ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ ΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΚΑΙ ΜΑΖΑΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ ΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΚΑΙ ΜΑΖΑΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΣΤΑΜΑΤΟΥΔΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ ΑΕΜ.: 4835 ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΛΕΩΝΙΔΑΣ ΝΤΖΙΑΧΡΗΣΤΟΣ ΑΡΜΟΔΙΟΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ: ΣΤΑΥΡΟΣ ΑΜΑΝΑΤΙΔΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΙΟΥΛΙΟΣ 2012

1. 2. ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΤΜΗΜΑ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ 5. Υπεύθυνος: Λεωνίδας Ντζιαχρήστος 3. 4. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΟΜΕΑΣ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ 6. Αρμόδιος Παρακολούθησης: Σταύρος Αμανατίδης 7. Τίτλος εργασίας: ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΠΡΟΤΥΠΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ ΓΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΚΑΙ ΜΑΖΑΣ ΑΙΩΡΟΥΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ 8. Ονοματεπώνυμο φοιτητή (-ών): ΣΤΑΜΑΤΟΥΔΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ 10.Θεματική περιοχή: Σωματιδιακή ύλη 14. Περίληψη: 11.Ημερομηνία έναρξης: ΝΟΕ 2011 9. Αριθμός μητρώου: 4835 12. Ημερομηνία παράδοσης: ΙΟΥΛ 2012 Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η βαθμονόμηση προτύπου αισθητήρα για μέτρηση συγκέντρωσης αριθμού και μάζας αιωρούμενων σωματιδίων. 13.Αριθμός εργασίας: 12.DI.0035.V1 15. Στοιχεία εργασίας: Αρ. Σελίδων: 65 Αρ. Εικόνων: 28 Αρ. Πινάκων: 13 Στο 1 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες για τα αιωρούμενα σωματίδια, οι επιπτώσεις τους στην υγεία του ανθρώπου, η σύνθεση τους, ο σχηματισμός τους και τρόποι μείωσης εκπομπών σε κινητήρες. 16. Λέξεις κλειδιά: Αιωρούμενα σωματίδια, Αισθητήρας, Βαθμονόμηση Στο 2 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται το πειραματικό υπόβαθρο των οργάνων που συμμετέχουν στη διάταξη μέτρησης για τη βαθμονόμηση της συσκευής και η αναλυτική περιγραφή της. Στο 3 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων και η μέθοδος υπολογισμού των συντελεστών βαθμονόμησης. 17. Σχόλια: Στο 4 ο κεφάλαιο γίνεται η αποτίμηση των αποτελεσμάτων και η εξαγωγή των συμπερασμάτων από τη μελέτη της συσκευής. 18. Συμπληρωματικές παρατηρήσεις: 19. Βαθμός: 2

3

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διπλωματική εργασία ξεκίνησε τον Νοέμβριο του 2011 και ολοκληρώθηκε των Ιούνιο του 2012. Το πειραματικό μέρος έλαβε χώρα στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής του Πολυτεχνείου του ΑΠΘ στις 18, 21 και 22 Νοεμβρίου. Θέλω να ευχαριστήσω όλους τους ανθρώπους που με βοήθησαν και συνέβαλαν στην ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας. Κατ αρχήν νιώθω την ανάγκη να ευχαριστήσω τον καθ. Ντζιαχρήστο Λεωνίδα για την ευκαιρία που μου έδωσε να γνωρίσω το εργαστήριο και να ασχοληθώ με μια διπλωματική που είχε ένα πολύ ενδιαφέρον θέμα. Ακόμη θέλω να πω ευχαριστώ στον υποψήφιο διδάκτορα Σταύρο Αμανατίδη για την άψογη συνεργασία, για την πολύτιμη βοήθεια και για την καθοριστική συμβολή του στην ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας. Τέλος θέλω να ευχαριστήσω το προσωπικό του εργαστηρίου για την συνεισφορά του στην ολοκλήρωση του πειραματικού μέρους της εργασίας. 4

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 4 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 6 1.1. Γενικά... 6 1.2. Επιπτώσεις στην υγεία... 7 1.3. Μέγεθος... 9 1.4. Σχηματισμός και σύνθεση... 10 1.4.1. Πηγές σωματιδίων σε κινητήρες... 10 1.4.2. Σχηματισμός σε κινητήρες Diesel... 12 1.5. Τρόποι μείωσης εκπομπών σε κινητήρες... 14 1.6. Στόχος της εργασίας... 15 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ... 16 2.1. Περιγραφή συσκευών... 16 2.1.1. Fine Particle Sampler... 16 2.1.2. Αραιωτήρας ακροφυσίου... 18 2.1.3. Electrical Low Pressure Impactor... 19 2.1.4. Διάταξη SMPS-CPC... 21 2.1.5. Pegasor Particle Sensor... 24 2.1.6. Micro Soot Sensor... 27 2.2. Κινητήρας διάταξης... 29 2.3. Φίλτρα- CVS (Constant Volume Sampler)... 29 2.4. Περιγραφή πειράματος... 30 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ... 33 3.1. Πρωτόκολλο μέτρησης... 33 3.2. Κατανομή μεγέθους σωματιδίων... 34 3.3. Αποτελέσματα PPS... 38 3.4. MSS... 41 3.5. ELPI... 45 3.6. SMPS-CPC... 50 3.7. Συντελεστής βαθμονόμησης μάζας L... 54 3.8. Συντελεστής βαθμονόμησης συγκέντρωσης αριθμού Ν... 57 3.9. Επικύρωση Συντελεστή Βαθμονόμησης Μάζας... 60 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 63 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 65 5

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1. Γενικά Η αέρια ρύπανση περιλαμβάνει όλες τις μορφές ρύπανσης που οφείλονται σε αέριες χημικές ουσίες. Ακόμη εντάσσονται και αυτές που οφείλονται σε στερεά ή υγρά σωματίδια επειδή λόγω μικρού μεγέθους συμπεριφέρονται σαν αέρια. Όπως φαίνεται στην Εικόνα 1-1, υπάρχουν φυσικές πηγές εκπομπής σωματιδιακής ύλης προς την ατμόσφαιρα όπως τα ηφαίστεια, η θάλασσα, η σκόνη με τον άνεμο, οι πυρκαγιές των δασών και η γύρη των φυτών. Επιπρόσθετα, υπάρχουν και ανθρωπογενείς πηγές σωματιδιακής ρύπανσης. Σε αυτές περιλαμβάνονται οι εκπομπές από διεργασίες καύσης, όπως οι μηχανές εσωτερικής καύσης από βιομηχανικές και μεταλλευτικές δραστηριότητες, από την ηλεκτροπαραγωγή και μέσω δευτερογενών σωματιδίων που προέρχονται από αντιδράσεις μετατροπής αερίων στην ατμόσφαιρα. Οι οδικές μεταφορές είναι μία από τις σημαντικότερες πηγές αέριας ρύπανσης και εκτός από τα οξείδια του αζώτου (NO x ) και τα πτητικά οργανικά συστατικά (VOC) εκπέμπεται και σωματιδιακή ύλη (PM particulate matter). Σωματιδιακή ύλη ή αιωρούμενα σωματίδια εννοούμε οποιουδήποτε μεγέθους υλικό στον αέρα σε στερεή η υγρή μορφή (από μερικά nm μέχρι κάποιες δεκάδες μm). Τα σωματίδια που έχουν διάμετρο μέχρι 10 μm σχηματίζουν τα λεγόμενα αερολύματα (Aerosols) και συμπεριφέρονται σαν να ήταν διαλυμένα στον αέρα όπως για παράδειγμα η ομίχλη, ο καπνός και το νέφος. Εικόνα 1-1: Συμμετοχή πηγών στις εκπομπές ρύπων σε Ευρωπαϊκή κλίμακα (πηγή: Ντζιαχρήστος, Λ.) 6

1.2. Επιπτώσεις στην υγεία Το μέγεθος των σωματιδίων συνδέεται με την δυνατότητα τους να προκαλέσουν προβλήματα στην υγεία του ανθρώπου. Τα σωματίδια που είναι μικρότερα από 1 μm προκαλούν και τα περισσότερα προβλήματα γιατί μπορούν να εισέλθουν στους πνεύμονες και να καταλήξουν ακόμη και μέσα στο αίμα. Το σύστημα της αναπνοής είναι εφοδιασμένο με διάφορους μηχανισμούς καθαρισμού του αέρα, τα οποία είναι μία σειρά από φίλτρα που σκοπό έχουν να εμποδίσουν την διείσδυση στερεών ή υγρών σωματιδίων στους πνεύμονες. Αρχικά τα μεγαλύτερα σε μέγεθος σωματίδια φιλτράρονται στην είσοδο της μύτης με τη βοήθεια τριχών που υπάρχουν εκεί, οι οποίες κατακρατούν τα μεγαλύτερα σωματίδια. Στη συνέχεια ο αέρας οδηγείται στους βρόγχους μέσω των αεραγωγών, ακολουθώντας μια περίπλοκη διαδρομή. Εξαιτίας των πολλών αλλαγών κατεύθυνσης της ροής γίνεται αποκόλληση των σωματιδίων από την κύρια ροή λόγω των αδρανειακών δυνάμεων. Μετά τη σύγκρουση τους τα σωματίδια αυτά επικάθονται στη βλέννα, με την οποία και αποβάλλονται από τον οργανισμό. Το σύστημα αυτό έχει πολύ καλή απόδοση για σωματίδια μέχρι 5 μm. Στους βρόγχους ο αέρας μέσω μεταβολών της ταχύτητας και απότομων αλλαγών της κατεύθυνσης καθαρίζεται από σωματίδια μεγέθους από 1 έως 5 μm. Έτσι στους πνεύμονες καταφέρνουν να εισχωρούν σωματίδια μεγέθους μέχρι και 1 μm τα οποία κατακρημνίζονται στις πνευμονικές κυψελίδες. Η συνεχής συγκέντρωση τους εκεί μειώνει την χωρητικότητά των πνευμόνων προκαλώντας δυσκολίες στην αναπνοή. Εικόνα 1-2: Διεισδυτικότητα σωματιδίων κινητήρα Diesel σε σχέση με το μέγεθός τους στο αναπνευστικό σύστημα του ανθρώπου (πηγή: DieselNet.com) 7

Τα σωματίδια προκαλούν αυξημένα αναπνευστικά συμπτώματα όπως ερεθισμό των αεραγωγών, βήχα και δυσκολία στην αναπνοή, ενώ ακόμη προκαλούν επιδείνωση του άσθματος και βρογχίτιδα. Επίσης επηρεάζουν και την καρδιά προκαλώντας καρδιακή αρρυθμία και έτσι επιδεινώνουν την κατάσταση σε άτομα που πάσχουν από καρδιακή νόσο. Ακόμη μπορούν να προκαλέσουν καρκίνο γιατί προέρχονται κυρίως από διεργασίες καύσης και άρα είναι ανθρακικής βάσης. (Κυριάκης, Ν.,2007) Άλλες συνέπειες της ύπαρξης σωματιδίων είναι η θόλωση της ατμόσφαιρας και η περιβαλλοντική ζημιά που προκαλείται. Τα σωματίδια μπορούν να μεταφερθούν σε μεγάλες αποστάσεις με τον αέρα και μετά να αφεθούν στο έδαφος ή στο νερό. Έτσι κάνουν τις λίμνες και τα ποτάμια όξινα και αλλάζουν την ισορροπία των θρεπτικών συστατικών σε παράκτιες περιοχές. Τέλος καταστρέφουν τα θρεπτικά συστατικά στο χώμα με αποτέλεσμα να επηρεάζονται δάση, καλλιέργειες και η ποικιλότητα των οικοσυστημάτων. Για να μπορέσει να αξιολογηθεί η επίδραση των σωματιδίων στην υγεία, πρέπει να μετρηθούν κάποιες βασικές παράμετροι όπως: Μάζα Μέγεθος Συγκέντρωση αριθμού Επιφάνεια Σύνθεση Η μάζα των σωματιδίων δεν είναι ο καλύτερος δείκτης για την επίδραση τους στην υγεία όπως είναι το μέγεθος ανάλογα με το οποίο αλλάζει και η διεισδυτικότητά τους. Σημαντικό ρόλο παίζει η συγκέντρωση αριθμού. Για παράδειγμα στις μηχανές diesel η πλειονότητα των σωματιδίων είναι μικρότερα από 0.1 μm, τα οποία διεισδύουν και βαθύτερα στους πνεύμονες. Επίσης σημαντικές παράμετροι είναι η επιφάνεια και η σύνθεση γιατί οι ενώσεις που είναι απορροφημένες στην επιφάνεια των σωματιδίων διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στις επιδράσεις με τον ιστό των πνευμόνων. Εξαιτίας της σημαντικής επίδρασης των σωματιδίων στην υγεία έχουν θεσπιστεί ανώτατα όρια συγκέντρωσης σωματιδίων στην ατμόσφαιρα κυρίως συγκεκριμένων διαμέτρων που είναι πολύ επικίνδυνες. H Υπηρεσία Περιβαλλοντικής Προστασίας των ΗΠΑ (US EPA) και η Ευρωπαϊκή Ένωση έχουν θεσπίσει όρια τα οποία αναφέρονται σε συγκέντρωση μάζας αιωρούμενων σωματιδίων (μg/m3) δηλαδή μάζα ανά μονάδα όγκου και δίνονται στην παρακάτω εικόνα. 8

Εικόνα 1-3 Νομοθετημένα όρια εκπομπής σωματιδίων (πηγή DieselNet.com) 1.3. Μέγεθος Τα σωματίδια έχουν ακανόνιστο σχήμα και η μορφολογία τους δεν μοιάζει με κανένα γνωστό σχήμα. Για να μπορεί να καθοριστεί το μέγεθος τους και να κατηγοριοποιηθούν χρησιμοποιούμε την ισοδύναμη διάμετρο. Ισοδύναμη διάμετρος είναι η διάμετρος ενός σωματιδίου σφαιρικής γεωμετρίας που αντιστοιχεί σε ένα πραγματικό μέγεθος αναφοράς. Υπάρχουν πολλές ισοδύναμες διάμετροι γιατί τα διάφορα όργανα μέτρησης λειτουργούν με διαφορετικές αρχές λειτουργίας και άρα μπορούν να μετρήσουν διαφορετικές ιδιότητες των σωματιδίων. Οι ισοδύναμες διάμετροι που χρησιμοποιούνται είναι κυρίως οι εξής: Αεροδυναμική διάμετρος (D p ): Είναι η διάμετρος σφαίρας μοναδιαίας πυκνότητας (ρ=1g/cm 3 ) που αποκτά την ίδια τελική ταχύτητα καθίζησης σε ακίνητο φέρον ρευστό με το σωματίδιο. Αυτή η διάμετρος χρησιμοποιείται σε όργανα που λειτουργούν με προσκρουστήρες. Διάμετρος Stokes (D s ): Είναι η διάμετρος σφαίρας πυκνότητας ίσης με το υλικό του σωματιδίου που αποκτά την ίδια τελική ταχύτητα καθίζησης σε ακίνητο φέρον ρευστό με το σωματίδιο. Διάμετρος μηχανικής κινητικότητας (D b ): Είναι η διάμετρος σφαίρας που έχει την ίδια κινητικότητα με το σωματίδιο. Η κινητικότητα είναι ο λόγος της ταχύτητας που αποκτά το πραγματικό σωματίδιο σε ακίνητο φέρον ρευστό ανά μονάδα δύναμης που ασκείται σε αυτό από εξωτερικό πεδίο δυνάμεων. Όταν το πεδίο είναι μη ηλεκτρικό, τότε προκύπτει η μηχανική κινητικότητα. Διάμετρος ηλεκτρικής κινητικότητας (D eb ) είναι η διάμετρος σφαίρας που έχει την ίδια ηλεκτρική κινητικότητα με το σωματίδιο. Η ηλεκτρική κινητικότητα είναι ο 9

λόγος της τελικής ταχύτητας που αποκτά το πραγματικό σωματίδιο σε ακίνητο φέρον ρευστό υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου μοναδιαίας έντασης. (Τζαμκιώζης Θ., 2010) Ανάλογα με την αεροδυναμική διάμετρο που έχουν τα σωματίδια τα χωρίζουμε στις εξής κατηγορίες (DieselNet.com): PM10: Σωματίδια διαμέτρου μικρότερης από 10 μm Fine particles: Σωματίδια διαμέτρου μικρότερης από 2.5 μm Ultrafine particles Σωματίδια διαμέτρου μικρότερης από 0.1 μm ή 100 nm Nanoparticles, Σωματίδια διαμέτρου μικρότερης από 50 nm. Εικόνα 1-4 Κατανομή σε κινητήρα Diesel (πηγή Kittelson, D., 1999) 1.4. Σχηματισμός και σύνθεση 1.4.1. Πηγές σωματιδίων σε κινητήρες Τα σωματίδια που εκπέμπονται από μηχανές εσωτερικής καύσης προέρχονται από τις οργανικές και ανόργανες ουσίες που εισάχθηκαν στον κινητήρα μαζί με το καύσιμο και τον αέρα. Ένα σημαντικό μέρος των σωματιδίων είναι η αιθάλη, η οποία είναι ως επί το πλείστον άνθρακας ο οποίος προέρχεται από την ετερογενή διαδικασία καύσης στις μηχανές ντίζελ. Εξαιτίας της διάχυσης και της προανάμειξης των φλογών και σε πλούσιο και σε φτωχό 10

μείγμα δημιουργούνται μικρά σωματίδια ή πυρήνες καύσης. Σκόνη από τον αέρα και ανόργανο υλικό από το καύσιμο εμφανίζονται ως σωματίδια στην εξάτμιση σαν τέφρα ή οξείδια. Ίχνη μετάλλων που προέρχονται από τη φθορά του κινητήρα μπορούν να μεταφερθούν με το λιπαντικό και να καταλήξουν στην εξάτμιση. Ακόμη λόγω της ύπαρξης θείου στο καύσιμο και στο λιπαντικό σχηματίζονται θειικά σωματίδια. Υδρογονάνθρακες με υψηλό σημείο βρασμού και τα παράγωγα τους περιλαμβάνονται στα σωματίδια όπως και το άκαυστο καύσιμο. (DieselNet.com) Σύνθεση σωματιδίων απο κινητήρα Diesel 10% 7% Ανθρακας 10% Λιπαντικό λάδι 13% 60% Τέφρα Θείο και νερό Ακαυστο καύσιμο Εικόνα 1-5 Σύνθεση σωματιδίων από κινητήρες Diesel (Kittelson, D.,1999) Τα σωματίδια κινητήρων Diesel αποτελούνται από τρία βασικά μέρη. Το πρώτο είναι το στερεό μέρος (SOL, Solid fraction) που περιέχει στοιχειώδη άνθρακα και στάχτη. Το δεύτερο είναι το διαλυτό οργανικό μέρος (SOF, Soluble organic fraction) που περιέχει οργανική ύλη προερχόμενη από το καύσιμο και από το λιπαντικό λάδι. Το τρίτο μέρος είναι τα σωματίδια θειικών ενώσεων (SO 4, Sulfate particulates) που περιέχουν θεϊκό οξύ και νιτρικά άλατα. Άρα, τα εκπεμπόμενα σωματίδια (TPM, Total Particulate Matter) αποτελούνται από το άθροισμα των παραπάνω (Kittelson, D.,1999) TPM = SOL + SOF + SO4 11

Εικόνα 1-6 Σύσταση σωματιδίων (πηγή Kittelson, D., 1999) 1.4.2. Σχηματισμός σε κινητήρες Diesel Ο σχηματισμός των σωματιδίων στους κινητήρες Diesel διαφέρει από τους κινητήρες με διαφορετική αρχή λειτουργίας. Ο σχηματισμός γίνεται τόσο στον θάλαμο καύσης όσο και κατά την έξοδο του καυσαερίου από τον θάλαμο στο περιβάλλον μέσω του συστήματος εξαγωγής. Το μεγαλύτερο μέρος των σωματιδίων είναι αποτέλεσμα της ημιτελούς καύσεως των υδρογονανθράκων του καυσίμου, ενώ ένα μέρος προέρχεται από το λάδι λίπανσης. Τα σωματίδια αιθάλης σχηματίζονται σε θερμοκρασίες μεταξύ 1000Κ και 2800Κ και σε πίεση 50 με 100 atm. (Richter, H., Howard, J.B., 2000) Ο σχηματισμός των σωματιδίων μπορεί να διαχωριστεί σε έξι στάδια: Στο πρώτο στάδιο γίνεται ο σχηματισμός των αρχικών πυρήνων της αιθάλης οι οποίοι είναι βαριές ενώσεις πολυαρωματικών υδρογονανθράκων (PAH). Η διαδικασία ανάπτυξης τους από μικρά μόρια σε μεγαλύτερα γίνεται λόγω της ένωσης αλυσίδων άνθρακα (C2, C3) ή άλλων μικρών μονάδων με ρίζες μορίων (PAH) και λόγω της αντίδρασης των (PAH) μεταξύ τους. Στο δεύτερο στάδιο συμβαίνει η πυρήνωση και η δημιουργία σωματιδίων από βαρέα μόρια (PAH). Η μάζα μετατρέπεται από μοριακό σε σωματιδιακό επίπεδο, δηλαδή τα 12

βαρέα μόρια (PAH) σχηματίζουν τα εκκολαπτόμενα σωματίδια αιθάλης με διάμετρο 1,5 nm. Στο τρίτο στάδιο έχουμε την προσθήκη μορίων αέριας φάσης στην επιφάνεια των σωματιδίων, με αποτέλεσμα την αύξηση της μάζας τους. Μετά τη σύσταση των αρχικών σωματιδίων αιθάλης προστίθενται μόρια αέριας φάσης όπως το ακετυλένιο, τα (PAH) και οι ρίζες των (PAH). Με αυτή την διαδικασία ο αριθμός των σωματιδίων αιθάλης δεν αλλάζει. Στο τέταρτο στάδιο γίνεται η συσσωμάτωση μέσω των ενεργών συγκρούσεων μεταξύ των σωματιδίων. Συσσωματώσεις λόγω των συγκρούσεων κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αύξησης της μάζας αυξάνει σημαντικά το μέγεθος των σωματιδίων και μειώνει τον αριθμό τους χωρίς να αλλάζει η συνολική μάζα. Ακόμη, σε αυτό το στάδιο συνεχίζουμε να έχουμε προσθήκη μορίων αέριας φάσης. Στο πέμπτο στάδιο συμβαίνει η απανθράκωση της σωματιδιακής ύλης. Για μεγαλύτερους χρόνους παραμονής σε συνθήκες πυρόλυσης στη ζώνη του μετώπου φλόγας, το πολυαρωματικό υλικό, που αποτελεί τα μέχρι εκείνη τη στιγμή σχηματισμένα σωματίδια, υπόκειται σε μια σειρά από διεργασίες, όπως κυκλοποίηση, συμπύκνωση και συγχώνευση δακτυλίων. Επιπλέον λαμβάνει χώρα αφυδρογόνωση, ανάπτυξη και ευθυγράμμιση του στρώματος των αρωματικών ενώσεων. Η διαδικασία αυτή μετατρέπει προοδευτικά την αρχικά άμορφη αιθάλη σε δομή γραφιτικού άνθρακα με μια μικρή μείωση στη μάζα των σωματιδίων και χωρίς αλλαγή στον αριθμό τους. Στο έκτο και τελευταίο στάδιο έχουμε την οξείδωση. Η οξείδωση των σωματιδίων αιθάλης και των PAH είναι ένα φαινόμενο που ανταγωνίζεται την διαδικασία σχηματισμού τους. Έχει σαν αποτέλεσμα την μείωση της μάζας της αιθάλης και των PAH μέσω του σχηματισμού μονοξειδίου (CO) και διοξειδίου του άνθρακα (CO 2 ). Ανάλογα με τον τύπο της φλόγας, η οξείδωση μπορεί να συμβεί είτε ταυτόχρονα με το σχηματισμό τους όπως σε φλόγες προανάμειξης (κινητήρες Οtto), είτε μετά το σχηματισμού τους όπως σε φλόγες διάχυσης (κινητήρες Diesel). Τα βασικά οξειδωτικά στοιχεία είναι το υδροξύλιο (OH), οι ρίζες οξυγόνου (O) και το οξυγόνο (Ο 2 ), με το OH να είναι ο μεγαλύτερος παράγοντας σε συνθήκες πλούσιας καύσης και το O 2 σε συνθήκες φτωχής καύσης. 13

Εικόνα 1-7 Σχηματισμός σωματιδίων (H. Richter, J.B. Howard,2000) 1.5. Τρόποι μείωσης εκπομπών σε κινητήρες Η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει όρια εκπομπής για τα επιβατηγά οχήματα πού αφορούν τόσο τα βενζινοκίνητα όσο και τα ντίζελ. Για να επιτευχθούν αυτά τα όρια έπρεπε να αναπτυχθούν καινούργιες τεχνολογίες για να μειωθούν οι εκπομπές. Αρχικά στα βενζινοκίνητα οχήματα εγκαταστάθηκε ο τριοδικός καταλύτης ο οποίος μείωνε την εκπομπή CO, VOC και NO x. Για να λειτουργήσει ο καταλύτης η καύση θα πρέπει να γίνεται με στοιχειομετρική αναλογία αέρα / καυσίμου. Αυτό το πετυχαίνουμε με την ακριβή τροφοδοσία καυσίμου που πραγματοποιείται με τη χρήση εγχυτήρων και ηλεκτρονική διαχείριση του κινητήρα. Στη γραμμή εξαγωγής τοποθετείται ο αισθητήρας «λ» ο οποίος ελέγχει τη συγκέντρωση οξυγόνου στο καυσαέριο. Επιπλέον τεχνικές είναι η τοποθέτηση του καταλύτη πιο κοντά στην έξοδο του κινητήρα ή η χρήση προκαταλύτη, ώστε η θέρμανση τους να γίνεται πιο γρήγορα. Τα υλικά των καταλυτών όπως και η διασπορά και η σύσταση των ευγενών μετάλλων επίσης βελτιώθηκε, με σκοπό την καλύτερη απόδοση των καταλυτών. 14

Ακόμη σημαντικές τεχνικές είναι η ανακυκλοφορία καυσαερίου, η δευτερογενής έγχυση αέρα στη γραμμή εξαγωγής, ο καλύτερος χρονισμός βαλβίδων για τη μείωση των παραγόμενων ρύπων από τον ίδιο τον κινητήρα. Στα οχήματα που χρησιμοποιούν Diesel έγιναν πολλές αλλαγές και εγκαταστάθηκαν καινούργιες τεχνολογίες προκειμένου να επιτευχθούν οι στόχοι εκπομπής. Μία πολύ σημαντική είναι ο οξειδωτικός καταλύτης ο οποίος οξειδώνει το πτητικό τμήμα των σωματιδίων και έτσι μειώνει τη συνολική τους μάζα. Επίσης χρησιμοποιείται η ανακυκλοφορία καυσαερίου στην οποία μέρος του καυσαερίου επανεισάγεται στον κινητήρα με αποτέλεσμα την μείωση της θερμοκρασίας της καύσης, η οποία οδηγεί σε μείωση του σχηματισμού ΝΟ x. Ακόμη η έγχυση του καυσίμου πραγματοποιείται πλέον με εγχυτήρες υψηλής πίεσης, οι οποίοι δημιουργούν υψηλή διασπορά στο καύσιμο με αποτέλεσμα την καλύτερη καύση και τη μείωση των εκπομπών σωματιδίων. Χρησιμοποιείται επίσης και προκαταλύτης, ο οποίος τοποθετείται πιο κοντά στην εξαγωγή του κινητήρα, με αποτέλεσμα να θερμαίνεται γρηγορότερα και να υπάρχει ταχύτερη μείωση των εκπομπών σωματιδίων. Επίσης καθοριστικό ρόλο έχει διαδραματίσει η χρησιμοποίηση της παγίδας αιθάλης η οποία συγκρατεί σχεδόν το σύνολο της μάζας των σωματιδίων με αποτέλεσμα οι εκπομπές των ντίζελ να έχουν πέσει σχεδόν στα ίδια επίπεδα με τα αυτοκίνητα βενζίνης. Τέλος στους ντίζελ κινητήρες φορτηγών χρησιμοποιείται καταλύτης τύπου selective catalytic reduction (SCR), στον οποίο γίνεται έγχυση αμμωνίας στη ροή του καυσαερίου. Η αμμωνία αντιδρά με τα NO x, ανάγοντάς τα σε άζωτο και νερό, μειώνοντας έτσι σημαντικά τις συνολικές εκπομπές NOx. (Ντζιαχρήστος, 2010) Άλλος τρόπος μείωσης εκπομπών είναι η χρησιμοποίηση βιοκαυσίμου αντί για πετρέλαιο ή βενζίνη. Με τον όρο βιοκαύσιμα εννοούμε τους μεθυλεστέρες λιπαρών οξέων, οι οποίοι παράγονται μέσω της εστεροποίησης φυτικών ελαίων. Η χρήση βιοκαυσίμου μειώνει τις εκπομπές CO 2 κατά 50 με 80% σε σχέση με το diesel. Επειδή το μόριο του βιοκαυσίμου περιέχει οξυγόνο, τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των σωματιδιακών εκπομπών αλλάζουν σημαντικά. (Τζαμκιώζης Θ.,2010) 1.6. Στόχος της εργασίας Σύμφωνα με τα ανωτέρω, η ύπαρξη μετρητικών οργάνων για το χαρακτηρισμό και την αξιολόγηση του αερολύματος κρίνεται ιδιαίτερα σημαντική. Στα χαρακτηριστικά των οργάνων αυτών πρέπει επίσης να περιλαμβάνονται η αντοχή, η μεγάλη ευαισθησία και η γρήγορη απόκριση, τα οποία είναι απαραίτητα κατά τη διάρκεια ανάπτυξης ενός νέου κινητήρα. 15

Η φινλανδική εταιρία Pegasor Oy αναπτύσσει ένα πρωτότυπο αισθητήρα ο οποίος διαθέτει τα παραπάνω χαρακτηριστικά και βασίζεται στην τεχνική του διαφεύγοντος ρεύματος (escaping current). Η συσκευή δόθηκε στο Εργαστήριο Εφαρμοσμένης Θερμοδυναμικής της Πολυτεχνικής Σχολής του Α.Π.Θ προκειμένου να βαθμονομηθεί το σήμα του όσον αφορά στη συγκέντρωση μάζας και αριθμού των σωματιδίων. Στόχος της εργασίας αυτής είναι να δοθεί μια εικόνα για τις μετρήσεις βαθμονόμησης που διεξήχθησαν σε θεωρητικό και πειραματικό επίπεδο. Τα μέσα με τα οποία έγινε η βαθμονόμηση της μάζας είναι το AVL 483 Micro Soot Sensor το οποίο είναι ένας αισθητήρας αιθάλης και τα φίλτρα συλλογής μάζας PM, τα οποία επεξεργάστηκαν ούτως ώστε να αφαιρεθεί το πτητικό τους μέρος. Για την βαθμονόμηση του αριθμού χρησιμοποιήθηκε το TSI ultrafine Condensation Particle Counter (ucpc) 3776 το οποίο είναι οπτικός απαριθμητής σωματιδίων και το ELPI (Electrical Low Pressure Impactor) που είναι ηλεκτρικός αναχαιτιστής πρόσκρουσης χαμηλής πίεσης. 2.1. Περιγραφή συσκευών 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 2.1.1. Fine Particle Sampler Ο δειγματολήπτης σωματιδίων Dekati Fine Particle Sampler (FPS) έχει την δυνατότητα να συλλέγει δείγμα και να το αραιώνει ταυτόχρονα. Σκοπός λειτουργίας του είναι να αραιώνει το αερόλυμα έτσι ώστε να μειώνεται η συγκέντρωση του ή και η θερμοκρασία του για να βρίσκονται εντός των αποδεκτών ορίων των οργάνων μέτρησης. Το FPS περιλαμβάνει δύο αραιωτήρες συνδεδεμένους σε σειρά. Η πρωτογενής αραίωση πραγματοποιείται μέσω ενός διάτρητου σωλήνα, όπου το μη αραιωμένο δείγμα αναμιγνύεται με τον αέρα αραίωσης (Εικόνα 2-1), ενώ το δεύτερο στάδιο αραίωσης είναι τύπου ακροφυσίου. 16

Εικόνα 2-1 Τομή οργάνου FPS (πηγή User s Manual) Εικόνα 2-2 Εξωτερική όψη FPS (πηγή User s Manual) Στον αραιωτήρα ο αέρας αραίωσης εισέρχεται περιφερειακά ενός κυλινδρικού σωλήνα και αναμιγνύεται με το καυσαέριο, έτσι οι απώλειες των σωματιδίων ελαχιστοποιούνται το ίδιο και οι αλληλεπιδράσεις τους με τα τοιχώματα. Η παροχή του αέρα αραίωσης καθορίζεται από τον απαιτούμενο λόγο αραίωσης. Οι θερμοκρασίες και οι πιέσεις μετρούνται σε πραγματικό χρόνο από τη μονάδα ελέγχου που υπολογίζει τον λόγο αραίωσης. Πίνακας 2-1 Χαρακτηριστικά Dekati FPS-400 Λόγος αραίωσης 1:20-1:200 Θερμοκρασία αραίωσης Θερμοκρασία δείγματος Πίεση δείγματος Συγκέντρωση σωματιδίων Ρυθμός ροής δείγματος Πίεση λειτουργίας Μέσο ψύξης: αέρας υπό πίεση 0-350 C 0-600 C 750-2000 mbar < 100 / cc 0-10 lpm 4.5 bar 3-8 bar, 600 lpm,ξηρός 17

2.1.2. Αραιωτήρας ακροφυσίου Ο αραιωτήρας ακροφυσίου είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για να αραιωθεί το καυσαέριο έτσι ώστε να μπορεί να μετρηθεί από τις συσκευές που ακολουθούν. Στο μη αραιωμένο καυσαέριο οι συγκεντρώσεις των σωματιδίων και των υπόλοιπων ρύπων είναι πολύ υψηλές για να μετρηθούν κατευθείαν από τις συσκευές ανάλυσης. Έτσι το καυσαέριο αραιώνεται με ατμοσφαιρικό αέρα από τον οποίο έχουν αφαιρεθεί τα σωματίδια με φιλτράρισμα. Ξηρός, φιλτραρισμένος αέρας υπό πίεση ρέει με μεγάλη ταχύτητα γύρω από ένα ακροφύσιο και έτσι προκαλείται υποπίεση, με αποτέλεσμα να αντλείται ένα μέρος του καυσαερίου μέσα από το ακροφύσιο. Αυτό αραιώνεται ακαριαία και συνεχώς καθώς αναμιγνύεται με τον αέρα αραίωσης παρέχοντας έτσι ένα ομοιογενές και σταθερό δείγμα. Εικόνα 2-3 Τομή αραιωτήρα ακροφυσίου (πηγή User s Manual) Η μέτρηση των στερεών σωματιδιακών εκπομπών ενός οχήματος ή κινητήρα περιλαμβάνει δύο στάδια αραίωσης και μια ενδιάμεση θέρμανση του καυσαερίου. Το πρώτο στάδιο αραίωσης διεξάγεται με θερμό αέρα 150 C, ενώ στη συνέχεια το καυσαέριο θερμαίνεται σε θερμοκρασία 300-400 C έτσι ώστε να γίνει εξάτμιση του πτητικού του τμήματος. Έπειτα, ακολουθεί αραίωση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος η οποία μειώνει την θερμοκρασία του καυσαερίου και εμποδίζει την συμπύκνωση των πτητικών, καθώς έτσι μειώνεται συγχρόνως και η τάση ατμών τους. Ο λόγος αραίωσης εξαρτάται από την πίεση του αέρα αραίωσης. Αύξηση της πίεσης του αέρα αραίωσης επιφέρει αύξηση του λόγου αραίωσης, η οποία ωστόσο δεν ακολουθεί γραμμική σχέση. Για τις ανάγκες των μετρήσεων στα πλαίσια της παρούσας εργασίας επιλέχθηκε λόγος αραίωσης περίπου 1:10. Ο συνολικός χρόνος παραμονής των σωματιδίων στον αραιωτήρα υπολογίζεται στα 0,3 s. 18

Πίνακας 2-2 Χαρακτηριστικά Dekati DI-1000 Λόγος αραίωσης 1:8 Θερμοκρασία αραίωσης Ρυθμός ροής εισόδου δείγματος Ρυθμός ροής εξόδου δείγματος 0-450 C 7 lpm 60 lpm Πίεση λειτουργίας 2 bar 2.1.3. Electrical Low Pressure Impactor Ο ηλεκτρικός προσκρουστήρας χαμηλής πίεσης (ELPI, Electrical Low Pressure Impactor) είναι ένα όργανο το οποίο μετράει σε πραγματικό χρόνο το μέγεθος των σωματιδίων του αερολύματος. Αρχικά τα σωματίδια του αερολύματος φορτίζονται ηλεκτρικά περνώντας από ένα φορτιστή τύπου κορώνας. Η φόρτιση χωρίζεται σε τρία στάδια: α) το στάδιο υψηλής τάσης β) το στάδιο σταθεροποίησης της ροής γ) το στάδιο χαμηλής τάσης. Στο στάδιο υψηλής τάσης η φόρτιση των σωματιδίων γίνεται μέσω δύο μηχανισμών, ο πρώτος είναι αυτός της φόρτισης με διάχυση ιόντων (diffusion charging) που είναι σημαντικότερος για μικρά σωματίδια με διάμετρο μικρότερη των 2 μm και ο δεύτερος είναι αυτός της φόρτισης πεδίου (field charging) που είναι ο κύριος μηχανισμός φόρτισης μεγαλύτερων σωματιδίων. Στο δεύτερο στάδιο, αυτό της σταθεροποίησης της ροής, η ροή ομογενοποιείται και μειώνονται οι στροβιλισμοί που υπάρχουν. Στη συνέχεια στο τμήμα χαμηλής τάσης η ροή διέρχεται από μία παγίδα ιόντων, το οποίο είναι ένα ακτινικό ηλεκτρικό πεδίο χαμηλής έντασης. Έτσι απομακρύνονται τα ιόντα που έχουν παρασυρθεί από το πρώτο στάδιο και που μπορούν να προκαλέσουν λανθασμένη μέτρηση. Στη συνέχεια το αερόλυμα εισέρχεται στη κεντρική διάταξη, τον προσκρουστήρα, όπου συναντά ακροφύσια τα οποία έχουν συνεχώς μειούμενη διάμετρο και στην έξοδο τους υπάρχει πλάκα ανάσχεσης. Η διατομή του ακροφυσίου επηρεάζει την ταχύτητα ροής του δείγματος η οποία αυξάνει από τις υψηλότερες προς τις χαμηλότερες βαθμίδες. Το δείγμα όταν συναντάει τις πλάκες ανάσχεσης ρέει γύρω τους. Όμως η αδράνεια που είναι ανάλογη της μάζας των σωματιδίων και της ταχύτητας ροής δεν επιτρέπει σε κάθε βαθμίδα σωματίδια μεγαλύτερα ενός μεγέθους να ακολουθήσουν τις αλλαγές των γραμμών ροής και έτσι συγκρούονται με τη πλάκα και κατακρατούνται εκεί. Στις βαθμίδες που βρίσκονται ψηλά συγκρατούνται τα μεγαλύτερα σωματίδια και στις χαμηλότερες τα μικρότερα. 19

Εικόνα 2-4 Τομή οργάνου ELPI (πηγή User s Manual) Λόγω του ότι τα σωματίδια είναι φορτισμένα, όταν αυτά συγκρούονται με την πλάκα ανάσχεσης απελευθερώνεται ηλεκτρικό φορτίο. Το συνολικό φορτίο που απελευθερώνεται σε κάθε πλάκα είναι ενδεικτικό του αριθμού των σωματιδίων στη συγκεκριμένη περιοχή διαμέτρου. Έτσι μπορεί να γίνει κατανομή των σωματιδίων του δείγματος σε ομάδες διαμέτρων ανάλογα με τον αριθμό των ακροφυσίων της διάταξης. Στην έξοδο του οργάνου υπάρχει αντλία κενού η οποία διατηρεί χαμηλή πίεση για να αυξάνεται η κινητικότητα των σωματιδίων. Η μέγιστη διάμετρος μέτρησης της συσκευής είναι 10 μm και η ελάχιστη 30 nm. Η διάταξη μπορεί να μετρά τον αριθμό των σωματιδίων ταυτόχρονα σε κάθε βαθμίδα με τη χρήση ευαίσθητων ηλεκτρομέτρων με μικρό χρόνο απόκρισης. Πλεονέκτημα της συσκευής είναι η δυνατότητα μετρήσεως της κατανομής ενός αερολύματος κατά τη διάρκεια μεταβατικών μετρήσεων, ενώ μειονέκτημα της είναι η μεγάλη τιμή της ελάχιστης διαμέτρου που μπορεί να μετρήσει. 20

Πίνακας 2-3 Χαρακτηριστικά Dekati Elpi FPS-400 Ονομαστικός ρυθμός ροής αέρα Εύρος μεγέθους σωματιδίων Εύρος μεγέθους σωματιδίων με φίλτρο 10 l/min ή 30 l/min 0.03 μm - 10 μm 0.007 μm - 10 μm Θερμοκρασία δείγματος < 60 C Πίεση μέχρι το πρώτο στάδιο 100 mbar 2.1.4. Διάταξη SMPS-CPC Ο κατανεμητής κινητικότητας σωματιδίων σάρωσης SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer αποτελείται από δύο επιμέρους όργανα: α) τον ηλεκτροστατικό κατανεμητή (Electrostatic Classifier) και β) τον απαριθμητή σωματιδίων συμπύκνωσης CPC (Condensation Particle Counter). Σκοπός του ηλεκτροστατικού κατανεμητή είναι να εξαγάγει ένα συγκεκριμένο και γνωστό μέγεθος των σωματιδίων από το αερόλυμα που περιέχει πολλά μεγέθη. Αρχικά το αερόλυμα εισέρχεται σε προσκρουστήρα, στον οποίο απομακρύνονται τα σωματίδια πάνω από μια συγκεκριμένη αεροδυναμική διάμετρο λόγω της αδρανειακής πρόσκρουσης. Εκεί η ροή επιταχύνεται μέσω ενός ακροφυσίου και συγκρούεται πάνω σε μια επίπεδη πλάκα. Τα σωματίδια με μεγάλη αδράνεια δεν μπορούν να ακολουθήσουν τις ροϊκές γραμμές και προσκρούουν πάνω στη πλάκα. Τα μικρότερα τις ακολουθούν χωρίς να έρχονται σε επαφή με την πλάκα και εισέρχονται στο όργανο. Το μέγεθος στο οποίο διαχωρίζονται τα σωματίδια λέγεται διάμετρος αποκοπής και είναι συνάρτηση της παροχής της ροής και της διαμέτρου του ακροφυσίου. Εικόνα 2-5 Επεξήγηση λειτουργίας προσκρουστήρα (πηγή User s Manual) 21

Αφού περάσει από τον προσκρουστήρα εισέρχεται στον κατανεμητή όπου υπάρχει ένας διπολικός φορτιστής με ραδιενεργό στοιχείο (kr-85), ο οποίος εκθέτει τα σωματίδια σε υψηλές συγκεντρώσεις διπολικών ιόντων. Τα σωματίδια και τα ιόντα συγκρούονται πολλές φορές εξαιτίας της τυχαίας κίνησης των ιόντων. Έπειτα τα σωματίδια φτάνουν γρήγορα σε μια κατάσταση ισορροπίας στην οποία φέρουν ομοιόμορφη διπολική φόρτιση με πρακτικά ουδέτερο φορτίο. Στη συνέχεια το δείγμα εισέρχεται στον διαφορικό αναλυτή κινητικότητας (DMA) ο οποίος διαχωρίζει τα σωματίδια ανάλογα με την ηλεκτρική τους κινητικότητα. Το δείγμα εισέρχεται από το πάνω μέρος και κεντρικά. Συγχρόνως, εισέρχεται αέρας με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε σχηματίζεται ένας μανδύας αέρα που έχει σκοπό να εμποδίζεται η απευθείας πρόσκρουση του δείγματος στον κεντρικό πυρήνα. Μεταξύ του κελύφους και του κεντρικού πυρήνα εφαρμόζεται υψηλή τάση η οποία αυξάνεται με τον χρόνο αλλά παραμένει σταθερή για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Έτσι δημιουργείται ηλεκτρικό πεδίο το οποίο έλκει τα σωματίδια προς τον κεντρικό πυρήνα και αυτά διαπερνούν τον μανδύα αέρα και κατευθύνονται προς αυτόν. Τα μικρότερα σωματίδια συγκρούονται με το πάνω μέρος του πυρήνα, ενώ τα πιο μεγάλα προσκρούουν στο κάτω μέρος του κατανεμητή. Τα σωματίδια μιας συγκεκριμένης διαμέτρου πηγαίνουν στο κεντρικό κάτω μέρος όπου υπάρχει έξοδος. Έτσι από τον αναλυτή εξέρχονται σωματίδια μιας συγκεκριμένης διαμέτρου η οποία εξαρτάται από την τιμή της τάσης και από την ταχύτητα ροής. Όσο χαμηλώνει η τάση η διάμετρος που εξέρχονται τα σωματίδια μικραίνει και το αντίστοιχο όταν μεγαλώνει. 22

Εικόνα 2-6 Τομή ηλεκτροστατικού κατανεμητή (πηγή User s Manual) Στη συνέχεια το μονοδιαστατικό νεφέλωμα πηγαίνει στον απαριθμητή σωματιδίων όπου μετράται ο αριθμός τους. Ακολούθως, η τάση του κατανεμητή αυξάνει και εξέρχεται νεφέλωμα με μεγαλύτερη διάμετρο. Έτσι γίνεται μέτρηση του μονοδιαστατικού νεφελώματος πολλών διαμέτρων, από τις οποίες προκύπτει η ανάλογη κατανομή μεγέθους των σωματιδίων. Ο απαριθμητής σωματιδίων συμπύκνωσης μετράει τον αριθμό των σωματιδίων σε πραγματικό χρόνο. Στην αρχή εναποθέτονται στα σωματίδια ατμοί αλκοόλης, συνήθως βουτανόλης και στη συνέχεια μέσα σε θάλαμο μικρότερης θερμοκρασίας γίνεται συμπύκνωσή τους πάνω στην επιφάνεια των σωματιδίων. Έτσι αυξάνεται το μέγεθος τους και μπορεί να τα ανιχνεύσει ο οπτικός απαριθμητής. Ο απαριθμητής εκπέμπει μία οπτική δέσμη κάθετα στη ροή η οποία διακόπτεται καθώς τα σωματίδια τη διαπερνούν, με αποτέλεσμα να δημιουργείται παλμός ο οποίος καταγράφεται. Το σύνολο των παλμών αποτελεί τον αριθμό 23

των σωματιδίων του αεροκολλοειδούς που σε συνάρτηση με τον όγκο του δείγματος μετατρέπεται σε αριθμητική συγκέντρωση. Πίνακας 2-4 Παράμετροι λειτουργίας SMPS Εύρος διαμέτρων Ροή αερολύματος Ροή διάταξης Στόμιο [nm] [L/min] [L/min] κρουστήρα [cm] 13 833 0,3 3 0.0457 9.0 469 0,6 6 0.0457 5.7 239 1,5 15 0.071 2.1.5. Pegasor Particle Sensor Το PPS (Pegasor Particle Sensor) είναι ένας πραγματικού χρόνου ανιχνευτής αιωρούμενων σωματιδίων. Ο αισθητήρας αυτός χρησιμοποιείται σε διάφορες εφαρμογές, όπως για παράδειγμα σε μετρήσεις εκπομπών αιωρούμενων σωματιδίων, για την βιομηχανική υγιεινή, για παρακολούθηση του ατμοσφαιρικού αέρα, για σταθερή παρακολούθηση επιπέδου εκπομπών και για έρευνα και ανάπτυξη κινητήρων. Ο σχεδιασμός της ροής του αισθητήρα είναι τέτοιος που αποτρέπει την άμεση επαφή του με το καυσαέριο, με αποτέλεσμα να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ευρύ φάσμα λειτουργιών. 24

Εικόνα 2-7 Εξωτερική όψη PPS (πηγή User s Manual) Η αρχή λειτουργίας του PPS βασίζεται στη φόρτιση των σωματιδίων με εκκένωση ιόντων τύπου «corona» και παρουσιάζεται σχηματικά στην Εικόνα 2-8 Συγκεκριμένα, υψηλή ηλεκτρική τάση υποβάλλεται σε ακίδα, μέσω της οποίας δημιουργείται ηλεκτρική εκκένωση και ως εκ τούτου ιόντα. Γύρω από την ακίδα, διέρχεται καθαρός, φιλτραρισμένος αέρας υπό πίεση, ο οποίος την προστατεύει από επικάθιση σωματιδίων, παρεμποδίζοντάς τα να προσκολληθούν επάνω της. Στη συνέχεια τα ιόντα αναμιγνύονται με το δείγμα και προσκολλούνται στα διαθέσιμα σωματίδια ή συσσωματώματά τους. Με αυτό τον τρόπο, τα σωματίδια αποκτούν φορτίο, το οποίο είναι ανάλογο της ελεύθερης επιφάνειάς τους. Η ροή δείγματος εξασφαλίζεται μέσω της υποπίεσης που δημιουργείται γύρω από ακροφύσιο, από το οποίο διέρχεται η παροχή του καθαρού αέρα. Στη συνέχεια, τα φορτισμένα σωματίδια και τα ελεύθερα ιόντα διέρχονται από την «παγίδα ιόντων», η οποία βρίσκεται υπό θετική ηλεκτρική τάση. Η παγίδα ιόντων αποτρέπει τα ελεύθερα ιόντα να εξέλθουν από το όργανο μαζί με τα φορτισμένα σωματίδια, έτσι ώστε να μετράται μόνο το αντιπροσωπευτικό ρεύμα των φορτισμένων σωματιδίων. Το ρεύμα που 25

«φεύγει» από το όργανο μαζί με τα σωματίδια ανιχνεύεται από ηλεκτρόμετρο και είναι αντιπροσωπευτικό της συγκέντρωσης σωματιδίων στο καυσαέριο. Εικόνα 2-8 Τομή και επεξήγηση λειτουργίας PPS (πηγή User s Manual) Για τη λειτουργία του είναι απαραίτητη η παροχή φιλτραρισμένου αέρα σε υπερπίεση 1,5 bar, ενώ η ελάχιστη διάμετρος σωματιδίων που μπορεί να μετρήσει είναι 23 nm και η μέγιστη 2,5 μm. Το εύρος συγκέντρωσης σωματιδίων που μπορεί να μετρήσει κυμαίνεται μεταξύ 1 μg και 100-250mg/m 3 και εξαρτάται από την κατανομή μεγέθους σωματιδίων του δείγματος. Ο χρόνος απόκρισης είναι 10 ms και η συχνότητα δειγματοληψίας είναι 100 HZ. Πλεονεκτήματα της συσκευής είναι ότι δεν έχουμε συλλογή των σωματιδίων στο όργανο, ότι έχουμε γρήγορο χρόνο απόκρισης στις αλλαγές συγκέντρωσης των σωματιδίων και ότι υπάρχει η δυνατότητα συνεχούς λειτουργίας. Επίσης η μέτρηση των πρωτογενών καυσαερίων μπορεί να γίνει χωρίς αραίωση και ο αισθητήρας δεν επηρεάζεται από τις συνθήκες του καυσαερίου, όπως για παράδειγμα λόγω διακυμάνσεων της πίεσης, της θερμοκρασίας και της ταχύτητα της ροής. 26

Εικόνα 2-9 Εφαρμογή PPS σε δυναμομέτρηση μηχανής (πηγή User s Manual) Εικόνα 2-10 Εφαρμογή PPS πάνω σε όχημα (πηγή User s Manual) 2.1.6. Micro Soot Sensor Το MSS (Micro Soot Sensor) βασίζεται στην φωτοακουστική μέθοδο μετρήσεως, στην οποία το καυσαέριο υπό μέτρηση ακτινοβολείται από ειδικά διαμορφωμένη ακτίνα laser με επιλεγμένο μήκος κύματος. Τα σωματίδια αιθάλης που υπάρχουν στο καυσαέριο απορροφούν ένα μέρος της ενέργειας της ακτίνας και υπόκεινται σε ταλάντωση που οδηγεί σε ηχητικό 27

κύμα. Αυτό το κύμα ανιχνεύεται από μικρόφωνο και μετατρέπεται σε ακουστικό σήμα, το οποίο είναι ανάλογο της συγκέντρωσης μάζας αιθάλης στο καυσαέριο. Ο καθαρός αέρας δεν παράγει καθόλου σήμα και όταν ο αέρας είναι αναμεμιγμένος με καυσαέριο το σήμα αυξάνεται αναλογικά με τη συγκέντρωση αιθάλης. Αυτό είναι ένα πλεονέκτημα σε σχέση άλλα όργανα (π.χ. νεφελόμετρο) γιατί έχουμε σημαντική αύξηση της ευαισθησίας και άρα της ακρίβειας της μέτρησης. Η μετρητική μονάδα έχει ειδικό σχεδιασμό τύπου ανοιχτού αγωγού για να έχει καλή ευαισθησία. Η διάμετρος της ηχητικής μονάδας είναι μικρή σε σχέση με το μήκος και μεγαλώνει στα άκρα της μονάδας, δημιουργείται δηλαδή φίλτρο εγκοπής. Έτσι δημιουργείται ένα στατικό ηχητικό κύμα με κόμβους πίεσης του κύματος τα άκρα της μονάδας και το μέγιστο πλάτος του κύματος πίεσης να είναι στη μέση. Η αύξηση της διαμέτρου μειώνει το πλάτος του ακουστικού κύματος στα φίλτρα εγκοπής. Εικόνα 2-11 Τομή και περιγραφή λειτουργίας ηχητικής μονάδος 28

Πίνακας 2-5 Παράμετροι λειτουργίας AVL MSS Συγκέντρωση αιθάλης <50 mg/m 3 Ανάλυση μετρούμενης τιμής 0.01 mg/m 3 Ρυθμός δειγματοληψίας 100 ΗΖ Επιτρεπούμενη θερμοκρασία δείγματος +20 μέχρι +60 C Επιτρεπούμενη πίεση δείγματος - 50 μέχρι +50 mbar 2.2. Κινητήρας διάταξης Ο κινητήρας που χρησιμοποιήθηκε είναι ο 1ND-TV 1.4L της Toyota. Είναι κινητήρας Diesel, υπερτροφοδοτούμενος, άμεσου ψεκασμού και το σύστημα έγχυσης του καυσίμου είναι τύπου common rail (1600bar) με έξι εγχυτήρες. Για την διαχείριση του καυσαερίου έχει σύστημα επανακυκλοφορίας (EGR) με ψύκτη και καταλύτη και το επίπεδο εκπομπών του είναι Euro 5. Τα τεχνικά του χαρακτηριστικά είναι τα παρακάτω: Πίνακας 2-6 Τεχνικά χαρακτηριστικά κινητήρα Κυβισμός 1364cc Λόγος συμπίεσης 17.9:1 Ιπποδύναμη 68(PS) Ροπή 170 (N m) 2.3. Φίλτρα- CVS (Constant Volume Sampler) Το καυσαέριο εισέρχεται στο κανάλι αραίωσης και εκεί γίνεται δειγματοληψία σταθερής παροχής όγκου (CVS). Κύριος ρόλος του καναλιού αραίωσης είναι η ανάμιξη αέρα με το καυσαέριο το οποίο μεταφέρεται μέσω εύκαμπτου σωλήνα και ψύχεται εντός του καναλιού. Το καυσαέριο εισάγεται στο κανάλι αραίωσης στη διεύθυνση του άξονα του καναλιού και αναμιγνύεται με τον αέρα αραίωσης με τη βοήθεια διαφράγματος, ώστε να επιτευχθεί ταχεία και ομοιόμορφη ανάμιξη. 29

Ο συνολικός όγκος ροής ρυθμίζεται από την αντλία θετικής μετατόπισης τύπου Roots, ανάλογα με τις στροφές λειτουργίας της. H συνολική παροχή που διέρχεται από το κανάλι σε συνάρτηση με την παροχή του καυσαερίου καθορίζει το στιγμιαίο λόγο αραίωσης. Ο λόγος αραίωσης ορίζεται ως ο λόγος μάζας αραιωμένου προς μη αραιωμένο καυσαέριο και προσδιορίζεται από το λόγο μαζών σταθερών συστατικών στο μη αραιωμένο και στο αραιωμένο καυσαέριο αντίστοιχα. Τόσο ο εύκαμπτος σωλήνας μεταφοράς του καυσαερίου προς το κανάλι αραίωσης, όσο και το κανάλι αραίωσης, εκθέτουν μεγάλη επιφάνεια προς το καυσαέριο, με αποτέλεσμα να εναποτίθεται σωματιδιακή μάζα πάνω στις επιφάνειες αυτές μετά από παρατεταμένη χρήση. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε σφάλμα της μέτρησης γι αυτό είναι απαραίτητη η κατάλληλη προετοιμασία του συστήματος πριν γίνουν μετρήσεις. Δείγμα του καυσαερίου διέρχεται μέσα από φίλτρα PM, στα οποία επικάθεται η σωματιδιακή και πτητική ύλη του καυσαερίου. Τα φίλτρα που έχουν ζυγιστεί πριν αρχίσει το πείραμα ζυγίζονται και μετά από κάθε στάδιο. H διαφορά του βάρους που προκύπτει αποτελεί ένδειξη για την συνολική μάζα των σωματιδίων που υπήρχε στο καυσαέριο. Εικόνα 2-12 Διάταξη συστήματος αραίωσης καυσαερίου (πηγή Ντζιαχρήστος Λ.) 2.4. Περιγραφή πειράματος Πηγή του καυσαερίου είναι ο κινητήρας diesel 1.4L της Toyota. Ο αισθητήρας PPS συνδέεται στην εξάτμιση και θερμαίνεται κατάλληλα έτσι ώστε να αποφεύγεται η μέτρηση πτητικών σωματιδίων. Σε αυτή τη διάταξη ο αισθητήρας PPS δειγματοληπτεί με την τάση της παγίδας ιόντων να τίθεται στα 400V. 30

Συγκέντρωση μάζας Το MSS συνδέεται με τη γραμμή της εξάτμισης μέσω δειγματολήπτη ο οποίος μειώνει την θερμοκρασία και πίεση του καυσαερίου σε αποδεκτά για το όργανο επίπεδα. Επίσης, σωματιδιακή ύλη PM συλλέγεται σε φίλτρα PTFE τα οποία προετοιμάζονται για 24 ώρες σε σταθερή θερμοκρασία (22 C) και υγρασία 40% πριν και μετά μέτρηση. Έπειτα, τα φίλτρα θερμαίνονται στους 200 C για δυόμιση ώρες σε ροή αζώτου για να διακριθεί το πτητικό μέρος (VOF) από το μη πτητικό (NVOF) που ισοδυναμεί στο μεγαλύτερό του τμήμα με αιθάλη. Συγκέντρωση αριθμού Το καυσαέριο μεταφέρεται από την εξάτμιση στον δειγματολήπτη σωματιδίων (FPS) της Dekati όπου αραιώνεται με αέρα θερμοκρασίας 150 C σε αναλογία 1:11. Στη συνέχεια το καυσαέριο αραιώνεται περαιτέρω σε δύο διαδοχικούς αραιωτήρες ακροφυσίου, οι οποίοι λειτουργούν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος με λόγο αραίωσης 1:12 και 1:8 αντίστοιχα. Ο ηλεκτρικός προσκρουστήρας χαμηλής πίεσης (ELPI) δειγματοληπτεί από τον πρώτο αραιωτήρα, ενώ ο απαριθμητής σωματιδίων συμπύκνωσης και ο κατανεμητής κινητικότητας σωματιδίων σάρωσης (SMPS) δειγματοληπτούν από τον δεύτερο. Εικόνα 2-13 Πειραματική διάταξη Στην επόμενη σελίδα παρουσιάζεται σχηματικά η πειραματική διάταξη: 31

Εικόνα 2-14 Πειραματική διάταξη 32

3.1. Πρωτόκολλο μέτρησης 3. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Η βαθμονόμηση πραγματοποιήθηκε σε σταθερά σημεία του κινητήρα τα οποία παρουσίαζαν διαφορετικά επίπεδα εκπομπών μάζας και αριθμού σωματιδίων. Για να επιτευχθεί αυτό, ο κινητήρας τέθηκε σε διάφορα σημεία λειτουργίας με διαφορετικό φορτίο και αριθμό στροφών, τα οποία κάλυψαν ένα ευρύ φάσμα εκπομπών. Κάθε δοκιμή αποτελούνταν από 10 λεπτά σταθεροποίησης των συνθηκών και 15 λεπτά μέτρησης. Αυτή η διαδικασία επαναλήφθηκε για τρεις διαφορετικές παροχές δείγματος του αισθητήρα PPS, οι οποίες επιτεύχθηκαν με στραγγαλισμό της εισόδου του δείγματος με την τοποθέτηση δακτυλίων μειούμενης διαμέτρου. Πίνακας 3-1 Σταθερά σημεία κινητήρα Πίνακας 3-2 Παροχές εισόδου PPS-M Σημείο κινητήρα Στροφές κινητήρα [rpm] Φορτίο [Nm] Μέρα Μέτρησης Παροχή εισόδου [std lpm] 1 1500 2.2 1 2.13 2 1500 20 2 2.64 3 1500 25 2 5.36 4 2000 40 5 2500 40 6 2500 50 7 2000 70 33

Εικόνα 3-1 Σταθερά σημεία κινητήρα 3.2. Κατανομή μεγέθους σωματιδίων Στις εικόνες που ακολουθούν παρουσιάζονται οι κατανομές μεγέθους των σημείων του κινητήρα που χρησιμοποιήθηκαν. Οι κατανομές έχουν μέση διάμετρο από 15 nm μέχρι 55 nm και εύρος αριθμού από 4*10 4 μέχρι 4,5*10 5. 34

Αριθμιτηκή συγκέντρωση (dn/dlogdp) [cm -3 ] Αριθμιτηκή συγκέντρωση (dn/dlogdp) [cm -3 ] 4.50E+05 1500 [rpm] 2 [Nm] 4.00E+05 3.50E+05 3.00E+05 2.50E+05 Ημέρα 1 Ημέρα 2 Ημέρα 3 2.00E+05 1.50E+05 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 1 10 100 1000 Ισοδύναμη διάμετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 3-2 Κατανομή μεγέθους σωματιδίων στο σημείο λειτουργίας 1500 [rpm] και φορτίο 2 [Nm] 4.50E+05 4.00E+05 3.50E+05 3.00E+05 1500 [rpm] 20 [Nm] 2.50E+05 2.00E+05 1.50E+05 Ημέρα 1 Ημέρα 2 Ημέρα 3 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 1 10 100 1000 Ισοδύναμη διάμετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 3-3 Κατανομή μεγέθους σωματιδίων στο σημείο λειτουργίας 1500 [rpm] και φορτίο 20 [Nm] 35

Αριθμιτηκή συγκέντρωση (dn/dlogdp) [cm -3 ] Αριθμιτηκή συγκέντρωση (dn/dlogdp) [cm -3 ] 4.50E+05 4.00E+05 3.50E+05 1500 [rpm] 25 [Nm] 3.00E+05 2.50E+05 2.00E+05 1.50E+05 Ημέρα 1 Ημέρα 2 Ημέρα 3 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 1 10 100 1000 Ισοδύναμη διάμετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 3-4 Κατανομή μεγέθους σωματιδίων στο σημείο λειτουργίας 1500 [rpm] και φορτίο 25 [Nm] 4.50E+05 4.00E+05 3.50E+05 3.00E+05 2000 [rpm] 40 [Nm] 2.50E+05 2.00E+05 1.50E+05 Ημέρα 1 Ημέρα 2 Ημέρα 3 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 1 10 100 1000 Ισοδύναμη διάμετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 3-5 Κατανομή μεγέθους σωματιδίων στο σημείο λειτουργίας 2000 [rpm] και φορτίο 40 [Nm] 36

Αριθμιτηκή συγκέντρωση (dn/dlogdp) [cm -3 ] Αριθμιτηκή συγκέντρωση (dn/dlogdp) [cm -3 ] 4.50E+05 4.00E+05 3.50E+05 2500 [rpm] 40 [Nm] 3.00E+05 2.50E+05 2.00E+05 Ημέρα 1 Ημέρα 2 Ημέρα 3 1.50E+05 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 1 10 100 1000 Ισοδύναμη διάμετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 3-6 Κατανομή μεγέθους σωματιδίων στο σημείο λειτουργίας 2500 [rpm] και φορτίο 40 [Nm] 4.50E+05 4.00E+05 3.50E+05 2500 [rpm] 50 [Nm] 3.00E+05 2.50E+05 2.00E+05 Ημέρα 1 Ημέρα 2 Ημέρα 3 1.50E+05 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 1 10 100 1000 Ισοδύναμη διάμετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 3-7 Κατανομή μεγέθους σωματιδίων στο σημείο λειτουργίας 2500 [rpm] και φορτίο 50 [Nm] 37

Αριθμιτηκή συγκέντρωση (dn/dlogdp) [cm -3 ] 4.50E+05 4.00E+05 3.50E+05 2000 [rpm] 70 [Nm] 3.00E+05 2.50E+05 2.00E+05 Ημέρα 2 Ημέρα 3 1.50E+05 1.00E+05 5.00E+04 0.00E+00 1 10 100 1000 Ισοδύναμη διάμετρος κινητικότητας [nm] Εικόνα 3-8 Κατανομή μεγέθους σωματιδίων στο σημείο λειτουργίας 2000 [rpm] και φορτίο 70 [Nm] Στα παραπάνω διαγράμματα παρατηρούμε ότι και για τις τρεις μέρες η μέση διάμετρος της κατανομής είναι περίπου σταθερή σε κάθε σημείο του κινητήρα, το οποίο σημαίνει ότι υπάρχει μικρή διασπορά τιμών. Επίσης βλέπουμε ότι διαφέρει το ύψος της συγκέντρωσης αριθμού σωματιδίων στα ίδια σημεία το κινητήρα, ενώ θα έπρεπε να είναι ταυτόσημα καθώς τα χαρακτηριστικά λειτουργίας του κινητήρα είναι όμοια σε όλες τις ημέρες μέτρησης. Αυτό όπως αναφέρεται κα παρακάτω πιθανώς συνέβη λόγω τεχνικού προβλήματος της διάταξης. 3.3. Αποτελέσματα PPS Στις εικόνες που ακολουθούν παρουσιάζονται οι καταγραφές του σήματος του PPS για διαφορετικά σταθερά σημεία μέτρησης για τις τρείς παροχές εισόδου του οργάνου. 38

Ρεύμα - PPS f[a] Πίνακας 3-3 Αποτελέσματα μετρήσεων PPS Σημείο κινητήρα Pegasor [fa] Ημέρα 1 Ημέρα 2 Ημέρα 3 1 1.34E+05 1.89E+05 4.24E+05 2 2.15E+06 6.69E+05 1.06E+06 3 3.29E+05 6.94E+05 1.11E+06 4 4.02E+05 2.28E+06 4.77E+06 5 1.25E+06 2.64E+06 5.48E+06 6 1.92E+06 2.70E+06 5.89E+06 7-1.44E+06 3.20E+06 Ρεύμα - PPS, Ημέρα 1 7.0E+06 6.0E+06 5.0E+06 4.0E+06 3.0E+06 2.0E+06 1.0E+06 0.0E+00 0 200 400 600 800 1000 1200 Χρόνος [sec] Εικόνα 3-9 : Μεταβολή σήματος PPS για παροχή δείγματος Q=2.13 lpm 39

Ρεύμα - PPS f[a] Ρεύμα - PPS f[a] Ρεύμα - PPS, Ημέρα 2 7.0E+06 6.0E+06 5.0E+06 4.0E+06 3.0E+06 2.0E+06 1.0E+06 0.0E+00 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Χρόνος [sec] Εικόνα 3-10 Μεταβολή σήματος PPS για παροχή δείγματος Q=2.64 lpm 7.0E+06 Ρεύμα - PPS, Ημέρα 3 6.0E+06 5.0E+06 4.0E+06 3.0E+06 2.0E+06 1.0E+06 0.0E+00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Χρόνος [sec] Εικόνα 3-11 Μεταβολή σήματος PPS για παροχή δείγματος Q=5.36 lpm 40

Ρεύμα [f(a)] PPS 7.0E+06 6.0E+06 5.0E+06 Ημέρα 1 Ημέρα 2 Ημέρα 3 4.0E+06 3.0E+06 2.0E+06 1.0E+06 0.0E+00 1 2 3 4 5 6 7 Σημείο κινητήρα Εικόνα 3-12 Σήμα PPS ανά σημείο κινητήρα για τις τρείς μέρες Παρατηρούμε ότι ανάλογα με το σταθερό σημείο της μηχανής αλλάζει και το ρεύμα του οργάνου. Στην εικόνα 3-12 παρουσιάζεται το μετρούμενο ρεύμα για κάθε σημείο και μπορούμε να συγκρίνουμε τις διαφορές των τριών ημερών. Βλέπουμε ότι ανάλογα με τη μέρα, δηλαδή αναλόγως την παροχή, αλλάζει και το ρεύμα. Όσο αυξάνεται η παροχή αυξάνονται και τα σωματίδια που εισέρχονται στο όργανο, το οποίο έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος εξόδου. 3.4. MSS Στις παρακάτω εικόνες συγκρίνεται η απόκριση του PPS σε σχέση με το MSS για τις δύο μέρες διεξαγωγής της μέτρησης με το MSS. 41

Ρεύμα [fa] Μάζα [mg/m3] Ρεύμα [fa] Μάζα [mg/m3] 3.50E+06 3.00E+06 PPS - MSS, Ημέρα 1 PPS f[a] MSS [mg/m3] 70 60 2.50E+06 50 2.00E+06 1.50E+06 1.00E+06 5.00E+05 0.00E+00 40 30 20 10 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Χρόνος [sec] Εικόνα 3-13 Σύγκριση μεταβολής σήματος PPS και MSS για Q=2.13 lpm 3.50E+06 3.00E+06 PPS - MSS, Ημέρα 2 PPS f[a] MSS [mg/m3] 70 60 2.50E+06 50 2.00E+06 1.50E+06 1.00E+06 5.00E+05 0.00E+00 40 30 20 10 0 0 500 1000 1500 2000 Χρόνος [sec] Εικόνα 3-14 Σύγκριση μεταβολής σήματος PPS και MSS για Q=2.64 lpm 42

MSS [mg/m3] Παρατηρούμε ότι η απόκριση του PPS στις αλλαγές της συγκέντρωσης μάζας αιθάλης ακολουθεί την αντίστοιχη του MSS ανεξάρτητα από την παροχή εισόδου του οργάνου. Στις εικόνες 3-15 και 3-16 παρουσιάζεται η σύγκριση της απόκρισης του PPS σε σχέση με το MSS για τις δύο ημέρες μέτρησης. Παρατηρείται ότι τα δύο όργανα έχουν γραμμική απόκριση ανεξάρτητα της παροχής εισόδου του PPS. 80.0 Pegasor - MSS, Ημέρα 1 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 0.0E+00 5.0E+05 1.0E+06 1.5E+06 2.0E+06 2.5E+06 Pegasor [fa] Εικόνα 3-15 Διάγραμμα σύγκρισης PPS και MSS για Q=2.13 lpm 43

Μάζα [mg/m3] MSS [mg/m3] 70.0 Pegasor - MSS, Ημέρα 2 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 0.0E+00 5.0E+05 1.0E+06 1.5E+06 2.0E+06 2.5E+06 3.0E+06 Pegasor [fa] Εικόνα 3-16 Διάγραμμα σύγκρισης PPS και MSS για Q=2.64 lpm MSS 80.0 70.0 60.0 Ημέρα 1 Ημέρα 2 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 1 2 3 4 5 6 7 Σημείο κινητήρα Εικόνα 3-17 Μάζα σωματιδίων από το MSS ανά σημείο κινητήρα για τις δύο μέρες 44

Μάζα [mg/m3] Το MSS χρησιμοποιήθηκε τις δύο πρώτες μέρες του πειράματος. Η δειγματοληψία του καυσαερίου πραγματοποιήθηκε μέσω ειδικής διαμόρφωσης, ούτως ώστε οι συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας του καυσαερίου να διατηρούνται σε αποδεκτά για το όργανο επίπεδα. Έτσι τα αποτελέσματα μέτρησης του MSS προσαυξάνονται κατά 20%, ούτως ώστε να γίνει διόρθωση των απωλειών που εισάγει η διαμόρφωση δειγματοληψίας. Στην εικόνα 3-17 παρουσιάζεται η συγκέντρωση μάζας αιθάλης που μετριέται από το MSS για κάθε σημείο του κινητήρα για τις δύο ημέρες μέτρησης. 80 Μέσος όρος MSS - NVOF Φίλτρων 70 60 50 40 Ημέρα 1 Ημέρα 2 Ημέρα 3 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 Σημείο κινητήρα Εικόνα 3-18 Μέσος όρος μάζας σωματιδίων από το MSS και τα φίλτρα ανά σημείο κινητήρα για τις τρείς μέρες Στην εικόνα 3-18 παρουσιάζεται το συγκεντρωτικό διάγραμμα του μέσου όρου MSS και φίλτρων χωρίς το πτητικό τους τμήμα (NVOF) και για τις τρεις μέρες μετρήσεων και για κάθε σημείο του κινητήρα. Τα φίλτρα χρησιμοποιήθηκαν μόνο την πρώτη μέρα των μετρήσεων. Για τις υπόλοιπες ημέρες, η τιμή των φίλτρων υπολογίζεται με βάση τη γραμμική συσχέτιση με τα υπόλοιπα όργανα μέτρησης (MMS, EPLI). Το εύρος συγκέντρωσης μάζας αιθάλης στα επιλεγμένα σημεία λειτουργίας του κινητήρα είναι από 2 mg/m 3 έως 78 mg/m 3. 3.5. ELPI Στις παρακάτω εικόνες συγκρίνεται η απόκριση του PPS σε σχέση με το ELPI για τις τρεις παροχές δείγματος του PPS. 45

Ρεύμα ELPI [fa] Ρεύμα PPS [fa] Ρεύμα ELPI [fa] Ρεύμα PPS [fa] 2.0E+07 1.8E+07 1.6E+07 PPS - Elpi Ημέρα 1 3.0E+06 2.5E+06 1.4E+07 1.2E+07 1.0E+07 2.0E+06 1.5E+06 8.0E+06 6.0E+06 4.0E+06 2.0E+06 ELPI f[a] PPS f[a] 1.0E+06 5.0E+05 0.0E+00 0.0E+00 0 200 400 600 800 1000 1200 Χρόνος [sec] Εικόνα 3-19 Σύγκριση μεταβολής σήματος PPS και ELPI για Q=2.13 lpm 1.8E+07 1.6E+07 1.4E+07 1.2E+07 1.0E+07 8.0E+06 PPS - Elpi, Ημέρα 2 3.5E+06 3.0E+06 2.5E+06 2.0E+06 1.5E+06 6.0E+06 4.0E+06 2.0E+06 ELPI f[a] PPS f[a] 1.0E+06 5.0E+05 0.0E+00 0.0E+00 0 500 1000 1500 2000 Χρόνος [sec] Εικόνα 3-20 Σύγκριση μεταβολής σήματος PPS και ELPI για Q=2.64 lpm 46

Ρεύμα ELPI [fa] Ρεύμα PPS [fa] 1.8E+07 1.6E+07 1.4E+07 1.2E+07 1.0E+07 8.0E+06 PPS - Elpi, Ημέρα 3 7.0E+06 6.0E+06 5.0E+06 4.0E+06 3.0E+06 6.0E+06 4.0E+06 2.0E+06 ELPI f[a] PPS f[a] 2.0E+06 1.0E+06 0.0E+00 0.0E+00 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Χρόνος [sec] Εικόνα 3-21 Σύγκριση μεταβολής σήματος PPS και ELPI για Q=5.36 lpm Παρατηρούμε ότι η απόκριση του PPS στις αλλαγές της συγκέντρωσης μάζας αιθάλης ακολουθεί την αντίστοιχη του ELPI ανεξάρτητα από την παροχή εισόδου του οργάνου. Στις εικόνες 3-22, 3-23 και 3-24 παρουσιάζεται η σύγκριση της απόκρισης του PPS σε σχέση με του Elpi για τις τρείς ημέρες μέτρησης. Παρατηρείται ότι τα δύο όργανα έχουν γραμμική απόκριση ανεξάρτητα της παροχής εισόδου του PPS. 47

Elpi [fa] Elpi [fa] 1.8E+07 PPS - ELPI, Ημέρα 1 1.6E+07 1.4E+07 1.2E+07 1.0E+07 8.0E+06 6.0E+06 4.0E+06 2.0E+06 0.0E+00 0.0E+00 5.0E+05 1.0E+06 1.5E+06 2.0E+06 2.5E+06 Pegasor [fa] Εικόνα 3-22 Διάγραμμα σύγκρισης PPS και ELPI για Q=2.13 lpm 1.8E+07 PPS - ELPI, Ημέρα 2 1.6E+07 1.4E+07 1.2E+07 1.0E+07 8.0E+06 6.0E+06 4.0E+06 2.0E+06 0.0E+00 0.0E+00 5.0E+05 1.0E+06 1.5E+06 2.0E+06 2.5E+06 3.0E+06 Pegasor [fa] Εικόνα 3-23 Διάγραμμα σύγκρισης PPS και ELPI για Q=2.64 lpm 48