JP2004117259A - 車載型hc測定装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エンジン2に連なる排気管3を流れる排ガス中のHC(炭化水素)濃度を連続的に測定するためのNDIR(非分散型赤外分光法)型ガス分析計8と、前記排気管3を流れる排ガスGの流量を連続的に測定する排ガス流量計9と、前記NDIR型ガス分析計8および排ガス流量計9のそれぞれの出力を演算処理して、前記排ガスG中のTHC(全炭化水素)量を連続的に算出する演算処理装置10を車両1内に搭載可能とした。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、路上走行中の自動車などの車両のエンジンからの排ガスに含まれるHC濃度をリアルタイムに測定することのできる車載型HC測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】特開2001−124674号公報
近年、エンジン排ガス(以下、単に排ガスという)の環境負荷に対する関心が高まる中、その実態をより現実の環境に近い状態で把握しようとする動きが出てきており、路上走行中の車両から排出される窒素酸化物(NOX )、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2 )などの成分について測定する手法の模索が行われている。このような要求を満たすものとして、前記特許文献1に記載された車載型エンジン排ガス分析計がある。この特許文献1に係る車載型エンジン排ガス分析計によれば、実際の道路環境において車両が排出する排ガスに含まれるCO、CO2 、NO、N2 O、H2 O、NH3 、HCHOなどといった複数の成分を同時に連続的に測定することができる。
【0003】ところで、近年、排ガスの分析においては、HCのリアルタイムな定量分析の要望が高まってきているところであるが、上記車載型エンジン排ガス分析計では、成分分析にフーリエ変換赤外分光計(FTIR)を用いているところから、THCについては測定することができない。一方、THCを測定する装置としては、水素炎イオン化検出器(FID)を用いる方法が公知である。このFID法は、安定性に優れており、含有炭素数に比例した応答を示すところから、従来より、大気中やボイラーなどの燃焼装置から排出される燃焼ガス中に含まれるTHCの濃度を測定するHC計として用いられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記FID法は、分析に際して、燃料水素や助燃空気などのオペレーションガスが必要であり、小型で操作が簡単な測定が要求される車載用途には不向きであるといった課題がある。
【0005】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、実際の道路を走行中の車両においてその排ガス中のTHCを簡易に測定することのできる車載型HC測定装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、この発明の車載型HC測定装置は、エンジンに連なる排気管を流れる排ガス中のHC(炭化水素)濃度を連続的に測定するためのNDIR(非分散型赤外分光法)型ガス分析計と、前記排気管を流れる排ガスの流量を連続的に測定する排ガス流量計と、前記NDIR型ガス分析計および排ガス流量計のそれぞれの出力を演算処理して、前記排ガス中のTHC(全炭化水素)量を連続的に算出する演算処理装置を車両内に搭載可能としている(請求項1)。
【0007】上記請求項1に記載の車載型HC測定装置において、HC濃度を求めるに際して、NDIR型ガス分析計によって得られる測定結果に所定の補正係数を乗ずるようにするのが好ましい(請求項2)。
【0008】排ガスG中に含まれるHC種は、一つではなく、多数存在し、これら複数のHC成分の濃度をNDIR型ガス分析計を用いて測定した場合、図6に示すように、HC成分ごとに相対感度にばらつきがあることが分かっている。
【0009】そして、NDIR型ガス分析計を用いたHCの濃度測定によるHC濃度(以下、NDIR−HCと表す)は、ヘキサン(n−C6 H14)換算、すなわち、n−ヘキサンとしての濃度(ppm)として出力される。一方、FIDを用いたHCの濃度測定によるHC濃度(以下、FID−HCと表す)はppmCである。そして、本願の発明者は、種々の実験を繰り返し行った結果、前記NDIR−HCとFID−HCとの間に一定の関係があることを見いだした。
【0010】図7は、種々の自動車を種々のモード運転を行ったときのNDIR−HCとFID−HCとをプロットしたもので、FID−HCをy、NDIR−HCをxとするとき、
y=1.66x ……(1)
なる関係があることを見出した。すなわち、NDIR−HCに対して補正係数として1.66を乗じ、下記(2)式によりFID−HCに相当する値が得られる。
FID−HC≒補正係数×(NDIR−HC)×6×Q/L ……(2)
ここで、Q:排ガス総流量(L)、L:走行距離(km)
【0011】そして、図8および図9は、それぞれ、ディーゼル車およびガソリン車におけるTHCの排出濃度の時間的変化を示すもので、いずれの図においても、上段がNDIR−HCを、中段がFID−HCを、下段が走行モードをそれぞれ示している。これらの図から、前記(1)式の関係の正しさが理解される。
【0012】また、図10はFID法HC計を用いたモーダルマス計測法と従来から一般に用いられているCVS(定容量ガスサンプリング方式)法におけるHC排出量を比較して表したものであり、図11はこの発明の車載型HC測定装置を用いたOBS(On−Board Emission Measurement System)による、すなわち、この発明の車載型HC測定装置によるHC排出量とCVS法によるHC排出量とを比較して表した図である。FID法HC計による測定およびOBSによる測定のいずれも、一般的なCVS法による測定と1:1の相関関係があることが分かる。
【0013】上記構成の車載型HC測定装置においては、HC濃度の測定にFID法を用いるものではないので、燃料水素や助燃空気などのオペレーションガスを用意する必要がなく、装置全体を小型・コンパクトなものに構成することができる。そして、NDIR法によるHCの分析は、HCの各成分によって相対感度にバラツキがあるが、適当な補正係数を用いることにより、簡易にTHC排出量を演算することができる。したがって、前記車載型HC測定装置によれば、走行中の車両における排ガス中のTHCを簡易に測定することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図1〜図5は、この発明の車載型HC測定装置の一例を示すものである。まず、図1は、前記車載型HC測定装置を自動車に搭載した実施の形態を示し、この図において、1は測定に供される車両としての自動車である。2はこの自動車1のエンジン、3はエンジン2に連なり排ガスGが流れる排気管、4は排気管3に設けられる触媒装置である。5,6は自動車1の前輪、後輪、7は路面である。
【0015】そして、前記排気管3には、図2にも示すように、NDIR型ガス分析計8と排ガス流量計9が設けられている。すなわち、前記NDIR型ガス分析計8は、自動車1の内部に設けられ、ガス分析部8Aと演算制御部8Bとからなる。また、排ガス流量計9は、例えばピトー管式流量計よりなり、排気管3に着脱自在に取り付けられる構成となっている。これら8,9の構成は、後で詳しく説明する。そして、10は自動車1の内部に搭載される演算処理装置(例えばパソコンなど)で、前記演算制御部8Bとの間で信号を授受してNDIR型ガス分析計8全体を制御したり、演算制御部6Bおよび排ガス流量計9からの信号に基づいて演算を行って、エンジン2から排出されるHC量(重量)を算出したり、各種の測定結果などを表示したり、測定結果などを記憶および記録する。なお、11は排ガス流量計9と演算処理装置10との間に介装されるインタ−フェースで、アナログ信号をディジタル信号に変換する機能などを備えている。また、前記演算処理装置10には、自動車1における車速やエンジン回転数などの車両データも送られるようにしてある。
【0016】前記NDIR型ガス分析計8の構成を詳細に説明すると、排気管3の触媒装置7より下流側には、図2にも示すように、分岐接続部12および合流接続部13が形成してあり、これらの接続部12,13間にはガス測定流路14が設けてある。このガス測定流路14にNDIR型ガス分析計8のガス分析部8Aが介装されている。なお、ガス測定流路14のうち、分岐接続部12からNDIR型ガス分析計8までをサンプリング流路14aといい、NDIR型ガス分析計8から合流接続部13までを排出流路14bという。
【0017】前記分岐接続部12は、排気管3を流れてくるエンジン2からの排ガスGの一部をサンプルガスSとして採取できるように構成されている。また、前記サンプりング流路14aにはヒータが巻設してあり、これを流れるサンプルガスSが所定の温度に加熱保温されるようにしてある。このように、加熱されたガス測定流路14を介してガス分析部8Aに供給するので、高濃度の水分を含むサンプルガスSであってもこれを除湿処理を施すことなく測定することができる。そして、演算制御部8Bは、自動車1内の演算処理装置10からの指令によりガス分析部8Aの各部を制御したり、ガス分析部8Aの検出器(後述する)の出力信号に基づいて濃度演算を行うように構成されている。
【0018】
図3は、NDIR型ガス分析計8のガス分析部8Aの構成の一例を概略的に示すもので、この図において、15はセルで、その両端側が赤外透過性のセル窓15a,15bで封止されるとともに、サンプルガスSの入口15c、出口15dが形成されている。このセル15は、詳細に図示していないが、適宜のヒータで加熱され適宜の温度になるように構成されている。そして、前記ガス入口15cにはガスサンプリング流路14aの下流端が接続され、ガス出口15dには排出流路14bの上流端が接続される。
【0019】16はセル15の一方のセル窓15a側に設けられ、セル15内に赤外光を照射するための赤外光源、17は赤外光源16とセル15との間に介装される光チョッパで、例えばモータ(図示していない)によって回転駆動され、赤外光源16によって発せられる赤外光を一定周期で断続(チョッピング)するように構成されている。
【0020】18はセル15の他方のセル窓15b側に設けられる検出部で、複数の赤外線検出器を互いに光学的に並列的に設けてなるものである。この実施の形態においては、例えばサンプルガスS中に含まれる測定対象成分である複数のHC成分の濃度を測定するためのHC検出器と、サンプルガスS中に含まれる干渉成分としての水分(H2 O)を測定するための水分検出器と、比較検出器として、図4に示すように、同心円上かつ円周を3等分する位置に設けられた赤外線検出器(以下、単に検出器という)19,20,21(図3では、便宜上一直線上に表している)と、これらの検出器19〜21の受光側にそれぞれ対応して設けられる光学フィルタ22〜24からなる。
【0021】前記検出器19〜21は、例えば半導体検出器よりなる。そして、HC検出器19に対応する光学フィルタ22は、HCの特性吸収帯域の赤外線のみを通過させるバンドパスフィルタよりなり、また、水分検出器20に対応する光学フィルタ23は、H2 Oの特性吸収帯域の赤外線のみを通過させるバンドパスフィルタよりなり、さらに、比較検出器21に対応するフィルタ24は、サンプルガスS中のHC、H2 Oのいずれに対しても吸収帯域のないところの波長の赤外線を通過させるバンドパスフィルタよりなる。
【0022】25は演算制御部8B内の濃度演算部で、検出器19〜21の出力に基づいて濃度演算を行うもので、26は同期整流回路、27は平滑回路、28は引き算回路、29は水分干渉並びに水分共存影響補正演算回路(以下、単に補正演算回路という)であり、検出器19〜21の出力に基づいて、測定対象成分としてのHCの濃度および干渉成分としての水分の濃度を演算し、さらに、これらの濃度を用いて、水分共存影響を補正したHCの濃度を得るものである。
【0023】図5は、排ガス流量計9の構成を概略的に示すもので、この図において、30はエンジン2からの排ガスGが流れる排気管3の下流端部6aに分離自在に接続されるアダプタ管で、排気管3と同等の内径を有し、その一端側には、固定ねじ31を備え前記下流端部6aに着脱自在に外嵌される接続部32が形成され、他端側は開放されている。そして、このアダプタ管30には、ピトー管式流量計9がユニット構成された状態で設けられている。すなわち、アダプタ管30の上流側位置の管壁30aに管内部を臨むように静圧検出用ピトー管33が設けられ、この静圧検出用ピトー管33のやや下流側に管内に挿入されるようにして動圧検出用ピトー管34が設けられている。これらのピトー管33,34は、それぞれ、バッファタンク35,36を介して差圧計37に接続されている。38は前記各部材33〜37を収納するケースで、アダプタ管30に適宜の手段で着脱自在に取り付けられている。
【0024】次に、上記構成の車載型HC測定装置の作動について、図6〜図11をも参照しながら説明する。図1に示すように、自動車1を実際の道路上において、種々の条件(例えば上り坂、下り坂、凸凹道、雨天、急カーブ、総重量など)で走行させる。これにより、エンジン2からの排ガスGが排気管3に排出され、排ガスGの一部が分岐接続部12を経てガスサンプリング流路14aにサンプルガスSとして採取され、NDIR型ガス分析計8のガス分析部8Aのセル15に供給される。
【0025】この場合、分岐接続部12およびガスサンプリング流路14aがヒータにより適宜の温度に加熱・保温されているとともに、セル15も適宜の温度に加熱・保温されているので、採取されたサンプルガスS中に含まれる成分や水分が凝結するのが防止される。
【0026】
前記ガス分析部8Aにおいては、赤外光源16によってセル15を照射し、光チョッパ17が所定の周期で回転している状態で、ガスサンプリング流路14aを経たサンプルガスSがセル15に供給されることにより、検出器19〜21からHCおよびH2 Oのそれぞれの濃度に対応した交流信号および比較信号としての交流信号が出力され、これらが同期整流回路26に入力される。
【0027】そして、同期整流回路26には、例えば光チョッパ17の回転周期に基づく整流用同期信号aが入力されているので、この同期信号aによって、濃度に対応した測定交流信号が同期整流され、さらに、平滑回路27において平滑処理される。そして、HC、H2 Oの濃度は、引算回路28において、比較検出器21の出力からHC、H2 Oに関するそれぞれの検出器19,20の出力をそれぞれ引算することによって得ることができる。
【0028】ところで、上記演算によって得られるHCの濃度は、サンプルガスS中に含まれる水分による影響を受けているので、この水分影響を補正して、真の濃度(水分影響補正後濃度)を得る必要がある。以下、この濃度の補正の原理および手順について簡単に説明する。
【0029】一般に、NDIR法に則って、HCを測定すると、H2 Oの赤外吸収帯(領域)とHCの赤外吸収帯(領域)とが重なり合っているので、HC計のゼロ点における水分干渉が表れる。また、スパン点では水分干渉、水分共存影響がある。このスパンでの水分共存影響とは、サンプルガスS中に水分が共存することにより、HCの赤外吸収の度合い自体が変化するもので、水分の共存影響は、HC濃度には依存せず、水分濃度と一定の関係を有することが分かっている。そこで、上記NDIR型ガス分析計8においては、水分検出器20の出力および比較検出器21の出力に基づいて得られる水分濃度を用いてゼロ点における水分干渉を補正する。ここで、既に説明しているように、ゼロ点における水分干渉を補正したHC濃度は、水分濃度に対してほぼ一定の関係で水分共存影響を受けているので、ゼロ点における水分干渉を補正したHC濃度について水分共存影響を補正する。これにより、ゼロ点における水分干渉およびスパン点における水分干渉の両方を除去した補正後のHC濃度を得ることができる。
【0030】なお、上述したのHCの濃度に対するサンプルガスS中に含まれる水分による影響の除去の詳細については、本願出願人が特願2002−16635号において特許出願しているところである。
【0031】このように、前記NDIR型ガス分析計8においては、HC濃度についてゼロ点における水分干渉を除いた後、水分濃度と水分共存影響の直線的な関係に基づいて水分共存影響を除去しているので、HC濃度を高精度に測定することができる。そして、従来の方法や装置とは異なり、除湿装置などの前処理装置を設ける必要がないので、分析の応答速度がそれだけ早くなるとともに、装置全体の構成がコンパクトになり、省スペース化を図ることができ、省電力、低コストで測定を行うことができる。また、サンプルガスSを所定の温度以上になるように加熱保温した状態で測定しているので、水分分圧補正が不要になる。
【0032】
上述したように、上記構成の車載型HC測定装置においては、エンジン2からの排ガスGの一部がNDIR型ガス分析計8でのHCの濃度測定のために排気管3の分岐接続部12において部分的にサンプリングされ、NDIR型ガス分析計8にサンプルガスSとして供給されるが、このサンプルガスSは、排気管3の合流接続部13において、排気管3を流れる大部分の排ガスGと合流する。つまり、排気管3を流れる排ガスGの流量は、排気管3の下流端に接続されるアダプタ管30に設けられた排ガス流量計9によって連続的に測定される。
【0033】すなわち、前記排ガス流量計9においては、静圧検出用ピトー管33によって、排気管3を経てアダプタ管30内を流れる排ガスGの静圧が得られ、動圧検出用ピトー管34によって、前記排ガスGの動圧と静圧の和が得られる。そして、差圧計37において、前記静圧検出用ピトー管33による検出圧力と、動圧検出用ピトー管34による検出圧力との差をとることにより、排ガスGの動圧が得られ、これに基づいて演算を行うことにより排ガスGの流量が得られる。そして、この場合、静圧検出用ピトー管33および動圧検出用ピトー管34による圧力を、それぞれ、バッファタンク35,36を介して差圧計37に入力するようにしているので、前記排ガスGが脈動し、これに起因して変動する圧力の変動分がバッファタンク35,36によってそれぞれ除去されるので、排ガスGの流量変化によって生ずる圧力差のみ取り出すことができ、エンジン2の出力の変動に起因して排ガスGに脈動が生じていても、これの影響を巧みに除去することができ、排ガスGの流量を精度よく測定することができる。
【0034】上述のように、この実施の形態における車載型HC測定装置においては、NDIR型ガス分析計8によって、エンジン2から排出される排ガスG中に含まれるHCの濃度を連続測定することができるとともに、排ガス流量計9によって、前記排ガスGの流量を連続測定することができる。したがって、前記HC濃度および排ガス流量からエンジン2から排出されるHCの重量(HC量)を連続的に演算により求めることができる。
【0035】そして、前記車載型HC測定装置は、NDIR法に則ってHC濃度の測定を行うものであり、FID法によって濃度測定を行うときとは異なり、燃料水素や助燃空気などのオペレーションガスを用意する必要がなく、HC濃度測定装置として小型・コンパクトなものとなり、自動車1に搭載することができ、所謂車載型となるので、自動車1を走行させた状態において排ガス測定を連続的リアルタイムに行うことができる。
【0036】また、上記排ガス流量計9は、自動車1のエンジン2に連なる排気管3に対して着脱自在かつ容易なアダプタ管30にユニット的に形成されるものであり、小型・コンパクトである。また、上記実施の形態のように、静圧検出用ピトー管33および動圧検出用ピトー管34と差圧計37との間にバッファタンク35,36を設けた場合には、排気管3を流れる排ガスGに脈動が生じても、これの影響を受けることなく排ガスGの流量を高精度に連続測定することができる。
【0037】したがって、上記NDIR型ガス分析計8および排ガス流量計9からなる車載型HC測定装置によれば、排ガスG中のHC量を連続的かつ高精度に測定することができる。
【0038】なお、上記実施の形態においては、濃度算出や濃度補正などの演算をNDIR型ガス分析計8において行うようにしているが、これらの演算を演算処理装置10において行うようにしてもよい。
【0039】また、排ガス流量計9としては、上記ピトー管式流量計以外の、例えばカルマン流量計など他のタイプの流量計を用いてもよい。
【0040】さらに、エンジン2は、シャシダイナモ上において所定の走行モードで走行している自動車に搭載されているものであってもよく、また、エンジンダイナモ上に載置されたエンジン単体であってもよい。
【0041】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の車載型HC測定装置は、HC濃度測定装置としてのNDIR型ガス分析計と、排ガス流量測定装置としての排ガス流量計と、NDIR型ガス分析計および排ガス流量計の出力に基づいてHC量を演算する演算処理装置を車内に設けたものであるので、構成が小型かつコンパクトであり、走行中の車両においてその排ガス中のHCを簡易に測定することができる。
【0042】特に、HCの濃度(量)の演算に際しては、適当な補正係数を用いることにより、簡易にHC排出量を演算することにより、従来の手法と同様の精度でありながらも簡便にHC量を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の車載型HC測定装置を自動車に搭載した状態を概略的に示す図である。
【図2】
前記車載型HC測定装置の構成の一例を概略的に示す図である。
【図3】前記車載型HC測定装置におけるNDIR型ガス分析計の構成の一例を概略的に示す図である。
【図4】前記NDIR型ガス分析計の検出部における赤外線検出器の配置の一例を模式的に示す図である。
【図5】前記車載型HC測定装置における排ガス流量計の構成の一例を概略的に示す図である。
【図6】
NDIR法におけるHC成分の相対感度を比較して示す図である。
【図7】
種々の自動車を種々のモード運転を行ったときのNDIR法によるHC濃度とFID法によるHC濃度ととをプロットした状態を示す図である。
【図8】
ディーゼル車におけるTHCの排出濃度の時間的変化を示す図である。
【図9】
ガソリン車におけるTHCの排出濃度の時間的変化を示す図である。
【図10】FID法HC計を用いたモーダルマス計測法とCVS法におけるHC排出量を比較して表した図である。
【図11】この発明の車載型HC測定装置によるHC排出量とCVS法によるHC排出量とを比較して表した図である。
【符号の説明】
1…車両、2…エンジン、3…排気管、8…NDIR型ガス分析計、9…排ガス流量計、10…演算処理装置、G…排ガス。
Claims (2)
- エンジンに連なる排気管を流れる排ガス中のHC(炭化水素)濃度を連続的に測定するためのNDIR(非分散型赤外分光法)型ガス分析計と、前記排気管を流れる排ガスの流量を連続的に測定する排ガス流量計と、前記NDIR型ガス分析計および排ガス流量計のそれぞれの出力を演算処理して、前記排ガス中のTHC(全炭化水素)量を連続的に算出する演算処理装置を車両内に搭載可能としたことを特徴とする車載型HC測定装置。
- NDIR型ガス分析計によって得られる測定結果に所定の補正係数を乗じたものをHC濃度とする請求項1に記載の車載型HC測定装置。
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