(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質を計測するものであって、
前記内燃機関の排気管に接続される第１ユニットと、前記第１ユニットとは別体で設けた第２ユニットと、前記第１ユニット及び第２ユニット間に介在する接続配管とを具備してなり、
前記第１ユニットは、
一端から排ガスが導入される排ガス流路と、前記排ガス流路上に設けたオリフィス部と、前記排ガス流路に接続されて該排ガス流路内の圧力が一定以上になるとその圧力によって機械的に開放され希釈前の排ガスのみを逃がし圧力上昇を抑制する昇圧抑止弁と、前記排ガス流路のオリフィス部よりも下流側に接続されて該排ガス流路に希釈ガスを導入する希釈ガス流路とを有し、希釈ガスによって希釈された排ガスである希釈排ガスが前記排ガス流路の他端から導出されるように構成したボディを備えたものであり、
前記第２ユニットは、
前記第１ユニットから導出された希釈排ガスが前記接続配管を介して導入されるとともに、その導入された希釈排ガスに含まれる粒子状物質を計測する粒子状物質計測機構を具備したものであることを特徴とする粒子状物質計測装置。
【請求項２】
前記排ガス流路において、前記オリフィス部よりも下流側に前記昇圧抑止弁を設けるとともに、前記オリフィス部よりも上流側に第２のオリフィス部を設け、さらに各オリフィス部の間に第２の昇圧抑止弁を設けていることを特徴とする請求項１記載の粒子状物質計測装置。
【請求項３】
前記第１ユニットが、前記ボディを排気管に取り付けるためのブラケット機構をさらに具備したものである請求項１又は２記載の粒子状物質計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排出ガスに含まれる粒子状物質を計測する粒子状物質計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
排ガスに含まれる粒子状物質の数（ＰＮ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｎｕｍｂｅｒ）を精密に計測できる機器として例えばＣＰＣ（Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｃｏｕｎｔｅｒ）と称される粒子数カウンタがある。
【０００３】
このＣＰＣは、過飽和のアルコール（ブタノール等）雰囲気中に、前記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、出てきた粒子状物質をレーザ光で計数するものであり、従来は、特許文献１に示すように、このＣＰＣの他に、排ガスを希釈するための希釈機構や吸引ポンプなどが単一のケーシングに収容され、一体の計測ユニットとして構成されている。そして、前記計測ユニットを排気管から離して配置した上で、該計測ユニットと排気管とをホットホースなどで接続し、排気管からの生の排ガスを計測ユニット内の希釈機構で希釈してＣＰＣに導入するようにしている。このように配管にホットホースを用いているのは、特に希釈前の排ガスにおいて、その温度が下がりすぎると、粒子状物質の付着による粒子損失が生じたり、その付着による配管詰まりが生じたりするからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１６４４１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、かかるホットホースは、自身が発熱するからといって必ずしも十分な耐熱性を有しているとは限らず、例えば樹脂素材などが用いられている場合には、通常の金属配管に比べると一般的に耐熱性に劣る。そのため、ホットホースがネックとなって使用が制限されたり、耐熱温度の高い高価格なホットホースを用いざるを得なかったりする。
【０００６】
また、このような計測ユニットには耐圧が定められている。耐圧とは、流入する排気ガスに許される上限圧力のことであり、これは通常、前記計測ユニットの入口に設けられたオリフィスなどの流量制限機構の能力で定まる。耐圧を上げるには、単純には、例えばオリフィス径を小さくすればよいが、そうすると排ガス圧力が低い場合、すなわち大気圧に近い場合、前記吸引ポンプの作用によってユニット内が負圧になるため、計測ユニットに引き込む排ガスの流量を精度良く制御することが難しくなり、計測精度にばらつきがでる恐れがある。
【０００７】
このような理由から、従来は、計測可能な圧力範囲を大きくとれず、例えば排気管におけるＤＰＦの上流側及び下流側の双方で排気ガスをサンプリングするような要請があった場合、エンジンの運転状況や機種などの関係から、各サンプリング位置での圧力差が大きいと、共通の装置でＰＮを計測することが難しくなる。
【０００８】
本発明は、かかる課題を一挙に解決すべくなされたものであって、その主たる目的は、粒子状物質計測装置において、コスト増大を招くことなく耐熱性を向上させ、かつ排ガスの計測可能な圧力範囲をも増大させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明に係る粒子状物質計測装置は、内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質を計測するものであって、前記内燃機関の排気管に接続される第１ユニットと、前記第１ユニットとは別体で設けた第２ユニットと、前記第１ユニット及び第２ユニット間に介在する接続配管とを具備したものである。
【００１０】
そして、前記第１ユニットは、一端から排ガスが導入される排ガス流路と、前記排ガス流路の途中に設けたオリフィス部と、前記排ガス流路のオリフィス部よりも下流側に接続されて該排ガス流路内の圧力が一定以上になるとその圧力によって機械的に開放され希釈前の排ガスのみを逃がして圧力上昇を抑制する昇圧抑止弁と、前記排ガス流路のオリフィス部よりも下流側に接続されて該排ガス流路に希釈ガスを導入する希釈ガス流路とを有するボディを備え、希釈ガスによって希釈された排ガスである希釈排ガスが前記排ガス流路の他端から導出されるように構成したものであり、
前記第２ユニットは、前記第１ユニットから導出された希釈排ガスが前記接続配管を介して導入されるとともに、その導入された希釈排ガスに含まれる粒子状物質を計測する粒子状物質計測機構を具備したものであることを特徴とする。
【００１１】
このようなものであれば、装置を第１ユニットと第２ユニットとに分け、第１ユニットを排気管の近傍に配置しているので、排気管から第１ユニットまでの配管を非常に短くすることができる。したがって、前記配管での温度低減がほとんど生じず、配管に単純な金属管を使用して、コスト低減を図るとともに、耐熱性をも向上させることができる。
【００１２】
また、この配管を通じて排気管の熱が第１ユニットのボディに伝わるため、該ボディに設けるヒータを容量の小さな低コストのもので間に合わせることができる。逆に、排気管の熱によってボディが高温化することも考えられるが、ボディには、オリフィス部や昇圧抑止弁といった単純な機械部品のみが設けられているので、耐熱温度をコストを上げることなく実現できる。
【００１３】
さらに、一般的に温度低下時に配管への粒子付着が招来されるが、本発明によれば、第１ユニットに希釈ガスを導入することで、温度低下時に同時に排ガスが希釈されるように構成しているので、粒子付着を可及的に防止でき、この第１ユニットより下流の配管、すなわち第１ユニットと第２ユニットとの接続配管を高温に保つ必要がない。したがって、この点でもコストダウンや構成の簡単化を図ることができる。
【００１４】
加えて、第１ユニットには、オリフィス部と昇圧抑止弁が設けられているので、オリフィス弁の設定によって、排気管内圧力が大気圧に近い場合でも、ユニット内圧力が負圧にならないようにするとともに、昇圧抑止弁の設定によって排気管内の圧力が高くなっても、ユニット内圧力を設定以下に保って耐圧性を高めることができ、測定可能な圧力範囲を大きくすることが可能になる。この結果、大型エンジンや排気管のＤＰＦより上流側などのように、排ガスの圧力が大気圧よりかなり高くなる用途にはもちろんのこと、排ガスの圧力が大気圧にかなり近い用途にも同時に対応できるようになり、また排気管内の圧力変動が大きい場合でも計測精度を担保できるようになる。
【００１５】
耐圧性をより向上させて測定可能な排ガスの圧力範囲を大きくするには、前記排ガス流路のオリフィス部よりも上流側に第２オリフィス部を設けるとともに、これらオリフィス部及び第２オリフィス部の間に第２昇圧抑止弁を設けているものが好ましい。
【００１６】
第１ユニットと排気管とを熱的に確実に接続するとともに該第１ユニットを排気管により近づけるためには、前記第１ユニットが、前記ボディを排気管に取り付けるためのブラケット機構をさらに具備したものであることが望ましい。
【発明の効果】
【００１７】
以上に述べた本発明によれば、装置を第１ユニットと第２ユニットとに分割し、第１ユニットを排気管の近傍に配置するとともに、この第１ユニットで排ガスを希釈するようにしているので、耐熱性を向上させ、コストダウンも図れる。
【００１８】
また、この第１ユニットにオリフィス部や機械動作式の昇圧抑止弁を設けているので、耐圧性を向上させることができるとともに大気圧に近い低い圧力でも装置側が負圧にならないようにすることができ、測定可能な圧力範囲を大きくすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る粒子状物質計測装置の全体を示す模式図。
【図２】同実施形態における第１ユニットを示す縦断面図。
【図３】同実施形態における粒子状物質計測装置の概略流体回路図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
本実施形態に係る粒子状物質計測装置１００は、図１にその全体概要を示すように、内燃機関の排気管１に直接取着される第１ユニットＵ１と、この内燃機関から離れて配置される第２ユニットＵ２と具備している。
第１ユニットＵ１は、排気管１の直近真横に配置されるボディ２と、このボディ２を排気管１に取り付けるためのブラケット機構３とを具備している。
【００２２】
ボディ２は、例えばブロック状をなすものであり、排気管１からの排ガスが導入される排ガス流路Ｌ１１が内部を貫通させてある。また、このボディ２は、断熱部材４によって周囲を覆ってあり、サーモスタットなどの機械式温調機によって、所定領域が一定温度以下とならないように温度調整してある。なお、図３のＺ１が温調されている前記所定領域を示している。
【００２３】
次に前記排ガス流路Ｌ１１について図３を参照して詳述する。この排ガス流路Ｌ１１の始端は、排ガス導入ポートＰ１１としてボディ２における排気管１に対向する表面に開口させてある。そして、この排ガス導入ポートＰ１１に排気管１を流れる排ガスの一部が、サンプリング管Ｃ３を介して、希釈されることなく導入される。サンプリング管Ｃ３は、図２に示すように、ステンレスやアルミを素材とする金属製の直管である。そして、その一端が排気管１の側面から該排気管１内に差し込まれるとともに、他端が前記排ガス導入ポートＰ１１に接続され、その途中は外部に露出している。このサンプリング管Ｃ３には、ヒータや温調機構などは付加されておらず、金属管単体で構成されている。
【００２４】
排ガス流路Ｌ１１の途中には、内径を部分的に小さく絞ったオリフィス部Ｏ１１、Ｏ１２が２箇所に直列に設けられている。各オリフィス部Ｏ１１、Ｏ１２の下流側からは逃がし流路Ｌ１３，Ｌ１４がそれぞれ分岐させてあり、それら逃がし流路Ｌ１３，Ｌ１４上に、該排ガス流路Ｌ１１内の圧力が一定以上になるとその圧力によって機械的に開放され一部の排ガスを逃がして圧力上昇を抑制する昇圧抑止弁Ｖ１１，Ｖ１２（ここでは例えばチェックバルブ）が設けられている。
【００２５】
この排ガス流路Ｌ１１における下流側オリフィス部Ｏ１１、Ｏ１２のさらに下流には、希釈ガス（例えばエアー）が流れる希釈ガス流路Ｌ１２が接続されている。希釈ガス流路Ｌ１２の始端は希釈ガス導入ポートＰ１３としてボディ２の表面に開口させてあり、この希釈ガス導入ポートＰ１３から導入された希釈ガスによって排ガス流路Ｌ１１の排ガスが希釈される。そして、この希釈された排ガス（以下、希釈排ガスと言う）は、排ガス導出ポートＰ１２としてボディ２の表面に開口させた排ガス流路Ｌ１１の終端から導出される。
【００２６】
なお、図２に示すように、排ガス流路Ｌ１１における希釈ガス流路Ｌ１２との接続部位は２重管構造にしてある。この２重管構造によって、希釈ガス流路Ｌ１２から吐出した希釈ガスは、排ガス流路Ｌ１１の外管５にまずあたって、その外管５の側面に沿って排ガスの流れと同じ軸方向に流れ、その後、排ガスと混合される。仮にこのような２重管構造とせず、例えば、排ガス流路Ｌ１１の側面に希釈ガス流路Ｌ１２の吐出口を直接設けるような構成だと、希釈ガスの流入によって、排ガス流路Ｌ１１内に前記吐出口の対向面に当たるような軸方向以外のガス流れが生じ、その対向面に粒子状物質が付着する恐れがあり、その場合に、粒子状物質を効率よく第２ユニットＵ２へ運ぶことができなくなる。
【００２７】
ブラケット機構３は、図１に示すように、ボディ２を支持する支持台３１と、この支持台３１から延伸して排気管１に取り付けられるクリップ部３２とからなる金属製のものである。クリップ部３２は、排気管１を径方向から挟み込むようにして取り付けられる環板状のものであり、排気管１の角度に拘わらず支持台３１を適切な姿勢に設定できるように、支持台３２に対し角度変更可能に接続されている。前記サンプリング管Ｃ３は、排ガス導入ポートＰ１１から延伸してクリップ部３１を貫通し、排気管１の側周面に略垂直に差し込まれる。
次に、第２ユニットＵ２について簡単に説明する。
前記第２ユニットＵ２は、図１に示すように、ケーシング６内に各種機器や配管等を収容したものである。
【００２８】
該第２ユニットＵ２には、図３に示すように、前記第１ユニットＵ１の排ガス導出ポートＰ１２に、接続配管Ｃ１を介して連通する排ガス流入ポートＰ２１が設けてある。なお、前記接続配管Ｃ１には、導電性テフロン（登録商標）管などを用いて、管内部が一定温度（約４７℃）に保たれるようにしてある。
【００２９】
しかして、この排出ガス流入ポートＰ２１には、図３に示すように、ケーシング６の内部に設けたメイン流路ＭＬが接続してあり、このメイン流路ＭＬ上には、上流から順に、サイクロン式のダスト除去器ＣＹＣＬ、流量測定機構２３、第１希釈混合ユニットＭＸ１、エバポレーションユニットＥＵ、第２希釈混合ユニットＭＸ２、及び粒子状物質を計数する粒子状物質計測機構ＣＰＣ（背景技術で述べた粒子数カウンタ）が設けられている。また、さらにその下流には、バッファタンクＢＴ及び吸引ポンプＶＰが設けてある。
【００３０】
このようにして、排出ガス流入ポートＰ２１から導入された希釈排ガスは、メイン流路ＭＬを経て粒子状物質計測機構ＣＰＣに導入され、粒子状物質が計数されるようにしている。なお、図３中、符号Ｏ２１、ＰＧ１、ＰＧ２は、前記流量測定機構２３を構成するオリフィス、差圧計、絶対圧計である。
【００３１】
また、このメイン流路ＭＬの所要箇所からは、前記バッファタンクＢＴに連通するバイパス流路ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３が分岐させてある。各バイパス流路ＢＬ１，ＢＬ２，ＢＬ３には、定流量機構たる臨界オリフィスＣＦＯ１，ＣＦＯ２，ＣＦＯ３が設けられて、それぞれ一定流量のガスが流れるように構成されている。
【００３２】
一方、図３中、Ｐ２３はケーシング６に設けた希釈ガス供給ポートであり、符号ＡＬは、前記希釈ガス供給ポートＰ２３にレギュレータＲＧを経て接続された並列する複数の内部希釈ガス流路である。そして、これら各内部希釈ガス流路ＡＬからメイン流路ＭＬの所要箇所に希釈ガスが供給されるように構成してある。内部希釈ガス流路ＡＬ上には、マスフローコントローラＭＦＣ１〜ＭＦＣ４が設けられており、各内部希釈ガス流路ＡＬを流れる希釈ガスの流量を制御できるように構成されている。また、内部希釈ガス流路ＡＬのうちの１つは、ケーシング６に設けた希釈ガス導出ポートＰ２２から第２接続配管Ｃ２を介して、第１ユニットＵ１の希釈ガス導入ポートＰ１３に連通させてある。
なお、符号Ｚ２、Ｚ３は、一定温度に保たれた領域を示しており、Ｚ２では例えば４７℃、Ｚ３では例えば１９１℃に保たれている。
次に、かかる構成の粒子状物質計測装置１００の動作を説明する。
【００３３】
第１ユニットＵ１には、排気管１から排ガスが２つのオリフィス部Ｏ１１、Ｏ１２によって流量を制限されて導入される。ところで、これらオリフィス部Ｏ１１、Ｏ１２の内径は、排気管１内での予想される最大圧力と第２ユニットＵ２で受け入れ可能な最大流量とに基づいて設定されているが、仮に排気管１内での圧力がそれ以上に高くなって、前記最大流量を超えるような流量が導入された場合には、そのときの圧力上昇によって前記昇圧抑止弁Ｖ１１，Ｖ１２が自動的に開き、一部の排ガスを逃がしポートＰ１４、Ｐ１５から逃がすことによって、前記最大流量を超えない排ガスがサンプリングされる。
【００３４】
そして、この排ガスが希釈ガス流路Ｌ１２から供給される希釈ガスで薄められる。この希釈ガスは常温のまま導かれるので、排ガスは希釈されるとともに、温度も下げられる。
【００３５】
このようにして第１ユニットＵ１で希釈された希釈排ガスは、第２ユニットＵ２に導かれる。第２ユニットＵ２では、この希釈排ガスのうちの一定流量が臨界オリフィスＣＦＯ１の作用でバイパス流路ＢＬ１を介して捨てられる。
【００３６】
なお、このときの希釈比は、前記希釈ガスの流路ＡＬ上に設けられたマスフローコントローラＭＦＣ１によって制御される。すなわち、サンプリングされた排ガスの導入流量をｑｓ、マスフローコントローラで制御された希釈ガスの流量をＱａ、希釈後、臨界オリフィスＣＦＯ１を介して捨てられる流量をＱｂ、メイン流路ＭＬを流れる残りの流量をＱｍとすれば、
ｑｓ＝Ｑｂ＋Ｑｍ−Ｑａ
【００３７】
ここでＱｂは定数で既知、Ｑｍはメイン流路上に設けた流量計で測定することから既知、ＱａはマスフロコントローラＭＦＣ１で制御される量であることから、ｑｓをこれらＱａ、Ｑｂ、Ｑｍから間接的に算出することができる。
【００３８】
また、この第１ユニットＵ１での希釈比ｒｄは、以下の式から求めることができ、この式から希釈比をマスフロコントローラＭＦＣ１で制御できることがわかる。
ｒｄ＝ｑｓ／（ｑｓ＋Ｑａ）＝（Ｑｂ＋Ｑｍ−Ｑａ）／（Ｑｂ＋Ｑｍ）
【００３９】
その後、この希釈排ガスは、２段の希釈混合ユニットＭＸ１、ＭＸ２で希釈される。なお、その間に、規格に基づいてエバポレーションユニットＥＵでエバポレートされる。しかして、このときの希釈比も、第１ユニットＵ１での希釈同様、希釈ガスの流量がマスフロコントローラＭＦＣ２、ＭＦＣ４でコントロールされており、かつ臨界オリフィスＣＦＯ２、ＣＦＯ３、マスフロコントローラＭＦＣ３で所定流量が捨てられるため、一義的に算出することができる。
【００４０】
このようにして希釈された排ガスに含まれる粒子状物質の数がＣＰＣでカウントされるが、希釈比が前述のように算出されるので、この希釈比とＣＰＣでのカウント数から排ガスの単位流量に含まれる粒子状物質の個数、すなわち濃度を算出することができる。
【００４１】
しかして、このように構成した本実施形態によれば、装置１００を第１ユニットＵ１と第２ユニットＵ２とに分け、第１ユニットＵ１を排気管１に直接取り付けてその近傍に配置しているので、排気管１をサンプリングして第１ユニットＵ１に導くサンプリング管Ｃ３の長さを非常に短くして、該サンプリング管Ｃ３での温度低減を生じにくくできる。その結果、このサンプリング管Ｃ３にホットホースなどを用いることなく金属管単体を使用しても、サンプリング管内での粒子付着といった不具合を回避することができる。したがって、コスト低減を図ることができるうえに、サンプリング管Ｃ３が金属管単体で構成されているので、耐熱性をも大幅に向上させることができる。
【００４２】
また、第１ユニットＵ１には、サンプリング管Ｃ３やブラケット３を介して、排気管１の熱がボディ２に伝わるため、ボディ２に設けるヒータを容量の小さな低コストのもので間に合わせることができる。
【００４３】
さらに、第１ユニットＵ１で排ガスを希釈するようにしているので、希釈後の排ガスは低温化して問題が生じないことから、第１ユニットＵ１と第２ユニットＵ２との接続配管Ｃ２を高温に保つ必要がなくなり、この点でもコストダウンや構成の簡単化を図ることができる。
【００４４】
加えて、第１ユニットＵ１には、オリフィス部Ｏ１１、Ｏ１２が設けられ、さらにその下流には昇圧抑止弁Ｖ１１，Ｖ１２が設けられているので、オリフィス弁Ｏ１１、Ｏ１２の設定によって、排気管１内圧力が大気圧に近い場合でも、装置１００側の圧力が負圧にならないようにするとともに、昇圧抑止弁Ｖ１１，Ｖ１２の設定によって排気管１内の圧力が高くなっても、装置１００側の圧力を設定以下に保って耐圧性を高めることができ、測定可能な圧力範囲を大きくすることが可能になる。
【００４５】
また、第２ユニットＵ２でも希釈できるので、第１ユニットＵ１での希釈と併せて希釈比を大きく設定することができる。また、この第２ユニットＵ２単体でも粒子数の計測ができるので、例えば、大きな希釈比や耐圧性が必要のない用途には、第１ユニットＵ１を省略して第２ユニットＵ２単体での使用が可能である。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００４６】
例えば、第１ユニットのオリフィス部や昇圧抑止弁は１つでも構わないし、３以上を設けても良い。ブラケットは、前記実施形態のような構成でなくともよく、さらに言えば必ずしも必要ない。例えば、第１ユニットのボディを排気管近傍に載置してサンプリング管のみで接続しても構わない。
また、第１ユニットへの希釈ガスの供給を第２ユニットとは別に独立して行っても構わない。
その他、本発明は前記実施形態に限られるものではなく、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。
【符号の説明】
【００４７】
１００・・・粒子状物質計測析装置。
１・・・排気管１
２・・・ボディ
Ｕ１・・・第１ユニット
Ｕ２・・・第２ユニット
Ｃ１・・・接続配管
Ｌ１１・・・排ガス流路
Ｏ１１・・・オリフィス部
Ｏ１２・・・第２オリフィス部
Ｖ１１・・・昇圧抑止弁
Ｖ１２・・・第２昇圧抑止弁
Ｌ１２・・・希釈ガス流路
ＣＰＣ・・・粒子状物質計測機構
【図１】
0005630894.tif 000002
【図２】
0005630894.tif 000003
【図３】
0005630894.tif 000004