JPH10170439A

JPH10170439A - 排ガス中のｐｍ測定装置

Info

Publication number: JPH10170439A
Application number: JP35215396A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Adachi; 正之足立
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】サンプルガスを多数のガス流路に分岐するこ
となく、ＳＯＦ濃度をのみを連続して得ることができる
排ガス中のＰＭ測定装置を提供すること。【解決手段】内燃機関１から排出されるガスＧを所定
の高温で断熱容器５内にサンプリングし、前記断熱容器
５に設けた固気二相流中の気相濃度のみを測定するガス
分析計１４によって、前記サンプリングされた排ガスの
断熱膨張前後における赤外透過光量をそれぞれ測定し、
その赤外透過光量の変化分に基づいてＳＯＦ濃度を得る
ようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えばディーゼ
ルエンジンなど内燃機関から排出されるガス中に含まれ
るＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ、すす
などの微粒子状物質）を定量分析する排ガス中のＰＭ測
定装置に関する。

【０００２】前記ＰＭは、フィルタ重量法によって、次
のように定義されている。すなわち、エンジン排ガスを
希釈トンネルを用いて空気で５２℃以下まで希釈、冷却
し、０．３μｍの標準粒子を９５％以上捕集できる炭化
フッ素被膜ガラス繊維フィルタやメンブランフィルタな
どによってフィルタ上に捕集された固形または液状の粒
子の総和をＰＭという。そして、捕集後、気温２５℃、
湿度６０％の雰囲気中に８時間以上放置した後の重量を
ＰＭの重量という。

【０００３】また、前記ＰＭは、有機溶媒に溶解し主と
して炭化水素成分であるＳＯＦ（ＳｏｌｕｂｌｅＯｒ
ｇａｎｉｃＦｒａｃｔｉｏｎ）とＩＳＦ（Ｉｎｓｏｌ
ｕｂｌｅＦｒａｃｔｉｏｎ）とに大別でき、ＩＳＦに
は、主として炭素成分であるｄｒｙＳｏｏｔ（以下、
単にＳｏｏｔという）とサルフェートと水分とが含まれ
る。なお、ＰＭの測定と分析については、例えば、日本
機械学会（Ｎｏ．９５−２９）講習会教材（’９５．
６．１〜２、東京、内燃機関の燃焼と排気改善のための
計測技術）「粒子状物質の測定と分析」〔（財）日本自
動車研究所山崎均〕がある。

【０００４】

【従来の技術およびその問題点】ところで、上述のフィ
ルタ重量法は、ＰＭを付着・捕集したフィルタを精密天
秤を用いて測定するものであり、所謂連続測定を行うこ
とができない。これに対して、排気ガス中のＰＭを連続
的に測定する方法としては、特公平２−３１８２０号公
報に示すものがある。このＰＭ測定方法は、ＨＣ（炭化
水素）に感度がある波長の光とＨＣに感度がない波長の
光とをサンプルガスに照射して、サンプルガスの吸収を
測定し、そのとき得られるデータを、経験によって得ら
れた数式を用いて、ＳＯＦおよびＳｏｏｔの量を算出す
るようにしたものである。

【０００５】しかしながら、上記公報のＰＭ測定方法
は、粒子による光散乱理論や気相ＨＣの吸収による影響
を考慮してなく、また、得られる結果に理論的裏付けが
なく、真にＳＯＦやＳｏｏｔを計測しているとはいえな
いといった問題がある。

【０００６】これに対して、本願出願人が平成７年６月
１７日付けで特許出願している「排ガス中のＰＭ測定装
置」（特願平７−１７４２２６号）がある。このＰＭ測
定装置は、内燃機関から排出されるガスがサンプルガス
として定容量流れるサンプルガス流路を互いに並列的な
３つのガス流路に分岐し、第１分岐ガス流路には第１水
素炎イオン化検出器を設け、第２分岐ガス流路および第
３分岐ガス流路には前記サンプルガス中に含まれるＰＭ
を捕集する特性が互いに異なるフィルタ装置をそれぞれ
設けるとともに、これらのフィルタ装置の下流側にそれ
ぞれ第２水素炎イオン化検出器および第３水素炎イオン
化検出器を設け、第１水素炎イオン化検出器と第２水素
炎イオン化検出器との差、第３水素炎イオン化検出器と
第２水素炎イオン化検出器との差、第１水素炎イオン化
検出器と第３水素炎イオン化検出器との差に基づいてサ
ンプルガス中のＰＭ濃度、ＳＯＦ濃度、Ｓｏｏｔ濃度を
それぞれ同時に得られるようにしたものである。

【０００７】上記先願に係る発明は、従来からＨＣ成分
の分析に使用されていた水素炎イオン化検出器（Ｆｌａ
ｍｅＩｏｎｉｚａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒ、以
下、ＦＩＤという）によって、Ｃ（炭素）をも検出する
ことができるといった知見に基づいてなされたもので、
その意味では非常に画期的な発明であるが、サンプルガ
スを互いに並列に設けられた３つのガス流路に流す必要
があり、これらのガス流路における同期をとるのが困難
であるといった問題があり、この点改良の余地が残され
ている。

【０００８】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、サンプルガスを多数のガス流路
に分岐することなく、ＳＯＦ濃度をのみを連続して得る
ことができる排ガス中のＰＭ測定装置（以下、単にＰＭ
測定装置という）を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明のＰＭ測定装置は、内燃機関から排出され
るガスを所定の高温で断熱容器内にサンプリングし、前
記断熱容器に設けた固気二相流中の気相濃度のみを測定
するガス分析計によって、前記サンプリングされた排ガ
スの断熱膨張前後における赤外透過光量をそれぞれ測定
し、その赤外透過光量の変化分に基づいてＳＯＦ濃度を
得るようにしている。

【００１０】上記構成よりなるＰＭ測定装置において、
ＰＭを含む排ガスを、１９１℃に温調された膨張容器内
に導入する。この状態では、ＰＭ中のＳＯＦ成分は気体
である。そして、このサンプリングした排ガスを断熱膨
張させることにより急速に温度を下げ、５２℃にする
と、前記ＳＯＦ成分がＳｏｏｔに吸着するか、あるいは
ミスト状となる。

【００１１】上述の変化を、気体ＨＣに感度を有する波
長の赤外光によって連続的にモニターすると、前記断熱
膨張前には、排ガス中に含まれる成分（ＨＣガス成分＋
ガス化ＳＯＦ成分）による吸収（図５において、符号ａ
で示す）が得られ、断熱膨張後には、ＨＣガス成分のみ
の吸収（図５において、符号ｂで示す）が得られる。そ
して、断熱膨張前後の吸収量の差をとることにより、Ｓ
ＯＦ成分に対応した量が得られる。

【００１２】この場合、検出器として多波長検出器を用
い、ＨＣに感度を有しない波長（例えば３．９μｍ）の
同時に検出できるようにした場合、Ｓｏｏｔ粒子の散乱
のみによる光減衰を観測することができる。これによ
り、透過光減衰法によるＳｏｏｔの量を決定することが
できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施例
を、図を参照しながら説明する。

【００１４】図１は、この発明の第１実施例に係るＰＭ
測定装置を概略的に示すもので、この図において、１は
ディーゼルエンジン、２はディーゼルエンジン１に接続
される排気管、３は排気管２を流れる排ガスＧの一部を
サンプルガスＳとして採取するためのプローブ４を介し
て接続されるサンプルガス流路である。このサンプルガ
ス流路３は、プローブ４を含めて温調可能に構成されて
おり、サンプルガスＳとして取り込まれた排ガスＧを、
１９１℃の温度になるようにしてある。

【００１５】５はサンプルガス流路３に介装される断熱
容器で、例えばシリンダのように円筒状容器よりなり、
そのサンプルガス流路３に臨む側には、吸気バルブ６お
よび排気バルブ７を備えている。この断熱容器５は、１
９１℃になるように温調されている。８は断熱容器５の
内部を密着しながら、矢印ＡまたはＢ方向に直線的に運
動するピストンで、図示してない駆動機構に連結された
原動軸９に固着されて例えば矢印Ｃ方向に回転する円盤
１０とは連杆１１によって接続されている。すなわち、
円盤１０の周縁の適宜箇所およびピストン８にそれぞれ
ピン部材１２，１３が設けられ、これらのピン部材１
２，１３間を連杆１１によって接続している。

【００１６】１４は前記断熱容器５とピストン８とによ
って形成される空間１５をセルとするガス分析計で、Ｉ
ＲＥＳ法の測定原理に基づいて、固気二相である排ガス
Ｇにおける気相（ＨＣ）濃度のみを測定するものであ
る。なお、ＩＲＥＳ法の詳細については、”Ｎｏｎ−Ｉ
ｎｔｒｕｓｉｖｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＧ
ａｓｅｏｕｓＳｐｅｃｉｅｓｉｎＲｅａｃｔｉｎ
ｇａｎｄＮｏｎ−ＲｅａｃｔｉｎｇＳｐｒａｙ
ｓ”（Ｃｏｍｂｕｓｔ．Ｓｃｉ．ａｎｄＴｅｃｈ．１
９９１，Ｖｏｌ．７５．ｐｐ．１７９−１９４）に詳し
く紹介されている。

【００１７】前記ガス分析計１４は、例えば次のように
構成されている。すなわち、ピストン８の空間１５に臨
む側に赤外光源１６が設けられている。そして、断熱容
器５のバルブ６，７が設けられた底壁５ａ（図３および
図４参照）に赤外光透過材よりなる赤外光透過窓１７が
形成され、この赤外光透過窓１７の外側に多波長検出器
１８が設けられている。この多波長検出器１８は、例え
ば３つのフィルタを備えており、一つのフィルタは測定
波長の赤外光のみを通過させ、残り二つのフィルタは前
記測定波長を挟んで適宜幅だけ隔たった比較波長の赤外
光のみを通過させるように構成されている。図２は、前
記３つのフィルタにおける透過波長の関係を概略的に示
す図で、この図において、λ_gは測定波長を、λ_r1，λ
_r2は比較波長をそれぞれ示している。

【００１８】１９は多波長検出器１８の出力を適宜増幅
するプリアンプ、２０は例えばアナログ系の信号処理装
置である。

【００１９】上述のように構成されたＰＭ測定装置の動
作について、図３〜図５をも参照しながら説明する。図
１に示すように、排気管２を流れるディーゼルエンジン
１から排出されるＰＭを含んだ排ガスＧは、その一部が
プローブ４を経てサンプルガス流路３にサンプルガスＳ
として取り込まれる。そして、断熱容器５は、１９１℃
になるように温調しておく。

【００２０】図３（Ａ）に示すように、ピストン８の上
死点では断熱容器５内の残留ガス体積を可及的に小さく
なるように、セル１５の容積を最小にしておく。

【００２１】そして、図３（Ｂ）に示すように、円盤１
０を矢印Ｃ方向に回転させることにより、ピストン８を
矢印Ａ方向に移動させて、セル１５の容積が大きくな
る。これに伴って、サンプルガス流路３の導入流路３Ａ
にあるサンプルガスＳが吸気バルブ６が開かれて、セル
１５内に適宜量のサンプルガスＳを導入し、大気圧サン
プリングが行われる。

【００２２】図３（Ａ）に示した状態から円盤１０が例
えば矢印Ｃ方向に回転し、ガスの導入が完了すると、吸
気バルブ６が閉じられる。このとき、セル１５内に吸引
されたサンプルガスＳは１９１℃であり、これに含まれ
る粒状物質のＳＯＦ成分は気体である。

【００２３】そして、前記状態で、図３（Ｃ）に示すよ
うに、赤外光源１６から赤外光ＩＲが多波長検出器１８
に向かって照射する。これにより、赤外光ＩＲの透過光
量に応じた信号が多波長検出器１８から出力され、この
とき出力される信号ａは、膨張前のサンプルガスＳに含
まれるＨＣガス成分とガス化ＳＯＦ成分による吸収の大
きさを表すものであり、この信号ａは、プリアンプ１９
を介して信号処理装置２０に入力される。

【００２４】前記図３（Ｃ）に示した状態からさらに円
盤１０が矢印Ｃ方向に回転すると、ピストン８は、図４
（Ａ）において矢印Ａ方向に移動し、ピストン８が下死
点位置まで移動する。この移動工程において、セル１５
内のサンプルガスＳが断熱膨張し、その温度が５２℃ま
で急速に下がる。この温度状態においては、サンプルガ
スＳ中に含まれるＳＯＦ成分はＳｏｏｔに吸着される
か、あるいはミスト状態となる。

【００２５】そして、前記状態で、図４（Ｂ）に示すよ
うに、赤外光源１６から赤外光ＩＲが多波長検出器１８
に向かって照射する。これにより、赤外光ＩＲの透過光
量に応じた信号が多波長検出器１８から出力され、この
とき出力される信号ｂは、膨張後（冷却後）のサンプル
ガスＳに含まれるＨＣガス成分による吸収の大きさを表
すものであり、この信号ｂは、プリアンプ１９を介して
信号処理装置２０に入力される。

【００２６】図４（Ｂ）に示した状態からさらに円盤１
０を矢印Ｃ方向に回転させることにより、ピストン８は
図４（Ｃ）において矢印Ｂで示す方向に移動して、セル
１５は再び最小の容積となるとともに、排気バルブ７が
開いて、サンプルガスＳが排気流路３Ｂ方向に出てい
く。

【００２７】信号処理装置２０においては、ブーゲ・ベ
ールの法則に基づいて前記信号ｂを信号ａで割算し、そ
の対数を取ることにより、つまり、ｌｏｇ（ｂ／ａ）を
求めることにより、ＳＯＦのみによる吸光度を得ること
ができる。なお、ピストン８を用いた断熱容器５におい
ては、サンプルガスＳの膨張前後においてガス濃度の差
が生じるが、光路長がこれをキャンセルするように変化
するので、ＨＣガス成分による吸収量は変化しないと考
えられる。

【００２８】図５は、ピストン８の位置と多波長検出器
１８から出力される信号の大きさを概略的に示す図で、
この図中、符号ａは、断熱膨張前にサンプルガスＳ中に
含まれる成分（ＨＣガス成分＋ガス化ＳＯＦ成分）によ
る吸収後の透過光量を示し、符号ｂは、断熱膨張後にサ
ンプルガスＳ中に含まれるＨＣガス成分のみによる吸収
後の透過光量を指名している。

【００２９】そして、前記図５において、符号ｃで示す
ものがＳＯＦの量に対応している。また、符号ｄで示す
ものは、粒子の散乱を示し、これはＳｏｏｔの大きさに
対応している。したがって、ＨＣに感度を有しない波長
（例えば３．９μｍ）の同時に検出できるようにした場
合、Ｓｏｏｔ粒子の散乱のみによる光減衰を観測するこ
とができる。これにより、透過光減衰法によるＳｏｏｔ
の量を決定することができる。

【００３０】上述したサンプルガスＳの吸入、膨張、排
気の工程を高速に繰り返すことにより、サンプルガス
Ｓ、すなわち、排ガスＧ中のＳＯＦの測定を連続的に行
うことができる。

【００３１】図６は、この発明の第２実施例に係るＰＭ
測定装置を概略的に示すもので、この実施例において
は、赤外光源１６と多波長検出器１８とを、セル１５の
側壁５ｂ，５ｃの外側に、赤外光透過窓１７ａ，１７ｂ
を介して設けている。このように構成した場合、第１実
施例とは異なり、膨張時と圧縮時と光路長が一定である
ため、サンプルガスＳの膨張前後においてガス濃度の差
が生じる。そこで、セル１５の体積の変化に応じて、吸
光度の補正を行う必要がある。すなわち、圧縮時のセル
１５の体積をＶ₀、吸光度をＡ₀とし、膨張時のセル１
５の体積をＶ₁、吸光度をＡ₁とするとき、吸光度はガ
ス濃度に比例することから、Ａ₁＝（Ｖ₀／Ｖ₁）Ａ₀ なる関係を用いて、吸光度の補正を行うのである。

【００３２】この第２実施例の場合の動作および効果
も、前記第１実施例のそれと同じであるので、その詳細
な説明は省略する。

【００３３】

【発明の効果】この発明は、以上のような形態で実施さ
れ、以下のような効果を奏する。

【００３４】この発明によれば、サンプルガスを多数の
ガス流路に分岐することなく、ＳＯＦ濃度をのみを連続
して得ることができ、多流路を用いた分析のように同期
をとる必要がなく、きわめて簡単な構成で排気ガスに含
まれるＳＯＦ濃度を精度よくしかも連続的に測定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に係るＰＭ測定装置を概略的に示す
図である。

【図２】前記ＰＭ測定装置において用いる多波長検出器
の３つのフィルタにおける透過波長の関係を概略的に示
す図である。

【図３】前記ＰＭ測定装置の動作説明図である。

【図４】前記ＰＭ測定装置の動作説明図である。

【図５】前記ＰＭ測定装置によって得られる信号の一例
を概略的に示す図である。

【図６】第２実施例に係るＰＭ測定装置を概略的に示す
図である。

【符号の説明】

１…内燃機関、５…断熱容器、１４…ガス分析計、Ｇ…
排ガス。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関から排出されるガスを所定の高
温で断熱容器内にサンプリングし、前記断熱容器に設け
た固気二相流中の気相濃度のみを測定するガス分析計に
よって、前記サンプリングされた排ガスの断熱膨張前後
における赤外透過光量をそれぞれ測定し、その赤外透過
光量の変化分に基づいてＳＯＦ濃度を得るようにしたこ
とを特徴とする排ガス中のＰＭ測定装置。