Μπαρούχ Ν. Γιεχασκιέλ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙ ΙΑΚΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΤΟΜΕΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟ ΥΝΑΜΙΚΗΣ Μπαρούχ Ν. Γιεχασκιέλ ιπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙ ΙΑΚΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, Μάρτιος 2005

2

3 Μπαρούχ Ν. Γιεχασκιέλ ιπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΚΑΙ ΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΙΓΜΑΤΟΛΗΨΙΑΣ ΓΙΑ ΤΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΩΜΑΤΙ ΙΑΚΩΝ ΕΚΠΟΜΠΩΝ ΚΙΝΗΤΗΡΩΝ ΣΕ ΠΡΑΓΜΑΤΙΚΟ ΧΡΟΝΟ Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Υποβλήθηκε στο Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Ενεργειακός Τοµέας, Εργαστήριο Εφαρµοσµένης Θερµοδυναµικής Ηµεροµηνία Προφορικής Εξέτασης: 21 Μαρτίου, 2005 Εξεταστική Επιτροπή: Καθηγητής Ζ. Σαµαράς, Επιβλέπων Οµ. Καθηγητής Κ. Πάττας Μέλος τριµελούς Συµβουλ. Επιτροπής Αν. Καθηγητής Ν. Κυριάκης Μέλος τριµελούς Συµβουλ. Επιτροπής Καθηγητής Ν. Μουσιόπουλος, Εξεταστής Καθηγητής Απ. Γούλας, Εξεταστής Καθηγητής Αν. Τοµπουλίδης, Εξεταστής Αν. Καθηγήτρια Κ. Σαµαρά Εξετάστρια Επ. Καθηγητής Γρ. Κολτσάκης Εξεταστής

4 Μπαρούχ Ν. Γιεχασκιέλ Α.Π.Θ. Ανάπτυξη και ιερεύνηση Συστήµατος ειγµατοληψίας για τη Μέτρηση Σωµατιδιακών Εκποµπών Κινητήρων σε Πραγµατικό Χρόνο ISBN «Η έγκριση της παρούσης ιδακτορικής ιατριβής από το Τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωµών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

5 Πρόλογος - Ευχαριστίες Το αντικείµενό της εργασίας είναι η αξιολόγηση ενός συστήµατος δειγµατοληψίας µέτρησης σωµατιδιακών εκποµπών κινητήρων και οχηµάτων και αποτελεί λογική συνέχεια προηγούµενων εργασιών πάνω σε θέµατα µέτρησης σωµατιδίων. Η εκπόνηση αυτής της διατριβής ήταν η καλύτερη εµπειρία που είχα µέχρι σήµερα. Ενθουσιασµός, Απογοήτευση, Έρευνα, Λάθη, Ταξίδια, Εµπειρία, Γνώση, είναι µερικές λέξεις που εκφράζουν το διάστηµα αυτό. Ίσως για πρώτη φορά συνειδητοποίησα το νόηµα του ποιήµατος του Καβάφη «Ιθάκη». Η πορεία προς τον στόχο, ο οποίος δεν πρέπει να ξεχνιέται ποτέ, δίνει νόηµα στη ζωή. Πολλοί άνθρωποι συνέβαλλαν ώστε να αποκτήσει νόηµα αυτό το «ταξίδι» και να κρατηθεί το καράβι στη σωστή πορεία. Ευχαριστώ θερµά τον διευθυντή του Εργαστηρίου Εφαρµοσµένης Θερµοδυναµικής, καθηγητή Μηχ. Μηχανικών Α.Π.Θ., Ζήση Σαµαρά, τον κύριο επιβλέποντα, ο οποίος µε εµπιστεύτηκε και µου ανέθεσε τη διατριβή. Όλο το διάστηµα εκπόνησης της διατριβής µου µε στήριζε και µε συµβούλευε. Η υποστήριξή του ήταν σηµαντικότατη. Ευχαριστώ επίσης τα υπόλοιπα µέλη της συµβουλευτικής επιτροπής, τον οµότιµο καθηγητή Μηχ. Μηχανικών Α.Π.Θ. Κωνσταντίνο Πάττα για τις παρατηρήσεις του και ιδιαίτερα τον καθηγητή Μηχ. Μηχανικών Α.Π.Θ. Νικόλαο Κυριάκη για τις διορθώσεις του και τις εύστοχες παρατηρήσεις του. Ακόµη θα ήθελα να ευχαριστήσω τα µέλη της εξεταστικής επιτροπής, τον καθηγητή Μηχ. Μηχανικών Α.Π.Θ. Νικόλαο Μουσιόπουλο, τον καθηγητή Μηχ. Μηχανικών Α.Π.Θ. Απόστολο Γούλα, τον καθηγητή Μηχανικών Ενεργειακών Πόρων Π..Μ. Ανανία Τοµπουλίδη, την αναπληρώτρια καθηγήτρια του τµήµατος Χηµείας Κωνσταντινή Σαµαρά και τον επίκουρο καθηγητή Μηχ. Μηχανικών Α.Π.Θ. Γρηγόριο Κολτσάκη για την άψογη συνεργασία και κριτική τους. Οφείλω επίσης να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον ρα. Μηχ. Μηχανικό Λεωνίδα Ντζιαχρήστο ο οποίος µε υποστήριζε, µε βοηθούσε, µε παρότρυνε και µε «παίδευε» συνέχεια. Η συµβολή του ήταν καταλυτική στην οµαλή συνέχεια της διατριβής και στην επιστηµονική αρτιότητά της. Φυσικά δε παραλείπω τον ρα. Χηµικό Παναγιώτη Πιστικόπουλο που συµπαραστεκόταν και συµβούλευε κατά τη διάρκεια

6 των µετρήσεων, τον Ηλεκτρονικό Αργύρη Τζιλβελή που δεν άφηνε να ξεφύγει κανένα λάθος στα πειράµατα και τον Τεχνολόγο Μηχ. Μηχανικό Θανάση Παπαζαχαρία για την έρευνα αγοράς για τα εξαρτήµατα που χρειάζονταν στις µετρήσεις. Η βοήθειά, ειδικά των δύο πρώτων, ήταν ανεκτίµητη. Επίσης, ένα µεγάλο ευχαριστώ στον ρα. Μηχ. Μηχανικό Ηλία Βουίτση για τις παρατηρήσεις, τις διορθώσεις και τις συµβουλές του από την περίοδο που ακόµη έκανα διπλωµατική ως και την τελευταία στιγµή που τελείωνα τη διατριβή µου. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τους φοιτητές ή διπλωµατούχους Μηχ. Μηχανικούς µε τους οποίους συνεργάστηκα αυτό το διάστηµα στην εκπόνηση των σπουδαστικών ή διπλωµατικών τους εργασιών: ιπλ. Γιώργο Φονταρά, ιπλ. Μανώλη Κασέρη, ιπλ. Άκη Τσάκη, ιπλ. Μάνο Σεραφειµίδη, ιπλ. ηµήτρη Αµανατιάδη, ιπλ. ηµήτρη Κολοκοτρώνη, ιπλ. Κώστα Στριφτό και Παντελή Μάρκου. Ιδιαίτερες ευχαριστίες επίσης στον ιπλ. Βαγγέλη Φυσίκα για την υποστήριξη του στις πειραµατικές µετρήσεις και τον ιπλ. Θανάση Μαµάκο για τις εφαρµογές που έκανε για τη γρηγορότερη επεξεργασία των µετρήσεων. Τέλος θα ήθελα να ευχαριστήσω τους γονείς µου, οι οποίοι µε κατανόηση και υποµονή, µου συµπαραστάθηκαν υλικά και ηθικά κατά τη διάρκεια εκπόνησης αυτής της διατριβής. Μπαρούχ Ν. Γιεχασκιέλ, Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2005 Αφιερώνεται στους Ζ. Σαµαρά, Λ. Ντζιαχρήστο, Π. Πιστικόπουλο και Αργ. Τζιλβελή, που πραγµατικά αγαπούν τη δουλειά τους.

7 (Σύντοµη) Περίληψη Η παρούσα εργασία στοχεύει στην ανάλυση µιας διάταξης δειγµατοληψίας σωµατιδιακών εκποµπών κινητήρων σε πραγµατικό χρόνο. Η δειγµατοληψία γίνεται µε σταθερό λόγο αραίωσης και σταθερή θερµοκρασία αέρα αραίωσης. Επίσης δίνεται αρκετός χρόνος στο αραιωµένο δείγµα για να εξελιχθούν τα φαινόµενα ανάπτυξης των σωµατιδίων. Οι συνθήκες είναι τέτοιες που ευνοούν τη δηµιουργία σωµατιδίων από πυρηνογένεση. Στη διάταξη υπάρχει και προσροφητήρας πτητικών ουσιών που επιτρέπει µόνο τα στερεά να διέλθουν. Στη διάταξη χρησιµοποιούνται όργανα µέτρησης σωµατιδίων που µετρούν σε πραγµατικό χρόνο. Η δοµή της εργασίας είναι η εξής: Περιγραφή της διάταξης (Α και Β µέρος εργασίας). Αξιολόγηση της εγκατάστασης ελέγχοντας την επαναληψιµότητα των µετρήσεων και συγκρίνοντας τα αποτελέσµατά της µε αυτά της νοµοθετηµένης µεθόδου και µε µετρήσεις πίσω από οχήµατα στην ατµόσφαιρα (Γ µέρος). Μετρήσεις για διάφορες τεχνολογίες οχηµάτων, συσκευές µετεπεξεργασίας, καύσιµα και λιπαντικά ( µέρος). Μετρήσεις σύµφωνα µε το πρωτόκολλο που συζητιέται για µελλοντική νοµοθέτηση αριθµού σωµατιδίων (Ε µέρος). Με βάση τα αποτελέσµατα της εργασίας είναι δυνατό να µετρηθεί επαναλήψιµα και αντιπροσωπευτικά ως προς την ατµόσφαιρα τόσο η περιοχή συσσώρευσης των σωµατιδίων, όσο και η πιο ασταθής γενικά περιοχή των νανοσωµατιδίων. Η χρήση της διάταξης δειγµατοληψίας µε συγκεκριµένο πρωτόκολλο µέτρησης δίνει συγκρίσιµα αποτελέσµατα για διαφορετικές τεχνολογίες, συσκευές µετεπεξεργασίας και καύσιµα, ακόµη κι αν οι µετρήσεις έχουν διεξαχθεί σε διαφορετικά εργαστήρια.

8 Περίληψη Ανάπτυξη και ιερεύνηση Συστήµατος ειγµατοληψίας για τη Μέτρηση Σωµατιδιακών Εκποµπών Κινητήρων σε Πραγµατικό Χρόνο Περίληψη Tα αιωρούµενα στην ατµόσφαιρα σωµατίδια επιδρούν αρνητικά στο περιβάλλον και στην υγεία και, κατά συνέπεια, υπόκεινται σε νοµοθετικούς περιορισµούς. Εντούτοις, ενώ η νοµοθεσία καθορίζει τη µέγιστη επιτρεπτή συγκέντρωση σωµατιδιακής µάζας, πρόσφατες ιατρικές εργασίες υποδεικνύουν άλλα χαρακτηριστικά των σωµατιδίων (αριθµός, επιφάνεια και χηµική σύσταση) ως υπεύθυνα για τις επιδράσεις τους στην ανθρώπινη υγεία. Οι κινητήρες diesel είναι από τις πιο σηµαντικές και γνωστές πηγές σωµατιδίων, ιδιαίτερα στην αστική ατµόσφαιρα, και υπόκεινται, επίσης, σε νοµοθετικούς περιορισµούς. Η θέσπιση, όµως, ολοένα και αυστηρότερων ορίων έχει εγείρει ερωτήµατα πάνω στην διακριτότητα της νοµοθετηµένης µεθόδου. Επίσης, εκφράζονται υποψίες ότι η βελτίωση της τεχνολογίας προς την κατεύθυνση της µείωσης της µάζας δε µειώνει απαραίτητα και τον αριθµό ή την επιφάνεια των εκπεµπόµενων σωµατιδίων. Εποµένως, κρίνεται σηµαντική η διερεύνηση των δυνατοτήτων ανάπτυξης πιο ευαίσθητων µεθόδων µέτρησης και πιο αντιπροσωπευτικών πρωτοκόλλων αξιολόγησης των εκπεµπόµενων σωµατιδίων. Στην παρούσα εργασία επιχειρείται η ανάπτυξη και διερεύνηση ενός συστήµατος δειγµατοληψίας που θα µπορεί να µετρά επαναλήψιµα και αντιπροσωπευτικά ως προς την ατµόσφαιρα διάφορα χαρακτηριστικά των εκπεµπόµενων σωµατιδίων, τόσο παλαιότερων όσο και νεότερων οχηµάτων. Τα νούµερα δηλώνουν τον αριθµό του αντίστοιχου κεφαλαίου. Α. ΓΕΝΙΚΑ 1. Ο αγωγός πλήρους αραίωσης κρίνεται ως προβληµατικός για µετρήσεις αριθµού και κατανοµών σωµατιδίων, αφού διαφορετικές θερµοκρασίες ανάµιξης, λόγων αραίωσης και χρόνων παραµονής µεταξύ των εργαστηρίων έχουν ως αποτέλεσµα διαφορετικές περιοχές πυρήνων. Επίσης, τα όρια των σωµατιδίων των νεότερων τεχνολογιών έχουν πλησιάσει τη διακριτότητα της νοµοθετηµένης µεθόδου. Έτσι, ένα

9 σύστηµα που διατηρεί σταθερές συνθήκες δειγµατοληψίας αναµένεται περισσότερο κατάλληλο Επιλέχτηκε ένα σύστηµα µερικής δειγµατοληψίας µε σταθερή παροχή και σταθερές συνθήκες δειγµατοληψίας (λόγος αραίωσης 12,5:1 και θερµοκρασία αέρα αραίωσης 32 C) που ευνοούν τη δηµιουργία νανοσωµατιδίων. Περιλαµβάνει έναν κλάδο υγρών σωµατιδίων (χρόνος γήρανσης των σωµατιδίων περίπου 2,5 s και µέτρηση µε προσκρουστήρα σε σειρά DGI, φορτιστή διάχυσης DC, απαριθµητή σωµατιδίων συµπύκνωσης CPC, κατανεµητή µεγέθους κινητικότητας σωµατιδίων µε σάρωση SMPS) και έναν κλάδο στερεών σωµατιδίων (προσροφητήρας πτητικών ουσιών και µέτρηση µε ELPI). Β. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΜΗΜΑΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 4. Ένας πορώδης αραιωτήρας χρησιµοποιήθηκε για την πρωτεύουσα αραίωση. Ο πορώδης αραιωτήρας είναι εύκολος στη χρήση επιτρέποντας επιλογή συνθηκών δειγµατοληψίας (λόγος αραίωσης και θερµοκρασία αέρα αραίωσης). Περαιτέρω, η δειγµατοληψία καυσαερίου γίνεται χωρίς σηµαντικές απώλειες στερεών σωµατιδίων. Λόγω κατασκευαστικών ατελειών και δυσκολιών καθορισµού του λόγου αραίωσης µε παροχές, αν αυτός ενδιαφέρει µε ακρίβεια, πρέπει να µετριέται εξωτερικά (π.χ. µε αναλυτές). Ο λόγος αραίωσης παραµένει σταθερός σε σταθερό σηµείο λειτουργίας οχήµατος ή κινητήρα, αλλά µεταβάλλεται µε αλλαγή σηµείου λειτουργίας. Η µεταβολή αυτή δεν είναι σηµαντική στην περίπτωση επιβατηγών οχηµάτων (µεγάλη απόσταση δειγµατοληψίας από τον κινητήρα και ύπαρξη συσκευών µετεπεξεργασίας καυσαερίου). Ο λόγος αραίωσης βρέθηκε ότι µεταβάλλεται λιγότερο από ±1,5 µονάδα (10%) κατά τη διάρκεια ενός κύκλου. Για τον υπολογισµό του στιγµιαίου λόγου αραίωσης κατά τη διάρκεια ενός κύκλου οδήγησης απαιτούνται γρήγοροι αναλυτές µε γραµµές δειγµατοληψίας µικρού µήκους. Η χρήση αργών αναλυτών και µεγάλων γραµµών δείχνει µια µεταβολή του λόγου αραίωσης κατά τη διάρκεια του κύκλου που δεν υφίσταται. Εποµένως, για αυτήν την περίπτωση, για τον υπολογισµό των σωµατιδιακών εκποµπών συστήνεται η χρήση µιας µέσης τιµής του λόγου αραίωσης. Η µέση αυτή τιµή συστήνεται να υπολογίζεται από τα τµήµατα του κύκλου µε σταθερή ταχύτητα. 5. Αραιωτήρες ακροφυσίου χρησιµοποιούνται για τη δευτερεύουσα αραίωση. Εξετάστηκαν πειραµατικά και θεωρητικά η επίδραση των παραµέτρων λειτουργίας

10 Περίληψη ενός αραιωτήρα ακροφυσίου στο λόγο αραίωσης. Αυτές περιλαµβάνουν τη σύσταση, την πίεση και τη θερµοκρασία του δείγµατος, και τις πιέσεις του αέρα αραίωσης και του µίγµατος. Τα πειράµατα έδειξαν ότι ο λόγος αραίωσης αυξάνεται περίπου 20% αν χρησιµοποιηθεί ως δείγµα CO 2 αντί αέρας. Αν η θερµοκρασία δείγµατος αυξηθεί κατά 140 C, τότε ο λόγος αραίωσης αυξάνεται κατά 20%. Επίσης, αυξάνεται 10 20% είτε µειώνοντας την πίεση του δείγµατος κατά 5 kpa, είτε αυξάνοντας την πίεση εξόδου κατά 5 kpa, είτε αυξάνοντας την πίεση του αέρα αραίωσης κατά 50 kpa. Οι παραπάνω αλλαγές των συνθηκών λειτουργίας του αραιωτήρα, που είναι συνηθισµένες σε µετρήσεις καυσαερίου, πρέπει να λαµβάνονται υπόψη για τον καθορισµό του λόγου αραίωσης, ειδικά όταν ενδιαφέρουν µικρές µεταβολές (π.χ. σύγκριση διαφορετικών καυσίµων) ή ενδιαφέρει το απόλυτο µέγεθος των εκποµπών. Το µοντέλο που αναπτύχθηκε λαµβάνει υπόψη αυτές τις επιδράσεις σε συνθήκες µέτρησης. Το µοντέλο υποθέτει συµπιεστή ροή του αέρα αραίωσης που φτάνει την ηχητική ταχύτητα στην περιοχή ανάµειξης. Για ένα µικρό διάστηµα ο αέρας πιάνει υπερηχητική ταχύτητα και η υποπίεση που δηµιουργεί αντλεί το δείγµα. Η υπερηχητική ροή παύεται µε ένα κανονικό κρουστικό κύµα. Μπορεί να προβλέψει τα πειραµατικά δεδοµένα για αλλαγές του λόγου αραίωσης ως και 500% µε µέσο σφάλµα ±5%. Εφαρµογή του µοντέλου για διαφορετικές συνθήκες δειγµατοληψίας έδειξαν ότι ο λόγος αραίωσης µπορεί να αλλάξει πάνω από 20% σε σχέση µε τις συνθήκες αναφοράς, γεγονός που υποδεικνύει ότι ένας τέτοιος διορθωτικός αλγόριθµος είναι απαραίτητος για µετρήσεις µε τον ίδιο αραιωτήρα σε διαφορετικές συνθήκες. 6. είχθηκε ότι η αύξηση του χρόνου παραµονής αυξάνει το µέσο µέγεθος των σωµατιδίων της περιοχής πυρήνων. Για τη συγκέντρωση όµως των σωµατιδίων αυτής της περιοχής δεν εξάγεται κάποιο ξεκάθαρο συµπέρασµα αφού η πυρηνογένεση και η συσσωµάτωση είναι δυο αντίθετοι µηχανισµοί που την επηρεάζουν. 7. Βαθµονοµήθηκε ένα ροόµετρο θερµού σύρµατος και ελέγχθηκε η λειτουργία του ρυθµιστή παροχής µάζας. 8. Ο DGI, ένα όργανο που µετρά κατανοµή µάζας, συγκρίθηκε µε ένα φίλτρο και βρέθηκε ότι δεν έχει απώλειες. 9. Σε αυτό το κεφάλαιο βαθµονοµείται ένα πρότυπος DC. είχνεται ότι το σήµα του είναι ανάλογο της ενεργού επιφάνειας των σωµατιδίων. Φαίνεται πειραµατικά ότι το

11 σήµα του δεν επηρεάζεται από τις ιδιότητες των σωµατιδίων ή τα προϋπάρχοντα φορτία και έτσι µπορεί να χρησιµοποιηθεί για όλων των ειδών τα σωµατίδια εσωτερικής καύσης. Ως όργανο που µετρά σε πραγµατικό χρόνο, µπορεί να συνδυαστεί µε άλλο όργανο που µετρά σε πραγµατικό χρόνο αριθµητική συγκέντρωση σωµατιδίων και να δώσει πληροφορίες για τη µέση διάµετρο των σωµατιδίων στη διάρκεια ενός κύκλου οδήγησης. Τέλος, δείχθηκε ότι η ενεργός επιφάνεια είναι πιο ευαίσθητο χαρακτηριστικό των σωµατιδίων από τη µάζα και µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη µέτρηση νεότερων τεχνολογιών. 10. είχθηκε ότι η χρήση της τραπεζοειδούς συνάρτησης στο SMPS για τη µέτρηση της περιοχής πυρήνων οδηγεί σε απρόβλεπτη υποεκτίµηση των σωµατιδίων αυτών. 11. Έγινε πειραµατική διερεύνηση του προσροφητήρα πτητικών ουσιών. Φάνηκε ότι ο προσροφητήρας πτητικών ουσιών περιορίζει την περιοχή πυρήνων και βρέθηκε ότι η καµπύλη απωλειών που δίνει ο κατασκευαστής περιγράφει ικανοποιητικά τα πειραµατικά δεδοµένα για τα στερεά σωµατίδια. είχθηκε επίσης ότι µπορεί να θεωρηθούν µέσες απώλειες για τις τυπικές κατανοµές κινητήρων διατηρώντας την αξιοπιστία της µέτρησης σε αποδεκτά επίπεδα. Συγκεντρώσεις 0,75 3, cm -3 δεν επηρεάζουν την αποτελεσµατικότητα του προσροφητήρα πτητικών ουσιών. Γ. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 12. Οι απώλειες στο σύστηµα υπολογίστηκαν και βρέθηκαν µικρότερες από 15% για τα σωµατίδια nm. Έγιναν οι κατάλληλες διορθώσεις για τα όργανα που µετράνε κατανοµή (SMPS, ELPI). Για τα υπόλοιπα όργανα (CPC και DC) δεν έγινε καµία διόρθωση, αλλά η υποεκτίµηση των εκποµπών υπολογίστηκε ότι είναι µικρότερη από 5%. 13. Η σταθερότητα της µέτρησης (συνεχόµενη µέτρηση της ίδιας πηγής την ίδια µέρα) για τα σωµατίδια της περιοχής συσσώρευσης και της περιοχής πυρήνων στη διάταξη του εργαστηρίου (µε το SMPS) ήταν ικανοποιητική µε διασπορά 5% και 15% αντίστοιχα. Η επαναληψιµότητα της µέτρησης (µέτρηση της ίδιας πηγής σε διαφορετικές µέρες - περιόδους) ήταν ικανοποιητική αφού η διασπορά για τα PM είναι ±10% και για τον DGI µικρότερη. Τα όργανα που µετράνε αριθµό (CPC, ELPI) και επιφάνεια (DC) είχαν διασπορά µετρήσεων γύρω στο 10 25%, γεγονός που οφείλεται µάλλον στην αβεβαιότητα των αραιωτήρων ακροφυσίου. Η επαναληψιµότητα της µέτρησης για το SMPS (κατανοµή µεγέθους αριθµού) στην

12 Περίληψη περιοχή της συσσώρευσης ήταν ικανοποιητική (διασπορά 10%). Η επαναληψιµότητα της µέτρησης στην περιοχή των πυρήνων του SMPS δεν ήταν τόσο ικανοποιητική (διασπορά 30 40%), αλλά η διασπορά οφείλεται σε µεγάλο βαθµό και στην πηγή. 14. Η επαναληψιµότητα µεταξύ εργαστηρίων ελέγχθηκε µετρώντας διάφορους νοµοθετηµένους ρύπους και χαρακτηριστικά σωµατιδίων µε το ίδιο πρωτόκολλο µέτρησης σε τέσσερα εργαστήρια τρία οχήµατα ίδιου τύπου. Η διαφοροποίηση των εργαστηρίων σε µετρήσεις αριθµού σωµατιδίων είναι µικρότερη από 30%, συγκρίσιµη ή και µικρότερη από µερικούς νοµοθετηµένους ρύπους. 15. Έγιναν µετρήσεις µάζας και αριθµού στερεών σωµατιδίων στο σύστηµα µερικής δειγµατοληψίας και στον αγωγό πλήρους αραίωσης. Η σύγκριση έδειξε ότι το σύστηµα µερικής δειγµατοληψίας δίνει εκποµπές µάζας γύρω στο 25% υψηλότερες. Αν ληφθεί υπόψη ότι η αναµενόµενη διασπορά δεν µπορεί να είναι πάνω από 15% (λόγω µετρητικών σφαλµάτων), η υπόλοιπη διαφορά ενδεχοµένως να υποδηλώνει απώλειες µεγάλων σωµατιδίων (µάζας) στη γραµµή µεταφοράς του καυσαερίου στον αγωγό πλήρους αραίωσης. Η σύγκριση αριθµού και κατανοµών µεγέθους αριθµού στερεών σωµατιδίων µεταξύ συστήµατος µερικής δειγµατοληψίας και αγωγού πλήρους αραίωσης επιπλέον υποδεικνύει απώλειες συσσωµάτωσης, διάχυσης και θερµοδιάχυσης (20 30%) των σωµατιδίων <1 µm στη γραµµή µεταφοράς του καυσαερίου στον αγωγό πλήρους αραίωσης. 16. Έλεγχος των οργάνων της διάταξης (DC, CPC, ELPI) µε άλλα όργανα που θεωρήθηκαν πρότυπα έδειξε ότι η διαφοροποίηση της συγκέντρωσης που µετράνε είναι µικρότερη από 5%. 17. Στο κεφάλαιο αυτό δείχθηκε ότι ένα diesel επιβατηγό αυτοκίνητο σηµερινής τεχνολογίας που χρησιµοποιεί καύσιµο περιεκτικότητας σε θείο 280 ppm παράγει νανοσωµατίδια στα καυσαέριά του όταν λειτουργεί σε υψηλή ταχύτητα (> 100 km/h). Αυτό παρατηρήθηκε πίσω από το κινούµενο όχηµα και αναλύοντας το καυσαέριο µε ένα κινητό εργαστήριο. Στο εργαστήριο ήταν δυνατή η αναπαραγωγή της περιοχής πυρήνων µε τη χρήση ενός συστήµατος µερικής δειγµατοληψίας µε σταθερές συνθήκες δειγµατοληψίας. Ο σχηµατισµός της περιοχής πυρήνων και η εξάρτησή της από την ταχύτητα του οχήµατος βρέθηκε όµοια τόσο στο δρόµο όσο και στο εργαστήριο παρά τις διαφορετικές συνθήκες δειγµατοληψίας. Το καυσαέριο στα ατµοσφαιρικά τεστ αραιωνόταν :1 µέσα σε 0,5-1 s. Στο εργαστήριο

13 γινόταν αρχικά µια γρήγορη αραίωση (12:1-36:1), µετά δινόταν στο αραιωµένο δείγµα χρόνος 0,5 ή 2,5 s για ανάπτυξη - σταθεροποίηση και στη συνέχεια αραιωνόταν ξανά για να φτάσει τις κατάλληλες συγκεντρώσεις για τα όργανα. Η θερµοκρασία του περιβάλλοντος στα κυνηγητικά τεστ ήταν 5 C µε σχετική υγρασία 50-55%, ενώ η θερµοκρασία του αέρα αραίωσης στο εργαστήριο ήταν 32 C µε σχετική υγρασία χαµηλότερη από 5%. Η ποιοτική αναπαραγωγή της περιοχής πυρήνων στο εργαστήριο µε τόσο διαφορετικές συνθήκες υποδεικνύει ότι τα νανοσωµατίδια είναι πραγµατικό συστατικό του καυσαερίου και όχι ένα σφάλµα δειγµατοληψίας ή αραίωσης. Τα νανοσωµατίδια φάνηκαν όχι µόνο αυξάνοντας την ταχύτητα του οχήµατος, αλλά και αυξάνοντας και το φορτίο, όταν η θερµοκρασία του καυσαερίου (όπως µετρήθηκε στην έξοδο από την εξάτµιση, στο σηµείο δειγµατοληψίας) ξεπέρασε τους 165 C, υποδεικνύοντας έτσι τη µεγάλη σηµασία της θερµοκρασίας του καυσαερίου στη δηµιουργία νανοσωµατιδίων σε αυτής της τεχνολογίας τα οχήµατα. Η διατήρηση των νανοσωµατιδίων σε όλη τη διάρκεια των τεστ ταχύτητας και φορτίων (πάνω από 35 min) επίσης επιβεβαιώνει ότι τα νανοσωµατίδια είναι πραγµατικό συστατικό του καυσαερίου.. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 18. είχθηκε ότι τα σωµατίδια της περιοχής πυρήνων µπορούν αν αυξάνονται (π.χ. λόγω θέρµανσης του καταλύτη) ή να µειώνονται µε το χρόνο (π.χ. µείωση φαινοµένων εκρόφησης). Εποµένως, για τη µέτρηση σωµατιδίων είναι απαραίτητο ένα αυστηρό πρωτόκολλο. Αυτό πρέπει να περιλαµβάνει κατάλληλη προετοιµασία της µέτρησης, τις συνθήκες δειγµατοληψίας και τη σειρά των µετρήσεων. 19. Χρησιµοποιώντας την ίδια διάταξη και το ίδιο πρωτόκολλο µέτρησης µετριούνται και συγκρίνονται οι εκποµπές ενός diesel και ενός βενζινοκίνητου οχήµατος καθώς και ενός µοτοποδήλατου και µιας µοτοσικλέτας. Όσον αφορά τους αέριους ρύπους, βρέθηκε ότι τα δίκυκλα εκπέµπουν 2 και 3 τάξεις υψηλότερα CO και HC από τα επιβατηγά. Ο καταλύτης βελτίωσε τις εκποµπές κατά 75 80%. Τα ΝΟ x των δίκυκλων, από την άλλη, ήταν πολύ χαµηλότερα από των αυτοκινήτων. Το diesel είχε διπλάσιες εκποµπές NO x από το βενζινοκίνητο. To CO 2 των δίκυκλων ήταν επίσης 4 8 φορές χαµηλότερο από των επιβατηγών, λόγω χαµηλότερης κατανάλωσης και λόγω ατελούς καύσης προς CO. Η εκποµπή µάζας, µετρούµενη στον αγωγό πλήρους αραίωσης, ήταν πολύ υψηλή για τα δίκυκλα. Γενικά όµως φάνηκε ότι οι εκποµπές των δίκυκλων ήταν σε µεγάλο ποσοστό (62 86%) πτητικές ουσίες. Το

14 Περίληψη βενζινοκίνητο όχηµα είχε εκποµπές στα όρια µέτρησης της µεθόδου (<2 mg/km) ακόµα και για τις ψυχρές εκκινήσεις. Οι µετρήσεις ενεργού επιφάνειας έδωσαν τα ίδια συµπεράσµατα µε καλύτερη διακριτότητα, αφού η ευαισθησία της µέτρησης είναι µεγαλύτερη. Όσον αφορά τον αριθµό σωµατιδίων, το diesel όχηµα είχε εκποµπές της τάξης του 0, km -1 στο νοµοθετηµένο κύκλο. Τα δίκυκλα είχαν εκποµπές στερεών σωµατιδίων µία τάξη µεγέθους χαµηλότερα αλλά υγρών υψηλότερες µε µικρότερη µέση αεροδυναµική διάµετρο. Το βενζινοκίνητο όχηµα είχε χαµηλές εκποµπές σε υγρά και στερεά σωµατίδια, ακόµη και σε υψηλές ταχύτητες. Μόνο στην ψυχρή εκκίνηση και σε επιταχύνσεις παρατηρήθηκαν υψηλές εκποµπές σωµατιδίων που όµως δεν επηρεάζουν πολύ τις µέσες εκποµπές του κύκλου. 20. Σύγκριση τριών οχηµάτων τεχνολογιών Euro I, II και ΙΙΙ µε το ίδιο καύσιµο (280 ppm θείο) έδειξε ότι η βελτίωση της τεχνολογίας οδήγησε σε χαµηλότερες εκποµπές µάζας. Όµως σε κύκλους υψηλής έντασης (Motorway), οι εκποµπές µάζας της νεότερης τεχνολογίας ήταν συγκρίσιµες µε αυτές των παλαιότερων τεχνολογιών. Η βελτίωση της τεχνολογίας µείωσε επίσης τον αριθµό σωµατιδίων. Σε κύκλους υψηλής έντασης (Motorway) και στα 120 km/h, η νεότερη τεχνολογία είχε υψηλότερες εκποµπές λόγω δηµιουργίας νανοσωµατιδίων. 21. Σύγκριση µετρηµένων χαρακτηριστικών σωµατιδίων µε χρήση καυσίµων διαφορετικού περιεχοµένου σε θείο σε ένα Euro II και σε ένα Euro III όχηµα έδειξε ότι οι κύκλοι οδήγησης υψηλής έντασης έχουν υψηλότερες εκποµπές για το ίδιο όχηµα και καύσιµο λόγω νανοσωµατιδίων. Για το Euro II όχηµα το θείο στο καύσιµο δεν επηρεάσε σε σηµαντικό βαθµό τις εκποµπές, µε εξαίρεση τον αριθµό στον Motorway (µείωση θείου συνεπάγεται και µείωση αριθµού υγρών σωµατιδίων). Για το Euro III όχηµα το θείο στο καύσιµο επέδρασε σχεδόν σε όλα τα χαρακτηριστικά των σωµατιδίων στους περισσότερους κύκλους, ειδικά στους κύκλους υψηλής έντασης. Το Euro III όχηµα φάνηκε ότι έχει περιοχή πυρήνων στα 120 km/h και εποµένως η µείωση του θείου µείωσε τις εκποµπές λόγω µείωσης των νανοσωµατιδίων. Γενικά φάνηκε ότι η βελτίωση της τεχνολογίας µείωνε τις εκποµπές περισσότερο από τη βελτίωση του καυσίµου. 22. Μετρήσεις οχηµάτων diesel µε φίλτρο αιθάλης και βενζινοκίνητων οχηµάτων έδειξε ότι για τα οχήµατα χαµηλών εκποµπών σωµατιδίων, η µέτρηση µάζας στον αγωγό πλήρους αραίωσης είναι αρκετές φορές προβληµατική. Για αυτό είναι απαραίτητη η χρήση σταθερών συνθηκών δειγµατοληψίας και ενός πλήρως

15 καθορισµένου πρωτοκόλλου µετρήσεων. Η παγίδα σωµατιδίων µειώνει τις εκποµπές κατά τρεις τάξεις µεγέθους. Όταν χρησιµοποιείται παγίδα είναι δυνατή η δηµιουργία νανοσωµατιδίων σε υψηλές ταχύτητες, όταν το καύσιµο έχει αρκετό θείο (π.χ. 38 ppm), αλλά εξαφανίστηκαν όταν το θείο µειώθηκε (8 ppm). Τα βενζινοκίνητα οχήµατα φαίνεται ότι εκπέµπουν πολλά σωµατίδια σε επιταχύνσεις, ενώ σε σταθερά σηµεία οι εκποµπές τους είναι πολύ χαµηλές. 23. Μετρήθηκαν οι σωµατιδιακές µετρήσεις ενός κινητήρα λεωφορείου µε και χωρίς παγίδα, χρησιµοποιώντας καύσιµο περιβαλλοντικής κλάσης (<10 ppm θείο) και διαφορετικά λιπαντικά. Χωρίς παγίδα, η περιοχή πυρήνων σχηµατιζόταν σε χαµηλά φορτία σε διάφορες συγκεντρώσεις ανάλογα µε το λιπαντικό. Το επίπεδο του θείου στο λιπαντικό δε συσχετιζόταν µε το σχηµατισµό των νανοσωµατιδίων ενώ οι υδρογονάνθρακες στην αέρια φάση συσχετίζονταν. Με την παγίδα, σχηµατίστηκαν νανοσωµατίδια µόνο στο υψηλό φορτίο και εξαρτιόταν από την περιεκτικότητα του καυσίµου και του λιπαντικού σε θείο. Ε. ΕΞΕΛΙΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 24. Χρησιµοποιήθηκαν δύο εµπορικά διαθέσιµα συστήµατα αραίωσης (FPS, MD19) για τη µέτρηση εκποµπών σωµατιδίων από δύο diesel οχήµατα Euro II και ΙΙΙ. Στo Euro III όχηµα τοποθετήθηκε και φίλτρο σωµατιδίων για να προσοµοιωθούν τα µελλοντικά αυτοκίνητα από άποψη σωµατιδιακών εκποµπών. Οι συνθήκες δειγµατοληψίας επιλέχθηκαν έτσι, ώστε να αποµακρυνθούν τα πτητικά σωµατίδια. Σύµφωνα µε το υπό νοµοθέτηση πρωτόκολλο, ένα σύστηµα δειγµατοληψίας θα έπρεπε να δειγµατοληπτεί από τον αγωγό πλήρους αραίωσης, να αραιώνει σε υψηλή θερµοκρασία (>150 C) και να θερµαίνει ξανά το αραιωµένο καυσαέριο πάνω από τους 300 C. Η απόλυτη συγκέντρωση αριθµού σωµατιδίων εξαρτιόταν από το σύστηµα δειγµατοληψίας. Οι διαφορές αποδόθηκαν στην αβεβαιότητα του καθορισµού του λόγου αραίωσης. Κανένας από τους δυο αραιωτήρες δεν καθόριζε µε ακρίβεια το λόγο αραίωσης. Οι µετρήσεις και µε τους δυο αραιωτήρες ήταν επαναλήψιµες. Η διασπορά των µετρήσεων αριθµού και µάζας για το Euro III όχηµα ήταν στα ίδια επίπεδα. Στην περίπτωση του οχήµατος µε παγίδα, η διασπορά του αριθµού ήταν χαµηλότερη από της µάζας, γεγονός που υποδεικνύει την περιορισµένη ευαισθησία της νοµοθετηµένης µεθόδου για τις νεότερες τεχνολογίες. Τα δύο συστήµατα δεν µπορούσαν να πετύχουν τη θερµοκρασία των 150 C. Παρόλα αυτά, το FPS µε προσροφητήρα πτητικών ουσιών αποµάκρυνε τα πτητικά σωµατίδια σε

16 Περίληψη όλες τις περιπτώσεις που αυτά εµφανίζονταν. Επίσης, ο MD19 µε θερµή αραίωση και ξαναθέρµανση του δείγµατος αποµάκρυνε αποτελεσµατικά τα νανοσωµατίδια. Παρά τα προβλήµατα που παρουσιάστηκαν, η µέτρηση του αριθµού σωµατιδίων είναι δυνατή και µπορεί να συµπληρώσει ή ακόµη και να αντικαταστήσει τη νοµοθετηµένη µέθοδο µέτρησης, ειδικά για τις νεότερες τεχνολογίες. Κλείνοντας την εργασία πρέπει να τονιστεί ότι η µερική δειγµατοληψία µε σταθερές συνθήκες δειγµατοληψίας έχει δυνατότητα επαναλήψιµης µέτρησης, όχι µόνο της περιοχής συσσώρευσης, αλλά και της περιοχής πυρήνων. Η σύγκριση µε µετρήσεις στην ατµόσφαιρα πίσω από προπορευόµενο όχηµα δείχνουν ότι τα νανοσωµατίδια που µετριούνται δεν είναι σφάλµα του συστήµατος δειγµατοληψίας, αλλά πραγµατικό συστατικό των καυσαερίων των οχηµάτων και µπορούν να µετρηθούν µε ικανοποιητική επαναληψιµότητα στο εργαστήριο. ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑ Με βάση τα συµπεράσµατα και την εµπειρία που συλλέχθηκε στα πλαίσια της εργασίας, για τη διεξαγωγή ακριβέστερων µετρήσεων αλλά και για την ορθότερη περιγραφή ερµηνεία τους, θεωρούνται σηµαντικές οι ακόλουθες κατευθύνσεις : Ο ακριβής προσδιορισµός της µέσης τιµής και η πραγµατική µεταβολή του DR κατά τη διάρκεια κύκλων οδήγησης είναι περίπλοκες διαδικασίες που πρέπει να διερευνηθούν ιδιαίτερα. Ενδελεχέστερη διερεύνηση του ζητήµατος των απωλειών στον αγωγό µεταφοράς του καυσαερίου στον αγωγό πλήρους αραίωσης Το ζήτηµα είναι ιδιαίτερης σηµασίας και αφορά το σφάλµα των µετρήσεων µάζας και αριθµού στερεών σωµατιδίων που προτείνονται στη µελλοντική νοµοθεσία. Πειραµατική διερεύνηση της επίδρασης της προετοιµασίας της µέτρησης µε στόχο την πλήρη τυποποίηση του πρωτοκόλλου µέτρησης.

17 Περιεχόµενα ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 Θεωρητικό υπόβαθρο...1 Σύστηµα δειγµατοληψίας...8 Στόχος της εργασίας...9 οµή της εργασίας...9 Συνεργασίες...12 Πρωτοτυπία της εργασίας...13 ηµοσιεύσεις...15 Βιβλιογραφία...15 Α. ΓΕΝΙΚΑ Πλήρης και µερική αραίωση...22 Αραίωση...22 Πλήρης αραίωση...23 Μερική αραίωση...27 Σύνοψη συµπεράσµατα...28 Βιβλιογραφία Περιγραφή του συστήµατος...30 Πλεονεκτήµατα συστήµατος...33 Σχόλια πάνω στην επιλογή των οργάνων...34 Σύνοψη συµπεράσµατα...35 Βιβλιογραφία Συνθήκες δειγµατοληψίας...36 Αέρας αραίωσης...36 Συνθήκες επεξεργασίας δείγµατος...37 Σύνοψη συµπεράσµατα...40 Βιβλιογραφία...41

18 Περιεχόµενα B. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΜΗΜΑΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Πορώδης αραιωτήρας...44 Τµήµα ανάµειξης...45 Τµήµα ψύξης...46 Σταθερότητα του λόγου αραίωσης...47 Σύνοψη συµπεράσµατα...56 Βιβλιογραφία Αραιωτήρας ακροφυσίου (τύπου εγχυτήρα)...60 Εισαγωγή...60 Περιγραφή αραιωτήρων τύπου εγχυτήρα...62 Πειραµατική διάταξη και ορισµοί...63 Λειτουργία...64 Μοντελοποίηση αραιωτήρα τύπου εγχυτήρα...68 Σύνοψη συµπεράσµατα...76 Βιβλιογραφία Αγωγός γήρανσης...80 Επίδραση στην κατανοµή µεγέθους αριθµού σωµατιδίων...80 Επίδραση στα όργανα µέτρησης...84 Απώλειες...84 Σύνοψη συµπεράσµατα...86 Βιβλιογραφία Μέτρηση και ρύθµιση παροχών...88 Αρχή λειτουργίας...88 Ροόµετρο (Flow meter)...88 Ρυθµιστής Παροχής Μάζας...92 Σύνοψη συµπεράσµατα...93 Βιβλιογραφία Προσκρουστήρας µάζας (DGI)...95 Συνολική µάζα...96 Χηµική ανάλυση Σύνοψη συµπεράσµατα...101

19 Βιβλιογραφία Φορτιστής ιάχυσης (DC) Περιγραφή οργάνου Βαθµονόµηση οργάνου Απόδοση και λειτουργία DC Μέτρηση σε πραγµατικό χρόνο Σύγκριση µε SMPS Σύγκριση µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο (µάζα) Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Όργανα µέτρησης αριθµού σωµατιδίων (CPC, DMA, SMPS) CPC SMPS Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Προσροφητήρας πτητικών ουσιών Περιγραφή Απώλειες στερεών σωµατιδίων Επίδραση στην κατανοµή µεγέθους αριθµού σωµατιδίων Αποτελεσµατικότητα και διείσδυση Επίδραση αριθµητικής συγκέντρωσης σωµατιδίων Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Γ. ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Απώλειες σωµατιδίων στη διάταξη Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Σταθερότητα και επαναληψιµότητα των µετρήσεων Σταθερότητα Επαναληψιµότητα µέτρησης...140

20 Περιεχόµενα Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Επαναληψιµότητα µεταξύ εργαστηρίων Αβεβαιότητες µέτρησης σωµατιδίων Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Σύγκριση µε τον αγωγό πλήρους αραίωσης Περιγραφή των µετρήσεων Μετρήσεις Μάζας Αριθµός στερεών σωµατιδίων Σύνοψη συµπεράσµατα Σύγκριση µε εξοπλισµό αναφοράς Όργανα µέτρησης Σύγκριση µε άλλα συστήµατα αραίωσης Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Σύγκριση µε την ατµόσφαιρα Πειραµατικές µέθοδοι Αποτελέσµατα Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Πρωτόκολλο µέτρησης Προετοιµασία µέτρησης Μετρήσεις Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία ιαφορετικά οχήµατα Πειραµατική διάταξη...187

21 Αποτελέσµατα Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Αυτοκίνητα diesel προδιαγραφών Euro I III Πειραµατική διάταξη Αποτελέσµατα Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία ιαφορετικά καύσιµα Πειραµατική διάταξη Αποτελέσµατα Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Τεχνολογίες χαµηλών εκποµπών Πειραµατική διάταξη Diesel µε παγίδες Βενζινοκίνητα οχήµατα Οχήµατα χαµηλών εκποµπών Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Επίδραση λιπαντικών σε κινητήρα λεωφορείου Πειραµατική διάταξη Αποτελέσµατα Σύνοψη συµπεράσµατα Βιβλιογραφία Ε. ΕΞΕΛΙΞΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Υπό νοµοθέτηση µετρήσεις αριθµού σωµατιδίων Πειραµατική διάταξη Αποτελέσµατα Σύνοψη συµπεράσµατα...277

22 Περιεχόµενα Βιβλιογραφία ΣΥΝΟΨΗ, ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΕΡΕΥΝΑΣ..281 Σύνοψη συµπεράσµατα Περαιτέρω έρευνα ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΥΜΒΟΛΙΣΜΩΝ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑΤΑ Παράρτηµα Α: Κύκλοι οδήγησης Παράρτηµα Β: Καύσιµα Παράρτηµα Γ: Οχήµατα Παράρτηµα : Εξισώσεις απωλειών Παράρτηµα Ε: Στατιστική ανάλυση EXTENDED ABSTRACT...310

23 1 Εισαγωγή Tα αιωρούµενα στην ατµόσφαιρα σωµατίδια επιδρούν αρνητικά στο περιβάλλον και στην υγεία και, κατά συνέπεια, υπόκεινται σε νοµοθετικούς περιορισµούς. Εντούτοις, ενώ η νοµοθεσία καθορίζει τη µέγιστη επιτρεπτή συγκέντρωση σωµατιδιακής µάζας, πρόσφατες ιατρικές εργασίες υποδεικνύουν άλλα χαρακτηριστικά των σωµατιδίων (αριθµός, επιφάνεια και χηµική σύσταση) ως υπεύθυνα για τις επιδράσεις τους στην ανθρώπινη υγεία. Οι κινητήρες diesel είναι από τις πιο σηµαντικές και γνωστές πηγές σωµατιδίων, ιδιαίτερα στην αστική ατµόσφαιρα, και υπόκεινται, επίσης, σε νοµοθετικούς περιορισµούς. Οι περιορισµοί αυτοί αφορούν την εκπεµπόµενη µάζα ανά µονάδα διανυόµενης απόστασης (κινητήρες επιβατηγών) ή ανά µονάδα παραγόµενου έργου (κινητήρες βαρέων οχηµάτων), µετρούµενης υπό αυστηρώς καθορισµένες συνθήκες. Η θέσπιση, όµως, ολοένα και αυστηρότερων ορίων έχει εγείρει ερωτήµατα πάνω στην διακριτότητα της µεθόδου. Επίσης, εκφράζονται υποψίες ότι η βελτίωση της τεχνολογίας προς την κατεύθυνση της µείωσης της µάζας δε µειώνει απαραίτητα και τον αριθµό ή την επιφάνεια των εκπεµπόµενων σωµατιδίων. Εποµένως, κρίνεται σηµαντική η διερεύνηση των δυνατοτήτων ανάπτυξης πιο ευαίσθητων µεθόδων µέτρησης και πιο αντιπροσωπευτικών πρωτοκόλλων αξιολόγησης των εκπεµπόµενων σωµατιδίων. Στην παρούσα εργασία επιχειρείται η ανάπτυξη και διερεύνηση ενός συστήµατος δειγµατοληψίας που θα µπορεί να µετρά επαναλήψιµα και αντιπροσωπευτικά ως προς την ατµόσφαιρα διάφορα χαρακτηριστικά των εκπεµπόµενων σωµατιδίων, τόσο παλαιότερων όσο και νεότερων οχηµάτων. Θεωρητικό υπόβαθρο Σωµατίδια: Τα σωµατίδια της ατµόσφαιρας είναι πολλών ειδών και προέρχονται από ποικιλία πηγών: σκόνη από το έδαφος, σωµατίδια άλατος από τους ωκεανούς, φωτοχηµικά σχηµατισµένα σωµατίδια, σταγονίδια νερού ή σωµατίδια πάγου (σύννεφα), σωµατίδια καύσης (π.χ. δάση, ορυκτέλαια) (Gray et al. 1998). Η εκτίµηση της συνεισφοράς των διαφόρων πηγών γίνεται µε υπολογιστικά µοντέλα (π.χ. Kleeman et al. 1999α&β). Ένα µέρος των σωµατιδίων αποτελούν και τα σωµατίδια των οχηµάτων, όχι µόνο από τις εκποµπές του κινητήρα αλλά και από τις φθορές του

24 2 Εισαγωγή οχήµατος (π.χ. λάστιχα, φρένα). Οι ανθρωπογενείς πηγές συνεισφέρουν συνήθως περί το 40 50% στο συνολικό σωµατιδιακό φορτίο (Chaloulakou et al. 2004, Wang and Shooter 2004, Long et al. 2002). Ενώ, όµως, τα σωµατίδια από φυσικές πηγές συγκεντρώνονται σε ανοικτές και µεγάλες εκτάσεις, τα σωµατίδια από ανθρωπογενείς πηγές είναι συγκεντρωµένα σε περιορισµένες περιοχές (αστικές και βιοµηχανικές). Επιπλέον, τα σωµατίδια από ανθρωπογενείς πηγές θεωρούνται πιο επικίνδυνα για την ανθρώπινη υγεία. Από άποψη µάζας, συνήθεις συγκεντρώσεις της αιωρούµενης σωµατιδιακής ύλης κάτω από 10 µm είναι της τάξης των 20 µg/m 3 στην ύπαιθρο και 50 µg/m 3 στις πόλεις (Hinds 1982, Ruellan et al. 2001, Ye et al. 2003). Έχουν µετρηθεί όµως και συγκεντρώσεις και 250 µg/m 3, που είναι πολύ υψηλότερες από το νοµοθετηµένο όριο των 50 µg/m 3 (Abu-Allaban et al. 2002). Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι σε µια µελέτη µεταξύ 28 ευρωπαϊκών πόλεων, η Αθήνα είχε την υψηλότερη µέση ηµερήσια τιµή των 92 µg/m 3 (Hoek et al. 1997). Στη Θεσσαλονίκη επίσης οι εκποµπές µάζας ξεπερνούν το καθηµερινό νοµοθετηµένο όριο περισσότερες µέρες το χρόνο από τις επιτρεπτές (π.χ. Voutsa et al. 2002). Αριθµητικές συγκεντρώσεις σωµατιδίων που παρατηρούνται στην ύπαιθρο είναι γύρω στα cm -3 (Harrison et al. 1999), ενώ σε πόλεις παρατηρούνται συγκεντρώσεις cm -3 (Lowe et al. 1996). Αναφέρονται όµως και περιπτώσεις µε συγκεντρώσεις cm -3 σε δρόµους µε υψηλή κίνηση (Bukowiecki et al. 2002a&b). Η αριθµητική συγκέντρωση των σωµατιδίων µειώνεται όσο αυξάνεται η απόσταση από το δρόµο (50% µέσα σε 100 m), ειδικά σε συνθήκες µέτριων ή ισχυρών ανέµων (Hitchins et al. 2000). Μετρήσεις σε τούνελ (Ulevicius and Mordas 2002) και κοντά σε δρόµους (Shi et al. 1999) έδειξαν ότι υπάρχουν σωµατίδια µε µέσο µέγεθος γύρω στα nm, τα οποία συσχετίστηκαν µε τα οχήµατα. Μετρήσεις στο δρόµο µε κινητά εργαστήρια, έδειξαν ότι τα οχήµατα diesel είναι οι κύριοι υπεύθυνοι για τα σωµατίδια αυτά (Buckowiecki 2002β), αν και η συµµετοχή των βενζινοκίνητων δεν πρέπει να αποκλειστεί a priori όπως υποδεικνύουν µετρήσεις σε αυτοκινητόδροµους των Η.Π.Α. όπου κινούνταν αποκλειστικά βενζινοκίνητα οχήµατα (Zhu et al. 2002). Επιπτώσεις: Οι επιπτώσεις των σωµατιδίων diesel είναι γνωστές από παλιά και αναφέρονται σε διάφορους τοµείς (Walsh 1984):

25 3 Υγεία: Η µελέτη θνησιµότητας χειριστών εξοπλισµού βαρέων οχηµάτων έδειξε συσχέτιση µεταξύ του καρκίνου του πνεύµονα και του χρόνου ενασχόλησης των χειριστών. Επιπλέον, τα σωµατίδια συνδέονται µε καρδιοαναπνευστικά και νευρολογικά προβλήµατα (Oberdörster and Utell 2002). Φθορά: Τα σωµατίδια επιδρούν στις επιφάνειες, κυρίως ενισχύοντας και επιταχύνοντας τη διάβρωση των µετάλλων, την υποβάθµιση των χρωµάτων, και την επιδείνωση των υλικών κατασκευής, όπως του σκυροδέµατος και του ασβεστόλιθου. Κινητήρα: Τα σωµατίδια επιταχύνουν τη φθορά του κινητήρα, πιθανά λόγω µείωσης της αποτελεσµατικότητας της λίπανσης (Gautam et al. 1999). Ορατότητα: Η µείωση της ορατότητας επιδρά στην αισθητική απόλαυση του περιβάλλοντος και στην οδήγηση των µέσων µεταφοράς. Οσµή: Η οσµή των καυσαερίων είναι σηµαντικό πρόβληµα στις µεγάλες πόλεις, και οφείλεται πιθανά σε οξυγονούχες ενώσεις, κυρίως αλδεΰδες και φενόλες (Danis et al. 1985). Φωτοχηµικές αντιδράσεις: Το µέγεθος των σωµατιδίων, ο χρόνος παραµονής τους στην ατµόσφαιρα και η επιφάνειά τους καθορίζουν την έκταση των φωτοχηµικών αντιδράσεων που θα λάβουν χώρα στην ατµόσφαιρα. Συνεισφέρουν επίσης στο φαινόµενο του θερµοκηπίου (Jacobson 2001). Από τις παραπάνω επιπτώσεις, η πιο άµεσου ενδιαφέροντος είναι η περίπτωση της υγείας. H έρευνα που έχει διεξαχθεί διεθνώς είναι εκτεταµένη (Mauderly 2001, EPA 2000, Lacroix 2003) και τα σωµατίδια diesel έχουν χαρακτηριστεί ως πιθανώς καρκινογόνα (EPA 2002, ΝΤΡ 2002) ή και καρκινογόνα (CARB 1998). Aν και φαίνεται ότι πολλά φυσικά ή χηµικά χαρακτηριστικά των σωµατιδίων είναι υπεύθυνα για τις επιδράσεις τους στην ανθρώπινη υγεία, δεν είναι ξεκάθαρο ποια είναι τα πιο σηµαντικά (ΗΕΙ 2002). Κρίνεται, συνεπώς, σηµαντική η µέτρηση όσων κατά το δυνατόν περισσότερων χαρακτηριστικών των σωµατιδίων. Ο επιµέρους στόχος της εργασίας αφορά τον πληρέστερο χαρακτηρισµό των σωµατιδιακών εκποµπών και τη δηµιουργία ικανής βάσης δεδοµένων, που θα µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε ιατρικές µελέτες µε απώτερο στόχο την καλύτερη κατανόηση του προβλήµατος και τη λήψη ή µη των αναγκαίων διορθωτικών ή/και περιοριστικών µέτρων.

26 4 Εισαγωγή Κρίσιµες παράµετροι: ιάφορα χαρακτηριστικά των σωµατιδίων θεωρούνται σηµαντικά για την ανθρώπινη υγεία (Samaras et al. 2002). Αυτά είναι η µάζα, ο αριθµός, η κατανοµή µεγέθους, η επιφάνεια, η σύσταση και η µορφολογία των σωµατιδίων. Η συνολική µάζα κάτω από τα 10 µm (ΡΜ 10 ), που συλλέγεται σε φίλτρα υπό καθορισµένες συνθήκες και προσδιορίζεται σταθµικά, θεωρούνταν η καλύτερη ένδειξη, αφού διάφορες µελέτες είχαν βρει συσχέτισή της µε την ανθρώπινη υγεία. Παρόλα αυτά νεότερες έρευνες βρήκαν ότι η συνολική µάζα κάτω από τα 2,5 µm (ΡΜ 2,5 ) είναι καλύτερος δείκτης. Μελέτες που υποδεικνύουν αυξηµένη τοξικότητα των µικρότερων σε σχέση µε τα µεγαλύτερα σωµατίδια (είτε λόγω µεγαλύτερης επιφάνειας, είτε λόγω µεγαλύτερης διείσδυσης στους πνεύµονες) (Donaldson et al. 1998) υποδεικνύουν ότι η µέτρηση της κατανοµής µεγέθους είναι επίσης σηµαντική. Για τις επιδηµιολογικές µελέτες διάφορα µεγέθη διαµέτρων φαίνεται ότι είναι σηµαντικά όπως τα 100, τα 2500 και τα nm. Τα όργανα µετράνε διαφορετικές ιδιότητες που µεταφράζονται σε διαφορετικές διαµέτρους σωµατιδίων (αεροδυναµική, κινητικότητας). Η διάµετρος κινητικότητας που µετράνε όργανα όπως οι στήλες διάχυσης (Diffusion Batteries) και oι κατανεµητές µεγέθους κινητικότητας σωµατιδίων µε σάρωση (Scanning Mobility Particle Sizer, SMPS) είναι σηµαντική γιατί καθορίζει το βάθος που φτάνουν τα σωµατίδια στους πνεύµονες. Η αεροδυναµική διάµετρος είναι η διάµετρος που χρησιµοποιείται για το διαχωρισµό των σωµατιδίων σε αναπνεύσιµα και µη. Η διάµετρος αυτή καθορίζει και το χρόνο παραµονής των σωµατιδίων στην ατµόσφαιρα. Τα όργανα που ταξινοµούν τα σωµατίδια µε βάση την αεροδυναµική διάµετρο είναι οι προσκρουστήρες. Η δοµή των σωµατιδίων επηρεάζει την ικανότητα διείσδυσης στους πνεύµονες, την επιφάνεια επαφής µε τους πνεύµονες και τη διαθέσιµη επιφάνεια για την προσρόφηση και συµπύκνωση διαφόρων συστατικών. Πληροφορίες για τη µορφολογία των σωµατιδίων µπορούν να δώσουν τα ηλεκτρονικά µικροσκόπια. Είναι επίσης πολύ σηµαντικό να µετριέται ο αριθµός των σωµατιδίων αφού έρευνες έδειξαν ότι η µείωση της µάζας δε συµβαδίζει απαραίτητα µε τη µείωση του αριθµού (Bagley et al. 1996). Η πλειοψηφία των σωµατιδίων έχει διάµετρο <100 nm κι έτσι διεισδύουν εύκολα στους πνεύµονες. Το πιο γνωστό όργανο που µετρά αριθµητική συγκέντρωση είναι o Απαριθµητής Σωµατιδίων Συµπύκνωσης (Condensation Particle Counter, CPC). Η επιφάνεια είναι πιθανά πιο ακριβής δείκτης της επίδρασης των

27 5 σωµατιδίων στην υγεία καθώς και της εξέλιξής τους στην ατµόσφαιρα αφού στην επιφάνεια των σωµατιδίων πραγµατοποιείται το σύνολο σχεδόν των φαινοµένων. Όργανα που µετράνε επιφάνεια είναι το επιφανειόµετρο (Epiphaniometer) και ο φορτιστής διάχυσης (Diffusion Charger, DC). Τα συστατικά που προσροφώνται στην επιφάνεια των σωµατιδίων µπορεί να παίξουν σηµαντικό ρόλο στην αλληλεπίδρασή τους µε τους πνεύµονες (Murphy et al. 1998). Για παράδειγµα, µερικά στοιχεία ή ενώσεις θεωρούνται τοξικά (µόλυβδος, κάδµιο, θειικό οξύ). Η συγκέντρωσή τους όµως στα σωµατίδια είναι τόσο χαµηλή που, βάσει της υπάρχουσας γνώσης, δεν µπορεί να θεωρηθούν επικίνδυνα για τον ανθρώπινο οργανισµό. Όργανα που κάνουν χηµική ανάλυση µέσω φασµατογραφίας είναι τo On-Line Time-of-Flight Mass Spectrometer και το Aerosol Time-of-Flight Mass Spectrometer (Kittelson et al. 1998). Μια άλλη προσέγγιση είναι ο διαχωρισµός των σωµατιδίων σε στερεό και πτητικό τµήµα. Αυτό γίνεται εύκολα µε προσροφητήρα πτητικών ουσιών (Thermodenuder) ή καταλυτική συσκευή (Catalytic Stripper). Νοµοθεσία: Η ευρωπαϊκή νοµοθεσία για τα οχήµατα θέτει συγκεκριµένα όρια στις εκποµπές καυσαερίων µε βάση το Νέο Ευρωπαϊκό Κύκλο Οδήγησης (NEDC) (Παράρτηµα Α). Από τους διάφορους ρύπους που ελέγχονται στην παρούσα εργασία ενδιαφέρουν ιδιαίτερα οι εκποµπές σωµατιδίων. Οι νοµοθετηµένες µετρήσεις σωµατιδίων όπως γίνονται έχουν σαν στόχο την κατακράτηση των σωµατιδίων από τη συνολική ροή του καυσαερίου σε φίλτρο και τον προσδιορισµό της µάζας τους µέσω της ζύγισης του φίλτρου. Τα νοµοθετηµένα όρια εκποµπής µάζας για τα ελαφρά οχήµατα µειώθηκαν από 0,14 g/km το 1992 σε 0,025 g/km το 2005 (82% µείωση σε 13 χρόνια). Να σηµειωθεί ότι, για το 2010 (Euro V), συζητείται το όριο των 0,0025 g/km (UBA 2003). Στην τελευταία περίπτωση, εγείρονται ενστάσεις περί της διακριτότητας της νοµοθετηµένης µεθόδου. Στα πλαίσια αυτά υπάρχει ανάγκη ανάπτυξης νέων µετρητικών συστηµάτων, πιο ευαίσθητων αλλά και πιο διαφωτιστικών στην προσπάθεια χαρακτηρισµού της εκπεµπόµενης σωµατιδιακής ύλης. Τα βενζινοκίνητα οχήµατα προς το παρόν, λόγω χαµηλών σωµατιδιακών εκποµπών, δεν συµπεριλαµβάνονται στην νοµοθεσία. Για παράδειγµα οι εκποµπές είναι στα 3 mg/km, πολύ πιο χαµηλά και από το όριο του 2005 (Cadle et al. 1999), αλλά υψηλότερα από το όριο του Επιπλέον, από άποψη αριθµού, αποτελούν αρκετά σηµαντική πηγή σωµατιδίων, ειδικά στις επιταχύνσεις (Maricq et al. 1999). Για αυτό

28 6 Εισαγωγή είναι σηµαντικό να χρησιµοποιούνται και όργανα που δίνουν πληροφορίες σε πραγµατικό χρόνο. Επίσης, βρέθηκε ότι και τα δίκυκλα είναι µια σηµαντική πηγή εκποµπών σωµατιδίων τόσο από άποψη µάζας όσο και αριθµού (Ntziachristos et al. 2003α). Αν ληφθεί υπόψη ότι οι εκποµπές από diesel, βενζινοκινητήρες και δίχρονα οχήµατα έχουν παραπλήσια µεταλλαξιογόνα δραστηριότητα και τοξικότητα (Ye et al. 1999) και ότι τα σωµατίδια από δίχρονα µπορεί να επηρεάσουν αρνητικά την υγεία µέσω χηµικών µηχανισµών (Lee and Kang 2002), τότε πιθανά στο µέλλον να συµπεριληφθούν και αυτά τα οχήµατα στη νοµοθεσία. Εργαστηριακές µετρήσεις: Τα ερωτηµατικά που δηµιούργησαν οι επιδηµιολογικές µελέτες οδήγησαν πολλούς ερευνητές στο να µετρούν, πέρα από τη µάζα, και άλλα χαρακτηριστικά των σωµατιδίων. Στην Εικόνα 0-1 δίνεται η κατανοµή µεγέθους σωµατιδίων καυσαερίου diesel µε βάση την αριθµητική συγκέντρωση και τη συγκέντρωση µάζας *. Όπως φαίνεται, η πλειοψηφία του αριθµού σωµατιδίων βρίσκεται σε µεγέθη σωµατιδίων κάτω από τα 30 nm (περιοχή πυρήνων ή νανοσωµατίδια), ενώ η πλειοψηφία της µάζας γύρω στα 100 nm (περιοχή συσσώρευσης). περιοχή πυρήνων νανοσωµατίδια περιοχή συσσώρευσης dc/dlogdp Αριθµός Μάζα ιάµετρος [nm] Εικόνα 0-1: Κατανοµή µεγέθους αριθµού ή µάζας σωµατιδίων καυσαερίου. ** Figure 0-1: Number and mass size distribution of exhaust gas particles. * Για χάρη συντοµίας οι όροι θα αποδίδονται από εδώ και στο εξής ως κατανοµή µεγέθους αριθµού και µάζας αντίστοιχα. ** Όταν η κλίµακα στον άξονα των Υ είναι λογαριθµική, θα υπάρχει και η υποδιαίρεση του δευτερεύοντα άξονα (π.χ. Εικόνα 9-3).

29 7 Στην παρούσα εργασία οι όροι περιοχή πυρήνων και νανοσωµατίδια χρησιµοποιούνται χωρίς διάκριση και αναφέρονται σε σωµατίδια κάτω των 30 nm. Η περιοχή πυρήνων όπως έχουν διαπιστώσει πολλοί ερευνητές είναι ευαίσθητη στις συνθήκες δειγµατοληψίας. Τα νανοσωµατίδια τις περισσότερες φορές δηµιουργούνται κατά την αραίωση και ψύξη (Γιεχασκιέλ 2000, Kittelson and Khalek 1998). Έτσι, µεταβάλλοντας κανείς τις συνθήκες δειγµατοληψίας µπορεί να πάρει και εντελώς διαφορετικές κατανοµές σωµατιδίων (Khalek et al. 1999). Μετρήσεις πίσω από οχήµατα diesel έδειξαν ότι, ενώ η περιοχή συσσώρευσης που µετριέται στην ατµόσφαιρα µπορεί να αναπαραχθεί και στο εργαστήριο, δε συµβαίνει το ίδιο και µε την περιοχή πυρήνων (Vogt et al. 2003). Έτσι δηµιουργούνται ερωτηµατικά για το κατά πόσο οι εργαστηριακές µετρήσεις είναι αντιπροσωπευτικές αυτών που εκπέµπονται από τα οχήµατα και συναντώνται στην ατµόσφαιρα. Ζητούµενο εποµένως είναι να βρεθεί ένα σύστηµα που να µπορεί να δίνει όχι µόνο επαναλήψιµες, αλλά και αντιπροσωπευτικές µετρήσεις σωµατιδίων ως προς την ατµόσφαιρα, και αυτό το κενό προσπαθεί να καλύψει η εργασία αυτή. Σύνοψη συµπεράσµατα: Συνοψίζοντας: Τα σωµατίδια οχηµάτων diesel αποτελούν ένα µικρό ποσοστό της µάζας του συνόλου σωµατιδίων της ατµόσφαιρας, ποσοστό που αυξάνεται σηµαντικά στις αστικές περιοχές. Αν µάλιστα εκφραστεί σε ποσοστό αριθµού τότε τα οχήµατα αυτά µπορούν να θεωρηθούν ως η σηµαντικότερη πηγή σωµατιδίων. Τα σωµατίδια, εκτός από τις αρνητικές επιπτώσεις τους στο περιβάλλον, επιδρούν αρνητικά και στην υγεία του ανθρώπου. Φαίνεται ότι πολλά φυσικά (όπως αριθµός, επιφάνεια) ή χηµικά χαρακτηριστικά (σύσταση) των σωµατιδίων είναι υπεύθυνα για τις επιδράσεις τους στην ανθρώπινη υγεία. Εποµένως, χρειάζεται µέτρηση και έλεγχος αυτών των χαρακτηριστικών. Η νοµοθεσία έχει ορίσει ανώτερο όριο σωµατιδιακής µάζας για τις εκποµπές οχηµάτων diesel. Με τη βελτίωση της τεχνολογίας τα όρια αυτά έχουν µειωθεί σε τέτοιο βαθµό που βρίσκονται στη διακριτότητα της µεθόδου. Επίσης η βελτίωση της τεχνολογίας, αν και µειώνει τον αριθµό των σωµατιδίων δε µειώνει απαραίτητα και τον αριθµό ή την επιφάνεια. Τα αποτελέσµατα της µέτρηση των χαρακτηριστικών των σωµατιδίων εξαρτώνται όχι µόνο από την πηγή αλλά και από το σύστηµα και τις συνθήκες

30 8 Εισαγωγή δειγµατοληψίας. Εποµένως υπάρχουν ερωτηµατικά για το αν αυτά που µετριούνται στο εργαστήριο είναι αντιπροσωπευτικά αυτών που εκπέµπονται στην ατµόσφαιρα. Ζητούµενο είναι να αναπτυχθεί ένα σύστηµα δειγµατοληψίας το οποίο θα µπορεί να κάνει επαναλήψιµες και αντιπροσωπευτικές ως προς την ατµόσφαιρα µετρήσεις σωµατιδίων. εν αρκεί να µετριέται µόνο η µάζα, αλλά χρειάζονται να µετριούνται και άλλα χαρακτηριστικά, όπως ο αριθµός και η επιφάνεια και µάλιστα σε πραγµατικό χρόνο. Σύστηµα δειγµατοληψίας Η εργασία βασίζεται σε µεγάλο βαθµό στο ερευνητικό πρόγραµµα PARTICULATES Characterisation of Exhaust Particulates from Motor Vehicles. Το πρόγραµµα εγκρίθηκε από την Ευρωπαϊκή Κοινότητα και χρηµατοδοτήθηκε από την αρµόδια ιεύθυνση DG TrEn ( ιεύθυνση Μεταφορών και Ενέργειας). ιήρκησε από την 1 η Απριλίου 2000 ως την 31 η εκεµβρίου Στόχος του προγράµµατος ήταν η δηµιουργία ενός πρωτοκόλλου µέτρησης σωµατιδιακών εκποµπών και η συλλογή δεδοµένων για την ανάπτυξη συντελεστών εκποµπής σωµατιδίων από διαφορετικά οχήµατα. Κύρια έµφαση του προγράµµατος δόθηκε στα νανοσωµατίδια. Η παρούσα εργασία διερευνά τις δυνατότητες ενός συστήµατος δειγµατοληψίας µέτρησης σωµατιδιακών εκποµπών οχηµάτων και κινητήρων. Η διερεύνηση στηρίζεται σε πειραµατικά δεδοµένα του Εργαστηρίου Εφαρµοσµένης Θερµοδυναµικής (ΕΕΘ) του τµήµατος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης αλλά και άλλων ευρωπαϊκών εργαστηρίων που ελήφθησαν µε το συγκεκριµένο σύστηµα (ή διάταξη). Το σύστηµα δειγµατοληψίας που διερευνάται ενσωµατώνει και υλοποιεί την υπάρχουσα εµπειρική γνώση σε σχέση µε τους µηχανισµούς δηµιουργίας νανοσωµατιδίων. Συγκεκριµένα το σύστηµα περιλαµβάνει: Ταχύτατη πρωτεύουσα αραίωση (χρόνος της τάξης ms) δείγµατος καυσαερίου µε πλήρως ελεγχόµενες συνθήκες (πρωτεύοντα λόγο αραίωσης, θερµοκρασία αέρα αραίωσης και υγρασία αέρα αραίωσης). Ελεγχόµενο χρόνο σταθεροποίησης του αραιωµένου δείγµατος σε συνθήκες περιβάλλοντος (χρόνος της τάξης των s).

31 9 Ελεγχόµενη δευτερεύουσα αραίωση για την τελική µέτρηση στα διαθέσιµα όργανα. Ύπαρξη προσροφητήρα πτητικών ουσιών για τη µέτρηση του στερεού τµήµατος των σωµατιδίων. Συνεπώς στα πλαίσια της εργασίας αυτής δεν αναπτύσσεται απλά ένα σύστηµα δειγµατοληψίας καυσαερίου, αλλά ταυτόχρονα πραγµατοποιείται και η επεξεργασία του αραιωµένου καυσαερίου. Έτσι, όταν αναφέρεται δειγµατοληψία στην παρούσα εργασία υπονοείται και η µετεπεξεργασία του δείγµατος ως τα όργανα µέτρησης. Στόχος της εργασίας Ο στόχος της εργασίας είναι διττός: 1. Να αξιολογηθεί συνολικά το σύστηµα δειγµατοληψίας µέτρησης ως προς την αξιοπιστία του και την επαναληψιµότητα των αποτελεσµάτων του, και 2. Με βάση την παραπάνω αξιολόγηση να γίνει ανάλυση των αποτελεσµάτων που δίνει η µέτρηση πηγής σχετικά µε την εξέλιξη τεχνολογίας κινητήρα και καυσίµου. Η εργασία αποτελεί λογική συνέχεια προηγούµενων εργασιών που διεκπεραιώθηκαν στο ΕΕΘ και στόχευαν στην επιλογή συνθηκών δειγµατοληψίας και οργάνων µέτρησης (Ντζιαχρήστος 2000, Βουίτσης 2004). Τελικό ζητούµενο είναι η επιλογή συστήµατος δειγµατοληψίας και µέτρησης σωµατιδίων, ικανού για αξιόπιστη και επαναλήψιµη µέτρηση και, κατά συνέπεια, κατάλληλου για τη χρησιµοποίησή του ως εργαλείου χαρακτηρισµού και αξιολόγησης των σωµατιδιακών εκποµπών, όπως αυτές διαµορφώνονται από το τεχνολογικό επίπεδο του κινητήρα, την κατάσταση και το επίπεδο ρύθµισης / συντήρησης αυτού και τα χαρακτηριστικά των καυσίµων. οµή της εργασίας Σε αυτήν την εργασία γίνεται ο έλεγχος ενός συστήµατος µερικής δειγµατοληψίας καυσαερίου οχηµάτων. Συγκεκριµένα, εξετάζεται το κάθε τµήµα και µετρητικό όργανο του συστήµατος χωριστά, επίσης εξετάζεται η λειτουργία του συστήµατος συνολικά (σταθερότητα, επαναληψιµότητα) και συγκρίνονται τα αποτελέσµατα που δίνει το συγκεκριµένο σύστηµα σε σχέση µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο, µε άλλα συστήµατα µερικής δειγµατοληψίας και µε µετρήσεις που έγιναν µε τα ίδια όργανα

32 10 Εισαγωγή στην ατµόσφαιρα πίσω από τα ίδια οχήµατα. Τέλος, εξετάζονται οι εκποµπές διαφόρων οχηµάτων, καυσίµων, λιπαντικών και συσκευών µετεπεξεργασίας. Πιο αναλυτικά, η εργασία δοµείται ως ακολούθως: Στο Α µέρος της εργασίας συζητιέται η ανάγκη ενός νέου συστήµατος δειγµατοληψίας. Συζητιούνται τα πλεονεκτήµατά του σε σχέση µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο της πλήρους αραίωσης και, στη συνέχεια, περιγράφονται οι συνθήκες δειγµατοληψίας που επιλέχθηκαν για τις περισσότερες µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν. Έτσι, τα κεφάλαια στο Α µέρος της εργασίας περιλαµβάνουν (τα νούµερα δηλώνουν τα αντίστοιχα κεφάλαια): 1. Πλήρης και µερική αραίωση. 2. Περιγραφή του υπό διερεύνηση συστήµατος. 3. Περιγραφή των συνθηκών δειγµατοληψίας. Στο Β µέρος της εργασίας περιγράφονται αναλυτικά τα επιµέρους τµήµατα του υπό διερεύνηση συστήµατος (Εικόνα 0-2). Η διάταξη χωρίζεται σε δύο βασικούς κλάδους: τον κλάδο των υγρών σωµατιδίων και τον κλάδο των στερεών σωµατιδίων. Τα όργανα του κλάδου των υγρών σωµατιδίων είναι: 4. Πορώδης αραιωτήρας. 5. Αραιωτήρας ακροφυσίου (τύπου εγχυτήρα). 6. Αγωγός γήρανσης. 7. Ροόµετρο και ρυθµιστής µάζας. 8. Προσκρουστήρας σε σειρά (DGI). 9. Φορτιστής διάχυσης (DC). 10. Απαριθµητής σωµατιδίων από συµπύκνωση, διαφορικός αναλυτής κινητικότητας, κατανεµητής µεγέθους κινητικότητας σωµατιδίων µε σάρωση (CPC, DMA, SMPS). Ο κλάδος στερεών σωµατιδίων ορίζεται έτσι αφού το ήδη αραιωµένο καυσαέριο περνά από έναν προσροφητήρα πτητικών ουσιών που κατακρατά το µεγαλύτερο ποσοστό πτητικών ουσιών και τα στερεά σωµατίδια µετριούνται από έναν ηλεκτρικό προσκρουστήρα χαµηλής πίεσης (Electric Low Pressure Impactor, ELPI).

33 11 ΚΛΑ ΟΣ ΥΓΡΩΝ CPC SMPS Αέρας αραίωσης Αραιωτήρας ακροφυσίου DC Αντλία Αγωγός γήρανσης DGI Ροό- µετρο Καυσαέριο από όχηµα ΚΛΑ ΟΣ ΣΤΕΡΕΩΝ Προς CVS Ψυκτικό ELPI Προσροφητήρας πτητικών ουσιών Εικόνα 0-2: Figure 0-2: Απλοποιηµένη σχηµατική απεικόνιση συστήµατος δειγµατοληψίας. Simplified schematic of the sampling set up. 11. Προσροφητήρας πτητικών ουσιών. Στο Γ µέρος της εργασίας εξετάζεται η γενική συµπεριφορά του συστήµατος, δηλαδή η λειτουργία του ως σύνολο. Τα αντίστοιχα κεφάλαια είναι τα εξής: 12. Απώλειες στη διάταξη σωµατιδίων. 13. Σταθερότητα και επαναληψιµότητα µετρήσεων. 14. Επαναληψιµότητα µεταξύ εργαστηρίων. 15. Σύγκριση µε τον αγωγό πλήρους αραίωσης. 16. Σύγκριση µε όργανα αναφοράς. 17. Σύγκριση µε την ατµόσφαιρα. Στο µέρος της διατριβής αναφέρονται τα αποτελέσµατα διαφόρων µετρήσεων που επαληθεύουν την αξία του συστήµατος. Γίνονται συγκρίσεις µεταξύ διαφορετικών καυσίµων αλλά και µεταξύ διαφορετικών οχηµάτων. Έτσι φαίνεται ότι το σύστηµα είναι ικανό να µετρά και να διακρίνει είτε µικρές είτε µεγάλες διαφοροποιήσεις. Επιπλέον, τα χαρακτηριστικά που µετριούνται συνδυάζονται µεταξύ τους ώστε να

34 12 Εισαγωγή δοθούν παράγωγα χαρακτηριστικά των σωµατιδίων (π.χ. ειδική επιφάνεια). Τα αντίστοιχα τα κεφάλαια είναι τα εξής: 18. Πρωτόκολλο µέτρησης. 19. Σύγκριση διαφορετικών οχηµάτων. 20. Σύγκριση αυτοκινήτων diesel προδιαγραφών Euro I-III. 21. Σύγκριση διαφορετικών καυσίµων. 22. Τεχνολογίες χαµηλών εκποµπών. 23. Σύγκριση διαφορετικών λιπαντικών. Στο Ε µέρος της εργασίας εξετάζεται το εµπορικό εξελιγµένο σύστηµα δειγµατοληψίας καυσαερίων και πώς αυτό ανταποκρίνεται στο πρωτόκολλο που συζητιέται για τις µελλοντικές υπό νοµοθέτηση µετρήσεις αριθµού σωµατιδίων: 24. Υπό νοµοθέτηση µέτρηση (στερεών) σωµατιδίων. Συνεργασίες Το µεγαλύτερο τµήµα της εργασίας πραγµατοποιήθηκε στο Εργαστήριο Εφαρµοσµένης Θερµοδυναµικής (ΕΕΘ) του Αριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης. Παρόλα αυτά, στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράµµατος PARTICULATES, δόθηκε η δυνατότητα συµµετοχής του γράφοντα σε µετρήσεις σε άλλα ευρωπαϊκά εργαστήρια, µε αποτέλεσµα τη γόνιµη ανταλλαγή γνώσης και εµπειρίας που εξασφάλισαν την άρτια διεξαγωγή των πειραµάτων. Πιο συγκεκριµένα, πραγµατοποιήθηκαν οι ακόλουθες συνεργασίες: MTC (Motortestcenter), Stockholm, SWEDEN (9/12/ /12/2000): Εξοικείωση µε το µετρητικό όργανο ΤΕΟΜ (Μικροζυγός συγκλίνοντος ταλαντούµενου στοιχείου - Tapered Element Oscillation Microbalance) (Rupprecht and Pataschnik 1997). TUG (Technical University of Graz), Graz, AUSTRIA (20/3/2002 3/4/2002): Εγκατάσταση και δοκιµή του συστήµατος µέτρησης σωµατιδίων καυσαερίων βαρέων οχηµάτων. Μελέτη του πορώδη αραιωτήρα. Αποτέλεσµα αυτής της συνεργασίας είναι τµήµα του κεφαλαίου 4 και η έκθεση των Ntziachristos et al. (2002).

35 13 SHELL, Chester, ENGLAND (21/7/02 22/7/02): Έλεγχος του συστήµατος µέτρησης των σωµατιδίων. INRETS (Institut National de Recherche sur les Transports et leur Securite), Lyon, FRANCE (14/11/02 21/11/02): Εγκατάσταση και έλεγχος του συστήµατος µέτρησης σωµατιδίων καυσαερίων αυτοκινήτων. FFA (Ford Forchungszentrum Aachen GmbH), Aachen, GERMANY (6/3/03 22/3/03): Εφαρµογή του συστήµατος µέτρησης των σωµατιδίων και σύγκριση µε µετρήσεις πίσω από προπορευόµενο όχηµα. Αποτέλεσµα αυτής της συνεργασίας είναι το κεφάλαιο 17, η δηµοσίευση Giechaskiel et al. (2005) και η έκθεση Giechaskiel et al. (2003). TUT (Technical University of Tampere), Tampere, & VTT (Technical Research Centre of Finland), Helsinki, FINLAND (25/2/04 5/4/04, 17/8/04 3/9/04): Μετρήσεις σωµατιδιακών εκποµπών σε κινητήρα λεωφορείου στα πλαίσια του ερευνητικού προγράµµατος Liquid particles: effect of aftertreatment systems and lubricating oil. ιερεύνηση επίδρασης λιπαντικών, συσκευών µετεπεξεργασίας και θερµοκρασίας αέρα αραίωσης στις µετρήσεις σωµατιδίων. Αποτέλεσµα αυτής της συνεργασίας είναι το κεφάλαιο 23, η δηµοσίευση Vaaraslahti et al. (2005) και η έκθεση Giechaskiel et al. (2004β). Πρωτοτυπία της εργασίας Όπως αναφέρθηκε, και θα αναλυθεί περαιτέρω στη συνέχεια, µε τη συγκεκριµένη διάταξη είναι δυνατές αξιόπιστες και επαναλήψιµες µετρήσεις σωµατιδίων τόσο της περιοχής συσσώρευσης όσο και της περιοχής πυρήνων. Ενδεικτικά, ως τα σηµαντικότερα στοιχεία πρωτοτυπίας της εργασίας αναφέρονται τα εξής: Πρόταση συγκεκριµένου συστήµατος µερικής αραίωσης για δειγµατοληψία και µέτρηση σωµατιδίων µε διασπορά µικρότερη από 30% ακόµη και µεταξύ διαφορετικών εργαστηρίων (κεφάλαιο 14) (Samaras et al. 2002, Mamakos et al. 2004, Ntziachristos et al. 2004β). ιερεύνηση της επίδρασης των συνθηκών λειτουργίας του αραιωτήρα και του σηµείου λειτουργίας του κινητήρα στον τρόπο µε τον οποίο ο πορώδης αραιωτήρας λαµβάνει δείγµα (κεφάλαιο 4).

36 14 Εισαγωγή Πειραµατική και θεωρητική διερεύνηση του αραιωτήρα ακροφυσίου (κεφάλαιο 5) (Giechaskiel et al. 2004α). Βαθµονόµηση ενός πρότυπου φορτιστή διάχυσης για µέτρηση ενεργού επιφάνειας (κεφάλαιο 9) (Ntziachristos et al. 2003β, Ntziachristos et al. 2004α). ιερεύνηση του προσροφητήρα πτητικών ουσιών (Thermodenuder). Για πρώτη φορά επιβεβαιώνονται οι καµπύλες απωλειών του κατασκευαστή που είναι συνάρτηση του µεγέθους των σωµατιδίων. είχνεται επίσης ότι οι απώλειες µπορούν να θεωρηθούν σχεδόν σταθερές για τις τυπικές κατανοµές µεγέθους σωµατιδίων καυσαερίων (κεφάλαιο 11). Σύγκριση των αποτελεσµάτων του υπό εξέταση συστήµατος µε τα αποτελέσµατα κινητού εργαστηρίου (µέτρηση καυσαερίων στο δρόµο πίσω από προπορευόµενο όχηµα) (κεφάλαιο 17). Να σηµειωθεί ότι, αν και έχουν παρουσιαστεί κάποιες µετρήσεις µε κινητά εργαστήρια (Bukowiecki et al. 2002, Vogt et al. 2003, Kittelson et al 2002), µόνο µία έχει γίνει πίσω από ένα και µοναδικό όχηµα (Vogt et al. 2003) και σε αυτήν δεν ήταν εφικτή η αναπαραγωγή των αποτελεσµάτων στο εργαστήριο. Οι µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν στο εργαστήριο µε τη συγκεκριµένη διάταξη ήταν αντιπροσωπευτικές των µετρήσεων πίσω από το όχηµα (Giechaskiel et al. 2003). Η διάταξη δίνει το δυναµικό δηµιουργίας νανοσωµατιδίων (Giechaskiel et al. 2004β, 2005). ηµιουργία πρωτοκόλλου προετοιµασίας της µέτρησης (κεφάλαιο 18). Σύγκριση αποτελεσµάτων από µετρήσεις σε διαφορετικού τύπου οχήµατα (µοτοποδήλατο, µοτοσικλέτα, diesel και βενζινοκίνητα αυτοκίνητα) µε κοινό πρωτόκολλο (κεφάλαιο 19). Σύγκριση σωµατιδιακών εκποµπών διαφορετικών οχηµάτων. είχνεται ότι µε το υπό εξέταση σύστηµα είναι εφικτή η σύγκριση πολλών οχηµάτων (Ntziachristos et al. 2003a, 2004γ), συσκευών µετεπεξεργασίας, καυσίµων ή λιπαντικών (Giechaskiel et al. 2004β) (κεφάλαια 20 22). Να σηµειωθεί, ότι πρώτη φορά εξετάζεται η επίδραση του λιπαντικού στην εκποµπή νανοσωµατιδίων (Vaaraslahti et al. 2005) (κεφάλαιο 23).

37 Μέτρηση στερεών σωµατιδίων σύµφωνα µε τη µεθοδολογία που προτείνεται για µελλοντική νοµοθέτηση (Ntziachristos et al. 2005)(κεφάλαιο 24). 15 ηµοσιεύσεις Oι εργασίες που δηµοσιεύτηκαν µε τη συµµετοχή του γράφοντα είναι: ΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ (ΣΥΝΕ ΡΙΑ) Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos, P., Samaras, Z. (2005). Comparative Assessment of Two Different Sampling Systems for Particle Emission Type-Approval Measurements, SAE Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos, P., Samaras, Z., Mathis, U., Mohr, M., Ristimäki, J., Keskinen, J., Mikkanen, P., Casati, R., Scheer, V., Vogt, R. (2004). Performance Evaluation of a Novel Sampling and Measurement System for Exhaust Particle Characterization, SAE Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos, P., Fysikas E., Samaras, Z. (2003). Particle Emissions Characteristics of Different On-Road Vehicles, JSAE , SAE Samaras, Z., Ntziachristos L., Giechaskiel B. (2002). Characterization of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles, Proceedings of FISITA 2002, Helsinki Finland, Ιούνιος 2002 Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Samaras, Z., (2002). Future Requirements for the Characterisation of Exhaust Particulate Emissions, Proceedings of the International Symposium Transport and Air Pollution, Graz, Ιούνιος 2002 ΗΜΟΣΙΕΥΣΕΙΣ (ΠΕΡΙΟ ΙΚΑ) Giechaskiel, B., Ntziachristos. L., Samaras, Z. (2005). Formation Potential of Vehicle Exhaust Nucleation Mode Particles On-Road and in the Laboratory, accepted in Atmospheric Environment Giechaskiel, B., Ntziachristos. L., Samaras, Z. (2004). Calibration and Modeling of Ejector Dilutors for Automotive Exhaust Sampling, Measurement Science & Technology, 15, Ntziachristos. L., Giechaskiel B., Ristimäki J., Keskinen J. (2004). Use of a Corona Charger for the Characterisation of Automotive Exhaust Aerosol, J. Aerosol Science, 35, ΥΠΟ ΗΜΟΣΙΕΥΣΗ (ΣΥΝΕ ΡΙΑ) Vouitsis, E., Giechaskiel, B, Ntziachristos, L. Samaras, Z. (2005). Investigation on the formation and growth of nucleation mode particles in diesel exhaust, accepted in European Aerosol Conference, 28 Aug 2 Sept., Ghent, Belgium. ΥΠΟ ΗΜΟΣΙΕΥΣΗ (ΠΕΡΙΟ ΙΚΑ) Giechaskiel, B, Ntziachristos, L. Samaras, Z. (2005). Effect of Ejector Dilutor on Exhaust Gas Size distributions, in preparation to be submitted to Environmental Science and Technology. Vaaraslahti, K., Keskinen, J., Giechaskiel, B., Solla, A., Murtonen, T., Vesala H. (2005). Effect of Lubricant on the Formation of Heavy Duty Diesel Exhaust Nanoparticles, submitted to Environmental Science Technology

38 16 Εισαγωγή Βιβλιογραφία Abu-Allaban, M., Gertler, A. W., Lowenthal, D. H. (2002). A Preliminary Apportionment of the Sources of Ambient PM 10, PM 2,5 and VOCs in Cairo, Atmospheric Environment, 36, Bagley, S. T., Baumgard, K. J., Gratz L. D., Johnson J. H., Leddy D. G. (1996). Characterisation of Fuel and Aftertreatment Device Effects on Diesel Emissions, Health Effects Institute, Research Report Iss. 76, Cambridge, MA, USA Bukowiecki, N., Dommen J., Prévôt, A., Weingartner, E., Baltensperger, U. (2003). Fine and Ultrafine Particles in Zürich (Switzerland) Area Measured with a Mobile Laboratory: An assessment of the Seasonal and Regional Variation throughout a Year, Atmospheric Chemistry & Physics. 3, Bukowiecki, N., Dommen, J., Prévôt, A. S. H., Richter, R., Weingartner, E., Baltensperger, U. (2002β). A Mobile Pollutant Measurement Laboratory Measuring Gas Phase and Aerosol Ambient Concentrations with High Spatial and Temporal Resolution, Atmospheric Environment, 36, Bukowiecki, N., Kittelson, D. B., Watts, W. F. Burtscher, H., Weingartner, E., Baltensperger, U. (2002α). Real-Time Characterization of Ultrafine and Accumulation Mode Particles in Ambient Combustion Aerosols, J. Aerosol Science, 33, Cadle, S. H., Mulawa, P. A., Hunsanger, E. C., Nelson, K., Ragazzi, R. A., Barrett, R., Gallagher, G. L., Lawson, D. R., Knapp, K. T., Snow, R. (1999). Composition of Light Duty Motor Vehicle Exhaust Particulate Matter in the Denver, Colorado Area, Environmental Science & Technology, 33, CARB Resolution 98-35, California Air Resources Board, Chaloulakou, A., Kassomenos, P., Grivas, G., Spyrellis, N. (2004). Particulate Matter and Black Smoke Concentration Levels in Central Athens, Greece, Environmental International, under puplication Danis, A. M., Partridge, P. A., Cernansky, N. P. (1985). Effect of Ceramic Monolith Particulate Filters on Diesel Exhaust Odorant and Irritant Species, SAE Donaldson, K., Li, X. Y., MacNee, W. (1998). Ultrafine (Nanometre) Particle Mediated Lung Injury, J. Aerosol Science, 29, No 5/6, EPA (2002), Health Assessment Document For Diesel Engine Exhaust, EPA/600/8-90/057F, National Center for Environmental Assessment Office of Research and Development U.S. Environmental Protection Agency Washington, DC, = Gautam, M., Chitoor, K., Durbha, M., Summers, J. C. (1999). Effect of Diesel Soot Contaminated Oil on Engine Wear Investigation of Novel Oil Formulations, Tribology International, 32, Giechaskiel, Β., Ntziachristos, L., Samaras, Z., Casati, R., Scheer, V., Vogt, R. Lamminen, E., Mikkanen, P. (2003). Comparison of PM exhaust Emissions Measured at a Chassis Dynamometer and On-road Chasing on a Test Track, Report for the project PARTICULATES: Characterisation of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles Giechaskiel B., Ntziachristos, L., Samaras, Z. (2004α). Calibration and Modeling of Ejector Dilutors for Automotive Exhaust Sampling, Measurement Science & Technology 15,

39 Giechaskiel, B., Vaaraslahti, K., Murtonen, T., Vesala H., Solla, A. (2004β). Effect of Lubricant on Wet and Dry Particle Emissions of a Heavy Duty Diesel Engine Equipped With and Without CRT and POC, Report for the project Liquid particles: effect of after-treatment systems and lubricating oil Giechaskiel, B., Ntziachristos. L., Samaras, Z. (2005). Formation Potential of Vehicle Exhaust Nucleation Mode Particles On-Road and in the Laboratory, accepted in Atmospheric Environment Gray, H. A., Cass, G. R. (1998). Source Contributions to Atmospheric Fine Carbon Particle Concentrations, Atmospheric Environment, 32, Harrison, R. M., Jones, M., Collins, G. (1999). Measurement of the Physical Properties of Particles in the Urban Atmosphere, Atmospheric Environment, 33, HEI (2002). HEI Perspectives: Understanding the Health Effects of Components of the Particulate Matter Mix: Progress and Next Steps, Health Effects Institute, April 2002, Boston, MA Hinds, W. C. (1982). Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles, New York, John Willey & Sons Hitchins, J., Morawska, L., Wolff, R., Gilbert, D. (2000). Concentrations of Submicrometre Particles from Vehicle Emissions Near a Major Road, Atmospheric Environment, 34, Hoek, G., Forsberg, B., Borowska, M., Hlawiczka, S., Vaskövi, E., Welinder, H., Bransis, M., Benes, I., Kotesovec, F., Hagen, L. O., Cyrys, J., Jantunen, M., Roemer, W., Brunekreef, B. (1997). Wintertime PM10 and Black Smoke Concentrations Across Europe: Results from the Peace Study, Atmospheric Environment, 31, Jacobson, M. Z. (2001). Strong Radiative Heating due to the Mixing State of Black Carbon in Atmospheric Aerosols, Nature, 409, Kasper, M. (2004). The Number Concentration of Non-Volatile Particle Design Study for an Instrument According to the PMP Recommendations, SAE Khalek, I. A., Kittelson, D. and Brear, F., (1999). The Influence of Dilution Conditions on Diesel Exhaust Particle Size Distribution Measurements, SAE Kittelson, D. B., Khalek, I. A. (1998). Nanoparticle Formation During Exhaust Dilution, 2 nd ETH Workshop on Nanoparticle Measurement, 7 August 1998, Zürich, Switzerland Kittelson D. B., Watts W. F., Arnold M. (1998). Review of Diesel Particulate Matter Sampling Methods, Supplemental Report #1 Diesel Exhaust Particle Measurement Instruments, University of Minnesota, Center for Diesel Research, July 31, 1998, Minneapolis, USA, Kittelson, D., Watts, W., Johnson, J. (2002). Diesel Aerosol Sampling Methodology, CRC E- 43 Final Report Kleeman, M. J., Cass, G. R. (1998). Source Contributions to the Size and Composition of Urban Particulate Air Pollution, Atmospheric Environment, 32, Kleeman, M. J., Cass, G. R. (1999). Effect of Emissions Control Strategies on the Size and Composition Distribution of Urban Particulate Air Pollution, Environmental Science Technology, 33, Kleeman, M. J., Hughes, L. S., Allen, J O., Cass, G. R. (1999). Source Contributions to the Size and Composition Distribution of Atmospheric Particles: Southern California in September 1996, Environmental Science Technology, 33, Künzli, N., Kaiser, R., Medina, S., Studnicka, M., Chanel, O., Fillinger, P., Herry, M., Horak, F., Puybonnieux-Texier, V., Qenél, P., Schneider, J., Seethaler, R., Vergnaud, J., Sommer, H. 17

40 18 Εισαγωγή (2000). Public-Health Impact of Outdoor and Traffic Related Air Pollution: A European Assessment, The Lancet, 256, Lacroix, C., 2003, Toxicology of Diesel exhaust particles, Deliverable D16 of PARTICULATES. Internet reference at Lee, C., Kang, J. (2002). Extract of Motorcycle Exhaust Particles Induced Macrophages Apoptosis by Calcium-Dependent Manner, Chemical Research in Toxicology, 15, Long, R. W., Smith, R., Smith, S., Eatough, N. L., Mangelson, N. F., Eatough, D. J. (2002). Sources of Fine Particulate Material Along the Wasatch Front, Energy & Fuels, 16, Lowe, J. A., Smith, M. H., Davison, B. M., Benson, S. E., Hill, M. K., O Dowd, C. D., Harrison, R. M., Hewitt, C. N. (1996). Physiochemical Properties of Atmospheric Aerosol at South Uist, Atmospheric Environment, 30, Mamakos, A., Ntziachristos, L., Samaras, Z. (2004). Comparability of Particle Emission Measurements Between Vehicle Testing Laboratories: A Long Way to Go?, Measurement Science & Technology, 15, Maricq. M., Podsiadlik, D., Chase R. (1999). Gasoline Vehicle Particle Size Distributions: Comparison of Steady State, FTP, and US06 Measurements, Environmental Science & Technology, 33, Mauderly, J. L., 2001, Diesel Emissions: Is more health research still needed?, Toxicol. Science, 62, 6-9 Murphy, S. A., Bérubé, K. A., Pooley, F. D., Richards, R. (1998). The Response of Lung Epithelium to Well Characterised Fine Particles, Life Sciences, 62, NTP (2002). 10 th Report on Carcinogens: Diesel Exhaust Particulate, National Toxicology Program, U.S. National Institute of Environmental Health Sciences, Research Triangle Park Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos, P., and Samaras, Z. (2002). Further evaluation of the Particulates Primary Dilutor, Internal report for the project PARTICULATES: Characterisation of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos, P., Fysikas, E. and Samaras, Z. (2003a). Particle Emissions Characteristics of Different On-Road Vehicles, JSAE , SAE Ntziachristos, L., Ristimäki, J., Giechaskiel B. (2003β). Calibration and Performance of the Dekati Diffusion Charger, Internal report for the project PARTICULATES: Characterisation of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles Ntziachristos, L., Giechaskiel B., Ristimäki, J., Keskinen, J. (2004α). Use of a Corona Charger for the Characterisation of Automotive Exhaust Aerosol, J. Aerosol Science, 35, Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos P., Samaras Z., Mathis U., Mohr M., Ristimäki J., Keskinen J., Mikkanen P., Casat R., Scheer V. and Vogt R. (2004β). Performance and Evaluation of a Novel Sampling System for Exhaust Particle Characterization, SAE Ntziachristos, L., Mamakos, A., Samaras, Z., Mathis, U., Mohr, M., Thompson, N., Stradling, R., Forti, L., de Serves, C. (2004γ). Overview of the European "Particulates" Project on the Characterization of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles: Results for Light- Duty Vehicles, SAE Ntziachristos, L., Samaras, Z. (2004δ). Vehicle and Fuel Effects on Exhaust Particle Properties from Diesel Passenger Cars, 13th International Symposium Transport and Air Pollution, September 13-15, 2004 Boulder, Colorad, USA

41 Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos, P., Samaras, Z. (2005). Comparative Assessment of Two Different Sampling Systems for Particle Emission Type-Approval Measurements, SAE Oberdörster, G., Utell, J.M. (2002). Ultrafine Particles in the Urban Air. To the Respiratory Tract - And Beyond? Environmental Health Perspectives 110, A440-A441 Ristimäki, J., Virtanen, A., Marjamäki, M., Rostedt, A., Keskinen, J. (2002). On-line Measurement of Size Distribution and Effective Density of Submicron Aerosol Particles, J. Aerosol Science, 33, Ruellan, S., Cachier, H. (2001). Characterization of Fresh Particulate Vehicular Exhaust Near a Paris High Flow Road, Atmospheric Environment, 35, Rupprecht and Pataschnik (1997). TEOM Series 1100 Particulate Mass Monitor, Albany, NY, USA Samaras, Z, Ntziachristos, L., Giechaskiel, B. (2002). Characterization of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles, Proceedings of FISITA 2002, Helsinki Finland Shi, J. P., Khan, A. A., Harrison, R. M. (1999). Measurements of Ultrafine Particle Concentration and Size Distribution in the Urban Atmosphere, The Science of the Total Environment, 235, Ulevicius, V., Mordas, G. (2002). On-Road Vehicle Fine Particle Emission from Measurement in a Vilnius Tunnel, 11 th International Conference Transport and Air Pollution, Graz UBA (Umwelt Bundes Amt) (2003). Future Diesel. Exhaust gas legislation for passenger cars, light duty commercial vehicles, and heavy duty vehicles. Updating of limit values for diesel vehicles. Vaaraslahti, K., Keskinen, J., Giechaskiel, B., Solla, A., Murtonen, T., Vesala H. (2005). Effect of Lubricant on the Formation of Heavy Duty Diesel Exhaust Nanoparticles, submitted to Environmental Science Technology Vogt, R., Scheer, V., Casati, R. and Benter, T. (2003). On-Road Measurement of Particle Emission in Exhaust Plume of Diesel Passenger Car, Environmental Science & Technology, 37, Voutsa, D., Samara, C., Kouimtzis, Th, Ochsenkühn, K. (2002). Elemental composition of airborne particulate matter in the multi-impacted urban area of Thessaloniki, Greece, Atmospheric Environment, 36, Walsh, M. P. (1984). The Costs and Benefits of Diesel Particulate Control II, SAE Wang, H., Shooter, D. (2004). Source Apportionment of Fine and Coarse Atmospheric Particles in Auckland, New Zealand, accepted in Science of the Total Environment, Ye, B., Ji, X., Yang, H., Yao, X., Chan, C. K., Cadle, S., Chan, T., Mulawa, P. A. (2003). Concentration and Chemical Composition of PM 2,5 in Shanghai for 1 Year Period, Atmospheric Environment, 37, Ye, S., Zhou, W., Song, J., Peng, B., Yuan, D., Lu, Y., Qi, P. (1999). Toxicity and Health Effects in Vehicle Emissions in Shanghai, Atmospheric Environment, 34, Zhu, Y. F.,Hinds, W. C.,Kim,S.,& Sioutas,C. (2002). Concentration and size distribution of ultrafine particles near a major highway, Journal of the Air & Waste Management Association, 52, Βουίτσης, Η. (2004). Θεωρητική και Πειραµατική ιερεύνηση Σχηµατισµού Νανοσωµατιδίων κατά τη ειγµατοληψία Καυσαερίου Κινητήρων Εσωτερικής Καύσης, διδακτορική διατριβή, τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Α.Π.Θ. 19

42 20 Εισαγωγή Γιεχασκιέλ, Μπ. (2000). Οµογενής Πυρήνωση & Συσσωµάτωση κατά την αραίωση και Ψύξη Καυσαερίων Diesel. Υπολογιστική ιερεύνηση, διπλωµατική εργασία, τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Α.Π.Θ., αριθµός διπλωµατικής εργασίας 2010 Ντζιαχρήστος, Λ. (2000). Φυσικός Χαρακτηρισµός Σωµατιδιακών Εκποµπών Κινητήρων Εσωτερικής Καύσης σε Πραγµατικό Χρόνο, διδακτορική διατριβή, τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Α.Π.Θ.

43 21 Α. Γενικά Στα ακόλουθα κεφάλαια θα συζητηθεί ένα σύστηµα µερικής δειγµατοληψίας καυσαερίων κινητήρων και οχηµάτων. Αρχικά θα συζητηθεί η ανάγκη ενός τέτοιου συστήµατος, αναφέροντας τα πλεονεκτήµατά του σε σχέση µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο της πλήρους αραίωσης. Στη συνέχεια, θα περιγραφούν οι συνθήκες δειγµατοληψίας που επιλέχθηκαν για τις περισσότερες µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν. Έτσι τα κεφάλαια στο Α µέρος της διατριβής περιλαµβάνουν: 1. Πλήρης και µερική αραίωση. 2. Περιγραφή συστήµατος. 3. Συνθήκες δειγµατοληψίας.

44 22 Α. Γενικά 1. Πλήρης και µερική αραίωση Η νοµοθετηµένη µέθοδος µέτρησης σωµατιδίων σήµερα είναι η µέτρηση της µάζας µε πλήρη αραίωση του καυσαερίου (Directive 98/69/EC) που ξεκίνησε από τα τέλη της δεκαετίας του 80 (Directive 88/436/EC). Η πρώτη εφαρµογή όµως χρονολογείται από το 1950 και αφορούσε το χαρακτηρισµό αέριων ρύπων βενζινοκίνητων οχηµάτων (SAE Recommended Practice J1094a, 1989). Πέρα από τη µάζα, πολλοί ερευνητές µετρούν και το συνολικό αριθµό και την κατανοµή µεγέθους του αριθµού των σωµατιδίων. Έχει όµως διαπιστωθεί ότι η δειγµατοληψία επηρεάζει σε µεγάλο βαθµό τα αποτελέσµατα. Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων µάζας µπορούν να διαφοροποιούνται µέχρι και 20% λόγω διαφορετικών συνθηκών αραίωσης και γήρανσης του δείγµατος. Οι µετρήσεις συνολικού αριθµού και κατανοµής µεγέθους αριθµού είναι ακόµη πιο ευαίσθητες. Οι συνθήκες δειγµατοληψίας µπορεί είτε να ευνοούν είτε να αποτρέπουν τη δηµιουργία νανοσωµατιδίων. Ο τρόπος επίδρασης είναι αβέβαιος, µε αποτέλεσµα να καταγράφονται µεταξύ διαφορετικών εργαστηρίων αριθµητικές συγκεντρώσεις που διαφέρουν έως και τάξη µεγέθους. Για τη σύγκριση, εποµένως, ίδιου τύπου πηγής σε διαφορετικά εργαστήρια (ίδιο όχηµα σε διαφορετικά εργαστήρια) αλλά και διαφορετικού τύπου πηγής στο ίδιο εργαστήριο (διαφορετικό όχηµα, καύσιµο, τεχνολογία), είναι απαραίτητος ο αυστηρός καθορισµός των συνθηκών δειγµατοληψίας. Αυτό είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιτευχθεί µε τη µέθοδο της πλήρους αραίωσης και δηµιούργησε την ανάγκη ανάπτυξης συστηµάτων µερικής αραίωσης του καυσαερίου. Στη συνέχεια αναλύονται τα παραπάνω ζητήµατα. Αραίωση Οι συγκεντρώσεις των σωµατιδίων στην εξαγωγή των κινητήρων είναι πολύ υψηλές για άµεση δειγµατοληψία και µέτρηση. Επιπλέον, η υψηλή θερµοκρασία του καυσαερίου είναι απαγορευτική για τα περισσότερα µετρητικά όργανα. Για τους λόγους αυτούς, πριν από τη µέτρηση, προηγείται αραίωση του καυσαερίου µε ατµοσφαιρικό αέρα από τον οποίο έχουν αφαιρεθεί τα σωµατίδια µε κατάλληλο φιλτράρισµα. Φυσικά, η αραίωση στο εργαστήριο δεν προσοµοιώνει την πραγµατική αραίωση, η οποία ποικίλει ανάλογα µε το χώρο και τον τρόπο που κινείται το όχηµα

45 23 και τις επικρατούσες µετεωρολογικές συνθήκες (διαφορετική θερµοκρασία και υγρασία, διαφορετικός ρυθµός αραίωσης, συγκέντρωση σωµατιδίων στον αέρα αραίωσης κτλ.). Ο Πίνακας 1-1 δίνει τυπικές τιµές λόγων αραίωσης που επιτυγχάνονται στο εργαστήριο σε σχέση µε τυπικές τιµές που απαντούν στον πραγµατικό κόσµο. Η πρώτη αραίωση του δείγµατος καυσαερίου ονοµάζεται πρωτεύουσα * (primary) και είναι πολύ σηµαντική γιατί επηρεάζει την κατανοµή µεγέθους των σωµατιδίων. Η δευτερεύουσα αραίωση δεν είναι τόσο σηµαντική όσο η πρωτεύουσα, αφού η θερµοκρασία και η συγκέντρωση έχουν ήδη µειωθεί και δε φαίνεται να επηρεάζει την κατανοµή µεγέθους. Η δευτερεύουσα αραίωση γίνεται µόνο για τη µείωση των επιπέδων συγκέντρωσης στα όρια λειτουργίας των µετρητικών οργάνων. Αν αραιωθεί όλη η ποσότητα του καυσαερίου, η αραίωση ονοµάζεται πλήρης. Αν αραιωθεί ένα µέρος του καυσαερίου, η αραίωση ονοµάζεται µερική. Πίνακας 1-1: Table 1-1: Τυπικές τιµές λόγων αραίωσης. Typical values of dilution ratios. Τοποθεσία Λόγος αραίωσης Εργαστήριο (πρωτεύουσα αραίωση) 10 1 : :1 Τούνελ 10 2 : :1 Αστική περιοχή 10 4 : :1 Μακριά από µεγάλους δρόµους 10 5 : :1 Πλήρης αραίωση Η ισχύουσα νοµοθεσία ορίζει ότι η σωµατιδιακή ύλη (Particulate Matter PM) πρέπει να συλλέγεται σε θερµοκρασία κάτω των 52 C µε ένα σύστηµα δειγµατοληψίας σταθερού όγκου, τόσο για ελαφρά όσο και για βαρέα οχήµατα (Directive 98/69/EC). Αυτή είναι και η πιο διαδεδοµένη τεχνική δειγµατοληψίας σωµατιδίων, η οποία πραγµατοποιείται στον αγωγό πλήρους αραίωσης µετά την ανάµειξη όλου του καυσαερίου µε ατµοσφαιρικό αέρα, στοχεύοντας στη µείωση των * Με τον όρο αποδίδεται ο αγγλικός όρος primary. Αντίστοιχα µε τον όρο δευτερεύων αποδίδεται ο αγγλικός όρος secondary. Άλλοι (π.χ. Βουίτσης 2004) τους απέδωσαν µε τους όρους πρωτογενής και δευτερογενής αντίστοιχα.

46 24 Α. Γενικά συγκεντρώσεων των ρύπων. Η σταθερή παροχή και η θερµοκρασία των 52 C είναι ουσιαστικά και οι µόνες προδιαγραφές για το σχεδιασµό του συστήµατος αραίωσης. Το όριο των 52 C προκύπτει από τους σχετικούς υπολογισµούς του σηµείου δρόσου των καυσαερίων για τη µέγιστη συγκέντρωση νερού στο καυσαέριο. Πιο αναλυτικά, η συνολική ποσότητα καυσαερίου οδηγείται µέσω µεταλλικού σωλήνα από τον αγωγό εξαγωγής του κινητήρα στον αγωγό αραίωσης. Στον τελευταίο, αντλείται φιλτραρισµένος ατµοσφαιρικός αέρας (χρησιµοποιούνται, συνήθως, ένα φίλτρο για κατακράτηση της σκόνης και ένα φίλτρο ενεργού άνθρακα για δέσµευση αέριων πτητικών ουσιών) και το καυσαέριο αναµιγνύεται και οµογενοποιείται στο ευθύγραµµο τµήµα του αγωγού. είγµα καυσαερίου αντλείται σε απόσταση 10 διαµέτρων του αγωγού από το σηµείο αραίωσης του καυσαερίου µε τον αέρα. Το δείγµα περνά από φίλτρο, στο οποίο συλλέγονται τα σωµατίδια. Οι παροχές και η αραίωση στον αγωγό πρέπει να είναι τέτοιες ώστε η θερµοκρασία στο σηµείο δειγµατοληψίας των σωµατιδίων να µην υπερβαίνει τους 52 C. Μερικές φορές χρειάζεται επιπλέον αραίωση πριν από το φίλτρο για να επιτευχθεί αυτή η χαµηλή θερµοκρασία, ειδικά σε βαρέα οχήµατα. Πρόσφατα, η νοµοθεσία US 2007 για τα βαρέα οχήµατα απαιτεί αυστηρότερο έλεγχο της θερµοκρασίας στους 47±5 C (Federal Register 2001). Ο συνολικός όγκος ροής µέσα από τον αγωγό ρυθµίζεται από τον δειγµατολήπτη σταθερού όγκου (Constant Volume Sampler CVS). Η συσκευή αυτή µπορεί να αποτελείται είτε από µια αντλία και ένα Venturi στην κρίσιµη διατοµή του οποίου εξασφαλίζεται η σταθερή παροχή όγκου, είτε από µια αντλία θετικής µετατόπισης (π.χ. Φυσητήρας Roots). H συνολική παροχή που επιτρέπεται να διέλθει από το σύστηµα αραίωσης σε συνάρτηση µε την παροχή καυσαερίου ρυθµίζει τελικά το λόγο αραίωσης (DR). Ο DR µπορεί να προσδιοριστεί από το λόγο kmol σταθερών συστατικών (π.χ. ΝΟ x ή CO 2 ) στο µη αραιωµένο και στο αραιωµένο καυσαέριο αντίστοιχα. Τα σηµαντικότερα πλεονεκτήµατα του αγωγού πλήρους αραίωσης συζητιούνται στη συνέχεια και δίνει συνοπτικά ο Πίνακας 1-2 (Vouitsis et al. 2003): Η δειγµατοληψία είναι ισοκινητική, έτσι µεγάλα σωµατίδια που συνεισφέρουν στη µάζα µετριούνται µε ακρίβεια (Ntziachristos and Samaras 2000). Η ισοκινητικότητα όµως δεν είναι απαραίτητη για τα σωµατίδια <1 µm που αποτελούν το 90% της µάζας των κινητήρων.

47 25 Πίνακας 1-2: Table 1-2: Προτερήµατα και µειονεκτήµατα πλήρους και µερικής αραίωσης. Advantages and disadvantages of full and partial dilution. Πλήρης αραίωση Προτερήµατα Τα εργαστήρια έχουν ήδη αγωγούς πλήρους αραίωσης Εύκολοι υπολογισµοί Σταθερή ροή, έλεγχος θερµοκρασίας Ισοκινητική δειγµατοληψία Μειονεκτήµατα Μεγάλο κόστος και χώρος Μη ελεγχόµενη συµπύκνωση πτητικών Υψηλοί χρόνοι παραµονής Περιορισµένος έλεγχος λόγου αραίωσης, υγρασίας, θερµοκρασίας Επανείσοδος, εκρόφηση συστατικών Ασυµφωνία κατασκευαστικών χαρακτηριστικών µεταξύ εργαστηρίων Μερική αραίωση Μειονεκτήµατα Τα εργαστήρια πρέπει να αγοράσουν τον εξοπλισµό Απαιτείται η παροχή καυσαερίου Μεταβολές της πίεσης Μη ισοκινητική δειγµατοληψία Πλεονεκτήµατα Μικρό κόστος και χώρος Ελεγχόµενη συµπύκνωση πτητικών Ελεγχόµενος χρόνος παραµονής Πλήρης έλεγχος λόγου αραίωσης, υγρασίας, θερµοκρασίας Ελάχιστες απώλειες Είναι δυνατή η πλήρης ταύτιση µεταξύ εργαστηρίων Η σταθεροποίηση του καυσαερίου µειώνει τις διακυµάνσεις πίεσης και θερµοκρασίας, απλοποιώντας έτσι τη διαδικασία δειγµατοληψίας. Η σταθερή παροχή που επιτυγχάνεται ελέγχεται και µετριέται µε ακρίβεια. Τα δείγµατα των σωµατιδίων και των αέριων ρύπων εύκολα ανάγονται στο καυσαέριο του οχήµατος, ακόµη και σε κύκλους. Τα σηµαντικότερα προβλήµατα του αγωγού πλήρους αραίωσης είναι: Από τη µία χρειάζονται µικροί DRs για να συλλεχθεί αρκετή µάζα για ζύγιση, από την άλλη υψηλοί λόγοι αραίωσης για να κρατηθεί η θερµοκρασία χαµηλότερη από 52 C (Clark 2000). Οι DRs στον αγωγό πλήρους αραίωσης είναι περίπου 3:1 30:1, ενώ στην ατµόσφαιρα φτάνουν το 1000:1 σε 1 s, εποµένως η περιοχή των πυρήνων που µετριέται είναι µη ρεαλιστική (Bagley et al. 1996). Με τόσο χαµηλούς DRs το αεροκολλοειδές συνεχίζει να εξελίσσεται, δηλαδή να λαµβάνουν χώρα διεργασίες µετατροπής αέριο προς σωµατίδιο και σωµατίδιο προς σωµατίδιο, ως και τη στιγµή της δειγµατοληψίας (Khalek et al. 1999).

48 26 Α. Γενικά Τα τοιχώµατα του αγωγού µπορεί να αποτελέσουν πηγή υδρογονανθράκων, οι οποίοι εκροφώνται ανεξέλεγκτα (Maricq et al. 1999, Hall and Dickens 2000). Αυτή η ανεξέλεγκτη εκρόφηση επηρεάζει τις µετρήσεις σωµατιδίων µέσω συµπύκνωσης των ατµών στο φίλτρο µέτρησης των σωµατιδίων. Η συσσωµάτωση στον αγωγό αλλάζει την πραγµατική κατανοµή µεγέθους αριθµού των σωµατιδίων (Maricq et al. 1999). Στην ατµόσφαιρα η συσσωµάτωση δεν είναι τόσο σηµαντική λόγω των υψηλότερων DRs, άρα και των χαµηλότερων σωµατιδιακών συγκεντρώσεων. ιάφορες παράµετροι ποικίλλουν στον αγωγό πλήρους αραίωσης (όπως ροές, χρόνος παραµονής, DR) οι οποίες επηρεάζουν τη συλλεγόµενη µάζα. Συγκεκριµένα µείωση του DR οδηγεί σε αυξηµένη µάζα σωµατιδίων (Reichel et al. 1983, MacDonald et al. 1980), λόγω υψηλότερης συγκέντρωσης πτητικών και θειικών (Frisch et al. 1979), τα οποία στη συνέχεια θα συµπυκνωθούν και θα προσροφηθούν στην επιφάνεια των στερεών (Ahlvik et al. 1998). Έτσι, τα αποτελέσµατα των διαφόρων εργαστηρίων δεν είναι άµεσα συγκρίσιµα µεταξύ τους, αφού τα ΡΜ είναι άµεση συνάρτηση του DR (Durán et al. 2002). Μια πιο πρόσφατη έρευνα (Khalek et al. 2002) έδειξε ότι η αύξηση του DR από 7:1 σε 29:1 µε µείωση της θερµοκρασίας του φίλτρου από 45 C σε 33 C αύξησε τα ΡΜ κατά 25% σε συνθήκες µέσης ταχύτητας / φορτίου. Και οι δύο περιπτώσεις όµως είναι εντός νοµοθετηµένων ορίων. Τέτοιες διαφορές των συνθηκών αραίωσης είναι υπεύθυνες για την 20% διαφορά των ΡΜ µεταξύ των εργαστηρίων (Silvis et al. 2002, Traver et al. 2002). Ο περιορισµός της θερµοκρασίας του φίλτρου στη µελλοντική Αµερικάνικη νοµοθεσία ±47 C θα µειώσει τη διαφοροποίηση, αλλά δε θα την εξαφανίσει. Οι διαφορές στον DR, στη θερµοκρασία δειγµατοληψίας και στο χρόνο παραµονής είναι ακόµη πιο σηµαντικές στις µετρήσεις αριθµού και κατανοµής µεγέθους σωµατιδίων. Μεταβάλλοντας κανείς αυτές τις παραµέτρους παίρνει κατανοµές διαφορετικής µορφής (Khalek et al. 1998). Το πρόβληµα αυτό γίνεται ακόµη πιο σηµαντικό για τις νέες τεχνολογίες όπου η εκπεµπόµενη µάζα έχει µειωθεί σηµαντικά και το ενδιαφέρον µετατοπίζεται στον αριθµό των σωµατιδίων. Εποµένως, διαφορετικά εργαστήρια θα έχουν διαφορετικά αποτελέσµατα ακόµη και για το ίδιο όχηµα στο ίδιο σηµείο λειτουργίας. Αλλά

49 27 ακόµη και στο ίδιο το εργαστήριο από σηµείο σε σηµείο (µεταβολής ταχύτητας ή φορτίου) ο DR και η θερµοκρασία µεταβάλλονται, εποµένως τα αποτελέσµατα δε θα είναι συγκρίσιµα µεταξύ τους. Λόγω των παραπάνω προβληµάτων η χρήση του αγωγού πλήρους αραίωσης για µετρήσεις σωµατιδίων έχει αµφισβητηθεί. Οι Andersson et al. (2000), Wedekind et al. (2000) και Khalek et al. (1998), για παράδειγµα, βρήκαν ότι απαιτούνται υψηλοί χρόνοι σταθεροποίησης στις αλλαγές σηµείων µέτρησης των κινητήρων diesel. Ανάλογα αποτελέσµατα προκύπτουν και για τα βενζινοκίνητα οχήµατα (Maricq et al. 1999, Hall and Dickens 2000). Έτσι, στην παρούσα εργασία προτιµήθηκε να χρησιµοποιηθεί ένα σύστηµα µερικής αραίωσης για τις µετρήσεις των διαφόρων χαρακτηριστικών των σωµατιδίων. Ο υφιστάµενος αγωγός πλήρους αραίωσης χρησιµοποιήθηκε µόνο για τη µέτρηση της εκπεµπόµενης µάζας, σύµφωνα µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο. Μερική αραίωση Στην περίπτωση που µόνο δείγµα του συνολικού όγκου του καυσαερίου αραιώνεται, η αραίωση ονοµάζεται µερική. Η µερική αραίωση έχει βρει εφαρµογή στη µελέτη της καύσης όπου απαντούν υψηλές συγκεντρώσεις και θερµοκρασίες (Biswas 1993). Η αραίωση αυτή εφαρµόζεται, είτε όταν η εγκατάσταση και λειτουργία ενός πλήρους συστήµατος αραίωσης κρίνεται αντιοικονοµική είτε όταν (ειδικά σε µεγάλους κινητήρες) η πλήρης αραίωση δεν επαρκεί για να επιτευχθεί η απαιτούµενη θερµοκρασία δειγµατοληψίας του αραιωµένου καυσαερίου (52 C). Στη δεύτερη περίπτωση, η µερική αραίωση ονοµάζεται και δευτερεύουσα αφού στη συσκευή αραίωσης εισέρχεται αέρας και ήδη αραιωµένο δείγµα από τον κύριο αγωγό αραίωσης. Στα συστήµατα µερικής αραίωσης (Partial Flow Sampling System, PFSS) που χρησιµοποιούνται για πρωτεύουσα αραίωση είναι σηµαντικό να διατηρείται σταθερός ο λόγος της παροχής του καυσαερίου προς την παροχή που εισέρχεται στο σύστηµα (split ratio), ακόµη και σε κύκλους (Vouitsis et al. 2003). Έτσι είναι εύκολη η αναγωγή των αποτελεσµάτων στο όχηµα, αν και η απαίτηση αυτή ικανοποιείται µε τη χρήση ακριβών αισθητήρων και συστηµάτων ελέγχου (Silvis et al. 2002). Παρόλα αυτά, το σύστηµα που χρησιµοποιήθηκε από το εργαστήριο δε διατηρεί σταθερό τον παραπάνω λόγο και, κατά συνέπεια, δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί ακόµη σε

50 28 Α. Γενικά νοµοθετηµένες µετρήσεις. Προς το παρόν, το συγκριτικό του πλεονέκτηµα είναι ότι διατηρεί σταθερές συνθήκες αραίωσης και µέτρησης ακόµη και σε κύκλους (PFSS σταθερής παροχής). Συγκεκριµένα, ο λόγος (πρωτεύουσας) αραίωσης, η θερµοκρασία του αέρα αραίωσης και ο χρόνος παραµονής είναι σταθερά. Αυτό επιτυγχάνεται αντλώντας ορισµένη ποσότητα καυσαερίου και αραιώνοντάς την µε ορισµένη ποσότητα αέρα. Έτσι τα αποτελέσµατα στο ίδιο εργαστήριο, αλλά και µεταξύ διαφορετικών εργαστηρίων, αναµένονται επαναλήψιµα και συγκρίσιµα µεταξύ τους και µάλιστα µε πολύ µικρό κόστος. Οι συνθήκες αυτές είναι ανεξάρτητες από το εργαστήριο, το όχηµα ή το σηµείο λειτουργίας. Οι συνθήκες δειγµατοληψίας που επιλέχθηκαν περιγράφονται στο κεφάλαιο 3. Σύνοψη συµπεράσµατα Ο αγωγός πλήρους αραίωσης κρίνεται ως προβληµατικός για µετρήσεις αριθµού και κατανοµών µεγέθους αριθµού σωµατιδίων, ενώ ένα σύστηµα που διατηρεί σταθερές συνθήκες δειγµατοληψίας αναµένεται περισσότερο κατάλληλο. Ένα σύστηµα µερικής δειγµατοληψίας µε σταθερή παροχή δείγµατος που διατηρεί σταθερές τις συνθήκες δειγµατοληψίας επιλέχθηκε για τις µετρήσεις σωµατιδίων. Βιβλιογραφία Ahlvik, P, Ntziachristos, L., Keskinen, J. and Virtanen, A. (1998). Real Time Measurements of Diesel Particle Size Distribution with an Electrical Low Pressure Impactor, SAE Andersson, J. D., Wedekind, G. A., Hall D., Stradling, R., Barnes, Ch. and Wilson, G., (2000). DETR/SMMT/CONCAWE Particle Research Programme: Sampling and Measurement Experiences, SAE Bagley, S. T., Baumgard, K. J., Gratz, L. D., Johnson, J. H. and Leddy, D. ZG. (1996). Characterization of Fuel and Aftertreatment Device Effects on Diesel Emissions, Health Effects Institute, Research Report No. 76, Cambridge, MA, USA. Biswas, P. (1993). Measurement of High Concentration and High Temperature Aerosols, (in: Aerosol Measurement: Principles, Techniques and Applications, Willeke K., Baron P. A., Van Nostrand Reinhold, New York, 1993 Clark, N. (2000). Presentation to the CRC/CEC/JAMA Vehicle Exhaust Particulate Emissions Measurement Workshop, June 19, 2000, Paris, France Durán, A., de Lucas, A., Carmona, M., Ramos, M. J. and Armas, O. (2002). Accuracy of the European Standard Method to Measure the Amount of DPM Emitted to the Atmosphere, Fuel, 81,

51 Federal Register: January 18, 2001, 66, No 12, Rules and Regulations Control of Emissions from New and In-Use Highway Vehicles Frisch, L. E., Johnson, J. H. and Ledy, D. G. (1979). Effect of Fuels and Dilution Ratio on Diesel Particulate Emissions, SAE Hall, D. and Dickens, C. J. (2000). Measurement of the Numbers Emitted Gasoline Particles: Genuine or Artefact?, SAE Khalek, I. A., Kittelson, D. and Brear, F., (1999). The Influence of Dilution Conditions on Diesel Exhaust Particle Size Distribution Measurements, SAE Khalek, I. A., Kittelson, D., Graskow, B. R., Wei, Q. and Brear, F., (1998). Diesel Exhaust Particle Size: Measurement Issued and Trends, SAE Khalek, I. A., Ulman, T. L., Shimpi, S. A., Jackson, C. C., Dharmawardhana, B., Silvis, W. M., Kreft, N., Harvey, R. N., Munday, D., Yamagishi, Y., Graze, R., Smitherman, J. and Adkins, J. (2002). Performance of Partial Flow Sampling Systems Relative to Full Flow CVS for Determination of Particulate Emissions under Steady-State and Transient Diesel Engine Operation, SAE MacDonald, J. S., Plee, S. L., D Arcy, J. B. and Schreck, R. M., (1980). Experimental Measurements of the Independent Effects of Dilution Ratio and Filter Temperature on Diesel Exhaust Particulate Samples, SAE Maricq, M., Chase, R. E., Podsiadlik, D. H. and Vogt, R. (1999). Vehicle Exhaust Particle Size Distributions: A Comparison of Tailpipe and Dilution Tunnel Measurements, SAE Ntziachristos, L. and Samaras Z. (2000). Sampling Conditions Effects on Real Time Particle Measurements from a Light Duty Vehicle, SAE Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos P., Samaras Z., Mathis U., Mohr M., Ristimäki J., Keskinen J., Mikkanen P., Casat R., Scheer V. and Vogt R. (2004). Performance and Evaluation of a Novel Sampling System for Exhaust Particle Characterization, SAE Reichel, S., Pischinger, F. F. and Lepperhoff, G., (1983). Influence of Particles in Diluted Diesel Engine Exhaust Gas, SAE SAE Recommended Practice (1989). Constant Volume Sampler for Exhaust Emissions Measurement SAE J1094a in SAE Handbook, Volume 3: Engine, Fuels, Lubricants Emissions, and Noise, Sections 23-26, Warrendale, PA, USA Silvis, W. M., Marek, G., Kreft, N. and Schindler, W. (2002). Diesel Particulate Measurement with Partial Flow Sampling Systems: A New Probe and Tunnel Design that Correlates with Full Flow Tunnels, SAE Traver, M. L., Tennant, C. J., McDaniel, T. I., McConnell, S. S., Bailey, B. K., Maldonado, H. (2002). Interlaboratory Cross-Check of Heavy Duty Vehicle Chassis Dynamometers, SAE Wedekind, G. A., Andersson, J. D., Hall, D., Stradling, R., Barnes, Ch. and Wilson, G., (2000), DETR/SMMT/CONCAWE Particle Research Programme: Heavy Duty Results, SAE Vouitsis, E., Ntziachristos, L., Samaras, Z. (2003). Particulate Matter Mass Measurements for Low Emitting Diesel Powered Vehicles: What s Next?, Progress in Energy and Combustion Science, 29,

52 30 Α. Γενικά 2. Περιγραφή του συστήµατος Η επιλογή ενός συστήµατος µερικής αραίωσης δικαιολογήθηκε στο προηγούµενο κεφάλαιο. Εδώ θα περιγραφεί το σύστηµα µερικής αραίωσης που χρησιµοποιήθηκε από το ΕΕΘ. Τα τµήµατα του συστήµατος δειγµατοληψίας θα αναλυθούν στη συνέχεια στο Β µέρος της διατριβής σε χωριστά κεφάλαια. Μια τυπική διάταξη του συστήµατος δειγµατοληψίας φαίνεται στην Εικόνα 2-1. Ένα µικρό τµήµα του καυσαερίου από την εξάτµιση (αγωγό εξαγωγής) του οχήµατος αντλείται από τον πορώδη αραιωτήρα (βλ. κεφάλαιο 4). Το υπόλοιπο καυσαέριο οδηγείται στον αγωγό πλήρους αραίωσης. Το καυσαέριο που εισέρχεται στον πορώδη αραιωτήρα αραιώνεται µε καθαρό αέρα αραίωσης (απαλλαγµένο από σωµατίδια, υγρασία και υδρογονάνθρακες) που εισέρχεται περιφερειακά από µικρές οπές κατά µήκος του αραιωτήρα. Ο αέρας αραίωσης έχει σταθερή παροχή που καθορίζεται από έναν ρυθµιστή παροχής µάζας (Millipore MFC 2920) (βλ. κεφάλαιο 7) και θερµοκρασία που καθορίζεται µέσω θέρµανσης σε θερµαντήρα ή µέσω ροής ψυκτικού σε κανάλια στην περιφέρεια του αραιωτήρα, αναλόγως µε τις συνθήκες που επιλέχθηκαν για τη συγκεκριµένη µέτρηση. Οι συνθήκες αυτές είναι συνήθως λόγος αραίωσης (DR) 12:1 και θερµοκρασία αέρα αραίωσης 32 C (βλ. κεφάλαιο 3). Ο DR µετριέται µε αναλυτές CO 2 πριν και µετά τον πορώδη αραιωτήρα, όπως θα συζητηθεί στο κεφάλαιο 4. Το αραιωµένο καυσαέριο χωρίζεται σε δύο κλάδους που ονοµάζονται κλάδος υγρών και κλάδος στερεών σωµατιδίων κατά σύµβαση. Ο κλάδος στερεών σωµατιδίων ονοµάζεται έτσι γιατί µετρά µόνο το στερεό τµήµα των σωµατιδίων. Μετά την πρωτεύουσα αραίωση στον πορώδη αραιωτήρα το αραιωµένο δείγµα αραιώνεται (προαιρετικά) σε έναν αραιωτήρα ακροφυσίου για να µειωθεί η συγκέντρωση των σωµατιδίων. Στη συνέχεια περνά από έναν προσροφητήρα πτητικών ουσιών και το απαλλαγµένο από πτητικά δείγµα µετριέται από τον ηλεκτρικό προσκρουστήρα χαµηλής πίεσης (ELPI της Dekati Ltd.). Ο προσροφητήρας πτητικών ουσιών της Dekati Ltd. (βλ. κεφάλαιο 11) χρησιµοποιείται για την αποµάκρυνση των πτητικών συστατικών του αεροκολλοειδούς. Αρχικά το αεροκολλοειδές περνά από το θερµαντήρα

53 31 (θερµοκρασία 250 C και χρόνος παραµονής 0,3 s), όπου εξατµίζονται τα περισσότερα πτητικά. Στη συνέχεια το αεροκολλοειδές ψύχεται και έρχεται σε επαφή µε τον ενεργό άνθρακα. Έτσι, τα πτητικά συστατικά, τα µόρια των οποίων έχουν µεγάλες ταχύτητες διάχυσης, κατακρατούνται µε προσρόφηση στον ενεργό άνθρακα. Τα στερεά σωµατίδια συνεχίζουν σχεδόν ανεπηρέαστα, αν και για τα πολύ µικρά, οι ταχύτητες διάχυσης των οποίων είναι επίσης µεγάλες, οι απώλειες µπορεί να είναι σηµαντικές και πρέπει να προϋπολογίζονται θεωρητικά και πειραµατικά. Ο κλάδος υγρών σωµατιδίων ονοµάζεται έτσι επειδή οι συνθήκες είναι τέτοιες που ευνοούν την ανάπτυξη σωµατιδίων περιοχής πυρήνων όπου υπάρχει δυναµικό δηµιουργίας. Μετά την πρωτεύουσα αραίωση, το αραιωµένο δείγµα οδηγείται στον αγωγό γήρανσης όπου διατίθεται ο απαραίτητος χρόνος για σταθεροποίηση του (βλ. κεφάλαιο 6). Το µεγαλύτερο τµήµα του σταθεροποιηµένου δείγµατος οδηγείται σε έναν προσκρουστήρα σε σειρά (Dekati Ltd. DGI) (βλ. κεφάλαιο 8). Ο DGI αποτελείται από 4 βαθµίδες µε D 50% διαµέτρους στα 2,5 µm, 1 µm, 0,5 µm και 0,2 µm (µε παροχή µέσα από τον προσκρουστήρα στα 70 lpm). Ένα φίλτρο 70 mm (Teflon coated glass fiber) χρησιµοποιείται κατάντη των βαθµίδων για να συλλέγει τα υπόλοιπα σωµατίδια. Ο DGI δε µετρά σε πραγµατικό χρόνο, για αυτό και χρησιµοποιείται για τη µέτρηση της σωµατιδιακής µάζας µόνο σε σταθερά σηµεία (παροχή καυσαερίου πρακτικά σταθερή). Επιπλέον, οι µετρήσεις του DGI σε σταθερά σηµεία µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας του συστήµατος δειγµατοληψίας συγκρινόµενες µε τα ΡΜ από τον αγωγό πλήρους αραίωσης. Η παροχή του DGI µετριέται µε ένα ροόµετρο TSI 4040 (βλ. κεφάλαιο 7). Ο αραιωτήρας ακροφυσίου (τύπου εγχυτήρα) της Dekati Ltd. (βλ. κεφάλαιο 5) χρησιµοποιείται για να µειώσει τα επίπεδα των σωµατιδίων στα όρια των οργάνων. Η αρχή λειτουργίας του αραιωτήρα στηρίζεται στην άντληση δείγµατος µέσα από ένα ακροφύσιο λόγω της υποπίεσης που δηµιουργείται από τον αέρα αραίωσης που ρέει σε ένα βεντούρι που σχηµατίζεται στην περιφέρεια του ακροφυσίου. Γενικά, ο DR του αραιωτήρα εξαρτάται από την πίεση του αέρα αραίωσης, του δείγµατος και του χώρου ανάµειξης. Επειδή οι πιέσεις αυτές παραµένουν σταθερές κατά τη διάρκεια των µετρήσεων, ο DR παραµένει επίσης σταθερός. Ο απαριθµητής σωµατιδίων συµπύκνωσης (CPC 3010 της TSI) (βλ. κεφάλαιο 10) µετρά συνολικό αριθµό σωµατιδίων. Το άνω όριο λειτουργίας του οργάνου είναι 10 4 σωµατίδια ανά cm 3.

54 32 Α. Γενικά Ο διαφορικός αναλυτής κινητικότητας (DMA 3081 της TSI) (βλ. κεφάλαιο 10) ταξινοµεί τα σωµατίδια ανάλογα µε την ηλεκτρική τους κινητικότητα. Αν χρησιµοποιηθεί σε µια συγκεκριµένη διάµετρο, τότε το CPC, που βρίσκεται κατάντη του DMA, µετρά τα σωµατίδια αυτής της διαµέτρου (µονοµέγεθες * αεροκολλοειδές). Αν χρησιµοποιηθεί µε µεταβαλλόµενη διάµετρο, µετρά την κατανοµή µεγέθους αριθµού των σωµατιδίων (SMPS 3936L της TSI) σε 105 κλάσεις. Τότε όµως η σάρωση του εύρους των διαµέτρων που µετρά το όργανο ( nm) χρειάζεται περίπου δύο λεπτά, µε αποτέλεσµα η µέτρηση να είναι δυνατή µόνο σε σταθερά σηµεία και όχι σε κύκλους. Ο φορτιστής διάχυσης (DC της Dekati Ltd.) (βλ. κεφάλαιο 9) είναι ένα όργανο που µετρά ενεργό επιφάνεια σε πραγµατικό χρόνο. Το αεροκολλοειδές φορτίζεται µε ιόντα που δηµιουργούνται από ένα φορτιστή τύπου κορώνας. Τα σωµατίδια κάτω από 1 µm συλλέγονται σε ένα φίλτρο και το ρεύµα που δηµιουργούν µετριέται από ένα ηλεκτρόµετρο. Τα µεγαλύτερα αποχωρίζονται από τη ροή µε έναν προσκρουστήρα. Ο Πίνακας 2-1 δίνει περιληπτικά τις συνθήκες µέτρησης κάθε οργάνου στο σύστηµα. Πίνακας 2-1: Σύνοψη συνθηκών µέτρησης του αεροκολλοειδούς για κάθε όργανο. Οι τιµές ισχύουν για πρωτεύοντα DR 12,5:1 και θερµοκρασία αέρα αραίωσης 32 C. Ο DR του CPC και του SMPS εξαρτώνται από το µοντέλο που χρησιµοποιείται. Table 2-1: Summary of aerosol conditions upstream each instrument. These values correspond to a primary dilution ratio of 12.5:1 and a dilution air temperature of 32 C. The dilution ratios for CPC and SMPS depend on the model that is being used. Όργανο Παροχή [lpm] Συνολικός DR Θερµοκρασία [ C] Χρόνος παραµονής [s] DGI 70 12,5:1 T περιβ. + 5 C 2,5 ELPI 10 12,5:1 T περιβ C 3,5 DC :1 T περιβ. 3,0 SMPS : :1 T περιβ. 3,5 CPC : :1 T περιβ. 3,5 * Με τον όρο αυτόν αποδίδεται ο αγγλικός όρος monodisperse που υποδηλώνει αεροκολλοειδές ενός µεγέθους σωµατιδίων. Ο όρος αποδίδεται αλλιώς ως µονής ή απλής διασποράς. Αντίστοιχα ο όρος polydisperse αποδίδεται µε τον όρο πολυµέγεθες.

55 33 Silica gel Φίλτρο CPC SMPS ή DMA/CPC Ενεργός άνθρακας MFC MFC ΜΟΝΑ Α SP ΕΛΕΓΧΟΥ ST V ET EP DT CT Καυσαέριο Ρυθµιστές Πίεσης 3 bar Ψυκτικό Αραιωτήρας ακροφυσίου Αγωγός γήρανσης TD DC DGI On/off valve Bypass Παγίδα Ροόµετρο CO2 αναλ. CVS CO2 αναλ. (αραιωµ) ELPI Αέρας αραίωσης Αραιωµένο καυσ. Αντλία Εικόνα 2-1: Σχηµατική απεικόνιση του συστήµατος δειγµατοληψίας. είγµα καυσαερίου εισέρχεται στον πορώδη αραιωτήρα και αραιώνεται µε καθαρό αέρα αραίωσης. Στην πρωτεύουσα αραίωση ο λόγος αραίωσης (DR 12,5:1) και η θερµοκρασία του αέρα αραίωσης (32 C) είναι σταθερά. Επιπλέον, µετριούνται οι πιέσεις και οι θερµοκρασίες του καυσαερίου και του µίγµατος. Ο DR µετριέται µε αναλυτές CO 2. Τµήµα του αραιωµένου καυσαερίου εισέρχεται στον προσροφητήρα πτητικών ουσιών (TD) και στη συνέχεια στο ELPI (κλάδος στερεών). Το µεγαλύτερο τµήµα του αραιωµένου καυσαερίου περνά από τον αγωγό γήρανσης και µετριέται µε DC, CPC, SMPS και DGI, αφού αραιωθεί όσο ακόµη χρειάζεται µε αραιωτήρα ακροφυσίου. Figure 2-1: Typical schematic of the sampling set up. A small portion of the exhaust gas enters the primary porous dilutor where it is diluted with dehumidified and filtered air. The primary dilution ratio and the dilution air temperature are kept constant at 12.5:1 and 32 C respectively. Pressures and temperatures of the raw and diluted sample are also being measured. The primary dilution ratio is determined with CO 2 concentrations. Part of the diluted sample enters the thermodenuder (TD) and is being measured by ELPI (dry branch). Most of the sample is allowed to stabilize in an ageing chamber and is being measured by DC, CPC, SMPS and DGI, after lowering the particle concentration to appropriate levels with ejector dilutors. Το συγκεκριµένο σύστηµα χρησιµοποιήθηκε για τη µέτρηση ενός µεγάλου αριθµού οχηµάτων και κινητήρων (π.χ. Samaras et al. 2002, Ntziachristos et al. 2003, Ntziachristos et al. 2004a&b, Thomson et al. 2004, Vaaraslahti et al. 2004). Πλεονεκτήµατα συστήµατος Τα πλεονεκτήµατα του συγκεκριµένου συστήµατος δειγµατοληψίας είναι τα εξής (Ntziachristos et al. 2002, Samaras et al. 2002): Οι συνθήκες δειγµατοληψίας είναι σταθερές και ανεξάρτητες από το εργαστήριο, τον κύκλο µέτρησης ή το όχηµα.

56 34 Α. Γενικά Λόγω των σταθερών συνθηκών κατά τη διάρκεια της µέτρησης και της καλής λειτουργίας των αραιωτήρων και των άλλων οργάνων, το σύστηµα µετρά µε καλή επαναληψιµότητα. Λόγω της αρχής λειτουργίας του πρωτεύοντα (πορώδη) αραιωτήρα µπορούν να προσοµοιωθούν οποιεσδήποτε συνθήκες δειγµατοληψίας. Έτσι το σύστηµα είναι ευέλικτο και µπορεί να αραιώσει ελεγχόµενα σε µεγάλο σχετικά εύρος λόγων αραίωσης, θερµοκρασιών και χρόνων γήρανσης. Έτσι µπορεί να χρησιµοποιηθεί για διερεύνηση των επιπτώσεων των συνθηκών δειγµατοληψίας στις σωµατιδιακές εκποµπές. Επίσης σε κάθε οµάδα µετρήσεων µπορεί να χρησιµοποιούνται διαφορετικές συνθήκες ανάλογα µε το στόχο (π.χ. άλλες φορές να γίνεται θερµή αραίωση και άλλες ψυχρή). Με το σύστηµα αυτό µετριούνται πολλά χαρακτηριστικά των σωµατιδίων ταυτόχρονα (αριθµός, επιφάνεια, µάζα). Επίσης διαχωρίζονται τα στερεά από τα υγρά σωµατίδια. Σχόλια πάνω στην επιλογή των οργάνων Η επιλογή των οργάνων βασίστηκε στη σχετική βιβλιογραφία (Kittelson 1998, Concawe 1996, Ντζιαχρήστος 2000) µε κριτήρια την αξιοπιστία, την ανταγωνιστικότητα και τη διαθεσιµότητα τους. Η τοποθέτησή τους σε συγκεκριµένες θέσεις του συστήµατος βασίστηκε κατά ένα ποσοστό στην υπάρχουσα γνώση (όπως προκύπτει από τη βιβλιογραφία) αλλά και στην εµπειρία που σωρεύτηκε κατά τη διάρκεια του PARTICULATES µε στόχο την πληρέστερη διερεύνηση των ερευνητικών ζητουµένων. Πιο αναλυτικά: Ο DGI που χρησιµοποιείται για τη µέτρηση µάζας τοποθετήθηκε στον κλάδο των υγρών σωµατιδίων, έτσι ώστε να είναι δυνατή η σύγκριση µε τη µάζα που συλλέγεται στον αγωγό πλήρους αραίωσης. Ο DC που χρησιµοποιείται για τη µέτρηση της ενεργού επιφάνειας, τοποθετήθηκε επίσης στον κλάδο των υγρών σωµατιδίων για να παρέχει τη σχετική πληροφορία σε µη επεξεργασµένο δείγµα, το οποίο προσοµοιώνει καλύτερα το καυσαέριο κατά την αραίωση του στην πραγµατικότητα. Το CPC, το πιο γνωστό και αξιόπιστο όργανο µέτρησης αριθµού σωµατιδίων, τοποθετήθηκε στον κλάδο των υγρών σωµατιδίων για τον ίδιο λόγο.

57 35 Το SMPS, επίσης καθιερωµένο όργανο που µετρά κατανοµή µεγέθους αριθµού σωµατιδίων, τοποθετήθηκε µαζί µε το CPC. Το ELPI έχει καθιερωθεί στη µέτρηση αριθµού σωµατιδίων και επιπλέον δίνει κατανοµή µεγέθους αριθµού σωµατιδίων σε πραγµατικό χρόνο. Μειονέκτηµά του είναι ότι δε µετρά µε ακρίβεια τα νανοσωµατίδια, για αυτό και επιλέχθηκε να τοποθετηθεί στο κλάδο των στερεών σωµατιδίων. Σύνοψη συµπεράσµατα Xρησιµοποιήθηκε ένα σύστηµα µερικής δειγµατοληψίας µε σταθερή παροχή και σταθερές συνθήκες δειγµατοληψίας (DR 12,5:1 και θερµοκρασία αέρα αραίωσης 32 C) που ευνοούν τη δηµιουργία νανοσωµατιδίων. Περιλαµβάνει έναν κλάδο υγρών σωµατιδίων (χρόνος γήρανσης των σωµατιδίων περίπου 2,5 s και µέτρηση µε DGI, DC, CPC, SMPS) και έναν κλάδο στερεών σωµατιδίων (προσροφητήρας πτητικών ουσιών και µέτρηση µε ELPI). Βιβλιογραφία Concawe (1996). The Measurement of the Size Range and Number Concentration of Airborne Particles Related to Automotive Sources A Literature Study, Report no 96/56 Kittelson, D. B., Winthrop, F. W. and Arnold, M. (1998). Review of Diesel Particulate Matter Sampling Methods: Supplemental Report no 1, Diesel Exhaust Particle Instruments, University of Minnesota, Minneapolis, Minnesota, 1998 Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Samaras, Z., (2002). Future Requirements for the Characterisation of Exhaust Particulate Emissions, Proceedings of the International Symposium Transport and Air Pollution, Graz, June 2002 Samaras, Z., Ntziachristos L., Giechaskiel B. (2002). Characterization of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles, Proceedings of FISITA 2002, Helsinki Finland, June 2002 Ντζιαχρήστος Λ. (2000). Φυσικός Χαρακτηρισµός Σωµατιδιακών Εκποµπών Κινητήρων Εσωτερικής Καύσης σε Πραγµατικό Χρόνο, διδακτορική διατριβή, τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, Α.Π.Θ.

58 36 Α. Γενικά 3. Συνθήκες δειγµατοληψίας Στη συνέχεια περιγράφονται αρχικά τα χαρακτηριστικά του αέρα αραίωσης που χρησιµοποιήθηκε στα πειράµατα και στη συνέχεια οι συνθήκες δειγµατοληψίας που επιλέχθηκαν. Αέρας αραίωσης Σωµατίδια: Είναι προφανές ότι ο αέρας αραίωσης πρέπει να είναι απαλλαγµένος από σωµατίδια που θα επηρεάζουν τη µέτρηση. Για το λόγο αυτό τοποθετείται φίλτρο υψηλού βαθµού κατακράτησης σωµατιδίων (High Efficiency Particulate Air, ΗΕΡΑ) στην γραµµή του αέρα. Έλεγχοι που έγιναν µε το SMPS και το CPC έδειξαν ότι η συνολική συγκέντρωση σωµατιδίων στον αέρα αραίωσης µετά το φίλτρο είναι µικρότερη από 30 cm -3. Υδρογονάνθρακες: Τα οργανικά συστατικά µπορούν να επηρεάσουν την περιοχή πυρήνων (Mathis et al. 2004α). Έτσι, στη γραµµή του αέρα αραίωσης τοποθετείται ενεργός άνθρακας για την αποµάκρυνση πτητικών ενώσεων (υδρογονανθράκων) που θα επηρέαζαν τη µέτρηση. Μετρήσεις του υδρογονανθρακικού περιεχοµένου του αέρα αραίωσης µε ανιχνευτή ιονισµού φλόγας (Flame Ionization Detector, FID) έδειξε συγκέντρωση µικρότερη από 2 ppm (επίπεδο θορύβου FID). Αυτή η συγκέντρωση είναι χαµηλή για την ανάπτυξη νανοσωµατιδίων, όπως υποδεικνύεται από τις µετρήσεις της EMPA (Swiss Federal Laboratories for Material Testing and Research) (Deliverable 3, 2002). ιατηρώντας πολύ χαµηλό το ποσοστό των υδρογονανθράκων διασφαλίζεται ανεξαρτησία από το περιεχόµενο υδρογονανθράκων στο κάθε εργαστήριο και εποµένως συγκρισιµότητα µεταξύ των διαφορετικών εργαστηρίων. Υγρασία: Μετρήσεις των Khalek et al. (1999) έδειξαν ότι αύξηση της σχετικής υγρασίας από 15% σε 40% αύξησε τον αριθµό των νανοσωµατιδίων κατά 30%. Πάντως ακόµη κι αν η σχετική υγρασία µειωθεί στο 2%, η περιοχή των πυρήνων συνεχίζει να υφίσταται (Deliverable 3, 2002). Για το λόγο αυτό, αποφασίστηκε ο αέρας αραίωσης να απαλλάσσεται πλήρως από την υγρασία του. Έτσι, διασφαλίζεται συγκρισιµότητα µεταξύ των µετρήσεων µε απλό και πρακτικό τρόπο αποφεύγοντας

59 37 τον καθορισµό συγκεκριµένης τιµής σχετικής υγρασίας, παρόλο που κάτι τέτοιο θα προσοµοίωνε καλύτερα τον ατµοσφαιρικό αέρα. Στη διάταξη του εργαστηρίου ο αέρας αραίωσης περνά από µια στήλη silica gel (πηκτή ή γέλη οξειδίου του πυριτίου) (ξηραντικό) 6 λίτρων περίπου, ποσότητα που αρκεί να αφυγράνει αέρα παροχής 200 lpm για 5 ώρες. Μετρήσεις υγρασίας του αέρα αραίωσης έδειξαν ότι η υγρασία κυµαίνεται µεταξύ 0 5% (το υγρασιόµετρο Testostor έδωσε τις κάτω τιµές και το υγρασιόµετρο Testo 608-Η3 έδωσε τις υψηλές) όταν το ξηραντικό είναι ακόρεστο και 5 10% όταν είναι έχουν κορεστεί περίπου τα 2/3 της ποσότητας. Εποµένως, αναµένεται σχετική υγρασία 0% στην αρχή των µετρήσεων και όχι πάνω από 5% στο τέλος των µετρήσεων του εργαστηρίου, πριν την αλλαγή του ξηραντικού. Αυτό το ποσοστό της υγρασίας δεν επηρεάζει σηµαντικά την πυρηνογένεση νανοσωµατιδίων στη θερµοκρασία του αέρα αραίωσης που έγιναν οι περισσότερες µετρήσεις (32 C), σύµφωνα µε µετρήσεις στην EMPA (Deliverable 3, 2002). Συνθήκες επεξεργασίας δείγµατος Οι συνθήκες δειγµατοληψίας είναι σηµαντικές για τα χαρακτηριστικά του αεροκολλοειδούς, ιδιαίτερα για τα νανοσωµατίδια. Στη συνέχεια δίνονται παραδείγµατα επίδρασης των σηµαντικότερων παραµέτρων στη δειγµατοληψία, δηλαδή του λόγου αραίωσης και της θερµοκρασίας του αέρα αραίωσης. Λόγος αραίωσης (DR): Ο DR στον πρωτεύοντα αραιωτήρα (πορώδης) καθορίζεται από την παροχή του αέρα αραίωσης και την παροχή του αραιωµένου δείγµατος που καθορίζεται από τις αντλίες που χρησιµοποιούνται. Η επίδραση του DR στις κατανοµές µεγέθους αριθµού των σωµατιδίων έχει εξεταστεί από πολλούς ερευνητές. Στο εργαστήριο επιβεβαιώθηκαν τα συµπεράσµατά τους (Εικόνα 3-1). Για παράδειγµα, µετρήσεις µε ένα VW Golf TDi Euro I όχηµα (Παράρτηµα Γ) µε καύσιµο της ΕΚΟ (60 ppm θείο) (Παράρτηµα Β) έδειξαν ότι αύξηση του DR από 30:1 σε 42:1 µείωσε την περιοχή των πυρήνων 70%. Θερµοκρασία αέρα αραίωσης: Η θερµοκρασία του αέρα αραίωσης είναι σηµαντική παράµετρος, ιδιαίτερα στο σχηµατισµό νανοσωµατιδίων όπως έχει αναφερθεί και από άλλους ερευνητές. Στην Εικόνα 3-2 εξετάζεται η επίδρασή της στην κατανοµή µεγέθους αριθµού των σωµατιδίων. Οι µετρήσεις έγιναν σε ένα VW Gold TDi Euro I

60 38 Α. Γενικά όχηµα µε καύσιµο της ΕΚΟ. Όπως φαίνεται, αύξηση της θερµοκρασίας στους 70 C εξαφάνισε την περιοχή των πυρήνων. Αριθµητική συγκέντρωση dn/dlogdp [cm -3 ] 2,0E+08 1,6E+08 1,2E+08 8,0E+07 4,0E+07 0,0E+00 PDR 42:1 PDR 30: ιάµετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 3-1: Επίδραση του πρωτεύοντα λόγου αραίωσης (PDR) στην κατανοµή µεγέθους αριθµού σωµατιδίων. VW Gold TDi Euro I κινητήρας, 2000 rpm, 50% φορτίο, 60 ppm θείο στο καύσιµο, χρόνος παραµονής ανάµεσα στην πρωτεύουσα και δευτερεύουσα αραίωση 0,5 s. Έχουν γίνει διορθώσεις για τους λόγους αραίωσης. Figure 3-1: Effect of primary dilution ratio (PDR) on particle number size distribution. VW Gold TDi Euro I engine, 2000 rpm, 50% load, 60 ppm sulphur in fuel, residence time 0.5 s. Size distributions corrected for DR. Αριθµητική συγκέντρωση dn/dlogdp [cm -3 ] 1,0E+08 8,0E+07 6,0E+07 4,0E+07 2,0E+07 0,0E+00 DAT 30 o C DAT 70 o C ιάµετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 3-2: Επίδραση θερµοκρασίας αέρα αραίωσης (DAT) στην κατανοµή µεγέθους αριθµού. VW Gold TDi Euro I κινητήρας, 2000 rpm 50% φορτίο. Πρωτεύων λόγος αραίωσης PDR 35:1, δευτερεύουσα αραίωση 10:1, 60 ppm θείο, χρόνος παραµονής πρωτεύουσας δευτερεύουσας αραίωσης 0,5 s. Figure 3-2: Effect of dilution air temperature (DΑT) on particle number size distributions. VW Gold TDi Euro I engine, 2000 rpm 50% load. Primary dilution ratio 35:1, secondary dilution ratio 10:1, 60 ppm sulphur in fuel, residence time 0.5 s. Επιλογή συνθηκών πρωτεύουσας αραίωσης: Στην ατµόσφαιρα οι συνθήκες ανάµειξης καυσαερίου ατµοσφαιρικού αέρα µεταβάλλονται σηµαντικά και ανάλογα

61 39 µε το χώρο και τον τρόπο που κινείται το όχηµα και τις επικρατούσες µετεωρολογικές συνθήκες. Για παράδειγµα, η θερµοκρασία του αέρα µπορεί να κυµαίνεται από 30 C ως 45 C, η σχετική υγρασία από % και η αραίωση από 10 2 :1 ως 10 6 :1. Επειδή η προσοµοίωση των συνθηκών αυτών είναι πολύ δύσκολη (αν όχι αδύνατη) στο εργαστήριο, είναι αναγκαία µια σύµβαση. Η σύµβαση που γίνεται στα πλαίσια της εργασίας, είναι να προκρίνεται η σταθερότητα των συνθηκών δειγµατοληψίας (Kittelson et al. 2002) µε στόχο τη συγκρισιµότητα των µετρήσεων εις βάρος µιας πιο πολυδιάστατης δειγµατοληψίας που θα έπασχε από σηµαντικό αριθµό αβεβαιοτήτων. Στα πλαίσια του PARTICULATES, η επιλογή των συνθηκών έγινε πειραµατικά µε ένα Euro II όχηµα (Skoda TDi) που παρήγαγε διακριτές περιοχές πυρήνων και συσσώρευσης στα 50 km/h µε φορτίο 7 kw (Mathis et al. 2004β). Η διασπορά των µετρήσεων της περιοχής των πυρήνων την ίδια µέρα (σταθερότητα) ήταν 5%, ενώ σε διαφορετικές µέρες 15%. Η διασπορά στην περιοχή συσσώρευσης ήταν µικρότερη από 5% (Deliverable 3, 2002). Η Εικόνα 3-3 δείχνει την ευαισθησία των νανοσωµατιδίων σε µεταβολές του DR κατά µία µονάδα και της θερµοκρασίας του αέρα αραίωσης κατά µισή µονάδα. Φαίνεται από την εικόνα ότι σε όλους τους DR που χρησιµοποιήθηκαν και σε θερµοκρασίες πάνω από τους 40 C δε σχηµατίζονται νανοσωµατίδια. Αντίθετα, σε χαµηλότερες θερµοκρασίες σχηµατίζονται και η συγκέντρωσή τους είναι ευαίσθητη στις συνθήκες δειγµατοληψίας. Στην εικόνα φαίνονται δύο περιοχές µε µικρή ευαισθησία. Η µία αντιστοιχεί σε DR περίπου 12,5:1 και θερµοκρασία αέρα αραίωσης 30 C, και η άλλη σε DR περίπου 25:1 και θερµοκρασία αέρα αραίωσης 20 C. Για πρακτικούς λόγους στο µεγαλύτερο µέρος της εργασίας επιλέχτηκε ο χαµηλότερος DR και η υψηλότερη θερµοκρασία (λιγότερο απαιτητική ψύξη και µικρότερη ποσότητα αέρα αραίωσης, ελαχιστοποίηση προβληµάτων ανάστροφης ροής (backflow) στον πορώδη αραιωτήρα, συλλογή ικανοποιητικής ποσότητας µάζας στον DGI στους κύκλους). Να τονιστεί ότι τα αποτελέσµατα αυτά ισχύουν για ένα όχηµα σε ένα συγκεκριµένο σηµείο λειτουργίας και δεν ισχύουν απαραίτητα για διαφορετικά σηµεία λειτουργίας ή οχήµατα. Παρόλα αυτά οι µετρήσεις έδειξαν ότι η επιλογή ήταν ικανοποιητική (βλ. Γ µέρος).

62 40 Α. Γενικά Εικόνα 3-3: Ευαισθησία (sensitivity) νανοσωµατιδίων σε µεταβολή του λόγου αραίωσης (dilution ratio) κατά µία µονάδα και της θερµοκρασίας αραίωσης (dilution temperature) κατά µισή µονάδα. (Πηγή: Deliverable 3, 2002). Figure 3-3: Sensitivity of nucleation mode at dilution ratio change one unit and dilution air temperature half unit (Source: Deliverable 3, 2002). ευτερεύουσα αραίωση: Η δευτερεύουσα αραίωση γίνεται µε αραιωτήρες ακροφυσίου οι οποίοι φάνηκε ότι δεν επηρεάζουν την κατανοµή µεγέθους των σωµατιδίων (Giechaskiel et al. 2005). Στην περίπτωση αυτή, ο DR εξαρτάται από τη σωµατιδιακή συγκέντρωση του πρωταρχικά αραιωµένου καυσαερίου και καθορίζεται έτσι, ώστε αυτή η συγκέντρωση να µειωθεί στα επίπεδα λειτουργίας του οργάνου. Επίσης, προτιµήθηκε ο αέρας να έχει τη θερµοκρασία περιβάλλοντος επειδή ήδη από την πρώτη αραίωση η θερµοκρασία του αραιωµένου καυσαερίου έχει πέσει σε χαµηλά επίπεδα. Σύνοψη συµπεράσµατα Μετρήσεις του εργαστηρίου επιβεβαίωσαν τη συµπεριφορά των νανοσωµατιδίων µε µεταβολή του DR και της θερµοκρασίας του αέρα αραίωσης:

63 41 Αύξηση του DR οδηγεί σε χαµηλότερες συγκεντρώσεις νανοσωµατιδίων µετά τη διόρθωση της συγκέντρωσης µε τον DR. Αύξηση της θερµοκρασίας του αέρα αραίωσης οδηγεί σε µειωµένες συγκεντρώσεις νανοσωµατιδίων. Η άλλη σηµαντική παράµετρος της δειγµατοληψίας στη συµπεριφορά των νανοσωµατιδίων (χρόνος παραµονής) εξετάζεται στο κεφάλαιο «Αγωγός γήρανσης». Οι συνθήκες δειγµατοληψίας που επιλέχθηκαν: Ήταν σταθερές σε όλες τις µετρήσεις, ώστε να είναι δυνατή η σύγκριση µεταξύ διαφορετικών τεχνολογιών, οχηµάτων, καυσίµων κτλ. Επίσης µε σταθερές συνθήκες δειγµατοληψίας ήταν δυνατή η σύγκριση µετρήσεων µεταξύ διαφορετικών εργαστηρίων που χρησιµοποίησαν τις ίδιες συνθήκες δειγµατοληψίας. Ήταν τέτοιες, ώστε να µπορούν να µετρηθούν πολλά χαρακτηριστικά των σωµατιδίων. Έτσι η αραίωση ήταν αρκετά χαµηλή ώστε να µπορεί να συλλεχθεί αρκετή µάζα, η θερµοκρασία κατάλληλη ώστε να δηµιουργείται περιοχή πυρήνων επαναλήψιµα και δινόταν αρκετός χρόνος για ανάπτυξη και σταθεροποίηση του αεροκολλοειδούς (βλ. «Αγωγός γήρανσης»). Ήταν τέτοιες, ώστε δινόταν η δυνατότητα δηµιουργίας νανοσωµατιδίων χωρίς αυτά να είναι ευαίσθητα σε µικρές αλλαγές της θερµοκρασίας και του DR. Ήταν εύκολα επιτεύξιµες σε περιβάλλον εργαστηρίου (ποσότητα αέρα, θερµοκρασία ψύξης). Βιβλιογραφία Deliverable 3: Investigations for the Definition of Sampling Conditions for the Selected Instrumentation, from PARTICULATES project Giechaskiel, B, Ntziachristos, L. Samaras, Z. (2005). Effect of Ejector Dilutor on Exhaust Gas Size distributions, in preparation to be submitted to Environmental Science and Technology. Khalek, I. A., Kittelson, D. and Brear, F., (1999). The Influence of Dilution Conditions on Diesel Exhaust Particle Size Distribution Measurements, SAE Kittelson, D., Watts, W., Johnson, J. (2002). Diesel Aerosol Sampling Methodology, CRC E- 43, Final Report

64 42 Α. Γενικά Mathis, U., Mohr, M., Zenobi, R. (2004α). Effect of Organic Compounds on Nanoparticle Formation in Diluted Diesel Exhaust, Atmospheric Chemistry & Physics Discussion, 4, Mathis, U., Ristimäki, J., Mohr, M., Keskinen, J., Ntziachristos, L., Samaras, Z., Mikkanen, P. (2004β) Sampling Conditions for the Measurement of Nucleation Mode Particles in the Exhaust of a Diesel Vehicle, J. Aerosol Science, 38, Shi, J. P., Khan, A. A., Harrison, R. M. (1999). Measurements of Ultrafine Particle Concentration and Size Distribution in the Urban Atmosphere, The Science of the Total Environment, 235, 51-64

65 43 B. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Στο Α µέρος συζητήθηκαν τα βασικά χαρακτηριστικά της διάταξης. Στη συνέχεια θα περιγραφεί κάθε τµήµα της αναλυτικά: 4. Πορώδης αραιωτήρας. 5. Αραιωτήρας ακροφυσίου (τύπου εγχυτήρα). 6. Αγωγός γήρανσης. 7. Ροόµετρο και ρυθµιστής µάζας (MFC). 8. Προσκρουστήρας σε σειρά (DGI) 9. Φορτιστής διάχυσης (DC). 10. Απαριθµητής σωµατιδίων συµπύκνωσης (CPC), διαφορικός αναλυτής κινητικότητας (DMA), κατανεµητής µεγέθους κινητικότητας σωµατιδίων µε σάρωση (SMPS). 11. Προσροφητήρας πτητικών ουσιών.

66 44 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος 4. Πορώδης αραιωτήρας Η συσκευή αυτή σχεδιάστηκε για ταυτόχρονη δειγµατοληψία και αραίωση δείγµατος καυσαερίου. ίνει τη δυνατότητα µεγιστοποίησης των µετατροπών αέριο-προςσωµατίδιο κατά την αραίωση (πυρηνογένεση υγρών σωµατιδίων και ταυτόχρονη συµπύκνωση), ενώ ελαχιστοποιεί τις απώλειες των στερεών σωµατιδίων (Mikkanen et al. 2001, Sierra 1998). Η τεχνική αυτή χρησιµοποιήθηκε για πρώτη φορά στη διερεύνηση παραγωγής σωµατιδίων οξειδίου του πυριτίου µε οξείδωση του τετραχλωριδίου του (Biswas and Pratsinis 1989). Στην περίπτωση αυτή η γρήγορη αραίωση (µε άζωτο) χρησιµοποιήθηκε για το «πάγωµα» της χηµικής αντίδρασης και την ελαχιστοποίηση της συσσωµάτωσης των σωµατιδίων και των επικαθήσεων τους στα τοιχώµατα του αραιωτήρα. Στην παρούσα εργασία χρησιµοποιείται για το γρήγορο υπερκορεσµό του καυσαερίου και για την ελαχιστοποίηση της συσσωµάτωσης και επικάθησης των σωµατιδίων. Στον αραιωτήρα αυτό ο αέρας εισέρχεται περιφερειακά από πόρους (20 µm) και αναµιγνύεται µε το καυσαέριο (τµήµα ανάµειξης). Παράλληλα ο αέρας ψύχεται ή θερµαίνεται ώστε να διατηρεί σταθερή τη θερµοκρασία του πριν από την αραίωση (τµήµα ψύξης / θέρµανσης) (Εικόνα 4-1). Τέτοιοι αραιωτήρες έχουν χρησιµοποιηθεί σε λίγες σχετικές εργασίες (π.χ. Kittelson et al. 2002, Lyyränen et al. 2002), και µόλις πρόσφατα άρχισε η συστηµατική αξιολόγησή τους (Lyyränen et al. 2004α&β). είγµα Qsam Τµήµα ψύξης Ψυκτικό θερµαντήρας Αέρας αραίωσης Qda Αραιωµένο δείγµα Qtot Εικόνα 4-1: Figure 4-1: Αρχή λειτουργίας πορώδη αραιωτήρα. Porous dilutor principle of operation.

67 45 Προτερήµατα του είναι η εύκολη µεταβολή του λόγου αραίωσης (DR) (εξαρτάται από τη ροή µάζας του αέρα) και της θερµοκρασίας του αέρα αραίωσης. Έτσι, µπορεί να ελεγχθεί η δηµιουργία σωµατιδίων από πυρηνογένεση και συµπύκνωση. Να σηµειωθεί ότι ο αραιωτήρας που χρησιµοποιήθηκε στις µετρήσεις δεν είχε πόρους, αλλά οπές (200 µm) και, αυστηρότερα, θα έπρεπε να αναφέρεται ως διάτρητος αραιωτήρας. Εδώ διατηρείται ο όρος πορώδης αφού είναι αυτός που χρησιµοποιείται ευρύτερα στη βιβλιογραφία. Τµήµα ανάµειξης Το τµήµα ανάµειξης αποτελείται από ένα σωλήνα µήκους 8 cm και εσωτερικής διαµέτρου 8 mm (Εικόνα 4-1). Όπως ήδη ειπώθηκε, κατά µήκος του σωλήνα υπάρχουν µικρές οπές (200 µm), από τις οποίες εισέρχεται περιφερειακά ο αέρας αραίωσης. Η παροχή του αέρα αραίωσης είναι σταθερή και καθορίζεται από ρυθµιστή παροχής µάζας, ανάλογα µε το ζητούµενο DR. Στο πρωτότυπο που χρησιµοποιήθηκε, η µεγαλύτερη ποσότητα του αέρα αραίωσης (70 90%) εισέρχεται από την άκρη του αραιωτήρα ενώ η υπόλοιπη ποσότητα εισέρχεται µέσα από τις οπές, µε στόχο την ελαχιστοποίηση των απωλειών. Ο χρόνος παραµονής µέσα στον πορώδη αραιωτήρα εκτιµάται σε λίγα ms. Η ποσότητα του καυσαερίου που εισέρχεται κυµαίνεται από 5 10 lpm και αντιστοιχεί σε λιγότερο από 1% του συνολικού καυσαερίου για ένα τυπικό επιβατηγό όχηµα µε παροχή καυσαερίου 60 m 3 /h. Η θεωρητική απόδοση του αραιωτήρα διερευνάται στην εργασία των Mikkanen et al. (2001). Πρέπει να τονιστεί ότι µε τον πορώδη αραιωτήρα δεν επιτυγχάνεται ισοκινητική δειγµατοληψία, αλλά αυτό αντισταθµίζεται από το γεγονός ότι οι απώλειες σωµατιδίων κάτω από 1 µm είναι αµελητέες (Παράρτηµα ). Αυτό επιβεβαιώθηκε από µετρήσεις που διεξήχθησαν στην ΑΕΑΤ (Deliverable 3, 2002). Το ζήτηµα των απωλειών εξετάζεται ιδιαίτερα στα κεφάλαια 12 και 16. Μέτρηση λόγου αραίωσης: Θεωρητικά o DR θα µπορούσε να εκτιµηθεί από το ισοζύγιο ροών: DR Q tot tot = = (4-1) Q s Q tot Q Q da όπου Q tot η συνολική παροχή στην έξοδο του αραιωτήρα, Q sam η παροχή του δείγµατος και Q da η παροχή του αέρα αραίωσης στις ίδιες συνθήκες. Υπάρχουν όµως κάποιοι περιορισµοί. Καταρχήν, η παροχή καυσαερίου καθορίζεται από την αφαίρεση

68 46 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος δύο µεγάλων παροχών (συνολική και αέρα αραίωσης) µε αποτέλεσµα να µην µπορεί να καθοριστεί µε ακρίβεια και έτσι το σφάλµα προσδιορισµού του DR µέσω παροχών να είναι µεγάλο. Επίσης, οι µεταβολές της πίεσης και της θερµοκρασίας στην εξάτµιση µπορεί να επιβάλλουν ανάστροφη ροή (τµήµα του αέρα αραίωσης πηγαίνει προς το καυσαέριο, αντί να εισέλθει στο σύστηµα backflow). Επειδή δεν είναι γνωστή η επίδραση της ανάστροφης ροής στη µέτρηση των παροχών, αντί του καθορισµού του DR από τις παροχές, αποφασίστηκε η συνεχής καταγραφή του µε µέτρηση της συγκέντρωσης CO 2 του καυσαερίου (αραιωµένου και µη). Έτσι αν η ανάστροφη ροή συµβαίνει στιγµιαία, οι αναλυτές θα είναι σε θέση να προσδιορίσουν πότε αυτή συµβαίνει µέσω κορυφών στη µέτρηση. Αν πάλι είναι συνεχής (π.χ. συνέχεια κάποια ποσότητα αέρα να διαφεύγει προς το καυσαέριο) τότε η µέτρηση µε τους αναλυτές θα δίνει τον πραγµατικό DR. Ο υπολογισµός γίνεται από τη σχέση: [ C CO C( CO ] C( H O) r [ C( CO C( CO ] ( 2) r 2) a 2 DR = (4-2) C C ( CO 2) d ( CO 2) a όπου, C CO2 είναι συγκέντρωση διοξειδίου του άνθρακα, ο δείκτης a δηλώνει περιβάλλον (ambient), ο δείκτης r δηλώνει καυσαέριο (raw) και ο δείκτης d αραιωµένο καυσαέριο (diluted). Στην εξίσωση 4-2 γίνεται διόρθωση για την υγρασία του καυσαερίου C (H2Ο)r, επειδή οι αναλυτές µετράνε ξηρό καυσαέριο, µέσω της προσεγγιστικής σχέσης: C ( H O) r ( CO 2) r 2) r 1 = (4-3) 1 1/ C 2 + 2) d Περισσότερες λεπτοµέρειες πάνω στους υπολογισµούς του λόγου αραίωσης δίνονται από τον Σεραφειµίδη (2004). Να σηµειωθεί τέλος ότι και οι γραµµές τροφοδοσίας των αναλυτών και οι ίδιοι οι αναλυτές επηρεάζουν το αποτέλεσµα του DR και αυτό το ζήτηµα θα συζητηθεί ιδιαίτερα στη συνέχεια. Τµήµα ψύξης Με τον πορώδη αραιωτήρα είναι δυνατή η διατήρηση σταθερής της θερµοκρασίας του αέρα αραίωσης και έτσι µπορεί να προσοµοιωθεί η σταθερή θερµοκρασία του αέρα περιβάλλοντος. Η θερµοκρασία του αέρα αραίωσης µετριέται λίγο πριν αυτός αναµιχθεί µε το καυσαέριο. Επειδή ο αραιωτήρας είναι τοποθετηµένος µέσα στον

69 47 αγωγό καυσαερίου επηρεάζεται και η θερµοκρασία του αέρα αραίωσης. Η ψύξη του αέρα αραίωσης επιτυγχάνεται µε ροή ψυκτικού µέσου (αέρα ή νερού) σε κανάλια γύρω από τον αέρα αραίωσης. Η ροή του ψυκτικού ελέγχεται µέσω ηλεκτροµαγνητικής βάνας που σταµατά όταν ο αέρας αραίωσης ψυχθεί επαρκώς και εκκινεί όταν η θερµοκρασία του αέρα αραίωσης υπερβεί ένα προκαθορισµένο όριο. Η θέρµανση του αέρα αραίωσης επιτυγχάνεται λίγο πριν την είσοδό του στον αραιωτήρα µε ηλεκτρικό θερµαντήρα. Η διατήρηση σταθερής της θερµοκρασίας του αέρα αραίωσης είναι επίσης δυνατή µε τη χρήση ενός θερµοστάτη. Στις παραπάνω µετρήσεις προβλήµατα χρονικής απόκρισης εισάγουν µια αβεβαιότητα στη µέτρηση και καθορισµό της θερµοκρασίας του αέρα αραίωσης. Παρόλα αυτά, µετρήσεις έδειξαν ότι η θερµοκρασία του αέρα αραίωσης κατά τη διάρκεια ενός κύκλου δε µεταβάλλεται περισσότερο από ±1 ºC. Σταθερότητα του λόγου αραίωσης Ο DR στον πορώδη αραιωτήρα καθορίζεται από την παροχή του αέρα αραίωσης και των καταναλώσεων µετά τον αραιωτήρα. Όταν αυτές οι δύο παροχές είναι σταθερές, τότε θεωρητικά και ο DR παραµένει σταθερός. Αν κάποια από αυτές τις δύο αλλάξει, τότε µεταβάλλεται το δείγµα που εισέρχεται, µε αποτέλεσµα να διαφοροποιείται ο DR. Για παράδειγµα, αν ο αέρας αραίωσης αυξηθεί, τότε ο DR αυξάνεται, γιατί µειώνεται η ποσότητα του δείγµατος που εισέρχεται στον αραιωτήρα (εφόσον Q tot =σταθερό, βλ. σχέση 4-1). Αν επίσης µειωθεί η συνολική παροχή (π.χ. φράξιµο φίλτρου ή µείωση παροχής ενός οργάνου) τότε ο DR αυξάνεται γιατί µειώνεται η ποσότητα του δείγµατος που εισέρχεται στον αραιωτήρα. Αν όµως η παροχή του αέρα αραίωσης και η συνολική παροχή µείνουν σταθερές, τότε η ποσότητα δείγµατος που εισέρχεται πρέπει να παραµείνει σταθερή, άρα και ο DR. Στη συνέχεια θα εξεταστεί η τελευταία περίπτωση σε πραγµατικές συνθήκες, δηλαδή όταν ο αραιωτήρας βρίσκεται τοποθετηµένος στην εξάτµιση οχηµάτων και θα διερευνηθούν τα εξής ζητήµατα (Ntziachristos et al. 2002, 2004): Α. Πόσο σταθερός µένει ο DR σε σταθερό σηµείο λειτουργίας i) κινητήρα και ii) οχήµατος. Β. Καθορίζοντας τον DR σε κάποιο σηµείο λειτουργίας του i) κινητήρα και ii) του οχήµατος, σε ποιο εύρος µεταβάλεται ο DR σε άλλα σηµεία λειτουργίας.

70 48 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Γ. Πόσο µεταβάλλεται ο DR στις µεταβάσεις (επιταχύνσεις, επιβραδύνσεις) σε κύκλο οδήγησης σε σχέση µε τη ρυθµισµένη τιµή.. Αν πρέπει να χρησιµοποιηθεί η µέση τιµή ή η στιγµιαία τιµή του DR για τον υπολογισµό των σωµατιδιακών εκποµπών. Αi. Σταθερό σηµείο λειτουργίας σε κινητήρα: Η σταθερότητα του DR κατά τη διάρκεια σταθερών σηµείων λειτουργίας κινητήρα είναι ικανοποιητική. Η Εικόνα 4-2 δείχνει ένα παράδειγµα λειτουργίας κινητήρα VW Golf TDi Euro I. εν υπάρχει σιγαστήρας ούτε άλλη συσκευή µετεπεξεργασίας και το καυσαέριο δειγµατοληπτείται 1,5 m από την πολλαπλή εξαγωγής. Οι µετρηµένες συγκεντρώσεις CO, CO 2, το σήµα του φορτιστή διάχυσης (DC) και ο υπολογισµένος DR είναι σταθερά µε συντελεστή µεταβλητότητας (CoV) 1%, 1,3%, 2,9% και 1,3% αντίστοιχα. DC Ενεργή Επιφάνεια [cm 2 /s] DR CO 2 [%] CO DC DR CO2 raw Χρόνος [s] CO [ppm] Εικόνα 4-2: Σταθερότητα του CO, CO 2, DC και DR σε σταθερό σηµείο λειτουργίας (1500 rpm, 80 Nm) για έναν VW TDi Euro I κινητήρα. Οι µεταβολές της ταχύτητας και του φορτίου είναι αµελητέες. Figure 4-2: Stability of CO, CO 2, DC and DR signals over steady state operation (1500 rpm, 80 Nm) of a VW TDi Euro I engine. Variation of engine speed and load are negligible.

71 49 Aii. Σταθερό σηµείο λειτουργίας σε όχηµα: Η Εικόνα 4-3 δείχνει τα ίδια µεγέθη για ένα όχηµα VW Golf TDi Euro II που λειτουργεί στην πέδη µε σταθερή ταχύτητα 50 km/h (49 ως 51 km/h) σε φορτίο δρόµου. O DR µεταβάλλεται από 11:1 ως 13:1 (µέση τιµή 12,1:1 και CoV 2,8%). Τα σήµατα CO, CO 2 και DC έχουν CoV 5,2%, 5,9% και 10,8% αντίστοιχα στα δύο λεπτά δειγµατοληψίας. Η µεγαλύτερη µεταβλητότητα στην περίπτωση του οχήµατος δεν πρέπει να θεωρηθεί πρόβληµα του συστήµατος δειγµατοληψίας, αλλά χαρακτηριστικό του γεγονότος ότι η σταθεροποίηση του οχήµατος σε κάποια ταχύτητα είναι λιγότερο ακριβής από τη σταθεροποίηση του κινητήρα σε κάποιο σηµείο DC Ενεργή Επιφάνεια [cm 2 /s] DC CO CO [ppm] DR CO 2 [%] DR Ταχύτητα CO2 raw Χρόνος [s] Ταχύτητα [km/h] Εικόνα 4-3: Σταθερότητα του CO, CO 2, DC και DR σε σταθερό σηµείο λειτουργίας (50 km/h, φορτίο δρόµου) για ένα VW TDi Euro IΙ όχηµα. Figure 4-3: Stability of CO, CO 2, DC and DR signals over steady state operation (50 km/h, road load) of a VW Golf TDi Euro II vehicle. Βi. Εύρος µεταβολής DR στο πεδίο του κινητήρα: Οι προηγούµενες δύο εικόνες έδειξαν ότι σε σταθερό σηµείο λειτουργίας ο DR παραµένει σταθερός. Το επόµενο ερώτηµα που τίθεται είναι πόσο µεταβάλλεται ο DR στο εύρος λειτουργίας του κινητήρα, όταν ρυθµιστεί σε κάποιο σηµείο. Η Εικόνα 4-4 δείχνει τη µεταβολή του

72 50 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος λόγου αραίωσης στο πεδίο του κινητήρα (VW Golf TDi Euro I) από ρελαντί ως 2500 rpm µε µεταβολή του φορτίου από 0 ως 75%. Ο DR ρυθµίστηκε 13:1 στις 1500 rpm και 25% φορτίο (7,5 kw), ρυθµίζοντας την παροχή του αέρα αραίωσης. Η παροχή του αέρα αραίωσης και του αραιωµένου δείγµατος στην έξοδο του αραιωτήρα στη συνέχεια παρέµειναν αµετάβλητες. Ο DR µετριόταν σε κάθε σηµείο µε CO 2 αναλυτές. Φαίνεται καθαρά ότι ο DR µεταβάλλεται όταν αλλάζει το σηµείο λειτουργίας του κινητήρα, παρόλο που αυτή η συµπεριφορά δε δικαιολογείται από το ισοζύγιο παροχών, αφού αυτές δε µεταβάλλονται κατά τη διάρκεια των µετρήσεων. Στην Εικόνα 4-4α φαίνεται µια ακραία περίπτωση που ο αραιωτήρας τοποθετείται µόλις 1,5 m από την πολλαπλή εξαγωγής, χωρίς καµία συσκευή ενδιάµεσα (π.χ. σιγαστήρας, καταλύτης κτλ.). Σε αυτήν την περίπτωση οι µεταβολές θερµοκρασίας και πίεσης είναι πολύ έντονες. Ο DR σε αυτήν την περίπτωση είναι πολύ ευαίσθητος στις αλλαγές του σηµείου λειτουργίας του κινητήρα. Ενώ είχε ρυθµιστεί 13:1 µεταβλήθηκε από 5,5: ως 14:1. Φαίνεται ότι η αύξηση του φορτίου (για σταθερές στροφές) µειώνει τον DR. Η µεταβολή του DR µε τις στροφές (για σταθερό φορτίο) δε δίνει κάποια ξεκάθαρη τάση. Η µεταβολή του DR στο πεδίο του κινητήρα µπορεί να δικαιολογηθεί µόνο αν θεωρηθεί ότι κάποια ποσότητα αέρα διαφεύγει προς το καυσαέριο (ανάστροφη ροή, δηλαδή ένα τµήµα του αέρα αραίωσης δεν εισέρχεται στο σύστηµα δειγµατοληψίας, αλλά διαφεύγει στο καυσαέριο). Η παράδοξη αυτή συµπεριφορά επιβεβαιώθηκε µε οπτική παρατήρηση. Μια µικρή ποσότητα του αέρα αραίωσης διαφεύγει προς το καυσαέριο από την περιφέρεια του πορώδη αραιωτήρα, ενώ το καυσαέριο εισέρχεται από το εσωτερικό µέρος του πορώδη αραιωτήρα. Για να ελεγχθεί πώς εξαρτάται η εξερχόµενη ποσότητα από τη θερµοκρασία και την πίεση στο σηµείο δειγµατοληψίας έγινε η Εικόνα 4-5, η οποία δείχνει ότι αύξηση της θερµοκρασίας και της υπερπίεσης ανάντη του αραιωτήρα µειώνουν τον DR. Επειδή δε φαίνεται ξεκάθαρη συσχέτιση, µάλλον δυναµικά φαινόµενα είναι υπεύθυνα για τη µεταβολή του DR. Η επίδραση των δυναµικών φαινοµένων επιβεβαιώνεται από την Εικόνα 4-4β όπου ο αραιωτήρας τοποθετήθηκε µετά από µία παγίδα (φίλτρο) σωµατιδίων, 5 m από την πολλαπλή εξαγωγής (εξοµάλυνση πίεσης). Αυτή η περίπτωση είναι συνηθισµένη για τα επιβατηγά οχήµατα (αντί για παγίδα µπορεί να υπάρχει για παράδειγµα σιγαστήρας ή καταλύτης). Ο DR ρυθµίστηκε στις ίδιες συνθήκες µε την πάνω εικόνα γύρω στο 12,5:1, αλλά µεταβλήθηκε µόνο από 10:1 ως 13:1, δηλαδή µεταβάλλεται

73 51 ±15% σε ένα µεγάλο εύρος συνθηκών λειτουργίας. Εποµένως, µπορεί να συµπεράνει κανείς ότι ο DR δε µεταβάλλεται ιδιαίτερα όταν ο αραιωτήρας τοποθετείται µακριά από την πολλαπλή εξαγωγής και υπάρχει συσκευή που εξοµαλύνει την πίεση. Βii. Εύρος µεταβολής DR σε όχηµα: Ο Πίνακας 4-1 δείχνει τον DR που µετρήθηκε µε συγκεντρώσεις CO 2 σε ένα VW Golf TDi Euro I όχηµα (Παράρτηµα Γ) σε διάφορα σταθερά σηµεία (πέµπτη στήλη του πίνακα: σταθ. σηµ.). Το όχηµα δεν είχε συσκευή εξοµάλυνσης της πίεσης και η δειγµατοληψία γινόταν στην εξάτµιση του οχήµατος (περίπου 3 m από την πολλαπλή εξαγωγής), εποµένως, µπορεί να θεωρηθεί ότι δεν ήταν τόσο ευνοϊκή περίπτωση για τον αραιωτήρα kw Setting to to to to to to to to to 6.0 kw RPM DR map (Buffered system) RPM to to to to to to to to to 6.0 Εικόνα 4-4: Επίδραση του σηµείου λειτουργίας κινητήρα (VW Golf TDi Euro I) στο λόγο αραίωσης του πορώδη αραιωτήρα. Πάνω: ειγµατοληψία 1,5 m από την πολλαπλή εξαγωγής. Κάτω: ειγµατοληψία µετά από παγίδα (φίλτρο), 5 m από την πολλαπλή εξαγωγής. Figure 4-4: Effect of a VW Golf Euro I engine operating conditions on the dilution ratio of the porous dilutor. Upper panel: Sampling1.5 m downstream of exhaust manifold. Lower panel: Sampling at the end of a 5 m tailpipe with a particle filter installed in the exhaust line.

74 52 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Υπερπίεση kw kw RPM Θερµοκρασία T map (U tube) to to to to 13 9 to 11 7 to 9 4 to 7 2 to 4 0 to to to to to to to to to to RPM Εικόνα 4-5: Υπερπίεση [mbar] και θερµοκρασία [ C] στο σηµείο δειγµατοληψίας για το πεδίο του κινητήρα. Figure 4-5: Overpressure [mbar] and temperature ( C) at the sampling point for different engine modes. Οι ταχύτητες πορείας και οι αντίστοιχες σχέσεις µετάδοσης που επιλέχθηκαν ήταν αυτές που περιλαµβάνει ο νοµοθετηµένος κύκλος NEDC. Η ρύθµιση του DR έγινε στα 50 km/h στο 13:1, µεταβλήθηκε όµως λιγότερο από ±1,2 µονάδες στα άλλα σταθερά σηµεία λειτουργίας του οχήµατος. Γ. Κύκλος Μεταβάσεις: Μετρήσεις µε κύκλους χρειάζονται για να εξαχθούν συµπεράσµατα για την απόδοση των οχηµάτων σε πραγµατικές συνθήκες οδήγησης. Στην περίπτωση αυτή, η γνώση της ακριβούς τιµής του DR είναι απαραίτητη για να αναχθούν οι µετρήσεις των οργάνων σε εκποµπές του οχήµατος. Όµως οι κύκλοι περιλαµβάνουν επιβραδύνσεις όπου οι συγκεντρώσεις CO 2 µειώνονται απότοµα µε δυσκολεύοντας έτσι τον προσδιορισµό του DR µε βάση τις συγκεντρώσεις CO 2.

75 Πίνακας 4-1: Μεταβολή του DR σε διαφορετικές ταχύτητες οχήµατος. Η ρύθµιση του DR έγινε στα 50 km/h. Table 4-1: DR variation at different vehicle speeds. DR setting at 50 km/h. 53 Ταχύτητα [km/h] Σχέση µετάδοσης Στροφές [RPM] Φορτίο [kw] σταθ. σηµ. (Euro I) κύκλος (Euro II) κύκλος (Euro III) DR - ΕΕΘ DR - ΕΕΘ DR - FFA ρελαντί Ι II III III IV V V ,05 0,45 0,59 1,70 4,69 13,67 23,62 13,5 13,0 14,2 13,9 12,7 11,0 14,1 13,8 11,1 13,5 12,5 12,6 10,0 13,1 13,3 12,2 12,5 13,3 13,5 12,9 10,0 Η Εικόνα 4-6 δείχνει τον DR που µετρήθηκε κατά την αραίωση δείγµατος καυσαερίου σε κύκλο NEDC δύο όµοιων οχηµάτων (VW Golf µε οξειδωτικό καταλύτη) σε διαφορετικά εργαστήρια. Το ένα όχηµα ήταν Euro II (ΕΕΘ) ενώ το άλλο Euro III (FFA). Ο DR ρυθµίστηκε και στις δύο περιπτώσεις γύρω στο 12,5:1 µε τις ίδιες παροχές αέρα αραίωσης και αραιωµένου δείγµατος (καταναλώσεων) και στο ίδιο σηµείο λειτουργίας (50 km/h). Στην πρώτη καµπύλη, αν εξαιρεθούν οι µεγάλες κορυφές, ο DR κυµαίνεται σε ένα εύρος περίπου 9:1 µε 16:1. Στη δεύτερη περίπτωση, η καµπύλη είναι πολύ θορυβώδης µε µικρό εύρος διακύµανσης γύρω στο 12,5:1. Οι διαφορές αυτές οφείλονται στη διάταξη των αναλυτών και στους ίδιους τους αναλυτές. Στη δεύτερη περίπτωση χρησιµοποιούνται γρήγοροι αναλυτές µε γραµµές δειγµατοληψίας µικρού µήκους, µε αποτέλεσµα να αποκρίνονται σχεδόν άµεσα στις αλλαγές του CO 2, ενώ στην πρώτη περίπτωση χρησιµοποιούνται πιο αργοί αναλυτές και µακρύτερες γραµµές. Όπως φαίνεται από την εικόνα, αυτές οι διαφορές επηρεάζουν σηµαντικά την τιµή του υπολογισµένου DR. Έτσι, στην πρώτη περίπτωση (πάνω εικόνα, εύρος DR 9:1 µε 16:1) φαίνεται µια διακύµανση του DR που δεν υφίσταται στην πραγµατικότητα. Για λόγους πληρότητας και καλύτερης συγκρισιµότητας µε την Εικόνα 4-4, έγινε η Εικόνα 4-7 που απεικονίζει τη µεταβολή του DR στον NEDC στο χάρτη του κινητήρα, από τα δεδοµένα στην Εικόνα 4-6. Η ταχύτητα µετατράπηκε σε στροφές και ως φορτίο χρησιµοποιήθηκε αυτό της πέδης. Παρατηρείται, όπως άλλωστε αναµενόταν, µια µεταβολή στο πεδίο, όµοια µε αυτήν

76 54 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος που µετρήθηκε στον κινητήρα (Εικόνα 4-4), ειδικά αν ληφθούν υπόψη οι δυσκολίες του προσδιορισµού του DR σε κύκλο και η ρύθµιση του DR σε διαφορετικό σηµείο λειτουργίας του οχήµατος σε σχέση µε τον κινητήρα. Τις τιµές του DR στα σηµεία σταθερής ταχύτητας του κύκλου για το ΕΕΘ και το FFA δίνει ο Πίνακας 4-1 στις δύο τελευταίες στήλες. Παρόλη τη διακύµανση του DR κατά τη διάρκεια του κύκλου που έδειξε η Εικόνα 4-6, ο DR στα σταθερά σηµεία του κύκλου (π.χ. 15, 35, 50 km/h) κυµαίνεται στο αναµενόµενο εύρος. Οι µετρήσεις µε τους αναλυτές στα σηµεία του κύκλου µε σταθερή ταχύτητα είναι σωστές, αφού στα σηµεία αυτά το σήµα των αναλυτών είναι σταθερό, δεν επηρεάζει ιδιαίτερα ο συγχρονισµός και δεν υπάρχουν σηµεία cut-off. DR DR DR (ΕΕΘ) DR (FFA) Ταχύτητα Ταχύτητα [km/h] Χρόνος [s] Εικόνα 4-6: Μεταβολή του λόγου αραίωσης κατά τη διάρκεια ενός κύκλου (UDC) από δύο όµοια οχήµατα (LAT: VW Golf Euro II, FFA: VW Golf, Euro III), αλλά µε διαφορετικές διατάξεις µέτρησης του CO 2. Ο λόγος αραίωσης (DR) ρυθµίστηκε περίπου 12,5:1 και στις δύο περιπτώσεις. Η ταχύτητα του οχήµατος φαίνεται στην κάτω εικόνα. Figure 4-6: Dilution ratio (DR) variation over an UDC cycle using two similar vehicles (LAT: VW Golf Euro II, FFA: VW Golf, Euro III), but different CO 2 measurement set up. DR setup is at roughly 12.5:1 for both cases. Speed pattern over cycle shown in lower panel.

77 km/h 35 kw km/h 32 km/h 15 km/h 35 km/h 100 km/h to to to to to to to to to 6.0 kw 5 50 km/h (Setting) RPM km/h km/h 15 km/h 32 km/h 70 km/h 100 km/h 5 50 km/h (Setting) RPM to to to to to to to to to 6.0 Εικόνα 4-7: Υπολογισµένος DR σε κύκλο NEDC α) χρήση αργών αναλυτών και µεγάλων γραµµών β) χρήση γρήγορων αναλυτών και µικρών γραµµών. εδοµένα από Εικόνα 4-6. Figure 4-7: DR estimation over NEDC a) slow analyzers and long lines b) fast analyzers and short line. Data from Figure 4-6. Γνωρίζοντας κανείς ότι ο DR του κύκλου στα σηµεία µε σταθερή ταχύτητα µεταβάλλεται σε λογικά πλαίσια, µπορεί να υποθέσει µε αρκετή ασφάλεια ότι και στις µεταβάσεις (επιταχύνσεις ή επιβραδύνσεις) ο DR παραµένει σε αυτό το εύρος. Αυτή η εκτίµηση επιτρέπει τη χρήση ενός µέσου DR για τους υπολογισµούς των σωµατιδιακών εκποµπών, ο οποίος µπορεί να υπολογιστεί από τα σηµεία του κύκλου µε σταθερή ταχύτητα.. Σωµατιδιακές εκποµπές: Για να επιβεβαιωθεί ότι α) η χρήση ενός µέσου DR του κύκλου δεν εισάγει κάποιο σηµαντικό σφάλµα στον υπολογισµό των σωµατιδιακών εκποµπών και β) ότι η παραδοχή µικρής µεταβολής του DR στις µεταβάσεις έγινε σύγκριση των στερεών σωµατιδιακών εκποµπών όπως προσδιορίζονται από το σύστηµα µερικής δειγµατοληψίας (PFSS) και τον αγωγό πλήρους αραίωσης (CVS).

78 56 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Συγκρίνοντας µόνο τα στερεά, τα οποία δεν επηρεάζονται από τις συνθήκες δειγµατοληψίας, και θεωρώντας ότι οι εκποµπές από το CVS είναι οι σωστές (χωρίς απώλειες), οποιαδήποτε διαφοροποίηση µεταξύ PFSS και CVS υποδεικνύει σφάλµα στη χρήση του DR. Η Εικόνα 4-8 δείχνει το στιγµιαίο και το µέσο DR (που προσδιορίστηκε από τα σηµεία του κύκλου µε σταθερή ταχύτητα) για ένα κύκλο UDC µε αργούς αναλυτές και µεγάλες γραµµές (περίπτωση ΕΕΘ). Η σύγκριση των στερεών σωµατιδίων διαµέτρου 45 nm (όπως µετρήθηκαν από το ELPI κατάντη ενός προσροφητήρα στο PFSS και στο CVS) σε συνάρτηση µε το χρόνο φαίνεται στην ίδια εικόνα. Στο µεσαίο διάγραµµα φαίνεται η αθροιστική ροή των σωµατιδίων κατά τη διάρκεια του κύκλου για τα 45 nm υπολογισµένη µε το στιγµιαίο και το µέσο DR. Τα αποτελέσµατα που λαµβάνονται µε τον πορώδη αραιωτήρα όταν χρησιµοποιείται η µέση τιµή DR διαφοροποιούνται µόλις 8% συγκριτικά µε αυτά του CVS, ενώ η διαφορά αυξάνεται στο 56% όταν χρησιµοποιείται ο στιγµιαίος DR. Εποµένως, µπορεί κανείς να υποθέσει βάσιµα ότι, για µέτρηση σε κύκλο πρέπει να χρησιµοποιείται η µέση και όχι η στιγµιαία τιµή του DR. Στα ίδια αποτελέσµατα καταλήγει η σύγκριση των στερεών σωµατιδίων διαµέτρου 45 nm (κάτω διάγραµµα εικόνας) και γενικά όλων των µεγεθών που µετρά το ELPI. Άρα, το προηγούµενο συµπέρασµα φαίνεται να έχει γενική ισχύ. Οι µετρήσεις αυτές επίσης επιβεβαιώνουν ότι στις µεταβάσεις ο DR κυµαίνεται σε λογικά πλαίσια και ότι η χρήση ενός µέσου DR δεν επηρεάζει τους υπολογισµούς των σωµατιδιακών εκποµπών. Να σηµειωθεί ότι η διαφορά περί το 8% µεταξύ PFSS και CVS µπορεί να οφείλεται σε πειραµατικές αβεβαιότητες, απώλειες στον αγωγό πλήρους αραίωσης (βλ. κεφάλαιο 15) ή ενδεχοµένως και σε λάθος προσδιορισµό της µέσης τιµής του DR. Σύνοψη συµπεράσµατα Ο πορώδης αραιωτήρας είναι εύκολος στη χρήση επιτρέποντας επιλογή συνθηκών δειγµατοληψίας (DR και θερµοκρασία αέρα αραίωσης). Περαιτέρω, η δειγµατοληψία καυσαερίου γίνεται χωρίς σηµαντικές απώλειες στερεών σωµατιδίων. Λόγω κατασκευαστικών ατελειών και δυσκολιών καθορισµού του DR µε παροχές, ο DR, αν ενδιαφέρει µε ακρίβεια, πρέπει να µετριέται εξωτερικά (π.χ. µε αναλυτές).

79 57 1E+13 1E+13 1E+13 8E DR 45 nm dn/dlogdp [s -1 ] 6E+12 4E+12 2E+12 0E+00 0 PFSS -10 CVS Σωµατίδια 4,0E+14 3,0E+14 2,0E+14 1,0E+14 CVS PFSS µέσος DR +56% PFSS στιγµιαίος DR +8% Σωµατίδια 0,0E nm 8,0E CVS UDC Χρόνος [s] +55% 6,0E+12 4,0E+12 2,0E+12 0,0E+00 PFSS µέσος DR PFSS στιγµιαίος DR 450 nm +15% UDC Χρόνος [s] Εικόνα 4-8: Σύγκριση PFSS (πορώδης αραιωτήρας) και CVS σε κύκλο. Στο πάνω διάγραµµα φαίνεται η ροή στερεών σωµατιδίων διαµέτρου 45 nm, όπως µετρήθηκε από το ELPI κατάντη προσροφητήρα, στο PFSS και στο CVS. Επίσης φαίνεται ο στιγµιαίος DR κατά τη διάρκεια του κύκλου. Στο µεσαίο διάγραµµα φαίνεται η αθροιστική ροή των στερεών σωµατιδίων 45 nm υποθέτοντας σταθερό µέσο DR (12,4:1) ή λαµβάνοντας υπόψη τη στιγµιαία τιµή. Στο κάτω διάγραµµα φαίνεται η αθροιστική ροή των σωµατιδίων 450 nm. Figure 4-8: PFSS vs. CVS comparison over a UDC test. Upper panel: Flux of 45 nm solid particles (downstream of a thermodenuder) measured with the ELPI sampling from the PFSS dry branch and from the CVS. The real time CO2 based DR is also shown on the top part of the panel. Middle panel: Cumulative flux of 45 nm particles measured in the CVS and assuming a constant DR of 12.4:1 or assuming the real time DR. Lower panel: Cumulative flow of 450 nm particles in the CVS and calculated with the two DR estimations as before.

80 58 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Ο DR παραµένει σταθερός σε σταθερό σηµείο λειτουργίας οχήµατος ή κινητήρα, αλλά µεταβάλλεται µε αλλαγή σηµείου λειτουργίας. Η µεταβολή αυτή δεν είναι σηµαντική στην περίπτωση επιβατηγών οχηµάτων (µεγάλη απόσταση δειγµατοληψίας από τον κινητήρα και ύπαρξη συσκευών µετεπεξεργασίας καυσαερίου). Ο DR βρέθηκε ότι µεταβάλλεται λιγότερο από ±1,5 µονάδα (10%) κατά τη διάρκεια ενός κύκλου. Για τον υπολογισµό του στιγµιαίου DR κατά τη διάρκεια ενός κύκλου οδήγησης απαιτούνται γρήγοροι αναλυτές µε γραµµές δειγµατοληψίας µικρού µήκους. Η χρήση αργών αναλυτών και µεγάλων γραµµών δείχνει µια µεταβολή του DR κατά τη διάρκεια του κύκλου που δεν υφίσταται. Εποµένως, για αυτήν την περίπτωση, για τον υπολογισµό των σωµατιδιακών εκποµπών συστήνεται η χρήση µιας µέσης τιµής του DR. Η µέση αυτή τιµή συστήνεται να υπολογίζεται από τα τµήµατα του κύκλου µε σταθερή ταχύτητα. Ο ακριβής προσδιορισµός της µέσης τιµής και η πραγµατική µεταβολή του DR κατά τη διάρκεια του κύκλου είναι περίπλοκες διαδικασίες και είναι θέµα ξεχωριστής διδακτoρικής διατριβής που διεξάγεται στο ΕΕΘ. Παρόλα αυτά το σφάλµα µε τη µέθοδο που επιλέχθηκε αναµένεται µικρότερο από 10%. Βιβλιογραφία Biswas, P., Li, X., Pratsinis, S.E. (1989). Optical Waveguide Preform Fabrication: Silica Formation and Growth in a High-temperature Aerosol Reactor, Journal of Applied Physics, 65, Deliverable 3: Investigations for the Definition of Sampling Conditions for the Selected Instrumentation, from PARTICULATES project Kittelson, D., Watts, W., Johnson, J. (2002). Diesel Aerosol Sampling Methodology, CRC E- 43 Final Report Lyyränen, J., Jokiniemi, J., Aakko, P., Vesala, H. (2004). Measuring Diesel Particle Emissions with Different Dilution Methods, Report Series in Aerosol Science 67, The IX Finish National Aerosol Symposium, Lyyränen, J., Jokiniemi, J., Kauppinen, E. I. (2002) The Effect of Mg-Based Additive on Aerosol Characteristics in Medium-Speed Diesel Engines Operating with Residual Fuel Oils, J. Aerosol Science, 33,

81 Lyyränen, J., Jokiniemi, J., Kauppinen, E. I., Backman, U., Vesala, H. (2004). Comparison of Different Dilution Methods for Measuring Diesel Particle Emissions, Aerosol Science & Technology, 38, Mikkanen, P., Moisio, M., Keskinen, J., Ristimaki, J., Marjamaki, M. (2001). Sampling Method for Particle Measurements of Vehicle Exhaust, SAE Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos, P., Samaras, Z., Mathis, U., Mohr, M., Ristimäki, J., Keskinen, J., Mikkanen, P., Casati, R., Scheer, V. and Vogt, R. (2004). Performance and Evaluation of a Novel Sampling System for Exhaust Particle Characterization, SAE Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos, P., and Samaras, Z. (2002). Further evaluation of the Particulates Primary Dilutor, Internal report for the project PARTICULATES: Characterisation of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles Sierra Instruments, (1988). BG-1 TM Micro-Dilution Test Stand Instruction Manual, Σεραφειµίδης Ε. (2004). Βαθµονόµηση αραιωτήρα Fine Particle Sampler (FPS). Επίδραση Θερµοκρασίας, Πίεσης και Σηµείου Λειτουργίας Κινητήρα στο Λόγο Αραίωσης, διπλωµατική εργασία, τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Α.Π.Θ.,

82 60 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος 5. Αραιωτήρας ακροφυσίου (τύπου εγχυτήρα) Οι αραιωτήρες ακροφυσίου (ή τύπου εγχυτήρα) είναι αρκετά διαδεδοµένοι αραιωτήρες για τη δειγµατοληψία καυσαερίου. Ο λόγος αραίωσης (DR) που επιτυγχάνεται µε τέτοιου τύπου αραιωτήρες εξαρτάται από τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά τους, τις ιδιότητες των αερίων που αναµιγνύονται και τις συνθήκες πίεσης και θερµοκρασίας στην είσοδο και έξοδό τους. Στη συνέχεια θα περιγραφεί ένας αραιωτήρας ακροφυσίου, θα παρουσιαστούν αποτελέσµατα µετρήσεων που δείχνουν πώς επηρεάζουν οι διάφορες παράµετροι τον DR και θα µοντελοποιηθεί η λειτουργία του. Εισαγωγή Οι εγχυτήρες (ejectors ή jet pumps ή eductors) είναι συσκευές άντλησης ρευστών, στις οποίες ένα ρευστό υψηλής πίεσης προκαλεί την άντληση (π.χ. Aly et al. 1999). Λόγω της απλής σχεδίασης και της απουσίας κινούµενων τµηµάτων, οι εγχυτήρες χρησιµοποιούνται σε πολλές βιοµηχανίες και σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για κλιµατισµό, ψύξη και παραγωγή κενού (Ouzzane and Aidoun 2003). Οι εγχυτήρες έχουν χρησιµοποιηθεί επίσης ως αραιωτήρες (Koch et al. 1988) για τις µετρήσεις σωµατιδιακών εκποµπών οχηµάτων από το 70 (Kittelson et al. 1978, Luo et al. 1989, Kittelson et al. 1992, Harris and Maricq 2001). Μεγάλα προγράµµατα όπως το PARTICULATES (Ntziachristos et al. 2004a) ή του COORDINATING RESEARCH COUNCIL στην Αµερική (Kittelson 2002) βασίζονται στους αραιωτήρες ακροφυσίου για λεπτοµερή χαρακτηρισµό του αεροκολλοειδούς που εκπέµπουν τα οχήµατα. Επιπλέον, οι αραιωτήρες ακροφυσίου έχουν χρησιµοποιηθεί για τη διερεύνηση της ανάπτυξης των νανοσωµατιδίων (Khalek et al. 2000), ως πρωτεύοντες αραιωτήρες καυσαερίου diesel (Wong et al. 2003) και βενζινοκίνητων οχηµάτων (Smallwood et al. 2001) ή ακόµη και ως δευτερεύοντες αραιωτήρες για ήδη αραιωµένο φυσικό αέριο (Holmén and Ayala 2002) και καυσαέριο diesel (Shi et al. 2000) και βενζινοκίνητου οχήµατος (Mohr et al. 2000). Η χρήση αραιωτήρων σε διαφορετικές θέσεις της γραµµής δειγµατοληψίας σχετίζεται µε διαφορετική σύσταση, θερµοκρασία και πίεση του δείγµατος που αραιώνεται. Το

83 61 καυσαέριο έχει σχετικά υψηλή συγκέντρωση CO 2, υψηλή θερµοκρασία και υγρασία και βρίσκεται σε ελαφρά υπερπίεση (Ntziachristos et al. 2000), ενώ το ήδη αραιωµένο καυσαέριο από τον αγωγό πλήρους αραίωσης έχει χαµηλή συγκέντρωση CO 2, χαµηλή θερµοκρασία και βρίσκεται σε υποπίεση. Επίσης, οι αραιωτήρες ακροφυσίου λειτουργούν σε θερµοκρασία περιβάλλοντος (Ahlvik et al. 1998) ή µπορεί να θερµανθούν, για παράδειγµα ως τους 200 C (Wong et al. 2003). Έχουν χρησιµοποιηθεί επίσης µε διαφορετικά αέρια αραίωσης (αέρα ή N 2 ) (Maricq et al. 2002), διαφορετικές θερµοκρασίες του αέρα αραίωσης (π.χ. 100 C (Andrews et al. 2000), ή 200 C (Maricq et al. 1999)) και διαφορετικές πιέσεις του αέρα αραίωσης (π.χ. 2 bar (Andrews et al. 2000) ή 3 bar υπερπίεση (Ntziachristos et al. 2004b)). Ο DR του αραιωτήρα υπολογίζεται µε διάφορους τρόπους. Μερικοί ερευνητές χρησιµοποιούν την ονοµαστική τιµή που παρέχει ο κατασκευαστής (π.χ.. 8:1 (Wong et al. 2003, Pattas et al. 1998), 10:1 (Andrews et al. 2000)), που συνήθως καθορίζεται µετρώντας τις παροχές του δείγµατος και του αραιωµένου δείγµατος σε θερµοκρασία περιβάλλοντος, χρησιµοποιώντας αέρα ως αέριο αραίωσης. Κάποιοι άλλοι ερευνητές χρησιµοποιούν συγκεντρώσεις CO 2 (Holmén and Ayala 2002) και κάποιοι άλλοι NO x (Shi et al. 1999, Lyyränen et al. 2004, Fang and Kittelson 1984) για να καθορίσουν τον DR. Επίσης, η διαφορά πίεσης µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τον καθορισµό του DR, ειδικά για καυσαέριο οχηµάτων (Schweizer et al. 2002). Οι διαφορετικοί τρόποι προσδιορισµού και χρήσης του DR µπορεί να εισάγουν σφάλµατα στους επόµενους υπολογισµούς. Λόγω των διαφορετικών συνθηκών λειτουργίας και των διαδικασιών βαθµονόµησης, δύο πανοµοιότυποι αραιωτήρες ακροφυσίου µπορεί να έχουν διαφορετικούς DR κατά τη χρήση τους. Εποµένως, είναι αναγκαίο να µπορεί να καθοριστεί ο πραγµατικός DR ενός αραιωτήρα κατά τη δειγµατοληψία, ανάλογα µε το δείγµα και τις συνθήκες λειτουργίας του αραιωτήρα. Αυτό είναι πολύ σηµαντικό όταν πρέπει να είναι γνωστή η απόλυτη συγκέντρωση κατάντη του αραιωτήρα ή όταν πρέπει να εντοπιστούν µικρές αλλαγές στη συγκέντρωση. Στη συνέχεια θα αναπτυχθεί ένα µοντέλο που προβλέπει τον DR βαθµονοµηµένων αραιωτήρων και θα επιβεβαιωθεί µε µετρήσεις σε ένα µεγάλο εύρος συνθηκών.

84 62 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Περιγραφή αραιωτήρων τύπου εγχυτήρα Οι αραιωτήρες ακροφυσίου λειτουργούν αναµιγνύοντας µια ποσότητα δείγµατος µε µια ποσότητα αερίου αραίωσης (συνήθως φιλτραρισµένο αέρα περιβάλλοντος). Η Εικόνα 5-1 δείχνει έναν τυπικό αραιωτήρα ακροφυσίου. δείγµα στραγγαλιστικό αέριο αραίωσης περιοχή ανάµιξης διαχύτης θάλαµος σταθεροποίησης αραιωµένο δείγµα ακροφύσιο δακτύλιος Εικόνα 5-1: Αραιωτήρας ακροφυσίου (παράδειγµα ενός αραιωτήρα της Dekati). Ο αραιωτήρας αποτελείται από το ακροφύσιο, τη γραµµή του αέρα αραίωσης µε το στραγγαλιστικό και το δακτύλιο που σχηµατίζεται στην περιφέρεια του ακροφυσίου του δείγµατος, τη γραµµή του αραιωµένου δείγµατος µε το διαχύτη και το θάλαµο σταθεροποίησης. Figure 5-1: Ejector dilutor schematic (example of a Dekati ejector dilutor). The dilutor consists of the nozzle, the dilution air line with the throttle and the orifice ring formed in the periphery of the sample nozzle and the diluted sample line with the diffuser and the stabilization chamber. Ο αραιωτήρας ακροφυσίου είναι µια αντλία: αέριο υπό πίεση ρέει µέσω ενός δακτυλίου που σχηµατίζεται στην περιφέρεια του ακροφυσίου του δείγµατος και, καθώς επιταχύνεται, αντλεί το δείγµα στο ακροφύσιο. Η ονοµαστική τιµή του DR τέτοιων αραιωτήρων είναι 10:1 και η παροχή του δείγµατος 5 10 lpm. Η ακριβής τιµή όµως εξαρτάται από µια σειρά παραγόντων, όπως: Γεωµετρία του ακροφυσίου του δείγµατος και των γραµµών του αερίου αραίωσης και του µίγµατος. Σύσταση του δείγµατος και του αερίου αραίωσης. Συνθήκες λειτουργίας, δηλαδή πιέσεις και θερµοκρασίες του δείγµατος, του αερίου αραίωσης και του µίγµατος (αραιωµένου δείγµατος). Στη δειγµατοληψία καυσαερίου οχηµάτων, η γεωµετρία και η σύσταση του αέρα αραίωσης παραµένουν σταθερά, ενώ η σύσταση του δείγµατος και οι συνθήκες λειτουργίας µεταβάλλονται ανάλογα µε την εφαρµογή. Εποµένως, χρειάζεται να εξεταστεί η επίδραση αυτών των συνθηκών λειτουργίας στον DR.

85 63 Πειραµατική διάταξη και ορισµοί Ο DR ορίζεται µε βάση τις µοριακές συγκεντρώσεις σε συγκεκριµένες συνθήκες (20 C, 101,3 kpa). Μπορεί να προσδιοριστεί µετρώντας τις παροχές του δείγµατος και του µίγµατος µε ροόµετρα (DR f ) ή µετρώντας τις συγκεντρώσεις ενός αερίου ανίχνευσης στο δείγµα και στο µίγµα (DR c ). Θεωρώντας ίσες µοριακές µάζες δείγµατος και µίγµατος στην πρώτη περίπτωση και καθόλου υγρασία στη δεύτερη, οι δυο εξισώσεις αντίστοιχα είναι: Q tot DR f = (5-1) Qs DR c C s da = (5-2) C out C C da Όπου (όλες οι συγκεντρώσεις και οι παροχές αναφέρονται σε κανονικές συνθήκες): Q s [lpm] Παροχή δείγµατος Q tot = Q s + Q da [lpm] Παροχή µίγµατος (αραιωµένου δείγµατος) C s [ppm κ.ο.] Συγκέντρωση αέριου ανίχνευσης στο δείγµα C da [ppm κ.ο.] Συγκέντρωση αέριου ανίχν. στο αέριο αραίωσης C out [ppm κ.ο.] Συγκέντρωση αέριου ανίχνευσης στο µίγµα Η Εικόνα 5-2 δείχνει την πειραµατική διάταξη για τον καθορισµό της επίδρασης των διαφόρων παραµέτρων στον DR. δείγµα θερµοστοιχείο Θερµαντήρας Στραγγαλιστική βαλβίδα Αέρας ενεργός αραίωσης άνθρακας Silica gel φίλτρο Αισθητήρες πίεσης Ροόµετρο Ρυθµιστής πίεσης ΑΡΑΙΩΤΗΡΑΣ ΤΥΠΟΥ ΕΓΧΥΤΗΡΑ Προς αναλυτές Προς ατµόσφαιρα Εικόνα 5-2: Πειραµατική διάταξη για τον προσδιορισµό του DR του αραιωτήρα και της επίδρασης διαφόρων παραµέτρων. Figure 5-2: Experimental set-up used to determine the ejector DR and the effect of the different sampling parameters.

86 64 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Η γραµµή του δείγµατος συνδέεται µε διαφορετικά αέρια βαθµονόµησης µέσω ενός ρυθµιστή πίεσης και ενός θερµαντήρα για να ρυθµίζονται οι συνθήκες του δείγµατος ανάντη του αραιωτήρα. Οι παροχές του δείγµατος και του µίγµατος καταγράφονται µε δύο ροόµετρα θερµού σύρµατος (TSI 4040). Πριν από τις µετρήσεις, τα ροόµετρα βαθµονοµήθηκαν µε ξηρό αέρα και η ακρίβεια των παροχών βρέθηκε ±1,3%. Η θερµοκρασία του δείγµατος, ακριβώς πριν εισέλθει τον αραιωτήρα, µετριέται µε ένα θερµοστοιχείο τύπου Κ (ακρίβεια ±1 ºC). Οι πιέσεις του δείγµατος και του µίγµατος ρυθµίζονταν µε στραγγαλιστικά και µετρούνταν µε αισθητήρες πίεσης (ακρίβεια ±1 kpa). Ο Πίνακας 5-1 δίνει τις παραµέτρους που εξετάστηκαν και τα αντίστοιχα εύρη. Πίνακας 5-1: Συνθήκες αναφοράς και εύρος παραµέτρων που εξετάστηκαν για την επίδρασή τους στον DR ενός αραιωτήρα τύπου εγχυτήρα. Table 5-1: Range of variables examined for their effect on the DR provided by the ejector dilutor and reference measurement condition. Γραµµή Παράµετρος Σύνθεση αερίου Εύρος πιέσεων [kpa] Εύρος θερµοκρασιών [ C] είγµα Αέριο αραίωσης Αέρας, HC σε αέρα, NO σε N 2, CO 2 σε N 2, CO 2 Στεγνός και καθαρός αέρας Αραιωµένο δείγµα µίγµα Συνθήκες αναφοράς είγµα Αέριο αραίωσης Φιλτραρισµένος αέρας Στεγνός και καθαρός αέρας Ανάλογα µε το δείγµα και το αέριο αραίωσης Λειτουργία Οι συνθήκες αναφοράς που θεωρήθηκαν για τον αραιωτήρα ήταν θερµοκρασία και πίεση περιβάλλοντος για το δείγµα και το µίγµα και πίεση 300 kpa για τον αέρα αραίωσης. Ο DR, όπως καθορίστηκε από τις µετρήσεις των παροχών και των συγκεντρώσεων των αερίων ανίχνευσης (HC σε αέρα) σε αυτές τις συνθήκες, βρέθηκε 9,8:1.

87 65 Η Εικόνα 5-3 δείχνει την επίδραση της πίεσης του αέρα αραίωσης στον DR. Αύξηση της πίεσης του αέρα αραίωσης αυξάνει την παροχή του αέρα αραίωσης και του δείγµατος. Η αύξηση της παροχής του αέρα αραίωσης είναι ανάλογη της πίεσης του αέρα αραίωσης. Όµως, η παροχή του δείγµατος αρχικά αυξάνεται µε την αύξηση της πίεσης του αέρα αραίωσης και σταδιακά σταθεροποιείται. Οι µεταβολές που επιβάλλουν οι διαφοροποιήσεις των παροχών δείγµατος και αέρα στην πίεση του αέρα αραίωσης επηρεάζουν τον DR. Πράγµατι, η Εικόνα 5-3 δείχνει ότι ο DR αυξάνεται µε την αύξηση της πίεσης του αέρα αραίωσης σχεδόν γραµµικά για ένα µεγάλο εύρος πιέσεων: αύξηση κατά 50 kpa µεταβάλλει τον DR κατά 15 20%. Αυτό σηµαίνει ότι η πίεση λειτουργίας του αραιωτήρα θα πρέπει να παρακολουθείται. Μεταβολή του DR 90% 60% 30% 0% -30% Qs Qda DR -60% Απόλυτη πίεση του αέρα αραίωσης [kpa] Εικόνα 5-3: Επίδραση της πίεσης του αέρα αραίωσης στην παροχή δείγµατος, αέρα αραίωσης και στον DR. Το ποσοστό αναφέρεται στις συνθήκες αναφοράς. Figure 5-3: Effect of dilution air pressure on the sample flow, the dilution air flow and the DR. Percentage change expressed over the reference condition. Η Εικόνα 5-4 δείχνει την αλλαγή του DR σε συνάρτηση µε την απόλυτη πίεση στην έξοδο του αραιωτήρα. Σε φυσιολογικές συνθήκες λειτουργίας του αραιωτήρα, αλλαγές της πίεσης εξόδου µπορούν να συµβούν λόγω της αλλαγής της πίεσης του περιβάλλοντος ή µε στραγγαλισµό των εξόδων του αραιωτήρα, π.χ. συνδέοντας διαφορετικά όργανα. Στραγγαλισµός της εξόδου (αύξηση της πίεσης) αυξάνει τον DR, λόγω µείωσης της παροχής του δείγµατος, ενώ η παροχή του αέρα αραίωσης παραµένει σχεδόν σταθερή. Σε µικρές αλλαγές της πίεσης εξόδου (που µπορεί να

88 66 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος συµβούν λόγω αλλαγής των ατµοσφαιρικών συνθηκών), ο DR αυξάνεται ~10% για 4 kpa αύξηση της πίεσης εξόδου. Πάντως όταν η έξοδος στραγγαλιστεί αρκετά, ο DR µπορεί να αλλάξει πάνω από 100%. Μεταβολή του DR 300% 240% 180% 120% 60% 0% Απόλυτη πίεση εξόδου [kpa] Εικόνα 5-4: αναφοράς. Figure 5-4: condition. Επίδραση της πίεσης εξόδου του µίγµατος στον DR σε σχέση µε τις συνθήκες Effect of the diluted gas outlet pressure on the dilution ratio over the reference Η Εικόνα 5-5 δείχνει την επίδραση της πίεσης του δείγµατος στον DR. Στραγγαλισµός του δείγµατος µειώνει την παροχή του δείγµατος και αυξάνει τον DR, αφού ο αέρας αραίωσης δεν επηρεάζεται. Αν και η επίδραση της πίεσης του δείγµατος στον DR είναι σηµαντική, αυτή συνήθως παρέχεται από τους κατασκευαστές και, εποµένως, µπορεί να διορθωθεί κατάλληλα. Η Εικόνα 5-5 δείχνει, επίσης, και τη συνδυασµένη επίδραση της πίεσης του δείγµατος και της ιστορίας λειτουργίας του αραιωτήρα. Καθώς ο αραιωτήρας αραιώνει καυσαέριο, σωµατίδια επικάθονται στο ακροφύσιο αλλάζοντας τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά του συστήµατος. Η επιβαλλόµενη έτσι ροϊκή µεταβολή συνεπάγεται µεταβολή και στον DR για την ίδια πίεση δείγµατος. Από τις µετρήσεις της εικόνας υπολογίζεται ότι για κάθε ένα mg σωµατιδιακής µάζας που αραιώνεται αυξάνεται ο DR 1%. Εποµένως, οι αραιωτήρες ακροφυσίου θα έπρεπε να καθαρίζονται τακτικά για να ελαχιστοποιηθεί η επίδραση της ιστορίας των µετρήσεων.

89 67 40% Μεταβολή του DR 30% 20% 10% 0% 0 h 25 h -10% Απόλυτη πίεση δείγµατος [kpa] Εικόνα 5-5: Επίδραση της πίεσης εισόδου του δείγµατος στον DR για έναν καθαρό αραιωτήρα (0 h) και έναν χρησιµοποιηµένο (25 h). Τα ποσοστά αναφέρονται στις συνθήκες αναφοράς. Figure 5-5: Effect of the raw sample inlet pressure on the DR for a clean ejector dilutor (0 h) and a used one (25 h). Percentage change expressed over the reference condition. 25% Μεταβολή του DR 20% 15% 10% 5% 0% Θερµοκρασία δείγµατος [ o C] Εικόνα 5-6: Επίδραση της θερµοκρασίας του δείγµατος στον DR. Τα ποσοστά αναφέρονται στις συνθήκες αναφοράς Figure 5-6: Effect of the sample temperature on the DR. Percentage change expressed over the reference condition. Η θερµοκρασία του δείγµατος µπορεί, επίσης, να επηρεάσει τον DR λόγω της αλλαγής των ιδιοτήτων του δείγµατος. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 5-6, αύξηση της θερµοκρασίας του δείγµατος κατά 140 C αυξάνει τον DR κατά 20%. Τέλος, η Εικόνα 5-7 δείχνει την επίδραση της σύσταση του δείγµατος στον DR. Αέρια µε παραπλήσιες µοριακές µάζες µε τον αέρα θα οδηγήσουν στον ίδιο σχεδόν

90 68 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος DR. Αυτή είναι η περίπτωση των HC στον αέρα, του ΝΟ σε N 2 και του 4,9% CO 2 σε N 2. Πάντως, όσο αυξάνεται η µοριακή µάζα, ο DR επίσης αυξάνεται. Χρήση 100% CO 2 αντί για αέρα θα αυξήσει τον DR 20%. 20% Μεταβολή του DR 16% 12% 8% 4% 0% HC σε αέρα 905 ppm NO σε N2 4.9% CO2 σε N2 12.1% CO2 σε N2 100% CO2 Εικόνα 5-7: Επίδραση της σύσταση του αερίου στον DR. Τα ποσοστά αναφέρονται στις συνθήκες αναφοράς. Figure 5-7: Effect of the gas composition on the DR. Percentage change expressed over the reference condition. Μοντελοποίηση αραιωτήρα τύπου εγχυτήρα Οι αλλαγές του DR λόγω διαφορετικών συνθηκών λειτουργίας µπορούν να προβλεφθούν µε ένα µοντέλο που αναπτύχθηκε θεωρώντας τις συνθήκες των ροών στον αραιωτήρα. Το µοντέλο µπορεί να εφαρµοσθεί σε οποιονδήποτε αραιωτήρα που έχει βαθµονοµηθεί, δηλαδή αφού έχει καθοριστεί ο DR στις συνθήκες αναφοράς. Τότε, µε δεδοµένες πιέσεις και θερµοκρασίες δείγµατος, αέρα αραίωσης και µίγµατος, καθώς και τις ιδιότητες του δείγµατος και του αέρα αραίωσης, ο DR µπορεί να υπολογιστεί από µια σχέση της µορφής: DR = f σύνθεση αερίων, P, T, P, T, P, T ) (5-3) ( da da s s out out Το µοντέλο θεωρεί συµπιεστή ροή σε αγωγό µεταβλητής διατοµής, ενώ ένα κανονικό κρουστικό κύµα συµβαίνει στην περιοχή ανάµειξης και µειώνει την ταχύτητα κάτω από την ηχητική. Αυτή η προσέγγιση έχει χρησιµοποιηθεί στους εγχυτήρες ατµού (Aly et al., 1999, Eames et al., 1995, Deberne et al., 1999, El-Dessouky et al., 2002).

91 69 Τρεις περιοχές µπορεί να διακριθούν σε έναν αραιωτήρα (Εικόνα 5-8): Ακροφύσιο ή δείγµα (s): Η θέση s,1 αναφέρεται στην είσοδο του ακροφυσίου και η s,2 στην έξοδο του ακροφυσίου πριν από την ανάµειξη. Αέρας αραίωσης (da): Η θέση da,1 αναφέρεται στον ρυθµιστή πίεσης και η da,2 στον δακτύλιο, πριν την ανάµειξη. Αραιωµένο δείγµα ή µίγµα (m): Η θέση m,1 αναφέρεται στην περιοχή ανάµειξης και η m,2 στην έξοδο του διαχύτη. Κατάντη του διαχύτη το µίγµα εκτονώνεται στον χώρο σταθεροποίησης σε µια πίεση P stab. Σε ισοδυναµία µε τις εξισώσεις. (5-1) και (5-2), ο DR καθορίζεται ως εξής: DR n& n& + n& n& m& / M m s da da da da = = = 1+ = 1+ (5-4) n& s n& s n& s m& s / M s Όπου το n& δηλώνει παροχή moles και το m& παροχή µάζας. Για να υπολογιστεί ο DR, τα m& da και m& s χρειάζεται να καθοριστούν για αέρια µε µοριακές µάζες M da και M s αντίστοιχα. Ο υπολογισµός των παροχών των µαζών ακολουθεί στη συνέχεια. P da,1 ΑΕΡΑΣ ΑΡΑΙΩΣΗΣ ΑΚΡΟΦΥΣΙΟ ΙΑΧΥΤΗΣ P s,1 P s,2 ηχητική υπερηχητική κρουστικό κύµα P m,2 P stab Κώνος δείγµατος P da,2 P m,1 ιατµητικό στρώµα Εικόνα 5-8: εγχυτήρα. Figure 5-8: Γεωµετρία και µορφή της ροής στην περιοχή ανάµειξης ενός αραιωτήρα τύπου Geometry and formation of the flow in the mixing area of an ejector dilutor.

92 70 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Ακροφύσιο ή γραµµή δείγµατος: Η παροχή µάζας του δείγµατος υπολογίζεται θεωρώντας ισεντροπική ροή σε αγωγό µεταβλητής διατοµής, από τη σχέση (Oosthuizen and Carscallen 1997): 1 1 γ 1 s 2 P,2 γ s 2,1,2 s s Ps P γ γ s s & =, 1,2 1 s Cs ρ s As P,1 1 (5-5) s γ s ρ s,1 Ps,1 m όπου C s είναι µια σταθερά απωλειών λόγω µη ισεντροπικής ροής. Αυτή η σταθερά λαµβάνει υπόψη συντελεστές ταχύτητας και συµπίεσης λόγω στραγγαλισµού (Streeter et al. 1998) και την έλλειψη του ελάχιστου µήκους που χρειάζεται για ένα ρευστό για να αυξήσει την ταχύτητά του (Fogiel 1996). Αυτός ο συντελεστής είναι διαφορετικός για κάθε αραιωτήρα και πρέπει να καθοριστεί πειραµατικά. Σε χαµηλές πιέσεις ανάµειξης, κρουστικό κύµα µπορεί να εµφανιστεί στη γραµµή του δείγµατος (Chou et al. 2001). Πάντως τέτοιες συνθήκες δε συναντούνται στους αραιωτήρες ακροφυσίου που χρησιµοποιούνται για καυσαέρια οχηµάτων και δε θα αναλυθούν περαιτέρω. Γραµµή αέρα αραίωσης: Σε υψηλές πιέσεις P da,1, ο αέρας αραίωσης επιταχύνεται στον δακτύλιο και φτάνει την ηχητική ταχύτητα. Η παροχή µάζας δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση (Oosthuizen and Carscallen 1997): γ da 1 2γ P,1 1 da da γ da & =,1,2 1 da Cda ρ da Ada + 1,1 + 1 (5-6) γ da γ da ρ da γ da m όπου C da είναι επίσης συντελεστής που λαµβάνει υπόψη τη µη ισεντροπικότητα του φαινοµένου. ιαχύτης ή περιοχή αραιωµένου δείγµατος: Κατάντη του δακτυλίου, ο αέρας αραίωσης εκτονώνεται στην περιοχή ανάµειξης (είσοδος του διαχύτη, σηµείο m,1 στην Εικόνα 5-8) και η πίεσή του µειώνεται. Αυτή η υποπίεση αντλεί το δείγµα στον αραιωτήρα, όπου και αναµιγνύεται µε τον αέρα αραίωσης. Σε συµφωνία µε προηγούµενη δουλειά στους εγχυτήρες ατµού (π.χ. Ouzzane et al. 2003, El-Dessouky et al. 2002), θεωρείται ότι η ανάµειξη λαµβάνει χώρα σε µια µικρή περιοχή σε σταθερή θερµοκρασία και πίεση, εποµένως: P = P (5-7) s, 2 m,1

93 71 Μια περιοχή υπερηχητικής ροής αναπτύσσεται κατάντη του δακτυλίου. Αυτή η περιοχή τερµατίζεται µε ένα κρουστικό κύµα, λόγω της υψηλότερης κατάντη πίεσης (έξοδος διαχύτη). Το κρουστικό κύµα αυξάνει την πίεση και µειώνει την ταχύτητα σε υποηχητική τιµή. Στην υπερηχητική περιοχή, η ανάµειξη του αέρα αραίωσης και του δείγµατος λαµβάνει χώρα σε ένα διατµητικό στρώµα που σχηµατίζεται στη διεπιφάνεια των δύο ροών (Εικόνα 5-8). Το κρουστικό κύµα µπορεί να δηµιουργηθεί πριν ολοκληρωθεί η ανάµειξη των δύο ροών και σε αυτήν την περίπτωση δηµιουργείται ένα σύνθετο σύστηµα κρουστικών κυµάτων. Πάντως, εφόσον το µέγεθος του κώνου ανάµειξης είναι σχετικά µικρό, τα χαρακτηριστικά της ροής µπορούν να µοντελοποιηθούν ικανοποιητικά θεωρώντας κανονικό κρουστικό κύµα (Oosthuizen and Carscallen, 1997): P T m,2 m,2 = P = T m,1 m,1 2γ Ma m 2 m,1 m γ + 1 ( γ 1) m 2 ( 2γ mmam,1 ( γ m 1) ) 2 + ( γ m 1) 2 2 ( γ + 1) Ma m 2 ( Ma ) m,1 m,1 (5-8) (5-9) Ma 2 m,2 = Ma 2γ 2 m,1 + ( γ 1) m m 2 ( γ 1) Ma m 2 m,1 1 (5-10) Η ανάµειξη λαµβάνει χώρα σε µια περιοχή µεταβλητής διατοµής. Η πραγµατική διατοµή όπου λαµβάνει χώρα το κανονικό κρουστικό κύµα δεν µπορεί να καθοριστεί θεωρητικά. Πάντως, για να υπολογιστεί η παροχή µάζας που αντιστοιχεί σε έναν πραγµατικό αριθµό Mach, χρειάζεται µια µέση διατοµή. Αντί να καθοριστεί ένα τέτοιο ενδιάµεσο µέγεθος, ο πραγµατικός αριθµός Mach στην περιοχή ανάµειξης Ma m,1 ανάγεται σε έναν αριθµό Mach, Ma m,1,geom, που αντιστοιχεί στην γεωµετρική διατοµή m,1. Ma m,1, geom m& s + m& da = (5-11) ρ A a m,1 m,1 Ma m, 1,geom = f ( Mam, 1 ) (5-12)

94 72 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Με αυτόν τον τρόπο, ο γεωµετρικός ισοδύναµος Mach καθορίζεται από τον πραγµατικό Mach. Στη συνέχεια, αντικαθιστώντας στην εξίσωση (5-11) υπολογίζεται η παροχή µίγµατος ( m& ). m Τέλος, η πίεση εξόδου P stab στο θάλαµο σταθεροποίησης υπολογίζεται από την P m,2, λαµβάνοντας υπόψη τις απώλειες στην περιοχή εκτόνωσης, σύµφωνα µε τη σχέση (Kast 1991, Bohl 1998, Munson et al., 2002): P out 1 = P ( ) 2 m, 2 + ρ m,2 1 ζ vm, 2 (5-13) 2 Για απότοµη αύξηση της διαµέτρου, όπως στην προκειµένη περίπτωση, ο συντελεστής απωλειών ζ είναι 1, πράγµα που σηµαίνει ότι η κινητική ενέργεια του ρευστού µετατρέπεται σε θερµότητα (Kast 1991, Bohl 1998, Munson et al., 2002). Εποµένως η εξίσωση (5-13) απλοποιείται στην: P out = P m,2 (5-14) Για την επίλυση των παραπάνω εξισώσεων θεωρούνται ιδανικά αέρια και επίσης χρησιµοποιείται η εξίσωση της συνέχειας. Καθορισµός σταθερών: Για να εφαρµοσθεί το µοντέλο, πρέπει να καθοριστούν οι σταθερές C s (εξίσωση 5-5) και C da (εξίσωση 5-6) χρησιµοποιώντας την πειραµατική διάταξη στην Εικόνα 5-2. Η C da καθορίστηκε κλείνοντας το ακροφύσιο του δείγµατος και µετρώντας την παροχή του αέρα αραίωσης στην έξοδο του αραιωτήρα. Η πίεση στην περιοχή ανάµειξης (P m,1 ) µετρήθηκε µε τον αισθητήρα πίεσης στην κλειστή είσοδο του δείγµατος. Ως αέριο αραίωσης χρησιµοποιήθηκε ξηρός και καθαρός αέρας. Συγκρίνοντας τη µετρηµένη µε την υπολογισµένη από την εξίσωση (5-6) για διαφορετικές πιέσεις του αέρα αραίωσης παροχή µάζας, η C da βρέθηκε ίση προς 0,8. Η C s καθορίστηκε µε τον ίδιο τρόπο από την εξίσωση (5-5), έχοντας ελεύθερο το ακροφύσιο και συγκρίνοντας τη µετρηµένη µε την υπολογισµένη παροχή δείγµατος. Έγινε, επίσης, η υπόθεση ότι η πίεση ανάµειξης που µετρήθηκε µε κλειστό το ακροφύσιο δεν αλλάζει όταν εισέρχεται δείγµα. Αυτή η υπόθεση δικαιολογείται από το γεγονός, ότι στους αραιωτήρες ακροφυσίου η παροχή του αέρα είναι δέκα φορές µεγαλύτερη από την παροχή δείγµατος. Στο συγκεκριµένο αραιωτήρα η C s βρέθηκε ίση προς 0,99 λόγω της λείας επιφάνειας του ακροφυσίου.

95 73 Η Εικόνα 5-9 δείχνει τη σχέση µεταξύ πραγµατικού (Ma m,1 ) και γεωµετρικού ισοδύναµου αριθµού Mach (Ma m,1,geom ) που επιτυγχάνονται στην περιοχή ανάµειξης. Ο πραγµατικός αριθµός Mach υπολογίζεται από τις πειραµατικά µετρηµένες πιέσεις P m,1 και εφαρµογή της εξίσωσης (5-8). Στη συνέχεια ανάγεται στον γεωµετρικά ισοδύναµο αριθµό Mach στη διατοµή της εισόδου του διαχύτη (A m,1 ), σύµφωνα µε την εξίσωση (5-12). Για Ma m,1,geom <1, το κρουστικό κύµα εµφανίζεται σε µικρότερη διατοµή από τη διαθέσιµη γεωµετρική, επειδή εµφανίζεται σε διατοµή που έχει σχηµατιστεί επίσης ο κώνος ανάµειξης (Εικόνα 5-8). Για Ma m,1,geom >1 το κρουστικό κύµα εµφανίζεται κατάντη του κώνου και ο πραγµατικός αριθµός Mach δεν αυξάνεται περαιτέρω σηµαντικά. Πάντως, καθώς αυξάνεται η παροχή µάζας, το κρουστικό κύµα εµφανίζεται σε παρόµοιο αριθµό Mach αλλά σε µεγαλύτερη διατοµή στο διαχύτη. Η σχέση του Ma m,1,geom και του Ma m,1 στην Εικόνα 5-9 χρησιµοποιείται στις εξισώσεις (5-11) και (5-12) για να υπολογιστεί η πραγµατική παροχή µάζας. Εφαρµογή και επαλήθευση του µοντέλου: Ο DR του αραιωτήρα µπορεί να υπολογιστεί χρησιµοποιώντας την εξίσωση (5-3), µε βάση το µοντέλο που αναπτύχθηκε, δηλαδή χρησιµοποιώντας τις συνθήκες στην είσοδο και έξοδο του αραιωτήρα. Για αραιωτήρα διαφορετικών γεωµετρικών χαρακτηριστικών, χρειάζεται να καθοριστούν µόνο οι σταθερές C s και C da και η σχέση µεταξύ του πραγµατικού και του γεωµετρικού ισοδύναµου αριθµού Μach. Εφόσον είναι γνωστές αυτές οι τιµές, µπορεί να χρησιµοποιηθεί µια επαναληπτική διαδικασία για τον καθορισµό του DR. Αρχικά καθορίζεται η παροχή του αέρα αραίωσης από την εξίσωση (5-6). Έπειτα η παροχή του δείγµατος από την εξίσωση (5-5) και οι αριθµοί Mach από τις εξισώσεις (5-11) και (5-12), υποθέτοντας µια πίεση (P m,1 ) και µια θερµοκρασία (T m,1 ) στην περιοχή ανάµειξης. Χρησιµοποιώντας αυτές τις τιµές, οι εξισώσεις (5-8) και (5-9) ελέγχονται και χρησιµοποιούνται οι νέες τιµές πίεσης και θερµοκρασίας στην περιοχή ανάµειξης για µια καλύτερη προσέγγιση. Οι µετρηµένοι και υπολογισµένοι DR για διαφορετικές πιέσεις εισόδου και εξόδου και διαφορετικές θερµοκρασίες και συστάσεις δείγµατος, φαίνονται στην Εικόνα Η Εικόνα 5-10 δείχνει ότι ο DR µπορεί να αλλάξει πάνω από 500% για τις συνθήκες που εξετάστηκαν. Παρόλο το µεγάλο εύρος, η µέση διαφορά µεταξύ µετρηµένων και υπολογισµένων DR είναι µόνο 4,8% (min -10%, max +30%).

96 74 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Mαm, Mα m,1,geom Εικόνα 5-9: Πραγµατικός αριθµός Mach στην περιοχή ανάµειξης (Ma m,1 ) ως συνάρτηση του γεωµετρικά ισοδύναµου αριθµού Mach (Ma m,1,geom ). Figure 5-9: Actual Mach number in the mixing area (Ma m,1 ) as a function of the geometric equivalent Mach number (Ma m,1,geom ). DR υπολογισµένοι πίεση δείγµατος πίεση εξόδου πίεση αέρα αραίωσης σύσταση αερίου θερµοκρασία δείγµατος DR µετρηµένοι Εικόνα 5-10: Σύγκριση µετρηµένων και υπολογισµένων DRs για το εύρος των παραµέτρων στον Πίνακα 5-1. Figure 5-10: Comparison of the measured and calculated DRs for the range of parameters in Table 5-1. Επιπλέον, το µοντέλο χρησιµοποιήθηκε για την πρόβλεψη της θερµοκρασίας στην περιοχή ανάµειξης (Εικόνα 5-11). Η θερµοκρασία µετρήθηκε µε ένα θερµοστοιχείο που τοποθετήθηκε στην περιοχή ανάµειξης. Φαίνεται ότι οι µετρηµένες και οι υπολογισµένες θερµοκρασίες είναι κοντά (διαφορές ως 3 C). Η διαφοροποίηση αυτή είναι πιθανό να οφείλεται στη διαταραχή της ροής που επιβάλλει το θερµοστοιχείο και στο ότι η µετρηµένη θερµοκρασία είναι µέση τιµή σε διάφορες διατοµές. Επιπλέον η χρήση θερµοστοιχείου Κ σε αυτήν την περιοχή θερµοκρασιών

97 75 ενδεχοµένως να εισάγει µεγαλύτερο σφάλµα από ±1 C. Είναι ενδιαφέρον επίσης ότι η θερµοκρασία στην περιοχή ανάµειξης πέφτει κάτω από τους 0 C (στα 500 kpa πίεση του αέρα αραίωσης). Πρέπει εποµένως να ληφθεί υπόψη ότι η χρήση του αραιωτήρα σε τέτοιες συνθήκες µπορεί να επηρεάσει την κατανοµή µεγέθους αριθµού των νανοσωµατιδίων ή ακόµη µπορεί να συµπυκνωθούν υδρατµοί στα τοιχώµατα του αραιωτήρα. Θερµοκρασία στην περιοχή ανάµιξης [ o C] Υπολογισµένες Μετρηµένες Απόλυτη πίεση αέρα αραίωσης [kpa] Εικόνα 5-11: ανάµειξης. Figure 5-11: Σύγκριση µετρηµένων και υπολογισµένων θερµοκρασιών στην περιοχή Comparison of the measured and calculated temperatures at the mixing area. Τέλος, το µοντέλο χρησιµοποιήθηκε για να προβλέψει τον DR όταν ο αραιωτήρας χρησιµοποιείται σε διαφορετικές θέσεις δειγµατοληψίας καυσαερίου diesel ή βενζινοκίνητου οχήµατος. Για τους υπολογισµούς στην περίπτωση του αγωγού πλήρους αραίωσης, θεωρήθηκε ήδη αραιωµένο καυσαέριο µε θερµοκρασία 30 C στο σηµείο δειγµατοληψίας και πίεση 100,3 kpa (σε σχέση µε συνθήκες αναφοράς +10 C και -1 kpa). Για την περίπτωση του diesel οχήµατος θεωρήθηκε σύσταση καυσαερίου που αντιστοιχεί σε λ = 3 (θερµοκρασία 120 C και πίεση καυσαερίου 102,3 kpa). Για την περίπτωση του βενζινοκίνητου οχήµατος θεωρήθηκε σύσταση καυσαερίου που αντιστοιχεί σε λ = 1 (θερµοκρασία καυσαερίου 170 C και πίεση καυσαερίου 102,3 kpa). Η Εικόνα 5-12 δείχνει ότι ο πραγµατικός DR είναι µεγαλύτερος από τον ονοµαστικό σε όλες τις θέσεις δειγµατοληψίας. Αυτό οφείλεται κυρίως στην υψηλότερη θερµοκρασία του δείγµατος χωρίς να είναι ασήµαντη η επίδραση της σύστασης ή της πίεσης του δείγµατος. Από το παράδειγµα αυτό φαίνεται καθαρά ότι

98 76 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος ο DR πρέπει να διορθώνεται κατάλληλα όταν συγκρίνονται συγκεντρώσεις από διαφορετικά οχήµατα ή από διαφορετικές θέσεις δειγµατοληψίας. DR Σύσταση Πίεση Θερµοκρασία Αναφορά +7.7% +15.4% +23.2% 10 9 Αναφορά CVS Καυσαέριο diesel Καυσαέριο βενζινοκίνητου Εικόνα 5-12: Επίδραση διαφορετικών θέσεων δειγµατοληψίας και δειγµάτων. Figure 5-12: Effect of different sampling environments on the ejector dilution ratio. Percentage change expressed over the reference condition. Εκτός από αλλαγές στη σύσταση του καυσαερίου, στη θερµοκρασία και στην πίεση, υπάρχουν επιπλέον λόγοι που περιορίζουν τις δυνατότητες εφαρµογής του αραιωτήρα για πρωτεύουσα αραίωση. Όλες οι διορθώσεις που προτείνονται από το µοντέλο ισχύουν για σταθερές συνθήκες λειτουργίας, δηλαδή όταν ο αραιωτήρας χρησιµοποιείται για δευτερεύουσα αραίωση. Αν χρησιµοποιηθεί ως πρωτεύων αραιωτήρας, οι υψηλής συχνότητας παλµοί του καυσαερίου και οι ταχείες µεταβολές των παροχών κατά τη διάρκεια του κύκλου µπορεί να αλλάξουν τον DR, χωρίς να υπάρχει δυνατότητα πρόβλεψης της µεταβολής από το µοντέλο. Επιπλέον η επικάθηση σωµατιδίων στο ακροφύσιο είναι ένας άλλος περιοριστικός παράγοντας. Το ακριβές µέγεθος αυτών των φαινοµένων δεν µπορεί να προβλεφτεί επειδή εξαρτάται από τη διάταξη της δειγµατοληψίας. Αυτό που συστήνεται είναι η εξοµάλυνση παλµών της γραµµής δείγµατος για τη µείωση των παλµών και ο τακτικός καθαρισµός του ακροφυσίου. Σύνοψη συµπεράσµατα Εξετάστηκαν πειραµατικά και θεωρητικά η επίδραση των παραµέτρων λειτουργίας ενός αραιωτήρα ακροφυσίου στον DR. Αυτές περιλαµβάνουν τη σύσταση, την πίεση

99 77 και τη θερµοκρασία του δείγµατος, και τις πιέσεις του αέρα αραίωσης και του µίγµατος. Τα πειράµατα έδειξαν ότι: Ο DR αυξάνεται περίπου 20% αν χρησιµοποιηθεί ως δείγµα CO 2 αντί αέρας. Ο DR αυξάνεται 10 20% είτε µειώνοντας την πίεση του δείγµατος κατά 5 kpa, είτε αυξάνοντας την πίεση εξόδου κατά 5 kpa, είτε αυξάνοντας την πίεση του αέρα αραίωσης κατά 50 kpa. Ο DR αυξάνεται κατά 20% αν αυξηθεί η θερµοκρασία δείγµατος κατά 140 C. Οι παραπάνω αλλαγές των συνθηκών λειτουργίας του αραιωτήρα, που είναι συνηθισµένες σε µετρήσεις καυσαερίου, πρέπει να λαµβάνονται υπόψη για τον καθορισµό του DR, ειδικά όταν ενδιαφέρουν µικρές µεταβολές (π.χ. σύγκριση διαφορετικών καυσίµων) ή ενδιαφέρει το απόλυτο µέγεθος των εκποµπών. Το µοντέλο που αναπτύχθηκε λαµβάνει υπόψη αυτές τις επιδράσεις σε συνθήκες µέτρησης. Το µοντέλο υποθέτει συµπιεστή ροή που φτάνει την ηχητική ταχύτητα στην περιοχή ανάµειξης. Μπορεί να προβλέψει τα πειραµατικά δεδοµένα για αλλαγές του DR ως και 500% µε µέσο σφάλµα ±5%. Εφαρµογή του µοντέλου για διαφορετικές συνθήκες δειγµατοληψίας έδειξαν ότι ο DR µπορεί να αλλάξει πάνω από 20% σε σχέση µε τις συνθήκες αναφοράς, γεγονός που υποδεικνύει ότι ένας τέτοιος διορθωτικός αλγόριθµος είναι απαραίτητος για µετρήσεις µε τον ίδιο αραιωτήρα σε διαφορετικές συνθήκες. Βιβλιογραφία Ahlvik, P., Ntziachristos, L., Keskinen, J. and Virtanen, A. (1998). Real Time Measurements of Diesel Particle Size Distribution with an Electrical Low Pressure Impactor, SAE Aly, N. H., Karameldin, A. and Shamloul, M. M. (1999). Modeling and Simulation of Steam Jet Ejectors, Desalination, 123, 1-8 Andrews, G. E., Clarke, A. J., Rojas, N. Y., Gregory, D. and Sale, T. (2000). Diesel Particle Size Distribution Changes Along a Practical Exhaust System During Cold Start in a Passenger Car IDI Diesel, SAE Bohl, W. (1998). Technische Strömungs-lehre, 11th edition, Kamprath Reihe, Würzburg, Vogel Buchverlag Cheng, M., Storey, J., Wainman, T. and Dam, T. (2002). Impacts of Venturi Turbulent Mixing on the Size Distributions of Sodium Chloride and Dioctyl-Phthalate Aerosols, J. Aerosol Science, 33,

100 78 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Chou, S. K., Yang, P. R., Yap, C. (2001). Maximum Mass Flow Ratio due to Secondary Flow Chocking in an Ejector Refrigeration System, International Journal of Refrigeration 24, Deberne, N., Leone, J. F., Duque, A., and Lallemand A. (1999). A Model for Calculation of Steam Injector Performance, International Journal of Multiphase Flow 25, Eames, I. W., Aphornratana, S., Haider, H. (1995). A Theoretical and Experimental Study of a Small-Scake Steam Jet Refrigerator, Int. J. Refrig. 18, El-Dessouky. H., Ettouney. H., Alatiqi. I., Al-Nuwaibit. G. (2002). Evaluation of Steam Jet Ejectors, Chemical Engineering and Processing, 41, Fang, C. P. and Kittelson, D. B. (1984). The Influence of Fibrous Diesel Particulate Trap on the Size Distribution of Emitted Particles, SAE Harris. S. J., Maricq. M. M. (2001). Signature Size Distributions for Diesel and Gasoline Engine Exhaust Particulate Matter, J. Aerosol Science, 32, Holmén, B. A. and Ayala, A. (2002). Ultrafine PM Emissions from Natural Gas, Oxidation Catalyst Diesel, and Particle Trap Diesel Heavy-Duty Transit Buses, Environmental Science & Technology 36, Kast, W. (1991). Druckverlust in VDI-Wärmeatlas, sechste auflage, Düsseldorf, VDI verlag, pp. LC1-9 Khalek, I. A., Kittelson, D. B. and Brear, F. (2000). Nanoparticle Growth During Dilution and Cooling of Diesel Exhaust: Experimental Investigation and Theoretical Assessment, SAE Kittelson, D. B., Dolan, D. F., Diver, R. B. and Aufderheide, E. (1978). Diesel Exhaust Particle Size Distributions Fuel and Additive Effects, SAE Kittelson, D. B., Sun, R., Blackshear, P. L. and Brehob, D. D. (1992). Oxidation of Soot Agglomerates in a Direct Injection Diesel Engine, SAE Kittelson, D., Watts, W., Johnson, J. (2002). Diesel Aerosol Sampling Methodology, CRC E- 43, Final Report Koch, W., Lödding, H., Mölter, W. and Munzinger, F. (1988). Verdünnungssystem für die Messung hochkonzentrierter Aerosole mit optischen Partikelzählern, Staub Reinhaltung der Luft 48, Luo, L., Pipho, M. J., Ambs, J. L., Kittelson, D. B. (1989). Particle Growth and Oxidation in a Direct-Injection Diesel Engine, SAE Lyyränen, J., Jokiniemi, J., Kauppinen, E. I., Backman, U. and Vesala, H. (2004). Comparison of Different Dilution Methods for Measuring Diesel Particle Emissions, Aerosol Science & Technology 38, Maricq, M. M., Chase, R. E., Podsiadlik, D. H. and Vogt, R. (1999). Vehicle Exhaust Particle Size Distributions: A Comparison of Tailpipe and Dilution Tunnel Measurements, SAE Maricq, M. M., Chase, R. E., Xu, N.and Laing, P. M. (2002). The Effects of the Catalytic Converter and Fuel Sulfur Level on Motor Vehicle Particulate Matter Emissions: Light Duty Diesel Vehicles, Environmental Science & Technology, 36, Mohr, M., Forss, A. and Steffen, D. (2000). Particulate Emissions of Gasoline Vehicles and Influence of the Sampling Procedure, SAE Munson, B. R., Young, D. F., Okiishi T. H. (2002). Fundamentals of Fluid Mechanics, John Wiley & Sons, Inc. 4th edition

101 Ntziachristos, L., Mamakos, A., Samaras, Z., Mathis, U., Mohr, M., Thompson, N., Stradling, R., Forti, L., de Serves, C. (2004a). Overview of the European "Particulates" Project on the Characterization of Exhaust Particulate Emissions from Road Vehicles: Results for Light- Duty Vehicles, SAE Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos P., Samaras Z., Mathis U., Mohr M., Ristimäki J., Keskinen J., Mikkanen P., Casat R., Scheer V. and Vogt R. (2004b). Performance and Evaluation of a Novel Sampling System for Exhaust Particle Characterization, SAE Ntziachristos, L., Samaras, Z., Pistikopoulos, P. and Kyriakis, N. (2000). Statistical Analysis of Diesel Fuel Effects on Particle Number and Mass Emissions, Environmental Science & Technology, 34, Oosthuizen, P. H., Carscallen, W. E. (1997). Compressible Fluid Flow, McGraw-Hill International Editions Ouzzane, M. and Aidoun, Z. (2003). Model Development and Numerical Procedure for Detailed Ejector Analysis and Design, Applied Thermal Engineering, 23, Pattas, K., Kyriakis, N., Samaras, Z., Pistikopoulos, P. and Ntziachristos, L. (1998), Effect of DPF on Particulates Size Distribution Using an Electrical Low Pressure Impactor, SAE Fogiel, M. (ed) (1996). The Fluid Mechanics and Dynamics Problem Solver, 3rd edition, New Jersey, Research & Education Assosiation pp Schweizer, T., Lehmann, U., Rütter, J. and Mohr, M. (2002). Number Size Distribution of Particulate Emissions of Heavy Duty Engines on Real World Test Cycles in Relation to their Mass Emissions and the Corresponding Limit Values, 11th International Conference Transport and Air Pollution, Graz Shi, J. P., Harrison, R. M. and Brear, F. (1999). Particle Size Distribution from a Modern Heavy-Duty Diesel Engine, The Science of the Total Environment, 235, Shi, J. P., Mark, D. and Harrison, R. M. (2000) Characterization of Particles from a Current Technology Heavy-Duty Diesel Engine, Environmental Science & Technology, 34, Smallwood G. J., Snelling D. R., Gülder Ö. L., Clavel D., Gareau D., Sawchuk R. A. and Graham, L. (2001). Transient Particulate Matter Measurements from the Exhaust of a Direct Injection Spark Ignition Automobile, SAE Streeter, V. L., Wylie, E. B. and Bedford, K. W. (1998). Fluid Mechanics, 9th edition, McGraw-Hill International Editions, Civil Engineering Series Wong, C. P., Chan, T. L. and Leung, C. W. (2003). Characterization of Diesel Exhaust Particle Number and Size Distributions using Mini-Dilution Tunnel and Ejector Diluter Measurement Techniques, Atmospheric Environment, 37,

102 80 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος 6. Αγωγός γήρανσης Τα καυσαέριο στην εξάτµιση είναι µίγµα υπέρθερµων ατµών και στερεών. Κατά την εκτόνωση του καυσαερίου στην ατµόσφαιρα, και ανάλογα µε το ρυθµό αραίωσης και ψύξης, ατµοί διαφόρων συστατικών καθίστανται κορεσµένοι και εκκινούν φυσικές και χηµικές διεργασίες µετατροπής αέριο-προς-σωµατίδιο (πυρηνογένεση, συµπύκνωση, προσρόφηση, χηµική αντίδραση προς συστατικό πολύ χαµηλής πίεσης ισορροπίας) και φυσικές διεργασίες τύπου σωµατίδιο-σωµατίδιο (συσσωµάτωση). Αν και οι κύριες παράµετροι καθορισµού της τελικής µορφής των σωµατιδίων (σύσταση, κατανοµή) είναι ο λόγος και η θερµοκρασία αραίωσης, ο χρόνος παραµονής των σωµατιδίων στην ατµόσφαιρα είναι επίσης σηµαντική παράµετρος (Ahlvik et al. 1998, Anderson et al. 2000, Hall et al. 2000). Το αεροκολλοειδές στην ατµόσφαιρα µεταβάλλεται συνεχώς λόγω των παραπάνω διεργασιών. Τα νανοσωµατίδια για παράδειγµα µειώνονται µε την πάροδο του χρόνου (90% σε λίγα λεπτά), κυρίως λόγω συσσωµάτωσής τους σε µεγαλύτερα σωµατίδια. Ο χρόνος κατά τον οποίο οι συγκεντρώσεις των κρίσιµων συστατικών είναι ακόµη σχετικά υψηλές και οι παραπάνω διεργασίες είναι ακόµη σηµαντικές είναι πολύ σηµαντικός. Στα πειράµατα της παρούσας εργασίας, η πρωτεύουσα αραίωση που γίνεται στην εξάτµιση του οχήµατος, είναι περίπου 12,5:1, και µπορεί να υποτεθεί ότι οι διεργασίες εξακολουθούν να λαµβάνουν χώρα ακόµη και στο πρωταρχικά αραιωµένο δείγµα. Μετά τη δευτερεύουσα αραίωση (περίπου 1000:1), οι διεργασίες αυτές σχεδόν «παγώνουν» (συµβαίνουν µε πολύ αργό ρυθµό). Άρα, ως χρόνος παραµονής στην περίπτωση του εργαστηρίου ορίζεται ο χρόνος µεταξύ των δύο αραιώσεων (πρωτεύουσας και δευτερεύουσας). Η επίδρασή του διερευνάται µε την προσαγωγή του πρωταρχικώς αραιωµένου δείγµατος σε αγωγό µεταβλητού µήκους πριν τη δευτερεύουσα αραίωση (αγωγός γήρανσης). Επίδραση στην κατανοµή µεγέθους αριθµού σωµατιδίων Περιοχή πυρήνων: Η επίδραση του χρόνου παραµονής στο µέγεθος της κορυφής και την αριθµητική συγκέντρωση της περιοχής πυρήνων µελετήθηκε από τους Kittelson et al. (1998b). Με µικρό χρόνο παραµονής (0,04 s) υπήρχε µια µικρή περιοχή

103 81 πυρήνων. Με αύξηση του χρόνου παραµονής (0,4 s), η συγκέντρωση και το µέγεθος της κορυφής της περιοχής πυρήνων αυξήθηκε και αυτό αποδόθηκε στη δηµιουργία σωµατιδίων από πυρηνογένεση. Περαιτέρω αύξηση του χρόνου παραµονής οδήγησε σε µειωµένη αριθµητική συγκέντρωση και αυξηµένη διάµετρο των σωµατιδίων πιθανά λόγω συσσωµάτωσης. Γενικά, παρατηρήθηκε ευαισθησία της συγκέντρωσης των νανοσωµατιδίων στο χρόνο παραµονής, ενώ, αντίθετα, οι συγκεντρώσεις των µεγαλύτερων σωµατιδίων δε µεταβλήθηκαν. Παραπλήσια αποτελέσµατα βρέθηκαν και στο ΕΕΘ. Οι µετρήσεις έγιναν µε ένα Euro I όχηµα (VW Golf TDi) στα 50 km/h µεταβάλλοντας το χρόνο παραµονής. Στην Εικόνα 6-1 φαίνεται ότι η αύξηση του χρόνου παραµονής από 0,6 s σε 2 s αυξάνει το µέσο µέγεθος των νανοσωµατιδίων, υποδεικνύοντας συµπύκνωση µε πιθανή ταυτόχρονη πυρηνογένεση και αµελητέα συσσωµάτωση (Βουίτσης 2004), αφού το σύνολο του αριθµού των σωµατιδίων στην περιοχή πυρήνων στις δύο περιπτώσεις είναι σχεδόν το ίδιο. Το καύσιµο που χρησιµοποιήθηκε ήταν χαµηλής περιεκτικότητας σε θείο (<10 ppm, σουηδικό EC1) (Παράρτηµα Β). Η Εικόνα 6-2 από την άλλη, δείχνει µια περίπτωση που η συσσωµάτωση είναι πιο έντονη µε αποτέλεσµα η συγκέντρωση των σωµατιδίων να µειώνεται (πάνω από 20%) (Παράρτηµα ). Και σε αυτήν την περίπτωση όµως το µέσο µέγεθος των σωµατιδίων αυξάνεται. Στην περίπτωση αυτή οι µετρήσεις έγιναν µε ένα Euro IΙΙ όχηµα (VW Golf TDi) και το καύσιµο που χρησιµοποιήθηκε ήταν πειραµατικό και διατέθηκε από την Concawe (περιεκτικότητα σε θείο 280 ppm, D2 βλ. Παράρτηµα Β). Πιθανά το υψηλότερο ποσοστό θείου και το διαφορετικό περιεχόµενο σε υδρογονάνθρακες του καυσίµου να οδήγησε στην υψηλότερη συγκέντρωση νανοσωµατιδίων στη δεύτερη περίπτωση. Τα αποτελέσµατα των µετρήσεων των παραπάνω εικόνων πρέπει να αντιµετωπιστούν µε προσοχή, αφού οι µετρήσεις έγιναν σε σειρά και όχι παράλληλα. υστυχώς δεν µπορεί να προβλεφτεί ποια διεργασία είναι η πιο καθοριστική, αφού η συµµετοχή αυτών των διεργασιών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες συµπεριλαµβανοµένης και της συγκέντρωσης των νανοσωµατιδίων. Παρόλα αυτά είναι γνωστό ότι η θερµοκρασία του αγωγού (άρα και του περιβάλλοντος) επηρεάζει αυτές τις διεργασίες κατά τη γήρανση και, κατά συνέπεια, συστήνεται είτε µόνωση του αγωγού είτε σταθεροποίηση της θερµοκρασία περιβάλλοντος. Οποιαδήποτε θερµοκρασία είναι κατάλληλη, αρκεί να είναι σταθερή και η ίδια για όλες τις µετρήσεις.

104 82 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Αριθµητική Συγκέντρωση dn/dlogdp [cm -3 ] 8,0E+08 0,6 s 6,0E+08 2,0 s 4,0E+08 2,0E+08 0,0E ιάµετρος Κινητικότητας [nm] Εικόνα 6-1: Επίδραση του χρόνου παραµονής στην κατανοµή µεγέθους αριθµού των σωµατιδίων. VW Golf TDi, Euro I (50 km/h, φορτίο 7 kw). Σουηδικό καύσιµο EC1 (10 ppm θείο). PDR=20:1, θερµοκρασία αέρα αραίωσης 20 C, T amb =20 C. Figure 6-1: Effect of residence time on particle number size distribution. VW Golf TDi, Euro I (50 km/h, load 7 kw). Swedish fuel EC1 (10 ppm sulphur). PDR=20:1, dilution air temperature 20 C, T amb =20 C. 8,0E+08 Αριθµητική συγκέντρωση dn/dlog(dp) [cm -3 ] 0,6 s 6,0E+08 2,0 s 4,0E+08 2,0E+08 0,0E ιάµετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 6-2: Επίδραση χρόνου παραµονής στην κατανοµή µεγέθους αριθµού σωµατιδίων. VW Golf TDi Euro III, 120 km/h, φορτίο δρόµου 2 kw. Καύσιµο µε 280 ppm θείο. PDR=12:1, θερµοκρασία αέρα αραίωσης 32 C, T amb =20 C. Figure 6-2: Effect of residence time on particle number size distribution. VW Golf TDi Euro III, 120 km/h, road load 2 kw. Fuel with 280 ppm sulphur. PDR=12:1, dilution air temperature 32 C, T amb =20 C. Όπως φαίνεται από τις προηγούµενες εικόνες, το µέγεθος της κορυφής της περιοχής των πυρήνων δεν µπορεί να προβλεφθεί. Στα 50 km/h µε EC1 η κορυφή είναι περίπου στα 20 (µε µικρό χρόνο παραµονής) ή 30 nm (µε µεγάλο χρόνο παραµονής) (Εικόνα 6-1), ενώ στα 120 km/h µε καύσιµο D2 η κορυφή είναι περίπου στα 20 και 40 nm

105 83 αντίστοιχα (Εικόνα 6-2). Το σηµαντικό όµως µε το µεγάλο χρόνο παραµονής, όπως έδειξαν και άλλες µετρήσεις, είναι ότι η κορυφή των νανοσωµατιδίων είναι σχεδόν πάντα µεγαλύτερη από 10 nm (συνήθως nm). Αυτό είναι πολύ σηµαντικό για τις µετρήσεις µε το CPC, όπως θα φανεί στη συνέχεια. Περιοχή συσσώρευσης: Η µεταβολή του χρόνου παραµονής µεταβάλλει τη µέση διάµετρο της περιοχής πυρήνων, αλλά δεν επηρεάζει την περιοχή συσσώρευσης (π.χ. Εικόνα 6-1). Αν όµως η περιοχή πυρήνων είναι πολύ ισχυρή (πάνω από τάξη µεγέθους διαφορά στη συγκέντρωση µεταξύ περιοχής πυρήνων και συσσώρευσης) ενδεχοµένως να επηρεαστεί και η περιοχή συσσώρευσης (π.χ. Εικόνα 6-2). Μεταβλητότητα: Στην Εικόνα 6-3 παρουσιάζεται η τυπική απόκλιση µετρήσεων µε διαφορετικό χρόνο παραµονής. Η µεγάλη διασπορά και στις δύο περιπτώσεις οφείλεται στη διαφοροποίηση της θερµοκρασίας του καυσαερίου (ο ανεµιστήρας που χρησιµοποιούνταν για την ψύξη του κινητήρα άνοιγε (ψυχρότερο καυσαέριο) και έκλεινε (θερµότερο καυσαέριο), εκ περιτροπής). Όπως φαίνεται, ο µικρός χρόνος παραµονής δε σταθεροποιεί ικανοποιητικά τα νανοσωµατίδια. Αυτό οφείλεται, εν µέρει, σε πειραµατικές αβεβαιότητες αλλά και σε προβλήµατα λειτουργικότητας ανιχνευσιµότητας του CPC σε µικρά µεγέθη σωµατιδίων. 2.5E+09 Αριθµητική συγκέντρωση dn/dlogdp [cm -3 ] 2.0E s 1.5E E E s 0.0E ιάµετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 6-3: Επίδραση του χρόνου παραµονής στην κατανοµή µεγέθους αριθµού των σωµατιδίων. VW Golf TDi, Euro I (70 km/h, load 17,7 kw). Ελληνικό καύσιµο µε 250 ppm θείο. PDR=19:1, θερµοκρασία αέρα αραίωσης 21 C, T amb =20-23 C. Από 8 µετρήσεις. Figure 6-3: Effect of residence time on particle number size distribution. VW Golf TDi, Euro I (70 km/h, load 17,7 kw). Greek market fuel with 250 ppm sulphur. PDR=19:1, dilution air temperature 21 C, T amb =20-23 C. 8 measurements.

106 84 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Επίδραση στα όργανα µέτρησης H σωµατιδιακή ύλη του σταθεροποιηµένου δείγµατος, µετά και τη δευτερεύουσα αραίωση, µετριέται µε το CPC, το DC και το SMPS. Και τα τρία όργανα µετράνε ικανοποιητικά πάνω από τα 10 nm. Κάτω από αυτήν τη διάµετρο η µέτρηση είναι ανασφαλής. Αυτό µπορεί να γίνει καλύτερα κατανοητό από την Εικόνα 6-4, όπου δίνεται και η αποτελεσµατικότητα του CPC 3010 για διαφορά θερµοκρασίας εξατµιστήρα - συµπυκνωτή 17 C. Στην ίδια εικόνα συγκρίνονται δύο κατανοµές µεγέθους µε µέση διάµετρο 10 και 25 nm (τυπική απόκλιση 3,3 και στις δύο περιπτώσεις, Τσάκης (2002)) οι οποίες αντιπροσωπεύουν κατανοµές περιοχής πυρήνων µε µικρό και µεγάλο χρόνο παραµονής αντίστοιχα. Οι κατανοµές αυτές φαίνονται µε τις συνεχείς γραµµές. Στο κάτω µέρος της εικόνας δίνεται το ποσοστό υποεκτίµησης του CPC στη συνολική αριθµητική συγκέντρωση κάθε κατανοµής. Όπως αναµένεται λόγω της χαµηλής απόδοσης του οργάνου στα 10 nm, ένα µεγάλο µέρος των σωµατιδίων (54,2%) δε θα καταγραφόταν αν η κορυφή των νανοσωµατιδίων ήταν στα 10 nm. Αντίθετα, αν η κορυφή ήταν στα 25 nm, το ποσοστό πέφτει στο 2,6%. Εύκολα συµπεραίνεται ότι η χρήση µεγάλου χρόνου παραµονής είναι πολύ σηµαντική και επισκιάζει το µειονέκτηµα των περισσότερων απωλειών (που, όπως θα δειχτεί παρακάτω, είναι της τάξης του 3% το πολύ). Απώλειες Το µεγάλο µήκος του αγωγού γήρανσης αυξάνει το χρόνο παραµονής αλλά αυξάνει και τις απώλειες των σωµατιδίων λόγω διάχυσης, θερµοδιάχυσης και αδρανειακής πρόσκρουσης (ειδικά των σωµατιδίων γύρω στα 10 nm, λόγω διάχυσης). Στην Εικόνα 6-5 φαίνονται οι µέγιστες θεωρητικά υπολογισµένες απώλειες διάχυσης και αδράνειας στον αγωγό γήρανσης για τις συνήθεις παροχές, λαµβάνοντας υπόψη και τις καµπυλώσεις (Hinds 1999, Willeke 1993) (Παράρτηµα ). Οι απώλειες θερµοδιάχυσης θεωρούνται αµελητέες επειδή η διαφορά θερµοκρασίας του αραιωµένου καυσαερίου από το περιβάλλον είναι µικρότερη από 40 C. O αριθµός Re είναι περίπου Εποµένως, η ροή είναι στην ενδιάµεση περιοχή και για αυτό χρησιµοποιείται µια σταθµισµένη τιµή των εξισώσεων στρωτής και τυρβώδους ροής. Όπως φαίνεται ο αγωγός γήρανσης εισάγει απώλειες περίπου 3% για τα σωµατίδια 10 nm, λιγότερο από 0,2% για τα σωµατίδια 100 nm και 0,3% για τα σωµατίδια 1000 nm.

107 85 Αποτελεσµατικότητα CPC 120% 100% 80% 60% 40% 20% 0% 60% Αποτελεσµατικότητα CPC 17 o C θεωρητικές κατανοµές ιάµετρος Κινητικότητας [nm] dn/dlogdp Υποεκτίµηση σωµατιδίων 50% 40% 30% 20% 10% 0% 10 nm 25 nm Εικόνα 6-4: Πάνω: Αποτελεσµατικότητα του CPC και θεωρητικές κατανοµές πυρήνων µε µέση διάµετρο 10 και 25 nm. Κάτω: Υποεκτίµηση συνόλου σωµατιδίων για τις δύο κατανοµές. Figure 6-4: Upper panel: Efficiency of CPC 3010 and theoretical particle number size distributions with mean diameters of 10 and 25 nm. Lower panel: Underestimation of total number concentration for the two size distributions. 10% 8% Απώλειες 6% 4% 2% 0% ιάµετρος [nm] Εικόνα 6-5: Μέγιστες θεωρητικά υπολογισµένες απώλειες διάχυσης και αδράνειας στον αγωγό γήρανσης. Παροχή στον αγωγό γήρανσης 75 lpm. Figure 6-5: Maximum theoretical diffusion and inertial losses in the ageing chamber. Flowrate 75 lpm.

108 86 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Σύνοψη συµπεράσµατα Εξετάστηκε η επίδραση του χρόνου παραµονής µεταξύ πρωτεύουσας και δευτερεύουσας αραίωσης σε αγωγό µεταβλητού µήκους (αγωγός γήρανσης) στην κατανοµή µεγέθους αριθµού των σωµατιδίων. Ο χρόνος παραµονής είναι πολύ σηµαντική παράµετρος για τα νανοσωµατίδια. Σε µερικές περιπτώσεις µπορεί να επηρεάσει και τα σωµατίδια της περιοχής συσσώρευσης. Αύξηση του χρόνου παραµονής οδηγεί σε σωµατίδια µεγαλύτερης διαµέτρου. Η µορφή της περιοχής πυρήνων εξαρτάται από τις διεργασίες µετασχηµατισµού (π.χ. συµπύκνωση και συσσωµάτωση) που εξακολουθούν να εξελίσσονται στον αγωγό γήρανσης. Συγκεκριµένος χρόνος παραµονής δε σηµαίνει και συγκεκριµένο µέγεθος κορυφής νανοσωµατιδίων. Ο µεγάλος χρόνος παραµονής (3 s) όµως οδηγεί σε κορυφές πάνω από 10 nm, που είναι πολύ σηµαντικό για τα µετρητικά όργανα. Υπολογίζεται ότι το CPC 3010 µπορεί να κάνει σφάλµα πάνω από 50% αν η κορυφή των νανοσωµατιδίων είναι στα 10 nm. Ο µεγάλος χρόνος παραµονής εισάγει απώλειες 3% στα 10 nm και λιγότερο από 1% στα σωµατίδια της περιοχής συσσώρευσης. Από τα παραπάνω συµπεραίνεται ότι ο µεγάλος χρόνος παραµονής είναι προτιµότερος, από το µικρό χρόνο παραµονής. Η εµπειρία δείχνει ότι ένας χρόνος παραµονής γύρω στα 2,5 s είναι ικανοποιητικός. Βιβλιογραφία Ahlvik, P., Ntziachristos, L., Keskinen, J., Virtanen, A. (1998). Real Time Measurements of Diesel Particle Size Distribution with an Electrical Low Pressure Impactor, SAE Andersson, J. D., Wedekind, G. A., Hall D., Stradling, R., Barnes, Ch. and Wilson, G., (2000). DETR/SMMT/CONCAWE Particle Research Programme: Sampling and Measurement Experiences, SAE Andrews, G. E., Clarke, A. J., Rojas, N. Y., Gregory, D. and Sale, T. (2000). Diesel Particle Size Distribution Changes Along a Practical Exhaust System During Cold Start in a Passenger Car IDI Diesel, SAE

109 Hall, D. E., Martini, G., Stradling, R. J., Zemroch, P. J., Hagemann, R., Rickeard, D. J., Mann, N., Rantanen, L., Heinze, P., Szendefi, J. (2000). Measurement of the Number and Size Distribution of Particle Emissions from Heavy Duty Engines, SAE Hinds, W. C. (1982). Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles, New York, John Willey & Sons Kittelson, D. B., Watts, W. F., Arnold, M. (1998b). Review of Diesel Particulate Matter Sampling Methods, Report #2 Aerosol Dynamics, Laboratory and On-road Studies, University of Minnesota, Minneapolis, USA Willeke, K., Baron, P. A. (1993). Aerosol Measurement, Van Nostrand Reinhold, New York, USA Βουίτσης Η. (2004). Θεωρητική και Πειραµατική ιερεύνηση Σχηµατισµού Νανοσωµατιδίων κατά τη ειγµατοληψία Καυσαερίου Κινητήρων Εσωτερικής Καύσης, διδακτορική διατριβή, τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών Α.Π.Θ. Τσάκης, Απ. (2002). Στατιστική ανάλυση Μετρήσεων Σωµατιδίων Diesel, διπλωµατική εργασία, τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, αριθµός

110 88 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος 7. Μέτρηση και ρύθµιση παροχών Η µέτρηση των παροχών επιτυγχάνεται µε ροόµετρα (TSI 4040). Η ρύθµιση της παροχής του αέρα αραίωσης στον πορώδη αραιωτήρα επιτυγχάνεται µε τη χρήση ρυθµιστή παροχής µάζας Millipore FC2920. Η µέτρηση των παροχών στηρίζεται στην αρχή λειτουργίας των ανεµόµετρων θερµού σύρµατος που περιγράφεται στη συνέχεια. Αρχή λειτουργίας Η καρδιά του ροόµετρου (και του ρυθµιστή παροχής µάζας) είναι ο αισθητήρας ή µετρητής. Πρόκειται για ένα σύρµα διαµέτρου 3 5 nm από βολφράµιο ή πλατίνα. Υπάρχουν και αισθητήρες επιφάνειας, οι οποίοι είναι πιο ανθεκτικοί, αλλά έχουν µικρότερη απόκριση. Ο µετρητής, που θερµαίνεται µε τη βοήθεια σταθερού ηλεκτρικού ρεύµατος, αποτελεί τµήµα µιας γέφυρας Wheatstone. Όταν περάσει κάποιο ρευστό (χαµηλής θερµοκρασίας) από το µετρητή, η ψύξη θα προκαλέσει αλλαγή της αντίστασης και εποµένως της τάσης στα άκρα. Μετρώντας την αλλαγή της τάσης µε το κύκλωµα γέφυρας Wheatstone, καθώς και τη θερµοκρασία του ρευστού, υπολογίζεται η ταχύτητα του αερίου. Ροόµετρο (Flow meter) Το ροόµετρο της TSI 4040 είναι ένας µετρητής ροής µάζας αερίου (thermal mass flow meter) µε ταυτόχρονη δυνατότητα µέτρησης θερµοκρασίας και πίεσης. Ο θερµικός αισθητήρας πρέπει να προστατεύεται από σωµατίδια, για αυτό ανάντη του τοποθετείται πάντοτε φίλτρο µε αποτελεσµατικότητα (efficiency) 99,9%. Το µη φιλτράρισµα του αερίου µπορεί να προκαλέσει ζηµιά στον αισθητήρα ή να αλλάξει τη βαθµονόµηση. Μέτρηση θερµοκρασίας: Στο σωλήνα µέτρησης της παροχής υπάρχει αισθητήρας θερµοκρασίας για τη µέτρηση της θερµοκρασίας του αερίου. Σε χαµηλές παροχές η θερµοκρασία µέσα στο σωλήνα θα αυξηθεί λόγω της θερµότητας που παράγεται από τον θερµικό αισθητήρα. Το φαινόµενο αυτό είναι αναµενόµενο και η θερµοκρασία του εισερχόµενου αερίου µετριέται όταν αποκαθίσταται η ροή. Η θερµοκρασία µετριέται µε ακρίβεια ±1 C για παροχές µεγαλύτερες από 1 lpm.

111 89 Μέτρηση πίεσης: Το ροόµετρο αντέχει ως 690 kpa, αλλά τα όρια µέτρησης είναι kpa. Η ακρίβεια είναι ±1 kpa. Το σφάλµα αυξάνεται 0,2 kpa για κάθε 10 C διαφορά από τους 21,1 C. Η µέγιστη πτώση πίεσης που µπορεί να προκαλέσει το ροόµετρο µε το φίλτρο είναι 3 kpa στα 300 lpm. Στα 10 lpm είναι αµελητέα και στα 70 lpm που χρησιµοποιείται συνήθως είναι 0,3 kpa. Μέτρηση παροχής: Η ένδειξη του ροόµετρου αναφέρεται πάντα σε συνθήκες αναφοράς * 21,1 C και 101,3 kpa (1 bar). Η ακρίβεια για αέρα είναι 2% της ένδειξης ή 0,05 slpm (ό,τι είναι µεγαλύτερο). ιαφορά θερµοκρασίας 1 C από τους 21,1 C προσθέτει 0,075% ανακρίβεια. ιαφορά πίεσης 1 kpa από τα 101,3 kpa επιβάλλει σφάλµα 0,022%. Η κατάντη πίεση (back pressure) µειώνει την ακρίβεια του ροόµετρου. Μπορεί να µετρηθεί ο συνολικός όγκος µε ολοκλήρωση της παροχής στο χρόνο µέσω της εφαρµογής που δίνει ο κατασκευαστής λαµβάνοντας υπόψη τη θερµοκρασία και την πίεση. Το ροόµετρο είναι βαθµονοµηµένο για αέρα. Εκτός από τον αέρα, µπορεί να χρησιµοποιηθεί και N 2 και Ο 2, αρκεί να δηλωθεί στην εφαρµογή του κατασκευαστή που µπορεί να βρεθεί στην ιστοσελίδα τους. Συστήνεται να επιστρέφεται στον κατασκευαστή κάθε χρόνο για έλεγχο της βαθµονόµησης. Βαθµονόµηση ροόµετρου TSI για CO 2 : Έγινε βαθµονόµηση (ENCO ΕΠΕ) της ένδειξης του ροόµετρου (#1) µε 100% CO 2 σε διαφορετικές πιέσεις (+10, -31, -46 mbar). εν υπήρχε διαφορά της καµπύλης βαθµονόµησης λόγω διαφορετικής πίεσης. Η εξίσωση της βαθµονόµησης είναι η ακόλουθη: Πραγµατική = -0,08121 (ένδειξη) 2 + 1,6409 (ένδειξη) (7-1) Βαθµονόµηση ροόµετρου TSI σε διάφορες θερµοκρασίες: Έγινε βαθµονόµηση της ένδειξης του ροόµετρου µε πρότυπο ροόµετρο σε διαφορετικές θερµοκρασίες (20, 30, 40 C) (ENCO ΕΠΕ). εν υπήρχε διαφορά της καµπύλης βαθµονόµησης λόγω διαφορετικής θερµοκρασίας (η αναµενόµενη διαφορά µεταξύ των 20 και των 40 C * Με τον όρο αυτόν αποδίδεται ο αγγλικός όρος standard. Στο κείµενο οι συνθήκες αυτές θεωρούνται οι 21,1 ºC και τα 101,3 kpa, ακολουθώντας τον ορισµό της TSI, της κατασκευάστριας των ροόµετρων. Παρόλα αυτά, οι συνθήκες αναφοράς κυµαίνονται από 0 ως 25 ºC για τη θερµοκρασία και 99 ως 101,3 kpa για την πίεση και εποµένως πρέπει να ορίζονται ανεξάρτητα σε κάθε κείµενο.

112 90 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος είναι λιγότερο από 1,5% από τον κατασκευαστή). H εξίσωση βαθµονόµησης για τα δύο ροόµετρα είναι η ακόλουθη: Πραγµατική τιµή = a (ένδειξη) 2 + b (ένδειξη) (7-2) Όπου τις σταθερές α και b δίνει ο Πίνακας 7-1. Οι καµπύλες βαθµονόµησης ελέγχθηκαν βάζοντας τα ροόµετρα το ένα δίπλα στο άλλο σε σειρά και αντλώντας παροχές από 0 ως 180 lpm. Οι ενδείξεις των ροόµετρων διορθώθηκαν µε τις καµπύλες βαθµονόµησης. Τα αποτελέσµατα της διόρθωσης για τους C φαίνονται στην Εικόνα 7-1. Πίνακας 7-1: Σταθερές βαθµονόµησης ροόµετρων. #1: , #2: Table 7-1: Calibration constants for flowmeters. Ροόµετρο Θερµοκρασία [ C] a b #1 (DGI) 20 0, , #1 (DGI) 30 0, , #1 (DGI) 40 0, , #1 (DGI) , , #2 (CVS) 20-0, , #2 (CVS) 30-0, , #2 (CVS) 40-0, , #2 (CVS) , , #1 ροόµετρο διορθωµένο [std lpm] y = 1,0271x R 2 = 0, #2 ροόµετρο διορθωµένο [std lpm] Εικόνα 7-1: Έλεγχος καµπυλών βαθµονόµησης ροόµετρων (20 40 C) µεταξύ τους. Η απόκλιση είναι λιγότερο από 3%. Τα ροόµετρα τοποθετήθηκαν σε σειρά και εναλλάξ. Figure 7-1: Validation of the flowmeters calibration. The deviation is less than 3%. The flowmeters were positioned in series and alternatively.

113 91 Επόµενο βήµα ήταν η σύγκριση των ροόµετρων µεταξύ τους σε διάφορες (υπο)πιέσεις. Όπως φαίνεται από την Εικόνα 7-2 η (υπο)πίεση δεν είχε καµιά επίδραση στην ένδειξη του ροόµετρου, αφού η απόκλιση των δύο ροόµετρων ήταν ίδια και στην ατµοσφαιρική πίεση (>98 kpa) και στην χαµηλή (<70 kpa). Τέλος, εξετάστηκε η επίδραση της θερµοκρασίας του αερίου στις ενδείξεις των ροόµετρων. Από το ροόµετρο #2 έµπαινε αέρας περιβάλλοντος, ο οποίος στη συνέχεια θερµαινόταν και εισερχόταν στο ροόµετρο #1. #1 ροόµετρο διορθωµένο [std lpm] <90 kpa y(>98) = 1,0258x R 2 = 0,9995 >98 kpa y(<90) = 1,0297x R 2 = 0,9954 <70 kpa y(<70) = 1,0225x R 2 = 0, #2 ροόµετρο διορθωµένο [std lpm] Εικόνα 7-2: Επίδραση υποπιέσεων στην ένδειξη των ροόµετρων. Το ροόµετρο µετρά µε την ίδια ακρίβεια και σε πολύ χαµηλές πιέσεις. Figure 7-2: Effect of underpressure on the flowrate indication. The flowmeter measures precisely even at lower pressures. 1,5% διαφορά από αναφορά 1,0% 70 lpm 0,5% 10 lpm 0,0% 15-0,5% ,0% -1,5% -2,0% Θερµοκρασία [ o C] Εικόνα 7-3: Επίδραση της θερµοκρασίας του αερίου στην ένδειξη του ροόµετρου για διάφορες παροχές. Η επίδραση της θερµοκρασίας είναι µέσα στις προδιαγραφές του οργάνου. Figure 7-3: Effect of gas temperature on the flowmeter indication. The effect of the temperature is within the specifications of the instrument.

114 92 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Η διαφοροποίηση της βαθµονοµηµένης παροχής του ροόµετρου που εισερχόταν θερµός αέρας (#1) από το ροόµετρο που εισερχόταν αέρας περιβάλλοντος (#2) σε συνάρτηση µε τη θερµοκρασία, φαίνεται στην Εικόνα 7-3. Φαίνεται ότι όταν το ροόµετρο µετρά αέριο 45 C κάνει ένα σφάλµα -1,5%, το οποίο όµως είναι εντός προδιαγραφών (±0,075% σφάλµα για κάθε C πάνω από τους 21 C, αντιστοιχεί σε ±2,25% σφάλµα για το συγκεκριµένο πείραµα). Ρυθµιστής Παροχής Μάζας Ο ρυθµιστής παροχής µάζας είναι µία συσκευή που µετράει και ρυθµίζει την παροχή ενός αερίου. Τα κύρια τµήµατα ενός ρυθµιστή παροχής µάζας είναι τα εξής: Βάση: Για τη στήριξη των εξαρτηµάτων. Ρύθµιση παροχής: Ο χρήστης καθορίζει την επιθυµητή παροχή (ρυθµισµένη τιµή). Bypass: ιαχωρίζει ένα τµήµα από την κύρια ροή µε σταθερό λόγο παροχών. Η ροή αυτή (δευτερεύουσα) περνά από τον αισθητήρα. Αισθητήρας ή µετρητής (thermal mass flow sensor): Αποτελείται από ένα µικρό σωλήνα µε δύο θερµοστοιχεία αντίστασης τυλιγµένα εξωτερικά του σωλήνα. Η διαφορά θερµοκρασίας που προκαλείται από τη δευτερεύουσα ροή αερίου στα θερµοστοιχεία του αισθητήρα καθορίζει την παροχή µάζας µέσω της ροής που µετριέται. Βαλβίδα ελέγχου: Ρυθµίζει την κύρια παροχή του αερίου ανοίγοντας ή κλείνοντας µια βαλβίδα (αναλόγως µε τη διαφορά της πραγµατικής παροχής, όπως µετρήθηκε από τον αισθητήρα και της ρυθµισµένης από το χρήστη). Πειράµατα: Για να επιβεβαιωθούν τα χαρακτηριστικά του ρυθµιστή παροχής µάζας έγινε µια σειρά µετρήσεων στο ΕΕΘ. Συγκεκριµένα, συγκρίθηκε η κατάντη παροχή του ρυθµιστή παροχής µάζας για 3 bar υπερπίεση καθαρού αέρα για διαφορετικές ρυθµίσεις µε το ροόµετρο της TSI. Στην Εικόνα 7-4 φαίνονται τα αποτελέσµατα, µετά από µετατροπή της ένδειξης του βαθµονοµηµένου ροόµετρου (#1) σε κανονικές συνθήκες. Ο ρυθµιστής παροχής µάζας λειτουργεί οριακά σωστά (απόκλιση 4 5 lpm) στην περιοχή που χρησιµοποιείται ( lpm), αλλά όχι σε χαµηλότερες παροχές. Πάντως, να σηµειωθεί ότι αυτή η διαφοροποίηση της παροχής δεν

115 93 επηρεάζει τις µετρήσεις, αφού ο DR στον πορώδη αραιωτήρα µετριέται µε συγκεντρώσεις CO 2 και όχι µε παροχές. Σύνοψη συµπεράσµατα Εξετάστηκε ο ρυθµιστής παροχής µάζας που χρησιµοποιείται για τον καθορισµό της παροχής του αέρα αραίωσης για την πρωτεύουσα αραίωση και το ροόµετρο που χρησιµοποιείται για την µέτρηση της παροχής στον DGI. Η βαθµονόµηση, τόσο του ροόµετρου όσο και του ρυθµιστή παροχής µάζας πρέπει να γίνεται για κάθε αέριο χωριστά. Η µέτρηση στις συνθήκες λειτουργίας των οργάνων (ατµοσφαιρική πίεση και θερµοκρασία) δεν έχει µεγάλο σφάλµα. Το ροόµετρο µετρά ικανοποιητικά την παροχή, τη θερµοκρασία και την πίεση του αέρα, όταν γίνεται η απαραίτητη διόρθωση βαθµονόµησης. Η καµπύλη βαθµονόµησης του CO 2 για το ροόµετρο πρέπει να ελεγχθεί. Ο ρυθµιστής παροχής µάζας λειτουργεί ικανοποιητικά και σύµφωνα µε τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Για τη χρήση του ως ροόµετρο απαιτείται βαθµονόµηση. 200 Ένδειξη ροόµετρου [nlpm] Ρύθµιση ρυθµιστή παροχής µάζας [nlpm] Εικόνα 7-4: Figure 7-4: Έλεγχος παροχής στο ρυθµιστή παροχής µάζας. Mass flow controller flowrate check.

116 94 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Πίνακας 7-2: Χαρακτηριστικά ροόµετρου και ρυθµιστή παροχής µάζας. slpm: Στους 21,1 C και 760 mm Hg, nlpm: Στους 0 C και 760 mm Hg. Table 7-2: Characteristics of flowmeters and mass flow controller. slpm: 21,1 C and 760 mm Hg, nlpm: 0 C and 760 mm Hg. Χαρακτηριστικά Ρυθµιστής Παροχής Μάζας Millipore FC 2920 Ροόµετρο TSI 4040 Θερµοκρασία λειτουργίας 5 50 C 0 50 C Σχετική Υγρασία 0 95% Μέγιστη Πίεση 10 bar 690 kpa ιαφορά πίεσης (FC 2920) ή Πίεση λειτουργίας (4040) 1,4 3 bar (30 99 nlpm) 2 4,1 bar ( nlpm) 2,7 4,1 bar ( nlpm) kpa Εύρος παροχών nlpm slpm Χρόνος Απόκρισης 3 s ( nlpm) 6 s ( nlpm) 4 ms, για το 63% της τελικής τιµής Ακρίβεια ±2% εύρους το µεγαλύτερο: 0,05 slpm ή ±2% ένδειξης Γραµµικότητα ±0,5% εύρους Επαναληψιµότητα ±0,2% εύρους ±0,5% ένδειξης Σταθερότητα ±0,3% εύρους ανά 10 εβδ. Συντελεστής πίεσης 0,00001% ανά bar ±0,022% ανά kpa Συντελεστής θερµοκρασίας 0,05% ανά C ±0,075% ανά C Βιβλιογραφία Doebelin E. O. (1990). Measurements Systems: Application and Design, McGraw Hill International Editions TSI 4040 Flowmeter manual

117 95 8. Προσκρουστήρας µάζας (DGI) Οι προσκρουστήρες είναι όργανα τα οποία ταξινοµούν τα σωµατίδια ανάλογα µε την αεροδυναµική τους διάµετρο, δηλαδή τη διάµετρο σφαίρας µε πυκνότητα 1 g/cm 3 που έχει την ίδια ταχύτητα καθίζησης µε το σωµατίδιο. Η αρχή λειτουργία τους βασίζεται στον αδρανειακό διαχωρισµό των σωµατιδίων του αεροκολλοειδούς καθώς αυτά προσκρούουν στις βαθµίδες του οργάνου. Η ροή του αέρα αναγκάζεται να διέλθει µέσα από τον προσκρουστήρα και το ροϊκό πεδίο παραµορφώνεται ανάντη της επιφάνειας πρόσκρουσης. Όσα σωµατίδια έχουν µεγάλη αδράνεια και αδυνατούν να ακολουθήσουν τις ροϊκές γραµµές, προσκρούουν πάνω στην επιφάνεια και εγκαταλείπουν τη ροή. Σε πολλές περιπτώσεις χρησιµοποιούνται διαδοχικές βαθµίδες σε µία κοινή στήλη προσκρουστήρα (προσκρουστήρες «σε σειρά» cascade impactors). Οι βαθµίδες είναι τέτοιας γεωµετρίας, ώστε να επιτρέπουν την ταξινόµηση των σωµατιδίων σε διάφορα µεγέθη. Τα σωµατίδια της ροής ταξινοµούνται µε βάση το µέγεθός τους αρχίζοντας από τα µεγαλύτερα στην ανώτερη βαθµίδα προς τα µικρότερα στις κατώτερες. Οι προσκρουστήρες σε σειρά έχουν το πλεονέκτηµα της ταυτόχρονης καταγραφής περισσότερων του ενός µεγεθών σωµατιδίων. Ωστόσο, απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στην ανάλυση των δεδοµένων. Η απόκλιση από την ιδανικότητα της καµπύλης απόδοσης ενδέχεται να δηµιουργεί επικάλυψη για ορισµένα µεγέθη σωµατιδίων, µε αποτέλεσµα αυτά να µπορούν να συγκρατηθούν από οποιαδήποτε βαθµίδα µεταξύ δύο διαδοχικών. Συνέπεια αυτού είναι η παραµόρφωση της πραγµατικής κατανοµής. Οι προσκρουστήρες, εποµένως, αποτελούν όργανα καταγραφής της συγκέντρωσης µάζας σε διάφορα εύρη µεγέθους σωµατιδίων. Η χρονική τους διακριτότητα ωστόσο είναι πολύ µικρή γιατί δεν προσφέρουν άµεση καταγραφή της µάζας: οι επιφάνειες συλλογής πρέπει να αφαιρεθούν και να ζυγιστούν µετά τη µέτρηση. Πάντως, επειδή η µάζα συλλέγεται, µπορεί να ακολουθήσει χηµική ανάλυση. Το κατώτερο όριο ταξινόµησης σε προσκρουστήρα είναι στην περιοχή των 10 nm (αεροδυναµική διάµετρος) (Kittelson et al. 1998) γιατί η αδράνεια σωµατιδίων µικρότερου µεγέθους είναι πολύ µικρή ακόµα και για πολύ µεγάλες ταχύτητες. Στη βιβλιογραφία έχουν καταγραφεί πάνω από 40 τύποι προσκρουστήρων (Willeke and Baron 1993). Ωστόσο,

118 96 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος οι προσκρουστήρες που έχουν χρησιµοποιηθεί για την καταγραφή κατανοµής µεγέθους µάζας ανάλογα µε το µέγεθος των σωµατιδίων στις εκποµπές από κινητήρες περιορίζονται µόνο σε λίγους τύπους, όπως ο τύπος MOUDI (Micro Orifice Uniform Deposit Impactor) µε εύρος µεγέθους 0, µm (σε 10 βαθµίδες µε ροή 30 lpm), o τύπος Andersen MkII µε εύρος 0,4 6,5 µm (σε 8 βαθµίδες µε ροή 28, 3 lpm) (Moon et al. 1997) και ο τύπος Hauke LPI 25 µε εύρος 0, µm. Τελευταία χρησιµοποιείται ο DGI (Dekati Gravimetric Impactor) που ταξινοµεί τα σωµατίδια σε τέσσερις βαθµίδες (>2.500 nm, nm, nm, nm). Yπάρχει επίσης ένα ολικό φίλτρο που συλλέγει όλα τα σωµατίδια που είναι µικρότερα από 200 nm. Η παροχή σχεδιασµού είναι 70 lpm. Αυτός είναι ο προσκρουστήρας που χρησιµοποιήθηκε στις µετρήσεις της παρούσας εργασίας. Συνολική µάζα Για τη διερεύνηση της συµπεριφοράς του DGI έγινε συγκριτική εξέταση των αποτελεσµάτων του οργάνου µε τα αποτελέσµατα που λαµβάνονται µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο. Στόχος της έρευνας ήταν ο έλεγχος των απωλειών στον DGI και βασική της προϋπόθεση παραδοχή ήταν η σωστή µέτρηση µάζας στον αγωγό πλήρους αραίωσης. Α. Μετρήσεις µε δειγµατοληψία από το ίδιο σηµείο (σύγκριση DGI µε το φίλτρο στο αγωγό πλήρους αραίωσης): Στην Εικόνα 8-1 συγκρίνεται ο DGI µε τις βαθµίδες και χωρίς αυτές (δηλαδή ως φίλτρο) µε το φίλτρο στον αγωγό πλήρους αραίωσης (φίλτρο ΤΧ40Η120WW 47 mm, 15 lpm). Η µέτρηση έγινε από το ίδιο σηµείο δειγµατοληψίας (στον αγωγό) µε ένα Euro I όχηµα (VW Golf TDi) στα 50 km/h µε φορτίο 7,5 kw και µε ελληνικό καύσιµο (330 ppm θείο). Στην περίπτωση που ο DGI χρησιµοποιήθηκε ως φίλτρο (φίλτρο ΤΧ40Η120WW 70 mm, 75 lpm), η διαφοροποίηση από το φίλτρο στον αγωγή πλήρους αραίωσης δεν ήταν σηµαντική (λιγότερο από 5%). Αντίθετα, όταν χρησιµοποιήθηκε µε τις βαθµίδες (υλικό βαθµίδων φίλτρα ΤΧ40Η120WW 47 mm), η διαφοροποίηση έφτασε το 35% περίπου. Με δεδοµένο ότι οι προσκρουστήρες έχουν απώλειες που φτάνουν το 25%, αλλά σε µεγαλύτερα µεγέθη (Cadle et al. 2001), η διαφοροποίηση που βρέθηκε κατά τη µέτρηση µπορεί να θεωρηθεί υπερβολική. Πιθανότατα οφείλεται στην αβεβαιότητα της ζύγισης των πρώτων βαθµίδων (χρήση ζυγού Precisa 40SM-200A 10-5 g, όταν στην πρώτη βαθµίδα συλλέγονται µόλις 10 µg σε 7 λεπτά µέτρησης). Επίσης, η

119 97 χρήση ροόµετρων χωρίς έλεγχο της βαθµονόµησή τους αυξάνει την ανασφάλεια των συµπερασµάτων. Επανάληψη των µετρήσεων µε τη χρήση ζυγού µεγαλύτερης ακρίβειας (Mettler Toledo UBX g) αλλά και µε έλεγχο της βαθµονόµησης των ροόµετρων, έδωσε τα αποτελέσµατα που φαίνονται στην Εικόνα 8-2. Εδώ συγκρίνονται οι συγκεντρώσεις µάζας που καταγράφει το DGI µε και χωρίς τις ενδιάµεσες βαθµίδες. Όπως φαίνεται, στις βαθµίδες του DGI δεν υπάρχουν σηµαντικές απώλειες. Τα αποτελέσµατα αυτά είναι λογικά και σε συµφωνία µε τα αποτελέσµατα των περισσότερων ερευνητών τα οποία δε δείχνουν σηµαντικές απώλειες για τα σωµατίδια οχηµάτων diesel. Απώλειες (της τάξης του 20%) αναφέρονται µόνο για τα µεγάλα σωµατίδια (5 10 µm) (Mitchell et al. 1988, Kwon et al. 2003). Β. Μετρήσεις µε δειγµατοληψία από διαφορετικό σηµείο (σύγκριση DGI στη διάταξη µε το φίλτρο στον αγωγό πλήρους αραίωσης): Στη συνέχεια εξετάζεται η καταλληλότητα του DGI ως όργανο µέτρησης µάζας στο σύστηµα µερικής δειγµατοληψίας που αναπτύχθηκε στα πλαίσια του PARTICULATES (PFSS). 120 Εκποµπές µάζας [mg/km] DGI µε βαθµίδες (CVS) DGI ως φίλτρο (CVS) PM φίλτρο (CVS) Εικόνα 8-1: Σύγκριση DGI µε τις βαθµίδες και χωρίς τις βαθµίδες (ως φίλτρο) µε το φίλτρο στον αγωγό πλήρους αραίωσης από την ίδια θέση δειγµατοληψίας. Οι µετρήσεις έγιναν µε ένα VW Golf TDi Euro I στα 50 km/h µε φορτίο 7,5 kw. 7 µετρήσεις DGI µε βαθµίδες. 3 µετρήσεις DGI ως φίλτρο, 11 µετρήσεις µε το φίλτρο στον αγωγό πλήρους αραίωσης (15 lpm). Ο DGI χρησιµοποιήθηκε µε παροχή 75 lpm. Ως φίλτρο και υλικό των βαθµίδων χρησιµοποιήθηκαν φίλτρα ΤΧ40Η120WW. Figure 8-1: Comparison of DGI emissions with and without the stages with the gravimetric method. VW Golf TDi Euro I (50 km/h, load 7,5 kw). 7 measurements DGI with stages. 3 measurements with DGI as filter, 11 measurements with the gravimetric method. DGI flowrate 75 lpm.

120 98 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος 50 Εκποµπές µάζας [mg/km] DGI µε βαθµίδες DGI χωρίς βαθµίδες Εικόνα 8-2: Σύγκριση µάζας που µετρήθηκε από το DGI µε και χωρίς ενδιάµεσες βαθµίδες. Έγιναν από δύο µετρήσεις στον αγωγό πλήρους αραίωσης. Παροχή στο DGI 70 lpm. VW Golf TDi Euro I, 50 km/h, 10% φορτίο. Figure 8-2: Comparison of DGI emissions with and without the stages. Two measurements, flowrate 70 lpm. VW Golf TDi Euro I, 50 km/h, 10% load. B1. Σταθερά σηµεία: Στην Εικόνα 8-3 συγκρίνονται οι εκποµπές µάζας ενός Euro III οχήµατος (VW Golf TDi) σε σταθερά σηµεία λειτουργίας, όπως µετρήθηκαν στον αγωγό πλήρους αραίωσης (PM CVS) και µε τον DGI στο PFSS (DGI PFSS). Η συµφωνία είναι πολύ καλή (διαφοροποίηση στο ±12%). Β2. Κύκλοι: Ο DGI δεν µπορεί να µετρήσει τις σωµατιδιακές εκποµπές ενός οχήµατος σε κύκλο όταν χρησιµοποιείται σε σύστηµα µερικής αραίωσης. Αυτό αποδεικνύεται παρακάτω και φαίνεται στην Εικόνα 8-4. Έστω PM [g] η µάζα των σωµατιδίων, C [g/m³] η συγκέντρωση των σωµατιδίων, Q [m³/s] η παροχή και t [s] ο χρόνος. Αν ο δείκτης exh δηλώνει στην εξάτµιση του οχήµατος, CVS στον αγωγό πλήρους αραίωσης και F στο φίλτρο, τότε η πραγµατική σωµατιδιακή µάζα που εκπέµπεται σε ένα κύκλο δίνεται από τη σχέση: dpm exh = CexhQexhdt (8-1) PM exh = κύκλο 0 C exh Q exh dt (8-2) Η µάζα που συλλέγεται σε ένα φίλτρο στον αγωγό πλήρους αραίωσης, υποθέτοντας µηδενική σωµατιδιακή συγκέντρωση στον αέρα αραίωσης (C da =0) δίνεται ως: dpm CVS = CCVSQF dt (8-3)

121 99 Εκποµπές µάζας [mg/km] CVS PFSS % διαφ. 50 km/h 90 km/h 100 km/h 110 km/h 120 km/h 20% 10% 0% -10% -20% -30% % διαφορά PFSS-CVS Εικόνα 8-3: Σύγκριση DGI από το PFSS (µετρήσεις στη Ford) µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο σε σταθερά σηµεία. VW Golf TDi Euro III, D3 καύσιµο. Η διαφοροποίηση είναι στο ±12%. Figure 8-3: Comparison of PM collected with the reference procedure (CVS) and the DGI in the PFSS at Ford (DGI) at steady state tests (VW Golf TDi Euro III). The difference is within ±12%. C C CVS exh Q exh = da QCVS ( C = 0) (8-4) Εποµένως, από τις (8-3) και (8-4): Q dpm = F CVS CexhQEexhdt Q (8-5) CVS cycle QF PM CVS = CexhQexhdt PM exh = Q CVS 0 Q Q CVS F PM CVS (8-6) Η τελευταία εξίσωση δείχνει ότι η µάζα που εκπέµπεται πραγµατικά είναι ευθέως ανάλογη της µάζας που συλλέγεται στο φίλτρο και η αναλογία εξαρτάται µόνο από µετρήσιµα µεγέθη (παροχή δείγµατος και παροχή στον αγωγό αραίωσης). Εποµένως, οι πραγµατικές σωµατιδιακές εκποµπές µπορούν εύκολα να υπολογιστούν. Όταν δείγµα εισέρχεται σε ένα PFSS (θεωρώντας σταθερό λόγο αραίωσης DR) τότε η µάζα που συλλέγεται είναι: dpm PFSS 1 = DR C Q dt (8-7) exh PFSS Από τις (8-7) και (8-1) προκύπτει: DR dpm exh = QexhdPM PFSS (8-8) Q PFSS

122 100 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Εκποµπές µάζας [mg/km] CVS PFSS UDC DΑT32 UDC, DΑT10 UDC DΑT50 10% 0% -10% -20% -30% % διαφορά PFSS-CVS Εικόνα 8-4: ιαφοροποίηση DGI (µε βαθµίδες) στο PFSS από PM CVS σε UDC κύκλους σε διάφορες θερµοκρασίες αέρα αραίωσης. Υποεκτίµηση σωµατιδιακής µάζας 15 25%. Ο DGI χρησιµοποιήθηκε µε παροχή 68 lpm. Το όχηµα ήταν ένα VW Golf TDi Euro III. D2 καύσιµο. Συνθήκες δειγµατοληψίας DR 12:1, χρόνος παραµονής 3 s. Figure 8-4: DGI (with stages at PFSS) comparison with CVS over UDC cycles at different dilution air temperatures. Underestimation of total mass 15 25%. DGI flowrate 68 lpm. VW Golf TDi Euro III. D2 fuel. Sampling conditions DR 12:1, residence time 3 s. PM exh = DR Q PFSS κύκλο 0 Q exh dpm PFSS dt (8-9) Από την τελευταία εξίσωση φαίνεται ότι σε κύκλο, όταν η µάζα δε µετριέται σε πραγµατικό χρόνο (π.χ. µε προσκρουστήρα) τότε τα αποτελέσµατα δεν µπορούν να µεταφραστούν σε εκποµπές του οχήµατος. Εποµένως ο DGI σε PFSS σταθερής παροχής δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε κύκλους για τον υπολογισµό της σωµατιδιακής µάζας (Εικόνα 8-4), µπορεί όµως να δείξει την κατανοµή µάζας, όπως θα φανεί στα κεφάλαια Για να υπολογιστεί η συνολική µάζα, πρέπει να είναι γνωστή η παροχή του καυσαερίου και ο ρυθµός συλλογής της µάζας. Το τελευταίο είναι δύσκολο να επιτευχθεί, αλλά γίνεται µε όργανα που µετράνε µάζα σε πραγµατικό χρόνο, όπως το DMM (Lehmann et al. 2004) ή το ΤΕΟΜ (Rupprecht and Pataschnik 1997, Αµανατιάδης και Κολοκοτρώνης 2002). Χηµική ανάλυση Επιπλέον πληροφορίες µπορούν να εξαχθούν από τον DGI αν σταλούν τα φίλτρα για χηµική ανάλυση ή θερµανθούν για τον καθορισµό του µη πτητικού oργανικού κλάσµατος των σωµατιδίων (Non Volatile Organic Fraction, NVOF).

123 101 Σύνοψη συµπεράσµατα Εξετάστηκε ο DGI, ένας προσκρουστήρας σε σειρά που δίνει την κατανοµή µάζας των σωµατιδίων: Ο DGI δεν εµφανίζει απώλειες είτε λειτουργεί ως φίλτρο (χωρίς τις βαθµίδες) είτε λειτουργεί µε τις βαθµίδες. Η διαφοροποίηση της µέτρησης του DGI (τοποθετηµένου στο PFSS) από τη µέτρηση µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο, είναι ικανοποιητική στα σταθερά σηµεία και προσδιορίστηκε πειραµατικά ±12%. Αντίθετα, σε κύκλους, η εκποµπή µάζας από τον DGI υποεκτιµάται λόγω της αρχής λειτουργίας του συστήµατος µερικής αραίωσης, εποµένως ο DGI δεν κάνει για να δώσει τη συνολική µάζα σε κύκλους. Βιβλιογραφία Cadle, S., Mulawa, P., Groblicki, P., Laroo, C., Ragazzi, R., Nelson, K., Gallagher, G. and Zielinska, B. (2001), In-Use Light-Duty Gasoline Vehicle Particulate Matter Emissions on Three Driving Cycles, Environmental Science & Technology, 35, Kittelson, D. B., Watts, W. F. and Arnold, M. (1998). Review of Diesel Particulate Matter Sampling Methods, Supplemental Report #1 Diesel Exhaust Particle Measurement Instruments, University of Minnesota, 1998, Minneapolis Kwon, S. B., Lim, K. S., Jung, J. S., Bae, G. N. and Lee, K. W. (2003). Design and Calibration of a 5-stage Cascade Impactor, J. Aerosol Science, 34, Lehmann, U., Niemelä, V., Mohr, M. (2004). New Method for Time-Resolved Diesel Engine Exhaust Particle Mass Measurement, Environmental Science & Technology 38, Mitchell, J. P., Costa, P. A., Waters, S. (1988). An Assessment of an Andersen Mark-II Cascade Impactor, J. Aerosol Science, 19, Moon, D. P., Donald, J. R, (1997), UK Research Programme on the Characterization of Vehicle Particulate Emissions, DETR, SMMT, September 1997 Rupprecht and Pataschnik, 1997, TEOM Series 1100 Particulate Mass Monitor, Albany, NY, USA. Willeke, K. and Baron, P. A. (1993). Aerosol Measurement, Van Nostrand Reinhold, NY, USA Αµανατιάδης,., Κολοκοτρώνης,. (2002). Αξιολόγηση του ΤΕΟΜ ως όργανο µέτρησης µάζας Σωµατιδίων σε Πραγµατικό Χρόνο, διπλωµατική εργασία, τµήµα Μηχανολόγων Μηχανικών, αριθµός 0213

124 102 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος 9. Φορτιστής ιάχυσης (DC) Τα τελευταία χρόνια έχει αυξηθεί το ενδιαφέρον για όργανα που έχουν τη δυνατότητα µέτρησης συγκεκριµένων χαρακτηριστικών της σωµατιδιακής ύλης σε πραγµατικό χρόνο, αφού η λειτουργία των οχηµάτων είναι µεταβατική εξ ορισµού. Από τα όργανα αυτά, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν εκείνα που µετρούν την επιφάνεια των σωµατιδίων, αφού αυτή καθορίζει την αλληλεπίδρασή τους µε το όποιο περιβάλλον. ιάφορα όργανα έχουν χρησιµοποιηθεί για µετρήσεις σωµατιδίων στην ατµόσφαιρα και στο εργαστήριο (Bukowiecki et al. 2002, Shi et al. 2001, Zhiqiang et al. 2000, Woo et al. 2001, Ntziachristos et al. 2003). Τα όργανα που µετράνε επιφάνεια στηρίζονται στην προσκόλληση µορίων, ατόµων ή ιόντων στα σωµατίδια, τα οποία δηµιουργούνται µε ραδιενεργή πηγή ή µε ηλεκτρική φόρτιση αντίστοιχα. Τα όργανα διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: Φωτοηλεκτρικός Φορτιστής (Photoelectric Charger): Παρέχει πληροφορίες σχετικές µε τη χηµεία της επιφάνειας των σωµατιδίων. Η µέθοδος αναπτύχθηκε στο ΕΤΗ της Ζυρίχης (Schmidt-Ott and Federer 1981) και η αρχή λειτουργίας περιγράφεται από τον Burtscher (1992). Το δείγµα που εισέρχεται στο όργανο ακτινοβολείται από εξωτερική υπεριώδη πηγή φωτός. Τα παραγόµενα φωτοηλεκτρόνια αποµακρύνονται σε παγίδα ιόντων, ενώ τα θετικά φορτισµένα σωµατίδια συλλέγονται σε φίλτρο, όπου µετριέται το ρεύµα. Επιφανειόµετρο (Epiphaniometer): Το επιφανειόµετρο αναπτύχθηκε από το Paul Scherrer Institute της Ελβετίας στη δεκαετία του 80 (Gäggeler et al. 1989). Βασίζεται στη προσκόλληση ατόµων µολύβδου ( 211 Pb) που παράγονται από τη ραδιενεργό διάσπαση µιας πηγής ακτινίου ( 227 Ac) µεγάλης διάρκειας ζωής. Γενικά όµως το όργανο δεν είναι αρκετά γρήγορο ώστε να χρησιµοποιηθεί στις µετρήσεις καυσαερίου οχηµάτων. Η επιφάνεια που µετριέται ονοµάζεται επιφάνεια Fuchs (Pandis et al. 1991). Φορτιστής διάχυσης (Diffuser Charger): Ιόντα που δηµιουργούνται από ένα φορτιστή τύπου κορώνας φορτίζουν τα σωµατίδια του αεροκολλοειδούς που εισέρχονται στο όργανο. Το ρεύµα που παράγεται από τα φορτισµένα

125 103 σωµατίδια όταν αυτά συλλέγονται στο τελικό φίλτρο, συσχετίζεται µε την «ενεργό» τους επιφάνεια (Siegmann and Siegmann 2000). Αν και υπάρχουν διάφορα όργανα που διατίθενται στην αγορά (π.χ. Diffusion Charging Particle Sensor της Matter Engineering (Ελβετία) ή Electrical Aerosol Detector της TSI, (ΗΠΑ)), στην εργασία εξετάζεται ένα πρότυπο της Dekati (Φιλανδία) που ήταν διαθέσιµο στο εργαστήριο. Να ξεκαθαριστεί σε αυτό το σηµείο, ότι η διαφορά µεταξύ της επιφάνειας Fuchs και της ενεργού επιφάνειας είναι ότι στην πρώτη περίπτωση γίνεται προσκόλληση µορίων σε σωµατίδια, ενώ στη δεύτερη ιόντων σε σωµατίδια. Περισσότερες πληροφορίες µπορούν να βρεθούν στους Ntziachristos et al. (2004). Εκεί, επίσης, αποδεικνύεται ότι το σήµα του DC συσχετίζεται απόλυτα µε την ενεργό επιφάνεια και όχι µε τη γεωµετρική ή την επιφάνεια Fuchs. Το συνολικό φορτίο των σωµατιδίων συσχετίζεται µε µια µέση διάµετρο των σωµατιδίων υψωµένη σε µια δύναµη (γύρω στο 1,3) που ονοµάζεται ενεργός επιφάνεια (Bukowiecki et al. 2002). Μάλιστα, η ενεργός επιφάνεια (που είναι τµήµα της γεωµετρικής επιφάνειας και είναι ουσιαστικά η επιφάνεια που «βλέπουν» τα ιόντα που προσκολλούν στα σωµατίδια) είναι πολύ σηµαντική αφού καθορίζει τη διαθέσιµη επιφάνεια για τις χηµικές και φυσικές διεργασίες που γίνονται στα σωµατίδια. Περιγραφή οργάνου Στην Εικόνα 9-1 φαίνεται η σχηµατική απεικόνιση του DC. Το τµήµα υψηλής τάσης αποτελείται από µια ακίδα η οποία βρίσκεται σε υψηλή θετική τάση ~5 kv µε αποτέλεσµα να δηµιουργείται ηλεκτρική εκκένωση στη γύρω περιοχή. Λόγω της εκκένωσης παράγονται θετικά ιόντα τα οποία αποµακρύνονται ταχέως από την ακίδα µε κατεύθυνση προς τα τοιχώµατα του φορτιστή, υπό την επίδραση του ακτινικού πεδίου που δηµιουργείται (µέσης έντασης 1 kv/cm). H ροή των ιόντων αντιστοιχεί σε ένταση ρεύµατος 1 µa. Η ένταση διατηρείται σταθερή µε ρύθµιση της τάσης της ακίδας και του τοιχώµατος του φορτιστή, ώστε να εξουδετερωθούν οι µεταβολές της αντίστασης του αέρα (λόγω µεταβολής υγρασίας και ατµοσφαιρικής πίεσης) αλλά και λόγω της επικάθησης των σωµατιδίων στην ακίδα. Τα σωµατίδια που εισέρχονται στην περιοχή αυτή µέσω της εγκάρσιας ροής του δείγµατος, έρχονται σε επαφή µε τα ιόντα µε αποτέλεσµα να φορτίζονται θετικά. Η φόρτιση είναι περίπου ανάλογη της διαµέτρου των σωµατιδίων στην µοριακή περιοχή και του τετραγώνου της διαµέτρου

126 104 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος στη συνεχή περιοχή. Οι απώλειες στο φορτιστή µπορούν να µειωθούν µε ένα ρεύµα αέρα στα τοιχώµατα (Cheng et al. 1995). Κατά την έξοδό τους από το τµήµα υψηλής τάσης τα σωµατίδια και το φέρον ρευστό διέρχονται από το τµήµα σταθεροποίησης της ροής, το οποίο αποσκοπεί στην οµογενοποίηση της ροής και τη µείωση των στροβιλισµών. Στη συνέχεια υπάρχει µια βαθµίδα (προσκρουστήρας) που διαχωρίζει τα σωµατίδια µε αεροδυναµική διάµετρο µεγαλύτερη από 1000 nm. Τα υπόλοιπα συλλέγονται σε ένα ολικό φίλτρο (47 mm Pallflex) και παράγουν ρεύµα, το οποίο είναι ανάλογο µε την (ενεργό) επιφάνεια των σωµατιδίων. Το ρεύµα µετριέται µε ένα ηλεκτρόµετρο που είναι συνδεδεµένο στο φίλτρο κι έτσι είναι δυνατή η µέτρηση της επιφάνειας των σωµατιδίων σε πραγµατικό χρόνο. Τµήµα σταθεροποίησης ροής Προσκρουστήρας D50%=1 µm Βαθµίδα φίλτρου Είσοδος Ακίδα φορτιστή Προς αντλία Φορτιστής τύπου κορώνας Υψηλή τάση Ηλεκτρόµετρο Εικόνα 9-1: Σχηµατική απεικόνιση DC. Τα σωµατίδια φορτίζονται σε ένα φορτιστή τύπου κορώνας. Τα σωµατίδια >1000 nm κόβονται σε έναν προσκρουστήρα. Τα υπόλοιπα συλλέγονται σε ένα φίλτρο. Το φορτίο τους µετριέται από ένα ηλεκτρόµετρο που είναι συνδεδεµένο στο φίλτρο. Figure 9-1: Schematic of the corona diffusion charger. Particles are charged in the corona region and are collected in a filter stage located after an impactor with d 50% =1000 nm. The charge carried by the particles is amplified and measured in the electrometer connected to the filter stage. Βαθµονόµηση οργάνου Ο DC καταγράφει ένα ρεύµα το οποίο συσχετίζεται µε την ενεργό επιφάνεια των σωµατιδίων. Πρέπει, εποµένως, να βρεθεί η σχέση µετατροπής του ρεύµατος σε ενεργό επιφάνεια. Επειδή όµως η διάχυση των ιόντων εξαρτάται από τις ιδιότητες του ρευστού και των σωµατιδίων, η βαθµονόµηση πρέπει να γίνει µε το αεροκολλοειδές που θα µετράει το όργανο, δηλαδή καυσαέριο.

127 105 Η διάταξη που χρησιµοποιήθηκε φαίνεται στην Εικόνα 9-2. Ένας diesel Euro I (VW Golf TDi) κινητήρας χρησιµοποιήθηκε για την παραγωγή αεροκολλοειδούς µε τυπικό καύσιµο του εµπορίου (περιεχόµενο σε θείο 330 ppm). Η πρωτεύουσα αραίωση γινόταν σε έναν πορώδη αραιωτήρα µε καθαρό αέρα αραίωσης. Τµήµα του αραιωµένου καυσαερίου οδηγούνταν στο DMA (TSI 3080L). Προαιρετικά ανάντη του DMA υπήρχε προσροφητήρας πτητικών ουσιών. Στην έξοδο του DMA επιτυγχανόταν µονοµέγεθες αεροκολλοειδές συγκεκριµένου µεγέθους ανάλογα µε την τάση στο DMA (από εξωτερική πηγή). Το µονοµέγεθες αεροκολλοειδές οδηγούνταν στο CPC (TSI 3010) ή στον DC. Στην έξοδο του DMA υπήρχε ένα φίλτρο µε ένα στραγγαλιστικό για αναπλήρωση της απαιτούµενης παροχής στο CPC (1 lpm) και στο DC (10 lpm). Οι γραµµές του CPC και του DC ήταν τέτοιες, ώστε οι απώλειες να είναι ίδιες. Η παροχή µέσω του DC µετριόταν µε ένα ροόµετρο θερµού σύρµατος (TSI 4040). Η Pn τιµή µονοµεγέθους αεροκολλοειδούς διαµέτρου D p µπορεί να καθοριστεί ως: I DC ( D ) ( D ) Pn p = p (9-1) en Q CPC DC όπου P είναι η διείσδυση µέσα από τον φορτιστή, n είναι ο αριθµός στοιχειωδών φορτίων ανά σωµατίδιο, I DC [A] είναι το ρεύµα που καταγράφει ο DC, N CPC [m -3 ] είναι η αριθµητική συγκέντρωση στην είσοδο του CPC, e το στοιχειώδες φορτίο, και Q DC [m³s 1 ] είναι η παροχή µέσω του οργάνου. Εξάτµιση οχήµατος Καθαρός αέρας Πορώδης αραιωτήρας Προσροφητήρας πτητικών ουσιών (προαιρετικά) DMA Υψηλή τάση CPC Καυσαέριο Πολυµέγεθες Μονοµέγεθες αεροκολλοειδές HEPA φίλτρο DC Εικόνα 9-2: Πειραµατική διάταξη για τη βαθµονόµηση του DC. Χρησιµοποιήθηκε ο VW Golf TDi Euro I κινητήρας µε καύσιµο 330 ppm θείο. Figure 9-2: Experimental set-up used for diffusion charger calibration with soot particles. The engine used was a 1.9 l turbocharged diesel engine with a distributor type pump-line-nozzle injection system, operating on diesel fuel with 330 ppm wt. sulphur content.

128 106 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Για να οριστεί η τιµή Pn σε συνάρτηση µε το µέγεθος των σωµατιδίων, άλλαζε η τάση µέσω του DMA για να επιτευχθούν διαφορετικά µεγέθη. Σφάλµατα στη µέθοδο αυτή εισάγονται από την ανάγνωση τριών οργάνων (τάση / διάµετρος στο DMA, CPC, ροόµετρο). Στο ηλεκτρόδιο του DMA εφαρµόζεται αρνητική τάση. Όµως, επειδή η κορώνα στο DC είναι θετική, η αποτελεσµατικότητα της φόρτισης µπορεί να υπερεκτιµηθεί αν ήδη θετικά φορτισµένα σωµατίδια εισέρχονται στο όργανο. Η επίδραση του φορτίου των σωµατιδίων στην αποτελεσµατικότητα της φόρτισης ελέγχθηκε εφαρµόζοντας θετική τάση στο ηλεκτρόδιο του DMA. Τα αποτελέσµατα φαίνονται στην Εικόνα 9-3. Όπως φαίνεται δεν υπάρχει κάποια σηµαντική επίδραση του προϋπάρχοντος φορτίου στην αποτελεσµατικότητα της φόρτισης του DC για το εύρος που εξετάζεται. Αυτό οφείλεται στο ότι τα αρνητικά φορτισµένα σωµατίδια έλκουν θετικά ιόντα, εξουδετερώνονται αµέσως και, εποµένως, συµπεριφέρονται ως ουδέτερα σωµατίδια. Επειδή το προϋπάρχον φορτίο µπορεί να είναι σηµαντικό για πολύ µικρά σωµατίδια (<20 nm) (Alonso et al. 2000), η µέθοδος που χρησιµοποιήθηκε είναι εν γένει ακατάλληλη για το χαρακτηρισµό αυτού του µεγέθους και οι πληροφορίες που εξάγονται δεν ισχύουν γι αυτά. Η βαθµονόµηση του DC έγινε σε διάφορα σηµεία λειτουργίας του κινητήρα, ξεκινώντας από ρελαντί και φτάνοντας σχεδόν σε µέγιστο φορτίο και στροφές. ιείσδυση x Μέσο αριθµό φορτίων σωµατιδίου Pn ,1 Αρνητικά φορτισµένα Θετικά φορτισµένα ιάµετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 9-3: Επίδραση προϋπάρχοντος φορτίου στη βαθµονόµηση του DC (στην Pn συνάρτηση). Τα διαφορετικά πρόσηµα φορτίου επιτεύχθηκαν µε διαφορετικού πρόσηµου τάση στο ηλεκτρόδιο του DMA. Figure 9-3: Effect of the pre-existing particle charge sign on the DC calibration. Different charge signs were obtained by changing the polarity of the DMA centre electrode.

129 107 Η Εικόνα 9-4 δείχνει τα αποτελέσµατα της βαθµονόµησης µε σωµατίδια διαµέτρου 30 nm ως 460 nm. Η βαθµονόµηση επεκτείνεται και για τα άλλα µεγέθη, αφού δεν ήταν δυνατή η βαθµονόµηση σε µεγαλύτερα ή µικρότερα µεγέθη λόγω των περιορισµών από το DMA. Η καµπύλη βαθµονόµησης είναι εκθετικής µορφής: b 1, 41 ( D ) D,6D Pn p = α p = 108 p (9-2) Στην ίδια εικόνα φαίνεται η καµπύλη βαθµονόµησης ενός φορτιστή µε άλλου είδους αεροκολλοειδή. Η διαφορά µεταξύ των δύο καµπυλών πιθανά οφείλεται στα διαφορετικά DMA ή στους διαφορετικούς φορτιστές τύπου κορώνας που χρησιµοποιήθηκαν. Η διαφοροποίηση των καµπυλών του diesel µε του DOS και αργύρου αποκλείεται να οφείλεται στη διαφορετική σύσταση, γιατί τα σωµατίδια DOS (Dioctyl Sebacete) και αργύρου είναι ήδη διαφορετικά, αλλά παρόλα αυτά βρίσκονται πάνω στην ίδια καµπύλη. Η επίδραση της φύσης των σωµατιδίων diesel ελέγχθηκε χρησιµοποιώντας µόνο στερεά ή υγρά σωµατίδια (χρησιµοποιώντας ή όχι τον προσροφητήρα πτητικών ουσιών - Εικόνα 9-2) και φάνηκε πως δεν υπάρχει τέτοια επίδραση (Εικόνα 9-5). Να σηµειωθεί, όµως, ότι στα υγρά σωµατίδια δεν υπήρχε περιοχή πυρήνων. Επειδή η βαθµονόµηση έγινε σε χαµηλές συγκεντρώσεις, έγινε έλεγχος του κατά πόσο η βαθµονόµηση αυτή ισχύει και σε υψηλότερες συγκεντρώσεις. Η συγκέντρωση στην έξοδο του DMA καθοριζόταν από τον πρωτεύοντα λόγο αραίωσης στον πορώδη αραιωτήρα. Τα αποτελέσµατα για διαφορετικές συγκεντρώσεις φαίνονται στην Εικόνα 9-6. Αν και οι συγκεντρώσεις εξακολουθούν να είναι πολύ χαµηλές λόγω της χρήσης του DMA για τη δηµιουργία µονοµεγέθους αεροκολλοειδούς, πρόκειται για µια διαφοροποίηση γύρω στις 160 φορές, που µπορεί να δείξει αν ισχύει η γραµµικότητα και σε υψηλότερες συγκεντρώσεις. Να σηµειωθεί ότι η συγκέντρωση 0,01% αντιστοιχεί σε 0 2 fa που είναι στα επίπεδα θορύβου του οργάνου. Απόδοση και λειτουργία DC Η σχέση µεταξύ ενεργού επιφάνειας - S [m² σωµατιδίων / m³ αεροκολλοειδούς] και ρεύµατος I DC δίνεται από: S c1 I DC = (9-3) Q DC όπου c 1 [m² particle / Cb] είναι µια σταθερά.

130 108 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος ιείσδυση x Μέσο αριθµό φορτίων σωµατιδίου Pn ,1 0,01 1,41 Pn = 108,6 D p R 2 = Σωµατίδια diesel DOS, άργυρος ιάµετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 9-4: Βαθµονόµηση DC µε αεροκολλοειδούς κινητήρα diesel και σύγκριση µε το εργαστηριακό αεροκολλοειδές. Figure 9-4: Calibration of the DC with soot aerosol and comparison with the laboratory aerosol calibration. A power-law best-fit curve is applied to the calibration points. ιείσδυση x Μέσο αριθµό φορτίων σωµατιδίων Pn Υγρά σωµατίδια Στερεά σωµατίδια ιάµετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 9-5: Επίδραση ιδιοτήτων επιφάνειας στη βαθµονόµηση του DC. Τα στερεά σωµατίδια είναι σωµατίδια που έχουν αποµακρυνθεί τα πτητικά µέσω ενός προσροφητήρα πτητικών ουσιών ενώ τα υγρά περιέχουν υδρογονάνθρακες. Figure 9-5: Effect of the soot surface properties on the diffusion charger calibration. The denuded aerosol is free of any condensable material while non-denuded aerosol contains hydrocarbon and sulphate condensates. Επίσης µπορεί να θεωρηθεί ότι η ενεργός επιφάνεια µονοµεγέθους αεροκολλοειδούς συσχετίζεται µε τη διάµετρο υψωµένη σε µια δύναµη: S N b = c πd 2 CPC p (9-4) όπου c 2 [ m 2 m -b ] είναι µια σταθερά µετατροπής µονάδων. Για την επιφάνεια Fuchs, b οι Pandis et al. (1991) θεώρησαν µια δύναµη µεταξύ 1 και 2. Αντικαθιστώντας τη D p από την (10-2) έχουµε:

131 109 S c2π I αe Q DC = (9-5) DC Η τελευταία εξίσωση δίνει την ενεργό επιφάνεια από το ρεύµα του DC. ιείσδυση x Μέσο αριθµό φορτίων σψµατιδίων Pn ,1 0,01% 0,31% 1,60% ιάµετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 9-6: Επίδραση συγκέντρωσης αεροκολλοειδούς στη βαθµονόµηση του DC. Οι αριθµοί δηλώνουν τη συγκέντρωση του µονοµεγέθους αεροκολλοειδούς σε σχέση µε τη µέγιστη που µπορεί να µετρήσει το όργανο. Figure 9-6: Dependence of the diffusion charger response on the aerosol concentration during calibration. Numbers in legend designate the ratio of particle concentration over the instrument s maximum range. Μέτρηση σε πραγµατικό χρόνο Η Εικόνα 9-7 δείχνει τις καταγραφές DC και CPC σε ένα κύκλο οδήγησης µε το Renault Laguna (Euro III) (Παράρτηµα Γ). Ο πρωτεύων λόγος αραίωσης είναι 12,5:1 και ο δευτερεύων για τον DC 10:1, ενώ για το CPC 1000:1. Φαίνεται ότι ο DC είναι αρκετά ευαίσθητος ώστε να πιάνει τις επιβραδύνσεις όπου η σωµατιδιακή συγκέντρωση µειώνεται σηµαντικά και συµπεριφέρεται εξίσου καλά µε το CPC. Στην ίδια εικόνα δίνεται και η µέση διάµετρος των σωµατιδίων χρησιµοποιώντας τις εξισώσεις (9-1) και (9-2). Η µέση διάµετρος κυµαίνεται από 50 ως 150 nm. Αν και κάποιες ακραίες τιµές οφείλονται στις χαµηλές συγκεντρώσεις στις επιβραδύνσεις και στις υψηλές συγκεντρώσεις κατά τις επιταχύνσεις όπως και στο διαφορετικό χρόνο απόκρισης των δύο οργάνων, ο συνδυασµός των δύο οργάνων δίνει µια καλή ένδειξη του πότε δηµιουργούνται νανοσωµατίδια κατά τη διάρκεια του κύκλου.

132 110 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος [km/h], [nm] DC Σήµα Ταχύτητα οχήµατος ιάµετρος σωµατιδίων CPC συγκέντρωση 1,0E+08 1,0E+07 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 1,0E+01 1,0E+00 1,0E ,0E Χρόνος [s] Εικόνα 9-7: Σύγκριση σηµάτων DC και CPC σε έναν κύκλο οδήγησης. Επιπλέον φαίνεται η εξαγόµενη µέση διάµετρος από τα σήµατα των δύο οργάνων και τις εξισώσεις (10-1) και (10-2). Όλες οι συγκεντρώσεις είναι ανηγµένες στην εξάτµιση του οχήµατος. Figure 9-7: Comparison of CPC number concentration and DC signal using exhaust aerosol from a diesel vehicle driven over a real world cycle. The mean diameter calculated from equations (10-1) and (10-2) is plotted for each second of the cycle. All concentrations refer to vehicle tailpipe conditions. [cm -3 ], [fa] Σύγκριση µε SMPS Η επαλήθευση της βαθµονόµησης του DC έγινε µε σύγκριση της ενεργού επιφάνειας που προσδιορίζεται από τις κατανοµές SMPS µε αυτήν που προσδιορίζεται από τον DC, όταν τα δυο όργανα βρίσκονταν στην ίδια θέση. Η µετατροπή της κατανοµής του SMPS σε ενεργό επιφάνεια γίνεται χρησιµοποιώντας τις εξισώσεις (9-2) και (9-4) για κάθε µέγεθος σωµατιδίου και αθροίζοντας όλα τα µεγέθη της κατανοµής. Στην Εικόνα 9-8 φαίνονται διάφορες κατανοµές (µε ή χωρίς περιοχή πυρήνων) που καταγράφονται κατά τη λειτουργία ενός diesel Euro I κινητήρα (VW Golf TDi ) σε διάφορα σταθερά σηµεία. Όπως φαίνεται, η συσχέτιση είναι πολύ καλή µε απόκλιση λιγότερο από 6%. Τα σηµεία µε περιοχή πυρήνων εµφανίζουν λίγο µεγαλύτερη διασπορά αλλά βρίσκονται επίσης πάνω στη µέση γραµµή και, εποµένως, η βαθµονόµηση ισχύει και για τα νανοσωµατίδια. Η βαθµονόµηση έγινε µε καυσαέριο κινητήρα diesel, αλλά ελέγχθηκε και σε διάφορα άλλα οχήµατα. Η Εικόνα 9-9 δείχνει πάνω από 250 σαρώσεις στο SMPS που περιλαµβάνουν ένα diesel και ένα βενζινοκίνητο όχηµα, ένα diesel κινητήρα και τρία δίκυκλα µε διαφορετικά καύσιµα σε διαφορετικά σηµεία λειτουργίας. Η µέση διαφοροποίηση είναι λιγότερο από 10%.

133 111 8,E+04 SMPS ισοδύναµο ρεύµα [fa] 6,E+04 4,E+04 2,E+04 0,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 ιάµετρος [nm] πυρήνων + συσσώρευσης συσσώρευσης 1,E+01 1,E+02 1,E+03 ιάµετρος [nm] 0,E+00 1,E+04 2,E+04 3,E+04 4,E+04 5,E+04 6,E+04 7,E+04 8,E+04 Σήµα DC [fa] Εικόνα 9-8: Επίδραση κατανοµής υγρών σωµατιδίων στο σήµα του DC. Τα δείγµατα πάρθηκαν από µετρήσεις σε σταθερά σηµεία µε τον κινητήρα που χρησιµοποιήθηκε για τη βαθµονόµηση του DC. Τα τετράγωνα δηλώνουν σωµατίδια χωρίς περιοχή πυρήνων, ενώ τα τρίγωνα περιοχή πυρήνων και περιοχή συσσώρευσης. Figure 9-8: Effect of differently shaped exhaust particle distributions on the DC response. Particle samples were obtained from different steady state operating modes of the engine used for calibration of the DC. Solid squares correspond to distributions with accumulation mode only. Open triangles correspond to distributions with a distinct nucleation mode. Inset presents the distribution shapes from selected points as an example. SMPS ισοδύναµο ρεύµα [fa] 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 1,E+01 1,E+00 καταλυτική βενζινοκίνητη µοτοσικλέτα δίχρονη βενζινοκίνητη µοτοσικλέτα diesel αυτοκίνητο diesel κινητήρας βενζινοκίνητο αυτοκίνητο 1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 1,E+05 1,E+06 Σήµα DC [fa] διχρονο βενζινοκίνητο µοτοποδήλατο Εικόνα 9-9: Συσχέτιση ενεργού επιφάνειας από το SMPS και τον DC για διάφορα οχήµατα, κινητήρες, καύσιµα και σηµεία λειτουργίας. Συνολικά δίνονται περισσότερες από 255 σαρώσεις SMPS σε διάστηµα ενός έτους για ένα diesel όχηµα, ένα diesel κινητήρα, τρία δίκυκλα και ένα βενζινοκίνητο αυτοκίνητο νέας τεχνολογίας. Figure 9-9: Linearity of the diffusion charger response with exhaust aerosol distributions obtained from different vehicles, fuels and operating conditions. In total 255 scans were obtained over a period of more than a year from an older diesel engine, a diesel vehicle of more recent technology, three gasoline two-wheelers of different size and emission control and a recent catalyst gasoline passenger car.

134 112 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Σύγκριση µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο (µάζα) Ενδιαφέρουσα είναι επίσης η σύγκριση του DC µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο. Καθώς η νοµοθεσία κατευθύνεται προς πιο ευαίσθητες τεχνικές µέτρησης των σωµατιδίων (Delisle, 2003), δείχνει ενδιαφέρουσα και η σύγκριση του DC µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο. Η Εικόνα 9-10 συγκρίνει την ενεργό επιφάνεια των σωµατιδίων µε τη µάζα όπως προσδιορίζεται µε τη νοµοθετηµένη µέθοδο για τρία diesel οχήµατα, ένα diesel µε δύο διαφορετικές παγίδες, και δύο βενζινοκίνητα οχήµατα. Οι µετρήσεις περιλαµβάνουν διάφορα καύσιµα και κύκλους οδήγησης. Η εικόνα δείχνει ότι το σήµα του DC είναι αρκετά ευαίσθητο ώστε να καταγράφει διαφοροποίηση τριών τάξεων µεγέθους στη ενεργό επιφάνεια των σωµατιδίων τη στιγµή που η µάζα τους διαφοροποιείται µόλις 20 φορές. Το ένθετο δείχνει ότι υπάρχει καλή συσχέτιση µεταξύ µάζας και ενεργού επιφάνειας για τα συνηθισµένα οχήµατα diesel. Ενεργή επιφάνεια [cm 2 /km] 1,0E+06 1,0E+05 1,0E+04 1,0E+03 1,0E+02 Συµβατικά Diesel Diesel + Παγίδα Βενζινοκίνητα 1,0E+01 0, PM [mg/km] Εικόνα 9-10: Σύγκριση ενεργού επιφάνειας από τον φορτιστή διάχυσης µε τη µάζα από τη νοµοθετηµένη µέθοδο για τρεις διαφορετικές τεχνολογίες. Το ένθετο µεγεθύνει την περιοχή των συµβατικών diesel. Figure 9-10: Comparison of the calibrated diffusion charger signal with the regulated PM emissions for three vehicle technologies. The inset magnifies the area of conventional diesel vehicles. Σύνοψη συµπεράσµατα Εξετάστηκε ένας πρότυπος φορτιστής διάχυσης: Το σήµα του φορτιστή διάχυσης είναι ανάλογο της ενεργού επιφάνειας των σωµατιδίων και δεν επηρεάζεται από τις ιδιότητες των σωµατιδίων ή τα προϋπάρχοντα φορτία.

135 113 Ο συνδυασµός DC CPC παρέχει τη δυνατότητα διερεύνησης κατανόησης της δηµιουργίας νανοσωµατιδίων στις µεταβάσεις του κύκλου. Η ενεργός επιφάνεια (ή το ρεύµα) που µετράει το DC συσχετίζεται καλά µε την ενεργό επιφάνεια (ή το ρεύµα) που υπολογίζεται από το SMPS. Η ενεργός επιφάνεια είναι πιο ευαίσθητο χαρακτηριστικό των σωµατιδίων από τη µάζα και µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη µέτρηση νεότερων τεχνολογιών. Βιβλιογραφία Alonso, M., Alguacil, F., Kousaka, Y. (2000). Space-Charge Effects in the Differential Mobility Analyzer, J. Aerosol Science, 31, Bukowiecki, N., Kittelson, D. B., Watts, W. F., Burtscher, H., Weingartner, E., Baltensperger, U. (2002). Real-Time Characterization of Ultrafine and Accumulation Mode Particles in Ambient Combustion Aerosols, J. Aerosol Science, 33, Burtscher (1992). Measurements and Characteristics of Combustion Aerosols with Special Consideration of Photoelectric Charging and Charging by Flame Ions, J. Aerosol Science, 23, Delisle, M. (2003). New Emission limit philosophy Based on the total Number of Solid Particles, Seventh international ETH conference on combustion generated particles, August 2003, Zürich, Switzerland Gäggeler, H. W., Baltensperger, U., Emmenegger, M., Jost, D. T., Schmidt-Ott, A., Haller, P., Hofmann, M. (1989). The Epiphniometer, a new device for Continuous Aerosol Monitoring, J. Aerosol Science, 20, Ntziachristos, L., Giechaskiel B., Ristimäki, J., Keskinen, J. (2004). Use of a Corona Charger for the Characterisation of Automotive Exhaust Aerosol, J. Aerosol Science, 35, Ntziachristos, L., Giechaskiel, B., Pistikopoulos P., Fysikas E., Samaras Z. (2003). Particle Characteristics of Different On-Road Vehicles, JSAE , SAE Pandis, S. N., Baltensperger, U., Wolfenbarger, J. K., Seinfeld, J. H. (1991). Inversion of Aerosol Data from the Epiphaniometer, J. Aerosol Science, 9, Schmidt-Ott, A., Federer, B. (1981). Photoelectron Emission from Small Particles Suspended in a Gas, Surface Science 106, Shi, J. P., Harrison, R. M., Evans, D. (2001). Comparison of Ambient Particle Surface Area Measurement by Epiphaniometer and SMPS/APS, Atmospheric Environment, 35, Siegmann, K., Siegmann, H. C. (2000). Fast and Reliable In-Situ Evaluation of Particles and Their Surface with Special Reference to Diesel Exhaust, SAE Woo, K., Chen, D., Pui, D. Y. H., Wilson, W. E. (2001). Use of a Continuous Measurements of Integral Aerosol Parameters to Estimate Particle Surface Area, Aerosol Science & Technology, 34, Zhiqiang, Q., Siegmann, K., Keller, A., Matter, U., Scherrer, L., Siegmann, H. C. (2000). Nanoparticle Air Pollution in Major Cities and its Origin, Atmospheric Environment, 34,

136 114 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος 10. Όργανα µέτρησης αριθµού σωµατιδίων (CPC, DMA, SMPS) Τα όργανα µέτρησης αριθµού ή κατανοµής σωµατιδίων µε βάση την διάµετρο κινητικότητας είναι ευρέως διαδεδοµένα και δε χρειάζονται ιδιαίτερη ανάλυση ή περιγραφή. CPC Το CPC (Condensation Particle Counter Απαριθµητής Σωµατιδίων Συµπύκνωσης) µετρά οπτικά τη συνολική αριθµητική συγκέντρωση σωµατιδίων σε πραγµατικό χρόνο. Το πρώτο όργανο αναπτύχθηκε από τον Aitken το Στηριζόταν στην ψύξη του κορεσµένου σε νερό αέρα µε αδιαβατική εκτόνωση χρησιµοποιώντας µια αντλία. Μια άλλη µέθοδος ψύξης εµφανίστηκε από τον Kousaka το 1982 µε τυρβώδη ανάµειξη δύο κορεσµένων ατµών, ο ένας θερµός και ο άλλος ψυχρός, για να ψυχθεί και να υπερκορεστεί ο ατµός. Τέλος, εµφανίστηκαν τα όργανα µε θερµική διάχυση (Εικόνα 10-1). Μια πολύ µικρή παροχή δείγµατος (~1 lpm) εισέρχεται στο CPC, πάνω από µια δεξαµενή βουτανόλης που θερµαίνεται στους 30 C περίπου (εξατµιστήρας), ώστε να επέλθει κορεσµός του αέριου ρεύµατος σε ατµούς βουτανόλης. Στη συνέχεια το κορεσµένο ρεύµα εισέρχεται σε θάλαµο ψύξης (~10 C) όπου οι ατµοί βουτανόλης συµπυκνώνονται στην επιφάνεια των σωµατιδίων (συµπυκνωτής), αυξάνοντας σηµαντικά το µέγεθός τους (στην περιοχή των 10 µm). Η διαφορά θερµοκρασίας εξατµιστήρα - συµπυκνωτή είναι 17 C για το µοντέλο 3010 της TSI και φτάνει τους 25 C για τα µοντέλα 3022Α και 3025Α. Στη συνέχεια, τα σωµατίδια εισέρχονται στο χώρο του οπτικού ανιχνευτή όπου καθορίζεται η αριθµητική τους συγκέντρωση µε µέτρηση των παλµών που επάγουν κατά τη σκέδαση του φωτός µιας φωτεινής ακτίνας (count mode). Σε πολύ υψηλές συγκεντρώσεις σωµατιδίων η µέτρηση γίνεται µε κάποιο σφάλµα, θέµα που θα συζητηθεί στη συνέχεια. Η ανάγκη αύξησης του µεγέθους των σωµατιδίων µέσω συµπύκνωσης των ατµών αλκοόλης προέρχεται ακριβώς από τον φυσικό περιορισµό της αδυναµίας σκέδασης του φωτός από µεγέθη σωµατιδίων µικρότερα τουλάχιστον της τάξης των µερικών µικροµέτρων. Τελικά, µέσω της µεθόδου αυτής µπορούν να καταγραφούν στο CPC συγκεντρώσεις σωµατιδίων µεγέθους έως περίπου 3 nm (TSI 3022Α, 3025Α), 11 nm (TSI 3010) ή 20 nm (TSI 3010D) σε σχεδόν πραγµατικό

137 115 χρόνο, αλλά µε διαφορετική αποτελεσµατικότητα, ανάλογα µε την παροχή και τις κατασκευαστικές λεπτοµέρειες της συγκεκριµένης συσκευής. Η αποτελεσµατικότητα του CPC στα σωµατίδια µικρών µεγεθών είναι ένα ζήτηµα που πρέπει να λαµβάνεται υπόψη και επίσης θα συζητηθεί στη συνέχεια. Αποτελεσµατικότητα Κάτω όριο ανιχνευσιµότητας (cutpoint): Το διαφορετικό κατώτερο όριο των οργάνων πρέπει να ληφθεί υπόψη όταν συγκρίνονται αποτελέσµατα από διαφορετικά µοντέλα. Όσον αφορά το µοντέλο που χρησιµοποιήθηκε στη διάταξη (TSI 3010), έχει, όπως αναφέρθηκε, κάτω όριο σωµατιδίων τα 11 nm (D p50% ). Εποµένως, για να είναι συγκρίσιµο µε τα µοντέλα 3022Α και 3025Α που µετράνε ως τα 5 nm (D p50% ) (Wiedensohlet et al. 1997) χρησιµοποιήθηκε µεγαλύτερη διαφορά θερµοκρασίας µεταξύ του συµπυκνωτή και του εξατµιστήρα του οργάνου. Από τους 17 C που ήταν αρχικά, µέσω του λογισµικού του οργάνου αλλάχτηκε σε 25 C (η θερµοκρασία που χρησιµοποιείται και στα άλλα µοντέλα). Η Εικόνα 10-2α δείχνει την αποτελεσµατικότητα του CPC για Τ 17 και 25 C. Στην ίδια εικόνα δίνεται µια θεωρητική περιοχή πυρήνων µε µέση διάµετρο 10 nm και τυπική απόκλιση 3,3. Στην Εικόνα 10-2β φαίνεται ποιο ποσοστό της κατανοµής δε µετράει το CPC µε τις δύο Τ. Είναι προφανές ότι όταν υπάρχει περιοχή πυρήνων (µε µέση διάµετρο γύρω στα 10 nm) η χρήση υψηλής Τ µειώνει το σφάλµα µέτρησης. προς αντλία οπτικός ανιχνευτής ακροφύσιο είσοδος αεροκολλοειδούς 1 lpm συµπυκνωτής εξατµιστήρας Απαγωγή θερµότητας µε φυσική συναγωγή δεξαµενή βουτανόλης Εικόνα 10-1: Figure 10-1: Αρχή λειτουργίας του απαριθµητή σωµατιδίων συµπύκνωσης (CPC). Operational Principle of the Condensation Particle Counter (CPC).

138 116 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Αποτελεσµατικότητα CPC 120% 100% 80% 60% 40% 20% 25 o C Αποτελεσµατικότητα CPC 17 o C θεωρητική κατανοµή dn/dlogdp 0% ιάµετρος Κινητικότητας [nm] 60% Υποεκτίµηση σωµατιδίων 50% 40% 30% 20% 10% 0% 17 C 25 C Εικόνα 10-2: α) Αποτελεσµατικότητα µέτρησης σωµατιδίων σε διάφορες Τ για το µοντέλο CPC 3010 και θεωρητική κατανοµή περιοχής πυρήνων. β) Υποεκτίµηση σωµατιδίων µε διαφορετικές Τ για την κατανοµή της πάνω εικόνας Figure 10-2: a) CPC 3010 efficiency at various temperature differences. b) underestimation of particles for different Τ for the size distribution of upper panel. Αλληλοεπικάλυψη Υψηλές συγκεντρώσεις: Για συγκεντρώσεις κάτω των 100 cm -3 η ένδειξη του οργάνου (TSI 3010) βασίζεται στον µέσο όρο 6 s. Για ενδείξεις cm -3 η ένδειξη του οργάνου βασίζεται σε δείγµατα 1 s. Σε συγκεντρώσεις άνω των 10 4 cm -3, 2 ή περισσότερα σωµατίδια βρίσκονται περιστασιακά στο χώρο ανίχνευσης και οι παλµοί που δηµιουργούν αλληλοκαλύπτονται µετρούµενοι ως ένα σωµατίδιο. Στην περίπτωση αυτή, µερικά CPCs µετράνε στην φωτοµετρική περιοχή (photometric mode), όπου η συγκέντρωση καθορίζεται από τη µέτρηση της απόσβεσης του φωτός στο χώρο ανίχνευσης. Σε αυτήν την περιοχή η µέτρηση δεν είναι τόσο ακριβής και χρειάζεται προσεκτική βαθµονόµηση. Για το µοντέλο 3010 της TSI που δεν υπάρχει δυνατότητα µέτρησης στην φωτοµετρική περιοχή, η

139 117 µετρηµένη «αλληλοεπικάλυψη» (coincidence) είναι µικρότερη από 7,5% για αριθµητικές συγκεντρώσεις ως 10 4 cm -3, αλλά γίνεται πολύ µεγαλύτερη σε υψηλότερες. Η εξίσωση που δίνει το σφάλµα αλληλοεπικάλυψης είναι: N act indic ( N Q τ ) = N exp (10-1) act CPC N act [cm -3 ] πραγµατική συγκέντρωση p N indic [cm -3 ] υποδεικνυόµενη συγκέντρωση Q CPC [cm 3 /s] παροχή του CPC (=16,67 για TSI 3010) τ p [µs] χρόνος που βρίσκεται κάθε σωµατίδιο στον οπτικό χώρο (=0,4 για TSI 3010) Για να εξακριβωθεί η επίδραση της αλληλοεπικάλυψης στις περιπτώσεις που το CPC µετρά πάνω από το άνω όριο έγιναν κύκλοι UDC µε ένα Euro I όχηµα (VW Golf TDi). Η πρώτη µέτρηση (2 κύκλοι) έγινε µε χαµηλή αραίωση (Συνολική 2500:1), ώστε το CPC να µετρά 2, cm -3 (µέση συγκέντρωση cm -3 ) µε Τ 17 C. Στη συνέχεια, η άλλη µέτρηση (2 κύκλοι) έγινε µε τέτοια αραίωση (13500:1), ώστε το CPC µετρούσε στην περιοχή που ακρίβεια του είναι καλή (συγκέντρωση 0, cm -3 ) επίσης µε Τ 17 C. Η δεύτερη µέτρηση θεωρήθηκε σωστή και η βάση σύγκρισης. Στην Εικόνα 10-3 δίνεται η διαφοροποίηση της πρώτης µέτρησης, τόσο για µη διόρθωση αλληλοεπικάλυψης όσο και για διόρθωση (σε κάθε δευτερόλεπτο του κύκλου) από τη δεύτερη µέτρηση. 30% Υποεκτίµηση συγκέντρωσης 25% 20% 15% 10% 5% 0% µε διόρθωση χωρίς διόρθωση Εικόνα 10-3: Figure 10-3: Επίδραση διόρθωσης αλληλοεπικάλυψης στη συγκέντρωση σωµατιδίων. Effect of coincidence correction on particle number concentration.

140 118 Β. Περιγραφή τµηµάτων συστήµατος Είναι ξεκάθαρο ότι η διόρθωση αλληλοεπικάλυψης πρέπει να γίνεται όταν το CPC µετρά πάνω από 10 4 cm -3 και, επιπλέον, ότι η διόρθωση που προτείνει ο κατασκευαστής είναι σωστή ακόµη και για την περίπτωση που το CPC µετρά πάνω από 2, cm -3 (και οι κορυφές φτάνουν τα cm -3 ). SMPS Στην κατεύθυνση της βελτίωσης της απόκρισης των ταξινοµητών κινητικότητας αναπτύχθηκε το SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer Κατανεµητής Μεγέθους Κινητικότητας Σωµατιδίων µε Σάρωση), στο οποίο η αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου γίνεται µε µια συνεχή εκθετική µεταβολή. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται σάρωση όλου του φάσµατος µέτρησης (7 nm 0,7 µm) σε 30 s, αν και τα αποτελέσµατα βελτιώνονται σηµαντικά µε µικρότερη ταχύτητα σάρωσης (2 3 min). Σήµερα, ένας µεγάλος αριθµός εργαστηρίων χρησιµοποιεί το SMPS για µετρήσεις σωµατιδιακών εκποµπών καθώς αποτελεί τη πιο διαδεδοµένη συσκευή του είδους. Το SMPS που χρησιµοποιήθηκε στη διάταξη (µοντέλο 3936 της TSI) µετρά κατανοµή µεγέθους αριθµού σωµατιδίων µε βάση την ηλεκτρική κινητικότητα και την οπτική ανίχνευση. Το εύρος µεγεθών που καλύπτει το όργανο είναι περίπου 10 µε 400 nm. Για µια πλήρη µέτρηση όλου του εύρους των σωµατιδίων απαιτούνται περίπου 2 λεπτά. Εποµένως το όργανο είναι κατάλληλο µόνο για σταθερά σηµεία και όχι για κύκλους. Αποτελείται από 4 κύρια τµήµατα (Εικόνα 10-4): Τον προσκρουστήρα, τη ραδιενεργή πηγή, το διαφορικό αναλυτή κινητικότητας (DMA) και τον απαριθµητή σωµατιδίων συµπύκνωσης (CPC). Προσκρουστήρας: Ο προσκρουστήρας είναι τοποθετηµένος στην είσοδο του DMA για την αποµάκρυνση των µεγάλων σωµατιδίων και, κατά συνέπεια, τον περιορισµό της επίδρασή τους στο όργανο. Ραδιενεργός πηγή ( 85 Kr): Η ραδιενεργός πηγή είναι τοποθετηµένη µετά τον προσκρουστήρα και χρησιµοποιείται για την πρόσδοση καθορισµένης διπολικής κατανοµής φορτίου στο πολυµέγεθες (polydisperse) αεροκολλοειδές (το συνολικό φορτίο είναι 0, αλλά το αεροκολλοειδές περιέχει συγκεκριµένες αναλογίες σωµατιδίων που έχουν ±1, ±2 φορτία κτλ.). Αν και αρχικά θεωρήθηκε ότι τα σωµατίδια µετά τον φορτιστή αποκτούν συνολικά ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο, o Wiedensohler (1988) έδειξε ότι, σύµφωνα µε τη θεωρία Fuchs, τα σωµατίδια στην

141 119 έξοδο του φορτιστή έχουν κατά µέσο όρο ένα ελαφρά αρνητικό φορτίο λόγω της µεγαλύτερης κινητικότητας των αρνητικών ιόντων και, εποµένως, της µεγαλύτερης ικανότητας διάχυσής τους στην επιφάνεια των σωµατιδίων. DMA: Όπως έχει ήδη αναφερθεί, το DMA (Differential Mobility Analyzer ιαφορικός Αναλυτής Κινητικότητας) ταξινοµεί τα σωµατίδια ανάλογα µε την ηλεκτρική κινητικότητα. Το µοντέλο του ΕΕΘ (3080L ή 3081) αποτελείται από δύο οµόκεντρους µεταλλικούς κυλίνδρους. Το πολυµέγεθες αεροκολλοειδές και πρόσθετη ποσότητα αέρα (sheath air) εισέρχονται από το πάνω µέρος του DMA και ρέουν προς τη βάση του χωρίς να αναµιχθούν, στο χώρο ανάµεσα στους δύο κυλίνδρους. Ο εσωτερικός κύλινδρος διατηρείται σε ρυθµιζόµενη αρνητική τάση, ενώ ο εξωτερικός είναι ηλεκτρικά γειωµένος. Με αυτόν τον τρόπο δηµιουργείται ηλεκτρικό πεδίο ανάµεσα στους κυλίνδρους. Λόγω του πεδίου τα θετικά φορτισµένα σωµατίδια έλκονται στον εσωτερικό κύλινδρο (µε την αρνητική τάση) σε διάφορα σηµεία, ανάλογα µε την ηλεκτρική κινητικότητά τους, τη ροή και τη γεωµετρία της διάταξης (τα σωµατίδια µε υψηλή κινητικότητα συγκεντρώνονται στο πάνω µέρος). Ένα µέρος των σωµατιδίων συγκεκριµένης ηλεκτρικής κινητικότητας διαπερνά τον εσωτερικό κύλινδρο µέσω µιας µικρής οπής που υπάρχει στη βάση του κυλίνδρου. Εικόνα 10-4: Figure 10-4: Ο ιαφορικός Aναλυτής Kινητικότητας (DMA). The Differential Mobility Analyzer.