JP2010025885A

JP2010025885A - すす濃度測定装置

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Publication number: JP2010025885A
Application number: JP2008190766A
Authority: JP
Inventors: Takemasa Kamimoto; 武征神本; Toshitaka Minami; 利貴南
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2010-02-04
Anticipated expiration: 2028-07-24
Also published as: JP5141419B2

Abstract

【課題】安価で、測定が簡便なすす濃度測定装置を提供する。
【解決手段】試料ガスＧに測定光Ｉを入射させる光源２と、試料ガスＧで生じた第１の角度θ１における散乱光の強度を検出する第１散乱光受光器３θ１と、試料ガスＧで生じた第２の角度θ２における散乱光の強度を検出する第２散乱光受光器３θ２と、第２散乱光強度に対する第１散乱光強度の比からすす寸法を求める寸法比例式に第１散乱光受光器３θ１と第２散乱光受光器３θ２が検出した第１散乱光強度及び第２散乱光強度を代入して試料ガスＧ中のすす寸法を演算すると共に、第１散乱光強度又は第２散乱光強度からすす濃度を求める濃度比例式に当該受光器が検出した当該散乱光強度を代入して試料ガスＧのすす濃度を演算する演算器４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、安価で、測定が簡便なすす濃度測定装置に関する。

エンジンから排出される排気ガスのすす濃度を実時間測定する装置としては、光減衰法による測定を行う装置が知られている。この装置は、測定精度が高く、測定可能濃度は０．１ｍｇ／ｍ³以上である。この他に、ＴＥＯＭ（Tapered Element Oscillating Microbalance）とＬＩＩ（Laser Induced Incandescence）がある。

また、排気ガスから微粒子フィルタですすを濾過し、濾過後の排気ガスの低いすす濃度を測定するエアロゾル測定器がある。

特開２００４−１９８１２１号公報特開２００２−４８７０１号公報

すす濃度測定装置を自動車に搭載してエンジンから排出される排気ガスのすす濃度を実時間測定するためには、車載が可能な程度に小型であって、測定を簡便に行うことができることが望ましい。

光減衰法による測定を行う装置は、測定用の管が長く、装置が大型となるため、車載には不適格である。

ＴＥＯＭ、ＬＩＩは、いずれも高価であると共に、測定を簡便に行うことが困難である。

エアロゾル測定器は、必要以上に感度が高く、しかも、高価である。これは、車載用として不適格である。

このように、従来のすす濃度測定装置は、高価であること及び測定が簡便でないことのため、車載には採用できない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、安価で、測定が簡便なすす濃度測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、試料ガスに測定光を入射させる光源と、上記試料ガスで生じた第１の角度における散乱光の強度を検出する第１散乱光受光器と、上記試料ガスで生じた第２の角度における散乱光の強度を検出する第２散乱光受光器と、第２散乱光強度に対する第１散乱光強度の比からすす寸法を求める寸法比例式に上記第１散乱光受光器と上記第２散乱光受光器が検出した第１散乱光強度及び第２散乱光強度を代入して上記試料ガス中のすす寸法を演算すると共に、第１散乱光強度又は第２散乱光強度からすす濃度を求める濃度比例式に当該受光器が検出した当該散乱光強度を代入して上記試料ガスのすす濃度を演算する演算器とを備えたものである。

車両の排気管に挿入されて該排気管から上記試料ガスを抽出するサンプリングプローブと、該サンプリングプローブに接続された所定の閉じられた空間を有し、この空間に上記光源と上記２つの受光器を臨ませて保持するチャンバと、上記チャンバ内を負圧に維持する排気ブロアと、上記チャンバ内に清浄空気を導入する清浄空気導入管とを備えてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）安価なすす濃度測定装置が提供される。

（２）測定が簡便である。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係るすす濃度測定装置１は、試料ガスＧに測定光Ｉを入射させる光源２と、試料ガスＧで生じた第１の角度θ１における散乱光の強度を検出する第１散乱光受光器３θ１と、試料ガスＧで生じた第２の角度θ２における散乱光の強度を検出する第２散乱光受光器３θ２と、第２散乱光強度に対する第１散乱光強度の比からすす寸法を求める寸法比例式に第１散乱光受光器３θ１と第２散乱光受光器３θ２が検出した第１散乱光強度及び第２散乱光強度を代入して試料ガスＧ中のすす寸法を演算すると共に、第１散乱光強度又は第２散乱光強度からすす濃度を求める濃度比例式に当該受光器が検出した当該散乱光強度を代入して試料ガスＧのすす濃度を演算する演算器４とを備える。

本実施形態にあっては、すす濃度測定装置１は、車載装置であり、例えば、ディーゼルエンジンが搭載された車両に適用される。すす濃度測定装置１は、ディーゼルエンジンからの排気管５に挿入されて排気管５から試料ガスＧを抽出するサンプリングプローブ６と、サンプリングプローブ６に接続された所定の閉じられた空間Ｓを有し、この空間Ｓに光源２と２つの受光器３θ１，３θ２を臨ませて保持するチャンバ７と、チャンバ７内を負圧に維持する排気ブロア８と、大気を吸い込んで図示しないフィルタで清浄化してチャンバ７内に清浄空気を導入する清浄空気導入管９とを備える。

さらに、すす濃度測定装置１は、試料ガスＧを透過した余分な測定光Ｉを捕捉して反射を防止するビームトラップ１０と、サンプリングプローブ６からチャンバ７までを繋いで試料ガスＧを搬送すると共に搬送している試料ガスＧを所定の温度に調温するヒーティングチューブ１１と、ヒーティングチューブ１１からの試料ガスＧをチャンバ７内の空間Ｓに所定の噴出流形状で噴出させるノズル１２とを備える。

なお、チャンバ７は大地（水平面）に対してどのような姿勢（角度）に置いてもよいが、図示上では、ノズル１２を設けた面（以下、チャンバ７の底面７ａと呼ぶ）を下にしている。

光源２は、測定光Ｉとして、例えば、レーザ光ビームを出射するレーザ光源である。第１散乱光受光器３θ１及び第２散乱光受光器３θ２は、それぞれホルダ内に、集光レンズ、レーザフィルタ、偏向板、光検出器が内蔵されたものである。

本実施形態では、光源２に対向させてビームトラップ１０が配置され、光源２とビームトラップ１０とを結ぶ直線がノズル１２の開口直上を横切るようになっている。第１散乱光受光器３θ１及び第２散乱光受光器３θ２は、光源２とビームトラップ１０とを結ぶ直線を含む面（チャンバ７の底面７ａと平行な面）において、ノズル１２の中心軸の周りにビームトラップ１０に対する角度が第１の角度θ１、第２の角度θ２となる位置に配置されている。

演算器４は、第１散乱光受光器３θ１からの第１散乱光強度アナログ信号と第２散乱光受光器３θ２からの第２散乱光強度アナログ信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換器と、第１散乱光強度デジタル値と第２散乱光強度デジタル値を用いて寸法比例式及び濃度比例式を演算するコンピュータ（マイクロコンピュータ、パーソナルコンピュータなど）と、演算に必要なメモリとを備える。

チャンバ７は、任意の形状に形成して良いが、ここでは説明を簡単にするため直方体とする。ノズル１２は、チャンバ７の底面７ａに設けられ、チャンバ７内の空間Ｓに向けて底面７ａに対して直角方向に試料ガスＧを噴出するようになっている。

一方、光源２はチャンバ７の側面に設けられ、ノズル１２の出口付近における試料ガスＧの噴出流の中心に向けて底面７ａに対して平行方向にビームを出射するようになっている。

次に、本発明のすす濃度測定装置１の動作を説明する。

排気管５を流れている排気ガスの一部がサンプリングプローブ６で分流されて試料ガスＧとして抽出される。サンプリングプローブ６で抽出された試料ガスＧはヒーティングチューブ１１によってチャンバ７に搬送される。このとき、ヒーティングチューブ１１では、搬送している試料ガスＧを所定の温度に調温する。

ヒーティングチューブ１１からの試料ガスＧがノズル１２によってチャンバ７内の空間Ｓに所定の噴出流形状で噴出される。試料ガスＧはしだいに拡散するが、その一方で、清浄空気導入管９からチャンバ７内に、フィルタで清浄化した清浄空気が導入される。排気ブロア８が排気を行うことにより、チャンバ７内は、古い試料ガスＧが絶えず排気されると共に、清浄空気が補充される。このとき、清浄空気導入管９における清浄空気の吸い込みに対して排気ブロア８における吐き出しを１０％程度多くしておくことにより、チャンバ７内が負圧に維持される。この負圧によって、排気管５の排気ガスがサンプリングプローブ６で抽出され、試料ガスＧとしてノズル１２から噴出される。

ノズル１２の出口付近においては、排気管５を流れている排気ガスにおけるすす寸法とすす濃度を反映した最新の試料ガスＧが噴出される。光源２から出射されたビームがノズル１２の出口付近における試料ガスＧの噴出流の中心に向けて底面７ａに対して平行方向（噴出流に対して直角方向）に入射される。

試料ガスＧ中に含まれるすす微粒子は、あらゆる方向に光を散乱させる。本発明においては、所定の２方向における散乱光強度を検出し、これを基にすす寸法とすす濃度（質量濃度）を測定する。

ここで、散乱光の強度は、どの散乱方向（散乱角度）においても試料ガスＧの噴出流中のすす濃度に比例する。しかし、その比例定数は、散乱方向とすす粒子の寸法によって異なる。そこで、すす粒子の散乱理論に基づき、検出する散乱角度における比例定数の性質をあらかじめ調べておく。

すす粒子の散乱理論によると、入射する光ビームと散乱する光とのなす角度を散乱角度と定義するとき、散乱角度が小さい場合は、比例定数はすすの寸法の関数である。すすの寸法とは、凝集体の回転モーメント半径のことである。一方、散乱角度が大きい場合は、比例定数はすすの寸法とは無関係に一定となる。

なお、散乱角度が小さい散乱を前方散乱と呼び、散乱角度が大きい散乱を後方散乱と呼ぶ。例えば、光源２から出射され、試料ガスＧを透過した光ビームと散乱する光とのなす角度が９０°より小であれば、前方散乱と呼ぶ。光源２から出射され、試料ガスＧを透過した光ビームと散乱する光とのなす角度が９０°より大であれば、後方散乱と呼ぶ。しかし、実際には、前方散乱と後方散乱はあらゆる方向において混在する。

前述のように、散乱光の強度はすす濃度に比例し、後方散乱の場合は比例定数はすすの寸法とは無関係に一定であるから、すす濃度のみを測定する場合は、後方散乱する光を検出すればよい。しかし、後方散乱は比例定数が小さいため、光の検出出力が小さい。これに対して、前方散乱の場合は、光の検出出力が大きいが、比例定数がすす寸法に依存する。

本発明では、２つの角度θ１，θ２において散乱光（主として前方散乱光）を検出し、まず、これら２つの散乱光強度の比からすす寸法を演算する。次に、すす寸法を用いてすす濃度の比例定数を決定する。このような手順により、光の検出出力が大きい前方散乱を用いて、すす濃度の検出精度を高めることができる。同時に、すす寸法を得ることができる。

具体的には、第１散乱光受光器３θ１が検出した第１散乱光強度をＩｓｃａ１とし、第２散乱光受光器３θ２が検出した第２散乱光強度をＩｓｃａ２としたとき、演算器４は、すす寸法Ｒｇとすす濃度Ｃｍを次の寸法比例式及び濃度比例式により演算して求める。

寸法比例式
Ｒｇ∝Ｉｓｃａ１／Ｉｓｃａ２
濃度比例式
Ｃｍ∝Ｉｓｃａ／（Ｒｇ×ｆ（ｑ²Ｒｇ²））
ｑ＝４πｓｉｎ（θ／２）
なお、Ｉｓｃａは、Ｉｓｃａ１又はＩｓｃａ２であり、これに対応してθはθ１又はθ２である。

寸法比例式及び濃度比例式中の定数については、あらかじめ実験を行うことにより、具体的な数値を調べておき、演算器４にはその具体的な数値を設定しておく。

図２に、実際のエンジン排気ガスについて本発明のすす濃度測定装置１ですす寸法とすす濃度を測定すると共に、同時に従来のすす濃度測定装置による実験計測器ですす濃度を測定した評価実験の結果を示す。

図示のように、エンジン回転数（細短破線）とエンジントルク（細長破線）が時間的に変動すると、実験計測器で測定されるすす濃度（細実線）も変動する。本発明のすす濃度測定装置１で測定されるすす濃度（太実線）は、実験計測器で測定されるすす濃度に一致しており、信頼できることが分かる（ただし、本発明すす濃度と実験計測器すす濃度は同じ値となり、グラフが重なるため、図中では、意図的にずらせて描いてある）。また、本発明では、すす寸法（太破線）も併せて測定することができることが分かる。

以上説明したように、本発明のすす濃度測定装置１によれば、第２散乱光強度に対する第１散乱光強度の比から試料ガスＧ中のすす寸法を演算すると共に、第１散乱光強度又は第２散乱光強度から試料ガスＧのすす濃度を演算するようにしたので、前方散乱を利用して光の検出出力が大きくとれることになり、すす濃度の測定精度が高められる。濃度比例式の比例定数がすす寸法に依存するが、すす寸法も演算できるので、問題ない。これにより、安価で、測定が簡便なすす濃度測定装置１が提供される。

本発明のすす濃度測定装置１は、すす濃度を実時間で簡便に測定することができると共にポータブルなすす濃度測定装置１である。本発明のすす濃度測定装置１は、エンジンのすす排出性能や微粒子フィルタのすす捕集特性の評価に使用することができる。本発明のすす濃度測定装置１は、ポータブルであることから、車載テストにも好適である。

本発明のすす濃度測定装置１により測定したすす濃度と、同時に別途装置で測定した排気流量とを用いて、微粒子フィルタに堆積するすす質量、すなわちすす堆積量を知ることができる。

ＤＰＦ（diesel particulate filter）付きのディーゼルエンジンでは、すす堆積量に応じてすす再燃を行っている。本発明のすす濃度測定装置１によってすす濃度が正確に測定できることにより、すす再燃回数を最適にすることができる。

また、すす堆積量とすす寸法を測定することにより、堆積しているすすの質（大きいサイズ又は小さいサイズ）が明確になる。これにより、ＤＰＦの耐久性を向上させることができる。

上記実施形態においては、第１散乱光受光器３θ１及び第２散乱光受光器３θ２は、光源２とビームトラップ１０とを結ぶ直線を含む同一面（チャンバ７の底面７ａと平行な面）に配置したが、第１散乱光受光器３θ１と第２散乱光受光器３θ２が同一面にない配置であっても、本発明は実施できる。

第１の角度θ１及び第２の角度θ２は、例えば、７０°と４０°であるが、この角度に限らず、本発明を実施することができる。

上記実施形態においては、チャンバ７を直方体に形成したが、測定光Ｉと試料ガスＧの噴出流と散乱光の角度θ１，θ２の位置関係が再現できる形状であれば、円柱状に形成しても良く、その他の不規則形状に形成しても良い。

上記実施形態においては、チャンバ７の内部に光源２、第１散乱光受光器３θ１及び第２散乱光受光器３θ２を設けたが、チャンバ７に光透過窓を設け、この光透過窓に臨ませてチャンバ７の外部に光源２、第１散乱光受光器３θ１及び第２散乱光受光器３θ２を設けても良い。あるいは、エンジンの排気管５に近く高温・高振動環境となるチャンバ７から光源２、第１散乱光受光器３θ１及び第２散乱光受光器３θ２を遠ざけて低温・低振動環境に配置し、測定光Ｉや散乱光を光ファイバで導くようにしても良い。

図１では、光路が分かりやすいように光源２、第１散乱光受光器３θ１及び第２散乱光受光器３θ２とノズル１２を離して描いたが、散乱光を強くし、測定精度を上げるためには、光源２、第１散乱光受光器３θ１及び第２散乱光受光器３θ２はノズル１２に対して近い位置に配置するのが望ましい。

本発明の一実施形態を示すすす濃度測定装置の構成図である。すす濃度測定評価実験における測定結果のグラフである。

符号の説明

１すす濃度測定装置
２光源
３θ１第１散乱光受光器
３θ２第２散乱光受光器
４演算器
５排気管
６サンプリングプローブ
７チャンバ
８排気ブロア
９清浄空気導入管
１０ビームトラップ
１１ヒーティングチューブ
１２ノズル

Claims

試料ガスに測定光を入射させる光源と、上記試料ガスで生じた第１の角度における散乱光の強度を検出する第１散乱光受光器と、上記試料ガスで生じた第２の角度における散乱光の強度を検出する第２散乱光受光器と、第２散乱光強度に対する第１散乱光強度の比からすす寸法を求める寸法比例式に上記第１散乱光受光器と上記第２散乱光受光器が検出した第１散乱光強度及び第２散乱光強度を代入して上記試料ガス中のすす寸法を演算すると共に、第１散乱光強度又は第２散乱光強度からすす濃度を求める濃度比例式に当該受光器が検出した当該散乱光強度を代入して上記試料ガスのすす濃度を演算する演算器とを備えたことを特徴とするすす濃度測定装置。
車両の排気管に挿入されて該排気管から上記試料ガスを抽出するサンプリングプローブと、該サンプリングプローブに接続された所定の閉じられた空間を有し、この空間に上記光源と上記２つの受光器を臨ませて保持するチャンバと、上記チャンバ内を負圧に維持する排気ブロアと、上記チャンバ内に清浄空気を導入する清浄空気導入管とを備えたことを特徴とする請求項１記載のすす濃度測定装置。