(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に連なる排気流路に、ガス分析計に対してサンプルガスを供給するためのサンプリング流路を接続し、このサンプリング流路におけるサンプリング位置よりも下流側にトレースガスの濃度を測定するトレースガス分析計を設け、内燃機関の上流側の第１注入位置と前記サンプリング位置より上流側の排気流路の第２注入位置のいずれか一方からトレースガスを注入し、トレースガス注入量とトレースガス濃度とに基づいて内燃機関の排ガスの流量を計測するようにし、前記サンプリング位置を移動可能に設定し、各位置に応じた排ガスの流量を前記第２注入位置からトレースガスを注入して定速走行モード毎に計測し、これら排ガスの流量が、前記第１注入位置からトレースガスを注入して予め計測された排ガスの流量と同一定速走行モードにおいて一致したとき前記サンプリング位置にて、トレースガスと排ガスとの実質的な混合が得られたことを確認するようにしたことを特徴とするガストレース法を用いたガス流量計測におけるガス混合確認方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車のエンジン等内燃機関から排出されるガス（以下、排ガスという）に注入された一定流量のトレースガス（ヘリウムガス）が排ガスで充分に混合されていることを確認するようにしたガストレース法を用いたガス流量計測におけるガス混合確認方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トレースガスとしての純粋なヘリウムガスを用いたガストレース法による排ガス流量計測では、一定流量のヘリウムガスを排ガスに注入し、充分に混合したサンプルガスをトレースガス分析計を含む各種分析計にサンプリングする必要がある。具体的には、図５に示すように、ガス流量を測定する機能と制御する機能とを兼ね備えたマスフローコントローラ３１（例えば、特願平９−２２７４４２号参照）を純粋なヘリウムガスを収容したガスボンベ３０の下流に設け、マスフローコントローラ３１を用いて流量が制御されたヘリウムガスを自動車３２のエンジン３３の吸入側のインテークマニホルド（図示せず）またはエンジン３３に連なるテールパイプ（図示せず）に注入し、テールパイプ下流の排気管３４の例えばサンプリング位置Ａあるいはサンプリング位置Ｂから直接サンプリングされたサンプルガスＳを排ガスＲ中の測定対象成分を計測するガス分析計およびヘリウムガスの濃度を測定するヘリウムガス分析計へ導入し、ヘリウムガスの既知の注入量ＱＨｅをヘリウムガス分析計で検出されたヘリウムガスの濃度ＣＨｅで除することにより排ガスの流量をリアルタイムで求めることができる。
【０００３】
そして、ヘリウムガスをエンジン３３の吸入側から注入するエンジン前注入の場合、エンジン３３がヘリウムガスと排ガスＲを攪拌する攪拌機として働くため、後流では両ガスの完全な混合を達成できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガストレース法を用いた排ガス流量計測では、過渡運転時の変化を見るための広いダイナミックレンジと急加減速時に反応できる応答性等が要求されるが、ヘリウムガスをエンジンに連なるテールパイプに注入するエンジン後注入の場合、両ガスの混合度合いを確認する方法はなかった。
【０００５】
よって、ヘリウムガスのエンジン後注入を行って所望の排ガス流量が得られなかった場合、排ガス流量の計測精度の悪さが、
（１）例えば、図５に示すように、テールパイプ下流の排気管３４におけるヘリウムガスの注入位置Ｐからサンプリング位置Ｂまでの管路容積がデッドボリュームとなり、ヘリウムガス分析計におけるヘリウムガス濃度測定結果とのタイムラグが大きくなって応答遅れが増えることに起因するヘリウムガス濃度の計測誤差によるものなのか、それとも、
（２）ヘリウムガスと排ガスＲとの混合が必ずしも充分に行われず、したがって、ヘリウムガス分析計によるヘリウムガス濃度測定結果に生じた誤差によるものなのか判断ができなかった。
【０００６】
例えば、図５および図６を用いて従来の問題点を更に詳しく説明する。図６（Ａ）は、排ガスＲの流量ＱＤＥ（ｔ）（ここでｔは時間）の変化の仮想モデルを実線ａ１  ，ａ２  ，ａ３  で示したもので、このモデルでは、初め排ガス流量ＱＤＥ（ｔ）は低流量ａ１  で始まり、瞬時に高流量ａ２  に変化し、その後再び瞬時に低流量ａ３  に戻るという流量変化を示している。そして、図６（Ｂ）は、ヘリウムガスのエンジン後注入直後に排ガスＲと完全に混合していると仮定した場合に、サンプリング位置Ａから仮想線で示すように流れるサンプルガスＳ中のヘリウムガスの濃度ＣＨｅ（ｔ）の変化を実線ｂで示している。よって、この理想的な系では、サンプルガスＳはヘリウムガス注入後、直ぐにサンプリングされ、注入位置Ｐからサンプリング位置Ａまでの管路容積が小さくデッドタイムは無いので、この部分はヘリウムガス濃度の瞬時の変化を示すことになる。しかしながら、このような理想的な系とは異なり実際には、注入直後でヘリウムガスと排ガスＲとの混合が完全にはならず、ヘリウムガスが充分混合されるまでに有限の距離が必要となる。そのため従来では、注入位置Ｐから有限の距離Ｌだけ離れた、排気管３４の後部のサンプリング位置Ｂから実線で示すように流れるサンプルガスＳをサンプリングしているが、両ガスの混合度合いを確認する方法はなかったので、サンプリング位置Ｂはヘリウムガスと排ガスとの混合が充分に行われている位置であるかどうかは疑問であった。しかもサンプリング位置Ｂでサンプリングした場合のヘリウムガスの濃度ＣＨｅ（ｔ）の変化ｃ〔図６（Ｃ）参照〕は、排ガス流量ＱＤＥ（ｔ）が低流量ａ１  から高流量ａ２  に切り替わるときのデッドタイムＴｄ１よりも、排ガス流量ＱＤＥ（ｔ）が高流量ａ２  から低流量ａ３  に切り替わるときのデッドタイムＴｄ２の方が大きい値を示し、結果として、ヘリウムガスの低濃度域が実際よりも長くなり、排ガス流量ＱＤＥ（ｔ）においては、実際の前記高流量ａ２  よりも長め（長い時間）に高流量〔図６（Ａ）において、仮想線ａ４  で示す。〕が観測され、誤差が生じることになる。
【０００７】
したがって、エンジン後注入の場合、所望の排ガス流量を得るために、テールパイプ下流の排気管におけるヘリウムガスの注入位置Ｐからサンプリング位置までのデッドボリュームによる遅れ時間を短くしてヘリウムガス分析計におけるヘリウムガス濃度測定結果とのタイムラグをできるだけ小さくする必要から、排ガスＲとヘリウムガスの混合度合いを確認する方法が望まれていた。
【０００８】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、排ガスとヘリウムガスの混合度合いを確認できるガストレース法を用いたガス流量計測におけるガス混合確認方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明は、内燃機関に連なる排気流路に、ガス分析計に対してサンプルガスを供給するためのサンプリング流路を接続し、このサンプリング流路におけるサンプリング位置よりも下流側にトレースガスの濃度を測定するトレースガス分析計を設け、内燃機関の上流側の第１注入位置と前記サンプリング位置より上流側の排気流路の第２注入位置のいずれか一方からトレースガスを注入し、トレースガス注入量とトレースガス濃度とに基づいて内燃機関の排ガスの流量を計測するようにし、前記サンプリング位置を移動可能に設定し、各位置に応じた排ガスの流量を前記第２注入位置からトレースガスを注入して定速走行モード毎に計測し、これら排ガスの流量が、前記第１注入位置からトレースガスを注入して予め計測された排ガスの流量と同一定速走行モードにおいて一致したとき前記サンプリング位置にて、トレースガスと排ガスとの実質的な混合が得られたことを確認するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００１１】
図１、図２において、１は自動車で、シャシダイナモ１６を用いて、所定の走行モード切り換えシーケンスに基づいて行われる走行シュミレーション試験に供される。２は自動車１のエンジンである。３はエンジン２に連なるテールパイプ（図示せず）に連結される排気管である。４は排気管３に接続されるサンプリング管で、排気管３において排ガスＲにトレースガスとしてのヘリウムガスを注入してなるサンプルガスＳを排気管３からダイレクトにサンプリングする。そして、このサンプリング管４の先端部４ａには、排気管３における例えば７つのサンプリング位置Ａ０  ，Ａ１  ，Ａ２  ，Ａ３  ，Ａ４  ，Ａ５  ，Ａ６  を変更するプローブ管５がフレキシブルバイプ５ｃを介して設けられている。このプローブ管５は排気管３に直接挿入されており、駆動手段４０にて管軸方向（Ｍ１  方向，Ｍ２  方向）に移動可能に構成されている。
【００１２】
前記駆動手段４０は、一対のプーリー４０ａ，４０ｂに架けられたベルト４０ｃと、ベルト４０ｃと共に前記管軸方向に移動するようベルト上面に載置固定された移動部材４０ｄと、ベルト駆動用の図示しないモータとで構成されている。そして、プローブ管５の後端部５ｂが前記移動部材４０ｄを前記管軸方向に貫通させた状態でプローブ管５が移動部材４０ｄに固定されており、また、前記後端部５ｂが継手４１を介してフレキシブルバイプ５ｃの一端に接続される一方、フレキシブルバイプ５ｃの他端は継手４２を介してサンプリング管４の先端部４ａに接続されている。
【００１３】
６ａは、エンジン３３の吸入側のインテークマニホルド（図示せず）に接続されるエンジン前注入のためのトレースガス供給路で、６ｂは、ヘリウムガスをテールパイプに注入するためのトレースガス供給路である。これらトレースガス供給路６ａ，６ｂの上流側には電磁三方弁７を介してトレースガスとしての純粋なヘリウムガスを収容したガスボンベ８が設けられ、その下流側にはヘリウムガスの流量を測定する機能と制御する機能とを兼ね備えたマスフローコントローラ９が設けられている。なお、トレースガスとしてヘリウムガスを用いた理由は、ヘリウムの原子量がアルゴン等の他の不活性ガスに比して排ガス中に存在する物質の原子量とかけ離れているからである。
【００１４】
前記サンプリング管４には、例えば次のような機器や装置が接続されている。すなわち、ヘリウムガスの濃度を測定するヘリウムガス分析計（トレースガス分析計）１０および排ガス中の測定対象成分を計測するための複数のガス分析計１１が互いに並列に設けられている。このガス分析計１１は例えばＣＯ，ＣＯ２  ，ＨＣ，ＮＯｘ  等排ガス中に含まれる成分を適宜測定できるようにサンプリング管４から分岐する分岐流路１２を介して設けられている。１３は吸引ポンプ、１４はフィルタ、１５は電子冷却器等の除湿装置である。
【００１５】
そして、マスフローコントローラ９で流量が制御されたヘリウムガスをエンジン２の吸入側から注入するエンジン前注入を行う場合（注入位置をＶで示し、第１注入位置とする）には、燃焼室以降の任意の位置から採取できるとともに、ヘリウムガスをテールパイプに注入した場合には、その注入位置（第２注入位置）Ｐから適当な距離をおいた前記サンプリング位置Ａ０  ，Ａ１  ，Ａ２  ，Ａ３  ，Ａ４  ，Ａ５  ，Ａ６  からサンプリングできる。
【００１６】
そして、シャシダイナモ１６、トレースガス分析計１０、複数のガス分析計１１、マスフローコントローラ９および電磁三方弁７は、入出力インターフェース１７を介して演算手段を含むシステムコントローラ（ＣＰＵ）１８に接続され、予め設定・記憶させてある演算プログラムに従い、ヘリウムガスの既知の注入量ＱＨｅをヘリウムガス分析計１０で検出されたヘリウムガスの濃度ＣＨｅで除することにより走行パターンに応じた排ガスの流量ＱＤＥをリアルタイムで求めることができる。また、サンプリング管４の先端部４ａに設けたプローブ管５を前記管軸方向にに移動させることでプローブ管５のサンプル採取口５ａを前記サンプリング位置Ａ０  ，Ａ１  ，Ａ２  ，Ａ３  ，Ａ４  ，Ａ５  ，Ａ６  のいずれかにもってくることができる。更に、測定対象成分ガスの排出重量をリアルタイムで求めることができる。
【００１７】
而して、テールパイプから注入された一定流量のトレースガス（ヘリウムガス）が排気管３において排ガスＲで充分に混合されていることを確認するにあたり、それぞれのサンプリング位置Ａ０  ，Ａ１  ，Ａ２  ，Ａ３  ，Ａ４  ，Ａ５  ，Ａ６  において、まず、エンジン前注入の場合のデータを採取する。
【００１８】
この場合、所定の走行モードとして例えば８０（ｋｍ／ｈ），４０（ｋｍ／ｈ）といった定速走行モードを採用することがシャシダイナモ１６で行われる。図３に、８０（ｋｍ／ｈ）定速走行による排ガスの流量ＱＤＥのデータＸおよび４０（ｋｍ／ｈ）定速走行による排ガスの流量ＱＤＥのデータＹを示す。データＸ，Ｙにおいて、排ガスの流量ＱＤＥが変動しないのは、エンジン前注入では第１注入位置Ｖとして燃焼室以降の任意の位置からヘリウムガスを注入でき、エンジン２がヘリウムガスと排ガスＲを攪拌する攪拌機として働くため、後流では両ガスの完全な混合を達成できるからである。
【００１９】
次に、テールパイプ注入の場合のデータを定速走行モードを採用して採取する。図３に、テールパイプ注入の場合の８０（ｋｍ／ｈ）定速走行による排ガスの流量ＱＤＥのデータＷおよび４０（ｋｍ／ｈ）定速走行による排ガスの流量ＱＤＥのデータＺを示す。
【００２０】
例えば、データＷからは第２注入位置Ｐから１００ｃｍ離れた位置でヘリウムガスと排ガスＲが充分に混合されていることが、エンジン前注入の場合のデータＸと比較することで容易に確認できる。すなわち、８０（ｋｍ／ｈ）定速走行の場合、テールパイプ注入位置ＰよりＭ方向に１００ｃｍ離れた位置での排ガスの流量ＱＤＥが、前記第１注入位置Ｖからヘリウムガスを注入して計測された排ガスの流量ＱＤＥと一致することから、両ガスの混合が１００ｃｍ離れた位置で完了することが明らかになる。よって、これらデータＸ，Ｗに基づいてプローブ管５のサンプル採取口５ａを第２注入位置Ｐから１００ｃｍ離れた位置にもってくるようプローブ管５を移動させることで、ヘリウムガスと排ガスＲが充分に混合されたサンプルガスＳを用いて分析に供することができる。そのため、ヘリウムガスの第２注入位置Ｐからサンプリング位置までのデッドボリュームによる遅れ時間を短くしてヘリウムガス分析計１０におけるヘリウムガス濃度測定結果とのタイムラグをできるだけ小さくでき、所望の排ガス流量を得ることができる。
【００２１】
この場合、前記サンプリング位置Ａ０  ，Ａ１  ，Ａ２  ，Ａ３  ，Ａ４  ，Ａ５  ，Ａ６  のいずれかの位置にプローブ管５のサンプル採取口５ａをもってくればよく、排気管３の長さに応じてプローブ管５の長さを適宜設定すればよく、また、サンプリング位置Ａ０  ，Ａ１  ，Ａ２  ，Ａ３  ，Ａ４  ，Ａ５  ，Ａ６  の間隔も適宜設定できる。
【００２２】
また、４０（ｋｍ／ｈ）定速走行の場合も同様で、テールパイプ注入位置ＰよりＭ方向に８０ｃｍ離れた位置での排ガスの流量ＱＤＥが、前記第１注入位置Ｖからヘリウムガスを注入して計測された排ガスの流量ＱＤＥと一致することから、両ガスの混合が８０ｃｍ離れた位置で完了することが明らかになる。
【００２３】
図４は、サンプリング位置を移動可能に設定する手段として、サンプリング管４の先端部４ａから分岐させた例えば７本の分岐管４４〜５０をサンプリング位置Ａ０  ，Ａ１  ，Ａ２  ，Ａ３  ，Ａ４  ，Ａ５  ，Ａ６  に対応するよう二方電磁弁４４ａ〜５０ａを介して設けたこの発明の他の実施形態を示す。
【００２４】
この場合、複数のサンプリング位置Ａ０  ，Ａ１  ，Ａ２  ，Ａ３  ，Ａ４  ，Ａ５  ，Ａ６  でサンプリングできるので、図３に示した例えばデータＸ，Ｗに基づいて第２注入位置Ｐから１００ｃｍ離れた位置に設けた例えば分岐管４７の二方電磁弁４７ａを開状態にし、かつ、二方電磁弁４７ａ以外の二方電磁弁４４ａ，４５ａ，４６ａ，４８ａ，４９ａ，５０ａを閉状態に設定することで、ヘリウムガスと排ガスＲが充分に混合されたサンプルガスＳを用いて分析に供することができる。
【００２５】
なお、この発明においてサンプルガスＳを定流量でサンプリングする場合は、臨界流量オリフィスを用いるとよい。
【００２６】
【発明の効果】
上述のように、この発明では、内燃機関の上流側の第１注入位置からトレースガスを注入して予め計測された排ガスの流量と、サンプリング位置より上流側の排気流路の第２注入位置からトレースガスを注入して計測された排ガスの流量とが同一定速走行モードにおいて、ヘリウムガスの第２注入位置から所定距離隔てたサンプリング位置にて一致したときトレースガスと排ガスとの実質的な混合が得られたことを確認できるので、ヘリウムガスの第２注入位置からサンプリング位置までのデッドボリュームによる遅れ時間を短くしてヘリウムガス検出器におけるヘリウムガス濃度測定結果とのタイムラグをできるだけ小さくでき、所望の排ガス流量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態を用いた排ガス流量計測の状態を示す全体構成説明図である。
【図２】上記実施形態における要部構成説明図である。
【図３】上記実施形態において定速走行によるエンジン前注入とテールパイプ注入の場合の排ガス流量データを示す特性図である。
【図４】この発明の他の実施形態における要部構成説明図である。
【図５】従来の問題点を説明するための図である。
【図６】過渡運転状態において排ガス流量を計測する場合の誤差のメカニズムを説明するための図である。
【符号の説明】
１…自動車、２…エンジン、３…排気管、４…サンプリング管、５…プローブ管、５ａ…サンプル採取口、６ａ，６ｂ…トレースガス供給路、７…電磁三方弁、９…マスフローコントローラ、１０…トレースガス分析計、１１…ガス分析計、１６…シャシダイナモ、１８…システムコントローラ、Ｒ…排ガス、Ｓ…サンプルガス、Ｖ…第１注入位置、Ｐ…第２注入位置、Ａ０  ，Ａ１  ，Ａ２  ，Ａ３  ，Ａ４  ，Ａ５  ，Ａ６  …サンプリング位置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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