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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Ingénierie

Mesure des émissions du nombre de particules de conduite réelle du sous-23 Nanomètre à l’aide du système d’échantillonnage à faible valeur

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

Présenté ici est le DownToTen (DTT) système de mesure des émissions portables pour évaluer les émissions réelles de conduite automobile de moins de 23 nm particules.

Abstract

Le seuil actuel de taille des particules des normes d’émission du nombre européen de particules (PN) est de 23 nm. Ce seuil pourrait changer parce que la future technologie des véhicules à moteur à combustion peut émettre de grandes quantités de particules de moins de 23 nm. Le projet financé par Horizon 2020, DownToTen (TNT), a mis au point une méthode d’échantillonnage et de mesure pour caractériser les émissions de particules dans cette gamme de tailles actuellement non réglementée. Un système de mesure pn a été mis au point à partir d’un examen approfondi de la littérature et des expériences de laboratoire testant une variété d’approches de mesure et d’échantillonnage du PN. Le système de mesure développé est caractérisé par une forte pénétration et polyvalence des particules, ce qui permet d’évaluer les particules primaires, les particules primaires retardées et les aérosols secondaires, à partir de quelques nanomètres de diamètre. Ce document fournit des instructions sur la façon d’installer et d’utiliser ce système portatif de mesure des émissions (PEMS) pour les émissions réelles (RDE) et d’évaluer les émissions de nombre de particules en dessous de la limite législative actuelle de 23 nm.

Introduction

Le Programme de mesure des particules (PMP) a été fondé par le gouvernement britannique pour « l’élaboration de protocoles d’essai d’homologation de type pour l’évaluation des véhicules équipés d’une technologie avancée de réduction des particules qui compléterait ou remplacerait les procédures législatives actuelles de mesure »¹. Le PMP est le premier règlement mondial sur les émissions à base de particules, ciblant spécifiquement les particules carbonées ≥23 nm. Des mesures récentes indiquent qu’il peut être nécessaire d’inclure des particules plus petites.

Les effets négatifs sur la santé de la suie diesel sont bien compris², et donc, le « rincipe de précautio » a été invoqué sur la base que l’élimination des particules de carbone des gaz d’échappement diesel, par l’utilisation obligatoire de filtres à particules diesel (DPF), était impératif pour des raisons de santé. Toutefois, parce que dans la législation européenne, une valeur limite doit forcer l’adoption de technologies de contrôle des émissions, cela ne pourrait être réalisé sans une méthode de mesure appropriée. Avec un fort soutien politique à travers l’Europe, le gouvernement britannique a dirigé la conception du PMP pour améliorer les mesures des particules. Le PMP, sous les auspices de la Commission économique des Nations Unies pour l’Europe (ONU-CEE)³, comprenait l’expertise d’autres personnes du monde entier. Deux projets de recherche sur les particules ont été achevés en 2001. L’un d’eux (Partipt Research⁴) a été réalisé par le Ministère de l’environnement, des transports et des régions (DETR), en partenariat avec la Society of Motor Manufacturers and Traders (SMMT) et l’Organisation européenne pour l’environnement, la santé et la sécurité (CONCAWE). L’autre (PARTIPARTES⁵⁾a été financé par le^5ème cadre de l’Union européenne et a été réalisé par 14 partenaires européens différents. Les résultats des deux projets ont indiqué que les procédures basées sur le nombre de particules étaient prometteuses, mais que des défis subsistent pour les mesures répétables et reproductibles.

En 2007, le rapport final de l’exercice de corrélation inter laboratoire du PMP light-duty a été publié⁶, y compris quelques améliorations sur la méthode de mesure de masse basée sur le filtre, démontrant principalement la faisabilité d’une méthode basée sur le nombre à des fins réglementaires basées sur une plage de taille de particules définie et la volatilité des particules. Les deux méthodes ont été mises en œuvre à partir de l’échantillonnage provenant de l’approche existante du tunnel de dilution à volume constant (CVS) initialement développée pour la masse de particules et des mesures d’émissions gazeuses diluées ensachées.

Dans la méthode basée sur le nombre de nombres, une limite inférieure de taille de particules d’environ 20 nm a été sélectionnée. L’objectif principal du projet était de s’assurer que les particules de cette taille et au-dessus étaient contrôlées par la législation. Il est maintenant connu que la taille des particules primaires dans l’échappement du moteur peut être <20 nm⁷^,⁸^,⁹. Pour des raisons pratiques, un compteur de particules avec une efficacité de comptage de 50% (d₅₀) à 23 nm a été sélectionné, et cette taille est devenue le seuil de taille inférieure accepté. Il a été reconnu qu’en raison de la grande sensibilité aux propriétés telles que la dilution, la température de l’air, l’humidité et le ratio^10,la distribution de la taille des particules volatiles et les mesures intégrées des nombres pourraient être répétables dans une installation équipée d’un véhicule équipé d’un CVS, mais beaucoup moins d’une installation à l’autre. Ainsi, pour des réglementations rigoureuses, il était nécessaire de se concentrer uniquement sur les particules non volatiles, l’approche de mesure définissant efficacement les conditions réglementaires des limites des particules sur la taille et la volatilité. Le carburant diesel européen a une volatilité back-end telle que seulement quelques pour cent bout à des températures supérieures à 350 °C, et les premiers travaux au sein du PMP ont indiqué que les temps de résidence courts à cette température étaient appropriés pour l’évaporation complète de tétracontane, un hydrocarbure linéaire contenant 40 atomes de carbone avec la volatilité vers le point d’ébullition fin du lubrifiant moteur¹¹. Par conséquent, une température de 350 °C est devenue le point de référence de facto pour la volatilité réglementaire des particules >23 nm.

La spécification du système de mesure du PMP comprend des composants pour l’échantillonnage, le conditionnement des échantillons et la mesure, résumés au tableau 1.

Étape	Identité	But
0	Source d’exemple	Origine de l’échantillon
1	Transport de particules	Effectuer l’échantillon de l’origine au système de mesure
2	Détachant volatil des particules	Éliminer les substances volatiles et définir les particules non volatiles à mesurer
3	Compteur de numéro de particules	Énumérer les particules non volatiles et définir la limite de taille inférieure

Tableau 1 : Éléments du système de mesure du PMP.

L’approche PRP PN européenne est en cours de mise en œuvre et s’applique désormais aux véhicules diesel légers (septembre 2011, euro 5b) et gdi (septembre 2014, EURO 6), ainsi qu’aux moteurs lourds diesel et essence (février 2013, EURO VI).

Des mesures récentes ont montré que certains véhicules légers et, en particulier, les technologies d’allumage par étincelle, peuvent émettre des niveaux substantiels de particules <23 nm¹²^,¹³^,¹⁴. Cela a conduit la Commission européenne à financer des projets de recherche visant à développer des méthodes nouvelles ou étendues qui peuvent être rapidement mises en œuvre en remplacement, ou en plus de la réglementation actuelle >23 nm.

L’un de ces projets, DownToTen (DTT), vise à préserver l’approche générale du PMP et à étendre la plage de mesure jusqu’à₅₀ ≤10 nm. À cette fin, la configuration du système de mesure de la TNT a été conçue pour inclure les mêmes éléments de base décrits dans le tableau 1, mais avec les étapes de conditionnement et de mesure optimisées pour permettre un transport et une détection efficaces des particules <23 nm. Le système DTT a été initialement développé pour une utilisation en laboratoire, mais a été modifié pour fonctionner comme un système portatif de mesure des émissions (PEMS). Pour le système DTT PN-PEMS, les composants ont été optimisés pour réduire le poids et la consommation d’énergie et augmenter la robustesse physique sans s’écarter considérablement de la conception originale. Pour les applications mobiles, le système doit être résistant aux températures, pressions et environnements de vibration plus rigoureux et erratiques que l’on rencontre probablement lors d’essais pems légers et lourds. L’impact des variations de pression à l’entrée du système a été modélisé et étudié expérimentalement¹⁵. La résistance aux vibrations a été évaluée à l’aide d’un banc d’essai^{dédié 16}. Les vibrations et les accélérations qui se produisent pendant les entraînements rde typiques n’ont pas altéré les résultats de mesure des compteurs de particules de condensation utilisés. Le système DTT est également conçu pour être utilisé à basse température, lorsque la fonction d’élimination volatile est inactive, pour alimenter une chambre vieillissante et étudier la formation secondaire d’aérosols organiques¹⁷.

Les éléments de conditionnement thermique du système de mesure de la TNT qui définissent la limite de volatilité réglementaire des particules sont étroitement parallèles aux éléments du système PMP en ce que les deux systèmes contiennent la séquence :

Première étape de dilution du nombre de particules
Stade d’élimination HC/volatile
Deuxième étape de dilution du numéro de particule

Les principales différences entre les systèmes DTT et PMP sont que les composants du système DTT sont sélectionnés pour :

Maximiser la transmission d’environ 10 nm PN de la source d’échantillon au compteur de particules à l’aide d’approches de dilution à faible perte et de transmission de particules
Éliminez complètement les substances volatiles en utilisant l’élimination des particules oxydatives plutôt que de simplement réduire les pressions partielles des espèces hc condibles par évaporation et dilution
Compter les particules de ~10–50 nm avec une plus grande efficacité que les systèmes PMP actuels

L’objectif de cet article est de présenter l’utilisation du système DTT PN-PEMS pour mesurer les particules non volatiales ≥10 nm à partir d’un véhicule routier en service. Cela comprend une introduction au système de mesure et à ses principaux composants, l’exécution de mesures d’étalonnage en laboratoire, l’installation de l’appareil pour une application mobile, la réalisation d’une mesure réelle des émissions de conduite, et le traitement des données de mesure recueillies.

Instrumentation

Le PN-PEMS DTT a été conçu pour fournir une forte pénétration des particules jusqu’à quelques nanomètres, une dilution robuste du nombre de particules, l’élimination des particules volatiles et la prévention de la formation de particules artificielles. Les composants du système ont été sélectionnés en fonction des résultats d’expériences en laboratoire comparant une variété de technologies pour la dilution et le conditionnement des aérosols. Cette section donne un aperçu du système, de son principe de fonctionnement et des composants utilisés. La figure 1 montre un schéma du système. La figure 2 montre une photo du système. Le système DTT est de 60 cm de haut et a une empreinte de 50 cm x 50 cm. Le poids du système est d’environ 20 kg. En incluant les éléments périphériques requis (c.-à-d. la batterie et la bouteille de gaz), le poids total est d’environ 80 kg. Les principaux éléments du système sont les deux étapes de dilution (c.-à-d. le premier chaud, le second froid), une décapant catalytique et au moins un compteur de particules de condensation (CPC).

Figure 1 : Dessin schématique du système portatif de mesure des émissions du numéro de particules de la TNT. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2 : Image de vue supérieure du système d’échantillonnage de la TNT. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Deux stades de dilution réduisent les concentrations de nombre de particules à des niveaux mesurables par compteurs de particules de condensation (<10⁴ #/cm³). Les dilueurs de tubes poreux sur mesure sont utilisés pour les deux stades de dilution. Cette technologie a été sélectionnée en raison de sa faible perte de particules¹⁸^,¹⁹. L’infiltration radiale de l’air de dilution convectivement maintient les particules loin des murs, ce qui réduit les pertes de particules. En outre, ces dilateurs peuvent être très petits et peuvent résister à des températures de 400 °C. Le matériau poreux utilisé est un tube hastalloy X sintered (GKN Filters Metals GmbH, Radevormwald, Allemagne). Les éléments de mélange statiques à l’intérieur du tube poreux fournissent un aérosol bien mélangé directement en aval du diluteur. Cela permet de prélever un échantillon représentatif de l’aérosol dilué pour un conditionnement ou une mesure ultérieur en divisant le flux d’aérosols directement en aval du diluteur, et permet un système d’échantillonnage compact. Le stade primaire de dilution est généralement chauffé à 350 °C, tandis que le deuxième étage est actionné à température ambiante. Le facteur de dilution du système est d’environ 80. La valeur exacte dépend du débit de l’entrée et de la gestion des débits de masse : les débits du système d’échantillonnage sont gérés par un système de deux contrôleurs de débit de masse et de deux débitmètres de masse. Les contrôleurs de débit de masse contrôlent les débits d’air de dilution. Les débitmètres de masse surveillent les débits extraits en aval des stades de dilution 1 et 2. Les différences entre les flux extraits et les flux fournis peuvent être modifiées. En d’autres termes, le flux net ajouté ou soustrait en une seule étape de dilution peut être défini. Le débit de l’échantillon,_échantillon Q, est défini comme la somme de tous les autres débits : 1) Débit tiré par les instruments de mesure (Q_inst); 2) les débits d’air de dilution (Q_dil,i); et 3) les débits excédentaires Q_ex,i. Pour le calcul du flux de l’échantillon, les contributions des flux extraits du système sont positives et les contributions des flux introduits dans le système sont négatives.

Le rapport de dilution total DR est calculé par :

Une décapant catalytique (CS) est située entre le stade de dilution 1 et 2 et est actionnée à 350 °C à un débit de 1 litre par minute (L/min). Le décapant catalytique fournit l’oxydation des composés organiques et le stockage de soufre. L’élimination de ces substances assure l’isolement de la fraction de particules solides. La formation indésirable de particules volatiles et semi-vololat et la croissance des particules de taille inférieure sont empêchées. La décapant catalytique utilisée est disponible dans le commerce (AVL GmbH). L’efficacité d’élimination des particules volatiles du CS a été vérifiée avec des particules d’huile d’emery polydisperse >50 nm et >1 mg/m³ (3,5–5,5 mg/m³) montrant une efficacité de >99% (valeur réelle 99,9%) tel que défini par le règlement^{RDE 20}. Il s’agit d’un test plus rigoureux que le test de tétracontane prescrit dans le protocole actuel du PMP.

Un ou plusieurs compteurs de particules de condensation sont utilisés pour mesurer la concentration de nombre de particules en aval du deuxième stade de dilution. Un CPC avec un d₅₀ de 23 nm permet de mesurer l’émission actuellement réglementée de particules solides de plus de 23 nm. En outre, la mesure de la concentration de nombre de particules avec un ou plusieurs CPC avec un point de coupe inférieur à d₅₀ (p. ex., 10 nm, 4 nm) permet d’évaluer la fraction de particules solides actuellement non réglementée <23 nm jusqu’à la taille de coupe d₅₀ du CPC appliqué.

La ligne d’alimentation en air de dilution, le diluteur de tube poreux primaire et le décapant catalytique ont des éléments de chauffage indépendants contenant des thermocouples de type K (TC). Le chauffage indépendant de différentes sections contrôle la distribution de la température dans le système.

En plus des thermocouples dans les éléments de chauffage, deux thermocouples sont placés en aval du stade de dilution 1 et 2. Ces deux thermocouples mesurent directement la température des aérosols.

Deux capteurs de pression absolue (NXP MPX5100AP) sont utilisés pour surveiller la pression à l’entrée et la sortie du système d’échantillonnage.

Pour les mesures mobiles, un pack de batterie Clayton Power LPS 1500 est utilisé. Une bouteille d’air synthétique de 10 L fournit au système de l’air de dilution pendant les applications mobiles. Les tailles de la batterie et de la bouteille de gaz sont choisies de sorte que le système puisse fonctionner indépendamment pendant 100 min.

Le système est contrôlé via un NI myRIO exécutant un instrument virtuel LabVIEW. L’instrument virtuel permet de contrôler les débits et les températures de chauffage. Outre les paramètres contrôlés, les températures, les pressions et l’accélération des aérosols (via le capteur intégré dans myRIO) peuvent être surveillés et enregistrés. Un module GPS accessoire myRIO permet la journalisation des données de position. Les figures 3 et 4 montrent l’interface utilisateur de l’instrument virtuel utilisé pour contrôler le système DTT.

Figure 3 : Vue d’ensemble des paramètres de dilution de l’instrument virtuel DTT. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4 : Panneau de commande de chauffe-instruments virtuel DTT. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Tout type de procédure d’échantillonnage provoque des pertes de particules. Pour être en mesure de tenir compte de ces pertes, des mesures de laboratoire sont effectuées pour déterminer la pénétration des particules dépendantes de la taille des particules par le système d’échantillonnage de la TNT. Dans ces mesures, la concentration de particules d’aérosol monodisperse est mesurée en amont et en aval du système d’échantillonnage à l’aide de deux compteurs de particules de condensation. La figure 5 montre la configuration expérimentale des mesures d’étalonnage. Dans cette configuration, un miniCAST Jing est utilisé comme source de particules²¹^,²². Les contrôleurs de débit de masse (MFC) sont utilisés pour contrôler les flux de gaz dans le brûleur. Un pont de dilution permet l’ajustement de la concentration de nombre de particules. Le pont de dilution est un filtre à particules à haute efficacité (HEPA) parallèle à une valve d’aiguille. L’ajustement de la position de la valve de l’aiguille modifie le rapport de dilution en modifiant le rapport entre la fraction de l’aérosol passant par le filtre HEPA et la fraction de l’aérosol passant par la valve de l’aiguille. Les aérosols filtrés et non filtrés sont recombinés avec une pièce en T pour former un aérosol dilué. Un décapant catalytique est utilisé pour enlever les composés volatils éventuellement abondants générés comme sous-produits du processus de combustion. Un classificateur électrostatique TSI 3082 ainsi qu’un analyseur de mobilité différentielle TSI 3085 (nano DMA) sont utilisés pour la sélection de la taille des particules. Deux CPC TSI 3775 (d₅₀ = 4 nm) sont utilisés pour mesurer la concentration de nombre de particules en amont et en aval du système d’échantillonnage de la TNT. Le point de coupe des compteurs de_{d 50} = 4 nm permet la détermination de pénétration à des tailles de particules aussi basses que 10 nm et moins.

Figure 5 : Dessin schématique de la configuration expérimentale utilisée pour l’étalonnage du système d’échantillonnage de la TNT. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Protocol

1. Procédure d’étalonnage Mettre en place et préparer des instruments. Placez les instruments décrits, illustrés à la figure 5, de manière organisée et compacte dans un laboratoire doté d’un système d’extraction. Connectez les instruments comme indiqué par les flèches de la figure 5 à l’aide de tubes conducteurs. Gardez les tubes aussi courts que possible pour minimiser les pertes de particules de diffusion. Connectez les instruments nécessitant de la puissance (c.-à-d. le système DTT, la pompe système DTT, deux CPC, le DMA, le décapant catalytique et les MFC) aux prises. Connectez les CPC, le système DTT et le MFC à un ordinateur portable. Assurez-vous que l’ordinateur portable dispose du logiciel nécessaire pour communiquer avec les appareils connectés. Installez le logiciel manquant si nécessaire. Réchauffez les composants expérimentaux au moins 30 minutes avant de commencer les mesures d’étalonnage afin d’assurer une configuration de mesure thermiquement stable. Démarrez le fonctionnement du brûleur en réglant le flux de gaz contrôlé par le MFC externe au paramètre de démarrage spécifié dans le manuel de l’utilisateur. Allumez la flamme. Alimentez la suie générée dans le système d’extraction. Produire des particules de suie d’un diamètre moyen de 50 ± 5 nm en réglant les flux contrôlés par MFC en conséquence. Un tableau des paramètres et de la distribution prévue de la taille des particules peut être trouvé dans le manuel du brûleur ou dans la littérature23. Pour les paramètres miniCAST dans le tableau 2 peut être utilisé: Commencez à chauffer la décapant catalytique en fixant le contrôleur de température correspondant à 350 °C. Allumez les CPC et passez en mode débit faible (c.-à-d. débit d’entrée de 0,3 L/min). Configurer la communication des CPC avec l’ordinateur portable à l’aide du logiciel ou de la communication en série du fabricant des CPC. Démarrez la procédure d’échauffement du système DTT telle que décrite à la section 3.1. Installez l’impacteur avec une buse de 0,071 cm à l’entrée du classificateur selon le manuel de l’utilisateur. Allumez le classificateur. L’affichage sur le classificateur doit afficher un débit d’impacteur de 1,30 ± 0,05 L/min. Si le débit indiqué est différent, vérifiez à nouveau le tube reliant le classificateur au CPC et au système DTT. Définissez le débit de gaine du classificateur à 13 L/min à l’aide de l’interface utilisateur. Si une source de rayons X souple (TSI 3088) est utilisée, allumez le neutralisateur du classificateur. Gaz Débit Propane 20 mL/min Gaz d’extinction (N2) 2 L/min Air de dilution 5 L/min Air d’oxydation 0,5 L/min Gaz de mélange (N2) 0 L/min Tableau 2 : Débits miniCAST suggérés pour les mesures d’étalonnage. Après au moins 30 min de temps d’échauffement effectuer les mesures d’étalonnage. Cessez d’alimenter la suie générée dans le système d’extraction et connectez la sortie du brûleur au pont de dilution. Définissez la taille des particules sélectionnée par le classificateur à 10 nm à l’aide de l’interface utilisateur. À l’aide de la valve d’aiguille du pont de dilution, ajuster la concentration de nombre de particules en amont du système DTT à 104 ± 103 #/cm3. Cette concentration de particules donne un signal relativement élevé, permettant des temps de mesure courts tandis que les CPC fonctionnent en mode à un seul compte, ce qui assure une grande précision. Si la concentration souhaitée de 104 ± 103 #/cm3 ne peut être atteinte en raison des concentrations de particules excessivement faibles émises par le générateur de suie, maximisez le débit par le pont de dilution en ouvrant complètement la vanne. Commencez à enregistrer les données du système DTT (si ce n’est déjà démarré) en cliquant sur le bouton «Démarrer l’enregistrement des données» dans le logiciel DTT Labview. Commencez à enregistrer les données des deux CPC à l’aide du logiciel propriétaire ou de la communication en série. Attendez 30 s pour que la configuration expérimentale se stabilise. Notez un horodatage et la taille des particules pour marquer le début de la mesure. Exécuter la mesure pendant 2 min. Notez un horodatage pour marquer la fin de la mesure. Répétez les étapes 1.3.3–1.3.9 pour les tailles de particules de 15 nm, 30 nm, 50 nm et 100 nm. Des mesures supplémentaires peuvent être prises si une meilleure résolution de taille est souhaitée. Effectuez un autre ensemble de mesures aux mêmes tailles de particules qu’auparavant en répétant les étapes 1.3.2–1.3.10. Arrêtez de enregistrer les données de mesure des deux CPC et du système DTT. Arrêtez tous les instruments. Évaluez les données d’étalonnage recueillies à l’aide d’un programme de feuille de calcul. Exportez les données de concentration de particules mesurées par les CPC dans un fichier .csv ou .txt. Importer les données du CPC et du système TNT dans un outil d’évaluation des données. Affecter les données aux mesures correspondantes en allouant les données de chaque instrument (c.-à-d. 2 CPC, système DTT) avec un horodatage entre le début et l’horodatage final d’une mesure à la mesure correspondante. Il est recommandé d’automatiser cette tâche à l’aide d’un outil d’évaluation des données. Temps moyen les deux ensembles de données de concentration de particules (CPC) et le rapport de dilution (système DTT) pour tous les points de mesure. Calculer la pénétration relative des particules pour tous les points de mesure selon la formule suivante :Là où Pn est la pénétration relative des particules à un certain point de mesure n. est la concentration de particules mesurée par le CPC en aval du système TNT en moyenne sur le temps du point de mesure n. est la concentration correspondante de particules mesurée par le CPC en amont du système TNT en moyenne sur le temps du point de mesure n. est le rapport de dilution du système DTT, moyen en moyenne sur le temps du point de mesure n. Calculer la moyenne de pénétration des particules Pen moyenne sur la moyenne des pénétrations de particules à 30 nm, 50 nm et 100 nm de taille de particules.Cette valeur est utilisée pour le calcul du facteur de réduction de la concentration des particules (PCRF) qui divise le rapport de dilution DR avec l’efficacité de pénétration moyenne Pmoyenne.Le PCRF est calculé à partir de la pénétration à 30 nm, 50 nm et 100 nm pour être comparable aux instruments compatibles PMP et disponibles dans le commerce. Les mesures à des tailles autres que 30 nm, 50 nm et 100 nm sont utilisées pour déterminer la taille de coupure d50 du système afin de mieux caractériser le système en dehors du cadre réglementaire. 2. Installation et préparation de mesures réelles des émissions de conduite Sélectionnez un véhicule pour évaluer les émissions de nombre de particules pour les particules <23 nm. Sélectionnez un itinéraire pour mesurer les émissions de nombre de particules du véhicule sélectionné. Il ya des guides sur la façon de sélectionner les itinéraires appropriés dans la littérature24. Installation du débitmètre d’échappement (EFM) Choisissez un EFM avec une plage de mesure correspondant à la plage d’écoulement d’échappement prévue du véhicule à mesurer24. Placez la boîte de commande EFM dans le coffre du véhicule. Installez l’EFM à l’extérieur de la voiture, selon la fiche de spécification du constructeur. La figure 6 montre un exemple d’EFM installé, monté à l’extérieur sur des tuyaux en forme de tête menant au tronc. Assurez-vous que la distance en amont et en aval de l’EFM est conforme à la réglementation de l’UE (c.-à-d. 4 fois le diamètre du tuyau ou le tuyau droit de 150 mm, selon le plus grand, doit être en amont et en aval du capteur d’écoulement). Lors de la mesure des véhicules avec plusieurs collecteurs d’échappement, les tuyaux d’échappement individuels doivent être joints devant l’EFM et la zone transversale de ce tuyau a augmenté en conséquence pour maintenir l’augmentation de la pression arrière d’échappement aussi bas que possible. Si cela n’est pas possible, le débit de masse d’échappement peut être mesuré avec plusieurs EFM. Assurez-vous que les connecteurs du tuyau EFM au tuyau d’échappement du véhicule peuvent résister aux températures des gaz d’échappement (c.-à-d. qu’il n’y a pas de plastique à utiliser). Le diamètre du tuyau, le diamètre du connecteur et le diamètre des extensions requises pour l’échantillonnage ne doivent pas être inférieurs au diamètre du tuyau d’échappement pour maintenir la pression arrière de l’échappement aussi basse que possible. Démarrez la tuyauterie à l’échappement du véhicule. Connectez l’échappement au premier tuyau avec des tuyaux de raccordement et des pinces à tuyaux. Serrez les pinces du tuyau seulement à l’extrémité afin d’être en mesure d’aligner les tuyaux pendant l’ajustement. Connectez un tuyau à la fois avec des tuyaux de raccordement et des pinces à tuyaux jusqu’à ce qu’il y ait une connexion entre l’échappement et l’EFM. Cela devrait être aussi court que possible. Placez la boîte de commande EFM et le support de montage EFM dans le coffre pour vous assurer que rien ne glisse pendant le voyage de mesure. Vérifiez que toutes les tuyauteries sont serrées et rien ne se détache pendant le voyage de mesure. Allumez l’EFM. Après un temps d’échauffement allant jusqu’à 15 min selon la température ambiante (voir le guide d’utilisation efm), le débitmètre de masse d’échappement est prêt à mesurer25,26,27,28. Figure 6 : Image d’un EFM installé. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Préparation et installation du système de mesure de la TNT dans le coffre du véhiculeREMARQUE : Les mesures décrites ici sont effectuées avec deux compteurs de particules de condensation comme dispositifs de comptage pour le système DTT. L’un des CPC (TSI 3790A) a une taille de coupure inférieure de50 nm, ce qui équivaut à la limite législative actuelle. L’autre CPC (disponible dans le commerce 10 nm AVL CPC) a une coupure inférieure de50 d 50 de 10 nm. La mesure des émissions de particules avec ces deux instruments en parallèle permet d’évaluer les émissions actuellement réglementées (>23 nm) et la fraction <23 nm. Prenez un ordinateur portable et installez le logiciel DTT et le logiciel pour enregistrer les données de mesure CPC. Placez la bouteille d’air synthétique dans le coffre ou sur le sol devant les sièges arrière et fixez-la à l’aide de sangles. Placez la batterie dans le coffre du véhicule et réparez-la. Branchez le câble d’entrée ac et connectez-le à une source d’alimentation locale. Placez et fixez les pompes à vide pour le système d’échantillonnage et les compteurs de particules de condensation dans le coffre du véhicule et connectez-les à la batterie. Placez le système DTT dans le coffre du véhicule et fixez sa position à l’aide de sangles. La figure 7 et la figure 8 montrent le système DTT dans le coffre d’une voiture. Connectez le système à la batterie mobile. Connectez les deux MFC d’entrée du système DTT à un approvisionnement en air pressurisé stationnaire. Connectez les deux MFM de sortie du système DTT à la pompe à vide. Utilisez des tubes appropriés pour conduire l’échappement de la pompe à l’extérieur du véhicule. Connectez le système DTT à l’ordinateur portable de mesure à l’aide d’un câble USB. Connectez l’entrée du système au point d’échantillonnage en aval de l’EFM. Connectez l’entrée d’alimentation du système à la batterie. Connectez les entrées de puissance des compteurs de particules de condensation à la batterie. Connectez les CPC à la pompe à vide externe respective. Montez fermement les bouteilles de butanol des CPC sur le cadre du système de dilution aussi loin que possible des occupants du véhicule. Assurez-vous que le bouchon est vissé sur serré et ne s’ouvre pas pendant le lecteur de mesure lors de l’accélération. Utilisez des tubes appropriés pour conduire les gaz d’échappement des CPC et/ou de la pompe externe à l’extérieur du véhicule. Connectez les CPC à l’ordinateur portable de mesure à l’aide de câbles USB.REMARQUE : La figure 9 montre le véhicule préparé. Le système DTT est installé dans le coffre du véhicule. Un système PN-PEMS disponible dans le commerce est également installé pour être utilisé comme référence pour l’émission réglementée de particules solides >23 nm. Figure 7 : PEMS DTT de l’intérieur du véhicule. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 8 : PEMS DTT à l’intérieur du coffre d’un véhicule. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Figure 9 : Véhicule équipé d’un PN-PEMS disponible dans le commerce (AVL MOVE) et DTT PEMS installé. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. 3. Opération de mesure Chauffage et démarrage du système de mesure Allumez les deux CPC et leur alimentation sous vide externe. Ouvrez le logiciel CPC sur l’ordinateur portable de mesure et établissez la communication avec les CPC. La communication peut soit s’exécuter via le logiciel propriétaire de l’instrument, soit par communication en série, comme le décrit le manuel CPC. Fermez les valves d’aiguille en aval des MFM. Allumez la pompe du système d’échantillonnage DTT. Allumez le système d’échantillonnage en poussant l’interrupteur rouge vers le bas. Ouvrez l’application LabVIEW DTT sur l’ordinateur. La communication avec le système démarre automatiquement. L’interface utilisateur graphique (GUI) de l’application DTT LabVIEW affiche désormais les flux d’in et de sortie aux stades de dilution 1 et 2, qui doivent être de 0,00 L/min. Si ce n’est pas le cas, vérifiez que les valves de l’aiguille sont bien fermées. Entrez le flux de masse tiré par les instruments de mesure connectés en sl/min. Si le débit tiré par les instruments est inconnu, mesurez-le à l’aide d’un débitmètre de masse portatif (p. ex., série compacte rouge-y de Vögtlin). Reconnectez le tube après avoir mesuré les flux dessinés par les CPC. Ouvrez lentement les valves de l’aiguille jusqu’à ce que les deux « flux » atteignent 10,0 ± 0,5 sL/min. Les deux « flux » augmenteront aux mêmes valeurs que les « flux » correspondants. Ajuster le « Add Flow » (c.-à-d. la différence entre le débit d’air de dilution et l’écoulement excessif) des deux étapes de dilution pour obtenir QCS = 1,0 ± 0,1 L/min à travers le décapant catalytique et un flux d’entrée d’échantillon del’échantillon Q = 1,0 ± 0,1 L/min. Cliquez sur l’onglet “Chauffage” pour régler les températures du chauffage. Réglez les températures de chauffage de l’alimentation en air de dilution, le premier diluteur de tube poreux et le décapant catalytique à 350 °C. Le système va maintenant commencer à chauffer. Sousl’ensemble,les interfaces sont affichées sur les pourcentages actuels de température et de puissance de chauffage. Attendez que la température du gaz en aval étape 1(« T DilStage 1 » dans l’interface graphique) atteigne 290 °C avant de commencer le lecteur de mesure. Cela prendra environ 20 min. Journalisation des données Commencez à enregistrer les données sur les dispositifs de mesure connectés au système d’échantillonnage DTT. Commencez à enregistrer les données du système d’échantillonnage en appuyant sur le bouton «Démarrer l’enregistrement des données» et choisissez un chemin d’accès et un nom de fichier dans la fenêtre contextuelle. Le chemin d’accès du fichier journal s’affiche et le feu vert indiquera que les données sont enregistrées. Les données système sont enregistrées à une fréquence de 2 Hz. Enregistrez les données de concentration de particules du CPC à l’aide d’un logiciel approprié. Il peut s’agir du fabricant ou d’un logiciel de communication en série (p. ex., PuTTY). Commencez à enregistrer le flux d’échappement avec l’EFM. Conduite Avant de conduire l’itinéraire choisi, débranchez le câble de charge de la batterie et passez de l’alimentation sous pression stationnaire à la bouteille de gaz. Conduisez l’itinéraire sélectionné. Après avoir conduit Appuyez sur “Logging …” pour arrêter l’enregistrement des données. Arrêtez les instruments. Rechargez la batterie pour vous préparer au prochain entraînement. 4. Analyse des données Importez les données du système d’échantillonnage, de l’EFM (pour le débit d’échappement) et des dispositifs de mesure dans le même programme d’analyse de données. Effectuer l’alignement de temps compte tenu du temps que l’échappement doit être transporté du tuyau d’échappement aux dispositifs de mesure. Le temps de transport tdil à travers le système de dilution est de 2,5 s. Le temps de transport téchantillon à travers la ligne d’échantillonnage peut être calculé comme suit:Lorsque l’échantillon tsample est le temps de transport à travers la ligne d’échantillonnage en secondes, tdil est le temps de transport à travers le système de dilution (2,5 s), Unéchantillon est la zone transversale de la ligne d’échantillonnage en m2, léchantillon est la longueur de la ligne d’échantillonnage du point d’échantillonnage à l’entrée du système de dilution dans les compteurs, et l’échantillon Q’ est le flux d’échantillon du système de dilution DTT en m3/s.sample Ajouter l’échantillon tsample à tdil pour obtenir le délai total ttotal:REMARQUE : À titre d’exemple, letotal t pour une longueur de tuyau de 0,5 m avec un diamètre interne de tuyau de 4 mm et le débit d’échantillon de 1 L/min est égal à 2,88 s. La figure 10 montre un exemple de l’alignement temporel du nombre de particules mesurée (ligne pointillée bleue) au numéro de particule décalé du temps (ligne bleue). Figure 10 : Exemple d’alignement temporel du numéro de particule mesuré PN en #/cm3 par rapport au débit mesuré de masse d’échappement en kg/h. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Pour pouvoir calculer le nombre de particules dans les PN #/s, le flux de volume des gaz d’échappement V̇exhaust_norm en cm3/s doit être calculé d’abord selon la formule suivante:où le exhaust_normest le débit standard d’échappement en m3/s,l’échappement est le débit de masse d’échappement mesuré en kg/s, R est la constante de gaz idéale pour l’air (287,1 J/kg*K),la norme Test la température aux conditions standard (273,15 K), et pnorme est la pression aux conditions standard (101,330 Pa). ṁ Avec ce débit de volume d’échappement dans des conditions standard, le nombre de particules peut être calculé en multipliant les exhaust_normexhaust_norm avec le rapport de dilution DR du système d’échantillonnage, la concentration cPN mesurée par les CPC, et le facteur 106 (pour la conversion de m3 à cm3). Pour corriger les pertes de particules, multipliez le débit d’échappement des particules fois le taux de concentration de nombre de particules avec le facteur de réduction de la concentration des particules système (PCRF) au lieu du rapport de dilution DR. La détermination du RFCP est décrite dans l’instruction d’étalonnage section 1 :

Representative Results

Données d’étalonnage (pénétration des particules): La figure 11 montre une parcelle exemplaire de la pénétration relative des particules du système TNT en fonction du diamètre de la mobilité des particules. Les données correspondantes ont été mesurées et évaluées comme décrit dans la section 1 de l’instruction. L’intrigue montre que les écarts entre deux points de mesure au même diamètre de mobilité étaient inférieurs à 5%. Les écarts supérieurs à 10 % indiquent des instabilités dans la configuration expérimentale. Dans ce cas, l’étalonnage a dû être répété avec des temps de stabilisation accrus de réchauffement. Le temps d’échauffement (généralement 30 min) et le temps de stabilisation (généralement 30 s) ont augmenté d’un facteur de 1,5. Les particules passant par le système DTT ont été perdues en raison de la diffusion et de la thermophorèse. Les pertes thermophorétiques ont été causées par un gradient de température qui a entraîné des particules vers les parois du système d’échantillonnage. Il s’agit d’un effet indépendant de la taille des particules29; en revanche, la diffusion dépend fortement de la taille des particules. Un gradient de concentration a provoqué un flux net de particules vers les murs où des particules ont été perdues. La diffusion augmentant avec la taille inférieure des particules en a fait le mécanisme de perte dominant pour les particules ≤10 nm. Les lignes de la figure 11 indiquant des pertes thermophorétiques, diffusionnelles et totales démontrent les dépendances respectives de la taille des particules. Pour les pertes de diffusion, cette fonction a été utilisée pour illustrer la dépendance approximative de la taille des particules : La pénétration P dépend d’un paramètre d’ajustement a et du coefficient de diffusion D: Le coefficient de diffusion dépend de la constante boltzmann k, de la température absolue T, de la viscosité η, du diamètre des particules dp, et du facteur de correction de glissement Cunningham Cc, qui est fonction de la trajectoire libre moyenne et du diamètre des particules29. Les données illustrées à la figure 11 ont donné lieu à l’efficacité moyenne de pénétration des particules P: La taille des particules où l’efficacité de pénétration s’élève à 50% est appelée d50. Le d50 décrit la caractéristique de coupure de pénétration d’un système. Pour le système DTT, le d50 était de 11 nm. Le d50 est indiqué à la figure 11. Figure 11 : Pénétration des particules en fonction du diamètre de la mobilité des particules.Les points marqués en bleu sont des résultats de mesure. Les lignes pointillées en orange et vert indiquent les pertes associées à la thermophorèse et à la diffusion, respectivement. La ligne rouge représente les pertes totales comme la somme des pertes de diffusion et thermophorétiques. La ligne pourpre pointdashed montre la pénétration moyenne des particules Pmean tel que calculé dans la section d’instruction de mesure d’étalonnage 1. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre. Numéro de particule solide: La figure 12 montre le taux d’émission du nombre de particules au fil du temps pendant les dix premières minutes d’un lecteur de mesure rde. Les données du PEMS DTT utilisant un CPC de 10 nm et un CPC de 23 nm sont affichées avec les données d’un système de points de coupe de 23 nm disponible dans le commerce. Les taux d’émission des particules ont été calculés à partir des concentrations de particules respectives multipliées par le débit d’échappement décrit ci-dessus dans la section 4 de l’instruction d’analyse des données. L’instrument de référence (AVL MOVE) s’appuyait sur un chargeur de diffusion pour la mesure de la concentration du nombre de particules. Malgré les différents principes du capteur, les données mesurées avec le PEMS DTT étaient globalement en très bon accord avec les données mesurées par le PEMS disponible dans le commerce. Des pics aigus vers le bas dans les trois signaux se sont produits parce que les dispositifs de mesure des particules peuvent signaler des concentrations de particules nulles temporairement et que les zéros ne peuvent pas être affichés dans les parcelles logarithmiques. Les émissions de particules mesurées avec le CPC de 10 nm étaient très proches des émissions mesurées avec le CPC de 23 nm pour la majorité de la période indiquée à la figure 12. Cependant, juste au début entre 10 s et 25 s il y avait une occurrence d’émission significative de particules de 50% du nombre total de particules émises se trouvaient entre 10 nm et 23 nm. Les processus dynamiques de démarrage à froid en équilibre non thermique peuvent faire en sorte que les distributions de la taille des particules diffèrent des émissions d’un véhicule chaud30. La discussion de ces processus complexes dépasse le cadre de ce travail. Plus d’informations sur ce sujet peuvent être trouvées dans la littérature31,32,33. Figure 12 : La partie supérieure de la figure montre le taux d’émission du nombre de particules au fil du temps pendant les 10 premières minutes d’un lecteur de mesure rde.Les données mesurées avec le PEMS DTT à l’aide de 10 nm et 23 nm CPC et un système de points de coupe de 23 nm (AVL MOVE) disponible dans le commerce sont utilisées comme référence. La partie inférieure de la figure indique la vitesse du véhicule. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Discussion

Ce travail présente le système d’échantillonnage de la TNT et son application en tant que système portatif de mesure des émissions. Le système a été conçu et construit dans le cadre du projet DTT de l’UE Horizon 2020 afin de permettre des mesures d’émission de nombre de particules inférieures à la limite législative actuelle de la taille des particules de 23 nm. La polyvalence du système permet d’évaluer les émissions de particules solides réglementées ainsi que les émissions totales de particules et les études sur les aérosols secondaires. Pour interpréter les résultats de mesure avec précision, une procédure d’étalonnage est nécessaire avec le système DTT. Il s’agit d’évaluer la pénétration relative des particules pour différentes tailles de particules, pour être en mesure de calculer un facteur de correction qui explique les pertes de particules. Il est essentiel de fournir suffisamment de temps d’échauffement pour le système d’échantillonnage lui-même et le reste de la configuration expérimentale pour atteindre l’équilibre thermique et obtenir des résultats précis de mesure d’étalonnage.

L’application du système DTT pour la mesure des émissions de nombre de particules solides avec une coupure de taille de particules inférieure de 23 nm (régulation actuelle) et de 10 nm (expérimentale) est décrite. Pour être en mesure d’évaluer les émissions de nombre de particules d’un véhicule, il est nécessaire de déterminer la concentration du nombre de particules et le débit de masse d’échappement. Le système DTT couvre la mesure de la concentration des particules. Le débit de masse d’échappement est mesuré à l’aide d’un débitmètre d’échappement (EFM). Il est essentiel d’installer l’EFM selon les instructions du fabricant. Les mesures erronées du débit d’échappement affectent directement les taux d’émission déduits. Lors du traitement des données mesurées, il est important d’effectuer un alignement précis des données de concentration des particules et des données de débit d’échappement. Ceci est nécessaire parce que le taux d’émission est le débit d’échappement multiplié par la concentration du nombre de particules. Si les deux signaux ne sont pas alignés correctement, les émissions sur l’ensemble du disque peuvent s’écarter de manière significative des émissions réelles.

Le système DTT n’est pas un dispositif commercial mais un outil de recherche polyvalent. Il est utilisé pour étudier les émissions non réglementées des véhicules plutôt que d’effectuer des mesures de certification validant le respect de la réglementation en vigueur. La grande polyvalence se fait au prix d’une consommation accrue d’énergie et de dilution de l’air. Lors de l’utilisation du système pour les mesures mobiles, le poids ajouté au véhicule en raison de la batterie (30 kg) et la bouteille de gaz (20 kg) pour couvrir la consommation d’énergie et d’air du système doit être gardé à l’esprit. Le poids total ajouté à la voiture lors de la mesure des émissions de PN avec le système DTT est d’environ 80 kg, ce qui est comparable à celui d’une autre personne transportée dans le véhicule. Le poids supplémentaire peut conduire à des émissions légèrement accrues, surtout si le lecteur comprend beaucoup d’accélération et / ou de collines.

Le système DTT peut être utilisé pour étudier les émissions non réglementées d’échappement du numéro de particules <23 nm. Les émissions de nombre de particules solides et totales peuvent être mesurées. En outre, il peut être un outil utile pour étudier le domaine complexe de la formation secondaire d’aérosols. Une autre application possible du système est la mesure des particules d’usure des freins automobiles. Une fraction significative des particules émises lors des événements de freinage peut être inférieure à 30 nm³⁴. Avec un d₅₀ d’environ 11 nm, le système DTT est adapté à l’étude de ces émissions. Bien qu’on sache que les émissions non d’échappement contribuent presque également aux émissions de PM₁₀ liées au trafic^35,les émissions de particules non d’échappement ne sont toujours pas réglementées. Cela est dû au processus complexe et rarement reproductible de la génération de particules, ce qui rend très difficile l’organisation de mesures réglementaires. En outre, la composition chimique et la toxicité connexe des particules organiques d’usure des freins est encore largement inconnue³⁵.

Le système DTT est un outil utile pour améliorer notre compréhension des émissions de particules liées au trafic d’échappement et non d’échappement.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ces travaux sont réalisés dans le cadre du projet H2020 DownToTen. Ce projet a reçu un financement du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de l’accord de subvention 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

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Citer Cet Article

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).