JP5138830B1 - 排ガス浄化触媒または排ガスセンサの性能評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンのコールドスタート時の排出ガスの温度状態を正確にシミュレーションし得る性能評価装置を提供する。
【解決手段】ガスセル１と、試験ガス供給管２と、試験ガス排出管３と、冷却ガス供給管４と、バイパス管５と、加熱炉７を備える。試験ガス排出管、冷却ガス供給管及びバイパス管に第１〜第３のバルブ８〜１０が設けられる。第１〜第３のバルブの開閉の切り替えにより、性能試験開始前は、冷却ガス供給管からガスセルを経てバイパス管に至る冷却ガス流が生じ、ガスセル内が低温に維持されるが、性能試験開始により、冷却ガスの供給が停止されて高温の試験ガスがガスセルに供給され、試験ガス供給管からガスセルを経て試験ガス排出管に至る試験ガス流が生じる。その後、温度センサ１２の位置の温度が所定の温度設定値になるように、当該温度センサの検出信号に基づいて加熱炉が制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車等のエンジンの排気系に備えられる排ガス浄化触媒または排ガスセンサの性能を評価する装置に関するものである。

自動車等のエンジンの排気系には、排ガス浄化触媒を備えた排ガス浄化装置が搭載されており、年々厳しさを増す排出ガス規制をクリアするためには、排ガス浄化触媒の性能の向上が不可欠とされ、そのため、排ガス浄化触媒の研究・開発が盛んに行われている。

また、エンジンの排気系には、エンジンの動作制御や排ガス浄化装置の状態の監視を目的として、排ガスセンサが配置されており、排ガス浄化触媒と同様、排出ガス規制の強化に伴い、排ガスセンサの性能のさらなる向上を図るべく、その研究・開発が日々進められている。

排ガス浄化触媒および排ガスセンサの研究・開発には、性能評価装置が用いられる。性能評価装置においては、通常、エンジンからの排出ガスと同様の成分を含む試験ガスが使用される。試験ガスは、例えば、ＮＯ_Ｘ、ＣＯ、ＣＯ_２、ＨＣ、Ｏ_２、Ｈ_２Ｏ等の、エンジンの排出ガスに含まれる各種の成分を、排出ガスにおける濃度と同様の濃度になるように窒素ガスと混合したものである。

そして、性能評価装置のガスセル内に排ガス浄化触媒または排ガスセンサが収容されるとともに、試験ガスが、試験モード（自動車排出ガス規制で定められる）で走行する間の実車の排気系に備えられた排ガス浄化触媒または排ガスセンサの直前の排出ガスと同様の温度状態にされて、ガスセル内に導入され、性能評価が行われるようになっている。

この場合、性能評価の精度を上げるには、ガスセル内における排ガス浄化触媒または排ガスセンサの直前の試験ガスの温度を、試験モードで走行中の車両の排気系に備えられた排ガス浄化触媒または排ガスセンサの直前における排出ガスの温度変化ができるだけ忠実に再現されるように変化させることが重要である。

また、実車においては、一般に、排ガス浄化触媒や排ガスセンサは、エンジンのエキゾーストマニホールドの近傍に配置されている。一方、エンジンのコールドスタート時には、エンジンのエキゾーストマニホールドからの排出ガスの温度は、エンジン起動後５〜１０秒間に２５℃±５℃付近から５００℃以上まで上昇し、そして、この急激に温度変化する排出ガスが排ガス浄化触媒や排ガスセンサに供給されるものが増えている。

エンジンのコールドスタート時は、また、排ガス浄化触媒が低温で活性状態にないうえ、エンジンの始動性および始動直後の運転性確保の観点から、燃料が増量されて濃い混合気が供給されるので、排出ガス中の大気汚染物質の量が非常に多くなる。そのため、近年の自動車排出ガス規制においては、コールドスタート時の排出ガス中の大気汚染物質の量の規制が重要視されている。

したがって、性能評価装置においても、エンジンのコールドスタート時の排出ガスの温度変化を正確にシミュレーションすること、すなわち、試験ガスを、コールドスタート時のエンジンからの排出ガスの温度状態が正確に再現されるように温度変化させつつガスセルに供給することが求められている。

ところで、試験ガスを高速で温度昇降させることができる従来の性能評価装置として、ガス導入管およびガスセルを赤外線加熱部によって加熱するとともに、ガスセルの試験ガス入口の近傍を冷却部によって常時冷却するようにし、排ガス浄化触媒の直前に温度センサを配置し、温度センサーの位置の試験ガス温度設定値に従って冷却部の冷却出力を制御し、かつ、温度センサーの検出値に基づいて赤外線加熱部の加熱出力を制御することにより、赤外線加熱部を常時高出力で作動させたままで、試験ガス温度設定値が低温領域にあるときは、冷却部の冷却出力を高出力にし、高温領域にあるときは冷却部の冷却出力を低出力にし、それによって、試験ガスの温度を昇降させるようにした性能評価装置がある（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この性能評価装置において達成できる最大の温度勾配は６０℃／秒程度であり、よって、試験ガスを５秒間に２５℃±５℃から５００℃以上まで昇温させることはできなかった。
すなわち、従来技術においては、ガスセルに供給される試験ガスの温度を、近年のエンジンのコールドスタート時の排出ガスの温度変化が正確に再現されるように変化させ得る性能評価装置は存在していなかった。

特許第４８１３６２６号公報

したがって、本発明の課題は、エンジンのコールドスタート時の排出ガスの温度状態を正確にシミュレーションし得る排ガス浄化触媒または排ガスセンサの性能評価装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、排ガス浄化触媒または排ガスセンサの性能を評価する装置であって、内部に排ガス浄化触媒または排ガスセンサが収容されるガスセルと、前記ガスセルに接続され、前記ガスセル内に試験ガスを供給する試験ガス供給管と、前記試験ガス供給管の周囲、または前記試験ガス供給管および前記ガスセルの周囲に配置された加熱炉と、前記ガスセルに接続されるとともに、前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサの下流側に配置された試験ガス排出管と、前記試験ガス排出管の途中に設けられた第１のバルブと、前記ガスセルと前記試験ガス排出管の接続部付近において、前記ガスセル、または前記試験ガス排出管の前記第１のバルブよりも上流側の部分に接続され、前記ガスセル内に冷却ガスを供給する冷却ガス供給管と、前記冷却ガス供給管の途中に設けられた第２のバルブと、前記ガスセルと前記試験ガス供給管の接続部付近において、前記ガスセルまたは前記試験ガス供給管に接続されたバイパス管と、前記バイパス管の途中に設けられた第３のバルブと、前記ガスセル内の前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサの上流側にこれから間隔をあけて配置された温度センサと、前記加熱炉および前記第１〜第３のバルブを制御する制御部と、を備え、前記制御部が、前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサの性能試験の開始前は、前記第１のバルブを閉じる一方、前記第２および第３のバルブを開くことにより、前記冷却ガス供給管から前記ガスセルを経て前記バイパス管に至る冷却ガス流を生じさせて、前記温度センサの位置における温度を所定温度に維持するが、前記性能試験の開始によって、前記第１のバルブを開く一方、前記第２および第３のバルブを閉じることにより、冷却ガスの供給を停止して、前記加熱炉によって予め加熱された前記所定温度よりも高温の試験ガスを前記ガスセル内に供給し、前記試験ガス供給管から前記ガスセルを経て前記試験ガス排出管に至る試験ガス流を生じさせ、その後、前記温度センサの位置における温度が予め決定された温度設定値に一致するように、前記温度センサの検出信号に基づいて前記加熱炉を制御するものであることを特徴とする装置を構成したものである。

上記構成において、前記試験ガス供給管内における前記バイパス管との接続部よりも上流側には、別の温度センサが配置され、前記制御部は、前記性能試験の開始前は、前記別の温度センサの位置における温度が予め決定された高温側初期温度設定値になるように、前記別の温度センサの検出信号に基づいて前記加熱炉を制御することが好ましい。

また、前記制御部は、前記性能試験の開始前は、前記温度センサの位置における温度が低温側初期温度設定値になるように、前記温度センサの検出信号に基づいて前記冷却ガス供給管を流れる冷却ガスの流量を調節すること、または、前記温度センサの検出信号に基づいて冷却ガス供給源を制御して前記冷却ガス供給管に供給される冷却ガスの温度を調節することが好ましい。

上記構成において、また、前記加熱炉が前記試験ガス供給管および前記ガスセルの周囲に配置される場合には、前記ガスセルにおける、前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサを含む、前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサから下流側の部分が前記加熱炉の外側に位置していてもよいし、あるいは、前記ガスセルにおける試験ガスの入口から少なくとも前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサに至るまでの部分が前記加熱炉の内側に位置していてもよい

本発明によれば、性能試験の開始前は、ガスセル内に冷却ガスを供給することによって、ガスセル内を低温側初期温度設定値に維持するが、試験開始によって、冷却ガスの供給を停止し、ガスセル内に高温側初期温度設定値まで加熱された高温の試験ガスを供給するようにしたので、性能試験の開始後、瞬時に試験ガスの温度を低温側初期温度設定値から高温側初期温度設定値まで変化させることができ、この場合、低温側初期温度設定値と高温側初期温度設定値の差をより大きくとれば、より大きな温度勾配が得られる。

そして、例えば、低温側初期温度設定値を２５℃±５℃とし、高温側初期温度設定値を５００℃〜６００℃としておけば、性能試験の開始後瞬時に、排ガス浄化触媒または排ガスセンサに供給される試験ガスの温度を２５℃±５℃から５００℃以上まで上昇させることができ、コールドスタート時のエンジンの排出ガスの温度状態を正確にシミュレーションすることが可能となる。

本発明の１実施による性能評価装置の概略構成を示す縦断面図である。 図１に示した性能評価装置の配管図である。 本発明の性能評価装置による、コールドスタート時のエンジンの排出ガスの温度状態のシミュレーションの結果を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。図１は、本発明の１実施例による排ガス浄化触媒または排ガスセンサの性能評価装置の縦断面図であり、図２は、図１に示した性能評価装置の配管図である。
図１および図２を参照して、本発明による性能評価装置は、内部に排ガス浄化触媒または排ガスセンサ６が収容されるガスセル１と、ガスセル１に接続され、ガスセル１内に試験ガスを供給する試験ガス供給管２と、試験ガス供給管２およびガスセル１の周囲に配置された加熱炉７を備えている。

この実施例では、ガスセル１は、試験ガス供給管２よりも大きい径を有しかつ一端側の開口が壁１ｃによって閉じられた筒状のガスセル本体１ａと、ガスセル本体１ａの他端側と試験ガス供給管２を接続するテーパ管１ｂとから構成され、また、加熱炉７は、試験ガス供給管２およびガスセル１を取り囲む円筒形状を有している。

なお、ガスセル１および加熱炉７の構成はこの実施例に限定されない。
また、図示の実施例では、加熱炉７が試験ガス供給管２およびガスセル１の周囲に配置されているが、必要に応じて、加熱炉７を試験ガス供給管２の周囲にのみ配置してもよい。また、加熱炉７を試験ガス供給管２およびガスセル１の周囲に配置した場合には、図示の実施例のように、ガスセル１における試験ガスの入口から少なくとも排ガス浄化触媒または排ガスセンサ６に至るまでの部分を加熱炉７の内側に位置させてもよいし、その代わりに、ガスセル１における、排ガス浄化触媒または排ガスセンサ６を含む、排ガス浄化触媒または排ガスセンサ６から下流側の部分を加熱炉７の外側に位置させてもよい。

ガスセル本体１ａの壁１ｃには、試験ガス排出管３が接続され、試験ガス排出管３の途中には、第１のバルブ８が設けられている。また、壁１ｃにおける、試験ガス排出管３との接続部付近には、ガスセル１内に冷却ガスを供給する冷却ガス供給管４が接続され、冷却ガス供給管４の途中には、第２のバルブ９が設けられている。
この場合、冷却ガス供給管４の接続位置はこの実施例に限定されず、冷却ガス供給管４は、ガスセル１と試験ガス排出管２の接続部付近において、ガスセル１、または試験ガス排出管２の第１のバルブ８よりも上流側に接続されておればよい。

また、試験ガス供給管２における、ガスセル１との接続部付近には、バイパス管５が接続され、バイパス管５の途中には、第３のバルブ１０が設けられている。
この場合、バイパス管５の接続位置はこの実施例に限定されず、バイパス管５は、ガスセル１と試験ガス供給管２の接続部付近において、ガスセル１または試験ガス供給管２に接続されておればよい。

本発明の性能評価装置は、また、ガスセル１内の排ガス浄化触媒または排ガスセンサ６の上流側にこれから間隔をあけて配置された第１の温度センサ１２と、試験ガス供給管２内におけるバイパス管５との接続部よりも上流側に配置された第２の温度センサ１３を備えている。
性能評価装置は、さらに、加熱炉７および第１〜第３のバルブ８〜１０を制御する制御部１１を備えている。

こうして、制御部１１は、排ガス浄化触媒または排ガスセンサ６の性能試験の開始前は、第１のバルブ８を閉じる一方、第２および第３のバルブ９、１０を開くことにより、冷却ガス供給管４からガスセル１を経てバイパス管５に至る冷却ガス流を生じさせる。
この間に、試験ガス供給管２から一定流量の試験ガスが供給されていてもよいし（この場合には、供給された試験ガスは冷却ガスとともにバイパス管５から排出される）、試験ガス供給管２からは試験ガスが供給されていなくてもよい（この場合には、試験ガス供給管２内に試験ガスが滞留している）。

またこの間に、制御部１１は、第２の温度センサ１３の位置における温度が予め決定された高温側初期温度設定値になるように、第２の温度センサ１３の検出信号に基づいて加熱炉７を制御し、同時に、第１の温度センサ１２の位置における温度が低温側初期温度設定値になるように、第１の温度センサ１２の検出信号に基づいて、冷却ガス供給管４を流れる冷却ガスの流量を調節する。
この冷却ガスの流量の調節は、例えば、第２のバルブ９の上流側に配置した流量計の計測値に基づいて第２のバルブ９の開度を調節することによって、あるいは、第２のバルブ９の上流側に配置したマスフローコントローラによってなされる。

この場合、制御部１１による第１の温度センサ１２の位置での温度制御は、第１の温度センサ１２の検出信号に基づいて冷却ガス供給管４を流れる冷却ガスの流量を調節する代わりに、当該冷却ガスの流量は一定にしておき、第１の温度センサ１２の検出信号に基づいて、冷却ガス供給管４に接続された（図示しない）冷却ガス供給源を制御し、冷却ガス供給管４に供給される冷却ガスの温度を調節することでもなされ得る。
なお、性能試験の開始前の制御部１１による第１の温度センサ１２の検出信号に基づく第１の温度センサ１２の位置での温度制御は、必要に応じてなされればよい。そして、この温度制御がなされない場合には、冷却ガス供給管４から、一定温度の冷却ガスが一定の流量でガスセル１内に供給され、それによって、第１の温度センサ１２の位置における温度が所定温度に維持される。

そして、第１の温度センサ１２の位置における温度が低温側初期温度設定値になり、かつ第２の温度センサ１３の位置における温度が高温側初期温度設定値になった時点で、性能試験が開始され、制御部１１は、第１のバルブ８を開く一方、第２および第３のバルブ９、１０を閉じ、ガスセル１内への冷却ガスの供給を停止させ、試験ガス供給管２からガスセル１を経て試験ガス排出管３に至る試験ガス流を生じさせる。

そして、性能試験の開始によってガスセル１内に供給される試験ガスは、最初は、ガスセル１内に残留する冷却ガスと混合されるので、その温度が低温側初期温度設定値付近まで低下するが、ガスセル１内のガスが試験ガスで置換されるにつれて、急速に高温側初期温度設定値まで上昇する。

本発明によれば、性能試験の開始後、瞬時に試験ガスの温度を低温側初期温度設定値から高温側初期温度設定値まで変化させることができ、この場合、低温側初期温度設定値と高温側初期温度設定値の差をより大きくとれば、より大きな温度勾配が得られる。
こうして、例えば、低温側初期温度設定値を２５℃±５℃とし、高温側初期温度設定値を５００℃〜６００℃としておけば、性能試験の開始後５秒間に、排ガス浄化触媒または排ガスセンサに供給される試験ガスの温度を２５℃±５℃から５００℃以上まで上昇させることができ、それによって、コールドスタート時のエンジンの排出ガスの温度状態を正確にシミュレーションすることが可能となる。

以上、本発明を好ましい１実施例に基づいて説明したが、本発明の構成はこの実施例に限定されるものではない。
例えば、上記実施例では、試験ガス供給管２内に第２の温度センサ１３を配置しているが、この温度センサ１３を省略することができる。
第２の温度センサ１３を省略した場合には、性能試験の開始前に、加熱炉７を始動させるとともに、その加熱温度を高温側初期温度設定値に設定しておき、その後、試験ガス供給管２内の試験ガスが高温側初期温度設定値まで加熱されたタイミングを見計らって、性能試験を開始し、第１のバルブ８を開く一方、第２および第３のバルブ９、１０を閉じるようにすればよい。

次に、本発明による性能評価装置が、実際に、コールドスタート時のエンジンの排出ガスの温度状態を正確にシミュレーションし得るか否かを確認するための実験を行った。
実験は、第２の温度センサ１３がない点を除き、図１〜図２に示したものと同じ構成を有する性能評価装置を用い、ガスセル１内に排ガス浄化触媒をセットして行った。
なお、この性能評価装置の各部のサイズは次のとおりである。
ガスセル１：内径３６ｍｍ×長さ５０ｍｍ
試験ガス供給管２：内径８ｍｍ
試験ガス排出管３：内径８ｍｍ
冷却ガス供給管４：内径４ｍｍ
バイパス管５：内径６ｍｍ
バイパス管５の接続位置：試験ガス供給管２とガスセル１との接続部から上流側に１０ｍｍ離れた位置
排ガス浄化触媒６：外径２５．４ｍｍ×５０ｍｍ
第１の温度センサ１２の取付位置：排ガス浄化触媒６の上面から上流側に１０ｍｍ離れた位置
そして、加熱炉７として赤外線ゴールドイメージ炉を用い、ガスセル１を加熱炉７に対し、排ガス浄化触媒６が加熱炉７の内部に位置するように配置した。

実験は次のようにして行った。この性能評価装置において、試験ガス供給管２から、試験ガスとしてＮ_２ガスを２５リットル／分の割合で供給し、冷却ガス供給管４から、冷却ガスとして約２５℃のＮ_２ガスを５０リットル／分の割合で供給しながら、まず、第１のバルブ８を閉じ、第２および第３のバルブ９、１０を開き、冷却ガス供給管４からガスセル１を経てバイパス管５に至る冷却ガス流を生じさせ、同時に、加熱炉７を始動させ、加熱温度を６００℃に設定した。
約３０秒経過後、第１のバルブ８を開き、第２および第３のバルブ９、１０を閉じ、冷却ガスの供給を停止し、試験ガス供給管２からガスセル１を経て試験ガス排出管３に至る試験ガス流を生じさせた。
そして、第１の温度センサ１２を用いて、この間の温度変化を測定した。

測定結果を図３のグラフに示す。図３のグラフ中、縦軸は温度（℃）を表し、横軸は経過時間（秒）を表している。図３のグラフから、本発明の性能評価装置によれば、排ガス浄化触媒６に供給される試験ガスの温度を、約５秒間に約２５℃から約６００℃まで変化させ得ることができ、コールドスタート時のエンジンの排出ガスの温度状態を正確にシミュレーションできることがわかった。

１ ガスセル
１ａ ガスセル本体
１ｂ テーパ管
１ｃ 壁
２ 試験ガス供給管
３ 試験ガス排出管
４ 冷却ガス供給管
５ バイパス管
６ 排ガス浄化触媒または排ガスセンサ
７ 加熱炉
８ 第１のバルブ
９ 第２のバルブ
１０ 第３のバルブ
１１ 制御部
１２ 第１の温度センサ
１３ 第２の温度センサ

Claims (5)

1. 排ガス浄化触媒または排ガスセンサの性能を評価する装置であって、
   内部に排ガス浄化触媒または排ガスセンサが収容されるガスセルと、
   前記ガスセルに接続された試験ガス供給管と、
   前記試験ガス供給管の周囲、または前記試験ガス供給管および前記ガスセルの周囲に配置された加熱炉と、
   前記ガスセルに接続されるとともに、前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサの下流側に配置された試験ガス排出管と、
   前記試験ガス排出管の途中に設けられた第１のバルブと、
   前記ガスセルと前記試験ガス排出管の接続部付近において、前記ガスセル、または前記試験ガス排出管の前記第１のバルブよりも上流側の部分に接続され、前記ガスセル内に冷却ガスを供給する冷却ガス供給管と、
   前記冷却ガス供給管の途中に設けられた第２のバルブと、
   前記ガスセルと前記試験ガス供給管の接続部付近において、前記ガスセルまたは前記試験ガス供給管に接続されたバイパス管と、
   前記バイパス管の途中に設けられた第３のバルブと、
   前記ガスセル内の前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサの上流側にこれから間隔をあけて配置された温度センサと、
   前記加熱炉および前記第１〜第３のバルブを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部が、前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサの性能試験の開始前は、前記第１のバルブを閉じる一方、前記第２および第３のバルブを開くことにより、前記冷却ガス供給管から前記ガスセルを経て前記バイパス管に至る冷却ガス流を生じさせて、前記温度センサの位置における温度を所定温度に維持するが、前記性能試験の開始によって、前記第１のバルブを開く一方、前記第２および第３のバルブを閉じることにより、冷却ガスの供給を停止して、前記加熱炉によって予め加熱された前記所定温度よりも高温の試験ガスを前記ガスセル内に供給し、前記試験ガス供給管から前記ガスセルを経て前記試験ガス排出管に至る試験ガス流を生じさせ、その後、前記温度センサの位置における温度が予め決定された温度設定値に一致するように、前記温度センサの検出信号に基づいて前記加熱炉を制御するものであることを特徴とする装置。
2. 前記試験ガス供給管内における前記バイパス管との接続部よりも上流側には、別の温度センサが配置され、前記制御部は、前記性能試験の開始前は、前記別の温度センサの位置における温度が予め決定された高温側初期温度設定値になるように、前記別の温度センサの検出信号に基づいて前記加熱炉を制御することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記制御部は、前記性能試験の開始前は、前記温度センサの位置における温度が低温側初期温度設定値になるように、前記温度センサの検出信号に基づいて前記冷却ガス供給管を流れる冷却ガスの流量を調節すること、または、前記温度センサの検出信号に基づいて冷却ガス供給源を制御して前記冷却ガス供給管に供給される冷却ガスの温度を調節することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記加熱炉が前記試験ガス供給管および前記ガスセルの周囲に配置される場合、前記ガスセルにおける、前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサを含む、前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサから下流側の部分が前記加熱炉の外側に位置していることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の装置。
5. 前記加熱炉が前記試験ガス供給管および前記ガスセルの周囲に配置される場合、前記ガスセルにおける試験ガスの入口から少なくとも前記排ガス浄化触媒または前記排ガスセンサに至るまでの部分が前記加熱炉の内側に位置していることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の装置。

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