JP2009156850A - 排ガス分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】 排気管からの排ガスを直接測定する際に、排気管及び排ガスから光照射部及び光検出部等へ与える熱の影響を小さくしつつ、排ガス分析計を小型化し、Ｓ／Ｎ比を向上させることを所期課題とする
【解決手段】 排気管１２の径方向外方に離間して配置され、当該排気管１２の開口側の端部に固定される内筒３と、前記内筒３の径方向外方に離間して配置され、当該内筒３に固定される外筒４と、前記外筒４の内周面と前記内筒３の外周面に沿う流体の流れを作り出すブロア７と、前記外筒４に取り付けられて、前記排気管１２から排出される排ガスに検査光Ｌａを照射する光照射部５と、前記外筒４に取り付けられて、前記排ガスからの散乱光及び／又は透過光Ｌｂを検出する光検出部６と、を具備し、前記内筒３が、前記外筒４に取り付けられた光照射部５及び光検出部６に対応する部分に貫通孔３２を有しており、前記流体の流れが少なくとも前記貫通孔３２上を経由するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス分析計に関し、特に排気管から排出される排ガスをリアルタイムで直接測定する排ガス分析計に関するものである。

この種の排ガス分析計としては、例えば特許文献１に示すように、排気管に光照射部及び光検出部を含む測定ユニットを装着固定して測定するものがある。さらに、測定系への排ガスの熱の影響を小さくし、測定系が排ガスによって汚れるのを防ぐ対策を講じているものもある。具体的には、図９に示すように、排気管Ｂ１に内筒Ｂ２と外筒Ｂ３の間に空間がある二重筒を取り付け、その外筒Ｂ３に汚れ防止機能を有する測定ユニットＢが径方向に垂直に設けられているものが挙げられる。この測定ユニットＢについて詳述すると、光源Ｂ４１あるいは光検出器Ｂ４２と、レンズＢ４３と、ハニカムパイプＢ４４とがこの順で外周から直線上に並んでおり、レンズＢ４３とハニカムパイプＢ４４の間に設けられたパージエア供給部Ｂ４６からパージエアを内部空間Ｂ４５に噴出させ、ハニカムパイプＢ４４を介して内筒Ｂ２の内部に流出するように構成してある。このように、パージエアを流すことによって、測定対象である排ガスの流れを乱すことなく、排ガス物質が光照射部Ｂ４及び光検出部Ｂ５内部に侵入するのを防ぐことができ、レンズＢ４３が汚れることによる測定精度の低下を防ぐことができる。

しかしながら、光源Ｂ４１と光検出器Ｂ４２との間の光路上にハニカムパイプＢ４４が設けられるという構造のため、光源Ｂ４１から光検出器Ｂ４２に向かう光が遮光されてしまうので、光検出器Ｂ４２に到達する光量が減衰してしまう。例えば、強い強度の光を用意することが難しい赤外光を用いた排ガス分析では、Ｓ／Ｎ比を向上させることが困難になる。また、パージエアを噴出していたとしても、ハニカムパイプＢ４４に排ガス物質が付着することによって、目詰まりが発生し、故障の原因となることもある。

さらに、この測定ユニットＢでは、車が停止しているときには、内筒Ｂ２と外筒Ｂ３の間の空間に流体が流れないため、排ガスからの熱が外筒Ｂ３に伝達するのを十分に遮断することができない。従って、熱による測定ユニットＢの誤動作や故障を防ぐために、測定ユニットＢが外筒Ｂ３に対して垂直に取り付けられており、突出している部分が大きいので、排ガス試験中に周囲の物体に引っかかるなどして不慮の事故や故障が起こる可能性がある。
特開２００５−１４０７０３号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、排気管からの排ガスを直接測定する際に、排気管及び排ガスから光照射部及び光検出部等へ与える熱の影響を小さくしつつ、排ガス分析計を小型化し、Ｓ／Ｎ比を向上させることを所期課題とするものである。また、排ガス分析計の突出している部分を小さくすることによって、周囲の物体への引っかかりなどによる不慮の事故や故障を防止することも意図している。

すなわち本発明に係る排ガス分析計は、排気管の径方向外方に離間して配置され、当該排気管の開口側の端部に固定される内筒と、記内筒の径方向外方に離間して配置され、当該内筒に固定される外筒と、前記外筒と前記内筒との間に設けられ、前記外筒の内周面と前記内筒の外周面に沿う流体の流れを作り出すブロアと、前記外筒に取り付けられて、前記排気管から排出される排ガスに検査光を照射する光照射部と、前記外筒に取り付けられて、前記排ガスからの散乱光及び／又は透過光を検出する光検出部と、を具備し、前記内筒が、前記外筒に取り付けられた光照射部及び光検出部に対応する部分に貫通孔を有しており、前記流体の流れが少なくとも前記貫通孔上を経由することを特徴とする。

このようなものであれば、前記ブロアが作り出した前記外筒の内周面と前記内筒の外周面に沿う流体の流れによって、排ガスの熱が外筒に伝わるのを妨げて、光照射部及び光検出部の温度上昇を防ぐことができ、しかも、測定対象の排ガスの流れを乱すことなく、排ガスが前記貫通孔から内筒と外筒との間の空間に流入するのを防ぐことができる。したがって、前記光照射部から照射された光が前記光検出部に到達するまでの光路上に、例えば、ハニカムパイプなどの光を遮蔽する部材を設ける必要が無くなるため、光が減衰することがなく、排ガス分析におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。加えて、排ガスが前記内筒と前記外筒の間の空間に流入しないので、前記光照射部や前記光検出部が排ガスに含まれる粒子で汚され、測定精度が低下することも無い。

さらに、前記内筒には貫通孔が設けてあるだけなので、例えば、その大きさなどを調節することによって、排ガスに含まれる粒子による目詰まりを起こさないようにすることができ、排ガス分析計の故障を防ぐことができる。

測定対象である排ガスの流れにほとんど影響を与えず、前記貫通孔から排ガスが前記内筒と前記外筒の間の空間に流入するのを好適に防ぐためには、前記流体の流れが、前記排気管の軸方向に螺旋状に進行する流れであればよい。

測定対象である排ガスの流れにほとんど影響を与えず、前記貫通孔から排ガスが前記内筒と前記外筒の間の空間に流入するのを好適に防ぐ別の態様としては、前記流体の流れが、前記排気管の軸方向と略平行に進行する流れであるものが挙げられる。

前記内筒と前記外筒の間の空間に排ガスが侵入するのを排ガスの流速や流量などの変化に応じて好適に防ぐには、前記流体の流速が、エンジンの回転数あるいは排ガスの流速に基づいて決定されるものが好ましい。

排ガス分析計を排気管の周囲の狭いスペースに容易に取り付けられるようにし、円周方向への突起物が周囲の物体に引っかかるなどして不慮の事故や故障が発生するのを防ぐには、前記光照射部及び前記光検出部が、それらの長手方向が前記外筒の軸方向と略平行に配置されているものが好ましい。

測定対象である排ガスに、外部の空気が流入し、希釈が起こることによって測定誤差が発生するのを防止するためには、前記内筒の取り付け側端部において、前記内筒と前記排気管との間が閉塞しているものが望ましい。

このように構成した本発明によれば、排ガスの熱が光照射部や光検出部に伝達されるのを妨げ測定系が故障するのを抑えつつ、光照射部と光検出部との間の光路上に、光を遮る部材を配置する必要がないことから測定のＳ／Ｎ比を向上させることができる。さらに、外筒に熱が伝達されるのを防ぐことができることから、外筒に近接して測定系を配置することができるので、排ガス分析計を設置ためのスペースを小さくすることができる。したがって、突出した部分が周囲のものに引っかかることによって事故や故障が発生するのを防ぐことができる。

以下に、本発明の一実施形態に係る排ガス分析計１について、図面を参照して説明する。

＜装置構成＞
本実施形態に係る排ガス分析計１は、図１に示すように、車両１０の内燃機関（エンジン）１１に連結された排気管１２から排出される排ガス中の、例えば粒子状物質（ＰＭ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）、硫黄酸化物（SO_ｘ）、アンモニア（NH_３）、炭化水素（ＨＣ）等の含有成分を分析する車載型のものである。

具体的に、このものは、前記排気管１２の開口側端部１２Ａに装着される測定ユニット２と、この測定ユニット２を安定的に制御するとともにこの測定ユニット２からの測定信号を演算装置９に出力するコントローラ８と、前記測定信号を受信して、演算処理を行い、排ガス中の含有成分の濃度等の分析を行う演算装置９とを備えている。なお、コントローラ８及び演算装置９は車内に搭載されている。

以下、測定ユニット２について、図２を参照して詳述する。

測定ユニット２は、図２に示すように、排気管１２の開口側端部１２Ａに固定される内筒３と、当該内筒３に固定される外筒４と、当該内筒３と当該外筒４の間の空間に流体の流れを作るように設けられるブロア７（図２には図示しない）と、当該外筒４に取り付けられる光照射部５及び光検出部６と、を備えている。

以下、各部３〜７について説明する。

内筒３は、両端に開口を有し、その内径が排気管１２の外径よりも大きい円筒であり、排気管１２の径方向外方に離間して排気管１２と略同軸上に配置され、当該排気管１２の開口側端部１２Ａに着脱自在に固定されるものである。また、内筒３は、排気管１２から排出される排ガスを流通させる排ガス通路を形成するものである。

内筒３の取付側端部３Ａ（上流側端部（車両１０の移動方向側の端部））は、閉塞部材３３によって、内筒３と排気管１２との間が閉塞するようにしている。つまり、内筒３が排気管１２に取り付けられると、その取付側端部３Ａが排気管１２の外側周面１２０１に密着して、排気管１２の外側周面１２０１と内筒３の内側周面３０１との間が閉塞することになる。これにより、車両１０走行中であっても、外部の空気（外気）が内筒３内に流入せず、内筒３内には排ガスのみが流れるので、排ガスが外気により希釈されることがない。

また、内筒３の側周壁には、後述する光照射部５と光検出部６の間の光路上に貫通孔３２が設けられている。

さらに、内筒３は、図示しない固定部によって、円周方向に１２０度間隔で３箇所排ガス管に固定されるようにしている。

外筒４は、両端に開口を有し、その内径が内筒３の外径よりも大きい円筒であり、内筒３の径方向外方に離間して内筒３及び外筒４と略同軸上に配置され、当該内筒３に固定されるものである。また、排ガス排出側端部４Ｂは、内筒３の排ガス排出側端部３Ｂと面一又はこれよりも排ガス上流側にある。これにより、外筒４の内周面４０１は排ガスに臨まない構造、つまり、排ガスと接触しない構造としている。そして、外筒４と内筒３との間が両端部において開口するようにしている。これにより、外筒４に排ガスが接触することによる外筒４の温度上昇を低減することができる。

また、外筒４は、光照射部５及び光検出部６が取り付けられる取付孔４１Ａ、４１Ｂを備えており、後述する光照射部５及び光検出部６が取り付けられる。本実施形態においては、後述するように光照射部５と第１光検出部６が対向する位置に取り付けられ、その位置に取付孔４１Ｂが設けられている。

ブロア７は、例えば、ターボファンであり、図３に示すように、内筒３及び外筒４の周方向からその噴射口７１をわずかに排出側に傾けて、外筒４の取付側端側に設けているものである。ブロア７から送風された気流は、図４、図５に示すように内筒３及び外筒４の間の空間を螺旋状に排出側端部へと進行する。このときの流速は、エンジンの回転数や、内筒３の内部に設けてある図示しない流速計から計測される排ガスの流速に応じて、貫通孔から排ガス粒子が内筒３と外筒４の間に流入せず、しかも、排ガスの流れに影響を与えないような適度な流速にしている。この気流は、排ガス粒子が後述する光照射部５及び光検出部６に汚れとして付着するのを防ぐとともに、内筒３と外筒４の間で排ガスの熱が伝達されるのを遮断する働きもする。

光照射部５は、外筒４に沿って、その長手方向が排気管１２の軸方向と同じ方向になるように取り付けられて、前記排気管１２から排出される排ガスに検査光Ｌａを照射するものである。具体的に、光照射部５は、略直方体形状のハウジング５５と、その長手方向の一方の側面側からもう片方の側面側へ検査光Ｌａを照射する光源５１と、前記検査光Ｌａを平行光にするレンズ５３と、その平行光となった検査光Ｌａを直角に曲げるように配置したミラー５４と、検査光Ｌａを照射する出口に設けてあり、外筒４の取付孔４１Ａに取り付けられる光透過窓５２と、を備えている。そして、ハウジング５５が、外筒４の側面に沿って固定されることにより、光照射部５は、排気管１２の中心軸Ｃに対して平行に取り付けられ、排気管１２の中心軸Ｃに対してミラー５４を介して垂直に検査光Ｌａを照射する。

また、光源５１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、ハウジング５５内において外筒４の排ガス排出側に配置される。このように排ガスの温度が低くなる排出側に光源５１を設けることによって、排ガスの熱の光源５１への影響を抑えることができる。

光検出部６は、前記光照射部５と対向するように、その長手方向が排気管１２の軸方向と同じ方向になるように前記外筒４に取り付けられて、前記排ガスからの主として透過光Ｌｂを検出するものである。

光検出部６は、透過光Ｌｂの入射する入口に設けてある光透過窓６２と、その入ってきた光Ｌｂを直角に曲げるように配置したミラー６４と、その光Ｌｂを集光するレンズ６３と、その集光された光Ｌｂを検出する光検出器６１と、を備えている。

光検出部６は、外筒４の取付孔４１Ｂにその光透過窓６２が固定され、排気管１２の中心軸Ｃに対して水平に、かつ、光照射部５の光透過窓５２と光検出部６の光透過窓６２が直線上に対向する位置に取り付けられ、排ガスからの透過光Ｌｂを検出する。また、光検出器６１は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）であり、ハウジング６５内の排ガス排出側に配置される。このように排ガスの温度が低くなる排出側に光検出器６１を設けることによって、排ガスの熱の光検出器６１への影響を抑えることができる。

次に、このように構成した排ガス分析計１を用いた、排ガスの流れのシミュレーション結果を図６、図７に示す。このシミュレーションでは、エンジンの回転数が５００ｒｐｍ、排ガス管の直径が４０ｍｍとしている。

この図６のベクトル流速図から分かるように、ブロア７によって内筒３と外筒４の間の空間に、流れが形成されない場合には、排ガスの動圧によって、前記空間から内筒３の内部に流体が侵入し、排ガスの流れが一様でなくなっていることが分かる。

図７のベクトル流速図では、ブロア７によって内筒３と外筒４との間の空間に螺旋状に排ガス排出側へ進行する流れを形成している場合を示している。この場合、前記空間から内筒３の内部に流体が侵入していないことがわかる。さらに、排ガスの流れは一様に排ガス排出側に向いており、前記空間に排ガスが侵入することもない。

＜本実施形態の効果＞

このように構成した本実施形態に係る排ガス分析計１によれば、ブロア７が作り出した外筒４の内周面と内筒３の外周面に沿った螺旋状に排ガス排出側に進行する流体の流れによって、排ガスの熱が外筒４に伝達されるのを防ぎつつ、測定対象の排ガスの流れを乱すことなく、排ガスが内筒３の貫通孔を介して内筒３と外筒４の間の空間に侵入することを防ぐことができる。従って、排ガスに含まれる粒子によって光照射部や光検出部が汚されることによる故障や動作不良を防止することができる。さらに、前述したようなブロア７が作り出す流体に流れだけで、排ガスの流れを乱すことなく測定系への汚れを防ぐことができるので、従来のようなハニカムパイプなどを用いる必要が無い。つまり、ハニカムパイプなどが排ガス中に含まれる粒子によって目詰まりを起こすことによる故障や、測定系の光路上にハニカムパイプが検査光を遮ることによってＳ／Ｎ比があがらないといった問題を一挙に解決することができる。

また、ブロア７によって強制的に流体の流れを作っているので、車が走行していなくても、排ガスからの熱が外筒４に伝達されないようにすることができる。さらに、温度差によって水分が発生し、内筒３と外筒４の間の空間に貯まったとしても、ブロア７によって飛ばすことができる。

加えて、ブロア７によって外筒４への熱の伝達を十分に遮断することができるので、光照射部や光検出部を外筒４に沿って、中心軸Ｃと水平にして設置することができる。このことから、排ガス分析計の突出している部分を小さくすることができ、設置に必要なスペースを小さくすることができるので、排ガス管周辺の狭いスペースでも取り付けがしやすくなる。さらに、突出している部分が小さいので、走行中に排ガス分析を行っている場合でも、周囲のものに引っかかることによって、不慮の事故や故障が発生するのを防ぐことができる。

＜その他の変形実施形態＞

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、図８に示すように、ブロア７が内筒３と外筒４の間の取付端側に設けられていて、噴射口７１が排ガス排出側に向いているようなものであっても構わない。このブロア７の取り付けについて詳述すると、ブロア７の内筒３側には断熱材を設けてあり、その上にブロア７が配置してある。さらに、ブロア７によって作り出された流体の流れが取付端側から内筒３の貫通孔の上を経由して排ガス排出側に流れるようにしてあり、排ガスの流れが乱れることなく、内筒３と外筒４の間の空間に排ガスが流入しないようにしている。

また、貫通孔の上だけを流体が流れるようにするには、内筒３と外筒４の間に断熱材の障壁を設けて流路を限定するようにすればよい。

例えば、前記実施形態ではブロア７は１つだけで螺旋状の流れを形成していたが、貫通孔から排ガスが流入せず、排ガスの流れを乱さない流れを形成するものであれば、ブロア７は複数あっても構わない。

例えば、前記実施形態では、車載型のものであったが、シャーシダイナモやエンジンダイナモを用いる等の場合には、定置型でも良い。

また、外筒４の形状は、外気が内筒３との間に流入しやすい形状としても良い。例えば、外筒４の排気管１２側端部の開口をその他の部分の径よりも大きく形成しても良い。

さらに、光照射部５及び光検出部６の対（中心線Ｃに対して向かい合う光照射部５と光検出部６との組み合わせ）を複数設け、異なる成分を同時に測定することができるようにしても良い。

また、光源５１及び／又は光検出器６１をハウジング５５又はハウジング６５の外部に設け、光源５１とハウジング５５及び／又は光検出器６１とハウジング６５をファイバで接続し、検査光の照射及び／又は透過光の検出を、離れた位置よりコントロールあるいはモニタできるようにしても良い。

加えて、内筒３の排ガス排出側端部３Ｂが、外筒４の排出側端部４Ｂよりも延出するようにしても良い。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係る排ガス分析計の模式的構成図。 同実施形態おける測定ユニットの全体構成を示す縦断面図。 同実施形態における測定ユニットの模式的斜視図。 同実施形態におけるブロアの作り出す流体の流れを模式的に示す縦断面図。 同実施形態におけるブロアの作り出す流体の流れを模式的に示す横断面図。 ブロアを用いない場合のシミュレーションにおける流速分布を示す図。 ブロアを用いた場合のシミュレーションにおける流速分布を示す図。 本発明の別の実施形態に係る測定ユニットの全体構成を示す縦断面図。 従来の排ガス分析計における測定ユニットの全体構成を示す縦断面図。

符号の説明

１ ・・・排ガス分析計
１２ ・・・排気管
３ ・・・内筒
３２ ・・・貫通孔
４ ・・・外筒
５ ・・・光照射部
６ ・・・光検出部
７ ・・・ブロア

Claims (6)

1. 排気管の径方向外方に離間して配置され、当該排気管の開口側の端部に固定される内筒と、
   前記内筒の径方向外方に離間して配置され、当該内筒に固定される外筒と、
   前記外筒の内周面と前記内筒の外周面に沿う流体の流れを作り出すブロアと、
   前記外筒に取り付けられて、前記排気管から排出される排ガスに検査光を照射する光照射部と、
   前記外筒に取り付けられて、前記排ガスからの散乱光及び／又は透過光を検出する光検出部と、を具備し、
   前記内筒が、前記外筒に取り付けられた光照射部及び光検出部に対応する部分に貫通孔を有しており、前記流体の流れが少なくとも前記貫通孔上を経由することを特徴とする排ガス分析計。
2. 前記流体の流れが、前記排気管の軸方向に螺旋状に進行する流れであることを特徴とする請求項１記載の排ガス分析計。
3. 前記流体の流れが、前記排気管の軸方向と略平行に進行する流れであることを特徴とする請求項１記載の排ガス分析計。
4. 前記流体の流速が、エンジンの回転数あるいは排ガスの流速に基づいて決定されるものである請求項１、２又は３記載の排ガス分析計。
5. 前記光照射部及び前記光検出部が、それらの長手方向が前記外筒の軸方向と略平行に配置されていることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の排ガス分析計。
6. 前記内筒の取り付け側端部において、前記内筒と前記排気管との間が閉塞していることを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の排ガス分析計。