Summary

휴대용 다운토텐 샘플링 시스템을 사용하여 23나노미터 미만 의 실제 구동 입자 수 배출 측정

Published: May 22, 2020
doi:

Summary

여기에 발표된 DownToTen(DTT) 휴대용 배기가스 측정 시스템은 23nm 입자의 실제 주행 자동차 배출을 평가합니다.

Abstract

유럽 입자 번호(PN) 방출 표준의 현재 입자 크기 임계값은 23nm입니다. 이 임계값은 미래의 연소 엔진 차량 기술이 대량의 23nm 입자를 방출할 수 있기 때문에 변경될 수 있습니다. Horizon 2020의 투자 프로젝트 DownToTen (DTT)은 현재 규제되지 않은 크기 범위에서 입자 배출을 특성화하는 샘플링 및 측정 방법을 개발했습니다. PN 측정 시스템은 다양한 PN 측정 및 샘플링 접근법을 테스트하는 문헌 및 실험실 실험에 대한 광범위한 검토를 기반으로 개발되었습니다. 개발된 측정 시스템은 높은 입자 침투와 다재다능함을 특징으로 하며, 이는 직경의 몇 나노미터부터 시작하여 1차 입자, 지연된 1차 입자 및 이차 에어로졸의 평가를 가능하게 합니다. 이 백서는 실제 드라이브 배기가스(RDE) 측정을 위한 이 휴대용 배기가스 측정 시스템(PEMS)을 설치하고 운영하는 방법에 대한 지침을 제공하고 현재 의 23nm의 현재 입법 제한 보다 낮은 입자 수 배출을 평가합니다.

Introduction

입자 측정 프로그램(PMP)은 영국 정부가 “현재의 입법 측정 절차를 보완하거나 대체할 고급 미립자 감소 기술이 장착된 차량을 평가하기 위한 유형 승인 테스트 프로토콜개발”1을위해 설립되었습니다. PMP는 세계 최초의 입자 수 기반 배출 규정으로, 특히 23nm≥ 탄소 입자를 대상으로 합니다. 최근 측정은 더 작은 입자를 포함해야 할 수도 있음을 나타냅니다.

디젤 그을음의 부정적인 건강 영향은 잘이해된다 2,따라서, 디젤 미립자 필터 (DPS)의 필수 사용을 통해 디젤 배기에서 탄소 입자의 제거가 건강 상의 이유로 필수적이었다 기초에 ‘예방 원칙’이 호출되었다. 그러나 유럽 법률에서는 제한 값으로 인해 배기가스 제어 기술의 채택을 강요해야 하기 때문에 적절한 측정 방법 없이는 이를 달성할 수 없습니다. 영국 정부는 유럽 전역에서 강력한 정치적 지지를 받아 미립자 측정을 개선하기 위해 PMP의 개념을 주도했습니다. PMP는 유엔 유럽경제위원회(UN-ECE)3의후원하에 전 세계의 다른 사람들의 전문 지식을 포함시켰다. 2001년에 두 개의 입자 연구 프로젝트가 완료되었습니다. 그 중 하나 (미립자 연구4)환경, 운송 및 지역의 영국 정부 부서에 의해 수행되었다 (DETR), 자동차 제조 업체 및 상인 협회 (SMMT) 및 환경, 건강 및 안전을위한 유럽 연합 (CONCAWE)와 협력. 다른 하나 (PARTICULATES5)유럽 연합 (EU)의 5프레임 워크에 의해 투자하고 14 다른 유럽 파트너에 의해 수행되었다. 두 프로젝트의 결과는 입자 번호 기반 절차가 유망했다는 것을 나타내었지만 반복 가능하고 재현 가능한 측정에 대한 과제는 남아 있었습니다.

2007년 PMP 광관세 실험실 상관관계 운동의 최종 보고서는6개에 발표되었으며, 여기에는 필터 기반 질량 측정 방법에 대한 일부 개선이 포함되었으며, 주로 정의된 입자 크기 범위 및 입자 변동성에 기초하여 규제 목적으로 수카운트 기반 방법의 타당성을 입증하였다. 두 방법 모두 원래 미립자 물질 질량 및 봉지 희석 기체 배출 측정을 위해 개발된 기존 상수 부피 샘플러(CVS) 희석 터널 접근법의 샘플링을 기반으로 구현되었습니다.

수계산 기반 방법 내에서 ~ 20nm의 입자 크기 제한이 더 낮았다. 이 프로젝트의 주요 목적은 이 크기 이상의 입자가 법률에 의해 제어되도록 하는 것이었습니다. 엔진 배기의 기본 입자 크기는 <20 nm7,8,89일 수 있는 것으로 알려져있다.9 실용적인 이유로, 23nm에서 50%의 계수 효율(d50)을가진 입자 카운터를 선택하였고, 이 크기는 허용된 저크기 임계값이 되었다. 희석, 공기 온도, 습도 및 비율10과같은 특성에 대한 높은 민감도로 인해 휘발성 입자 크기 분포 및 통합 번호 측정은 하나의 차량을 갖춘 하나의 CVS 장착 시설에서 반복될 수 있지만 시설에서 시설로는 훨씬 적습니다. 따라서 엄격한 규정의 경우, 크기와 변동성에 대한 규제 입자 경계 조건을 효과적으로 정의하는 측정 접근 방식을 통해 비휘발성 입자에만 초점을 맞출 필요가 있었습니다. 유럽 의 디젤 연료는 350 °C 이상의 온도에서 몇 퍼센트만 끓는 것과 같은 백 엔드 변동성을 가지고 있으며, PMP 내에서 초기 작업으로 인해 이 온도에서 짧은 체류 시간이 엔진 윤활구11의종래 비등점을 향한 변동성이 있는 40탄소 원자를 함유한 선형 탄화수소인 테트라콘탄의 완전한 증발에 적합하다고 지적했다. 따라서 350°C의 온도는 규제 및 gt;23 nm 입자 변동성에 대한 사실상 기준점이 되었다.

PMP 측정 시스템 사양은 표 1에요약된 샘플링, 샘플 컨디셔닝 및 측정을 위한 구성 요소로 구성됩니다.

단계 Id 목적
0 샘플 소스 샘플의 원산지
1 파티클 전송 원산지에서 측정 시스템으로 샘플 수행
2 휘발성 입자 리무버 휘발성 물질을 제거하고 측정할 비휘발성 입자를 정의합니다.
3 파티클 번호 카운터 비휘발성 입자를 대립하고 크기 제한을 낮춥니다.

표 1: PMP 측정 시스템의 요소입니다.

유럽 PMP PN 접근법이 구현되고 있으며 현재 경량 디젤(2011년 9월, 유로 5b) 및 GDI 차량(2014년 9월, 유로 6) 및 디젤 및 가스 중부하 엔진(2013년 2월, EURO VI)에 적용됩니다.

최근 측정결과 일부 경량차량과 특히 점화 기술은 상당한 수준의 입자및 23nm12,,13,,14를방출할 수 있음을 보여주었다. 이로 인해 유럽 위원회는 현재 >23 nm 규정을 대체하거나 추가로 신속하게 구현할 수 있는 새로운 또는 확장된 방법을 개발하기 위한 연구 프로젝트에 자금을 지원하게 되었습니다.

이러한 프로젝트 중 하나인 DownToTen(DTT)은 PMP의 일반적인 접근 방식을 보존하고 측정 범위를 d50 ≤10 nm로 확장하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 DTT 측정 시스템의 구성은 표 1에설명된 것과 동일한 기본 요소를 포함하도록 설계되었지만, 컨디셔닝 및 측정 단계를 통해 효율적인 수송 및 23nm 입자를 감지할 수 있도록 최적화되었습니다. DTT 시스템은 처음에는 실험실 사용을 위해 개발되었지만 휴대용 배기가스 측정 시스템(PEMS)으로 작동하도록 수정되었습니다. DTT PN-PEMS 시스템의 경우, 구성 품은 원래 설계와 크게 차이가 없이 중량과 전력 소비를 줄이고 물리적 견고성을 높이기 위해 최적화되었습니다. 모바일 애플리케이션의 경우, 이 시스템은 가볍고 튼튼한 PEMS 테스트에서 발생할 가능성이 있는 더 혹혹하고 불규칙한 온도, 압력 및 진동 환경에 저항해야 합니다. 시스템 입구에서 압력 변화의 영향모델링 및 실험적으로15. 진동에 대한 저항은 전용 테스트베드(16)를사용하여 평가되었다. 일반적인 RDE 드라이브 중에 발생하는 진동과 가속도는 사용되는 응축 입자 카운터의 측정 결과를 손상시키지 않았습니다. DTT 시스템은 또한 휘발성 제거 기능이 비활성인 저온에서 사용되도록 설계되어 노화 챔버를 공급하고 이차 유기 에어로졸형성(17)을연구합니다.

입자의 규제 변동성 경계를 정의하는 DTT 측정 시스템의 열 컨디셔닝 요소는 두 시스템 모두 시퀀스를 포함하고 있다는 점에서 PMP 시스템의 요소와 밀접하게 평행합니다.

  1. 첫 번째 파티클 번호 희석 단계
  2. HC/휘발성 제거 단계
  3. 두 번째 파티클 번호 희석 단계

DTT와 PMP 시스템 간의 주요 차이점은 DTT 시스템 구성 요소를 다음과 같은 것으로 선택한다는 것입니다.

  1. 저손실 희석 및 입자 전송 접근법을 사용하여 샘플 소스에서 입자 카운터로 ~10nm PN의 전송을 최대화합니다.
  2. 증발 및 희석을 통해 응축 성 HC 종의 부분 압력을 줄이는 대신 산화 입자 제거를 사용하여 휘발성을 포괄적으로 제거합니다.
  3. 현재 PMP 시스템보다 효율성이 높은 ~10~50nm의 입자 수를 계산합니다.

이 논문의 목적은 비휘발성 입자≥ 사용 가능한 도로 차량에서 10nm≥ 측정을 위한 DTT PN-PEMS 시스템의 사용을 제시하는 것입니다. 여기에는 측정 시스템 및 주요 구성 요소에 대한 소개, 실험실 기반 교정 측정 수행, 모바일 애플리케이션용 장치 설치, 실제 주행 배기가스 측정 수행, 수집된 측정 데이터 처리 등이 포함됩니다.

계측

DTT PN-PEMS는 몇 나노미터까지 높은 입자 침투, 견고한 입자 수 희석, 휘발성 입자 제거 및 인공 입자 형성 방지를 제공하도록 설계되었습니다. 시스템의 구성 요소는 희석 및 에어로졸 컨디셔닝을 위한 다양한 기술을 비교하는 실험실 실험의 결과에 기초하여 선택되었다. 이 섹션에서는 시스템, 작업 원리 및 사용되는 구성 요소에 대한 개요를 제공합니다. 도 1은 시스템의 회로도를 나타낸다. 도 2는 시스템의 사진을 보여줍니다. DTT 시스템은 높이가 60cm이며 50cm x 50cm의 발자국을 가지고 있습니다. 시스템의 무게는 약 20kg입니다. 필요한 주변 요소(즉, 배터리 및 가스 병)를 포함하여 총 중량은 약 80kg입니다. 시스템의 주요 요소는 두 개의 희석 단계(즉, 첫 번째 뜨겁고 두 번째 콜드), 촉매 스트리퍼 및 적어도 하나의 응축 입자 카운터(CPC)입니다.

Figure 1
그림 1: DTT 입자 번호 휴대용 방출 측정 시스템의 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: DTT 샘플링 시스템의 상단 보기 그림입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

두 개의 희석 단계는 응축 입자 카운터(&104 #/cm3)에의해 측정 가능한 수준으로 입자 수 농도를 감소시다. 사용자 정의 만든 다공성 튜브 희석제는 희석 단계 모두에 사용됩니다. 이 기술은 입자손실(18,,19)이낮기 때문에 선택되었습니다. 희석 공기의 방사형 섭취는 입자를 벽에서 멀리 하여 입자손실을 감소시킵니다. 더욱이, 이러한 희석제는 매우 작을 수 있으며 400 °C의 온도를 견딜 수 있습니다. 사용되는 다공성 물질은 소결 된 해시 X 튜브 (GKN 필터 금속 GmbH, Radevormwald, 독일)입니다. 다공성 튜브 내부의 정적 혼합 요소는 희석기의 직접 하류에 잘 혼합 된 에어로졸을 제공합니다. 이를 통해 희석기의 라에이졸 흐름을 직접 하류로 분할하여 추가 컨디셔닝 또는 측정을 위해 희석 에어로졸의 대표적인 샘플을 채취할 수 있으며, 컴팩트한 샘플링 시스템을 허용한다. 1차 희석 단계는 전형적으로 350°C로 가열되고, 두 번째 단계는 주변 온도에서 작동한다. 시스템의 희석 계수는 약 80입니다. 정확한 값은 입구 흐름 및 질량 흐름 관리에 따라 달라집니다: 샘플링 시스템의 유량은 두 개의 질량 유량 컨트롤러와 두 개의 질량 유량 미터의 시스템에 의해 관리됩니다. 질량 유량 컨트롤러는 희석 기류 속도를 제어합니다. 질량 유량계는 희석 단계 1과 2의 하류에서 추출된 유량을 모니터링합니다. 추출된 흐름과 제공된 흐름 간의 차이를 변경할 수 있습니다. 즉, 하나의 희석 단계에서 추가되거나 빼는 순 흐름을 정의할 수 있다. 샘플 유량, Q샘플은다른 모든 유량의 합으로 정의됨: 1) 측정 기기에 의해 그려진 유량(QQinst); 2) 희석 기류 속도(Q딜,i); 및 3) 초과 유량 Qex,i. 샘플 흐름을 계산하기 위해 시스템에서 추출된 흐름의 기여도가 양수이며 시스템에 공급되는 흐름의 기여도는 음수입니다.

Equation 1

총 희석 비율 DR은 다음을 통해 계산됩니다.

Equation 2

하나 이상의 응축 입자 카운터는 제2 희석 단계의 입자 수 농도 하류를 측정하는 데 사용됩니다. 23nm의 d50을 가진 CPC는 23nm보다 큰 고체 입자의 현재 규제 방출을 측정할 수 있게 한다. 또한, 낮은 d50 컷포인트(예를 들어, 10nm, 4nm)로 하나 이상의 CPC로 입자 수 농도를 측정하면 현재 조절되지 않은 고체 입자 분획 &23 nm을 적용된 CPC의 d50 컷 크기까지 평가할 수 있다.

희석 공기 공급 라인, 1차 다공성 튜브 희석기 및 촉매 스트리퍼에는 k형 열전대(TC)를 포함하는 독립적인 발열체가 있습니다. 독립적으로 다른 섹션을 가열하여 시스템의 온도 분포를 제어합니다.

가열 요소의 열전대 외에도 두 개의 열전대가 희석 단계 1과 2의 하류에 배치됩니다. 이 두 열전대는 에어로졸 온도를 직접 측정합니다.

두 개의 절대 압력 센서(NXP MPX5100AP)는 샘플링 시스템의 입구 및 콘센트의 압력을 모니터링하는 데 사용됩니다.

모바일 측정을 위해 클레이튼 파워 LPS 1500 배터리 팩이 사용됩니다. 10L 합성 공기 병은 모바일 응용 프로그램 중에 희석 공기로 시스템을 공급합니다. 배터리와 가스 병의 크기는 시스템이 100분 동안 독립적으로 작동할 수 있도록 선택됩니다.

이 시스템은 LabVIEW 가상 계측기를 실행하는 NI myRIO를 통해 제어됩니다. 가상 계측기는 유량과 히터 온도를 제어할 수 있습니다. 제어된 매개 변수 외에도 에어로졸 온도, 압력 및 가속(myRIO에 통합된 센서를 통해)을 모니터링하고 기록할 수 있습니다. myRIO 액세서리 GPS 모듈은 위치 데이터의 로깅을 가능하게 합니다. 도 3도 4는 DTT 시스템을 제어하는 데 사용되는 가상 계측기의 사용자 인터페이스를 보여 줍니다.

Figure 3
그림 3: DTT 가상 계측기 희석 단계 매개 변수 개요. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: DTT 가상 계기기 히터 제어판. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

모든 종류의 샘플링 프로시저는 파티클 손실을 일으킵니다. 이러한 손실을 설명하기 위해 DTT 샘플링 시스템을 통해 입자 크기 종속 입자 침투를 결정하기 위해 실험실 측정이 수행됩니다. 이러한 측정에서, 단분산 에어로졸의 입자 농도는 두 개의 응축 입자 카운터를 사용하여 샘플링 시스템의 상류 및 하류로 측정된다. 도 5는 교정 측정에 대한 실험 설정을 나타낸다. 이 설정에서는 징 미니캐스트가 파티클소스(21,,22)로사용됩니다. 질량 흐름 컨트롤러(MFC)는 버너로의 가스 흐름을 제어하는 데 사용됩니다. 희석 브리지를 사용하면 입자 수 농도를 조정할 수 있습니다. 희석 교량은 바늘 밸브와 평행한 고효율 미립자 공기(HEPA) 필터입니다. 바늘 밸브의 위치를 조정하면 HEPA 필터를 통과하는 에어로졸의 분수와 바늘 밸브를 통과하는 에어로졸의 분수 사이의 비율을 변경하여 희석 비를 변경합니다. 여과된 에어로졸과 여과되지 않은 에어로졸은 T피스와 결합되어 희석된 에어로졸을 형성합니다. 촉매 스트리퍼는 연소 과정의 부산물로서 생성 될 가능성이 풍부한 휘발성 화합물을 제거하는 데 사용됩니다. TSI 3082 정전기 분류기와 TSI 3085 차동 이동성 분석기(나노 DMA)가 입자의 크기 선택에 사용된다. 두 개의 TSI CPC 3775(d50 = 4 nm)는 DTT 샘플링 시스템의 입자 수 농도 상류 및 하류를 측정하는 데 사용됩니다. 카운터의 d 50 = 4 nm의 절단 점은10 nm 이하의 입자 크기에서 침투 측정을 허용합니다.

Figure 5
그림 5: DTT 샘플링 시스템의 교정에 사용되는 실험 용 설정의 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Protocol

1. 교정 절차 악기를 설정하고 준비합니다. 그림 5에표시된 설명된 계측기는 추출 시스템을 갖춘 실험실에서 조직적이고 컴팩트한 방식으로 배치합니다. 전도성 튜브를 사용하여 그림 5의 화살표로 표시된 대로 계측기를 연결합니다. 확산 입자 손실을 최소화하기 위해 튜브를 가능한 한 짧게 유지하십시오. 전원(예: DTT 시스템, DTT 시스템 펌프, 두 개의 CPC, DMA, 촉매 스트리퍼 및 MFC)이 필요한 계측기를 소켓에 연결합니다. CPC, DTT 시스템 및 MFC를 랩톱에 연결합니다. 랩톱에 연결된 장치와 통신하는 데 필요한 소프트웨어가 설치되어 있는지 확인합니다. 필요한 경우 누락된 소프트웨어를 설치합니다. 실험 부품을 30분 이상 워밍업한 후 교정 측정을 시작하기 전에 열적으로 안정적인 측정 설정을 보장합니다. 외부 MFC에서 제어하는 가스 흐름을 사용자 설명서에 지정된 시작 설정으로 설정하여 버너의 작동을 시작합니다. 불꽃을 점화. 생성된 그을음을 추출 시스템에 공급합니다. MFC 제어 흐름을 설정하여 평균 직경 50 ± 5nm의 그을음 입자를 생성합니다. 설정 테이블과 예상 파티클 크기 분포는 버너 매뉴얼 또는문헌(23)에서찾을 수 있다. 표 2의 미니캐스트 설정의 경우 다음을 사용할 수 있습니다. 해당 온도 컨트롤러를 350°C로 설정하여 촉매 스트리퍼가열을 시작합니다. CPC를 켜고 낮은 흐름 모드(예: 0.3 L/분의 유입 흐름)로 설정합니다. CPC 제조업체의 소프트웨어 또는 직렬 통신을 사용하여 랩톱과의 CPC 통신을 설정합니다. 섹션 3.1에 설명된 대로 DTT 시스템 워밍업 절차를 시작합니다. 사용자 설명서에 따라 분류기 입구에 0.071cm 노즐이 있는 임펙터를 설치합니다. 분류기 켜기. 분류기의 디스플레이는 0.05 L/min의 1.30 ± 충격기 흐름을 표시해야 합니다. 표시된 흐름이 다른 경우 분류자와 CPC 및 DTT 시스템을 연결하는 튜브를 다시 확인합니다. 사용자 인터페이스를 사용하여 분류자의 칼집 유량을 13 L/min으로 설정합니다. 소프트 X선 소스(TSI 3088)를 사용하는 경우 분류기의 중화제를 켭니다. 가스 유량 프로 판 20mL/분 담금질 가스 (N2) 2 L/분 희석 공기 5 L/분 산화 공기 0.5 L/분 혼합 가스 (N2) 0 L/분 표 2: 교정 측정을 위한 권장 미니캐스트 유량. 워밍업 시간이 30분 이상 인 후 교정 측정을 수행합니다. 생성된 그을음에 추출 시스템에 공급하는 것을 멈추고 버너의 출구를 희석 브리지에 연결합니다. 분류자가 선택한 파티클 크기를 사용자 인터페이스를 사용하여 10nm로 설정합니다. 희석 교량 바늘 밸브를 사용하여 DTT 시스템의 입자 수 농도를 상류로 조정하여 104 ± 103 #/cm3으로조정한다. 이러한 입자 농도는 상대적으로 높은 신호를 생성하여 CC가 단일 카운트 모드에서 작동하는 동안 짧은 측정 시간을 가능하게 하여 높은 정확도를 보장합니다. 104± 103 #cm3의 원하는 농도가 그을음 발생기에서 방출되는 입자 농도가 매우 낮기 때문에 도달할 수 없는 경우 밸브를 완전히 열어 희석 브리지를 통해 처리량을 최대화한다. DTT Labview 소프트웨어에서”데이터 로깅 시작”버튼을 클릭하여 DTT 시스템의 데이터 로깅을 시작합니다(아직 시작하지 않은 경우). 독점 소프트웨어 또는 직렬 통신을 사용하여 두 CPC의 데이터 로깅을 시작합니다. 실험 설정이 안정화될 때까지 30s를 기다립니다. 타임스탬프와 설정 된 파티클 크기를 사용하여 측정 시작을 표시합니다. 측정을 2분 동안 실행합니다. 측정의 끝을 표시하려면 타임스탬프를 기록합니다. 15nm, 30nm, 50nm 및 100 nm의 입자 크기에 대해 1.3.3-1.3.9단계를 반복합니다. 더 나은 크기 해상도를 원하는 경우 추가 측정을 할 수 있습니다. 1.3.2-1.3.10 단계를 반복하여 이전과 동일한 파티클 크기로 다른 측정 집합을 수행합니다. 두 CPC와 DTT 시스템의 측정 데이터 로깅을 중지합니다. 모든 계측기종료. 스프레드시트 프로그램을 사용하여 수집된 교정 데이터를 평가합니다. CPC에서 측정한 입자 농도 데이터를 .csv 또는 .txt 파일로 내보냅니다. CPC 및 DTT 시스템 데이터를 데이터 평가 도구로 가져옵니다. 측정의 시작과 종료 타임스탬프 사이에 타임스탬프를 사용하여 각 계측기(즉, 2CC, DTT 시스템)의 데이터를 해당 측정값에 할당하여 해당 측정값에 데이터를 할당합니다. 데이터 평가 도구를 사용하여 이 작업을 자동화하는 것이 좋습니다. 모든 측정 지점에 대한 시간 평균 두 개의 입자 농도 데이터 집합(CPC)과 희석 비율(DTT 시스템)을 평균합니다. 다음 수식에 따라 모든 측정 지점에 대한 상대 입자 침투를 계산합니다.Pn은 특정 측정 지점 n에서상대 입자 침투인 경우 측정점 n의시간 동안 평균DTT 시스템의 CPC 다운스트림에 의해 측정된 입자 농도이다. 측정점 n의시간 동안 평균DTT 시스템의 CPC 업스트림에 의해 측정된 해당 입자 농도이다. 측정점 n의시간 동안 평균인 DTT 시스템의 희석 비입니다. 평균 입자 침투 P평균을 30nm, 50nm 및 100nm 입자 크기로 평균화하여 계산합니다.이 값은 희석비 DR을 평균 침투 효율 P평균으로나누는 입자 농도 감소 인자(PCRF)의 계산에사용된다.PCRF는 PMP 준수, 시판 되는 기기와 비교할 수 있는 30nm, 50 nm 및 100 nm의 침투에서 계산됩니다. 30nm, 50nm 및 100 nm 이외의 크기의 측정은 규제 프레임 외부의 시스템을 더 잘 특성화하기 위해 시스템의 D50 컷오프 크기를 결정하는 데 사용됩니다. 2. 실제 주행 배기가스 측정을 위한 설치 및 준비 입자 및 23 nm의 입자 수 배출을 평가할 차량을 선택합니다. 선택한 차량의 파티클 수 배출을 측정하는 경로를 선택합니다. 문학24에서적절한 경로를 선택하는 방법에 대한 가이드가 있습니다. 배기 유량계(EFM) 설치 측정할 차량의 예상 배기 유량범위(24)와일치하는 측정 범위가 있는 EFM을 선택한다. EFM 컨트롤 박스를 차량 트렁크에 놓습니다. 제조업체의 사양 시트에 따라 차량 외부에 EFM을 설치합니다. 도 6은 트렁크로 이어지는 모양파이프에 외부에 장착된 설치된 EFM의 예를 나타낸다. EFM의 상류 및 하류 거리가 EU 규정을 준수하는지 확인하십시오(예: 파이프 직경 4배 또는 더 큰 파이프 150mm 직선 파이프는 유량 센서의 상류 및 하류여야 합니다). 다중 배기 매니폴드가 있는 차량을 측정할 때, 개별 배기 파이프는 EFM 앞에 결합되어야 하며, 이 파이프의 단면 영역은 배기 배압의 증가를 가능한 한 낮게 유지하도록 증가한다. 이것이 불가능한 경우 배기 질량 흐름을 여러 EfM으로 측정할 수 있습니다. EFM 파이프에서 차량의 배기 파이프에 이르는 커넥터가 배기 가스 온도를 견딜 수 있는지 확인하십시오(예: 플라스틱을 사용하지 않아야 합니다). 파이프 직경, 커넥터 직경 및 샘플링에 필요한 연장의 직경은 배기 배기 백 압력을 가능한 한 낮게 유지하기 위해 배기 파이프의 직경보다 작지 않아야 합니다. 차량의 배기에서 배관을 시작합니다. 배기를 파이프와 파이프 클램프를 연결하는 첫 번째 파이프에 연결합니다. 피팅 하는 동안 파이프를 정렬할 수 있도록 끝에만 파이프 클램프를 조여. 배기에서 EFM으로 연결되는 연결될 때까지 파이프와 파이프 클램프를 연결하는 한 번에 하나의 파이프를 연결합니다. 이것은 가능한 한 짧아야 합니다. EFM 컨트롤 박스와 EFM 마운팅 브래킷을 트렁크에 배치하여 측정 여행 중에 미끄러짐이 없도록 합니다. 모든 배관이 단단하고 측정 여행 중에 아무 것도 느슨해지 않은지 확인하십시오. EFM을 켭다. 주변 온도에 따라 최대 15분의 워밍업 시간(EFM 사용자 가이드 참조)을 워밍업한 후 배기 질량 유량계는25,,26,27,28을측정할 수 있습니다.,, 그림 6: 설치된 EFM 의 그림입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 차량 트렁크에 DTT 측정 시스템 준비 및 설치참고: 여기에 설명된 측정은 두 개의 응축 입자 카운터를 DTT 시스템의 계수 장치로 수행합니다. CPC 중 하나 (TSI 3790A) 현재 입법 한계와 동일한 23 nm의 낮은 d50 컷오프 크기를 가지고있다. 다른 CPC(10nm AVL CPC시)는 10nm의 낮은 d50 컷오프를 가지고 있습니다. 이 두 계측기를 병렬로 입자 배출을 측정하면 현재 규제되는 배출(>23 nm)과 <23 nm 분획을 평가할 수 있습니다. 랩톱을 가지고 CPC 측정 데이터를 로깅하기 위한 DTT 소프트웨어와 소프트웨어를 설치합니다. 합성 공기 병을 트렁크 또는 뒷좌석 앞 바닥에 놓고 스트랩을 사용하여 고정합니다. 배터리를 차량의 트렁크에 놓고 고정합니다. AC 입력 케이블을 연결하고 로컬 전원에 연결합니다. 샘플링 시스템 및 응축 입자 카운터를 차량의 트렁크에 배치하고 고정하고 배터리에 연결합니다. DTT 시스템을 차량 트렁크에 배치하고 스트랩을 사용하여 위치를 수정합니다. 도 7 및 도 8은 차량의 트렁크에 DTT 시스템을 표시합니다. 시스템을 모바일 배터리 팩에 연결합니다. DTT 시스템의 두 개의 입구 MFC를 고정 된 가압 공기 공급에 연결합니다. DTT 시스템의 두 콘센트 MFM을 진공 펌프에 연결합니다. 적절한 튜브를 사용하여 차량 외부의 펌프 배기를 구동하십시오. USB 케이블을 사용하여 DTT 시스템을 측정 랩톱에 연결합니다. 시스템의 입구를 EFM의 샘플링 지점 다운스트림에 연결합니다. 시스템 전원 입구를 배터리에 연결합니다. 응축 파티클 카운터의 전원 입구를 배터리 팩에 연결합니다. CPC를 각각의 외부 진공 펌프에 연결합니다. CC의 부타놀 병을 차량 탑승자로부터 가능한 한 멀리 떨어진 희석 시스템의 프레임에 단단히 장착하십시오. 캡이 단단히 고정되어 있고 가속시 측정 드라이브 중에 열리지 않도록 하십시오. 적절한 튜브를 사용하여 CPC 및/또는 외부 펌프의 배기를 차량 외부로 구동합니다. USB 케이블을 사용하여 CPC를 측정 랩톱에 연결합니다.참고: 그림 9는 준비된 차량을 보여줍니다. DTT 시스템은 차량의 트렁크에 설치됩니다. 또한 고체 입자 >23 nm의 규제 방출에 대한 참조로 사용하기 위해 시판되는 PN-PEMS 시스템도 설치된다. 그림 7: 차량 내부에서 DTT PEMS. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 8: 차량의 트렁크 내부의 DTT PEMS. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 9: 상용 PN-PEMS(AVL MOVE) 및 DTT 펨스가 설치된 차량입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 3. 측정 작동 측정 시스템 가열 및 시작 두 CPC와 외부 진공 공급 장치를 켭분. 측정 랩톱에서 CPC 소프트웨어를 열고 CPC와의 통신을 설정합니다. 통신은 계측기의 독점 소프트웨어를 통해 또는 CPC 매뉴얼에 설명된 대로 직렬 통신을 통해 실행할 수 있습니다. MFM의 하류에 바늘 밸브를 닫습니다. DTT 샘플링 시스템 펌프를 켭채보합니다. 빨간색 스위치를 아래로 밀어 샘플링 시스템을 켭채. 컴퓨터에서 LabVIEW DTT 응용 프로그램을 엽니다. 시스템과의 통신이 자동으로 시작됩니다. DTT LabVIEW 응용 프로그램의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)는 이제 0.00 L/min이어야 하는 희석 단계 1과 2에서 흐름을 표시합니다. 그렇지 않은 경우 바늘 밸브가 제대로 닫혀 있는지 다시 확인하십시오. sL/min에 연결된 측정 기기에서 가져온 질량 흐름을 입력합니다. 계측기에 의해 그려진 흐름이 알려지지 않은 경우 핸드헬드 질량 유량계(예: Vögtlin red-y compact 시리즈)를 사용하여 측정합니다. CPC에서 가져온 흐름을 측정한 후 튜브를 다시 연결합니다. 바늘 밸브를 천천히 열어 “흐름”이 10.0 ± 0.5 sL/min에 도달할 때까지 열립니다. 두 “흐름”은 해당 “흐름”과 동일한 값으로 증가합니다. QCS = 1.0 ± 0.1 L/min을 촉매 스트리퍼및 Q샘플 의 샘플 유입 흐름을 통해 0.1 L/min을 얻으려면 희석 단계의 “흐름 추가”(즉, 희석 공기 흐름과 과잉 흐름 의 차이)를 조정 = 1.0 ± 0.1 L/min. 히터 온도를 설정하려면”히터”탭을 클릭합니다. 희석 공기 공급, 제1 다공성 튜브 희석제 및 촉매 스트리퍼의 히터 온도를 350 °C로 설정합니다. 이제 시스템이 가열되기 시작합니다. 아래”설정”인터페이스 현재 온도 및 가열 전력 비율이 표시됩니다. 측정 드라이브를 시작하기 전에 가스 온도 다운스트림 희석 단계 1(GUI의 “T DilStage 1”)이 290°C에 도달할 때까지 기다립니다. 이 약 20 분 정도 걸릴 것입니다. 데이터 로깅 DTT 샘플링 시스템에 연결된 측정 장치의 데이터를 기록하기 시작합니다. “데이터로깅 시작”버튼을 눌러 샘플링 시스템의 데이터를 기록하고 팝업 창에서 경로와 파일 이름을 선택합니다. 로그 파일 경로가 표시되고 녹색 표시등이 데이터가 저장되었음을 나타냅니다. 시스템 데이터는 2Hz의 빈도로 기록됩니다. 적절한 소프트웨어를 사용하여 CPC의 입자 농도 데이터를 기록합니다. 제조업체 또는 직렬 통신 소프트웨어(예: PuTTY)일 수 있습니다. EFM을 통해 배기 흐름을 기록하기 시작합니다. 운전 선택한 경로를 운전하기 전에 배터리의 충전 케이블을 분리하고 고정 된 가압 공기 공급에서 가스 병으로 전환하십시오. 선택한 경로를 운전합니다. 운전 후 “로깅 …” 눌러 데이터 기록을 중지합니다. 악기를 종료합니다. 배터리를 충전하여 다음 드라이브를 준비합니다. 4. 데이터 분석 샘플링 시스템, EFM(배기 흐름용) 및 측정 장치에서 데이터를 동일한 데이터 분석 프로그램으로 가져옵니다. 배기 가스를 단부파이프에서 측정 장치로 이송해야 하는 시간을 고려하여 시간 정렬을 수행합니다. 희석 시스템을 통해딜전송 시간은2.5s입니다. 샘플링 라인을 통한 전송 시간 t샘플은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.t샘플이 초 단위로 샘플링 라인을 통해 전송 시간이되는 경우, tdil은 희석 시스템(2.5s)을 통해 전송 시간이며, 샘플은샘플링 라인의 단면면적msample 2, l샘플은 샘플 지점에서 희석 시스템 입구까지의 샘플링 라인의 길이이며,Q표본은 M/sm에서 DTT 희석 시스템 샘플흐름이다.3 총 지연 시간 t합계를얻기 위해 t 를 딜에dil t샘플을 추가합니다 .참고: 예를 들어, 내부 파이프 직경이 4mm이고 1 L/min의 샘플 흐름이 2.88s와 같을 때 0.5m의 파이프 길이에 대한 t합계는 2.88 s. 도 10은 측정된 입자 수(파란색 점선)의 시간 정렬의 예를 나타내며 시간 이동 입자 수(blue line). 도 10: KG/h의 측정배기 질량 흐름에 비해 #/cm3에서 측정된 입자 수 PN의 시간 정렬 예. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. PN #/s의 입자 수를 계산하려면 배기 가스 체적 흐름 Vexhaust_norm cm 3/s의흐름을 다음 공식에 따라 먼저 계산해야 합니다.ṁ V)exhaust_normexhaust_norm m3/s에서배기 표준 체량 의 흐름이 ṁ배기는 kg/s에서 측정된 배기 질량이며, R 규범은 공기(287.1 J/kg*K),T T규범은 표준 조건(273.15K)에서 온도이며, p규범은 표준 조건(101,330 Pa)에서 의 압력입니다. 이러한 배기 체적 흐름이 표준 조건에서 도취량 흐름을 통해 샘플링 시스템의 희석비율 DR, CC에 의해 측정된 농도 cPN, 및 인자 106(m6 3에서 cm3로변환)을 사용하여 V exhaust_norm을exhaust_norm 곱하여 입자 수를 계산할 수 있다.3 입자 손실을 보정하기 위해, 입자 배기 유량 시간을 희석비율 DR대신 시스템 입자 농도 감소 인자(PCRF)로 입자 수 농도속도를 곱한다.PCRF PCRF의 결정은 교정 명령 섹션 1에 설명되어 있습니다.

Representative Results

교정 데이터(입자 침투): 도 11은 입자 이동성 직경의 함수로서 DTT 시스템의 상대 입자 침투의 예시적인 플롯을 나타낸다. 해당 데이터는 명령 섹션 1에 설명된 대로 측정및 평가되었습니다. 플롯은 동일한 이동성 직경의 두 측정 점 사이의 편차가 5 % 미만임을 보여줍니다. 10% 이상의 편차는 실험 설정에서 비결을 나타냅니다. 이 경우, 교정은 워밍업 안정화 시간을 증가과 함께 반복해야했다. 워밍업 시간(일반적으로 30분)과 안정화 시간(일반적으로 30초)은 모두 1.5배 증가했습니다. DTT 시스템을 통과하는 입자는 확산 및 열광증으로 인해 손실되었습니다. 온도계 손실은 샘플링 시스템의 벽을 향해 온도 그라데이션 도면 입자에 의해 발생했다. 이것은 입자 크기 독립적 인 효과(29)입니다. 대조적으로, 확산은 입자 크기가 매우 의존적입니다. 농도 그라데이션으로 인해 입자가 손실된 벽쪽으로 그물 입자 플럭스가 발생했습니다. 입자 크기가 낮을수록 확산성이 상승하면서 입자≤10 nm의 지배적손실 메커니즘이 되었습니다. 도 11의 선은 열광, 확산 및 총 손실을 나타내며 각각의 입자 크기 종속성을 나타낸다. 확산 손실의 경우 이 함수는 대략적인 입자 크기 종속성을 설명하는 데 사용되었습니다. 침투 P는 적합 매개 변수 A 및 확산 계수 D에따라 달라집니다 . 확산 계수는 볼트만 상수 k,절대 온도 T,점도 η,입자 직경 dp및 커닝햄 슬립 보정 계수 Cc c에따라 달라지며, 이는 평균 자유 경로 및 입자직경(29)의함수이다. 도 11에 도시된 데이터는 다음과 같은 평균 입자 침투 효율 P평균을 초래했습니다. 침투 효율이 50%에 달하는 입자 크기를 d50이라고합니다. d50은 시스템의 침투 차단 특성을 설명합니다. DTT 시스템의 경우 d50은 11nm였습니다. d50은 도 11에표시됩니다. 도 11: 입자 이동성 직경의 함수로서 입자 침투.파란색으로 표시된 포인트는 측정 결과입니다. 주황색과 녹색의 파선선은 각각 열전증 및 확산과 관련된 손실을 나타냅니다. 레드 라인은 확산 및 열수성 손실의 합계로 총 손실을 나타냅니다. 도다쉬 퍼플 선은 교정 측정 명령 섹션 1에서 계산된 평균 입자 침투 Pmean를 보여 주어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 솔리드 파티클 번호: 도 12는 RDE 측정 드라이브의 처음 10분 동안 시간 동안 입자 수 방출 속도를 나타낸다. 10nm 및 23nm CPC를 사용하는 DTT PEMS의 데이터는 시판되는 23nm 컷 포인트 시스템의 데이터와 함께 표시됩니다. 입자 방출 속도는 데이터 분석 명령 섹션 4에 상술한 바와 같이 배기 유량을 곱한 각 입자 농도로부터 계산되었다. 기준 기기(AVL MOVE)는 입자 수 농도 측정을 위해 확산 충전기에 의존했습니다. 다양한 센서 원칙에도 불구하고 DTT PEMS로 측정된 데이터는 시판되는 PEMS로 측정된 데이터와 전반적으로 매우 양호한 일치였습니다. 입자 측정 장치가 일시적으로 0 입자 농도를 보고할 수 있고 로그리스믹 플롯에 0을 표시할 수 없기 때문에 세 가지 신호 모두에 스파이크를 가리키는 날카로운 하향이 발생했습니다. 10nm CPC로 측정된 입자 방출은 도 12에도시된 대부분의 기간 동안 23nm CPC로 측정된 배출량에 매우 가까웠다. 그러나, 10s와 25 s 사이 처음에 중요한 &23 nm 입자 방출의 발생이 있었습니다. DTT 10 nm 신호는 DTT 시스템의 23nm 신호와 AVL MOVE보다 상당히 높았다. 이 경우, 방출되는 총 입자 수의 50%는 10nm에서 23nm 사이였다. 열이 아닌 평형의 콜드 스타트 동적 공정은 입자 크기 분포가 뜨거운차량(30)과배출되는 것과 다를 수 있다. 이러한 복잡한 프로세스에 대한 논의는 이 작업의 범위를 벗어납니다. 이 주제에 대한 자세한 내용은 문헌31,,32,,33에서찾을 수 있다. 그림 12: 그림의 상부는 RDE 측정 드라이브의 처음 10분 동안 시간 동안 입자 수 방출 속도를 보여줍니다.10nm 및 23nm CPC를 사용하여 DTT PEMS로 측정된 데이터와 23nm 컷포인트 시스템(AVL MOVE)을 참고자료로 사용한다. 그림의 하부는 차량의 속도를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

이 작업은 DTT 샘플링 시스템과 휴대용 배출 측정 시스템으로 응용 프로그램을 제공합니다. 이 시스템은 EU Horizon 2020 프로젝트 DTT 내에서 설계 및 시공하여 현재 의 입법 입자 크기 제한 23 nm보다 낮은 입자 번호 방출 측정을 가능하게 합니다. 이 시스템의 다기능성은 규제된 고체 입자 수 배출뿐만 아니라 총 입자 방출 및 보조 에어로졸에 대한 연구를 평가할 수 있게 합니다. 측정 결과를 정확하게 해석하려면 DTT 시스템에서 교정 절차가 필요합니다. 이는 다른 입자 크기에 대한 상대 입자 침투를 평가하고, 입자 손실을 차지하는 보정 계수를 계산할 수 있도록 하는 것이다. 샘플링 시스템 자체와 나머지 실험 용 설정에 충분한 워밍업 시간을 제공하여 열 평형에 도달하고 정확한 교정 측정 결과를 달성하는 것이 중요합니다.

23nm(전류 조절) 및 10nm(실험)의 입자 크기 컷오프를 통해 고체 입자 수 배출을 측정하기 위한 DTT 시스템의 적용이 설명된다. 차량의 입자 수 배출을 평가하려면 입자 수 농도 및 배기 질량 유량을 결정해야 합니다. DTT 시스템은 입자 수 농도 측정을 다룹니다. 배기 질량 흐름은 배기 유량계(EFM)를 사용하여 측정됩니다. 제조업체의 지침에 따라 EFM을 설치하는 것이 중요합니다. 배기 유량의 잘못된 측정은 추론된 방출 속도에 직접적인 영향을 미칩니다. 측정된 데이터를 처리할 때는 입자 농도 데이터와 배기 흐름 데이터의 정확한 시간 정렬을 수행하는 것이 중요합니다. 이는 배출 속도가 입자 수 농도를 곱한 배기 유량이기 때문에 필요하다. 두 신호가 올바르게 정렬되지 않으면 드라이브 전체에 걸쳐 배출이 실제 배출에서 크게 벗어날 수 있습니다.

DTT 시스템은 상용 장치가 아니라 다재다능한 연구 도구입니다. 현행 규정 준수 여부를 검증하는 인증 측정을 수행하는 것과는 달리 규제되지 않은 차량 배기가스배출을 조사하는 데 사용됩니다. 높은 다기능성은 에너지 증가와 희석 공기 소비의 비용으로 제공됩니다. 모바일 측정을 위해 시스템을 사용할 때는 시스템의 에너지와 공기 소비를 커버하기 위해 배터리(30kg)와 가스병(20kg)으로 인해 차량에 추가된 무게를 염두에 두어야 합니다. DTT 시스템으로 PN 배출을 측정할 때 차량에 추가된 총 중량은 약 80kg이며, 이는 차량에서 운송되는 다른 사람과 비교할 수 있습니다. 추가 된 무게는 특히 드라이브에 가속 및 / 또는 언덕의 큰 거래를 포함하는 경우, 약간 증가 배출로 이어질 수 있습니다.

DTT 시스템은 규제되지 않은 & 23 nm 입자 수 배기가스 배출을 조사하는 데 사용할 수 있습니다. 고체 및 총 입자 수 배출을 모두 측정할 수 있습니다. 더욱이, 이차 에어로졸 형성의 복잡한 분야를 연구하는 유용한 도구가 될 수 있다. 시스템의 또 다른 가능한 응용 프로그램은 자동차 브레이크 마모 입자의 측정이다. 제동 이벤트 중에 방출되는 입자의 상당 부분은 30nm34보다작을 수 있다. 약 11nm의 d50을 갖춘 DTT 시스템은 이러한 배출을 연구하는 데 적합합니다. 비배기 배출이 교통 관련 PM10 배출35에거의 동등하게 기여하는 것으로 알려져 있지만, 비 배기 입자 배출은 여전히 규제되지 않습니다. 이는 입자 생성의 복잡하고 재현 가능한 프로세스가 거의 발생하지 않아 규제 조치를 설정하는 것이 매우 어렵기 때문입니다. 더욱이, 유기 브레이크 마모 입자의 화학 조성 및 관련 독성은 여전히 널리 알려지지 않은35.

DTT 시스템은 배기 및 비배기 트래픽 관련 입자 배출에 대한 이해를 향상시키는 유용한 도구입니다.

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 작업은 H2020 프로젝트 다운토텐의 틀에서 수행됩니다. 이 프로젝트는 보조금 협정 Nr. 724085에 따라 유럽 연합의 호라이즌 2020 연구 및 혁신 프로그램에서 자금을 받았습니다.

Materials

2x Condensation Particle Counter 4 nm TSI 3775 Particle counter with a cut point of 4 nm
5x Mass Flow Controllers (MFC) Vögtlin Mass flow controllers for controlling the miniCast gas flows
AVL M.O.V.E. EFM Exhaust Flow Meter AVL Device for the measurement of the exhaust flow rate of vehicles
Catalytic Stripper Custom made Device for the removal of volatile compounds in an aerosol by oxidation
Compressed Air Oxidation and dilution air supply for miniCast
Condensation Particle Counter 10 nm AVL Particle counter with a cut point of 10 nm
Condensation Particle Counter 23 nm TSI 3790A Particle counter with a cut point of 23 nm
Differential Mobility Analyzer TSI 3085 Part of the electrostatic classifier where the particle are separeted by mobility.
Dilution Bridge Custom made Needle valve in parallel to HEPA filters. Used to adjust particle concentrations for calibration purposes
DownToTen Sampling System Custom made Custom made sampling system for the assessment of automotive sub-23 nm particle emissions
Electrostatic Classifier TSI 3082 Device for the classifaction of arosol particles by electrical mobility diameter
Hand held Mass Flow Meter (MFM) Vögtlin Device for measuring the inlet flow of measurement instruments
miniCast Soot Generator Jing Ltd Combastion aerosol standard, soot generator
Mobile Battery LPS 1500 Clayton Power Battery for power supply of the DTT measurement system
Nitrogen Gas Bottle Nitrogen for Mixing gas and quench gas supply of miniCast
Propane Gas Bottle Fuel for miniCast
Soft X-Ray Neutralizer TSI 3088 Device for the establishmentof the equillibrium charge distribution of aerosol particles
Synthetic Air Bottle 10 L Gas Bottle for the dilution air supply

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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).

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