JP4077968B2 - 走行車両における窒素酸化物簡易測定方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、路面上を実際に走行している自動車など車両のエンジンから排出される窒素酸化物の排出量を簡易に測定する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
周知のように、自動車など車両のエンジンから排出されるガス(以下、排ガスという)の中に含まれる成分のうち、大気汚染物質とされているものの一つに、窒素酸化物(以下、NOxという)がある。そして、エンジンからの排ガスに含まれるNOxの濃度は、中速中負荷領域で最も高く、それ以外の領域では減少している。このため、NOxの排出量を測定する場合、測定に供される自動車に適度の負荷をかけることが必要となる。
【0003】
そこで、従来においては、自動車をシャシダイナモ装置に搭載して、この装置によって自動車を予め定められた走行パターンで走行させ、エンジン回転数やトルクなどを制御して、自動車に特定の負荷を与え、そのとき自動車のエンジンから排出される排ガスに含まれるNOx 濃度を例えば化学発光分析計(CLD)などのようなNOx計を用いて測定していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の手法においては、NOx計のほかにシャシダイナモ装置などかなり大掛かりな装置が必要になり、測定のための設備がコスト高となっていた。また、このシャシダイナモ装置を用いるNOx測定は、完成車などまだ走行してない自動車におけるNOx測定が大半であり、一旦使用に供された自動車、すなわち、いわゆる使用過程車については、この装置を用いた測定は行われたことがなかった。なお、使用過程車については、実体調査によって測定しているが、その比率は低い。
【0005】
そして、上述したように、自動車から排出されるNOx濃度を測定するには、自動車に適度な走行負荷が掛けられた状態で測定するのが好ましい。
【0006】
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、自動車などの車両を実際に路面上を走行させたときにそのエンジンから排出されるNOx の排出量を簡易かつ高精度に測定することができる走行車両におけるNOx簡易測定方法(以下、単にNOx簡易測定方法という)を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明のNO x 簡易測定方法は、車両にNOx計、吸入空気流量計、空気過剰率センサ(以下、λセンサという)およびデータ収集装置を搭載し、前記車両を実際に路面上を走行させている状態で、エンジンから排出される排ガスをNOx計に導き、このNOx計によって排ガス中に含まれるNOx濃度を測定し、その測定したNO x 濃度を前記データ収集装置に入力する一方、前記吸入空気流量計およびλセンサの出力を前記データ収集装置に入力し、このデータ収集装置において吸入空気流量を大気温度補正、大気圧補正及び水蒸気分圧補正して求められた標準状態における乾燥空気流量と入力される空気過剰率から燃料消費重量を算出し、この燃料消費重量と前記吸入空気流量から排ガス流量を算出し、この算出された排ガス流量と前記NO x 濃度及びNO x 密度を乗ずることによりNO x 排出量を算出するようにしている(請求項1)。
【0008】
【0009】
この発明のNOx簡易測定方法においては、車両を走行速度やギア比を変えながら道路など実際の路面上を走行させることにより、車両に適度な走行負荷がかかることとなり、その負荷の下においてNOxが発生する。このNOxの濃度を車両に搭載されたNOx計によって測定することにより、現実の路面走行においてエンジンによって発生するNOx 濃度をリアルタイムに測定することができる。
【0010】
そして、前記測定されたNOx濃度と、吸入空気流量計およびλセンサの出力が入力されるデータ収集装置において吸入空気流量の大気温度補正、大気圧補正及び水蒸気分圧補正して求められた乾燥空気流量と空気過剰率から算出される燃料消費重量と吸入空気流量から算出される排ガス流量及びNO x 密度を乗算することによりNOx排出量を得る(測定する)ことができる。
【0011】
前記NOx計として直挿型NOx センサを用い、この直挿型NOx センサを、エンジンに連なる排気管に取り付けた場合、測定系の構成が簡単になる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、この発明のNOx簡易測定方法を説明するための図で、この図において、1は試験に供される車両としての例えば使用過程車で、MT(Manual Transmission)車である。2はこの使用過程車1の例えばディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)、3はエンジン2に連なる排気管、4はこの排気管3に設けられるマフラーである。5は排気管3の適宜の箇所に設けられるNOxの濃度を測定するための直挿型NOxセンサで、この直挿型NOxセンサ5としては、例えば、ジルコニア固体電解質を利用したNOxセンサ(例えば日本ガイシ(株)製)がある。このNOxセンサ5の測定能力は、最大1000ppm、分解能0.5ppmである。6は直挿型NOxセンサ5の出力をインタフェース7を介して取り込むデータ収集装置としてのマイクロコンピュータで、使用過程車1の適宜の箇所に搭載されている。
【0013】
8,9,10はそれぞれエンジン回転数センサ、車速センサ、エンジン冷却水温センサである。これらのセンサ8〜10の出力は、インタフェース11を介してマイクロコンピュータ6に入力される。そして、車速は、車速センサ9からのパルスをF/Vコンバータで電圧変換して得られる。最高速度は200km/h、分解能は0.1kmである。また、エンジン冷却水温センサ10は、例えばK熱電対よりなり、ラジェータ入口に挿入されている。なお、12は路面である。
【0014】
上述したように、使用過程車1にはエンジン回転数センサ8や車速センサ9などのセンサのほかにNOx濃度測定用の直挿型NOxセンサ5を搭載しているので、使用過程車1を道路など実際の路面12を走行させて、そのときのエンジン回転数や車速とともに、NOx濃度をリアルタイムで測定することができ、これらの測定データをマイクロコンピュータ6において適宜データ処理することにより、特定のエンジン回転数とNOx濃度との関係や、特定のギア位置・車速とNOx濃度との関係や、特定のエンジン回転数とNOx濃度との関係を簡単に得ることができる。
【0015】
そして、上述した測定方法においては、NOx計として直挿型NOx センサを用い、この直挿型NO x センサ5を、エンジン2に連なる排気管3に取り付けて、NOx濃度を測定するようにしているので、従来の化学発光分析計などを用いる手法に比べて、NOx測定のための装置構成がコンパクトになり、しかも簡便に精度よく測定を連続的に行うことができる。このため、使用過程車1の排気量の如何にかかわらず、NOx測定を簡便に行うことができる。
【0016】
上述の実施の形態においては、使用過程車1にNOx センサ5とコンピュータ6とを搭載し、使用過程車1を実際に路面12上を走行させている状態で、エンジン2から排出される排ガスをNOx センサ5に導き、このNOx センサ5によって排ガス中に含まれるNOx濃度を測定するようにしているが、この構成の他に、吸入空気流量計およびλセンサを付加して、単位km当たりのNOx発生量(g/km)を測定するようにしている。以下に、これを説明する。
【0017】
図1において、13はエンジン2の近傍に設けられるエアクリーナ(図示していない)に設けられる吸入空気流量計(AFS)で、例えばカルマン流量計よりなり、その出力はインタフェース11を介してマイクロコンピュータ6に入力される。また、14は排気管3に設けられた空気過剰率を測定するためのλセンサで、前記NOx センサ5と並べて配置され、その出力はインタフェース7を介してマイクロコンピュータ6に入力される。なお、図示してないが、カルマン流量計13の近傍には、吸気温度(t℃)および吸気湿度(%)をそれぞれ計測するセンサが設けられている。
【0018】
なお、上記使用過程車1には、上記センサ5,8〜10、13,14のほか、図示してないが、吸気管内圧を測定するためのブーストセンサ、カルマン流量計13後の圧力損失を測定する圧力センサ、噴射ポンプに装置されている噴射量を決めるレバーの開度を測定するためのポテンショメータなどが設けられている。
【0019】
次に、前記使用過程車1を道路など実際の路面12を走行させて、NOx 排出量を測定する手法について説明する。NOx濃度の測定については、上記に説明したものと同様にすればよいので、その詳細な説明は省略する。そして、使用過程車1を走行させたときに発生するNOx 排出量および燃費を求めるには、次のようにすればよい。
【0020】
(1)吸入空気流量
1−1) カルマン流量計13の検定
カルマン流量計13を層流流量計で検定する。カルマン周波数fと流量係数K(L/min/Hz)の関係を求める。
1−2) 水蒸気分圧の算出
空燃比は、乾燥空気重量と燃料重量との比であるから、乾燥空気重量を求める必要がある。この場合、大気温度をT(℃)と水蒸気分圧P(Pa)との関係を求め、吸気中の水蒸気圧PW(mmHg)を求める。
PW=P×760×Hu /101325
ここで、Huは相対湿度(%)である。
1−3) 前記1−1)で求めたカルマン流量計13の流量係数Kにカルマン周波数fを乗ずると、20℃換算の吸入空気流量(L/min)が求められる。これを大気温度補正、大気圧補正(実際にはカルマン流量計13の圧力損失補正)、水蒸気分圧補正して標準状態(20℃、760mmHg)における乾燥空気流量Qdを求める。このとき、Qdは、
Qd={K×f×293×(PAFS−PW)}/{(273+T)×760
×1000}
と表される。
ここで、PAFS (mmHg)は流量計後流の圧力である。
【0021】
(2)燃料消費率の算出
2−1) 燃料消費重量の算出
上記(1)において求めた乾燥空気流量Qdと空気過剰率λから燃料消費重量fg (kg/min)を求める。この場合、軽油のH/Cを1.9とし、理論空燃比を14.7とすると、燃料消費重量fg は、
fg=Qd ×1.205/(λ×14.7)
と表される。
ここで、1.205は標準状態における空気の密度である。
2−2) 燃料消費率の算出
軽油の比重を0.84とすると、燃料消費率fq(L/h)は、
fq=60×fg/0.84
と表される。
2−3) 燃料消費量の算出
データ収集した区間(時間)の燃料消費量は、データサンプルごとの消費量の総和をとることにより求められる。今、1秒ごとにデータ収集しているものとすると、
燃料消費量=Σfq/3600
と表される。
【0022】
(3)排ガス流量の算出
NOx濃度をウェット状態で測定しているので、排ガス流量もウェット状態で算出する。つまり、吸入空気流量を水分のある状態で算出し、燃焼によるモル増加分を加えると、排ガス流量QEX(L/min)は、
QEX=K×f×293×PAFS /{(273+T)×1000}
+0.749×fg
と表される。
【0023】
(4)NOx排出重量の算出
NOx排出重量GNOx(g/min)は、上記(3)で求めた排ガス流量QEXにNOx濃度CNOxおよびNOx密度(1.91g/L)を乗ずることにより、求めることができる。すなわち、NOx排出重量GNOX は、
GNOx=QEX×CNOx×10-6×1.91×1000
と表される。
そして、データ収集した区間のNOx排出量は、データサンプルごとの消費量の総和をとることにより求められる。すなわち、1秒ごとにデータ収集しているときは、ΣGNOx /60となる。この値を走行距離で除すると、g/kmが得られる。
【0024】
ここで、前記図1に示した使用過程車1を実際の路面12において走行させたときに得られたデータの一例を図2〜図6に示す。試験のための走行は、京都市内で行った。
【0025】
そして、図2および図3は前記走行における吸入空気流量(m3 /min)および排ガス流量(m3 /min)の時間的変化を示すものである。
【0026】
また、図4は前記走行における燃費率(L/h)の時間的変化を示すものである。
【0027】
そして、図5は前記走行においてNOセンサ5によって測定されたNOx濃度(ppm)の時間的変化を示すものである。
【0028】
さらに、図6は前記(1)〜(4)に示した演算式によって求められたNO x 排出量(g/min)の時間的変化を示すものである。
【0029】
上述したように、上記の実施の形態によれば、使用過程車1を実際に走行させたときにエンジン2が発生するNOxの濃度のみならず、NO x の排出量を測定することができる。したがって、環境保全や道路交通行政などにおいていわゆる車両排気ガスの規制などにおけるNOxの測定に大きな威力を発揮することが期待される。
【0030】
【0031】
なお、上述の実施の形態においては、いずれも車両1が使用過程車であったが、この発明はこれに限られるものではなく、車両1として所謂新車を用いてもよい。また、ガソリンエンジン車にも適用できる。
【0032】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、シャシダイナモ装置を用いて行う場合のようにシミュレート運転ではなく、現実の路面走行においてエンジンによって発生するNOxの濃度をリアルタイムに測定することができ、使用過程車が普段走行している状態において排出するNOxの濃度を直接(生の状態で)測定することができる。また、シャシダイナモ装置を用いるものとは異なり、簡易な装置でありながらも精度よくNOx 濃度を測定することができる。
【0033】
しかも、上述のようにリアルタイムに精度よく測定されるNOx濃度と、吸入空気流量計およびλセンサの出力の演算により求められる燃料消費重量と吸入空気流量から算出される排ガス流量及びNO x 密度の乗算によりNOxの排出量を求めることができるので、簡易な装置を用いながら確実、高精度なNOx 排出量の測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態におけるNOx簡易測定方法を実施するための構成の一例を概略的に示す図である。
【図2】 前記走行により得られた吸入空気流量の時間的変化を示す図である。
【図3】 前記走行により得られた排ガス流量の時間的変化を示す図である。
【図4】 前記走行により得られた燃費率の時間的変化を示す図である。
【図5】 前記走行により得られたNOx濃度の時間的変化を示す図である。
【図6】 前記走行により得られたNOx 排出量の時間的変化を示す図である。
【符号の説明】
1…使用過程車、2…エンジン、3…排気管、5…NOx計、6…データ収集装置、12…路面、13…吸入空気流量計、14…λセンサ。
Claims (2)
- 車両にNOx計、吸入空気流量計、空気過剰率センサおよびデータ収集装置を搭載し、前記車両を実際に路面上を走行させている状態で、エンジンから排出される排ガスをNOx計に導き、このNOx計によって排ガス中に含まれるNOx濃度を測定し、その測定したNO x 濃度を前記データ収集装置に入力する一方、前記吸入空気流量計および空気過剰率センサの出力を前記データ収集装置に入力し、このデータ収集装置において吸入空気流量を大気温度補正、大気圧補正及び水蒸気分圧補正して求められた標準状態における乾燥空気流量と入力される空気過剰率から燃料消費重量を算出し、この燃料消費重量と前記吸入空気流量から排ガス流量を算出し、この算出された排ガス流量と前記NO x 濃度及びNO x 密度を乗ずることによりNO x 排出量を算出するようにしたことを特徴とする走行車両における窒素酸化物簡易測定方法。
- 前記NOx計として直挿型NOx センサを用い、この直挿型NOx センサを、エンジンに連なる排気管に取り付けてなる請求項1に記載の走行車両における窒素酸化物簡易測定方法。
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