JP5060378B2 - ガス分析方法及びガス分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの燃焼室のサンプルガスの成分を分析して、理論空燃比に対する実空燃比の割合である空気過剰率を算出するガス分析方法及びこの方法を実行するガス分析装置に関し、特に、燃焼室内に酸素濃度の低い残留ガスが存在する場合であっても、当該残留ガスの影響を考慮した空気過剰率を算出することができるガス分析方法及びガス分析装置に関する。

エンジンの燃焼室内の燃焼挙動解析において燃焼室内のガス組成を正確に分析できれば、当該燃焼室内の燃焼状態を正確に把握する上で重要な情報を得ることができ、エンジンの運転状態を正確に把握することが可能となる。例えば、燃焼室内のガス組成を分析した情報を用いることで、異なる運転条件でエンジンの運転を行った場合における、これら運転条件下での燃焼状態（エンジンの運転状態）を正確に比較分析することなどが可能となる。
このようにエンジンの燃焼室内の混合ガスのガス組成、特に燃料濃度の解析には、一般に、当該燃料濃度の指標として空気過剰率λが用いられている。この空気過剰率λは、理論空燃比に対する実空燃比の割合であり、例えば、式１に示すように、ガス分析計で計測した燃料の体積濃度Ｗと、流入ガスＩＧ中の燃料１ｍｏｌに対する理論空気量Ａ₀とを用いて算出することができる。
〔式１〕 空気過剰率λ＝（１−燃料の体積濃度Ｗ）／（理論空気量Ａ₀×燃料の体積濃度Ｗ）
なお、実空燃比は、実際に燃焼室に供給された流入ガス中における燃料量に対する空気量の割合であり、理論空燃比は、燃焼室に供給された流入ガス中における燃料１ｍｏｌに対するこの燃料を完全に燃焼させるための理論空気量Ａ₀の割合である。
一方、上記空気過剰率λを算出するものとして、例えば、非特許文献１に示されるように、燃焼反応前後における各組成の質量保存の原理により排気ガス中のＣＯ２、ＣＯ、ＨＣ濃度、及び水性シフト反応の化学平衡定数を用いて、空気過剰率λを算出するものがある。

ＳＯＣＩＥＴＹ ＯＦ ＡＵＴＯＭＯＴＩＶＥ ＥＮＧＩＮＥＥＲＳ ６５０５０７ ＭＩＤ−ＹＥＡＲ ＭＥＥＴＩＮＧ ＣＨＩＣＡＧＯ、ＩＩＩ．ＭＡＹ １７−２１、１９６５

上記のようにして算出した空気過剰率λを用いて燃焼室内の燃料濃度を解析することで、燃焼室内の燃焼状態をある程度把握することができ、例えば、上記のように異なる運転条件下での燃焼状態を比較分析するなど、エンジンの運転状態を良好に分析することが可能となる。
ここで、エンジンの燃焼室においては、吸気行程中に新たに流入した空気と燃料との流入ガスと、前のサイクルで残留した酸素濃度の低い残留ガスとが混合されて、混合ガスが形成されるため、当該混合ガスの酸素濃度は残留ガスの影響により変動（低下）した状態となっており、当該混合ガスの空気量も変動（低下）した状態となってしまう。
このように、実際に燃焼室内に存在する混合ガスの空気量が変動した状態となるにもかかわらず、上述のように、燃料の体積濃度や排ガス中の各成分濃度から算出した理論空気量を用いて空気過剰率を算出すると、当該燃焼室内に存在する残留ガスの影響が考慮されていないため、例えば、異なった運転条件でのエンジンの運転状態を一定の指標の下に比較することができないという問題がある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、エンジンの燃焼室のサンプルガスの成分を分析して、空気過剰率を算出するガス分析方法及びこの方法を実行するガス分析装置において、燃焼室内の実情に合致した確度の高い空気過剰率を得ることができる技術を確立することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る、エンジンの燃焼室のサンプルガスの成分を分析して、理論空燃比に対する実空燃比の割合である空気過剰率を算出するガス分析方法の特徴手段は、
吸気行程の終了後、燃焼前である第一状態における燃焼室内の第一ガス情報を得る第一情報取得工程と、
排気行程の終了後、吸気前である第二状態における燃焼室内の第二ガス情報を得る第二情報取得工程とを実行し、
前記第一ガス情報から、前記第一状態における燃焼室内の混合ガスのガス量である第一ガス量を求めるとともに、前記第二ガス情報から、前記第二状態における燃焼室内に残留する残留ガスのガス量である第二ガス量を求めるガス量取得工程と、
前記第一ガス量及び第二ガス量から前記残留ガスの残留割合を求める残留割合取得工程と、
前記残留ガスの残留割合に応じて前記理論空燃比の理論空気量を補正する理論空気量補正工程と、
前記理論空気量補正工程で補正された理論空燃比の理論空気量を用いて前記空気過剰率を算出する空気過剰率算出工程とを実行する点にある。

本特徴手段によれば、燃焼室のサンプルガスの空気過剰率を算出するにあたり、吸気行程の終了後、燃焼前である第一状態における第一ガス情報、及び排気行程の終了後、吸気前である第二状態における燃焼室内の第二ガス情報から求められた、当該第二状態において燃焼室内に残留する残留ガスの残留割合に応じて理論空燃比の理論空気量を補正するので、燃焼後の燃焼室内に実際に存在する残留ガスを含めた状態での理論空気量を用いて空気過剰率を算出し、燃焼室内の実情に合致した空気過剰率を得ることができる。
すなわち、第二状態において燃焼室内に残留した残留ガスは、その後、吸気行程が開始されて第一状態に移行すると新たに燃焼室内に流入した流入ガスと混合され、混合ガスとなる。ここでいう、残留ガスは燃焼後に未燃で残留した燃料と比較的少ない量の空気とが含まれるガスであり、流入ガスは燃料と比較的多い量の空気とが含まれるガスであり、また、混合ガスはこれら残留ガスと流入ガスとが混合されたガスである。通常、理論空燃比の理論空気量は、流入ガスに含まれる燃料が完全に燃焼する空気量として決定されるが、第一状態において燃焼室に存在する混合ガスには残留ガスが含まれているため、当該混合ガスは流入ガスと比較すると空気量が変動（低下）している。そこで、第一状態及び第二状態におけるガス情報から求められる燃焼室内のガス量を用いて当該第二状態における残留ガスの残留割合を求め、上記理論空気量を、当該残留割合を反映させた理論空気量に補正することで、実際に、燃焼後の燃焼室内に残留する残留ガスを含めた状態の混合ガスに対応した理論空気量を得ることができる。なお、残留ガスの残留割合は、上記第一状態における混合ガスのガス量に対する第二状態における残留ガスのガス量の割合で代表できる。よって、この補正された理論空気量を用いて空気過剰率を算出することで、実際に燃焼室に存在する混合ガスの状態を反映した空気過剰率を算出でき、例えば、異なった運転条件でのエンジンの運転状態を一定の指標（補正された理論空気量から算出した空気過剰率）の下に比較することが可能となる。

本発明に係るガス分析方法の更なる特徴手段は、前記理論空気量補正工程において、前記残留ガスの残留割合と、吸気行程において前記燃焼室に流入する流入ガス中の酸素濃度と、排気行程において前記燃焼室から排出される排出ガス中の酸素濃度とを用いて、前記第一状態における燃焼室内の前記混合ガスの酸素濃度を算出し、当該酸素濃度に基づいて前記理論空燃比の理論空気量を補正する点にある。

本特徴手段によれば、排気行程の終了後、吸気前である第二状態において燃焼室内に残留する残留ガスの残留割合と、吸気行程の終了後、燃焼前である第一状態となる前後に燃焼室内に出入りするガス中の酸素濃度とから、当該第一状態における燃焼室内に存在する混合ガスの酸素濃度を的確に算出して、この酸素濃度から理論空気量を補正するので、第一状態において実際に燃焼室に存在する、残留ガスを含む混合ガス中の酸素濃度を正確に反映した理論空気量を得ることができ、簡易な計測を行って、より実情に合った空気過剰率を得ることができる。

本発明に係るガス分析方法の更なる特徴手段は、前記第一情報取得工程において、前記第一ガス情報として前記第一状態における燃焼室内の温度と圧力と体積とを得るとともに、前記第二情報取得工程において、前記第二ガス情報として前記第二状態における燃焼室内の温度と圧力と体積とを得て、
前記ガス量取得工程において、前記第一状態における燃焼室内の温度と圧力と体積とから、前記第一ガス量として当該燃焼室内の混合ガスのモル数を求めるとともに、前記第二状態における燃焼室内の温度と圧力と体積とから、前記第二ガス量として当該燃焼室内の残留ガスのモル数を求め、
前記残留割合取得工程において、前記混合ガスのモル数及び前記残留ガスのモル数から前記残留ガスの残留割合を求める点にある。

本特徴手段によれば、第一状態及び第二状態の燃焼室内のガス情報をそれぞれの状態での燃焼室内の温度、圧力、体積とするので、エンジンの運転状況（燃焼状態）が変化しても比較的容易に得られる情報とすることができる。また、これら温度、圧力、体積の関係から第一状態及び第二状態における燃焼室内に存在するガスのガス量としてのモル数を得るので、比較的容易に、かつ正確に得ることができる。よって、残留ガスの残留割合を比較的容易に、かつ正確に求めることができる。

上記目的を達成するための本発明に係る、エンジンの燃焼室のサンプルガスの成分を分析して、理論空燃比に対する実空燃比の割合である空気過剰率を算出する空気過剰率算出手段を備えたガス分析装置の特徴構成は、
吸気行程の終了後、燃焼前である第一状態における燃焼室内の第一ガス情報を得る第一情報取得手段と、
排気行程の終了後、吸気前である第二状態における燃焼室内の第二ガス情報を得る第二情報取得手段とを備えるとともに、
前記第一ガス情報から、前記第一状態において燃焼室内に存在する混合ガスのガス量としての第一ガス量と、前記第二ガス情報から、前記第二状態において燃焼室内に残留する残留ガスのガス量としての第二ガス量との割合を前記残留ガスの残留割合として求め、当該残留ガスの残留割合に応じて前記理論空燃比の理論空気量を補正する理論空気量補正手段を備え、
前記空気過剰率算出手段が、前記理論空気量補正手段により補正された理論空燃比の理論空気量を用いて前記空気過剰率を算出する点にある。

本特徴構成によれば、上記特徴手段を有するガス分析方法と同様に、燃焼室のサンプルガスの空気過剰率を算出するにあたり、吸気行程の終了後、燃焼前である第一状態における第一ガス情報、及び排気行程の終了後、吸気前である第二状態における燃焼室内の第二ガス情報から求められた、当該第二状態において燃焼室内に残留する残留ガスの残留割合に応じて理論空燃比の理論空気量を補正するので、燃焼後の燃焼室内に実際に存在する残留ガスを含めた状態での理論空気量を用いて空気過剰率を算出し、燃焼室内の実情に合致した空気過剰率を得ることができる。

本発明に係るガス分析装置の更なる特徴構成は、前記エンジンの燃焼室からサンプルプローブを介してサンプリングされるサンプルガスを、吸引手段により前記空気過剰率算出手段に導いて、前記サンプルガスの空気過剰率を算出する点にある。

本特徴構成によれば、燃焼室からサンプルプローブを介してサンプルガスをサンプリングし、空気過剰率算出手段において空気過剰率を算出するので、燃焼室内に存在する混合ガスを確実にサンプリングして空気過剰率を算出することができ、かつ比較的簡便な構成とすることができる。

本願に係るガス分析装置１００の実施の形態について、図面に基づいて説明する。なお、図１は、エンジン１のシリンダ１ａ内の燃焼室２からサンプルガスＳＧをサンプリングし、当該サンプルガスＳＧの分析を行う本願に係るガス分析装置１００を模式的に示したものである。
以下に示す実施の形態にあっては、図１に示すように、エンジン１に備えられるシリンダ１ａとピストン１ｂとにより画定され、内部で燃料が燃焼する燃焼室２から、ポンプ３（吸引手段の一例）によりサンプルガスＳＧをサンプルプローブ４、調整流路５、吸引路６を介して、本願に係るガス分析装置１００に導入し、当該サンプルガスＳＧの分析を行う場合について説明する。

まず、エンジン１について説明すると、当該エンジン１は、燃料がメタンを主成分とする都市ガスであり、吸気行程において燃料と空気とが含まれる流入ガスＩＧを過給機７より過給した状態で吸気弁８を介して燃焼室２内に導き、前回の燃焼時に残留している残留ガスＲＧ（図示せず）と当該流入ガスＩＧとが混合された混合ガスＭＧ（図示せず）を圧縮行程において圧縮する。そして、この燃焼室２内の混合ガスＭＧに火花点火して燃焼させ、排気行程において排出ガスＯＧを排気弁９を介して燃焼室２から排出するように繰り返し運転される。なお、本願においては、吸気行程の終了後、燃焼前において吸気弁８が閉じている状態を第一状態、排気行程の終了後、吸気前において排気弁９が閉じている状態を第二状態という。

図１に示すように、上記エンジン１の燃焼室２にはサンプルプローブ４が接続され、当該サンプルプローブ４は一端が燃焼室２に、他端が調整流路５に接続されており、燃焼室２内のサンプルガスＳＧをサンプリングできるように構成されている。また、当該サンプルプローブ４の他端である出口には比較的流路断面積が大きな調整流路５が接続され、当該調整流路５は一端がサンプルプローブ４に接続され、他端が大気開放されており、サンプルプローブ４と調整流路５との間には流路断面積を急拡大する段差部５ａが形成されている。さらに、この調整流路５の所定位置には、ポンプ３の働きにより、調整流路５から当該調整流路５に直交する方向にサンプルガスＳＧを吸引して、本願に係るガス分析装置１００に導く吸引路６が接続されている。この吸引路６は、調整流路５の路壁に対して直角に接続されている。さらに、この吸引路６の下流側にガス分析装置１００が、さらにその下流側にポンプ３が接続されている。この吸引路６では、ポンプ３が、エンジン１の運転中、常時一定の吸引圧で吸引位置から調整流路５内のサンプルガスＳＧを吸引することで、ガス分析装置１００に所定範囲のガス流量でサンプルガスＳＧを導入し、安定的にガス分析が行える。

次に、ガス分析装置１００は、サンプルガスＳＧの成分を分析して、理論空燃比に対する実空燃比の割合である空気過剰率λを算出する空気過剰率算出手段１０と、上記第一状態における燃焼室２内の第一ガス情報を得る第一情報取得手段１１と、上記第二状態における燃焼室２内の第二ガス情報を得る第二情報取得手段１２と、理論空燃比の理論空気量Ａ₀を補正する理論空気量補正手段１３とを筐体２０内に備えて構成されている。

空気過剰率算出手段１０は、図１に示すように、サンプルガスＳＧの成分分析結果から補正前の空気過剰率λを得る第一空気過剰率算出手段１０ａと、この第一空気過剰率算出手段１０ａにより得られる補正前の空気過剰率λを、後述する理論空気量補正手段１３から得られる情報に基づいて補正して空気過剰率λ´を得る第二空気過剰率算出手段１０ｂとから構成されている。
まず、第一空気過剰率算出手段１０ａを以下に説明し、第二空気過剰率算出手段１０ｂに関しては、理論空気量補正手段１３の説明の後に説明する。

第一空気過剰率算出手段１０ａは、サンプルガスＳＧの成分を分析して、理論空燃比に対する実空燃比の割合である空気過剰率λ（本願構成においては補正前の空気過剰率λ）を算出可能な回路を含むガス分析計で構成されている。なお、実空燃比は、実際に燃焼室２に供給された燃料量に対する空気量の割合であり、理論空燃比は、燃焼室２に供給された燃料１ｍｏｌを完全に燃焼させるための理論空気量Ａ₀の割合である。
具体的には、所謂、ＴＨＣ（全炭化水素）の測定に適した分析回路で、ＦＩＤ法（水素炎イオン化法）によりＴＨＣを分析して、例えば、ガス圧１０１ｋＰａ、ガス流量３．５リットル／ｍｉｎで、サンプルガスＳＧを導入することで、良好にガス分析することができ、式１に示すように、サンプルガスＳＧの燃料の体積濃度Ｗ及び理論空気量Ａ₀から補正前の空気過剰率λを算出できるように構成されている。なお、燃焼室２内のサンプルガスＳＧを採取するに際しては、燃焼寸前の点火プラグ１９近傍のサンプルガスＳＧを採取すると燃焼状態を把握する上で重要な情報を得やすく、また、燃焼室２内の複数箇所からサンプルガスＳＧを採取すると燃焼室２内における局所的な燃料濃度分布など燃焼状態を把握する上で重要な情報を得やすい。
〔式１〕 λ＝（１−Ｗ）／（Ａ₀×Ｗ）
なお、Ａ₀は燃料１ｍｏｌが完全に燃焼する理論空気量である。
第一空気過剰率算出手段１０ａにより算出された補正前の空気過剰率λは、第二空気過剰率算出手段１０ｂに出力可能に構成され、理論空気量Ａ₀は、例えば予め記憶手段（図示せず）に記憶され、理論空気量補正手段１３及び第二空気過剰率算出手段１０ｂに出力可能に構成されている。
なお、詳細は後述するが、図１に示すように、空気過剰率算出手段１０の第二空気過剰率算出手段１０ｂには、後述する理論空気量補正手段１３から、補正された後の理論空気量Ａ₀´を入力可能に構成されている。そして、第二空気過剰率算出手段１０ｂは、上記の補正前の空気過剰率λと、理論空気量補正手段１３からの補正後の理論空気量Ａ₀´と理論空気量Ａ₀とを利用して、補正後の空気過剰率λ´を算出する構成とされている。この補正後の空気過剰率λ´が本願における出力情報（空気過剰率）となる。

第一情報取得手段１１及び第二情報取得手段１２はそれぞれ、エンジン１の運転状況である燃焼室２内の温度、圧力、体積をガス情報として得ることができる処理手段（所定の演算を実行する回路でもよい）で構成されている。
例えば、エンジン１に備えられ、燃焼室２内の温度を検出することができる温度センサ１４、圧力を検出することができる圧力センサ１５、クランク角を検出することができるクランク角検出センサ１６からのガス情報の出力を、入力可能に第一情報取得手段１１及び第二情報取得手段１２を構成することで当該ガス情報を得ることができる。ここで、第一ガス情報としての第一状態における燃焼室２内の混合ガスＭＧの温度Ｔ_in、圧力Ｐ_in、及び当該第一状態におけるクランク角情報は第一情報取得手段１１に、第二ガス情報としての第二状態における燃焼室２内の残留ガスＲＧの温度Ｔ_ex、圧力Ｐ_ex、及び当該第二状態におけるクランク角情報は第二情報取得手段１２にそれぞれ入力される。なお、クランク角検出センサ１６から第一情報取得手段１１に入力されたクランク角情報は、当該第一情報取得手段１１により第一状態における燃焼室２内の体積Ｖ_inに、クランク角検出センサ１６から第二情報取得手段１２に入力されたクランク角情報は、当該第二情報取得手段１２により第二状態における燃焼室２内の体積Ｖ_exにそれぞれ変換される。そして、これら第一ガス情報（上記温度Ｔ_in、圧力Ｐ_in、及び体積Ｖ_in）及び第二ガス情報（上記温度Ｔ_ex、圧力Ｐ_ex、及び体積Ｖ_ex）は、後述する理論空気量補正手段１３に出力される。上記温度センサ１４、圧力センサ１５、クランク角検出センサ１６は、公知のセンサを用いることができる。

理論空気量補正手段１３は、上記空気過剰率算出手段１０において空気過剰率λを算出する際に用いられる理論空燃比の理論空気量Ａ₀を補正することができる処理手段（所定の演算を実行する回路でもよい）で構成されている。
この理論空気量補正手段１３は、第一情報取得手段１１から入力された第一ガス情報（第一状態における燃焼室２内の混合ガスＭＧの温度Ｔ_in、圧力Ｐ_in、当該燃焼室２内の体積Ｖ_in）から、第一状態において燃焼室２内に存在する混合ガスＭＧのガス量としてのモル数ｎ_mix（第一ガス量の一例）を求める。また、第二情報取得手段１２から入力された第二ガス情報（第二状態における燃焼室２内の残留ガスＲＧの温度Ｔ_ex、圧力Ｐ_ex、当該燃焼室２内の体積Ｖ_ex）から、前記第二状態において燃焼室２内に残留する残留ガスＲＧのガス量としてのモル数ｎ_res（第二ガス量の一例）を求め、この第一ガス量と第二ガス量との割合ｎ_res／ｎ_mix（モル比）を第二状態において燃焼室２内に残留する残留ガスＲＧの残留割合として求めるように構成されている。
具体的には、式２に基づいて第一状態において燃焼室２内に存在する混合ガスＭＧのガス量としてのモル数ｎ_mixを求め、式３に基づいて第二状態において燃焼室２内に残留する残留ガスＲＧのガス量としてのモル数ｎ_resを求め、このモル数の比を残留ガスＲＧの残留割合（ｎ_res／ｎ_mix）とする。
〔式２〕 ｎ_mix ＝Ｐ_inＶ_in／ＲＴ_in（Ｒ：気体定数）
〔式３〕 ｎ_res ＝Ｐ_exＶ_ex／ＲＴ_ex（Ｒ：気体定数）
さらに、この理論空気量補正手段１３は、エンジン１の運転状況である吸気行程において燃焼室２に流入する流入ガスＩＧ中の酸素濃度Ｏ_2inと、排気行程において燃焼室２から排出される排出ガスＯＧ中の酸素濃度Ｏ_2exとをそれぞれ計測する酸素濃度検出センサ１７、１８からのこれら酸素濃度情報の出力を、入力可能に構成されている。そして、この理論空気量補正手段１３は、上記求めた残留ガスＲＧの残留割合（ｎ_res／ｎ_mix）と、入力された流入ガスＩＧ中の酸素濃度Ｏ_2inと、排出ガスＯＧ中の酸素濃度Ｏ_2exとを用いて、第一状態における燃焼室２内の混合ガスＲＧの酸素濃度Ｏ_2mixを算出するように構成されている。
具体的には、式４に基づいて当該第一状態における燃焼室２内の混合ガスＭＧの酸素濃度Ｏ_2mixを算出する。
〔式４〕 Ｏ_2mix＝Ｏ_2in×（１−（ｎ_res／ｎ_mix））＋Ｏ_2ex×（ｎ_res／ｎ_mix）
そして、理論空気量補正手段１３は、この混合ガスＭＧの酸素濃度Ｏ_2mixと上記流入ガスＩＧの酸素濃度Ｏ_2inとの割合に基づいて、理論空燃比の理論空気量Ａ₀を補正することができるように構成されている。
具体的には、式５に基づいて理論空燃比の理論空気量Ａ₀を、Ａ₀´に補正する。
〔式５〕 Ａ₀´＝Ａ₀×（Ｏ_2in／Ｏ_2mix）
この補正された理論空気量Ａ₀´及び補正前の理論空気量Ａ₀は、上記空気過剰率算出手段１０に出力可能に構成され、第二空気過剰率算出手段１０ｂにおいて、空気過剰率λを、λ´に補正するために用いられる。

したがって、空気過剰率算出手段１０の第二空気過剰率算出手段１０ｂは、理論空気量補正手段１３からの補正前の理論空気量Ａ₀と補正後の理論空気量Ａ₀´とを用いて、第一空気過剰率算出手段１０ａからの補正前の空気過剰率λを、空気過剰率λ´に補正することができる処理手段（所定の演算を実行する回路でもよい）で構成されている。
具体的には、式６に基づいて補正後の空気過剰率λ´を算出する。
〔式６〕 λ´＝λ×（Ａ₀／Ａ₀´）

なお、これら式は、例えば記憶手段（図示せず）に予め記憶しておき、各手段が必要に応じて記憶手段から抽出する構成とすることができる。また、各式を各手段に予め記憶させておき、各手段が必要に応じて用いる構成とすることもできる。なお、各手段を構成する処理手段は、例えば、ＣＰＵから構成されるメイン回路の一部として構成され、当該ＣＰＵにより所定のプログラムに基づいてその動作が制御される。

以下、図１に示すガス分析装置１００の動作について説明する。
上記エンジン１及びポンプ３の運転が開始されることにより、燃焼室２からサンプルプローブ４、調整流路５、吸引路６の順に時間遅れを伴ってサンプルガスＳＧが流れる。そして、図２に示すように、ガス分析装置１００において、以下のような動作で空気過剰率λ´が算出される。

まず、エンジン１及びポンプ３の運転が開始され（ステップ１）、所定時間経過すると（ステップ２）、サンプルガスがガス分析装置１００に到達するので、第一空気過剰率算出手段１０ａが当該サンプルガスＳＧの成分を分析して、燃焼室２内に存在する燃料の体積濃度Ｗを計測し、式１に基づいて空気過剰率λを算出する（ステップ３）。ここで、サンプルガスＳＧの分析を連続的に行って燃料の体積濃度Ｗを連続的に計測し、エンジン１の燃焼室２内で燃焼が起こる寸前の体積濃度Ｗを用いて、空気過剰率λを算出する。これにより、燃焼直前の燃焼室２内の状態（特に、点火プラグ１９近傍のサンプルガスＳＧを分析した場合には、点火プラグ１９近傍に存在する残留ガスＲＧの状態）を確実に反映した空気過剰率λを得ることができ、燃焼状態の把握に有用な情報を得ることができる。なお、当該所定時間は、連続的な体積濃度Ｗの計測を可能とするため比較的短い時間間隔とされる。第一空気過剰率算出手段１０ａは、当該空気過剰率λを第二空気過剰率算出手段１０ｂに出力するとともに、理論空気量Ａ₀を理論空気量補正手段１３及び第二空気過剰率算出手段１０ｂに出力する。
そして、第一情報取得手段１１が、温度センサ１４、圧力センサ１５、クランク角検出センサ１６から、吸気行程の終了後、燃焼前（第一状態）における燃焼室２内の混合ガスＭＧの温度Ｔ_in、圧力Ｐ_in、及び当該第一状態におけるクランク角の入力を得て、当該温度Ｔ_in、圧力Ｐ_in、及び当該クランク角から算出した当該燃焼室２内の体積Ｖ_inを理論空気量補正手段１３に出力する（ステップ４：第一情報取得工程）。同様に、第二情報取得手段１２が、温度センサ１４、圧力センサ１５、クランク角検出センサ１６から排気行程の終了後、吸気前（第二状態）における燃焼室２内の残留ガスＲＧの温度Ｔ_ex、圧力Ｐ_ex、及び当該第２状態におけるクランク角の入力を得て、当該温度Ｔ_ex、圧力Ｐ_ex、及び当該クランク角から算出した当該燃焼室２内の体積Ｖ_exを理論空気量補正手段１３に出力する（ステップ５：第二情報取得工程）。

次に、理論空気量補正手段１３が、第一情報取得手段１１から入力された第一状態における燃焼室２内の混合ガスＭＧの温度Ｔ_in、圧力Ｐ_in、及び当該燃焼室２内の体積Ｖ_inから、式２に基づいて当該燃焼室２内の混合ガスＭＧのモル数ｎ_mixを求めるとともに、第二情報取得手段１２から入力された第二状態における燃焼室２内に残留する残留ガスＲＧの温度Ｔ_ex、圧力Ｐ_ex、及び当該燃焼室２内の体積Ｖ_exから、式３に基づいて当該燃焼室２内のモル数ｎ_resを求め（ステップ６：ガス量取得工程）、これらモル数ｎ_mix、ｎ_resから第二状態において残留する残留ガスＲＧの残留割合（ｎ_res／ｎ_mix）を求める（ステップ６：残留割合取得工程）。
さらに、理論空気量補正手段１３は、上記残留ガスＲＧの残留割合（ｎ_res／ｎ_mix）と、酸素濃度検出センサ１７により検出された吸気行程において燃焼室２に流入する流入ガスＩＧ中の酸素濃度Ｏ_2inと、酸素濃度検出センサ１８により検出された排気行程において燃焼室２から排出される排出ガスＯＧ中の酸素濃度Ｏ_2exとから、式４に基づいて第一状態における燃焼室２内の混合ガスＭＧの酸素濃度Ｏ_2mixを算出し（ステップ７）、この混合ガスＭＧの酸素濃度Ｏ_2mixと流入ガスＩＧ中の酸素濃度Ｏ_2inとから、式５に基づいて理論空燃比の理論空気量Ａ₀をＡ₀´に補正し、補正前の理論空気量Ａ₀及び補正後の理論空気量Ａ₀´を第二空気過剰率算出手段１０ｂに出力する（ステップ８：理論空気量補正工程）。
したがって、第一状態及び第二状態におけるガス情報から求められる燃焼室２内のガス量を用いて当該第二状態における残留ガスＲＧの残留割合を求め、当該残留割合を反映させて補正することで、実際に、燃焼後の燃焼室２内に残留する残留ガスＲＧを含めた状態の混合ガスＭＧに対応した理論空気量Ａ₀´を得ることができる。

次に、式６に基づいて、理論空気量補正手段１３から入力された補正前の理論空気量Ａ₀と、補正後の理論空気量Ａ₀´と、第一空気過剰率算出手段１０ａから入力された補正前の空気過剰率λとから、空気過剰率λ´を算出する（ステップ９：空気過剰率算出工程）。このような空気過剰率λ´の算出は、エンジン１及びポンプ３の運転が停止するまで所定の時間間隔で繰り返し行われる（ステップ１０）。
したがって、この補正された理論空気量Ａ₀´を用いて補正された空気過剰率λ´を算出することで、第一状態において実際に燃焼室２に存在する混合ガスＭＧの燃料濃度を正確に反映した空気過剰率λ´を算出できる。
よって、燃焼室２内に酸素濃度の低い残留ガスＲＧが存在する場合であっても、燃焼室内の実情に合致した確度の高い空気過剰率λ´を算出することができ、例えば、異なった運転条件でエンジン１を運転した場合であっても、当該エンジン１の運転状態を一定の指標（補正された理論空気量から算出した空気過剰率λ´）の下に比較することが可能となる。

〔実施例〕
本願に係る上記ガス分析装置１００において、理論空気量Ａ₀をＡ₀´に補正して空気過剰率λ´を算出したシミュレーション結果について以下に示す。なお、本実施例においては、表１に示すエンジン１の運転条件下で、吸気行程において流入する流入ガスＩＧの理論空気量Ａ₀を１０．９５とした場合の結果であり、燃料として都市ガスの燃料濃度Ｗをｐｐｍ単位で計測した値を用いている。

式１ λ ＝（１−Ｗ）／（Ａ₀×Ｗ）＝１．６０
式２ ｎ_mix ＝Ｐ_inＶ_in／ＲＴ_in＝０．３２４６
式３ ｎ_res ＝Ｐ_exＶ_ex／ＲＴ_ex＝０．０２２２８
式４ Ｏ_2mix ＝Ｏ_2in×（１−（ｎ_res／ｎ_mix））＋Ｏ_2ex×（ｎ_res／ｎ_mix）
＝２０．１８
式５ Ａ₀´ ＝Ａ₀×（Ｏ_2in／Ｏ_2mix）＝１１．４０
式６ λ´ ＝λ×（Ａ₀／Ａ₀´）＝１．５４
したがって、この補正後の理論空気量Ａ₀´とＨＣ濃度（体積濃度Ｗ ５４０００ｐｐｍ）とから算出した空気過剰率λ´は、１．５４であった。

〔比較例〕
上記実施例において、理論空気量Ａ₀の補正を行わずに、理論空気量Ａ₀とＨＣ濃度（燃料の体積濃度Ｗ ５４０００ｐｐｍ）とから算出した空気過剰率λは、１．６０であった。

このように本実施例のように理論空気量Ａ₀を補正したＡ₀´を用いて算出した空気過剰率λ´と、比較例のように理論空気量Ａ₀を用いて算出した空気過剰率λとでは、算出される空気過剰率に差が生じるものとなっており、本実施例のように理論空気量Ａ₀を補正したＡ₀´を用いて空気過剰率λ´を求めると、残留ガスＲＧの影響を考慮した燃焼室２内の実情にあった空気過剰率を算出できることとなり、異なる運転条件（燃焼条件）であっても残留ガスＲＧの影響を考慮した上で、運転状態（燃焼状態）の把握（比較等）をすることが可能となった。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、第一空気過剰率算出手段１０ａにおいて理論空気量Ａ₀を用いて空気過剰率λを算出しておき、その後理論空気量補正手段１３において理論空気量Ａ₀を燃焼室２内の状況に応じて理論空気量Ａ₀´に補正して、当該補正後の理論空気量Ａ₀´と補正前の理論空気量Ａ₀とを用いて、式６に基づいて第二空気過剰率算出手段１０ｂにおいて空気過剰率λを、空気過剰率λ´に補正する構成とした。これに対し、正確に空気過剰率を算出できる構成であれば、特にこの構成に限定されるものではなく、第一空気過剰率算出手段１０ａにおいて、直接に空気過剰率λ´を得る構成とすることもできる。
具体的には、理論空気量補正手段１３において、式２から式５に基づいて理論空気量Ａ₀を理論空気量Ａ₀´に補正した後、当該補正後の理論空気量Ａ₀´を第一空気過剰率算出手段１０ａに出力する構成とする。そして、第一空気過剰率算出手段１０ａが、式１中における理論空気量Ａ₀を理論空気量補正手段１３から入力された理論空気量Ａ₀´に置き換えて、補正後の空気過剰率λ´を算出する構成とすることもできる。

（２）上記実施形態では、吸引手段としてのポンプ３が一定の出力でサンプルプローブ４を介してガス分析装置１００の空気過剰率算出手段１０にサンプルガスＳＧを導いて連続的にＨＣ濃度（例えば、燃料の体積濃度）を計測したが、サンプルガスＳＧ中の燃料の濃度を当該空気過剰率算出手段１０に入力することができる構成であれば、特にこの構成に限定されない。例えば、サンプルプローブ４の一端に高速電磁弁を介してサンプルバッグを設置し、当該高速電磁弁を一定期間だけ開くことによりサンプルバッグ内に採取されたサンプルガスＳＧをガスクロマトグラフ分析計でＨＣ濃度（例えば、燃料の体積濃度）を計測し、当該ＨＣ濃度を空気過剰率算出手段１０に出力する構成としてもよい。

（３）上記実施形態では、第一情報取得手段１１及び第二情報取得手段１２が、温度センサ１４、圧力センサ１５、クランク角検出センサ１６からガス情報の入力を受けて、第一ガス情報及び第二ガス情報を得る構成としたが、第一ガス情報及び第二ガス情報を得ることができる構成であれば、特にこの構成に限定されるものではない。
例えば、第一情報取得手段１１及び第二情報取得手段１２が、第一ガス情報として第一状態における燃焼室２内の混合ガスＭＧの温度Ｔ_in、圧力Ｐ_inを、吸気弁８を通過する前の吸気管内の平均温度、平均圧力とし、当該第一状態における燃焼室２の体積Ｖ_inを予め記憶手段に記憶させたものとし、さらに、第二ガス情報として第二状態における燃焼室２内の残留ガスＲＧの温度Ｔ_ex、圧力Ｐ_exを、排気弁９を通過した後の排気管内の平均温度、平均圧力とし、当該第二状態における燃焼室２の体積Ｖ_exを予め記憶手段に記憶させたものとすることで、比較的簡易な構成で第一ガス情報及び第二ガス情報を得るように構成することもできる。

（４）上記実施形態では、空気過剰率λを算出するに当たり、サンプルガスＳＧを分析し当該サンプルガスＳＧ中の燃料の体積濃度Ｗをｐｐｍ単位で計測した結果を用いたが、サンプルガスＳＧ中の燃料の濃度であれば特に制限なく用いることができ、例えば、サンプルガスＳＧを分析し燃料の体積濃度Ｗとして、メタン換算値であるｐｐｍＣ単位の体積濃度Ｗｍを用いることもできる。この場合には、燃料の体積濃度Ｗ（ｐｐｍ）＝Ｗｍ（ｐｐｍＣ）／Ｎｃ（炭素量）の換算を行うことで、体積濃度Ｗｍ（ｐｐｍＣ）として出力された濃度を体積濃度Ｗ（ｐｐｍ）に変換することができる。なお、例えば、燃料として都市ガス（Ｃ：１．２、Ｈ：４．４）を用いた場合には、Ｎｃ（炭素量）＝１．２として変換を行うことができ、上記実施例における体積濃度Ｗが５４０００（ｐｐｍ）の場合、体積濃度Ｗｍは６４８００（ｐｐｍＣ）である。

エンジンの燃焼室のサンプルガスの成分を分析して、理論空燃比に対する実空燃比の割合である空気過剰率を算出するガス分析方法及びこの方法を実行するガス分析装置として、燃焼室内の実情に合致した確度の高い空気過剰率を算出することができた。

サンプルガスを本願に係るガス分析装置で分析している状態を示す図 本願に係るガス分析装置の動作の一例を示す図

符号の説明

１ エンジン
２ 燃焼室
３ ポンプ（吸引手段）
４ サンプルプローブ
１０ａ 第一空気過剰率算出手段（空気過剰率算出手段）
１０ｂ 第二空気過剰率算出手段（空気過剰率算出手段）
１１ 第一情報取得手段
１２ 第二情報取得手段
１３ 理論空気量補正手段
１００ ガス分析装置
ＳＧ サンプルガス
ＭＧ 混合ガス
ＲＧ 残留ガス
ＩＧ 流入ガス
ＯＧ 排出ガス

Claims (5)

1. エンジンの燃焼室のサンプルガスの成分を分析して、理論空燃比に対する実空燃比の割合である空気過剰率を算出するガス分析方法であって、
   吸気行程の終了後、燃焼前である第一状態における燃焼室内の第一ガス情報を得る第一情報取得工程と、
   排気行程の終了後、吸気前である第二状態における燃焼室内の第二ガス情報を得る第二情報取得工程とを実行し、
   前記第一ガス情報から、前記第一状態における燃焼室内の混合ガスのガス量である第一ガス量を求めるとともに、前記第二ガス情報から、前記第二状態における燃焼室内に残留する残留ガスのガス量である第二ガス量を求めるガス量取得工程と、
   前記第一ガス量及び第二ガス量から前記残留ガスの残留割合を求める残留割合取得工程と、
   前記残留ガスの残留割合に応じて前記理論空燃比の理論空気量を補正する理論空気量補正工程と、
   前記理論空気量補正工程で補正された理論空燃比の理論空気量を用いて前記空気過剰率を算出する空気過剰率算出工程とを実行するガス分析方法。
2. 前記理論空気量補正工程において、前記残留ガスの残留割合と、吸気行程において前記燃焼室に流入する流入ガス中の酸素濃度と、排気行程において前記燃焼室から排出される排出ガス中の酸素濃度とを用いて、前記第一状態における燃焼室内の前記混合ガスの酸素濃度を算出し、当該酸素濃度に基づいて前記理論空燃比の理論空気量を補正する請求項１に記載のガス分析方法。
3. 前記第一情報取得工程において、前記第一ガス情報として前記第一状態における燃焼室内の温度と圧力と体積とを得るとともに、前記第二情報取得工程において、前記第二ガス情報として前記第二状態における燃焼室内の温度と圧力と体積とを得て、
   前記ガス量取得工程において、前記第一状態における燃焼室内の温度と圧力と体積とから、前記第一ガス量として当該燃焼室内の混合ガスのモル数を求めるとともに、前記第二状態における燃焼室内の温度と圧力と体積とから、前記第二ガス量として当該燃焼室内の残留ガスのモル数を求め、
   前記残留割合取得工程において、前記混合ガスのモル数及び前記残留ガスのモル数から前記残留ガスの残留割合を求める請求項１又は２に記載のガス分析方法。
4. エンジンの燃焼室のサンプルガスの成分を分析して、理論空燃比に対する実空燃比の割合である空気過剰率を算出する空気過剰率算出手段を備えたガス分析装置であって、
   吸気行程の終了後、燃焼前である第一状態における燃焼室内の第一ガス情報を得る第一情報取得手段と、
   排気行程の終了後、吸気前である第二状態における燃焼室内の第二ガス情報を得る第二情報取得手段とを備えるとともに、
   前記第一ガス情報から、前記第一状態において燃焼室内に存在する混合ガスのガス量としての第一ガス量と、前記第二ガス情報から、前記第二状態において燃焼室内に残留する残留ガスのガス量としての第二ガス量との割合を前記残留ガスの残留割合として求め、当該残留ガスの残留割合に応じて前記理論空燃比の理論空気量を補正する理論空気量補正手段を備え、
   前記空気過剰率算出手段が、前記理論空気量補正手段により補正された理論空燃比の理論空気量を用いて前記空気過剰率を算出するガス分析装置。
5. 前記エンジンの燃焼室からサンプルプローブを介してサンプリングされるサンプルガスを、吸引手段により前記空気過剰率算出手段に導いて、前記サンプルガスの空気過剰率を算出する請求項４に記載のガス分析装置。

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