JP6611694B2 - 排ガス計測システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関から排出される排ガスをサンプリングして、その成分等を計測する排ガス計測システム等に関するものである。

内燃機関の排ガス測定装置における応答遅れは、主として、その構造や電気回路に起因する一次遅れあるいは多次遅れ要素と、内燃機関から排出された排ガスが排ガス測定装置に至るまでの時間によって生じる移送時間を含んだ無駄時間要素とから構成される。

この応答遅れは、できるだけ小さい方が好ましいので、例えば特許文献１に開示されている遅れ補正演算によって、前記一次遅れあるいは多次遅れ要素を改善するといったことが行われている。

また、無駄時間要素については、排ガス測定装置内における排ガス流通路のみならず、内燃機関から排ガスをサンプリングして排ガス測定装置に導くサンプリング管をできるだけ短くし、その改善を図るといったことが行われている。

それでもなお、例えば、複数種類の排ガス測定装置を用いる総合的な排ガス計測システムの場合などでは、各排ガス測定装置に至るまでのサンプリング管の長さの違いによって、特に無駄時間要素に関する応答がばらつき、そのままでは、各測定結果を対比することが難しい場合がある。

そこで、従来は、前記サンプリング管の導入ポートから標準ガスを流し、その流しはじめの時刻から、各排ガス測定装置が標準ガスを検知した時刻（具体的には、例えば、測定結果が５０％にまで立ち上がった時刻）までの時間をそれぞれ測定するようにしている。そして、それら各時間を、各排ガス測定装置の固有の応答遅れ時間（無駄時間）としてそれぞれ定めておくとともに、各応答遅れ時間に基づいて、各排ガス測定装置の測定結果を補正して同期させ、測定結果の対比や排ガス分析に資するようにしている。

具体的には、最も応答が遅い排ガス測定装置にあわせて、他の排ガス測定装置での測定結果出力を遅らせる補正を施すことによって、各排ガス測定装置の測定結果を同期させている。

ところが、さらに測定精度を高めるべく精査した結果、各排ガス測定装置の測定結果にずれの生じる場合があり、かつ、その原因が、前記応答時間を定める際に、サンプリング管の導入ポートを、例えば１気圧といった一定圧にして標準ガスを流していたことにあることを、本発明者ははじめて見出した。

すなわち、実際の排ガス計測においては、排ガス排出量の変動等に応じて、サンプリング管内の圧力が変動する。そうすると、この圧力の変動に応じて、サンプリング管内の排ガスが圧縮・膨張して、前記無駄時間要素や一次遅れ要素が、各排ガス測定装置ごとに変化する。その結果、もともと固定としていた前記応答遅れ時間とずれてしまうことに原因があることを本発明者は突き止めたわけである。

この応答遅れ時間の変動は、排ガス測定装置が１つであっても不具合を生じせしめるおそれがある。例えば、分流希釈システムでは、排ガスの一部をサンプリングして特定成分の濃度を測定するが、その特定成分の量を測定する場合は、排ガス測定装置による測定濃度に対して、同時期に排出された排ガスの流量を掛け合わせる必要がある。その際、排ガス測定装置での応答遅れ時間を固定にしていた従来のシステムでは、測定流量との同期がとれなくなって、測定した特定成分の量に誤差が生じ得るからである。

特開２００４−３６１２４１号公報

そこで本発明は、排ガス測定装置の応答遅れに起因する測定結果の誤差をより精度よく補正できる排ガス測定システムを提供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、本発明に係る排ガス計測システムは、導入ポート及び導出ポートを有し、前記導入ポートから導入した排ガスを前記導出ポートから導出するサンプリング管と、前記導出ポートに接続されて前記サンプリング管を流れてきた排ガスに係る所定の物理量を測定する１又は複数種類の排ガス測定装置と、前記排ガス測定装置による測定結果を補正する補正装置とを具備したものである。

そして、前記サンプリング管内の圧力を測定する圧力センサをさらに具備し、前記補正装置が、前記圧力センサによる測定圧力をパラメータとして、応答遅れに起因して生じる前記測定結果の誤差を補正するものであることを特徴とする。

より具体的には、前記補正装置が、前記応答遅れのうちの無駄時間要素に起因して生じる測定結果の誤差を補正するものを挙げることができる。

複数の排ガス測定装置を具備するものにおいては、応答遅れによって各排ガス測定装置の測定結果の同期が保たれなくなることが大きな問題となる。これを解決するには、前記補正装置が、前記測定圧力をパラメータとして各排ガス測定装置の応答遅れをそれぞれ算出し、各排ガス測定装置の測定結果を補正してこれらを同期させるものであることが望ましい。その結果、刻一刻変動する排ガス中の各成分の濃度比やそれらから求められる燃費などを精度よく算出することが可能になる。

前記サンプリング管に設けられて、設置位置よりも下流の圧力を一定に保つ調圧機構をさらに具備したものにおいては、前記圧力センサは、前記導入ポートと前記調圧機構との間のいずれかに設けられていればよい。
精度を向上させるには、前記圧力センサが、前記導入ポートの近傍に設けられていることが好ましい。

圧力変動区間をできるだけ小さくして、そもそもの応答遅れの変動を軽減し、ひいては、補正後の測定結果の精度を高めるには、前記サンプリング管の途中に設けられた加熱式フィルタ機構をさらに具備するものにおいて、前記調圧機構が前記加熱式フィルタ機構の下流側に付帯して設けられているものが好適である。

このようなものであれば、排ガスの圧力が変動しても、測定結果の誤差を、従来に比べて小さくでき、測定精度を向上させることが可能になる。

本発明の一実施形態における排ガス測定システムの全体を示す模式図。 同実施形態におけるテーブルを示す図。 同実施形態において圧力によって応答遅れが変動することを示すグラフ。 本発明の他の実施形態における排ガス測定システムの全体を示す模式図。 同実施形態におけるテーブルを示す図。 同実施形態において圧力によって応答遅れが変動することを示すグラフ。

以下に、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る排ガス計測システム１００は、自動車の内燃機関から排出された排ガスに含まれる種々の成分の濃度や量を測定するものであり、図１に示すように、前記排ガスを一部サンプリングして流通させるサンプリング管１と、前記サンプリング管１に接続されて該サンプリング管１を流れてきた排ガスに係る所定の物理量を測定する複数種類の排ガス測定装置２と、各排ガス測定装置２の測定結果にそれぞれ所定の演算を施して補正し、各測定結果の同期をとる補正装置３とを備えている。
各部を説明する。

前記サンプリング管１は、単一管である主管１１と、この主管１１の終端から分岐する複数の分岐管１２とから構成されている。該サンプリング管１の始端、つまり主管１１の始端は、例えば内燃機関の排気管に挿入されており、その始端に設けられた導入ポート１ａから排ガスを導入する。そして、該サンプリング管１の終端、つまり、各分岐管１２の終端に設けられた各導出ポート１ｂが、各排ガス測定装置２にそれぞれ接続されている。

前記主管１１は、内部での結露やＴＨＣ凝縮等を防止するために、図示しないヒータによって加熱され、所定温度に維持されている。
この主管１１における導入ポート１ａの下流側直近には、該導入ポート１ａでの排ガス圧力を測定するための圧力センサ４が設けられているとともに、該主管１１の途中には、該主管１１を流れる排ガスの粉塵等を除去する加熱式フィルタユニット５が設けられている。

この加熱式フィルタユニット５は、図示しないケーシング、該ケーシング内に収容された第１フィルタ５１及び該第１フィルタ５１を加熱して所定温度に維持する図示しないヒータを具備したものである。

この加熱式フィルタユニット５の出口には、付帯するように調圧機構６（以下、レギュレータ６ともいう。）が設けられており、前記サンプリング管１において、このレギュレータ６の設置位置よりも下流側の圧力が一定に保たれるように構成してある。

排ガス測定装置２としては、排ガスに含まれる各種成分（例えば、ＣＯ、ＣＯ_２、ＮＯ_ｘ、ＴＨＣ、Ｈ_２Ｏ等）の濃度をそれぞれ測定するための複数種類のものが用いられている。この実施形態において、これら排ガス測定装置２は、大きく２つに分類されている。すなわち、加熱槽の内部に収容されて高温環境下で排ガス成分を測定するものと、常温下で排ガス成分を測定するものとの２群である。各群は、それぞれまとめられて排ガス測定ユニット２Ａ、２Ｂを形成している。
なお、図１中、符号７は、排ガスを吸引するためのポンプであり、符号８は、排ガス測定ユニット２Ａの入口に設けられた第２フィルタであり、符号９は、油分捕獲するオイルキャッチャである。

前記補正装置３は、ＣＰＵ、メモリ、通信ポートなどを備えたものであり、前記メモリに記憶させた所定のプログラムに従ってＣＰＵやその周辺機器が協働することにより、データ受付部３１、応答遅れ記憶部３２、同期部３３、データ出力部３４等としての機能を発揮する。
次に、この補正装置３の動作について、前記各部の説明を兼ねて詳述する。

前記データ受付部３１は、各排ガス測定装置２から逐次送信されてくる測定結果及び前記圧力センサ４から逐次送信されてくる測定圧力をそれぞれ受付時刻とともに取得するものである。

前記応答遅れ記憶部３２には、各圧力での各排ガス測定装置２の応答遅れが、例えば図２に示すようなテーブルとして格納されている。この実施形態での応答遅れとは、無駄時間要素のことであり、排ガス導入ポート１ａから各排ガス測定装置２に排ガスが至るまでの移送時間がその主要因を占めている。このテーブルは、予め実験等によって求められている。

図２に示すテーブルは、実験で求めた一例であり、排ガス測定装置２の１つであるＣＯ_２濃度測定装置（例えばＮＤＩＲ）においての、実験で求めた各圧力と無駄時間Ｔｄとの関係を示すものである。

この実験では、標準ガスとして所定濃度の成分ガスたるＣＯ_２を導入ポート１ａに入れた後の、測定結果のステップ応答波形を取得し、そこから、各圧力での無駄時間（以下、移送時間ともいう。）Ｔｄを求めている。移送時間Ｔｄとは、理論的には、成分ガスが導入ポート１ａに導入されてから前記測定結果として０を超えた値に最初になるまで時間であるが、ここでは、測定結果が、前記所定濃度に対して一定割合濃度（例えば、５％や５０％など）を最初に超えたときまでの時間をもって移送時間Ｔｄとしている。圧力が高いほど、無駄時間が大きくなっているのがわかる。
なお、図３に、この実験での測定結果の時間変化を示すグラフを示す。

前記同期部３３は、前記測定圧力に基づいて各排ガス測定装置２の応答遅れをそれぞれ算出するとともに、その応答遅れに基づいて各排ガス測定装置２の測定結果を逐次リアルタイムで補正して同期させるものである。

この同期部３３の動作の一例を、ある１つの排ガス測定装置２に着目してより具体的に説明する。該同期部３３は、測定圧力を逐次取得し、その取得した測定圧力から前記応答遅れ記憶部３２のテーブルを参照して、当該排ガス測定装置２における応答遅れ（ここでは移送時間）Ｔｄを算出する。

このとき、前記同期部３３が、前記応答遅れ記憶部３２に、前記テーブルの代わりに記憶された以下のような式（１）を用いて応答遅れＴｄを算出してもよい。
Ｔｄ＝Ｔｄ_１＋Ｔｄ_２・・・式（１）
ここで、Ｔｄ_１は、導入ポート１ａからレギュレータ６までの移送時間、Ｔｄ_２は、レギュレータ６から排ガス測定装置２までの移送時間である。
Ｔｄ_２は、圧力変動の影響を受けない一定値であるのに対し、Ｔｄ_１は、圧力変動によって変動するので、以下の式（２）ように表すことができる。
Ｔｄ_１＝ｆ（ｐ）・Ｔｓ・・・式（２）
ここで、ｐは、前記圧力センサ４によって測定された導入ポート１ａでの測定圧力であり、ｆ（ｐ）は、該測定圧力ｐの関数で表される移送時間変動系数である。Ｔｓは基準圧力ｐｓでの移送時間である。この基準圧力ｐｓとは、例えばレギュレータ６による調整圧にしてよい。
前記同期部３３は、例えば、前記圧力センサ４によって測定された導入ポート１ａでの測定圧力と、前記排ガス計測システム１００に設けられた図示しない温度センサによって測定される温度と、前記補正装置３のメモリに予め記憶された前記導入ポート１ａからレギュレータ６までの前記主管１１内部の体積とから求められる前記導入ポート１ａからレギュレータ６までの間に存在するガスのモル数と、前記ポンプ７によって前記主管１１から前記排ガス測定装置に送り込まれるガスのモル数とを比較して、前記Ｔｄ_１を算出する。
この場合、前記ｆ（ｐ）は、例えば、以下のような式（３）で表すことができる。
ｆ（ｐ）＝ｐ／ｐｓ・・・式（３）
この式（３）において、ｐは前記圧力センサ４によって測定された導入ポート１ａでの測定圧力であり、ｐｓは前記基準圧力である。
前記ｆ（ｐ）は、数式であっても実験で求めたテーブル形式のものであっても良く、例えば、前記応答遅れ記憶部３２に予め記憶され、前記同期部３３がＴｄ_１を算出するときに参照されるものである。
前記同期部３３は、このようにして算出したＴｄ_１と、例えば、前記応答遅れ記憶部に予め記憶されたＴｄ_２とを用いて、前記式（１）により応答遅れＴｄを算出する。

このようにして応答遅れＴｄを算出した後、前記同期部３３は、前記測定圧力を取得した圧力測定時刻に前記無駄時間Ｔｄを足した遅れ時刻を求め、この遅れ時刻に受け付けた排ガス測定装置２の測定結果が、実際には前記圧力測定時刻に測定されたものとして、当該排ガス測定装置２における測定結果の測定時刻を、前記受付時刻から補正する。見方を変えて、同じ測定時刻で比較すれば、補正前と補正後では、測定結果の値が変わることとなる。

ここで、テーブルに記憶されている圧力は飛び飛びの値であるから、測定圧力が、その中間値である場合は、前記同期部３３は補間演算によって応答遅れを求める。

このようにして、前記同期部３３は、全ての排ガス測定装置２についての測定結果の応答遅れに起因する誤差をそれぞれ補正し、各測定結果を同期させる。
なお、前記時刻とは、絶対時刻ではなく、例えば、最も応答遅れの大きい排ガス測定装置２を基準とした相対時刻であってもよい。この場合、前記同期部３３は、最も遅い排ガス測定装置２の測定結果に他の排ガス測定装置２の測定結果を同期させるわけである。

データ出力部３４は、このようにして同期された各測定結果の一部または全部を、オペレータからの要求に基づいて、例えば、横軸を時間にしたグラフにしてディスプレイやプリンタに表示出力する。

しかしてこのようなものであれば、排ガスの圧力が変動しても、各測定結果の同期が、従来に比べて小さい誤差で保たれるので、刻一刻変動する排ガス中の各成分の濃度比やそれらから求められる燃費などを精度よく算出することが可能になる。

また、この実施形態では、サンプリング管１のできるだけ上流側、すなわち、加熱式フィルタユニット５の直下にレギュレータ６を設け、圧力変動が生じる区間を可及的に短くしているので、この圧力変動に起因する応答遅れの変化幅も小さくなっている。したがって、前記補正装置３による同期誤差もそれに応じて小さくなるという効果も奏し得る。

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、前記実施形態では、圧力に応じて変動する無駄時間要素（移送時間）のみを考慮して、測定結果（より厳密には測定時刻）を補正したが、一次遅れ要素・多次遅れ要素をさらに考慮するようにしてもよい。具体的には、例えば、図２に示すように、一次遅れ要素／多次遅れ要素に関係する立ち上がり時間（Ｔ０．５−９０、Ｔ１０−９０、Ｔ０．５−９９（数字は、飽和値に対する％））も圧力によって変動することがわかる。したがって、この立ち上がり時間の変動を考慮して、測定結果を補正するようにしてもよい。
測定結果の補正には、テーブルを参照していたが、例えば圧力をパラメータとする補正式を用いてもよい。

圧力センサ４は、圧力が変動する区間に設けてあればよい。前記実施形態では、導入ポート１ａであったが、その途中でもよいし、複数個所に設けて圧力勾配をも補正パラメータとするようにしても構わない。
前記実施形態では、前記ｆ（ｐ）は１つの圧力センサによって測定された測定圧力に基づいて算出されるものであったが、圧力勾配を補正パラメータとして用いて、より正確に前記ｆ（ｐ）を算出するために、前記ｆ（ｐ）を前記導入ポート１ａからレギュレータ６までの間に設けた複数の圧力センサによって測定された圧力値に基づいて算出しても良い。

レギュレータ６は、加熱式フィルタユニット５の出口に必ずしも設ける必要はない。例えば、図４に示すように、分岐管１２にそれぞれ設けてもよい。このとき、分岐点から各レギュレータ６に至るまでの距離は、等しいことが好ましい。
ただし、この構成では、前記実施形態に比べて圧力変動区間が長くなるので、応答遅れの変動幅も大きくなり、同期のための補正をしてなお、誤差がやや残る可能性がある。参考のため、図４の構成における応答遅れの実験データを、図５、図６に（図２、図３にそれぞれ対応する。）を載せる。応答遅れの変動幅が大きくなっていることがわかる。
排ガス測定装置２は１つでも構わない。
その他、本発明は、その趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や組み合わせを行っても構わない。

１００・・・排ガス計測システム
１ａ・・・導入ポート
１ｂ・・・導出ポート
１・・・サンプリング管
２・・・排ガス測定装置
３・・・補正装置
４・・・圧力センサ
６・・・調圧機構（レギュレータ）
５・・・加熱式フィルタユニット

Claims (8)

1. 導入ポート及び導出ポートを有し、前記導入ポートから導入した排ガスを前記導出ポートから導出するサンプリング管と、前記導出ポートに接続されて前記サンプリング管を流れてきた排ガスに係る所定の物理量を測定する１又は複数種類の排ガス測定装置と、前記排ガス測定装置による測定結果を補正する補正装置とを具備したものであって、
   前記サンプリング管内の圧力を測定する圧力センサをさらに具備し、
   前記補正装置が、応答遅れに起因して生じる前記測定結果の誤差を、前記圧力センサによる測定圧力をパラメータとして補正するものであることを特徴とする排ガス計測システム。
2. 前記補正装置が、前記応答遅れのうちの無駄時間要素に起因して生じる測定結果の誤差を補正するものであることを特徴とする請求項１記載の排ガス計測システム。
3. 複数の排ガス測定装置を具備するものにおいて、
   前記補正装置が、前記測定圧力をパラメータとして各排ガス測定装置の応答遅れをそれぞれ算出し、各排ガス測定装置の測定結果を補正してこれらを同期させるものであることを特徴とする請求項1又は２記載の排ガス計測システム。
4. 前記サンプリング管に設けられて、設置位置よりも下流の圧力を一定に保つ調圧機構をさらに具備したものにおいて、
   前記圧力センサが、前記導入ポートと前記調圧機構との間に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３記載の排ガス計測システム。
5. 前記圧力センサが、前記導入ポートの近傍に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４記載の排ガス計測システム。
6. 前記サンプリング管の途中に設けられた加熱式フィルタユニットをさらに具備するものにおいて、
   前記調圧機構が前記加熱式フィルタユニットの下流側に付帯して設けられていることを特徴とする請求項４記載の排ガス計測システム。
7. 導入ポート及び導出ポートを有し、前記導入ポートから導入した排ガスを前記導出ポートから導出するサンプリング管と、前記導出ポートに接続されて前記サンプリング管を流れてきた排ガスに係る所定の物理量を測定する１又は複数種類の排ガス測定装置を具備した排ガス計測システムに適用される補正方法であって、
   前記サンプリング管内の圧力を測定し、応答遅れに起因して生じる、前記排ガス測定装置による測定結果の誤差を、前記サンプリング管内の測定圧力をパラメータとして補正することを特徴とする補正方法。
8. 導入ポート及び導出ポートを有し、前記導入ポートから導入した排ガスを前記導出ポートから導出するサンプリング管と、前記導出ポートに接続されて前記サンプリング管を流れてきた排ガスに係る所定の物理量を測定する１又は複数種類の排ガス測定装置と、前記排ガス測定装置による測定結果を補正する補正装置とを具備した排ガス計測システムに適用されるプログラムであって、
   前記補正装置に、応答遅れに起因して生じる前記測定結果の誤差を、前記サンプリング管内の測定圧力をパラメータとして補正する機能を発揮させることを特徴とするプログラム。