(57)【要約】リアルタイム粒子状物質計測システムは、エアロゾルを受け取り、希釈するための高温希釈器を備える。気化器は、希釈されたエアロゾルを受け取る。低温希釈器は、前記気化器からの出力流れを受け取り、希釈する。凝縮式粒子計数器は、希釈された出力流れを受け取り、粒子個数濃度を測定する。結合装置も同様に、希釈された出力流れを受け取る。この結合装置は、粒径濃度及び粒子表面積の少なくとも１つを測定する。また、この結合装置は、質量濃度を測定する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾルを受け取り、希釈する高温希釈器と、
希釈された前記エアロゾルを受け取り、揮発性を有する粒子状物質及びサルフェート粒子を気化し、出力流れを生成する気化器と、
前記気化器からの出力流れを受け取り、希釈する低温希釈器と、
前記低温希釈器から希釈された前記出力流れを受け取り、前記粒子の個数濃度を測定する凝縮式粒子計数器と、
前記低温希釈器から希釈された前記出力流れを受け取り、質量濃度を測定し、さらに粒径濃度及び粒子表面積の少なくとも１つを測定する結合装置と、
を備えるリアルタイム粒子状物質計測システム。
【請求項２】
請求項１記載のリアルタイム粒子状物質計測システムであって、
前記エアロゾルを受け取り、予め分類されたエアロゾルを前記高温希釈器に供給するプレ分類器をさらに備えるリアルタイム粒子状物質計測システム。
【請求項３】
請求項１記載のリアルタイム粒子状物質計測システムであって、
前記結合装置が、希釈された前記出力流れの粒子表面積を測定する拡散荷電器であるリアルタイム粒子状物質計測システム。
【請求項４】
請求項３記載のリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法であって、
希釈された前記出力流れの粒径濃度を測定するリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法。
【請求項５】
請求項３記載のリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法であって、
希釈された前記出力流れの粒子平均径を測定するリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法。
【請求項６】
請求項３記載のリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法であって、
希釈された前記出力流れの粒子体積濃度を測定するリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法。
【請求項７】
請求項３記載のリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法であって、
希釈された前記出力流れの平均有効密度を測定するリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法。
【請求項８】
請求項１記載のリアルタイム粒子状物質計測システムであって、
前記結合装置が、希釈された前記出力流れの粒径濃度を測定する粒径濃度測定器であるリアルタイム粒子状物質計測システム。
【請求項９】
請求項８記載のリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法であって、
希釈された前記出力流れの粒子表面積を測定するリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法。
【請求項１０】
請求項８記載のリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法であって、
希釈された前記出力流れの粒子平均径を測定するリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法。
【請求項１１】
請求項８記載のリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法であって、
希釈された前記出力流れの粒子体積濃度を測定するリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法。
【請求項１２】
請求項８記載のリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法であって、
希釈された前記出力流れの平均有効密度を測定するリアルタイム粒子状物質計測システムの作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リアルタイム粒子状物質計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼機関により排出される粒子状物質（ＰＭ）は、公衆衛生および環境の問題を引き起こす。燃焼機関からの汚染物質の排出を低減するために、厳しい排出基準が制定されている。近年、研究により、燃焼機関からのＰＭ排出に基づく質量は、現在の技術により著しく低減されるということが明らかになっている。しかしながら、燃焼機関からのＰＭ排出の個数濃度は著しく増大している。その結果、排出された粒子は、より小さいサイズを有し、より大きい表面積を有する。燃焼機関の排出粒子を研究する際には、粒子を正確に計測することが非常に重要である。
【０００３】
軽量ディーゼル車からの固体粒子個数排出量を計測するための既存の方法は、図１において符号１０で示してある。システム１０は、プレ分類器１２、高温希釈器（ＰＮＤ１）１４、気化管１６、低温希釈器（ＰＮＤ２）１８及び凝縮式粒子計数器（ＣＰＣ）２０を備えている。プレ分類器１２は、エアロゾルのカットオフサイズを２．５μｍから１０μｍの範囲内に維持するために用いられる。高温希釈器１４を高温希釈空気温度で作動すること、及び気化管１６内でサンプルを３００度から４００度の範囲内で加熱することによって、揮発性物質及びサルフェート粒子から形成される粒子は、気相に蒸発する。低温希釈器１８による低温希釈の間、揮発性物質及びサルフェート粒子から形成された全ての粒子が、除去される。その結果、固体粒子のみが凝縮式粒子計数器（ＣＰＣ）２０に移動する。その固体粒子の濃度は、ＣＰＣ２０で測定される。
【０００４】
粒子状物質を測定する既存のシステムが多くのアプリケーションで用いられているが、これらのシステムは、機能的に限られている。拡張された機能を有するリアルタイム粒子状物質計測システムが必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、エンジン燃焼及び排気後処理の研究に用いられるエンジン排出粒子特性を測定するための強力なツールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によると、リアルタイム粒子状物質計測システムは、固体粒子個数排出量を測定する既存方法の機能以上に拡張された機能を有する。本発明は、固体粒子数計数システム（ＳＰＣＳ）に拡散荷電器又は粒径濃度測定器を組み合わせることを伴う。この検討されたシステムは、固体粒子又は全粒子のどちらかについて１つのみではなく、７つのリアルタイム粒子特性を得ることができる。
【０００７】
本発明に基づくリアルタイム粒子状物質計測システムは、プレ分類器、高温希釈器、気化管又は気化器、低温希釈器、及び凝縮式粒子計数器を備える。本システムはさらに、質量濃度を測定し、及び粒径濃度又は粒子表面積のいずれかを測定する結合装置を備えている。
【０００８】
１つのアプローチにおいて、拡散荷電器（ＤＣ）が、固体粒子計数システムに組み合わされる。その他のアプローチにおいて、粒径濃度測定器が、固体粒子計数システムに組み合わされる。上記いずれかのアプローチにおいて、リアルタイム粒子状物質計測システムは、エンジンから排出された固体粒子又は全粒子のどちらかについて１つのみではなく、少なくとも７つの特性を得ることができる。これらの特性は、リアルタイム固体粒子又は全粒子の個数濃度、表面積、粒径濃度、質量濃度、体積濃度、平均径及び平均有効密度を含む。
【０００９】
拡散荷電器（ＤＣ）は、リアルタイムで粒子の表面積を測定するためのセンサの一種である。従来のＰＭ質量測定で前記拡散荷電器を校正することによって、前記拡散荷電器は、リアルタイム質量濃度を同時に測定することができる。
【００１０】
粒径濃度測定器は、同様の原理に基づいて、前記拡散荷電器として機能する。この粒径濃度測定器は、粒径濃度（例えば、ｍｍ／ｃｍ３）を測定し、表面積の代わりに粒径濃度を測定するために校正される。前記拡散荷電器と同じように、前記粒径濃度測定器は、リアルタイム質量濃度を同時に測定するために校正されうる。
【００１１】
前記拡散荷電器を備える計測システムにおいて、本システムの凝縮式粒子計数器は、固体粒子又は全粒子の個数濃度を測定する。前記拡散荷電器は、固体粒子又は全粒子のリアルタイム表面積及び質量濃度を測定する。固体粒子又は全粒子の平均径、粒径濃度、体積濃度及び平均有効密度は、前記凝縮式粒子計数器及び拡散荷電器から得られる情報から算出される。
【００１２】
前記粒径濃度測定器を備えるシステムにおいて、前記凝縮式粒子計数器は、固体粒子又は全粒子の個数濃度を測定する。前記粒径濃度測定器は、固体粒子又は全粒子の粒径濃度及び質量濃度を測定する。固体粒子又は全粒子の平均径、表面積、体積濃度及び平均有効密度は、前記凝縮式粒子計数器及び粒径濃度測定器から得られる情報から算出される。
【００１３】
本発明の実施態様に対応付けられる効果は多数である。例えば、前記拡散荷電器又は粒径濃度測定器は、前記凝縮式粒子計数器と同じ位置でサンプルを採取しうる。これにより、本発明に係るリアルタイム粒子状物質計測システムを実施するために、固体粒子数計数システムに対して過度の改良が不要である。この改良されたシステムによって、粒子特性を測定するための大いに増大した機能を有する強力なツールが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、従来の固体粒子数計数システムを示している。図２は、本発明の第１実施形態に基づいて製作されたリアルタイム粒子状物質計測システムを示している。図３は、本発明の第２実施形態に基づいて製作されたリアルタイム粒子状物質計測システムを示している。
【００１５】
図２を参照すると、リアルタイム粒子状物質計測システムは、固体粒子数計測システム（ＳＰＣＳ）３０と、ＳＰＣＳコンピュータ３２と、拡散荷電器（ＤＣ）３４とを備える。ＳＰＣＳ３０は、プレ分類器４０と、高温希釈器（ＰＮＤ１）４２及びこれに対応する温度調節器４４と、気化器４６及びこれに対応する温度調節器４８と、低温希釈器（ＰＮＤ２）５０と、凝縮式粒子計数器（ＣＰＣ）５２と、を備える。プレ分類器４０は、エアロゾルのカットオフサイズを２．５μｍから１０μｍの範囲内に維持するために用いられる。温度調節器４４を用いて高温希釈器４２を高い希釈空気温度で作動すること、及び気化器４６内でサンプルを３００度から４００度の範囲内で加熱することによって、揮発性物質及びサルフェート粒子から形成される粒子は、気相に蒸発する。低温希釈器５０での低温希釈を受けて、揮発性物質及びサルフェート粒子から形成された全ての粒子が、除去される。固体粒子がＣＰＣ２に移動し、その固体粒子の濃度がＣＰＣ５２で測定される。揮発性物質及びサルフェート粒子が気相に気化しないように、高温希釈器４２及び気化器４６が低温で作動している場合には、全ての粒子がその流れとともにＣＰＣ５２に移動し、全粒子の濃度がＣＰＣ５２で測定される。
【００１６】
拡散荷電器３４の吸気口をＳＰＣＳ３０におけるＣＰＣ５２の上流側に接続することによって、拡散荷電器３４は、ＣＰＣ５２と同じ位置でサンプルを採取する。ＳＰＣＳ３０のためのコンピュータ制御及びデータ収集システム３２は、拡散荷電器３４から信号を取得するために用いられる。そして、この拡散荷電器３４は、リアルタイムで表面積及び質量濃度を測定するために校正される。拡散荷電器３４で測定される固体粒子及び全粒子の質量濃度のための異なる校正曲線が、ＳＰＣＳコンピュータ３２内に記憶されうる。例えば、ＳＰＣＳにおける高温希釈器及び気化器が高温で作動している場合に、固体粒子の質量濃度のための校正曲線は選択される。そうでなければ、全粒子の質量濃度のための校正曲線が選択される。
【００１７】
上述したように、ＣＰＣ５２は、個数濃度を測定する。そして、ＤＣ３４は、表面積及び質量濃度をリアルタイムで測定する。固体粒子又は全粒子のどちらか測定された粒子の平均径、粒径濃度、体積濃度及び平均有効密度は、以下のように算出されうる。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
これら式において、ｔｄは、ＤＣに対するＣＰＣの遅延時間である。Ｄｐ（ｔ−ｔｄ）は、時間ｔ−ｔｄにおける表面積を求めるための平均径である。Ｓｔ−ｔｄは、時間ｔ−ｔｄにおいてＤＣで測定された表面積である。Ｎｔは、時間ｔにおいてＣＰＣにより測定された個数濃度である。Ｌｔ−ｔｄは、時間ｔ−ｔｄにおける粒径濃度である。Ｖｔ−ｔｄは、時間ｔ−ｔｄにおける体積濃度である。ρｅｆｆ（ｔ−ｔｄ）は、時間ｔ−ｔｄにおける平均有効密度である。ｍｔ−ｔｄは、時間ｔ−ｔｄにおいてＤＣで測定された質量濃度である。
【００２０】
現在の技術であれば、ＤＣの応答時間は、ＣＰＣの応答時間よりもずっと速い。したがって、上記式には、遅延時間補正が含まれている。遅延時間ｔｄは、過渡条件下において、リアルタイム粒子状物質計測システムを作動することによって測定されうる。この遅延時間は、固定のシステム構成では、定数である。
【００２１】
要約すれば、本実施形態のリアルタイム粒子状物質計測システムから７つの特性が得られる。つまり、１．個数濃度、２．粒径濃度、３．表面積、４．質量濃度、５．平均径、６．体積濃度、７．平均有効密度、である。
【００２２】
図３を参照すると、リアルタイム粒子状物質計測システムは、ＳＰＣＳ６０と、ＳＰＣＳコンピュータ６２と、粒径濃度測定器６４とを備える。ＳＰＣＳ６０は、プレ分類器７０と、高温希釈器（ＰＮＤ１）７２及びこれに対応する温度調節器７４と、希釈器７６及びこれに対応する温度調節器７８と、低温希釈器（ＰＮＤ）８０と、凝縮式粒子計数器（ＣＰＣ）８２と、を備える。
【００２３】
粒径濃度測定器６４の吸気口は、ＳＰＣＳ６０におけるＣＰＣ８２の上流側に接続されている。粒径濃度測定器６４は、ＣＰＣ８２と同じ位置でサンプルを採取する。ＳＰＣＳ６０のためのコンピュータ制御及びデータ収集システム６２は、粒径濃度測定器６４からの信号を取得するために用いられる。そして、この粒径濃度測定器６４は、リアルタイムに粒径濃度及び質量濃度を測定するために校正される。粒径濃度測定器６４で測定される固体粒子及び全粒子の質量濃度のための異なる校正曲線が、ＳＰＣＳコンピュータ６２内に記憶されうる。例えば、ＳＰＣＳにおける高温希釈器及び気化器が高温で作動している場合に、固体粒子の質量濃度のための校正曲線は選択される。そうでなければ、全粒子の質量濃度のための校正曲線が選択される。
【００２４】
ＣＰＣ８２は、粒子の個数濃度を測定する。粒径濃度測定器６４は、粒径濃度及び質量濃度をリアルタイムで測定する。固体粒子又は全粒子のどちらか測定された粒子の平均径、表面積、体積濃度及び平均有効密度は、以下のように算出されうる。
【００２５】
【数２】
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【００２６】
これら式において、ｔｄは、粒径濃度測定器に対するＣＰＣの遅延時間である。Ｄｐ（ｔ−ｔｄ）は、時間ｔ−ｔｄにおける粒径濃度を求めるための平均径である。Ｌｔ−ｔｄは、時間ｔ−ｔｄにおいて粒径濃度測定器で測定された粒径濃度である。Ｓｔ−ｔｄは、時間ｔ−ｔｄにおける表面積である。Ｎｔは、時間ｔにおいてＣＰＣにより測定された個数濃度である。Ｖｔ−ｔｄは、時間ｔ−ｔｄにおける体積濃度である。ρｅｆｆ（ｔ−ｔｄ）は、時間ｔ−ｔｄにおける平均有効密度である。ｍｔ−ｔｄは、時間ｔ−ｔｄにおいて粒径濃度測定器で測定された質量濃度である。
【００２７】
粒径濃度測定器に対するＣＰＣの遅延時間ｔｄは、過渡条件下において、リアルタイム粒子状物質計測システムを作動することによって測定されうる。ＣＰＣと粒径濃度測定器との間に遅延時間が無い場合には、ｔｄはゼロである。ｔｄの符号（負及び正）は、粒径濃度測定器がＣＰＣに対して速いか又は遅いかのいずれかを示している。
【００２８】
要約すれば、本実施形態のリアルタイム粒子状物質計測システムから７つの特性が得られる。つまり、１．個数濃度、２．粒径濃度、３．表面積、４．質量濃度、５．平均径、６．体積濃度、７．平均有効密度、である。
【００２９】
以下の方法が、前述した実施形態において固体粒子又は全粒子のいずれかを測定するために用いられる。
【００３０】
ａ．固体粒子測定：
高温希釈器用及び気化器用の温度調節器は、高温に設定される。例えば、高温希釈器用の温度調節器は、１５０度以上の温度に設定される。そして、気化器用の温度調節器は、３００度から４００度に設定される。このようにして、揮発性物質及びサルフェート粒子により形成される粒子は、除去される。ＣＰＣと、拡散荷電器（ＤＣ）又は粒径濃度測定器とは、固体粒子のみを測定する。ＣＰＣと、ＤＣ又は粒径濃度測定器との飽和を回避するためには、高温希釈器及び低温希釈器の希釈率がより高い値に調節されうる。
【００３１】
ｂ．全粒子測定：
高温希釈器用及び気化器用の温度調節器は、室温に設定され、又は電源が切られる。結果として、固体粒子、揮発性粒子及び硫黄化合物粒子を含む全粒子は、ＣＰＣと、拡散荷電器（ＤＣ）又は粒径濃度測定器とに流入する。ＣＰＣと、ＤＣ又は粒径濃度測定器との飽和を回避するためには、高温希釈器及び低温希釈器の希釈率が高い値に調節されうる。
【００３２】
なお、本発明の実施形態を図示及び記述してきたが、これらの実施形態が、本発明の全ての可能な形態を図示及び記述することを意図するものではない。さらに、明細書において用いられている言葉は、限定というよりもむしろ記述の言葉であり、本発明の精神及び要旨から逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の固体粒子数計数システムを示す。
【図２】本発明の第１実施形態に基づいて製作されたリアルタイム粒子状物質計測システムを示す。
【図３】本発明の第２実施形態に基づいて製作されたリアルタイム粒子状物質計測システムを示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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