Advances in Particle Emission Characterization of Heavy-duty Diesel Engines and Measurement of Exhaust Nanoparticles

Abstract

Aerosolihiukkaset vaikuttavat ilmastoon ja ihmisten terveyteen. Hiukkasten ominaisuudet, kuten hiukkaskoko ja kemiallinen koostumus, määrittävät näiden vaikutusten tyypin ja voimakkuuden. Nanohiukkaset (hiukkaset, joiden halkaisija on alle 50 nanometriä) vaikuttavat terveyteen eri mekanismein, kuin suuremmat hiukkaset.

Polttomoottoreista lähtöisin olevat hiukkaset huonontavat ilmanlaatua erityisesti kaupunkialueilla, missä liikenne on nanohiukkasten suurin lähde. Tämän työn ensimmäisessä osassa karakterisoitiin kuorma-auton ja traktorin hiukkaspäästöjä. Sen lisäksi tutkittiin polttoaineen ja moottoriöljyn vaikutuksia hiukkaspäästöihin.

Ensimmäisen osan avainlöydökset olivat erilaiset hiukkaspäästöjä kuvaavat suureet, sekä kasvanut ymmärrys siitä, miten polttoaine ja moottoriöljy vaikuttavat niihin. Merkittävä osa molempien ajoneuvojen hiukkaspäästöistä oli nanohiukkasten kokoluokassa. Tämä hiukkasten osuus oli erityisen herkkä muutoksille polttoaineessa ja moottoriöljyssä. Tärkeä huomio oli se, että hiukkaspäästöjä pystytään vähentämään merkittävästi käyttämällä parempilaatuista polttoainetta. Moottoriöljyn vaihtamisella toiseen oli samansuuruinen vaikutus polttoaineen vaihtamisen kanssa.

Työn toisessa osassa kehitettiin uusia menetelmiä nanohiukkasten ominaisuuksien mittaamiseen. Menetelmät testattiin ja karakterisoitiin laboratorio-olosuhteissa. AGES (Aerosol Gas Exchange System) on suunniteltu aerosolin kantajakaasun vaihtoon, sekä hiukkasten termiseen käsittelyyn, pitäen hiukkashäviöt mahdollisimman pieninä. AGESin hiukkashäviöt 6:n nanometrin hiukkasille olivat alle 5 % ja kaasunvaihtosuhde ylitti kevyillä kaasuilla (esim. vesi) 90 %. SPAI (Soot Particle Agglomeration Inlet) on suunniteltu käytettäväksi SP-AMS:in (Soot Particle Aerosol Mass Spectrometer) kanssa, mahdollistaen nanohiukkasten kemiallisen koostumuksen mittaamisen kyseisellä mittalaitteella. SPAI:n käyttö 35-kertaisti mitatun nanohiukkaspitoisuuden. Kehitetyillä metodeilla on sovellutuksia myös muualla, kuin ajoneuvojen pakokaasuhiukkasten mittaamisen piirissä.

Aerosol particles impact climate and human health, with properties such as particle size and chemical composition playing a key role. Nanoparticles (particles with a diameter below 50 nanometers) are of particular concern for human health.

Combustion engines emit particles that deteriorate air quality, especially in urban areas, where road transport is the most significant source of nanoparticles. In the first part of the thesis, particle emissions from a farming tractor and a heavy-duty truck were characterized. The effects of different fuels and lubricating oils on particle emissions were also investigated.

Key findings of the particle emission research include a thorough description of the emitted particles and the impact of fuels and lubricating oils on emissions. With both vehicles, a significant fraction of the particles were found to be in the nanoparticle size range, and this fraction was found to be especially sensitive to the fuel and lubricating oil used. It was concluded that particle emissions can be significantly reduced by changing to a stricter-quality fuel. Changing the lubricating oil was found to have an effect of comparable magnitude to changing the fuel.

In the second part of this thesis, new methods for measuring nanoparticle properties were presented. The methods were tested and characterized in a laboratory setting. The Aerosol Gas Exchange System (AGES) changes the carrier gas of, and thermally treats the particles with minimal losses. The particle losses of AGES for 6 nm particles were below 5 %, and gas removal efficiencies exceeding 90 % were obtained for light compounds (e.g. water). Soot Particle Agglomeration Inlet (SPAI) is used in tandem with Soot Particle Aerosol Mass Spectrometer (SP-AMS) to measure the chemical composition of nanoparticles near real-time. Up to a 35-fold increase in nanoparticle detection was achieved by applying SPAI. The developed methods have applications also beyond engine exhaust particle measurement.