JP7064378B2 - 排ガス分析方法及び排ガス分析システム - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンからの排ガスに含まれる粒子状物質のうち、少なくとも潤滑オイルに由来する粒子状物質を分析する排ガス分析方法及び排ガス分析システムに関するものである。
近年、エンジンからの排ガスに含まれる粒子状物質の人体への影響が懸念されており、特許文献１には、粒子状物質の排出量の少ない燃料の製造方法が開示されている。この中には、下記の算出式（１）を用いて算出されるＰＭ Ｉｎｄｅｘという指標が開示されている。
なお、算出式（１）において、ｉは燃料に含まれるｎ個の成分のそれぞれに対応付けされた番号であり、Ｖ．Ｐ（４４３Ｋ）ｉはｉ成分の４４３Ｋにおける蒸気圧であり、ＤＢＥｉはｉ成分の２重結合当量であり、Ｗｔｉは燃料中におけるｉ成分の重量％である。
このような状況の中、排ガスに含まれる粒子状物質の更なる低減を図るためには、様々な走行条件において、粒子状物質の詳細な発生要因を分析する必要がある。例えば、ガソリン車のエンジンからの排ガスを分析する場合には、燃料に由来する粒子状物質と潤滑オイルに由来する粒子状物質とが含まれていると考えられる。
しかしながら、これまで排ガスに含まれる粒子状物質に対する燃料の影響度合いと潤滑オイルの影響度合いとを定量的に分離する方法はなく、例えば燃料由来の粒子状物質と潤滑オイル由来の粒子状物質との比率計測や、それぞれの粒子状物質の定量化などが困難であった。
そこで、本願発明は、排ガス中の粒子状物質に対する燃料の影響度合いと潤滑オイルの影響度合いとを分離して評価できるようにすることをその主たる課題とするものである。
すなわち本発明に係る排ガス分析方法は、エンジンから排出される排ガスを分析する排ガス分析方法であって、前記エンジンの燃料にイソオクタンを用いた際に、前記エンジンから排出される排ガスを分析し、その分析された排ガス中の粒子状物質を潤滑オイル由来の粒子状物質として計測することを特徴とする方法である。
このような排ガス分析方法によれば、燃料としてイソオクタンを用いることで、エンジンから排出される排ガス中の粒子状物質を潤滑オイル由来の粒子状物質として分析するので、潤滑オイルに由来する粒子状物質を、燃料に由来する粒子状物質から分離して分析することができ、排ガスに含まれる粒子状物質に対する潤滑オイルの影響度合いを、燃料の影響度合いから分離して評価することができる。
種々の運転条件における粒子状物質の数や質量などを比較するためには、前記エンジンの運転条件を変更した際に、前記エンジンから排出される排ガス中の粒子状物質の数又は質量を計測することが好ましい。
上述した運転条件としては、前記エンジンの回転数、前記エンジンに与える負荷、又は前記エンジンの冷却水温度などが挙げられる。
また、前記排ガス中の全硫黄成分濃度を前記潤滑オイルに由来する硫黄成分の濃度として測定し、この全硫黄成分濃度に基づき前記潤滑オイルの消費量を算出し、その消費量と前記潤滑オイル由来の粒子状物質の計測結果とを関連付けることが好ましい。
このようにすれば、例えば潤滑オイルの消費量と潤滑オイルに由来する粒子状物質の発生量との相関関係を知ることができる。
このようにすれば、例えば潤滑オイルの消費量と潤滑オイルに由来する粒子状物質の発生量との相関関係を知ることができる。
また、本発明に係る排ガス分析システムは、エンジンから排出される排ガスを分析する排ガス分析システムであって、前記エンジンの燃料としてイソオクタンを用いた際に、前記エンジンから排出される排ガスを採取する排ガス採取部と、前記排ガス採取部により採取された排ガスを分析し、その分析された排ガス中の粒子状物質を潤滑オイル由来の粒子状物質として計測する排ガス分析装置とを備えることを特徴とするものである。
このような排ガス分析システムであれば、上述した排ガス分析方法と同様の作用効果を奏し得る。
このような排ガス分析システムであれば、上述した排ガス分析方法と同様の作用効果を奏し得る。
以上に述べた本発明によれば、排ガス中の粒子状物質に対する燃料の影響度合いと潤滑オイルの影響度合いとを分離して評価することができ、排ガスに含まれる粒子状物質の更なる低減化に資する。
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
まず、本実施形態に用いられる排ガス分析システムについて説明する。
排ガス分析システム１００は、エンジンＥから排出される排ガス中の粒子状物質を分析するために用いられるものであり、図１に示すように、エンジンＥに負荷を与えるダイナモメータ１０と、エンジンＥに接続された排ガス流路Ｌと、排ガス中の粒子状物質の数（ＰＮ）を計測するためのＰＮ計測装置２０と、排ガス中の粒子状物質の質量（ＰＭ）を計測するためのＰＭ計測装置３０と、排ガス流路Ｌから各計測装置２０、３０に排ガスを導く排ガス採取部Ｌ２とを備えている。なお、排ガス分析システム１００としては、エンジンＥ単体にエンジンダイナモを接続する構成であっても良いし、エンジンＥが搭載された駆動系にダイナモを接続する構成であっても良いし、車両をシャシダイナモに搭載する構成であっても良い。
排ガス分析システム１００は、エンジンＥから排出される排ガス中の粒子状物質を分析するために用いられるものであり、図１に示すように、エンジンＥに負荷を与えるダイナモメータ１０と、エンジンＥに接続された排ガス流路Ｌと、排ガス中の粒子状物質の数（ＰＮ）を計測するためのＰＮ計測装置２０と、排ガス中の粒子状物質の質量（ＰＭ）を計測するためのＰＭ計測装置３０と、排ガス流路Ｌから各計測装置２０、３０に排ガスを導く排ガス採取部Ｌ２とを備えている。なお、排ガス分析システム１００としては、エンジンＥ単体にエンジンダイナモを接続する構成であっても良いし、エンジンＥが搭載された駆動系にダイナモを接続する構成であっても良いし、車両をシャシダイナモに搭載する構成であっても良い。
排ガス流路Ｌは、上流側がエンジンＥの排気ポート（不図示）に接続されており、排ガスを浄化するための触媒Ｚ（ここでは上流側触媒Ｚ１及び下流側触媒Ｚ２）が設けられている。
ＰＮ計測装置２０は、排ガス流路Ｌから排ガス採取部Ｌ２たる排ガス採取流路Ｌ２を介してサンプリングされた排ガスが導かれるものであり、検出器として例えばレーザ散乱式凝縮粒子カウンタ（ＣＰＣ）を用いたものである。ここでのＰＮ計測装置２０は、堀場製作所製のＭＥＸＡ－２１００ＳＰＣＳと称される排ガス分析装置であり、アルコールやブタノールなどの有機ガスを排ガス中の粒子状物質に付着させることで、粒子状物質を大きな径に成長させ、この粒子状物質にレーザ光を当てて計数するものである。
ＰＭ計測装置３０は、排ガス流路Ｌから排ガス採取部Ｌ２たる排ガス採取流路Ｌ２を介してサンプリングされた排ガスが導かれて、フィルタ（不図示）に捕集された粒子状物質の質量を計測するものであり、粒子状物質のトータル質量を計測するように構成されている。ここでのＰＭ計測装置３０は、堀場製作所製のＭＥＸＡ－１３７０ＰＭと称される排ガス分析装置である。具体的にこのＰＭ計測装置３０は、例えば捕集した粒子状物質を気化及び熱分解して酸化還元反応によりガス化することで、粒子状物質として排ガスに含まれている可溶性有機成分（ＳＯＦ）、すす（Ｓｏｏｔ）、及びサルフェイト（Ｓｕｌｆａｔｅ）のトータル質量を計測するものである。
本実施形態の排ガス分析システム１００は、図１に示すように、排ガスに含まれる硫黄成分の濃度を分析する硫黄濃度分析装置４０をさらに具備している。
この硫黄濃度分析装置４０は、排ガス流路Ｌから例えば加熱配管等の排ガス採取部Ｌ２を介してサンプリングされた排ガスが導かれて、その排ガス中の硫黄濃度を測定するものであり、ここでは堀場製作所製のＭＥＸＡ－１１７０ＳＸと称される排ガス分析装置である。サンプリングポイントは、例えば排ガス流路Ｌにおける触媒Ｚ（ここでは上流側触媒Ｚ１）よりも上流側である。具体的にこの硫黄濃度分析装置４０は、排ガス中の全硫黄成分を測定するように構成されており、ガス成分である硫化水素（Ｈ２Ｓ）、メタンチオール（ＣＨ３ＳＨ）などの全還元性硫黄のほか、粒子状物質として排ガスに含まれるサルフェイトを二酸化硫黄（ＳＯ２）に変換して、これらの硫黄成分濃度を例えば紫外蛍光法（Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ：ＵＶＦ）を用いて計測するものである。
そして、本発明に係る排ガス分析方法は、上述した排ガス分析システム１００を用いてエンジンＥから排出される排ガス中の粒子状物質を分析する方法であり、本願発明者が粒子状物質に対する燃料と潤滑オイルとの影響度合いを分離する方法を鋭意検討した結果なされたものである。具体的に、本願発明者は、オクタン価が１００であるイソオクタンを燃料として用いることで、燃料に由来する粒子状物質はほとんど発生せず、排ガスに含まれる粒子状物質は潤滑オイルに由来するものとなることを見出した。
そこで、本発明に係る排ガス分析方法は、エンジンＥの燃料としてイソオクタンを用いることで、排ガス中の粒子状物質を潤滑オイル由来の粒子状物質として分析することを特徴とするものである。
なお、エンジンＥの一例としてはガソリンエンジンである直噴ガソリンエンジンが挙げられ、潤滑オイルの一例としては市販の０Ｗ－２０オイル（ＡＰＩ：ＳＮ規格相当、硫黄濃度２．６９５ｐｐｍ）が挙げられる。なお、エンジンＥは、ポート噴射式エンジンであっても良い。
以下、詳細な分析方法について図２にフローチャートを参照しながら説明する。
なお、エンジンＥの一例としてはガソリンエンジンである直噴ガソリンエンジンが挙げられ、潤滑オイルの一例としては市販の０Ｗ－２０オイル（ＡＰＩ：ＳＮ規格相当、硫黄濃度２．６９５ｐｐｍ）が挙げられる。なお、エンジンＥは、ポート噴射式エンジンであっても良い。
以下、詳細な分析方法について図２にフローチャートを参照しながら説明する。
まず、エンジンＥに燃料としてイソオクタンを供給する（Ｓ１）。
イソオクタンは、２，２，４－トリメチルペンタン（Ｃ８Ｈ１８）であり、下記の表１に示すように、オクタン価が１００の燃料である。また、イソオクタンは、例えば日本国内で流通している一般性状のガソリンと比較すると、アロマ分や粒子状物質の排出数の指標となるＰＭ Ｉｎｄｅｘが非常に低い燃料であることが分かる。なお、ＰＭ Ｉｎｄｅｘは、背景技術で述べた算出式（１）を用いて算出した値である。
イソオクタンは、２，２，４－トリメチルペンタン（Ｃ８Ｈ１８）であり、下記の表１に示すように、オクタン価が１００の燃料である。また、イソオクタンは、例えば日本国内で流通している一般性状のガソリンと比較すると、アロマ分や粒子状物質の排出数の指標となるＰＭ Ｉｎｄｅｘが非常に低い燃料であることが分かる。なお、ＰＭ Ｉｎｄｅｘは、背景技術で述べた算出式（１）を用いて算出した値である。
そして、エンジンＥの始動を開始して、排ガスに含まれる粒子状物質を分析するわけだが、イソオクタンが上述したようにオクタン価が１００であり、アロマ分やＰＭ Ｉｎｄｅｘが非常に低い燃料であることから、燃料に由来する粒子状物質はほとんど発生せず、排ガスに含まれる粒子状物質は潤滑オイル由来のものとみなすことができる。
そこで、排ガスに含まれる粒子状物質を、潤滑オイル由来の粒子状物質として計測する（Ｓ２）。具体的には、上述したＰＮ計測装置２０を用いて排ガス中のＰＮを潤滑オイル由来の粒子状物質のＰＮとして計測し、上述したＰＭ計測装置３０を用いて排ガス中のＰＭを潤滑オイル由来の粒子状物質のＰＭとして計測する。
さらに本実施形態では、上述した硫黄濃度分析装置４０を用いて排ガスに含まれる全硫黄濃度（以下、ＴＳと記載する）を分析する（Ｓ３）。
ここで、燃料であるイソオクタンには硫黄成分が含まれていないことから、Ｓ３において分析されたＴＳは潤滑オイルに由来する硫黄成分の濃度とみなすことができるので、Ｓ３において得られたＴＳに基づき所謂Ｓトレース法を用いれば潤滑オイルの消費量が算出される（Ｓ４）。具体的には、ＴＳや潤滑オイル中の硫黄質量濃度などをパラメータとした所定の算出式により潤滑オイルの消費量を算出することができる。
このように、Ｓ２において潤滑オイル由来の粒子状物質のＰＮやＰＭを計測するとともに、Ｓ４において潤滑オイル消費量を算出することで、潤滑オイル由来の粒子状物質の計測結果、すなわち潤滑オイルに由来するＰＮやＰＭと、潤滑オイルの消費量とを相関させることができる（Ｓ５）。
このように、上述した排ガス分析方法によれば、燃料としてイソオクタンを用いることで、エンジンＥから排出される排ガス中の粒子状物質を潤滑オイル由来の粒子状物質として分析することができるので、潤滑オイルに由来する粒子状物質を、燃料に由来する粒子状物質から分離して分析することが可能となる。
そこで、以下ではこの排ガス分析方法を用いて、排ガスに含まれる粒子状物質に対する潤滑オイルの影響度合いと燃料の影響度合いとを分離して評価した実験結果について説明する。
そこで、以下ではこの排ガス分析方法を用いて、排ガスに含まれる粒子状物質に対する潤滑オイルの影響度合いと燃料の影響度合いとを分離して評価した実験結果について説明する。
＜ＰＮ計測＞
燃料に由来する粒子状物質のＰＮは、燃料の噴射方式、噴射タイミング、燃料室温度、空燃比等の燃焼条件の影響を受ける。そこで、第１燃料としてイソオクタンを用いた場合と、第２燃料として一般性状のガソリンを用いた場合とのそれぞれにおいて、例えばエンジンＥの回転数、ダイナモメータ１０からエンジンＥに与える負荷、エンジンＥの冷却水温度等といったエンジンＥの運転条件を種々変更して、その変更前後それぞれにおいてＰＮを計測した結果について図３を参照しながら説明する。
燃料に由来する粒子状物質のＰＮは、燃料の噴射方式、噴射タイミング、燃料室温度、空燃比等の燃焼条件の影響を受ける。そこで、第１燃料としてイソオクタンを用いた場合と、第２燃料として一般性状のガソリンを用いた場合とのそれぞれにおいて、例えばエンジンＥの回転数、ダイナモメータ１０からエンジンＥに与える負荷、エンジンＥの冷却水温度等といったエンジンＥの運転条件を種々変更して、その変更前後それぞれにおいてＰＮを計測した結果について図３を参照しながら説明する。
まず、冷却水温度９０℃条件下におけるＰＮ排出量を計測した結果を図３（ａ）～（ｃ）に示す。
この条件では、第１燃料及び第２燃料のどちらを用いた場合においても、エンジン負荷の増加及び回転数の増加に伴ってＰＮ排出量が増加傾向にあることが分かる。また、第１燃料を用いた場合と比較して第２燃料を用いた場合の方が、ＰＮ排出量が多く、第１燃料を用いた場合のＰＮ排出量を基準にすると、第２燃料を用いた場合のＰＮ排出量の増加率は、高負荷側及び高回転数側で増大していることが分かる。
この条件では、第１燃料及び第２燃料のどちらを用いた場合においても、エンジン負荷の増加及び回転数の増加に伴ってＰＮ排出量が増加傾向にあることが分かる。また、第１燃料を用いた場合と比較して第２燃料を用いた場合の方が、ＰＮ排出量が多く、第１燃料を用いた場合のＰＮ排出量を基準にすると、第２燃料を用いた場合のＰＮ排出量の増加率は、高負荷側及び高回転数側で増大していることが分かる。
第１燃料を用いた場合における回転数の増加に伴うＰＮ排出量に増大は、クランク回転運動によるオイルのかき上げによりピストン摺動部やブローバイガス還元回路経由で燃焼室に流入するオイル量の増加に起因すると推定される。
また、第１燃料を用いた場合のＰＮ排出量よりも第２燃料を用いた場合のＰＮ排出量の方が多いのは、第１燃料及び第２燃料のＰＭ Ｉｎｄｅｘの差、すなわち粒子状物質の生成リスクの差を反映していると推定される。
さらに、第１燃料を用いた場合を基準にした第２燃料を用いた場合のＰＮ排出量の増加率が低負荷側で小さいのは、燃料噴射量が相対的に少ない低負荷運転領域においては、ＰＮ総排出量に対する燃料影響分も小さいことに起因すると考えられる。
また、第１燃料を用いた場合のＰＮ排出量よりも第２燃料を用いた場合のＰＮ排出量の方が多いのは、第１燃料及び第２燃料のＰＭ Ｉｎｄｅｘの差、すなわち粒子状物質の生成リスクの差を反映していると推定される。
さらに、第１燃料を用いた場合を基準にした第２燃料を用いた場合のＰＮ排出量の増加率が低負荷側で小さいのは、燃料噴射量が相対的に少ない低負荷運転領域においては、ＰＮ総排出量に対する燃料影響分も小さいことに起因すると考えられる。
次に、冷却水温度３０℃条件下におけるＰＮ排出量を計測した結果を図３（ｄ）～（ｆ）に示す。
この条件では、第１燃料及び第２燃料のどちらを用いた場合においても、冷却水温度９０℃条件と比較して、ＰＮ排出量の増大が認められた。また、冷却水温度９０℃条件とは異なり、第２燃料のＰＮ排出量に、エンジン負荷及びエンジン回転数に対する相関は認められなかった。
この条件では、第１燃料及び第２燃料のどちらを用いた場合においても、冷却水温度９０℃条件と比較して、ＰＮ排出量の増大が認められた。また、冷却水温度９０℃条件とは異なり、第２燃料のＰＮ排出量に、エンジン負荷及びエンジン回転数に対する相関は認められなかった。
＜燃料に由来する粒子状物質及び潤滑オイルに起因する粒子状物質を定量的に切り離した計測結果＞
続いて、燃料（一般性状のガソリン）に由来する粒子状物質を、潤滑オイルに由来する粒子状物質から分離して評価した結果を図４（ａ）～（ｃ）に示す。
続いて、燃料（一般性状のガソリン）に由来する粒子状物質を、潤滑オイルに由来する粒子状物質から分離して評価した結果を図４（ａ）～（ｃ）に示す。
これらの図４（ａ）～（ｃ）に示す評価結果は、冷却水温度及び負荷を一定に保ち、回転数を変化させた場合の結果であり、図３（ｄ）～（ｆ）における負荷８０％の計測結果を円グラフ化したものである。この結果から分かるように、回転数が増加するに連れて潤滑オイルの影響も増大していることが分かる。これは、上述した通り、回転数の増大に伴って燃焼室内へのオイル流入量が増加する挙動を捉えていると考えられる。
以上に述べてきたように、本実施形態に係る排ガス分析方法によれば、燃料としてイソオクタンを用いることで、エンジンから排出される排ガス中の粒子状物質を潤滑オイル由来の粒子状物質として分析することができるので、潤滑オイルに由来する粒子状物質を、燃料に由来する粒子状物質から分離して分析することができる。これにより、排ガスに含まれる粒子状物質に対する潤滑オイルの影響度合いを、燃料の影響度合いから分離して定量的に評価することが可能となる。
また、イソオクタンを燃料として用いた場合、イソオクタンには硫黄成分が含まれていないので、硫黄濃度分析装置４０により分析された排ガス中の全硫黄成分濃度は、潤滑オイルに由来する硫黄成分の濃度とみなすことができる。これにより、分析された全硫黄成分濃度に基づいてＳトレース法により潤滑オイルの消費量を算出することが可能であり、潤滑オイルに由来するＰＮやＰＭと潤滑オイルの消費量とを相関させることができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、ＰＮ及びＰＭの両方を計測していたが、ＰＮ又はＰＭの何れか一方のみを計測しても良い。
また、前記実施形態では、エンジンＥの運転条件として、エンジンＥの回転数、ダイナモメータ１０からエンジンＥに与える負荷、又は冷却水の温度を変えてＰＮやＰＭを計測していたが、例えば空燃比、燃料の噴射タイミング等の燃焼条件を変えてＰＮやＰＭを計測しても良い。
さらに、イソオクタンを第１燃料として用いた場合における粒子状物質の分析結果を、例えば一般性状のガソリンを第２燃料として用いた場合における粒子状物質の分析結果から差し引いても良い。
このようにすれば、第１燃料としてイソオクタンを用いることで、前記実施形態で述べたとおり、潤滑オイルに由来する粒子状物質を分析することができるので、その分析結果を第２燃料としてガソリンを用いて得られた分析結果から差し引くことで、ガソリンに由来する粒子状物質を、潤滑オイルに由来する粒子状物質から分離して分析することができる。その結果、排ガスに含まれる粒子状物質に対するガソリンの影響度合いを、潤滑オイルの影響度合いから分離して評価することが可能となる。
このようにすれば、第１燃料としてイソオクタンを用いることで、前記実施形態で述べたとおり、潤滑オイルに由来する粒子状物質を分析することができるので、その分析結果を第２燃料としてガソリンを用いて得られた分析結果から差し引くことで、ガソリンに由来する粒子状物質を、潤滑オイルに由来する粒子状物質から分離して分析することができる。その結果、排ガスに含まれる粒子状物質に対するガソリンの影響度合いを、潤滑オイルの影響度合いから分離して評価することが可能となる。
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な実施形態の変形や組み合わせを行っても構わない。
１００・・・排ガス分析システム
Ｅ ・・・エンジン
１０ ・・・ダイナモメータ
Ｌ ・・・排ガス流路
Ｌ２ ・・・排ガス採取部
２０ ・・・ＰＮ計測装置
３０ ・・・ＰＭ計測装置
４０ ・・・硫黄濃度分析装置
Ｅ ・・・エンジン
１０ ・・・ダイナモメータ
Ｌ ・・・排ガス流路
Ｌ２ ・・・排ガス採取部
２０ ・・・ＰＮ計測装置
３０ ・・・ＰＭ計測装置
４０ ・・・硫黄濃度分析装置
Claims (6)
- エンジンから排出される排ガスを分析する排ガス分析方法であって、
前記エンジンに燃料としてイソオクタンのみを供給した際に、前記エンジンから排出される排ガスを分析し、その分析された前記排ガス中の粒子状物質を潤滑オイル由来の粒子状物質として計測する、排ガス分析方法。 - 前記エンジンの運転条件を変更した際に、前記エンジンから排出される排ガス中の粒子状物質の数又は質量を計測する、請求項１記載の排ガス分析方法。
- 前記運転条件として、前記エンジンの回転数、前記エンジンに与える負荷、又は前記エンジンの冷却水温度の少なくとも１つが含まれる、請求項２記載の排ガス分析方法。
- 前記排ガス中の全硫黄成分濃度を前記潤滑オイルに由来する硫黄成分の濃度として測定し、この全硫黄成分濃度に基づき前記潤滑オイルの消費量を算出し、その消費量と前記潤滑オイル由来の粒子状物質の計測結果と関連付ける、請求項１乃至３のうち何れか一項に記載の排ガス分析方法。
- 前記エンジンが、ガソリンエンジンである、請求項１乃至４のうち何れか一項に記載の排ガス分析方法。
- エンジンから排出される排ガスを分析する排ガス分析システムであって、
前記エンジンに燃料としてイソオクタンのみを供給した際に、前記エンジンから排出される排ガスを採取する排ガス採取部と、
前記排ガス採取部により採取された排ガスを分析し、その分析された排ガス中の粒子状物質を潤滑オイル由来の粒子状物質として計測する排ガス分析装置とを備える、排ガス分析システム。
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