JP4486799B2 - 粒子状物質測定方法および装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば車両のディーゼルエンジンから排出される粒子状物質の連続測定などに用いられる粒子状物質測定方法および装置に関する。

車両に搭載されるディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどのエンジンからは、ガス状物質のほか、超微粒子が鎖状あるいは塊状に集合してなる粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：以下、ＰＭという）が排出される。

ＰＭは、燃料が高温下で不完全燃焼することにより発生するスート（ｓｏｏｔ）と呼ばれる無機炭素と、燃料やオイルの燃え残りである揮発性有機成分（Ｖｏｌａｔｉｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｉｏｎ：ＶＯＦ）または有機溶媒可溶成分（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ：ＳＯＦ）と呼ばれる炭化水素と、燃料中の硫黄が燃焼反応を起こすことによって形成された成分であるサルフェート（ｓｕｌｆａｔｅ）と呼ばれる硫酸水和物との３種類に区分されている。

そして、ＰＭ中のスートの挙動を連続的に捉えることができるものとして、水素炎イオン化検出器（Ｆｌａｍｅ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：以下、ＦＩＤという）を用いてＰＭ中のスートを連続測定する装置がある。
特開平１０−３８８４９号公報 特開平１０−２８８６０１号公報 特開２００１−２２８０７６号公報

しかし、スートの測定にＦＩＤを用いる上記装置では、スートの測定の高精度化を図ることが困難であり、エンジンから排出されるＰＭの量の低減化が進められている現状を鑑みれば、将来的にスートの測定にＦＩＤを用いることが適さないケースが生じるおそれがある。

また、ＰＭのような微粒子を高精度で測定することができるものとして、適宜の手段によりＰＭに電荷を付与した後、ＰＭに付与された電荷量を計測し、この電荷量からＰＭの表面積を求める測定部を有する測定装置があるが、この測定装置は、サンプルガス中のＰＭのような微粒子を測定するものであって、ＰＭ中のスートを測定することはできなかった。

さらに、上記測定装置は、測定対象物の表面積しか求められなかった。

そこで、本発明者らは、実験を行った結果、スートの表面積と質量との間に一定の関係があり、スートの表面積に所定の換算係数を乗じれば、スートの質量が算出されることを見出した。換算係数は、例えば、フィルタ重量法などによって得られるスートの表面積と質量との関係式から導出される。

また、本発明者らは、実験を行った結果、上記測定装置によってスートの表面積を求める際に、スートにＶＯＦが付着していることにより生じる誤差は許容範囲内であり、スートに付着したＶＯＦを除去しなくても、上記測定装置によってスートの表面積を求めることができることを発見し、さらに、スートの表面積を求める際に誤差を生み出す原因が、粒子径が約５０ｎｍ以下のＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ（Ｎｕｃｌｅｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ）と呼ばれる微粒子であると推測するに至った。

詳しくは、図２に示すように、エンジン１から排出された排ガスＧに含まれるＰＭ２中には、未燃で液状のＶＯＦ２ｂが付着した状態のスート２ａと、スート２ａの周囲に付着せずに存在する液状のＨＣ（図示していない）とが存在し、このスート２ａの周囲に付着せずに存在する液状のＨＣを、上述したＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅという。

ところで、スート質量濃度が３段階に変わるようにエンジンの状態を調整し、それぞれの場合について、ＰＭの粒子径と表面積との関係を調べたところ、図４に示す結果が得られた。なお、図４では、横軸に粒子径、縦軸に表面積をとっており、スート質量濃度が最も低いときに得られたグラフをＣ₁ とし、次にスート質量濃度が低いときに得られたグラフをＣ₂ 、最もスート質量濃度が高くなったときに得られたグラフをＣ₃ としてそれぞれ示してある。

図４から、ＰＭは、粒子径が５０ｎｍ未満の範囲において表面積のピークを有するＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅと、粒子径が５０ｎｍ以上の範囲において表面積のピークを有するＡｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅとに分けられ、Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅは、スート質量濃度と強い関係があるのに対して、Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅは、スート質量濃度とは無関係であることがわかった。これは、Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅが、エンジンの状態や、排ガスの希釈率、温度などの影響を大きく受けるためであると考えられる。

この発明は上述の事柄および知見に基づいてなされたもので、その目的は、主にエンジンから排出される粒子状物質中のスートの連続測定を高精度で行える粒子状物質測定方法および装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の粒子状物質測定方法は、内燃機関から排出されるガスをサンプリングし、そのサンプルガスに含まれる粒子状物質中の、揮発性有機成分が付着しているかまたは付着していないスートに電荷を付与し、スートの電荷量を計測する粒子状物質測定方法であって、スートに電荷を付与する前に、サンプルガスに含まれる粒子状物質中のＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子を除去するかまたは揮発させ、前記スートの電荷量の計測値からスートの表面積を求め、表面積に換算係数を乗ずることによりスートの質量濃度を算出する（請求項１）。

具体的には、前記Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子は、スートの周囲に付着せずに存在する液状ＨＣであり（請求項２）、前記粒子状物質測定方法において、前記Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子を、加熱によって揮発させてもよい（請求項３）。

また、サンプルガスに含まれる粒子状物質中の揮発性有機成分を測定するステップを含んでもよい（請求項４）。

具体的には、サンプルガスに含まれる粒子状物質中の揮発性有機成分を測定するステップにおいて、サンプルガスを、このサンプルガス中の揮発性有機成分が揮発しない低温状態とした後、水素炎イオン化検出器によって測定して得た検出値と、揮発性有機成分が揮発する高温状態とした後、水素炎イオン化検出器によって測定して得た検出値とから、サンプルガス中の揮発性有機成分濃度を導出する（請求項５）。

一方、上記目的を達成するために、この発明の粒子状物質測定装置は、内燃機関から排出されるガスをサンプリングしてサンプルガスを得るサンプリング手段と、サンプルガスに含まれる粒子状物質中の、揮発性有機成分が付着しているかまたは付着していないスートに電荷を付与する帯電手段と、スートの電荷量を計測する計測手段とを備えた粒子状物質測定装置であって、帯電手段に送られる前のサンプルガスに含まれる粒子状物質中のＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子を除去するかまたは揮発させるように構成されており、前記スートの電荷量の計測値からスートの表面積を求め、表面積に換算係数を乗ずることによりスートの質量濃度を算出する演算処理部を備えた（請求項６）。

具体的には、前記Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子は、スートの周囲に付着せずに存在する液状ＨＣであり（請求項７）、前記粒子状物質測定装置が、前記Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子を加熱によって揮発させる加熱手段を備えていてもよい（請求項８）。

また、サンプルガスに含まれる粒子状物質中の揮発性有機成分を測定する揮発性有機成分測定手段を備えてもよい（請求項９）。

具体的には、揮発性有機成分測定手段が、２つの水素炎イオン化検出器を有し、一方の水素炎イオン化検出器によって、揮発性有機成分が揮発する高温状態となったサンプルガスを測定し、他方の水素炎イオン化検出器によって、揮発性有機成分が揮発しない低温状態となったサンプルガスを測定するように構成されている（請求項１０）。

上記の構成からなる発明では、主にエンジンから排出される粒子状物質中のスートの連続測定を高精度で行える粒子状物質測定方法および装置を提供することができる。

すなわち、請求項１〜５に係る発明では、例えば、スートの電荷量の計測値とスートの表面積とが比例し、また、スートの表面積と質量とが一定の関係を有することを利用して、スートの電荷量の計測値に基づいて、連続的にスートの質量および／または質量濃度を測定することが可能となる。

また、スートに電荷を付与する際に、Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅが原因となり、正確な電荷量とならず誤差が大きくなるが、請求項１〜５に係る発明では、Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅを含む液状ＨＣが上記のような誤差を生じさせることを確実に防止することができ、ひいてはスートの連続測定を高精度で行うことが可能となる。

請求項１〜５に係る発明では、スートの電荷量の計測値が、スートの表面積に比例した正確な値となり、この値に所定の換算係数を乗じることにより、スートの質量濃度の精度の高い連続測定を実現することが容易に可能となる。

請求項４に係る発明では、サンプルガスに含まれるＰＭ中のスートのみならずＶＯＦをも測定することが可能となる。そして、これらを同時測定することにより、エンジンの負荷によって変化するＰＭ中のスートとＶＯＦとの比率をリアルタイムで計測することができ、エンジンの開発等に非常に有用な情報となる。しかも、スートは高精度で測定されるので、このスートの測定に基づいて得られる前記情報は、その信頼性が非常に高いものとなる。

請求項５に係る発明では、ＶＯＦを測定する手段としてＦＩＤを用いることにより、ＶＯＦの連続測定が可能となり、かつその応答速度も高く、従って、ＶＯＦを効率よく測定することが可能となる。

請求項６〜１０に係る発明では、請求項１〜５に係る発明により得られる効果と同様の効果を得ることができる粒子状物質測定装置を提供することが可能となる。

図１および図２は、この発明の一実施例を示す。

この実施例の粒子状物質測定方法（以下、測定方法という）を実施するための粒子状物質測定装置（以下、測定装置という）Ｄは、内燃機関としてのエンジン１から排出される排ガスＧの一部をサンプリングしてサンプルガスＳとし、このサンプルガスＳ中に含まれるＰＭ２の連続測定を行うように構成されている。

詳しくは、測定装置Ｄは、図１に示すように、エンジン１に連なり、エンジン１から排出された排ガスＧが内部を通る排ガス流路３と、この排ガス流路３からの排ガスＧを希釈するための希釈部４と、この希釈部４において希釈された排ガスＧの一部をサンプルガスＳとしてサンプリングし、そのサンプルガスＳを下流側に送りつつ適宜に加熱する加熱導入部５と、この加熱導入部５の下流側に配置された分析部６と、サンプルガスＳを加熱導入部５を介して分析部６に導入するためのポンプ７を有するサンプリング制御部８と、分析部６における分析結果の表示や、分析部６、サンプリング制御部８などの操作を行うための表示操作部９とを備えている。

エンジン１は、例えば、車両などに搭載されるディーゼルエンジンやガソリンエンジンなどである。

上述したように、ＰＭ２には、図２に示すように、スート２ａの周囲にＶＯＦ２ｂが付着した状態となっているものや、スート２ａに付着していないＶＯＦ２ｂが固まった状態となっているものなどがある。

排ガス流路３は、例えば、エンジン１の排気管のみから構成されていてもよいし、排気管とこの排気管に接続されたホース等とから構成されていてもよい。

希釈部４は、例えば、希釈用トンネルからなる。すなわち、希釈部４は、排ガス流路３からの排ガスＧが内部に導入される管路４ａと、この管路４ａの上流側に設けられ、フィルタ（図示していない）を有し、清浄な空気を管路４ａ内に供給する空気導入部４ｂと、管路４ａの下流側に設けられたＣＦＶ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｆｌｏｗ Ｖｅｎｔｕｒｉ）４ｃおよび吸引ポンプ４ｄとを備え、排ガス流路３からの排ガスＧの全量を清浄な空気によって希釈するとともに、管路４ａ内を流れるガスが一定流量となるように構成されている。

加熱導入部５は、サンプルガスＳを所定の温度にした状態で分析部６に導入するように構成されている。そして、加熱導入部５は、希釈部４の管路４ａ内に挿入され、エンジン１から排出される排ガスＧをサンプリングしてサンプルガスＳを得るサンプリング手段としてのサンプリングプローブ５ａと、このサンプリングプローブ５ａに接続される低温ライン５ｂおよび高温ライン５ｃとを備えている。

低温ライン５ｂは、例えばヒータからなる加熱手段（図示していない）を有し、この加熱手段により内部が所定の温度（この実施例では約５２℃）となるように加熱され、低温ライン５ｂを流れるサンプルガスＳは、このサンプルガスＳに含まれるＰＭ２中のＶＯＦ２ｂが揮発しない低温状態となるように構成されている。また、低温ライン５ｂは、その下流側が分岐することで形成された２つの分岐流路５ｅ，５ｆを有している。

高温ライン５ｃは、例えばヒータからなる加熱手段（図示していない）を有し、この加熱手段により内部が所定の温度（この実施例では約１９１℃）となるように加熱され、高温ライン５ｃを流れるサンプルガスＳは、このサンプルガスＳに含まれるＰＭ２中のＶＯＦ２ｂが揮発する高温状態となるように構成されている。

分析部６は、サンプルガスＳに含まれるＰＭ２中のスート２ａを測定するためのスート測定部１０と、サンプルガスＳに含まれるＰＭ２中のＶＯＦ２ｂを測定するためのＶＯＦ測定手段１１とを備え、サンプルガスＳ中のＶＯＦ２ｂおよびスート２ａを並行して測定するように構成されている。

スート測定部１０の上流側にはナノ粒子除去ユニットＮが設けられる。一方、ＶＯＦ測定手段１１は、２つのＦＩＤ６ａ，６ｂと、一方のＦＩＤ６ａの上流側に設けられ、ＦＩＤ６ａに導入されるサンプルガスＳ中のＰＭ２を除去するためのフィルタ６ｃと、他方のＦＩＤ６ｂの上流側に設けられ、ＦＩＤ６ｂに導入されるサンプルガスＳ中のＰＭ２を除去するためのフィルタ６ｄとを有している。

そして、ナノ粒子除去ユニットＮおよびスート測定部１０と、一方のＦＩＤ６ａおよびフィルタ６ｃとは、低温ライン５ｂの下流側に並列的に設けられている。すなわち、低温ライン５ｂの下流側に設けられた２つの分岐流路５ｅ，５ｆのうちの一方の流路５ｅ中にナノ粒子除去ユニットＮおよびスート測定部１０が設けられ、他方の流路５ｆ中にフィルタ６ｃおよびＦＩＤ６ａが設けられている。また、他方のＦＩＤ６ｂおよびフィルタ６ｄは、高温ライン５ｃの下流側に設けられている。

ポンプ７は、加熱導入部５の上流側の圧力よりも、この加熱導入部５の下流側にある分析部６側の圧力が低くなるように圧力差を生じさせるためのものである。

サンプリング制御部８は、ポンプ７の出力を制御して、希釈部４から加熱導入部５を介して分析部６へと導入するサンプルガスＳの流量を調整するように構成されている。

表示操作部９は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）からなり、ケーブル９ａを介して、分析部６およびサンプリング制御部８に電気的に接続されている。

スート測定部１０は、ＰＭ２中のスート２ａに電荷ｅを付与し、スート２ａの電荷量を計測することで、この計測値からサンプルガスＳ中に含まれるスート２ａの表面積を導出するように構成されており、例えば、ＤＣセンサ（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｃｈａｒｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ）からなる。

詳しくは、図２に示すように、スート測定部１０は、金属製の筒体１０ａと、この筒体１０ａの上流側における内部に配置される帯電手段としての電荷付与部１０ｂと、筒体１０ａの下流側における内部に配置され、電荷付与部１０ｂにおいて電荷ｅが付与されたスート２ａを捕捉する導電性（例えば金属製）の捕捉部材１０ｃと、この捕捉部材１０ｃに電気的に接続される電荷量計測手段１０ｄとを備えている。

電荷付与部１０ｂは、筒体１０ａ内に配置される電極１０ｅと、この電極１０ｅを囲むように配置される導電性（例えば金属製）の網状部材１０ｆとを有している。そして、電荷付与部１０ｂは、電極１０ｅに例えば５０００〜７０００〔Ｖ〕程度（この実施例では５０００〔Ｖ〕）の電圧を印加するとともに、網状部材１０ｆに例えば２０〔Ｖ〕の電圧を印加することにより、コロナ放電が発生するように構成されている。

但し、この実施例ではコロナ放電を用いるが、他の方法として、紫外線の照射によってスート２ａに電荷ｅを付与してもよい。紫外線による帯電現象はスート２ａに対して非常に高感度を示し、スート２ａ以外の粒子に対してはほとんど感度を示さないという特異的な性質があり、極めて良い相関が得られる。もちろん、スート２ａに電荷ｅを付与する方法は、上述したコロナ放電や紫外線照射に限られず、その他の方法を用いてスート２ａに電荷ｅを付与するように電荷付与部１０ｂなどを構成してもよい。

ナノ粒子除去ユニットＮは、サンプルガスＳのＰＭ２からＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅを除去することができるように構成されており、例えば、酸化触媒によってＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅの主成分であるＨＣを酸化分解することで除去するように構成され、Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅを除去することができるＨＣＳ（Ｈｏｔ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｓｔｒｉｐｐｅｒ）、加熱によってＨＣをガス化し、かつガス化したＨＣを選択的に吸着するＴｈｅｒｍｏｄｅｎｕｄｅｒおよび、高温状態でＨＣを希釈し、液化を防ぐことによりＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅの発生をおさえるＴｈｅｒｍｏ Ｄｉｌｕｔｅｒ等をナノ粒子除去ユニットＮとして用いることができる。

次に、上記の構成からなる測定装置Ｄを用いた測定方法について説明する。

まず、エンジン１から排出された排ガスＧを排ガス流路３内に通して希釈部４内へと送る。この希釈部４において、排ガスＧは清浄な空気により希釈される。そして、希釈された排ガスＧの一部をサンプルガスＳとして加熱導入部５のサンプリングプローブ５ａから採取し、加熱導入部５内に送る。

続いて、加熱導入部５内に流れ込んだサンプルガスＳを分流し、低温ライン５ｂおよび高温ライン５ｃにそれぞれ流した後、分析部６へと導入する。ここで、低温ライン５ｂに流したサンプルガスＳを、このサンプルガスＳに含まれるＰＭ２中のＶＯＦ２ｂが揮発しない低温状態とする一方、高温ライン５ｃに流したサンプルガスＳを、このサンプルガスＳに含まれるＰＭ２中のＶＯＦ２ｂが揮発する高温状態とする。

低温ライン５ｂを流れて低温状態となり、低温ライン５ｂの下流側において分岐流路５ｅに流れ込んだサンプルガスＳは、分岐流路５ｅ中のナノ粒子除去ユニットＮに至り、このナノ粒子除去ユニットＮにより、サンプルガスＳ中の液状ＨＣ（Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ）が除去される。

その後、サンプルガスＳが分岐流路５ｅを流れてスート測定部１０に至ると、まず、電荷付与部１０ｂにおいて、コロナ放電により、サンプルガスＳ中の各スート２ａに、その表面積に応じた量の電荷ｅが付与される。続いて、電荷ｅが付与され帯電した状態の各スート２ａは、筒体１０ａ内を流れ、その下流側に配置された捕捉部材１０ｃに捕捉され、このとき、各スート２ａは電荷ｅを放出する。そして、放出された電荷ｅは電流となって電荷計測手段１０ｄに流れ、この電荷計測手段１０ｄにおいて、プリアンプ（図示していない）により電流を増幅し、信号レベルを大きくした状態で、電流計（図示していない）を用いてその電流値を計測する。このようにして得られた計測値はスート２ａの表面積にほぼ比例するものであり、この計測値を用いて所定の演算を行うことにより、サンプルガスＳ中に存在するスート２ａを連続的に測定することができる。

詳しくは、電荷計測手段１０ｄによって計測された電流値に基づいて、例えば、図３（Ａ）に示すようなグラフが得られる。図３（Ａ）では、横軸に粒子径、縦軸に表面積をとっており、表面積のピーク値が最も低いグラフをＡ₁ とし、次に表面積のピーク値が低いグラフをＡ₂ 、最も表面積のピーク値が高いグラフをＡ₃ としてそれぞれ示してある。なお、スート２ａに電荷ｅを付与する前に、サンプルガスＳに含まれる液状ＨＣ（Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ）はナノ粒子除去ユニットＮによって除去されているので、各グラフＡ_i （Ａ₁ 〜Ａ₃ ）において、上述したＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅに相当する部分に出力は認められず、Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅに相当する部分のみの出力が得られている。

ここで、各グラフＡ_i （Ａ₁ 〜Ａ₃ ）に対応する表面積Ｓ_i （Ｓ₁ 〜Ｓ₃ ）と、各グラフＡ_i に対応する体積Ｖ_i （Ｖ₁ 〜Ｖ₃ ）との関係は、所定の換算係数αを用いて下記の式（１）で表される。
Ｖ_i ＝αＳ_i …（１）

そして、図３（Ａ）に示した各グラフＡ_i （Ａ₁ 〜Ａ₃ ）は、横軸に粒子径、縦軸に表面積をとった図３（Ｂ）においてグラフＢ_i （Ｂ₁ 〜Ｂ₃ ）に変換される。

ここで、各グラフＢ_i に対応する体積Ｖ_i （Ｖ₁ 〜Ｖ₃ ）と、各グラフＢ_i に対応する質量Ｍ_i （Ｍ₁ 〜Ｍ₃ ）との関係は、密度ρを用いて下記の式（２）で表される。
Ｍ_i ＝ρＶ_i …（２）

従って、上記式（１）および（２）から、換算係数ｋを用いて下記の式（３）が導かれる。
Ｍ_i ＝ｋＳ_i …（３）
ここで、ｋ＝ρα

なお、上記換算係数ｋは、例えば、フィルタ重量法などによって得られるスートの表面積と質量との関係式から直接導出される。

すなわち、電荷計測手段１０ｄによって計測されたスート２ａの電荷量の計測値（電流値）がスート２ａの表面積に比例し、ひいてはスート２ａの質量に比例することを利用して、スート２ａの電荷量の計測値からスート２ａの表面積を求め、表面積に換算係数を乗ずることによりスート２ａの質量を算出する式（３）に示す演算を行うことにより、スート２ａの電荷量の計測値からスート２ａ（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ）の質量が導き出される。また、この質量と排ガスＧおよび／またはサンプルガスＳの流量とからスート質量濃度が求められる。

なお、上記式（３）に示す演算は、演算処理部（図示していない）において行われ、この演算処理部は、例えば、スート測定部１０に設けてあってもよいし、表示操作部９に設けてあってもよい。

また、低温ライン５ｂを流れて低温状態となったサンプルガスＳが、分岐流路５ｆに流れ込むと、フィルタ６ｃによりサンプルガスＳ中の固体成分が除去され、その後、ＦＩＤ６ａにおいてサンプルガスＳ中の炭化水素量が計測される。このＦＩＤ６ａの出力は、約５２℃にて気体状態となっているサンプルガスＳ中の炭化水素によるものであり、例えば、ケーブル９ａを介して表示操作部９に送られる。

一方、高温ライン５ｃを流れて高温状態となったサンプルガスＳは、高温ライン５ｃ中のフィルタ６ｄによりサンプルガスＳ中の固体成分が除去された後、ＦＩＤ６ｂに送られ、このＦＩＤ６ｂにおいてサンプルガスＳ中の炭化水素量が計測される。このＦＩＤ６ｂの出力は、約１９１℃にて気体状態となっているサンプルガスＳ中の炭化水素によるものであり、例えば、ケーブル９ａを介して表示操作部９に送られる。

従って、ＦＩＤ６ａからの出力とＦＩＤ６ｂからの出力との差は、約５２℃から約１９１℃の間に液体から気体に変化した高沸点の炭化水素、すなわちＶＯＦ２ｂの濃度（量）に対応するものであるので、表示操作部９において、ＦＩＤ６ａからの出力とＦＩＤ６ｂからの出力との差を求めることにより、サンプルガスＳ中のＶＯＦのみを連続的に測定することができる。

上記のように、分析部６において、スート２ａを測定するステップおよびＶＯＦ２ｂを測定するステップを経たサンプルガスＳは、サンプリング制御部８に至ったのち、適宜に処理（排出）される。

上記の構成からなる測定装置Ｄにおいて、上述したように、スート測定部１０としてＤＣセンサを用いた場合には、このＤＣセンサは構成がシンプルで必要な部品の数も少なく、小型化を容易に図ることができるので、測定装置Ｄ自体がシンプルな構成となり、低コストかつコンパクトに製作することも可能となる。

なお、この実施例は種々に変形することができる。例えば、ナノ粒子除去ユニットＮとして、排ガスＧを高温で希釈し、ＨＣが凝縮しにくく、ひいてはＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅが形成されにくくするＴｈｅｒｍｏ Ｄｉｌｕｔｅｒを用いてもよく、この場合には、ナノ粒子除去ユニットＮとしてのＴｈｅｒｍｏ Ｄｉｌｕｔｅｒを希釈部４としても用いることができる。

また、ＶＯＦ測定手段１１において、ＦＩＤ６ａ，６ｂに代えて、炭化水素を測定することができる他の装置を用いてもよい。

また、高温ライン５ｃの上流端から下流端までにおける内部のどの部分の温度も全てサンプルガスＳが前記高温状態となる所定の温度（例えば約１９１℃）に保つように構成すれば、高温ライン５ｃ中の内壁に対するサンプルガスＳに含まれるＰＭ２中のＶＯＦ２ｂの付着を防止することができ、ひいては高温ライン５ｃが長期間の使用に耐えるものとなるが、このような構成に限られず、例えば、分析部６のフィルタ６ｄおよびＦＩＤ６ｂに導入されるサンプルガスＳを前記高温状態に確実に保てる範囲で、高温ライン５ｃにおけるフィルタ６ｄおよびＦＩＤ６ｂの上流側の適宜の部分のみを所定の温度（例えば約１９１℃）に保ち、他の部分は加熱しない構成を採用してもよい。このことは、低温ライン５ｂについても同様である。いずれの場合も、加熱する部分を少なくすることができるため、ランニングコストをより低く抑えることが可能となる。

また、この実施例では、希釈部４を設け、エンジン１からの排ガスＧを希釈部４にて希釈することによりサンプルガスＳを形成しているが、このような構成に限られず、例えば、希釈部４を設けず、エンジン１からの排ガスＧをサンプルガスＳとして直接加熱導入部５に導入し、分析部６へと送るように構成してもよい。この場合には、例えば、サンプリングプローブ５ａを排ガス流路３内に挿入すればよい。

また、この実施例では、スート測定部１０とＶＯＦ測定手段１１とを設けて、サンプルガスＳに含まれるＰＭ２中のスート２ａとＶＯＦ２ｂとを測定するように構成してあるが、このような構成に限られず、例えば、ＶＯＦ測定手段１１を設けず、スート測定部１０のみを設けて、サンプルガスＳに含まれるＰＭ２中のスート２ａのみを測定するように構成してもよい。この場合には、高温ライン５ｃおよび分岐流路５ｆが不要となる。

また、この実施例では、加熱導入部５を大きくは低温ライン５ｂと高温ライン５ｃとに分け、低温ライン５ｂの下流側にスート測定部１０を設けているが、このような構成に限られず、例えば、高温ライン５ｃの下流側にスート測定部１０を設け、サンプルガスＳを前記高温状態とした後、スート測定部１０に送るように構成してもよい。この場合には、サンプルガスＳを高温状態とすることにより、サンプルガスＳに含まれるＰＭ２中の液状ＨＣ（Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ）が加熱により揮発した状態となるので、スート測定部１０の上流側に液状ＨＣ（Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ）を除去するためのナノ粒子除去ユニットＮを設ける必要がなくなり、測定装置Ｄをより低コストで製造することが可能となる。

本発明の一実施例に係る粒子状物質測定方法を実施するための粒子状物質測定装置の構成を概略的に示す説明図である。 前記粒子状物質測定装置の要部の構成を概略的に示す説明図である。 （Ａ）は、スート測定部により測定されたスートの粒子径と表面積との関係を概略的に示すグラフ、（Ｂ）は、スート測定部により測定されたスートの粒子径と体積との関係を概略的に示すグラフである。 ＰＭの粒子径と表面積との関係を概略的に示すグラフである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 粒子状物質
２ａ スート
Ｄ 粒子状物質測定装置
ｅ 電荷
Ｇ 排ガス
Ｓ サンプルガス

Claims (10)

1. 内燃機関から排出されるガスをサンプリングし、そのサンプルガスに含まれる粒子状物質中の、揮発性有機成分が付着しているかまたは付着していないスートに電荷を付与し、スートの電荷量を計測する粒子状物質測定方法であって、
   スートに電荷を付与する前に、サンプルガスに含まれる粒子状物質中のＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子を除去するかまたは揮発させ、
   前記スートの電荷量の計測値からスートの表面積を求め、表面積に換算係数を乗ずることによりスートの質量濃度を算出することを特徴とする粒子状物質測定方法。
2. 前記Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子は、スートの周囲に付着せずに存在する液状ＨＣである請求項１に記載の粒子状物質測定方法。
3. 前記Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子を、加熱によって揮発させる請求項１または２に記載の粒子状物質測定方法。
4. サンプルガスに含まれる粒子状物質中の揮発性有機成分を測定するステップを含む請求項１〜３のいずれかに記載の粒子状物質測定方法。
5. サンプルガスに含まれる粒子状物質中の揮発性有機成分を測定するステップにおいて、サンプルガスを、このサンプルガス中の揮発性有機成分が揮発しない低温状態とした後、水素炎イオン化検出器によって測定して得た検出値と、揮発性有機成分が揮発する高温状態とした後、水素炎イオン化検出器によって測定して得た検出値とから、サンプルガス中の揮発性有機成分濃度を導出する請求項４に記載の粒子状物質測定方法。
6. 内燃機関から排出されるガスをサンプリングしてサンプルガスを得るサンプリング手段と、サンプルガスに含まれる粒子状物質中の、揮発性有機成分が付着しているかまたは付着していないスートに電荷を付与する帯電手段と、スートの電荷量を計測する計測手段とを備えた粒子状物質測定装置であって、
   帯電手段に送られる前のサンプルガスに含まれる粒子状物質中のＮｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子を除去するかまたは揮発させるように構成されており、
   前記スートの電荷量の計測値からスートの表面積を求め、表面積に換算係数を乗ずることによりスートの質量濃度を算出する演算処理部を備えたことを特徴とする粒子状物質測定装置。
7. 前記Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子は、スートの周囲に付着せずに存在する液状ＨＣである請求項６に記載の粒子状物質測定装置。
8. 前記Ｎｕｃｌｅｉ Ｍｏｄｅ粒子を加熱によって揮発させる加熱手段を備えた請求項６または７に記載の粒子状物質測定装置。
9. サンプルガスに含まれる粒子状物質中の揮発性有機成分を測定する揮発性有機成分測定手段を備えた請求項６〜８のいずれかに記載の粒子状物質測定装置。
10. 揮発性有機成分測定手段が、２つの水素炎イオン化検出器を有し、一方の水素炎イオン化検出器によって、揮発性有機成分が揮発する高温状態となったサンプルガスを測定し、他方の水素炎イオン化検出器によって、揮発性有機成分が揮発しない低温状態となったサンプルガスを測定するように構成されている請求項９に記載の粒子状物質測定装置。

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