ポータブルdownToTenサンプリングシステムを使用した23ナノメートル以下の実数駆動粒子数排出量の測定

要約

ここに示されているDownToTen(DTT)ポータブル放出測定システムは、サブ23nm粒子の実際の自動車排出量を評価します。

要約

欧州粒子数(PN)放出基準の現在の粒子サイズ閾値は23nmである。将来の燃焼エンジンの車両技術は、サブ23 nm粒子を大量に放出する可能性があるため、このしきい値が変化する可能性があります。Horizon 2020の資金提供プロジェクトDownToTen(DTT)は、現在規制されていないサイズ範囲で粒子放出を特徴付けるサンプリングと測定方法を開発しました。PN測定システムは、さまざまなPN測定およびサンプリングアプローチをテストする文献および実験室実験の広範なレビューに基づいて開発されました。開発された測定システムは、一次粒子、遅延一次粒子、および直径数ナノメートルから始まる二次エアロゾルの評価を可能にする高い粒子浸透と汎用性を特徴としています。本稿では、このポータブルエミッション測定システム(PEMS)を実際の駆動放出(RDE)測定用に設置および運用し、現在の立法限界である23nm以下の粒子数排出量を評価する方法について説明します。

概要

粒子測定プログラム(PMP)は、「現在の立法測定手順を補完または置き換える高度な粒子還元技術を搭載した車両を評価するためのタイプ承認試験^{プロトコルの開発}」のために英国政府によって設立されました。PMPは、炭素質粒子≥23nmを対象とした世界初の粒子数ベースの排出規制です。最近の測定は、より小さな粒子を含める必要があるかもしれないことを示している。

ディーゼルすすの負の健康への影響は²をよく理解されており、ディーゼル粒子フィルター(DDF)の必須使用を通じてディーゼル排気からの炭素粒子の排除が健康上の理由で不可欠であったという根拠に基づいて「予防原則」が呼び出された。しかし、欧州の法律では、制限値が排出制御技術の採用を強制しなければならないため、適切な測定方法がなければこれを達成することはできません。ヨーロッパ全土で強力な政治的支援を受けて、英国政府は粒子測定を改善するためにPMPの概念を主導しました。PMPは、国連欧州経済委員会(UN-ECE)3の後援の下、世界中の他³の人々の専門知識を含んでいた。2001年には2つの粒子研究プロジェクトが完成しました。そのうちの1つ(粒子研究⁴⁾は、英国政府環境・運輸・地域省(DETR)が、自動車製造業者協会(SMMT)および欧州環境・安全衛生機構(CONCAWE)と提携して実施しました。もう一つ(Pっこ⁵⁾は、欧州連合(EU)の第5^の枠組みによって資金提供され、14の異なるヨーロッパのパートナーによって行われました。両プロジェクトの結果は、粒子数ベースの手順が有望であるが、再現可能で再現可能な測定のための課題が残っていることを示した。

2007年にPMPライトデューティ室間相関演習の最終報告書^6が発表され、主に定義された粒子サイズ範囲と粒子の揮発性に基づく規制目的のための数カウントベースの方法の実現可能性を実証するフィルターベースの質量測定方法のいくつかの改善を含む。どちらの方法も、粒子状物質質量と袋詰め希釈ガス放出測定のために開発された既存の定定量型サンプラー(CVS)希釈トンネルアプローチからのサンプリングに基づいて実施された。

数カウントベースの方法の中で、〜20nmのより低い粒径制限が選択された。このプロジェクトの主な目的は、このサイズ以上の粒子が法律によって制御されることを保証することであった。エンジン排気中の一次粒子サイズは、<20 nm^{77、8、98,9}であることが知られています。実用的な理由から、23nmで50%の計数効率_(d50)を有する粒子カウンターが選択され、このサイズは許容される低いサイズの閾値となった。希釈、気温、湿度、比¹⁰などの特性に対する感度が高いため、揮発性粒度分布と積分数測定は、1台の車両を備えた1つのCVS搭載施設で繰り返し可能であることが認識されましたが、施設から施設までは大幅に低いものでした。したがって、厳密な規制のためには、測定アプローチでサイズと揮発性に関する制御粒子境界条件を効果的に定義して、純粋に不揮発性粒子に焦点を当てる必要がありました。欧州のディーゼル燃料は、350°Cを超える温度でわずか数%しか沸騰しないようなバックエンドのボラティリティを有し、PMP内の初期の作業は、この温度での短い滞留時間がテトラコンタンの完全な蒸発に適していることを示^した。その結果、350 °Cの温度は、規制>23 nmの粒子揮発性の事実上の基準点となっています。

PMP測定システム仕様は、サンプリング、サンプルコンディショニング、および測定用のコンポーネントを含み、 表1に要約する。

段階	Id	目的
0	サンプルソース	サンプルの起源
1	パーティクルトランスポート	原点から測定システムまでのサンプルを実施
2	揮発性粒子除去	揮発性を排除し、測定する不揮発性粒子を定義する
3	パーティクル数カウンタ	不揮発性粒子を列挙し、下限サイズを定義する

表1:PMP測定システムの要素

欧州のPMP PNアプローチは、軽自動車ディーゼル(2011年9月、EURO 5b)とGDI車(2014年9月、ユーロ6)、およびディーゼルおよびガスの大型エンジン(2013年2月、EURO VI)に適用されています。

最近の測定では、いくつかの軽量車両、特にスパーク点火技術は、粒子のかなりのレベルを放出することができることを示しました <23 nm^12,,13,,14.これにより、欧州委員会は、現在の>23 nm規制の代替として、または追加的に迅速に実施できる新しいまたは拡張された方法を開発するための研究プロジェクトに資金を提供しました。

そのようなプロジェクトの1つであるDownToTen(DTT)は、PMPの一般的なアプローチを維持し、測定範囲をd_50≤10 nmまで拡張することを目指しています。この目的のために、DTT測定システムの構成は 、表1に記載されているのと同じ基本的な要素を含むように設計されましたが、調整と測定のステップは最適化され、<23 nm粒子の効率的な輸送と検出が可能になりました。DTTシステムは、当初は実験室での使用のために開発されましたが、ポータブル排出測定システム(PEMS)として動作するように変更されました。DTT PN-PEMSシステムでは、部品は軽量化と消費電力を削減し、元の設計から大幅に逸脱することなく物理的な堅牢性を高めるために最適化されました。モバイルアプリケーションでは、軽量および頑丈なPEMSテストで遭遇する可能性が高い、より厳しく不安定な温度、圧力、振動環境に対してシステムが耐性を持つ必要があります。システムの入口における圧力変動の影響をモデル化し、実験^15.振動に対する抵抗は、専用の試験ベッド¹⁶を用いて評価した。一般的なRDEドライブ中に発生する振動と加速度は、使用される凝縮粒子カウンタの測定結果を損なうものではありません。DTTシステムはまた、低温での使用のために設計されており、揮発性除去機能が非アクティブであり、老化チャンバーを供給し、二次有機エアロゾル形成¹⁷を研究する。

両方のシステムがシーケンスを含むという点でPMPシステムの要素を密接に平行に粒子の調節ボラティリティ境界を定義するDTT測定システムの熱調節要素:

1. 第1粒子数希釈段階
2. HC/揮発性除去ステージ
3. 第2粒子数希釈段階

DTT システムと PMP システムの主な違いは、DTT システム コンポーネントが次の目的で選択される点です。

1. 低損失希釈および粒子透過アプローチを用いて、サンプル源から粒子カウンターへの~10nm PNの透過を最大にする
2. 蒸発と希釈を通じて凝縮性HC種の分圧を減らすのではなく、酸化粒子除去を用いて揮発性物質を総合的に除去する
3. 現在のPMPシステムよりも効率が高い~10~50nmの粒子を数える

本論文の目的は、使用中の道路車両から10nm≥の不揮発性粒子を測定するためのDTT PN-PEMSシステムの使用を提示することである。これには、測定システムとその主要コンポーネントの紹介、ラボベースのキャリブレーション測定の実行、モバイルアプリケーション用のデバイスの設置、実際の駆動放出測定の実施、収集された測定データの処理が含まれます。

計測

DTT PN-PEMSは、数ナノメートルまで高い粒子浸透、堅牢な粒子数希釈、揮発性粒子の除去、人工粒子形成の防止を提供するように設計されました。システムの構成要素は、希釈およびエアロゾルコンディショニングのための様々な技術を比較した実験室実験の結果に基づいて選択された。このセクションでは、システムの概要、その作業原理、および使用されるコンポーネントについて説明します。 図1 は、システムの概略図を示しています。 図2 は、システムの写真を示しています。DTTシステムは高さ60cmで、50cm x 50cmのフットプリントを持っています。システムの重量はおよそ20のkgである。必要な周辺要素(電池およびガスボトル)を含む総重量は約80kgである。システムの主要な要素は、2つの希釈段階(すなわち、第1の熱、第2の寒さ)、触媒ストリッパー、および少なくとも1つの凝縮粒子カウンター(CPC)である。

図1:DTT粒子数ポータブルエミッション測定システムの模式図。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:DTTサンプリングシステムのトップビュー図この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

2つの希釈段階は、凝縮粒子カウンター(<10⁴ #/cm³⁾によって測定可能なレベルに粒子数濃度を減少させる。カスタムメイドの多孔質チューブ希釈剤は、両方の希釈段階に使用されます。この技術は、粒子損失が少ない^18,19,19のために選ばれた。希釈空気の放射状の進入は、粒子を壁から遠ざけ、粒子の損失を減少させます。さらに、これらの希薄剤は非常に小さく、400°Cの温度に耐えることができる。 使用される多孔質材料は焼結性ハスタロイXチューブ(GKNフィルターメタルズGmbH、ラデボルムヴァルト、ドイツ)である。多孔質チューブ内の静的混合要素は、希釈剤の直接下流に十分に混合されたエアロゾルを提供します。これにより、希釈機の直接下流にエアロゾルフローを分割することにより、さらなるコンディショニングまたは測定のために希釈エアロゾルの代表的なサンプルを取ることができ、コンパクトなサンプリングシステムを可能にします。一次希釈段階は通常350°Cに加熱され、第2段階は周囲温度で動作します。システムの希釈係数は約80です。正確な値は、流入流量とマスフロー管理に依存します: サンプリングシステムの流量は、2つのマスフローコントローラと2つのマスフローメータのシステムによって管理されます。マスフローコントローラは希釈空気流量を制御します。質量流量計は、希釈段階1および2の下流に抽出された流量を監視します。抽出されたフローと供給されるフローの違いを変更することができます。つまり、1つの希釈段階で加えたり減算したりするネットフローを定義することができる。サンプル流量は、他_sampleのすべての流量の合計として定義されます: 1) 測定器によって描画された流量(Q_inst);2)希釈空気流量(Q_{ディル、i);}3)過剰流量Q Q_ex,i.サンプルフローの計算では、システムから抽出されたフローの寄与はプラスであり、システムに供給されるフローの寄与は負です。

DRの全 希釈比は 、次の方法で計算されます。

触媒ストリッパー(CS)は希釈段階1と2の間に位置し、1分あたり1リットルの流量(L/分)で350°Cで動作します。触媒ストリッパーは、有機化合物および硫黄貯蔵の酸化を提供する。これらの物質の除去は固体粒子の分画の分離を保障する。揮発性および半揮発性粒子の望ましくない形成およびサブカットサイズ粒子の成長が防止される。触媒ストリッパーとしては市販されている(AVL GmbH)。CSの揮発性粒子除去効率は、多分散エメリー油粒子>50nmおよび>1 mg/m 3(3.5〜5.5mg/m³⁾で検証され、効率は>99%(実価99.9%)を示した。³RDE規則²⁰で定義されているとおり。これは、現在のPMPプロトコルで規定されているテトラコンタン試験よりも厳格な試験である。

1つ以上の凝縮粒子カウンターは、第2希釈段階の下流の粒子数濃度を測定するために使用される。23 nmのd₅₀ を有するCPCは23nmより大きい固体粒子の現在調節された放出の測定を可能にする。さらに_、d50 カットポイントが低い1つ以上のCPC(例えば、10nm、4 nm)で粒子数濃度を測定することで、現在規制されていない固体粒子分率<23nmを、適用されたCPCの_d50 カットサイズまで評価することができます。

希釈空気供給ライン、一次多孔管希釈器、および触媒ストリッパーは、k型熱電対(TC)を含む独立した加熱素子を有する。独立して異なるセクションを加熱すると、システム内の温度分布を制御します。

発熱体の熱電対に加えて、希釈ステージ1と2の下流に2つの熱電対が配置される。これら2つの熱電対は、エアロゾル温度を直接測定します。

2つの絶対圧力センサ(NXP MPX5100AP)を使用して、サンプリングシステムの入口と出口の圧力を監視します。

モバイル測定では、クレイトンパワーLPS 1500バッテリーパックが使用されます。10 Lの合成空気のびんは移動式の適用の間に希薄空気のシステムを供給する。バッテリとガスボトルのサイズは、システムが100分間独立して動作できるように選択されます。

システムは、LabVIEW仮想計測器を実行しているNI myRIOを介して制御されます。仮想器械は流量およびヒーター温度の制御を可能にする。制御された変数とは別に、エアロゾルの温度、圧力、加速度(myRIOに内蔵されたセンサーを介して)を監視し、記録することができます。myRIOアクセサリーGPSモジュールは、位置データのロギングを可能にします。 図 3 と 図 4 は、DTT システムの制御に使用される仮想計測器のユーザー インターフェイスを示しています。

図3:DTT仮想計測器希釈段階パラメータの概要この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:DTT仮想計器ヒーターコントロールパネルこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

どのようなサンプリング手順でも、パーティクルの損失が発生します。これらの損失を考慮するために、DTTサンプリングシステムを介した粒子サイズ依存性粒子透過を決定するために、実験室での測定が行われます。これらの測定では、単分散エアロゾルの粒子濃度は、2つの凝縮粒子カウンターを用いてサンプリングシステムの上流および下流で測定される。図5は、キャリブレーション測定の実験用セットアップを示しています。この設定では、Jing ミニキャストがパーティクル ソース^21、22,22として使用されます。マスフローコントローラ(MFC)は、バーナへのガスの流れを制御するために使用されます。希釈ブリッジにより、粒子数濃度の調整が可能になります。希釈ブリッジは、針弁に平行な高効率微粒子空気(HEPA)フィルタです。針弁の位置を調整すると、HEPAフィルターを通過するエアロゾルの割合と、針弁を通過するエアロゾルの割合との比率を変更することで希釈比が変化します。濾過および濾過されていないエアロゾルは、希釈されたエアロゾルを形成するためにTピースと再結合される。触媒ストリッパーは、燃焼プロセスの副産物として生成されるおそらく豊富な揮発性化合物を除去するために使用されます。TSI 3085の差動度計(ナノDMA)と共にTSI 3082静電分類器は粒子のサイズ選択のために使用される。DTTサンプリングシステムの上流および下流の粒子数濃度を測定するために2つのTSI CPC 3775(d₅₀ = 4 nm)が使用されます。カウンターのカットポイント d₅₀ = 4 nm は、10 nm 以下の低い粒子サイズでの貫通判定を可能にします。

図5:DTTサンプリングシステムのキャリブレーションに使用する実験用セットアップの模式図。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

プロトコル

1. キャリブレーション手順

1. 機器をセットアップして準備します。
   1. 図 5に示す装置を、抽出システムを備えた実験室で整理され、コンパクトな方法で配置します。
   2. 導電性チューブを使用して、 図5 の矢印で示されているように機器を接続します。拡散粒子の損失を最小限に抑えるために、チューブをできるだけ短くしてください。
   3. 電源を必要とする機器(DTTシステム、DTTシステムポンプ、2つのCPC、DMA、触媒ストリッパー、およびMFC)をソケットに接続します。
   4. CPC、DTT システム、および MFC をラップトップに接続します。
   5. 接続されているデバイスと通信するために必要なソフトウェアがインストールされていることを確認します。
   6. 必要に応じて、不足しているソフトウェアをインストールします。
2. キャリブレーション測定を開始する少なくとも30分前に実験コンポーネントをウォームアップし、熱的に安定した測定設定を確保します。
   1. 外部 MFC で制御されるガスの流れを、ユーザーズマニュアルで指定した開始設定に設定して、バーナーの操作を開始します。
   2. 炎に火をつける。
   3. 生成されたすすを抽出システムに供給します。
   4. それに応じてMFC制御流量を設定することにより、平均直径50±5nmのすす粒子を生成します。設定と予想される粒度分布の表は、バーナーマニュアルまたは文献²³にあります。 表 2 の miniCAST 設定は、次の方法で使用できます。
   5. 対応する温度コントローラを350°Cに設定して、触媒ストリッパーの加熱を開始します。
   6. CPC のスイッチをオンにして、低流量モード(0.3 L/分の流入流量)に設定します。
   7. CPC メーカーのソフトウェアまたはシリアル通信を使用して、ラップトップとの CPC の通信をセットアップします。
   8. セクション 3.1 で説明されているように、DTT システムのウォームアップ手順を開始します。
   9. ユーザーズマニュアルに従って、クラシファの入口に0.071 cmノズルを付けてインカクタを取り付けます。
   10. 分類器のスイッチをオンにします。分類器のディスプレイは、1.30 ± 0.05 L/min のインコンクターフローを示す必要があります。表示されるフローが異なる場合は、CPC と DTT システムと分類子を接続するチューブを再確認します。
   11. ユーザ インタフェースを使用して、分類器のシース流量を 13 L/分に設定します。
   12. ソフトX線源(TSI 3088)を使用する場合は、クラシファイヤの中和器のスイッチを入れ替えます。

ガス	流量
プロパン	20 mL/分
クエンチガス(N2)	2 L/分
希釈空気	5 L/分
酸化空気	0.5 L/分
混合ガス(N2)	0 L/分

表2:キャリブレーション測定に推奨されるミニキャスト流量

3. ウォームアップ時間の少なくとも30分後にキャリブレーション測定を行います。
   1. 生成されたすすを抽出システムに供給するのをやめ、バーナーの出口を希釈ブリッジに接続します。
   2. ユーザー インターフェイスを使用して、分類器で選択したパーティクル サイズを 10 nm に設定します。
   3. 希釈ブリッジニードルバルブを使用して、DTTシステムの粒子数濃度を10 4±10⁴ 3 #/cm³に³調整します。この粒子濃度は比較的高い信号を生成し、CPCがシングルカウントモードで動作している間、測定時間を短くし、高精度を保証します。10⁴ ± 10³ #/cm³の所望の濃度が、すす発生器によって放出される粒子濃度が非常に低いために到達できない場合は、バルブを完全に開けて希釈ブリッジを通してスループットを最大化します。
   4. DTT Labviewソフトウェアの[データログの開始]ボタンをクリックして、DTTシステムのデータのログ記録を開始します(まだ起動していない場合)。
   5. プロプライエタリなソフトウェアまたはシリアル通信を使用して、2 つの CPC のデータのログ記録を開始します。
   6. 実験のセットアップが安定するまで 30 s 待ちます。
   7. タイムスタンプと設定されたパーティクルサイズをメモして、測定の開始をマークします。
   8. 2分間の測定を実行します。
   9. 測定の終了を示すタイムスタンプをメモします。
   10. 15 nm、30 nm、50 nm、および 100 nm のパーティクル サイズに対して、手順 1.3.3 ~ 1.3.9 を繰り返します。より良いサイズ分解能が望まれる場合は、追加の測定を行うことができます。
   11. 手順 1.3.2 ~ 1.3.10 を繰り返して、同じサイズのパーティクルで別の測定を行います。
   12. 2 つの CPC と DTT システムの測定データのログ記録を停止します。
   13. すべての楽器をシャットダウンします。
4. 収集した校正データをスプレッドシートプログラムで評価します。
   1. CPC で測定したパーティクル濃度データを .csv ファイルまたは .txt ファイルにエクスポートします。
   2. CPC および DTT システムデータをデータ評価ツールにインポートします。
   3. 各計測器(2 CPC、DTTシステム)からデータを、計測の開始タイムスタンプと終了タイムスタンプの間のタイムスタンプを対応する測定値に割り当てることで、対応する測定値にデータを割り当てます。データ評価ツールを使用してこのタスクを自動化することをお勧めします。
   4. すべての測定ポイントの 2 つのパーティクル濃度データセット(CPC)と希釈比(DTT システム)の平均時間。
   5. 次の式に従って、すべての測定ポイントの相対的なパーティクルの貫通を計算します。
      
      ここでPn_nは、ある測定点nにおける相対的な粒子の浸透である。は、DTTシステムのCPCダウンストリームで測定された粒子濃度を、測定点nの時間スパンで平均したものです。 は、DTTシステムのCPC上流で測定された対応する粒子濃度を、測定点nの時間スパンにわたって平均した値である。はDTT系からの希釈比であり、測定点nの時間スパンで平均化される。
   6. 平均粒子透過率30nm、50nm、および100nmの粒子径で平均粒子透過率を平均することにより平均粒子浸透P_平均を算出する。
      
      この値は、平均浸透効率P平均で希釈比DRを割る粒子濃度低減係数(PCRF)の計算に使用_される。
      
      PCRFは、PMP準拠の市販の機器と同等となるように、30 nm、50 nm、および100 nmでの浸透から計算されます。30 nm、50 nm、および 100 nm 以外のサイズでの測定値は、システムの d₅₀カットオフ サイズを決定するために使用され、規制フレームの外側のシステムをより適切に特徴付けます。

2. 実際の走行排出量測定の設置と準備

1. パーティクル <23 nm のパーティクル数の放出を評価する車両を選択します。
2. 選択した車両のパーティクル数の放出を測定するルートを選択します。資料²⁴に適切なルートを選択する方法に関するガイドがあります。
3. 排気流量計(EFM)の設置
   1. 測定対象車両の予想排気流量範囲に一致する測定範囲を持つEFMを²⁴に選択する。
   2. EFMコントロールボックスを車両のトランクに置きます。
   3. メーカーの仕様書に従って、EFMを車外に取り付けます。 図6 は、トランクに通じる形状のパイプに外部に取り付けられた、取り付けられたEFMの例を示しています。
   4. EFM の上流と下流の距離が EU の規制に準拠していることを確認してください(すなわち、パイプ直径の 4 倍または 150 mm のストレート パイプのいずれか大きい方は、フロー センサーの上流と下流にする必要があります)。
   5. 複数の排気マニホールドを搭載した車両を測定する場合、個々の排気管をEFMの前に接合し、それに応じてこのパイプの断面積を増加させ、排気逆圧の増加を可能な限り低く抑えます。これが不可能な場合、排気質量流量は複数のEPMで測定できます。
   6. EFMパイプから車両の排気管までのコネクタが排気ガス温度に耐えられることを確認してください(プラスチックは使用しないでください)。
   7. パイプの直径、コネクタの直径、およびサンプリングに必要な延長線の直径は、排気の背圧をできるだけ低く保つために、排気管の直径よりも小さくしないでください。
   8. 車両の排気で配管を開始します。
   9. 排気を最初のパイプに接続し、パイプとパイプクランプを接続します。継ぎ手の間にパイプを揃えるために、パイプクランプを端部でのみ締めます。
   10. 排気からEFMへの接続が完了するまで、パイプとパイプクランプを接続して一度に1本のパイプを接続します。これはできるだけ短くする必要があります。
   11. 測定トリップ中に何もスリップしないように、EFM制御ボックスとEFM取付金ブラケットをトランクに置きます。
   12. すべての配管がタイトであり、測定旅行中に何も緩んでいないことを確認してください。
   13. EFM のスイッチをオンにします。
   14. 周囲温度に応じて最大15分のウォームアップ時間(EFMユーザーガイドを参照)の後、排気質量流量計は^{25、26、27、28,27,28}を測定する準備ができています。^25,

図 6: インストールされている EFM の画像。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

4. 車体のトランクにDTT測定システムを準備し、設置する
   注: ここで説明する測定は、DTT システムの計数デバイスとして 2 つの凝縮粒子カウンタを使用して行われます。CPC(TSI 3790A)の1つは、現在の立法限界に等しい23 nmの低d₅₀ カットオフサイズを有する。他のCPC(市販の10nm AVL CPC)は_{、10nmの低d50} カットオフを有する。これら 2 つの機器を並列に使用してパーティクルの放出を測定することで、現在規制されている放出量(>23 nm)と <23 nm 分の比率を評価できます。
   1. ノートパソコンを取り、DTTソフトウェアとCPC測定データを記録するためのソフトウェアをインストールします。
   2. 合成エアーボトルをトランクまたは後部座席の前の床に置き、ストラップで固定します。
   3. バッテリーを車両のトランクに置き、固定します。AC 入力ケーブルを接続し、ローカル電源に接続します。
   4. サンプリングシステム用の真空ポンプと、車両のトランクに凝縮粒子カウンタを設置して固定し、バッテリーに接続します。
   5. DTTシステムを車両のトランクに配置し、ストラップを使用して位置を固定します。 図7 と 図8 は、車のトランクにDTTシステムを示しています。システムをモバイルバッテリパックに接続します。
   6. DTT システムの 2 つの入口 MFC を固定加圧空気供給に接続します。DTTシステムの2つの出口MFMを真空ポンプに接続します。
   7. 適切なチューブを使用して、ポンプの排気を車両外に駆動します。
   8. DTTシステムをUSBケーブルで測定ノートパソコンに接続します。
   9. システムの入口をEFMの下流のサンプリングポイントに接続します。システムの電源インレットをバッテリに接続します。凝縮粒子カウンタの電源入口をバッテリパックに接続します。
   10. CPCをそれぞれの外部真空ポンプに接続します。
   11. CPCのブダノールボトルを、車両乗員から可能な限り遠く離れた希釈システムのフレームにしっかりと取り付けます。
   12. キャップがしっかりとねじ込まれ、加速時に測定ドライブ中に開かないことを確認します。
   13. 適切なチューブを使用して、CPCや外部ポンプの排気を車両外に駆動します。USBケーブルを使用して、測定ラップトップにCPCを接続します。
       注: 図 9 は 、準備された車両を示しています。DTTシステムは車体のトランクに取付けられている。市販のPN-PEMSシステムも、固体粒子の規制放出の基準として使用するために設置されている>23nm。

図7:車内からDTT PEMSを示す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 8: 車体のトランク内の DTT PEMSこの図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図9:市販のPN-PEMS(AVL MOVE)およびDTT PEMSを搭載した車両。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

3. 測定操作

1. 測定システムの加熱と起動
   1. 2つのCPCと外部の真空電源をオンにします。
   2. 測定ラップトップでCPCソフトウェアを開き、CPCとの通信を確立します。通信は、機器の独自のソフトウェアを介して、またはCPCマニュアルに記載されているシリアル通信を介して実行することができます。
   3. MFMの下流にあるニードルバルブを閉じます。
   4. DTTサンプリングシステムポンプのスイッチをオンにします。
   5. 赤いスイッチを押して、サンプリングシステムのスイッチを入れます。
   6. コンピュータでLabVIEW DTTアプリケーションを開きます。システムとの通信が自動的に開始されます。
   7. DTT LabVIEWアプリケーションのグラフィカル・ユーザ・インタフェース(GUI)が、希釈ステージ1と2(0.00 L/min)でフローを表示するようになりました。もしそうでなければ、針弁が正しく閉じられていることを再確認してください。
   8. 接続された測定器によって描画される質量流量を sL/min で入力します。機器によって描かれた流れが不明な場合は、ハンドヘルド質量流量計(例えば、Vögtlin red-y compactシリーズ)を使用して測定してください。CPCによって引かれた流れを測定した後、チューブを再接続します。
   9. 「流出」の両方が10.0±0.5 sL/分になるまで針弁をゆっくりと開きます。両方の「フローイン」は、対応する「フローアウト」と同じ値に増加します。
   10. 両方の希釈段階の「流量の追加」(すなわち、希釈空気流量と過剰流量の差)を調整して、触媒ストリッパーを通してQ_CS = 1.0 = 0.1 l/分±、Q_サンプル =1.0±の流入流を得る。
   11. ヒーター温度を設定するには、[ヒーター]タブをクリックします。
   12. 希釈空気供給のヒーター温度、第1多孔質チューブ希釈器、及び触媒ストリッパーを350°Cに設定する。 システムがヒートアップし始めます。"Set"の下には、現在の温度と発熱の割合が表示されます。
   13. ガス温度下流希釈ステージ1(「GUIのT DilStage 1」)が290°Cに達するまで待ってから、測定ドライブを開始します。所要時間は約20分です。
2. データログ
   1. DTTサンプリングシステムに接続されている測定デバイスにデータを記録し始めます。
   2. [データログの開始] ボタンをクリックしてサンプリング システムのデータのログ記録を開始し、ポップアップ ウィンドウでパスとファイル名を選択します。ログ ファイルのパスが表示され、緑色のライトがデータが保存されていることを示します。システムデータは2 Hzの周波数で記録されます。
   3. 適切なソフトウェアを使用してCPCの粒子濃度データを記録します。これは、製造元またはシリアル通信ソフトウェア(例えば、PuTTY)のいずれかです。
   4. EFM で排気フローのログを開始します。
3. 運転
   1. 選択したルートを運転する前に、バッテリの充電ケーブルを外し、固定式加圧空気供給からガスボトルに切り替えます。
   2. 選択したルートをドライブします。
4. 運転後
   1. [ログ . .] を押して、データの記録を停止します。インストゥルメントをシャットダウンします。
5. バッテリーを充電して次のドライブに備えます。

4. データ分析

1. サンプリングシステム、EFM(排気フロー用)、測定デバイスから同じデータ分析プログラムにデータをインポートします。
2. 排気をテールパイプから測定装置に輸送する必要がある時間を考慮して、時間のアライメントを実行します。希釈系をt_介した輸送時間は2.5 sである。サンプリング_{ラインを通過}する転送時間tサンプルは、次のように計算できます。
   
   tt_サンプルはサンプリングラインを通る輸送時間を秒単位で、t_dilは希釈系を通る輸送時間(2.5秒_{)、Aサンプル}はサンプリングラインの断面面積を^m2、ll_サンプルはサンプリングポイントから希釈系入口までの長さをメートルで、Qード_サンプルは^m3/sのDTT希釈系サンプルフローである。t_dilにt_サンプルを追加して、合計遅延時間t_の合計を取得します。
   
   注: 例として、パイプ長 0.5 m のパイプの_合計は 4 mm で、サンプル フローは 2.88 s に等しい 1 L/min の場合、図 10は、測定されたパーティクル番号 (青い点線) と時間シフトされたパーティクル番号 (青い線) の時間の位置合わせの例を示しています。

図10:測定された排気質量流量と比較した#/cm3³における測定粒子数PNの時間アライメントの例この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

3. PN #/s でパーティクル数を計算できるようにするには、次の式に従って、まず cm^3/s単位の排気ガスの体積流量 V_{exhaust_norm}がありません。
   
   ここで、Vスクexhaust_norm_は^m3/sの排気標準ボリューム流量であり、_排気 ṁ量は測定された排気量流量がkg/sで測定され、Rは空気に最適なガス定数(287.1 J/kg*K)、TT_ノルムは標準条件(273.15 K)の温度、p_ノルムは標準条件(101,330 Pa)の圧力です。この排気量流量を標準条件で算出すると、V流体_{exhaust_norm}をサンプリング系の希釈比DR、CPCで測定DRした濃度_cPN、および因子106(m3から^cm3への変換用)を⁶乗じて算出することができる。³
   
4. 粒子損失を補正するには、粒子排気流量を、希釈比DRではなく、システム粒子濃度低減係数(PCRF)で粒子数濃度率に乗算する。PCRFの判定は、キャリブレーション指示セクション1に記載されています。
   

結果

キャリブレーションデータ(粒子浸透):

図11 は、粒子移動径の関数としてのDTT系の相対的な粒子浸透の例示的プロットを示す。対応するデータは、指示セクション1に記載されているように測定され、評価されています。このプロットは、同じ移動直径の2つの測定点間の偏差が5%未満であったことを示しています。偏差が10%を超える場合は、実験の設定が不安定であることを示します。この場合、較正はウォームアップ安定化時間を増加して繰り返す必要がありました。ウォームアップ時間(通常は30分)と安定化時間(通常は30s)の両方が1.5倍増加しました。

DTT系を通過する粒子は、拡散と熱泳動のために失われました。熱泳動損失は、サンプリングシステムの壁に向かって粒子を描く温度勾配によって引き起こされた。これは、粒子サイズ独立した効果²⁹です。対照的に、拡散は粒子サイズに大きく依存する。濃度勾配が原因で、粒子が失われた壁に向かって純粒子フラックスが発生した。粒子径が低いとともに拡散性が上昇したことで、パーティクルの主な損失メカニズム≤10nmとなった。 図11 の線は、熱泳動、拡散、および損失の合計を示し、それぞれの粒子サイズの依存性を示しています。拡散損失については、この関数を使用して、粒子サイズの近似依存性を示します。

浸透 性P は、適合パラメータ a と拡散係数 Dに依存します。

拡散係数は、ボルツマン定数k、絶対温度T、粘度η、粒子径_dp、およびカニンガムスリップ補正d係数Cc_cに依存^する。

図11に示すデータは、以下の平均粒子浸透効率P_平均を示した。

浸透効率が50%に相当する粒子径を_d50と呼ぶ。d₅₀ は、システムの浸透遮断特性を説明する。DTTシステムの場合、d₅₀ は11 nmであった。d₅₀ は 図 11に示されています。

図11:粒子移動径の関数としての粒子浸透。
青色でマークされた点は測定結果です。オレンジと緑の破線は、それぞれ熱泳動と拡散に関連する損失を示しています。赤い線は、拡散損失と熱泳動損失の合計として損失の合計を表します。ドットダッシュ紫線は、キャリブレーション測定指示部1で計算された平均粒子貫通法を示す。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

固体粒子数:

図12は、RDE測定ドライブの最初の10分間の時間経過に対する粒子数の放出率を示しています。10 nmおよび23 nm CPCを用いたDTT PEMSからのデータは、市販の23nmカットポイントシステムからのデータと共に示される。粒子放出速度は、データ分析指示部4で上述した排気流量を各粒子濃度に乗じて算出した。基準計器(AVL MOVE)は、粒子数濃度測定用の拡散充電器に依存していました。異なるセンサー原理にもかかわらず、DTT PEMSで測定されたデータは、市販のPEMSで測定されたデータと全体的に非常に良好に一致していました。粒子測定装置が一時的にゼロ粒子濃度を報告し、ゼロを対数プロットで表示できないため、3つの信号すべてで急激な下向きのスパイクが発生しました。10 nm CPCで測定した粒子放出は、図12に示す期間の大半について23nm CPCで測定された排出量に非常に近かった。しかし、10~25sの間の最初に、有意な<23nm粒子放出の発生があった。DTT 10 nm信号は、DTTシステムとAVL MOVEの23nm信号よりも有意に高かった。この場合、放出されるパーティクルの総数の50%が10 nmから23 nmの間であった。非熱平衡におけるコールドスタート動的プロセスは、粒子サイズ分布が熱い車両³⁰からの放出と異なる原因となる可能性がある。これらの複雑なプロセスの議論は、この作業の範囲を超えています。このトピックの詳細については、文献^{31、32、,33}を参照してください。

図12:図の上部は、RDE測定ドライブの最初の10分間の時間経過に対する粒子数の放出率を示しています。
10 nmおよび23 nm CPCを用いたDTT PEMSと市販の23nmカットポイントシステム(AVL MOVE)を用いて測定したデータが基準として使用されている。図の下部は車両の速度を示しています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

この作品は、DTTサンプリングシステムとその応用をポータブルエミッション測定システムとして提供します。このシステムは、EU Horizon 2020 プロジェクト DTT 内で設計および構築され、現在の立法粒子径制限である 23 nm 未満のパーティクル数放出測定を可能にしました。システムの多様性は調節された固体粒子番号の放出の評価および総粒子放出および二次エアロゾルの研究を可能にする。測定結果を正確に解釈するには、DTTシステムでキャリブレーション手順が必要です。これは、異なる粒子サイズに対する相対的な粒子浸透率を評価し、粒子損失を占める補正係数を算出することができるようにする。サンプリングシステム自体と実験用の残りの部分が熱平衡に達し、正確なキャリブレーション測定結果を得るために十分なウォームアップ時間を提供することが重要です。

DTTシステムの適用は、23nm(現在の調節)および10nm(実験)の低い粒子サイズカットオフを有する固体粒子数放出の測定に関する記載されている。車両の粒子数排出量を評価できるようにするには、粒子数濃度と排気質量流量を決定する必要がある。DTTシステムは、粒子数濃度測定をカバーします。排気量の流量は、排気流量計(EFM)を用いて測定します。メーカーの指示に従ってEFMをインストールすることが重要です。排気流量の誤測定は、推定放出速度に直接影響を与えます。測定データを処理する際には、粒子濃度データと排気流量データの正確な時間アライメントを行うことが重要です。これは、排出速度が排気流量に粒子数濃度を掛けたものであるため、必要です。2つの信号が正しく整列しない場合、ドライブ全体の排出量が実際の排出量から大幅に逸脱する可能性があります。

DTTシステムは、商用デバイスではなく、多目的な研究ツールです。これは、現在の規制への準拠を検証する認証測定を行うのとは対照的に、規制されていない車両排出量を調査するために使用されます。高い多様性は増加したエネルギーおよび希薄空気消費の犠牲に来る。移動式測定にシステムを使用する場合、システムのエネルギーと空気の消費量をカバーするためにバッテリー(30キロ)とガスボトル(20キロ)のために車両に加えた重量を念頭に置く必要があります。DTTシステムでPN排出量を測定する際に車に加えた総重量は約80kgで、車両内で輸送される他の人に匹敵します。追加された重量は、特にドライブに多くの加速および/または丘が含まれている場合、わずかに増加する排出量につながる可能性があります。

DTT システムを使用して、規制されていない <23 nm パーティクル数の排気ガスを調べることができます。固体および総粒子数の放出の両方を測定することができる。さらに、二次エアロゾル形成の複雑な分野を研究するのに有用なツールとすることができる。システムのもう一つの可能な用途は、自動車用ブレーキ摩耗粒子の測定である。ブレーキイベント中に放出されるパーティクルのかなりの割合は、30 nm³⁴より小さくすることができます。DTTシステムは、約11 nmの d₅₀ で、これらの排出ガスの研究に適しています。非排気排出量は、交通関連のPM₁₀ 排出量³⁵にほぼ等しく寄与することが知られていますが、非排気粒子排出量は依然として規制されていません。これは、粒子生成の複雑で再現可能なプロセスが原因であり、調節行動を設定することは非常に困難です。さらに、有機ブレーキ摩耗粒子の化学組成および関連毒性は、依然として広く知られていない^35である。

DTTシステムは、排気と非排気の両方のトラフィック関連の粒子放出の理解を深めるのに役立つツールです。

資料

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