JP2008215840A - 排ガス分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】排気管１２からの排ガスを直接測定する際において、排気管１２及び排ガスから光照射部５及び光検出部６等への温度影響を可及的に小さくする。
【解決手段】排気管１２の径方向外方に離間して配置され、当該排気管１２の開口側端部１２Ａに固定される内筒３と、前記内筒３の径方向外方に離間して配置され、当該内筒３に固定される外筒４と、前記外筒４に取り付けられて、前記排気管１２から排出される排ガスに検査光Ｌａを照射する光照射部５と、前記外筒４に取り付けられて、前記排ガスからの散乱光Ｌｃ及び／又は透過光Ｌｂを検出する光検出部６と、を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、排ガス分析計に関し、特に排気管から排出される排ガスをリアルタイムで直接測定する排ガス分析計に関するものである。

この種の排ガス分析計としては、例えば特許文献１に示すように、排気管に光照射部及び光検出部を含む測定ユニットを装着固定して測定するものがある。このものは、排気管に固定されるアダプタ管（特許文献１においてサンプルガス流路を形成する管）に直接光照射部及び光検出部などが設けられている（特許文献１の図２参照）。

しかしながら、排気管を通る排ガスや排気管の温度は通常約２００℃〜４００℃、あるいはこれ以上の高温となるので、上記の場合には、光照射部及び光検出部などを構成する光源（例えばＬＥＤ）や光検出器（例えばフォトダイオード）等は、排気管及び排ガスからの温度影響を受け、誤動作や故障を引き起こし易くなる等の問題が生じてしまう。
特開２００４−２６４１４６号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、排気管からの排ガスを直接測定する際において、排気管及び排ガスから光照射部及び光検出部等へ与える温度影響を可及的に小さくすることをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る排ガス分析計は、排気管の径方向外方に離間して配置され、当該排気管の開口側端部に固定される内筒と、前記内筒の径方向外方に離間して配置され、当該内筒に固定される外筒と、前記外筒に取り付けられて、前記排気管から排出される排ガスに検査光を照射する光照射部と、前記外筒に取り付けられて、前記排ガスからの散乱光及び／又は透過光を検出する光検出部と、を具備し、前記内筒の取付側端部（上流側端部）において、前記内筒と前記排気管との間が閉塞していることを特徴とする。

このようなものであれば、光照射部及び光検出部が取り付けられている外筒と、排気管との間に内筒を設け、しかも、排気管と内筒とを離間して配置し、内筒と外筒とを離間して配置しているため、排気管及び排ガスから外筒への伝熱を小さくすることができる。したがって、排気管及び排ガスから受ける光照射部及び光検出部等への温度影響を可及的に小さくすることができる。また、外部の空気が排ガスに混ざることが無く、排ガスが希釈されて測定誤差が発生することを防止することができる。

また、前記内筒と前記外筒との間が両端部において開口していることが特に望ましい。これならば、内筒と外筒との間に外部の空気が流入することによって、内筒から外筒への熱伝導を小さくするとともに、内筒及び外筒を冷却することができる。

前記内筒の排ガス排出側端部（下流側端部）が、前記外筒の排ガス排出側端部（下流側端部）と面一又はそれよりも前方（排ガス下流側）に延出していることが望ましい。これならば、排気管から排出された排ガスは、内筒のみに接触して、外筒に接触しないので、排ガスから外筒への伝熱を一層低減することができ、その結果、光照射部及び光検出部に与える温度影響を低減することができる。

内筒の具体的な実施の態様としては、前記内筒が、前記外筒に取り付けられた光照射部及び光検出部に対応する部分に貫通孔を有し、その貫通孔内に光照射部の先端部と光検出部の先端部が配置されていることが望ましい。

内筒から光照射部及び光検出部への温度影響を小さくするためには、前記光照射部の先端部及び前記光検出部の先端部が、前記貫通孔内に配置され、当該先端部と貫通孔とが耐熱部材により封止されていることが望ましい。また、これにより、内筒及び外筒の間を流れる空気が貫通孔を通って内筒内に流入することを防ぐことができる。

さらに、排気管、排ガス及び内筒から外筒への伝熱を小さくするためには、前記光照射部が、検査光を照射する光源と、当該光源と排ガスとの間に設けられる光透過窓と、当該光透過窓の排ガス側にパージエアを供給するパージエア供給部とを備え、前記光検出部が、散乱光及び／又は透過光を検出する光検出器と、当該光検出器と排ガスとの間に設けられる光透過窓と、当該光透過窓の排ガス側にパージエアを供給するパージエア供給部と備えていることが望ましい。

このように構成した本発明によれば、排気管からの排ガスを直接測定する際において、排気管及び排ガスから光照射部及び光検出部等への温度影響を可及的に小さくすることができる。

以下に、本発明の一実施形態に係る排ガス分析計１について、図面を参照して説明する。なお、図１は、本実施形態に係る排ガス分析計１の模式的構成図である。図２は、排ガス分析計１の測定ユニット２の縦断面図であり、図３は、測定ユニット２のＡ−Ａ線断面図であり、図４は、測定ユニット２のＢ−Ｂ線断面図である。

＜装置構成＞
本実施形態に係る排ガス分析計１は、図１に示すように、車両１０の内燃機関（エンジン）１１に連結された排気管１２から排出される排ガス中の、例えば粒子状物質（ＰＭ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）、炭化水素（ＨＣ）等の含有成分を分析する車載型のものである。

具体的に、このものは、前記排気管１２の開口側端部１２Ａに装着される測定ユニット２と、この測定ユニット２を安定的に制御するとともにこの測定ユニット２からの測定信号を演算装置９に出力するコントローラ８と、前記測定信号を受信して、演算処理を行い、排ガス中の含有成分の濃度等の分析を行う演算装置９とを備えている。なお、コントローラ８及び演算装置９は車内に搭載されている。

以下、測定ユニット２について、図２、図３、図４を参照して詳述する。

測定ユニット２は、特に図２に示すように、排気管１２の開口側端部１２Ａに固定される内筒３と、当該内筒３に固定される外筒４と、当該外筒４に取り付けられる光照射部５及び光検出部６とを備えている。

以下、各部３〜６について説明する。

内筒３は、両端に開口を有し、その内径が排気管１２の外径よりも大きい円筒であり、排気管１２の径方向外方に離間して排気管１２と略同軸上に配置され、当該排気管１２の開口側端部１２Ａに着脱自在に固定されるものである。また、内筒３は、排気管１２から排出される排ガスを流通させる排ガス通路を形成するものである。

内筒３の取付側端部３Ａ（上流側端部（車両１０の移動方向側の端部））は、内筒３と排気管１２との間が閉塞するようにしている。

具体的には、内筒３の取付側端部３Ａには、排気管１２の外径よりも小さい開口を形成する鍔部３１１を備えた弾性を有する閉塞部材３１が設けられている。つまり、内筒３が排気管１２に取り付けられると、閉塞部材３１の鍔部３１１が弾性変形して、排気管１２の外側周面１２０１に密着して、排気管１２の外側周面１２０１と内筒３の内側周面３０１との間が閉塞することになる。これにより、車両１０走行中であっても、外部の空気（外気）が内筒３内に流入せず、内筒３内には排ガスのみが流れるので、排ガスが外気により希釈されることがない。

また、内筒３の側周壁には、後述する光照射部５の先端部５Ａと光検出部６の先端部６Ａが配置される貫通孔３２が設けられている。

さらに、内筒３は、図４に示すように、内筒３本体を排気管１２に固定するための固定部３４を備えている。固定部３４は、耐熱材料からなる排気管押さえ３４１と、当該排気管押さえ３４１を内筒３に対して移動させる固定ボルト３４２とを有している。また、固定部３４は、図４に示すように、円周方向に１２０℃間隔で３箇所設けるようにしている。また、軸方向に２列設けるようにしている。つまり、計６箇所で内筒３を排気管１２に固定する構成としている。なお、図２及び図３においては、省略している。

外筒４は、図２、図３に示すように、両端に開口を有し、その内径が内筒３の外径よりも大きい円筒であり、内筒３の径方向外方に離間して内筒３及び外筒４と略同軸上に配置され、当該内筒３に固定されるものである。また、排ガス排出側端部４Ｂは、内筒の排ガス排出側端部３Ｂと面一又はこれよりも排ガス上流側にある。これにより、外筒４の内周面４０１は排ガスに臨まない構造、つまり、排ガスと接触しない構造としている。

そして、外筒４と内筒３との間が両端部において開口するようにしている。これにより、車両１０が走行することにより、内筒３と外筒４との間に外気が流入して、内筒３及び外筒４を自動的に冷却することができる。

また、外筒４は、光照射部５及び光検出部６が取り付けられる取付孔４１を備えており、後述する光照射部５及び光検出部６が取り付けられる。本実施形態においては、後述するように光照射部５と第１光検出部６Ａが対向する位置に取り付けられ、また第２光検出部６Ｂが光射出方向から所定角度傾いた位置に配置されるので、それらの位置にそれぞれ取付孔４１が設けられている。

さらに、外筒４は、外筒４本体を内筒３に固定するための固定部４２を備えている。この固定部４２は、前記内筒３に設けた固定部３４と同様の構成であり、耐熱材料からなる内筒押さえ４２１と、当該内筒押さえ４２１を外筒４に対して移動させる固定ボルト４２２とを有している。なお、図３においては、省略している。

固定部４２の内筒押さえ４２１は、例えばＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド（Poly phenylene sulfide））、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン（Poly Ether Ether
Ketone））や、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン（Poly Tetra Fluoro Ethylene））等の耐熱樹脂から形成されており、内筒３から外筒４への熱伝導が小さくなるようにしている。

このとき、内筒３の排ガス排出側端部３Ｂ（下流側端部（車両１０の移動方向と反対側の端部））が、外筒４の排ガス排出側端部４Ｂと面一となるようにしている。つまり、外筒４が排気管１２から排出される排ガスと直接接触しない構造とし、内筒３のみが排ガスと直接接触する構造としている。これにより、外筒４に排ガスが接触することによる外筒４の温度上昇を低減することができる。

光照射部５は、外筒４に取り付けられて、前記排気管１２から排出される排ガスに検査光Ｌａを照射するものである。具体的に、光照射部５は、検査光Ｌａを照射する光源５１と、当該光源５１と排ガスとの間に設けられる光透過窓５２と、当該光透過窓５２の排ガス側にパージエアを供給するパージエア供給部５３と、それらを有するハウジング５４と、を備えている。そして、ハウジング５４が、外筒４の取付孔４１に固定されることにより、光照射部５は、排気管１２の中心軸Ｃに対して垂直に取り付けられて、排気管１２の中心軸Ｃに対して垂直に検査光Ｌａを照射する。

光源５１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であり、光源ホルダ５５によってハウジング５４内に配置される。光透過窓５２は、光源５１からの光Ｌａを平行光にして前方に導くコリメータレンズ等である。

パージエア供給部５３は、ハウジング５４において、光透過窓５２の前方の側壁に設けられたパージエア導入ポート５３１と、ハウジング５４内部に形成されるパージエア通路５３２と、当該パージエア通路５３２の端部に設けられたハニカムパイプ５３３と、からなる。ハニカムパイプ５３３は、ハウジング５４の先端部に設けられる。このように構成したパージエア供給部５３において、ハニカムパイプ５３３には、排ガスが希釈されて測定結果に影響を及ぼさない範囲の流量、例えば６Ｌ／ｍｉｎのパージガスを流すようにしている。これにより、排ガスが光照射部５内に流入することを防ぐことができるだけでなく、パージエアによって光照射部５の温度上昇を防ぐこともできる。具体的には、約２０℃程度の温度低下を実現できる。

また、光照射部５が外筒４に取り付けられた状態において、光照射部５の先端部５Ａは、外筒４の側周壁から内側（内筒３側）に突出する構造となる。また、その先端部５Ａは、内筒３の貫通孔３２内に配置され、光照射部５の先端面５Ａ１が内筒３内（排ガス通路）に臨む構造となる。このような構成により、車両１０が走行することにより、外気が内筒３と外筒４との間に流入して、光照射部５の先端部５Ａが冷却される。

このとき、貫通孔３２と、光照射部５の先端部５Ａとの間に形成される間隙を封止するために柔軟性を有する断熱部材７を設けている。この断熱部材７はシリコンから形成されており、内筒３の外側周面３０２に貫通孔３２を囲むように固定されている。

光検出部６は、前記外筒４に取り付けられて、前記排ガスからの散乱光Ｌｃ及び透過光Ｌｂを検出するものであり、本実施形態では、主として透過光Ｌｂを検出する第１光検出部６Ａと、主として散乱光Ｌｃを検出する第２光検出部６Ｂとを備えている。以下、特に示す場合を除いて、第１光検出部６Ａ及び第２光検出部６Ｂを区別することなく説明する。

各光検出部６Ａ、６Ｂは、透過光Ｌｂ又は散乱光Ｌｃを検出する光検出器６１と、当該光検出器６１と排ガスとの間に設けられる光透過窓６２と、当該光透過窓６２の排ガス側にパージエアを供給するパージエア供給部６３と、それらを有するハウジング６４と、を備えている。なお、パージエア供給部６３は、前記光照射部５のパージエア供給部５３と同様の構成である。

そして、第１光検出部６Ａは、そのハウジング６４が、外筒４の取付孔４１に固定されることにより、排気管１２の中心軸Ｃに対して垂直に、かつ、光照射部５と直線上に対向する位置に取り付けられ、排ガスからの透過光Ｌｂを検出する。一方、第２光検出部６Ｂは、そのハウジング６４が、外筒４の取付孔４１に取り付けられることにより、排気管１２の中心軸Ｃに対して垂直に、かつ、検査光Ｌａから所定角度傾いた位置（検査光Ｌａの光路から所定角度傾いた光路上の位置）に取り付けられる。

光検出器６１は、例えばフォトダイオード（ＰＤ）であり、検出器ホルダ６５によってハウジング６４内に配置される。光透過窓６２は、透過光Ｌｂ又は散乱光Ｌｃを光検出器６１に集光するコリメータレンズ等である。

また、光検出部６が外筒４に取り付けられた状態において、前述した光照射部５と同様に、光検出部６の先端部６Ａは、外筒４の側周壁から内側（内筒３側）に突出する構造となる。また、その先端部６Ａは、内筒３の貫通孔３２内に配置され、光検出部６の先端面６Ａ１が内筒３内（排ガス通路）に臨む構造となる。このような構成により、車両１０が走行することにより、外気が内筒３と外筒４との間に流入して、光検出部６の先端部６Ａが冷却される。なお、貫通孔３２と、光検出部６の先端部６Ａとの間に形成される間隙を封止するために柔軟性を有する断熱部材７を設けているのは、前記光照射部５と同様である。

次に、このように構成した排ガス分析計１を用いたシミュレーション結果を図５に示す。本シミュレーションにおいて、ハニカムパイプ５３３、６３３の長さを９ｍｍ、排ガス温度を４００℃、車速を０ｋｍ／ｈ、固定部３４、４２をステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）とした。また、内筒３と側周壁の排ガスとの境界温度条件は、周囲温度４００℃、熱伝導率ｈ＝５０Ｗ／ｍ^２ ℃とした。

この図５から分かるように、排ガス温度が４００℃の場合であっても、外筒４は約１４８℃〜１５０℃まで温度を抑えることができる（図５の横断面図（１）部分、縦断面図（４）部分）。また、光照射部５又は光検出部６は、約１４５℃〜１４８℃まで温度を抑えることができる（図５の縦断面図（１）部分〜（３）部分）。

また、外筒４の固定部４２に異なる材料を用いた場合の比較結果を以下の表に示す。このとき、固定部４２にステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を用いた場合の各部分の温度は、実測値であり、固定部４２の内筒押さえ４２１にＰＰＳを用いた場合の各部分の温度は、シミュレーション値である。また、表中の（ア）〜（オ）は、図６に示す部分である。

この表から分かるように、いずれの場合にも、排気管１２から受ける温度影響を抑えることができ、光照射部５及び光検出部６の温度を最高使用温度以下に低減することができることが分かる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る排ガス分析計１によれば、光照射部５及び光検出部６が取り付けられている外筒４と、排気管１２との間に内筒３を設けているので、排気管１２及び排ガスから外筒４への伝熱を小さくすることができる。しかも、排気管１２と内筒３とを離間して配置し、さらに内筒３と外筒４とを離間して配置しているため、排気管１２からの熱を外筒４に伝わりにくくすることができる。したがって、光照射部５及び光検出部６等が、排気管１２及び排ガスから受ける温度影響を可及的に小さくすることができる。

さらに、冷却効果に関して言うと、内筒３と外筒４との間に外部からの外気が流入することによって、内筒３から外筒４への熱伝導を小さくすることができるとともに、内筒３及び外筒４を冷却することができる。同時に、外筒４から内部に突出している光照射部５のハウジング５４及び光検出部６のハウジング６４が、内筒３と外筒４との間に流入した外気により冷却されるので、一層の冷却効果を得ることができる。

また、排気管１２から排出された排ガスは、内筒３のみに接触して、外筒４に接触することがないので、外筒４への伝熱を一層低減することができ、その結果、光照射部５及び光検出部６に与える温度影響を低減することができる。

さらに、内筒３の貫通孔３２と光照射部５の先端部５Ａ及び光検出部６の先端部６Ａとの間が、耐熱部材７によって封止されているので、内筒３から光照射部５及び光検出部６への伝熱を抑え温度影響を小さくすることができる。

加えて、排気管１２と内筒３との間が閉塞されているので、外気が排ガスに流入することが無く、排ガスが希釈されて測定誤差が発生することを防止することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、前記実施形態では、車載型のものであったが、シャーシダイナモやエンジンダイナモを用いる等の場合には、定置型でも良い。

また、外筒４の形状は、外気が内筒３との間に流入しやすい形状としても良い。例えば、外筒４の排気管１２側端部の開口をその他の部分の径よりも大きく形成しても良い。

さらに、光照射部５及び光検出部６の対（中心線Ｃに対して向かい合う光照射部５と光検出部６との組み合わせ）を複数設け、異なる成分を同時に測定することができようにしても良い。

その上、パージエア供給部５３、６３におけるハニカムパイプ５３３、６３３は、多孔を有する多孔板であっても良い。

加えて、内筒３の排ガス排出側端部３Ｂが、外筒４の排出側端部４Ｂよりも延出するようにしても良い。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、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。

本発明の一実施形態に係る排ガス分析計の模式的構成図。 同実施形態おける測定ユニットの全体構成を示す縦断面図。 同実施形態における測定ユニットのＡ−Ａ線断面図。 同実施形態における測定ユニットのＢ−Ｂ線断面図。 同実施形態におけるシミュレーション結果を示す温度分布図。 実測及びシミュレーションにおける温度測定部分を示す図。

符号の説明

１ ・・・排ガス分析計
１２ ・・・排気管
１２Ａ・・・開口側端部
２ ・・・測定ユニット
３ ・・・内筒
３Ａ ・・・取付側端部
３Ｂ ・・・排ガス排出側端部
３２ ・・・貫通孔
４ ・・外筒
４Ｂ ・・・排ガス排出側端部
５ ・・・光照射部
５１ ・・・光源
５２ ・・・光透過窓
５３ ・・・パージエア供給部
５Ａ ・・・光照射部の先端部
Ｌａ ・・・検査光
Ｌｂ ・・・透過光
Ｌｃ ・・・散乱光
６ ・・・光検出部
６１ ・・・光検出器
６２・・・・光透過窓
６３ ・・・パージエア供給部
６Ａ ・・・前記光検出部の先端部
６Ａ ・・・第１光検出部
６Ｂ ・・・第２光検出部
７ ・・・耐熱部材

Claims (6)

1. 排気管の径方向外方に離間して配置され、当該排気管の開口側端部に固定される内筒と、
   前記内筒の径方向外方に離間して配置され、当該内筒に固定される外筒と、
   前記外筒に取り付けられて、前記排気管から排出される排ガスに検査光を照射する光照射部と、
   前記外筒に取り付けられて、前記排ガスからの散乱光及び／又は透過光を検出する光検出部と、を具備し、
   前記内筒の取付側端部において、前記内筒と前記排気管との間が閉塞している排ガス分析計。
2. 前記内筒と前記外筒との間が両端部において開口していることを特徴とする請求項１記載の排ガス分析計。
3. 前記内筒の排ガス排出側端部が、前記外筒の排ガス排出側端部と面一又はそれよりも前方に延出していることを特徴とする請求項１又は２記載の排ガス分析計。
4. 前記内筒が、前記外筒に取り付けられた光照射部及び光検出部に対応する部分に貫通孔を有していることを特徴とする請求項１、２又は３記載の排ガス分析計。
5. 前記光照射部の先端部及び前記光検出部の先端部が、前記貫通孔内に配置され、当該先端部と貫通孔とが耐熱部材により封止されていることを特徴とする請求項４記載の排ガス分析計。
6. 前記光照射部が、検査光を照射する光源と、当該光源と排ガスとの間に設けられる光透過窓と、当該光透過窓の排ガス側にパージエアを供給するパージエア供給部とを備え、
   前記光検出部が、散乱光及び／又は透過光を検出する光検出器と、当該光検出器と排ガスとの間に設けられる光透過窓と、当該光透過窓の排ガス側にパージエアを供給するパージエア供給部と備えている請求項１、２、３、４又は５記載の排ガス分析計。