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.

Engineering

Het meten van sub-23 nanometer real driving particle number emissies met behulp van de Portable DownToTen Sampling System

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

Hier wordt het DownToTen (DTT) draagbare emissiemeetsysteem gepresenteerd om de werkelijke uitstoot van deeltjes van sub-23 nm te beoordelen.

Abstract

De huidige deeltjesgroottedrempel van de Europese emissienormen (PN) is 23 nm. Deze drempel kan veranderen omdat toekomstige technologie voor verbrandingsmotoren grote hoeveelheden sub-23 nm-deeltjes kunnen uitstoten. Het door Horizon 2020 gefinancierde project DownToTen (DTT) ontwikkelde een bemonsterings- en meetmethode om deeltjesemissies te karakteriseren in dit momenteel niet-gereglementeerde groottebereik. Een PN-meetsysteem werd ontwikkeld op basis van een uitgebreide evaluatie van de literatuur- en laboratoriumexperimenten die een verscheidenheid aan PN-meet- en bemonsteringsbenaderingen testen. Het ontwikkelde meetsysteem wordt gekenmerkt door een hoge deeltjespenetratie en veelzijdigheid, waardoor primaire deeltjes, vertraagde primaire deeltjes en secundaire aerosolen kunnen worden beoordeeld, uitgaande van een paar nanometer in diameter. Deze paper geeft instructies over het installeren en bedienen van dit Portable Emission Measurement System (PEMS) voor Real Drive Emissions (RDE) metingen en beoordeelt de uitstoot van deeltjesaantallen onder de huidige wettelijke limiet van 23 nm.

Introduction

Het Particle Measurement Programme (PMP) is opgericht door de Britse regering voor de “ontwikkeling van typegoedkeuringstestprotocollen voor de beoordeling van voertuigen die zijn uitgerust met geavanceerde deeltjesreductietechnologie die de huidige wetgevingsmeetprocedures zou aanvullen of vervangen”¹. De PMP is ‘s werelds eerste op deeltjes nummer gebaseerde emissieregulatie, specifiek gericht op koolstofachtige deeltjes ≥23 nm. Recente metingen geven aan dat het nodig kan zijn om kleinere deeltjes op te nemen.

Negatieve gezondheidseffecten van dieseloet zijn goed begrepen², en daarom werd het “voorzorgsbeginsel” ingeroepen op grond van het feit dat de eliminatie van koolstofdeeltjes uit dieseluitlaat, via het verplichte gebruik van roetfilters (DOF’s), om gezondheidsredenen noodzakelijk was. Omdat in de Europese wetgeving echter een grenswaarde de invoering van emissiebeheersingstechnologieën moet afdwingen, zou dit niet kunnen worden bereikt zonder een geschikte meetmethode. Met sterke politieke steun in heel Europa, de Britse regering leidde de conceptie van de PMP om deeltjesmetingen te verbeteren. De PMP, onder auspiciën van de Economische Commissie voor Europa van de Verenigde Naties (UN-ECE)^3,omvatte de expertise van anderen uit de hele wereld. In 2001 zijn twee deeltjesonderzoeksprojecten afgerond. Een daarvan (Particulate Research⁴⁾werd uitgevoerd door het Britse ministerie van Milieu, Vervoer en DeRegio’s (DETR), in samenwerking met de Society of Motor Manufacturers and Traders (SMMT) en de Europese Organisatie voor Milieu, Gezondheid en Veiligheid (CONCAWE) van de Oliemaatschappijen. De andere (PARTICULATES⁵⁾werd gefinancierd door het^5e kader van de Europese Unie en werd uitgevoerd door 14 verschillende Europese partners. Uit de resultaten van beide projecten bleek dat de procedures op basis van deeltjesaantalen veelbelovend waren, maar dat de uitdagingen voor herhaalbare en reproduceerbare metingen bleven bestaan.

In 2007 werd het eindrapport van de PMP Light-duty Inter-laboratory Correlation Exercise gepubliceerd⁶, waaronder enkele verbeteringen op basis van de filtergebaseerde massameetmethode, waarbij in de eerste plaats de haalbaarheid van een op aantal tellingen gebaseerde methode voor regelgevende doeleinden aantoont op basis van een gedefinieerd deeltjesgroottebereik en deeltjesvolatiliteit. Beide methoden werden toegepast op basis van bemonstering van de bestaande benadering van de constant volume sampler (CVS) verdunningstunnel die oorspronkelijk werd ontwikkeld voor deeltjesmassa en inzakkende verdunde gasvormige emissiemetingen.

Binnen de methode op basis van aantaltellingen werd een lagere deeltjesgroottelimiet van ~20 nm geselecteerd. Het primaire doel van het project was ervoor te zorgen dat deeltjes van deze omvang en hoger door wetgeving werden gecontroleerd. Het is nu bekend dat de primaire deeltjesgrootte in de uitlaat van de motor kan <20 nm⁷^,⁸^,⁹. Om praktische redenen werd een deeltjesteller met een telefficiëntie van 50% (d₅₀₎bij 23 nm geselecteerd, en deze grootte werd de geaccepteerde lagere groottedrempel. Erkend werd dat vanwege de hoge gevoeligheid voor eigenschappen zoals verdunning, luchttemperatuur, vochtigheid en verhouding^10,vluchtige deeltjesgrootteverdeling en geïntegreerde getalmetingen herhaalbaar konden zijn in één met CVS uitgeruste faciliteit met één voertuig, maar veel minder van faciliteit tot faciliteit. Voor strenge regelgeving was het dus noodzakelijk om zich uitsluitend te richten op niet-vluchtige deeltjes, waarbij de meetbenadering de grensvoorwaarden voor zwevende deeltjes effectief definieerde op grootte en volatiliteit. Europese diesel heeft back-end volatiliteit zodanig dat slechts een paar procent kookt bij temperaturen boven de 350 °C, en vroeg werk binnen de PMP aangegeven dat korte verblijfstijden bij deze temperatuur geschikt waren voor de volledige verdamping van tetracontane, een lineaire koolwaterstof met 40 koolstofatomen met volatiliteit tegen het einde kookpunt van motorsmeermiddel¹¹. Bijgevolg is een temperatuur van 350 °C het de facto referentiepunt geworden voor de regelgeving >23 nm deeltjesvolatiliteit.

De PMP-meetsysteemspecificatie omvat componenten voor bemonstering, monsterconditionering en meting, samengevat in tabel 1.

Fase	Identiteit	Purpose
0	Voorbeeldbron	Oorsprong van de steekproef
1	Deeltjestransport	Monster uitvoeren van oorsprong tot meetsysteem
2	Vluchtige deeltjesverwijderaar	Elimineer vluchtige stoffen en definieer niet-vluchtige deeltjes die moeten worden gemeten
3	Particle Number Counter	Opsommen niet-vluchtige deeltjes en de lagere grootte limiet te definiëren

Tabel 1: Elementen van het PMP-meetsysteem.

De Europese PMP PN-aanpak wordt uitgevoerd en is nu van toepassing op lichte diesel (september 2011, EURO 5b) en GDI-voertuigen (september 2014, EURO 6) en voor diesel- en gasmotoren (februari 2013, EURO VI).

Recente metingen toonden aan dat sommige lichte voertuigen en met name technologieën voor vonkontsteking aanzienlijke deeltjesniveaus kunnen uitstoten <23 nm¹²^,¹³^,¹⁴. Dit leidde ertoe dat de Europese Commissie onderzoeksprojecten financierde om nieuwe of uitgebreide methoden te ontwikkelen die snel kunnen worden geïmplementeerd als vervanging of aanvulling op de huidige >23 nm-verordening.

Een van deze projecten, DownToTen (DTT), heeft tot doel de algemene aanpak van PMP te behouden en het meetbereik uit te breiden tot een d₅₀ ≤10 nm. Hiertoe is de configuratie van het DTT-meetsysteem ontworpen om dezelfde basiselementen op te nemen die in tabel 1zijn beschreven, maar met de conditionerings- en meetstappen geoptimaliseerd om efficiënt transport en detectie van de <23 nm-deeltjes mogelijk te maken. Het DTT-systeem werd in eerste instantie ontwikkeld voor laboratoriumgebruik, maar werd aangepast om te werken als een draagbaar emissiemeetsysteem (PEMS). Voor het DTT PN-PEMS-systeem werden de componenten geoptimaliseerd om het gewicht en het energieverbruik te verminderen en de fysieke robuustheid te verhogen zonder wezenlijk af te wijken van het oorspronkelijke ontwerp. Voor mobiele toepassingen moet het systeem bestand zijn tegen zwaardere en grillige temperaturen, druk- en trillingsomgevingen die waarschijnlijk worden aangetroffen bij lichte en zware PEMS-tests. De impact van drukvariaties bij de inlaat van het systeem werd experimenteel gemodelleerd en bestudeerd¹⁵. De weerstand tegen trillingen werd beoordeeld aan de hand van een speciaal testbed¹⁶. Trillingen en versnellingen die optreden tijdens typische RDE-aandrijvingen hebben de meetresultaten van de gebruikte condensatiedeeltjestellers niet aangetast. Het DTT-systeem is ook ontworpen voor gebruik bij lage temperaturen, waarbij de vluchtige verwijderingsfunctie inactief is, om een verouderende kamer te voeden en secundaire organische aerosolvorming te bestuderen¹⁷.

De thermische conditioneringselementen van het DTT-meetsysteem die de grens van de regelvolatiliteit van deeltjes definiëren, lopen nauw parallel met de elementen van het PMP-systeem, omdat beide systemen de volgorde bevatten:

Eerste deeltjesgetal verdunningsfase
HC/vluchtige eliminatiefase
Tweede deeltjesgetal verdunningsfase

De belangrijkste verschillen tussen de DTT- en PMP-systemen zijn dat de DTT-systeemcomponenten worden geselecteerd om:

Maximaliseer de overdracht van ~10 nm PN van de monsterbron naar de deeltjesteller met behulp van lage verliesverdunning en deeltjestransmissiebenaderingen
Verwijder vluchtige vluchtige stoffen met behulp van oxidatieve deeltjeseliminatie in plaats van alleen de gedeeltelijke druk van condensabele HC-soorten te verminderen door verdamping en verdunning
Tel deeltjes van ~10-50 nm met een grotere efficiëntie dan de huidige PMP-systemen

Het doel van dit document is het gebruik van het DTT PN-PEMS-systeem voor het meten van niet-vluchtige deeltjes ≥10 nm van een in gebruik zijnd wegvoertuig. Dit omvat een inleiding tot het meetsysteem en de belangrijkste componenten, het uitvoeren van laboratoriumgebaseerde kalibratiemetingen, het installeren van het apparaat voor een mobiele toepassing, het uitvoeren van een echte rijemissiemeting en het verwerken van de verzamelde meetgegevens.

Instrumentation

De DTT PN-PEMS is ontworpen om een hoge deeltjespenetratie te bieden tot een paar nanometer, robuuste deeltjesaantalverdunning, verwijdering van vluchtige deeltjes en preventie van kunstmatige deeltjesvorming. De componenten van het systeem werden geselecteerd op basis van resultaten van laboratoriumexperimenten waarbij een verscheidenheid aan technologieën voor verdunning en aerosolconditionering werden vergeleken. Deze sectie geeft een overzicht van het systeem, het werkingsprincipe en de gebruikte componenten. Figuur 1 toont een schema van het systeem. Figuur 2 toont een foto van het systeem. Het DTT-systeem is 60 cm hoog en heeft een voetafdruk van 50 cm x 50 cm. Het gewicht van het systeem is ongeveer 20 kg. Inclusief de vereiste randelementen (d.w.z. batterij en gasfles) bedraagt het totale gewicht ongeveer 80 kg. De belangrijkste elementen van het systeem zijn de twee verdunningsstadia (d.w.z. eerste hete, tweede koude), een katalytische stripper en ten minste één condensatiedeeltjesteller (CPC).

Figuur 1: Schematische tekening van het draagbare emissiemeetsysteem DTT-deeltjesnummer. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 2: Bovenste weergavefoto van het DTT-bemonsteringssysteem. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Twee verdunningsstadia reduceren de concentraties van het deeltjesaantal tot niveaus meetbaar door condensatiedeeltjestellers (<10⁴ #/cm³). Voor beide verdunningsstadia worden op maat gemaakte poreuze buisverdunningsmiddelen gebruikt. Deze technologie werd geselecteerd vanwege het lage deeltjesverlies¹⁸^,¹⁹. Het radiale binnendringen van verdunningslucht houdt deeltjes op een convectieve wijze weg van de wanden, wat deeltjesverliezen vermindert. Bovendien kunnen deze verdunningsmiddelen zeer klein zijn en bestand zijn tegen temperaturen van 400 °C. Het gebruikte poreuze materiaal is een gesinterde hastalloy X buis (GKN Filters Metals GmbH, Radevormwald, Duitsland). Statische mengelementen in de poreuze buis zorgen voor een goed gemengde aerosol direct stroomafwaarts van de verdunningsmachine. Dit maakt het nemen van een representatief monster van de verdunde aerosol voor verdere conditionering of meting mogelijk door de aërosolstroom direct stroomafwaarts van de verdunning te splitsen, en maakt een compact bemonsteringssysteem mogelijk. Het primaire verdunningsstadium wordt meestal verwarmd tot 350 °C, terwijl de tweede fase wordt bediend bij omgevingstemperatuur. De verdunningsfactor van het systeem is ongeveer 80. De exacte waarde is afhankelijk van de inlaatstroom en het massastroombeheer: De stroomsnelheden in het bemonsteringssysteem worden beheerd door een systeem van twee massastroomcontrollers en twee massastroommeters. De massastroomregelaars regelen de verdunningsluchtstroomsnelheden. De massastroommeters monitoren de stroomsnelheden die stroomafwaarts van verdunningsfasen 1 en 2 worden geëxtraheerd. De verschillen tussen de geëxtraheerde stromen en de geleverde stromen kunnen worden gewijzigd. Met andere woorden, de nettostroom die in één verdunningsfase wordt toegevoegd of afgetrokken, kan worden gedefinieerd. De steekproefstroomsnelheid,_Q-monster, wordt gedefinieerd als de som van alle andere debieten: 1) De stroomsnelheid die door de meetinstrumenten wordt getrokken ( QQ_inst); 2) de verdunningsluchtstroomsnelheden (Q_dil,i); en 3) de overtollige stroomsnelheden Q_ex,i. Voor de berekening van de steekproefstroom zijn de bijdragen van de uit het systeem gewonnen stromen positief en zijn de bijdragen van de stromen die in het systeem worden ingevoerd negatief.

De totale verdunningsverhouding DR wordt berekend door:

Een katalysator (CS) bevindt zich tussen verdunningsstadium 1 en 2 en wordt uitgevoerd bij 350 °C bij een doorstroomsnelheid van 1 liter per minuut (L/min). De katalysator zorgt voor oxidatie van organische verbindingen en zwavelopslag. Het verwijderen van deze stoffen zorgt voor de isolatie van de vaste deeltjesfractie. De ongewenste vorming van vluchtige en semivolatile deeltjes en de groei van subcut grootte deeltjes wordt voorkomen. De gebruikte katalysator is commercieel verkrijgbaar (AVL GmbH). De vluchtige deeltjesverwijderingsefficiëntie van het CS werd geverifieerd met polydisperse emery oliedeeltjes >50 nm en >1 mg/m³ (3,5–5,5 mg/m³) met een efficiëntie van >99% (werkelijke waarde 99,9%) zoals gedefinieerd in RDE-reglement²⁰. Dit is een strengere test dan de tetracontane test voorgeschreven in het huidige PMP-protocol.

Een of meer condensatiedeeltjestellers worden gebruikt om de deeltjesgetalconcentratie stroomafwaarts van de tweede verdunningsfase te meten. Een CPC met een d₅₀ van 23 nm maakt het mogelijk om de momenteel gereguleerde emissie van vaste deeltjes groter dan 23 nm te meten. Bovendien maakt het meten van de concentratie van het deeltjesaantal met een of meer CPC’s met een lager d₅₀ snijpunt (bijvoorbeeld 10 nm, 4 nm) de beoordeling van de momenteel niet-gereglementeerde vaste deeltjesfractie <23 nm tot aan de d_{50-snijgrootte} van de toegepaste CPC mogelijk.

De verdunningsluchttoevoerlijn, de primaire poreuze buisverdunninger en de katalytische stripper hebben onafhankelijke verwarmingselementen die k-type thermokoppels (TC) bevatten. Het onafhankelijk verwarmen van verschillende secties regelt de temperatuurverdeling in het systeem.

Naast de thermokoppels in de verwarmingselementen worden twee thermokoppels stroomafwaarts van verdunningsfase 1 en 2 geplaatst. Deze twee thermokoppels meten direct de fijnstoftemperatuur.

Twee absolute druksensoren (NXP MPX5100AP) worden gebruikt om de druk bij de inlaat en het uitlaatkanaal van het bemonsteringssysteem te monitoren.

Voor mobiele metingen wordt een Clayton Power LPS 1500-accu gebruikt. Een 10 L synthetische luchtfles voorziet het systeem van verdunningslucht tijdens mobiele toepassingen. De afmetingen van de batterij en de gasfles zijn zo gekozen dat het systeem 100 min zelfstandig kan werken.

Het systeem wordt aangestuurd via een NI myRIO met een LabVIEW virtueel instrument. Het virtuele instrument zorgt voor controle van de stroomsnelheden en de verwarmingstemperaturen. Afgezien van de gecontroleerde parameters kunnen de aerosoltemperaturen, druk en acceleratie (via de in myRIO geïntegreerde sensor) worden gecontroleerd en geregistreerd. Een myRIO accessoire GPS-module maakt het mogelijk om de positiegegevens te registreren. Figuur 3 en figuur 4 tonen de gebruikersinterface van het virtuele instrument dat wordt gebruikt voor het besturen van het DTT-systeem.

Figuur 3: DTT virtual instrument dilution stage parameter overview. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur 4: DTT virtuele instrument verwarming bedieningspaneel. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Elke vorm van bemonsteringsprocedure veroorzaakt deeltjesverliezen. Om deze verliezen te kunnen verwerken, worden laboratoriummetingen uitgevoerd om de deeltjesgrootteafhankelijke deeltjespenetratie te bepalen via het DTT-bemonsteringssysteem. In deze metingen wordt de deeltjesconcentratie van monodisperse aerosol stroomopwaarts en stroomafwaarts van het bemonsteringssysteem gemeten met behulp van twee condensatiedeeltjestellers. Figuur 5 toont de experimentele opstelling voor de kalibratiemetingen. In deze opstelling wordt een Jing miniCAST gebruikt als deeltjesbron²¹^,²². Massastroomregelaars (MFC) worden gebruikt om de gasstromen in de brander te controleren. Een verdunningsbrug maakt de aanpassing van de concentratie van het deeltjesaantal mogelijk. De verdunningsbrug is een hoogrendementsstoflucht (HEPA) filter parallel aan een naaldklep. Het aanpassen van de positie van de naaldklep verandert de verdunningsverhouding door de verhouding te veranderen tussen de fractie van de aerosol die door het HEPA-filter gaat en de fractie van de aerosol die door de naaldklep gaat. De gefilterde en ongefilterde spuitbussen worden opnieuw gecombineerd met een T-stuk om een verdunde aerosol te vormen. Een katalytische stripper wordt gebruikt om mogelijk overvloedige vluchtige stoffen gegenereerd als bijproducten van het verbrandingsproces te verwijderen. Een TSI 3082 elektrostatische classifier samen met een TSI 3085 differentiële mobiliteitsanalyzer (nano DMA) worden gebruikt voor de grootte selectie van deeltjes. Twee TSI-CPC’s 3775 (d₅₀ = 4 nm) worden gebruikt om de concentratie van het deeltjesaantal stroomopwaarts en stroomafwaarts van het DTT-bemonsteringssysteem te meten. Het snijpunt van de tellers van d₅₀ = 4 nm zorgt voor de penetratiebepaling bij deeltjesgroottes van 10 nm en lager.

Figuur 5: Schematische tekening van de experimentele opstelling die wordt gebruikt voor de kalibratie van het DTT-bemonsteringssysteem. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Protocol

1. Kalibratieprocedure Opzetten en voorbereiden van instrumenten. Plaats de beschreven instrumenten, weergegeven in figuur 5,op een georganiseerde en compacte manier in een laboratorium met een afzuigsysteem. Sluit de instrumenten zoals aangegeven door de pijlen in figuur 5 met behulp van geleidende buizen. Houd de slang zo kort mogelijk om diffusiedeeltjesverliezen te minimaliseren. Sluit de instrumenten die stroom (d.w.z. DTT-systeem, DTT-systeempomp, twee CPC’s, DMA, katalysator en MFCs) nodig hebben) aan op stopcontacten. Sluit de CPC’s, het DTT-systeem en het MFC aan op een laptop. Zorg ervoor dat de laptop de benodigde software heeft geïnstalleerd om met de aangesloten apparaten te communiceren. Installeer ontbrekende software indien nodig. Verwarm experimentele componenten ten minste 30 minuten voor het starten van de kalibratiemetingen om een thermisch stabiele meetopstelling te garanderen. Start de werking van de brander door de gasstroom die door het externe MFC wordt aangestuurd, in te stellen op de startinstelling die is opgegeven in de handleiding van de gebruiker. Ontsteek de vlam. Voer het gegenereerde roet in het afzuigsysteem. Produceer roetdeeltjes met een gemiddelde diameter van 50 ± 5 nm door de MFC-gecontroleerde stromen dienovereenkomstig in te stellen. Een tabel met instellingen en verwachte verdeling van de deeltjesgrootte zijn te vinden in de branderhandleiding of in de literatuur23. Voor de miniCAST-instellingen in tabel 2 kan worden gebruikt: Begin met het verwarmen van de katalysator door de bijbehorende temperatuurregelaar op 350 °C te zetten. Schakel de CPC’s in en stel in op de lage stroommodus (d.w.z. inlaatstroom van 0,3 L/min). Stel de communicatie van de CPC’s met de laptop in met behulp van de software of seriële communicatie van de fabrikant van de CPC’s. Start de opwarmprocedure van het DTT-systeem op zoals beschreven in punt 3.1. Installeer het botslichaam met een nozzle van 0,071 cm bij de inlaat van de classificatie volgens de handleiding van de gebruiker. Schakel de classificatie in. Het display op de classificatie moet een impactorstroom van 1,30 ± 0,05 L/min weergeven. Als de weergegeven stroom anders is, controleert u de slang die de classificatie verbindt met de CPC en het DTT-systeem. Stel de ademstroomsnelheid van de classificatie in op 13 L/min met behulp van de gebruikersinterface. Als een zachte röntgenbron (TSI 3088) wordt gebruikt, schakelt u de neutralisator van de classificatie in. Gas Debiet Propaan 20 mL/min Blusgas (N2) 2 L/min Verdunningslucht 5 L/min Oxidatielucht 0,5 L/min Menggas (N2) 0 L/min Tabel 2: Voorgestelde miniCAST-stroomsnelheden voor kalibratiemetingen. Na ten minste 30 minuten opwarmtijd de kalibratiemetingen uitvoeren. Stop met het voeden van het gegenereerde roet in het afzuigsysteem en sluit de uitlaat van de brander aan op de verdunningsbrug. Stel de deeltjesgrootte in die door de classificatie is geselecteerd op 10 nm met behulp van de gebruikersinterface. Stel met behulp van de naaldklep van de verdunningsbrug de concentratie van het deeltjesaantal stroomopwaarts van het DTT-systeem aan op 104 ±10 3 #/cm3. Deze deeltjesconcentratie levert een relatief hoog signaal op, waardoor korte meettijden mogelijk zijn terwijl de CPC’s in single-count-modus werken, wat een hoge nauwkeurigheid garandeert. Als de gewenste concentratie van 104 ± 103 #/cm3 niet kan worden bereikt vanwege extreem lage deeltjesconcentraties die door de roetgenerator worden uitgestoten, maximaliseer dan de doorvoer door de verdunningsbrug door de klep volledig te openen. Begin met het registreren van de gegevens van het DTT-systeem (indien nog niet gestart) door te klikken op de knop “Start Data Logging” in de DTT Labview-software. Begin met het registreren van de gegevens van de twee CPC’s met behulp van de propriëtaire software of seriële communicatie. Wacht 30 s voor de experimentele setup te stabiliseren. Noteer een tijdstempel en de ingestelde deeltjesgrootte om het begin van de meting te markeren. Voer de meting gedurende 2 min uit. Noteer een tijdstempel om het einde van de meting te markeren. Herhaal stapjes 1.3.3–1.3.9 voor deeltjesgroottes van 15 nm, 30 nm, 50 nm en 100 nm. Extra metingen kunnen worden uitgevoerd als een betere resolutie van grootte gewenst is. Voer een andere set metingen uit met dezelfde deeltjesgrootte als voorheen door stappen 1.3.2–1.3.10 te herhalen. Stop met het registreren van de meetgegevens van de twee CPC’s en het DTT-systeem. Sluit alle instrumenten af. Evalueer de verzamelde kalibratiegegevens met een spreadsheetprogramma. Exporteer de deeltjesconcentratiegegevens gemeten door de CPC’s naar een CSV- of .txt-bestand. Importeer de CPC- en DTT-systeemgegevens in een gegevensevaluatietool. Wijs de gegevens toe aan de overeenkomstige metingen door gegevens van elk instrument (d.w.z. 2 CPC’s, DTT-systeem) toe te wijzen met een tijdstempel tussen de begin- en eindtijdstempel van een meting aan de overeenkomstige meting. Het wordt aanbevolen om deze taak te automatiseren met een tool voor gegevensevaluatie. Tijdsgemiddelde de twee deeltjesconcentratiedatasets (CPC’s) en de verdunningsverhouding (DTT-systeem) voor alle meetpunten. Bereken de relatieve deeltjespenetratie voor alle meetpunten volgens de volgende formule:Wanneer Pn de relatieve deeltjespenetratie is op een bepaald meetpunt n. is de deeltjesconcentratie gemeten door de CPC stroomafwaarts van het DTT-systeem dat gemiddeld is over de tijdspanne van het meetpunt n. is de overeenkomstige deeltjesconcentratie gemeten door de CPC stroomopwaarts van het DTT-systeem dat gemiddeld is over de tijdspanne van het meetpunt n. is de verdunningsverhouding van het DTT-systeem, gemiddeld over de tijdspanne van het meetpunt n. Bereken de gemiddelde deeltjespenetratie Pgemiddelde door middeling over de gemiddelde deeltjespenetraties bij 30 nm, 50 nm en 100 nm deeltjesgrootte.Deze waarde wordt gebruikt voor de berekening van de Particle Concentration Reduction Factor (PCRF) die de verdunningsverhouding DR verdeelt met de gemiddelde penetratie-efficiëntieP-gemiddelde. PDe PCRF wordt berekend op basis van de penetratie op 30 nm, 50 nm en 100 nm om vergelijkbaar te zijn met PMP-compatibele, commercieel beschikbare instrumenten. De metingen op andere maten dan 30 nm, 50 nm en 100 nm worden gebruikt om de d50 cutoff grootte van het systeem te bepalen om het systeem beter te karakteriseren buiten het regelframe. 2. Installatie en voorbereiding op de metingen van de werkelijke emissies van rijemissies Selecteer een voertuig om te beoordelen op deeltjesnummer emissies voor deeltjes <23 nm. Selecteer een route om de deeltjesnummeremissies van het geselecteerde voertuig te meten. Er zijn gidsen over het selecteren van geschikte routes in de literatuur24. Installatie van uitlaatstroommeter (EFM) Kies een EFM met een meetbereik dat overeenkomt met het verwachte uitlaatgamma van het te meten voertuig24. Plaats de EFM-controlekast in de kofferbak van het voertuig. Installeer de EFM buiten de auto, volgens de specificatie van de fabrikant blad. Figuur 6 toont een voorbeeld van een geïnstalleerde EFM, extern gemonteerd op gevormde buizen die naar de kofferbak leiden. Zorg ervoor dat de afstand stroomopwaarts en stroomafwaarts van de EFM voldoet aan de EU-voorschriften (d.w.z. 4x de pijpdiameter of 150 mm rechte pijp, indien deze groter is, stroomopwaarts en stroomafwaarts van de stroomsensor moet zijn). Bij het meten van voertuigen met meerdere uitlaatspruitstukken moeten de afzonderlijke uitlaatpijpen voor het EFM worden aangesloten en het doorsnedegebied van deze pijp wordt dienovereenkomstig verhoogd om de toename van de uitlaattegendruk zo laag mogelijk te houden. Als dit niet mogelijk is, kan de uitlaatmassastroom worden gemeten met verschillende EFM’s. Zorg ervoor dat de aansluitingen van de EFM-pijp naar de uitlaatpijp van het voertuig bestand zijn tegen de uitlaatgastemperaturen (d.w.z. geen plastic mag worden gebruikt). De pijpdiameter, de diameter van de connector en de diameter van eventuele uitbreidingen die nodig zijn voor de bemonstering mogen niet kleiner zijn dan de diameter van de uitlaatpijp om de uitlaatachterdruk zo laag mogelijk te houden. Start de leidingen bij de uitlaat van het voertuig. Sluit de uitlaat aan op de eerste pijp met verbindingsleidingen en pijpklemmen. Draai de pijpklemmen alleen aan het einde aan om de leidingen tijdens het monteren uit te kunnen lijnen. Sluit één pijp tegelijk aan met het aansluiten van leidingen en pijpklemmen totdat er een verbinding is van de uitlaat naar de EFM. Dit moet zo kort mogelijk zijn. Plaats de EFM control box en de EFM montagebeugel in de kofferbak om ervoor te zorgen dat er niets uitglijdt tijdens de meetreis. Controleer of alle leidingen strak zijn en dat er niets loskomt tijdens de meetreis. Schakel de EFM in. Na een opwarmtijd van maximaal 15 minuten, afhankelijk van de omgevingstemperatuur (zie EFM-gebruikershandleiding), is de uitlaatmassastroommeter klaar om25,26,27,,28te meten . Figuur 6: Afbeelding van een geïnstalleerde EFM. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Voorbereiden en installeren van het DTT meetsysteem in de kofferbak van het voertuigOPMERKING: De hier beschreven metingen worden uitgevoerd met twee condensatiedeeltjestellers als telapparaten voor het DTT-systeem. Een van de CPC’s (TSI 3790A) heeft een lagere d50 cutoff grootte van 23 nm, die overeenkomt met de huidige wettelijke limiet. De andere CPC (commercieel verkrijgbaar 10 nm AVL CPC) heeft een lagere d50 cutoff van 10 nm. Het parallel meten van deeltjes met deze twee instrumenten maakt de beoordeling van de momenteel gereguleerde emissies (>23 nm) en de <23 nm-fractie mogelijk. Neem een laptop en installeer de DTT-software en de software voor het loggen van de CPC-meetgegevens. Plaats de synthetische luchtfles in de kofferbak of op de vloer voor de achterbank en bevestig deze met behulp van riemen. Plaats de batterij in de kofferbak van het voertuig en repareer deze. Sluit de AC-ingangskabel aan en sluit deze aan op een lokale stroombron. Plaats en bevestig de vacuümpompen voor het bemonsteringssysteem en de condensatiedeeltjestellers in de kofferbak van het voertuig en sluit ze aan op de batterij. Plaats het DTT-systeem in de kofferbak van het voertuig en bevestig de positie met behulp van riemen. Figuur 7 en figuur 8 tonen het DTT-systeem in de kofferbak van een auto. Sluit het systeem aan op het mobiele accupakket. Sluit de twee inlaat MFCs van het DTT-systeem aan op een stationaire luchttoevoer onder druk. Sluit de twee uitlaatMFM’s van het DTT-systeem aan op de vacuümpomp. Gebruik de juiste slang om de uitlaat van de pomp buiten het voertuig te besturen. Sluit het DTT-systeem aan op de meetlaptop via een USB-kabel. Sluit de inlaat van het systeem aan op het bemonsteringspunt stroomafwaarts van de EFM. Sluit de inlaat van de systeemvoeding aan op de batterij. Sluit de stroominlaten van de condensatiedeeltjes aan op het accupakket. Sluit de CPC’s aan op de respectievelijke externe vacuümpomp. Monteer de butanolflessen van de CPC’s zo ver mogelijk van de inzittenden van het voertuig op het frame van het verdunningssysteem. Zorg ervoor dat de dop op vast is geschroefd en niet opengaat tijdens het meten van de aandrijving tijdens het accelereren. Gebruik de juiste slang om de uitlaat van de CPC’s en/of de externe pomp buiten het voertuig te besturen. Sluit de CPC’s aan op de meetlaptop via USB-kabels.LET OP: Figuur 9 toont het geprepareerde voertuig. Het DTT-systeem is geïnstalleerd in de kofferbak van het voertuig. Een commercieel verkrijgbaar PN-PEMS-systeem is ook geïnstalleerd om te gebruiken als referentie voor de gereguleerde emissie van vaste deeltjes >23 nm. Figuur 7: DTT PEMS vanuit het voertuig. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 8: DTT PEMS in de kofferbak van een voertuig. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Figuur 9: Voertuig met commercieel beschikbare PN-PEMS (AVL MOVE) en DTT PEMS geïnstalleerd. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. 3. Meetbewerking Het metensysteem verwarmen en opstarten Schakel de twee CPC’s en hun externe vacuümtoevoer in. Open de CPC-software op de meetlaptop en maak de communicatie met de CPC’s tot stand. De communicatie kan worden uitgevoerd via de eigen software van het instrument of via seriële communicatie zoals beschreven in de CPC-handleiding. Sluit de naaldkleppen stroomafwaarts van de MFM’s. Schakel de DTT-bemonsteringssysteempomp in. Schakel het bemonsteringssysteem in door de rode schakelaar naar beneden te duwen. Open de LabVIEW DTT-toepassing op de computer. De communicatie met het systeem start automatisch. De grafische gebruikersinterface (GUI) van de DTT LabVIEW-toepassing geeft nu de stromen in en uit in de verdunningsfase 1 en 2, die 0,00 L/min moeten zijn. Zo niet, controleer dan of de naaldkleppen goed gesloten zijn. Voer de massastroom in die door de aangesloten meetinstrumenten in sL/min wordt getrokken. Als de stroom die door de instrumenten wordt getrokken onbekend is, meet het met behulp van een handstroommeter (bijvoorbeeld Vögtlin red-y compacte serie). Sluit de slang opnieuw aan na het meten van de stromen die door de CPC’s zijn getrokken. Open de naaldkleppen langzaam tot beide “Flows out” 10,0 ± 0,5 sL/min. Beide “Flows in” zullen toenemen tot dezelfde waarden als de bijbehorende “Flows out”. Pas de “Add Flow” (d.w.z. verschil tussen verdunningsluchtstroom en overtollige stroom) van beide verdunningsstadia aan om QCS = 1,0 ± 0,1 L/min door de katalytische stripper en een monsterinlaatstroom vanQ-monster = 1,0 ± 0,1 L/min te krijgen. Klik op het tabblad “Kachel” om de verwarmingstemperaturen in te stellen. Stel de verwarmingstemperaturen van de verdunningsluchttoevoer, de eerste poreuze buisverdunningsbode en de katalytische stripper in op 350 °C. Het systeem zal nu beginnen op te warmen. Onder de interfaces “Set” worden de huidige temperatuur- en verwarmingskrachtpercentages weergegeven. Wacht tot de gastemperatuur stroomafwaarts verdunningsfase 1(“T DilStage 1” in de GUI) 290 °C bereikt voordat u met de meetaandrijving begint. Dit duurt ongeveer 20 minuten. Gegevensregistratie Begin met het registreren van de gegevens op de meetapparaten die zijn aangesloten op het DTT-bemonsteringssysteem. Begin de gegevens van het bemonsteringssysteem te registreren door op de knop “Gegevensregistratie starten” te drukken en een pad en een bestandsnaam te kiezen in het pop-upvenster. Het logboekbestandspad wordt weergegeven en het groene licht geeft aan dat gegevens worden opgeslagen. De systeemgegevens worden geregistreerd op een frequentie van 2 Hz. Log de deeltjesconcentratiegegevens van de CPC met behulp van de juiste software. Dit kan de fabrikant of een seriële communicatiesoftware (bijvoorbeeld PuTTY) zijn. Begin met het registreren van de uitlaatstroom met de EFM. Rijden Voordat u de geselecteerde route rijdt, koppelt u de oplaadkabel van de batterij los en schakelt u over van de stationaire luchttoevoer onder druk naar de gasfles. De geselecteerde route aansturen. Na het rijden Drukop ” Logging …” om te stoppen met het opnemen van gegevens. Sluit de instrumenten af. Laad de batterij op om zich voor te bereiden op het volgende station. 4. Gegevensanalyse Importeer de gegevens uit het bemonsteringssysteem, de EFM (voor uitlaatstroom) en de meetapparaten in hetzelfde data-analyseprogramma. Voer de tijduitlijning uit rekening houdend met de tijd dat de uitlaat van de uitlaat naar de meetapparaten moet worden vervoerd. De transporttijd tdil door het verdunningssysteem is 2,5 s. De transporttijd tmonster door de bemonsteringslijn kan als volgt worden berekend:Wanneer tmonster de transporttijd door de bemonsteringslijn in seconden is, is tdil de transporttijd door het verdunningssysteem (2,5 s), eenmonster is het doorsnedegebied van de bemonsteringslijn in m2, lmonster is de lengte van de bemonsteringslijn van monsterpunt tot de inlaat van het verdunningssysteem in meters, en Qsample is het DTT-verdunningssysteem monsterstroom in m3/s. Voeg tmonster toe aan tdil om de totale vertragingstijd ttotaalte krijgen:OPMERKING: Als voorbeeld, ttotaal voor een pijplengte van 0,5 m met een interne pijpdiameter van 4 mm en monsterstroom van 1 L/min is gelijk aan 2,88 s. Figuur 10 toont een voorbeeld van de tijdsuitlijning van het gemeten deeltjesgetal (blauwe stippellijn) op het tijdverschuivde deeltjesgetal (blauwe lijn). Figuur 10: Voorbeeld van tijdslijn van gemeten deeltjesnummer PN in #/cm3 in vergelijking met de gemeten uitlaatmassastroom in kg/h. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Om het deeltjesgetal in PN #/s te kunnen berekenen, moet de uitlaatgasvolumestroom Vーexhaust_norm in cm3/s eerst worden berekend volgens de volgende formule:waar Vーexhaust_norm de uitlaatstandaardvolumestroom in m3/s is, de uitlaat ṁuitlaatgassen in kg/s, R de ideale gasconstante voor lucht is (287,1 J/kg*K), is deT-norm de temperatuur bij standaardomstandigheden (273,15 K), en pnorm is de druk bij standaard omstandigheden (101.330 Pa). T Met deze uitlaatvolumestroom bij standaardomstandigheden kan het deeltjesgetal worden berekend door het Vーexhaust_norm te vermenigvuldigen met de verdunningsverhouding DR van het bemonsteringssysteem, de concentratie cPN gemeten door de CPC’s en de factor 106 (voor de omzetting van m3 naar cm3). Om te corrigeren voor deeltjesverliezen, vermenigvuldigt u de deeltjesuitlaatstroom keert de concentratie van het deeltjesaantal met de systeemdeeltjesconcentratiereductiefactor(PCRF) in plaats van de verdunningsverhouding DR. De bepaling van PCRF wordt beschreven in de kalibratie-instructie sectie 1:

Representative Results

Kalibratiegegevens (deeltjespenetratie):: Figuur 11 toont een voorbeeldig plot van de relatieve deeltjespenetratie van het DTT-systeem als functie van de deeltjesmobiliteitsdiameter. De overeenkomstige gegevens zijn gemeten en geëvalueerd zoals beschreven in instructiesectie 1. Uit het waarnemingspunt blijkt dat de afwijkingen tussen twee meetpunten met dezelfde mobiliteitsdiameter minder dan 5% bedroegen. Afwijkingen groter dan 10% duiden op instabiliteiten in de experimentele opstelling. In dit geval moest de kalibratie worden herhaald met verhoogde opwarmstabilisatietijden. Zowel de opwarmtijd (meestal 30 min) als de stabilisatietijd (meestal 30 s) namen toe met een factor 1,5. De deeltjes die door het DTT-systeem gingen verloren als gevolg van diffusie en thermoforese. Thermoforensieve verliezen werden veroorzaakt door een temperatuurgradiënt die deeltjes naar de wanden van het bemonsteringssysteem trok. Dit is een deeltjesgrootte onafhankelijk effect29; diffusie is daarentegen sterk afhankelijk van de deeltjesgrootte. Een concentratiegradiënt veroorzaakte een netto deeltjesflux naar de muren waar deeltjes verloren gingen. De diffusiviteit die met lagere deeltjesgrootte toeneemt maakte dit het dominante verliesmechanisme voor deeltjes ≤10 nm. De lijnen in figuur 11 die thermoforentisch, diffusie en totale verliezen aangeven, tonen de respectieve deeltjesgrootteafhankelijkheden aan. Voor de diffusional verliezen werd deze functie gebruikt om de geschatte afhankelijkheid van de deeltjesgrootte te illustreren: De penetratie P is afhankelijk van een fit parameter a en de diffusiecoëfficiënt D: De diffusiecoëfficiënt is afhankelijk van de Boltzmann constante k, de absolute temperatuur T, de viscositeit η, de deeltjesdiameter dp, en de Cunningham-slipcorrectiefactor Cc, wat een functie is van het gemiddelde vrije pad en de deeltjesdiameter29. De in figuur 11 geïllustreerde gegevens resulteerden in de volgende gemiddelde deeltjespenetratie-efficiëntie P:mean De deeltjesgrootte waar de penetratie-efficiëntie bedraagt 50% wordt aangeduid als d50. D50 beschrijft de penetratiesnekististist van een systeem. Voor het DTT-systeem was de d50 11 nm. De d50 is te zien in figuur 11. Figuur 11: Deeltjespenetratie als functie van deeltjesmobiliteitsdiameter.In het blauw gemarkeerde punten zijn meetresultaten. De gestippelde lijnen in oranje en groen geven de verliezen in verband met respectievelijk thermoforese en diffusie. De rode lijn vertegenwoordigt de totale verliezen als de som van diffusional en thermophoretische verliezen. De puntselde paarse lijn toont de gemiddelde deeltjespenetratie Pmean zoals berekend in de kalibratie meetinstructie sectie 1. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken. Vastdeeltjesgetal: Figuur 12 toont het emissiepercentage van het deeltjesgetal in de loop van de tijd gedurende de eerste tien minuten van een RDE-meetstation. De gegevens van de DTT PEMS met behulp van een 10 nm en een 23 nm CPC worden getoond samen met gegevens van een commercieel beschikbaar 23 nm snijpuntensysteem. De deeltjesemissiepercentages werden berekend op basis van de respectieve deeltjesconcentraties vermenigvuldigd met de uitlaatstroom zoals hierboven beschreven in de instructiesectie 4 van de gegevensanalyse. Het referentie-instrument (AVL MOVE) baseerde zich op een diffusielader voor de concentratiemeting van het deeltjesaantal. Ondanks de verschillende sensorprincipes waren de met de DTT PEMS gemeten gegevens over het algemeen zeer in overeenstemming met de gegevens gemeten door de commercieel beschikbare PEMS. Scherpe naar beneden wijzen pieken in alle drie de signalen opgetreden omdat de deeltjes meting apparaten kunnen nul deeltjesconcentraties tijdelijk melden en nullen niet kunnen worden weergegeven in logaritmische percelen. De deeltjesemissies gemeten met de 10 nm CPC lagen zeer dicht bij de emissies gemeten met de 23 nm CPC voor het grootste deel van de in figuur 12vermelde periode . Echter, direct aan het begin tussen 10 s en 25 s was er een optreden van significante 50% van het totale aantal uitgestoten deeltjes tussen 10 nm en 23 nm. Koude start dynamische processen in niet-thermisch evenwicht kan leiden tot deeltjesgrootte verdelingen te verschillen van de emissies van een warm voertuig30. De bespreking van deze complexe processen valt buiten het bereik van dit werk. Meer informatie over dit onderwerp is te vinden in de literatuur31,32,33. Figuur 12: Het bovenste deel van de figuur toont het emissiepercentage van het deeltjesaantal in de loop van de tijd voor de eerste 10 minuten van een RDE-meetstation.Gegevens gemeten met de DTT PEMS met 10 nm en 23 nm CPC en een commercieel beschikbaar 23 nm snijpuntsysteem (AVL MOVE) worden als referentie gebruikt. Het onderste deel van de figuur toont de snelheid van het voertuig. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Discussion

Dit werk presenteert het DTT-bemonsteringssysteem en de toepassing ervan als een draagbaar emissiemeetsysteem. Het systeem is ontworpen en gebouwd in het kader van het EU Horizon 2020-project DTT om emissiemetingen van deeltjesaantalen mogelijk te maken onder de huidige grenswaarde van 23 nm. De veelzijdigheid van het systeem maakt de beoordeling van de gereguleerde emissies van vaste deeltjes, alsmede de totale deeltjesemissies en studies over secundaire aerosolen mogelijk. Om meetresultaten nauwkeurig te kunnen interpreteren, is een kalibratieprocedure nodig met het DTT-systeem. Dit is om de relatieve deeltjespenetratie voor verschillende deeltjesgroottes te evalueren, om een correctiefactor te kunnen berekenen die de deeltjesverliezen verklaart. Het is van cruciaal belang om voldoende opwarmtijd te bieden voor het bemonsteringssysteem zelf en de rest van de experimentele opstelling om het thermische evenwicht te bereiken en nauwkeurige kalibratiemeetresultaten te bereiken.

De toepassing van het DTT-systeem voor de meting van de emissies van vaste deeltjes met een lagere deeltjesgrootte van 23 nm (huidige regulatie) en 10 nm (experimenteel) wordt beschreven. Om de deeltjesaantale emissies van een voertuig te kunnen beoordelen, is het noodzakelijk om de concentratie van het deeltjesaantal en de uitlaatmassastroom te bepalen. Het DTT-systeem dekt de meting van de deeltjesaantalconcentratie. De uitlaatmassastroom wordt gemeten met behulp van een uitlaatstroommeter (EFM). Het is van cruciaal belang om de EFM te installeren volgens de instructies van de fabrikant. Foutieve metingen van de uitlaatstroom beïnvloeden rechtstreeks de afgeleide emissiesnelheden. Bij het verwerken van de gemeten gegevens is het belangrijk om een nauwkeurige tijdslijning van de deeltjesconcentratiegegevens en de uitlaatstroomgegevens uit te voeren. Dit is nodig omdat de emissiesnelheid de uitlaatstroomsnelheid is vermenigvuldigd met de concentratie van het deeltjesaantal. Als de twee signalen niet correct zijn uitgelijnd, kunnen de emissies over de hele schijf aanzienlijk afwijken van de werkelijke emissies.

Het DTT-systeem is geen commercieel apparaat, maar een veelzijdig onderzoeksinstrument. Het wordt gebruikt om niet-gereguleerde voertuigemissies te onderzoeken in tegenstelling tot het uitvoeren van certificeringsmetingen die de naleving van de huidige regelgeving valideren. De hoge veelzijdigheid komt ten koste van een hoger energie- en verdunningsluchtverbruik. Bij gebruik van het systeem voor mobiele metingen moet rekening worden gehouden met het gewicht dat aan het voertuig wordt toegevoegd als gevolg van de batterij (30 kg) en de gasfles (20 kg) om het energieverbruik en het luchtverbruik van het systeem te dekken. Het totale gewicht dat aan de auto wordt toegevoegd bij het meten van de PN-emissies met het DTT-systeem is ongeveer 80 kg, wat vergelijkbaar is met een andere persoon die in het voertuig wordt vervoerd. Het extra gewicht kan leiden tot iets hogere emissies, vooral als de aandrijving veel acceleratie en/of heuvels bevat.

Het DTT-systeem kan worden gebruikt om de niet-gereglementeerde <23 nm-uitstoot van deeltjesaantallen te onderzoeken. Zowel vaste als totale deeltjesaantale emissies kunnen worden gemeten. Bovendien kan het een nuttig hulpmiddel zijn om het complexe gebied van secundaire aerosolvorming te bestuderen. Een andere mogelijke toepassing van het systeem is het meten van remslijtdeeltjes in de auto. Een aanzienlijk deel van de deeltjes die vrijkomen tijdens het remmen kan kleiner zijn dan 30 nm³⁴. Met een d₅₀ van ongeveer 11 nm is het DTT-systeem geschikt voor het bestuderen van deze emissies. Hoewel bekend is dat niet-uitlaatemissies bijna evenveel bijdragen aan de verkeersgerelateerde PM_10-emissies ^35,zijn de emissies van niet-uitlaatgassen nog steeds niet gereguleerd. Dit is te wijten aan het complexe en zelden reproduceerbare proces van deeltjesproductie, waardoor het zeer moeilijk is om regelgevende maatregelen te nemen. Bovendien is de chemische samenstelling en de bijbehorende toxiciteit van organische remslijtagedeeltjes nog op grote schaal onbekend³⁵.

Het DTT-systeem is een nuttig hulpmiddel om ons begrip van zowel uitlaat- als niet-uitlaatgasgerelateerde deeltjesemissies te verbeteren.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk wordt uitgevoerd in het kader van het H2020-project DownToTen. Dit project heeft financiering ontvangen uit het onderzoeks- en innovatieprogramma Horizon 2020 van de Europese Unie in het kader van subsidieovereenkomst nr.

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).

Automatically Generated