JP3759652B2 - 排気ガス測定装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は排気ガス測定装置に係り、とくにエンジの排気ガス中の液体粒子状物質を測定する排気ガス測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関から成るエンジン、とくにディーゼルエンジンの排気ガスを測定する排気ガス測定装置が、例えば特願平7−84900号によって提案されている。この装置はエンジンの排気ガスの一部を排気管から抽出してミニダイリューショントンネルに導き、このミニダイリューショントンネルで排気ガスを空気で希釈して窒素酸化物等の測定を行なうようにしたものである。
【0003】
従来のこのような測定装置は、排気ガス中の有害物質中、とくに重要な窒素酸化物の測定を主たる目的として設計されている。ところがディーゼルエンジンの排気ガスには煤(SOOT)や液体粒子状物質(SOF)が含まれており、これらを合せてパティキュレート物質という。このようなパティキュレート物質については、ミニダイリューショントンネルで希釈された排気ガスの一部を抽出する計測用抽出管の途中にパティキュレートフィルタを設けておき、パティキュレートフィルタによって上記のようなパティキュレート物質を捕捉し、その重量をマイクロ天秤によって測定するようにしていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来のこのようなパティキュレートフィルタによるパティキュレート物質の捕捉と、マイクロ天秤による測定によれば、測定がバッチ処理のためにその効率が非常に悪く、しかも連続測定を行なうことができなかった。すなわちエンジンの運転状態に応じて液体粒子状物質がどのように排出されているかを正確に計測することができなかった。
【0005】
フィルタを用いた差圧測定法をパティキュレート物質の計測に適用する試みがなされているが、とくに液体粒子状物質については、その含有量と差圧との間に直線関係を見出せず、このためにとくに液体粒子状物質については差圧測定法を用いることができなかった。
【0006】
本願発明者は液体粒子状物質を捕捉するフィルタの上流と下流との間の差圧と捕捉される液体粒子状物質の量との間に直線関係が見出せない原因について各種調査研究を行なった。その結果液体粒子状物質がフィルタ材質の中に浸透することが原因であることを突止めた。すなわち排気ガス中のパティキュレート物質は、フィルタ差圧測定法においては、煤(SOOT)の測定には適しているものの、液体粒子状物質(SOF)はフィルタ材質中に浸透し、排気ガス中における液体粒子状物質の含有量に比例した通気抵抗が発生せず、これによってフィルタの上流と下流との間において正確な差圧が生せず、測定ができないことが明らかになった。
【0007】
本発明はこのような知見に基いてなされたものであって、とくにエンジンの排気ガス中の液体粒子状物質を正確にかつ連続的に測定することが可能な排気ガス測定装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンの排気ガス中の液体粒子状物質を測定する排気ガス測定装置において、
前記液体粒子状物質を含む排気ガスが通過する管路に接続されており、前記液体粒子状物質を浸透しない弗素樹脂のシートから成り、該シートの厚さ方向に貫通する無数の小孔を形成し、液体粒子状物質を測定するフィルタと、
前記管路の前記液体粒子状物質を測定するフィルタの上流側に接続された冷却用希釈空気供給管路から構成され、しかも前記希釈空気供給管路によって希釈空気を供給するポンプと、前記希釈空気によって希釈されて冷却された排気ガスの温度を測定する温度計とを具備し、排気ガスに希釈空気を供給して前記液体粒子状物質の液化温度以下の温度になるように前記ポンプの回転数を制御し、前記液体粒子状物質をその液化温度以下の温度に冷却する冷却手段と、
前記管路の前記液体粒子状物質を測定するフィルタの上流側と下流側の差圧を計測する差圧計と、
を具備し、前記液体粒子状物質を測定するフィルタが前記液体粒子状物質と接触しても、該液体粒子状物質を吸収することがなく、前記冷却手段によって排気ガス中に含まれる液体粒子状物質を液化するのに必要な温度に冷却して前記フィルタを構成するシートの厚さ方向に貫通する小孔内を通過させると前記液体粒子状物質が前記小孔の内側壁面を構成する内周面に付着することによって捕捉され、捕捉量に応じて通気抵抗が発生し、前記差圧計の計測値から排気ガス中の液体粒子状物質の含有量を測定するようにしたことを特徴とする排気ガス測定装置に関するものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施の形態に係る排気ガス測定装置の全体の構成を示すものであって、ディーゼルエンジン10の側面側に取付けられている排気マニホールド11には排気管12が接続されている。そしてこの排気管12には排圧調整用バタフライバルブ13とマフラ14とが接続されるようになっている。
【0012】
マフラ14の出口側は別の排気管15に接続されるようになっている。そしてこの排気管15に脈動防止用のレゾネータ16が分岐するように接続されている。また排気管15はその上端側が大気開放されるとともに、大気開放された部分が煙道17の入口部分に臨んでいる。なおこの煙道17の先端側には排気ブロア18が接続されるようになっている。
【0013】
上記エンジン10の反対側の部分には吸気マニホールドが取付けられるとともに、この吸気マニホールドの先端側に吸気管19が接続されている。そして吸気管19にはさらに流量計20が接続されるようになっている。
【0014】
またこの排気ガス測定装置はミニダイリューショントンネル22を備えている。このミニダイリューショントンネル22はその入口側の部分が空気導入管23に接続されている。そして空気導入管23の先端側には希釈空気を導入するための空気ポンプ24が設けられている。このような空気ポンプ24が設けられている空気導入管23の先端側は希釈空気供給管25の端部に開放状態で対向している。また空気導入管23には、その中間位置に希釈空気圧力調整バルブ26が接続されている。
【0015】
これに対してミニダイリューショントンネル22の下流側には熱交換器27が接続されるとともに、熱交換器27の下流側にはブロア28が接続されるようになっている。なおブロア28は一定の回転数で回転するブロアである。
【0016】
マフラ14の下流側に接続されている排気管15の直立する部分にはバイパスオリフィス29が取付けられるとともに、このオリフィス29よりも下側の部分にはサンプリング管30の一端が挿入され、このサンプリング管30によって排気ガスを抽出し、ミニダイリューショントンネル22に導入するようにしている。そしてサンプリング管30にはサンプリングオリフィス31が取付けられている。
【0017】
排気管15のオリフィス29とサンプリング管30のオリフィス31はそれぞれ絞りの役割をしており、これら2つのオリフィス29、31の空気抵抗の比率に応じて各々へ流れる排気ガスの流量が分配される。各オリフィス29、31の入力圧力はサンプル点が同じで一定なので、出力圧力を制御することにより、排気ガスの分配率が変化することになる。
【0018】
ミニダイリューショントンネル22で希釈された排気ガスの一部をサンプリングするためのサンプリングポンプ32を有する小径の細管がミニダイリューショントンネル22に挿入されている。そしてこのサンプリングポンプ32の下流側にはNOx計33が接続されている。NOx計33はさらに制御用コンピュータ44と接続されている。
【0019】
さらにミニダイリューショントンネル22に挿入されている別の細管にはパティキュレートフィルタ34と、液体粒子状物質用フィルタ48と、サンプリングポンプ35と、そして流量計36とがそれぞれ接続されている。
【0020】
上記マフラ14の出口側であって直立する排気管15よりも下側の部分に挿入されている細管には前処理装置37が接続されるようになっている。そしてこの前処理装置37の下流側にはNOx計38が接続されている。NOx計38は制御用コンピュータ44と接続されている。
【0021】
図2に拡大して示すように、上記排気管15の直立部分に設けられているバイパスオリフィス29の両側の圧力差を検出するために差圧計39が設けられている。また排気ガスの抽出を行なうサンプリング管30にはその途中にサンプリングオリフィス31の両側の圧力差を検出する差圧計40が設けられている。これらの差圧計39、40の検出出力はともに制御用コンピュータ44に入力されるようになっている。
【0022】
また上記吸気管19の流量計20とエンジン10へ供給される燃料の量を測定する燃料計41とが制御用コンピュータ44に接続されている。なお流量計20と燃料計41の測定値に基いてコンピュータ44がエンジン10の排気ガスの総排出量、すなわち排気ガス流量を演算して求めるようにしている。またブロア28の回転計がコンピュータ44に接続されている。コンピュータ44は上記ブロア28の回転数からダイリューショントンネル22の流量を演算して求めるようにしている。
【0023】
次に排気ガス中に含まれている煤(SOOT)と液体粒子状物質(SOF)とをそれぞれ測定するための装置について図3により説明する。煤を測定するためのパティキュレートフィルタ34が接続されている管路47の下流側には液体粒子状物質(SOF)用フィルタ48が接続されている。そしてこのフィルタ48の上流側と下流側の圧力差を測定する差圧計49が設けられている。またフィルタ34の下流側であってフィルタ48の上流側には冷却用希釈空気供給管50が接続されている。この供給管50にはポンプ51と流量計52とがそれぞれ接続されている。
【0024】
流量計52の検出出力およびポンプ35の下流側の流量計36の検出出力はそれぞれ制御用コンピュータ44に入力されるようになっている。このコンピュータ44にはさらに記録計55が接続されている。また液体粒子状物質用フィルタ48の上流側には温度計53が接続されるとともに、この温度計53の出力が温度/電気変換器54によって電気信号に変換され、制御用コンピュータ44に入力されるようになっている。
【0025】
次に上記液体粒子状物質(SOF)用フィルタ48について説明すると、図4および図5に示すように、このフィルタは弗素樹脂(例えば商品名テフロン)のシートから構成されており、このシートに直径が約10μmの孔を無数に形成したフィルタから構成されている。このように弗素樹脂から成るフィルタは、液体粒子状物質(SOF)を吸収することがなく、これによって排気ガス中に含まれる液体粒子状物質の量に比例した差圧がその両側で確実に発生するものである。
【0026】
以上のような構成において、図1に示すエンジン10の運転によって生じた排気ガスは排気マニホールド11および排気管12を通して取出される。なおこのときに排圧が排圧調整用バタフライバルブ13によって調整されるとともに、マフラ14によって排気脈動が低減される。そして排気管15を通過する排気ガスの一部がサンプリング管30によって抽出されるとともに、ミニダイリューショントンネル22に導かれる。
【0027】
ミニダイリューショントンネル22内において、空気導入管23を通して導入された大気によって排気ガスの希釈がなされる。このような希釈のための大気は希釈空気供給管25によって供給され、この供給管25から供給される空気を空気ポンプ24によって空気導入管23で吸込むようにしている。
【0028】
希釈された排気ガスはサンプリングポンプ32によってサンプリングされてNOx計33に導かれ、ここで窒素酸化物の量の測定が行なわれる。さらに希釈された排気ガスはサンプリングポンプ35によって吸引されてパティキュレートフィルタ34内を通過し、このときにフィルタ34によって捕捉されたパティキュレートの量が計測される。その後に液体粒子状物質用フィルタ48内を通過し、このときにフィルタ48によって捕捉された液体粒子状物質の量が計測される。
【0029】
また希釈される前のエンジン10の排気ガスの状態は、マフラ14の出口側において排気管15から直接抽出されるとともに、この排気ガスを前処理装置37によって前処理した後に、NOx計38によって測定するようにしている。
【0030】
次に空気導入管23を通してミニダイリューショントンネル22に吸引される空気の量を調整するための構成について説明すると、空気導入管23に接続されている空気ポンプ24がモータ42によって回転駆動されるようになっている。そしてこのモータ42がインバータ43によって回転数制御されるようになっている。しかもインバータ43はコンピュータ44からの信号に基いて調整されるようになっている。
【0031】
コンピュータ44にはミニダイリューショントンネル22内の流量、排気ガスの流量、ミニダイリューショントンネル22内のNOx濃度、希釈する前の排気ガスのNOx濃度がそれぞれ入力されるようになっている。なおミニダイリューショントンネル22内の流量はダイリューショントンネルの流量測定法に準拠した方法によって測定される。排気ガスの流量は吸入空気量と燃料流量の和として測定される。ミニダイリューショントンネル22内のNOxの濃度はNOx計33によって測定される。また希釈する前の排気ガス中のNOx濃度はNOx計38によって測定される。
【0032】
図1に示す排気ガス測定装置のミニダイリューショントンネル22内の排気ガスの分割比は、トレーサガスを窒素酸化物とすると、エンジン10が排出する排気ガス中の窒素酸化物の全量と、ミニダイリューショントンネル22内の希釈ガス中の窒素酸化物の全量の比から計算され、次の式で表わされる。
【0033】
【数1】
Figure 0003759652
次に排気ガス中に含まれる液体粒子状物質(SOF)の測定について説明する。ミニダイリューショントンネル22内において希釈された排気ガスは図3に示す抽出管47によって抽出されるとともに、その中に含まれる煤(SOOT)がパティキュレートフィルタ34によって除去される。フィルタ34は190℃の高温型煤除去用フィルタから構成されている。そして煤を除去した後に、冷却用希釈空気供給管50によって希釈されるとともに、その温度が液体粒子状物質の液化温度である52℃まで冷却される。なお正しい温度まで冷却されたかどうかは温度計53によって計測されるとともに、その値が変換器54によって電気信号に変換され、制御用コンピュータ44に入力される。従ってコンピュータ44は測定された温度に応じてポンプ51の回転数を制御し、これによって適正な温度になるように調整する。
【0034】
適切な温度に下げられた希釈排気ガスは液体粒子状物質用フィルタ48に供給される。ここで液体粒子状物質(SOF)は図4および図5に示す弗素樹脂のシートの微小な孔の内周面に付着し、液体粒子状物質のフィルタ48による捕捉量に応じた差圧がこのフィルタ48の両側に発生する。このような差圧が差圧計49によって測定される。そして測定値は制御用コンピュータ44に入力されるとともに、このコンピュータ44によって記録計55が駆動され、測定値が連続的に測定されるようになる。
【0035】
このように排気ガス中の液体粒子状物質を測定するために、ミニダイリューショントンネル22から抽出管47によって抽出された排気ガスは煤を除去するためのパティキュレートフィルタ34を通り、冷却用希釈空気供給管50を通して供給される空気によって52℃まで冷却され、液体粒子状物質用フィルタ48に供給される。
【0036】
このフィルタ48が図4および図5に示すように、弗素樹脂のシートに均一に無数の小孔を形成したミリポアフィルタ48から構成されており、排気ガス中に含まれる液体粒子状物質(SOF粒子)を捕捉する。捕捉した液体粒子はフィルタ48の孔の内周面に付着し、図6に示すように液体粒子状物質(SOF)の捕捉量に応じた通気抵抗が発生する。この通気抵抗がフィルタ48の上流と下流との間の差圧を測定する差圧計49によって測定される。従って液体粒子状物質の連続的な測定が可能になる。
【0037】
このように排気ガス中の煤を加熱フィルタから成るパティキュレートフィルタ34によって除去し、液体粒子状物質(SOF)を液化によって発生させるのに必要な冷却を行なった後に液体粒子状物質の捕捉による差圧発生のために、その材質に液体粒子状物質が浸透しないメンブランフィルタ48を用いるようにしている。従って排気ガス中の液体粒子状物質をこのフィルタ48を通過させ、その小孔の部分に液体粒子状物質を捕捉させることによって差圧を発生させ、この差圧を発生させることによって液体粒子状物質の含有量を正確かつ連続的に測定することが可能になる。
【0038】
【発明の効果】
本発明は、エンジンの排気ガス中の液体粒子状物質を測定する排気ガス測定装置において、
液体粒子状物質を含む排気ガスが通過する管路に接続されており、液体粒子状物質を浸透しない弗素樹脂のシートから成り、該シートの厚さ方向に貫通する無数の小孔を形成し、液体粒子状物質を測定するフィルタと、
前記管路の前記液体粒子状物質を測定するフィルタの上流側に接続された冷却用希釈空気供給管路から構成され、しかも前記希釈空気供給管路によって希釈空気を供給するポンプと、前記希釈空気によって希釈されて冷却された排気ガスの温度を測定する温度計とを具備し、排気ガスに希釈空気を供給して前記液体粒子状物質の液化温度以下の温度になるように前記ポンプの回転数を制御し、液体粒子状物質をその液化温度以下の温度に冷却する冷却手段と、
管路の前記液体粒子状物質を測定するフィルタの上流側と下流側の差圧を計測する差圧計と、
を具備し、液体粒子状物質を測定するフィルタが液体粒子状物質と接触しても、該液体粒子状物質を吸収することがなく、冷却手段によって排気ガス中に含まれる液体粒子状物質を液化するのに必要な温度に冷却してフィルタを構成するシートの厚さ方向に貫通する小孔内を通過させると液体粒子状物質が前記小孔の内側壁面を構成する内周面に付着することによって捕捉され、捕捉量に応じて通気抵抗が発生し、差圧計の計測値から排気ガス中の液体粒子状物質の含有量を測定するようにしたものである。
【0039】
従って本発明によれば、液体粒子状物質を含む排気ガスをこのフィルタを通過させると、このフィルタによって捕捉されるとともに、液体粒子状物質がその表面に付着することになり、このフィルタの上流側と下流側との間で差圧を発生する。従ってこの差圧を差圧計によって計測することにより、排気ガス中の液体粒子状物質を連続的に測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】排気ガス測定装置の全体の構成を示す配管図である。
【図2】排気ガスの抽出のための接続を示す要部拡大配管図である。
【図3】液体粒子状物質の測定のための構成を示す要部拡大配管図である。
【図4】液体粒子状物質測定用フィルタの平面図である。
【図5】同断面図である。
【図6】液体粒子状物質の捕捉量に対する差圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
10 エンジン
11 排気マニホールド
12 排気管
13 排圧調整用バタフライバルブ
14 マフラ
15 排気管
16 レゾネータ
17 煙道
18 排気ブロア
19 吸気管
20 流量計
22 ミニダイリューショントンネル
23 空気導入管
24 空気ポンプ
25 希釈空気供給管
26 希釈空気圧力調整バルブ
27 熱交換器
28 ブロア
29 バイパスオリフィス
30 サンプリング管
31 サンプリングオリフィス
32 サンプリングポンプ
33 NOx計
34 パティキュレートフィルタ
35 サンプリングポンプ
36 流量計
37 前処理装置
38 NOx計
39、40 差圧計
41 燃料計
42 モータ
43 インバータ
44 コンピュータ
47 抽出管
48 液体粒子状物質(SOF)用フィルタ
49 差圧計
50 冷却用希釈空気供給管
51 ポンプ
52 流量計
53 温度計
54 温度/電気変換器
55 記録計

Claims (1)

  1. エンジンの排気ガス中の液体粒子状物質を測定する排気ガス測定装置において、
    前記液体粒子状物質を含む排気ガスが通過する管路に接続されており、前記液体粒子状物質を浸透しない弗素樹脂のシートから成り、該シートの厚さ方向に貫通する無数の小孔を形成し、液体粒子状物質を測定するフィルタと、
    前記管路の前記液体粒子状物質を測定するフィルタの上流側に接続された冷却用希釈空気供給管路から構成され、しかも前記希釈空気供給管路によって希釈空気を供給するポンプと、前記希釈空気によって希釈されて冷却された排気ガスの温度を測定する温度計とを具備し、排気ガスに希釈空気を供給して前記液体粒子状物質の液化温度以下の温度になるように前記ポンプの回転数を制御し、前記液体粒子状物質をその液化温度以下の温度に冷却する冷却手段と、
    前記管路の前記液体粒子状物質を測定するフィルタの上流側と下流側の差圧を計測する差圧計と、
    を具備し、前記液体粒子状物質を測定するフィルタが前記液体粒子状物質と接触しても、該液体粒子状物質を吸収することがなく、前記冷却手段によって排気ガス中に含まれる液体粒子状物質を液化するのに必要な温度に冷却して前記フィルタを構成するシートの厚さ方向に貫通する小孔内を通過させると前記液体粒子状物質が前記小孔の内側壁面を構成する内周面に付着することによって捕捉され、捕捉量に応じて通気抵抗が発生し、前記差圧計の計測値から排気ガス中の液体粒子状物質の含有量を測定するようにしたことを特徴とする排気ガス測定装置。
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