Mjerenje broja čestica u ispušnim plinovima

master's thesis

• Title (english): Measurement of particle number in exhaust gases
• Author: Dominik Radelić
• Mentor: Petar Ilinčić (mentor)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture; Zagreb
• Defense date and country: 2019-07-12, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: TECHNICAL SCIENCES; Mechanical Engineering

Abstract

Obzirom na štetan utjecaj na zdravlje ljudi i onečišćenje okoliša, različitim homologacijskim propisima ograničene su emisije štetnih tvari koje vozila i drugi strojevi pogonjeni MSUI ispuštaju u okoliš. U ispušnim plinovima prisutne su krute čestice različitih oblika i dimenzija. Općenito se krute čestice u ispušnim plinovima s obzirom na kemijski sastav, način postanka i aerodinamički promjer čestica mogu podijeliti u tri skupine: grube čestice, akumulacijska skupina, nukleacijska skupina. Za redukciju emisije mase PM u vozilima i strojevima pogonjenim suvremenim Dieselovim MSUI zadužen je kombinirani sustav oksidacijskog katalizatora (DOC) te filtra krutih čestica (DPF).
Za pripremu uzorka ispušnog plina koji će se ispitivati mjernim instrumentima koristi se sustav uzorkovanja i razrjeđivanja čija je zadaća prikupiti ispušne plinove MSUI, smanjiti koncentraciju komponenti ispušnih plinova na odgovarajuću razinu prikladnu za mjerenje, sniziti temperaturu na prikladnu vrijednost te regulirati procese kondenzacije i nukleacije. Uobičajene su u primjeni metode razrjeđivanja ukupnog protoka uz uzorkovanje konstantnog volumena (CVS) i razrjeđivanja djelomičnog protoka (PFD). U sustavu za razrjeđivanje ukupnog protoka prikupljaju se svi ispušni plinovi iz MSUI te se razrjeđuju u tunelu za razrjeđivanje, dok se kod razrjeđivanja djelomičnog protoka uzorkuje i razrjeđuje manji dio. Mjerenje mase PM osnovna je metoda mjerenja emisija krutih čestica MSUI, ali se pokazala nedostatnom zbog nemogućnost detekcije niskih masenih emisija PM suvremenih MSUI konvencionalnim vaganjem. Također, mjerenjem mase PM nije moguće provjeriti učinkovitosti rada filtra krutih čestica. Mjerenje PN preciznija je i brža metoda mjerenja od mjerenja mase PM uz bolju razlučivost. Mjerenje kojim se utvrđuju emisije PN u ispušnim plinovima provodi se kontinuiranim uzorkovanjem iz sustava za razrjeđivanje djelomičnog protoka ili iz sustava za razrjeđivanje ukupnog protoka. Za učinkovito mjerenje sve komponente sustava za uzorkovanje i razrjeđivanje moraju obavljati svoje predviđene uloge na odgovarajući način i s odgovarajućom točnošću.
Određivanje broja krutih čestica u ispitnom uzorku ispušnih plinova MSUI obavlja se pomoću brojača krutih čestica. U praktičnoj primjeni ustalile su se dvije metode određivanja PN u ispušnim plinovima MSUI: kondenzacijsko brojanje čestica (CPC) i difuzijska metoda s efektom korone (DC).
Za analizu ispušnih plinova MSUI upotrebljava se niz instrumenata, različitih tehničkih karakteristika, konfiguracija i metoda mjerenja. Analizatori se je prema mjestu, odnosno načinu provođenja ispitivanja dijele na stacionarne i prijenosne. U primjeni su prisutni mjerni instrumenti različitih proizvođača.
TSI 3795 prijenosni je analizator namijenjen mjerenju broja krutih čestica u ispušnim plinovima. Uređaj se može koristiti za ispitivanja u laboratoriju ili u stvarnim uvjetima rada, a u radu primjenjuje CPC metodu za određivanje broja krutih čestica. Unutar uređaja obavlja se razrjeđivanje uzorka i pretkondicioniranje kao priprema za mjerenje broja krutih čestica. Uređaj primjenjuje dva osnovna načina mjerenja: kontrolni način mjerenja prema pravilniku SR 941.242 i opći način mjerenja. Kontrolno mjerenje podijeljeno je u nekoliko faza nakon kojih se na osnovu rezultata mjerenja određuje zadovoljava li stroj zakonski uvjet o broju krutih čestica u ispušnim plinovima. Opći način mjerenja služi za kontinuirano mjerenje PN u zadanom vremenskom intervalu. Upravljanje funkcijama uređaja u radu obavlja se na računalu pomoću specijaliziranog programskog alata naredbama preko grafičkog (korisničkog) sučelja.
Nakon postavljanja i osposobljavanja uređaja za rad proveden je niz inicijalnih mjerenja kako bi se utvrdile mogućnosti uređaja u radu i probno ispitao sam uređaj. Ispitivanja su provedena u stacionarnim uvjetima, a mjerene su koncentracije PN u ispušnim plinovima vozila s GDI motorom te eksperimentalnog MSUI s kompresijskim paljenjem priključenog na hidrauličku kočnicu u laboratoriju. Pri provođenju mjerenja korišten je opći režim rada analizatora TSI 3795, a mjerenja su provedena u različitim radnim točkama motora s promjenjivom brzinom vrtnje motora i pri konstantnoj brzini vrtnje motora prije i nakon obrade DPF-om. Utvrđeno je da su prosječne vrijednosti PN iza filtra u svim radnim točkama mjerenja manje od prosječnih vrijednosti PN ispred filtra krutih čestica. Na temelju razlike prosječnih vrijednosti izmjerenih ispred i iza filtra krutih čestica utvrđena njegova efikasnost filtracije.
Analizatorom TSI 3795 provedeno je ispitivanje emisije PN građevinskog stroja, bagera Liebherr A914. Mjerenja su provedena u 10 različitih radnih točaka s konstantnom brzinom vrtnje u kontrolnom i općem načinu rada analizatora s ciljem usporedbe vrijednosti rezultata mjerenja različitim načinima. Ispitivanje je podijeljeno na dva dijela (10 mjerenja u kontrolnom i 10 mjerenja u općem načinu rada analizatora). Budući da ispitni stroj nije opremljen DPF-om, izmjerene vrijednosti u oba režima rada uređaja veće su od granične vrijednosti od 250 000 cm-3 propisane pravilnikom SR 941.242. Uzevši u obzir cijeli profil izmjerene emisije može se zaključiti da su pri konstantnoj brzini vrtnje izmjerene vrijednosti emisija relativno jednolikog karaktera s blagim poremećajima što potvrđuju standardne devijacije i koeficijenti varijacije. Iz rezultata ispitivanja zaključeno je da nema jasne veze između povećanja ili smanjenja brzine vrtnje i povećanja ili smanjenja prosječne emisije PN kroz cijeli tijek mjerenja u provedenim ispitivanjima. Prosječne vrijednosti emisije PN oba načina rada uređaja bliske su u svim radnim točkama u kojima su se provodila mjerenja. Iz prosječnih vrijednosti emisije PN po jedinici volumena (cm-3) konverzijom su izračunate prosječne vrijednosti emisije PN izražene po jedinici rada stroja (1/kWh). Na temelju korelacije PN i PM izračunate su prosječne vrijednosti emisije PM obavljenih mjerenja. Prosječne vrijednosti emisija PM u oba načinu rada uređaja izračunate iz korelacije emisija PN i PM niže su pri svim brzinama vrtnje motora od granične vrijednosti IV. i V. stupnja emisija.

Abstract (english)

Due to adverse impacts on human health and environmental pollution, various emission regulations have limited emissions of pollutants released by the vehicles and other ICE driven machinery into the environment. Particulate matter of various shapes and dimensions is present in the exhaust gas. Generally it can be divided into three groups with regard to the chemical composition, the method of generation and the aerodynamic diameter of the particles: coarse particles, accumulation mode and nucleation mode. A combined system of DOC and DPF is responsible for PM mass emission reduction in modern Diesel engines.
Sampling and dilution system is used for measurement preparation. Its role is to collect the exhaust gases, reduce the exhaust gas components concentration to a level suitable for measurement and regulate the condensation and nucleation processes. Total flow dilution with constant volume sampling (CVS) and partial flow dilution (PFD) are two commonly used methods used for exhaust gas dilution. In total flow dilution system, the entire exhaust gas flow is collected and diluted inside a dilution tunnel whereas the partial flow dilution system samples and dilutes only a smaller fraction of the flow.
PM mass measurement is the basic method used for measuring PM emissions. However, it has been found insufficient due to inability to detect low PM emissions of modern ICE by the means of conventional gravimetric weighting methods. Furthermore, by measuring PM mass emissions it is not possible to test DPF effectiveness. Particle number (PN) concentration measurement provides better precision and measuring speed, as well as resolution than PM mass measuring method. PN concentration measurement is carried out by continuous sampling from partial flow dilution system or full flow dilution system. For effective measurement it is necessary for all dilution system components to operate efficently and with precision.
Determination of PN concentration in the exhaust gas sample is performed by a particle number counter (PNC). Currently there are two methods of determining PN in practical use: Condensation Particle Counting (CPC) and Diffusion Charging (DC) method.
A whole range of instruments with various technical characteristics, configurations and measurement methods is currently in use for exhaust gas PN concentration analysis. Analyzers are divided into stationary and portable according to their use. Instruments in use are provided by various manufacturers of measuring equipment.
TSI 3795 is a portable analyzer designed for measuring PN concentration in ICE exhaust gas. It can be used for laboratory tests or measurement in real operating conditions. The device applies the CPC method for PN concentration determination. Sample dilution and pre-conditioning are performed within the device as a preparation for PN concentration measuring. Two modes of operation are used in measurement processes: Official Mode compliant with SR 941.242 and General Measurement Mode. Measurement in the Official Mode is divided into several phases after which it is determined if the machine meets the legal requirement for exhaust gas PN concentration. The General Measurement Mode is used for continuous measurement of PN concentration in a given time interval. The device is operated via graphical interface on a computer using specialized software.
After setting up the instrument and the measuring equipment, a series of initial measurements were carried out to determine the instrument capabilities. The tests were carried out under stationary conditions measuring the PN concentration in the exhaust gases of the GDI engine and the experimental ICE with compressed ignition connected to a laboratory hydraulic dynamometer. The General Measurement Mode was used during the measurements which were carried out at variable engine speed as well as constant engine speed. During the measurements carried out at constant engine speed PN concentrations were measured in exhaust before and after DPF treatment. Based on the difference between the average PN concentration values measured before and after treatment, Particle Number Filtering Efficiency (PNFE) was determined.
TSI 3795 analyzer was used for the PN concentration measuring of Liebherr A914 excavator. Measurements were performed in 10 different engine working points with constant engine speed using Official and General Measurement modes with a goal to compare the measurement results of different measurement modes. The test was divided into two parts (10 measurements using Official and 10 measurements using General mode). Since the test machine is not equipped with a DPF, the values measured in both operating modes were greater than the 250 000 cm-3 limit value set by the SR 941.242. Taking into account the entirety of measured emission, it can be concluded that at constant engine speed, the emission values present a relatively uniform character with mild disturbances which is confirmed by the standard deviation and variance coefficient values. Another conclusion derived from the testing results was that there is no clear connection between the increase or decrease in engine speed and the increase or decrease in average PN emission throughout the entire course of measurement. The average PN concentration values measured during both measurement modes are close in value at all measurement points. The average values of PN concentration per kWh were calculated by converting the average measured values of PN concentration (cm-3). Based on the correlation between PN and PM concentration, the average values of PM emission for the conducted measurements were calculated. The average values of PM emission of the tested machine were lower than the Stage IV and Stage V limit values at all measured engine speeds.

• Keywords: mjerenje broja krutih čestica; krute čestice; analizator za brojanje krutih čestica; emisije motora s unutarnjim izgaranjem
• Keywords (english): particle number concentration measurement; particulate matter; particle number analyzer; internal combustion engines emissions
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:904186
• Study programme: Title: Mechanical Engineering; Study programme type: university; Study level: graduate; Academic / professional title: magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva (magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2019-07-08 08:03:41