(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼装置の排出ガスの一部を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出手段と、
前記抽出手段において抽出されたガスを希釈する希釈手段と、
前記抽出手段に流入する前記排出ガスの速度分布を整える整流手段と
を備える排出ガス希釈装置において、
前記整流手段は、前記排出ガスの速度を音速の近傍まで増大させることにより、又は、前記排出ガスの速度を間欠的に音速となるように音速の近傍まで増大させることにより、前記排出ガスの速度分布を整える
ことを特徴とする排出ガス希釈装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排出ガス希釈装置において、
前記整流手段は、絞り部を有し、
前記排出ガスの速度は、前記絞り部において音速の近傍まで増大される、又は、間欠的に音速となるように音速の近傍まで増大される
ことを特徴とする排出ガス希釈装置。
【請求項３】
燃焼装置の排出ガスの一部を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出手段と、
前記抽出手段において抽出されたガスを希釈する希釈手段と、
前記抽出手段に流入する前記排出ガスの速度分布を整える整流手段と
を備える排出ガス希釈装置において、
前記整流手段は、その上流の流路より断面積の小さい助走用流路を有し、
前記排出ガスは、前記助走用流路を通過することによりその速度分布を整えられる
ことを特徴とする排出ガス希釈装置。
【請求項４】
流入する流れより、一部を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出部と、
前記抽出部の上流側に一体に設けられ、前記流れを音速の近傍まで増大させることにより、又は、前記流れを間欠的に音速となるように音速の近傍まで増大させることにより、前記流れの速度分布を整える整流部と
を有することを特徴とする抽出器。
【請求項５】
請求項４に記載の抽出器において、
前記整流部は、絞り部を有し、
前記流れの速度は、前記絞り部において音速の近傍まで増大される、又は、間欠的に音速となるように音速の近傍まで増大される
ことを特徴とする抽出器。
【請求項６】
流入する流れより、一部を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出部と、
前記抽出部の上流側に一体に設けられ、上流側流路より断面積の小さい助走用流路に前記流れを通過させることにより、前記流れの速度分布を整える整流部と
を有することを特徴とする抽出器。
【請求項７】
請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載の抽出器において、
前記整流部は、前記流れを軸対称流に整え、
前記抽出部は、軸対称形の主断面を円周方向に２以上の領域に分割された多分割流路を有し、前記多分割流路に流入する前記軸対称流のうち、１又は２以上の前記領域に流入した流れを抽出する
ことを特徴とする抽出器。
【請求項８】
請求項７に記載の抽出器において、
前記主断面は環状の形状を有する
ことを特徴とする抽出器。
【請求項９】
燃焼装置の排出ガスの一部を抽出する抽出手段と、
前記抽出手段において抽出されたガスを希釈する希釈手段と
を備える排出ガス希釈装置において、
前記抽出手段は、請求項４から請求項８までのいずれか１項に記載の抽出器である
ことを特徴とする排出ガス希釈装置。
【請求項１０】
燃焼装置の排出ガスの一部を抽出、希釈して、その成分を測定する排出ガス測定システムにおいて、
請求項１から請求項３までのいずれか１項、又は請求項９に記載の排出ガス希釈装置と、
前記排出ガス希釈装置内の排出ガスを採取する採取手段と、
前記採取手段によって採取された前記排出ガスの成分を測定する測定手段と
を備えることを特徴とする排出ガス測定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン、焼却炉等の燃焼装置における排出ガスの一部を抽出、希釈してその成分を測定する排出ガス測定システム等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護の観点から、自動車のエンジン等に対し種々の排出ガス規制が設けられている。このために、エンジンの排出ガスにおける粒子状物質の成分を精度よく分析・測定することが求められている。
エンジンの排出ガスにおける粒子状物質の成分の測定は、通常、全量希釈装置を用いて、定められた希釈条件に基づき行われる。これは、エンジンの排出ガスの全量を風洞に導入し、そこで希釈空気と混合・希釈するものである。これにより、現実に走行している自動車における排出ガスの状態が模擬的に再現されるのである。
【０００３】
しかしながら、全量希釈装置では、排出ガスの全量を所定条件で希釈するため、風洞、空調等の設備が巨大、高額となる。そこで、設備費等の負担を軽減すべく、いわゆる部分希釈装置を用いた測定が行われている。ここで、部分希釈装置とは、エンジン排出ガスから、一定比率でその一部を抽出し、全量希釈装置において定められたのと同じ条件で抽出した排出ガスを希釈する希釈装置をいう。つまり、部分希釈装置では、例えば全排出ガスの１／１００を抽出し、これを全量希釈装置において用いる１／１００の量の大気により希釈する。したがって、部分希釈装置では、風洞及び風洞に導入される大気の温度調整を行う空調等について、全量希釈装置の場合に比べて格段に小型のものを用いることができ、その結果、設備費等を軽減することを可能としている。
【０００４】
図８は、従来の部分希釈装置を用いた排出ガス測定システムの構成を示す模式図である。以下、図８を用いて従来の部分希釈装置について説明する。
流路１００は、エンジンの排気管に接続され、排出ガスを多管式分割器１０５へ導入する円管である。
多管式分割器１０５は、導入された排出ガスを複数の流れに分割し、その中の一部を外部へ抽出するためのものである。図９は、多管式分割器１０５の断面図である。多管式分割器１０５は、図９に示すように同径同長の複数の分流管１１０より構成され、流入した排出ガスは各分流管１１０へ流入することにより分割される。
多管式分割器１０５の後端に設置されているサージタンク１２０は、多管式分割器１０５において分割された流れを一の流れに合わせ、流路１２５へ排出するためものである。
【０００５】
導入管１１５は、分流管１１０の１本を多管式分割器１０５の外部へ折り曲げ、さらに希釈トンネル１３５まで延長したものである。導入管１１５へ流入した排出ガスは、希釈トンネル１３５まで導かれ、希釈トンネル１３５内へ放出される。
希釈トンネル１３５は、導入管１１５によって導入された排出ガスを希釈するための風洞である。希釈トンネル１３５には、吸引ブロワ１４５によって吸引され、バタフライバルブ１３０によってその流量を調整された希釈空気が流れる。
定容量サンプリング装置１６０及び排出ガス分析計１５０は、排出ガスの成分を分析等するための装置である。希釈トンネル１３５で希釈された排出ガスの一部は、定容量サンプリング装置１６０に吸引され、補修フィルタ１５５において、吸引された排出ガスに含まれる微粒子が採取される。また、排出ガスの他の一部は、排出ガス分析計１５０によって採取され、その成分が分析等される。
【０００６】
上記のように、部分希釈装置では、排出ガスの一部が抽出され、希釈トンネル内へ導入、希釈される。このような部分希釈装置において、排出ガスの成分測定を正確に行うためには、排出ガス分割装置１０５で分割・抽出する排出ガスの全排出ガスに対する比率（以下「抽出比率」という）を定められた一定値に保つことが重要となる。なぜならば、抽出比率が不安定では、部分希釈装置により得られた測定結果が、全量希釈装置において得られた結果と一致しなくなるからである。
【０００７】
しかし、一般に、管内流から一定の抽出比率を保ちつつ、その一部を抽出することは大変困難なことである。これは、管内流が流量や管の曲がり等によって複雑に変化する流速分布を有することに起因する。
図１０（Ａ）（Ｂ）及び（Ｃ）（Ｄ）（Ｅ）（Ｆ）は、それぞれ異なる時間におけるエンジンの排気管内流の流れ方向速度分布を例示する図である。図に示されるように、排気管内流の速度分布は、流量や管の曲がり等の条件により著しく変化する。図１０（Ａ）では、排気管の主軸Ｌの付近において紡錘形の速度分布となっているが、同図（Ｂ）では、比較的平坦な分布となっている。また、（Ｄ）（Ｅ）においては、管の曲がりの影響を受け、速度分布が中心軸に対して対称となっていない。したがって、多管式分割器１０５では、分流管１１０に流入する排出ガス流量は、その分流管の位置（図９のＡ及びＢ参照）により異なり、また、排出ガス流量によっても変化する。この結果、抽出比率は、排出ガス流量等の違いにより著しく変化する不安定なものとなっている。
【０００８】
このために、従来の部分希釈装置では、排出ガス流量によらず一定の抽出比率を得るために、導入管１１５における排出ガス流量を調整するフィードバック機構を設けている。フィードバック機構は、例えば導入管１１５及び分流管１１０の出口圧力を測定する静圧検出器１７０、１７５及び排出ガス放出端の近傍に高圧ガスを噴出する分割比調整ノズル１８０等から構成される。このフィードバック機構では、静圧検出器１７０及び１７５の検出する圧力が等しくなるように、分割比調整ノズルから噴出される高圧ガスの流量を調整し、これにより、抽出比率を一定に維持している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の部分希釈装置を用いた排出ガス測定システムでは、フィードバック機構が抽出比率を一定に調整するために、所定の希釈条件を得るまでに必ず一定の調整時間を必要とする。したがって、エンジンが定常運転を行っている場合には、所定の希釈条件を実現し測定を行うことが平均的には可能であったが、時間と共にエンジン回転数及び排出ガス流量が増減するいわゆる過渡運転に対しては、抽出比率が不安定になり、排出ガスの希釈条件が一定せず、測定精度が著しく低下するという問題があった。
また、上記と同様の理由から、従来のシステムでは、排出ガスの脈動までを考慮した場合に、常に一定の希釈条件が実現されていたわけではなく、事実上、一般的に求められる測定精度を得ていなかったという問題があった。
これに対し、本願出願人は、既に特願平８−１４２８５４において、上記問題を解決する排出ガス測定システム等を提案している。以下、特願平８−１４２８５４に開示された発明の内容について説明する。
【００１０】
図１１は、特願平８−１４２８５４に係る発明の一実施形態（以下、「前実施形態」という）である、排出ガス測定システムの模式図である。
前実施形態は、２つの主な流路を有している。第１の流路は、試験対象であるディーゼルエンジン２００が排出する排出ガスの全部を流入させ、その内部において流動させる流路である。この第１の流路は、排出ガス分割装置１０及び非抽出流を排出させる排気管４０等より構成されている。
排出ガス分割装置１０は、導入される流れの一部を総流量に対して一定の比率（抽出比率）で分割・抽出する装置である。排出ガス分割装置１０は、試験対象であるディーゼルエンジン２００の排気管２０５に接続されている。したがって、ディーゼルエンジン２００が排出する排出ガスは、その全部が排出ガス分割装置１０に流入し、一定の抽出比率に分割される。なお、排出ガス分割装置１０のより詳細な構成については後述する。
【００１１】
排気管４０は、排出ガス分割装置１０の流体排出側に接続された円管等である。排気管４０は、排出ガス分割装置１０において抽出されず排出された排出ガスを、例えば前実施形態が設置されている部屋等の外部まで案内し、排出する。
第２の流路は、温度等の条件を空調等で一定に調整された大気（以下「希釈流体」という）を一定流量で流動させる流路である。この第２の流路は、フィルタ４５、希釈トンネル５０及び定流量ポンプ６５等より構成されている。
希釈トンネル５０は、排出ガス分割装置１０より抽出した排出ガスの供給を受け、それを希釈流体と混合・希釈する風洞である。希釈トンネル５０は、排出ガスの混合・希釈を確実に行うべく、内部にオリフィス５３を備えている。オリフィス５３を通過した流体は、その下流において一様に攪拌、混合される。
【００１２】
希釈トンネル５０の下流端には、希釈トンネル５０内に一定流量の流れを発生させるための定流量ポンプ６５が備えられている。一方、希釈トンネル５０の上流端には、フィルタ４５が設置されている。フィルタ４５は、通過する流体を濾過・清浄化するためのものである。このフィルタ４５の存在により、希釈トンネル５０へは、常に清浄な希釈流体が流入する。
さらに、希釈トンネル５０の下流領域には、ガス採取管５５及び粒子採取管６０とが設置されている。
ガス採取管５５は、希釈トンネル５０内を流動する流体を採取するものである。ガス採取管５５によって採取された流体は、ガス成分分析器７０へ送られ、その成分を分析・測定される。
粒子採取管６０は、希釈トンネル５０内の流体と共に流動する粒子を採取するためのものである。粒子採取管６０によって採取された粒子は、粒子サンプリング装置７５へ送られ、その質量等を測定される。
【００１３】
次に、前実施形態の排出ガス分割装置１０について、さらに詳しく説明する。図１２は、排出ガス分割装置１０の縦断面（Ａ）及び横断面（Ｂ）を示す図である。図１２に示されるように、排出ガス分割装置１０は、主に調流部１２、拡大部１４、及び分岐管部２０とから構成されている。
調流部１２は、排出ガス分割装置１０の主軸Ｍに対し軸対称な形状をした流路、すなわち主軸Ｍをその中心軸とする円管である。調流部１２は、排気管２０５より流入した排出ガスを、その流れ方向速度分布が主軸Ｍに対し軸対称な流れ（以下「軸対称流」という）に整える流路である。一般に、調流部１２の上記機能は、調流部１２を流れ方向に十分に長い円管とすることにより得られる。また、調流部１２内には、整流板、整流管等を設け、その機能をより効果的に発揮させることも可能である。
【００１４】
拡大部１４は、調流部１２より流入する軸対称流を、流れ方向に垂直な断面形状が環状である流れ（以下「環状流」という）に変える部位である。拡大部１４は、内周面の形状が円錐の一部である外筒１６と、外筒１６の内側へ、中心軸が主軸Ｍと重なるように配置された円錐形の芯部材１８とからなる。
外筒１６と芯部材１８との間には、調流部１２より流入する排出ガスが流動可能な間隙１９が設けられている。間隙１９の断面は、拡大部１４の入り口では、図１２（Ｂ）のｂ−ｂ断面に示すように円形の形状（その中心部を芯部材１８の先端部により占有された状態をも含む）を有しているが、それより下流の領域では、芯部材１８の存在のために環状の形状となる。また、その内外径の半径は、下流へ行くほど大きくなる（図１２（Ｂ）のｃ−ｃ断面参照）。このように、間隙１９の断面形状を半径方向に拡大するのは、間隙１９の円周方向長さを長くとり、後に分岐管部２０においてこれを分割するときに、分割できる数を多くするためである。
なお、間隙１９の幅は、拡大部１４と排気管２０５とが流量的に等価となるように設定されている。ここで、「流量的に等価」とは、単位時間当たりに同一流量の流体がその中を流れた場合に、その流体が受ける単位長さ当たりの圧力損失が同じであることをいう（以下、同じ）。
【００１５】
分岐管部２０は、拡大部１４より流入する環状流を、等流量の複数の流れに分割する部位である。分岐管部２０では、間隙１９に、同一形状をした複数の管状部材２４が、円周方向に隙間なく配置されている。
図１２（Ｂ）のｄ−ｄ断面は、分岐管部２０の流体流入口の断面図である。図に見られるように、管状部材２４の断面形状は、主軸Ｍを中心とする扇形の一部となっている。したがって、間隙１９は、管状部材２４により、いずれの半径方向位置においても、円周方向に均等に分割されている。
なお、分岐管部２０における間隙１９の断面（管状部材２４を除く部分）は、後述する本願発明に係る抽出器の主断面に相当する。
【００１６】
管状部材２４は、下流に行くにしたがい、その断面形状を円形に変化させる。このために、下流端における分岐管部２０の断面では、図１２（Ｂ）のｅ−ｅ断面に示すように、間隙１９に複数の円管の断面が見られる。
なお、管状部材２４の断面積は、管状部材２４のすべてと排気管２０５とが流量的に等価となるように設定されている。また、各管状部材２４は、相互にも流量的に等しくなるように、各々の管径、管長、曲がりの角度、回数等を調整してある。
管状部材２４のうち１本は、希釈トンネル５０まで延び、その下流端を希釈トンネル５０の中に配置している。以下、この管状部材２４を特に抽出管２４ａと呼ぶことにする。
分岐管部２０において分割された排出ガスの一部は、抽出管２４ａを通り希釈トンネル５０に導入される。抽出管２４ａ以外の管状部材２４は、排気管４０へ接続されており、排出ガスを排気管４０へ排出する。
【００１７】
次に前実施形態の動作及び排出ガスの流れについて説明する。
前実施形態では、まず測定対象であるディーゼルエンジン２００を駆動し、それが排出する排出ガスを排気管２０５を介して排出ガス分割装置１０へ導入する。ここで、ディーゼルエンジン２００は、定常状態で動作させることであってもよく、また、過渡状態で動作させることであってもよい。
図１３は、排気管２０５から排出ガス分割装置１０へ導入された排出ガスの流れ方向平均速度分布の一例を示す図である。図に示すように、排出ガス分割装置１０に導入された排出ガスは、調流部１２の入口近辺において、はじめ乱れた速度分布を有しているものの（図１３（ａ））、調流部１２の出口に達するまでにその速度分布を主軸Ｍを中心とする軸対称な分布に変化させる（図１３（ｂ））。これは、流れが、調流部１２の管壁からの摩擦力と流体のせん断力等の影響を受けることに起因するものである。
【００１８】
軸対称流に整えられた排出ガスは、次に拡大部１４の間隙１９へ流入し、環状流となる（図１３（ｃ））ここで、芯部材１８の中心軸は、主軸Ｍと一致していることから、拡大部１４内の環状流は主軸Ｍに対する軸対称性を失わない。したがって、図１３の（ｃ）及び（ｄ）における流れの平均速度分布は、主軸Ｍ側に偏りがあるものの、主軸Ｍに対して対称な形状の分布となっている。
拡大部１４の内の環状流は、外筒１６の内周面、及び芯部材１８の外周面からの摩擦力と流体のせん断力の影響を受けるために、下流へ行くにしたがい次第にその速度分布を変化させる。しかし、間隙１９の断面形状は、主軸Ｍに対し軸対称であることから、その中の流れの速度分布は、図１３（ｅ）及び（ｆ）に示すように主軸Ｍに対しての軸対称性を失わない。言い換えると、拡大部１４内の排出ガスの流れは、常に円周方向に均一な流れとなって分岐管部２０に達する。ここで「常に」とは、エンジンが過渡運転されているために排出ガスの流量が変化する場合であっても、また、流れが脈動していても常にという意味である。
【００１９】
一方、分岐管部２０での間隙１９は、前述のように、いずれの半径方向位置においても、管状部材２４により円周方向に均等に分割されている。したがって、前実施形態では、排出ガスの流れは、各々流量が同一である複数の流れに分割されながら各管状部材２４に流入する。
分岐管部２０において分割された排出ガスの一部は、抽出管２４ａを介して希釈トンネル５０内へ導入される。一方、他の排出ガスは、排出管を介して排気管４０へ放出される。
希釈トンネル５０へ導入された排出ガスは、前述したようにオリフィス５３の下流において希釈流体と混合・希釈され、さらに、ガス採取管５５、粒子採取管６０、ガス成分分析器７０及び粒子サンプリング装置７５からなる前実施形態の測定系により、そのガス成分等を測定される。
【００２０】
以上説明したように、前実施形態では、排出ガス分割装置１０は、主軸Ｍに対して軸対称形の断面形状を有する間隙１９を管状部材２４によって、円周方向に均等に分割している。したがって、間隙１９に軸対称流を導入すると、その軸対称流は、その流量の大小、又は流量の時間的変化に関わらず、相互に等流量である複数の流れに分割されて管状部材２４に流入する。この結果、前実施形態では、脈動するエンジンの排出ガスを排出ガス分割装置１０に導入した場合であっても、その脈動流（排出ガス）を均等に分割・抽出することが可能である。また、エンジンが過渡運転されており、排出ガスの流量が急激に変化する場合であっても、何らの補正手段を用いることなく、その排出ガスを均等に分割・抽出することが可能である。
また、前実施形態において間隙１９は、環状の断面形状を有し、その環状断面は、下流方向に内外周面の半径を増大させるものとなっている。これにより、間隙１９は円周方向長さが長くなり、分岐管部２０において間隙１９をより多くの領域に分割することが可能となっている。すなわち、前実施形態では、比較的小さな抽出比率まで対応することが可能である。
【００２１】
さらに、前実施形態では、分岐管部２０において間隙１９を分割するのに、管状部材２４を用いている。したがって、前実施形態では、下流側から管状部材２４を間隙１９に挿入する等の比較的簡単な行程により、分岐管部２０を製作することが可能となっている。また同時に、管状部材２４の中から任意の１本又は２本以上を排出ガス分割装置１０の外部へ延長することにより、容易に一定分割比に分割された排出ガスを外部へ抽出することが可能となっている。
また、前実施形態では、排出ガス分割装置１０によって分割・抽出された排出ガスを希釈トンネル５０において希釈することとしている。よって、分割・抽出される排出ガスの流量を調整するフィード・バック機構等を設ける必要がなく、簡素かつ安価であり、なおかつ過渡運転されているエンジンの排出ガスであっても所定の条件で正確に希釈する部分希釈装置を提供することを可能としている。同時に、前実施形態は、希釈トンネル５０において希釈された排出ガスを採取し、その成分を測定することとしているので、エンジンの運転状態や排気脈動に影響されず、排出ガスの成分濃度、粒子物質の排出量を高精度で測定することが可能な排出ガス測定システムの提供を可能としている。
【００２２】
しかし、特開平８−１４２８５４に係る発明は、抽出器に軸対称流が導入されることをその前提とするものである。ところが、エンジンの排出ガスは、曲管等を通過して排出されるため、その流れは偏流を含む複雑な速度分布を示す。そこで、前実施形態では、流れ方向に十分長い円管からなる調流部を設け、この調流部において、排出ガスの速度分布を整えている。ここで、速度分布を整えるとは、速度分布から偏流等の影響をとり除き、断面方向に一様、又は軸対称等の一定の規律が認められる速度分布に整えることをいう。しかしながら、円管に導入された流れが軸対称流に変化するまでには、円管の直径をＤとした場合に、少なくとも１０Ｄから２０Ｄの距離が必要とされる。このために、調流部は比較的長い円管となり、結果として排出ガス希釈装置の小型化が阻害されるという問題があった。
【００２３】
一方、管内流れの速度分布の乱れを除去する有効な方法として、一般に整流装置の利用が知られている。整流装置とは、内径の小さい整流用の円管等をその中に複数配置した流路であり、整流用の各円管内を流れる流体に、その速度に応じた圧力損失が発生することを利用して、比較的短い距離で整流を達成するものである。図１４に、代表的な整流装置の一例として、管状形整流装置（ａ）、格子型整流装置（ｂ）及び多孔板整流装置（ｃ）を示した。
しかし、エンジンの排出ガスは、気体のみからなる流れではなく、固体又は液体の粒子を多数含有する、いわゆる二相流又は三相流である。このような二相流等を上記整流装置を用いて整流しようとすると、その中に含まれる固体又は液体の粒子が整流用の円管等に付着する。このために、整流装置を通過した流れは、速度分布が整えられるものの、その組成成分が変化してしまい、結局は排出ガスの正確な成分測定ができなくなるという問題があった。
【００２４】
そこで、本発明の課題は、エンジン、焼却炉等の燃焼装置における排出ガスの一部を精度よく抽出・分割でき、その成分を高精度で測定する小型の排出ガス測定システム等を提供することである。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃焼装置の排出ガスの一部を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出手段と、前記抽出手段において抽出されたガスを希釈する希釈手段と、前記抽出手段に流入する前記排出ガスの速度分布を整える整流手段とを備える排出ガス希釈装置において、前記整流手段は、前記排出ガスの速度を音速の近傍まで増大させることにより、又は、前記排出ガスの速度を間欠的に音速となるように音速の近傍まで増大させることにより、前記排出ガスの速度分布を整えることを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の排出ガス希釈装置において、前記整流手段は、絞り部を有し、前記排出ガスの速度は、前記絞り部において音速の近傍まで増大される、又は、間欠的に音速となるように音速の近傍まで増大されることを特徴とする。
【００２６】
請求項３に係る発明は、燃焼装置の排出ガスの一部を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出手段と、前記抽出手段において抽出されたガスを希釈する希釈手段と、前記抽出手段に流入する前記排出ガスの速度分布を整える整流手段とを備える排出ガス希釈装置において、前記整流手段は、その上流の流路より断面積の小さい助走用流路を有し、前記排出ガスは、前記助走用流路を通過することによりその速度分布を整えられることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、流入する流れより、一部を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出部と、前記抽出部の上流側に一体に設けられ、前記流れを音速の近傍まで増大させることにより、又は、前記流れを間欠的に音速となるように音速の近傍まで増大させることにより、前記流れの速度分布を整える整流部とを有することを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の抽出器において、前記整流部は、絞り部を有し、前記流れの速度は、前記絞り部において音速の近傍まで増大される、又は、間欠的に音速となるように音速の近傍まで増大されることを特徴としている。
【００２７】
請求項６に係る発明は、流入する流れより、一部を総流量に対して一定の比率で抽出する抽出部と、前記抽出部の上流側に一体に設けられ、上流側流路より断面積の小さい助走用流路に前記流れを通過させることにより、前記流れの速度分布を整える整流部とを有することを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載の抽出器において、前記整流部は、前記流れを軸対称流に整え、前記抽出部は、軸対称形の主断面を円周方向に２以上の領域に分割された多分割流路を有し、前記多分割流路に流入する前記軸対称流のうち、１又は２以上の前記領域に流入した流れを抽出することを特徴とする。
請求項８に係る発明は、請求項７に記載の抽出器において、前記主断面は環状の形状を有することを特徴とする。
【００２８】
請求項９に係る発明は、燃焼装置の排出ガスの一部を抽出する抽出手段と、前記抽出手段において抽出されたガスを希釈する希釈手段とを備える排出ガス希釈装置において、前記抽出手段は、請求項４から請求項８までのいずれか１項に記載の抽出器であることを特徴とする。
請求項１０に係る発明は、燃焼装置の排出ガスの一部を抽出、希釈して、その成分を測定する排出ガス測定システムにおいて、請求項１から請求項３までのいずれか１項、又は請求項９に記載の排出ガス希釈装置と、前記排出ガス希釈装置内の排出ガスを採取する採取手段と、前記採取手段によって採取された前記排出ガスの成分を測定する測定手段とを備えることを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明に係る実施形態について、さらに詳しく説明する。なお、以下の説明において、特開平８−１４２８５４に記載した実施形態と同様な機能を果たす部分には、同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態である排出ガス測定システムを示す模式図である。本実施形態の排出ガス測定システムは、特開平８−１４２８５４に開示された排出ガス測定システムと比較した場合に、拡大部１４の上流に、調流部１２に代えて整流部４０５を備えた点において異なるものである。つまり、ディーゼルエンジン２００より排出された排出ガスは、排気管２０５を通過した後に、まず整流部４０５に導入される。整流部４０５において、排出ガスはその速度分布を整えられ、整流部の主軸を中心とした軸対称流となる。次に、排出ガスは、拡大部１４等へ流入し、その一部が分割・抽出される。
【００３０】
図２は、整流部４０５を示す図である。整流部４０５は、内径が急激に縮小する断面縮小領域４０５ａ、断面積が極小となるのど部４０５ｂ、及び、内径が緩やかに拡大する断面拡大領域４０５ｃの３つの部位から構成される中細ノズル（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ−ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ  ｎｏｚｚｌｅ）である。断面縮小領域４０５ａは、排気管２０５に取り付けられる側の部位であり、その入口の内径ｄ１は、排気管２０５の内径に等しい。一方、断面拡大領域４０５ｃは、拡大部１４に取り付けられる側の部位であり、その出口の内径ｄ２は、拡大部１４の入口径に等しい。また、のど部４０５ｂの内径は、そこを通過する排出ガスが、音速の近傍の速度を有し、間欠的に音速となるように、十分に小さい値となっている。なお、「音速」とは、密度変化の伝わり速度のことである。
【００３１】
ここで、上記のようにのど部４０５ｂの内径を小さく定めたことの理由を説明するために、中細ノズル内の流れの一般的性質について記述する。
図３は、中細ノズルにおける流れの圧力変化の様子を模式的に表した図である。図中、横軸ｘは中細ノズルの中心軸に沿った入口からの距離、縦軸ｐは流れの圧力を表す。また、ｐ０は中細ノズルの入口圧力、ｐ１は同出口圧力を表す。
ｐ０＞ｐ１なる関係が満たされるとき、中細ノズルに流入した流れは、断面縮小領域において加速され、断面積が極小となるのど部（ｆｍｉｎ）において最大速度に達したのちに、断面拡大領域で徐々に減速する。のど部における流速は、ｐ０に対してｐ１が低いほど大きく、ｐ１が所定の圧力ｐ１１まで低下すると音速に達する。のど部における流速が音速に達すると、ｐ０とｐ１との差圧がさらに大きくなってもその影響はのど部には現れず、流速は音速に維持される。これは、圧力波の伝搬速度が音速に等しいために、出口圧力ｐ１の変化が、圧力波となってのど部より上流へ伝搬されないことによる。
したがって、のど部においてちょうど音速となる定常流が整流器を通過すると、のど部において、その速度分布は断面全体に渡り一様に整えられ、その流れが偏流を含む場合であっても、偏流の影響は下流に及ばなくなる。
【００３２】
ところで、本実施形態では、のど部４０５ｂを通過する排出ガスが、排出ガスの流量及び脈動により、音速近傍の速度を有し、間欠的に音速となるように、のど部４０５ｂの内径を定めている。これにより、音速時における流量の一部の閉塞と亜音速流との繰り返しとにより、排出ガスの脈動が抑制される。また、排出ガスが偏流を含む場合には、偏流の影響がのど部４０５を通過する際に抑制されるという、上記定常流で説明したのと類似の効果が得られる。
図４は、整流部４０５に、排気管２０５より偏流を含む流れが流入した場合の速度分布の変化の様子を示した図である。偏流を含む流れ（ａ）は、断面縮小領域４０５ａにおいて次第にその速度を増大させ、のど部４０５ｂでは、断面のほぼ全域に渡り音速又はそれに近い速度ｕａとなる。次に、流れは断面拡大領域４０５ｃにおいて次第にその速度を低下させる。のど部４０５ｂにおいて流速が音速ｕａであるときは、排気管２０５における圧力分布の影響は、のど部４０５ｂより下流へは伝搬しないために、断面拡大領域４０５ｃにおける流れの速度分布は、排気管２０５の流れの速度分布に関係なく、整流部４０５の主軸に対し軸対称な分布となる（図中（ｃ）参照）。また、のど部４０５ｂにおいて流速が音速以下のときは、のど部の絞り効果により整流が行われ、この場合にも音速のときに近い整流がなされる。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態は、拡大部１４の上流側に中細ノズルからなる整流部４０５を備え、この整流部４０５ののど部４０５ｂにおいて排出ガスの速度を間欠的に音速となるように音速近傍まで増大させることにより、排出ガスを軸対称流に整えている。これにより排出ガスは、偏流を有する場合にも、また、脈動する場合にも、確実に軸対称流に整えられ、その後に拡大部１４に導入される。この結果、本実施形態の排出ガス測定システムは、排出ガスの一部を常に一定の比率で分割・抽出し、高精度でその成分を測定することが可能となっている。
また、従来、内径Ｄの円管内に排出ガスを流動させてその速度分布を軸対称流に整えていた場合には、少なくとも１０Ｄ〜２０Ｄの距離が必要であったが、本実施形態では、のど部４０５ｂにおいて、速度分布がほぼ断面全体において一様に揃うために、整流部４０５の全長が飛躍的に短くなる。この結果、本実施形態の排出ガス測定システムは、特開平８−１４２８５４のそれと比較して、より小型となっている。
また、整流部４０５は、その内部に多孔板その他の流れの妨げとなるものを含んでいない。したがって、排出ガスに含まれる固体又は液体の微粒子等が整流部４０５の途中で溜まり、その結果として、整流部４０５に流入する排出ガスと流出する排出ガスとの間で、その組成成分が変化することがない。
【００３４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、整流部４０５に代わり、図５に示す整流部４１０を用いた点において、第１実施形態と異なる。
整流部４１０は、断面縮小領域４１０ａと、助走領域４１０ｂとから構成される。
断面縮小領域４１０ａは、排気管２０５と接続される側であり、その入口の内径ｄ３は、排気管２０５の内径に等しい。一方、助走領域４１０ｂは、内径ｄ４が最大流速時においても音速に達しない最小径で、長さがｄ４の約２０倍の円管である。
図６は、整流部４１０に、排気管２０５より偏流を含む流れが流入した場合の速度分布の変化の様子を示した図である。排気管２０５の偏流を含む流れ（ａ）は、断面縮小領域４１０ａにおいて次第にその速度を増大させ、助走領域４１０ｂに流入する。助走領域４１０ｂにおいて、流れは、壁面からの摩擦力と流体のせん断力の影響をうけ、次第にその速度分布を軸対称形に整えられる。整流部４１０の出口近くでは、流れは、ほぼ完全な軸対称流となり、拡大部１４へ流入する。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態では、助走領域を有する整流部４１０に排出ガスを導入し、その速度分布を軸対称形に整えることとしている。助走領域の長さは、一般に流れの速度分布を整えるのに必要とされる内径（ｄ４）の約２０倍である。しかし、その内径ｄ４は、排気管２０５の内径より小さく設定されているために、整流部４１０の絶対長さは、特開平８−１４２８５４の調流部１２より短くできる。この結果、本実施形態では、排出ガス測定システムを特開平８−１４２８５４と比較してよりコンパクトにすることが可能となっている。
また、整流部４１０は、第１実施形態で用いた整流部４０５と同様に、その内部に多孔板その他の流れの妨げとなるものを含んでいない。したがって、整流部４１０に流入する排出ガスと流出する排出ガスとの間で、組成成分が変化することはない。
【００３６】
（その他の実施形態）
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３７】
１）例えば、上記実施形態では、整流部４０５又は４１０と拡大部１４等とが別部材である場合を例に説明したが、本発明では、これらの部材を一体に加工することも可能である。
図７（ａ）は、整流部４０５と、拡大部１４及び分岐管部２０（以下「抽出部」という）とを一体とした抽出器４１５を示す図であり、図７（ｂ）は、整流器４１０と抽出部とを一体とした抽出器４２０を示す図である。
整流部４０５及び４１０は、既に説明したように単純な構造を有する部材である。このために、例えば鋳造により、整流部４０５又は４１０を抽出部と一体に加工することは比較的容易である。また、整流部４０５、４１０が比較的小型であることから、抽出器４１５、４２０も抽出部単体より著しく大型化することはない。さらに、整流部と抽出部とを一体に成形した場合には、整流部と抽出部とのつなぎ目における段差等、拡大部での流れの軸対称性を阻害する要因を除去できるという利点もある。
【００３８】
２）また、上記実施形態では、整流部（４０５、４１０）を特願平８−１４２８５４に開示した排出ガス分割装置の一部として使用する場合について説明したが、これは、整流部（４０５、４１０）は、図８の多管式分割器１０５と組み合わせて使用することであってもよい。
【００３９】
３）上記実施形態では、整流部（４０５、４１０）と拡大部１４とを直接接続する場合について説明したが、例えば流れの速度分布をより確実に整えることを目的として、整流部（４０５、４１０）と拡大部１４との間に整流部（４０５、４１０）の出口径と同一径の円管流路等を配置することであってもよい。
４）第１実施形態では、整流器４０５ののど部４０５ｂの径を、そこを通過する排出ガスが、音速の近傍の速度を有し、間欠的に音速となるように設定する場合について説明したが、これは、音速近傍の速度を有し、終始音速となることがないように設定することがあってもよい。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳しく説明したように、請求項１に係る発明によれば、整流手段は、偏流等を含む排出ガスの速度分布を整えるので、排出ガスを精度よく希釈することが可能である。
請求項２又は請求項３に係る発明によれば、整流手段は、短い流路で排出ガスの速度分布を整えることが可能であるので、排出ガス希釈装置が小型となる。
請求項４に係る発明によれば、常にその速度分布が整った流れが抽出部に導入される抽出器を提供することが可能となった。
請求項５又は請求項６に係る発明によれば、比較的簡単かつ短い構造を有し、流入する流れの組成成分を変化させずにその速度分布を整えて抽出部に導入する抽出器を提供することが可能となった。
【００４１】
請求項７に係る発明によれば、脈動する流れ、又はその流量が時間と共に変化する流れを一定比率で分割・抽出する抽出器を提供することが可能となった。
請求項８に係る発明によれば、流れを分割する数を増大させ、抽出比率を小さくできる抽出器を提供することが可能となった。
請求項９に係る発明によれば、脈動する排出ガス、及び過渡運転を行っているエンジンの排出ガスを所定の希釈条件にしたがい、正確に希釈することが可能である。
請求項１０に係る発明によれば、排出ガス成分の測定精度を向上させると共に、脈動する排出ガス、及び過渡運転を行っているエンジンの排出ガスについて精度の良い測定を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である排出ガス測定システムを示す模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態で用いる整流部４０５を示す図である。
【図３】中細ノズルにおける流れの圧力変化の様子を模式的に表した図である。
【図４】整流部４０５に排気管２０５より偏流を含む流れが流入した場合の速度分布の変化の様子を示した図である。
【図５】本発明の第２実施形態で用いる整流部４１０を示す図である。
【図６】整流部４１０に排気管２０５より偏流を含む流れが流入した場合の速度分布の変化の様子を示した図である。
【図７】整流部４０５又は４１０と拡大部１４とを一体とした抽出器を示す図である。
【図８】従来の部分希釈装置を用いた排出ガス測定システムの構成を示す図である。
【図９】多管式分割器１０５の断面図である。
【図１０】エンジンの排気管内流の流れ方向速度分布を例示する図である。
【図１１】特願平８−１４２８５４に係る発明の一実施形態である、排出ガス測定システムの模式図である。
【図１２】排出ガス分割装置１０の縦断面（Ａ）及び横断面（Ｂ）を示す図である。
【図１３】排気管２０５から排出ガス分割装置１０へ導入された排出ガスの流れ方向平均速度分布の一例を示す図である。
【図１４】整流装置の代表例を示す図である。
【符号の説明】
１０  排出ガス分割装置              ５０  希釈トンネル
１２  調流部                        ５３  オリフィス
１４  拡大部                        ５５  ガス採取管
１６  外筒                          ６０  粒子採取管
１８  芯部材                        ６５  定流量ポンプ
１９  間隙                          ７０  ガス成分分析器
２０  分岐管部                      ７５  粒子サンプリング装置
２４  管状部材                      ４０５  整流部
２４ａ  抽出管                      ４１０  整流部
４０  排気管                        ４１５  抽出器
４５  フィルタ                      ４２０  抽出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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