Advanced sampling and detection methods for exhaust particle emissions measurements

Abstract

Scope of the present thesis was to explore and evaluate advanced sampling and detection methods for the measurement of exhaust particles, and with these to investigate the technologies and operation conditions that affect exhaust particle emissions of modern vehicles. The sampling method evaluated is the "Catalytic Stripper", which is employed for the removal of volatile particles from exhaust aerosol. This method provides additional features over the conventional volatile removal systems for the measurement of solid particle number emissions according to the EU regulation. The study includes a thorough characterization of the device in the laboratory and evaluates its performance against reference instruments in exhaust PM applications. The Pegasor Particle Sensor (PPS) along with the "dual PPS" measurement concept comprise the particle detection methods explored in this study. The PPS, an aerosol instrument based on diffusion charging, was calibrated for exhaust particle number and mass emissions measurements, and evaluated in vehicle exhaust applications. Moreover, a new measurement concept, the dual-PPS, was developed for improved measurement accuracy, offering real-time mean particle size estimation. The above sampling and detection methods were then utilized to explore the effects of various parameters on exhaust PM emissions, including exhaust after treatment devices, engine type, ambient temperature, drive prole, and fuel save technologies.

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η μελέτη και αξιολόγηση προηγμένων μεθόδων δειγματοληψίας και ανίχνευσης για τη μέτρηση σωματιδιακών εκπομπών καυσαερίων από σύγχρονα οχήματα, και η εφαρμογή τους στη διερεύνηση των τεχνολογιών και παραμέτρων οι οποίες τις επηρεάζουν. Η μέθοδος δειγματοληψίας που αξιολογείται είναι ο Καταλυτικός Διαχωριστής, ένας καταλύτης μικρής κλίμακας με δυνατότητες οξείδωσης υδρογονανθράκων και αποθήκευσης θειικών συστατικών. Τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά δίνουν τη δυνατότητα εφαρμογής της συσκευής ως μεθόδου απομάκρυνσης πτητικών σωματιδίων, εναλλακτικής αυτής που ορίζει ο ισχύων ευρωπαϊκός κανονισμός για τη μέτρηση αριθμού στερεών σωματιδίων από κινητήρες και οχήματα. Η παρούσα μελέτη περιλαμβάνει τον λεπτομερή χαρακτηρισμό του καταλυτικού διαχωριστή στο εργαστήριο και αξιολόγηση της απόδοσής του σε τυπικές εφαρμογές μέτρησης. Οι μέθοδος ανίχνευσης σωματιδίων που μελετήθηκε είναι ο αισθητήρας «Pegasor Particle Sensor (PPS)». Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στην ηλεκτρική φόρτιση των σωματιδίων μέσω διάχυσης ιόντων. Ο αισθητήρας βαθμονομήθηκε και έπειτα αξιολογήθηκε σε εφαρμογές μέτρησης σωματιδιακών εκπομπών οχημάτων. Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκε μια πρωτότυπη μέθοδος ανίχνευσης σωματιδίων, στην οποία δόθηκε η ενδεικτική ονομασία «dual PPS». Η μέθοδος αυτή δίνει τη δυνατότητα εκτίμησης του μέσου μεγέθους σωματιδίων, βάσει του οποίου μπορεί να γίνει ακριβέστερος υπολογισμός των σωματιδιακών συγκεντρώσεων. Μέσω της εφαρμογής των ανωτέρω μεθόδων δειγματοληψίας και μέτρησης, πραγματοποιήθηκε διερεύνηση των παραμέτρων οι οποίες επηρεάζουν τις σωματιδιακές εκπομπές μηχανοκίνητων οχημάτων. Σε αυτές περιλαμβάνονται οι συσκευές αντιρρύπανσης, ο τύπος κινητήρα, η θερμοκρασία περιβάλλοντος, το προφίλ οδήγησης, και οι τεχνολογίες εξοικονόμησης καυσίμου.