Presenteras här är DownToTen (DTT) bärbara utsläppsmätningssystem för att bedöma verklig körning fordonsutsläpp av sub-23 nm partiklar.
Den aktuella partikelstorlekströskeln för utsläppsnormerna för europeiskt partikelnummer (PN) är 23 nm. Denna tröskel kan ändras eftersom framtida förbränningsmotor fordonsteknik kan släppa ut stora mängder sub-23 nm partiklar. Inom horisont 2020-finansierade projektet DownToTen (DTT) utvecklades en provtagnings- och mätmetod för att karakterisera partikelutsläpp i detta för närvarande oreglerade storleksintervall. Ett PN-mätsystem utvecklades baserat på en omfattande genomgång av litteraturen och laboratorieexperimenten som testade en mängd olika PN-mätnings- och provtagningsansatser. Det mätsystem som utvecklas kännetecknas av hög partikelpenetration och mångsidighet, vilket möjliggör bedömning av primärpartiklar, fördröjda primärpartiklar, och sekundära aerosoler, med början från några nanometer i diameter. Detta papper ger instruktioner om hur man installerar och driver denna Bärbara Emission Measurement System (PEMS) för Real Drive Emissions (RDE) mätningar och bedöma partikel nummer utsläpp under den nuvarande lagstiftningsgränsen på 23 nm.
Programmet för partikelmätning (PMP) grundades av den brittiska regeringen för “utveckling av testprotokoll för typgodkännande för bedömning av fordon som är försedda med avancerad partikelreduceringsteknik som skulle komplettera eller ersätta nuvarande förfaranden för lagstiftningsmätning”1. PMP är världens första partikelnummerbaserade utsläppsreglering, som är specifikt inriktad på kolhaltiga partiklar ≥23 nm. Nyligen genomförda mätningar tyder på att det kan vara nödvändigt att inkludera mindre partiklar.
Negativa hälsoeffekter av dieselsot förstås väl2, och därför åberopades “försiktighetsprincipen” på grundval av att elimineringen av kolpartiklar från dieselavgaser, via obligatorisk användning av dieselpartikelfilter (DPFs), var absolut nödvändigt av hälsoskäl. Men eftersom ett gränsvärde i den europeiska lagstiftningen måste tvinga fram ett antagande av teknik för utsläppskontroll skulle detta inte kunna uppnås utan en lämplig mätmetod. Med starkt politiskt stöd över hela Europa ledde den brittiska regeringen uppfattningen av PMP för att förbättra partikelmätningar. PMP, under överinseende av FN: s ekonomiska kommission för Europa (UN-ECE)3, ingår expertis från andra från hela världen. Två partikelforskningsprojekt slutfördes under 2001. En av dem (Partikelforskning4) genomfördes av det brittiska regeringsdepartementet för miljö, transport och regioner (DETR), i partnerskap med Society of Motor Manufacturers and Traders (SMMT) och oljebolagen European Organisation for Environment, Health and Safety (CONCAWE). Den andra (Particulates5) finansierades genom Europeiska unionens5:e ram och genomfördes av 14 olika europeiska partner. Resultaten från båda projekten indikerade att partikeltalsbaserade förfaranden var lovande, men att utmaningar för repeterbara och reproducerbara mätningar kvarstod.
År 2007 publicerades slutrapporten från PMP Light-duty Inter-laboratory Correlation Exercise6, inklusive några förbättringar av den filterbaserade massmätningsmetoden, som i första hand visar genomförbarheten av ett antal räkna-baserad metod för regleringsändamål baserat på en definierad partikel storleksintervall och partikelvolatilitet. Båda metoderna genomfördes baserat på provtagning från den befintliga metoden med utspädningstunnel för konstant volym (CVS) som ursprungligen utvecklades för partikelmassa och påse utspädningsmätningar av gasformiga utsläpp.
Inom den antal räkna-baserade metoden valdes en lägre partikelstorleksgräns på ~20 nm. Det primära målet med projektet var att säkerställa att partiklar av denna storlek och uppåt kontrollerades av lagstiftning. Det är nu känt att den primära partikelstorleken i motorns avgaser kan vara <20 nm7,8,9. Av praktiska skäl valdes en partikelräknare med en 50% räkna effektivitet (d50) vid 23 nm, och denna storlek blev den accepterade lägre storlekströskeln. Det erkändes att på grund av den höga känsligheten för egenskaper som utspädning, lufttemperatur, luftfuktighet och förhållandet10,kunde flyktig partikelstorleksfördelning och integrerade antalsmätningar vara repeterbara i en CVS-utrustad anläggning med ett fordon, men mycket mindre från anläggning till anläggning. Således, för rigorösa regler, var det nödvändigt att fokusera enbart på icke-volatila partiklar, med mätningen strategi effektivt definiera de reglerande partikelgräns villkor på storlek och volatilitet. Europeiska dieselbränsle har back-end volatilitet så att endast ett fåtal procent kokar vid temperaturer över 350 °C, och tidigt arbete inom PMP anges att korta uppehållstider vid denna temperatur var lämpliga för fullständig avdunstning av tetrakontan, en linjär kolväte som innehåller 40 kolatomer med volatilitet mot slutet kokpunkten av motorns smörjmedel11. Följaktligen har en temperatur på 350 °C blivit den facto referenspunkt för reglering >23 nm partikelvolatilitet.
PMP-mätningssystemets specifikation omfattar komponenter för provtagning, provkonditionering och mätning, sammanfattad i tabell 1.
Scenen | Identitet | Syfte |
0 | Provkälla | Provets ursprung |
1 | Partikel Transport | Genomföra prov från ursprung till mätsystem |
2 | Flyktig partikelborttagning | Eliminera flyktiga ämnen och definiera icke-flyktiga partiklar som ska mätas |
3 | Räknare för partikeltal | Räkna upp icke-flyktiga partiklar och definiera den nedre storleksgränsen |
Tabell 1: Element i PMP-mätsystemet.
Den europeiska PMP PN-metoden genomförs och gäller nu lätt diesel (september 2011, EURO 5b) och GDI-fordon (september 2014, EURO 6), och för diesel- och gastunga motorer (februari 2013, EURO VI).
Nyligen genomförda mätningar visade att vissa lätta fordon och i synnerhet gnisttändningsteknik, kan avge väsentliga nivåer av partiklar <23 nm12,13,14. Detta ledde till att Europeiska kommissionen finansierade forskningsprojekt för att utveckla nya eller utökade metoder som snabbt kan genomföras som ersättning, eller tillägg till, den nuvarande >23 nm-förordningen.
Ett sådant projekt, DownToTen (DTT), syftar till att bevara den allmänna metoden för PMP och utöka mätområdet ner till en d50 ≤10 nm. För detta ändamål var konfigurationen av DTT-mätsystemet utformad för att inkludera samma grundläggande element som beskrivs i tabell 1, men med konditionerings- och mätsteg optimerade för att möjliggöra effektiv transport och detektering av <23 nm-partiklarna. DTT-systemet utvecklades ursprungligen för laboratoriebruk men ändrades för att fungera som ett portabelt system för mätning av utsläpp (PEMS). För DTT PN-PEMS-systemet optimerades komponenterna för att minska vikt- och strömförbrukningen och öka den fysiska robustheten utan att väsentligen avvika från den ursprungliga konstruktionen. För mobilapplikation måste systemet vara motståndskraftigt mot hårdare och oregelbundna temperaturer, tryck och vibrationsmiljöer som sannolikt påträffas vid lätt- och kraftig PEMS-testning. Tryckvariationernas inverkan vid systemets inlopp modellerades och studerades experimentellt15. Motståndet mot vibrationer bedömdes med hjälp av en särskild testbädd16. Vibrationer och accelerationer som uppstår under typiska RDE-drivenheter försämrade inte mätresultaten för de kondenspartikelräknare som användes. DTT-systemet är också utformat för användning vid låga temperaturer, där den flyktiga borttagningsfunktionen är inaktiv, för att mata en åldrande kammare och studera sekundär organisk aerosolbildning17.
De termiska konditioneringselementen i DTT-mätsystemet som definierar den regulatoriska volatilitetsgränsen för partiklar som är nära parallella med ELEMENTEN i PMP-systemet genom att båda systemen innehåller sekvensen:
De primära skillnaderna mellan DTT- och PMP-systemen är att DTT-systemkomponenterna väljs till:
Målet med detta dokument är att presentera användningen av DTT PN-PEMS-systemet för mätning av icke-volatila partiklar ≥10 nm från ett fordon i bruk. Detta inkluderar en introduktion till mätsystemet och dess huvudkomponenter, utför laboratoriebaserade kalibreringsmätningar, installerar enheten för en mobilapplikation, genomför en verklig körningsmätning och bearbetar insamlade mätdata.
Instrumentation
DTT PN-PEMS utformades för att ge hög partikelinträngning ner till några nanometer, robust partikelnummerutspädning, avlägsnande av flyktiga partiklar och förebyggande av artificiell partikelbildning. Komponenterna i systemet valdes ut baserat på resultat från laboratorieexperiment som jämförde en mängd olika tekniker för utspädning och aerosolkonditionering. Det här avsnittet innehåller en översikt över systemet, dess arbetsprincip och de komponenter som används. I bild 1 visas ett schematiskt av systemet. I bild 2 visas ett foto av systemet. DTT-systemet är 60 cm högt och har ett fotavtryck på 50 cm x 50 cm. Systemets vikt är cirka 20 kg. Inklusive de nödvändiga perifera elementen (dvs. batteri- och gasflaska) den totala vikten är cirka 80 kg. De viktigaste delarna av systemet är de två utspädningsstegen (dvs. första varma, andra kalla), en katalytisk strippa, och minst en kondenseringspartikelräknare (CPC).
Figur 1: Schematisk ritning av DTT-partikelnummer portabelt system för utsläppsmätning. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 2: Toppbildsbild av DTT-provtagningssystemet. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Två utspädningssteg minskar partikeltalskoncentrationerna till nivåer mätbara genom kondenspartikelräknare (<104 #/cm3). Specialtillverkade porösa rörutspädningsmedel används för båda spädningsstegen. Denna teknik valdes på grund av dess låga partikelförlust18,19. Den radiella ingressen av utspädningsluft håller konvektivt partiklar borta från väggarna, vilket minskar partikelförlusterna. Dessa spädningsmedel kan vidare vara mycket små och tål temperaturer på 400 °C. Det porösa material som används är ett sintrerat hastalloy X-rör (GKN Filters Metals GmbH, Radevormwald, Tyskland). Statiska blandningselement inuti det porösa röret ger en välblandad aerosol direkt nedströms av spädaren. Detta möjliggör att man tar ett representativt prov av den utspädda aerosolen för ytterligare konditionering eller mätning genom att aerosolflödet delas upp direkt nedströms av utspädaren, och möjliggör ett kompakt provtagningssystem. Det primära utspädningssteget värms normalt upp till 350 °C, medan det andra steget drivs vid omgivningstemperatur. Systemets utspädningsfaktor är cirka 80. Det exakta värdet är beroende av inloppsflödet och massflödeshanteringen: Flödeshastigheterna i provtagningssystemet hanteras av ett system med två massflödesregulatorer och två massflödesmätare. Massflödesregulatorerna styr utspädningsluftens flödeshastigheter. Massflödesmätarena övervakar de flödeshastigheter som utvinns nedströms av utspädningsstadier 1 och 2. Skillnaderna mellan de flöden som extraheras och de flöden som levereras kan ändras. Med andra ord kan det nettoflöde som lagts till eller subtraheras i ett utspädningsstadium definieras. Provflödet,Q-provet, definieras som summan av alla andra flödeshastigheter: 1) Flödeshastighet som dragning av mätinstrumenten (Qinst); Q 2) luftflödet för utspädningsluften (Qdil,i); och 3) de överskjutande flödeshastigheterna Qex,i. För beräkningen av provflödet är bidragen från de flöden som utvinns ur systemet positiva och bidragen från flödena som matas in i systemet är negativa.
Det totala utspädningsförhållandet DR beräknas genom att
En katalysator strippa (CS) är belägen mellan utspädning steg 1 och 2 och drivs vid 350 °C vid ett flöde på 1 liter per minut (L/min). Den katalytiska stripparen ger oxidation av organiska föreningar och svavellagring. Borttagandet av dessa ämnen säkerställer isoleringen av den fasta partikelfraktionen. Den oönskade bildningen av flyktiga och semivolatila partiklar och tillväxt av subcut storlek partiklar förhindras. Den katalytiska strippa som används är kommersiellt tillgänglig (AVL GmbH). Cs flyktiga partikelborttagningseffektivitet kontrollerades med polydisperse emery oljepartiklar >50 nm och >1 mg/m3 (3.5–5.5 mg/m3) som visar en effektivitet av >99% (faktiskt värde 99.9%) enligt definitionen i RDE-föreskrifter20. Detta är ett mer rigoröst test än det tetrakontanstest som föreskrivs i det aktuella PMP-protokollet.
En eller flera kondenseringspartikelräknare används för att mäta partikeltalskoncentrationen nedströms i det andra spädningssteget. En CPC med en d50 på 23 nm möjliggör mätning av den för närvarande reglerade emissionen av fasta partiklar som är större än 23 nm. Om partikeltalskoncentrationen mäts med en eller flera CPC:er med en nedfälld nedskurningspunkt d50 (t.ex. 10 nm, 4 nm) möjliggörs dessutom bedömningen av den för närvarande oreglerade fasta partikelfraktionen <23 nm ner till d50-klippstorleken för den applicerade CPC.
Utspädningsluftens tilluftsledning, den primära porösa slangspädaren, och katalysatorn har oberoende värmeelement som innehåller termoelement av K-typ (TC). Självständigt uppvärmning olika sektioner styr temperaturfördelningen i systemet.
Förutom termoelementen i värmeelementen placeras två termoelement nedströms utspädningssteg 1 och 2. Dessa två termoelement mäter direkt aerosoltemperaturen.
Två absoluta tryckgivare (NXP MPX5100AP) används för att övervaka trycket vid inloppet och provtagningssystemets utlopp.
För mobilmätningar används ett Clayton Power LPS 1500-batteripaket. En 10 L syntetisk luftflaska förser systemet med utspädningsluft under mobila applikationer. Storlekarna på batteriet och gasflaskan väljs så att systemet kan fungera självständigt i 100 min.
Systemet styrs via en NI myRIO som kör ett LabVIEW virtuellt instrument. Det virtuella instrumentet möjliggör kontroll av flödeshastigheterna och värmarens temperaturer. Bortsett från de kontrollerade parametrarna kan aerosoltemperaturerna, trycken, och accelerationen (via sensorn integrerad i myRIO) övervakas och loggas. En myRIO-tillbehörs GPS-modul möjliggör loggning av positionsdata. I figur 3 och bild 4 visas användargränssnittet för det virtuella instrument som används för styrning av DTT-systemet.
Bild 3: DTT virtuell instrument utspädning steg parameteröversikt. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Bild 4: DTT virtuell instrumentvärmarens kontrollpanel. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Varje form av provtagningsförfarande orsakar partikelförluster. För att kunna redovisa dessa förluster utförs laboratoriemätningar för att bestämma partikelstorleksberoende partikelpenetration genom DTT-provtagningssystemet. I dessa mätningar mäts partikelkoncentrationen av monodisperse aerosol uppströms och nedströms provtagningssystemet med hjälp av två kondensationspartikelräknare. I figur 5 visas försöksupplägget för kalibreringsmätningarna. I denna inställning används en Jing miniCAST som partikelkälla21,22. Massflödesregulatorerna (MFC) används för att styra gasflödena in i brännaren. En utspädningsbrygga möjliggör justering av partikeltalskoncentrationen. Utspädningsbryggan är ett högeffektivt partikelluftsfilter (HEPA) parallellt med en nålventil. Om du justerar nålventilens läge ändras utspädningsförhållandet genom att förhållandet mellan fraktionen av aerosolen som passerar genom HEPA-filtret ändras och den fraktion av aerosolen som passerar genom nålventilen. De filtrerade och de ofiltrerade aerosolerna kombineras med en T-bit för att bilda en utspädd aerosol. En katalytisk strippa används för att avlägsna eventuellt rikliga flyktiga föreningar som genereras som biprodukter av förbränningsprocessen. En TSI 3082 elektrostatisk klassificerare tillsammans med en TSI 3085 differentialmobilitetsanalysator (nano DMA) används för storleksval av partiklar. Två TSD-CPC 3775 (d50 = 4 nm) används för att mäta partikeltalskoncentrationen uppströms och nedströms av DTT-provtagningssystemet. Räknarnas snittpunkt på d50 = 4 nm möjliggör inträngningsbestämningen vid partikelstorlekar så låga som 10 nm och under.
Figur 5: Schematisk ritning av experimentinställningen som används för kalibreringen av DTT-provtagningssystemet. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.
Detta arbete presenterar DTT-provtagningssystemet och dess tillämpning som ett portabelt system för utsläppsmätning. Systemet utformades och konstruerades inom EU:s Horisont 2020-projekt DTT för att möjliggöra partikeltalsutsläppsmätningar under den nuvarande gränsen för lagstiftningspartikelstorlek på 23 nm. Systemets mångsidighet möjliggör bedömning av de reglerade utsläppen av fasta partikelnummer samt totala partikelutsläpp och studier på sekundära aerosoler. För att exakt tolka mätresultat är en kalibreringsprocedur nödvändig med DTT-systemet. Detta för att utvärdera den relativa partikelpenetrationen för olika partikelstorlekar, för att kunna beräkna en korrigeringsfaktor som står för partikelförlusterna. Det är avgörande att ge tillräckligt med uppvärmningstid för själva provtagningssystemet och resten av experimentupplägget för att nå termisk jämvikt och uppnå noggranna mätresultat för kalibrering.
Tillämpningen av DTT-systemet för mätning av fasta partikeltalsutsläpp med en lägre partikelstorlek cutoff på 23 nm (gällande reglering) och 10 nm (experimentell) beskrivs. För att kunna bedöma partikelnummer utsläpp av ett fordon är det nödvändigt att bestämma partikelntalet koncentration och avgasmassans flöde. DTT-systemet täcker mätningen av partikeltalskoncentrationen. Avgasmassflödet mäts med hjälp av en avgasflödesmätare (EFM). Det är avgörande att installera EFM enligt tillverkarens anvisningar. Felaktiga mätningar av avgasflödet påverkar direkt de härdade utsläppshastigheterna. Vid bearbetning av de uppmätta uppgifterna är det viktigt att utföra en korrekt tidsuppriktning av partikelkoncentrationsdata och avgasflödesdata. Detta är nödvändigt eftersom utsläppshastigheten är avgasflödet multiplicerat med partikeltalskoncentrationen. Om de två signalerna inte är rätt inriktade kan utsläppen över hela driveningen väsentligt avvika från de verkliga utsläppen.
DTT-systemet är inte en kommersiell enhet utan ett mångsidigt forskningsverktyg. Det används för att undersöka oreglerade fordonsutsläpp i stället för att utföra certifieringsmätningar som validerar efterlevnaden av gällande bestämmelser. Den höga mångsidigheten kommer till kostnaden för ökad energi- och utspädningsluftsförbrukning. Vid användning av systemet för mobilmätningar måste man hålla vikten som tillförs fordonet på grund av batteriet (30 kg) och gasflaska (20 kg) för att täcka systemets energi- och luftförbrukning. Den totala vikten som läggs till bilen vid mätning av PN-utsläppen med DTT-systemet är cirka 80 kg, vilket är jämförbart med en annan person som transporteras i fordonet. Den extra vikten kan leda till något ökade utsläpp, särskilt om enheten innehåller en hel del acceleration och / eller kullar.
DTT-systemet kan användas för att undersöka de oreglerade <23 nm partikelnummer avgasutsläppen. Både fasta och totala partikeltalsutsläpp kan mätas. Vidare kan det vara ett användbart verktyg för att studera det komplexa området sekundär aerosolbildning. En annan möjlig tillämpning av systemet är mätning av fordonsbromsslitagepartiklar. En betydande fraktion av de partiklar som avges vid bromsningshändelser kan vara mindre än 30 nm34. Med en d50 på cirka 11 nm är DTT-systemet lämpligt för att studera dessa utsläpp. Även om man vet att utsläpp som inte är avgaser nästan lika till trafikrelaterade PM10-utsläpp 35, är utsläpp av icke-avgaspartikelr fortfarande oreglerade. Detta beror på den komplexa och sällan reproducerbara processen för partikelgenerering, vilket gör det mycket svårt att fastställa regleringsåtgärder. Vidare är den kemiska sammansättningen och den relaterade toxiciteten hos organiska bromsslitagepartiklar fortfarande allmänt okänd35.
DTT-systemet är ett användbart verktyg för att förbättra vår förståelse av både avgaser och icke-avgastrafikrelaterade partikelutsläpp.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete bedrivs inom ramen för H2020-projektet DownToTen. Detta projekt har fått finansiering från Europeiska unionens forsknings- och innovationsprogram Horisont 2020 inom ramen för bidragsavtalet Nr. 724085.
2x Condensation Particle Counter 4 nm | TSI | 3775 | Particle counter with a cut point of 4 nm |
5x Mass Flow Controllers (MFC) | Vögtlin | Mass flow controllers for controlling the miniCast gas flows | |
AVL M.O.V.E. EFM Exhaust Flow Meter | AVL | Device for the measurement of the exhaust flow rate of vehicles | |
Catalytic Stripper | Custom made | Device for the removal of volatile compounds in an aerosol by oxidation | |
Compressed Air | Oxidation and dilution air supply for miniCast | ||
Condensation Particle Counter 10 nm | AVL | Particle counter with a cut point of 10 nm | |
Condensation Particle Counter 23 nm | TSI | 3790A | Particle counter with a cut point of 23 nm |
Differential Mobility Analyzer | TSI | 3085 | Part of the electrostatic classifier where the particle are separeted by mobility. |
Dilution Bridge | Custom made | Needle valve in parallel to HEPA filters. Used to adjust particle concentrations for calibration purposes | |
DownToTen Sampling System | Custom made | Custom made sampling system for the assessment of automotive sub-23 nm particle emissions | |
Electrostatic Classifier | TSI | 3082 | Device for the classifaction of arosol particles by electrical mobility diameter |
Hand held Mass Flow Meter (MFM) | Vögtlin | Device for measuring the inlet flow of measurement instruments | |
miniCast Soot Generator | Jing Ltd | Combastion aerosol standard, soot generator | |
Mobile Battery LPS 1500 | Clayton Power | Battery for power supply of the DTT measurement system | |
Nitrogen Gas Bottle | Nitrogen for Mixing gas and quench gas supply of miniCast | ||
Propane Gas Bottle | Fuel for miniCast | ||
Soft X-Ray Neutralizer | TSI | 3088 | Device for the establishmentof the equillibrium charge distribution of aerosol particles |
Synthetic Air Bottle 10 L | Gas Bottle for the dilution air supply |