JP2005121439A

JP2005121439A - 排ガス流量計測方法およびその装置

Info

Publication number: JP2005121439A
Application number: JP2003355690A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakamura; 博司中村; Masayuki Adachi; 正之足立; Ichiro Asano; 一朗浅野; Jiro Senda; 二郎千田
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】脈動のある排ガスの流量を測定する際に、この脈動によって生じる測定誤差を的確に補正し、流量計測精度の向上を達成できる差圧式の排ガス流量計測方法および排ガス流量計測装置を提供する。
【解決手段】エンジン排ガスＥｘの流量Ｑを測定する差圧式流量計１０において、検出した差圧信号Ｐｄを周波数分解し、周波数分解によって得られた周波数に応じた補正係数を用いて補正することにより、脈動が発生して流量信号Ｑpit に誤差が生じた場合にも正確な流量Ｑを求める。
【選択図】図５

Description

本発明は、自動車などのエンジンから排出される排ガスの流量計測方法およびその装置に関するものであり、より詳しくは、ピトー管式流量計などを用いて排ガス流量を計測する際に、エンジンの脈動によって生じる測定誤差を補正することができる差圧式排ガス流量計測方法およびその装置に関するものである。

例えば排気管内を流れる排ガスの流量を測定する差圧式流量計の一つに、ピトー管式流量計がある。このピトー管式流量計においては、標準状態換算のガス流量Ｑpit (t) 〔ｍ³／ｍｉｎ〕は、下記（１）式によって与えられる。なお、本明細書の説明においては、時間ｔによる時系列的な値を示す符号に「(t) 」を付加して、例えばガス流量Ｑpit (t) と表わす。
Ｑpit (t)=Ｋ×√〔｛Ｐg (t) /101.3｝×｛293.15／Ｔg (t) ｝×｛Ｐｄ(t)/γg ｝〕 …式（１）
ここで、Ｋ：比例係数
Ｐg (t) ：ガス圧力〔κＰａ〕
Ｔg (t) ：ガス温度〔Ｋ〕
Ｐｄ(t) ：差圧
γ_g：標準状態におけるガス密度〔ｇ／ｍ³〕
すなわち、比例係数Ｋを予め求めておけば、管内を流れる排ガスの温度、圧力、ピトー管の差圧の測定値から、前記排ガスの流量を得ることができる。

このピトー管式流量計は、エンジンからの排ガスの流量を測定する際に用いられることがあるが、エンジンの排ガスには、その排出圧力に脈動が生じることが知られている。この脈動はエンジン排ガスの固有の問題であり、その脈動のメカニズムやその影響を根本的に解明する努力が各方面でなされている。そして、前記ピトー管式流量計を用いてエンジン排ガスの流量を連続測定する場合には、この排ガスの圧力（差圧）を直接測定するために、脈動発生時にはその影響を直接受けて測定誤差が大きくなることがあった。

図８は、圧力変動のあるガスの流量をピトー管を用いて測定したときにおける流量の測定値とガス流量の真値の比を示す図である。また、図９は前記ピトー管を用いて測定した流量の出力波形を示す図であり、流量を一定にして測定した例を示している。そして、ここではガスの流路に排気量の異なる短気筒エンジンを接続し、この短気筒エンジンを回転させることにより、圧力変動を発生させている。図８，９が示すように、ガスの流れにある周波数の脈動が与えられるときに、ピトー管式流量計の測定値とガス流量の真値との間に大きな差が生じ、脈動の振幅が大きくなればなるほどピトー管式流量計の測定値とガス流量の真値との差は大きくなることが分かる。

また、高い周波数の脈動は触媒筒やマフラーなどによって取り除かれるものの、エンジンがアイドリング状態である場合など、低い周波数の脈動が生じるときには、脈動周波数も低くなり、ピトー管式流量計が脈動による影響を強く受けるので、これによって誤差が大きくなる。

そこで、特許文献１ではエンジンの脈動影響を低減するために、流量計を設置する排気管の上流側に排ガスの脈動を吸収するバッファタンクを設けることや、このバッファタンクの容量をエンジン回転数に応じて変化させるようにして低減される脈動の周波数を変更可能とすることが考えられている。また、エンジンがアイドリング状態であるときには、ピトー管式流量計によって計測した流量の出力を用いずに、ある設定された固定値を利用することも考えられている。
特開平１０−３１８８１０号公報特開２００３−１４５９３号公報特開平１０−２１３４６４号公報

ところが、前記従来の測定方法では何れもエンジンから排出される排ガスの流量のありのままを測定することができなかった。すなわち、アイドリング状態で測定値の代わりに固定値を用いる場合は、アイドリング状態では差圧の測定値を全く無視した固定値を出力するので、アイドリング状態で排出される排ガスの流量を全く測定できないという問題があった。

また、特許文献１のように排気管の上流側にバッファタンクを設けた場合には、脈動を完全に取り除くことが困難であるだけでなく、可変容量のバッファタンクを形成したり、エンジン回転数にあわせてバッファタンクの容量を変える機構を設ける必要があるなど装置構成が大掛かりにならざるを得なかった。そして、バッファタンクを用いて測定対象である排ガスの流量を調整して、その脈動を低減しているので、脈動を有する流量（測定対象）のありのままを測定できないという問題があった。

本発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、脈動のある排ガスの流量を測定する際に、この脈動によって生じる測定誤差を的確に補正し、流量計測精度の向上を達成できる差圧式の排ガス流量計測方法および排ガス流量計測装置を提供することである。

上記目的を達成するために、第１発明の排ガス流量計測方法は、エンジン排ガスの流量を測定する差圧式流量計において、検出した差圧信号を周波数分解し、周波数分解によって得られた周波数に応じた補正係数を用いて補正することにより、脈動が発生して流量信号に誤差が生じた場合にも正確な流量を求めることを特徴としている（請求項１）。

第２発明の排ガス流量計測方法は、エンジン排ガスの流量を測定する差圧式流量計において、検出した差圧信号を周波数分解し、周波数分解によって得られた周波数と振幅に基づいて得られる補正係数を用いた補正を施すことにより、脈動が発生して流量信号に誤差が生じた場合にも正確な流量を求めることを特徴としている（請求項２）。

排ガスの流路に、異なる周波数および振幅で圧力変動するガスを流し、この排ガス流路内を流れるガスの差圧信号から求めた流量を実際に流したガスの流量と比較することにより、該周波数と振幅に対応する補正係数を求めてもよい（請求項３）。

第３発明の排ガス流量計測装置は、管内を流れる排ガスにおける差圧を検出する差圧計と、この差圧計によって検出した差圧信号を周波数分解すると共に周波数分解によって得られた周波数に応じた補正係数を用いて補正した流量を求める演算処理部とを有することを特徴としている（請求項４）。

第４発明の排ガス流量計測装置は、管内を流れる排ガスにおける差圧を検出する差圧計と、この差圧計によって検出した差圧信号を周波数分解し、周波数分解によって得られた周波数と振幅に基づいて得られる補正係数を用いた補正を施すことにより補正した流量を求める演算処理部とを有することを特徴としている（請求項５）。

排ガスの流路に設けられてガスの流れに対して順次異なる周波数および振幅で圧力変動を生じさせる脈動発生装置と、圧力変動を発生させた状態で検出した差圧信号から求められる流量を実際に流したガスの流量と比較して該周波数と振幅に対応する補正係数を求める演算処理部と、該周波数と振幅に対応する補正係数を記録する記憶部を設けてもよい（請求項６）。

請求項１に記載の本発明の排ガス流量計測方法では、検出した差圧信号に含まれる脈動を取り除いたり低減したりするのではなく、この脈動の周波数分解を行って、脈動の周波数に応じた補正を施すことにより、脈動によって生じた誤差を補正できる。

つまり、検出した排ガスの流れによって生じる差圧が脈動影響を受けて実際の流量よりも異なる（例えば高めの）指示を出力することがあっても、生じた脈動の周波数に応じた補正係数に合わせた分だけ差圧信号に現れるオフセットを調整する（引き下げる）などして測定誤差を補正できるので、差圧式の流量計測の精度を向上できる。なお、前記測定誤差の補正は差圧信号のオフセット調整に限定されるものではなく、差圧信号や流量の測定値に補正係数を掛けることなどが考えられる。

したがって、本発明の排ガス流量計測方法では、検出した差圧信号に含まれる脈動を取り除くのではなく、この脈動を含めたありのままの流量測定を行うことができる。従来のようにエンジンの回転数に合わせて容量を変更できるように構成した大掛かりなバッファタンクや、レゾネータ、エンジン回転の測定機構など、外部のハードウェアを用いて排ガスの流れに手を加える必要がなく、全てが差圧計側で検出した差圧信号を用いて計算できるので、それだけ簡易で安価な装置を提供できる。

また、エンジンがアイドリング状態のような低回転の状態であるときにも、脈動を含む正確な流量を測定できるので、従来のようにエンジンがアイドリング状態であることを検知して、流量の測定値の代わりに所定の固定値を出力する必要もないので、エンジンのアイドリング状態を検出する機構を設ける必要がない。そして、なによりもエンジンの回転数に関係なく常に正確な流量のありのままを測定できる利点がある。

請求項２に記載の本発明の排ガス流量計測方法では、検出した差圧信号に含まれる脈動の周波数分解を行って、この周波数分解によって求められた周波数と振幅に基づいて得られる補正係数を用いてその時点での合成補正係数を求め、この合成補正係数による補正を施すことにより、あらゆる脈動によって生じた誤差を確実に補正できる。

したがって、本発明の排ガス流量計測方法では、検出した差圧信号に含まれる脈動を取り除くのではなく、この脈動を含めたありのままの流量測定を行うことができる。そして、外部のハードウェアを用いて排ガスの流れに手を加える必要がなく、全てが差圧計側で検出した差圧信号を用いて計算できるので、それだけ簡易で安価な装置を提供できる。また、エンジンがアイドリング状態のような低回転の状態であるときにも、脈動を含む正確な流量を測定でき、常に正確な流量のありのままを測定できる。

排ガスの流路に、異なる周波数および振幅で圧力変動するガスを流し、この排ガス流路内を流れるガスの差圧信号から求めた流量を実際に流したガスの流量と比較することにより、該周波数と振幅に対応する補正係数を求める場合（請求項３）には、脈動の各周波数成分の振幅に対応する補正係数を求めることができるので、それだけ正確な補正を行うことができる。

請求項４に記載の本発明の差圧式の排ガス流量計測装置では、測定対象の流量に生じた脈動を取り除くことなく、この脈動によって生じた測定誤差を補正できる。したがって、差圧式流量検出装置は、エンジンの回転数に合わせて容量を変更できるような大掛かりなバッファタンクや、レゾネータ、エンジン回転の測定機構など、外部のハードウェアを有する必要がなく、差圧計によって検出した差圧信号を演算処理部を用いて補正するだけでよい。つまり、ソフトウェア上の動作だけで正確な流量を出力でき、この排ガス流量計測装置の製造コストを低く抑えることができる。

また、エンジンがアイドリング状態のような低回転の状態であるときにも、脈動を含む正確な流量を検出できるので、従来のように可変容量のバッファタンクなどを用いて測定対象であるガスの流量に手を加えることも、差圧計による測定値を無視して固定値を出力することもなくして、エンジンの回転数に関係なく常に正確な流量の測定値を出力するという流量検出装置にあるべき役割を確実に果たすことができる。

請求項５に記載の本発明の差圧式の排ガス流量計測装置では、差圧計によって検出した差圧信号を演算処理部を用いて補正するソフトウェア上の処理だけで、脈動によって生じた測定誤差を補正できる。したがって、差圧式流量検出装置は、外部のハードウェアを有する必要がなく、排ガス流量計測装置の製造コストを低く抑えることができる。

また、圧力変動の周波数と振幅に合わせた補正を行うので、それだけ高い精度の補正を行うことができ、測定結果に対する信頼性を高めることができる。とりわけ、エンジンがアイドリング状態のような低回転の状態であるときにも、脈動を含む正確な流量を検出できるので、エンジンの回転数に関係なく常に正確な流量の測定値を出力するという流量検出装置にあるべき役割を確実に果たすことができる。

排ガスの流路に設けられてガスの流れに対して順次異なる周波数および振幅で圧力変動を生じさせる脈動発生装置と、圧力変動を発生させた状態で検出した差圧信号から求められる流量を実際に流したガスの流量と比較して該周波数と振幅に対応する補正係数を求める演算処理部と、該周波数と振幅に対応する補正係数を記録する記憶部を設けた場合（請求項６）には、差圧式流量計に合わせた、各脈動の周波数成分およびその振幅に対応する前記補正係数を求めることができるので、それだけ正確な補正を行うことができる。

なお、前記補正係数は差圧式流量計毎に、その製造時に一度だけ測定して求めればよいので、製造者側において脈動発生装置を有する差圧式流量検出装置を用いて、前記補正係数を測定し、これを記憶部に記録しておくことにより、使用者側の差圧式流量検出装置には脈動発生装置を設ける必要はない。そして、使用者は差圧式流量検出装置の記憶部に記録された複数の補正係数の中から使用する差圧式流量計に合わせた補正係数を用いるだけで正確な流量検出を行うことができ、差圧計毎に脈動発生装置を取付けて補正係数を作成しなおす必要はない。

なお、使用する差圧計が一つである場合は、複数の補正係数を記憶したり、その中から一つの補正係数を選択する必要はない。また、補正係数を記憶する記憶部はメモリチップとして差圧計側に添付させ、差圧計に合わせた補正係数の選択を自動的に行えるようにすることが望ましい。しかしながら、前記記憶部はフレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、メモリカードなどであってもよい。さらに、補正係数をインターネットなどの通信手段を用いて転送して書換え可能な記憶部に記録することなどが考えられる。

以下、本発明の実施形態を、図を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る差圧式流量検出装置を用いて自動車の排ガスの流量を測定する例を示す図であり、図２は前記差圧式流量検出装置の要部の構成を拡大して示す図である。

図１において、１は測定に供される自動車（種々の車両を含むので、以下の説明では、車両という）で、２は車両１のエンジン、３はエンジン２に連なり排ガスＥｘが流れるガス流路の一例としての排気管、４は排気管３に設けられる触媒装置である。そして、５ａ，５ｂは前輪、後輪であり、６は路面である。また、前記排気管３および触媒装置４はこの車両１の排出系７を構成する各部であり、この排出系７は車両１の種類に従って定まる。

８は排気管３の下流端部に着脱自在に設けられ、排気管３を流れる排ガスＥｘの流量によって生じる差圧を後述のピトー管を用いて検出する差圧計の一例としてのピトー管式差圧流量計、９はこの差圧計８によって得られる差圧信号Ｐｄを信号処理して排ガスＥｘの流量Ｑ（流量信号）を演算して出力する演算処理部である。１０は本実施例の差圧式流量検出装置であり、差圧計８と、演算処理部９とからなる。

なお、本例では演算処理部９が流量信号Ｑを出力しているように図示しており、この流量信号Ｑを例えばガス分析計によって測定した排ガスＥｘに含まれる測定対象成分の濃度信号と掛け合わせることにより、この測定対象成分の排出量を求めることが可能である。しかしながら、本発明において演算処理部９が外部に何らかの流量信号Ｑを出力する構成は必ずしも必要はなく、その内部の演算処理において流量Ｑが求められればよい。また、前記差圧計はピトー管式差圧流量計に限られるものではなく、ベンチュリ式差圧流量計であってもよい。

図２は前記差圧式流量検出装置１０の構成を拡大して示している。図２において、１１は排気管３の下流端においてこれと着脱自在に接続されるアダプタ管で、排気管３と等しい内径を有し、その上流側に排気管３の下流端との接続部１２を備え、その下流側は開放されている。

アダプタ管１１内には、先端部１３ａを排ガスＥｘの流れＦの上流側に向けるように略Ｌ字状に屈曲させると共に同芯円状に配置された２つの管１３ｂ，１３ｃからなる二重管構造のピトー管１３が取り付けられている。また、この管１３ｂ，１３ｃの間の流路は、先端部１３ａにおいて封止されており、かつ、側面部において排ガスＥｘの流れＦに面するように開設された開孔１３ｄを備えている。つまり、本例のピトー管１３は管１３ｂ，１３ｃの間に、静圧検出用ピトー管１３Ａを形成すると共に、内側の管１３ｂによって動圧検出用ピトー管１３Ｂを形成している。そして、これらのピトー管１３Ａ，１３Ｂは、連通管１３ｅ，１３ｆを介して差圧センサ１５に接続されており、この差圧センサ１５によって排ガスＥｘの流れＦによる差圧（差圧信号）Ｐｄが測定値として得られる。

１６，１７は動圧検出用ピトー管１３Ｂの下流側のアダプタ管１１の管内に挿入されるようにして設けられる温度センサ、圧力センサで、それぞれ排ガスＥｘの温度Ｔおよび圧力Ｐを測定するものである。そして、前記差圧センサ１５、温度センサ１６および圧力センサ１７の出力信号Ｐｄ，Ｔ，Ｐは、前記演算処理部９に入力されて、流量を標準状態での値に補正するのに用いられている。なお、１８は前記各部材１３〜１７を収納するケースで、アダプタ管１１に適宜の手段で着脱自在に取り付けられている。

演算処理部９は各信号Ｐｄ，Ｔ，Ｐを適宜演算処理してその時の流量Ｑを求める、つまり、演算処理部９には少なくともＣＰＵ２０と記憶部２１が備えられており、記憶部２１に記録された演算処理プログラム２２をＣＰＵ２０が実行して、各信号Ｐｄ，Ｔ，Ｐを適宜演算処理することにより、流量Ｑを求めることができる。

そして、求められた流量Ｑを例えば図示していないＮＤＩＲ型ガス分析装置によって測定された排ガスＥｘ中のＨＣ，ＣＯ，Ｈ₂Ｏなどの各成分の濃度に掛け合わせることにより、各成分の排出量を求めることも可能である。なお、前記差圧信号Ｐｄには排ガスＥｘの脈動によって、生じる圧力差の影響を受けるなどして、図８，９に示すような脈動周波数および振幅に依存する測定誤差が含まれる。

そこで、本発明においては、前記演算処理プログラム２２をＣＰＵ２０が実行することにより、演算処理部９において排ガスＥｘの流れに生じた脈動の各周波数成分の振幅に応じて、脈動の影響で前記差圧信号Ｐｄに生じる誤差をキャンセルして、排ガスＧの正確な流量Ｑが得られるように構成している。

つまり、前記記憶部２１には予めピトー管１３の特性に合わせて求めておいた複数の補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)がテーブルデータ２３として用意されており、演算処理プログラム２２が示す演算をＣＰＵ２０が実行するときに補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)を用いて脈動の影響を的確に除去することができる。

図３は補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)を求める一つの方法を示す図である。図３において、４０はＣＶＳ装置を用いた排ガスＥｘの流量測定装置であり、前記アダプタ管１１の下流側に接続された配管４１に希釈空気４２を導入する希釈空気導入管４３を接続し、その上流側からＳＡＯ(Smooth Approach Orifice) ４４、エアフィルタ４５を接続し、前記配管４１の希釈空気導入管４３の接続点４６より下流側にＣＦＶ（クリティカルフローベンチュリ）４７およびブロア４８を備えたＣＶＳ装置４９を設けてなる。つまり、流量測定装置４０を用いることにより前記希釈空気量を測定し、ＣＦＶ４７のトータル流量との差に基づいて排ガスＥｘの流量を求めることにより、ピトー管式とは異なる測定原理で求められた排ガスＥｘの流量を求めることができる。

また、前記接続点４６の上流側と下流側におけるトレースガス（例えばＣＯ₂）の濃度を分析し、希釈前のＣＯ₂の濃度と、希釈後のＣＯ₂の濃度の比と、ＣＦＶ４７のトータル流量から排ガスＥｘの流量を計算してもよい。

図３に示す構成において、エンジン２は排ガスＥｘの流れに対して順次異なる脈動周波数で圧力変動を生じさせる脈動発生装置となり、このエンジン２の回転数および負荷を順次変化させることにより異なる周波数および異なる振幅の脈動を発生させることができる。そして、脈動が含まれる排ガスＥｘの流量をピトー管１３を用いて測定し、このときピトー管１３を用いて測定した流量Ｑpit を、別の測定原理（ＳＡＯ流量計＋ＣＦＶ、または、ＣＯ₂トレース法＋ＣＦＶ）を用いて測定した流量Ｑsao+cfv またはＱco₂+cfv と比較する。

つまり、本例に示す流量測定装置４０を用いて測定される流量Ｑsao+cfv またはＱco₂+cfv は、ピトー管１３によって検出した差圧信号Ｐｄを用いて求められる流量Ｑpit に比べて応答速度が遅く、脈動のありのままを測定することができないが、逆に、脈動する圧力変動の影響を受けにくいので、これを実際に流した排ガスＥｘの流量Ｑcfv （以下、前記流量Ｑsao+cfv および／またはＱco₂+cfv を実際に流した排ガスＥｘの流量Ｑcfv と表現することもある）と考えることができる。つまり、差圧計８から得られる流量Ｑpit を流量Ｑpit と比較することにより、差圧計８を用いて測定した流量Ｑpit にあらわれる脈動に起因する測定誤差の大きさを求めることができる。

図４は図３に示した装置を用いて測定した各流量Ｑpit,Ｑsao+cfv,Ｑco₂+cfv を比較して示す図である。図４に示すように、差圧計８によって検出された流量Ｑpit は、矢印ｅに示す部分において、排ガスＥｘの実際の流量（例えば流量Ｑ_CFV：従来のＣＦＶ(Critical Flow Venturi) 法を用いた測定値）と比べて、引き上げられたような信号になっている（オフセットが発生している）ことが分かる。ゆえに、これらの流量Ｑpit,Ｑcfv の比Ｑpit ／Ｑcfv を補正係数Ａとして予め求めておき、差圧計８によって得られた流量Ｑpit のオフセット位置を調整することにより、差圧計８によって検出された流量Ｑpit を正確な流量Ｑとすることが可能であることが分かる。

また、前記流量Ｑpit は矢印ｅに示す部分において実際の流量Ｑcfv と比べて大きくずれた値（オフセット）となる。つまり、既に図８，９を用いて説明したように、流量Ｑpit,Ｑcfv 間のズレの大きさは脈動の周波数および振幅に応じて起こる。

そこで、各時点ｔにおける流量Ｑpit(t)，Ｑcfv(t)の比Ｑpit(t)／Ｑcfv(t)の時間波形を例えばフーリエ変換し、脈動の各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax と振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) を求め、この各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax の振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) に応じた補正係数Ａ(Fmin,Ifmin(t)) 〜Ａ(Fmax,Ifmax(t)) を求める。

ここで、ピトー管１３の出力によって得られた流量Ｑpit(t)と真の流量Ｑcfv(t)の間には、各時点ｔにおいて異なる補正係数Ａ(t) を用いて、下記の式（２）に示すような関係があると考えられる。
Ｑcfv(t)＝Ｑpit(t)×Ａ(t) … 式（２）

そして、前記補正係数Ａ(t) は、各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax の振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) に応じた補正係数Ａ(Fmin,Ifmin(t)) 〜Ａ(Fmax,Ifmax(t)) の合成補正係数であると考えることができる。また、仮に最低周波数Ｆmin を２Ｈｚ、最大周波数Ｆmax を１００Ｈｚとすると、各時点ｔでの各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax は２〜１００、各周波数成分２〜１００の振幅ＩはＩ₂(t) 〜Ｉ₁₀₀(t) と表わすことができ、合成補正係数Ａ(t) は以下の式（３）に示すようになる。
Ａ(t) ＝Ａ(2,I₂(t)) ×Ａ(3,I₃(t)) ×…×Ａ(99,I₉₉(t)) ×Ａ(100,I₁₀₀(t))
… 式（３）

したがって、演算処理部９は、例えば前記エンジン２の回転数および負荷を順次変化させて、周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax 毎に振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) の異なる脈動を生じさせた状態で、ピトー管の出力によって得られた流量Ｑpit(t)と実際に流れた排ガスＥｘの流量Ｑcfv(t)との比較を行うことにより、式（２）に示す関係を用いて、この時点ｔにおける補正係数Ａ(t) を逆算することができる。同時に、各時点ｔにおける脈動の各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax の振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) を求めて、これを式（３）に代入することにより、各補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)を求めることができる。

次いで、求められた各補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)をテーブルデータ２３として記憶部２１に記録する。すなわち、テーブルデータ２３は表１に示すような二次元データである。

なお、本例では測定信号Ｑpit ／Ｑcfv をフーリエ変換することにより、脈動の各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax と振幅Ｉfmin〜Ｉfmaxを求めることができ、この振幅Ｉfmin〜Ｉfmaxを用いて、各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax に対応する前記補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)から、各時点ｔにおける合成補正係数Ａ（ｔ）を求める。

また、上述の例では脈動の各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax の振幅Ｉfmin〜Ｉfmaxを流量比Ｑpit ／Ｑcfv から求める例を示しているが、ピトー管１３によって検出された差圧信号Ｐｄから各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax の振幅Ｉfmin〜Ｉfmaxを求めてよいことはいうまでもない。さらに、前記流量Ｑpit,Ｑcfv 間に現れるオフセットは、上述した流量比Ｑpit ／Ｑcfv として表せるものだけでなく、流量差Ｑpit −Ｑcfv として表せるものも考えられる。この場合、前記式（３）を適宜調整する。

何れにしても、上述のようにして求められた各補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)は記憶部２１に記録されることにより、使用者は使用するピトー管１３に合わせて、適切な補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)を選択することにより、脈動発生時にもより正確な流量検出を行うことができる。

また、前記補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)はピトー管１３の特性に合わせた値であるから、ピトー管１３の製造時に一度測定すればよいので、差圧式流量検出装置１０のメーカ側において、前記流量測定装置４０を用い、前記補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)を求めればよい。したがって、各利用者は記憶部２１にピトー管１３の特性に合わせた補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)を記録しておけば、前記流量測定装置４０を用いた補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)の演算をしなおす必要はない。さらに、補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)はフレキシブルディスクのような記録媒体を用いて順次追加登録できるようにしてもよく、データ通信によってメーカ側からダウンロードできるようにしてもよい。

さらに、上述の例では、異なる測定原理で流量測定する流量測定装置４０を用いてより正確な補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)を求める例を示しているが、この流量測定装置４０を設ける代わりに図１に示す差圧計８の上流側に、従来の特許文献１に示されるような可変容量のバッファタンクを設けてもよい。つまり、可変容量のバッファタンクを用いて、差圧計８に脈動が入らないようにした状態で求めた流量を正しい流量として、脈動による流量Ｑpit への影響を測定することにより、前記補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)を求めてもよい。

次に、使用者が図１に示した構成の差圧式流量検出装置１０を用いて、排ガスＥｘの流量Ｑを測定するときの詳細な動作を説明する。

図５は排ガスの流れとその流量測定を行う信号処理の流れとを示すブロック図、図６は差圧式流量検出装置１０による一連の動作の流れを説明する図、図７は信号処理の内容を概念的に説明する図である。図５〜７において図１〜６と同じ符号を付した部分は同一または同等の部分であるから、その詳細な説明を省略する。

図５に示すように、エンジン２から排出される排ガスＥｘは排気系７を通ってピトー管１３の部分まで流れる。また、ピトー管１３内の圧力は連通管１３ｅ，１３ｆによって連通連結された差圧センサ１５によって測定される。９ａは演算処理部９内のＡＤ変換器であり、このＡＤ変換器９ａによってサンプリング時間τ毎にデジタル信号に変換された信号が前記ＣＰＵ２０に入力されることにより、以下に説明する一連の動作を実行する。

つまり、図５において、符号２，７，１３，１３ｅ，１３ｆ，１５に示す部分は、物理的な排気ガスＥｘの流れを示しており、符号１５，９ａ，２０に示す部分は、電気的な信号の流れを示している。同様に、図６に示す動作には、差圧計８などのハードウェアの動作に加えて、前記演算処理プログラム２２（ソフトウェア）に示される手順に従ったＣＰＵ２０の動作が含まれており、差圧Ｐｄの検出から排ガス流量Ｑの算出までの処理の内容を示している。

図６において、Ｓ１はピトー管１３による差圧の測定を示している。すなわち、排ガスＥｘの流れＦに伴って静圧検出用ピトー管１３Ａと動圧検出用ピトー管１３Ｂとの間に差圧が検出される。

Ｓ２は差圧センサ１５による差圧信号Ｐｄの出力を示している。すなわち、ピトー管１３Ａ，１３Ｂに接続された差圧センサ１５はこの差圧をアナログ電気信号の差圧信号Ｐｄに変換して出力する。ここで、検出される差圧信号Ｐｄには、図７（Ａ）に示すように、幾つかの周波数成分Ｆａ，Ｆｂ…が含まれている。

図６に示す、Ｓ３は前記差圧信号ＰｄのＡＤ変換を示している。つまり、アナログの差圧信号Ｐｄをデジタル変換することにより、前記演算処理部９はこの差圧の測定信号Ｐｄを取り込んで演算処理することができる。なお、本実施例ではＡＤ変換器９ａが演算処理部９の入力部に設けられる例を示しているが、このＡＤ変換器は差圧計８の出力部に設けられてもよい。

Ｓ４は前記差圧信号Ｐｄを時間τ間隔で系列的に前記記憶部２１内のバッファに蓄積する処理を示している。なお、このバッファへの蓄積はソフトウェアによって行うことでハードウェアの構成を簡単にすることも可能であるが、専用回路などを用いてハードウェアによって行って演算処理部２０にかける負担を小さくしてもよい。

また、前記バッファの大きさは時間Ｔ秒間の差圧信号Ｐｄを記憶して以下の処理Ｓ５〜Ｓ８を行える程度の大きさであればよいが、本実施例におけるバッファの大きさは例えば、前記時間Ｔを５００ミリ秒とする程度の大きさのバッファを設ける。なお、ここでは仮に周波数分解する脈動の最低周波数を２Ｈｚとするので、最低の周波数成分を検出するのに５００ミリ秒のバッファを設ける必要がある。一方、最大の周波数成分（例えば１００Ｈｚ）を検出するためには、前記ＡＤ変換器９ａのサンプリングタイムτを５ミリ秒程度とすることが望ましい。

Ｓ５は差圧信号Ｐｄ(t) を周波数分解する処理を示している。すなわち、バッファ内に蓄積された差圧信号Ｐｄ(t) を用いて、現時点ｔの差圧信号Ｐｄ(t) に含まれる波形の各周波数成分を分解することにより、該波形に含まれる各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax と振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) をそれぞれ得ることができる。

なお、前記周波数分解は高速フーリエ変換を用いた方法が考えられるが、この処理はソフトウェアによる処理に限られるものではなく、専用回路などのハードウェアを用いて行ってもよい。また、周波数分解はスペクトラム・アナライザなどを用いて各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax の振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) を求めてもよい。

図７（Ａ）に示す例では、測定開始から時点ｔ₁までは脈動が発生しておらず、各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax の振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) はいずれも０であるが、時点ｔ₁〜ｔ₂の間はある周波数成分Ｆａにおいて振幅Ｉfaが検出され、時点ｔ₂〜ｔ₃においては、別の周波数成分Ｆｂにおいて振幅Ｉfbが検出され、時点ｔ₃〜ｔ₄においては、さらに別の周波数成分Ｆｃにおいて振幅Ｉfcが検出された例を示している。また、Ｐｄ₀(t)は脈動の影響がない場合の差圧信号を示している。

図６に示す、Ｓ６は前記補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)と、各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax の振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) との関係から、合成された補正係数Ａ(t) を決定する処理を示している。すなわち、この処理Ｓ６において、演算処理部２０はテーブルデータ２３として記憶部２１に記録された補正係数Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax)と、前記処理Ｓ５において求めた現時点ｔで差圧信号Ｐｄに生じている周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax の振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) とを用いて調整して、現時点ｔでの合成された補正係数Ａ(t) を求める。

図７（Ａ），７（Ｂ）に示す例を用いて、具体的に説明すると、時点ｔ₁までは振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) はいずれも０であるから、合成補正係数Ａ(t) ＝１である。一方、時点ｔ₁〜ｔ₂においては、ある一つの周波数成分Ｆａにおいて振幅Ｉfaが検出されるので、合成補正係数Ａ(t) はこの周波数成分Ｆａにおいて振幅Ｉfa(t) を用いたＡ(Fa,Ifa(t)) である。

そして、時点ｔ₂〜ｔ₃においては、周波数成分Ｆｂにおいて振幅Ｉfb(t) が検出されるので、合成補正係数Ａ(t) は前記式（３）に前記値Ｉfb(t) を代入することにより、以下の式（４）のように求めることができる。なお、図７（Ａ）には説明を簡単にするために差圧信号Ｐｄに単一の周波数成分（Ｆａなど）のみを有するようにしているが、前記周波数分解によって複数の周波数成分Ｆａ, Ｆｂ, …の振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) を検出することも考えられ、その場合に以下の式は検出した周波数成分Ｆａ, Ｆｂ, …の数分の多項式となる。
Ａ(t) ＝１×…×Ａ(Fb,Ifb(t)) ×…×１
＝Ａ(Fb,Ifb(t)) … 式（４）

以後、同様に各時点ｔにおける合成補正係数Ａ(t) は、この時点ｔにおける各周波数成分Ｆmin 〜Ｆmax の振幅Ｉfmin(t) 〜Ｉfmax(t) を用いて求められる。

図６に示す、Ｓ７は前記差圧計８から得られた差圧信号Ｐｄ(t) と合成された補正係数Ａ(t) を用いて現時点ｔの補正された流量Ｑを演算する処理を示している。すなわち、前記式（１）を用いて差圧計８から得られる差圧信号Ｐｄ(t) を用いて求められる流量Ｑpit(t)を、以下の式（５）に示すように、処理Ｓ６において求めた合成された補正係数Ａ(t) を用いて、補正することにより、脈動の影響をキャンセルした精度のよい正確な流量Ｑ(t) を求め、これを出力することができる。（なお、図７（Ｂ）には平均化処理した流量Ｑpit(t)，Ｑ(t) の例を示している）
Ｑ(t) ＝Ｑpit(t)／Ａ(t) … 式（５）

前記正確な流量Ｑ(t) を求める計算は前記式（５）が示すように、一旦流量Ｑpit(t)を算出した後に前記補正係数Ａ(t) を用いて補正することに限られるものではない。つまり、脈動の影響を補正した差圧信号Ｐd'(t) を求めた後に、式(1) によりこの差圧信号Ｐd'(t) を用いて正確な流量Ｑ(t) を求めてもよい。

なお、図６に示す、処理Ｓ１〜Ｓ７はいずれも測定が継続する限り連続して行われるものである。

以上詳述したように、本例の差圧式流量検出装置１０を用いて求められる流量Ｑout(t)は、発生した脈動の詳細な部分を的確に捕らえると共に、脈動によって生じる測定誤差が補正されているので、流量を正確に測定することができる。

本発明の差圧式流量検出装置の実施例を示す全体構成説明図である。前記差圧式流量検出装置の要部を拡大して示す図である。前記差圧式流量検出装置に用いられる補正係数を求める方法を説明する図である。各測定原理で検出された流量の測定結果を示す図である。本発明の差圧式流量検出装置の動作を説明する図である。本発明の差圧式流量検出装置の動作を説明する図である。本発明の差圧式流量検出装置の動作を説明する図である。周波数と排ガス流量の関係（特性曲線）を示す図である。脈動が生じたときの排ガス流量信号を示す図である。

符号の説明

２脈動発生装置
３ガス流路
７ガス流路の系
８差圧計
９演算処理部
２３記憶部
Ａ(Fmin,Ifmin)〜Ａ(Fmax,Ifmax) 補正係数
Ｅｘガス
Ｐｄ差圧信号
Ｑ流量

Claims

エンジン排ガスの流量を測定する差圧式流量計において、
検出した差圧信号を周波数分解し、
周波数分解によって得られた周波数に応じた補正係数を用いて補正することにより、脈動が発生して流量信号に誤差が生じた場合にも正確な流量を求めることを特徴とする排ガス流量計測方法。
エンジン排ガスの流量を測定する差圧式流量計において、
検出した差圧信号を周波数分解し、
周波数分解によって得られた周波数と振幅に基づいて得られる補正係数を用いた補正を施すことにより、脈動が発生して流量信号に誤差が生じた場合にも正確な流量を求めることを特徴とする排ガス流量計測方法。
排ガスの流路に、異なる周波数および振幅で圧力変動するガスを流し、この排ガス流路内を流れるガスの差圧信号から求めた流量を実際に流したガスの流量と比較することにより、該周波数と振幅に対応する補正係数を求めることを特徴とする請求項２に記載の排ガス流量計測方法。
管内を流れる排ガスにおける差圧を検出する差圧計と、
この差圧計によって検出した差圧信号を周波数分解すると共に周波数分解によって得られた周波数に応じた補正係数を用いて補正した流量を求める演算処理部とを有することを特徴とする排ガス流量計測装置。
管内を流れる排ガスにおける差圧を検出する差圧計と、
この差圧計によって検出した差圧信号を周波数分解し、周波数分解によって得られた周波数と振幅に基づいて得られる補正係数を用いた補正を施すことにより補正した流量を求める演算処理部とを有することを特徴とする排ガス流量計測装置。
排ガスの流路に設けられてガスの流れに対して順次異なる周波数および振幅で圧力変動を生じさせる脈動発生装置と、圧力変動を発生させた状態で検出した差圧信号から求められる流量を実際に流したガスの流量と比較して該周波数と振幅に対応する補正係数を求める演算処理部と、該周波数と振幅に対応する補正係数を記録する記憶部を設けた請求項５に記載の排ガス流量計測装置。