九州大学学術情報リポジトリ
Kyushu University Institutional Repository
非分散赤外吸収法CO2計を応用した自動車排出ガス高 精度分析装置の開発に関する研究
吉村, 友志
https://doi.org/10.15017/1441269
出版情報：Kyushu University, 2013, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：
権利関係：Fulltext available.
非分散赤外吸収法 CO 2 計を応用した
自動車排出ガス高精度分析装置の開発に関する研究
2014
年目 次
第
1
章 緒論... 11.1
排 出 ガ ス 計 測 と 規 制 の 動 向...1
1.2
自 動 車 開 発 に お け る 排 出 ガ ス 計 測 の 位 置 づ け...3
1.3
排 出 ガ ス 計 測 に お け る 課 題 と 本 研 究 の 意 義...8
第
2
章 排 出 ガ ス の 計 測 手 法... 10
2.1 PM
計 測 に つ い て... 10
2.1.1
フ ィ ル タ 重 量 法 に よ る 計 測... 10
2.1.2
気 化 方 式 に よ る 計 測... 13
2.2 EGR
率 計 測 に つ い て... 16
2.2.1 EGR
技 術 の 歴 史 と そ の 動 向... 16
2.2.2 EGR
率 の 計 測 方 法... 19
2.3
排 出 ガ ス 流 量 計 測 に つ い て... 21
2.3.1
排 出 ガ ス 流 量 計 測 の 技 術 内 容 と 動 向... 21
2.3.2
排 出 ガ ス 流 量 の 計 測 方 法... 24
第
3
章 低 重 量PM
計 測 装 置 の 開 発... 26
3.1 PM
計 測 の 課 題... 26
3.2
残 留 酸 素 に よ る 計 測 誤 差... 28
3.2.1 SOF
酸 化 用O
2の 拡 散 に よ る 影 響... 29
3.2.2
大 気 の 混 入 に よ る 影 響... 31
3.2.3
配 管 内 の 残 存O
2に よ る 影 響... 34
3.3 PM
成 分 分 離 能 力 の 検 証 結 果... 37
3.4
重 量 法 と の 相 関 性 検 証 結 果... 40
3.5
ま と め... 41
第
4
章CO 2 2
ラ イ ン 計 測 装 置 の 開 発... 42
4.1
計 測 装 置 の 構 成... 42
4.2
計 測 装 置 の 課 題 と そ の 対 策... 43
4.2.1
エ ン ジ ン 停 止 （ 冷 却 ） 状 態 か ら の 測 定 の 不 確 か さ... 43
4.2.2
水 分 干 渉 影 響... 45
4.2.3
水 分 共 存 影 響... 47
4.2.4
サ ン プ ル 入 口 圧 の 応 答 時 間 へ の 影 響... 51
4.2.5
サ ン プ ル ラ イ ン の 結 露 の 影 響... 52
4.3
計 測 装 置 検 出 部 の 構 成 検 討... 54
4.4
計 測 装 置 サ ン プ リ ン グ 部 の 構 成 検 討... 56
4.5
基 本 性 能 試 験 の 結 果... 58
第
5
章CO 2 2
ラ イ ン 計 測 装 置 の 検 証 結 果... 71
5.1 EGR
率 計 測 の 結 果... 71
5.1.1
ス パ ン ガ ス に よ る 応 答 時 間 評 価... 71
5.1.2
実 排 出 ガ ス 試 験 フ ロ ー... 73
5.1.3
実 排 出 ガ ス を 用 い た 検 証 結 果... 75
5.1.4 EGR
ガ ス 濃 度 の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン... 81
5.1.5 EGR
ガ ス 濃 度 応 答 の 検 討 結 果... 83
5.1.6
ま と め... 87
5.2
排 出 ガ ス 流 量 計 測 の 結 果... 88
5.2.1 CVS
シ ス テ ム と 流 量 計 測 シ ス テ ム の 構 成... 88
5.2.2 Wet CO
2ト レ ー サ 流 量 計 測 ユ ニ ッ ト... 90
5.2.3
試 験 条 件... 90
5.2.4
定 常 運 転 時 に お け る 排 出 ガ ス 流 量... 91
5.2.5
過 渡 試 験 （ コ ー ル ド ス タ ー ト ） 時 の 検 証 結 果... 93
5.2.6
過 渡 試 験 （ ホ ッ ト ス タ ー ト ） 時 の 検 証 結 果... 100
5.2.7
ま と め... 106
参 考 文 献
... 111
謝 辞
... 116
第
1
章 緒論1.1
排 出 ガ ス 計 測 と 規 制 の 動 向19
世 紀 後 半 ， 自 動 車 の 普 及 が 急 速 に 進 ん だ 地 域 で は ， 大 気 環 境 の 悪 化 に よ り 光 化 学 ス モ ッ グ の 発 生 や 酸 性 雨 に よ る 森 林 被 害 が 深 刻 化 し ， 健 康 へ の 被 害 も 現 れ 始 め た ． そ の 状 況 を 改 善 す る た め に 制 定 さ れ た 自 動 車 排 出 ガ ス に 対 す る 規 制 は ，1960
年 代 の 米 国 に お け る 大 気 浄 化 法 （ マ ス キ ー 法 ） を 本 格 的 な 起 点 と す る ． 大 気 浄 化 法 の 内 容 は ，1975
年 以 降 に 製 造 す る 自 動 車 の 排 出 ガ ス 中 のCO
，HC
の 排 出 量 を1970~1971
年 型 の1/ 10
以 下 に す る と い う も の で あ っ た ．一 方 ， 日 本 に お け る 排 出 ガ ス 規 制 は ，
1966
年 に 運 輸 省 の 行 政 指 導 に よ る 自 動 車 排 出 ガ ス 中 のC O
2 濃 度 規 制 と し て 始 ま っ た ． 続 い て ，1968
年 ， 自 動 車 排 出 ガ ス の 許 容 限 度 に 関 す る 規 定 を 含 む 「 大 気 汚 染 防 止 法 」 が 成 立 し た ． ガ ソ リ ン 乗 用 車 か ら 排 出 さ れ る 窒 素 酸 化 物 の 排 出 量 を 現 状 か ら90%
以 上 削 減 す る と い う 規 制 は ， 技 術 的 に 困 難 で あ り ， 達 成 し た 場 合 に お け る 性 能 低 下 や 輸 出 競 争 力 低 下 等 を 懸 念 す る 産 業 界 か ら の 強 い 反 対 が あ っ た こ と ， 米 国 に お け る マ ス キ ー 法 に よ る 規 制 が 当 初 の も の か ら 大 幅 に 後 退 し た こ と 等 の 事 情 も あ り ， そ の 実 施 に つ い て は 紛 糾 を 重 ね た ． し か し ， 自 動 車 排 出 ガ ス 規 制 を 求 め る 世 論 の 高 ま り の 中 で ， 困 難 と い わ れ た 自 動 車 排 出 ガ ス 低 減 技 術 の 開 発 が 急 速 に 進 め ら れ ， 結 果 的 に は2
年 遅 れ で あ っ た も の の ， 当 初 の 目 標 通 り の 規 制 が 実 施 さ れ た ． そ れ 以 来 ， 排 出 ガ ス 規 制 の 適 用 範 囲 の 拡 大 と 許 容 限 度 の 引 き 下 げ が 継 続 的 に 行 わ れ 今 日 に 至 っ て い る ．そ の 改 定 内 容 は ， 計 測 手 法 の 変 更 ， 新 し い 規 制 対 象 物 質 の 追 加 ， 排 出 レ ベ ル の 低 減 と 多 岐 に 渡 る ． 当 然 な が ら ， 規 制 の 更 新 と 共 に 計 測 手 法 は
装 系 な ど に 分 か れ る が ， エ ン ジ ン の 開 発 に お い て は 販 売 対 象 地 域 す べ て の 規 制 に 合 致 し て い る 必 要 が あ る ． 当 然 ， 排 出 レ ベ ル と し て は 最 小 の 規 制 値 を 達 成 す る 必 要 が あ る ． 図
1-1
に 一 例 と し て ， デ ィ ー ゼ ル 乗 用 車 規 制 値 のNOx， PM（ Part iculat e Mat t er
： 粒 子 状 物 質 ） の 日 米 欧 の 動 向 を 示 す ． こ の よ う に ， 急 激 な 低 エ ミ ッ シ ョ ン の 規 制 値 削 減 が 実 施 さ れ ， 自 動 車 関 連 メ ー カ ー も そ れ に 追 従 し て 行 っ て い る ．0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
1994 1999 2004 2009 2014
NOx (g/km)
年
日 米 欧
短期
長期
新短期
新長期 ポスト新長期 Euro1
Euro2
Euro3
Euro4
Euro5 Tier0 Tier1
Tier2 Bin9
Tier2 Bin5
Euro6
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25
1994 1999 2004 2009 2014
PM (g/km)
年
日 米 欧
短期
長期
新短期
新長期
ポスト新長期 Euro1
Euro2
Euro3
Euro4
Euro5 Euro6 Tier0
Tier2 Bin9
Tier2 Bin5 Tier1
図
1-1
日 米 欧 の デ ィ ー ゼ ル 乗 用 車 の 排 出 ガ ス 規 制 推 移1.2
自 動 車 開 発 に お け る 排 出 ガ ス 計 測 の 位 置 づ け自 動 車 開 発 の プ ロ セ ス は 多 岐 に 渡 る が ， 中 核 を 成 す の が 走 行 性 能 を 決 定 付 け る エ ン ジ ン を 含 め た 動 力 伝 達 系（ パ ワ ー ト レ ー ン ）の 開 発 で あ る ． こ の 中 で も 特 に ， 有 害 物 質 を 排 出 し な い 高 い 環 境 性 能 と 高 燃 費 （
C O
2 排 出 量 低 減 ） を 達 成 す る た め に ， エ ン ジ ン 本 体 と 排 出 ガ ス 処 理 の 性 能 は 重 要 な 役 割 を 担 う ． こ れ ら の 性 能 解 析 に は 排 出 ガ ス 計 測 に よ る 解 析 は 欠 か す こ と が で き な い ． 図1-2
に ， パ ワ ー ト レ ー ン の 開 発 プ ロ セ ス の 手 順 を 模 式 的 に 示 す ． 大 き く 分 類 す る と ， エ ン ジ ン 運 転 管 理 と 環 境 性 能 管 理 が 必 要 に な る が ， 排 出 ガ ス の 解 析 は エ ン ジ ン 運 転 管 理 に お い て は 高 効 率 運 転 の た め ， 環 境 性 能 管 理 に 関 し て は ， 規 制 適 合 ・ 未 規 制 成 分 の 確 認 に 必 須 で あ る ． 排 出 ガ ス の 特 性 改 善 ア プ ロ ー チ と し て は ， ① エ ン ジ ン そ の も の か ら の 排 出 量 を 制 御 し 抑 え る 方 法 と ， ② 触 媒 な ど に よ る 後 処 理 装 置 に よ り 最 終 的 な エ ミ ッ シ ョ ン を 抑 え る 手 法 が あ る ．通 常 ，こ れ ら は コ ス ト ， 品 質 を 考 慮 に 入 れ た 上 で 総 合 的 に 調 整 さ れ ， テ ー ル パ イ プ か ら の 排 出 さ れ る 最 終 的 な エ ミ ッ シ ョ ン が 目 標 値 を 満 た す よ う に し な け れ ば な ら な い ． 一 般 的 に ， 排 出 ガ ス 計 測 と そ の 分 析 を 繰 り 返 し て 最 適 な エ ン ジ ン 制 御 パ ラ メ ー タ を 決 定 し て い く ．エンジン運転管理 環境性能管理
エンジン始動
負荷変動
高効率運転 CO
排出触媒性能制御
規制成分
未規制成分
規制適合 パワートレーン開発空燃比制御
特 に 日 本 に お い て は ， デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン は ， 汚 く ， う る さ く ， 臭 い と い う 悪 い イ メ ー ジ が 先 行 し ，大 気 汚 染 の 原 因 で あ る と 見 な さ れ て き た ． し か し ， 現 在 で は 世 界 で 最 も 厳 し い 日 本 の 規 制 で あ る 「 ポ ス ト 新 長 期 規 制 」 に 対 応 す る た め に ， デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン に 関 係 す る 様 々 な 環 境 性 能 向 上 技 術 が 開 発 ・ 研 究 さ れ て お り ， 今 後 想 定 さ れ る 厳 し い 規 制 に も 十 分 対 応 可 能 な デ ィ ー ゼ ル 車 も 市 場 に 投 入 さ れ つ つ あ る ．
元 来 ， デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン は ， そ の 熱 効 率 の 高 さ ， 多 種 多 様 な 燃 料 の 適 用 性 ， ま た 耐 久 性 お よ び 信 頼 性 に 優 れ て い る( 1 ) ~ ( 4 )． そ の た め ， 自 動 車 は 元 よ り 船 舶 ・ 建 築 土 木 用 機 械 や 発 電 用 の パ ワ ー ユ ニ ッ ト と し て 幅 広 く 活 用 さ れ ， 社 会 ・ 経 済 的 に 重 要 な 役 割 を 担 っ て い る ． 燃 料 面 で の 検 討 は 多 種 多 様 で ， ガ ス タ ー ビ ン エ ン ジ ン に お い て も 水 素 を 混 合 し た 燃 料 が 検 討 さ れ る こ と も あ る( 5 )． そ れ ら の 更 な る 効 率 改 善 ， 環 境 性 能 向 上 を 実 現 す る た め に ， 各 自 動 車 メ ー カ ー や エ ン ジ ン メ ー カ ー に お け る デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン の 開 発 比 率 重 は 増 加 す る 傾 向 に あ る ． 環 境 性 能 と 効 率 の 改 善 に は 数 多 く の 要 素 技 術 が 存 在 し ， そ れ ら を 組 合 せ て 最 適 化 す る こ と も 非 常 に 重 要 な 過 程 と な る ． 図
1-3
に ， 近 年 の デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン を 取 り 巻 く 主 要 な 技 術 に つ い て 示 す ．ポ ス ト 新 長 期 規 制 に 対 応 す る デ ィ ー ゼ ル 車 は ，「 ク リ ー ン デ ィ ー ゼ ル 」 と 呼 ば れ る ． そ の 規 制 に 適 合 す る た め に ， 特 に 大 き な 役 割 を 果 た す の が デ ィ ー ゼ ル パ テ ィ キ ュ レ ー ト フ ィ ル タ ー（
DPF
：Diesel Part icula t e F ilt er
），選 択 性 還 元 触 媒（
SCR：S elect ive Cata lyt ic R educt ion
）シ ス テ ム やHC, NOx
ト ラ ッ プ 触 媒 と い っ た 後 処 理 技 術 で あ る ．PM に 関 し て は ，DPF
の 技 術 進 歩 に よ り 大 幅 な 低 減 が 達 成 さ れ ， 当 然 な が ら 計 測 対 象P M
の 重 量 も 減 少 し て い る ．ま た ，DPF の 解 析 を よ り 詳 細 に 行 う た め に ，PM のS oot（ 煤 ）, S OF
（S oluble Orga nic Fra ct ion： 可 溶 性 有 機 成 分 ） , S ulfat e（ 硫 酸 塩 ） と
い っ た 成 分 種 別 で の 計 測 も 重 要 で あ る ．同 時 に ， エ ン ジ ン そ の も の か ら の 排 出 量 の 制 御 も 重 要 と な る ． 代 表 的 な も の と し て ， コ モ ン レ ー ル ， ダ ウ ン サ イ ジ ン グ 技 術 ， 低 圧 縮 率 燃 焼 な ど が あ る ． そ の 中 で ， 昨 今 ， 注 目 を 集 め て い る が
EGR
（Exha ust Gas
R ecir culat ion： 排 出 ガ ス 再 循 環 ）制 御 で あ る ．エ ン ジ ン 燃 焼 後 の 排 出 ガ ス
の 一 部 を 吸 気 側 に 戻 すEGR
技 術 自 体 の 歴 史 は30
年 と 長 い が ， エ ン ジ ン や 制 御 系 の 進 歩 に 伴 い ， 高 い 再 循 環 率 や 詳 細 か つ 高 速 な 制 御 が 可 能 と なっ て き て い る ． そ れ に 伴 い ， 再 循 環 率 を 計 測 す る 機 器 に も 精 度 の 高 さ や 応 答 の 速 さ に 関 し て の 要 求 が 増 加 傾 向 に あ る ．
環境性能改善
高燃費
後処理触媒
SCR, NSR
排気ガス再循環
EGR
ダウン サイジング 可変バルブ タイミングHCCI
コモンレール
電装品 排熱回収
再生装置 低圧縮率 熱管理
低損失
2
ステージターボ
クリーン ディーゼル
代替燃料 低硫黄化
DPF
図
1-3
エ ン ジ ン か ら の 排 出 物 低 減 の 制 御 技 術こ こ で ，測 定 対 象 で あ る エ ン ジ ン 排 出 ガ ス の 主 な 特 徴 を 以 下 に 挙 げ る ． エ ン ジ ン 排 出 ガ ス は こ れ ら の 特 徴 を 持 つ た め ， 粒 子 状 成 分 計 測 ， ガ ス 成 分 濃 度 計 測 も 流 量 計 測 を 行 う 際 は ， 非 常 に 難 し い 対 象 で あ る と 言 え る ． 計 測 の た め の サ ン プ リ ン グ も 難 し く ， ガ ス 成 分 の 計 測 部 に 導 入 す る 前 の 粒 子 除 去 や 水 分 除 去 な ど の 前 処 理 は 非 常 に 重 要 で あ る ． 同 時 に 測 定 対 象 に 対 し て ， こ れ ら の 前 処 理 が 影 響 し な い こ と が 求 め ら れ る ． 粒 子 状 物 質 も 採 取 部 分 の 温 度 管 理 は 必 須 と な る ．
温 度 変 化 が 著 し い ： 室 温~数 100ºC
（ 排 気 管 ）： 室 温
~800 ºC
（ 触 媒 ）
組 成 変 化 が 著 し い ： コ ー ル ド ス タ ー ト 時 の 水 分 量 等
水 分 を 多 く 含 む： 結 露 し や す い
： 他 成 分 ガ ス と 反 応 し て 酸 を 発 生 す る
粒 子 状 物 質 を 含 む ： 汚 れ
過 渡 流 量 変 化： 数
100L/ min~
数m
3/ min
オ ー ダ ー で の 変 動 が あ り ， 範 囲 が 広 い
脈 動 が 大 き い： 特 に ア イ ド リ ン グ 時 （ 低 流 量 域 ）
成 分 が 多 い ： 干 渉 成 分 の 問 題排 出 ガ ス 中 の 成 分 と し て も ， 表
1-1
に 示 す よ う に 多 種 多 様 な 物 質 が あ り ， 共 存 影 響 や 干 渉 影 響 は 元 よ り ， サ ン プ ル 前 処 理 に も 測 定 対 象 成 分 に 影 響 を 及 ぼ さ な い よ う に し な け れ ば な ら な い ．表
1-1 排 出 ガ ス に 含 ま れ る ガ ス 成 分 お よ び 粒 子 状 物 質
Categor y Comp on en ts
In organ ic gas N
2, O
2, CO
2, H
2, NO, NO
2, N
2O, NH
3, SO
2…
Hydr ocar bon s (HC)
Saturated: CH
4, C
2H
6…
Non -satur ated: C
2H
2, C
2H
4, C
3H
6Ar om atics: Ben zen e, Toluen e…
Pol y-Ar omatic HC: Ben zp yr en e…
Ox yg en ated HCs
Alcoh ol : CH
3OH, C
2H
5OH…
Aldeh yde: HC HO, C H
3C HO…
Ket on e: (CH
3)
2CO Eth er : (CH
3)
3COCH
3Par ticulate
Matter Soot, SOF, Sulfides, Water
1.3
排 出 ガ ス 計 測 に お け る 課 題 と 本 研 究 の 意 義先 述 の よ う に ， 自 動 車 構 成 の 中 で も 特 に 複 雑 か つ 重 要 な パ ワ ー ト レ ー ン 部 分 の 開 発 に お い て ， エ ン ジ ン か ら 排 出 さ れ る ガ ス の 中 に 含 ま れ て い る 気 体 ， ま た は 粒 子 状 物 質 の 性 状 や 量 を 計 測 す る こ と は 重 要 な 意 義 を 持 つ ． 世 界 各 国 で 制 定 さ れ て い る 規 制 値 に 合 致 し て い る か ど う か の 確 認 や 運 転 効 率 が 最 大 と な る 制 御 量 の 決 定 ， 組 み 込 ま れ る 部 品 の 個 々 の 特 性 お よ び 組 合 せ 特 性 の 計 測 と 最 適 化 な ど を 実 施 す る に は ， 排 出 ガ ス 計 測 値 お よ び そ の 解 析 は 必 要 不 可 欠 な 情 報 と な る ． し か し ， 複 雑 な 組 成 を 持 ち ， 状 態 変 動 も 激 し い 排 出 ガ ス の 対 象 を 計 測 す る こ と は 容 易 で は な く ， 計 測 前 の 処 理 や 計 測 手 法 自 体 に 工 夫 が 必 要 と な る ． 同 時 に ， 自 動 車 排 出 ガ ス ラ イ ン の 後 処 理 装 置 の 進 化 や 制 御 の 複 雑 化 が 進 む に つ れ て ， 計 測 器 に も 精 度 向 上 や 微 量 計 測 対 応 ， 計 測 時 間 の 短 縮 と い っ た 高 性 能 化 が 不 可 欠 と な っ て い る ．
本 研 究 で は ， PM 計 測 と
EGR
率 計 測 ，排 出 ガ ス 流 量 計 測 の 三 種 類 の 計 測 に 注 目 し ， 計 測 精 度 の 向 上 と 計 測 時 間 の 短 縮 を 目 的 と し て ， そ れ ぞ れ に 新 し い 計 測 方 式 を 検 討 し た ．PM 計 測 で は ，計 測 精 度 の 向 上 と 計 測 時 間 の 大 幅 な 短 縮 を 実 現 し た ． ま た ，EGR
率 計 測 と 排 出 ガ ス 流 量 計 測 が 可 能 な2
ラ イ ンC O
2計 測 装 置 を 開 発 し ， 水 分 含 有 状 態 の ガ ス を 計 測 し てEGR
率 や 排 出 ガ ス 流 量 を 算 出 す る 装 置 と し て 世 界 で 初 め て 実 現 し た ．同 時 に ， 計 測 精 度 の 向 上 や 応 答 時 間 の 高 速 化 に よ る 計 測 時 間 の 短 縮 も 達 成 し た ． 本 論 文 で は こ れ ら の 成 果 を ま と め た も の で ， 次 の 点 に そ の 意 義 が あ る ． PM
計 測 装 置 に お い て ，SOF
，S oot
の 分 離 計 測 を 実 現 し な が ら 大 幅 な 計 測 時 間 の 短 縮 が 可 能 な 気 化 方 式 計 測 装 置 を ，精 度 向 上・計 測 効 率 の 改 善 を 目 的 と し て 開 発 し た ．計 測 誤 差 の 要 因 と な る 酸 素 の 混 入 箇 所 と 混 入 源 の 検 証 と 特 定 を 行 い ，酸 素 混 入 の 影 響 が 最 小 限 と な る よ う に 装 置 の 設 計 を 行 っ た ．そ の 結 果 ，改 良 前 の 設 計 よ り も 約80%低 い サ ン プ
ル 質 量 域 に お い て も ， 高 精 度 で 計 測 で き る 装 置 を 実 現 し た ．
水 分 含 有 状 態 の ガ ス が 計 測 可 能 で ， そ の 濃 度 よ りEGR
率 が 演 算 で き る 装 置 を 開 発 し た ． 通 常 ，NDIR（ 非 分 散 赤 外 吸 収 ： Non-disper sive
Infrar ed） 方 式 で は 水 分 干 渉 影 響 を 受 け る た め 前 処 理 と し て 水 分 除 去
を 行 う が ，こ の 方 式 で は 乾 燥 濃 度 か ら 湿 り 濃 度 に 変 換 す る と き に 誤 差が 発 生 す る 場 合 が あ り ，精 度 面 で 課 題 が あ る ．本 研 究 に て 開 発 し た 加 熱 型
NDIR
式CO
2計 を 応 用 し た 水 分 含 有 状 態 で のEGR
率 計 測 装 置 は 前 例 が な く ， サ ン プ ル ラ イ ン ， 計 測 部 と も にEGR
率 計 測 装 置 と し て 最 適 化 を 行 っ た ．実 排 出 ガ ス の 測 定 結 果 に お い て ，従 来 装 置 と 比 べ て 精 度 の 高 い 計 測 が で き る こ と が 確 か め ら れ た ．ま た ，ガ ス 分 子 レ ベ ル で の 現 象 で あ る 水 分 共 存 影 響 は ，装 置 側 で 影 響 を 取 り 除 く の が 困 難 で あ る た め ，水 分 濃 度 を 直 接 計 測 し 演 算 処 理 に よ り 影 響 を 補 正 す る 手 法 を 確 立 し た ． ま た ， 同 装 置 の 応 用 と し て ，CO2 を ト レ ー サ と す る 排 出 ガ ス 流 量 計 測 装 置 へ の 適 用 も 行 っ た ．こ の 方 式 で は ，こ れ ま で 問 題 で あ っ た 排 出 ガ ス 流 路 内 で 結 露 す る 水 分 に よ り 発 生 す る 測 定 誤 差 を 取 り 除 く こ と が で き た ．実 排 出 ガ ス の 流 量 計 測 結 果 か ら ，精 度 の 高 い 計 測 が で き る こ と が 確 認 さ れ た ．こ れ ら を 実 現 す る こ と に よ り ， 自 動 車 排 出 ガ ス 計 測 分 野 に お い て よ り 高 精 度 解 析 が 可 能 な 計 測 ツ ー ル を 提 案 す る こ と が で き た ． 以 下 に 詳 細 を 報 告 す る ．
第
2
章 排 出 ガ ス の 計 測 手 法2.1 PM
計 測 に つ い て2.1.1
フ ィ ル タ 重 量 法 に よ る 計 測デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン の 後 処 理 計 測 シ ス テ ム は こ の 十 年 で 飛 躍 的 な 進 化 を 遂 げ た ． そ の 中 で ，
DPF
は エ ミ ッ シ ョ ン 中 に 含 ま れ るP M
に 対 し て 重 量 で90 %以 上 と い う 高 い 浄 化 率 を 達 成 し て い る ． DPF
は そ の 名 の 通 りPM
を フ ィ ル タ リ ン グ す る 装 置 で あ る が ， 排 気 流 路 内 に 設 置 さ れ る た め 運 転 中 に も 定 期 的 な 再 生 が 必 要 と な り ， こ れ を 連 続 再 生 式DPF
と 呼 ぶ ． 再 生 に は ， ヒ ー タ ー で 加 熱 す る 方 式 や 燃 焼 さ せ る た め に 燃 料 をDPF
上 流 か ら 噴 射 す る 方 式 ， 排 出 ガ ス 成 分 濃 度 を コ ン ト ロ ー ル し て 酸 化 反 応 を 促 進 さ せ る 方 式 が あ る ．そ の た め ，DPF
性 能 の 詳 細 な 解 析 の た め に は ，PM の 総 重 量 は 元 よ り ，S OF， S oot
，S ulfat e
と い っ た 粒 子 状 物 質 の 種 類 毎 の 詳 細 な 解 析 を す る 必 要 が あ り ， 同 時 に 低 質 量 サ ン プ ル の 計 測 に も 対 応 し た 計 測 装 置 が 必 要 で あ る ．図 2-1に
P M
の 生 成 過 程 を ， 図 2-2にP M
の 一 般 的 な 計 測 手 法 を そ れ ぞ れ 示 す ．PM は 排 出 ガ ス が 大 気 中 で 希 釈 ・ 冷 却 さ れ る 中 で ，未 燃 燃 料 や 煤 な ど の 粒 子 が 相 互 に 結 合 し 成 長 す る こ と に よ っ て 生 成 す る ．P M
の 計 測 に は ， 大 気 中 で のP M
の 生 成 条 件 お よ び 過 程 を 模 擬 す る 希 釈 ト ン ネ ル が 用 い ら れ る ． 希 釈 ト ン ネ ル 内 で 生 成 し たPM
を フ ィ ル タ に 採 取 し ， 採 取 し て い な い 状 態 の フ ィ ル タ 重 量 と ， 採 取 後 のP M
を 含 む フ ィ ル タ 重 量 の 差 分 に よ りP M
重 量 求 め る ． 精 密 天 秤 等 を 用 い て ， フ ィ ル タ 重 量 を 計 測 す る こ の 手 法 を 「 フ ィ ル タ 重 量 法 」 と 呼 ぶ( 6 )．PM
採 取 用 の フ ィ ル タ はPTFE
コ ー テ ィ ン グ さ れ て お り ，標 準 粒 子DOP
0.3 μ m
に 対 し て99 %以 上 の 捕 集 効 率 を 持 つ も の が 用 い ら れ る ．フ ィ ル タ
の 重 量 を 測 定 す る 際 は 精 密 天 秤 を 用 い る が ， フ ィ ル タ 上 及 び ， 大 気 中 の 水 分 の 影 響 に よ る 重 量 変 動 を 安 定 さ せ る た め に ， 温 度 と 湿 度 が 一 定 の 環 境 下 で 保 持 す る ソ ー ク 状 態 の 管 理 が 必 要 と な る ． 法 規 で は8
時 間 以 上 ， 一 定 温 度・湿 度 の ソ ー ク 用 チ ャ ン バ の 中 で ソ ー ク す る こ と に な っ て お り ， 重 量 測 定 の 前 後 で ソ ー ク が 必 要 に な る た め ， 結 果 が 出 る ま で に 長 時 間 必 要 と す る ． ま た ，P M
の 分 離 測 定 に は ソ ッ ク ス レ ー 抽 出 法 に よ りS OF
のみ 分 離 す る 手 法 が あ る が ，こ れ も 抽 出 後 の ソ ー ク が 必 要 に な る ．さ ら に ， 重 量 計 測 は フ ィ ル タ の 重 量 （ 約
200 mg
） が 大 部 分 を 占 め る た め ， 差 分 を 取 る こ の 方 式 で は フ ィ ル タ 重 量 の 誤 差 が 支 配 的 で ，1. 0 mg
を 下 回 る 低 重 量PM
の 計 測 は 非 常 に 難 し い ．こ の よ う に 重 量 法 は ， 低 重 量
P M
の 計 測 が 難 し い う え に ， 測 定 に 多 く の 手 間 を 必 要 と す る と い う 難 点 が あ る ． そ の 代 替 法 の ひ と つ と し て ， 著 者 ら は 以 前 ， 容 易 か つ 迅 速 に 測 定 で き る 気 化 方 式 低 重 量P M
分 析 装 置 を 開 発 し た ．気 化 方 式 は ，PM 各 成 分 を 気 化 さ せ た 後 ，酸 化 還 元 反 応 に よ りC O
2お よ びSO
2に 変 換 し ， そ れ ぞ れ の ガ ス 濃 度 か らPM
中 のSOF
，S oot
，S ulfat e
の 質 量 を 演 算 す る 方 法 で あ る ． 現 状 の 装 置 で は ， フ ィ ル タ 上 へ のPM
捕 集 量 が1. 0 mg
以 上 で あ れ ば ，S OF
とS oot
の 成 分 分 離 性 能 が ほ ぼ 確 保 で き る こ と が わ か っ て い る ．本 研 究 で は ， こ の 気 化 方 式 に お け る 成 分 分 離 精 度 を さ ら に 向 上 さ せ ， よ り 低 濃 度
P M
の 計 測 に 適 用 す る こ と を 目 的 に ， 装 置 構 成 や 測 定 条 件 の 改 良 を 実 施 し た ．大気中でのPM生成
HC
SO
3H
2O
すす（Soot)
→
すす（Soot)HC
ガス→
高沸点HC
の凝縮・吸着 （SOF) SO
3ガス＋水蒸気→
硫酸・硫酸塩の凝縮・吸着（Sulfate)希釈，冷却
図 2-1 大気中における
PM
の生成過程希釈トンネルによるPM生成
希釈トンネル 熱交換器 ベンチュリ ブロア 希釈空気入口
排出ガス
プライマリ フィルタ
バックアップ フィルタ
PM重量 捕集後のPMフィルタ重量 捕集前のフィルタ重量
精密天秤 ソックスレー抽出（Soot・SOF分離）
PM捕集前の フィルタ
PM捕集後の フィルタ
フィルタ重量測定
図 2-2 フィルタ重量法における
PM
採取とその計測2.1.2
気 化 方 式 に よ る 計 測先 述 の よ う に ， フ ィ ル タ 重 量 法 は 標 準 的 な 手 法 で あ る が ， ソ ー ク 時 間 が 長 い の が 難 点 で あ る ． そ こ で ， ソ ー ク 時 間 が 不 要 と な る 「 気 化 方 式 低 重 量
P M
計 測 装 置 」 に つ い て こ こ で 述 べ る( 7 ) , ( 8 )． 図2-3
に ， 気 化 方 式 低 重 量P M
分 析 装 置 の シ ス テ ム フ ロ ー ， お よ び 計 測 波 形 を 示 す ． 分 析 サ ン プ ル と な るPM
は ，重 量 法 と 同 様 ，ダ イ リ ュ ー シ ョ ン ト ン ネ ル で52 ºC
以 下 に な る よ う に 希 釈 ・ 冷 却 し た エ ン ジ ン 排 出 ガ ス を フ ィ ル タ に 導 き 捕 集 す る ． た だ し ， フ ィ ル タ に は 通 常 のPTFE
コ ー テ ィ ン グ を 施 し た も の で は な く ， 高 温 化 で も 変 性 し な い 石 英 フ ィ ル タ を 使 用 す る ． 捕 集 効 率 に 関 し て は ， 通 常 の フ ィ ル タ と 同 じ く ， 標 準 粒 子0. 3 μ m
のDOP
で 効 率99 %
以 上 で あ る ．測 定 開 始 時 に ，
PM
の 捕 集 さ れ た 石 英 フ ィ ル タ を980 ºC
の 炉 に 挿 入 す る ． 分 析 は ， 第1
フ ェ ー ズ ， 第2
フ ェ ー ズ と 二 段 階 の シ ー ケ ン ス に 分 か れ る ． 第1
フ ェ ー ズ で は ， 気 化 し たSOF
，Sulfa t e
成 分 を 分 析 計 に 運 ぶ キ ャ リ ア ガ ス と し てN
2を 使 用 す る ．PM
中 のSOF
お よ びSulfat e
は ， こ のN
2雰 囲 気 下 で 気 化 ま た は 熱 分 解 す る ．気 化 し たSOF
は ，炉 の 後 段 に 供 給 さ れ るO
2 に よ り 酸 化 さ れC O
2 と な る ． ま た ，S ulfat e
は 高 温 環 境 下 の も と でSO
2に 還 元 さ れ る ．生 成 し たC O
2お よ びSO
2の 濃 度 は ，下 流 のNDIR
分 析 計 で 測 定 さ れ る ．次 に ，
S OF
の 気 化 が 完 了 し た 時 点 で 第2
フ ェ ー ズ に 移 行 し ， 炉 に 導 入 す る キ ャ リ ア ガ ス をN
2か らO
2 に 切 り 替 え る ． フ ィ ル タ 上 に 残 留 し て い るS oot
は ，こ の 段 階 で 酸 化 さ れ てCO
2と な る ．こ のC O
2濃 度 もNDIR
分 析 計 に て 測 定 さ れ る ． サ ン プ ルPM
に 含 ま れ て い たS OF
，S oot
，S ulfat e
の 質 量 は ， 測 定 し た ガ ス 濃 度 ピ ー ク の 面 積 を 積 分 し て 算 出 す る ． な お ， 燃 焼 に よ り 発 生 す る 水 分 は ， 検 出 器 で の 水 分 干 渉 影 響 を 避 け る た め に ， 過 塩 素 酸 マ グ ネ シ ウ ム に よ っ て 除 去 さ れ る ．第
1
フ ェ ー ズ （S OF
・Sulfa t e
測 定 ）：O H CO
O
CH
2 2 22
1 4
式
2-1
2 22 2
4
2
2
1 H O 1 O m
SO O
mH SO
H
式
2-2
こ こ で ，α
： 炭 素 に 対 す る 水 素 の 比m
： 無 水 硫 酸 に 対 す る 結 晶 水 の 比 率第
2
フ ェ ー ズ （S oot
測 定 ）：2
2
CO
O C
式
2-3
以 上 の 測 定 フ ェ ー ズ を 得 た 後 ，炉 を 含 め た ガ ス ラ イ ン は
N
2で パ ー ジ さ れ る ． フ ィ ル タ を 取 り 出 し て 測 定 は 終 了 す る ．校 正 は 計 量 管 に 導 入 さ れ る
C O
2お よ びSO
2の ピ ー ク 面 積 に よ り 行 う ． つ ま り 計 量 管 内 のC O
2お よ びS O
2の 質 量 は 既 知 で あ る こ と を 利 用 し て ， 既 知 の 質 量 が 示 す ピ ー ク 面 積 を 基 準 に す る こ と に よ っ て ， 試 料 の 質 量 を 演 算 す る( 9 )．図
2-3
燃 焼 法 に よ るPM
重 量 計 測 シ ス テ ム の フ ロ ーN
2SO
2検出器
石英ウール
電気炉：980°C
SO
3の還元SOF
の酸化O
2O
2検出 信号
N
2O
2時間
CO
2SO
2SO
2CO
2計量管
吸湿剤
CO
2検出器 石英フィルタに
採取した
PM
2.2 EGR
率 計 測 に つ い て2.2.1 EGR
技 術 の 歴 史 と そ の 動 向デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン は ， 高 効 率 ・ 高 耐 久 性 と い う 特 性 に 加 え て さ ま ざ ま な 燃 料 が 適 用 可 能 な こ と か ら ， 地 球 環 境 問 題 や エ ネ ル ギ ー 問 題 の 対 策 と し て も 期 待 さ れ て い る ． そ の 一 方 ， ガ ソ リ ン エ ン ジ ン と 比 べ る と
NOx
やPM
の 排 出 レ ベ ル が 高 く ， そ の 低 減 が 課 題 で あ る ．NOx
の 低 減 に は ， エ ン ジ ン で の 発 生 量 自 体 を 制 御 す る 方 法 と ， 発 生 し たNOx
を 後 処 理 装 置 で 除 去 す る 方 法 が あ る ．後 処 理 と し て は リ ー ンNOx
ト ラ ッ プ 触 媒 （LNT： Lea n NOx Trap） や SCR
な ど が 使 用 さ れ る が ， そ の 場 合 も で き る だ け エ ン ジ ン 由 来 のNOx
発 生 量 を 減 ら し て お く こ と が 理 想 で あ る ．そ の よ う な エ ン ジ ン 由 来 のNOx
低 減 法 の ひ と つ にEGR
が あ る ． 図2-4
に デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン に お け るEGR
シ ス テ ム 図 を 示 す ．ガ ソ リ ン エ ン ジ ン に お い て は ，
1970
年 代 の 排 出 ガ ス 規 制 当 時 か ら 実 用 化 さ れ て き たEGR
技 術 だ が ， デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン に お い て は80
年 代 後 半 ま で 導 入 が 遅 れ た( 1 0 )． こ れ は ， 軽 油 中 の 硫 黄 分 が 燃 焼 し てSO
2が 発 生 す る た め で あ る ．EGR
用 に 排 出 ガ ス を 再 度 エ ン ジ ン 内 部 に 吸 い 込 む と ，S O
2が 排 出 ガ ス 中 の 水 分 に 溶 け 込 ん で 硫 酸 を 生 成 す る ．ま た ，同 時 にNO
2が 水 に 溶 け れ ば 硝 酸 と な り ， 硫 酸 と 合 わ せ て エ ン ジ ン の シ リ ン ダ 壁 と ピ ス ト ン リ ン グ を 腐 食 し て 燃 焼 室 の シ ー ル 機 能 を 劣 化 さ せ て し ま う 現 象 が 発 生 す る ． 特 に エ ン ジ ン が 冷 え て い る 間 は 水 分 凝 結 が 発 生 し 易 い た め ， こ の 腐 食 現 象 が 著 し い ．
20
年 前 の 軽 油 は 硫 黄 分 を 多 く 含 ん で い る た め 大 き な 問 題 で あ っ た ．冷 却 大 量EGR
が 可 能 に な っ た の は ，そ の 後 の 燃 料 中 の 硫 黄 分 の 低 減 と ，エ ン ジ ン 各 部 の 材 質 の 改 良 に よ る と こ ろ が 大 き い( 1 1 )．デ ィ ー ゼ ル へ の
EGR
導 入 が 遅 れ た も う ひ と つ の 理 由 は そ の 構 造 に あ る ． ガ ソ リ ン エ ン ジ ン で は ，吸 気 管 負 圧 を 利 用 し てEGR
を 導 入 す る こ と が で き る ． し か し ， ス ロ ッ ト ル バ ル ブ を 持 た な い デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン で は ， 負 圧 を 利 用 す る こ と が で き な い ． ま た ， ガ ソ リ ン エ ン ジ ン で は 基 本 が ス ト イ キ 燃 焼 な の で ，EGR
を 導 入 し た 分 ， 混 合 気 質 量 が 増 加 す る だ け で 新 気 の 量 に 変 化 は な い が ，デ ィ ー ゼ ル で はEGR
の 分 だ け 新 気 量 が 減 少 す る の で ，高 過 給 圧 やEGR
の 冷 却 に よ っ て 混 合 気 量 を 確 保 し た り す る こ と が 必 要 に な る( 1 2 )．EGR
に 頼 る こ と な く ， 三 元 触 媒 に よ っ て 厳 し いNOx
規制 値 を 達 成 で き る ガ ソ リ ン エ ン ジ ン で も ，外 部
EGR
や 可 変 バ ル ブ タ イ ミ ン グ リ フ ト 機 構 を 使 っ た 内 部EGR
を 導 入 す る こ と が 多 い ．ガ ソ リ ン エ ン ジ ン の 場 合 ， 空 燃 比 が ス ト イ キ の ま ま 混 合 気 の 量 が 増 え る と ， リ ー ン 状 態 と な る ．そ の 結 果 ，燃 焼 温 度 が 低 下 す る の で ，NOx の 生 成 量 が 減 少 し ， 同 時 に 冷 却 損 失 も 低 減 す る ． さ ら に 新 気 ＋EGR
の 量 を 増 や す た め に ス ロ ッ ト ル を 開 く の で ポ ン プ 損 失 が 減 少 し て 燃 費 が 良 く な る ． 最 近 の ガ ソ リ ン 車 で は ，こ の ポ ン プ 損 失 の 低 減 を 目 的 と し てEGR
を 採 用 し て お り ，NOx
の 低 減 で は な く 燃 費 向 上 が 目 的 と な っ て い る ．EGR
は ， ガ ソ リ ン 車 な ら 失 火 し な い 程 度 か ， ま た は 燃 焼 悪 化 し な い 程 度 ま で 増 や す こ と が で き 多 い 方 が 燃 費 は 良 い ． デ ィ ー ゼ ル で は ， 煤 の 発 生 が 増 え な い 範 囲 内 で 制 御 さ れ ， 多 い ほ どNOx
は 低 下 す る ． 吸 気 負 圧 が な い の で ，EGR
シ ス テ ム で 限 界 が 決 ま る こ と が 多 い ．EGR
は 冷 却 し な く て もNOx
は 減 少 す る が ，冷 却 し な い と 混 合 気 ガ ス が 減 る の が 問 題 と な る( 1 3 )． 混 合 気 ガ ス が 減 る と 燃 焼 温 度 が 高 く な る ． 新 気 が 減 る と 煤 が 増 え る ． 最 近 は 温 度 を 下 げ て 着 火 遅 れ を 増 や し て 予 混 合 燃 焼 に 近 づ け る 効 果 も あ る ．タ ー ボ 過 給 を 採 用 す る デ ィ ー ゼ ル で は ， タ ー ボ チ ャ ー ジ ャ の 効 率 が 高 い と 吸 気 圧 力 の 方 が 排 気 圧 力 よ り 高 く な っ て ，そ の 状 態 で は
EGR
を 導 入 で き な い ．そ こ で ，可 変 容 量 タ ー ビ ン（VGT： Var iable Geomet r y Turbine）
が 使 用 さ れ る ． 本 来 ，
VGT
は 低 速 か ら 高 速 ま で タ ー ビ ン 効 率 を 高 め て ト ル ク と 燃 費 を 向 上 さ せ る た め に 考 案 さ れ た も の で あ る が ， 部 分 負 荷 で 余 分 に ノ ズ ル を 絞 る と 排 気 圧 力 を 増 加 し ，EGR
の 導 入 を 手 助 け す る こ と も で き る ．さ ら に 排 出 ガ ス 規 制 が 厳 し く な っ て 大 量 の
EGR
が 必 要 に な る と ，EGR 分 は 新 気 の 吸 入 量 が 減 少 す る と 同 時 に タ ー ビ ン を 通 る 排 出 ガ ス 量 も 減 少す る( 1 4 )．そ の 結 果 ，大 量
EGR
を し て い る 定 常 走 行 中 の タ ー ボ チ ャ ー ジ ャた だ し ， 硫 酸 な ど の 酸 に よ る 腐 食 が 避 け ら れ な い の で ， コ ン プ レ ッ サ ー の 羽 の 材 質 に は 改 良 の 余 地 が あ る ． ま た ，
EGR
導 入 口 か ら エ ン ジ ン ま で の 吸 気 管 容 積 が 大 き い の で ，EGR
量 の 制 御 に 大 き な 遅 れ を 生 じ て 精 密 な 制 御 が 難 し く な る こ と も 問 題 で あ る ．こ の よ う に
EGR
に は 負 荷 条 件 に 応 じ た 複 雑 な 制 御 が 必 要 と な る ．昨 今 で は 特 に ，50 %と い う 高 いEGR
率 達 成 さ れ て お り 広 い 幅 で の 制 御 が 必 要 と さ れ て い る( 1 8 ) , ( 1 9 )．燃 料 種 も パ ラ メ ー タ と な る た め ，幅 広 く 研 究 が 行 わ れ て い る( 2 0 )． 当 然 ， そ の 制 御 が 精 密 に な る ほ ど 環 境 性 能 向 上 の 効 果 は 大 き い ．特 に 過 渡 状 態 で の 測 定 が 重 要 視 さ れ て い る が ，過 渡 状 態 のEGR
率 計 測 が で き る 装 置 は 一 般 的 で は な い ．本 研 究 で は ，過 渡EGR
率 計 測 を 目 的 と し て 著 者 ら が 新 た に 開 発 し たEGR
率 計 測 ユ ニ ッ ト に つ い て ，従 来 装 置 と 比 較 し た 性 能 検 証 結 果 を 報 告 す る ． あ わ せ て ，EGR
ガ ス 濃 度 の 応 答 時 間 に 関 す る 解 析 結 果 に つ い て も 述 べ る ．エアフィルタ インター クーラ 吸気マニホールド
高圧
EGR
バルブEGR
クーラDPF VGT
シリンダ吸入空気
排気マニホールド
SCR
排気低圧
EGR
バルブ図
2-4 EGR
シ ス テ ム 図2.2.2 EGR
率 の 計 測 方 法図
2-5
にEGR
計 測 シ ス テ ム の 概 念 図 を 示 す ． 式2 -4
の よ う にEGR
で 吸 入 側 に 戻 さ れ る ガ ス 量 は ， 排 気 管 か ら の ガ ス 再 循 環 分 も 含 め た 吸 気 量 と の 比 率 （EGR
率 ） で 表 す ． 一 方 ，EGR
率 を 質 量 流 量 と し て 測 定 す る 場 合 は ，EGR で 吸 気 側 へ 戻 さ れ るC O
2やH
2O
の 量 が 一 意 に 定 ま る と い う 利 点 が あ る ． サ ン プ ル ポ イ ン ト の 温 度 と 圧 力 を 測 定 す れ ば ， 濃 度 値 と 合 わ せ て 質 量 流 量 の 算 出 は 可 能 に な る ． し か し ， こ の 方 法 で は 温 度 ・ 圧 力 セ ン サ の 遅 れ 時 間 や 測 定 精 度 の 影 響 を 大 き く 受 け る た め ， 質 量 流 量 を 正 確 に 算 出 す る こ と は 難 し い ．そ れ 故 ，先 述 の よ う に 吸 気 量 に よ りEGR
率 を 定 義 す る の が 一 般 的 で あ る ． た だ ， エ ン ジ ン 近 傍 で の ガ ス 流 量 直 接 計 測 は 非 常 に 難 し い た め ， 一 般 に ，EGR
率 は エ ン ジ ン 前 後 のC O
2濃 度 を 測 定 し て 算 出 す る ．EGR
率 は ， ガ ス 再 循 環 量 と 吸 入 空 気 量 か ら 次 式 の よ う に 表 さ れ る ． 100
egr air
egr
Q Q
EGR Q
式
2-4
こ こ で ，EGR : EGR
率(%)
Q
air:
エ ア フ ィ ル タ か ら の 吸 入 空 気 流 量(L/ min) Q
egr:
排 気 管 か ら 再 循 環 さ れ る ガ ス 流 量(L/ min)
エ ン ジ ン の 吸 気 側 の ガ ス 中 に 存 在 す る
CO
2 は ， 吸 入 空 気 由 来 分 と 再 循 環 分 と の 和 に な る は ず で あ る ． こ れ よ り ， 式2-5
が 成 り 立 つ ．
こ こ で ，
[CO
2]
int:
エ ン ジ ン 吸 気 側 のC O
2濃 度(vol%) [CO
2]
exh:
エ ン ジ ン 排 気 側 のC O
2濃 度(vol%) [CO
2]
amb:
吸 入 新 気 （ 大 気 ） 中 のC O
2濃 度(vol%)
以 上 よ り ，式
2-6
を 得 る ．こ の 式 よ り ，CO
2濃 度 の み か らEGR
率 を 算 出 で き る こ と が わ か る ．
2 2 2 2 100
amb exh
amb int
CO CO
CO
EGR CO
式
2-6
C O
2を ト レ ー サ と し て 利 用 す るEGR
率 計 測 法 は ，簡 便 で あ る の に 加 え ， 計 測 技 術 が 確 立 し て い る た め に 信 頼 性 が 高 く ， 広 く 用 い ら れ て い る ． な お ， ス ロ ッ ト ル 弁 を も つ ガ ソ リ ン エ ン ジ ン の 場 合 ， 吸 気 側 は 数 十kPa
の 負 圧 に な る ． ま た ， 過 給 機 付 き の デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン の 場 合 ， 吸 気 側 は 数 十kPa
の 加 圧 に な る ．EGR
率 の 測 定 に は ， こ の よ う な 負 圧 ・ 加 圧 条 件 で も 十 分 な 吸 引 能 力 を も っ た 計 測 器 を 用 意 す る 必 要 が あ る ． ま た ， 吸 気 側 サ ン プ リ ン グ 点 と し て ， 燃 料 液 滴 等 を 吸 い 込 み に く い 位 置 を 選 択 す る こ と も 重 要 で あ る ．図
2-5 EGR
率 測 定 の シ ス テ ム フ ロ ー2.3
排 出 ガ ス 流 量 計 測 に つ い て2.3.1
排 出 ガ ス 流 量 計 測 の 技 術 内 容 と 動 向自 動 車 か ら 排 出 さ れ る 気 体 成 分 の 質 量 は ， 排 出 ガ ス を
C VS
（C onsta nt Volume Sa mpler :
定 容 量 試 料 採 取 ） 装 置 で 希 釈 し て バ ッ グ に 採 取 し ， バ ッ グ 内 ガ ス の 濃 度 分 析 に よ り 求 め る の が 一 般 的 で あ る ． こ の 方 法 で は ， サ ン プ ル 中 の 水 分 濃 度 を 下 げ る こ と が で き ， 配 管 内 部 で の 結 露 が 起 こ り に く い ． そ の た め ， 水 の 凝 縮 に よ る ガ ス 濃 度 変 化 や ， 水 溶 性 成 分 の 溶 解 損 失 に よ る 計 測 誤 差 を 抑 制 で き る ． 排 出 質 量 の 算 出 に は ，C VS
で 一 定 に 制 御 し て い る 希 釈 流 量 が 使 用 で き ， エ ン ジ ン か ら の 排 出 流 量 を 直 接 測 定 す る 必 要 が な い ． 一 方 ， 測 定 成 分 の 濃 度 も 低 く な る の で ， 微 量 成 分 の 分 析 に は 不 利 な 場 合 も あ る ．し か しC VS
法 に は 多 く の 利 点 が あ る こ と か ら ， 現 在 ， 米 国 ・ 欧 州 ・ 日 本 に お け る 新 型 車 両 の 排 出 ガ ス 認 証 試 験 ， 使 用 課 程 車 の 排 出 ガ ス 試 験 に 標 準 的 に 用 い ら れ て い る ．こ の 方 式 で 求 め ら れ る 排 出 質 量 は ， 瞬 時 値 で は な く ， 試 験 ご と の 平 均 値 と な る ． 一 方 ， エ ン ジ ン 制 御 の 研 究 や 評 価 に お い て は ， 各 運 転 条 件 に 対 す る 瞬 時 排 出 量 を 解 析 す る こ と も 重 要 で あ る ． こ の よ う な 瞬 時 排 出 量 を 求 め る た め に は ， 各 成 分 濃 度 に 加 え て 排 出 ガ ス 流 量 を 瞬 時 計 測 す る 必 要 が あ る ． 表
2-1
に ， 排 出 ガ ス 計 測 に 比 較 的 よ く 用 い ら れ る 流 量 計 の 例 を 示 す( 2 1 )． 一 般 に ， エ ン ジ ン 排 出 ガ ス は ， 温 度 ・ 流 量 ・ 組 成 ・ 圧 力 な ど の 条 件 変 動 が 極 め て 大 き く ， さ ら に 大 量 の 水 分 や 粉 塵 を 含 ん で い る ． ま た ， 小 型 ガ ソ リ ン エ ン ジ ン で は ， ア イ ド ル 時 ， 逆 流 を 含 む 大 き な 脈 動 流 を 生 じ る と い う 問 題 も あ る ． エ ン ジ ン 排 出 ガ ス 流 量 計 測 で は ， 測 定 値 が こ れ ら の 条 件 に 左 右 さ れ な い こ と が 要 求 さ れ る ． さ ら に ， 流 量 セ ン サ の 設 置 に よ る 圧 力 損 失 な ど が エ ン ジ ン シ ス テ ム に 影 響 し な い こ と も 重 要 で あ る ． こ の よ う に 条 件 が 非 常 に 厳 し い こ と か ら ， 排 出 ガ ス 計 測 よ う と し表
2-1
排 出 ガ ス 計 測 に 利 用 さ れ る 流 量 計 の 例名 称 直 接
/
間 接 特 徴超 音 波 流 量 計 直 接 法 ガ ス 流 に よ る 超 音 波 伝 播 速 度 の 変 化 を 計 測
ピ ト ー 管 式 流 量 計 直 接 法 流 路 中 に 設 置 し た ピ ト ー 管 の 差 圧 を 計 測
差 圧 式 流 量 計 直 接 法
絞 り 機 構 （ オ リ フ ィ ス ・ フ ロ ー ノ ズ ル ・ ベ ン チ ュ リ な ど ） の 入 口 ・ 出 口 の 差 圧 を 計 測
カ ル マ ン 渦 流 量 計 直 接 法 ガ ス 流 中 に カ ル マ ン 渦 を 発 生 さ せ ， そ の 発 生 周 波 数 を 検 出
熱 線 式 流 量 計 直 接 法 熱 線 の 抵 抗 が ガ ス 流 に よ る 冷 却 で 変 化 す る こ と を 利 用
ラ ミ ナ 流 量 計 直 接 法 層 流 管 （ ラ ミ ナ フ ロ ー チ ュ ー ブ ） に よ る 流 量 計 測
タ ー ビ ン 流 量 計 直 接 法 流 路 中 の タ ー ビ ン の 回 転 数 か ら 流 量 算 出
レ ー ザ ー ・ ド ッ プ ラ ー 流
量 計 直 接 法 干 渉 さ せ た レ ー ザ ー の 散 乱 光 の 時 間 変 化 か ら 流 速 を 算 出
吸 入 空 気 流 量 お よ び 燃
料 流 量 測 定 に よ る 方 法 間 接 法 燃 焼 で 生 成 す る ガ ス の 量 を 燃 焼 化 学 式 か ら 推 定
ト レ ー サ ガ ス 測 定 に よ
る 方 法 間 接 法 排 出 ガ ス に 混 合 し た ト レ ー サ の 濃 度 を 下 流 で 計 測
空 気 質 量 流 量 お よ び 空
燃 比 測 定 に よ る 方 法 間 接 法 燃 焼 で 生 成 す る ガ ス の 量 を 燃 焼 化 学 式 か ら 推 定
C O
2 ト レ ー サ 法 は ，C VS
の 使 用 を 前 提 と し た 排 出 ガ ス 流 量 計 測 法 の ひ と つ で あ る ． こ の 方 法 で は ， 車 両 か ら の 排 出 ガ ス とC VS
に よ り 希 釈 さ れ た 排 出 ガ ス 中 のC O
2濃 度 を 分 析 し ， 希 釈 前 の 排 出 ガ ス 流 量 を 逆 算 す る ． 比 較 的 簡 便 な 方 法 で あ る が ，通 常 ，サ ン プ ル ガ ス の 除 湿 を 伴 う 常 温 型CO
2計 を 用 い る た め ， 除 湿 に よ る 体 積 変 化 補 正 に 起 因 す る 誤 差 を 生 じ や す い と い う 特 性 も あ る( 2 3 )． 利 点 と し て は ， 導 入 コ ス ト が 低 く ， ガ ス 分 析 計 と し て 構 成 を 行 う た め ， 維 持 管 理 も 容 易 な こ と が 挙 げ ら れ る ． ま た ， 燃 料 種 や 車 種 に 対 す る 制 約 も な く ， 適 用 範 囲 が 広 い ． そ の た め ， 瞬 時 排 出 量 の 演 算 や
PM
の 解 析 の た め に 適 用 さ れ る 例 も 多 く 見 る こ と が で き る( 2 4 )~ ( 2 6 )．
希釈空気
排出ガス ( Cex, Vex )
ベンチュリ シャーシダイナモ
希釈排出ガス用バッグ ( Csam, Vmix )
ブロア
Dry CO2 トレーサー Wet CO2トレーサー
TC 熱電対
A/Fセンサー
SAO流量計
ガス分析計 試験車両
CO2
Analyzer Cooler
CO2
Analyzer CO2
Analyzer CO2
Analyzer Cooler
*1 *2 *1 *2
*1 *2
希釈排出ガス
希釈空気用バッグ ( Camb, Vamb )
図
2-6 CO
2ト レ ー サ 流 量 計 シ ス テ ム の 概 要2.3.2
排 出 ガ ス 流 量 の 計 測 方 法C O
2 ト レ ー サ 法 で は ， 車 両 テ ー ル パ イ プ か ら サ ン プ リ ン グ し た 希 釈 前 のC O
2濃 度 とC VS
か ら サ ン プ リ ン グ し た 希 釈 後 のC O
2濃 度 と の 比 ，さ ら にC VS
希 釈 排 出 ガ ス の 流 量 か ら ，希 釈 前 の エ ン ジ ン 排 出 ガ ス 流 量 を 算 出 す る ．式2-7
に ，そ の 演 算 式 を 示 す ．こ こ で ，そ れ ぞ れ の 値 は 時 間t
に お け る 瞬 時 値 で あ る ．) ) (
( ) ) (
(
_ 2
_ 2
_ Q t
t CO
t t CO
Q mix
dir dil ex
tr
式
2-7
こ こ で ，Q
tr_ex( t ) : CO
2ト レ ー サ 法 に よ る 排 出 ガ ス 流 量(L/min)
CO
2_dil( t ) : C VS
希 釈 排 出 ガ ス 中 のC O
2濃 度(vol%)
CO
2_dir( t ) :
排 出 ガ ス 中 のC O
2濃 度(vol%)
Q
mix( t ) : C VS
希 釈 排 出 ガ ス の 流 量(L/ min)
瞬 時 排 出 質 量 は ， こ の 排 出 ガ ス 流 量 を 用 い て 式
2-8
で 表 す こ と が で き る ．60 10 2 1
C ( t ) Q ( t ) )
t (
M x x xdir tr _ ex
式
2-8
こ こ で ，M
x( t ) :
成 分x
の 排 出 質 量(g/s) ρ
x( t ) :
成 分x
の 密 度(g/ L)
C
xdir( t ) :
排 出 ガ ス 中 の 成 分x
の 濃 度(vol%)
C O
2 ト レ ー サ 法 で は ， 排 出 ガ ス 質 量 演 算 に 用 い る 成 分 濃 度 値 は 希 釈 前 の も の で あ る ． す な わ ち ， 濃 度 分 析 計 へ の サ ン プ ル を 排 気 管 か ら 直 接 採 取 す る た め ， 加 減 速 時 な ど 急 な 流 量 変 化 に 対 し て の 応 答 性 が 良 い ． そ の 一 方 ，テ ー ル パ イ プ とC VS
希 釈 後 の2
ヶ 所 で 測 定 す るC O
2濃 度 の 変 化 に は 時 間 差 が あ り ，そ の ず れ の 補 正 が 必 要 と な る ．ま た ，Dr y C O2ト レ ー サ 流 量 計 測 の 場 合 は ， 除 湿 後 の 濃 度 か ら 湿 り 濃 度 へ の 補 正 も 必 要 で あ る ．こ の 際 ， エ ン ジ ン 始 動 時 な ど テ ー ル パ イ プ ま で の 排 気 管 の 中 で 結 露 が 発 生 し て し ま う と ， 補 正 が 不 正 確 と な る ．
