JPS60242341A - 内燃機関排気ガス中の微粒子濃度の測定装置 - 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 本発明はディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるド
ライスーツ（可溶性有機物（８０Ｆ）が付着していない
カーボン粒子）および可溶性有機物（８０Ｆ　、　５ｏ
ｌｕｂｌｅ　ｏｒｇａｎｉｃ　ｆｒａｃｔｉｏｎ）のリ
アルタイム式の微粒子濃度の測定装置に関する。

従来技術 従来、ドライスーツと８０Ｆの濃度測定は希釈トンネル
からサンプリングポンプを用いて、パティキュレー）　
（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　）をフィルタ上に吸引捕集
し、そのフィルタを調温調湿した後、化学天秤で秤量す
ることによシ、パティキュレート濃度をめていた。さら
にドライスーツとＳＯＦの濃度測定はパティキュレート
を捕集した前記フィルタから８０Ｆのみをソックスし一
抽出し、残されたドライスーツの量を秤量することによ
シ行っていたが、測定に長時間要すること、リアルタイ
ムの測定が不可能であることなどの問題点を有していた
。

発明の目的 本発明の目的は、一本のサンプリングパイプ内に配置さ
れた２枚のフィルク上にドライスーツとＳＯＦを各々分
離して吸引捕集し、ドライスーツに関してはフィルタ前
後の圧力損失の増加分が堆積重量にほぼ比例すること、
８０Ｆに関してはフィルタ前後の圧力損失の増加分から
ドライスーツ捕集用フィルタにおける圧力損失から受け
る影響分を差し引いた圧力損失の量が堆積重量にほぼ比
例することを用いることができるという構想にもとづき
、リアルタイム式に、比較的短時間に内燃機関排気ガス
中の微粒子濃度測定を正確に行うことにある。

発明の構成 本発明においては内燃機関の排気ガスを多量の清浄空気
で希釈混合し該希釈混合されたガスを検知手段へ導く希
釈トンネル、希釈混合ガスの一部を上記希釈トンネルか
ら取ｐ出すためのサンプリングバイ・プ、前記サンプリ
ングパイプの途中に設けられてドライス７ツを捕集する
第１フイルタ、前記第１フイルタよシも前記サンプリン
グパイプの上流側に設けられた加熱手段、前記第１フイ
ルタの前後の圧力差を検出する第１差圧変換器、該圧力
差の信号の時間微分値に基づいて排気ガス中のドライス
ーツ量を演算するドライスーツ量演算回路、前記第１フ
イルタよシも下流側であって前記サンプリングポンプよ
シも上流側に設けられて可溶性有機物を捕集する第２フ
イルタ、前記第２フイルタの前後の圧力差を検出する第
２差圧変換器、および、核圧力差の信号の時間微分値を
前記第１差圧変換器からの圧力差の信号値を用いて前記
第１フィルタ前後の圧力差が零でおる場合の値に補正し
該補正後圧力差信号に基づいて排気ガス中の可溶性有機
物量を演算する可溶性有機物量演算回路を具備すること
を特徴とする内燃機関排気ガス中の微粒子濃度測定装置
が提供される。

実施例 本発明の一実施例としての内燃機関排気ガス中の微粒子
濃度測定装置が第１図に示される。

本発明の詳細な説明の前提として、ドライスーツ捕集用
フィルタの圧力損失が８０Ｆ捕集用フイルタに与える影
響について説明する。

サンプリングポンプ１６が等質量流量Ｑで吸引を行って
いる場合、ドライスーツ捕集用フィルタ１３を通過する
直前の圧力をＰｄ、流速をｖｄとし、ＳＯＦ捕集用フィ
ルタ１５を通過する直前の圧力をＰ３、流速を■５とす
ると、次の式（１）が成立する。

Ｑ＝に−Ｐｄ−■、１＝に１＊ｐ、・ｖ、　（ｋｔは定
数）　・（１）ドライスーツ捕集用フィルタ１３の圧力
損失がΔＰｄであるとするとｐ、＝ｐａ−八Ｐ、へなる
ため■、はＰｄ／（Ｐｄ−ΔＰｄ）だけ上昇することに
なる。一方フィルタでの圧力損失ΔＰは通過する流体の
流速■、および粘性係数μによシ次式（２）で表わされ
る。

ΔＰ−に２・ｖ・μ　（ｋＳは定数）　・−・・・（２
１したがって、■、が上昇すると８０Ｆ捕集用フイルタ
１５での圧力損失が増加することになる。

つｔυ、８０１捕集用フイルター５での圧力損失ムＰ　
は、ドライスーツ捕集用フィルター３通過直後の圧力す
なわち８０Ｆ捕集用フイルター５直前の圧力がＰ、から
Ｐ８□に減少した時、次式（３）のように増加する。

△Ｐ、１０Ｐ。１＋に３・Ｗ　・・・・・・（３）ムＰ
、２＝に４（Ｐ、〆Ｐ％Ｎ’　（Ｐｏｌ”ｋＳ・Ｗ）　
・・・・・・（４）ここで、Ｐｏｌはフィルタに８０Ｆ
が堆積していない時の圧力損失分で１）、Ｗは８０Ｆ堆
積量、ｋｇ　、’　ｋ　４は定数である。よってＰ、ｌ
を基準の圧力とすると、ドライスーツ捕集フィルター３
での圧力損失がΔＰ、増した時のＳＯＦ堆積量Ｗは、（
４）式のＰｓ２をＰ、、−ΔＰ、と置き換えて次式（５
）のようにめられる。

ｗ＝（八Ｐ８！”’ｓｌ−ΔＰｄ）／（ｋ、・ＰＩＩ）
−”Ｏｆ　）／に３・、・・−＋５１第１図装置におい
て、Ｅはディーゼルエンジン、３は希釈トンネルで排気
ガスは図示しないルーツブロア等によシ矢印３１の方向
に等速吸引される。

４３は分割パルプで希釈トンネル３および排気口４４に
排気ガスを適度に分割できる。２５はサンプリングパイ
プで、２６．２７はバルブ、２８はコイルヒータ、２９
はコイルヒータ通過後の排気ガス温度を調整する温度調
整器である。１３はドライスーツ捕集フィルタで材質は
テフロンコーティングを施したガラス繊維である。１５
はＳＯＦ捕集フィルタで材質はテフロンである。１２．
１４は温度検出器でフィルタ１３．１５の直前にセット
しである。

５４．５５は差圧変換器で、ドライスーツ捕集フィルタ
１３前後の差圧および８０Ｆ捕集フィルタ１５前後の差
圧を検出するものである。１６は等流量吸引するための
サンプリングポンプで、内部にはポンプ、バッファタン
ク、流量計、演算器、　等の機器を有して“る・　６は
・　ドライ７′−２および８０Ｆ濃度を算出する演算装
置で、温度検出器１２．１４の出力信号、差圧変換器５
４．５５の出力信号およびサンプリングポンプ１６から
のサンプリング流量信号を受けとシ演算を行う。なおド
ライスーツ捕集フィルタ１３と８０Ｆ捕集フィルタ１５
０間には比較的長い冷却用パイプ１８が設けられる。、 排気ガスを加熱することによシ、排気ガス中の微粒子を
ドライスーツとＳＯＦに分離できることが以下に説明さ
れる。第２図はフィルタ上の捕集物とフィルタ前の温度
との関係をめるための実験装置を示し、サンプリングパ
イプ１５１の下流側にはフーイルタ１５２、このフィル
タ１５２のすぐ上流側に温度検出器１５３、この温度検
出器１５３ノ上流側にコイルヒータ１５４がそれぞれ設
けられコイルヒータ１５４は可変直流電源１５５によシ
ミ力が供給される。排気ガスはサンプリングパイプ１５
１中を矢印１５６方向へ吸引され、フィルタ１５２を通
って排出される。ここでフィルタ１５２前の温度は可変
直流電源１５５を調節することによシ変化する。

第３図はフィルタ１５２の前の温度Ｔ　ＥＭＰ（１５２
）とフィルタ１５２上の捕集物の堆積重量Ｕとの関係を
示す。第３図中、斜線を施したものＵｌは、加熱しない
場合のフィルタ１５２をジクロルメタンでソックスレー
抽出した後、すなわちフィルタ１５２上にドライスーツ
のみが捕集されている場合の堆積重量を示す。斜線を施
されていないものＵｌ””’Ｕ６は、ソックスレー抽出
しない場合の堆積重量を示す。Ｕｌは加熱なし、Ｕｌは
５０℃、Ｕ３は１００℃、Ｕ４は１５０℃、Ｕ、は２０
０℃、Ｕ６は２５０℃の場合をそれぞれ表わす。

第３図より、コイルヒータ１５４によｐ加熱しない場合
の堆積重量が最も多く、温度が高くなるに従って堆積重
量は減少し、２００℃以上になると略一定となってソッ
クスレー抽出した場合と同じに７Ｔｈることかわかる。

すなわち、フィルタ１５２の前の温度が２００℃以上に
なると、フィルタ１５２上にはドライスーツのみが捕集
され、８０Ｆはフィルタ１５２を通廻することとなる。

排気ガス中の微粒子は、ドライスーツと８０Ｆに分離さ
れる。

このＳＯＦは適当に延長されたサンプリングパイプ中で
冷却して凝縮させ、このパイプの途中に設けられたフィ
ルタによシ捕集することが可能であシ、第１図装置にお
いてはこのために冷却パイプ１８が設けられる。

フィルタ上に捕集さ、れたドライスーツおよび８０Ｆの
堆積重量と、フィルタ前後の差圧との関係が以下に説明
される。一般にフィルタ上への微粒子の堆積量が増すに
つれてフィルタの通気抵抗が増すであろうことは容易に
推定できるが、両者の間に定量的な関係が無ければ本発
明は成立しない。また同一重量の微粒子が堆積した場合
にも、微粒子の性状が異なると通気抵抗が異なって来る
ことが考えられ、ディーゼルエンジンよシ排出されるド
ライスーツおよび８０Ｆも運転条件のちがいによ、！７
性状が変化することが考えられる。

第４図および第５図は実験的にめたドライスーツおよび
ＳＯＦの捕集量Ｕ（ＳＯＦ）（ツ）と、フィルタにおけ
る圧力損失へＰ（ｏｎＡｑ）の関係を示すグラフである
。図中ＡとＡＩ％ＢとＢ１％Ｃと０１は各々エンジン運
転条件が１０００回転低負荷、２０００回転中負荷、３
０００回転高負荷で排出された微粒子の捕集量と圧力損
失ΔＰの関係を示す。またＤとｄで示す部分は、フィル
タ自身の通気抵抗を示す。第４図および第５図よシ明ら
かなように、捕集フィルタの圧力損失ΔＰはドライスー
ツおよび８０Ｆの捕集量と非常に良い比例関係に有υ、
エンジンの運転条件にはあまシ左右されないことがわか
る。

なお第４図におけるフィルタ前の温度は２２５℃、第５
図におけるフィルタ前の温度は４５℃である。またサン
プリングガスの流量は、２５℃において２０Ｌ／分であ
る。

単位時間に排出されるドライスーツあるいは８０Ｆ微粒
子の重量をＷｏとするならば、Ｗｏは次式１式％ （６） ここで、Ｗｏは単位時間当シの微粒子排出（ｖ／秒等）
、 ｍはサンプリングガス単位体積中の微粒子重量（”ｆ／
ｒｒ？等）、 Ｑは希釈混合ガスブロア流量 （−７秒等）、 ｑはサンプリングガス流量（−７秒等）・である。

上式（６）に含まれる容量のうち、サンプリング中のサ
ンプリングガス単位体積中の微粒子重量ｍは従来の方法
ではめ得なかったが、前述したフィルタ１３．１５の圧
力損失特性を考慮すると、次の様にしてめることができ
る。フィルタ１３゜１５の圧力損失は微粒子の捕集量に
比例し、かつ流量に比例するので、微小時間ｄｔ間のフ
ィルタの圧力損失増加量ｄ（ΔＰ）は、式（７）で表わ
される。

ｄ（ΔＰ　）　＝に−ｍ・ｑ−ｄｔ＠ｑ　−”（７）こ
こに、ΔＰは圧力損失（〜／Ｒ等）、Ｋはフィルタ径そ
の他により定ま る定数、 ｍ−ｑ−ｄｔはｄｔ間にフィルタに捕集される微粒子の
重量（ｙ等）、 と表わされる。式（７）よ、９ｍは式（８）でめられる
。

１　・ｄ（ａＰ）　・・・・・・（８）ｆｉ　！　、　
ｑ２　ｄ。

ここに、Ｋはフィルタ径等によシ定まる定数、糾はフィ
ルタ圧力損失の時間微 ｄｔ 分値でおる。

式（８）によシナンプリングガス単位体積中の微粒子の
重量ｍをめることによシ、モード走行中の時々刻々の微
粒子排出量を前述した式（６）によってめることができ
る。なお式（６）に含まれる希釈混合ガスのプロア流量
Ｑおよびサンプリングガス流量ｑは試験中はぼ一定値を
取るので定数として扱えばよい。

このように、微粒子捕集量に比例し、かつサンプリング
ガス流量に比例するという特性を有するフィルタ１３．
１５の圧力損失の時間微分値をめることによシ、サンプ
リングガス単位体積中のドライスーツおよび８０Ｆ重量
を知ることができ、結局モード走行中のドライスーツお
よびＳＯＦの排出量を知ることができる。

第５図の実験結果は第６図に示す実験装置を用いてめた
ものである。第６図は排気ガスを矢印１６０の方向に吸
引し、コイルヒータ１６１で２００℃以上に加熱し１、
ドライスーツのみを大型の補助フィルタ１６２で捕集し
、８０Ｆを８０Ｆ捕粂フイルタ１６３で捕集し、その前
後差圧を差圧変換器１６４で検出する実験装置の構成を
示し、フィルタ前温度は温度検出器１６５によって検出
され５０℃程度の時効率よ（８０Ｆが捕集される。

また補助フィルタはドライスーツが１０グ程度堆積して
もフィルタ前部位１６７とフィルタ後部位１６８との差
圧がほとんど上昇しないようなフィルタである。実験中
、差圧変換器１６６によシ、フィルタ前部位１６７とフ
ィルタ後部位１６８がほぼ同圧力であることが知られる
ようになっている。

第１図装置においては、ドライスーツ捕集用７ィルタと
して、第４図に示されるような圧力損失特性を持つもの
を用いているため、ドライスーツの堆積とともにかなｐ
大きな圧力損失をフィルタ後部位に与えることになる。

つまシ、等流量吸引を行っている場合ドライスーツ捕集
フィルター３における圧力損失は、ＳＯＦ捕集フィルタ
１５を通過する排気ガス速度を増加させることになシ、
ＳＯＦ捕集フィルター５の圧力損失特性が第５図に示し
たものと異なることになるため、圧力損失の値をドライ
スーツ捕集フィルター３の圧力損失の値を用いて補正し
なくてはならない。

この補正方法が以下に説明される。第１図において、サ
ンプリングポンプ１６が等質量流量Ｑで吸引している時
、ドライスーツ捕集フィルター３を通過する直前の圧力
をＰｄ％流速をＶｄとし、ＳＯＰ捕集フィルター５を通
過する直前の圧力をＰｓ、流速を■、とすると次の関係
が成シ立っ。

Ｑ”　Ｊ　Ｐ６　Ｖ（１−ｋｔ　Ｐ８Ｖ、　（但しに１
は定数）啼 ・・・・・・（９） そこで、ドライスーツ捕集用フィルター３の圧力損失が
ΔＰ、であるとＰ、＝Ｐｄ−ΔＰｄとなるため、式（１
０）となる。

■、＝ＶｄＰｄ／（Ｐｄ−ΔＰｄ）　−−−−−−（１
０）一方、一般に流体がフィルタを通過する時の圧力損
失ΔＰは流体の流速Ｖおよび粘性係数μにょシ式（１１
）のように表わされる。

ΔＰにに２Ｖμ・　・・・・・・（１１）ここに、ｋｔ
　はフィルりによってきまる定数である。

そこでドライスーツ捕集フィルター３を通過する直前の
圧力をＰｄ１圧力損失をΔＰｄとした時、８０Ｆ捕集フ
イルター５における圧力損失ΣΔＰ二とすると、ドライ
スーツ捕集フィルター３における圧力損失の影響を取シ
除いた圧力損失ΔＰ　は式（１２）のようになる。

Δｐ、＝ΔＦ’、　（Ｐｄ−ΔＰｄ）；／Ｐ６　・・・
・・・（１２）つまシ、この補正された圧力損失△Ｐ、
がＳＯＦ捕集量に対して第５図に示す比例関係を持つこ
とになる。

第１図装置の作動が以下に説明される。まずモード走行
開始とともにパルプ２６が開放し、希釈混合ガスはサン
プリングパイプ２５へ吸引され、コイルヒータ２８によ
９２００℃以上に加熱される。加熱されたガスはドライ
スーツ捕集フィルタ１３をまず通過するが、ドライスー
ツはフィルタ１３に捕集される。この時８０Ｆはフィル
タ１５を通過するが冷却パイプ１８を通過後８０Ｆ捕集
フイルタ１５に捕集される。ドライスーツ捕集フィルタ
１３、ＳＯＦ捕集フィルタ１５のそれぞれの前後差圧は
、差圧変換器５４．５５によ請求められ、その信号はそ
れぞれ演算装置６に入力される。

演算装置６には、さらに温度検出器１２．１４の信号と
、サンプリングポンプ１６からのサンプリング流量を示
す信号とが入力される。このようにフィルタ１３．１５
の前の温度を演算装置６にそれぞれ入力するのは、ガス
温度の上昇によシガスの体積および粘度が大きくなって
フィルタ前後の差圧が上昇するので、この温度に基く差
圧上昇分を修正するためでおる。

この温度と、温度に基く差圧上昇分との関係は、質量流
量一定の条件で、ΔＰ＝ａＴ＋ｂ　となシ、このΔＰを
上記差圧変換器５４．５５によ請求められた差圧から引
いて温度修正を行う。ただし、Ｔは絶対温度ａ、ｂはサ
ンプリング流量およびフィルタの種類によって決まる定
数である。

演算装置６は、以上のような信号を受け取シ、上述した
計算式に基づいてサンプリングガスの単位体積中のドラ
イスーツおよび８０Ｆの重量をめ、これを読み取るとと
によシ単両走行中のドライスーツおよびＳＯＦの排出量
をリアルタイムで知ることができる。

演算装置６における演算処理が以下に説明される。第７
図は演算装！６の構成を示すブロック図である。まず、
ドライスーツ排出量の演算処理が説明される。ドライス
ーツ捕集フィルタの差圧信号Ｐ、ヲ常時２００℃での差
圧に補正するためにフィルタ前の温度検出器信号Ｔｄを
用い、比較器７１、掛算器６０２にて差圧信号Ｐｄを温
度補正している。

次にその差圧信号を２組のゲート回路６０３゜６０５に
て、おるサンプリングタイムごとに通してやシ、それぞ
れホールド回路６０４．６０６でホールドしホールド回
路６０４の出力からホールド回路６０６の出力を減算器
６０７で減算することによシ、差圧信号の時間微分ｄＰ
ｄ／ａｔとなる。

次にこの信号をサンプリングポンプからの流量をと同様
の演算ができ結局ドライスーツ排出量がまる。この信号
をサンプリングタイムごとにＡＤ変換し表示している。

次に、８０Ｆ排出量の演算処理は、ドライスーツの場合
とほとんど同様であるが、ＳＯＦ捕集フィルタの差圧信
号Ｐ、の温度補正は温度検出器信号Ｔ、を用い比較器６
１５、掛算器６１６により、常時５０℃の差圧に補正し
ている。またドライスーツ捕集フィルタの差圧の増加に
よｊ５８０Ｆ捕集フィルタめ差圧がみかけ上増加してい
るため、これ全補正するために温度補正後のドライスー
ツ差圧信号（掛算器６０２の出力）を用い、比較器６１
７、掛算器６１８で行っている。またドライスーツ排出
量信号８（６１２）、およびＳＯＦ排出量信号８　（６
２４）、を加算器６２７で加えたものがパティキーレー
ト排出量となシ、これも同様に表示される。

本発明の実施にあだらては前述の実施例のほか種々の変
形形態をとることができる。例えば前述においては、コ
イルヒータを用いてサンプリングガスを加熱したが、こ
れに代え、サンプリングパイプの外周にリボンヒータを
巻いて加熱してもよく、又はバーナ等で加熱してもよい
。また、サンプリングガスをコイルヒータで加熱する場
合、パイプ外部に断熱材等を設けることができる。

発明の効果 本発明によれば、一本のサンプリングパイプ内に配置さ
れた２枚のフィルタ上にドライスーツと８０Ｆが各々分
離して吸引捕集され、ドライスーツに関してはフィルタ
′前後の圧力損失の増加分が堆積重量にほぼ比例するこ
と、ＳＯＦに関してはフィルタ前後の圧力損失の増加分
からドライスーツ捕集用フィルタにおける圧力損失から
受ける影響分を差し引いた圧力損失の量が堆積重量にほ
ぼ比例することを用いることができ、リアルタイム式に
、比較的短時間に内燃機関排気ガス中の微粒子濃度測定
を正確に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての内燃機関排気ガス中
の微粒子濃度の測定装置を示す図、第２図はフィルタ上
の捕集物とフィルタ前の温度との関係をめるための実験
装置を示す図、第３図はフィルタの前の温度とフィルタ
上の捕集物の堆積重量との関係を示す特性図、第４図は
ドライスーツ捕集量とフィルタ圧力損失の関係を示す特
性図、 第５図は８０Ｆ捕集量とフィルタ圧力損失の関係を示す
特性図、 第６図は８０Ｆ捕集量とフィルタ圧力損失の関係をめる
ための実験装置を示す図、 第７図は第１図装置における計算回路の構成を示す図で
ある。 （符号の説明） １２・・・温度検出器、 １３・・・ドライスーツ捕集フィルタ、１４・・・温度
検出器、 １５・・・８０Ｆ捕集フイルタ、 １６・・・サンプリングポンプ、 １８・・・冷却用パイプ、 ２５・・・サンプリングパイプ、 ２６、２７・・・バルブ、 ２８・・・コイルヒータ、 ２９・・・温度調整器、 ３・・・希釈トンネル、 ４３・・・分割パルプ、 ４４・・・排気口、 ５４．５５・・・差圧変換器、 ６・・・演算装置、 Ｅ・・・ディーゼルエンジン。 第２図 第３図 ５０’Ｃ１００℃１５０℃２００℃２５０８Ｃ−〉ＴＥ
ＭＰ（＋５２） 第４図 →Ｕ（ＤＳ） 第５図 一＋Ｌｌ（ＳＯＦ） 第１頁の続き ■発明者　杼口　博史　豊田市ト ０発　明　者　森　信　久　豊田市ト

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 内燃機関の排気ガスを多量の清浄空気で希釈混合し該希
   釈混合されたガスを検昶手段へ導く希釈トンネル、希釈
   混合ガスの一部を前記希釈トンネルから取シ出すための
   サンプリングパイプ、前記サンプリングパイプの途中に
   設けられてドライスーツを捕集する第１フイルタ、前記
   第１フイルタよシも前記サンプリングパイプの上流側に
   設けられた加熱手段、前記第１フイルタの前後の圧力差
   を検出する第１差圧変換器、該圧力差の信号の時間微分
   値に基づいて排気ガス中のドライスーツ量を演算するド
   ライスーツ量演算回路、前記第１フイルタよりも下流側
   であって前記サンプリングポンプよシも上流側に設けら
   れて可溶性有機物を捕集する第２フイルタ、前記第２フ
   イルタの前後の圧力差を検出する第２差圧変換器、およ
   び、該圧力差の信号の時間微分値を前記第１差圧変換器
   からの圧力差の信号値を用いて前記第１フィルタ前後の
   圧力差が零である場合の値に補正し該補正された圧力差
   信号に基づいて排気ガス中の可溶性有機物量を演算する
   可溶性有機物量演算回路、を具備することを特徴とする
   内燃機関排気ガス中の微粒子濃度測定装置。