여기에 발표된 DownToTen(DTT) 휴대용 배기가스 측정 시스템은 23nm 입자의 실제 주행 자동차 배출을 평가합니다.
유럽 입자 번호(PN) 방출 표준의 현재 입자 크기 임계값은 23nm입니다. 이 임계값은 미래의 연소 엔진 차량 기술이 대량의 23nm 입자를 방출할 수 있기 때문에 변경될 수 있습니다. Horizon 2020의 투자 프로젝트 DownToTen (DTT)은 현재 규제되지 않은 크기 범위에서 입자 배출을 특성화하는 샘플링 및 측정 방법을 개발했습니다. PN 측정 시스템은 다양한 PN 측정 및 샘플링 접근법을 테스트하는 문헌 및 실험실 실험에 대한 광범위한 검토를 기반으로 개발되었습니다. 개발된 측정 시스템은 높은 입자 침투와 다재다능함을 특징으로 하며, 이는 직경의 몇 나노미터부터 시작하여 1차 입자, 지연된 1차 입자 및 이차 에어로졸의 평가를 가능하게 합니다. 이 백서는 실제 드라이브 배기가스(RDE) 측정을 위한 이 휴대용 배기가스 측정 시스템(PEMS)을 설치하고 운영하는 방법에 대한 지침을 제공하고 현재 의 23nm의 현재 입법 제한 보다 낮은 입자 수 배출을 평가합니다.
입자 측정 프로그램(PMP)은 영국 정부가 “현재의 입법 측정 절차를 보완하거나 대체할 고급 미립자 감소 기술이 장착된 차량을 평가하기 위한 유형 승인 테스트 프로토콜개발”1을위해 설립되었습니다. PMP는 세계 최초의 입자 수 기반 배출 규정으로, 특히 23nm≥ 탄소 입자를 대상으로 합니다. 최근 측정은 더 작은 입자를 포함해야 할 수도 있음을 나타냅니다.
디젤 그을음의 부정적인 건강 영향은 잘이해된다 2,따라서, 디젤 미립자 필터 (DPS)의 필수 사용을 통해 디젤 배기에서 탄소 입자의 제거가 건강 상의 이유로 필수적이었다 기초에 ‘예방 원칙’이 호출되었다. 그러나 유럽 법률에서는 제한 값으로 인해 배기가스 제어 기술의 채택을 강요해야 하기 때문에 적절한 측정 방법 없이는 이를 달성할 수 없습니다. 영국 정부는 유럽 전역에서 강력한 정치적 지지를 받아 미립자 측정을 개선하기 위해 PMP의 개념을 주도했습니다. PMP는 유엔 유럽경제위원회(UN-ECE)3의후원하에 전 세계의 다른 사람들의 전문 지식을 포함시켰다. 2001년에 두 개의 입자 연구 프로젝트가 완료되었습니다. 그 중 하나 (미립자 연구4)환경, 운송 및 지역의 영국 정부 부서에 의해 수행되었다 (DETR), 자동차 제조 업체 및 상인 협회 (SMMT) 및 환경, 건강 및 안전을위한 유럽 연합 (CONCAWE)와 협력. 다른 하나 (PARTICULATES5)유럽 연합 (EU)의 5프레임 워크에 의해 투자하고 14 다른 유럽 파트너에 의해 수행되었다. 두 프로젝트의 결과는 입자 번호 기반 절차가 유망했다는 것을 나타내었지만 반복 가능하고 재현 가능한 측정에 대한 과제는 남아 있었습니다.
2007년 PMP 광관세 실험실 상관관계 운동의 최종 보고서는6개에 발표되었으며, 여기에는 필터 기반 질량 측정 방법에 대한 일부 개선이 포함되었으며, 주로 정의된 입자 크기 범위 및 입자 변동성에 기초하여 규제 목적으로 수카운트 기반 방법의 타당성을 입증하였다. 두 방법 모두 원래 미립자 물질 질량 및 봉지 희석 기체 배출 측정을 위해 개발된 기존 상수 부피 샘플러(CVS) 희석 터널 접근법의 샘플링을 기반으로 구현되었습니다.
수계산 기반 방법 내에서 ~ 20nm의 입자 크기 제한이 더 낮았다. 이 프로젝트의 주요 목적은 이 크기 이상의 입자가 법률에 의해 제어되도록 하는 것이었습니다. 엔진 배기의 기본 입자 크기는 <20 nm7,8,89일 수 있는 것으로 알려져있다.9 실용적인 이유로, 23nm에서 50%의 계수 효율(d50)을가진 입자 카운터를 선택하였고, 이 크기는 허용된 저크기 임계값이 되었다. 희석, 공기 온도, 습도 및 비율10과같은 특성에 대한 높은 민감도로 인해 휘발성 입자 크기 분포 및 통합 번호 측정은 하나의 차량을 갖춘 하나의 CVS 장착 시설에서 반복될 수 있지만 시설에서 시설로는 훨씬 적습니다. 따라서 엄격한 규정의 경우, 크기와 변동성에 대한 규제 입자 경계 조건을 효과적으로 정의하는 측정 접근 방식을 통해 비휘발성 입자에만 초점을 맞출 필요가 있었습니다. 유럽 의 디젤 연료는 350 °C 이상의 온도에서 몇 퍼센트만 끓는 것과 같은 백 엔드 변동성을 가지고 있으며, PMP 내에서 초기 작업으로 인해 이 온도에서 짧은 체류 시간이 엔진 윤활구11의종래 비등점을 향한 변동성이 있는 40탄소 원자를 함유한 선형 탄화수소인 테트라콘탄의 완전한 증발에 적합하다고 지적했다. 따라서 350°C의 온도는 규제 및 gt;23 nm 입자 변동성에 대한 사실상 기준점이 되었다.
PMP 측정 시스템 사양은 표 1에요약된 샘플링, 샘플 컨디셔닝 및 측정을 위한 구성 요소로 구성됩니다.
단계 | Id | 목적 |
0 | 샘플 소스 | 샘플의 원산지 |
1 | 파티클 전송 | 원산지에서 측정 시스템으로 샘플 수행 |
2 | 휘발성 입자 리무버 | 휘발성 물질을 제거하고 측정할 비휘발성 입자를 정의합니다. |
3 | 파티클 번호 카운터 | 비휘발성 입자를 대립하고 크기 제한을 낮춥니다. |
표 1: PMP 측정 시스템의 요소입니다.
유럽 PMP PN 접근법이 구현되고 있으며 현재 경량 디젤(2011년 9월, 유로 5b) 및 GDI 차량(2014년 9월, 유로 6) 및 디젤 및 가스 중부하 엔진(2013년 2월, EURO VI)에 적용됩니다.
최근 측정결과 일부 경량차량과 특히 점화 기술은 상당한 수준의 입자및 23nm12,,13,,14를방출할 수 있음을 보여주었다. 이로 인해 유럽 위원회는 현재 >23 nm 규정을 대체하거나 추가로 신속하게 구현할 수 있는 새로운 또는 확장된 방법을 개발하기 위한 연구 프로젝트에 자금을 지원하게 되었습니다.
이러한 프로젝트 중 하나인 DownToTen(DTT)은 PMP의 일반적인 접근 방식을 보존하고 측정 범위를 d50 ≤10 nm로 확장하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 DTT 측정 시스템의 구성은 표 1에설명된 것과 동일한 기본 요소를 포함하도록 설계되었지만, 컨디셔닝 및 측정 단계를 통해 효율적인 수송 및 23nm 입자를 감지할 수 있도록 최적화되었습니다. DTT 시스템은 처음에는 실험실 사용을 위해 개발되었지만 휴대용 배기가스 측정 시스템(PEMS)으로 작동하도록 수정되었습니다. DTT PN-PEMS 시스템의 경우, 구성 품은 원래 설계와 크게 차이가 없이 중량과 전력 소비를 줄이고 물리적 견고성을 높이기 위해 최적화되었습니다. 모바일 애플리케이션의 경우, 이 시스템은 가볍고 튼튼한 PEMS 테스트에서 발생할 가능성이 있는 더 혹혹하고 불규칙한 온도, 압력 및 진동 환경에 저항해야 합니다. 시스템 입구에서 압력 변화의 영향모델링 및 실험적으로15. 진동에 대한 저항은 전용 테스트베드(16)를사용하여 평가되었다. 일반적인 RDE 드라이브 중에 발생하는 진동과 가속도는 사용되는 응축 입자 카운터의 측정 결과를 손상시키지 않았습니다. DTT 시스템은 또한 휘발성 제거 기능이 비활성인 저온에서 사용되도록 설계되어 노화 챔버를 공급하고 이차 유기 에어로졸형성(17)을연구합니다.
입자의 규제 변동성 경계를 정의하는 DTT 측정 시스템의 열 컨디셔닝 요소는 두 시스템 모두 시퀀스를 포함하고 있다는 점에서 PMP 시스템의 요소와 밀접하게 평행합니다.
DTT와 PMP 시스템 간의 주요 차이점은 DTT 시스템 구성 요소를 다음과 같은 것으로 선택한다는 것입니다.
이 논문의 목적은 비휘발성 입자≥ 사용 가능한 도로 차량에서 10nm≥ 측정을 위한 DTT PN-PEMS 시스템의 사용을 제시하는 것입니다. 여기에는 측정 시스템 및 주요 구성 요소에 대한 소개, 실험실 기반 교정 측정 수행, 모바일 애플리케이션용 장치 설치, 실제 주행 배기가스 측정 수행, 수집된 측정 데이터 처리 등이 포함됩니다.
계측
DTT PN-PEMS는 몇 나노미터까지 높은 입자 침투, 견고한 입자 수 희석, 휘발성 입자 제거 및 인공 입자 형성 방지를 제공하도록 설계되었습니다. 시스템의 구성 요소는 희석 및 에어로졸 컨디셔닝을 위한 다양한 기술을 비교하는 실험실 실험의 결과에 기초하여 선택되었다. 이 섹션에서는 시스템, 작업 원리 및 사용되는 구성 요소에 대한 개요를 제공합니다. 도 1은 시스템의 회로도를 나타낸다. 도 2는 시스템의 사진을 보여줍니다. DTT 시스템은 높이가 60cm이며 50cm x 50cm의 발자국을 가지고 있습니다. 시스템의 무게는 약 20kg입니다. 필요한 주변 요소(즉, 배터리 및 가스 병)를 포함하여 총 중량은 약 80kg입니다. 시스템의 주요 요소는 두 개의 희석 단계(즉, 첫 번째 뜨겁고 두 번째 콜드), 촉매 스트리퍼 및 적어도 하나의 응축 입자 카운터(CPC)입니다.
그림 1: DTT 입자 번호 휴대용 방출 측정 시스템의 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: DTT 샘플링 시스템의 상단 보기 그림입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
두 개의 희석 단계는 응축 입자 카운터(&104 #/cm3)에의해 측정 가능한 수준으로 입자 수 농도를 감소시다. 사용자 정의 만든 다공성 튜브 희석제는 희석 단계 모두에 사용됩니다. 이 기술은 입자손실(18,,19)이낮기 때문에 선택되었습니다. 희석 공기의 방사형 섭취는 입자를 벽에서 멀리 하여 입자손실을 감소시킵니다. 더욱이, 이러한 희석제는 매우 작을 수 있으며 400 °C의 온도를 견딜 수 있습니다. 사용되는 다공성 물질은 소결 된 해시 X 튜브 (GKN 필터 금속 GmbH, Radevormwald, 독일)입니다. 다공성 튜브 내부의 정적 혼합 요소는 희석기의 직접 하류에 잘 혼합 된 에어로졸을 제공합니다. 이를 통해 희석기의 라에이졸 흐름을 직접 하류로 분할하여 추가 컨디셔닝 또는 측정을 위해 희석 에어로졸의 대표적인 샘플을 채취할 수 있으며, 컴팩트한 샘플링 시스템을 허용한다. 1차 희석 단계는 전형적으로 350°C로 가열되고, 두 번째 단계는 주변 온도에서 작동한다. 시스템의 희석 계수는 약 80입니다. 정확한 값은 입구 흐름 및 질량 흐름 관리에 따라 달라집니다: 샘플링 시스템의 유량은 두 개의 질량 유량 컨트롤러와 두 개의 질량 유량 미터의 시스템에 의해 관리됩니다. 질량 유량 컨트롤러는 희석 기류 속도를 제어합니다. 질량 유량계는 희석 단계 1과 2의 하류에서 추출된 유량을 모니터링합니다. 추출된 흐름과 제공된 흐름 간의 차이를 변경할 수 있습니다. 즉, 하나의 희석 단계에서 추가되거나 빼는 순 흐름을 정의할 수 있다. 샘플 유량, Q샘플은다른 모든 유량의 합으로 정의됨: 1) 측정 기기에 의해 그려진 유량(QQinst); 2) 희석 기류 속도(Q딜,i); 및 3) 초과 유량 Qex,i. 샘플 흐름을 계산하기 위해 시스템에서 추출된 흐름의 기여도가 양수이며 시스템에 공급되는 흐름의 기여도는 음수입니다.
총 희석 비율 DR은 다음을 통해 계산됩니다.
하나 이상의 응축 입자 카운터는 제2 희석 단계의 입자 수 농도 하류를 측정하는 데 사용됩니다. 23nm의 d50을 가진 CPC는 23nm보다 큰 고체 입자의 현재 규제 방출을 측정할 수 있게 한다. 또한, 낮은 d50 컷포인트(예를 들어, 10nm, 4nm)로 하나 이상의 CPC로 입자 수 농도를 측정하면 현재 조절되지 않은 고체 입자 분획 &23 nm을 적용된 CPC의 d50 컷 크기까지 평가할 수 있다.
희석 공기 공급 라인, 1차 다공성 튜브 희석기 및 촉매 스트리퍼에는 k형 열전대(TC)를 포함하는 독립적인 발열체가 있습니다. 독립적으로 다른 섹션을 가열하여 시스템의 온도 분포를 제어합니다.
가열 요소의 열전대 외에도 두 개의 열전대가 희석 단계 1과 2의 하류에 배치됩니다. 이 두 열전대는 에어로졸 온도를 직접 측정합니다.
두 개의 절대 압력 센서(NXP MPX5100AP)는 샘플링 시스템의 입구 및 콘센트의 압력을 모니터링하는 데 사용됩니다.
모바일 측정을 위해 클레이튼 파워 LPS 1500 배터리 팩이 사용됩니다. 10L 합성 공기 병은 모바일 응용 프로그램 중에 희석 공기로 시스템을 공급합니다. 배터리와 가스 병의 크기는 시스템이 100분 동안 독립적으로 작동할 수 있도록 선택됩니다.
이 시스템은 LabVIEW 가상 계측기를 실행하는 NI myRIO를 통해 제어됩니다. 가상 계측기는 유량과 히터 온도를 제어할 수 있습니다. 제어된 매개 변수 외에도 에어로졸 온도, 압력 및 가속(myRIO에 통합된 센서를 통해)을 모니터링하고 기록할 수 있습니다. myRIO 액세서리 GPS 모듈은 위치 데이터의 로깅을 가능하게 합니다. 도 3 및 도 4는 DTT 시스템을 제어하는 데 사용되는 가상 계측기의 사용자 인터페이스를 보여 줍니다.
그림 3: DTT 가상 계측기 희석 단계 매개 변수 개요. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: DTT 가상 계기기 히터 제어판. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
모든 종류의 샘플링 프로시저는 파티클 손실을 일으킵니다. 이러한 손실을 설명하기 위해 DTT 샘플링 시스템을 통해 입자 크기 종속 입자 침투를 결정하기 위해 실험실 측정이 수행됩니다. 이러한 측정에서, 단분산 에어로졸의 입자 농도는 두 개의 응축 입자 카운터를 사용하여 샘플링 시스템의 상류 및 하류로 측정된다. 도 5는 교정 측정에 대한 실험 설정을 나타낸다. 이 설정에서는 징 미니캐스트가 파티클소스(21,,22)로사용됩니다. 질량 흐름 컨트롤러(MFC)는 버너로의 가스 흐름을 제어하는 데 사용됩니다. 희석 브리지를 사용하면 입자 수 농도를 조정할 수 있습니다. 희석 교량은 바늘 밸브와 평행한 고효율 미립자 공기(HEPA) 필터입니다. 바늘 밸브의 위치를 조정하면 HEPA 필터를 통과하는 에어로졸의 분수와 바늘 밸브를 통과하는 에어로졸의 분수 사이의 비율을 변경하여 희석 비를 변경합니다. 여과된 에어로졸과 여과되지 않은 에어로졸은 T피스와 결합되어 희석된 에어로졸을 형성합니다. 촉매 스트리퍼는 연소 과정의 부산물로서 생성 될 가능성이 풍부한 휘발성 화합물을 제거하는 데 사용됩니다. TSI 3082 정전기 분류기와 TSI 3085 차동 이동성 분석기(나노 DMA)가 입자의 크기 선택에 사용된다. 두 개의 TSI CPC 3775(d50 = 4 nm)는 DTT 샘플링 시스템의 입자 수 농도 상류 및 하류를 측정하는 데 사용됩니다. 카운터의 d 50 = 4 nm의 절단 점은10 nm 이하의 입자 크기에서 침투 측정을 허용합니다.
그림 5: DTT 샘플링 시스템의 교정에 사용되는 실험 용 설정의 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이 작업은 DTT 샘플링 시스템과 휴대용 배출 측정 시스템으로 응용 프로그램을 제공합니다. 이 시스템은 EU Horizon 2020 프로젝트 DTT 내에서 설계 및 시공하여 현재 의 입법 입자 크기 제한 23 nm보다 낮은 입자 번호 방출 측정을 가능하게 합니다. 이 시스템의 다기능성은 규제된 고체 입자 수 배출뿐만 아니라 총 입자 방출 및 보조 에어로졸에 대한 연구를 평가할 수 있게 합니다. 측정 결과를 정확하게 해석하려면 DTT 시스템에서 교정 절차가 필요합니다. 이는 다른 입자 크기에 대한 상대 입자 침투를 평가하고, 입자 손실을 차지하는 보정 계수를 계산할 수 있도록 하는 것이다. 샘플링 시스템 자체와 나머지 실험 용 설정에 충분한 워밍업 시간을 제공하여 열 평형에 도달하고 정확한 교정 측정 결과를 달성하는 것이 중요합니다.
23nm(전류 조절) 및 10nm(실험)의 입자 크기 컷오프를 통해 고체 입자 수 배출을 측정하기 위한 DTT 시스템의 적용이 설명된다. 차량의 입자 수 배출을 평가하려면 입자 수 농도 및 배기 질량 유량을 결정해야 합니다. DTT 시스템은 입자 수 농도 측정을 다룹니다. 배기 질량 흐름은 배기 유량계(EFM)를 사용하여 측정됩니다. 제조업체의 지침에 따라 EFM을 설치하는 것이 중요합니다. 배기 유량의 잘못된 측정은 추론된 방출 속도에 직접적인 영향을 미칩니다. 측정된 데이터를 처리할 때는 입자 농도 데이터와 배기 흐름 데이터의 정확한 시간 정렬을 수행하는 것이 중요합니다. 이는 배출 속도가 입자 수 농도를 곱한 배기 유량이기 때문에 필요하다. 두 신호가 올바르게 정렬되지 않으면 드라이브 전체에 걸쳐 배출이 실제 배출에서 크게 벗어날 수 있습니다.
DTT 시스템은 상용 장치가 아니라 다재다능한 연구 도구입니다. 현행 규정 준수 여부를 검증하는 인증 측정을 수행하는 것과는 달리 규제되지 않은 차량 배기가스배출을 조사하는 데 사용됩니다. 높은 다기능성은 에너지 증가와 희석 공기 소비의 비용으로 제공됩니다. 모바일 측정을 위해 시스템을 사용할 때는 시스템의 에너지와 공기 소비를 커버하기 위해 배터리(30kg)와 가스병(20kg)으로 인해 차량에 추가된 무게를 염두에 두어야 합니다. DTT 시스템으로 PN 배출을 측정할 때 차량에 추가된 총 중량은 약 80kg이며, 이는 차량에서 운송되는 다른 사람과 비교할 수 있습니다. 추가 된 무게는 특히 드라이브에 가속 및 / 또는 언덕의 큰 거래를 포함하는 경우, 약간 증가 배출로 이어질 수 있습니다.
DTT 시스템은 규제되지 않은 & 23 nm 입자 수 배기가스 배출을 조사하는 데 사용할 수 있습니다. 고체 및 총 입자 수 배출을 모두 측정할 수 있습니다. 더욱이, 이차 에어로졸 형성의 복잡한 분야를 연구하는 유용한 도구가 될 수 있다. 시스템의 또 다른 가능한 응용 프로그램은 자동차 브레이크 마모 입자의 측정이다. 제동 이벤트 중에 방출되는 입자의 상당 부분은 30nm34보다작을 수 있다. 약 11nm의 d50을 갖춘 DTT 시스템은 이러한 배출을 연구하는 데 적합합니다. 비배기 배출이 교통 관련 PM10 배출35에거의 동등하게 기여하는 것으로 알려져 있지만, 비 배기 입자 배출은 여전히 규제되지 않습니다. 이는 입자 생성의 복잡하고 재현 가능한 프로세스가 거의 발생하지 않아 규제 조치를 설정하는 것이 매우 어렵기 때문입니다. 더욱이, 유기 브레이크 마모 입자의 화학 조성 및 관련 독성은 여전히 널리 알려지지 않은35.
DTT 시스템은 배기 및 비배기 트래픽 관련 입자 배출에 대한 이해를 향상시키는 유용한 도구입니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작업은 H2020 프로젝트 다운토텐의 틀에서 수행됩니다. 이 프로젝트는 보조금 협정 Nr. 724085에 따라 유럽 연합의 호라이즌 2020 연구 및 혁신 프로그램에서 자금을 받았습니다.
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 |