JPH09318572A - 排気ガスの成分計量方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動車の排気ガス中の酸素、一酸化炭素、炭
化水素系など特定排気成分を連続的、かつ、高速応答で
高精度に瞬時測定することができる排気成分計量手段を
提供し、かつ、自動車を所定のモードで運転したときの
排気ガスの重量の総量を計量するのに有益な排気成分計
量手段を提供する。 【解決手段】 排気ガスの流量ＱＥと排気ガス中の特定
成分ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量
流量を連続的に計量する排気成分計量方法において、排
気ガスを希釈する前の空気の質量流量ＱＡと該空気で希
釈された排気ガスの合計質量流量ＱＴとを、上下流で２
つ質量流量計で各々計測し、該計測値の差の質量流量Ｑ
Ｔ−ＱＡから排気ガス流量ＱＥの瞬時値を求めるべく構
成してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車の排気ガス
中の酸素、一酸化炭素、炭化水素系など特定排気成分を
連続的、かつ、高速応答で高精度に瞬時測定することが
できる排気成分計量方法及び排気成分計量装置に関し、
特に、自動車を所定のモードで運転したときの排気ガス
の重量の総量を計量する場合に有用な排気成分計量方法
及び排気成分計量装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から定容量希釈サンプリング法によ
る自動車等の排気ガス成分計量方法は、一般に行われて
おり、その一方法として、例えば、空気によって希釈さ
れた排気ガスを連続的に定量サンプリングする一方、希
釈空気流量を直接計測して、サンプルガス流量と希釈空
気流量とから排気ガス流量を連続的に算出し、算出され
た排気ガス流量と、希釈空気と排気ガスとを混合する混
合器よりも上流側の排気ガス経路において連続計測した
排気ガス中の特定成分ガス濃度とを演算して、特定成分
ガスの瞬時重量を求める排気ガス成分計量方法が提案さ
れている（特開昭54-127388号公報）。

【０００３】また、前記排気ガス成分計量方法に用いら
れる希釈空気の質量流量計としては、層流素子形・ピト
ー管形・カルマン渦形・熱線式形を使うことが、一般に
行われ、これらの流量計の一つを用いることによって加
減速時などエンジン運転状態の急変に対応した排気ガス
流量の瞬時測定が可能となっている（特開昭62-157546
号公報、特開昭62-157547号公報、特開平4-231868号公
報参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来の
排気ガス成分計量方法及び該方法を実施する装置には、
次ぎのような課題がある。その１つは、希釈する空気
は、試験計測室またはその近傍の大気を取り込み、温度
・湿度などを調節して使用するが、排気は、運転モード
によりその排気圧力が変動する。そのため両者を自然混
合し、その後、定容量をポンピングしても、その希釈率
は、排圧の影響等で一定とはならず、モード運転中の排
気の総量に占める希釈空気の割合にも変動要因が生じる
ものであった。

【０００５】また、２つ目の課題としては、運転モード
により排気の成分比率が変るために、仮に希釈比率が一
定としても、排気ガス中の酸素、一酸化炭素、炭化水素
系など特定の成分に関して連続的な計測監視をしたこと
にならないことである。要するに、排気ガスの各成分別
に高速応答、高精度、高感度の期待できるガスセンサが
望まれているのである。

【０００６】因みに、排気ガス成分計量において、現
在、主に採用されているガス成分別の検出手段として
は、ＨＣについては水素炎反応ＦＩＤ法があり、その水
素炎反応ＦＩＤ法による10-90%応答性は1.5sであり、Ｃ
Ｏについては非分散分光光度計ＮＤＩＲ法があり、その
非分散分光光度計ＮＤＩＲ法による10-90%応答性は1.5-
3.0sである。いずれの手段も、排気成分の計測監視応答
性としては、目標の100倍以上遅い性能となっている。

【０００７】その他の検出素子としては、各種金属複合
酸化物半導体式については、耐熱性、感度安定性などに
問題があって実用化が不可能であり、拡散抑制形ジルコ
ニア排気成分濃度センサについては、酸素または未燃成
分のリニア検出のみが実用化されており、拡散層の目詰
まりによる感度変動などの問題点がある。本発明は、こ
のような問題に鑑みてなされたものであって、その目的
するところは、自動車の排気ガス中の酸素、一酸化炭
素、炭化水素系など特定排気成分を連続的、かつ、高速
応答で高精度に瞬時測定することができる排気成分計量
方法及び排気成分計量装置を提供することであり、か
つ、自動車を所定のモードで運転したときの排気ガスの
重量の総量を計量するのに有益な排気成分計量方法及び
排気成分計量装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成すべく、
本発明に係る排気成分計量方法は、排気ガスの流量と排
気ガス中の特定成分ガス濃度とから排気ガス中の特定成
分の瞬時の質量流量を連続的に計量するものであって、
排気ガスを希釈する前の空気の質量流量と該空気で希釈
された排気ガスの合計質量流量とを、上下流で２つ質量
流量計で各々計測し、該計測値の差の質量流量から排気
ガス流量の瞬時値を求めることを特徴とし、前記質量流
量計が、熱式質量流量計であることを特徴としている。

【０００９】また、本発明に係る排気成分計量方法は、
排気ガスを希釈する前の空気の質量流量を熱式質量流量
計で計測し、該空気で希釈混合した後の排気ガスを圧力
計で圧力を計測すると共に温度計で絶対温度を計測し、
前記圧力値と絶対温度とから空気で希釈された排気ガス
の合計質量流量を瞬時値を求めることを特徴としてい
る。

【００１０】更に、本発明の排気成分計量方法は、排気
ガスを希釈する前の空気の質量流量を熱式質量流量計で
計測すると共に、排気ガス中の酸素または未燃成分濃度
を拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度センサで計測し、
前記空気を希釈する前の空気の質量流量と排気中の酸素
または未燃成分濃度とから、排気ガスの瞬時流量を連続
的に計量することを特徴としている。

【００１１】更にまた、本発明の排気成分計量方法は、
希釈前の排気ガス及び希釈後の排気ガスを、拡散抑制形
ジルコニア排気成分濃度センサで計測し、これらの結果
から希釈前の排気ガスの質量流量と、排気ガス中の酸素
または未燃成分濃度とを連続的に計量することを特徴と
し、かつ、前記二つの拡散抑制形ジルコニア排気成分濃
度センサによって空気の希釈前及び希釈後における排気
ガス中の酸素または未燃成分濃度を各々計測し、熱式質
量流量計によって希釈空気の質量流量を計測し、両計測
値を比較して排気ガスの瞬時値情報を得ることを特徴と
している。

【００１２】更にまた、本発明の排気成分計量方法は、
互いに検出素子温度の異なる一対の拡散抑制形ジルコニ
ア排気成分濃度センサを空気で希釈する前及び希釈後の
排気ガス通路に各々配置して、酸素、一酸化炭素、炭化
水素系などの特定排気成分濃度を分離計測するか、もし
くは、排気ガスを希釈する前の空気の質量流量を熱式質
量流量計で計測するとともに、拡散抑制形ジルコニア排
気成分濃度センサで希釈した排気中の酸素または未燃成
分濃度を計測し、排気成分の瞬時流量を連続的に計量す
ることを特徴としている。

【００１３】一方、前記排気成分計量方法に用いられる
装置として、本発明の排気成分計量装置は、混合部の上
流側に排気導入部と希釈空気導入部とを各々配備すると
共に下流側に排出部を配備し、前記希釈空気導入部と排
出部とに質量流量計を各々配置したことを特徴とし、前
記質量流量計が熱式質量流量計であることを特徴として
いる。

【００１４】また、本発明の排気成分計量装置は、混合
部の上流側に排気導入部と希釈空気導入部とを各々配備
すると共に下流側に排出部と臨界ベンチュリ形定流量装
置とを順次配備し、前記希釈空気導入部に熱式質量流量
計を配置し、前記臨界ベンチュリ形定流量装置の上流に
圧力計と温度計とを配置したことを特徴としている。更
に、本発明の排気成分計量装置は、混合部の上流側に排
気導入部と希釈空気導入部とを各々配備すると共に下流
側に排出部を配備し、前記希釈空気導入部に熱式質量流
量計を配置し、前記排気導入部に拡散抑制形ジルコニア
排気成分濃度センサを配置したことを特徴としている。

【００１５】更にまた、本発明の排気成分計量装置は、
前記排気導入部と排出部とに各々拡散抑制形ジルコニア
排気成分濃度センサを配置するか、前記排気導入部と排
出部とに互いに検出素子温度の異なる一対の拡散抑制形
ジルコニア排気成分濃度センサを各々配置したことを特
徴としている。前述の如く構成された本発明の排気成分
計量方法と排気成分計量装置は、次のように機能する。
即ち、希釈する空気と希釈された排気ガスとの両質量流
量を高速応答、高感度、高精度に計測でき、該計測値に
基づいて排気ガス流量の瞬時値を算出できると共に、該
排気ガスの流量と排気ガス中の特定成分ガスの濃度とか
ら排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流量を連続的に算
出できるものである。

【００１６】そして、本発明の排気成分計量方法と排気
成分計量装置は、所定運転モードにおける排気ガス成分
の総重量に対して高速応答、高精度、高感度で瞬時排気
成分の質量を連続的に計測する必要があることから同一
検出方式の質量検出形の流量計を採択し、特に、多くの
方式の中から自動車のエンジン制御にすでに実用化され
ている熱式質量流量計を選択したものである。

【００１７】また、温度と圧力の変動する排気流量を計
測するために、温度センサと絶対圧力センサまたは相対
圧力センサを用いて圧力と絶対温度を計測し、該計測値
に基づきボイルシャルルの法則から希釈された排気ガス
の質量流量を求めることができるものである。更に、拡
散抑制形ジルコニア排気成分濃度センサを用いて、空気
で希釈される前の排気中の酸素と未燃成分または酸素と
一酸化炭素と炭化水素系の成分濃度をそれぞれ分離計測
し、又は、該排気成分濃度センサで、空気で希釈される
前の排気ガスと希釈後の排気ガスとを分離計測すること
により、希釈空気の流量を計測することなく排気ガス成
分の監視計測をすることができる。

【００１８】そして、前記拡散抑制形ジルコニア排気成
分濃度センサについては、酸素または未燃成分のリニア
検出ばかりでなく、必要に応じて、酸素、一酸化炭素、
炭化水素系を分離計測できるように、異温度セル法とい
う新しい未燃成分の分離計測の採択を可能にしていると
ともに、拡散層の目詰まりによる感度変動に対しては、
減速時の燃料カット期間中にセンサが大気に曝されてい
る間に出力関数の大気点における出力電圧のメモリ値を
書替える、いわゆる、大気校正法で初期ばらつきや経時
変化を補正する方法を採用している。

【００１９】なお、異温度セル法は、濃淡電池の制御温
度を、例えば、650℃と350℃のように設定すると、ＨＣ
とＣＯの酸素イオン電流Ｉpによる検出感度がそれぞれ
1：8となり、２つのセルのＩp値から、ＨＣとＣＯの濃
度を分離して求めることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づき本発明の実施
の形態について詳細に説明する。図 1は、本発明の第１
の実施形態であり、自動車の排気ガスを空気で希釈し、
該排気ガスの有害成分濃度を求めるサンプリング系の排
気ガス成分計量装置１を示しており、該排気ガス成分計
量装置１は、臨界流量ベンチュリ(CFV)を使用した定容
量サンプリング(CVS)法によって、空気で希釈された排
気ガスの有害成分濃度を走行距離当りの重量に換算して
求めるものである。

【００２１】図１において、供試車Ｇは、その排気管口
にフレキシブル継手Ｇａを接続し、該フレキシブル継手
Ｇａには排気導入部２が接続されている。３は希釈空気
導入部、３ａは希釈空気導入口、４は希釈空気の質量流
量計、５は希釈空気の整流部である。前記排気導入部２
と前記希釈空気導入部３とから導かれる排気ガスと希釈
空気は、混合部６に導かれて混合され、微粒子を除去す
るサイクロン８ａに導かれる。７は空気で希釈された排
気ガスの質量流量を検出する質量流量計、８は冷却用熱
交換器、９は臨界流量ベンチュリ形定流量装置であり、
１０は遠心圧縮形ポンプ、１１は消音器である。

【００２２】前記臨界流量ベンチュリ形定流量装置９
は、ベンチュリを複数個組み合せたものであり、所要の
流量を設定するためにそれぞれのベンチュリの下流側に
電磁開閉弁９ａを備えるとともに、ベンチュリ上流部に
は排気ガスの温度計と気圧計を配置（図示省略）して該
排気ガスの質量流量Ｑ( = CP/T1/2)を所定の運転モード
の間、連続的に求めるようにされている。

【００２３】排気分析計へのガスサンプリング態の採取
は、サンプリング流路２ａから空気で希釈される前の排
気ガスを取り込み、さらに臨界流量ベンチュリ形定流量
装置９（CFV）上流部から空気で希釈された排気ガスを
サンプル採取ポンプ（図示省略）によりバッグ等に採取
する。本実施形態は、従来、希釈する空気の流量のみを
高速応答で検出してきたのを、さらに空気で希釈された
排気ガスをも連続計測することとしている。即ち、排気
ガスを希釈する前の空気の流量ＱＡと、この空気の流量
ＱＡで希釈される排気ガス流量ＱＥとの合計流量ＱＴと
を、それぞれ高速応答型の同一検出方式の質量流量計
４、７で計測し、それらの差の流量ＱＴ−ＱＡから排気
ガス流量ＱＥの瞬時値を求め、定容量サンプリング法
（CVS）により採取され、計測され、平均化された排気
成分濃度と前記排気ガス流量ＱＥとを比較解析するもの
である。高速応答型の検出方式の質量流量計４、７とし
ては、熱線型または熱膜型を総称した熱式流量計が採用
されるものであり、該熱式流量計は自動車に実用化され
ている点で実績があると共に、質量検出型であるため最
適である。

【００２４】排気温度、排気圧力が運転条件により変動
すると、当然空気の希釈率も変動する。そのため排気ガ
ス質量流量ＱＥは、合計流量ＱＴから希釈する前の空気
の流量ＱＡを引くことにより算出するのがより精度が高
い。定温度差制御熱式流量計は、質量検出型であり、気
温、気圧補正ができる。質量流量計７の設置に当たって
は、排気温がやや高ければ、流量計７の配置を下流側に
下げるか、熱交換器などによる冷却効果も利用できる。

【００２５】図２は、第２の実施形態であり、図１のサ
ンプリング系計量分析装置１の混合器６の周辺の部分の
みを示すものである。図１の第１の実施形態との相違
は、空気で希釈された排気ガスの質量流量計７の代り
に、気温計１３と気圧計１４を混合器６またはその下流
に配設した点である。図２中、３は希釈空気導入部、３
ａは希釈空気導入口、４は希釈する空気の質量流量計、
５は希釈空気の整流部、６は排気と希釈空気の混合器で
ある。

【００２６】前記気圧計１４で絶対値または相対値を計
測し、前記気温計１３で絶対温度を計測する。排気導入
管２と、空気で希釈される前の排気ガスのサンプリング
流路２ａと、空気で希釈された排気ガスを臨界流量ベン
チュリ９でポンピングするための排出部１２とが図１と
同様に配置されている。前記気圧計１４と気温計１３で
計測した混合器６またはその周辺の気温と気圧とからボ
イルシャルルの法則に基づき混合後の合計流量ＱＴを求
めることができ、該合計流量ＱＴが求まれば、希釈する
前の空気の流量ＱＡとの関係から排気ガスの質量流量Ｑ
Ｅは、ＱＥ＝Ｃ（ＱＴ−ＱＡ）で求めることができる。
ここで、Ｃは、充填効率に関する補正係数であり、実験
的に最適化して決める。

【００２７】図３は、第３の実施形態であり、図２と同
様に、図１のサンプリング系計量分析装置１の混合器６
の周辺の部分を示すもので、図 1の第１の実施形態との
相違は、空気で希釈された排気ガスを計測する流量計７
の代りに、拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度センサ１
５を混合器６周辺に配設した点にある。図３中には、希
釈空気導入部３、希釈空気導入口３ａ、希釈する空気を
計測する質量流量計４、希釈空気の整流部５、排気ガス
と希釈空気との混合器６が同様に配置されている。前記
拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度センサ１５は、排気
ガス中の酸素またはＣＯやＨＣなどの未燃成分の合計値
を計測するものである。また、排気導入部２、空気で希
釈される前のサンプリング通路２ａ、空気で希釈された
排気を臨界流量ベンチュリ９でポンピングする排出部１
２が配置されている。

【００２８】排気成分濃度センサ１５は、酸素濃度およ
びＣＯやＨＣなどの未燃成分の合計濃度を酸素イオン電
流で別々に計測するものであり、前記質量流量計４で希
釈する空気の流量ＱＡを計測する。該二つの計測によっ
て、空気が混合した場合の合計酸素濃度、希釈された未
燃成分濃度の過渡波形などの瞬時解析情報が求められ
る。

【００２９】この構造の利点は、前記質量流量計４が大
気温で計測できると共に、排気ガスの成分は、耐熱性の
ある排気成分濃度センサ１５で計測できるので、いずれ
の使用においても、性能もしくは環境上の問題がないこ
とである。図４は、第４の実施形態であり、図２、図３
と同様に、図 1のサンプリング系計量分析装置１の混合
器６の周辺の部分を示すもので、図 1の第１の実施形態
との相違は、混合器６の前後に配置した２つの質量流量
計４、７とともに、二つの拡散抑制形ジルコニア排気成
分濃度センサ１５、１６を混合器６の前後の希釈前排気
ガス側と希釈後排気ガス側にそれぞれ配設したことであ
る。

【００３０】図４中、拡散抑制形ジルコニア排気成分濃
度センサ１５は、排気中の酸素またはＣＯやＨＣなどの
未燃成分の合計値を計測し、拡散抑制形ジルコニア排気
成分濃度センサ１６は、希釈された排気ガスの排気成分
を計測する。二つの排気成分濃度センサ１５、１６は、
酸素濃度およびＣＯやＨＣなどの未燃成分の合計濃度を
酸素イオン電流で別々に計測することにより、希釈空気
により酸素濃度変動の過渡波形を混合器６の前後で比較
できるようにするとともに、希釈空気により質量流量の
過渡波形を混合器６前後で比較できるようにしている。
これらの波形を比較することにより、排気圧力の変動が
希釈空気の混合比率や希釈空気と排気ガスの総流量に与
える影響を含めて排気ガスの成分の分析ができる。

【００３１】この構造の利点は、成分濃度と質量流量と
を、それぞれ混合器６の前後で計測することにより、排
気圧力と排気温度の影響、排気と空気の混合の不均質性
等の流れの状況をも監視することができることである。
図５は、第５の実施形態であり、図１のサンプリング系
計量分析装置１の混合器６の周辺の部分を示すもので、
図１の第１の実施形態との相違は、空気で希釈された排
気ガスの質量流量計７の代りに、拡散抑制形ジルコニア
排気成分濃度センサ１６を混合器６の下流側に配設した
ことである。

【００３２】図５中、前記拡散抑制形ジルコニア排気成
分濃度センサ１６は、空気で希釈された排気中の酸素ま
たはＣＯやＨＣなどの未燃成分の合計値を計測する。本
実施形態は、前記排気成分濃度センサ１６で酸素濃度お
よびＣＯやＨＣなどの未燃成分の合計濃度を酸素イオン
電流の方向で判別して別々に計測するとともに、前記質
量流量計４で希釈空気の質量流量を計測することによ
り、空気が混合した場合の合計酸素濃度、希釈された未
燃成分濃度の過渡波形などの瞬時解析情報がとれる。

【００３３】この構造の利点は、前記質量流量計４は、
大気温で計測でき、排気ガスの成分は耐熱性のある前記
排気成分濃度センサ１６で計測できるので、いずれも性
能、環境上の問題がないことである。計測量を数式で示
すと、排気ガスを希釈する前の空気の質量流量ＱＡを熱
式の質量流量計４で計測するとともに、拡散抑制形ジル
コニア排気成分濃度センサ１６で希釈した排気ガス中の
酸素または未燃成分濃度Ｂを計測すると、排気ガス成分
の瞬時流量ＢＱＴ−ａＱＡが連続的に計量できる。ここ
で、ＱＴ、ａは定数である。

【００３４】図６は、第６の実施形態であり、図１のサ
ンプリング系計量分析装置１の混合器６の周辺の部分を
示すもので、図１の第１の実施形態との相違は、空気で
希釈された排気ガスの質量流量計７の代りに、二つの拡
散抑制形ジルコニア排気成分濃度センサ１５、１６を混
合器６の上流側と下流側に各々配設したことである。図
６中、前記二つの拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度セ
ンサ１５、１６は、空気で希釈されない又は希釈された
排気ガス中の酸素またはＣＯやＨＣなどの未燃成分の合
計値を各々計測する。

【００３５】前記排気成分濃度センサ１５による未燃成
分濃度の連続計測値と、前記排気成分濃度センサ１６に
よる酸素濃度の連続計測値とは、それぞれ希釈空気濃度
と未燃成分濃度の瞬時値に連係する値であり、特に前者
については、熱式質量流量計４の計測値が排気圧や排気
温の影響を受けるので、前記熱式質量流量計４と前記排
気成分濃度センサ１６との計測値を比較することによっ
て、より実態に近い排気ガスの瞬時値情報が得られる。

【００３６】この構造の利点は、前記質量流量計４は大
気温で計測でき、空気で希釈された排気ガス成分は、耐
熱性のある前記排気成分濃度センサ１６で計測できるの
で、いずれも性能、環境上の問題がないことと、該計測
値は希釈空気流量の瞬時値であることである。図７は、
第７の実施形態であり、図１のサンプリング系計量分析
装置１の混合器６の周辺の部分を示すもので、図１の第
１の実施形態との相違は、空気で希釈された排気ガスの
質量流量計４の代りに、二つの拡散抑制形ジルコニア排
気成分濃度センサ１５、１６を混合器６の上流側と下流
側とに各々配設したことである。

【００３７】図７中、前記二つの散抑制形ジルコニア排
気成分濃度センサ１５、１６は、それぞれ空気を希釈す
る前と後の排気ガス成分濃度を計測する。この構造の利
点は、排気ガスまたは希釈空気を質量流量計で計測する
ことなく、前記二つの散抑制形ジルコニア排気成分濃度
センサ１５、１６を用いた酸素および未燃成分の濃度計
測だけで、過渡波形などの瞬時値を監視評価できるの
で、高速応答、簡易構成、大気における出力関数の校正
等で、精度維持が可能である。

【００３８】図８は、第８の実施形態であり、図１のサ
ンプリング系の排気ガス成分計量装置１の混合器６の周
辺の部分を示すもので、図 1の第１の実施形態との相違
は、空気で希釈された排気ガスの質量流量計７を止め
て、その代りに、四つの拡散抑制形ジルコニア排気成分
濃度センサ１５ａ、１５ｂ、１６ａ、１６ｂを混合器６
の上流側と下流側とに、それぞれ２つずつ配設したこと
である。

【００３９】一対の拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度
センサ１５ａ、１５ｂと他の一対の拡散抑制形ジルコニ
ア排気成分濃度センサ１６ａ、１６ｂとは、それぞれ空
気で希釈する前と後との排気ガスの成分濃度を計測する
ものであり、一対の拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度
センサ１５ａ、１５ｂもしくは一対の拡散抑制形ジルコ
ニア排気成分濃度センサ１６ａ、１６ｂは同じ構造して
いるが、そのセルの設定温度が異なるために、各種未燃
成分に対するガス感度が異なる。例えば、セル温度を35
0℃と650℃に設定し、ＨＣとＣＯの単位ガス濃度におけ
る酸素イオン電流感度を650℃と350℃の比で比較する
と、ＨＣのガス感度は温度低下によって大きく低下する
ため、ＣＯのガス感度と比較して1/8でとなる。

【００４０】図１４のグラフは、前記一対の拡散抑制形
ジルコニア排気成分濃度センサ１５ａ、１５ｂ（１６
ａ、１６ｂ）を用いた実測例を示している。該グラフの
縦軸は単位ガス濃度当りの酸素イオン電流であり、この
値は650℃においては、CO:3mA/vol%、HC:5mA/vol%であ
るのに対して、350℃では、CO:0.008mA/vol%、HC:0.001
5mA/vol%を示している。このように温度によってガス感
度係数が異なる特性を利用してＣＯとＨＣを分離計測す
るのが本実施形態のポイントとなるところである。

【００４１】この構造の利点は、酸素を正方向の酸素イ
オン電流で、そしてＨＣとＣＯをそれぞれ分離してその
濃度計測ができるとともに、それらの過渡波形などの瞬
時値を監視評価できるので、高速応答性と、簡易な構成
との両立が可能である。異なる温度の２つのセルによる
ＣＯとＨＣの分離計測は、図３、図４、図５、図６、図
７に示した１つのセル形の拡散抑制形ジルコニア排気成
分濃度センサを置き換えることにより、ＣＯ／ＨＣの分
離計測が可能となる。

【００４２】図９は、第９の実施形態であり、図１の第
１の実施形態におけるサンプリング系計量分析装置１の
排気導入管２に連結された自動車排気管の連結部に、予
め濃度が設定された標準ガスを充填したガスボンベ１７
を標準ガス流量計１８とガス温度調節器１９を経由して
連結し、排気ガス計測の前後において、総質量流量と各
成分濃度の解った標準ガスを少なくともアイドル相当量
を流し、前記質量流量センサ７、気圧センサ１４、気温
センサ１３、排気成分濃度センサ１５、１６の感度を校
正するための標準ガス供給装置２０を示したものであ
り、該装置２０の利用により、少なくとも瞬時計測値の
精度を維持することができる。

【００４３】前記のように、本発明の前記各実施形態に
おいては、排気圧、排気温、排気成分濃度、及び、質量
流量が変動する排気ガスにおけるＣＯとＨＣとを所定運
転モードにおいて、その総重量を定容量サンプリング法
で重量計測するに当たり、所定運転モードにおける部分
的な排出重量を高精度、高速応答で計測し、その瞬時値
を求めることによりエンジンの排気対策をより適切に行
なうことができるようにしたものであり、そのための方
法・装置として、熱式質量流量計、気温/気圧計、及
び、拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度センサを用い、
かつ、その組み合せを色々と変えて、それぞれに特徴あ
る方法と装置を提案したものである。

【００４４】これらの方法と装置の計測（検出）原理
は、質量流量については、直接質量流量計を用いて計測
するか、他の計測計の値からボイルシャルルの法則を用
いて求めるかのいづれかであり、また、排気ガスの成分
計測については、モル濃度と質量流量を直接計測するこ
とである。いずれの計測も、高速応答性で、瞬時値計測
ができることを主眼として、センサを用いる方式とし
た。該計測に使用される各種センサの組み合せについて
は、全てを網羅して実施の形態として記載することはで
きないが、要するに、定容量サンプリング法における有
害排気ガスの成分の瞬時の重量を高速、高精度に計測す
るか、または、瞬時の重量とある程度相関のある値を瞬
時に計測して、エンジン空燃比制御の定常状態と過渡状
態とをそれぞれ最適化することを明かにしたものであ
る。

【００４５】図９の第９の実施形態は、希釈空気と既知
濃度のガス成分からなる校正ガスを流して、各種センサ
の校正について示したものであるが、校正ガスを流さ
ず、希釈空気のみを流して、希釈する空気導入部３と希
釈空気の合流した排出部１２に配置された各種センサの
ゼロとスパンを始動点検時に校正することにより所要の
精度を維持することができる。前記校正ガスの気温、気
圧を予め実際の条件を考慮して調整し、希釈空気導入部
３も含めた全通気路を熱平衡に達するようにソーキング
した後、通路に配置された各種センサのゼロとスパンを
校正することにより、同様に、所要の精度を維持するこ
とができる。

【００４６】図９の第９の実施形態は、同一方式のセン
サを複数個気流の上下流に配置して、希釈空気、排気ガ
スまたは空気で希釈された排気ガスの流量、ガス成分濃
度を計測する装置において、これら複数のセンサの出力
特性の初期ばらつきや経時変化を校正するために行なう
手段であり、排気ガス、希釈空気または窒素などの標準
ガスのいずれか一方を流し、各センサの出力を比較校正
することにより、精度を維持することができる。ガス成
分濃度の校正については、希釈空気を流すと酸素濃度の
スパン、ＣＯやＨＣのゼロ校正ができ、窒素の標準ガス
を流すと酸素のゼロ校正ができる。さらに、排気ガスを
流して排気分析計の出力で校正することもできる。

【００４７】図１０は、希釈空気の流量計測用に設計さ
れた熱式質量流量計４の通路形状断面図を示したもので
ある。希釈空気は気温、気圧を調節され、ほぼ静止状態
の室内の大気から希釈空気として導入されるため、空調
機による空気の撹拌や室内の塵埃、人の動き、設備調度
の配置などが空気流に影響を及ぼさないようにすること
が必要である。そこで空気取り込み口には、整流用のメ
ッシュやフォーンを置き、直管部を検出素子上流部に配
置して、流れの方向の矯正と流速の均一化を計ってい
る。

【００４８】図１０において、熱式質量流量計４には、
空気通路入口の流れを整流するホーン９３とその下流の
空気通路９４とが配置され、該ホーン９３と空気通路９
４との間には空気の整流用と塵埃や落下物の防護用のメ
ッシュ９３ａを配置し、その下流には流れ検出素子周辺
の流れを整流するための直管９８、該直管９８の外側に
は整流用直管９９が配置され、該整流用直管９９は支持
金具１００に支持されている。流れ検出素子周辺の流れ
を整流するための前記直管９８内には、流量検出用感熱
抵抗体９６と希釈空気の温度変動を補正するための感温
抵抗体９７とが、４本の支柱９５に支持固定され、該支
柱９５は前記感熱抵抗体９６、９７を通電加熱する。機
構部材９１は前記４本の支柱を電気絶縁しつつ流路から
引出し、信号処理回路に接続するべく、ケーブル９２ａ
と空気通路外部のコネクタ９２ｂに接続されている。

【００４９】前記希釈空気用の熱式質量流量計４が配置
された希釈空気通路３の下流側にはハネカム形整流器の
前記整流部５が接続されている。図１０に示すように、
排気を希釈する前の空気の質量流量を計測する熱式質量
流量計４の配置は、大気導入口から少なくとも通路内直
径以上の長さの直管部を介在させるように構成すること
により、特定排気成分を高精度に計測することを可能に
している。

【００５０】図１０に示すように、排気を希釈する前の
空気の質量流量の一部をバイパス通路（整流直管９８）
に導入して熱式質量流量計４で計測するにあたり、流量
・温度検出素子・制御回路部をバイパス通路（整流直管
９８）と一体形成して、これをメイン通路（整流用直管
９９）内に収納するように構成することにより、排気ガ
ス成分の質量流量を高速応答で計量することができる。

【００５１】図１０の熱式質量流量計４と同じ計量計で
ある排気ガスと希釈空気との合計質量流量を計量する熱
式質量流量計７について説明する。一対の感熱抵抗体９
６、９７（検出素子）とその引出導体および支持部材の
温度を、排気ガスと希釈空気とを合流させた流体の温度
ＴＴに応答よく追随して馴染ませるために、空気通路体
１１１から前記一対の感熱抵抗体９６、９７（検出素
子）とその引出導体および支持部材を分離断熱した構造
とするとともに、必要に応じてこの熱式質量流量計７の
駆動回路部は空気通路体１１１から断熱し、室内の大気
温度に馴染ませる構造とするものである。図１０の支柱
９５と支柱９７とを電気絶縁し流路から引出し、信号処
理回路まで接続する機構部材９１は熱容量を小さくし、
応答よく排気の温度変動に追随させるとともに、感熱抵
抗体９６の熱量が支柱９５側に流出しないようにするた
めに、細長くして断熱効果をあげなければならない。

【００５２】図１０に示す実施形態とは異なるが、空気
で希釈された排気ガスの合計質量流量を均質化後に熱式
質量流量計７で計測するにあたり、流量・温度検出素子
をバイパス通路（整流直管９８）と一体形成してメイン
通路（整流用直管９９）内に収納するとともに、制御回
路部を主通路（空気通路９４）の外壁に支持固定し、空
気と排気ガスとの合計気流の熱影響を遮断するように配
置することにより、特定排気成分の質量流量を高速応
答、高精度に計量することができる。

【００５３】図１１は、図１０に示した流体の質量流量
を計量する熱式質量流量計４、７の一対の感熱抵抗体
（検出素子）９６、９７の内の一つで、該感熱抵抗体９
６（９７）少なくともステンレス製の支柱９５に固定さ
れた白金イリジウム線体１３２に支持固定されている。
流量検出素子の感温抵抗体９６は、膜状または線状に白
金を基体表面に形成したものであり、前記白金イリジウ
ム線体１３２にコートされているガラス製の絶縁性基体
１３３を介して取付られているアルミナボビン１３６に
白金系の感温抵抗線１３５をスパイラル状に巻き付けて
形成し、その上に薄くガラス被覆膜１３４を形成したも
のである。

【００５４】図１２は、拡散抑制形ジルコニア排気成分
濃度センサ１５、１６の動作原理を示したものである。
図１１（ａ）は、前記センサ１５、１６の検出部の断面
図を示したもので、袋管状のジルコニア固体電解質体５
１の内外面に白金電極５２、５３を形成し、内空部には
円筒状ヒータ５４を挿入する。袋管壁部を拡大して図１
１（ｂ）に示す。大気側の基準電極５３、ジルコニア固
体電解質体５１、排気または希釈空気と排気の混合気側
の検出電極５２、多孔質セラミック部材５５からなりガ
スの拡散を抑制する。検出電極５２と拡散抑制部材（多
孔質セラミック部材５５）との界面には微小空間５６が
ある。一対の電極５２、５３と固体電解質体５１からな
る濃淡電池はヒータ５７で加熱することにより内部抵抗
Riが低下し、酸素イオン導電性を有し、外部電源Vsによ
り通電し電流Ipが流れ、両電極周辺における酸素濃度に
差異を生じると、その濃度比の対数に比例した起電力E
を出力する。起電力Eが一定になるように外部電源Vsを
制御し、拡散を抑制された酸素イオン電流を双方向に流
すとき、正逆双方向の酸素イオン電流Ipはそれぞれ拡散
膜５５周辺の酸素およびＣＯやＨＣなどの未燃成分濃度
と相関性を有することとなる。

【００５５】図１３は、前記第８の実施形態で述べた前
記一対の拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度センサ１５
ａ、１５ｂもしくは一対の拡散抑制形ジルコニア排気成
分濃度センサ１６ａ、１６ｂを、単一のセンサ素子構造
体１５、（１６）として組み込んだ構造を示したもので
ある。該センサ素子構造体１５、（１６）は、設定温度
の異なる２つのセル１１４と１１５、及び、１つのヒー
タ１１１とを一体化するために、固体電解質体１１２と
基準電極１１３とを共用するように構成し、２つのセル
１１４、１１５はそれぞれ異なる温度に設定されてＣＯ
とＨＣとを分離計測できるようにした場合のセンサ素子
の構造体を示している。

【００５６】以上、本発明の幾つかの実施形態について
詳説したが、本発明は、前記実施形態に限定されるもの
ではなく、特許請求の範囲に記載された発明の精神を逸
脱しない範囲で、設計において種々の変更ができるもの
である。

【００５７】

【発明の効果】以上の説明から理解できるように、本発
明の排気成分計量方法と排気成分計量装置は、自動車の
排気ガス中の酸素、一酸化炭素、炭化水素系など特定排
気成分を連続的、かつ、高速応答で高精度に瞬時測定す
ることができると共に、排気の圧力や温度の変動が空気
による排気の希釈率に与える影響を補正することがで
き、かつ、排気規制用運転モードの部分的な排気ガス質
量流量とその瞬時値を計測できるので、エンジン制御の
最適化が効率よくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の定容量サンプリング
の排気成分計量装置（計量計＋計量計）の全体概略図。

【図２】本発明の第２の実施形態の排気成分計量装置
（計量計＋気温・気圧計）の要部概略図。

【図３】本発明の第３の実施形態の排気成分計量装置
(流量計＋濃度計)の要部概略図。

【図４】本発明の第４の実施形態の排気成分計量装置
(流量計＋濃度計→流量、濃度計)の要部概略図。

【図５】本発明の第５の実施形態の排気成分計量装置
(流量計→濃度計)の概略図。

【図６】本発明の第６の実施形態の排気成分計量装置
(流量計＋濃度計→濃度計)の概略図。

【図７】本発明の第７の実施形態の排気成分計量装置
(濃度計→濃度計)の概略図。

【図８】本発明の第８の実施形態の排気成分計量装置
(流量計＋濃度計×2→濃度計×2)の概略図。

【図９】本発明の第９の実施形態の排気成分計量装置
(流量計＋流量計→流量計)の概略図。

【図１０】本発明に使用する熱式質量流量計の断面図

【図１１】図１０の熱式質量流量計の感温抵抗体の構造
図。

【図１２】本発明に使用する濃度計の概念図とその動作
原理図。

【図１３】本発明に使用する複合化素子構造の濃度計の
概念図。

【図１４】図１３の複合化素子構造の濃度計のガス感度
計数と素子温度との相関図。

【符号の説明】

１ 排気成分計量装置 ２ 排気導入部 ２ａ サンプリング流路 ３ 希釈空気導入部 ３ａ 希釈空気導入口 ４ 質量流量計 ５ 希釈空気整流部 ６ 混合部（混合器） ７ 質量流量計 ８ 冷却用熱交換器 ９ 臨界流量ベンチュリュリ １０ 遠心圧縮ポンプ １１ 消音器 １２ 排出部 １３ 気温計 １４ 気圧計 １５ 排気成分濃度センサ １６ 排気成分濃度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 南 直樹 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気ガスの流量ＱＥと排気ガス中の特定
   成分ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量
   流量を連続的に計量する排気成分計量方法において、 排気ガスを希釈する前の空気の質量流量ＱＡと該空気で
   希釈された排気ガスの合計質量流量ＱＴとを、上下流で
   ２つ質量流量計で各々計測し、該計測値の差の質量流量
   ＱＴ−ＱＡから排気ガス流量ＱＥの瞬時値を求めること
   を特徴とする排気ガス成分計量方法。
2. 【請求項２】 前記質量流量計が、熱式質量流量計であ
   ることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス成分計量
   方法。
3. 【請求項３】 排気ガスの流量ＱＥと排気ガス中の特定
   成分ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量
   流量を連続的に計量する排気成分計量方法において、 排気ガスを希釈する前の空気の質量流量ＱＡを熱式質量
   流量計で計測し、該空気で希釈混合した後の排気ガスを
   圧力計で圧力Ｐを計測すると共に温度計で絶対温度Tを
   計測し、前記圧力値Ｐと絶対温度Ｔとから空気で希釈さ
   れた排気ガスの合計質量流量ＱＴの瞬時値を求めること
   を特徴とする排気成分計量方法。
4. 【請求項４】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成分
   ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流量
   を連続的に計量する排気成分計量方法において、 排気ガスを希釈する前の空気の質量流量を熱式質量流量
   計で計測すると共に、排気ガス中の酸素または未燃成分
   濃度Ｂを拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度センサで計
   測し、これらから、排気ガス中の酸素または未燃成分の
   瞬時流量を連続的に計量することを特徴とする排気成分
   計量方法。
5. 【請求項５】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成分
   ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流量
   を連続的に計量する排気成分計量方法において、 希釈前の排気ガス及び希釈後の排気ガスを、拡散抑制形
   ジルコニア排気成分濃度センサで計測し、これらの結果
   から希釈前の排気ガスの質量流量と、排気ガス中の酸素
   または未燃成分濃度とを連続的に計量することを特徴と
   する排気成分計量方法。
6. 【請求項６】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成分
   ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流量
   を連続的に計量する排気成分計量方法において、 二つの拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度センサによっ
   て空気の希釈前及び希釈後における排気ガス中の酸素ま
   たは未燃成分濃度を各々計測し、熱式質量流量計によっ
   て希釈空気の質量流量の計測し、両計測値を比較して排
   気ガスの瞬時値情報を得ることを特徴とする排気成分計
   量方法。
7. 【請求項７】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成分
   ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流量
   を連続的に計量する排気成分計量方法において、 互いに検出素子温度の異なる一対の拡散抑制形ジルコニ
   ア排気成分濃度センサを空気で希釈する前及び希釈後の
   排気ガス通路に各々配置して、酸素、一酸化炭素、炭化
   水素系などの特定排気成分濃度を分離計測することを特
   徴とする排気成分計量方法。
8. 【請求項８】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成分
   ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流量
   を連続的に計量する排気成分計量装置において、 混合部の上流側に排気導入部と希釈空気導入部とを各々
   配備すると共に下流側に排出部を配備し、前記希釈空気
   導入部と排出部とに質量流量計を各々配置したことを特
   徴とする排気ガス成分計量装置。
9. 【請求項９】 前記質量流量計が、熱式質量流量計であ
   ることを特徴とする請求項８に記載の排気ガス成分計量
   装置。
10. 【請求項１０】 前記熱式質量流量計は、一対の検出素
    子、引出導体、及び、支持部材の温度を排気ガスと希釈
    空気を合流させた流体の温度に近似させるべく、空気通
    路体から前記一対の検出素子、前記引出導体、及び、支
    持部材を分離断熱した構造とすると共に、前記熱式質量
    流量計の駆動回路部は空気通路体から断熱し、外気温度
    に馴染ませる構造とすることを特徴とする請求項９に記
    載の排気ガス成分計量装置。
11. 【請求項１１】 希釈空気導入部の熱式質量流量計の配
    置においては、大気導入口から少なくとも通路内直径以
    上の長さの直管部を介在させるように構成したことを特
    徴とする請求項９に記載の排気ガス成分計量装置。。
12. 【請求項１２】 前記熱式質量流量計の一対の検出素子
    の内、少なくとも一つの流量検出素子は、絶縁性基体に
    白金系の感温抵抗体を膜状または線状に形成し、必要に
    応じてガラス被覆膜を形成することを特徴とする請求項
    ９に記載の排気ガス成分計量装置。
13. 【請求項１３】 前記希釈空気導入部の熱式質量流量計
    は、排気を希釈する前の空気の一部を導入するバイパス
    通路を備え、流量・温度検出素子と制御回路部を前記バ
    イパス通路と一体形成し、該バイパス通路をメイン通路
    内に収納するように構成したことを特徴とする請求項９
    に記載の排気ガス成分計量装置。
14. 【請求項１４】 前記排出部の熱式質量流量計は、流量
    ・温度検出素子をバイパス通路と一体形成してメイン通
    路内に収納するとともに、制御回路部をメイン通路の外
    壁に支持固定し、空気と排気の合計気流の熱影響を遮断
    するように配置したことを特徴とする請求項９に記載の
    排気ガス成分計量装置。
15. 【請求項１５】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成
    分ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流
    量を連続的に計量する排気成分計量装置において、 混合部の上流側に排気導入部と希釈空気導入部とを各々
    配備すると共に下流側に排出部と臨界ベンチュリ形定流
    量装置とを順次配備し、前記希釈空気導入部に熱式質量
    流量計を配置し、前記臨界ベンチュリ形定流量装置の上
    流に圧力計と温度計とを配置したことを特徴とする排気
    ガス成分計量装置。
16. 【請求項１６】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成
    分ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流
    量を連続的に計量する排気成分計量装置において、 混合部の上流側に排気導入部と希釈空気導入部とを各々
    配備すると共に下流側に排出部を配備し、前記希釈空気
    導入部に熱式質量流量計を配置し、前記排気導入部に拡
    散抑制形ジルコニア排気成分濃度センサを配置したこと
    を特徴とする排気ガス成分計量装置。
17. 【請求項１７】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成
    分ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流
    量を連続的に計量する排気成分計量装置において、 混合部の上流側に排気導入部と希釈空気導入部とを各々
    配備すると共に下流側に排出部を配備し、前記排気導入
    部と排出部とに各々拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度
    センサを配置したことを特徴とする排気成分計量装置。
18. 【請求項１８】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成
    分ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流
    量を連続的に計量する排気成分計量装置において、 混合部の上流側に排気導入部と希釈空気導入部とを各々
    配備すると共に下流側に排出部を配備し、前記排気導入
    部と排出部とに互いに検出素子温度の異なる一対の拡散
    抑制形ジルコニア排気成分濃度センサを各々配置したこ
    とを特徴とする排気成分計量装置。
19. 【請求項１９】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成
    分ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流
    量を連続的に計量する排気成分計量方法において、 拡散抑制形ジルコニア排気成分濃度センサによって空気
    で希釈される前及び後の排気ガス中の酸素または未燃成
    分濃度を計測するにあたって、前記濃度センサは、希釈
    空気または排気ガスのいずれかを遮断することで同一ガ
    スにおける感度校正をすることを特徴とする排気成分計
    量方法。
20. 【請求項２０】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成
    分ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流
    量を連続的に計量する排気成分計量方法において、 排気ガスを流さず希釈空気のみを流して、混合部の上流
    側の排気導入部の空気の質量流量と下流側の排出部の空
    気の質量流量とを計量し、両者の流量による誤差分を予
    め校正することを特徴とする排気ガス成分計量方法。
21. 【請求項２１】 排気ガスの流量と排気ガス中の特定成
    分ガス濃度とから排気ガス中の特定成分の瞬時の質量流
    量を連続的に計量する排気成分計量方法において、 排気ガスを流さず、所定温度・圧力に調整された成分濃
    度と質量流量とが既知の標準ガスを排気導入部から流
    し、計量精度を校正することを特徴とする排気ガス成分
    計量方法。