JP2008507698A - 収集排気ガス分析のための希釈流量制御システムとその方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関等のガスが排出される各種の装置から放出される排ガス中の微粒子物質の均一のサンプリングのための収集排気ガス分析のための希釈流量制御システムとその方法に関するもので、排気ガス中の微粒子物質の質量を計測するために、希釈ガスと排ガスの一部とを混合させている混合チャンバーで利用されるものである。
流量の制御は、流れ規制を定めている各々のソレノイド弁を並列させて配した個々のものを起動させることによって、排ガスの一部の排ガス流に対応する流速を制御することにより行われる。

Description

この出願は、2004年７月21日に出願された米国特許出願60/589,750で開示された内容に基づいて、優先権を主張して行うものである。

この発明は、流体希釈試料の採取装置に適したもので、比例サンプリングする場合、あるいは固定希釈サンプリングのいずれにも適したものである。この発明はいずれの原因についても利用できるが、特に排気分析に適したものである。この発明は、内燃機関の排気物の分析について説明するものであり、特に、内燃機関からの排気中に存する微粒子物質の測定するものであり、さらに、ボイラーや工業用煙突、その他これらに類するものからの排ガス分析に用いられる。

ガソリン車やディーゼルエンジン車の走行時には、炭素粒子と高濃度に凝縮された炭化水素が排気管から排出され、希釈され冷却された後に、微粒子物質が周辺空気に発生する。研究室においてシミュレーションした走行状態の排気中の微粒子物質の測定のためには、伝統的な希釈空洞が利用される。従来では、微粒子物質の測定のためには、周期的な定常試験が要求され、希釈システムは、ほとんど２連式の空洞による総合希釈形式であった。これらの空洞は大型のものであって、試験のためのスペースを広く必要としていた。

最近では、周期的な定常試験よりも現実的な微粒子物質を測定するシミュレーションが検討されて、新たな瞬時に行えるエンジンテストが存している。と同時に、一部排ガス希釈サンプリングとして知られている技術は、この新しい瞬時に行えるエンジンテストにおける微粒子測定の原理として検討された。一部排気希釈システムは、エンジン排ガス流路のサンプリング部で処理されるが、このとき、分割割合（全排気流量に対する試料流量の割合）を一定に保つ必要がある。これは、試料ガスと希釈用空気とを小型の希釈チャンバー内で混合することにより遂行され、希釈された排気ガスはフィルターを通過させて、微粒子物質が堆積される。

比例サンプリングに関しては、希釈空気の制御は、入力に対して素早い応答を要求する。瞬時周期の間の流量制御の遅延をもたらすものに、２つの主な要素がある。一つめは、排ガス流速測定の遅延時間と試料がエンジンから試料採取ポイントに到達するために生じる遅れとであり、二つめの要素は、希釈空洞の流れ制御の遅れである。一つめの要素は、予測制御法を用いることにより修正することが可能である。二つめの要素によりもたらされる問題を克服するには、例えば、希釈空洞流の制御の応答速度を、次のような処理により上昇させる。
(ａ) 最初の方法は、伝統の渦流送風機回転制御方法（全量希釈システムにおいて用いられる場合）の代わりに、希釈用圧縮空気の流速を制御するためのピエゾ弁による方法を用いることである。この取り組みは、ピエゾ弁を使用するホットワイヤ式の流れ質量のコントローラになされたデザインに寄ったものである。このような装置は一般的に用いられるものであるが、その正確性と応答速度は、本願発明では満足するものではない。
(ｂ) 二番目の方法は、ピエゾ弁をベンチュリ流量計と組み合わせることである。これらの構成要素に加えて、ピエゾ弁と共に臨界流量オリフィスを用いることにより、ピエゾ弁のオープンループ制御における応答時間を０.２秒短縮することができる。この技術では、まだ遅いものである。

本願発明は、上述した問題点を解決する、比例サンプリングシステムと固定希釈システムのいずれにも用いられる迅速な希釈サンプリング制御システムと、排ガス分析方法とを提供するものである。

発生源からの放出された発生ガスの採取試料の希釈装置は、流量計と、混合チャンバー、第１流量制御装置、処理装置とを含んでいる。流量計は、発生ガスの流速を指示する測定パラメータに適合させる。前記混合チャンバーは、希釈ガスと発生ガスとを適宜に混合させて、希釈試料を発生させる。前記第１流量制御装置は、発生ガスの一部の流速を、少なくとも部分的に制御する。この第１流量制御装置には、流れ規制を定める並列させた第１段ソレノイド弁列が含まれている。前記処理装置は、流量計の出力に応答する。この処理装置は、発生ガスの流速に関連して、第１段ソレノイド弁列に含まれるソレノイド弁の組み合わせ作用による発生ガスの試料採取割合を制御する。

前記希釈装置には、さらに第２流量制御装置が含まれている。この第２流量制御装置は、希釈サンプルの流速を少なくとも部分的に制御を行うことに適応する。また、第２流量制御装置には、流れ規制を定める並列させた第２段ソレノイド弁列が含まれている。前記処理装置は、発生ガスの流速に関連して、第２段ソレノイド弁列に含まれる少なくとも一部のソレノイド弁の組み合わせ作用により、前記混合チャンバーから排出された希釈試料の流速を制御する。処理装置は、一定流速を発生させる前記混合チャンバーから排出される試料の流速を制御する。

流れの規制は、オリフィスと、臨界流量オリフィス、ニードル弁のそれぞれ、あるいはこれらの組み合わせによるものであって構わない。少なくともいくつかのソレノイド弁は、他のソレノイド弁とは異なった流れ規制を行う。

この装置は、希釈サンプル中の微粒子物質の分析を行うための一つまたはそれ以上の微粒子分析装置を含むものでも構わない。前記微粒子分析装置には微粒子フィルタが含まれており、この微粒子フィルタに、供給された希釈試料を通過させることにより、この希釈試料中に存している微粒子物質が捕捉される。この微粒子フィルタに捕捉された微粒子物質の質量を測定するために、この微粒子フィルタの重さが測定される。

また、この装置は、２番目の流量制御で生産される希釈されたサンプルの流速と最初の制御気流のバランスをとるために較正流量計を含むものでも構わない。

この装置は、内燃機関の排ガスのような、排ガスを生産する各種装置に用いることができるものである。処理装置は、比例サンプリングあるいは固定希釈サンプリングのいずれかに提供させる希釈装置の流速を制御するものであって構わない。

発生源から放出される発生ガスの希釈方法は、この発明の別の面に従うと、発生ガスの一部の提供を受けた測定対象となる発生ガスの採集と、測定対象となる発生ガスの流速を指示するパラメーターの測定とを含むものである。希釈ガスは流速を生じる。発生ガスの一部は希釈ガスと混合されて、希釈試料が生成される。発生ガスの一部の流速は、各別に流れを規制するためのソレノイド弁からなる第１段ソレノイド弁列の少なくとも一部によって制御される。発生ガスの採取割合は、発生ガスの流速に関連して、第１段ソレノイド弁列のソレノイド弁の組み合わせ作用により制御される。

また、この希釈方法は、さらに、各別に流れを規制するためのソレノイド弁からなる第２段ソレノイド弁列による希釈試料の流速を制御することが含まれている。希釈試料の流速は、発生ガスの流速に関連して、第２段ソレノイド弁列のソレノイド弁を組み合わせて作用させることにより制御するものであって構わない。希釈試料の流速は、一定流速を発生するよう制御するものであって構わない。

少なくと一つの微粒子分析装置が用いられ、希釈試料の一部は、希釈試料の微粒子物質の質量を分析するための微粒子分析装置に提供される。発生ガス中の内容物である微粒子物質の質量は、希釈試料中の微粒子物質と希釈試料の流速、発生ガスの流速とから測定される、少なくとも前記一つの微粒子分析装置は、光分散法及び／または電荷蓄積法による。また、少なくとも前記一つの微粒子分析装置は、希釈試料の流路中で、基板上で捕捉された微粒子物質の質量を測定するものでも構わない。前記基板は、希釈試料から収集された微粒子物質の質量に関係した周波数や振幅で振動させることができる。

また、この希釈方法は、内燃機関の排ガスのような排ガス中の微粒子物質の測定に用いられる。試料採取は、比例サンプリングあるいは固定希釈サンプリングであって構わない。

この発明のこれら及び他の目的、利点、特徴は、図面に関連して説明する以下の明細書から明白になる。

本願発明は、本願の要求に基づいて、優れた正確性が可能で、非常に迅速な希釈流れ制御システムを提供するものであることを理解できる。オリフィス流量均衡システムは、希釈空気流速とフィルタ流れの自動較正あるいは自動バランスとして用いられる。

以下に叙述する図示して説明する実施形態に基づいて、本願発明を具体的に説明する。内燃機関の排ガス中の微粒子物質の質量を測定するためのエンジン排ガス分析装置10は、排気管14からの排気ガスを試料採取するための採取用プローブ12と、排ガスの流速を測定する流量計16とを含んでいる（図１及び図２参照）。分析装置10は、さらに、前記採取用プローブ12からの排ガスを流量制御装置20から供給される希釈ガスと混合させる混合チャンバー18を含んでいる。例えば、所定時間に排出された微粒子分析のための微粒子分析装置22は、一定流速を発生させる混合チャンバー18の排出管24からの希釈試料の少なくとも一部を引き出す。第２微粒子分析装置28もまた、排出管24からの微粒子物質を分析するために提供させるものであっても構わない。すなわち、単一の微粒子分析装置であっても、二つ以上の微粒子分析装置であっても構わないことが理解できる。説明する実施形態においては、流量計16は、ミシガン州アンアーバー(Ann Arbor)にあるセンサー社（Sensors，Inc.）より市販され、入手可能なEFM排ガス流量計を用いている。分析装置10は、エルボ管13などによって、混合チャンバー18とプローブ12との接続が一致するようにしてある。これは、プローブ12とチャンバー18との間の加熱部にとって必要となる選別である。

処理装置26は、流量計16から排ガスの流速を検出し、流量制御装置20から供給される、例えば空気などによる希釈ガスの流速を制御する。流量制御装置20は、ソレノイド弁30により構成される少なくとも一つの並列体から構成されている（図３及び図４参照）。ソレノイド弁30のそれぞれは、流れ規制を定めている。ソレノイド弁30のそれぞれは、ソレノイドアクチュエータ32とそれぞれに関連づけられた流量オリフィス34とを備えている。流量オリフィスのそれぞれは、臨界流量オリフィスや非臨界流量オリフィス、ニードル弁などの操作による流量規制を行う。流量オリフィスのうちの少なくともいずれかは、他の流量オリフィスと異なるものとされており、この実施形態では、流量オリフィス34のいずれも他の流量オリフィスとは異なるものとしてある。個々のアクチュエータ32が処理装置26により作動させられる際には、圧縮空気マニフォールド36からの希釈ガスが、一またはそれ以上の並列させた流量オリフィス34を通って、流量が制御されて生産された希釈ガスが供給される。この実施形態においては、流量制御装置20は、第１希釈流量制御装置20aと第２希釈流量制御装置20bとにより構成されている。第１希釈流量制御装置20aの出口は、第１希釈試料出力21aに集められる。第２希釈流量制御装置20bの出口は、第２希釈試料出力21bに集められる。出力21a、21bは混合チャンバー18に供給されている。それぞれの制御装置20a、20bは、処理装置26の制御装置と電気的に接続するための一つまたはそれ以上の電気コネクタ38を備えている。

希釈流は、一対のマルチビット並列ソレノイド列を用いた流量制御装置20により制御される。それぞれの列は、複数のソレノイド弁30により構成され、それぞれは、臨界流量オリフィス34（あるいは臨界調節ニードル弁）に連繋されて、精密で繰り返し可能な特徴を有する流れが提供されている。このシステムは、凡そ50msから100msで希釈流量が調整されて提供されることにより、10−20Hzで操作されるものとされている。なお、より遅くあるいはより早く制御することは可能である。排ガス流量計16によるフィードバックループは、比例サンプリングの要件と一致するものとなる。流量計16に代わる手段として、例えば燃料流量信号や燃焼用空気流量信号のように、その他同等のものを、排ガス流量に対して比例する入力信号を用いることができる。

仕様では、フィルタ表面温度を満たすのに必要である最小の希釈比が、10：１であり、フィルタ流速が1分あたり30リットル(LPM)、以下のエラー解析を行うこと、最も大きい誤りソースに基づいて、すなわち、サンプル流動であるという前提で、システム(理論上の性能)を検証する。ターンダウン・レシオが10：１の場合の性能において、許容できる誤り限界の中でサンプル流動（３/10LPM＝０.１３０LPM）を達成することができる。12ビットシステムについての表１に示されるように、この流量は、大凡１％以内で確実に設定することができる。同様に、９と10ビットシステムでは、それぞれおよそ10％と３％でエラーとなる。

前記ビットの一部は、第１希釈流量制御装置20aに含まれると共に、一部は、第２希釈流量制御装置20bに含まれる。第１希釈流量制御装置20aは、排ガス流量の信頼性の高い割合を得るために、正規の希釈量が提供されて制御される。このことは、混合チャンバー18内のベンチュリ40により達成される。この実施形態においては、ベンチュリ40は薄層流用キャピラリ42と、第２移送用キャピラリ44、流量規制部46とを備えている。処理装置26が排ガス流速の変更を決定する場合には、処理装置26は第１希釈流量制御装置20aにおけるソレノイド弁30のうちの特定のものを選択する。これは、ベンチュリ40の真空の変化を引き起こす第１希釈試料出力21aにおける希釈空気の流量を変更する。内燃機関からの排ガス流量の変化に関連した、プローブ12からの試料流速における変化についてのこの結果は、特定の希釈割合を補正する。第２希釈流量制御装置20bは、混合チャンバー18からの試料の総流速をほぼ一定の流速に維持するために、希釈ガスの調整流量を供給する。処理装置26が排ガス流速における変更を決定する場合には、排出管24における流速を特定レベルにもたらすために必要となる希釈空気の追加流量を決定する。

エンジン排ガス分析装置10の操作は、与えられた採取周期で微粒子試料を取得して、試料の質量を測定することを含んでいる。流量制御装置20が、一般的な一定流速における、一般的な一定の採取割合、あるいは希釈割合を維持できるので、使用される希釈空気の総計の計算を考慮する必要はない。この実施形態における混合チャンバー18は、試料流速を直接測定するために、例えば内部流量計のような流量計（図示せず）を備えている。混合チャンバー18に連繋している流量計は、当該時を代表する試料流速を処理装置26への入力を提供する。処理装置26は、この試料流速信号に基づいて、システムの性能を監視するもので、この試料流速信号は流量制御装置20には用いられない。

それぞれの「ビット」コントロールに使用される臨界オリフィスの寸法は、さまざまな流速のために以下で例証される（10ビットシステムを例示してある。）。なお、他の値が使用されるものでも構わない。例えば、30LPMのフィルタ流速による12ビットシステムに関しては、最も最少のオリフィス径は、28um（70cc／min）である。オリフィス径を小さくする場合に応用するものとして、例えば、臨界流量ニードル弁等で置換しても構わない。

機械加工されたオリフィスでは精度誤差があるので、計算に要求される正確な流速を提供するために、このシステムでは、操作上の全範囲にわたって、測定基準目盛りとなる較正流量計27等を用いて、補正しても構わない。このような構成の下では、それぞれのオリフィスの流量特性は、実際の流速とビットコントロール数である二成分の列との相関を示す表２による生成され、測定されて用いられる。この較正は、参照流量計として適宜な測定範囲を備えたフィルタマス流量計によるサンプルの流速を測定してチェックされる。

図示した実施形態における微粒子分析装置22は、微粒子分析技術として知られて実用的に利用されているものである。例えば、微粒子分析装置は、排ガス中に設置されて微粒物質を捕捉するための微粒子フィルタのような微粒物質により電荷を発生する原理や光分散法の如く、種々の技術分野に用いられている。図示した実施形態における微粒子分析装置28は比重計であり、微粒子分析に必要な流れの総量を制御して抜き取るための質量コントローラ29として用いられている。あるいは、他に周知の微粒子分析装置を使用するものであっても構わない。

詳述した実施形態に対する変更や改変は、付随する請求の範囲内において制限れ、特許法の原則に従って解釈される均等の範囲を含む本願発明の原理から逸脱することなく可能である。

この発明に係る収集排気ガス分析のための希釈流量制御システムとその方法によれば、内燃機関等から放出される排ガスの分析の円滑化に寄与する。

この発明に基づくエンジン排ガス分析装置の側面図である。 図１に示す排ガス分析装置のブロック図である。 この発明に基づく流量制御装置の操作を説明する概略図である。 図３の流量制御装置のブロック図である。 上述の操作を説明するための混合チャンバーの概略図である。

符号の説明

10 排ガス分析装置
12 採取用プローブ
16 排ガス流量計
18 混合チャンバー
20 流量制御装置
20a 第１希釈流量制御装置
20b 第２希釈流量制御装置
21a 第１希釈試料出力
21b 第２希釈試料出力
22 微粒子分析装置
26 処理装置
27 較正流量計
28 第２微粒子分析装置
29 質量コントローラ
30 ソレノイド弁
34 オリフィス
42 薄層流用キャピラリ
44 第２移送用キャピラリ
46 流量規制部

Claims (28)

1. 収集排気ガス分析のための希釈流量制御システムにおいて、
   発生ガスの流速を指示するパラメーターを測定するのに適応した流量計と、
   希釈試料を生成することになる、希釈ガスと発生ガスの一部とを混合するのに適応した混合チャンバーと、
   発生ガスの一部の流速を少なくとも部分的に制御するのに適応させるために、流れ規制を定める並列させた第１段ソレノイド弁列からなる第１流量制御装置と、
   前記発生ガスの流速に関連して、前記第１段ソレノイド弁列に含まれるソレノイド弁の組み合わせ作用による発生ガスの試料採取割合を制御するために、前記流量計の出力に応答する処理装置と、
   を有する発生源から放出される発生ガスの採取試料の希釈装置を具備した収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
2. 請求項１に記載した前記希釈装置には、
   希釈試料の流速を少なくとも部分的に制御するのに適応し、流れ規制を定める並列させた第２段ソレノイド弁列からなる第２流量制御装置を含み、前記処理装置で、発生ガスの流速に関連して、前記第２段ソレノイド弁列に含まれる前記ソレノイド弁の組み合わせ作用により、少なくとも部分的に、前記混合チャンバーから排出された希釈試料の流速を制御することを特徴とする収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
3. 前記処理装置は、前記混合チャンバーからの希釈試料の流速を、常時一定流速に制御することを特徴とする請求項２に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
4. 前記流れ規制は、流体オリフィスにより定められることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
5. 前記流れ規制は、臨界流量オリフィスにより定められることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
6. 前記流れ規制は、ニードル弁により定められることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
7. 前記ソレノイド弁の少なくともいくつかは、他のソレノイド弁と異なる流れ規制を行うことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
8. 前記混合チャンバーは、試料ガスの一部を周辺空気による希釈ガスと混合させるのに適応することを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
9. 微粒子物質の試料を希釈するのに適応した微粒子分析装置を少なくとも一つを含んでいることを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
10. 前記少なくとも一つの微粒子分析装置は、希釈試料として提供された微粒子物質を捕捉し、捕捉した微粒子物質を供するための微粒子フィルタを有することを特徴とする請求項９に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
11. 前記微粒子フィルタは、該微粒子フィルタにより捕捉された微粒子物質の質量の決定について、重量を測定することに適応したものであることを特徴とする請求項１０に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
12. 前記第２流量制御制御装置で生成された希釈試料の流速に、前記第１流量制御装置の空気流を均衡させることに適応させるための較正流量計を備えていることを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
13. 排ガス発生装置から発生するガスに適応させたことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
14. 前記排ガス発生装置が内燃機関であり、排ガスがエンジン排ガスであることを特徴とする請求項１３に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
15. 前記希釈装置の流速を制御する前記処理装置は、比例サンプリング制御と固定希釈サンプリング制御とから適宜に選択されたものであることを特徴とする請求項１から請求項１４までのいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御システム。
16. 収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法において、
    発生ガスの一部を発生ガス試料として収集し、
    発生ガスの流速を指示するパラメーターを測定し、
    流速を持った希釈ガスを供給し、
    発生ガスと希釈ガスとを混合させて、希釈試料を生成し、
    流れ規制を定める並列させた第１段ソレノイド弁列により、発生ガスの一部の流速を少なくとも部分的に適宜に制御し、
    前記発生ガスの試料採取割合を、前記発生ガスの流速に関連して、前記第１段ソレノイド弁列に含まれるソレノイド弁の組み合わせ作用により制御することを特徴とする収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
17. それぞれが流れを規制されている第２ソレノイド弁列で採取された希釈試料の流速を制御すると共に、発生ガスの流速に関連して、前記第２段ソレノイド弁列に含まれる前記ソレノイド弁の組み合わせ作用により、希釈試料の流速を制御することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
18. 希釈試料の流速を、常時一定流速に制御することを特徴とする請求項１７に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
19. 希釈試料の少なくとも一部を供給して、該希釈試料の微粒子物質の質量を分析する少なくとも一つの微粒子分析装置を備えていることを特徴とする請求項１６から請求項１８までのいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
20. 前記希釈試料の微粒物質の質量から発生ガス中に存する微粒子物質の含有量と、希釈試料の流速、発生ガスの流速とを計算することを特徴とする請求項１９に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
21. 少なくとも一つの前記微粒子分析装置は、光分散法によるものであることを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
22. 少なくとも一つの前記微粒子分析装置は、電荷蓄積法によるものであることを特徴とする請求項１９または請求項２０に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
23. 少なくとも一つの前記微粒子分析装置は、希釈試料の流れの中の基板に堆積して捕捉された微粒子物質の質量を測定することを特徴とする請求項２２に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
24. 前記基板は、希釈試料から収集された微粒子物質の質量に関連した周波数で振動することを特徴とする請求項２３に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
25. 前記基板は、前記希釈試料の微粒子物質の質量に関連した振幅で振動することを特徴とする請求項２３に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
26. 排気中の微粒子物質を測定することを特徴とする請求項１６から請求項２５までのいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
27. 内燃機関の排気中の微粒物質を測定することを特徴とする請求項２６に記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。
28. 前記試料採取は、比例サンプリングまたは固定希釈サンプリングのいずれかであることを特徴とする請求項１６から請求項２７のいずれかに記載の収集排気ガス分析のための希釈流量制御方法。

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