使用便携式 DownToTen 采样系统测量低于 23 纳米实际驱动粒子数排放

摘要

这里展示的是 DownToTen （DTT） 便携式排放测量系统，用于评估 23 纳米以下颗粒的实际驱动汽车排放。

摘要

欧洲粒子数 （PN） 排放标准的当前颗粒大小阈值为 23 nm。此阈值可能会改变，因为未来的内燃机车辆技术可能会释放出大量低于 23 nm 的颗粒。Horizon 2020 资助的项目 DownToTen （DTT） 开发了一种采样和测量方法，以描述目前不受管制的尺寸范围内的颗粒排放。在广泛审查文献和实验室实验测试各种PN测量和取样方法的基础上，开发了PN测量系统。所开发的测量系统具有高颗粒渗透性和多功能性的特点，能够从直径几纳米开始评估初级颗粒、延迟初级颗粒和次级气溶胶。本文提供了有关如何安装和操作此便携式排放测量系统 （PEMS） 的实际驱动排放 （RDE） 测量的说明，并评估低于当前 23 nm 立法限制的颗粒数排放。

引言

粒子测量计划（PMP）由英国政府创立，旨在"制定类型批准测试协议，评估装有先进微粒减少技术的车辆，以补充或取代现行立法测量程序^"1。PMP 是世界上第一个基于颗粒数的排放法规，专门针对 23 ≥的碳化颗粒。最近的测量表明，可能需要包括较小的颗粒。

柴油烟尘对健康的负面影响^{是众所周知的2，}因此，援引"预防原则"的依据是，通过强制使用柴油微粒过滤器（DPF）消除柴油尾气中的碳颗粒，在健康方面是必要的。然而，由于在欧洲立法中，限制值必须强制采用排放控制技术，因此，如果没有适当的测量方法，这一点是无法实现的。在整个欧洲强大的政治支持下，英国政府领导了PMP的概念，以改善颗粒测量。PMP在联合国欧洲经济委员会（欧洲经委会）^第3届的主持下，包括来自全球其他专家的专门知识。2001年完成了两个粒子研究项目。其中之一（颗粒^研究4）由英国政府环境、运输和地区部（DETR）与汽车制造商和贸易商协会（SMMT）和欧洲石油公司欧洲环境、健康和安全组织（CONCAWE）合作进行。另一个（PARTICULATES^5）由欧盟第5^个框架 资助，由14个不同的欧洲伙伴执行。这两个项目的结果表明，基于粒子编号的程序是有希望的，但可重复和可重复测量的挑战依然存在。

2007年，PMP轻负荷实验室间相关练习的最后^{报告于6日发表，包括基于}滤波器的质量测量方法的一些改进，主要演示基于定义粒径范围和颗粒挥发性进行计数控制的方法的可行性。这两种方法都是基于对现有常量采样器 （CVS） 稀释隧道方法的采样实现的，该方法最初是为颗粒物质量和袋装稀释气体排放测量而开发的。

在基于数字计数的方法中，选择了 ±20 nm 的下限。该项目的主要目标是确保这种大小及以上的颗粒受到立法控制。现在已知发动机排气中的主要颗粒大小可以是<20nm 7，8，9。^7,8,9出于实际原因，选择了在 23 nm 时计数效率为 50% （d_50）的粒子计数器，此大小成为公认的较低尺寸阈值。人们认识到，由于对稀释、空气温度、湿度和^{比率10等特性}的灵敏度很高，挥发性颗粒尺寸分布和综合数测量可以在一个配备CVS的设施中重复使用一辆车，但从设施到设施都少得多。因此，对于严格的法规，必须完全侧重于非易失性粒子，测量方法有效地定义了关于大小和挥发性的调控粒子边界条件。欧洲柴油具有回端挥发性，在350°C以上的温度下沸腾，PMP的早期工作表明，在此温度下，短的燃烧时间适用于全蒸发的五角松，一种线性碳氢化合物，含有40个碳原子，在^{发动机润滑剂11的沸点处具有挥发}性。因此，温度为 350°C 已成为调节 >23 nm 颗粒波动的实际参考点。

PMP 测量系统规范包括用于采样、样品调节和测量的组件，总结于表 1。

阶段	身份	目的
0	示例源	样品来源
1	粒子传输	从原点到测量系统进行样品
2	挥发性粒子去除器	消除挥发性，定义要测量的非挥发性颗粒
3	粒子编号计数器	枚举非易失性粒子并定义下限

表1:PMP测量系统的元素。

欧洲 PMP PN 方法正在实施，现在适用于轻型柴油（2011 年 9 月，EURO 5b）和 GDI 车辆（2014 年 9 月，EURO 6），以及柴油和燃气重型发动机（2013 年 2 月，EURO VI）。

最近的测量显示，一些轻型车辆，特别是火花点火技术，可以发射大量的粒子<23 nm 12，13，14。^12,13,14这导致欧盟委员会资助研究项目，以开发新的或扩展的方法，可以迅速实施，作为替代或补充，目前的>23 nm法规。

其中一个项目，DownToTen（DTT），旨在保留PMP的一般方法，将测量范围扩大到_{d 50≤10} nm。为此，DTT 测量系统的配置旨在包括表 1中描述的相同基本元素，但优化了调节和测量步骤，以实现 <23 nm 颗粒的高效运输和检测。DTT 系统最初开发供实验室使用，但经过修改后可作为便携式排放测量系统 （PEMS） 运行。对于 DTT PN-PEMS 系统，组件经过优化，可降低重量和功耗，提高物理健壮性，而不会与原始设计有很大差异。对于移动应用程序，系统必须耐候轻重和重型 PEMS 测试中可能遇到的更严酷和不稳定的温度、压力和振动环境。对系统入口压力变化的影响进行了建模，并进行了实验性^研究。使用专用测试床^{16评估振动的抗性}。典型 RDE 驱动器期间发生的振动和加速度不会损害使用的冷凝粒子计数器的测量结果。DTT 系统还设计用于在低温下使用，而温度为挥发性去除功能处于非活动状态，用于为老化室提供饲料，并研究二次有机气溶胶形成¹⁷。

DTT 测量系统的热调节元件定义粒子的调节波动边界，与 PMP 系统的元素紧密平行，因为两个系统都包含以下顺序:

1. 第一粒数稀释级
2. HC/挥发性消除阶段
3. 第二粒子数稀释级

DTT 和 PMP 系统之间的主要区别在于，DTT 系统组件被选择为:

1. 使用低损耗稀释和颗粒传输方法，最大限度地将 ±10 nm PN 从样品源传输至颗粒计数器
2. 使用氧化颗粒消除全面去除挥发物，而不仅仅是通过蒸发和稀释降低可冷凝HC物种的部分压力
3. 与当前 PMP 系统效率更高的颗粒计数 ±10×50 nm

本文的目标是介绍DTT PN-PEMS系统用于测量使用中的公路车辆≥10纳米的非易失性颗粒。这包括介绍测量系统及其主要组件、执行基于实验室的校准测量、为移动应用程序安装设备、进行真正的驱动排放测量以及处理收集的测量数据。

仪表

DTT PN-PEMS 旨在提供高颗粒穿透到几纳米、强健的颗粒数稀释、去除挥发性颗粒和防止人工颗粒形成。该系统的组件是根据实验室实验结果选择的，这些实验比较了各种稀释和气溶胶调节技术。本节概述了系统、其工作原理和使用的组件。 图 1 显示了系统的示意图。 图 2 显示了系统的照片。DTT 系统高 60 厘米，占地面积为 50 厘米 x 50 厘米。系统的重量约为 20 kg。包括所需的外围元件（即电池和煤气瓶），总重量约为 80 kg。系统的主要元件是两个稀释阶段（即第一热，第二冷），一个催化脱模，和至少一个冷凝颗粒计数器（CPC）。

图1:DTT粒子号便携式发射测量系统的示意图绘制。请单击此处查看此图的较大版本。

图 2:DTT 采样系统的顶视图图片。请单击此处查看此图的较大版本。

两个稀释阶段将颗粒数浓度降低到冷凝粒子计数器可测量的水平（<10⁴ #/cm³）。定制多孔管稀释剂用于两个稀释阶段。这项技术之所以被选中，是因为其粒子损耗低，^{为18，19。,19}稀释空气的径向入口使粒子远离墙壁，从而减少颗粒损失。此外，这些稀释剂可以非常小，可以承受400°C的温度。 使用的多孔材料是烧结结 X 管（GKN 过滤器金属有限公司，德国拉德沃姆瓦尔德）。多孔管内的静态混合元件直接在稀释器的下游提供混合良好的气溶胶。这允许通过将稀释剂直接在下游分割气溶胶流量来对稀释后的气溶胶进行具有代表性的样品，以进一步调节或测量，并允许采用紧凑的采样系统。初级稀释阶段通常加热至350°C，而第二级在环境温度下工作。系统的稀释系数约为 80。确切的值取决于进气流量和质量流量管理:采样系统中的流速由两个质量流量控制器和两个质量流量计的系统管理。质量流量控制器控制稀释气流速率。质量流量计监测稀释阶段1和2下游提取的流量。提取的流和提供的流之间的差异可以更改。换句话说，可以在一个稀释阶段添加或减去净流量。样本流速Q_样本定义为所有其他流速的总和:1） 测量仪器绘制的流速（Q_inst）;2）稀释气流速率（Q_dil，i）;3）多流量率Q_{ex ，i}。对于样本流的计算，从系统中提取的流量的贡献为正，输入系统流的贡献为负。

总稀释比 DR 计算方法如下:

催化脱模 （CS） 位于稀释阶段 1 和 2 之间，以 350°C 的速度运行，流量为每分钟 1 升（L/min）。催化脱模器提供有机化合物和硫的氧化。去除这些物质可确保固体颗粒分数的分离。防止挥发性、半挥发性颗粒的不易形成和皮下大小颗粒的生长。使用的催化脱模器是市售的（AVL GmbH）。使用多分散油颗粒 >50 nm 和 >1 mg/m³ （3.5~5.5 mg/m^3）验证了 CS 的挥发性颗粒去除效率，效率为 >99%（实际值 99.9%）根据 RDE 法规^{20 的定义}。这是一个比当前 PMP 协议中规定的特拉孔坦测试更严格的测试。

一个或多个冷凝粒子计数器用于测量第二个稀释级下游的颗粒数浓度。D_{50 的 23} nm 的 CPC 可测量当前调节的大于 23 nm 的固体颗粒的发射。此外，使用一个或多个具有较低 d 50 切点（例如₁₀ nm、4 nm）的 CPC 测量颗粒数浓度，可以评估当前不受监管的固体颗粒分数 <23 nm 到应用的 CPC 的 d₅₀ 切大小。

稀释空气供应管、初级多孔管稀释剂和催化脱模器具有含有 K 型热电偶 （TC） 的独立加热元件。独立加热不同的部分控制系统中的温度分布。

除了加热元件中的热电偶外，稀释阶段 1 和 2 的下游还放置了两个热电偶。这两个热电偶直接测量气溶胶温度。

两个绝对压力传感器（恩智浦 MPX5100AP）用于监控采样系统入口和出口处的压力。

对于移动测量，使用克莱顿功率 LPS 1500 电池组。10 L 合成空气瓶在移动应用期间为系统提供稀释空气。选择电池和气瓶的大小，使系统可以独立运行 100 分钟。

该系统通过运行 LabVIEW 虚拟仪器的 NI myRIO 进行控制。虚拟仪器允许控制流速和加热器温度。除了受控参数外，还可以监控和记录气溶胶温度、压力和加速度（通过 myRIO 中集成的传感器）。myRIO 附件 GPS 模块可记录位置数据。 图 3 和图 4 显示了用于控制 DTT 系统的虚拟仪器的用户界面。

图3:DTT虚拟仪器稀释级参数概述。请单击此处查看此图的较大版本。

图4:DTT虚拟仪表加热器控制面板。请单击此处查看此图的较大版本。

任何类型的采样过程都会导致颗粒损失。为了能够解释这些损失，实验室测量通过DTT采样系统确定颗粒大小取决于颗粒渗透。在这些测量中，使用两个冷凝粒子计数器测量样品系统的上下游单分散气溶胶的颗粒浓度。图 5显示了校准测量的实验设置。在此设置中，Jing miniCAST 用作粒子源^21，22。^,质量流量控制器 （MFC） 用于控制气体流入燃烧器。稀释桥可调节颗粒数浓度。稀释桥是一种与针阀平行的高效颗粒空气 （HEPA） 过滤器。调整针阀的位置通过改变通过 HEPA 过滤器的气溶胶分数和通过针阀的气溶胶分数之间的比率来改变稀释比。过滤和未过滤的气溶胶与T件重新组合，形成稀释的气溶胶。催化脱模器用于去除作为燃烧过程的副产品产生的可能丰富的挥发性化合物。TSI 3082 静电分类器与 TSI 3085 差分移动分析仪 （nano DMA） 一起用于颗粒尺寸选择。两个 TSI CPC 3775 （d₅₀ ± 4 nm） 用于测量 DTT 采样系统的上游和下游的粒子数浓度。计数器的切口 d₅₀ ± 4 nm 允许在低至 10 nm 及以下的粒径下进行穿透测定。

图5:用于DTT采样系统校准的实验装置的示意图绘制。请单击此处查看此图的较大版本。

研究方案

1. 校准程序

1. 设置和准备仪器。
   1. 将所述仪器（如图 5所示）以有条理、紧凑的方式放在具有提取系统的实验室中。
   2. 使用导电管连接图 5 中箭头 所示的仪器。使油管尽可能短，以尽量减少扩散粒子损失。
   3. 将需要电源的仪器（即 DTT 系统、DTT 系统泵、两个 CPC、DMA、催化脱模机和 MPC）连接到插座。
   4. 将 CPC、DTT 系统和 MFC 连接到笔记本电脑。
   5. 确保笔记本电脑安装了与连接的设备通信所需的软件。
   6. 如果需要，请安装丢失的软件。
2. 在开始校准测量之前至少 30 分钟预热实验组件，以确保热稳定的测量设置。
   1. 通过将外部 MFC 控制的气体流量设置为用户手册中指定的启动设置，开始燃烧器的操作。
   2. 点燃火焰。
   3. 将生成的烟灰馈入萃取系统。
   4. 通过相应地设置 MFC 控制的流量，产生± 50 纳米的烟灰颗粒。在燃烧器手册或文献23中可以找到设置和预期颗粒^{大小分布表}。对于表 2 中的 miniCAST 设置 ，可以使用:
   5. 通过将相应的温度控制器设置为 350°C，开始加热催化脱模器。
   6. 打开 CPC 并设置为低流量模式（即入口流量为 0.3 L/min）。
   7. 使用 CPC 制造商的软件或串行通信设置 CPC 与笔记本电脑的通信。
   8. 启动 DTT 系统预热过程，如第 3.1 节所述。
   9. 根据用户手册，在分类器的入口安装带 0.071 cm 喷嘴的撞击器。
   10. 打开分类器。分类器上的显示应显示 1.30 的撞击器流± 0.05 L/min。如果显示的流量不同，请仔细检查连接分类器与 CPC 和 DTT 系统的油管。
   11. 使用用户界面将分类器的护套流速设置为 13 L/min。
   12. 如果使用软 X 射线源 （TSI 3088），请打开分类器的中和器。

气体	流量
丙烷	20 mL/分钟
淬火气体 （N2）	2 升/分钟
稀释空气	5 升/分钟
氧化空气	0.5 升/分钟
混合气体 （N2）	0 升/分钟

表2:建议的校准测量的迷你CAST流量。

3. 至少预热时间 30 分钟后，执行校准测量。
   1. 停止将产生的烟灰进抽吸系统，将燃烧器的出水口连接到稀释桥。
   2. 使用用户界面将分类器选择的粒子大小设置为 10 nm。
   3. 使用稀释桥针阀，将 DTT 系统上游的颗粒数浓度调整为 10^{4 ±} 10³ #/cm³。这种颗粒浓度产生相对较高的信号，使测量时间短，而CPC在单数模式下工作，确保高精度。如果由于烟灰发生器±颗粒浓度极低而无法达到所需的浓度 10⁴ ±^{10 3} #/cm^3， 则通过完全打开阀门最大限度地提高通过稀释桥的吞吐量。
   4. 单击 DTT Labview 软件中的"开始数据日志记录"按钮，开始记录DTT 系统的数据（如果尚未启动）。
   5. 开始使用专有软件或串行通信记录两个 CPC 的数据。
   6. 等待 30 s，使实验设置稳定下来。
   7. 记下时间戳和设定的颗粒大小，以标记测量的开始。
   8. 运行测量 2 分钟。
   9. 记下时间戳以标记测量结束。
   10. 对于 15 nm、30 nm、50 nm 和 100 nm 的颗粒尺寸，重复步骤 1.3.3=1.3.9。如果需要更好的尺寸分辨率，可以进行其他测量。
   11. 通过重复步骤 1.3.2~1.3.10，以与以前相同的颗粒大小执行另一组测量。
   12. 停止记录两个 CPC 和 DTT 系统的测量数据。
   13. 关闭所有仪器。
4. 使用电子表格程序评估收集的校准数据。
   1. 将 CPC 测量的颗粒浓度数据导出到 .csv 或 .txt 文件中。
   2. 将 CPC 和 DTT 系统数据导入数据评估工具。
   3. 通过将每个仪器（即 2 个 CPC、DTT 系统）的数据与测量的开始和结束时间戳之间的时间戳分配给相应的测量值，将数据分配给相应的测量值。建议使用数据评估工具自动执行此任务。
   4. 时间平均两个粒子浓度数据集 （CPC） 和稀释比 （DTT 系统） 的所有测量点。
   5. 根据以下公式计算所有测量点的相对粒子穿透率:
      
      其中 P_n 是某个测量点 n 的相对粒子 穿透。 是DTT系统下游的CPC在测量点n的时间跨度上平均测量的颗粒 浓度。 是DTT系统上游的CPC在测量点n的时间跨度上平均测量的相应粒子 浓度。 是DTT系统的稀释比，平均超过测量点 n的时间跨度。
   6. 计算平均粒子穿透 率 P_平均值 ，平均超过 30 nm、50 nm 和 100 nm 粒子大小的平均粒子穿透率。
      
      此值用于计算颗粒浓度降低因子 （PCRF），将稀释比 DR 与平均渗透 效率 P 均值_进行划分。
      
      PCRF的计算方法是 30 nm、50 nm 和 100 nm 的穿透力，可与符合 PMP 的商用仪器相媲美。30 nm、50 nm 和 100 nm 以外的尺寸测量用于确定系统的 d₅₀截止大小，以便更好地描述系统在调节框架之外的特性。

2. 实际驾驶排放测量的安装和准备

1. 选择一种车辆以评估颗粒的颗粒数量排放 <23 nm。
2. 选择一条路径以测量所选车辆的颗粒编号排放。有指南如何选择适当的路线在文献^24。
3. 排气流量计 （EFM） 安装
   1. 选择测量范围与要测量的车辆的预期排气流量范围相匹配的 EFM^。
   2. 将 EFM 控制箱放在车辆后备箱中。
   3. 根据制造商的规格表在车外安装 EFM。 图 6 显示了一个已安装的 EFM 示例，该 EFM 安装在外部通往中继的形状管道上。
   4. 确保 EFM 的上游和下游距离符合欧盟法规（即管道直径的 4 倍或 150 mm 直管（以较大者为准）应是流量传感器的上游和下游）。
   5. 当测量具有多个排气歧管的车辆时，应在 EFM 前面连接各个排气管，并且此管道的横截面面积应相应地增加，以保持排气背压的增加尽可能低。如果无法这样做，可以使用多个 EAM 测量排气质量流量。
   6. 确保从 EFM 管道到车辆排气管的接头能够承受废气温度（即，不应使用塑料）。
   7. 管道直径、接头直径和采样所需的任何扩展的直径不应小于排气管的直径，以尽可能降低排气回压。
   8. 在车辆排气口启动管道。
   9. 使用连接管道和管夹将排气连接到第一个管道。仅在末端拧紧管钳，以便能够在安装过程中对齐管材。
   10. 一次连接一个管道，连接管道和管道夹，直到从排气到 EFM 有连接。这应尽可能短。
   11. 将 EFM 控制箱和 EFM 安装支架放在后备箱中，以确保测量行程期间没有滑倒。
   12. 检查所有管道是否紧固，测量行程中没有任何松动。
   13. 打开 EFM。
   14. 预热时间长达 15 分钟后，具体取决于环境温度（参见 EFM 用户指南），排气质量流量计已准备好测量 25、26、27、28。^25,26,27,28

图 6:已安装的 EFM 的图片。请单击此处查看此图的较大版本。

4. 在车辆后备箱中准备和安装 DTT 测量系统
   注:此处描述的测量使用两个冷凝粒子计数器作为 DTT 系统的计数装置进行。其中一个 CPC （TSI 3790A） 的截止尺寸较低_， 为 23 nm，相当于当前的立法限制。另一个 CPC（商用 10 nm AVL CPC）的 D₅₀ 截止时间较低，为 10 nm。使用这两种仪器并行测量颗粒物排放，可以评估当前受管制的排放（>23 nm）和<23 nm 分数。
   1. 请使用笔记本电脑并安装 DTT 软件和用于记录 CPC 测量数据的软件。
   2. 将合成空气瓶放在后备箱或后排座椅前面的地板上，然后用带子固定。
   3. 将蓄电池放在车辆后备箱中并固定。插入交流输入电缆，将其连接到本地电源。
   4. 将采样系统的真空泵和蓄能颗粒计数器放置并固定在车辆后备箱中，然后将其连接到蓄电池。
   5. 将 DTT 系统放在车辆后备箱中，并使用带子固定其位置。 图 7 和图 8 显示了汽车后备箱中的 DTT 系统。将系统连接到移动电池组。
   6. 将 DTT 系统的两个进气 MFC 连接到固定加压空气供应。将 DTT 系统的两个出口 MM 连接到真空泵。
   7. 使用适当的油管将泵的排气驱动到车辆外。
   8. 使用 USB 电缆将 DTT 系统连接到测量笔记本电脑。
   9. 将系统的入口连接到 EFM 下游的采样点。将系统电源入口连接到电池。将冷凝粒子计数器的电源入口连接到电池组。
   10. 将 CPC 连接到相应的外部真空泵。
   11. 将 CPC 的巴丹醇瓶牢固地安装在稀释系统的机架上，尽可能远离车辆乘员。
   12. 确保盖紧拧紧，在加速时测量驱动器期间未打开。
   13. 使用适当的油管驱动 CPC 和/或车辆外部泵的排气。使用 USB 电缆将 CPC 连接到测量笔记本电脑。
       注: 图 9 显示了准备好的车辆。DTT 系统安装在车辆的后备箱中。还安装了一个市售的 PN-PEMS 系统，用作固体颗粒的调节排放的参考值>23 nm。

图 7:从车内进行 DTT PEMS。请单击此处查看此图的较大版本。

图 8:车辆后备箱内的 DTT PEMS。请单击此处查看此图的较大版本。

图 9:安装了商用 PN-PEMS （AVL MOVE） 和 DTT PEMS 的车辆。请单击此处查看此图的较大版本。

3. 测量操作

1. 加热和启动测量系统
   1. 打开两个 CPC 及其外部真空电源。
   2. 打开测量笔记本电脑上的 CPC 软件，与 CPC 建立通信。通信可以通过仪器的专有软件或通过CPC手册中描述的串行通信运行。
   3. 关闭 MM 下游的针阀。
   4. 打开 DTT 采样系统泵。
   5. 按下红色开关打开采样系统。
   6. 打开计算机上的 LabVIEW DTT 应用程序。与系统的通信将自动启动。
   7. DTT LabVIEW 应用程序的图形用户界面 （GUI） 现在显示稀释阶段 1 和 2 的流入和流出，该阶段应为 0.00 L/min。如果没有，请仔细检查针阀是否正确关闭。
   8. 输入连接的测量仪器以 sL/min 绘制的质量流量。如果仪器绘制的流量未知，请使用手持式质量流量计（例如 Vügtlin red-y 紧凑型系列）测量。测量 CPC 绘制的流量后，重新连接油管。
   9. 缓慢打开针阀，直到两个"流出"达到 10.0 ± 0.5 sL/min。两个"流入"将增加为与相应的"流出"相同的值。
   10. 调整两个稀释阶段的"加流量"（即稀释气流和过量流量之间的差值），通过催化脱风板获得 Q_CS = 1.0 ± 0.1 L/min，Q 样品的样品入口流量 =_sample 1.0 ± 0.1 L/min。
   11. 单击"加热器"选项卡以设置加热器温度。
   12. 将稀释空气供应的加热器温度、第一多孔管稀释器和催化脱模器温度设置为 350°C。 系统现在将开始加热。在"设置"接口下方显示当前温度和加热功率百分比。
   13. 在启动测量驱动器之前，请等待下游下游稀释阶段 1（GUI 中的"T DilStage 1"）达到 290°C。这大约需要 20 分钟。
2. 数据日志记录
   1. 开始记录连接到 DTT 采样系统的测量设备上的数据。
   2. 通过按下"开始数据记录"按钮开始记录采样系统的数据，并在弹出窗口中选择路径和文件名。将显示日志文件路径，绿灯将指示已保存数据。系统数据以 2 Hz 的频率记录。
   3. 使用适当的软件记录 CPC 的颗粒浓度数据。这可以是制造商的，也可以是串行通信软件（例如，PuTTY）。
   4. 开始使用 EFM 记录排气流量。
3. 驾驶
   1. 在驱动所选路线之前，断开蓄电池的充电电缆，然后从固定加压空气供应切换到气瓶。
   2. 驱动所选路线。
4. 驾驶后
   1. 按"日志记录..."停止记录数据。关闭仪器。
5. 为电池充电，为下一个驱动器做好准备。

4. 数据分析

1. 从采样系统、EFM（排气流量）和测量设备导入数据到同一个数据分析程序中。
2. 考虑到排气需要从尾管运输到测量设备的时间，执行时间定位。通过稀释系统的运输_dil时间为2.5 s。通过采样_线采样的传输时间t可以计算如下:
   
   其中样品_是通过采样线的运输时间（以秒为单位），t_dil是通过稀释系统（2.5秒）的运输时间，A_sample样品是样品线的横截面面积，^{在m 2}中，l样品_sample是采样线从采样点到稀释系统入口的长度（米），Q̇样品是DTT稀释系统样品流量^{在m 3/s}中。_sample将t_样本添加到t_dil以获得总延迟时间t_总计:
   
   注:例如，内部管道直径为 4 mm 且样本流量为 1 L/min 等于 2.88 s 的管长为 0.5 m 的t_total总计。图10显示了测量粒子数（蓝色虚线）与时间移动粒子数（蓝线）的时间对齐示例。

图 10:与测量的排气质量流量（以千克/小时为单位^）相比，测量的颗粒数 PN 的时间对齐示例（以 kg/h 为单位）。请单击此处查看此图的较大版本。

3. 为了能够计算PN #/s 中的颗粒数_{，必须V̇ exhaust_norm}以下V̇公式计算废气流量V̇ exhaust_norm 厘米³/s 中的废气流量:
   
   其中 V̇_{exhaust_norm}是排气标准体积流量（以 m³/s为单位），ṁ 排气是测量_exhaust的排气质量流量（以 kg/s 为单位），R是空气的理想气体常数 （287.1 J/kg*K），T_norm标准_norm是标准条件下的温度 （273.15 K），p标准是标准条件下的压力 （101，330 Pa）。在标准条件下，通过将 V̇_{exhaust_norm 乘}以采样系统的稀释比DR、CPC测量的浓度 c_PN和因子 10^6（用于从 m³转换为 cm³的转换）来计算颗粒数。
   
4. 为了纠正颗粒损耗，将颗粒排气流量乘以粒子数浓度率乘以系统颗粒浓度降低系数（PCRF），而不是稀释比DR。PCRF 的确定在校准指令第 1 节中描述:
   

结果

校准数据（粒子渗透）:

图 11 显示了 DTT 系统相对粒子穿透的示范图，该图是粒子移动直径的函数。已按第 1 条说明对相应数据进行了测量和评估。该图显示，同一移动直径的两个测量点之间的偏差小于 5%。偏差大于 10% 表示实验设置中的不稳定。在这种情况下，必须重复校准，增加预热稳定时间。预热时间（通常为 30 分钟）和稳定时间（通常为 30 秒）均增加了 1.5 因子。

通过DTT系统的粒子由于扩散和热泳而丢失。热泳损失是由温度梯度将颗粒绘制到采样系统壁上造成的。这是一个粒子大小独立的效果^29;相比之下，扩散是高度粒子大小依赖。浓度梯度导致净粒子通量向粒子丢失的墙壁。颗粒尺寸较低的扩散性上升，使得这种粒子的主导损耗≤10纳米。图 11 中指示 热泳、扩散和总损耗的线显示了各自的粒子大小依赖关系。对于扩散损耗，此函数用于说明近似的颗粒大小依赖关系:

穿透P取决于拟合参数a和扩散系数D:

扩散系数取决于博尔茨曼常数k、绝对温度CT、粘度η、粒子直径d_p和坎宁安滑移校正d因子C_c，这是平均自由路径和粒子直径^29的函数。

图 11 中所示的数据 导致以下平均粒子穿透效率 P_均值:

穿透效率为50%的颗粒大小称为d_50。d₅₀ 描述了系统的穿透截止特性。对于 DTT 系统，d₅₀ 为 11 nm。d₅₀ 如图 11 所示。

图11:粒子穿透力作为粒子移动直径的函数。
以蓝色标记的点是测量结果。橙色和绿色的虚线分别表示与热泳和扩散相关的损耗。红线表示总损失，即扩散损失和热泳损失的总和。点带紫色线显示校准测量指令第 1 节中计算的平均粒子穿透度 Pmean。 请单击此处查看此图的较大版本。

实心粒子编号:

图 12显示了 RDE 测量驱动器前十分钟的粒子数发射速率。使用 10 nm 和 23 nm CPC 的 DTT PEMS 数据与市售的 23 nm 切割点系统的数据一起显示。粒子排放速率是根据相应的颗粒浓度乘以上述数据分析指令第 4 节中所述的排气流速计算的。参考仪器 （AVL MOVE） 依靠扩散充电器进行颗粒数浓度测量。尽管传感器原理不同，但使用 DTT PEMS 测量的数据总体上与市售 PEMS 测量的数据非常一致。由于粒子测量设备可以暂时报告零粒子浓度，并且无法在对数图中显示零，因此在所有三个信号中出现尖锐的向下指向尖峰。在图 12 所示的大多数时间段内，用 10 nm CPC 测量的颗粒排放非常接近用 23 nm CPC 测量的排放量。然而，就在10和25s的开始，发生了显著的<23 nm粒子发射。DTT 10 nm 信号明显高于 DTT 系统和 AVL MOVE 的 23 nm 信号。在这种情况下，排放的颗粒总数的 >50% 在 10 nm 和 23 nm 之间。非热平衡的冷启动动态过程可能导致颗粒大小分布与热车^{30的排放量不同}。讨论这些复杂的过程超出了这项工作的范围。有关此主题的进一步信息，请参阅文献 31、32、33。^31,32,33

图 12:图的上部显示了 RDE 测量驱动器前 10 分钟的粒子数发射速率。
使用 10 nm 和 23 nm CPC 和市售的 23 nm 切割点系统 （AVL MOVE） 使用 DTT PEMS 测量的数据用作参考。图的下部显示车辆的速度。 请单击此处查看此图的较大版本。

讨论

本工作介绍了DTT采样系统及其作为便携式排放测量系统的应用。该系统是在欧盟地平线2020项目DTT内设计和建造的，使粒子数发射测量低于目前23纳米的立法粒子尺寸限制。该系统的多功能性能够评估受管制的固体颗粒数排放以及总颗粒排放和二次气溶胶研究。为了准确解释测量结果，需要使用 DTT 系统执行校准程序。这是为了评估不同粒子尺寸的相对粒子穿透率，以便能够计算考虑粒子损耗的校正因子。为采样系统本身和实验设置的其余部分提供足够的预热时间，以达到热平衡并实现精确的校准测量结果至关重要。

介绍了DTT系统在23纳米（电流调节）和10纳米（实验）下，测量固体颗粒数排放物的应用。为了能够评估车辆的颗粒数排放，有必要确定颗粒数浓度和排气质量流速。DTT 系统涵盖颗粒数浓度测量。使用排气流量计 （EFM） 测量排气质量流量。根据制造商的说明安装 EFM 至关重要。对排气流速的错误测量直接影响推导排放速率。在处理测量数据时，对颗粒浓度数据和排气流量数据执行准确的时间对齐非常重要。这是必要的，因为排放速率是排气流速乘以颗粒数浓度。如果两个信号未正确对齐，则整个驱动器上的排放可能会明显偏离实际排放。

DTT 系统不是商用设备，而是多功能的研究工具。它用于调查不受管制的车辆排放，而不是执行认证测量，以验证符合现行法规。高多功能性以增加能源和稀释空气消耗为成本。使用系统进行移动测量时，必须牢记由于电池（30 kg）和气瓶（20 kg）而增加的车辆重量，以覆盖系统的能源和空气消耗。使用 DTT 系统测量 PN 排放时，车辆增加的总重量约为 80 kg，与车辆中运输的另一个人相当。增加的重量会导致排放略有增加，特别是当驱动器包含大量的加速度和/或丘陵时。

DTT 系统可用于调查不受管制的 <23 nm 颗粒数废气排放。可以测量固体和总颗粒数排放。此外，它还可以成为研究二次气溶胶形成复杂领域的有用工具。该系统的另一个可能应用是测量汽车制动磨损颗粒。制动事件期间发射的粒子的很大一部分可以小于30纳米^34。DTT系统具有大约 11 nm 的 d_50，适合研究这些排放。虽然众所周知，非废气排放对交通相关的PM₁₀排放³⁵的贡献几乎相等，但非废气排放仍不受管制。这是因为粒子生成过程复杂且很少可重复，因此很难设置调节操作。此外，有机制动磨损颗粒的化学成分及相关毒性仍^{广为人知。}

DTT 系统是一个有用的工具，用于增进我们对废气和非尾气流量相关颗粒排放的理解。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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