JP5795298B2 - 排ガス分析システム及びその動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排ガス分析システム及びその動作方法に関し、特にスタートアップ時の動作に特徴を有するものに関する。

この種の排ガス分析システムを構成する複数の分析ユニットや排ガスサンプリングラインには、ホットホースやヒータ等を利用した温調機構が設けられており、分析動作時には分析ユニットや排ガスサンプリングラインが規格により定まった所定の規定分析温度（例えば約１９１℃）に維持される。

この規定分析温度は前述したようにかなり高く、温調機構の動作開始から規定分析温度を安定して維持できるようになるまでにかなりの時間（例えば常温からであると２〜３時間）を要する。

一方、分析ユニットの中には、水素炎イオン化検出器やケミルミＮＯ計などのように、排ガス分析のための専用ガス（分析用ガス）を必要とするものがある。例えば、水素炎イオン化検出器であれば水素ガス、ケミルミＮＯ計であればオゾンガスが排ガス分析に必要である。

こうした分析ユニットにおいては、温度の安定のみならず、例えば分析用ガスの流量安定や内部に残留した残留ガスのパージ等が必要なため、分析用ガスの導入開始から所定時間（例えば数十分）経過しなければ、安定した分析動作ができない。

したがって、排ガス分析を即時スタートできる状態（以下、スタンバイモードと言う。）にするには、少なくとも事前に温調機構を動作させて規定分析温度に到達させるとともに、分析用ガスの導入を開始して分析ユニットが安定動作可能な状態に維持しておく必要がある。

そこで、従来は、温調機構の動作と分析用ガスの導入とを同時に開始して、これらをパラに進行させ、スタンバイモードとなるまでの時間を短縮するようにしている。

例えば、特許文献１には、車両試験の時間効率化を図るべく、当該試験に用いられる前記排ガス分析装置やダイナモ等の動作時期を自動設定するスケジューラーが記載されているが、このスケジューラからスタンバイモードの指令を受信すると、排ガス分析装置は、温調機構の動作と分析用ガスの導入と同時に開始する。

特開２００２−７１５２４号公報

しかしながら、温調機構による温度安定時間の方が、分析用ガスの導入開始から分析ユニットが安定動作可能となるまでの時間よりも通常は長いため、分析ユニットが安定動作可能となってから温度が安定するまでの間は、分析用ガスが導入されながらも分析ユニットは待機状態となり、無駄な分析用ガスが消費されることとなる。

本発明は、かかる不具合に鑑みてなされたものであって、より一層の省エネルギーが可能となる排ガス分析システムを提供すべく図ったものである。

すなわち本発明に係る排ガス分析システムは、内燃機関の排気管からサンプリングした排ガスを、分析用ガスを用いながら分析する１以上の分析ユニットと、前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度を調整する温調機構と、温調機構の動作開始後、該温調機構による調整温度が所定の安定温度範囲内に初めて落ち着く時刻である温度安定時刻を取得する温度安定時刻取得部と、前記分析用ガスの導入開始後、該分析ユニットが安定して分析開始可能な所定の安定状態に初めて落ち着くまでの所要時間である安定動作所要時間を記憶している安定動作所要時間記憶部と、前記温調機構を動作させる制御部とを具備し、前記温度安定時刻取得部が、前記調整温度が前記所定の安定温度範囲内に初めて落ち着くまでの予め記憶された温度安定時間に基づいて前記温度安定時刻を取得する、又は、前記温調機構による前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度上昇カーブから前記温度安定時刻を取得するように構成されており、前記制御部が、前記温度安定時刻取得部から前記温度安定時刻を取得する一方で、前記安定動作所要時間記憶部から前記安定動作所要時間を取得し、前記分析用ガスを導入し始めてから前記分析ユニットが初めて安定分析可能となる時刻である安定分析可能時刻と前記温度安定時刻とが略合致するように、前記温調機構の動作開始時刻よりも所定時間遅らせて前記分析用ガスを導入し始めることを特徴とする。

なお、温調機構の動作開始とは、電源投入からの動作開始とは限らず、例えば中間温度に温度を維持しているような所定状態から目標となる安定温度に向かって温調動作を開始する態様も含まれる。

また、スタンバイモードとなるまでの分析用ガスの消費及び温調機構による電力の消費を最小限に抑えるためには、排ガス分析を始める前において、温調機構の動作開始後、該温調機構による調整温度が所定の安定温度範囲内に初めて落ち着く時刻である温度安定時刻と、前記分析用ガスの導入開始後、前記分析ユニットが初めて安定分析可能となる時刻である分析可能時刻とが略合致するように、前記温調機構の動作開始時刻よりも所定時間遅らせて前記分析用ガスを導入し始めるものが好ましい。

具体的な実施形態としては、内燃機関の排気管からサンプリングした排ガスを、分析用ガスを用いながら分析する１以上の分析ユニットと、前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度を調整する温調機構と、温調機構の動作開始後、該温調機構による調整温度が所定の安定温度範囲内に初めて落ち着く時刻である温度安定時刻を取得する温度安定時刻取得部と、前記分析用ガスの導入開始後、該分析ユニットが安定して分析開始可能な所定の安定状態に初めて落ち着くまでの所要時間である安定動作所要時間を記憶している安定動作所要時間記憶部と、排ガス分析を始める前において、前記温調機構を動作させ、前記温度安定時刻取得部から前記温度安定時刻を取得する一方で、前記安定動作所要時間記憶部から前記安定動作所要時間を取得し、前記分析用ガスを導入し始めてから前記分析ユニットが初めて安定分析可能となる時刻である安定分析可能時刻と前記温度安定時刻とが略合致するように前記分析用ガスの導入開始時刻を算出する制御部とを具備したものを挙げることができる。

分析ユニットの具体例としては、水素ガスを分析用ガスとして用いる水素炎イオン化検出器とオゾンを分析用ガスとして用いるケミルミＮＯ計とを用いているものがあげられる。

また、本発明に係る排ガス分析システムは、内燃機関の排気管からサンプリングした排ガスを、分析用ガスを用いながら分析する１以上の分析ユニットと、前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度を調整する温調機構とを備えたものであって、排ガス分析を始める前において、温調機構の動作開始後、該温調機構による調整温度が所定の安定温度範囲内に初めて落ち着く時刻である温度安定時刻と、前記分析用ガスの導入開始後、前記分析ユニットが初めて安定分析可能となる時刻である分析可能時刻とが略合致するように、前記温調機構の動作開始時刻と前記分析用ガスの導入開始時刻とを設定することを特徴とする。

このようなものであれば、温調機構による温度安定時間の方が、分析用ガスの導入開始後、分析ユニットが安定動作可能となるまでの時間よりも長い場合のみならず、その逆の場合でも温調機構の動作開始時刻と分析用ガスの導入開始時刻との設定を略合致させることができ、同様の効果を得られる。

このように構成した本発明によれば、分析用ガスが導入されながらも温度安定状態となるまで分析ユニットが待機する時間を、従来に比べ短くできるので、分析用ガスの消費を抑えることができる。

本発明の一実施形態における分析システムの全体構成図。 同実施形態における排ガス総合分析装置の構成原理図。 同実施形態におけるケミルミＮＯ計の構成原理図。 同実施形態における水素炎イオン化検出器の構成原理図。 同実施形態における情報処理装置の回路構成図。 同実施形態における温調機構と分析用ガスの導入との動作タイミングを示すタイミング図。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る排ガス分析システム１は、図１に示すように、車両内燃機関の排ガスをサンプリングしてその成分濃度や燃費等を分析・算出するものであって、複数の排ガス分析装置２と、各分析装置２からの測定データを受信して分析したり各分析装置２の動作を制御したりしてこれらを統括管理する情報処理装置３とを具備している。

分析装置２は、例えばＣＶＳ装置やＥＧＲ測定装置、あるいは内部に複数の排ガス分析ユニット５、６を有した排ガス総合分析装置などである。

ここでは、排ガス総合分析装置について詳述する。

この排ガス総合分析装置は、図２に示すように、排ガスをサンプリングするための排ガスサンプリングライン４と、該サンプリングライン４を通じて導入された排ガスを分析する複数の分析ユニット５、６と、前記分析ユニット５、６及びサンプリングライン４の温度を所定温度に保つための温調機構とを備えたものである。

分析ユニット５、６としては、ここでは、少なくとも化学発光式窒素酸化物分析計６（以下、ケミルミＮＯ計６とも言う）及び水素炎イオン化検出器５を設けている。

ケミルミＮＯ計６は、排ガスに含まれる窒素酸化物の濃度を測定するものである。具体的には、図３に示すように、排気ガスに含まれるすべてのＮＯ_ＸをＮＯコンバータ６１でＮＯに変換し、そのＮＯをオゾン発生器６２から出力される分析用ガスたるオゾンと反応槽６３で混ぜ合わせて化学反応させ、そのときの反応で生じる発光の強度を光検出器（図示しない）で検知し出力するものである。なお、この実施形態では、ＮＯコンバータ６１を介して反応槽６３に導く経路６ａの他に、排気ガスを直接反応槽６３に導く経路６ｂを並列させて設けている。そして、バルブ６５によっていずれか一方の経路６ａ、６ｂからのみ、反応槽６３に択一的にガスが導かれるようにして、排気ガスに含まれるＮＯのみの濃度、及び、差分をとることでＮＯを除くＮＯ_Ｘの濃度をも測定できるようにしてある。

水素炎イオン化検出器５は、原理図を図４に示すように、サンプリングした排ガスに分析用ガスたる水素ガス及び助燃ガス（空気）を一定の割合で混合して、電場をかけた燃焼室（チムニー）５１で燃焼させ、その際に当該サンプルガスに含まれるＴＨＣがイオン化されて生じる電流をコレクタ５２で捕集し、それを増幅器５３で増幅して出力する方式のものであり、その電流値からＴＨＣの量（濃度）を算出することができる。

温調機構（図示しない）は、図２に示すように、分析ユニット５、６と排ガス管とを結ぶサンプリングライン４を形成するホットホースや分析ユニット５、６内の機器や内部流路を加熱するためのヒータなどの加熱手段（図示しない）と、これら加熱手段の発熱量を制御するサーミスタ等の発熱制御器（図示しない）とからなるものであり、サンプリングラインに設けられた温度計ＴＭ１や、分析ユニット５、６に設けられたＴＭ２の順に基づき、発熱制御器により各加熱対象の温度を制御するものである。

前記情報処理装置３は、前述したように分析装置２を管理するものであり、例えば、排ガス分析開始前の状態においては、前記温調機構を制御し、分析装置２を「オフモード」、「スリープモード」、「ポーズモード」又は「スタンバイモード」のいずれかの加熱モードに設定することができる。「オフモード」とは、温調機構が動作していない状態である。「スリープモード」とは、分析ユニット５、６の本体部（ケミルミＮＯ計６の反応槽６３や水素炎イオン化検出器５のチムニー５１）は規定分析温度（本実施形態では約１９１℃）に調整されるが、サンプリングライン４のホットホースや内部流路は温調されない状態である。「ポーズモード」とは、分析ユニット５、６の本体部は規定分析温度（本実施形態では約１９１℃）に調整され、ホットホースや内部流路は規定分析温度よりも低い予め定められた中間温度（本実施形態では約１００℃）に調整された状態である。「スタンバイモード」とは、各部が規定分析温度となって、即座に排ガス分析が可能である状態である。

ところで、前述したスタンバイモードにおいては、この情報処理装置３は、温調機構を動作させる他、所定のバルブを開けるなどして、各分析ユニット５、６に分析用ガスを導入する。

具体的には、オペレータの入力や他の装置からスタンバイモードとする旨の指令を受け付けると、情報処理装置３は、即座に、あるいは所定時間待って、温調機構を動作させ始めるとともに、温度計ＴＭ１、ＴＭ２の値に基づいて、各部が規定分析温度範囲内に落ち着く所要時間を求め、その動作開始後、前記求めた所要時間に基づき該温調機構による調整温度が規定分析温度範囲内に初めて落ち着く時刻である温度安定時刻を求め、その温度安定時刻と、前記分析用ガスの導入開始後、前記分析ユニット５、６が初めて安定分析可能となる時刻である安定分析可能時刻とが略合致するように、前記温調機構の動作開始時刻よりも所定時間遅らせて前記分析用ガスを導入し始める。

そのために、この情報処理装置３には、図５に示すように、温度安定時刻取得部３１、安定動作所要時間記憶部３２、制御部３３としての機能を具備させている。これら各部は、メモリに記憶された所定のプログラムにしたがってＣＰＵや周辺機器が動作することによって得られるものである。

次に、前記各部の説明を兼ねて、該情報処理装置３の詳細な動作を説明する。

まず、制御部３３は、スタンバイモード指令が入力されたことを受け付けて、温調機構をスタンバイモードにすべく動作させる。

次に温度安定時刻取得部３１が、温調機構の動作開始を契機として、温度計ＴＭ１、ＴＭ２の値に基づき、その動作開始時刻から該温調機構による調整温度が規定分析温度範囲内に初めて落ち着く時刻である温度安定時刻を取得する。具体的には、例えば、規定分析温度範囲内に初めて落ち着くまでの時間である温度安定時間を動作開始前の温度毎に予めメモリに記憶しておき、その温度安定時間を温調機構の動作開始時刻に足して算出する。なお、メモリに記憶されている前記温度安定時間は、スタンバイモードの直前のモードによって異なる値が設定されている。

一方で、制御部３３は、メモリの所定領域に設定した安定動作所要時間記憶部３２に予め記憶させた安定動作所要時間、すなわち分析用ガスの導入開始後、分析ユニット５、６が安定して分析開始可能な所定の安定状態に初めて落ち着くまでの所要時間を取得する。ここで安定状態とは、分析ユニット内のセル中のガスが置換し、ガスが安定する状態を意味する。

次に制御部３３は、前記温度安定時刻から安定動作所要時間を差し引き、分析用ガスの導入開始時刻を算出するとともに、その算出した導入開始時刻となったときに、分析用ガスの導入を始める。なお、当該分析ユニット５、６については、適宜のタイミングでバリデーションを行ったり動作を開始させたりすればよい。

このことにより、図６に示すように、分析用ガスを導入し始めてから当該分析ユニット５、６が初めて安定分析可能となる時刻である安定分析可能時刻と前記温度安定時刻とが合致し、その時刻（スタンバイ完了時刻）においてスタンバイモードとなる。

このように構成した本実施形態によれば、分析用ガスが導入されながらも分析ユニット５、６が温度安定を待つ待機状態になることはないし、逆に温度安定状態となりながらも、分析用ガス導入による分析ユニット５、６の安定を待つこともない。したがってスタンバイ状態となるまでの分析用ガスの消費及び温調機構による電力の消費を最小限に抑えることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態のように複数異種の分析ユニット５、６がある場合、スタンバイモード指令の受付と同時に、各分析ユニット５、６の温調機構の動作を開始してもよいが、分析ユニット５、６によって温度安定までの時間が異なる場合があり、そうすると、他の分析ユニット５、６のスタンバイ完了を待機する分析ユニット５、６が出現し、エネルギロスに繋がり得る。この場合は、各分析ユニット５、６のスタンバイ完了時刻が合致するように、例えば、スタンバイモードになるまでの時間が最も長い分析ユニット５、６の温調機構を最初に動作させ、そこから所定時間遅らせて他の分析ユニット５、６の温調機構を動作させ始めればよい。

温度安定時刻取得部３１は、温調機構による温度上昇カーブから温度安定時刻を算出するようにしてもよい。

温度安定時刻を取得することなく、例えば温調機構による温度が、規定分析温度より所定温度低い温度になった時点で分析用ガスの導入を始めても良い。この場合、該所定温度は、予め試験するなどして、その所定温度から規定分析温度に到達するまでの時間が、分析ユニット５、６の安定動作所要時間と略等しくなる温度に定めればよい。

また、厳密には、安定分析可能時刻と温度安定時刻とが合致しなくともよい。確かにこのようにすれば、分析用ガスの消費及び温調機構による電力の消費の双方を最小限に抑えることができるが、たとえ、安定分析可能時刻と温度安定時刻が多少ずれても、少なくとも、温調機構の動作開始よりも遅らせて、かつ温度安定時刻よりも前に分析用ガスを導入すれば、従来のように同時に開始していたのと比べ、エネルギ消費を抑えることができる。

さらに、温調機構による温度安定時間の方が、分析用ガス導入からの分析ユニット５、６の安定動作所要時間に比べ、短い場合は、分析ガス導入開始時刻よりも温調機構動作開始時刻を遅らせればよい。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

１・・・排ガス分析システム
２１・・・排気管
５、６・・・分析ユニット
４・・・排ガスサンプリングライン
ＴＭ１、ＴＭ２・・・温度計
３１・・・温度安定時刻取得部
３２・・・安定動作所要時間記憶部
３３・・・制御部

Claims (5)

1. 内燃機関の排気管からサンプリングした排ガスを、分析用ガスを用いながら分析する１以上の分析ユニットと、
   前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度を調整する温調機構と、
   温調機構の動作開始後、該温調機構による調整温度が所定の安定温度範囲内に初めて落ち着く時刻である温度安定時刻を取得する温度安定時刻取得部と、
   前記分析用ガスの導入開始後、該分析ユニットが安定して分析開始可能な所定の安定状態に初めて落ち着くまでの所要時間である安定動作所要時間を記憶している安定動作所要時間記憶部と、
   前記温調機構を動作させる制御部とを具備し、
   前記温度安定時刻取得部が、前記調整温度が前記所定の安定温度範囲内に初めて落ち着くまでの予め記憶された温度安定時間に基づいて前記温度安定時刻を取得する、又は、前記温調機構による前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度上昇カーブから前記温度安定時刻を取得するように構成されており、
   前記制御部が、前記温度安定時刻取得部から前記温度安定時刻を取得する一方で、前記安定動作所要時間記憶部から前記安定動作所要時間を取得し、前記分析用ガスを導入し始めてから前記分析ユニットが初めて安定分析可能となる時刻である安定分析可能時刻と前記温度安定時刻とが略合致するように、前記温調機構の動作開始時刻よりも所定時間遅らせて前記分析用ガスを導入し始めることを特徴とする排ガス分析システム。
2. 内燃機関の排気管からサンプリングした排ガスを、分析用ガスを用いながら分析する１以上の分析ユニットと、
   前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度を調整する温調機構と、
   温調機構の動作開始後、該温調機構による調整温度が所定の安定温度範囲内に初めて落ち着く時刻である温度安定時刻を取得する温度安定時刻取得部と、
   前記分析用ガスの導入開始後、該分析ユニットが安定して分析開始可能な所定の安定状態に初めて落ち着くまでの所要時間である安定動作所要時間を記憶している安定動作所要時間記憶部と、
   前記温調機構を動作させる制御部とを具備し、
   前記温度安定時刻取得部が、前記調整温度が前記所定の安定温度範囲内に初めて落ち着くまでの予め記憶された温度安定時間に基づいて前記温度安定時刻を取得する、又は、前記温調機構による前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度上昇カーブから前記温度安定時刻を取得するように構成されており、
   前記制御部が、前記温度安定時刻取得部から前記温度安定時刻を取得する一方で、前記安定動作所要時間記憶部から前記安定動作所要時間を取得し、前記分析用ガスを導入し始めてから前記分析ユニットが初めて安定分析可能となる時刻である安定分析可能時刻と前記温度安定時刻とが略合致するように前記分析用ガスの導入開始時刻を算出することを特徴とする排ガス分析システム。
3. 前記分析ユニットとして、水素ガスを分析用ガスとして用いる水素炎イオン化検出器とオゾンを分析用ガスとして用いるケミルミＮＯ計とを用いている請求項１又は２記載の排ガス分析システム。
4. 内燃機関の排気管からサンプリングした排ガスを、分析用ガスを用いながら分析する１以上の分析ユニットと、前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度を調整する温調機構とを備えた排ガス分析システムの分析動作開始前における動作方法であって、
   温調機構の動作開始後、該温調機構による調整温度が所定の安定温度範囲内に初めて落ち着く時刻である温度安定時刻を、前記調整温度が前記所定の安定温度範囲内に初めて落ち着くまでの予め記憶された温度安定時間に基づいて取得する、又は、前記温調機構による前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度上昇カーブから取得する一方で、
   前記分析用ガスの導入開始後、該分析ユニットが安定して分析開始可能な所定の安定状態に初めて落ち着くまでの所要時間である安定動作所要時間を取得し、
   前記温度安定時刻と、前記分析用ガスの導入開始後、前記分析ユニットが初めて安定分析可能となる時刻である分析可能時刻とが略合致するように、温調機構の動作開始よりも所定時間遅らせて前記分析用ガスを導入し始めることを特徴とする排ガス分析システムの動作方法。
5. 内燃機関の排気管からサンプリングした排ガスを、分析用ガスを用いながら分析する１以上の分析ユニットと、
   前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度を調整する温調機構と、
   温調機構の動作開始後、該温調機構による調整温度が所定の安定温度範囲内に初めて落ち着く時刻である温度安定時刻を、前記調整温度が前記所定の安定温度範囲内に初めて落ち着くまでの予め記憶された温度安定時間に基づいて取得する、又は、前記温調機構による前記分析ユニット及び／又は排ガスサンプリングラインの温度上昇カーブから取得する温度安定時刻取得部と、
   前記分析用ガスの導入開始後、前記分析ユニットが安定して分析開始可能な所定の安定状態に初めて落ち着くまでの所要時間である安定動作所要時間を記憶している安定動作所要時間記憶部と、
   前記温度安定時刻と、前記分析ユニットが初めて安定分析可能となる時刻である分析可能時刻とが略合致するように、前記温調機構の動作開始時刻と前記分析用ガスの導入開始時刻とを設定する制御部とを具備することを特徴とする排ガス分析システム。