JP2015081895A - Ｐｍ発生方法及びｐｍ発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス浄化装置へ供給する評価用の排気ガスであって、特に小さな粒径に１つのピークがある粒径分布を有するＰＭが含まれる排気ガスを、製造し供給するために好適な手段を提供すること。
【解決手段】燃焼用空気の中に、メタンの含有量を９０体積％以上とする燃焼ガスを、空気過剰率λを特定して、連続して供給し、着火し、燃焼させた後に、冷却して、ガスＡの中に、特定の粒径分布からなるパティキュレートマター（ＰＭ）を発生させるＰＭ発生方法の提供による。
【選択図】なし

Description

本発明は、ＤＰＦや触媒等を備えた排気ガス浄化装置を評価するために、ガス中にパティキュレートマター（ＰＭ）を発生させる手段に関する。

各種の内燃機関等から排出される排気ガス中の微粒子や有害物質は、人体、環境への影響が大きく、これらの大気への放出を防止する必要性が高まっている。特にディーゼルエンジンから排出される粒子状物質（Particulate Matter（ＰＭ））や窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）等は影響が甚大であり、それらにかかる規制は世界的に強化されている。

このような状況の下、ＰＭを除去するためのフィルタ（Particulate Filter（ＰＦ））やＮＯ_Ｘを窒素と水に還元するため等に有用な触媒を備えた排気ガス浄化装置の研究・開発が進められ、現在では、高性能な浄化装置が市場に提供されるようになっている。尚、ＰＦには、ディーゼルエンジン用のＤＰＦ、ガソリンエンジン用のＧＰＦがある。

ところが、その排気ガス浄化装置を試験し、性能や耐久性を正確に高い精度で評価する手段は提案されていない、というのが現状である。又、このような技術に関連する先行文献も多くはない。

このような現状を打破すべく、先に、本願出願人は、特許文献１〜５にかかる技術を開発し、これを開示している。これらにより、排気ガス浄化装置を評価するために、実際のエンジン等から排出される排気ガスを十分に模擬した排気ガスを、安定的に供給することが可能になっている。尚、他の先行技術文献として、特許文献６、非特許文献１を挙げることが出来る。

特開２００７−１５５７１２号公報 特開２００７−１５５７０８号公報 特開２０１０−２２３８７７号公報 特開２０１１−１９６９０９号公報 特開２０１２−１１７５２０号公報 特開２００５−２１４７４２号公報

ETH Conference on Nanoparticle Measurement 18-20 August 2003, CAST SOOT GENERATOR FOR LIQUID FUEL, L. JING

しかし、実際の排気ガスには、それを排出するエンジン等の条件によって、ＰＭが特有な粒径分布を形成するものがある。そのため、あるエンジンの排気ガスに対する排気ガス浄化装置の性能や耐久性を、試験し、正確に高い精度で評価するために、ＰＭが所望の粒径分布を有する排気ガスを供給することが、必要な場合がある。

例えば、あるディーゼルエンジンや、ある直噴ガソリンエンジンでは、排出されるガス中のＰＭの粒径分布において、２０ｎｍ程度の小さな粒径に１つのピークがあることがわかってきている。これは、特許文献３の図７に開示された、８０〜９０ｎｍあたりに１つのピークがある粒径分布とは、大きく異なる。又、特許文献５の図９ｊでは、小さな粒径にピークを形成させているが、ダブルピークであり、８０〜９０ｎｍあたりにもピークが存在している。即ち、先行技術文献に開示された手段では、ＰＭを含む排気ガスにおけるＰＭの粒径分布において、小さな粒径（例えば２０ｎｍ近傍）に主な１つのピークを形成することは、実現出来ていなかった。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、排気ガス浄化装置へ供給する評価用の排気ガスであって、ＰＭが所望の（特定の）粒径分布を有し、特に、小さな粒径に１つのピークがある粒径分布を有するＰＭが含まれる排気ガスを、製造し供給するために好適な手段を提供することである。研究が重ねられた結果、メタンの含有量を９０体積％以上とする燃焼ガスの火炎を空気で急冷すると、小さな粒径（２０ｎｍ近傍）を主な１つのピークとする、ＰＭの粒径分布を得られるという知見を得た。又、そのメタンガスの燃焼装置と、軽油の間欠噴射燃焼装置とを、複数、作製し、それらが生み出すＰＭの粒径分布を重ねることによって、実際のエンジンの多様なＰＭ粒径分布に近づけることが可能なことを見出し、本発明の完成に至った。具体的には、以下に示す手段により、上記課題を解決し得る。

即ち、先ず、本発明によれば、燃焼用空気の中に、メタンの含有量を９０体積（ｖｏｌ）％以上とする燃焼ガスを、空気過剰率λを特定して、連続して供給し、着火し、燃焼させた後に、冷却して、ガス（ガスＡ）の中に、特定の粒径分布からなるパティキュレートマター（ＰＭ）を発生させるＰＭ発生方法が提供される。

本発明に係るＰＭ発生方法において、燃焼ガスにおけるメタンの含有量は９５ｖｏｌ％以上であることが好ましい。燃焼ガスとは、燃焼するガスのことを意味し、不活性ガス等の燃焼しないガスは、含まれない。メタンの含有量を９０ｖｏｌ％以上とする燃焼ガスとは、燃焼ガスのうちの９０ｖｏｌ％以上をメタンが占めるということであり、メタン以外（０〜１０％）も可燃焼物質（ガス）であることを意味する。例えば、メタンが９０ｖｏｌ％であり残りが窒素ガス等の不活性ガスであるガスは、本発明に係るＰＭ発生方法で利用することが出来るが、この場合は、燃焼ガスとしてはメタンが１００ｖｏｌ％である。メタンの含有量を９０ｖｏｌ％以上とする燃焼ガスとして好ましいものは、天然ガスである。天然ガスには、産地により、メタンの含有量が９０ｖｏｌ％以上のものが多く存在し、これを好適に利用することが出来る。

本発明に係るＰＭ発生方法は、上記特定の粒径分布が、１０〜２０ｎｍの間の粒径に略１つのピークがあるものである場合に、好適に用いられる。略１つのピークの意味は、分布の山が２つ以上に分かれていないということである。

本発明に係るＰＭ発生方法においては、上記（ガスＡにかかる）空気過剰率が、０．８０〜１．０５であることが好ましい。又、本発明に係るＰＭ発生方法においては、上記（ガスＡにかかる）空気過剰率が、０．８７であるか、又はその近傍であることが、特に好ましい。

本発明に係るＰＭ発生方法においては、上記冷却は、空気で行われることが好ましい。

次に、本発明によれば、上記した何れかのＰＭ発生方法によってＰＭを発生させたガスＡと、燃焼用空気の中に、軽油を、空気過剰率λを特定して、間欠で噴射し、７５０℃以上、１０５０℃以下、の温度で燃焼させた後に、冷却して、特定の粒径分布からなるＰＭを発生させたガス（ガスＢ）と、を混合して、ガスの中に、特定の粒径分布からなるＰＭを発生させる混合式ＰＭ発生方法が提供される。

本発明に係る混合式ＰＭ発生方法は、ガスＢにかかる特定の粒径分布が、８０〜１００ｎｍの間の粒径にピークがある場合に、好適に用いられる。

本発明に係る混合式ＰＭ発生方法においては、上記ガスＢにかかる空気過剰率が、０．７０〜１．２５であることが好ましい。又、本発明に係る混合式ＰＭ発生方法においては、上記ガスＢにかかる空気過剰率が、１．１０〜１．２０であるか、又はその範囲の近傍であることが、特に好ましい。

本発明に係る混合式ＰＭ発生方法においては、ガスＢが、複数であることが好ましい。これは、例えば、粒径分布が異なるガスＢ１、ガスＢ２、・・・でガスＢが構成されるということである。

本発明に係るＰＭ発生方法及び混合式ＰＭ発生方法は、ガスの中にＰＭを発生させる方法であり、換言すれば、ＰＭを発生させたガス（ＰＭ含有ガス）を製造し供給する方法ということが出来る。

次に、本発明によれば、上記した何れかのＰＭ発生方法又は混合式ＰＭ発生方法において、ガスＡのために用いられるＰＭ発生装置であって、燃焼用空気を供給するための空気入口及びＰＭを発生させたガスを排出するためのガス出口を有し、メタンの含有量を９０ｖｏｌ％以上とする燃焼ガスが内部で燃焼されてＰＭが発生する燃焼室と、その燃焼室に挿入され、メタンの含有量を９０ｖｏｌ％以上とする燃焼ガスを燃焼室内に連続して供給するメインバーナと、燃焼室に取り付けられ、燃焼室に供給されたメタンの含有量を９０ｖｏｌ％以上とする燃焼ガスに着火するパイロットバーナと、を備えるＰＭ発生装置（ＰＭ発生装置Ａと呼ぶ）が提供される。

本発明に係るＰＭ発生装置Ａにおいては、メインバーナは、メタンの含有量を９０ｖｏｌ％以上とする燃焼ガスを供給する供給孔を１個有し、その供給孔の開口径が４〜１０ｍｍであることが好ましい。

本発明に係るＰＭ発生装置Ａにおいては、供給孔の開口方向が、燃焼用空気が供給される側であることが好ましい。

本発明に係るＰＭ発生装置Ａにおいては、燃焼室の空気入口に、略Ｌ字型の管が接続され、その略Ｌ字型の管を介して、燃焼用空気が燃焼室へ供給されることが好ましい。

次に、本発明によれば、上記した何れかの混合式ＰＭ発生方法において、ガスＢのために用いられるＰＭ発生装置であって、燃焼用空気を供給するための空気入口及びＰＭを発生させたガスを排出するためのガス出口を有し、軽油が内部で燃焼されてＰＭが発生する燃焼室と、その燃焼室へ供給された燃焼用空気の中に軽油を間欠で噴射することが可能な軽油間欠噴射手段と、燃焼室に取り付けられ、その燃焼室に供給された軽油に着火するパイロットバーナと、を備えるＰＭ発生装置（ＰＭ発生装置Ｂと呼ぶ）が提供される。

次に、本発明によれば、上記した何れかのＰＭ発生装置Ａと、そのＰＭ発生装置Ａのガス出口側に配設された、評価試料であるフィルタを収納する試料収納容器とを備え、ＰＭ発生装置Ａで発生したＰＭをガスとともに試料収納容器に送り、ＰＭを含有するガスを試料収納容器に収納されたフィルタに供給するフィルタ評価装置が提供される。フィルタの代表例として、多孔質セラミック構造体、ハニカム構造体を挙げることが出来る。更に具体的な例は、ＤＰＦ、ＧＰＦである。

本発明に係るフィルタ評価装置においては、上記した何れかのＰＭ発生装置Ａと、試料収納容器と、の間に集合管が備わり、その集合管に、上記したＰＭ発生装置Ｂが、１以上（１基又は複数基）接続されることが好ましい。又、集合管の（ガスの）出口側に試料収納容器が接続され、集合管の（ガスの）入口側に、上記したＰＭ発生装置Ａが１以上（１基又は複数基）接続され、上記したＰＭ発生装置Ｂが１つ接続されてもよいし、集合管の（ガスの）入口側に、上記したＰＭ発生装置Ａが２以上（複数基）接続され、上記したＰＭ発生装置Ｂが２以上（複数基）接続されてもよい。集合管としては、例えばヘッダー管と呼ばれる円筒状の配管にフランジが付けられたものを採用することが出来る。集合管は、ガスＡとガスＢとの混合のために、十分な滞留空間を有することが望ましい。又、集合管の内部は空であってもよいが、ガスが混合し易くなるように充填材を詰めることも好ましい。

本発明に係るＰＭ発生方法によれば、メタンの含有量を９０ｖｏｌ％以上とする燃焼ガスを使用し、その連続した供給、着火、燃焼、冷却を行うことにより、２０ｎｍ程度の小さな粒径に１つのピークがある粒径分布を有するＰＭが含まれる排気ガス（ガスＡ）を、製造し供給することが可能である。即ち、先行技術文献に開示された従来技術では達成出来なかったエンジン実機の（あるいはそれに近似した）ＰＭ粒径分布を実現させることが出来る。よって、エンジン等の条件によって、そのような２０ｎｍ程度の小さな粒径に１つのピークがあるという、特有な粒径分布に対応することが出来、排気ガスに対する排気ガス浄化装置の性能や耐久性を試験し、正確に高い精度で評価することが可能である。具体的には、酸化触媒ＤＯＣのＳＯＦ分除去性能や酸化触媒を坦持したＤＰＦのＰＭ捕集性能を評価することが、容易に出来るようになる。

本発明に係る混合式ＰＭ発生方法においては、燃焼用空気の中に、軽油を、空気過剰率λを特定して、間欠で噴射し、７５０℃以上、１０５０℃以下、の温度で燃焼させた後に、冷却することによって、８０〜１００ｎｍ程度の粒径にピークがある粒径分布を有するＰＭが含まれる排気ガス（ガスＢ）を、製造し供給することが可能である。そして、ガスＡ及びガスＢを混合させることによって、より実際のエンジンから排出される排気ガス中のＰＭの粒径分布に近づけることが可能であり、排気ガス浄化装置の性能や耐久性の試験において、その正確性や精度が、更に向上する。

本発明に係るＰＭ発生装置（ＰＭ発生装置Ａ）及び本発明に係るフィルタ評価装置の一実施形態を、模式的に示す側面図である。 本発明に係るＰＭ発生装置（ＰＭ発生装置Ｂ）の一実施形態を、模式的に示す側面図である。 参考例１の結果を示す図であり、自動車の排気ガス中のＰＭの粒径分布を表すグラフである。 参考例２の結果を示す図であり、自動車の排気ガス中のＰＭの粒径分布を表すグラフである。 参考例１，３，４の結果を示す図であり、自動車の排気ガス中のＰＭの粒径分布を表すグラフである。 実施例１，２，３の結果を示す図であり、ＰＭ含有ガス中のＰＭの粒径分布を表すグラフである。 実施例４、参考例２の結果を示す図であり、ＰＭ含有ガス中のＰＭの粒径分布を表すグラフである。 本発明に係るフィルタ評価装置の他の実施形態を、模式的に示す側面図である。

以下、本発明について、適宜、図面を参酌しながら、実施形態を説明するが、本発明はこれらに限定されて解釈されるべきものではない。本発明に係る要旨を損なわない範囲で、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良、置換を加え得るものである。例えば、図面は、好適な本発明に係る実施形態を表すものであるが、本発明は図面に表される態様や図面に示される情報により制限されない。本発明を実施し又は検証する上では、本明細書中に記述されたものと同様の手段若しくは均等な手段が適用され得るが、好適な手段は、以下に記述される手段である。

先ず、本発明に係るＰＭ発生装置Ａと、それを含む本発明に係るフィルタ評価装置の一の実施形態について、図１を参照して、説明する。本発明に係るフィルタ評価装置２００は、本発明に係るＰＭ発生装置１００（ＰＭ発生装置Ａ）と、試料収納容器３１と、と備え、それらが整流管３５で接続されている。試料収納容器３１は、ＰＭ発生装置１００のガス出口２側に配設され、評価試料であるフィルタ３２を収納する。ＰＭ発生装置１００で発生したＰＭは、ガスとともに試料収納容器３１へ送られ、その試料収納容器３１に収納されたフィルタ３２へ供給される。

ＰＭ発生装置１００は、燃焼用空気Ｆ１を供給するための空気入口１及び燃焼したガスを排出するためのガス出口２を有する燃焼室３、その燃焼室３に挿入される筒状のメインバーナ４、燃焼室３に取り付けられるパイロットバーナ６、空気入口１に接続されるエルボ管３６（略Ｌ字型の管）、燃焼用空気Ｆ１の流量を制御する燃焼用空気流量制御手段４３、冷却空気導入ノズル３３を側面に備えた冷却空気混合管３４、空気供給手段４１、その空気供給手段４１から供給される冷却空気Ｆ３の流量を制御する冷却空気流量制御手段４２、を備える。

ＰＭ発生装置１００において、燃焼室３の形状は、両端部がテーパー状に細く形成された円筒状である。燃焼室３の大きさは、特に限定されず、必要な範囲の燃焼用空気Ｆ１により、例えば天然ガス（メタンの含有量を９０ｖｏｌ％以上とする燃焼ガス）を燃焼させ、ＰＭを発生させることが可能な大きさであればよい。

ＰＭ発生装置１００において、メインバーナ４が配置される位置は、パイロットバーナ６が配置される位置から下流側に向かって１００ｍｍの位置から、パイロットバーナ６が配置される位置から上流側に向かって２００ｍｍの位置までの範囲内である。そして、メインバーナ４は、天然ガスを供給する（図示しない）供給孔を１個有する。その供給孔の開口径は４〜１０ｍｍであり、特に好ましい開口径は６ｍｍである。又、その供給孔の開口は、燃焼用空気が供給される側にある。即ち、供給孔の開口方向は、下流ではなく、上流に向いている。これは、燃焼用空気の流れに略対向しているということである。更に、供給孔が形成された筒状のメインバーナ４は、その中心軸が燃焼用空気Ｆ１の流れる方向に直交するように、燃焼室３の側面から燃焼室３内部に挿入される。

ＰＭ発生装置１００では、燃焼室３の空気入口１に、エルボ管３６が接続され、それが略Ｌ字型であることによって、燃焼用空気Ｆ１が、燃焼室３内へ供給される際に、偏流する。エルボ管３６（略Ｌ字型の管）は、不可欠のものではないが、設けると、それがもたらす偏流によって、ＰＭが発生し易くなる。

空気供給手段４１としては、具体的には、コンプレッサーによる空気の供給、ブロアによる空気の供給等を挙げることが出来る。燃焼用空気流量制御手段４３、冷却空気流量制御手段４２としては、具体的には、減圧弁や流量制御バルブ等を挙げることが出来る。

次に、本発明に係る混合式ＰＭ発生方法に使用される本発明に係るＰＭ発生装置Ｂについて、図２を参照して、説明する。本発明に係るＰＭ発生装置３００（ＰＭ発生装置Ｂ）の主な構成要素は、燃焼室１０３である。燃焼室１０３の形状は、片端部がテーパー状に細く形成された、軸長の短い円筒状である。燃焼室１０３の大きさは、特に限定されず、必要な範囲の燃焼用空気Ｆ１１により、軽油（燃料）を燃焼させ、ＰＭを発生させることが可能な大きさであればよい。

ＰＭ発生装置３００では、燃焼室１０３にはノズルが設けられ、そこが燃焼用空気Ｆ１１を供給するための空気入口１１になっている。又、テーパー状に細く形成された部分が、燃焼したガスを排出するためのガス出口１２となっている。その燃焼室１０３の空気入口１１付近には、燃焼用空気Ｆ１１の中に軽油を間欠で噴射することが可能な軽油間欠噴射手段１４が備わる。その具体例は、電子式又は電磁式のインジェクタである。又、その軽油間欠噴射手段１４に接続される（図示しない）軽油供給系には、流量計１４４が設けられる。そして、円筒状の燃焼室１０３において、テーパー状ではない側には、軽油に着火するパイロットバーナ１６が取り付けられる。

ＰＭ発生装置３００は、更に、燃焼用空気Ｆ１１の流量を制御する燃焼用空気流量制御手段１４３、冷却空気導入ノズル１３３を側面に備えた冷却空気混合管１３４、空気供給手段１４１、その空気供給手段１４１から供給される冷却空気Ｆ１３の流量を制御する冷却空気流量制御手段１４２、を備える。

空気供給手段１４１としては、具体的には、コンプレッサーによる空気の供給、ブロアによる空気の供給等を挙げることが出来る。燃焼用空気流量制御手段１４３、冷却空気流量制御手段１４２としては、具体的には、減圧弁や流量制御バルブ等を挙げることが出来る。

次に、本発明に係るフィルタ評価装置の他の実施形態について、図７を参照して、説明する。本発明に係るフィルタ評価装置５００は、本発明に係るＰＭ発生装置１００（ＰＭ発生装置Ａ）と、２基の本発明に係るＰＭ発生装置３００（ＰＭ発生装置Ｂ）と、を備え、それらＰＭ発生装置１００，３００が、整流管３５，１３５で集合管５０１に接続され、更に、その集合管５０１が試料収納容器３１に接続されているものである。換言すれば、フィルタ評価装置５００は、上記フィルタ評価装置２００において、ＰＭ発生装置１００と試料収納容器３１との間の、整流管３５の手前（ＰＭ発生装置１００側）に、集合管５０１を設け、その集合管５０１に、２基のＰＭ発生装置３００を接続したものといえる。図７に示される形態では、集合管５０１に対し、三方から、ＰＭ発生装置１００と２基のＰＭ発生装置３００が接続されているが、整流管３５，１３５を近づけて、集合管５０１の同一面に接続してもよい。

フィルタ評価装置５００における、ＰＭ発生装置１００，３００や試料収納容器３１それぞれについては、既に説明した通りであるので、ここでは省略する。フィルタ評価装置５００では、空気供給手段４１は共有され、燃焼用空気Ｆ１，Ｆ１１及び冷却空気Ｆ３，Ｆ１３の空気源になっており、更に、二次空気Ｆ５３の空気源にもなっている。又、フィルタ評価装置５００は、空気供給手段４１から供給される二次空気Ｆ５３の流量を制御する二次空気流量制御手段５４１を備える。二次空気流量制御手段５４１として、具体的には、減圧弁や流量制御バルブ等を挙げることが出来る。

次に、本発明に係るＰＭ発生方法について、上記ＰＭ発生装置１００を用いる場合を例にして、説明する。先ず、空気供給手段４１を稼動させ、空気入口１から燃焼用空気Ｆ１を燃焼室３へ連続的に供給し、冷却空気Ｆ３を冷却空気混合管３４へ連続的に供給する。併せて、メインバーナ４から天然ガスを連続的に供給する。そして、パイロットバーナ６で天然ガスを着火して、燃焼させる。そうすると、燃焼したガスは、ガス出口２から排出され、冷却空気Ｆ３で冷却され、１０〜２０ｎｍの間の粒径に略１つのピークがある粒径分布となるように、ＰＭを発生させて、ＰＭを含有するガス（ＰＭ含有ガス）Ｆ２となる。

本発明に係るＰＭ発生方法において、ＰＭ発生装置１００では、空気過剰率が０．８０〜１．０５になるように、空気入口１から燃焼用空気を供給することが好ましい。空気過剰率は、０．８７近傍であることが、特に好ましい。

尚、一般に、空気過剰率とは、実際の空燃比が理論値から、どれだけ離れているかを示す割合であり、（供給される（燃焼用）空気の量）／（理論的に必要な（燃焼用）空気の量）で求められる。本明細書にいう空気過剰率は、燃焼室内の平均空気過剰率であり、燃焼室を流れる燃焼用空気全体の流量（体積）と、供給している燃料（燃焼ガス）全体の流量（体積）と、を用いて算出する。

本発明に係るＰＭ発生方法において、ＰＭ発生装置１００では、（燃焼室３内における）燃焼用空気Ｆ１の平均流速は、０．１〜４．０ｍ／秒であることが好ましい。０．１〜２．０ｍ／秒であることが、特に好ましい。４．０ｍ／秒より速いと、ＰＭの発生量が少なくなることがある。

次に、本発明に係る混合式ＰＭ発生方法について、上記フィルタ評価装置５００を用いる場合を例にして、説明する。フィルタ評価装置５００は、１基のＰＭ発生装置１００と２基のＰＭ発生装置３００を有する。但し、本発明に係る混合式ＰＭ発生方法を実施する場合には、１基のＰＭ発生装置１００と３基以上のＰＭ発生装置３００を用いてもよく、２基以上のＰＭ発生装置１００と１基のＰＭ発生装置３００を用いてもよく、２基以上のＰＭ発生装置１００と２基以上のＰＭ発生装置３００を用いてもよい。又、本発明に係る混合式ＰＭ発生方法を行う場合に、上記フィルタ評価装置５００のように、空気供給手段は、ＰＭ発生装置１００，３００において、共有することが出来る。

ＰＭ発生装置１００の使用については、上記の単独で使用する場合（本発明に係るＰＭ発生方法）と同じであるので、ここでは説明を省略する。以下においては、上記ＰＭ発生装置３００の使用方法について、説明する。先ず、空気供給手段１４１を稼動させ、空気入口１１から燃焼用空気Ｆ１１を燃焼室１０３へ連続的に供給し、冷却空気Ｆ１３を冷却空気混合管１３４へ連続的に供給する。併せて、軽油間欠噴射手段１４から軽油を間欠で噴射する。そして、パイロットバーナ１６で軽油を着火して、７５０℃以上、１０５０℃以下、の温度で燃焼させる。そうすると、燃焼したガスは、ガス出口１２から排出され、冷却空気Ｆ１３で冷却され、８０〜１００ｎｍの粒径にピークがある粒径分布となるように、ＰＭを発生させて、ＰＭを含有するガス（ＰＭ含有ガス）Ｆ１２となる。

本発明に係る混合式ＰＭ発生方法において、ＰＭ発生装置３００では、空気過剰率を０．７０〜１．２５に特定することが望ましい。これは、換言すれば、空気過剰率が０．７０〜１．２５になるように、空気入口１１から燃焼用空気を供給するということである。

フィルタ評価装置５００を用いた場合に、ＰＭ発生装置３００によるＰＭ発生の役割は、ＰＭ発生装置１００で発生させたＰＭの粒径分布を修飾して、実機の自動車から排出されるＰＭの粒径分布に近づけることにある。従って、その目的となるＰＭの粒径分布（実機の自動車の分布）に近づけるために、ＰＭ発生装置１００で発生させたＰＭの量に基づいて、ＰＭ発生装置１００で発生させるべきＰＭの量が定まる。そして、ＰＭ発生装置１００における燃焼用空気Ｆ１１の流量、軽油の噴射量、間欠噴射数（頻度）が定まる。尚、本発明に係る混合式ＰＭ発生方法においては、ＰＭ発生装置３００で発生させたＰＭの粒径分布を基準として、ＰＭ発生装置１００に、ＰＭ発生装置３００で発生させたＰＭの粒径分布を修飾する役割を持たせてもよい。実機の自動車から排出されるＰＭの粒径分布によっては、そのような混合方法が有効なことも有り得る。

次に、本発明に係るフィルタ評価装置の使用について、フィルタ評価装置２００を用いる場合を例にして説明する。既述のように、ＰＭ発生装置１００でＰＭを発生させることが出来るので、ＰＭ含有ガスＦ２を、試料収納容器３１に送り、試料収納容器３１内に収納されたフィルタ３２に供給すれば、フィルタ３２について、ＰＭを捕集して行う試験を、効果的に行うことが可能である。この試験によって、自動車等に搭載した場合に近い結果を得ることが出来る。

本発明に係るフィルタ評価装置の使用につき、フィルタ評価装置５００を用いる場合は、既述のように、ＰＭ発生装置１００，３００でＰＭを発生させることが出来るので、ＰＭ含有ガスＦ２，Ｆ１２を、集合管５０１へ送り、それらを混合させ、更に、混合されたガスを試料収納容器３１に送り、試料収納容器３１内に収納されたフィルタ３２に供給する。そうすると、フィルタ３２について、ＰＭを捕集して行う試験を、効果的に行うことが可能である。この試験によって、自動車等に搭載した場合に近い結果を得ることが出来る。特に、フィルタ評価装置５００を用いると、既述のように、ＰＭ発生装置１００の使用によって、１０〜２０ｎｍの間の粒径に略１つのピークがあるＰＭ粒径分布となったＰＭ含有ガスＦ２が得られ、ＰＭ発生装置３００の使用によって、８０〜１００ｎｍの粒径にピークがあるＰＭ粒径分布となったＰＭ含有ガスＦ１２が得られる。又、２基のＰＭ発生装置３００において、８０〜１００ｎｍの範囲で、ＰＭ粒径のピークを変えることも可能である。そして、ＰＭ含有ガスＦ２及び２基のＰＭ含有ガスＦ１２は、それぞれ、燃焼用空気流量制御手段４３，１４３、冷却空気流量制御手段４２，１４２によって、流量を調節することが出来るので、ＰＭ含有ガスＦ２、ＰＭ含有ガスＦ１２（その１）、ＰＭ含有ガスＦ１２（その２）の混合比を、自在に調整することが可能である。従って、ＰＭの粒径分布の細かな調整が可能であり、実際のエンジンから排出される排気ガス中のＰＭの粒径分布に、より近づけることが出来る。加えて、試料収納容器３１の入口において、上記混合されたガスに、更に混合する二次空気Ｆ５３の流量を調整することによって、所望のＰＭ粒径分布はそのままに、ＰＭの濃度を変更することも可能である。

次に、本発明に係るＰＭ発生装置及びフィルタ評価装置を製造する方法について、ＰＭ発生装置１００，３００を含むフィルタ評価装置５００を作製する場合を例にして、説明する。ＰＭ発生装置１００は、既述の説明及び図１、図７に示された形状並びに特許文献４の開示に基づいて、公知の加工手段を用いて作製することが出来る。燃焼室３、メインバーナ４、エルボ管３６の好ましい材料は、ステンレス鋼、ニッケル合金等であり、パイロットバーナ６の好ましい材料は、ステンレス鋼、炭素鋼等である。ＰＭ発生装置３００は、既述の説明及び図２、図７に示された形状並びに特許文献１〜３，５（特に特許文献２）の開示に基づいて、公知の加工手段を用いて作製することが出来る。燃焼室１０３の好ましい材料は、ニッケル合金（特にインコネル：商標）、セラミック（特に窒化珪素）等であり、パイロットバーナ１６の好ましい材料は、ステンレス鋼、炭素鋼等である。試料収納容器３１は、既述の説明及び図１、図７に示された形状並びに特許文献４の開示に基づいて、公知の加工手段を用いて作製することが出来、その好ましい材料は、ステンレス鋼等である。整流管３５，１３５、冷却空気導入ノズル３３，１３３、冷却空気混合管３４，１３４は、既述の説明及び図７に示された形状に基づいて、公知の加工手段を用いて作製することが出来、その好ましい材料は、ステンレス鋼、ニッケル合金等である。以上により、各構成要素を得た後に、既述の説明及び図７に示された構成に基づいて、接続、組立を行い、必要な電源供給を行えば、フィルタ評価装置５００を得ることが出来る。

以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（参考例１）ＤＯＣ（前段、酸化触媒）及びＤＰＦ（後段）を装着した２．０Ｌの（ユーロ４準拠の）ディーゼルエンジン自動車（実際の自動車、起亜自動車製のＳｐｏｒｔａｇｅ）を、ＰＭＰに準拠したＮＥＤＣモードで運転し、ＤＯＣの入口側において排気ガスを採取した。そして、対象をその排気ガスとし、粒径分布測定装置としてＴＳＩ社製の型番３０９１（ＦＭＰＳ）を用いて、ＰＭの粒径分布を測定した。結果を、図３Ａ、図４に示す。尚、図、表、明細書等において、指数の表示として、コンピュータ向けの慣用表示を用いることがある。例えば、１．０×１０^５を、１．０Ｅ＋５と表すが、何れも１０００００のことである。

（参考例２）ＧＰＦを装着した１．４Ｌのガソリンエンジン自動車（フォルクスワーゲン製のＧＯＬＦ）を、ＰＭＰに準拠したＮＥＤＣモードで運転し、ＤＰＦの入口側において排気ガスを採取した。そして、参考例１と同様に、ＰＭの粒径分布を測定した。結果を、図３Ｂ，図６に示す。

（考察１）図３Ａ及び図３Ｂより、自動車から排出されるガス中のＰＭの粒径分布が、２０ｎｍ程度の小さな粒径に１つのピークがあることがわかる。又、図３Ａをみると、粒径の大きな側（図３Ａにおける右側）において、小さな山の膨らみを確認することが出来る。

尚、ＰＭ濃度は、単位体積あたりのＰＭの個数である。又、ＰＭＰとは、国際連合（略称ＵＮ）の欧州経済委員会（略称ＥＣＥ）における自動車基準調和世界フォーラム（略称ＷＰ２９）の排出ガスエネルギー専門家会議（略称ＧＲＰＥ）による粒子測定プログラムの略称である。ＮＥＤＣモードは、ＰＭＰによるＰＮ測定方法における、ディーゼルエンジン自動車の運転モードであり、Ｎｅｗ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ｃｙｃｌｅモードの略称である。このＮＥＤＣモードは、プレコンディショニング期間、ソーキング期間、及びメジャーメント（測定）期間からなる。

（参考例３）可溶有機成分（ＳＯＦ）除去装置として、デカティ（Ｄｅｋａｔｉ）社製のサーモデニューダ（型式ＴＤ３）を用い、採取した排気ガスのＳＯＦを除去してから、ＰＭの粒径分布を測定した。それ以外は、参考例１と同じである。結果を、図４に示す。

（参考例４）ＤＰＦの入口側（ＤＯＣの出口側）において排気ガスを採取し、ＰＭの粒径分布を測定した。それ以外は、参考例１と同じである。結果を、図４に示す。

（考察２）図４より、ＳＯＦを除去すると、ＰＭの粒径分布が大きく変わることから、自動車から排出されるガスには、ＳＯＦが多量に含まれていることがわかる。粒径の大きな側（図３Ａにおける右側）における小さな山の膨らみは、ＳＯＦ以外の成分である。

（実施例１）図１に示すような構造の、ＰＭ発生装置１００を含むフィルタ評価装置２００を、主に厚さ９ｍｍのステンレス鋼を材料として用い、作製した。燃焼室３のガスの流れる方向における長さを９００ｍｍとし、空気入口１（図１参照）における内径（直径）を７０ｍｍとし、ガス出口２（図１参照）における内径を１０６ｍｍとし、燃焼室３の中央の平行部分（テーパになっていない部分）の内径（直径）を１３０ｍｍとした。燃焼室３は、空気入口１側及び空気出口２側がテーパー状に細く形成された構造とし、テーパー状に形成された部分の、ガスの流れる方向における長さを１００ｍｍとした。冷却空気混合管３４のガスの流れる方向における長さを４５０ｍｍとし、内径を燃焼室３のガス出口２における内径と同じ長さにした。冷却空気混合管３４に配設される冷却空気供給ノズル３３は、内径（直径）を１０６ｍｍとした。冷却空気混合管３４及び冷却空気供給ノズル３３は、円筒状とした。試料収納容器３１は、内径（直径）を３１３ｍｍ、長さを３６０ｍｍの、円筒状とした。空気供給手段としては、コンプレッサーを用い、空気を加圧して冷却空気を生成させた。冷却空気流量制御手段としては、減圧弁と流量制御弁を用いた。空気供給手段によって発生させた空気（冷却空気）を、燃焼用空気及び冷却空気として用いた。メインバーナ４は、直径（内径）が１０．５ｍｍの円筒状とし、直径６ｍｍの供給孔を１つ形成した。メインバーナ４は、ガスの流れる方向に直交する断面において供給孔が燃焼室３の中心に位置するように配置した。供給孔の開口は、空気入口１側（上流側）に向けた。メインバーナ４は、パイロットバーナ６の位置から、ガスの流れる方向における下流側に向かって５０ｍｍの位置に配置した。パイロットバーナ６は、自動点火が可能で、圧縮空気の使用が可能であり、火炎検知器の取り付けが可能であるものとした。パイロットバーナ６は、ガスの流れる方向に直交するように、燃焼室３の壁面に設置した。パイロットバーナ６は、燃焼室３のガスの流れる方向において、空気入口１から４００ｍｍの位置に、配置した。その他のＰＭ発生装置１００の詳細は、特許文献４を参照されたい。

このようなフィルタ評価装置２００を用いて、ＰＭを発生させた（ＰＭ含有ガスを製造した）。使用した天然ガスのメタン含有量は、約９５ｖｏｌ％である。天然ガスの流量は、４１Ｎリットル／分とし、燃焼用空気は、０．３５Ｎｍ３／分で供給した。冷却空気を加えた後の混合ガスのガス総量は、７．１１Ｎｍ３／分であった。燃焼室３内の空気過剰率は、０．８７であった。パイロットバーナ６は、メインバーナ４を着火して２０秒後に、消火した。そして、試料収納容器３１の入口側にて、ＰＭ含有ガスを採取し、参考例１と同様に、ＰＭの粒径分布を測定した。結果を、図５に示す。

（考察３）この実施例１の結果（図５）より、ＰＭ発生装置１００（フィルタ評価装置２００）によれば、ガス中のＰＭの粒径分布を、１０〜２０ｎｍの間に略１つのピークがあるものにすることが出来ることがわかる。換言すれば、ＰＭ発生装置１００によって、１０〜２０ｎｍの間に略１つのピークがある粒径分布を有するＰＭを含有するガスを、製造することが可能である。但し、参考例１（図３Ａ）と比較すると、粒径の大きな側におけるＰＭ濃度が小さい（小さな山の膨らみが無い）。

（実施例２）図２に示すような構造の、ＰＭ発生装置３００を、インコネル材料を用いて作製し、そのＰＭ発生装置３００を使用して、ＰＭを発生させた（ＰＭ含有ガスを製造した）。ＰＭ発生装置３００の詳細は、特許文献２を参照されたい。

軽油として米国市販の軽油（Ultra Low Sulfur Diesel、硫黄成分１５ｐｐｍ以下のもの）を用い、これを１.９８リットル／時間の量で使用し、空気過剰率が１．１３になるように燃焼用空気を供給した。又、ＰＭ発生装置３００に備わる軽油間欠噴射手段１４による軽油の噴射圧力を０．２５Ｍｐａ、開弁時間（軽油の噴射時間）を１.３ミリ秒、開弁周期（軽油の噴射周期）を５１．３ミリ秒とした。又、予め、ＰＭ発生装置３００の燃焼室１０３の壁内温度を、プロパンガス燃料と燃焼用空気で燃焼させて、３５０〜４００℃に昇温し、その温度になった燃焼室１０３において、上記軽油を軽油間欠噴射手段１４（電磁インジェクタ）を用いて噴射し、燃焼させ、更に、８００℃以上まで昇温させた。そして、ＰＭ含有ガスを採取し、参考例１と同様に、ＰＭの粒径分布を測定した。結果を、図５に示す。

（実施例３）実施例２とは別に、図２に示されるＰＭ発生装置３００を使用して、ＰＭを発生させた（ＰＭ含有ガスを製造した）。運転条件は、軽油の使用量が１．２３リットル／時間、空気過剰率が１．１９、軽油の噴射圧力が０．２５Ｍｐａ、開弁時間（軽油の噴射時間）が４．５ミリ秒、開弁周期（軽油の噴射周期）が５４．５ミリ秒であり、それ以外は実施例２と同じである。そして、ＰＭ含有ガスを採取し、参考例１と同様に、ＰＭの粒径分布を測定した。結果を、図５に示す。

（実施例４）本発明に係る混合式ＰＭ発生方法でＰＭ含有ガスを発生させ、その中のＰＭの粒径分布を求めた。具体的には、図７に示すような構造の、ＰＭ発生装置１００，３００を含むフィルタ評価装置５００を作製した、そして、そのフィルタ評価装置５００を用い、そのうちの１基のＰＭ発生装置１００は、実施例１と同様にして、ＰＭを発生させ（ＰＭ含有ガスを製造し）、２基のＰＭ発生装置３００については、それぞれ実施例２，３と同様にして、ＰＭを発生させた（ＰＭ含有ガスを製造した）。そして、集合管５０１で混合されたＰＭ含有ガスを採取し、参考例１と同様に、ＰＭの粒径分布を測定した。結果を、図６に示す。尚、ＰＭ発生装置１００、２基のＰＭ発生装置３００において製造されたＰＭ含有ガスの混合比（体積比）は、全て、等分である。

（考察４）実施例１（図５）と実施例４（図６）の比較でわかるように、実施例４では、実施例１よりも、粒径の大きな側におけるＰＭ濃度が大きくなっている。即ち、本発明に係る混合式ＰＭ発生方法によれば、より実際のエンジンから排出される排気ガス中のＰＭの粒径分布（参考例２：図３Ｂ）に、近づけることが可能なことがわかる。

本発明に係るＰＭ発生方法及びＰＭ発生装置は、排気ガス中の微粒子を除去するフィルタや、排気ガス中の有害物質を分解するための触媒を備えた排気ガス浄化装置の、性能や耐久性の評価を行うために、好適に利用される。

１，１１：空気入口
２，１２：ガス出口
３，１０３：燃焼室
４：メインバーナ
６，１６：パイロットバーナ
１４：軽油間欠噴射手段
３１：試料収納容器
３２：フィルタ
３３，１３３：冷却空気導入ノズル
３４，１３４：冷却空気混合管
３５，１３５：整流管
３６：エルボ管
４１，１４１：空気供給手段
４２，１４２：冷却空気流量制御手段
４３，１４３：燃焼用空気流量制御手段
１００，３００：ＰＭ発生装置
１４４：流量計
２００，５００：フィルタ評価装置
５０１：集合管
５４１：二次空気流量制御手段
Ｆ１，Ｆ１１：燃焼用空気
Ｆ２，Ｆ１２：ＰＭを含有するガス（ＰＭ含有ガス）
Ｆ３，Ｆ１３：冷却空気
Ｆ５３：二次空気

Claims (16)

1. 燃焼用空気の中に、メタンの含有量を９０体積％以上とする燃焼ガスを、空気過剰率λを特定して、連続して供給し、着火し、燃焼させた後に、冷却して、ガスＡの中に、特定の粒径分布からなるパティキュレートマター（ＰＭ）を発生させるＰＭ発生方法。
2. 前記特定の粒径分布は、１０〜２０ｎｍの間の粒径に略１つのピークがある請求項１に記載のＰＭ発生方法。
3. 前記空気過剰率が０．８０〜１．０５である請求項１又は２に記載のＰＭ発生方法。
4. 前記冷却は、空気で行われる請求項１〜３の何れか一項に記載のＰＭ発生方法。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載のＰＭ発生方法によってＰＭを発生させたガスＡと、
   燃焼用空気の中に、軽油を、空気過剰率λを特定して、間欠で噴射し、７５０℃以上、１０５０℃以下、の温度で燃焼させた後に、冷却して、特定の粒径分布からなるＰＭを発生させたガスＢと、
   を混合して、ガスの中に、特定の粒径分布からなるＰＭを発生させる混合式ＰＭ発生方法。
6. 前記ガスＢにかかる特定の粒径分布は、８０〜１００ｎｍの間の粒径にピークがある請求項５に記載の混合式ＰＭ発生方法。
7. 前記ガスＢにかかる空気過剰率が、０．７０〜１．２５である請求項５又は６に記載の混合式ＰＭ発生方法。
8. 前記ガスＢにかかる空気過剰率が、１．１０〜１．２０である請求項７に記載の混合式ＰＭ発生方法。
9. 前記ガスＢが、複数である請求項５〜８の何れか一項に記載の混合式ＰＭ発生方法。
10. 請求項１〜４の何れか一項に記載のＰＭ発生方法又は請求項５〜９の何れか一項に記載の混合式ＰＭ発生方法において、前記ガスＡのために用いられるＰＭ発生装置であって、
    燃焼用空気を供給するための空気入口及びＰＭを発生させたガスを排出するためのガス出口を有し、前記メタンの含有量を９０体積％以上とする燃焼ガスが内部で燃焼されてＰＭが発生する燃焼室と、
    その燃焼室に挿入され、前記メタンの含有量を９０体積％以上とする燃焼ガスを前記燃焼室内に連続して供給するメインバーナと、
    前記燃焼室に取り付けられ、前記燃焼室に供給された前記メタンの含有量を９０体積％以上とする燃焼ガスに着火するパイロットバーナと、
    を備えるＰＭ発生装置。
11. 前記メインバーナは、前記メタンの含有量を９０体積％以上とする燃焼ガスを供給する供給孔を１個有し、その供給孔の開口径が４〜１０ｍｍである請求項１０に記載のＰＭ発生装置。
12. 前記供給孔の開口方向が、前記燃焼用空気が供給される側である請求項１０又は１１に記載のＰＭ発生装置。
13. 前記燃焼室の前記空気入口に、略Ｌ字型の管が接続され、その略Ｌ字型の管を介して、前記燃焼用空気が前記燃焼室へ供給される請求項１０〜１２の何れか一項に記載のＰＭ発生装置。
14. 請求項５〜９の何れか一項に記載の混合式ＰＭ発生方法において、前記ガスＢのために用いられるＰＭ発生装置であって、
    燃焼用空気を供給するための空気入口及びＰＭを発生させたガスを排出するためのガス出口を有し、前記軽油が内部で燃焼されてＰＭが発生する燃焼室と、
    その燃焼室へ供給された前記燃焼用空気の中に前記軽油を間欠で噴射することが可能な軽油間欠噴射手段と、
    前記燃焼室に取り付けられ、前記燃焼室に供給された前記軽油に着火するパイロットバーナと、
    を備えるＰＭ発生装置。
15. 請求項１０〜１３の何れか一項に記載のＰＭ発生装置と、そのＰＭ発生装置のガス出口側に配設された、評価試料であるフィルタを収納する試料収納容器とを備え、
    前記ＰＭ発生装置で発生したＰＭをガスとともに前記試料収納容器に送り、前記ＰＭを含有する前記ガスを前記試料収納容器に収納されたフィルタに供給するフィルタ評価装置。
16. 前記の請求項１０〜１３の何れか一項に記載のＰＭ発生装置と、前記試料収納容器と、の間に集合管が備わり、その集合管に、前記請求項１４に記載のＰＭ発生装置が、１以上接続される請求項１５に記載のフィルタ評価装置。

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