JP2014224772A - 排ガス流量計及び排ガス分析システム - Google Patents

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Abstract

【課題】特に希釈前の排ガスに含まれる対象成分の濃度を精度良く測定して、トレーサ法による排ガス流量の測定精度を向上させる。【解決手段】メイン流路MLにおける合流点Xよりも上流側から、生排ガスをサンプリングする第1サンプリングライン11と、生排ガスに含まれる所定の対象成分の濃度を測定する第1濃度測定部21と、メイン流路MLにおける合流点Xよりも下流側から、希釈排ガスをサンプリングする第2サンプリングライン12と、希釈排ガスに含まれる対象成分の濃度を測定する第2濃度測定部22と、第1測定濃度、第2測定濃度、及び希釈排ガス流量を用いて、生排ガス流量を演算する演算装置3とを具備し、第1サンプリングライン11及び第1濃度測定部21が加熱された状態で、第1濃度測定部21が生排ガスに含まれる対象成分の濃度を測定するようにした。【選択図】図1

Description

本発明は、例えばエンジン等の内燃機関から排出される排ガスの流量をトレーサ法により測定する排ガス流量計及びこの排ガス流量計を用いた排ガス分析システムに関するものである。
従来、内燃機関から排出される排ガスを希釈する希釈サンプリング方式の排ガス分析システムとして、内燃機関の排気管から排出される排ガスが流れるメイン流路と、メイン流路に合流するとともに、前記排ガスを希釈する希釈ガスが流れる希釈ガス流路と、メイン流路と希釈ガス流路との合流点より下流側に設けられて希釈ガスにより希釈された希釈排ガスの流量を制御する流量制御部とを備えるものがある。
この希釈サンプリング方式において、排気管から排出される排ガスの流量を測定する測定計の1つとして、トレーサ法により測定する排ガス流量計が知られている。
この排ガス流量計は、例えば、特許文献1に示すように、前記合流点より上流側のメイン流路から、希釈前の排ガスである生排ガスをサンプリングするサンプリングラインと、前記合流点より下流側のメイン流路から、希釈後の排ガスである希釈排ガスをサンプリングするサンプリングラインと、各サンプリングラインに接続されてサンプリングされたガスに含まれる対象成分(例えばCO)の濃度を測定する濃度計と、各濃度計により測定される対象成分の濃度及び流量制御部により制御される希釈排ガスの流量から生排ガスの流量を演算する演算装置とを備えている。
このように構成された排ガス流量計によれば、各濃度計が生排ガス及び希釈排ガスに含まれる対象成分の濃度を瞬時測定することで、これらの濃度比が希釈ガスによる希釈比に等しいとして、生排ガスの流量を瞬時測定することが可能となる。
ところで、内燃機関から排出される排ガスには干渉成分となる例えば水分等が多く含まれている。ここで、水分を除去するものとしては、サンプリングラインと濃度計との間にドレンセパレータを設けて、排ガスに含まれる水分を除去してから濃度計へ導入するものがある(いわゆるDry測定)。この場合、排ガスに水分が含まれている状態に比べて対象成分の濃度が高くなるので、レギュレーション(40 CFR part1065)で定められている換算式(Dry to Wet換算式)に基づいて、内燃機関から排出された直後の排ガスに含まれる対象成分の濃度へ換算するようにしている。
しかしながら、実際は、内燃機関から排出された排ガスが排気管を流れる間に、当該排ガスに含まれる水分が排気管内で凝縮したり吸着したりする場合がある。この場合、内燃機関から排出された直後の排ガスと、排気管から排出された排ガス(前述した生排ガス)とは、含まれている水分量に差が生じており、前記換算式により換算された対象成分の濃度は、前記生排ガスに含まれる対象成分の濃度を示さない。また、排気管内でどの程度の凝縮や吸着等が生じているかを知ることは難しく、生排ガスに含まれる対象成分の濃度を精度良く測定することは困難である。
一方で、ドレンセパレータを使用せず、排気管から排出された排ガスに水分が含まれている状態で対象成分の濃度を測定する方法(いわゆるWet測定)も考えられるが、この方法では、特に水分が多く含まれる生排ガスが流れるサンプリングラインや濃度計において、当該生排ガスに含まれる水分が凝縮したり吸着してしまう。これにより、対象成分が溶解性を有する例えばCO等であると、凝縮や吸着した水分に対象成分が溶解することで測定誤差を引き起こすこともあり、この場合も精度良く対象成分の濃度を測定することができないという問題が生じる。
特開昭62−5151号公報
そこで本発明は、特に希釈前の排ガスに含まれる対象成分の濃度を精度良く測定して、トレーサ法による排ガス流量の測定精度を向上させることをその主たる所期課題とするものである。
すなわち本発明に係る排ガス流量計は、内燃機関から排出される排ガスが流れるメイン流路と、前記メイン流路に合流するとともに、前記排ガスを希釈する希釈ガスが流れる希釈ガス流路とを備える排ガス希釈システムに用いられるものであって、前記メイン流路における前記メイン流路と前記希釈ガス流路との合流点よりも上流側から、希釈前の前記排ガスである生排ガスをサンプリングする第1サンプリングラインと、前記第1サンプリングラインに設けられ、前記生排ガスに含まれる所定の対象成分の濃度を測定する第1濃度測定部と、前記メイン流路における前記合流点よりも下流側から、希釈後の前記排ガスである希釈排ガスをサンプリングする第2サンプリングラインと、前記第2サンプリングラインに設けられ、前記希釈排ガスに含まれる前記対象成分の濃度を測定する第2濃度測定部と、前記第1濃度測定部より得られる第1測定濃度、前記第2濃度測定部より得られる第2測定濃度、及び前記希釈排ガスの流量である希釈排ガス流量を用いて、前記生排ガスの流量である生排ガス流量を演算する演算装置とを具備し、前記第1サンプリングライン及び前記第1濃度測定部が加熱された状態で、前記第1濃度測定部が前記生排ガスに含まれる前記対象成分の濃度を測定することを特徴するものである。
このようなものであれば、第1サンプリングライン及び第1濃度測定部が加熱された状態で対象成分の濃度を測定するので、第1サンプリングライン及び第1濃度測定部において生排ガスに含まれている水分等が凝縮や吸着等することを防ぐことができる。これにより、水分が含まれている状態で生排ガスを測定(Wet測定)することができるので、生排ガスに含まれる対象成分が水分に溶解することなく、対象成分の濃度を精度良く求めることができ、トレーサ法による排ガス流量の測定精度を向上させることが可能となる。
また、生排ガスに水分が含まれている状態で対象成分の濃度を測定(Wet測定)するので、Dry to Wet換算式を用いて内燃機関から排出された直後の濃度へ換算する必要もない。
さらに、ドレンセパレータ等を使用しないので、メイン流路から第1濃度測定部までのサンプリングラインを短くすることができ、濃度測定の応答性を向上させることができるうえ、排ガス流量計のコンパクト化や軽量化にも寄与し得る。
通常、希釈排ガスに含まれる水分等は凝縮や吸着等しにくいが、より確実に水分等を凝縮や吸着等させずに、希釈排ガスに含まれる対象成分の濃度をより精度良く測定するためには、前記第2サンプリングライン及び前記第2濃度測定部が加熱された状態で、前記第2濃度測定部が前記希釈排ガスに含まれる前記対象成分の濃度を測定することが好ましい。
対象成分の濃度測定に水分が影響を及ぼす場合であっても、生排ガス及び希釈ガスに含まれる対象成分の濃度を精度良く測定するためには、加熱された前記濃度測定部が、排ガス中の水分濃度を測定する水分濃度計と、水分影響を受けた状態での前記排ガス中の前記対象成分の濃度である水分影響濃度を測定する対象成分濃度計とを具備し、前記排ガスに含まれる前記対象成分の濃度を、前記水分影響濃度から前記水分濃度を用いて水分影響を除いた濃度として算出することが望ましい。
また、本発明の排ガス流量計を用いた排ガス分析システムによれば、内燃機関から排出される排ガスの流量をトレーサ法により精度良く測定することができ、高精度な排ガス分析が可能となる。
このように構成した本発明によれば、特に希釈前の排ガスに含まれる対象成分の濃度を精度良く測定することで、トレーサ法による排ガス流量の測定精度を向上させることができる。
本実施形態の排ガス流量計を模式的に示す図。 同実施形態の濃度測定部の構成を模式的に示す図。
以下に本発明に係る排ガス流量計1を用いた排ガス分析システム100について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る排ガス分析システム100は、希釈サンプリング方式のものであり、排ガス希釈システム101を用いて、例えばエンジン等の内燃機関201から排出される排ガスを大気から精製される希釈ガスで数倍に希釈して濃度測定を行うものである。以下、本実施形態では、排ガス希釈システム101として、排ガス全量をサンプリングして、希釈ガスで希釈して一定流量にする定容量サンプリング装置を用いたものについて説明する。
具体的に、この排ガス分析システム100は、図1に示すように、排ガス全量と希釈ガスとを合わせた総流量が常に一定となるように制御して、希釈された排ガスの一部及び希釈ガスの一部を採取する定容量サンプリング装置101と、採取された排ガスを収容する排ガスサンプリングバッグM1と、採取された希釈ガスを収容する希釈ガスサンプリングバッグM2と、各サンプリングバッグM1、M2に採取されたガス中の所定成分(例えばHC、CO、CO等)の濃度を分析して、排ガスに含まれる所定成分の濃度を算出する排ガス分析装置102とを備えている。
定容量サンプリング装置101は、図1に示すように、内燃機関201の排気管202から排出される排ガスが流れるメイン流路MLと、メイン流路MLに合流するとともに、排ガスを希釈する希釈ガスが流れる希釈ガス流路DLと、メイン流路MLと希釈ガス流路DLとの合流点Xより下流側に設けられ、希釈ガスにより希釈された希釈排ガスの流量を一定に制御する流量制御部103とを備えるものである。
この流量制御部103は、図1に示すように、臨界流量ベンチュリCFV及び吸引ポンプPとからなる臨界流量ベンチュリ方式のものである。本実施形態では1つの臨界流量ベンチュリCFVを設けてあるが、複数の臨界流量ベンチュリCFVを並列に設け、例えば開閉弁等を用いて希釈排ガスを流す臨界流量ベンチュリCFVを変更することで、希釈排ガスの流量を変更できるように構成しても良い。
上述した排ガス分析システム100に用いられる排ガス流量計1は、希釈前及び希釈後の排ガスに含まれる対象成分の濃度を測定することで、トレーサ法により排気管202から排出される排ガスの流量を測定するものである。なお、本実施形態では、対象成分をCOとする。
具体的に、この排ガス流量計1は、図1に示すように、メイン流路MLにおける合流点Xより上流側から、希釈前の排ガスである生排ガスをサンプリングする第1サンプリングライン11と、第1サンプリングライン11に接続されて生排ガスに含まれるCO濃度を測定する第1濃度測定部21と、メイン流路MLにおける合流点Xより下流側から、希釈後の排ガスである希釈排ガスをサンプリングする第2サンプリングライン12と、第2サンプリングライン12に接続されて希釈排ガスに含まれるCO濃度を測定する第2濃度測定部22と、生排ガスの流量を演算する演算装置3とを備える。
第1サンプリングライン11は、生排ガスをサンプリングして第1濃度測定部21へ供給するものであり、一端がメイン流路MLにおける合流点Xより上流側に接続されるとともに、他端が第1濃度測定部21に接続されている。なお、第1サンプリングライン11によるサンプリングは、図示しない吸引ポンプによって行われる。
第2サンプリングライン12は、希釈排ガスをサンプリングして第2濃度測定部22へ供給するものであり、一端がメイン流路MLにおける合流点Xより下流側に接続されるとともに、他端が第2濃度測定部22に接続されている。なお、第2サンプリングライン12によるサンプリングは、図示しない吸引ポンプによって行われる。
第1濃度測定部21は、供給された生排ガスに含まれるCO濃度を瞬時測定するものであり、第2濃度測定部22は、供給された希釈排ガスに含まれるCO濃度を瞬時測定するものであり、これらはいずれも排ガスに水分が含まれている状態でCO濃度を測定(Wet測定)し得るように構成されている。
これらの濃度測定部21、22は、いずれも排ガス中の水分濃度を測定する水分濃度計の機能と対象成分濃度を測定する対象成分濃度計の機能とを有するNDIR分析装置であって、それぞれ同じ構成のものである。
以下に、これらを代表して第1濃度測定部21のNDIR分析装置の構成について説明する。
第1濃度測定部21のNDIR分析装置は、図2に示すように、サンプリングライン11が接続されて排ガス(ここでは生排ガス)が供給される測定セル5と、この測定セル5に外部から赤外光Lを照射する赤外光源6と、水分の吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外光L1を透過する第1光学フィルタ71と、赤外光L1の光強度を検出する第1光検出器81と、COの吸収スペクトルに合わせた波長域の赤外光L2を透過する第2光学フィルタ72と、赤外光L2の光強度を検出する第2光検出器82と、排ガスに含まれるCOの水分影響を除いた濃度(実濃度)を算出する実濃度算出部9とを備えるものである。
なお、サンプリングライン11から測定セル5へ供給された排ガスは、排出ライン10から排出されるように構成されており、この排出ライン10は、排出される排ガスをメイン流路MLへ戻すように構成されていても良いし、外部へ排出するように構成されていても良い。
水分の吸収スペクトルはCOの吸収スペクトルの影響を受けないが、CO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ので、第2光検出器82で検出されるCOの吸収スペクトルは、排ガスに含まれる水分の影響を受けた状態で検出される吸収スペクトルである。
実濃度算出部9は、第1光検出器81からの光強度信号を取得して排ガス中の水分濃度を算出するとともに、第2光検出器82からの光強度信号を取得して排ガス中の水分影響を受けたCO濃度である水分影響濃度を算出する。そして、前記水分濃度に基づいて、前記水分影響濃度から水分の影響を除いたCOの実濃度を算出する。
以上のように構成された第1濃度測定部21は、第1サンプリングライン11から供給された生排ガスに含まれるCOの実濃度C希釈前(t)を瞬時測定するとともに、その測定結果を演算装置3へ送信する。
同様に、第2濃度測定部22は、第2サンプリングライン12から供給された希釈排ガスに含まれるCOの実濃度C希釈後(t)を瞬時測定するとともに、その測定結果を演算装置3へ送信する。
演算装置3は、各濃度測定部21、22からの信号を取得するとともに、流量制御部103により制御される希釈排ガス流量Qmixを取得して、生排ガス流量Qex(t)を算出するものである。本実施形態では、希釈排ガス流量Qmixは臨界流量ベンチュリCFVの臨界流量である。
なお、演算装置3は、図示しないCPU、メモリ、入出力インターフェイス、AD変換器等を有する専用乃至汎用のコンピュータである。
詳述すると、演算装置3は、第1濃度測定部21より得られた生排ガスに含まれるCOの実濃度C希釈前(t)に対する第2濃度測定部22より得られた希釈排ガスに含まれるCOの実濃度C希釈後(t)の濃度比(=C希釈後(t)/C希釈前(t))を算出し、この濃度比を希釈排ガス流量Qmixに乗じて生排ガスの流量Qex(t)(=Qmix×C希釈後(t)/C希釈前(t))を瞬時算出するように構成されている。
また、本実施形態の演算装置3は、前記生排ガスの流量Qex(t)を用いて、排ガスに含まれる所定の測定成分X(例えばHC、CO、CO等)が排気管202から排出される瞬時排ガス重量M(t)を算出するように構成されている。
詳述すると、演算装置3は、上述した第1濃度測定部21から生排ガスに含まれる測定成分Xの排ガス濃度C(t)を取得するとともに、この排ガス濃度C(t)とあらかじめ記憶している測定成分Xの密度ρとを上述した生排ガス流量Qex(t)に乗じて、測定成分Xの瞬時排ガス重量M(t)(=Qex(t)×C(t)×ρ)を算出するように構成されている。
しかして、本実施形態では、図1及び図2に示すように、第1サンプリングライン11及び第1濃度測定部21を加熱する第1加熱機構41と、第2サンプリングライン12及び第2濃度測定部22を加熱する第2加熱機構42とが設けられている。
なお、これらの加熱機構41、42は、本実施形態では、それぞれ独立して稼働できるように構成されている。
第1加熱機構41は、例えば図示しないヒータを備えるものであって、少なくとも第1サンプリングライン11と第1濃度測定部21の測定セル5とを加熱して所望の設定温度に保つものである。
第2加熱機構42も同様に、例えば図示しないヒータを備えるものであって、少なくとも第2サンプリングライン12と第2濃度測定部22の測定セル5とを加熱して所望の設定温度に保つものである。
これらの加熱機構41、42の設定温度は、本実施形態では、各サンプリングライン11、12及び各濃度測定部21、22において生排ガスや希釈排ガスに含まれる水分が凝縮しない例えば80℃としてある。
なお、高沸点を有し、凝縮しやすい成分が排ガスに含まれている場合は、より高い温度に設定しても良いし、サンプリングライン11、12等に吸着しやすいNH等が排ガスに含まれている場合は、NH等が吸着しない温度に設定しても良い。
また、これらの加熱機構41、42による加熱時間は、例えば、サンプリングライン11、12による排ガスのサンプリング開始時から、濃度測定部21、22による対象成分の濃度測定終了時までの間となるように設定されていてもよいし、サンプリング開始前から所定の温度に温調しておいても良い。
以上のように構成された本実施形態に係る排ガス流量計1によれば、第1加熱機構41が、生排ガスのサンプリング開始時から生排ガスに含まれるCO濃度の測定終了時までの間、第1サンプリングライン11及び第1濃度測定部21を加熱しているので、この間に第1サンプリングライン11及び第1濃度測定部21において水分が凝縮や吸着することなく、水分が含まれている状態で生排ガスを測定(Wet測定)することができる。これにより、生排ガスに含まれるCOが水分に溶解することなく、CO濃度を精度良く求めることができ、トレーサ法による排ガス流量の測定精度を向上させることが可能となる。
また、生排ガスに水分が含まれている状態でCO濃度を測定(Wet測定)するので、Dry to Wet換算式を用いて内燃機関201から排出された直後の濃度へ換算する必要もなく、また、内燃機関から排気管を通って排出された排ガスの対象成分の濃度を正確に測定することができる。
さらに、通常、希釈排ガスに含まれる水分は凝縮や吸着等しにくいが、第2サンプリングライン12及び第2濃度測定部22も加熱された状態でCO濃度を測定するので、より確実に希釈排ガスに含まれる水分を凝縮や吸着させずに、希釈排ガスに含まれるCO濃度をより精度良く測定することができる。
加えて、ドレンセパレータ等を使用しないので、メイン流路MLから濃度測定部21、22までのサンプリングライン11、12を短くすることができ、濃度測定の応答性を向上させることができるうえ、排ガス流量計1のコンパクト化や軽量化にも寄与し得る。
さらに加えて、第1加熱機構41及び第2加熱機構42が独立して稼動できるように構成されているので、第2加熱機構42による加熱が不要である場合は、第1加熱機構41のみを稼動させれば省電や省エネになる。
NDIR法を用いて排ガス中のCO濃度を測定する場合、従来は排ガスに含まれる水分の影響を受けていたが、本実施形態に係る濃度測定部21、22は、水分濃度計の機能と対象成分濃度計の機能とを有しているので、排ガスに含まれる水分の影響を除いた実際のCO濃度を精度良く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、加熱機構41、42が、それぞれ独立したものであったが、サンプリングライン11、12及び濃度測定部21、22全てを1つの加熱機構で加熱するように構成してもよい。
また、加熱機構41が、赤外光源6、光学フィルタ71及び光検出器81を加熱するものであっても構わない。
さらに、前記実施形態では、第1濃度測定部21のNDIR分析装置が、水分濃度計の機能と対象成分濃度計の機能とを有するように構成されていたが、水分濃度計と対象成分濃度計とが別々の分析装置であっても良い。
トレーサ法に関して言えば、前記実施形態では、対象成分をCOとしているが、排ガスに含まれているその他の成分としても良い。また、排ガスに含まれない不活性な成分である例えばHe等を排気管から排出される排ガスに混入して、希釈前及び希釈後のHe濃度を測定するようにしても良い。
また、前記実施形態では、流量制御部103が臨界流量ベンチュリ方式のものであったが、例えば、臨界流量オリフィス(CFO)や定容量ポンプ、ブロアなどを用いて流量制御するようにしても構わない。さらに、流量計を設けて希釈排ガス流量Qmixを瞬時測定するようにしても良い。
排ガス分析システム100に関して言えば、前記実施形態では、定容量希釈サンプリング方式のものであったが、排ガスの一部を採取して一定比率で希釈するバッグミニダイリュータ方式であっても良い。
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。
201・・・内燃機関
202・・・排気管
101・・・定容量サンプリング装置
ML ・・・メイン流路
1 ・・・排ガス流量計
11 ・・・第1サンプリングライン
21 ・・・第1濃度測定部
12 ・・・第2サンプリングライン
22 ・・・第2濃度測定部
3 ・・・演算装置
41 ・・・第1加熱機構
42 ・・・第2加熱機構

Claims (4)

  1. 内燃機関から排出される排ガスが流れるメイン流路と、前記メイン流路に合流するとともに、前記排ガスを希釈する希釈ガスが流れる希釈ガス流路とを備える排ガス希釈システムに用いられるものであって、
    前記メイン流路における前記メイン流路と前記希釈ガス流路との合流点よりも上流側から、希釈前の前記排ガスである生排ガスをサンプリングする第1サンプリングラインと、
    前記第1サンプリングラインに設けられ、前記生排ガスに含まれる所定の対象成分の濃度を測定する第1濃度測定部と、
    前記メイン流路における前記合流点よりも下流側から、希釈後の前記排ガスである希釈排ガスをサンプリングする第2サンプリングラインと、
    前記第2サンプリングラインに設けられ、前記希釈排ガスに含まれる前記対象成分の濃度を測定する第2濃度測定部と、
    前記第1濃度測定部より得られる第1測定濃度、前記第2濃度測定部より得られる第2測定濃度、及び前記希釈排ガスの流量である希釈排ガス流量を用いて、前記生排ガスの流量である生排ガス流量を演算する演算装置とを具備し、
    前記第1サンプリングライン及び前記第1濃度測定部が加熱された状態で、前記第1濃度測定部が前記生排ガスに含まれる前記対象成分の濃度を測定することを特徴とする排ガス流量計。
  2. 前記第2サンプリングライン及び前記第2濃度測定部が加熱された状態で、前記第2濃度測定部が前記希釈排ガスに含まれる前記対象成分の濃度を測定することを特徴とする請求項1記載の排ガス流量計。
  3. 加熱された前記濃度測定部が、
    排ガス中の水分濃度を測定する水分濃度計と、
    水分影響を受けた状態での前記排ガス中の前記対象成分の濃度である水分影響濃度を測定する対象成分濃度計とを具備し、
    前記排ガスに含まれる前記対象成分の濃度を、前記水分影響濃度から前記水分濃度を用いて水分影響を除いた濃度として算出することを特徴とする請求項1又は2記載の排ガス流量計。
  4. 請求項1乃至3の何れかに記載の排ガス流量計を用いた排ガス分析システム。
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