JP2009510448A - エンジン排気希釈用サンプラ - Google Patents

Abstract

分流試料採取システムは、試料入口プローブ兼移送ラインから排気試料流を受けるためのシステム入口を含む。システムは、希釈空気流量を制御するための希釈空気制御システムと、混合器とを更に含む。混合器は、排気試料流と希釈空気流とを受けてこれらを混合し、混合気の流れを生成する。全流量制御システムは混合気流量を制御する。システム入口に据付けられたオリフィス流量計は、排気試料流量を即時に測定し、広い範囲の希釈率及び試料率にわたって正確な試料流測定を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、生のエンジン排気又は車両排気から、あるいは一次希釈システムから試料を採取するためのサンプラに関する。

米国環境保護庁（ＥＰＡ）は、エンジンにより排出される粒子状物質（ＰＭ）を、高くて５２℃のフィルタ温度により希釈された排気の濾過によって捕集される物質として規定している。この基準を満たすために、数多くの希釈システムが開発されてきた。

定容量試料採取装置（ＣＶＳ）は全量希釈トンネルである。ＣＶＳは全エンジン排気を取り込み、排気を比例的に希釈する。ＣＶＳにおける希釈処理は明快であり、気体測定及びＰＭ測定にとって非常に正確である。ところが、ＣＶＳは高価であり、寸法が大きく、持ち運びができない。その上、特別な範囲のエンジン寸法には、特定のＣＶＳしか使用することができない。

エンジン排気を希釈する別の手法が、分流試料採取システムにより実現される。分流試料採取システムは、エンジン排気からの僅かな流れを取り込む。ＣＶＳと比較すると、分流試料採取システムは、例えば、比較的安価であり、寸法が小さめであり、その上、任意の寸法のエンジンにとって使用可能である等の利点を有する。希釈処理の性質に起因して、過渡試験状態の間の比例制御用に、複雑な制御システムを統合しなければならない。過渡試験状態の間の希釈制御用には、付加的な情報、例えば即時エンジン排気流量を提供する必要がある。

従来の分流試料採取システムは、希釈空気流及び全流量を制御する。全流れは、希釈空気流と試料流との混合気として規定されている。全流量と希釈空気流量との差は試料流量である。次式は、時間ｔ_ｉでの試料流量、希釈率、及び試料率を規定する。

ここで、Ｑ_{ｓａｍｐｌｅ＿ｉ}は、標準状態又は基準状態での分流試料採取システムへの試料流量、Ｑ_{ｔｏｔａｌ＿ｉ}は、標準状態又は基準状態での全流量、Ｑ_{ｄｉｌｕｔｉｏｎａｉｒ＿ｉ}は、標準状態又は基準状態での希釈空気流量、Ｄｒ_ｉは希釈率、及びｒ_ｉは試料率である。

分流試料採取システムにおいて、試料率ｒ及び全流量Ｑ_{ｔｏｔａｌ}が一定の場合、分流試料採取システムは、比例制御で作動することにより定容量試料採取装置（ＣＶＳ）のシミュレーションを行う。この状況において、排気流量が多くなれば、取り込まれる試料流量は多くなり、排気流量が少なくなれば、取り込まれる試料流量は少なくなる。同様に、分流試料採取システムが一定の排気流量を取り込み、全流量が一定のままであるとき、システムは一定の希釈率で作動させることができる。

従来の分流試料採取システムでは、全流量と希釈空気流量との差から試料流量が得られる。従って、試料流量が少ないとき、換言すれば、希釈率が高いか、又は試料率が低いとき、試料流量の著しい誤差が生じ得る。このように、全流量及び希釈空気流量の誤差が小さくても、試料流量の誤差が大きくなり得る。結果として、高希釈率又は低試料率下で希釈システムが起動するとき、希釈率又は試料率の精度が低下する。希釈率又は試料率に対する制御がふらつく。このことは、最終的にはＰＭ測定の精度に影響する。

上で検討したように、試料流量（Ｑ_{ｓａｍｐｌｅ＿ｉ}）の精度は、希釈率及び試料率の精度に強く影響する。結果として、ＰＭ数及び質量測定が影響を受ける。従来の分流試料採取システムの動作原理に基づけば、従来の分流試料採取システムは、或る条件下では試料流量に関する著しい誤差を回避することができない。

前述の理由から、広い範囲の希釈率及び試料率にわたって正確な試料流量測定を提供し、これによって、ＰＭ数及び質量測定の結果をより正確にするエンジン排気希釈用サンプラの必要性がある。

広い範囲の希釈率及び試料率にわたって正確な試料流量測定を提供する、改良されたエンジン排気希釈用サンプラを提供することが本発明の目的である。

改良された本発明のシステムは、数及び質量に基づくエンジン排気ＰＭ測定用に、正確な希釈を提供する。好適な実施において、前記サンプラは、任意の寸法のエンジン又は車両上で使用することができ、定常試験及び過渡試験に適している。更に、改良された本発明の分流試料採取システムは、全量希釈システムと比較すれば比較的安価であり、かつ可搬式とすることができる。

本発明を実行する際、エンジン排気希釈用サンプラが提供される。前記サンプラは、希釈空気制御システムと、全流量制御システムと、混合器と、オリフィス流量計と、試料入口プローブと、移送ラインとを含む。前記オリフィス流量計は、前記サンプラの前記入口に据付けられて、試料流量を即時に測定する。結果として、より正確な試料流測定を得ることができる。前記オリフィス流量計は、エンジン排気粒子に対して高い通過率を有する結果、前記オリフィス流量計にわたる前記粒子損失が無視できるのが好ましい。

より詳しいレベルでは、本発明は、前記システムにＰＩＤ制御ループを一体化することを包含する。前記ＰＩＤ制御ループを活用する本発明の実施形態において、一定又は可変の希釈率と試料率とを得ることができる。これらの実施では、前記ＰＩＤループが希釈率又は試料率を制御する結果、前記希釈率又は試料率は、前記希釈空気流量を調整することにより、所望の値／基準値を追跡する。

本発明によれば、前記サンプラは、試料を粒子計測器及び／又はフィルタ測定用に提供することができる。必要に応じて、前記サンプラは、試料を粒子計測器及びフィルタ測定用に同時に提供することができる。

本発明の実施形態に関連する利点は多数ある。例えば、前記試料流量が、前記オリフィス流量計により即時に測定されるので、広い範囲の希釈率及び試料率にわたって正確な希釈率及び試料率が利用可能となる。結果として、質量及び数に基づくＰＭ結果は、従来の分流試料採取システムにおけるＰＭ結果よりも正確となる。

図１に、サンプラを全体として１０で示す。サンプラ１０は、オリフィス流量計１２、希釈空気制御システム１４、全流量制御システム１６、及び混合器１８を含む。サンプラ１０は更に、試料フィルタ２０とこれに関連する弁２４、ならびに、バイパスフィルタ２２とこれに関連する弁２６を含む。好適な本実施形態において、サンプラ１０は更に、比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御器３０を含む。加算器３２がその正入力にて基準信号３４を受信し、その負入力にてオリフィス流量計１２からフィードバック信号３６を受信する。誤差信号３８がＰＩＤ制御器３０により処理され、信号４０が生成され、信号４０は希釈空気制御システム１４を駆動する。

引き続き図１を参照すると、試料は、試料プローブ兼移送ライン５０を通ってサンプラ１０へと流れ込む。オリフィス流量計１２において試料流の流量が測定される。試料流は、混合器１８内で希釈空気と混合する。混合器１８は、トンネル又はサイクロン、あるいはその他の混合装置とすることができる。試料は混合器１８内で、実質的な粒子損失なしに希釈空気と均一に混合する。

好適な本実施形態において、希釈空気は、空気流量制御器、又はその他の流量制御装置により制御される。粒子計測器とフィルタ測定とが同時に作動する場合、粒子計測器内へはほんの僅かの流れがポート５２を通って移動する。混合気のほとんどは、試料フィルタ２０又はバイパスフィルタ２２のいずれかを通って流れる。サンプラ１０内に一体化されているバイパスフィルタ２２の目的は、ＰＭ用のフィルタ測定が開始しないか、又は要求されないときに、サンプラ１０を起動できるようにすることである。結果として、全流量制御システム１６はエンジン排気ＰＭから保護され、試料フィルタ２０を切り替える前に、システム内の圧力を均衡させることができる。

試料フィルタ２０又はバイパスフィルタ２２に関して、エンジン排気ＰＭがフィルタ上に捕集される。試料フィルタ２０又はバイパスフィルタ２２は、フィルタの下流にある関連する弁２４、２６を開放することにより選択することができる。より詳細には、試料フィルタ２０は、試料フィルタ２０の下流にある弁２４が開いており、バイパスフィルタ２２の下流にある弁２６が閉じているときに選択される。バイパスフィルタ２２は反対のやり方で選択することができる。弁は、手動又は自動的に制御することができる。最終的に、流れは全流量制御システム１６内へ移動する。全流量が、質量流制御器、臨界オリフィス、又はその他の流量制御装置のいずれかにより制御され、全流れは希釈空気と試料流との混合気である。

本発明の好適な本実施形態によれば、サンプラ１０は３つのモード下で作動させることができる。第１モードでは、粒子計測器のみが起動しており、全流量がバイパスフィルタ２２を通って移動する。第２モードでは、フィルタ測定のみが起動しており、全流量がバイパスフィルタ２２を通って移動した後に、ＰＭ用のフィルタ測定が開始する。ＰＭ用のフィルタ測定が開始すると、全流量が試料フィルタ２０を通って移動する。この第２モードにおいては、粒子計測器への流れはない。第３モードでは、粒子計測器とフィルタ測定の両方が同時に起動している。この第３モードにおいては、全流量がバイパスフィルタ２２を通って移動した後に、ＰＭ用のフィルタ測定が開始する。ＰＭ用のフィルタ測定が開始すると、全流量が試料フィルタ２０を通って移動する。この第３モードでは、粒子計測器への流れがある。

ＰＩＤループは、希釈率又は試料率を制御し、所望の値を追跡する。オリフィス流量計１２からの試料流信号３６と基準信号３４とを加算器３２内で比較することにより希釈空気流量が調整され、全流量は一定のままで所望の希釈率又は試料率が得られる。次は、サンプラ上で時間ｔ₁での希釈率、試料率、試料時間ｔにおける全試料流量の計算を表す。

ここで、Ｄｒ_ｉは希釈率、Ｑ_{ｄｉｌｕｔｉｏｎａｉｒ＿ｉ}は、標準状態又は基準状態での希釈空気流量、Ｑ_{Ｍｅａｓｕｒｅｄｓａｍｐｌｅ＿ｉ}は、標準状態又は基準状態でオリフィス流量計により測定される試料流量、Ｑ_{ｅｘｈａｕｓｔ＿ｉ}は、標準状態又は基準状態でのエンジン排気又は車両排気の流量、Ｑ_{ｔｏｔａｌｓａｍｐｌｅ}は、標準状態又は基準状態での試料時間ｔにおける全試料流の容量、Ｎは全試料数、及び、δｔは２つの試料点間の時間間隔である。Ｑ_{ｔｏｔａｌ＿ｉ}は、試料フィルタ２０又はバイパスフィルタ２２を通って移動する全流量であり、全流量制御システム１６により制御される全流量である。Ｑ_{ｐａｒｔｉｃｌｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ＿ｉ}は、粒子計測器への流量である。

全流量、粒子計測器への流量、及び所望の希釈率が既知であれば、方程式１から、所望の試料流量を計算することができる。希釈空気流量を調整することにより、所望の試料流量を達成することができる。結果として、所望の希釈率を得ることができる。希釈率は、一定値又は時変値のいずれかとすることができよう。或る事例において、起動している粒子計測器がない場合には、粒子計測器への流量をゼロにすることができよう。

全流量、粒子計測器への流量、及び所望の試料率が既知であれば、方程式２から、所望の試料流量を計算することができる。希釈空気流量を調整することにより、所望の試料流量を達成することができる。結果として、所望の試料率を得ることができる。試料率は、一定値又は時変値のいずれかとすることができよう。或る事例において、起動している粒子計測器がない場合には、粒子計測器への流量をゼロにすることができよう。

試料率、全流量、及び粒子計測器への流量が一定に保たれると、サンプラ１０は、全量トンネル、例えばＣＶＳの比例制御のシミュレーションを行う。

混合器１８の上流で試料源の近傍に、オリフィス流量計１２が据付けられる。オリフィス流量計１２は試料流量を即時に測定する。オリフィス流量計１２は、例えば、熱電対、オリフィス、差圧変換器、及び絶対圧力変換器等の適切な構成要素を含む。試料流が変化すると、オリフィス上の圧力差も変化する。差圧変換器により圧力低下（圧力差）が測定される。

オリフィス流量計１２のオリフィスを通る流量は、標準状態又は基準状態でのオリフィス上の圧力差の関数として校正される。正確な流量計により校正曲線が生成され、この校正曲線が、校正範囲全体にわたる流量を表現できる多項式又はその他の方程式として表現される。オリフィス上の所与の圧力差にて、その方程式を用いて流量を計算することができる。

作動中、試料流の温度及び圧力は、標準状態又は基準状態でなくてもよい。絶対圧力変換器及び熱電対が、試料流の絶対圧力及び温度をそれぞれ測定する。その後、試料流量を標準状態又は基準状態に修正することができる。修正された試料流量が使用されて、希釈率又は試料率が得られる。

図２〜図４は、オリフィス流量計１２の様々な実施形態を示す。オリフィス流量計にはその他の設計も可能である。サンプラにとって適切なオリフィス流量計というものは、サンプラの用途又は仕様によって決まる。

図２は、流量計本体６２を有するオリフィス流量計６０を示す。オリフィス流量計６０は、オリフィス６４と、差圧変換器６６と、絶対圧力変換器６８と、熱電対７０と、断熱壁又は二重壁の管類７２と、試料入口７４と、試料出口７６とを含む。断熱壁又は二重壁の管類を使用する目的は、オリフィス流量計６０上の熱損失を最小にすることである。オリフィス流量計６０は、或る状況下で断熱壁又は二重壁なしで作製することができる。本実施形態では、オリフィス６４が１つしかなく、差圧変換器６６も１つしかないので、このオリフィス流量計６０は、希釈率のばらつきの小さいサンプラに適している。

図３は、流量計本体８２を有する代替のオリフィス流量計８０を示す。オリフィス流量計８０は、第１差圧変換器８４と、第２差圧変換器８６と、熱電対８８と、オリフィス９０と、絶対圧力変換器９２と、断熱壁又は二重壁の管類９４と、試料入口９６と、試料出口９８とを含む。差圧変換器８４、８６は、異なる範囲を有する。付加的な差圧変換器を含むことも可能である。

各変換器８４、８６について、流量の複数の校正曲線がオリフィス９０上の圧力差の関数として校正される。オリフィス９０上の圧力差及び変換器８４、８６の範囲に基づいて、適切な校正曲線及び圧力変換器が選択される。断熱壁又は二重壁の管類を使用する目的は、オリフィス流量計８０上の熱損失を最小にすることである。オリフィス流量計８０は、或る状況下で断熱壁又は二重壁なしで作製することができる。複数の差圧変換器８４、８６が含まれているので、オリフィス流量計８０は、改良された精度を提供することができる。オリフィス流量計８０は、正確な試料流測定を必要とするサンプラに適している。

図４は、流量計本体１０２を有する別の代替のオリフィス流量計１００を示す。オリフィス流量計１００は、オリフィス１０４、１０６と、ボール弁１０８、１１０と、熱電対１１２、１１４と、圧力変換器１１６と、絶対圧力変換器１１８と、試料入口１２０と、試料出口１２２とを含む。各オリフィス１０４、１０６について、校正曲線を作ることができる。オリフィスは試料流の或る範囲に敏感であることから、試料流量がオリフィスのその範囲を超える場合には流量測定の精度が下がることがある。オリフィス流量計１００では、同一の流量ループ上でボール弁を開放することにより、最良のオリフィスを選択することができよう。開いている間のボール弁内には制限がないことから、ボール弁は粒子損失を引き起こさない。弁は、手動又は自動的に制御することができる。結果として、試料流にとって最も正確な流量測定を広い範囲で得ることができる。このオリフィス流量計１００は、広い範囲の希釈率又は試料率を必要とするサンプラに適している。

本発明の実施形態を示し説明したが、これらの実施形態が本発明の可能な形態を全て示し説明することを意図するものではない。むしろ、本明細書で使用する語は、限定ではなく説明の語であり、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができると了解される。

図１は本発明の好適な実施形態におけるサンプラを示す図である。 図２はオリフィス流量計の第１実施形態を示す図である。 図３はオリフィス流量計の第２実施形態を示す図である。 図４はオリフィス流量計の第３実施形態を示す図である。

Claims (11)

1. 試料入口プローブ兼移送ラインが排気試料流を受ける分流試料採取システムにおいて、前記システムが、
   前記排気試料流を受けるためのシステム入口と、
   希釈空気流量を制御するための希釈空気制御システムと、
   前記排気試料流と前記希釈空気流とを受けてこれらを混合し、混合気の流れを生成する混合器と、
   前記混合気流量を制御するための全流量制御システムと、
   前記システム入口に据付けられて前記排気試料流量を即時に測定し、これによって、広い範囲の希釈率及び試料率にわたって正確な試料流測定を提供するオリフィス流量計と
   を含むシステム。
2. 前記測定された排気試料流量を示す信号を受信し、基準信号を受信する制御ループであって、前記希釈空気制御システムを駆動する信号を生成する制御ループ
   を更に含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記制御ループが比例・積分・微分制御器を含む、請求項２記載のシステム。
4. 前記混合器の後に、粒子計測器へ試料を提供する出口ポート
   を更に含む、請求項１記載のシステム。
5. 前記混合器と前記全流量制御システムとの間にある試料フィルタと、
   前記混合器と前記全流量制御システムとの間にあるバイパスフィルタを更に含み
   前記バイパスフィルタを通る流れが前記試料フィルタを迂回する流れである請求項１記載のシステム。
6. 前記試料フィルタに関連し、前記試料フィルタの下流にある第１弁と、
   前記バイパスフィルタに関連し、前記バイパスフィルタの下流にある第２弁と
   を更に含む、請求項５記載のシステム。
7. 前記オリフィス流量計が、第１オリフィスと、第１差圧変換器と、絶対圧力変換器と、第１熱電対とを含む、請求項１記載のシステム。
8. 前記オリフィス流量計が、第２差圧変換器を更に含む、請求項７記載のシステム。
9. 前記オリフィス流量計が、第２オリフィスと、第２熱電対と、前記第１オリフィスに関連する第１弁と、前記第２オリフィスに関連する第２弁とを更に含む、請求項７記載のシステム。
10. 請求項１記載のシステムを作動させる方法であって、前記方法が、
    所望の希釈率を決定するステップと、
    前記所望の希釈率及び前記測定された排気試料流量に基づき前記希釈空気制御システムを駆動して、システムの希釈率により前記所望の希釈率を追跡するステップと
    を含む方法。
11. 請求項１記載のシステムを作動させる方法であって、前記方法が、
    所望の試料率を決定するステップと、
    前記所望の試料率及び前記測定された排気試料流量に基づき前記希釈空気制御システムを駆動して、システムの試料率により前記所望の試料率を追跡するステップと
    を含む方法。

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