(57)【要約】【課題】内燃機関からの排ガスに含まれるＰＭ数が大きくてもＰＭ数を精度よく計測できる粒子数検出装置１およびこれを用いた粒子数計測装置２を提供することにある。【解決手段】粒子数検出装置１は、排ガスに電圧を印加することにより、排ガスに含まれるＰＭを帯電させる放電電極１２と、ＰＭの帯電量に相当する被検出電流Ｉを検出し、電流検出信号を合成する電流検出器１４とを備える。そして、排ガスへの電圧印加に伴い、放電電極１２から放出された電子が、例えば、酸素分子と結合して酸素イオンとなり、この酸素イオンが個々のＰＭに付着しＰＭを帯電させる。このＰＭの帯電量はＰＭ数に応じて増加するので、ＰＭの帯電量に相当する被検出電流ＩはＰＭ数が大きくてもＰＭ数を正確に反映する。よって、このような被検出電流Ｉを検出しすることにより、排ガスに含まれるＰＭ数が大きくてもＰＭ数を正確に反映する電流検出信号を合成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排ガスに電圧を印加することにより、前記排ガスに含まれる粒子状物質を帯電させる粒子帯電手段と、
この粒子帯電手段による前記粒子状物質の帯電量に相当する電気的被検出量を検出する粒子帯電量検出手段とを備えた内燃機関排ガス用の粒子数検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子数検出装置において、
前記粒子帯電手段により帯電した粒子状物質が、前記排ガスの流れに伴う慣性力により衝突する衝突部材を備え、
前記電気的被検出量は、前記粒子状物質が前記衝突部材に衝突して電荷を放出することにより発生する被検出電流であることを特徴とする粒子数検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載の粒子数検出装置において、
前記衝突部材に衝突しない粒子状物質の数を検出する非衝突粒子数検出手段を備える粒子数検出装置。
【請求項４】
請求項３に記載の粒子数検出装置において、
前記非衝突粒子数検出手段は、前記衝突部材に衝突しない粒子状物質にレーザ光を照射することにより、前記衝突部材に衝突しない粒子状物質の数を検出することを特徴とする粒子数検出装置。
【請求項５】
請求項１に記載の粒子数検出装置であって、
前記内燃機関の排気口からマフラへ続く排ガス通路の断面を部分的に遮蔽するように配置されていることを特徴とする粒子数検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載の粒子数検出装置であって、
前記内燃機関の排気口からマフラへ続く排ガス通路から分岐した分岐通路に配置されていることを特徴とする粒子数検出装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６に記載の粒子数検出装置を用いた粒子数計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）の数を計測するための粒子数検出装置およびこれを用いた粒子数計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
〔従来の技術〕
従来より、各種ガス中のＰＭ数を計測するために、粒子数検出装置が用いられている。そして、自動車等の内燃機関からの排ガスに関しても、将来のＰＭ排出の規制化が予想されており、ＰＭ数を計測する必要性が生じている。
【０００３】
従来の粒子数検出装置には、取付や操作が容易である点からレーザ光照射法を用いたものが多用されている。レーザ光照射法を用いた従来の粒子数検出装置は、図９に示すように、レーザ光をＰＭに照射するとともに、この照射により生じる散乱光の強度を検出器にて検出するものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
〔従来技術の不具合〕
しかし、ＰＭ数が増加し高濃度になると、ＰＭ同士がレーザ光の照射方向に対して重なる確率が高くなる。このため、ＰＭ数が大きいほど、散乱光の強度がＰＭ数を正確に反映しなくなり、計測精度が低下する。この結果、レーザ光照射法を適用した従来の粒子数検出装置を用いＰＭ数を計測すると、ＰＭ数が大きいほど誤差が大きくなる。
【特許文献１】特開平７−２１８４１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、内燃機関からの排ガスに含まれるＰＭ数が大きくてもＰＭ数を精度よく計測できる粒子数検出装置およびこれを用いた粒子数計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の粒子数検出装置は、内燃機関からの排ガスに電圧を印加することにより、排ガスに含まれる粒子状物質を帯電させる粒子帯電手段と、粒子帯電手段による粒子状物質の帯電量に相当する電気的被検出量を検出する粒子帯電量検出手段とを備える。
排ガスへの電圧印加が行われると粒子帯電手段から電荷が放出され、放出された電荷は、排ガス中を移動して個々のＰＭに付着する。これにより、全てのＰＭの帯電量はＰＭ数に応じて増加する。このため、ＰＭの帯電量に相当する電気的被検出量は、ＰＭ数が大きくてもＰＭ数を正確に反映する。したがって、このような電気的被検出量を検出すれば、排ガスに含まれるＰＭ数が大きくてもＰＭ数を正確に反映する信号を合成して出力することができる。
【０００７】
〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の粒子数検出装置は、粒子帯電手段により帯電した粒子状物質が排ガスの流れに伴う慣性力により衝突する衝突部材を備え、電気的被検出量は、粒子状物質が衝突部材に衝突して電荷を放出することにより発生する被検出電流である。
排ガスの流れに伴うＰＭの慣性力はＰＭの粒径に応じて大きくなる。よって、排ガスの流れに対向して衝突部材を配置し排ガスの流れ方向を急激に変えれば、特定の粒径以上のＰＭは衝突部材に衝突する（以下、この「特定の粒径」を衝突限界粒径という）。そして、上記の被検出電流は、衝突部材に衝突するＰＭ数に応じて増加し、衝突部材に衝突するＰＭ数を正確に反映するので、上記の被検出電流を用いれば、衝突部材に衝突するＰＭ数を求めることができる。また、ＰＭは特定の粒径分布を有するので、衝突部材に衝突するＰＭ数が求まれば排ガスに含まれる全ＰＭ数を算出することができる。
以上により、衝突部材にＰＭを衝突させて被検出電流を発生させ、この被検出電流を電気的被検出量として検出すれば、排ガスに含まれる全ＰＭ数を計測することができる。
【０００８】
〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の粒子数検出装置は、衝突部材に衝突しない粒子状物質の数を検出する非衝突粒子数検出手段を備える。
衝突限界粒径よりも小さい粒径のＰＭは、排ガスの流れに沿って衝突部材に衝突することなく、衝突部材の下流側に移動する。また、ＰＭは特定の粒径分布を有するので、衝突部材に衝突しないＰＭ数（すなわち、衝突限界粒径よりも小さい粒径のＰＭ数）が求まれば排ガスに含まれる全ＰＭ数を算出することができる。
したがって、非衝突粒子数検出手段により衝突部材に衝突しないＰＭ数を検出すれば、衝突部材から発生する被検出電流を用いた全ＰＭ数の算出に異常が生じていないか否かを監視することができる。
【０００９】
〔請求項４の手段〕
請求項４に記載の粒子数検出装置の非衝突粒子数検出手段は、衝突部材に衝突しない粒子状物質にレーザ光を照射することにより、衝突部材に衝突しない粒子状物質の数を検出する。
衝突部材に衝突しないＰＭ数は小さい。このため、レーザ光照射法を用いても、衝突部材に衝突しないＰＭ数を精度よく計測することができる。
【００１０】
〔請求項５の手段〕
請求項５に記載の粒子数検出装置は、内燃機関の排気口からマフラへ続く排ガス通路の断面を部分的に遮蔽するように配置されている。
これにより、排ガス通路の断面を全て遮蔽するように粒子数検出装置を配置する場合よりも、排ガスの圧力損失を減らすことができる。
【００１１】
〔請求項６の手段〕
請求項６に記載の粒子数検出装置は、内燃機関の排気口からマフラへ続く排ガス通路から分岐した分岐通路に配置されている。
これにより、粒子数検出装置を排ガス通路に配置する場合よりも、排ガスに対する粒子数検出装置の耐熱性を下げることができる。また、粒子数検出装置を排ガス配管内部に配置する場合よりも、排ガスの圧力損失を減らすことができる。
【００１２】
〔請求項７の手段〕
請求項７に記載の粒子数計測装置は、請求項１ないし請求項６に記載の粒子数検出装置を用いる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
最良の形態１の内燃機関排ガス用の粒子数検出装置は、内燃機関からの排ガスに電圧を印加することにより、排ガスに含まれる粒子状物質を帯電させる粒子帯電手段と、粒子帯電手段による粒子状物質の帯電量に相当する電気的被検出量を検出する粒子帯電量検出手段とを備える。
また、この粒子数検出装置は、粒子帯電手段により帯電した粒子状物質が、排ガスの流れに伴う慣性力により衝突する衝突部材を備え、電気的被検出量は、粒子状物質が衝突部材に衝突して電荷を放出することにより発生する被検出電流である。
【００１４】
最良の形態２の粒子数検出装置は、衝突部材に衝突しない粒子状物質の数を検出する非衝突粒子数検出手段を備える。
非衝突粒子数検出手段は、衝突部材に衝突しない粒子状物質にレーザ光を照射することにより、衝突部材に衝突しない粒子状物質の数を検出する。
【００１５】
最良の形態３の粒子数検出装置は、内燃機関の排気口からマフラへ続く排ガス通路の断面を部分的に遮蔽するように配置されている。
最良の形態４の粒子数検出装置は、内燃機関の排気口からマフラへ続く排ガス通路から分岐した分岐通路に配置されている。
【実施例１】
【００１６】
〔実施例１の構成〕
実施例１の粒子数検出装置１およびこれを用いた粒子数計測装置２の構成を図１ないし図４を用いて説明する。粒子数計測装置２は、図１に示すように、排ガス配管３の内部に配置され、粒子数を示す信号を出力する粒子数検出装置１と、粒子数検出装置１から出力される信号を用いて粒子数を算出する電子制御装置（ＥＣＵ）４とを備える。なお、排ガス配管３は、図２に示すように、内燃機関６から排気される排ガスを通す配管であり、排ガス通路を形成する。そして、粒子数検出装置１よりも上流側の排ガス配管３には、周知のＰＭ除去フィルタ７および周知の触媒層８が取り付けられ、粒子数検出装置１よりも下流側の排ガス配管３には、周知のマフラ９が取り付けられている。
【００１７】
粒子数検出装置１は、図１に示すように、排ガスに含まれるＰＭを帯電させる放電電極１２と、帯電したＰＭが衝突する衝突部材１３と、帯電したＰＭが衝突部材１３に衝突することにより発生する電流を検出する電流検出器１４とを備える。
【００１８】
放電電極１２は、内燃機関６からの排ガスに電圧を印加することにより、排ガスに含まれるＰＭを帯電させる粒子帯電手段である。放電電極１２は、有底の円筒状に形成され、排ガスの流れに対し同軸的に配置されている。そして、電圧の印加が行われると、円筒外周から径方向に放射状に、マイナスの電荷を有する電子が放出される。この電子が、例えば、酸素分子と結合してマイナスの電荷を有する酸素イオンとなり、この酸素イオンがＰＭに付着することによりＰＭが帯電する。この結果、個々のＰＭには、帯電量が平衡状態になるまで電荷が付着するので、全てのＰＭの帯電量はＰＭ数に応じて増加する。
【００１９】
衝突部材１３は、図３（ａ）に示すように、排ガスの流れに対向して略直角に配置され、排ガスの流れ方向を急激に変える。このため、図３（ｂ）に示すように、衝突限界粒径以上のＰＭ（すなわち、排ガスの流れに伴う慣性力が大きいＰＭ）は、衝突部材１３に衝突する。一方、衝突限界粒径よりも小さい粒径のＰＭは衝突部材１３に衝突せず、衝突部材１３の縁部と配管壁とで形成されるクリアランスを通過して、衝突部材１３の下流側に移動する。また、衝突部材１３に衝突して捕集されたＰＭは、電気ヒータ１５により焼却除去される（以下、衝突部材１３に衝突するＰＭを「衝突ＰＭ」と呼び、衝突部材１３に衝突しないＰＭを「非衝突ＰＭ」と呼ぶ）。なお、衝突限界粒径の値は衝突部材１３の大きさや配置状態、およびＰＭの特性等により一義的に定まる。
【００２０】
そして、衝突部材１３は、粒子帯電手段によるＰＭの帯電量に相当する電気的被検出量として、被検出電流Ｉを発生させる。この被検出電流Ｉは、図４（ａ）に示すように帯電した衝突ＰＭが排ガスの流れに伴う慣性力により衝突部材１３に衝突する際、衝突ＰＭが電荷を放出することにより発生する。また、被検出電流Ｉは、図４（ｂ）に示すように衝突ＰＭの数（衝突ＰＭ数）にほぼ正比例して増加し、衝突ＰＭ数を正確に反映する。
【００２１】
電流検出器１４は、被検出電流Ｉを検出することにより、粒子帯電手段によるＰＭの帯電量に相当する電気的被検出量を検出する粒子帯電量検出手段として機能する。なお、電流検出器１４は、周知のセンサであり、被検出電流Ｉを検出するとともに、図１に示すように被検出電流Ｉを示す信号（電流検出信号）を合成してＥＣＵ４へ出力する。
【００２２】
ＥＣＵ４は、制御装置、演算装置、記憶装置、入力装置、出力装置の機能を有するコンピュータとして構成され、各種センサから入力される信号、および記憶されたプログラムやデータ等を用いて、各種の演算処理や制御処理を行う。
【００２３】
そして、ＥＣＵ４は、電流検出信号を用いて、排ガスに含まれる全ＰＭ数を算出する。ここで、ＰＭは、図３（ｂ）に示すように、特定の粒径分布を有するので、衝突ＰＭ数と全ＰＭ数との比は常に一定になる。よって、ＥＣＵ４は、図３（ｃ）に示すように、衝突ＰＭ数と被検出電流Ｉとの相関、または全ＰＭ数と被検出電流Ｉとの相関を記憶して利用できるようにしておけば、電流検出信号とともに何れか一方の相関を用いて全ＰＭ数を算出することができる。
【００２４】
〔実施例１の作用〕
実施例１の粒子数計測装置２の作用を、図１ないし図４を用いて説明する。
排ガスに含まれるＰＭは、放電電極１２と配管壁との間を軸方向に通過する際、放電電極１２からの印加電圧により帯電する。すなわち、放電電極１２により排ガスへの電圧印加が行われると、放電電極１２から放射状に電子が放出され、この電子は、例えば、酸素分子と結合してマイナスの電荷を有する酸素イオンとなる。そして、この酸素イオンがＰＭに付着することによりＰＭが帯電する。
帯電したＰＭの内、衝突ＰＭが衝突部材１３に衝突し電荷を放出する。この電荷の放出に伴い発生する被検出電流Ｉが電流検出器１４により検出されるとともに、電流検出信号が合成されＥＣＵ４へ出力される。そして、ＥＣＵ４は、衝突ＰＭ数と被検出電流Ｉとの相関、または全ＰＭ数と被検出電流Ｉとの相関、および電流検出信号を用いて、全ＰＭ数を算出する。
【００２５】
〔実施例１の効果〕
実施例１の粒子数検出装置１は、内燃機関６からの排ガスに電圧を印加することにより、排ガスに含まれるＰＭを帯電させる放電電極１２と、ＰＭの帯電量に相当する電気的被検出量としての被検出電流Ｉを検出し、電流検出信号を合成する電流検出器１４とを備える。
排ガスへの電圧印加が行われると放電電極１２からマイナスの電荷を有する電子が放出される。放出された電子は、例えば、酸素分子と結合してマイナスの電荷を有する酸素イオンとなり、この酸素イオンが排ガス中を移動して個々のＰＭに付着しＰＭを帯電させる。この電圧印加に伴うＰＭの帯電量はＰＭ数に応じて増加するため、ＰＭの帯電量に相当する被検出電流ＩはＰＭ数が大きくてもＰＭ数を正確に反映する。したがって、電流検出器１４は、このような被検出電流Ｉを検出することにより、排ガスに含まれるＰＭ数が大きくてもＰＭ数を正確に反映する電流検出信号を合成することができる。
【００２６】
また、粒子数検出装置１は、放電電極１２により帯電したＰＭが排ガスの流れに伴う慣性力により衝突する衝突部材１３を備え、被検出電流Ｉは、ＰＭが衝突部材１３に衝突して電荷を放出することにより発生する。
排ガスの流れに伴うＰＭの慣性力はＰＭの粒径に応じて大きくなるので、衝突限界粒径以上のＰＭ（衝突ＰＭ）が、衝突部材１３に衝突し電荷を放出する。この電荷の放出により生じる被検出電流Ｉは、衝突ＰＭ数に応じて増加し衝突ＰＭ数を正確に反映する。したがって、この被検出電流Ｉを用いれば、衝突ＰＭ数を求めることができる。また、ＰＭは特定の粒径分布を有するので、衝突ＰＭ数が求まれば排ガスに含まれる全ＰＭ数を算出することができる。
以上により、ＰＭを衝突部材１３に衝突させて被検出電流Ｉを発生させ、この被検出電流Ｉを検出することにより排ガスに含まれる全ＰＭ数を計測することができる。
【実施例２】
【００２７】
〔実施例２の構成〕
実施例２の粒子数検出装置１は、図５および図６に示すように、非衝突ＰＭの数（非衝突ＰＭ数）を検出する非衝突粒子数検出手段として、非衝突ＰＭにレーザ光を照射することにより、非衝突ＰＭ数を検出する周知のレーザ光照射式検出装置１９を備える。レーザ光照射式検出装置１９は、衝突部材１３の下流側の排ガス配管３に取り付けられている。
【００２８】
レーザ光照射式検出装置１９は、レーザ光を出力するレーザ発振器２０、レーザ発振器２０から出力されたレーザ光を平行に成形するレンズ２１、排ガス配管３に取り付けられレーザ光を排ガス通路へ入出力させる窓ガラス２２、ＰＭによる散乱光の強度を検出する強度検出器２３、ＰＭにより散乱されず排ガス通路を通過したレーザ光を吸収するレーザ吸収器２４などを有する。
強度検出器２３は、周知のセンサであり、散乱光の強度を検出するとともに、散乱光の強度を示す信号（強度検出信号）を合成してＥＣＵ４へ出力する。
【００２９】
また、ＥＣＵ４は、散乱光の強度と非衝突ＰＭ数との相関、または散乱光の強度と全ＰＭ数との相関のいずれか一方を記憶しており、強度検出信号といずれか一方との相関を用いて全ＰＭ数を算出する。そして、ＥＣＵ４は、強度検出信号を用いた全ＰＭ数の算出値と電流検出信号を用いた全ＰＭ数の算出値とを比較し、互いの差が所定値以上であれば、電流検出信号を用いた全ＰＭ数の算出に異常が発生したと判定する。
【００３０】
〔実施例２の効果〕
実施例２の粒子数検出装置１は、非衝突ＰＭ数を検出する非衝突粒子数検出手段としてのレーザ光照射式検出装置１９を備える。
衝突限界粒径よりも小さい粒径のＰＭ（非衝突ＰＭ）は、図６（ａ）に示すように、排ガスの流れに沿って衝突部材１３に衝突することなく、衝突部材１３の下流側に移動する。また、ＰＭは特定の粒径分布を有するので、非衝突ＰＭ数が求まれば排ガスに含まれる全ＰＭ数を算出することができる。したがって、非衝突粒子数検出手段により非衝突ＰＭ数を検出すれば、被検出電流Ｉを用いた全ＰＭ数の算出に異常が生じていないか否かを監視することができる。
また、非衝突ＰＭ数は小さいので、非衝突粒子数検出手段としてレーザ光照射式検出装置１９を用いても精度よく非衝突ＰＭ数を計測することができる。
【実施例３】
【００３１】
実施例３の粒子数検出装置１は、図７に示すように、触媒層８とマフラ９との間に配置され、排ガス通路の断面を部分的に遮蔽するように配置されている。
これにより、排ガス通路の断面を全て遮蔽するように粒子数検出装置１を配置する場合よりも、排ガスの圧力損失を減らすことができる。
【実施例４】
【００３２】
実施例４の粒子数検出装置１は、図８に示すように、触媒層８とマフラ９との間の排ガス通路から分岐した分岐通路２７に配置されている。
これにより、粒子数検出装置１を排ガス通路に配置する場合よりも、排ガスに対する粒子数検出装置１の耐熱性を下げることができる。また、粒子数検出装置１を排ガス配管３内部に配置する場合よりも、排ガスの圧力損失を減らすことができる。
【００３３】
〔変形例〕
本実施例の電気的被検出量は、放電電極１２により帯電したＰＭが衝突部材１３に衝突して電荷を放出することにより発生する被検出電流Ｉであったが、これに限定されない。例えば、帯電したＰＭが排ガス配管３に電荷を誘起することにより生じる電流を、被検出電流Ｉとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】粒子数検出装置および粒子計測装置の説明図である（実施例１）。
【図２】排ガス配管における粒子数検出装置および粒子計測装置の配置図である（実施例１）。
【図３】（ａ）は、ＰＭと衝突部材との衝突状況を示す説明図であり、（ｂ）は、排ガス中のＰＭの粒径分布を示す分布図であり、（ｃ）は、衝突ＰＭ数と被検出電流Ｉとの相関、または全ＰＭ数と被検出電流Ｉとの相関を示す相関図である（実施例１）。
【図４】（ａ）は、被検出電流Ｉの発生原理を示す説明図であり、（ｂ）は、被検出電流Ｉと衝突ＰＭ数との相関を示す相関図である（実施例１）。
【図５】粒子数検出装置および粒子計測装置の説明図である（実施例２）。
【図６】（ａ）は、ＰＭと衝突部材との衝突状況およびレーザ光照射式検出装置の作動状況を示す説明図であり、（ｂ）は、レーザ光照射式検出装置の構成部材の配置図である（実施例２）。
【図７】排ガス配管における粒子数検出装置および粒子計測装置の配置図である（実施例３）。
【図８】排ガス配管における粒子数検出装置および粒子計測装置の配置図である（実施例４）。
【図９】レーザ光照射法による粒子数検出装置の作動状況を示す説明図である（従来例）。
【符号の説明】
【００３５】
１    粒子数検出装置
２    粒子数計測装置
６    内燃機関
９    マフラ
１２  放電電極（粒子帯電手段）
１３  衝突部材
１４  電流検出器（粒子帯電量検出手段）
１９  レーザ光照射式検出装置（非衝突粒子数検出手段）
２７  分岐通路
Ｉ    被検出電流（電気的被検出量）
【図１】
2006078267.tif 000003
【図２】
2006078267.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006078267.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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