JP2005091297A

JP2005091297A - 全炭化水素分析システム

Info

Publication number: JP2005091297A
Application number: JP2003328458A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Uchida; 謙一内田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】多数のＨＣ成分が混在するガスの測定において、配管へのＨＣの付着による測定への影響を抑制し、高濃度ＨＣの測定と低濃度ＨＣの測定を連続的に行うことを可能とした全炭化水素分析システムを提供する。
【解決手段】試料吸引・流量調整機構３により測定対象ガスを吸引して、その全炭化水素濃度を分析計１により計測する全炭化水素分析システムにおいて、試料採取管２上流で吸引される測定対象ガスを周期的にガス源４から導入する窒素ガス等により希釈するガス希釈装置９を備え、希釈時と非希釈時の分析結果を基に対象ガス中の全炭化水素濃度を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、全炭化水素分析システムに関し、特に、エンジンの排気等の多種類の炭化水素が混在するガスの全炭化水素濃度を分析する全炭化水素分析システムに関する。

自動車の排気ガスやボイラー等の燃焼機器の排気ガス中に含まれる全炭化水素（Total Hydro-Carbon ：ＴＨＣ）を測定する全炭化水素分析システムが知られている（特許文献１〜３参照）。特許文献１の技術は、水素炎イオン化検出器（Flame Ionization Detector ：ＦＩＤ）を用いた全炭化水素分析システムであり、バックグラウンドの影響を排除するため、サンプルガスの流量を一定周波数で変更している。特許文献２の技術は、濃度の異なる２種類のサンプルガスを比較ガスにより互いに異なる周波数で流体変調して同一のＦＩＤに導き、測定を行うことにより、各サンプルガス中のＴＨＣ濃度を連続的に測定する。また、特許文献３の技術では、イオン化効率の変化および蒸気圧等の物性値が測定対象試料と同程度の既知濃度の標準試料を添加しながら測定し、測定対象試料と添加した標準試料のイオン強度を比較することで、測定対象試料の濃度を較正するものである。
実開平７−３６０５５号公報（段落００１２〜００２０、図１〜図３）特開平１−１７４９３９号公報（第２頁右下欄〜第４頁左上欄、第１図、第２図）特開２００１−１４７２１６号公報（段落００４７〜００６２、図１、図６）

エンジンの排気等の多種類のＨＣが混在するガスの測定を行う場合、高濃度のＨＣを含むガスを測定する際には、配管壁面に高沸点のＨＣが吸着／凝縮されて堆積し、これより低濃度のＨＣを含むガスを測定する際に、壁面に付着したＨＣが脱離して試料ガスとともに計測器に送られることになる。従来は、こうした吸着・脱離の影響を排除するため、試料採取系を加熱して付着を防止したり、試料採取管を長時間パージして洗浄したり、取り替えたりする手法が用いられていた。

しかしながら、試料採取系を加熱すると、測定成分であるＨＣが酸化・熱分解を起こす可能性があるため、加熱温度に限界があり、十分な吸着／脱離の防止効果が得られない。また、パージや配管の取り替えという方法では、測定準備に時間を要するだけでなく、連続的な測定を行えない。

そこで本発明は、多数のＨＣ成分が混在するガスの測定において、配管へのＨＣの付着による測定への影響を抑制し、高濃度ＨＣの測定と低濃度ＨＣの測定を連続的に行うことを可能とした全炭化水素分析システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る全炭化水素分析システムは、試料吸引・流量調整機構により測定対象ガスを吸引して、該対象ガス中の全炭化水素濃度を分析計により計測する全炭化水素分析システムにおいて、この試料採取管上流で吸引される測定対象ガスを周期的に希釈するガス希釈装置を備え、希釈時と非希釈時の分析結果を基に対象ガス中の全炭化水素濃度を補正することを特徴とする。

ガス希釈装置により、測定対象ガスは周期的に希釈されて分析計へと送られる。試料採取管への高沸点ＨＣの吸着・凝縮がある場合、測定対象ガスのＨＣ濃度によっては吸着・凝縮されていたＨＣが脱離・気化して、測定対象ガスとともに分析計へと送られることになる。分析計に送られるガスは、試料採取管から脱離・気化するＨＣを含んだ測定対象ガス（周期的に希釈されている。）となる。

このガス希釈装置は、炭化水素を含有しない所定のガスを保有する希釈ガス源と、この希釈ガス源と、試料採取管とを接続するガス導入管と、ガス導入管上に配置され、希釈ガス源から試料採取管へと導入するガス量を調整する流量調節機構と、流量調節機構の下流に配置され、ガス導入管の連通、遮断を周期的に切り替える切替弁と、を備えていることが好ましい。

希釈ガス源のガスは、流量調節機構を経て、切替弁によりガス導入管が連通されている場合に、試料採取管へと導入されて、試料採取管を流れる測定対象ガスを希釈して分析計へと導かれる。一方、切替弁によりガス導入管が遮断されている場合には、試料採取管へと導入されることはなく、処理採取管を流れる測定対象ガスは希釈されることなく分析計へと導かれる。

測定対象ガスを周期的に希釈することで、希釈時と非希釈時のＨＣ濃度測定結果から、試料採取管から脱離・気化するＨＣの影響を把握することができる。把握した脱離・気化したＨＣの影響分を除外することにより、実際の測定対象ガス中のＨＣ濃度を正確に把握することができる。

希釈ガス源から流量調節機構と切替弁を用いて測定対象ガスの希釈を行うことで、周期的に所望の比率で測定対象ガスの希釈を行うことができるので、試料採取管内で脱離・気化するＨＣの影響を精度よく把握することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明に係る全炭化水素分析システムの第１の実施形態を示す概略構成図である。この全炭化水素（ＴＨＣ）分析システム１００は、例えば、エンジンベンチ定常試験において、排気ガス中のＴＨＣ濃度を測定するものであり、ＴＨＣ分析計１と、エンジン排気管２００からＴＨＣ分析計１に分析対象試料である排ガスを導入する試料採取管２と、この試料採取管２上に配置される試料吸引調整機構３と、ＨＣを含まない、例えば純窒素ガスを貯蔵しているガス源４（以下の説明では、純窒素ガスである場合を例に説明する。）と、このガス源４と試料採取管２の上流部を接続するガス導入管５と、ガス導入管５上に配置される流量調整機構６と、電磁弁７からなる。そして、これらを制御するとともに、ＴＨＣ分析計１の出力を制御装置８を備えている。

試料吸引調整機構３は、例えば、吸引ポンプとエアフローメータからなり、流量調整機構６は、例えば、流量調整弁からなる。ガス源４、ガス導入管５、流量調整機構６、電磁弁７がガス希釈装置９を構成している。

このＴＨＣ分析システム１００におけるＴＨＣ濃度の測定は、以下のようにして行われる。エンジン排気管２００を流れるエンジン排ガスの一部は、試料吸引調整機構３によって試料採取管２を通じてＴＨＣ分析計１へと導かれる。このとき、制御装置８は、電磁弁７のオンオフを周期的に切り替え、かつ、流量調整機構６と、試料吸引調整機構３による吸引量を適切に制御することにより、所定の比率の純窒素ガスをエンジン排ガスに添加することにより、エンジン排ガスを周期的に希釈する。

図２は、このようにして周期的に排ガスを希釈しながら測定を行った場合のＴＨＣ分析計１の出力の時間変化例を示す図である。ａ１、ａ２、ａ３の時点では、電磁弁７はオフ（閉）にされており、エンジン排ガスは希釈されずに試料採取管２を通じてＴＨＣ分析計１へと導かれている。一方、ｂ１、ｂ２、ｂ３の時点では、電磁弁７はオン（開）にされており、エンジン排ガスは、試料採取管２の上流部で、ガス源４から導入された純窒素ガスと混合し、所定の比率で希釈されてＴＨＣ分析計１へと導かれる。

ここで、前回測定時に高沸点ＨＣが試料採取管２の内壁に付着しており、今回の測定時には、この付着していたＨＣが徐々に脱離して、エンジン排ガスとともにＴＨＣ分析計１へ導かれているものとする。時点Ｘにおける、エンジン排気中のＴＨＣ濃度を[Cex]X、脱離したＨＣ成分の濃度を[Ccon]X、ＴＨＣ分析計１の出力濃度を[Cmeas]Xとし、純窒素ガスによるエンジン排ガスの希釈比をＤＦ（純窒素ガスとエンジン排ガスの比がｎ対１のときに、１／（１＋ｎ）で表せる。）とすると、以下の４つの式が成立する。

式（１）は、希釈しないときのＴＨＣ分析計１の出力[Cmeas]an（ｎは、計測時点を表す整数）が、エンジン排気中のＴＨＣ濃度[Cex]anと、脱離ＨＣ成分濃度 [Ccon]anの和であることを示している。式（２）は、希釈したときのＴＨＣ分析計１の出力[Cmeas]bnが、エンジン排気中のＴＨＣ濃度[Cex]bnを希釈比ＤＦだけ希釈したものと、脱離ＨＣ成分濃度[Ccon]bnの和であることを示している。式（３）は、本測定がエンジンの定常運転状態における測定であることから、エンジン排気中のＴＨＣ濃度[Cex]に変化がないと仮定した結果、得られるものである。式（４）は、脱離ＨＣ成分濃度[Ccon]が経時的に漸減していくと仮定した結果、得られるものである。

これらの式を整理すると、次の式（５）が得られる。

このように、非希釈時のＴＨＣ分析計１の出力[Cmeas]anとその前後の希釈時点のＴＨＣ分析計１の出力[Cmeas]b(n-1)、[Cmeas]bnと希釈比ＤＦから簡単な計算で真のエンジン排気中のＴＨＣ濃度[Cex]anを求めることができるので、試料採取管２の内壁への高融点ＨＣの付着の影響を排除できる。そのため、試料採取管の洗浄や交換を行うことなく、高濃度ＨＣを含む排ガスのＴＨＣ濃度測定に続けて、低濃度ＨＣを含む排ガスのＴＨＣ濃度測定を精度良く行うことができるので、短いスケジュールで測定を行うことができる。

試料採取管２とガス導入管５の接続箇所、言い換えると、試料採取管２への希釈用のガスの注入箇所は、試料採取管２のできる限り上流側に配置することが好ましい。図３、図４は、注入箇所を試料採取管２の上流端近傍に配置する場合の、その注入箇所の構造を示す概略構成図である。

図３に示される実施形態（第２の実施形態）では、ガス導入管５０をエンジン排気管２００内に引き込み、試料採取管２の先端部近傍に接続している。これにより、試料採取管２の先端部付近から下流側の内壁へのＨＣ付着の影響を排除でき、より正確な測定が可能となる。

さらに、図４に示される実施形態（第３の実施形態）では、試料採取管２０の先端部２１とガス導入管５１の導入部５２とを試料採取管２０の先端部２１が内側になる二重管構造とし、先端部２１の管壁を多孔管構造とすることで、外管である導入部５２に導かれた純窒素ガスを内管である先端部２１内へと導入して、エンジン排ガスと混合させる。この実施形態によれば、先端部２１へ吸入されるエンジン排ガスの周囲に略均等に希釈用の純窒素ガスを供給することができるので、速やかに均一な混合を行うことができ、ＨＣ付着の影響を排除した正確な測定が可能となる。

図５は、本発明に係るＴＨＣ分析システムの第４の実施形態のガス希釈装置９０の構成を示す概略図である。この第４の実施形態のＴＨＣ分析システムは、エンジン排気管２００の上流域で測定を行うものである。このシステムのガス希釈装置９０は、ガス源４と試料採取管２とを接続するガス導入管５上に、流量調整機構６として、圧力調整弁６１と、流量制御素子６２を有しており、その下流に電磁式の三方切替弁７１が配置され、三方切替弁７１からは、バイパス流路５２が分岐され、エンジン排気管２００へと延びている。圧力調整弁６１には、バイパス流路５２出口の下流側のエンジン排気管２００の排気ガス圧力が導かれている。流量制御素子６２としては、例えば、キャピラリ管が用いられる。

エンジン排気管２００の上流域では、エンジン背圧の影響で、第１〜第３実施形態のガス導入管５の構造では、注入する純窒素ガス量が変動しやすい。本実施形態では、このエンジン背圧の影響による注入量変化を抑制する構造を有している。

具体的には、非希釈時は、三方切替弁７１を切り替えてガス導入管５と、バイパス流路５２とを連通させ、純窒素ガスの試料採取管２０への流入を遮断する。一方、希釈時は、三方切替弁７１を切り替えて、ガス導入管５を試料採取管２０へと連通させる。このとき、圧力調整弁６１により、圧力調整弁６１の出口圧力はエンジン排気管内圧力を基準圧力として、これより所定の加圧量だけ高い圧力に維持される。試料採取管２０内の圧力は、エンジン排気管２００内の圧力に等しいから、流量制御素子６２の入口−出口の圧力差は、圧力調整弁６１に予め設定された加圧量で略一定に維持されるので、エンジン排気管２００内の圧力が変動しても、常に一定量の純窒素ガスを注入することができる。

以上の説明では、エンジンベンチ定常試験におけるＴＨＣ分析を例に説明したが、本発明に係るＴＨＣ分析システムは、高濃度／低濃度ＨＣ測定を共用する分析システムについて広く適用可能である。

本発明に係る全炭化水素分析システムの第１の実施形態を示す概略構成図である。周期的に排ガスを希釈しながら測定を行った場合のＴＨＣ分析計の出力の時間変化例を示す図である。第２の実施形態における希釈ガス注入箇所の構造を示す概略構成図である。第３の実施形態における希釈ガス注入箇所の構造を示す概略構成図である。本発明に係る全炭化水素分析システムの第４の実施形態のガス希釈装置９０の構成を示す概略図である。

符号の説明

１…分析計、２、２０…試料採取管、３…試料吸引調整機構、４…ガス源、５、５０、５１…ガス導入管、６…流量調整機構、７…電磁弁、８…制御装置、９、９０…ガス希釈装置、２１…先端部、５２…バイパス流路、５２…導入部、６１…圧力調整弁、６２…流量制御素子、７１…三方切替弁、１００…分析システム、２００…エンジン排気管。

Claims

試料吸引・流量調整機構により測定対象ガスを吸引して、該対象ガス中の全炭化水素濃度を分析計により計測する全炭化水素分析システムにおいて、
前記試料採取管上流で吸引される測定対象ガスを周期的に希釈するガス希釈装置を備え、希釈時と非希釈時の分析結果を基に対象ガス中の全炭化水素濃度を補正することを特徴とする全炭化水素分析システム。
前記ガス希釈装置は、
炭化水素を含有しない所定のガスを保有する希釈ガス源と、
前記希釈ガス源と、前記試料採取管とを接続するガス導入管と、
前記ガス導入管に配置され、前記希釈ガス源から前記試料採取管へと導入するガス量を調整する流量調節機構と、
前記流量調節機構の下流に配置され、前記ガス導入管の連通、遮断を周期的に切り替える切替弁と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の全炭化水素分析システム。