排気ガス分析装置及び混合システム
【課題】
希釈比を簡便に変更、調整でき、しかも希釈されたガスの品質を脈動等がない安定したものにできる希釈システムを提供する。
【解決手段】
希釈用ガスが流れる内部の主経路上に、ノズル及びデフューザを直列に設け、希釈用ガスが加速されて負圧になる負圧領域を形成するとともに、その負圧領域に連通させた連通路を介してサンプルガスを吸い込み、前記希釈用ガスと混合して導出する希釈器と、外部からの所定操作によって、前記希釈器におけるサンプルガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲内で、当該希釈器に導入される希釈用ガスの流量を変化させる希釈比調整手段とを備えるようにした。
希釈比を簡便に変更、調整でき、しかも希釈されたガスの品質を脈動等がない安定したものにできる希釈システムを提供する。
【解決手段】
希釈用ガスが流れる内部の主経路上に、ノズル及びデフューザを直列に設け、希釈用ガスが加速されて負圧になる負圧領域を形成するとともに、その負圧領域に連通させた連通路を介してサンプルガスを吸い込み、前記希釈用ガスと混合して導出する希釈器と、外部からの所定操作によって、前記希釈器におけるサンプルガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲内で、当該希釈器に導入される希釈用ガスの流量を変化させる希釈比調整手段とを備えるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば車両のディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）の連続測定などに用いられる排気ガス分析装置等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中には、環境や人体に悪影響を与える可能性がある微小な粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）が含まれており、ＰＭには、すす（Ｓｏｏｔ）、可溶性有機溶媒（ＳＯＦ：Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）等が混在している。
【０００３】
このＰＭを削減すべく内燃機関を改良するには、まずＰＭの排出量を正しく測定することが必要である。現在公的に規定されている排ガス測定法では、ＰＭをフィルタ捕集して天秤で計測することになっている。
【０００４】
ところが、この計測方法では、発生するＰＭをダイナミックに捉えることができないため、内燃機関の開発研究段階においては、ＰＭのリアルタイム連続測定が可能で、なおかつ簡便な測定装置が望まれている。さらに最近では、内燃機関の改良が進んでＰＭの排出量もかなり減ってきているため、連続測定に加えて、微量なＰＭを精度よく正確に測りたいという要求も大きくなってきている。
【０００５】
これに対し、ＳＯＦに関して言えば、近時、水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）のように、炭化水素に対して高感度な検出器を用いて、ある基準温度（４７℃±５℃）において排気ガス中で液化又は固化している粒子状炭化水素（ＳＯＦ）の濃度を連続的かつ精度よく測定可能な方法が開発されている。
またＳｏｏｔに関して言えば、拡散荷電検出法を利用した連続測定可能で高感度な検出器を本発明者らは開発しつつある。
【０００６】
ところで、このようなＳｏｏｔ検出器は、高感度なだけに、排気ガスのＳｏｏｔ濃度に応じて、当該排気ガスを測定に適した濃度にまで適宜希釈する希釈器が必要となる。また、排気ガスのＳｏｏｔ濃度は内燃機関の種類や状態に応じて変わるため、希釈器による希釈比は簡便に変更できるようにしておくことが望ましい。
【０００７】
しかしながら希釈のために、サンプルガスである排気ガスあるいは希釈用ガスを、例えば回転型のポンプを用いて圧送や吸引等すると、この種のポンプ内部は流体経路が複雑なため、Ｓｏｏｔが思わぬところに溜まるなどして、Ｓｏｏｔ測定に悪影響がでる恐れがある。また回転型ポンプでは、希釈された排気ガスに脈動が生じるため、この点においても正確なＳｏｏｔ測定のためには好ましくない。
【０００８】
一方、拘束で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行うエジェクタであれば、流体経路が単純で脈動もでないことから、この種の測定において非常に好適な希釈器として用いることができる。
ところが、エジェクタは一般的に希釈比を任意に変化させることができない（希釈用ガスを多く流すと、ノズル−デフューザ部での圧力が減少し、その分サンプルガスの流量が増えて、結局希釈率は大きく変動しない）と考えられており、その点での問題がある。逆に言えば、エジェクタは、希釈比をある程度保ちたいとか、希釈比を全く問題にしない場合（例えばポンプ）に用いられることが多い。
【０００９】
このようにエジェクタは、流体経路が単純で脈動もでないという利点を有するものの、希釈器として使用する場合には、希釈比を簡便に調整することができない欠点があると考えられてきたことから、排気ガスのＳｏｏｔ測定に限られず、他の用途で簡便な希釈比調整や混合比調整を必要とするような場合には、採用しにくい。
【特許文献１】実開平７−１８２４３号
【特許文献２】特開平１１−１４５３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者は、この点に鑑み、鋭意検討を重ねた結果、エジェクタには、希釈用ガスの流量を変化させても、サンプルガスの流量がほとんど変化しない領域があることを見出した。
【００１１】
そこで本発明は、前記領域を利用して、Ｓｏｏｔ測定の際に行われる排気ガスの希釈において、その希釈比を簡便に変更、調整のできる排気ガス分析装置を提供するとともに、排気ガス分析装置のみならず、ガスの混合、希釈に広く用いることのできる優れたガス混合システムを提供すべく図ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち本発明に係る排気ガス分析装置は、内燃機関から排出される排気ガスの一部又は全部が流れる排気ガスラインに対し、Ｓｏｏｔを測定可能なＳｏｏｔ測定系を接続したものであって、前記Ｓｏｏｔ測定系が、前記排気ガスを希釈用ガスで希釈して導出する希釈器と、前記希釈器の希釈比を調整可能な希釈比調整手段と、前記希釈器で希釈されたガス中のＳｏｏｔを測定するＳｏｏｔ検出器とを備えたものであり、前記希釈器が、希釈用ガスが流れる内部の主経路上に、流路径が狭まる狭小部と流路径が拡がる拡開部とを直列に設け、希釈用ガスが加速されて負圧になる負圧領域を形成するとともに、その負圧領域に連通させた連通路を介してサンプルガスを吸い込み、前記希釈用ガスと混合して導出するものであり、前記希釈比調整手段が、外部からの所定操作によって、前記希釈器におけるサンプルガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲内で、当該希釈器に導入される希釈用ガスの流量を変化させるものであることを特徴とする。
【００１３】
このようなものであれば、種々の排気ガスに対しても、Ｓｏｏｔ検出に適した濃度となるように、希釈比調整手段を用いて簡便に希釈比の調整ができるため、高精度のＳｏｏｔ検出器を用いた測定が可能になる。また、このタイプの希釈器の利点、すなわち流体経路が単純なため、Ｓｏｏｔが経路上で詰まるという恐れを可及的に回避でき、また正確な濃度測定を阻害する脈動もでないため、安定した状態で希釈された排気ガスをＳｏｏｔ検出器に確実に送出できる、という利点を活かすことができる。
【００１４】
本発明を適用して特にその効果が顕著となるＳｏｏｔ検出器としては、Ｓｏｏｔに対して電荷を与える電荷付与部と、そのＳｏｏｔの電荷量を測定する電荷測定部とを備えたものが挙げられる。
【００１５】
排気ガス中のＳｏｏｔのみならず、ＳＯＦをも同時検出するためには、前記排気ガスラインに対し、ＳＯＦ濃度を連続測定可能なＳＯＦ測定系をさらに接続しておけばよい。そして、その場合のＳＯＦ測定系としては、導入されたガスを２分岐する分岐部と、２分岐された一方のガスを測定基準温度にし、その測定基準温度にしたガス中の粒子成分を除去する粒子成分除去ラインと、２分岐された他方のガスの成分をそのまま（温度は変えることがある）通過させる通過ラインと、各ラインを通過して送出されるガス中の炭化水素濃度をそれぞれ連続検出する炭化水素濃度検出器とを備えており、各検出器で検出された炭化水素濃度の差によって前記排ガス中のＳＯＦ濃度を算出可能に構成したものが望ましい。
ここで粒子成分とは、主としてガス中で液化又は固化している炭化水素粒子のことである。
【００１６】
特に好ましくは、前記炭化水素濃度検出器が、水素炎イオン化検出器であればよい。この水素炎イオン化検出器を用いてＳＯＦ測定系を構成した場合、通過ライン側の水素炎イオン化検出器の出力を時系列グラフにすると、Ｓｏｏｔがスパイク状のピークとなって検出されるため、例えば前記Ｓｏｏｔ測定系で測定したＳｏｏｔ濃度の検証を行ったり、これから最適な希釈比の目安を付けたりすることが可能になる。
【００１７】
一方、前記Ｓｏｏｔ検出器で測定される対象は、希釈された排気ガスであるため、最終的に排気ガス中のＳｏｏｔ濃度を測定するためには、希釈率を把握しておく必要がある。
【００１８】
そこで前記ＳＯＦ測定系を巧みに利用して、簡単な構成で正確に希釈率を求められるようにするには、前記希釈器に排気ガス又は炭化水素濃度が既知である標準ガスのいずれを一方を選択的に導入して希釈し得るように構成するとともに、前記ＳＯＦ測定系を前記希釈器に接続可能に構成して当該希釈器で希釈された標準ガスの炭化水素濃度を測定できるようにし、前記希釈比調整手段をある一定量操作したときの、標準ガスの希釈後の炭化水素濃度から、その状態での希釈器の希釈比を算出可能に構成しているものが好適である。
【００１９】
また、本発明は、Ｓｏｏｔ測定に限定されることなく、ガスの希釈をも含むガス混合システムとして広く応用可能である。すなわち、本発明に係る混合システムは、混合するガスである混合用ガスが流れる内部の主経路上に、流路径が狭まる狭小部と流路径が拡がる拡開部とを直列に設け、混合用ガスが加速されて負圧になる負圧領域を形成するとともに、その負圧領域に連通させた連通路を介して、混合されるガスである被混合ガスを吸い込み、前記混合用ガスと混合して導出する混合器と、外部からの所定操作によって、前記混合器における被混合ガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲内で、当該混合器に導入される混合用ガスの流量を変化させる混合比調整手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
このような混合システムによれば、混合器の流体経路が単純で脈動もでないため、安定した状態で被混合ガスを混合用ガスで混合できるうえに、その混合比も混合比調整手段を用いて簡便に調整できる。
【００２１】
その効果をさらに顕著にするには、前記混合器のガス導出ポートに接続され、混合された被混合ガスの成分を連続検出可能なガス成分検出器をさらに備えているものが好ましい。
【００２２】
混合比調整手段の具体的実施態様としては、混合比調整手段が、混合用ガスが流れる混合用ガスラインに設けられた圧力調整器を備え、この圧力調整器に対する圧力調整操作によって、前記混合用ガスラインから混合器に導入される混合用ガスの流量を変化させるものを挙げることができる。
【００２３】
なお、この混合システムを前記希釈システムとして用いた場合には、希釈用ガスが混合用ガスに、サンプルガスが被混合ガスに、希釈器が混合器に、希釈比調整手段が混合比調整手段に、ガス成分検出器がＳｏｏｔ検出器に相当する。
【発明の効果】
【００２４】
このように本発明によれば、希釈（混合）比を簡便に変更、調整でき、しかも希釈（混合）されたガスの品質を脈動等がない安定したものにできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施形態に係る排気ガス分析装置を図面を参照して説明する。
【００２６】
（１）排気ガス分析装置の全体構成
本実施形態に係る排気ガス分析装置１は、内燃機関であるディーゼルエンジン（図示しない）の排気ガス中に含まれる微細な粒子状ＳＯＦ及びＳｏｏｔの濃度を測定するものであり、図１に示すように、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスの一部又は全部が流れる排気ガスライン（図示しない）に対し、ＳＯＦ濃度を連続測定可能なＳＯＦ測定系２と、Ｓｏｏｔを連続測定可能なＳｏｏｔ測定系３とを並列に接続してなるものである。
【００２７】
（２）ＳＯＦ測定系
まずＳＯＦ測定系２について説明する。
ＳＯＦ測定系２は、図１に示すように、排気ガスラインから導入される排気ガスを２分岐する分岐部２１と、その分岐部２１で２分岐された排気ガスがそれぞれ導入される通過ライン２２及び粒子成分除去ライン２３と、それら各ライン２２、２３の終端にポンプＰａ、Ｐｂを介してそれぞれ接続した水素炎イオン化検出器２４ａ、２４ｂとを備えたものである。
【００２８】
分岐部２１は、内部で２分岐する流体経路を有したマニホールドブロック２５を利用して形成したものであり、その入口であるガス導入ポートＰＴ１には、前記排気ガスラインを、所定温度（約１９１℃）に保温したホットホース等の温調配管Ｌや粒子状物質除去フィルタF等を介して接続している。このマニホールドブロック２５には、温度調節可能なヒータ等の温調器Ｈ１を取り付け、例えば前記所定温度（約１９１℃）に保温している。
【００２９】
粒子成分除去ライン２３は、内部を流れる排気ガスを、２００７年のＥＰＡの規制で定められている測定基準温度である４７℃±５℃にし、その温度で液化または固化する炭化水素（ＳＯＦ）を除去し、除去後の排気ガスを水素炎イオン化検出器２４ｂに送出するものである。
【００３０】
具体的にこのものは、ガス導入ポートＰＴ１にマニホールドブロック２５を介して接続され、測定基準温度に保温された第１温調配管Ｌ１と、その第１温調配管Ｌ１の終端に接続したフィルタＦ１と、そのフィルタＦ１を通過したガスを、一方の水素炎イオン化検出器２４ｂに導く第２温調配管Ｌ２とから構成されている。第２温調配管Ｌ２は、例えば前記所定温度（約１９１℃）に保温されている。
【００３１】
通過ライン２２は、測定基準温度よりも高温の所定温度、具体的には１９１℃にした排気ガスをそのまま水素炎イオン化検出器２４ａに送出するもので、前記ガス導入ポートＰＴ１にマニホールドブロック２５を介して接続した第３温調配管Ｌ３を備えている。この第３温調配管Ｌ３は、前記所定温度（約１９１℃）に保たれ、他方の水素炎イオン化検出器２４ａに接続してある。
【００３２】
水素炎イオン化検出器２４ａ、２４ｂは、サンプルガス（上述の場合であれば排気ガス）を流しながら、その中に含まれる炭化水素の濃度を連続的かつリアルタイムに検出するものであり、水素炎中にサンプルガス（ここでは排気ガス）を流すことにより、サンプルガス中の炭化水素をイオン化し、そのイオン電流を検出して出力する。出力される検出信号の値は炭化水素濃度を示す。
【００３３】
このような構成によれば、通過ライン２２に接続された水素炎イオン化検出器２４ａの検出信号のベースライン値は、前記所定温度（１９１℃）にて気体状態になっている炭化水素の濃度を示し、粒子成分除去ライン２３に接続された水素炎イオン化検出器２４ｂの検出信号のベースライン値は、前記測定基準温度（４７℃±５℃）で気化している炭化水素の濃度を示すため、各水素炎イオン化検出器２４ａ、２４ｂからの検出信号の値の差分をとることにより、１９１℃から４７℃±５℃の間に気体から液体又は固体に凝縮した炭化水素の濃度、つまり排気ガス中のＳＯＦ濃度を測定することができる。
【００３４】
なお、この実施形態では、図示しない情報処理装置が各水素炎イオン化検出器２４ａ、２４ｂからの炭化水素検出信号をそれぞれ受信し、それら炭化水素検出信号の示す値の差分をとることにより、ＳＯＦ濃度を算出し、これをディスプレイ等に出力するようにしている。
【００３５】
（３）Ｓｏｏｔ測定系
次にＳｏｏｔ測定系３について説明する。
Ｓｏｏｔ測定系３は、図１に示すように、排気ガスを希釈用ガスであるエアで希釈して導出する希釈システム４Ａと、希釈されたガスのＳｏｏｔを検出するＳｏｏｔ検出器５とを備えたものである。
【００３６】
まず、Ｓｏｏｔ検出器５から説明すると、このものは、模式図を図５に示すように、サンプルガスに含まれるＳｏｏｔに対して電荷を与える電荷付与部５１と、そのＳｏｏｔの電荷量を測定する電荷測定部５２とを備えたものであり、サンプルガスとして導入された希釈排気ガス中のＳｏｏｔを連続かつリアルタイムで計測する。
【００３７】
電荷付与部５１は、導入された希釈排気ガスの流路５３上に設けられたもので、例えば、数千ボルト（５０００〜７０００ボルト）程度の電位差を生じさせた正電極５１１と負電極５１２とで構成されている。これら電極５１１、５１２間にはその電位差からコロナ放電が生じ、このコロナ放電中を希釈排気ガスが通過することにより、希釈排気ガス中のＳｏｏｔ粒子にその表面積に比例した電荷が付与される。図に一例を示すように、正電極５１１はピン型の細い形状のものであり、流路５３の中心に位置する。負電極５１２はこの正電極５１１を取り囲むように配置した筒状の網目部材である。なお、紫外線照射によって電荷を付与するなど、この電荷付与部を他の構成にしても構わない。
【００３８】
電荷測定部５２は、前記流路５３における電荷付与部５１よりも下流に配置した金属板等の捕捉部材５２１と、その捕捉部材５２１にＳｏｏｔが捕捉されて流れる電流量を測定し、その値を示すＳｏｏｔ検出信号を出力する電流検出器５２２とを備えている。このＳｏｏｔ検出信号の値は、Ｓｏｏｔ電荷量がＳｏｏｔ粒子の表面積に比例することから、Ｓｏｏｔ粒子の表面積を表すものとなる。またＳｏｏｔ表面積とＳｏｏｔ質量との間には所定の関係式があることから、この検出信号の値からＳｏｏｔ質量、ひいては希釈排気ガス中のＳｏｏｔ濃度を算出できる。
【００３９】
一方、希釈システム４Ａは、図１〜図３に示すように、希釈器４と、希釈比調整手段である圧力調整器７とを備えている。
【００４０】
希釈器４は、詳細を図２、図３に示すように、希釈用ガスが流れる内部の主経路４１上に、ガスの流れ方向に沿って流路径が狭まる狭小部であるノズル４２及びガスの流れ方向に沿って流路径が拡がる拡開部であるデフューザ４３をこの順に直列に設け、希釈用ガスが増速されて負圧になる負圧領域４Ｓを形成するとともに、その負圧領域４Ｓに連通させた連通路４４を介してサンプルガスを吸い込み、前記希釈用ガスに混合して導出するエジェクタタイプのものである。なお、この実施形態では、狭小部及び拡開部にノズルとデフューザを用いているが、例えばオリフィスやベンチュリなど、種々のもので代用可能である。
【００４１】
より具体的にこの希釈器４は、前記主経路４１及び負圧領域４Ｓに連通する連通路４４を設けた配管ブロック体４ａと、主経路４１に嵌入されてノズル４２及びデフューザ４３を形成するノズル部材４２ａ及びデフューザ部材４３ａと、主経路４１の入口である導入ポートＰＴ２、出口である導出ポートＰＴ３、及び前記連通路４４の入口であるサンプルガス導入ポートＰＴ４にそれぞれ設けた配管接続用の継手Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４とを主に備えている。
【００４２】
そして、図１に示すように、前記導入ポートＰＴ２に、希釈用ガスが流れる希釈用ガスライン６を接続し、希釈用ガスであるエアが導入されるようにするとともに、サンプルガス導入ポートＰＴ４には、前記排気ガスラインを接続するようにしている。また導出ポートＰＴ３には、配管Ｌ４を介して後述するＳｏｏｔ検出器５を接続し、希釈されたガスをＳｏｏｔ検出器５に送出することができるように構成している。
【００４３】
圧力調整器７は、前記希釈用ガスライン６上に設けたもので、希釈器４の導入ポートＰＴ２に流れ込むエア圧力を制御し、その流量を制御する。
【００４４】
しかしながら、通常、このエジェクタタイプの希釈器は、希釈比を任意に変化させることができない。希釈用ガス（例えばエア）を多く流すと、負圧領域での圧力が減少し、その分サンプルガスの流量が増えて、結局希釈率は大きく変動しないからである。
【００４５】
そこで、この実施形態では、図４に示すように、前記圧力調整器７の操作範囲、すなわち圧力調整範囲を、その圧力調整によって希釈器４に導入される希釈用ガスの流量が変わっても、希釈器４におけるサンプルガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲となるように制限している。具体的には、エア圧力が３００ｋＰａ〜５００ｋＰａの間である。もちろんこの領域は、ノズルやデフューザの形や大きさ、オリフィス径等で変わるものではあるが、この領域を使うことによって初めて、前記圧力調整器７が希釈比調整手段として作用し、その圧力設定操作による希釈比の変更が可能になる。
【００４６】
また、この実施形態では、希釈比調整範囲を拡げるために、希釈器４を、複数段（２段）直列に接続してある。すなわち、後段希釈器４のサンプルガス導入ポートＰＴ４に前段希釈器４の導出ポートＰＴ３を接続し、複数段階の希釈ができるように構成している。このことにより、どの希釈器４の導出ポートＰＴ３を用いるかで、オーダレベルで希釈比を変えることができる。
【００４７】
したがって、この実施形態に係る希釈システム４Ａによれば、この種の希釈器４の利点、すなわち流体経路が単純でＳｏｏｔの詰まりを防止でき、かつ脈動もでないという利点を維持しつつ、種々の排気ガスに対して、高精度のＳｏｏｔ検出器がその性能を十分に発揮できる適切なＳｏｏｔ濃度となるように、簡単に希釈比を調整することができる。
【００４８】
なお、図２、図３に示す符号４４ａは、サンプルガスの流量制限部材であるオリフィスリングである。
【００４９】
また、配管ブロック体４ａには、温度調節可能なヒータ等の温調器Ｈ２を取り付け、希釈器４を所定温度（約１９１℃）に保持するようにしている。これは、排気ガス中に含まれるＳＯＦなど（特にＳｏｏｔに付着しているＳＯＦ）を揮発させ、後述するＳｏｏｔ検出器５でのＳｏｏｔ測定への悪影響を防止するためである。さらに、このＳｏｏｔ検出器５は、高温ガスを導入することができないタイプであるため、希釈器４の導出ポートＰＴ３からＳｏｏｔ検出器５に至る配管Ｌ４の通過中に、希釈排気ガスの温度を下げるようにしているが、一旦揮発したＳＯＦは、温度を下げても希釈されているため、測定に影響を及ぼすほどの大きな粒子として再析出することはない。
【００５０】
加えて、希釈用ガスライン６における導入ポートＰＴ２に直接接続される部分には、第４の温調配管Ｌ５を用いて前記所定温度（約１９１℃）に保持し、供給されるエア流量の安定化を図っている。
【００５１】
ところで最終的に必要なのは、希釈前の排気ガスのＳｏｏｔ濃度であり、これを測定するには、希釈排気ガス中のＳｏｏｔ濃度の測定データに加えて、希釈器４での希釈比を把握しなければならない。
【００５２】
そこでこの実施形態では、図１に示すように、希釈器４のサンプルガス導入ポートＰＴ４に、炭化水素濃度が既知の標準ガス（例えばＣ３Ｈ８含有エア）が流れる標準ガスライン８を、排気ガスラインと切り替えて接続できるようにするとともに、ＳＯＦ測定系２のガス導入ポートＰＴ１に、希釈器４の導出ポートＰＴ３を、排気ガスラインと切り替えて接続できるように構成している。
【００５３】
より具体的には、希釈器４のサンプルガス導入ポートＰＴ４に対する標準ガスライン８の配管Ｌ６上に開閉弁Ｖ２を設け、この開閉弁Ｖ２の開閉で、標準ガスライン８と排気ガスラインとの、サンプルガス導入ポートＰＴ４に対する接続を切り替えられるようにしている。なお、標準ガスライン８には、その入口に標準ガス源（ボンベ等）を接続してあり、そのライン８上に、圧力調整器８１を設けてそれより下流のライン圧力を一定に保つと共に、流量計８２を設けてサンプルガス導入ポートＰＴ４に導入される標準ガスの流量をモニタできるようにしてある。
【００５４】
また、ＳＯＦ測定系２のガス導入ポートＰＴ１に対する希釈器４の導出ポートからの接続配管Ｌ７上に、開閉弁Ｖ３を設け、かつ前記ガス導入ポートＰＴ１に対する排気ガスラインの接続配管上に開閉弁Ｖ４を設け、これら開閉弁Ｖ３、Ｖ４の択一的な開放により、希釈器４の導出ポートＰＴ３と排気ガスラインとのいずれかを、ガス導入ポートＰＴ１に切替接続できるようにしている。
【００５５】
このような構成によれば、前記各開閉弁Ｖ２〜Ｖ４の操作によって、希釈器４で希釈した標準ガスをＳＯＦ測定系２に流すことにより、希釈された標準ガスの炭化水素濃度を、ＳＯＦ測定系２のいずれかの水素炎イオン化検出器２４ａ、２４ｂで測定することができる。そしてそこで測定された炭化水素濃度と、元々の既知である標準ガスの炭化水素濃度とから、希釈器４のそのときの希釈比を求めることができ、その希釈比と前述した希釈排気ガスのＳｏｏｔ濃度とから排気ガスのＳｏｏｔ濃度を算出できる。
【００５６】
この実施形態では、図示しない情報処理装置が、前記Ｓｏｏｔ検出信号と、希釈した標準ガスを流したときの水素炎イオン化検出器２４ａ（２４ｂ）から出力される炭化水素信号とを受信し、それらの値と予めメモリ記憶させた標準ガスの既知濃度データの値とに基づいて、Ｓｏｏｔ濃度を自動算出してディスプレイ等に出力するようにしている。また、前記開閉弁Ｖ２〜Ｖ４は電磁駆動式のものであり、情報処理装置からの弁駆動信号で開閉駆動するようにしている。
【００５７】
（４）排気ガス分析装置の使用方法
次にこの排気ガス分析装置１を利用したＳｏｏｔ濃度測定方法について、その一例をより具体的に説明する。ここでは情報処理装置がプログラムにしたがって全自動でＳｏｏｔ濃度を測定する場合について、図６、図７を参照しながら述べる。
【００５８】
（検量線の作成）
まず、各開閉弁Ｖ２〜Ｖ４に弁駆動信号を出力してこれらを開閉操作し、標準ガスを、希釈器４を介してＳＯＦ測定系２に導入する（図６ステップＳ１）。
その一方で、圧力調整器７に駆動信号を与え、希釈器４に導入されるエアが所定の圧力に保たれるようにしておく（ステップＳ２）。
このような状態で、水素炎イオン化検出器２４ａ（２４ｂ）で、希釈された標準ガスの炭化水素濃度を測定する（ステップＳ３）。
そしてその濃度と希釈前の標準ガスの炭化水素濃度との比によって、希釈器４での希釈比を算出し（ステップＳ４）、その希釈比とエア圧力とを対にして記録しておく（ステップＳ５）。
次に圧力調整器７に対する駆動信号値を変えて圧力設定値を変え、ステップＳ３〜Ｓ５を複数回（ｎ回）繰り返す（ステップＳ７）。
このようにして測定した複数ポイントでの圧力値と希釈比との関係から、圧力と希釈比との検量線（相対関係）を作成し、メモリの所定領域に格納する（ステップＳ８）。
【００５９】
（Ｓｏｏｔ濃度測定）
まず、各開閉弁Ｖ２〜Ｖ４を開閉操作し、排気ガスをＳｏｏｔ測定系３に導入する（図７ステップＳ１０）。
排気ガスのＳｏｏｔ濃度が未知のため、Ｓｏｏｔ検出器５からのＳｏｏｔ検出信号の値を参照しつつ、圧力調整器７への駆動信号値を変化させて、希釈用ガスライン６がＳｏｏｔ測定に適した圧力となるように設定する（ステップＳ１１、Ｓ１２）。
その時の希釈比を、設定された圧力値と前記検量線とから算出する（ステップＳ１３）。
Ｓｏｏｔ検出信号の値に、メモリに格納してある所定の関係式をあてはめ、希釈された排気ガス中のＳｏｏｔ濃度を求める（ステップＳ１４）。
最後に、そのＳｏｏｔ濃度と前記希釈比とに基づいて、排気ガス中のＳｏｏｔ濃度を算出する（ステップＳ１５）。
【００６０】
以上が、Ｓｏｏｔ濃度測定方法であるが、その他に、例えば、検量線を作成せず、Ｓｏｏｔ測定の都度、標準ガスを用いてその時の希釈用ガスの圧力設定値での希釈比を算出し、その希釈比に基づいてＳｏｏｔ濃度を算出するようにしてもよい。
【００６１】
また以上の動作を、全てオペレータが手動で行っても構わないし、一部を自動、一部を手動にしてもよい。
【００６２】
したがって、このような排気ガス分析装置１によれば、種々の排気ガスに対しても、Ｓｏｏｔ検出に適した濃度となるように、希釈システム４Ａを用いて簡便に希釈比の調整ができるため、高精度のＳｏｏｔ検出器５を用いた測定が可能になる。また、このタイプの希釈器４の利点、すなわち流体経路が単純なため、Ｓｏｏｔが経路上で詰まるという恐れを可及的に回避でき、また正確な濃度測定を阻害する脈動もでないため、安定した状態で希釈された排気ガスをＳｏｏｔ検出器に確実に送出できる、という利点を活かすことができる。
【００６３】
さらに、希釈器４から配管を分岐させて既存のＳＯＦ測定系２に接続したり、標準ガス源を接続するための配管を希釈器４に接続したり、あるいはそれら配管上に開閉弁Ｖ２〜Ｖ４を設けたりするという簡単な流体経路を構成するだけで、Ｓｏｏｔ測定時における希釈器４の希釈比を、Ｓｏｏｔ測定前又はＳｏｏｔ測定後に、標準ガスを用いて求めることができ、その希釈比とＳｏｏｔ検出器で検出された希釈排気ガスのＳｏｏｔ濃度とから、希釈前の排気ガスのＳｏｏｔ濃度を算出することができる。
【００６４】
さらに、水素炎イオン化検出器２４では、Ｓｏｏｔがスパイク状のピークとなって検出されるため、例えば前記Ｓｏｏｔ測定系で測定したＳｏｏｔ濃度の検証を行ったり、これから最適な希釈比の目安を付けたりすることが可能になる。
【００６５】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、炭化水素検出器やＳｏｏｔ検出器は、他の原理を利用したもので構わないし、排気ガスラインには、フルトンネルで希釈された排気ガスを導いてもよい。
また、希釈器は１段希釈構造にしてもよいし、３段以上の希釈構造にしてもよい。希釈比調整手段には、圧力調整器のみならず、バルブなどの流量調整弁を利用するようにしてもよい。
【００６６】
さらに言えば、本希釈システムを、他のガスの希釈乃至混合に用いるようにしてもよい。その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明によって、希釈（混合）比を簡便に変更、調整でき、しかも希釈（混合）されたガスの品質を脈動等がない安定したものにできる。したがって、ガス連続測定等の用途に広く応用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気ガス分析装置の全体流体回路図。
【図２】同実施形態における希釈器の内部構造を示す断面図。
【図３】同実施形態における希釈器のノズル、デフューザ、オリフィスを主として示す拡大部分断面図。
【図４】同実施形態における希釈器の内部構造を示す断面図。
【図５】同実施形態における希釈器の特性を示すグラフ。
【図６】同実施形態における排気ガス分析装置を利用したＳｏｏｔ測定方法を示すフローチャート。
【図７】同実施形態における排気ガス分析装置を利用したＳｏｏｔ測定方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００６９】
２・・・ＳＯＦ測定系
２１・・・分岐部
２２・・・通過ライン
２３・・・粒子成分除去ライン
２４ａ、２４ｂ・・・ＳＯＦ濃度検出器
３・・・Ｓｏｏｔ測定系
４Ａ・・・希釈システム
４・・・希釈器
４２・・・ノズル
４３・・・デフューザ
５・・・Ｓｏｏｔ検出器
５１・・・電荷付与部
５２・・・電荷測定部
７・・・希釈比調整手段（圧力調整器）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば車両のディーゼルエンジンの排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）の連続測定などに用いられる排気ガス分析装置等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガス中には、環境や人体に悪影響を与える可能性がある微小な粒子状物質（ＰＭ：Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）が含まれており、ＰＭには、すす（Ｓｏｏｔ）、可溶性有機溶媒（ＳＯＦ：Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ）等が混在している。
【０００３】
このＰＭを削減すべく内燃機関を改良するには、まずＰＭの排出量を正しく測定することが必要である。現在公的に規定されている排ガス測定法では、ＰＭをフィルタ捕集して天秤で計測することになっている。
【０００４】
ところが、この計測方法では、発生するＰＭをダイナミックに捉えることができないため、内燃機関の開発研究段階においては、ＰＭのリアルタイム連続測定が可能で、なおかつ簡便な測定装置が望まれている。さらに最近では、内燃機関の改良が進んでＰＭの排出量もかなり減ってきているため、連続測定に加えて、微量なＰＭを精度よく正確に測りたいという要求も大きくなってきている。
【０００５】
これに対し、ＳＯＦに関して言えば、近時、水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）のように、炭化水素に対して高感度な検出器を用いて、ある基準温度（４７℃±５℃）において排気ガス中で液化又は固化している粒子状炭化水素（ＳＯＦ）の濃度を連続的かつ精度よく測定可能な方法が開発されている。
またＳｏｏｔに関して言えば、拡散荷電検出法を利用した連続測定可能で高感度な検出器を本発明者らは開発しつつある。
【０００６】
ところで、このようなＳｏｏｔ検出器は、高感度なだけに、排気ガスのＳｏｏｔ濃度に応じて、当該排気ガスを測定に適した濃度にまで適宜希釈する希釈器が必要となる。また、排気ガスのＳｏｏｔ濃度は内燃機関の種類や状態に応じて変わるため、希釈器による希釈比は簡便に変更できるようにしておくことが望ましい。
【０００７】
しかしながら希釈のために、サンプルガスである排気ガスあるいは希釈用ガスを、例えば回転型のポンプを用いて圧送や吸引等すると、この種のポンプ内部は流体経路が複雑なため、Ｓｏｏｔが思わぬところに溜まるなどして、Ｓｏｏｔ測定に悪影響がでる恐れがある。また回転型ポンプでは、希釈された排気ガスに脈動が生じるため、この点においても正確なＳｏｏｔ測定のためには好ましくない。
【０００８】
一方、拘束で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行うエジェクタであれば、流体経路が単純で脈動もでないことから、この種の測定において非常に好適な希釈器として用いることができる。
ところが、エジェクタは一般的に希釈比を任意に変化させることができない（希釈用ガスを多く流すと、ノズル−デフューザ部での圧力が減少し、その分サンプルガスの流量が増えて、結局希釈率は大きく変動しない）と考えられており、その点での問題がある。逆に言えば、エジェクタは、希釈比をある程度保ちたいとか、希釈比を全く問題にしない場合（例えばポンプ）に用いられることが多い。
【０００９】
このようにエジェクタは、流体経路が単純で脈動もでないという利点を有するものの、希釈器として使用する場合には、希釈比を簡便に調整することができない欠点があると考えられてきたことから、排気ガスのＳｏｏｔ測定に限られず、他の用途で簡便な希釈比調整や混合比調整を必要とするような場合には、採用しにくい。
【特許文献１】実開平７−１８２４３号
【特許文献２】特開平１１−１４５３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明者は、この点に鑑み、鋭意検討を重ねた結果、エジェクタには、希釈用ガスの流量を変化させても、サンプルガスの流量がほとんど変化しない領域があることを見出した。
【００１１】
そこで本発明は、前記領域を利用して、Ｓｏｏｔ測定の際に行われる排気ガスの希釈において、その希釈比を簡便に変更、調整のできる排気ガス分析装置を提供するとともに、排気ガス分析装置のみならず、ガスの混合、希釈に広く用いることのできる優れたガス混合システムを提供すべく図ったものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
すなわち本発明に係る排気ガス分析装置は、内燃機関から排出される排気ガスの一部又は全部が流れる排気ガスラインに対し、Ｓｏｏｔを測定可能なＳｏｏｔ測定系を接続したものであって、前記Ｓｏｏｔ測定系が、前記排気ガスを希釈用ガスで希釈して導出する希釈器と、前記希釈器の希釈比を調整可能な希釈比調整手段と、前記希釈器で希釈されたガス中のＳｏｏｔを測定するＳｏｏｔ検出器とを備えたものであり、前記希釈器が、希釈用ガスが流れる内部の主経路上に、流路径が狭まる狭小部と流路径が拡がる拡開部とを直列に設け、希釈用ガスが加速されて負圧になる負圧領域を形成するとともに、その負圧領域に連通させた連通路を介してサンプルガスを吸い込み、前記希釈用ガスと混合して導出するものであり、前記希釈比調整手段が、外部からの所定操作によって、前記希釈器におけるサンプルガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲内で、当該希釈器に導入される希釈用ガスの流量を変化させるものであることを特徴とする。
【００１３】
このようなものであれば、種々の排気ガスに対しても、Ｓｏｏｔ検出に適した濃度となるように、希釈比調整手段を用いて簡便に希釈比の調整ができるため、高精度のＳｏｏｔ検出器を用いた測定が可能になる。また、このタイプの希釈器の利点、すなわち流体経路が単純なため、Ｓｏｏｔが経路上で詰まるという恐れを可及的に回避でき、また正確な濃度測定を阻害する脈動もでないため、安定した状態で希釈された排気ガスをＳｏｏｔ検出器に確実に送出できる、という利点を活かすことができる。
【００１４】
本発明を適用して特にその効果が顕著となるＳｏｏｔ検出器としては、Ｓｏｏｔに対して電荷を与える電荷付与部と、そのＳｏｏｔの電荷量を測定する電荷測定部とを備えたものが挙げられる。
【００１５】
排気ガス中のＳｏｏｔのみならず、ＳＯＦをも同時検出するためには、前記排気ガスラインに対し、ＳＯＦ濃度を連続測定可能なＳＯＦ測定系をさらに接続しておけばよい。そして、その場合のＳＯＦ測定系としては、導入されたガスを２分岐する分岐部と、２分岐された一方のガスを測定基準温度にし、その測定基準温度にしたガス中の粒子成分を除去する粒子成分除去ラインと、２分岐された他方のガスの成分をそのまま（温度は変えることがある）通過させる通過ラインと、各ラインを通過して送出されるガス中の炭化水素濃度をそれぞれ連続検出する炭化水素濃度検出器とを備えており、各検出器で検出された炭化水素濃度の差によって前記排ガス中のＳＯＦ濃度を算出可能に構成したものが望ましい。
ここで粒子成分とは、主としてガス中で液化又は固化している炭化水素粒子のことである。
【００１６】
特に好ましくは、前記炭化水素濃度検出器が、水素炎イオン化検出器であればよい。この水素炎イオン化検出器を用いてＳＯＦ測定系を構成した場合、通過ライン側の水素炎イオン化検出器の出力を時系列グラフにすると、Ｓｏｏｔがスパイク状のピークとなって検出されるため、例えば前記Ｓｏｏｔ測定系で測定したＳｏｏｔ濃度の検証を行ったり、これから最適な希釈比の目安を付けたりすることが可能になる。
【００１７】
一方、前記Ｓｏｏｔ検出器で測定される対象は、希釈された排気ガスであるため、最終的に排気ガス中のＳｏｏｔ濃度を測定するためには、希釈率を把握しておく必要がある。
【００１８】
そこで前記ＳＯＦ測定系を巧みに利用して、簡単な構成で正確に希釈率を求められるようにするには、前記希釈器に排気ガス又は炭化水素濃度が既知である標準ガスのいずれを一方を選択的に導入して希釈し得るように構成するとともに、前記ＳＯＦ測定系を前記希釈器に接続可能に構成して当該希釈器で希釈された標準ガスの炭化水素濃度を測定できるようにし、前記希釈比調整手段をある一定量操作したときの、標準ガスの希釈後の炭化水素濃度から、その状態での希釈器の希釈比を算出可能に構成しているものが好適である。
【００１９】
また、本発明は、Ｓｏｏｔ測定に限定されることなく、ガスの希釈をも含むガス混合システムとして広く応用可能である。すなわち、本発明に係る混合システムは、混合するガスである混合用ガスが流れる内部の主経路上に、流路径が狭まる狭小部と流路径が拡がる拡開部とを直列に設け、混合用ガスが加速されて負圧になる負圧領域を形成するとともに、その負圧領域に連通させた連通路を介して、混合されるガスである被混合ガスを吸い込み、前記混合用ガスと混合して導出する混合器と、外部からの所定操作によって、前記混合器における被混合ガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲内で、当該混合器に導入される混合用ガスの流量を変化させる混合比調整手段とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
このような混合システムによれば、混合器の流体経路が単純で脈動もでないため、安定した状態で被混合ガスを混合用ガスで混合できるうえに、その混合比も混合比調整手段を用いて簡便に調整できる。
【００２１】
その効果をさらに顕著にするには、前記混合器のガス導出ポートに接続され、混合された被混合ガスの成分を連続検出可能なガス成分検出器をさらに備えているものが好ましい。
【００２２】
混合比調整手段の具体的実施態様としては、混合比調整手段が、混合用ガスが流れる混合用ガスラインに設けられた圧力調整器を備え、この圧力調整器に対する圧力調整操作によって、前記混合用ガスラインから混合器に導入される混合用ガスの流量を変化させるものを挙げることができる。
【００２３】
なお、この混合システムを前記希釈システムとして用いた場合には、希釈用ガスが混合用ガスに、サンプルガスが被混合ガスに、希釈器が混合器に、希釈比調整手段が混合比調整手段に、ガス成分検出器がＳｏｏｔ検出器に相当する。
【発明の効果】
【００２４】
このように本発明によれば、希釈（混合）比を簡便に変更、調整でき、しかも希釈（混合）されたガスの品質を脈動等がない安定したものにできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施形態に係る排気ガス分析装置を図面を参照して説明する。
【００２６】
（１）排気ガス分析装置の全体構成
本実施形態に係る排気ガス分析装置１は、内燃機関であるディーゼルエンジン（図示しない）の排気ガス中に含まれる微細な粒子状ＳＯＦ及びＳｏｏｔの濃度を測定するものであり、図１に示すように、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスの一部又は全部が流れる排気ガスライン（図示しない）に対し、ＳＯＦ濃度を連続測定可能なＳＯＦ測定系２と、Ｓｏｏｔを連続測定可能なＳｏｏｔ測定系３とを並列に接続してなるものである。
【００２７】
（２）ＳＯＦ測定系
まずＳＯＦ測定系２について説明する。
ＳＯＦ測定系２は、図１に示すように、排気ガスラインから導入される排気ガスを２分岐する分岐部２１と、その分岐部２１で２分岐された排気ガスがそれぞれ導入される通過ライン２２及び粒子成分除去ライン２３と、それら各ライン２２、２３の終端にポンプＰａ、Ｐｂを介してそれぞれ接続した水素炎イオン化検出器２４ａ、２４ｂとを備えたものである。
【００２８】
分岐部２１は、内部で２分岐する流体経路を有したマニホールドブロック２５を利用して形成したものであり、その入口であるガス導入ポートＰＴ１には、前記排気ガスラインを、所定温度（約１９１℃）に保温したホットホース等の温調配管Ｌや粒子状物質除去フィルタF等を介して接続している。このマニホールドブロック２５には、温度調節可能なヒータ等の温調器Ｈ１を取り付け、例えば前記所定温度（約１９１℃）に保温している。
【００２９】
粒子成分除去ライン２３は、内部を流れる排気ガスを、２００７年のＥＰＡの規制で定められている測定基準温度である４７℃±５℃にし、その温度で液化または固化する炭化水素（ＳＯＦ）を除去し、除去後の排気ガスを水素炎イオン化検出器２４ｂに送出するものである。
【００３０】
具体的にこのものは、ガス導入ポートＰＴ１にマニホールドブロック２５を介して接続され、測定基準温度に保温された第１温調配管Ｌ１と、その第１温調配管Ｌ１の終端に接続したフィルタＦ１と、そのフィルタＦ１を通過したガスを、一方の水素炎イオン化検出器２４ｂに導く第２温調配管Ｌ２とから構成されている。第２温調配管Ｌ２は、例えば前記所定温度（約１９１℃）に保温されている。
【００３１】
通過ライン２２は、測定基準温度よりも高温の所定温度、具体的には１９１℃にした排気ガスをそのまま水素炎イオン化検出器２４ａに送出するもので、前記ガス導入ポートＰＴ１にマニホールドブロック２５を介して接続した第３温調配管Ｌ３を備えている。この第３温調配管Ｌ３は、前記所定温度（約１９１℃）に保たれ、他方の水素炎イオン化検出器２４ａに接続してある。
【００３２】
水素炎イオン化検出器２４ａ、２４ｂは、サンプルガス（上述の場合であれば排気ガス）を流しながら、その中に含まれる炭化水素の濃度を連続的かつリアルタイムに検出するものであり、水素炎中にサンプルガス（ここでは排気ガス）を流すことにより、サンプルガス中の炭化水素をイオン化し、そのイオン電流を検出して出力する。出力される検出信号の値は炭化水素濃度を示す。
【００３３】
このような構成によれば、通過ライン２２に接続された水素炎イオン化検出器２４ａの検出信号のベースライン値は、前記所定温度（１９１℃）にて気体状態になっている炭化水素の濃度を示し、粒子成分除去ライン２３に接続された水素炎イオン化検出器２４ｂの検出信号のベースライン値は、前記測定基準温度（４７℃±５℃）で気化している炭化水素の濃度を示すため、各水素炎イオン化検出器２４ａ、２４ｂからの検出信号の値の差分をとることにより、１９１℃から４７℃±５℃の間に気体から液体又は固体に凝縮した炭化水素の濃度、つまり排気ガス中のＳＯＦ濃度を測定することができる。
【００３４】
なお、この実施形態では、図示しない情報処理装置が各水素炎イオン化検出器２４ａ、２４ｂからの炭化水素検出信号をそれぞれ受信し、それら炭化水素検出信号の示す値の差分をとることにより、ＳＯＦ濃度を算出し、これをディスプレイ等に出力するようにしている。
【００３５】
（３）Ｓｏｏｔ測定系
次にＳｏｏｔ測定系３について説明する。
Ｓｏｏｔ測定系３は、図１に示すように、排気ガスを希釈用ガスであるエアで希釈して導出する希釈システム４Ａと、希釈されたガスのＳｏｏｔを検出するＳｏｏｔ検出器５とを備えたものである。
【００３６】
まず、Ｓｏｏｔ検出器５から説明すると、このものは、模式図を図５に示すように、サンプルガスに含まれるＳｏｏｔに対して電荷を与える電荷付与部５１と、そのＳｏｏｔの電荷量を測定する電荷測定部５２とを備えたものであり、サンプルガスとして導入された希釈排気ガス中のＳｏｏｔを連続かつリアルタイムで計測する。
【００３７】
電荷付与部５１は、導入された希釈排気ガスの流路５３上に設けられたもので、例えば、数千ボルト（５０００〜７０００ボルト）程度の電位差を生じさせた正電極５１１と負電極５１２とで構成されている。これら電極５１１、５１２間にはその電位差からコロナ放電が生じ、このコロナ放電中を希釈排気ガスが通過することにより、希釈排気ガス中のＳｏｏｔ粒子にその表面積に比例した電荷が付与される。図に一例を示すように、正電極５１１はピン型の細い形状のものであり、流路５３の中心に位置する。負電極５１２はこの正電極５１１を取り囲むように配置した筒状の網目部材である。なお、紫外線照射によって電荷を付与するなど、この電荷付与部を他の構成にしても構わない。
【００３８】
電荷測定部５２は、前記流路５３における電荷付与部５１よりも下流に配置した金属板等の捕捉部材５２１と、その捕捉部材５２１にＳｏｏｔが捕捉されて流れる電流量を測定し、その値を示すＳｏｏｔ検出信号を出力する電流検出器５２２とを備えている。このＳｏｏｔ検出信号の値は、Ｓｏｏｔ電荷量がＳｏｏｔ粒子の表面積に比例することから、Ｓｏｏｔ粒子の表面積を表すものとなる。またＳｏｏｔ表面積とＳｏｏｔ質量との間には所定の関係式があることから、この検出信号の値からＳｏｏｔ質量、ひいては希釈排気ガス中のＳｏｏｔ濃度を算出できる。
【００３９】
一方、希釈システム４Ａは、図１〜図３に示すように、希釈器４と、希釈比調整手段である圧力調整器７とを備えている。
【００４０】
希釈器４は、詳細を図２、図３に示すように、希釈用ガスが流れる内部の主経路４１上に、ガスの流れ方向に沿って流路径が狭まる狭小部であるノズル４２及びガスの流れ方向に沿って流路径が拡がる拡開部であるデフューザ４３をこの順に直列に設け、希釈用ガスが増速されて負圧になる負圧領域４Ｓを形成するとともに、その負圧領域４Ｓに連通させた連通路４４を介してサンプルガスを吸い込み、前記希釈用ガスに混合して導出するエジェクタタイプのものである。なお、この実施形態では、狭小部及び拡開部にノズルとデフューザを用いているが、例えばオリフィスやベンチュリなど、種々のもので代用可能である。
【００４１】
より具体的にこの希釈器４は、前記主経路４１及び負圧領域４Ｓに連通する連通路４４を設けた配管ブロック体４ａと、主経路４１に嵌入されてノズル４２及びデフューザ４３を形成するノズル部材４２ａ及びデフューザ部材４３ａと、主経路４１の入口である導入ポートＰＴ２、出口である導出ポートＰＴ３、及び前記連通路４４の入口であるサンプルガス導入ポートＰＴ４にそれぞれ設けた配管接続用の継手Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４とを主に備えている。
【００４２】
そして、図１に示すように、前記導入ポートＰＴ２に、希釈用ガスが流れる希釈用ガスライン６を接続し、希釈用ガスであるエアが導入されるようにするとともに、サンプルガス導入ポートＰＴ４には、前記排気ガスラインを接続するようにしている。また導出ポートＰＴ３には、配管Ｌ４を介して後述するＳｏｏｔ検出器５を接続し、希釈されたガスをＳｏｏｔ検出器５に送出することができるように構成している。
【００４３】
圧力調整器７は、前記希釈用ガスライン６上に設けたもので、希釈器４の導入ポートＰＴ２に流れ込むエア圧力を制御し、その流量を制御する。
【００４４】
しかしながら、通常、このエジェクタタイプの希釈器は、希釈比を任意に変化させることができない。希釈用ガス（例えばエア）を多く流すと、負圧領域での圧力が減少し、その分サンプルガスの流量が増えて、結局希釈率は大きく変動しないからである。
【００４５】
そこで、この実施形態では、図４に示すように、前記圧力調整器７の操作範囲、すなわち圧力調整範囲を、その圧力調整によって希釈器４に導入される希釈用ガスの流量が変わっても、希釈器４におけるサンプルガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲となるように制限している。具体的には、エア圧力が３００ｋＰａ〜５００ｋＰａの間である。もちろんこの領域は、ノズルやデフューザの形や大きさ、オリフィス径等で変わるものではあるが、この領域を使うことによって初めて、前記圧力調整器７が希釈比調整手段として作用し、その圧力設定操作による希釈比の変更が可能になる。
【００４６】
また、この実施形態では、希釈比調整範囲を拡げるために、希釈器４を、複数段（２段）直列に接続してある。すなわち、後段希釈器４のサンプルガス導入ポートＰＴ４に前段希釈器４の導出ポートＰＴ３を接続し、複数段階の希釈ができるように構成している。このことにより、どの希釈器４の導出ポートＰＴ３を用いるかで、オーダレベルで希釈比を変えることができる。
【００４７】
したがって、この実施形態に係る希釈システム４Ａによれば、この種の希釈器４の利点、すなわち流体経路が単純でＳｏｏｔの詰まりを防止でき、かつ脈動もでないという利点を維持しつつ、種々の排気ガスに対して、高精度のＳｏｏｔ検出器がその性能を十分に発揮できる適切なＳｏｏｔ濃度となるように、簡単に希釈比を調整することができる。
【００４８】
なお、図２、図３に示す符号４４ａは、サンプルガスの流量制限部材であるオリフィスリングである。
【００４９】
また、配管ブロック体４ａには、温度調節可能なヒータ等の温調器Ｈ２を取り付け、希釈器４を所定温度（約１９１℃）に保持するようにしている。これは、排気ガス中に含まれるＳＯＦなど（特にＳｏｏｔに付着しているＳＯＦ）を揮発させ、後述するＳｏｏｔ検出器５でのＳｏｏｔ測定への悪影響を防止するためである。さらに、このＳｏｏｔ検出器５は、高温ガスを導入することができないタイプであるため、希釈器４の導出ポートＰＴ３からＳｏｏｔ検出器５に至る配管Ｌ４の通過中に、希釈排気ガスの温度を下げるようにしているが、一旦揮発したＳＯＦは、温度を下げても希釈されているため、測定に影響を及ぼすほどの大きな粒子として再析出することはない。
【００５０】
加えて、希釈用ガスライン６における導入ポートＰＴ２に直接接続される部分には、第４の温調配管Ｌ５を用いて前記所定温度（約１９１℃）に保持し、供給されるエア流量の安定化を図っている。
【００５１】
ところで最終的に必要なのは、希釈前の排気ガスのＳｏｏｔ濃度であり、これを測定するには、希釈排気ガス中のＳｏｏｔ濃度の測定データに加えて、希釈器４での希釈比を把握しなければならない。
【００５２】
そこでこの実施形態では、図１に示すように、希釈器４のサンプルガス導入ポートＰＴ４に、炭化水素濃度が既知の標準ガス（例えばＣ３Ｈ８含有エア）が流れる標準ガスライン８を、排気ガスラインと切り替えて接続できるようにするとともに、ＳＯＦ測定系２のガス導入ポートＰＴ１に、希釈器４の導出ポートＰＴ３を、排気ガスラインと切り替えて接続できるように構成している。
【００５３】
より具体的には、希釈器４のサンプルガス導入ポートＰＴ４に対する標準ガスライン８の配管Ｌ６上に開閉弁Ｖ２を設け、この開閉弁Ｖ２の開閉で、標準ガスライン８と排気ガスラインとの、サンプルガス導入ポートＰＴ４に対する接続を切り替えられるようにしている。なお、標準ガスライン８には、その入口に標準ガス源（ボンベ等）を接続してあり、そのライン８上に、圧力調整器８１を設けてそれより下流のライン圧力を一定に保つと共に、流量計８２を設けてサンプルガス導入ポートＰＴ４に導入される標準ガスの流量をモニタできるようにしてある。
【００５４】
また、ＳＯＦ測定系２のガス導入ポートＰＴ１に対する希釈器４の導出ポートからの接続配管Ｌ７上に、開閉弁Ｖ３を設け、かつ前記ガス導入ポートＰＴ１に対する排気ガスラインの接続配管上に開閉弁Ｖ４を設け、これら開閉弁Ｖ３、Ｖ４の択一的な開放により、希釈器４の導出ポートＰＴ３と排気ガスラインとのいずれかを、ガス導入ポートＰＴ１に切替接続できるようにしている。
【００５５】
このような構成によれば、前記各開閉弁Ｖ２〜Ｖ４の操作によって、希釈器４で希釈した標準ガスをＳＯＦ測定系２に流すことにより、希釈された標準ガスの炭化水素濃度を、ＳＯＦ測定系２のいずれかの水素炎イオン化検出器２４ａ、２４ｂで測定することができる。そしてそこで測定された炭化水素濃度と、元々の既知である標準ガスの炭化水素濃度とから、希釈器４のそのときの希釈比を求めることができ、その希釈比と前述した希釈排気ガスのＳｏｏｔ濃度とから排気ガスのＳｏｏｔ濃度を算出できる。
【００５６】
この実施形態では、図示しない情報処理装置が、前記Ｓｏｏｔ検出信号と、希釈した標準ガスを流したときの水素炎イオン化検出器２４ａ（２４ｂ）から出力される炭化水素信号とを受信し、それらの値と予めメモリ記憶させた標準ガスの既知濃度データの値とに基づいて、Ｓｏｏｔ濃度を自動算出してディスプレイ等に出力するようにしている。また、前記開閉弁Ｖ２〜Ｖ４は電磁駆動式のものであり、情報処理装置からの弁駆動信号で開閉駆動するようにしている。
【００５７】
（４）排気ガス分析装置の使用方法
次にこの排気ガス分析装置１を利用したＳｏｏｔ濃度測定方法について、その一例をより具体的に説明する。ここでは情報処理装置がプログラムにしたがって全自動でＳｏｏｔ濃度を測定する場合について、図６、図７を参照しながら述べる。
【００５８】
（検量線の作成）
まず、各開閉弁Ｖ２〜Ｖ４に弁駆動信号を出力してこれらを開閉操作し、標準ガスを、希釈器４を介してＳＯＦ測定系２に導入する（図６ステップＳ１）。
その一方で、圧力調整器７に駆動信号を与え、希釈器４に導入されるエアが所定の圧力に保たれるようにしておく（ステップＳ２）。
このような状態で、水素炎イオン化検出器２４ａ（２４ｂ）で、希釈された標準ガスの炭化水素濃度を測定する（ステップＳ３）。
そしてその濃度と希釈前の標準ガスの炭化水素濃度との比によって、希釈器４での希釈比を算出し（ステップＳ４）、その希釈比とエア圧力とを対にして記録しておく（ステップＳ５）。
次に圧力調整器７に対する駆動信号値を変えて圧力設定値を変え、ステップＳ３〜Ｓ５を複数回（ｎ回）繰り返す（ステップＳ７）。
このようにして測定した複数ポイントでの圧力値と希釈比との関係から、圧力と希釈比との検量線（相対関係）を作成し、メモリの所定領域に格納する（ステップＳ８）。
【００５９】
（Ｓｏｏｔ濃度測定）
まず、各開閉弁Ｖ２〜Ｖ４を開閉操作し、排気ガスをＳｏｏｔ測定系３に導入する（図７ステップＳ１０）。
排気ガスのＳｏｏｔ濃度が未知のため、Ｓｏｏｔ検出器５からのＳｏｏｔ検出信号の値を参照しつつ、圧力調整器７への駆動信号値を変化させて、希釈用ガスライン６がＳｏｏｔ測定に適した圧力となるように設定する（ステップＳ１１、Ｓ１２）。
その時の希釈比を、設定された圧力値と前記検量線とから算出する（ステップＳ１３）。
Ｓｏｏｔ検出信号の値に、メモリに格納してある所定の関係式をあてはめ、希釈された排気ガス中のＳｏｏｔ濃度を求める（ステップＳ１４）。
最後に、そのＳｏｏｔ濃度と前記希釈比とに基づいて、排気ガス中のＳｏｏｔ濃度を算出する（ステップＳ１５）。
【００６０】
以上が、Ｓｏｏｔ濃度測定方法であるが、その他に、例えば、検量線を作成せず、Ｓｏｏｔ測定の都度、標準ガスを用いてその時の希釈用ガスの圧力設定値での希釈比を算出し、その希釈比に基づいてＳｏｏｔ濃度を算出するようにしてもよい。
【００６１】
また以上の動作を、全てオペレータが手動で行っても構わないし、一部を自動、一部を手動にしてもよい。
【００６２】
したがって、このような排気ガス分析装置１によれば、種々の排気ガスに対しても、Ｓｏｏｔ検出に適した濃度となるように、希釈システム４Ａを用いて簡便に希釈比の調整ができるため、高精度のＳｏｏｔ検出器５を用いた測定が可能になる。また、このタイプの希釈器４の利点、すなわち流体経路が単純なため、Ｓｏｏｔが経路上で詰まるという恐れを可及的に回避でき、また正確な濃度測定を阻害する脈動もでないため、安定した状態で希釈された排気ガスをＳｏｏｔ検出器に確実に送出できる、という利点を活かすことができる。
【００６３】
さらに、希釈器４から配管を分岐させて既存のＳＯＦ測定系２に接続したり、標準ガス源を接続するための配管を希釈器４に接続したり、あるいはそれら配管上に開閉弁Ｖ２〜Ｖ４を設けたりするという簡単な流体経路を構成するだけで、Ｓｏｏｔ測定時における希釈器４の希釈比を、Ｓｏｏｔ測定前又はＳｏｏｔ測定後に、標準ガスを用いて求めることができ、その希釈比とＳｏｏｔ検出器で検出された希釈排気ガスのＳｏｏｔ濃度とから、希釈前の排気ガスのＳｏｏｔ濃度を算出することができる。
【００６４】
さらに、水素炎イオン化検出器２４では、Ｓｏｏｔがスパイク状のピークとなって検出されるため、例えば前記Ｓｏｏｔ測定系で測定したＳｏｏｔ濃度の検証を行ったり、これから最適な希釈比の目安を付けたりすることが可能になる。
【００６５】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。例えば、炭化水素検出器やＳｏｏｔ検出器は、他の原理を利用したもので構わないし、排気ガスラインには、フルトンネルで希釈された排気ガスを導いてもよい。
また、希釈器は１段希釈構造にしてもよいし、３段以上の希釈構造にしてもよい。希釈比調整手段には、圧力調整器のみならず、バルブなどの流量調整弁を利用するようにしてもよい。
【００６６】
さらに言えば、本希釈システムを、他のガスの希釈乃至混合に用いるようにしてもよい。その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明によって、希釈（混合）比を簡便に変更、調整でき、しかも希釈（混合）されたガスの品質を脈動等がない安定したものにできる。したがって、ガス連続測定等の用途に広く応用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施形態に係る排気ガス分析装置の全体流体回路図。
【図２】同実施形態における希釈器の内部構造を示す断面図。
【図３】同実施形態における希釈器のノズル、デフューザ、オリフィスを主として示す拡大部分断面図。
【図４】同実施形態における希釈器の内部構造を示す断面図。
【図５】同実施形態における希釈器の特性を示すグラフ。
【図６】同実施形態における排気ガス分析装置を利用したＳｏｏｔ測定方法を示すフローチャート。
【図７】同実施形態における排気ガス分析装置を利用したＳｏｏｔ測定方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００６９】
２・・・ＳＯＦ測定系
２１・・・分岐部
２２・・・通過ライン
２３・・・粒子成分除去ライン
２４ａ、２４ｂ・・・ＳＯＦ濃度検出器
３・・・Ｓｏｏｔ測定系
４Ａ・・・希釈システム
４・・・希釈器
４２・・・ノズル
４３・・・デフューザ
５・・・Ｓｏｏｔ検出器
５１・・・電荷付与部
５２・・・電荷測定部
７・・・希釈比調整手段（圧力調整器）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排気ガスの一部又は全部が流れる排気ガスラインに対し、Ｓｏｏｔを測定可能なＳｏｏｔ測定系を接続したものであって、
前記Ｓｏｏｔ測定系が、前記排気ガスを希釈用ガスで希釈して導出する希釈器と、前記希釈器の希釈比を調整可能な希釈比調整手段と、前記希釈器で希釈されたガス中のＳｏｏｔを測定するＳｏｏｔ検出器とを備えたものであり、
前記希釈器が、希釈用ガスが流れる内部の主経路上に、流路径が狭まる狭小部と流路径が拡がる拡開部とを直列に設け、希釈用ガスが加速されて負圧になる負圧領域を形成するとともに、その負圧領域に連通させた連通路を介してサンプルガスを吸い込み、前記希釈用ガスと混合して導出するものであり、
前記希釈比調整手段が、外部からの所定操作によって、前記希釈器におけるサンプルガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲内で、当該希釈器に導入される希釈用ガスの流量を変化させるものであることを特徴とする排気ガス分析装置。
【請求項２】
前記Ｓｏｏｔ検出器が、Ｓｏｏｔに対して電荷を与える電荷付与部と、そのＳｏｏｔの電荷量を測定する電荷測定部とを備えたものである請求項１記載の排気ガス分析装置。
【請求項３】
前記排気ガスラインに対し、ＳＯＦ濃度を測定可能なＳＯＦ測定系をさらに接続したものである請求項１又は２記載の排気ガス分析装置。
【請求項４】
前記ＳＯＦ測定系が、導入されたガスを２分岐する分岐部と、２分岐された一方のガスを測定基準温度にし、その測定基準温度にしたガス中の粒子成分を除去する粒子成分除去ラインと、２分岐された他方のガスの成分を通過させる通過ラインと、各ラインを通って送出されるガス中の炭化水素濃度をそれぞれ検出する水素炎イオン化検出器とを備えており、各検出器で検出された炭化水素濃度の差によって前記排気ガス中のＳＯＦ濃度を算出可能に構成したものである請求項３記載の排気ガス分析装置。
【請求項５】
前記希釈器に排気ガス又は炭化水素濃度が既知である標準ガスのいずれか一方を選択的に導入して希釈し得るように構成するとともに、前記ＳＯＦ測定系を前記希釈器に接続可能に構成して当該希釈器で希釈された標準ガスの炭化水素濃度を測定可能なものにし、前記希釈比調整手段をある一定量操作したときの、標準ガスの希釈後の炭化水素濃度から、その状態での希釈器の希釈比を算出可能に構成していることを特徴とする請求項３又は４記載の排気ガス分析装置。
【請求項６】
混合するガスである混合用ガスが流れる内部の主経路上に、流路径が狭まる狭小部と流路径が拡がる拡開部とを直列に設け、混合用ガスが加速されて負圧になる負圧領域を形成するとともに、その負圧領域に連通させた連通路を介して、混合されるガスである被混合ガスを吸い込み、前記混合用ガスと混合して導出する混合器と、
外部からの所定操作によって、前記混合器における被混合ガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲内で、当該混合器に導入される混合用ガスの流量を変化させる混合比調整手段とを備えた混合システム。
【請求項７】
前記混合器のガス導出ポートに接続され、混合された被混合ガスの成分を連続検出可能なガス成分検出器をさらに備えている請求項６記載の混合システム。
【請求項８】
混合比調整手段が、混合用ガスが流れる混合用ガスラインに設けられた圧力調整器を備え、この圧力調整器に対する圧力調整操作によって、前記混合用ガスラインから混合器に導入される混合用ガスの流量を変化させるものである請求項６又は７記載の混合システム。
【請求項１】
内燃機関から排出される排気ガスの一部又は全部が流れる排気ガスラインに対し、Ｓｏｏｔを測定可能なＳｏｏｔ測定系を接続したものであって、
前記Ｓｏｏｔ測定系が、前記排気ガスを希釈用ガスで希釈して導出する希釈器と、前記希釈器の希釈比を調整可能な希釈比調整手段と、前記希釈器で希釈されたガス中のＳｏｏｔを測定するＳｏｏｔ検出器とを備えたものであり、
前記希釈器が、希釈用ガスが流れる内部の主経路上に、流路径が狭まる狭小部と流路径が拡がる拡開部とを直列に設け、希釈用ガスが加速されて負圧になる負圧領域を形成するとともに、その負圧領域に連通させた連通路を介してサンプルガスを吸い込み、前記希釈用ガスと混合して導出するものであり、
前記希釈比調整手段が、外部からの所定操作によって、前記希釈器におけるサンプルガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲内で、当該希釈器に導入される希釈用ガスの流量を変化させるものであることを特徴とする排気ガス分析装置。
【請求項２】
前記Ｓｏｏｔ検出器が、Ｓｏｏｔに対して電荷を与える電荷付与部と、そのＳｏｏｔの電荷量を測定する電荷測定部とを備えたものである請求項１記載の排気ガス分析装置。
【請求項３】
前記排気ガスラインに対し、ＳＯＦ濃度を測定可能なＳＯＦ測定系をさらに接続したものである請求項１又は２記載の排気ガス分析装置。
【請求項４】
前記ＳＯＦ測定系が、導入されたガスを２分岐する分岐部と、２分岐された一方のガスを測定基準温度にし、その測定基準温度にしたガス中の粒子成分を除去する粒子成分除去ラインと、２分岐された他方のガスの成分を通過させる通過ラインと、各ラインを通って送出されるガス中の炭化水素濃度をそれぞれ検出する水素炎イオン化検出器とを備えており、各検出器で検出された炭化水素濃度の差によって前記排気ガス中のＳＯＦ濃度を算出可能に構成したものである請求項３記載の排気ガス分析装置。
【請求項５】
前記希釈器に排気ガス又は炭化水素濃度が既知である標準ガスのいずれか一方を選択的に導入して希釈し得るように構成するとともに、前記ＳＯＦ測定系を前記希釈器に接続可能に構成して当該希釈器で希釈された標準ガスの炭化水素濃度を測定可能なものにし、前記希釈比調整手段をある一定量操作したときの、標準ガスの希釈後の炭化水素濃度から、その状態での希釈器の希釈比を算出可能に構成していることを特徴とする請求項３又は４記載の排気ガス分析装置。
【請求項６】
混合するガスである混合用ガスが流れる内部の主経路上に、流路径が狭まる狭小部と流路径が拡がる拡開部とを直列に設け、混合用ガスが加速されて負圧になる負圧領域を形成するとともに、その負圧領域に連通させた連通路を介して、混合されるガスである被混合ガスを吸い込み、前記混合用ガスと混合して導出する混合器と、
外部からの所定操作によって、前記混合器における被混合ガスの吸い込み流量がほぼ一定に保たれる範囲内で、当該混合器に導入される混合用ガスの流量を変化させる混合比調整手段とを備えた混合システム。
【請求項７】
前記混合器のガス導出ポートに接続され、混合された被混合ガスの成分を連続検出可能なガス成分検出器をさらに備えている請求項６記載の混合システム。
【請求項８】
混合比調整手段が、混合用ガスが流れる混合用ガスラインに設けられた圧力調整器を備え、この圧力調整器に対する圧力調整操作によって、前記混合用ガスラインから混合器に導入される混合用ガスの流量を変化させるものである請求項６又は７記載の混合システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−１５３７４６（Ｐ２００６−１５３７４６Ａ）
【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２００４−３４７０１８（Ｐ２００４−３４７０１８）
【出願日】平成１６年１１月３０日（２００４．１１．３０）
【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１６年１１月３０日（２００４．１１．３０）
【出願人】（０００１５５０２３）株式会社堀場製作所 (638)
【Ｆターム（参考）】
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