JP2004271530A - 部分希釈方式の排気ガス測定用ガスサンプルシステムおよび部分希釈方式の排気ガス中の微粒子状物質測定用ガスサンプルシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 部分採取された排気ガスを例えば空気などの希釈用ガスで希釈するとともに、希釈用ガスを高速応答かつ高精度に制御することができる部分採取方式の排気ガス測定用ガスサンプルシステムを提供すること。
【解決手段】 部分採取された排気ガスＧを希釈する希釈トンネル４と、該希釈トンネル４の上流側に接続される希釈用ガス供給路５と、前記希釈トンネル４の下流側に接続され、希釈されたサンプルガスＳが流れるガス流路１６，１７，２４とを備え、更に、前記希釈用ガス供給路５およびガス流路１６，１７，２４は、それぞれ差圧流量計１０、２６を含むとともに、前記希釈用ガス供給路５にピエゾバルブ３３と差圧流量計１０とを互いに直列な状態になるように設け、前記ピエゾバルブ３３は、差圧流量計１０によって得られた実流量と設定流量の比較結果に基づいて開度調整が行われるものである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、部分採取された排気ガスを例えば空気などの希釈用ガスで希釈する部分希釈方式の排気ガス測定用ガスサンプルシステムおよび部分希釈方式の排気ガス中の微粒子状物質測定用ガスサンプルシステムに関する。

自動車のディーゼルエンジンなどから排出されるガス中に含まれるすすなどの微粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ、ＰＭと略称する）の測定に必要なガス希釈システムとして、近年、排気ガスを全量採取しこれを全量希釈する従来からのフルダイリューションシステムに代わって、流量制御および排ガスの部分採取を行うところの部分希釈方式の小規模な希釈システムが採用されてきている。この部分希釈方式の排気ガス測定用ガスサンプルシステムおよび部分希釈方式の排気ガス中の微粒子状物質測定用ガスサンプルシステムは、希釈後の排気ガスを一定流量に維持しながら、排気ガス希釈用空気の流量を制御することにより、これらの流量の差として得られる排気ガスの採取流量を制御し、排気ガス中の微粒子状物質を測定するためのガスサンプルシステムである。

図３は、上記部分採取による部分希釈方式のガス希釈システムの一例を示すもので、この図において、１は例えば自動車に搭載されるディーゼルエンジン、２はこれに連なる排気管である。３は排気管２に挿入接続され、排気管２中を流れる排気ガスＧをサンプリングするためのプローブで、その下流側はサンプリングされた排気ガスＧを希釈する希釈トンネル４に接続されている。５はこの希釈トンネル４の上流側に接続される希釈用空気の供給路で、図４に示すような希釈用ガス流量制御装置６が設けられている。

すなわち、図４において、７は流路８に設けられる例えば回転数制御によって吸引能力を変えることができるルーツブロアポンプで、インバータ（周波数変換器）９によって制御される。１０は測定精度の高い差圧流量計としてのベンチュリ流量計で、その近傍には流路８を流れる空気の圧力を検出する圧力センサ１１、差圧センサ１２および温度センサ１３が設けられている。１４は前記センサ１１〜１３の検出出力に基づいて流路８を流れる空気の流量（実流量）を演算する流量演算ユニットである。１５は流量演算ユニット１４において得られた空気の実流量と予め設定される流量とを比較し、所定の制御信号をインバータ９に出力する比較制御回路である。

１６は希釈トンネル４の下流側に接続され、希釈されたサンプルガスＳが流れるガス流路で、この流路１６の下流側は二つの流路１７，１８に分岐し、それぞれの流路１７，１８にサンプルガス中に含まれるＰＭを捕集するためのフィルタ１９，２０および絞り量（圧損）を可変できるコントロールバルブ２１，２２を設けて、一方の流路１７は定常時の排気ガスを流すためのサンプルガス流路に、また、他方の流路１８は非定常時の排気ガスを流すためのバイパス流路にそれぞれ構成されている。

２３は前記サンプルガス流路１７、バイパス流路１８の下流側に設けられる流路切換え手段としての三方電磁弁で、そのポート２３ａがサンプルガス流路１７に、ポート２３ｂがバイパス流路１８にそれぞれ接続されるとともに、ポート２３ｃは三方電磁弁２３の下流側のガス流路２４に接続されている。

そして、前記ガス流路２４には、回転数制御によって吸引能力を変えることができる吸引ポンプ、例えばルーツブロアポンプ２５と、測定精度の高い差圧流量計、例えばベンチュリ流量計２６とがこの順に設けられている。そして、２７はガス流路２４を流れるガスの圧力を検出する圧力センサ、２８は差圧センサ、２９は温度センサである。

また、３０はルーツブロアポンプ２５を制御するインバータ（周波数変換器）であり、３１は装置全体を制御する流量制御ユニットである。この流量制御ユニット３１は、コントロールバルブ２１，２２やインバータ３０に指令を出力したり、前記センサ２７〜２９からの検出出力が入力される。

而して、上記ガス希釈システムにおいて、比較制御回路１５からインバータ９に指令値が出力され、この指令値に基づいて流路８に設けたルーツブロアポンプ７が制御されることにより、希釈トンネル４に対して所定流量の希釈用空気が供給される一方、流量制御ユニット３１に設けたＰＩＤコントローラ（図示していない）によって出力される指令値をインバータ３０に出力し、この指令に基づいてインバータ３０から出力される指令値に基づいてルーツブロアポンプ２５が制御されることにより、ガス流路１６、１８、２４を流れるサンプルガスＳの流量が常に所定の流量になるように制御され、これによって、排気ガスの採取流量が制御される。

しかしながら、上記構成の希釈用ガス流量制御装置６においては、ポンプ７とベンチュリ流量計１０とを互いに直列にして設けていたため、次のような不都合があった。

すなわち、空気流量の計測手段としてのベンチュリ流量計１０は、そのフルスケール近傍の流量域においては、約±０．１〜０．２％といった高い流量測定精度を有しているが、空気流量の制御手段としてのポンプ７は、その回転によって流量を変化させるものであり、ポンプ固有の慣性のために、流量制御応答速度は、０．５秒〜１秒程度が限界であった。

この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、空気など気体を高速応答かつ高精度に制御することができる気体流量制御装置を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明の排気ガス測定用ガスサンプルシステムは、部分採取された排気ガスを希釈する希釈トンネルと、該希釈トンネルの上流側に接続される希釈用ガス供給路と、前記希釈トンネルの下流側に接続され、希釈されたサンプルガスが流れるガス流路とを備え、更に、前記希釈用ガス供給路およびガス流路は、それぞれ差圧流量計を含むとともに、前記希釈用ガス供給路にピエゾバルブと差圧流量計とを互いに直列な状態になるように設け、前記ピエゾバルブは、差圧流量計によって得られた実流量と設定流量の比較結果に基づいて開度調整が行われるものである。

また、別の観点からこの発明は、エンジンなどから排出されるガス中に含まれる微粒子状物質の測定用ガスサンプルシステムであって、部分採取された排気ガスを希釈する希釈トンネルと、該希釈トンネルの上流側に接続される希釈用ガス供給路と、前記希釈トンネルの下流側に接続され、希釈されたサンプルガスが流れるガス流路と、前記サンプルガス中に含まれる微粒子状物質を捕集するためフィルタを前記ガス流路に備え、更に、前記希釈用ガス供給路およびガス流路のフィルタの下流側に、それぞれ差圧流量計を含むとともに、前記希釈用ガス供給路にピエゾバルブと差圧流量計とを互いに直列な状態になるように設け、前記ピエゾバルブは、差圧流量計によって得られた実流量と設定流量の比較結果に基づいて開度調整が行われるものであることを特徴とする部分希釈方式の排気ガス中の微粒子状物質測定用ガスサンプルシステムを提供する。

上記ピエゾバルブは、流量制御範囲がそれほど大きくない領域においては、０．２〜０．５秒程度の高速応答性があり、したがって、このような高速応答性を備えたピエゾバルブと高い流量測定精度を有する差圧流量計とを組合せ、差圧流量計によって得られた実流量を設定流量と比較し、その比較結果に基づいてピエゾバルブの開度調整を行うようにした気体流量制御装置においては、空気など気体を高速応答かつ高精度に制御することができる。

この発明の気体流量制御装置においては、流量制御の応答性に優れたピエゾバルブと流量計測精度の高い差圧流量計流量計とを組み合わせ、差圧流量計によって得られた実流量を設定流量と比較し、その比較結果に基づいてピエゾバルブの開度調整を行うようにしているので、空気など各種の気体を高速応答かつ高精度に制御することができる。

発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１および図２はこの発明の一つの実施の形態を示すもので、この図１において、図４における符号と同じものは同一部材を示している。

図１は、この発明の気体流量制御装置３２の全体構成を概略的に示すもので、この図において、３３は流路８に設けられるピエゾバルブで、ベンチュリ流量計１０と直列かつベンチュリ流量計１０よりも上流側に設けられる。このピエゾバルブ３３は、弁口を開閉する弁体をピエゾスタックの歪力により押圧駆動するもので、例えば図２に示すように構成されている。

すなわち、図２において、３４は本体ブロック、３５，３６は本体ブロック３４に形成された流体入口、流体出口である。３７は流体入口３５と流体出口３６との間に形成される流体流路で、この流体流路３７の途中には上面に弁口３８を備えたオリフィスブロック３９が設けられている。４０は本体ブロック３４の上面に、オリフィスブロック３９の上面を覆うようにして設けられる中空の弁ブロックで、この弁ブロック４０内には、弁口３８の開度調節を行う弁体４１がオリフィスブロック３９の上面を覆うようにして設けられるダイヤフラム４２によって上下動自在に保持されている。この弁体４１は、通常時、オリフィスブロック３９の上面（弁口３８の上部周囲）との間に若干の隙間が形成されるようにしてある。

４３は弁体４１を下方に押圧駆動するピエゾスタックで、複数のピエゾ素子を積層して形成してあり、弁ブロック４０に螺着された筒状のバルブケース４４内に収容されている。このピエゾスタック４３は、その上端部４５がバルブケース４４の上端に螺着されるナット部材４６に固定され、下端の出力端４７が弁体４０の上端に当接するように構成されている。４８はピエゾスタック４３に給電するためのリード線である。

上記構成のピエゾバルブ３２は、ピエゾスタック４３に適宜の直流電圧を印加することにより、各ピエゾ素子が歪み、この歪みによって出力端４７が弁体４１を下方に押圧駆動し、弁体４１と弁口３８との間の距離、つまり、弁口３８の開度調節を行うもので、流量調整の応答性は数１０μｓｅｃ〜数ｍｓｅｃときわめて高速である。なお、このようなピエゾバルブ３３は、例えば実用新案登録第２５１６８２４号公報に詳しく記載されている。

再び、図１において、４９は上記ピエゾバルブ３３を駆動する回路で、比較制御回路１５からの信号を受け、この信号に基づいてピエゾバルブ３３における弁口３８の開度を調整する。そして、流路８のピエゾバルブ３３の上流側には、吸引ポンプ５０、フィルタ５１、調圧器５２が設けられている。

上記構成の気体流量制御装置３２においては、高速応答性を備えたピエゾバルブ３３と高い流量測定精度を有するベンチュリ流量計１０とを互いに直列に接続し、ベンチュリ流量計１０によって得られた実流量を設定流量と比較し、その比較結果に基づいてピエゾバルブ３３の開度調整を行うようにすることにより、空気など気体を高速応答かつ高精度に制御することができる。したがって、このような優れた特性を有する気体流量制御装置３２を、図３に示した希釈ガス流量制御装置に組み込んだ（空気供給路５の上流側に接続する）場合、エンジン排気ガスのトランジェント計測に必要な高速応答かつ高精度の希釈空気制御システムが得られ、これにより、所望のＰＭ測定を確実にしかも高精度行うことができる。

この発明は、上述の実施の形態に限られるものではなく、例えば、ベンチュリ流量計１０に代えて、これと同様に主として差圧センサによって流量検出を行うラミナー流量計を用いるようにしてもよい。また、ポンプ５０に代えて、コンプレッサを用いてもよい。

そして、上述に実施の形態においては、気体流量制御装置をエンジン排気ガス測定を行うためのガス希釈システムにおける希釈用空気の定量供給装置として用いていたが、この発明の気体流量制御装置は、これに限られるものではなく、空気を始めとする各種の気体を高速応答かつ高精度に制御する場合に広く用いることができる。

この発明の気体流量制御装置の全体構成を概略的に示す図である。 前記気体流量制御装置において用いるピエゾバルブの構成を概略的に示す縦断面図である。 部分希釈方式のガスサンプルシステムの一例を示す図である。 従来の気体流量制御装置の全体構成を概略的に示す図である。上記実施形態を示す分解斜視図である。

符号の説明

８ 流路
１０ 差圧流量計
３３ ピエゾバルブ

Claims (2)

1. 部分採取された排気ガスを希釈する希釈トンネルと、該希釈トンネルの上流側に接続される希釈用ガス供給路と、前記希釈トンネルの下流側に接続され、希釈されたサンプルガスが流れるガス流路とを備え、更に、前記希釈用ガス供給路およびガス流路は、それぞれ差圧流量計を含むとともに、前記希釈用ガス供給路にピエゾバルブと差圧流量計とを互いに直列な状態になるように設け、前記ピエゾバルブは、差圧流量計によって得られた実流量と設定流量の比較結果に基づいて開度調整が行われるものであることを特徴とする部分希釈方式の排気ガス測定用ガスサンプルシステム。
2. エンジンなどから排出されるガス中に含まれる微粒子状物質の測定用ガスサンプルシステムであって、部分採取された排気ガスを希釈する希釈トンネルと、該希釈トンネルの上流側に接続される希釈用ガス供給路と、前記希釈トンネルの下流側に接続され、希釈されたサンプルガスが流れるガス流路と、前記サンプルガス中に含まれる微粒子状物質を捕集するためフィルタを前記ガス流路に備え、更に、前記希釈用ガス供給路およびガス流路のフィルタの下流側に、それぞれ差圧流量計を含むとともに、前記希釈用ガス供給路にピエゾバルブと差圧流量計とを互いに直列な状態になるように設け、前記ピエゾバルブは、差圧流量計によって得られた実流量と設定流量の比較結果に基づいて開度調整が行われるものであることを特徴とする部分希釈方式の排気ガス中の微粒子状物質測定用ガスサンプルシステム。

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