JP2009156850A - 排ガス分析計 - Google Patents

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修司 高松
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【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)、窒素酸化物(NO)、硫黄酸化物(SO)、アンモニア(NH)、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。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH04259846A (ja) * 1990-10-16 1992-09-16 Volkswagen Ag <Vw> ガス流内の粒子密度を動的に測定する装置

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