流量測定装置、燃費測定装置、流量測定装置用プログラム、及び流量測定方法

本発明は、例えば内燃機関から排出された排ガスの流量を測定する流量測定装置等に関するものである。

内燃機関の排ガスに含まれる種々の成分の量や燃費等を測定するには、前記成分の濃度の他に、排ガス流量を測定する必要があり、従来は、特許文献1に示すように、車両や内燃機関の、例えばテールパイプに直列に接続した管体に、超音波式等の流量計を取り付けて排ガス流量を測定している。

このとき、温度センサを設けて、流量測定時の排ガス温度をも測定するようにしている。その理由としては、測定した流量を、ノルマル換算する(測定流量を標準状態、すなわち0℃、101.325kPas・absにおける体積流量に換算する)際に流量測定時の排ガス温度が必要であることと、超音波流量計のみならず、種々のタイプの流量計において、流体温度が流量測定時のパラメータとなっていることとを挙げることができる。 温度センサは、通常、そのセンサ本体が流路の中央付近に位置するように配置されており、流路中央を流れる排ガスの温度が測定されるようにしてある。

内燃機関の燃費測定や排ガス成分測定において、排ガス流の中央付近の温度こそが該排ガスの温度を示しており、該温度をもって排ガス流量算出時のパラメータとすることは、いわば常識である。また、そうして特段の不具合が生じたという事実も見当たらない。

しかしながら、ディーゼルエンジンにおけるオイル混入試験などの特殊な試験状況下において、上述した流量測定方式では、測定流量に誤差が生じることがわかり、本発明者は、鋭意検討した結果、その原因を初めて突き止めた。

すなわち、流量計が取り付けられる管体は、その内壁面で水分やTHCの凝縮が生じるのを防止するために、ヒータによって約100℃に加熱されている。上述したオイル混入試験では、内燃機関の回転数を一気に上げて、かなりの長時間、最大300℃にも及ぶ排ガスを流してその流量を測定し続ける。このような特殊な条件下においては、排ガスが流れ初めてしばらくは、管体内壁が、排ガス温度に比べてかなり低く、排ガスの周囲部分が管体で冷やされるので、温度が維持されている中央付近と大きな温度差が生じる。この結果、中央の温度を測定していた従来の方式では、排ガス周囲部分の温度低下による影響を無視することとなり、測定誤差が生じるというわけである。

これに対し、一般的なモード走行試験などでは、例えば、初動時から温度の高い排ガスが一気に流れ続けるようなことはなく、従来の測定手法で流量測定に不具合が生じることはまずない。

特開2015−36623号公報

本発明は、かかる不具合に鑑みてなされたものであって、管体を流通する試料流体の径方向に温度ムラが生じても、その流量を精度よく測定できる流量測定装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係る流量測定装置は、管体を流れる試料流体の平均温度又は試料流体の径方向に沿った温度分布を測定する温度測定器を具備し、該温度測定器が測定した前記平均温度又は温度分布に基づいて前記試料流体の流量を測定するものであることを特徴とするものである。 具体的には、前記試料流体が、内燃機関から排出されて管体を流れる排ガスであり、前記温度測定器が、内燃機関から排出されて管体を流れる排ガスの平均温度又は排ガスの径方向に沿った温度分布を測定するものであることを特徴とする。

このようなものであれば、管体を流れる試料流体である排ガスの温度にムラがあっても流量をより正確に測定できる、その結果、例えばノルマル換算したときの排ガス流量であるノルマル流量の誤差を軽減することができる。

より具体的には、前記流量測定装置が、一対の超音波送受信器を具備し、これら超音波送受信器間を伝播する超音波の伝播時間に基づいて、前記試料流体の流量を測定するものを挙げることができる。このとき、前記温度測定器が、前記伝播時間に基づいて試料流体の平均温度を算出するものであることが好ましい。

このような構成であれば、流量計の一部を温度測定器と利用するので、管体内に専用の温度センサを配置しなくてもよくなり、構成の簡素化を図れるとともに、管体内に抵抗なく試料流体を流すことができるようになるからである。

より好ましくは、前記温度測定器が、空燃比センサが測定した内燃機関での空燃比にさらに基づいて、排ガスの平均温度を算出するものを挙げることができる。

前記伝播時間に基づいて、排ガス流量と排ガス温度を算出するための具体的な構成としては、前記流量測定装置が、一対の超音波送受信器を具備し、これら超音波送受信器間を、排ガスの上流方向及び下流方向に伝播する超音波の各伝播時間の逆数差に基づいて排ガス流量を算出するものであって、前記各伝播時間の逆数和から算出される排ガス温度にさらに基づいて排ガス流量を算出するものが挙げられる。

本発明に係る流量測定装置と、流量測定装置と、該流量測定装置が測定した排ガス流量に基づいて燃費を算出する燃費算出器とを具備することを特徴とする燃費測定装置であれば、従来よりも正確な排ガス流量に基づき、より正確な燃費測定を実現できる。

既存の流量測定装置に本発明と同様の機能を実現し、試料流体の流量についてより正確に測定できるようにするには、一対の超音波送受信器と、これら超音波送受信器間を、前記試料流体を通過して伝播する超音波の伝播時間に基づいて試料流体の流量を算出する演算部とを具備した流量測定装置に搭載されるプログラムであって、前記伝播時間に基づいて試料流体の平均温度を算出するとともに、この平均温度にさらに基づいて排ガスの流量を算出する機能を、前記演算部に発揮させることを特徴とする流量測定装置用プログラムを既存の流量測定装置にインストールすればよい。

このように構成した本発明によれば、試料流体の温度にムラがあっても、その流量をより正確に測定できる、その結果、例えばノルマル換算したときの試料流体の流量であるノルマル流量の誤差を軽減することができるようになる。

本発明の一実施形態における燃費測定装置の構成を模式的に示す全体図。

同実施形態の超音波流量計における演算部の機能ブロック図。

同実施形態における平均温度算出部が温度を算出する際に用いるマップをグラフにした温度−伝播時間相関グラフ。

以下に本発明に係る燃費測定装置について図面を参照して説明する。

本実施形態の燃料測定装置100は、内燃機関の燃料消費量を測定するものであり、図1に示すように、内燃機関の排気管に直列に装着されて排ガスが流される管体8と、空燃比を測定する空燃比センサ3と、該管体8を流れる排ガスの流量を測定する排ガス流量測定装置たる超音波流量計2と、温度及び圧力をそれぞれ測定する温度センサ6及び圧力センサ7と、前記各センサ等により得られた測定値に基づいて内燃機関の燃料消費量Fe等を算出する燃費算出器たる演算装置4とを備えている。

前記管体8は、例えばテールパイプに連続して直列に接続されたステンレス製のものであり、内燃機関から排出される排ガスの全量が流通するように構成してある。

この管体8の外側周面には、ヒータHが装着されて該管体8を約100℃に暖めており、この管体8の内壁面に排ガス中の種々の成分が凝集するのを防止している。

前記空燃比センサ3は、前記管体8の管壁に、貫通するように取り付けられた直挿型のものであり、ここでは前記超音波流量計2の下流側に配置してある。この空燃比センサ3は、ジルコニア(ZrO₂)固体電解質体の両面に電極を設け、その両面における酸素濃度差に応じた起電力を検出するジルコニア式センサである。具体的に空燃比センサ3は、前記ジルコニア固体電解質、前記電極及び前記固体電解質を加熱するためのヒータ等が内蔵されたセンシング部31と、前記起電力から排ガス中の酸素濃度を測定して、当該酸素濃度から空燃比を算出する演算ユニット32とを備えている。なお、この演算ユニット32の全部又は一部機能を省略して、その機能を後述する演算装置4に備えさせてもよい。

前記超音波流量計2は、前記管体8の軸方向に対して傾斜するように、互いに対向して配置された対をなす第1超音波送受信器21及び第2超音波送受信器22と、演算ユニット23とを有している。

前記対をなす各超音波送受信器21、22は、前記管体8の管壁に取り付けられている。 演算ユニット23は、CPUやメモリなどを有したコンピュータであり、該メモリに記憶させた所定のプログラムにしたがって前記CPUとその周辺機器が協働することにより、伝播時間検出部23a、温度測定器たる平均温度算出部23b、排ガス流量算出部23c等としての機能を発揮する。なお、この演算ユニット32の一部又は全部の機能を省略して、その機能を後述する演算装置4に備えさせてもよい。

次に、前記各部23a〜23cを説明する。 前記伝播時間検出部23aは、一方の超音波送受信器21(又は22)に送信信号を出力するとともに、他方の超音波送受信器22(又は21)から受信信号を取得することで超音波パルスの伝播時間、すなわち、下流方向への超音波の伝播時間(以下、順方向伝播時間ともいう。)及び上流方向への超音波の伝播時間(以下、逆方向伝播時間ともいう。)を検出するものである。

平均温度算出部23bは、前記伝播時間検出部23aで得られた音波の順方向伝播時間及び逆方向伝播時間と、空燃比センサで得られた空燃比とをパラメータとして、排ガスの温度を算出するものである。

まず、前記パラメータから排ガス温度を算出できる概念的な理由から説明する。 温度が変化すると、超音波の伝播速度(音速)が変化するため、この音速を測定することで、排ガスの温度を算出することが可能である。ただし、音速は、排ガス密度によっても変化するところ、空燃比センサの測定値である空燃比から、排ガスの成分がわかり、その密度もわかるので、前記パラメータによって排ガスの温度を算出することができるわけである。

より具体的に説明する。 音速C[m/s]と前記順方向伝播時間T_dn[s]、逆方向伝播時間T_up[s]及び超音波送受信器21、22間の距離L[m]との間には、以下の関係がある。

また、音速Cと温度tとの間には、以下の関係がある。

ここで、κは排ガスの比熱比、Rは気体定数、Mは排ガスの平均分子量である。

前記数1と数2から以下の式を導くことができる。

この数3において、右辺第1項は、空燃比から求めることができるし、Lは既知であるので、順方向伝播時間T_dnと逆方向伝播時間T_upを測定すれば、その逆数和から排ガス温度T_EXを求めることができるわけである。 なお、簡易的には、排ガスの組成がいつでも略不変とみなして、右辺第1項を定数として扱うことにより排ガス温度T_EXを求めることもできる。この場合は空燃比を用いなくてもよい。すなわち、順方向伝播時間T_dn及び逆方向伝播時間T_upのみを変数として、排ガス温度T_EXを求めてもよい。

そこで、前記平均温度算出部23bは、この数3に基づいて又はこれと均等な演算を行うことによって、温度T_EXを算出する。 実際には、空燃比センサの測定値である空燃比毎に、温度tと順方向伝播時間T_dn及び逆方向伝播時間T_upとの関係を示すグラフ(図3に示す)を、マップとしてメモリに記憶させてあり、前記平均温度算出部23bは、測定された空燃比と、算出した順方向伝播時間T_dn及び逆方向伝播時間T_upの逆数和を前記マップにあてはめて温度T_EXを算出する。

しかして、この温度T_EXは、超音波が排ガスを径方向に亘ることによって得られたものであるから、排ガスの径方向に亘る温度の平均値とみなすことができる。

前記排ガス流量算出部23cは、前記平均温度算出部23bが算出した排ガス温度T_EXを受け付け、このガス温度T_EXを含む以下の式から、又はこれと均等な演算を行うことにより、標準状態での排ガス流量Q_EXを算出するものである。これがいわゆるノルマル換算である。そして、この排ガス流量算出部23cは、排ガス流量Q_EXを別に設けたディスプレイに表示可能に出力したり、外部情報処理装置に出力したりする。

ここで、Q_EXは前記標準状態の排ガス体積流量[m³/min]、k_profileは管体8内の排ガス速度分布による補正係数、Aは管体8の流路断面積[m²]、T₀は標準温度(=293.15)[K]、T_EXは排ガス温度[K]、p_EXは排ガス圧力[kPa]、p₀は標準圧力(=101.3)[kPa]である。

また、vは、以下の式で算出することのできる、温度を考慮しない仮排ガス流速[m/s]である。この式から明らかなように、vは、順方向伝播時間T_dnと逆方向伝播時間T_upの逆数差から求められる。

演算装置4は、CPU、メモリ、入出力インターフェイス、AD変換器等を備えた専用乃至汎用のコンピュータであり、図1に示すように、前記管体8の外側に取り囲むように配置されたケーシング5に収容されている。このものは、前記メモリに格納された所定のプログラムに従ってCPUやその周辺機器が協働することにより、燃料消費量を算出する機能を発揮する。

具体的にこの演算装置4は、前記超音波流量計2が測定した排ガス流量Q_EXと、空燃比センサ3が測定した空燃比AFRとを取得し、これらを用いて以下の式により、またはこれと均等な演算を行うことにより瞬時燃料消費量Fe(t)を逐次算出する。そして、この瞬時燃料消費量Fe(t)の値を、別に設けたディスプレイに表示可能に出力したり、外部情報処理装置に出力したりする。

ここで、Fe(t)は、時間tにおける燃料消費率[g/s]であり、Q_EX(t)は、時間tにおける標準状態(温度293.15K、圧力101.3kPa)の排ガス流量[L/min]であり、AFR(t)は、時間tにおける空燃比であり、D_EXは、排ガス密度[kg/m³]である。

このようなものであれば、管体8を流れる排ガスの温度に流量をより正確に測定できる、その結果、例えばノルマル換算したときの排ガス流量であるノルマル流量の誤差を軽減することができる。 また、超音波流量計2の一部機能を用いて温度を測定するので、管体8内に専用の温度センサを配置しなくてもよくなり、構成の簡素化を図れるとともに、管体8内に抵抗なく排ガスを流すことができるようになる。

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、前記実施形態では温度センサ6を設けているが、この温度センサ6による測定温度によって、前記平均温度算出部23bが算出した温度を校正するようにしても構わない。この温度センサ6は、校正のときにのみ用いることができるように、着脱可能にしておくことが好ましい。

また、この温度センサ6を、そのセンサ面を管体8の径方向中心に配置してもよいし、校正用であるから、管体8の内壁面近傍に配置しても構わない。流れ方向の設置位置としては、超音波流量計2の近傍が好ましい。

超音波流量計を利用して排ガス温度を測定するのではなく、管体に、それぞれ径方向に位置が異なるように複数の温度センサを設けておき、排ガスの径方向の温度分布を測定してその温度分布によって、排ガス流量を算出するようにしてもよい。複数の温度センサは、例えば、径方向において管体の中心、管体の内周面近傍、管体の中心と内周面との間などの2箇所乃至それ以上の箇所にそれぞれ設ければよい。複数の温度センサは、管体を流れる試料流体の平均温度又は温度分布を測定する温度測定器として機能する。

このようなものであれば、排ガスの平均温度ではなく、温度分布に基づくので、より精度の高い流量測定が可能になる。ただし、前記超音波流量計を利用した温度測定に比べて、温度センサが管体8内に配置されるので、これらが流体抵抗となるデメリットはある。 流量計としては、超音波流量計に限られず、その他の流量計を用いることも可能である。 排ガスのみならず、他の種々の試料流体に本発明を適用することも可能である。

試料流体の排ガス以外の具体例としては、内燃機関に吸入される空気が挙げられる。前記実施形態に示した構成を空気の吸入路である管体に設けておき、管体を流れる空気の平均温度又は空気の系方向に沿った温度分布を測定し、その値に基づいて空気の流量を測定するようにしてもよい。また、本発明は、測定対象をガスに限らず、ガス及び液体を含む試料流体を測定するものであってもよい。

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・・・燃費測定装置 8 ・・・管体 2 ・・・超音波流量計 21、22・・・超音波送受信器 23b・・・温度測定器(平均温度算出部) 3 ・・・空燃比センサ 4 ・・・燃費算出器(演算装置)