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.

공학

מדידת תת-23 ננומטר פליטת חלקיק נהיגה אמיתית באמצעות מערכת הדגימה הניידת DownToTen

Published: May 22, 2020

doi:

10.3791/61287

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

¹Institute of Electrical Measurement and Sensor Systems,Graz University of Technology, ²Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamic,Graz University of Technology, ³Ricardo UK Ltd., ⁴AVL List GmbH

Summary

מוצג כאן היא DownToTen (DTT) מערכת מדידת פליטה ניידת כדי להעריך פליטה בפועל נהיגה של כלי רכב של חלקיקי תת-23 טנ”מ.

Abstract

סף גודל החלקיקים הנוכחי של תקני פליטת מספר החלקיקים האירופי (PN) הוא 23 דפים לשעה. סף זה יכול להשתנות מכיוון שטכנולוגיה עתידית של מנוע בעירה עשויה לפלוט כמויות גדולות של חלקיקי תת-23 אף-שעה. פרויקט Horizon 2020 במימון DownToTen (DTT) פיתח שיטת דגימה ומדידה לאפיון פליטות חלקיקים בטווח גודל זה שכרגע אינו מוסדר. מערכת מדידה PN פותחה על בסיס סקירה מקיפה של הספרות ניסויים מעבדה בדיקות מגוון רחב של מדידה PN וגישות דגימה. מערכת המדידה שפותחה מאופיינת בחדירה גבוהה של חלקיקים ורב-תכליתיות, המאפשרת הערכה של חלקיקים ראשוניים, חלקיקים ראשוניים מעוכבים ותרסיסים משניים, החל מקוטרם של כמה ננומטר. נייר זה מספק הדרכה כיצד להתקין ולהפעיל מערכת מדידת פליטה ניידת זו (PEMS) עבור מדידות פליטת כונן אמיתי (RDE) ולהעריך פליטות מספר חלקיקים מתחת למגבלת החקיקה הנוכחית של 23 דפים לשעה.

Introduction

התוכנית למדידת חלקיקים (PMP) נוסדה על ידי ממשלת בריטניה עבור “פיתוח פרוטוקולי בדיקת אישור סוג להערכת כלי רכב המצוידים בטכנולוגיה מתקדמת להפחתת חלקיקים אשר ישלימו או יחליפו את הליכי המדידה החקיקתיים הנוכחיים”¹. PMP היא רגולציה הפליטה הראשונה בעולם המבוססת על מספר חלקיקים, המיועדת במיוחד לחלקיקים קרבו-צסונים ≥23 000 00:00. מדידות אחרונות מצביעות על כך שיהיה צורך לכלול חלקיקים קטנים יותר.

השפעות בריאותיות שליליות של פיח דיזל^{מובנות היטב 2}, ולכן, ‘עקרון הזהירות’ הופעל על בסיס כי חיסול חלקיקי פחמן מפליטת דיזל, באמצעות השימוש ההכרחי של מסנני חלקיקי דיזל (DPFs), היה הכרחי על בסיס בריאותי. עם זאת, מכיוון שבהקיקה האירופית ערך מגבלה חייב לכפות אימוץ של טכנולוגיות בקרת פליטות, לא ניתן היה להשיג זאת ללא שיטת מדידה מתאימה. עם גיבוי פוליטי חזק ברחבי אירופה, ממשלת בריטניה הובילה את התפיסה של PMP כדי לשפר את מדידות חלקיקים. PMP, בחסות הנציבות הכלכלית של האו”ם לאירופה (UN-ECE) 3 ,^{כלל את המומחיות}של אחרים מרחבי העולם. בשנת 2001 הושלמו שני פרויקטים לחקר החלקיקים. אחד מהם (Particulate Research^{4) בוצע}על ידי המחלקה הממשלתית של בריטניה לאיכות הסביבה, תחבורה ואזורים (DETR), בשיתוף עם אגודת יצרני הרכב והסוחרים (SMMT) והארגון האירופי לסביבה, בריאות ובטיחות (CONCAWE). השני (PARTICULATES⁵⁾מומן על ידי המסגרת 5 של האיחוד האירופי^ובוצע על ידי 14 שותפים אירופיים שונים. התוצאות של שני הפרויקטים הצביעו על כך שהליכים מבוססי מספר חלקיקים היו מבטיחים, אך האתגרים עבור מדידות חוזרות ותוכותיות נותרו.

בשנת 2007 פורסם הדו”ח הסופי של תרגיל המתאם הבין-מעבדה בין-מעבדה של PMP^ל-PMP, כולל כמה שיפורים בשיטת מדידת המסה המבוססת על מסנן, ובעיקר מדגים את הכדאיות של שיטה מבוססת מספר ספירה למטרות רגולטוריות המבוססות על טווח גודל חלקיקים מוגדר ותנודתיות חלקיקים. שתי השיטות יושמו בהתבסס על דגימה מהגישה הקיימת של מנהרת דילול נפח קבוע (CVS) שפותחה במקור עבור מסת חומר חלקיק ומדידות פליטת גזי דילול ארוזות.

בשיטה המבוססת על מספר ספירת, נבחרה מגבלת גודל חלקיקים נמוכה יותר של כ- 20 נה”מ. מטרתו העיקרית של הפרויקט הייתה להבטיח שחלקיקים בסדר גודל זה ומעלה נשלטו על ידי חקיקה. כיום ידוע כי גודל החלקיקים העיקרי בפליטת מנוע יכול להיות <20 נה"מ⁷^,⁸^,⁹. מסיבות מעשיות, נבחר מונה חלקיקים עם יעילות ספירה של 50% (d₅₀₎ב- 23 דפים לערך, וגודל זה הפך לסף הגודל הנמוך המקובל. הוכר כי בשל הרגישות הגבוהה למאפיינים כגון דילול, טמפרטורת אוויר, לחות ויחס 10 , התפלגות^{גודל חלקיקים נדיפה}ומדידות מספר משולבות ניתן לחזור על עצמו במתקן אחד מצויד CVS עם רכב אחד, אבל הרבה פחות ממתקן למתקן. לפיכך, עבור תקנות מחמירות, היה צורך להתמקד אך ורק בחלקיקים לא נדיים, כאשר גישת המדידה מגדירה ביעילות את תנאי גבול החלקיקים הרגולטוריים על גודל ותנודתיות. סולר אירופאי יש תנודתיות סוף אחורי כזה כי רק כמה אחוזים רותח בטמפרטורות מעל 350 מעלות צלזיוס, ועבודה מוקדמת בתוך PMP הצביע על כך שזמן מגורים קצר בטמפרטורה זו היו מתאימים אידוי מלא של טטרקונטן, פחמימן ליניארי המכיל 40 אטומי פחמן עם תנודתיות לקראת נקודת הרתיחה הסופית של חומר סיכה^{מנוע 11}. כתוצאה מכך, טמפרטורה של 350 °C הפכה לנקודת התייחסות דה פקטו עבור תנודתיות חלקיקים 23 נה”מ.

מפרט מערכת המדידה של PMP כולל רכיבים לדגימה, מיזוג דגימה ומדידה, המסוכמים בטבלה 1.

הבמה	זהות	מטרה
0	מקור לדוגמה	מקור המדגם
1	הובלת חלקיקים	התנהלות מדגם ממוצא למערכת מדידה
2	מסיר חלקיקים נדיף	לחסל נדיפים ולהגדיר חלקיקים שאינם נדיפים להימדד
3	מונה מספר חלקיקים	תאר חלקיקים לא נדיפים והגדר את מגבלת הגודל התחתון

טבלה 1: רכיבים של מערכת מדידת PMP.

גישת PMP PN האירופית מיושמת וכעת חלה על דיזל קל (ספטמבר 2011, יורו 5b) וכלי רכב GDI (ספטמבר 2014, יורו 6), ועל מנועי דיזל וגז כבד (פברואר 2013, יורו השישי).

מדידות אחרונות הראו כי כמה כלי רכב חובה קלה, בפרט, ניצוץ הצתה טכנולוגיות, יכול לפלוט רמות משמעותיות של חלקיקים <23 nm¹²^,¹³^,¹⁴. הדבר הוביל את הנציבות האירופית לממן פרויקטי מחקר לפיתוח שיטות חדשות או מורחבות שניתן ליישם במהירות כתחליף, או תוספת לרגולציה הנוכחית של 23 נה”מ.

פרויקט אחד כזה, DownToTen (DTT), שואף לשמר את הגישה הכללית של PMP ולהרחיב את טווח המדידה עד d₅₀ ≤10 טנ”מ. כך, התצורה של מערכת המדידה DTT תוכננה לכלול את אותם רכיבים בסיסיים המתוארים בטבלה 1, אך עם שלבי ההתניה והמדידה הממוטבים כדי לאפשר הובלה וזיהוי יעילים של חלקיקי <23 ת"מ. מערכת DTT פותחה בתחילה לשימוש במעבדה אך שונתה לפעול כמערכת מדידת פליטה ניידת (PEMS). עבור מערכת DTT PN-PEMS, הרכיבים היו ממוטבים כדי להפחית משקל וצריכת חשמל ולהגדיל את החוסן הפיזי מבלי לסטות באופן משמעותי מהתכנון המקורי. עבור יישום נייד, המערכת חייבת להיות עמידה בפני טמפרטורות קשות ובלתי יציבות יותר, לחצים וסביבות רטט שסביר שנתקלו בהם בבדיקות PEMS קלות וכבדות. ההשפעה של וריאציות לחץ על המפרצון של המערכת היה מודל ונלמד ניסיוני^15. ההתנגדות לתנודות הוערכה באמצעות מיטת בדיקה ייעודית¹⁶. תנודות והאאצות המתרחשות במהלך כונני RDE טיפוסיים לא פגעו בתוצאות המדידה של מוני החלקיקים העיביקים המשמשים. מערכת DTT מיועדת גם לשימוש בטמפרטורות נמוכות, שם פונקציית ההסרה הנדיף אינו פעיל, כדי להאכיל תא הזדקנות וללמוד היווצרות תרסיס אורגני משני¹⁷.

רכיבי ההתניה התרמית של מערכת המדידה DTT המגדירים את גבול התנודתיות הרגולטורית של חלקיקים מקבילים באופן הדוק לרכיבים של מערכת PMP בכך ששתי המערכות מכילות את הרצף:

שלב דילול מספר החלקיקים הראשון
HC / שלב חיסול הפכפך
שלב דילול מספר חלקיקים שני

ההבדלים העיקריים בין מערכות DTT ו- PMP הם רכיבי מערכת DTT נבחרים ל:

מקסם את השידור של ~ 10 נארם PN ממקור המדגם למונה החלקיקים באמצעות דילול אובדן נמוך וגישות שידור חלקיקים
להסיר באופן מקיף נדיפים באמצעות חיסול חלקיקים חמצוני ולא רק להפחית לחצים חלקיים של מינים HC עיסוק באמצעות אידוי ודילום
ספירת חלקיקי ~ 10-50 נה”מ עם יעילות רבה יותר מאשר מערכות PMP הנוכחי

מטרת נייר זה היא להציג את השימוש במערכת DTT PN-PEMS למדידת חלקיקים לא נדיים ≥10 00 00 000 מ’ מרכב כביש בשימוש. זה כולל מבוא למערכת המדידה ולרכיבים העיקריים שלה, ביצוע מדידות כיול מבוססות מעבדה, התקנת המכשיר עבור יישום נייד, ביצוע מדידת פליטת נהיגה אמיתית, ועיבוד נתוני המדידה שנאספו.

מכשור

DTT PN-PEMS תוכנן לספק חדירה גבוהה חלקיקים עד כמה ננומטר, דילול מספר חלקיקים חזק, הסרת חלקיקים נדיפים, ומניעת היווצרות חלקיקים מלאכותיים. רכיבי המערכת נבחרו על בסיס תוצאות מניסווני מעבדה המשווים מגוון טכנולוגיות למיזוג דילול ותרסיס. סעיף זה מספק מבט כולל על המערכת, על עקרון העבודה שלה ואת הרכיבים בהם נעשה שימוש. איור 1 מציג תרשים של המערכת. איור 2 מציג תמונה של המערכת. מערכת DTT היא 60 ס”מ גבוה ויש לו טביעת רגל של 50 ס”מ על 50 ס”מ. משקל המערכת הוא כ-20 ק”ג. כולל האלמנטים ההיקפיים הנדרשים (כלומר, סוללה ובקבוק גז) המשקל הכולל הוא כ-80 ק”ג. האלמנטים העיקריים של המערכת הם שני שלבי דילול (כלומר, הראשון חם, השני קר), חשפנית קטלית, ולפחות מונה חלקיקים עיסוק אחד (CPC).

איור 1: ציור סכמטי של מערכת מדידת הפליטה הניידת של מספר החלקיקים DTT. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 2: תמונת תצוגה למעלה של מערכת הדגימה DTT. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

שני שלבי דילול מפחיתים את ריכוזי מספר החלקיקים לרמות מדידות על ידי מוני חלקיקים עיסוק (<10⁴ #/cm^3). דילול צינור נקבובי בהזמנה אישית משמשים עבור שני שלבי דילול. טכנולוגיה זו נבחרה בשל אובדן החלקיקים הנמוך שלה¹⁸^,¹⁹. חדירה רדיאלית של אוויר דילול מרחיקה באופן מחיל חלקיקים מהקירות, מה שמפחית את אובדן החלקיקים. יתר על כן, דילולים אלה יכולים להיות קטנים מאוד יכול לעמוד בטמפרטורות של 400 מעלות צלזיוס. החומר הנקבובי המשמש הוא צינור X hastalloy sintered (GKN מסננים מתכות GmbH, Radevormwald, גרמניה). אלמנטים ערבוב סטטי בתוך הצינור נקבובי לספק תרסיס מעורב היטב ישירות במורד הזרם של דילטר. זה מאפשר לקחת מדגם מייצג של תרסיס מדולל עבור התניה נוספת או מדידה על ידי פיצול זרימת אירוסול ישירות במורד הזרם של דילטר, ומאפשר מערכת דגימה קומפקטית. שלב דילול ראשוני הוא בדרך כלל מחומם ל 350 מעלות צלזיוס, בעוד השלב השני מופעל בטמפרטורת הסביבה. גורם דילול המערכת הוא כ-80. הערך המדויק תלוי בזרימת מפרצון ובניהול זרימת המסה: שיעורי הזרימה במערכת הדגימה מנוהלים על ידי מערכת של שני בקרי זרימת מסה ושני מטרים של זרימת מסה. בקרי זרימת המסה שולטים בשיעורי זרימת האוויר של דילול. מוני זרימת המסה מנטרים את שיעורי הזרימה שחולצו במורד הזרם של שלבי דילול 1 ו-2. ניתן לשנות את ההבדלים בין הזרמים שחולצו לבין הזרמים שסופקו. במילים אחרות, ניתן להגדיר את זרימת הרשת שנוספו או הפחיתו בשלב דילול אחד. קצב הזרימה לדוגמה, דוגמת Q_sample, מוגדר בשם הסכום של כל קצבי הזרימה האחרים: 1) קצב זרימה שצויר על ידי מכשיריהמדידה( Q_inst); 2) שיעורי זרימת האוויר דילול (Q_{דיל, i}); ו 3) שיעורי זרימה עודף Q_{ex, i}. לחישוב זרימת המדגם, התרומות של הזרמים שחולצו מהמערכת הן חיוביות ותרומות הזרימות המוזנות למערכת הן שליליות.

יחס דילול הכולל DR מחושב על-ידי:

חשפנית קטליטית (CS) ממוקמת בין שלב דילול 1 ו-2 ומופעלת ב-350 °C בקצב זרימה של ליטר אחד לדקה (L/min). החשפנית הקטאליטית מספקת חמצון של תרכובות אורגניות ואחסון גופרית. הסרת חומרים אלה מבטיחה את הבידוד של שבר החלקיקים המוצק. היווצרות בלתי רצויה של חלקיקים נדיפים וחצי נדיפים וצמיחה של חלקיקי גודל תת-חתוך נמנעת. החשפנית הקטליטית בשימוש זמינה מסחרית (AVL GmbH). היעילות הנדיפה להסרת חלקיקים של CS אומתה עם חלקיקי שמן אמרי polydisperse > 50 צפון-מז’ר ו->1 מ”ג/מ”מ³ (3.5-5.5 מ”ג/מ”ר³⁾המציג יעילות של >99% (ערך בפועל 99.9%) כפי שהוגדר על-ידי תקנות RDE²⁰. זוהי בדיקה קפדנית יותר מאשר בדיקת טטרקונטן שנקבעה בפרוטוקול PMP הנוכחי.

מוני חלקיקים עיסוק אחד או יותר משמשים כדי למדוד את ריכוז מספר החלקיקים במורד הזרם של שלב דילול השני. CPC עם d_{50 של 23} נה”מ מאפשר את המדידה של הפליטה המוסדר כיום של חלקיקים מוצקים גדול מ 23 נמיר. בנוסף, מדידת ריכוז מספר החלקיקים עם CPCs אחד או יותר עם_{נקודת חיתוך d 50} נמוכה יותר (לדוגמה, 10 נה”מ, 4 נה”מ) מאפשרת את ההערכה של שבר החלקיקים המוצק הלא מוסדר כעת <23 דפים לשנייה עד לגודל_החיתוך של ה- CPC המוחל.

קו אספקת האוויר דילול, דילטר צינור נקבובי הראשי, ואת החשפנית קטליטי יש אלמנטים חימום עצמאיים המכילים k-סוג תרמוקופלים (TC). חימום עצמאי של חלקים שונים שולט בחלוקת הטמפרטורה במערכת.

בנוסף לתרמוקופלסים ביסודות החימום, שני תרמו-נופלים ממוקמים במורד הזרם של שלב דילול 1 ו-2. שני התרמוקופלים האלה מודדים ישירות את טמפרטורת האירוסול.

שני חיישני לחץ מוחלטים (NXP MPX5100AP) משמשים לניטור הלחץ במפרצון ובשקע של מערכת הדגימה.

עבור מדידות ניידות, נעשה שימוש במארז סוללות של קלייטון Power LPS 1500. בקבוק אוויר סינתטי 10 ליטר מספק למערכת אוויר דילול במהלך יישומים ניידים. הגדלים של הסוללה ובקבוק הגז נבחרים כך שהמערכת יכולה לפעול באופן עצמאי במשך 100 דקות.

המערכת נשלטת באמצעות MYRIO NI פועל מכשיר וירטואלי LabVIEW. המכשיר הווירטואלי מאפשר שליטה על תעריפי הזרימה וטמפרטורות התנור. מלבד הפרמטרים המבוקרים, ניתן לפקח ולתחבר את טמפרטורות האירוסול, הלחצים וההאצה (באמצעות החיישן המשולב ב-myRIO). מודול GPS של אביזר myRIO מאפשר רישום של נתוני המיקום. איור 3 ואיור 4 מציגים את ממשק המשתמש של הכלי הווירטואלי המשמש לשליטה במערכת DTT.

איור 3: מבט כולל על פרמטר של שלב דילול מכשיר וירטואלי DTT. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 4: לוח הבקרה של דוד חימום מכשירים וירטואלי DTT. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

כל סוג של הליך דגימה גורם להפסדי חלקיקים. כדי להיות מסוגל להסביר הפסדים אלה, מדידות מעבדה מבוצעות כדי לקבוע את גודל החלקיקים תלוי חדירה חלקיקים באמצעות מערכת דגימה DTT. במדידות אלה, ריכוז החלקיקים של תרסיס מונודיספרס נמדד במעלה הזרם ובמורד הזרם של מערכת הדגימה באמצעות שני מוני חלקיקים עיסוק. איור 5 מציג את ההתקנה הניסיונית עבור מדידות הכיול. בהתקנה זו, מיני-CAST של ג’ינג משמש כמקור^{חלקיקים 21}^,²². בקרי זרימת מסה (MFC) משמשים לשליטה בזרימת הגז לתוך המבער. גשר דילול מאפשר התאמה של ריכוז מספר החלקיקים. גשר דילול הוא מסנן אוויר חלקיק יעילות גבוהה (HEPA) במקביל לשסתום מחט. התאמת המיקום של שסתום המחט משנה את יחס דילול על ידי שינוי היחס בין השבר של תרסיס עובר דרך מסנן HEPA ואת השבר של תרסיס עובר דרך שסתום המחט. התרסיסים המסוננים והתרסיסים הלא מסוננים מתגבשים מחדש עם טי-פיס כדי ליצור תרסיס מדולל. חשפנית קטליטי משמש כדי להסיר תרכובות נדיפות בשפע עשויים להיות תוצרי לוואי של תהליך הבעירה. מסווג אלקטרוסטטי TSI 3082 יחד עם מנתח ניידות דיפרנציאלי TSI 3085 (nano DMA) משמשים לבחירת הגודל של חלקיקים. שני TSI CPCs 3775 (d₅₀ = 4 נהמ’) משמשים כדי למדוד את ריכוז מספר החלקיקים במעלה הזרם ובמורד הזרם של מערכת דגימת DTT. נקודת החיתוך של המונים של d₅₀ = 4 נה”מ מאפשרת קביעת חדירה בגדלים חלקיקים נמוך ככל 10 nm ומתחת.

איור 5: ציור סכמטי של ההתקנה הניסיונית המשמשת לכיול של מערכת דגימת DTT. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

Protocol

1. הליך כיול הכן והכן מכשירים. מקם את המכשירים המתוארים, המוצגים באות 5, בצורה מאורגנת וקומפקטית במעבדה עם מערכת חילוץ. חבר את המכשירים כפי שצוין על-ידי החצים באות 5 באמצעות צינורות מוליך. לשמור על הצינורות קצרים ככל האפשר כדי למזער את אובדן חלקיקים דיפוזיה. חבר את המכשירים הדורשים חשמל (כלומר, מערכת DTT, משאבת מערכת DTT, שני CPCs, DMA, חשפנית קטליטית ו- MFCs) לשקעים. חבר את ה- CPCs, מערכת DTT וה- MFC למחשב נישא. ודא שהתוכנה הדרושה למחשב נישא מותקנת כדי לקיים תקשורת עם ההתקנים המחוברים. התקן תוכנה חסרה במידת הצורך. חמם רכיבים ניסיוניים לפחות 30 דקות לפני תחילת מדידות הכיול כדי להבטיח כיוונון מדידה יציב מבחינה תרמית. התחל את פעולת המבער על-ידי הגדרת זרימת הגז הנשלטת על-ידי ה- MFC החיצוני להגדרת ההתחלה שצוינה במדריך למשתמש. להצית את הלהבה. הזנו את פיח שנוצר למערכת החילוץ. לייצר חלקיקי פיח בקוטר ממוצע של 50 ± 5 צפון-דם על ידי הגדרת זרמים בשליטת MFC בהתאם. ניתן למצוא טבלה של הגדרות והתפלגות גודל חלקיקים צפויה במדריך צורב או בספרות23. עבור הגדרות המיני-שידור בטבלה 2 ניתן להשתמש: התחל לחמם את החשפנית הקטלית על-ידי הגדרת בקר הטמפרטורה המתאים ל- 350°C. הפעל את ה- CPCs והגדר למצב זרימה נמוכה (כלומר, זרימת הכנסה של 0.3 L/min). הגדר את התקשורת של CPCs עם המחשב הנישא באמצעות התוכנה או התקשורת הטורית של יצרן CPCs. הפעל את הליך החימום של מערכת DTT כמתואר בסעיף 3.1. התקן את המשפיען עם זרבובית 0.071 ס”מ במפרצון של המסווג בהתאם למדריך למשתמש. הפעל את המסווג. התצוגה על המסווג אמורה להציג זרימה של 1.30 ± 0.05 ל’/דקה. אם הזרימה המוצגת שונה, בדוק פעמיים את הצינורות המחברים את המסווג עם CPC ומערכת DTT. הגדר את קצב זרימת ההתזות של המסווג ל- 13 ל’/דקה באמצעות ממשק המשתמש. אם נעשה שימוש במקור רנטגן רך (TSI 3088), הפעל את מנטרל המסווג. גז קצב זרימה פרופאן 20 מ”ל/דקה גז מרווה (N2) 2 ל’/דקה אוויר דילול 5 ל’/דקה אוויר חמצון 0.5 ל’/דקה גז ערבוב (N2) 0 ל’/דקה טבלה 2: תעריפי זרימה מוצעים של מיני-CAST עבור מדידות כיול. לאחר לפחות 30 דקות של זמן חימום לבצע את מדידות הכיול. הפסק להאכיל את פיח שנוצר לתוך מערכת החילוץ ולחבר את שקע המבער לגשר דילול. הגדר את גודל החלקיקים שנבחר על-ידי המסווג ל- 10 נה-מ’ באמצעות ממשק המשתמש. באמצעות שסתום מחט גשר דילול, להתאים את ריכוז מספר החלקיקים במעלה הזרם של מערכת DTT להיות 104 ± 103 #/cm3. ריכוז חלקיקים זה מניב אות גבוה יחסית, המאפשר זמני מדידה קצרים בזמן שה-CPCs פועלים במצב ספירה בודדת, המבטיח דיוק גבוה. אם הריכוז הרצוי של 104 ± 10 3 #/cm 3 לא ניתן להגיע בגללריכוזי חלקיקים נמוכים מאוד הנפלט על ידי גנרטור פיח, למקסם את התפוקהדרך גשר דילול על ידי פתיחה מלאה של השסתום. התחל לרשום את הנתונים של מערכת DTT (אם לא הופעל כבר) על-ידי לחיצה עללחצן” התחל רישום נתונים ” בתוכנה DTT Labview. התחל לרשום את הנתונים של שני CPCs באמצעות התוכנה הקניינית או תקשורת טורית. חכה 30 שניות להגדרה ניסיונית להתייצב. רשום את חותמת הזמן ואת גודל החלקיקים שנקבעו כדי לסמן את תחילת המדידה. הפעל את המדידה במשך 2 דקות. רשום למטה חותמת זמן כדי לסמן את סוף המדידה. חזור על שלבים 1.3.3–1.3.9 עבור גדלי חלקיקים של 15 נה”מ, 30 נהמ’, 50 נהמ’ ו- 100 נהמ’. ניתן לבצע מדידות נוספות אם רצויה רזולוציית גודל טובה יותר. בצע קבוצה נוספת של מידות באותם גדלי חלקיקים כמו בעבר על-ידי חזרה על שלבים 1.3.2–1.3.10. הפסק לרשום את נתוני המדידה של שני ה- CPCs ומערכת DTT. כבה את כל המכשירים. הערך את נתוני הכיול שנאספו באמצעות תוכנית גיליון אלקטרוני. יצא את נתוני ריכוז החלקיקים הנמדדים על-ידי CPCs לקובץ .csv או .txt יבא את נתוני CPC ומערכת DTT לכלי הערכת נתונים. הקצה את הנתונים למדידות המתאימות על-ידי הקצאת נתונים מכל מכשיר (כלומר, 2 CPCs, מערכת DTT) עם מכתם זמן בין ההתחלה לבין קצה הזמן של מדידה למדידה המתאימה. מומלץ להפוך משימה זו לאוטומטית באמצעות כלי להערכת נתונים. זמן ממוצע שתי ערכות נתונים ריכוז חלקיקים (CPCs) ואת יחס דילול (מערכת DTT) עבור כל נקודות המדידה. חשב את חדירת החלקיקים היחסית עבור כל נקודות המדידה לפי הנוסחה הבאה:כאשר Pn היא חדירת החלקיקים היחסית בנקודת מדידה מסוימת n. הוא ריכוז החלקיקים הנמדד על-ידי CPC במורד הזרם של מערכת DTT בממוצע מעל ה-timespan של נקודת המדידה n. הוא ריכוז החלקיקים המתאים הנמדד על-ידי CPC במעלה הזרם של מערכת DTT בממוצע מעל ה-timespan של נקודת המדידה n. הוא יחס דילול ממערכת DTT, בממוצע מעל הזמן של נקודת המדידה n. לחשב את החדירה חלקיקים ממוצע Pאומר על ידי ממוצע מעל חדירות חלקיקים ממוצע ב 30 nm, 50 נה”מ, ו 100 נמיות גודל חלקיקים.ערך זה משמש לחישוב של מקדם הפחתת ריכוז החלקיקים (PCRF) חלוקת יחס דילול DR עם ממוצע יעילות חדירהP.ה-PCRF מחושב מהחדירה ב- 30 נה”מ, 50 נה”מ ו- 100 nm כדי להיות דומה עם מכשירים תואמי PMP, זמינים מסחרית. המידות בגדלים אחרים של 30 נה”מ, 50 נה”מ ו- 100 נהמ’ן משמשות לקביעת גודל הניתק d50 של המערכת כדי לאפיין טוב יותר את המערכת מחוץ למסגרת הרגולטורית. 2. התקנה והכנה למדידות פליטת נהיגה אמיתיות בחר רכב כדי להעריך פליטות מספר חלקיקים עבור חלקיקים <23 נה"מ. בחר נתיב כדי למדוד את פליטת מספר החלקיקים של הרכב הנבחר. יש מדריכים כיצד לבחור מסלולים מתאימים בספרות24. התקנת מד זרימת פליטה (EFM) בחר EFM עם טווח מדידה התואם את טווח זרימת הפליטה הצפוי של הרכב להימדד24. מקם את תיבת הבקרה של EFM בתא המטען של הרכב. התקן את ה- EFM מחוץ למכונית, בהתאם לדף המפרט של היצרן. איור 6 מציג דוגמה של EFM מותקן, המותקנת מבחוץ על צינורות מעוצבים המובילים לתא המטען. ודא שהמרחק במעלה הזרם ובמורד הזרם של ה-EFM תואם לתקנות האיחוד האירופי (כלומר, קוטר הצינור פי 4 או צינור ישר של 150 מ”מ, הגדול מבין השניים, צריך להיות במעלה הזרם ובמורד הזרם של חיישן הזרימה). בעת מדידת כלי רכב עם סעפת פליטה מרובה, צינורות הפליטה בודדים יש לצנרר מול EFM ואת האזור חוצה חתך של צינור זה גדל בהתאם כדי לשמור על העלייה בלחץ פליטה נמוך ככל האפשר. אם הדבר אינו אפשרי, ניתן למדוד את זרימת מסת הפליטה באמצעות מספר EFMs. ודא שהמחברים מצינור EFM לצינור הפליטה של הרכב יכולים לעמוד בטמפרטורות גז הפליטה (כלומר, אין להשתמש בפלסטיק). קוטר הצינור, קוטר המחבר וקוטר כל הרחבות הנדרשות לדגום לא צריכים להיות קטנים יותר מהקטר של צינור הפליטה כדי לשמור על לחץ הגב הפליטה נמוך ככל האפשר. התחל את הצנרת בפליטה של הרכב. חבר את הפליטה לצינור הראשון עם צינורות חיבור ומלחצי צינור. הדקו את מהדקי הצינור רק בסוף כדי להיות מסוגלים ליישר את הצינורות במהלך ההתאמה. חבר צינור אחד בכל פעם עם חיבור צינורות ומלחצי צינור עד שיהיה חיבור מהפליטה ל-EFM. זה צריך להיות קצר ככל האפשר. מקם את תיבת הבקרה של EFM ואת תושבת ההרכבה של EFM בתא המטען כדי להבטיח ששום דבר לא יחליק במהלך נסיעת המדידה. בדוק כי כל הצנרת היא הדוקה ושום דבר לא יוצא רופף במהלך הנסיעה מדידה. הפעל את ה-EFM. לאחר זמן חימום של עד 15 דקות בהתאם לטמפרטורת הסביבה (ראה מדריך למשתמש EFM), מד זרימת מסתהפליטה מוכן למדוד 25,26,27,28. איור 6: תמונה של EFM מותקן. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה. הכנה והתקנה של מערכת המדידה DTT בתא המטען של הרכבהערה: המידות המתוארות כאן מתבצעות עם שני מוני חלקיקים עיבוד כהתקני ספירה עבור מערכת DTT. אחד ה- CPCs (TSI 3790A) הוא בגודלd 50 חיתוך נמוך יותר של 23 דפים לשנייה, השווה למגבלת החקיקה הנוכחית. CPC האחר (זמין מסחרית 10 נה”מ AVL CPC) יש נמוך יותר d50 לחתוך של 10 נה”מ. מדידת פליטות חלקיקים עם שני מכשירים אלה במקביל מאפשרת הערכה של הפליטות המוסדרות כיום (>23 דפים לשעה) ושבר ה-23 00 00:00:00,000 –> 00:00:00,000 –> 00:00:00,000 –> קח מחשב נישא והתקן את תוכנת DTT ואת התוכנה לרישום נתוני המדידה של CPC. מניחים את בקבוק האוויר הסינתטי בתא המטען או על הרצפה מול המושבים האחוריים ותקן אותו באמצעות רצועות. מקם את הסוללה בתא המטען של הרכב ותקן אותה. חבר את כבל קלט ה-AC וחבר אותו למקור מתח מקומי. מניחים ותקן את משאבות הוואקום עבור מערכת הדגימה מוני החלקיקים של העיסוק בתא המטען של הרכב וחברו אותם לסוללה. מקם את מערכת DTT בתא המטען של הרכב ולתקן את מיקומו באמצעות רצועות. איור 7 ואיור 8 מציגים את מערכת DTT בתא המטען של מכונית. חבר את המערכת למארז הסוללות הנייד. חבר את שני ה-MFCs של מערכת DTT לאספקת אוויר נייחה בלחץ. חבר את שני MFMs שקע של מערכת DTT למשאבת ואקום. השתמש בצינורות המתאימים כדי לנהוג בפליטה של המשאבה מחוץ לרכב. חבר את מערכת DTT למחשב הנישא המדידה באמצעות כבל USB. חבר את הכניסה של המערכת לנקודת הדגימה במורד הזרם של ה- EFM. חבר את פתק מתח המערכת לסוללה. חבר את מוני החלקיקים של העיסוק למארז הסוללות. חבר את ה- CPCs למשאבת הוואקום החיצונית המתאימה. הר בקבוקי butanol של CPCs בחוזקה על המסגרת של מערכת דילול רחוק ככל האפשר מן יושבי הרכב. ודא שהמכסה מוברג בחוזקה ואינו נפתח במהלך כונן המדידה בעת האצה. השתמש בצינורות המתאימים כדי להניע את הפליטה של ה-CPCs ו/או את המשאבה החיצונית מחוץ לרכב. חבר את ה- CPCs למחשב הנייד המדידה באמצעות כבלי USB.הערה: איור 9 מציג את הרכב המוכן. מערכת DTT מותקנת בתא המטען של הרכב. מערכת PN-PEMS זמינה מסחרית מותקנת גם כדי לשמש כהפניה לפליטה מוסדרת של חלקיקים מוצקים >23 צפון-שעה. איור 7: DTT PEMS מתוך הרכב. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה. איור 8: DTT PEMS בתוך תא המטען של רכב. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה. איור 9: רכב עם PN-PEMS זמין מסחרית (AVL MOVE) ו- DTT PEMS מותקן. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה. 3. פעולת מדידה חימום והפעלה של מערכת המדידה הפעל את שני CPCs ואספקת הוואקום החיצוני שלהם. פתח את תוכנת CPCs במחשב הנישא המדידה ובסס תקשורת עם ה- CPCs. התקשורת יכולה לפעול באמצעות התוכנה הקניינית של המכשיר או באמצעות תקשורת טורית כמתואר במדריך CPC. סגור את שסתומי המחט במורד הזרם של MFMs. הפעל את משאבת מערכת הדגימה DTT. הפעל את מערכת הדגימה על-ידי לחיצה על המתג האדום כלפי מטה. פתח את יישום LabVIEW DTT במחשב. התקשורת עם המערכת מופעלת באופן אוטומטי. ממשק המשתמש הגרפי (GUI) של יישום DTT LabVIEW מציג כעת את הזרימה פנימה והחוצה בשלבי דילול 1 ו- 2, אשר אמור להיות 0.00 L/min. אם לא, בדוק שוב שסתומי המחט סגורים כראוי. הזן את זרימת המסה שצוירה על-ידי מכשירי המדידה המחוברים ב- sL/min. אם הזרימה הנמשך על-ידי המכשירים אינה ידועה, מדוד אותה באמצעות מד זרימת מסה ידנית (לדוגמה, סדרת Vögtlin red-y Compact). חבר מחדש את הצינורות לאחר מדידת הזרמים שצוירו על-ידי ה- CPCs. לפתוח לאט את שסתומי המחט עד שני “זורם החוצה” להגיע 10.0 ± 0.5 sL/ דקה. שני “זורם פנימה” יגדל לאותם ערכים כמו המתאים “זורם החוצה”. התאם את “הוסף זרימה” (כלומר, ההבדל בין זרימת אוויר דילול וזרימה עודפת) של שני שלבי דילול כדי לקבל QCS = 1.0 ± 0.1 L/min דרך החשפנית הקטליטלית וזרימת הכנסה לדוגמה של Qsample = 1.0 ± 0.1 L/min. לחץ עלהכרטיסייה” דוד ” כדי להגדיר את טמפרטורות התנור. הגדר את טמפרטורות התנור של אספקת האוויר דילול, דילטר צינור נקבובי הראשון, ואת החשפנית קטליה ל 350 מעלות צלזיוס. המערכת תתחיל להתחמם עכשיו. מתחתלממשקים” Set ” מוצגים אחוזי החשמל הנוכחיים של טמפרטורה וחימום. המתן עד שטמפרטורת הגז במורד הזרם שלם 1 (“T DilStage 1″ ב- GUI) תגיע ל- 290 °C לפני שתתחיל את כונן המדידה. זה ייקח בערך 20 דקות. רישום נתונים התחל לרשום את הנתונים בהתקני המדידה המחוברים למערכת דגימת DTT. התחל לרשום את הנתונים של מערכת הדגימה על-ידי לחיצה עללחצן” התחל רישום נתונים ” ובחר נתיב ושם קובץ בחלון המוקפץ. נתיב קובץ יומן הרישום יוצג והאור הירוק יציין שהנתונים נשמרים. נתוני המערכת נרשמים בתדר של 2 הרץ. רשום את נתוני ריכוז החלקיקים של CPC באמצעות התוכנה המתאימה. זה יכול להיות של היצרן או תוכנת תקשורת טורית (למשל, PuTTY). התחל לרשום את זרימת הפליטה עם ה-EFM. נהיגה לפני נהיגה במסלול הנבחר, נתק את כבל הטעינה של הסוללה ולעבור מאספקת אוויר נייחת בלחץ לבקבוק הגז. סע במסלול הנבחר. לאחר נהיגה לחץ על “רישום…” כדי להפסיק להקליט נתונים. כבה את המכשירים. תטענו את הסוללה כדי להתכונן לכונן הבא. 4. ניתוח נתונים יבא את הנתונים ממערכת הדגימה, ה- EFM (עבור זרימת פליטה) והתקני המדידה לאותה תוכנית לניתוח נתונים. בצע את יישור הזמן בהתחשב בזמן שבו יש להעביר את הפליטה מפנס המ המ המחוב להתקני המדידה. זמן ההובלה הוא2.5 שניות. ניתן לחשב אתמדגם זמן התעבורה t דרך קו הדגימה באופן הבא:כאשר t מדגםsample הוא זמן התעבורה דרך קו הדגימהsample בשניות, tדילל הוא זמן ההובלה דרך מערכת דילול (2.5 s), מדגםהוא חתך רוחב של קו הדגימה ב m 2 , l מדגם הואsample אורךקו הדגימה מנקודת דגימה למפרצון מערכת דילול במטרים, ודגימה Qהוא זרימת מדגם מערכת דילול DTT ב m3/ s. הוסף tלדוגמה כדילדילל כדי לקבל את זמן ההשהיה הכולל t t tסה”כ:הערה: לדוגמה, סכום tעבור אורך צינור של 0.5 מ’ בקוטר צינור פנימי של 4 מ”מ וזרימה לדוגמה של 1 L/min שווה ל- 2.88 שניות. איור 10 מציג דוגמה ליישור הזמן של מספר החלקיקים שנמדד (קו מנוקד כחול) למספר החלקיקים שהוזז בזמן (קו כחול). איור 10: דוגמה ליישור זמן של מספר החלקיקים הנמדד PN ב- #/cm3 בהשוואה לזרימת מסת הפליטה הנמדדת kg/h. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה. כדי שתוכל לחשב את מספר החלקיקים ב- PN #/s, ישלחשב תחילה את זרימת נפח הגז של הפליטה V大exhaust_norm בס”מ3/s בהתאם לנוסחה הבאה:כאשר V大exhaust_norm הוא זרימת נפחנפח פליטה בm 3 / s, ṁפליטה היא זרימת מסת פליטה נמדדת ק”ג / s, R הוא קבוע הגז האידיאלי לאוויר (287.1 J/kg*K), T נורמת היאnorm הטמפרטורה בתנאים סטנדרטיים (273.15 K), ונורמה pהיא הלחץ בתנאים סטנדרטיים (101,330 Pa). עם זרימת נפח פליטה זו בתנאים סטנדרטיים ניתן לחשב את מספר החלקיקים על ידי הכפלת ה-V大exhaust_norm עם יחס דילול DR של מערכת הדגימה, הריכוז cPN נמדד על ידי CPCs, ואת הגורם 106 (עבור ההמרה מ מ3 ל ס”מ3). כדי לתקן עבור הפסדי חלקיקים, להכפיל את זרימת פליטת החלקיקים כפול את קצב ריכוז מספר החלקיקים עם גורם הפחתת ריכוז החלקיקים של המערכת(PCRF)במקום יחס דילול DR. קביעת PCRF מתוארת בסעיף הוראות הכיול 1:

Representative Results

נתוני כיול (חדירת חלקיקים): איור 11 מציג עלילה למופת של חדירת החלקיקים היחסית של מערכת DTT כפונקציה של קוטר הניידות של החלקיקים. הנתונים המתאימים נמדדו והוערכו כמתואר בסעיף הוראות 1. העלילה מראה כי סטיות בין שתי נקודות מדידה באותו קוטר ניידות היו פחות מ 5%. סטיות גדולות מ-10% מצביעות על חוסר יציבות בהתקנה הניסיונית. במקרה זה, היה כך צריך לחזור על הכיול עם זמני ייצוב חימום מוגברים. גם זמן החימום (בדרך כלל 30 דקות) וזמן הייצוב (בדרך כלל 30 s) גדל על ידי גורם של 1.5. החלקיקים העוברים דרך מערכת DTT אבדו עקב דיפוזיה ותרמופורזיס. הפסדים תרמופורטיים נגרמו על ידי חלקיקי ציור הדרגתיים בטמפרטורה לכיוון קירות מערכת הדגימה. זהו אפקט עצמאי בגודל חלקיקים29; לעומת זאת, דיפוזיה תלויה מאוד בגודל החלקיקים. מעבר צבע ריכוז גרם לשטף חלקיקים נטו לכיוון הקירות שבהם חלקיקים אבדו. המפזרות העולה עם גודל חלקיקים נמוך יותר הפכה את מנגנון האובדן הדומיננטי לחלקיקים ≤10 00 00 000. הקווים באיור 11 המעידים על הפסדים תרמופורטיים, דיפוזיה וסך הכל מדגימים את יחסי התלות המתאימים לגודל החלקיקים. עבור ההפסדים דיפוזיה, פונקציה זו שימשה כדי להמחיש את התלות גודל החלקיקים המשוער: P החדירה תלוי בפרמטר התאמה a ומקדם דיפוזיה D: מקדם ההתפזלות תלוי בק’ הקבוע של בולטצמן, בטמפרטורה המוחלטת T, צמיגות η,בקוטר החלקיקים dp, ובגורם תיקון החלקיק של קנינגהם Cc, שהוא פונקציה של הנתיב החופשי הממוצעוקוטר החלקיקים 29. הנתונים הממחישים באות 11 גרמו היעילות הבאה חדירה חלקיק אומר Pאומר: גודל החלקיקים שבו יעילות החדירה מסתכמת 50% מכונה d50. ה-D50 מתאר את החדירה האופיינית למערכת. עבור מערכת DTT d50 היה 11 נמימ’. d50 מוצג באות 11. איור 11: חדירת חלקיקים כפונקציה של קוטר ניידות חלקיקים.נקודות המסומנות בכחול הן תוצאות מדידה. הקווים המ מקווקווים בכתום וירוק מצביעים על ההפסדים הקשורים לתרמופורזיס ולדיפוזיה, בהתאמה. הקו האדום מייצג את סך ההפסדים כומות ההפסדים התרמופורטיים. הקו הסגול המנוקד מציג את חדירת החלקיקים הממוצעת Pmean כפי שחושב בסעיף הוראות מדידת הכיול 1. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה. מספר חלקיק מוצק: איור 12 מציג את קצב פליטת מספר החלקיקים לאורך זמן עבור עשר הדקות הראשונות של כונן מדידה של RDE. הנתונים מ- DTT PEMS באמצעות 10 נה”מ ו- CPC של 23 נה”מ מוצגים יחד עם נתונים ממערכת נקודת חיתוך זמינה מבחינה מסחרית של 23 צפון-שעה. שיעורי פליטת החלקיקים חושבו מריכוזי החלקיקים המתאימים המוכפלים בקצב זרימת הפליטה כמתואר לעיל בסעיף הוראות ניתוח נתונים 4. מכשיר ההתייחסות (AVL MOVE) הסתמך על מטען דיפוזיה למדידת ריכוז מספר החלקיקים. למרות עקרונות החיישן השונים, הנתונים שנמדדו עם DTT PEMS היו בהסכמה טובה מאוד עם הנתונים שנמדדו על ידי PEMS זמין מסחרית. עליות חדות כלפי מטה בכל שלושת האותות התרחשו מכיוון שהתקני מדידת החלקיקים יכולים לדווח על אפס ריכוזי חלקיקים באופן זמני ולא ניתן להציג אפסים בחלקות לוגריתמיות. פליטות החלקיקים שנמדדו עם CPC 10 nm היו קרובים מאוד לפליטות נמדד עם CPC 23 nm עבור רוב פרק הזמן המוצג איור 12. עם זאת, ממש בתחילת בין 10 s ו 25 s היה התרחשות של פליטת חלקיקים משמעותית

Discussion

עבודה זו מציגה את מערכת הדגימה DTT ואת היישום שלה כמערכת מדידת פליטה ניידת. המערכת תוכננה ונבנה בתוך פרויקט אופק האיחוד האירופי 2020 DTT כדי לאפשר מדידות פליטת מספר חלקיקים מתחת למגבלת גודל החלקיקים החקיקתי הנוכחי של 23 נה”מ. הרב-תכליתיות של המערכת מאפשרת הערכה של פליטות מספר חלקיקים מוצק מוסדר, כמו גם פליטות חלקיקים הכוללת מחקרים על תרסיסים משניים. כדי לפרש את תוצאות המדידה במדויק, יש צורך בהליך כיול במערכת DTT. זה כדי להעריך את חדירת החלקיקים היחסית עבור גדלי חלקיקים שונים, כדי להיות מסוגל לחשב גורם תיקון שמחשב על הפסדי החלקיקים. זה קריטי כדי לספק מספיק זמן חימום עבור מערכת הדגימה עצמה ואת שאר ההתקנה הניסיונית כדי להגיע לשיווי משקל תרמי ולהשיג תוצאות מדידה כיול מדויק.

היישום של מערכת DTT למדידה של פליטת מספר חלקיקים מוצק עם חתך נמוך יותר של גודל חלקיקים של 23 דפים לשעה (רגולציה נוכחית) ו 10 nm (ניסיוני) מתואר. כדי להיות מסוגל להעריך את פליטת מספר החלקיקים של רכב יש צורך לקבוע את ריכוז מספר החלקיקים ואת קצב זרימת מסת הפליטה. מערכת DTT מכסה את מדידת ריכוז מספר החלקיקים. זרימת מסת הפליטה נמדדת באמצעות מד זרימת פליטה (EFM). חשוב להתקין את ה-EFM בהתאם להוראות היצרן. מדידות לא מדויקות של קצב זרימת הפליטה משפיעות ישירות על קצב הפליטה המוסק. בעת עיבוד הנתונים הנמדדים, חשוב לבצע יישור זמן מדויק של נתוני ריכוז החלקיקים ונתוני זרימת הפליטה. זה הכרחי כי קצב הפליטה הוא קצב זרימת הפליטה מוכפל על ידי ריכוז מספר החלקיקים. אם שני האותות אינם מיושרים כראוי, הפליטות על כל הכונן יכולות לסטות באופן משמעותי מהפליטות האמיתיות.

מערכת DTT אינה מכשיר מסחרי אלא כלי מחקר רב-תכליתי. הוא משמש כדי לחקור פליטות רכב לא מוסדר לעומת ביצוע מדידות הסמכה אימות תאימות לתקנות הנוכחיות. הרב-תכליתיות הגבוהה באה על העלות של אנרגיה מוגברת וצריכת אוויר דילול. בעת שימוש במערכת למדידות ניידות, יש לזכור את המשקל הנוסף לרכב בשל הסוללה (30 ק”ג) ובקבוק גז (20 ק”ג) לכיסוי צריכת האנרגיה והאטוויר של המערכת. המשקל הכולל שנוסף למכונית בעת מדידת פליטת PN עם מערכת DTT הוא כ 80 ק”ג, אשר דומה לאדם אחר מועבר ברכב. המשקל הנוסף יכול להוביל לפליטות מוגברות במקצת, במיוחד אם הכונן כולל תאוצה רבה ו/או גבעות.

ניתן להשתמש במערכת DTT כדי לחקור את פליטת פליטת פליטת מספר החלקיקים ללא פיקוח <23 נארם. ניתן למדוד גם פליטת מספר חלקיקים מוצקה וגם סך הכל. יתר על כן, זה יכול להיות כלי שימושי ללמוד את השדה המורכב של היווצרות תרסיס משני. יישום אפשרי נוסף של המערכת הוא מדידה של בלם רכב ללבוש חלקיקים. חלק ניכר מהחלקיקים הנפלטים במהלך אירועי בלימה יכול להיות קטן מ- 30 00 00^00:00:00,000————————————– עם d₅₀ של כ 11 nm, מערכת DTT מתאים לחקר פליטות אלה. למרות שידוע כי פליטות שאינן פליטה תורמות כמעט באופן שווה לפליטות PM_{10 הקשורות} ^{לתנועה 35}, פליטות חלקיקים ללא פליטה עדיין אינן מוסדרות. זאת בשל תהליך מורכב וריק לעתים רחוקות של יצירת חלקיקים, מה שהופך את זה קשה מאוד להגדיר פעולות רגולטוריות. יתר על כן, ההרכב הכימי ואת הרעילות הקשורה של חלקיקי בלם אורגני ללבוש הוא עדיין לא ידוע באופן נרחב³⁵.

מערכת DTT היא כלי שימושי לשיפור ההבנה שלנו של פליטת פליטה ופליטת חלקיקים שאינם פליטה הקשורים לתנועה.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו מתבצעת במסגרת פרויקט H2020 DownToTen. פרויקט זה קיבל מימון מתכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי במסגרת הסכם מענק מס’ 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

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

Cite This 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).