JPH1048108A - 排出ガス希釈装置、抽出器及び排出ガス測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジン、焼却炉等の燃焼装置における排出
ガスの一部を精度よく抽出・分割でき、その成分を高精
度で測定する小型の排出ガス測定システム等を提供す
る。 【解決手段】 燃焼装置の排出ガスの一部を総流量に対
して一定の比率で抽出する抽出手段（１４、２０）と、
前記抽出手段において抽出されたガスを希釈する希釈手
段（４５）と、前記抽出手段に流入する前記排出ガスの
速度分布を整える整流手段（４０５）とを備える排出ガ
ス希釈装置において、前記整流手段は、前記排出ガスの
速度を音速の近傍まで増大させることにより、又は、前
記排出ガスの速度を間欠的に音速となるように音速の近
傍まで増大させることにより、前記排出ガスの速度分布
を整える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジン、焼却炉
等の燃焼装置における排出ガスの一部を抽出、希釈して
その成分を測定する排出ガス測定システム等に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境保護の観点から、自動車のエ
ンジン等に対し種々の排出ガス規制が設けられている。
このために、エンジンの排出ガスにおける粒子状物質の
成分を精度よく分析・測定することが求められている。
エンジンの排出ガスにおける粒子状物質の成分の測定
は、通常、全量希釈装置を用いて、定められた希釈条件
に基づき行われる。これは、エンジンの排出ガスの全量
を風洞に導入し、そこで希釈空気と混合・希釈するもの
である。これにより、現実に走行している自動車におけ
る排出ガスの状態が模擬的に再現されるのである。

【０００３】しかしながら、全量希釈装置では、排出ガ
スの全量を所定条件で希釈するため、風洞、空調等の設
備が巨大、高額となる。そこで、設備費等の負担を軽減
すべく、いわゆる部分希釈装置を用いた測定が行われて
いる。ここで、部分希釈装置とは、エンジン排出ガスか
ら、一定比率でその一部を抽出し、全量希釈装置におい
て定められたのと同じ条件で抽出した排出ガスを希釈す
る希釈装置をいう。つまり、部分希釈装置では、例えば
全排出ガスの１／１００を抽出し、これを全量希釈装置
において用いる１／１００の量の大気により希釈する。
したがって、部分希釈装置では、風洞及び風洞に導入さ
れる大気の温度調整を行う空調等について、全量希釈装
置の場合に比べて格段に小型のものを用いることがで
き、その結果、設備費等を軽減することを可能としてい
る。

【０００４】図８は、従来の部分希釈装置を用いた排出
ガス測定システムの構成を示す模式図である。以下、図
８を用いて従来の部分希釈装置について説明する。流路
１００は、エンジンの排気管に接続され、排出ガスを多
管式分割器１０５へ導入する円管である。多管式分割器
１０５は、導入された排出ガスを複数の流れに分割し、
その中の一部を外部へ抽出するためのものである。図９
は、多管式分割器１０５の断面図である。多管式分割器
１０５は、図９に示すように同径同長の複数の分流管１
１０より構成され、流入した排出ガスは各分流管１１０
へ流入することにより分割される。多管式分割器１０５
の後端に設置されているサージタンク１２０は、多管式
分割器１０５において分割された流れを一の流れに合わ
せ、流路１２５へ排出するためものである。

【０００５】導入管１１５は、分流管１１０の１本を多
管式分割器１０５の外部へ折り曲げ、さらに希釈トンネ
ル１３５まで延長したものである。導入管１１５へ流入
した排出ガスは、希釈トンネル１３５まで導かれ、希釈
トンネル１３５内へ放出される。希釈トンネル１３５
は、導入管１１５によって導入された排出ガスを希釈す
るための風洞である。希釈トンネル１３５には、吸引ブ
ロワ１４５によって吸引され、バタフライバルブ１３０
によってその流量を調整された希釈空気が流れる。定容
量サンプリング装置１６０及び排出ガス分析計１５０
は、排出ガスの成分を分析等するための装置である。希
釈トンネル１３５で希釈された排出ガスの一部は、定容
量サンプリング装置１６０に吸引され、補修フィルタ１
５５において、吸引された排出ガスに含まれる微粒子が
採取される。また、排出ガスの他の一部は、排出ガス分
析計１５０によって採取され、その成分が分析等され
る。

【０００６】上記のように、部分希釈装置では、排出ガ
スの一部が抽出され、希釈トンネル内へ導入、希釈され
る。このような部分希釈装置において、排出ガスの成分
測定を正確に行うためには、排出ガス分割装置１０５で
分割・抽出する排出ガスの全排出ガスに対する比率（以
下「抽出比率」という）を定められた一定値に保つこと
が重要となる。なぜならば、抽出比率が不安定では、部
分希釈装置により得られた測定結果が、全量希釈装置に
おいて得られた結果と一致しなくなるからである。

【０００７】しかし、一般に、管内流から一定の抽出比
率を保ちつつ、その一部を抽出することは大変困難なこ
とである。これは、管内流が流量や管の曲がり等によっ
て複雑に変化する流速分布を有することに起因する。図
１０（Ａ）（Ｂ）及び（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）は、そ
れぞれ異なる時間におけるエンジンの排気管内流の流れ
方向速度分布を例示する図である。図に示されるよう
に、排気管内流の速度分布は、流量や管の曲がり等の条
件により著しく変化する。図１０（Ａ）では、排気管の
主軸Ｌの付近において紡錘形の速度分布となっている
が、同図（Ｂ）では、比較的平坦な分布となっている。
また、（Ｄ）（Ｅ）においては、管の曲がりの影響を受
け、速度分布が中心軸に対して対称となっていない。し
たがって、多管式分割器１０５では、分流管１１０に流
入する排出ガス流量は、その分流管の位置（図９のＡ及
びＢ参照）により異なり、また、排出ガス流量によって
も変化する。この結果、抽出比率は、排出ガス流量等の
違いにより著しく変化する不安定なものとなっている。

【０００８】このために、従来の部分希釈装置では、排
出ガス流量によらず一定の抽出比率を得るために、導入
管１１５における排出ガス流量を調整するフィードバッ
ク機構を設けている。フィードバック機構は、例えば導
入管１１５及び分流管１１０の出口圧力を測定する静圧
検出器１７０、１７５及び排出ガス放出端の近傍に高圧
ガスを噴出する分割比調整ノズル１８０等から構成され
る。このフィードバック機構では、静圧検出器１７０及
び１７５の検出する圧力が等しくなるように、分割比調
整ノズルから噴出される高圧ガスの流量を調整し、これ
により、抽出比率を一定に維持している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述した従来
の部分希釈装置を用いた排出ガス測定システムでは、フ
ィードバック機構が抽出比率を一定に調整するために、
所定の希釈条件を得るまでに必ず一定の調整時間を必要
とする。したがって、エンジンが定常運転を行っている
場合には、所定の希釈条件を実現し測定を行うことが平
均的には可能であったが、時間と共にエンジン回転数及
び排出ガス流量が増減するいわゆる過渡運転に対して
は、抽出比率が不安定になり、排出ガスの希釈条件が一
定せず、測定精度が著しく低下するという問題があっ
た。また、上記と同様の理由から、従来のシステムで
は、排出ガスの脈動までを考慮した場合に、常に一定の
希釈条件が実現されていたわけではなく、事実上、一般
的に求められる測定精度を得ていなかったという問題が
あった。これに対し、本願出願人は、既に特願平８−１
４２８５４において、上記問題を解決する排出ガス測定
システム等を提案している。以下、特願平８−１４２８
５４に開示された発明の内容について説明する。

【００１０】図１１は、特願平８−１４２８５４に係る
発明の一実施形態（以下、「前実施形態」という）であ
る、排出ガス測定システムの模式図である。前実施形態
は、２つの主な流路を有している。第１の流路は、試験
対象であるディーゼルエンジン２００が排出する排出ガ
スの全部を流入させ、その内部において流動させる流路
である。この第１の流路は、排出ガス分割装置１０及び
非抽出流を排出させる排気管４０等より構成されてい
る。排出ガス分割装置１０は、導入される流れの一部を
総流量に対して一定の比率（抽出比率）で分割・抽出す
る装置である。排出ガス分割装置１０は、試験対象であ
るディーゼルエンジン２００の排気管２０５に接続され
ている。したがって、ディーゼルエンジン２００が排出
する排出ガスは、その全部が排出ガス分割装置１０に流
入し、一定の抽出比率に分割される。なお、排出ガス分
割装置１０のより詳細な構成については後述する。

【００１１】排気管４０は、排出ガス分割装置１０の流
体排出側に接続された円管等である。排気管４０は、排
出ガス分割装置１０において抽出されず排出された排出
ガスを、例えば前実施形態が設置されている部屋等の外
部まで案内し、排出する。第２の流路は、温度等の条件
を空調等で一定に調整された大気（以下「希釈流体」と
いう）を一定流量で流動させる流路である。この第２の
流路は、フィルタ４５、希釈トンネル５０及び定流量ポ
ンプ６５等より構成されている。希釈トンネル５０は、
排出ガス分割装置１０より抽出した排出ガスの供給を受
け、それを希釈流体と混合・希釈する風洞である。希釈
トンネル５０は、排出ガスの混合・希釈を確実に行うべ
く、内部にオリフィス５３を備えている。オリフィス５
３を通過した流体は、その下流において一様に攪拌、混
合される。

【００１２】希釈トンネル５０の下流端には、希釈トン
ネル５０内に一定流量の流れを発生させるための定流量
ポンプ６５が備えられている。一方、希釈トンネル５０
の上流端には、フィルタ４５が設置されている。フィル
タ４５は、通過する流体を濾過・清浄化するためのもの
である。このフィルタ４５の存在により、希釈トンネル
５０へは、常に清浄な希釈流体が流入する。さらに、希
釈トンネル５０の下流領域には、ガス採取管５５及び粒
子採取管６０とが設置されている。ガス採取管５５は、
希釈トンネル５０内を流動する流体を採取するものであ
る。ガス採取管５５によって採取された流体は、ガス成
分分析器７０へ送られ、その成分を分析・測定される。
粒子採取管６０は、希釈トンネル５０内の流体と共に流
動する粒子を採取するためのものである。粒子採取管６
０によって採取された粒子は、粒子サンプリング装置７
５へ送られ、その質量等を測定される。

【００１３】次に、前実施形態の排出ガス分割装置１０
について、さらに詳しく説明する。図１２は、排出ガス
分割装置１０の縦断面（Ａ）及び横断面（Ｂ）を示す図
である。図１２に示されるように、排出ガス分割装置１
０は、主に調流部１２、拡大部１４、及び分岐管部２０
とから構成されている。調流部１２は、排出ガス分割装
置１０の主軸Ｍに対し軸対称な形状をした流路、すなわ
ち主軸Ｍをその中心軸とする円管である。調流部１２
は、排気管２０５より流入した排出ガスを、その流れ方
向速度分布が主軸Ｍに対し軸対称な流れ（以下「軸対称
流」という）に整える流路である。一般に、調流部１２
の上記機能は、調流部１２を流れ方向に十分に長い円管
とすることにより得られる。また、調流部１２内には、
整流板、整流管等を設け、その機能をより効果的に発揮
させることも可能である。

【００１４】拡大部１４は、調流部１２より流入する軸
対称流を、流れ方向に垂直な断面形状が環状である流れ
（以下「環状流」という）に変える部位である。拡大部
１４は、内周面の形状が円錐の一部である外筒１６と、
外筒１６の内側へ、中心軸が主軸Ｍと重なるように配置
された円錐形の芯部材１８とからなる。外筒１６と芯部
材１８との間には、調流部１２より流入する排出ガスが
流動可能な間隙１９が設けられている。間隙１９の断面
は、拡大部１４の入り口では、図１２（Ｂ）のｂ−ｂ断
面に示すように円形の形状（その中心部を芯部材１８の
先端部により占有された状態をも含む）を有している
が、それより下流の領域では、芯部材１８の存在のため
に環状の形状となる。また、その内外径の半径は、下流
へ行くほど大きくなる（図１２（Ｂ）のｃ−ｃ断面参
照）。このように、間隙１９の断面形状を半径方向に拡
大するのは、間隙１９の円周方向長さを長くとり、後に
分岐管部２０においてこれを分割するときに、分割でき
る数を多くするためである。なお、間隙１９の幅は、拡
大部１４と排気管２０５とが流量的に等価となるように
設定されている。ここで、「流量的に等価」とは、単位
時間当たりに同一流量の流体がその中を流れた場合に、
その流体が受ける単位長さ当たりの圧力損失が同じであ
ることをいう（以下、同じ）。

【００１５】分岐管部２０は、拡大部１４より流入する
環状流を、等流量の複数の流れに分割する部位である。
分岐管部２０では、間隙１９に、同一形状をした複数の
管状部材２４が、円周方向に隙間なく配置されている。
図１２（Ｂ）のｄ−ｄ断面は、分岐管部２０の流体流入
口の断面図である。図に見られるように、管状部材２４
の断面形状は、主軸Ｍを中心とする扇形の一部となって
いる。したがって、間隙１９は、管状部材２４により、
いずれの半径方向位置においても、円周方向に均等に分
割されている。なお、分岐管部２０における間隙１９の
断面（管状部材２４を除く部分）は、後述する本願発明
に係る抽出器の主断面に相当する。

【００１６】管状部材２４は、下流に行くにしたがい、
その断面形状を円形に変化させる。このために、下流端
における分岐管部２０の断面では、図１２（Ｂ）のｅ−
ｅ断面に示すように、間隙１９に複数の円管の断面が見
られる。なお、管状部材２４の断面積は、管状部材２４
のすべてと排気管２０５とが流量的に等価となるように
設定されている。また、各管状部材２４は、相互にも流
量的に等しくなるように、各々の管径、管長、曲がりの
角度、回数等を調整してある。管状部材２４のうち１本
は、希釈トンネル５０まで延び、その下流端を希釈トン
ネル５０の中に配置している。以下、この管状部材２４
を特に抽出管２４ａと呼ぶことにする。分岐管部２０に
おいて分割された排出ガスの一部は、抽出管２４ａを通
り希釈トンネル５０に導入される。抽出管２４ａ以外の
管状部材２４は、排気管４０へ接続されており、排出ガ
スを排気管４０へ排出する。

【００１７】次に前実施形態の動作及び排出ガスの流れ
について説明する。前実施形態では、まず測定対象であ
るディーゼルエンジン２００を駆動し、それが排出する
排出ガスを排気管２０５を介して排出ガス分割装置１０
へ導入する。ここで、ディーゼルエンジン２００は、定
常状態で動作させることであってもよく、また、過渡状
態で動作させることであってもよい。図１３は、排気管
２０５から排出ガス分割装置１０へ導入された排出ガス
の流れ方向平均速度分布の一例を示す図である。図に示
すように、排出ガス分割装置１０に導入された排出ガス
は、調流部１２の入口近辺において、はじめ乱れた速度
分布を有しているものの（図１３（ａ））、調流部１２
の出口に達するまでにその速度分布を主軸Ｍを中心とす
る軸対称な分布に変化させる（図１３（ｂ））。これ
は、流れが、調流部１２の管壁からの摩擦力と流体のせ
ん断力等の影響を受けることに起因するものである。

【００１８】軸対称流に整えられた排出ガスは、次に拡
大部１４の間隙１９へ流入し、環状流となる（図１３
（ｃ））ここで、芯部材１８の中心軸は、主軸Ｍと一致
していることから、拡大部１４内の環状流は主軸Ｍに対
する軸対称性を失わない。したがって、図１３の（ｃ）
及び（ｄ）における流れの平均速度分布は、主軸Ｍ側に
偏りがあるものの、主軸Ｍに対して対称な形状の分布と
なっている。拡大部１４の内の環状流は、外筒１６の内
周面、及び芯部材１８の外周面からの摩擦力と流体のせ
ん断力の影響を受けるために、下流へ行くにしたがい次
第にその速度分布を変化させる。しかし、間隙１９の断
面形状は、主軸Ｍに対し軸対称であることから、その中
の流れの速度分布は、図１３（ｅ）及び（ｆ）に示すよ
うに主軸Ｍに対しての軸対称性を失わない。言い換える
と、拡大部１４内の排出ガスの流れは、常に円周方向に
均一な流れとなって分岐管部２０に達する。ここで「常
に」とは、エンジンが過渡運転されているために排出ガ
スの流量が変化する場合であっても、また、流れが脈動
していても常にという意味である。

【００１９】一方、分岐管部２０での間隙１９は、前述
のように、いずれの半径方向位置においても、管状部材
２４により円周方向に均等に分割されている。したがっ
て、前実施形態では、排出ガスの流れは、各々流量が同
一である複数の流れに分割されながら各管状部材２４に
流入する。分岐管部２０において分割された排出ガスの
一部は、抽出管２４ａを介して希釈トンネル５０内へ導
入される。一方、他の排出ガスは、排出管を介して排気
管４０へ放出される。希釈トンネル５０へ導入された排
出ガスは、前述したようにオリフィス５３の下流におい
て希釈流体と混合・希釈され、さらに、ガス採取管５
５、粒子採取管６０、ガス成分分析器７０及び粒子サン
プリング装置７５からなる前実施形態の測定系により、
そのガス成分等を測定される。

【００２０】以上説明したように、前実施形態では、排
出ガス分割装置１０は、主軸Ｍに対して軸対称形の断面
形状を有する間隙１９を管状部材２４によって、円周方
向に均等に分割している。したがって、間隙１９に軸対
称流を導入すると、その軸対称流は、その流量の大小、
又は流量の時間的変化に関わらず、相互に等流量である
複数の流れに分割されて管状部材２４に流入する。この
結果、前実施形態では、脈動するエンジンの排出ガスを
排出ガス分割装置１０に導入した場合であっても、その
脈動流（排出ガス）を均等に分割・抽出することが可能
である。また、エンジンが過渡運転されており、排出ガ
スの流量が急激に変化する場合であっても、何らの補正
手段を用いることなく、その排出ガスを均等に分割・抽
出することが可能である。また、前実施形態において間
隙１９は、環状の断面形状を有し、その環状断面は、下
流方向に内外周面の半径を増大させるものとなってい
る。これにより、間隙１９は円周方向長さが長くなり、
分岐管部２０において間隙１９をより多くの領域に分割
することが可能となっている。すなわち、前実施形態で
は、比較的小さな抽出比率まで対応することが可能であ
る。

【００２１】さらに、前実施形態では、分岐管部２０に
おいて間隙１９を分割するのに、管状部材２４を用いて
いる。したがって、前実施形態では、下流側から管状部
材２４を間隙１９に挿入する等の比較的簡単な行程によ
り、分岐管部２０を製作することが可能となっている。
また同時に、管状部材２４の中から任意の１本又は２本
以上を排出ガス分割装置１０の外部へ延長することによ
り、容易に一定分割比に分割された排出ガスを外部へ抽
出することが可能となっている。また、前実施形態で
は、排出ガス分割装置１０によって分割・抽出された排
出ガスを希釈トンネル５０において希釈することとして
いる。よって、分割・抽出される排出ガスの流量を調整
するフィード・バック機構等を設ける必要がなく、簡素
かつ安価であり、なおかつ過渡運転されているエンジン
の排出ガスであっても所定の条件で正確に希釈する部分
希釈装置を提供することを可能としている。同時に、前
実施形態は、希釈トンネル５０において希釈された排出
ガスを採取し、その成分を測定することとしているの
で、エンジンの運転状態や排気脈動に影響されず、排出
ガスの成分濃度、粒子物質の排出量を高精度で測定する
ことが可能な排出ガス測定システムの提供を可能として
いる。

【００２２】しかし、特開平８−１４２８５４に係る発
明は、抽出器に軸対称流が導入されることをその前提と
するものである。ところが、エンジンの排出ガスは、曲
管等を通過して排出されるため、その流れは偏流を含む
複雑な速度分布を示す。そこで、前実施形態では、流れ
方向に十分長い円管からなる調流部を設け、この調流部
において、排出ガスの速度分布を整えている。ここで、
速度分布を整えるとは、速度分布から偏流等の影響をと
り除き、断面方向に一様、又は軸対称等の一定の規律が
認められる速度分布に整えることをいう。しかしなが
ら、円管に導入された流れが軸対称流に変化するまでに
は、円管の直径をＤとした場合に、少なくとも１０Ｄか
ら２０Ｄの距離が必要とされる。このために、調流部は
比較的長い円管となり、結果として排出ガス希釈装置の
小型化が阻害されるという問題があった。

【００２３】一方、管内流れの速度分布の乱れを除去す
る有効な方法として、一般に整流装置の利用が知られて
いる。整流装置とは、内径の小さい整流用の円管等をそ
の中に複数配置した流路であり、整流用の各円管内を流
れる流体に、その速度に応じた圧力損失が発生すること
を利用して、比較的短い距離で整流を達成するものであ
る。図１４に、代表的な整流装置の一例として、管状形
整流装置（ａ）、格子型整流装置（ｂ）及び多孔板整流
装置（ｃ）を示した。しかし、エンジンの排出ガスは、
気体のみからなる流れではなく、固体又は液体の粒子を
多数含有する、いわゆる二相流又は三相流である。この
ような二相流等を上記整流装置を用いて整流しようとす
ると、その中に含まれる固体又は液体の粒子が整流用の
円管等に付着する。このために、整流装置を通過した流
れは、速度分布が整えられるものの、その組成成分が変
化してしまい、結局は排出ガスの正確な成分測定ができ
なくなるという問題があった。

【００２４】そこで、本発明の課題は、エンジン、焼却
炉等の燃焼装置における排出ガスの一部を精度よく抽出
・分割でき、その成分を高精度で測定する小型の排出ガ
ス測定システム等を提供することである。

【００２５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項１に係る発明は、燃焼装置の排出ガスの一部
を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出手段と、前
記抽出手段において抽出されたガスを希釈する希釈手段
と、前記抽出手段に流入する前記排出ガスの速度分布を
整える整流手段とを備える排出ガス希釈装置において、
前記整流手段は、前記排出ガスの速度を音速の近傍まで
増大させることにより、又は、前記排出ガスの速度を間
欠的に音速となるように音速の近傍まで増大させること
により、前記排出ガスの速度分布を整えることを特徴と
する。請求項２に係る発明は、請求項１に記載の排出ガ
ス希釈装置において、前記整流手段は、絞り部を有し、
前記排出ガスの速度は、前記絞り部において音速の近傍
まで増大される、又は、間欠的に音速となるように音速
の近傍まで増大されることを特徴とする。

【００２６】請求項３に係る発明は、燃焼装置の排出ガ
スの一部を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出手
段と、前記抽出手段において抽出されたガスを希釈する
希釈手段と、前記抽出手段に流入する前記排出ガスの速
度分布を整える整流手段とを備える排出ガス希釈装置に
おいて、前記整流手段は、その上流の流路より断面積の
小さい助走用流路を有し、前記排出ガスは、前記助走用
流路を通過することによりその速度分布を整えられるこ
とを特徴とする。請求項４に係る発明は、流入する流れ
より、一部を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出
部と、前記抽出部の上流側に一体に設けられ、前記流れ
を音速の近傍まで増大させることにより、又は、前記流
れを間欠的に音速となるように音速の近傍まで増大させ
ることにより、前記流れの速度分布を整える整流部とを
有することを特徴とする。請求項５に係る発明は、請求
項４に記載の抽出器において、前記整流部は、絞り部を
有し、前記流れの速度は、前記絞り部において音速の近
傍まで増大される、又は、間欠的に音速となるように音
速の近傍まで増大されることを特徴としている。

【００２７】請求項６に係る発明は、流入する流れよ
り、一部を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出部
と、前記抽出部の上流側に一体に設けられ、上流側流路
より断面積の小さい助走用流路に前記流れを通過させる
ことにより、前記流れの速度分布を整える整流部とを有
することを特徴とする。請求項７に係る発明は、請求項
４から請求項６までのいずれか１項に記載の抽出器にお
いて、前記整流部は、前記流れを軸対称流に整え、前記
抽出部は、軸対称形の主断面を円周方向に２以上の領域
に分割された多分割流路を有し、前記多分割流路に流入
する前記軸対称流のうち、１又は２以上の前記領域に流
入した流れを抽出することを特徴とする。請求項８に係
る発明は、請求項７に記載の抽出器において、前記主断
面は環状の形状を有することを特徴とする。

【００２８】請求項９に係る発明は、燃焼装置の排出ガ
スの一部を抽出する抽出手段と、前記抽出手段において
抽出されたガスを希釈する希釈手段とを備える排出ガス
希釈装置において、前記抽出手段は、請求項４から請求
項８までのいずれか１項に記載の抽出器であることを特
徴とする。請求項１０に係る発明は、燃焼装置の排出ガ
スの一部を抽出、希釈して、その成分を測定する排出ガ
ス測定システムにおいて、請求項１から請求項３までの
いずれか１項、又は請求項９に記載の排出ガス希釈装置
と、前記排出ガス希釈装置内の排出ガスを採取する採取
手段と、前記採取手段によって採取された前記排出ガス
の成分を測定する測定手段とを備えることを特徴とす
る。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、図面等を参照して、本発明
に係る実施形態について、さらに詳しく説明する。な
お、以下の説明において、特開平８−１４２８５４に記
載した実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の
符号を付し、重複する説明を適宜省略する。 （第１実施形態）図１は、本発明の第１実施形態である
排出ガス測定システムを示す模式図である。本実施形態
の排出ガス測定システムは、特開平８−１４２８５４に
開示された排出ガス測定システムと比較した場合に、拡
大部１４の上流に、調流部１２に代えて整流部４０５を
備えた点において異なるものである。つまり、ディーゼ
ルエンジン２００より排出された排出ガスは、排気管２
０５を通過した後に、まず整流部４０５に導入される。
整流部４０５において、排出ガスはその速度分布を整え
られ、整流部の主軸を中心とした軸対称流となる。次
に、排出ガスは、拡大部１４等へ流入し、その一部が分
割・抽出される。

【００３０】図２は、整流部４０５を示す図である。整
流部４０５は、内径が急激に縮小する断面縮小領域４０
５ａ、断面積が極小となるのど部４０５ｂ、及び、内径
が緩やかに拡大する断面拡大領域４０５ｃの３つの部位
から構成される中細ノズル（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ−ｄ
ｉｖｅｒｇｉｎｇ ｎｏｚｚｌｅ）である。断面縮小領
域４０５ａは、排気管２０５に取り付けられる側の部位
であり、その入口の内径ｄ１は、排気管２０５の内径に
等しい。一方、断面拡大領域４０５ｃは、拡大部１４に
取り付けられる側の部位であり、その出口の内径ｄ２
は、拡大部１４の入口径に等しい。また、のど部４０５
ｂの内径は、そこを通過する排出ガスが、音速の近傍の
速度を有し、間欠的に音速となるように、十分に小さい
値となっている。なお、「音速」とは、密度変化の伝わ
り速度のことである。

【００３１】ここで、上記のようにのど部４０５ｂの内
径を小さく定めたことの理由を説明するために、中細ノ
ズル内の流れの一般的性質について記述する。図３は、
中細ノズルにおける流れの圧力変化の様子を模式的に表
した図である。図中、横軸ｘは中細ノズルの中心軸に沿
った入口からの距離、縦軸ｐは流れの圧力を表す。ま
た、ｐ０は中細ノズルの入口圧力、ｐ１は同出口圧力を
表す。ｐ０＞ｐ１なる関係が満たされるとき、中細ノズ
ルに流入した流れは、断面縮小領域において加速され、
断面積が極小となるのど部（ｆｍｉｎ）において最大速
度に達したのちに、断面拡大領域で徐々に減速する。の
ど部における流速は、ｐ０に対してｐ１が低いほど大き
く、ｐ１が所定の圧力ｐ１１まで低下すると音速に達す
る。のど部における流速が音速に達すると、ｐ０とｐ１
との差圧がさらに大きくなってもその影響はのど部には
現れず、流速は音速に維持される。これは、圧力波の伝
搬速度が音速に等しいために、出口圧力ｐ１の変化が、
圧力波となってのど部より上流へ伝搬されないことによ
る。したがって、のど部においてちょうど音速となる定
常流が整流器を通過すると、のど部において、その速度
分布は断面全体に渡り一様に整えられ、その流れが偏流
を含む場合であっても、偏流の影響は下流に及ばなくな
る。

【００３２】ところで、本実施形態では、のど部４０５
ｂを通過する排出ガスが、排出ガスの流量及び脈動によ
り、音速近傍の速度を有し、間欠的に音速となるよう
に、のど部４０５ｂの内径を定めている。これにより、
音速時における流量の一部の閉塞と亜音速流との繰り返
しとにより、排出ガスの脈動が抑制される。また、排出
ガスが偏流を含む場合には、偏流の影響がのど部４０５
を通過する際に抑制されるという、上記定常流で説明し
たのと類似の効果が得られる。図４は、整流部４０５
に、排気管２０５より偏流を含む流れが流入した場合の
速度分布の変化の様子を示した図である。偏流を含む流
れ（ａ）は、断面縮小領域４０５ａにおいて次第にその
速度を増大させ、のど部４０５ｂでは、断面のほぼ全域
に渡り音速又はそれに近い速度ｕａとなる。次に、流れ
は断面拡大領域４０５ｃにおいて次第にその速度を低下
させる。のど部４０５ｂにおいて流速が音速ｕａである
ときは、排気管２０５における圧力分布の影響は、のど
部４０５ｂより下流へは伝搬しないために、断面拡大領
域４０５ｃにおける流れの速度分布は、排気管２０５の
流れの速度分布に関係なく、整流部４０５の主軸に対し
軸対称な分布となる（図中（ｃ）参照）。また、のど部
４０５ｂにおいて流速が音速以下のときは、のど部の絞
り効果により整流が行われ、この場合にも音速のときに
近い整流がなされる。

【００３３】以上説明したように、本実施形態は、拡大
部１４の上流側に中細ノズルからなる整流部４０５を備
え、この整流部４０５ののど部４０５ｂにおいて排出ガ
スの速度を間欠的に音速となるように音速近傍まで増大
させることにより、排出ガスを軸対称流に整えている。
これにより排出ガスは、偏流を有する場合にも、また、
脈動する場合にも、確実に軸対称流に整えられ、その後
に拡大部１４に導入される。この結果、本実施形態の排
出ガス測定システムは、排出ガスの一部を常に一定の比
率で分割・抽出し、高精度でその成分を測定することが
可能となっている。また、従来、内径Ｄの円管内に排出
ガスを流動させてその速度分布を軸対称流に整えていた
場合には、少なくとも１０Ｄ〜２０Ｄの距離が必要であ
ったが、本実施形態では、のど部４０５ｂにおいて、速
度分布がほぼ断面全体において一様に揃うために、整流
部４０５の全長が飛躍的に短くなる。この結果、本実施
形態の排出ガス測定システムは、特開平８−１４２８５
４のそれと比較して、より小型となっている。また、整
流部４０５は、その内部に多孔板その他の流れの妨げと
なるものを含んでいない。したがって、排出ガスに含ま
れる固体又は液体の微粒子等が整流部４０５の途中で溜
まり、その結果として、整流部４０５に流入する排出ガ
スと流出する排出ガスとの間で、その組成成分が変化す
ることがない。

【００３４】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態について説明する。本発明の第２実施形態は、整流
部４０５に代わり、図５に示す整流部４１０を用いた点
において、第１実施形態と異なる。整流部４１０は、断
面縮小領域４１０ａと、助走領域４１０ｂとから構成さ
れる。断面縮小領域４１０ａは、排気管２０５と接続さ
れる側であり、その入口の内径ｄ３は、排気管２０５の
内径に等しい。一方、助走領域４１０ｂは、内径ｄ４が
最大流速時においても音速に達しない最小径で、長さが
ｄ４の約２０倍の円管である。図６は、整流部４１０
に、排気管２０５より偏流を含む流れが流入した場合の
速度分布の変化の様子を示した図である。排気管２０５
の偏流を含む流れ（ａ）は、断面縮小領域４１０ａにお
いて次第にその速度を増大させ、助走領域４１０ｂに流
入する。助走領域４１０ｂにおいて、流れは、壁面から
の摩擦力と流体のせん断力の影響をうけ、次第にその速
度分布を軸対称形に整えられる。整流部４１０の出口近
くでは、流れは、ほぼ完全な軸対称流となり、拡大部１
４へ流入する。

【００３５】以上説明したように、本実施形態では、助
走領域を有する整流部４１０に排出ガスを導入し、その
速度分布を軸対称形に整えることとしている。助走領域
の長さは、一般に流れの速度分布を整えるのに必要とさ
れる内径（ｄ４）の約２０倍である。しかし、その内径
ｄ４は、排気管２０５の内径より小さく設定されている
ために、整流部４１０の絶対長さは、特開平８−１４２
８５４の調流部１２より短くできる。この結果、本実施
形態では、排出ガス測定システムを特開平８−１４２８
５４と比較してよりコンパクトにすることが可能となっ
ている。また、整流部４１０は、第１実施形態で用いた
整流部４０５と同様に、その内部に多孔板その他の流れ
の妨げとなるものを含んでいない。したがって、整流部
４１０に流入する排出ガスと流出する排出ガスとの間
で、組成成分が変化することはない。

【００３６】（その他の実施形態）なお、本発明は、上
記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態
は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された
技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効
果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技
術的範囲に包含される。

【００３７】１）例えば、上記実施形態では、整流部４
０５又は４１０と拡大部１４等とが別部材である場合を
例に説明したが、本発明では、これらの部材を一体に加
工することも可能である。図７（ａ）は、整流部４０５
と、拡大部１４及び分岐管部２０（以下「抽出部」とい
う）とを一体とした抽出器４１５を示す図であり、図７
（ｂ）は、整流器４１０と抽出部とを一体とした抽出器
４２０を示す図である。整流部４０５及び４１０は、既
に説明したように単純な構造を有する部材である。この
ために、例えば鋳造により、整流部４０５又は４１０を
抽出部と一体に加工することは比較的容易である。ま
た、整流部４０５、４１０が比較的小型であることか
ら、抽出器４１５、４２０も抽出部単体より著しく大型
化することはない。さらに、整流部と抽出部とを一体に
成形した場合には、整流部と抽出部とのつなぎ目におけ
る段差等、拡大部での流れの軸対称性を阻害する要因を
除去できるという利点もある。

【００３８】２）また、上記実施形態では、整流部（４
０５、４１０）を特願平８−１４２８５４に開示した排
出ガス分割装置の一部として使用する場合について説明
したが、これは、整流部（４０５、４１０）は、図８の
多管式分割器１０５と組み合わせて使用することであっ
てもよい。

【００３９】３）上記実施形態では、整流部（４０５、
４１０）と拡大部１４とを直接接続する場合について説
明したが、例えば流れの速度分布をより確実に整えるこ
とを目的として、整流部（４０５、４１０）と拡大部１
４との間に整流部（４０５、４１０）の出口径と同一径
の円管流路等を配置することであってもよい。 ４）第１実施形態では、整流器４０５ののど部４０５ｂ
の径を、そこを通過する排出ガスが、音速の近傍の速度
を有し、間欠的に音速となるように設定する場合につい
て説明したが、これは、音速近傍の速度を有し、終始音
速となることがないように設定することがあってもよ
い。

【００４０】

【発明の効果】以上詳しく説明したように、請求項１に
係る発明によれば、整流手段は、偏流等を含む排出ガス
の速度分布を整えるので、排出ガスを精度よく希釈する
ことが可能である。請求項２又は請求項３に係る発明に
よれば、整流手段は、短い流路で排出ガスの速度分布を
整えることが可能であるので、排出ガス希釈装置が小型
となる。請求項４に係る発明によれば、常にその速度分
布が整った流れが抽出部に導入される抽出器を提供する
ことが可能となった。請求項５又は請求項６に係る発明
によれば、比較的簡単かつ短い構造を有し、流入する流
れの組成成分を変化させずにその速度分布を整えて抽出
部に導入する抽出器を提供することが可能となった。

【００４１】請求項７に係る発明によれば、脈動する流
れ、又はその流量が時間と共に変化する流れを一定比率
で分割・抽出する抽出器を提供することが可能となっ
た。請求項８に係る発明によれば、流れを分割する数を
増大させ、抽出比率を小さくできる抽出器を提供するこ
とが可能となった。請求項９に係る発明によれば、脈動
する排出ガス、及び過渡運転を行っているエンジンの排
出ガスを所定の希釈条件にしたがい、正確に希釈するこ
とが可能である。請求項１０に係る発明によれば、排出
ガス成分の測定精度を向上させると共に、脈動する排出
ガス、及び過渡運転を行っているエンジンの排出ガスに
ついて精度の良い測定を行うことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態である排出ガス測定シス
テムを示す模式図である。

【図２】本発明の第１実施形態で用いる整流部４０５を
示す図である。

【図３】中細ノズルにおける流れの圧力変化の様子を模
式的に表した図である。

【図４】整流部４０５に排気管２０５より偏流を含む流
れが流入した場合の速度分布の変化の様子を示した図で
ある。

【図５】本発明の第２実施形態で用いる整流部４１０を
示す図である。

【図６】整流部４１０に排気管２０５より偏流を含む流
れが流入した場合の速度分布の変化の様子を示した図で
ある。

【図７】整流部４０５又は４１０と拡大部１４とを一体
とした抽出器を示す図である。

【図８】従来の部分希釈装置を用いた排出ガス測定シス
テムの構成を示す図である。

【図９】多管式分割器１０５の断面図である。

【図１０】エンジンの排気管内流の流れ方向速度分布を
例示する図である。

【図１１】特願平８−１４２８５４に係る発明の一実施
形態である、排出ガス測定システムの模式図である。

【図１２】排出ガス分割装置１０の縦断面（Ａ）及び横
断面（Ｂ）を示す図である。

【図１３】排気管２０５から排出ガス分割装置１０へ導
入された排出ガスの流れ方向平均速度分布の一例を示す
図である。

【図１４】整流装置の代表例を示す図である。

【符号の説明】

１０ 排出ガス分割装置 ５０ 希釈トン
ネル １２ 調流部 ５３ オリフィ
ス １４ 拡大部 ５５ ガス採取
管 １６ 外筒 ６０ 粒子採取
管 １８ 芯部材 ６５ 定流量ポ
ンプ １９ 間隙 ７０ ガス成分
分析器 ２０ 分岐管部 ７５ 粒子サン
プリング装置 ２４ 管状部材 ４０５ 整流部 ２４ａ 抽出管 ４１０ 整流部 ４０ 排気管 ４１５ 抽出器 ４５ フィルタ ４２０ 抽出器

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼装置の排出ガスの一部を総流量に対
   して一定の比率で抽出する抽出手段と、 前記抽出手段において抽出されたガスを希釈する希釈手
   段と、 前記抽出手段に流入する前記排出ガスの速度分布を整え
   る整流手段とを備える排出ガス希釈装置において、 前記整流手段は、前記排出ガスの速度を音速の近傍まで
   増大させることにより、又は、前記排出ガスの速度を間
   欠的に音速となるように音速の近傍まで増大させること
   により、前記排出ガスの速度分布を整えることを特徴と
   する排出ガス希釈装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の排出ガス希釈装置にお
   いて、 前記整流手段は、絞り部を有し、 前記排出ガスの速度は、前記絞り部において音速の近傍
   まで増大される、又は、間欠的に音速となるように音速
   の近傍まで増大されることを特徴とする排出ガス希釈装
   置。
3. 【請求項３】 燃焼装置の排出ガスの一部を総流量に対
   して一定の比率で抽出する抽出手段と、 前記抽出手段において抽出されたガスを希釈する希釈手
   段と、 前記抽出手段に流入する前記排出ガスの速度分布を整え
   る整流手段とを備える排出ガス希釈装置において、 前記整流手段は、その上流の流路より断面積の小さい助
   走用流路を有し、 前記排出ガスは、前記助走用流路を通過することにより
   その速度分布を整えられることを特徴とする排出ガス希
   釈装置。
4. 【請求項４】 流入する流れより、一部を総流量に対し
   て一定の比率で抽出する抽出部と、 前記抽出部の上流側に一体に設けられ、前記流れを音速
   の近傍まで増大させることにより、又は、前記流れを間
   欠的に音速となるように音速の近傍まで増大させること
   により、前記流れの速度分布を整える整流部とを有する
   ことを特徴とする抽出器。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の抽出器において、 前記整流部は、絞り部を有し、 前記流れの速度は、前記絞り部において音速の近傍まで
   増大される、又は、間欠的に音速となるように音速の近
   傍まで増大されることを特徴とする抽出器。
6. 【請求項６】 流入する流れより、一部を総流量に対し
   て一定の比率で抽出する抽出部と、 前記抽出部の上流側に一体に設けられ、上流側流路より
   断面積の小さい助走用流路に前記流れを通過させること
   により、前記流れの速度分布を整える整流部とを有する
   ことを特徴とする抽出器。
7. 【請求項７】 請求項４から請求項６までのいずれか１
   項に記載の抽出器において、 前記整流部は、前記流れを軸対称流に整え、 前記抽出部は、軸対称形の主断面を円周方向に２以上の
   領域に分割された多分割流路を有し、前記多分割流路に
   流入する前記軸対称流のうち、１又は２以上の前記領域
   に流入した流れを抽出することを特徴とする抽出器。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の抽出器において、 前記主断面は環状の形状を有することを特徴とする抽出
   器。
9. 【請求項９】 燃焼装置の排出ガスの一部を抽出する抽
   出手段と、 前記抽出手段において抽出されたガスを希釈する希釈手
   段とを備える排出ガス希釈装置において、 前記抽出手段は、請求項４から請求項８までのいずれか
   １項に記載の抽出器であることを特徴とする排出ガス希
   釈装置。
10. 【請求項１０】 燃焼装置の排出ガスの一部を抽出、希
    釈して、その成分を測定する排出ガス測定システムにお
    いて、 請求項１から請求項３までのいずれか１項、又は請求項
    ９に記載の排出ガス希釈装置と、 前記排出ガス希釈装置内の排出ガスを採取する採取手段
    と、 前記採取手段によって採取された前記排出ガスの成分を
    測定する測定手段とを備えることを特徴とする排出ガス
    測定システム。