排ガス濃度計測装置
【課題】レーザー光を照射する濃度計測部の流路断面において配管中を流れる高温な排ガスの温度分布を均一にでき、排ガス濃度を精度良く計測することができる排ガス濃度計測装置を提供する。
【解決手段】排ガスを流すための配管と、配管を流れる排ガスにレーザー光を照射する濃度計測部と、濃度計測部よりも排ガスの流れ方向上流側の配管内に設けられて排ガスを混合する排ガス混合手段と、を含む。
【解決手段】排ガスを流すための配管と、配管を流れる排ガスにレーザー光を照射する濃度計測部と、濃度計測部よりも排ガスの流れ方向上流側の配管内に設けられて排ガスを混合する排ガス混合手段と、を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジン等の内燃機関から排出された排ガスに含まれる窒素酸化物、硫黄酸化物、一酸化炭素等の濃度を計測する排ガス濃度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境意識の高まりとともに自動車のガソリンエンジン等から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４）等の低減が求められている。排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４）等を低減するためには排ガスの濃度を精度良く計測してその対策を行うことが必要である。以下、窒素酸化物をＮＯｘ、硫黄酸化物をＳＯｘ、一酸化炭素をＣＯ、二酸化炭素をＣＯ２、メタンをＣＨ４という。
【０００３】
特許文献１には、配管を流れる流体の流量を微少流量から大流量まで精度良く計測できるマルチ渦流量計が提案されている。これは配管中を流れる被測定流体の流量を計測するため、流体の流れの中に渦発生体を配設して流体の流れを制御し、下流側の渦検出器により流体の流量を計測する方式と、流体温度検出センサと加熱側温度センサとを流体の流れの適切な位置に配置した熱式流量計方式とを組み合わせたマルチ渦流量計である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１５８９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のマルチ渦流量計は、配管の流路に被測定流体を通過させる測定管を設け、測定管には感温センサ及び加熱感温センサを保持する温度センサ保持部を一体化したもので流体の流れを制御できるものではあるが、配管の流路断面で流体を均一な温度分布状態にできるものではない。
【０００６】
また、排ガス中のＣＯやＣＯ２等の排ガス濃度計測にレーザー光を用いる場合、配管中を流れる均一な温度分布状態の排ガス中にレーザー光を照射する必要がある。
【０００７】
一方、配管中を流れる排ガスは高温であり配管壁を通じて外部へ放熱されるために、配管中の任意の流路断面では、排ガスは均一な温度分布状態とはなっていない。このため排ガスの濃度を精度良く計測することが難しいという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザー光を照射する濃度計測部の流路断面において配管中を流れる高温な排ガスの温度分布を均一にでき、排ガス濃度を精度良く計測することができる排ガス濃度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の排ガス濃度計測装置は、排ガスを流すための配管と、配管を流れる排ガスにレーザー光を照射する濃度計測部と、濃度計測部よりも排ガスの流れ方向上流側の配管内に設けられて排ガスを混合する排ガス混合手段と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、排ガス混合手段により、配管中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる低温の排ガスとを混合することで、レーザー光を照射する濃度計測部の流路断面において配管を流れる排ガスの温度分布を均一にすることができる。これにより、排ガス中のＣＯやＣＯ２等の排ガス濃度計測にレーザー光を用いる場合、配管中を流れる均一な温度分布状態の排ガス中にレーザー光を照射することが可能となり、排ガス濃度を精度良く計測することができる。
【００１１】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段は、配管内の中央部を流れる排ガスを遮るように配管中央に設けられた部材であり、部材の中央部は閉じた形状で部材と配管の内壁との間には少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間を設けることが、好ましい。
【００１２】
この構成によれば、配管中央に設けられた部材によって配管中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる排ガスとを混合することができ、排ガス配管の濃度計測部領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００１３】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段は、円錐形状の部材であり、頂点が排ガスの流れ方向の上流側に向かうことが、好ましい。
【００１４】
この構成によれば、配管中央に設けられた円錐形状の部材によって配管中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる排ガスとを効率よく混合することができ、排ガス配管の濃度計測部領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００１５】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段の円錐形状の部材は、配管の内径をＤとした場合、円錐形状の部材の底面から頂点までの高さＨが０以上５×Ｄ以下であり、底面と円錐形状の部材の側面とのなす狭角θが０度以上４５度以下であり、隙間は０．０１×Ｄ以上０．２×Ｄ以下であることが、好ましい。
【００１６】
この構成によれば、配管中央に設けられた円錐形状の部材によって配管中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる排ガスとを効率よく混合することができ、排ガス配管の濃度計測部領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００１７】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段は、配管の断面内に少なくとも一層以上球状体を並べたものであり、少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間を設けることが、好ましい。
【００１８】
この構成によれば、配管断面内に並べた球状体によって、配管の内壁近傍を通過する排ガスの温度が加熱されるので、排ガス混合手段を通過した後の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００１９】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段の球状体の熱伝導率は、配管の材料の熱伝導率以上であることが、好ましい。
【００２０】
この構成によれば、中央部の球状体の温度と外周部の球状体の温度とを同じ温度にすることができるため、排ガス混合手段を通過した後の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００２１】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段は、濃度計測部の上流側配管内に少なくとも２つ以上配置されることが、好ましい。
【００２２】
この構成によれば、配管中央に設けられた部材や配管断面内に並べた球状体によって、配管中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる排ガスとを効率よく混合することができ、排ガス配管の濃度計測部領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の排ガス濃度計測装置によれば、レーザー光を照射する濃度計測部の流路断面において配管中を流れる高温な排ガスの温度分布を均一にでき、排ガス濃度を精度良く計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本実施例に係る排ガス濃度計測装置の概略構成図である。
【図２】図２は、本実施例に係る排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段を設けた場合の温度分布を説明する図である。
【図３】図３は、従来の排ガス混合手段を設けない場合の温度分布を説明する図である。
【図４】図４は、本実施例に係る排ガス混合手段を複数設けた場合の温度分布を説明する図である。
【図５】図５は、本実施例に係る排ガス混合手段を排ガスの流れの上流側から見た図である。
【図６】図６は、図５のＸ−Ｘ断面図である。
【図７】図７は、本実施例に係る排ガス混合手段を排ガスの流れの上流側から見た図である。
【図８】図８は、図７のＸ−Ｘ断面図である。
【図９】図９は、本実施例に係る排ガス混合手段を排ガスの流れの上流側から見た図である。
【図１０】図１０は、図９のＸ−Ｘ断面図である。
【図１１】図１１は、本実施例に係る排ガス混合手段を横から見た図である。
【図１２】図１２は、本実施例に係る排ガス混合手段の温度計測位置を示す図である。
【図１３】図１３は、本実施例に係る排ガス混合手段の温度計測の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明に係る排ガス濃度計測装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００２６】
以下の実施例では、車両に搭載されたエンジンの排ガス配管中を流れる排ガスを計測する排ガス濃度計測装置を例にして説明するが、これに限ることではない。
【００２７】
図１は、本発明の実施例に係る排ガス濃度計測装置の概略構成図である。排ガス濃度計測装置１００は、内径Ｄの排ガス配管２内を排ガスが流体の流れ方向（矢印Ｙの方向）で流通している排ガス配管２に設置される。この排ガス配管２の濃度計測部５０には排ガスの流れ方向に直交して一対のレーザー光透過窓５，６が設けられている。レーザー光透過窓５，６が設けられた濃度計測部５０の上流側の配管２内には、排ガスの流れを遮るように排ガス混合手段１が設けられている。レーザー光透過窓５，６の一方側にレーザー光源３を設置し、レーザー光源３の前面のレーザー光路上にコリメータ４を配置し、レーザー光源３に対向する他方側に受光器８を設置し、受光器８の前面のレーザー光路上にコリメータ７を配置している。排ガス濃度計測装置１００は、上記の構成となっている。レーザー光は矢印Ｘの向きでレーザー光源３から受光器８に向けて照射される。レーザー光源３には、レーザー光の波長や強さを変えたりする制御部１０１と電源１０３とが接続されている。受光器８側には、レーザー光の強度から排ガス中のＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４等の濃度を求める演算部１０２と、排ガス中のＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４等の濃度を表示するＬＣＤなどの表示部１０４とが接続されている。制御部１０１と演算部１０２とはデータのやり取りをするために接続されている。排ガス配管２の上流側から導入された排ガスは、濃度計測部５０を通過して下流側に排出される。上述したように本実施例の排ガス濃度計測装置１００は構成されている。以下、排ガス配管２を配管２ということがある。
【００２８】
排ガス混合手段１は、図１に示すように、濃度計測部５０の上流側の配管２内に設置される部材である。以下、排ガス混合手段１を部材１ともいう。排ガス混合手段である部材１は、中央部は閉じた形状で配管２の内壁との間には少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間Ｌを設けてある。部材１は、配管２の中央部に設置され、配管２の中央部を流れる排ガスを遮って配管外周部を流れる排ガスと混合させるものである。図１に示す排ガス混合手段の部材１は、底面から頂角までの高さがＨ、底面と直交し、かつ頂点を通る平面で切ったときの断面において底面と側面とのなす狭角がθで、排ガスの流れの上流側に向かって錐状にとがった円錐形状をしている。排ガス混合手段である部材１は、排ガス配管２の中央部を遮るように配置される。円錐形状の底面の外周部と配管２内壁との間には隙間Ｌが設けられている。
【００２９】
レーザー光源３は、レーザー発振器により光を増幅してレーザー光を発生させるものである。レーザー光透過窓５，６は排ガス濃度計測に使用する波長のレーザー光が透過するものであれば良く、好ましくは透明であれば良いが、これに限ることではない。
【００３０】
コリメータ４、７は、光源を焦点において平行光線を得られるように収差補正するレンズ等である。
【００３１】
制御部１０１は、排ガス濃度計測装置１００全体を制御するものである。例えば、制御部１０１は、レーザー光源３にレーザー光を発生させて排ガスに照射させ、受光器８でレーザー光を受光させるように制御する。制御部１０１は、受光器８で取得したデータを演算部１０２へ受け渡すように制御する。
【００３２】
演算部１０２は、レーザー光源３から照射されたレーザー光の受光状態から配管２内を流れる排ガスの濃度データを計測して排ガスの濃度を求める演算部である。電源部１０３は、排ガス濃度計測装置１００全体を駆動するための電源を供給する。表示部１０４は、演算部１０２で求められた排ガスの濃度を表示出力する表示部である。
【００３３】
図２は、本実施例に係る排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段を設けた場合の温度分布を説明する図である。図３は、従来の排ガス混合手段を設けない場合の温度分布を説明する図である。図４は、本実施例に係る排ガス混合手段を複数設けた場合の温度分布を説明する図である。なお図３及び図４は、図２と同様な部分には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
【００３４】
本実施例の排ガス混合手段１は、図１に示したように、濃度計測部５０の上流側の配管２内に設置される部材１である。排ガス混合手段である部材１は、中央部は閉じた形状で配管２の内壁との間には少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間Ｌを設けて配管中央部に固定設置されている。本実施例の部材１は、円錐形状の部材１であり、頂点が排ガスの流れ方向の上流側に向かって設置される。部材１は、配管２の中央部に設置されるので、配管２の中央部を流れる排ガスを遮って配管２外周部を流れる排ガスと混合させるものである。部材１により配管２中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる排ガスとを効率よく混合することができ、排ガス配管の濃度計測部領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００３５】
図２及び図３を参照して本実施例の排ガス配管２中を流れる排ガスの流路断面の温度分布について説明する。排ガス配管２は内径Ｄで、排ガスは矢印Ｙの方向に流れている。図３において、排ガス配管２内の排ガスの温度分布の概念図を半円１０で示すものとする。このとき排ガス配管２の中心Ａから径ｒ方向の内壁に向かう軸を径ｒ、中心Ａから垂直に上流方向に向かう軸を温度ｔとする。図３に示すように、排ガス配管２の中央部１１を流れる排ガスの温度が一番高く、中央部外側１２Ｒ，１２Ｌを流れる排ガスの温度は中央部１１よりも低くなる。そして外周部１３Ｒ，１３Ｌを流れる排ガスの温度が最も低くなる。排ガス配管２中を流れる排ガスは、排ガス配管２中心部の温度が最も高く、排ガス配管２内壁に近づくほど配管２内壁を通じて外部へ放熱される。そのために、排ガス配管２の任意の流路断面では、排ガスは均一な温度分布状態とはならないのである。
【００３６】
本実施例では、図２に示すように、濃度計測部５０の配管２内の上流側には、排ガスの流れを遮るように排ガス混合手段の部材１が設けられている。排ガス配管２中を流れる高温の排ガスは、排ガス混合手段の部材１の上流側では、図３で説明したように、排ガス配管２の中央部１１を流れる排ガスの温度が一番高く、中央部外側１２Ｒ，１２Ｌを流れる排ガスの温度は中央部１１よりも低くなる。そして外周部１３Ｒ，１３Ｌを流れる排ガスの温度が最も低くなっている。この状態で中央部１１の高温の排ガスは、排ガス混合手段の部材１により流れの向きを矢印１５Ｒ，１５Ｌのように変えられる。同じく中央部外側１２Ｒ，１２Ｌの排ガスも排ガス混合手段の部材１により流れの向きを矢印１６Ｒ，１６Ｌのように変えられる。この時、中央部１１及び中央部外側１２Ｒ，１２Ｌの排ガスは、外周部１３Ｒ，１３Ｌを流れる温度が最も低い排ガスと混合されて均一な温度の排ガスとなる。そして均一な温度の排ガスは排ガス混合手段の部材１の下流側にある濃度計測部５０を通過することになる。図２において、図３と同様に、排ガス配管２内の排ガスの温度分布の概念図を略半楕円１０で示すものとする。このとき排ガス配管２の中心Ａから径ｒ方向の内壁に向かう軸を径ｒ、中心Ａから垂直に上流方向に向かう軸を温度ｔとする。図２に示すように、中央部１１と中央部外側１２Ｒ，１２Ｌを流れる排ガスに温度差はほぼ無くなる。外周部１３Ｒ，１３Ｌを流れる排ガスは排ガス配管２内壁を通じて外部へ放熱されるために中央部１１及び中央部外側１２Ｒ，１２Ｌを流れる排ガスよりも若干温度は低くなるが、排ガス混合手段１のない図３と比較した場合、流路断面の温度分布１０は均一に近づくことになる。排ガス混合手段の部材１を濃度計測部５０の上流側直近に配置した場合は、排ガス配管２内壁を通じて排ガスの熱が外部へ放熱されることは無視できるほどであるため、濃度計測部５０領域において排ガスの流路断面の温度分布１０は均一とみなすことができる。
【００３７】
このように、本実施例では、排ガス混合手段の部材１を濃度計測部５０の上流側の配管２内に排ガス配管２の中央部を遮るように設置するため、排ガス配管２の濃度計測部５０領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００３８】
図４を参照して本実施例の排ガス混合手段を複数設けた場合の温度分布について説明する。排ガス配管２は内径Ｄで、排ガスは矢印Ｙの方向に流れている。図４において、排ガス配管２内の排ガスの温度分布の概念図を略長方形１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃで示すものとする。このとき排ガス配管２の中心から径ｒ方向の内壁に向かう軸を径ｒ、中心から垂直に上流方向に向かう軸を温度ｔとする。図２で説明したように、上流側一番目の排ガス混合手段の部材１ａにより、中央部分を流れる排ガスは、外周部分を流れる温度が低い排ガスと混合されてほぼ均一な温度分布１０Ａとなるが、排ガス配管２内壁近傍は温度が若干低い状態である。二番目の排ガス混合手段の部材１ｂにより、さらに中央部分を流れる排ガスと外周部分を流れる排ガスとが混合されてさらに均一な温度分布１０Ｂとなるが、排ガス配管２内壁近傍はまだ温度が若干低い状態である。三番目の排ガス混合手段の部材１ｃにより、さらに中央部分を流れる排ガスと外周部分を流れる排ガスとが混合されるので均一な温度分布１０Ｃとなる。このように、本実施例の排ガス混合手段の部材１を複数設けた場合、濃度計測部５０領域において排ガスの流路断面の温度分布を均一とすることが可能となる。
【００３９】
次に、図５〜図１１を参照して本実施例の排ガス混合手段について詳細に説明する。図５は、本実施例に係る排ガス混合手段１Ａを排ガスの流れの上流側から見た図である。図６は、図５のＸ−Ｘ断面図である。図７は、本実施例に係る排ガス混合手段１Ｂを排ガスの流れの上流側から見た図である。図８は、図７のＸ−Ｘ断面図である。図９は、本実施例に係る排ガス混合手段２０を排ガスの流れの上流側から見た図である。図１０は、図９のＸ−Ｘ断面図である。図１１は、本実施例に係る排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段３０を横から見た図である。
【００４０】
（排ガス混合手段１Ａ）
排ガス混合手段１Ａは、図５に示すように、排ガス配管２内壁に少なくとも２つ以上の保持具９を介して、例えば、溶接などにより排ガス配管２内壁に固定設置される。排ガス混合手段１Ａの固定方法は排ガス混合手段１Ａ及び保持具９の材質により適宜選択することができる。本実施例の排ガス混合手段１Ａは、３つの保持具９により排ガス配管２の内壁に保持されている例を示している。なお保持具９は、排ガスが隙間Ｌを通過する際に圧力損失（圧損）とならないように上流側から見て幅が狭い方が良い。排ガス混合手段の部材１Ａは、図６に示すように、中央部が閉じた、高さがＨ、底面５２と直交し、かつ頂点を通る平面で切ったときの断面において底面５２と側面５１とのなす狭角がθである円錐形状で、閉じた形状の底面がない傘形状をしたものである。排ガス混合手段の部材１Ａと排ガス配管２の内壁との間には少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間Ｌを設けてある。例えば、排ガス配管２の内径をＤとした場合、排ガス混合手段の部材１Ａの高さＨは、０×Ｄ以上５×Ｄ以下であることが好ましい。底面５２と側面５１とのなす狭角θは、０度以上４５度以下であることが好ましい。隙間Ｌは、０．０１×Ｄ以上０．２×Ｄ以下であることが好ましい。このように排ガス混合手段１Ａを構成することで、排ガス配管２中央部１１を流れる温度の高い排ガスは、円錐形状の排ガス混合手段の部材１Ａにより排ガス配管２内壁側の方向に流れて温度の低い排ガスと混合され、排ガスの温度分布１０は均一となる。排ガス混合手段の部材１Ａを構成する材料は、例えば、６００度程度になる排ガス温度に耐えられる材料であれば良い。好ましくは排ガス成分に腐食されない材料であれば良い。
【００４１】
（排ガス混合手段１Ｂ）
図７は、図５と同様であるため同じ部分には図５と同様の符号を付し詳細な説明は省略する。排ガス混合手段の部材１Ｂは、図８に示すように、中央部が閉じた、高さがＨ、底面５４と直交し、かつ頂点を通る平面で切ったときの断面において底面５４と側面５３とのなす狭角がθである円錐形状をしたもので、底面５４が閉じた形状である。排ガス混合手段の部材１Ｂと排ガス配管２の内壁との間には少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間Ｌを設けてある。例えば、排ガス配管２の内径をＤとした場合、排ガス混合手段の部材１Ｂの高さＨは、０×Ｄ以上５×Ｄ以下であることが好ましい。底面５４と側面５３とのなす狭角θは、０度以上４５度以下であることが好ましい。隙間Ｌは、０．０１×Ｄ以上０．２×Ｄ以下であることが好ましい。このように排ガス混合手段１Ａを構成することで、排ガス配管２中央部１１を流れる温度の高い排ガスは、円錐形状の排ガス混合手段１Ｂにより排ガス配管２内壁側の方向に流れて温度の低い排ガスと混合され、排ガスの温度分布１０は均一となる。排ガス混合手段の部材１Ｂを構成する材料は、例えば、６００度程度になる排ガス温度に耐えられる材料であれば良い。好ましくは排ガス成分に腐食されない材料であれば良い。
【００４２】
（排ガス混合手段２０）
排ガス混合手段２０は、図９に示すように、排ガス配管２内壁に少なくとも２つ以上の保持具９を介して、例えば、溶接などにより排ガス配管２内壁に固定設置される。排ガス混合手段２０の固定方法は排ガス混合手段の部材２０及び保持具９の材質により適宜選択することができる。本実施例の排ガス混合手段２０は、３つの保持具９により排ガス配管２の内壁に保持されている例が示されている。排ガス混合手段の部材１Ａとの違いは、排ガス混合手段２０の円錐形状の外周部が排ガス配管２内壁まで延びていることである。排ガス混合手段の部材２０は、さらに排ガスを通過させるための隙間Ｌが多数の直径Ｌの円２１で構成されている。なお隙間Ｌを構成するのは直径Ｌの円に限ることはなく、辺の長さＬの多角形等、スリット状、メッシュ状など各々の開口形状が適用できる。図１０に示すように、排ガス混合手段の部材２０の形状は、図６に示した排ガス混合手段１Ａと同様であり、中央部が閉じた、高さがＨ、底面５６と直交し、かつ頂点を通る平面で切ったときの断面において底面５６と側面５５とのなす狭角がθである円錐形状で、閉じた形状の底面がない傘形状をしたものである。例えば、排ガス配管２の内径をＤとした場合、排ガス混合手段の部材２０の高さＨは、０×Ｄ以上５×Ｄ以下であることが好ましい。底面５６と側面５５とのなす狭角θは、０度以上４５度以下であることが好ましい。隙間Ｌ（円の直径Ｌ）は、０．０１×Ｄ以上０．２×Ｄ以下であることが好ましい。このように排ガス混合手段２０を構成することで、排ガス配管２中央部１１を流れる温度の高い排ガスは、円錐形状の排ガス混合手段の部材２０により排ガス配管２内壁側の方向に流れて温度の低い排ガスと混合され、排ガスの温度分布１０は均一となる。排ガス混合手段の部材２０を構成する材料は、例えば、６００度程度になる排ガス温度に耐えられる材料であれば良い。好ましくは排ガス成分に腐食されない材料であれば良い。
【００４３】
（排ガス混合手段３０）
排ガス混合手段３０は、図１１に示すように、排ガス配管２内に排ガスの流れを遮るように排ガス配管２の径ｒ方向に少なくとも１層以上球状体３６を密に並べたものであり、例えば、球状体３６Ｒと球状体３６Ｌとの間を排ガスが通過できるようになっている。図１１では、球状体３６を４層並べて充填した例を示している。排ガス混合手段３０は、球状体３６を保持具３５、例えば、円筒形状で上下面がメッシュ状のカゴ３５に充填して保持し、球状体３６を充填した円筒形状で上下面がメッシュ状のカゴ３５は少なくとも２カ所以上溶接などにより排ガス配管２内壁に固定設置される。排ガス混合手段３０の固定方法は排ガス混合手段３０の球状体３６及び保持具３５の材質により適宜選択することができる。球状体３６が多層に並べられた球状体３６充填層の高さはＨである。例えば、排ガス配管２の内径をＤとした場合、排ガス混合手段３０の高さＨは、０×Ｄ以上５×Ｄ以下であることが好ましい。球状体の直径は排ガスが充填層を通過する際の圧力損失（圧損）が高くならないように排ガス配管２の内径Ｄに対して適宜選択することができる。球状体３６及び保持具３５の材料は、例えば、６００度程度になる排ガス温度に耐えられる材料であれば良い。また好ましくは排ガス成分に腐食されない材料であれば良い。球状体３６の熱伝導率は、排ガスの熱を効率よく吸収するために排ガス配管２の材料と同等もしくは、それ以上であることが好ましい。
【００４４】
次に、本実施例の排ガス混合手段３０の作用について説明する。排ガス配管２は内径Ｄで、排ガスは流体の流れ方向（矢印Ｙの方向）に流れている。図１１において、本実施例の排ガス配管２内の排ガスの温度分布の概念図は略長方形１０で示される。このとき排ガス配管２の中心Ａから径ｒ方向の内壁に向かう軸を径ｒ、中心Ａから垂直に上流方向に向かう軸を温度ｔとする。図３で説明したように、排ガス混合手段３０の上流側では、排ガス配管２の中央部１１を流れる排ガスの温度が一番高く、中央部外側１２Ｒ，１２Ｌを流れる排ガスの温度は中央部１１よりも低くなる。そして外周部１３Ｒ，１３Ｌを流れる排ガスの温度が最も低くなっている。この状態で、本実施例の排ガス混合手段３０の１層目の球状体３６の層に排ガスが接触すると、例えば中央部１１の球状体３６Ｒ，３６Ｌは一番高い温度に加熱される。中央部外側１２Ｒ，１２Ｌの球状体３６の温度は中央部１１よりも低く、外周部１３Ｒ，１３Ｌの球状体３６の温度が最も低くなっている。球状体３６の熱伝導率は、排ガス配管２の熱伝導率と同等もしくは、それ以上の材料であるので、排ガスの熱を効率よく吸収すると共に、例えば、中央部１１の球状体３６Ｒ，３６Ｌと接している隣の球状体３６に矢印３１Ｒ，３１Ｌで示すように熱が順次伝わっていく。そして中央部１１の球状体３６の温度と外周部１３Ｒ，１３Ｌの球状体３６の温度とが同じとなる。同様に２層目の球状体３６も矢印３２Ｒ，３２Ｌで示すように熱が順次、外周部の球状体３６に伝わっていき、２層目の球状体３６の温度は同じとなる。３層目、４層目も同様である。中央部１１から外周部１３Ｒ，１３Ｌまでの球状体３６は同じ温度となり、球状体３６の外周部１３Ｒ，１３Ｌの位置を通過する排ガスの温度は球状体３６によって加熱されるので、本実施例の排ガス混合手段３０を通過した後の排ガスの温度分布１０は均一となる。このように排ガス混合手段３０を構成することで、濃度計測部５０領域において排ガスの流路断面の温度分布１０を均一とすることが可能となる。
【００４５】
次に、図１２および図１３を参照して、本実施例の排ガス混合手段を適用して温度分布を計測した結果について説明する。図１２は、温度計測位置を示す図である。図１３は、温度計測の結果を示す図である。
【００４６】
図１２において、無設置は、従来の排ガス混合手段を設けない場合の温度計測位置である。温度計測位置は、排ガス配管２の径ｒ方向の中心位置４１、中心位置４１から内壁方向に向かって約半分の位置４２、内壁近傍の位置４３の３カ所である。円錐形状は、本実施例の排ガス混合手段１Ａの場合の温度計測位置である。温度計測位置は、排ガス配管２の径ｒ方向の中心位置４４、中心位置４４から内壁方向に向かって約半分の位置４５、内壁近傍の位置４６の３カ所である。充填層は、本実施例の排ガス混合手段３０の場合の温度計測位置である。温度計測位置は、排ガス配管２の径ｒ方向の中心位置４７、中心位置４７から内壁方向に向かって約半分の位置４８、内壁近傍の位置４９の３カ所である。
【００４７】
図１３は、横軸は図１２で示した温度計測位置を排ガス配管２の径ｒ方向の中心位置から配管２内壁までの距離を１．０とした場合の相対比で表している。縦軸は各中心位置４１，４４，４７で計測された温度を１．０とした場合の各計測位置での温度を相対比で表している。従来の排ガス混合手段を設けない無設置では、内壁近傍の位置４３の温度は、中心位置４１と比較して約４０％程度温度が低下している。円錐形状の排ガス混合手段１Ａを設けた場合では、位置４５では温度の低下がほとんどなく、内壁近傍４６では約１０％程度の温度の低下である。充填層の排ガス混合手段３０では、位置４８では若干温度の低下があるが、内壁近傍４６では逆に温度が若干高くなっている。以上の温度計測結果から、本実施例の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段は、濃度計測部５０領域において排ガスの流路断面の温度分布１０を均一とする効果があることが明らかとなった。
【００４８】
以上、上述したように本実施例によれば、排ガス混合手段を設けることにより、レーザー光を照射する濃度計測部領域の流路断面において配管中を流れる高温な排ガスの温度分布を均一にすることができる。これにより、排ガス中のＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４等の排ガス濃度計測にレーザー光を用いる場合、配管中を流れる均一な温度分布状態の排ガス中にレーザー光を照射することが可能となり、排ガス濃度を精度良く計測することができる。
【００４９】
なお上述した排ガス濃度計測装置は、車両に搭載されたエンジンの排ガス配管中を流れる排ガスを計測する例で説明したが、これに限ることはなく、ガソリンエンジン等の内燃機関の排ガスに対して適用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１、２０、３０ 排ガス混合手段（部材）
２ 排ガス配管
３ レーザー光源
４、７ コリメータ
５、６ レーザー光透過窓
８ 受光器
９ 保持具
１０ 温度分布
１１ 中央部
１２Ｒ、１２Ｌ 中央部外側
１３Ｒ、１３Ｌ 外周部
３６ 球状体
４１、４２、４３ 温度計測位置
５０ 濃度計測部
５１、５３、５５ 側面
５２、５４、５６ 底面
１００ 排ガス濃度計測装置
１０１ 制御部
１０２ 演算部
１０３ 電源
１０４ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジン等の内燃機関から排出された排ガスに含まれる窒素酸化物、硫黄酸化物、一酸化炭素等の濃度を計測する排ガス濃度計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境意識の高まりとともに自動車のガソリンエンジン等から排出される排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４）等の低減が求められている。排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、メタン（ＣＨ４）等を低減するためには排ガスの濃度を精度良く計測してその対策を行うことが必要である。以下、窒素酸化物をＮＯｘ、硫黄酸化物をＳＯｘ、一酸化炭素をＣＯ、二酸化炭素をＣＯ２、メタンをＣＨ４という。
【０００３】
特許文献１には、配管を流れる流体の流量を微少流量から大流量まで精度良く計測できるマルチ渦流量計が提案されている。これは配管中を流れる被測定流体の流量を計測するため、流体の流れの中に渦発生体を配設して流体の流れを制御し、下流側の渦検出器により流体の流量を計測する方式と、流体温度検出センサと加熱側温度センサとを流体の流れの適切な位置に配置した熱式流量計方式とを組み合わせたマルチ渦流量計である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１５８９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載のマルチ渦流量計は、配管の流路に被測定流体を通過させる測定管を設け、測定管には感温センサ及び加熱感温センサを保持する温度センサ保持部を一体化したもので流体の流れを制御できるものではあるが、配管の流路断面で流体を均一な温度分布状態にできるものではない。
【０００６】
また、排ガス中のＣＯやＣＯ２等の排ガス濃度計測にレーザー光を用いる場合、配管中を流れる均一な温度分布状態の排ガス中にレーザー光を照射する必要がある。
【０００７】
一方、配管中を流れる排ガスは高温であり配管壁を通じて外部へ放熱されるために、配管中の任意の流路断面では、排ガスは均一な温度分布状態とはなっていない。このため排ガスの濃度を精度良く計測することが難しいという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザー光を照射する濃度計測部の流路断面において配管中を流れる高温な排ガスの温度分布を均一にでき、排ガス濃度を精度良く計測することができる排ガス濃度計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の排ガス濃度計測装置は、排ガスを流すための配管と、配管を流れる排ガスにレーザー光を照射する濃度計測部と、濃度計測部よりも排ガスの流れ方向上流側の配管内に設けられて排ガスを混合する排ガス混合手段と、を含むことを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、排ガス混合手段により、配管中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる低温の排ガスとを混合することで、レーザー光を照射する濃度計測部の流路断面において配管を流れる排ガスの温度分布を均一にすることができる。これにより、排ガス中のＣＯやＣＯ２等の排ガス濃度計測にレーザー光を用いる場合、配管中を流れる均一な温度分布状態の排ガス中にレーザー光を照射することが可能となり、排ガス濃度を精度良く計測することができる。
【００１１】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段は、配管内の中央部を流れる排ガスを遮るように配管中央に設けられた部材であり、部材の中央部は閉じた形状で部材と配管の内壁との間には少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間を設けることが、好ましい。
【００１２】
この構成によれば、配管中央に設けられた部材によって配管中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる排ガスとを混合することができ、排ガス配管の濃度計測部領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００１３】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段は、円錐形状の部材であり、頂点が排ガスの流れ方向の上流側に向かうことが、好ましい。
【００１４】
この構成によれば、配管中央に設けられた円錐形状の部材によって配管中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる排ガスとを効率よく混合することができ、排ガス配管の濃度計測部領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００１５】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段の円錐形状の部材は、配管の内径をＤとした場合、円錐形状の部材の底面から頂点までの高さＨが０以上５×Ｄ以下であり、底面と円錐形状の部材の側面とのなす狭角θが０度以上４５度以下であり、隙間は０．０１×Ｄ以上０．２×Ｄ以下であることが、好ましい。
【００１６】
この構成によれば、配管中央に設けられた円錐形状の部材によって配管中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる排ガスとを効率よく混合することができ、排ガス配管の濃度計測部領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００１７】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段は、配管の断面内に少なくとも一層以上球状体を並べたものであり、少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間を設けることが、好ましい。
【００１８】
この構成によれば、配管断面内に並べた球状体によって、配管の内壁近傍を通過する排ガスの温度が加熱されるので、排ガス混合手段を通過した後の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００１９】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段の球状体の熱伝導率は、配管の材料の熱伝導率以上であることが、好ましい。
【００２０】
この構成によれば、中央部の球状体の温度と外周部の球状体の温度とを同じ温度にすることができるため、排ガス混合手段を通過した後の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００２１】
本発明の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段は、濃度計測部の上流側配管内に少なくとも２つ以上配置されることが、好ましい。
【００２２】
この構成によれば、配管中央に設けられた部材や配管断面内に並べた球状体によって、配管中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる排ガスとを効率よく混合することができ、排ガス配管の濃度計測部領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の排ガス濃度計測装置によれば、レーザー光を照射する濃度計測部の流路断面において配管中を流れる高温な排ガスの温度分布を均一にでき、排ガス濃度を精度良く計測することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本実施例に係る排ガス濃度計測装置の概略構成図である。
【図２】図２は、本実施例に係る排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段を設けた場合の温度分布を説明する図である。
【図３】図３は、従来の排ガス混合手段を設けない場合の温度分布を説明する図である。
【図４】図４は、本実施例に係る排ガス混合手段を複数設けた場合の温度分布を説明する図である。
【図５】図５は、本実施例に係る排ガス混合手段を排ガスの流れの上流側から見た図である。
【図６】図６は、図５のＸ−Ｘ断面図である。
【図７】図７は、本実施例に係る排ガス混合手段を排ガスの流れの上流側から見た図である。
【図８】図８は、図７のＸ−Ｘ断面図である。
【図９】図９は、本実施例に係る排ガス混合手段を排ガスの流れの上流側から見た図である。
【図１０】図１０は、図９のＸ−Ｘ断面図である。
【図１１】図１１は、本実施例に係る排ガス混合手段を横から見た図である。
【図１２】図１２は、本実施例に係る排ガス混合手段の温度計測位置を示す図である。
【図１３】図１３は、本実施例に係る排ガス混合手段の温度計測の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に、本発明に係る排ガス濃度計測装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例】
【００２６】
以下の実施例では、車両に搭載されたエンジンの排ガス配管中を流れる排ガスを計測する排ガス濃度計測装置を例にして説明するが、これに限ることではない。
【００２７】
図１は、本発明の実施例に係る排ガス濃度計測装置の概略構成図である。排ガス濃度計測装置１００は、内径Ｄの排ガス配管２内を排ガスが流体の流れ方向（矢印Ｙの方向）で流通している排ガス配管２に設置される。この排ガス配管２の濃度計測部５０には排ガスの流れ方向に直交して一対のレーザー光透過窓５，６が設けられている。レーザー光透過窓５，６が設けられた濃度計測部５０の上流側の配管２内には、排ガスの流れを遮るように排ガス混合手段１が設けられている。レーザー光透過窓５，６の一方側にレーザー光源３を設置し、レーザー光源３の前面のレーザー光路上にコリメータ４を配置し、レーザー光源３に対向する他方側に受光器８を設置し、受光器８の前面のレーザー光路上にコリメータ７を配置している。排ガス濃度計測装置１００は、上記の構成となっている。レーザー光は矢印Ｘの向きでレーザー光源３から受光器８に向けて照射される。レーザー光源３には、レーザー光の波長や強さを変えたりする制御部１０１と電源１０３とが接続されている。受光器８側には、レーザー光の強度から排ガス中のＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４等の濃度を求める演算部１０２と、排ガス中のＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４等の濃度を表示するＬＣＤなどの表示部１０４とが接続されている。制御部１０１と演算部１０２とはデータのやり取りをするために接続されている。排ガス配管２の上流側から導入された排ガスは、濃度計測部５０を通過して下流側に排出される。上述したように本実施例の排ガス濃度計測装置１００は構成されている。以下、排ガス配管２を配管２ということがある。
【００２８】
排ガス混合手段１は、図１に示すように、濃度計測部５０の上流側の配管２内に設置される部材である。以下、排ガス混合手段１を部材１ともいう。排ガス混合手段である部材１は、中央部は閉じた形状で配管２の内壁との間には少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間Ｌを設けてある。部材１は、配管２の中央部に設置され、配管２の中央部を流れる排ガスを遮って配管外周部を流れる排ガスと混合させるものである。図１に示す排ガス混合手段の部材１は、底面から頂角までの高さがＨ、底面と直交し、かつ頂点を通る平面で切ったときの断面において底面と側面とのなす狭角がθで、排ガスの流れの上流側に向かって錐状にとがった円錐形状をしている。排ガス混合手段である部材１は、排ガス配管２の中央部を遮るように配置される。円錐形状の底面の外周部と配管２内壁との間には隙間Ｌが設けられている。
【００２９】
レーザー光源３は、レーザー発振器により光を増幅してレーザー光を発生させるものである。レーザー光透過窓５，６は排ガス濃度計測に使用する波長のレーザー光が透過するものであれば良く、好ましくは透明であれば良いが、これに限ることではない。
【００３０】
コリメータ４、７は、光源を焦点において平行光線を得られるように収差補正するレンズ等である。
【００３１】
制御部１０１は、排ガス濃度計測装置１００全体を制御するものである。例えば、制御部１０１は、レーザー光源３にレーザー光を発生させて排ガスに照射させ、受光器８でレーザー光を受光させるように制御する。制御部１０１は、受光器８で取得したデータを演算部１０２へ受け渡すように制御する。
【００３２】
演算部１０２は、レーザー光源３から照射されたレーザー光の受光状態から配管２内を流れる排ガスの濃度データを計測して排ガスの濃度を求める演算部である。電源部１０３は、排ガス濃度計測装置１００全体を駆動するための電源を供給する。表示部１０４は、演算部１０２で求められた排ガスの濃度を表示出力する表示部である。
【００３３】
図２は、本実施例に係る排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段を設けた場合の温度分布を説明する図である。図３は、従来の排ガス混合手段を設けない場合の温度分布を説明する図である。図４は、本実施例に係る排ガス混合手段を複数設けた場合の温度分布を説明する図である。なお図３及び図４は、図２と同様な部分には同じ符号を付し詳細な説明は省略する。
【００３４】
本実施例の排ガス混合手段１は、図１に示したように、濃度計測部５０の上流側の配管２内に設置される部材１である。排ガス混合手段である部材１は、中央部は閉じた形状で配管２の内壁との間には少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間Ｌを設けて配管中央部に固定設置されている。本実施例の部材１は、円錐形状の部材１であり、頂点が排ガスの流れ方向の上流側に向かって設置される。部材１は、配管２の中央部に設置されるので、配管２の中央部を流れる排ガスを遮って配管２外周部を流れる排ガスと混合させるものである。部材１により配管２中央部を流れる高温の排ガスと外周部を流れる排ガスとを効率よく混合することができ、排ガス配管の濃度計測部領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００３５】
図２及び図３を参照して本実施例の排ガス配管２中を流れる排ガスの流路断面の温度分布について説明する。排ガス配管２は内径Ｄで、排ガスは矢印Ｙの方向に流れている。図３において、排ガス配管２内の排ガスの温度分布の概念図を半円１０で示すものとする。このとき排ガス配管２の中心Ａから径ｒ方向の内壁に向かう軸を径ｒ、中心Ａから垂直に上流方向に向かう軸を温度ｔとする。図３に示すように、排ガス配管２の中央部１１を流れる排ガスの温度が一番高く、中央部外側１２Ｒ，１２Ｌを流れる排ガスの温度は中央部１１よりも低くなる。そして外周部１３Ｒ，１３Ｌを流れる排ガスの温度が最も低くなる。排ガス配管２中を流れる排ガスは、排ガス配管２中心部の温度が最も高く、排ガス配管２内壁に近づくほど配管２内壁を通じて外部へ放熱される。そのために、排ガス配管２の任意の流路断面では、排ガスは均一な温度分布状態とはならないのである。
【００３６】
本実施例では、図２に示すように、濃度計測部５０の配管２内の上流側には、排ガスの流れを遮るように排ガス混合手段の部材１が設けられている。排ガス配管２中を流れる高温の排ガスは、排ガス混合手段の部材１の上流側では、図３で説明したように、排ガス配管２の中央部１１を流れる排ガスの温度が一番高く、中央部外側１２Ｒ，１２Ｌを流れる排ガスの温度は中央部１１よりも低くなる。そして外周部１３Ｒ，１３Ｌを流れる排ガスの温度が最も低くなっている。この状態で中央部１１の高温の排ガスは、排ガス混合手段の部材１により流れの向きを矢印１５Ｒ，１５Ｌのように変えられる。同じく中央部外側１２Ｒ，１２Ｌの排ガスも排ガス混合手段の部材１により流れの向きを矢印１６Ｒ，１６Ｌのように変えられる。この時、中央部１１及び中央部外側１２Ｒ，１２Ｌの排ガスは、外周部１３Ｒ，１３Ｌを流れる温度が最も低い排ガスと混合されて均一な温度の排ガスとなる。そして均一な温度の排ガスは排ガス混合手段の部材１の下流側にある濃度計測部５０を通過することになる。図２において、図３と同様に、排ガス配管２内の排ガスの温度分布の概念図を略半楕円１０で示すものとする。このとき排ガス配管２の中心Ａから径ｒ方向の内壁に向かう軸を径ｒ、中心Ａから垂直に上流方向に向かう軸を温度ｔとする。図２に示すように、中央部１１と中央部外側１２Ｒ，１２Ｌを流れる排ガスに温度差はほぼ無くなる。外周部１３Ｒ，１３Ｌを流れる排ガスは排ガス配管２内壁を通じて外部へ放熱されるために中央部１１及び中央部外側１２Ｒ，１２Ｌを流れる排ガスよりも若干温度は低くなるが、排ガス混合手段１のない図３と比較した場合、流路断面の温度分布１０は均一に近づくことになる。排ガス混合手段の部材１を濃度計測部５０の上流側直近に配置した場合は、排ガス配管２内壁を通じて排ガスの熱が外部へ放熱されることは無視できるほどであるため、濃度計測部５０領域において排ガスの流路断面の温度分布１０は均一とみなすことができる。
【００３７】
このように、本実施例では、排ガス混合手段の部材１を濃度計測部５０の上流側の配管２内に排ガス配管２の中央部を遮るように設置するため、排ガス配管２の濃度計測部５０領域の流路断面の排ガスの温度分布を均一にすることができる。
【００３８】
図４を参照して本実施例の排ガス混合手段を複数設けた場合の温度分布について説明する。排ガス配管２は内径Ｄで、排ガスは矢印Ｙの方向に流れている。図４において、排ガス配管２内の排ガスの温度分布の概念図を略長方形１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃで示すものとする。このとき排ガス配管２の中心から径ｒ方向の内壁に向かう軸を径ｒ、中心から垂直に上流方向に向かう軸を温度ｔとする。図２で説明したように、上流側一番目の排ガス混合手段の部材１ａにより、中央部分を流れる排ガスは、外周部分を流れる温度が低い排ガスと混合されてほぼ均一な温度分布１０Ａとなるが、排ガス配管２内壁近傍は温度が若干低い状態である。二番目の排ガス混合手段の部材１ｂにより、さらに中央部分を流れる排ガスと外周部分を流れる排ガスとが混合されてさらに均一な温度分布１０Ｂとなるが、排ガス配管２内壁近傍はまだ温度が若干低い状態である。三番目の排ガス混合手段の部材１ｃにより、さらに中央部分を流れる排ガスと外周部分を流れる排ガスとが混合されるので均一な温度分布１０Ｃとなる。このように、本実施例の排ガス混合手段の部材１を複数設けた場合、濃度計測部５０領域において排ガスの流路断面の温度分布を均一とすることが可能となる。
【００３９】
次に、図５〜図１１を参照して本実施例の排ガス混合手段について詳細に説明する。図５は、本実施例に係る排ガス混合手段１Ａを排ガスの流れの上流側から見た図である。図６は、図５のＸ−Ｘ断面図である。図７は、本実施例に係る排ガス混合手段１Ｂを排ガスの流れの上流側から見た図である。図８は、図７のＸ−Ｘ断面図である。図９は、本実施例に係る排ガス混合手段２０を排ガスの流れの上流側から見た図である。図１０は、図９のＸ−Ｘ断面図である。図１１は、本実施例に係る排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段３０を横から見た図である。
【００４０】
（排ガス混合手段１Ａ）
排ガス混合手段１Ａは、図５に示すように、排ガス配管２内壁に少なくとも２つ以上の保持具９を介して、例えば、溶接などにより排ガス配管２内壁に固定設置される。排ガス混合手段１Ａの固定方法は排ガス混合手段１Ａ及び保持具９の材質により適宜選択することができる。本実施例の排ガス混合手段１Ａは、３つの保持具９により排ガス配管２の内壁に保持されている例を示している。なお保持具９は、排ガスが隙間Ｌを通過する際に圧力損失（圧損）とならないように上流側から見て幅が狭い方が良い。排ガス混合手段の部材１Ａは、図６に示すように、中央部が閉じた、高さがＨ、底面５２と直交し、かつ頂点を通る平面で切ったときの断面において底面５２と側面５１とのなす狭角がθである円錐形状で、閉じた形状の底面がない傘形状をしたものである。排ガス混合手段の部材１Ａと排ガス配管２の内壁との間には少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間Ｌを設けてある。例えば、排ガス配管２の内径をＤとした場合、排ガス混合手段の部材１Ａの高さＨは、０×Ｄ以上５×Ｄ以下であることが好ましい。底面５２と側面５１とのなす狭角θは、０度以上４５度以下であることが好ましい。隙間Ｌは、０．０１×Ｄ以上０．２×Ｄ以下であることが好ましい。このように排ガス混合手段１Ａを構成することで、排ガス配管２中央部１１を流れる温度の高い排ガスは、円錐形状の排ガス混合手段の部材１Ａにより排ガス配管２内壁側の方向に流れて温度の低い排ガスと混合され、排ガスの温度分布１０は均一となる。排ガス混合手段の部材１Ａを構成する材料は、例えば、６００度程度になる排ガス温度に耐えられる材料であれば良い。好ましくは排ガス成分に腐食されない材料であれば良い。
【００４１】
（排ガス混合手段１Ｂ）
図７は、図５と同様であるため同じ部分には図５と同様の符号を付し詳細な説明は省略する。排ガス混合手段の部材１Ｂは、図８に示すように、中央部が閉じた、高さがＨ、底面５４と直交し、かつ頂点を通る平面で切ったときの断面において底面５４と側面５３とのなす狭角がθである円錐形状をしたもので、底面５４が閉じた形状である。排ガス混合手段の部材１Ｂと排ガス配管２の内壁との間には少なくとも一部分に排ガスを通過させるための隙間Ｌを設けてある。例えば、排ガス配管２の内径をＤとした場合、排ガス混合手段の部材１Ｂの高さＨは、０×Ｄ以上５×Ｄ以下であることが好ましい。底面５４と側面５３とのなす狭角θは、０度以上４５度以下であることが好ましい。隙間Ｌは、０．０１×Ｄ以上０．２×Ｄ以下であることが好ましい。このように排ガス混合手段１Ａを構成することで、排ガス配管２中央部１１を流れる温度の高い排ガスは、円錐形状の排ガス混合手段１Ｂにより排ガス配管２内壁側の方向に流れて温度の低い排ガスと混合され、排ガスの温度分布１０は均一となる。排ガス混合手段の部材１Ｂを構成する材料は、例えば、６００度程度になる排ガス温度に耐えられる材料であれば良い。好ましくは排ガス成分に腐食されない材料であれば良い。
【００４２】
（排ガス混合手段２０）
排ガス混合手段２０は、図９に示すように、排ガス配管２内壁に少なくとも２つ以上の保持具９を介して、例えば、溶接などにより排ガス配管２内壁に固定設置される。排ガス混合手段２０の固定方法は排ガス混合手段の部材２０及び保持具９の材質により適宜選択することができる。本実施例の排ガス混合手段２０は、３つの保持具９により排ガス配管２の内壁に保持されている例が示されている。排ガス混合手段の部材１Ａとの違いは、排ガス混合手段２０の円錐形状の外周部が排ガス配管２内壁まで延びていることである。排ガス混合手段の部材２０は、さらに排ガスを通過させるための隙間Ｌが多数の直径Ｌの円２１で構成されている。なお隙間Ｌを構成するのは直径Ｌの円に限ることはなく、辺の長さＬの多角形等、スリット状、メッシュ状など各々の開口形状が適用できる。図１０に示すように、排ガス混合手段の部材２０の形状は、図６に示した排ガス混合手段１Ａと同様であり、中央部が閉じた、高さがＨ、底面５６と直交し、かつ頂点を通る平面で切ったときの断面において底面５６と側面５５とのなす狭角がθである円錐形状で、閉じた形状の底面がない傘形状をしたものである。例えば、排ガス配管２の内径をＤとした場合、排ガス混合手段の部材２０の高さＨは、０×Ｄ以上５×Ｄ以下であることが好ましい。底面５６と側面５５とのなす狭角θは、０度以上４５度以下であることが好ましい。隙間Ｌ（円の直径Ｌ）は、０．０１×Ｄ以上０．２×Ｄ以下であることが好ましい。このように排ガス混合手段２０を構成することで、排ガス配管２中央部１１を流れる温度の高い排ガスは、円錐形状の排ガス混合手段の部材２０により排ガス配管２内壁側の方向に流れて温度の低い排ガスと混合され、排ガスの温度分布１０は均一となる。排ガス混合手段の部材２０を構成する材料は、例えば、６００度程度になる排ガス温度に耐えられる材料であれば良い。好ましくは排ガス成分に腐食されない材料であれば良い。
【００４３】
（排ガス混合手段３０）
排ガス混合手段３０は、図１１に示すように、排ガス配管２内に排ガスの流れを遮るように排ガス配管２の径ｒ方向に少なくとも１層以上球状体３６を密に並べたものであり、例えば、球状体３６Ｒと球状体３６Ｌとの間を排ガスが通過できるようになっている。図１１では、球状体３６を４層並べて充填した例を示している。排ガス混合手段３０は、球状体３６を保持具３５、例えば、円筒形状で上下面がメッシュ状のカゴ３５に充填して保持し、球状体３６を充填した円筒形状で上下面がメッシュ状のカゴ３５は少なくとも２カ所以上溶接などにより排ガス配管２内壁に固定設置される。排ガス混合手段３０の固定方法は排ガス混合手段３０の球状体３６及び保持具３５の材質により適宜選択することができる。球状体３６が多層に並べられた球状体３６充填層の高さはＨである。例えば、排ガス配管２の内径をＤとした場合、排ガス混合手段３０の高さＨは、０×Ｄ以上５×Ｄ以下であることが好ましい。球状体の直径は排ガスが充填層を通過する際の圧力損失（圧損）が高くならないように排ガス配管２の内径Ｄに対して適宜選択することができる。球状体３６及び保持具３５の材料は、例えば、６００度程度になる排ガス温度に耐えられる材料であれば良い。また好ましくは排ガス成分に腐食されない材料であれば良い。球状体３６の熱伝導率は、排ガスの熱を効率よく吸収するために排ガス配管２の材料と同等もしくは、それ以上であることが好ましい。
【００４４】
次に、本実施例の排ガス混合手段３０の作用について説明する。排ガス配管２は内径Ｄで、排ガスは流体の流れ方向（矢印Ｙの方向）に流れている。図１１において、本実施例の排ガス配管２内の排ガスの温度分布の概念図は略長方形１０で示される。このとき排ガス配管２の中心Ａから径ｒ方向の内壁に向かう軸を径ｒ、中心Ａから垂直に上流方向に向かう軸を温度ｔとする。図３で説明したように、排ガス混合手段３０の上流側では、排ガス配管２の中央部１１を流れる排ガスの温度が一番高く、中央部外側１２Ｒ，１２Ｌを流れる排ガスの温度は中央部１１よりも低くなる。そして外周部１３Ｒ，１３Ｌを流れる排ガスの温度が最も低くなっている。この状態で、本実施例の排ガス混合手段３０の１層目の球状体３６の層に排ガスが接触すると、例えば中央部１１の球状体３６Ｒ，３６Ｌは一番高い温度に加熱される。中央部外側１２Ｒ，１２Ｌの球状体３６の温度は中央部１１よりも低く、外周部１３Ｒ，１３Ｌの球状体３６の温度が最も低くなっている。球状体３６の熱伝導率は、排ガス配管２の熱伝導率と同等もしくは、それ以上の材料であるので、排ガスの熱を効率よく吸収すると共に、例えば、中央部１１の球状体３６Ｒ，３６Ｌと接している隣の球状体３６に矢印３１Ｒ，３１Ｌで示すように熱が順次伝わっていく。そして中央部１１の球状体３６の温度と外周部１３Ｒ，１３Ｌの球状体３６の温度とが同じとなる。同様に２層目の球状体３６も矢印３２Ｒ，３２Ｌで示すように熱が順次、外周部の球状体３６に伝わっていき、２層目の球状体３６の温度は同じとなる。３層目、４層目も同様である。中央部１１から外周部１３Ｒ，１３Ｌまでの球状体３６は同じ温度となり、球状体３６の外周部１３Ｒ，１３Ｌの位置を通過する排ガスの温度は球状体３６によって加熱されるので、本実施例の排ガス混合手段３０を通過した後の排ガスの温度分布１０は均一となる。このように排ガス混合手段３０を構成することで、濃度計測部５０領域において排ガスの流路断面の温度分布１０を均一とすることが可能となる。
【００４５】
次に、図１２および図１３を参照して、本実施例の排ガス混合手段を適用して温度分布を計測した結果について説明する。図１２は、温度計測位置を示す図である。図１３は、温度計測の結果を示す図である。
【００４６】
図１２において、無設置は、従来の排ガス混合手段を設けない場合の温度計測位置である。温度計測位置は、排ガス配管２の径ｒ方向の中心位置４１、中心位置４１から内壁方向に向かって約半分の位置４２、内壁近傍の位置４３の３カ所である。円錐形状は、本実施例の排ガス混合手段１Ａの場合の温度計測位置である。温度計測位置は、排ガス配管２の径ｒ方向の中心位置４４、中心位置４４から内壁方向に向かって約半分の位置４５、内壁近傍の位置４６の３カ所である。充填層は、本実施例の排ガス混合手段３０の場合の温度計測位置である。温度計測位置は、排ガス配管２の径ｒ方向の中心位置４７、中心位置４７から内壁方向に向かって約半分の位置４８、内壁近傍の位置４９の３カ所である。
【００４７】
図１３は、横軸は図１２で示した温度計測位置を排ガス配管２の径ｒ方向の中心位置から配管２内壁までの距離を１．０とした場合の相対比で表している。縦軸は各中心位置４１，４４，４７で計測された温度を１．０とした場合の各計測位置での温度を相対比で表している。従来の排ガス混合手段を設けない無設置では、内壁近傍の位置４３の温度は、中心位置４１と比較して約４０％程度温度が低下している。円錐形状の排ガス混合手段１Ａを設けた場合では、位置４５では温度の低下がほとんどなく、内壁近傍４６では約１０％程度の温度の低下である。充填層の排ガス混合手段３０では、位置４８では若干温度の低下があるが、内壁近傍４６では逆に温度が若干高くなっている。以上の温度計測結果から、本実施例の排ガス濃度計測装置の排ガス混合手段は、濃度計測部５０領域において排ガスの流路断面の温度分布１０を均一とする効果があることが明らかとなった。
【００４８】
以上、上述したように本実施例によれば、排ガス混合手段を設けることにより、レーザー光を照射する濃度計測部領域の流路断面において配管中を流れる高温な排ガスの温度分布を均一にすることができる。これにより、排ガス中のＮＯｘ、ＳＯｘ、ＣＯ、ＣＯ２、ＣＨ４等の排ガス濃度計測にレーザー光を用いる場合、配管中を流れる均一な温度分布状態の排ガス中にレーザー光を照射することが可能となり、排ガス濃度を精度良く計測することができる。
【００４９】
なお上述した排ガス濃度計測装置は、車両に搭載されたエンジンの排ガス配管中を流れる排ガスを計測する例で説明したが、これに限ることはなく、ガソリンエンジン等の内燃機関の排ガスに対して適用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１、２０、３０ 排ガス混合手段（部材）
２ 排ガス配管
３ レーザー光源
４、７ コリメータ
５、６ レーザー光透過窓
８ 受光器
９ 保持具
１０ 温度分布
１１ 中央部
１２Ｒ、１２Ｌ 中央部外側
１３Ｒ、１３Ｌ 外周部
３６ 球状体
４１、４２、４３ 温度計測位置
５０ 濃度計測部
５１、５３、５５ 側面
５２、５４、５６ 底面
１００ 排ガス濃度計測装置
１０１ 制御部
１０２ 演算部
１０３ 電源
１０４ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスを流すための配管と、
前記配管を流れる排ガスにレーザー光を照射する濃度計測部と、
前記濃度計測部よりも前記排ガスの流れ方向上流側の前記配管内に設けられて前記排ガスを混合する排ガス混合手段と、
を含むことを特徴とする排ガス濃度計測装置。
【請求項２】
前記排ガス混合手段は、前記配管内の中央部を流れる前記排ガスを遮るように前記配管中央に設けられた部材であり、前記部材の中央部は閉じた形状で前記部材と前記配管の内壁との間には少なくとも一部分に前記排ガスを通過させるための隙間を設けることを特徴とする請求項１に記載の排ガス濃度計測装置。
【請求項３】
前記排ガス混合手段は、円錐形状の部材であり、頂点が前記排ガスの流れ方向の上流側に向かうことを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス濃度計測装置。
【請求項４】
前記排ガス混合手段は、前記配管の内径をＤとした場合、前記円錐形状の部材の底面から頂点までの高さＨが０以上５×Ｄ以下であり、前記底面と前記円錐形状の部材の側面とのなす狭角θが０度以上４５度以下であり、前記隙間は０．０１×Ｄ以上０．２×Ｄ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の排ガス濃度計測装置。
【請求項５】
前記排ガス混合手段は、前記配管の断面内に少なくとも一層以上球状体を並べたものであり、少なくとも一部分に前記排ガスを通過させるための隙間を設けることを特徴とする請求項１に記載の排ガス濃度計測装置。
【請求項６】
前記球状体の熱伝導率は、前記配管の材料の熱伝導率以上であることを特徴とする請求項５に記載の排ガス濃度計測装置。
【請求項７】
前記排ガス混合手段は、前記濃度計測部の上流側配管内に少なくとも２つ以上配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の排ガス濃度計測装置。
【請求項１】
排ガスを流すための配管と、
前記配管を流れる排ガスにレーザー光を照射する濃度計測部と、
前記濃度計測部よりも前記排ガスの流れ方向上流側の前記配管内に設けられて前記排ガスを混合する排ガス混合手段と、
を含むことを特徴とする排ガス濃度計測装置。
【請求項２】
前記排ガス混合手段は、前記配管内の中央部を流れる前記排ガスを遮るように前記配管中央に設けられた部材であり、前記部材の中央部は閉じた形状で前記部材と前記配管の内壁との間には少なくとも一部分に前記排ガスを通過させるための隙間を設けることを特徴とする請求項１に記載の排ガス濃度計測装置。
【請求項３】
前記排ガス混合手段は、円錐形状の部材であり、頂点が前記排ガスの流れ方向の上流側に向かうことを特徴とする請求項１または２に記載の排ガス濃度計測装置。
【請求項４】
前記排ガス混合手段は、前記配管の内径をＤとした場合、前記円錐形状の部材の底面から頂点までの高さＨが０以上５×Ｄ以下であり、前記底面と前記円錐形状の部材の側面とのなす狭角θが０度以上４５度以下であり、前記隙間は０．０１×Ｄ以上０．２×Ｄ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の排ガス濃度計測装置。
【請求項５】
前記排ガス混合手段は、前記配管の断面内に少なくとも一層以上球状体を並べたものであり、少なくとも一部分に前記排ガスを通過させるための隙間を設けることを特徴とする請求項１に記載の排ガス濃度計測装置。
【請求項６】
前記球状体の熱伝導率は、前記配管の材料の熱伝導率以上であることを特徴とする請求項５に記載の排ガス濃度計測装置。
【請求項７】
前記排ガス混合手段は、前記濃度計測部の上流側配管内に少なくとも２つ以上配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の排ガス濃度計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１６８１３１（Ｐ２０１２−１６８１３１Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３１４５２（Ｐ２０１１−３１４５２）
【出願日】平成２３年２月１６日（２０１１．２．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１６日（２０１１．２．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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