JP3650921B2

JP3650921B2 - 希釈ガス流量制御装置

Info

Publication number: JP3650921B2
Application number: JP05896599A
Authority: JP
Inventors: 哲司浅見; 明弘西本
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: JP2000259254A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車のディーゼルエンジン等から排出されるガス中に含まれるＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ、すす等の微粒子状物質）を定量分析する場合等に用いられる希釈ガス流量制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前記排ガス中のＰＭを測定する手法の一つに、フィルタ重量法に則ったものがある。この種の測定装置においては、エンジンの回転数が一定である定常状態における排ガス中のＰＭを採取するため、サンプルガスを希釈するトンネルから分岐採取した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を設けたサンプルガス流路に並列に、エンジンの回転数が不安定である非定常状態のときにおける排ガスを流すためのバイパス用流路を設けた希釈ガス流量制御装置が用いられる。
【０００３】
図４は、従来の希釈ガス流量制御装置の構成を概略的に示すもので、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、その下流側はサンプリングされた排ガス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の供給管である。
【０００４】
６は希釈トンネル４の下流側に接続され、希釈された排ガス（以下、サンプルガスＳという）が流れるガス流路で、この流路６の下流側は二つの流路７，８に分岐し、それぞれの流路７，８にサンプルガスＳ中に含まれるＰＭを捕集するためのフィルタ９，１０および電磁弁１１，１２を設け、一方の流路７を定常時の排ガスを流すためのサンプルガス流路に、また、他方の流路８を非定常時の排ガスを流すためのバイパス流路にそれぞれ構成してある。
【０００５】
１３は前記サンプルガス流路７、バイパス流路８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１３ａがサンプルガス流路７に、ポート１３ｂがバイパス流路８にそれぞれ接続されるとともに、ポート１３ｃは三方電磁弁１３の下流側のガス流路１４に接続されている。
【０００６】
前記ガス流路１４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）１５と、測定精度の高い流量計（例えばベンチュリ計）１６とがこの順に設けられている。そして、１７はガス流路１４を流れるガスの圧力を検出する圧力センサ、１８は差圧センサ、１９は温度センサである。
【０００７】
また、２０は吸引ポンプ１５を制御するインバータ（周波数変換器）、２１はＰＩＤコントローラで、インバータ２０に指令を出力する。このＰＩＤコントローラ２１における定数（Ｐ，Ｉ，Ｄ）は、ガス流量や、吸引ポンプ１５の能力に応じるように設定されている。２２はインタフェースユニットで、センサ１７〜１９からの出力や後述するマイクロコンピュータ２３からの指令が入力され、流量演算など一部の演算を行うことができるとともに、ＰＩＤコントローラ２１に対して指令を出力するものである。２３は装置全体を制御する演算制御部としてのマイクロコンピュータである。
【０００８】
図５は、上記希釈ガス流量制御装置における吸引ポンプ１５の制御系統を概略的に示すもので、この図において、Ｅ_INVはインバータ２０への電圧、Ｅ_FFはフィードフォワード電圧、Ｅ_PIDはＰＩＤ制御電圧、Ｑ_actは流路１４におけるガスの実際の流量（実流量）、Ｑ_tgtは目標流量、Ｒはインタフェースユニット２２からＰＩＤコントローラ２１に対して出力される積算リセット信号で、このリセット信号は、流路切換え信号に基づいて形成される。なお、Ｔ，Ｐ，ｄＰはセンサ１７〜１９による検出出力である。
【０００９】
上記のように構成された希釈ガス流量制御装置においては、ＰＩＤコントローラ２１によって出力される指令値をインバータ２０に出力し、この指令に基づいてインバータ２０から出力される指令値に基づいてルーツブロアポンプ１５が制御され、ガス流路６、１４を流れるサンプルガス流量は常に一定となるように制御される。この場合、フィルタ９（または１０）におけるサンプルガスＳの通過流量が常に一定となるようにする必要があり、従来においては、図４に示すように、サンプルガス流路７およびバイパス流路８の三方電磁弁１３の直前にそれぞれ初期圧設定ライン２４，２５を接続していた。
【００１０】
すなわち、前記初期圧設定ライン２４，２５は、互いに同じ構成であり、空気吸入用のフィルタ２４Ｆ，２５Ｆ、圧損設定用のニードルバルブ２４Ｎ，２５Ｎを備え、二方電磁弁２４Ｖ，２５Ｖを介して三方電磁弁１３の直ぐ上流側のサンプルガス流路７およびバイパス流路８に接続され、フィルタ２４Ｆ，２５Ｆを介して大気を取り込むように構成されている。そして、ニードルバルブ２４Ｎ，２５Ｎを手動で開度調節を行い、サンプルガス流路７およびバイパス流路８にそれぞれ設けられるフィルタ９，１０の初期圧損を発生させるようにしていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の希釈ガス流量制御装置においては、フィルタ２４Ｆ，２５Ｆや圧損設定用のニードルバルブ２４Ｎ，２５Ｎを備えた初期圧設定ライン２４，２５を設け、ニードルバルブ２４Ｎ，２５Ｎを手動で開度調節を行って初期圧設定を行うところから、装置の全体構成が複雑化するとともに、手間がかかるといった不都合があるとともに、初期圧損の異なるフィルタを用いた場合、そのフィルタの種類分だけ初期圧設定ライン２４，２５を設ける必要がある等フローの構成がそれだけ複雑になるといった課題があった。
【００１２】
これに対して、上記ニードルバルブ２４Ｎ，２５Ｎをモータで駆動することにより、初期圧損の設定を自動化することが考えられるが、このように構成しても、フィルタの種類分だけ初期圧設定ラインを設ける必要があるといった点が課題として残ることとなる。
【００１３】
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、ニードルバルブなどを備えた初期圧設定ラインを設けたりしなくても、初期圧設定を自動的に行うことができる希釈ガス流量制御装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、エンジンから排出されるサンプルガスを希釈するトンネルから分岐採取した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をそれぞれ有し、互いに並列に接続された複数の分岐流路と、これらの分岐流路のうちの一つに前記サンプルガスが流れるように分岐流路の切換えを行う流路切換え手段と、ＰＩコントローラまたはＰＩＤコントローラからの制御値により、前記サンプルガスが一定流量となるように回転数制御される吸引ポンプと、流量計とを備えた排ガス中のＰＭ測定装置に用いられる希釈ガス流量制御装置において、前記フィルタにおける初期圧損を設定するために、まず、フィルタをセットし、前記吸引ポンプを動作させ、このときの前記吸引ポンプに出力される信号と前記流量計によって測定された前記フィルタの通過流量を、コンピュータにて記憶し、記憶した前記吸引ポンプに出力される信号と、フィルタの通過流量のデータから、前記吸引ポンプに出力される信号と、フィルタの通過流量との関係式を求め、前記初期圧損として設定された前記関係式を用いて前記吸引ポンプをオンしたときに設定流量に対応した信号を求め、この信号をＰＩコントローラまたはＰＩＤコントローラに与えることにより、前記吸引ポンプを制御するようにしている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この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ある。まず、図１は、この発明の希釈ガス流量制御装置の全体構成を概略的に示すもので、この図において、図４における符号と同じものは同一部材を示している。図１において、２６はサンプルガス流路７およびバイパス流路８の下流側に設けられる流路切替え手段としての三方電磁弁で、そのポート２６ａがサンプルガス流路７に、ポート２６ｂがバイパス流路８にそれぞれ接続されるとともに、ポート２６ｃはガス流路１４に接続されている。また、２７はガス流路１４の三方電磁弁２６と吸引ポンプ１５との間に接続されるスタンバイラインで、二方電磁弁２８およびフィルタ２９を備えており、フィルタ２９を介して大気を取り込むように構成されている。
【００１６】
次に、上記構成の希釈ガス流量制御装置における動作を説明する。初期圧損を設定するに際しては、次のような事実に基づいている。すなわち、一般に、フィルタの通過流量とフィルタにおける圧損は比例関係にある。図３は、このことを示すデータで、外径４７ｍｍ（有効径３５ｍｍ）のフィルタを用いて、流体（例えば空気）を流したときの流体速度（ｃｍ／ｓｅｃ）と、圧力損失（ｍｍＨ₂Ｏ）とを測定したものである。なお、横軸の欄外に示した数字は、外径４７ｍｍおよび外径７０ｍｍ（有効径６０ｍｍ）における１分間当たりの流体流量を示している。
【００１７】
例えばサンプルガス流路７を用いてフィルタの初期圧損を設定するには、次のようなシーケンスで設定すればよい。
【００１８】
（１）まず、フィルタホルダに新品のフィルタをセットする。
【００１９】
（２）電磁弁２６を動作させて、サンプルガス流路７とガス流路１４とを連通させておく。そして、インバータ２０から信号を出力して吸引ポンプ１５を動作させ、ガス流路１４に空気を流す。このときの流量は流量計１６によって測定される。そして、最小流量Ｑ_minおよび最大流量Ｑ_maxとなるようにし、そのときインバータ２０に与える最小電圧値Ｖ_minおよび最大電圧値Ｖ_maxをマイクロコンピュータ２３において記憶する。
【００２０】
（３）上記（２）で求められた２組のデータ、すなわち、流量と電圧のデータ（Ｑ_min，Ｖ_min）、（Ｑ_max，Ｖ_max）から、流量と電圧との関係を１次式で表す。
【００２１】
この場合、フィルタの種類（外径寸法や有効径など）が同じ場合には、上記（３）で求めた式を全てのフィルタに適用することができ、また、フィルタの種類が異なる場合には、その異なるフィルタごとに、前記（１）〜（３）の手順を実行して流量と電圧との関係式（１次式）を求めればよい。
【００２２】
図２は、上記フィルタの初期圧損を設定する場合におけるマイクロコンピュータ２３における画面の一例を示すもので、この例においては、フィルタの種類が異なる場合を示している。
【００２３】
上述のように、この発明の希釈ガス流量制御装置においては、上記（１）〜（３）の手順によってフィルタの初期圧損を設定することができるが、吸引ポンプ１５をオンしたときに設定流量に対応したフィードフォワード値（電圧）を上記一次式から求め、この電圧値をＰＩＤコントローラ２１に与えることにより、ＰＩＤコントローラ２１からインバータ２０に与えられる出力は、前記電圧値から始まることになる。したがって、フィードフォワード値を与えない場合に比べて遅れ時間が少なくなる。
【００２４】
なお、前記手順において、吸引ポンプ１５を動作させてガス流路１４に所定の空気が流れるようにするに際して、電磁弁２８を開状態にしてスタンバイ流路２７をガス流路１４と連通させ、このスタンバイ流路２７からの空気がガス流路１４に流れるようにし、ガス流路１４における流量が安定したとき、前記電磁弁２８を閉状態にする一方、電磁弁２６を動作させて、サンプルガス流路７とガス流路１４とを連通させるようにしてもよい。このようにした場合、サンプルガス流路７に流れる流量をより速く制御することができる。
【００２５】
なお、前記希釈ガス流量制御装置において、ＰＭを採取する場合には次のように制御する。定常状態においては、サンプルガス流路７にサンプルガスＳが流れるように三方電磁弁２６の開閉状態が設定されるが、この状態において、インタフェースユニット２２から目標流量Ｑ_tgtと実流量Ｑ_actとをＰＩＤコントローラ２１に与えると、これらの差に基づいてＰＩＤコントローラ２１から出力Ｅ_PIDがインバータ２０に対して指令値Ｅ_INVとして出力される。この指令値Ｅ_INVを受けたインバータ２０は、吸引ポンプ１５に指令を出力する。これによって、吸引ポンプ１５が所定の回転数で動作し、流路７、１４を流れるサンプルガス流量が常に一定に制御される。
【００２６】
そして、上記の状態から流路切換えを行い、バイパス流路８にサンプルガスＳを流すようにするときは、まず、流路切換え前の圧損に応じたインバータ２０への指令値Ｅ_INVを記憶する。
【００２７】
次いで、流路切換え信号に基づく積算リセット信号Ｒを、流路切換え信号と同時またはこれより少し遅れてインタフェースユニット２２からＰＩＤコントローラ２１に入力する。これにより、ＰＩＤコントローラ２１からインバータ２０に対する出力Ｅ_PIDがなくなる。これと同時に、前記記憶した指令値Ｅ_INVをＰＩＤコントローラ２１を介さず、フィードフォワード信号Ｅ_FFとしてインバータ２０に与える。
【００２８】
上述のように、この発明の希釈ガス流量制御装置においては、初期圧設定のシーケンスを自動的に行えるので、従来に比べて初期圧設定の工数を低減できる。そして、従来とは異なり、ニードルバルブなどを備えた初期圧設定ラインを設ける必要がないので、ガスラインの構成が単純化され、装置全体の構成が簡略化され、小型化が促進される。また、流量が変わってもその都度、初期圧を設定しなおす必要がない。
【００２９】
なお、上述の実施の形態においては、ＰＩＤコントローラ２１を用いていたが、これに代えて、ＰＩコントローラを用いてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
この発明の希釈ガス流量制御装置においては、ニードルバルブなどを備えた初期圧設定ラインを設けたりしなくても、初期圧設定を自動的に行うことができるとともに、装置全体が安価かつコンパクトとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の希釈ガス流量制御装置の構成の一例を概略的に示す図である。
【図２】前記装置においてフィルタの初期圧損を設定する場合におけるマイクロコンピュータにおける画面の一例を示す図である。
【図３】フィルタにおける流体速度と圧損との関係を示す図である。
【図４】従来の希釈ガス流量制御装置の構成を概略的に示す図である。
【図５】前記希釈ガス流量制御装置における吸引ポンプの制御系統を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１…エンジン、２…希釈トンネル、７，８…分岐流路、９，１０…フィルタ、１５…吸引ポンプ、１６…流量計、２０…インバータ、２１…ＰＩＤコントローラ、２６…流路切換え手段。

Claims

エンジンから排出されるサンプルガスを希釈するトンネルから分岐採取した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をそれぞれ有し、互いに並列に接続された複数の分岐流路と、これらの分岐流路のうちの一つに前記サンプルガスが流れるように分岐流路の切換えを行う流路切換え手段と、ＰＩコントローラまたはＰＩＤコントローラからの制御値により、前記サンプルガスが一定流量となるように回転数制御される吸引ポンプと、流量計とを備えた排ガス中のＰＭ測定装置に用いられる希釈ガス流量制御装置において、前記フィルタにおける初期圧損を設定するために、まず、フィルタをセットし、前記吸引ポンプを動作させ、このときの前記吸引ポンプに出力される信号と前記流量計によって測定された前記フィルタの通過流量を、コンピュータにて記憶し、記憶した前記吸引ポンプに出力される信号と、フィルタの通過流量のデータから、前記吸引ポンプに出力される信号と、フィルタの通過流量との関係式を求め、前記初期圧損として設定された前記関係式を用いて前記吸引ポンプをオンしたときに設定流量に対応した信号を求め、この信号をＰＩコントローラまたはＰＩＤコントローラに与えることにより、前記吸引ポンプを制御するようにしたことを特徴とする希釈ガス流量制御装置。