JPH10318810A - 排ガス流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】自動車エンジンからの排ガスなど、脈動してい
るとともに乱流であり、かつ水分やカーボンなどの粉塵
を含む排ガスの流量を、連続的に精度高く計測できるよ
うにする。 【解決手段】直管４と、バッファタンク５と、アニュー
バ流量計６と、からなる構成とした。直管４で乱流が低
減され、バッファタンク５で脈動が低減され、アニュー
バ流量計６では背圧の変動がなく応答性が高い。これら
の相乗作用により高い精度で流量を連続的に計測するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車エンジンか
らの排ガスなど、脈動をもつ排ガス流の流量を精度よく
測定できる排ガス流量測定装置に関する。本発明の排ガ
ス流量測定装置は、排ガス中に含まれるＨＣ，ＣＯ，Ｎ
Ｏ_x などの成分分析に用いられる比例採取装置や、各種
排ガス流量特性解析装置などに活用することができる。

【０００２】

【従来の技術】流体の流量を測定する流量測定装置とし
ては、大きく分けて容量流量計と差圧流量計がある。容
量流量計は単位時間に流れる流体を直接測定するもので
あり、水道メータやタービンメータなどのオーバル流量
計、ルーツ流量計などが知られている。

【０００３】差圧流量計は、流体中に障害物を設けてそ
の前後に発生する差圧を測定し、差圧が流量の二乗に比
例するというベルヌーイの定理に基づいて流量を測定す
るもので、オリフィス板流量計、ベンチュリ管流量計な
どの絞り流量計や、フロート式流量計などの面積流量計
が知られている。また上記の範疇に含まれないものとし
て、電導性流体の場合に生じる電磁誘導を利用した電磁
流量計、流速によって流体内を音が伝わる速さが異なる
ことを利用した超音波流量計、流体の移動を熱的に検出
して流量を求める熱式流量計、流体中に配置された障害
物の下流側の渦周波数が流速に比例することを利用した
渦流量計なども知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで自動車エンジ
ンからの排ガスは、高温であるばかりか、脈動している
とともに乱流であり、かつ水分やカーボンなどの粉塵を
含んでいる。そのため上記の流量計では精度の高い流量
測定が困難となっている。例えば容量流量計では、応答
性が低いために連続的な計測が困難である。また背圧の
影響も受けやすく、測定精度が低い。

【０００５】また絞り流量計を排ガス流路に設置すると
エンジンの背圧が変動するため、エンジンの燃焼特性に
影響が及んで排ガス流量が変動するという不具合があ
る。さらに脈動をもつ流体の流量は、面積流量計や渦流
量計によって測定することは困難であり、絞り流量計で
も脈動流の流量を正確に測定することは困難である。そ
して排ガスは電導性ではないため電磁流量計は用いられ
ず、水分や粉塵を含むため超音波流量計では計測精度が
低くなってしまう。

【０００６】したがって、自動車エンジンからの排ガス
の流量を連続的に精度よく測定することは従来困難とさ
れ、自動車排ガス流量を連続的に精度よく計測できる流
量計は過去に例を見ない。本発明はこのような事情に鑑
みてなされたものであり、自動車エンジンからの排ガス
など、脈動しているとともに乱流であり、かつ水分やカ
ーボンなどの粉塵を含む排ガスの流量を、連続的に精度
高く計測できるようにすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１に記載の排ガス流量測定装置の特徴は、排ガス流路
に直列に接続された直管と、直管の側周面に接続され直
管内部と連通するバッファタンクと、上流側表面に設け
られた総圧検出孔と下流側表面に設けられた静圧検出孔
をもち総圧検出孔と連通する圧検出室と静圧検出管と連
通する静圧検出室をもつ棒状で断面菱形形状の差圧セン
サを有し直管の下流側に直列に接続されたアニューバ流
量計と、からなることにある。

【０００８】なお、請求項２に記載のように、上記排ガ
ス流量測定装置は、バッファタンクはヘルムホルツの式
に従って排ガスの脈動を吸収し、低減すべき脈動の脈動
周波数をエンジン回転数に応じて変化させるようにバッ
ファタンクの容量を変化させる可変手段をもつことが望
ましい。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の排ガス流量測定装置で
は、排ガスは先ず直管に流入し乱流が低減される。この
直管は、エンジンの背圧への影響を最小限とするため
に、排気管と同等以上の内径とすることが望ましい。し
かし排気管より大きくなりすぎると、アニューバ流量計
における差圧が小さくなって計測精度が低下するように
なるので、排気管より僅かに大きい程度にとどめること
が望ましい。

【００１０】直管を通過した排ガスは、次に一部がバッ
ファタンクに流入することにより脈動が低減される。例
えばアイドル運転時あるいは１０００ｒｐｍ以下の低回
転数運転時には、排ガスの脈動の幅が数１００Ｌ／ｍｉ
ｎと大きいため、計測される排ガス流量の値が現実の値
の２〜３倍となる。つまり、流量が脈動となって変動す
る場合に差圧式の流量計で差圧を測定しそれから流量に
換算すると、いわゆる平方根誤差により流量の誤差が大
きくなってしまう。しかしバッファタンクを設けること
により、計測値と現実値の差を極めて小さくすることが
できる。

【００１１】このバッファタンクの形状及び容量は特に
制限されないが、数１式のヘルムホルツの式に従う形状
とすれば脈動を一層効率よく低減することができる。

【００１２】

【数１】

【００１３】なお、自動車エンジンの排ガスの脈動は、
エンジン回転数によって変化する。したがってバッファ
タンクは、ヘルムホルツの式に従う形状とするととも
に、エンジン回転数に応じて低減すべき脈動の脈動周波
数（ｆ）を変化させるようにバッファタンクの容量を変
化させる可変手段をもつことが望ましい。数１式より明
らかなように、接続管長（Ｌ）、接続管直径（ａ）、接
続管断面積（ｓ）及びバッファ容積（Ｖ）の少なくとも
一つを変化させることにより、低減される脈動の脈動周
波数（ｆ）を変化させることができる（図２参照）。

【００１４】すなわち接続管長（Ｌ）、接続管直径
（ａ）及びバッファ容積（Ｖ）の少なくとも一つを小さ
くするか又は接続管断面積（ｓ）を大きくすれば、大き
な脈動周波数（ｆ）をもつ排ガスの脈動を低減すること
ができ、接続管長（Ｌ）、接続管直径（ａ）及びバッフ
ァ容積（Ｖ）の少なくとも一つを大きくするか又は接続
管断面積（ｓ）を小さくすれば、小さな脈動周波数
（ｆ）をもつ排ガスの脈動を低減することができる。

【００１５】エンジン回転数に応じて接続管長（Ｌ）、
接続管直径（ａ）、接続管断面積（ｓ）及びバッファ容
積（Ｖ）の少なくとも一つを変化させる場合の制御とし
ては、エンジン回転数あるいはエンジン吸入空気量など
の信号の入力により制御するフィードフォワード制御、
アニューバ流量計の信号により制御するフィードバック
制御などが利用できる。

【００１６】直管を通過することで乱流が低減され、バ
ッファタンクを通過することで脈動が低減された排ガス
は、次にアニューバ流量計に流入する。アニューバ流量
計の差圧センサは径の細い棒状であり、流路を横断する
ように設けられているものの、絞り流量計のような背圧
はほとんど発生せず抵抗も小さい。また構成部品を全て
金属製とすることができるため、耐熱性が高く、排ガス
中の水分の影響もない。

【００１７】また差圧センサは断面菱形形状であり、断
面の対角線が排ガスの流れ方向と平行又は垂直に配置さ
れるため、周りを流れる流体の剥離点が流速によって変
化することがなく、安定した剥離が得られる。したがっ
て剥離点の変化による静圧測定値の変動が抑制され、差
圧測定の精度が格段に向上する。差圧センサでは、上流
側の総圧検出孔が各部の総圧を検出し総圧検出室で平均
化される。また下流側の静圧検出孔が各部の静圧を検出
し静圧検出室で平均化される。そして差圧センサからの
平均総圧値と平均静圧値から差圧が検出され、差圧が流
量の二乗に比例するというベルヌーイの定理に基づいて
流量が計測される。

【００１８】したがって本発明の排ガス流量測定装置で
は、乱流と脈動が低減された排ガスがアニューバ流量計
に流入し、アニューバ流量計では背圧の発生もほとんど
なく、排ガスの温度あるいは排ガス中の水分や粉塵によ
る測定値への影響もない。したがって排ガス流量を精度
高く連続的に計測することができる。

【００１９】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。 （実施例１）図１に本実施例の排ガス流量測定装置を用
いた排ガス比例採取装置の回路図を示す。この排ガス比
例採取装置は、排ガス流量に比例制御して排ガスを採取
し、採取された排ガス中のＨＣ，ＣＯ及びＮＯ_x の量を
計測する装置である。

【００２０】この排ガス比例採取装置は、自動車の排気
管１００に直列に接続された排ガス流量測定装置１と、
排ガス流量測定装置１の下流側の排ガス流路から分岐し
た分岐管２と、分岐管２に直列に接続された比例採取装
置３とから構成される。排ガス流量測定装置１は、図２
に拡大して示すように、排気管１００に直列に接続され
た直管４と、直管４の側周面に分岐して接続され直管４
内部と連通するバッファタンク５と、直管４の下流側に
直列に接続されたアニューバ流量計６とから構成されて
いる。

【００２１】バッファタンク５は、直径（ａ）、断面積
（ｓ）、長さ（Ｌ）の形状をもち直管４よりも小径の接
続管５０と、容積（Ｖ）のタンク５１とからなり、数１
式のヘルムホルツの式に従う形状となっている。アニュ
ーバ流量計６は、日機装（株）製の「ダイヤモンドII
型」であり、図３に示すように、直管４に接続される筒
部６０と、筒部６０の側周壁から筒部６０内に流路と直
角に突出する差圧センサ６１とから構成されている。

【００２２】差圧センサ６１は図４に示すように断面菱
形をなし、その対角線が流路と平行及び直交するように
筒部６０内に突出している。そして差圧センサ６１の内
部には、筒部６０の軸方向に直交する一つの対角線で区
画された断面三角形状の総圧検出室６２と静圧検出室６
３をもち、総圧検出室６２が上流側に、静圧検出室６３
が下流側にそれぞれ向かっている。

【００２３】そして差圧センサ６１周壁には、総圧検出
室６２と筒部６０内部とを連通する複数の総圧検出孔６
４と、静圧検出室６３と筒部６０内部とを連通する複数
の静圧検出孔６５とがそれぞれ設けられている。また総
圧検出室６２及び静圧検出室６３には、筒部６０外部で
それぞれ導圧管６６が接続され、平均総圧及び平均静圧
が外部へ出力可能となっている。

【００２４】比例採取装置２は、ポンプ２０と、ポンプ
２０の下流側に接続されたマスフローコントローラ（Ｍ
ＦＣ）２１と、ＭＦＣ２１の下流側に接続されたサンプ
リングバッグ２２とから構成されている。そしてＭＦＣ
２１には排ガス流量測定装置１からの差圧信号が入力さ
れ、ポンプ２０が分岐管２から排ガスを吸引すると、Ｍ
ＦＣ２１は排ガス流量測定装置１からの差圧信号に応じ
た量の排ガスをサンプリングバッグ２２に供給する。サ
ンプリングバッグ２２は分析計に接続され、分析計は蓄
えられた排ガス中のＨＣ，ＣＯ及びＮＯ_x を定量分析す
る。

【００２５】上記のように構成された本実施例の排ガス
流量測定装置をもつ排ガス比例採取装置では、排気管１
００からの排ガスは先ず直管４に導入されることで整流
され乱流が低減される。次いでバッファータンク５に入
ることで、排ガスの脈動が低減される。そして乱流及び
脈動が低減された排ガスは、アニューバ流量計６の筒部
６０に流入する。

【００２６】筒部６０内では、図４に示すように差圧セ
ンサ６１が排ガス流の障害物となり、排ガス流の剥離が
生じる。これにより差圧センサ６１の上流側では速度分
布に応じた圧力分布が発生し、差圧センサ６１の下流側
で速度分布に応じた負圧の分布が発生する。そして上流
側では、排ガスは複数の総圧検出孔６４から総圧検出室
６２内に入り、筒部６０内の各部の総圧が総圧検出室６
２で平均化されて導圧管６６に出力される。また下流側
では、排ガスは複数の静圧検出孔６５から静圧検出室内
６３に入り、筒部６０内の各部の静圧が静圧検出室６３
で平均化されて導圧管６６に出力される。

【００２７】するとＭＦＣ２１が一対の導圧管６６から
入力される平均総圧及び平均静圧から差圧を検出し、そ
の差圧に応じてサンプリングバッグ２２に供給する排ガ
ス量を制御することで、排気管１００から排出される排
ガスの流量に応じてサンプリングバッグ２２に供給され
る排ガス流量を制御する。したがってサンプリングバッ
グ２２には、排気管１００から排出される現実の排ガス
流量に比例した流量で排ガスが蓄えられ、サンプリング
バッグ２２内の排ガス成分を分析することで、所定の走
行モードで運転した場合の現実の排ガス成分を定量分析
することが可能となる。

【００２８】すなわち本実施例の排ガス流量測定装置に
よれば、排ガスの乱流及び脈動が低減された状態で流量
が測定される。そしてアニューバ流量計は差圧流量計に
属するにも関わらず背圧の変動がほとんどない。したが
ってエンジンの燃焼特性が変動することがない。また高
熱、水分、粉塵などによる影響もほとんどなく、差圧流
量計の応答性が高いという長所も有している。これらの
作用が相乗され、排ガス流量を連続的に精度高く計測す
ることが可能となる。

【００２９】（実施例２）なお、上記実施例ではバッフ
ァタンク５の容積が固定されているが、自動車のエンジ
ン回転数に応じて容積を可変させることも好ましい。例
えば図５又は図６に示すように、接続管５０及びタンク
５１の少なくとも一方を分割構造とし、端部を二重構造
としてスライド移動させることで容積を可変することが
できる。あるいはタンク５１の底板を可動とし、タンク
５１内でスライド移動させることでタンク５１の容積を
可変することもできる。移動手段としては、ステッピン
グモータなどが利用できる。

【００３０】このようにバッファタンク５の容積を可変
とすることにより、数１式における接続管５０の長さ
（Ｌ）及びタンク５１の容積（Ｖ）の少なくとも一方の
値を変化させることができ、低減できる脈動の脈動周波
数を変化させることができる。例えばアイドリング運転
などエンジン回転数が１０００ｒｐｍ以下の低回転数運
転時には、脈動周波数（ｆ）が約１０数サイクルと小さ
いので、長さ（Ｌ）及び容積（Ｖ）の少なくとも一方の
値を大きくすることで脈動を低減することができる。ま
た高回転運転時には、脈動周波数が約３０〜１００サイ
クルと大きくなるので、長さ（Ｌ）及び容積（Ｖ）の少
なくとも一方の値を小さくすることで脈動を低減するこ
とができる。

【００３１】このようにエンジン回転数に応じて長さ
（Ｌ）及び容積（Ｖ）の少なくとも一方の値を制御する
ことにより、脈動を一層効率よく低減することができ、
流量の計測精度が一層向上する。

【００３２】

【発明の効果】すなわち本発明の排ガス流量測定装置に
よれば、排ガスの乱流及び脈動が低減された状態で流量
が測定され、背圧の変動もほとんどない。また高熱、水
分、粉塵などによる影響もほとんどなく、応答性も高
い。これらの作用が相乗され、排ガス流量を連続的に精
度高く計測することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の排ガス流量測定装置を用い
た排ガス比例採取装置の流路を示す説明図である。

【図２】本発明の一実施例の排ガス流量測定装置の構成
を示す説明図である。

【図３】本発明の一実施例の排ガス流量測定装置に用い
たアニューバ流量計を一部破断して示す斜視図である。

【図４】本発明の一実施例の排ガス流量測定装置に用い
たアニューバ流量計の差圧センサ周囲の流体の様子を示
す説明図である。

【図５】本発明の第２の実施例の排ガス流量測定装置に
用いたバッファタンクの概略構成を示す断面図である。

【図６】本発明の第２の実施例の排ガス流量測定装置に
用いたバッファタンクの概略構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１：排ガス流量測定装置 ３：比例採取装置
４：直管 ５：バッファタンク ６：アニューバ流量計
２１：ＭＦＣ ２２：サンプリングバッグ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排ガス流路に直列に接続された直管と、
   該直管の側周面に接続され該直管内部と連通するバッフ
   ァタンクと、上流側表面に設けられた総圧検出孔と下流
   側表面に設けられた静圧検出孔をもち該総圧検出孔と連
   通する総圧検出室と該静圧検出管と連通する静圧検出室
   をもつ棒状で断面菱形形状の差圧センサを有し該直管の
   下流側に直列に接続されたアニューバ流量計と、からな
   ることを特徴とする排ガス流量測定装置。
2. 【請求項２】 前記バッファタンクはヘルムホルツの式
   に従って前記排ガスの脈動を吸収し、低減すべき脈動の
   脈動周波数をエンジン回転数に応じて変化させるように
   該バッファタンクの容量を変化させる可変手段をもつこ
   とを特徴とする請求項１記載の排ガス流量測定装置。