李慧梅臺灣大學：環境工程學研究所賴燕秋Lai, Yen-ChiuYen-ChiuLai2007-11-292018-06-282007-11-292018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62669本研究以柴油動力計模擬柴油引擎的運作，對於其排放的柴油微粒和聚集體，藉著電子顯微鏡顯微攝影技術建立起其圖譜資料庫，並藉碎形模式的使用，直接對聚集體之表面聚集結構紋理進行分析，計算出其二維的獨特碎形參數，經由影像資料庫以及獨特碎形參數的計 算，便能提供鑑定微粒之直接而有力的證據。 動力計在不同的操作條件下，控制引擎轉速分別處於2900 rpm、1740 rpm和1160 rpm，從SEM的微影圖片顯示動力計排放的柴油黑煙微粒型態非常的相似，柴油黑煙微粒形狀為圓球狀，粒徑介於10~100 nm之間；而其形成的聚集體，由陶多多的柴油黑煙主要微 粒所組成，這些聚集體的型態以鍊狀的聚集體或塊狀的結塊體存在。 碎形模式特性試探的實驗中，改變影像的明暗度，不會影響影像的碎形特性；不同SEM倍率之影像，當碎形模式選取框架為依等比例選取時，兩張影像的碎形參數最為接近；若使用影像處理軟體將影像放大縮小，結果顯示放大之影像發生失真，碎形參數改變；縮小之影 像，卻不改變其碎形特性。 在碎形模式的分析研究中，我們挑選出柴油微粒聚集體之SEM 10萬倍之影像進行碎形模式分析，模式框架的選取為65x65~80x80像素，經統計計算，結果顯示，當動力計在不同操作條件下，柴油黑煙微粒的碎形參數非常接近，並且得到柴油黑煙微粒聚集體的獨特碎形 參數，碎形參數值介於0.194~0.374，而平均碎形維度為1.716。 在比對研究中，我們利用MOUDI採樣器將台北市基隆路、台中縣中棲路與南投縣原始森林區的懸浮微粒進行採樣，挑選出粒徑介於10~100 nm的微粒SEM微影圖，與柴油黑煙微粒進行型態與碎形參數的比對，結果顯示，這些微粒在型態上和碎形參數皆與柴油黑煙微粒相當的吻合，其來源可能來自於柴油車的排放。We use a dynamometer to simulate a diesel engine in order to produce diesel soot particles. Size, morphology, hurst coefficient and fractal dimension of the diesel soot aggregates generated from dynamometer were investigated with scanning electron microscopy (SEM) and fractal model analysis. The size distribution of primary particles derived from SEM is about 10∼100 nm at engine speed 2900, 1740 and 1160 rpm. The shape of the primary particles is spherical. A lot of aggregates are also observed in the SEM micrographs. These aggregates are formed by condensation or aggregation of primary particles. The SEM images show that the aggregates are irregular in shape. The characteristics of fractal model were studied in this research. The fractal properties of images were the same when the brightness of them was changed. The hurst coefficients of two SEM images become more closer when the chosen grids of two images are getting more proportional to their image scales. Additionally, the scales of SEM images were adjusted with software. The fractal property of images didn’t change as the images were magnified, but the fractal property changed as the images were minified. Fractal properties of diesel soot aggregates were determined from SEM images by fractal model. The hurst coefficient of diesel soot aggregates is about 0.194∼0.374 at different engine speed and the mean fractal dimension is 1.716. It indicates that the fractal dimension is independent of the operation conditions of diesel engine. The particles sampled from two roadsides and one forest were also investigated by SEM and fractal model. The results show that the particles at 10∼100 nm agree well with diesel soot in morphology and fractal dimension. Therefore, it indicates that these particles are possible to be generated from diesel vehicles.第一章 前言 1 1.1研究緣起 1 1.2研究目的 2 1.3研究方法 3 第二章 文獻回顧 4 2.1柴油車於空氣污染物的貢獻量 4 2.2柴油引擎 5 2.2.1柴油引擎的運作原理 5 2.2.2柴油引擎著火原理 7 2.2.3油滴的燃燒原理 7 2.2.4柴油之物化特性 8 2.3柴油排放soot微粒之探討 9 2.3.1柴油引擎排放的空氣污染物 9 2.3.2柴油排放soot微粒之危害性 9 2.3.3柴油排放soot微粒的成分以及形成 13 2.3.4柴油排放soot微粒的粒徑分佈 14 2.3.5柴油排放soot微粒的型態探討 16 2.3.6柴油排放微粒的聚集作用 20 2.4電子顯微鏡 24 2.4.1 電子顯微鏡的歷史發展 24 2.4.2電子顯微鏡之原理 25 2.4.3 掃瞄式電子顯微鏡(SEM) 25 2.4.4 掃瞄探針顯微技術 26 2.4.4.1掃描穿遂顯微技術(STM) 27 2.4.4.2 原子力顯微鏡(AFM) 27 2.5碎形理論之探討 29 2.5.1碎形的基本概念 29 2.5.2代表性的碎形圖形 30 2.5.2.1科赫曲線 30 2.5.2.2科赫雪片 31 2.5.2.3西爾平斯基襯墊 32 2.5.2.4康托塵粉 33 2.5.3碎形維度 34 2.5.4碎形演算方法論 34 2.5.4.1布朗運動 34 2.5.4.2碎形布朗運動（FBM） 35 2.5.4.3碎形高斯雜訊（FGN） 39 2.5.4.4離散資料處理 40 2.5.4.5傅立葉領域最大可行估算法(MLE) 41 2.6 相關碎形以及型態學之研究 45 2.7聚集體周長碎形維度 48 2.8 EPMA (electron probe X-ray microanalysis) 50 第三章 實驗設備與方法 52 3.1研究方法與流程 52 3.2微粒之採樣 55 3.2.1採樣系統設備 55 3.2.1.1直流動力計 55 3.2.1.2排氣稀釋道 56 3.2.1.3鼓風機 57 3.2.1.4多孔均勻衝擊板氣膠收集器(MOUDI) 57 3.2.1.5稀釋器 59 3.2.1.6稀釋箱 61 3.2.2動力計柴油排放微粒之採樣 62 3.2.2.1動力計運轉條件 63 3.2.2.2 動力計柴油排放微粒採樣實驗之前處理 63 3.2.2.3 動力計柴油排放微粒採樣實驗步驟 65 3.2.4大氣背景微粒採樣 67 3.3 SEM顯微攝影 68 3.4 碎形模式之圖譜分析 68 3.5 EPMA化學元素分析 70 第四章 結果討論 71 4.1各大氣懸浮微粒之圖像探討 71 4.1.1柴油動力計排放微粒之圖像探討 71 4.1.2交通道路大氣微粒之圖像探討 80 4.1.3原始森林區微粒之圖像探討 92 4.2.圖片亮度對碎形特性的影響 99 4.3柴油排放soot微粒聚集體之碎形分析 104 4.3.1不同放大倍率對碎形參數的影響. 104 4.3.2不同框架選取和不同放大倍率對碎形參數的影響 106 4.3.2.1框架逼近碎形比對實驗(單一樣本) 107 4.3.2.2框架逼近碎形比對實驗(統計整理) 112 4.3.3圖片影像縮放對碎形參數影響之探討 120 4.3.3.1 5萬倍和10萬倍碎形參數值之比較 122 4.3.3.2 5萬倍和5萬倍（縮小）碎形參數值之比較 123 4.3.3.3 10萬倍和10萬倍（放大）碎形參數值之比較 124 4.4 建立柴油動力計排放soot聚集體碎形參數 127 4.5 道路旁之soot微粒聚集體之碎形參數比對 136 4.5.1基隆路道路之微粒比對 136 4.5.2中棲路道路之懸浮微粒比對 138 4.5.3南投原始森林區之類似微粒比對 140 4.6 EPMA化學分析結果 142 第五章 結論與建議 152 5.1結論 152 5.2建議 155 參考文獻 1577187813 bytesapplication/pdfen-US碎形維度顯微影像黑煙柴油聚集體morphologydieselfractal dimensionsootaggregatethesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62669/1/ntu-93-R91541114-1.pdf