JPH04143632A - 排気分流採取装置 - 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］ 本発明は自動車エンジン等の内燃機関の排気ガスの計測
において、全排気ガスに比例して連続的に分流して希釈
トンネル等に導入し、粒状物質等の測定を行う装置の改
良に関するもので、燃焼排気ガスによる公害防止技術の
分野に関する。

［従来の技術］ ディーゼル機関などの排気ガスに含まれる粒状物質には
、凝集性や吸湿性があり、それ正確な計測には一般に希
釈トンネル（ダシリュージョントンネル）が必要とされ
る。

しかし、排気ガス流量が１０ＴＩｔ／１ｎ以上にもなる
大出力機関では、排気ガス全量の希釈後の測定ガスを５
２℃以下で露点以上に保つためには、多量の希釈空気流
量と大容量の希釈トンネルを必要とする。このような大
容量の希釈トンネル設備を一般に利用することは、経済
的にも空間的にも極めて困難とされている。そこで、排
気ガスの全流量に代えてその一部代表試料を分流採取し
て希釈する方法が各種考案されている。

これらの方法のうちで、分流された排気ガスの全排気ガ
ス流量に対する比、すなわち分流比を一定にするために
、排気ガスを分流して希釈トンネルに導入させるための
試料排気ガス用と排気ガスをそのまま通過させるバイパ
ス排ガス用との２つのベンチュリ管を並列的に設けて、
ベンチュリ管によってそれぞれの流量を計測ｉ制御しな
がら排気分流採取をする装置がある。この排気分流採取
装置を第３図に示す。

第３図において、エンジン２１より排出された排気ガス
は、マフラー２２を経て、排気ガスを攪拌、混合するた
めの混合調整管２３に入り、ここから排気分流採取装置
３０を介して、その一部が分流される。

この排気分流装置３０は、例えば前記混合調整管２３に
接続されたメイン管路３１△と、該メイン管路３１Ａ内
にその先端が挿入された分流管路３２Ａに接続されたサ
ンプルベンチュリ管３２及びバイパスベンチュリ管３１
によって構成されている。バイパスベンチュリ管３１は
バタフライ弁３３を介して排出管３３Ａに接続される共
に、前記サンプルベンチュリ管３２は後述する希釈トン
ネル３５内に挿入された管路３３Ｂに接続されている。

前記バイパスベンチュリ管３１及びサンプルベンチュリ
管３２は、それぞれの流量に適した形状が採用される。

そして各ベンチュリ管３１．３２のスロート部に生じる
静圧力の降下が同一ならばそれらのスロート部の断面積
から、メイン管路３１Ａと分流管路３２Ａを通過する排
気ガスの流量比が一応定まることになる。しかし、分流
管路３２Ａはメイン管路３１Ａに比して、熱損失の比率
が大きいことや管径の小さいことから生ずるＲｅ数の差
があって、ベンチュリ管３２と３１の各々の静圧力を同
一に制御しても、流量比が一定にできるとは限らない。

とくに流量が小さくてＲｅ数が５，０００以下の小さい
条件では、流ω特性を同様に維持することが困難となる
。

希釈トンネル３５は上流側にフィルター３７を備え、必
要に応じてバルブ３６を設ける。下流側に容積型ポンプ
（ＰＤＰ）またはＣＦＶ付プロ１ノ４０を備えている。

前記バイパスベンチュリ管３１及びサンプルベンチュリ
管３２を通過する排気ガスの流量は、バタフライ弁３３
及びバルブ３６を用いて調節される。

希釈トンネル３５においては、希釈用空気のバックグラ
ンド成分は、上流に配置した分析装置３８により粒状物
質を含めて測定され、希釈された排気ガス成分は排気ガ
スの試料導入の下流に配置した分析装置３９により粒状
物質を含めて測定される。排気ガスの試料によるガス成
分濃度の増加は、希釈用空気のバックグランド成分を差
引いたものである。

一般にベンチュリ管による流量の測定や制御はその緩か
な流路断面の拡大における圧力回復が期待され、全般的
な圧力損失が少なくて済むという利点がある。しかし、
普通には定常流に対して適用され、脈動流に対してはそ
の非直線性の影響が無視出来ないことが多く、そのスロ
ート部における圧力降下で流量を正確に求めることは困
難である。更に、管径に大きな差のある場合はベンチュ
リ管のスロート部のＲｅ数にはその直径に比例した相違
が生じて流量特性を同一にできないことがある。とくに
Ｒｅ数が小さい場合、すなわち粘性の影響が大きい条件
では、Ｒｅ数の差による流量特性の差が顕著になって、
２つの流路の圧力条件を同一にしても流量比率を同一に
することが困難になることが多い。

［発明が解決しようとする課題］ 前述した従来の技術は次のような問題点をもっていた。

第１に、排気流にある圧力波動の影響が、流量が異なり
管径や位置の異なる２つのベンチュリ管の通路では同一
にできない。このために、脈動流が顕著な低速回転時や
排気ガス流量が大きく変化する過渡運転状態などにおい
ては、ベンチュリ管の圧力条件などを制御しても、分流
比を高速、定常条件と同一に保つことが困難となる。

第２に、排気の密度や粘度に大きく彰Ｗする湿度条件は
、２つに分岐して大きさの異なる流路では、同一にする
ことが困難となる。このために２つの流路の質量流量比
は、圧力条件を同一にできたとしても、同一にすること
が難しくなる。

第３に、分流管路の流路断面積がバイパス流路に比して
遥かに小さい場合、断面形状が相似であれば普通には断
面についてのＲｅ数が２つの流路で大きく異なる。Ｒｅ
数の大きな差が２つり流路の流量特性を相違させて、分
流比を同一に維持することが困難になる場合がある。

本発明はこれらの問題点を解決するためになされたもの
であり、その目的は、定常運転状態だけでなく、過渡運
転状態を含むすべての運転状態においても、常に一定比
率の排気ガスの分流ができ、粒状物質の代表試料を連続
採取出来る排気分流採取装置を提供することにある。

「課題を解決するための手段１ この目的に対応して、この第１の発明の排気分流採取装
置は、内燃機関の排気ガスを常に一定比率に分流して、
連続的に一部の試料ガスを採取する排気分流採取装置に
おいて、それぞれの絞り比がほぼ同一となるように形成
された前記排気ガスを通１２つのベンチュリ管を、各ベ
ンチュリ管のスロート部が排気ガスの流れ方向に対して
ほぼ同一位置になるように、それらを同心上に配置する
とともに、各ベンチュリ管のスロート部の流体力学的直
径をほぼ同一にしたことを特徴としている。

また、第２の発明の排気分流採取装置は、内燃機関の排
気ガスを常に一定比率に分流して、連続的に一部の試料
ガスを採取する排気分流採取装置において、内燃機関に
接続された排気ガス通路に接続され、その内壁面がベン
チュリ管状に形成された外側管と、前記外側管内の中心
部に配Ｈされてその内壁面がベンチュリ管を形成する分
流管とを備えて、前記外側管の内壁面と分流管の外壁面
で形成する環状流路のベンチュリ管と分流管のベンチュ
リ管の２つの流路の各々の絞り比をほぼ同一となるよう
に形成し、更に各流路のスロート部におけるＲｅ数がほ
ぼ同一レベルとなるように形状を選定し、前記外側管と
分流管の先端の分流部、ベンチュリ管のスロート部及び
圧力回復部がそれぞれ同心となるように、かつ分流部、
ベンチュリ管のスロート部及び圧力回復部がそれらを通
過する排気ガスの流れ方向に対してほぼ同一位置となる
ように配置して、それぞれの流路の分流部、及びベンチ
ュリ管におけるＲｅ数、流速、温度、圧力の条件をでき
るだけ同一に保ち、特に圧力波動や流量変化のある条件
においても、常に分流点における流路断面積に比例した
分流を可能としたことを特徴としている。

［作用］ これにより、各流路のベンチュリ管は分流部に直接接続
され、同一の圧力波動を受け、同一のＲｅ数で類似の流
れ特性を保ち、しがも分流管の開口部からの排気ガスの
吸引は粒子の採取に適した等速吸引となる。

また、分流ベンチュリ管内の排気ガスの流れの状態は、
バイパス流の円環状のベンチュリ管内の排気ガスの流れ
の状態とほぼ同様な粘性や慣性の影響を受けることにな
る。すなわち、各ベンチュリ管のＲｅ数がほぼ等しいこ
とである。更に、圧力波動、流速、温度が分流ベンチュ
リ管とバイパス流ベンチュリ管の各排気ガス流の各位置
についてほぼ同一となる。従って、あらゆる運転条件に
おける排気ガスの分流比率を一定に維持することができ
る。

［実施例］ 以下、本発明の具体的実施例を、第１図及び第２図を参
照して説明する。

第２図は本発明の一実施例を採用した排気ガス測定装置
の一例のブロック図、第１図は第２図に示された本発明
の一実施例の詳細を示す縦断面説明図である。第１図及
び第２図において、第３図と同一の符号は、同一または
同等部分を示している。

エンジン２１から排出された排気ガスは、マフラー２２
を経て混合調整管２３に入り、断熱され二重ベンチュリ
管を有する排気分流装置１に導入されて、試料ガスとバ
イパス流とに分流される。

なお、前記混合調整管２３、マフラー２２等は省略され
ることができる。

排気分流装置１は、それぞれ直径及び断面積は異なるが
、流体力学的な等価直径はほぼ同等となる円環状断面の
ベンチュリ管とその内側に同心状に配置された円形断面
のベンチュリ管によって構成されている。

すなわち、前記排気分流装置１はスロート部２及び圧力
回復部１４を有する外側管１Ａと、該外側管１Ａの中心
部に配置されてスロート部４及び圧力回復部１５を有し
て分流ベンチュリ管を構成する分流管３とからなる。バ
イパス流のベンチュリ管は外側管１Ａに設けたスロート
部２と、その内部に配置された分流管３のへンチュリ部
の外周により環状に構成されている。従って、そのスロ
ート部のＲｅ数を決定する流体力学的直径は環状の間隙
１／２　（ｄ　　−ｄ４）であり、分流管のス０一ト部
の直径ｄ２と同水準の値に設定することができる。

そして、前記外側管１Ａと分流管３はそれぞれ同心に配
置され、流路を絞られ、かつ各スロート部２と４が流れ
方向に対してほぼ同一位置に配置されるように固定され
ている。

また、前記外側管１Ａと分流管３はそれぞれの分流の入
口における流速が同一となるように、各ベンチュリ管が
設計されている。流速を同一にするためには、各ベンチ
ュリ管の絞り比β２を同一にして、各ベンチュリ管にお
けるスロート部の圧力降下、すなわち差圧を同一にする
必要がある。

各ベンチュリ管のスロート部における静圧の取出管５，
６からの圧力は差圧計２０に導かれる。また、各ベンチ
ュリの圧力回復部１４．１５における断面積拡大率は、
ベンチュリ管の静圧力回復率に大きな影響をもっている
ので、はぼ同一の緩かな断面積拡大率に設定される。

Ｒｅ数がほぼ同レベルで、流速や温度が同等でしかも圧
力波動の影響を同様に受けるために、排気分流採取装置
１の分流管３の外側の環状流路を流れるバイパスの排気
ガス流と、分流管３の内側を流れる試料排気ガス流とは
、同様に絞られて、流速を増加し静圧を降下させ、同様
に拡大流路で流速を減速し静圧を回復することができる
。

ここで、各ベンチュリ管の絞り比β２は、排気ガス流量
が最大になってもスロート部２．４において流速がその
温度条件における音速を超えないことが必要である。ま
た、絞り効果が小さくて圧力降下が小さくなり過ぎると
、分流比の制御に誤差が生じ易くなる。絞り比β２は例
えば、１／１０＜β２＜１／２．５の範囲が適当である
。

前記分流管３はその下流部分にベント部９が形成されて
、その後端部は外側管１△の外側に引出されている。更
に分流管３の内側を流れる試料排気ガスは、７ランジ３
Ｂによって接続された導管を通過して、希釈トンネル１
９に導入され、希釈空気と混合され、粒状物質の測定の
ために供される。

バイパス流はフランジ１Ｃに接続された排気ダクト２４
を経て、ブロワ−２５により吸引され排出されるが、そ
の管路に可変抵抗弁１３を設ける。

試料排気ガスの導管の抵抗や希釈トンネルの圧力の影響
、更にはバイパス流の排気ダクトやブロワ−の吸引負圧
の影響を補償して、分流比を一定にするためには、各ベ
ンチュリ管のスロート部の圧力降下を同一に維持する必
要がある。このために、各スロート部の静圧取出管の５
と６からの圧力を差圧計２０で検知し、差圧がＯになる
ように、必要に応じて可変抵抗弁１３をサーボモータ１
０により自動的に調節する。

なお、符号７Ａは分流管３の先端部を支持するためのス
テー、符号１Ｂはエンジンの排気管などと接続するため
のフランジである。また、符号１７と１８は各排気ガス
の導管の圧力モニタ用の圧力計である。

前記希釈トンネル１９は、一般にＣｖＳ装置（コンスタ
ント・ボリューム・サンプラー）として用いられるもの
で、入口にフィルタ３７を設置して清浄化された空気を
導入し、エンジン２１からの試料排気ガスを導入・混合
して均一化した希釈試料にして搬器ガスの測定分析装置
３９により計測する。また、熱交換器２７を経て温度を
制御された大部分の希釈試料ガスは、ＣＦＶ　（クリテ
ィカル・フロー・ベンチュリ）を前置したブロワ−また
はＰＤＰ２８で常に一定な流量に維持されながら吸引・
排出される。

このように、本実施例においては、絞り比がほぼ同一に
なるよう形成されて、しかも断面積が大きく異なる２つ
のベンチュリ管を、一方は環状流路とし、他方は円形流
路として同心状に配置し、各ベンチュリ管のスロート部
が流れ方向にほぼ同一位置になるようにし、更に分流部
において等速吸引となるようにしてその部分の断面積比
に流量分割比が一致するようにすることができる。とく
に排気ガス流量が少ない条件でも、Ｒｅ数をほぼ同一に
することができるために、分流比率を一定に維持するこ
とが可能となる。

これらのことから、排気ガス中に含まれる粒状物質がガ
ス成分と同じ一定比率で分流されると共に、排気の圧力
波動の影響や温度条件の変化の影響、流量変化の影響を
分流試料排気ガス流とバイパス排気ガス流とが等しく受
けるので、過渡運転状態においても分流比を一定に保つ
ことができる。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、次の
ような効果が達成される。

すなわち、排気分流採取装置１において外側管１Ａと分
流管３の形成する環状断面流路のベンチュリ管と分流管
３の内側の円形断面流路のベンチュリ管の排気ガスの流
れの状態がＲｅ数、圧力及びその波動、流速、温瓜につ
いて、それぞれの流れ方向の各位置においてほぼ同一と
なり、分流部の両方の流路の断面積に比例した分流がで
きる。

排気脈動が大きく、流量、温度、圧力が急激に変化する
過渡運動状態においても、定常運転状態の場合と同様に
常に一定に分流比を保つことができる。とくに排気ガス
流量が小さくなって、ベンチュリ管における粘性抵抗の
影響が無視できなくなる条件においても、２つの流路の
スロート部のＲｅ数がほぼ同一のレベルに確保できるの
ぐ、同じ分流比を維持することが可能である。

このために、同一の排気分流採取装置によって他種類の
排気流量範囲の異なるエンジンについての分流が可能と
なる。さらにまた、分流部において等速吸引となり、か
つ同心状であるために、粒状物質等偏りを生じ易くて排
気ガス流とは異なる流線をとる可能性のある成分を含む
試料の分流採取においても、ガス成分及び粒状物質成分
が一定の比率で分流できる。

本発明による排気分流採取装置は、極めて単純な構造で
あり、小形、軽量に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は本発明の
一実施例を採用した排気ガス測定分析装置の一例を示す
ブロック図、及び第３図は従来の排気分流装置を利用し
た排気ガス測定分析装置の−例のブロック図である。 １・・・排気分流採取装置、 ２．４・・・スロート部、 ５．６・・・静圧取出管、 ２０・・・差圧計 １Ａ・・・外側管、 ３・・・分流管、 １３・・・可変抵抗弁、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）内燃機関の排気ガスを常に一定比率に分流して、
   連続的に一部の試料ガスを採取する排気分流採取装置に
   おいて、それぞれの絞り比がほぼ同一となるように形成
   された前記排気ガスを通す２つのベンチュリ管を、各ベ
   ンチュリ管のスロート部が排気ガスの流れ方向に対して
   ほぼ同一位置になるように、それらを同心上に配置する
   とともに、各ベンチュリ管のスロート部の流体力学的直
   径をほぼ同一にしたことを特徴とする排気分流採取装置
   （２）内燃機関の排気ガスを常に一定比率に分流して、
   連続的に一部の試料ガスを採取する排気分流採取装置に
   おいて、内燃機関に接続された排気ガス通路に接続され
   、その内壁面がベンチュリ管状に形成された外側管と、
   前記外側管内の中心部に配置されてその内壁面がベンチ
   ュリ管を形成する分流管とを備えて、前記外側管の内壁
   面と分流管の外壁面で形成する環状流路のベンチュリ管
   と分流管のベンチュリ管の２つの流路の各々の絞り比を
   ほぼ同一となるように形成し、更に各流路のスロート部
   におけるＲｅ数がほぼ同一レベルとなるように形状を選
   定し、前記外側管と分流管の先端の分流部、ベンチュリ
   管のスロート部及び圧力回復部がそれぞれ同心となるよ
   うに、かつ分流部、ベンチュリ管のスロート部及び圧力
   回復部がそれらを通過する排気ガスの流れ方向に対して
   ほぼ同一位置となるように配置して、それぞれの流路の
   分流部、及びベンチュリ管におけるＲｅ数、流速、温度
   、圧力の条件をできるだけ同一に保ち、特に圧力波動や
   流量変化のある条件においても、常に分流点における流
   路断面積に比例した分流を可能としたことを特徴とする
   排気分流採取装置 （３）前項の排気分流採取装置において、同心の各ベン
   チュリ管のスロート部の静圧力が同一となるように、一
   方のバイパス流路管に設けた可変抵抗弁を調節して、あ
   らゆる流量条件及び配管抵抗条件においても、絶えず分
   流比を一定に制御できるようにした排気分流採取装置