WO2013035675A1 - ガス分析装置及びそれに用いられる汚れ検出方法 - Google Patents

ガス分析装置及びそれに用いられる汚れ検出方法 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a gas analyzer that can detect whether or not dirt is generated in a flow path through which a gas to be measured flows.
  • a urea SCR Selective Catalytic Reduction
  • a urea SCR Selective Catalytic Reduction
  • Examples include research and development scenes. Specifically describing the urea SCR system, by spraying urea into the high-temperature exhaust gas discharged from the diesel engine and supplying NH 3 generated by the thermal decomposition of urea to the SCR catalyst as a reducing agent, It is configured to reduce NO x in the exhaust gas and change it into harmless N 2 or H 2 O.
  • the pipe It is difficult to measure an accurate value in real time because it is adsorbed on the inner wall of the steel.
  • dirt is attached to the inner wall of the pipe or the like due to soot contained in the exhaust gas, the response speed of the gas measuring mechanism with respect to such an adsorbing gas is further deteriorated.
  • a non-adsorbing gas such as NO is measured and dirt in the flow path to the cell is removed.
  • this is intended to improve the response speed for non-adsorbing gases such as NOx, so the flow path is narrowed by a large volume of dirt, and the flow rate of the sample gas flowing into the cell is the specified value.
  • the dirt is detected when it does not reach.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and includes a mechanism that can detect even a small amount of dirt with high sensitivity, which greatly affects the measurement of adsorptive gas.
  • Another object of the present invention is to provide a gas analyzer and a dirt detection method used therefor.
  • the gas analyzer of the present invention can measure a value related to the gas injection mechanism for injecting the adsorptive injection gas into the flow path through which the sample gas flows and the amount of the adsorbent injection gas flowing through the flow path.
  • a dirt determination unit for determining dirt in the flow path based on a value related to a measurement response speed of the adsorptive injected gas by the gas measuring mechanism.
  • the dirt detection method of the present invention is a dirt detection method for a flow path through which a sample gas flows in a gas analyzer, and includes a gas injection step for injecting an adsorptive injection gas into the flow path, A gas measurement step for measuring a value related to the amount of the adsorbing injection gas flowing, and a contamination in the flow path based on a value related to the measurement response speed of the adsorbing injection gas in the gas measurement step And a dirt determination step.
  • the determination of dirt is a concept including not only whether or not dirt such as soot exists but also judging the degree of dirt.
  • the value related to the measurement response speed of the adsorbent injection gas is, for example, a calculation of the response speed based on the concentration value of the injection gas measured within a predetermined time as well as the response speed and response time. It is a concept that includes
  • an adsorbent injection gas is allowed to flow through the flow path, and the contamination determination unit determines contamination based on a value related to the measurement response speed of the adsorption injection gas by the gas measurement mechanism. Since the adsorptive injection gas changes in the measurement response speed even when a small amount of dirt is present, it is possible to detect the presence or absence of dirt with higher sensitivity than in the prior art.
  • the flow path is configured as described above. Formed in the gas pipe through which the sample gas flows and in the sampling pipe for sampling a part of the sample gas, the gas measuring mechanism is provided in the sampling pipe, And those configured to determine dirt on the inner surface of the sampling pipe based on a value related to the measurement response speed.
  • the gas injection mechanism includes the adsorptive injection in the gas pipe. Any device configured to inject gas may be used.
  • the dirt determination unit is configured so that the gas measuring mechanism is used after the adsorptive injection gas is injected by the gas injection mechanism. As long as the response time required for measuring a predetermined amount or more of the adsorbed injected gas is equal to or longer than a predetermined time, the flow path may be determined to be contaminated.
  • the present invention since it is configured to detect the presence or absence of dirt by utilizing the decrease in the response speed caused by the adsorption of the adsorbing injection gas to the inner surface, a small amount of dirt is present. However, it can be detected accurately. Therefore, the flow path can be appropriately cleaned, and the response speed in the measurement of the adsorptive gas that is affected even by a small amount of dirt can be kept good.
  • the schematic diagram which shows the structure of the exhaust gas analyzer which concerns on one Embodiment of this invention.
  • the graph which shows the result of having verified about the quantity of the injection
  • the gas analyzer according to the present embodiment is a so-called exhaust gas analyzer 100, which is used for measuring the concentration of NH 3 contained in exhaust gas discharged from a diesel engine equipped with a urea SCR system.
  • a gas pipe 1 through which an exhaust gas as a sample gas flows, a sampling pipe 2 for sampling a part of the exhaust gas from the gas pipe 1, and a measurement point in the sampling pipe 2 A gas measuring mechanism 21 for measuring the concentration of NH 3 contained in the exhaust gas, a gas injection mechanism 3 for injecting a gas having the same component as the measurement target gas having adsorbability into the gas pipe 1, and And a control mechanism 4 for controlling each part.
  • the gas pipe 1 and the sampling pipe 2 form a flow path 11 through which exhaust gas flows.
  • a region R surrounded by an imaginary line in FIG. 1 indicates an enlarged portion in FIG. 3 to be described later.
  • the gas pipe 1 is a generally cylindrical stainless steel pipe attached to an automobile muffler (not shown), and surface processing such as electrolytic polishing so that NOx and soot are less likely to adhere to the inner surface in contact with the exhaust gas. Is given. Further, most of the exhaust gas introduced into the gas pipe 1 is led out from the downstream opening as it is.
  • the sampling pipe 2 is a substantially thin cylindrical stainless pipe bent in an L shape, and has one end pierced in the radial direction with respect to the central portion of the gas pipe 1 and the inside of the gas pipe 1. A part of the exhaust gas can be sampled.
  • an on-off valve 23, a suction pump 22, and the gas measuring mechanism 21 are provided in order from the upstream.
  • the on-off valve is opened and the suction pump 22 sucks the exhaust gas at a predetermined flow rate so as to flow into the sampling pipe 2.
  • the inner surface is subjected to surface processing by electrolytic polishing or the like.
  • the gas measuring device 21 for example, FTIR (Fourier Transform Infrared Spectroscopy) by contained in the exhaust gas, not only the NH 3, NOx, CO, CO 2, hydrocarbons, simultaneously measurable those concentrations of the various components, such as equal
  • the concentration of each component measured at a cycle of 1 second is updated and output. That is, the concentration instruction values of various components contained in the exhaust gas can be updated in substantially real time.
  • the measurement point M of the gas measurement mechanism 21 in the present embodiment corresponds to the point where the gas measurement mechanism 21 is provided in the sampling pipe 2.
  • the gas injection mechanism 3 is for injecting adsorbing NH 3 among the components to be measured into the gas pipe 1 as an injection gas, one end of which is an injection gas source 31 in which NH 3 is stored. And a gas injection pipe 34 having the other end opened in the gas pipe 1, an on-off valve 33 provided on the gas pipe 1, and a flow rate control valve 32.
  • the gas injection mechanism 3 continues to supply a predetermined amount of NH 3 into the gas pipe 1 at least while the concentration of NH 3 in the exhaust gas is measured by the gas measurement mechanism 21.
  • the gas injection mechanism 3 is also used when calibration before measurement is performed by introducing NH 3 zero gas and span gas.
  • the position where the gas injection pipe 34 opens into the gas pipe 1 will be described in detail.
  • the position where the injection gas is introduced is set upstream of the measurement point M of the gas injection mechanism 21. More specifically, one end of the gas injection pipe 34 is located upstream of the location where the sampling pipe 2 is open in the gas pipe 1 and in the vicinity of the opening where the gas pipe 1 is attached to the muffler. Is opened. That is, the NH 3 gas can be dispersed by the gas injection mechanism 3 over substantially the entire area of the flow path 11 from when the exhaust gas is introduced to the measurement point M.
  • the area where both NH 3 and the injection gas in the exhaust gas, which is the measurement object gas, contact the inner surface is the area where only NH 3 in the exhaust gas contacts.
  • the injection position of the injection gas is set so as to be sufficiently larger than that. For example, even if adsorption occurs on the inner surface where only NH 3 in the exhaust gas contacts, it is set so that only an amount below the measurement limit of the gas measurement mechanism 21 is adsorbed.
  • the control mechanism 4 is a so-called computer having an input / output interface, a memory, a CPU, an A / D, a D / A converter, etc., and controls various valves by executing a program stored in the memory. Or, at least the function as the dirt determination unit 41 is exhibited.
  • the contamination determination unit 41 is configured to determine the presence or absence of contamination in the flow path 11 based on a value related to the measurement response speed of the adsorptive gas by the gas measurement mechanism 21.
  • the gas injection mechanism 3 introduces an adsorptive gas having a known concentration or flow rate into the gas pipe 1 and the sampling pipe 2, and the measurement value output from the gas measurement mechanism 21 at that time.
  • dirt such as soot is attached to the inner surface in contact with the flow path 11 through which the exhaust gas as the sample gas flows is acceptable. It is determined that the user is doing.
  • the dirt determination unit 41 determines the dirt based on the response time required to stabilize at a predetermined value from a state where nothing is measured as a value related to the measurement response speed, When the response time exceeds a predetermined time, it is determined that the dirt on the inner surface of the gas pipe 1 or the sampling pipe 2 is more than an allowable amount.
  • the output value of the gas measurement mechanism 21 is calibrated by the zero gas and the span gas injected by the gas injection mechanism 3. Note that sample gas such as exhaust gas is not introduced into the gas pipe 1 during dirt detection.
  • the contamination determination unit 41 injects a span gas in which NH 3 is set to a concentration in the vicinity of the full scale of the gas measurement mechanism 21 into the gas pipe 1, and measures the NH 3 gas measured by the gas measurement mechanism 21.
  • the response time t n which is the time taken for the concentration change to stabilize is measured.
  • the response time t n when there is dirt is longer than the response time t 0 in the initial state without dirt.
  • the surface area increases accordingly, and more adsorbing gas such as NH 3 is adsorbed. Therefore, even if the span gas is injected from the gas injection mechanism 3, the amount of NH 3 gas trapped increases as the contamination increases, and it takes time for the indicated value to reach the concentration set for the span gas. become. That is, the dirt determination unit 41 detects dirt using the fact that the responsiveness of the gas measurement mechanism 21 is deteriorated due to adsorption of adsorbable gas to the dirt.
  • the contamination determination unit 41 configured as described above, since the contamination is detected based on the adsorptivity of NH 3 that is an adsorptive gas, it is difficult to detect depending on the flow rate and other parameters, and the adsorptive gas. This makes it possible to immediately detect dirt that has a particularly adverse effect on the measurement of water.
  • dirt for example, the gas pipe 1 and the sampling pipe 2 are automatically cleaned up to improve the response speed of the gas measurement mechanism 21 in NH 3 measurement, It is possible to prevent a situation in which an incorrect calibration is performed while adhering to dirt and the measurement is continued with a large error in subsequent measurement.
  • the injection gas source 31 is switched to a different one so that NH 3 can be supplied as an injection gas to the gas pipe 1 and the sampling pipe 2 at a concentration different from that of the span gas.
  • the concentration of NH 3 as the injection gas is set to be, for example, a value of half or less in the measurable range of the gas measurement mechanism 21, and even if NH 3 derived from exhaust gas is further added, In the gas measurement mechanism 21, the concentration instruction value is not saturated.
  • the gas injection mechanism 3 starts injecting NH 3 as an injection gas into the gas pipe 1 before the exhaust gas flows into the gas pipe 1, that is, before the automobile starts the engine. To do. At this time, the suction pump 22 provided on the sampling pipe 2 has also started to be driven, and the injection gas flows into the sampling pipe 2. Then, as shown in FIG. 3A, the exhaust gas is introduced after the saturation amount that NH 3 is adsorbed on the inner surfaces of the gas pipe 1 and the sampling pipe 2. For example, the exhaust gas may be introduced after a predetermined time has elapsed since the gas injection mechanism 3 started to inject NH 3 , and the gas concentration measured by the gas measurement mechanism 21 is determined by the gas injection mechanism 3. The introduction of exhaust gas may be started when the concentration of the injected gas is substantially stable.
  • the predetermined amount which is the amount of the injection gas injected from the gas injection mechanism 3, is adsorbed on the inner surface of the gas pipe 1 of the adsorption gas and the injection gas as shown in FIG.
  • the amount of adsorption and the amount of separation of the measurement object gas and the injected gas from the inner surface of the gas pipe 1 are set to be equal to or more than the amount that is substantially balanced.
  • the measurement result of the conventional exhaust gas analyzer and the exhaust gas analyzer 100 of the present embodiment are used. A description will be given while comparing the measurement results.
  • the actual concentration value is not shown immediately after the engine is started, but the response is caused by the adsorption of NH 3 on the inner surface of the pipe. Delay occurs. After a while, it becomes stable at the actual concentration value, but after the engine is stopped, NH 3 peeled off from the inner surface is detected despite the fact that exhaust gas does not flow in, and the concentration indication value gradually decreases. It will be.
  • NH 3 gas is allowed to flow through the gas pipe 1 and the sampling pipe 2 at a constant concentration value as an injection gas before the start of measurement.
  • the state is raised by a predetermined density instruction value.
  • the concentration indication value output from the gas measuring mechanism 21 can reproduce the actual concentration change derived from the exhaust gas in substantially real time.
  • the rise time and fall time in the experimental conditions of (1), (2), and (3) are , 26s, 6s and 2s, respectively. That is, it can be seen that the rise time and the fall time tend to be shorter as the amount of the injected gas is increased and the NH 3 is closer to the saturation amount adsorbed on the inner surface.
  • the exhaust gas measured as an exhaust gas analyzer of the present embodiment while continuing to flow the NH 3 from the gas injection mechanism 3, by measuring the NH 3 in the exhaust gas, the response relates NH 3 Measurement of gas measurement mechanism 21 It was proved that the sex could be improved.
  • the gas analyzer of the present invention has been described by taking the exhaust gas analyzer as an example, but other gases may be measured as the sample gas.
  • NH 3 is taken as an example of the measurement target gas having adsorptivity, but other adsorption gas such as HCl and hydrocarbon (HC) may be used.
  • hydrocarbon (HC) include aromatic hydrocarbons such as toluene, alcohols such as metal rule and ethanol, and high boiling point HC.
  • examples of the gas having high adsorptivity include those having polarity such as NO 2 , SO 2 , H 2 0 and the like.
  • the predetermined amount may be set so that the value relating to the amount of the injected gas indicated by the gas measurement mechanism is equal to or less than a tolerance, in addition to making the predetermined amount an amount that can maintain an equilibrium state for adsorption and separation.
  • the tolerance indicates, for example, the amount of error allowed in advance with respect to the full scale that can be measured by a certain measuring instrument, and specifically, a numerical value such as about several percent of the full scale. It is represented by In other words, the measurement range is hardly narrowed by maintaining the equilibrium state so that the concentration indication value derived from the injected gas is within the error of the concentration measurement value allowed by the gas measurement mechanism. In addition, it is possible to know a sufficiently accurate value without performing an operation of subtracting the concentration value derived from the injected gas from the value obtained in order to know the concentration value derived from the exhaust gas.
  • the contamination determination unit is configured to detect the presence or absence of contamination based on a response time that is a value related to the measurement response speed of the adsorptive gas. For example, from the measurement value indicated by the gas measurement mechanism, Other related values such as a rate of change when changing to another measurement value may be used. That is, the stain determination unit may make a determination based on a density value measured within a predetermined time.
  • the span gas is injected by the gas injection mechanism, and the concentration to be actually measured is stepped, but various measurement values such as a rectangular wave, a sine wave, and a pulse appear. It does not matter.
  • a pulse-like change when measured by the gas measurement mechanism, it takes from the time when the adsorptive gas is injected by the gas injection mechanism until it is actually detected by the gas measurement mechanism.
  • the presence or absence of dirt may be determined based on the time.
  • the place where the adsorptive injection gas is injected by the gas injection mechanism may be anywhere in the flow path through which the sample gas flows and upstream of the measurement point M of the gas measurement mechanism.
  • an adsorptive injection gas may be injected.
  • the stain determination unit may not only detect the presence / absence of stain but also determine the degree of stain based on the measured value.
  • the response time of the non-adsorbing gas is acquired, and the response time of the adsorbing gas and the response time of the non-adsorbing gas are substantially the same, maintenance of the suction pump is necessary or leakage
  • the response time of only the adsorptive gas is long, it may be determined that dirt is present in the flow path through which the gas to be measured flows. For example, when dirt is present, the response time of the adsorptive gas deteriorates and becomes longer due to the change in the surface area in the pipe, whereas the non-adsorbing gas is not significantly affected even if the surface area changes. Response time hardly changes.
  • the dirt determination unit can strictly determine the cause of two different response delays.
  • the gas measuring device is preferably capable of simultaneously measuring multi-component gases, and specific examples of the non-adsorbing gas include CO, CO 2 , NO, N 2 O and the like. .
  • the dirt determination unit is not only used in the exhaust gas analyzer, but may be used in other gas analyzers.
  • the gas measurement mechanism can measure multi-component gases by FTIR, it may be one that can measure only other adsorptive gases.
  • the gas measuring mechanism may be capable of measuring only an adsorptive gas such as NH 3 as in NDIR or laser measurement.
  • the value measured by the gas measurement mechanism is not limited to the concentration, and may be a value related to the amount of the adsorptive gas such as the flow rate and the volume.
  • the measurement point of the gas measurement mechanism may be provided not in the sampling pipe but in the gas pipe. In short, the injection gas injected from the gas injection mechanism may flow from the upstream of the measurement point together with the gas to be measured.
  • the gas measuring mechanism is installed downstream of the suction pump in the embodiment, but may be installed upstream of the suction pump, for example. Even in the case of such a so-called reduced pressure flow, it is possible to obtain the same effects as those described above with respect to contamination detection and measurement of the measurement target gas having adsorptivity.
  • the present invention since it is configured to detect the presence or absence of dirt by utilizing the decrease in the response speed caused by the adsorption of the adsorbing injection gas to the inner surface, a small amount of dirt is present. However, it can be accurately detected. Therefore, the flow path can be appropriately cleaned, and the response speed in the measurement of the adsorptive gas that is affected even by a small amount of dirt can be kept good. For these reasons, the present invention can be applied to provide a more accurate exhaust gas analyzer.

Abstract

　吸着性ガスの測定において多大な影響を与えてしまう少量の汚れがあっても吸着性ガスを感度良く検出できるようにするために、試料ガスが流される流路１１に吸着性の注入ガスを注入するガス注入機構３と、前記流路１１に流れる吸着性ガスの量に関連する値を測定可能なガス測定機構２１と、前記ガス測定機構２１が、前記吸着性ガスの測定応答速度に関連する値に基づいて、前記流路における汚れを判定する汚れ判定部４１と、を備えた。

Description

ガス分析装置及びそれに用いられる汚れ検出方法
　本発明は、測定対象であるガスが流れる流路において汚れが生じているかどうについて検出することができるガス分析装置に関するものである。
　例えば、自動車の内燃機関から排出された排ガス中のＮＯｘ等の成分について測定が行われている。近年、この種の排ガス分析装置においては、ＮＯｘ以外の成分であるＮＨ３等の吸着性ガスの分析についても重要度が高くなってきている。
　ＮＨ３等の吸着性を有する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、ＮＯｘ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出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ＮＨ３を還元剤としてＳＣＲ触媒に供給することで、排出ガス中のＮＯｘを還元し無害なＮ２やＨ２Ｏ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、排出ガス中にＮＨ３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ＮＨ３の測定が行われている。
　ところで、従来からの測定対象であるＮＯｘのようなガスとは異なり、ＮＨ３のような吸着性を有するガスの場合、ＮＨ３の量を測定可能なガス分析機構に到達するまでに、配管の内壁等へ吸着されてしまうことによりリアルタイムで正確な値を測定する事が難しい。特に配管の内壁等に排ガス中に含まれるすす等によって汚れが付着していると、このような吸着性ガスに対する前記ガス測定機構の応答速度はより悪化してしまう。
　応答速度の低下を防ぐという観点からすると、例えば特許文献１に示されるような従来からある排ガス分析装置でも、NO等の非吸着性ガスが測定されるセルやセルへの流路中の汚れを検出する機構を備え、汚れが検出された際には適宜洗浄等を行うようにしたものがある。
　具体的にこのものはＮＯｘ等の非吸着性ガスに関する応答速度の向上を意図したものであるため、多量の汚れの体積によって流路が狭窄し、前記セルへの試料ガスの流入流量が規定値に達しないことをもって汚れを検知するようにしている。
　しかしながら、吸着性を有するガスの測定を行う場合には、流路を形成する配管内に少量の汚れが付着して配管内の接ガスしている表面積が変化した場合でも、吸着量が大きく変化してしまい、応答速度の低下が発生してしまう。つまり、従来の汚れ検出機構よりも感度良く、早期の段階で汚れを検出し、内表面を洗浄する必要がある。
特開２００２－３１０９１０号公報
　本発明は上述したような問題を鑑みてなされたものであり、吸着性を有するガスの測定において多大な影響を与えてしまう、少量の汚れであっても感度良く検出することができる機構を備えたガス分析装置及びそれに用いられる汚れ検出方法を提供することを目的とする。
　すなわち、本発明のガス分析装置は、試料ガスが流される流路に吸着性の注入ガスを注入するガス注入機構と、前記流路に流れる吸着性の注入ガスの量に関連する値を測定可能なガス測定機構と、前記ガス測定機構による前記吸着性の注入ガスの測定応答速度に関連する値に基づいて、前記流路における汚れを判定する汚れ判定部と、を備えたことを特徴とする。
　また、本発明の汚れ検出方法は、ガス分析装置において試料ガスが流される流路の汚れ検出方法であって、前記流路に吸着性の注入ガスを注入するガス注入ステップと、前記流路に流れる吸着性の注入ガスの量に関連する値を測定するガス測定ステップと、前記ガス測定ステップにおける前記吸着性の注入ガスの測定応答速度に関連する値に基づいて、前記流路における汚れを判定する汚れ判定ステップと、を備えたことを特徴とする。ここで、汚れを判定するとは、すす等の汚れが存在するかどうかだけなく、その汚れの程度を判定することも含む概念である。また、吸着性の注入ガスの測定応答速度に関連する値とは、例えば、応答速度や応答時間だけでなく、所定時間内において測定される注入ガスの濃度値に基づいて応答速度を算出するものを含む概念である。
　このようなものであれば、流路に吸着性の注入ガスを流し、前記ガス測定機構による吸着性の注入ガスの測定応答速度に関連する値に基づいて、前記汚れ判定部が汚れを判定するように構成されており、前記吸着性の注入ガスは、少量の汚れがあった場合でも測定応答速度に変化が表れるので、従来よりも感度良く汚れの有無を検知する事が可能となる。
　従って、汚れの影響を受けやすい吸着性ガスの測定においても少量の汚れであっても適切な頻度で流路の洗浄を行うことが可能となり、例えば定められた測定応答速度の基準内で吸着性を有するガスを測定することができるようになる。
　前記汚れ判定部により、少量の汚れであっても検知を行えるようにし、特に吸着性ガスの測定における応答速度を良好に保つことができる具体的な実施の態様としては、前記流路が、前記試料ガスが流されるガス配管内と、前記試料ガスの一部をサンプリングするサンプリング配管内とに形成されており、前記ガス測定機構が、前記サンプリング配管に設けられているとともに、前記汚れ判定部が、測定応答速度に関連する値に基づいて前記サンプリング配管の内表面における汚れを判定するように構成されたものが挙げられる。
　測定系全体について汚れの有無を検知し、吸着性ガスの測定における応答速度を長期間良好に保つことができるようにするには、前記ガス注入機構が、前記ガス配管内に前記吸着性の注入ガスを注入するよう構成されたものであればよい。
　簡単な構成でありながら、少量の汚れであっても的確に検出できるようにするには、前記汚れ判定部が、前記ガス注入機構により吸着性の注入ガスが注入されてから、前記ガス測定機構により所定量以上の吸着性の注入ガスが測定されるまでにかかる応答時間が所定時間以上である場合に、前記流路に汚れが有ると判定するように構成されたものであればよい。
　このように本発明によれば、吸着性の注入ガスが内表面に吸着することにより生じる応答速度の低下を利用して汚れの有無を検知するように構成されているので、少量の汚れであっても的確に検出することができる。従って、適宜流路の洗浄を行うことができ、少量の汚れであっても影響を受けることになる吸着性ガスの測定における応答速度を良好なものに保つことができるようになる。
本発明の一実施形態に係る排ガス分析装置の構成を示す模式図。 同実施形態における汚れ判定時において濃度変化及び応答速度について示す模式的グラフ。 図１の模式図において想像線で示した領域を拡大したものであり、内表面におけるＮＨ３の吸着、剥離の状態を示した模式図。 同実施形態と従来技術におけるＮＨ３濃度測定時の応答の違いを示すグラフ。 同実施形態と従来技術におけるＮＨ３微量濃度測定時の応答の違いを示すグラフ。 同実施形態における注入ガスの量と、立ち上がり時間、立下り時間との関係について検証した結果を示すグラフ。
１００・・・排ガス分析装置（ガス分析装置）
１１　・・・流路
２１　・・・ガス測定機構
３　　・・・ガス注入機構
　本発明の一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は、いわゆる排ガス分析装置１００であって、尿素ＳＣＲシステムを搭載したディーゼルエンジンから排出される排ガス中に含まれるＮＨ３の濃度を測定するために用いるものである。
　より具体的には、図１に示すように試料ガスである排ガスが流れるガス配管１と、前記ガス配管１内から排ガスの一部をサンプリングするサンプリング配管２と、前記サンプリング配管２内に測定点Ｍを有し、排ガス中に含まれるＮＨ３の濃度を測定するガス測定機構２１と、吸着性を有する測定対象ガスと同じ成分のガスを前記ガス配管１内に注入するガス注入機構３と、各部を制御する制御機構４と、を備えたものである。言い換えると、前記ガス配管１と、前記サンプリング配管２とにより排ガスの流れる流路１１が形成してある。なお、図１において想像線で囲まれている領域Ｒは、後述する図３において拡大している部分を示すものである。
　各部について説明する。
　前記ガス配管１は、図示しない自動車のマフラーに取り付けられる概略円筒状の例えばステンレス管であり、前記排ガスと接触する内表面には、ＮＯｘやすす等が付着しにくいように電解研磨等の表面加工が施してある。また、このガス配管１に導入された排ガスの大部分はそのまま下流側の開口から外部へと導出されるようにしてある。
　前記サンプリング配管２は、Ｌ字状に曲がった概略細円筒状のステンレス管であって、その一端を前記ガス配管１の中央部に対して半径方向に突き刺してあるとともに、当該ガス配管１の内部に開口させて、排ガスの一部をサンプリングできるようにしてある。このサンプリング配管２上には、上流から順に開閉弁２３と、吸引ポンプ２２と、前記ガス測定機構２１とが設けてある。排ガス中のＮＨ３ガスの濃度を測定する場合には、前記開閉弁が開放されるとともに、前記吸引ポンプ２２により所定流量の排ガスが前記サンプリング配管２内へと流入するよう吸引される。なお、このサンプリング配管２も前記ガス配管１と同様に内表面については電解研磨等により表面加工が施してある。
　前記ガス測定機構２１は、例えばＦＴＩＲ（Fourier Transform Infrared Spectroscopy）により排ガス中に含まれる、ＮＨ３だけでなく、ＮＯｘ、ＣＯ、ＣＯ２、炭化水素、等といった各種成分の濃度を同時に測定可能なものであり、例えば１秒ごとの周期で測定されている各成分の濃度を更新して出力するよう構成してある。つまり、略リアルタイムで排ガス中に含まれる各種成分の濃度指示値を更新することができる。なお、本実施形態における前記ガス測定機構２１の測定点Ｍは、サンプリング配管２において当該ガス測定機構２１が設けてある場所がその点に該当する。
　前記ガス注入機構３は、測定対象である成分のうち吸着性のあるＮＨ３を注入ガスとして前記ガス配管１内へと注入するものであって、一端がＮＨ３の貯留された注入ガス源３１に接続され、前記ガス配管１内にもう一端が開口したガス注入管３４と、前記ガス配管１上に設けられた開閉弁３３と、流量制御弁３２とを備えたものである。このガス注入機構３は、少なくとも前記ガス測定機構２１により排ガス中のＮＨ３の濃度が測定されている間は、所定量のＮＨ３を前記ガス配管１内へと供給し続けるようにしてある。また、ＮＨ３のゼロガス、スパンガスを導入することにより、測定前の校正を行う際にもこのガス注入機構３は用いられる。
　前記ガス注入管３４が前記ガス配管１内に開口する位置について詳述すると、注入ガスが導入される位置は、前記ガス注前記ガス測定機構２１の測定点Ｍよりも上流に設定してある。より詳細には、前記サンプリング配管２が前記ガス配管１内に開口している場所よりも上流であり、前記ガス配管１がマフラーに取り付けられている側の開口近傍に前記ガス注入管３４の一端を開口させてある。すなわち、排ガスが導入されてから前記測定点Ｍに至るまでの流路１１の略全域にわたって前記ガス注入機構３によりＮＨ３ガスが散布され得るように構成してある。更に言い換えると、測定点Ｍよりも上流の配管内において、前記測定対象ガスである排ガス中のＮＨ３と注入ガスの両方が内表面に接触する面積が、排ガス中のＮＨ３だけが接触する面積よりも十分に大きくなるように注入ガスの注入位置を設定してある。例えば、排ガス中のＮＨ３のみが接触する内表面において吸着が生じたとしても、前記ガス測定機構２１の測定限界以下の量しか吸着されないように設定してある。
　前記制御機構４は、入出力インターフェース、メモリ、ＣＰＵ、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａコンバータ等を備えたいわゆるコンピュータであって、前記メモリに格納されたプログラムを実行することにより、各種バルブの制御等や、少なくとも汚れ判定部４１としての機能を発揮するように構成してある。
　前記汚れ判定部４１は、前記ガス測定機構２１よる前記吸着性ガスの測定応答速度に関連する値に基づいて、前記流路１１における汚れの有無を判定するように構成してある。具体的には、前記ガス注入機構３により前記ガス配管１及び前記サンプリング配管２へとその濃度又は流量が既知の吸着性ガスを導入し、その際の前記ガス測定機構２１から出力される測定値から算出される測定応答速度に関連する値が予め定めた規定値よりも悪化している場合に試料ガスである排ガスが流れる流路１１と接する内表面が許容できる以上のすす等の汚れが付着していると判定するものである。
　本実施形態では前記汚れ判定部４１は、前記測定応答速度に関連する値として何も測定されていない状態から、所定値で安定するまでにかかる応答時間に基づいて汚れを判別しており、前記応答時間が予め定めた規定時間を超えた場合に前記ガス配管１又は前記サンプリング配管２内の内表面に汚れが許容量以上付着していると判断するように構成してある。
　このように構成した排ガス分析装置１００について、ＮＨ３ガス測定時における一連の動作等について説明する。
　まず、前記汚れ判定部４１による排ガスが流れる流路１１における汚れ検知の動作について説明する。
　前記ガス測定機構２１により排ガス中のＮＨ３の測定が開始される前には、前記ガス注入機構３によって注入されるゼロガスとスパンガスにより前記ガス測定機構２１の出力値の校正が行われる。なお、汚れ検知中においては排ガス等の試料ガスは前記ガス配管１内に導入されないようにしてある。
　前記汚れ判定部４１は、ＮＨ３を前記ガス測定機構２１のフルスケール近傍の濃度に設定されているスパンガスが前記ガス配管１内に注入され、前記ガス測定機構２１により測定されるＮＨ３ガスの濃度変化が安定するまでにかかる時間である応答時間ｔｎを測定する。
　ここで、図２のグラフに示すように、汚れがある場合の応答時間ｔｎは、汚れがない初期状態における応答時間ｔ０よりも長くなっていることが分かる。これは、ガス配管１やサンプリング配管２内にすす等の汚れが付着するとその分表面積が大きくなり、ＮＨ３等の吸着性ガスはより多く吸着されることになる。従って、前記ガス注入機構３からスパンガスが注入されても、汚れが多くなるとトラップされるＮＨ３ガスの量が多くなり、スパンガスに設定される濃度にまで指示値が到達するのに時間がかかることになる。つまり、前記汚れ判定部４１は、吸着性ガスが汚れに吸着されることにより前記ガス測定機構２１の応答性が悪くなることを用いて汚れの検知を行っていることになる。このように構成された汚れ判定部４１によれば、吸着性ガスであるＮＨ３の吸着性に基づいて汚れを検知しているので、流量やその他のパラメータ等によっては検知しにくく、吸着性ガスの測定に対して特に悪影響を与える汚れをすぐに検知する事が可能となる。汚れが検知された場合には、例えば、ガス配管１やサンプリング配管２のクリーンアップを自動で行うように構成し、ＮＨ３測定における前記ガス測定機構２１の応答速度を改善することや、スパンガスが汚れに吸着した状態のまま不正確な校正が行われてその後の測定において大きな誤差を含んだまま測定が継続される等の事態を防ぐことができる。
　次に、校正終了後における排ガス中のＮＨ３ガスの濃度測定における各部の動作等について説明する。なお、校正終了後においては前記注入ガス源３１を別のものに切り替えることにより、前記スパンガスとは異なる濃度でＮＨ３を注入ガスとして前記ガス配管１及びサンプリング配管２に供給できるようにしてある。この際、注入ガスとしてのＮＨ３の濃度は前記ガス測定機構２１の測定可能レンジにおいて、例えば半分以下の値等となるように設定してあり、さらに排ガス由来のＮＨ３が追加されても前記ガス測定機構２１において、その濃度指示値が飽和しないようにしてある。
　前記ガス注入機構３は、前記ガス配管１内に排ガスが流入するよりも前、すなわち、自動車がエンジンをスタートさせる前の状態から、前記ガス配管１内に注入ガスであるＮＨ３の注入を開始する。この際、前記サンプリング配管２上に設けられた吸引ポンプ２２も駆動を開始しており、前記サンプリング配管２内にも注入ガスが流入するようにしてある。そして、図３（ａ）に示すように、前記ガス配管１及び前記サンプリング配管２の内表面にＮＨ３が吸着される飽和量となってから排ガスを導入する。例えば、前記ガス注入機構３がＮＨ３の注入を開始してから所定時間経過した後に排ガスを導入してもよいし、前記ガス測定機構２１において測定されるガス濃度が、前記ガス注入機構３により注入されるガス濃度で略安定した場合に、排ガスの導入を開始してもよい。
　ここで、前記ガス注入機構３から注入される注入ガスの量である前記所定量は、図３（ｂ）に示すように前記吸着ガス及び前記注入ガスの前記ガス配管１の内表面へ吸着する吸着量と、前記測定対象ガス及び前記注入ガスの前記ガス配管１の内表面から剥離する剥離量とが略平衡となる量と等量又はそれ以上に設定してある。
　このようにしてエンジンが始動してから停止するまでの間に前記ガス測定機構２１により測定されるガス濃度の変化について、従来の排ガス分析装置の測定結果と、本実施形態の排ガス分析装置１００の測定結果と、を比較しながら説明する。
　図４のグラフに示すように、従来の排ガス分析装置を用いた場合には、エンジンの始動後にすぐに実際の濃度値を示すのではなく、配管内表面にＮＨ３が吸着することにより応答の遅れが発生する。しばらくすると、実際の濃度値で安定するようになるが、エンジン停止後には排ガスが流入していないにも拘らず、内表面から剥離したＮＨ３が検出され、なだらかに濃度指示値が下がっていくことになる。
　一方、本実施形態の排ガス分析装置１００によれば、測定の開始前から注入ガスとしてＮＨ３ガスを一定濃度値で前記ガス配管１及びサンプリング配管２に流しているので、排ガスが導入される前から所定濃度指示値分だけ持ち上げられた状態となる。そして、図３（ｂ）に示したようなＮＨ３の内表面への吸着、剥離が略平衡となる状態となっているので、仮に排ガス由来のＮＨ３が内表面に吸着したとしても、代わりに略等量のＮＨ３が内表面から剥離していくことになる。従って、吸着による応答遅れはほとんど発生しないことになるので、前記ガス測定機構２１の出力する濃度指示値は、実際の排ガス由来の濃度変化を略リアルタイムで再現することができる。
　次に、前述したような大量の排ガス由来のＮＨ３が流入している場合ではなく、例えば、エンジンをコールドスタートさせた場合等においてＮＨ３が微小量だけ出力されている場について、従来と本実施形態の排ガス分析装置１００の測定結果を比較しながら説明する。
　図５（ａ）のグラフに示すように、測定開始直後において微小量のＮＨ３が排ガス分析装置１００に流入している場合には、従来の場合、全てのＮＨ３がガス配管１やサンプリング配管２の内表面に吸着してしまい、前記ガス測定機構２１では検出することすらできない。そして、エンジン始動後所定時間が経過した後でも、実際のＮＨ３濃度に対して小さい値が出たり、応答波形が一致しない等の事象が生じたりした後に、実際の値と測定値とが一致して安定することになる。また、エンジン停止後は、ＮＨ３は検出されないはずであるが、ガス配管１、サンプリング配管２に吸着したＮＨ３が順次剥離し、なだらかに濃度指示値が低下していくことになり、実際の波形を再現することはできない。言い換えると、リアルタイムでの計測ができていないだけなく、その測定値には時間に関する情報が欠落しているという欠陥がある。
　一方、本実施形態であれば、エンジンが始動する前から注入ガスを導入して、内表面におけるＮＨ３の吸着量が飽和となるようにしてあるので、エンジン始動後に微小量の排ガス由来のＮＨ３があっても内表面に吸着しない、もしくは、吸着したとしても略等量のＮＨ３が内表面から剥離することになる。従って、図５（ｂ）に示すように微小量の排ガス由来のＮＨ３が測定開始直後にあった場合でも正確に検出し、その濃度を測定する事が可能となる。つまり、従来であれば、そもそもＮＨ３が排出されていないといった誤った判断がされがちであったところ、微小量のＮＨ３であっても排出された時間に関する情報も失うことなく正確にリアルタイムで測定することができる。このため、従来では得られなかった知見を排ガスの測定で得ることができ、より尿素ＳＣＲの開発に対して貢献することができる。
　さらに、本実施形態の排ガス分析装置１００におけるＮＨ３測定時における立ち上がり時間、立下り時間の実測結果について図６を参照しながら説明する。この実測においては、ガス注入機構３により所定量の注入ガスであるＮＨ３を流しつつ、ガス配管１の入り口側から既知量のＮＨ３をステップ入力状に導入して、ガス測定機構２１における応答速度を評価している。図６（ａ）に示すように、（１）ガス注入機構３からＮＨ３を注入せずに、ガス配管１にＮＨ３を導入した場合、（２）ガス注入機構３から１３ｐｐｍのＮＨ３を注入し続けるとともに、ガス配管１のＮＨ３を導入した場合、（３）ガス注入機構３から２３ｐｐｍのＮＨ３を注入し続けるとともに、ガス配管１のＮＨ３を導入した場合についてそれぞれ測定を行った。
　図６（ｂ）の立ち上がり時の拡大図、図６（ｃ）の立下り時の拡大図から明らかなように、（１）（２）（３）の実験条件における立ち上がり時間及び立下り時間は、それぞれ２６ｓ、６ｓ、２ｓであった。すなわち、注入ガスの量を増やし、ＮＨ３が内表面に吸着される飽和量に近づくほど、立ち上がり時間、立下り時間が短くなる傾向があることが分かる。また、本実施形態の排ガス分析装置のように排ガス測定時に、前記ガス注入機構３からＮＨ３を流し続けながら、排ガス中のＮＨ３を測定することにより、ガス測定機構２１のＮＨ３測定に関する応答性を改善できることが実証された。
　その他の実施形態について説明する。
　前記実施形態では、排ガス分析装置を例として本発明のガス分析装置を説明したが、試料ガスとしてその他のガスを測定するものであっても構わない。また、吸着性を有する測定対象ガスとしてＮＨ３を例に挙げたが、ＨＣｌやハイドロカーボン（ＨＣ）等のその他の吸着ガスであってもよい。ハイドロカーボン（ＨＣ）の例としては、トルエン等の芳香族炭化水素、メタルールやエタノール等のアルコール、高沸点ＨＣ等が挙げられる。さらに、吸着性の高いガスの例としては、ＮＯ２、ＳＯ２、Ｈ２０等の極性を持ったもの挙げられる。
　前記所定量を吸着と剥離について平衡状態を保てる量にするだけなく、さらに前記ガス測定機構が示す前記注入ガスの量に関する値が、許容差以下となるように前記所定量を設定してもよい。ここで、許容差とは、例えばある測定器が測定することができるフルスケールに対して予め許される誤差の量のことを示すものであり、具体的にはフルスケールの数％程度等の数値で表されるものである。つまり、平衡状態を保ちつつ、注入ガス由来の濃度指示値が、前記ガス測定機構が許容している濃度の測定値の誤差以内となるようにしておくことにより、ほとんど測定レンジを狭めることがなく、また排ガス由来の濃度値を知るために得られた値から注入ガス由来の濃度値を差し引くといった操作を行わなくても十分に正確な値を知ることができる。
　前記汚れ判定部は、吸着性ガスの測定応答速度に関連する値である応答時間に基づいて汚れの有無を検知するように構成されていたが、例えば、前記ガス測定機構の示すある測定値から別の測定値へ変化する際における変化率等のその他の関連する値を用いても構わない。すなわち、前記汚れ判定部は、所定時間内において測定される濃度値に基づいて判断を行うものであってもよい。前記実施形態では、前記ガス注入機構によりスパンガスを注入して、実際に測定されるべき濃度をステップ状にしていたが、例えば矩形波状や、正弦波状、パルス状等様々な測定値の変化現れるものであっても構わない。例えば、パルス状の変化が前記ガス測定機構において測定されるようにしている場合には、前記ガス注入機構により吸着性ガスが注入されてから、実際に前記ガス測定機構で検出されるまでにかかる時間に基づいて、汚れの有無を判別してもよい。また、ガス注入機構により吸着性の注入ガスが注入される場所は、試料ガスが流れる流路中であって、前記ガス測定機構の測定点Ｍよりも上流であればどこでもよく、例えばサンプリング配管内に吸着性の注入ガスを注入するようにしても構わない。また汚れ判定部は、汚れの有無を検知するだけでなく、測定値に基づいて汚れの程度を判定するものであっても構わない。
　さらに、非吸着性ガスの応答時間を取得し、前記吸着性ガスの応答時間と、前記非吸着性ガスの応答時間が略同じ場合には、前記吸引ポンプのメンテナンスが必要である、あるいは、リークが生じていると判断するとともに、前記吸着性ガスのみ応答時間が長くなっている場合には測定対象のガスが流れる流路に汚れが存在すると判断するように構成してもよい。例えば、汚れが存在する場合には、配管内の表面積の変化により吸着性ガスの応答時間は悪化し長くなるのに対して、表面積が変化しても非吸着性ガスはそれほど影響を受けず、応答時間もほとんど変化しない。一方、吸引ポンプに不具合がある場合には、前記吸着性ガス及び前記非吸着性ガスの両方について、前記ガス測定機構に到達するまでにかかる時間が長くなり、応答時間が両方とも長くなる。このように、吸着性ガス及び非吸着性ガスの応答時間を比較することにより、前記汚れ判定部は、異なる２つの応答遅れの原因を厳密に判定することができる。このような構成にする場合、前記ガス測定装置は多成分のガスを同時に測定できるものが好ましく、前記非吸着性ガスの具体例としては、ＣＯ、ＣＯ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ等が挙げられる。
　また、前記汚れ判定部は、排ガス分析装置にのみ用いられるものではなく、その他のガス分析装置に用いられるものであっても構わない。
　加えて、前記ガス測定機構は、ＦＴＩＲにより多成分のガスを測定可能なものであったが、その他の吸着性ガスのみを測定できるものであっても構わない。具体的には前記ガス測定機構は、ＮＤＩＲやレーザ測定のようにＮＨ３等の吸着性ガスだけを測定できるものであっても構わない。また、前記ガス測定機構が測定する値は濃度に限られず、流量、体積等の吸着性ガスの量に関連する値であっても構わない。加えて、前記ガス測定機構の測定点は、サンプリング配管内ではなく、前記ガス配管内に設けても構わない。要するに前記測定点よりも上流から測定対象のガスとともに前記ガス注入機構から注入される注入ガスが流れてくるようにしておけばよい。
　また、前記ガス測定機構は、前記実施形態では前記吸引ポンプよりも下流に設置されていたが、例えば、前記吸引ポンプよりも上流に設置されていても構わない。このようないわゆる減圧フローで構成した場合でも、汚れ検知や、吸着性を有する測定対象ガスの測定に関して前述したのと同様の効果を得ることができる。
　その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な実施形態の組み合わせや変形を行っても構わないことは言うまでもない。
　このように本発明によれば、吸着性の注入ガスが内表面に吸着することにより生じる応答速度の低下を利用して汚れの有無を検知するように構成されているので、少量の汚れであっても的確に検出することができる。従って、適宜流路の洗浄を行うことができ、少量の汚れであっても影響を受けることになる吸着性ガスの測定における応答速度を良好なものに保つことができるようになる。これらのことから本発明を適用することでより精度のよい排ガス分析装置を提供することができる。

Claims (5)

  1. 　試料ガスが流される流路に吸着性の注入ガスを注入するガス注入機構と、
    　前記流路に流れる吸着性ガスの量に関連する値を測定可能なガス測定機構と、
    　前記ガス測定機構による前記吸着性ガスの測定応答速度に関連する値に基づいて、前記流路における汚れを判定する汚れ判定部と、を備えたことを特徴とするガス分析装置。
  2. 　前記流路が、前記試料ガスが流されるガス配管内と、前記試料ガスの一部をサンプリングするサンプリング配管内とに形成されており、
    　前記ガス測定機構が、前記サンプリング配管に設けられているとともに、前記汚れ判定部が、前記測定応答速度に関連する値に基づいて前記サンプリング配管の内表面における汚れを判定するように構成された請求項１記載のガス分析装置。
  3. 　前記ガス注入機構が、前記ガス配管内に吸着性の注入ガスを注入するよう構成された請求項２記載のガス分析装置。
  4. 　前記汚れ判定部が、前記ガス注入機構により吸着性の注入ガスが注入されてから、前記ガス測定機構により所定量以上の吸着性ガスが測定されるまでにかかる測定応答時間が所定時間以上である場合に、前記流路に汚れが有ると判定するように構成された請求項１記載のガス分析装置。
  5. 　ガス分析装置において試料ガスが流される流路の汚れ検出方法であって、
    　前記流路に吸着性の注入ガスを注入するガス注入ステップと、
    　前記流路に流れる吸着性ガスの量に関連する値を測定するガス測定ステップ
    　前記ガス測定ステップにおける前記吸着性ガスの測定応答速度に関連する値に基づいて、前記流路における汚れを判定する汚れ判定ステップと、を備えたことを特徴とする汚れ検出方法。
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