WO2011013676A1 - 排ガスサンプリング分析システム - Google Patents

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WO2011013676A1
WO2011013676A1 PCT/JP2010/062641 JP2010062641W WO2011013676A1 WO 2011013676 A1 WO2011013676 A1 WO 2011013676A1 JP 2010062641 W JP2010062641 W JP 2010062641W WO 2011013676 A1 WO2011013676 A1 WO 2011013676A1
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exhaust gas
flow path
channel
main
pressure
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PCT/JP2010/062641
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モンタジール ラーマン
竹史 日下
レスリー ヒル
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株式会社堀場製作所
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    • G01N2001/2264—Sampling from a flowing stream of gas with dilution

Definitions

  • the present invention relates to an exhaust gas sampling analysis system that samples engine exhaust gas and analyzes its components.
  • Patent Document 1 As this type of exhaust gas sampling analysis system, as shown in Patent Document 1, diluted exhaust gas that is obtained by diluting the exhaust gas from an internal combustion engine (engine) with air is circulated in the dilution pipe, and flows in the dilution pipe. Some of them are collected by sampling piping.
  • the sampling pipe includes a sampling probe for collecting diluted exhaust gas, a throttle valve for adjusting the flow rate pressure of the collected diluted exhaust gas, an exhaust gas analyzer for analyzing exhaust gas components from the diluted exhaust gas, A critical venturi and a suction pump, which are provided to suck the dilution gas in the sampling pipe in a total amount, are arranged in this order.
  • an air passage is connected between the exhaust gas analyzer of the sampling pipe and the critical venturi.
  • the exhaust gas analyzer used in the exhaust gas sampling analysis system has the flow rate and pressure of the sampling exhaust gas introduced into the analyzer determined by the specifications, and the flow rate and pressure of the sampling exhaust gas are adjusted so as to be within the specification range. It needs to be adjusted.
  • the dilution pipe of the exhaust gas sampling analysis system of Patent Document 1 is provided with a constant displacement pump on the downstream side with respect to the flow of the diluted exhaust gas, and the exhaust gas flowing into the exhaust gas introduction pipe by this constant displacement pump. Even if the amount changes, the total amount and pressure of the diluted exhaust gas flowing through the dilution pipe are kept substantially constant.
  • An air introduction pipe is connected to the dilution pipe, and an air filter is provided at the air intake port.
  • the exhaust gas sampling analysis system samples exhaust gas with high pressure, as can be seen from the fact that the diluted exhaust gas flowing through the dilution pipe is maintained at a substantially constant total amount and pressure of the diluted exhaust gas by a constant displacement pump. Not assumed. Also, the dilution pipe is connected to an air introduction pipe and an air filter is disposed at the air intake port. Even if the air filter is clogged and the pressure in the dilution pipe is lowered, it is unlikely that it will rise. .
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems all at once, and its main intended problem is to sample the exhaust gas having a high pressure and analyze the component of the exhaust gas without impairing the measurement accuracy. To do.
  • the exhaust gas sampling analysis system includes a main flow path having a proximal end connected to an introduction port for introducing exhaust gas, and a first flow path connected to the main flow path to introduce the exhaust gas into the main flow path.
  • a flow rate adjusting mechanism that is provided on the compensation flow path and adjusts the flow rate of the compensation gas supplied to the main flow path, and the first suction pump passes through the throttle mechanism.
  • the pressure of the exhaust gas that has been depressurized is further reduced to a predetermined value, and the flow rate adjusting mechanism adjusts the compensation gas supplied to the main flow path so that the pressure of the exhaust gas at the extension point of the measurement flow path becomes a predetermined value. It is characterized by adjusting the flow rate.
  • the pressure of the exhaust gas reduced by the throttle mechanism is further reduced, and the compensation gas supplied to the main flow path is adjusted to set the pressure of the exhaust gas at the extension point of the measurement flow path to a predetermined value. Therefore, the pressure and flow rate of the exhaust gas flowing through the measurement channel can be kept within the specification range of the analyzer. Therefore, the exhaust gas flowing at a high pressure in the pipe can be sampled to analyze the exhaust gas without impairing the measurement accuracy.
  • the introduction port is provided on the upstream side of the filter device provided in the exhaust pipe.
  • Upstream of the filter device for example, DPF
  • high pressure for example, 300 kPa (cage pressure)
  • the exhaust gas sampling analysis system of the present invention can sample and analyze the exhaust gas upstream of the filter device. . Therefore, the performance of the filter device can be evaluated by separately sampling and analyzing the exhaust gas from the downstream side of the filter device and comparing the analysis results.
  • the upstream opening of the pipe constituting the measurement flow path is arranged so as to face the upstream side on the same axis as the main flow path, and the measurement flow path It is desirable to perform constant-speed sampling with the piping that constitutes.
  • the constant velocity sampling is to perform sampling so that the flow rate of the exhaust gas in the main flow channel and the flow rate of the exhaust gas in the measurement flow channel are the same, whereby large particles can be sucked without loss.
  • the throttle mechanism has a shaft at the center.
  • a movable body having a main throttle channel communicating with the main channel along the direction, a sub-throttle channel communicating with one or more main channels along the axial direction around the main throttle channel, and a downstream of the movable body
  • a movable portion that is slidably fitted to the outer periphery of the side, and that is provided between the fixed portion and the movable body on the outer periphery of the movable body, and that is disposed between the stationary portion and the movable body on the outer periphery of the movable body.
  • Exhaust gas sampling analysis system 201 Filter device (DPF) PT ... introduction port 2 ... main flow path 3 ... throttle mechanism P1 ... first suction pump 4 ... measurement flow path 5 ... analyzer 6 ... compensation flow path MFC3 -Flow rate adjusting mechanism 31 ... Movable body 301 ... Main throttle channel 302 ... Sub-throttle channel 32 ... Fixed portion 33 ... Spring
  • the exhaust gas sampling analysis system 100 samples exhaust gas flowing through an exhaust pipe 200 connected to an internal combustion engine (engine) and analyzes the sampled exhaust gas.
  • this has a main flow path 2 whose base end is connected to an introduction port PT for introducing exhaust gas, and the main flow path to introduce the exhaust gas into the main flow path 2.
  • the first suction pump P1 connected to the main flow path 2, the throttle mechanism 3 provided on the main flow path 2, and the exhaust gas extending from the main flow path 2 downstream of the throttle mechanism 3 and sampling the exhaust gas flowing through the main flow path 2
  • the measurement channel 4 that circulates, the analyzer 5 that analyzes the sampled exhaust gas, and extends from the main channel 2 downstream of the extension point of the measurement channel 4,
  • a compensation channel 6 for supplying compensation gas to the main channel 2 and a flow rate adjusting mechanism MFC3 provided on the compensation channel 6 for adjusting the flow rate of the compensation gas to be supplied to the main channel 2 are provided. Further, the compensation gas supplied from the compensation channel 6 is prevented from flowing into the measurement channel 4 in the main channel 2 between the extension point of the measurement channel 4 and the extension point of the compensation channel 6.
  • a backflow prevention structure is provided.
  • the introduction port PT is provided on the upstream side of a filter device 201 such as a DPF (Diesel Particulate Filter) provided in the exhaust pipe 200.
  • a filter device 201 such as a DPF (Diesel Particulate Filter) provided in the exhaust pipe 200.
  • the exhaust gas pressure becomes high (eg, 300 kPa (gauge pressure)) due to factors such as filter clogging.
  • the main flow path 2 has a base end connected to the introduction port PT, and from the upstream side, a throttle mechanism 3 consisting of a venturi or an orifice, a buffer space BS for buffering pressure fluctuations of exhaust gas, a first flow rate adjustment mechanism MFC1, and a first One suction pump P1 is provided in this order.
  • the first flow rate adjustment mechanism MFC1 includes a flow meter FM1 and a flow rate adjustment valve (for example, a needle valve) V1.
  • the flow rate adjustment valve V1 is controlled by a control unit (not shown), and the control unit that receives the flow rate measurement signal from the flow meter FM1 outputs a control signal to the flow rate adjustment valve V1 to adjust the opening degree of the flow rate adjustment valve V1. .
  • the first suction pump P1 is also controlled by the control unit, and sucks exhaust gas so that the pressure downstream of the throttle mechanism 3 (specifically, in the buffer space BS) becomes a predetermined value.
  • symbol F in FIG. 1 has shown the filter, and CU has shown the cooler.
  • the measurement channel 4 is provided to extend from the main channel 2 downstream of the throttle mechanism 3.
  • a second flow rate adjustment mechanism MFC2 including a flow meter FM2 and a flow rate adjustment valve (for example, a needle valve) V2, and the sampled exhaust gas are analyzed.
  • the analyzer 5 such as a particle number measuring device (CPC) and the second suction pump P2 are provided in this order.
  • the second flow rate adjustment mechanism MFC2 is controlled by the above-described control unit so that the exhaust gas flow rate flowing into the analyzer 5 is constant.
  • the compensation channel 6 extends from the main channel 2 downstream of the extension point of the measurement channel 4.
  • a third flow rate adjustment mechanism MFC3 including a flow meter FM3 and a pressure control valve V3 is provided on the compensation flow path 6.
  • a pump for circulating the compensation gas in the compensation flow path 6 may be provided.
  • the buffer space BS is set to a negative pressure by the first suction pump P1
  • a compensation gas such as the atmosphere flows into the buffer space BS without providing a pump on the compensation flow path 6. Can do.
  • the pressure control valve V3 of the third flow rate adjusting mechanism MFC3 is controlled by the above-described control unit so that the exhaust gas flow rate downstream of the throttle mechanism 3 (specifically, in the buffer space BS) becomes a predetermined value.
  • the predetermined value is a pressure and flow rate at which the sampled exhaust gas pressure and flow rate satisfy the measurement specifications of the analyzer 5 when the exhaust gas is sampled by the measurement channel 4.
  • the pressure (eg, 280 [kPa] (gauge pressure)) downstream of the throttle mechanism 3 is set to a predetermined value within a predetermined range (eg, ⁇ 35 kPa to 35 kPa (gauge pressure)) by the first suction pump P1. Suction.
  • a predetermined range eg, ⁇ 35 kPa to 35 kPa (gauge pressure)
  • the pressure of the exhaust gas at the extension point is set to a predetermined value within a predetermined range (for example, ⁇ 35 kPa to 35 kPa (gauge pressure)).
  • the sampling result of the high-pressure exhaust gas using the exhaust gas sampling analysis system of the present embodiment will be described with reference to FIGS.
  • the diluted exhaust gas flow rate (exhaust gas flow rate diluted with compensation gas) by the first suction pump P1 is Q ma
  • the compensation gas flow rate supplied to the main flow channel 2 is Q mu
  • the exhaust gas flow rate flowing through the measurement flow channel 4 is Qana
  • the exhaust gas flow rate flowing through the throttle mechanism 3 (CFV) is Q v
  • the exhaust gas pressure downstream of the throttle mechanism 3 is P v .
  • a CFV having a flow rate of 5.0 [lpm] was used.
  • both the pressures shown in FIGS. 4 and 5 are gauge pressures.
  • the exhaust gas flow rate Q ana in the measurement channel 4 can be set to about 4.00 [lpm] (FIG. 4 reference), can fit the exhaust gas pressure P v in the range of -10.60 ⁇ -8.20 [kPa (gauge pressure) (see FIG. 5).
  • the measurement channel 4 can be used without causing the analyzer 5 to malfunction due to the exhaust gas sucked by the second suction pump P2 on the measurement channel 4.
  • the flow rate accuracy of the exhaust gas to be sampled can be improved and the dilution rate can be calculated with high accuracy, and the measurement accuracy in the analyzer 5 can be improved.
  • the throttle mechanism 3 of the present embodiment is a flow rate variable venturi, and this venturi 3 is accommodated in a housing 8 that forms a buffer space BS as shown in FIG.
  • the flow rate variable venturi 3 has a channel cross-sectional area that changes depending on the pressure of the input exhaust gas, and includes a movable body 31 having a rotating body shape in which a main throttle channel 301 and a sub throttle channel 302 are formed, A fixed portion 32 that is slidably fitted to the outer periphery on the downstream side of the movable body 31 and closes or opens the sub-throttle channel 302, and is provided between the fixed portion 32 and the movable body 31 on the outer periphery of the movable body 31. And a spring 33 that urges the movable body 31 in a direction in which the movable body 31 is separated from the fixed portion 32.
  • the movable body 31 has a main throttle channel 301 communicating with the main channel 2 along the axial direction at the center thereof, and a sub-throttling channel communicating with one or a plurality of main channels 2 along the axial direction around it.
  • a path 302 is formed.
  • the sub-throttle channels 302 of this embodiment have the same channel cross-sectional area, and the channel cross-sectional area is smaller than the channel cross-sectional area of the main throttle channel 301.
  • the fixed portion 32 is provided fixed to the inner peripheral surface of the housing 8, and includes a recess 321 in which the downstream side of the movable body 31 is slidably fitted, and a through hole 322 provided in the bottom wall of the recess 321. ing.
  • the opening diameter of the recess 321 is substantially the same as or slightly larger than the diameter of the outer periphery on the downstream side of the movable body 31.
  • the bottom surface of the recess 321 has a taper shape corresponding to the tip surface (in the present embodiment, the taper shape) where the downstream opening of the sub-throttle channel 302 is formed.
  • the through hole 322 is provided on the bottom wall of the recess 321 in substantially the same direction as the flow direction of the main throttle channel 301 of the movable body 31.
  • the sub-throttle channel 302 is closed and the main throttle is closed in the state where the movable unit 31 is seated (the closed position where the movable body 31 moves in the axial direction and contacts the fixed portion 32 and closes the sub-throttle channel 302). Exhaust gas flowing through the flow path 301 passes through the through hole 322 and flows downstream. On the other hand, in the state where the movable body 31 is separated (the open position where the movable body 31 moves in the axial direction and is separated from the fixed portion 32 and the sub-throttle channel 302 is opened), the sub-throttle channel 302 is opened, and the main throttle Exhaust gas flowing through the channel 301 and the sub-throttle channel 302 passes through the through hole 322 and flows downstream. As the movable body 31 moves between the seating position and the separation position, the channel cross-sectional area of the sub-throttle channel 302 increases or decreases.
  • the spring 33 is externally fitted to the movable body 31, and is provided between the flange portion 311 formed on the entire circumference of the base end portion of the movable body 31 and the recessed peripheral edge portion 321 ⁇ / b> R of the fixed portion 32.
  • the flange 311 is slidably fitted on the inner peripheral surface of the housing 8. That is, the spring 33 is configured to be accommodated in a space formed by the outer surface of the movable body 31, the side surface of the flange portion 311, the peripheral edge of the recessed portion of the fixed portion 32, and the inner peripheral surface of the housing 8, and the spring 33 flows. Avoid contact with exhaust gas. Thereby, the loss by components, such as PM contained in waste gas, adhering to the spring 33 can be prevented.
  • the spring 33 expands and contracts in accordance with the pressure of the exhaust gas received by the movable body 31, and determines the channel cross-sectional area of the sub-throttle channel 302 according to the pressure of the exhaust gas.
  • Measurement pipe 4 ⁇ / b> T In the buffer space BS formed downstream of the venturi 3 by the housing 8, piping (hereinafter referred to as “measurement piping 4 ⁇ / b> T”) constituting the measurement flow path 4 and piping (hereinafter referred to as “measurement pipe 4 ⁇ / b> T”). "Compensation pipe 6T”) is connected.
  • This buffer space BS can buffer the pressure fluctuation caused by the pulsation of the exhaust gas pressure and the pulsation of the first suction pump P1.
  • Reference numeral 2T in FIG. 2 is a pipe constituting the main flow path 2.
  • the measurement pipe 4T is connected to the upstream side of the compensation pipe 6T, and the upstream opening of the measurement pipe 4T is directed in the substantially same direction as the flow path direction of the main flow path 2. Is arranged. Specifically, the upstream side opening of the measurement pipe 4T is disposed so as to face substantially the same direction as the flow direction of the main throttle flow path 301 of the venturi. In the present embodiment, the flow path (through hole 322) formed in the fixed portion 32 is disposed close to the downstream opening. Thereby, the exhaust gas sampled from the exhaust pipe 200 can be directly guided to the measurement flow path 4.
  • the compensation gas supplied from the compensation channel 6 to the main channel 2 flows into the measurement channel 4 by arranging the upstream side opening of the measurement pipe 4T and the downstream side opening of the through hole 322 in close proximity.
  • the backflow prevention structure which prevents this is comprised.
  • the pressure of the exhaust gas decompressed by the throttling mechanism 3 is further reduced, and the compensation gas supplied to the main flow path 2 is adjusted to measure the flow rate. Since the pressure of the exhaust gas at the extension point of the path 4 is set to a predetermined value, the flow path flowing through the measurement flow path 4 can be kept within the specification range of the analyzer 5. Therefore, the exhaust gas can be analyzed without sampling the high-pressure exhaust gas and impairing the measurement accuracy.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the throttle mechanism 3 is provided in the housing 8 that forms the buffer space BS, but may be provided separately on the main flow path 2.
  • the buffer space BS is provided in the embodiment, it may be one without the buffer space BS.
  • the backflow prevention structure is configured by disposing the upstream opening of the measurement pipe close to the downstream opening of the venturi (throttle mechanism 3), but in addition, by the inner surface of the pipe constituting the main flow path 2 You may comprise by resistance.
  • exhaust gas having a high pressure can be sampled and components of the exhaust gas can be analyzed without impairing measurement accuracy.

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Abstract

　本発明は、圧力の高い排ガスをサンプリングして測定精度を損なうことなくその排ガスの成分を分析することを目的とする。そして本発明は、絞り機構３及び第１吸引ポンプが設けられたメイン流路２と、絞り機構３の下流においてメイン流路２から延出して排ガス分析装置５が設けられた測定流路４と、測定流路４の延出点の下流においてメイン流路２から延出して流量調整機構が設けられた補償流路６とを備え、第１吸引ポンプＰ１が、絞り機構３を通過して減圧された排ガスの圧力を所定値までさらに減圧するとともに、流量調整機構が、測定流路４の延出点における排ガスの圧力が所定値となるようにメイン流路２に供給される補償ガスの流量を調整する。

Description

排ガスサンプリング分析システム
　本発明は、エンジンの排ガスをサンプリングし、その成分分析を行う排ガスサンプリング分析システムに関するものである。
　この種の排ガスサンプリング分析システムとしては、特許文献１に示すように、内燃機関（エンジン）からの排ガスを空気により希釈した希釈排ガスを希釈配管内に流通させて、当該希釈配管内を流れる希釈排ガスの一部を試料採取配管により採取するものがある。
　そして、この試料採取配管には、希釈排ガスを採取するための試料採取プローブ、採取された希釈排ガスの流量流圧を調整する絞り弁、希釈排ガスより排ガスの成分分析を行う排ガス分析装置、一定の総量で試料採取配管内の希釈ガスを吸引するために設けられた臨界ベンチュリ及び吸引ポンプがこの順で配設されている。また、試料採取配管の排ガス分析装置と臨界ベンチュリとの間には、大気通路が接続されている。これらの構成により、試料採取配管に流入する希釈排ガスと大気通路から導入される大気の量との比に応じて排ガス分析装置を通過する希釈排ガスの流圧変化を減少させる構成としている。
　しかしながら、臨界ベンチュリ及び吸引ポンプによって試料採取配管内の希釈ガスの流量の総量を一定としているため、大気通路から供給する大気の流入流量が変化すると必ずサンプリング排ガスの流量が変化してしまうという問題がある。また、高圧の排ガスにおいては、流量の変化が大きく上記構成においては、この流量変化に対応することができないという問題もある。
　また、排ガスサンプリング分析システムに用いられる排ガス分析装置は、分析装置に導入されるサンプリング排ガスの流量及び圧力が仕様により定められており、その仕様の範囲内となるようにサンプリング排ガスの流量及び圧力を調整する必要がある。
　このため、上記特許文献１の排ガスサンプリング分析システムの希釈配管には、希釈排ガスの流れに対して下流側に定容量型ポンプが設けられ、この定容量型ポンプにより、排ガス導入配管に流入する排ガス量が変化しても希釈配管に流れる希釈排ガスの総量及び圧力を略一定に保つように構成されている。また、希釈配管には、空気導入配管が接続され、その大気取り入れ口にはエアフィルタが設けられている。
　しかしながら、上記排ガスサンプリング分析システムは、希釈配管を流れる希釈排ガスを定容量型ポンプによって希釈排ガスの総量及び圧力を略一定に保っていることからも分かるように、圧力の高い排ガスをサンプリングすることは想定していない。また、希釈配管には、空気導入配管が接続され大気取り入れ口にエアフィルタが配設されており、エアフィルタが詰まり希釈配管内の圧力が低くなることはあっても、高くなることは考えにくい。
特開平４－２１６４３５号公報
　そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、圧力の高い排ガスをサンプリングして測定精度を損なうことなくその排ガスの成分を分析することをその主たる所期課題とするものである。
　すなわち本発明に係る排ガスサンプリング分析システムは、排ガスを導入するための導入ポートに基端が接続されたメイン流路と、前記メイン流路に排ガスを導入すべく当該メイン流路に接続された第１吸引ポンプと、前記メイン流路上に設けられた絞り機構と、前記絞り機構の下流においてメイン流路から延出し、当該メイン流路を流れる排ガスをサンプリングして流通する測定流路と、前記測定流路上に設けられ、サンプリングされた排ガスを分析する分析装置と、前記測定流路の延出点の下流においてメイン流路から延出し、当該メイン流路に補償ガスを供給する補償流路と、前記補償流路上に設けられ、前記メイン流路に供給する補償ガスの流量を調整する流量調整機構と、を備え、前記第１吸引ポンプが、前記絞り機構を通過して減圧された排ガスの圧力を所定値までさらに減圧するとともに、前記流量調整機構が、前記測定流路の延出点における排ガスの圧力が所定値となるようにメイン流路に供給される補償ガスの流量を調整することを特徴とする。
　このようなものであれば、絞り機構により減圧された排ガスの圧力をさらに減圧するとともに、メイン流路に供給される補償ガスを調整して測定流路の延出点における排ガスの圧力を所定値としているので、測定流路を流れる排ガスの圧力及び流量を分析装置の仕様の範囲内の収めることができる。したがって、管内を高圧で流れる排ガスをサンプリングして測定精度を損なうことなく、排ガスを分析することができる。
　本発明の効果を一層顕著にするためには、前記導入ポートが排気管に設けられたフィルタ装置の上流側に設けられていることが望ましい。フィルタ装置（例えばＤＰＦ）の上流ではフィルタの目詰まり等により高圧（例えば３００ｋＰａ（ケージ圧））になることがあるが、本発明の排ガスサンプリング分析システムによりフィルタ装置上流の排ガスをサンプリングして分析できる。したがって、別途フィルタ装置の下流から排ガスをサンプリングして分析し、それらの分析結果を比較することにより、フィルタ装置の性能を評価できるようになる。
　測定流路内に排ガスを導入し易くするためには、前記測定流路を構成する配管の上流側開口が、前記メイン流路と同軸上において上流側を向くように配置され、前記測定流路を構成する配管によって等速サンプリングを行うことが望ましい。ここで、等速サンプリングは、メイン流路における排ガスの流速と測定流路における排ガスの流速が同一となるようにしてサンプリングすることであり、これにより、大きい粒子をロスなく吸引することができる。
　絞り機構において入力される排ガスの圧力に基づいて流量可変にするとともに、排ガス中に含まれるＰＭ等の成分を当該絞り機構において損失しないようにするためには、前記絞り機構が、中央部に軸方向に沿ってメイン流路に連通する主絞り流路、その周囲に軸方向に沿って１又は複数のメイン流路に連通する副絞り流路が形成された可動体と、前記可動体の下流側の外周にスライド可能に嵌合し、前記副内部流路を閉塞又は開成する固定部と、前記可動体の外周において前記固定部及び前記可動体の間に介在して設けられ、前記可動体を前記固定部から離間させる方向に付勢するスプリングと、を備え、前記可動体が受ける排ガスの圧力に応じて前記可動体が軸方向にスライド移動することにより、通過する排ガスの流量を調整するものであることが望ましい。
　このように構成した本発明によれば、圧力の高い排ガスをサンプリングして測定精度を損なうことなくその排ガスの成分を分析することができる。
本発明の一実施形態に係る排ガスサンプリング分析システムの模式的構成図である。 同実施形態の絞り機構及びその周囲配管を模式的に示す断面図である。 臨界ベンチュリの圧力（ゲージ圧）－流量特性を示す図である。 同実施形態の排ガスサンプリング分析システムによる各部の流量特性を示す図である。 同実施形態の排ガスサンプリング分析システムによる絞り機構下流の排ガス圧力（ゲージ圧）を示す図である。
１００　・・・排ガスサンプリング分析システム
２０１　・・・フィルタ装置（ＤＰＦ）
ＰＴ　　・・・導入ポート
２　　　・・・メイン流路
３　　　・・・絞り機構
Ｐ１　　・・・第１吸引ポンプ
４　　　・・・測定流路
５　　　・・・分析装置
６　　　・・・補償流路
ＭＦＣ３・・・流量調整機構
３１　　・・・可動体
３０１　・・・主絞り流路
３０２　・・・副絞り流路
３２　　・・・固定部
３３　　・・・スプリング
　以下に本発明に係る排ガスサンプリング分析システムの一実施形態について図面を参照して説明する。
　本実施形態に係る排ガスサンプリング分析システム１００は、内燃機関（エンジン）に接続された排気管２００を流れる排ガスをサンプリングしてそのサンプリング排ガスを分析するものである。
　具体的にこのものは、図１に示すように、排ガスを導入するための導入ポートＰＴに基端が接続されたメイン流路２と、メイン流路２に排ガスを導入すべく当該メイン流路２に接続された第１吸引ポンプＰ１と、メイン流路２上に設けられた絞り機構３と、絞り機構３の下流においてメイン流路２から延出し、当該メイン流路２を流れる排ガスをサンプリングして流通する測定流路４、測定流路４上に設けられ、サンプリングされた排ガスを分析する分析装置５と、測定流路４の延出点の下流においてメイン流路２から延出し、当該メイン流路２に補償ガスを供給する補償流路６と、補償流路６上に設けられ、メイン流路２に供給する補償ガスの流量を調整する流量調整機構ＭＦＣ３と、を具備する。また、測定流路４の延出点及び補償流路６の延出点の間のメイン流路２には、補償流路６により供給された補償ガスが測定流路４に流入することを防止する逆流防止構造が設けられている。
　以下に各部について詳述する。
　導入ポートＰＴは、排気管２００に設けられた例えばＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）等のフィルタ装置２０１の上流側に設けられている。このフィルタ装置２０１の上流においては、フィルタの目詰まり等の要因によって排ガスの圧力が高圧（例えば３００ｋＰａ（ゲージ圧））になる。
　メイン流路２は、基端が導入ポートＰＴに接続され、その上流からベンチュリ又はオリフィスからなる絞り機構３、排ガスの圧力変動を緩衝するためのバッファ空間ＢＳ、第１流量調整機構ＭＦＣ１、及び第１吸引ポンプＰ１がこの順で設けられている。第１流量調整機構ＭＦＣ１は、流量計ＦＭ１及び流量調整弁（例えばニードルバルブ）Ｖ１からなるものである。この流量調整弁Ｖ１は、図示しない制御部により制御され、流量計ＦＭ１からの流量計測信号を受信した制御部が流量調整弁Ｖ１に制御信号を出力し、流量調整弁Ｖ１の開度を調整する。また、第１吸引ポンプＰ１は同じく制御部により制御され、絞り機構３下流（具体的にはバッファ空間ＢＳ内）の圧力が所定値となるように排ガスを吸引する。なお、図１中の符号Ｆはフィルタ、ＣＵは冷却器を示している。
　測定流路４は、絞り機構３の下流においてメイン流路２から延出して設けられている。この測定流路４上には、上流側（メイン流路２側）から、流量計ＦＭ２及び流量調整弁（例えばニードルバルブ）Ｖ２からなる第２流量調整機構ＭＦＣ２と、ンプリングされた排ガスを分析する例えば粒子数計測装置（ＣＰＣ）等の分析装置５と、第２吸引ポンプＰ２とがこの順で設けられている。なお、第２流量調整機構ＭＦＣ２は、前述の制御部によって、分析装置５に流入する排ガス流量が一定となるように制御される。
　補償流路６は、測定流路４の延出点の下流においてメイン流路２から延出して設けられている。この補償流路６上には、流量計ＦＭ３及び圧力制御弁Ｖ３からなる第３流量調整機構ＭＦＣ３が設けられている。なお、補償流路６内に補償ガスを流通させるためのポンプを設けても良い。ただし本実施形態では、第１吸引ポンプＰ１によってバッファ空間ＢＳを負圧にしていることにより、補償流路６上にポンプを設けることなく、バッファ空間ＢＳ内に大気などの補償ガスを流入させることができる。なお、第３流量調整機構ＭＦＣ３の圧力制御弁Ｖ３は、前述の制御部によって、絞り機構３下流（具体的にはバッファ空間ＢＳ内）の排ガス流量が所定値となるように制御される。
　このように構成した排ガスサンプリング分析システム１００の動作について説明する。
　排気管２００のＤＰＦ２０１上流の圧力が高圧力（例えば３００［ｋＰａ］（ゲージ圧））の場合において、導入ポートＰＴから排ガスをサンプリングした場合、絞り機構３のベンチュリ（例えば流量性能６［ｌｐｍ（リットル毎分）］）により排ガスの圧力が低くなる（例えば２８０［ｋＰａ］（ゲージ圧））。ここで、臨界ベンチュリの圧力－流量特性を図３に示す。なお、図３の横軸の圧力はゲージ圧である。この図３から分かるように、絞り機構３下流の排ガスの圧力が－１５［ｋＰａ］（ゲージ圧）で一定の場合に、排気管２００の排ガスの圧力が高くなればなるほど、ベンチュリによる降圧効果が小さくなり、ベンチュリを流れる排ガスの流量を一定に調整することができず、流量が大きくなってしまう。具体的には、排ガスの入力圧力が３００［ｋＰａ］（ゲージ圧）の場合には、流量性能６［ｌｐｍ］のＣＦＶでは、２０［ｌｐｍ］の排ガスが流れ、２４［ｌｐｍ］のＣＦＶでは、１００［ｌｐｍ］の排ガスが流れる。つまり、ＣＦＶは、排気管２００の排ガスの圧力が上昇するに連れて流れる流量も大きくなってしまう。
　このとき、測定流路４によりサンプリングして分析装置５に排ガスを導くために、絞り機構３下流の圧力及び流量を所定値とする必要がある。ここで、所定値とは、測定流路４により排ガスをサンプリングした際に、そのサンプリングされた排ガスの圧力及び流量が分析装置５の測定仕様を満たす程度の圧力及び流量である。
　そして、第１吸引ポンプＰ１により、絞り機構３の下流の圧力（例えば２８０［ｋＰａ］（ゲージ圧））を所定の範囲内（例えば－３５ｋＰａ～３５ｋＰａ（ゲージ圧））の所定値となるように吸引する。このように絞り機構３下流の圧力を所定の範囲内まで低くすると、測定流路４の延出点での流量が大きくなりすぎてしまう。そこで、補償流路６により補償ガスをメイン流路２に供給することにより、絞り機構３下流における排ガスの流量を小さくして、流量が所定の範囲内に収まるようにして、測定流路４の延出点における排ガスの圧力を所定の範囲内（例えば－３５ｋＰａ～３５ｋＰａ（ゲージ圧））の所定値となるようにしている。
　ここで、本実施形態の排ガスサンプリング分析システムを用いた高圧排ガスのサンプリング結果について図４、５を参照して説明する。ここで、第１吸引ポンプＰ１による希釈排ガス流量（補償ガスにより希釈された排ガス流量）をＱｍａ、メイン流路２に供給される補償ガス流量をＱｍｕ、測定流路４を流れる排ガス流量をＱａｎａ、絞り機構３（ＣＦＶ）を流れる排ガス流量をＱｖ、絞り機構３下流の排ガス圧力をＰｖ、とする。なお、この例においては流量性能５．０［ｌｐｍ］のＣＦＶを用いた。また、図４及び図５に示す圧力はいずれもゲージ圧である。
　入力される排ガスの圧力を０～３００［ｋＰａ（ゲージ圧）］の範囲内で変化させても、測定流路４における排ガス流量Ｑａｎａを約４．００［ｌｐｍ］にすることができ（図４参照）、その排ガス圧力Ｐｖを－１０．６０～－８．２０［ｋＰａ（ゲージ圧）］の範囲内に収めることができる（図５参照）。
　このように絞り機構３下流の圧力及び流量を所定値とすることによって、測定流路４上の第２吸引ポンプＰ２により吸引された排ガスによって分析装置５を故障させることなく、測定流路４によりサンプリングする排ガスの流量精度を向上させて希釈率を精度良く算出することができ、分析装置５での測定精度を向上させることができる。
　しかして、本実施形態の絞り機構３は流量可変ベンチュリであり、このベンチュリ３は、図２に示すように、バッファ空間ＢＳを形成するハウジング８内に収容されている。
　流量可変ベンチュリ３は、入力される排ガスの圧力によって流路断面積が変化するものであり、主絞り流路３０１及び副絞り流路３０２が形成された回転体形状をなす可動体３１と、当該可動体３１の下流側外周にスライド可能に嵌合し、副絞り流路３０２を閉塞又は開成する固定部３２と、可動体３１の外周において固定部３２及び可動体３１の間に介在して設けられ、可動体３１を固定部３２から離間させる方向に付勢するスプリング３３と、を備えている。
　可動体３１は、その中央部に軸方向に沿ってメイン流路２を連通する主絞り流路３０１、及びその周囲に軸方向に沿って１又は複数のメイン流路２を連通する副絞り流路３０２が形成されている。なお、本実施形態の各副絞り流路３０２の流路断面積は同一であり、その流路断面積は主絞り流路３０１の流路断面積よりも小さい。
　固定部３２は、ハウジング８の内側周面に固定して設けられており、可動体３１の下流側がスライド可能に嵌る凹部３２１と、当該凹部３２１の底壁に設けられた貫通孔３２２とを備えている。凹部３２１の開口径は、前記可動体３１の下流側外周の径と略同一又は若干大きい。また、凹部３２１の底面は、副絞り流路３０２の下流側開口が形成された先端面（本実施形態ではテーパ状をなす）に対応してテーパ状をなす。貫通孔３２２は、凹部３２１底壁において、可動体３１の主絞り流路３０１の流路方向と略同一方向に設けられている。
　そして、可動体３１が着座した状態（可動体３１が軸方向に移動して固定部３２と接触し、副絞り流路３０２を閉塞する閉塞位置）で副絞り流路３０２を閉塞して主絞り流路３０１を流れる排ガスが貫通孔３２２を通過して下流に流れる。一方、可動体３１が離間した状態（可動体３１が軸方向に移動して固定部３２から離間し、副絞り流路３０２が開放する開放位置）で副絞り流路３０２を開放し、主絞り流路３０１及び副絞り流路３０２を流れる排ガスが貫通孔３２２を通過して下流に流れる。この着座位置及び離間位置の間で可動体３１が移動することによって副絞り流路３０２の流路断面積が増減する。
　スプリング３３は可動体３１に外嵌されており、可動体３１の基端部全周に形成された鍔部３１１と固定部３２の凹部周縁部３２１Ｒとにより挟まれて設けられる。なお、鍔部３１１は、ハウジング８の内側周面にスライド可能に嵌っている。つまり、スプリング３３は、可動体３１の外面、鍔部３１１の側面、固定部３２の凹部周縁部及びハウジング８の内側周面により形成される空間内に収容された構成であり、スプリング３３が流れる排ガスに接触しないようにしている。これにより、排ガス中に含まれるＰＭ等の成分がスプリング３３に付着することによる損失を防止することができる。
　このスプリング３３は、可動体３１が受ける排ガスの圧力に従って伸縮し、排ガスの圧力に応じて副絞り流路３０２の流路断面積を決定するものである。上記の構成により、可動体３１が受ける排ガスの圧力に応じて可動体３１が軸方向にスライド移動して、副絞り流路３０２を通過する排ガスの流量が調整され、その結果、ベンチュリ３を通過する排ガスの流量が調整される。
　そして、ハウジング８によりベンチュリ３の下流に形成されるバッファ空間ＢＳには、測定流路４を構成する配管（以下「測定用配管４Ｔ」という。）及び補償流路６を構成する配管（以下、「補償用配管６Ｔ」という）が接続されている。このバッファ空間ＢＳにより、排ガスの圧力の脈動及び第１吸引ポンプＰ１の脈動による圧力変動を緩衝することができる。なお、図２中の符号２Ｔはメイン流路２を構成する配管である。
　より具体的には、測定用配管４Ｔが補償用配管６Ｔよりも上流側に接続されており、測定用配管４Ｔの上流側開口が、メイン流路２の流路方向と略同一方向を向くように配置されている。詳細には、測定用配管４Ｔの上流側開口が、前記ベンチュリの主絞り流路３０１の流路方向と略同一方向を向くように配置されている。本実施形態では、固定部３２に形成された流路（貫通孔３２２）の下流側開口に近接配置されている。これにより、排気管２００からサンプリングされた排ガスを直接的に測定流路４に導くことができる。また、測定用配管４Ｔの上流側開口と貫通孔３２２の下流側開口とを近接配置させることによって、補償流路６からメイン流路２に供給された補償ガスが測定流路４内に流入することを防止する逆流防止構造を構成している。
　＜本実施形態の効果＞
　このように構成した本実施形態に係る排ガスサンプリング装置１００によれば、絞り機構３により減圧された排ガスの圧力をさらに減圧するとともに、メイン流路２に供給される補償ガスを調整して測定流路４の延出点における排ガスの圧力を所定値としているので、測定流路４を流れる流路を分析装置５の仕様の範囲内の収めることができる。したがって、高圧の排ガスをサンプリングして測定精度を損なうことなく、排ガスを分析することができる。
　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、前記実施形態では、バッファ空間ＢＳを形成するハウジング８内に絞り機構３を設ける構成としているが、メイン流路２上において別々に設けても良い。
　また、前記実施形態ではバッファ空間ＢＳを設けているが、バッファ空間ＢＳのないものであっても良い。
　さらに、逆流防止構造は、測定用配管の上流側開口をベンチュリ（絞り機構３）の下流側開口に近接配置することによって構成されているが、その他、メイン流路２を構成する配管の内面による抵抗によって構成しても良い。
　その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
　本発明により、圧力の高い排ガスをサンプリングして測定精度を損なうことなくその排ガスの成分を分析することができる。

Claims (4)

  1. 　排ガスを導入するための導入ポートに基端が接続されたメイン流路と、
    　前記メイン流路に排ガスを導入すべく当該メイン流路に接続された第１吸引ポンプと、
    　前記メイン流路上に設けられた絞り機構と、
    　前記絞り機構の下流においてメイン流路から延出し、当該メイン流路を流れる排ガスをサンプリングして流通する測定流路と、
    　前記測定流路上に設けられ、サンプリングされた排ガスを分析する分析装置と、
    　前記測定流路の延出点の下流においてメイン流路から延出し、当該メイン流路に補償ガスを供給する補償流路と、
    　前記補償流路上に設けられ、前記メイン流路に供給する補償ガスの流量を調整する流量調整機構と、を備え、
    　前記第１吸引ポンプが、前記絞り機構を通過して減圧された排ガスの圧力を所定値までさらに減圧するとともに、
    　前記流量調整機構が、前記測定流路の延出点における排ガスの圧力が所定値となるようにメイン流路に供給される補償ガスの流量を調整する排ガスサンプリング分析システム。
  2. 　前記導入ポートが排気管に設けられたフィルタ装置の上流側に設けられている請求項１記載の排ガスサンプリング分析システム。
  3. 　前記測定流路を構成する配管の上流側開口が、前記メイン流路と同軸上において上流側を向くように配置され、
    　前記測定流路を構成する配管によって等速サンプリングを行う請求項１記載の排ガスサンプリング分析システム。
  4. 　前記絞り機構が、
    　中央部に軸方向に沿ってメイン流路に連通する主絞り流路、その周囲に軸方向に沿って１又は複数のメイン流路に連通する副絞り流路が形成された可動体と、
    　前記可動体の下流側の外周にスライド可能に嵌合し、前記副内部流路を閉塞又は開成する固定部と、
    　前記可動体の外周において前記固定部及び前記可動体の間に介在して設けられ、前記可動部を前記固定部から離間させる方向に付勢するスプリングと、を備え、
    　前記可動体が受ける排ガスの圧力に応じて前記可動体が軸方向にスライド移動することにより、通過する排ガスの流量を調整するものである請求項１記載の排ガスサンプリング分析システム。
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