JPS61178641A - 車輌用微粒子排出量測定装置 - 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カ
ーボン粒子等のドライスーツ及び可溶性有機物（以下、
ＳＯＦという）の量をリアルタイムで測定する装置に関
するものである。

従来の技術 従来排気ガス中のドライスーツとＳＯＦの濃度測定は、
次のようにして行なわれている。まず排気ガス中の微粒
子をフィルタ上に捕集し、このフィルタを調温、調湿し
た後化学天秤で計量することにより微粒子濃度を測定す
る。次いでフィルタ上の微粒子からＳＯＦをソックスレ
ー抽出し、その後の秤量結果よりドライスーツ及びＳＯ
Ｆの濃度を測定する。ところがこのような処理を行なう
ことから、ドライスーツ及びＳＯＦの濃度測定には時間
がかかり、時々刻々変化する濃度を把握することが不可
能であり、ディーゼルエンジンに対する厳しい排気ガス
規制に対処することは困難である。

この点に鑑み、本出願人は既に特願昭５８−２０３６４
１号において、排気ガス中に含まれるドライスーツおよ
びＳＯＦの濃度をリアルタイムで測定する装置を提案し
た。

発明が解決しようとする問題点 上記提案装置は排気ガスを一定温度に加熱してフィルタ
にドライスーツあるいはＳＯＦを捕集するものであるが
、その加熱温度の変動の誤差が大きいと、ドライスーツ
あるいはＳＯＦの量の測定値の誤差が大きくなってしま
う。本発明は、加熱温度の変動幅を極力抑えて、より正
確な測定をすることができる微粒子排出量測定装置を得
ることを目的としてなされたものである。

問題点を解決するための手段 本発明装置は、内燃機関の排気ガスを希釈トンネル内に
おいて多量の清浄空気で希釈混合した後この希釈混合ガ
スを第１および第２検知手段に導き、第１検知手段が排
気ガス中のドライスーツ量を検出し、第２検知手段が排
気ガス中の可溶性有機物を検出する車輌用微粒子排出量
測定装置である。上記第１検知手段は、希釈混合ガスの
一部を上記希釈トンネルから取出すための第１サンプリ
ングパイプと、この第１サンプリングパイプ内に希釈混
合ガスを流動させる第１サンプリングポンプと、上記第
１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フィルタと、この第１フィルタよりも上
記第１サンプリングパイプの上流側に設けられ、一定の
発熱量を有する第４加熱手段と、この第１加熱手段の下
流側に設けられ、希釈混合ガスを最終加熱温度まで加熱
する第２加熱手段と、上記第１フィルタの前後の圧力差
を検出する第１差圧変換器と、この圧力差の信号の時間
微分値に基いて排気ガス中のドライスーツ量を演算する
第１演算装置とを備える。上記第２検知手段は希釈混合
ガスの一部を上記希釈トンネルから取出すための第２サ
ンプリングパイプと、この第２サンプリングパイプ内に
希釈混合ガスを流動させる第２サンプリングポンプと、
上記第２サンプリングパイプの途中に設けられてドライ
スーツを捕集する比較的大型の補助フィルタと、この補
助フィルタよりも上記第２サンプリングパイプの上流に
設けられ、一定の発熱量を有する第３加熱手段と、この
第３加熱手段の下流側に設けられ、希釈混合ガスを最終
加熱温度まで加熱する第４加熱手段と、上記補助フィル
タの下流側に設けられて可溶性有機物を捕集する第２フ
ィルタと、この第２フィルタの前後の圧力差を検出する
第２差圧変換器と、この圧力差の信号の時間微分値に基
いて排出ガス中の可溶性有機物量を演算する第２演算装
置とを備える。・ 実施例 以下図示実施例に基いて本発明を説明する。

第１図は本発明の第１実施例を示すものである。

この図において、ディーゼルエンジン１から延びる排気
管２は、分割バルブ３において２本に分岐し、一方は排
気口４に接続し、他方は希釈トンネル５に連通ずる。し
たがってエンジン１から排出される排気ガスは分割パル
プ３において分割され、排気口４から排出さＭとともに
一部は希釈トンネル５内に供給される。

希釈トンネル５は、吸気口６から吸入した空気と排気管
２の分岐管７から吸入した排気ガスとを混合させるもの
で、排気ガスと空気とを混合させて成る希釈混合ガスは
、図示しないルーツブロア等により吸引されて矢印Ａ方
向へ等速で流動する。

希釈トンネル５の途中にはこのトンネル内の温度を検知
するための温度計８が取付けられ、また第１および第２
サンプリングパイプ１０　、３０の先端が臨む。これら
のサンプリングパイプ１０　、３０は希釈混合ガスを取
込んで排気ガス中のドライスーツ及びＳＯＦの量をそれ
ぞれ検出するためのものである。

第１サンプリングパイプ１０の下流側には希釈混合ガス
を等流量で吸引するための第１サンプリングポンプ１１
が取付けられ、このポンプ１１内には脈動を吸収するた
めのバンファタンク、流量計、及び演算器等の機器が設
けられる。第１サンプリングパイプ１０には、希釈トン
ネル５に近い部分にバルブ１２、このバルブ１２のすぐ
下流側にコイルヒータ１３　、２２その下流側に第１フ
ィルタ１４がそれぞれ設けられ、第１フィルタ１４のす
ぐ上流側には温度検出器１５が取付けられる。第１フィ
ルタ１４の前後には圧力検出器１６　、１７が設けられ
る。これらの圧力検出器１６　、１７により検出された
圧力を示す信号は、第１差圧変換器１８に入力され、フ
ィルタ１４の前後の差圧を示す信号に変換されて第１演
算器１９に入力される。この演算器１９にはまた温度検
出器１５および第１サンプリングポンプ１１が接続され
る。第１フィルタ１４はドライスーツを捕集し、その捕
集量は、後述するように、フィルタ１４前後の圧力差に
基いて求められる。なおコイルヒータ１３に供給される
電力は、スライダック２０により一定出力で供給される
。一方、コイルヒータ２２に供給される電力は、温度検
出器１５によって検出された温度をフィードバックして
温度制御を行なうＰＩＤ温調器２１により調節される。

第２サンプリングパイプ３０の下流側にも、上記第１サ
ンプリングパイプ１０と同様な機構が設けられる。すな
わち、最も下流側には上記第１サンプリングポンプ１１
と同様な第２サンプリングポンプ３１が設けられ、希釈
トンネル５に近い部分にはバルブ３２が取付けられる。

またバルブ３２のすぐ下流側にコイルヒータ３３　、４
２、その下流側に第２フィルタ３４、この第２フィルタ
３４のすぐ上流側に温度検出器３５がそれぞれ設けられ
る。第２フィルタ３４の前後には圧力検出器３６゜３７
が取付けられ、これらの圧力検出器３６　、３７の出力
信号は第２差圧変換器３８に入力される。この第２差圧
変換器３８、第２サンプリングポンプ３１、および温度
検出器３５は、第２演算器３９に接続される。またコイ
ルヒータ３３に供給される電力はスライダック４０から
一定出力で供給され、コイルヒータ４２に供給される電
力は温度検出器４３によって検出された温度を比例＋積
分十微分制御動作によりフィードバックするＰＩＤ温調
器４１により調節される。

これらの機構の作用は、上記第１サンプリングバイブ１
０の下流に設けられたものと基本的に同じであるが、第
２フィルタ３４は第１フィルタ１４と異なりＳＯＦを捕
集する。第２フィルタ３４がＳＯＦのみを捕集するよう
にするため、第２フィルタ３４の上流側であってコイル
ヒータ４２のすぐ下流側にドライスーツを捕集する補助
フィルタ４４が取付けられる。この補助フィルタ４４は
第１フィルタ１４と比べ、材質、組成は同じであるが、
径が第１フィルタ１４のものよりも数倍も大きい。なお
補助フィルタ４４と第２フィルタ３４の間には、比較的
長い冷却用パイプ４５が設けられる。

次に排気ガスを加熱することにより、排気ガス中の微粒
子をドライスーツとＳＯＦに分離できることを説明する
。第２図はフィルタ上の捕集物とフィルタ前の温度との
関係を求めるための実験装置を示し、サンプリングパイ
プ５１の下流側にはフィルタ５２、このフィルタ５２の
すぐ上流側に温度検出器５３、この温度検出器５３の上
流側にコイルヒータ５４がそれぞれ設けられ、コイルヒ
ータ５４は可変直流電源５５により電力が供給される。

排気ガスはサンプリングパイプ５１中を矢印Ｂ方向へ吸
引され、フィルタ５２を通って排出される。ここでフィ
ルタ５２前の温度は可変直流電源５５を調節することに
より変化する。

第３図はフィルタ５２の前の温度とフィルタ５２上の捕
集物の堆積重量との関係を示す。図中、斜線を施したも
のは、加熱しない場合のフィルタ５２をジクロメタンで
ソックスレー抽出した後、すなわちフィルタ５２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
。その他の斜線を施されていないものは、ソックスレー
抽出しない場合の堆積重量を示す。この図より、コイル
ヒータ５４により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
と同じになることがわかる、すなわち、フィルタ５２の
前の温度が２００℃以上になると、フィルタ５２上には
ドライスーツのみが捕集され、ＳＯＦはフィルタ５２を
通過することとなって、排気ガス中の微粒子は、ドライ
スーツとＳＯＦ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
ルタにより捕集することが可能であり、第１図に示す実
施例においては、このために冷却パイプ４５が設けられ
る。

次にフィルタ上に捕集されたドライスーツ及びＳＯＦの
堆積重量と、フィルタ前後の差圧との関係について説明
する。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
推定出来るが、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り排出されるド
ライスーツ及びＳＯＦも運転条件のちがいにより性状が
変化することが考えられる。第４図及び第５図は実験的
に求めたドライスーツ及びＳＯＦの捕集量と、フィルタ
における圧力損失ΔＰの関係を示すグラフである。図中
ＡとＡ゛。

Ｂ、！：Ｂ”、ＣとＣ′は各々エンジン運転条件が１０
００回転低負荷、２０００回転中負荷、３０００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図より明らかなように
、捕集フィルタの圧力損失ΔＰはドライスーツ及びＳＯ
Ｆの捕集量と非常に良い比例関係に有り、エンジンの運
転条件にはあまり左右されないことが判る。

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２０１
／分である。

以上述べたフィルタの圧力損失特性を利用して、目的と
するモード走行中のドライスーツ及びＳＯＦの排出状況
、すなわち刻々変化する単位時間当りのドライスーツ及
びＳＯＦの排出量を知るには次のようにすれば良い。単
位時間に排出されるドライスーツあるいはＳＯＦ微粒子
の重量をＷ′とするならば、Ｗ′は次式（２）で表わさ
れる。

Ｗ”＝ｍＸ（口＋ｑ）・・・（２）ここでＷ′；単位時
間当りの微粒子排 出量（ｍｇ／秒　等） ｍ　：サンプリングガス単位体 積中の微粒子重量 （ｍｇ／ｒｒｒ　　等） Ｑ　：希釈混合ガスブロアー流 量（ｎ（／秒　等） ｑ　；サンプリングガス流量 （ｒ／／秒　等） 上式（２）に含まれる重量のうち、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
では求め得なかったが、前述したフィルタ１４　、３４
の圧力損失特性を考慮すると、次の様にして求めること
ができる。フィルタ１４　、３４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ｄ
ｔ間のフィルタの圧力損失増加量ｄ（ΔＰ）は、 ｄ（ΔＰ）　＝に−ｍ−ｑ　−ｄ　ｔ−ｑ−（３）ΔＰ
；圧力損失（ｋｇ／ｎｆ等） に；フィルタ径その他により定 まる定数 ｍ−ｑ−ｄｔ　ｓ　ｄｔ間にフィルタに捕集される微粒
子の重量 （ｍｇ　　等） と表わされる。（３）式よりｍは下式（４）で求められ
る。

Ｋ；フィルタ径等により定まる定数 （４）式によりサンプリングガス単位体積中の微粒子の
重量ｍを求めることにより、モード走行中の時々刻々の
微粒子排出量を前述した（２）式によって求めることが
できる。なお（２）式に含まれる希釈混合ガスのブロア
ー流量Ｑ及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良い。

以上まとめて述べるならば、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１４　、３４の圧力損失の時間微分値を求める
ことにより、サンプリングガス単位体積中のドライスー
ツ及びＳＯＦ重量を知ることが出来、結局モード走行中
のドライスーツ及びＳＯＦの排出量を知ることが出来る
。

次に上記実施例の作動について説明する。

まず、モード走行開始とともにバルブ１２　、３２が開
放し、希釈混合ガスは第１および第２サンプリングパイ
プ１０　、３０へ吸引され、コイルヒータ１３゜２２　
、３３　、４２により２００℃以上の一定温度に加熱さ
れる。加熱されたガスは、第１フィルタ１４および補助
フィルタ４４を通り、これによりこれらのフィルタ１４
　、４４にはドライスーツが捕集される。

一方、ＳＯＦはフィルタ１４　、４４を通過するが、第
１フィルタ１４を通ったＳＯＦはサンプリングポンプ１
１内の図示しないフィルタにより捕集され、補助フィル
タ４４を通ったＳＯＦは冷却パイプ４５を通過した後第
２フィルタ３４により捕集される。

第１および第２フィルタ１４　、３４のそれぞれの前後
差圧は、第１および第２差圧変換器１８　、３８により
求められ、その信号はそれぞれ第１および第２演算器１
９．３９に入力される。これらの演算器１９゜３９には
さらに、温度検出器１５　、３５の信号と、サンプリン
グポンプ１１　、３１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１４　、３４の
前の温度を演算器１９　、３９にそれぞれ入力するのは
、ガス温度の上昇によりガスの体積及び粘度が大きくな
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ある。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となり、このΔＰを上記差圧変換器１８
　、３８により求められた差圧から引いて温度修正を行
なう、ただしＴは絶対温度、ａ、ｂはサンプリング流量
及びフィルタの種類によって決まる定数である。

第１および第２演算器１９　、３９は、以上のような信
号を受取り、上述した計算式に基いてサンプリングガス
の単位体積中のドライスーツ及びＳＯＦの重量を求め、
これを読取ることにより車両走行中のドライスーツ及び
ＳＯＦの排出量をリアルタイムで知ることができる。

さて、コイルヒータ１３　、３３はサンプリングガスを
それぞれ最終加熱温度の６０〜８０％まで加熱し、サン
プリングガスはコイルヒータ２２　、４２によりそれぞ
れ最終加熱温度まで加熱される。上述のように、コイル
ヒータ１３　、３３は常時一定の電力を供給されて一定
量だけ発熱するが、コイルヒータ２２゜４２はＰＩＤ温
調器２１　、４２が温度検出器１５　、３５の検出温度
に基いてフィードバックの制御することにより発熱量を
調節される。ところで、コイルヒータ１３　、３３を設
けず、コイルヒータ２２　、４２、温度検出器１５　、
４３、ＰＩＤ温調器２１　、４１によりサンプリングガ
スを一定温度まで加熱することも可能である。しかし、
モード走行中にはサンプリングパイプ１０　、３０内の
温度が約±５℃変動し、しかもその変動が急激に起こる
ものであるためにＰＩＤ温調器２１　、４１では充分制
御できないこと、また仮に制御できたとしても温度変化
の微分値が非常に太きいために微粒子の堆積量の測定誤
差が大きくなること等の理由により、本実施例では一定
電力で発熱するコイルヒータ１３　、３３をＰＩＤ温調
器２１　、４１により制御されるコイルヒータ２２　、
４２の上流側に設けている。

サンプリングガスが一定電力で発熱するコイルヒータ１
３　、３３を通って流出することにより温度変動を減少
させるのは次の理由による。

コイルヒータの加熱温度をθＷ１流入ガスのコイルヒー
タ入口温度をθｇｌｓ流入ガスのコイルヒータ出口温度
をθｇｏ、コイルヒータからガスヘノ熱伝達率をα、ガ
スの熱容量をＣとするとθｇＯは次式のように書ける。

θｇｏ”θｇｉ　（１−ａ／Ｃ）＋ａ／Ｃ，θ−・（５
）（５）式より、流入ガスのコイルヒータ入口温度がΔ
θｇｉだけ変化した場合のコイルヒータ出口温度の変化
分Δθｇｏを算出すると Δθｇｏ＝Δθｇｉ・　（１−α／Ｃ）　　　　　　・
・・（６）となる一方、流入ガスのコイルヒータ出口温
度θｇｏがコイルヒータ温度を越えないという条件、つ
まりθｇｏ＜θ−の条件から、 ０く１−α／Ｃ〈１となるため１Δθｇｏｌ＜１Δθｇ
ｉｌとなり、この式は一定電力で加熱されたコイルヒー
タを通ると温度変動が減少することを示している。例え
ば０ｗ　−２５０℃、θｇｉ＝５０℃、θｇｏ　＝　１
５０℃とすると、１−α／Ｃ−０，５となり温度変動が
半減することになる。（１−α／Ｃ）の値は流入ガスの
コイルヒータ出口温度が高くなれば小さくなり、すなわ
ち、この出口温度を高くすれば温度変動を抑えられるこ
とがわかる。流入ガスのコイルヒータ１３　、３３の入
口温度の変動が非常に大きいので、このコイルヒータ１
３　、３３においてガスが最終加熱温度の６０〜８０％
程度まで加熱されるようにコイルヒータ１３　、３３に
入力する電力を調整すればよい。

補助フィルタ４４のところに第１フィルタ１４および圧
力検出器１６　、１７を設ければ、１本のサンプリング
パイプによりドライスーツ及びＳＯＦを測定することが
可能である。しかし、補助フィルタ４４のところに、ド
ライスーツの堆積量に応じた差圧感度の高い小型の第１
フィルタ１４を設けると、冷却パイプ４５中の圧力が大
きく減少するため、流速が増大して第２フィルタ３４０
前後の差圧を増大させることとなる。この差圧の増大の
傾向はフィルタごとに２０〜３０％程度ばらつきがあり
、演算器１９　、３９により充分修正することはできな
い。よって上記実施例のように、サンプリングパイプを
２本設けて、ドライスーツとＳＯＦとを別々に測定する
よう構成したのである。なお、フィルタ径をＸ倍にする
と、堆積量当りの差圧感度は１／ｘ４に低下する。

上記実施例ではコイルヒータ１３　、３３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、
あるい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てもよい。

さらに、第６図に示されるように、補助フィルタ４４の
上流側のパイプをこのフィルタ４４の外径と略同じに成
形し、このパイプの中に径の大きいコイルヒータ４２を
設けてもよい。

発明の効果 以上のように本発明によれば、排気ガス中のドライスー
ツ及びＳＯＦをリアルタイムで測定することが可能にな
り、しかもその測定を常に正確に行なうことができると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示し、一部を断面とした系
統図、第２図はフィルタ上の捕集物とフィルタ前の温度
との関係を求めるための実験装置を示す断面図、第３図
はフィルタ上の捕集物とフィルタ前温度との関係を示す
グラフ、第４図はドライスーツ捕集量とフィルタ圧力損
失との関係を示すグラフ、第５図はＳＯＦ捕集量とフィ
ルタ圧力損失との関係を示すグラフ、第６図は補助フィ
ルタの上流側のパイプとコイルヒータの他の実施例を示
す断面図である。 ５・・・希釈トンネル、 １０・・・第１サンプリングパイプ、 １１・・・第１サンプリングポンプ、 １３・・・コイルヒータ（第１加熱手段）、１４・・・
第１フィルタ、　１８・・・第１差圧変換器、２２・・
・コイルヒータ（第２加熱手段）、３０・・・第２サン
プリングパイプ、 ３１・・・第２サンプリングポンプ、 ３３・・・コイルヒータ（第３加熱手段）、３４・・・
第２フィルタ、　３８・・・第２差圧変換器、４２・・
・コイルヒータ（第４加熱手段）、４４・・・補助フィ
ルタ。 第３図 加 熱　　５００Ｃ１００＠Ｃ１５（ｆＣ２００°’Ｃ２５
σＣな し　　　　フィルタ前温度 第４図 ドライスーツ捕集量　　“つ 第５図 ５０、捕集量　°・■

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、内燃機関の排気ガスを希釈トンネル内において多量
   の清浄空気で希釈混合した後この希釈混合ガスを第１お
   よび第２検知手段に導き、第１検知手段が排気ガス中の
   ドライスーツ量を検出し、第２検知手段が排気ガス中の
   可溶性有機物を検出する車輌用微粒子排出量測定装置で
   あって、上記第１検知手段は、希釈混合ガスの一部を上
   記希釈トンネルから取出すための第１サンプリングパイ
   プと、この第１サンプリングパイプ内に希釈混合ガスを
   流動させる第１サンプリングポンプと、上記第１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フィルタと、この第１フィルタよりも上記第１サ
   ンプリングパイプの上流側に設けられ、一定の発熱量を
   有する第１加熱手段と、この第１加熱手段の下流側に設
   けられ、希釈混合ガスを最終加熱温度まで加熱する第２
   加熱手段と、上記第１フィルタの前後の圧力差を検出す
   る第１差圧変換器と、該圧力差の信号の時間微分値に基
   いて排気ガス中のドライスーツ量を演算する第１演算装
   置とを備え、上記第２検知手段は、希釈混合ガスの一部
   を上記希釈トンネルから取出すための第２サンプリング
   パイプと、この第２サンプリングパイプ内に希釈混合ガ
   スを流動させる第２サンプリングポンプと、上記第２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
   集する比較的大型の補助フィルタと、この補助フィルタ
   よりも上記第２サンプリングパイプの上流に設けられ、
   一定の発熱量を有する第３加熱手段と、この第３加熱手
   段の下流側に設けられ、希釈混合ガスを最終加熱温度ま
   で加熱する第４加熱手段と、上記補助フィルタの下流側
   に設けられて可溶性有機物を捕集する第２フィルタと、
   この第２フィルタの前後の圧力差を検出する第２差圧変
   換器と、該圧力差の信号の時間微分値に基いて排出ガス
   中の可溶性有機物量を演算する第２演算装置とを備える
   ことを特徴とする車輌用微粒子排出量測定装置。