エンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法および装置
【課題】 エンジン排ガス中に含まれるＰＭにおけるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを、それらが微量であっても、個々に分別して簡便かつ精度よく測定することができるエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法および装置を提供する。
【解決手段】 エンジン排ガスＧ中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタ２を加熱炉１内に設け、まず、加熱炉１内に不活性ガスを流しながらフィルタ２を所定温度で加熱して粒子状物質中の炭化水素とサルフェートを気化し、気化した炭化水素を酸化してＣＯ2 とする一方、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とし、前記ＣＯ2 およびＳＯ2 をガス分析部１５で分析し、その後、前記加熱炉１内に酸素を流しながら前記フィルタ２を加熱してこのフィルタ２上に残った粒子状物質を酸化してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 をガス分析部１５で分析するようにした。
【解決手段】 エンジン排ガスＧ中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタ２を加熱炉１内に設け、まず、加熱炉１内に不活性ガスを流しながらフィルタ２を所定温度で加熱して粒子状物質中の炭化水素とサルフェートを気化し、気化した炭化水素を酸化してＣＯ2 とする一方、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とし、前記ＣＯ2 およびＳＯ2 をガス分析部１５で分析し、その後、前記加熱炉１内に酸素を流しながら前記フィルタ２を加熱してこのフィルタ２上に残った粒子状物質を酸化してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 をガス分析部１５で分析するようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばディーゼルエンジンなどから排出されるガス中に含まれる粒子状物質（パーティキュレートマター、以下、ＰＭという）の分析方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれるＰＭを測定する手法として、ディーゼルエンジンから排出される高温の排ガスを清浄な空気で希釈し、この希釈排ガスを定容量吸引してＰＭをフィルタによって捕集し、このフィルタを精密天秤などで秤量して、ＰＭ捕集前のフィルタとの重量差に基づいて定量分析するフィルタ重量法が一般に知られている。
【０００３】
【特許文献１】特公平７−５８２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記フィルタ重量法においては、フィルタに吸着した水分が測定誤差として大きく影響するため、捕集前後のフィルタ中の水分を一定にするため定温・定湿処理が必要となる。また、低濃度ＰＭの排ガスを測定する場合、例えば２００ｍｇのフィルタの上に捕集された０．１ｍｇのＰＭを正確に秤量する必要があり、フィルタそのものの重量の測定誤差がＰＭ重量の測定誤差に大きな影響を与えるといった問題がある。
【０００５】
これに対して、上記特許文献１に示されるように、ＰＭを捕集したフィルタを加熱炉において段階的に昇温加熱しＰＭを酸化してガス分析計で測定する手法がある。
【０００６】
しかしながら、ＰＭの大部分は、ドライスート（Ｄｒｙ Ｓｏｏｔ）と呼ばれる無機炭素（以下、ドライスートという）、ＳＯＦ（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）と呼ばれる炭化水素（以下、ＳＯＦという）およびサルフェートと呼ばれる硫酸水和物（以下、サルフェートという）から構成されており、前記公報に記載された手法によっては、高沸点ＳＯＦの分離および酸化雰囲気中でのサルフェートの還元が困難であり、このため、ＰＭ中の大部分を占めるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを個々に分別してその重量を測定することが困難であった。
【０００７】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、エンジン排ガス中に含まれるＰＭにおけるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを、それらが微量であっても、個々に分別して簡便かつ精度よく測定することができるエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、この発明のエンジン排ガス中のＰＭの分析方法は、エンジン排ガス中に含まれるＰＭを捕集したフィルタを加熱炉内に設け、まず、加熱炉内に不活性ガスを流しながらフィルタを所定温度で加熱してＰＭ中のＳＯＦとサルフェートを気化し、気化したＳＯＦを酸化してＣＯ2 とする一方、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とし、前記ＣＯ2 およびＳＯ2 をガス分析部で分析し、その後、前記加熱炉内に酸素を流しながら前記フィルタを加熱してこのフィルタ上に残ったＰＭを酸化してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 をガス分析部で分析するようにしている（請求項１）。
【０００９】
そして、上記分析方法を実施する装置として、この発明では、加熱炉に対して不活性ガスまたは酸素を択一的に供給するガス供給部と、前記不活性ガスまたは酸素が供給されている状態においてエンジン排ガス中に含まれるＰＭを捕集したフィルタを所定温度で加熱する加熱炉と、この加熱によって発生するガスを酸化または還元する酸化還元処理部と、この酸化還元処理部からのガスが供給され、ＣＯ2 およびＳＯ2 の濃度を測定するガス分析部とを含む装置を用いている（請求項４）。
【００１０】
この発明のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法は、エンジンからの排ガスが流れる流路にフィルタを設置し、排ガスを定流量流して排ガス中のＰＭをフィルタで捕集する。このフィルタを例えば１０００℃に保温された加熱炉内に設け、まず、加熱炉内に窒素ガスなどの不活性ガスを流しながらフィルタを加熱してＰＭ中のＳＯＦとサルフェートを気化し、気化したＳＯＦを酸化してＣＯ2 とする一方、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とし、前記ＣＯ2 およびＳＯ2 をガス分析部で分析することによって、ＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度が得られる。これらのＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度と不活性ガスの全流量とからＣＯ2 およびＳＯ2 の重量が得られ、これらの重量に基づいて、フィルタに捕集されたＳＯＦおよびサルフェートの重量が得られる。
その後、前記加熱炉内に酸素を流しながら前記フィルタを加熱してこのフィルタ上に残ったＰＭを酸化してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 をガス分析部で分析することにより、ＣＯ2 濃度が得られる。このＣＯ2 濃度と酸素の全流量とからＣＯ2 の重量が求められ、この重量に基づいてフィルタに捕集されたドライスートの重量が得られる。
【００１１】
そして、上記エンジン排ガス中のＰＭの分析方法において、加熱炉内に不活性ガスを流しながらフィルタを加熱する際、まず、低沸点のＳＯＦが気化する程度の低温加熱を行い、その後、高沸点のＳＯＦが気化する程度の高温加熱を行うようにしてもよい（請求項２）。このようにした場合、高沸点のＳＯＦと低沸点のＳＯＦとを区別して測定することができる。
【００１２】
また、上記エンジン排ガス中のＰＭの分析方法において、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とする際に、加熱した石英綿に前記サルフェートを通すようにしてもよい（請求項３）。このようにした場合、サルフェートの加熱を効率良くかつ確実に行うことができ、サルフェートをより確実にＳＯ2 へと還元させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、ＰＭ中のドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを簡単かつ精度よく測定することができる。特に、従来のフィルタ重量法や特許文献１に開示された手法などでは測定できなかったＰＭ中の大部分を占めるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを個々に分別してその濃度または重量を測定することができるとともに、低濃度のＰＭも精度よく測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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および図２は、この発明の第１の実施の形態を示している。まず、図１は、エンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置の一つの構成例を概略的に示すもので、この図において、１はエンジン排ガス中に含まれるＰＭを捕集したフィルタ２（ＰＭを捕集するための構成は後述する）を加熱するための加熱炉で、例えば電気炉よりなり、加熱用ヒータ３を備えている。この加熱用ヒータ３は、温度調整機構（図示していない）によってその発熱状態が制御され、したがって、加熱炉１内の温度は、任意の所定温度になるように設定される。
【００１５】
４は加熱炉１に対して不活性ガス（例えば窒素ガス）または酸素を択一的に供給するガス供給部で、流量測定および流量制御の機能を備えたマスフローコントローラなどの流量制御装置５、６をそれぞれ備えた窒素ガス供給路７および酸素供給路８と、これらの供給路７，８の下流側および加熱炉１への接続流路９がそれぞれ接続される三方電磁弁１０とから構成されている。
【００１６】
１１は加熱炉１において生じたガスが流れるガス流路で、その下流側は二つの互いに並列的なガス流路１２，１３に分岐している。そして、これらのガス流路１２，１３の下流側には、酸化還元処理部１４およびガス分析部１５がこの順に直列に設けられている。
【００１７】
より詳しくは、一方のガス流路１２には、マスフローメータなどの流量計１６、例えばＣｕＯなどの酸化触媒が設けられ、酸素を供給するための酸素供給路１７が接続された酸化処理部１４ＡおよびＣＯ2 分析計１５Ａがこの順に設けられている。そして、他方のガス流路１３には、前記流量計１６と同様の流量計１８、例えばカーボンなどの還元触媒が設けられた還元処理部１４ＢおよびＳＯ2 分析計１５Ｂがこの順に設けられている。ここで用いるＣＯ2 分析計１５ＡおよびＳＯ2 分析計１５Ｂは、例えば非分散型赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲガス分析計）である。つまり、酸化還元処理部１４においては、酸化処理部１４Ａと還元処理部１４Ｂとが互いに並列的に配置され、ガス分析部１５においては、ＣＯ2 分析計１５ＡとＳＯ2 分析計１５Ｂとが互いに並列的に配置されている。
【００１８】
なお、図示していないが、ガス流路９，１１およびガス流路１２，１３のガス分析部１３までの部分（酸化処理部１４Ａおよび還元処理部１４Ｂも含む）は、例えばヒータによって適宜の温度になるように加熱・保温できるように構成されている。これは、加熱炉１において生じたガスに含まれる成分の変化を防止するとともに、酸化および還元処理が確実に行われるようにするためである。
【００１９】
そして、１９は装置各部からの信号（流量信号Ｑや濃度信号Ｃなど）に基づいて演算を行ったり、この演算結果に基づいて装置各部に対して制御信号を送出する演算制御部で、例えばパソコンよりなる。
【００２０】
ところで、前記フィルタ２は、不純物の少ない例えば石英からなり、このフィルタ２にエンジン排ガス中に含まれるＰＭを捕集させるには、例えば、図２に示すように構成され、エンジンからの排ガスを定流量流すことができるサンプリング装置が用いられる。すなわち、図２において、２０は例えば自動車に搭載されるディーゼルエンジン、２１はこれに連なる排気管である。２２は排気管２１に挿入接続され、排気管２１中を流れる排ガスＧをサンプリングするためのプローブで、その下流側はサンリングされた排ガスＧを希釈する希釈トンネル２３に接続されている。２４はこの希釈トンネル２３の上流側に接続される希釈用空気の供給管である。
【００２１】
２５は希釈トンネル２３の下流側に接続され、希釈されたサンプルガスＳが流れるガス流路で、この流路２５の下流側は二つの流路２６，２７に分岐し、それぞれの流路２６，２７にサンプルガスＳ中に含まれるＰＭを捕集するためのフィルタ装置２８，２９を設けて、一方の流路２６はＰＭ採取時の排気ガスを流すためのサンプルガス流路に、また、他方の流路２７はＰＭ非採取時の排気ガスを流すためのバイパス流路にそれぞれ構成されている。なお、フィルタ装置２８，２９のうち、一方のフィルタ２８が測定用フィルタであり、他方のフィルタ装置２９はダミーフィルタである。
【００２２】
３０はサンプルガス流路２６、バイパス流路２７の下流側に設けられる流路切換え手段としての三方電磁弁で、その下流側はガス流路３１に接続され、このガス流路３１には、回転数制御によって吸引能力を変えることができる吸引ポンプ、例えばルーツブロアポンプ３２と、測定精度の高い流量計、例えばベンチュリ計３３とがこの順に設けられている。
【００２３】
次に、上記構成のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置を用いた粒子状物質の分析方法について、図３をも参照しながら説明する。この図３は、加熱炉１内の雰囲気およびフィルタ２の加熱温度の時間的変化と、各雰囲気における出力の状態を示すものである。符号ａ，ｃはＣＯ2 濃度出力、ｂはＳＯ2 濃度出力である。
【００２４】
まず、分析に先立って、図２に示したサンプリング装置を用いて、エンジン２０からの排ガスＧを定流量サンプリングして、この排ガスＧ中のＰＭをフィルタ２に捕集する。
【００２５】
前記ＰＭを捕集したフィルタ２を、内部が予め１０００℃になるように加熱されている加熱炉１内に載置する。そして、まず、ガス供給部４の電磁弁１０を動作させて窒素ガス供給路７を加熱炉１と連通させ、流量制御装置５を介して加熱炉１内に窒素ガスを供給する。このときの窒素ガスの流量は、流量制御装置５によって測定され、その結果は流量信号Ｑとしてパソコン１９に送られる。
【００２６】
前記加熱炉１内においては、窒素ガス雰囲気下においてフィルタ２が１０００℃で加熱されることにより、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のＳＯＦおよびサルフェートがガス化し、これらが窒素ガスとともにガス流路１１に流れ出る。
【００２７】
前記ガス流路１１を流れ出たガス（ガス化したＳＯＦおよびサルフェートや他の発生ガスを含んでいる）は、二分された状態でガス流路１２，１３を流れる。そして、一方のガス流路１２を流れるガスは、流量計１６を経て酸化還元処理部１４の酸化処理部１４Ａに流れ込む。この酸化処理部１４Ａには酸素が供給されており、ガス化したＳＯＦおよびサルフェートのうちのＳＯＦが酸化触媒および酸素によって酸化されて、ＣＯ2 およびＨ2 Ｏになり、他のガスとともにガス分析部１５のＣＯ2 分析計１５Ａに送られ、ＣＯ2 濃度が測定される。また、他方のガス流路１３を流れるガスは、流量計１８を経て酸化還元処理部１４の還元処理部１４Ｂに流れ込み、ガス化したＳＯＦおよびサルフェートのうちのサルフェートが還元触媒によって還元されて、ＳＯ2 になり、他のガスとともにガス分析部１５のＳＯ2 分析計１５Ｂに送られ、ＳＯ2 濃度が測定される。
【００２８】
なお、図４に示すように、前記還元処理部１４Ｂにおいて、還元触媒を設ける代わりに、石英綿３４を設けて、これにサルフェートを通すようにすることにより、サルフェートのＳＯ2 への還元を促進するようにしてもよい。
【００２９】
すなわち、サルフェートを気化することにより、ＳＯ3 が得られ、このＳＯ3 に熱を加えることにより、
ＳＯ3 →ＳＯ2 ＋（１／２）Ｏ2 −２３．１ｋｃａｌ
という反応が起こるが、ＳＯ3 をヒータ３５によって加熱した管３６の内部に通すだけでは、ＳＯ3 が十分に加熱されず、ＳＯ2 への還元が行われないまま分析計１５Ｂへと送られるおそれがある。しかし、上記のように還元処理部１４Ｂ内に石英綿を設けて、これをヒータで加熱しておき、この石英綿にＳＯ3 を通すようにすれば、ＳＯ3 が石英綿を通過していくとき、管壁からの熱が石英綿によりＳＯ3 に効率良く伝わるようになり、ＳＯ3 を効率よくかつ確実に加熱することができ、ＳＯ2 への還元がより確実に行われ、ＰＭ中のサルフェートを精度良く測定することが可能となる。もちろん、前記還元処理部１４Ｂに、前記還元触媒と石英綿の両方を設けてもよい。
【００３０】
そして、前記ガス分析部１５からは、例えば図３において符号ａ，ｂで示すような形状のＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度信号が出力され、これがパソコン１９に入力される。パソコン１９には、窒素ガスの流量を表す信号が入力されているので、この窒素ガス流量とＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度とに基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のＳＯＦおよびサルフェートの重量がそれぞれ求められる。
【００３１】
次いで、前記ガス供給部４の電磁弁１０を切り換えて、酸素供給路８を加熱炉１と連通させ、流量制御装置６を介して加熱炉１内に酸素を供給する。このときの酸素の流量は、流量制御装置６によって測定され、その結果はパソコン１９に流量信号として送られる。
【００３２】
前記加熱炉１内においては、酸素雰囲気下においてフィルタ２が１０００℃で加熱されることにより、前記フィルタ２に残ったドライスートが燃焼（酸化）してＣＯ2 およびＣＯ（これはほとんど微量）が発生し、これらが酸素とともにガス流路１１に流れ出る。
【００３３】
前記ガス流路１１を流れ出たガス（前記燃焼によって生じたＣＯ2 およびＣＯや他の発生ガスを含んでいる）は、ガス流路１２，１３に分岐して流れる。そして、一方のガス流路１２を流れるガスは、流量計１６を経て酸化還元処理部１４の酸化処理部１４Ａに流れ込む。この酸化処理部１４Ａには酸素が供給されているので、前記ガス中に含まれているＣＯが酸化されてＣＯ2 となり、前記ガス中のＣＯ2 と混ざり、他のガスとともにガス分析部１５のＣＯ2 分析計１５Ａに送られ、ＣＯ2 濃度が測定される。また、他方のガス流路１３を流れるガスは、流量計１８を経て酸化還元処理部１４の還元処理部１４Ｂに流れ込むが、この場合、なんら処理されることなくガス分析部１５のＳＯ2 分析計１５Ｂに送られ、濃度測定されることなく廃棄される。
【００３４】
そして、前記ガス分析部１５からは、図３において符号ｃで示すような形状のＣＯ2 濃度を表す信号が出力され、これがパソコン１９に入力される。パソコン１９には、酸素流量を表す信号が入力されているので、この酸素流量とＣＯ2 濃度とに基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のドライスートの重量が求められる。
【００３５】
この実施の形態においては、フィルタ２によるＰＭの捕集に際して、エンジン２０からの排ガスＧを希釈しているので、この希釈率を考慮に入れて、前記ドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートの重量に基づいて演算を行うことにより、前記排ガスＧ中のドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートの重量を得ることができる。
【００３６】
上述のように、この発明のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法および装置においては、ＰＭを捕集したフィルタ２を加熱炉１内に収容し、まず、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気において前記フィルタ２を所定の温度で加熱して、ＳＯＦおよびサルフェートをガス化し、これらをさらにそれぞれ酸化または還元処理して、ＣＯ2 およびＳＯ2 とし、これらの濃度を測定し、これらの濃度に基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のＳＯＦおよびサルフェートの重量を求めるとともに、前記フィルタ２を加熱炉１内において酸素雰囲気下で加熱してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 の濃度を測定し、この濃度に基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のドライスートの重量を求めるようにしているので、エンジン２０の排ガスＧ中に含まれるＰＭにおけるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを、個々に分別して簡便かつ精度よく測定することができる。
【００３７】
上述の実施の形態においては、加熱炉１の下流側に設けられるガス流路１１をガス流路１２，１３に二分し、一方のガス流路１２に酸化処理部１４ＡおよびＣＯ2 分析計１５Ａを設け、他方のガス流路１３に還元処理部１４ＢおよびＳＯ2 分析計１５Ｂを設けていたため、装置の全体構成が複雑となる。この点を解消する構成を、第２の実施の形態として、図５を参照しながら説明する。
【００３８】
図５において、３３は加熱炉１の下流側のガス流路１１に設けられる流量計で、第１の実施の形態における流量計１６，１８と同様のものである。そして、この流量計３３の下流側に設けられる酸化還元処理部１４には、白金（Ｐｔ）を主成分とする酸化還元触媒が設けられるとともに、酸素供給路１７が接続されている。また、この酸化還元処理部１４の下流側に設けられるガス分析部１５は、ＣＯ2 分析計１５ＡとＳＯ2 分析計１５Ｂとが直列的に配置されている。
【００３９】
上記図５に示されるエンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置を用いた粒子状物質の分析方法について説明すると、まず、分析に先立って、図２に示したサンプリング装置を用いて、エンジン２０からの排ガスＧを定流量サンプリングして、この排ガスＧ中のＰＭをフィルタ２に捕集する。
【００４０】
前記ＰＭを捕集したフィルタ２を、内部が予め１０００℃になるように加熱されている加熱炉１内に載置する。そして、まず、ガス供給部４の電磁弁１０を動作させて窒素ガス供給路７を加熱炉１と連通させ、流量制御装置５を介して加熱炉１内に窒素ガスを供給する。このときの窒素ガスの流量は、流量制御装置５によって測定され、その結果は流量信号としてパソコン１９に送られる。
【００４１】
前記加熱炉１内においては、窒素ガス雰囲気下においてフィルタ２が１０００℃で加熱されることにより、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のＳＯＦおよびサルフェートがガス化し、これらが他の発生ガスや窒素ガスとともにガス流路１１に流れ出る。
【００４２】
前記ガス流路１１を流れ出たガス（ガス化したＳＯＦおよびサルフェートを含んでいる）は、流量計３３を経て酸化還元処理部１４に流れ込む。この酸化還元処理部１４には酸素が供給されているので、ガス化したＳＯＦおよびサルフェートのうちのＳＯＦが酸化還元触媒および酸素によって酸化されて、ＣＯ2 およびＨ2 Ｏとなる一方、前記サルフェートが酸化還元触媒によって還元されて、ＳＯ2 になる。これらのＣＯ2 、Ｈ2 ＯおよびＳＯ2 は、その状態で、ガス分析部１５に送られる。
【００４３】
そして、前記ガス分析部１５に流れ込んだガスは、まず、ＣＯ2 分析計１５ＡにおいてＣＯ2 の濃度が測定され、次いで、ＳＯ2 分析計１５ＢにおいてＳＯ2 濃度が測定され、ガス分析部１５からはＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度信号が出力され、これがパソコン１９に入力される。パソコン１９には、窒素ガスの流量を表す信号が入力されているので、この窒素ガス流量とＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度とに基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のＳＯＦおよびサルフェートの重量がそれぞれ求められる。
【００４４】
次いで、前記ガス供給部４の電磁弁１０を切り換えて、酸素供給路８を加熱炉１と連通させ、流量制御装置６を介して加熱炉１内に酸素を供給する。このときの酸素の流量は、流量制御装置６によって測定され、その結果はパソコン１９に流量信号として送られる。
【００４５】
前記加熱炉１内においては、酸素雰囲気下においてフィルタ２が１０００℃で加熱されることにより、前記フィルタ２に残ったドライスートが燃焼（酸化）してＣＯ2 およびＣＯ（これはほとんど微量）が発生し、これらが酸素とともにガス流路１１に流れ出る。
【００４６】
前記ガス流路１１を流れ出たガス（前記燃焼によって生じたＣＯ2 およびＣＯを含んでいる）は、流量計３３を経て酸化還元処理部１４に流れ込む。この酸化還元処理部１４には酸素が供給されているので、前記ガス中に含まれているＣＯが酸化されてＣＯ2 となり、前記ガス中のＣＯ2 とともにガス分析部１５のＣＯ2 分析計１５Ａに送られ、ＣＯ2 濃度が測定され、この濃度信号はパソコン１９に入力される。そして、ＣＯ2 分析計１５Ａを出たガスは、ＳＯ2 分析計１５Ｂに送られるが、濃度測定されることなく廃棄される。
【００４７】
前記パソコン１９には、酸素の流量を表す信号が入力されているので、この酸素ガス流量と前記ＣＯ2 濃度とに基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のドライスートの重量が求められる。
【００４８】
そして、この第２の実施の形態においても、フィルタ２によるＰＭの捕集に際して、エンジン２０からの排ガスＧを希釈しているので、上述の第１の実施の形態と同様に、希釈率を考慮に入れて、前記ドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートの重量に基づいて演算を行うことにより、前記排ガスＧ中のドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートの重量を得ることができる。
【００４９】
上述のように、第２の実施の形態によっても、エンジン２０の排ガスＧ中に含まれるＰＭにおけるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを、個々に分別して簡便かつ精度よく測定することができる。
【００５０】
そして、上述した第２の実施の形態においては、加熱炉１において生じたガスを途中で二分せず、また、ガス分析部１５においては、直列に配置されたＣＯ2 分析計１５ＡおよびＳＯ2 分析計１５Ｂを順次通過させるようにしているので、装置の全体構成がシンプルであるといった利点がある。
【００５１】
上述の第１および第２の実施の形態においては、最初に加熱炉１内で行う不活性ガス雰囲気でのフィルタ２の加熱を、一定の温度（１０００℃）で行うようにしていたが、この加熱を、低温加熱と高温加熱との組み合わせによって行うようにしてもよい。以下、これを第３の実施の形態として説明する。
【００５２】
ディーゼルエンジン２０から排出される排ガスＧ中に含まれるＳＯＦとしては、軽油に起因するものとエンジンオイルに起因するものとがあり、前者のＳＯＦは比較的低温（例えば３５０℃程度）で気化し、後者のＳＯＦは比較的高温（７００℃程度）で気化する。前記第１および第２の実施の形態においては、加熱炉１内を不活性ガス雰囲気にしてフィルタ２を加熱する場合、フィルタ２を一定温度になるようにしていたため、軽油に起因するＳＯＦとエンジンオイルに起因するＳＯＦとを区別して測定することができなかった。
【００５３】
これに対して、第３の実施の形態においては、不活性ガス雰囲気下でのフィルタ２の加熱を行う場合、フィルタ２の加熱温度を、低沸点のＳＯＦが気化する程度の低温加熱を行い、その後、高沸点のＳＯＦが気化する程度の高温加熱を行うのである。このように、不活性ガス雰囲気下でのフィルタ２の加熱を、低高２段階の温度で行うことにより、軽油に起因するＳＯＦとエンジンオイルに起因するＳＯＦとを区別して測定することができる。
【００５４】
前記低高２段階の温度での加熱手法としては、例えば、加熱炉１内の温度を温度調整機構によって切り換え、最初に低温状態でフィルタ２を加熱し、次いで、高温状態でフィルタ２を加熱したり、あるいは、加熱炉１内に低温加熱部と高温加熱部とを設け、低温加熱部による加熱後、フィルタ２を高温加熱部に移動して加熱するなど適宜の方法がある。
【００５５】
この発明は、上述の実施の形態に限られるものではなく、種々に変形して実施することができる。例えば、加熱炉１として、高周波加熱炉や赤外イメージ炉を用いてもよい。そして、加熱炉１に供給される不活性ガスとして、窒素ガスのほかに、アルゴンガスなど適宜のものを用いてもよい。
【００５６】
また、窒素ガス雰囲気下においてフィルタ２を所定温度で加熱した際に生ずるガス化したＳＯＦを酸化処理部１４Ａ、あるいは、酸化還元処理部１４において酸化した場合、ＣＯ2 とともにＨ2 Ｏが生ずるが、このＨ2 Ｏは、ＣＯ2 やＳＯ2 の測定に干渉成分となることがある。そこで、ガス分析部１５に供給する前にこれを除去するようにしたり、また、ガス分析部１５に設けられるＣＯ2 分析計１５ＡやＳＯ2 分析計１５Ｂとして、干渉成分の影響を補償できるような構成のガス分析計を用いてもよい。
【００５７】
さらに、ガス分析部１５に設けられるガス分析計として、フーリエ変換赤外分光光度計を用いたガス分析装置（ＦＴＩＲガス分析装置）を設けてもよい。このＦＴＩＲガス分析装置は、これ１台でＣＯ2 およびＳＯ2 の濃度を同時に測定することができるとともに、ＮＯX なども測定できるので、ＰＭ中に含まれるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートは勿論のこと、他の成分の濃度も一挙に測定することができる。また、ガス分析部１５に設けられるガス分析計として、マススペクトロメータ（質量分析計）を用いてもよい。このマススペクトロメータにおいても、これ１台でＣＯ2 、ＳＯ2 、ＮＯX などの測定を同時に行うことができる。したがって、これらのＦＴＩＲガス分析装置あるいはマススペクトロメータをガス分析部１５に設けた場合、装置全体の構成が簡略化される。
【００５８】
上記３つの実施の形態では、粒子状物質中の炭化水素およびドライスートをＣＯ2 に変化させ、ガス分析部１５においてＣＯ2 の分析（濃度測定）を行うとともに、粒子状物質中のサルフェートをＳＯ2 に変化させ、ガス分析部１５においてＳＯ2 の分析（濃度測定）を行うようにしているが、このような構成に限るものではなく、例えば、前記ガス分析部１５において、ＣＯ2 のみまたはＳＯ2 のみを分析するようにしてもよい。
【００５９】
前記ガス分析部１５においてＣＯ2 のみを分析する場合には、加熱炉１に対して不活性ガスまたは酸素を択一的に供給するガス供給部４と、前記不活性ガスまたは酸素が供給されている状態においてエンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタ２を所定温度で加熱する加熱炉１と、この加熱によって発生するガスを酸化する酸化処理部１４Ａと、この酸化処理部１４Ａからのガスが供給され、ＣＯ2 の濃度を測定するガス分析部１５（ＣＯ2 分析計１５Ａ）とを含む装置を用いて、エンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタ２を加熱炉１内に設け（セットし）、まず、加熱炉１内に不活性ガスを流しながらフィルタ２を所定温度（例えば、約１０００℃）で加熱して粒子状物質中の炭化水素を気化し、気化した炭化水素を酸化してＣＯ2 とし、前記ＣＯ2 をガス分析部１５（ＣＯ2 分析計１５Ａ）で分析し、その後、前記加熱炉１内に酸素を流しながら前記フィルタ２を加熱してこのフィルタ２上に残った粒子状物質（ドライスート）を酸化してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 をガス分析部（ＣＯ2 分析計１５Ａ）で分析するようにすればよい。
【００６０】
前記ガス分析部１５においてＳＯ2 のみを分析する場合には、加熱炉１に対して不活性ガスを供給するガス供給部と、前記不活性ガスが供給されている状態においてエンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタ２を所定温度で加熱する加熱炉１と、この加熱によって発生するガスを還元する還元処理部１４Ｂと、この還元処理部１４Ｂからのガスが供給され、ＳＯ2 の濃度を測定するガス分析部１５（ＳＯ2 分析計１５Ｂ）とを含む装置を用いて、エンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタ２を加熱炉１内に設け（セットし）、まず、加熱炉１内に不活性ガスを流しながらフィルタ２を所定温度（例えば、約１０００℃）で加熱して粒子状物質中のサルフェートを気化し、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とし、前記ＳＯ2 をガス分析部１５（ＳＯ2 分析計１５Ｂ）で分析するようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置の一例を概略的に示す図である。
【図２】フィルタにＰＭを捕集させるためのサンプリング装置の一例を概略的に示す図である。
【図３】この発明の動作説明のための図である。
【図４】この発明の還元処理部の他の例を概略的に示す図である。
【図５】この発明のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置の他の例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 加熱炉
２ フィルタ
４ ガス供給部
１４ 酸化還元処理部
１５ ガス分析部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばディーゼルエンジンなどから排出されるガス中に含まれる粒子状物質（パーティキュレートマター、以下、ＰＭという）の分析方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの排ガス中に含まれるＰＭを測定する手法として、ディーゼルエンジンから排出される高温の排ガスを清浄な空気で希釈し、この希釈排ガスを定容量吸引してＰＭをフィルタによって捕集し、このフィルタを精密天秤などで秤量して、ＰＭ捕集前のフィルタとの重量差に基づいて定量分析するフィルタ重量法が一般に知られている。
【０００３】
【特許文献１】特公平７−５８２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記フィルタ重量法においては、フィルタに吸着した水分が測定誤差として大きく影響するため、捕集前後のフィルタ中の水分を一定にするため定温・定湿処理が必要となる。また、低濃度ＰＭの排ガスを測定する場合、例えば２００ｍｇのフィルタの上に捕集された０．１ｍｇのＰＭを正確に秤量する必要があり、フィルタそのものの重量の測定誤差がＰＭ重量の測定誤差に大きな影響を与えるといった問題がある。
【０００５】
これに対して、上記特許文献１に示されるように、ＰＭを捕集したフィルタを加熱炉において段階的に昇温加熱しＰＭを酸化してガス分析計で測定する手法がある。
【０００６】
しかしながら、ＰＭの大部分は、ドライスート（Ｄｒｙ Ｓｏｏｔ）と呼ばれる無機炭素（以下、ドライスートという）、ＳＯＦ（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）と呼ばれる炭化水素（以下、ＳＯＦという）およびサルフェートと呼ばれる硫酸水和物（以下、サルフェートという）から構成されており、前記公報に記載された手法によっては、高沸点ＳＯＦの分離および酸化雰囲気中でのサルフェートの還元が困難であり、このため、ＰＭ中の大部分を占めるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを個々に分別してその重量を測定することが困難であった。
【０００７】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、エンジン排ガス中に含まれるＰＭにおけるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを、それらが微量であっても、個々に分別して簡便かつ精度よく測定することができるエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、この発明のエンジン排ガス中のＰＭの分析方法は、エンジン排ガス中に含まれるＰＭを捕集したフィルタを加熱炉内に設け、まず、加熱炉内に不活性ガスを流しながらフィルタを所定温度で加熱してＰＭ中のＳＯＦとサルフェートを気化し、気化したＳＯＦを酸化してＣＯ2 とする一方、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とし、前記ＣＯ2 およびＳＯ2 をガス分析部で分析し、その後、前記加熱炉内に酸素を流しながら前記フィルタを加熱してこのフィルタ上に残ったＰＭを酸化してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 をガス分析部で分析するようにしている（請求項１）。
【０００９】
そして、上記分析方法を実施する装置として、この発明では、加熱炉に対して不活性ガスまたは酸素を択一的に供給するガス供給部と、前記不活性ガスまたは酸素が供給されている状態においてエンジン排ガス中に含まれるＰＭを捕集したフィルタを所定温度で加熱する加熱炉と、この加熱によって発生するガスを酸化または還元する酸化還元処理部と、この酸化還元処理部からのガスが供給され、ＣＯ2 およびＳＯ2 の濃度を測定するガス分析部とを含む装置を用いている（請求項４）。
【００１０】
この発明のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法は、エンジンからの排ガスが流れる流路にフィルタを設置し、排ガスを定流量流して排ガス中のＰＭをフィルタで捕集する。このフィルタを例えば１０００℃に保温された加熱炉内に設け、まず、加熱炉内に窒素ガスなどの不活性ガスを流しながらフィルタを加熱してＰＭ中のＳＯＦとサルフェートを気化し、気化したＳＯＦを酸化してＣＯ2 とする一方、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とし、前記ＣＯ2 およびＳＯ2 をガス分析部で分析することによって、ＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度が得られる。これらのＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度と不活性ガスの全流量とからＣＯ2 およびＳＯ2 の重量が得られ、これらの重量に基づいて、フィルタに捕集されたＳＯＦおよびサルフェートの重量が得られる。
その後、前記加熱炉内に酸素を流しながら前記フィルタを加熱してこのフィルタ上に残ったＰＭを酸化してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 をガス分析部で分析することにより、ＣＯ2 濃度が得られる。このＣＯ2 濃度と酸素の全流量とからＣＯ2 の重量が求められ、この重量に基づいてフィルタに捕集されたドライスートの重量が得られる。
【００１１】
そして、上記エンジン排ガス中のＰＭの分析方法において、加熱炉内に不活性ガスを流しながらフィルタを加熱する際、まず、低沸点のＳＯＦが気化する程度の低温加熱を行い、その後、高沸点のＳＯＦが気化する程度の高温加熱を行うようにしてもよい（請求項２）。このようにした場合、高沸点のＳＯＦと低沸点のＳＯＦとを区別して測定することができる。
【００１２】
また、上記エンジン排ガス中のＰＭの分析方法において、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とする際に、加熱した石英綿に前記サルフェートを通すようにしてもよい（請求項３）。このようにした場合、サルフェートの加熱を効率良くかつ確実に行うことができ、サルフェートをより確実にＳＯ2 へと還元させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、ＰＭ中のドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを簡単かつ精度よく測定することができる。特に、従来のフィルタ重量法や特許文献１に開示された手法などでは測定できなかったＰＭ中の大部分を占めるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを個々に分別してその濃度または重量を測定することができるとともに、低濃度のＰＭも精度よく測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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および図２は、この発明の第１の実施の形態を示している。まず、図１は、エンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置の一つの構成例を概略的に示すもので、この図において、１はエンジン排ガス中に含まれるＰＭを捕集したフィルタ２（ＰＭを捕集するための構成は後述する）を加熱するための加熱炉で、例えば電気炉よりなり、加熱用ヒータ３を備えている。この加熱用ヒータ３は、温度調整機構（図示していない）によってその発熱状態が制御され、したがって、加熱炉１内の温度は、任意の所定温度になるように設定される。
【００１５】
４は加熱炉１に対して不活性ガス（例えば窒素ガス）または酸素を択一的に供給するガス供給部で、流量測定および流量制御の機能を備えたマスフローコントローラなどの流量制御装置５、６をそれぞれ備えた窒素ガス供給路７および酸素供給路８と、これらの供給路７，８の下流側および加熱炉１への接続流路９がそれぞれ接続される三方電磁弁１０とから構成されている。
【００１６】
１１は加熱炉１において生じたガスが流れるガス流路で、その下流側は二つの互いに並列的なガス流路１２，１３に分岐している。そして、これらのガス流路１２，１３の下流側には、酸化還元処理部１４およびガス分析部１５がこの順に直列に設けられている。
【００１７】
より詳しくは、一方のガス流路１２には、マスフローメータなどの流量計１６、例えばＣｕＯなどの酸化触媒が設けられ、酸素を供給するための酸素供給路１７が接続された酸化処理部１４ＡおよびＣＯ2 分析計１５Ａがこの順に設けられている。そして、他方のガス流路１３には、前記流量計１６と同様の流量計１８、例えばカーボンなどの還元触媒が設けられた還元処理部１４ＢおよびＳＯ2 分析計１５Ｂがこの順に設けられている。ここで用いるＣＯ2 分析計１５ＡおよびＳＯ2 分析計１５Ｂは、例えば非分散型赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲガス分析計）である。つまり、酸化還元処理部１４においては、酸化処理部１４Ａと還元処理部１４Ｂとが互いに並列的に配置され、ガス分析部１５においては、ＣＯ2 分析計１５ＡとＳＯ2 分析計１５Ｂとが互いに並列的に配置されている。
【００１８】
なお、図示していないが、ガス流路９，１１およびガス流路１２，１３のガス分析部１３までの部分（酸化処理部１４Ａおよび還元処理部１４Ｂも含む）は、例えばヒータによって適宜の温度になるように加熱・保温できるように構成されている。これは、加熱炉１において生じたガスに含まれる成分の変化を防止するとともに、酸化および還元処理が確実に行われるようにするためである。
【００１９】
そして、１９は装置各部からの信号（流量信号Ｑや濃度信号Ｃなど）に基づいて演算を行ったり、この演算結果に基づいて装置各部に対して制御信号を送出する演算制御部で、例えばパソコンよりなる。
【００２０】
ところで、前記フィルタ２は、不純物の少ない例えば石英からなり、このフィルタ２にエンジン排ガス中に含まれるＰＭを捕集させるには、例えば、図２に示すように構成され、エンジンからの排ガスを定流量流すことができるサンプリング装置が用いられる。すなわち、図２において、２０は例えば自動車に搭載されるディーゼルエンジン、２１はこれに連なる排気管である。２２は排気管２１に挿入接続され、排気管２１中を流れる排ガスＧをサンプリングするためのプローブで、その下流側はサンリングされた排ガスＧを希釈する希釈トンネル２３に接続されている。２４はこの希釈トンネル２３の上流側に接続される希釈用空気の供給管である。
【００２１】
２５は希釈トンネル２３の下流側に接続され、希釈されたサンプルガスＳが流れるガス流路で、この流路２５の下流側は二つの流路２６，２７に分岐し、それぞれの流路２６，２７にサンプルガスＳ中に含まれるＰＭを捕集するためのフィルタ装置２８，２９を設けて、一方の流路２６はＰＭ採取時の排気ガスを流すためのサンプルガス流路に、また、他方の流路２７はＰＭ非採取時の排気ガスを流すためのバイパス流路にそれぞれ構成されている。なお、フィルタ装置２８，２９のうち、一方のフィルタ２８が測定用フィルタであり、他方のフィルタ装置２９はダミーフィルタである。
【００２２】
３０はサンプルガス流路２６、バイパス流路２７の下流側に設けられる流路切換え手段としての三方電磁弁で、その下流側はガス流路３１に接続され、このガス流路３１には、回転数制御によって吸引能力を変えることができる吸引ポンプ、例えばルーツブロアポンプ３２と、測定精度の高い流量計、例えばベンチュリ計３３とがこの順に設けられている。
【００２３】
次に、上記構成のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置を用いた粒子状物質の分析方法について、図３をも参照しながら説明する。この図３は、加熱炉１内の雰囲気およびフィルタ２の加熱温度の時間的変化と、各雰囲気における出力の状態を示すものである。符号ａ，ｃはＣＯ2 濃度出力、ｂはＳＯ2 濃度出力である。
【００２４】
まず、分析に先立って、図２に示したサンプリング装置を用いて、エンジン２０からの排ガスＧを定流量サンプリングして、この排ガスＧ中のＰＭをフィルタ２に捕集する。
【００２５】
前記ＰＭを捕集したフィルタ２を、内部が予め１０００℃になるように加熱されている加熱炉１内に載置する。そして、まず、ガス供給部４の電磁弁１０を動作させて窒素ガス供給路７を加熱炉１と連通させ、流量制御装置５を介して加熱炉１内に窒素ガスを供給する。このときの窒素ガスの流量は、流量制御装置５によって測定され、その結果は流量信号Ｑとしてパソコン１９に送られる。
【００２６】
前記加熱炉１内においては、窒素ガス雰囲気下においてフィルタ２が１０００℃で加熱されることにより、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のＳＯＦおよびサルフェートがガス化し、これらが窒素ガスとともにガス流路１１に流れ出る。
【００２７】
前記ガス流路１１を流れ出たガス（ガス化したＳＯＦおよびサルフェートや他の発生ガスを含んでいる）は、二分された状態でガス流路１２，１３を流れる。そして、一方のガス流路１２を流れるガスは、流量計１６を経て酸化還元処理部１４の酸化処理部１４Ａに流れ込む。この酸化処理部１４Ａには酸素が供給されており、ガス化したＳＯＦおよびサルフェートのうちのＳＯＦが酸化触媒および酸素によって酸化されて、ＣＯ2 およびＨ2 Ｏになり、他のガスとともにガス分析部１５のＣＯ2 分析計１５Ａに送られ、ＣＯ2 濃度が測定される。また、他方のガス流路１３を流れるガスは、流量計１８を経て酸化還元処理部１４の還元処理部１４Ｂに流れ込み、ガス化したＳＯＦおよびサルフェートのうちのサルフェートが還元触媒によって還元されて、ＳＯ2 になり、他のガスとともにガス分析部１５のＳＯ2 分析計１５Ｂに送られ、ＳＯ2 濃度が測定される。
【００２８】
なお、図４に示すように、前記還元処理部１４Ｂにおいて、還元触媒を設ける代わりに、石英綿３４を設けて、これにサルフェートを通すようにすることにより、サルフェートのＳＯ2 への還元を促進するようにしてもよい。
【００２９】
すなわち、サルフェートを気化することにより、ＳＯ3 が得られ、このＳＯ3 に熱を加えることにより、
ＳＯ3 →ＳＯ2 ＋（１／２）Ｏ2 −２３．１ｋｃａｌ
という反応が起こるが、ＳＯ3 をヒータ３５によって加熱した管３６の内部に通すだけでは、ＳＯ3 が十分に加熱されず、ＳＯ2 への還元が行われないまま分析計１５Ｂへと送られるおそれがある。しかし、上記のように還元処理部１４Ｂ内に石英綿を設けて、これをヒータで加熱しておき、この石英綿にＳＯ3 を通すようにすれば、ＳＯ3 が石英綿を通過していくとき、管壁からの熱が石英綿によりＳＯ3 に効率良く伝わるようになり、ＳＯ3 を効率よくかつ確実に加熱することができ、ＳＯ2 への還元がより確実に行われ、ＰＭ中のサルフェートを精度良く測定することが可能となる。もちろん、前記還元処理部１４Ｂに、前記還元触媒と石英綿の両方を設けてもよい。
【００３０】
そして、前記ガス分析部１５からは、例えば図３において符号ａ，ｂで示すような形状のＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度信号が出力され、これがパソコン１９に入力される。パソコン１９には、窒素ガスの流量を表す信号が入力されているので、この窒素ガス流量とＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度とに基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のＳＯＦおよびサルフェートの重量がそれぞれ求められる。
【００３１】
次いで、前記ガス供給部４の電磁弁１０を切り換えて、酸素供給路８を加熱炉１と連通させ、流量制御装置６を介して加熱炉１内に酸素を供給する。このときの酸素の流量は、流量制御装置６によって測定され、その結果はパソコン１９に流量信号として送られる。
【００３２】
前記加熱炉１内においては、酸素雰囲気下においてフィルタ２が１０００℃で加熱されることにより、前記フィルタ２に残ったドライスートが燃焼（酸化）してＣＯ2 およびＣＯ（これはほとんど微量）が発生し、これらが酸素とともにガス流路１１に流れ出る。
【００３３】
前記ガス流路１１を流れ出たガス（前記燃焼によって生じたＣＯ2 およびＣＯや他の発生ガスを含んでいる）は、ガス流路１２，１３に分岐して流れる。そして、一方のガス流路１２を流れるガスは、流量計１６を経て酸化還元処理部１４の酸化処理部１４Ａに流れ込む。この酸化処理部１４Ａには酸素が供給されているので、前記ガス中に含まれているＣＯが酸化されてＣＯ2 となり、前記ガス中のＣＯ2 と混ざり、他のガスとともにガス分析部１５のＣＯ2 分析計１５Ａに送られ、ＣＯ2 濃度が測定される。また、他方のガス流路１３を流れるガスは、流量計１８を経て酸化還元処理部１４の還元処理部１４Ｂに流れ込むが、この場合、なんら処理されることなくガス分析部１５のＳＯ2 分析計１５Ｂに送られ、濃度測定されることなく廃棄される。
【００３４】
そして、前記ガス分析部１５からは、図３において符号ｃで示すような形状のＣＯ2 濃度を表す信号が出力され、これがパソコン１９に入力される。パソコン１９には、酸素流量を表す信号が入力されているので、この酸素流量とＣＯ2 濃度とに基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のドライスートの重量が求められる。
【００３５】
この実施の形態においては、フィルタ２によるＰＭの捕集に際して、エンジン２０からの排ガスＧを希釈しているので、この希釈率を考慮に入れて、前記ドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートの重量に基づいて演算を行うことにより、前記排ガスＧ中のドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートの重量を得ることができる。
【００３６】
上述のように、この発明のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法および装置においては、ＰＭを捕集したフィルタ２を加熱炉１内に収容し、まず、窒素ガスなどの不活性ガス雰囲気において前記フィルタ２を所定の温度で加熱して、ＳＯＦおよびサルフェートをガス化し、これらをさらにそれぞれ酸化または還元処理して、ＣＯ2 およびＳＯ2 とし、これらの濃度を測定し、これらの濃度に基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のＳＯＦおよびサルフェートの重量を求めるとともに、前記フィルタ２を加熱炉１内において酸素雰囲気下で加熱してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 の濃度を測定し、この濃度に基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のドライスートの重量を求めるようにしているので、エンジン２０の排ガスＧ中に含まれるＰＭにおけるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを、個々に分別して簡便かつ精度よく測定することができる。
【００３７】
上述の実施の形態においては、加熱炉１の下流側に設けられるガス流路１１をガス流路１２，１３に二分し、一方のガス流路１２に酸化処理部１４ＡおよびＣＯ2 分析計１５Ａを設け、他方のガス流路１３に還元処理部１４ＢおよびＳＯ2 分析計１５Ｂを設けていたため、装置の全体構成が複雑となる。この点を解消する構成を、第２の実施の形態として、図５を参照しながら説明する。
【００３８】
図５において、３３は加熱炉１の下流側のガス流路１１に設けられる流量計で、第１の実施の形態における流量計１６，１８と同様のものである。そして、この流量計３３の下流側に設けられる酸化還元処理部１４には、白金（Ｐｔ）を主成分とする酸化還元触媒が設けられるとともに、酸素供給路１７が接続されている。また、この酸化還元処理部１４の下流側に設けられるガス分析部１５は、ＣＯ2 分析計１５ＡとＳＯ2 分析計１５Ｂとが直列的に配置されている。
【００３９】
上記図５に示されるエンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置を用いた粒子状物質の分析方法について説明すると、まず、分析に先立って、図２に示したサンプリング装置を用いて、エンジン２０からの排ガスＧを定流量サンプリングして、この排ガスＧ中のＰＭをフィルタ２に捕集する。
【００４０】
前記ＰＭを捕集したフィルタ２を、内部が予め１０００℃になるように加熱されている加熱炉１内に載置する。そして、まず、ガス供給部４の電磁弁１０を動作させて窒素ガス供給路７を加熱炉１と連通させ、流量制御装置５を介して加熱炉１内に窒素ガスを供給する。このときの窒素ガスの流量は、流量制御装置５によって測定され、その結果は流量信号としてパソコン１９に送られる。
【００４１】
前記加熱炉１内においては、窒素ガス雰囲気下においてフィルタ２が１０００℃で加熱されることにより、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のＳＯＦおよびサルフェートがガス化し、これらが他の発生ガスや窒素ガスとともにガス流路１１に流れ出る。
【００４２】
前記ガス流路１１を流れ出たガス（ガス化したＳＯＦおよびサルフェートを含んでいる）は、流量計３３を経て酸化還元処理部１４に流れ込む。この酸化還元処理部１４には酸素が供給されているので、ガス化したＳＯＦおよびサルフェートのうちのＳＯＦが酸化還元触媒および酸素によって酸化されて、ＣＯ2 およびＨ2 Ｏとなる一方、前記サルフェートが酸化還元触媒によって還元されて、ＳＯ2 になる。これらのＣＯ2 、Ｈ2 ＯおよびＳＯ2 は、その状態で、ガス分析部１５に送られる。
【００４３】
そして、前記ガス分析部１５に流れ込んだガスは、まず、ＣＯ2 分析計１５ＡにおいてＣＯ2 の濃度が測定され、次いで、ＳＯ2 分析計１５ＢにおいてＳＯ2 濃度が測定され、ガス分析部１５からはＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度信号が出力され、これがパソコン１９に入力される。パソコン１９には、窒素ガスの流量を表す信号が入力されているので、この窒素ガス流量とＣＯ2 濃度およびＳＯ2 濃度とに基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のＳＯＦおよびサルフェートの重量がそれぞれ求められる。
【００４４】
次いで、前記ガス供給部４の電磁弁１０を切り換えて、酸素供給路８を加熱炉１と連通させ、流量制御装置６を介して加熱炉１内に酸素を供給する。このときの酸素の流量は、流量制御装置６によって測定され、その結果はパソコン１９に流量信号として送られる。
【００４５】
前記加熱炉１内においては、酸素雰囲気下においてフィルタ２が１０００℃で加熱されることにより、前記フィルタ２に残ったドライスートが燃焼（酸化）してＣＯ2 およびＣＯ（これはほとんど微量）が発生し、これらが酸素とともにガス流路１１に流れ出る。
【００４６】
前記ガス流路１１を流れ出たガス（前記燃焼によって生じたＣＯ2 およびＣＯを含んでいる）は、流量計３３を経て酸化還元処理部１４に流れ込む。この酸化還元処理部１４には酸素が供給されているので、前記ガス中に含まれているＣＯが酸化されてＣＯ2 となり、前記ガス中のＣＯ2 とともにガス分析部１５のＣＯ2 分析計１５Ａに送られ、ＣＯ2 濃度が測定され、この濃度信号はパソコン１９に入力される。そして、ＣＯ2 分析計１５Ａを出たガスは、ＳＯ2 分析計１５Ｂに送られるが、濃度測定されることなく廃棄される。
【００４７】
前記パソコン１９には、酸素の流量を表す信号が入力されているので、この酸素ガス流量と前記ＣＯ2 濃度とに基づいて、フィルタ２に捕集されたＰＭ中のドライスートの重量が求められる。
【００４８】
そして、この第２の実施の形態においても、フィルタ２によるＰＭの捕集に際して、エンジン２０からの排ガスＧを希釈しているので、上述の第１の実施の形態と同様に、希釈率を考慮に入れて、前記ドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートの重量に基づいて演算を行うことにより、前記排ガスＧ中のドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートの重量を得ることができる。
【００４９】
上述のように、第２の実施の形態によっても、エンジン２０の排ガスＧ中に含まれるＰＭにおけるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートを、個々に分別して簡便かつ精度よく測定することができる。
【００５０】
そして、上述した第２の実施の形態においては、加熱炉１において生じたガスを途中で二分せず、また、ガス分析部１５においては、直列に配置されたＣＯ2 分析計１５ＡおよびＳＯ2 分析計１５Ｂを順次通過させるようにしているので、装置の全体構成がシンプルであるといった利点がある。
【００５１】
上述の第１および第２の実施の形態においては、最初に加熱炉１内で行う不活性ガス雰囲気でのフィルタ２の加熱を、一定の温度（１０００℃）で行うようにしていたが、この加熱を、低温加熱と高温加熱との組み合わせによって行うようにしてもよい。以下、これを第３の実施の形態として説明する。
【００５２】
ディーゼルエンジン２０から排出される排ガスＧ中に含まれるＳＯＦとしては、軽油に起因するものとエンジンオイルに起因するものとがあり、前者のＳＯＦは比較的低温（例えば３５０℃程度）で気化し、後者のＳＯＦは比較的高温（７００℃程度）で気化する。前記第１および第２の実施の形態においては、加熱炉１内を不活性ガス雰囲気にしてフィルタ２を加熱する場合、フィルタ２を一定温度になるようにしていたため、軽油に起因するＳＯＦとエンジンオイルに起因するＳＯＦとを区別して測定することができなかった。
【００５３】
これに対して、第３の実施の形態においては、不活性ガス雰囲気下でのフィルタ２の加熱を行う場合、フィルタ２の加熱温度を、低沸点のＳＯＦが気化する程度の低温加熱を行い、その後、高沸点のＳＯＦが気化する程度の高温加熱を行うのである。このように、不活性ガス雰囲気下でのフィルタ２の加熱を、低高２段階の温度で行うことにより、軽油に起因するＳＯＦとエンジンオイルに起因するＳＯＦとを区別して測定することができる。
【００５４】
前記低高２段階の温度での加熱手法としては、例えば、加熱炉１内の温度を温度調整機構によって切り換え、最初に低温状態でフィルタ２を加熱し、次いで、高温状態でフィルタ２を加熱したり、あるいは、加熱炉１内に低温加熱部と高温加熱部とを設け、低温加熱部による加熱後、フィルタ２を高温加熱部に移動して加熱するなど適宜の方法がある。
【００５５】
この発明は、上述の実施の形態に限られるものではなく、種々に変形して実施することができる。例えば、加熱炉１として、高周波加熱炉や赤外イメージ炉を用いてもよい。そして、加熱炉１に供給される不活性ガスとして、窒素ガスのほかに、アルゴンガスなど適宜のものを用いてもよい。
【００５６】
また、窒素ガス雰囲気下においてフィルタ２を所定温度で加熱した際に生ずるガス化したＳＯＦを酸化処理部１４Ａ、あるいは、酸化還元処理部１４において酸化した場合、ＣＯ2 とともにＨ2 Ｏが生ずるが、このＨ2 Ｏは、ＣＯ2 やＳＯ2 の測定に干渉成分となることがある。そこで、ガス分析部１５に供給する前にこれを除去するようにしたり、また、ガス分析部１５に設けられるＣＯ2 分析計１５ＡやＳＯ2 分析計１５Ｂとして、干渉成分の影響を補償できるような構成のガス分析計を用いてもよい。
【００５７】
さらに、ガス分析部１５に設けられるガス分析計として、フーリエ変換赤外分光光度計を用いたガス分析装置（ＦＴＩＲガス分析装置）を設けてもよい。このＦＴＩＲガス分析装置は、これ１台でＣＯ2 およびＳＯ2 の濃度を同時に測定することができるとともに、ＮＯX なども測定できるので、ＰＭ中に含まれるドライスート、ＳＯＦおよびサルフェートは勿論のこと、他の成分の濃度も一挙に測定することができる。また、ガス分析部１５に設けられるガス分析計として、マススペクトロメータ（質量分析計）を用いてもよい。このマススペクトロメータにおいても、これ１台でＣＯ2 、ＳＯ2 、ＮＯX などの測定を同時に行うことができる。したがって、これらのＦＴＩＲガス分析装置あるいはマススペクトロメータをガス分析部１５に設けた場合、装置全体の構成が簡略化される。
【００５８】
上記３つの実施の形態では、粒子状物質中の炭化水素およびドライスートをＣＯ2 に変化させ、ガス分析部１５においてＣＯ2 の分析（濃度測定）を行うとともに、粒子状物質中のサルフェートをＳＯ2 に変化させ、ガス分析部１５においてＳＯ2 の分析（濃度測定）を行うようにしているが、このような構成に限るものではなく、例えば、前記ガス分析部１５において、ＣＯ2 のみまたはＳＯ2 のみを分析するようにしてもよい。
【００５９】
前記ガス分析部１５においてＣＯ2 のみを分析する場合には、加熱炉１に対して不活性ガスまたは酸素を択一的に供給するガス供給部４と、前記不活性ガスまたは酸素が供給されている状態においてエンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタ２を所定温度で加熱する加熱炉１と、この加熱によって発生するガスを酸化する酸化処理部１４Ａと、この酸化処理部１４Ａからのガスが供給され、ＣＯ2 の濃度を測定するガス分析部１５（ＣＯ2 分析計１５Ａ）とを含む装置を用いて、エンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタ２を加熱炉１内に設け（セットし）、まず、加熱炉１内に不活性ガスを流しながらフィルタ２を所定温度（例えば、約１０００℃）で加熱して粒子状物質中の炭化水素を気化し、気化した炭化水素を酸化してＣＯ2 とし、前記ＣＯ2 をガス分析部１５（ＣＯ2 分析計１５Ａ）で分析し、その後、前記加熱炉１内に酸素を流しながら前記フィルタ２を加熱してこのフィルタ２上に残った粒子状物質（ドライスート）を酸化してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 をガス分析部（ＣＯ2 分析計１５Ａ）で分析するようにすればよい。
【００６０】
前記ガス分析部１５においてＳＯ2 のみを分析する場合には、加熱炉１に対して不活性ガスを供給するガス供給部と、前記不活性ガスが供給されている状態においてエンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタ２を所定温度で加熱する加熱炉１と、この加熱によって発生するガスを還元する還元処理部１４Ｂと、この還元処理部１４Ｂからのガスが供給され、ＳＯ2 の濃度を測定するガス分析部１５（ＳＯ2 分析計１５Ｂ）とを含む装置を用いて、エンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタ２を加熱炉１内に設け（セットし）、まず、加熱炉１内に不活性ガスを流しながらフィルタ２を所定温度（例えば、約１０００℃）で加熱して粒子状物質中のサルフェートを気化し、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とし、前記ＳＯ2 をガス分析部１５（ＳＯ2 分析計１５Ｂ）で分析するようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】この発明のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置の一例を概略的に示す図である。
【図２】フィルタにＰＭを捕集させるためのサンプリング装置の一例を概略的に示す図である。
【図３】この発明の動作説明のための図である。
【図４】この発明の還元処理部の他の例を概略的に示す図である。
【図５】この発明のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置の他の例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 加熱炉
２ フィルタ
４ ガス供給部
１４ 酸化還元処理部
１５ ガス分析部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタを加熱炉内に設け、まず、加熱炉内に不活性ガスを流しながらフィルタを所定温度で加熱して粒子状物質中の炭化水素とサルフェートを気化し、気化した炭化水素を酸化してＣＯ2 とする一方、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とし、前記ＣＯ2 およびＳＯ2 をガス分析部で分析し、その後、前記加熱炉内に酸素を流しながら前記フィルタを加熱してこのフィルタ上に残った粒子状物質を酸化してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 をガス分析部で分析するようにしたことを特徴とするエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法。
【請求項２】
加熱炉内に不活性ガスを流しながらフィルタを加熱する際、まず、低沸点の炭化水素が気化する程度の低温加熱を行い、その後、高沸点の炭化水素が気化する程度の高温加熱を行うようにしてなる請求項１に記載のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法。
【請求項３】
気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とする際に、加熱した石英綿に前記サルフェートを通すようにした請求項１または２に記載のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法。
【請求項４】
加熱炉に対して不活性ガスまたは酸素を択一的に供給するガス供給部と、前記不活性ガスまたは酸素が供給されている状態においてエンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタを所定温度で加熱する加熱炉と、この加熱によって発生するガスを酸化または還元する酸化還元処理部と、この酸化還元処理部からのガスが供給され、ＣＯ2 およびＳＯ2 の濃度を測定するガス分析部とを含むエンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置。
【請求項１】
エンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタを加熱炉内に設け、まず、加熱炉内に不活性ガスを流しながらフィルタを所定温度で加熱して粒子状物質中の炭化水素とサルフェートを気化し、気化した炭化水素を酸化してＣＯ2 とする一方、気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とし、前記ＣＯ2 およびＳＯ2 をガス分析部で分析し、その後、前記加熱炉内に酸素を流しながら前記フィルタを加熱してこのフィルタ上に残った粒子状物質を酸化してＣＯ2 を発生させ、このＣＯ2 をガス分析部で分析するようにしたことを特徴とするエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法。
【請求項２】
加熱炉内に不活性ガスを流しながらフィルタを加熱する際、まず、低沸点の炭化水素が気化する程度の低温加熱を行い、その後、高沸点の炭化水素が気化する程度の高温加熱を行うようにしてなる請求項１に記載のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法。
【請求項３】
気化したサルフェートを還元してＳＯ2 とする際に、加熱した石英綿に前記サルフェートを通すようにした請求項１または２に記載のエンジン排ガス中の粒子状物質の分析方法。
【請求項４】
加熱炉に対して不活性ガスまたは酸素を択一的に供給するガス供給部と、前記不活性ガスまたは酸素が供給されている状態においてエンジン排ガス中に含まれる粒子状物質を捕集したフィルタを所定温度で加熱する加熱炉と、この加熱によって発生するガスを酸化または還元する酸化還元処理部と、この酸化還元処理部からのガスが供給され、ＣＯ2 およびＳＯ2 の濃度を測定するガス分析部とを含むエンジン排ガス中の粒子状物質の分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−１５３８９６（Ｐ２００６−１５３８９６Ａ）
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−６５５９２（Ｐ２００６−６５５９２）
【出願日】平成１８年３月１０日（２００６．３．１０）
【分割の表示】特願２００１−８７３７８（Ｐ２００１−８７３７８）の分割
【原出願日】平成１３年３月２６日（２００１．３．２６）
【出願人】（０００１５５０２３）株式会社堀場製作所 (638)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月１５日（２００６．６．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１０日（２００６．３．１０）
【分割の表示】特願２００１−８７３７８（Ｐ２００１−８７３７８）の分割
【原出願日】平成１３年３月２６日（２００１．３．２６）
【出願人】（０００１５５０２３）株式会社堀場製作所 (638)
【Ｆターム（参考）】
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