JP3585382B2 - 内燃機関から排出される粒子状物質量の測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排ガス中に含まれている粒子状物質の量を手軽に測定するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの燃焼室においては、燃焼が局所的に不均一に進行するため、空気量に対して燃料量の多い部分では不完全燃焼となってスス（ＳＯＯＴ）が発生する。このススに未燃燃料（軽油）や潤滑用のオイル等の液滴が付着することによって所謂「粒子状物質」が生成される。この粒子状物質が大量にエンジンのテールパイプから排出された場合には大気を汚染するだけでなく、スモーク（黒煙）として明瞭に視認されるためディーゼルエンジンを搭載している車両の商品価値を低下させること等から問題となるが、粒子状物質の排出量を低減させるためには、まずその排出量を正確に測定する必要がある。
【０００３】
排出量測定のための従来技術の１つとして、所謂「希釈トンネル装置」が知られているが、この装置はきわめて大型で高価であるために定置的に使用されるのが普通であって、通常の自動車のような車両に搭載することができないことと、測定の際には必要な時間だけ排ガスをフィルタによって直接に濾過しなければならないために、測定を迅速に行うことができないという問題を有する。また、瞬間的な短い時間内の排出量については、フィルタによる捕集量の検出精度の低さから正確な測定が不可能である。
【０００４】
また、特開平８−１９３９５０号公報には、排ガス中のスス（ＳＯＯＴ）のような粒子状物質の量を、波長が３．８μｍの赤外線を用いて、その吸光度から測定する技術が記載されているが、それ以上の具体的な装置の構成や、実際に測定を行う場合に必要になる定量的な取り扱い方法等については、詳細が明らかにされていない。
【０００５】
なお、日本自動車技術会の１９９８年５月の春季大会において発表された論文（日本自動車技術会年会報告第９８３２００８号参照）には、定量的な取り扱いのための基礎式が記述されているが、これは自然科学における一般的な理論式の提示に止まっており、この理論式を用いた具体的な測定の実施方法や、実際の計算例等については全く触れられていないので、その記載内容を見ただけでは実際に測定装置を設計したり測定を実施することは不可能である。
【０００６】
更に、特開昭５９−１５０９１７号公報には、排ガス中の微粒子濃度を測定するための光学的測定装置が記載されているが、この装置は、本発明装置のように発光素子と受光素子を近距離において対向させて配置することにより、それらの間の透過光を検出するものではなく、光源から試料に入射して散乱する散乱光の一部を光電倍増管によって検出するように構成されているので、検出側において受光される光量が比較的小さいことから、検出精度が低いという問題を有する。また、この公報にも、前述の他の従来技術と同様に、検出された後の信号の処理についての具体的な方法は開示されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における前述のような問題に対処して、小型且つ安価で、エンジンベンチやシャシーダイナモ等に定置的に設置することができるだけでなく、通常の自動車に搭載して容易に測定を行うことができ、更に、瞬間的な短い時間内でも、また定常状態及び過渡状態を問わず、簡単且つ正確に排ガス中の粒子状物質量を測定することができるような、内燃機関から排出される粒子状物質量を測定するための改良された測定装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された内燃機関から排出される粒子状物質量の測定装置を提供する。
【０００９】
請求項１に記載された測定装置においては、内燃機関から排出される排ガスの吸光度を、単色光ではなく、可視光内に分布する長短色々な波長を有する通常の光線を用いて透過光の強度を測定する。強度は透過光の波長の全域にわたる平均強度として測定される。また、排ガスの流量は、特別の流量測定手段を用いることなく、通常の自動車用内燃機関には必ず装備されている機関回転数の測定手段を用いて、機関回転数から排ガスの流量を算出する。演算手段は、これらの手段によって測定された透過光の強度から排ガスの吸光度を算出し、機関回転数から測定された排ガスの流量から、ランベルトベールの法則等に従って排ガス中の粒子状物質量を推算する。即ち、基本的には、単位時間当たりの粒子状物質の排出量を排ガスの吸光度で割った値が、排ガスの流量に対応する機関回転数と直線的な関係にあることを利用して、演算手段が吸光度と機関回転数から機関の単位時間当たりの粒子状物質の排出量を算出する。それによって測定装置が小型で安価なものとなり、前述の発明の課題が十分に達成される。
【００１０】
この場合、内燃機関から排出される排ガスの全量を測定対象としてもよいが、請求項２に記載された測定装置においては、内燃機関から排出される排ガスの一部を分流させて、分流した少量の排ガスの試料について吸光度を測定するので、測定装置が更に小型で安価なものとなる。
【００１１】
請求項３に記載された測定装置においては、排ガスの流量を測定するための機関回転数の測定手段として、クランクシャフトの回転数を直接に測定するものの代わりに、カムシャフトや燃料ポンプの駆動シャフトのような、クランクシャフトによって一定の歯車比において回転駆動される他の回転軸の回転数を測定する手段を用いることができる。それによって排ガスの流量の測定手段の設計の自由度が大幅に大きくなる。
【００１２】
請求項４に記載された測定装置においては、測定された排ガスの吸光度と流量から排ガス中の粒子状物質量を推算する演算手段が、ランベルトベールの法則に基づいて推算を行う。また、請求項５に記載された測定装置においては、演算手段が、粒子状物質の吸光係数は粒子状物質の組成に関係なく一定であるものとして推算を行う。このようにすれば演算がきわめて簡単になるが、それにもかかわらず測定精度が十分に高く維持されることは、実験によって確認されているので何ら問題はない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の基本的な実施形態の構成を示す。図中１１はディーゼルエンジンのような内燃機関、１２は後に詳しく述べる光透過率測定手段であって、内燃機関１１から排出される排ガスの光透過率を測定する。１３は機関回転数検出手段である。これは、例えばクランクシャフトやカムシャフト、或いは燃料ポンプの駆動シャフトに設けられた光又は磁気ピックアップ等によって内燃機関１１の回転数を検出するもので、これは現状では殆ど全ての内燃機関に装備されているので、それを利用することによって、特別に機関回転数の測定手段を新設しなくても機関回転数を正確に検出することができる。１４は演算手段であって、例えば内燃機関制御用の電子式制御装置（ＥＣＵ）内に設けられた演算回路を利用することができ、以下に述べる粒子状物質量の算出式を用いて、先の２つの測定手段１２，１３から得られた排ガスの光透過率及び機関回転数の値から、排ガス中の粒子状物質量を算出する。
【００１４】
次に演算手段１４における粒子状物質量の算出方法について詳しく説明する。この発明においては、通常は被検出物質が溶媒に溶解した液体状の試料に対して狭い波長分布光（単色光）を照射する場合に用いられるランベルトベールの法則を、気体中の粒子状物質に対して広い波長分布を持つ可視光を照射する場合に適用することを意図している。
【００１５】
まず、ランベルトベールの法則の一般的な内容を図２と次の数式を用いて説明する。（労働省労働衛生課監修「作業環境測定のための分析概論」参照。）
【００１６】
【数１】

【００１７】
強度がＩ_０ の単色光である入射光が、濃度Ｃの化学種を含む長さＬの液相の試料中を透過したことにより強度がＩの透過光が得られた場合、試料の微小部分における光の強度の収支式を考えると式（１）のようになり、これを積分することによって式（２）が得られる。更に、式（２）における自然対数を常用対数に変換して（３）の式を得る。式（３）の中でεはモル吸光係数と呼ばれるもので、物質に固有の値である。式（３）の左辺Ａは吸光度と呼ばれるため、式（４）が得られる。つまり、吸光度Ａは試料長さＬ及び粒子状物質濃度Ｃに比例する。これをランベルトベールの法則と呼ぶ。
【００１８】
式（４）を濃度Ｃによって整理すると次の式（５）が得られる。従って濃度Ｃは、吸光度Ａ、モル吸光係数ε、及び試料の長さＬから求めることができる。
Ｃ＝Ａ／（εＬ） …（５）
【００１９】
次に、粒子状物質の排出量を算出する方法について、数式を用いて詳細に説明する。単位時間当たりの排出量ΔＷは、次の式（６）に示すように、濃度Ｃとガス流量Ｖの積として求められる。
ΔＷ＝ＣＶ …（６）
更に、粒子状物質の総排出量Ｗは次の式（７）に示すように、単位時間当たりの粒子状物質の排出量ΔＷを時間ｔに関して積分することによって得られる。
【００２０】
【数２】

【００２１】
この考え方から、定常状態においては勿論のこと、測定の時間間隔を短くすることによって、過渡状態においても簡単に粒子状物質の総排出量Ｗを測定することが可能となる。また、この測定方法によれば、１回の測定と演算の時間をきわめて短くすることが可能である。
【００２２】
以上の考え方を基本として、本発明においては更に次のような取り扱いをすることにより、実際に粒子状物質量を算出することを可能とした。即ち、
１．粒子状物質の光学特性に波長依存性はないものとする。
本発明において使用する光源（発光素子）は単色光を発生するものではなく、可視光の範囲内に分布する普通の光を発生するものであり、その波長は４００〜７００ｎｍの範囲内のものである。紫外線や赤外線のように極端にエネルギーが大きかったり小さかったりするわけではない。従って、その光学特性は波長の全域にわたって略同等であると考えてよい。その結果、単色光でなくても、光の強度を分布波長に対する平均強度として取り扱うことが可能になる。つまり、可視光内に分布する光線を発生する光源を用いていても、受光素子によって検出される透過光の強度Ｉとして、波長分布の全域にわたる平均強度を充当することによって、前述の（１）〜（５）の各式が成立する。
【００２３】
２．粒子状物質の吸光係数εは粒子状物質の組成に関係なく一定とする。
粒子状物質中に含まれるものは、分子量の違いがあっても全てが有機物質であるから、それを含む媒質（排ガス）を可視光が透過する際の光の挙動は粒子状物質の組成に関係なく同等であると考えて差し支えはない。また、試料の長さＬは一定なので、この取り扱いによって式（５）の中の粒子状物質濃度Ｃは吸光度Ａだけの関数となり、演算がきわめて簡単になる。
【００２４】
３．排ガスの流量を機関回転数によって代表させる。
最近の自動車等の車両では、駆動機関のクランクシャフトの回転数のような機関回転数を常時計測しているから、その計測値を利用すれば、わざわざ特別の流量計等を用いてガス流量を計測する必要はない。燃料供給（噴射）による排ガス流量の増加分を無視すれば、機関回転数Ｒとガス流量Ｖとの間には線形の関係が成立するので、排ガス流量Ｖを次の式（８）のように表わすことができる。
Ｖ＝αＲ＋β …（８）
（但し、α及びβは定数とする。）
【００２５】
従って、式（５）及び（８）を式（６）に代入すると、次の式（９）のような相関式となる。

これを式（７）に代入することによって、次に示すような式（１０）が得られる。
【００２６】
【数３】

【００２７】
この式（１０）の中で、α，β，ε，及びＬはいずれも定数であり、吸光度Ａを求める際の光の強度Ｉは平均強度である。結局、吸光度Ａと機関回転数Ｒから総排出量Ｗが計算可能となる。実験的には式（９）から得られる次の式（１１）から、機関回転数Ｒに対して単位時間当たりの粒子状物質量ΔＷを吸光度Ａで割った値ΔＷ／Ａを図表上にプロットすることによって、描かれる直線の切片から直線の傾き（勾配の値）を算出することができる。
ΔＷ／Ａ＝（α／εＬ）Ｒ＋（β／εＬ） …（１１）
【００２８】
【実施例】
次に、実際に排気量３リットルのディーゼルエンジンを複数の定常条件下において運転して測定を行った例について説明する。機関回転数Ｒと負荷の大きさを変化させたときに、吸光度Ａに対応して変化する、単位時間内に排出される粒子状物質量ΔＷを希釈トンネル装置によって捕集して秤量した。このようにして吸光度Ａに対する単位時間当たりの粒子状物質の排出量ΔＷを測定した結果を図３に示す。機関回転数Ｒが増加するに従って、直線の傾きが大きくなってゆくことが分かる。この結果について、機関回転数Ｒに対して変化する、単位時間当たりの粒子状物質の排出量ΔＷを吸光度Ａで割った値ΔＷ／Ａを図表上にプロットしたものが図４である。
【００２９】
図４に見られるように、測定範囲内における全ての実験点は概ね１本の直線上に並んでおり、その傾きと切片から前述の式（９）は次のようになった。
ΔＷ＝（２．５７６×１０^−４×Ｒ−１．４９３×１０^−１）×Ａ…（１２）
また、この結果が１本の直線上に載っていることから、式を誘導する際に定めた本発明における前述の１〜３の取り扱いが、実際に即して妥当なものであることが確認された。
【００３０】
次に、排ガスの光透過率の測定の実際の例を示す。図５は市販の透過型スモークメータを用いて測定する例である。図５において５１はディーゼルエンジン、５２は排気管、５３はマフラ（消音器）、５４はテールパイプ、５５は発光素子と受光素子を備えている市販の透過型スモークメータを示している。テールパイプ５４に透過型スモークメータ５５を取り付けて、内部を通過する排ガスの光の透過率を測定する。この方法においては排ガスの全量を測定するため、測定値は正確であるが、装置全体が比較的に大型となるため、定置状態で使用するか、或いは大型車両に搭載するのに適している。
【００３１】
これに対して、図６に示したものは、どのような車両にも取り付け可能なように、小型のスモークメータ６５によって測定する例である。小型のスモークメータ６５も、短距離をおいて相互に対向して設けられた発光素子と受光素子を備えている。この場合はサンプリングポンプ６６によって吸引することにより、テールパイプ６４を流れる排ガスの一部を分流させて小型スモークメータ６５に導入する。
【００３２】
図７に小型スモークメータ６５の詳細な構造を示す。排ガス導入管７５によって取り込まれた排ガスは、パージ用空気導入管７７を備えた三方弁７６を経た後に、測定光路７３を通過してシステム外へ排出される。可視光域に出力強度のピークを有する光が発光素子７１から放射され、測定光路７３を通過する排ガス内を透過した後に受光素子７２に到達して強度を測定される。これにより光透過率を測定することができる。更に、両素子７１，７２と測定光路７３との境界面には窓付きセラミックヒータ７４を設置して、その部分を加熱することにより、粒子状物質が窓面に付着することを防止していると共に、水冷冷却器７８によって両素子７１，７２を冷却することにより、特性の温度変化及び素子７１，７２の熱的な破壊を防止している。
【００３３】
実際に本装置を用いて測定を行った実施例として、前述の相関式を導出するために使用したディーゼルエンジンにおいて、６秒間にわたってレーシング（空ぶかし）を行って排出スモーク値を測定した場合について説明する。図８は６秒間の時間経過に対する機関回転数の変化とスモーク値を測定した結果を示したものである。ここでスモーク値とは、（１−Ｉ／Ｉ_０ ）×１００（％）の値のことである。この測定と計算を０．１秒毎に繰り返して実行したところ、６秒間の粒子状物質の総排出量として３９５ｍｇという値が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な実施形態のシステム構成を概念的に示す正面図である。
【図２】ランベルトベールの法則を説明するために排ガスの一部と、それを透過する光の強度を概念的に示す斜視図である。
【図３】単位時間当たりの粒子状物質の排出量と吸光度との関係を示す線図である。
【図４】単位時間当たりの粒子状物質の排出量に対する吸光度の比と、機関回転数との関係を示す線図である。
【図５】排ガスの全量を測定するシステムの構成例を概念的に示す正面図である。
【図６】排ガスの一部を分流させて測定するシステムの構成例を概念的に示す正面図である。
【図７】図６のシステムに使用する小型スモークメータの構造を示す断面図である。
【図８】本発明装置による具体的な測定の過程を例示する線図である。
【符号の説明】
１１，５１，６１…内燃機関（ディーゼルエンジン）
１２…光透過率測定手段
１３…機関回転数検出手段
１４…演算手段
５４…テールパイプ
５５…透過型スモークメータ
６５…小型スモークメータ
７１…発光素子
７２…受光素子
７３…測定光路
７５…排ガス導入管

Claims (5)

1. 発光素子と受光素子を近距離において対向させて配置し、内燃機関から排出される排ガスに向かって、可視光内に分布する波長を有する光線を前記発光素子から照射し、その透過光の波長の全域にわたる平均強度から吸光度を測定する手段と、排ガスの流量を機関回転数によって測定する手段と、測定された排ガスの吸光度と排ガスの流量から排ガス中の粒子状物質量を推算する演算手段とを備えていると共に、単位時間当たりの粒子状物質の排出量を排ガスの吸光度で割った値が、排ガスの流量に対応する機関回転数と直線的な関係にあることを利用して、演算手段が吸光度と機関回転数から機関の単位時間当たりの粒子状物質の排出量を算出するように構成されていることを特徴とする内燃機関から排出される粒子状物質量の測定装置。
2. 請求項１において、前記内燃機関から排出される排ガスの一部を分流させて、分流した排ガスについて吸光度を測定することを特徴とする粒子状物質量の測定装置。
3. 請求項１又は２において、機関回転数として、クランクシャフトの回転数の代わりに、前記クランクシャフトによって一定の回転比において回転駆動される前記クランクシャフト以外の軸の回転数を測定するようにしたことを特徴とする粒子状物質量の測定装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、測定された排ガスの吸光度と流量から排ガス中の粒子状物質量を推算する演算手段が、ランベルトベールの法則に基づいて推算を行うようにしたことを特徴とする粒子状物質量の測定装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、測定された排ガスの吸光度と流量から排ガス中の粒子状物質量を推算する演算手段が、粒子状物質の吸光係数は粒子状物質の組成に関係なく一定であるものとして推算を行うようにしたことを特徴とする粒子状物質量の測定装置。

Images