JP4956178B2 - 粒子状物質測定方法及び装置 - 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を測定する粒子状物質測定装置に関するものである。

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と称されることもある。本明細書では、以下ＰＭとも言う）の質量測定方法としてはフィルタ質量法が周知である。フィルタ質量法は、エンジン排出ガスの流路上に捕集フィルタを配置してＰＭを捕集し、その捕集したＰＭの質量を天秤などで測る方法であり、物性の特定できる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。そのため、このフィルタ質量法を用いた測定装置のうち、エンジンの排出ガスの全量を希釈して分析を行う定容量サンプリング装置（ＣＶＳ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｕｍｅ Ｓａｍｐｌｅｒ）などが、現在の排出ガス試験で標準的に用いられている。

一方、近時では、エンジン性能の更なる向上や環境問題を鑑みて、路上等でのダイナミックな走行中でのＰＭ排出量の時系列変化を測定したいという要請がある。しかしながら、前記フィルタ質量法は、一定期間の間に排出されたＰＭの積算質量のみがわかる、いわばバッチ式の測定方法であるため、ＰＭ質量が刻一刻、ダイナミックな運転状況に応じてどのように変化しているのかを知ることはできない。

そこで、フィルタ質量法に代わる代替手段として、リアルタイムでＰＭを連続測定可能なものとして、ＦＩＤ（Ｆｌａｍｅ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、ＥＬＰＩ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｉｍｐａｃｔｏｒ）やＳＭＰＳ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｉｚｅｒ）、あるいはＤＣＳ（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｃｈａｒｇｅｒ Ｓｅｎｓｏｒ）などが提案・開発されてきている（特許文献１）。ＦＩＤは、サンプルガス中の炭素原子数を測定するもので、ＥＬＰＩ、ＳＭＰＳは、粒子数を計数する装置である。またＤＣＳは、粒子の表面を荷電させてその荷電量を測定する装置である。

このような装置であれば、路上走行での計測も可能であるが、上述のとおり、これらは炭素原子数や、ＰＭ数、あるいはＰＭの表面積を測定するものであって、ＰＭの質量を直接的に測定するものではない。したがって、これらによる測定結果からＰＭ質量を求めようとすると、等条件で行った前記捕集フィルタ測定法による測定結果との相関をとり、その相関に基づいてＰＭ質量を計算する必要がある。

そこで、例えば前もってエンジンの各運転状態でのフィルタ質量法と前記ＥＬＰＩ法等とによる測定結果の相関をとっておき、路上走行での上述したＥＬＰＩ等による測定結果に、この相関をあてはめ、ＰＭ質量の動的変化として算出することが考えられる。

しかし、この相関はあくまでエンジンの各運転状態を一定な静的状態に保ったときの相関であるため、ダイナミックな運転がなされる路上走行において、この相関を直ちにあてはめ、実際のＰＭ質量の動的変化と推定するにはやや無理がある。
特開２００６−５０６６４０号公報

本発明は、かかる課題に鑑みて行われたものであって、路上走行等、ダイナミックな運転状況下での排出ガス中に含まれるＰＭ質量の変化を連続的に測定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方法は、エンジン運転中の所定期間において、捕集フィルタにより排出ガスに含まれる粒子状物質を捕集する捕集ステップと、その捕集ステップで捕集した粒子状物質の質量を測定する第１測定ステップと、前記所定期間において、捕集フィルタを用いることなく、前記排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する物性を連続測定する第２測定ステップと、前記第１測定ステップによる測定結果と、前記第２測定ステップによる測定結果の前記所定期間に亘る時間積分値との相関を算定する相関算定ステップと、その相関に基づいて、前記第２測定ステップの測定結果を粒子状物質の質量の時系列変化に変換する変換ステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る粒子状物質測定装置は、運転中のエンジンからの排出ガスを通過させ、そこに含まれる粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集部と、その捕集部で捕集した粒子状物質の質量を測定する第１測定部と、その粒子状物質捕集部により粒子状物質の捕集が行われた所定期間において、前記排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する物性を連続測定する第２測定部と、前記第１測定部での測定結果を示すバッチ測定データの値と、前記第２測定部による測定結果を示す連続測定データの前記所定期間に亘る時間積分値との相関を算定する相関算定部と、その相関に基づいて、前記連続測定データを粒子状物質の質量の時系列変化データに変換する変換部と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明に係るプログラムは、運転中のエンジンからの排出ガスに含まれる粒子状物質を捕集フィルタで捕集し、その捕集された粒子状物質の質量を測定して得られたバッチ測定データ及び、前記捕集フィルタにより粒子状物質の捕集が行われた所定期間において、前記排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する物性を連続測定して得られた連続測定データを受け付けるデータ受付部と、そのデータ受付部で受け付けた連続測定データの前記所定期間に亘る積分値と、前記バッチ測定データの値との相関を算定する相関算定部と、その相関に基づいて、前記連続測定データを、粒子状物質の質量の時系列変化データに変換する変換部と、としての機能をコンピュータに発揮させることを特徴とするものである。

なお、排出ガスとは、エンジンから排出されるガスそのものの他に、エアなどで希釈されたガスも含むものとする。また、粒子状物質の質量を間接的に示唆する物性とは、粒子状物質の表面積、数、粒子径分布などのことである。

本粒子状物質測定装置を、路上を実走行する車両に搭載可能なものにしておき、エンジンが動的に運転されている車両走行中における排出ガス中の粒子状物質を測定できるように構成しておけば、本発明の本来の目的に沿ったものとなり、その効果が特に顕著となる。

ＰＭには特定された標準物質がないことから、第２測定部としては物質の化学的特性によらず測定できるものが好ましい。そのような前記第２測定部としては、少なくとも、荷電粒子拡散法により粒子状物質に帯電させた荷電量を１つのパラメータとして、測定結果を算出するものを挙げることができる。

装置を車両搭載し、全ステップを車両内で完結させる場合には、第１測定部が、捕集したＰＭのみを捕集フィルタを加熱して燃焼させ、その燃焼ガスの成分と量から、前記ＰＭの質量を測定するものであることが好適である。

かかる構成の本発明は、エンジンを運転しながら測定した、ＰＭ質量を間接的に示す連続的時系列データと、その運転において排出された総ＰＭ質量の直接的な測定結果との相関を都度求め、その相関に基づいて、ＰＭ質量の連続的時系列データを算出するようにしている。

したがって、従来のように、路上走行などの動的な運転とは全く異なる静的な条件下で求めた固定された相関を用いる場合とは全く異なって、非常に信頼性の高いＰＭ質量の連続的時系列データを得ることができる。

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。

図１に、本実施形態に係る粒子状物質測定装置１００の全体概要を示す。この粒子状物質測定装置１００は、内燃機関であるエンジン２００の排出ガス中に含まれるＰＭの質量濃度を測定するものであり、同図に示すように、エンジン２００の排気管２０１に接続されてその排出ガスの一部がそれぞれ導入される粒子状物質捕集部１、第１測定部２１及び第２測定部２２を備えている。

まず、粒子状物質捕集部１について説明する。

粒子状物質捕集部１は、エンジン２００が動的に運転されている所定期間において、フィルタ質量法又はこれと相関関係の明らかな測定法に基づき、排出ガスに含まれる粒子状物質の積算質量をバッチ測定するためのものであって、第１希釈システム３と捕集フィルタ部４とを備えている。

第１希釈システム３は、例えばマイクロトンネルシステムを利用したもので、車両排気管２０１を流れる排出ガスの全体流量に対して一定の割合で排出ガスを導入し、その導入した排出ガスに希釈用ガスであるエアを混合させるものである。なお、排出ガス導入量を全排出ガス流量の一定割合にするための、流量計や流量制御バルブ、或いはこれらを制御する制御機器などについては、同図では省略している。エアはコンプレッサ５３などから圧送される。この第１希釈システム３によって、エアを混合されて希釈された排出ガスは、その全量が捕集フィルタ部４に中間配管を介して導かれる。

捕集フィルタ部４は、流路上に捕集フィルタ４１を設けてなるもので、その捕集フィルタ４１を通過する希釈された排出ガス中のＰＭを捕集するものである。この捕集フィルタ部４の下流には、吸引ポンプたるルーツブロワ５１が設けてある。

第１測定部２１は、捕集フィルタ４１に捕集されているＰＭの質量を直接的に測定するものである。そのためには、従来どおり天秤法を用いたものでも構わないが、捕集フィルタ４１を着脱する手間や吸湿の問題があって、計測に時間を要することから、例えば、フィルタ質量法との間で高い相関関係が確立されているフィルタ燃焼法を用いたものにすることが好ましい。フィルタ燃焼法とは、捕集フィルタ４１を加熱して、捕集したＰＭのみを燃焼させ、その燃焼ガスの成分と量とからＰＭ質量を算出・測定する方法である。この第1測定部２１は、その測定結果を示すバッチ測定データを出力する。

しかして、捕集フィルタ４１には、全排出ガス量に対して既知の比率の排出ガスが導かれているわけであるから、捕集フィルタ４１で捕集したＰＭの質量と前記比率とに基づいて、捕集のための所定期間中に排出された全排出ガスに含まれるＰＭの質量を算出することができる。

次に、第２測定部２２について説明する。

この第２測定部２２は、前記所定期間において、前記排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する物性を連続測定するものであって、第２希釈システム６と質量関連物性測定部７とを備えている。

第２希釈システム６は、車両排気管２０１を流れる排出ガスの全体流量に対して一定の割合で排出ガスを導入し、その導入した排出ガスに希釈用ガスであるエアを混合させるものである。エアはコンプレッサ５４などから圧送される。なお、排出ガス導入量を全排出ガス流量の一定割合にするための、流量計や流量制御バルブ、或いはこれらを制御する制御機器などについては、第１希釈システム３同様、同図では省略している。

エアを混合されて希釈された排出ガスは、その全量が質量関連物性測定部７に流路７３を介して導かれる。

この実施形態での質量関連物性測定部７は、簡略化した内部構造を図２に示すように、ＰＭの主成分と考えられる可溶性有機溶媒（ＳＯＦ：Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ、主として炭化水素である）及びすす（ｓｏｏｔ）を、それぞれ連続測定可能なＳＯＦ測定系７１とｓｏｏｔ測定系７２とを並列に接続してなるものである。

まずＳＯＦ測定系７１について説明する。

ＳＯＦ測定系７１は、図２に示すように、排出ガスがそれぞれ並行して導入される通過ラインＬ１及び粒子成分除去ラインＬ２とを備えており、通過ラインＬ１上には、吸引ポンプＰａ、水素炎イオン化検出器７１１を直列に配置するとともに、粒子成分除去ラインＬ２上には、除去捕集フィルタ７１３、水素炎イオン化検出器７１２、吸引ポンプＰｂを直列に配置したものである。

通過ラインＬ１は、図示しない温調器などによって所定温度（約１９１℃）に保温されており、流入した排出ガスはそのまま水素炎イオン化検出器７１１に導かれる。

成分除去ラインＬ２は、図示しない温調器などによって所定温度（４７℃±５℃）に保たれており、流入した排出ガスに含まれるＰＭのうち、その温度で液化または固化する炭化水素（ＳＯＦ）が、除去捕集フィルタ７１３で除去されて水素炎イオン化検出器７１２に導かれる。

水素炎イオン化検出器７１１、７１２は、導入された排出ガスに含まれる炭化水素をイオン化し、そのイオン電流を検出し、連続的かつリアルタイムで出力するもので、その検出信号の値は、ＳＯＦ質量（又は濃度）を示していると考えられる。

しかして、これら検出信号の値の差分をとれば、一方がＳＯＦを除去された排出ガス、他方がＳＯＦを含んだ排出ガスの測定結果であるから、ＰＭ中のＳＯＦの質量（又は濃度）を推定算出できる。

ｓｏｏｔ測定系７２は、排出ガスが導入される測定ラインＬ３と、その測定ライン上に設けられたＤＣセンサ７２１及び吸引ポンプＰｃとを備えたものである。

測定ラインＬ３は、図示しない温調器などにより、所定温度（約１９１℃）に保持されている。これは、排出ガス中に含まれるＳＯＦなど（特にｓｏｏｔに付着しているＳＯＦ）を揮発させ、ＤＣセンサ７２１にｓｏｏｔのみを導入するためである。

ＤＣセンサ７２１は、拡散電荷法を利用してｓｏｏｔの表面積を連続かつリアルタイムで測定するもので、排出ガスに含まれるｓｏｏｔに対して電荷を与える電荷付与部とその電荷量を測定する電荷測定部とを備えている。

電荷付与部は、図示しないが、例えばコロナ放電を生じさせてｓｏｏｔにその表面積に比例した電荷を付与するものである。なお、コロナ放電による荷電現象は、粒子の化学的性質には無関係である。また紫外線照射によって電荷を付与するなど、この電荷付与部を他の構成にしても構わない。電荷測定部は、図示しないが、電荷付与部よりも下流に配置した金属板等の捕捉部材でｓｏｏｔを捕捉し、その際に流れる電流を検出して出力するものである。この検出信号の値は、電荷量がｓｏｏｔの表面積に比例することから、ｓｏｏｔの表面積を表すものとなる。ｓｏｏｔ表面積とｓｏｏｔ質量との間には所定の関係式があることから、この検出信号の値からｓｏｏｔ質量（又は濃度）を推定算出できる。

したがって、前述したＳＯＦ質量とｓｏｏｔ質量とに係る検出信号の値の和から、ＰＭ全質量に何らかの関連性ある値を算出することが可能である。

なお、各ラインＬ１〜Ｌ３には、図示しない流量制御装置などによって、一定比率で排出ガスが分流されている。

さらにこのこの第２測定部２２は、図示しないが、物理的には後述する情報処理装置に組み込んだ、或いは独立した算出部を備えており、前記各検出信号の値に基づいて、導入された排出ガスに含まれるＳＯＦ質量及びｓｏｏｔ質量を算出し、その和を、連続測定データとして出力する。

しかして、この実施形態では、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェースなどを備えた汎用乃至専用のいわゆるコンピュータである情報処理装置８を設け、前記メモリに記憶させた所定プログラムに基づいてＣＰＵや周辺機器を動作させることによって、この情報処理装置８に、データ受信部８１、相関算定部８２、変換部８３等としての機能を発揮させるようにしている（図３参照）。

データ受信部８１は、前記第１測定部２１での測定結果である積算ＰＭ質量を示すバッチ測定データを、第１測定部２１から、あるいはオペレータの入力などから受け付けるとともに、前記第２測定部２２から出力される連続測定データを受け付け、それらバッチ測定データ及び連続測定データを、メモリの所定領域に設定した測定結果データ蓄積部８４に格納するものである。

相関算定部８２は、前記バッチ測定データの値、すなわち捕集フィルタ４１に排出ガスを通過させていた所定期間でのＰＭ質量と、その同じ所定期間に亘る連続測定データの値の時間積分値（図４で言えば斜線の部分の面積）との相関を算定するものである。なお、相関をとる場合には、前述した希釈比率を勘案して全排出ガスにおける値での相関を算定するようにしている。相関とは、例えば、バッチ測定データの値と連続測定データの時間積分値との比率である。

変換部８３は、その比率に基づいて、連続測定データの値の時系列変化を、ＰＭの質量の時系列変化を示すＰＭ質量時系列データに変換するものである（図４参照）。

かかる構成の粒子状物質測定装置１００は、車両に搭載され、その車両を路上などで実走行させた状態で作動させるが、そのときの動作について以下に説明する。

まず走行中の所定期間に亘って排出された排出ガスに含まれるＰＭを、粒子状物質捕集部１で捕集する（捕集ステップ）。そして第１測定部２１が、捕集フィルタ４１に捕集されているＰＭ質量を天秤法又は燃焼法によりバッチ測定する（第１測定ステップ）。このときのＰＭ質量は、捕集フィルタ４１を取り出して、車外に設けた別の測定装置で測定してもよい。測定結果であるバッチ測定データは、情報処理装置８の受信部８１が受け付けて、前記測定結果蓄積部８４に格納する。

一方、第２測定部２２は、少なくとも前記所定期間の間、排出ガスを測定して、その測定結果を示す連続測定データを情報処理装置８に出力する（第２測定ステップ）。情報処理装置８の受信部８１は、そのデータの値を、前記測定結果蓄積部８４に時系列データとして格納する。

次に相関算定部８２が、前記バッチ測定データの示す積算ＰＭ質量値と、前記第２測定部２２による連続測定データの前記所定期間に亘る時間積分値との相関を算定する（相関算定ステップ）。

最後に変換部８３が、その相関に基づいて、連続測定データの時系列データをＰＭ質量の時系列変化データに変換し、ディスプレイ等に出力する（変換ステップ）。

しかして、このＰＭ質量の時系列変化データは、その走行においてフィルタ質量法等を用いて直接測定されたＰＭの実測質量との相関に基づいて算出（或いはキャリブレーション）されたものであり、運転ごとに都度算出された相関を用いているため、従来のように、路上走行などの動的な運転とは全く異なる静的な条件下で求めた固定された相関を用いるのとは異なって、非常に信頼性の高いものとなる。

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、測定する所定期間とは、走行開始から走行終了までの全運転期間でも構わないし、そのうちの一部でも構わない。この所定期間を制御するには、捕集フィルタ４１への配管に例えば電磁弁を設けて、前記情報処理装置８により時間を制御して開閉駆動してやればよい。

また第２測定部には、前述したＤＣセンサや水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）のみならず、例えばＥＬＰＩやＳＭＰＳなどを用いて構わない。

各希釈システムも、その希釈方式に制限があるわけではなく、種々の方式を用いることが可能であるし、例えば、前記実施形態では、第２測定部と粒子状物質捕集部とに別々の希釈システムを用いていたが、これを共通化することもできる。

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ことは言うまでもない。

本発明の一実施形態における粒子状物質測定装置を示す模式的概略全体図。 同実施形態における質量関連物性測定部の簡略化した内部構造を示す概略図。 同実施形態における情報処理装置を示す機能ブロック図。 同実施形態における粒子状物質測定方法の理解を助けるための説明図。

符号の説明

１００・・・粒子状物質測定装置
１・・・粒子状物質捕集部
２１・・・第１測定部
２２・・・第２測定部
８２・・・相関算定部
８３・・・変換部
４１・・・捕集フィルタ

Claims (6)

1. エンジン運転中の所定期間において、捕集フィルタにより排出ガスに含まれる粒子状物質を捕集する捕集ステップと、
   その捕集ステップで捕集した粒子状物質の質量を測定する第１測定ステップと、
   前記所定期間と同一の期間において、前記排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する物性を連続測定する第２測定ステップと、
   前記第１測定ステップによるバッチ測定データの値と、前記第２測定ステップによる測定結果の前記所定期間と同一の期間に亘る時間積分値との比率を算定する相関算定ステップと、
   その比率に基づいて、前記第２測定ステップの測定結果を粒子状物質の質量の時系列変化に変換する変換ステップと、を含む粒子状物質測定方法。
2. 運転中のエンジンからの排出ガスを通過させ、そこに含まれる粒子状物質を捕集する粒子状物質捕集部と、
   その捕集部で捕集した粒子状物質の質量を測定する第１測定部と、
   その粒子状物質捕集部により粒子状物質の捕集が行われた所定期間と同一の期間において、前記排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する物性を連続測定する第２測定部と、
   前記第１測定部での測定結果を示すバッチ測定データの値と、前記第２測定部による測定結果を示す連続測定データの前記所定期間と同一の期間に亘る時間積分値との比率を算定する相関算定部と、
   その比率に基づいて、前記連続測定データを粒子状物質の質量の時系列変化データに変換する変換部と、を備えている粒子状物質測定装置。
3. 路上を実走行する車両に搭載されて、車両走行中における排出ガス中の粒子状物質を測定するものである請求項２記載の粒子状物質測定装置。
4. 前記第２測定部が、少なくとも、荷電粒子拡散法により粒子状物質に帯電させた荷電量を１つのパラメータとして、測定結果を算出するものである請求項２又は３記載の粒子状物質測定装置。
5. 前記第１測定部が、捕集フィルタで捕集したＰＭを燃焼させ、その燃焼ガスの成分と量から、前記ＰＭの質量を測定するものである請求項２、３又は４記載の粒子状物質測定装置。
6. 運転中のエンジンからの排出ガスに含まれる粒子状物質を捕集フィルタで捕集し、その捕集された粒子状物質の質量を測定して得られたバッチ測定データと、前記捕集フィルタによる粒子状物質の捕集が行われた所定期間と同一の期間において、前記排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する物性を連続測定して得られた連続測定データとを受け付けるデータ受付部と、
   そのデータ受付部で受け付けた連続測定データの前記所定期間と同一の期間に亘る積分値と前記バッチ測定データの値との比率を算定する相関算定部と、
   その比率に基づいて、前記連続測定データを、粒子状物質の質量の時系列変化データに変換する変換部と、としての機能をコンピュータに発揮させるプログラム。