JP4761526B2

JP4761526B2 - 自動車の実走行における排気流量計測による触媒劣化試験装置及び触媒劣化試験方法

Info

Publication number: JP4761526B2
Application number: JP2005275156A
Authority: JP
Inventors: 敏朗山本; 豊飯塚
Original assignee: National Traffic Safety and Environment Laboratory
Current assignee: National Traffic Safety and Environment Laboratory
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: JP2007085891A

Description

本発明は自動車排気ガスの浄化技術に関連して、環境技術の産業分野に係わる。

自動車触媒は自動車のシャシダイナモメータなど定置における負荷走行試験においてＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘなどの汚染成分の浄化率をガス分析の結果から測定・評価してその性能劣化を実測する手法に頼ってきた。

特開平６−２１２９５５号

自動車触媒の長期間の使用による劣化は極めて重要な点であるが、その評価にはシャシダイナモでの台上負荷運転とガス分析を必要とすることからコストと長期の時間を必要とするなどの大きな難点があった。

自動車触媒の性能劣化には主として実走行における排気ガスの流量積算値が関係するが、正確な排気ガス流量の測定は通常の路上走行では極めて困難である。触媒の劣化には触媒を通過した排気ガス流量の積算値が大きく関係するので、吸入空気量に基礎を置いた排気ガス流量の積算値で触媒の累積劣化関数値を簡便に表示し得る装置を実現することが課題である。とくに格別な装備を必要としないで実際の都市内などの走行において触媒の劣化関数値を代表する排気ガス流量の積算値を容易に求め得る装置を具現化することが課題である。

本発明の触媒劣化試験装置は、自動車エンジンのシャシダイナモメータでのベンチテストにおいて、吸入系の吸気マニホールドのガス温度および圧力ならびにエンジンの行程容積と回転数（吸気行程）から、あるいはエンジンの制御信号から取り出した信号に基づいて、仮想的な吸入空気流量を求め、一方別な測定装置で正確に測定した吸入空気流量を前記仮想的な吸入空気流量に対比して、路上走行条件での試験対象車の吸入空気流量を路上走行条件での試験対象車の吸入マニホールドでの温度、圧力とエンジンの行程容積と回転数から、あるいはエンジンの制御信号から取り出した信号に基づいて求めた仮想の吸入空気流量から求めるための補正係数を回転数領域ごとに設定して装置内に保持し、路上走行条件において前記補正係数により試験対象車の排気ガス流量およびその積算値を求め、触媒装置の劣化に影響する実際の走行条件での数値を表示するようにしたことを特徴とする

また、本発明の触媒劣化試験方法は、実走行条件における排気ガスの流量および・またはその積算値によって自動車触媒の性能劣化に影響する数値を表示することを特徴とする。

本発明によると各種触媒装置で極めて重要な浄化性能の劣化の評価を実走行における累積排気ガス流量で簡便に表示できる。とくに排気ガス流量について、吸入空気流量を実走行状態で吸気マニホールドの圧力と温度およびエンジン回転数から簡単に求められる手法を確立し、回転数領域ごとにある種の補正係数を定め得て実効的に実走行における排気ガス流量の測定を簡便な装置構成で実現できる。自動車のシャシダイナモメータなどによる台上運転ではなく実走行で触媒劣化が評価できる点が極めて高く評価でき、実用面で大きな効果が期待できる装置である。

触媒には各種あるが、ＣＯやＨＣの酸化とＮＯｘの還元を同時、あるいは別に行うものなどがある。何れも触媒の負荷としての積算排気ガス量がその性能劣化に大きく関係している。特別に触媒劣化を促進する運転ではなく通常の路上走行における触媒劣化の試験が重要であり、そのためにこうした実際の運転条件での積算排気ガス量を簡単に計測する手段を用いる。これはエンジンの運転条件制御のために普通に信号が内部で利用されている吸気マニホールドの温度、圧力と、さらにはＮＯｘの浄化のために重要な酸素濃度について簡単な手法で測定してこれらの測定値から経験に基づく補正を加えて排気ガス流量およびその積算値、さらには触媒性能に大きく関係する累積劣化関数値を求める手段を選んだ。一つの手段として色々な実走行の運転条件において自動車エンジンの吸気マニホールドの温度、圧力、酸素濃度を簡単に測定して仮想的な吸入空気流量を求め、実際の吸入空気流量の測定値と対比する。すなわち自動車の台上試験において別途に取り付けた空気流量計を用いて正確に測定した吸入空気流量と本来の自動車で容易に測定できる吸気マニホールドでの温度、圧力、酸素濃度から推定できる仮想的な吸入空気流量とを対比する。多くの実走行試験を行って仮想的な吸入空気流量について適切な係数を乗じた補正を行い、実際の吸入空気流量を簡便に推定できる手段を経験的に確立する手段を探求した。通常都市内走行を含む実走行条件ではエンジン回転数と吸気マニホールド圧力と吸入空気流量との間には蓋然性のある一定な関係が見出せる。なお、吸入空気流量と排気ガス流量との比率はガソリンエンジンでは空燃比Ａ／Ｆで影響されるが、ほぼ一定になることが多い。

普通には自動車エンジンの１サイクル（４サイクル機関では２回転ごと）当たりの吸入空気流量は全シリンダの行程容積Ｖｓ（Ｌ）と吸気弁直前における温度Ｔｂと圧力Ｐｂが支配的に影響する。しかし単に行程容積Ｖｓと吸気マニホールドの絶対圧Ｐｂと温度Ｔｂだけの関数と見ることはできない。エンジン回転数Ｎ（ｒｐｍ）が直接的に比例するだけでなく、複雑に関係するし、特有の管路の特性や回転数の影響として現れる。さらには排気ガスの一部を吸気側に戻すこともある。実際の吸入空気流量Ｑａ（Ｌ／ｍｉｎ）は台上試験において別途に流量計を装着して正確な流量測定をして対比する。通常測定される吸気マニホールドの圧力Ｐｂと温度Ｔｂの測定値から静的に空気がシリンダ内に吸入されるとして求められる仮想的な吸入空気流量Ｑａ’と真のＱａとは一致しないのが普通である。Ｑａ／Ｑａ’は吸気マニホールドでの空気流の動的な特性を始めシリンダ内や管系が影響し、エンジンの運転条件でかなり変化する。しかし、実際の都市内走行を含む通常の走行条件では多くの経験を重ねた結果、ある程度限られた範囲でＱａ／Ｑａ’をエンジンの回転数に依存するある種の補正係数として示し得ることが判明した。排気ガスの一部を吸気マニホールドに還流（ＥＧＲ）させる場合にはさらに別な考慮が必要になる。実際の吸入空気流量Ｑａについて多数の都市内走行を含む通常の運転条件で正確に測定し、また吸気マニホールド絶対圧Ｐｂと温度Ｔｂおよび回転数Ｎを測定して仮想的な吸入空気流量Ｑａ’を求めて対比した。また、排気ガスの一部を吸気マニホールドに還流（ＥＧＲ）させる場合にはさらに別な考慮を加える必要がある。還流率（ＥＧＲ率）Ｒ_Ｅは、排気ガス中の酸素濃度Ｅ_Ｏと吸気マニホールドの酸素濃度Ｂ_ｏ、吸入空気の酸素濃度Ａ_ＯとからＲ_Ｅ＝（Ａ_Ｏ−Ｂ_Ｏ）／（Ａ_Ｏ−Ｅ_Ｏ）として求めることができる。吸入空気流量は還流率だけ減少することになる。

本発明では触媒劣化に関して最も重要なのは一般の路上実走行における排気ガス量の長時間積算値を簡単に求めることが狙いであるが、簡単に測定できる吸気マニホールドの温度、絶対圧の測定データはそれぞれのセンサを用いても良いし、またエンジン制御のセンサからの信号を取り出すようにしても良い。エンジンの回転数信号についても、別な回転センサを取り付けても良いし、または車両に備えてある回転数信号を利用することもできる。また、排気ガスの酸素濃度はエンジンに装着してある酸素センサの出力が用いられる。ＥＧＲシステムを用いないエンジンでは吸気マニホールドでの酸素濃度を測定する必要はない。本発明のシステムでは簡単にセンサを別に取り付けることを前提にしているが、元来のエンジン制御に用いられている信号を利用することも場合により可能である。

以下、本発明の具体的実施例を図１、図２、図３と図４によって説明する。図１には本発明の基礎資料を得る流量校正ともいえる別な流量計でエンジン吸入空気流量を測定するシステムと簡単に吸気マニホールドに温度、圧力および酸素センサを取り付けた状態を示す。吸入空気流量の測定は吸入系の入り口にラミナー型流量計を装着した車両を用いてシャシダイナモ上の運転で行う。車両のエンジン１のエァーフィルタ２直後にラミナー型流量計エレメント１１、温度計１４、絶対圧計１２、差圧計１３を取り付け入り口温度、絶対圧と差圧から正確な吸入空気流量Ｑａ（標準状態換算）を測定する。同時にスロットル弁３の下流側の吸気マニホールド４に取り付けた、絶対圧（負圧）センサ５、温度センサ６、酸素センサ７とエンジン回転数をピックアップ８により検出し、仮想的な吸入空気流量Ｑａ’を測定する。なお排気の酸素濃度はセンサ９により検出する。触媒装置１０はセンサ９の下流側に配置される。この仮想的な吸入空気流量Ｑａ’はＱａ’＝（Ｐｂ／ＰＯ）（Ｔｂ／ＴＯ）（Ｎ／２）Ｖｓとして標準状態換算の流量で示す。ＴＯ、ＰＯはそれぞれ標準状態圧力、温度である。

図２には代表的な運転条件である日本の１０−１５モードでの実測例を示す。図２のａ）はその運転の車速の時間経過を示す。ｂ）には基準とするラミナー型流量計で測定した流量Ｑａを同じ時間経過で示す。ｃ）にはエンジン回転数と吸気マニホールドで測定した温度と絶対圧（負圧）から求めた仮想的な吸入空気流量Ｑａ’を同じ時間経過で示す。基準とする吸入空気流量Ｑａと仮想的な吸入空気流量Ｑａ’を比較すると、エンジンの回転数領域ごとにある種の補正係数Ｃ（Ｎ）をＱａ’に乗じることによってＱａ’とＱａとをほぼ一致させ得ることが判明した。例えばこの運転モードでは回転数領域がほぼ２０００ｒｐｍ以下であるが、実走行の色々な運転条件で測定した多くの例からこの補正係数Ｃ（Ｎ）を広く調査した結果が図３に示されている。図２のｄ）はこの補正係数を用いてＱａ'を補正した結果で、ｂ）とほぼ一致していることがわかる。図３はエンジン回転数領域ごとの補正係数を示したもので、係数の変化が大きい１０００ｒｐｍ以下の領域では細かく区分してある。また３０００ｒｐｍ以上の回転数領域は実走行では比較的に頻度が小さいので、主として２０００ｒｐｍ以下の範囲での補正係数が重要となる。この補正係数はエンジンの種類によりある程度異なるが、その車種について１回確認しておけば多くの実走行に適用できることが判明している。

図４に示す試験対象車にはラミナー型流量計は取り付けないで、元来のエンジン１の吸気マニホールド４に圧力、温度および酸素濃度のセンサを装着して、エンジン回転数を検出し、仮想的な吸入空気流量Ｑａ’を求め、これに図３の回転数領域ごとの補正係数Ｃ（Ｎ）を乗じる回路系統図２０を解説的に示す。これにはさらに排気ガスの酸素濃度から計算できる空燃比Ａ／Ｆを加味した計算回路を加えて吸入空気流量から排気ガス流量にして簡単な演算回路によって累積触媒劣化関数値（積算排気ガス流量値）を示すようにしてある。各センサからの情報すなわち、Ｐｂ、Ｔｂ、ＮからＱａ’を求めて、これに図３の補正係数Ｃ（Ｎ）を乗じて簡単な計算回路を用いて排気ガス流量を表示できるようにし、またその時間積分値を触媒の累積触媒劣化関数値とする装置が構成される。なお、前述のように各酸素濃度の測定値からは排気ガス還流率ＥＧＲ率が簡単に測定できるが、省略してある。排気ガス還流がある場合には当然吸入空気流量はその分減少される。

エンジンにおける吸入空気流量の正確な測定と吸気マニホールド圧力温度などの測定センサの取り付け関係構成説明図。モード運転における車速と吸入空気流量の測定および推定例を示すグラフであって、ａ）１０−１５モードの車速、ｂ）ラミナー流量計での測定流量Ｑａ、ｃ）エンジン回転数と吸気マニホールド圧力温度から求めた仮想流量Ｑａ’、ｄ）回転数領域ごとの補正係数Ｃ（Ｎ）をＱａに乗じた計算吸入空気流量。エンジン回転数領域ごとの流量補正係数Ｃ（Ｎ）を示すグラフ。試験対象車の触媒劣化試験装置の構成説明図。

符号の説明

１ガソリン自動車エンジン
２エァーフィルタ
３スロットル弁
４吸気マニホールド
５吸気マニホールド負圧（絶対圧）センサ
６温度センサ
７酸素センサ
８回転数センサ（ピックアップ）
９酸素センサ
１０触媒装置
１１ラミナー型流量計エレメント
１２絶対圧計
１３差圧計
１４温度計
２０回路系統図

Claims

自動車エンジンのシャシダイナモメータでのベンチテストにおいて、吸入系の吸気マニホールドのガス温度および圧力ならびにエンジンの行程容積と回転数（吸気行程）から、あるいはエンジンの制御信号から取り出した信号に基づいて、仮想的な吸入空気流量を求め、一方別な測定装置で正確に測定した吸入空気流量を前記仮想的な吸入空気流量に対比して、路上走行条件での試験対象車の吸入空気流量を路上走行条件での試験対象車の吸入マニホールドでの温度、圧力とエンジンの行程容積と回転数から、あるいはエンジンの制御信号から取り出した信号に基づいて求めた仮想の吸入空気流量から求めるための補正係数を回転数領域ごとに設定して装置内に保持し、路上走行条件において前記補正係数により試験対象車の排気ガス流量およびその積算値を求め、触媒装置の劣化に影響する実際の走行条件での数値を表示するようにしたことを特徴とする実走行における触媒劣化試験装置。
前記試験対象車の吸入空気流量に関係する吸気マニホールドのガス温度、圧力、エンジンの行程容積と回転数の直接的な測定値、あるいはエンジン制御信号から取り出した間接的な信号に基づいてエンジンの行程容積と回転数を含めて前記仮想の吸入空気流量を求め、前記設定された補正係数を利用して得られた路上走行条件での触媒装置を通過する排気ガス流量の瞬時値および積算値を表示するようにしたことを特徴とする請求項１記載の自動車の実走行における触媒劣化試験装置。
酸素濃度を測定するセンサを備え吸気マニホールドにおける圧力および酸素濃度を基にして、排気ガスの還流率（ＥＧＲ率）を表示するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の自動車の実走行における触媒劣化試験装置。
路上走行条件における排気ガスの流量および・またはその積算値によって自動車触媒の性能劣化に影響する数値を表示する触媒劣化試験方法であって、自動車のエンジンのシャシダイナモメータでのベンチテストにおいて、吸気系の吸気マニホールドのガス温度、圧力ならびにエンジン行程容積とエンジン回転数から、あるいはエンジン制御信号から取り出した信号に基づいて仮想的な吸入空気流量を求めるとともに実際の吸入空気流量を空気流量計を用いて計測し、前記仮想的な吸入空気流量と前記実際の吸入空気流量を対比して路上走行条件での試験対象車の吸気マニホールドのガス温度、圧力ならびにエンジン行程容積とエンジン回転数から、あるいはエンジン制御信号から取り出した信号に基づいて求めた仮想の吸入空気流量から路上走行条件での試験対象車の吸入空気流量を導出する補正係数を回転数領域ごとに設定し、試験対象車の前記仮想の吸入空気流量に設定された前記補正係数を乗じて補正した吸入空気流量を求め、補正した吸入空気流量から試験対象車の前記路上走行条件における排気ガスの流量及び・またはその積算値を求めることを特徴とする触媒劣化試験方法。
路上走行条件における排気ガスの流量および・またはその積算値によって自動車触媒の性能劣化に影響する数値を表示する触媒劣化試験方法であって、自動車のエンジンのシャシダイナモメータでのベンチテストにおいて、吸気系の吸気マニホールドのガス温度Ｔｂ、圧力Ｐｂならびにエンジン行程容積とエンジン回転数から、あるいはエンジン制御信号から取り出した信号に基づいて仮想的な吸入空気流量Ｑａ’を求めるとともに実際の吸入空気流量Ｑａを空気流量計を用いて計測し、前記仮想的な吸入空気流量Ｑａ’と前記吸入空気流量Ｑａとの比Ｑａ’／Ｑａ＝１／Ｃ（Ｎ）を回転数領域ごとに設定し、路上走行条件での試験対象車の吸気マニホールドのガス温度、圧力ならびにエンジン行程容積とエンジン回転数から、あるいはエンジン制御信号から取出した信号に基づいて求めた路上走行条件での試験対象車の前記仮想の吸入空気流量に設定された補正係数Ｃを乗じて補正した吸入空気流量を求め、補正した吸入空気流量から試験対象車の前記路上走行条件における排気ガスの流量及び・またはその積算値を求めることを特徴とする請求項４記載の触媒劣化試験方法。