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

Markus Bainschab; Lukas Landl; Jon Andersson; Athanasios Mamakos; Stefan Hausberger; Alexander Bergmann

doi:10.3791/61287

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Ingenieurwesen

Medición de emisiones de número de partículas de conducción real de sub-23 nanómetros utilizando el sistema de muestreo portátil DownToTen

Published: May 22, 2020

doi:

10.3791/61287

Markus Bainschab¹, Lukas Landl², Jon Andersson³, Athanasios Mamakos⁴, Stefan Hausberger², Alexander Bergmann¹

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

Aquí se presenta el sistema de medición de emisiones portátil DownToTen (TDT) para evaluar las emisiones automotrices reales de partículas de menos de 23 nm.

Abstract

El umbral actual de tamaño de partícula de las normas europeas de emisión del número de partículas (PN) es de 23 nm. Este umbral podría cambiar porque la tecnología futura del vehículo del motor de combustión puede emitir grandes cantidades de partículas inferiores a 23 nm. El proyecto financiado por Horizonte 2020 DownToTen (TDT) desarrolló un método de muestreo y medición para caracterizar las emisiones de partículas en este rango de tamaño actualmente no regulado. Se desarrolló un sistema de medición de PN basado en una extensa revisión de la literatura y los experimentos de laboratorio que prueban una variedad de enfoques de medición y muestreo de PN. El sistema de medición desarrollado se caracteriza por una alta penetración de partículas y versatilidad, que permite la evaluación de partículas primarias, partículas primarias retardadas y aerosoles secundarios, a partir de unos pocos nanómetros de diámetro. Este documento proporciona instrucciones sobre cómo instalar y operar este Sistema Portátil de Medición de Emisiones (PEMS) para mediciones de Emisiones de Unidad Real (RDE) y evaluar las emisiones del número de partículas por debajo del límite legislativo actual de 23 nm.

Introduction

El Programa de Medición de Partículas (PMP) fue fundado por el Gobierno del Reino Unido para el “desarrollo de protocolos de ensayo de homologación de tipo para la evaluación de vehículos equipados con tecnología avanzada de reducción de partículas que complementarían o reemplazarían los procedimientos legislativos de medición actuales”^1. El PMP es la primera regulación de emisiones basadas en números de partículas del mundo, dirigida específicamente a partículas carbonáceas ≥23 nm. Mediciones recientes indican que puede ser necesario incluir partículas más pequeñas.

Los impactos negativos para la salud del hollín diésel se entienden bien²y, por lo tanto, se invocó el «principio de precaución» sobre la base de que la eliminación de las partículas de carbono del escape diésel, mediante el uso obligatorio de filtros de partículas diésel (DDF), era imprescindible por motivos sanitarios. Sin embargo, dado que en la legislación europea un valor límite debe forzar la adopción de tecnologías de control de emisiones, esto no podría lograrse sin un método de medición adecuado. Con un fuerte respaldo político en toda Europa, el Gobierno del Reino Unido lideró la concepción del PMP para mejorar las mediciones de partículas. El PMP, bajo los auspicios de la Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa (CEPE de las Naciones Unidas)³, incluía la experiencia de otros de todo el mundo. En 2001 se completaron dos proyectos de investigación de partículas. Una de ellas (Particulate Research⁴) fue llevada a cabo por el Departamento de Medio Ambiente, Transporte y Regiones del Gobierno del Reino Unido (DETR), en colaboración con la Sociedad de Fabricantes y Comerciantes de Motores (SMMT) y la Organización Europea para el Medio Ambiente, la Salud y la Seguridad de las Compañías Petroleras (CONCAWE). El otro (PARTICULATES⁵⁾fue financiado por el^5o Marco de la Unión Europea y fue llevado a cabo por 14 socios europeos diferentes. Los resultados de ambos proyectos indicaron que los procedimientos basados en números de partículas eran prometedores, pero que seguían existiendo desafíos para las mediciones repetibles y reproducibles.

En 2007 se publicó el informe final del ejercicio de correlación entre laboratorios de servicio ligero PMP⁶, incluidas algunas mejoras en el método de medición de masa basado en filtros, demostrando principalmente la viabilidad de un método basado en recuento de números para fines reglamentarios basado en un rango de tamaño de partícula definido y volatilidad de partículas. Ambos métodos se implementaron sobre la base del muestreo del enfoque de túnel de dilución de volumen constante (CVS) existente desarrollado originalmente para la masa de partículas y las mediciones de emisiones gaseosas diluidas embolsadas.

Dentro del método basado en el recuento de números, se seleccionó un límite de tamaño de partícula inferior de 20 nm. El objetivo principal del proyecto era garantizar que las partículas de este tamaño o superiores estuvieran controladas por la legislación. Ahora se sabe que el tamaño de partícula primaria en el escape del motor puede ser <20 nm⁷^,⁸^,⁹. Por razones prácticas, se seleccionó un contador de partículas con una eficiencia de conteo del_{50% (d 50)}a 23 nm, y este tamaño se convirtió en el umbral de tamaño inferior aceptado. Se reconoció que debido a la alta sensibilidad a propiedades tales como dilución, temperatura del aire, humedad y relación^10,la distribución volátil del tamaño de partícula y las mediciones de números integradas podrían ser repetibles en una instalación equipada con CVS con un vehículo, pero mucho menos de una instalación a otra. Por lo tanto, para las regulaciones rigurosas, era necesario centrarse exclusivamente en partículas no volátiles, con el enfoque de medición definiendo eficazmente las condiciones de límite de partículas reguladoras en el tamaño y la volatilidad. El combustible diésel europeo tiene volatilidad de fondo de tal manera que sólo un meú (meúno) en un porcentaje a temperaturas superiores a 350oC, y los primeros trabajos dentro del PMP indicaron que los cortos tiempos de residencia a esta temperatura eran adecuados para la evaporación completa del tetracontano, un hidrocarburo lineal que contenía 40 átomos de carbono con volatilidad hacia el punto de ebullición final del lubricante del motor¹¹. En consecuencia, una temperatura de 350 oC se ha convertido en el punto de referencia de facto para la volatilidad de partículas regulatoria >23 nm.

La especificación del sistema de medición PMP comprende componentes para muestreo, acondicionamiento de muestras y medición, resumidos en la Tabla 1.

Etapa	Identidad	Propósito
0	Fuente de muestra	Origen de la muestra
1	Transporte de partículas	Llevar a cabo la muestra desde el origen hasta el sistema de medición
2	Eliminador de partículas volátiles	Elimine los volátiles y defina las partículas no volátiles que se medirán
3	Contador de números de partículas	Enumerar partículas no volátiles y definir el límite de tamaño inferior

Tabla 1: Elementos del sistema de medición PMP.

El enfoque europeo PMP PN se está aplicando y ahora se aplica a los vehículos diésel ligero (septiembre de 2011, EURO 5b) y GDI (septiembre de 2014, EURO 6) y a los motores de servicio pesado diésel y de gas (febrero de 2013, EURO VI).

Mediciones recientes mostraron que algunos vehículos ligeros y, en particular, tecnologías de encendido por chispa, pueden emitir niveles sustanciales de partículas <23 nm¹²^,¹³^,¹⁴. Esto llevó a la Comisión Europea a financiar proyectos de investigación para desarrollar métodos nuevos o ampliados que puedan aplicarse rápidamente como un reemplazo o además de la normativa actual >23 nm.

Uno de estos proyectos, DownToTen (TDT), tiene como objetivo preservar el enfoque general de PMP y ampliar el rango de medición hasta un d₅₀ ≤10 nm. Para ello, la configuración del sistema de medición de TDT se diseñó para incluir los mismos elementos básicos descritos en la Tabla 1,pero con los pasos de acondicionamiento y medición optimizados para permitir el transporte y la detección eficientes de las partículas <23 nm. El sistema de TDT fue desarrollado inicialmente para uso en laboratorio, pero fue modificado para funcionar como un sistema portátil de medición de emisiones (PEMS). Para el sistema PN-PEMS de TDT, los componentes se optimizaron para reducir el peso y el consumo de energía y aumentar la robustez física sin diferir sustancialmente del diseño original. Para aplicaciones móviles, el sistema debe ser resistente a temperaturas, presiones y entornos de vibración más duros y erráticos que probablemente se encuentren en pruebas DE PEMS ligeras y de servicio pesado. El impacto de las variaciones de presión en la entrada del sistema se modeló y estudió experimentalmente¹⁵. La resistencia a las vibraciones se evaluó utilizando un banco de pruebas dedicado¹⁶. Las vibraciones y aceleraciones que se producen durante los accionamientos RDE típicos no afectaron a los resultados de medición de los contadores de partículas de condensación utilizados. El sistema de TDT también está diseñado para su uso a bajas temperaturas, donde la función de eliminación volátil está inactiva, para alimentar una cámara de envejecimiento y estudiar la formación secundaria de aerosoles orgánicos¹⁷.

Los elementos de acondicionamiento térmico del sistema de medición de TDT que definen el límite de volatilidad regulatoria de las partículas son estrechamente paralelos a los elementos del sistema PMP en que ambos sistemas contienen la secuencia:

Primera etapa de dilución del número de partícula
Etapa de eliminación de HC/volátil
Segunda etapa de dilución del número de partícula

Las principales diferencias entre los sistemas TDT y PMP son que los componentes del sistema TDT están seleccionados para:

Maximice la transmisión de 10 nm de PN desde la fuente de muestra hasta el contador de partículas utilizando enfoques de dilución de baja pérdida y transmisión de partículas
Elimine completamente los volátiles utilizando la eliminación de partículas oxidativas en lugar de limitarse a reducir las presiones parciales de las especies de HC condensables a través de la evaporación y la dilución
Contar partículas de 10–50 nm con mayor eficiencia que los sistemas PMP actuales

El objetivo de este documento es presentar el uso del sistema PN-PEMS de TDT para medir partículas no volátiles ≥10 nm desde un vehículo en carretera en uso. Esto incluye una introducción al sistema de medición y sus componentes principales, la realización de mediciones de calibración basadas en laboratorio, la instalación del dispositivo para una aplicación móvil, la realización de una medición real de las emisiones de conducción y el procesamiento de los datos de medición recopilados.

Instrumentación

El PN-PEMS de la TDT fue diseñado para proporcionar una alta penetración de partículas hasta unos pocos nanómetros, dilución robusta del número de partículas, eliminación de partículas volátiles y prevención de la formación de partículas artificiales. Los componentes del sistema se seleccionaron en base a los resultados de experimentos de laboratorio comparando una variedad de tecnologías para la dilución y el acondicionamiento de aerosoles. Esta sección proporciona una visión general del sistema, su principio de funcionamiento y los componentes utilizados. La figura 1 muestra un esquema del sistema. La Figura 2 muestra una foto del sistema. El sistema TDT mide 60 cm de altura y tiene una superficie de 50 cm x 50 cm. El peso del sistema es de aproximadamente 20 kg. Incluyendo los elementos periféricos requeridos (es decir, batería y botella de gas) el peso total es de aproximadamente 80 kg. Los principales elementos del sistema son las dos etapas de dilución (es decir, primero caliente, segundo frío), un destripador catalítico y al menos un contador de partículas de condensación (CPC).

Figura 1: Dibujo esquemático del sistema de medición de emisiones portátil del número de partículas de la TDT. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Imagen de vista superior del sistema de muestreo de TDT. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Dos etapas de dilución reducen las concentraciones del número de partículas a niveles medibles por contadores de partículas de condensación (<10⁴ s/cm³). Los diluyentes de tubo poroso hechos a medida se utilizan para ambas etapas de dilución. Esta tecnología fue seleccionada debido a su baja pérdida de partículas^18,^,¹⁹. La entrada radial de aire de dilución convectivamente mantiene las partículas lejos de las paredes, lo que reduce las pérdidas de partículas. Además, estos diluyadores pueden ser muy pequeños y pueden soportar temperaturas de 400 oC. El material poroso utilizado es un tubo hastalloy X sinterado (GKN Filters Metals GmbH, Radevormwald, Alemania). Los elementos de mezcla estáticos dentro del tubo poroso proporcionan un aerosol bien mezclado directamente aguas abajo del diluyidor. Esto permite tomar una muestra representativa del aerosol diluido para mayor acondicionamiento o medición dividiendo el flujo de aerosol directamente aguas abajo del diluyador, y permite un sistema de muestreo compacto. La etapa de dilución primaria se calienta típicamente a 350 oC, mientras que la segunda etapa se opera a temperatura ambiente. El factor de dilución del sistema es de aproximadamente 80. El valor exacto depende del flujo de entrada y de la gestión del flujo de masa: Los caudales en el sistema de muestreo se gestionan mediante un sistema de dos controladores de flujo de masa y dos medidores de flujo de masa. Los controladores de flujo de masa controlan los caudales de aire de dilución. Los medidores de flujo de masa monitorean los caudales extraídos aguas abajo de las etapas de dilución 1 y 2. Las diferencias entre los movimientos extraídos y los movimientos suministrados se pueden modificar. En otras palabras, se puede definir el flujo neto añadido o restado en una etapa de dilución. El caudal de la muestra, Q_sample, se define como la suma de todos los demás caudales: 1) Caudal dibujado por los instrumentos de medición (Q_inst); 2) los caudales de aire de dilución (Q_dil,i); y 3) los excesos de caudal Q_ex,i. Para el cálculo del flujo de muestra, las contribuciones de los flujos extraídos del sistema son positivas y las contribuciones de los flujos alimentados en el sistema son negativas.

La relación de dilución total DR se calcula por:

Una destripadora catalítica (CS) está situada entre las etapas de dilución 1 y 2 y se opera a 350 oC a un caudal de 1 litro por minuto (L/min). La destripadora catalítica proporciona oxidación de compuestos orgánicos y almacenamiento de azufre. La eliminación de estas sustancias garantiza el aislamiento de la fracción de partículas sólidas. Se evita la formación no deseada de partículas volátiles y semivolátiles y el crecimiento de partículas de tamaño subcutado. La destripadora catalítica utilizada está disponible comercialmente (AVL GmbH). La eficiencia volátil de eliminación de partículas de la CS se verificó con partículas de aceite de esmeril polidispersa >50 nm y >1 mg/m³ (3,5-5,5 mg/m³) mostrando una eficiencia de >99% (valor real 99,9%) según lo definido por la normativa RDE²⁰. Esta es una prueba más rigurosa que la prueba de tetracontano prescrita en el protocolo PMP actual.

Uno o más contadores de partículas de condensación se utilizan para medir la concentración del número de partículas aguas abajo de la segunda etapa de dilución. Un CPC con un d₅₀ de 23 nm permite la medición de la emisión actualmente regulada de partículas sólidas superiores a 23 nm. Además, la medición de la concentración del número de partículas con uno o más CPC con un punto de corte inferior d₅₀ (por ejemplo, 10 nm, 4 nm) permite evaluar la fracción de partículas sólidas no regulada actualmente <23 nm hasta el tamaño de corte d₅₀ del CPC aplicado.

La línea de suministro de aire de dilución, el diluyente de tubo poroso primario y el destripador catalítico tienen elementos calefactores independientes que contienen termopares de tipo k (TC). El calentamiento independiente de diferentes secciones controla la distribución de la temperatura en el sistema.

Además de los termopares en los elementos calefactores, dos termopares se colocan aguas abajo de las etapas de dilución 1 y 2. Estos dos termopares miden directamente la temperatura del aerosol.

Se utilizan dos sensores de presión absoluta (NXP MPX5100AP) para controlar la presión en la entrada y la salida del sistema de muestreo.

Para las mediciones móviles, se utiliza una batería Clayton Power LPS 1500. Una botella de aire sintético de 10 L suministra aire de dilución al sistema durante las aplicaciones móviles. Los tamaños de la batería y la botella de gas se eligen para que el sistema pueda funcionar de forma independiente durante 100 minutos.

El sistema se controla a través de un NI myRIO que ejecuta un instrumento virtual LabVIEW. El instrumento virtual permite controlar los caudales y las temperaturas del calentador. Aparte de los parámetros controlados, las temperaturas, presiones y aceleración de aerosoles (a través del sensor integrado en myRIO) se pueden monitorear y registrar. Un módulo GPS accesorio myRIO permite el registro de los datos de posición. La Figura 3 y la Figura 4 muestran la interfaz de usuario del instrumento virtual utilizado para controlar el sistema TDT.

Figura 3: Visión general de los parámetros de la etapa de dilución del instrumento virtual de TDT. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Panel de control del calentador de instrumentos virtual TDT. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Cualquier tipo de procedimiento de muestreo causa pérdidas de partículas. Para poder tener en cuenta estas pérdidas, se realizan mediciones de laboratorio para determinar la penetración de partículas dependiente del tamaño de partícula a través del sistema de muestreo de TDT. En estas mediciones, la concentración de partículas de aerosol monodisperso se mide aguas arriba y aguas abajo del sistema de muestreo utilizando dos contadores de partículas de condensación. La Figura 5 muestra la configuración experimental para las mediciones de calibración. En esta configuración, un miniCAST Jing se utiliza como fuente de partículas²¹^,²². Los controladores de flujo de masa (MFC) se utilizan para controlar los flujos de gas en el quemador. Un puente de dilución permite el ajuste de la concentración del número de partículas. El puente de dilución es un filtro de aire de partículas de alta eficiencia (HEPA) paralelo a una válvula de aguja. El ajuste de la posición de la válvula de aguja altera la relación de dilución cambiando la relación entre la fracción del aerosol que pasa a través del filtro HEPA y la fracción del aerosol que pasa a través de la válvula de la aguja. Los aerosoles filtrados y no filtrados se recombinan con una pieza en T para formar un aerosol diluido. Una stripper catalítica se utiliza para eliminar compuestos volátiles posiblemente abundantes generados como subproductos del proceso de combustión. Para la selección de tamaño de partículas se utiliza un clasificador electrostático TSI 3082 junto con un analizador de movilidad diferencial TSI 3085 (nano DMA). Para medir la concentración del número de partículas se utilizan dos CPC de ETI 3775 (d₅₀ a 4 nm) para medir la concentración del número de partículas aguas arriba y aguas abajo del sistema de muestreo de TDT. El punto de corte de los contadores de d₅₀ a 4 nm permite la determinación de la penetración en tamaños de partícula tan bajos como 10 nm y por debajo.

Figura 5: Dibujo esquemático de la configuración experimental utilizada para la calibración del sistema de muestreo de TDT. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Protocol

1. Procedimiento de calibración Configurar y preparar instrumentos. Coloque los instrumentos descritos, que se muestran en la Figura 5,de forma organizada y compacta en un laboratorio con un sistema de extracción. Conecte los instrumentos como se indica en las flechas de la Figura 5 utilizando tubos conductores. Mantenga el tubo lo más corto posible para minimizar las pérdidas de partículas de difusión. Conecte los instrumentos que requieren alimentación (es decir, sistema de TDT, bomba del sistema TDT, dos CPC, DMA, destripadora catalítica y MFC) a las tomas de corriente. Conecte los CPC, el sistema DTT y el MFC a un equipo portátil. Asegúrese de que el portátil tenga instalado el software necesario para comunicarse con los dispositivos conectados. Instale el software que falta si es necesario. Caliente los componentes experimentales al menos 30 minutos antes de iniciar las mediciones de calibración para garantizar una configuración de medición térmicamente estable. Inicie el funcionamiento del quemador estableciendo el flujo de gas controlado por el MFC externo en la configuración de inicio especificada en el manual del usuario. Enciende la llama. Alimente el hollín generado en el sistema de extracción. Produzca partículas de hollín con un diámetro medio de 50 ± 5 nm estableciendo los flujos controlados por MFC en consecuencia. Una tabla de ajustes y la distribución esperada del tamaño de partícula se puede encontrar en el manual del quemador o en la literatura23. Para los ajustes de miniCAST en la Tabla 2 se puede utilizar: Comience a calentar la destripadora catalítica ajustando el controlador de temperatura correspondiente a 350 oC. Encienda los CPC y ajuste al modo de flujo bajo (es decir, flujo de entrada de 0,3 L/min). Configure la comunicación de los CPC con el portátil utilizando el software del fabricante de CPC o la comunicación en serie. Inicie el procedimiento de calentamiento del sistema TDT como se describe en la sección 3.1. Instale el impactador con una boquilla de 0,071 cm en la entrada del clasificador de acuerdo con el manual del usuario. Encienda el clasificador. La pantalla del clasificador debe mostrar un flujo de impactador de 1,30 ± 0,05 L/min. Si el flujo mostrado es diferente, compruebe dos veces el tubo que conecta el clasificador con el CPC y el sistema TDT. Establezca el caudal de vaina del clasificador en 13 L/min utilizando la interfaz de usuario. Si se utiliza una fuente de rayos X suave (TSI 3088), encienda el neutralizador del clasificador. Gas Caudal Propano 20 mL/min Gas de enfriamiento (N2) 2 L/min Aire de dilución 5 L/min Aire de oxidación 0,5 L/min Gas de mezcla (N2) 0 L/min Tabla 2: Velocidades de flujo miniCAST sugeridas para mediciones de calibración. Después de al menos 30 minutos de tiempo de calentamiento, realice las mediciones de calibración. Deje de alimentar el hollín generado en el sistema de extracción y conecte la salida del quemador al puente de dilución. Establezca el tamaño de partícula seleccionado por el clasificador en 10 nm utilizando la interfaz de usuario. Utilizando la válvula de aguja del puente de dilución, ajuste la concentración del número de partícula aguas arriba del sistema TDT para que sea de 104 ±10 3o/cm 3. Esta concentración de partículas produce una señal relativamente alta, lo que permite tiempos de medición cortos mientras que los CPC funcionan en modo de recuento único, lo que garantiza una alta precisión. Si no se puede alcanzar la concentración deseada de 104 ±10 3 s/cm3 debido a concentraciones de partículas extremadamente bajas emitidas por el generador de hollín, maximice el rendimiento a través del puente de dilución abriendo completamente la válvula. Comience a registrar los datos del sistema TDT (si aún no se ha iniciado) haciendo clic en el botón”Iniciar registro de datos”en el software DTT Labview. Comience a registrar los datos de los dos CPC utilizando el software propietario o la comunicación en serie. Espere 30 s para que la configuración experimental se estabilice. Anote una marca de tiempo y el tamaño de partícula establecido para marcar el inicio de la medición. Ejecute la medición durante 2 min. Anote una marca de tiempo para marcar el final de la medición. Repita los pasos 1.3.3–1.3.9 para tamaños de partícula de 15 nm, 30 nm, 50 nm y 100 nm. Se pueden tomar medidas adicionales si se desea una mejor resolución de tamaño. Realice otro conjunto de mediciones con los mismos tamaños de partícula que antes repitiendo los pasos 1.3.2–1.3.10. Deje de registrar los datos de medición de los dos CPC y del sistema TDT. Apaguen todos los instrumentos. Evalúe los datos de calibración recopilados con un programa de hoja de cálculo. Exporte los datos de concentración de partículas medidos por los CPC en un archivo .csv o .txt. Importe los datos del sistema CPC y TDT a una herramienta de evaluación de datos. Asigne los datos a las mediciones correspondientes asignando datos de cada instrumento (es decir, 2 CPC, sistema TDT) con una marca de tiempo entre la marca de tiempo inicial y la marca de tiempo final de una medida a la medida correspondiente. Se recomienda automatizar esta tarea con una herramienta de evaluación de datos. Promedio de tiempo de los dos datasets de concentración de partículas (CPC) y la relación de dilución (sistema TDT) para todos los puntos de medición. Calcule la penetración relativa de partículas para todos los puntos de medición de acuerdo con la siguiente fórmula:Donde Pn es la penetración relativa de partículas en un determinado punto de medición n. es la concentración de partículas medida por el CPC aguas abajo del sistema de TDT promediado sobre el intervalo de tiempo del punto de medición n. es la concentración de partículas correspondiente medida por el CPC aguas arriba del sistema TDT promediado sobre el intervalo de tiempo del punto de medición n. es la relación de dilución del sistema TDT, promediada sobre el intervalo de tiempo del punto de medición n. Calcule la Pmedia media de P de penetración de partículas promediando sobre las penetraciones de partículas promedio a 30 nm, 50 nm y 100 nm de tamaño de partícula.Este valor se utiliza para el cálculo del Factor de reducción de concentración de partículas (PCRF) dividiendo la relación de dilución DR con la eficiencia de penetración media Pmedia.El PCRF se calcula a partir de la penetración a 30 nm, 50 nm y 100 nm para ser comparable con los instrumentos compatibles con PMP, disponibles comercialmente. Las medidas en tamaños distintos de 30 nm, 50 nm y 100 nm se utilizan para determinar el tamaño de corte d50 del sistema para caracterizar mejor el sistema fuera del marco reglamentario. 2. Instalación y preparación para mediciones reales de emisiones de conducción Seleccione un vehículo para evaluar las emisiones de número de partículas para partículas <23 nm. Seleccione una ruta para medir las emisiones del número de partículas del vehículo seleccionado. Hay guías sobre cómo seleccionar rutas apropiadas en la literatura24. Instalación del medidor de flujo de escape (EFM) Elija un EFM con un rango de medición que coincida con el rango de flujo de escape esperado del vehículo a medir24. Coloque la caja de control EFM en el maletero del vehículo. Instale el EFM fuera del coche, de acuerdo con la hoja de especificaciones del fabricante. La Figura 6 muestra un ejemplo de un EFM instalado, montado externamente en tuberías con forma que conducen al tronco. Asegúrese de que la distancia aguas arriba y aguas abajo del EFM cumplan con las regulaciones de la UE (es decir, 4 veces el diámetro de la tubería o la tubería recta de 150 mm, lo que sea mayor, debe ser aguas arriba y aguas abajo del sensor de flujo). Al medir vehículos con múltiples colectores de escape, los tubos de escape individuales deben unirse delante del EFM y el área transversal de este tubo aumenta en consecuencia para mantener el aumento de la contrapresión de escape lo más bajo posible. Si esto no es posible, el flujo de masa de escape se puede medir con varios EMM. Asegúrese de que los conectores del tubo EFM al tubo de escape del vehículo puedan soportar las temperaturas de los gases de escape (es decir, no se debe utilizar plástico). El diámetro de la tubería, el diámetro del conector y el diámetro de las extensiones necesarias para el muestreo no deben ser más pequeños que el diámetro del tubo de escape para mantener la contrapresión del escape lo más baja posible. Arranque la tubería al escape del vehículo. Conecte el escape al primer tubo con tuberías de conexión y abrazaderas de tubería. Apriete las abrazaderas de la tubería sólo en el extremo para poder alinear las tuberías durante el montaje. Conecte una tubería a la vez con tuberías de conexión y abrazaderas de tubería hasta que haya una conexión desde el escape al EFM. Esto debería ser lo más corto posible. Coloque la caja de control EFM y el soporte de montaje EFM en el maletero para asegurarse de que no se deslice nada durante el viaje de medición. Compruebe que todas las tuberías están apretadas y que nada se suelta durante el viaje de medición. Encienda el EFM. Después de un tiempo de calentamiento de hasta 15 minutos dependiendo de la temperatura ambiente (ver guía del usuario de EFM), el medidor de flujo de masa de escape está listo para medir25,26,27,28. Figura 6: Imagen de un EFM instalado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Preparación e instalación del sistema de medición de TDT en el maletero del vehículoNOTA: Las mediciones descritas aquí se llevan a cabo con dos contadores de partículas de condensación como dispositivos de conteo para el sistema de TDT. Una de las CPC (TSI 3790A) tiene un tamaño de corte inferior d50 de 23 nm, lo que equivale al límite legislativo actual. El otro CPC (CPC AVL de 10 nm disponible comercialmente) tiene un límite d50 inferior de 10 nm. La medición de las emisiones de partículas con estos dos instrumentos en paralelo permite evaluar las emisiones reguladas actualmente (>23 nm) y la fracción <23 nm. Tome un portátil e instale el software TDT y el software para registrar los datos de medición de CPC. Coloque la botella de aire sintético en el maletero o en el suelo delante de los asientos traseros y fíjela con correas. Coloque la batería en el maletero del vehículo y fíjela. Conecte el cable de entrada de CA y conéctelo a una fuente de alimentación local. Coloque y fije las bombas de vacío para el sistema de muestreo y los contadores de partículas de condensación en el maletero del vehículo y conéctelos a la batería. Coloque el sistema TDT en el maletero del vehículo y fije su posición con correas. El cuadro 7 y el cuadro 8 muestran el sistema TDT en el maletero de un coche. Conecte el sistema a la batería móvil. Conecte los dos MFC de entrada del sistema TDT a un suministro de aire presurizado estacionario. Conecte las dos MCM de salida del sistema TDT a la bomba de vacío. Utilice el tubo adecuado para conducir el escape de la bomba fuera del vehículo. Conecte el sistema TDT al portátil de medición mediante un cable USB. Conecte la entrada del sistema al punto de muestreo aguas abajo del EFM. Conecte la entrada de alimentación del sistema a la batería. Conecte las entradas de energía de los contadores de partículas de condensación a la batería. Conecte los CPC a la bomba de vacío externa respectiva. Monte las botellas de butanol de las CPC firmemente en el marco del sistema de dilución lo más lejos posible de los ocupantes del vehículo. Asegúrese de que la tapa esté atornillada y no se abra durante la unidad de medición al acelerar. Utilice el tubo adecuado para controlar el escape de las CPC y/o la bomba externa fuera del vehículo. Conecte los CPC al portátil de medición mediante cables USB.NOTA: La Figura 9 muestra el vehículo preparado. El sistema TDT está instalado en el maletero del vehículo. También se instala un sistema PN-PEMS disponible en el comercio para utilizarlo como referencia para la emisión regulada de partículas sólidas >23 nm. Figura 7: PEMS TDT desde el interior del vehículo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 8: PEMS TDT dentro del maletero de un vehículo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 9: Vehículo con PN-PEMS (AVL MOVE) y PEMS de TDT instalados en el comercio. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 3. Operación de medición Calefacción y puesta en marcha del sistema de medición Encienda los dos CPC y su suministro de vacío externo. Abra el software de CPC en el portátil de medición y establezca comunicación con los CPC. La comunicación puede ejecutarse a través del software propietario del instrumento o a través de la comunicación en serie como se describe en el manual de CPC. Cierre las válvulas de aguja aguas abajo de las MMM. Encienda la bomba del sistema de muestreo de TDT. Encienda el sistema de muestreo presionando el interruptor rojo hacia abajo. Abra la aplicación LabVIEW DTT en el equipo. La comunicación con el sistema se inicia automáticamente. La interfaz gráfica de usuario (GUI) de la aplicación DTT LabVIEW ahora muestra los flujos de entrada y salida en las etapas de dilución 1 y 2, que deben ser 0,00 L/min. Si no es así, compruebe que las válvulas de la aguja estén cerradas correctamente. Introduzca el flujo de masa dibujado por los instrumentos de medición conectados en sL/min. Si se desconoce el flujo dibujado por los instrumentos, mida utilizando un medidor de flujo de masa portátil (por ejemplo, serie compacta de color rojo-y de V-gtlin). Vuelva a conectar el tubo después de medir los flujos dibujados por los CPC. Abra lentamente las válvulas de la aguja hasta que ambas “Flujos hacia fuera” alcancen 10,0 ± 0,5 sL/min. Ambos “Flows in” aumentarán a los mismos valores que el correspondiente “Flujos hacia fuera”. Ajuste el “Añadir flujo” (es decir, la diferencia entre el flujo de aire de dilución y el exceso de flujo) de ambas etapas de dilución para obtener QCS a 1,0 ± 0,1 L/min a través de la destripadora catalítica y un flujo de entrada de muestra dela muestra Q a 1,0 ± 0,1 L/min. Haga clic en la pestaña”Calentador”para ajustar las temperaturas del calentador. Ajuste las temperaturas del calentador del suministro de aire de dilución, el primer diluyente de tubo poroso y el destripador catalítico a 350 oC. El sistema comenzará a calentarse. Debajo de las interfaces “Set” se muestran los porcentajes de temperatura y potencia de calentamiento actuales. Espere hasta que la temperatura del gas en la etapa de dilución aguas abajo 1(“T DilStage 1” en la GUI) alcance los 290 oC antes de iniciar la unidad de medición. Esto tomará aproximadamente 20 min. Registro de datos Comience a registrar los datos en los dispositivos de medición conectados al sistema de muestreo de TDT. Comience a registrar los datos del sistema de muestreo pulsando el botón”Iniciar registro de datos”y elija una ruta y un nombre de archivo en la ventana emergente. Se mostrará la ruta del archivo de registro y la luz verde indicará que los datos se guardan. Los datos del sistema se registran a una frecuencia de 2 Hz. Registre los datos de concentración de partículas del CPC utilizando el software adecuado. Puede ser el software de comunicación en serie o el del fabricante (por ejemplo, PuTTY). Comience a registrar el flujo de escape con el EFM. Conducción Antes de conducir la ruta seleccionada, desconecte el cable de carga de la batería y cambie del suministro de aire presurizado estacionario a la botella de gas. Conduzca la ruta seleccionada. Después de conducir Pulse “Registro …” para detener la grabación de datos. Apaguen los instrumentos. Recargue la batería para prepararse para la siguiente unidad. 4. Análisis de datos Importe los datos desde el sistema de muestreo, el EFM (para el flujo de escape) y los dispositivos de medición en el mismo programa de análisis de datos. Realice la alineación de tiempo teniendo en cuenta el tiempo que el escape necesita ser transportado desde el tubo de escape a los dispositivos de medición. El tiempo de transporte através del sistema de dilución es de 2,5 s. El tiempo de transporte tmuestra a través de la línea de muestreo se puede calcular de la siguiente manera:Cuando tmuestra es el tiempo de transporte a través de la línea de muestreo en segundos, tdil es el tiempo de transporte a través del sistema de dilución (2,5 s), unamuestra es el área de sección transversal de la línea de muestreo en m2, lmuestra es la longitud de la línea de muestreo desde el punto de muestra hasta la entrada del sistema de dilución en metros, y lamuestra Q es el flujo de muestra del sistema de dilución de TDT en m3/s. Añadir tmuestra a tdil para obtener el tiempo de retardo total ttotal :NOTA: Por ejemplo, ttotal para una longitud de tubería de 0,5 m con un diámetro de tubería interno de 4 mm y un flujo de muestra de 1 L/min es igual a 2,88 s. La figura 10 muestra un ejemplo de la alineación de tiempo del número de partícula medido (línea de puntos azul) al número de partícula de desplazamiento de tiempo (línea azul). Figura 10: Ejemplo de alineación de tiempo del número de partícula medido PN en s/cm3 en comparación con el flujo de masa de escape medido en kg/h. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Para poder calcular el número de partículas en PN/s, el caudal del volumen de los gases de escape Vexhaust_norm en cm3/s debe calcularse primero de acuerdo con la siguiente fórmula:en el que V exhaust_normexhaust_norm es el caudal de volumen estándar de escape en m3/s, elescape es el flujo de masa de escape medido en kg/s, R es la constante de gas ideal para el aire (287.1 J/kg*K), Tnorma es la temperatura en condiciones estándar (273.15 K), y lanorma pes la presión en condiciones estándar (101,330 Pa). Con este flujo de volumen de escape en condiciones estándar, el número de partículas se puede calcular multiplicando el V-exhaust_normexhaust_norm con la relación de dilución DR del sistema de muestreo, la concentración cPN medida por las CPC, y el factor 106 (para la conversión de m3 a cm3). Para corregir las pérdidas de partículas, multiplique el flujo de escape de partículas multiplicando la tasa de concentración del número de partículas con el factor de reducción de la concentración de partículas del sistema (PCRF) en lugar de la relación de dilución DR. La determinación de PCRF se describe en la sección 1 de la instrucción de calibración:

Representative Results

Datos de calibración (penetración departículas): La Figura 11 muestra una gráfica ejemplar de la penetración relativa de partículas del sistema TDT en función del diámetro de la movilidad de partículas. Los datos correspondientes se han medido y evaluado como se describe en la sección 1 de la instrucción. La gráfica muestra que las desviaciones entre dos puntos de medición en el mismo diámetro de movilidad fueron inferiores al 5%. Las desviaciones superiores al 10% indican inestabilidades en la configuración experimental. En este caso, la calibración tuvo que repetirse con un mayor calentamiento de los tiempos de estabilización. Tanto el tiempo de calentamiento (normalmente 30 min) como el tiempo de estabilización (normalmente 30 s) aumentaron en un factor de 1,5. Las partículas que pasaban a través del sistema TDT se perdieron debido a la difusión y la termoforesis. Las pérdidas termoforéticas fueron causadas por un gradiente de temperatura que dibujaba partículas hacia las paredes del sistema de muestreo. Este es un efecto independiente de tamaño de partícula29; en cambio, la difusión depende en gran medida del tamaño de las partículas. Un gradiente de concentración causó un flujo de partículas neta hacia las paredes donde se perdieron partículas. La difusividad que aumenta con un tamaño de partícula más bajo hizo de este el mecanismo de pérdida dominante para partículas ≤10 nm. Las líneas de la Figura 11 que indican pérdidas termoforéticas, difusivas y totales demuestran las respectivas dependencias de tamaño de partícula. Para las pérdidas de difusión, esta función se utilizó para ilustrar la dependencia aproximada del tamaño de partícula: La penetración P depende de un parámetro de ajuste a y del coeficiente de difusión D: El coeficiente de difusión depende de la constante Boltzmann k, la temperatura absoluta T, la viscosidad η, el diámetro de partícula dp, y el factor de corrección de deslizamiento Cunningham Cc, que es una función de la trayectoria libre media y el diámetro de partícula29. Los datos ilustrados en la Figura 11 dieron como resultado la siguiente media de eficiencia de penetración departículas P: P El tamaño de partícula donde la eficiencia de penetración asciende al 50% se conoce como d50. El d50 describe la característica de corte de penetración de un sistema. Para el sistema TDT el d50 era de 11 nm. El d50 se muestra en la figura 11. Figura 11: Penetración de partículas en función del diámetro de la movilidad de partículas.Los puntos marcados en azul son resultados de medición. Las líneas discontinuas en naranja y verde indican las pérdidas asociadas con la termoforesis y la difusión, respectivamente. La línea roja representa las pérdidas totales como la suma de las pérdidas difusas y termoforéticas. La línea púrpura con puntos muestra la penetración media de partículas Pmean calculada en la sección 1 de la instrucción de medición de calibración. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Número de partículassólidas: La Figura 12 muestra la tasa de emisión del número de partículas a lo largo del tiempo durante los primeros diez minutos de una unidad de medición RDE. Los datos del PEMS de TDT utilizando un CPC de 10 nm y un CPC de 23 nm se muestran junto con los datos de un sistema de punto de corte de 23 nm disponible comercialmente. Las tasas de emisión de partículas se calcularon a partir de las concentraciones de partículas respectivas multiplicadas por el caudal de escape descrito anteriormente en la sección 4 de la instrucción de análisis de datos. El instrumento de referencia (AVL MOVE) se basó en un cargador de difusión para la medición de la concentración del número de partículas. A pesar de los diferentes principios del sensor, los datos medidos con el PEMS de la TDT fueron en general en muy buen acuerdo con los datos medidos por el PEMS disponible comercialmente. Se produjeron picos afilados hacia abajo en las tres señales porque los dispositivos de medición de partículas pueden notificar temporalmente concentraciones de partículas cero y los ceros no se pueden mostrar en parcelas logarítmicas. Las emisiones de partículas medidas con el CPC de 10 nm fueron muy cercanas a las emisiones medidas con el CPC de 23 nm durante la mayor parte del período de tiempo indicado en la Figura 12. Sin embargo, justo al principio entre 10 s y 25 s hubo una ocurrencia de una emisión significativa de partículas 50% del número total de partículas emitidas estaban entre 10 nm y 23 nm. Los procesos dinámicos de arranque en frío en equilibrio no térmico pueden hacer que las distribuciones de tamaño de partícula difieran de las emisiones de un vehículo caliente30. La discusión de estos complejos procesos está fuera del alcance de este trabajo. Puede encontrar más información sobre este tema en la literatura31,32,33. Figura 12: La parte superior de la figura muestra la tasa de emisión del número de partículas a lo largo del tiempo durante los primeros 10 minutos de una unidad de medición RDE.Los datos medidos con el PEMS de TDT utilizando CPC de 10 nm y 23 nm y un sistema de punto de corte de 23 nm disponible comercialmente (AVL MOVE) se utilizan como referencia. La parte inferior de la figura muestra la velocidad del vehículo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Este trabajo presenta el sistema de muestreo de TDT y su aplicación como un sistema portátil de medición de emisiones. El sistema fue diseñado y construido dentro del proyecto de la UE Horizonte 2020 TDT para permitir mediciones de emisiones de número de partículas por debajo del límite de tamaño de partícula legislativo actual de 23 nm. La versatilidad del sistema permite evaluar las emisiones de número de partículas sólidas reguladas, así como las emisiones totales de partículas y los estudios sobre aerosoles secundarios. Para interpretar los resultados de la medición con precisión, es necesario un procedimiento de calibración con el sistema TDT. Esto es para evaluar la penetración relativa de partículas para diferentes tamaños de partículas, para poder calcular un factor de corrección que tenga en cuenta las pérdidas de partículas. Es fundamental proporcionar suficiente tiempo de calentamiento para que el propio sistema de muestreo y el resto de la configuración experimental alcancen el equilibrio térmico y logren resultados de medición de calibración precisos.

Se describe la aplicación del sistema TDT para la medición de emisiones de número de partículas sólidas con un menor límite de tamaño de partícula de 23 nm (regulación actual) y 10 nm (experimental). Para poder evaluar las emisiones del número de partículas de un vehículo es necesario determinar la concentración del número de partículas y el caudal de masa de escape. El sistema de TDT cubre la medición de la concentración del número de partículas. El flujo de masa de escape se mide utilizando un medidor de flujo de escape (EFM). Es fundamental instalar el EFM de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Las mediciones erróneas del caudal de escape afectan directamente a las tasas de emisión inducidas. Al procesar los datos medidos, es importante realizar una alineación de tiempo precisa de los datos de concentración de partículas y los datos de flujo de escape. Esto es necesario porque la tasa de emisión es el caudal de escape multiplicado por la concentración del número de partícula. Si las dos señales no están alineadas correctamente, las emisiones en todo el accionamiento pueden desviarse significativamente de las emisiones reales.

El sistema de TDT no es un dispositivo comercial, sino una herramienta de investigación versátil. Se utiliza para investigar las emisiones no reguladas de los vehículos en lugar de realizar mediciones de certificación que validen el cumplimiento de la normativa vigente. La alta versatilidad viene a costa de un mayor consumo de energía y dilución de aire. Cuando se utiliza el sistema para mediciones móviles, debe tenerse en cuenta el peso añadido al vehículo debido a la batería (30 kg) y la botella de gas (20 kg) para cubrir el consumo de energía y aire del sistema. El peso total añadido al coche al medir las emisiones de PN con el sistema TDT es de aproximadamente 80 kg, lo que es comparable a que otra persona se transporta en el vehículo. El peso añadido puede conducir a un ligero aumento de las emisiones, especialmente si la unidad incluye una gran cantidad de aceleración y / o colinas.

El sistema de TDT se puede utilizar para investigar las emisiones de escape del número de partícula no regulado <23 nm. Se pueden medir las emisiones de número de partículas sólidas y totales. Además, puede ser una herramienta útil para estudiar el complejo campo de la formación secundaria de aerosoles. Otra posible aplicación del sistema es la medición de partículas de desgaste de frenos automotrices. Una fracción significativa de las partículas emitidas durante los eventos de frenado puede ser menor que 30 nm³⁴. Con un d₅₀ de aproximadamente 11 nm, el sistema de TDT es adecuado para el estudio de estas emisiones. Aunque se sabe que las emisiones no de escape contribuyen casi igualmente a las emisiones de PM₁₀ ³⁵relacionadas con el tráfico, las emisiones de partículas no de escape siguen sin estar reguladas. Esto se debe al complejo y rara vez reproducible proceso de generación de partículas, lo que hace muy difícil establecer acciones regulatorias. Además, la composición química y la toxicidad relacionada de las partículas orgánicas de desgaste de los frenos todavía es ampliamente desconocida³⁵.

El sistema de TDT es una herramienta útil para mejorar nuestra comprensión de las emisiones de partículas relacionadas con el tráfico de escape y no de escape.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo se lleva a cabo en el marco del proyecto H2020 DownToTen. Este proyecto ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención Nr. 724085.

Materials

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

Referenzen

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Diesen Artikel zitieren

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).