JPH07505218A - 炭素微粒子モニタ - 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】 炭素微粒子モニタ ｌ豆五宜見 本発明は一般的に炭素微粒子の測定に関し、特に、採集ガス、例えばディーゼル 排ガスの微粒子濃度を測定するための方法と装置に関する。

大気の清浄さは、近年環境上の重大関心事になっている。

大気汚染を抑制し大気の清浄さを維持する努力に関して、きびしい車両排ガス排 出基準が、米国連邦政府及び州政府当局によって制定されている。ディーゼル排 ガスに対する要求が非常にきびしいのは、大気中でのディーゼル排ガスの影響が 有害であるからである。そこで、例えば米国内で販売された各ディーゼル車両は 、一定の排ガス試験に合格し、きびしい環境排出基準を満足することを義務づけ られている。排出基準を満たしているかどうか判定するためには、ディーゼル排 ガスの微粒子濃度を測定する必要がある。ディーゼルエンジンが排出基準に合致 しているかどうか正確に判定するために。

ディーゼル排ガスの微粒子濃度の指示値の信頼性が必要とされる。ディーゼル微 粒子濃度の不正確な指示値は、ディーゼルエンジンの不正な合格、または排出試 験の不完全さの結果であった。従って、ディーゼル排ガスの微粒子濃度を正確に 、かつ信頼がおけるように測定する技術の実用化が望まれている。

現在、ディーゼル排ガス微粒子は、タイプの異なる少数のシステムを用いて測定 されている。一つの特殊な手法は、排ガス中の微粒子の質量のリアルタイムによ る直接測定を含む・この手法によれば、米国特許第４，３９１，３３８号にある ようなテーバエレメント振動式微量化学天秤により、フィルタに付着した微粒子 の質量を測定することができる。この手法は、費用が掛からず、一般に、普通に 用いられている希釈トンネルを必要とするだけである。その他ディーゼル排ガス の微粒子濃度の量を測定する手法には、光学的測定法がある。

しかし、この手法は、正確さに乏しく微粒子質量の信頼性ある測定を常にもたら すとは限らない、ディーゼル排ガスの微粒子濃度を測定するその他の手法は、排 ガスのある測定された量を、微粒子を中に集めるフィルタに強制的に通過させ、 −そのフィルタの重さを測ることを含む、そのフィルタは、使用前後のフィルタ の重さの差が排ガス中の微粒子の量を表すように、予め調整され予め計量される 。この特殊なシステムの欠点は、非常に時間が掛かり労力が集中することである 。

その上、各測定サイクル後にそのフィルタを再使用できないため、ディーゼル微 粒子測定ごとに新しいフィルタを用意する必要がある。

そのため本発明の目的は、ディーゼル排ガスの微粒子濃度を正確に測定する方法 を提供することにある。

本発明の目的はまた、労力の集中がなく時間が掛からないディーゼル排ガスの微 粒子濃度を測定する方法を提供することにある。

また本発明の目的は、微粒子を集めるために使用された後、フィルタまたは収集 器を処分する必要を省くように、再使用できるフィルタまたは微粒子収集器を用 いるディーゼル排ガスの微粒子濃度を測定する方法を提供することにある。

本発明の目的はまた。常に信頼性のある指示値をもたらすディーゼル排ガスの微 粒子濃度を測定する方法を提供することにある。

さらに本発明の目的は、不揮発性ディーゼル微粒子および／または揮発性ディー ゼル微粒子の濃度を測定する方法を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、ディーゼル排ガスのみならず他の混合ガスや採集ガス の炭素微粒子濃度を測定する方法を提供することにある。

見豆ム棗来 本発明によるディーゼル排ガスまたは他の採集ガスの炭素微粒子濃度測定方法を 用いることにより、従来技術の欠点は解消され１本発明の目的は達成された０本 発明は、ディーゼル排ガスまたは他の採集ガスの炭素微粒子濃度を測定する方法 を含み、その方法は、炭素微粒子を高効率フィルタ上で分離し収集するようにデ ィーゼル排ガスまたは他の採集ガスを濾過することと、濾過された排ガスまたは 採集ガスの総量を測定することと、濾過された微粒子を酸素にさらすことと。

濾過された微粒子を加熱し、炭素を酸化して二酸化炭素を形成するようにするこ とと、その微粒子の中の炭素の濃度をめるために、合成された二酸化炭素の濃度 を測定することと、炭素の濃度を測定された排ガスまたは採集ガスの総量と比較 することにより微粒子濃度を計算することとを含む。

本方法はまた。酸化する前に、残っている二酸化炭素ガスを酸化雰囲気内から除 去することを含む０本方法はまた。濾過した微粒子を徐々に加熱して、微粒子内 の不揮発性成分を酸化する前に微粒子内の揮発性成分を除去するようにすること を含んでよいし、さらに揮発性および／または不揮発性炭素微粒子成分を計算す ることを含んでもよい。

他の態様によれば１本発明は、ディーゼル排ガスまたは他の採集ガスの炭素微粒 子濃度を決定する装置を含む０本装置は、ディーゼル排ガスまたは他の採集ガス から炭素微粒子を集めるためのフィルタをいれる手段と、フィルタをいれるため の手段の中から残留二酸化炭素を除去する手段と、フィルタをいれるための手段 の中に酸素を供給する手段と、フィルタにより集められた炭素を酸化するために フィルタを加熱する手段と、炭素の酸化により生成された二酸化炭素の総量を測 定する手段とで構成される０本装置はまた、ディーゼル排ガスまたは他の採集ガ スからの炭素微粒子を集めるフィルタと、そのフィルタを通って導かれるディー ゼル排ガスまたは他の採集ガスの総量を測定する手段とを含んでもよい０本装置 はさらに、濾過された微粒子の不揮発性成分から揮発分を分離するために、フィ ルタを徐々に加熱する手段を含んでもよい０本装置はまた。揮発性炭素成分の別 個の測定を容易にするために、そのような揮発性微粒子成分を酸化する手段を含 んでよく、かつ部分的な酸化により生成されたＣＯをＣＯ２に変換する手段を含 んでもよい。

フィルタとディーゼルエンジンの排気管との間に流体工学的に取り付は可能なデ ィーゼル排ガス入口管を含む、ディーゼル排ガスをフィルタを通して應く手段が 含まれてもよい。

酸素を供給する手段は、空気またはその他の酸素を含むガスをフィルタを収容す る手段の中へ導くことができるバルブ手段を含んでよい１本装置はさらに、フィ ルタを収容する手段から逃げ出すガスが、二酸化炭素を測定する手段、またはフ ィルタを通って導かれたディーゼル排ガスまたは他の採集ガスの総量を測定する 手段に入り込むのを阻止するバルブ手段を含み、かつディーゼル排ガスまたは他 の採集ガスがフィルタを通って流れるのを阻止するバルブ手段を含んでよい１本 装置はさらに、フィルタを収容する手段と、揮発性微粒子成分を酸化する手段と 、炭素の酸化により生成された二酸化炭素の総量を測定する手段とを、相互にク ローズトループに連結する配管系を含んでよい、ポンプ手段、圧力調整手段、お よび／または流量調整手段が、クローズトループ内に組み入れられると都合がよ い、フィルタを収容する手段と揮発性微粒子成分を酸化する手段とを連結する配 管系の一部分は、その中で揮発分が凝結しないように加熱することが望ましい。

フィルタは、再使用できるように高温度に耐えるものが望ましく、セラミックタ イプのトラップか石英ファイバフィルタで構成されるとよい、二酸化炭素を測定 する手段は、赤外線吸収分析計にするとよい、濾過されたディーゼル排ガスまた は他の採集ガスの総量を測定する手段は、流量メータまたは流量コントローラで 構成するとよい。

フィルタは１本装置内に組み込まれ、試験するディーゼルエンジンまたは車両の 排気管または排気出口に連結された全装置内に組み込まれるとよい。その代りと しては、フィルタとフィルタを通過するディーゼルガスの量を測定する手段とを 収容する別個の採集ユニットが、排気管に結合可能である。

採集後、微粒子を載せたフィルタは採集ユニットから取り外され、微粒子の酸化 および合成された二酸化炭素の測定のための別の構造物内に置くことができる。

本発明の他の態様によれば１本装置の運転は自動化可能であり、ＣＯ２および濾 過されたディーゼル排ガスまたは他の採集ガスの測定から微粒子濃度を計算する のにマイクロコンピュータ等を使用できる。

本発明のさらに他の態様によれば、揮発性微粒子中の異種成分の量は、ＣＯ，測 定をフィルタ加熱温度に関連させることによってめるとよい。

本発明の別の態様によれば、フィルタを使わずに、ディーゼル排ガスまたは他の 採集ガスに加速衝突ノズルを通過させ。

炭素微粒子を加熱可能な衝突プレート上に衝突させることによって、炭素微粒子 を集めることができる。

本発明のさらに別の態様によれば、フィルタまたは他の目の細かい微粒子収集器 の上流にプレセパレータを置いて、ガスの流れから微粒子を取り除き、および／ または大きなサイズの微粒子を捕え、それによって目詰まりしにくり、かつフィ ルタまたは他の目の細かい微粒子収集器の耐用時間を延ばすことができる。

皿ＪＴＬＩＬＪ馳Ｉｌ吸 本発明のこれらの目的、特徴、態様および優れた点は、添付図面を参照しながら 次の詳細な説明を読めば、理解は容易であろう。

図１は、高効率フィルタを使用し、採集およびディーゼル排ガスまたは他の採集 ガスの微粒子濃度測定に便利な本発明の装置の最初の実施例である。

図２は、微粒子を載せたフィルタを収容し、ディーゼル排ガスまたは他の採集ガ スの微粒子濃度を測定するための本発明の他の実施例である。

図３は、炭素微粒子収集用の衝突チャンバ内の衝突ノズルと加熱可能な衝突プレ ートを使用した本発明の実施例である。

図３Ａは１図３の衝突チャンバ設備のさらに詳細を示す。

図４は、揮発分および不揮発性微粒子成分の測定法を解説する、微粒子加熱温度 の作用とそれに対応するＣＯ２質量測定プロフィルを示す。

図５は、プレセパレータを用いた本発明の実施例である・図６は、衝突型プレセ パレータを示す。

図７は、サイクロン型プレセパレータを示す。

図８は、デプスフィルタ型プレセパレータを示す。

図面では、同一番号は同一部品を表示する。

１１星■囲 本発明の原理に基づくディーゼル排ガスの微粒子濃度を決定するための装置の最 初の実施例が、図１に示されている。

このシステムの構成機器の特質、作用および相互の関連がここに説明され５次に 装置の運転がすべて説明されている。

水袋［１０は、ディーゼルエンジンまたはディーゼル能動の車両（図示なし）の 排気管の出口端に連結される入口管１２を含み、それによって排ガスが入口管１ ２を通って微粒子濃度測定システム内に流れることを可能にする。入口管１２は 、ディーゼル排気管に直結してもよいし、またはフレキシブル管かダクトを、流 体工学的にディーゼル排気管と入口管１２の間に配置してもよい。

入口管１２は、コンジット通路１４によってフィルタ１８をその中に保持できる チャンバ１６に連結される。バルブ２２付きの排出ニップル２０が、入口管１２ とチャンバ１６の間の点に設けられる。バルブ２２が開かれると、入口管１２を 通って流れるディーゼル排ガスは、排出ニップル２０を通ってシステム外へ流出 可能であろう、バルブ２４は１通路１４のバルブ２２より下流の点に設けられる 。バルブ２４が開かれると、排ガスはチャンバ１６の方へ流れることができる。

しかし、バルブ２４が閉じられると、排ガスはチャンバ１６に向かって流れるの を阻止され、チャンバ１６の中のどんな気体もバルブ２２または入口管１２に向 かって流れるのを阻止される。供給管即ちニップル２６が、バルブ２４より下流 で、かつチャンバ１６より上流で通路１４に連結される。供給ニップル２６は、 それに接続されたバルブ２８を有し、酸素リッチなパージガス供給源に連結され る。バルブ２８が開かれバルブ２４が閉じられると、酸素リッチパージガスがチ ャンバ１６の中へ流れ込むことができる。

フィルタチャンバ１６は、ディーゼル排ガスからディーゼル微粒子を効率よく濾 過できるフィルタ１８（以下、目の細かい微粒子フィルタまたは高効率フィルタ という）を収容する。好ましくは、耐高温度フィルタ、例えば石英ファイバまた はセラミックトラップ型が採用され、フィルタを再使用できるようにする。フィ ルタ１８は、排ガスがフィルタ１８を通らずに素通りして流れることを阻止する ような作りで、チャンバ１６内に取り付けられる。チャンバを加熱する手段は、 本システム内に含まれる。加熱手段は、チャンバ１６を取り囲む加熱コイル１９ の形態でもよいし、その代りにチャンバ１６内の加熱素子または加熱コイル（図 示なし）で構成してもよい。

チャンバ１６は、酸化器３２、ポンプ３４、圧力調整器４０およびバルブ４２の 直列配置で流体工学的に、かつクローズトループ構成で、配管系３０を介して連 結される。測定サイクル中は、チャンバ１６から逃げ出す気体は、このクローズ トループ構成を通って連続的に循環する。

酸化器３２は、単純なヒータ、例えば赤熱ニクロム線または加熱されたプラチナ かニッケルの管体で構成してもよし１し、自動車業界で利用されている従来型の 触媒コンＡ−夕でもよい、酸化器３２は、揮発性微粒子成分を酸化するとともに 。

チャンバ１６内で生成された一酸化炭素を二酸化炭素しこ変換するのに、便利に 用いることができる。これらの作用につｌ、Ｎで１次にさらに十分説明する。

ポンプ３４から出た気体は、圧力調整器３６を通って００２メータ３８内に流れ る。メータ３８は、多様に異なった形式をとれるけれども、赤外線吸収分析計型 のものが好まじり）・このような分析計は、工業的に機器として市販されている 。

圧力調整器３６は、ＣＯ□メータ３８内を一定圧力に保ち。

圧力変動による誤指示を防ぐために、メータ３８に入る気体を標準圧力即ち周囲 レベルまで減圧する働きをする。

流量調整器４０は、クローズトループ構成を通る流れを一定に保つために用いる 。バルブ４２は、調整器４０とチャンバ１６へ導くコンジット管１４との間の流 体を１通したり止めたりする働きをする。出口管４４は、バルブ４６を介して調 整器４０とバルブ４２の間の管系３０に連結される。

チャンバ１６を酸化器３２に連結する管系３０の部分４８は、バルブ５ｏを含み 、加熱コイル５２またはその他の加熱手段に取り巻かれる。バルブ５０が、酸化 器３２に入る気体の流れをコントロールする働きをすると同時に、ヒータ５２は 、揮発性微粒子成分が管部分４８内に凝結するのを防止するために用いられる。

流量コントローラ５４およびこれと連合した真空ポンプ５６は、バルブ５８を介 してチャンバ１６とバルブ５０の中間点で管部分４８に連結される。真空ポンプ ５６は、ディーゼル排ガスをフィルタ１８を通してチャンバ１６内へ吸引する働 きをすると同時に、流量コントローラ５４は、濾過されたディーゼル排気の総量 の測定を行う、バルブ５８は、コントローラ５４と真空ポンプ５６を通って出口 管６０に至る流れを制御する手段を提供する。流量コントローラ５４および真空 ポンプ５６の代りに、従来型の流量メータを、フィルタ１８を通過するディーゼ ル排ガスの総量の測定に用いることができる、エンジンから吐出されたディーゼ ル排ガスによって与えられた圧力差を、チャンバ１６および流量メータを通る流 れの駆動に用いてもよい。

濾過されたディーゼル排ガスの総量を示す代表電気信号が。

流量コントローラ５４（または同等の流量メータ）によってコンピュータ６２へ 出力される。コンピュータ６２はまた、メータ３８により測定された二酸化炭素 の総量の代表電気信号を入力される。マイクロプロセッサまたはＰＣタイプコン ピュータが適するコンピュータ６２は、これらの指示値からディーゼル排ガスの 微粒子濃度を決定する。微粒子濃度は、コンピュータ６２に接続された出力装置 ６４によって表示することができる。出力装置６４は、例えばプリンタ、メータ または表示装置で構成してよい、コンピュータ６２はまた。

バルブ、加熱手段、システムのその他の構成機器の運転を、所望のスケジュール に従って制御するために、普通の手法でプログラムすることができる。

本システム１ｏは、フィルタ１８内のディーゼル排ガス微粒子を捕捉し、その中 を通過する排ガスの容積を測定することにより、ディーゼル排ガスの微粒子濃度 を測定するように働く、十分な量の排ガスが濾過された後、酸素リッチガスが、 チャンバ１６内の排ガス煙霧を追い出し酸素リッチ雰囲気をつくるように、フィ ルタチャンバ１６内に圧入される。この酸素リッチガスは、クローズトループ測 定サブシステムを掃除し、その中の雰囲気を均一にするために用いられる。それ から加熱手段が、はぼ１００％炭素であるフィルタ１８中に捕捉された微粒子を 、二酸化炭素に酸化するのに十分なレベルまで、フィルタチャンバ内の温度を上 昇させるように活動させられる。フィルタチャンバを加熱するのに用いられる温 度作用次第では、揮発性微粒子成分は酸化されずにフィルタから追い出されるか もしれない、酸化器３２は、そのような揮発分を酸化すると同時に、−酸化炭素 の形で部分的に酸化された炭素を二酸化炭素に変換する働きをする。それからそ の二酸化炭素は、炭素濃度をめるために二酸化炭素メータ３８により測定される 。排ガス中の微粒子は、はとんど１゜０％炭素であるから、排ガスに含まれる炭 素の総量の測定により微粒子の総量がまる。フィルタ１８を通過して測定された 排ガスの総量は、微粒子濃度をめるために微粒子の総量と比較される。フィルタ に捕捉された微粒子の酸化は、フィルタを同じシステム内で再使用できるように 、フィルタを十分にきれいにする働きもする。従って、採集後ごとに、フィルタ を単独に掃除したりフィルタを処分する必要がない。

本システムは、排ガスが入口管に流入するように入口管１２をディーゼル駐動車 両の排気管に取り付けることによって。

ディーゼル排ガスの微粒子濃度を測定するのに用いられる。

もしディーゼルエンジンが運転中であれば、バルブ２２は開けねばならず、シス テム内の他のすべてのバルブは、排ガスがバルブ２２を通ってシステム外へ流れ るように閉じなければならない、採集サイクルを開始するために、排ガスが、チ ャンバ１６およびフィルタ１８を通って流れると同時に、流量コントローラ５４ と真空ポンプとシステムからの出口管６０とを通って流れるように、バルブ２４ およびバルブ５８が開かれる。バルブ２２は完全に閉じてもよいし、もしもフィ ルタが多量の排ガスを扱えない場合には１部分的に閉じてもよい、排ガスがフィ ルタ１８を通って流れるにつれて、ディーゼル微粒子がフィルタ内に集められる と同時に、フィルタを通る流れは流量コントローラ５４またはその他の適当な流 量メータを用いて測定される。

所定時間経過後（または所定の容積または質量の排ガスが本システムを通過した ら）、排ガスがフィルタを通って流れないように、かつ排ガスが排出ニップル２ ０から外へ強制的に流れるように、バルブ２４を閉じ、バルブ２２を開くことが できる。それから酸素リッチガスがチャンバ１６に流れ込み、チャンバ１６内の 残留二酸化炭素が強制的に出口管６０を通ってシステム外へ出るように、バルブ ２８を開く、適当な時間が過ぎてから、前の認定サイクルから残されたＣｏ２を 残りのシステム（即ち酸化器３２、ポンプ３４、圧力調整器３６、メータ３８、 流量調整器４ｏおよび相互に連結する管系３０）から掃除するために、バルブ５ ８を閉じ、バルブ５０と４６を開く、掃除されたＣＯ２は、出口管４４を通って 出る。この最後のステップは、フィルタチャンバ１６およびメータ３８内の雰囲 気を均一にする働きもある。

供給ニップル２６に接続され、本システムを掃除するのに用いられる酸素リッチ ガスは、空気かまたは少ないパーセントの二酸化炭素を含む他の混合ガスでよく 、混合ガスの場合は、パージ（掃除）処理が、メータ３８で測定できディーゼル 微粒子の総量を計算するために次の指示値から差し引くことのできるクローズト ループシステム内におけるＣＯ２の通常のバックグラウンドレベルを確定する。

ディーゼル微粒子の非常に微小な量を測定する時は、パージのために、純酸素ま たは酸素と窒素の混合気体のようなＣＯ２を含まない気体を用いると好都合であ る。この場合には、メータ３８で測定されたＣｏ２全部が、微粒子酸化の結果を 示すことになる。

時間が十分に経過した後には１本システム内のどんな排ガスも排除され、チャン バ１６は酸素リッチガスで完全に充たされているであろう、それから、クローズ トループを隔離するため、およびクローズトループ内を循環するどんな気体も逃 げるのを阻止するために、バルブ４６と２８を閉じ、バルブ４２を開く６次に、 フィルタ１８内の炭素の酸化を促進するために、ヒータ１９のスイッチを入れる 。

運転の一つのモードによれば、フィルタ１８上の微粒子はすべて、揮発性炭化水 素成分も不揮発性炭素成分をも、たちまち燃焼し尽くしてしまうように、７ｏ○ ℃台の高温で急速に処理される。酸化器３２は、微粒子中のすべての炭素がＣＯ ２に必ず変換するようにする。二酸化炭素メータ３８は。

酸化された炭素の総量に直接関係する、二酸化炭素の生成された総量を測定する 。排ガス中のディーゼル微粒子の総量または濃度は、実質的に炭素の総量に等し い。

ディーゼル微粒子の総量を流量コントローラ５４で測った排ガスの総量と比較す ることにより、微粒子濃度をめることができる。コンピュータ６２は、流量コン トローラ５４および二酸化炭素メータ３８に接続され、それらからの測定指示値 を入力される。メータ３８の出力は、クローズド測定ループ内の循環ガスの流れ の中のＣｏ２の１００万分の１単位の量を示す、ループの容積（ループ内へＣＯ ２の既知の量を注入することにより、直接測定または前もっての計算によって得 られる）を知れば、コンピュータによりＣｏ２の分子数の計算は容易にできる。

ＣＯ，の各分子は、フィルタ内に捕捉された炭素の個々の原子に相当する。炭素 原子の数から炭素の質量が既知の方法で計算できる。炭素の質量は、すべての実 用目的のために微粒子の質量に等しい。微粒子の質量を。

濾過されたディーゼル排ガスの測定総量で割ると、微粒子濃度の正確な測定値が められる。このようにコンピュータは、測定値からディーゼル排ガスの微粒子濃 度を計算することができ、微粒子濃度の代表出力信号を、出力装置６４、例えば プリンタ、メータまたは表示装置に提供する。コンピュータ６２は、所望のスケ ジュールに従ってバルブや加熱手段や本システムのその他の構成機器の運転を制 御するために便利に用いることもできる。

ディーゼル微粒子は実際には１００％炭素であるから、フィルタ内の炭素の完全 な酸化は、フィルタをすっかり清浄にし、かつ二酸化炭素に酸化するために、デ ィーゼル微粒子を再度捕捉するようにフィルタを同じシステムの中で再使用でき るようにする。従って、耐高温性もある高効率フィルタが有効に再使用できる。

本発明のシステムの代りの実施例によれば、酸化のためにフィルタがチャンバ内 に挿入される前に、排ガス微粒子が高効率フィルタの中に捕捉される。このよう なシステムでは、排ガスはシステム内に流れなくてよく、測定装置をディーゼル 排気管に連結する必要がない０代りの本実施例は、図２に示すように、チャンバ １６′に酸素リッチガスを供給するために連結したコンジット管２６と酸素リッ チガスをチャンバ１６内へ流すことのできるバルブ２８とを含む、チャンバ１６ ′は、中に微粒子を載せたフィルタ１８を挿入し易いように作られている。

フィルタ１８は、先ず排ガス流が通過できる別個の採集ユニット（図示なし）の 中に置かれる。この実施例では、採集ユニットは、ディーゼルエンジン車両の排 気管に連結され。

ディーゼル微粒子はフィルタ内で捕捉されるとともに、その中を通過する流れが 測定されている。排ガスから十分な量の微粒子が濾過された後、フィルタ１８は 採集ユニットから取り外され、チャンバ１６′の中に入れることができる。それ から本システムは、前述の実施例で既に説明したように用いられる。チャンバの 上流のバルブ２８は、酸素リッチガスがチャンバ１６′に入るように開かれ、バ ルブ４６が開かれるとともに、バルブ４２は、測定ループを掃除するために閉じ たままにされる６次にバルブ４６と２８が閉じられ、バルブ４２が開かれてクロ ーズトループ循環ガスの流れが整定する。

それから、フィルタ１８内の炭素の二酸化炭素への酸化を促進するために、フィ ルタを加熱する手段にスイッチが入れら総量を確認する。ＣＯ２メータ３８の出 力および濾過されたディーゼル排ガスの総量の流量メータ指示値が、排ガスの微 粒子濃度を決定するために、コンピュータ６２により処理される。

前述の両実施例に適用可能な本発明の別の実施態様によれば、フィルタ内で捕捉 された微粒子の不揮発性炭素成分から揮発性炭化水素成分を分離することができ る。この精製では。

酸化器３２によりＣＯ２に酸化でき、かつメータ３８で測定できる揮発性成分を 先ず追い出すために徐々に（即ち温度勾配作用により、または階段的に）加熱さ れ、不揮発性炭素力玉酸化される前に別個に分析される。

図４に図解したように、フィルタチャンバベは特定の割合で温度勾配に沿って加 熱される。その割合は、部分的にフィルタチャンバの熱容量に依存している。熱 が徐々に増加するしこつれて、微粒子の揮発性炭化水素成分は、フィルタチャン ノヘ内で酸化されることなくフィルタから蒸発し、循環ガス流れに入る。酸化器 ３２は、揮発性成分を酸化してメータ３８で測定されるＣＯ２に変換する１図４ の上の部分に示すようしこ、フィルタチャンバ内の温度が徐々に上昇するにつれ て、他の炭化水素はフィルタから放出され、酸化器３２により酸化され、合成さ れたＣｏ２がメータ３８で測定される。鎖が長し）炭化水素はど蒸気圧が低いか ら蒸発があとになる。即ち一層高い温度で蒸発する。従って、温度が次第に上昇 するにつれて、炭化水素の種類に応じて放出されるとし）う自然な区別力を存在 する。こうして対応するＣＯ２測定が、排ガスの各種炭化水素成分の総量を特性 的に見抜くために用いられる。

この熱分析例のように、実質的には揮発性微粒子成分は。

温度が約４００℃になるまでにすべて放出されている。この温度以上に加熱され ると、不揮発性炭素が酸化され、その結果測定されたＣＯ２の実質的な増加がも たらされる。７００℃〜８００℃の範囲では、炭素はすべて燃え尽きてしまう。

フィルタチャンバと酸化器３２の間の配管部分は、この間の管内に揮発性炭化水 素が凝結するのを防ぐために、加熱することが望ましい。

再び図４のＣＯ□プロフィルによれば、トップのレベルは、サンプル中の揮発性 と不揮発性両方の炭素の総質量の測定値を示す。最終平坦値の前の指示値は、揮 発性炭素成分の量を示す、最高指示値と揮発性炭素の指示値との差が、不揮発性 炭素の質量の測定値を示す、このようにして、ディーゼル微粒子の揮発性成分対 不揮発性成分の計量を達成することができる。

代りの方法では、２個のサンプルが採取され、そのうちの１個は完全に酸化され たもの、他の１個は揮発性成分を酸化せずに追い出すために先ず加熱され、次い でその残りが加熱され酸化されたものである６後者のサンプルは、揮発性成分の 量をめるために全サンプルの計量から差し引くことのできる不揮発性成分の量を 与える。

図３および図３Ａは、フィルタによらずに、微粒子が加熱可能な衝突プレート上 にノズルから吹き付けて集められるという本発明の実施例を示す１本システムは 、フィルタチャンバとフィルタの代りに、衝突ノズル６８と加熱できる衝突プレ ート７０をいれた衝突チャンバ６６が設けられていることを除けば、前述のもの と同じである。運転に際しては、ディーゼル排ガスは、その微粒子が衝突させら れ加熱できる衝突プレート７０に付着するように、加速ノズル６８を通って導か れる。微粒子は、プレート上の衝突面積７２に付着するとともに、排気ガスの流 れはプレートのまわりに流れ続け、それから衝突チャンバの外に出る。衝突プレ ート７２は、低温に制御されたホットプレート、または電流が電源７４から流さ れ昇温させることのできる材料のバンド（帯）で構成してもよい、一度微粒子が 衝突プレート７２上に付着されると、あとの測定プロセスは前述の説明と同じで ある。衝突プレート手法の一つの利点は、付着した微粒子を、フィルタチャンバ によるよりも一層直接的に加熱できることである。フィルタの例のように、付着 した微粒子は酸化の際に全量消費されるから、衝突プレートを以後の測定サイク ルのために再使用できる。

生のディーゼル排ガスを直接監視する方法がエンジン試験に有用であるが１本発 明の方法と装置も、同様に他の場面で用いることができる。これらは、ディーゼ ル排ガスが希釈され、及び／または他の微粒子（炭素質及び／または無機質）と 混合された場合への適用、同様にディーゼル以外の発生源からのガスから生まれ た炭素微粒子の監視のための適用を含む、このような適用は、周囲空気中や高速 道路沿いや作業場内の炭素（すす）１１粒子の監視を含む、これらの例では、デ ィーゼル微粒子が通常重要な関わりがあり、それは無機微粒子と一緒に存在する 。

前述の本発明の収集分析装置を用いれば、採集ガスからの炭素微粒子（ディーゼ ルその他）はすべて検出できる。しかし、本発明の高効率フィルタまたは収集器 を、不燃性無機物質を含むあらゆる微粒子を捕捉するのに用いる場合、無機微粒 子がフィルタ（または同等の収集器）内に捕捉されたままになって、ついにはフ ィルタを詰まらせ、こうしてフィルタの耐用時間を限られたものにしてしまうこ とにより、フィルタの再生能力が損なわれてしまうことがある。

このような事態は１図５に示すように、測定装置の微粒子フィルタ１８（または 他の同等の微粒子収集手段）の上流に、プレセパレータ１５を設けることによっ て、ある程度まで軽減できる。プレセパレータ１５は、採集ガスの流れから微粒 子を取り除き、及び／または微粒子をサイズにより選り分ける働きをする。無機 微粒子は１通常、より大きな粒子ができる傾向がある破砕及び摩耗作用で作り出 されるのに対し、ディーゼル微粒子はサイズ（及び空気力学的断面）が小さい。

プレセパレータは、よりサイズが大きい微粒子は捕えるけれども、細かな微粒子 （酸化可能なディーゼル微粒子が典型）がフィルタチャンバ１６内の微粒子フィ ルタ１８まで通過できるようにする。このように目の細かい微粒子フィルタ（ま たは同等の収集手段）は、無機微粒子による目詰まりを防ぎ、プレセパレータを 備えない場合よりも長い耐用時間を実現することができる。

プレセパレータ１５は、前述のように、それによって捕えた炭素微粒子の酸化、 並びに熱分析を促進するヒータを備えることができる。プレセパレータのための 、ヒータは、プレセパレータを取り囲む別個のオーブンまたは他の適当な加熱手 段を備えてよい。代りに、プレセパレータは、微粒子フィルタと同じ加熱チャン バの中に置くこともできる。前述のような熱利用及び／または熱分析が、プレセ パレータ及び目の細かい粒子収集器において一緒にまたは個別に行われる。これ が、ガス（ディーゼルとその他両方の）の中の全炭素微粒子濃度の測定を提供し 、かつ揮発性及び不揮発性成分の測定を可能とし、また、目の細かい微粒子収集 器の耐用時間の延長を提供する。

プレセパレータは、サイズのより大きい微粒子がプレセパレータに保持され、一 定のサイズ以下の微粒子はプレセパレータを通過して細かな微粒子収集ステージ へ入るように、微粒子サイズのカットを規制することができる。プレセパレータ は、図６から図８に示すように、種々の形態にすることができる。これらの図で 、各プレセパレータには、オプションのヒータ１９が示され、プレセパレータ内 につかまえられた微粒子中の炭素を、必要に応じて、測定し分析することができ る。どの場合も、ガスの流れは、読者から見て左から入り右に出て行く。

図６のプレセパレータは、古典的なインパクタを備えている。この実施例では、 ガスの流れは、特定のサイズ以上の大きな粒子が衝突プレート８２上に衝突する ように、オリフィス８０を通って加速される。この型のインパクタの粒子サイズ のカットポイントは、オリフィス８０の形状寸法と衝突プレート８２からの分離 に依存する。このようなインバクタの特性と作動は周知技術である。古典的なイ ンバクタが図６に示されているが、当業者ならば同様の原理で作用することが分 る、実効的なインバクタを、その代りに使用することができる。

図７はサイクロン型プレセパレータを示す、サイクロンプレセパレータでは、ガ スの流れは、開口８４を通って接線方向に円筒体８６の中に入る１回転を生じた ガスの流れは、細かな粒子が円筒体の中心にある出口８８で回収されるように。

粒子をそれらの空気力学的断面に従って分離する。

本発明用に適当なプレセパレータの他の実施例を１図８に示す、このプレセパレ ータは、デプスフィルタ９０を用いている１代表的なデプスフィルタ９０は、低 密度に詰められたファイバー材料を含むか、または目の細かい微粒子フィルタに 比べて大きな開口を含んでいる。これによって、デプスフィルタは、サイズの大 きめな微粒子を捕捉し、下流の目の細かい微粒子フィルタより目詰まりしにくい 、もし加熱する場合、デプスフィルタは石英ファイバ等で作ることができる。

望ましい微粒子プレセパレーション作用を行わせる他の構成を、プレセパレータ １５として採用してもよい、カスケード即ち多段プレセパレータも採用できる０ 図５のうち残りの装置は１図１の実施例について前に述べたように作動し、採集 ガス（ディーゼルまたは他の）炭素微粒子濃度の正確な測定を可能にする。採集 ガスの性質及び組成次第では、別個の酸素リッチなガスの導入が、酸化のための 望ましい酸素リッチ雰囲気を作るのに、かつシステムを掃除するのに不必要かも しれない、プレセパレータはまた、この発明の他の実施例。

例えば図３のシステムに便利に組み入れてもよい。

前述の説明から、ディーゼル排ガスまたは他の採集ガスの炭素微粒子濃度を決定 するための新しい方法と装置が開発され、例えばディーゼル駐動車両が排出基準 以内で運転されているかどうかを、迅速、かつ正確に判定するために便利に利用 できることは明白であろう、測定装置は、研究用具として、または粗末で比較的 安価な工業製品級の装置として作ることができる。これによれば、短時間に最少 の労力で微粒子の測定を行うことができる。さらにこれは、希釈トンネルの使用 を必要とせず、排ガスまたは採集ガス中の水蒸気の影響が測定に混入することを 防止する１本発明のプロセスは、フィルタの今後の使用のために目の細かい微粒 子フィルタまたは収集器を新品のようにするのが独特な点で、これにより、測定 サイクルごとにフィルタまたは収集器を別個に掃除したりまたは取り換えたりす る必要がない、無機微粒子を前もって分離することにより、目の細かい微粒子フ ィルタまたは収集器の耐用時間が延長される。さらに本発明は、多方面に適用す ることが可能で、種々の混合気体や採集ガス中の炭素微粒子濃度を監視するのに 便利に利用できる。その他の優位な点は、本発明が自動化やコンピュータコント ロールに馴染み易いことである０本発明はこのように、大気汚染を抑制し大気の 清浄さを保持しようとする人間の努力における大いなる進歩を示すものである。

本発明をここに示した実施例について説明したが、本発明は様々な実施例に組み 入れてよいことは明らかである。そのような実施例はすべて、次の特許請求の範 囲により限定された本発明の実施態様の中に入るべきものである。

田も噌審編牛 フロントページの続き （５１）Ｉｎｔ、Ｃ１，’　識別記号　庁内整理番号ＧＯＩＮ　２１／６１　７ １７２−２Ｊ３１１００　Ｄ　９０１５−２Ｊ ３１／１２　Ｚ　９０１５−２Ｊ Ｉ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．採集ガスから炭素微粒子を収集するステップと、収集された微粒子を酸素に さらすステップと、微粒子中の炭素を酸化して二酸化炭素にするために、収集さ れた微粒子を加熱するステップと、合成された二酸化炭素をクローズド測定ルー プを通して循環させるステップと、 クローズド測定ループ内の合成された二酸化炭素の濃度を測定するステップと、 合成された二酸化炭素の測定濃度に基づいた炭素微粒子の濃度を表示するステッ プと、 を含む採集ガスの炭素微粒子の濃度を測定する方法。 ２．収集するステップが、採集ガスの測定総量から炭素微粒子を収集するステッ プを含み、また表示ステップが、合成された二酸化炭素測定濃度から収集された 微粒子中の炭素の濃度を決定するステップと、炭素の濃度と採集ガスの測定総量 とを比較して炭素微粒子濃度を計算するステップとを含む請求項１の方法。 ３．採集ガスから無機微粒子を前もって分離するステップをさらに含む請求項１ の方法。 ４．採集ガスから特定のサイズ以上に大きい微粒子を前もって分離するステップ をさらに含む請求項１の方法。 ５．微粒子中に含まれるあらゆる炭素の酸化を促進するために、前もって分離さ れた微粒子を加熱するステップをさらに含む請求項４の方法。 ６．収集するステップが、（ａ）採集ガスを加熱ノズルに通し、かつ炭素微粒子 を可熱可能な衝突プレートに衝突させるステップと、（ｂ）採集ガスを高効率耐 高温フィルタを通過させるステップとのいずれか１個を含む請求項１の方法。 ７．微粒子の不揮発性炭素の酸化の前に微粒子の揮発性成分を蒸発させるために 、収集された炭素微粒子が徐々に加熱され、さらに、蒸発した揮発性成分を酸化 して二酸化炭素にするステップを含む請求項１の方法。 ８．炭素の部分的酸化により生成される一酸化炭素を二酸化炭素に変換するステ ップをさらに含む請求項１の方法。 ９．採集ガスがディーゼル排ガスを含み、収集された炭素微粒子の近傍から、醇 化する前に、酸素リッチガスによって残留二酸化炭素ガスを追い出すステップを さらに含む請求項１の方法。 １０．収集され保持された炭素微粒子を持っている収集手段（１８）を収容する ための手段（１６）と、収容手段（１６）内に収集された微粒子を、その中の炭 素を酸化するために、加熱するための手段（１９）と、微粒子中の炭素の酸化に より生成された二酸化炭素の総量を測定するための手段（３８）と、 収容手段（１６）と測定手段（３８）とを組み入れたクローズド再循環ガス測定 ループを設置するための手段（３０）と、 クローズド再循環ガス測定ループ内で測定された二酸化炭素の総量に基づく炭素 微粒子の濃度を表示するための手段（６４）と、 を含む採集ガスから収集する手段により収集され保持された炭素微粒子の濃度を 表示する装置。 １１．表示するための手段（６４）が、二酸化炭素の測定総量と微粒子を収集す る採集ガスの測定総量とから微粒子濃度を計算するためのコンピュータ手段（６ ２）を含む請求項１０の装置。 １２．クローズド再循環ガス測定ループが、さらに別個の酸化器（３２）及びポ ンプ（３４）を含む請求項１０の装置。 １３．収容手段（１６）内に設けられた炭素微粒子収集手段（１８）と、収容手 段（１６）内の収集手段（１８）に採集ガスを導くための手段（１４）と、収集 手段（１８）に導かれた採集ガスの総量を測定するための手段（５４）とをさら に含む請求項１０の装置。 １４．採集ガスから炭素微粒子を集めるための収集手段（１８）と、 収集手段をいれるための収容手段（１６）と、収容手段（１６）内の収集手段（ １８）に採集ガスを導くための手段（１４）と、 収集手段（１８）により集められた微粒子中の炭素に、収容手段（１６）内で酸 素を供給するための手段（２６）と、 微粒子中の炭素の酸化を促進するために、収容手段（１６）内で集められた微粒 子を加熱するための手段（１９）と、 炭素の酸化により得られた二酸化炭素の総量を測定するための手段（３８）と、 二酸化炭素の測定総量に基づく炭素微粒子の濃度を表示するための手段（６４） と、 を含む採集ガス中の炭素微粒子の濃度を表示するための総合採集兼分折装置。 １５．収集手段（１８）の上流に設けられ、採集ガスから無機微粒子を前もって 分離するためのプレセパレーション手段（１５）をさらに含む請求項１４の装置 （１０）。 １６．収集手段（１８）の上流に設けられ、採集ガスから特定サイズ以上の大き さの微粒子を前もって分離するためのプレセパレーション手段（１５）をさらに 含む請求項１４の装置（１０）。 １７．プレセパレーション手段（１５）が、衝突型プレセパレータ（８０，８２ ）と、サイクロン型プレセパレータ（８６）と、デプスフィルタ型プレセパレー タ（９０）のうちのいずれか１個を含む請求項１６の装置（１０）。 １８．プレセパレーション手段（１５）が、前もって分離された微粒子中の炭素 の醇化を促進するために、その微粒子を加熱するための手段（１９）を含む請求 項１６の装置。 １９．クローズドループ構成内で収容手段（１６）と測定手段（３８）とを接続 する配管系（３０）をさらに含む請求項１４の装置（１０）。 ２０．収集手段（１８）に導かれた採集ガスの総量を測定するための手段（５４ ）をさらに含み、表示するための手段（６４）が二酸化炭素の測定総量と採集ガ スの測定総量とから微粒子濃度を決定するためのコンピュータ手段（６２）を含 む請求項１４の装置（１０）。