An attempt to estimate the uncertainty of measurements of parameters of particulate matter oxidation kinetics

• Autorzy: Makowski J.

Warianty tytułu

PL

Próba oszacowania niepewności pomiarów parametrów kinetyki utleniania cząstek stałych

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

In this paper, an attempt has been made to estimate the uncertainty of measurements of the parameters that describe the kinetics of oxidation of the particulate matter (PM) produced during fuel combustion in compression ignition (CI) engines. The kinetics of the process is characterized by two basic parameters: activation energy E_a and PM oxidation rate constant k₀. One of the methods to determine the values of these quantities is based on gravimetric measurements of the decrement of mass of the particulate matter when being burnt. The course of the PM oxidation process depends with considerable significance on the repeatability of process conditions, which affects the values of the kinetics parameters being determined. The parameters E_a and k₀ are of fundamental importance at simulation tests and at analysing the PM oxidation (combustion) process; they are also vital to developing the methods of reconditioning automotive exhaust gas filters. It is essential that for the above needs, the parameters E_a and k₀ should be determined with a definite level of reliability; this means that the measurement results must be subjected to a statistical analysis. A procedure of statistical analysis of measurement results and the estimated values of the above parameters, obtained from experimental investigations of the kinetics of the PM oxidation process, have been presented below. About 1 000 realizations were recorded in various process conditions on a test stand for gravimetric investigations of the PM oxidation process. For the needs of this paper, a series of measurement results was selected from that, based on predefined criteria. The selected results were subjected to a Dixon's Q test, which is to eliminate outliers from the data set. For the normal probability distribution of data and a specific confidence level having been assumed, the uncertainty level was calculated and the measurement result was specified as an arithmetic mean of the series of individual results with the corresponding uncertainty interval. In result of the statistical analysis, reliable values of the parameters E_a and k₀ and of their uncertainty were determined with the assumed confidence level. For the calculated E_a and k₀ parameter values to be additionally verified, they were subjected to a statistical test in order to eliminate those being outside of the range determined for the assumed confidence level and for the standard deviation of the series of measurements. The test confirmed the uncertainty to have been estimated correctly; moreover, conclusions from this work could be formulated based on this test.

PL

W artykule podjęto próbę oszacowania niepewności pomiarów parametrów kinetyki utleniania cząstek stałych (PM), powstających podczas spalania paliwa w silnikach o zapłonie samoczynnym. Kinetykę procesu charakteryzują dwa podstawowe parametry: energia aktywacji E_a i stała szybkości k₀ utleniania PM. Wartości tych wielkości można m.in. wyznaczać na podstawie grawimetrycznego pomiaru ubytku masy PM podczas ich spalania. Przebieg procesu utleniania PM istotnie zależy od powtarzalności warunków procesowych, która wpływa na wartości wyznaczanych parametrów kinetyki. Parametry E_a i k₀ mają podstawowe znaczenie w badaniach symulacyjnych i analizie procesu utleniania (spalania) PM; mają one podstawowe znaczenie przy opracowaniu technologii regeneracji samochodowych filtrów spalin. Dla ww. potrzeb konieczne jest wyznaczenie wartości parametrów E_a i k₀ o określonej wiarygodności; wymaga to przeprowadzenia analizy statystycznej wyników pomiarowych. Poniżej przedstawiono procedurę obróbki statystycznej pomiarów oraz oszacowane wartości ww. parametrów, uzyskanych na podstawie eksperymentalnych badań kinetyki utleniania PM. Na stanowisku badawczym do grawimetrycznych badań utleniania PM uzyskano ok. 1000 przebiegów zarejestrowanych w różnych warunkach procesowych. Na potrzeby referatu wybrano - w oparciu o ustalone kryteria - serię wyników pomiarowych; wyniki te poddano testowi statystycznemu Dixona, którego zadaniem jest eliminacja ze zbioru danych wyników obarczonych błędami nadmier¬nymi. Przy założeniu rozkładu normalnego oraz konkretnego poziomu ufności obliczono niepewność oraz podano wynik pomiaru będący średnią arytmetyczną poszczególnych wyników z podaniem przedziału niepewności. W wyniku analizy statystycznej wyznaczono wiarygodne wartości parametrów E_a i k₀ oraz ich niepewności przy założonym poziomie ufności. W celu dodatkowej weryfikacji obliczonych wartości parametrów E_a i k₀ przeprowadzono test statystyczny polegający na odrzucaniu wartości tych parametrów wykraczających poza obszar wyznaczony w oparciu o założony poziom ufności i odchylenie standardowe serii pomiarów. Przeprowadzony test potwierdził poprawność oszacowania niepewności i pozwolił na sformułowanie wniosków.

Słowa kluczowe

EN

particulate matter; oxidation; kinetics; measurement uncertainty

PL

cząstki stałe; utlenianie; kinetyka; niepewność pomiaru

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe Sieci Badawczej Łukasiewicz - Przemysłowego Instytutu Motoryzacji
• Czasopismo: Archiwum Motoryzacji
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 63, nr 1
• Strony: 71--88, 177--193
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., il

Twórcy

autor

Makowski J.

• Automotive Industry Institute (PIMOT), Quality Centre – ul. Jagiellońska 55, 03-301 Warszawa

Bibliografia

• [1] NAGÓRSKI Z.: Badania eksperymentalne i symulacyjne mechanizmów termochemicznych autoregeneracji samochodowych filtrów spalin. Projekt badawczy KBN nr 4 T12D 026 29.
• [2] FIELD M. A., GILL D. W., MORGAN B. B., HAWKSLEY P. G. W.: Combustion of Pulverized Coal. BCURA Leatherhead, Cheroy and Sons Ltd., 1967.
• [3] MOGAKA Z. N., WONG V. W., SHAHED S. M.: Performance and Regeneration Characteristics of a Cellular Ceramic Diesel Particulate Trap. SAE Paper No. 820272, 1982.
• [4] OPRIS C., JOHNSON J. H.: A 2-D Computational Model Describing the Heat Transfer, Reaction Kinetics and Regeneration Characteristics of a Ceramic Diesel Particulate Trap. SAE Paper No. 980546, 1998.
• [5] TABIŚ B.: Zasady inżynierii reaktorów chemicznych. WNT, Warszawa 2000, ISBN 83-204-2481-X
• [6] NAGÓRSKI Z.: lnvestigation of the PM oxidation kinetics by various oxidizers. Silniki spalinowe, PTNSS-2009-SC2-086, 2009, str. 208-218
• [7] NAGÓRSKI Z.: Grawimetryczna metoda badania kinetyki utleniania cząstek stałych. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 1(73)/2009, ISSN 1642-347X
• [8] NAGÓRSKI Z.: Badania wpływu podłoża filtra na kinetykę utleniania cząstek stałych utleniaczem zawierającym N02. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 2(78)/2010, ISSN 1642-347X
• [9] MAKOWSKI l, NAGÓRSKI Z.: Eksperymentalne badania szybkości utleniania cząstek stałych w funkcji temperatury. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 1(73)/2009, ISSN 1642-347X
• [10] MAKOWSKI l, NAGÓRSKI Z.: Analiza wpływu masy cząstek stałych na kinetykę ich utleniania. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 2(78)/2010, ISSN 1642-347X
• [11] MAKOWSKI J., NAGÓRSKI Z.: Wpływ sposobu preparowania próbek pomiarowych na parametry kinetyki utleniania PM. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów, 1(82)/2011, ISSN 1642-347X
• [12] JANISZEWSKI A., NAGÓRSKI Z., TEODORCZYK A.: Experimental Determination of the Activation Energy of PM Oxidation during Regeneration. 20th International Symposium on Combustion Processes, September 3-5, 2007, Pułtusk.
• [13] NAGÓRSKI Z.: Symulacyjne badania procesów regeneracji w samochodowym filtrze spalin. Prace Naukowe Politechniki Radomskiej - Transport, No. 1(15) ISSN 1230-7823, 2002.
• [14] NAGÓRSKI Z., TEODORCZYK A., BERNHARDT M.: Regeneracja samochodowych filtrów spalin - tendencje rozwojowe, modelowanie, badania symulacyjne. Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej, ISBN 83-919377-0-4, 2004.
• [15] NAGÓRSKI Z., TEODORCZYK A.: An Experimental Study of the Kinetics of Soot Combustion. 32nd International Symposium on Combustion, Institute Combustion, McGill University, Montreal, Canada, 2008.
• [16] MAKOWSKI J.: Wpływ składu utleniacza na proces i parametry kinetyki utleniania cząstek stałych. Praca dyplomowa - magisterska złożona i obroniona na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej, 2012.
• [17] MAKOWSKI l, NAGÓRSKI Z.: Gravimetric investigations of PM oxidation kinetics on catalytic coated silicon carbide bases. Archivum Combustionis, Vol. 31 (2011) No. 4, Warsaw, ISSN 0208-4198
• [18] VERMA S. P., QUIROZ-RUIZ A.: Critical values for six Dixon tests for outliers in normal samples up to sizes 100, and applications in science and engineering. Revista Mexicana de Ciencias Geológicas, v. 23, núm. 2, Mexico City, 2006.
• [19] Praca zbiorowa pod. red. P. KONIECZKI i J. NAMIEŚNIKA: Ocena i kontrola jakości wyników pomiarów analitycznych. WNT Warszawa, 2010, ISBN 978-83-204-3255-8
• [20] BIAŁAS S.: Metrologia techniczna z podstawami tolerowania wielkości geometrycznych dla mechaników. OWPW, Warszawa, 1999, ISBN 83-7207-114-4
• [21] ARENDARSKI J.: Niepewność pomiarów. OWPW, Warszawa, 2006, ISBN 978-83-781-4071-9
• Standards and other normative acts
• [S1] PN-EN ISO/IEC 17025:2005/Ap1:2007 - Ogólne wymagania dotyczące kompetencji laboratoriów badawczych i wzorcujących (General requirements for the competence of testing and calibration laboratories).
• [S2] EA-4/16: Wytyczne EA dotyczące wyrażania niepewności w badaniach ilościowych (EA guidelines on the expression of uncertainty in quantitative testing).
• [S3] ILAC G17:2002: Wprowadzenie problematyki niepewności pomiarów w badaniach w związku z wejściem do stosowania normy ISO/IEC 17025 (Introducing the Concept of Uncertainty of Measurement in Testing in Association with the Application of the Standard ISO/IEC 17025).
• [S4] Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik (Expression of the uncertainty of a measurement result. A guidebook). Główny Urząd Miar (Central Office of Measures), 1999.
• [S5] Międzynarodowy słownik podstawowych i ogólnych terminów metrologii (International Vocabulary of Basic and General Terms in Metrology). Główny Urząd Miar (Central Office of Measures), 1996; International vocabulary of metrology - Basic and general concepts and associated terms (VIM).