JP5036400B2

JP5036400B2 - 自動車用排出ガス流量計測方法および補正係数マップ作成装置

Info

Publication number: JP5036400B2
Application number: JP2007135419A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　　進; 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: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2027-05-22
Also published as: JP2008292183A

Description

産業上の利用分野

本発明は自動車排気ガスの計測技術に関連して、環境技術の産業分野に係わる。

従来の技術

近年、自動車から排出される有害物質は、排出ガス規制の強化、またエンジンの燃焼技術改善、触媒の性能改善などを背景として、その排出総量が低減されてきている。しかし排出総量が減少する一方で、ＮＯｘ法特定地域における環境基準達成状況としては、改善傾向は見られるものの依然として厳しい状況にあることから、沿道での局所的な排出ガス汚染は未だに存在し、解決されていないといえる。局所汚染対策として路上走行時に自動車から排出される有害物質を定量的に評価することにより、排出源対策につなげることができれば、これまで以上の効果が期待できる。
また実路走行の計測装置は、道路インフラ、交通状況、およびそれらから影響を受ける運転操作、エンジン挙動および車両挙動も同時に計測可能であることが要求される。すなわち上記要求を同時に満たすような、車載型の計測システムを構築、開発することが必要である。

自動車が実路で走行する際の環境負荷を定量的に評価するには、排出ガス濃度、エンジン挙動、車両挙動等を高精度で計測可能な車載型計測システムが必須である。近年、計測技術の進歩により、車載型の排出ガス分析装置が開発されている。この装置では排出ガス中の大気汚染物質の排出濃度を高精度で計測することが可能である。しかし自動車からの環境負荷は排出質量で評価することが重要である。排出濃度から排出質量への換算には排出ガス流量の測定が必須となる。

排出ガス流量については様々な測定手法が検討されている。例えばマスフローメータによる計測手法や超音波による計測、ピトー管を排気管後端部に接続し流量を計測する手法などが挙げられる。またエンジン回転数と吸気管圧力を検出するスピードデンシティ法という手法も挙げられる。

特開２００７−８５８９１

従来技術の問題点

排出ガス流量については上記の従来の技術で挙げたような測定方法が検討されてきたが、例えばマスフローメータによる計測手法や超音波による計測は計測器本体が大型になるという問題点があり、車載計測用の手法としては使用が困難である。またピトー管を排気管後端部に接続し流量を計測する手法に関しては、アイドリングなどの低流量域で精度が低く、またテールパイプが湾曲している場合や２本に分離している場合もあり、取り付けに関して課題を抱える。さらにスピードデンシティ法はエンジン回転数と吸気管圧力を使用するという点で吸入空気流量の推定に利用できる可能性も考えられるが、そもそもこの手法はエンジンの燃料噴射量を決定するために用いられるものであり、排出ガス流量の計測手法としては向かない。
また既に提案されている吸入空気流量の推定値と実測値を比較して吸入空気流量の補正係数を算出して、さらに空燃比を加えて排出ガス流量を算出する方法（特許文献１参照）は、エンジン回転数のみを関数としているために、車両速度が高い領域などの吸入空気流量の多い場合には算出精度が悪くなってしまうという問題点を抱える。

本発明で対象とする「マップ法」という手法は、エンジン回転数と吸気管圧力の両方を関数として吸入空気流量の補正係数マップを作成し、それを利用して算出される吸入空気流量の値を用いて排出ガス流量を求める手法である。この手法では一度吸入空気流量の計測装置を接続して補正係数マップを作成してしまえば、その後はその計測装置を装着しなくても補正係数マップを使用した計算によって排出ガス流量を算出することが可能となる。流量計測装置接続による流量干渉が無くなるために高精度の排出ガス流量の計測が可能となり、計測精度が従来技術と比較して向上することが見込まれる。

マップ法では、図１に示すように、まず吸入空気流量計を使用して吸入空気体積流量Ｑ_refを測定する。その計測値Ｑ_refと、大気圧Ｐ_a、大気温度Ｔ_a、吸気管圧力P_b吸入空気温度T_in、エンジン回転数Ｎe、エンジン行程体積Ｖ_ｍで算出される（式１）吸入空気体積流量の推定値Ｑ_a’と比較して吸入空気体積流量の補正係数kを求める（式２）。この補正係数kのマップを作成して、エンジン回転数Ｎe、吸気管圧力P_ｂの関数として吸入空気体積流量Ｑ_aを算出する（式３）。次にＱ_aと空気密度γ_aから質量流量Ｇ_ａに変換し（式４）、さらに空燃比AFを加えて排出ガス質量流量Ｇ_exを求める（式５）。最後にＧ_exと排出ガス密度γ_exから排出ガス体積流量Ｑ_exを算出する（式６）。ここで排出ガス密度γ_exは、燃料のC/H比を考慮して空燃比AFの関数として算出する。

ここで、
Ｑ_a':吸入空気体積流量の推定値[m^３/min]、Ｑ_ref:吸入空気堆積流量の計測値[ｍ^３/min]、Ｑ_a：吸入空気体積流量[m^３/min]、Ｑ_ex：排出ガス体積流量[m^３/min]、Ｇ_a：吸入空気質量流量[ｇ/min]、Ｇ_ex排出ガス質量流量[ｇ/min]、P_a：大気圧[kPa]、P_b：吸気管圧力[kPa]、T_a:大気温度[K]、T_in：吸入空気温度[K]、Ne：エンジン回転数[rpm]、Vm：エンジン行程体積[m^３]、ｋ：吸入空気体積流量の補正係数[-]、γ_a:空気密度[ｇ/m^３]、γ_ex:排出ガス密度[ｇ/m^３]、AF:空燃比[-]

請求項１に記載した発明によれば、吸入空気流量の補正係数のマップを作成する場合エンジンの回転数の他に吸気管圧力も因子として使用するので、排出ガス流量の瞬時値の算出の精度を高めることができる。
このとき補正係数の三次元マップを複数に区分された過渡条件毎に作成するので、広範囲の走行条件にわたって排出ガス流量を高精度に算出することができる。
さらに、このとき過渡条件を区別する基準としてエンジンの回転速度変化率等を用いるので、自動車の実走行パターンに合ったマップを作成することができる。

請求項２に記載した発明によれば走行条件を特定のギアに固定してそれぞれ複数回走行させて補正係数を得るので広範囲の走行条件をカバーできるマップを得ることができる。

自動車の走行テストにおいて、車両速度が低い領域から高い領域、また数種類の加減速を含む試験モードを走行し、同時にエンジンの行程容積、回転数、吸入空気温度、吸気管圧力から吸入空気流量の推算値を求め、一方で別な流量計測装置で測定される吸入空気流量と上記推算値を比較して得られる吸入空気流量の補正係数を算出し、その補正係数をエンジン回転数と吸気管圧力を関数として表す三次元マップを作成し、前記マップと瞬時のエンジン回転数、吸気管圧力の値から瞬時の吸入空気量を算出し、さらに空燃比を用いて得られる排出ガス流量の瞬時値を算出する。この方法のブロック図を図１に示す。

吸入空気流量の補正係数マップを作成する際に、走行を車両の各ギアに意図的に固定して複数回走行する。

区分基準によって区分される複数の過渡走行条件毎に前記三次元マップを作成し、前記区分基準により過渡走行条件を判別して該当する三次元マップを用いる。

前記区分基準として、エンジン回転数の変化率や車両の速度、加速度などを用いる。

計測にはマップ作成装置を使用する。マップ作成装置は計測対象車輌の吸気管を通る吸入空気の流量を計測する吸入空気流量計測器、前記吸気管を通る吸入空気の温度を計測する吸入空気温度計測器、エンジンの回転数を検出するエンジン回転数検出器、吸気管の管内圧力を計測する吸気管圧力計測器を備え、かつ前記吸入空気流量計測器２、吸入空気温度計測器４、エンジン回転数検出器７及び吸気管圧力計測器５からの信号に基づいてマップを作成するための演算装置（図示せず）を備える。

ａ)試験方法
前述のマップ法について実施した例を示す。試験車として排気量2488ccの三元触媒ガソリン乗用車（４速AT）を使用した。四駆シャシダイナモメータ上で走行させ、ラミナ流量計で吸入空気体積流量を高精度に測定した。排出ガス体積流量はマップ法で算出すると同時に、可変ベンチュリ式流量計により測定し両者の測定値を比較した。この可変ベンチュリ式流量計は、内部の差圧を一定に保つようにベンチュリ部分の断面積が変化する構造になっており、通常のベンチュリ式流量計で見られるような低流量域での計測精度の低さを克服したものである。この可変ベンチュリ式流量計の測定値Ｑ_νaνを基準値として使用した。図２に実験システム図を示す。この測定システムは、補正係数マップ作成時にのみ使用するものである。

実験にあたり、吸入空気体積流量の補正係数ｋのマップを作成するためのモードを作成した。図３にこの走行モードの速度パターンを示す。このモードでは0ｋｍ/ｈから100ｋｍ/hまで階段状に速度が順次上昇し、その後、高速道路走行時のように100ｋｍ/h付近で速度が上下する。さらに40ｋｍ/h〜80kｍ/hの間で加減速を繰り返すが、徐々に加減速が急峻になるように設定した。この走行モードについて三つの条件で走行を行った。すなわち、条件１：Ｄレンジ固定Over Drive On、条件２：Ｄレンジ固定Over Drive Off、条件３：２レンジ固定の三条件である。この三条件での走行を行うことで、対象車両のそれぞれのギアを使用した場合のエンジン回転数、車両速度および吸気管圧力の関係性を細かく把握することが可能であり、かつエンジン使用領域内の広範囲をカバーすることが可能である。三条件の走行時のエンジン使用領域を図４に示す。個々のプロットは0.1ｓごとのデータを示している。

この使用領域において吸気管圧力P_ｂを10kPa毎、エンジン回転数Neを100rpm毎に分割してメッシュを作成し、それぞれのメッシュに含まれるデータについてP_b、Ne、補正係数ｋの平均値を算出し、補正係数マップを作成した。ここで説明した手法により作成された補正係数ｋのマップを図５に示す。これは条件１、条件２、条件３を走行した際に得られた全てのデータを統合して同じ処理を行い、補正係数を求めたものである。つまり排出ガス流量を算出するための補正係数マップは一つであり。加速状態、定常状態、減速状態等の様々な条件を区別することなくマップを作成している。
ｂ）過渡条件区別のない単一補正係数マップを使用した排出ガス流量測定結果
図５のマップを使用して排出ガス流量を算出した結果を図６に示す。なお検証に当たって条件１の計測結果を用いた。図に示したのは、マップ法で算出した排出ガス流量Ｑ_ex、可変ベンチュリ式流量計の計測値Ｑ_νaν、車両速度ν、エンジン回転数Neおよび吸気管圧力P_bの時間履歴である。Ｑ_exの値はＱ_νaνの値に対して全体としてトレースできているが、90km/ｈ定常の部分で値が乖離していることが確認できる。

上述の方法で、つまり補正係数マップ１つを使用して排出ガス流量を算出する場合、いくつかの問題点が存在する。一つは、同じエンジンの使用領域でも走行条件の違いにより車両が加速するときに使用するケースと、車両が定常走行状態にあるケースが混在してしまっていることである。例えば図６で示した結果の中で90km/h定常部分を見た場合、90km/h定常部分のエンジン使用領域を見ると、P_b=50〜60kPa、Ne=2200〜2300rpmの範囲である。この範囲の元のデータを図４からピックアップしたのが図７である。このエンジン使用領域の範囲には、条件１の90km/h定常走行部分のデータと、条件２での50〜60km/hの加速部分のデータが含まれている。図８には図７と同じデータについて、算出された補正係数ｋの値をプロットしている。この図により同じエンジン使用領域を使用していても、50〜60km/hの加速時と90km/h定常走行の時には補正係数の値と分布が異なるということが分かる。このことは一定速度で車両が走行するのと、エンジン回転数が上昇して加速するのでは、同じエンジン使用領域を用いるとしても吸入空気流量、排出ガス流量の特性が異なることを示しており、これらの条件を分離してマップを作成する必要がある。

もう一つは車速が上昇しギアが変化したときに起こる、エンジン回転数の変化が区別されないことである。つまりアクセルを踏み込んで車両速度を上昇させていく場合、あるギアが変化するときにエンジン回転数が瞬間的に上昇する。この変化を過渡条件の一つとして区別することが必要と考えられる。
ｃ）過渡条件の区別を行い三つの補正係数マップを使用した排出ガス流量測定結果
前述のような過渡条件の区別を行うためにはいくつかの方法を考えられるが、例えば速度から車両の加速状態、定常走行状態、減速状態を判別する方法が考えられる。しかしこの方法の場合には、ギアチェンジによりエンジン回転数が瞬間的に変化する現象は区別することができないため適用に制約がある。そこでエンジン回転数の変化に着目した。つまり検出されたエンジン回転数の変化率を計算し、変化率の大小によって条件の区別を行う。図９、図１０、図１１に示したのは、それぞれ条件１、条件２、条件３で走行した場合のエンジン回転数の変化率の履歴である。この三つの図から、0km/hから、100km/hまでの、10km/hごとの定常走行部分ではエンジン回転変化率の値が±200rpm/sの範囲内に収まっていることが分かる。この結果から、エンジン回転数変化率が200rpm/s以上の部分（エンジン回転増加領域）、-200rpm/s〜200rpm/sに収まる部分（エンジン回転数一定領域）、-200rpm/s以下の部分（エンジン回転数減少領域）の三つに区別する手法を考えた。

図４で得られた全データについてエンジン回転数変化率を計算し、その値に従ってエンジン回転数増加領域、一定領域、減少領域、それぞれの領域に含まれるデータについて分類し直し（図１２）、それぞれの補正係数マップを再作成した（図１３）。図１３にエンジン回転数増加領域、一定領域、減少領域における補正マップ数を示す。

図１３の三つの補正係数マップを使用して、排出ガス流量を算出した結果を図１４に示す。

検証に用いたのは条件１での計測結果である。図６においてＱ_exとＱ_νaνの値の乖離が大きかった90km/h定常、100km/h定常部分について見ると、差が小さくなっている。つまりエンジン回転数の変化率の値に従って三つの補正係数マップを用意することで、各速度域での定常走行、加減速時の排出ガス流量の推定はほぼ可能となる。

図１５、図１６に10・15モード、JC08モードで走行を行った結果に対して、エンジン回転数変化率を考慮せず一つのマップで計算を行った結果エンジンの回転数変化率を考慮して三つのマップを使用して計算を行った結果を示す。これらの図により、車両加速時、定常走行、減速時にほぼ排出ガス流量をほぼ予測可能であることが明らかになった。

マップ法で使用される理論式から考えれば吸入空気流量、排出ガス流量ともにエンジン回転数、吸気管圧力の関数として表現されるため、理論式そのものを使って過渡条件を区別する場合には、関数が複雑になってしまう。三つの補正係数マップを用意することの意味は、こうした複雑な関係系で表現されてしまう過渡条件を、マップを使用することで容易に過渡条件を区別することが可能になることである。

排出ガス流量計測方法のブロック図マップ作成装置の構成を示す説明図マップ作成用走行モードパターンを示すグラフ三条件走行時のエンジン実用領域を示すグラフ過渡条件区別のない単補正係数マップ過渡条件区別のない単一補正係数マップから算出した排出ガス流量を示すグラフエンジン回転数２２００ｒｐｍ〜２３００ｒｐｍ、吸気管圧力５０kPa〜６０kPaの範囲のデータを示すグラフエンジン回転数２２００ｒｐｍ〜２３００ｒｐｍ、吸気管圧力５０kPa〜６０kPaの範囲の補正係数を示すグラフ条件１で走行した場合のエンジンの回転数の変化率履歴を示すグラフ条件２で走行した場合のエンジンの回転数の変化率履歴を示すグラフ条件３で走行した場合のエンジンの回転数の変化率履歴を示すグラフ過渡条件を判明した状態を示すグラフ過渡条件区別を行った場合の二つの補正係数マップ過渡条件区別を行った場合の二つの補正係数マップから算出した排出ガス流量を示すグラフ１０・１５モードでの排出ガス流量検証結果を示すグラフ JC08モードでの排出ガス流量検証結果を示すグラフ

符号の説明

１エアクリーナー
２吸入空気流量計（例えばラミナ）
３吸気管
４吸入空気温度センサー
５吸気管圧力センサー
６エンジン
７エンジン回転数検出器
８排気管

Claims

自動車の走行テストにおいて、車両速度が低い領域から高い領域、また数種類の加減速を含む試験モードを走行し、同時にエンジンの行程容積、回転数、吸入空気温度、吸気管圧力から吸入空気流量の推算値を求め、一方で別な流量計測装置で測定される吸入空気流量と上記推算値を比較して得られる吸入空気流量の補正係数を算出し、その補正係数をエンジン回転数と吸気管圧力を関数として表す三次元マップを作成し、前記マップと瞬時のエンジン回転数、吸気管圧力の値から瞬時の吸入空気量を算出し、さらに空燃比を用いて得られる排出ガス流量の瞬時値を算出することとし、区分基準によって区分される複数の過渡走行条件毎に前記三次元マップを作成し、前記区分基準により過渡走行条件を判別して該当する三次元マップを用いることとし、前記区分基準として、エンジン回転数の変化率を用いることを特徴とする排出ガス流量計測方法。
前記吸入空気流量の補正係数マップを作成する際に、走行を車両の各ギアに意図的に固定して複数回走行することを特徴とする請求項１記載の排出ガス流量計測方法。