JP5985492B2

JP5985492B2 - ガス分析装置

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Publication number: JP5985492B2
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Inventors: 中谷　茂; 茂中谷
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Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2016-09-06
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Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガス又は排ガスが混合された混合ガス中に含まれる物質を測定するガス分析装置に関するものである。

従来、ガス分析装置を用いて自動車の内燃機関から排出される排ガス中のＮＯ_ｘ等の成分については測定が行われているが、近年、アンモニア等の成分についても測定が行われるようになってきている。

アンモニア等の従来測定されていなかったガスが測定される具体例としては、ディーゼルエンジンを高効率で駆動することができるとともに、ＮＯ_ｘの発生量を抑えることができる尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムの研究開発の場面等が挙げられる。前記尿素ＳＣＲシステムについて具体的に説明すると、ディーゼルエンジンから排出された高温の排ガス中に尿素を噴霧し、尿素が熱分解することにより生じるアンモニアを還元剤としてＳＣＲ触媒に供給することで、排ガス中のＮＯ_ｘを還元し無害なＮ_２やＨ_２Ｏに変化させるよう構成されたものである。

このような尿素ＳＣＲシステムにおいて過剰な尿素が供給されてしまうと、マフラー等から排出された排ガス中にアンモニアが含まれてしまうことになり、悪臭が発生する、あるいは、環境基準を満たせないことになる。このため、様々な運転条件において適正な量の尿素が供給できているかどうかを知るために、排ガス中のアンモニアの測定が行われている。

例えば、特許文献１では、アンモニアの濃度を測定することができるアンモニアセンサ２１Ａだけで、排ガス中に残留している尿素の量を測定するガス分析装置１００Ａが示されている。より具体的には、図６に示すように前記測定装置１００Ａは、一端が前記ＳＣＲ触媒９４の直前に開口しており、他端にアンモニアセンサ２１Ａが設けられた採取管１Ａと、前記アンモニアセンサ２１Ａの上流において前記採取管１Ａの外側を覆うように設けられた加熱ヒータ３１Ａ、３２Ａと、を備えたものである。そして、このガス分析装置１００Ａは、前記排ガス中に含まれる尿素が熱分解する前の温度に保たれるように前記加熱ヒータ３１Ａで採取管１Ａ内を加熱しつつ測定したアンモニアの第１濃度と、前記尿素の分解が生じるより高い温度へと前記加熱ヒータ３２Ａで採取管１Ａ内を加熱しつつ測定したアンモニアの第２濃度と、を測定し、これらの濃度の差から排ガス中に含まれる残留尿素量を算出するよう構成されている。

加えて、尿素ＳＣＲのために排ガスに尿素を導入した場合に生じる可能性があるイソシアン酸についても、環境や健康等に対する影響を定量的に評価するために今後、測定の重要度が増すと予想される。なお、特許文献１でも尿素から分解反応により生じるイソシアン酸の量の算出方法が示されている。

ところで、特許文献１に示されるようなガス分析装置であっても排ガス中の残留尿素やイソシアン酸の測定精度や信頼性をさらに向上させることが求められている。

具体的には、排ガス中の残留尿素量を正確に測定するために残留尿素を採取管内において残らずアンモニアに分解させて、正確な残留尿素由来のアンモニアの量を取得する必要がある。しかしながら、現在のところミスト状態の尿素や水分が飛ばされた粉末状の尿素を十分に加熱して漏れなく分解することは十分には行えていない可能性がある。

一方、排ガスの熱により尿素から生成されるイソシアン酸の量を測定する場合には、採取管内において残留尿素の一部にでも熱分解が生じてしまうと、もともと排ガスの熱により生成されたイソシアン酸に加えて、採取管内で新たに発生したイソシアン酸が含まれてしまう。つまり、実際の車両から排出されるイソシアン酸の量よりも過剰な量で評価を行ってしまう可能性がある。

言い換えると、尿素又は尿素から生成されるイソシアン酸のいずれの測定においても、精度や信頼性を高めるためには、混合ガスに含まれる残留尿素の分解反応をよりうまく制御する必要がある。

また、粉末状の尿素が分解されることなくアンモニアセンサまでに到達すると、センサ部の表面等に付着し感度が低下し、測定値の信頼性が低下し、ひいては算出される尿素量やイソシアン酸量の算出値も不確かなものとなってしまう可能性があるという別の問題も存在する。

特開２０１０−２２３６５０号公報

本発明は、上述したような問題点を一挙に解決することを意図してなされたものであり、残留尿素量を算出する際には内燃機関から排出された排ガス中に含まれる残留尿素を漏れなく分解し、正確に残留尿素の量を測定できるようにし、イソシアン酸量を算出する際には、測定時において新たな尿素の分解を生じないようにしてより正確な値を算出できるようにするとともに、粉末状の尿素がセンサに付着する等して測定精度や信頼性が損なわれるのを防ぐことができるガス分析装置を提供する事を目的とする。

すなわち、本発明のガス分析装置は、内燃機関から排出された排ガス及びミスト状の尿素水が混合された混合ガスを一端側に形成された採取口において採取する混合ガス採取管と、前記混合ガス採取管内における尿素又はイソシアン酸の分解反応を制御する分解反応制御機構と、前記混合ガス採取管の他端側に設けられており、前記尿素水中の尿素又はイソシアン酸から生成される物質の量に関連する値を測定する生成物質測定機構と、前記生成物質測定機構で測定された測定値に基づいて、前記混合ガスに含まれていた尿素の量に関連する値である尿素量算出値を算出する算出部と、前記混合ガス採取管内において前記採取口と、前記生成物質測定機構との間に設けられており、前記混合ガス中の固体状態又は水に溶解している状態の尿素を捕集するフィルタ部をと、備え、前記分解反応制御機構が前記フィルタ部に作用するように構成されていることを特徴とする。

また、本発明のガス分析装置は、内燃機関から排出された排ガス及びミスト状の尿素水が混合された混合ガスを一端側に形成された採取口において採取する混合ガス採取管と、前記混合ガス採取管内における尿素又はイソシアン酸の分解反応を制御する分解反応制御機構と、前記混合ガス採取管の他端側に設けられており、前記尿素水中の尿素又はイソシアン酸から生成される物質の量に関連する値を測定する生成物質測定機構と、前記生成物質測定機構で測定された測定値に基づいて、前記混合ガスに含まれていたイソシアン酸の量に関連する値であるイソシアン酸量算出値を算出する算出部と、前記混合ガス採取管内において前記採取口と、前記生成物質測定機構との間に設けられており、前記混合ガス中の固体状態又は水に溶解している状態の尿素を捕集するフィルタ部と、を備え、前記分解反応制御機構が前記フィルタ部より下流に作用するように構成されていることを特徴とする。

このようなものであれば前記採取口と、前記生成物質測定機構との間に前記フィルタ部が設けられているので、前記採取管内において例えば粉末状態等の固体状態の尿素や、水に溶解している状態の尿素が当該フィルタ部により捕集されることになる。従って、前記分解反応制御機構により尿素の分解反応が開始されるように作用している場合に、分解が完全に終了するまえに尿素のまま前記生成物質測定機構まで到達することがなく、漏れなく尿素を分解させた後で尿素由来物質の量を測定することができる。そして、前記算出部は略全ての排ガス中に含まれる尿素が分解されてできた尿素由来物質の正確な量に基づいて尿素量の算出値を算出することができるので、排ガス中に含まれる残留尿素量を精度よく算出することができるようになる。また、前記分解反応制御機構により尿素の分解反応を開始させない場合においては、前記フィルタ部によって排ガス中に含まれる固体状の尿素や水に溶解した状態の尿素が前記生成物質測定機構に到達しないようにし、例えばセンサの感応部等へ尿素が付着して感度が低下することにより測定値の信頼性が低下する等といった事態を防ぐことができる。別の観点からすると、前記フィルタ部により固体状の尿素や水に溶解した状態の尿素を捕集しているので、これらの尿素に熱をかけないようにして熱分解させずに前記分解反応制御機構によりイソシアン酸だけを選択的に分解反応させるといったことが可能となる。従って、混合ガスに含まれていたイソシアン酸だけを対象とした測定が可能となりイソシアン酸の測定精度も向上させることができる。

このように前記ガス分析装置は前記フィルタ部を設けられているので、尿素又はイソシアン酸から生成される物質の測定値や尿素又はイソシアン酸の算出値の精度を高めることができるとともに、その信頼性も高いものとすることが可能となる。

排ガス中の尿素の分解反応を制御するための具体的な態様としては、前記分解反応制御機構が、前記フィルタ部の温度を制御するように構成されており、前記算出部が、前記混合ガスに含まれていた尿素の量に関連する値である尿素量算出値を算出するよう構成されたものであればよい。

混合ガス中に含まれる尿素の量を前記算出部により精度よく算出するための具体的な測定対象及び温度設定の態様としては、前記生成物質測定機構が、アンモニアの量に関連する値を測定するように構成されており、前記分解反応制御機構が、前記フィルタ部の温度を、水の蒸発する温度以上であり、かつ、尿素の熱分解反応によりアンモニア及びイソシアン酸の生成が開始される温度である熱分解開始温度未満の第１温度と、前記熱分解開始温度以上であり、かつ、イソシアン酸の加水分解反応によりアンモニアの生成が開始される温度である加水分解開始温度未満の第２温度と、に制御可能に構成されており、前記算出部が、前記生成物質測定機構により前記第１温度において測定された第１アンモニア測定値と、当該生成物質測定機構により前記第２温度において測定された第２アンモニア測定値と、に基づいて前記尿素算出値を算出するように構成されたものが挙げられる。

アンモニア以外の物質の量を測定することにより混合ガス中に含まれる尿素の量を算出するための別の態様としては、前記生成物質測定機構が、イソシアン酸の量に関連する値を測定するように構成されており、前記分解制御部が、前記フィルタ部の温度を、水の蒸発する温度以上であり、かつ、尿素の熱分解反応によりアンモニア及びイソシアン酸の生成が開始される温度である熱分解開始温度未満の第１温度と、前記熱分解開始温度以上であり、かつ、イソシアン酸の加水分解反応によりアンモニアの生成が開始される温度である加水分解開始温度未満の第２温度と、に制御可能に構成されており、前記算出部が、前記生成物質測定機構により前記第１温度において測定された第１イソシアン酸測定値と、当該生成物質測定機構により前記第２温度において測定された第２イソシアン酸測定値と、に基づいて前記尿素算出値を算出するように構成されたものが挙げられる。

内燃機関から排出された排ガスの熱により尿素が分解して生じた尿素由来物質の量と、排ガスの熱では分解されず残留していた尿素が前記分解反応制御機構により分解されて生じた尿素由来物質の量と、をそれぞれ正確に測定できるようにするには、前記第１温度が、１３３℃未満であり、前記第２温度が１３３℃以上１６０℃未満であればよい。このような温度に設定すれば第１温度では、尿素の分解反応を生じさせることなく、排ガス中にもともとあるアンモニアやイソシアン酸の量を前記採取管内で保つことができ、第２温度では、排ガス中に含まれていた尿素の分解反応により等量のアンモニアとイソシアン酸を生じさせることができる。また、第２温度ではイソシアン酸の加水分解反応を略生じないようにすることができるので、尿素に対するアンモニアの発生比率を略一定に保つことができ、尿素量算出値の算出精度を高めることができる。より好ましくは前記第１温度は４０℃以上１２８℃以下、前記第２温度は１３８℃以上１５５℃以下に設定する事が挙げられる。このような温度帯に設定すれば水分が配管等に結露しないようにするとともに、前記分解反応制御機構による温調のムラやずれを吸収できるようにして測定精度をより高めることができる。

混合ガス中に含まれる尿素から新たに分解反応が生じないようにすることで、前記算出部が混合ガス中に含まれるイソシアン酸の量を簡単な演算で精度よく算出できるようにするには、前記分解反応制御機構が、前記フィルタ部の下流における混合ガス採取管内の温度を制御するように構成されており、前記算出部が、前記混合ガスに含まれていたイソシアン酸の量に関連する値であるイソシアン酸量算出値を算出するよう構成されたものであればよい。

混合ガス中に含まれるイソシアン酸を直接測定するのではなく、より測定のし易い物質で測定を行い、簡単な演算で前記算出部がイソシアン酸の量を算出できるようにするためには、前記生成物質測定機構が、アンモニアの量に関連する値を測定するように構成されており、前記分解反応制御機構が、前記フィルタ部の温度を、水の蒸発する温度以上であり、かつ、尿素の熱分解反応によりアンモニア及びイソシアン酸の生成が開始される温度である熱分解開始温度未満の第１温度と、イソシアン酸の加水分解反応によりアンモニアの生成が開始される温度である加水分解開始温度以上の第３温度と、に制御可能に構成されており、前記算出部が、前記生成物質測定機構により前記第１温度において測定された第１アンモニア測定値と、当該生成物質測定機構により前記第３温度において測定された第３アンモニア測定値と、に基づいて前記イソシアン酸量算出値を算出するように構成されたものであればよい。

アンモニアのみを前記生物質測定機構が測定するだけで、前記算出部が混合ガスに含まれていたイソシアン酸の量を正確に算出できるようにするには、前記第１温度が、１３３℃未満であり、前記第３温度が１６０℃以上であればよい。温度制御の誤差等を考慮し測定値の信頼性をより高めるためには、前記第３温度を１６５℃以上に設定することが好ましい。

このように本発明のガス分析装置によれば、前記採取管の採取口と前記生成物質測定機構との間にフィルタ部が設けられているので、内燃機関から排出された排ガス中に含まれる残留尿素のうち、分解されずミスト状や粉末状の尿素を前記生成物質測定機構に到達する前に捕集することができる。そして、捕集された残留尿素は、前記フィルタ部において漏れなく分解することができ、略全ての残留尿素を分解した状態で前記生成物質測定機構において漏れなく測定を行うことができる。従って、従来であれば、前記生成物質測定機構を尿素の状態で通過していたために測定できていなかった残留尿素についても正確に測定でき、残留尿素量を正確に算出することができるようになる。また、前記フィルタ部において残留尿素を捕集しているので、混合ガス中に含まれていたイソシアン酸と分離することができ、尿素を熱分解させずにイソシアン酸だけを測定することができるので、混合ガス中に含まれていたイソシアン酸の量も正確に算出することができる。さらに、前記フィルタ部においてミスト状又は粉末状の尿素は、捕集されて前記生成物質測定機構まで到達するのを防ぐことができ、粉末状の尿素がセンサに付着する等して測定精度や信頼性が損なわれるのを防ぐことができる。

尿素ＳＣＲシステムの概念図。本発明の第１実施形態に係るガス分析装置を示す模式図。本発明の第２実施形態に係るガス分析装置を示す模式図。本発明の第３実施形態に係るガス分析装置を示す模式図。本発明の第４実施形態に係るガス分析装置を示す模式図。従来のガス分析装置を示す模式図。

１００・・・ガス分析装置
１・・・混合ガス採取管
１１１・・・採取口
２１・・・アンモニアセンサ（生成物質測定機構）
２２・・・フーリエ変換型赤外分光分析装置（生成物質測定機構）
３・・・分解反応制御機構
４・・・フィルタ部
５・・・算出部

本発明の第１実施形態について図面を参照しながら説明する。
本実施形態のガス分析装置１００は、尿素ＳＣＲシステム２００が搭載された車両から排出されるガスに残留する尿素量を測定するためのものである。前記車両は内燃機関９２としてディーゼルエンジンを搭載したものであり、前記ディーゼルエンジンに接続された排気管９１上に前記尿素ＳＣＲシステム２００が形成してある。

前記尿素ＳＣＲシステム２００は、図１に示すように排気管９１上において上流から順に第１酸化触媒９３、排気管９１内に尿素を注入する尿素注入機構９６、ＳＣＲ触媒９４、第２酸化触媒９５、から構成されており、尿素注入機構９６から注入された尿素が分解して生じたアンモニアとＳＣＲ触媒９４の働きにより、第１酸化触媒９３を通過したＮＯやＮＯ_２は窒素と水に還元される。

より具体的には、前記尿素ＳＣＲシステム２００において前記尿素注入機構９６は、尿素を水に溶解させて３２．５％の尿素水としたものをミスト状にして前記排気管９１内に射出するものであり、尿素の熱分解を生じやすくしてある。すなわち、前記尿素注入機構９６とＳＣＲ触媒９４との間においては、内燃機関９２から排出された排ガスと、ミスト状の尿素水は混合された混合ガスの状態となっている。

ここで、前記尿素注入機構９６により注入される尿素の量が過剰であり、ＮＯやＮＯ_２を還元するのに必要な量より多くのアンモニアが発生してしまうと、ＮＯやＮＯ_２を還元する際に消費されなかったアンモニアが車両から排出されるガスに含まれることになり環境基準を満たせなくなる恐れがある。また、前記尿素注入機構９６から注入された尿素のうちどの程度の割合が、排ガスの熱により分解してアンモニアが発生しているのかも把握して、運転条件等に応じて注入する尿素量を適切な値にする必要がある。

本実施形態のガス分析装置１００は、上述したような尿素ＳＣＲシステム２００における課題を解決するために、前記尿素注入機構９６と前記ＳＣＲ触媒９４との間における残留尿素量を測定するように構成してある。

より具体的には、前記ガス分析装置１００は、図２に示すように前記排気管９１において前記尿素注入機構９６と前記ＳＣＲ触媒９４との間に採取口１１１が形成してあり、排ガスと尿素水の混合ガスを採取する混合ガス採取管１と、前記混合ガス採取管１内に設けられた前記混合ガス中の固体状態又は水に溶解している状態の尿素を捕集するフィルタ部４と、前記混合ガス採取管１内における尿素の分解反応を制御する分解反応制御機構３と、前記混合ガス採取管１の他端側に設けられており前記尿素水中の尿素から生成される物質の量に関連する値を測定する生成物質測定機構と、前記生成物質測定機構で測定された測定値に基づいて、前記混合ガスに含まれていた尿素の量に関連する値である尿素量算出値を算出する算出部５と、を備えたものである。

ここで、第１実施形態のガス分析装置１００では、分解反応制御機構３は、前記採取管１内の温度を制御することにより尿素の分解反応を制御するものであり、前記生成物質測定機構は、尿素の分解により生じるアンモニアを測定するためのアンモニアセンサ２１である。そして、算出部５は前記アンモニアセンサ２１で測定されたアンモニアの量に基づいて、前記排気管９１において排ガスの熱により分解されずに残留していた尿素の量を算出するように構成してある。

各部についてさらに詳述する。

前記混合ガス採取管１は、採取口１１１から分岐点までを形成する導入部１１と、分岐点から２つの流路に分岐し合流点において再び１つに合流する分岐部１２と、分岐点から前記生成物質測定機構までの配管を形成する終端部１３と、から構成してある。前記導入部１１では、前記排気管９１から導入された排ガスをそのままの状態で流すようにしてある。前記分岐部１２は、第１流路１２１と第２流路１２２を備え、各流路には前記フィルタ部４が設けてある。そして、後述する分解反応制御機構３により、分岐点及び合流点に設けられた切替弁Ｂを切り替えることによっていずれか一方の流路にのみ混合ガスを流すとともに、尿素の分解条件がそれぞれ異なるように構成してある。前記第１流路１２１又は前記第２流路１２２を通過した混合ガスは、前記終端部１３を通って前記アンモニアセンサ２１に到達する。

前記フィルタ部４は、前記分岐部１２において前記第１流路１２１及び第２流路１２２のそれぞれに設けられた第１フィルタ４１と第２フィルタ４２とからなるものであり、混合ガス中に含まれる固形状物質又は液状物質を捕集するためのガラス繊維フィルタである。特に本実施形態におけるガラス繊維フィルタは、混合ガス中に含まれているミスト状の尿素水、又は、尿素水の溶媒である水が蒸発して固体粉末状となった尿素を捕集可能な密度のフィルタにしてある。

前記分解反応制御機構３は、前記第１流路１２１及び前記第２流路１２２の外側にそれぞれ設けられた第１ヒータ３１及び第２ヒータ３２と、前記第１ヒータ３１及び第２ヒータ３２により第１流路１２１及び第２流路１２２内の温度をそれぞれ別々に制御する温度制御部３３とから構成してある。この温度制御部３３は前記算出部５とともに、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータ、入出力インターフェースを備えたいわゆるコンピュータによりその機能を発揮するように構成してある。

前記温度制御部３３は、前記第１流路１２１にのみ混合ガスが流れるように前記切替弁Ｂが切り替えられた状態において、前記第１流路１２１中において特に第１フィルタ４１近傍の温度を水の蒸発する温度以上であり、かつ、尿素の熱分解反応によりアンモニア及びイソシアン酸の生成が開始される温度である熱分解開始温度の未満の第１温度に前記第１ヒータ３１によって制御するよう構成してある。より具体的には、前記第１温度は１３３℃未満に設定してある。配管に対する結露を防止する効果や、温調のムラやズレを考慮すれば、前記第１温度は４０℃以上１２８℃以下に設定するのが好ましい。すなわち、この第１流路１２１に混合ガスが流れる場合には、排気管９１において尿素が分解して生成されたアンモニアを量が保たれるようにしてあり、残留している尿素については熱分解が生じないように１１３℃に保つように温度調整をしている。

また、前記温度制御部３３は、前記第２流路１２２にのみ混合ガスが流れるように前記切替弁Ｂが切り替えた状態において、前記第２フィルタ４２近傍の温度を前記熱分解開始温度以上であり、かつ、イソシアン酸の加水分解反応によりアンモニアの生成が開始される温度である加水分解開始温度未満の第２温度に前記第２ヒータ３２によって制御するようにしてある。より具体的には、前記第２温度は、１３３℃以上１６０℃未満となるようにしてある。この第２温度も温調のムラやズレを考慮し、より信頼できる測定値にするには、１３８℃以上１５５℃以下に設定するのが好ましい。本実施形態では、前記温度制御部３３は、確実に尿素の熱分解が開始されるように１３５℃以上１６０℃未満で第２流路１２２内が保たれるように温度制御を行っている。このような第２温度に設定することにより第２流路１２２、特に第２フィルタ４２においては温度が１３３℃よりも高いため以下のような熱分解反応が生じることになる。

（ＮＨ_２）_２ＣＯ→ＮＨ_３＋ＮＨ＝Ｃ＝Ｏ・・・（化学式１）

ここで（ＮＨ_２）_２ＣＯ：尿素、ＮＨ＝Ｃ＝Ｏ：イソシアン酸である。

なお、１６０℃以上で水が存在する状態であればイソシアン酸に化学式２で示すような加水分解反応が生じる。

ＮＨ＝Ｃ＝Ｏ＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_３＋ＣＯ_２・・・（化学式２）

従って、尿素を基準とした化学式に書きなおすと以下のようになる。

（ＮＨ_２）_２ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→２ＮＨ_３＋ＣＯ_２・・・（化学式３）

つまり、第２温度の設定の仕方によっては、尿素に対してアンモニアが化学式１に示すように１対１の関係で生成されるか、化学式３で示すように１対２の関係で生成されるかが決まる。後述するようにアンモニアの測定量から残留尿素量を算出する際に算出誤差が小さくなるように、本実施形態では、第２温度を加水分解反応温度以下に設定することで、常に尿素に対してアンモニアが１対１の関係で生成されるようにしてある。

さらに、上述した化学式以外にも尿素を加熱することによりビウレットやシアヌル酸が生成され、アンモニアの収率が変化する場合がある。より具体的に説明すると、尿素を１３３℃よりも高い温度で加熱した場合、以下の化学式４に示すように結晶となったビウレットと気体のアンモニアが発生する。

２（ＮＨ_２）_２ＣＯ→Ｈ_２Ｎ−ＣＯ−ＮＨ−ＣＯ−ＮＨ_２＋ＮＨ_３・・・（化学式４）

ここで、Ｈ_２Ｎ−ＣＯ−ＮＨ−ＣＯ−ＮＨ_２はビウレットである。

さらに、１８８℃よりも高い温度でビウレットが加熱されると、以下の化学式５に示されるようにビウレットから固体のシアヌル酸とアンモニアが生成される。

３Ｈ_２Ｎ−ＣＯ−ＮＨ−ＣＯ−ＮＨ_２→２Ｃ_３Ｈ_３Ｎ_３Ｏ_３＋３ＮＨ_３・・・（化学式５）

ここで、Ｃ_３Ｈ_３Ｎ_３Ｏ_３はシアヌル酸である。

本実施形態ではシアヌル酸が生成される１８８℃より低い温度に前記第２温度を設定しているので、残留尿素と新たに生成されるアンモニアの生成量の関係を略１対１に保つことができる。従って、前記算出部５が残留尿素量の算出する際に正確な値を算出できる。

前記生成物質測定機構であるアンモニアセンサ２１はジルコニアにより感応部が形成され、アンモニアに対してのみ応答性を有するものであり、例えば、イソシアン酸がアンモニアセンサ２１に到達したとしても測定値としては出力されない。そしてこのアンモニアセンサ２１は混合ガス中に含まれるアンモニアの濃度を出力するように構成してある。

前記算出部５は、前記第１流路１２１に混合ガスを流し、前記第１流路１２１内で前記第１温度に保たれた状態において測定されたアンモニアの濃度である第１アンモニア測定値と、前記第２流路１２２に混合ガスを流し、前記第２流路１２２内で前記第２温度に保たれた状態において測定されたアンモニアの濃度である第２アンモニア測定値と、に基づいて前記排気管９１において分解されていなかった残留尿素量である尿素量算出値を算出するように構成してある。より具体的には、前述した化学式１から第２アンモニア測定値と第１アンモニア測定値の差分が、残留していた尿素が熱分解する事により生じたアンモニア量であることに基づいて、前記算出部５は尿素量算出値を算出する。例えば、前記算出部５は、前記第２アンモニア測定値と第１アンモニア測定値の差分に基づいて、アンモニアのモル数を算出し、化学式１に基づいて当量のモル数の尿素が残留していたとして尿素量算出値を出力するようにしてある。

このように第１実施形態のガス分析装置１００によれば、前記第１流路１２１及び前記第２流路１２２にそれぞれ設けられた第１フィルタ４１及び第２フィルタ４２によって、混合ガス中に残留している粉末状やミスト状の尿素を捕集することができる。従って、残留していた尿素が分解されずに前記アンモニアセンサ２１に到達し、すべての尿素をアンモニアに分解できないことにより生じる測定誤差をほとんど無くすことができる。また、粉末状の尿素等の固体物質が前記アンモニアセンサ２１に付着することにより感度が低下するのを防ぐことができる。

また、前記分解反応制御機構３については、化学式１に示した尿素の熱分解のみが生じるように温度制御を行っているので、例えば加水分解反応等とともにシアヌル酸やビウレット等の別の反応系が生じることにより残留尿素量の推定に誤差が生じるのを防ぐことができる。

これらのことから、尿素ＳＣＲシステム２００において前記尿素注入機構９６から排気管９１に注入された尿素の量が適正な値であるかどうかについてより、厳密な値で検証することができ、信頼度の高いガス分析装置１００とすることができる。

次に本発明の第２実施形態について説明する。以下の説明では前記第１実施形態で示した部材と対応する部材には同じ符号を付すこととする。

第２実施形態のガス分析装置１００では、図３に示すようにアンモニアではなくイソシアン酸を測定することによって混合ガス中に残留していた尿素の量を測定するように構成してある。

より具体的には、前記生成物質測定機構が、アンモニアセンサ２１ではなくフーリエ変換型赤外分光（ＦＴＩＲ）分析装置２２に置き換えられている。また、前記算出部５も、前記生成物質測定機構により前記第１温度において測定された第１イソシアン酸測定値と、当該生成物質測定機構により前記第２温度において測定された第２イソシアン酸測定値と、に基づいて前記尿素算出値を算出するように構成してある。

言い換えると、前記算出部５は、前述した化学式１に基づいて、尿素が熱分解した場合１対１でシソシアン酸が生成されることに基づいて残留尿素量を算出するものであり、第２イソシアン酸測定値と第１イソシアン酸測定値の差分から残留尿素のｍｏｌ数等を算出する。

このようなものであっても、排ガスに残留していた尿素の量を測定することができる。

さらに、本発明の第３実施形態について説明する。以下の説明では前記第１実施形態で示した部材と対応する部材には同じ符号を付すこととする。

前記分解反応制御機構３は、第１ヒータ３１及び第２ヒータ３２により第１流路１２１及び第２流路１２２の温度を調節することで、尿素の熱分解を生じさせない状態と、尿素の熱分解のみを生じさせるように構成していたが、第３実施形態では電気分解により尿素をアンモニアに変化させて尿素量を算出するようにしている。

より具体的には、図４に示すように前記第２フィルタ４２が導電性のものであり、前記分解反応制御機構３が、前記第２フィルタ４２に対して交流電圧を印加する電源部３４と、前記電源部３４が印加する電圧を制御する電圧制御部３５と、から構成してある。また、前記採取管１内においては残留している尿素に分解反応が生じないように前記第１温度未満で温度が保たれている。

第３実施形態のガス分析装置１００では、前記電源部３４により前記第２フィルタ４２において放電を生じさせ、尿素からアンモニアを生じさせるようにしている。また、前記電圧制御部３５は、前記電源部３４により生じさせる放電によって尿素からアンモニアが生じるのに適した電圧を印加するように構成してある。

このようなものであっても、放電によりアンモニア量が増加している第２アンモニア測定値と分解反応を生じさせていない第１アンモニア測定値との差分から排ガスに残留していた尿素の量を前記算出部５により算出することができる。

さらに、本発明の第４実施形態について説明する。以下の説明では前記第１実施形態で示した部材と対応する部材には同じ符号を付すこととする。

第４実施形態のガス分析装置は、混合ガスに含まれていたイソシアン酸の量を、アンモニアを測定することにより算出するよう構成してある。より具体的には、図５に示すように混合ガス採取管１が、途中で２つに分岐して、前記第１流路１２１、前記第２流路１２２が形成してあり、各流路１２１、１２２上に上流から順に、前記フィルタ部４を構成する第１フィルタ４１、第２フィルタ４２と、分解反応制御機構３を構成する第１ヒータ３１、第２ヒータ３２と、各流路１２１、１２２の終端にそれぞれ設けられたアンモニアセンサ２１と、が設けてある。すなわち、前記第１、第２実施形態とは異なり、前記第１ヒータ３１及び第２ヒータ３２は、前記フィルタ部４自体の加熱は行わず、前記フィルタ部４を通過した混合ガスのみを加熱できるように前記フィルタ部４の下流に設けてある。そして、前記算出部５は、前記第１乃至第３実施形態とは異なり、尿素量ではなく、前記混合ガスに含まれていたイソシアン酸の量に関連する値であるイソシアン酸量算出値を算出するように構成してある。

以下では、第４実施形態における前記各ヒータ３１、３２を制御する温度制御部３３と、前記算出部５の構成及び動作について説明する。

前記温度制御部３３は、第１フィルタ４１を通過した混合ガスの温度を、水の蒸発する温度以上であり、かつ、尿素の熱分解反応によりアンモニア及びイソシアン酸の生成が開始される温度である熱分解開始温度の未満の第１温度に前記第１ヒータ３１によって制御するよう構成してある。より具体的には、前記第１温度は１３３℃未満に設定してある。より好ましくは、前記第１温度は、４０℃以上１２８℃未満に設定される。すなわち、この第１流路１２１に混合ガスが流れる場合には、結露を防ぎつつ排気管９１において尿素が分解して生成されたアンモニア及びイソシアン酸の量が変化しないように保たれるようにしてあり、混合ガス中に含まれるイソシアン酸の分解が生じないように１１３℃に保つように温度調整をしている。

また、前記温度制御部３３は、前記第２流路１２２については、前記第２フィルタ４２を通過した混合ガスの温度をイソシアン酸の加水分解反応によりアンモニアの生成が開始される温度である加水分解開始温度以上の第３温度となるように前記第２ヒータ３２によって制御するようにしてある。より具体的には、前記第３温度は、１６０℃以上となるようにしてある。温調のムラやズレを考慮する場合には、前記第３温度は１６５℃以上に設定するのが好ましい。第４実施形態では、前記第２フィルタ４２により残留尿素が捕集されているので、前記第２フィルタ４２よりも下流にある前記第２ヒータ３２では、尿素は存在せず１６０℃以上に加熱されても、イソシアン酸の加水分解のみが生じることになる。

前記算出部５は、前記第１流路１２１を流れる混合ガスが前記第１温度に保たれた状態において測定されたアンモニアの濃度である第１アンモニア測定値と、前記第２流路１２２に流れる混合ガスが前記第３温度に保たれた状態において測定されたアンモニアの濃度である第３アンモニア測定値と、に基づいて前記排気管９１において尿素が分解することにより生じたイソシアン酸の量であるイソシアン酸量算出値を算出するように構成してある。より具体的には、前述したイソシアン酸の加水分解に関する式である化学式２から第３アンモニア測定値と第１アンモニア測定値の差分が、混合ガスにもともと含まれていたイソシアン酸の量であることに基づいて、前記算出部５は、イソシアン酸量算出値を算出する。例えば、前記算出部５は、前記第３アンモニア測定値と前記第１アンモニア測定値の差分に基づいて、アンモニアのモル数を算出し、化学式２に基づいて等量のモル数のイソシアン酸が混合ガスに含まれていたとしてイソシアン酸量算出値を出力するようにしてある。

このように、第４実施形態のガス分析装置１００によれば、前記第１ヒータ３１及び第２ヒータ３２により混合ガスの加熱を開始する前に、前記第１フィルタ４１及び前記第２フィルタ４２により残留していた尿素を捕集するようにしてあるので、測定時において、新たに尿素が分解することによりアンモニアやイソシアン酸の量が変動するのを防ぐことができる。従って、もともと混合ガスに含まれていたアンモニア及びイソシアン酸から加水分解により生じたアンモニアだけを測定することができ、前記算出部５は、アンモニアの測定値から正確に混合ガスに含まれていたイソシアン酸の量を算出することができる。

第４実施形態の変形例について説明する。

前記算出部５は、第１アンモニア測定値と第３アンモニア測定値に基づいてイソシアン酸の正確な量を算出するように第４実施形態では構成されていたが、例えば、前記算出部５が、混合ガス中にイソシアン酸が含まれているかどうかを算出するようにしても構わない。例えば、前記算出部５は、第３アンモニア測定値と第１アンモニア測定値の差分が所定値以上である場合には、イソシアン酸が混合ガスに含まれていたと判定し、前記差分が略ゼロの場合にはイソシアン酸が混合ガスに検出されるほどは含まれていなかったと判定するように構成したものが挙げられる。このようなものであっても、混合ガス中に含まれているイソシアン酸の有無や、イソシアン酸が規定量以上含まれているかどうかについて精度よく判定することができる。また、混合ガス中に含まれている固体尿素の有無に関しても同様に判定することができる。

その他の実施形態について説明する。

前記各実施形態では、排ガスに本来含まれていたアンモニア又はイソシアン酸をそのまま前記生成物質測定機構に到達させるための第１流路と、残留していた尿素を分解した混合ガスを前記尿素由来物質測定器に到達させるための第２流路とをそれぞれ備えたものであったが、共通の流路において温度制御等により反応状態を切り替えることで残留尿素量を算出するために必要な２つのアンモニア測定値又はイソシアン酸測定値を測定できるようにしても構わない。

また、前記算出部は尿素に対してアンモニア又はイソシアン酸が１対１で生成される理想状態を前提として混合ガスに残留している尿素量を算出していたが、例えばビゥレットやシアヌル酸の発生による収率の低下を加味して補正するようにしても構わない。具体的には、混合ガス採取管内に設定される温度条件に基づいて、アンモニア又はイソシアン酸の収率を予め測定しておき、その収率に基づいて尿素の量を補正するようにすればよい。補正を行う際には、前記化学式４、化学式５のアンモニアの発生比率に基づいて補正を加えてもよい。また、第２温度の範囲としては、前記シアヌル酸が発生しないようにして測定誤差を小さくするために、１３３℃以上１８８℃未満に設定しても構わない。

アンモニア、イソシアン酸、尿素の測定値や算出値は量に関連する値であればよく、例えば濃度、mol数、流量等であればよい。

前記生成物質測定機構としては、ジルコニウムを用いたアンモニアセンサやＦＴＩＲ以外の測定器又は測定装置を用いたものであっても構わない。例えばレーザによりアンモニアとイソシアン酸の測定を行っても構わない。要するに、測定値が対象としていない物質の影響により大きく測定値が変化しないものであれば構わない。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わないことは言うまでもない。

このように本発明のガス分析装置によれば、従来であれば、前記生成物質測定機構を尿素の状態で通過していたために測定できていなかった残留尿素についても正確に測定でき、残留尿素量を正確に算出することができる。従って、本発明を適用することにより尿素ＳＣＲ等の研究等に用いられるのに適した排ガス分析装置を提供することができる。

Claims

内燃機関から排出された排ガス及びミスト状の尿素水が混合された混合ガスが流れる排気管内に一端側に形成された採取口が開口し、前記混合ガスを当該採取口において採取する混合ガス採取管と、
前記混合ガス採取管内における尿素又はイソシアン酸の分解反応を制御する分解反応制御機構と、
前記混合ガス採取管の他端側に設けられており、前記尿素水中の尿素又はイソシアン酸から生成される物質の量に関連する値を測定する生成物質測定機構と、
前記生成物質測定機構で測定された測定値に基づいて、前記混合ガスに含まれていた尿素の量に関連する値である尿素量算出値を算出する算出部と、
前記混合ガス採取管内において前記採取口と、前記生成物質測定機構との間に設けられており、前記混合ガス中の固体状態又は水に溶解している状態の尿素を捕集するフィルタ部と、を備え、
前記分解反応制御機構が前記フィルタ部に作用するように構成されていることを特徴とするガス分析装置。
前記分解反応制御機構が、前記フィルタ部の温度を制御するように構成されている請求項１記載のガス分析装置。
前記生成物質測定機構が、アンモニアの量に関連する値を測定するように構成されており、
前記分解反応制御機構が、前記フィルタ部の温度を、尿素の熱分解反応によりアンモニア及びイソシアン酸の生成が開始される温度である熱分解開始温度未満の第１温度と、前記熱分解開始温度以上であり、かつ、イソシアン酸の加水分解反応によりアンモニアの生成が開始される温度である加水分解開始温度未満の第２温度と、に制御可能に構成されており、
前記算出部が、前記生成物質測定機構により前記第１温度において測定された第１アンモニア測定値と、当該生成物質測定機構により前記第２温度において測定された第２アンモニア測定値と、に基づいて前記尿素算出値を算出するように構成された請求項２記載のガス分析装置。
前記生成物質測定機構が、イソシアン酸の量に関連する値を測定するように構成されており、
前記分解制御部が、前記フィルタ部の温度を、尿素の熱分解反応によりアンモニア及びイソシアン酸の生成が開始される温度である熱分解開始温度未満の第１温度と、前記熱分解開始温度以上であり、かつ、イソシアン酸の加水分解反応によりアンモニアの生成が開始される温度である加水分解開始温度未満の第２温度と、に制御可能に構成されており、
前記算出部が、前記生成物質測定機構により前記第１温度において測定された第１イソシアン酸測定値と、当該生成物質測定機構により前記第２温度において測定された第２イソシアン酸測定値と、に基づいて前記尿素算出値を算出するように構成された請求項２記載のガス分析装置。
前記第１温度が、１３３℃未満であり、前記第２温度が１３３℃以上１６０℃未満である請求項３記載のガス分析装置。
内燃機関から排出された排ガス及びミスト状の尿素水が混合された混合ガスを一端側に形成された採取口において採取する混合ガス採取管と、
前記混合ガス採取管内における尿素又はイソシアン酸の分解反応を制御する分解反応制御機構と、
前記混合ガス採取管の他端側に設けられており、前記尿素水中の尿素又はイソシアン酸から生成される物質の量に関連する値を測定する生成物質測定機構と、
前記生成物質測定機構で測定された測定値に基づいて、前記混合ガスに含まれていたイソシアン酸の量に関連する値であるイソシアン酸量算出値を算出する算出部と、
前記混合ガス採取管内において前記採取口と、前記生成物質測定機構との間に設けられており、前記混合ガス中の固体状態又は水に溶解している状態の尿素を捕集するフィルタ部と、を備え、
前記分解反応制御機構が前記フィルタ部より下流に作用するように構成されていることを特徴とするガス分析装置。
前記分解反応制御機構が、前記フィルタ部より下流における混合ガス採取管内の温度を制御するように構成されている請求項６記載のガス分析装置。
前記生成物質測定機構が、アンモニアの量に関連する値を測定するように構成されており、
前記分解反応制御機構が、前記フィルタ部より下流における混合ガス採取管内の温度を、尿素の熱分解反応によりアンモニア及びイソシアン酸の生成が開始される温度である熱分解開始温度未満の第１温度と、イソシアン酸の加水分解反応によりアンモニアの生成が開始される温度である加水分解開始温度以上の第３温度と、に制御可能に構成されており、
前記算出部が、前記生成物質測定機構により前記第１温度において測定された第１アンモニア測定値と、当該生成物質測定機構により前記第３温度において測定された第３アンモニア測定値と、に基づいて前記イソシアン酸量算出値を算出するように構成された請求項７記載のガス分析装置。
前記第１温度が、１３３℃未満であり、前記第３温度が１６０℃以上である請求項８記載のガス分析装置。