Sampling, measurement and characterization of exhaust gas nanoparticles smaller than 30 nm
Creators: name: Τουμασάτος, Ζήσιμος Κ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Νανοσωματίδια κάτω από 23nm
Πτητικά σωματίδια
Μη-πτητικά σωματίδια
Εκπομπές ρύπων αυτοκινήτων
Sub-23nm
Volatile particles
Non-volatile
Exhaust emissions

description: Οι δυσμενείς επιπτώσεις της ατμοσφαιρικής ρύπανσης στην ανθρώπινη υγεία είναι αρκετά αναγνωρισμένες, με 0.4 και 7 εκατομμύρια ετήσιους πρόωρους θανάτους που προκαλούνται από την ατμοσφαιρική ρύπανση στην Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) και στον κόσμο, αντίστοιχα (Ortiz et al., 2019) (WHO, 2012). Οι εκπομπές σωματιδίων από οχήματα αποτελούν μεγάλο μερίδιο της υποβάθμισης της ποιότητας του αέρα στις ευρωπαϊκές πόλεις. Οι οδικές μεταφορές συμβάλλουν στο 11% των συνολικών εκπομπών σωματιδίων (PM) με αεροδυναμικό μέγεθος έως 2.5 μm (PM2.5) και 28% μαύρου άνθρακα (BC) (Ortiz et al., 2019). Συγκεκριμένα, τα εξαιρετικά μικρά σωματίδια μεγέθους κάτω των 100 nm έχουν λάβει ξεχωριστή προσοχή, λόγω της υψηλής κινητικότητας και διείσδυσής τους μέσα στο σώμα (Miller et al., 2017). Οι οδικές μεταφορές συμβάλλουν σχεδόν στο 90% των συνολικών εκπομπών τέτοιων εξαιρετικά μικρών σωματιδίων (Kumar et al., 2010; Pey et al., 2009) που μπορεί να προέρχονται εξίσου από εκπομπές καυσαερίων και μη καυσαερίων (εκπομπές φθοράς φρένων ή ελαστικών). (Grigoratos &amp; Giorgio, 2014). Η ανάγκη βελτίωσης της ποιότητας του αέρα, ιδίως όσον αφορά τις συγκεντρώσεις σωματιδίων στον αέρα, επιβάλλει φιλόδοξους στόχους για την βελτίωση των τεχνολογιών κινητήρων εσωτερικής καύσης οχημάτων και τη μείωση των εκπομπών καυσαερίων. Οι κανονισμοί εκπομπών είναι η κινητήρια δύναμη για τη συνεχή ανάπτυξη των τεχνολογιών απόδοσης καύσης και ελέγχου εκπομπών των οχημάτων. Το όριο μεγέθους SPN των 23 nm είναι το τρέχον μέγεθος αποκοπής της ΕΕ για κινητήρες άμεσου ψεκασμού με θετική ανάφλεξη και ανάφλεξη με συμπίεση (DI) σύμφωνα με το πρότυπο εκπομπών Euro 6. Αν και οι συνολικές εκπομπές μάζας σωματιδίων από τα οχήματα έχουν μειωθεί με την πάροδο των ετών, ένα μεγάλο μέρος αυτών εντοπίζεται στην περιοχή κάτω από τα 10 nm. Για τα οχήματα GDI, το GMD έχει πέσει από 70nm (Euro 2) σε λιγότερο από 30nm (Euro 6) (Giechaskiel, Joshi, et al., 2019). Για οχήματα CNG Euro 6, το GMD εμφανίζεται κάτω από 25nm (Giechaskiel, Lähde, et al., 2019). Όσον αφορά τα οχήματα εξοπλισμένα με DPF, αν και αυτά τα οχήματα θεωρούνται γενικά ότι εκπέμπουν χαμηλά PN, η κατανόησή μας για τη συμβολή της αναγέννησης του φίλτρου σωματιδίων ντίζελ (DPF) στις πραγματικές εκπομπές PN στο δρόμο είναι γενικά περιορισμένη. Μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι στιγμής αναφέρουν έως και 3 τάξεις μεγέθους υψηλότερες εκπομπες SPN23, κατά τη διάρκεια τέτοιων συμβάντων, σε σύγκριση με την κανονική οδήγηση (Amanatidis et al., 2014; Dwyer et al., 2010; Krajinska et al., 2020; Mamakos &amp; Martini, 2011; Papadopoulos et al., 2020). Ωστόσο, υπάρχουν λίγες πληροφορίες σχετικά με το τι συμβαίνει με τις εκπομπές μικρότερων σωματιδίων κατά την αναγέννηση του DPF. Σε αυτό το πλαίσιο, η τρέχουσα εργασία στοχεύει στη διερεύνηση των πτητικών και μη πτητικών εκπομπών των επιβατικών αυτοκινήτων τελευταίας τεχνολογίας, επεκτείνοντας το εύρος μεγέθους σωματιδίων στα 2.5 nm. Για να επιτευχθεί αυτό, χρησιμοποιήθηκε ένα νέο σύστημα δειγματοληψίας καυσαερίων με ενισχυμένο διαχωρισμό στερεών σωματιδίων και περιορισμένες απώλειες νανοσωματιδίων. Τα αποτελέσματα στοχεύουν να παρέχουν μια αξιολόγηση των επιπτώσεων των εναλλακτικών καυσίμων και τεχνολογιών κινητήρα εσωτερικής καύσης στις εκπομπές των οχημάτων και να ενημερώσουν την επόμενη γενιά προτύπων εκπομπών και ελέγχου.
description: The adverse effects of air pollution on human health are well recognized, with 0.4 and 7 million annual premature deaths caused by air pollution in the European Union (EU) and the world, respectively (Ortiz et al., 2019)(WHO, 2012). Particle emissions from vehicles comprise a large share of air quality deterioration in European cities. Road transport contributes 11% of total emissions of particulate matter (PM) with aerodynamic size up to 2.5 μm (PM2.5) and 28% of black carbon (BC) (Ortiz et al., 2019). In particular, ultrafine particles below 100 nm in size have received separate attention, owed to their high mobility and penetration within the body (Miller et al., 2017). Road transport contributes almost up to 90% of the total emissions of such ultrafine particles (Kumar et al., 2010; Pey et al., 2009) that may equally originate from both exhaust and non-exhaust emissions (brake or tyre wear emissions) (Grigoratos &amp; Giorgio, 2014). The need to improve air quality, in particular in terms of airborne particle concentrations, imposes ambitious goals in vehicular combustion efficiency and exhaust emissions reduction. Emission regulations are the driving force for the constant development in combustion efficiency and emission control technologies of vehicles. The SPN size threshold of 23nm is the current EU cut-off size for positive and compression ignition direct injection (DI) engines under the Euro 6 emission standard. Although total particulate mass emissions from vehicles have decreased over the years, a large fraction of them is located in the region below 10 nm. For GDI vehicles, the GMD has dropped from 70nm (Euro 2) to less than 30nm (Euro 6) (Giechaskiel, Joshi, et al., 2019). For Euro 6 CNG vehicles, the GMD appears below 25nm (Giechaskiel, Lähde, et al., 2019). As regards DPF equipped vehicles, although such vehicles are generally considered to be low PN emitters, our understanding of the contribution of diesel particle filter (DPF) regenerations to actual PN emissions on the road is in general limited. Studies conducted so far report up to 3 orders of magnitude higher SPN23, during such events, compared to normal driving (Amanatidis et al., 2014; Dwyer et al., 2010; Krajinska et al., 2020; Mamakos &amp; Martini, 2011; Papadopoulos et al., 2020). However, there is little information on what happens to emissions of smaller particles during DPF regeneration. In this context, the current work aims to investigate the volatile and non-volatile emissions of the latest technology passenger cars, extending the particle size range down to 2.5nm. To achieve this, a novel raw exhaust sampling system with enhanced separation of solid particles and limited nanoparticle losses was utilized. The results aim to provide an assessment of the impacts of alternative fuels and engine combustion technologies on vehicle emissions and inform the next generation of emission standards and control.