JPH01150838A - エンジン排気ガス中の粒子状物質測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はエンジンから排出される粒子状物質（以下、パ
ティキュレートという）の量を測定する装置に関する。

〔従来の技術〕

ディーゼルエンジンの排気ガス中のパティキュレートの
量を測定する従来の装置が、昭和５６年５月に刊行され
たトヨタ技術第３１巻第１号第７８〜８３頁に開示され
ている。この装置の構成は以下のようである。すなわち
、トンネルの上流端に空気導入部が設けられ、下流側に
はパイプを介してトンネル内の気体を吸入するルーツブ
ロアが設けられている。ディーゼルエンジンの排気ガス
は排気ガス導入管を介してトンネル内の上流に導入され
る。排気ガス導入管の途中には分割バルブが設けられ、
トンネル内に導入される排気ガス量を分割する。トンネ
ル内の下流にはサンプリング管が上流に向かって開口す
る。サンプリング管の下流にはポンプが設けられ、トン
ネル内で空気によって希釈された希釈排気ガスをサンプ
リング管に吸入する。サンプリング管の途中にはパティ
キュレート捕集用フィルタが設けられており、このフィ
ルタに捕集されたパティキュレート捕集量から、排気ガ
ス中のパティキュレート排出量が求められる。パティキ
ュレート排出量を測定する際、希釈排気ガス温度を５２
℃以下で測定する必要があり、このため分割バルブの開
度を調整することによって、トンネル内に流入する排気
ガスの流量を調整−することにより希釈排気ガス温度を
調節する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしこのような装置では分割バルブによる分割比に応
じて希釈排気ガスのサンプリング流量又はサンプリング
時間が制御されないためフィルタに捕集されるパティキ
ュレート捕集比率（＝フィルタへの捕集量／全排出量）
が変動する。このため運転条件の異なる複数の定常運転
からなる試験パターンにおけるパティキュレート測定で
は、運転条件の数、（厳密には異なる分割比の数）のパ
ティキュレート捕集用フィルタを必要とし、各運転条件
ごとにフィルタの秤量、フィルタの交換、秤量に必要な
パティキュレートの捕集などを行なわなければならず非
常に試験効率を悪化させるという問題がある。

本発明は上記問題点に鑑み、排気ガス分割比の異なる複
数の定常運転からなる試験パターンにおけるパティキュ
レート測定において、試験効率を向上させることができ
るエンジン排気ガス中の粒子状物質測定装置を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために本発明によれば、導入され
たエンジン排気ガスを流入空気によって希釈するための
希釈部と、排気ガスの流量を前記希釈部と該希釈部以外
に分割させることができる分割装置と、希釈された排気
ガスを導いて希釈排気ガス中の粒子状物質を捕集するた
めの捕集部材とを備えた、排気ガス中の粒子状物質の量
を測定するための装置であって、前記捕集部材に導入す
る希釈排気ガスの流量又は前記捕集部材に希釈排気ガス
を導入する時間を、前記分割装置の分割比に反比例して
変化させる制御手段を有することを特徴とするエンジン
排気ガス中の粒子状物質測定装置が提供される。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を図に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例を示す全体構成図であ−る。

第１図において、希釈部であるトンネル１は、例えば長
さが２００ｃｍ径が１６ｃｍの円筒形状であり、上流端
が空気導入部２に連通され、下流端がパイプ３を介して
ルーツブロア４に連通されている。ディーゼルエンジン
５の排気管５ａは、排気ガス導入管６に連結され、この
導入管６の他端はトンネル１の上流端近傍でトンネル１
の側面に垂直にトンネル１内に挿入され、トンネル１の
中心軸線近傍でこの中心軸線下流方向に曲げられて下流
方向に開口している。排気ガス導入管６の途中には分割
装置である分割バルブ７が設けられ、この分割バルブ７
から分岐管８が分岐している。

分割バルブ７はダブルバタフライバルブ方式でその作動
を第２図を参照して説明する。分割バルブ７は、分岐部
において、連動して回動軸７ａ。

７ｂの周りに回動可能な２つのバタフライバルブ７ｃ、
７ｄを有する。（ａ）図のようにバタフライバルブ７ｃ
、７ｄが排気ガス導入管６の軸線に平行方向位置の場合
、排気ガスの全量がトンネル１内に導かれ、（ｃ）図の
ようにバタフライバルブ７ｃ、７ｄが分岐管８の軸線に
平行方向位置の場合、排気ガスの全量が分岐管８を介し
て廃棄される。

（ｂ）　ｌ１ｆｆｉのようにバタフライバルブ７ｃ、７
ｄが（ａ）図と（Ｃ）図の中間位置にある場合、その位
置に応じた割合で、排気ガスは排気ガス導入管６と分岐
管８とに分割される。このような排気ガスの流れを図中
に矢印で示す。

再び第１図を参照して、■・ンネル１の下流端近傍で、
サンプリング管９はトンネル１の側面に垂直にトンネル
ｌ内に挿入され、トンネル１の中心軸近傍でこの中心軸
線の上流方向に曲げられて上流方向に開口している。サ
ンプリング管９の他端は捕集部材であるパティキュレー
ト捕集用フィルタ１０に連結され、その途中にはボール
バルブ１１が設けられている。フィルタ１０の他端は、
電磁弁１２およびバッファタンク１３を介してポンプ１
４の吸入側に連通されている。電磁弁１２とバッファタ
ンク１３との間で配管は分岐し、電磁弁１５および差圧
調整弁１６を介して大気に開放している。ポンプ１４の
吐出側は、バッファタンク１７、オリフィス１８、流量
計１９およびガスメータ２０を介して大気に開放してい
る。オリフィス１８の両端には差圧計２１が連結され、
差圧計２１の出力は流量制御装置２２に送出されサンプ
リング管９に吸入されるサンプリング流量が計算される
。ポンプ１４の吸入側はバイパス調整弁２３を介してポ
ンプ１４の吐出側に連通される。

流量制御装置２２には予め所定のサンプリング流量が設
定されており、差圧計２１の検出信号によって、モータ
２４を駆動し、サンプリング管９より導入されるサンプ
リング流量が一定となるようにバイパス調整弁２３を調
整する。

制御手段である電子制御ユニット２５はディジタルコン
ピュータからなり、双方向性バス２６によって相互に接
続されたＲ、ＯＭ　（リードオンリメモリ）２７、ＲＡ
Ｍ（ランダムアクセスメモリ）２８、ＣＰＵ（マイクロ
プロセッサ）２９、入力ボート３０および出力ボート３
１を具備する。

ディーゼルエンジン５は、エンジンのトルクを検出する
トルク検出装置３２、エンジン回転数を検出する回転数
センサ３３およびエンジンの運転状態を制御する運転制
御装置３４を備えている。

排気ガス導入管６の分割バルブ７の上流側には、Ｃ０２
計３５のプローブ管３５ａが挿入され、希釈前の排気ガ
ス中のＣＯ２濃度（Ｃｏ２）、を検出する０分割バルブ
７には、バタフライバルブ７ｃ、７ｄ（第２図を参照）
の開度を検出するバルブ開度センサ３６およびバタフラ
イバルブ７ｃ、７ｄの開度を制御するバルブ制御装置３
７とを備えている。

空気導入部２の導入口にはフィルタ２ａを備えており、
このフィルタを通して空気がトンネル１内に導入される
。トンネル１内の排気ガス導入管６の下流近傍にはオリ
フィス３８が設けられ、サンプリング管９．の開口端９
ａの直上流には温度センサ３９が設けられ希釈排気ガス
温度を検出する。

トンネル１内のサンプリング管９の開口端９ａの下流近
傍に００２計４０のプローブ管４０ａが挿入され、希釈
排気ガス中のＣＯ□濃度（ＣＯ□〕。を検出する。パテ
ィキュレート捕集用フィルタ１０の両端には差圧計４１
が連結され、フィルタ１０での圧力損失を検出している
。差圧調整弁１６の両端にも差圧計４２が連結され、差
圧調整弁１６での圧力損失を検出する。差圧調整弁１６
には、弁１６を駆動するモータ４３が取付けられている
。

ルーツブロア４はモータ４４によって駆動され、トンネ
ル１内の希釈排気ガスを吸入する。ブロアパイプ３のル
ーツブロア４直上流には温度センサ４５、圧力センサ４
６が設けられ、ルーツブロア４には回転数センサ４７が
設けられ、ルーツブロア４の両端に差圧計４８が設けら
れている。これらの検出値は流量検出ユニット４９に入
力され、ルーツブロア吸入流量Ｖｃｖｓを算出し、流量
検出ユニット４つはルーツブロア吸入流ｊｌＶｃｖｓが
一定となるよう制御する。

入カポ−１・３０はＡ／Ｄコンバータ５０を介して、ト
ルク検出装置３２、ＣＯ□計３５　、４０、温度センサ
３９、差圧計４１　、４２に接続されている。また人力
ボート３０は、回転数センサ３３、バルブ開度センサ３
６および流量検出ユニット４９に接続されている。

一方出力ボート３１は、ボールバルブ１１、電磁弁１２
　、１５、運転制御装置３４、バルブ制御装置３７およ
びモータ４３に接続されている。

上記のように構成された本実施例の作用を以下に説明す
る。

電子制御ユニット２５、ルーツブロア４およびポンプ１
４等に電源を投入する。電源投入時、バルブ動作モード
は準備モードでボールバルブ１１および電磁弁１２は閉
弁し、電磁弁１５は開弁している。また分割バルブ７は
排気ガス導入管６に全開（第２図（ａ））　している。

ルーツブロア４は予め設定された一定流ＩＬＶｃｖｓの
気体を流すように流量検出ユニット４９によって制御さ
れる。排気ガスをトンネル１内に導入する前にまず空気
尋人部２がら空気だけをトンネル１内に導入し、Ｃ０２
計４０にて空気中のＣＯ２濃度〔ＣＯ□〕Ｂを予め測定
しＲＡＭ　２８内に記憶しておく。ポンプ１４が運転さ
れることによって、差圧調整弁１６および電磁弁１５を
介して空気がポンプ１４に吸入される。この空気の流量
は前述のように流量制御装置２２によって所定の流量Ｖ
ｓに保たれる。差圧計４２は差圧調整弁１６の圧力損失
Ｐｖを検出し、予めＲＡＭ　２８に設定されたパティキ
ュレート捕集用フィルタ１０の流量■ｓに対する初期（
フィルタ１゜がパティキュレート未捕集の状Ｒ）圧力損
失Ｐ０と比較されＰｖ＝Ｐｏとなるようにモータ４３を
駆動して差圧調整弁１６を制御する。

エンジン回転数およびエンジン出力トルクの異なる複数
モードの定常運転からなる試験パターンをＲＡＭ　２８
内に記憶させる。そしてディーゼルエンジン５は運転制
御装置３４によって制御され第１モードの定常運転が行
なわれる。分割バルブ７は排気ガス導入管６に全開であ
るため、排気ガスは排気ガス導入管６を介して全量トン
ネル１内に導入される。トンネル１内に流入した排気ガ
スは、空気導入部から導入された空気によって希釈され
、ルーツブロア４に吸入される。温度センサ３９によっ
て検出された希釈排気ガス温度が５２℃以下の場合、分
割バルブ７は排気ガス導入管６に全開で、したがって排
気ガスの全量がトンネル１内に導入される（全量希釈）
。希釈排気ガス温度が５２℃を越える場合、分割バルブ
７が分岐管８にも開き排気ガスの一部だけをトンネル１
内に導く　（部分希釈）。そして、設定温度Ｔｓ、例え
ば５０℃になるよう分割バルブ７が調整される。ここで
、希釈排気ガス温度を５２℃以下とするのは、米国試験
法で５２℃以下と規定されているからである。

次にエンジン５が安定しかつ希釈排気ガス温度が５２℃
以下で安定していることが確認されると、電子制御ユニ
ット２５からサンプリング開始指令が送出される。ここ
で、エンジン５が安定したか否かは、トルク検出装置３
２および回転数センサ３３によって検出されたエンジン
トルクおよび回転数の安定によって判定される。

バルブ開度センサ３６の信号により全量希釈と判定され
た場合、サンプリング開始指令によって、バルブ動作モ
ードはサンプリングモード、すなわちボールバルブ１１
および電磁弁１２を開弁し、電磁弁１５を閉弁する。こ
れにより、差圧調整弁１６および電磁弁１５を介してポ
ンプ１４に流れていた空気の流れは３Ｊ！断され、代わ
ってサンプリング管９内に希釈排気ガスが流入する。そ
して、圧力調整弁１６の圧力損失がフィルタ１ｏの圧力
損失と等しくなるよう調整されていたため、この切り替
え時においても安定したサンプリング流量ｖｓが得られ
る。サンプリング流量Ｖｓは前述の　。

ように流量制御装置２２によって一定となるよう制御さ
れる。サンプリング開始と同時にタイマがスタートする
。そしてサンプリング時間Ｔが予めＲＡＭ　２８内に記
憶された設定時間Ｔ０、例えば３０秒になると、バルブ
動作モードは準備モードとなり、すなわちボールバルブ
１１および電磁弁１２を閉弁し、電磁弁１５を開弁する
。これによりサンプリング管９への希釈排気ガスの流れ
は遮断され、再び差圧調整弁１６および電磁弁１５を介
してポンプ１４に空気が流入されることとなる。以上の
動作により、フィルタ１０には、サンプリング流！Ｖｓ
、サンプリング時間Ｔ。におけるパティキュレートが捕
集されることとなる。なおフィルタ１０にパティキュレ
ートが捕集されることによってフィルタ１０の圧力損失
が大きくなるが、バルブ動作モードがサンプリングモー
ドから準備モードに切り替わる直前におけるフィルタ１
０の圧力損失の検出値ＰｆがＲＡＭ　２８内に記憶され
、差圧調整弁１６の圧力損失ＰｖがＰ、に等しくなるよ
う調整される。

一方、バルブ開度センサ３６の信号により部分希釈と判
定された場合、まずトンネル１に流入する排気ガス量Ｖ
Ｉが次式により計算される。

ここで（ＣＯ２）Ｄは希釈排気ガス中のＣ０２？ａ度で
００２計４０によって検出され、（ＣＯ２）Ｒは希釈前
の排気ガス中のＣＯ□濃度でＣＯ□計３５によって検出
され、（ＣＯ２：）Ｂは空気中のＣＯ２？ｎ度で予め測
定されＲＡＭ　２８内に記憶されている。ルーツブロア
吸入流１Ｖｃｖｓは流量検出ユニット４９によって検出
される。次に分割比Ｖｆが次式により算出される。

ここでＶＴは排気ガスの全流量で、各運転条件ごとに予
めＲＡＭ　２８内に記憶されている。そして、算出サン
プリング時間Ｔｃは次式により計算される。

部分希釈の場合、サンプリング時間をＴｃとして、前述
の全量希釈と同様にしてサンプリングされ、フィルター
０には、サンプリング流量■ｓ、サンプリング時間Ｔｃ
におけるパティキュレートが捕集されることとなる。部
分希釈の場合、分割比ｖｆが−であれば算出サンプリン
グ時間Ｔｃを２×Ｔ０とすることにより、フィルタ１０
での捕集量とエンジンからの総排出量との比率を、全て
の運転条件モードについて等しくしているのである。

以上のようにして第１モードの定常運転におけるパティ
キュレートの捕集が完了すると、電子制御ユニット２５
からの指令によって運転制御装置３４はエンジン５を第
２モードで運転を開始させる。

そして、以下前記同様の操作で複数の定常運転モードが
繰り返され、１枚のパティキュレート捕集フィルタ１０
に全モードのパティキュレートが捕集される。そして、
フィルタ１０のパティキュレート捕集量Ｐｅを秤量し、
Ｐｅから次式によってパティキュレートエミッションＰ
、が算出される。

ここでｎは運転条件のモード数、Ｖ　ｅ　Ｖ　Ｓ　Ｉは
第ｉ運転モードにおけるルーツブロア吸入流量、ＶＳｉ
は第ｉ運転モードにおけるサンプリング流量、Ｖ　ｆ　
ｉは第ｉ運転モードにおける分割比である。ここでｖｃ
ｖｓ＋　”　ＶＣＶＳ２　＝”’　”　ｖｃｖｓｎＶ８
１＝■ｓ２＝・・・＝Ｖｓｎ であれば、Ｐ６は で算出される。

次に前記実施例を実行するためのフローチャートを第３
図および第４図に示す。まず電源が投入された時点でバ
ルブ動作モードは準備モードで、分割バルブ７は全量希
釈位置である。ステップ６０で、各運転条件例えばエン
ジン回転数およびエンジントルク、運転条件モード数Ｍ
８、各運転条件での排気ガス全流量■□、フィルタの初
期圧力損失Ｐｏ、希釈排気ガス設定温度Ｔｓ、サンプリ
ング設定時間Ｔ。および空気中のＣＯ□濃度ＣＣ０２）
Ｂが入力される。ステップ６１では、モードＭを１とし
、Ｐ、にＰｏを入れる。ステップ６２ではＰｓにＰ、を
入れる。バルブ動作モードが準備モードの間、差圧調整
弁１６の圧力損失ＰｖがＰ８に等しくなるよう、図示し
ない一定時間毎の割込みプログラムによって差圧調整弁
１６を常時制御する。ステップ６３ではエンジン５を第
Ｍモードの運転条件で運転を開始するが、最初はＭ＝１
であるから第１モードの定常運転で運転を開始する。そ
して以後、第１モード定常運転となるよう図示しない一
定時間毎の割込みプログラムによって常時運転制御装置
３４を介してエンジン５の回転数およびトルクを制御す
る。ステップ６４では、希釈排気ガス温度が設定温度Ｔ
ｓになるよう分割バルブ７を制御する。ステップ６５で
は、エンジン５が安定しかつ希釈排気ガス温度が５２℃
以下の設定温度Ｔｓで安定したか否か判別する。

安定しない場合、ステップ６４に戻る。安定した場合ス
テップ６６に進み分割バルブ７の開度をその位置に保持
する。ステップ６７では、部分希釈か否か判別する０部
分希釈であれば、ステップ６８に進み算出サンプリング
時間Ｔｃを算出し、ステップ６つに進んでバルブ動作モ
ードをサンプリングモードにする。ステップ７０で外部
タイマカウント値Ｔ≧Ｔｃか否か判別され、Ｔ≧Ｔｃで
なければステップ６９に戻る。Ｔ≧Ｔｃになるとステッ
プ７１に進みフィルタ１０の圧力損失Ｐｆを検出する。

一方ステップ６７で全部希釈の場合ステップ７２に進み
バルブ動作モードをサンプリングモードにする。ステッ
プ７３で外部タイマカウント値Ｔ≧Ｔ０か否か判別され
、Ｔ≧Ｔ０でなければステップ７２に戻る。Ｔ≧Ｔ、に
なるとステップ７１に進む、ステップ７４ではバルブ動
作モードを準備モードとし、ステップ７５ではモードＭ
を１だけインクリメントする。ステップ７６ではＭ　＞
　Ｍ　ｓか否か判別される。Ｍ＞Ｍｓでなければステッ
プ６２に戻り前記と同様の繰作を繰り返す。Ｍ　＞　Ｍ
　ｓであれば、ステップ７７に進んでエンジン５を停止
し、設定された全ての運転モードのパティキュレート捕
集は終了する。

以上のように本実施例によれば、運転条件の異なる複数
の定常運転からなる運転パターンにおけるパティキュレ
ート測定を１枚のパティキュレート捕集用フィルタ１０
で測定することができ、試験効率を大幅に向上すること
ができる。またバルブ動作モードが準備モードにおいて
も差圧調整弁１６でフィルタ１０の圧力損失と等しい圧
力損失を与えているため、フィルタ１０にパティキュレ
ートが捕集された状態でサンプリングモードにかわって
も安定したサンプリング流量が得られ、測定精度を向上
することができる。

なお、本実施例ではパティキュレート捕集用フィルタ１
０に希釈排気ガスを導入する時間を分割バルブ７の分割
比Ｖｆに反比例して変化させたが、希釈排気ガス導入時
間を一定としてパティキュレート捕集部材１０に導入す
る希釈排気ガスの流量を分割バルブ７の分割比Ｖｆに反
比例して変化させても本実施例と同様の効果を奏するこ
とができかつ希釈排気ガスの流量を増すことによって試
験時間をより短縮することが可能である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、運転条件の異なる複数の
定常運転からなる試験パターンにおけるパティキュレー
ト測定において、試験効率を向上することができるエン
ジン排気ガス中の粒子状物質測定装置を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のエンジン排気ガス中の粒子状物質測定
装置の一実施例を示す全体構成図、第２図は分割バルブ
の動作状態を示す図、第３図および第４図は本発明の実
施例を実行するためのフローチャートである。 １・・・トンネル、　　　７・・・分割バルブ、１０・
・・パティキュレート捕集用フィルタ、２５・・・電子
制御ユニット。 （ａ）　　　　　　　（ｂ）　　　　　　　　（ｃ）第
２図 ７・・・分割バルプ 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 導入されたエンジン排気ガスを流入空気によって希釈す
   るための希釈部と、排気ガスの流量を前記希釈部と該希
   釈部以外に分割させることができる分割装置と、希釈さ
   れた排気ガスを導いて希釈排気ガス中の粒子状物質を捕
   集するための捕集部材とを備えた、排気ガス中の粒子状
   物質の量を測定するための装置であって、前記捕集部材
   に導入する希釈排気ガスの流量又は前記捕集部材に希釈
   排気ガスを導入する時間を、前記分割装置の分割比に反
   比例して変化させる制御手段を有することを特徴とする
   エンジン排気ガス中の粒子状物質測定装置。