JP2014174054A - 排ガス分析装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ＣＶＳ機構とともに用いられる排ガス分析装置において、排ガス中の水分の影響を除き、測定対象成分の濃度や量を高い精度で分析する。
【解決手段】内燃機関から排出される排ガスを全量サンプリングし、希釈ガスを混合して流量が一定になるように構成したＣＶＳ機構とともに用いられる。混合ガス収容バッグＭ１と希釈ガス収容バッグＭ２を備え、混合ガスを分析して測定対象成分の濃度に関する第１濃度関連値を測定するとともに、希釈ガスを分析して測定対象成分の濃度に関する第２濃度関連値を測定し、それらの値に基づいて排ガスに含まれる測定対象成分濃度に関する値を算出する分析機構１０とを備えた排ガス分析装置において、分析機構に測定対象成分の水分影響濃度関連値を測定する対象成分濃度計１１と、水分濃度関連値を測定する水分濃度計１２とを備え、水分の影響を除いた第１濃度関連値及び第２濃度関連値を算出する。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車等の内燃機関から排出された排ガスを全量サンプリングして分析する排ガス分析装置に関するものである。
この種の排ガス分析装置は、特許文献１に示すように、内燃機関から排出される排ガスを全量サンプリングするとともに、この排ガスに大気等の希釈ガスを混合して混合ガスを生成し、該混合ガスの流量が一定となるように構成した定容量サンプリング（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｏｌｕｍｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ：ＣＶＳ）機構とともに用いられる。
具体的にこの排ガス分析装置は、混合ガスをサンプリングして収容する混合ガス収容バッグと、希釈ガスをサンプリングして収容する希釈ガス収容バッグと、これらの各収容バッグに収容されたガスを分析して、これらのガスに含まれる測定対象成分の例えば濃度をそれぞれ測定し、混合ガスに含まれる測定対象成分の濃度から希釈ガスに含まれる測定対象成分の濃度を差し引くことによってバックグラウンド補正して排ガスに含まれる測定対象成分の濃度を算出する分析機構とを具備したものである。
上述した排ガス分析装置によれば、内燃機関から排出される排ガスを希釈することで、混合ガスに含まれる水分の濃度を下げることができる。これにより、水分の結露がおこりにくくなり、水の凝縮によるガス濃度変化や水溶性成分の溶解損失による測定誤差を抑制することができる。
ところで、車両の燃費計測にはＣＯ２の濃度測定が必要であり、そのためには例えば非分散赤外吸収（Ｎｏｎ-Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ ＩｎｆｒａＲｅｄ：ＮＤＩＲ）法が使われている。
ところが、今後、燃費計測に求められる測定精度がより高くなることが予想され、従来の測定法ではそれに応えられない。なぜならば、従来要求されていた測定精度では問題ないと考えられていた、排ガスに含まれる水分が、今後要求されるＣＯ２の測定レベルでは悪影響を及ぼす可能性があるからである。
通常、水分影響を抑えるためには、水分を凝縮させてドレンで除去するなどの手法も考えられるが、上述したように、ＣＶＳ機構は、希釈により水分を凝縮させないことが大前提であり、このような手法をとることも考えられない。
特開２００９−１０３６８９号公報
そこで本発明は、水分がガスとして含まれることが前提であるＣＶＳ機構とともに用いられる排ガス分析装置において、排ガスに含まれる水分の影響を除き、測定対象成分の濃度や量をより高い精度で分析できるようにすべく図ったものである。
すなわち本発明に係る排ガス分析装置は、内燃機関から排出される排ガスを全量サンプリングするとともに、全量サンプリングした排ガスに希釈ガスを混合して混合ガスを生成し、該混合ガスの流量が一定になるように構成したＣＶＳ機構とともに用いられるものであり、前記混合ガスをサンプリングして収容する混合ガス収容バッグと、前記希釈ガスをサンプリングして収容する希釈ガス収容バッグと、前記混合ガス収容バッグ中の混合ガスを分析して、該混合ガスに含まれる測定対象成分の濃度に関する値である第１濃度関連値を測定するとともに、前記希釈ガス収容バッグ中の希釈ガスを分析して、該希釈ガスに含まれる前記測定対象成分の濃度に関する値である第２濃度関連値を測定し、前記第１濃度関連値と前記第２濃度関連値とに基づいて、排ガスに含まれる前記測定対象成分の濃度に関する値を算出する分析機構とを具備したものである。
そして、前記分析機構が、水分の影響を受けた状態での前記測定対象成分の濃度に関する値である水分影響濃度関連値を測定する対象成分濃度計と、水分の濃度に関する値である水分濃度関連値を測定する水分濃度計とを具備し、前記水分濃度関連値に基づいて、前記水分影響濃度関連値から水分の影響を除き、前記第１濃度関連値及び前記第２濃度関連値をそれぞれ算出するものであることを特徴とする。
なお、ここで言う濃度に関連する値とは、濃度を算出するための値や濃度に基づき算出される値（例えば分量）だけではなく、濃度そのものも含む。
このようなものであれば、水分濃度計により測定される水分濃度関連値に基づき、第１濃度関連値及び第２濃度関連値をガスに含まれる水分の影響を除いた値として算出することができるため、第１濃度関連値から第２濃度関連値を差し引いて算出される排ガス中の測定対象成分の濃度に関する値をより高い精度で求めることができる。
本発明の効果が特に顕著となる対象成分濃度計の具体例としては、ＮＤＩＲ法で得られる吸収スペクトルに基づいて前記各収容バッグに含まれる前記対象成分を検出するＮＤＩＲ法検出器を備えるものが挙げられる。
測定対象成分の具体例としては、ＣＯ２が挙げられる。
このように構成した本発明によれば、ＣＶＳ機構とともに用いられる排ガス分析装置において、各収容バッグに収容されたガスに含まれる測定対象成分の濃度関連値を水分の影響を除いた値として求めることができ、排ガスに含まれる測定対象成分の濃度や量をより高い精度で分析することができる。
本実施形態の排ガス分析装置の構成を模式的に示す図。 同実施形態のＣＶＳ機構の具体的構成を示す図。 同実施形態の分析機構の構成を模式的に示す図。 同実施形態の対象成分濃度計の測定結果を示すグラフ。
以下に本発明に係る排ガス分析装置１００について図面を参照して説明する。
本実施形態の排ガス分析装置１００は、例えばエンジン等の内燃機関から排出される排ガスに含まれる測定対象成分の例えば濃度を測定するために用いられるものである。
具体的にこの排ガス分析装置１００は、図１に示すように、排ガスを全量サンプリングするとともに、全量サンプリングした排ガスに希釈ガスを混合して混合ガスを生成し、該混合ガスの流量が一定になるように構成した定容量サンプリング（ＣＶＳ）機構１とともに用いられるものであり、混合ガスをサンプリングして収容する混合ガス収容バッグＭ１と、希釈ガスをサンプリングして収容する希釈ガス収容バッグＭ２と、これらのバッグに収容されたガスを分析して、これらのガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定し、その測定結果に基づいて排ガスに含まれる測定対象成分の濃度を算出する分析機構１０とを具備するものである。
ＣＶＳ機構１は、ここでは、流量制御部に臨海流量ベンチュリ方式を採用したものであるが、定容量ポンプ方式を採用したものであっても構わない。
このＣＶＳ機構１は、図２に示すように、排ガスを導入するための排ガス導入ポートＰＴ１に一端が接続された排ガス流路ＥＬと、希釈ガスを導入するための希釈ガス導入ポートＰＴ２に一端が接続された希釈ガス流路ＤＬと、排ガス流路ＥＬ及び希釈ガス流路ＤＬを合流させて、排ガス及び希釈ガスの混合ガスが流れる混合ガス流路ＭＬとを備えている。
排ガス流路ＥＬは、一端に排ガス導入ポートＰＴ１が設けられた排ガスを導入する排ガス導入配管２１により構成されており、希釈ガス流路ＤＬは、一端に希釈用ガス導入ポートが設けられた希釈ガス導入配管２２により構成されており、これらのガス導入管の他端は、排ガス流路ＥＬ及び希釈ガス流路ＤＬが合流し、排ガス及び希釈ガスの混合ガスを生成する混合器３に接続されている。混合ガス流路ＭＬは、一端にこの混合器３が接続された混合ガス導入配管２３と、該混合ガス導入配管２３に接続されたダスト除去用のサイクロン４と、当該サイクロン４に接続されたサンプリング配管５と、当該サンプリング配管５に接続された一定流量制御部６とにより構成されている。
一定流量制御部６は、排ガス導入配管２１から導入される排ガスと希釈ガス導入配管２２から導入される希釈ガスとの総流量が一定となるように流量制御するものであり、前記サンプリング配管５の下流に接続された臨界流量ベンチュリ（ＣＦＶ）からなるメインベンチュリ６１と、このメインベンチュリ６１の下流に接続された例えばブロワ等の吸引ポンプ６２により構成される。この吸引ポンプ６２によりメインベンチュリ６１の上流側及び下流側の差圧が必要値以上にすることで前記総流量が一定となる。なお、吸引ポンプ６２により吸引された混合ガスは外部に放出される。
上述したＣＶＳ機構１により、排ガスと希釈ガスとの総流量、すなわち混合ガスの流量が一定となった状態において、混合ガスは混合ガスサンプリング流路ＳＬ１を経て混合ガス収容バッグＭ１へ収容され、希釈ガスは希釈ガスサンプリング流路ＳＬ２を経て希釈ガス収容バッグＭ２へ収容される。
混合ガスサンプリング流路ＳＬ１は、一端が混合ガス流路ＭＬを構成するサンプリング配管５に接続されており、下流側で複数に分岐しており、各サンプリング分岐路ＳＬ１ａ〜ＳＬ１ｃの他端が混合ガス収容バッグＭ１に接続されている。各サンプリング分岐路ＳＬ１ａ〜ＳＬ１ｃには、サンプリングされた混合ガスが収容される混合ガス収容ガス収容バッグＭ１を切り替えるための開閉弁Ｖ１ａ〜Ｖ１ｃが設けられている。また、混合ガスサンプリング流路ＳＬ１は、外部ヒータ等によって加熱されており、混合ガスに含まれる水分が結露又は凝縮しないように構成している。
希釈ガスサンプリング流路ＳＬ２は、一端が希釈ガス流路ＤＬを構成する希釈ガス導入配管２２に接続されており、下流側で複数に分岐して、各サンプリング分岐路ＳＬ２ａ〜ＳＬ２ｃの他端が希釈ガス収容バッグＭ２に接続されている。各サンプリング分岐路ＳＬ２ａ〜ＳＬ２ｃには、サンプリングされた希釈ガスが収容される希釈ガス収容バッグＭ２を切り替えるための開閉弁Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃが設けられている。また、希釈ガスサンプリング流路ＳＬ２における分岐点の上流側には、ガス流量を制御するためのニードルバルブ７が設けられている。
混合ガス収容バッグＭ１に収容された混合ガス及び希釈ガス収容バッグＭ２に収容された希釈ガスはそれぞれ分析機構１０へ供給され、該分析機構１０においてそれぞれのガスに含まれる測定対象成分の濃度が測定される。
この分析機構１０は、図３に示すように、各収容バッグＭ１、Ｍ２から供給されたガスに含まれる測定対象成分の濃度を測定する対象成分濃度計１１と、前記ガスに含まれる水分の濃度を測定する水分濃度計１２と、これらの濃度計からの出力を取得して排ガスに含まれる測定対象成分の濃度を算出する演算装置１３とを備えるものである。
なお、本実施形態では、測定対象成分をＣＯ２とする。
対象成分濃度計１１及び水分濃度計１２は、本実施形態ではＮＤＩＲ法検出器を備えるものであり、図示しない測定セルに供給されたガスへ赤外線を照射し、ＮＤＩＲ法より得られる吸収スペクトルを該ＮＤＩＲ法検出器で検出するものである。
対象成分濃度計１１は、ＣＯ２の吸収スペクトルからガスに含まれるＣＯ２濃度を測定するものであり、水分濃度計１２は、水分の吸収スペクトルからガスに含まれる水分濃度を測定するものである。
水分の吸収スペクトルはＣＯ２の吸収スペクトルの影響を受けないが、ＣＯ２の吸収スペクトルは水分の吸収スペクトルの影響を受けるため、前記対象成分濃度計１１により測定されるＣＯ２の吸収スペクトルは、ガスに含まれる水分の影響を受けた状態で検出された吸収スペクトルとなり、この吸収スペクトルから測定されるＣＯ２濃度は、水分の影響を受けた水分影響濃度として算出される。
演算装置１３は、物理的には、例えはＣＰＵ、メモリ、ＡＤコンバータなどから構成される電気回路である。また、この演算装置１３は、機能的に言えば、メモリに記憶されたプログラムにしたがって前記ＣＰＵやその周辺機器が共働することにより、対象成分濃度計１１により測定される水分影響濃度のうち水分の影響で測定される誤差濃度を算出する誤差濃度算出部１３１、混合ガス及び希釈ガスに含まれる測定対象成分の実際の濃度を算出する実濃度算出部１３２、排ガスに含まれる測定対象成分の濃度を演算する演算部１３３としての機能を発揮するものである。
以下に各部について詳述する。
図４に示すように、対象成分濃度計１１により測定される値は、水分影響を受けた濃度（水分影響濃度と言う）となり、ガスに含まれる実際のＣＯ２濃度に、水分の影響により測定される誤差濃度が足し合わされた値となる。
そこで、誤差濃度算出部１３１は、水分濃度計１２からの出力を取得し、ガスに含まれる水分濃度に基づいて、水分の吸収スペクトルの干渉により対象成分濃度計１１が測定するＣＯ２濃度を誤差濃度として算出する。
実濃度算出部１３２は、対象成分濃度計１１からの出力及び誤差濃度算出部１３１からの信号を取得し、水分影響濃度から誤差濃度を差し引いた濃度を、水分の影響を除いたガスに含まれる実際のＣＯ２濃度として算出する。
演算部１３３は、実濃度算出部１３２からの信号を取得し、混合ガス及び希釈ガスに含まれる実際のＣＯ２濃度に基づいて排ガスに含まれるＣＯ２濃度を演算する。
より詳細には、実濃度算出部１３２で算出されたガスに含まれる実際のＣＯ２濃度に基づいて、該ガスに含まれるＣＯ２量を算出する。具体的には、混合ガス収容バッグＭ１に収容された混合ガスに含まれるＣＯ２量を第１濃度関連値として算出し、希釈ガス収容バッグＭ２に収容された希釈ガスに含まれるＣＯ２量を第２濃度関連値として算出する。そして、第１濃度関連値から第２濃度関連値を差し引くことでバックグラウンド補正して、排ガスに含まれるＣＯ２量を算出し、このＣＯ２量に基づいて該排ガスに含まれるＣＯ２濃度を演算する。
なお、ＣＯ２濃度は、近年その精度向上が要求される燃費計測にも使用される。つまり、ＣＯ２濃度と希釈ガス流量などからＣＯ２の総排出量を算出し、車両の走行距離の数値から燃費（単位は例えばｋｍ／ｌ）を計算し、表示させる。
ＣＯ２濃度をより精度良く算出しているため、燃費も高い精度で算出可能となる。
以上のように構成された本実施形態に係る排ガス分析装置１００によれば、ＣＶＳ法を用いた排ガス分析において、対象成分濃度計１１により測定される水分影響濃度のうち水分の影響で測定される誤差濃度を差し引くことで、ガスに含まれる測定対象成分の実際の濃度を算出することができ、排ガスに含まれる測定対象成分の濃度をより高い精度で分析することができる。
特に、ＮＤＩＲ法を用いて排ガスに含まれるＣＯ２濃度を測定する場合、従来は凝縮していない水分の影響を受けていたが、本実施形態に係る排ガス分析装置１００によれば、ガスに含まれる水分の影響を除くことができるため、より高い精度でＣＯ２濃度を測定することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、前記実施形態では、対象成分濃度計１１及び水分濃度計１２がガスに含まれる測定対象成分の濃度及び水分の濃度を測定していたが、これらの濃度計から得られる吸収スペクトルを演算装置１３へ出力し、演算装置１３が測定対象成分及び水分の濃度を算出するようにしても構わない。
また、混合ガス及び希釈ガスが、それぞれに対応する対象成分濃度計１１及び水分濃度計１２へ供給されるように、各濃度計１１、１２を複数設けてもよい。
このように構成することで、測定時間を短縮することができる。
さらに、前記実施形態では、対象成分濃度計１１及び水分濃度計１２が測定対象成分の濃度及び水分の濃度を測定していたが、濃度に関連する値である分量や容積を測定するものであっても良い。
その上、前記実施形態では、測定対象成分がＣＯ２であったが、ＣＯ等の他の成分を測定対象成分としても構わない。
その他、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。
１００・・・排ガス分析装置
１・・・ＣＶＳ機構
１０・・・分析機構
Ｍ１・・・混合ガス収容バッグ
Ｍ２・・・希釈ガス収容バッグ
ＤＬ・・・希釈ガス流路
ＭＬ・・・混合ガス流路
２２・・・希釈ガス導入配管
２３・・・混合ガス導入配管
６・・・一定流量制御部
１１・・・対象成分濃度計
１２・・・水分濃度計
１３・・・演算装置

Claims (3)

  1. 内燃機関から排出される排ガスを全量サンプリングするとともに、全量サンプリングした排ガスに希釈ガスを混合して混合ガスを生成し、該混合ガスの流量が一定になるように構成したＣＶＳ機構とともに用いられるものであり、
    前記混合ガスをサンプリングして収容する混合ガス収容バッグと、
    前記希釈ガスをサンプリングして収容する希釈ガス収容バッグと、
    前記混合ガス収容バッグ中の混合ガスを分析して、該混合ガスに含まれる測定対象成分の濃度に関する値である第１濃度関連値を測定するとともに、前記希釈ガス収容バッグ中の希釈ガスを分析して、該希釈ガスに含まれる前記測定対象成分の濃度に関する値である第２濃度関連値を測定し、前記第１濃度関連値と前記第２濃度関連値とに基づいて、排ガスに含まれる前記測定対象成分の濃度に関する値を算出する分析機構とを具備した排ガス分析装置において、
    前記分析機構が、水分の影響を受けた状態での前記測定対象成分の濃度に関する値である水分影響濃度関連値を測定する対象成分濃度計と、水分の濃度に関する値である水分濃度関連値を測定する水分濃度計とを具備し、前記水分濃度関連値に基づいて、前記水分影響濃度関連値から水分の影響を除き、前記第１濃度関連値及び前記第２濃度関連値をそれぞれ算出するものであることを特徴とする排ガス分析装置。
  2. 前記対象成分濃度計が、ＮＤＩＲ法で得られる吸収スペクトルに基づいて前記各収容バッグに含まれる前記対象成分を検出するＮＤＩＲ法検出器を備えることを特徴とする請求項１記載の排ガス分析装置。
  3. 前記対象成分がＣＯ２であることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス分析装置。

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