排気ガス測定装置および排気ガス測定方法
【課題】内燃機関のトルクを直接計測することなく、内燃機関の仕事量を求め、内燃機関の単位出力あたりの排気ガス中の各成分の質量を、容易に求めることができる排気ガス測定装置および排気ガス測定方法を提供すること。
【解決手段】内燃機関から排出される排気ガス中のＣＯ、ＣＯ2およびＴＨＣ等の炭素化合物に係る成分の排出量に基づき、当該内燃機関の仕事量を算出することで、ＥＣＵが有しているトルクデータ等を用いることなく内燃機関の仕事量を簡単に算出し、内燃機関の単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を算出することを可能とした。
【解決手段】内燃機関から排出される排気ガス中のＣＯ、ＣＯ2およびＴＨＣ等の炭素化合物に係る成分の排出量に基づき、当該内燃機関の仕事量を算出することで、ＥＣＵが有しているトルクデータ等を用いることなく内燃機関の仕事量を簡単に算出し、内燃機関の単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を算出することを可能とした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排気ガスを測定する排気ガス測定装置および排気ガス測定方法に関するものであり、より詳細には、前記内燃機関の仕事量および該仕事量あたりの排気ガス量を求めることを可能とする排気ガス測定装置および排気ガス測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に備えられる内燃機関（エンジン）から排出される排気ガスに含まれるＣＯやＣＯ２、ＮＯＸ等の所定成分についての濃度を測定し、排気ガス分析を行う排気ガス測定装置が知られている。（例えば、特許文献１）
【０００３】
このような排気ガス測定装置においては、内燃機関から排出される排気ガスが大気汚染に対してどのような影響を及ぼすかを測定するために、排気ガス中に含まれる所定成分の濃度を知るだけではなく、排気ガス排出質量又は排気ガス中に含まれる前記所定成分の質量を知ることが主たる目的となっている。
【０００４】
一方、内燃機関の性能評価や法的規制のために、内燃機関から排出される排気ガス排出質量や、排気ガス中に含まれる所定成分の質量を、内燃機関の単位仕事量（単位出力）あたりに換算して算出した指標、すなわち単位出力あたりの排気ガス排出質量が用いられている。
【０００５】
この指標は、特に大型車両の内燃機関など、車両に搭載した状態では対応する大型のシャシダイナモメータ等がなく、内燃機関単体での測定しかできないような場合に用いられている。
【０００６】
ところで、前述内燃機関の仕事量（出力）は、トルクと回転数との積で表されるので、これを算出するためには、直接的には、内燃機関のトルクおよび回転数を求める必要があるところ、いずれの量も簡単に求まるものではなく、特にトルクを求めるセンサを備えているものはほとんど見受けられない。
【０００７】
そこで、このような内燃機関の仕事量を求めるために、従来は、ＥＣＵが燃料機関への燃料噴射量等から算出して求めたトルクデータを用いる手法や、実際に内燃機関の軸にトルクセンサを取り付け、これによりトルクを検出する手法がとられている。
【特許文献１】特開平８−１２８９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このようなＥＣＵ等により求まるトルクデータは、内燃機関近傍の燃料供給量や吸入空気量等に基づいており、内燃機関から離れた排気管（テールパイプ）から排出される排気ガスの量のデータとは時間的に遅れが生じ、同時期の内燃機関の仕事量あたりの排気ガス排出量を算出することができるとは限られないし、トルクセンサは取付が極めて困難であるという問題点がある。さらに、車両がトルクデータを外部へ出力するためのＥＣＵ信号やＯＢＤ等のインターフェイスを備えていない場合もあり、また例え備えていたとしても、車両毎に信号形態が異なってその取得が難しい上に、内燃機関の仕事量を正確かつ簡易に行うことができないというのが実情である。
【０００９】
そこで本発明は、ＥＣＵ等から得られるトルクデータやトルクセンサを用いることなく、排気ガス測定装置のみで、リアルタイムに内燃機関の仕事量（出力）及びそれから算出される単位仕事量あたりの排ガス質量を測定可能で、内燃機関単独での測定はもちろんのこと、大型車両等でも実走行させながらその測定を可能とする排気ガス測定装置および排気ガス測定方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち本発明に係る排気ガス測定装置及び排気ガス測定方法は、内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の排出量に基づいて、当該内燃機関の仕事量を算出することを特徴とする。
【００１１】
このようなものであれば、内燃機関の仕事量を、排気ガス測定装置で測定した炭素化合物に係る成分量のみから求めることができるため、ＥＣＵが有しているトルクデータ等を用いることなく、排気ガス測定装置のみを用いて、内燃機関の仕事量を簡単に算出することができるとともに、シャシダイナモを用いることができないような大型車の場合であっても、内燃機関の仕事量を求めることが可能になる。
【００１２】
一方、排気ガスの排出量は簡易な流量計等があれば容易に求められるため、これらから内燃機関の単位仕事量（単位出力）あたりに換算して算出した指標、すなわち単位出力あたりの排気ガス排出質量も、容易に算出できる。
【００１３】
しかも、上述した内燃機関の仕事量も、排気ガス（及び各成分）の排出質量も、双方排気ガスから測定するため、両者に生じる遅れ時間は原理的にゼロで、ＥＣＵのトルクデータやトルクセンサを利用するときのような複雑な同期機構が不要になり、時系列的に連続したリアルタイム測定も可能になる。
【００１４】
さらに、排気ガス測定装置を車両に搭載できるため、従来では不可能であった大型車両を実走行させながらの測定もできるようになるうえ、車両が変わっても同一の測定装置で測定できるため、車両毎の違いを客観的に示す信頼性の高い測定が可能になる。
【００１５】
既存の分析計を用いて簡単に排気ガス中の炭素化合物に係る成分量を測定するには、内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の濃度を測定する排気ガス濃度測定部を備え、測定した炭素化合物に係る成分の濃度と排気ガスの流量とから、前記炭素化合物に係る成分の排出量を算出するようにしたものが好ましい。
【００１６】
そして、上述したように、前記内燃機関の仕事量に基づいて、当該内燃機関が単位仕事量あたりに排出する排気ガスの質量または排気ガス中の所定成分の質量を算出すればよい。
【００１７】
具体的実施態様としては、測定すべき前記炭素化合物に係る成分が、少なくともＣＯ、ＣＯ２および炭化水素類であればよい。内燃機関の燃料が燃焼して生成される炭素化合物は、上述した３種類がほとんどだからである。その中でもＣＯ２の割合が多いため、低い精度でもいい場合など、使用目的によっては、ＣＯ２のみを測定対象成分としても構わない。
【００１８】
内燃機関の仕事量の具体的な算出手順としては、炭素化合物に係る成分の排出量からカーボンバランス法などの手法により燃料消費量を算出し、その燃料消費量に、予め定められた当該燃料の燃焼エネルギと内燃機関の燃焼効率とをかけることにより、当該内燃機関の仕事量を算出する態様が考えられる。
【００１９】
前記排気ガス中の炭素化合物に係る成分の濃度を、特定の時間区域において積算して求め、その積算した値から、前記時間区域内において前記内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の排出量を算出するものであれば、内燃機関の脈動等の影響で、一時的に仕事量や前記各成分の排出量等が変動する場合でも、前記時間区域における単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の平均的な質量を求めることが可能となる。また、前記時間区域を短く設定することで、内燃機関の単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を、リアルタイムに求めることもできる。
【００２０】
前記時間区域は、排気ガスの流量が脈動する周期に応じて定められておくことが好ましい。例えば、内燃機関における１回転に相当するピストンシリンダの１ストロークの開始から終了までに対応する期間そのものまたはその複数倍を時間区域とし、この時間区域を測定の１単位としてこれを連続して測定するようにすればよい。このような排気ガス測定装置は、内燃機関のピストンシリンダが１回駆動する毎（内燃機関の脈動ごと）に発生する排気ガス中の各成分の質量と、仕事量とをそれぞれ求めることができるため、内燃機関の性能や特性を詳細に調べる必要がある際に好適である。
【００２１】
なお、本発明に係る排気ガス測定装置は、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる、環境に対して悪影響を及ぼすような種々の成分について、単位仕事量あたりに排出される質量を求めるものであることが好ましい。すなわち、前記排気ガス濃度測定部は、排気ガス中に含まれるＣＯ、ＣＯ２およびＴＨＣの濃度のみを測定するものに限られず、排気ガス中に含まれるＮＯＸ等のその他の成分を同時に測定するものであってもよい。
【発明の効果】
【００２２】
上述のように、本発明によればＥＣＵ等からのトルクデータ等を用いることなく、排気管での排気ガス測定装置のみで、内燃機関の単位出力あたりの排気ガス質量を時間的なずれなく容易に求めることができ、車種に拘わらず測定できる、リアルタイムで実走行時にも測定できるなどの種々の効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本願発明の一実施形態について、図１から図３を参照しつつ説明する。
本実施形態に係る排気ガス測定装置は車両搭載型のもので、図１にその概略構成を示すように、自動車等の車両の内燃機関Ｅから排出された排気ガスＧが導入される流路系１０と、その流路系１０上に設けられて排気ガスＧ中の種々の成分濃度を測定する排気ガス濃度測定部としての３つの分析計、すなわち、サンプルガスである排気ガスＧ中のＣＯ、ＣＯ２及びＨ２Ｏの濃度を測定する赤外線ガス分析計３０と、ＴＨＣ（トータルハイドロカーボン、炭化水素類）の濃度を測定する水素炎イオン化分析計４０と、ＮＯＸの濃度を測定するＣＬＤ式ＮＯＸ計５０と、これらの各分析計３０、４０、５０からの測定結果データを収集して目的に応じた分析を行うとともに、流路系１０に配置された圧力制御弁等の制御を行う情報処理装置６０とを備えている。
【００２４】
流路系１０は、内燃機関Ｅから排出された排気ガスＧの大部分を通過させるバイパス経路としての役割を果たす主流路１０ａと、その主流路１０ａと並列に設けた複数（２つ）の副流路１０ｂ、１０ｃとを備えている。主流路１０ａには赤外線ガス分析計３０が、副流路１０ｂ、１０ｃ上にはそれぞれ水素炎イオン化分析計４０及びＣＬＤ式ＮＯＸ計５０が設けられている。
【００２５】
主流路１０ａは、その上流端をメインポート１０ｄとして開口させたものであり、このメインポート１０ｄに車両の排気管を接続し、下流端に設けた吸引ポンプ１１で吸引することにより、内燃機関Ｅから排出される排気ガスＧのうちの必要量（一部又は全部）が流路系１０に導入されるように構成している。
【００２６】
より具体的に説明すると、主流路１０ａ上には、排気ガスＧを導入するメインポート１０ｄに引き続いて、ポンプ１２に接続され、排気ガスＧ中に含まれる液状水分を取り除くドレンセパレータ１３、フィルタ１４、流量制御管（キャピラリ）１５、分岐部１０１、赤外線ガス分析計２１、流量制御管（キャピラリ）１６、合流部１１１、吸引ポンプ１１をこの順に直列配置している。なお、赤外線ガス分析計３０の下流には圧力制御弁１７が接続されており、前記キャピラリ１４および１６間の流路系の圧力をコントロールするとともに、各キャピラリと協働して赤外線ガス分析計３０を流れる排気ガスＧの流量及び圧力を一定に保つ役割を担う。
【００２７】
分岐部１０１からは、第１の副流路１０ｂおよび第２の副流路１０ｃがそれぞれ分岐させてあり、各副流路１０ａ、１０ｂの下流端が、合流部１１１で主流路１０ａに再度接続されるように構成されている。
【００２８】
第１の副流路１０ｂ上には、排気ガスＧ中のＴＨＣの濃度を測定する水素炎イオン化分析計４０が設けてある。この水素炎イオン化分析計４０の上流には、流量制御管（キャピラリ）４１が設けられており、ＴＨＣの濃度測定に必要な流量を、当該水素炎イオン化分析計４０に流すように構成している。なお、第１の副流路１０ｂを流れる排気ガスＧの流量は、主流路１０ａを流れる排気ガスＧの流量に比べればわずかな量であって、本実施形態においては、主流路１０ａを流れる排気ガスＧの流量が約２．５Ｌ／ｍｉｎであるのに対して、第１の副流路１０ｂを流れる排気ガスＧの流量は０．０１Ｌ／ｍｉｎに設定されている。
【００２９】
第２の副流路１０ｃ上には、流量制御管（キャピラリ）５１、ＣＬＤ式ＮＯＸ計５０が上流からこの順で設けてある。流量制御管（キャピラリ）５１は、この副流路１０ｃを流れる排気ガスＧの量を、窒素酸化物の濃度測定に必要な流量に制限するものである。なお、第２の副流路１０ｃを流れる排気ガスＧの流量も、主流路１０ａを流れる排気ガスＧの流量に比べればわずかな量であり、本実施形態においては、第２の副流路１０ｃを流れる流量は０．０７Ｌ／ｍｉｎに設定されている。
【００３０】
なお、合流部１１１に接続されている圧力制御弁２０は、フィルタ２１を介して合流部１１２と外気とを連通するものであり、後述するように、副流路１０ｂ、１０ｃの圧力をコントロールする。すなわち、この圧力制御弁２０は、各副流路１０ｂ、１０ｃの上流部に設けられた前記キャピラリ４１、５１と協働して水素炎イオン化分析計４０及びＣＬＤ式ＮＯＸ計５０を流れる排気ガスＧの流量及び圧力を一定に保つ役割を担う。
【００３１】
次に各分析計３０、４０、５０の概略を説明する。
【００３２】
赤外線ガス分析計３０は、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等が、それぞれ固有の波長の赤外線を吸収する性質を有していることから、各固有波長の赤外線がサンプルガスを通過してどれだか吸収されたかを示す吸収度を検出することにより、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等の量（濃度）を測定できるようにしたものである。
【００３３】
水素炎イオン化分析計４０は、サンプルガスである排気ガスＧに、燃料ガス（水素ガス）を一定の割合で混合して燃焼し、その際にそのサンプルガスに含まれるＴＨＣ（全炭化水素）がイオン化されて生じる電流の値を検出する方式のもので、その電流値からＴＨＣの量（濃度）を算出することができる。この水素炎イオン化分析計４０は、燃料ガスの他に助燃用ガス（空気）も導かれるように構成されている。
【００３４】
ＣＬＤ式ＮＯＸ計５０は、排気ガスＧに含まれるＮＯＸの量（濃度）を測定可能なものであり、図１に示すように、ＮＯコンバータ５２、オゾン発生器５３、光検出器（図示せず）を含む反応槽５４を備えている。ＮＯコンバータ５２は、ＮＯＸをＮＯに変換するものであり、第２の副流路１０ｃに導入された排気ガスＧを２分する一対の並列経路の一方に設けられている。これら並列経路の終端には電磁式切替バルブ５５が設けてあって、いずれか一方の経路からのみ、反応槽５４内に択一的にガスが導かれるように構成してある。オゾン発生器５３は、大気を除湿することなくそのまま取り込み、その大気に含まれる酸素をオゾンに変換して一定量のオゾン含有ガスを、キャピラリ５３ａを介して出力する。反応槽５４は、一定容積を有する筐体であり、サンプルガス導入ポート、オゾン含有ガス導入ポート及び導出ポートを有している。サンプルガス導入ポートには、前述したように切替バルブで選択されたいずれか一方の並列経路からのガスが導かれるとともに、オゾン含有ガス導入ポートには、前記オゾン発生器５３からのオゾン含有ガスが導かれる。それら各ガスは反応槽５４内部で混合し、発光する。図示しない光検出器は、反応槽５４内での発光強度を測定するものであり、この実施形態においては、光検出器として例えば光電子倍増管を用いている。なお、この実施形態では、前述したように、ＣＬＤ式ＮＯＸ計５０におけるオゾン発生器５３に大気を除湿することなく導入することで、従来必要であった除湿器やドライヤを省略し、電力消費量の大幅削減とコンパクト化とを実現して車両搭載に適したものとしている。
【００３５】
しかしてこの実施形態では、情報処理装置６０が、各分析計３０、４０、５０と、内燃機関Ｅから排出される排気ガスＧの流量とから得られた測定データに所定の演算を施して、内燃機関Ｅの単位仕事量あたりの排気ガス中に含まれる各成分の質量を算出するようにしている。
【００３６】
図２に示すように、情報処理装置６０は、演算処理部６１と、予め所定のデータを記録するためのメモリ６２、および演算処理部６１によって演算された結果が出力されるディスプレイ等の出力装置６３を備えている。なお図２においては、演算処理部６１からの指示信号が与えられることで、情報処理装置６０内においてどのようなデータのやり取りや演算が施されているかを視覚的に表現するため、情報処理装置６０の内部における処理工程の一部を記載している。また、この処理工程の詳細については、図３に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３７】
次に、本実施形態に係る排気ガス測定装置１を用いて、内燃機関Ｅからの排気ガスＧを各分析計３０、４０、５０において測定し、前記内燃機関の単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を算出し、出力する工程の概略を、図３を参照しつつ説明する。なお、本実施形態においては、適当な時間区域ｔ１〜ｔ２において、内燃機関の仕事量の時系列的変化と、内燃機関より排出される排気ガス中に含まれる各成分の質量の時系列的変化を求めて、この時間区域における単位仕事量あたりの前記各成分の平均質量を求める場合の一例を示すものとする。
【００３８】
まず、内燃機関Ｅから排出された排気ガスＧが、メインポート１０ｄを介して流路系１０に流入する。流路系１０に流入した排気ガスＧは、分岐部１０１においてその流れが分岐され、主流路１０ａ、第１の副流路１０ｂ、第２の副流路１０ｃにそれぞれ流入する（Ｓ１０１）。
【００３９】
このとき、内燃機関Ｅの排気管から排出された排気ガスＧの総流量は、適宜設けたフローメータなどの流量測定手段（図示しない）によって時系列的に測定され、その時系列的変化が逐次、情報処理部６０の演算処理部６１に送信される（Ｓ１０２）。
【００４０】
一方、各流路に流入した排気ガスＧは、各分析計３０、４０、５０において所定の成分の濃度が時系列的に測定され、その測定値が演算処理部６１に送信される（Ｓ１０３）。詳細には、赤外線ガス分析計３０および水素炎イオン化分析計４０において、ＣＯ、ＣＯ2およびＴＨＣの各成分の濃度が時系列的に測定され、ＣＬＤ式ＮＯＸ計５０においては、排気ガスＧに含まれるＮＯＸの量（濃度）が時系列的に測定される。演算処理部６１では、各分析計３０、４０、５０に流れこむ排気ガスの時間のずれを考慮して、同一時期の排気ガスの濃度を取得するようにまず補正する。
【００４１】
次に、演算処理部６１は、前記排気ガスＧの総流量と、前記成分濃度とを積算し、内燃機関Ｅから排出された排気ガスＧに含まれる各成分の質量の時系列的変化を算出する（Ｓ１０４）。前記各成分の質量の時系列的変化は、時刻ｔにおける各成分の瞬時排出量として、以下のように表される。
【００４２】
時間ｔにおけるＣＯの瞬時排出量[ｇ／ｓ]：ＣＯＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、
時間ｔにおけるＣＯ２の瞬時排出量[ｇ／ｓ]：ＣＯ２ＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、
時間ｔにおけるＴＨＣの瞬時排出量[ｇ／ｓ]：ＴＨＣＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]
【００４３】
次に、演算処理部６１は、Ｓ１０３の工程で算出された成分ＣＯ、ＣＯ2およびＴＨＣの時刻ｔにおける瞬時排出量（ＣＯＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、ＣＯ２ＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、ＴＨＣＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]）を、以下の（数１）に示す演算式に代入することによって、時刻ｔにおける内燃機関Ｅの燃料消費率ＦｕｅｌＣＢ（ｔ）を求める（Ｓ２０１）。数１において、ＲＣＷＦＨＣは排気ガスＧ中のＨＣの平均炭素質量割合を、ＲＣＷＦＨＣは燃料の炭素質量割合を表しており、それらの値は、数２および３に示すように、炭素の原子量ＭＣ（＝１２）、一酸化炭素の分子量ＭＣＯ（＝２８）、ニ酸化炭素の分子量ＭＣＯ２（＝４４）、燃料の水素炭素原子数比α（＝１．８５）、燃料の酸素炭素原子数比β（＝０．００）、排気ガスＧ中のＨＣの平均水素炭素原子数比αEX（＝１．８５）を用いて求められる。
【００４４】
【数１】
【００４５】
【数２】
【００４６】
【数３】
【００４７】
そして、メモリ６２に予め記憶された内燃機関Ｅの燃焼効率ＥｆｆｉEnergyと、Ｓ２０１で求めた内燃機関Ｅの燃料消費率ＦｕｅｌＣＢ（ｔ）とから、内燃機関Ｅの仕事量の時系列変化Ｗｏｒｋ（ｔ）[ｋＷ]を算出する（Ｓ２０２）。内燃機関Ｅの仕事量の時系列変化Ｗｏｒｋ（ｔ）を算出する式を、以下の数４に示す。この数４において、Ｃａｌｏｒｉｆｕｅｌ[ｋＪ／ｇ]は内燃機関Ｅで燃焼される燃料の単位質量あたりの既知の燃焼エネルギー[ｋJ／ｋｇ]を表している。
【００４８】
【数４】
【００４９】
そして、Ｓ１０４の工程において求めた排気ガスＧに含まれる各成分の時刻ｔにおける質量（瞬時排出量）ＣＯＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、ＣＯ２ＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、ＴＨＣＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]を、Ｓ２０２の工程で求めた内燃機関Ｅの仕事量の時系列変化Ｗｏｒｋ（ｔ）で各々除算することによって、内燃機関Ｅが単位仕事量あたりに排出する排気ガスＧ中の各成分の質量を算出する（Ｓ１０５）。
【００５０】
具体的に説明すると、例えば時刻ｔ１からｔ２の間における、内燃機関Ｅが単位仕事量あたりに排出する排気ガスＧ中のＣＯ成分の質量を算出する場合は、時刻ｔ１からｔ２における内燃機関Ｅの仕事量Ｗｔ１−ｔ２[ｋＷ]を数５に示す換算式より算出するとともに、同じく時刻ｔ１からｔ２におけるＣＯの排出量ＣＯＭＡＳＳ＿ｔ１−ｔ２[ｇ]を数６に示す換算式より算出し、ＣＯＭＡＳＳ＿ｔ１−ｔ２をＷｔ１−ｔ２で除算する。これによって、時刻ｔ１からｔ２までの間に、内燃機関Ｅが単位仕事量あたりに排出するＣＯの排出量（質量）を求めることができる。
【００５１】
【数５】
【００５２】
【数６】
【００５３】
そして、このようにして得られた排気ガスＧ中の各成分について、内燃機関Ｅが単位仕事量あたりに排出する排出量（質量）に関するデータが、出力装置６３に出力される（Ｓ１０６）。
【００５４】
このようにして求めた仕事量は、内燃機関のトルクおよび回転数を測定し、これらの測定データから算出した仕事量と、ほぼ整合していることが実験により確かめられている。図４に示すグラフは、横軸にトルクおよび回転数から求めた内燃機関の仕事量を、縦軸には排気ガスＧに含まれるＣＯおよびＣＯ２，ＴＨＣの濃度を用いて、内燃機関の燃料消費率ＦｕｅｌＣＢを求めた結果得られる内燃機関の仕事量を表している。このグラフから明らかなように、前述の実施形態において求められた内燃機関の仕事量は、測定した内燃機関の仕事量と極めて高い相関関係（相関係数＝０．９９７１）にあり、精度よく算出された値であることがわかる。
【００５５】
したがって、本発明においては、前記内燃機関の燃焼効率と、前記内燃機関の燃料消費率とから内燃機関の仕事量を算出するため、ＥＣＵが有しているトルクデータ等を用いることなく、前記内燃機関の単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を簡単に算出することができる。
【００５６】
また、ＥＣＵからのデータを用いる必要がないため、車両等に搭載された内燃機関（エンジン）を測定する場合に限られず、内燃機関を単独に切り離した状態でも測定することができる。そのため、大型ディーゼル車のように、車両自体の寸法が極めて大きくシャシダイナモ等に搭載して走行中のエンジン排出ガスを測定することができない場合であっても、ディーゼルエンジンのみを取り外し、このディーゼルエンジン単独で単位仕事量あたりに排出する排気ガス中の各成分の質量を算出することもできるし、車両に搭載して実走行中に測定することも容易にできる。
【００５７】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００５８】
例えば、前記内燃機関の単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を、さらに応答性よく求める場合は、前記時間間隔ｔ１〜ｔ２をごく短い時間(例えば０．５秒)に設定すればよい。その場合、走行中の車両の内燃機関から排出される、単位仕事量あたりの前記各成分の質量をリアルタイムに求めることができる。
【００５９】
また、前記時間区域ｔ１〜ｔ２を、内燃機関のピストンシリンダが駆動する、１ストロークの開始から終了までに対応する時間区域に定めるとともに、この時間区域ｔ１〜ｔ２間の間隔（＝Δｔ）で、内燃機関Ｅが単位仕事量あたりに排出する排出量（質量）に関するデータを連続的に取得してもよい。この場合、内燃機関Ｅの脈動がする１ストローク毎について、発生する排気ガス中の各成分の質量と、仕事量とをそれぞれ求めることができるため、内燃機関の性能や特性を詳細に調べる上で有効なデータを取得することができる。
【００６０】
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変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本願発明の第１の実施形態である排気ガス測定装置の全体を概略的に示す概略図である。
【図２】図１に示す排気ガス測定装置に含まれる情報処理装置の内部構造を概略的に示すブロック図である。
【図３】図１に示す排気ガス測定装置を用いて、内燃機関から排出される排気ガスの単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を求める手順を示すフローチャートである。
【図４】内燃機関のトルクおよび回転数から求めた仕事量と、排気ガスに含まれるＣＯおよびＣＯ２，ＴＨＣの濃度を用いて、内燃機関の燃料消費率を求めた結果得られる内燃機関の仕事量をとの相関関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１ ・・・排気ガス測定装置
１０ ・・・流路系
１０ａ ・・・主流路
１０ｂ ・・・第１の副流路
１０ｃ ・・・第２の副流路
３０ ・・・赤外線ガス分析計（排気ガス濃度測定部）
４０ ・・・水素炎イオン化分析計（排気ガス濃度測定部）
５０ ・・・ＣＬＤ式ＮＯＸ計（排気ガス濃度測定部）
６０ ・・・情報処理装置
Ｅ ・・・内燃機関
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排気ガスを測定する排気ガス測定装置および排気ガス測定方法に関するものであり、より詳細には、前記内燃機関の仕事量および該仕事量あたりの排気ガス量を求めることを可能とする排気ガス測定装置および排気ガス測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等に備えられる内燃機関（エンジン）から排出される排気ガスに含まれるＣＯやＣＯ２、ＮＯＸ等の所定成分についての濃度を測定し、排気ガス分析を行う排気ガス測定装置が知られている。（例えば、特許文献１）
【０００３】
このような排気ガス測定装置においては、内燃機関から排出される排気ガスが大気汚染に対してどのような影響を及ぼすかを測定するために、排気ガス中に含まれる所定成分の濃度を知るだけではなく、排気ガス排出質量又は排気ガス中に含まれる前記所定成分の質量を知ることが主たる目的となっている。
【０００４】
一方、内燃機関の性能評価や法的規制のために、内燃機関から排出される排気ガス排出質量や、排気ガス中に含まれる所定成分の質量を、内燃機関の単位仕事量（単位出力）あたりに換算して算出した指標、すなわち単位出力あたりの排気ガス排出質量が用いられている。
【０００５】
この指標は、特に大型車両の内燃機関など、車両に搭載した状態では対応する大型のシャシダイナモメータ等がなく、内燃機関単体での測定しかできないような場合に用いられている。
【０００６】
ところで、前述内燃機関の仕事量（出力）は、トルクと回転数との積で表されるので、これを算出するためには、直接的には、内燃機関のトルクおよび回転数を求める必要があるところ、いずれの量も簡単に求まるものではなく、特にトルクを求めるセンサを備えているものはほとんど見受けられない。
【０００７】
そこで、このような内燃機関の仕事量を求めるために、従来は、ＥＣＵが燃料機関への燃料噴射量等から算出して求めたトルクデータを用いる手法や、実際に内燃機関の軸にトルクセンサを取り付け、これによりトルクを検出する手法がとられている。
【特許文献１】特開平８−１２８９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このようなＥＣＵ等により求まるトルクデータは、内燃機関近傍の燃料供給量や吸入空気量等に基づいており、内燃機関から離れた排気管（テールパイプ）から排出される排気ガスの量のデータとは時間的に遅れが生じ、同時期の内燃機関の仕事量あたりの排気ガス排出量を算出することができるとは限られないし、トルクセンサは取付が極めて困難であるという問題点がある。さらに、車両がトルクデータを外部へ出力するためのＥＣＵ信号やＯＢＤ等のインターフェイスを備えていない場合もあり、また例え備えていたとしても、車両毎に信号形態が異なってその取得が難しい上に、内燃機関の仕事量を正確かつ簡易に行うことができないというのが実情である。
【０００９】
そこで本発明は、ＥＣＵ等から得られるトルクデータやトルクセンサを用いることなく、排気ガス測定装置のみで、リアルタイムに内燃機関の仕事量（出力）及びそれから算出される単位仕事量あたりの排ガス質量を測定可能で、内燃機関単独での測定はもちろんのこと、大型車両等でも実走行させながらその測定を可能とする排気ガス測定装置および排気ガス測定方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち本発明に係る排気ガス測定装置及び排気ガス測定方法は、内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の排出量に基づいて、当該内燃機関の仕事量を算出することを特徴とする。
【００１１】
このようなものであれば、内燃機関の仕事量を、排気ガス測定装置で測定した炭素化合物に係る成分量のみから求めることができるため、ＥＣＵが有しているトルクデータ等を用いることなく、排気ガス測定装置のみを用いて、内燃機関の仕事量を簡単に算出することができるとともに、シャシダイナモを用いることができないような大型車の場合であっても、内燃機関の仕事量を求めることが可能になる。
【００１２】
一方、排気ガスの排出量は簡易な流量計等があれば容易に求められるため、これらから内燃機関の単位仕事量（単位出力）あたりに換算して算出した指標、すなわち単位出力あたりの排気ガス排出質量も、容易に算出できる。
【００１３】
しかも、上述した内燃機関の仕事量も、排気ガス（及び各成分）の排出質量も、双方排気ガスから測定するため、両者に生じる遅れ時間は原理的にゼロで、ＥＣＵのトルクデータやトルクセンサを利用するときのような複雑な同期機構が不要になり、時系列的に連続したリアルタイム測定も可能になる。
【００１４】
さらに、排気ガス測定装置を車両に搭載できるため、従来では不可能であった大型車両を実走行させながらの測定もできるようになるうえ、車両が変わっても同一の測定装置で測定できるため、車両毎の違いを客観的に示す信頼性の高い測定が可能になる。
【００１５】
既存の分析計を用いて簡単に排気ガス中の炭素化合物に係る成分量を測定するには、内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の濃度を測定する排気ガス濃度測定部を備え、測定した炭素化合物に係る成分の濃度と排気ガスの流量とから、前記炭素化合物に係る成分の排出量を算出するようにしたものが好ましい。
【００１６】
そして、上述したように、前記内燃機関の仕事量に基づいて、当該内燃機関が単位仕事量あたりに排出する排気ガスの質量または排気ガス中の所定成分の質量を算出すればよい。
【００１７】
具体的実施態様としては、測定すべき前記炭素化合物に係る成分が、少なくともＣＯ、ＣＯ２および炭化水素類であればよい。内燃機関の燃料が燃焼して生成される炭素化合物は、上述した３種類がほとんどだからである。その中でもＣＯ２の割合が多いため、低い精度でもいい場合など、使用目的によっては、ＣＯ２のみを測定対象成分としても構わない。
【００１８】
内燃機関の仕事量の具体的な算出手順としては、炭素化合物に係る成分の排出量からカーボンバランス法などの手法により燃料消費量を算出し、その燃料消費量に、予め定められた当該燃料の燃焼エネルギと内燃機関の燃焼効率とをかけることにより、当該内燃機関の仕事量を算出する態様が考えられる。
【００１９】
前記排気ガス中の炭素化合物に係る成分の濃度を、特定の時間区域において積算して求め、その積算した値から、前記時間区域内において前記内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の排出量を算出するものであれば、内燃機関の脈動等の影響で、一時的に仕事量や前記各成分の排出量等が変動する場合でも、前記時間区域における単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の平均的な質量を求めることが可能となる。また、前記時間区域を短く設定することで、内燃機関の単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を、リアルタイムに求めることもできる。
【００２０】
前記時間区域は、排気ガスの流量が脈動する周期に応じて定められておくことが好ましい。例えば、内燃機関における１回転に相当するピストンシリンダの１ストロークの開始から終了までに対応する期間そのものまたはその複数倍を時間区域とし、この時間区域を測定の１単位としてこれを連続して測定するようにすればよい。このような排気ガス測定装置は、内燃機関のピストンシリンダが１回駆動する毎（内燃機関の脈動ごと）に発生する排気ガス中の各成分の質量と、仕事量とをそれぞれ求めることができるため、内燃機関の性能や特性を詳細に調べる必要がある際に好適である。
【００２１】
なお、本発明に係る排気ガス測定装置は、内燃機関から排出される排気ガス中に含まれる、環境に対して悪影響を及ぼすような種々の成分について、単位仕事量あたりに排出される質量を求めるものであることが好ましい。すなわち、前記排気ガス濃度測定部は、排気ガス中に含まれるＣＯ、ＣＯ２およびＴＨＣの濃度のみを測定するものに限られず、排気ガス中に含まれるＮＯＸ等のその他の成分を同時に測定するものであってもよい。
【発明の効果】
【００２２】
上述のように、本発明によればＥＣＵ等からのトルクデータ等を用いることなく、排気管での排気ガス測定装置のみで、内燃機関の単位出力あたりの排気ガス質量を時間的なずれなく容易に求めることができ、車種に拘わらず測定できる、リアルタイムで実走行時にも測定できるなどの種々の効果を奏し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本願発明の一実施形態について、図１から図３を参照しつつ説明する。
本実施形態に係る排気ガス測定装置は車両搭載型のもので、図１にその概略構成を示すように、自動車等の車両の内燃機関Ｅから排出された排気ガスＧが導入される流路系１０と、その流路系１０上に設けられて排気ガスＧ中の種々の成分濃度を測定する排気ガス濃度測定部としての３つの分析計、すなわち、サンプルガスである排気ガスＧ中のＣＯ、ＣＯ２及びＨ２Ｏの濃度を測定する赤外線ガス分析計３０と、ＴＨＣ（トータルハイドロカーボン、炭化水素類）の濃度を測定する水素炎イオン化分析計４０と、ＮＯＸの濃度を測定するＣＬＤ式ＮＯＸ計５０と、これらの各分析計３０、４０、５０からの測定結果データを収集して目的に応じた分析を行うとともに、流路系１０に配置された圧力制御弁等の制御を行う情報処理装置６０とを備えている。
【００２４】
流路系１０は、内燃機関Ｅから排出された排気ガスＧの大部分を通過させるバイパス経路としての役割を果たす主流路１０ａと、その主流路１０ａと並列に設けた複数（２つ）の副流路１０ｂ、１０ｃとを備えている。主流路１０ａには赤外線ガス分析計３０が、副流路１０ｂ、１０ｃ上にはそれぞれ水素炎イオン化分析計４０及びＣＬＤ式ＮＯＸ計５０が設けられている。
【００２５】
主流路１０ａは、その上流端をメインポート１０ｄとして開口させたものであり、このメインポート１０ｄに車両の排気管を接続し、下流端に設けた吸引ポンプ１１で吸引することにより、内燃機関Ｅから排出される排気ガスＧのうちの必要量（一部又は全部）が流路系１０に導入されるように構成している。
【００２６】
より具体的に説明すると、主流路１０ａ上には、排気ガスＧを導入するメインポート１０ｄに引き続いて、ポンプ１２に接続され、排気ガスＧ中に含まれる液状水分を取り除くドレンセパレータ１３、フィルタ１４、流量制御管（キャピラリ）１５、分岐部１０１、赤外線ガス分析計２１、流量制御管（キャピラリ）１６、合流部１１１、吸引ポンプ１１をこの順に直列配置している。なお、赤外線ガス分析計３０の下流には圧力制御弁１７が接続されており、前記キャピラリ１４および１６間の流路系の圧力をコントロールするとともに、各キャピラリと協働して赤外線ガス分析計３０を流れる排気ガスＧの流量及び圧力を一定に保つ役割を担う。
【００２７】
分岐部１０１からは、第１の副流路１０ｂおよび第２の副流路１０ｃがそれぞれ分岐させてあり、各副流路１０ａ、１０ｂの下流端が、合流部１１１で主流路１０ａに再度接続されるように構成されている。
【００２８】
第１の副流路１０ｂ上には、排気ガスＧ中のＴＨＣの濃度を測定する水素炎イオン化分析計４０が設けてある。この水素炎イオン化分析計４０の上流には、流量制御管（キャピラリ）４１が設けられており、ＴＨＣの濃度測定に必要な流量を、当該水素炎イオン化分析計４０に流すように構成している。なお、第１の副流路１０ｂを流れる排気ガスＧの流量は、主流路１０ａを流れる排気ガスＧの流量に比べればわずかな量であって、本実施形態においては、主流路１０ａを流れる排気ガスＧの流量が約２．５Ｌ／ｍｉｎであるのに対して、第１の副流路１０ｂを流れる排気ガスＧの流量は０．０１Ｌ／ｍｉｎに設定されている。
【００２９】
第２の副流路１０ｃ上には、流量制御管（キャピラリ）５１、ＣＬＤ式ＮＯＸ計５０が上流からこの順で設けてある。流量制御管（キャピラリ）５１は、この副流路１０ｃを流れる排気ガスＧの量を、窒素酸化物の濃度測定に必要な流量に制限するものである。なお、第２の副流路１０ｃを流れる排気ガスＧの流量も、主流路１０ａを流れる排気ガスＧの流量に比べればわずかな量であり、本実施形態においては、第２の副流路１０ｃを流れる流量は０．０７Ｌ／ｍｉｎに設定されている。
【００３０】
なお、合流部１１１に接続されている圧力制御弁２０は、フィルタ２１を介して合流部１１２と外気とを連通するものであり、後述するように、副流路１０ｂ、１０ｃの圧力をコントロールする。すなわち、この圧力制御弁２０は、各副流路１０ｂ、１０ｃの上流部に設けられた前記キャピラリ４１、５１と協働して水素炎イオン化分析計４０及びＣＬＤ式ＮＯＸ計５０を流れる排気ガスＧの流量及び圧力を一定に保つ役割を担う。
【００３１】
次に各分析計３０、４０、５０の概略を説明する。
【００３２】
赤外線ガス分析計３０は、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等が、それぞれ固有の波長の赤外線を吸収する性質を有していることから、各固有波長の赤外線がサンプルガスを通過してどれだか吸収されたかを示す吸収度を検出することにより、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ等の量（濃度）を測定できるようにしたものである。
【００３３】
水素炎イオン化分析計４０は、サンプルガスである排気ガスＧに、燃料ガス（水素ガス）を一定の割合で混合して燃焼し、その際にそのサンプルガスに含まれるＴＨＣ（全炭化水素）がイオン化されて生じる電流の値を検出する方式のもので、その電流値からＴＨＣの量（濃度）を算出することができる。この水素炎イオン化分析計４０は、燃料ガスの他に助燃用ガス（空気）も導かれるように構成されている。
【００３４】
ＣＬＤ式ＮＯＸ計５０は、排気ガスＧに含まれるＮＯＸの量（濃度）を測定可能なものであり、図１に示すように、ＮＯコンバータ５２、オゾン発生器５３、光検出器（図示せず）を含む反応槽５４を備えている。ＮＯコンバータ５２は、ＮＯＸをＮＯに変換するものであり、第２の副流路１０ｃに導入された排気ガスＧを２分する一対の並列経路の一方に設けられている。これら並列経路の終端には電磁式切替バルブ５５が設けてあって、いずれか一方の経路からのみ、反応槽５４内に択一的にガスが導かれるように構成してある。オゾン発生器５３は、大気を除湿することなくそのまま取り込み、その大気に含まれる酸素をオゾンに変換して一定量のオゾン含有ガスを、キャピラリ５３ａを介して出力する。反応槽５４は、一定容積を有する筐体であり、サンプルガス導入ポート、オゾン含有ガス導入ポート及び導出ポートを有している。サンプルガス導入ポートには、前述したように切替バルブで選択されたいずれか一方の並列経路からのガスが導かれるとともに、オゾン含有ガス導入ポートには、前記オゾン発生器５３からのオゾン含有ガスが導かれる。それら各ガスは反応槽５４内部で混合し、発光する。図示しない光検出器は、反応槽５４内での発光強度を測定するものであり、この実施形態においては、光検出器として例えば光電子倍増管を用いている。なお、この実施形態では、前述したように、ＣＬＤ式ＮＯＸ計５０におけるオゾン発生器５３に大気を除湿することなく導入することで、従来必要であった除湿器やドライヤを省略し、電力消費量の大幅削減とコンパクト化とを実現して車両搭載に適したものとしている。
【００３５】
しかしてこの実施形態では、情報処理装置６０が、各分析計３０、４０、５０と、内燃機関Ｅから排出される排気ガスＧの流量とから得られた測定データに所定の演算を施して、内燃機関Ｅの単位仕事量あたりの排気ガス中に含まれる各成分の質量を算出するようにしている。
【００３６】
図２に示すように、情報処理装置６０は、演算処理部６１と、予め所定のデータを記録するためのメモリ６２、および演算処理部６１によって演算された結果が出力されるディスプレイ等の出力装置６３を備えている。なお図２においては、演算処理部６１からの指示信号が与えられることで、情報処理装置６０内においてどのようなデータのやり取りや演算が施されているかを視覚的に表現するため、情報処理装置６０の内部における処理工程の一部を記載している。また、この処理工程の詳細については、図３に示すフローチャートを用いて説明する。
【００３７】
次に、本実施形態に係る排気ガス測定装置１を用いて、内燃機関Ｅからの排気ガスＧを各分析計３０、４０、５０において測定し、前記内燃機関の単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を算出し、出力する工程の概略を、図３を参照しつつ説明する。なお、本実施形態においては、適当な時間区域ｔ１〜ｔ２において、内燃機関の仕事量の時系列的変化と、内燃機関より排出される排気ガス中に含まれる各成分の質量の時系列的変化を求めて、この時間区域における単位仕事量あたりの前記各成分の平均質量を求める場合の一例を示すものとする。
【００３８】
まず、内燃機関Ｅから排出された排気ガスＧが、メインポート１０ｄを介して流路系１０に流入する。流路系１０に流入した排気ガスＧは、分岐部１０１においてその流れが分岐され、主流路１０ａ、第１の副流路１０ｂ、第２の副流路１０ｃにそれぞれ流入する（Ｓ１０１）。
【００３９】
このとき、内燃機関Ｅの排気管から排出された排気ガスＧの総流量は、適宜設けたフローメータなどの流量測定手段（図示しない）によって時系列的に測定され、その時系列的変化が逐次、情報処理部６０の演算処理部６１に送信される（Ｓ１０２）。
【００４０】
一方、各流路に流入した排気ガスＧは、各分析計３０、４０、５０において所定の成分の濃度が時系列的に測定され、その測定値が演算処理部６１に送信される（Ｓ１０３）。詳細には、赤外線ガス分析計３０および水素炎イオン化分析計４０において、ＣＯ、ＣＯ2およびＴＨＣの各成分の濃度が時系列的に測定され、ＣＬＤ式ＮＯＸ計５０においては、排気ガスＧに含まれるＮＯＸの量（濃度）が時系列的に測定される。演算処理部６１では、各分析計３０、４０、５０に流れこむ排気ガスの時間のずれを考慮して、同一時期の排気ガスの濃度を取得するようにまず補正する。
【００４１】
次に、演算処理部６１は、前記排気ガスＧの総流量と、前記成分濃度とを積算し、内燃機関Ｅから排出された排気ガスＧに含まれる各成分の質量の時系列的変化を算出する（Ｓ１０４）。前記各成分の質量の時系列的変化は、時刻ｔにおける各成分の瞬時排出量として、以下のように表される。
【００４２】
時間ｔにおけるＣＯの瞬時排出量[ｇ／ｓ]：ＣＯＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、
時間ｔにおけるＣＯ２の瞬時排出量[ｇ／ｓ]：ＣＯ２ＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、
時間ｔにおけるＴＨＣの瞬時排出量[ｇ／ｓ]：ＴＨＣＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]
【００４３】
次に、演算処理部６１は、Ｓ１０３の工程で算出された成分ＣＯ、ＣＯ2およびＴＨＣの時刻ｔにおける瞬時排出量（ＣＯＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、ＣＯ２ＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、ＴＨＣＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]）を、以下の（数１）に示す演算式に代入することによって、時刻ｔにおける内燃機関Ｅの燃料消費率ＦｕｅｌＣＢ（ｔ）を求める（Ｓ２０１）。数１において、ＲＣＷＦＨＣは排気ガスＧ中のＨＣの平均炭素質量割合を、ＲＣＷＦＨＣは燃料の炭素質量割合を表しており、それらの値は、数２および３に示すように、炭素の原子量ＭＣ（＝１２）、一酸化炭素の分子量ＭＣＯ（＝２８）、ニ酸化炭素の分子量ＭＣＯ２（＝４４）、燃料の水素炭素原子数比α（＝１．８５）、燃料の酸素炭素原子数比β（＝０．００）、排気ガスＧ中のＨＣの平均水素炭素原子数比αEX（＝１．８５）を用いて求められる。
【００４４】
【数１】
【００４５】
【数２】
【００４６】
【数３】
【００４７】
そして、メモリ６２に予め記憶された内燃機関Ｅの燃焼効率ＥｆｆｉEnergyと、Ｓ２０１で求めた内燃機関Ｅの燃料消費率ＦｕｅｌＣＢ（ｔ）とから、内燃機関Ｅの仕事量の時系列変化Ｗｏｒｋ（ｔ）[ｋＷ]を算出する（Ｓ２０２）。内燃機関Ｅの仕事量の時系列変化Ｗｏｒｋ（ｔ）を算出する式を、以下の数４に示す。この数４において、Ｃａｌｏｒｉｆｕｅｌ[ｋＪ／ｇ]は内燃機関Ｅで燃焼される燃料の単位質量あたりの既知の燃焼エネルギー[ｋJ／ｋｇ]を表している。
【００４８】
【数４】
【００４９】
そして、Ｓ１０４の工程において求めた排気ガスＧに含まれる各成分の時刻ｔにおける質量（瞬時排出量）ＣＯＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、ＣＯ２ＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]、ＴＨＣＭＡＳＳ（ｔ）[ｇ／ｓ]を、Ｓ２０２の工程で求めた内燃機関Ｅの仕事量の時系列変化Ｗｏｒｋ（ｔ）で各々除算することによって、内燃機関Ｅが単位仕事量あたりに排出する排気ガスＧ中の各成分の質量を算出する（Ｓ１０５）。
【００５０】
具体的に説明すると、例えば時刻ｔ１からｔ２の間における、内燃機関Ｅが単位仕事量あたりに排出する排気ガスＧ中のＣＯ成分の質量を算出する場合は、時刻ｔ１からｔ２における内燃機関Ｅの仕事量Ｗｔ１−ｔ２[ｋＷ]を数５に示す換算式より算出するとともに、同じく時刻ｔ１からｔ２におけるＣＯの排出量ＣＯＭＡＳＳ＿ｔ１−ｔ２[ｇ]を数６に示す換算式より算出し、ＣＯＭＡＳＳ＿ｔ１−ｔ２をＷｔ１−ｔ２で除算する。これによって、時刻ｔ１からｔ２までの間に、内燃機関Ｅが単位仕事量あたりに排出するＣＯの排出量（質量）を求めることができる。
【００５１】
【数５】
【００５２】
【数６】
【００５３】
そして、このようにして得られた排気ガスＧ中の各成分について、内燃機関Ｅが単位仕事量あたりに排出する排出量（質量）に関するデータが、出力装置６３に出力される（Ｓ１０６）。
【００５４】
このようにして求めた仕事量は、内燃機関のトルクおよび回転数を測定し、これらの測定データから算出した仕事量と、ほぼ整合していることが実験により確かめられている。図４に示すグラフは、横軸にトルクおよび回転数から求めた内燃機関の仕事量を、縦軸には排気ガスＧに含まれるＣＯおよびＣＯ２，ＴＨＣの濃度を用いて、内燃機関の燃料消費率ＦｕｅｌＣＢを求めた結果得られる内燃機関の仕事量を表している。このグラフから明らかなように、前述の実施形態において求められた内燃機関の仕事量は、測定した内燃機関の仕事量と極めて高い相関関係（相関係数＝０．９９７１）にあり、精度よく算出された値であることがわかる。
【００５５】
したがって、本発明においては、前記内燃機関の燃焼効率と、前記内燃機関の燃料消費率とから内燃機関の仕事量を算出するため、ＥＣＵが有しているトルクデータ等を用いることなく、前記内燃機関の単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を簡単に算出することができる。
【００５６】
また、ＥＣＵからのデータを用いる必要がないため、車両等に搭載された内燃機関（エンジン）を測定する場合に限られず、内燃機関を単独に切り離した状態でも測定することができる。そのため、大型ディーゼル車のように、車両自体の寸法が極めて大きくシャシダイナモ等に搭載して走行中のエンジン排出ガスを測定することができない場合であっても、ディーゼルエンジンのみを取り外し、このディーゼルエンジン単独で単位仕事量あたりに排出する排気ガス中の各成分の質量を算出することもできるし、車両に搭載して実走行中に測定することも容易にできる。
【００５７】
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
【００５８】
例えば、前記内燃機関の単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を、さらに応答性よく求める場合は、前記時間間隔ｔ１〜ｔ２をごく短い時間(例えば０．５秒)に設定すればよい。その場合、走行中の車両の内燃機関から排出される、単位仕事量あたりの前記各成分の質量をリアルタイムに求めることができる。
【００５９】
また、前記時間区域ｔ１〜ｔ２を、内燃機関のピストンシリンダが駆動する、１ストロークの開始から終了までに対応する時間区域に定めるとともに、この時間区域ｔ１〜ｔ２間の間隔（＝Δｔ）で、内燃機関Ｅが単位仕事量あたりに排出する排出量（質量）に関するデータを連続的に取得してもよい。この場合、内燃機関Ｅの脈動がする１ストローク毎について、発生する排気ガス中の各成分の質量と、仕事量とをそれぞれ求めることができるため、内燃機関の性能や特性を詳細に調べる上で有効なデータを取得することができる。
【００６０】
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変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本願発明の第１の実施形態である排気ガス測定装置の全体を概略的に示す概略図である。
【図２】図１に示す排気ガス測定装置に含まれる情報処理装置の内部構造を概略的に示すブロック図である。
【図３】図１に示す排気ガス測定装置を用いて、内燃機関から排出される排気ガスの単位仕事量あたりに排出される排気ガス中の各成分の質量を求める手順を示すフローチャートである。
【図４】内燃機関のトルクおよび回転数から求めた仕事量と、排気ガスに含まれるＣＯおよびＣＯ２，ＴＨＣの濃度を用いて、内燃機関の燃料消費率を求めた結果得られる内燃機関の仕事量をとの相関関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６２】
１ ・・・排気ガス測定装置
１０ ・・・流路系
１０ａ ・・・主流路
１０ｂ ・・・第１の副流路
１０ｃ ・・・第２の副流路
３０ ・・・赤外線ガス分析計（排気ガス濃度測定部）
４０ ・・・水素炎イオン化分析計（排気ガス濃度測定部）
５０ ・・・ＣＬＤ式ＮＯＸ計（排気ガス濃度測定部）
６０ ・・・情報処理装置
Ｅ ・・・内燃機関
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前記内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の濃度を測定する排気ガス濃度測定部を備え、
測定した炭素化合物に係る成分の濃度と排気ガスの流量とから、前記炭素化合物に係る成分の排出量を算出し、その排出量から当該内燃機関の仕事量を算出することを特徴とする排気ガス測定装置。
【請求項２】
前記内燃機関の仕事量に基づいて、当該内燃機関が単位仕事量あたりに排出する排気ガスの質量または排気ガス中の所定成分の質量を算出する請求項１記載の排気ガス測定装置。
【請求項３】
前記炭素化合物に係る成分が、少なくともＣＯ、ＣＯ２および炭化水素類である請求項１又は２記載の排気ガス測定装置。
【請求項４】
炭素化合物に係る成分の排出量から燃料消費量を算出し、その燃料消費量に、予め定められた当該燃料の燃焼エネルギと内燃機関の燃焼効率とをかけることにより、当該内燃機関の仕事量を算出する請求項１から３いずれかに記載の排気ガス測定装置。
【請求項５】
前記排気ガス中の炭素化合物に係る成分の濃度を、特定の時間区域において積算して求め、その積算した値から、前記時間区域内において前記内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の排出量を算出する請求項１から４のいずれかに記載の排気ガス測定装置。
【請求項６】
前記時間区域が、排気ガスの流量が脈動する周期に応じて定められている請求項５に記載の排気ガス測定装置。
【請求項７】
内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の排出量を時系列的に連続して測定し、その排出量のみから当該内燃機関の仕事量を算出することを特徴とする車載型排気ガス測定装置。
【請求項８】
前記内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の濃度を測定し、その測定した成分の濃度と排気ガスの流量とから、前記炭素化合物に係る成分の排出量を算出し、その排出量から当該内燃機関の仕事量を算出することを特徴とする排気ガス測定方法。
【請求項９】
前記内燃機関の仕事量に基づいて、当該内燃機関の単位仕事量あたりの排気ガス排出質量または排気ガス中の所定成分の質量を算出する請求項８記載の排気ガス測定方法。
【請求項１】
前記内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の濃度を測定する排気ガス濃度測定部を備え、
測定した炭素化合物に係る成分の濃度と排気ガスの流量とから、前記炭素化合物に係る成分の排出量を算出し、その排出量から当該内燃機関の仕事量を算出することを特徴とする排気ガス測定装置。
【請求項２】
前記内燃機関の仕事量に基づいて、当該内燃機関が単位仕事量あたりに排出する排気ガスの質量または排気ガス中の所定成分の質量を算出する請求項１記載の排気ガス測定装置。
【請求項３】
前記炭素化合物に係る成分が、少なくともＣＯ、ＣＯ２および炭化水素類である請求項１又は２記載の排気ガス測定装置。
【請求項４】
炭素化合物に係る成分の排出量から燃料消費量を算出し、その燃料消費量に、予め定められた当該燃料の燃焼エネルギと内燃機関の燃焼効率とをかけることにより、当該内燃機関の仕事量を算出する請求項１から３いずれかに記載の排気ガス測定装置。
【請求項５】
前記排気ガス中の炭素化合物に係る成分の濃度を、特定の時間区域において積算して求め、その積算した値から、前記時間区域内において前記内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の排出量を算出する請求項１から４のいずれかに記載の排気ガス測定装置。
【請求項６】
前記時間区域が、排気ガスの流量が脈動する周期に応じて定められている請求項５に記載の排気ガス測定装置。
【請求項７】
内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の排出量を時系列的に連続して測定し、その排出量のみから当該内燃機関の仕事量を算出することを特徴とする車載型排気ガス測定装置。
【請求項８】
前記内燃機関から排出される排気ガス中の炭素化合物に係る成分の濃度を測定し、その測定した成分の濃度と排気ガスの流量とから、前記炭素化合物に係る成分の排出量を算出し、その排出量から当該内燃機関の仕事量を算出することを特徴とする排気ガス測定方法。
【請求項９】
前記内燃機関の仕事量に基づいて、当該内燃機関の単位仕事量あたりの排気ガス排出質量または排気ガス中の所定成分の質量を算出する請求項８記載の排気ガス測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−２８４４７０（Ｐ２００６−２８４４７０Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０７１９１（Ｐ２００５−１０７１９１）
【出願日】平成１７年４月４日（２００５．４．４）
【出願人】（０００１５５０２３）株式会社堀場製作所 (638)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月４日（２００５．４．４）
【出願人】（０００１５５０２３）株式会社堀場製作所 (638)
【Ｆターム（参考）】
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