Præsenteret her er DownToTen (DTT) bærbare emissionsmålingssystem til at vurdere reelle kørsel automotive emissioner af sub-23 nm partikler.
Den nuværende partikelstørrelsestærskel for de europæiske partikeltal (PN)-emissionsstandarder er 23 nm. Denne tærskel kan ændre sig, fordi fremtidige forbrændingsmotor køretøj teknologi kan udlede store mængder af sub-23 nm partikler. Det Horisont 2020-finansierede projekt DownToTen (DTT) udviklede en prøveudtagnings- og målemetode til at karakterisere partikelemissioner i dette aktuelt uregulerede størrelsesområde. Der blev udviklet et PN-målesystem baseret på en omfattende gennemgang af litteraturen og laboratorieforsøg, der testede en række PN-måle- og prøveudtagningsmetoder. Det udviklede målesystem er kendetegnet ved høj partikelindtrængning og alsidighed, som gør det muligt at vurdere primære partikler, forsinkede primære partikler og sekundære aerosoler, startende fra nogle få nanometer i diameter. Dette dokument indeholder instruktioner om, hvordan du installerer og betjener dette PEMS-målesystem (Portable Emissions Measurement System) til RDE-målinger (Real Drive Emissions), og vurderer partikeltalemissioner under den nuværende lovgrænse på 23 nm.
Partikelmålingsprogrammet (PMP) blev grundlagt af den britiske regering med henblik på “udvikling af typegodkendelsestestprotokoller til vurdering af køretøjer udstyret med avanceret partikelreduktionsteknologi, der supplerer eller erstatter de nuværende lovgivningsmæssige måleprocedurer”1. PMP er verdens første partikelnummerbaserede emissionsregulering, der specifikt er rettet mod kulstofholdige partikler ≥23 nm. Nylige målinger indikerer, at det kan være nødvendigt at medtage mindre partikler.
Negative sundhedsvirkninger af dieselsod er velkendte2, og derfor blev forsigtighedsprincippet påberåbt med den begrundelse, at det af sundhedsmæssige årsager var bydende nødvendigt at fjerne kulstofpartikler fra dieseludstødning via obligatorisk brug af dieselpartikelfiltre ( DPF’er). Men fordi en grænseværdi i europæisk lovgivning skal gennemtvinge indførelse af emissionskontrolteknologier, kan dette ikke opnås uden en passende målemetode. Med stærk politisk opbakning i hele Europa førte den britiske regering an i udformningen af PMP for at forbedre partikelmålingerne. PMP omfattede under ledelse af De Forenede Nationers Økonomiske Kommission for Europa (FN-ECE)3andre fra hele verden ekspertise. To partikelforskningsprojekter blev afsluttet i 2001. En af dem (Partikelforskning4)blev udført af det britiske ministerium for miljø, transport og regioner (DETR) i samarbejde med Society of Motor Manufacturers and Traders (SMMT) og Oil Companies European Organisation for Environment, Health and Safety (CONCAWE). Den anden (PARTICULATES5)blev finansieret af Den Europæiske Unions5. Resultaterne af begge projekter viste, at partikeltalbaserede procedurer var lovende, men at der stadig var udfordringer for repeterbare og reproducerbare målinger.
I 2007 blev den endelige rapport fra PMP Light-duty Inter-laboratory Correlation Exerciseoffentliggjort 6, herunder nogle forbedringer af den filterbaserede massemålingsmetode, der primært viser gennemførligheden af en række optællingsbaserede metoder til reguleringsformål baseret på et defineret partikelstørrelsesområde og partikelvolatilitet. Begge metoder blev indført på grundlag af prøver fra den eksisterende metode til fortynding af konstantvolumen (CVS), der oprindeligt blev udviklet til partikelmasse og fortyndede fortyndede gasemissionsmålinger.
Inden for den taloptællerte metode blev der valgt en lavere partikelstørrelsesgrænse på ~20 nm. Hovedformålet med projektet var at sikre, at partikler af denne størrelse og derover blev kontrolleret ved lov. Det er nu kendt, at den primære partikelstørrelse i motorens udstødning kan være <20 nm7,8,9. Af praktiske årsager blev der valgt en partikeltæller med en 50 % tælleeffektivitet (d50)ved 23 nm, og denne størrelse blev den accepterede lavere størrelsestærskel. Det blev erkendt, at på grund af den høje følsomhed over for egenskaber såsom fortynding, lufttemperatur, fugtighed, og forholdet10, flygtigepartikelstørrelse distribution og integrerede antal målinger kunne gentages i en CVS-udstyret facilitet med et køretøj, men langt mindre fra facilitet til facilitet. For strenge regler var det derfor nødvendigt udelukkende at fokusere på ikke-involatile partikler, hvor måletilgangen effektivt definerer de lovgivningsmæssige partikelgrænsebetingelser for størrelse og volatilitet. Europæisk dieselolie har back-end volatilitet sådan, at kun et par procent koger ved temperaturer over 350 °C, og tidligt arbejde inden for PMP viste, at korte opholdstider ved denne temperatur var egnet til fuldstændig fordampning af tetracontan, en lineær kulbrinte indeholdende 40 kulstofatomer med volatilitet mod slutkogningspunktet af motorens smøremiddel11. En temperatur på 350 °C er derfor blevet det de facto referencepunkt for reguleringsmæssig >23 nm partikelvolatilitet.
PMP-målesystemspecifikationen omfatter komponenter til prøveudtagning, prøvekonditionering og måling, sammenfattet i tabel 1.
Fase | Identitet | Formål |
0 | Eksempelkilde | Stikprøvens oprindelse |
1 | Partikeltransport | Udføre prøve fra oprindelse til målesystem |
2 | Flygtig partikelfjerner | Eliminer flygtige stoffer og definer ikke-flygtige partikler, der skal måles |
3 | Tæller for partikelnummer | Optælle ikke-flygtige partikler og definer den nedre størrelsesgrænse |
Tabel 1: Elementer af PMP-målesystemet.
Den europæiske PMP PN-tilgang er ved at blive gennemført og gælder nu for let diesel (september 2011, EURO 5b) og GDI-køretøjer (september 2014, EURO 6) og for diesel- og gasmotorer (februar 2013, EURO VI).
Nylige målinger viste, at nogle lette køretøjer og især gnisttændingsteknologier kan udsende betydelige partikelniveauer <23 nm12,13,14. Dette fik Europa-Kommissionen til at finansiere forskningsprojekter med henblik på at udvikle nye eller udvidede metoder, der hurtigt kan gennemføres som erstatning eller supplement til den nuværende forordning på 23 nm.
Et sådant projekt, DownToTen (DTT), har til formål at bevare den generelle tilgang af PMP og udvide måleområdet ned til en d50 ≤10 nm. Til dette formål blev konfigurationen af DTT-målesystemet designet til at omfatte de samme grundlæggende elementer, der er beskrevet i tabel 1, men med konditionerings- og måletrinnene optimeret til at muliggøre effektiv transport og detektion af partiklerne <23 nm. DTT-systemet blev oprindeligt udviklet til laboratoriebrug, men blev ændret til at fungere som et bærbart emissionsmålingssystem (PEMS). For DTT PN-PEMS-systemet blev komponenterne optimeret til at reducere vægt- og strømforbruget og øge den fysiske robusthed uden at afvige væsentligt fra det oprindelige design. Til mobil anvendelse skal systemet være modstandsdygtigt over for hårdere og uregelmæssige temperaturer, tryk og vibrationsmiljøer, der sandsynligvis opstår i forbindelse med lette og kraftige PEMS-test. Virkningen af trykvariationer ved systemets indløb blev modelleret og undersøgt eksperimentelt15. Modstanden mod vibrationer blev vurderet ved hjælp af en dedikeret testseng16. Vibrationer og accelerationer, der forekommer under typiske RDE-drev, forringede ikke måleresultaterne for de anvendte kondenspartikeltællere. DTT-systemet er også designet til brug ved lave temperaturer, hvor den flygtige fjernelse funktion er inaktiv, at fodre en aldrende kammer og studere sekundære organiske aerosol dannelse17.
De termiske konditioneringselementer i DTT-målesystemet, der definerer partikelenes regulerende volatilitetsgrænse, der er tæt sideløbende med elementerne i PMP-systemet, da begge systemer indeholder sekvensen:
De primære forskelle mellem DTT- og PMP-systemerne er, at DTT-systemkomponenterne er valgt til:
Formålet med dette dokument er at præsentere anvendelsen af DTT PN-PEMS-systemet til måling af ikke-volatile partikler ≥10 nm fra et køretøj i brug. Dette omfatter en introduktion til målesystemet og dets hovedkomponenter, udførelse af laboratoriebaserede kalibreringsmålinger, installation af enheden til en mobil applikation, gennemførelse af en reel emissionsmåling og behandling af de indsamlede måledata.
Instrumentation
DTT PN-PEMS er designet til at give høj partikelindtrængning ned til nogle få nanometer, robust fortynding af partikeltal, fjernelse af flygtige partikler og forebyggelse af kunstig partikeldannelse. Systemets komponenter blev udvalgt på grundlag af resultater fra laboratorieforsøg, der sammenlignede en række teknologier til fortynding og aerosolkonditionering. Dette afsnit indeholder en oversigt over systemet, dets arbejdsprincip og de anvendte komponenter. Figur 1 viser et skema over systemet. Figur 2 viser et billede af systemet. DTT-systemet er 60 cm højt og har et fodaftryk på 50 cm x 50 cm. Vægten af systemet er ca. 20 kg. Inklusive de nødvendige perifere elementer (dvs. batteri og gasflaske) er den samlede vægt ca. 80 kg. De vigtigste elementer i systemet er de to fortyndingsfaser (dvs. første varme, anden kulde), en katalytisk stripper og mindst én kondenspartikeltæller (CPC).
Figur 1: Skematisk tegning af DTT partikelnummer bærbare emissionsmålingssystem. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Billede af DTT-prøvetagningssystemet i øverste visning. Klik her for at se en større version af dette tal.
To fortyndingsfaser reducerer partikeltalkoncentrationerne til niveauer, der kan måles ved kondenseringspartikeltællere (<104 #/cm3). Specialfremstillede porøse rørfortyndere anvendes til begge fortyndingsstadier. Denne teknologi blev valgt på grund af sit lavepartikeltab 18,19. Den radiale indtrængen af fortynding luft konvektivt holder partikler væk fra væggene, hvilket reducerer partikeltab. Desuden kan disse fortyndere være meget små og kan modstå temperaturer på 400 °C. Det porøse materiale, der anvendes, er et sintret hastalloy X-rør (GKN Filters Metals GmbH, Radevormwald, Tyskland). Statiske blandingselementer inde i det porøse rør giver en velblandet aerosol direkte nedstrøms for fortynderen. Dette gør det muligt at udtage en repræsentativ prøve af den fortyndede aerosol til yderligere konditionering eller måling ved at opdele aerosolstrømmen direkte nedstrøms for fortynderen og giver mulighed for et kompakt prøvetagningssystem. Den primære fortyndingsfase opvarmes typisk til 350 °C, mens anden fase anvendes ved omgivelsestemperatur. Systemets fortyndingsfaktor er ca. 80. Den nøjagtige værdi afhænger af indløbsstrømmen og masseflowstyringen: Strømningshastighederne i prøvetagningssystemet styres af et system med to masseflowregulatorer og to massestrømsmålere. Massestrømsregulatorerne styrer fortyndingsluftstrømningshastighederne. Massestrømningsmålerne overvåger strømningshastighederne, der udvindes neden for fortyndingstrin 1 og 2. Forskellene mellem de udvukne strømme og de leverede strømme kan ændres. Med andre ord kan den nettostrøm, der tilsættes eller trækkes i et fortyndingsstadiet, defineres. Prøvestrømningshastigheden,Q-prøven, defineres som summen af alle andre strømningshastigheder: 1) Strømningshastighed, der trækkes af måleinstrumenterne (Qinst) Q 2) fortyndingsluftstrømningshastigheder (Qdil,i); og 3) de overskydende strømningshastigheder Qex, i. Ved beregningen af prøvestrømmen er bidragene fra de strømme, der udvindes af systemet, positive, og bidragene fra de strømme, der føres ind i systemet, er negative.
Det samlede fortyndingsforhold DR beregnes ved:
En katalytisk stripper (CS) er placeret mellem fortyndingstrin 1 og 2 og betjenes ved 350 °C ved en strømningshastighed på 1 liter i minuttet (L/min.). Den katalytiske stripper giver oxidation af organiske forbindelser og svovlopbevaring. Fjernelsen af disse stoffer sikrer isolering af den faste partikelfraktion. Den uønskede dannelse af flygtige og semivolatile partikler og vækst af subcut størrelse partikler forhindres. Den anvendte katalytiske stripper er kommercielt tilgængelig (AVL GmbH). Cs’ens flygtige partikelfjernelseseffektivitet blev verificeret med polydisperse sænkeoliepartikler >50 nm og >1 mg/m3 (3,5-5,5 mg/m3) med en effektivitet på >99% (faktisk værdi 99,9%) som defineret iRDE-regulativer 20. Dette er en strengere test end den tetrakontane test, der er foreskrevet i den nuværende PMP-protokol.
En eller flere kondenspartikler tællere anvendes til at måle partikelnummer koncentration nedstrøms for den anden fortynding fase. En CPC med en d50 på 23 nm muliggør måling af den aktuelt regulerede emission af faste partikler, der er større end 23 nm. Desuden gør måling af partikelnummerkoncentrationen med en eller flere CPC’er med et lavere d50 snitpunkt (f.eks. 10 nm, 4 nm) mulighed for at vurdere den aktuelt uregulerede faste partikelfraktion <23 nm ned til d50-snitstørrelsen på den anvendte CPC.
Fortyndingslufttilførselsledningen, den primære porøse rørfortynder og den katalytiske stripper har uafhængige varmeelementer, der indeholder termoelementer af k-typen (TC). Uafhængigt opvarmning af forskellige sektioner styrer temperaturfordelingen i systemet.
Ud over termoelementerne i varmelegemerne placeres to termoelementer nedstrøms for fortyndingstrin 1 og 2. Disse to termoelementer måler direkte aerosoltemperaturen.
Der anvendes to sensorer til absolut tryk (NXP MPX5100AP) til at overvåge trykket ved indløbet og prøvetagningssystemets udløb.
Til mobile målinger bruges en Clayton Power LPS 1500-batteripakke. En 10 L syntetisk luftflaske forsyner systemet med fortyndingsluft under mobile applikationer. Batteriets og gasflaskens størrelser vælges, så systemet kan fungere uafhængigt i 100 min.
Systemet styres via en NI myRIO kører en LabVIEW virtuelt instrument. Det virtuelle instrument giver mulighed for kontrol af strømningshastigheder og varmelegemning temperaturer. Bortset fra de kontrollerede parametre kan aerosoltemperaturer, tryk og acceleration (via sensoren integreret i myRIO) overvåges og logføres. Et myRIO tilbehør GPS-modul gør det muligt at logge af positionsdataene. Figur 3 og Figur 4 viser brugergrænsefladen for det virtuelle instrument, der anvendes til styring af DTT-systemet.
Figur 3: DTT virtuelt instrument fortynding fase parameter oversigt. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: DTT virtuelle instrument varmelegemende kontrolpanel. Klik her for at se en større version af dette tal.
Enhver form for prøvetagning procedure forårsager partikeltab. For at kunne tage højde for disse tab udføres laboratoriemålinger for at bestemme partikelstørrelsens afhængige partikelindtrængning gennem DTT-prøvetagningssystemet. I disse målinger måles partikelkoncentrationen af monodisperse aerosol opstrøms og nedstrøms for prøvetagningssystemet ved hjælp af to kondenserende partikeltællere. Figur 5 viser den eksperimentelle opsætning af kalibreringsmålingerne. I denne opsætning bruges en Jing miniCAST som partikelkilde21,22. Massestrømsregulatorer (MFC) bruges til at styre gasstrømmene ind i brænderen. En fortyndingsbro muliggør justering af partikelnummerkoncentrationen. Fortyndingsbroen er et højeffektivt partikelluftfilter (HEPA) parallelt med en nåleventil. Justering af nåleventilens position ændrer fortyndingsforholdet ved at ændre forholdet mellem den fraktion af aerosolet, der passerer gennem HEPA-filteret, og den del af aerosolet, der passerer gennem kanyleventilen. De filtrerede og ufiltrerede aerosoler kombineres med et T-stykke for at danne en fortyndet aerosol. En katalytisk stripper bruges til at fjerne muligvis rigelige flygtige forbindelser genereret som biprodukter af forbrændingsprocessen. En TSI 3082 elektrostatisk klassificering sammen med en TSI 3085 differentialmobilitetsanalysator (nano DMA) anvendes til størrelsesvalg af partikler. Der anvendes to TSI CPC’er 3775 (d50 = 4 nm) til måling af partikelnummerkoncentrationen opstrøms og nedstrøms for DTT-prøvetagningssystemet. Tællerens snitpunkt d50 = 4 nm gør det muligt at foretage indtrængning ved partikelstørrelser helt ned til 10 nm og derunder.
Figur 5: Skematisk tegning af den forsøgsopstilling, der anvendes til kalibrering af DTT-prøvetagningssystemet. Klik her for at se en større version af dette tal.
Dette arbejde præsenterer DTT-prøvetagningssystemet og dets anvendelse som et bærbart emissionsmålingssystem. Systemet er udformet og bygget inden for rammerne af EU Horizon 2020-projektet DTT for at muliggøre partikeltalemissionsmålinger under den nuværende lovgivningsmæssige partikelstørrelsesgrænse på 23 nm. Systemets alsidighed gør det muligt at vurdere de regulerede emissioner af faste partikler samt samlede partikelemissioner og undersøgelser af sekundære aerosoler. For at fortolke måleresultaterne nøjagtigt er det nødvendigt med en kalibreringsprocedure med DTT-systemet. Dette er for at vurdere den relative partikelindtrængning for forskellige partikelstørrelser, for at kunne beregne en korrektionsfaktor, der tegner sig for partikeltab. Det er afgørende at give tilstrækkelig opvarmningstid til, at selve prøveudtagningssystemet og resten af forsøgsopsætningen kan opnå termisk ligevægt og opnå nøjagtige kalibreringsmålingsresultater.
Anvendelsen af DTT-systemet til måling af emissioner af faste partikeltal med en lavere partikelstørrelsesafskæring på 23 nm (gældende regulering) og 10 nm (eksperimentel) er beskrevet. For at kunne vurdere partikelnummeremissioner for et køretøj er det nødvendigt at bestemme partikelnummerkoncentrationen og udstødningsmassens strømningshastighed. DTT-systemet dækker partikeltalkoncentrationsmålingen. Udstødningsmassestrømmen måles ved hjælp af en udstødningsstrømsmåler (EFM). Det er vigtigt at installere EFM i henhold til producentens anvisninger. Fejlagtige målinger af udstødningsstrømmene påvirker direkte de udledes af emissionshastigheder. Ved behandling af de målte data er det vigtigt at udføre en nøjagtig tidsjustering af partikelkoncentrationsdataene og udstødningsflowdataene. Dette er nødvendigt, fordi emissionshastigheden er udstødningsflowet ganget med partikelnummerkoncentrationen. Hvis de to signaler ikke er justeret korrekt, kan emissionerne over hele drevet afvige betydeligt fra de reelle emissioner.
DTT-systemet er ikke en kommerciel enhed, men et alsidigt forskningsværktøj. Det bruges til at undersøge uregulerede emissioner fra køretøjer i modsætning til at udføre certificeringsmålinger, der validerer overholdelse af gældende regler. Den høje alsidighed kommer på bekostning af øget energi og fortynding luftforbrug. Ved brug af systemet til mobile målinger skal vægten, der tilsættes køretøjet på grund af batteriet (30 kg) og gasflasken (20 kg) til dækning af systemets energi- og luftforbrug, være for øje. Den samlede vægt, der lægges til bilen ved måling af PN-emissionerne med DTT-systemet, er ca. 80 kg, hvilket kan sammenlignes med en anden person, der transporteres i køretøjet. Den ekstra vægt kan føre til lidt øgede emissioner, især hvis drevet omfatter en stor acceleration og / eller bakker.
DTT-systemet kan bruges til at undersøge de uregulerede partikeltals udstødningsemissioner på 23 nm. Både emissioner af faste og samlede partikeltal kan måles. Desuden kan det være et nyttigt redskab til at undersøge det komplekse område af sekundær aerosoldannelse. En anden mulig anvendelse af systemet er måling af bilbremseslidpartikler. En betydelig del af de partikler, der udsendes under bremsehændelser, kan være mindre end 30 nm34. Med en d50 på ca. 11 nm er DTT-systemet egnet til at studere disse emissioner. Selv om det er kendt, at ikke-udstødningsemissioner bidrager næsten ligeligt til trafikrelaterede PM10-emissioner 35,er ikke-udstødningspartikelemissioner stadig ureguleret. Dette skyldes den komplekse og sjældent reproducerbare proces med partikelproduktion, hvilket gør det meget vanskeligt at fastsætte regulerende foranstaltninger. Desuden er den kemiske sammensætning og den dermed forbundne toksicitet af organiske bremseslidpartikler stadig almindeligt ukendt35.
DTT-systemet er et nyttigt værktøj til at forbedre vores forståelse af både udstødnings- og ikke-udstødningstrafikrelaterede partikelemissioner.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde udføres inden for rammerne af H2020-projektet DownToTen. Dette projekt har modtaget støtte fra EU’s Horisont 2020-forsknings- og innovationsprogram under tilskudsaftale nr.
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 |