JP2014149205A - 機関車排ガス分析用アタッチメント及び機関車排ガス分析システム - Google Patents

Abstract

【課題】機関車の排気管へのサンプリング管の設置を容易にするとともに、機関車に搭載されるエンジンからの排ガスを、エンジンの動作を妨げることなく、確実にサンプルリングして分析できるようにする。
【解決手段】機関車１０に設けられた排気管１３の開口端部１３ｘに接続される筒状の接続部材２１を備え、当該接続部材２１が、排気管１３の開口端部１３ｘにおける開口形状と略同一の流路断面形状を有している。そして、排気管１３から出る排ガスをサンプリングするサンプリング管２２が前記接続部材２１に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばディーゼル機関車等の機関車から排出される排ガスを分析するための分析用アタッチメント、及び当該アタッチメントを用いた排ガス分析システムに関するものである。

機関車から排出される排ガスを分析する排ガス分析システムが、特許文献１に開示されている。具体的に特許文献１には、ガス分析器アセンブリと、車両エンジンによって生成された排ガスをサンプリングするサンプリング管（プローブ）と、当該サンプリング管を前記ガス分析器に接続する導管とを備える排ガス分析システムが開示されている。そして、前記車両の一例として、機関車が例示されている。

ところが、特許文献１は、車両の一例として機関車を示しているに過ぎず、機関車に設けられた排気管に対してサンプリング管をどのように取り付けるのか、その具体的な構成が一切開示されていない。特に機関車の排気管は、主として機関車の屋根に開口して排ガスを上方に排気するように構成されているので、従来の排ガス分析システムに用いられているサンプリング管を単純に設けることは難しい。

また、機関車の排気管に、ガス分析器に排ガスを導入するための排ガス導入管を接続して、排気管から排出される排ガスの全量を排ガス導入管に流すことも考えられる。

しかしながら、上述したように、機関車は、アイドリング状態における排ガスの排気量及び排気圧と走行状態における排ガスの排気量及び排気圧との差がかなり大きいため、以下のような問題が生じる。

つまり、アイドリング状態では、排気管から排出される排ガスの排気量及び排気圧が小さいため、排ガスをガス分析器まで導入することが難しい。一方、走行状態では、排ガスの排気量及び排気圧が大きいため、排ガス導入管での圧力損失（以下、圧損という。）が大きくなり、エンジンを正常な状態で運転させることができず、正確な分析を行うことが難しい。

特開２００２−９８６１８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、機関車に搭載されるエンジンの排ガスを、排ガス導入管での圧損を低減し、エンジンの動作を妨げることなく、確実にサンプルリングして分析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。

すなわち本発明に係る機関車排ガス分析用アタッチメントは、機関車から排出される排ガスの分析に用いるものであって、前記機関車に設けられた排気管の開口端部に一端開口部が接続されるとともに、他端開口部が大気開放されており、前記排気管の開口端部における開口面積と略同一又はそれよりも大きい流路断面積を有する概略筒状の接続部材と、前記接続部材に設けられ、前記排気管から排出される排ガスをサンプリングするサンプリング管と、を備えることを特徴とする。ここで、概略筒状の接続部材には、周方向に連続する側壁を有する筒状の接続部材だけでなく、周方向の一部にきり欠きを有する部分筒状の接続部材を含む。

このような機関車排ガス分析用アタッチメントであれば、サンプリング管が設けられた接続部材を、機関車に設けられた排気管の開口端部に接続することで、サンプリング管から排ガスをサンプリングすることができるので、機関車の排気管へのサンプリング管の設置を容易にすることができる。
ここで、接続部材が、概略筒状とされているので、サンプリング管から排ガス以外の大気をサンプリングし難くすることができ、確実に排ガスをサンプリングすることができる。特にサンプリング管から排ガスを吸引するための吸引ポンプを有する構成において、その効果が顕著となる。
また、サンプリング管が設けられた接続部材が、排気管の開口面積と略同一又はそれよりも大きい流路断面積を有する概略筒状とされており、一端開口部が排気管の開口端部に接続された状態で、接続部材における排気管とは反対側の他端開口部が大気開放されているので、排気管及び接続部材からなる流路の圧損を低減することができ、エンジンの動作を妨げることなく、通常の走行運転状態を再現しつつ排ガスサンプリングが可能となる。

前記接続部材が、一方向に延びる直管状をなすものであり、その中心軸が、前記排気管の開口端部における中心軸と略一致するように接続されるものであることが望ましい。
これならば、排気管から排出される排ガスの流路方向が変更されないので、圧損をより一層低減することができる。

前記サンプリング管の先端部が、前記接続部材の内部空間に延びており、前記排気管側を向いて開口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る排ガスをサンプリングし易くできる。また、接続部材における排気管とは反対側が大気開放されているので、サンプリング管の先端部が、排気管側を向いて開口していることで、大気をサンプリングし難くすることができる。

サンプリング管の流路断面積が接続部材の流路断面積以上の場合には、サンプリング管による排ガスのサンプリングが難くなり、接続部材の大気開放側から大気をサンプリングし易くなる。
このため、前記サンプリング管の流路断面積が、前記接続部材の流路断面積よりも小さいことが望ましい。

前記接続部材の排気管側端部が、前記排気管の開口端部に形成されたフランジ部にねじ固定されるものであることが望ましい。
これならば、排気管に対して接続部材の着脱を容易にすることができる。

また、本発明に係る機関車排ガス分析システムは、上述した機関車排ガス分析用アタッチメントと、前記排ガスを分析するための分析機器と、前記サンプリング管に接続されて、前記サンプリング管によりサンプリングされた排ガスを前記分析機器に導く排ガス導入管とを備えることを特徴とする。

前記排ガス導入管に、前記サンプリング管から排ガスを吸引するための吸引ポンプが設けられていることが望ましい。ここで吸引ポンプの吸引能力としては、サンプリング管及び排ガス導入管により生じる圧損よりも若干大きく、前記接続部材の大気開放側から大気をあまり吸わない程度に設定することが望ましい。
これならば、機関車のアイドリング状態においても、排ガスを確実にサンプリングすることができる。

前記分析機器が鉄道車両に搭載されており、前記排ガス導入管が、前記鉄道車両外に設けられて、前記サンプリング管に接続される外部導管と、前記鉄道車両内に設けられて、前記分析機器に排ガスを導入するための内部導管とを有することが望ましい。
これならば、分析機器が鉄道車両に搭載されているため、供試体である機関車が停車した場所まで線路を走らせて移動させることができる。また、機関車の周囲に分析機器を設置する場所を準備する必要も無い。

前記外部導管が、複数の導管を接続して構成されるものであり、前記複数の導管のうち少なくとも一部の導管が、可撓性を有する導管であることが望ましい。
これならば、外部導管が複数の導管を接続して構成されているので、鉄道車両に対して機関車の排気管の遠近位置が異なる場合であっても、接続する導管数を調整することで、対応可能となる。
また、複数の導管のうち少なくとも一部の導管が、可撓性を有する導管であるので、供試体である機関車の振動が、外部導管を伝って内部導管及び分析機器に伝達されることを防止できる。さらに、この可撓性を有する導管により、分析用アタッチメントの位置、特に高さ位置が変更可能となるため、各機関車において、排気管の高さ位置が異なる場合であっても、対応可能となる。

このように構成した本発明によれば、機関車に設けられた排気管へのサンプリング管の設置を容易にするとともに、機関車に搭載されるエンジンからの排ガスを、エンジンの動作を妨げることなく、確実にサンプルリングして分析できる。

本実施形態の機関車排ガス分析システムを模式的に示す斜視図。 同実施形態の分析用アタッチメントを示す斜視図。 同実施形態の分析用アタッチメントを示す断面図。 変形実施形態の分析用アタッチメントを示す斜視図。

以下に本発明に係る機関車排ガス分析システムの一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る機関車排ガス分析システム１００は、ディーゼルエンジン１１が搭載された機関車１０において、当該機関車１０の屋根１２に設けられた排気管（煙突）１３から排出される排ガスを分析するものである。

具体的にこの機関車排ガス分析システム１００は、図１に示すように、機関車１０の排ガスをサンプリングするための機関車排ガス分析用アタッチメント２（以下、単にアタッチメント２ともいう。）と、サンプリングされた排ガスを分析するための各種の分析機器３と、前記アタッチメント２に接続されて、サンプリングされた排ガスを分析機器３に導く排ガス導入管４とを備えている。

また、本実施形態の機関車排ガス分析システム１００は、供試体である機関車１０に連結可能に構成された鉄道車両ＲＣに搭載されている。詳細には、前記分析機器３及び前記排ガス導入管４が鉄道車両ＲＣに搭載されて、鉄道レール（不図示）上を移動可能に構成されている。このように構成された鉄道車両ＲＣは、排ガス分析専用の分析用車両となる。そして、機関車排ガス分析システム１００は、この鉄道車両ＲＣが、連結機構ＲＣ１を介して機関車１０に連結された状態で排ガス分析を行う。なお、図１において、機関車１０の車輪及び鉄道車両ＲＣの車輪は、図示していない。

分析機器３は、図１に示すように、サンプリングされた排ガスのガス成分を連続測定可能な排ガス分析装置３１と、当該排ガス分析装置３１用のフィルタ装置３２と、サンプリングされた排ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を連続測定可能な粒子数計測装置３３と、当該粒子数計測装置３３用のフィルタ装置３４と、それら分析装置３１、３３を制御して分析装置３１、３３の測定データを演算等する演算制御装置３５等である。

排ガス分析装置３１は、排ガスに含まれる測定成分の濃度を測定するものであり、例えばＮＤＩＲ法により一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、ＦＩＤ法により全炭化水素（ＴＨＣ）、ＦＩＤ法によりメタン（ＣＨ_４）、ＣＬＤ法により窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の濃度を測定する。また、この排ガス分析装置３１は、計測した排ガス成分からカーボンバランス法により空燃比（Ａ／Ｆ）を測定することもできる。

粒子数計測装置３３は、排ガスに含まれるトータルＰＭだけでなく、拡散電荷法（Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｃｈａｒｇｉｎｇ法）により排ガスに含まれる煤（Ｓｏｏｔ）を測定するとともに、水素炎イオン化法（ＦＩＤ法）により排ガスに含まれる有機溶剤可溶分（ＳＯＦ）を測定するものである。

そして、排ガス分析装置３１及び粒子数計測装置３３等と、鉄道車両ＲＣの床との間には、免振装置５が設けられている。このように免振装置５を設けているので、鉄道車両ＲＣを移動させたときの振動によって排ガス分析装置３１及び粒子数計測装置３３が故障等してしまうことを防止している。また、演算制御装置３５は、防振機能を有する机６の上に設置されている。

次に、アタッチメント２について説明する。
前記アタッチメント２は、機関車１０のエンジン１１から排出される排ガスを分析する場合に、前記機関車１０の排気管１３に取り付けられるものである。具体的にアタッチメント２は、図２及び図３に示すように、機関車１０に設けられた排気管１３の開口端部（上端部）１３ｘに接続される接続部材２１と、当該接続部材２１に設けられて、排気管１３から排出される排ガスをサンプリングするサンプリング管２２とを備える。なお、排気管１３は、機関車１０の内部に設けられたエンジン１１から上方に延びており、機関車１０の屋根１２に設けられた開口部において、屋根１２よりも若干下側で、上方を向いて開口している。

前記接続部材２１は、排気管１３の開口端部１３ｘにおける開口面積と略同一の流路断面積を有する筒状をなすものである。また、接続部材２１は、一方向に延びる直管状をなすものである。具体的には、接続部材２１の中心軸方向に直交する流路断面形状が、排気管１３の開口端部１３ｘにおける中心軸方向に直交する開口形状（中心軸方向から見た開口形状）と略同一である。本実施形態では、排気管１３が円筒状をなすものであり、接続部材２１は、前記排気管１３の開口径と略同一の流路径を有する直管円筒状をなすものである。

また、接続部材２１は、その中心軸が、前記排気管１３の開口端部１３ｘにおける中心軸と略一致するように接続される。つまり、接続部材２１の内側周面２１ａと、前記排気管１３の開口端部１３ｘの内側周面１３ａとが連続するように接続される（図３参照）。具体的に接続部材２１の排気管側端部（一端開口部２１ｍ）には、フランジ部２１１が形成されており、排気管１３の開口端部１３ｘに形成されたフランジ部１３１にねじ２３によって固定される。このように接続された接続部材２１における排気管側端部２１ｍとは反対側の他端開口部２１ｎは、大気開放されている。つまり、接続部材２１を排気管１３に接続することによって、機関車１０の排気管１３の流路が、上方に延長されることになる。

サンプリング管２２は、前記接続部材２１の側壁に略垂直に貫通して設けられている。そして、サンプリング管２２の先端部２２ｘが、接続部材２１の内部空間に延びている。また、サンプリング管２２の先端部２２ｘは、排気管１３側に折れ曲がっており、排気管１３側を向いて開口している。本実施形態のサンプリング管２２は、その流路断面積が、接続部材２１の流路断面積よりも小さいものを用いている。なお、サンプリング管２２の基端部は、接続部材２１の外部に位置しており、後述する外部導管４１の導管４１１が接続されるフランジ部を有している。

排ガス導入管４は、図１に示すように、前記サンプリング管２２によりサンプリングされた排ガスを前記分析機器３に導入するものであり、鉄道車両ＲＣ外に設けられて、サンプリング管２２に接続される外部導管４１と、鉄道車両ＲＣ内に設けられて、分析機器３に排ガスを導入するための内部導管４２とを有する。また、内部導管４２には、サンプリング管２２から排ガスを吸引するための吸引ポンプ４３が設けられている。

外部導管４１は、複数の導管４１１を接続して構成されている。これら複数の導管４１１のうち、最も機関車１０側にある導管４１１が前記サンプリング管２２に接続される。また、複数の導管４１１のうち少なくとも一部の導管４１１が、可撓性を有する導管（フレキシブル導管）４１１ａにより構成されている。なお、可撓性を有する導管４１１ａ以外のその他の導管４１１は、同一形状をなすものである。図１においては、内部配管側（鉄道車両ＲＣ側）にある導管４１１が可撓性を有する導管４１１ａとされているが、これに限られず、任意の位置の導管４１１を可撓性を有する導管としても良い。

内部導管４２は、前記鉄道車両ＲＣの天井において前方から後方に亘って延び設けられたメイン導管４２１と、当該メイン導管４２１に一端が接続され、他端が前記排ガス分析装置３１に接続された第１分析用導管４２２と、前記メイン導管４２１に一端が接続され、他端が前記粒子数計測装置３３に接続された第２分析用導管４２３とを備えている。

メイン導管４２１において、前記第１分析用導管４２２の接続点及び前記第２分析用導管４２３の接続点の下流側には、光透過式のスモークメータ４４が設けられている。また、メイン導管４２１の下流側に、前記吸引ポンプ４３が設けられている。なお、吸引ポンプ４３は、安全の観点から、鉄道車両ＲＣの天井又は鉄道車両ＲＣの屋根に設けることが望ましく、特に、吸引ポンプ４３が鉄道車両外に設けられることが望ましい。その他、メイン導管４２１の上流側には、排水器４５が設けられている。

第１分析用導管４２２には、前記排ガス分析装置３１用のフィルタ装置３２が設けられている。また、第２分析用導管４２３には、前記粒子数計測装置３３用のフィルタ装置３４が設けられている。

また本実施形態の機関車排ガス分析システム１００においては、機関車１０のエンジン１１に供給される燃料流量を測定する例えばコリオリ式の燃料流量計７を設けている。そして、この燃料流量計７のより得られた測定流量値と、前記排ガス分析装置３１により得られた空燃比（Ａ／Ｆ）とを用いて、前記演算制御装置３５が排ガス流量を算出している。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の機関車排ガス分析システム１００によれば、サンプリング管２２が設けられた接続部材２１を、機関車１０の排気管１３の開口端部１３ｘに接続することで、サンプリング管２２から排ガスをサンプリングすることができ、機関車１０の排気管１３へのサンプリング管２２の設置を容易にすることができる。

また、接続部材２１が円筒状であり、サンプリング管２２の先端部の周囲を接続部材２１が覆うことになるので、サンプリング管２２から排ガス以外の大気をサンプリングし難くすることができ、確実に排ガスをサンプリングすることができる。特に本実施形態では、吸引ポンプ４３によりサンプリング管２２から排ガスを吸引する構成であり、その効果が顕著となる。

また、サンプリング管２２が設けられた接続部材２１が、排気管１３の開口形状と略同一の流路断面形状を有するとともに、接続部材２１における排気管１３とは反対側の他端開口部２１ｎが大気開放されているので、排気管１３及び接続部材２１からなる流路の圧損を低減することができ、エンジンの動作を妨げることなく、通常の走行運転状態を再現しつつ排ガスサンプリングが可能となる。

また、分析機器３及び排ガス導入管４が鉄道車両ＲＣに搭載されているので、分析機器３が鉄道車両ＲＣに搭載されているため、線路上を走らせて、機関車１０が停車している場所まで移動させることができる。

さらに、分析機器３が、免振装置５を介して鉄道車両ＲＣに搭載されているので、鉄道車両ＲＣを移動させる際、又は鉄道車両ＲＣを機関車１０に連結させる際に生じる衝撃が分析機器３に加わり、分析機器３が故障しないようにできる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、接続部材２１が、周方向全体が連続した円筒状をなすものであったが、図４に示すように、周方向の一部にスリット２１Ｓが形成される等により切り欠かれたものであっても良い。

さらに、前記接続部材２１の流路断面積は、前記排気管１３の開口端部１３ｘにおける開口面積よりも大きいものであっても良い。

また、前記実施形態では、サンプリング管の先端部が排気管側を向いて開口しているが、サンプリング管が直管状であり、その先端部が排気管から排出される排ガスの流路方向とは直交する方向を向いて開口するものであっても良い。

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。

１００ ・・・機関車排ガス分析システム
１０ ・・・機関車
ＲＣ ・・・鉄道車両
１３ ・・・排気管
１３ｘ ・・・開口端部
２ ・・・アタッチメント
２１ ・・・接続部材
２１ｍ ・・・一端開口部
２１ｎ ・・・他端開口部
２１１ ・・・フランジ部
２２ ・・・サンプリング管
２２ｘ ・・・先端部
３ ・・・分析機器
４ ・・・排ガス導入管
４１ ・・・外部導管
４２ ・・・内部導管
４１１ ・・・導管
４１１ａ・・・可撓性を有する導管

Claims (8)

1. 機関車から排出される排ガスの分析に用いるものであって、
   前記機関車に設けられた排気管の開口端部に一端開口部が接続されるとともに、他端開口部が大気開放されており、前記排気管の開口端部における開口面積と略同一又はそれよりも大きい流路断面積を有する概略筒状の接続部材と、
   前記接続部材に設けられ、前記排気管から排出される排ガスをサンプリングするサンプリング管と、を備える機関車排ガス分析用アタッチメント。
2. 前記接続部材が、一方向に延びる直管状をなすものであり、その中心軸が、前記排気管の開口端部における中心軸と略一致するように接続されるものである請求項１記載の機関車排ガス分析用アタッチメント。
3. 前記サンプリング管の先端部が、前記接続部材の内部空間に延びており、前記排気管側を向いて開口している請求項１又は２記載の機関車排ガス分析用アタッチメント。
4. 前記サンプリング管の流路断面積が、前記接続部材の流路断面積よりも小さい請求項１乃至３の何れかに記載の機関車排ガス分析用アタッチメント。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の機関車排ガス分析用アタッチメントと、
   前記排ガスを分析するための分析機器と、
   前記サンプリング管に接続されて、前記サンプリング管によりサンプリングされた排ガスを前記分析機器に導く排ガス導入管と、を備える機関車排ガス分析システム。
6. 前記排ガス導入管に、前記サンプリング管から排ガスを吸引するための吸引ポンプが設けられている請求項５記載の機関車排ガス分析システム。
7. 前記分析機器が鉄道車両に搭載されており、
   前記排ガス導入管が、前記鉄道車両外に設けられて、前記サンプリング管に接続される外部導管と、前記鉄道車両内に設けられて、前記分析機器に排ガスを導入するための内部導管とを有する請求項５又は６記載の機関車排ガス分析システム。
8. 前記外部導管が、複数の導管を接続して構成されるものであり、
   前記複数の導管のうち少なくとも一部の導管が、可撓性を有する導管である請求項７記載の機関車排ガス分析システム。