車載式フーリエ変換赤外分析装置を用いた
ガソリン排出ガス中のＮ２ＯおよびＣＨ４の解析
１．背景と目的◎ 現在，微量でも大きな温室効果を示すＮ2ＯおよびＣＨ4の自動車からの排出を抑制する施策はない．
◎ 実路走行時の，Ｎ2ＯおよびＣＨ4の排出実態および排出要因について不明な点が多い．

本研究は、第１段階として、以下を目的として実施した．
◎ 実路走行時のＮ2ＯおよびＣＨ4の排出実態把握に必要となる車載式フーリエ変換赤外分析装置の開発・評価◎ 加減速運転時等の空燃比変動や触媒温度の低下等がＮ2ＯおよびＣＨ4の排出に及ぼす影響について解析◎ ガソリン車に車載式フーリエ変換赤外分析装置を搭載して路上走行試験を実施し，Ｎ2ＯおよびＣＨ4の排出実態を調査◎ 今後導入が進む尿素ＳＣＲ搭載ディーゼル車，ハイブリッド車等において，触媒の温度低下等により、Ｎ2ＯおよびＣＨ4の排出量の増加が予測される．

４．車載計測システムの構成

２．車載式フーリエ変換赤外分析装置の開発
２．１．車載式フーリエ変換赤外分析装置の外観

車載式ＦＴＩＲ分析装置

フーリエ変換赤外分析装置（FTIR分析装置）
物質ごとに赤外線吸収スペクトルが異なり，スペクトルにより物質を同定できる．
この赤外線の吸収スペクトルを得るためにフーリエ変換を用いる方法を採用した装置．

ジャイロセンサー +ハイトセンサ－による道路勾配の計測＋

分析成分の検出限界
N2O： 0.6 ppm
CH4： 0.6 ppm
NH3： 1 ppm
NO2： 1 ppm
NO ： 5 ppm
CO2： 0.2 %瞬時排出ガス流量の取得：
流量補正マップにより求めた瞬時吸入空気量と空燃比を用いて算出する方法（マップ法）を用いた．

FTIR analysis partGas sampling part５．空燃比変動および触媒温度に起因するＮ２Ｏの排出016A/F

Gas Ｃｅｌｌ内の温度・圧力を検量線データと同一条件に調節NH3 [ppm]

ExhaustFlow
Meter Suction
Pump

Stationary FTIR

6000400
On-board FTIR

４400600
Stationary FTIR

2008001000

6000400On-board FTIR-200200-4000200400600
Time [sec]800

1000100200300time[s]40050001200

２NO + ５H２ → ２NH３ + ２Ｈ２Ｏ

600
200

N2O150100Speed

Ｎ２ Ｏ

500100200300

400

Time[sec]

500② リーン変動 → N２Oの生成

２ＮＨ３ + ２Ｏ２ → Ｎ２Ｏ + ３Ｈ２Ｏ
Ｎ２Ｏの排出： 触媒温度の上昇に伴い低下

600

触媒温度

350

Main-Cata. Temp.

A/FNOx (ppm)
CLD analyzer

10080
6030040

Speed

25020Speed [km/h]

Temp.[ ℃ ]普通乗用車を使用

実路走行試験

Ａ／Ｆ A/FFCFCFCFCFC
FC:fuel cut

60

1440

Speed

122010010010080

Ｎ２ Ｏ80Speed

N2O606040402020001500

ＮＨ３NH3Speed

806040200800

触媒温度の低下Ａ／Ｆ（空燃比）：① リッチ変動 ～ ② リーン変動① リッチ変動 ～ ② リーン変動→ N２Oの生成
Ｎ２Ｏの排出： 触媒温度の上昇に伴い低下

100

500

1000

排出ガス流量が低下
下り坂走行

FC 10080

16

国立天文台通り （都道123号）
下り坂 （平均勾配：- 4.6％）走行
平均車速：13km/h
外気温：13℃

風による冷却効果

01000

01200800

200

N2O [ppm]

1000

0NH3 [ppm]

800

01200800

200① リッチ変動 → NH３の生成

６．実路走行時のＮ２ＯおよびＣＨ４の排出実態

CH4 [ppm]

On-board FTIR

400Ａ／Ｆ（空燃比）：① リッチ変動 ～ ② リーン変動

0100

A/FA/F

400200-400400 0 ＣＨ 2005020020On-board FTIRN2O (ppm)
Stationary FTIR

6000200150Speed

300

400On-board FTIR

CLD analyzer
Stationary FTIRＮ２ Ｏ0600
200

NH3200NOx (ppm)
On-board FTIR

800

600

500

20018

N2O (ppm)

600

400

400100400

10CH4 (ppm)

Speed
Speed
(km/h)(km/h)NOx (ppm)
Stationary FTIR

Speed

200300time[s]600

3020-200

CH4 (ppm)
Stationary FTIR

直噴リーンバーン車を使用

A/F

400 0200

ＮＨ３8000

新開発の車載式FTIR分析装置は，定置式排ガス分析計および定置式ＦＴＩＲ分析計の分析結果と比較した結果，ＣＨ４およびＮ２Ｏを測定するための車載装置として使用可能であることを確認した．

-200

1000① 検出ポイントは，全てにおいて，いずれの定置式分析計の検出ポイントとも一致② 車載式ＦＴＩＲ分析装置の測定値は，定置式ＦＴＩＲ分析計のピーク値と比較して，ＣＨ４およびＮ２Ｏともに８７％～１００％の範囲内 （同等の応答性を有することから，検出感度： 同等）

200

50

400

シャシダイナモメータ台上試験により，直噴リーンバーンエンジンのリッチスパイク発生時のＮＯｘ（ＮＯ＋ＮＯ ２），Ｎ２ＯおよびＣＨ４の排出状態を比較した．

40001000

３．車載式フーリエ変換赤外分析装置の性能評価

ＮＯｘ

Speed

0Ｇａｓ Ｃｅｌｌ内のガス置換の円滑化② ガスセルまでの部品数を少なくしてストレート配管化

01000① ガスセル内のガス置換を円滑にするため吸引ポンプをガスセルの後段に配置

シャシダイナモメータ台上試験

150

Speed [km/h]

測定精度および応答性の改善を目的として501312500

10N2O [ppm]Ｇａｓ Ｃｅｌｌ
赤外分光分析のためにガスを封入する容器．

100A/F1200

FT-IR
Gas CellStopValve

14400

11FeedPump
FilterＡ／Ｆ

300
time[s]Speed [km/h]

Signal15200

Speed [km/h]

FlowRegulator
Sampling Gas

FlowRegulator

1000600
200① リッチ変動 → NH３の生成

0100

ＣＨ４600

CH480
60

Speed

400

40200

20002500

100
2600

200
2700

300
2800

Time[sec]

4002900

Speed [km/h]

PressureGage

ストレート配管50

Speed

1000Speed [km/h]

100

Main-Cata. Temp.

シャシダイナモメータ台上で，５０km/hまでの加速とそこから減速しての停車，を４回繰り返して運転

Speed [km/h]

触媒温度300200２．２．排出ガスサンプリング装置の流路

Gas Cell Pressure Controller

150

Speed [km/h]

分析装置 重量：約160 kg（バッテリ含む）
背面に、Ｎ２ボンベ（ゼロガス、パージ用）とバッテリーを配置

200

Pre-Cata. Temp.

Speed [km/h]

Temp. [ ℃ ]500400普通乗用車を使用

シャシダイナモメータ台上試験

600① リッチ変動 → ＣＨ４の生成
ＣＨ４の排出： リッチ変動の深度の増大に伴い増加

0500
3000

７．まとめ
路上走行時に適用可能な車載式フーリエ変換赤外分析装置を開発し，ガソリン車に搭載してシャシダイナモメータ台上試験および実路走行試験を実施し，エンジンの空燃比変動や触媒温度の低下等がＮ ２ＯおよびＣＨ４の排出に及ぼす影響について調査した．
（１）ガスサンプリング装置の設定流量を変化させて，応答性の改善効果を調査・検討した結果，高応答かつ省電力なサンプリング流量として１０ℓ／ｍｉｎを採用した．
（２）新開発の車載式フーリエ変換赤外分析装置は，定置式フーリエ変換赤外分析計と同程度の検出感度を示したことから，同装置の検出感度は適切であり，実路走行時のＮ２ＯおよびＣＨ４の排出量を測定するための車載装置として使用可能であると判断した．
（３）加速運転時に生じる空燃比変動により，Ｎ２Ｏ，ＮＨ３およびＣＨ４の排出量が増大した．また，Ｎ２Ｏは，触媒温度の低下時に（３００℃近傍と推定），空燃比がリッチ側，次にリーン側へと続く変動や，リッチ変動後の燃料カット時に，触媒上でＮＨ３が酸化されて生成される．
（４）下り坂等の道路条件や信号停止などが原因となり触媒温度が低下してＮ ２Ｏが排出される場合や、加速運転時にＡ／Ｆのリッチ変動が生じてＣＨ４が排出される場合が観測された．実路走行時の両成分の排出実態把握が重要であることが明らかとなった．