JP5118664B2 - 粒子数計測システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排出ガスに含まれるＰＭ等の固体粒子数を計測する粒子数計測システム及びその制御方法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）の測定方法としては、フィルタを用いてＰＭを捕集し、そのＰＭ質量を図るフィルタ質量法が周知である。ところで、ＰＭ排出量が微量となり、フィルタ重量法では精度面で厳しい状況となってきている。そのような状況のもと、フィルタ重量法の代替法として開発されたものが、排出ガス中のＰＭの数を計測する手法である。その具体的なシステム構成としては、例えば粒子数計測装置の前段に、エンジンの排出ガスをエア等で希釈する希釈ユニットを設け、その希釈した排出ガスの一部を当該粒子数計測装置に導いて、その中に含まれる粒子数をカウントするようにしたものが知られている（特許文献１参照）。

このような粒子数計測装置の１つとして、ＣＰＣ（Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｃｏｕｎｔｅｒ）と称されるものが知られている。このＣＰＣは、過飽和のアルコール（ブタノール等）雰囲気中に、粒子状物質を通過させて大きな径に成長させた後、スリットから排出して、出てきた粒子をレーザ光にて計数するものである。

このＣＰＣを用いたシステム構成の一例を簡単に説明すると、図３に示すように、エンジンの排気管に直接又は全流希釈トンネルや分流希釈トンネルなどを介して連通するメイン流路Ｘ１が設けられていて、このメイン流路Ｘ１の末端部に設けた吸引ポンプＸ４を作動させることにより、当該メイン流路Ｘ１にエンジンからの排出ガスが導入されるように構成されている。このメイン流路Ｘ１には、その中間に１乃至複数段の希釈ユニットＸ２が配置されており、排出ガスはこの希釈ユニットＸ２でエアにより希釈される。また、希釈ユニットＸ２の下流には、粒子数計測装置Ｘ３が設けられており、希釈ユニットＸ２により希釈された排出ガスが導入され、粒子数測定に供される。さらに、希釈ユニットＸ２上流側、希釈ユニットＸ２の間又は希釈ユニットＸ２及び粒子数計測装置Ｘ３の間から分岐して、粒子数計測装置Ｘ３の下流で合流する複数のバイパス流路Ｘ５、Ｘ６が設けられており、そのバイパス流路Ｘ５、Ｘ６には、一定流量の排出ガスをメイン流路Ｘ１から分岐させるためオリフィス等の定流量器Ｘ７、Ｘ８が設けられている。この粒子数計測システムにおいて、吸引ポンプＸ４の運転を終了させると、メイン流路Ｘ１及びバイパス流路Ｘ５、Ｘ６におけるガス吸引が停止する。

しかしながら、吸引ポンプの動作を終了させた後においても、吸引ポンプが完全に停止するまでは、メイン流路及びバイパス流路におけるガス吸引が行われてしまうこと、又は流路内のガス流れは直ぐには停止しないこと等から、粒子数計測装置よりも、バイパス流路上の定流量器からガス吸引が行われてしまう可能性がある。そうすると、定流量器の上流、つまり、粒子数計測装置の上流が過度な減圧状態となり、粒子数計測装置の上流側がその下流側よりも負圧になってしまい、粒子数計測装置の中の物質が上流へ流出する恐れがある。このような流出が生じると、粒子数計測装置がＣＰＣの場合には、測定粒子と核凝集反応を生起するブタノールのように流路への排出に注意を要する有機ガスや周囲温度によって液化した有機ガスが粒子数計測装置の上流へ漏れ出る。メイン流路に流出した液化したブタノールは、メイン流路内で溜まって管を詰まらせたり、再度気化し、凝集したブタノールが液滴となって粒子数計測装置内に入った場合、この液滴を核としてブタノールがさらに凝集し、レーザ光で計数されてしまうことで、測定誤差を生じてしまうという問題がある。また、このような流出によりブタノール等粒子数計測装置の中の物質を大量に消費してしまうことになる。

特開２００６−１９４７２６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、粒子数計測システムにおいて、簡便な構造によって粒子数計測装置からの逆流を防止できるように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粒子数計測システムは、エンジンの排出ガスを導入するための排出ガス導入ポートと、その排出ガス導入ポートに一端が接続されたメイン流路と、前記メイン流路に設けられ、内部に導入された排出ガスに希釈ガスを所定比率で混合することによりその排出ガスを希釈する希釈器と、前記希釈器に希釈された排出ガス中の固体粒子数を計測する粒子数計測装置と、前記メイン流路から排出ガスの一部をバイパスさせるものであって、開閉バルブ及び定流量器を有し、前記粒子数計測装置の上流で前記メイン流路から分岐し、前記粒子数計測装置の下流でメイン流路に合流する１又は複数のバイパス流路と、前記メイン流路及び前記バイパス流路の合流点下流に接続され、前記メイン流路及び前記バイパス流路に排出ガスを導入するための吸引ポンプと、前記吸引ポンプの運転を終了する際に、前記バイパス流路上の開閉バルブを閉じる情報処理装置と、を備えることを特徴とする。

このようなものであれば、バイパス流路に開閉バルブを設け、吸引ポンプの運転を終了する際にその開閉バルブを閉じることによって、吸引ポンプの運転終了後吸引ポンプが完全に停止するまで定流量器から下流にガスが吸引されることを防止することができる。その結果、粒子数計測装置の上流が過度な減圧状態になることを防止することができ、粒子数計測装置の中の物質が上流へ流出することを防止することができる。

すなわち、粒子数計測装置上流が吸引ポンプの動作終了後も負圧状態であると、粒子数計測装置内の過飽和のアルコール（ブタノール等）が上流に流れ出てしまう恐れがある。この問題を解決するためには、前記粒子数計測装置が、前記希釈器の下流に開閉バルブを介して設けられており、その開閉バルブ及び前記粒子数計測装置の間に開閉バルブ及びフィルタがこの順で設けられた大気開放通路が接続されており、前記情報処理装置が、前記粒子数計測装置の上流側の開閉バルブを閉じる際に、前記大気開放通路上の開閉バルブを開けることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、粒子数計測システムにおいて、簡便な構造によって粒子数計測装置の中の物質が上流へ流出することを防止できるようにすることができる。

本発明の一実施形態に係る粒子数計測システムの全体構成図である。 同実施形態における情報の流れを示す情報伝達図である。 従来の粒子数計測システムを示す模式的概略全体図である。

以下に本発明に係る粒子数計測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。

本実施形態に係る粒子数計測システム１００は、排出ガス導入ポートＰＴ１から内部に設けたメイン流路ＭＬにエンジンの排出ガスを導いて、それに希釈や気化等を施した後、メイン流路ＭＬに設けた粒子数計測装置２で前記排出ガス中の固体粒子であるＰＭを測定するものである。

前記排出ガス導入ポートＰＴ１は、図示しないエンジンからの排気ラインに接続されており、この排出ガス導入ポートＰＴ１に、例えばエンジンからの直接の排出ガスもしくは全流希釈トンネルや分流希釈トンネルで希釈された排出ガスが導かれるように構成している。なお、以下で排出ガスというときは、上述したような希釈された排出ガスも含む意味で用いることとする。

この排出ガス導入ポートＰＴ１から開閉バルブＶ１を介して内部に導入された排出ガスは、一部は第１バイパス路ＢＬ１から排出され、その残りが、直列に設けた複数段（本実施形態では２段）の希釈器ＰＮＤ１、ＰＮＤ２に導かれて希釈ガスであるエアによって希釈される。

なお、エアは、希釈ガス導入ポートＰＴ２からレギュレータＲＥＧを介して複数の希釈ガス流路ＤＬ１〜ＤＬ３を経て、メイン流路ＭＬの各所又は第２バイパス流路ＢＬ２に供給される。

また、第１バイパス流路ＢＬ１は、後述する粒子数計測装置２の下流においてメイン流路ＭＬと合流しており、開閉バルブＶ２、及びバイパス流路ＢＬ１を流れる流量を一定に保つ、クリティカルオリフィス等の定流量器ＣＦＯ１がこの順で設けられている。さらに、メイン流路ＭＬ及びバイパス流路（第１バイパス流路ＢＬ１の他、後述するその他のバイパス流路ＢＬ２、ＢＬ３も含む。）の合流点下流には、メイン流路ＭＬ及びバイパス流路ＢＬ１〜ＢＬ３を負圧にして排出ガスを導入するための吸引ポンプＰが接続されている。また、吸引ポンプＰの上流側近傍には、吸引ポンプＰの吸引力の変動を平滑化するためのバッファチャンバＢＣが設けられている。

第１希釈器ＰＮＤ１は、メイン流路ＭＬと希釈ガス流路ＤＬとの接続点又はその下流近傍に設けられており、第１希釈器ＰＮＤ１に導入された排出ガスを加熱するとともにその排出ガスを希釈するものである。

この第１希釈器ＰＮＤ１に導入される被希釈ガスである排出ガスは、その質量流量が第１希釈器ＰＮＤ１の上流、より具体的には接続点上流に設けられた流量測定機構３により測定されている。

この流量測定機構３は、流体抵抗となるオリフィス部３１と、そのオリフィス部３１の差圧を測定する圧力センサ３２と、上流側の絶対圧を測定する圧力センサ３３と、流体の温度を調整する温調器３４とを備えており、オリフィス部３１の上下流の圧力情報及び温調器３４からの温度情報に基づいて、別に設けた情報処理装置４（特に図２参照）が、第１希釈器ＰＮＤ１に導入される排出ガスの質量流量を算出できるように構成されている。情報処理装置４は、ＣＰＵ、メモリ、入力手段、ディスプレイ等を備え、メモリに格納した所定プログラムにしたがってＣＰＵや周辺機器が協働して動作する汎用乃至専用のいわゆるコンピュータである。

また、第１希釈器ＰＮＤ１に導入される希釈ガスは、希釈ガス流路ＤＬ１上に設けられた希釈ガス流量制御部ＭＦＣ１によりその質量流量が制御されている。この希釈ガス流量制御部ＭＦＣ１は、前記情報処理装置４から目標流量データを与えられると、内部に設けた流量センサ（図示しない）で測定される実流量が、目標流量データの値（以下、目標流量とも言う）となるように、内部のバルブ（図示しない）を調整してローカルで流量制御するものである。この目標流量は、前記情報処理装置４によって、希釈比率から算出される。

また、第１希釈器ＰＮＤ１の下流には、揮発性粒子を気化させるための蒸発器ＥＵが設けられるとともに、第１希釈器ＰＮＤ１及び蒸発器ＥＵの間から分岐して、粒子数計測装置２の下流においてメイン流路ＭＬに合流する第２バイパス流路ＢＬ２が設けられている。なお、蒸発器ＥＵは、３００〜４００度に加熱されている。

第２バイパス流路ＢＬ２には、希釈ガス流量制御部ＭＦＣ２が設けられた希釈ガス流路ＤＬ２が接続されている。またバイパス流路ＢＬ２には、開閉バルブＶ３、及び第２バイパス流路ＢＬ２を流れる流量を一定に保つ、クリティカルオリフィス等の定流量器ＣＦＯ２が設けられている。このような構成により、希釈ガス流量制御部ＭＦＣ２が情報処理装置４によって制御されることにより、第２バイパス流路ＢＬ２に流入する希釈ガスが調整され、その結果、メイン流路ＭＬから第２バイパス流路ＢＬ２に流入する排出ガスの質量流量を調節する。

第２希釈器ＰＮＤ２は、メイン流路ＭＬと希釈ガス流路ＤＬ３との接続点又はその下流近傍に設けられており、第２希釈器ＰＮＤ２に導入される排出ガスを冷却するとともにその排出ガスを希釈するものである。

第２希釈器ＰＮＤ２に導入される希釈ガスは、希釈ガス流路ＤＬ３に設けられた希釈ガス流量制御部ＭＦＣ３によりその質量流量が制御されている。この希釈ガス流量制御部ＭＦＣ３は、前記希釈ガス流量制御部ＭＦＣ１と同様に、前記情報処理装置４から目標流量データを与えられると、内部に設けた流量センサ（図示しない）で測定される実流量が、目標流量データの値（以下、目標流量とも言う）となるように、内部のバルブ（図示しない）を調整してローカルで流量制御するものである。この目標流量は、前記情報処理装置４によって、希釈比率から算出される。

このような構成において、第１希釈器ＰＮＤ１及びその近傍から第２希釈器ＰＮＤ２に至る配管を図示しないヒータ等の加熱手段を有する温度調節器により、例えば１５０度以上に加熱されている。これにより、配管内壁へのＰＭの付着や凝集等を防止して、計数誤差を抑制している。

また、第２希釈器ＰＮＤ２の下流には、第１希釈器ＰＮＤ１及び第２希釈器ＰＮＤ２により希釈された排出ガス中の固体粒子数を計測する粒子数計測装置２が開閉バルブＶ５を介して設けられるとともに、第２希釈器ＰＮＤ２及び粒子数計測装置２の間、具体的には開閉バルブＶ５上流から分岐して、粒子数計測装置２の下流においてメイン流路ＭＬと合流する第３バイパス流路ＢＬ３が設けられている。

このバイパス流路ＢＬ３には、バイパス流路ＢＬ３を流れる流量を一定に保つ、クリティカルオリフィス等の定流量器ＣＦＯ３、及び開閉バルブＶ４がこの順で設けられている。なお、開閉バルブＶ５及び粒子数計測装置３の間には、開閉バルブＶ６及びフィルタＦをこの順で設けた大気開放通路ＡＬが接続されており、吸引ポンプＰの停止時などに開閉バルブＶ５が閉じられる際に、開閉バルブＶ６を開けて粒子数計測装置２内を大気開放させる。

粒子数計測装置２は、アルコールやブタノールなどの有機ガスを過飽和状態で混入させて排出ガス中のＰＭに付着させることにより、このＰＭを大きな径に成長させ、成長したＰＭをスリットから排出して、出てきた粒子にレーザ光にて計数するものである。この粒子数計測装置２は、成長したＰＭをスリットから排出するように構成していることから、そのスリットが定流量器としての機能を有し、粒子計測装置２には一定流量の排出ガスが流れることになる。

このような構成により、２段の希釈器ＰＮＤ１、ＰＮＤ２で希釈された排出ガスの一部が粒子数計測装置２に導かれ、その排出ガスに含まれる固体粒子数が計数される。そして、粒子数計測装置２で測定された計数データは、前記情報処理装置４に出力されて適宜処理される。

しかして本実施形態の情報処理装置４は、吸引ポンプＰの運転を終了する際に、減圧部である定流量器ＣＦＯ１〜ＦＯ３が設けられた各バイパス流路ＢＬ１〜ＢＬ３上の開閉バルブＶ２〜Ｖ４を閉じるように、各開閉バルブＶ２〜Ｖ４に制御信号を与える。なお、吸引ポンプＰの運転を終了する際とは、吸引ポンプＰの運転を手動又はポンプ制御部（本実施形態では情報処理装置４により構成）によって停止させた時である。なお、情報処理装置４は、吸引ポンプＰの運転を開始する際には、開閉バルブＶ２〜Ｖ４を運転開始とほぼ同時に開ける。

また、この情報処理装置は、吸引ポンプＰの運転を終了する際に、粒子数計測装置２の上流に設けられた開閉バルブＶ５を閉じるように、その開閉バルブＶ５に制御信号を与えるとともに、大気開放通路ＡＬに設けられた開閉バルブＶ６を開けるように、その開閉バルブＶ６に制御信号を与える。これによって、吸引ポンプＰの運転終了後において、粒子数計測装置２の上流を負圧状態では無く、大気圧状態にすることができる。

最後に、本実施形態の粒子数計測システム１００を構成する配管のリークチェック方法について説明する。

このリークチェック方法は、例えば粒子数計測システム１００の製造時において行われ、メイン流路ＭＬに設けられた開閉バルブＶ１、Ｖ５及びバイパス流路ＢＬに設けられた開閉バルブＶ２〜Ｖ４を閉じた状態で、希釈ガス流路ＤＬ１、ＤＬ３に設けた希釈ガス流量制御部ＭＦＣ1，ＭＦＣ３により系内部にエアを加圧注入し、その系内部を正圧状態にし、希釈ガス流量制御部ＭＦＣ1、ＭＦＣ３の内部のバルブを閉じる。そしてその系内部にある圧力センサ（本実施形態では流量測定機構３の圧力センサ３３）により、内部圧の経時変化をみることで、システム全体での漏れをチェックできる。なぜならば、もし漏れがなければ、圧力はそのまま保たれ、どこかにわずかでもリークがあった場合には、圧力が徐々に減少することになるからである。

また、上記のチェックによりリークが発生している場合には、配管の継ぎ手部分などリークの可能性のある部分に発泡性を有する漏れ検出液を塗布し、当該漏れ検出液の発泡の有無によりリーク箇所を特定する。

このようなリークチェック方法によって、製造時におけるリーク箇所を簡易に発見することができ、検査工程を削減することができる。また、部品交換時のリークチェックも簡易に行うことができる。

＜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粒子数計測システム１００によれば、バイパス流路ＢＬ１〜ＢＬ３に開閉バルブＶ２〜Ｖ４を設け、吸引ポンプＰの運転を終了する際にその開閉バルブＶ２〜Ｖ４を閉じることによって、吸引ポンプＰの運転終了後吸引ポンプＰが完全に停止するまでの間に定流量器ＣＦＯ１〜ＣＦＯ3から下流にガスが吸引されることを防止することができる。その結果、粒子数計測装置２の上流が過度な減圧状態になることを防止することができ、粒子数計測装置２の中の物質が上流へ流出することを防止することができる。

さらに、吸引ポンプＰの運転を終了する際に粒子数計測装置２の上流の開閉バルブＶ５を閉じ、大気開放通路ＡＬの開閉バルブＶ６を開けるようにしているので、吸引ポンプＰの運転を終了後において、粒子数計測装置２の上流を大気圧状態にすることができ、粒子数計測装置２内の過飽和の有機ガスが、上流に流れ出てしまうことを防止することができる。

＜その他の変形実施形態＞
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、各開閉バルブは、情報処理装置４により構成されるバルブ制御部により自動制御されているが、手動により開閉するようにしても良い。

また、例えば希釈器は１つでもよいし、３つ以上あっても構わない。

さらに、前記実施形態のリークチェック方法では、開閉バルブを閉じた後に希釈ガス流量制御部によって系内部にエアを加圧注入し、希釈ガス流量制御部を閉じることによって系内部を正圧状態にしているが、希釈ガス流量制御部にエアを加圧注入した後に、開閉バルブ及び希釈ガス流量制御部を閉じることによって系内部を正圧状態にしても良い。

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。

１００ ・・・粒子数計測システム
ＰＴ１ ・・・排出ガス導入ポート
ＭＬ ・・・メイン流路
ＰＮＤ１、ＰＮＤ２・・・希釈器
２ ・・・粒子数計測装置
ＢＬ１〜ＢＬ３ ・・・バイパス流路
ＣＦＯ１〜ＣＦＯ３・・・定流量器
Ｐ ・・・吸引ポンプ
４ ・・・情報処理装置
Ｖ２〜Ｖ４ ・・・バイパス流路上の開閉バルブ
Ｖ５ ・・・粒子数計測装置上流の開閉バルブ
Ｆ ・・・フィルタ
ＡＬ ・・・大気開放通路

Claims (3)

1. エンジンの排出ガスを導入するための排出ガス導入ポートと、
   その排出ガス導入ポートに一端が接続されたメイン流路と、
   前記メイン流路に設けられ、内部に導入された排出ガスに希釈ガスを所定比率で混合することによりその排出ガスを希釈する希釈器と、
   前記希釈器に希釈された排出ガス中の固体粒子数を計測する粒子数計測装置と、
   前記メイン流路から排出ガスの一部をバイパスさせるものであって、開閉バルブ及び定流量器を有し、前記粒子数計測装置の上流で前記メイン流路から分岐し、前記粒子数計測装置の下流でメイン流路に合流する１又は複数のバイパス流路と、
   前記メイン流路及び前記バイパス流路の合流点下流に接続され、前記メイン流路及び前記バイパス流路に排出ガスを導入するための吸引ポンプと、
   前記吸引ポンプの運転を終了する際に、前記バイパス流路上の開閉バルブを閉じる情報処理装置と、を備える粒子数計測システム。
2. 前記粒子数計測装置が、前記希釈器の下流に開閉バルブを介して設けられており、その開閉バルブ及び前記粒子数計測装置の間に開閉バルブ及びフィルタがこの順で設けられた大気開放通路が接続されており、
   前記情報処理装置が、前記粒子数計測装置の上流側の開閉バルブを閉じる際に、前記大気開放通路上の開閉バルブを開ける請求項１記載の粒子数計測システム。
3. エンジンの排出ガスを導入するための排出ガス導入ポートと、
   その排出ガス導入ポートに一端が接続されたメイン流路と、
   前記メイン流路に設けられ、内部に導入された排出ガスに希釈ガスを所定比率で混合することによりその排出ガスを希釈する希釈器と、
   前記希釈器に希釈された排出ガス中の固体粒子数を計測する粒子数計測装置と、
   前記メイン流路から排出ガスの一部をバイパスさせるものであって、開閉バルブ及び定流量器を有し、前記粒子数計測装置の上流で前記メイン流路から分岐し、前記粒子数計測装置の下流でメイン流路に合流する１又は複数のバイパス流路と、
   前記メイン流路及び前記バイパス流路の合流点下流に接続され、前記メイン流路及び前記バイパス流路に排出ガスを導入するための吸引ポンプと、を備える粒子数計測システムの制御方法であって、
   前記吸引ポンプの運転を終了する際に、前記バイパス流路上の開閉バルブを閉じることを特徴とする粒子数計測システムの制御方法。