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

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Ingénierie

Taşınabilir DownToTen Örnekleme Sistemi Kullanılarak Alt-23 Nanometre Gerçek Sürüş Parçacık Numarası Emisyonlarının Ölçülmesi

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

Burada sunulan DownToTen (DTT) taşınabilir emisyon ölçüm sistemi alt-23 nm parçacıkların gerçek sürüş otomotiv emisyonlarını değerlendirmek için.

Abstract

Avrupa Parçacık Numarası (PN) emisyon standartlarının mevcut parçacık boyutu eşiği 23 nm’dir. Gelecekteki yanma motoru araç teknolojisi büyük miktarda 23 nm alt parçacıklar yayarlar, çünkü bu eşik değişebilir. Horizon 2020 tarafından finanse edilen DownToTen (DTT) projesi, şu anda düzenlenmemiş olan bu boyut aralığındaparçacık emisyonlarını karakterize etmek için bir örnekleme ve ölçüm yöntemi geliştirmiştir. Çeşitli PN ölçüm ve örnekleme yaklaşımlarını test eden literatür ve laboratuvar deneylerinin kapsamlı bir incelemesine dayalı bir PN ölçüm sistemi geliştirilmiştir. Geliştirilen ölçüm sistemi, çapı birkaç nanometreden başlayarak birincil parçacıkların, gecikmiş birincil parçacıkların ve sekonder aerosollerin değerlendirilmesini sağlayan yüksek parçacık penetrasyonu ve çok yönlülük ile karakterizedir. Bu makale, Gerçek Sürücü Emisyonları (RDE) ölçümleri için bu Taşınabilir Emisyon Ölçüm Sistemi’nin (PEMS) nasıl kurulup işletilene ve parçacık numarası emisyonlarının mevcut 23 nm’lik yasal sınırın altında nasıl değerlendirileceğime ilişkin talimat vermektedir.

Introduction

Parçacık Ölçüm Programı (PMP), Birleşik Krallık Hükümeti tarafından “mevcut yasal ölçüm prosedürlerini tamamlayacak veya değiştirebilecek gelişmiş partikül azaltma teknolojisine sahip araçların değerlendirilmesi için tip onayı test protokollerinin^{geliştirilmesi”}amacıyla kurulmuştur. PMP, özellikle 23 nm ≥ karbonakar partikülleri hedefleyen, dünyanın ilk parçacık numarası tabanlı emisyon düzenlemesidir. Son ölçümler, daha küçük parçacıklar eklemenin gerekli olabileceğini göstermektedir.

Dizel isin olumsuz sağlık etkileri iyi anlaşılmaktadır², ve bu nedenle, ‘ihtiyati ilke’ dizel egzoz karbon parçacıklarıortadan kaldırılması temelinde çağrıldı, dizel partikül filtreleri zorunlu kullanımı yoluyla (DpFs), sağlık gerekçesiyle zorunlu oldu. Ancak, Avrupa mevzuatında bir sınır değer emisyon kontrol teknolojilerinin benimsenmesini zorunlu kıldığı için, uygun bir ölçüm yöntemi olmadan bu sağlanamamaktadır. Avrupa genelinde güçlü bir siyasi destek ile, İngiltere Hükümeti partikül ölçümleri geliştirmek için PMP anlayışı açtı. Birleşmiş Milletler Avrupa Ekonomik Komisyonu (BM-ECE)^3’ünhimayesinde yer alan PMP, dünyanın dört bir yanından gelen lerin uzmanlığını da içeriyordu. 2001 yılında iki parçacık araştırma projesi tamamlanmıştır. Bunlardan biri (Partikül Araştırma⁴⁾Motor Üreticileri ve Tüccarlar Derneği (SMMT) ve Avrupa Çevre, Sağlık ve Güvenlik Örgütü (CONCAWE) ortaklığıyla İngiltere Çevre, Ulaştırma ve Bölgeler Hükümet Departmanı (DETR) tarafından gerçekleştirilmiştir. Diğeri (PARTICULATES⁵⁾Avrupa Birliği’nin^5. Her iki projenin sonuçları parçacık numarası tabanlı prosedürlerin umut verici olduğunu, ancak tekrarlanabilir ve tekrarlanabilir ölçümler için zorlukların devam ettiğini göstermiştir.

2007 yılında PMP Hafif görev Laboratuvarlar Arası Korelasyon Egzersizi’nin son^raporu,filtre tabanlı kütle ölçüm yöntemindeki bazı iyileştirmeler de dahil olmak üzere 6 olarak yayınlanmıştır ve öncelikle tanımlanmış parçacık boyutu aralığı ve parçacık volatilitesi temel alınarak düzenleyici amaçlar için bir sayı sayısı tabanlı yöntemin fizibilitesini göstermiştir. Her iki yöntem de, başlangıçta partikül madde kütlesi ve torbalanmış seyreltik gaz emisyon ölçümleri için geliştirilen mevcut sabit hacimli numune alma (CVS) seyreltme tünel yaklaşımından örneklemeye dayalı olarak uygulanmıştır.

Sayı sayısı tabanlı yöntemde ~ 20 nm daha düşük parçacık boyutu sınırı seçildi. Projenin temel amacı, bu büyüklükteve üzerindeki parçacıkların mevzuat tarafından kontrol edilmesini sağlamaktı. Motor egzozundaki birincil partikül boyutunun <20 nm⁷^,⁸^,⁹olabileceği artık bilinmektedir. Pratik nedenlerden dolayı, 23 nm’de %50 sayma verimi (d₅₀₎olan bir parçacık sayacı seçildi ve bu boyut kabul edilen daha düşük boyut eşiği haline geldi. Seyreltme, hava sıcaklığı, nem ve oran¹⁰, uçucu parçacık boyutu dağılımı ve entegre sayı ölçümleri gibi özelliklere yüksek hassasiyet nedeniyle tek bir araç ile CVS donanımlı bir tesiste tekrarlanabilir olabilir, ama çok daha az tesis ekibe kadar kabul edildi. Bu nedenle, sıkı düzenlemeler için, ölçüm yaklaşımı etkili boyut ve uçuculuk düzenleyici parçacık sınır koşulları tanımlayan ile, sadece uçucu olmayan parçacıklar odaklanmak gerekiyordu. Avrupa dizel yakıtı 350 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda sadece yüzde birkaç ıslanın ve PMP içindeki erken çalışma, motor yağı^11’inson kaynama noktasına doğru uçuculuk gösteren 40 karbon atomunu içeren doğrusal bir hidrokarbon olan tetrakontan’ın buharlaşması için uygun olduğunu göstermiştir. Sonuç olarak, 350 °C’lik bir sıcaklık düzenleyici >23 nm parçacık volatilitesi için fiili referans noktası haline gelmiştir.

PMP ölçüm sistemi belirtimi, Tablo 1’deözetlenen örnekleme, numune koşullandırma ve ölçüm bileşenlerinden oluşmaktadır.

Sahne	Kimlik	Amaç
0	Örnek kaynak	Numunenin kaynağı
1	Parçacık Taşıma	Örnek kaynağından ölçüm sistemine geçiş örneği
2	Uçucu Parçacık Sökücü	Uçucu maddeleri ortadan kaldırın ve ölçülecek uçucu olmayan parçacıkları tanımlayın
3	Parçacık Numarası Sayacı	Uçucu olmayan parçacıkları numaralandırın ve alt boyut sınırını tanımlayın

Tablo 1: PMP Ölçüm Sisteminin elemanları.

Avrupa PMP PN yaklaşımı uygulanmaktadır ve şimdi hafif hizmet dizel (Eylül 2011, EURO 5b) ve GDI araçlar (Eylül 2014, EURO 6) ve dizel ve gaz lı ağır motorlar için (Şubat 2013, EURO VI) geçerlidir.

Son ölçümler bazı hafif hizmet araçları ve özellikle, kıvılcım ateşleme teknolojileri, parçacıkların önemli düzeyde yayarlar gösterdi <23 nm¹²^,¹³^,¹⁴. Bu, Avrupa Komisyonu’nun mevcut >23 nm düzenlemesinin yerine veya eklenmesiyle hızla uygulanabilecek yeni veya genişletilmiş yöntemler geliştirmek için araştırma projelerini finanse etmesini yol açmıştır.

Böyle bir proje, DownToTen (DTT), PMP genel yaklaşımını korumak ve bir d₅₀ ≤10 nm ölçüm aralığı genişletmek amaçlamaktadır. Bu amaçla, DTT ölçüm sisteminin konfigürasyonu Tablo 1’deaçıklanan temel unsurları içerecek şekilde tasarlanmıştır, ancak <23 nm parçacıklarının verimli bir şekilde taşınması ve algılanmasını sağlamak için optimize edilmiş koşullandırma ve ölçüm adımları ile. DTT sistemi başlangıçta laboratuvar kullanımı için geliştirilmiştir ancak taşınabilir emisyon ölçüm sistemi (PEMS) olarak çalışacak şekilde değiştirilmiştir. DTT PN-PEMS sistemi için bileşenler, ağırlığı ve güç tüketimini azaltmak ve orijinal tasarımdan önemli ölçüde sapmadan fiziksel sağlamlığı artırmak için optimize edilmiştir. Mobil uygulama için sistem, hafif ve ağır hizmet PEMS testlerinde karşılaşılan daha sert ve düzensiz sıcaklıklara, basınçlara ve titreşim ortamlarına karşı dayanıklı olmalıdır. Sistemin girişinde basınç varyasyonlarının etkisi modellenmiş ve deneysel olarak incelenmiştir¹⁵. Titreşimlere karşı direnç özel bir test yatağı kullanılarak değerlendirildi¹⁶. Tipik RDE sürücüleri sırasında oluşan titreşimler ve ivmeler, kullanılan yoğuşma parçacık sayaçlarının ölçüm sonuçlarını bozmadı. DTT sistemi aynı zamanda uçucu kaldırma fonksiyonu nun etkin olmadığı düşük sıcaklıklarda, yaşlanan bir odayı beslemek ve ikincil organik aerosol oluşumunu incelemek için tasarlanmıştır¹⁷.

Parçacıkların düzenleyici volatilite sınırını tanımlayan DTT ölçüm sisteminin termal koşullandırma elemanları, her iki sistemin de sırasını içerdiği pmp sisteminin elemanlarına yakından paraleldir:

İlk parçacık numarası seyreltme aşaması
HC/uçucu eleme aşaması
İkinci parçacık numarası seyreltme aşaması

DTT ve PMP sistemleri arasındaki temel farklar, DTT sistem bileşenlerinin aşağıdakiler için seçilmesidir:

Düşük kayıplı seyreltme ve parçacık iletim yaklaşımları kullanarak ~10 nm PN’nin numune kaynağından partikül sayacına iletimini en üst düzeye çıkarın
Buharlaşma ve seyreltme yoluyla yoğuşabilir HC türlerinin kısmi basınçlarını azaltmak yerine oksidatif parçacık eliminasyonu kullanarak uçucuları kapsamlı bir şekilde ortadan kaldırın
Mevcut PMP sistemlerinden daha fazla verimlilikle ~10-50 nm partikülleri sayma

Bu makalenin amacı, kullanımda bir yol aracından ≥10 nm ≥ uçucu olmayan parçacıkları ölçmek için DTT PN-PEMS sisteminin kullanımını sunmaktır. Buna ölçüm sistemine ve ana bileşenlerine giriş, laboratuvar tabanlı kalibrasyon ölçümleri yapılması, cihazı mobil bir uygulama için yükleme, gerçek bir sürüş emisyon ölçümü yapılması ve toplanan ölçüm verilerinin işlenmesi dahildir.

Araçları

DTT PN-PEMS birkaç nanometre, sağlam parçacık numarası seyreltme, uçucu parçacıkların kaldırılması ve yapay parçacık oluşumunu önleme kadar yüksek parçacık penetrasyonu sağlamak için tasarlanmıştır. Sistemin bileşenleri, seyreltme ve aerosol klima için çeşitli teknolojileri karşılaştıran laboratuvar deneylerinden elde edilen sonuçlara göre seçilmiştir. Bu bölümde sistemin genel bakışı, çalışma ilkesi ve kullanılan bileşenler. Şekil 1 sistemin şemasını göstermektedir. Şekil 2 sistemin bir fotoğrafını gösterir. DTT sistemi 60 cm yüksekliğinde ve 50 cm x 50 cm ayak izi vardır. Sistemin ağırlığı yaklaşık 20 kg’dır. Gerekli çevresel elemanlar (yani pil ve gaz şişesi) dahil olmak üzere toplam ağırlığı yaklaşık 80 kg’dır. Sistemin ana unsurları iki seyreltme aşamaları (yani, ilk sıcak, ikinci soğuk), bir katalitik sıyırıcı ve en az bir yoğuşma parçacık sayacı (CPC) vardır.

Şekil 1: DTT parçacık numarası taşınabilir emisyon ölçüm sisteminin şematik çizimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: DTT örnekleme sisteminin en iyi görünüm resmi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

İki seyreltme aşaması parçacık sayısı konsantrasyonlarını yoğuşma parçacık sayaçları ile ölçülebilir seviyelere indirir (<10⁴ #/cm^3). Özel yapım gözenekli tüp seyrelticiler her iki seyreltme aşamaları için kullanılır. Bu teknoloji düşük parçacık kaybı nedeniyle seçildi¹⁸^,¹⁹. Seyreltme havasının radyal girişi parçacıkları duvarlardan uzak tutar ve bu da parçacık kayıplarını azaltır. Ayrıca, bu seyrelticiler çok küçük olabilir ve 400 °C sıcaklıklara dayanabilir. Kullanılan gözenekli malzeme sinterlenmiş hastalloy X tüp (GKN Filtreler Metaller GmbH, Radevormwald, Almanya). Gözenekli tüpün içindeki statik karıştırma elemanları seyrelticinin doğrudan aşağısında iyi karıştırılmış bir aerosol sağlar. Bu, seyrelticinin doğrudan aşağı aerosol akışını bölerek daha fazla klima veya ölçüm için seyreltilmiş aerosol temsili bir örnek alarak sağlar ve kompakt bir örnekleme sistemi sağlar. Birincil seyreltme evresi tipik olarak 350 °C’ye, ikinci aşamada ise ortam sıcaklığında çalıştırılır. Sistemin seyreltme faktörü yaklaşık 80’dir. Tam değer giriş akışına ve kütle akış yönetimine bağlıdır: Örnekleme sistemindeki akış hızları iki kütle akış denetleyicisi ve iki kütle akış ölçerden oluşan bir sistem tarafından yönetilir. Kütle akış denetleyicileri seyreltme hava akış hızlarını kontrol eder. Kütle akış ölçerler, seyreltme aşamaları 1 ve 2’nin aşağı doğru çıkarılan akış hızlarını izler. Çıkarılan akışlar ile sağlanan akışlar arasındaki farklar değiştirilebilir. Başka bir deyişle, bir seyreltme aşamasında eklenen veya çıkarılan net akış tanımlanabilir. Örnek akış hızı, Q_örneği,diğer tüm akış hızlarının toplamı olarak tanımlanır: 1) Ölçüm cihazları tarafından çizilen akış hızı(Q_inst); 2) seyreltme hava akış hızları (Q_dil,i); ve 3) aşırı akış oranları Q_ex,i. Örnek akış hesaplaması için sistemden çıkarılan akışların katkıları pozitif, sisteme beslenen akışların katkıları negatiftir.

Toplam seyreltme oranı DR tarafından hesaplanır:

Bir katalitik sıyırıcı (CS) seyreltme aşaması 1 ve 2 arasında yer alır ve dakikada 1 litre (L/dk) akış hızında 350 °C’de çalıştırılır. Katalitik striptizci organik bileşiklerin oksidasyonunu ve sülfür depolamasını sağlar. Bu maddelerin uzaklaştırılması katı parçacık fraksiyonunun izolasyonsağlar. Uçucu ve yarı uçucu parçacıkların istenmeyen oluşumu ve subcut boyutu parçacıkların büyümesi önlenir. Kullanılan katalitik striptizci ticari olarak mevcuttur (AVL GmbH). CS’nin uçucu partikül giderme verimi polidisperse emery yağ parçacıkları >50 nm ve >1 mg/m³ (3.5-5.5 mg/m³⁾ile doğrulandı ve %gt;99 (gerçek değer %99.9) RDE yönetmelik²⁰tarafından tanımlanan . Bu, geçerli PMP protokolünde öngörülen tetrakontane testinden daha titiz bir testtir.

Bir veya daha fazla yoğuşma parçacık sayaçları parçacık sayısı konsantrasyonu ikinci seyreltme aşamasında aşağı ölçmek için kullanılır. D₅₀ 23 nm’lik bir TBM, 23 nm’den büyük katı parçacıkların şu anda düzenlenmiş emisyonunun ölçülmesini sağlar. Ayrıca, daha düşük d₅₀ kesme noktasına sahip bir veya daha fazla KBM ile parçacık numarası konsantrasyonunun ölçülmesi (örneğin, 10 nm, 4 nm) uygulanan TBM’nin d₅₀ kesme boyutuna kadar şu anda düzensiz olmayan katı parçacık fraksiyonunun <23 nm aşağı değerlendirilmesini sağlar.

Seyreltme hava besleme hattı, birincil gözenekli tüp seyreltici ve katalitik sıyırıcı k-tipi termokupllar (TC) içeren bağımsız ısıtma elemanları var. Bağımsız olarak farklı bölümleri ısıtmak sistemdeki sıcaklık dağılımını kontrol eder.

Isıtma elemanlarındaki termokupllara ek olarak, seyreltme aşaması 1 ve 2’nin aşağısına iki termokupl yerleştirilir. Bu iki termokupl doğrudan aerosol sıcaklığını ölçer.

Örnekleme sisteminin giriş ve çıkış basıncını izlemek için iki mutlak basınç sensörü (NXP MPX5100AP) kullanılır.

Mobil ölçümler için Clayton Power LPS 1500 pil takımı kullanılır. 10 L sentetik hava şişesi, mobil uygulamalar sırasında sistemi seyreltme havası ile sağlar. Pil in ve gaz şişesinin boyutları, sistemin 100 dk boyunca bağımsız olarak çalışabilmesi için seçilir.

Sistem, LabVIEW sanal cihazı nı çalıştıran bir NI myRIO üzerinden kontrol edilir. Sanal cihaz akış hızları ve ısıtıcı sıcaklıkları kontrol sağlar. Kontrollü parametrelerin dışında aerosol sıcaklıkları, basınçlar ve ivme (myRIO entegre sensörü aracılığıyla) izlenebilir ve günlüğe kaydedilebilir. MyRIO aksesuar GPS modülü konum verilerinin günlüğe kaydedilmesini sağlar. Şekil 3 ve Şekil 4, DTT sistemini kontrol etmek için kullanılan sanal enstrümanın kullanıcı arabirimini gösterir.

Şekil 3: DTT sanal cihaz seyreltme sahne parametresi genel bakış. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: DTT sanal gösterge ısıtıcı kontrol paneli. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Her türlü örnekleme işlemi parçacık kayıplarına neden olur. Bu kayıpların hesabını verebilmek için, DTT örnekleme sistemi üzerinden parçacık büyüklüğüne bağlı parçacık penetrasyonunu belirlemek için laboratuvar ölçümleri yapılır. Bu ölçümlerde, monodisperse aerosolparçacık konsantrasyonu iki yoğuşma parçacık sayacı kullanılarak örnekleme sisteminin yukarı ve aşağı akışında ölçülür. Şekil 5 kalibrasyon ölçümleri için deneysel kurulum gösterir. Bu kurulumda, bir Jing miniCAST parçacık kaynağı²¹^,²²olarak kullanılır. Kütle akış denetleyicileri (MFC) brülöre gaz akışını kontrol etmek için kullanılır. Bir seyreltme köprüsü parçacık sayısı konsantrasyonunun ayarlanmasını sağlar. Seyreltme köprüsü, iğne vanasına paralel yüksek verimli partikül hava (HEPA) filtresidir. İğne valfinin konumunun ayarlanması, HEPA filtresinden geçen aerosol fraksiyonu ile iğne valfinden geçen aerosol fraksiyonu arasındaki oranı değiştirerek seyreltme oranını değiştirir. Filtrelenmiş ve filtresiz aerosoller seyreltilmiş aerosol oluşturmak için bir T-parçası ile yeniden birleştirilir. Bir katalitik striptizci yanma sürecinin yan ürünleri olarak üretilen muhtemelen bol uçucu bileşikleri kaldırmak için kullanılır. Parçacıkların boyut seçiminde TSI 3085 diferansiyel mobilite analizörü (nano DMA) ile birlikte TSI 3082 elektrostatik sınıflandırıcı kullanılır. DTT örnekleme sisteminin parçacık numarası konsantrasyonunun yukarı ve aşağı doğru ölçülmesi için iki TSI TBM 3775 (d₅₀ = 4 nm) kullanılır. Sayaçların d 50 = 4 nm kesme noktası,₁₀ nm ve altındaki parçacık boyutlarında penetrasyon tayini sağlar.

Şekil 5: DTT örnekleme sisteminin kalibrasyonu için kullanılan deneysel kurulumun şematik çizimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Protocol

1. Kalibrasyon prosedürü Araçları ayarlayın ve hazırlayın. Açıklanan aletleri, Şekil 5’tegösterilen, bir ekstraksiyon sistemi ile bir laboratuvarda organize ve kompakt bir şekilde yerleştirin. İletken boruları kullanarak Şekil 5’teki oklarda belirtildiği gibi aletleri bağlayın. Difüzyonpartikül kayıplarını en aza indirmek için tüpü mümkün olduğunca kısa tutun. Güç gerektiren cihazları (dtt sistemi, DTT sistem pompası, iki TBM, DMA, katalitik sıyırıcı ve MFC) soketlere bağlayın. TBM’leri, DTT sistemini ve MFC’yi bir dizüstü bilgisayara bağlayın. Dizüstü bilgisayarın bağlı aygıtlarla iletişim kurmak için yüklü olan yazılıma sahip olduğundan emin olun. Gerekirse eksik yazılım yükleyin. Termal olarak kararlı bir ölçüm kurulumu sağlamak için kalibrasyon ölçümlerine başlamadan en az 30 dakika önce deneysel bileşenleri ısıtın. Harici MFC tarafından kontrol edilen gaz akışını kullanım kılavuzunda belirtilen başlangıç ayarına ayarlayarak brülörün çalışmasını başlatın. Ateşi tutuştur. Üretilen isi ekstraksiyon sistemine yedirin. MFC kontrollü akışları buna göre ayarlayarak ortalama çapı 50 ± 5 nm olan kurum parçacıkları üretin. Ayarlar tablosu ve beklenen parçacık boyutu dağılımı brülör kılavuzunda veyaliteratür23’tebulunabilir. Tablo 2’deki miniCAST ayarları için kullanılabilir: İlgili sıcaklık kontrol cihazını 350 °C’ye ayarlayarak katalitik striptizciyi ısıtmaya başlayın. TBM’leri açın ve düşük akış moduna ayarlayın (yani, 0,3 L/dk giriş akışı). TBM’lerin üreticisinin yazılımını veya seri iletişimini kullanarak TBM’lerin dizüstü bilgisayarla iletişimini ayarlayın. Bölüm 3.1’de açıklandığı gibi DTT sistemini ısıtma işlemini başlatın. Kullanıcı kılavuzuna göre sınıflandırıcının girişine 0,071 cm’lik bir nozulla darbecitiyi töyüşle töyürün. Sınıflandırıcıyı açın. Sınıflandırıcıdaki ekran 1,30 ± 0,05 L/dk’lık bir darbe akışı göstermelidir. Gösterilen akış farklıysa, sınıflandırıcıyı CPC ve DTT sistemine bağlayan tüpü iki kez kontrol edin. Kullanıcı arabirimini kullanarak sınıflandırıcının kılıf akış hızını 13 L/dk olarak ayarlayın. Yumuşak bir X-Ray kaynağı (TSI 3088) kullanılırsa, sınıflandırıcının nötrleştiricisini açın. Gaz Akış hızı Propan 20 mL/dk Söndürme gazı (N2) 2 L/dk Seyreltme havası 5 L/dk Oksidasyon havası 0,5 L/dk Karıştırma gazı (N2) 0 L/dk Tablo 2: Kalibrasyon ölçümleri için önerilen miniCAST akış hızları. En az 30 dk ısınma süresinden sonra kalibrasyon ölçümlerini yapın. Üretilen isi ekstraksiyon sistemine beslemeyi bırakın ve brülörün çıkışını seyreltme köprüsüne bağlayın. Kullanıcı arabirimini kullanarak sınıflandırıcı tarafından seçilen parçacık boyutunu 10 nm olarak ayarlayın. Seyreltme köprüsü iğne valfi kullanarak, DTT sisteminin parçacık numarası konsantrasyonu yukarı doğru 104 ± 103 # / cm3olarak ayarlayın. Bu parçacık konsantrasyonu nispeten yüksek bir sinyal vererek, CpC’ler tek sayım modunda çalışırken kısa ölçüm sürelerini sağlar ve bu da yüksek doğruluk sağlar. Kurum jeneratörü tarafından yayılan aşırı düşük partikül konsantrasyonları nedeniyle 104 ± 103 #/cm3 istenilen konsantrasyona ulaşılamıyorsa, vanayı tamamen açarak seyreltme köprüsünden elde edilen ipliği en üst düzeye çıkarın. DTT Labview yazılımındaki “Veri Günlüğe Kaydetme”yi başlatdüğmesine tıklayarak DTT sisteminin verilerini kaydetmeye başlayın (zaten başlatılmışsa). Özel mülk yazılımveya seri iletişimi kullanarak iki TBM’nin verilerini günlüğe kaydetmeye başlayın. Deneysel kurulumun stabilize olması için 30 s bekleyin. Ölçümün başlangıcını işaretlemek için bir zaman damgası ve ayarlanan parçacık boyutunu not edin. Ölçümü 2 dk çalıştırın. Ölçümün sonunu işaretlemek için bir zaman damgası not edin. 15 nm, 30 nm, 50 nm ve 100 nm partikül boyutları için 1.3.3-1.3.9 adımlarını tekrarlayın. Daha iyi boyut çözünürlüğü istenirse ek ölçümler yapılabilir. 1.3.2-1.3.10 adımlarını tekrarlayarak önceki gibi parçacık boyutlarında başka bir ölçüm kümesi gerçekleştirin. İki TBM’nin ve DTT sisteminin ölçüm verilerini günlüğe kaydetmeyi durdurun. Tüm aletleri kapatın. Toplanan kalibrasyon verilerini bir elektronik tablo programıyla değerlendirin. TBM’ler tarafından ölçülen parçacık konsantrasyonverilerini .csv veya .txt dosyasına dışa aktarın. TBM ve DTT sistem verilerini bir veri değerlendirme aracına aktarın. Her cihazdan (örneğin, 2 TBM, DTT sistemi) verileri, bir ölçümün başlangıç ve bitiş zaman damgası arasında bir zaman damgası ile ilgili ölçüme ayırarak verileri ilgili ölçümlere atayın. Bu görevi bir veri değerlendirme aracıyla otomatikleştirmesi önerilir. Zaman ortalaması iki parçacık konsantrasyonu veri seti (CpCs) ve seyreltme oranı (DTT sistemi) tüm ölçüm noktaları için. Aşağıdaki formüle göre tüm ölçüm noktaları için göreli parçacık penetrasyonunu hesaplayın:Pn’nin belirli bir ölçüm noktasındaki ngöreli parçacık penetrasyonu olduğu yer n. dtt sisteminin TBM aşağı akımı tarafından ölçülen parçacık konsantrasyonu dur. n ölçüm noktası nzaman ası üzerinden ortalama DTT sisteminin TBM upstream tarafından ölçülen karşılık gelen parçacık konsantrasyonudur. DTT sisteminden seyreltme oranıdır, ölçüm noktası nzaman lığı üzerinde ortalama . Ortalama parçacık penetrasyon Portalamasını 30 nm, 50 nm ve 100 nm parçacık boyutunda ortalama parçacık penetrasyonları üzerinden hesaplayın.Bu değer, seyreltme oranı DR’yi ortalama penetrasyon verimliliği Portalamasıile bölen Parçacık Konsantrasyon Azaltma Faktörü’nün (PCRF) hesaplanmasında kullanılır.PCRF, 30 nm, 50 nm ve 100 nm’deki penetrasyondan, PMP uyumlu, ticari olarak kullanılabilen aletlerle karşılaştırılabilir olarak hesaplanır. 30 nm, 50 nm ve 100 nm dışındaki boyutlardaki ölçümler, sistemin d50 kesme boyutunu belirlemek ve sistemi düzenleyici çerçevenin dışında daha iyi karakterize etmek için kullanılır. 2. Gerçek sürüş emisyon ölçümleri için kurulum ve hazırlık Parçacıklar için parçacık sayısı emisyonlarını değerlendirmek için bir araç seçin <23 nm. Seçilen aracın parçacık numarası emisyonlarını ölçmek için bir rota seçin. Literatürde uygun yolların nasıl seçilen rehberler vardır24. Egzoz akış ölçer (EFM) kurulumu 24 ölçülecek aracın beklenen egzoz akış aralığına uygun24bir ölçüm aralığına sahip bir EFM seçin. EFM kontrol kutusunu aracın bagajına yerleştirin. Üreticinin belirtim sayfasına göre EFM’yi otomobilin dışına tötürün. Şekil 6, gövdeye giden şekilli borulara harici olarak monte edilmiş yüklü bir EFM örneğini gösterir. EFM’nin yukarı ve aşağı akışı AB yönetmeliklerine uygun olduğundan emin olun (yani, 4 kat boru çapı veya 150 mm düz boru, hangisi daha büyükse, akış sensörünün yukarı ve aşağı akışında olmalıdır). Birden fazla egzoz manifoldu olan araçlar ölçülürken, tek tek egzoz boruları EFM’nin önüne birldirilmeli ve egzoz geri basıncındaki artışı mümkün olduğunca düşük tutmak için bu borunun kesit alanı da buna göre artırılmalıdır. Bu mümkün değilse, egzoz kütle akışı birkaç EM ile ölçülebilir. EFM borusundan aracın egzoz borusuna konektörlerin egzoz gazı sıcaklıklarına dayanabileceğinden emin olun (yani plastik kullanılmamalıdır). Boru çapı, konektör çapı ve numune alınması için gerekli uzantıların çapı egzoz borusunun çapından daha küçük olmamalıdır. Boruları aracın egzozundan başlatın. Egzozu, bağlantı boruları ve boru kelepçeleri ile ilk boruya bağlayın. Montaj sırasında boruları hizalayabilmek için boru kelepçelerini sadece ucundasıkın. Egzozdan EFM’ye bağlantı olana kadar bir boruyu bağlantı boruları ve boru kelepçeleriyle aynı anda bağlayın. Bu mümkün olduğunca kısa olmalı. Ölçüm yolculuğu sırasında hiçbir şeyin kaymadığından emin olmak için EFM kontrol kutusunu ve EFM montaj braketini gövdeye yerleştirin. Tüm boru sıkı ve hiçbir şey ölçüm gezisi sırasında gevşek geliyor kontrol edin. EFM’yi açın. Ortam sıcaklığına bağlı olarak 15 dakikaya kadar ısınma süresinden sonra (EFM kullanım kılavuzuna bakınız), egzoz kütle akış ölçer25,26,,27,28’iölçmeye hazırdır. Şekil 6: Yüklü bir EFM’nin resmi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Aracın bagajına DTT ölçüm sisteminin hazırlanması ve kurulmasıNOT: Burada açıklanan ölçümler, DTT sistemi için sayım cihazları olarak iki yoğuşma parçacık sayacı ile yapılır. TBM’lerden biri (TSI 3790A) 23 nm daha düşük d50 kesme boyutuna sahiptir ve bu da mevcut yasama sınırına eşittir. Diğer TBM (ticari olarak mevcut 10 nm AVL TBM) 10 nm daha düşük d50 kesme vardır. Parçacık emisyonlarının bu iki cihazla paralel olarak ölçülmesi, şu anda düzenlenmiş emisyonların (>23 nm) ve <23 nm fraksiyonunun değerlendirilmesini sağlar. Bir dizüstü bilgisayar alın ve TBM ölçüm verilerini günlüğe kaydetmek için DTT yazılımını ve yazılımı yükleyin. Sentetik hava şişesini bagaja veya arka koltukların önündeki zemine yerleştirin ve kayışlarla düzeltin. Pili aracın bagajına yerleştirin ve düzeltin. AC giriş kablosunu takın ve yerel bir güç kaynağına bağlayın. Numune alma sistemi ve yoğuşma partikül sayaçları için vakum pompalarını aracın bagajına yerleştirin ve tamir edin ve bunları aküye bağlayın. DTT sistemini aracın bagajına yerleştirin ve kayışlar kullanarak konumunu düzeltin. Şekil 7 ve Şekil 8 bir arabanın bagajında DTT sistemini göstermektedir. Sistemi mobil pil paketine bağlayın. DTT sisteminin iki giriş MFC’sini sabit basınçlı hava beslemesine bağlayın. DTT sisteminin iki çıkış MFM’sini vakum pompasına bağlayın. Pompanın egzozuna araç dışında niçin uygun borular kullanın. DTT sistemini USB kablosu kullanarak ölçüm dizüstü bilgisayarına bağlayın. Sistemin girişini EFM’nin alt akışına bağlayın. Sistem güç girişini badara bağlayın. Yoğuşma partikül sayaçlarının güç girişlerini pil paketine bağlayın. CpC’leri ilgili harici vakum pompasına bağlayın. CpC’lerin butanol şişelerini, araç yolcularından mümkün olduğunca uzakta ki seyreltme sisteminin çerçevesine sıkıca monte edin. Kapağın sıkıca vidalandığından ve hızlanırken ölçüm sürüşü sırasında açılmadığından emin olun. CpC’lerin ve/veya harici pompanın egzozuna araç dışında niçin uygun boruları kullanın. USB kablolarını kullanarak CpC’leri ölçüm dizüstü bilgisayarına bağlayın.NOT: Şekil 9 hazırlanan aracı gösterir. DTT sistemi aracın bagajına monte edilir. Ticari olarak kullanılabilen bir PN-PEMS sistemi de katı parçacıkların düzenlenmiş emisyon için bir referans olarak kullanmak için yüklenir >23 nm. Şekil 7: Aracın içinden DTT PEMS. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 8: Bir aracın gövdesi içinde DTT PEMS. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Şekil 9: Ticari olarak kullanılabilen PN-PEMS (AVL MOVE) ve DTT PEMS yüklü araç. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. 3. Ölçüm işlemi Isıtma ve ölçüm sisteminin başlatılması İki TBM’yi ve bunların dış vakum kaynağını açın. Ölçüm dizüstü bilgisayarında TBM yazılımını açın ve TBM’lerle iletişim kurun. İletişim, cihazın özel yazılımı aracılığıyla veya TBM kılavuzunda açıklandığı şekilde seri iletişim yoluyla çalıştırılabilir. İğne kapaklarını MFM’lerin aşağısına kapatın. DTT örnekleme sistemi pompasını açın. Kırmızı anahtarı aşağı iterek örnekleme sistemini açın. Bilgisayarda LabVIEW DTT uygulamasını açın. Sistemle iletişim otomatik olarak başlar. DTT LabVIEW uygulamasının grafikkullanıcı arabirimi (GUI) artık 0,00 L/dk olmalıdır seyreltme aşamalarında 1 ve 2, akışve çıkış görüntüler. Değilse, iğne vanalarının düzgün kapatıp kapatılmadığını iki kez kontrol edin. bağlı ölçüm cihazları tarafından çekilen kütle akışını sL/dk’ya girin. Aletler tarafından çizilen akış bilinmiyorsa, el kütle akış ölçer (örneğin, Vögtlin kırmızı-y kompakt serisi) kullanarak ölçün. CpC’ler tarafından çekilen akışları ölçtükten sonra tüpü yeniden bağlayın. İğne vanalarını her ikisi de “Akar” 10,0 ± 0,5 sL/dk’ya ulaşana kadar yavaşça açın. Her iki “Akışlar” ilgili “Dışarı Akar” ile aynı değerlere artacaktır. QCS = 1.0 ± 0.1 L/dk katalitik sıyırıcı ve Qnumunesinin numune girişi = 1.0 ± 0.1 L/dk almak için her iki seyreltme hava akışı ile aşırı akış arasındaki farkı ayarlayın. Isıtıcı sıcaklıklarını ayarlamak için “Isıtıcı” sekmesine tıklayın. Seyreltme hava beslemesi, ilk gözenekli tüp seyreltici ve katalitik striptizci 350 °C ısıtıcı sıcaklıkları ayarlayın. Sistem şimdi ısınmaya başlayacak. “Set” in altında mevcut sıcaklık ve ısıtma güç yüzdeleri görüntülenir. Ölçüm sürüşüne başlamadan önce gaz sıcaklığının akış aşağı seyreltme evresi 1(“GUI’deki T DilStage 1” 290 °C’ye ulaşana kadar bekleyin). Bu yaklaşık 20 dakika sürer. Veri günlüğü Verileri DTT örnekleme sistemine bağlı ölçüm cihazlarında günlüğe kaydetmeye başlayın. “Veri Günlüğe Kaydetme”yebasarak örnekleme sisteminin verilerini günlüğe kaydetmeye başlayın ve açılan pencerede bir yol ve dosya adı seçin. Günlük dosyası yolu görüntülenir ve yeşil ışık verilerin kaydedilmediğini gösterir. Sistem verileri 2 Hz frekansında günlüğe kaydedilir. Uygun yazılımı kullanarak TBM’nin parçacık konsantrasyonverilerini kaydedin. Bu, üreticinin veya seri iletişim yazılımının (örneğin, PuTTY) olabilir. EFM ile egzoz akışını kaydetmeye başlayın. Sürüş Seçili rotayı sürmeden önce, pilin şarj kablosunu kapatın ve sabit basınçlı hava kaynağından gaz şişesine geçin. Seçili rotayı sür. Araba dan sonra Veri kaydını durdurmak için “Günlük …” tuşuna basın. Aletleri kapatın. Bir sonraki sürücüye hazırlanmak için pili şarj edin. 4. Veri analizi Örnekleme sistemindeki verileri, EFM’yi (egzoz akışı için) ve ölçüm cihazlarını aynı veri analiz programına aktarın. Egzozun egzoz borusundan ölçüm cihazlarına taşınması gereken süreyi göz önünde bulundurarak zaman hizalamasını gerçekleştirin. Seyreltme sistemi ile taşıma süresi tdil 2.5 s. Örnekleme satırı üzerinden taşıma süresi törneklem aşağıdaki gibi hesaplanabilir:Tnumunesi örnekleme hattı üzerinden saniye cinsinden taşıma süresi, tdil seyreltme sistemi (2,5 s) ile taşıma süresi, birörnek m2’dekiörnekleme çizgisinin kesit alanıdır , lnumune örnekleme noktasından metre cinsinden seyreltme sistemi girişine kadar örnekleme çizgisinin uzunluğudur ve QSnumunesi m3/s’dekiDTT seyreltme sistemi örnek akışıdır. Toplam gecikme süresi ttoplamalmak için t tdil törnek ekleyin:NOT: Örnek olarak,total iç boru çapı 4 mm olan 0,5 m boru uzunluğu ve 1 L/dk numune akışı 2,88 s’e eşittir. Şekil 10 ölçülen parçacık sayısının (mavi noktalı çizgi) zaman kayması parçacık numarasına (mavi çizgi) bir örnek gösterir. Şekil 10: Ölçülen parçacık sayısı Nın #/cm3’teki zaman hizalanmasının kg/h cinsinden ölçülen egzoz kütle akışına göre örneğidir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. PN #/s’deki partikül sayısını hesaplayabilmek için, cm 3/s’deki egzoz gazı hacim akışıexhaust_norm önce aşağıdaki formüle göre hesaplanmalıdır:3vasyonexhaust_norm m3/s egzoz standart hacim akışı ise,egzoz kg/s cinsinden ölçülen egzoz kütlesi akışı, R hava için ideal gaz sabitidir (287.1 J/kg*K), Tnormstandart koşullarda sıcaklıktır (273.15 K) ve pnormu standart koşullarda basınçtır (101,330 Pa). Standart koşullarda bu egzoz hacmi akışı ile parçacık sayısı, örnekleme sisteminin seyreltme oranı DR, CBM’ler tarafından ölçülen cPN konsantrasyonu ve faktör 106 (m3’ten cm3’edönüştürme için) varticleexhaust_norm çarpımı ile hesaplanabilir. Parçacık kayıplarını düzeltmek için, parçacık egzoz akış sürelerini, seyreltme oranı DRyerine parçacık sayısı konsantrasyon azaltma faktörü(PCRF)ile çarpın. PCRF tayini kalibrasyon talimatı bölüm 1’de açıklanmıştır:

Representative Results

Kalibrasyon Verileri (Parçacık Penetrasyonu): Şekil 11, parçacık hareketliliği çapının bir fonksiyonu olarak DTT sisteminin göreli parçacık penetrasyonunun örnek bir çizimini göstermektedir. İlgili veriler, yönerge bölüm 1’de açıklandığı şekilde ölçülür ve değerlendirilmiştir. Arsa, aynı hareketlilik çapındaki iki ölçüm noktası arasındaki sapmaların %5’ten az olduğunu göstermektedir. ‘dan büyük sapmalar deneysel kurulumda kararsızlıkları gösterir. Bu durumda kalibrasyon, ısınma stabilizasyon sürelerini artırarak tekrarlanmalıdır. Hem ısınma süresi (genellikle 30 dk) hem de stabilizasyon süresi (genellikle 30 s) 1,5 kat artmıştır. DTT sisteminden geçen parçacıklar difüzyon ve termoforez nedeniyle kaybedildi. Termoforetik kayıplar, örnekleme sisteminin duvarlarına doğru bir sıcaklık gradyan çizim parçacıkları neden oldu. Bu bir parçacık boyutu bağımsız etkisi29; buna karşılık, difüzyon son derece parçacık boyutuna bağlıdır. Bir konsantrasyon gradyanı parçacıkların kaybolduğu duvarlara doğru net bir parçacık akışına neden oldu. Daha düşük partikül boyutuile yükselen difüzivite, bu parçacıkların 10 nm ≤ için baskın kayıp mekanizması haline getirmiştir. Şekil 11’de termoforetik, difüzyonel ve toplam kayıpları gösteren çizgiler ilgili parçacık boyutu bağımlılıklarını göstermektedir. Difüzyon kayıpları için bu işlev, yaklaşık parçacık boyutu bağımlılığını göstermek için kullanılmıştır: Penetrasyon P uygun parametre a ve difüzyon katsayısı Dbağlıdır : Difüzyon katsayısı Boltzmann sabit kbağlıdır , mutlak sıcaklık T, viskozite η, parçacık çapı dp, ve Cunningham kayma düzeltme faktörü Cc, ortalama serbest yol ve parçacık çapı29bir fonksiyonudur . Şekil 11’de gösterilen veriler aşağıdaki ortalama parçacık penetrasyon verimliliği Portalamasıile sonuçlanır: Penetrasyon veriminin olduğu partikül boyutu d50olarak adlandırılır. D50 bir sistemin penetrasyon kesme özelliğini tanımlar. DTT sistemi için d50 11 nm idi. D50 Şekil 11’degösterilmiştir. Şekil 11: Parçacık hareket çapının bir fonksiyonu olarak parçacık penetrasyonu.Mavi ile işaretlenmiş noktalar ölçüm sonuçlarıdır. Turuncu ve yeşil çizgili çizgiler sırasıyla termoforez ve difüzyon ile ilişkili kayıpları gösterir. Kırmızı çizgi, difüzyonel ve termofetik kayıpların toplamı olarak toplam kayıpları temsil eder. Noktalı mor çizgi, kalibrasyon ölçüm talimatı bölüm 1’de hesaplanan ortalama parçacık penetrasyon Pmean’i gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. Katı Parçacık Numarası: Şekil 12, bir RDE ölçüm sürücüsünün ilk on dakikası için zaman içinde parçacık numarası emisyon oranını gösterir. DTT PEMS’den 10 nm ve 23 nm TBM kullanılarak elde edilen veriler, ticari olarak kullanılabilen 23 nm kesme noktası sisteminden elde edilen verilerle birlikte gösterilir. Parçacık emisyon oranları, veri analizi yönergesi bölüm 4’te yukarıda açıklandığı gibi egzoz akış hızı ile çarpılarak ilgili parçacık konsantrasyonlarından hesaplanmıştır. Referans aleti (AVL MOVE) parçacık numarası konsantrasyonu ölçümü için bir difüzyon şarj cihazına dayanıyordu. Farklı sensör ilkelerine rağmen, DTT PEMS ile ölçülen veriler, ticari olarak kullanılabilen PEMS ile ölçülen verilerle çok iyi bir uyum içindeydi. Parçacık ölçüm cihazları geçici olarak sıfır parçacık konsantrasyonlarını rapor edebildiği ve logaritma çizimlerinde sıfırgörüntülenemediği için üç sinyalde de sivri uçları gösteren keskin düşüşler meydana geldi. 10 nm TBM ile ölçülen partikül emisyonları Şekil 12’degösterilen zaman diliminin büyük bir kısmı için 23 nm TBM ile ölçülen emisyonlara çok yakındı. Ancak, 10 s ve 25 s arasında sağ başında önemli bir olay oldu <23 nm parçacık emisyon. DTT 10 nm sinyali, DTT sisteminin ve AVL MOVE'un 23 nm sinyalinden önemli ölçüde daha yüksekti. Bu durumda, yayılan toplam partikül sayısının 'si 10 nm ile 23 nm arasındaydı. Termal olmayan dengede soğuk başlangıç dinamik süreçler sıcak bir araç30emisyonfarklı parçacık boyutu dağılımları neden olabilir. Bu karmaşık süreçlerin tartışılması bu çalışmanın kapsamı dışındadır. Bu konuda daha fazla bilgiliteratürdebulunabilir 31,32,33. Şekil 12: Şeklin üst kısmı, bir RDE ölçüm sürücüsünün ilk 10 dakikası için zaman içinde parçacık numarası emisyon oranını gösterir.10 nm ve 23 nm TBM kullanılarak DTT PEMS ile ölçülen veriler ve referans olarak 23 nm kesme noktası sistemi (AVL MOVE) kullanılmaktadır. Figürün alt kısmı aracın hızını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

Bu çalışma, DTT örnekleme sistemini ve uygulamasını taşınabilir emisyon ölçüm sistemi olarak sunmaktadır. Sistem, 23 nm’lik mevcut yasal partikül boyutu sınırının altında parçacık numarası emisyon ölçümlerini mümkün kılmak için AB Horizon 2020 projesi DTT kapsamında tasarlanmış ve inşa edilmiştir. Sistemin çok yönlülüğü, düzenlenmiş katı parçacık sayısı emisyonlarının yanı sıra toplam partikül emisyonlarının değerlendirilmesini ve ikincil aerosoller üzerinde yapılan çalışmaların değerlendirilmesini sağlar. Ölçüm sonuçlarını doğru yorumlamak için DTT sistemi ile bir kalibrasyon prosedürü gereklidir. Bu, farklı parçacık boyutları için göreli parçacık penetrasyonunu değerlendirmek, parçacık kayıplarını hesaba katan bir düzeltme faktörü hesaplamaktır. Termal dengeye ulaşmak ve doğru kalibrasyon ölçüm sonuçları elde etmek için örnekleme sisteminin kendisi ve deneysel kurulumun geri kalanı için yeterli ısınma süresi sağlamak çok önemlidir.

23 nm (mevcut düzenleme) ve 10 nm (deneysel) daha düşük partikül boyutu kesme ile katı parçacık numarası emisyonlarının ölçümü için DTT sisteminin uygulanması açıklanmıştır. Bir aracın parçacık sayısı emisyonlarını değerlendirebilmek için parçacık sayısı konsantrasyonu ve egzoz kütle akış hızını belirlemek gerekir. DTT sistemi parçacık numarası konsantrasyon uyölçümü kapsar. Egzoz kütle akışı bir egzoz akış ölçer (EFM) kullanılarak ölçülür. EFM’nin üreticinin talimatlarına uygun olarak yüklenmesi çok önemlidir. Egzoz akış hızının hatalı ölçümleri, çıkarılan emisyon oranlarını doğrudan etkiler. Ölçülen verileri işlerken, parçacık konsantrasyonu verilerinin ve egzoz akış verilerinin doğru bir zaman hizalaması nın gerçeklemi önemlidir. Emisyon oranı parçacık sayısı konsantrasyonu ile çarpılır egzoz akış hızı olduğu için bu gereklidir. Eğer iki sinyal doğru hizalanmazsa, tüm sürücü üzerindeki emisyonlar gerçek emisyonlardan önemli ölçüde sapabilir.

DTT sistemi ticari bir cihaz değil, çok yönlü bir araştırma aracıdır. Mevcut yönetmeliklere uygunluğu doğrulayan belgelendirme ölçümlerinin yerine düzensiz araç emisyonlarını araştırmak için kullanılır. Yüksek çok yönlülük artan enerji ve seyreltme hava tüketimi pahasına gelir. Mobil ölçümler için sistem kullanılırken, sistemin enerji ve hava tüketimini karşılamak için akü (30 kg) ve gaz şişesi (20 kg) nedeniyle araca eklenen ağırlık akılda tutulmalıdır. DTT sistemi ile PN emisyonlarını ölçerken araca eklenen toplam ağırlık yaklaşık 80 kg’dır ve bu da araçta taşınan başka bir kişiyle karşılaştırılabilir. Eklenen ağırlık, özellikle sürücü büyük miktarda hızlanma ve/veya tepe içeriyorsa, emisyonların biraz artmasına yol açabilir.

DTT sistemi düzensiz <23 nm partikül numarası egzoz emisyonlarını araştırmak için kullanılabilir. Hem katı hem de toplam parçacık numarası emisyonları ölçülebilir. Ayrıca, ikincil aerosol oluşumunun karmaşık alanını incelemek için yararlı bir araç olabilir. Sistemin bir diğer olası uygulaması da otomotiv fren aşınma partiküllerinin ölçülmesidir. Frenleme olayları sırasında yayılan parçacıkların önemli bir kısmı 30 nm^34’tenküçük olabilir. D d₅₀ ile yaklaşık 11 nm, DTT sistemi bu emisyonları incelemek için uygundur. Egzoz dışı emisyonların trafiğe bağlı PM₁₀ emisyonlarına neredeyse eşit olarak katkıda olduğu bilinmesine^rağmen,egzoz dışı partikül emisyonları hala düzensizdir. Bunun nedeni, parçacık oluşumunun karmaşık ve nadiren tekrarlanabilir sürecidir ve bu da düzenleyici eylemleri ayarlamayı çok zorlaştırır. Ayrıca, kimyasal bileşimi ve organik fren aşınma parçacıklarının ilgili toksisitesi hala yaygın olarak bilinmemektedir³⁵.

DTT sistemi, hem egzoz hem de egzoz dışı trafikle ilgili parçacık emisyonları anlayışımızı geliştirmek için yararlı bir araçtır.

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma H2020 projesi DownToTen çerçevesinde yürütülmektedir. Bu proje, Avrupa Birliği’nin Horizon 2020 araştırma ve yenilik programından 724085 hibe anlaşması kapsamında fon almıştır.

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

References

Dunne, M. GRPE Particulate Measurement Programme (PMP). 7th ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles. , (2003).
Sydbom, A., et al. Health effects of diesel exhaust emissions. European Respiratory Journal. 17 (4), 733-746 (2001).
Vehicle Regulations – Transport. UNECE Available from: https://www.unece.org/trans/main/welcwp29.html (2020)
Andersson, J., Wedekind, B. . DETR / SMMT / CONCAWE Particulate Research Programme 1998-2001 SUMMARY REPORT. , (2001).
Samaras, Z., et al. Publication data form 1. Framework Programme European Commission-DG TrEn. 5 th Framework Programme Competitive and Sustainable Growth Sustainable Mobility and Intermodality 2. Contract No. , (2005).
Rönkkö, T., et al. Effects of gaseous sulphuric acid on diesel exhaust nanoparticle formation and characteristics. Environmental Science and Technology. 47 (20), 11882-11889 (2013).
Liati, A., Dimopoulos Eggenschwiler, P. Characterization of particulate matter deposited in diesel particulate filters: Visual and analytical approach in macro-, micro- and nano-scales. Combustion and Flame. 157 (9), 1658-1670 (2010).
Liati, A., Schreiber, D., Arroyo Rojas Dasilva, Y., Dimopoulos Eggenschwiler, P. Ultrafine particle emissions from modern Gasoline and Diesel vehicles: An electron microscopic perspective. Environmental Pollution. 239, 661-669 (2018).
Kittelson, D. B. Recent Measurements of Nanoparticle Emissions from Engines. Current Research on Diesel Exhaust Particles Japan Association of Aerosol Science and Technology. , 5 (2001).
Bruno, T. J., Ott, L. S., Smith, B. L. Composition-Explicit Distillation Curves of Waste Lubricant Oils and Resourced Crude Oil: A Diagnostic for Re-Refining and Evaluation. American Journal of Environmental Sciences. 6 (6), 523-534 (2010).
Giechaskiel, B., Vanhanen, J., Väkevä, M., Martini, G. Investigation of vehicle exhaust sub-23 nm particle emissions. Aerosol Science and Technology. 51 (5), 626-641 (2017).
. Call: H2020-GV-2016-2017: DownToTen. 48th PMP Update Available from: https://wiki.unece.org/download/attachments/73924923/PMP-48-10/DTT_Update_Nov_2018.pdf (2018)
. PMP 50th Session – Transport – Vehicle Regulations – UNECE Wiki Available from: https://wiki.unece.org/display/trans/PMP+50th+Session (2019)
PEMS accuracies under harsh environmental conditions. 23rd Transport and Air Pollution Conference, Thessaloniki 2019 Available from: https://www.tapconference.org/assets/files/previous-confereces/proceedings/2019_Proceedings.zip (2019)
Karjalainen, P., et al. Time-resolved characterization of primary particle emissions and secondary particle formation from a modern gasoline passenger car. Atmospheric Chemistry and Physics. 16 (13), 8559-8570 (2016).
Mikkanen, P., Moisio, M., Keskinen, J., Ristimäki, J., Marjamäki, M. Sampling method for particle measurements of vehicle exhaust. SAE Mobilus. , 219 (2001).
Giechaskiel, B., et al. Review of motor vehicle particulate emissions sampling and measurement: From smoke and filter mass to particle number. Journal of Aerosol Science. 67, 48-86 (2014).
EC Commission Regulation (EU) 2017/1154. Official Journal of the European Union Available from: https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2017/1154/oj (2017)
Mamakos, A., Khalek, I., Giannelli, R., Spears, M. Characterization of combustion aerosol produced by a mini-CAST and treated in a catalytic stripper. Aerosol Science and Technology. 47 (8), 927-936 (2013).
Jing, L. Standard Combustion Aerosol Generator (SCAG) for Calibration Purposes. Atmospheric Environment. 27 (8), 1271-1275 (1999).
Moore, R. H., et al. Mapping the operation of the miniature combustion aerosol standard (Mini-CAST) soot generator. Aerosol Science and Technology. 48 (5), 467-479 (2014).
Giechaskiel, B., et al. Implementation of portable emissions measurement systems (PEMS) for the real-driving emissions (RDE) regulation in Europe. Journal of Visualized Experiments. (118), e54753 (2016).
EC Commission Regulation (EU) 2017/1151. Official Journal of the European Union Available from: https://eur-lex.europa.eu/eli/reg/2017/1151/oj (2017)
EC REGULATION (EC) No 715/2007 OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL. Official journal of the European Union Available from: https://eur-lex.europa.eu/Legal-content/EN/ALL/?uri=CELEX:32007R0715 (2007)
EC DIRECTIVE 2007/46/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL. Official journal of the European Union Available from: https://eur-lex.europa.eu/Legal-content/EN/ALL/?uri=CELEX:32007L0046 (2007)
EC Commission Regulation 2790/99. Official Journal of the European Communities Available from: https://eur-lex.europa.eu/Legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:3A31999R2790 (1999)
Hinds, W. C. . Aerosol technology: properties, behavior, and measurement of airborne particles. , (2012).
Badshah, H., Kittelson, D., Northrop, W. Particle Emissions from Light-Duty Vehicles during Cold-Cold Start. SAE International Journal of Engines. 9 (3), 1775-1785 (2016).
First results of vehicle technology effects on sub-23nm exhaust particle number emissions using the DownTo10 sampling and measurement system. 22nd ETH-Conference on Combustion Generated Nanoparticles Available from: https://www.nanoparticles.ch/archive/2018_Andersson_PR.pdf (2018)
Giechaskiel, B., Manfredi, U., Martini, G. Engine exhaust solid sub-23 nm particles: I. Literature survey. SAE International Journal of Fuels and Lubricants. 7 (2834), 950-964 (2014).
Including cold-start emissions in the Real-Driving Emissions (RDE) test procedure. Publications Office of the European Union Available from: https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/66874f0c-fd85-11e6-8a35-01aa75ed71a1/language-en/format-PDF/source-120155396 (2017)
Mathissen, M., Scheer, V., Vogt, R., Benter, T. Investigation on the potential generation of ultrafine particles from the tire-road interface. Atmospheric Environment. 45 (34), 6172-6179 (2011).
Grigoratos, T., Martini, G. Brake wear particle emissions: a review. Environmental Science and Pollution Research. 22 (4), 2491-2504 (2015).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).