JP5174041B2 - 排気ガスの試料採取用の希釈装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、いわゆる希釈装置として、また、とりわけエンジン用の排気ガス希釈に用いられる装置に関する。より具体的には、本発明は、排気管内の排気ガスによる背圧に拘らず、一定の希釈率を維持することができる装置および方法に関する。

希釈装置は、排気ガスを分析用の器具類に導入する前の、排気ガスの試料採取工程において必要である。とりわけ希釈装置は、排気ガスのさもなければ分析用機器類には耐えられないほどの温度と湿潤度を下げることができる。さらに、それらは汚染物質の濃度を下げ、また分析前の試料を平衡化する。

排気ガスの希釈は、分析の前に、排気ガスの全量を希釈トンネルに導き、そこで濾過した周囲の空気との混合が行なわれる全開流量希釈装置を用いて実施される。そのような希釈装置は、非特許文献１に記載されているような定容量採取技術を用いる。定容量・全開流量希釈装置は、排気ガスと希釈空気の混合比率が排気ガスの瞬間流量に応じて変化するために、過渡試験中に希釈率の変動を生ずる。希釈率の変動は、排気の特性、とりわけ粒子状物質の排出を正確に把握しようとするときには重大な短所となるが、それは、希釈後の揮発性および半揮発性成分の飽和度に応じて、粒子の核生成および凝縮の程度を変化させるからである。

希釈率の変動という課題を克服するために、排気ガスの一部だけを試料採取し、計測し、さらに、計量希釈空気を用いて調整することにより固定希釈率が得られる部分流式の試料採取装置が広く使用されるようになった。そのような装置により得られる希釈率は、一般には１０：１から１０００：１の範囲である。この広い範囲は、市販の機器類の測定範囲において、従来のディーゼルエンジンや微粒子フィルタを備えるディーゼルのような異なる発生源からの微粒子量を低下させるために必要である。そのような部分流式装置は、たとえば特許文献１および特許文献２に説明されている。これらの装置は、得られる希釈率が排気ガスの圧力変化により非常に大きい影響を受けるために、排気ガスの試料採取を主として後処理装置の下流側で行なうようになっている。後処理装置、とりわけディーゼル用微粒子フィルタの上流側における背圧は、大気圧より数ｍｂ〜数百ｍｂ高い範囲で変化して、希釈率の大きい変動を引き起こす。

特許文献３で説明されている装置は、上流の排気ガス状態から小さい影響しか受けず、一定である希釈率を得ることを目的とするが、多数の可動部品を挿着するようになっており、それは、高温・湿潤で、微粒子を含有する排気ガスの希釈には望ましくない。

本発明の目的
本発明の目的は、可動部品をまったく用いることなく、上流の排気ガスの圧力に拘らず一定の希釈率が得られるよう排気ガスを希釈することである。提案した希釈装置は、毛細管を介して採取される、排気ガスの非常に少量の部分（０．５ｌｐｍ程度）を利用する。排気ガスが非常に少量であるために、希釈装置と排気管のあいだを固締する必要はなく、大気中に自由に排出される排気ガス流の中に毛細管を配置するだけで充分である。これに関連し、毛細管の入口は、排気ガスの圧力に拘らず、概ね大気圧と同じ圧力の下に常時曝されるようになっているが、これにより、一定の希釈率が得られる。毛細管を流れる試料の流量は、毛細管出口の低圧を調整し、維持することにより決まる。次いで、希釈排気ガスは、安定化チャンバに集められ、そこで収集エアロゾルの状態を随意に変えるために、温度、湿潤度および滞留時間が調節される。異なる希釈率にするための設定は、安定化チャンバの低圧を適切に調節して実施される。希釈率を高めるために、複数の毛細管および安定化チャンバを多段式に配置してもよい。最終希釈工程の後、微粒子の試料が、重量測定のためにフィルタ上に捕集される若しくは微粒子の物理的または化学的特性の判定に用いられる計数器、表面モニタまたはその他の手法により分析される。

米国特許出願公開第２００３／０２３２４４９号明細書 特開２００４−２０５２５３号公報（２００４．Ｔ．２２） スイス国特許第６９３４９１号明細書

法律９１／４４１／ＥＥＣ、欧州委員会（Official Journal L 242,30/08/1991 P.0001-0106）

好ましい実施形態において、毛細管は、皮下注射針により実施されており、また、２つの階段状の皮下注射針・安定化チャンバは、所望の希釈率を得るために組み合わされている。希釈装置の位置は、車両・エンジンの排気管に対して固定されており、また、針は、排気管に挿入されている。この実施形態は、圧縮点火エンジンやスパーク点火エンジンのようないずれの構造のエンジンまたは車両、および完全な車両の排気管からのエアロゾルを希釈するために用いられる。

別の実施形態においては、排気ガスが、いずれの種類であろうとも特徴付けが必要な後処理装置の上流と下流に各々配置された２つのプローブにより希釈装置の毛細管に導入される。プローブは、排気ガスの総流量が第１の皮下注射針内の流量より僅かに大きくなるよう、適切な径に形成されている。過剰流量は、一定の圧力にして大気中に排出される。排気ガスは、遮断弁により上流側または下流側のいずれかのプローブを介して希釈装置の毛細管に供給され、これにより、装置の濾過効率の推定値が得られるようになっている。

本発明の第１の実施形態の略配置図である。それは、主毛細管１、副毛細管５、主安定化チャンバ２および副安定化チャンバ６を示す。排気ガスは、安定化チャンバ２、６での調整後に、ポンプ９により排気管から計測機器類の中へと取り込まれる。 主毛細管１により構成されていて、試料を主希釈空気管３に排出する、空気管の先端出口上流の主混合先端部の詳細断面図である。 本発明の第２の実施形態の略配置図である。この実施形態において、主希釈空気管３、副希釈空気管７および試料出口８の流路抵抗は、スロットル機構１４、１３、１２により個別に調節できるようになっている。また、図４に詳細を示す過剰流量装置が、排気ガスを後処理装置の上流および下流で連続的に採取するために用いられる。 主毛細管１の先端入口が排気ガス流に浸され、また、包まれている過剰流量装置の詳細断面図であり、排気ガス流は大気中に自由に排出できるようになっている。

図１を参照して説明すると、参照符号１は、未希釈排気ガスを主安定化チャンバ２に取り込む主毛細管を示す。主安定化チャンバにおける希釈は、主希釈空気管３を介して希釈空気を導入することにより実施される。主毛細管１を通った試料および主希釈空気管３を通った希釈空気は、チャンバ内の低圧のために主安定化チャンバ２に導入される。主安定化チャンバ２内の低圧は、主排出管４を介して空気を吸引するポンプ９が発生させる。希釈率（一般に２０：１程度）および試料の主安定化チャンバ２での滞留時間（一般に０．５〜１．０ｓ程度）は、スロットル機構１１により調整されるが、それは、適切であれば、いずれの種類の調整弁または質量流制御器であってもよい。主安定化チャンバにおける試料の安定化は、排気ガス成分と希釈空気との均一な混合および温度の平衡化のために必要である。

主毛細管１の先端は大気圧の下にあるために、主毛細管を流れる流量（一般に０．５ｌｐｍ程度）は、主安定化チャンバ２の圧力および主希釈空気管３を流れる、一般には１０ｌｐｍ程度の希釈空気量だけに、また、度合いは低いが、排気管内の排気ガス温度に依存する。低圧と主希釈空気量は、ポンプ９の特性曲線および用いたスロットル機構１１により暗示的に関連付けられる。したがって、排気ガス温度が一定であるエンジンの定常運転時の、主安定化チャンバ２内での希釈率は、スロットル機構１１の設定にだけ依存する。

排気管内の高い微粒子濃度のために必要になったがために希釈率をさらに高めるときには、副毛細管５を主安定化チャンバ２にしっかりと連結して、主希釈試料を副安定化チャンバ６に導入できるようにする。主安定化チャンバ２から副安定化チャンバ６への流れは、副安定化チャンバ６に、主安定化チャンバ２より強い低圧を発生させることにより生ずる。このことは、ポンプ９を、試料管８を介して副安定化チャンバ６に抵抗がまったく生じないように、但し、微粒子特性判定装置１０に用いられる機器類・技術だけを利用して接続することにより実現できる。この構成時の総合希釈率は、先のパラグラフで説明した変数に加え、副安定化チャンバ６と主安定化チャンバ２のあいだの圧力差および微粒子計測装置１０が必要とする試料管８を流れる総流量に依存する。この第１の実施形態は、排気管内の排気ガスの圧力および温度の変動が限定されているときおよび希釈率を正確に調節する必要がないときに適用される。

微粒子の損失を最小にし、毛細管の中の流れを安定化し、さらに、試料と希釈空気との混合を改良するために、混合先端部が、安定化チャンバの上流に形成されている。このことは、図２にある程度詳細に示されている。混合先端部において、主毛細管１からの試料の流れは、まず、主希釈空気管３を流れる希釈空気の流れに曝される。主希釈空気管３は、希釈空気が安定化チャンバで膨張する前の位置に９０°曲がったベンドが形成されている。毛細管の先端出口は、主希釈空気管３の軸に沿い、ベンドの下流、但し主希釈空気管の先端よりは上流に配置されている。また、同様の混合先端部が、副毛細管５の下流に形成されている。

図３は、たとえば排気ガスの圧力および温度に大きい変動が予測される場合および希釈率の調整に高い精度が要求される場合の計測において選好される第２の実施形態を示す。この実施形態においては、主毛細管１が、移送管１７または移送管１８を介して排気管から取り出された少量の排気ガス流に曝されている。主毛細管は、大気圧下の大気中に自由に排出できる排気管に固定されてはいない。

図４は、主毛細管１が移送管１７、１８の出口から試料を採取する過剰流量装置の詳細を示す。主毛細管１は、排気ガス流が大気中で膨張する直前（たとえば１０ｍｍ）の位置において、排気ガス流に完全に浸り、包まれている。移送管出口を流れる試料の流量は、主毛細管１を流れる試料の流量より大きく、また、試料採取時のその圧力は概ね大気圧である。試料採取部先端の排気ガス温度は、加熱要素２３により調節可能であるとともに、温度検出要素２２により計測される。試料は、排気管に沿う別の場所、たとえば遮断弁１９、２０を作動させることにより後処理装置の下流または上流から取り出してもよい。

主安定化チャンバ２および副安定化チャンバ６における希釈は、第１の実施形態についての説明と同様に行われる。希釈率をより正確に調節できるようにするために、主希釈空気管３および副希釈空気管７を流れる希釈空気の流量は、各々のスロットル機構１４、１３により調節される。さらに、装置からポンプにより搬出される流量は、スロットル羽根１１、１２により調節される。この場合の希釈率の計算には、これらの弁の設定も考慮に入れなければならない。先行技術との比較において、この実施形態は、可動部品をまったく備えることなく、スロットル弁１１、１２、１３、１４およびポンプ９の設定だけで決まり、また、排気管中の排気ガスの温度と圧力から独立した状態で、一定の希釈率を維持することができるという利点を有する。

さらに、試料について追加的な調整が必要な場合には、温度調節要素１６をスロットル機構１４の下流側の主希釈空気管３に介在させて、主希釈空気の温度を調節するようにしてもよい。また、希釈空気中の不純物および湿潤度を制御するために、希釈空気浄化ユニット１５を用いてもよい。

Claims (21)

1. 排気ガスの試料採取用の希釈装置であって、主安定化チャンバ（２）に接続された主毛細管（１）を有し、前記主安定化チャンバは、主排出管（４）を介して前記主安定化チャンバに接続された真空ポンプ（９）により大気圧より低い圧力に維持されており、また、希釈空気が、主希釈空気管（３）を介し、主混合先端部を通過して前記主安定化チャンバに導入されるようになっている希釈装置において、
   前記毛細管（１）を流れる試料の流量を超える量の排気ガス流を大気中に供給できるようにする過剰流量装置が設けられており、
   前記毛細管の先端入口は排気ガス流により完全に包まれており、前記主毛細管（１）は、前記排気ガス流を大気中に排出でき、前記毛細管の先端入口が大気圧に晒されるように、前記装置の排気ガス流に浸されており、排気ガスは、前記主毛細管（１）を介して排気ガスを取り出されるようになっていることを特徴とする希釈装置。
2. 前記希釈装置が、車両またはエンジンの排気ガスの試料採取用の希釈装置であることを特徴とする請求項１記載の希釈装置。
3. 前記主安定化チャンバ（２）の試料の希釈率および滞留時間を調節するためのスロットル機構（１１）が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の希釈装置。
4. 副安定化チャンバ（６）、および試料を前記主安定化チャンバ（２）から、前記主安定化チャンバ（２）の圧力より低い圧力に維持されている前記副安定化チャンバ（６）に導入するための、前記主安定化チャンバ（２）に挿着の副毛細管（５）が設けられ、前記ポンプ（９）または別の真空ポンプを用いて試料を取り出すことによりこの低圧を得ることができるようにする試料管（８）が設けられていることと、副希釈空気管（７）および副混合先端部が設けられ、希釈空気が、前記副空気希釈管から前記副混合先端部を通過して前記副安定化チャンバ（６）に導入されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の希釈装置。
5. 前記混合先端部の各々は、対応する前記毛細管（５）の軸および対応する前記希釈空気管（７）の軸各々の位置合わせを行って構成されており、前記毛細管を介して搬送された試料の流れは、前記希釈空気管の先端出口の上流で希釈空気の流れに曝されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の希釈装置。
6. 前記主希釈空気管（３）および前記副希釈空気管（７）の流れ抵抗を、各々独立して調節できるようにするスロットル機構（１４、１３）および／または前記主排出管（４）および前記試料排出管（８）の流れ抵抗を、各々独立して調節できるようにするスロットル機構（１１、１２）が設けられていることを特徴とする請求項４または５記載の希釈装置。
7. 加熱要素（２３）および温度検出要素（２２）が設けられていて、試料採取部先端の排気ガス温度を、前記加熱要素（２３）により調節し、また、前記温度検出要素（２２）により計測できるようになっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の希釈装置。
8. 希釈率を高めるために、複数の毛細管および安定化チャンバが、多段式に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の希釈装置。
9. 前記毛細管は、皮下注射針により実施されており、少なくとも２つの階段状の皮下注射針・安定化チャンバが、所望の希釈率を得るために組み合わされていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の希釈装置。
10. 希釈装置の位置が、車両・エンジンの排気管に対して固定されており、また、前記針は、前記排気管に挿入されていることを特徴とする請求項９記載の希釈装置。
11. 特に請求項１〜１０のいずれか１項に記載の希釈装置を動作させるために、排気ガスの試料を採取する方法において、前記安定化チャンバは、真空ポンプ（９）により大気圧より低い圧力に維持されており、また、希釈空気が、前記主希釈空気管（３）を介し、主混合先端部を通過して前記主安定化チャンバに導入され、前記毛細管を流れる試料の流れを超える量の排気ガス流を大気中に供給できるようにする過剰流量装置を備える前記希釈装置は、前記排気ガス流を大気中に排出でき、前記毛細管の先端入口が大気圧に晒されるように、前記毛細管の先端入口を完全に包む排気ガス流に浸されている前記主毛細管（１）を介して排気ガスを取り出すようになっていることを特徴とする方法。
12. 前記方法が、車両またはエンジンの排気ガスの試料を採取する方法であることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記副毛細管（５）は、前記主安定化チャンバ（２）に挿着されていて、試料を前記安定化チャンバ（２）から、前記主安定化チャンバ（２）の圧力より低い圧力に維持されている副安定化チャンバ（６）に導入し、また、この低圧は、前記ポンプ（９）または別の真空ポンプを用いて試料管（８）から試料を取り出すことにより得られ、また、希釈空気は、副希釈空気管（７）を介し、副混合先端部を通過して前記副安定化チャンバ（６）に導入されることを特徴とする請求項４〜１０のいずれか１項に従属する請求項１１または１２記載の方法。
14. 混合および温度平衡に必要な有限滞留時間は、前記主安定化チャンバ（３）および前記副安定化チャンバ（６）において生ずることを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. 前記主希釈空気管（７）の希釈空気の温度は、前記副希釈空気管（７）の希釈空気の温度から独立して、選択的に調節されることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 可動部品をまったく用いることなく、上流の排気ガスの圧力に拘らず実質上一定の希釈率が得られることを特徴とする請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記毛細管により採取された、排気ガスの非常に少量の部分、とりわけ０．５ｌｐｍ程度が前記希釈装置により使用されることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 調節された低圧が、毛細管の出口部７に維持されており、また、希釈排気ガスが、前記安定化チャンバにおいて採取されることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 最終希釈工程の後に、微粒子の試料が、重量測定のためにフィルタ上に捕集されるまたは計数器、表面モニタなどにより分析されることを特徴とする請求項１１〜１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 排気ガスが、特徴付けが必要な後処理装置の上流と下流に各々配置された２つのプローブにより希釈装置の毛細管に導入されるようになっており、前記プローブは、排気ガスの総流量が前記第１の皮下注射針内の流量より僅かに大きくなるよう、適切な径に形成されており、過剰流量は、一定の圧力にして大気中に排出され、また、排気ガスは、遮断弁により上流側または下流側のいずれかのプローブを介して前記希釈装置の前記毛細管に供給され、これにより、前記装置の濾過効率の推定値が得られるようになっていることを特徴とする請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 圧縮点火エンジンやスパーク点火エンジンのような、いずれの構造のエンジンまたは車両、および完全な車両の排気管からのエアロゾルを希釈するための、請求項１０記載の装置の使用。

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