JP6199167B2 - 排ガス測定装置及び排ガス測定プログラム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの排ガスに含まれる各成分の濃度等を測定する排ガス測定装置に関し、特に各成分の濃度に基づいてエンジンの燃料消費量を測定する際に好適に用いられるものに関する。

エンジン排ガス中の主な成分は、Ｎ_２、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２、ＣＯ、およびＨ_２である。これらの成分の濃度および濃度比は空燃比によって異なるため、空燃比が測定できれば、その時点での他の各成分の濃度が算出できる。また、その結果から排ガスの密度を算出することもできるし、加えて排ガス流量を測定しておけば、単位時間当たりの燃料消費量や燃費も算出することができる。

そこで従来、自動車のテールパイプに排ガスサンプリング管を接続して、排ガスを全量サンプリングするとともに、このサンプリング管に例えばジルコニア式の空燃比センサを取着し、この空燃比センサによって得られた実測空燃比から排ガスの各成分濃度を算出したり、燃料消費量等の種々の物理量を算出したりする排ガス測定装置が開発されている。

このような排ガス測定装置の特徴は、応答性が良いことや完成車にも容易に適用できることであり、例えば、燃料カットや電気駆動への切り替えが頻繁に行われる自動車の燃料消費量測定等に好適に用いられる。

特開平２−２３４０２１号公報

ところで、前記ジルコニア式の空燃比センサとは、燃焼がリーン領域に含まれる場合には、排ガス中にＯ_２が残存することから理論空燃比に対するＯ_２濃度の増分に基づいて空燃比を算出し、燃焼がリッチ領域に含まれる場合には排ガス中に可燃成分（ＨＣ、ＣＯ、Ｈ_２）が含まれることから、これらの理論空燃比に対する濃度の増分に基づいて空燃比を算出するものである。

しかしながら、例えばエンジンや排ガスが十分に温まっていないコールドスタートのときなどでは、排ガス中のＨ_２Ｏが排気管内で結露し、前記空燃比センサによる測定ポイントに至るまでに多くのＨ_２Ｏが欠落する。そのため、エンジンから排出された直後の排ガスに比べ、前記測定ポイントでの排ガスは、Ｈ_２Ｏが欠落した分、各成分の濃度が変化している（具体的には真値よりも高くなっている）。

そして、前記空燃比センサは、Ｈ_２Ｏが失われたあとの排ガスのＯ_２濃度又は可燃成分濃度に基づいて空燃比を測定しているため、その測定した空燃比にも誤差が生じていると考えられる。
そこで、本願発明は、空燃比をはじめとする、排ガスに係る燃料消費量等の種々の物理量を精度よく測定することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明は、エンジンから排出される排ガスの温度を測定する温度センサと、前記排ガスが流れる排ガス流路に設けられた空燃比センサとを利用した排ガス測定装置に係るものであって、以下の構成要件を備えていることを特徴とするものである。
（１）排ガスに含まれる各成分の濃度及び空燃比の関係を格納している関係データ格納部。
（２）前記関係データ格納部を参照することによって、前記空燃比センサから得られた実測空燃比に対応するＨ_２Ｏ濃度である仮Ｈ_２Ｏ濃度を算出する仮濃度算出部。
（３）前記温度センサから得られた排ガス温度における飽和水蒸気濃度と前記仮Ｈ_２Ｏ濃度とに基づいて、エンジンからの排出後、空燃比センサの測定ポイントに至るまでの間で結露等によって欠落したＨ_２Ｏの量である欠落Ｈ_２Ｏ量を算出する欠落Ｈ_２Ｏ算出部。

このようなものであれば、欠落したＨ_２Ｏ量を算出できるので、その欠落Ｈ_２Ｏ量を考慮に入れることによって、エンジンから排出された直後の排ガスをより精度よく分析でき、例えば、空燃比や各成分の濃度、あるいは、それらから求められる燃料消費量等の測定精度を向上させることができる。
なお、温度センサは、空燃比センサよりも排ガス流路の上流側に設けられていれば、本発明の効果が顕著となるが、位置関係が逆でも構わない。

空燃比の測定精度を向上させるためには、以下の構成（４）をさらに備えているものが好ましい。
（４）前記欠落Ｈ_２Ｏ量を加味して前記実測空燃比を補正する空燃比補正部。

成分濃度の測定精度を向上させるためには、以下の構成（５）をさらに備えているものが好ましい。
（５）補正した実測空燃比である補正空燃比に対応する各成分の濃度を、前記関係データ格納部を参照することによって算出する成分濃度算出部。

燃料消費量の測定精度を向上させるためには、以下の構成（６）及び（７）をさらに備えているものが好ましい。
（６）前記成分濃度算出部で算出された各成分の濃度に基づいて、排ガス密度を算出する密度算出部。
（７）前記排ガス密度及び前記補正空燃比に基づいてエンジンの燃料消費量を算出する燃料消費量算出部。

成分濃度は、（４）及び（５）に記載したように、補正空燃比を介して算出することもできるが、下記構成（８）によっても算出することができる。
（８）前記仮濃度算出部が、前記関係データ格納部を参照することによって、前記空燃比センサから得られた実測空燃比に対応する各成分の濃度を算出するものであるとともに、前記仮濃度算出部が算出した各成分の濃度のうちの一の成分の濃度を、前記欠落Ｈ_２Ｏ量を加味して補正し、補正した一の成分の濃度に対応する他の各成分の濃度を、前記関係データ格納部を参照することによって算出する成分濃度算出部をさらに具備していること。

このように構成した本発明によれば、例えばエンジンや排ガスが十分に温まっていないコールドスタートのときなどに生じる、排ガス中のＨ_２Ｏの測定ポイントに至るまでのＨ_２Ｏの欠落量を算出できる。

したがって、その欠落Ｈ_２Ｏ量を考慮に入れることによって、エンジンから排出された直後の排ガスをより精度よく分析でき、例えば、空燃比や各成分の濃度、あるいは、それらから求められる燃料消費量等の測定精度を向上させることができるようになる。

本実施形態の燃料消費量測定装置の構成を模式的に示す図。 同実施形態の具体的な装置構成を示す模式図。 同実施形態の整流板の構成を示す正面図及び側面図。 本実施形態の燃料消費量演算装置の機能ブロック図。 本実施形態の関係データ格納部の内容を示す内容図。 空燃比と排ガス密度との関係を示すグラフ。 本実施形態の飽和蒸気データ格納部の内容を示す内容図。 変形実施形態の燃料消費量測定装置の構成を模式的に示す図。

以下に本発明に係る排ガス測定装置について図面を参照して説明する。
＜全体構成＞

本実施形態の排ガス測定装置は、エンジンの燃料消費量（例えば燃費又は燃料消費率）を測定する燃料消費量測定装置１００として使用されるものであり、図１、図２に示すように、エンジン排気管のテールパイプ（図示しない）に直接接続されたサンプリング管８と、該サンプリング管８を流れる排ガスの流量Ｑ_ＥＸを直接測定する流量センサ２と、この流量センサ２よりも下流側において前記サンプリング管８に取り付けられた空燃比センサ３と、前記流量センサ２により得られた排ガス流量及び前記空燃比センサ３により得られた実測空燃比を用いてエンジンの燃料消費量を算出する燃料消費量演算装置４（以下、単に演算装置４ともいう。）とを備えている。以下に各部を説明する。
＜各部構成１：サンプリング管＞

前記サンプリング管８は、図１、図２に示すように、エンジンから排出される排ガスの全量が導入されるように、その一端部Ｐ１がテールパイプに直接接続された例えばステンレス製の直管であり、請求項で言う排ガス流路を構成する。このサンプリング管８の側周面はヒータＨで覆ってあり、排ガスに含まれる成分の凝集を防いで後述する種々の測定をより精度良く行えるように構成してある。

また、このサンプリング管８は、別に設けた筐体５に貫通させてあって、この筐体５の内部に、前記流量センサ２や燃料消費量演算装置４等が収容してある。このサンプリング管８と筐体５との間には防振機構１０が介在させてあり、車両排気管の振動に起因するサンプリング管８の振動が筐体５には直接的には伝わらないようにして、筐体５に取り付けられた後述する演算処理装置（例えば演算部２３、演算部３２及び演算装置４）等の機器に及ぼす振動影響の低減を図っている。具体的にこの防振機構１０は、支持部材１１の下面と筐体５の底面との間に設けられた防振ゴム１０１により構成されている。

なお、サンプリング管８が排気管とともに振動する構成にしているため、サンプリング管８が、振動して筐体５の側壁開口部５１、５２に接触しないように、筐体５の側壁開口部５１、５２の開口径を、直管部材８の外径よりも大きくしている。
＜各部構成２：流量センサ＞

前記流量センサ２は、ここでは、例えば超音波式のものを用いている。この超音波流量センサ２は、図１、図２に示すように、サンプリング管８によって形成される排ガス流路Ｒの流路方向に対して傾斜するように互いに対向して配置された対をなす第１超音波送受信器２１及び第２超音波送受信器２２と、一方の超音波送受信器２１（又は２２）に送信信号を出力するとともに、他方の超音波送受信器２２（又は２１）から受信信号を取得することで超音波パルスの伝播時間を検出し、排ガス流速及び排ガス流量を算出する演算部２３とを備えたものである。

これら対をなす超音波送受信器２１、２２は、筐体５内におけるサンプリング管８の側壁に設けた差し込み孔８１に差し込まれて固定されている。超音波送受信器２１、２２の外側周面と差し込み孔８１の内側周面との間には、Ｏリング等の電気絶縁部材９が介在させてあり、これによって、超音波送受信器２１、２２とサンプリング管８とを絶縁させ、サンプリング管８から超音波送受信器２１、２２に伝わる電気ノイズを軽減できるように構成してある。なお、電気ノイズ抑制機能は、前記防振ゴム１０１にも担わせてある。すなわち、前記防振ゴム１０１が、筐体５とサンプリング管８との間で絶縁機能を発揮するため、筐体５からサンプリング管８を介して超音波送受信器２１、２２に電気ノイズが伝わることをより確実に防ぐことができる。

また、サンプリング管８は、前述したように、車両排気管の振動に応じて管全体で振動するところ、当該サンプリング管８に直接的に超音波送受信器２１、２２を取り付けることによって、それらの相対位置関係が変わらないようにして、排ガス流量の測定誤差を抑制できるようにしてある。

演算部２３は、物理的に言えば、増幅器などのアナログ電気回路とＣＰＵやメモリ、論理回路などからなるデジタル回路とそれらを橋渡しするＡＤＣ、ＤＡＣなどを備えたものであり、ここでは前記筐体５に収容されている。また、この演算部２３は、機能的には、以下の式（数１、数２）に示される演算と等価な演算を行うことにより、排ガスの流量を算出するものである。なお、この演算部２３の一部又は全部の機能を後述する演算装置４に備えさせても良い。
ここで、ｖ（ｔ）は、排ガス流速［ｍ／ｓ］、Ｔ_ｄｎは、下流方向への超音波の伝播時間［ｓ］、Ｔ_ｕｐは、上流方向への超音波の伝播時間［ｓ］、Ｌは、送受信器間の距離［ｍ］、φは、流れ方向と超音波伝播軸との角度［°］である。

演算部２３は、このようにして得られた排ガス流速ｖ（ｔ）と排ガス流路Ｒの断面積を用いて、演算部２３は、標準状態におけるガスの体積流量を以下の式により算出する。
ここで、ｑ_ＥＸ（ｔ）は時間ｔにおける標準状態の排ガス体積流量［ｍ^３／ｍｉｎ］、ｋ_{ｐｒｏｆｉｌｅ}は排ガス流通管Ｒ１内の速度分布による補正係数、Ａは排ガス流通管Ｒ１の断面積［ｍ^２］、Ｔ_０は標準温度（＝２９３．１５）［Ｋ］、Ｔ_ＥＸ（ｔ）は排ガス温度［Ｋ］、ｐ_ＥＸ（ｔ）は排ガス圧力［ｋＰａ］、ｐ_０は標準圧力（＝１０１．３）［ｋＰａ］である。

なお、前記排ガス温度Ｔ_ＥＸ（ｔ）及び排ガス圧力ｐ_ＥＸ（ｔ）は、筐体５内のサンプリング管８における超音波送受信器２１、２２の上流側近傍に取り付けられた温度センサ６及び圧力センサ７によって得られる。

ところで、図２中、超音波流量センサ３の上流側に設けられている符号ＦＣは、整流板である。この整流板ＦＣは、サンプリング管８の先端口たる排ガス導入ポートＰ１又はその近傍の所定範囲に取り付けられたものであり、例えば、図３に示すように、排ガス流路Ｒを周方向に沿って複数に分割する複数の羽根ＦＣ１ｘを有する本体ＦＣ１と、当該本体ＦＣ１の両端面にそれぞれ設けられた端面板ＦＣ２とを備えている。

本体ＦＣ１は、前記複数の羽根ＦＣ１ｘを周方向に等間隔に有している。本実施形態の本体ＦＣ１は、複数の羽根ＦＣ１ｘの一辺部を接続することにより構成されている。また、各羽根ＦＣ１ｘは、概略矩形状をなすものであり、複数の貫通孔ＦＣ１ｈが形成されている。

端面板ＦＣ２は、前記本体ＦＣ１の両端面（上流側端面及び下流側端面）に設けられた概略円形状をなすものである。本実施形態の端面板ＦＣ２は、その周縁部に周方向に沿って規則正しく例えば三角波状をなす凹凸形状が形成されている。

この整流板ＦＣによって、超音波流量センサ２に流入する排ガスの流れを整流して、超音波流量センサ２に流入する排ガスの流速分布の乱れを解消することができるので、より精度良く排ガス流量を測定することができるようになる。

さらに好ましくは、サンプリング管８の流路径をＤとしたときに、超音波流量センサ２の上流側のサンプリング管８は、その距離（長さ）が１０Ｄ（Ｄの１０倍）以上のまっすぐな直管状をなすものであることが好ましい。なぜなら超音波流量センサ２の上流側の近い場所に曲がった管を設けると、流速分布にムラが生じ、超音波流量センサ２の計測値の誤差要因となるからである。
＜各部構成３：空燃比センサ＞

前記空燃比センサ３は、図１、図２に示すように、排ガス流路Ｒにおいて超音波流量センサ２の下流側に挿入して設けられる直挿型のセンシング部３１と、前記センシング部３１に電気的に接続された演算部３２とを具備したジルコニア式のものである。このジルコニア式の空燃比センサ３によれば、理論空燃比での燃焼と比較してのＯ_２の過不足が測定できる。

具体的に説明すると、前記センシング部３１は、両面に電極を形成したジルコニア（ＺｒＯ_２）固体電解質体と、前記電極間に生じる起電力を検出し、又は前記電極に印加電力を与える電気回路（図示しない）とを有したものであり、ここでは、筐体５の外側に延出するサンプリング管８の下流端部Ｐ２に貫通させてある。前記電気回路は、空燃比センサ３の内部に取り込んだ排ガスが理論空燃比相当になるように、エンジンでの燃焼がリーン領域の場合には、取り込んだ排ガス中の余剰Ｏ_２が汲み出され、リッチ領域の場合には、取り込んだ排ガス中の可燃成分（ＣＯ・Ｈ_２・ＨＣ）をちょうど燃焼させる分のＯ_２が汲み入れられるように、前記ジルコニア固体電解質体に電流が流れるようにしたものである。

前記演算部３２は、物理的には、増幅器などのアナログ電気回路とＣＰＵやメモリ、論理回路などからなるデジタル回路とそれらを橋渡しするＡＤＣ、ＤＡＣなどを備えたものであり、ここでは前記筐体５に収容されている。また、この演算部３２は、機能的には、前記電流の値を検出し、その値に基づいて得られるＯ_２濃度の理論空燃比を中心とした過不足から空燃比を算出するものである。より具体的には、リーン領域では前記電流の値から得られる残存Ｏ_２濃度から所定の理論式に基づいて空燃比を算出し、リッチ領域では実験的に作成された検量線から逆算して空燃比を求める。以下では、この空燃比センサ３で得られた空燃比を実測空燃比と言う。なお、この演算部３２の一部又は全部の機能を後述する演算装置４に備えさせても良い。

ところでこの実施形態では、図２に示すように、センシング部３１から延出されたケーブルＣが、前記筐体５内に収容された演算部３２に接続するための接続コネクタＣ１に接続されている。この接続コネクタＣ１は、筐体５の側壁に設けられている。このように空燃比センサ３を筐体５の外部に設け、且つ接続コネクタＣ１により着脱可能に構成することによって、空燃比センサ３の交換作業の容易化を図っている。また、筐体５の側壁には、空燃比センサ３の設定パラメータを入力するための入力パネル等の入力部３３が設けられている。設定パラメータとしては、例えば、空燃比センサ毎に定められるセンサ定数やその他の空燃比測定に必要なパラメータである。このように筐体５の側壁に入力部３３を設けておくことによって、空燃比センサ３を設置又は交換した後に、その場で、空燃比センサ３の設定パラメータを入力することができるようにしてある。つまり、空燃比センサ３の交換作業及び空燃比センサ３の設定パラメータの入力作業を同一場所で行うことができるようにして、ユーザの使い勝手の向上を図っている。
＜各部構成４：燃料消費量演算装置＞

前記燃料消費量演算装置４は、物理的には、増幅器などのアナログ電気回路とＣＰＵやメモリ、論理回路などからなるデジタル回路とそれらを橋渡しするＡＤＣ、ＤＡＣなどを備えたものであり、ここでは前記筐体５に収容されている。

また、この燃料消費量演算装置４は、機能的には、前記ＣＰＵやその周辺機器がメモリに記憶させた所定のプログラムにしたがって協働することによって、図４に示すように、関係データ格納部４１、飽和水蒸気データ格納部４２、仮濃度算出部４３、欠落Ｈ_２Ｏ算出部４４、空燃比補正部４５、成分濃度補正部４６、燃料消費量算出部４７等としての機能を発揮する。
＜動作＞

次に、前記燃料消費量演算装置４の各部の詳細説明を兼ねて、本燃料消費量測定装置１００の動作を説明する。

前記関係データ格納部４１には、例えば図５に示すように、排ガスに含まれる各成分の濃度及び空燃比の関係が記憶させてある。詳しくは、燃料種（例えばガソリンエンジン）によって、水性ガス反応定数（Ｋ）、ＨとＣの比率（Ｈ／Ｃ）、ＯとＣの比率（Ｏ／Ｃ）、Ｏ_２がガス全体で占めるモル割合（ＰＯ_２）、及び、Ｃ，Ｈ，Ｏの分子量、などのパラメータが定められており、このパラメータに基づいて理論空燃比Ａ／Ｆ０が算出され、図６のような空燃比と排ガス密度との関係が求められる。
また、飽和水蒸気データ格納部４２には、例えば図７に示すように、温度と飽和水蒸気濃度との関係が記憶させてある。これらの関係はリスト形式で表されていてもよいし、所定の数式で表されていてもかまわない。

このような前提の下、エンジンが作動して排ガスが排出されると、その排ガスの流量、温度、圧力および実測空燃比が、それぞれ流量センサ２、温度センサ６、圧力センサ７および空燃比センサ３によって測定される。

すると、前記仮濃度算出部４３が、前記関係データ格納部４１を参照して、空燃比センサ３から得られた実測空燃比に対応するＨ_２Ｏ濃度（以下、仮Ｈ_２Ｏ濃度と言う。）及びその他の成分であるＯ_２濃度、可燃成分濃度、他成分濃度（以下、仮Ｏ_２濃度などと言う。）を算出する（ステップ１）。

次に、欠落Ｈ_２Ｏ算出部４４が、前記温度センサから得られた測定温度における飽和水蒸気濃度と前記仮Ｈ_２Ｏ濃度との差に基づいて、結露によって失われたＨ_２Ｏの量を算出する（ステップ２）。

次に、空燃比補正部４５が、欠落したＨ_２Ｏ量を加味して、空燃比を補正する（ステップ３）。

次に、成分濃度算出部４６が、ステップ３で補正された補正空燃比に対応する各成分の濃度を、前記関係データ格納部４１を参照して算出する（ステップ４）。

最後に、燃料消費率算出部４７が、ステップ４で求められた各成分の濃度から排ガスの密度を求め、その排ガス密度、補正空燃比及び流量センサ２で得られた排ガス流量を少なくともパラメータとして燃料消費率を算出する（ステップ５）。
上述した各ステップについて、より具体的に説明する。

ステップ１では、仮濃度算出部４３が、図５に示す関係データ格納部４１を参照して、実測空燃比に対応するＨ_２Ｏ濃度（仮Ｈ_２Ｏ濃度）を算出する。この仮Ｈ_２Ｏ濃度が、エンジン排出直後の排ガスに含まれるＨ_２Ｏの濃度に近似すると考えられる。

また、このとき、仮濃度算出部４３は、排ガスを構成する他の各成分、つまりＯ_２、可燃成分（ＣＯ・Ｈ_２・ＨＣ）及びその他の成分（Ｎ_２など）の濃度も、関係データ格納部４１を参照することにより、同時に算出する。以下ではそれらをそれぞれ仮Ｏ_２濃度、仮可燃成分濃度、仮他成分濃度と言う。

ステップ２では、欠落Ｈ_２Ｏ算出部４４が、図７に示す飽和水蒸気データ格納部４２を参照して、前記温度センサで得られた測定温度における飽和水蒸気濃度を求める。

この飽和水蒸気濃度が前記仮Ｈ_２Ｏ濃度よりも低い場合、欠落Ｈ_２Ｏ算出部４４は、下記式（数３）のように、仮Ｈ_２Ｏ濃度から飽和水蒸気濃度を差し引き、その値を結露などによって失われた欠落Ｈ_２Ｏの濃度として算出する。なお、ここでの濃度とは、所定成分の体積濃度のことであるが、排ガス１ｍ^３中に占める当該成分の体積、モル、質量などとしても表すことができるから、これらを等価なものとして取り扱ってよいのは言うまでもない。

ここで、ｂ_ｌｏｓｔは欠落Ｈ_２Ｏの濃度［ｍ^３／ｍ^３］（又は排ガス１ｍ^３中に占める欠落Ｈ_２Ｏの体積［ｍ^３］、以下同じ）、ｂ_１は仮Ｈ_２Ｏ濃度［ｍ^３／ｍ^３］、ｂ_ｓａｔは飽和水蒸気濃度［ｍ^３／ｍ^３］である。

飽和水蒸気濃度が前記仮Ｈ_２Ｏ濃度よりも低い場合とは、コールドスタートのときなど、排ガス温度が一定以下の場合であり、このときはエンジンから排出された直後の排ガスに含まれるＨ_２Ｏの何割かが、空燃比センサ３による測定ポイントに至るまでの間の車両排気管などにおいて結露して失われる。一方、前記測定ポイントでは、排ガス中のＨ_２Ｏは、飽和状態にあると考えられるから、上述の式のように、仮Ｈ_２Ｏ濃度から飽和水蒸気濃度を差し引いた値をもって、欠落Ｈ_２Ｏの濃度とすることができる。

例えば、図７に示すように、仮Ｈ_２Ｏ濃度ｂ_１が約０．１２（１２ｖｏｌ％）、測定温度が３５℃のときの欠落Ｈ_２Ｏの濃度ｂ_ｌｏｓｔは、両端矢印線で示される値となる。

ところで、実測空燃比は、Ｈ_２Ｏが結露等によって途中で失われた後の排ガスに基づいて算出されたものである。したがって、実測空燃比の測定対象である排ガスは、Ｈ_２Ｏ濃度が真値よりも低くなっている、言い換えればＯ_２濃度等の他の成分濃度が、真値よりも高くなっている。

そこで、ステップ３では、空燃比補正部４５が、前述した欠落Ｈ_２Ｏの濃度の値によって、ステップ１で求められたＨ_２Ｏ以外の所定の一の成分の仮濃度を以下のようにして補正する。

ａ_１を仮Ｏ_２濃度［ｍ^３／ｍ^３］、ｂ_１を仮Ｈ_２Ｏ濃度［ｍ^３／ｍ^３］、ｃ_１を仮可燃成分濃度［ｍ^３／ｍ^３］、ｄ_１を仮他成分濃度［ｍ^３／ｍ^３］とすると、以下の式（数４）が成り立つ。

したがって、エンジンから出た直後の排ガスに含まれる各成分の体積比率は、結露したＨ_２Ｏの体積（量）を加味すれば、以下の式（数５）ように表せる。

空燃比補正部４５は、この比率に基づいて、リーン条件のときはエンジンから出た直後の排ガスに含まれるＯ_２濃度（以下、補正Ｏ_２濃度という。）を算出し、又は、リッチ条件のときはエンジンから出た直後の排ガスに含まれる可燃成分濃度（以下、補正可燃成分濃度という。）を算出する。

すなわち、空燃比補正部４５は、リーン条件のときは、式（数６）と等価な演算を行い、リッチ条件のときは式（数７）と等価な演算を行って補正Ｏ_２濃度又は補正可燃成分濃度を求める。なお、可燃成分は主としてＨ_２、ＣＯ、ＨＣから構成されているので、実際には、これらの各濃度がそれぞれ算出されるが、この明細書では、理解の容易のため、可燃成分を１つの成分であるかのように記載することとする。他成分（Ｎ_２、ＣＯ_２）に関しても同様である。

ここで、ａ_ａｍｄは補正Ｏ_２濃度［ｍ^３／ｍ^３］、ｃ_ａｍｄは補正可燃成分濃度［ｍ^３／ｍ^３］である。

次に、空燃比補正部４５は、リーン条件のときは前記補正Ｏ_２濃度、リッチ条件のときは前記補正可燃成分濃度に対応する空燃比を、関係データ格納部４１を参照することによって算出する。この空燃比が補正空燃比であり、より真値に近い値であると考えられる。

ステップ４では、成分濃度算出部４６が、前記補正空燃比に対応する各成分の濃度を、関係データ格納部４１を参照して補正算出する。例えば、リーン条件のときは、補正Ｏ_２濃度はすでにステップ３で求められているので、その他の成分の濃度、すなわち可燃成分濃度、Ｈ_２Ｏ濃度、他成分濃度を算出する。また、リッチ条件のときは、補正可燃成分濃度はすでにステップ３で求められているので、その他の成分の濃度、すなわちＯ_２濃度、Ｈ_２Ｏ濃度、他成分濃度を算出する。なお、以下では、この成分濃度算出部４６で求められた各成分の濃度を、補正Ｈ_２Ｏ濃度などという。

ステップ５では、燃料消費率算出部４７が、成分濃度算出部４６で補正算出された前記各成分の補正濃度から排ガス密度Ｄ_ＥＸを求める。具体的には下記式（数８）と等価な演算を行う。

ここで、ａ_ａｍｄは補正Ｏ_２濃度、Ｄ_Ｏ２はＯ_２ガス密度、ｂ_ａｍｄは補正Ｈ_２Ｏ濃度、Ｄ_Ｈ２ＯはＨ_２Ｏガス密度、ｃ_ａｍｄは補正可燃成分濃度、Ｄ_ＦＬＭは可燃成分ガス密度、ｄ_ａｍｄは他成分濃度、Ｄ_ＥＬＳは他成分ガス密度である。なお、前述したように、可燃成分ガス及び他成分ガスは、理解の容易のために、それぞれ複数の成分ガスを一まとめにして表記したものであるため、実際には、各成分ガスの濃度及び各成分ガスの密度から排ガス密度が算出される。なお、ここで、各成分ガスの補正濃度から排ガス密度を求めたが、これに限ることなく、補正空燃比から排ガス密度を求めてもよい。

そして、燃料消費率算出部４７は、以上のようにして求めた排ガス密度Ｄ_ＥＸ、補正空燃比ＡＦＲ、排ガス流量Ｑ_ＥＸを少なくともパラメータとする以下の式（数９）と等価な演算をして、時間ｔにおける瞬時燃料消費量Ｆｅ（ｔ）を算出する。

ここで、Ｆｅ（ｔ）は、時間ｔにおける燃料消費率［ｇ／ｓ］、Ｑ_ＥＸ（ｔ）は、時間ｔにおける標準状態（温度２９３．１５Ｋ、圧力１０１．３ｋＰａ）の排ガス流量［Ｌ／ｍｉｎ］、ＡＦＲ（ｔ）は、時間ｔにおける空燃比、Ｄ_ＥＸは、排ガス密度［ｋｇ／ｍ^３］である。
＜効果＞

このように構成した本実施形態によれば、例えばエンジンや排ガスが十分に温まっていないコールドスタートのときなどに生じる、排ガス中のＨ_２Ｏの測定ポイントに至るまでのＨ_２Ｏの欠落量を算出し、その欠落Ｈ_２Ｏ量を考慮に入れることによって、エンジンから排出された直後の排ガスの各成分濃度や空燃比を推定算出しているので、空燃比や各成分濃度の測定精度が、従来に比べ大幅に向上する。また、それらから求められる燃料消費量等の測定精度の向上にも寄与し得る。

ところで、エンジンの排ガス出口付近に空燃比センサ（不図示）が設けられており、この値を用いれば、欠落Ｈ_２Ｏの影響を排除できるので、空燃比のみについて言えば、より精度の高い測定が可能となる。

しかしながら、このようにすると、テールパイプから排出された排ガスを超音波流量センサ２で計測した排ガス流量値と、車両内部の空燃比センサを用いて計測した空燃比の値との間に時間差が生じてしまい、瞬時の燃料消費量の測定精度が悪くなる。

これに対し、本実施形態では空燃比センサ３を超音波流量センサ２の近傍に設けているので、時間差による計測誤差を軽減でき、正確な瞬時の燃料消費量を求めることが可能となる。

また、超音波流量センサ２を用いているので、当該超音波流量センサ２を設けることによる圧力損失が無く、小流量から大流量に亘って計測精度が高く、また、脈動に対しても影響が少ない。これによっても、燃料消費量Ｆｅを高精度に測定することができる。

さらに、直接測定であるため、配管構成を簡略化することができ、また、ＣＶＳ装置等の希釈装置が不要になるため、測定装置を小型化することができる。その上、これらにより装置のコストを削減することもできる。
＜その他の実施形態＞
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、ステップ４で算出された補正Ｈ_２Ｏ濃度を仮Ｈ_２Ｏ濃度として、ステップ２に戻り、ステップ３を経て、再度ステップ４において補正Ｈ_２Ｏ濃度を求めるという手順を繰り返し、補正Ｈ_２Ｏ濃度の値が一定範囲に収束した場合に、ステップ５に進むという構成にしてもよい。

また、例えば各成分の濃度だけが必要で、空燃比が不要な場合は、空燃比補正部を設けず、成分濃度算出部において、前記仮濃度算出部が算出した各成分の濃度のうちの一の成分の仮濃度（ここではＯ_２濃度又は可燃成分濃度）を、前記欠落Ｈ_２Ｏ量を加味して補正し、補正した一の成分の濃度に対応する他の各成分の濃度を、前記関係データ格納部を参照することによって算出するようにしてもかまわない。

温度センサは、前記実施形態では超音波流量センサに用いたものを兼用していたが、別途専用のものを設けても良い。その場合は、できるだけテールパイプに近いところに取り付けることが望ましい。さらに、車両内部にある温度センサの値を取得してその値を用いて飽和水蒸気濃度を求めることも可能である。

また、前記実施形態の流量センサ２は、超音波流量センサであったが、その他、差圧式流量センサ、熱式流量センサ、コリオリ式流量センサ等の種々の流量センサを用いることができる。空燃比センサもジルコニア式のものに限られない。

さらに、前記実施形態では、空燃比センサ３が、流量センサ２の下流側に設けられているが、流量センサ２の上流側に設けても良い。また、車両のエンジン排気出口付近に備えられている空燃比センサからの信号を演算装置４が受け取り、燃料消費量Ｆｅを算出するようなものであってもよい。

その上、前記実施形態では、空燃比センサが、超音波流量センサの下流側である筐体の排ガス導出ポートに設けられているが、筐体の排ガス導入ポートなどの超音波流量センサの上流側に設けても良い。また、車両のエンジン排気出口付近に備えられている空燃比センサからの信号を演算装置４が受け取り、燃料消費量を算出するようなものであってもよい。

また、前記実施形態では、演算装置４が筐体５内に設けられたものであったが、演算装置４が筐体５の外部に設けられたものであっても良い。この場合、筐体５の内部には、外部に設けられた演算装置４との間でデータの送受信を行う有線又は無線の送受信機器を設けることが考えられる。例えば、送受信機器は、超音波流量センサの検出信号及び空燃比センサの検出信号を演算装置５に送信する。
また、前記実施形態の燃料消費量測定装置が、筐体によりユニット化されたものであったが、ユニット化されていないものであっても良い。

さらに、前記燃料消費量測定装置１００が、図８に示すように、排ガス流路Ｒを流れる排ガスに含まれる所定の測定対象成分を分析する排ガス分析装置１２を備えたものであっても良い。そして、排ガス分析装置１２の演算部が、得られた成分濃度と、超音波流量センサ３により得られた排ガス流量とを用いて、測定対象成分の排出質量を算出する。これならば、超音波流量センサ３を燃料消費量計測及び排出質量計測（マス計測）の両方に兼用することができる。なお、排ガス分析装置１２の演算部では無く、燃料消費量測定装置１００の演算装置４が、排ガス分析装置１２により得られた成分濃度と、超音波流量センサ３により得られた排ガス流量とを用いて、測定対象成分の排出質量を算出しても良い。

ここで、排ガス分析装置１２が、排ガス流路Ｒにおいて超音波流量センサ３の上流側を流れる排ガスに含まれる測定対象成分を測定することが望ましい。具体的には、排ガス流路Ｒを流れる排ガスの一部を採取して排ガス分析装置１２に導入するサンプリング配管１３が、超音波流量センサ３の上流側に接続されている。なお、サンプリング配管１３を用いて排ガスをサンプリングする構成の場合には、演算装置４は、サンプリング配管１３を流れるサンプリング流量を用いて、超音波流量センサ３により得られた排ガス流量を補正することが望ましい。
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のは言うまでもない。

１００・・・燃料消費量測定装置
Ｅ ・・・エンジン
Ｒ ・・・排ガス流路
２ ・・・流量センサ
３ ・・・空燃比センサ
６ ・・・温度センサ
４ ・・・演算装置
４１ ・・・関係データ格納部
４２ ・・・飽和水蒸気データ格納部
４３ ・・・仮濃度算出部
４４ ・・・欠落Ｈ_２Ｏ算出部
４５ ・・・空燃比補正部
４６ ・・・成分濃度補正部
４７ ・・・燃料消費量算出部

Claims (6)

1. エンジンから排出される排ガスが流れる排ガス流路に設けられた空燃比センサと、エンジンから排出される排ガスの温度を測定する温度センサとを利用するものであって、
   排ガスに含まれる各成分の濃度及び空燃比の関係を格納している関係データ格納部と、
   前記関係データ格納部を参照することによって、空燃比センサから得られた実測空燃比に対応するＨ_２Ｏ濃度である仮Ｈ_２Ｏ濃度を算出する仮濃度算出部と、
   前記温度センサで測定された排ガス温度での飽和水蒸気濃度と前記仮Ｈ_２Ｏ濃度とに基づいて、前記空燃比センサの測定ポイントに至るまでに結露等によって欠落したＨ_２Ｏの量である欠落Ｈ_２Ｏ量を算出する欠落Ｈ_２Ｏ算出部とを具備していることを特徴とする排ガス測定装置。
2. 前記欠落Ｈ_２Ｏ量を加味して前記実測空燃比を補正する空燃比補正部をさらに具備していることを特徴とする請求項１記載の排ガス測定装置。
3. 前記空燃比補正部で補正した実測空燃比である補正空燃比に対応する各成分の濃度を、前記関係データ格納部を参照することによって算出する成分濃度算出部をさらに具備していることを特徴とする請求項２記載の排ガス測定装置。
4. 前記成分濃度算出部で算出された各成分の濃度に基づいて、排ガス密度を算出する密度算出部と、
   前記排ガス密度及び前記補正空燃比に基づいてエンジンの燃料消費量を算出する燃料消費量算出部とをさらに具備していることを特徴とする請求項３記載の排ガス測定装置。
5. 前記仮濃度算出部が、前記関係データ格納部を参照することによって、前記空燃比センサから得られた実測空燃比に対応する各成分の濃度を算出するものであって、
   前記仮濃度算出部が算出した各成分の濃度のうちの一の成分の濃度を、前記欠落Ｈ_２Ｏ量を加味して補正し、補正した一の成分の濃度に対応する他の各成分の濃度を、前記関係データ格納部を参照することによって算出する成分濃度算出部をさらに具備していることを特徴とする請求項１記載の排ガス測定装置。
6. エンジンから排出される排ガスの温度を測定する温度センサと、前記排ガスが流れる排ガス流路に設けられた空燃比センサとを利用するものであって、
   排ガスに含まれる各成分の濃度及び空燃比の関係を格納している関係データ格納部としての機能と、
   前記関係データ格納部を参照することによって、前記空燃比センサから得られた実測空燃比に対応するＨ_２Ｏ濃度である仮Ｈ_２Ｏ濃度を算出する仮濃度算出部としての機能と、
   前記温度センサから得られた排ガス温度における飽和水蒸気濃度と前記仮Ｈ_２Ｏ濃度とに基づいて、空燃比センサの測定ポイントに至るまでに結露等によって欠落したＨ_２Ｏの量である欠落Ｈ_２Ｏ量を算出する欠落Ｈ_２Ｏ算出部としての機能と、
   をコンピュータに発揮させることを特徴とする排ガス測定用プログラム。