumente. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: DTT Virtual Instrument Heater Control Panel. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Jede Art von Probenahme führt zu Partikelverlusten. Um diese Verluste berücksichtigen zu können, werden Labormessungen durchgeführt, um die partikelgrößenabhängige Partikeldurchdringung durch das DTT-Probenahmesystem zu bestimmen. Bei diesen Messungen wird die Partikelkonzentration von monodispersem Aerosol vor und nach dem Probenahmesystem mit zwei Kondensationspartikelzählern gemessen. Abbildung 5 zeigt den Versuchsaufbau für die Kalibrierungsmessungen. In diesem Setup wird ein Jing miniCAST als Partikelquelle21,22verwendet. Massenstromregler (MFC) werden verwendet, um die Gasströme in den Brenner zu steuern. Eine Verdünnungsbrücke ermöglicht die Einstellung der Partikelzahlenkonzentration. Die Verdünnungsbrücke ist ein hocheffizienter Partikelluftfilter (HEPA) parallel zu einem Nadelventil. Die Einstellung der Position des Nadelventils ändert das Verdünnungsverhältnis, indem das Verhältnis zwischen dem Anteil des Aerosols, der durch den HEPA-Filter geleitet wird, und dem Anteil des Aerosols, der durch das Nadelventil geleitet wird, geändert wird. Die gefilterten und die ungefilterten Aerosole werden mit einem T-Stück zu einem verdünnten Aerosol rekombiniert. Ein katalytischer wird verwendet, um möglicherweise reichlich vorhandene flüchtige Verbindungen zu entfernen, die als Nebenprodukte des Verbrennungsprozesses erzeugt werden. Für die Größenauswahl von Partikeln wird ein elektrostatischer Klassifikaer TSI 3082 zusammen mit einem TSI 3085 Differential mobilitätsanalysator (Nano DMA) verwendet. Zur Messung der Partikelzahlenkonzentration vor und nach dem DTT-Probenahmesystem werden zwei TSI-CPCs 3775 (d50 = 4 nm) verwendet. Der Schnittpunkt der Zähler von d50 = 4 nm ermöglicht die Penetrationsbestimmung bei Partikelgrößen von bis zu 10 nm und darunter.

Figure 5
Abbildung 5: Schematische Zeichnung des Versuchsaufbaus, der für die Kalibrierung des DTT-Probenahmesystems verwendet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Protocol

1. Kalibrierungsverfahren

  1. Einrichten und Vorbereiten von Instrumenten.
    1. Platzieren Sie die in Abbildung 5beschriebenen Instrumente in organisierter und kompakter Weise in einem Labor mit einem Absaugsystem.
    2. Verbinden Sie die Instrumente, wie durch die Pfeile in Abbildung 5 angegeben, mit leitfähigen Schläuchen. Halten Sie die Schläuche so kurz wie möglich, um diffusionsende Partikelverluste zu minimieren.
    3. Schließen Sie die leistungsbedürftigen Instrumente (d. h. DTT-System, DTT-Systempumpe, zwei CPCs, DMA, Katalysator und MFCs) an Steckdosen an.
    4. Schließen Sie die CPCs, das DTT-System und den MFC an einen Laptop an.
    5. Stellen Sie sicher, dass auf dem Laptop die erforderliche Software für die Kommunikation mit den angeschlossenen Geräten installiert ist.
    6. Installieren Sie bei Bedarf fehlende Software.
  2. Erwärmen Sie experimentelle Komponenten mindestens 30 Minuten vor Beginn der Kalibrierungsmessungen, um eine thermisch stabile Messeinrichtung zu gewährleisten.
    1. Starten Sie den Betrieb des Brenners, indem Sie den von der externen MFC gesteuerten Gasstrom auf die in der Bedienungsanleitung angegebene Starteinstellung einstellen.
    2. Zünden Sie die Flamme.
    3. Füttern Sie den erzeugten Ruß in das Absaugsystem.
    4. Erzeugen Sie Rußpartikel mit einem mittleren Durchmesser von 50 ± 5 nm, indem Sie die MFC-gesteuerten Ströme entsprechend einstellen. Eine Tabelle mit Einstellungen und der erwarteten Partikelgrößenverteilung finden Sie im Brennerhandbuch oder in der Literatur23. Für die miniCAST-Einstellungen in Tabelle 2 können verwendet werden:
    5. Beginnen Sie mit dem Erhitzen des Katalysabiscleistenden, indem Sie den entsprechenden Temperaturregler auf 350 °C einstellen.
    6. Schalten Sie die CPCs ein und stellen Sie den Low-Flow-Modus ein (d. h. einZulauf von 0,3 l/min).
    7. Richten Sie die Kommunikation der CPCs mit dem Laptop mithilfe der Software oder seriellen Kommunikation des CPCs-Herstellers ein.
    8. Starten Sie das DTT-System Aufwärmverfahren, wie in Abschnitt 3.1 beschrieben.
    9. Installieren Sie den Stoßdämpfer mit einer 0,071 cm Düse am Einlass des Klassifiators gemäß der Bedienungsanleitung.
    10. Schalten Sie den Klassifier ein. Das Display auf dem Klassifikater sollte einen Stoßkraftstrom von 1,30 ± 0,05 l/min aufweisen. Wenn der angezeigte Durchfluss unterschiedlich ist, überprüfen Sie den Schlauch, der den Klassifier mit dem CPC und dem DTT-System verbindet.
    11. Legen Sie die Manteldurchflussrate des Klassifikums über die Benutzeroberfläche auf 13 l/min fest.
    12. Wenn eine weiche Röntgenquelle (TSI 3088) verwendet wird, schalten Sie den Neutralisator des Klassifiators ein.
Gas Durchflussrate
Propan 20 ml/min
Löschgas (N2) 2 L/min
Verdünnungsluft 5 L/min
Oxidationsluft 0,5 L/min
Mischgas (N2) 0 L/min

Tabelle 2: Vorgeschlagene MiniCAST-Durchflussraten für Kalibrierungsmessungen.

  1. Nach mindestens 30 min Aufwärmzeit führen Sie die Kalibrierungsmessungen durch.
    1. Beenden Sie die Einspeisung des erzeugten Rußes in das Absaugsystem und schließen Sie den Auslass des Brenners an die Verdünnungsbrücke an.
    2. Legen Sie die vom Klassifikater ausgewählte Partikelgröße mithilfe der Benutzeroberfläche auf 10 nm fest.
    3. Passen Sie mit dem Verdünnungsbrückennadelventil die Partikelzahlenkonzentration vor dem DTT-System auf 104 ± 103 x 3 cm3an. Diese Partikelkonzentration ergibt ein relativ hohes Signal, das kurze Messzeiten ermöglicht, während die CPCs im Single-Count-Modus arbeiten, was eine hohe Genauigkeit gewährleistet. Wenn die gewünschte Konzentration von 104 ± 103 x /cm3 aufgrund extrem niedriger Partikelkonzentrationen, die vom Rußgenerator emittiert werden, nicht erreicht werden kann, maximieren Sie den Durchsatz durch die Verdünnungsbrücke, indem Sie das Ventil vollständig öffnen.
    4. Beginnen Sie mit der Protokollierung der Daten des DTT-Systems (wenn sie noch nicht gestartet wurden), indem Sie in der DTT Labview-Software auf die Schaltfläche "Datenprotokollierung starten"klicken.
    5. Beginnen Sie mit der Protokollierung der Daten der beiden CPCs über die proprietäre Software oder serielle Kommunikation.
    6. Warten Sie 30 s, bis sich das Versuchsaufbau stabilisiert hat.
    7. Notieren Sie sich einen Zeitstempel und die festgelegte Partikelgröße, um den Beginn der Messung zu markieren.
    8. Führen Sie die Messung für 2 min.
    9. Notieren Sie sich einen Zeitstempel, um das Ende der Messung zu markieren.
    10. Wiederholen Sie die Schritte 1.3.3–1.3.9 für Partikelgrößen von 15 nm, 30 nm, 50 nm und 100 nm. Zusätzliche Messungen können durchgeführt werden, wenn eine bessere Größenauflösung gewünscht wird.
    11. Führen Sie einen weiteren Satz von Messungen mit den gleichen Partikelgrößen wie zuvor durch Wiederholen der Schritte 1.3.2–1.3.10 aus.
    12. Beenden Sie die Protokollierung der Messdaten der beiden CPCs und des DTT-Systems.
    13. Fahren Sie alle Instrumente herunter.
  2. Bewerten Sie die gesammelten Kalibrierdaten mit einem Tabellenkalkulationsprogramm.
    1. Exportieren Sie die von den CPCs gemessenen Partikelkonzentrationsdaten in eine .csv- oder .txt-Datei.
    2. Importieren Sie die CPC- und die DTT-Systemdaten in ein Datenauswertungstool.
    3. Ordnen Sie die Daten den entsprechenden Messungen zu, indem Sie die Daten jedes Instruments (d. h. 2 CPCs, DTT-System) mit einem Zeitstempel zwischen dem Start- und dem Endzeitstempel einer Messung der entsprechenden Messung zuordnen. Es wird empfohlen, diese Aufgabe mit einem Datenauswertungstool zu automatisieren.
    4. Zeitdurchschnitt der beiden Partikelkonzentrationsdatensätze (CPCs) und des Verdünnungsverhältnisses (DTT-System) für alle Messpunkte.
    5. Berechnen Sie die relative Partikeldurchdringung für alle Messpunkte nach der folgenden Formel:
      Equation 3
      Wobei Pn die relative Partikeldurchdringung an einem bestimmten Messpunkt nist. Equation 14 ist die Partikelkonzentration, die mit dem CPC nach dem DTT-System gemessen wird, das über den Zeitraum des Messpunktes ngemittelt wird. Equation 15 ist die entsprechende Partikelkonzentration, die mit dem CPC vor dem DTT-System gemessen wird, gemittelt über die Zeitspanne des Messpunktes n. Equation 16 ist das Verdünnungsverhältnis des DTT-Systems, gemittelt über die Zeitspanne des Messpunktes n.
    6. Berechnen Sie den mittleren Partikeldurchdringungswert Pdurch Mittelung über die durchschnittlichen Partikeldurchdringungen bei 30 nm, 50 nm und 100 nm Partikelgröße.
      Equation 4
      Dieser Wert wird für die Berechnung des Partikelkonzentrationsreduktionsfaktors (PCRF) verwendet, der das Verdünnungsverhältnis DR mit dem mittleren PenetrationswirkungsgradP-Mittelwertteilt. P
      Equation 5
      Der PCRF wird aus der Penetration bei 30 nm, 50 nm und 100 nm berechnet, um mit PMP-konformen, handelsüblichen Instrumenten vergleichbar zu sein. Die Messungen in anderen Größen als 30 nm, 50 nm und 100 nm werden verwendet, um die d50 Cutoff-Größe des Systems zu bestimmen, um das System außerhalb des regulatorischen Rahmens besser zu charakterisieren.

2. Installation und Vorbereitung für reale Fahremissionsmessungen

  1. Wählen Sie ein Fahrzeug aus, um die Partikelzahlenemissionen für Partikel <23 nm zu bewerten.
  2. Wählen Sie eine Route aus, um die Partikelzahlenemissionen des ausgewählten Fahrzeugs zu messen. Es gibt Anleitungen zur Auswahl geeigneter Routen in der Literatur24.
  3. Installation von Abgasdurchflussmesser (EFM)
    1. Wählen Sie einen EFM mit einem Messbereich, der dem erwarteten Abgasdurchflussbereich des zu messenden Fahrzeugs24entspricht.
    2. Legen Sie die EFM-Steuerbox in den Kofferraum des Fahrzeugs.
    3. Installieren Sie den EFM außerhalb des Autos, gemäß dem Spezifikationsblatt des Herstellers. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für einen installierten EFM, der extern auf geformten Rohren montiert ist, die in den Stamm führen.
    4. Stellen Sie sicher, dass der Abstand vor und nach dem EFM den EU-Vorschriften entspricht (d. h. das 4-fache des Rohrdurchmessers oder des 150 mm geraden Rohres, je nachdem, welcher Wert größer ist, sollte vor und nach dem Durchflusssensor vor und nach unten sein).
    5. Bei der Messung von Fahrzeugen mit mehreren Auspuffkrümmern sollten die einzelnen Auspuffrohre vor dem EFM verbunden und der Querschnittsbereich dieses Rohres entsprechend vergrößert werden, um die Erhöhung des Abgasrückdrucks so gering wie möglich zu halten. Ist dies nicht möglich, kann der Abgasmassenstrom mit mehreren EFMs gemessen werden.
    6. Stellen Sie sicher, dass die Anschlüsse vom EFM-Rohr bis zum Auspuffrohr des Fahrzeugs den Abgastemperaturen standhalten (d. h. es sollte kein Kunststoff verwendet werden).
    7. Der Rohrdurchmesser, der Steckerdurchmesser und der Durchmesser der für die Probenahme erforderlichen Verlängerungen sollten nicht kleiner sein als der Durchmesser des Auspuffrohrs, um den Abgasrückdruck so gering wie möglich zu halten.
    8. Starten Sie die Rohrleitungen am Auspuff des Fahrzeugs.
    9. Schließen Sie den Auspuff mit dem ersten Rohr mit Verbindungsrohren und Rohrklemmen an. Ziehen Sie die Rohrklemmen nur am Ende fest, um die Rohre während des Fittings ausrichten zu können.
    10. Schließen Sie ein Rohr nach dem anderen mit Verbindungsrohren und Rohrklemmen an, bis eine Verbindung vom Auspuff zum EFM besteht. Dies sollte so kurz wie möglich sein.
    11. Legen Sie die EFM-Steuerbox und die EFM-Halterung in den Kofferraum, um sicherzustellen, dass während der Messfahrt nichts verrutscht.
    12. Überprüfen Sie, ob alle Rohrleitungen dicht sind und während der Messfahrt nichts losgeht.
    13. Schalten Sie den EFM ein.
    14. Nach einer Aufwärmzeit von bis zu 15 min je nach Umgebungstemperatur (siehe EFM-Benutzerhandbuch) ist der Abgasmassendurchflussmesser bereit für die Messung25,26,27,28.

Figure 6
Abbildung 6: Bild eines installierten EFM. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

  1. Vorbereitung und Installation des DTT-Messsystems im Kofferraum des Fahrzeugs
    HINWEIS: Die hier beschriebenen Messungen werden mit zwei Kondensationspartikelzählern als Zählvorrichtungen für das DTT-System durchgeführt. Einer der CPCs (TSI 3790A) hat eine niedrigere d50-Grenze von 23 nm, was der derzeitigen gesetzlichen Grenze entspricht. Der andere CPC (kommerziell erhältlich 10 nm AVL CPC) hat einen niedrigeren d50 Cutoff von 10 nm. Die parallele Messung der Partikelemissionen mit diesen beiden Instrumenten ermöglicht die Bewertung der derzeit regulierten Emissionen (>23 nm) und der <23 nm-Fraktion.
    1. Nehmen Sie einen Laptop und installieren Sie die DTT-Software und die Software zur Protokollierung der CPC-Messdaten.
    2. Legen Sie die synthetische Luftflasche in den Kofferraum oder auf den Boden vor den Rücksitzen und fixieren Sie sie mit Gurten.
    3. Legen Sie die Batterie in den Kofferraum des Fahrzeugs und fixieren Sie sie. Schließen Sie das AC-Eingangskabel an, und schließen Sie es an eine lokale Stromquelle an.
    4. Die Vakuumpumpen für das Probenahmesystem und die Kondensationspartikelzähler im Kofferraum des Fahrzeugs platzieren und fixieren und an die Batterie anschließen.
    5. Legen Sie das DTT-System in den Kofferraum des Fahrzeugs und fixieren Sie seine Position mit Gurten. Abbildung 7 und Abbildung 8 zeigen das DTT-System im Kofferraum eines Autos. Schließen Sie das System an den mobilen Akku an.
    6. Schließen Sie die beiden Einlass-MFCs des DTT-Systems an eine stationäre Druckluftzufuhr an. Schließen Sie die beiden Auslass-MFMs des DTT-Systems an die Vakuumpumpe an.
    7. Verwenden Sie geeignete Schläuche, um den Auspuff der Pumpe außerhalb des Fahrzeugs zu fahren.
    8. Schließen Sie das DTT-System über ein USB-Kabel an den Mess-Laptop an.
    9. Schließen Sie den Einlass des Systems an die Probenahmestelle nach dem EFM an. Schließen Sie den Systemstromeinlass an die Batterie an. Schließen Sie die Stromeinlässe der Kondensationspartikelzähler an den Akku an.
    10. Schließen Sie die CPCs an die jeweilige externe Vakuumpumpe an.
    11. Montieren Sie die Butanolflaschen der CPCs so weit wie möglich am Rahmen des Verdünnungssystems, so weit wie möglich von den Fahrzeuginsassen entfernt.
    12. Stellen Sie sicher, dass die Kappe fest verschraubt ist und sich während des Messantriebs beim Beschleunigen nicht öffnet.
    13. Verwenden Sie geeignete Schläuche, um den Auspuff der CPCs und/oder der externen Pumpe außerhalb des Fahrzeugs zu fahren. Schließen Sie die CPCs über USB-Kabel an den Mess-Laptop an.
      HINWEIS: Abbildung 9 zeigt das vorbereitete Fahrzeug. Das DTT-System ist im Kofferraum des Fahrzeugs verbaut. Ein handelsübliches PN-PEMS-System wird ebenfalls als Referenz für die regulierte Emission fester Partikel >23 nm installiert.

Figure 7
Abbildung 7: DTT PEMS aus dem Fahrzeuginneren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 8
Abbildung 8: DTT PEMS im Kofferraum eines Fahrzeugs. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 9
Abbildung 9: Fahrzeug mit handelsüblichen PN-PEMS (AVL MOVE) und DTT PEMS installiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

3. Messvorgang

  1. Heizung und Inbetriebnahme des Messsystems
    1. Schalten Sie die beiden CPCs und ihre externe Vakuumversorgung ein.
    2. Öffnen Sie die CPCs-Software auf dem Mess-Laptop und stellen Sie die Kommunikation mit den CPCs her. Die Kommunikation kann entweder über die proprietäre Software des Instruments oder über serielle Kommunikation, wie im CPC-Handbuch beschrieben, ausgeführt werden.
    3. Schließen Sie die Nadelventile nach den MFMs.
    4. Schalten Sie die DTT-Probenahmesystempumpe ein.
    5. Schalten Sie das Probenahmesystem ein, indem Sie den roten Schalter nach unten drücken.
    6. Öffnen Sie die LabVIEW DTT-Anwendung auf dem Computer. Die Kommunikation mit dem System beginnt automatisch.
    7. Die grafische Benutzeroberfläche (GUI) der DTT LabVIEW-Anwendung zeigt nun die Ein- und Ausflüsse in den Verdünnungsstufen 1 und 2 an, die 0,00 L/min betragen sollten. Wenn nicht, überprüfen Sie, ob die Nadelventile richtig geschlossen sind.
    8. Geben Sie den von den angeschlossenen Messinstrumenten gezeichneten Massenstrom in sL/min ein. Wenn der von den Instrumenten gezeichnete Durchfluss unbekannt ist, messen Sie ihn mit einem Handmassendurchflussmesser (z.B. Vögtlin red-y compact series). Schließen Sie die Schläuche wieder an, nachdem Sie die von den CPCs gezeichneten Ströme gemessen haben.
    9. Öffnen Sie die Nadelventile langsam, bis beide "Flows out" 10,0 ± 0,5 sL/min erreichen. Beide "Flows in" werden auf die gleichen Werte wie die entsprechenden "Flows out" ansteigen.
    10. Passen Sie den Add Flow (d. h. die Differenz zwischen Verdünnungsluftstrom und Überschussstrom) beider Verdünnungsstufen an, um QCS = 1,0 ± 0,1 l/min durch den katalytischen und einen Probenzulauf vonQ-Probe = 1,0 ± 0,1 l/min zu erhalten.
    11. Klicken Sie auf die Registerkarte"Heizung", um die Heiztemperaturen einzustellen.
    12. Stellen Sie die Heiztemperaturen der Verdünnungsluftzufuhr, des ersten porösen Rohrverdünners und des katalytischen auf 350 °C ein. Das System wird nun beginnen, sich zu erwärmen. Unterhalb der "Set" Schnittstellen werden die aktuellen Temperatur- und Heizleistungsprozentsätze angezeigt.
    13. Warten Sie, bis die Gastemperatur nachgeschaltete Verdünnungsstufe 1 ("T DilStage 1" in der GUI) 290 °C erreicht, bevor Sie den Messantrieb starten. Dies dauert ca. 20 min.
  2. Datenprotokollierung
    1. Beginnen Sie mit der Protokollierung der Daten auf den Messgeräten, die mit dem DTT-Sampling-System verbunden sind.
    2. Beginnen Sie mit der Protokollierung der Daten des Sampling-Systems, indem Sie die Schaltfläche"Datenprotokollierung starten"drücken und im Popup-Fenster einen Pfad und einen Dateinamen auswählen. Der Pfad der Protokolldatei wird angezeigt, und das grüne Licht zeigt an, dass Daten gespeichert werden. Die Systemdaten werden mit einer Frequenz von 2 Hz protokolliert.
    3. Protokollieren Sie die Partikelkonzentrationsdaten des CPC mit entsprechender Software. Dabei kann es sich entweder um die Hersteller- oder eine serielle Kommunikationssoftware (z. B. PuTTY) handelt.
    4. Beginnen Sie mit der Protokollierung des Abgasflusses mit dem EFM.
  3. Fahren
    1. Trennen Sie vor der Fahrt die gewählte Route das Ladekabel der Batterie und wechseln Sie von der stationären Druckluftzufuhr zur Gasflasche.
    2. Fahren Sie die ausgewählte Route.
  4. Nach der Fahrt
    1. Drücken Sie "Logging ...", um die Aufzeichnung von Daten zu beenden. Fahren Sie die Instrumente herunter.
  5. Laden Sie den Akku auf, um sich auf das nächste Laufwerk vorzubereiten.

4. Datenanalyse

  1. Importieren Sie die Daten aus dem Probenahmesystem, dem EFM (für den Abgasfluss) und den Messgeräten in dasselbe Datenanalyseprogramm.
  2. Führen Sie die Zeitausrichtung unter Berücksichtigung der Zeit durch, die der Auspuff vom Endrohr zu den Messgeräten transportiert werden muss. Die Transportzeit durchdil das Verdünnungssystem beträgt 2,5 s. Die Transportzeit tProbe durch die Probenahmelinie kann wie folgt berechnet werden:
    Equation 6
    Wenn tProbe die Transportzeit durch die Probenahmeleitung in Sekunden ist, ist tdil die Transportzeit durch das Verdünnungssystem (2,5 s), eineProbe ist der Querschnittsbereich der Probenahmelinie in m2, lProbe die Länge der Probenahmeleitung vom Probenpunkt zum Einlass des Verdünnungssystems in Metern, und Q-Probe ist der DTT-Verdünnungssystem-Probenfluss in m3/s.sample Fügen Sie t tt-Beispiel zu tdil hinzu, um die Gesamtverzögerungszeit tinsgesamtzu erhalten:
    Equation 7
    HINWEIS: Z. tB. tGesamtmenge für eine Rohrlänge von 0,5 m mit einem internen Rohrdurchmesser von 4 mm und einem Probendurchfluss von 1 L/min entspricht 2,88 s. Abbildung 10 zeigt ein Beispiel für die Zeitausrichtung der gemessenen Partikelzahl (blaue gepunktete Linie) auf die zeitversetzte Partikelzahl (blaue Linie).

Figure 10
Abbildung 10: Beispiel für die Zeitausrichtung der gemessenen Partikelzahl PN in s/cm3 im Vergleich zum gemessenen Abgasmassenstrom in kg/h. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

  1. Um die Partikelzahl in PN/s berechnen zu können, muss zunächst der Abgasvolumenstrom V-exhaust_normexhaust_norm in cm3/snach folgender Formel berechnet werden:
    Equation 8
    wobei der Abgas-Standardvolumenstrom in m3/sexhaust_norm, V̇exhaust_norm ṁAbgas der gemessene Abgasmassenstrom in kg/s ist, R die ideale Gaskonstante für Luft (287,1 J/kg*K),T-Norm die Temperatur bei Standardbedingungen (273,15 K) und pNorm der Druck bei Standardbedingungen (101.330 Pa) ist. T Mit diesem Abgasvolumenstrom unter Standardbedingungen kann die Partikelzahl berechnet werden, indem die V-exhaust_normexhaust_norm mit dem Verdünnungsverhältnis DR des Probenahmesystems, der mit den CPCs gemessenen Konzentration cPN und dem Faktor 106 (für die Umwandlung von m3 in cm3)multipliziert wird.
    Equation 9
  2. Um Partikelverluste zu korrigieren, multiplizieren Sie den Partikelabgasdurchfluss mal die Partikelzahlenkonzentrationsrate mit dem Systempartikelkonzentrationsreduktionsfaktor (PCRF) anstelle des Verdünnungsverhältnisses DR. Die Bestimmung von PCRF ist in der Kalibrieranleitung Abschnitt 1 beschrieben:
    Equation 10

Representative Results

Kalibrierdaten (Partikeldurchdringung):

Abbildung 11 zeigt eine beispielhafte Darstellung der relativen Partikeldurchdringung des DTT-Systems in Abhängigkeit vom Partikelmobilitätsdurchmesser. Die entsprechenden Daten wurden wie in Abschnitt 1 beschrieben gemessen und ausgewertet. Das Diagramm zeigt, dass die Abweichungen zwischen zwei Messpunkten mit demselben Mobilitätsdurchmesser weniger als 5 % betrugen. Abweichungen von mehr als 10 % weisen auf Instabilitäten im Versuchsaufbau hin. In diesem Fall musste die Kalibrierung mit erhöhten Aufwärmstabilisierungszeiten wiederholt werden. Sowohl die Aufwärmzeit (typischerweise 30 min) als auch die Stabilisierungszeit (typischerweise 30 s) erhöhten sich um den Faktor 1,5.

Die Partikel, die durch das DTT-System gingen durch Diffusion und Thermophorese verloren. Thermophoretische Verluste wurden durch einen Temperaturgradienten verursacht, der Partikel an die Wände des Probenahmesystems zog. Dies ist ein partikelgrößenunabhängiger Effekt29; Im Gegensatz dazu ist die Diffusion stark partikelgrößenabhängig. Ein Konzentrationsgradient verursachte einen Nettopartikelfluss zu den Wänden, wo Partikel verloren gingen. Die diffusiv werdende Diffusivität mit geringerer Partikelgröße machte dies zum dominanten Verlustmechanismus für Partikel ≤10 nm. Die Linien in Abbildung 11, die thermophoretische, diffusionale und Gesamtverluste anzeigen, zeigen die jeweiligen Partikelgrößenabhängigkeiten. Für die Diffusionsverluste wurde diese Funktion verwendet, um die ungefähre Partikelgrößenabhängigkeit zu veranschaulichen:

Equation 11

Die Penetration P hängt von einem Anpassungsparameter a und dem Diffusionskoeffizienten Dab:

Equation 12

Der Diffusionskoeffizient hängt von der Boltzmann-Konstante k, der absoluten Temperatur T, der Viskosität η, dem Partikeldurchmesser dpund dem Cunningham-Schlupfkorrekturfaktor Ccab, was eine Funktion des mittleren freien Pfades und des Partikeldurchmessers29ist.

Die in Abbildung 11 dargestellten Daten führten zu folgendem mittleren PartikeldurchdringungsgradP-Mittelwert: P

Equation 13

Die Partikelgröße, bei der die Penetrationseffizienz 50% beträgt, wird als d50bezeichnet. Der d50 beschreibt die Penetrationcutoff-Charakteristik eines Systems. Für das DTT-System betrug die d50 11 nm. Die d50 ist in Abbildung 11dargestellt.

Figure 11
Abbildung 11: Partikeldurchdringung als Funktion des Partikelmobilitätsdurchmessers.
Blau markierte Punkte sind Messergebnisse. Die gestrichelten Linien in Orange und Grün zeigen die Verluste im Zusammenhang mit Thermophorese bzw. Diffusion an. Die rote Linie stellt die Gesamtverluste als Summe der diffusionalen und thermophoretischen Verluste dar. Die dotdashed lila Linie zeigt die durchschnittliche Partikeldurchdringung Pmean, wie in der Kalibrierungsmessung Abschnitt 1 berechnet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Feste Partikelzahl:

Abbildung 12 zeigt die Partikelzahl-Emissionsrate im Zeitverlauf für die ersten zehn Minuten eines RDE-Messantriebs. Die Daten des DTT PEMS mit einem 10 nm und einem 23 nm CPC werden zusammen mit Daten aus einem kommerziell erhältlichen 23 nm Schnittpunktsystem angezeigt. Die Partikelemissionsraten wurden aus den jeweiligen Partikelkonzentrationen multipliziert mit dem Abgasdurchfluss berechnet, wie oben in der Datenanalyseanweisung Abschnitt 4 beschrieben. Das Referenzinstrument (AVL MOVE) stützte sich bei der Partikelzahlenkonzentrationsmessung auf ein Diffusionsladegerät. Trotz der unterschiedlichen Sensorprinzipien waren die mit dem DTT PEMS gemessenen Daten insgesamt sehr gut mit den Daten einverstanden, die mit dem kommerziell erhältlichen PEMS gemessen wurden. In allen drei Signalen traten scharfe nach unten zeigende Spitzen auf, weil die Partikelmessgeräte vorübergehend Nullpartikelkonzentrationen melden können und Nullen nicht in logarithmischen Diagrammen angezeigt werden können. Die mit dem 10 nm CPC gemessenen Partikelemissionen lagen in der Mehrzahl des in Abbildung 12dargestellten Zeitraums sehr nahe an den Emissionen, die mit dem 23 nm CPC gemessen wurden. Gleich zu Beginn zwischen 10 s und 25 s kam es jedoch zu einer signifikanten <23 nm Partikelemission. Das DTT 10 nm Signal war deutlich höher als das 23 nm Signal des DTT-Systems und des AVL MOVE. In diesem Fall lagen >50% der Gesamtmenge der emittierten Partikel zwischen 10 nm und 23 nm. Dynamische Kaltstartprozesse im nicht-thermischen Gleichgewicht können dazu führen, dass sich Partikelgrößenverteilungen von Emissionen eines heißen Fahrzeugs30unterscheiden. Die Diskussion dieser komplexen Prozesse geht über den Rahmen dieser Arbeit hinaus. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie in der Literatur31,32,33.

Figure 12
Abbildung 12: Der obere Teil der Abbildung zeigt die Partikelzahl-Emissionsrate im Zeitverlauf für die ersten 10 Minuten eines RDE-Messantriebs.
Als Referenz werden Daten verwendet, die mit dem DTT PEMS mit 10 nm und 23 nm CPC und einem handelsüblichen 23 nm Schnittpunktsystem (AVL MOVE) gemessen werden. Der untere Teil der Abbildung zeigt die Geschwindigkeit des Fahrzeugs. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Discussion

In dieser Arbeit werden das DTT-Probenahmesystem und seine Anwendung als tragbares Emissionsmesssystem präsentiert. Das System wurde im Rahmen des EU-Projekts Horizont 2020 Entwickelt und gebaut, um Partikelzahlenemissionsmessungen unterhalb der derzeitigen gesetzlichen Partikelgrößengrenze von 23 nm zu ermöglichen. Die Vielseitigkeit des Systems ermöglicht die Bewertung der regulierten Feststoff-Zahlenemissionen sowie der gesamten Partikelemissionen und Studien zu Sekundäraerosolen. Um die Messergebnisse genau zu interpretieren, ist ein Kalibrierverfahren mit dem DTT-System erforderlich. Damit soll die relative Partikeldurchdringung für verschiedene Partikelgrößen ausgewertet werden, um einen Korrekturfaktor berechnen zu können, der die Partikelverluste berücksichtigt. Es ist wichtig, ausreichend Aufwärmzeit für das Probenahmesystem selbst und den Rest des Versuchsaufbaus bereitzustellen, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen und genaue Kalibriermessergebnisse zu erzielen.

Die Anwendung des DTT-Systems zur Messung von Feststoff-Zahlenemissionen mit einer geringeren Partikelgrößenabschaltung von 23 nm (aktuelle Regelung) und 10 nm (experimentell) wird beschrieben. Um die Partikelzahlemissionen eines Fahrzeugs beurteilen zu können, ist es notwendig, die Partikelzahlkonzentration und den Abgasmassendurchfluss zu bestimmen. Das DTT-System deckt die Partikelzahlenkonzentrationsmessung ab. Der Abgasmassenstrom wird mit einem Abgasdurchflussmesser (EFM) gemessen. Es ist wichtig, den EFM gemäß den Anweisungen des Herstellers zu installieren. Fehlerhafte Messungen des Abgasflusses wirken sich direkt auf die abgeleiteten Emissionsraten aus. Bei der Verarbeitung der Messdaten ist es wichtig, eine genaue Zeitausrichtung der Partikelkonzentrationsdaten und der Abgasflussdaten durchzuführen. Dies ist notwendig, da die Emissionsrate die Abgasdurchflussmenge multipliziert mit der Partikelzahlkonzentration ist. Wenn die beiden Signale nicht richtig ausgerichtet sind, können die Emissionen über den gesamten Antrieb erheblich von den realen Emissionen abweichen.

Das DTT-System ist kein kommerzielles Gerät, sondern ein vielseitiges Forschungswerkzeug. Es wird verwendet, um unregulierte Fahrzeugemissionen zu untersuchen, anstatt Zertifizierungsmessungen durchzuführen, die die Einhaltung der geltenden Vorschriften überprüfen. Die hohe Vielseitigkeit geht auf Kosten des erhöhten Energie- und Verdünnungsluftverbrauchs. Bei der Nutzung des Systems für mobile Messungen ist das Gewicht, das dem Fahrzeug durch die Batterie (30 kg) und die Gasflasche (20 kg) zur Deckung des Energie- und Luftverbrauchs des Systems zusteht, zu berücksichtigen. Das Gesamtgewicht, das dem Fahrzeug bei der Messung der PN-Emissionen mit dem DTT-System zugesetzt wird, beträgt ca. 80 kg, was mit einer anderen Person vergleichbar ist, die im Fahrzeug transportiert wird. Das zusätzliche Gewicht kann zu leicht erhöhten Emissionen führen, vor allem, wenn der Antrieb eine große Beschleunigung und/oder Hügel beinhaltet.

Mit dem DTT-System können die unregulierten <23 nm Partikelzahl-Abgasemissionen untersucht werden. Sowohl die Volumen- als auch die Gesamtpartikelzahl der Partikelemissionen können gemessen werden. Darüber hinaus kann es ein nützliches Werkzeug sein, um das komplexe Feld der sekundären Aerosolbildung zu untersuchen. Eine weitere mögliche Anwendung des Systems ist die Messung von Bremsverschleißpartikeln in der Automobilindustrie. Ein erheblicher Teil der partikelabgelassenen Partikel kann kleiner als 30 nm34sein. Mit einer d50 von ca. 11 nm eignet sich das DTT-System zur Untersuchung dieser Emissionen. Obwohl bekannt ist, dass Abgasemissionen fast zu gleichen Teilen zu den verkehrsbedingtenPM-10-Emissionen 35beitragen, sind die Nicht-Abgaspartikelemissionen noch immer unreguliert. Dies ist auf den komplexen und selten reproduzierbaren Prozess der Partikelerzeugung zurückzuführen, was es sehr schwierig macht, regulatorische Maßnahmen zu ergreifen. Darüber hinaus ist die chemische Zusammensetzung und die damit verbundene Toxizität organischer Bremsverschleißpartikel noch weitgehend unbekannt35.

Das DTT-System ist ein nützliches Werkzeug, um unser Verständnis sowohl der Abgas- als auch der nicht abgasbedingten Partikelemissionen zu verbessern.

Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Arbeiten werden im Rahmen des H2020-Projekts DownToTen durchgeführt. Dieses Projekt wurde aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 724085 gefördert.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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Bainschab, M., Landl, L., Andersson, J., Mamakos, A., Hausberger, S., Bergmann, A. Measuring Sub-23 Nanometer Real Driving Particle Number Emissions Using the Portable DownToTen Sampling System. J. Vis. Exp. (159), e61287, doi:10.3791/61287 (2020).

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