Influence of collection methods on the characteristics of particulate matter emitted by an automotive diesel engine

Abstract

RESUMEN: Los vehículos propulsados por motores diesel aún representan una proporción significativa de la flota de transporte en las zonas urbanas. Las emisiones contaminantes, como el material particulado (PM), de estos vehículos ha sido señalado como posible causa de enfermedades respiratorias e incluso cáncer. Por estas razones, el estudio del PM emitidas por los motores de los automóviles es de gran importancia, así como el impacto del rápido avance de la tecnología de los motores y de los sistemas de postratamiento en las características del PM emitido. Los investigadores han desarrollado una amplia gama de metodologías para recolectar y caracterizar el PM emitido por estos sistemas de combustión. Sin embargo, no existe un consenso general sobre el efecto que estos métodos de recolección pueden tener en la morfología, la nanoestructura y las características de la composición química del PM. Este documento presenta un estudio del efecto de diferentes métodos de recolección de PM en sus propiedades utilizando diversas técnicas de caracterización. Las pruebas se llevaron a cabo en un motor diesel Euro 4 de automoción instalado en un banco de pruebas de estado estacionario, funcionando a 2200 rpm y 90 Nm, punto que es altamente representativo de una carga media del vehículo que lleva el motor instalado, bajo el World-wide harmonized Light duty Test Cycle (WLTC). Los métodos de recolección de PM utilizados en este trabajo fueron: bomba de vacío (VP) a través de filtros de teflón (PTFE), trampa de partículas (PT) con esponjillas de acero inoxidable, sonda termoforética (TP) con rejillas de Lacey Carbon y mini túnel de dilución parcial (MT) con filtros de fibra de vidrio. El último se incluyó para comprobar el impacto del grado de dilución de los gases de escape en los parámetros morfológicos, químicos y de nanoestructura de la PM. Los resultados mostraron que, para la reactividad a la oxidación y la composición próxima a través del análisis termogravimétrico (TGA), el método de recolección recomendado, entre los mencionados anteriormente, es la PT. Durante el proceso de filtrado en la VP, el PM está altamente compactado (con una dimensión fractal más alta que el PM de la trampa de partículas) afectando sus propiedades térmicas. No fue posible realizar pruebas TGA con filtros de fibra de vidrio debido a la baja masa de PM recolectada y la alta incertidumbre de la masa real de PM cargada en la bandeja. Entre los métodos de recolección, el PT fue el más adecuado para el análisis de funcionalidades químicas por espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier (FT-IR), ya que este permite obtener la mejor relación señal / ruido. Con ambos filtros (teflón y fibra de vidrio), la intensidad máxima fue baja y, además, la preparación de la muestra fue más complicada. Con respecto a la espectroscopia Raman (análisis nanoestructural), el proceso de recolección más adecuado fue la VP con filtros de teflón. La PT indujo en algunos casos anomalías de fluorescencia debido a la presencia de pequeñas trazas de metal, contaminantes que obligaron a tomar más puntos. En vista de los costos asociados con la instalación de VP y la pequeña diferencia estadística entre los resultados de PT y VP, se recomienda usar una PT si el sistema de VP no está instalado. La fibra de vidrio indujo fluorescencia en la mayoría de los casos. La Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) se usó para obtener las micrografías del PM, lo que permitió medir el diámetro de partículas primarias y calcular la dimensión fractal de los aglomerados. Se utilizó el TEM de alta resolución (HRTEM) para determinar la longitud de las capas de grafeno, la tortuosidad y la distancia entre espacios entre las capas de grafeno dentro de una partícula primaria. Como era de esperar, el método de recolección más adecuado fue el TP, ya que el PM no se sometió a colisiones en el medio de filtrado y a modificaciones durante la preparación de la muestra. La dimensión fractal fue similar para TP y PT, mientras que fue mayor con ambos tipos de filtro (teflón y fibra de vidrio). Para el análisis de espectroscopia de Difracción de Rayos X (XRD), el modo de recolección más adecuado fue el PT, ya que ambos filtros (teflón y fibra de vidrio) mostraron interferencia en la señal. Los pequeños contaminantes de las esponjillas de acero inoxidable se localizan fácilmente en los espectros, lo que permite eliminarlos del análisis. En resumen, para el análisis térmico, químico, Raman y XRD, se recomienda recolectar el PM con PT. Para el análisis morfológico y HRTEM, se recomienda recolectar el PM a través de TP. El sistema de montaje de los filtros VP más los filtros de teflón es costoso y no mostró diferencias significativas con respecto a la trampa de partículas. El desafío del PT es reducir la contaminación del acero inoxidable que afecta principalmente a los espectros de XRD.

ABSTRACT: Vehicles powered by diesel engines still represent a significant proportion of the transport fleet in urban areas. The emissions of pollutants, such as particulate matter (PM), from these vehicles have been targeted as possible cause of respiratory diseases and even cancer. For these reasons, the study of PM emitted by automotive engines is of great importance, as well as the impact of rapidly advancing engine technology and after-treatment systems in the characteristics of the emitted PM. Researchers have developed a wide range of methodologies to collect and to characterize the PM emitted by these combustion systems. Nevertheless, there is not a general consensus of the effect that these collection methods may have on the PM morphology, nanostructure, and chemical composition characteristics. This document presents a study of the effect of different PM collection methods on the properties of PM using diverse characterization techniques. Tests were carried out in an automotive Euro 4 diesel engine installed in a steady-state test rig operating at 2200 rpm and 90Nm, which is highly representative of a medium load of the vehicle running under World-wide harmonized Light duty Test Cycle (WLTC). The PM collection methods used in this work were: vacuum pump (VP) through Teflon filters (PTFE), particle trap (PT) with stainless steel wools, thermophoretic probe (TP) with lacey carbon grids, and partial dilution mini tunnel (MT) with fiberglass filters. The last was included in order to check the impact of the degree of exhaust gases dilution on the morphological, chemical and nanostructure parameters of the PM. Results showed that for oxidation reactivity and proximate composition through thermogravimetric analysis (TGA), the recommended collecting method, among these mentioned above, is the PT. During the filtering process of the VP, the PM is highly compacted (with higher fractal dimension than the PM from particulate trap) affecting its thermal properties. It was not possible to run TGA tests with fiberglass filters due to the low PM mass collected, and the high uncertainty of the actual PM mass charged in the pan. Among the collecting methods, the most suitable for chemical functionalities analysis by Fourier-Transform Infrared spectroscopy (FT-IR) was the PT, since this allow obtaining the best signal/noise ratio. With both filters (Teflon and fiberglass), the peak intensity was low, and in addition the sample preparation was more complicated. With regard to Raman spectroscopy (nanostructure analysis), the most suitable collecting process was the VP with Teflon filters. PT induced in some cases fluorescence anomalies due to the presence of small metallic traces contaminants which forced to take more spots. In view of the costs associated to VP test rig, and the small statistical difference between the results of PT and VP, it is recommended to use a PT if the VP test rig is not installed. The fiberglass induced fluorescence in most of the cases. The Transmission Electron Microscopy (TEM) was used to obtain the micrographs of the PM, which allowed to measure the primary particulate diameter and to calculate the fractal dimension of the agglomerates. The High Resolution TEM (HRTEM) was used to determine the fringe length, tortuosity and interspace distance between fringes inside a primary particulate. As expected, the most suitable collection method was the TP, since the PM was not submitted to collisions in filtering media, and modifications during the sample preparation. The fractal dimension was similar for TP and PT, while it was higher with both filter types (Teflon and fiberglass). For X-Ray Diffraction spectroscopy (XRD) analysis, the most suitable collecting mode was the PT since both filters (Teflon and fiberglass) exhibited signal interference. Small contaminants from the stainless-steel wools are easily localized in the spectra, allowing to delete this from the analysis. In summary, for thermal, chemical, Raman and XRD analysis it is recommended to collect the PM with PT. For morphological and HRTEM analysis it is recommended to collect the PM through TP. The VP plus Teflon filters mounting system was expensive and did not showed significant differences with respect to particulate trap. The challenge of the PT is to reduce the stainless-steel contamination which mainly affects the XRD spectra.