JP5316143B2 - 排気ガス分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出された排気ガスの分析を行う排気ガス分析装置に関する。

従来から、フーリエ変換赤外分光法やカーボンバランス法などにより、排気ガスを分析する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、サンプルガス中に含まれる水分の影響を補正し、所望の測定対象成分の濃度を求める赤外線ガス分析方法が提案されている。具体的には、この技術では、水分干渉および水分共存影響を除去した精度の高い濃度測定を図っている。その他にも、本発明に関連する技術が特許文献２に提案されている。

特許第３７７１８４９号公報 特開平１０−３８８５０号公報

しかしながら、上記した特許文献１及び２には、排気ガス成分濃度の排出挙動と空燃比の変化とを同時に適切に計測する方法については記載されていない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、排気ガス成分濃度と空燃比とを適切に同時計測することが可能な排気ガス分析装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの観点では、内燃機関から排出された排気ガスの分析を行う排気ガス分析装置は、フーリエ変換赤外分光法により前記排気ガスを分析することで、前記排気ガスにおける水分濃度を計測する水分濃度計測手段と、前記内燃機関での燃焼を表した理論燃焼反応式に基づいて、前記排気ガスにおける水分濃度を算出する水分濃度算出手段と、前記水分濃度計測手段によって計測された水分濃度、及び前記水分濃度算出手段によって算出された水分濃度に基づいて、前記内燃機関における排気系で結露した水分量、及び、前記排気系で結露した水分が再気化した水分量を算出する水分量算出手段と、前記水分量算出手段によって算出された水分量に基づいて、前記フーリエ変換赤外分光法により計測された前記排気ガスにおける炭素成分のガス濃度を補正する炭素成分ガス濃度補正手段と、前記炭素成分ガス濃度補正手段によって補正された前記炭素成分のガス濃度を用いて、カーボンバランス法により前記排気ガスの空燃比を算出する空燃比算出手段と、を備える。

上記の排気ガス分析装置は、計測室以外に車両などに搭載され、内燃機関から排出された排気ガスの分析を行う。水分濃度計測手段は、フーリエ変換赤外分光法により排気ガスにおける水分濃度を計測し、水分濃度算出手段は、理論燃焼反応式により排気ガスにおける水分濃度を算出する。水分量算出手段は、計測された水分濃度及び算出された水分濃度に基づいて、排気系で結露した水分量及び結露した水分が再気化した水分量を算出する。炭素成分ガス濃度補正手段は、算出された水分量に基づいて、フーリエ変換赤外分光法により計測された排気ガスにおける炭素成分のガス濃度を補正する。そして、空燃比算出手段は、補正された炭素成分のガス濃度を用いて、カーボンバランス法により排気ガスの空燃比を算出する。これにより、排気系で結露・再気化した水分量を適切に考慮に入れて、排気ガスの空燃比を精度良く算出することができる。

本実施形態における排気ガス分析装置が適用されたシステムの概略構成図である。 排気ガス分析装置の概略構成を示すブロック図である。 本実施形態における空燃比算出処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
［装置構成］
図１は、本実施形態における排気ガス分析装置が適用されたシステムの一例を示す概略構成図である。図１においては、実線矢印は排気の流れの一例を示している。

図示のように、当該システムは、主に、エンジン（内燃機関）１と、排気通路２と、排気ガス採取通路３と、排気ガス分析装置４と、排気ガス排出通路５と、を備える。当該システムは、計測室以外に車両などに搭載される。

エンジン１は、空気と燃料との混合気を燃焼させ、車両の走行用動力を出力する。エンジン１における燃焼によって発生した排気ガスは、排気通路２へ排出される。排気通路２上には、排気ガス分析装置４へ排気ガスを供給するための排気ガス採取通路３が接続されている。

排気ガス分析装置４は、図示しないＦＴＩＲ（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）多成分計、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などを備え、排気ガス採取通路３を介して採取された排気ガスの分析を行う。詳細は後述するが、排気ガス分析装置４は、排気ガス成分濃度と排気ガスの空燃比とを同時計測が可能に構成されている。排気ガス分析装置４によって分析が行われた排気ガスは、排気ガス排出通路５を介して、排気通路２へ戻される。

図２は、排気ガス分析装置４の概略構成を示すブロック図である。図示のように、排気ガス分析装置４は、主に、排気ガス成分濃度計測部４ａと、空燃比演算処理部４ｂと、燃料データ記憶部４ｃと、表示部４ｄと、を備える。

排気ガス成分濃度計測部４ａは、フーリエ変換赤外分光法（以下、「ＦＴＩＲ法」と呼ぶ。）によって、排気ガス成分の濃度を計測する。具体的には、排気ガス成分濃度計測部４ａは、ＦＴＩＲ多成分計に相当し、排気ガスに赤外光を照射することで得られた吸収スペクトルより、排気ガスにおける多成分を定量分析する。排気ガス成分濃度計測部４ａは、例えば、排気ガス中のＨ_２Ｏのガス濃度（以下、「水分濃度」と呼ぶ。）や、ＣＯ_２、ＣＯ、ＨＣなどのＣ含有成分のガス濃度（以下、「炭素成分ガス濃度」と呼ぶ。）を計測する。なお、排気ガス成分濃度計測部４ａは、本発明における水分濃度計測手段に相当する。

燃料データ記憶部４ｃには、燃料データが記憶されている。具体的には、燃料データ記憶部４ｃには、燃料（供試燃料）の種類（例えば、ＥｔＯＨ含有率など）やＣ／Ｈ／Ｏ組成比などのデータが、燃料データとして記憶されている。このような燃料データは、燃料データ記憶部４ｃに予め登録される。

空燃比演算処理部４ｂは、排気ガス成分濃度計測部４ａでの計測結果、及び燃料データ記憶部４ｃに記憶された燃料データに基づいて、排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）を算出するための処理を行う。基本的には、空燃比演算処理部４ｂは、カーボンバランス法により、炭素成分ガス濃度などに基づいて空燃比を算出する。このカーボンバランス法は、簡単に述べると、排気ガス中の炭素成分ガス濃度に基づいて、燃焼で使用された燃料量を算出するといった方法である。空燃比演算処理部４ｂは、算出された空燃比のデータを表示部４ｄに出力して、これを表示部４ｄに表示させる。
［空燃比算出方法］
次に、本実施形態において空燃比演算処理部４ｂが行う空燃比算出方法について、具体的に説明する。

本実施形態では、空燃比演算処理部４ｂは、ＦＴＩＲ法で計測された水分濃度（以下、「水分濃度実測値」と呼ぶ。）と、理論燃焼反応式より求められた水分濃度（以下、「水分濃度理論値」と呼ぶ。）とに基づいて、排気系で結露した水分量及び結露した水分が再気化した水分量を算出し、当該水分量に基づいてＦＴＩＲ法で計測された炭素成分ガス濃度を補正し、補正された炭素成分ガス濃度を用いてカーボンバランス法により空燃比を算出する。このように、空燃比演算処理部４ｂは、本発明における水分濃度算出手段、水分量算出手段、炭素成分ガス濃度補正手段、空燃比算出手段として機能する。

このように空燃比を算出する理由は、以下の通りである。排気低減技術の評価・解析には、排気ガス成分の排出挙動及び空燃比の同時計測が有効であると言える。排気ガス成分濃度の排出挙動と空燃比の変化とを同時計測する方法として、ＦＴＩＲ法とカーボンバランス法とを用いることが考えられる。具体的には、ＦＴＩＲ法により排気ガス中の炭素成分ガス濃度を計測し、計測された炭素成分ガス濃度を用いて、カーボンバランス法により空燃比を算出する方法が考えられる。しかしながら、このような方法をそのまま用いた場合には、空燃比を精度良く算出することができない場合があると言える。

これは、燃焼によって生じる排気ガス中には十数％程度の水分が存在するが、例えば冷間始動から暖機過程において、排気ガス中の水分が排気系で結露したり、結露した水分が再気化したりすることで、一定条件（水分共存）下で、ＦＴＩＲ法にて排気ガス成分濃度を適切に計測することができない場合があるからである。具体的には、冷間始動域では、エンジン１や排気系の温度が低いため、水分が排気系で結露することで、ＦＴＩＲ法により計測される水分濃度が、本来の燃焼生成ガスの水分濃度以下となる場合がある。この場合には、他の測定対象のガス濃度（例えばＣＯ_２などの濃度）が高く計測され、カーボンバランス法により求められる空燃比が実態よりもリッチ側になる傾向にある。逆に、暖機過程域では、排気系で結露した水分が気化することで、求められる空燃比が実態よりもリーン側になる傾向にある。

このように、結露・再気化した水分量が変化することで、共存水分濃度が変わり、排気ガス成分濃度の計測値に影響を与えるものと考えられる。したがって、ＦＴＩＲ法で計測された炭素成分ガス濃度をそのまま用いた場合には、カーボンバランス法により空燃比を精度良く算出することができない場合があると言える。なお、供試燃料組成によっても排気ガス中の水分量が異なるので、排気系で結露・再気化する水分量が変化するものと考えられる。

したがって、本実施形態では、排気系で結露・再気化した水分量を算出して、当該水分量に基づいてＦＴＩＲ法で計測された炭素成分ガス濃度を補正し、補正後の炭素成分ガス濃度を用いて空燃比を算出する。詳しくは、空燃比演算処理部４ｂは、下記のように空燃比を算出する。

空燃比演算処理部４ｂは、まず、排気ガス成分濃度計測部４ａで計測された水分濃度（水分濃度実測値）を取得し、当該水分濃度実測値が所定範囲内にあるか否かの判定を行う。この判定は、排気系で水分の結露・再気化が生じているか否かの判定を行っていることに相当する。なお、当該判定に用いる所定範囲は、本来の燃焼生成ガスにおける水分濃度に基づいて定められる。

水分濃度実測値が所定範囲内にある場合には、排気系で水分の結露・再気化がほとんど生じていないと言える。この場合には、ＦＴＩＲ法で計測された炭素成分ガス濃度を補正する必要がないと考えられるので、空燃比演算処理部４ｂは、当該炭素成分ガス濃度をそのまま用いて、カーボンバランス法により空燃比を算出する。

これに対して、水分濃度実測値が所定範囲外にある場合には、排気系で水分の結露・再気化が生じていると言える。この場合には、ＦＴＩＲ法で計測された炭素成分ガス濃度をそのまま用いて空燃比を算出すべきではないと考えられるので、空燃比演算処理部４ｂは、当該炭素成分ガス濃度に対する補正を行う。

炭素成分ガス濃度の補正を行うために、空燃比演算処理部４ｂは、まず、排気系で結露・再気化した水分量を算出する。具体的には、空燃比演算処理部４ｂは、エンジン１での燃焼を表した理論燃焼反応式より水分濃度（水分濃度理論値）を算出し、この水分濃度理論値と、ＦＴＩＲ法で計測された水分濃度実測値とに基づいて、排気系で結露・再気化した水分量を算出する。この場合、空燃比演算処理部４ｂは、例えば以下の式（１）で表される理論燃焼反応式に基づいて、水分濃度理論値を算出する。

C_xH_yO_z+(x+y/4-z/2)O₂+0.79/0.21(x+y/4-z/2)N₂
→xCO₂+y/2H₂O+0.79/0.21(x+y/4-z/2)N₂ 式（１）
詳しくは、空燃比演算処理部４ｂは、燃料データ記憶部４ｃに記憶された燃料データ（Ｃ／Ｈ／Ｏ組成比若しくはＥｔＯＨ含有率など）を用いて、このような式（１）で示す理論燃焼反応式に基づいて、水分濃度理論値を算出する。

そして、空燃比演算処理部４ｂは、水分濃度理論値と水分濃度実測値とに基づいて結露・再気化した水分量を算出した後、当該水分量に基づいてＦＴＩＲ法で計測された炭素成分ガス濃度を補正し、補正された炭素成分ガス濃度を用いてカーボンバランス法により空燃比を算出する。

以上説明した空燃比算出方法によれば、空燃比を精度良く算出することができる。よって、本実施形態における排気ガス分析装置４によれば、ＦＴＩＲ法及びカーボンバランス法を用いて、排気ガス成分濃度の排出挙動と空燃比の変化とを適切に同時計測することが可能となる。
［空燃比算出処理］
次に、図３を参照して、本実施形態における空燃比算出処理について説明する。当該処理は、空燃比演算処理部４ｂによって、所定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１０１では、空燃比演算処理部４ｂは、排気ガス成分濃度計測部４ａより、ＦＴＩＲ法で計測された排気ガス成分濃度を取得する。具体的には、空燃比演算処理部４ｂは、空燃比の算出に必要な成分のガス濃度を取得する。詳しくは、空燃比演算処理部４ｂは、Ｈ_２Ｏのガス濃度（水分濃度）や、ＣＯ_２、ＣＯ、ＨＣなどのＣ含有成分のガス濃度（炭素成分ガス濃度）や、ＥｔＯＨのガス濃度などを取得する。そして、処理はステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、空燃比演算処理部４ｂは、ステップＳ１０１で取得された水分濃度（水分濃度実測値）が所定範囲内にあるか否かを判定する。ここでは、排気系で水分の結露・再気化が生じているか否かの判定を行っている。当該判定に用いる所定範囲は、本来の燃焼生成ガスにおける水分濃度などに基づいて定められる。

水分濃度実測値が所定範囲内にある場合（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、処理はステップＳ１０６に進む。この場合には、排気系で水分の結露・再気化がほとんど生じていないと言えため、空燃比演算処理部４ｂは、ＦＴＩＲ法で計測された炭素成分ガス濃度を補正しない。つまり、空燃比演算処理部４ｂは、ＦＴＩＲ法で計測された炭素成分ガス濃度をそのまま用いて、カーボンバランス法により空燃比を算出する（ステップＳ１０６）。そして、処理はステップＳ１０７に進む。

これに対して、水分濃度実測値が所定範囲外にある場合（ステップＳ１０２；Ｎｏ）、処理はステップＳ１０３に進む。この場合には、排気系で水分の結露・再気化が生じているものと考えられるため、空燃比演算処理部４ｂは、ステップＳ１０３以降の処理（ステップＳ１０３〜Ｓ１０５）で、ＦＴＩＲ法で計測された炭素成分ガス濃度を補正するための処理を行う。

ステップＳ１０３では、空燃比演算処理部４ｂは、理論燃焼反応式より水分濃度理論値を算出する。具体的には、空燃比演算処理部４ｂは、燃料データ記憶部４ｃに記憶された燃料データ（Ｃ／Ｈ／Ｏ組成比若しくはＥｔＯＨ含有率など）を用いて、上記の式（１）で示した理論燃焼反応式に基づいて、水分濃度理論値を算出する。そして、処理はステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、空燃比演算処理部４ｂは、ステップＳ１０１で取得された水分濃度実測値、及びステップＳ１０３で算出された水分濃度理論値に基づいて、排気系で結露・再気化した水分量を算出する。具体的には、空燃比演算処理部４ｂは、水分濃度実測値と水分濃度理論値との差分を求め、当該差分に対応する水分量を求める。そして、処理はステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、空燃比演算処理部４ｂは、ステップＳ１０４で算出された水分量に基づいて、ＦＴＩＲ法で計測された炭素成分ガス濃度を補正する。具体的には、空燃比演算処理部４ｂは、排気系で結露・再気化した水分量に対応する濃度分だけ、当該炭素成分ガス濃度を高くしたり低くしたりする補正を行う。そして、処理はステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、空燃比演算処理部４ｂは、ステップＳ１０５で補正された炭素成分ガス濃度を用いて、カーボンバランス法により空燃比を算出する。そして、処理はステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、空燃比演算処理部４ｂは、ステップＳ１０６で算出された空燃比のデータを表示部４ｄに出力して、これを表示部４ｄに表示させる処理を行う。そして、処理は終了する。

以上説明した空燃比算出処理によれば、排気系で結露・再気化した水分量を適切に考慮に入れて、排気ガスの空燃比を精度良く算出することができる。

１ エンジン（内燃機関）
２ 排気通路
３ 排気ガス採取通路
４ 排気ガス分析装置
４ａ 排気ガス成分濃度計測部
４ｂ 空燃比演算処理部
４ｃ 燃料データ記憶部
４ｄ 表示部
５ 排気ガス排出通路

Claims (1)

1. 内燃機関から排出された排気ガスの分析を行う排気ガス分析装置であって、
   フーリエ変換赤外分光法により前記排気ガスを分析することで、前記排気ガスにおける水分濃度を計測する水分濃度計測手段と、
   前記内燃機関での燃焼を表した理論燃焼反応式に基づいて、前記排気ガスにおける水分濃度を算出する水分濃度算出手段と、
   前記水分濃度計測手段によって計測された水分濃度、及び前記水分濃度算出手段によって算出された水分濃度に基づいて、前記内燃機関における排気系で結露した水分量、及び、前記排気系で結露した水分が再気化した水分量を算出する水分量算出手段と、
   前記水分量算出手段によって算出された水分量に基づいて、前記フーリエ変換赤外分光法により計測された前記排気ガスにおける炭素成分のガス濃度を補正する炭素成分ガス濃度補正手段と、
   前記炭素成分ガス濃度補正手段によって補正された前記炭素成分のガス濃度を用いて、カーボンバランス法により前記排気ガスの空燃比を算出する空燃比算出手段と、を備えることを特徴とする排気ガス分析装置。

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