WO2010113292A1 - 微粒子濃度測定装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an exhaust gas purification technology for an internal combustion engine, and more particularly to a particulate concentration measuring device for measuring the concentration of particulates (PM) contained in exhaust gas from a diesel engine.
- PM particulates
- particulates mainly composed of C (carbon) in exhaust gas from diesel engines (PM: particulate)
- an apparatus 20PM of Patent Document 1 shown in FIG. 1 is known.
- This particulate concentration measuring device 20PM is configured to measure the differential pressure generated between the auxiliary exhaust line 21A branched from the exhaust line 21, the particulate detection filter 22A installed in the secondary exhaust line 21A, and the inlet and outlet of the particulate detection filter 22A.
- a sub-exhaust line 21A is provided with a flow rate measuring unit 24 and a temperature measuring unit T1
- a particulate detection filter 22A is provided with a heater 22H.
- the differential pressure ⁇ P before and after the particulate detection filter 22A, the exhaust gas temperature T in the auxiliary exhaust line 21A, and the exhaust gas flow rate Q in the auxiliary exhaust line 21A are measured. From the measured differential pressure ⁇ P, exhaust gas temperature T, and exhaust gas flow rate Q, the mass PM [g / h] of fine particles trapped by the fine particle detection filter 22A per unit time is calculated. From the mass PM [g / h] of the fine particles, the concentration PM conc [g / m 3 ] of the fine particles in the exhaust gas is calculated.
- a particulate trapping filter (DPF: diesel) provided in an exhaust line 21 and made of porous ceramics. particulate filter) 22 is disclosed.
- the sub-exhaust line 21A of the particulate concentration measuring device 20PM is connected to the exhaust gas flow upstream side of the particulate trapping filter 22, and the obtained particulate concentration PM conc [g / m 3 ] in the exhaust gas and the engine operating condition or exhaust From the gas flow rate Q1 flowing into the particulate trapping filter 22 in the line 21, the mass PM enter full filter [g / h] of the particulate flowing into the particulate trapping filter 22 is calculated.
- An object of the present invention is to improve the measurement accuracy of a fine particle concentration measurement apparatus.
- the present invention is a particulate concentration measuring device for measuring the concentration of particulates in exhaust gas flowing through an exhaust line of a diesel engine, which is branched from the exhaust line and is more than a cross-sectional area of the exhaust line.
- An exhaust gas collection line having a small flow path cross-sectional area, a particulate detection filter installed in the previous exhaust gas collection line, and a differential pressure detection unit that detects a differential pressure generated between an inlet and an outlet of the particulate detection filter.
- the flow rate of the exhaust gas passing through the cell wall of the fine particle detection filter is 0.02 m / second or more and 2 m / second or less.
- the flow rate of the exhaust gas passing through the cell wall of the particle detection filter is optimized, the accumulation of non-uniform particles on the particle detection filter is suppressed, and the detection accuracy of the amount of particles in the exhaust gas is improved.
- FIG. 2 shows the configuration of the fine particle concentration measurement apparatus 40PM according to the first embodiment of the present invention.
- the particulate concentration measuring device 40PM in FIG. 2 is used when an abnormality occurs in the particulate trapping filter (DPF) 22 and the particulate leaks in the exhaust gas line 21 to a value not less than the downstream threshold of the particulate capturing filter (DPF) 22.
- DPF particulate trapping filter
- DPF particulate capturing filter
- the exhaust line 21 of the diesel engine in which the particulate trapping filter (DPF) 22 is formed has an exhaust gas collecting line having an exhaust gas collecting portion 41a at one end downstream of the particulate trapping filter (DPF) 22.
- 41A is connected via an exhaust gas collection part 41a.
- the exhaust gas collection line 41A includes a particulate detection filter 42A shown in FIG. 3, a flow rate adjustment valve 43, and a flow meter 44 that measures the flow rate Q2 of the exhaust gas collection line. Are connected in series.
- the exhaust gas collection line 41A is connected at its downstream end to a portion where the pressure is lower than the inlet of the particulate detection filter 41A such as a negative pressure tank or an air intake, and the exhaust gas in the exhaust line 21 detects particulates. It is sucked into the filter 42A. This is the same as connecting a suction pump to the downstream side of the exhaust gas collection line 41A, and the exhaust gas can be reliably supplied to the particulate detection filter 42A.
- the particle detection filter 42A is provided with a temperature measurement unit T1 that measures the temperature of the particle detection filter 42A, and is also provided with a differential pressure measurement unit 42B.
- the differential pressure measurement unit 42B makes a difference between before and after the particle detection filter 42A.
- the pressure ⁇ P is measured.
- the exhaust gas sampling part 41 a has a flow path cross-sectional area smaller than the flow path cross-sectional area of the exhaust gas line 21.
- the flow rate adjusting valve 43 is controlled by a flow meter 44, and controls the flow rate of the exhaust gas flowing through the exhaust gas collection line 41A to a predetermined value.
- a diaphragm pressure gauge or a known pressure gauge such as a gauge type, bellows type, or thermal type can be used, and the flow rate measuring section 44 can be a hot wire flow meter, A known flow meter such as a venturi flow meter can be used.
- FIG. 3 shows an example of the particulate detection filter 42A.
- the particle detection filter 42A may be formed with only a plurality of cells 42b.
- a plate-shaped filter may be sufficient.
- the particle detection filter 42A as a whole is 5% or less of the total volume of the exhaust gas passage in the particle trapping filter 22 (DPF), for example 0.05 to 5%, or 65 ml or less, for example, 0.
- each cell 42b made of porous ceramic forms a gas passage 42a having one end opened and the other end closed, and the exhaust gas introduced into the gas passage 42a is a cell made of porous ceramic. It moves through the wall to the adjacent gas passage. At that time, fine particles are captured on the inner wall surface of the cell 42b, and a fine particle layer 42c is formed.
- FIG. 4 shows a modification of the cell 42b of FIG.
- the exhaust gas passes from the outside of the cell through the cell wall and flows into the gas passage 42a inside the cell, and at this time, the particulate layer 42c is deposited on the outer surface of the cell 42b.
- a similar cell is also formed in the particulate trapping filter (DPF) 22 described in FIG. 1, but the outer shape of the gas passage 42 a and the cell 42 b is not necessarily the same as the gas passage in the particulate trapping filter (DPF) 22. It does not need to be formed in the same size or the same cross-sectional shape, and may be any shape such as a circle, a rectangle, an octagon, an ellipse, or the like. Note that the material of the porous ceramic constituting the particulate detection filter 42A (cell 42b) need not be the same as the porous ceramic constituting the particulate capturing filter (DPF) 22, and may not be ceramic. Should.
- the total volume of the gas passage 42a is 5% or less of the total volume of the exhaust gas passage in the particulate trapping filter 22 (DPF), or a volume of 65 ml or less, or a filtration area of 0.1 to 1000 cm 2 (preferably 1 to 10 cm 2 In the cell 42b, uniform deposition of the particulate layer occurs. Therefore, as will be described below, the particulate deposition amount in the particulate trapping filter (DPF) 22 can be reduced easily and easily. It becomes possible to measure accurately.
- the particulate detection filter may be installed with the bottom as the exhaust gas flow upstream side as shown in FIG.
- the accumulated amount of fine particles captured by the fine particle detection filter 42A is calculated by an expression of the following form.
- ⁇ P is the differential pressure in [Pa] units
- ⁇ is the kinematic viscosity coefficient in [Pa ⁇ s] units
- Q is the exhaust gas flow rate in [m 3 / h] units
- ⁇ is [m ]
- Kw is [m -1] gas permeability expressed wall in units (perm capability)
- Ksoot the [m -1] gas permeability of trapping particulate layer expressed in units of (permanent capability)
- W is the thickness of the trapped particulate layer in [m] units
- L is the effective filter length in [m] units
- ⁇ is [m ⁇ 1 ] Represents the Forchheimer coefficient of the porous wall expressed in units
- ⁇ represents the differential pressure due to passage through the filter expressed in [Pa] units.
- m soot is the mass [g] of the captured fine particles
- Ncells is the numerical aperture of the inlet side cell
- ⁇ soot is the density of the captured fine particles.
- the trapping amount PM [g / s] per unit time can be obtained.
- the particulate matter detection filter 42A has an exhaust gas collecting part 41a at one end and is housed in a housing 42E continuous with the exhaust gas collecting line 41A, and a diaphragm pressure gauge constituting a differential pressure detecting part 42B. Is formed downstream of the particulate detection filter.
- One end of the differential pressure detector 42B is connected to the upstream side of the particulate detection sensor, and the other end is connected to the exhaust gas collection line 41A downstream of the particulate detection filter 42A.
- the differential pressure detector 42B The differential pressure before and after the cell 42b constituting the particulate detection filter 42A can be measured.
- FIG. 6 shows a measurement error between the fine particle concentration in the exhaust gas obtained according to the equations (1) to (3) and the actual measurement value (true value, described later) of the fine particles in the exhaust line 21, and the exhaust gas is in the cell 42b. The relationship with the flow velocity when passing through the wall is shown.
- Example 1 in Sample D, the cell aggregate of the cell of Sample A was formed in a 3 ⁇ 3 configuration, and the outer periphery of the formed cell aggregate was sealed, as shown in FIG. 7C. The cell ends are closed alternately.
- white squares indicate cells that are open when such a cell assembly is viewed from the upstream side, and black squares indicate cells that are blocked.
- the measurement error is obtained by passing the exhaust gas in the exhaust line 21 through the filter in the configuration of FIG. 2 and setting the actual value of trapped fine particles (described later) as a true value, and the amount of fine particles obtained by the equations (1) to (3). It is calculated as a deviation from the true value.
- the exhaust gas discharged from the diesel engine 11 to the exhaust line 21 is led to a dilution tunnel 111 into which clean air is introduced, and this is diluted and cooled to a temperature of 52 ° C. or lower to be primary collected.
- a dilution tunnel 111 into which clean air is introduced, and this is diluted and cooled to a temperature of 52 ° C. or lower to be primary collected.
- the filter 115 and the secondary collection filter 116 By collecting on the filter 115 and the secondary collection filter 116 and measuring the mass with a microbalance, the amount of fine particles in the exhaust gas is directly measured, converted into the concentration of the exhaust line 21, and this is the true value. It was.
- the measurement error is obtained by comparing the calculated value (PMconc) of the particulate concentration detector 40PM provided in the same exhaust line 21 with the true value.
- PMconc calculated value
- the exhaust gas is sucked by the blower 114 through the heat exchanger 112 and the critical flow venturi pipe 113.
- a blower 117 is also provided on the downstream side of the primary collection filter 115 and the secondary collection filter, and sucks exhaust gas.
- the measurement error is ⁇ 10% or less, while in Comparative Examples 1 to 3, the measurement error exceeds ⁇ 10%.
- the measurement error of the fine particle concentration measuring device 40PM is minimized by controlling the flow rate of the exhaust gas passing through the cell wall of the cell 42b.
- the flow velocity Vs of the exhaust gas passing through such a cell wall can be controlled by controlling the exhaust gas flow rate Q2.
- Such control of the exhaust gas flow rate Q2 can also be performed by detecting the exhaust gas flow rate Q2 in the exhaust gas sampling line 41A with the flow meter 44 and controlling the flow rate adjusting valve 43.
- the shape parameters ⁇ , b, c, e, L, Ws and the porosity p shown in FIGS. 7A and 7B can be set by selecting the molding conditions and firing conditions of the ceramic. It is possible to set as follows.
- the particulate concentration measuring apparatus 40PMA of the present embodiment shown in FIG. 9 is inserted into the exhaust line 21 shown in FIG. 2 on the downstream side of the particulate capturing filter 22, and is formed with a fixed head portion 42e, such as stainless steel.
- a pipe-shaped housing 42E made of a refractory metal is included in the housing 42E.
- a particulate detection filter 42A is preferably constructed and disposed of a porous ceramic such as SiC.
- the head part 42 e constitutes an exhaust gas collection line inserted into the exhaust line 21.
- a flexible hose 42F through which exhaust gas passes extends from the housing 42E, and a differential pressure measurement unit 42B, a flow rate adjustment valve 43, and a flow rate measurement unit 44 are disposed at the downstream end of the flexible hose 42F. Is formed in the control unit 42G. The exhaust gas that has passed through the control unit 42G is discharged to the exhaust pipe 42g.
- the desired particle concentration measuring device can be configured in a small size, and as a result, the particle concentration measuring device can be attached to any part of the vehicle as required.
- the pump 42P may be connected to the exhaust pipe 42g that discharges the exhaust gas from the flow rate control unit 42G in the configuration of FIG. 9 to exhaust the exhaust gas forcibly. it can.
- the exhaust pipe 42g that discharges the exhaust gas from the flow rate control unit 42G in the configuration of FIG. 9 to exhaust the exhaust gas forcibly.
- the exhaust gas is sucked in by the negative pressure generated by the pump 42P, and a desired fine particle concentration measurement can be performed.
- FIG. 11 shows the configuration of an exhaust gas purification device 60 for a diesel engine having a particulate concentration detection device 60PM according to a second embodiment of the present invention.
- the exhaust gas purification device 60 has a configuration similar to the exhaust gas purification device 20 of FIG. 1, and has an exhaust gas collection line 41 ⁇ / b> A branched from the exhaust line 21 on the upstream side of the particulate trapping filter (DPF) 22. is doing.
- the exhaust gas that has not passed through the particulate trapping filter 22 is trapped by the particulate detection filter 42A, and based on the amount of particulate trapped by the particulate detection filter 42A, the above equations (1) to (3) In addition, the following processing is performed.
- Q1 represents the exhaust gas flow rate of the exhaust gas line.
- Q1 is the flow rate of exhaust gas passing through the particulate trapping filter (DPF) 22.
- Q1 may be obtained by actual measurement or may be estimated from the operating state of the engine.
- a valve 43 is further provided in the exhaust gas collection line 41A, and the valve 43 is controlled by the flow meter 44 as in the case of the exhaust gas purification apparatus 20 of FIG.
- the flow rate is controlled to a predetermined value Q2.
- the particulate detection filter 42A is regenerated because accumulation of particulates occurs in the particulate detection filter 42A over time.
- the heater 42h is formed on the particulate detection filter 42A (cell 42b), and the C captured by the cell 42b is driven by driving the heater 42h as necessary with electric power from the drive line.
- the main particles are burned to regenerate the particle detection filter 42A.
- the flow rate measurement unit in the above embodiment may be omitted if the flow rate flowing through the exhaust gas collection line is known in advance. Further, the temperature measuring unit may be eliminated if the exhaust gas characteristics are considered constant. Furthermore, the heater in the second embodiment may be eliminated if there is no need for regeneration processing. Furthermore, if the flow rate is accurately measured, the valve can be eliminated. In addition, the heater described in the second embodiment may be arranged in the fine particle concentration measurement apparatus of the first embodiment.
- a valve and a pump may be used in combination. Further, the flow rate of the exhaust gas flowing into the exhaust gas collection line can be structurally adjusted by a combination of the cross-sectional area of the exhaust gas collection line and the volume of the particulate detection filter.
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Abstract
ディーセルエンジンの排気ラインを流れる排ガス中の微粒子濃度を測定する微粒子濃度測定装置は、排気ラインから分岐され、排気ラインの流路断面積よりも小さい流路断面積を有する排ガス採取ラインと、前排ガス採取ラインに設置された、微粒子検出フィルタと、微粒子検出フィルタの入口と出口の間に生じる差圧を検知する差圧検知部と、を備え、微粒子検出フィルタのセル壁を通過する排ガスの流速が、0.02m/秒以上で2m/秒以下であることを特徴とする。
Description
本発明は内燃エンジンの排ガス浄化技術に係り、特にディーゼルエンジンの排ガス中に含まれる微粒子(PM)の濃度を測定する微粒子濃度測定装置に関する。
従来、ディーゼルエンジンの排ガス中のC(炭素)を主とする微粒子(PM:particulate
matter)の濃度を検出する装置として、図1に示す特許文献1の装置20PMが知られている。この微粒子濃度測定装置20PMは、排気ライン21から分岐された副排気ライン21Aと、副排気ライン21Aに設置された微粒子検出フィルタ22Aと、微粒子検出フィルタ22Aの入り口と出口の間に生じる差圧を測定する差圧測定部22Bとを含み、さらに副排気ライン21Aには、流量測定部24および温度測定部T1が設けられ、微粒子検出フィルタ22Aにはヒータ22Hが設けられている。
matter)の濃度を検出する装置として、図1に示す特許文献1の装置20PMが知られている。この微粒子濃度測定装置20PMは、排気ライン21から分岐された副排気ライン21Aと、副排気ライン21Aに設置された微粒子検出フィルタ22Aと、微粒子検出フィルタ22Aの入り口と出口の間に生じる差圧を測定する差圧測定部22Bとを含み、さらに副排気ライン21Aには、流量測定部24および温度測定部T1が設けられ、微粒子検出フィルタ22Aにはヒータ22Hが設けられている。
特許文献1による微粒子濃度測定装置20PMでは、微粒子検出フィルタ22Aの前後における差圧ΔPと、副排気ライン21Aにおける排ガスの温度Tと、副排気ライン21Aにおける排ガスの流量Qとが測定される。測定された差圧ΔPと排ガス温度Tと排ガス流量Qとから、単位時間あたりに微粒子検出フィルタ22Aに捕捉される微粒子の質量PM[g/h]が算出される。この微粒子の質量PM[g/h]から、排ガス中の微粒子の濃度PMconc[g/m3]が算出される。
また特許文献1には、排ガス浄化装置20として、排気ライン21に設けられ多孔質セラミックより構成される微粒子捕捉フィルタ(DPF:diesel
particulate filter)22が開示されている。微粒子濃度測定装置20PMの上記副排気ライン21Aは、微粒子捕捉フィルタ22の排ガス流れ上流側に接続され、求められた排ガス中の微粒子の濃度PMconc[g/m3]と、エンジン運転状況もしくは排気ライン21の微粒子捕捉フィルタ22に流入するガス流量Q1とから、微粒子捕捉フィルタ22に流入する微粒子の質量PMenter full filter[g/h]を算出している。
particulate filter)22が開示されている。微粒子濃度測定装置20PMの上記副排気ライン21Aは、微粒子捕捉フィルタ22の排ガス流れ上流側に接続され、求められた排ガス中の微粒子の濃度PMconc[g/m3]と、エンジン運転状況もしくは排気ライン21の微粒子捕捉フィルタ22に流入するガス流量Q1とから、微粒子捕捉フィルタ22に流入する微粒子の質量PMenter full filter[g/h]を算出している。
本発明は、微粒子濃度測定装置の測定精度を向上させることを課題とする。
EP1916394A1号公報
一の側面によれば本発明は、ディーセルエンジンの排気ラインを流れる排ガス中の微粒子濃度を測定する微粒子濃度測定装置であって、上記排気ラインから分岐され、上記排気ラインの流路断面積よりも小さい流路断面積を有する排ガス採取ラインと、前排ガス採取ラインに設置された、微粒子検出フィルタと、上記微粒子検出フィルタの入口と出口の間に生じる差圧を検知する差圧検知部と、を備え、上記微粒子検出フィルタのセル壁を通過する上記排ガスの流速が、0.02m/秒以上で2m/秒以下であることを特徴とする微粒子濃度測定装置を提供する。
本発明によれば、上記微粒子検出フィルタのセル壁を通過する排ガスの流速が最適化され、微粒子検出フィルタへの不均一な微粒子の堆積が抑制され、排ガス中の微粒子量の検出精度が向上する。
[第1の実施形態]
図2は、本発明の第1の実施形態による微粒子濃度測定装置40PMの構成を示す。ただし図2中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。図2の微粒子濃度測定装置40PMは、微粒子捕捉フィルタ(DPF)22に異常が発生し、微粒子が排ガスライン21中を微粒子捕捉フィルタ(DPF)22の下流側閾値以上に漏れ出した場合に、これを検出し、アラームやランプの点滅・点灯を発するために使うことができる。
図2は、本発明の第1の実施形態による微粒子濃度測定装置40PMの構成を示す。ただし図2中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。図2の微粒子濃度測定装置40PMは、微粒子捕捉フィルタ(DPF)22に異常が発生し、微粒子が排ガスライン21中を微粒子捕捉フィルタ(DPF)22の下流側閾値以上に漏れ出した場合に、これを検出し、アラームやランプの点滅・点灯を発するために使うことができる。
図2を参照するに、微粒子捕捉フィルタ(DPF)22が形成されたディーゼルエンジンの排気ライン21には、微粒子捕捉フィルタ(DPF)22の下流側において、一端に排ガス採取部41aを有する排ガス採取ライン41Aが、排ガス採取部41aを介して接続されており、排ガス採取ライン41Aには、図3に示す微粒子検出フィルタ42Aと、流量調整バルブ43と、排ガス採取ラインの流量Q2を測定する流量計44とが直列に接続されている。排ガス採取ライン41Aは、下流側の端部が、例えば負圧タンクや、エアインテーク部などの微粒子検出フィルタ41Aの入口よりも圧力の低い部分に接続され、排気ライン21中の排ガスが、微粒子検出フィルタ42Aに吸引される。これは、排ガス採取ライン41Aの下流側に吸引ポンプを接続したのと同じであり、微粒子検出フィルタ42Aに排ガスを確実に供給することが可能となる。
また微粒子検出フィルタ42Aには、微粒子検出フィルタ42Aの温度を測定する温度測定部T1が設けられ、また差圧測定部42Bが設けられ、差圧測定部42Bにより、微粒子検出フィルタ42Aの前後の差圧ΔPが測定される。排ガス採取部41aは、排ガスライン21の流路断面積よりも小さな流路断面積を有している。流量調整バルブ43は流量計44により制御され、排ガス採取ライン41Aを流れる排ガスの流量を所定値に制御する。
なお先に説明した差圧測定部42Bとしてはダイヤフラム圧力計や、例えばゲージ式、ベローズ式、熱式などの公知の圧力計を使うことができ、また流量測定部44としては、ホットワイヤ流量計やベンチュリ流量計など、公知の流量計を使うことができる。
図3は微粒子検出フィルタ42Aの例を示す。ただし図3の例では、微粒子検出フィルタ42A中に単一のセル42bのみが形成されているが、微粒子検出フィルタ42Aは、複数のセル42bのみが形成されたものであってもよい。また、板状のフィルタであってもよい。
図3を参照するに、微粒子検出フィルタ42Aは、全体とし、微粒子捕捉フィルタ22(DPF)中における排ガス通路の総容積の5%以下、例えば0.05~5%、あるいは65ml以下、例えば0.05~65mlの容積、あるいは0.1~1000cm2の濾過面積(好ましくは1~10cm2の濾過面積)を有する一または複数のガス通路42aが、例えば矩形断面形状で、またいずれか一端が閉じられた状態(本実施形態では後方が閉じられた状態)で形成されている。
図3を参照するに、多孔質セラミックよりなる各々のセル42bは一端が開放され他端が閉じられたガス通路42aを形成し、ガス通路42aに導入された排ガスは、多孔質セラミックよりなるセル壁を通過して隣接するガス通路へと移動する。その際、セル42bの内壁面に、微粒子が捕捉され、微粒子層42cが形成される。
図4は、図3のセル42bの一変形例を示す。図4のセルでは、排ガスはセル外部からセル壁を通過して、セル内部のガス通路42aへと流れ、その際前記セル42bの外面に前記微粒子層42cの堆積が生じる。
なお、同様なセルは図1で説明した微粒子捕捉フィルタ(DPF)22にも形成されているが、ガス通路42aおよびセル42bの外形は、必ずしも微粒子捕捉フィルタ(DPF)22中のガス通路と同一サイズあるいは同一の断面形状で形成される必要はなく、円形、四角形、八角形、だ円等の任意の形状にしてもよい。また微粒子検出フィルタ42A(セル42b)を構成する多孔質セラミックの材質が、微粒子捕捉フィルタ(DPF)22を構成する多孔質セラミックと同一である必要もなく、セラミックでなくてもよいことに注意すべきである。ガス通路42aの総容積を、微粒子捕捉フィルタ22(DPF)中における排ガス通路の総容積の5%以下、あるいは65ml以下の容積、あるいは0.1~1000cm2の濾過面積(好ましくは1~10cm2の濾過面積)を有するように形成することにより、セル42bには微粒子層の一様な堆積が生じるため、以下に説明するように、微粒子捕捉フィルタ(DPF)22における微粒子堆積量を、簡単かつ正確に測定することが可能になる。なお、微粒子検出フィルタは、図4に示すように底部を排ガス流れ上流側として設置してもよい。
図2の微粒子濃度測定装置40PMでは、微粒子検出フィルタ42Aに捕捉された微粒子の蓄積量が、以下の形の式により算出される。
次に、微粒子検出フィルタ22A(セル21b)に捕捉された微粒子の質量msootが、式
そして、msootを、微粒子検出フィルタ42Aの前回の再生からの経過時間[s]で割れば、単位時間あたりの捕捉量PM[g/s]が得られる。
このようにして単位時間当たりで堆積する微粒子の質量PM[g/s]が求められると、排ガス中の微粒子濃度PMconc[g/m3]が、微粒子検出フィルタ22Aを通過する排ガス流量Q2[m3/s]を使って、
PM[g/s]=PMconc[g/m3]×Q2[m3/s] (式3)
により求められる。
PM[g/s]=PMconc[g/m3]×Q2[m3/s] (式3)
により求められる。
図2に示すように、このような微粒子濃度測定装置40PMを微粒子捕捉フィルタ(DPF)22の下流側に配設することにより、微粒子捕捉フィルタ(DPF)22に異常が生じ微粒子が排気ライン21中を微粒子捕捉フィルタ(DPF)22の下流側に閾値以上に漏れ出した場合、本実施形態によればこのような異常を直ちに検出してアラームやランプの点滅・点灯を発することができる。
ところで、このような排ガス浄化装置を備えたディーゼルエンジンシステム100では、微粒子捕捉フィルタ22に生じた異常をいちはやく検出するため、微粒子濃度測定装置40PMには、高い測定精度が要求される。
図5を参照するに、微粒子検出フィルタ42Aは、一端が排ガス採取部41aを構成し、排ガス採取ライン41Aに連続するハウジング42E中に格納されており、差圧検知部42Bを構成するダイヤフラム圧力計は、微粒子検出フィルタの下流側に形成されている。差圧検知部42Bの一端は、微粒子検出センサの上流側に接続され、また他端は微粒子検出フィルタ42Aの下流側において排ガス採取ライン41Aに接続されており、その結果、差圧検知部42Bは微粒子検出フィルタ42Aを構成するセル42bの前後の差圧を測定することができる。
図6は、式(1)~(3)に従って求めた排ガス中の微粒子濃度と排気ライン21中の微粒子の実測値(真値、後述)との間の測定誤差と、排ガスがセル42bのセル壁を通過する際の流速との関係を示す。
ただし図6の実験は、図7A,7Bに示す形状を有し表1に示す試料A~Eについて、ディーゼルエンジンを、2000rpmおよび40Nmの回転数およびトルクで二回運転し、2500rpmおよび40Nmの回転数およびトルクで二回運転し、3000rpmおよび40Nmの回転数およびトルクで二回運転し、3500rpmおよび40Nmの回転数およびトルクで二回運転して、行っている。
測定誤差は、図2の構成において排気ライン21中の排ガスをフィルタに通し、捕捉された微粒子の実測値(後述)を真値とし、式(1)~(3)で求めた微粒子量のこの真値に対するずれとして求めている。
図8に示すようにディーゼルエンジン11から排気ライン21に排出された排ガスを、清浄な空気が導入される希釈トンネル111に導き、これを52℃以下の温度まで希釈および冷却し、1次捕集フィルタ115および2次捕集フィルタ116上に採取し、その質量をマイクロ天秤で測定することにより、排ガス中の微粒子量を直接に実測し、これを排気ライン21の濃度に換算しこれを真値とした。同じ排気ライン21に設けられた微粒子濃度検出装置40PMの算出値(PMconc)と真値とを比較することにより測定誤差を求めている。なお図8の構成では、ダイリューショントンネル111を通過した後、排ガスは熱交換機112および臨界流ベンチュリ管113を介してブロワ114により吸引される。また1次捕集フィルタ115および2次捕集フィルタの下流側にもブロワ117が設けられ、排ガスを吸引している。
図6を参照するに、セル42bのセル壁を通過する排ガスの流速が増大すると、測定誤差も増大する傾向が見られるが、これはセル42b中における排ガスの流速が増大するにつれてセル42b中における微粒子の堆積が不均一になりやすいことを示している。
一方、図6より、測定誤差は流速が約0.1m/秒あたりで最小になり、それよりも流速を低減すると、測定誤差は再び増大するのがわかる。
表2は、図6の実験の詳細を示す。
表2よりわかるように、図6の実験では、セル42として、表1のセルA~Eを使い、排ガスの流量を変化させた。セル壁を通過する排ガスの流速が0.01m/秒から2m/秒の範囲では、いずれの試料であっても、±10%以下の測定精度を実現できるのがわかる。特に流速が0.11m/秒から0.21m/秒の範囲では、引き込み流量が0.6~1l/分の範囲で変化しても、±2%以下の測定誤差を実現できることがわかる。
また本実施形態では、微粒子濃度測定装置40PMの測定誤差を、セル42bのセル壁を通過する排ガスの流速を制御することにより最小化する。このようなセル壁を通過する排ガスの流速Vsは、排ガス流量Q2を制御することにより、制御できる。このような排ガス流量Q2の制御は、排ガス採取ライン41A中の排ガス流量Q2を流量計44で検出し、流量調整バルブ43を制御することによっても行える。
なお先記セル42bを製造する際に、図7A,7Bに示す形状パラメータα,b,c,e,L,Wsおよび気孔率pは、セラミックの成形条件や焼成条件を選択することにより、所望のとおりに設定することが可能である。
なお、図9に示す本実施形態の微粒子濃度測定装置40PMAは、図2に示す排気ライン21に微粒子捕捉フィルタ22の下流側において差し込まれ、固定されるヘッド部42eを形成された例えばステンレスなどの耐熱金属よりなるパイプ形状のハウジング42Eを含み、ハウジング42E中には微粒子検出フィルタ42Aが、好ましくはSiCなどの多孔質セラミックにより構成され配設されている。ここでヘッド部42eは、排気ライン21に挿入される排ガス採取ラインを構成する。
図9に示すようにハウジング42Eからは排ガスが通る可撓性ホース42Fが延在し、可撓性ホース42Fの下流側端には、差圧測定部42Bおよび流量調整バルブ43および流量測定部44を格納した制御ユニット42Gが形成されている。制御ユニット42Gを通過した排ガスは、排気管42gへと排出される。
このような構成によれば、所望の微粒子濃度測定装置を小型に構成でき、その結果、微粒子濃度測定装置を車両の任意の部位に、必要に応じて取り付けることが可能となる。
なお本実施形態において、図10に示すように、図9の構成において流量制御ユニット42Gから排ガスを排出する排気管42gにポンプ42Pを接続し、排ガスを強制的に排気するように構成することもできる。かかる構成では、ヘッド部42eが静止した、すなわち流れのない排ガス雰囲気中に設けられても、排ガスが、ポンプ42Pが発生する負圧により吸い込まれ、所望の微粒子濃度測定を行うことが可能となる。
[第2の実施形態]
図11は、本発明の第2の実施形態による微粒子濃度検出装置60PMを有するディーゼルエンジンの排ガス浄化装置60の構成を示す。
[第2の実施形態]
図11は、本発明の第2の実施形態による微粒子濃度検出装置60PMを有するディーゼルエンジンの排ガス浄化装置60の構成を示す。
図11を参照するに、排ガス浄化装置60は図1の排ガス浄化装置20と類似した構成を有し、排気ライン21から微粒子捕捉フィルタ(DPF)22の上流側において分岐した排ガス採取ライン41Aを有している。
図11の構成では、微粒子捕捉フィルタ22を通過していない排ガスが微粒子検出フィルタ42Aに捕捉され、微粒子検出フィルタ42Aに捕捉された微粒子の量をもとに、先の式(1)~(3)に加えて、以下の処理を行っている。
排ガス中の微粒子濃度PMconcは、排ガス採取ライン21A中においても排ガスライン21中においても同じであり、従って、排ガスライン21を通過する微粒子の量(PM enter full filter [g/h])は、
PM enter full filter [g/h]=PMconc[g/m3]×Q1[m3/h]
(式4)
により求められる。ここでQ1は排ガスラインの排ガス流量を表す。
PM enter full filter [g/h]=PMconc[g/m3]×Q1[m3/h]
(式4)
により求められる。ここでQ1は排ガスラインの排ガス流量を表す。
これにより、微粒子捕捉フィルタ(DPF)22中に蓄積した微粒子の量を推定することができる。ただしQ1は微粒子捕捉フィルタ(DPF)22を通過する排ガスの流量である。Q1は、実測して求めてもよいし、エンジンの運転状態から見積もってもよい。
図11の構成では、さらに排ガス採取ライン41A中にバルブ43が設けられ、バルブ43は、図1の排ガス浄化装置20の場合と同様に、流量計44により制御され、排ガス採取ライン41A中の排ガス流量が所定値Q2に制御される。
一方、かかる構成では、経時的に微粒子検出フィルタ42A中に微粒子の堆積が生じるため、微粒子検出フィルタ42Aの再生を行っている。
このため本実施形態では微粒子検出フィルタ42A(セル42b)上にヒータ42hが形成されており、ヒータ42hを駆動ラインからの電力により必要に応じて駆動することにより、セル42bに捕捉されたCを主とする微粒子を燃焼させ、微粒子検出フィルタ42Aを再生する。
本実施形態においても、第一実施形態と同様の効果を発揮することができる。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。たとえば、上記実施形態における流量測定部は、予め排ガス採取ラインを流れる流量が判っていれば、無くしてもよい。また、温度測定部は排ガスの特性を一定と考えれば無くしてもよい。さらに、第二実施形態におけるヒータは、再生処理の必要が無ければ、廃止してもよい。さらにまた、流量を精確に測定していれば、バルブを無くすことができる。また、第一実施形態の微粒子濃度測定装置に、第二実施形態で説明したヒータを配置してもよい。
なお、バルブとポンプとを併用してもよい。また、排ガス採取ラインに流入させる排ガスの流量は、排ガス採取ラインの断面積と、微粒子検出フィルタの容積との組合せによって、構造的に調節することも可能である。
Claims (8)
- ディーセルエンジンの排気ラインを流れる排ガス中の微粒子濃度を測定する微粒子濃度測定装置であって、
前記排気ラインから分岐され、前記排気ラインの流路断面積よりも小さい流路断面積を有する排ガス採取ラインと、
前排ガス採取ラインに設置された、微粒子検出フィルタと、
前記微粒子検出フィルタの入口と出口の間に生じる差圧を検知する差圧検知部と、
を備え、
前記微粒子検出フィルタのセル壁を通過する前記排ガスの流速が、0.02m/秒以上で2m/秒以下であることを特徴とする微粒子濃度測定装置。 - 前記微粒子検出フィルタのセル壁を通過する前記排ガスの流速が、0.11m/秒以上で0.21m/秒以下であることを特徴とする請求項1記載の微粒子濃度測定装置。
- さらに前記微粒子検出フィルタを通過する排ガスの流速を調整する流速調整手段を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の微粒子濃度測定装置。
- 前記流速調整手段は、前記排ガス採取ラインに挿入され、前記排ガス採取ライン中における排ガス流量を測定する流量測定部と、前記排ガス採取ラインに挿入され、前記排ガス採取ライン中における排ガス流量を制御する流量制御バルブと、前記流量測定部で測定された前記排ガス流量に基づいて前記流量制御バルブを制御し、前記排ガス採取ライン中における排ガス流量を所定値に制御する制御装置と、を備えることを特徴とする請求項3に記載の微粒子濃度測定装置。
- 前記流速調整手段は、前記副微粒子捕捉フィルタの下流側に配置されるポンプであることを特徴とする請求項3または4に記載の微粒子濃度測定装置。
- 前記排気ラインに前記微粒子検出フィルタよりもフィルタ容積が大きい微粒子捕捉フィルタが配置される請求項1~5のうち、いずれか一項記載の微粒子濃度測定装置。
- 前記排気ラインにおいて、前記排ガス採取ラインが前記微粒子捕捉フィルタの下流側に接続されることを特徴とする請求項6記載の微粒子濃度測定装置。
- 前記排気ラインにおいて、前記排ガス採取ラインが前記微粒子捕捉フィルタの上流側に接続されることを特徴とする請求項6記載の微粒子濃度測定装置。
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