Gas Super Brochure 2014 Update(J3).indd

Sour ce: Bosch 0 10,000 20,000 30,000 40,000 -100 -50 0 50 100 150 200 250 Flame arrival [HC] (ppm C 3 )

Crank angle degrees ATDC Rapid burn-down

Burned gas

Post-flame hydrocarbons from crevices etc. Signal invalid

during intake stroke

Pre-flame mixture HC concentration

PFI gasoline [HC] at spark plug, idle

Cylinder pressure (for indication) 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 2.35 2.355 2.36 2.365 2.37 2.375 2.38 2.385 2.39 2.395 2.4 Exhaust valve opens Exhaust valve closes

Time since engine start (s)

[HC] (ppm C

3

)

GDI exhaust port HC during single exhaust stroke at idle following cold start

Scroll-up HCs from cylinder wall & piston crown are last to exit cylinder Other crevice or surface HCs

are entrained into exhaust flow Trapped exhaust valve crevice HCs are expelled first

Blow-down and expulsion of burned gas contents from cylinder

since engine start (s)

超高速応答ガスアナライザ

・ 冷間始動時のキャリブレーション

・ リアルタイムEGRコントロールの

微調整

・ 過渡時の燃料供給コントロール

・ 燃焼の改善

・ 過渡時の触媒能力評価

・ ダイレクト筒内測定

・ ガソリン，ディーゼルおよび代替

燃料エンジン計測用

・ 温度< 0℃での低温サンプリング

過渡

過渡

HC, NO

HC, NO

_X

_X

, CO & CO

, CO & CO

₂

₂

計測用

計測用

エキゾースト，インテークおよびインシリンダ用アプリケーション

エキゾースト，インテークおよびインシリンダ用アプリケーション

0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 Engine out [HC] Engine speed

[HC] (ppm C

)

Engine spee

d

(rpm)

Time (s)

Engine out HC during cold start on a 1.6 Litre GDI engine

1st fuel injection event

Single injection pulses Split (double) injection pulses

Trapped cylinder contents purge

during cranking Spark retardedto aid catalyst light-off

Individual exhaust stroke features visible

アプリケーション：

火花点火エンジンのキャリブレーション ドライブサイクルの初期に続くエンジン始動部（クランキング開始から約3秒間）には，現行および将来のエミッション規制により，完全 燃焼や安定な燃焼が求められることになります．排気後処理システムの暖機中におけるエンジンアウトのエミッションは一般に，何も 処理されずに大気へ放出されるため，各気筒の燃焼や排気工程毎の状態を把握することが重要となります．後処理用の触媒加熱を 促進させるには，点火や多段燃料噴射のタイミング遅延，ターボチャージャの熱慣性，冷間エンジンの内部表面，過渡時における燃 料供給方法の解析，およびVVTシステムを最適化することが研究者の課題となっています．代替燃料の導入は，既存燃焼システム への課題を確認する（とりわけ冷間時）ことができ，代替燃料での燃料噴射時期や点火タイミング，およびバルブタイミング等はこれ らの高速応答ガスアナライザを使うことで調査研究できます． 高速応答FID HFR500は，部分燃焼や排気弁からのリーク等，過渡時のイベントを識別するのに効果的であり，一方では高速応答 CO, CO2計NDIR500を使い，COやCO2のエミッション濃度と空燃比の関係から導かれる，燃焼λの超高速測定用として使うこともで きます．

高速HC計 HFR500（写真右）

高速NOx計 CLD500

高速CO & CO

₂

計 NDIR500

それぞれのガスアナライザは2チャンネル で構成され，開梱と同時に使える状態でお 届けします．AKプロトコルを介したコントロ ール，低温条件下での計測に対応可能な サンプリング用アクセサリ，筒内サンプリン グ用のハードウェア，および交換用のサン プルプローブ等はオプション部品として提供 します．

超高速応答ガスアナライザの姉妹機種

0 4 8 12 16 20 24 121 122 123 124 125 126 127 128 -2,400 -2,000 -1,600 -1,200 -800 -400 0 CO2 at Intake Port 1

CO2 Post EGR Valve

Average Speed (kph/2) EGR Valve Drive Pressure

EGR delay during gear change on a diesel passenger car

Time (s) EGR V alve Drive P ressure (mbar) CO 2 (%) & V ehicle Speed (kph/2)

EGR valve closes EGR valve re-opens

EGR valve closes, then re-opens during gear change

~1s delay before EGR reaches intake port

720° single intake stroke Transient NO measurement 200 - 305 seconds of FTP75 drive-cycle

[NO] (ppm)

Ve

hicle Speed (mph)

Time since start (seconds)

-10 0 10 20 30 40 50 60 0 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 200 220 240 260 280 300 0 100 200 300 400 500 600 700 800 210 212 214 216 218 220 0.96 0.98 1 1.02

Poor NO conversion during lean half-cycles due to aged catalyst with poor oxygen storage

Time since start (seconds)

[NO] (ppm) Ȝ Vehicle Speed Slow NO Engine-out Fast NO Tailpipe Fast NO Engine-out Fast NO Engine-out Fast NO Tailpipe Lambda 0 5 10 15 20 25 30 35 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000

Fast NO measurement in the exhaust port of an SI engine

high load, 1,500 RPM,Ȝ=1 [NO] Cylinder Pressure Time (ms) [NO] (ppm) Cylinder P ressure (bar)

EGRシステムの開発とコントロール

低圧EGR（LP-EGR）システムの出現は，既存の高圧EGR（HP-EGR）システムを上回る耐久性と効率の利点をもたらします．ところ がこのEGR量をコントロールすることは，エンジンの運転条件全体からみて依然複雑なままとなっています；高，低圧EGR共に現時 点での課題となっています．タイミング良く正確な 量のEGRをかけることは，NOxや排出粒子の低 減対策として必須事項となります． NDIR500は，EGRループの任意な点からサンプ ルできるため，EGR量のリアルタイム測定で幅 広く利用できます．過渡時の遅れや，特定気筒 のEGR量不均衡を厳密に調査できるため，これ によってキャリブレーションを改善することができ ます．またNDIR500は，断続的に起こる問題点 を確認することもできます（EGRバルブの固着や 目詰まり等）．

エンジンの燃焼改善と周期的な変動

エンジン1サイクル毎のHC, NOx, COおよびCO₂エミッションのエキ ゾーストポート測定は，燃焼改善プログラムの解決策となります．各 サイクルで排出されるエミッションは，ガス交換メカニズムの理解や 燃焼，および有害物質の生成過程に関する理解を深めるため，しば しば筒内圧力のデータと共に考えることが一般的となっています． 各シリンダから排出される有害物質を，エンジンの過渡時で比較す ると空燃比の不揃いを明らかにすることができます（例：トータル的な エンジンアウトガスの空燃比がλ=1の理論空燃比でも，シリンダに よっては濃度の高い（低い）COを排出していることもあります）．過渡 時におけるシリンダ間のEGR不揃いも懸念され，負圧の高い吸気ポ ートからサンプルできるNDIR500の潜在能力は，このようなアプリケ ーションでの特性を解析するのに有用なツールとなります．

触媒や排気後処理システムの評価

近年のエミッション規制へ準拠させるには，触媒コ ンバータの性能が極めて重要となり，その触媒の 動作に関係するダイナミックな作動プロセスを理解 することが必要となります．冷間始動時における 触媒の点火や過渡運転時の酸素蓄積，触媒の損 傷，流量影響，およびシリンダ間の不均衡検出等 の重要な面では，排気後処理システムに出入りす るガスの高速濃度変化を見て調査します． エンジンの量産会社も，触媒にコーティングする貴 金属の使用量を減らすと共に，取り付け位置や形 状寸法を最適化し，エンジンアウトガスをコントロー ルして排気後処理システムの価格を低減すること に強い関心を抱いています．高速応答型ガスアナ ライザのサンプルプローブは，排気後処理システ ム変換効率の空間的変動をチェックするのに，後 処理器の上流側と下流側の間をトラバースして使 用することもできます． 触媒の暖機が終了した後でさえ，EGRまたはde-NOx後処理器を通ったディーゼル排ガス中のNOx測定とコントロール，およびこれ に加えて車速や負荷が変化する際の一般的なエンジンコントロールには，有害エミッション物質の吹き抜けや，触媒の損傷を防ぐた めの細心のキャリブレーションが必要となります．車両の停止や始動，および気筒休止のような燃費の測定も極めて過渡的な特性と なり，最新のドライブサイクルでこのような測定を行うには，細心の注意を払ったキャリブレーションや最適化が必要となります．

Rigid Tip of Heated Sample Probe Cam Covers

Inlet Cam _{Exhaust Cam}

SSP Body 0 10 20 30 40 50 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 -5.00 5.00 15.00 25.00 Engine-out HC Average speed [HC] (ppm C 3 ) Ve hicle Speed (kph) Time (s)

Split injection strategy and retarded spark timing for rapid catalyst light-off produces poor combustion here

Cold start and run-up to idle

Rich excursion at 1st _acceleration

Downsized turbo GDI 1.6 litre, EURO IV passenger car cold start HC emissions

0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Cambustion Fast NOX Conventional NOX Brake Torque

NRTC excavator Tier 4 engine sampling engine-out gas

Time (s) NO X (ppm) To rque (Nm) NOX engine-out

generally following torque

Conventional analyzer delay of ~4s

Double - peak smoothed by bench analyzer’s slower response

Interesting drop in NO_X just prior to load. Perhaps due to increased fuelling affecting AFR (e.g. rich excursion)?

GDIエンジンの過渡燃料噴射キャリブレーションや冷間始動時におけるHCのインシリンダサンプリング

如何なる運転条件にもかかわらず，点火プラグのところに適正量の燃料を噴射することが極めて重要となりますが，とりわけエンジン の過渡時や冷間始動時には特定の課題となります．特別に設計されたオフセット型の点火プラグを使う高速FID HFR500は，比較的 低回転（1,500rpmまで）で電極から数ミリメートル以内のHC濃度を測定することができ，より安定な燃焼となるよう過渡時における燃 料供給の情報を提供します．

新型エンジンの開発

ターボチャージャを搭載した小型のGDIエンジンは，馬力を落とすことなく燃費改善を追及するOEMで幅広く採用されています．高度 の燃焼改善を行うにはしばしば，Cambustionの測定器（ガスおよび粒子アナライザ）を使用する状況へ辿り着くこととなります．冷間 始動時の燃料気化や触媒の加熱方式，不完全燃焼，およ び将来的により厳しい過渡状態が採用されると思われるテ ストサイクル等に関連した課題のすべてには，そのプロセス の総合的な理解を容易にする高速応答での解析が必要と なります． HCCIやCAI，層状吸気型GDIエンジンやミラーサイクルのよ うな最新の燃焼概念をコントロールするには，吸排気ポート からガスサンプルし，高速の時間軸で測定することがガス交 換のプロセスや周期的な変動，および今後ますます複雑化 するエンジンコントロールの要求を調査研究することが求め られます．

LNTやSCRシステムの開発

超高速応答ガスアナライザを使った解析を行うと， リーンNOxトラップ（LNT）や選択的触媒還元システ ム（SCR）の開発にも役立ちます．とりわけLNTパ ージは過渡現象の部分であり，還元剤の正確な制 御やCOの吹き抜けを最小限に抑える，パージの 終了時期が非常に重要となります．いくつかのシ ステムには，通常のエミッションベンチでダイナミッ ク特性を正確に記録するには現象が高速になり過 ぎ，非常に速い速度でリッチとリーンを繰り返すシ ステム（例：de-SOx）もあります．正確な測定を介し て行うSCRシステムの最適化や，エンジンアウト側 に排出されるNOx濃度を予測することは，アンモニ アがそのまま大気に放出（アンモニアスリップ）され ないよう，正確な尿素量を注入することが重要とな ります． オフセット型点火プラグ

排気

1工程の解析 － ベースとなるエンジンのデザイン

本ガスアナライザのように高速応答で測定できるということは，排気1工程の特性で他に例のない洞察を提供するということになりま す．例えば不連続で起こる排気弁のリークは，排気弁が開く直前に排気ポート内に現れる未燃HCとして捉えることができ，ピストンリ ングやトップランドの形状は，排気工程の最終段における排出HC量に影響します「表紙のグラフ参照：GDI Exhaust Port HC」．この ような超高速応答測定ができるのはHFR500だけです．

加熱サンプルプローブ 挿入時

CAMBUSTION DMS50 Fast Particulate Size Spectrometer

Nucleation mode burst produced by transient lift-off in real world driving: measured by DMS50 in the plume of the vehicle. 0 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 35,000 40,000 45,000 50,000 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 1,800 2,000

Fuel delivery to plug from cold start Measured with fast FID through offset spark plug

hand-pull start 50cc engine [HC] at Ȝ=1 [HC] Spark [HC] (ppm C 3 ) Time (ms) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 800 850 900 950 1,000 1,050 1,100 1,150 1,200

Passenger car diesel DPF regeneration event during NEDC

Engine -o ut & tailpipe [HC] (ppm C 3 ) La mbda

and vehicle speed / 15kmh

Time since start (seconds) Start of

post-injection

Poor inlet throttle control causes unstable engine-out emissions and breakthrough to tailpipe Engine-out HC Tailpipe HC Lambda Vehicle speed Breakthrough HC 0 4 8 12 16 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

Anatomy of an in-cylinder CO

₂

trace

NDIR500 Fast CO&CO2 measured through sampling spark plug in 1.8-litre PFI gasoline engine at idle

Time (s)

CO

2

(%)

CO₂ produced by flame passing over spark plug sampling point

Sample transport delay CO₂ in residual gas New sample gas is delivered to NDIR500 _{sample head near end of compression stroke} In-cylinder CO₂ Cylinder Pressure

DOCやDPFのコントロールと

最適化

デ ィ ー ゼ ル 微 粒 子 用 フ ィ ル タ （DPF）は捕集されたスートを酸化 させるため，DOC（ディーゼル用酸 化触媒）に燃料噴射して十分に発 熱させるアクティブ再生を行ってい ます．エンジンアウトから排出され るHC濃度のリアルタイム記録や， テールパイプから排出される短期 間の汚染物質（HC）はHFR500を 使って測定することができます． 小型の自動二輪車や汎用エンジンに対する，現行および将 来のエミッション規制は，低価格での実現を念頭においた先 進の燃焼方法や，排気後処理システムを開発している段階で す．比較的少ないサンプル流量と，流路の邪魔にならないサ イズのサンプルプローブが，小型エンジンからのサンプリング を容易にします．高速の応答特性はとりわけ，エンジンの高回 転時に効果を発揮します．品質に関する顧客の認識は多くの 場合，小型エンジンの「始動容易性」から派生するものです－ 特にマニュアルのキックスタートやリコイルスタートを採用して いるエンジン等．冷間時のエンジン始動で点火プラグ周りに供 給する許容混合気濃度は，高速FIDにとって最適なアプリケ ーションとなります．一般に低価格の構成部品も，間欠的な排 気弁リークや周期的な変動要因となることがあります．排気ポ ートからHCのサンプリングを行うことにより，このような高速な 過渡時の問題を識別するのに役立ちます．

残留燃焼ガスのインシリンダ測定

エンジンに供給される残留燃焼ガス成分のコント ロールは，NOxの生成を抑制する効果的な方法 であり，またHCCIやCAIエンジン等，先進の燃焼 概念を有するエンジンでも，ますます有効に使わ れています．エンジンの回転数が1,500rpm以下 では，NDIR500を使ってシリンダ内のダイレクト CO₂測定を行うことができます－VVTのキャリブレ ーションやエンジン過渡時の運転パラメータ，シリ ンダの休止，および周期的な変動等の問題を解 決するのに効果的です．

アクセサリ類

HC, NO/NOxおよびCO/CO2濃度を高速応答で測定できる各ガスアナライザは通常，10mのコンジットに接続されたサンプリングヘッ ドを含む2チャンネル構成となっています．メンテナンス用のツール類や，納入後1年間の運転で必要となる数量を見込んだスペアパ ーツキット，およびインライン型のサンプルフィルタ一式も付属品となります．サンプルフィルタは10mg/m3_{（排ガス流量250kg/hで2g/} hのスート量相当）の平均的なスート濃度で5時間使える能力を備えています．その他のアクセサリには加熱サンプリングシステム用 のコンジット（0℃以下でのサンプリング），AKプロトコルを介したコントロール，インシリンダまたはインテークからのサンプリング用ハ ードウェア，および保証延長やカスタム仕様のサンプリングプローブ等もあります．

小型エンジンの開発

Cambustion, J6 The Paddocks, 347 Cherry Hinton Road, Cambridge CB1 8DH United Kingdom

ISO 9001:2008 ISO 14001:2004 これらの仕様は無断で変更する場合があります. 詳細については以下のアドレスへご連絡ください： [email protected] Tel: +44 1223 210250 www.cambustion.com Fax: +44 1223 210190

高速応答型ガスアナライザにまつわる技術論文

Cambustionの製品に関連する技術論文は年間で数多く発表されます．これらの論文は私達のウェブサイトでも紹介しています．こ れらの論文には様々なアプリケーションが紹介されていますが，これらに該当しないアプリケーションもあります．ご不明な点につい ては別途ご相談ください．

いかにして高速応答を達成するか

Cambustionが提供する高速応答型のガスアナライザは，業界標準の測定技術を用いた製品です：これらのガスアナライザには FID（トータルHC），CLD（NOx用），およびNDIR（CO/CO₂）を用いた製品がラインナップされています．ガスアナライザの検出器が 小型化され，これがエンジンのサンプリングポイント近くに設置するサンプリングヘッドの内部に組み込まれれています．この構造が 「_{msec」単位の応答性をもたらす理由です．これらのアナライザはシリンダ内からのサンプリングも含め，脈動圧条件下でも測定を可} 能にする，一定圧力で高温に制御されたサンプリングシステムを備えています．ガスアナライザの初期モデルは1987年に開発され， 現在はガソリン，ディーゼル，および代替燃料エンジン等のアプリケーションで幅広く世界中で採用されています．高速応答の微粒子 粒度分布計については個別のカタログをご覧ください． 森村商事株式会社　105-8451 東京都港区虎ノ門1-3-1　　　 Tel: 03-3502-6446, e-mail: [email protected]

http://www.morimura.co.jp 株式会社 司測研　158-0087 東京都世田谷区玉堤1-19-4

Tel: 03-3703-4391, e-mail: [email protected]

項目 高速FID HFR500 高速NO, NOx計 CLD500 高速CO/CO₂計NDIR500

測定原理 水素炎イオン化検出器 ケミルミネッセンス 非分散赤外線分析計

測定成分 全炭化水素 (THC) NO, NO₂ （NOxコンバータ付き） 一酸化炭素(CO), 二酸化炭素(CO₂)

チャンネル数 2 2 2 測定レンジ 0-2000 to 0-1,000,000 ppm C1 0 -100 ppm to 0 -5,000 ppm （拡張レンジ 0 -10,000 ppm） 0-5%, 0-10%, 0-15% and 0-20% 応答性 T_90-10% （サンプルプローブの長さに依存） 0.9 ms 2 ms （NOxコンバータ付きで8 ms） 8 ms

ゼロドリフト <1% FS / hour <5 ppm / hour <2% FS / hour

スパンドリフト <1% FS / hour <1% FS / hour <2% FS / hour

サンプル流量 （バイパス含む1チャンネル分） 6 lpm (1 bara) 6 lpm (1 bara) NO₂ コンバータ付きで4lpm 6 lpm (1 bara) 電源電圧 AC100-240 V 50/60 Hz 最大所要電力（単相） 1.7 k VA 2.6 k VA 1.7 k VA 所要ガス（供給圧力 2bar） 40% H₂/He or H₂/N₂ HCスパン，ゼロエアー，N₂ NO (NO₂) スパン, N₂ COとCO₂ の混合スパン2種類（H, L）, N₂ キャビネット寸法 W600 x D800 x H1,020 （キャスタ込み） キャビネット重量（真空ポンプ込み） 125 kg 150 kg 125 kg 使用可能温度 0 - 40°0℃以下のサンプリングをするサブゼロオプション コンジット長 10 m（検出器とキャビネット間），カスタム長の対応オプション コントロールPCとの接続 RS232 または RS485 インターフェース アナログ出力，AKおよびデジタルによるリモートコントロールオプション