(57)【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サンプルガスとして採取し、これをフィルタを通さずに水素炎イオン化検出器に直接導入し、そのとき水素炎イオン化検出器から得られるところの、全炭化水素の量に比例したベース信号部分にドライスートの量に比例したパルス信号部分及びこのパルス信号部分よりも振幅値が小さいノイズが重畳された信号を信号処理装置に入力し、ここでパルス認識を行うために設定されたしきい値以上の前記パルス信号部分のみを取り出して個々のパルス信号部分の面積を算出し、それら個々のパルス信号部分の面積の総和に基づいてドライスート量を求めるようにしたことを特徴とする排ガス中のＰＭ測定方法。
【請求項２】
しきい値Ｓthは、信号処理装置に入力された信号における一定の周期時間における信号平均値Ｓave にノイズの振幅値Ｓn を加えた値としている請求項１に記載の排ガス中のＰＭ測定方法。
【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（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ、すすなどの微粒子状物質）を定量分析する排ガス中のＰＭ測定方法に関する。
【０００２】
地球環境保全などの観点から、次世代のディーゼル・エンジンは、ＰＭエミッションの大幅低減が求められるものと予測される。ＰＭ排出量の少ないディーゼル・エンジンを開発するには、ＰＭ形成のメカニズムに対する理解が求められる。ディーゼル・エンジンのＰＭ排出量は、過渡状態のときの方が定常状態のときより多いから、高速のＰＭ分析装置がないとＰＭエミッションの特性を測定することができない。
【０００３】
前記ＰＭの主成分は、ドライスート（ｄｒｙ  ｓｏｏｔ）と可溶有機分（Ｓｏｌｕｂｌｅ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｆｒａｃｔｉｏｎ、ＳＯＦと略称する）である。ドライスートは、非結晶炭化水素からなり、ＰＭ形成において各生成部位として働く。ＳＯＦは、蒸発温度が５２℃以上のときの炭化水素と定義されるが、常温状態でドライスートの核の周囲に凝集しやすい。
【０００４】
【従来の技術】
前記ＰＭを測定する方法としてフィルタ重量法が知られている。このフィルタ重量法は、エンジンからの排ガスを希釈トンネルを用いて空気で５２℃以下にまで希釈・冷却し、適宜の材料よりなる捕集フィルタでＰＭを一定時間採取し、このＰＭを捕集したフィルタを精密天秤を用いて測定する方法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記フィルタ重量法は、所謂バッチ処理方式であるとともに、ドライスートのみの量を得るには、前記ＰＭを捕集したフィルタに適宜の化学操作を施すなどして分離する必要があるなど非常に煩わしい手間と多くの時間が必要であるとともに、ドライスートをリアルタイムに連続測定を行うことができないといった欠点がある。
【０００６】
ところで、従来より、サンプルガス中の全炭化水素（Ｔｏｔａｌ  Ｈｙｄｒｏ−Ｃａｒｂｏｎ、以下、ＴＨＣという）などＨＣを定量分析するものとして、図４に示すような水素炎イオン化検出器（Ｆｌａｍｅ  Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ、以下、ＦＩＤという）２０が知られている。すなわち、図４において、２１は燃焼室で、その内部にはノズル２２と、コレクタ電極２３が設けられている。そして、２４はサンプルガスＳを供給するためのサンプルガス供給路、２５は水素ガスのみまたは水素ガスと他の燃焼性ガスとからなる燃料ガスＦを供給する燃料ガス供給路で、両ガス供給管２４，２５はノズル２２の上流側で一体となってノズル２２に接続されている。また、２６は助燃用空気Ａを供給するための助燃ガス供給路で、その端部は燃焼室２１の適宜箇所で開口接続されている。
【０００７】
前記ノズル２２は、高圧配線２７を介して高圧直流電源３３（図５参照）に接続され、コレクタ電極２３は、信号線２８を介して信号処理回路（図示してない）に接続されている。なお、２９は燃焼室２１の内部上方に設けられる着火装置、３０は排気口、３１は絶縁スリーブである。
【０００８】
上記構成のＦＩＤ２０においては、例えばＨＣ成分を含むサンプルガスＳを、燃料ガスＦ、助燃用空気Ａとともに燃焼室２１内に導入し、着火装置２９によって例えば放電スパークを生じさせることにより、ノズル２２の先端に所望の炎３２が形成され、この炎３２のエネルギーでＨＣの熱イオン化が生じ、サンプルガスＳ中に含まれる炭化水素ＨＣ量に比例した電流出力が信号線２８を介して出力され、これによって、サンプルガスＳ中のＨＣ濃度を分析することができる。
【０００９】
ところで、ディーゼルエンジンからの排ガス中に含まれるＰＭには、上述したように、主として炭化水素成分（ＨＣ）であるＳＯＦと主として炭素成分（Ｃ）であるドライスートがあり、従来までの考えによれば、前記ＦＩＤ２０によっては、炭素成分を検出することができないとされていた。
【００１０】
しかしながら、本願発明者の研究によれば、従来からＨＣ成分の分析に使用されているＦＩＤ２０によって、ＨＣのみならず、Ｃ（炭素成分）をも検出することができることを見出した。
【００１１】
すなわち、図５は、ＦＩＤ２０の燃焼室２１内における熱イオンの生成過程を説明するための図で、ノズル２２とコレクタ電極２３との間に設けられる高圧直流電源３３によって、例えばノズル２２に＋３００Ｖの電圧が印加した状態で、着火装置２９によって放電スパークを生じさせると、ノズル２２の先端には例えば１５００Ｋといった高温の炎３２が形成される。
【００１２】
このとき、炭素（グラファイト）を主成分とするサンプルガスＳ中に含まれるドライスートは、下記の理由により検出されると発明者は推定している。すなわち、上述のような高温下で、ドライスートは、熱エネルギーにより電子を放出し、熱イオン化が行われるのではないかということである。このときグラファイトがイオン化するエネルギーは４．５ｅＶ（１０３．７ｋｃａｌ／ｍｏｌ）である。本来、グラファイトは、その比抵抗が４×１０-5Ω・ｃｍであり、半導体であるが、前記大きさのエネルギーを受けることにより、比較的容易に帯電したグラファイトとなると考えられる。そして、このイオン化により放出される電子がノズル２２に集められることにより、炭素成分であるグラファイトをも検出することができると推定している。
【００１３】
図６は、前記ＦＩＤ２０におけるグラファイトに対する応答性を示すものである。
【００１４】
この発明は、上述の事柄および知見に基づいてなされたもので、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ドライスートを連続的にしかも精度よく定量分析することができる新規で有用な排ガス中のＰＭ測定方法（以下、単にＰＭ測定方法という）を提供することを目的としている。
【００１５】
【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測定方法は、内燃機関から排出されるガスをサンプルガスとして採取し、これをフィルタを通さずに水素炎イオン化検出器に直接導入し、そのとき水素炎イオン化検出器から得られるところの、全炭化水素の量に比例したベース信号部分にドライスートの量に比例したパルス信号部分及びこのパルス信号部分よりも振幅値が小さいノイズが重畳された信号を信号処理装置に入力し、ここでパルス認識を行うために設定されたしきい値以上の前記パルス信号部分のみを取り出して個々のパルス信号部分の面積を算出し、それら個々のパルス信号部分の面積の総和に基づいてドライスート量を求めるようにしたことを特徴としている。
【００１６】
ＰＭを含む排ガスをフィルタを通さずにＦＩＤに直接導入すると、このＦＩＤからは、図２（Ａ）に示すような信号ｆが得られる。このＦＩＤ信号ｆには、ＴＨＣに対応したベース信号部分ｂと、ドライスートに対応したパルス信号部分ｐと、このパルス信号部分ｐよりも振幅値が小さいノイズｎが含まれている。このようなＦＩＤ信号ｆからドライスートに対応するパルス信号部分ｐのみを取り出すため、例えば次のような手法を採用する。
【００１７】
すなわち、ＦＩＤ信号ｆは連続的に出力されるので、パルス認識を行うため、しきい値Ｓthを設定し、このしきい値Ｓth以上の信号を、図２（Ｂ）に示すようなパルス信号部分ｐとし、しきい値Ｓth未満の信号を、同図（Ｃ）に示すようなベース信号部分ｂとして、ＦＩＤ信号ｆからパルス信号部分ｐのみを取り出すのである。
【００１８】
そして、前記図２（Ｂ）に示すパルス信号部分ｐの個々の面積を適宜の手法によって求め、個々のパルス信号部分ｐの面積の総和を求める。この総面積は、図３に示すように、ドライスート量と１：１で対応しており、両者は良好な関係にある。この図において、横軸はドライスート濃度を、縦軸はパルスピークの面積をそれぞれ示している。また、○印は収集したデータの平均を示している（誤差はバーで示している）。
【００１９】
上記図３から理解されるように、ドライスートの濃度は、パルス信号部分ｐの面積とほぼ比例関係にある。したがって、パルス信号部分の面積にある係数を乗ずることにより、ドライスートの濃度（または量）を簡単に得ることができる。
【００２０】
この発明によれば、ディーゼルエンジンなどの排ガスにおけるドライスート濃度のみを、高速にしかも連続的に得ることができる。
【００２１】
この発明においては、たった一つのＦＩＤを用いるだけでよいから、装置全体の構成が大いに簡略化される。
【００２２】
【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は、この発明のＰＭ測定方法を実施するための装置の構成例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を含めて温調できるように構成されている。５はサンプルガス流路３に設けられるＦＩＤで、ディーゼルエンジン１の排ガスＧを希釈しないで測定できるように構成されており、図４に示したものと実質的に変わるところがない。６はＦＩＤ５の信号ラインで、プリアンプ７およびアナログ系の信号処理装置８が設けられている。
【００２３】
上述のように構成されたＰＭ測定装置の動作について、図１、図２および図４を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からの排ガス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、このサンプルガスＳは、図４に示すように、燃料ガスＦおよび助燃用空気Ａとともに燃焼室２１内に導入され、着火装置２９によってノズル２２の先端に所望の炎３２が形成され、この炎３２のエネルギーでＨＣの熱イオン化が生じ、サンプルガスＳ中に含まれるＨＣおよびドライスートの量に比例した電流出力（ＦＩＤ信号）ｆが信号ライン６に出力される。
【００２４】
前記ＦＩＤ信号ｆは、プリアンプ７によって適当に増幅および波形整形された後、信号処理装置８に入力される。そして、このＦＩＤ信号ｆは、図２（Ａ）に示すように、ＴＨＣの量に比例したトレンドと呼ばれるベース信号部分ｂに、ドライスートの量に比例したパルス信号部分ｐが重畳したものとなっている。
【００２５】
上記ＦＩＤ信号ｆからパルス信号部分ｐのみを取り出すには、例えば次のようにする。すなわち、パルス認識を行うためのしきい値Ｓthの設定を行う。この実施の形態においては、ＦＩＤ信号ｆに含まれるノイズｎの影響をキャンセルするため、しきい値Ｓthは、ＦＩＤ信号ｆにおける一定の周期時間Ｔにおける信号平均値Ｓave にノイズｎの振幅値Ｓn を加えた値としている。すなわち、各周期時間Ｔにおけるしきい値Ｓthは、
Ｓth＝Ｓave ＋Ｓn
と設定される。
【００２６】
そして、前記ＦＩＤ信号ｆに前記しきい値Ｓthを適用することにより、しきい値Ｓth以上の大きさのものは、図２（Ｂ）に示すようなパルス信号部分ｐとなり、しきい値Ｓth未満の信号は、同図（Ｃ）に示すようなベース信号部分ｂとなる。これによって、ベース信号部分ｂとパルス信号部分ｐとが混在するＦＩＤ信号ｆからパルス信号部分ｐのみを取り出すことができる。
【００２７】
前記分離されたパルス信号部分ｐにおける面積、すなわち、パルス信号部分ｐとベースラインＢＬとによって囲まれる部分の面積（図２（Ｂ）においてハッチングで示す部分）を個々に求め、それらの総和を求める。このパルス信号部分ｐの面積の求め方としては、種々の公知の手法があり、例えばパルス信号部分ｐを複数の細かな方形または台形に分割して、各方形または台形の面積を求めてそれらの総和を求める手法がある。
【００２８】
前記複数のパルス信号部分ｐの総面積は、図３に示すように、ドライスート濃度（量）と１：１で対応しており、両者は良好な関係にある。この図において、横軸はドライスート濃度を、縦軸はパルスピークの面積をそれぞれ示している。また、○印は収集したデータの平均を示している（誤差はバーで示している）。
【００２９】
上記図３から理解されるように、ドライスートの濃度は、パルス信号部分ｐの面積とほぼ比例関係にある。したがって、パルス信号部分ｐの面積にある係数を乗ずることにより、ドライスートの濃度を簡単に得ることができる。
【００３０】
この発明によれば、ディーゼルエンジン１の排ガスにおけるドライスート濃度を高速にしかも連続的に得ることができる。
【００３１】
そして、この発明においては、たった一つのＦＩＤ５を用いるだけでよいから、装置全体の構成が大いに簡略化される。
【００３２】
上述の実施の形態においては、ディーゼルエンジン１の排ガスＧを希釈せず、その一部をＦＩＤ５にサンプルガスＳとして導入するようにしていたが、これに代えて、図７に示すように、排ガスＧを適宜希釈してＦＩＤ５に導入するサンプリング形態を採るようにしてもよい。
【００３３】
すなわち、図７において、９はディーゼルエンジン１に接続される排気管１０に接続される希釈用トンネルで、その上流側からフィルタ１１を介して希釈エアーＤＡが供給され、下流側には吸引ポンプなどを含む定流量採取装置（Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｖｏｌｕｍｅ
Ｓａｍｐｌｅｒ、以下、ＣＶＳという）１２が設けられている。この希釈用トンネル９によって、ディーゼルエンジン１からの排ガスＧが適宜の倍率で希釈されるとともに、一定流量流れる。１３は希釈用トンネル９に対して排気管１０とＣＶＳ１２との間において接続されるサンプリング流路で、前記希釈されたガスＧがサンプルガスＳとして一定流量流れる。その他の構成は図１と同様であるため、該当部分に同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
【００３４】
また、上述の各実施の形態においては、信号処理装置８をアナログ系に構成しているが、これに限られるものではなく、信号処理装置８をディジタル系に構成してもよく、その場合、信号処理装置８としてコンピュータを用いることもできる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ディーゼルエンジンなど内燃機関からの排ガスにおけるドライスート濃度を、リアルタイムで連続的にしかも精度よく定量分析することができる。そして、この発明においては、従来とは異なり、たった一つのＦＩＤを用いるだけでよいから、装置全体の構成が大いに簡略化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の排ガス中のＰＭ測定方法を実施するための構成の一つの実施の形態を示す図である。
【図２】前記ＰＭ測定方法を説明するための図である。
【図３】ドライスート濃度とＦＩＤ信号におけるパルス信号の面積との関係を示す図である。
【図４】この発明で用いる水素炎イオン化検出器の一例を示す図である。
【図５】前記水素炎イオン化検出器の燃焼室内における熱イオンの生成過程を説明するための図である。
【図６】前記水素炎イオン化検出器におけるグラファイトに対する応答性の一例を示す図である。
【図７】この発明の排ガス中のＰＭ測定方法を実施するための構成の他の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１…内燃機関、５…水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）、８…信号処理装置、Ｇ…排ガス、Ｓ…サンプルガス、ｆ…ＦＩＤ信号、ｐ…パルス信号部分、ｎ…パルス信号部分よりも振幅値が小さいノイズ。
【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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