JP3562618B2 - 排ガス中のpm測定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えばディーゼルエンジンなど内燃機関から排出されるガス中に含まれるPM(Particulate Matter、すすなどの微粒子状物質)を定量分析する排ガス中のPM測定方法に関する。
【0002】
地球環境保全などの観点から、次世代のディーゼル・エンジンは、PMエミッションの大幅低減が求められるものと予測される。PM排出量の少ないディーゼル・エンジンを開発するには、PM形成のメカニズムに対する理解が求められる。ディーゼル・エンジンのPM排出量は、過渡状態のときの方が定常状態のときより多いから、高速のPM分析装置がないとPMエミッションの特性を測定することができない。
【0003】
前記PMの主成分は、ドライスート(dry soot)と可溶有機分(Soluble Organic Fraction、SOFと略称する)である。ドライスートは、非結晶炭化水素からなり、PM形成において各生成部位として働く。SOFは、蒸発温度が52℃以上のときの炭化水素と定義されるが、常温状態でドライスートの核の周囲に凝集しやすい。
【0004】
【従来の技術】
前記PMを測定する方法としてフィルタ重量法が知られている。このフィルタ重量法は、エンジンからの排ガスを希釈トンネルを用いて空気で52℃以下にまで希釈・冷却し、適宜の材料よりなる捕集フィルタでPMを一定時間採取し、このPMを捕集したフィルタを精密天秤を用いて測定する方法である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記フィルタ重量法は、所謂バッチ処理方式であるとともに、ドライスートのみの量を得るには、前記PMを捕集したフィルタに適宜の化学操作を施すなどして分離する必要があるなど非常に煩わしい手間と多くの時間が必要であるとともに、ドライスートをリアルタイムに連続測定を行うことができないといった欠点がある。
【0006】
ところで、従来より、サンプルガス中の全炭化水素(Total Hydro−Carbon、以下、THCという)などHCを定量分析するものとして、図4に示すような水素炎イオン化検出器(Flame Ionization Detector、以下、FIDという)20が知られている。すなわち、図4において、21は燃焼室で、その内部にはノズル22と、コレクタ電極23が設けられている。そして、24はサンプルガスSを供給するためのサンプルガス供給路、25は水素ガスのみまたは水素ガスと他の燃焼性ガスとからなる燃料ガスFを供給する燃料ガス供給路で、両ガス供給管24,25はノズル22の上流側で一体となってノズル22に接続されている。また、26は助燃用空気Aを供給するための助燃ガス供給路で、その端部は燃焼室21の適宜箇所で開口接続されている。
【0007】
前記ノズル22は、高圧配線27を介して高圧直流電源33(図5参照)に接続され、コレクタ電極23は、信号線28を介して信号処理回路(図示してない)に接続されている。なお、29は燃焼室21の内部上方に設けられる着火装置、30は排気口、31は絶縁スリーブである。
【0008】
上記構成のFID20においては、例えばHC成分を含むサンプルガスSを、燃料ガスF、助燃用空気Aとともに燃焼室21内に導入し、着火装置29によって例えば放電スパークを生じさせることにより、ノズル22の先端に所望の炎32が形成され、この炎32のエネルギーでHCの熱イオン化が生じ、サンプルガスS中に含まれる炭化水素HC量に比例した電流出力が信号線28を介して出力され、これによって、サンプルガスS中のHC濃度を分析することができる。
【0009】
ところで、ディーゼルエンジンからの排ガス中に含まれるPMには、上述したように、主として炭化水素成分(HC)であるSOFと主として炭素成分(C)であるドライスートがあり、従来までの考えによれば、前記FID20によっては、炭素成分を検出することができないとされていた。
【0010】
しかしながら、本願発明者の研究によれば、従来からHC成分の分析に使用されているFID20によって、HCのみならず、C(炭素成分)をも検出することができることを見出した。
【0011】
すなわち、図5は、FID20の燃焼室21内における熱イオンの生成過程を説明するための図で、ノズル22とコレクタ電極23との間に設けられる高圧直流電源33によって、例えばノズル22に+300Vの電圧が印加した状態で、着火装置29によって放電スパークを生じさせると、ノズル22の先端には例えば1500Kといった高温の炎32が形成される。
【0012】
このとき、炭素(グラファイト)を主成分とするサンプルガスS中に含まれるドライスートは、下記の理由により検出されると発明者は推定している。すなわち、上述のような高温下で、ドライスートは、熱エネルギーにより電子を放出し、熱イオン化が行われるのではないかということである。このときグラファイトがイオン化するエネルギーは4.5eV(103.7kcal/mol)である。本来、グラファイトは、その比抵抗が4×10-5Ω・cmであり、半導体であるが、前記大きさのエネルギーを受けることにより、比較的容易に帯電したグラファイトとなると考えられる。そして、このイオン化により放出される電子がノズル22に集められることにより、炭素成分であるグラファイトをも検出することができると推定している。
【0013】
図6は、前記FID20におけるグラファイトに対する応答性を示すものである。
【0014】
この発明は、上述の事柄および知見に基づいてなされたもので、ディーゼルエンジンなど内燃機関から排出されるガス中に含まれるドライスートを連続的にしかも精度よく定量分析することができる新規で有用な排ガス中のPM測定方法(以下、単にPM測定方法という)を提供することを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明のPM測定方法は、内燃機関から排出されるガスをサンプルガスとして採取し、これをフィルタを通さずに水素炎イオン化検出器に直接導入し、そのとき水素炎イオン化検出器から得られるところの、全炭化水素の量に比例したベース信号部分にドライスートの量に比例したパルス信号部分及びこのパルス信号部分よりも振幅値が小さいノイズが重畳された信号を信号処理装置に入力し、ここでパルス認識を行うために設定されたしきい値以上の前記パルス信号部分のみを取り出して個々のパルス信号部分の面積を算出し、それら個々のパルス信号部分の面積の総和に基づいてドライスート量を求めるようにしたことを特徴としている。
【0016】
PMを含む排ガスをフィルタを通さずにFIDに直接導入すると、このFIDからは、図2(A)に示すような信号fが得られる。このFID信号fには、THCに対応したベース信号部分bと、ドライスートに対応したパルス信号部分pと、このパルス信号部分pよりも振幅値が小さいノイズnが含まれている。このようなFID信号fからドライスートに対応するパルス信号部分pのみを取り出すため、例えば次のような手法を採用する。
【0017】
すなわち、FID信号fは連続的に出力されるので、パルス認識を行うため、しきい値Sthを設定し、このしきい値Sth以上の信号を、図2(B)に示すようなパルス信号部分pとし、しきい値Sth未満の信号を、同図(C)に示すようなベース信号部分bとして、FID信号fからパルス信号部分pのみを取り出すのである。
【0018】
そして、前記図2(B)に示すパルス信号部分pの個々の面積を適宜の手法によって求め、個々のパルス信号部分pの面積の総和を求める。この総面積は、図3に示すように、ドライスート量と1:1で対応しており、両者は良好な関係にある。この図において、横軸はドライスート濃度を、縦軸はパルスピークの面積をそれぞれ示している。また、○印は収集したデータの平均を示している(誤差はバーで示している)。
【0019】
上記図3から理解されるように、ドライスートの濃度は、パルス信号部分pの面積とほぼ比例関係にある。したがって、パルス信号部分の面積にある係数を乗ずることにより、ドライスートの濃度(または量)を簡単に得ることができる。
【0020】
この発明によれば、ディーゼルエンジンなどの排ガスにおけるドライスート濃度のみを、高速にしかも連続的に得ることができる。
【0021】
この発明においては、たった一つのFIDを用いるだけでよいから、装置全体の構成が大いに簡略化される。
【0022】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図1は、この発明のPM測定方法を実施するための装置の構成例を概略的に示すもので、この図において、1はディーゼルエンジン、2はディーゼルエンジン1に接続される排気管、3は排気管2を流れる排ガスGの一部をサンプルガスSとして採取するためのプローブ4を介して接続されるサンプルガス流路である。このサンプルガス流路3はプローブ4を含めて温調できるように構成されている。5はサンプルガス流路3に設けられるFIDで、ディーゼルエンジン1の排ガスGを希釈しないで測定できるように構成されており、図4に示したものと実質的に変わるところがない。6はFID5の信号ラインで、プリアンプ7およびアナログ系の信号処理装置8が設けられている。
【0023】
上述のように構成されたPM測定装置の動作について、図1、図2および図4を参照しながら説明する。図1に示すように、排気管2を流れるディーゼルエンジン1からの排ガスGは、その一部がプローブ4を経てサンプルガス流路3にサンプルガスSとして取り込まれる。そして、このサンプルガスSは、図4に示すように、燃料ガスFおよび助燃用空気Aとともに燃焼室21内に導入され、着火装置29によってノズル22の先端に所望の炎32が形成され、この炎32のエネルギーでHCの熱イオン化が生じ、サンプルガスS中に含まれるHCおよびドライスートの量に比例した電流出力(FID信号)fが信号ライン6に出力される。
【0024】
前記FID信号fは、プリアンプ7によって適当に増幅および波形整形された後、信号処理装置8に入力される。そして、このFID信号fは、図2(A)に示すように、THCの量に比例したトレンドと呼ばれるベース信号部分bに、ドライスートの量に比例したパルス信号部分pが重畳したものとなっている。
【0025】
上記FID信号fからパルス信号部分pのみを取り出すには、例えば次のようにする。すなわち、パルス認識を行うためのしきい値Sthの設定を行う。この実施の形態においては、FID信号fに含まれるノイズnの影響をキャンセルするため、しきい値Sthは、FID信号fにおける一定の周期時間Tにおける信号平均値Save にノイズnの振幅値Sn を加えた値としている。すなわち、各周期時間Tにおけるしきい値Sthは、
Sth=Save +Sn
と設定される。
【0026】
そして、前記FID信号fに前記しきい値Sthを適用することにより、しきい値Sth以上の大きさのものは、図2(B)に示すようなパルス信号部分pとなり、しきい値Sth未満の信号は、同図(C)に示すようなベース信号部分bとなる。これによって、ベース信号部分bとパルス信号部分pとが混在するFID信号fからパルス信号部分pのみを取り出すことができる。
【0027】
前記分離されたパルス信号部分pにおける面積、すなわち、パルス信号部分pとベースラインBLとによって囲まれる部分の面積(図2(B)においてハッチングで示す部分)を個々に求め、それらの総和を求める。このパルス信号部分pの面積の求め方としては、種々の公知の手法があり、例えばパルス信号部分pを複数の細かな方形または台形に分割して、各方形または台形の面積を求めてそれらの総和を求める手法がある。
【0028】
前記複数のパルス信号部分pの総面積は、図3に示すように、ドライスート濃度(量)と1:1で対応しており、両者は良好な関係にある。この図において、横軸はドライスート濃度を、縦軸はパルスピークの面積をそれぞれ示している。また、○印は収集したデータの平均を示している(誤差はバーで示している)。
【0029】
上記図3から理解されるように、ドライスートの濃度は、パルス信号部分pの面積とほぼ比例関係にある。したがって、パルス信号部分pの面積にある係数を乗ずることにより、ドライスートの濃度を簡単に得ることができる。
【0030】
この発明によれば、ディーゼルエンジン1の排ガスにおけるドライスート濃度を高速にしかも連続的に得ることができる。
【0031】
そして、この発明においては、たった一つのFID5を用いるだけでよいから、装置全体の構成が大いに簡略化される。
【0032】
上述の実施の形態においては、ディーゼルエンジン1の排ガスGを希釈せず、その一部をFID5にサンプルガスSとして導入するようにしていたが、これに代えて、図7に示すように、排ガスGを適宜希釈してFID5に導入するサンプリング形態を採るようにしてもよい。
【0033】
すなわち、図7において、9はディーゼルエンジン1に接続される排気管10に接続される希釈用トンネルで、その上流側からフィルタ11を介して希釈エアーDAが供給され、下流側には吸引ポンプなどを含む定流量採取装置(Constant Volume
Sampler、以下、CVSという)12が設けられている。この希釈用トンネル9によって、ディーゼルエンジン1からの排ガスGが適宜の倍率で希釈されるとともに、一定流量流れる。13は希釈用トンネル9に対して排気管10とCVS12との間において接続されるサンプリング流路で、前記希釈されたガスGがサンプルガスSとして一定流量流れる。その他の構成は図1と同様であるため、該当部分に同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
【0034】
また、上述の各実施の形態においては、信号処理装置8をアナログ系に構成しているが、これに限られるものではなく、信号処理装置8をディジタル系に構成してもよく、その場合、信号処理装置8としてコンピュータを用いることもできる。
【0035】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ディーゼルエンジンなど内燃機関からの排ガスにおけるドライスート濃度を、リアルタイムで連続的にしかも精度よく定量分析することができる。そして、この発明においては、従来とは異なり、たった一つのFIDを用いるだけでよいから、装置全体の構成が大いに簡略化される。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の排ガス中のPM測定方法を実施するための構成の一つの実施の形態を示す図である。
【図2】前記PM測定方法を説明するための図である。
【図3】ドライスート濃度とFID信号におけるパルス信号の面積との関係を示す図である。
【図4】この発明で用いる水素炎イオン化検出器の一例を示す図である。
【図5】前記水素炎イオン化検出器の燃焼室内における熱イオンの生成過程を説明するための図である。
【図6】前記水素炎イオン化検出器におけるグラファイトに対する応答性の一例を示す図である。
【図7】この発明の排ガス中のPM測定方法を実施するための構成の他の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
1…内燃機関、5…水素炎イオン化検出器(FID)、8…信号処理装置、G…排ガス、S…サンプルガス、f…FID信号、p…パルス信号部分、n…パルス信号部分よりも振幅値が小さいノイズ。
Claims (2)
- 内燃機関から排出されるガスをサンプルガスとして採取し、これをフィルタを通さずに水素炎イオン化検出器に直接導入し、そのとき水素炎イオン化検出器から得られるところの、全炭化水素の量に比例したベース信号部分にドライスートの量に比例したパルス信号部分及びこのパルス信号部分よりも振幅値が小さいノイズが重畳された信号を信号処理装置に入力し、ここでパルス認識を行うために設定されたしきい値以上の前記パルス信号部分のみを取り出して個々のパルス信号部分の面積を算出し、それら個々のパルス信号部分の面積の総和に基づいてドライスート量を求めるようにしたことを特徴とする排ガス中のPM測定方法。
- しきい値Sthは、信号処理装置に入力された信号における一定の周期時間における信号平均値Save にノイズの振幅値Sn を加えた値としている請求項1に記載の排ガス中のPM測定方法。
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