JP2011220847A - 排気微粒子濃度の光学的測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 煤煙微粒子の低濃度領域における簡便な測定装置を提供し、この装置による測定値について信頼性のある校正手法を確立し、利用すること。
【解決手段】 エンジンなど燃焼装置２０の排出ガスにレーザのようなコーヒレンスの優れた光ビームを照射し、その光源装置５と、光ビームの透過光とその散乱光とをそれぞれ検出する受光装置８、９を備えて、排出ガス中の微粒子濃度を透過光の減衰と散乱光の強度を同時または時間差をもって測定することによって、微粒子濃度を広い範囲に亙って測定する。
【選択図】図１

Description

本発明はディーゼルエンジンなど燃焼機関の排気ガスの排気微粒子濃度の測定に関するもので、最近のディーゼル車排気のように高度な排気浄化装置を装着した極めて低い微粒子濃度の測定を簡便に行うことができる装置であって、レーザなどを用いた光学的な微粒子計測の技術分野に係わる。

炭素質を含むディーゼル排気微粒子の濃度測定にレーザが利用されるようになり、優れたコ−ヒレントな光学的測定が可能になって、微粒子による光散乱強度の測定が極めて低濃度な領域まで実用化されつつある。一方、微粒子による透過光減衰率の測定はレーザの利用で広く普及する可能性が高まってきた。ディーゼル排気の微粒子濃度はＤＰＦ装置の適用などから格段に低下してきており、光学的な測定においても従来の測定技術では測定光路長を長くする必要が生じるなど問題点が起きた。光散乱を利用する微粒子測定では高感度な測定が可能な反面、低濃度領域で校正の基準とする標準微粒子の発生装置と一定な微粒子濃度の維持が容易でないなどの難点があった。

特開２０１０−２５８８６

「レーザ光減衰法によるディーゼル微粒子フィルタ補集効率の実時間測定」（社団法人自動車技術会論文集Vol.37, No.4） 「light scattering technique for estimating soot mass loading in diesel particulate filters」(International Journal of Engine Research Vol.10, No.5)

燃焼機関などの排気ガスには炭素質微粒子が含まれ、普通にはある光路長の管路における排気微粒子による光ビームの減衰率を測定することにより、微粒子の濃度を簡便に算出することができる。しかし、微粒子濃度が環境対応技術の進歩により低濃度になると、光ビーム減衰法では測定光路を長くする必要が生じ、また光源の極めて高度な安定化を図る要求が高まり、装置の大型化やコスト上昇が大きな難点になってきた。

一方、レーザビームの照射においてある特定角についての光散乱による微粒子濃度の測定は光路長の制約がなく、低濃度な微粒子に対しても高い感度を有している。しかし、低濃度領域では標準微粒子による校正は容易でない。簡便な低濃度微粒子の発生と標準とすべき校正手法はまだ確立されていない。
煤煙微粒子の低濃度領域における簡便な測定装置を提供し、この装置による測定値について信頼性のある校正手法を確立し、利用することが課題である。

測定排気試料の管路に調整されたレーザビームを入射する光源装置を配置し、適切な距離を隔てて入射光路軸に減衰光の検出器を設置するとともに、同じ入射レーザビームを利用して、管路のある位置において微粒子による散乱光強度を測定するために入射光路軸とある特定の角度を有する1組以上の散乱光路軸に沿って散乱光の検出器を備える。

減衰光の検出器はその測定光路長において、例えば微粒子濃度０．１〜１００ｍｇ／ｍ^３の範囲において安定した適正な検出が可能な条件に調整をしておく。散乱光強度の検出器は例えば微粒子濃度１μｇ／ｍ^３以上の範囲が検出できる感度に設定しておく。

測定管路に試料ガスとして例えば微粒子濃度１〜１０ｍｇ／ｍ^３の排気ガスを導入して、減衰光と散乱光を同時に測定する。このとき減衰光による検出器の測定値が十分に安定した条件に達してから、散乱光側の検出器を調整して減衰光側の測定値に合わせて一点の校正を行い、必要に応じて複数点での校正を行いより蓋然性の高い校正とする。この校正は排気微粒子の実際の測定中においても、別な微粒子を含む気流を用いても実施できる。

本発明では散乱光による測定は例えば１μｇ／ｍ^３〜１０ｍｇ／ｍ^３、減衰光による測定は１ｍｇ／ｍ^３〜１００ｍｇ／ｍ^３とするとき、１〜１０ｍｇ／ｍ^３の濃度範囲では測定値が重なる。この範囲では必応じて自動的に校正が繰り返されるものとして減衰光による測定値を基準として散乱光側をこれに合わせるように計算処理する。

本測定システムでは排気微粒子の濃度を散乱光方式で１〜１０００μｇ／ｍ^３、減衰光方式で１〜１００ｍｇ／ｍ^３の範囲測定することができる。総合して１〜１０００００μｇ／ｍ^３と極めて広いレンジの微粒子濃度の測定が可能となった。さらに、散乱光方式の測定器について極めて簡便に校正することが可能になった。

本発明による煤煙微粒子濃度の光学的測定装置の実施例を示す概要図

図１に本発明によるエンジン排気の微粒子濃度の光学的測定装置の構成図を示す図においてエンジン２０からの排気は排気管２１を経由して煤煙微粒子を含んで外部に排出されるが、その−部試料が排気系から分流され、加熱サンプリングプロープ６を経由して温度調整された測定管４に導入される。測定管４は露点以上の一定温度に保たれ、光源５から窓７を経由した入射光２を受け、測定光路長Ｌの間に微粒子による光の減衰を生じて減衰光２´となる。さらに、測定管内のある一点において入射レーザビーム２の微粒子による散乱光３をある特定の角度θについて分岐する。試料ガスは測定管４からポンプ１２で吸
引され測定系外に排出される。

減衰光２´は窓７´を経由し減衰光検出器８により測定される。光の減衰比率すなわち透過率τと微粒子濃度Ｃｍとの関係は次式で表される。
Ｃｍ＝lｎ（τ）／（Ｌ・σ）
Ｃｍ：微粒子濃度
τ：光の透過率
Ｌ：光路長
σ：比減衰係数
Ｌは測定管路４の光路長で一定と見なされる。σは微粒子の性状に関係するために、予め
実験により求めて、演算器１０の内部メモリに保存しておく。

他方、散乱光３は入射光２が測定管路の一点において微粒子により一部ある角度θに散乱
するもので、一定の微小立体角度内の散乱光３は窓７´´を通して検出器９により測定される。散乱光の強度は微粒子濃度に比例する。
Ｃｍ＝Ａ×Ｉｓ
と記述できる。
Ｃｍ：微粒子濃度
Ａ：比例係数
Ｉｓ：散乱光強度
この散乱光強度は窓７´´を経由して散乱光検出器９により測定される。

散乱光３は微粒子濃度が高くなると、検出器９の出力信号が飽和に近づき測定困難になる。
一方減衰光２´は微粒子濃度が低くなると光減衰量が小さくなり、減衰光検出器８による信号検
出が困難になる。本装置では検出器８と検出器９の出力を演算器１０に入れて、例えば微
粒子濃度が１〜１０００μｇ／ｍ^３では散乱光検出器９の信号を優先的に表示器１１の信号とし、微粒子濃度が１〜１００ｍｇ／ｍ^３では減衰光検出器８の信号を優先的に表示器１１の信号とする。こうして１μｇ／ｍ^３〜１００ｍｇ／ｍ^３の広い濃度範囲に亘って正確な測定が可能となる。

本発明による排気微粒子濃度の光学的測定装置では微粒子濃度の測定範囲が５桁以上と広いことから、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなど内燃機関に限らず、あらゆる燃焼装置の排気ガスの微粒子濃度の測定に利用できる。とくにバイオマスを含む新燃料、再生可能燃料を利用する全ての機関に適用して環境対策に活用することが期待される。

１排気微粒子濃度の光学的測定装置
２入射光
２´ 減衰光ｍ
３散乱光
４測定管
５光源
６加熱サンプリングプロープ
７窓（入射光）
７´ 窓（減衰光）
７´´ 窓（散乱光）
８減衰光検出器
９散乱光検出器
１０演算器
１１表示器
１２ポンプ
２０エンジン
２１排気管

Claims (3)

1. エンジンなど燃焼装置の排出ガスにレーザのようなコーヒレンスの優れた光ビームを照射し、その光源装置と、光ビームの透過光を検出する透過光受光装置と前記光ビームの散乱光を検出する散乱光受光装置とを備えて、排出ガス中の微粒子濃度を透過光の減衰と散乱光の強度を同時または時間差をもって測定することによって、微粒子濃度を広い範囲に亙って測定する排気微粒子濃度の光学的測定装置。
2. 請求項１の排気微粒子濃度の光学的測定装置において、透過光は照射された光路の微粒子濃度と光路長に応じて減衰され、散乱光は照射された微粒子による特定の位置と角度において濃度に応じた強度を有するが、同時測定が可能であり同一微粒子濃度条件と同一光路におよび角度における透過光の減衰率と散乱光の強度の比較により相互の校正を可能にした排気微粒子濃度の光学的測定装置。
3. 請求項２の校正において、微粒子濃度が高濃度条件になり透過光の減衰率が十分に高くなり微粒子濃度の絶対値が信頼性のある条件に達した状態において散乱光強度を校正して、比較的低濃度条件での測定について散乱光測定の感度を設定することを特徴とし、測定微粒子濃度範囲を校正濃度の１／１０００以下まで拡大して、同一測定管路において減衰光と散乱光を併せて用いて総合して１：１０００００以上の広い微粒子濃度範囲の正確な測定を可能とした排気微粒子濃度の光学的測定装置。

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