JP3493112B2

JP3493112B2 - 内燃機関の排ガス流量測定装置

Info

Publication number: JP3493112B2
Application number: JP04710097A
Authority: JP
Inventors: 正之足立; 実下岡; 恭司平野
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 2004-02-03
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: JPH10227676A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車のエンジ
ンなど内燃機関の排ガス流量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、自動車のエンジンから排出され
たガス（以下、排ガスという）の過渡的な特性化を行う
には、排ガス流量をリアルタイムで測定する必要があ
る。そして、この排ガス流量を連続的に測定する手法の
一つにトレース法がある。このトレース法は、エンジン
に連なる排気管に対して、排ガス中の成分と反応を起こ
さない不活性ガス、例えばヘリウムガスを導入し、この
ヘリウムガスの濃度を、排気管に接続されたガスサンプ
リング流路に接続されたトレースガス分析計によって測
定し、ヘリウムガスの導入量をヘリウムガスの濃度で除
することにより、排ガス流量をリアルタイムに求めるよ
うにしたものである。

【０００３】
上述の測定原理で排ガスの流量を測定
する場合、エンジンに連なる排気管に対してトレースガ
スとして例えばヘリウムガスを導入する必要があるが、
この導入を、従来は、図１３に示すように、排ガスＧが
流れる排気管８１に対して、例えば、排ガスＧに強くか
つ比較的高温にも耐えうる、例えば四フッ化エチレン樹
脂よりなるパイプ８２を、排ガスＧが流れる方向とほぼ
直交するように挿入接続し、このパイプ８２を介してト
レースガスとしてのヘリウムガスＴＧを導入していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては、排気管８１の内径が１００ｍｍ程度
もあるのに対し、ヘリウムガス導入用のパイプ８２のそ
れは４ｍｍ程度であることおよびこのパイプ８２が単に
排気管８１に対して排ガスＧの流れる方向に直交するよ
うに挿入したものであるため、エンジンからの排ガスＧ
とヘリウムガスＴＧとの混合が必ずしも十分に行われ
ず、したがって、前記トレースガス分析計によるヘリウ
ムガス濃度測定結果に誤差が生じ、このため、排ガス流
量の測定精度が必ずしも十分なものではないといった不
都合があった。

【０００５】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、排ガスをトレースガスに対して
確実に混合させることができるようにして、排ガス流量
を精度よく測定することができる内燃機関の排ガス流量
測定装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明では、内燃機関に連なる排気管にトレース
ガスを導入し、このトレースガスの導入点よりも下流側
においてトレースガスの濃度を測定し、前記トレースガ
スの導入量とトレースガスの測定濃度とに基づいて内燃
機関の排ガスの流量を測定するようにした装置におい
て、前記排気管内に、前記トレースガスの導入管の先端
に接続され、かつ断面形状が多角形である乱流を生じさ
せるための筒体を設け、この筒体に設けた孔からトレー
スガスを排ガス中に噴出させるようにしている。

【０００７】上記構成の内燃機関の排ガス流量測定装置
においては、トレースガスの排気管への導入点より下流
側において適当な乱流が生じ、排ガスとトレースガスと
が確実にしかも十分混合されるので、排ガス流量を精度
よく測定することができる。

【０００８】そして、上記内燃機関の排ガス流量測定装
置においては、筒体の両端部が排気管の内壁に当接させ
てあってもよいが、内壁から適宜距離だけ離間するよう
にしてもよい。このようにした場合、圧損を抑えつつト
レースガスの導入点より下流において大きな乱流を生じ
させることができ、トレースガスと排ガスとを効率よく
混合することができる。

【０００９】また、筒体の排ガスの流れ方向における断
面形状を、例えば二等辺三角形など対称な形状にしても
よいが、非対称な三角形にしたり、二等辺三角形など対
称な三角形を非対称に配置した方が例えば圧力差によっ
て生ずるランチェスタの渦のような大きな乱流を生じさ
せることができ、トレースガスと排ガスとをより効率よ
く混合することができる。

【００１０】さらに、筒体の断面形状は、上記三角形に
限られるものではなく、四角形または六角形であっても
よく、これらの場合も非対称形のものの方がより大きな
乱流を生じさせることができる。

【００１１】なお、上記内燃機関としては、自動車のエ
ンジンのほか、発動機やボイラーなどがある。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施例
を、図を参照しながら説明する。

【００１３】図１〜図４は、この発明の第１実施例を示
す。まず、図１において、１は自動車、２はそのエンジ
ンである。３はエンジン２に連なるテイルパイプに接続
される排気管である。４は排気管３に接続されるトレー
スガス導入管で、このトレースガス導入管４の上流側に
はトレースガスとしての純粋なヘリウムガスＴＧを収容
したガスボンベ５が設けられ、その下流側には、ガスの
流量を測定する機能と制御する機能とを兼ね備えたマス
フローコントローラ６が設けられている。

【００１４】７は排気管３に接続されるガスサンプリン
グ流路で、空気など希釈用ガスで希釈しない状態の排ガ
スをダイレクトにサンプリングするもので、このガスサ
ンプリング流路７には、例えば次のような機器や装置が
接続されている。すなわち、８はフィルタ、９は電子冷
却器などの除湿装置、１０は吸引ポンプである。そし
て、この吸引ポンプ１０の下流側のガスサンプリング流
路７には、複数のガス分析計１１が互いに並列な分岐流
路１２を介して設けられており、ＣＯ、ＣＯ₂、ＮＯ_X
やＨＣなど排ガス中に含まれる成分を適宜測定できるよ
うに構成されているとともに、トレースガス分析計１３
がキャピラリ１４を介してガスサンプリング流路７に接
続されている。このトレースガス分析計１３は、例えば
セクターフィールド質量分析計が用いられ、ヘリウムガ
スＴＧの濃度を測定するものである。

【００１５】図２および図３は、排気管３内に、トレー
スガスとしてのヘリウムガスＴＧを導入するための構成
の一例を示している。すなわち、図２は当該部分の斜視
図であり、図３（Ａ）は図２における矢印Ａ方向から見
たときの模式図、図３（Ｂ）は図２における矢印Ｂ方向
（矢印Ａと直交する方向）から見たときの模式図であ
る。また、図４はヘリウムガスＴＧの吹き出し状況を模
式的に示す図である。

【００１６】図２および図３において、４ａはトレース
ガス導入管４の排気管３内に挿入された先端部分であ
り、その先端部は排ガスＧの流れに沿うようにＬ字形に
折曲されている。そして、この先端部４ａには、外形が
三角柱体で、内部にガス流路を有するトレースガス吹き
出し用の筒体１５がその長手方向を排ガスＧの流れる方
向と直交し、かつ、その両端部が排気管３の内壁から適
宜距離だけ離れた状態で配置されている。１７は前記両
端部と排気管３の内壁との隙間を示す。

【００１７】前記筒体１５は、矢印Ｂ方向から見た断面
形状が図３（Ｂ）および図４に示すように、非対称の三
角形であり、その一つの頂点１５ａが上流側（排ガスＧ
が流れてくる方向）に位置し、この頂点１５ａにはその
長手方向に複数のトレースガス吹き出し用の孔１６が開
設されている。そして、筒体１５のひとつの外面にトレ
ースガス導入管４の先端部４ａが連通接続されている。
また、この筒体１５は、図示してないヒータにより加熱
され、排気管３および排ガスＧとの温度差が所定の範囲
内になるように温調されている。

【００１８】なお、マスフローコントローラ６、ガス分
析計１１、トレースガス分析計１３からの出力信号は、
図示してないマイクロコンピュータなどの演算制御部に
入力されるようにしてある。

【００１９】上記構成の装置においては、自動車１のエ
ンジン２からの排ガスは排気管３に至る。そして、この
排ガスに対して、排気管３の上流側において、マスフロ
ーコントローラ６によって流量調整されたヘリウムガス
ＴＧがトレースガス導入管４を経て筒体１５に至り、こ
の筒体１５の吹き出し孔１６から排気管３内に吹き出さ
れ、排気管３内に導入される。なお、このときの導入量
は、マスフローコントローラ６において測定され、演算
制御部に入力される。

【００２０】前記排気管３においては、排ガスＧの流れ
に対して非対称の筒体１５が、その長手方向の両端部が
排気管３の内壁に当接しないようにして設けられている
ので、図４に模式的に示すように、筒体１５の下流側に
おいて排ガスＧに乱流が生じ、筒体１５の上流側に開設
された吹き出し孔１６を経て排気管３に吹き出されたヘ
リウムガスＴＧは、乱流状態の排ガスＧとよく混合され
る。つまり、ヘリウムガスＴＧが筒体１５の上流側に設
けられた吹き出し孔１６から吹き出される一方、筒体１
５が排ガスＧの流れに非対称で配置されることによっ
て、排ガスＧは筒体１５の下流側において乱流を生じる
とともに、筒体１５と排気管３との間のわずかな隙間１
７を経た排ガスＧが排気管３の中心方向に流れることに
より、図３（Ａ）に示すように、渦１８が生じることに
より、排ガスＧとヘリウムガスＴＧとが十分に混合され
るのである。そして、この場合、ヘリウムガスＴＧの吹
き出しによる圧損が少なく、ヘリウムガスＴＧの流量変
動が少なく流量の制御を容易に行うことができる。

【００２１】上述のようにしてヘリウムガスＴＧと十分
混合された排ガスＧの一部は、サンプルガスＳとしてガ
スサンプリング流路７に取り込まれる。ガスサンプリン
グ流路７に取り込まれたサンプルガスＳは、フィルタ８
を経て除湿装置９に至り、適宜除湿される。この除湿処
理後のサンプルガスＳは、吸引ポンプ１０を経て互いに
並列な分岐流路１２にそれぞれ設けられたガス分析計１
１に供給されるとともに、キャピラリ１４を経てトレー
スガス分析計１３に供給される。

【００２２】そして、ガス分析計１１においては、サン
プルガスＳ中に含まれる各種の成分がそれぞれ分析さ
れ、その結果は演算制御部に送られる。また、トレース
ガス分析計１４においては、ヘリウムガスＴＧの濃度が
求められ、この濃度値も演算制御部に送られる。

【００２３】一方、マスフローコントローラ６において
は、トレースガスとしてのヘリウムガスＴＧの導入量が
得られ、これが演算制御部に送られているので、このヘ
リウムガス導入量をヘリウムガス濃度で除することによ
り排ガス流量をリアルタイムで得ることができる。

【００２４】上述の実施例においては、筒体１５の断面
形状が非対称の三角形であり、これを排ガスＧの流れに
非対称となるように設けていたが、筒体１５として断面
形状が対称なもの、例えば二等辺三角形とし、このよう
な断面形状の筒体１５を排ガスＧの流れに非対称あるい
は対称となるように設けてもよい。また、筒体１５にお
ける吹き出し孔１６の位置は、筒体１５の上流側に限ら
れるものではなく、下流側や側部など適宜の位置に設け
てもよい。

【００２５】上述の第１実施例は、筒体１５の断面形状
が三角形であったが、この発明はこれに限られるもので
はなく、四角形や六角形などに形成してもよい。以下、
これらについて、図５および図６を参照しながら説明す
る。

【００２６】まず、図５は第２実施例を示し、同図
（Ａ）において、１９は適宜長さを有する筒体で、その
断面形状が四角形、より詳しくは正方形である。そし
て、この筒体１９の一辺には、詳しく図示してないが、
長手方向に複数の吹き出し孔２０が開設されている。こ
のような筒体１９を、同図（Ｂ）に示すように、吹き出
し孔２０を形成した辺２０ａが上流側に位置するよう
に、排ガスＧの流れに対称となるように配置する。な
お、この場合、筒体１９の両端部は排気管３の内壁とは
非接触状態にしておくのがよい。

【００２７】このように、断面形状が正方形の筒体１９
においても、図５（Ｂ）に示すように、筒体１９の下流
側において排ガスＧに乱流が生じ、筒体１９の上流側に
開設された吹き出し孔２０を経て排気管３に吹き出され
たヘリウムガスＴＧは、乱流状態の排ガスＧとよく混合
される。つまり、ヘリウムガスＴＧが筒体１９の上流側
に設けられた吹き出し孔２０から吹き出される一方、筒
体１９が排ガスＧの流れに非対称で配置されることによ
って、排ガスＧは筒体１９の下流側において乱流を生じ
るとともに、筒体１９と排気管３との間のわずかな隙間
を経た排ガスＧが排気管３の中心方向に流れることによ
り、図３（Ａ）における場合と同様に、渦が生じること
により、排ガスＧとヘリウムガスＴＧとが十分に混合さ
れるのである。そして、この場合、ヘリウムガスＴＧの
吹き出しによる圧損が少なく、ヘリウムガスＴＧの流量
変動が少なく流量の制御を容易に行うことができる。

【００２８】なお、この第２実施例においても、筒体１
９を排ガスＧの流れに非対称となるように配置してもよ
いことはいうまでもない。また、筒体１９の断面形状と
して、長方形や台形、さらには単なる四角形であっても
よい。そして、断面形状が長方形の筒体１９の場合、こ
の筒体１９を排ガスＧの流れに対称となるように配置す
るのが好ましい。また、筒体１９における吹き出し孔２
０の位置は、筒体１９の上流側に限られるものではな
く、下流側や側部など適宜の位置に設けてもよい。

【００２９】そして、図６は第３実施例を示し、この図
において、２１は断面形状が正六角形の筒体２１であ
る。そして、この筒体２１の一つの頂点２１ａに複数の
吹き出し孔２２が長手方向に開設されている。このよう
に構成した筒体２１は、その吹き出し孔２２が上流側に
位置するように排気管３内に設置される。このようにし
た場合における作用および効果は、上記第１実施例や第
２実施例と同様であるので、その詳細な説明は省略す
る。なお、この第３実施例においても、筒体２１を排ガ
スＧの流れに非対称となるように配置してもよいことは
いうまでもない。また、筒体２１の断面形状として、単
なる六角形であってもよい。さらに、筒体２１における
吹き出し孔２２の位置は、筒体２１の上流側に限られる
ものではなく、下流側や側部など適宜の位置に設けても
よい。

【００３０】ところで、上記第１〜第３の実施例におい
て、筒体１５，１９，２１の断面形状をそれぞれ三角
形、四角形、六角形にしているのは、これらの形状の筒
体１５，１９，２１は、その製作が容易であるからであ
る。なお、筒体としてその断面形状を七角形以上の多角
形にしてもよいが、このような形状のものにおいては、
図１３に示した従来技術に比べると、乱流が生じやす
く、ヘリウムガスＴＧを排ガスＧに対して十分混合でき
るが、上記各実施例のもののほうが、混合効果が優れて
いると考えられる。

【００３１】また、上述の各実施例においては、筒体１
５，１９，２１は、その長手方向の両端部と排気管３の
内壁との間に若干の隙間が形成されるように配置されて
いるが、図７に示すように、筒体２３の両端部を排気管
３の内壁と当接するようにしてもよい。このようにした
場合、排気管３の内壁側ではランチェスタの渦が発生し
にくいため、乱流効果が多少低下するが、ヘリウムガス
ＴＧを排ガスＧに対して十分混合することができる。

【００３２】ここで、上記各実施例において、排ガスＧ
中にトレースガスＴＧを混入したときの状態を、コンピ
ュータを用いてシミュレートした結果を、図８〜図１２
に示す。なお、以下において、排気管３の内径は５３ｍ
ｍ、これに流れる排ガスＧの流量は２０００Ｌ／ｍｉｎ
とし、レイノルズ数は一定であるものとする。また、各
図中の符号ａ〜ｉは流速で区分した領域を示し、ａが一
番速く、以下、段階的に遅くなることを示すものとす
る。

【００３３】まず、図８（Ａ）は、長さ４０ｍｍの三角
柱２４を、同図（Ｂ），（Ｃ）に示すように、両端部を
排気管３内壁と非接触の状態で配置したときにおける三
角柱２４周辺における排ガスＧとトレースガスＴＧとの
混合状態を示すシミュレーション図で、排気管３が円筒
であるので、半分だけ示してある。

【００３４】そして、図９（Ａ）は、長さ５３ｍｍの三
角柱２５を、同図（Ｂ），（Ｃ）に示すように、その両
端部を排気管３内壁に当接させるように、かつ排ガスＧ
の流れに非対称となるように配置したときにおける三角
柱２５周辺における排ガスＧとトレースガスＴＧとの混
合状態を示すシミュレーション図で、排気管３が円筒で
あるので、半分だけ示してある。

【００３５】また、図１０（Ａ）は、長さ５３ｍｍで断
面形状が二等辺三角形の三角柱２６を、同図（Ｂ）に示
すように、その両端部を排気管３の内壁に当接させるよ
うに、かつ排ガスＧの流れに非対称となるように配置し
たときにおける三角柱２６周辺における排ガスＧとトレ
ースガスＴＧとの混合状態を示すシミュレーション図で
ある。

【００３６】さらに、図１１（Ａ）は、長さ５３ｍｍで
断面形状が正三角形の三角柱２７を、同図（Ｂ）に示す
ように、その両端部を排気管３の内壁に当接させるよう
に、かつ排ガスＧの流れに対称となるように配置したと
きにおける三角柱２７周辺における排ガスＧとトレース
ガスＴＧとの混合状態を示すシミュレーション図であ
る。

【００３７】さらにまた、図１２（Ａ）は、長さ５３ｍ
ｍで断面形状が正方形の四角柱２８を、同図（Ｂ）に示
すように、その両端部を排気管３の内壁に当接させるよ
うに、かつ排ガスＧの流れに対称となるように配置した
ときにおける四角柱２８周辺における排ガスＧとトレー
スガスＴＧとの混合状態を示すシミュレーション図であ
る。

【００３８】なお、上記図８〜図１１において、トレー
スガスＴＧの吹き出し口は、上流側の頂点に設けられて
いるものとし、図１２においては、上流側の辺に設けら
れているものとする。

【００３９】上記図８（Ａ）および図９（Ｂ）は、排気
管３の内壁に対して筒体１５をそれぞれ非接触、接触さ
せた状態で配置したときの流速分布を示しており、これ
らの図から、排気管３の内壁に対して筒体１５（１９，
２１）を非接触で配置した方が排ガスＧとトレースガス
ＴＧとの混合がより促されることがうかがえる。なお、
これは筒体の断面形状が三角形の場合のみならず、他の
多角形においても同様であると推察される。

【００４０】また、図１０（Ａ）、図１１（Ａ）および
図１２（Ａ）は、排気管３内において筒体１５，１９の
断面形状が排ガスＧの流れに対して対称、または非対称
に配置したときの流速分布を示しており、これらの図か
ら、前記断面形状が非対称になるように配置した方が排
ガスＧとトレースガスＴＧとの混合がより促されること
がうかがえる。そして、断面形状が四角形のものは、そ
れが三角形のものよりも前記混合を促すことができる
が、排ガスＧの流れに対して上流側への圧力損失が大き
くなる。

【００４１】この発明は上述した各実施例に限られるも
のではなく、例えば、トレースガスとしては、ヘリウム
ガス以外の他の不活性ガスを用いてもよいが、ヘリウム
ガスが好適である。これは、ヘリウムの原子量が排ガス
Ｇ中に存在する物質の原子量と掛け離れているからであ
る。また、トレースガス分析計１３としてはセクターフ
ィールド質量分析計以外に、四重極形質量分析計など種
々の質量分析計を用いることができる。

【００４２】

【発明の効果】この発明は、以上のような形態で実施さ
れ、以下のような効果を奏する。

【００４３】この発明の内燃機関の排ガス流量測定装置
においては、排ガスが流れる排気管内に断面形状が多角
形である乱流を生じさせるための筒体を設け、この筒体
に設けた孔からトレースガスを排ガス中に噴出させるよ
うにしているので、トレースガスの排気管への導入点よ
り下流側において好ましい乱流が生じ、排ガスとトレー
スガスとが確実にしかも十分混合される。したがって、
排ガス流量を精度よく測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例に係る内燃機関の排ガス
流量測定装置の全体構成を概略的に示す図である。

【図２】前記内燃機関の排ガス流量測定装置におけるト
レースガス導入部分を拡大して示した斜視図である。

【図３】（Ａ）は図２の矢印Ａ方向からみたときにおけ
る模式図、（Ｂ）は図２の矢印Ｂ方向からみたときにお
ける模式図である。

【図４】第１実施例の動作説明図である。

【図５】第２実施例を示し、（Ａ）は要部断面図、
（Ｂ）は動作説明図である。

【図６】第３実施例を示す要部断面図である。

【図７】筒体の他の設置態様を示す図である。

【図８】（Ａ）は排ガスとトレースガスとの混合状態を
示すシミュレーション図、（Ｂ），（Ｃ）は三角柱の配
置状態を概略的に示す図である。

【図９】（Ａ）は排ガスとトレースガスとの混合状態を
示すシミュレーション図、（Ｂ），（Ｃ）は三角柱の配
置状態を概略的に示す図である。

【図１０】（Ａ）は排ガスとトレースガスとの混合状態
を示すシミュレーション図、（Ｂ）は三角柱の配置状態
を概略的に示す図である。

【図１１】（Ａ）は排ガスとトレースガスとの混合状態
を示すシミュレーション図、（Ｂ）は三角柱の配置状態
を概略的に示す図である。

【図１２】（Ａ）は排ガスとトレースガスとの混合状態
を示すシミュレーション図、（Ｂ）は四角柱の配置状態
を概略的に示す図である。

【図１３】従来技術を説明するための図である。

【符号の説明】

２…エンジン、３…排気管、４…トレースガス導入管、
１５，１９，２１，２３…筒体、１６，２０，２２…吹
き出し孔、Ｇ…排ガス、ＴＧ…トレースガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平１−178823（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−231175（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01F 1/00 - 9/02 G01P 5/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関に連なる排気管にトレースガス
を導入し、このトレースガスの導入点よりも下流側にお
いてトレースガスの濃度を測定し、前記トレースガスの
導入量とトレースガスの測定濃度とに基づいて内燃機関
の排ガスの流量を測定するようにした装置において、前
記排気管内に、前記トレースガスの導入管の先端に接続
され、かつ断面形状が多角形である乱流を生じさせるた
めの筒体を設け、この筒体に設けた孔からトレースガス
を排ガス中に噴出させるようにしたことを特徴とする内
燃機関の排ガス流量測定装置。
【請求項２】筒体の両端部が排気管の内壁から離れて
いる請求項１に記載の内燃機関の排ガス流量測定装置。
【請求項３】筒体の排ガスの流れ方向における断面形
状が非対称である請求項１または２に記載の内燃機関の
排ガス流量測定装置。
【請求項４】筒体の断面形状が三角形、四角形または
六角形のいずれかである請求項１〜３のいずれかに記載
の内燃機関の排ガス流量測定装置。