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

Engenharia

Medindo emissões de número de partículas reais de condução sub-23 nanômetros usando o sistema portátil de amostragem 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

Apresentado aqui é o sistema de medição de emissões portáteis DownToTen (DTT) para avaliar as emissões automotivas reais de partículas sub-23 nm.

Abstract

O limite atual de tamanho de partículas dos padrões europeus de emissão do Número de Partículas (PN) é de 23 nm. Esse limiar pode mudar porque a tecnologia futura do motor a combustão pode emitir grandes quantidades de partículas abaixo de 23 nm. O projeto financiado pela Horizon 2020 DownToTen (DTT) desenvolveu um método de amostragem e medição para caracterizar as emissões de partículas nesta faixa de tamanho atualmente não regulamentada. Um sistema de medição PN foi desenvolvido com base em uma extensa revisão da literatura e experimentos laboratoriais testando uma variedade de abordagens de medição e amostragem pn. O sistema de medição desenvolvido é caracterizado pela alta penetração de partículas e versatilidade, o que permite a avaliação de partículas primárias, partículas primárias atrasadas e aerossóis secundários, a partir de alguns nanômetros de diâmetro. Este artigo fornece instruções sobre como instalar e operar este Sistema portátil de medição de emissões (PEMS) para medições de Emissões de Unidade Real (RDE) e avaliar as emissões de números de partículas abaixo do limite legislativo atual de 23 nm.

Introduction

O Programa de Medição de Partículas (PMP) foi fundado pelo Governo do Reino Unido para o “desenvolvimento de protocolos de teste de aprovação de tipo para avaliar veículos equipados com tecnologia avançada de redução de partículas que complementem ou substituam os procedimentos de medição legislativa vigentes”¹. O PMP é a primeira regulação de emissões baseada em partículas do mundo, voltada especificamente para partículas carbonáceas ≥23 nm. Medições recentes indicam que pode ser necessário incluir partículas menores.

Os impactos negativos à saúde da fuligem diesel são bem compreendidos²e, portanto, o “princípio da precaução” foi invocado com base na alegação de que a eliminação de partículas de carbono do escapamento diesel, por meio do uso obrigatório de filtros de partículas diesel (DPFs), era imperativa por motivos de saúde. No entanto, como na legislação europeia um valor limite deve forçar a adoção de tecnologias de controle de emissões, isso não poderia ser alcançado sem um método de medição adequado. Com forte apoio político em toda a Europa, o Governo do Reino Unido liderou a concepção do PMP para melhorar as medições de partículas. O PMP, sob os auspícios da Comissão Econômica das Nações Unidas para a Europa (UN-ECE)^3,incluiu a expertise de outros de todo o mundo. Dois projetos de pesquisa de partículas foram concluídos em 2001. Uma delas (Particulate Research⁴) foi realizada pelo Departamento de Meio Ambiente, Transporte e Regiões do Governo do Reino Unido (DETR), em parceria com a Sociedade dos Fabricantes e Comerciantes de Automóveis (SMMT) e a Organização Europeia para o Meio Ambiente, Saúde e Segurança (CONCAWE). O outro (PARTICULATES⁵) foi financiado pelo^5º Quadro da União Europeia e foi realizado por 14 parceiros europeus diferentes. Os resultados de ambos os projetos indicaram que os procedimentos baseados em números de partículas eram promissores, mas que os desafios para medições repetíveis e reprodutíveis permaneceram.

Em 2007, foi publicado o relatório final do PMP Light-duty Inter-laboratory Correlation Exercise⁶, incluindo algumas melhorias no método de medição de massa baseado em filtro, demonstrando principalmente a viabilidade de um método baseado em contagem numépria para fins regulatórios com base em uma faixa de tamanho de partícula definida e volatilidade de partículas. Ambos os métodos foram implementados com base na amostragem da abordagem do túnel de diluição do amostrador de volume constante existente (CVS) originalmente desenvolvida para massa de material particulado e medições de emissões gasosas diluídas ensacadas.

Dentro do método baseado na contagem de números, foi selecionado um limite de tamanho de partícula mais baixo de ~20 nm. O objetivo principal do projeto era garantir que partículas deste tamanho e acima fossem controladas pela legislação. Sabe-se agora que o tamanho da partícula primária no escapamento do motor pode ser <20 nm⁷^,⁸^,⁹. Por razões práticas, um contador de partículas com 50% de eficiência de contagem (d₅₀) a 23 nm foi selecionado, e esse tamanho tornou-se o limite de tamanho inferior aceito. Reconheceu-se que devido à alta sensibilidade a propriedades como diluição, temperatura do ar, umidade e razão^10,a distribuição do tamanho de partículas voláteis e as medidas integradas de números poderiam ser repetíveis em uma instalação equipada com CVS com um veículo, mas muito menos de instalação para instalação. Assim, para regulamentações rigorosas, foi necessário focar puramente em partículas não volálicas, com a abordagem de medição definindo efetivamente as condições de limite de partículas regulatórias sobre tamanho e volatilidade. O diesel europeu tem volatilidade de back-end de tal forma que apenas alguns por cento ferve a temperaturas acima de 350 °C, e o trabalho inicial dentro do PMP indicou que os curtos tempos de residência nesta temperatura eram adequados para a evaporação completa do tetracontane, um hidrocarboneto linear contendo 40 átomos de carbono com volatilidade no ponto final de ebulição do lubrificante do motor¹¹. Consequentemente, uma temperatura de 350 °C tornou-se o ponto de referência de fato para a volatilidade regulatória >23 nm de partículas.

A especificação do sistema de medição pmp compreende componentes para amostragem, condicionamento amostral e medição, resumidos na Tabela 1.

Palco	Identidade	Propósito
0	Fonte da amostra	Origem da amostra
1	Transporte de partículas	Realizar amostra de origem para sistema de medição
2	Removedor de partículas voláteis	Elimine voláteis e defina partículas não voláteis a serem medidas
3	Contador de números de partículas	Enumerar partículas não voláteis e definir o limite de tamanho mais baixo

Tabela 1: Elementos do Sistema de Medição PMP.

A abordagem europeia PMP PN está sendo implementada e agora se aplica aos veículos diesel e diesel (setembro de 2011, EURO 5b) e GDI (setembro de 2014, EURO 6) e a motores pesados a diesel e gás (fevereiro de 2013, EURO VI).

Medições recentes mostraram que alguns veículos leves e, em particular, tecnologias de ignição por faíscas, podem emitir níveis substanciais de partículas <23 nm¹²^,¹³^,¹⁴. Isso levou a Comissão Europeia a financiar projetos de pesquisa para desenvolver métodos novos ou estendidos que possam ser rapidamente implementados como um substituto, ou adição ao atual regulamento >23 nm.

Um desses projetos, DownToTen (DTT), visa preservar a abordagem geral do PMP e estender a faixa de medição até d₅₀ ≤10 nm. Para isso, a configuração do sistema de medição DTT foi projetada para incluir os mesmos elementos básicos descritos na Tabela 1,mas com as etapas de condicionamento e medição otimizadas para permitir o transporte eficiente e a detecção das partículas <23 nm. O sistema DTT foi inicialmente desenvolvido para uso laboratorial, mas foi modificado para funcionar como um sistema portátil de medição de emissões (PEMS). Para o sistema DTT PN-PEMS, os componentes foram otimizados para reduzir o peso e o consumo de energia e aumentar a robustez física sem divergir substancialmente do projeto original. Para aplicação móvel, o sistema deve ser resistente a temperaturas mais duras e erráticas, pressões e ambientes de vibração provavelmente encontrados em testes pems leves e pesados. O impacto das variações de pressão na entrada do sistema foi modelado e estudado experimentalmente¹⁵. A resistência às vibrações foi avaliada utilizando-se uma cama de teste dedicada¹⁶. As vibrações e acelerações que ocorrem durante as unidades típicas de RDE não prejudicaram os resultados de medição dos contadores de partículas de condensação utilizados. O sistema DTT também é projetado para uso a baixas temperaturas, onde a função de remoção volátil é inativa, para alimentar uma câmara de envelhecimento e estudar a formação de aerossol orgânico secundário¹⁷.

Os elementos de condicionamento térmico do sistema de medição DTT que definem o limite de volatilidade regulatória das partículas paralelamente aos elementos do sistema PMP em que ambos os sistemas contêm a sequência:

Primeiro estágio de diluição do número de partículas
HC/estágio de eliminação volátil
Segundo estágio de diluição do número de partículas

As principais diferenças entre os sistemas DTT e PMP são as de que os componentes do sistema DTT são selecionados para:

Maximizar a transmissão de ~10 nm PN da fonte de amostra para o contador de partículas usando abordagens de diluição de baixa perda e transmissão de partículas
Remova os voláteis usando eliminação de partículas oxidativas em vez de apenas reduzir as pressões parciais de espécies de HC condensadas através da evaporação e diluição
Conte partículas de ~10-50 nm com maior eficiência do que os sistemas PMP atuais

O objetivo deste artigo é apresentar o uso do sistema DTT PN-PEMS para medir partículas não volatilas ≥10 nm de um veículo rodoviário em uso. Isso inclui uma introdução ao sistema de medição e seus principais componentes, realização de medições de calibração baseadas em laboratório, instalação do dispositivo para um aplicativo móvel, condução de uma medição real de emissão de condução e processamento dos dados de medição coletados.

Instrumentação

O DTT PN-PEMS foi projetado para fornecer alta penetração de partículas até alguns nanômetros, diluição robusta do número de partículas, remoção de partículas voláteis e prevenção da formação de partículas artificiais. Os componentes do sistema foram selecionados com base em resultados de experimentos laboratoriais comparando uma variedade de tecnologias para diluição e condicionamento aerossol. Esta seção fornece uma visão geral do sistema, seu princípio de trabalho e os componentes utilizados. A Figura 1 mostra um esquema do sistema. A figura 2 mostra uma foto do sistema. O sistema DTT tem 60 cm de altura e tem uma pegada de 50 cm x 50 cm. O peso do sistema é de aproximadamente 20 kg. Incluindo os elementos periféricos necessários (ou seja, bateria e garrafa de gás) o peso total é de aproximadamente 80 kg. Os principais elementos do sistema são os dois estágios de diluição (ou seja, primeiro quente, segundo frio), uma stripper catalítica e pelo menos um contador de partículas de condensação (CPC).

Figura 1: Desenho esquemático do sistema de medição de emissões portáteis de número de partículas DTT. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Imagem de visão superior do sistema de amostragem DTT. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Dois estágios de diluição reduzem as concentrações do número de partículas a níveis mensuráveis por contadores de partículas de condensação (<10⁴ #/cm³). Dilutadores de tubo porosos feitos sob medida são usados para ambos os estágios de diluição. Esta tecnologia foi selecionada devido à sua baixa perda de partículas¹⁸^,¹⁹. A entrada radial do ar de diluição convectivamente mantém as partículas longe das paredes, o que reduz as perdas de partículas. Além disso, esses dilutores podem ser muito pequenos e podem suportar temperaturas de 400 °C. O material poroso utilizado é um tubo hastalloy X sintered (GKN Filters Metals GmbH, Radevormwald, Alemanha). Elementos de mistura estática dentro do tubo poroso fornecem um aerossol bem misturado diretamente rio abaixo do diludor. Isso permite tirar uma amostra representativa do aerossol diluído para maior condicionamento ou medição, dividindo o fluxo de aerossol diretamente rio abaixo do dilutor, e permite um sistema de amostragem compacto. O estágio de diluição primária é tipicamente aquecido a 350 °C, enquanto o segundo estágio é operado à temperatura ambiente. O fator de diluição do sistema é de aproximadamente 80. O valor exato depende do fluxo de entrada e do gerenciamento do fluxo de massa: As taxas de fluxo no sistema de amostragem são gerenciadas por um sistema de dois controladores de fluxo de massa e dois medidores de fluxo de massa. Os controladores de fluxo de massa controlam as taxas de fluxo de ar de diluição. Os medidores de fluxo de massa monitoram as taxas de vazão extraídas a jusante dos estágios de diluição 1 e 2. As diferenças entre os fluxos extraídos e os fluxos fornecidos podem ser alteradas. Em outras palavras, o fluxo líquido adicionado ou subtraído em um estágio de diluição pode ser definido. A taxa de fluxo amostral,_amostra Q,é definida como a soma de todas as outras taxas de fluxo: 1) Taxa de fluxo puxada pelos instrumentos de medição(Q_inst); 2) as taxas de fluxo de ar de diluição(Q_dil,i); e 3) as taxas de fluxo excedente Q_ex,i. Para o cálculo do fluxo amostral, as contribuições dos fluxos extraídos do sistema são positivas e as contribuições dos fluxos alimentados no sistema são negativas.

A taxa de diluição total DR é calculada por:

Uma stripper catalítica (CS) está situada entre os estágios de diluição 1 e 2 e é operada a 350 °C a uma vazão de 1 litro por minuto (L/min). A stripper catalítica fornece oxidação de compostos orgânicos e armazenamento de enxofre. A remoção dessas substâncias garante o isolamento da fração de partículas sólidas. A formação indesejada de partículas voláteis e semivolatiles e o crescimento de partículas de tamanho subcorte são impedidos. A stripper catalítica usada está comercialmente disponível (AVL GmbH). A eficiência de remoção de partículas voláteis do CS foi verificada com partículas de óleo emery polidisperse >50 nm e >1 mg/m³ (3,5-5,5 mg/m³) mostrando uma eficiência de >99% (valor real 99,9%) conforme definido pelo regulamento RDE²⁰. Este é um teste mais rigoroso do que o teste de tetracontano prescrito no protocolo PMP atual.

Um ou mais contadores de partículas de condensação são usados para medir a concentração do número de partículas a jusante do segundo estágio de diluição. Um CPC com um d₅₀ de 23 nm permite a medição da emissão atualmente regulamentada de partículas sólidas maiores que 23 nm. Além disso, medir a concentração do número de partículas com um ou mais CPCs com um ponto de corte d₅₀ inferior (por exemplo, 10 nm, 4 nm) permite a avaliação da fração de partícula sólida atualmente não regulamentada <23 nm até o tamanho de corte d₅₀ do CPC aplicado.

A linha de fornecimento de ar de diluição, o diluição do tubo poroso primário e a stripper catalítica têm elementos de aquecimento independentes contendo termopares do tipo K (TC). O aquecimento independente de diferentes seções controla a distribuição de temperatura no sistema.

Além dos termopares nos elementos de aquecimento, dois termopares são colocados a jusante dos estágios 1 e 2 de diluição. Estes dois termopares medem diretamente a temperatura do aerossol.

Dois sensores de pressão absoluta (NXP MPX5100AP) são usados para monitorar a pressão na entrada e na saída do sistema de amostragem.

Para medições móveis, uma bateria Clayton Power LPS 1500 é usada. Uma garrafa de ar sintético de 10 L fornece ao sistema ar de diluição durante aplicações móveis. Os tamanhos da bateria e do botijão de gás são escolhidos para que o sistema possa operar independentemente por 100 minutos.

O sistema é controlado através de um NI myRIO executando um instrumento virtual LabVIEW. O instrumento virtual permite o controle das taxas de fluxo e temperaturas dos aquecedores. Além dos parâmetros controlados, as temperaturas do aerossol, pressões e aceleração (através do sensor integrado no myRIO) podem ser monitoradas e registradas. Um módulo GPS de acessório myRIO permite o registro dos dados de posição. As figuras 3 e figura 4 mostram a interface de usuário do instrumento virtual utilizado para controlar o sistema DTT.

Figura 3: Visão geral do parâmetro do parâmetro do estágio de diluição do instrumento virtual DTT. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Painel de controle do aquecedor de instrumentos virtual DTT. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Qualquer tipo de procedimento amostral causa perdas de partículas. Para ser capaz de explicar essas perdas, são realizadas medições laboratoriais para determinar a penetração de partículas dependentes do tamanho das partículas através do sistema de amostragem DTT. Nestas medidas, a concentração de partículas de aerossol monodisperso é medida rio acima e a jusante do sistema amostral usando dois contadores de partículas de condensação. A Figura 5 mostra a configuração experimental para as medidas de calibração. Nesta configuração, um miniCAST Jing é usado como fonte de partículas²¹^,²². Os controladores de fluxo de massa (MFC) são usados para controlar os fluxos de gás no queimador. Uma ponte de diluição permite o ajuste da concentração do número de partículas. A ponte de diluição é um filtro de ar particulado de alta eficiência (HEPA) paralelo a uma válvula de agulha. O ajuste da posição da válvula da agulha altera a relação de diluição alterando a razão entre a fração do aerossol que passa pelo filtro HEPA e a fração do aerossol que passa pela válvula da agulha. Os aerossóis filtrados e não filtrados são recombinados com uma peça T para formar um aerossol diluído. Uma stripper catalítica é usada para remover compostos voláteis possivelmente abundantes gerados como subprodutos do processo de combustão. Um classificador eletrostático TSI 3082 juntamente com um analisador de mobilidade diferencial TSI 3085 (nano DMA) são usados para a seleção de tamanho de partículas. Dois CPCs TSI 3775 (d₅₀ = 4 nm) são usados para medir a concentração do número de partículas rio acima e a jusante do sistema de amostragem DTT. O ponto de corte dos contadores de d₅₀ = 4 nm permite a determinação de penetração em tamanhos de partículas tão baixos quanto 10 nm e abaixo.

Figura 5: Desenho esquemático da configuração experimental utilizada para a calibração do sistema de amostragem DTT. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocol

1. Procedimento de calibração Preparem e preparem instrumentos. Coloque os instrumentos descritos, mostrados na Figura 5,de forma organizada e compacta em laboratório com sistema de extração. Conecte os instrumentos conforme indicado pelas setas na Figura 5 usando tubos condutores. Mantenha a tubulação o mais curta possível para minimizar as perdas de partículas difusionais. Conecte os instrumentos que requerem energia (ou seja, sistema DTT, bomba de sistema DTT, dois CPCs, DMA, catalítico stripper e MFCs) às tomadas. Conecte os CPCs, o sistema DTT e o MFC a um laptop. Certifique-se de que o laptop tenha o software necessário instalado para se comunicar com os dispositivos conectados. Instale o software ausente, se necessário. Aqueça os componentes experimentais pelo menos 30 minutos antes de iniciar as medições de calibração para garantir uma configuração de medição termicamente estável. Inicie o funcionamento do queimador definindo o fluxo de gás controlado pelo MFC externo para a configuração inicial especificada no manual do usuário. Aclam a chama. Alimente a fuligem gerada no sistema de extração. Produza partículas de fuligem com um diâmetro médio de 50 ± 5 nm, definindo os fluxos controlados pelo MFC em conformidade. Uma tabela de configurações e distribuição esperada do tamanho das partículas pode ser encontrada no manual do queimador ou na literatura23. Para as configurações miniCAST na Tabela 2 podem ser usadas: Comece a aquecer a stripper catalítica, definindo o controlador de temperatura correspondente para 350 °C. Ligue os CPCs e ajuste para o modo de baixo fluxo (ou seja, fluxo de entrada de 0,3 L/min). Configure a comunicação dos CPCs com o laptop usando o software ou comunicação serial do fabricante cpcs. Inicie o procedimento de aquecimento do sistema DTT, conforme descrito na seção 3.1. Instale o impactador com um bocal de 0,071 cm na entrada do classificador de acordo com o manual do usuário. Ligue o classificador. O visor no classificador deve mostrar um fluxo impactante de 1,30 ± 0,05 L/min. Se o fluxo mostrado for diferente, verifique duas vezes a tubulação que conecta o classificador com o CPC e o sistema DTT. Defina a taxa de fluxo da baia do classificador para 13 L/min usando a interface do usuário. Se for usada uma fonte de raios-X macia (TSI 3088), ligue o neutralizador do classificador. Gás Vazão Propano 20 mL/min Gás de saciedade (N2) 2 L/min Ar de diluição 5 L/min Ar de oxidação 0,5 L/min Gás de mistura (N2) 0 L/min Tabela 2: Taxas de fluxo miniCAST sugeridas para medições de calibração. Após pelo menos 30 minutos de tempo de aquecimento, realize as medidas de calibração. Pare de alimentar a fuligem gerada no sistema de extração e conecte a saída do queimador à ponte de diluição. Defina o tamanho da partícula selecionado pelo classificador para 10 nm usando a interface do usuário. Usando a válvula da agulha da ponte de diluição, ajuste a concentração do número de partículas a montante do sistema DTT para 104 ± 103 #/cm3. Esta concentração de partículas produz um sinal relativamente alto, permitindo tempos curtos de medição enquanto os CPCs operam no modo de contagem única, o que garante alta precisão. Se a concentração desejada de 104 ± 103 #/cm3 não puder ser alcançada devido a concentrações de partículas extremamente baixas emitidas pelo gerador de fuligem, maximize o throughput através da ponte de diluição abrindo totalmente a válvula. Comece a registrar os dados do sistema DTT (se ainda não tiver sido iniciado) clicando no botão ” Iniciar registrode dados” no software DTT Labview. Comece a registrar os dados dos dois CPCs usando o software proprietário ou comunicação serial. Aguarde 30 s para que a configuração experimental se estabilize. Anote um estamp de tempo e o tamanho da partícula definida para marcar o início da medição. Execute a medição por 2 minutos. Anote um estamp de tempo para marcar o final da medição. Repetir passos 1.3.3-1.3.9 para tamanhos de partículas de 15 nm, 30 nm, 50 nm e 100 nm. Medidas adicionais podem ser tomadas se for desejada uma melhor resolução de tamanho. Realize outro conjunto de medições nos mesmos tamanhos de partículas de antes, repetindo as etapas 1.3.2-1.3.10. Pare de registrar os dados de medição dos dois CPCs e do sistema DTT. Desligue todos os instrumentos. Avalie os dados de calibração coletados com um programa de planilha. Exporte os dados de concentração de partículas medidos pelos CPCs em um arquivo .csv ou .txt. Importe os dados do CPC e do sistema DTT em uma ferramenta de avaliação de dados. Atribua os dados às medições correspondentes, alocando dados de cada instrumento (ou seja, 2 CPCs, sistema DTT) com um data-hora entre o horário inicial e o ponto de tempo final de uma medição à medição correspondente. Recomenda-se automatizar essa tarefa com uma ferramenta de avaliação de dados. Média de tempo os dois conjuntos de dados de concentração de partículas (CPCs) e a razão de diluição (sistema DTT) para todos os pontos de medição. Calcule a penetração relativa de partículas para todos os pontos de medição de acordo com a seguinte fórmula:Onde Pn é a penetração relativa de partículas em um determinado ponto de medição n. é a concentração de partículas medida pelo CPC a jusante do sistema DTT mediado ao longo do tempo do ponto de medição n. é a concentração de partículas correspondente medida pelo CPC upstream do sistema DTT mediado ao longo do tempo do ponto de medição n. é a razão de diluição do sistema DTT, mediada ao longo do tempo do ponto de medição n. Calcule a penetração média de partículas Pmédia por uma média acima das penetrações médias de partículas em 30 nm, 50 nm e 100 nm tamanho de partícula.Este valor é utilizado para o cálculo do Fator de Redução da Concentração de Partículas (PCRF) dividindo a razão de diluição DR com amédiade eficiência de penetração P.O PCRF é calculado a partir da penetração em 30 nm, 50 nm e 100 nm para ser comparável com instrumentos compatíveis com PMP e comercialmente disponíveis. As medidas em tamanhos diferentes de 30 nm, 50 nm e 100 nm são usadas para determinar o tamanho de corte d50 do sistema para caracterizar melhor o sistema fora do quadro regulatório. 2. Instalação e preparação para medições reais de emissões de condução Selecione um veículo para avaliar as emissões de números de partículas para partículas <23 nm. Selecione uma rota para medir as emissões numéculas de partículas do veículo selecionado. Há guias sobre como selecionar rotas apropriadas na literatura24. Instalação do medidor de fluxo de escape (EFM) Escolha um EFM com uma faixa de medição que corresponda à faixa de fluxo de escape esperada do veículo a ser medida24. Coloque a caixa de controle EFM no porta-malas do veículo. Instale o EFM fora do carro, de acordo com a folha de especificações do fabricante. A Figura 6 mostra um exemplo de um EFM instalado, montado externamente em tubos em forma que levam ao tronco. Certifique-se de que a distância rio acima e a jusante do EFM esteja em conformidade com as regulamentações da UE (ou seja, 4x o diâmetro do tubo ou o tubo reto de 150 mm, o que for maior, deve ser rio acima e rio abaixo do sensor de fluxo). Ao medir veículos com múltiplos coletores de escape, os tubos de escape individuais devem ser unidos em frente ao EFM e a área transversal deste tubo aumentou de acordo para manter o aumento da pressão traseira do escapamento o mais baixo possível. Se isso não for possível, o fluxo de massa de escape pode ser medido com vários EFMs. Certifique-se de que os conectores do tubo EFM até o tubo de escape do veículo podem suportar as temperaturas do gás de escape (ou seja, nenhum plástico deve ser usado). O diâmetro da tubulação, o diâmetro do conector e o diâmetro de quaisquer extensões necessárias para a amostragem não devem ser menores do que o diâmetro do tubo de escape para manter a pressão traseira do escapamento o mais baixa possível. Inicie a tubulação no escapamento do veículo. Conecte o escapamento ao primeiro tubo com tubos de conexão e grampos de tubulação. Aperte os grampos do tubo apenas no final para poder alinhar os tubos durante a montagem. Conecte um tubo de cada vez com tubos de conexão e grampos de tubulação até que haja uma conexão do escapamento ao EFM. Isso deve ser o mais curto possível. Coloque a caixa de controle EFM e o suporte de montagem EFM no porta-malas para garantir que nada deslize durante a viagem de medição. Verifique se toda a tubulação está apertada e nada se solta durante a viagem de medição. Ligue o EFM. Após um tempo de aquecimento de até 15 minutos, dependendo da temperatura ambiente (ver guia do usuário EFM), o medidor de fluxo de massa de escape está pronto para medir25,26,,27,28. Figura 6: Imagem de um EFM instalado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Preparando e instalando o sistema de medição DTT no porta-malas do veículoNOTA: As medições descritas aqui são conduzidas com dois contadores de partículas de condensação como dispositivos de contagem para o sistema DTT. Um dos CPCs (TSI 3790A) tem um tamanho de corte inferior a50 nm, o que equivale ao limite legislativo atual. O outro CPC (comercialmente disponível 10 nm AVL CPC) tem um corte menor d50 de 10 nm. A medição das emissões de partículas com esses dois instrumentos em paralelo permite a avaliação das emissões atualmente regulamentadas (>23 nm) e da fração <23 nm. Pegue um laptop e instale o software DTT e o software para registrar os dados de medição do CPC. Coloque a garrafa de ar sintético no porta-malas ou no chão em frente aos bancos traseiros e fixe-a usando alças. Coloque a bateria no porta-malas do veículo e conserte-a. Conecte o cabo de entrada CA e conecte-o a uma fonte de energia local. Coloque e fixe as bombas de vácuo para o sistema de amostragem e os contadores de partículas de condensação no porta-malas do veículo e conecte-as à bateria. Coloque o sistema DTT no porta-malas do veículo e fixe sua posição usando correias. As figuras 7 e 8 mostram o sistema DTT no porta-malas de um carro. Conecte o sistema à bateria móvel. Conecte os dois MFCs de entrada do sistema DTT a uma fonte de ar pressurizada estacionária. Conecte os dois MFMs de saída do sistema DTT à bomba de vácuo. Use tubos apropriados para conduzir o escapamento da bomba fora do veículo. Conecte o sistema DTT ao laptop de medição usando um cabo USB. Conecte a entrada do sistema ao ponto de amostragem a jusante do EFM. Conecte a entrada de alimentação do sistema à bateria. Conecte as entradas de alimentação dos contadores de partículas de condensação à bateria. Conecte os CPCs à respectiva bomba de vácuo externa. Monte as garrafas butanol dos CPCs firmemente na estrutura do sistema de diluição o mais longe possível dos ocupantes do veículo. Certifique-se de que a tampa está aparafusada e não abra durante a unidade de medição ao acelerar. Use tubos apropriados para conduzir o escapamento dos CPCs e/ou da bomba externa fora do veículo. Conecte os CPCs ao laptop de medição usando cabos USB.NOTA: A Figura 9 mostra o veículo preparado. O sistema DTT está instalado no porta-malas do veículo. Um sistema PN-PEMS comercialmente disponível também é instalado para ser usado como referência para a emissão regulada de partículas sólidas >23 nm. Figura 7: DTT PEMS de dentro do veículo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 8: PEMS DTT dentro do porta-malas de um veículo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 9: Veículo com PN-PEMS (AVL MOVE) e DTT PEMS instalados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 3. Operação de medição Aquecimento e partida do sistema de medição Ligue os dois CPCs e seu suprimento de vácuo externo. Abra o software CPCs no laptop de medição e estabeleça comunicação com os CPCs. A comunicação pode ser executada através do software proprietário do instrumento ou via comunicação serial, conforme descrito no manual do CPC. Feche as válvulas de agulha rio abaixo dos MFMs. Ligue a bomba do sistema de amostragem DTT. Ligue o sistema de amostragem empurrando o interruptor vermelho para baixo. Abra o aplicativo LabVIEW DTT no computador. A comunicação com o sistema começa automaticamente. A interface gráfica do usuário (GUI) do aplicativo DTT LabVIEW agora exibe os fluxos de dentro e para fora nas etapas de diluição 1 e 2, que devem ser de 0,00 L/min. Se não, verifique se as válvulas da agulha estão fechadas corretamente. Digite o fluxo de massa desenhado pelos instrumentos de medição conectados em sL/min. Se o fluxo desenhado pelos instrumentos for desconhecido, meça-o usando um medidor de fluxo de massa portátil (por exemplo, série compacta vögtlin vermelha-y). Reconecte a tubulação após medir os fluxos desenhados pelos CPCs. Abra lentamente as válvulas da agulha até que ambos os “Fluam para fora” atinjam 10,0 ± 0,5 sL/min. Ambos os “Fluxos dentro” aumentarão para os mesmos valores que o correspondente “Flui para fora”. Ajuste o “Fluxo de Ação” (ou seja, diferença entre o fluxo de ar de diluição e o fluxo excessivo) de ambos os estágios de diluição para obter QCS = 1,0 ± 0,1 L/min através da stripper catalítica e um fluxo de entrada amostra deQ amostra = 1,0 ± 0,1 L/min. Clique na guia “Aquecedor” para definir as temperaturas do aquecedor. Coloque as temperaturas do aquecedor da fonte de ar de diluição, o primeiro diluente poroso tubo, e a stripper catalítica a 350 °C. O sistema agora começará a aquecer. Abaixo das interfaces “Set” as porcentagens de temperatura e energia de aquecimento são exibidas. Aguarde até que a temperatura do gás no estágio de diluição a jusante 1 (“T DilStage 1” na GUI) atinja 290 °C antes de iniciar a unidade de medição. Isso vai levar aproximadamente 20 minutos. Registro de dados Comece a registrar os dados nos dispositivos de medição conectados ao sistema de amostragem DTT. Comece a registrar os dados do sistema de amostragem pressionando o botão “Iniciar registro de dados” e escolha um caminho e um nome de arquivo na janela pop-up. O caminho do arquivo de registro será exibido e a luz verde indicará que os dados são salvos. Os dados do sistema são registrados em uma frequência de 2 Hz. Registre os dados de concentração de partículas do CPC usando software apropriado. Este pode ser do fabricante ou de um software de comunicação serial (por exemplo, PuTTY). Comece a registrar o fluxo de escape com o EFM. Condução Antes de conduzir a rota selecionada, desconecte o cabo de carregamento da bateria e mude do fornecimento de ar pressurizado estacionário para o botijão de gás. Dirija a rota selecionada. Depois de dirigir Pressione “Logging …” para parar de gravar dados. Desligue os instrumentos. Recarregue a bateria para se preparar para a próxima unidade. 4. Análise de dados Importar os dados do sistema amostral, do EFM (para fluxo de escape) e dos dispositivos de medição para o mesmo programa de análise de dados. Realize o alinhamento de tempo considerando o tempo que o escapamento precisa ser transportado do escapamento para os dispositivos de medição. O tempo de transporte tdil através do sistema de diluição é de 2,5 s. Aamostra tdo tempo de transporte através da linha de amostragem pode ser calculada da seguinte forma:Quando aamostra t é o tempo de transporte através da linha amostral em segundos, tdil é o tempo de transporte através do sistema de diluição (2,5 s), umaamostra é a área de seção transversal da linha amostral em m2, lamostra é o comprimento da linha amostral do ponto amostral para a entrada do sistema de diluição em metros, e Q0amostra é o fluxo amostra do sistema de diluição DTT em m3/s. Adicione tamostra ao tdil para obter o tempo total de atraso ttotal:NOTA: Como exemplo, ttotal para um comprimento de tubulação de 0,5 m com diâmetro de tubulação interna de 4 mm e fluxo amostral de 1 L/min é igual a 2,88 s. A Figura 10 mostra um exemplo do alinhamento temporal do número de partículas medido (linha pontilhada azul) ao número de partícula deslocada do tempo (linha azul). Figura 10: Exemplo de alinhamento temporal do número de partículas medidas PN em #/cm3 em comparação com o fluxo de massa de escape medido em kg/h. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Para ser capaz de calcular o número de partículas em PN #/s, o fluxo de volume do gás de escape Vexhaust_norm em cm3/s deve ser calculado primeiro de acordo com a seguinte fórmula:onde V0exhaust_norm é o fluxo de volume padrão de escape em m3/s, ṁescape é o fluxo de massa de escape medido em kg/s, R é a constante de gás ideal para o ar (287,1 J/kg*K),norma Té a temperatura em condições padrão (273,15 K), e pnorma é a pressão em condições padrão (101.330 Pa). Com este fluxo de volume de escape em condições padrão, o número de partículas pode ser calculado multiplicando-se oexhaust_norm V0com a razão de diluição DR do sistema amostral, a concentração cPN medida pelos CPCs e o fator 106 (para a conversão de m3 para cm3). Para corrigir as perdas de partículas, multiplique o fluxo de escape de partículas vezes a taxa de concentração do número de partículas com o fator de redução de concentração de partículas do sistema(PCRF)em vez da razão de diluição DR. A determinação do PCRF está descrita na seção de instrução de calibração 1:

Representative Results

Dados de calibração (penetração de partículas): A Figura 11 mostra um enredo exemplar da penetração relativa de partículas do sistema DTT em função do diâmetro da mobilidade das partículas. Os dados correspondentes foram medidos e avaliados conforme descrito na seção de instrução 1. O enredo mostra que os desvios entre dois pontos de medição no mesmo diâmetro de mobilidade foram inferiores a 5%. Desvios maiores que 10% indicam instabilidades na configuração experimental. Neste caso, a calibração teve que ser repetida com o aumento dos tempos de estabilização do aquecimento. Tanto o tempo de aquecimento (tipicamente 30 min) quanto o tempo de estabilização (tipicamente 30 s) aumentaram em um fator de 1,5. As partículas que passavam pelo sistema DTT foram perdidas devido à difusão e à termoforese. As perdas termoforéticas foram causadas por um gradiente de temperatura desenhando partículas em direção às paredes do sistema de amostragem. Este é um efeito independente de tamanho de partícula29; em contraste, a difusão é altamente dependente do tamanho das partículas. Um gradiente de concentração causou um fluxo de partículas líquidas em direção às paredes onde as partículas foram perdidas. A difusividade subindo com menor tamanho de partícula fez deste o mecanismo de perda dominante para partículas ≤ 10 nm. As linhas da Figura 11 que indicam perdas termoforal, difusional e total demonstram as respectivas dependências de tamanho de partículas. Para as perdas difusionais, esta função foi usada para ilustrar a dependência aproximada do tamanho das partículas: A penetração P depende de um parâmetro de ajuste a e do coeficiente de difusão D: O coeficiente de difusão depende da constante boltzmann k, a temperatura absoluta T, a viscosidade η,o diâmetro da partícula dp, e o fator de correção de deslizamento de Cunningham Cc, que é uma função do caminho livre médio e do diâmetro da partícula29. Os dados ilustrados na Figura 11 resultaram na seguinte eficiência média de penetração de partículas Pmédia: O tamanho das partículas onde a eficiência de penetração é de 50% é referido como d50. O d50 descreve a característica de corte de penetração de um sistema. Para o sistema DTT o d50 era de 11 nm. O d50 é mostrado na Figura 11. Figura 11: Penetração de partículas em função do diâmetro da mobilidade de partículas.Pontos marcados em azul são resultados de medição. As linhas tracejadas em laranja e verde indicam as perdas associadas à termoforese e difusão, respectivamente. A linha vermelha representa as perdas totais como a soma das perdas difusionais e termoforéticas. A linha roxa pontuada mostra a penetração média de partículas Pmean como calculado na instrução de medição de calibração seção 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Número de partículassólidas: A Figura 12 mostra a taxa de emissão de número de partículas ao longo do tempo durante os primeiros dez minutos de uma unidade de medição RDE. Os dados do PEMS DTT usando um CPC de 10 nm e 23 nm são mostrados juntamente com dados de um sistema de ponto de corte de 23 nm disponível comercialmente. As taxas de emissão de partículas foram calculadas a partir das respectivas concentrações de partículas multiplicadas pela taxa de fluxo de escape, conforme descrito acima na instrução de análise de dados seção 4. O instrumento de referência (AVL MOVE) contava com um carregador de difusão para a medição da concentração do número de partículas. Apesar dos diferentes princípios dos sensores, os dados medidos com o PEMS DTT foram em geral muito bons acordos com os dados medidos pelo PEMS comercialmente disponível. Os picos acentuados para baixo nos três sinais ocorreram porque os dispositivos de medição de partículas podem relatar zero concentrações de partículas temporariamente e zeros não podem ser exibidos em parcelas logarítmicas. As emissões de partículas medidas com o CPC de 10 nm foram muito próximas das emissões medidas com o CPC de 23 nm durante a maior parte do período de tempo mostrado na Figura 12. No entanto, logo no início entre 10 e 25 s houve uma ocorrência de emissão significativa de partículas 50% do número total de partículas emitidas estavam entre 10 nm e 23 nm. Processos dinâmicos de início frio em equilíbrio não térmico podem fazer com que as distribuições de tamanho de partículas diferam das emissões de um veículo quente30. A discussão desses processos complexos está além do escopo deste trabalho. Mais informações sobre o tema podem ser encontradas na literatura31,32,33. Figura 12: A parte superior da figura mostra a taxa de emissão de número de partículas ao longo do tempo para os primeiros 10 minutos de uma unidade de medição de RDE.Os dados medidos com o DTT PEMS utilizando CPC de 10 nm e 23 nm e um sistema de ponto de corte de 23 nm comercialmente disponível (AVL MOVE) são usados como referência. A parte inferior da figura mostra a velocidade do veículo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Este trabalho apresenta o sistema de amostragem DTT e sua aplicação como um sistema portátil de medição de emissões. O sistema foi projetado e construído dentro do projeto DTT do Eu Horizon 2020 para permitir medições de emissão de números de partículas abaixo do limite atual de tamanho de partículas legislativas de 23 nm. A versatilidade do sistema permite a avaliação das emissões de números de partículas sólidas reguladas, bem como emissões totais de partículas e estudos sobre aerossóis secundários. Para interpretar os resultados da medição com precisão, é necessário um procedimento de calibração com o sistema DTT. Isto é para avaliar a penetração relativa de partículas para diferentes tamanhos de partículas, para ser capaz de calcular um fator de correção que contabiliza as perdas de partículas. É fundamental fornecer tempo de aquecimento suficiente para o próprio sistema de amostragem e o resto da configuração experimental para alcançar o equilíbrio térmico e alcançar resultados precisos de medição de calibração.

Descreve-se a aplicação do sistema DTT para a medição de emissões de números de partículas sólidas com um corte de tamanho de partícula menor de 23 nm (regulação atual) e 10 nm (experimental). Para ser capaz de avaliar as emissões numéculas de partículas de um veículo é necessário determinar a concentração do número de partículas e a taxa de fluxo de massa de escape. O sistema DTT cobre a medição da concentração do número de partículas. O fluxo de massa de escape é medido usando um medidor de fluxo de escape (EFM). É fundamental instalar o EFM de acordo com as instruções do fabricante. Medições errôneas da taxa de fluxo de escape afetam diretamente as taxas de emissão deduzidas. Ao processar os dados medidos, é importante realizar um alinhamento de tempo preciso dos dados de concentração de partículas e dos dados de fluxo de escape. Isso é necessário porque a taxa de emissão é a taxa de fluxo de escape multiplicada pela concentração do número de partículas. Se os dois sinais não estiverem alinhados corretamente, as emissões ao longo de toda a unidade podem desviar-se significativamente das emissões reais.

O sistema DTT não é um dispositivo comercial, mas uma ferramenta de pesquisa versátil. É usado para investigar emissões de veículos não regulamentadas em vez de realizar medições de certificação que validem o cumprimento das normas vigentes. A alta versatilidade vem ao custo do aumento do consumo de energia e diluição do ar. Ao utilizar o sistema para medições móveis, o peso adicionado ao veículo devido à bateria (30 kg) e ao botijão de gás (20 kg) para cobrir o consumo de energia e ar do sistema deve ser mantido em mente. O peso total adicionado ao carro ao medir as emissões PN com o sistema DTT é de aproximadamente 80 kg, o que é comparável a outra pessoa que está sendo transportada no veículo. O peso adicional pode levar a um pouco maior de emissões, especialmente se a unidade incluir uma grande quantidade de aceleração e/ou colinas.

O sistema DTT pode ser usado para investigar as emissões de escape de número de partículas não regulamentadas <23 nm. As emissões sólidas e totais de número de partículas podem ser medidas. Além disso, pode ser uma ferramenta útil para estudar o complexo campo da formação de aerossóis secundários. Outra possível aplicação do sistema é a medição de partículas de desgaste do freio automotivo. Uma fração significativa das partículas emitidas durante eventos de frenagem pode ser menor que 30 nm³⁴. Com um d₅₀ de aproximadamente 11 nm, o sistema DTT é adequado para estudar essas emissões. Embora se saiba que as emissões não exaustivas contribuem quase igualmente para as emissões de PM₁₀ relacionadas ao tráfego³⁵, as emissões de partículas não exaustivas ainda não são regulamentadas. Isso se deve ao complexo e raramente reproduzível processo de geração de partículas, dificultando muito a fixação de ações regulatórias. Além disso, a composição química e a toxicidade relacionada das partículas orgânicas de desgaste do freio ainda são amplamente^{desconhecidas 35}.

O sistema DTT é uma ferramenta útil para melhorar nossa compreensão das emissões de partículas relacionadas ao tráfego de exaustão e não exaustivas.

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho é realizado no âmbito do projeto H2020 DownToTen. Este projeto recebeu financiamento do programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia sob o acordo de subvenção N. 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

Referências

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Citar este artigo

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).