(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素炎に排ガスを導入したときに生じるイオン電流に基づいて、前記排ガスに含まれる測定対象物質の濃度を測定する水素炎イオン化型排ガス分析計であって、
前記水素炎により前記排ガスから生成されたイオンを捕捉するコレクタ電極と、
前記コレクタ電極に電気的に接続されて、当該コレクタ電極が前記イオンを捕捉して生じるイオン電流を取得する取得回路とを備え、
前記コレクタ電極に前記排ガスに起因するイオン電流が流れない場合に前記取得回路から出力される第１出力値又は当該第１出力値から得られる第１関連値、及び、前記水素炎に測定対象物質の濃度が既知のガスを導入した場合に前記取得回路から出力される第２出力値又は当該第２出力値から得られる第２関連値の差が所定値以上の場合に、パージが必要であることを報知する又は自動的にパージ処理を開始するように構成されており、
前記第１出力値又は前記第１関連値が、前記取得回路に固有の値である水素炎イオン化型排ガス分析計。
【請求項２】
前記第１出力値が、前記水素炎により前記排ガスが燃焼されていない場合に前記取得回路から出力されるものである請求項１記載の水素炎イオン化型排ガス分析計。
【請求項３】
前記第１出力値が、前記コレクタ電極に電流を流すための閉回路が遮断されている場合に前記取得回路から出力されるものである請求項１記載の水素炎イオン化型排ガス分析計。
【請求項４】
前記水素炎に排ガスを導入するための排ガス導入路にパージガスを流して前記水素炎にパージガスを導入した場合に前記取得回路により得られるパージ出力値又は当該パージ出力値から得られる関連値が所定の基準値よりも小さい場合に、パージ終了を判断するパージ判断部を備える請求項１乃至３の何れかに記載の水素炎イオン化型排ガス分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車両等のエンジン等の内燃機関又は蒸気タービンなどの外燃機関から排出される排ガスに含まれる測定対象物質の濃度を測定する水素炎イオン化型排ガス分析計に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）は、特許文献１に示すように、水素炎に排ガス等の試料ガスを導入したときに生じるイオン電流をコレクタ電極で検出し、当該コレクタ電極により検出されたイオン電流に基づいて、試料ガスに含まれる測定対象物質である炭化水素の濃度を測定するものである。この水素炎イオン化検出器は、例えば車両から排出される排ガスの流れる排ガス流路上に設けられて用いられる。
【０００３】
この水素炎イオン化検出器が設けられている排ガス流路の内面には、排ガス中に含まれる炭化水素（例えばＴＨＣ）が付着して堆積するため、水素炎イオン化検出器により得られる炭化水素濃度に誤差成分が含まれてしまう。このため従来は、予め定めた定期的なパージ処理により、排ガス流路及び水素炎イオン化検出器にパージガスを供給して、付着又は堆積した炭化水素を除去している。
【０００４】
しかしながら、上記の通り、定期的なパージ処理を行うことにすると、パージ処理前であっても、排ガス流路及び水素炎イオン化検出器に付着した炭化水素量が許容範囲外となっている場合がある。そうすると、定期的なパージ処理の開始まで、例えば補正では対処できない状態のまま測定をすることになってしまう。
【０００５】
一方で、前記定期的なパージ処理を行わなくても、排ガス流路及び水素炎イオン化検出器に付着した炭化水素量が許容範囲内の場合がある。そうすると、所定のメンテナンス期間の経過に伴って排ガス流路及び水素炎イオン化検出器のパージ処理を行うことになり、不要なパージ処理のために測定を止める必要が生じる等の問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２０５９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決すべくなされたものであり、水素炎イオン化型排ガス分析計又は当該水素炎イオン化型排ガス分析計を組む込んだ排ガス分析システムにおいて適切なパージ時期を判断できるようにすることをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち本発明に係る水素炎イオン化型排ガス分析計は、水素炎に排ガスを導入したときに生じるイオン電流に基づいて、前記排ガスに含まれる測定対象物質の濃度を測定する水素炎イオン化型排ガス分析計であって、前記水素炎により前記排ガスから生成されたイオンを捕捉するコレクタ電極と、前記コレクタ電極に電気的に接続されて、当該コレクタ電極が前記イオンを捕捉して生じるイオン電流を取得する取得回路とを備え、前記コレクタ電極に前記排ガスに起因するイオン電流が流れない場合に前記取得回路から出力される第１出力値又は当該第１出力値から得られる第１関連値、及び、前記水素炎に測定対象物質の濃度が既知のガスを導入した場合に前記取得回路から出力される第２出力値又は当該第２出力値から得られる第２関連値の差が所定値以上の場合に、パージが必要であることを報知する又は自動的にパージ処理を開始するように構成されており、前記第１出力値又は前記第１関連値が、前記取得回路に固有の値であることを特徴とする。なお、測定対象物質の濃度が既知のガスとは、所定量の測定対象物質を含むガスの他、測定対象物質を含まないゼロガスを含む概念である。
【０００９】
このようなものであれば、コレクタ電極に排ガスに起因するイオン電流が流れない場合に取得回路から出力される第１出力値（又は第１関連値）と、水素炎に測定対象物質の濃度が既知のガスを導入した場合に取得回路から出力される第２出力値（又は第２関連値）との差が所定値以上の場合に異常と判断しているので、適切なパージ時期を判断できるようになる。コレクタ電極に排ガスに起因するイオン電流が流れない場合に取得回路から出力される第１出力値（又は第１関連値）は、言い換えれば、排ガス流路及び水素炎イオン化型排ガス分析計に測定対象物質が付着しているか否かに関わらず一定の値である。一方で、水素炎に測定対象物質の濃度が既知のガスを導入した場合に取得回路から出力される第２出力値は、排ガス流路及び水素炎イオン化型排ガス分析計に測定対象物質が付着することによって大きくなる値である。これらの値の差を取ることによって、排ガス流路及び水素炎イオン化型排ガス分析計にどの程度測定対象物質が付着しているか判断することができるため、適切なパージ時期を判断することができる。
【００１０】
ここで、第１関連値としては、電流値である第１出力値を電流−電圧変換して得られる電圧値、アナログ信号である第１出力値をデジタル変換して得られるデジタル信号、又は、第１出力値に例えば直線性補正等の所定の演算処理を施して得られる値等が考えられる。なお、第２関連値も同様である。
【００１１】
コレクタ電極に排ガスに起因するイオン電流が流れない場合としては、（１）水素炎により排ガスが燃焼されていない場合、及び（２）前記コレクタ電極に電流を流すための閉回路が遮断されている場合が考えられる。つまり、前記第１出力値が、前記水素炎により前記排ガスが燃焼されていない場合、又は、前記コレクタ電極に電流を流すための閉回路が遮断されている場合に前記取得回路から出力されるものであることが考えられる。
【００１２】
ここで、（１）水素炎により排ガスが燃焼されていない場合とは、（ａ）水素炎が消えている場合、（ｂ）水素炎に排ガスを導入しない場合とが考えられる。（ａ）水素炎が消えている場合に第１出力値を取得するものの場合には、水素炎の点火／消火を切り替えるだけで良く、また、（ｂ）水素炎に排ガスを導入しない場合に第１出力値を取得するものの場合には、水素炎への排ガスの導入／停止を切り替えるだけで良く、従来のシステム構成に変更を加える必要が無い。なお、上記（ｂ）の場合には、排ガスに起因するイオン電流は流れないが、水素炎を点火するだけでコレクタ電極にイオン電流が流れる。このため、第１出力値としては、当該水素炎を点火して生じるイオン電流が流れた場合の出力値、又は、当該出力値から水素炎点火に起因する出力成分を差し引いた値を用いることができる。
【００１３】
また、（２）前記コレクタ電極に電流を流すための閉回路が遮断されている場合に第１出力値を取得するものの場合には、上記のように水素炎の点火／消火又は排ガスの導入／停止を切り替える場合に比べて切り替え時間を早くすることができ、また、その切り替えタイミングの自由度を増すことができる。
【００１４】
前記水素炎に排ガスを導入するための排ガス導入路にパージガスを流して前記水素炎にパージガスを導入した場合に前記取得回路により得られるパージ出力値又は当該パージ出力値から得られる関連値が所定の基準値よりも小さいか否かを判断するパージ判断部を備えることが望ましい。これならば、パージ処理における適切な終了タイミングを判断することができる。したがって、上記の発明と組み合わせることで、適切なパージ開始タイミングを判断するとともに、そのパージ処理の適切な終了タイミングを判断することができ、水素炎イオン化型排ガス分析計及び当該分析計を組み込んだシステムにおいてパージ処理の最適化が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
このように構成した本発明によれば、水素炎イオン化型排ガス分析計及び当該分析計を組む込んだシステムにおいて適切なパージ時期を判断できるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態の水素炎イオン化型排ガス分析計を有する排ガス分析システムの構成を示す模式図。
【図２】同実施形態の水素炎イオン化型排ガス分析計の構成を示す模式図。
【図３】同実施形態の演算装置の機能構成を示す図。
【図４】同実施形態の異常判断及びパージ処理の手順を示すフローチャート。
【図５】水素炎イオン化型排ガス分析計における出力値の経時変化を示す模式図。
【図６】変形実施形態の水素炎イオン化型排ガス分析計の構成を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明に係る水素炎イオン化型排ガス分析計の一実施形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
本実施形態の水素炎イオン化型排ガス分析計１（以下、ＦＩＤ計１という。）は、図１に示すように、エンジンＥから排出された排ガスを導入する導入ポート１０１に一端が接続された排ガス流路１００上に設けられたものであり、水素炎に排ガスを導入したときに生じるイオン電流に基づいて、排ガスに含まれる測定対象物質として有機化合物である炭化水素の濃度を測定するものである。なお、排ガス流路１００上には、フィルタ１０２及び吸引ポンプ１０３等が設けられている。
【００１９】
具体的にＦＩＤ計１は、図２に示すように、内部に燃焼室Ｓが形成された燃焼室ブロック（チムニー）２と、当該燃焼室Ｓの内部に先端部が設けられて水素炎Ｆを噴射するノズル３を備える。そして、ノズル３の基端部には、ノズル３に燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給路４が接続されており、この燃焼ガス供給路４には、前記排ガス流路１００からの排ガスを燃焼ガスとともに前記ノズル３に供給する排ガス供給路５が接続されている。その他、ＦＩＤ計１は、燃焼室Ｓに助燃用ガス（空気）を供給するための助燃用ガス供給路６を有する。
【００２０】
また、ＦＩＤ計１は、前記燃焼室Ｓの内部において前記水素炎Ｆの周囲に設けられ、水素炎Ｆにより排ガスから生成されたイオンを捕捉するコレクタ電極７と、当該コレクタ電極７に電気的に接続されて、当該コレクタ電極７がイオンを捕捉して生じるイオン電流を取得する取得回路８と、当該取得回路８からの出力信号を取得して、前記排ガスに含まれる炭化水素濃度を算出する演算装置９とを備えている。
【００２１】
前記取得回路８は、コレクタ電極７に接続されたリード線８１と、当該リード線８１に接続されてコレクタ電極７を流れるイオン電流を増幅して出力する増幅器（オペアンプ）８２とを備えるものである。なお、増幅器８２の−側入力端子と出力端子の間には、帰還抵抗８３が接続されている。
【００２２】
前記演算装置９は、ＣＰＵ、内部メモリ、入出力インタフェース、ＡＤ変換器、ディスプレイ等を有する汎用乃至専用のコンピュータから構成されている。具体的に演算装置９は、図３に示すように、前記取得回路８から出力された出力信号を用いて排ガスに含まれる炭化水素濃度（具体的にはＴＨＣ濃度）を算出する濃度算出部９１としての機能を有する。なお、出力信号は排ガスに含まれる炭化水素濃度に比例する。
【００２３】
また、前記演算装置９は、図３に示すように、ＦＩＤ計１が設けられた排ガス流路１００及び当該ＦＩＤ計１の内部に炭化水素が所定量付着した異常状態か否かを判断する異常判断部９２としての機能を有する。なお、図４に異常判断処理からパージ処理までの手順の一例であるフローチャートを示す。
【００２４】
この異常判断部９２は、図５に示すように、コレクタ電極７に排ガスに起因するイオン電流が流れない場合に取得回路８から出力される第１出力値Ｓ１と、水素炎Ｆに炭化水素の濃度が既知のガス（例えば炭化水素濃度ゼロのゼロガス）を導入した場合に前記取得回路８から出力される第２出力値Ｓ２との差（Ｓ２−Ｓ１）が所定の閾値Ａ以上か否かを判断する。具体的に異常判断部９２は、水素炎Ｆにより排ガスが燃焼されていない場合、詳細には、水素炎Ｆが消えている場合に、取得回路８から出力される出力値を第１出力値Ｓ１として取得する。また、本実施形態の第１出力値Ｓ１及び第２出力値Ｓ２は、取得回路８から出力された補正前及び濃度変換前の電流信号（生データ）である。
【００２５】
ここで、第１出力値Ｓ１は、例えばＦＩＤ計１の製品出荷時又は最初の測定開始前に取得回路８から出力される出力値で、取得回路８の増幅器８２に固有の値であり、排ガス流路１００及びＦＩＤ計１に炭化水素が付着しているか否かに関わらず一定の値である。そして、この第１出力値Ｓ１は、製品出荷時又は最初の測定開始前に取得されて、演算装置９の内部メモリ等に設定された記録部又は異常判断部９２に記録される。なお、第１出力値Ｓ１は逐次取得して記録するようにしても良いが、水素炎Ｆを消した場合に一定値として出力されるため、製品出荷時又は最初の測定開始前に一度取得して記録しておけば良い。また、この第１出力値Ｓ１は、メンテナンス等によって取得回路８の増幅器８２が交換された場合には、交換された新しい増幅器８２に固有の第１出力値Ｓ１に更新される。
【００２６】
また、第２出力値Ｓ２は、排ガス流路１００及びＦＩＤ計１に付着した炭化水素量が増加するに伴って大きくなる出力値である。本実施形態の第２出力値Ｓ２は、排ガス測定を行っていない場合に取得回路８から出力される出力値であり、例えば、ＦＩＤ計1をゼロ校正、スパン校正及び排ガス測定の順で行う場合には、ゼロ校正を行っているときに取得回路８から出力される出力値である。つまり、本実施形態の異常判断部９２は、排ガス測定時においては異常判断を行わず、ゼロ校正時に異常判断を行う。なお、第２出力値Ｓ２として、排ガス測定中に出力される出力値を用いた場合には、排ガス中の炭化水素による出力成分とそれ以外の堆積した炭化水素などの汚れによる出力成分とが含まれることになり、単純に第１出力値Ｓ１との差を取ることができない。なお、上記の第２出力値Ｓ２は、ゼロ校正時においてゼロガスを流した場合に取得したものであったが、ゼロ校正を行うことなくゼロガスを流した場合に取得したものであっても良い。
【００２７】
そして、異常判断部９２は、前記出力値の差（Ｓ２−Ｓ１）が所定の閾値Ａを超えた場合には、そのことを示す異常判断信号を異常報知部９３に出力する。
【００２８】
この異常報知部９３は、演算装置９により構成されるものであり、前記出力値の差（Ｓ２−Ｓ１）が所定の閾値Ａを超えたこと、つまり、排ガス流路１００及びＦＩＤ計１のパージ処理が必要であることをユーザに報知するものである。本実施形態の異常報知部９３は、演算装置９のディスプレイ上に報知表示を行う表示制御部によって構成している。これにより、ユーザは、パージ処理を行うべき時期であることを知ることができる。
【００２９】
なお、上記の報知表示を見る等して、ユーザがパージ開始ボタンを押すと、パージ開始信号受付部がパージ開始信号を受け付けて、演算装置９により構成されるパージ処理制御部９４によってパージ処理が開始される。
【００３０】
つまりパージ処理制御部９４は、排ガス流路１００に接続されたパージガス供給路及びパージガスポンプ等から構成されるパージガス機構（不図示）を制御して、排ガス流路１００及びＦＩＤ計１にパージガスを供給する。
【００３１】
このパージ処理において、前記演算装置９は、パージ終了タイミングを適切に判断するためのパージ判断部９５としての機能を有する。
【００３２】
このパージ判断部９５は、図５に示すように、水素炎Ｆに排ガスを導入するための排ガス導入路にパージガスを流して、水素炎Ｆにパージガスを導入した場合に、取得回路８により得られるパージ出力値ＳＰが所定の基準値Ｂよりも小さいか否かを判断する。そして、パージ判断部９５が、パージ出力値ＳＰと前記第１出力値Ｓ１との差（ＳＰ−Ｓ１）が所定の基準値Ｂよりも小さいと判断した場合に当該判断信号をパージ処理制御部９４に出力する。この判断信号を取得したパージ処理制御部９４は、パージ処理を終了させる。なお、厳密にパージ終了を判断する場合には、パージ出力値ＳＰと前記第１出力値Ｓ１との差（ＳＰ−Ｓ１）と所定の基準値Ｂとを比較することが望ましいが、本実施形態では簡易的にパージ出力値ＳＰと所定の基準値Ｂとを比較するように構成している。
【００３３】
このように構成した本実施形態に係るＦＩＤ計１によれば、コレクタ電極７にイオン電流が流れない場合に取得回路８から出力される第１出力値Ｓ１と、水素炎Ｆにゼロガスを導入した場合に取得回路８から出力される第２出力値Ｓ２との差（Ｓ２−Ｓ１）が所定の閾値Ａ以上か否かを判断しているので、適切なパージ時期を判断できるようになる。
【００３４】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００３５】
例えば、取得回路が増幅器によりイオン電流を増幅して出力するものであったが、増幅器により増幅される前のイオン電流を第１出力値及び第２出力値としても良い。
【００３６】
また、異常判断部は、取得回路から出力された第１出力値（電流値）を電流−電圧変換してえられる電圧値を第１関連値とし、第２出力値（電流値）を電流−電圧変換して得られる電圧値を第２関連値として、それらの差により異常判断するようにしても良い。
【００３７】
さらに、異常判断部は、取得回路から出力された第１出力値及び第２出力値に補正等の所定の演算処理を施して得られる濃度に変換する前の関連値同士の差により判断するようにしても良い。また、第１関連値及び第２関連値としては、第１出力値及び第２出力値をデジタル変換したものであっても良い。この場合、取得回路がＡＤ変換回路を有している。
【００３８】
また、前記第１出力値を濃度変換した値を第１関連値とし、第２出力値を濃度変換した値を第２関連値として、それらの第１関連値及び第２関連値の差により異常判断するようにしても良い。
【００３９】
ここで、前記実施形態のようにゼロ校正を行った場合には、第２出力値Ｓ２がゼロ点とされる。このため、第１出力値Ｓ１がマイナスの濃度として設定できるような構成であれば、異常判断部が、第１出力値Ｓ１を濃度換算した値を第１関連値とし、第２出力値Ｓ２を濃度換算した値を第２関連値として、それらの第１関連値及び第２関連値の差により判断しても良い。
【００４０】
また、前記実施形態では、ユーザがパージ開始ボタンを押すことによってパージ処理を開始するものであったが、異常判断部９２が異常と判断した場合に、自動的にパージ処理を開始するようにしても良い。
【００４１】
その上、前記実施形態では、異常判断部、異常報知部、パージ処理制御部及びパージ判断部は演算装置により構成されているが、それら機能は、演算装置とは別の少なくとも１つの制御機器によって構成されたものであっても良い。また、それら機能は、演算装置と別の制御機器とのどちらの装置に存在しても良い。
【００４２】
加えて、前記実施形態では、水素炎Ｆが消えた状態（ＯＦＦ時）において取得回路８から出力される値を第１出力値としているが、水素炎Ｆが点火されており、排ガスのノズル供給を停止させた状態で取得回路８から出力される値を第１出力値としても良い。
【００４３】
また、図５に示すように、コレクタ電極７に電流を流すための閉回路が遮断されている場合に取得回路８から出力される値を第１出力値Ｓ１としても良い。具体的には、閉回路となる取得回路８に当該取得回路８を遮断するための開閉スイッチ８４を設け、当該開閉スイッチ８４を開けた場合に、取得回路８から出力される値を第１出力値Ｓ１とすることが考えられる。
【００４４】
また、前記実施形態では、炭化水素の濃度がゼロのゼロガスを流した場合に得られる出力値を第２出力値としているが、既知濃度の炭化水素を含むガスを流した場合に得られる出力値から、前記既知濃度の炭化水素に起因する出力値を差し引いたものを第２出力値としても良い。なお、既知濃度の炭化水素を含むガスを流した場合に得られる出力値を第２出力値としても良い。
【００４５】
また、異常判断部が、第１出力値及び第２出力値の差を算出することなく、水素炎に炭化水素の濃度が既知のガスを導入した場合に取得回路から出力される第２出力値又は当該第２出力値から得られる第２関連値が所定値以上の場合に異常と判断するものであっても良い。この場合、前記所定値としては、前記第１出力値を考慮して設定することが考えられる。
【００４６】
その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４７】
１・・・水素炎イオン化型排ガス分析計（ＦＩＤ計）
Ｆ・・・水素炎
７・・・コレクタ電極
８・・・取得回路
Ｓ１・・・第１出力値
Ｓ２・・・第２出力値
９２・・・異常判断部
９５・・・パージガス判断部
ＳＰ・・・パージ出力値
【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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