WO2010007965A1 - 粒子状物質測定装置 - Google Patents

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中村　博司
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株式会社堀場製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a particulate matter measuring device for measuring the mass of particulate matter contained in engine exhaust gas.
  • the filter mass method is well known as a method for measuring the mass of particulate matter (PM: Particulate Matters, also referred to as PM in this specification), which is one of the emissions from the engine. .
  • the filter mass method is a method in which a collection filter is placed on the engine exhaust gas flow path to collect PM, and the mass of the collected PM is measured with a balance or the like. In the non-existing PM, the mass can be directly measured, so the reliability and accuracy of measurement can be expected. Therefore, among the measuring devices using this filter mass method, constant volume sampling devices (CVS: Constant Volume Sampler) that perform analysis by diluting the total amount of engine exhaust gas are standard in current exhaust gas tests. It is used.
  • CVS Constant Volume Sampler
  • the filter mass method is a batch-type measurement method in which only the accumulated mass of PM discharged during a certain period is known, the PM mass can be measured every moment depending on the dynamic operating conditions. You can't know if it's changing.
  • FID Fluorescence Detector
  • ELPI Electro Low Pressure Impactor
  • SMPS Sccanning Mobility Particulate Sizer
  • DCS Choission, etc.
  • FID measures the number of carbon atoms in a sample gas
  • ELPI and SMPS are devices that count the number of particles
  • DCS is a device that charges the surface of particles and measures the amount of charge.
  • a correlation between the measurement results of the filter mass method in each operating state of the engine and the ELPI method is taken in advance, and this correlation is applied to the above-described measurement results of ELPI etc. when traveling on the road. It is conceivable to calculate as a change.
  • this correlation is a correlation when each operating state of the engine is kept in a constant static state, this correlation is immediately applied to the actual PM mass dynamics when driving on the road where dynamic driving is performed. It is somewhat impossible to estimate it as a change.
  • the present invention has been made in view of such problems, and continuously measures a change in PM mass contained in exhaust gas under dynamic driving conditions such as running on a road with a simple configuration. This is the main intended issue.
  • the particulate matter measuring device has the following configuration.
  • a diluter that is connected to an exhaust pipe of an automobile and connected to a diluent gas inlet, and mixes and dilutes engine exhaust gas with diluent gas.
  • Value measuring means A collection filter that allows the remainder of the diluted exhaust gas to pass therethrough and collects particulate matter contained therein.
  • Dilution gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the dilution gas introduced into the diluter.
  • Filter passing flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the diluted exhaust gas passing through the collection filter.
  • Flow rate measuring means for measuring the flow rate of the diluted exhaust gas introduced into the mass related value measuring means.
  • the flow rate of the diluted exhaust gas passing through the collection filter is controlled to be constant by controlling the filter passing flow rate adjusting unit, and the diluted gas flow rate adjusting unit is controlled to be introduced into the mass related value measuring unit.
  • a control unit that secures the required flow rate of diluted exhaust gas.
  • Mass-related that is time-series change data of mass measurement values of particulate matter collected over a predetermined period during engine operation by the collection filter and mass-related values measured by the mass-related value measurement unit
  • An information processing unit that calculates a correlation between the value measurement data and a time integral value over the predetermined period, and converts the mass-related value measurement data into time-series change data of the mass of the particulate matter based on the correlation.
  • the time-sequential continuous mass-related value measurement data indirectly indicating the PM mass, measured during engine operation is directly obtained from the PM collection filter discharged during the operation. Because it is calibrated and converted into continuous time-series data of PM mass based on the correlation with the collected amount, it is completely different from the conventional dynamic driving such as driving on the road. Unlike the case of using a fixed correlation obtained under various conditions, it is possible to obtain highly reliable continuous time series data of PM mass.
  • the flow rate of the diluted exhaust gas mixed with the exhaust gas is controlled by increasing / decreasing the flow rate of the dilution air, so that the flow rate through the collection filter is always constant and the sample is measured by the mass-related value measuring means. Since the required flow rate is ensured, measurement errors and the like due to insufficient flow rate can be suitably avoided.
  • the particulate matter measuring device is characterized by having the following configuration.
  • a diluter that is connected to an exhaust pipe of an automobile and connected to a diluent gas inlet, and mixes and dilutes engine exhaust gas with diluent gas.
  • a collection filter that allows the remainder of the diluted exhaust gas to pass therethrough and collects particulate matter contained therein.
  • Dilution gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the dilution gas introduced into the diluter.
  • Filter passing flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the diluted exhaust gas passing through the collection filter.
  • Flow rate measuring means for measuring the flow rate of the diluted exhaust gas introduced into the mass related value measuring means.
  • the flow rate adjusting means for controlling the filter passing flow is controlled, and the flow rate of the diluted exhaust gas introduced into the mass related value measuring means and the collection filter The control part which keeps the total flow rate with the flow rate of the diluted exhaust gas which passes through a constant value.
  • Mass-related that is time-series change data of the mass-measured value of the particulate matter collected over a predetermined period during engine operation by the collection filter and the mass-related value measured by the mass-related value measuring unit.
  • An information processing unit that calculates a correlation between the value measurement data and a time integral value over the predetermined period, and converts the mass-related value measurement data into time-series change data of the mass of the particulate matter based on the correlation.
  • the particulate matter measuring device can be mounted on a vehicle that actually travels on the road, and the particulate matter in the exhaust gas during traveling of the vehicle in which the engine is dynamically operated. It can be measured. If it is such a thing, the effect mentioned above will become especially remarkable.
  • the collected PM is burned by heating the collection filter, and the mass of the PM is measured from the components of the combustion gas.
  • the physical properties that indirectly suggest the mass of the particulate matter are the surface area, number, and particle size distribution of the particulate matter.
  • the invention according to each claim of the present application described above includes continuous time series data indirectly indicating the PM mass measured while the engine is operated, and a direct measurement result of the total PM mass discharged during the operation. Is obtained each time, and based on the correlation, continuous time-series data of PM mass is calculated.
  • the flow rate of the collecting filter is always made constant by controlling the flow rate of the diluted exhaust gas mixed with the exhaust gas by increasing or decreasing the flow rate of the dilution air.
  • the necessary flow rate sampled by the mass-related value measuring means is ensured, an effect that measurement errors due to insufficient flow rate can be suitably avoided can also be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic overall view showing a particulate matter measuring device according to an embodiment of the present invention. It is the schematic which shows the simplified internal structure of the mass related value measurement part in the embodiment. It is a functional block diagram which shows the function of the computer in the embodiment. It is a flowchart which shows a part of operation
  • FIG. 1 shows an overall outline of a particulate matter measuring apparatus 100 according to the present embodiment.
  • This particulate matter measuring device 100 is loaded on an automobile and measures the mass concentration of PM contained in exhaust gas discharged from an engine which is an internal combustion engine while traveling on the road.
  • reference numeral E is an exhaust pipe of an automobile
  • reference numeral 1 is a mixer that generates diluted exhaust gas by mixing exhaust gas and air as dilution gas.
  • an exhaust gas introduction pipe L1 connected to the exhaust pipe E to introduce a part of exhaust gas
  • an air introduction pipe L2 having one end opened to the atmosphere as a dilution gas introduction port Ia. It is.
  • a dilution gas flow rate adjusting means 2 and a dilution gas flow meter 3 are provided in series in the middle of the air introduction pipe L2.
  • the dilution gas flow rate adjusting means 2 includes a piezo valve 21 and a critical flow rate orifice 22 arranged in parallel.
  • the air flow rate flowing through the air introduction pipe L2 is determined by a constant dilution method or a proportional dilution method according to a command signal from the computer 8 described later. It can be controlled with.
  • the dilution gas flow meter 3 is, for example, a venturi flow meter.
  • the diluted exhaust gas mixed with air in the mixer 1 passes through a cyclone 4 for removing dust, and a part thereof is guided to the mass-related value measuring means 5 and the rest. Is piped so as to be guided to the collection filter 6.
  • the mass related value measuring means 5 continuously measures the physical property indirectly suggesting the mass of the particulate matter, and outputs the mass related value data which is the time series change data.
  • the simplified internal structure is composed of a soluble organic solvent (SOF: Soluble Organic Fraction, mainly hydrocarbon) and soot considered to be the main component of PM,
  • SOF Soluble Organic Fraction, mainly hydrocarbon
  • soot considered to be the main component of PM
  • two flame ionization detectors 511 are provided in parallel in the SOF measurement system 51, and the diluted exhaust gas introduced into the SOF measurement system 51 is supplied to each flame ionization detector 511. It is configured to be guided in a diversion.
  • reference numeral Pa denotes a suction pump
  • reference numeral 512 denotes a removal filter.
  • the pipes leading to the hydrogen flame ionization detector 511 are kept at a high temperature (about 191 ° C.) by a temperature controller (not shown), so that hydrocarbon (SOF) contained in the diluted exhaust gas is contained. It is configured to be guided as it is without being solidified or liquefied.
  • the other hydrogen flame ionization detector 511 is a hydrocarbon (SOF) that is liquefied or solidified at a low temperature by keeping the piping leading to that temperature at a low temperature (47 ° C. ⁇ 5 ° C.) with a temperature controller (not shown). ) Is removed by the removal filter 512 and is not guided.
  • the hydrogen flame ionization detector 511 detects the ion current after ionizing hydrocarbons contained in the introduced diluted exhaust gas, and outputs the ion current continuously and in real time.
  • the value of the detection signal is SOF. Since there is a predetermined correlation with the mass, the SOF mass can be estimated and calculated based on the value of this detection signal.
  • the computer described later calculates the SOF mass from the detection signal value of each flame ionization detector 511 based on the correlation. After estimating and calculating and dividing by the flow rate and the dilution ratio, the difference is taken and the SOF mass contained in the unit flow rate of the exhaust gas is estimated and calculated.
  • a DC sensor 521 and a suction pump Pb are provided in series, and a pipe extending to the DC sensor 521 is connected to a predetermined temperature by a temperature controller (not shown). (About 191 ° C.). This is because SOF or the like (especially SOF adhering to the soot) contained in the diluted exhaust gas is volatilized and only soot is introduced into the DC sensor 521.
  • the DC sensor 521 measures the surface area of the soot continuously and in real time using the diffusion charge method, and gives a charge proportional to the surface area to the soot contained in the diluted exhaust gas by corona discharge. It detects and outputs the amount of current due to.
  • the value of the detection signal represents the surface area of the soot because the charge amount is proportional to the surface area of the soot. Since there is a predetermined correlation between the soot surface area and the soot mass, the soot mass can be estimated and calculated from the value of this detection signal.
  • the computer 8 described later estimates the soot mass from the detection signal value of the DC sensor 521 based on the correlation, and the flow rate and the dilution ratio.
  • the soot mass contained in the unit flow rate of the exhaust gas is estimated and calculated.
  • the collection filter 61 is a known filter that is defined by the regulation (measurement standard) of exhaust gas measurement.
  • a balance method may be used as in the past.
  • a filter combustion method in which a high correlation with the balance method is established is used.
  • the filter combustion method is a method of heating the filter 61 to burn only the collected PM and measuring the component and amount of the combustion gas.
  • reference numeral 62 provided in parallel with the collection filter 61 is a bypass flow path 62 for ensuring the circulation of the diluted exhaust gas when the diluted exhaust gas does not flow through the collection filter 61.
  • the open / close valve 61a on the collection filter 61 side is closed and the open / close valve 61b on the bypass flow path 62 side is opened.
  • the opening / closing valve 61a on the collection filter 61 side is opened, and the opening / closing valve 61b on the bypass flow path 62 side is closed.
  • the flow rate of the diluted exhaust gas passing through the collection filter 61 can be adjusted by the filter passage flow rate adjusting means 7 provided downstream of the collection filter 61.
  • the filter passage flow rate adjusting means 7 includes a venturi flow meter 71 arranged in series downstream of the collection filter 61, a suction pump 72 and a mass flow provided downstream of the venturi flow meter 71.
  • the controller 73 is configured such that the back pressure of the venturi flow meter 71 is adjusted by adjusting the flow rate of the mass flow controller 73 and the flow rate of the diluted exhaust gas flowing through the venturi flow meter 71 can be adjusted. is there.
  • a general purpose or dedicated computer 8 having a CPU, a memory, an input / output interface, and the like is provided.
  • This computer functions as a control unit 81, an information processing unit 82, and the like as shown in FIG. 3 by operating a CPU and peripheral devices based on a predetermined program stored in the memory.
  • the particulate matter measuring device 100 having such a configuration is mounted on an automobile as described above, and is operated while the vehicle is actually running on a road or the like. A detailed description will be given below in conjunction with the function description of the processing unit 82.
  • the control unit 81 first issues a command signal to the mass flow controller 73 in the filter passage flow rate adjusting means 7 to control the passage flow rate, thereby controlling the back pressure of the venturi flow meter 71, and the dilution passing through the collection filter 61.
  • the flow rate of the exhaust gas (hereinafter also referred to as filter flow rate) is maintained at a constant value determined by regulation (step S1 in FIG. 4).
  • control unit 81 is provided in the flow rate signal from a flow meter (not shown) attached to the exhaust pipe E of the engine, the flow rate signal from the venturi flow meter 3 for measuring the air introduction flow rate, and the mass related value measuring means 5.
  • a flow rate signal from a flow meter (not shown) is received, and a total exhaust gas flow rate indicated by each flow rate signal, a flow rate of introduction of dilution air (hereinafter also referred to as an air flow rate), and a dilution discharge introduced into the mass related value measuring means 5
  • Data relating to the gas flow rate (hereinafter also referred to as sensor flow rate) is stored in the data storage unit 83 set in the memory (step S2 in FIG. 4).
  • control unit 81 is more specific to the dilution gas flow rate adjusting means 2 so that the total flow rate of the diluted exhaust gas becomes the total flow rate of the collection filter passage flow rate and the sensor flow rate. Specifically, a control signal is output to the piezo valve 21, and the air introduction flow rate is controlled to be constant dilution control or proportional dilution control (step S3 in FIG. 4).
  • the constant dilution control is to control the air introduction flow rate so that the ratio of the flow rate of the exhaust gas divided from the exhaust pipe E and the air introduction flow rate is constant, that is, the dilution ratio is constant.
  • the proportional dilution control is to control the air introduction flow rate so that the exhaust gas is introduced at a constant flow rate ratio with respect to the total flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust pipe E.
  • the information processing unit 82 uses the filter combustion method to calculate the mass of PM collected by the collection filter 61 over a predetermined period during engine operation.
  • the measured measurement data (hereinafter also referred to as mass actual measurement data) is received automatically, for example, after operation or by operator input. This mass measurement data indicates the total PM mass over the filter collection period during engine operation.
  • the information processing unit 82 successively outputs the mass-related value measurement data output from the mass-related value measuring unit 5, that is, the values of the detection signals from the SOF measurement system 51 and the soot measurement system 52 in a minute sampling time. Get continuously. Then, as described above, the SOF mass and the soot mass per unit flow rate of the exhaust gas are calculated from the detection signal values at each sampling, and these are added together, and then further added to the collection filter 61 at the sampling time. A process of multiplying the flow rate of the introduced exhaust gas is performed.
  • the mass-related value measurement data subjected to this processing is time-series change data of the mass-related value.
  • the information processing unit 82 calculates the correlation between the PM mass value indicated by the mass actual measurement data and the time integral value over the filter collection period of the mass related value measurement data.
  • the correlation is, for example, the ratio between the value of the mass related value measurement data and the time integral value of the mass related value measurement data.
  • the information processing unit 82 converts the mass-related value measurement data into time-series change data of PM mass or PM concentration contained in the exhaust gas based on the correlation, and displays the display etc. Output to.
  • this time-series change data of the PM mass is obtained by correlating the mass-related value measurement data continuously measured in real time with the actual measurement mass of the PM directly measured by using the filter mass method or the like during the traveling. Because it is calculated based on the correlation calculated for each driving, it is a static that is completely different from dynamic driving such as driving on the road as in the past. Unlike using a fixed correlation determined under conditions, it is very reliable.
  • the flow rate of the diluted exhaust gas mixed with the exhaust gas is controlled by increasing / decreasing the flow rate of dilution air, so that the flow rate through the collection filter 61 is always constant and the mass-related Since the required flow rate sampled by the value measuring means 5 is ensured to be constant, measurement errors due to insufficient flow rate can be suitably avoided. Further, in this embodiment, since the flow rate of the collection filter 61 is a constant flow rate determined by regulation, there is no need to correct the PM collection amount in the collection filter 61, and high-precision measurement is possible. It becomes.
  • the hardware configuration is the same as that of the first embodiment, but the software configuration, that is, the operation of the computer is different. Therefore, the difference will be mainly described.
  • the controller 81 of the computer 8 in this embodiment measures the sensor flow rate and the like as in the first embodiment (step S11 in FIG. 6).
  • the flow rate of the diluted exhaust gas introduced into the mass related value measuring means 5 by controlling the mass flow controller 73 of the filter passage flow rate adjusting means 7 and the flow rate of the diluted exhaust gas passing through the collection filter 61 (collection filter).
  • the total flow rate (through flow rate) is always kept constant. That is, since the flow rate of the diluted exhaust gas (sensor flow rate) introduced into the mass-related value measuring means 5 fluctuates due to a pressure change or the like, the control unit 81 obtains the measurement value of the sensor flow rate while acquiring the measured value of the sensor flow rate.
  • a command signal is output to 73, the flow rate through the collection filter is adjusted so as to fill the fluctuation, and the total flow rate is controlled to be constant (step S12 in FIG. 6).
  • control unit 81 drives the piezo valve 21 of the dilution gas flow rate adjusting means 2 to control the air introduction flow rate introduced into the diluter 1 by the above-described constant dilution control or proportional dilution control (step S13 in FIG. 6). .
  • the PM concentration (mass) of the exhaust gas emitted from the vehicle running on the road can be detected in substantially real time as in the first embodiment.
  • the flow rate of the diluted exhaust gas (the sum of the flow rate through the collection filter and the sensor flow rate) is always kept constant without fluctuation as in the first embodiment. It is possible to obtain an effect that the constant dilution control or the proportional dilution control according to the above can be easily and accurately performed.
  • the predetermined period to be measured may be the entire operation period from the start of travel to the end of travel, or may be a part thereof.
  • mass-related value measuring means not only the above-described DC sensor and flame ionization detector (FID) but also, for example, ELPI or SMPS may be used, and the flow rate may be controlled by a constant capacity pump instead of a venturi. .
  • FID flame ionization detector
  • ELPI flame ionization detector

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Abstract

　路上走行等、ダイナミックな運転状況下での排出ガス中に含まれるＰＭ質量の変化を簡単な構成で連続的に測定する粒子状物質測定装置である。この装置は、エンジン運転中の排出ガスを希釈して分流し、一方の排出ガスに含まれる粒子状物質は捕集フィルタ６１で捕集して質量を測定し、残りは質量関連値測定手段５で測定してその排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する物性を時系列変化データとして連続的に測定するようにしておく。そして、各測定データの相関から粒子状物質の質量の時系列変化データを求める。この構成において、排出ガスを希釈するための希釈ガスの流量を調整して前記捕集フィルタ６１を通過する希釈排出ガスの流量と、質量関連値測定手段５に導入される希釈排出ガスの流量を確保するようにした。

Description

粒子状物質測定装置
　本発明は、エンジンの排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を測定する粒子状物質測定装置等に関するものである。
　エンジンからの排出物質の１つである粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｍａｔｔｅｒｓと称されることもある。本明細書では、以下ＰＭとも言う。）の質量測定方法としてはフィルタ質量法が周知である。フィルタ質量法は、エンジン排出ガスの流路上に捕集フィルタを配置してＰＭを捕集し、その捕集したＰＭの質量を天秤などで測る方法であり、物性の特定できる標準物質が事実上存在しないＰＭにおいて、その質量を直接測定できることから、測定の確実性、正確性を期待できる。そのため、このフィルタ質量法を用いた測定装置のうち、エンジンの排出ガスの全量を希釈して分析を行う定容量サンプリング装置（ＣＶＳ：Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｖｏｌｕｍｅ　Ｓａｍｐｌｅｒ）などが、現在の排出ガス試験で標準的に用いられている。
　一方、近時では、エンジン性能の更なる向上や環境問題を鑑みて、路上等でのダイナミックな走行中でのＰＭ排出量の時系列変化を測定したいという要請がある。しかしながら、前記フィルタ質量法は、一定期間の間に排出されたＰＭの積算質量のみがわかる、いわばバッチ式の測定方法であるため、ＰＭ質量が刻一刻、ダイナミックな運転状況に応じてどのように変化しているのかを知ることはできない。
　そこで、フィルタ質量法に代わる代替手段として、リアルタイムでＰＭを連続測定可能な、ＦＩＤ（Ｆｌａｍｅ　Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、ＥＬＰＩ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｉｍｐａｃｔｏｒ）、ＳＭＰＳ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｐａｒｔｉｃｌｅ　Ｓｉｚｅｒ）、ＤＣＳ（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　Ｃｈａｒｇｅｒ　Ｓｅｎｓｏｒ）などが提案・開発されてきている（特許文献１）。ＦＩＤは、サンプルガス中の炭素原子数を測定するもので、ＥＬＰＩ、ＳＭＰＳは、粒子数を計数する装置である。またＤＣＳは、粒子の表面を荷電させてその荷電量を測定する装置である。
　このような装置であれば、路上走行での計測も可能であるが、上述のとおり、これらは炭素原子数やＰＭ数、あるいはＰＭの表面積を測定するものであって、ＰＭの質量を直接的に測定するものではない。したがって、これらによる測定結果からＰＭ質量を求めようとすると、等しい条件で行った前記捕集フィルタ測定法による測定結果との相関をとり、その相関に基づいてＰＭ質量を計算する必要がある。
　そこで、例えば前もってエンジンの各運転状態でのフィルタ質量法と前記ＥＬＰＩ法等とによる測定結果の相関をとっておき、路上走行での上述したＥＬＰＩ等による測定結果に、この相関をあてはめ、ＰＭ質量の動的変化として算出することが考えられる。
　しかし、この相関はあくまでエンジンの各運転状態を一定な静的状態に保ったときの相関であるため、ダイナミックな運転がなされる路上走行において、この相関を直ちにあてはめ、実際のＰＭ質量の動的変化と推定するにはやや無理がある。
特開２００６－５０６６４０号公報
　本発明は、かかる課題に鑑みて行われたものであって、路上走行等、ダイナミックな運転状況下での排出ガス中に含まれるＰＭ質量の変化を簡単な構成で連続的に測定することをその主たる所期課題としたものである。
　すなわち、請求項１記載の発明に係る粒子状物質測定装置は、以下の構成を備えていることを特徴とする。
（１）自動車の排気管に接続されるとともに希釈ガス導入口に接続され、エンジンの排出ガスを希釈ガスと混合して希釈する希釈器。
（２）前記希釈器で希釈された希釈排出ガスの一部が導入されて、その希釈排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する質量関連値を連続的に測定する質量関連値測定手段。
（３）前記希釈排出ガスの残りを通過させて、そこに含まれる粒子状物質を捕集する捕集フィルタ。
（４）前記希釈器に導入される希釈ガスの流量を調整する希釈ガス流量調整手段。
（５）前記捕集フィルタを通過する希釈排出ガスの流量を調整するフィルタ通過流量調整手段。
（６）前記質量関連値測定手段に導入される希釈排出ガスの流量を測定する流量測定手段。
（７）前記フィルタ通過流量調整手段を制御して前記捕集フィルタを通過する希釈排出ガスの流量を一定値に保つとともに、前記希釈ガス流量調整手段を制御して質量関連値測定手段に導入される希釈排出ガスの必要流量を確保する制御部。
（８）前記捕集フィルタでエンジン運転中の所定期間に亘って捕集した粒子状物質の質量測定値と、前記質量関連値測定手段で測定した質量関連値の時系列変化データである質量関連値測定データの前記所定期間に亘る時間積分値との相関を算定し、その相関に基づいて、前記質量関連値測定データを粒子状物質の質量の時系列変化データに変換する情報処理部。
　このようなものであれば、エンジン運転中に測定された、ＰＭ質量を間接的に示す時系列的に連続な質量関連値測定データを、その運転中において排出されたＰＭの捕集フィルタによる直接的な捕集量との相関に基づいて、キャリブレーションし、ＰＭ質量の連続的時系列データに変換しているので、従来のように、路上走行などの動的な運転とは全く異なる静的な条件下で求めた固定された相関を用いる場合とは全く異なって、非常に信頼性の高いＰＭ質量の連続的時系列データを得ることができる。
　また、ハードウェアとしては、従来の捕集フィルタによるＰＭ採取機構における希釈排出ガスの配管に、質量関連値測定手段を追加するだけであり、その他の、例えば別途エアーを導入する機構などは不要であるため、非常に簡単に実現できる。
　さらに、希釈用のエアー流量を増減させて、排出ガスと混合させた希釈排出ガスの流量を制御することによって、常に、捕集フィルタの通過流量を一定にするとともに、質量関連値測定手段でサンプルされる必要流量を確保するようにしているので、流量不足による測定誤差等を好適に回避できる。
　また、請求項２記載の発明に係る粒子状物質測定装置は、以下の構成を具備していることを特徴とする。
（１）自動車の排気管に接続されるとともに希釈ガス導入口に接続され、エンジンの排出ガスを希釈ガスと混合して希釈する希釈器。
（２）前記希釈器で希釈された希釈排出ガスの一部が導入されて、その希釈排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する質量関連値を連続的に測定する質量関連値測定手段。
（３）前記希釈排出ガスの残りを通過させて、そこに含まれる粒子状物質を捕集する捕集フィルタ。
（４）前記希釈器に導入される希釈ガスの流量を調整する希釈ガス流量調整手段。
（５）前記捕集フィルタを通過する希釈排出ガスの流量を調整するフィルタ通過流量調整手段。
（６）前記質量関連値測定手段に導入される希釈排出ガスの流量を測定する流量測定手段。
（７）前記質量関連値測定手段に導入される希釈排出ガスの流量に基づいて、前記フィルタ通過流量調整手段を制御し、質量関連値測定手段に導入される希釈排出ガスの流量と捕集フィルタを通過する希釈排出ガスの流量との合計流量を一定値に保つ制御部。
（８）前記捕集フィルタでエンジン運転中の所定期間に亘って捕集した粒子状物質の質量測定値と、前記質量関連値測定手段で測定した質量関連値の時系列変化データである質量関連値測定データの前記所定期間に亘る時間積分値との相関を算定し、その相関に基づいて、前記質量関連値測定データを粒子状物質の質量の時系列変化データに変換する情報処理部。
　このようなものでも、請求項１に係る発明同様、信頼性の高いＰＭ質量の連続的時系列データを得ることができ、また非常に簡単に実現できると言う効果を奏し得る。
　請求項３記載の発明に係る粒子状物質測定装置は、路上を実走行する車両に搭載可能なものにしておき、エンジンが動的に運転されている車両走行中における排出ガス中の粒子状物質を測定できるように構成したものである。このようなものであれば、前述した効果が特に顕著となる。また車両搭載のためには、捕集したＰＭを捕集フィルタを加熱して燃焼させ、その燃焼ガスの成分から前記ＰＭの質量を測定する構成にしておけばなお良い。
　なお、粒子状物質の質量を間接的に示唆する物性とは、粒子状物質の表面積、数、粒子径分布などのことである。
　以上に説明した本願各請求項に係る発明は、エンジンを運転させながら測定した、ＰＭ質量を間接的に示す連続的時系列データと、その運転において排出された総ＰＭ質量の直接的な測定結果との相関を都度求め、その相関に基づいて、ＰＭ質量の連続的時系列データを算出するようにしている。
　したがって、従来のように、路上走行などの動的な運転とは全く異なる静的な条件下で求めた固定された相関を用いる場合とは全く異なって、非常に信頼性の高いＰＭ質量の連続的時系列データを得ることができる。
　また、ハードウェアとしては、従来の捕集フィルタによるＰＭ採取機構における希釈排出ガスの配管に、質量関連値測定手段を追加するだけであり、その他の、例えば別途エアーを導入する機構などは不要であるため、非常に簡単に実現できる。
　特に請求項１に係る発明によれば、希釈用のエアー流量を増減させて、排出ガスと混合させた希釈排出ガスの流量を制御することによって、常に、捕集フィルタの通過流量を一定にするとともに、質量関連値測定手段でサンプルされる必要流量を確保するようにしているので、流量不足による測定誤差等を好適に回避できるという効果も得られる。
本発明の一実施形態における粒子状物質測定装置を示す模式的概略全体図である。 同実施形態における質量関連値測定部の簡略化した内部構造を示す概略図である。 同実施形態におけるコンピュータの機能を示す機能ブロック図である。 同実施形態における制御部の動作の一部を示すフローチャートである。 同実施形態における粒子状物質測定方法の理解を助けるための説明図である。 本発明の第２実施形態における制御部の動作の一部を示すフローチャートである。
　以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
　図１に本実施形態に係る粒子状物質測定装置１００の全体概要を示す。この粒子状物質測定装置１００は、自動車に積載されて、路上走行中に内燃機関であるエンジンから排出される排出ガス中に含まれるＰＭの質量濃度を測定するものである。
　この図１において、符号Ｅは、自動車の排気管であり、符号１は、排出ガスと希釈ガスであるエアーとを混合して希釈排出ガスを生成する混合器である。この混合器１には、前記排気管Ｅに接続されて排出ガスの一部が導入される排出ガス導入管Ｌ１と、一端が希釈ガス導入口Ｉａとして大気開放されたエアー導入管Ｌ２とが接続してある。このエアー導入管Ｌ２の途中には、希釈ガス流量調整手段２及び希釈ガス流量計３が直列に設けてある。希釈ガス流量調整手段２は、ピエゾバルブ２１、臨界流量オリフィス２２を並列に並べたもので、当該エアー導入管Ｌ２を流れるエアー流量を、後述するコンピュータ８からの指令信号によって一定希釈法乃至比例希釈法で制御できるように構成してある。希釈ガス流量計３は、例えばベンチュリ流量計である。
　前記混合器１でエアーと混合されて希釈された希釈排出ガスは、図１に示すように、ダストを除去するためのサイクロン４を経て、一部は質量関連値測定手段５に導かれ、残りは捕集フィルタ６に導かれるように配管してある。
　質量関連値測定手段５は、粒子状物質の質量を間接的に示唆する物性を連続的に測定し、その時系列変化データである質量関連値データを出力するものである。具体的にこのものは、簡略化した内部構造を図２に示すように、ＰＭの主成分と考えられる可溶性有機溶媒（ＳＯＦ：Ｓｏｌｕｂｌｅ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｆｒａｃｔｉｏｎ、主として炭化水素である）及びすす（ｓｏｏｔ）を、それぞれ連続測定可能なＳＯＦ測定系５１とｓｏｏｔ測定系５２とを並列に接続してなるものである。
　ＳＯＦ測定系５１には、図２に示すように、２つの水素炎イオン化検出器５１１が並列に設けてあり、このＳＯＦ測定系５１に導入された希釈排出ガスが各水素炎イオン化検出器５１１に分流して導かれるように構成してある。なお、図中符号Ｐａは吸引ポンプ、符号５１２は除去フィルタである。
　しかして、一方の水素炎イオン化検出器５１１には、そこにまで至る配管を図示しない温調器などによって高温（約１９１℃）に保つことで、希釈排出ガスに含まれる炭化水素（ＳＯＦ）が固化若しくは液化することなく、そのまま導かれるように構成してある。また、他方の水素炎イオン化検出器５１１には、そこにまで至る配管を図示しない温調器などによって低温（４７℃±５℃）に保つことで、その低温で液化または固化する炭化水素（ＳＯＦ）は、除去フィルタ５１２で除去されて、導かれないように構成してある。
　なお、水素炎イオン化検出器５１１は、導入された希釈排出ガスに含まれる炭化水素をイオン化した後、そのイオン電流を検出し、連続的かつリアルタイムで出力するもので、その検出信号の値はＳＯＦ質量と所定の相関があることから、この検出信号の値に基づいてＳＯＦ質量を推定算出できる。
　ここでは、図示しない流量計によって各水素炎イオン化検出器５１１に導かれる流量を測定できることから、後述するコンピュータが、各水素炎イオン化検出器５１１の検出信号値から前記相関に基づいてＳＯＦ質量をそれぞれ推定算出し、流量及び希釈比率で除算した後、その差分をとって排出ガスの単位流量に含まれるＳＯＦ質量を推定算出するようにしている。
　ｓｏｏｔ測定系５２には、図２に示すように、ＤＣセンサ５２１及び吸引ポンプＰｂが直列に設けてあるとともに、前記ＤＣセンサ５２１に至るまでの配管が、図示しない温調器などにより、所定温度（約１９１℃）に保持してある。これは、希釈排出ガス中に含まれるＳＯＦなど（特にｓｏｏｔに付着しているＳＯＦ）を揮発させ、ＤＣセンサ５２１にｓｏｏｔのみを導入するためである。
　なお、ＤＣセンサ５２１は、拡散電荷法を利用してｓｏｏｔの表面積を連続かつリアルタイムで測定するもので、希釈排出ガスに含まれるｓｏｏｔに対してコロナ放電によって表面積に比例した電荷を与え、その電荷による電流量を検出して出力するものである。この検出信号の値は、電荷量がｓｏｏｔの表面積に比例することから、ｓｏｏｔの表面積を表すものとなる。ｓｏｏｔ表面積とｓｏｏｔ質量との間には所定の相関があることから、この検出信号の値からｓｏｏｔ質量を推定算出できる。
　ここでは、図示しない流量計によってＤＣセンサ５２１に導かれる流量を測定できるため、後述するコンピュータ８が、ＤＣセンサ５２１の検出信号値から前記相関に基づいてｓｏｏｔ質量を推定算出し、流量と希釈比率で除算することによって、排出ガスの単位流量に含まれるｓｏｏｔ質量を推定算出している。
　次に捕集フィルタ６１について説明する。この捕集フィルタ６１は、排出ガス測定のレギュレーション（測定基準）で定められている既知のものである。なお、捕集フィルタ６１に捕集されているＰＭの質量を計測するためには、従来どおり天秤法を用いても構わないが、フィルタ６１を着脱する手間や吸湿の問題があって、計測に時間を要することから、本実施形態では、例えば、天秤法との間で高い相関関係が確立されているフィルタ燃焼法を用いている。フィルタ燃焼法とは、フィルタ６１を加熱して、捕集したＰＭのみを燃焼させ、その燃焼ガスの成分と量を測定する方法である。
　図１中、捕集フィルタ６１と並列に設けられている符号６２は、捕集フィルタ６１に希釈排出ガスを流さない場合の、希釈排出ガスの流通を担保するためのバイパス流路６２である。例えば、ＰＭ捕集期間外であって捕集フィルタ６１に希釈排出ガスを流さない場合には、捕集フィルタ６１側の開閉弁６１ａを閉じ、バイパス流路６２側の開閉弁６１ｂを開ける。逆に、ＰＭ捕集する場合は、捕集フィルタ６１側の開閉弁６１ａを開け、バイパス流路６２側の開閉弁６１ｂを閉じる。
　捕集フィルタ６１を通過する希釈排出ガスの流量は、この捕集フィルタ６１の下流に設けたフィルタ通過流量調整手段７によって調整できるようにしてある。ここでのフィルタ通過流量調整手段７は、図１に示すように、捕集フィルタ６１の下流に直列に配置したベンチュリ流量計７１と、そのベンチュリ流量計７１の下流に設けた吸引ポンプ７２及びマスフローコントローラ７３とからなるものであり、マスフローコントローラ７３の流量を調整することでベンチュリ流量計７１の背圧を調整し、該ベンチュリ流量計７１を流れる希釈排出ガスの流量を調整できるように構成してある。
　さらにこの実施形態では、前述したように、ＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェースなどを備えた汎用乃至専用のコンピュータ８を設けている。このコンピュータは、前記メモリに記憶させた所定プログラムに基づいてＣＰＵや周辺機器を動作させることによって、図３に示すように制御部８１や情報処理部８２等としての機能を担うものである。
　しかして、かかる構成の粒子状物質測定装置１００は、前述のように自動車に搭載され、その車両を路上などで実走行させた状態で作動させるが、そのときの動作について前記制御部８１や情報処理部８２の機能説明を兼ねて、以下に詳述する。
　制御部８１は、まず、フィルタ通過流量調整手段７におけるマスフローコントローラ７３に指令信号を発してその通過流量を制御することでベンチュリ流量計７１の背圧を制御し、捕集フィルタ６１を通過する希釈排出ガスの流量（以下、フィルタ通過流量とも言う）をレギュレーションで定められた一定値に保つ（図４ステップＳ１）。
　一方、制御部８１は、エンジンの排気管Ｅに取り付けられた図示しない流量計からの流量信号、エアー導入流量を測定するベンチュリ流量計３からの流量信号及び質量関連値測定手段５に設けられた図示しない流量計からの流量信号を受信し、各流量信号が示す排出ガス総流量、希釈用エアーの導入流量（以下、エアー導入流量とも言う）、質量関連値測定手段５に導入される希釈排出ガスの流量（以下、センサ用流量とも言う）に関するデータを、それぞれメモリに設定したデータ格納部８３に格納する（図４ステップＳ２）。
　そして、これら測定値等に基づき、前記制御部８１は、希釈排出ガスの総流量が前記捕集フィルタ通過流量とセンサ用流量との総和流量となるように、希釈ガス流量調整手段２、より具体的にはピエゾバルブ２１に制御信号を出力して、エアー導入流量を一定希釈制御又は比例希釈制御する（図４ステップＳ３）。
　なお、一定希釈制御とは、排気管Ｅから分流される排出ガスの流量とエアー導入流量との比が一定、すなわち希釈比が一定となるように、エアー導入流量を制御することである。比例希釈制御とは、排気管Ｅを流れる排出ガスの総流量に対して一定の流量比率で排出ガスが導入されるようにエアー導入流量を制御することである。
　このように、制御部８１によって各部の流量が調整された状態において、情報処理部８２は、エンジン運転中の所定期間に亘って捕集フィルタ６１で捕集されたＰＭの質量をフィルタ燃焼法で計測した測定データ（以下、質量実測データとも言う）を、例えば運転後、自動的に又はオペレータ入力などで受け付ける。この質量実測データは、エンジン運転中でのフィルタ捕集期間に亘るトータルのＰＭ質量を示している。
　また、その一方で情報処理部８２は、質量関連値測定手段５から出力される質量関連値測定データ、すなわちＳＯＦ測定系５１とｓｏｏｔ測定系５２からの検出信号の値を、微小サンプリング時間で次々連続的に取得する。そして、各サンプリングでの検出信号値から、前述したように、排出ガスの単位流量あたりのＳＯＦ質量及びｓｏｏｔ質量を算出してこれらを足し合わせた後、さらにそのサンプリング時刻での捕集フィルタ６１に導入されている排出ガスの流量を乗算する処理を施す。この処理を施した質量関連値測定データは、質量関連値の時系列変化データである。
　そして、情報処理部８２は、前記質量実測データの示すＰＭ質量値と、前記質量関連値測定データの前記フィルタ捕集期間に亘る時間積分値との相関を算定する。相関とは、例えば、質量関連値測定データの値と質量関連値測定データの時間積分値との比率である。
　最後に、情報処理部８２は、図５に示すように、前記相関に基づいて、質量関連値測定データを、排出ガスに含まれるＰＭ質量あるいはＰＭ濃度の時系列変化データに変換し、ディスプレイ等に出力する。
　しかして、このＰＭ質量の時系列変化データは、実質的にリアルタイムで連続計測された質量関連値測定データを、その走行においてフィルタ質量法等を用いて直接測定されたＰＭの実測質量との相関に基づいてキャリブレーションしたものであり、いわば運転ごとに都度算出された相関を用いて算出されるものであるため、従来のように、路上走行などの動的な運転とは全く異なる静的な条件下で求めた固定された相関を用いるのとは異なって、非常に信頼性の高いものとなる。
　また、この実施形態では希釈用のエアー流量を増減させて、排出ガスと混合させた希釈排出ガスの流量を制御することによって、常に、捕集フィルタ６１の通過流量を一定にするとともに、質量関連値測定手段５でサンプルされる必要流量を一定に確保するようにしているので、流量不足による測定誤差等を好適に回避できる。また、この実施形態では、捕集フィルタ６１の通過流量をレギュレーションに定められた一定流量にしているので、捕集フィルタ６１でのＰＭ捕集量を補正する必要がなく、精度の高い測定が可能となる。
＜第２実施形態＞
　この第２実施形態では、ハードウェア構成は前記第１実施形態と同じであるが、ソフトウェア構成、すなわちコンピュータの動作が異なる。そこで、その差異点を中心に説明する。
　この実施形態におけるコンピュータ８の制御部８１は、前記第１実施形態同様、センサ用流量等を測定する（図６ステップＳ１１）。次に、前記フィルタ通過流量調整手段７のマスフローコントローラ７３を制御して質量関連値測定手段５に導入される希釈排出ガスの流量と捕集フィルタ６１を通過する希釈排出ガスの流量（捕集フィルタ通過流量）との合計流量を常に一定値に保つ。すなわち、質量関連値測定手段５に導入される希釈排出ガスの流量（センサ用流量）は圧力変化等によって変動することから、制御部８１は、センサ用流量の測定値を取得しながら、マスフローコントローラ７３に指令信号を出力して、その変動分を埋めるように捕集フィルタ通過流量を調整し、前記合計流量が一定となるように制御する（図６ステップＳ１２）。
　一方で、制御部８１は、希釈ガス流量調整手段２のピエゾバルブ２１を駆動して、希釈器１に導入されるエアー導入流量を、前述した一定希釈制御または比例希釈制御する（図６ステップＳ１３）。
　その後の情報処理部８２での動作は前記第１実施形態とほぼ同じであるので、ここでの説明は省略する。
　しかしてこのような構成によれば、前記第実施形態同様、路上走行中の車両から出る排出ガスのＰＭ濃度（質量）を略リアルタイムで検出できる。さらにこの実施形態では、希釈排出ガスの流量（捕集フィルタ通過流量とセンサ用流量との和）が、前記第１実施形態のように変動することなく常に一定に保たれるため、エアー導入流量に係る一定希釈制御または比例希釈制御を容易かつ精度良く行えるという効果を得られる。
　なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではない。
　例えば、測定する所定期間とは、走行開始から走行終了までの全運転期間でも構わないし、そのうちの一部でも構わない。
　また質量関連値測定手段には、前述したＤＣセンサや水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）のみならず、例えばＥＬＰＩやＳＭＰＳなどを用いて構わないし、ベンチュリではなく定容量ポンプで流量制御してもよい。
　その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
　本発明を適用することにより、路上走行等、ダイナミックな運転状況下での排出ガス中に含まれるＰＭ質量の変化を簡単な構成で連続的に測定することができる。
１００・・・粒子状物質測定装置
１　　・・・希釈器
２　　・・・希釈ガス流量調整手段
２２　・・・第２測定部
５　　・・・質量関連値測定手段
６１　・・・捕集フィルタ
７　　・・・フィルタ通過流量調整手段
８１　・・・制御部
８２　・・・情報処理部
Ｅ　　・・・排気管
Ｉａ　・・・希釈ガス導入口

Claims (3)

  1. 　自動車の排気管に接続されるとともに希釈ガス導入口に接続され、エンジンの排出ガスを希釈ガスと混合して希釈する希釈器と、
    　前記希釈器で希釈された希釈排出ガスの一部が導入されて、その希釈排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する質量関連値を連続的に測定する質量関連値測定手段と、
    　前記希釈排出ガスの残りを通過させて、そこに含まれる粒子状物質を捕集する捕集フィルタと、
    　前記希釈器に導入される希釈ガスの流量を調整する希釈ガス流量調整手段と、
    　前記捕集フィルタを通過する希釈排出ガスの流量を調整するフィルタ通過流量調整手段と、
    　前記フィルタ通過流量調整手段を制御して前記捕集フィルタを通過する希釈排出ガスの流量を一定値に保つとともに、前記希釈ガス流量調整手段を制御して質量関連値測定手段に導入される希釈排出ガスの必要流量を確保する制御部と、
    　前記捕集フィルタでエンジン運転中の所定期間に亘って捕集した粒子状物質の質量測定値と、前記質量関連値測定手段で測定した質量関連値の時系列変化データである質量関連値測定データの前記所定期間に亘る時間積分値との相関を算定し、その相関に基づいて、前記質量関連値測定データを粒子状物質の質量の時系列変化データに変換する情報処理部とを具備していることを特徴とする粒子状物質測定装置。
  2. 　自動車の排気管に接続されるとともに希釈ガス導入口に接続され、エンジンの排出ガスを希釈ガスと混合して希釈する希釈器と、
    　前記希釈器で希釈された希釈排出ガスの一部が導入されて、その希釈排出ガスに含まれる粒子状物質の質量を間接的に示唆する質量関連値を連続的に測定する質量関連値測定手段と、
    　前記希釈排出ガスの残りを通過させて、そこに含まれる粒子状物質を捕集する捕集フィルタと、
    　前記希釈器に導入される希釈ガスの流量を調整する希釈ガス流量調整手段と、
    　前記捕集フィルタを通過する希釈排出ガスの流量を調整するフィルタ通過流量調整手段と、
    　質量関連値測定手段に導入される希釈排出ガスの流量に基づいて前記フィルタ通過流量調整手段を制御し、質量関連値測定手段に導入される希釈排出ガスの流量と捕集フィルタを通過する希釈排出ガスの流量との合計流量を一定値に保つ制御部と、
    　前記捕集フィルタでエンジン運転中の所定期間に亘って捕集した粒子状物質の質量測定値と、前記質量関連値測定手段で測定した質量関連値の時系列変化データである質量関連値測定データの前記所定期間に亘る時間積分値との相関を算定し、その相関に基づいて、前記質量関連値測定データを粒子状物質の質量の時系列変化データに変換する情報処理部とを具備していることを特徴とする粒子状物質測定装置。
  3. 　路上を実走行する車両に搭載されて、車両走行中における排出ガス中の粒子状物質を測定するものである請求項１記載の粒子状物質測定装置。
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