JP4749324B2 - 粒子状物質測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排出ガスに含まれる粒子状物質の質量や成分等を測定する粒子状物質測定装置に関するものである。

従来、エンジンからの排出物質の１つである粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒｓと称される場合もある。この明細書では以下ＰＭとも言う。）の質量測定方法として周知なものの１つにフィルタ質量法がある。フィルタ質量法は、エンジン排出ガスの流路上にフィルタを配置してＰＭを捕集し、その捕集したＰＭの質量を秤量する方法であり、特定の標準物質が事実上存在しないＰＭにおいて、その質量を直接測定できることから、測定の確実性、正確性を期待できるものとして知られている。

さらに最近では、フィルタで捕集したＰＭを燃焼させ、そのガス濃度を分析することにより元々のＰＭの質量を算定するフィルタ燃焼法と称される質量測定方法が開発されてきている。このフィルタ燃焼法は、フィルタ質量法による測定に対して高い相関性を有するもので、フィルタ質量法による秤量の限界を超えた微量なＰＭであっても測定できる他、フィルタ水分量の安定化が不要であることから、手間もかからず比較的短い時間で測定できるという利点がある。
特開２００６−１５３８９６号公報

しかし、このフィルタ燃焼法であっても、フィルタでＰＭを捕集し、それを加熱し、そこで発生するガスを分析し、フィルタを冷却する、という複数の工程が必要であるため、それをトータルした測定に要する時間は、１枚のフィルタの場合、約３０秒から数分かかる。本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであって、フィルタ捕集と燃焼法を組み合わせ、しかもそのときのフィルタ燃焼法による測定時間を短縮することにより、究極的には連続測定を可能にすることをその主たる所期課題としたものである。

すなわち、本発明に係る粒子状物質測定装置は、加熱炉と、その加熱炉から延出する接続配管と、その接続配管の先端に連結されたフィルタ保持室とを備え、加熱炉に導かれて高温化された加熱用ガスが、接続配管を通過してフィルタ保持室に流入し、その内部に保持された捕集フィルタに吹き付けられて、当該捕集フィルタに捕集されているエンジン排出ガス中の粒子状物質を気化乃至燃焼させるように構成したものであって、前記加熱炉のガス導出部が、先端に向かって漸次内径が縮小し、その先端内径が接続配管の内径よりも小さい形状をなすものであることを特徴とする。

また、本発明に係る加熱炉は、内部を通過するガスを高温化するとともに、接続配管を介して連結されたフィルタ保持室内のフィルタに対し、その高温化ガスを吹き付けて当該フィルタを加熱するものであって、ガス導出部が、先端に向かって漸次内径が縮小し、その先端内径が接続配管の内径よりも小さい形状をなすものであることを特徴とする。

このようなものであれば、加熱炉から出た加熱用ガスは、細い流束となって進行し、フィルタに吹き付けられるまでの途中では接続配管の内面にほとんど接触しない。そして、接続配管の内面と流束との間は、流体の澱んでいる状態となる。

したがって、接続配管の温度を低く維持したままでも、加熱用ガスは、前記澱んだ流体による断熱効果作用とあいまって、接続配管に熱をほとんど奪われることなく、加熱炉で温められた温度をほぼ保ったまま、フィルタに到達することとなる。そしてその結果、従来に比べ非常にはやくフィルタの温度を上げ、ＰＭの気化乃至燃焼を促進することができ、ひいては、測定時間の短縮を図ることができる。

加熱用ガスに効率よく熱を伝達するには、前記加熱炉の内部流路内に、複数の団塊状をなす、又は複数の団塊状部材を連ねて一体化した蓄熱部材を配置しておくことが好ましい。

前記フィルタ保持室に排出ガスが導かれ、フィルタによる粒子状物質の捕集がなされるように構成したものにおいては、ＰＭ捕集中に加熱炉からの熱影響が大きいと測定誤差を生じ得る。かかる現象をできるだけ避けるには、前記フィルタに対し、排出ガスの通過方向とは逆方向から前記加熱用ガスが吹き付けられるように構成したものが望ましい。

このような構成の本発明によれば、フィルタ燃焼法において、粒子状物質の気化・燃焼時間を大幅に短くできるため、トータルとしての測定時間を短縮することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞

この粒子状物質測定装置１００は、図１に示すように、フィルタＦに捕集されたＰＭに、高温化した加熱用ガス、すなわちＮ_２ガス及びＯ_２ガスをそれぞれこの順で時間差をあけて吹き付け、その気化・燃焼したガス中に含まれるＣＯ_２、ＮＯ_２の質量を、ＮＤＩＲ（図１では示されていない）などの分析部で測定するようにしたものである。このときのＣＯ_２量、ＳＯ_２量からＰＭを構成するＳＯＦ、硫酸塩、すすの質量を算出することができる。

この図１において、符号Ｒは、前記加熱用ガスを通過させてこれを高温化する加熱炉である。この加熱炉Ｒは、その内部構造を同図に示すように、内部流路を形成する管路７１と、その周囲に巻き設けたヒータ７２と、さらにそのヒータ７２の周囲に設けた断熱材７３と、管路７１内に配設した蓄熱部材である複数の耐熱セラミックボール（例えばＳｉＣ球）７４とを備えているものである。そして前記ヒータ７２によって管路７１及びセラミックボール７４が所定温度にまで暖められることで、この加熱炉Ｒを通過する加熱用ガスが、管路７１及びセラミックボール７４から熱を与えられて、その温度が上昇する。

符号９は、フィルタ（捕集フィルタとも言う）Ｆを保持するフィルタ保持室である。フィルタＦは、高温でも変化を起こさない例えば石英を素材として形成された薄い板状のものである。このフィルタＦは、その面が加熱用ガスの流れ方向と直交するように、フィルタ保持室９内に配置されている。

符号１０は、前記フィルタ保持室９と加熱炉Ｒとを接続する接続配管で、直線状をなしその内径が一定の円筒状のものである。なお、この接続配管１０は、フィルタ保持室９に接続されている関係上、温度を上げることは好ましくない。分析時以外のときに、フィルタＦの温度が上昇して、ＰＭの気化等が生じてしまうと、測定誤差が生じうるからである。

以上のような構成により、加熱炉Ｒのガス導出部７５から出た高温のガスが、接続配管１０を通ってフィルタ保持室９の流入し、その内部のフィルタＦに吹き付けられるようにしている。

しかして、この実施形態では、前記加熱炉Ｒのガス導出部７５を、先端に向かって細くなる中空円錐状の形状にしている。より具体的には、ガス導出部７５の内径が先端に向かって漸次縮小し、その先端内径が接続配管１０の内径よりも小さい形状をなすように構成してある。なお、ガス導出部７５の先端は、少なくとも断熱材７３又はヒータ７２よりも内側又は同一面になるように構成している。これはガス導出部７５が外に突出して冷やされることを防止するためである。また、セラミックボール７４は、このガス導出部７５に一部が収容されてその先端近傍にまで配置されるように構成してある。

このようなものであれば、加熱炉Ｒから出た加熱用ガスは、図１に示すように、接続配管１０の中心軸線Ｃ上を、細い流束となって進行し、捕集フィルタＦに吹き付けられてそこで捕集フィルタＦの全面に広がる。しかしてその途中では接続配管１０の内面にはほとんど接触せず、接続配管１０の内面と流束との間は、わずかに剥離したガスが残存するのみで、真空に近い状態となる。これは、シミュレーションで確認した結果である。

したがって、接続配管１０の温度を低く維持したままでも、加熱用ガスは、前記真空空間による断熱効果作用もあいまって、接続配管１０に熱をほとんど奪われることなく、加熱炉Ｒで温められた温度を保ったまま、捕集フィルタＦに吹き付けられこととなり、従来に比べ格段にはやく（２倍以上）捕集フィルタＦの温度を上げ、ＰＭの気化乃至燃焼を促進することができる。そして、このようにＰＭの気化乃至燃焼時間を短くできることにより、ひいては、ガス分析時間の短縮を図ることができる。

また接続配管１０の温度を低く保って構わないので、ＰＭの捕集中において、接続配管１０に接続されているフィルタ保持室９やフィルタＦへの熱影響を低減でき、ＰＭの捕集中での気化などを防止して、測定精度を担保できる。

＜第２実施形態＞

前記第１実施形態に係る粒子状物質測定装置１００は、特に加熱炉、フィルタ保持部を中心とした構成を述べるにとどまったが、この構成を含んださらに全体の構成の一例について、この第２実施形態で説明する。なお、以下の符号中、第１実施形態に対応する部材には同一の符号を付しているが、この第２実施形態では、加熱炉、フィルタをそれぞれ複数に用いている関係上、加熱炉の符号をＲからＲ１、Ｒ２、Ｒ３に、またフィルタの符号をＦからＦ１、Ｆ２、Ｆ３に変えている。

この第２実施形態に係る粒子状物質測定装置１００は、図２に示すように、内燃機関であるエンジン２００の排出ガス中に含まれるＰＭの質量を測定するものであり、エンジン２００の排気管２０１に接続されて、運転中のエンジン２００から排出される排出ガスの一部が、直接又は希釈ユニット３００により希釈されて導入される。

より具体的にこの粒子状物質測定装置１００の内部構造を説明すると、この粒子状物質測定装置１００は、図３に示すように、運転状態にあるエンジン２００からの排出ガスが導入される導入ポートＰＩ１と、その導入ポートＰＩ１から３分岐する通過流路Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３と、分岐した各通過流路Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３にそれぞれ設けられたＰＭ捕集用の捕集フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３と、各フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３を、排出ガスが通過している捕集状態、捕集されたＰＭが加熱されて気化乃至燃焼している加熱状態、冷却されている冷却状態の順にそれぞれ位相をずらせて遷移させる状態遷移機構６と、前記加熱状態にあるフィルタに連通し、ＰＭが気化乃至燃焼して発生したガスを分析する分析部３と、を備えている。

捕集フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３は、ＰＭを燃焼させても自身が変化したりガスを発生したりしない耐熱性の高い、例えば石英などの材質で作られたものである。

次に、前記捕集状態、加熱状態、冷却状態をそれぞれ生成するための、通過流路Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３等を含む装置内流体回路構成について説明する。

まず、捕集状態を作り出すために必要な捕集状態生成回路から説明する。この回路は、前記排出ガス導入ポートＰＩ１と、その排出ガス導入ポートＰＩ１から３分岐する通過流路Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３と、各通過流路Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３における捕集フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３の下流にそれぞれ設けた第１開閉バルブＶ１１、Ｖ１２、Ｖ１３とからなる。さらに、バルブＶ１１、Ｖ１２、Ｖ１３の下流において各通過流路Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３は合流して１本の統合流路Ｌとなり、その統合流路Ｌが排気ポートＰＯに接続されている。この統合流路Ｌ上には、ベンチュリ管などの一定流量Qallを流す定流量器４とルーツブロワなどの吸引ポンプ５とが設けられて、排気ポートＰＯにいる。

このような構成において、いずれかの１つのバルブＶ１１（Ｖ１２、Ｖ１３）を開き、他のバルブＶ１２、Ｖ１３（（Ｖ１１、Ｖ１３）、（Ｖ１１、Ｖ１２））を閉じることによって、その開いたバルブＶ１１（Ｖ１２、Ｖ１３）が設けられている通過流路Ｌ１１（Ｌ１２、Ｌ１３）のみに排出ガスが流れ込み、対応する捕集フィルタＦ１（Ｆ２、Ｆ３）が捕集状態となる。

加熱状態を作り出すために必要な加熱状態生成回路は、圧送されてくる加熱用ガスが流入する流入ポートＰＩ２と、その流入ポートＰＩ２から延出し途中で３分岐して、各通過流路Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の捕集フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３よりも下流であって第１開閉バルブＶ１１、Ｖ１２、Ｖ１３よりも上流にそれぞれ接続される加熱用ガス流路Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３と、各加熱用ガス流路Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３上に設けられた加熱炉Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、その加熱炉Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の手前、すなわち前記流入ポートＰＩ２側に設けられた第２開閉バルブＶ２１、Ｖ２２、Ｖ２３とからなる。さらに、分岐前の加熱用ガス流路Ｌ２上には、加熱用ガス流量制御手段１１を設けて、加熱用ガスの流量Q1を一定に制御している。

このような構成において、いずれか１つの第２開閉バルブＶ２１（Ｖ２２、Ｖ２３）のみを開くと、加熱炉Ｒ１（Ｒ２、Ｒ３）を通って加熱された加熱用ガスが、対応する通過流路Ｌ１１（Ｌ１２、Ｌ１３）に流れ込み、排出ガスの流れ方向で言えば下流側から捕集フィルタＦ１（Ｆ２、Ｆ３）に吹き付けられる。そして、そこに捕集されているＰＭを気化乃至燃焼させる。その際に発生するガスは、加熱用ガスとともに、通過流路Ｌ１１（Ｌ１２、Ｌ１３）を排出ガスの流れ方向とは逆向きに進行し、一部は、その通過流路Ｌ１１（Ｌ１２、Ｌ１３）の途中から分岐する分析ガス流路Ｌ４１（Ｌ４２、Ｌ４３）を通って、ガス分析を行う分析部３に導かれる。残りはその通過流路Ｌ１１（Ｌ１２、Ｌ１３）を排出ガスの流れ方向とは逆向きにさらに進行し、通過流路Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３が３分岐する分岐点で排出ガスと合流して他の通過流路Ｌ１２（Ｌ１３、Ｌ１１）に流れ込む。

なお、各通過流路Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３から分岐する各ガス分析流路Ｌ４１、Ｌ４２、Ｌ４３上には、第４開閉バルブＶ４１、Ｖ４２、Ｖ４３が設けられているので、対応するバルブＶ４１（Ｖ４２、Ｖ４３）のみを開いて、発生した前記ガスを分析部３に導入可能にしておく必要がある。付言しておくと、ガス分析流路は１本に統合され、その統合されたガス分析流路Ｌ４上に、ドライヤ２、分析部３、分析ガスの流量Qmを制御する分析ガス流量制御装置４がこの順で配置されている。分析部３は、例えばＮＤＩＲなどを利用したものであり、発生したガスを測定して得られたＣＯ_２及びＳＯ_２の質量からＰＭの質量（又は濃度）を算出するものである。

冷却状態を作り出すための冷却状態生成回路は、常温状態の冷却用ガスが導入されるガス流入ポートＰＩ２と、その流入ポートＰＩ２から延出し途中で３分岐して、各通過流路Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の捕集フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３よりも下流であって第１開閉バルブＶ１１、Ｖ１２、Ｖ１３よりも上流にそれぞれ接続される冷却用ガス流路Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３と、各冷却用ガス流路Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３にそれぞれ設けられた第３開閉バルブＶ３１、Ｖ３２、Ｖ３３とからなるものである。また、分岐前の冷却用ガス流路Ｌ３上には、冷却用ガス流量制御手段１２を設けている。この冷却用ガス流量制御手段１２は、ベンチュリ４の流量Qallが多少変動しても、排出ガスの流入流量Qinが一定になるように、冷却用ガスの流量Q2を制御するものである。

このような構成において、いずれか１つの第３開閉バルブＶ３１（Ｖ３２、Ｖ３３）のみを開くと、冷却用ガスは、対応する通過流路Ｌ１１（Ｌ１２、Ｌ１３）に流れ込み、捕集フィルタＦ１（Ｆ２、Ｆ３）に、排出ガスの流れ方向で言えば、下流側から吹き付けられる。このようにして捕集フィルタＦ１（Ｆ２、Ｆ３）を冷却した冷却用ガスは、その通過流路Ｌ１１（Ｌ１２、Ｌ１３）を排出ガスの流れ方向とは逆向きにさらに進行し、通過流路Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の分岐点から排出ガスと合流して他の通過流路Ｌ１２（Ｌ１３、Ｌ１１）に流れ込む。

なお、流量制御手段１３は、ベンチュリ４の流量Qallが温度や絶対圧によって多少変動しても、トータル流量、すなわちQall-Q3の値が一定になるように、そのQ3を制御するものである（定流量器４に流れ込むガスの総流量Qallは、Qin＋Q1+Q2+Q3-Qmであり、Qall-Q3を一定に保っておけば、Q1、Qmが一定であるから、前述したようにQ2を制御することで、Qinを制御できる）。

ところで、以上に説明した加熱状態生成回路及び冷却状態生成回路の構成から明らかなように、この実施形態では、加熱用ガス流路Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３と冷却用ガス流路Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３との始端部分である流入ポートＰＩ２が共通化されており、加熱用ガスと冷却用ガスとは共通したガスを用いることができるようにしてある。そして流路が途中から分岐して、加熱用ガス流路Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３を流れるガスは加熱炉Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３で高温化されて加熱用ガスとなり、冷却用ガス流路Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３を流れるものは、そのまま冷却用ガスとなるように構成している。なお、これら加熱用ガス流路と冷却用ガス流路とを別個に設け、異なるガスを用いるようにしても構わない。

状態遷移機構６は、図３に示すように、例えば、ＣＰＵ、メモリ、入出力チャネルなどから構成された専用乃至汎用のいわゆるコンピュータであり、そのメモリに格納したプログラムにしたがってＣＰＵが動作してバルブ制御信号を出力し、前記流体回路における各バルブＶ１１〜Ｖ４３を開閉制御するものである。

具体的なバルブＶ１１〜Ｖ４３の開閉制御のタイミングチャートを図４、各状態を図５〜図７に示す。

まず図５に示すように、第１フィルタＦ１が捕集状態にあるときに、第２フィルタＦ２は加熱状態にあり、第３フィルタＦ３は冷却状態にある。そして次の状態遷移により、第１フィルタＦ１は加熱状態、第２フィルタＦ２は冷却状態、第３フィルタＦ３は捕集状態となる（図６参照）。さらにその次の状態遷移により、第１フィルタＦ１は冷却状態、第２フィルタＦ２は捕集状態、第３フィルタＦ３は加熱状態となる（図７参照）。そしてこのサイクルを繰り返す。

しかして、各フィルタＦ１（Ｆ２、Ｆ３）に着目すれば、捕集状態、加熱状態、冷却状態の順に状態遷移する。一方で、フィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３毎の状態位相は互いにずれていおり、特に1つのフィルタが捕集状態を終えると、空き時間なく次のフィルタが捕集状態となる。

したがって、このような構成であれば、いずれかのフィルタＦ１（Ｆ２、Ｆ３）が常に捕集状態となっており、ＰＭの捕集もれがないうえ、３枚のフィルタＦ１、Ｆ２、Ｆ３が次々と加熱状態、すなわちガス分析状態となるので、従来のように１つのフィルタで分析するのに比べ、測定間隔を実質的に１／３に短縮することができる。また、第１実施形態で述べたように、加熱炉Ｒ１〜Ｒ３の特徴構成により、ガス燃焼時間をも短縮できるので、測定時間をさらに短くできる効果も重畳されて、その時間分解能を飛躍的に向上させることができる。

さらに言えば、この３つのフィルタを有した流体回路を基本構成として、複数の流体回路を並列に設け、各流体回路での位相をずらせることで、サンプリングタイムを１つのフィルタの場合の１／６（２つの流体回路の場合）、１／９（３つの流体回路の場合）・・・と言うぐあいに、さらに短縮することも可能である。

また、フィルタ燃焼法を基本的には利用しているので、ＰＭの質量測定において精度と信頼性を担保でき、しかも天秤法のように、フィルタの着脱や水分量の安定化、あるいは水分量安定化のための大型機器が必要ないので、車両搭載も可能である。

そして本装置１００を車両搭載した場合は、前述したように、測定の時間分解能を従来に比べ大幅に向上できるので、路上実走行など、エンジン２００が動的に運転されている状況においてのＰＭ排出量の時間変化を連続測定に近い状態で把握でき、従来ではなし得なかったエンジン２００の動的解析やそれによる性能向上などに寄与できる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではない。例えば流体回路構成の変更は適宜可能であるし、加熱炉を用いず、フィルタを保持しているフィルタ保持室を加熱するようにしてもよい。状態遷移機構もコンピュータのみならず、シーケンサなど、他の電気制御機器を用いて構わない。

その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明の第１実施形態における粒子状物質測定装置の概略縦断面図。 本発明の第２実施形態における粒子状物質測定装置を含んだ全体計測システムを示す模式図。 同実施形態における粒子状物質測定装置の全体を示す流体回路図。 同実施形態におけるバルブ開閉タイミングを示すタイミングチャート。 同実施形態における粒子状物質測定装置の各状態を示す流体回路図。 同実施形態における粒子状物質測定装置の各状態を示す流体回路図。 同実施形態における粒子状物質測定装置の各状態を示す流体回路図。

符号の説明

１００・・・粒子状物質測定装置
２００・・・エンジン２００
３・・・分析部
６・・・状態遷移機構
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３・・・通過流路
Ｌ２、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３・・・加熱用ガス流路
Ｌ３、Ｌ３１、Ｌ３２、Ｌ３３・・・冷却用ガス流路
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３・・・捕集フィルタ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３・・・加熱炉

Claims (3)

1. 加熱炉と、その加熱炉から延出する接続配管と、その接続配管の先端に連結されたフィルタ保持室とを備え、加熱炉に導かれて高温化された加熱用ガスが、接続配管を通過してフィルタ保持室に流入し、その内部に保持された捕集フィルタに吹き付けられて、当該捕集フィルタに捕集されているエンジン排出ガス中の粒子状物質を気化乃至燃焼させるように構成したものであって、
   前記加熱炉のガス導出部が、先端に向かって漸次内径が縮小し、その先端内径が接続配管の内径よりも小さい形状をなすものである粒子状物質測定装置。
2. 前記加熱炉の内部流路内に、複数の団塊状をなす、又は複数の団塊状部材を連ねて一体化した蓄熱部材を配置している請求項１記載の粒子状物質測定装置。
3. 前記フィルタ保持室に排出ガスが導かれ、フィルタによる粒子状物質の捕集がなされるように構成したものであって、前記フィルタに対し、排出ガスの通過方向とは逆方向から前記加熱用ガスが吹き付けられるように構成してある請求項１又は２記載の粒子状物質測定装置。