JP2004233370A

JP2004233370A - 部分希釈方式の排気ガス測定用ガス希釈システムおよび部分希釈方式の排気ガス中の微粒子状物質測定用ガス希釈システム

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Publication number: JP2004233370A
Application number: JP2004102786A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yamagishi; 豊山岸; Ichiro Asano; 一朗浅野
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2018-07-17
Also published as: JP3968085B2

Abstract

【課題】部分採取された排気ガスを例えば空気などの希釈用ガスで希釈するとともに、希釈用ガスを、比較的大流量でありながらも、高速応答かつ高精度に制御することができる部分希釈方式の排気ガス測定用ガス希釈システムを提供する。
【解決手段】希釈用ガス供給路５は、一定流量の希釈用ガスを流す第１の流路３３と、希釈用ガスの流量を制御するためのピエゾバルブ４３を備えた第２の流路３４とを並列に設けるとともに、前記希釈用ガス供給路５に含まれる差圧流量計６０が、前記第１の流路３３と第２の流路３４との合流点３５より下流側に設けられる第３の流路３６に設けられ、前記ピエゾバルブ４３は、前記希釈用ガス供給路５に含まれる差圧流量計６０によって検出された希釈用ガスの実流量に基づいて開度調整が行われる。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばエンジンなどからの排気ガスの一部を例えば空気などの希釈用ガスによって希釈するようにした部分希釈方式の排気ガス測定用ガス希釈システムおよび部分希釈方式の排気ガス中の微粒子状物質測定用ガス希釈システムに関する。

自動車のディーゼルエンジンなどから排出されるガス中に含まれるすすなどの微粒子状物質（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ、ＰＭと略称する）の測定に必要なガス希釈システムとして、近年、排気ガスを全量採取しこれを全量希釈する従来からのフルダイリューションシステムに代わって、流量制御および排ガスの部分採取を行うところの部分希釈方式の小規模な希釈システムが採用されてきている。この部分採取による部分希釈方式のガス希釈システムは、希釈後の排気ガスを一定流量に維持しながら、排気ガスを希釈するための希釈用ガス（例えば空気）の流量を制御することにより、これらの流量の差として得られる排気ガスの採取流量を制御するシステムである。

図５は、上記部分採取による部分希釈方式のガス希釈システムの一例を示すもので、この図において、１は例えば自動車に搭載されるディーゼルエンジン、２はこれに連なる排気管である。３は排気管２に挿入接続され、排気管２中を流れる排気ガスＧをサンプリングするためのプローブで、その下流側はサンリングされた排気ガスＧを希釈する希釈トンネル４に接続されている。５はこの希釈トンネル４の上流側に接続される希釈用空気Ａの供給路で、図６に示すような希釈用ガス流量制御装置６が設けられている。

すなわち、図６において、７は流路８に設けられる例えば回転数制御によって吸引能力を変えることができるルーツブロアポンプで、インバータ（周波数変換器）９によって制御される。１０は測定精度の高い差圧流量計としてのベンチュリ流量計で、その近傍には流路８を流れる空気の圧力を検出する圧力センサ１１、差圧センサ１２および温度センサ１３が設けられている。１４は前記センサ１０〜１３の検出出力に基づいて流路８を流れる空気Ａの流量（実流量）を演算する流量演算ユニットである。１５は流量演算ユニットにおいて得られた空気の実流量と予め設定される流量とを比較し、所定の制御信号をインバータ９に出力する比較制御回路である。

１６は希釈トンネル４の下流側に接続され、希釈されたサンプルガスＳが流れるガス流路で、この流路１６の下流側は二つの流路１７，１８に分岐し、それぞれの流路１７，１８にサンプルガス中に含まれるＰＭを捕集するためのフィルタ１９，２０および絞り量（圧損）を可変できるコントロールバルブ２１，２２を設けて、一方の流路１７は定常時の排気ガスを流すためのサンプルガス流路に、また、他方の流路１８は非定常時の排気ガスを流すためのバイパス流路にそれぞれ構成されている。

２３は前記サンプルガス流路１７、バイパス流路１８の下流側に設けられる流路切換え手段としての三方電磁弁で、そのポート２３ａがサンプルガス流路１７に、ポート２３ｂがバイパス流路１８にそれぞれ接続されるとともに、ポート２３ｃは三方電磁弁２３の下流側のガス流路２４に接続されている。

そして、前記ガス流路２４には、回転数制御によって吸引能力を変えることができる吸引ポンプ、例えばルーツブロアポンプ２５と、測定精度の高い差圧流量計、例えばベンチュリ流量計２６とがこの順に設けられている。そして、２７はガス流路２４を流れるガスの圧力を検出する圧力センサ、２８は差圧センサ、２９は温度センサである。

また、３０はルーツブロアポンプ２５を制御するインバータ（周波数変換器）であり、３１は装置全体を制御する流量制御ユニットである。この流量制御ユニット３１は、コントロールバルブ２１，２２やインバータ３０に指令を出力したり、前記センサ２７〜２９からの検出出力が入力される。

而して、上記ガスサンプルシステムにおいて、希釈用ガス流量制御装置６における比較制御回路１５からインバータ９に指令値が出力され、この指令値に基づいて流路８に設けたルーツブロアポンプ７が制御されることにより、希釈トンネル４に対して所定流量の希釈用空気が供給される一方、流量制御ユニット３１に設けたＰＩＤコントローラ（図示していない）によって出力される指令値をインバータ３０に出力し、この指令に基づいてインバータ３０から出力される指令値に基づいてルーツブロアポンプ２５が制御されることにより、ガス流路１６、１８、２４を流れるサンプルガス流量Ｓが常に所定の流量になるように制御され、これによって、排気ガスの採取流量が制御される。

しかしながら、上記構成の従来の希釈用ガス流量制御装置６においては、ポンプ７とベンチュリ流量計１０とを互いに直列にして設けていたため、次のような不都合があった。すなわち、空気流量の計測手段としてのベンチュリ流量計１０は、そのフルスケール近傍の流量域においては、約±０．１〜０．２％といった高い流量測定精度を有しているが、空気流量の制御手段としてのポンプ７は、その回転によって流量を変化させるものであり、ポンプ固有の慣性のために、流量制御応答速度は、０．５秒〜１秒程度が限界であった。

ところが、上記希釈用ガス流量制御装置６においては、仮りにポンプ７を、ピエゾバルブとその上流側の加圧空気源とに置き換え、ピエゾバルブの高速応答特性を用いることを狙ったとしても、比較的大流量を制御するため、ピエゾバルブが大型になるか、あるいは、ピエゾバルブの内部オリフィスが大径となるため、応答に遅れが生じてしまい、上記ベンチュリ流量計１０とポンプとの組合せの場合のいずれの場合も制御遅れが生じてしまう。このため、エンジン排気ガスのトランジェント計測に必要な流量制御の高速応答性および高精度性に欠ける憾みがあった。

また、上記希釈用ガス流量制御装置６においては、次のような問題点もあった。すなわち、エンジン１からの排気ガスＧの採取流量を制御するには、希釈用空気Ａの流量を制御する必要があるが、この場合、希釈用空気Ａの流量ゼロから最大流量まで制御するのではなく、実際には、希釈用空気Ａの最大流量の約７０％〜１００％の流量領域において流量制御すればよい。つまり、希釈用空気Ａの最大流量からその７０％程度までは常に一定となるようにしておき、最大流量の７０％〜最大流量までの範囲の変動する部分を制御すればよいが、上記希釈用ガス流量制御装置６においては、希釈用空気Ａの流量ゼロから最大流量まで制御していたため、高速応答性に欠けていた。

この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、エンジンからの排気ガスの一部を空気など希釈用ガスによって希釈するようにしたいわゆる部分採取による部分希釈方式において用いる希釈用ガスを、比較的大流量でありながらも、高速応答かつ高精度に制御することができる希釈用ガス流量制御装置を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明の部分希釈方式の排気ガス測定用ガス希釈システムは、部分採取された排気ガスを希釈する希釈トンネルと、該希釈トンネルの上流側に接続される希釈用ガス供給路と、前記希釈トンネルの下流側に接続され、希釈されたサンプルガスが流れるガス流路とを備え、前記希釈用ガス供給路および前記ガス流路は、それぞれ差圧流量計を含むとともに、前記希釈用ガス供給路は、一定流量の希釈用ガスを流す第１の流路と、希釈用ガスの流量を制御するためのピエゾバルブを備えた第２の流路とを並列に設けるとともに、前記希釈用ガス供給路に含まれる差圧流量計が、前記第１の流路と第２の流路との合流点より下流側に設けられる第３の流路に設けられ、前記ピエゾバルブは、前記希釈用ガス供給路に含まれる差圧流量計によって検出された希釈用ガスの実流量に基づいて開度調整が行われるものである。

また、別の観点からこの発明は、エンジンなどから排出される排気ガス中に含まれる微粒子状物質の測定用ガス希釈システムであって、部分採取された排気ガスを希釈する希釈トンネルと、該希釈トンネルの上流側に接続される希釈用ガス供給路と、前記希釈トンネルの下流側に接続され、希釈されたサンプルガスが流れるガス流路と、前記サンプルガス中に含まれる微粒子状物質を捕集するためフィルタを前記ガス流路に備え、更に、前記希釈用ガス供給路および前記ガス流路に設けられたフィルタの下流側に、それぞれ差圧流量計を含むとともに、前記希釈用ガス供給路は、一定流量の希釈用ガスを流す第１の流路と、希釈用ガスの流量を制御するためのピエゾバルブを備えた第２の流路とが並列に設けられるとともに、前記希釈用ガス供給路に含まれる差圧流量計が、前記第１の流路と第２の流路との合流点より下流側に設けられる第３の流路に設けられ、前記ピエゾバルブは、前記希釈用ガス供給路に含まれる差圧流量計によって検出された希釈用ガスの実流量に基づいて開度調整が行われるものであることを特徴とする部分希釈方式の排気ガス中の微粒子状物質測定用ガス希釈システムを提供する。

上記ピエゾバルブは、流量制御範囲がそれほど大きくない領域においては、０．２〜０．５秒程度の高速応答性があり、したがって、このような高速応答性を備えたピエゾバルブと高い流量測定精度を有する差圧流量計とを組合せるとともに、排気ガスの流量変動に関係なく一定流量の希釈用ガスを流す第１の流路と、前記排気ガスの流量変動に応じて流量を調整して流す第２の流路とを並列に設け、差圧流量計によって検出された前流量を基にしてピエゾバルブを制御し、可変する流量範囲のみを制御するようにしているので、希釈に用いるガスの流量が比較的大流量であるにもかかわらず、その流量計測を高精度に行うことができるとともに、流量制御を高速応答性をもって行うことができる。

この発明の気体流量制御装置においては、高速応答性を備えたピエゾバルブと高い流量測定精度を有する差圧流量計とを組合せるとともに、排気ガスの流量変動に関係なく一定流量の希釈用ガスを流す第１の流路と、前記排気ガスの流量変動に応じて流量を調整して流す第２の流路とを並列に設け、差圧流量計によって検出された前流量を基にしてピエゾバルブを制御し、可変する流量範囲のみを制御するようにしているので、希釈に用いるガスの流量が比較的大流量であるにもかかわらず、その流量計測を高精度に行うことができるとともに、流量制御を高速応答性をもって行うことができる。したがって、この発明によれば、エンジン排気ガスのトランジェント計測に対応した流量制御及び部分採取を用いたガス希釈システムを実現することができる。

発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１〜図３はこの発明の一つの実施の形態を示すもので、図１において、図５および図６における符号と同じものは同一部材を示している。

図１は、この発明の希釈用ガス流量制御装置の要部の構成を概略的に示すもので、この図において、３２は希釈用ガス流量制御装置で、排気管２を流れる排気ガスＧの一部がプローブ３によって導入される希釈トンネル４の上流端に接続されている。この希釈用ガス流量制御装置３２は、次のように構成されている。

すなわち、図１において、３３，３４は互いに並列的な流路（以下、第１の流路３３、第２の流路３４という）で、それらの下流側において合流し、その合流点３５よりも下流側の流路３６（以下、第３の流路という）は、その下流側が前記希釈トンネル４に連なっている。

そして、前記第１の流路３３は、排気ガスＧの流量変動に関係なく、希釈に用いるガス（この実施の形態においては、空気）の最大流量の７０％程度に設定した希釈用空気Ａを流すもので、この第１の流路３３には、回転数制御によって吸引能力を変えることができる吸引ポンプ、例えばルーツブロアポンプ３７とエアフィルタ３８がこの順に設けられている。３９はルーツブロアポンプ３７を回転数制御するインバータである。このインバータ３９には、後述する第１比較制御回路６６からの制御信号が入力される。

また、前記第２の流路３４は、排気ガスＧの流量変動に応じて流量を調整して流すものであって、希釈用空気Ａのゼロから最大流量の３０％程度の範囲で流量を調整する。この第２の流路３４には、吸引ポンプ４０、エアフィルタ４１、調圧器４２および流量制御用のピエゾバルブ４３がこの順に設けられ、ピエゾバルブ４３の下流側とエアフィルタ３８の下流側とが合流している。ピエゾバルブ４３は、弁口を開閉する弁体をピエゾスタックの歪力により押圧駆動するもので、例えば図２に示すように構成されている。

すなわち、図２において、４４は本体ブロック、４５，４６は本体ブロック４４に形成された流体入口、流体出口である。４７は流体入口４５と流体出口４６との間に形成される流体流路で、この流体流路４７の途中には上面に弁口４８を備えたオリフィスブロック４９が設けられている。５０は本体ブロック４４の上面に、オリフィスブロック４９の上面を覆うようにして設けられる中空の弁ブロックで、この弁ブロック５０内には、弁口４８の開度調節を行う弁体５１がオリフィスブロック４９の上面を覆うようにして設けられるダイヤフラム５２によって上下動自在に保持されている。この弁体５１は、通常時、オリフィスブロック４９の上面（弁口４８の上部周囲）との間に若干の隙間が形成されるようにしてある。

５３は弁体４１を下方に押圧駆動するピエゾスタックで、複数のピエゾ素子を積層して形成してあり、弁ブロック５０に螺着された筒状のバルブケース５４内に収容されている。このピエゾスタック５３は、その上端部５５がバルブケース５４の上端に螺着されるナット部材５６に固定され、下端の出力端５７が弁体５１の上端に当接するように構成されている。５８はピエゾスタック５３に給電するためのリード線である。

上記構成のピエゾバルブ４３は、後述する第２比較制御回路６７によって制御されるバルブ駆動回路５９（図１参照）によって適宜の直流電圧を印加することにより、各ピエゾ素子が歪み、この歪みによって出力端５７が弁体５１を下方に押圧駆動し、弁体５１と弁口４８との間の距離、つまり、弁口４８の開度調節を行うもので、流量調整の応答性は数１０μｓｅｃ〜数ｍｓｅｃときわめて高速である。なお、このようなピエゾバルブ４３は、例えば実用新案登録第２５１６８２４号公報に詳しく記載されている。

再び、図１に戻って、前記第３の流路３６は、前記第１の流路３３および第２の流路３４を流れる希釈用空気Ａの総量を測定するものであって、測定精度の高い差圧流量計としてのベンチュリ流量計６０が設けられ、その下流側は希釈トンネル４の上流側に接続されている。そして、このベンチュリ流量計６０の近傍には、第３の流路３６を流れる空気の圧力を検出する圧力センサ６１、差圧センサ６２および温度センサ６３が設けられている。

６４は前記センサ６１〜６３の検出出力に基づいて第３の流路３６を流れる希釈用空気Ａの流量（実流量）を演算する流量演算ユニットである。６５はこの流量演算ユニット６４において求められた実流量ｑを、二つの信号量ｑ₁，ｑ₂（ｑ₁：ｑ₂＝７０：３０）に分割して、それぞれを第１，第２比較制御回路６６，６７に出力する信号配分器で、各比較制御回路６６，６７においては、信号配分器６５によって与えられる信号量ｑ₁，ｑ₂を、それぞれ入力される流量設定値ｒ₁，ｒ₂と比較して、その比較に基づく所定の制御信号をインバータ３９、バルブ駆動回路６７にそれぞれ送出する。

上記構成の希釈用ガス流量制御装置においては、第３の流路３６に設けられたベンチュリ流量計６０の近傍に設けられたセンサ６１〜６３の出力が流量演算ユニット６４に入力され、この流量演算ユニット６４において希釈トンネル４に対して供給される希釈用空気Ａの総流量が求められる。そして、この流量演算ユニット６４において求められた希釈用空気Ａの総流量（実流量）は、信号配分器６５によって、ｑ₁：ｑ₂＝７：３となるように配分され、第１、第２の比較制御回路６６，６７に供給される。

そして、第１の流路３３においては、比較制御回路６６において前記信号量ｑ₁と設定流量ｒ₁とが比較され、この比較に基づいてインバータ３９に所定の制御信号が送られる。そして、このインバータ３９からは所定の制御信号が出力され、これによってルーツブロアポンプ３７が周波数制御され、第１の流路３３を流れる希釈用空気Ａの流量は、常に希釈用空気Ａの総流量の７０％となるように維持される。

一方、第２の流路３４においては、比較制御回路６７において前記信号量ｑ₂と設定流量ｒ₂とが比較され、この比較に基づいてバルブ駆動回路５９に所定の制御信号が送られる。そして、このバルブ駆動回路５９からは所定の制御信号が出力され、これによってピエゾバルブ４３における弁口４８の開度が調整され、流量制御が行われる。つまり、第３の流路３６において検出された希釈用空気Ａの変動分に応じてたフィードバック制御が行われ、第２の流路３４を流れる希釈用空気Ａの流量が制御される。

図３は、上記の３つの流路３３，３４および３６における流量の時間的変化を示すもので、図中の符号ａ，ｂ，ｃは、それぞれ流路３３，３４および３６を流れる希釈用空気Ａの流量（図１参照）に対応している。この図３に示すように、第１の流路３３における希釈用空気Ａの流量は、常に一定（変動がない）であり、第２、第３の流路３４，３６における希釈用空気Ａの流量は、高速に変化している。そして、大流量領域の全ての範囲で、第３の流路３６における希釈用空気Ａの流量ｃの変化が無いため、第２の流路３４における希釈用空気Ａの流量ｂの変動範囲は少なくて済み、したがって、ポンプ４０としてはその能力がちいさいものでよく、コストダウンとなる。

上述のように、この発明の希釈用ガス流量制御装置においては、部分採取による部分希釈方式に必要な希釈用空気Ａとして比較的大流量であるにもかかわらず、その流量計測を高速に行うないながら、可変する流量範囲のみを高速応答で流量制御することができるので、比較的大流量の希釈用空気Ａ全量をその最大流量からその７０％の範囲において高速応答かつ高精度に制御することができる。

この発明は、上述の実施の形態に限られるものではなく、種々に変形して実施することができる。第１の流路３３を、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように構成してもよい。すなわち、同図（Ａ）に示すように、ルーツブロアポンプ３７およびフィルタ３８の下流側に、調圧器６８および臨界流量オリフィス（ＣｒｉｔｉｃａｌＦｌｏｗＯｒｉｆｉｃｅ）６９を設けるようにしてもよい。また、同図（Ｂ）に示すように、ルーツブロアポンプ３７およびフィルタ３８の下流側に、調圧器６８およびキャピラリなどの流量抵抗７０を設けるようにしてもよい。

そして、第２の流路３４に設けられるルーツブロアポンプ４０に代えて、コンプレッサを設けてもよい。また、第３の流路３６に設けられるベンチュリ流量計６０に代えて、ラミナー流量計を用いてもよい。

さらに、希釈用空気に代えて、窒素ガスなど適宜の不活性ガスを用いてもよい。

この発明の希釈用ガス流量制御装置の要部の構成を概略的に示す図である。前記希釈用ガス流量制御装置において用いるピエゾバルブの構成を概略的に示す縦断面図である。前記希釈用ガス流量制御装置の動作を説明するための図である。前記希釈用ガス流量制御装置における第１の流路の他の構成を示す図である。部分採取による部分希釈方式のガス希釈システムの一例を示す図である。従来の希釈用ガス流量制御装置の構成を示す図である。

符号の説明

１エンジン
２希釈トンネル
５希釈用ガス供給路
１６，２４ガス流路
２６，６０差圧流量計
３３第１の流路
３４第２の流路
３５合流点
３６第３の流路
４３ピエゾバルブ
Ａ希釈用ガス
Ｇ排気ガス
Ｓサンプルガス

Claims

部分採取された排気ガスを希釈する希釈トンネルと、該希釈トンネルの上流側に接続される希釈用ガス供給路と、前記希釈トンネルの下流側に接続され、希釈されたサンプルガスが流れるガス流路とを備え、前記希釈用ガス供給路および前記ガス流路は、それぞれ差圧流量計を含むとともに、前記希釈用ガス供給路は、一定流量の希釈用ガスを流す第１の流路と、希釈用ガスの流量を制御するためのピエゾバルブを備えた第２の流路とを並列に設けるとともに、前記希釈用ガス供給路に含まれる差圧流量計が、前記第１の流路と第２の流路との合流点より下流側に設けられる第３の流路に設けられ、前記ピエゾバルブは、前記希釈用ガス供給路に含まれる差圧流量計によって検出された希釈用ガスの実流量に基づいて開度調整が行われるものであることを特徴とする部分希釈方式の排気ガス測定用ガス希釈システム。
エンジンなどから排出される排気ガス中に含まれる微粒子状物質の測定用ガス希釈システムであって、部分採取された排気ガスを希釈する希釈トンネルと、該希釈トンネルの上流側に接続される希釈用ガス供給路と、前記希釈トンネルの下流側に接続され、希釈されたサンプルガスが流れるガス流路と、前記サンプルガス中に含まれる微粒子状物質を捕集するためフィルタを前記ガス流路に備え、更に、前記希釈用ガス供給路および前記ガス流路に設けられたフィルタの下流側に、それぞれ差圧流量計を含むとともに、前記希釈用ガス供給路は、一定流量の希釈用ガスを流す第１の流路と、希釈用ガスの流量を制御するためのピエゾバルブを備えた第２の流路とが並列に設けられるとともに、前記希釈用ガス供給路に含まれる差圧流量計が、前記第１の流路と第２の流路との合流点より下流側に設けられる第３の流路に設けられ、前記ピエゾバルブは、前記希釈用ガス供給路に含まれる差圧流量計によって検出された希釈用ガスの実流量に基づいて開度調整が行われるものであることを特徴とする部分希釈方式の排気ガス中の微粒子状物質測定用ガス希釈システム。