(57)【要約】【課題】【解決手段】移動中の車輌の排気テールパイプから排出されるガス中の粒子状物質を特徴付ける方法及び装置であって、車輌にマイクロ希釈器を設ける段階と、車輌の移動中にガスの試料を取り込み、マイクロ希釈器により試料を周囲空気と混合する段階と、それにより揮発性粒子状物質や不揮発性粒子状物質を含むガスの希釈試料を形成する段階とを含む方法及び装置。揮発性粒子状物質や不揮発性粒子状物質の少なくとも一パラメータを測定する粒子状体分析器が車輌に設けられる。
2005514588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動中の車輌の排気テールパイプから排出されるガス中の粒子状物質を特徴付ける装置であって、
移動中の車輌に搭載可能に構成され、ガスの試料を取り込んでこの試料を周囲空気と混合することにより揮発性粒子状物質及び不揮発性粒子状物質を含むガスの希釈試料を形成するマイクロ希釈器と、
移動中の車輌に搭載可能に構成され、粒子状物質の少なくとも一パラメータを測定する粒子状体分析器と
を含む装置。
【請求項２】
前記マイクロ希釈器が、前記周囲空気を流量制御する周囲空気マスフローコントローラを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記マイクロ希釈器が前記ガスを流量制御するガスマスフローコントローラを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記マイクロ希釈器が、前記周囲空気を流量制御する周囲空気マスフローコントローラを更に含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記周囲空気マスフローコントローラ及び前記ガスマスフローコントローラの内の少なくとも一方は、マスフローの調節可能なレベルを提供する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記マイクロ希釈器が車輌テールパイプの近傍に取り付けられるように構成されており、ガスと周囲空気の即座の混合が可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記マイクロ希釈器が、排気テールパイプに連結されたパイプを含む連結ラインを通して前記試料を取り込む、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記連結ライン内での粒子状物質の減損を少なくするために、前記連結ラインが加熱されている、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記連結ラインが５０〜２００℃の範囲内の温度に加熱されている、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記粒子状体分析器が、ガス内の複数個の粒子の評価が可能である粒子状体カウンタである、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記粒子状体カウンタが少なくとも一個の光源と少なくとも一個の光検出器とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記粒子状体光源がレーザである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記光源が紫外線ランプである、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記粒子状体分析器が、電磁波発生器と音響検出器とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記粒子状体分析器が、前記粒子に電荷を提供する帯電デバイスと、前記帯電デバイスにより前記粒子が帯電された後に前記粒子の電荷を測定することができる電位計とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記粒子状体分析器が凝結核カウンタ（ＣＮＣ）を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記粒子状体分析器が白熱粒子カウンタ（ＩＰＣ）を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記粒子状体分析器が粒子状物質の質量を測定する、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
前記粒子状体分析器が粒子状物質を集積させる振動基体を含み、前記基体の振動パラメータ変化が粒子状物質の集積による前記基体の質量変化を示すものである、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記パラメータが前記基体の共振周波数である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記パラメータが前記基体の振動振幅である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記基体が、石英フィルタ及び濾紙の内の少なくとも一方から選ばれるものである、請求項１９に記載の装置。
【請求項２３】
圧力点火エンジンにより駆動される車輌において動作が可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
スパーク点火エンジンにより駆動される車輌において動作が可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項２５】
前記少なくとも一個のパラメータが特定の粒子サイズのグループを有する特定サイズヒストグラムによる、粒子状物質中に存在する粒子の計数を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
粒子状物質の質量を測定し、測定により得られた質量と粒子数とをサイズヒストグラムによって定義されるサイズに応じて粒子の質量の概算値に変換する質量分析器を含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記質量分析器が移動中の車輌に搭載可能に構成されている、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記質量分析器が、車輌とは別体に構成されている、請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
移動中の車輌の排気テールパイプから排出されるガス中の粒子状物質を特徴付ける装置であって、
排気テールパイプから排出されるガスを取り込むサンプラーと、
移動中の車輌に搭載可能に構成された、周囲空気を制御された流量で供給するための周囲空気マスフローコントローラと、
移動中の車輌に搭載可能に構成された、排気テールパイプから取り込まれたガスを制御された流量で提供するためのガスマスフローコントローラと、
移動中の車輌に搭載可能に構成された、粒子状物質の少なくとも一パラメータを測定する粒子状体分析器と
を含み、
前記制御された流量のガスと制御された流量の周囲空気とが混合されることにより揮発性粒子状物質及び不揮発性粒子状物質を含むガスの希釈試料が形成される装置。
【請求項３０】
前記周囲空気マスフローコントローラ及び前記ガスマスフローコントローラが車輌テールパイプの近傍に取り付けられるように構成されており、ガスと周囲空気との即座の混合が可能である、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記サンプラーが、排気テールパイプと接続されているパイプを含む、請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
前記連結ライン内での粒子状物質の減損を少なくするために、前記連結ラインが加熱されている、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記連結ラインが５０〜２００℃の範囲内の温度に加熱されている、請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
前記周囲空気マスフローコントローラ及び前記ガスマスフローコントローラの内の少なくとも一方は、マスフローの調節可能なレベルを提供する、請求項２９に記載の装置。
【請求項３５】
エンジンから排出される粒子状物質を測定すると共に及び特徴付けする装置であって、
粒子状物質の質量を測定する質量分析器と、
特定の粒子サイズのグループを有する特定サイズヒストグラムによる、粒子状物質中に存在する粒子を計数する粒子分析器と、
測定により得られた質量と粒子数とを前記サイズヒストグラムにより定義されるそれらのサイズに応じて前記粒子の質量の概算値に変換するコンピュータと
を含む装置。
【請求項３６】
移動中の車輌の排気テールパイプから排出されるガス中の粒子状物質を特徴付ける方法であって、
車輌にマイクロ希釈器を設ける段階と、
車輌が移動している間に、ガスの試料を取り込み、前記マイクロ希釈器により前記試料を周囲空気と混合することにより、揮発性粒子状物質及び不揮発性粒子状物質を含むガスの希釈試料を形成する段階と、
車輌に粒子状体分析器を設ける段階と、
前記粒子状体分析器により揮発性粒子状物質及び不揮発性粒子状物質の少なくとも一パラメータを測定する段階と
を含む方法。
【請求項３７】
前記マイクロ希釈器により前記周囲空気を流量制御する段階を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記マイクロ希釈器により前記ガスを流量制御する段階を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記マイクロ希釈器により前記周囲空気を流量制御する段階を含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
周囲空気のマスフロー及びガスのマスフローから選ばれる少なくとも一種を調整制御する段階を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記マイクロ希釈器を車輌テールパイプの近傍に位置決めし、ガスと周囲空気との即座の混合を可能にする段階を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４２】
排気テールパイプに連結された連結ラインを通して前記試料を取り込む段階を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４３】
前記連結ライン内の粒子状物質の減損を少なくするために前記連結ラインを加熱する段階を含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記連結ラインを５０〜２００℃の範囲の温度に加熱する段階を含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記粒子状体分析器が、ガス中の粒子の数を評価できる粒子状体カウンタである、請求項３６に記載の方法。
【請求項４６】
前記粒子状体分析器が少なくとも一個の光源と少なくとも一個の光検出器とを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項４７】
前記粒子状体光源がレーザである、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記光源が紫外線ランプである、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記粒子状体分析器が、電磁波発生器と音響検出器とを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項５０】
前記粒子状体分析器が、前記粒子に電荷を提供する帯電デバイスと、前記帯電デバイスにより前記粒子が帯電された後に前記粒子の電荷を測定することができる電位計とを含む、請求項３６に記載の装置。
【請求項５１】
前記粒子状体分析器が凝結核カウンタ（ＣＮＣ）を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項５２】
前記粒子状体分析器が白熱粒子カウンタ（ＩＰＣ）を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項５３】
粒子状物質の質量を測定する段階を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項５４】
前記粒子状体分析器が粒子状物質を集積させる振動基体を含み、前記基体の振動パラメータ変化が粒子状物質の集積による前記基体の質量変化を示すものである、請求項３６に記載の装置。
【請求項５５】
前記パラメータが、前記基体の共振周波数である、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記パラメータが、前記基体の振動振幅である、請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
前記基体が、石英フィルタ及び濾紙の内の少なくとも一方から選ばれるものである、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
少なくとも一パラメータを測定する段階が、特定の粒子サイズのグループを有する特定サイズヒストグラムにより、粒子状物質内に存在する粒子を計数する段階を含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項５９】
粒子状物質の質量を測定して、測定された質量と粒子数とを前記サイズヒストグラムにより定義されたサイズに応じて粒子の質量の概算値に変換する段階を含む、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記計数、前記分類（sorting）及び前記変換が、移動中の車輌において行われる、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
前記計数、前記分類及び前記変換が、車輌とは別個に行われる、請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
移動中の車輌の排気テールパイプから排出されるガス中の粒子状物質を特徴付ける方法であって、
排気テールパイプから排出されるガスを取り込む段階と、
車輌上で周囲空気を制御した流量で供給する段階と、
車輌上で排気テールパイプから取り込まれたガスを制御された流量で供給する段階と、
流量制御されたガスと流量制御された周囲空気とを混合することにより、揮発性粒子状物質及び不揮発性粒子状物質を含むガスの希釈試料を形成する段階と、
移動中の車輌に搭載可能に構成され、粒子状物質の少なくとも一パラメータを測定する粒子状体分析器を設ける段階と
を含む方法。
【請求項６３】
車輌排気テールパイプの近傍でガスと周囲空気とを即座に混合する段階とを含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記取り込む段階が、排気テールパイプに連結されたパイプを設ける段階を含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
前記連結ライン内の粒子状物質の減損を少なくするために前記連結ラインが加熱されている、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記連結ラインが５０〜２００℃の範囲内の温度に加熱される、請求項６４に記載の方法。
【請求項６７】
周囲空気のマスフロー及びガスのマスフローから選ばれる少なくとも一種を調整制御する段階を含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６８】
エンジンから排出される粒子状物質を測定し特徴付ける方法であって、
粒子状物質の質量を測定する段階と、
特定の粒子サイズのグループを有する特定サイズヒストグラムにより粒子状物質内に存在する粒子を計数する段階と、
測定された質量と粒子数とを、前記サイズヒストグラムにより定義されたサイズに応じて前記粒子の質量の概算値に変換する段階と
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の表示
本願は、２００１年１０月２２日出願の米国特許仮出願第６０／３４４７２１号に基づく優先権を請求するものであり、この出願の開示の全体を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【０００２】
本発明は、車輌排気テールパイプから排出されるガスの特徴付けに関し、特にガス中の粒子状物質の特徴付けに関する。
【背景技術】
【０００３】
車輌の排気テールパイプから排出される粒子状物質及びガスを特徴付けることが望まれている。このことは特に、ディーゼルエンジン等の圧力点火エンジンによって駆動される車輌についていえる。しかしながら、スパーク点火エンジンによって駆動される車輌もまた、排気テールパイプから排出されるガス中に粒子状物質を生成する。このような粒子状物質を特徴付ける際に直面する困難の１つは、全ての粒子状物質が排気ガスが排気テールパイプ中に在る間に形成されるわけではないという点である。粒子状物質の一部は、車輌を取り囲む周囲空気との接触の際に形成される。従って、車輌の排気テールパイプから排出される粒子状物質及びガスの正確な特徴付けを行うためには、粒子状物質を分析する前に排気と周辺空気を混合する必要がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、排気テールパイプから排出されるガスを周囲空気で希釈する独自の技法を提供する。本発明に係る技法は特に移動中の車輌において使用できるものである。本発明が提供する技法により、車輌の種々の運転条件下において粒子状物質を継続的に特徴付けできる。
【０００５】
本発明はその一様相において、移動中の車輌の排気テールパイプから排出されるガス中の粒子状物質を特徴付ける装置を提供するものであって、該装置に係り、該装置は、移動中の車輌への搭載に適したマイクロ希釈器、及び同様に移動中の車輌への搭載に適した粒子状体分析器を含む。マイクロ希釈器はガス試料を取り込み、これを周囲空気と混合し、それによって揮発性及び不揮発性粒子を含むガスの希釈試料を作り出す。本発明粒子状体分析器のための方法及び装置は、マイクロ希釈器から希釈された試料を取り込み、粒子状物質の少なくとも一パラメータを測定する。
【０００６】
マイクロ希釈器は、周囲空気の流量を制御する周囲空気マスフローコントローラ、及び／又はガスの流量を制御するガスマスフローコントローラを含むことができる。周囲空気コントローラとガスマスコントローラのうちどちらかが可変であってもよい。マイクロ希釈器は、車輌テールパイプに近接して取り付けることができる。マイクロ希釈器は、排気テールパイプに連結されるパイプを含む連結ラインから試料を取り込む。排気テールパイプは、その中での粒子状物質の減損を低減させるために加熱することができる。連結ラインは、５０〜２００℃の範囲内の温度に加熱することができる。
【０００７】
粒子状体分析器は、ガス中の複数個の粒子の評価が可能である粒子状体カウンタであることができる。粒子状体カウンタは、レーザ等の光源及びフォトダイオード等の光検出器を含むことができる。粒子状体分析器は、音響波（音波、或いは超音波）発生器及び対応する音響波検出器を含むものとすることができる。粒子状体分析器は、粒子を帯電させる帯電デバイス及び電位計を含むことができる。粒子状体分析器は、凝結核カウンタ（ＣＮＣ）を含むことができる。粒子状体分析器は、白熱粒子カウンタ（ＩＰＣ）を含んでもよい。粒子状体分析器は、粒子状物質の質量を測定することができる。粒子状体分析器は、粒子状物質を集積させる振動基体とすることができ、この場合、基体の振動パラメータの変化が粒子状物質の集積による基体の質量変化の指標となる。この場合、パラメータは、基体の共振周波数及び／又は基体の振動振幅であることができる。粒子状体分析器は特定のサイズ範囲を有する粒子の形状の測定もできるものとすることができる。
【０００８】
本発明は、圧力点火エンジン又はスパーク点火エンジンによって駆動される車輌に使用することができる。
【０００９】
上記パラメータの内、少なくとも一種は、種々の特定の粒子サイズグループから構成される粒子サイズヒストグラムによる、粒子状物質中に存在する粒子の計数を含むものとすることができる。本方法及び装置は、質量分析器を提供する段階と、粒子状物質の質量を測定する段階と、測定された質量と粒子をサイズヒストグラムによって規定されるサイズに従って変換し、粒子の質量の概算値を得る段階と、を含むことができる。質量分析器は、移動中の車輌上にあってもよく、また車輌とは別であってもよい。
【００１０】
本発明はその別の一様相において、エンジンから排出される粒子状物質の測定及び特徴付けの装置と方法に係るものであって、質量分析器、粒子分析器及びコンピュータを提供することを含む。質量分析器は、粒子状物質の質量を測定する。粒子分析器は、種々の特定の粒子サイズグループから構成される粒子サイズヒストグラムを用い、粒子状物質中に存在する粒子を計数する。コンピュータは、測定された質量と粒子数とをサイズヒストグラムによって定められるサイズに従って変換し、粒子の質量の概算値を得る。
【００１１】
粒子状物質の質量測定は、エンジンから排出されたガス流内に置かれた濾過基材に捕集された粒子状物質の重量測定を利用することができる。重量測定は、化学天秤を使用して濾過基材の重量を測定するものとすることができる。あるいは、濾過基材を振動ホルダ内に保持し、濾過基材と、振動ホルダと、濾過基材に捕集された粒子状物質とを組み合わせた全体の共振周波数の変化を測定できるオシレータドライバで該ホルダを駆動することもできる。あるいはまた、濾過基材を振動ホルダ内に保持し、特定の振動周波数における振動ホルダの振動振幅の変化を測定できるオシレータドライバで該ホルダを駆動することもできる。
【００１２】
粒子状物質の質量測定は、振動石英結晶基体の表面に粒子を捕集すること、チューニングされたオシレータの周波数調節部品を形成すること、及びその表面への粒子状物質の集積によってもたらされる基体の共振周波数の変化を測定すること、を含むことができる。あるいは、粒子状物質の質量測定は、振動石英基体の表面に粒子を捕集すること、及びその表面への粒子状物質の集積によってもたらされる基体の振動振幅の変化を測定すること、を含むことができる。粒子は、粒子と石英基体との間の静電吸引力を維持することによって基体表面に捕集することができる。粒子は、紫外線ランプによって、又はコロナ発生器を利用して帯電させることができる。石英基体は、石英基体と基準点の間に電源を接続することにより帯電させることができ、このようにすることにより石英基体近傍に電界が発生する。静電力は、これらの技法の組合せによって得ることもできる。
【００１３】
計数は、エンジンから排出されるガス流内に電磁エネルギーを通し、これと同時に電磁エネルギーと粒子の相互作用からもたらされるエネルギー変化を検知することにより行なうことができる。電磁エネルギーは、レーザや紫外線ランプによって生成することができる。エネルギー変化は光学検出器で検知することができる。
【００１４】
計数は、粒子を電荷で帯電させることを含むものとすることができ、この場合、帯電量は粒子のサイズと濃度に直接的に関連づけられるが、更には電位計を使用した粒子の各サイズの帯電量の選択的測定を含むこともできる。帯電は、紫外線ランプやコロナ発生器で行うことができる。
【００１５】
本技法は、圧力点火エンジン又はスパーク点火エンジンの粒子状物質の測定及び特徴付けに使用することができる。
【００１６】
本発明における、これら及びその他の目的、利点及び特徴は、以下、明細書を図面と共に検討することにより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図面及び図面に記載の例示的実施形態を参照する。装置１０は、移動中の車輌８（図１）の排気テールパイプから排出されるガス中の粒子状物質を特徴付けるためのものである。車輌８は、圧縮点火エンジンにより駆動できる。従来、この圧縮点火エンジンは粒子状物質の排出を伴う。また、車輌８は、スパーク点火エンジンにより駆動できる。このスパーク点火エンジンもまた、粒子状物質を排出する可能性を有する。装置１０はハウジング１２を含み、その中に装置１０の要素が組み込まれる。ハウジング１２は、車輌に位置決めされるように構成されている。図示の実施形態においては、装置１０は、車輌のトランク内に位置決めでき、車輌のバッテリーから給電できる。また、装置１０は、米国特許出願第０９／９１１，８３６号（２００１年７月２４日出願、名称「車輌ガス排出サンプリング及び分析組立体（Vehicle gas emission sampling and analysis assembly）」、アンドリュー・リーディング（Andrew Reading）らから共に譲渡、その開示内容を本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する）に開示された種類のハウジングに取り付けることができる。このように、本装置は、トランク以外の車輌の他の部分に位置決めできる。
【００１８】
装置１０は、車輌テールパイプから試料を取り込むためのライン１４を含む。連結ライン内での粒子状物質の減損を少なくするために、連結ラインを加熱できる。図示の実施形態においては、このラインを５０〜２００℃の範囲内の温度に加熱できる。但し、この範囲外の温度を選択してもよい。このラインが十分に短い場合や、粒子状物質の減損を少なくするための他の手段が設けられている場合は、加熱は行わなくてもよい。ライン１４により取り込まれた排気ガスの大半を放出するため、排気放出組立体１６を設けることができる。排気放出部１６の目的は、ライン１４を通る体積流量を大きくすることである。これにより、ライン１４を通る体積流量を大きくできるため、装置１０が行う測定間の遅れ時間（latency）が減少する。これは、当業者には周知であろう。排気放出部１６は、５リットル／分のポンプ等の放出ポンプ１８と、ポンプ１８が排気ドレイン２２に送り出す排気ガスを冷却する冷却ユニット２０を含む。遅れ時間が問題とならない場合は、排気放出部１６は省くことができる。
【００１９】
ライン１４から取り込まれた排気ガスの内、排気放出組立体１６から排出されない部分は、マイクロ希釈器２４に供給される。マイクロ希釈器２４は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２６を含む。マスフローコントローラ２６は、マスフローコントロール２８、周囲空気ポンプ３０及び粒子フィルタ３２を含む。マスフローコントロール２８は内部フィードバックループを含む。該ループにより、ポンプ３０の出力変動に関係無く制御されたマスフローが提供される。凝結を少なくするため、マスフローコントローラ２６を加熱する。図示の実施形態においては、マスフローコントロール２８のマスフロー速度によって、マスフローが調節できる。これは、機械的調節器３４によって機械的に調節してもよいし、ソフトウェアにより制御してもよい。マスフローコントロールは複数の企業から市販されており、例えばシエラ社製（Sierra）（カリフォルニア、モントレー）が販売しているマスフローコントローラ８１０モデル等が挙げられる。図示の実施形態においては、空気ポンプ３０は１５ｐｓｉポンプであり、その吸入部はフィルタ３２（０．１ミクロンフィルタ）による濾過が行われている。
【００２０】
マスフローコントローラ２６の出口３６は、結合部４０により排気ガスライン３８と結合されている。結合部４０は細管４２を含み、細管４２により出口３６の一部がライン３８からの排気ガスに結合されている。図５に示すように、結合部４０の出口４４から、希釈器４６による更なる希釈に付されてもよい。希釈器４６は、細管４８と、細管４８をバイパスするバイパス分岐部５０とを含む。バイパス分岐部５０は、ヘパ等の高効率フィルタ５２と可調整絞り５４とを含む。バイパス分岐部５０内の粒子状物質はフィルタ５２によって濾過されているため、出口４４からのガスに含まれる粒子量は、バイパス５０を通過するマスの量で希釈される。図示の実施形態においては、希釈器４６の希釈率は１００：１である。しかしながら、任意の希釈率を選択することができ、実際、希釈器４６は全ての用途で必要であるというわけではない。希釈器の状態を監視するため、圧力計５６を設けることができる。
【００２１】
希釈器４６の出口５８は、カウンタ等の粒子分析器や粒子サイズ測定器（sizer）６０に供給される。粒子分析器６０は、ライン１４から提供される生の排気中の粒子量に関連したパラメータを測定する。粒子分析器６０は、特定の粒子サイズでグループ化されたサイズヒストグラムにより粒子状物質中に存在する粒子数を測定し、このヒストグラムは、シリアルポート６２を介してコンピュータ６４等の記録デバイスに提供されるものとすることができる。
【００２２】
粒子カウンタや粒子サイズ測定器６０は、多くの知られている技法の内の任意のものにより達成できる。図６及び図７に、レーザビーム散乱として知られている一技法を示す。レーザダイアル（図示せず）からのビーム６６は、排気からの希釈ガス試料が含有されている試料チャンバ６８に供給される。レーザビーム６６は存在する粒子により散乱され、受光光学素子７０で検出される。受光光学素子７０は光検出器を含むことができる。光検出器は、図７に示すような出力を示す。図７を参照すると、受光光学素子７０の出力は、振幅の異なる一連のパルスとして示されている。レーザビームの強度分布の振幅の様々なレベルは、様々なサイズの粒子の存在を表わしている。特定の振幅におけるレーザビームパルスの出現頻度は、対応する粒子サイズにおける粒子数を表わす。このようにして、粒子サイズヒストグラムを得ることができ、特定の粒子サイズグループの濃度が提供される。
【００２３】
図６及び図７に示した技法は、希釈された排気ガスを分析するために使用される可能性のある多くの技法の内の単なる一例であると理解されるべきである。これらのシステムの一例は、レザイアII・エアゾール粒子カウンタとしてパーティクル・メジャリング・シス
テムズ社（Particle Measuring Systems, Inc.）から供給されている。他の技法としては、フィルタ上に集積した粒子への付加質量としてのテーパ付要素の固有振動周波数を利用するものがある。この技法については、ルプレヒト・アンド・パタシュニック社（Rupprecht and Patishnick Co., Inc.）からモデル型番ＴＥＯＭ、シリアル番号１１０５、ディーゼル・パーティキュレート・モニタとして入手可能である。
【００２４】
装置１０において利用できる粒子分析器の別の例は、白熱粒子カウンタ（ＩＰＣ）としても知られているレーザ誘起白熱法（ＬＩＩ）を利用するものである。このようなシステムの一例は、アーティアム・テクノロジー社（Artium Technologies, Inc.）から供給されている。他のタイプの粒子分析器は、粒子に電荷を与える帯電デバイスと、帯電デバイスによる粒子の帯電後に粒子の電荷を測定可能な少なくとも一個の電位計とに基づき動作させるものである。このようなデバイスは、デカチ（Dekati）からデカチ・マス・モニタＤＭＭ−２３０というブランドで市販されている。
【００２５】
他のタイプの粒子分析器は、光波発生器（photonic wave generator）や音響検出器を利用するものである。このようなタイプのシステムは、マリ（Mari）より型番ＲＰＭ−１００として販売されている。他のタイプの粒子分析器は、凝結核カウンター（ＣＮＣ或いはＣＰＣ）を含む。このようなシステムの一例は、ＴＳＩからタイプ３７６０Ａとして市販されている。他のデバイスはマター・エンジニアリングＡ．Ｇ．（Matter Engineering A. G.）でタイプＬＱ１−ＤＣとして製造されており、拡散粒子荷電粒子センサ（diffusion particle charging particle sensor）によって動作する。
【００２６】
装置１０は次のように動作する。ライン１４から受け入れられた排気ガスは、排気放出部１６により体積が小さくなり、排気ガス入口３８を通って結合部４０に供給される。結合部４０において、ポンプ３０から供給された周囲空気により排気ガスが希釈される。周囲空気は、マスフローコントロール２８によって制御された速度で供給され、結合部４０により流量制御された排気ガスと結合される。希釈器４６によって粒子密度を希釈させることができ、排出口５８から、サイズヒストグラムを測定する粒子分析器６０に供給することができる。ヒストグラムは、シリアルポート６２によってコンピュータ６４に送られる。コンピュータ６４は、シリアルポート６２から得られる様々なサイズの粒子数の反復測定を行なう。これに替えて、シリアルポート６２は、粒子分析器６０からのアナログ出力やデジタル出力を含んでもよく、コンピュータ６４は、シリアルポートデータから粒子数を計算してもよい。コンピュータ６４に表示される粒子数が粒子分析器６０内で飽和してしまう場合や小さすぎて正確に読めない場合は、調節器３４を調節することによりマスフローコントロール２８の値を調節してもよい。図４に示すように、調節器３４は、様々な排気ガス希釈倍率段階（increment）をとることができる。
【００２７】
装置１０は、車輌排気テールパイプから一定の離間距離をとって搭載されてもよく、その様に搭載することが有利である。これに替わる分析器１１０が図９に図示されているが、少なくとも一部分は車輌テールパイプの近傍に取り付けられるように構成され、ガスと周囲空気を即座に混合可能にしている。装置１１０は、車輌テールパイプに近接して取り付けられるテールパイプユニット７２、及び車輌テールパイプから離されて取り付けられる車輌内（in-vehicle）ユニット７４を含む。テールパイプユニット７２は、マイクロ希釈器２４、即ちマスフローコントロールバルブ２８、ポンプ３０、フィルタ３２、及び結合部４０を含む。テールパイプユニットは、テールパイプの近傍に置かれてもよいので、ライン１１４を加熱せずにライン１１４でテールパイプに接続することができる。連結ライン７６は、希釈排気ガスを運ぶため加熱の必要はないが、排気放出１１６によって体積を減じられ、オプションである希釈器４６に供給される。分析器１０と同様に、希釈器４６の出口５８は、アウトプットシリアルポート６２がコンピュータ６４に接続されている粒子分析器６０に供給される。装置１０及び１１０は、図８に示すような種類の粒子数データ（例としてディーゼルバスにおいて収集されたもの）を提供してもよい。図８を参照すると、粒子状体数はエンジンがアイドリングをしている期間は少なく、他の期間では多いことがわかる。しかしながら、装置１０及び１１０は、ダイナモメータ上に搭載されているか或いは単にアイドリング状態にあるのではなく移動している車輌に関する、連続的なデータの流れを提供するものであることがわかる。
【００２８】
特定の粒子サイズのグループを有する粒子サイズヒストグラムにより粒子状物質内に存在する粒子数を測定することに加えて、少なくとも、このサイズヒストグラムにより定義されるサイズに応じて粒子の質量を見積もることが望まれるであろう。このことは、質量測定技法８０（図１０）に応じて、独立に測定した質量と粒子数とを変換することにより達成できる。技法８０は、８２から始まり、８４において纏り（bin）やグループのそれぞれについて粒子の平均粒子サイズの測定が行なわれる。それぞれの纏り又はグループについて、球サイズは、それぞれの球の直径に対して計算され、粒子状体の主要な構成物質である化合物の密度を乗じる。８８において、纏り或いはグループの各々について１リットルあたりのマイクログラムを得るために、この結果に各纏り／グループの濃度を乗じる。全ての纏りの質量は、総計算質量を得るために９０において総計される。粒子状体の質量は、９２において既知の質量測定技法を利用して測定される。９０において計算された全質量は、９２において独立に測定された質量と比較され、９４において纏り／グループ質量は、計算された質量と独立に測定された質量の比によって調整される。質量の計算を更に細かに行なうためには、例えばサーモ・オリエル社（Thermo Oriel Inc）製の光学検出器によって示されるように、各粒子状体纏りに関連付けて形状の測定により行なうことができる。
【００２９】
質量を独立に測定するために様々な技法を利用できる。例えば、エンジンから排出されるガス流内に置かれた濾過基材に捕集された粒子状物質の重量測定を利用することが挙げられる。この重量測定は、化学天秤を使用した濾過基材の計量によって行なわれてもよい。また、濾過基材は振動ホルダに保持することができる。このホルダはオシレータドライバによって駆動される。該ドライバは、濾過基材と振動ホルダと濾過基材に捕集された粒子状物質との組合せの共振周波数の変化を測定できるものである。また、濾過基材を保持する振動ホルダを駆動するオシレータドライバは、特定の振動周波数における振動ホルダの振動振幅の変化を測定できるものでもよい。
【００３０】
動作時、分析対象の試料は、移送時間を最小限に抑えるため毎分４〜５リットル（ＬＰＭ）等の流量で加熱されているラインを通して圧送される。試料が本機器に到達すると、試料の大部分は「排気される」、即ち排気放出組立体１６から排出される。試料の内の残った少量の部分のみが実際に分析に使用される。生の排気の内のこの少量部分は、凝結を防ぐために露点より上に維持されたマイクロ希釈器２４に送られる。
【００３１】
マイクロ希釈器は、この生排気少量部分を所定量の清浄空気に混合させる混合チャンバである。混合チャンバに粒子を削減した空気を送り込むために、マスフローコントローラが使用される。一定の希釈率を確立するために、４段階のマスフローセッティング（１０：１、２０：１、５０：１、及び１００：１）を設けてもよい。例えば、１０：１希釈率は、粒子を含まない空気０．９ＬＰＭを生の排気０．１ＬＰＭと混合する場合に得られる（全フローを１ＬＰＭと仮定する）。また、マイクロ希釈器は、水の凝結が起こらないように、この生排気少量部分の温度を下げて露点を下げる。
【００３２】
この一次希釈試料は、その後、希釈率が１００：１に固定された二次希釈器に送られる。これにより、光散乱粒子状体カウンタ用の試料の総希釈率を１０００：１、２０００：１、５０００：１、あるいは１００００：１とすることができる。これらの理論希釈率は、粒子状体サイズが様々であるために生じる変更を調節するため、ホストプログラムにより調整することができる。光散乱技法は、光源として半導体レーザを用いることにより、離散数としての粒子数を提供する。希釈排気試料は、内部体積制御ポンプにより１．２リットル／分の速度でこの光学ベンチに導かれる。試料は、試料セルを通過し、レーザダイオード検出器を通過して４７ｍｍＰＴＦＥフィルタ上に集められる。そこで、ＰＴＦＥフィルタに集められた試料の化学的分析を行うことができる。
【００３３】
ベンチ内部ポンプはまた、クリーンなシースエアを生成する。クリーンなシースエアは濾過されており、シースエア調節器を通って光学チャンバに戻される。このようにするのは、ダスト汚染物がレーザ光学組立体に接触しないことを確実にするためである。この粒子を含まない空気流は、ベンチ自動校正プロセスにおけるゼロ基準テスト（reference-zero test）にも使用される。排気サンプリング時、レーザビームを通過する粒子による散乱信号は、鏡によって９０度の位置に集められ、フォトダイオードへ送られる。ダイオードからの信号は、マルチチャンネルサイズ分類器によって分析される。レーザビームを通過するそれぞれの粒子は、粒子のサイズに比例した高さのパルスを生成する。
【００３４】
ソフトウェアは、自動的に総希釈率を設定し、選択された第一ステージ希釈に基づき粒子数データに適用する。レーザ光散乱カウンタは、「粒子サイズ対粒子数」のデータをＲＳ−２３２データリンクを通してホストプログラムへ出力する。リアルタイムデータが、コンピュータ画面にグラフ表示され、カンマで区切られた値としてデータファイルに保存される。
【００３５】
他の質量測定技法も利用できる。粒子状物質の質量測定としては、チューニングされたオシレータの周波数制御部を形成する振動石英結晶基体の表面に粒子を捕集してその表面に粒子状物質が集積することによる石英基体の共振周波数の変化を測定することが挙げられる。これに替わる粒子状物質の質量測定の例としては、振動石英基体の表面に粒子を捕集しその表面に粒子状物質が集積することによる基体の振動振幅の変化を測定することが挙げられる。粒子は、粒子と石英基体との間の静電引力を維持することによって基体表面に捕集することもできる。粒子は、紫外線ランプにより或いはコロナ発生器を利用して帯電してもよい。石英基体は、石英基体と基準点の間に電源を接続して石英基体近傍に電界を発生させることにより帯電させることができる。静電力は、これらの技法の組合せにより得ることができる。
【００３６】
纏り／グループの各々についての粒子数の測定は、本明細書に既に記載の方法、例えば装置１０により行なうことができる。纏り／グループ毎の粒子数は車輌の移動中に得ることができるが、纏り或いはグループの各々についての質量の測定は、車輌上で行っても、或いは車輌とは別のところで行ってもよい。
【００３７】
本明細書に記載の実施形態の変更や変形は、本発明の原理から逸脱することなく実施し得るものであり、本発明の原理は、均等論を含む特許法の法理に従って解釈されるように、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による、車輌の排気テールパイプから排出される粒子状物質を特徴付ける装置を備えた車輌の側面図である。
【図２】本発明による、移動中の車輌の排気テールパイプから排出される粒子状物質を特徴付ける装置の斜視図である。
【図３】図２の装置のブロック図である。
【図４】本発明によるマイクロ希釈器のダイヤグラムである。
【図５】他の実施形態における図４と同様の図である。
【図６】本発明で使用する粒子状体分析器の図である。
【図７】図６の粒子分析器の動作を示す図である。
【図８】図２の装置からの出力を一定期間プロットした図である。
【図９】他の実施形態における図３と同様の図である。
【図１０】粒子サイズによる粒子の質量測定技法のフローチャートである。
【図１１】本発明の装置により得られた、粒子状物質についての特徴付けの結果を示す表である。
【符号の説明】
【００３９】
８  車輌
１０  装置
【図１】
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【図２】
2005514588.tif 000004
【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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