Name: measuring sub-23 nanometer real driving particle number emissions using the portable downtoten sampling system
Uploaded: 2020-05-22T15:00:00
Duration: 8 min 59 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measuring Sub-23 Nanometer Real Driving Particle Number Emissions Using the Portable DownToTen Sampling System at JoVE.com

この作業は、H2020プロジェクトDownToTenの枠組みの中で行われます。このプロジェクトは、助成金協定Nr. 724085の下で欧州連合のHorizon 2020研究およびイノベーションプログラムから資金を受け取りました。

<ol>
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著者らは開示するものは何もない。

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。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>2x Condensation Particle Counter 4 nm</td>
			<td>TSI</td>
			<td>3775</td>
			<td>Particle counter with a cut point of 4 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5x Mass Flow Controllers (MFC)</td>
			<td>V&#246;gtlin</td>
			<td></td>
			<td>Mass flow controllers for controlling the miniCast gas flows</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AVL M.O.V.E. EFM Exhaust Flow Meter</td>
			<td>AVL</td>
			<td></td>
			<td>Device for the measurement of the exhaust flow rate of vehicles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Catalytic Stripper</td>
			<td>Custom made</td>
			<td></td>
			<td>Device for the removal of volatile compounds in an aerosol by oxidation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Compressed Air</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Oxidation and dilution air supply for miniCast</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Condensation Particle Counter 10 nm</td>
			<td>AVL</td>
			<td></td>
			<td>Particle counter with a cut point of 10 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Condensation Particle Counter 23 nm</td>
			<td>TSI</td>
			<td>3790A</td>
			<td>Particle counter with a cut point of 23 nm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Differential Mobility Analyzer</td>
			<td>TSI</td>
			<td>3085</td>
			<td>Part of the electrostatic classifier where the particle are separeted by mobility.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dilution Bridge</td>
			<td>Custom made</td>
			<td></td>
			<td>Needle valve in parallel to HEPA filters. Used to adjust particle concentrations for calibration purposes</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DownToTen Sampling System</td>
			<td>Custom made</td>
			<td></td>
			<td>Custom made sampling system for the assessment of automotive sub-23 nm particle emissions</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Electrostatic Classifier</td>
			<td>TSI</td>
			<td>3082</td>
			<td>Device for the classifaction of arosol particles by electrical mobility diameter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hand held Mass Flow Meter (MFM)</td>
			<td>V&#246;gtlin</td>
			<td></td>
			<td>Device for measuring the inlet flow of measurement instruments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>miniCast Soot Generator</td>
			<td>Jing Ltd</td>
			<td></td>
			<td>Combastion aerosol standard, soot generator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mobile Battery LPS 1500</td>
			<td>Clayton Power</td>
			<td></td>
			<td>Battery for power supply of the DTT measurement system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitrogen Gas Bottle</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Nitrogen for Mixing gas and quench gas supply of miniCast</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Propane Gas Bottle</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Fuel for miniCast</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Soft X-Ray Neutralizer</td>
			<td>TSI</td>
			<td>3088</td>
			<td>Device for the establishmentof the equillibrium charge distribution of aerosol particles</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Synthetic Air Bottle 10 L</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Gas Bottle for the dilution air supply</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measuring sub-23 nanometer real driving particle number emissions using the portable downtoten sampling system

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。

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。
<img alt="Equation 11" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ11.jpg">
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。
<img alt="Equation 12" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ12.jpg">
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Ccc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。
<img alt="Equation 13" src="/files/ftp_upload/61287/61287equ13.jpg">
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。
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig11.jpg"> 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig11large.jpg" target="_blank">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。</a>
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。
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61287/61287fig12.jpg"> 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。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/61287/61287fig12large.jpg" target="_blank">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。</a>

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Measuring Sub-23 Nanometer Real Driving Particle Number Emissions Using the Portable DownToTen Sampling System

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。

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

The current particle size threshold of the European Particle Number (PN) emission standards is 23 nm. This threshold could change because future ...

このプロトコルは、Horizon 2020プロジェクトDownToTenで設計され、構築されたシステムを使用して、現在規制されていない23ナノメートルの粒子放出のモバイル測定を取得するために使用することができます。サブ23ナノメートルの関心の低い粒子損失とシステム内の汎用性の高い度合いは、放出された粒子の異なる特性の評価を可能にしました。排気ガスのこの例外, この方法は、測定される車両の予想排気流れ範囲に一致する測定範囲を持つ排気流量計を選択することによって始まるナノサイズの粒子の揮発性および形成メカニズムの調査に最適であろう.排気流量計コントロールボックスを車体のトランクに設置し、車外に排気流量計を取り付けます。メーターの上流と下流の距離が連邦規則に準拠していることを注意して、メーカーの仕様に従います。排気流量計管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得ることを確認してください。排気流量計が設置されている場合は、パイプとパイプクランプを接続して排気を最初のパイプに接続し、パイプクランプを端部に締め付け、継ぎ手中のパイプの位置合わせを容易にします。排気から排気流量計への接続がある場合、排気流量計制御ボックスと排気流量計取り付けブラケットをトランクに配置して、測定トリップ中に何もスリップしないようにし、配管のすべてがタイトで、測定中に何も緩んでいないことを確認します。最大15分のウォームアップ時間の後、周囲温度に応じて、排気質量流量計は測定を行う準備ができています。DownToTen測定システムを取り付けるには、合成エアボトルをトランクに入れ、ストラップでボトルを固定します。バッテリーを車両のトランクに入れ、AC入力ケーブルを差し込み、バッテリを所定の位置に固定し、ACケーブルをローカル電源に接続します。サンプリングシステム用の真空ポンプと、車両のトランク内の凝縮粒子カウンタを固定し、ポンプをバッテリに接続します。次に、車のトランクにDownToTenシステムを固定し、ストラップでシステムをモバイルバッテリパックに接続し、DownToTenシステムの2つの入口マスフローコントローラを固定加圧空気供給に接続します。DownToTenシステムの2つの出口マスフローコントローラを真空ポンプに接続し、適切なチューブを使用してポンプの排気を車両の外に駆動します。USBケーブルを使用して、DownToTenシステムを測定ラップトップに接続し、システムの入口を排気フローメーターの下流のサンプリングポイントに接続します。システム電源インレットをバッテリに接続し、凝縮粒子カウンタの電源インレットをバッテリパックに接続します。凝縮粒子カウンターをそれぞれの外部真空ポンプに接続し、適切なチューブを使用して、凝縮粒子カウンターとすべての外部ポンプを車両外に駆動します。次に、USBケーブルを使用して、凝縮粒子カウンタを測定用ラップトップに接続する 測定システムを加熱して起動し、凝縮粒子カウンタとその外部真空供給をオンにします。そして、凝縮粒子カウンターソフトウェアを開きます。凝縮粒子カウンターとの通信を確立し、マスフローコントローラの針弁を閉じます。次に、DownToTen サンプリング システム ポンプの赤いスイッチを押してシステムの電源を入れ、ラボ ビュー DownToTen 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、グラフィカルユーザーインターフェイスは希釈段階1と2で出入り流れを表示します。接続された測定器で1分あたり1リットルのサンプルで引き出された質量流量を入力し、両方が1分あたり10プラスマイナス0.5標準リットルに達するまで針弁をゆっくりと開き、触媒ストリッパーの流量が触媒ストリッパーの1分当たり1プラスマイナス0.1リットルに等しくなるように希釈段階のAdFlowを調整します。またはマイナス0.1リットル/毎分。ヒータータブの下で、希釈空気供給のヒーター温度を設定します。最初は、ひながったディサイダーと触媒ストリッパーを摂氏350度に注ぎます。システムがヒートアップし始めます。次いでガス温度下流希釈段階1まで待ち、測定駆動を開始する前に摂氏290度に達する。データをログに記録するには、DownToTenサンプリングシステムに接続された測定デバイスで、データロギングをクイックスタートしてサンプリングシステムのデータをログに記録します。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、データが保存されていることを示す緑色のライトが表示されます。次に、適切なソフトウェアを使用して、凝縮粒子カウンタの粒子濃度データを記録し、排気フローメーターで排気流の記録を開始します。走行中にデータを記録するには、選択したルートを運転する前に、バッテリ充電ケーブルを外し、静止した加圧空気供給からガスボトルに切り替えます。次に、選択したルートをドライブします。運転後、Log In"を押してデータの記録を停止し、計測器をシャットダウンします。次に、電池を充電して次の駆動に備えて、粒子移動径の関数としてのDownToTenシステムの相対粒子浸透の例示プロットが示される。熱泳動、拡散および全損失データをプロットし、それぞれの粒度依存性を決定した。この分析では、粒子サイズが低いと共に拡散性が上昇し、10ナノメートル以下の粒子の支配的損失メカニズムとなった。総貫通効率も表され、ここで貫通効率が50%に相当する粒子径の決定が可能となり、実際の駆動エミッション測定駆動装置の最初の10分間の経時の粒子数放出率が示される。粒子測定装置が一時的にゼロ粒子濃度を報告することができ、ゼロが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方方向の尖点スパイクが発生しました。10ナノメートルの凝縮粒子カウンターで測定された粒子放出は、測定期間の大半について23ナノメートルの凝縮粒子カウンターで測定された排出量に非常に近かった。しかし、10秒から25秒の間に、23ナノメートル未満の粒子放出の発生があった。この分析と同様に、放出される粒子の総数の50%を超える、10〜23ナノメートルの間であった。この手順を試みるときは、排気メーターを正しく挿入し、サンプリングシステムに十分なウォームアップ時間を確保することを忘れないでください。DownToTenシステムの多様性および低損失は、排気粒子などの非規制粒子放出の調査に理想的なツールです。このシステムと方法は、Horizon 2020プロジェクトDownToTenで使用され、様々な車両の23ナノメートルの粒子排出量を評価し、将来の排出規制の科学的根拠を提供しました。

Research

JoVE Journal

Engineering

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