JP5748064B2

JP5748064B2 - ガス計測方法及び装置

Info

Publication number: JP5748064B2
Application number: JP2012045348A
Authority: JP
Inventors: 敏邦黒川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2032-03-01
Also published as: JP2013181808A

Description

本発明は、自動車等のエンジンにおいて、排気ガス体積流量と排気ガス成分濃度の積から計測対象成分の排出量を算出するガス計測方法及び装置に関するものである。

従来、この種の技術としては特許文献１に記載するようなものがあった。
これは、排気ガス体積流量と排気ガス成分濃度の積から計測対象成分の排出量を算出する方法（モーダルマス計測法）において、排気ガスの経路に除湿器を設けて排気ガス全量を除湿して水分濃度の影響を除去し、計測誤差を低減するという方法である。

特開平１１−２３０８６９号公報

上記従来技術では、エンジンからテールエンドまでの排気ガス管中で、結露や蒸発等により排気ガス中の水分濃度が変化するため、計測位置における水分濃度の算出／排気ガス成分濃度が正確に算出できず、計測対象成分の排出量を正確に算出できなかった。また、上記従来技術では排気ガス管内の除湿を行っているが、除湿するための冷却装置が高コスト、大サイズである上に性能面でも問題がある。

本発明の課題は、除湿するための手段、装置を特に用いることなく、計測対象成分の排出量を正確に算出できるガス計測方法及び装置を提供することにある。

上記課題は、ガス計測方法及び装置を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（２）項が請求項２に、（３）項が請求項３に、（４）項が請求項４に、（５）項が請求項５に、（６）項が請求項６に、各々対応する。

（１）排気ガス体積流量と排気ガス成分濃度の積から計測対象成分の排出量を算出するガス計測方法であって、エンジンからテールエンドまでの排気ガス管のエンジン側端部における排気ガス体積流量である燃焼直後の排気ガス体積流量と、前記排気ガス管のエンジン側端部における水分濃度である燃焼直後の水分濃度とを各々演算により求め、その演算結果に基づいて、前記排気ガス管のテールエンドにおける計測対象成分の排出量を算出することを特徴とするガス計測方法。
本（１）項の構成では、水分濃度変化の生じない箇所（排気ガス管のエンジン側端部：燃焼直後部）での排気ガス体積流量（Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕）及び同箇所での水分濃度（Ｈ_２Ｏｗｃ）を各々演算により高精度に求め、その演算結果を用いて計測対象成分の排出量を算出している。このため、排気ガス管内における水分濃度変化によらず、正確に計測対象成分の排出量を算出できる。しかも、除湿するための手段を特に用いる必要はない。
（２）前記燃焼直後の排気ガス体積流量は、前記テールエンドにおける排気ガス成分濃度並びに前記エンジンの吸入空気量及び空燃比に基づいて算出されることを特徴とする（１）項に記載のガス計測方法。
燃焼直後の排気ガス体積流量（Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕）は実測が困難である。しかし、本（２）項の構成、つまり、テールエンドにおける排気ガス成分濃度（Ｎ_２ｗｃ、Ｏ_２ｗｃ、Ｈ_２ｗｃ、Ｈ_２Ｏｗｃ、ＣＯｗｃ、ＣＯ_２ｗｃ、ＴＨＣｗｃ、ＮＯｘｗｃ）並びに吸入空気量（ＧＡ〔ｇ／ｓ〕）及び空燃比（Ａ／Ｆ）に基づいて、例えばこれらにより求まる燃焼直後の排気ガス質量流量（Ｇｅｘｈ〔ｇ／ｓ〕）に基づく算出によれば、燃焼直後の排気ガス体積流量（Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕）を高精度に推定できる。
（３）前記燃焼直後の排気ガス体積流量は、前記エンジンの吸入空気量及び空燃比に基づき燃焼直後の排気ガス質量流量を演算し、得られた排気ガス質量流量と、前記テールエンドにおける排気ガス成分濃度に基づいて演算された燃焼直後の排気ガス密度とに基づいて演算されることを特徴とする（１）項又は（２）項に記載のガス計測方法。
燃焼直後の排気ガス体積流量（Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕）は実測が困難である。しかし、本（３）項の構成、つまり、エンジンの吸入空気量（ＧＡ〔ｇ／ｓ〕）及び空燃比（Ａ／Ｆ）に基づき燃焼直後の排気ガス質量流量（Ｇｅｘｈ〔ｇ／ｓ〕）を演算し、得られた排気ガス質量流量（Ｇｅｘｈ〔ｇ／ｓ〕）と、前記テールエンドにおける排気ガス成分濃度（Ｎ_２ｗｃ、Ｏ_２ｗｃ、Ｈ_２ｗｃ、Ｈ_２Ｏｗｃ、ＣＯｗｃ、ＣＯ_２ｗｃ、ＴＨＣｗｃ、ＮＯｘｗｃ）に基づいて演算された燃焼直後の排気ガス密度（ρｅｘｈ〔ｇ／Ｌ〕）と、に基づく演算によれば、燃焼直後の排気ガス体積流量（Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕）を高精度に推定できる。
（４）前記燃焼直後の水分濃度は、前記テールエンドにおける排気ガス成分濃度に基づいて算出されることを特徴とする（１）項、（２）項又は（３）項に記載のガス計測方法。
自動車等のエンジンの排気ガス等の高温環境下で水分濃度を実測した場合、精度が不十分である。また、排気ガス管の構造上、燃焼直後の水分濃度を実測するのは困難である。これに対して、本（４）項の構成は、テールエンドにおける排気ガス成分濃度（Ｎ_２ｗｃ、Ｏ_２ｗｃ、Ｈ_２ｗｃ、Ｈ_２Ｏｗｃ、ＣＯｗｃ、ＣＯ_２ｗｃ、ＴＨＣｗｃ、ＮＯｘｗｃ）から、燃焼直後の水分濃度（Ｈ_２Ｏｗｃ）を高精度に算出できる。
（５）前記燃焼直後の排気ガス体積流量と、前記燃焼直後の水分濃度と、前記テールエンドにおける排気ガス体積流量とに基づいて前記テールエンドにおける水分濃度を算出し、前記テールエンドにおける排気ガス体積流量と前記テールエンドにおける水分濃度とに基づいて前記テールエンドにおける計測対象成分の排出量を算出することを特徴とする（１）項、（２）項、（３）項又は（４）項に記載のガス計測方法。
本（５）項の構成では、燃焼直後の排気ガス体積流量（Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕）と、燃焼直後の水分濃度（Ｈ_２Ｏｗｃ）と、テールエンドにおける排気ガス体積流量（Ｖｅｘｔｌ〔Ｌ／ｓ〕）とに基づいてテールエンドにおける水分濃度（Ｈ_２Ｏｔｌ）を算出し、上記テールエンドにおける排気ガス体積流量と上記テールエンドにおける水分濃度とに基づいて、テールエンドにおける計測対象成分の排出量を算出している。
したがって、排気ガス管途中に触媒があって、この触媒によって排気ガス成分が反応を促されることで生じる、触媒前後における排気ガス成分濃度の変化がある場合でも、排気ガス管内における水分濃度変化によらずに正確に計測対象成分の排出量を算出できる。
（６）排気ガス体積流量と排気ガス成分濃度の積から計測対象成分の排出量を算出するガス計測装置であって、エンジンからテールエンドまでの排気ガス管のエンジン側端部における排気ガス体積流量である燃焼直後の排気ガス体積流量と、前記排気ガス管のエンジン側端部における水分濃度である燃焼直後の水分濃度とを各々演算により求め、その演算結果に基づいて、前記排気ガス管のテールエンドにおける計測対象成分の排出量を算出する算出手段を具備することを特徴とするガス計測装置。
水分濃度変化の生じない箇所（排気ガス管のエンジン側端部：燃焼直後部）での排気ガス体積流量（Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕）及び同箇所での水分濃度（Ｈ_２Ｏｗｃ）を各々算出手段（演算手段）により高精度に求め、その算出結果を用いて計測対象成分の排出量を算出しているため、排気ガス管内における水分濃度変化によらず、正確に計測対象成分の排出量を算出できる。しかも、除湿するための装置を特に用いる必要はない。

（１）項に記載の発明によれば、除湿するための手段を特に用いることなく、排気ガス管内における水分濃度変化によらず、正確に計測対象成分の排出量を算出できるガス計測方法を提供できる。
（２）項に記載の発明によれば、（１）項に記載の発明における燃焼直後の排気ガス体積流量（Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕）を高精度に推定できる。
（３）項に記載の発明によれば、（１）項又は（２）項に記載の発明における燃焼直後の排気ガス体積流量（Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕）の高精度な推定を具現化する。
（４）項に記載の発明によれば、（１）項、（２）項又は（３）項に記載の発明における燃焼直後の水分濃度（Ｈ_２Ｏｗｃ）を高精度に算出できる。
（５）項に記載の発明によれば、排気ガス管途中に触媒によって排気ガス成分が反応を促されることにより排気ガス成分濃度に変化が生じても、排気ガス管内における水分濃度変化によらずに正確に計測対象成分の排出量を算出できる。
（６）項に記載の発明によれば、除湿するための装置を特に用いることなく、排気ガス管内における水分濃度変化によらず、正確に計測対象成分の排出量を算出できるガス計測装置を提供できる。

本発明に係るガス計測装置の第１実施形態を示す構成図である。図１中の水分濃度算出手段の演算部の説明図である。本発明に係るガス計測装置の第２実施形態を示す構成図である。

以下、本発明の実施の形態を説明するが、それに先立ち、まず本発明をするに至った経緯について述べる。
自動車等のエンジンからの排気ガス中の水分濃度を推定する際、ＣＯ、ＣＯ_２、ＴＨＣ、ＮＯｘの４成分のドライベース濃度と燃料性状Ｈ／Ｃ（燃料の水素原子数／炭素原子数）の値から燃焼反応式を用いることで、燃焼反応直後（燃焼直後）のガス組成（Ｎ_２、Ｏ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ_２、ＴＨＣ、ＮＯｘ）を高精度に求めることが可能である。
しかし実際には、排気ガス管途中の局所的放熱や結露した水分の再蒸発により水分濃度が変化するため、更にその変化は排気ガス管の長さや放熱環境で異なるため、排気ガス管のテールエンドにおける水分濃度の推定が困難となる。
このため、ドライベース濃度と推定水分濃度から算出したウェットベース濃度には、正確性、再現性に難点がある（前掲特許文献１の段落［０００９］参照）。
本発明は、例えば、従来のモーダルマス計測法でも用いられる流量計、排気ガス分析計（ドライベース）及び燃焼直後の水分濃度（Ｈ_２Ｏｗｃ）を含む燃焼直後のガス組成（Ｎ_２、Ｏ_２、Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ、ＣＯ_２、ＴＨＣ、ＮＯｘ：濃度）算出手段に、新たに燃焼直後の排気ガス体積流量（Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕）算出手段を加えることで、燃焼直後の排気ガス体積流量（Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕）と燃焼直後の水分濃度（Ｈ_２Ｏｗｃ）の高精度な推定を可能とする。
また例えば、上記流量計、燃焼直後のガス組成算出手段、燃焼直後の排気ガス体積流量算出手段から、上記テールエンドにおける水分濃度（燃焼直後からテールエンドまでの水分濃度変化）を、テールエンドにおける水分濃度（Ｈ_２Ｏｔｌ）算出手段で高精度な推定を可能とするものである。
これにより、排気ガス管途中の水分濃度変化によらずに、モーダルマスエミッション算出手段で高精度なモーダルマスエミッションの算出が可能となり、換言すれば、排気ガス管途中の水分濃度変化の補正機能を組み込んだモーダルマス計測が行われ、本発明が実現されるに至ったものである。

本発明の実施の形態を図面に基づき以下に説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明方法が適用されたガス計測装置の第１実施形態を示す構成図である。
この図１に示すように、第１実施形態のガス計測装置は、流量計１、排気ガス分析計（ドライベース）２、燃焼直後のガス組成（濃度）算出手段３、燃焼直後の排気ガス体積流量算出手段４、排気ガス管のテールエンドにおける水分濃度（変化後の水分濃度）算出手段５及びモーダルマスエミッション算出手段６を備えてなる。
なお図１中、９は、自動車エンジンの動作において、空気が吸入されてから、その空気がエンジンを経て排気ガスとなり排出されまでの経路を示す。この経路９上には、空気吸入口９ａ、エアクリーナ９ｂ、エンジン９ｃ、触媒９ｄ、サイレンサ９ｅ、排気ガス排出口９ｆ等を有する。エンジン９ｃから排気ガス排出口９ｆまでの経路９中の触媒９ｄ、サイレンサ９ｅ、排気ガス排出口９ｆ等は、排気ガス管により連結されている。９ｇは、排気ガス管のテールエンド（末端）を指す。

記号に付された添え字ｄは、ドライ計測値（除湿した濃度値）を意味し、ｔｌは、テール（tail)、つまり排気ガス管の末端（テールエンド９ｇ）での計測を意味する。
添え字ｗｃは、燃料反応式による計算（calculation）でウェット（wet）状態の濃度を算出したことを意味する。ドライ状態で実測された排気ガスの各成分濃度と燃焼反応式を用いて、除湿前（ウェット状態：wet状態）の計算（calculation）をすることからｗｃと記した。
同様にｈは、ヘッド（head）、つまり排気ガス管のエンジン側端部（燃焼直後部）を意味し、ｅｘはエキゾースト（exhaust：排気）を意味する。

ここで、上記流量計１は、テールエンド９ｇにおける排気ガス体積流量Ｖｅｘｔｌ〔Ｌ／ｓ〕、つまり水分濃度変化後の排気ガス体積流量を測定する。
また、排気ガス分析計２は、テールエンド９ｇにおける排気ガス（排出ガス）からドライベースの計測対象成分濃度ＣＯｄ、ＣＯ_２ｄ、ＴＨＣｄ、ＮＯｘｄを分析、測定する。この排気ガス分析計２における排気ガス分析では、微量なサンプルガス分を除湿するため水分濃度変化の影響を受けない。なお、燃焼直後からテールエンド９ｇまで成分組成は変化しない。

燃焼直後のガス組成算出手段（以下、単にガス組成算出手段と記す。）３は、排気ガス分析計２によって分析、測定されたＣＯｄ、ＣＯ_２ｄ、ＴＨＣｄ、ＮＯｘｄの４成分、並びに、燃料性状Ｈ／Ｃ（燃料の水素原子数／炭素原子数）の値及びＯ／Ｃ（燃料の酸素原子数／炭素原子数）の値を用いて、燃焼反応式から求まる燃焼反応直後（燃焼直後）の高精度なガス組成を算出する。
算出されたガス組成Ｎ_２ｗｃ、Ｏ_２ｗｃ、Ｈ_２ｗｃ、Ｈ_２Ｏｗｃ、ＣＯｗｃ、ＣＯ_２ｗｃ、ＴＨＣｗｃ、ＮＯｘｗｃは、燃焼直後の高精度な排気ガス密度ρｅｘｈ〔ｇ／Ｌ〕（２０℃、１ａｔｍでの排気ガス密度）の算出に供される。また、算出された燃焼直後の高精度な水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃは、テールエンド９ｇにおける水分濃度の算出に供される。
なお、従来のモーダルマス計測法は、上記の水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃをテールエンド９ｇにおける水分濃度として使用している。

上記の燃焼直後の高精度なガス組成の算出は、ガス組成算出手段３中の演算部Ｆ２が実行する。
すなわち演算部Ｆ２は、以下の演算によって上記のガス組成Ｎ_２ｗｃ、Ｏ_２ｗｃ、Ｈ_２ｗｃ、Ｈ_２Ｏｗｃ、ＣＯｗｃ、ＣＯ_２ｗｃ、ＴＨＣｗｃ、ＮＯｘｗｃ（水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃを含んでいる。）を算出する。
まず燃焼反応式より、
φＣＨｎ＋（１＋ｎ／４）Ｏ_２＋（７９／２１）×（１＋ｎ／４）Ｎ_２
→ａＣＯ＋ｂＣＯ_２＋ｃＨ_２Ｏ＋ｄＣＨｎ＋ｅＨ_２＋ｆＯ_２＋ｇＮＯ＋ｈＮ_２
が求まる。
ここで、
φは当量比（理論空燃比／空燃比）、
ｎはＨ／Ｃ（燃料性状：水素原子数／炭素原子数の比）、
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈは燃焼反応後の各成分のモル数（ａ〜ｈが未知数）、である。
また、原子数保存より、
１）式 φ＝ａ＋ｂ＋ｄ（炭素Ｃ原子数バランス）
２）式（１＋ｎ／４）＝ａ／２＋ｂ＋ｃ／２＋ｆ＋ｇ／２（酸素Ｏ原子数バランス）
３）式ｎ×φ＝２ｃ＋ｎ×ｄ＋２ｅ（水素Ｈ原子数バランス）
４）式（７９／２１）（１＋ｎ／４）＝ｇ／２＋ｈ（窒素Ｎ原子数バランス）
が与えられる。
また、水性ガス平衡定数Ｋより（ｅの算出のため）、
５）式（ａ×ｃ）／（ｂ×ｅ）＝Ｋ（Ｋは３．０〜４．５の定数）
が与えられる。

そして、上記ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈの、排気ガス分析計２による測定値との紐付け（関連付け）を次のように行う。
排気ガス分析計２により測定した各成分濃度を、ＣＯｄ→Ａ、ＣＯ_２ｄ→Ｂ、ＴＨＣｄ→Ｄ、ＮＯｘ→Ｅとすると、
ＣＯ、ＣＯ_２、ＴＨＣ、ＮＯｘの測定値の比は、燃焼後のモル数の比と同じになるので、
ａ：ｂ＝Ａ：Ｂ ⇒ ｂ＝Ｂ／Ａ×ａ、同様にｄ＝Ｄ／Ａ×ａ、ｇ＝Ｇ／Ａ×ａ
となる。
また、１）式より、 φ＝ａ＋ｂ＋ｄ
＝ａ＋Ｂ／Ａ×ａ＋Ｄ／Ａ×ａ
となる。
よって、ａ＝φＡ／（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）、同様にｂ＝φＢ／（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）、ｄ＝φＤ／（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）、ｇ＝φＧ／（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）
となる。
また、３）式と５）式より、
ｎ×φ＝２Ｋ×ｅ×ｂ／ａ＋ｎ×ｄ＋２ｅ
ｅ＝ｎ×（φ−ｄ）／（２×Ｋ×ｂ／ａ＋１）
＝ｎ×｛φ−φＤ／（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）｝／（２Ｋ×Ｂ／Ａ＋１）
となる。
分子、分母にＡ×（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）を掛け算すると、
＝ｎ×Ａ×｛φ（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）−φＤ｝／｛（２Ｋ×Ｂ＋Ａ）×（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）｝
＝ｎφＡ（Ａ＋Ｂ）／｛（２ＫＢ＋Ａ）（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）｝
となる。
よって、
ｅ＝ｎφＡ（Ａ＋Ｂ）／｛（２ＫＢ＋Ａ）（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）｝
となる。
また、４）式より、
ｈ＝（７９／２１）（１＋ｎ／４）−ｇ／２
＝（７９／２１）（１＋ｎ／４）−φＧ／｛２（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）｝
となり、
また、５式〉より、
ｃ＝Ｋ×ｂ／ａ×ｅ
＝Ｋ×Ｂ／Ａ×ｎφＡ（Ａ＋Ｂ）／｛（２ＫＢ＋Ａ）（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）｝
＝ＫｎφＢ（Ａ＋Ｂ）／｛（２ＫＢ＋Ａ）（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）｝
となる。
ここで、燃焼反応後の総和が１００％（＝１）なので、
ｆ＝１−（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＋ｇ＋ｈ）
＝１−φ（Ａ＋Ｂ＋Ｄ＋Ｇ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）
−（７９／２１）（１＋ｎ／４）＋φＧ／｛２（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）｝
−ｎφ（ＫＢ＋Ａ）（Ａ＋Ｂ）／｛（２ＫＢ＋Ａ）（Ａ＋Ｂ＋Ｄ）｝
となる。
以上により、
Ｎ_２ｗｃ＝ｈ、Ｏ_２ｗｃ＝ｆ、Ｈ_２ｗｃ＝ｅ、Ｈ_２Ｏｗｃ＝ｃ、ＣＯｗｃ＝ａ、ＣＯ_２ｗｃ＝ｂ、ＴＨＣｗｃ＝ｄ、ＮＯｘｗｃ＝ｅ
が得られる。
すなわち、排気ガス分析計２によるＣＯｄ、ＣＯ_２ｄ、ＴＨＣｄ、ＮＯｘｄの４成分の測定値と燃料性状とにより、燃焼反応後（燃焼直後）の各成分の割合を算出することが可能となる。
算出されたガス組成Ｎ_２ｗｃ、Ｏ_２ｗｃ、Ｈ_２ｗｃ、Ｈ_２Ｏｗｃ、ＣＯｗｃ、ＣＯ_２ｗｃ、ＴＨＣｗｃ、ＮＯｘｗｃには、水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃが含まれている。

燃焼直後の排気ガス体積流量算出手段（以下、単に排気ガス体積流量算出手段と記す。）４は、ガス組成算出手段３により求まる燃焼直後の排気ガス密度ρｅｘｈ〔ｇ／Ｌ〕、並びに吸入空気量ＧＡ〔ｇ／ｓ〕及び空燃比Ａ／Ｆにより求まる燃焼直後の排気ガス質量流量Ｇｅｘｈ〔ｇ／ｓ〕から、燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕を算出する。
空燃比制御されたエンジンでは、ＡＦＭ（エアフローメータ）による上記吸入空気量ＧＡ〔ｇ／ｓ〕とＡ／Ｆセンサによる上記空燃比（吸入空気量と燃料噴射量の質量比）Ａ／Ｆは、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）に記録される。

テールエンド９ｇにおける水分濃度算出手段（以下、単に水分濃度算出手段と記す。）５は、テールエンド９ｇにおける水分濃度、つまり変化後の水分濃度Ｈ_２Ｏｔｌを算出する。
排気ガス体積流量算出手段４で算出する燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕と、流量計１で測定されるテールエンド９ｇにおける排気ガス体積流量Ｖｅｘｔｌ〔Ｌ／ｓ〕との差は、水分濃度の変化（結露又は蒸発）によるものである。したがって、ガス組成算出手段３で算出された燃焼直後の水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃを用いることで、排気ガス管途中における変化後の水分濃度Ｈ_２Ｏｔｌが求まる。

モーダルマスエミッション算出手段６は、流量計１によるテールエンド９ｇにおける排気ガス体積流量Ｖｅｘｔｌ〔Ｌ／ｓ〕、排気ガス分析計２によるドライベースの計測対象成分濃度ＣＯｄ、ＣＯ_２ｄ、ＴＨＣｄ、ＮＯｘｄ、及び水分濃度算出手段５による、排気ガス管途中における結露、蒸発等による変化後の水分濃度Ｈ_２Ｏｔｌによって、モーダルマスエミッションを求める。求められたモーダルマスエミッションは、高精度な排気ガス濃度除湿前（換言すれば流量除湿後）補正をした計測対象成分の排出量である。つまり本実施形態は、排気ガス管途中の水分濃度変化の補正機能を組み込んだモーダルマス計測法ともいい得るものである。

上記排気ガス体積流量算出手段４は、演算部Ｆ１、Ｆ３、Ｆ４を備えて燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕を算出する。
ここで演算部Ｆ１は、
Ｇｅｘｈ〔ｇ／ｓ〕＝ＧＡ＋ＧＡ／（Ａ／Ｆ）
を演算する。
すなわち、吸入空気量ＧＡ〔ｇ／ｓ〕と空燃比Ａ／Ｆから、燃焼直後の排気ガス質量流量Ｇｅｘｈ〔ｇ／ｓ〕を算出する。

また演算部Ｆ３は、
Ｍｅｘｈ＝（Ｎ_２ｗｃ×Ｎ_２分子量）＋（Ｏ_２ｗｃ×Ｏ_２分子量）＋（Ｈ_２ｗｃ×Ｈ_２分子量）＋（Ｈ_２Ｏｗｃ×Ｈ_２Ｏ分子量）＋（ＣＯｗｃ×ＣＯ分子量）＋（ＣＯ_２ｗｃ×ＣＯ_２分子量）＋（ＴＨＣｗｃ×燃料分子量）＋（ＮＯｘｗｃ×ＮＯｘ分子量）
を演算する。
すなわち、Σ（各ガス濃度×各分子量）から排気ガス平均分子量Ｍｅｘｈ〔ｇ／ｍｏｌ〕（＝モル質量）を算出する。
そして、算出された排気ガス平均分子量Ｍｅｘｈを用いて燃焼直後の排気ガス密度ρｅｘｈ〔ｇ／Ｌ〕を、
ρｅｘｈ＝Ｍｅｘｈ×Ｐｓｔｄ／Ｒ／Ｔｓｔｄ（理想気体の状態方程式）
から求める。
ここで、
Ｐｓｔｄ，Ｔｓｔｄは標準状態の絶対圧力１０１．３２５〔ｋＰａ〕と絶対温度２７３．１５〔Ｋ〕、
Ｒは理想気体のガス定数８．３１４４７〔ｋＰａ*Ｌ／Ｋ／ｍｏ１〕、
である。

更に演算部Ｆ４では、
Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕＝Ｇｅｘｈ〔ｇ／ｓ〕／ρｅｘｈ〔ｇ／Ｌ〕
を演算する。
すなわち、燃焼直後の排気ガス質量流量Ｇｅｘｈ〔ｇ／ｓ〕を燃焼直後の排気ガス密度ρｅｘｈ〔ｇ／Ｌ〕で割り算して、燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕を算出する。

上記水分濃度算出手段５は演算部Ｆ５を備える。
演算部Ｆ５は、テールエンド９ｇにおける水分濃度（変化後の水分濃度）Ｈ_２Ｏｔｌを次のように算出する。
Ｈ_２Ｏｗｃ＋ＯＴｗｃ＝１（燃焼直後の水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃと燃焼直後のその他成分ＯＴｗｃの総和濃度は１＝１００％）であり、
Ｈ_２Ｏｔｌ＋ＯＴｔｌ＝１（テールエンド９ｇにおける水分濃度Ｈ_２Ｏｔｌとテールエンド９ｇにおけるその他成分ＯＴｔｌの総和濃度は１＝１００％）である。
水分以外の体積量は変化しないので、
ＯＴｗｃ×Ｖｅｘｈ＝ＯＴｔｌ×Ｖｅｘｔｌとなり、
ＯＴｔｌ＝Ｖｅｘｈ／Ｖｅｘｔｌ×ＯＴｗｃとなる。
よって、
Ｈ_２Ｏｔｌ＝１−ＯＴｔｌ
＝１−Ｖｅｘｈ／Ｖｅｘｔｌ×ＯＴｗｃ
＝１−Ｖｅｘｈ／Ｖｅｘｔｌ×（１−Ｈ_２Ｏｗｃ）となって、
テールエンド９ｇにおける水分濃度Ｈ_２Ｏｔｌが求まる。

図２は、燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕（Ｈ_２Ｏｗｃ＋ＯＴｗｃ）とテールエンド９ｇにおける排気ガス体積流量Ｖｅｘｔｌ〔Ｌ／ｓ〕（Ｈ_２Ｏｔｌ＋ＯＴｔｌ）との関係（体積で比較）を示す図である。
この図２において、ΔＶは結露による流量変化分を示す。この図２から、テールエンド９ｇにおいて、水分Ｈ_２Ｏの分の体積が減少しているが、その他成分ＯＴの体積は変化してないことが分かる。

上記モーダルマスエミッション算出手段６は演算部Ｆ６を備える。
演算部Ｆ６は、排気ガス分析計２によるＣＯｄ、ＣＯ_２ｄ、ＴＨＣｄ、ＮＯｘｄの４成分（濃度）、流量計１によるテールエンド９ｇにおける排気ガス体積流量Ｖｅｘｔｌ〔Ｌ／ｓ〕及び水分濃度算出手段５によるテールエンド９ｇにおける水分濃度Ｈ_２Ｏｔｌによって、ＣＯ、ＣＯ_２、ＴＨＣ、ＮＯｘの４成分のモーダルマスエミッション〔ｇ〕を、以下のように算出する。なお、「∫」記号に付されたｔｓは計測開始時間、ｔｅは計測終了時間を示す。

なお、上記の法規値とは、法規にて定められた規制対象成分の密度値を指す。
以上により、計測対象成分、ここではＣＯ、ＣＯ_２、ＴＨＣ、ＮＯｘの４成分のモーダルマスエミッション（排出量）〔ｇ〕が算出される。

以上述べた第１実施形態では、従来のモーダルマス計測法でも用いられるテールエンド９ｇにおける非除湿の排気ガス流量計測（流量計１）と、テールエンド９ｇにおける除湿後の各成分（計測対象成分）の濃度計測〔排気ガス分析計（ドライベース）２〕と、各成分濃度からの燃焼反応式による水分濃度の算出（ガス組成算出手段３：演算部Ｆ２））を設けた。そしてこれらに、新たに燃焼直後の排気ガス体積流量の算出（排気ガス体積流量算出手段４：演算部Ｆ１，Ｆ３，Ｆ４））を加えて、燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕と燃焼直後の水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃの高精度な推定を可能とした。
これによれば、テールエンド９ｇにおける非除湿の排気ガス流量計測と、各成分濃度からの燃焼反応式による水分濃度の算出と、燃焼直後の排気ガス体積流量の算出とによって、テールエンド９ｇにおける水分濃度（燃焼直後からテールエンド９ｇまでの水分濃度変化）の高精度な推定が可能となる。
したがって、このテールエンド９ｇにおける水分濃度の高精度な推定値を用いることで、排気ガス管途中の水分濃度変化によらない、高精度なモーダルマスエミッションの算出が可能となる。テールエンド９ｇにおける流量計測（流量計１）も不要となる。

また、第１実施形態中の各構成部分によっては、次のような効果を発揮できる。
すなわち、燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕と、燃焼直後の水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃとを各々演算により高精度に求め、排気ガス管のテールエンド９ｇにおける計測対象成分の排出量を算出するようにした（ガス組成算出手段３、排気ガス体積流量算出手段４、モーダルマスエミッション算出手段６：演算部Ｆ１〜Ｆ４、Ｆ６を設けた）。これによれば、除湿するための手段、装置を特に用いる必要なく、排気ガス管内における水分濃度変化によらずに正確に計測対象成分の排出量を算出できる。

また、テールエンド９ｇにおける排気ガス成分濃度Ｎ_２ｗｃ、Ｏ_２ｗｃ、Ｈ_２ｗｃ、Ｈ_２Ｏｗｃ、ＣＯｗｃ、ＣＯ_２ｗｃ、ＴＨＣｗｃ、ＮＯｘｗｃ並びに、エンジンの吸入空気量ＧＡ〔ｇ／ｓ〕及び空燃比Ａ／Ｆに基づいて、燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕を算出するようにした。これによれば、実測が困難な燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕を高精度に推定できる。

更に、エンジンの吸入空気量ＧＡ〔ｇ／ｓ〕及び空燃比Ａ／Ｆに基づき燃焼直後の排気ガス質量流量Ｇｅｘｈ〔ｇ／ｓ〕を演算（演算部Ｆ１）する。そして、その排気ガス質量流量Ｇｅｘｈ〔ｇ／ｓ〕と、テールエンド９ｇにおける排気ガス成分濃度Ｎ_２ｗｃ、Ｏ_２ｗｃ、Ｈ_２ｗｃ、Ｈ_２Ｏｗｃ、ＣＯｗｃ、ＣＯ_２ｗｃ、ＴＨＣｗｃ、ＮＯｘｗｃに基づいて演算（演算部Ｆ３）された燃焼直後の排気ガス密度ρｅｘｈ〔ｇ／Ｌ〕とに基づいて演算（演算部Ｆ４）して、燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕求めるようにした。これによれば、実測が困難な燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕の高精度な推定を具現化できる。

また、燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕と、燃焼直後の水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃと、テールエンド９ｇにおける排気ガス体積流量Ｖｅｘｔｌ〔Ｌ／ｓ〕とに基づいて、テールエンド９ｇにおける水分濃度Ｈ_２Ｏｔｌを算出（水分濃度算出手段５：演算部Ｆ５）する。そして、上記テールエンド９ｇにおける排気ガス体積流量とテールエンド９ｇにおける水分濃度とに基づいて、テールエンド９ｇにおける計測対象成分の排出量を算出するようにした（モーダルマスエミッション算出手段６：演算部Ｆ６を設けた）。これによれば、排気ガス管途中に触媒９ｄによって排気ガス成分が反応を促されることにより排気ガス成分濃度に変化が生じても、排気ガス管内における水分濃度変化によらずに正確に計測対象成分の排出量を算出できる。

図３に、本発明方法が適用されたガス計測装置の第２実施形態を示す。
この図３に示すように、第２実施形態では、図１に示す第１実施形態と同様に排気ガス分析計２、燃焼直後の水分濃度を含むガス組成算出手段３及び燃焼直後の排気ガス体積流量算出手段４を備えてなる。
その一方で、図１に示すエンジン動作における空気の経路９上に触媒９ｄを備えてなく、また流量計１、排気ガス管のテールエンド９ｇにおける水分濃度算出手段５も備えてない。また、モーダルマスエミッション算出手段としては、図１に示すモーダルマスエミッション算出手段６とは異なるモーダルマスエミッション算出手段７を備える。このモーダルマスエミッション算出手段７は、排気ガス分析計２によって測定されたＣＯｄ、ＣＯ_２ｄ、ＴＨＣｄ、ＮＯｘｄの４成分、ガス組成算出手段３で算出された燃焼直後の水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃ及び排気ガス体積流量算出手段４で算出された燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕により、高精度なモーダルマスエミッション（計測対象成分の排出量〔ｇ〕）を求める。

この図３に示す第２実施形態では、従来のモーダルマス計測法でも用いられるテールエンド９ｇにおける除湿後の各成分（計測対象成分）の濃度計測をする排気ガス分析計２と、各成分濃度からの燃焼反応式による水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃを算出するガス組成算出手段３を設けた。そしてこれらに、新たに燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕を算出する排気ガス体積流量算出手段４を加えて、燃焼直後の排気ガス体積流量Ｖｅｘｈ〔Ｌ／ｓ〕と燃焼直後の水分濃度Ｈ_２Ｏｗｃの高精度な推定を可能とした。
この第２実施形態では、排気ガス分析計２で計測される各計測対象成分濃度ＣＯｄ、ＣＯ_２ｄ、ＴＨＣｄ、ＮＯｘｄは、化学反応を促す触媒９ｄ等がないので水分以外の成分はその量が保存される。このため、排気ガス分析計２と排気ガス体積流量算出手段４とによって、燃焼直後（触媒９ｄがない場合のテールエンド９ｇ）における高精度なモーダルマスエミッションの算出が可能となる。テールエンド９ｇにおける流量計測（流量計１）も不要となる。

１：流量計、２：排気ガス分析計、３：燃焼直後のガス組成算出手段（ガス組成算出手段）、４：燃焼直後の排気ガス体積流量算出手段（排気ガス体積流量算出手段）、５：排気ガス管のテールエンドにおける水分濃度算出手段（水分濃度算出手段）、６，７：モーダルマスエミッション算出手段、９：経路、９ａ：空気吸入口、９ｂ：エアクリーナ、９ｃ：エンジン、９ｄ：触媒、９ｅ：サイレンサ、９ｆ：排気ガス排出口、９ｇ：排気ガス管のテールエンド。

Claims

排気ガス体積流量と排気ガス成分濃度の積から計測対象成分の排出量を算出するガス計測方法であって、
エンジンからテールエンドまでの排気ガス管のエンジン側端部における排気ガス体積流量である燃焼直後の排気ガス体積流量と、前記排気ガス管のエンジン側端部における水分濃度である燃焼直後の水分濃度とを各々演算により求め、その演算結果に基づいて、前記排気ガス管のテールエンドにおける計測対象成分の排出量を算出することを特徴とするガス計測方法。
前記燃焼直後の排気ガス体積流量は、前記テールエンドにおける排気ガス成分濃度並びに前記エンジンの吸入空気量及び空燃比に基づいて算出されることを特徴とする請求項１に記載のガス計測方法。
前記燃焼直後の排気ガス体積流量は、
前記エンジンの吸入空気量及び空燃比に基づき燃焼直後の排気ガス質量流量を演算し、
得られた排気ガス質量流量と、前記テールエンドにおける排気ガス成分濃度に基づいて演算された燃焼直後の排気ガス密度とに基づいて演算されることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス計測方法。
前記燃焼直後の水分濃度は、前記テールエンドにおける排気ガス成分濃度に基づいて算出されることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のガス計測方法。
前記燃焼直後の排気ガス体積流量と、前記燃焼直後の水分濃度と、前記テールエンドにおける排気ガス体積流量とに基づいて前記テールエンドにおける水分濃度を算出し、
前記テールエンドにおける排気ガス体積流量と前記テールエンドにおける水分濃度とに基づいて前記テールエンドにおける計測対象成分の排出量を算出することを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載のガス計測方法。
排気ガス体積流量と排気ガス成分濃度の積から計測対象成分の排出量を算出するガス計測装置であって、
エンジンからテールエンドまでの排気ガス管のエンジン側端部における排気ガス体積流量である燃焼直後の排気ガス体積流量と、前記排気ガス管のエンジン側端部における水分濃度である燃焼直後の水分濃度とを各々演算により求め、その演算結果に基づいて、前記排気ガス管のテールエンドにおける計測対象成分の排出量を算出する算出手段を具備することを特徴とするガス計測装置。