(57)【要約】【課題】ガスセンサとガス管との接続部分からガス管内への外気の進入を防いで、ガスの測定を高精度に行うことができるガス測定装置を得ること。【解決手段】ガス測定装置１は、ガスが通過する通路部１１Ａおよび通路部１１Ａと外部との間を連通する開口部１１Ｂを有するガス管１０と、ガス管１０の開口部１１Ｂを閉塞するようにガス管１０に取り付けられるガスセンサ２０と、ガスセンサ２０とガス管１０との接続部分に介在されて開口部１１Ｂを密閉するシール手段３０と、ガスセンサ２０とガス管１０との接続部分の外側を不活性ガス雰囲気に保持するパージ手段４０とを有する。【選択図】図１
2011145120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスが通過する通路部および該通路部と外部との間を連通する開口部を有するガス管と、
該ガス管の開口部を閉塞するように前記ガス管に取り付けられるガスセンサと、
該ガスセンサと前記ガス管との接続部分に介在されて前記開口部を密閉するシール手段と、
前記ガスセンサと前記ガス管との接続部分の外側を不活性ガス雰囲気に保持するパージ手段と、
を有することを特徴とするガス測定装置。
【請求項２】
前記ガスセンサは、前記開口部を通過して前記通路部に先端部が配置されるセンサ本体を有し、
前記ガス管は、前記通路部および前記開口部を有する第１の管体と、該第１の管体の内部に配置されて前記開口部の下流側で前記第１の管体の内壁面との間に所定の間隙を有してガス流れ方向に沿って延在する第２の管体とを有することを特徴とする請求項１に記載のガス測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス管に取り付けたガスセンサでガス管内を通過するガスを測定するガス測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車のエンジンから排出される排気ガスのガス濃度を検出するのに用いられるガスセンサは、ガスセンサの開発・製造において、その特性を個々に測定して評価することが一般に行われている。
【０００３】
従来、ガスセンサの特性を測定する方法としては、エンジン実機にガスセンサを取り付けて測定する実機測定法と、モデルガス法や燃焼ガス法等のガス代替法とがある。モデルガス法とは、排気ガスに類似の組成のモデルガスを作成して測定する方法であり、燃焼ガス法とは、燃料ガスを燃焼させて得られる排気ガスを測定する方法である（例えば、特許文献１を参照）。
【０００４】
これらモデルガス法や燃焼ガス法等のガス代替法は、実機測定法と比較して測定結果の厳密性、安定性で優れることから、研究分野開発ツールに適している。また、ガス代替法では、エンジン実機の場合と同様に、モデルガスがガスセンサのセンサ素子に当たるように設計することができ、モデルガスの無駄が少なく、システム全体をコンパクトにすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−６３５５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで近年、環境への配慮から、内燃機関のエミッションへの規制は強化の一途を辿っている。これに伴い、ガスセンサには、数ｐｐｍから数十ｐｐｍという極低濃度ガス雰囲気での高精度空燃比フィードバックが求められている。したがって、ガスセンサの開発・評価においては、極低濃度ガス雰囲気で安定性がよく且つ信頼性の高い性能を確認する必要がある。しかしながら、ガス代替法には、極低濃度ガス雰囲気における評価が困難であるという課題がある。
【０００７】
例えば、実機測定法では、ガスセンサは不具合のない限り基本的に取り外す必要がないので、排気ガス管にセンサ取付用に設けられた開口部に強固に取り付けられる。したがって、ガスセンサと排気ガス管との接続部分に高いシール性が確保され、かかる接続部分から排気ガス管内に大気が流入するのを防ぐことができる。そして、実機測定法では、ガス代替法と比較して大流量の排気ガスが流れるので、接続部分からの微量の大気の流入は、ガスセンサのセンサ特性にほとんど影響を及ぼさない。
【０００８】
一方、ガス代替法では、排気ガス管の開口部にガスセンサを着脱する作業が必要であり、実機測定法のようにガスセンサを強固に取り付けることができない。したがって、簡便性の観点からガスセンサと排気ガス管との接続部分のシール性を高くすることは困難であり、排気ガス管内のガス流れで発生する負圧等による大気の進入を避けられない。
【０００９】
そして、ガス代替法では、接続部分の不十分なシール性に起因して外部から排気ガス管の通路部に大気が進入した場合に、実機測定方法よりもシステム全体がコンパクトでガス流量が少ないので、通路部内における排気ガスのガス濃度が大きく変動し、センサ出力に誤差を生じ、センサ特性値がばらつくおそれがある。測定精度への影響は、特に低濃度ガス雰囲気で顕著になり、将来の極エミッション環境を想定した評価・開発ツールにおいては大きな問題となる。
【００１０】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガスセンサとガス管との接続部分からガス管内への外気の進入を防いで、ガスの測定を高精度に行うことができるガス測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決する本発明のガス測定装置は、ガスが通過する通路部および通路部と外部との間を連通する開口部を有するガス管と、ガス管の開口部を閉塞するようにガス管に取り付けられるガスセンサと、ガスセンサとガス管との接続部分に介在されて開口部を密閉するシール手段と、ガスセンサとガス管との接続部分の外側を不活性ガス雰囲気に保持するパージ手段とを有することを特徴としている。
【００１２】
本発明のガス測定装置によれば、ガスセンサとガス管との接続部分の外側を不活性ガス雰囲気に保持するので、シール手段のシール性が不十分な場合には、測定に影響を及ぼさない不活性ガスを接続部分からガス管の通路部に進入させることができ、通路部に外気が進入するのを防ぐことができる。したがって、例えば極低濃度のガス雰囲気においても、外気の影響を受けることなく、ガス測定を高精度に行うことができ、信頼性の高いセンサ特性評価が可能となる。
【００１３】
本発明のガス測定装置は、ガスセンサが、開口部を通過して通路部に先端部が配置されるセンサ本体を有し、ガス管が、通路部および開口部を有する第１の管体と、第１の管体の内部に配置されて開口部の下流側で第１の管体の内壁面との間に所定の間隙を有してガス流れ方向に沿って延在する第２の管体とを有する構成が好ましい。
【００１４】
本発明のガス測定装置によれば、ガス管が通路部および開口部を有する第１の管体と、第１の管体の内部に配置されて開口部の下流側で第１の管体の内壁面との間に所定の間隙を有してガス流れ方向に沿って延在する第２の管体を有しているので、ガス管の管中心と管壁面側とでガス流れの速度差を持たせることができる。
【００１５】
したがって、ガスセンサとガス管との接続部分から通路部に外気が進入してきた場合には、第１の管体と第２の管体との間隙に積極的に導いて第１の管体の内壁面に沿って下流側に流すことができ、センサ本体の先端部まで外気が到達するのを防ぐことができる。したがって、例えば極低濃度のガス雰囲気においても、外気の影響を受けることなく、ガス測定を高精度に行うことができ、信頼性の高いセンサ特性評価が可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のガス測定装置によれば、ガスセンサとガス管との接続部分の外側を不活性ガス雰囲気に保持するので、シール手段のシール性が不十分な場合には、測定に影響を及ぼさない不活性ガスを接続部分からガス管の通路部に進入させることができ、通路部に外気が進入するのを防ぐことができる。したがって、極低濃度ガス雰囲気において排気ガスの測定を高精度に行うことができ、ゼロエミッション環境を想定したガスセンサの開発・製造に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施の形態におけるガス測定装置の構成を説明する図。
【図２】図１に示すガス測定装置の分解図。
【図３】ガス流量とＯ２リーク量の測定結果を示すグラフ。
【図４】静的環境におけるセンサ特性の挙動を示すグラフ。
【図５】動的環境におけるセンサ特性の挙動を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態について図を用いて以下に説明する。
図１は、本実施の形態におけるガス測定装置の構成を説明する図、図２は、図１に示すガス測定装置の分解図である。
【００１９】
ガス測定装置１は、ガス代替法を利用した装置であり、図１および図２に示すように、ガス管１０と、ガスセンサ２０と、シール手段３０と、センサ着脱手段（図示せず）と、パージ手段４０を有する。
【００２０】
ガス管１０は、外管（第１の管体）１１と内管（第２の管体）１２とからなる多重管構造を有している。外管１１は、円筒状の管体によって構成されており、ガスが通過する通路部１１Ａおよび通路部１１Ａと外部との間を連通する開口部１１Ｂを有している。
【００２１】
内管１２は、外管１１の内部である通路部１１Ａに配置されており、少なくとも開口部１１Ｂよりもガス流れ方向下流側で外管１１の内壁面との間に所定の間隙１３を有してガス流れ方向に沿って延在している。
【００２２】
そして、外管１１の通路部１１Ａを流れるガスの一部を外管１１の内周面と内管１２の外周面との間の間隙１３に流すことができ、ガス管１０の管中心と管壁面側とでガス流れの速度差を持たせることができるようになっている。
【００２３】
したがって、仮に外気が開口部１１Ｂを通過してガス管１０内に進入してきた場合にその外気を間隙１３に積極的に導いて外管１１の内壁面に沿って下流側に流し、外気が通路部１１Ａの中心まで到達するのを防ぐようになっている。本実施の形態では、内管１２は、開口部１１Ｂの上流側から下流側に亘って延在し、開口部１１Ｂと対向する位置に開口部１２Ａが設けられた構成を有している。
【００２４】
外管１１には、ガスセンサ２０を取り付けるためのセンサ取付部１４が設けられている。センサ取付部１４は、開口部１１Ｂの周囲を囲むように外管１１に突設された短軸円筒状の胴部を有している。胴部は、外管１１の軸方向に直交する方向に突出しており、胴部の上端には、胴部の中心軸に直交して同一平面上に延在する接続面１５が形成されている。
【００２５】
ガスセンサ２０は、測定ガスの成分や濃度を検出して、センサ出力電圧として出力する構成を有している。ガスセンサ２０は、略円柱形状のセンサ本体２１を有しており、センサ本体２１の先端部にセンサ素子２２が設けられている。センサ本体２１の先端部は、外管１１の開口部１１Ｂおよび内管１２の開口部１２Ａに挿入可能な外径と、センサ取付部１４に取り付けた状態でセンサ素子２２をガス管１０の管中心に配置する長さの寸法形状を有している。
【００２６】
センサ本体２１は、アタッチメント２３に取り付けられた状態でセンサ取付部１４に取り付けられる。アタッチメント２３は、センサ取付部１４の胴部外径よりも若干小さい外径を有する円筒状のスリーブ２４と、スリーブ２４の一方端部に一体に固定されるフランジ２５とからなる。フランジ２５の中心にはセンサ固定孔が設けられており、センサ本体２１の先端部が挿通されて密閉された状態で固定されている。フランジ２５は、フランジ２５の下面２５ａがセンサ取付部１４の接続面１５に面接触して外管１１の開口部１１Ｂを閉塞する大きさを有している。
【００２７】
シール手段３０は、ガスセンサ２０とガス管１０との接続部分に介在されて開口部１１Ｂを密閉するガスケット３１を有している。ガスケット３１は、フランジ２５の下面２５ａとセンサ取付部１４の接続面１５との間に介在されており、図示していないセンサ着脱手段によってアタッチメント２３がセンサ取付部１４に押し付けて取り付けられることでシールするようになっている。
【００２８】
パージ手段４０は、ガスセンサ２０とガス管１０との接続部分の外側を不活性ガス雰囲気に保持する構成を有している。パージ手段４０は、ガスセンサ２０とガス管１０との接続部分の外側にパージ室Ｒを形成するケース４１を有している。ケース４１には、パージ室ＲにＮ２等の不活性ガスを供給するための不活性ガス供給口４２が設けられている。
【００２９】
ケース４１は、アタッチメント２３に取り付けられたガスセンサ２０を上方から挿入可能な貫通穴４３を有する厚肉円筒形状を有している。貫通穴４３は、下端がガス管１０のセンサ取付部１４に外嵌される大径穴部４３ａと、アタッチメント２３のスリーブ２４の上部に外嵌される小径穴部４３ｂとを有している。
【００３０】
大径穴部４３ａは、アタッチメント２３の外径よりも大径であり、フランジ２５の下面２５ａとセンサ取付部１４の接続面１５との接触部分の外側に、閉塞された室内空間であるパージ室Ｒを形成する。不活性ガス供給口４２は、ケース４１の大径穴部４３ａに一端が開口し、他端が外周面に開口しており、所定圧力の不活性ガスをパージ室Ｒに供給できるようになっている。
【００３１】
ガス測定装置１を用いてガス測定を行う場合、まず、アタッチメント２３に取り付けられたガスセンサ２０を用意し、図示していないセンサ着脱手段により、ガスセンサ２０をセンサ取付部１４に取り付ける。これにより、アタッチメント２３がセンサ取付部１４に押圧された状態で取り付けられ、フランジ２５の下面２５ａとセンサ取付部１４の接続面１５との間にシール手段３０のガスケット３１が介在されて圧縮され、開口部１１Ｂが密閉される。
【００３２】
そして、不活性ガス供給口４２からパージ室Ｒに不活性ガスを供給し、パージ室Ｒに不活性ガスを充填して、ガス管１０の内部よりも高い圧力状態に保持する。それから、ガス管１０にモデルガスを流してガスセンサ２０によりガス測定を行う。
【００３３】
上記構成を有する本発明のガス測定装置１によれば、ガスセンサ２０とガス管１０との接続部分の外側がパージ室Ｒで囲まれており、パージ室Ｒには不活性ガスが充填されているので、ガスセンサ２０とガス管との接続部分のシールが不十分であった場合に、パージ室Ｒの不活性ガスを外管１１の通路部１１Ａに流入させることができる。したがって、外管１１の開口部１１Ｂから通路部１１Ａ内に大気が流入するのを防ぐことができる。
【００３４】
また、ガス管１０は、外管１１と内管１２とからなる多重管構造を有しており、内管１２は、外管１１の通路部１１Ａに配置されて、少なくとも開口部１１Ｂよりもガス流れ方向下流側で外管１１の内壁面との間に所定の間隙１３を有してガス流れ方向に沿って延在しているので、外管１１の通路部１１Ａに流れるガスの一部を外管１１の内周面と内管１２の外周面との間の間隙１３に流すことができる。
【００３５】
したがって、管壁面粘性（乱流）を利用し、ガス管１０の管中心を流れるガス流れと、ガス管１０の管壁面に沿って流れるガス流れとの間に速度差を付けることで外気側との圧力差を緩和することができる。
【００３６】
したがって、ガスセンサ２０とガス管１０との接続部分のシールが不十分で、外気が接続部分を通過してガス管１０内に進入してきた場合に、その外気を間隙１３に積極的に導いて外管１１の内壁面に沿って下流側に流すことができ、外気がガスセンサ２０の先端部に沿って通路部１１Ａの中心まで到達するのを防ぐことができる。
【００３７】
したがって、例えば極低濃度のガス雰囲気においても、大気の影響を受けることなく、ガス測定を高精度に行うことができ、信頼性の高いセンサ特性評価が可能となる。また、システム規模も、エンジン実機を用いる必要がないので、低コスト化と省スペース化を図ることができる。
【００３８】
本発明により、特に小規模のガス代替法において課題であった、ガスセンサとガス管との接続部分からの外気の進入を効果的に防ぐことができ、極低濃度ガス環境において安定的で信頼性の高いセンサ特性解析が可能となった。また、極低濃度ガス環境でのセンサ性能評価は、エンジン実機による検討では、変動が大きく、定量化が困難な領域であったが、本発明により、安定的で信頼性の高いセンサ特性解析が可能となった。
【００３９】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上述の実施の形態では、ガス測定装置１がパージ手段４０を有しており、更に、ガス管１０が外管１１と内管１２の多重管構造である場合を例に説明したが、パージ手段４０だけであってもよい。
【００４０】
また、上述の実施の形態では、外管１１と内管１２の二重管構造の場合を例に説明したが、多重管構造であればよく、例えば、内管１２の内方に更に管体を設けた三重管構造としてもよい。
【実施例】
【００４１】
［１］本発明と従来のガス測定装置を用いてＯ２リーク量の測定を行った。図３は、Ｏ２リーク量の測定結果を示すグラフである。本発明１のガス測定装置は、ガスセンサ２０とガス管１０との接続部分の外側を不活性ガスＮ２のガス雰囲気に保持するパージ手段４０を設けて、更に、ガス管１０を外管１１と内管１２の二重管構造としたものであり、本発明２のガス測定装置は、パージ手段４０を設けて、ガス管１０は外管１１のみの単管構造としたものである。そして、従来のガス測定装置は、パージ手段４０を設けず、ガス管１０も外管１１のみの単管構造としたものである。
【００４２】
図３に示すように、ガス流量やセンサ背圧が大きい大規模システム（エンジン実機レベル）では、本発明１、２、従来のいずれもＯ２リーク量（ガスセンサ２０とガス管１０との接続部分からの外気の進入量）が少なく、効果に大きな相異はない。
【００４３】
しかしながら、ガス流量やセンサ背圧が小さくなるのに応じて、従来のガス測定装置はＯ２リーク量が大きく増加している。これに対して、本発明１、２は、リーク量の増加が少なく、特に、小規模システムにおいて、本発明の効果が顕著であることがわかる。
【００４４】
［２］次に、本発明１と従来のガス測定装置を用いて静的環境におけるセンサ特性の評価試験を行った。図４は、本発明１と従来のガス測定装置の静的環境におけるセンサ特性の挙動を示すグラフである。本評価試験では、評価ガスをリッチからリーンに変化させてガスセンサのセンサ出力を測定した。具体的には、下記の手順および条件で試験を行った。
【００４５】
（１）エンジン実機環境を参考に、評価対象のガスをガス管１０内で加熱して、ガス温度を３００℃から７００℃に調節した。また、センサ取付部１４も、ガス温度よりも高めの温度に加熱調節した。
（２）ガスセンサ２０のセンサ素子２２を活性させるために、ガスセンサ２０に搭載されているヒータを加熱して、センサ素子２２の温度を５００℃から７００℃に調節した。
（３）そして、Ｎ２のベースガスと、ＣＯやＣＨ４等のリッチガスとの混合ガスを、流量が安定するまで流す（総流量一定：ここでは２Ｌ／ｍｉｎ）。ＣＯの場合には２０ｐｐｍとし、ＣＨ４の場合には５ｐｐｍとした。
（４）そして、Ｏ２やＮＯ等のリーンガスを単位時間に所望のλ変化するように、０ｍＬから漸次増量（混合）させた（ここでは０．０１〜３．０λ／ｍｉｎ）。センサ出力が飽和したら評価を停止するか、又はリーンガスを減量させていく方向に切り換える。
（５）なお、リーンからリッチに変化させる場合には、同様のλ変化速度でリーンガスの量を減少させ、リッチ出力が飽和するまで減少させる。
【００４６】
上記の評価試験の結果、図４に示すように、本発明１では、λのリッチからリーンへの変化に応じて、ガスセンサ２０で１．０Ｖから０．１Ｖまでのセンサ出力の変化を検出することができた。一方、従来の場合は、センサ出力はほとんど変化せず、λの変化を検出することはできなかった。
【００４７】
［３］次に、本発明１と従来のガス測定装置を用いて動的環境におけるセンサ特性の評価試験を行った。図５は、本発明１と従来のガス測定装置の動的環境におけるセンサ特性の挙動を示すグラフである。
【００４８】
本発明１と従来のセンサフィードバック特性の評価試験を行った。評価試験は、リッチガスからなるベースガスに対して、リーンガスの供給と停止を交互に繰り返して行い、ガスセンサのセンサ出力を測定した。具体的には、下記の手順および条件で試験を行った。
【００４９】
（１）エンジン実機環境を参考に、評価対象のガスをガス管１０内で加熱して、ガス温度を３００℃から７００℃に調節した。また、センサ取付部１４も、ガス温度よりも高めの温度に加熱調節した。
（２）ガスセンサ２０のセンサ素子２２を活性させるために、ガスセンサ２０に搭載されているヒータを加熱して、センサ素子２２の温度を５００℃から７００℃に調節した。
（３）ベースガスとしてＮ２とＣＯ（リッチガス）の混合ガスを、流量が安定するまで流す（総流量一定：ここでは２Ｌ／ｍｉｎ）。ＣＯは２０ｐｐｍに設定した。
（４）そして、所定のタイミングでＮＯ等（リーンガス）をガス管１０内に供給する。供給は、図示していないインジェクタを用いてインジェクション（霧吹き様）により行われる。ＮＯは４０ｐｐｍに設定した。
（５）上記（４）のリーンガスの供給によってガスセンサのセンサ出力が低下し、所定電圧になったタイミングでリーンガスの供給を停止する。
（６）リーンガスの供給停止によってリーンガスが減少し、ガスセンサがベースのリッチガスに反応し始めて、センサ出力が所定電圧になったタイミングでリーンガスの供給を再開する。
（７）上記の（５）、（６）のガス制御を交互に繰り返して行い、ガスセンサの出力電圧の波形を解析する。
【００５０】
上記評価試験の結果、図５に示すように、本発明１では、リーンガスの供給と停止に応じてガスセンサのセンサ出力が変化するのを検出できた。一方、従来の場合は、センサ出力がほとんど変化しなかった。
【００５１】
なお、上述のセンサフィードバック特性の評価試験では、リッチガスからなるベースガスにリーンガスの供給と停止を交互に繰り返して評価するシングルインジェクション方法の場合を例に説明したが、例えばベースガス（例えばＮ２）に対して、リッチガス（例えばＣＯ）とリーンガス（例えばＮＯ）を交互に供給するダブルインジェクション方法を用いることができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  ガス測定装置
１０  ガス管
１１  外管
１１Ａ  通路部
１１Ｂ  開口部
１２  内管
１３  間隙
２０  ガスセンサ
２１  センサ本体
２２  センサ素子
２３  アタッチメント
３０  シール手段
３１  ガスケット
４０  パージ手段
４１  ケース
４２  不活性ガス供給口
Ｒ  パージ室
【図１】
2011145120.tif 000003
【図２】
2011145120.tif 000004
【図３】
2011145120.tif 000005
【図４】
2011145120.tif 000006
【図５】
2011145120.tif 000007