Direct Fuel Consumption Measurement Using Fuel Flowmeter 松 山 貴 史 Takashi MATSUYAMA 糸 賀 友 城 Yuki ITOGA 京 都 議 定 書 に 代 表 される 温 室 効 果 ガス 削 減 の 動 向 により, 運 輸 部 門 において は, 排 気 ガス 削 減 に 結 び 付 く 規 制 として 燃 費 基 準 が 年 々 厳 しく 規 定 されてきて いる それに 伴 い, 各 自 動 車 メーカーの 低 燃 費 化 への 取 り 組 みが 急 速 に 進 んで おり, 低 燃 費 化 を 実 現 する 技 術 開 発 のために, 高 精 度 の 計 測 が 可 能 な 燃 費 計 測 システムが 求 められている 本 稿 では, 高 精 度 のダイレクト 燃 費 計 測 の 要 望 に 応 えうる 弊 社 燃 料 流 量 計 と,センサー 計 測 システムの 視 点 における 燃 費 計 測 に 重 要 なポイントを 紹 介 する Influenced by the trend toward reducing greenhouse gases represented by Kyoto Protocol, provisions on fuel consumption standard is stricter every year in transportation sector as regulations directly contributing to reduction of exhaust gases. As a result, efforts of automobile manufacturers to reduce fuel consumption are made more actively and quickly and therefore the technical development to realize low fuel consumption requires such a fuel consumption measurement system that enables highly accurate measurement. This article introduces our fuel flowmeter which satisfies the request for direct fuel consumption measurement with high accuracy and the important points to fuel consumption measurement at the viewpoints of sensor and measurement system. はじめに 自 動 車 やエンジンは, 温 室 効 果 ガスであるCO 2の 排 出 源 の 一 つとなっている たとえば,2012 年 の 国 内 の 統 計 で は, 運 輸 部 門 からのCO 2 排 出 量 は 全 体 の 約 18%を 占 める (Figure 1) このため, 近 年, 世 界 各 国 でエンジンや 自 動 車 からのCO 2 排 出 量 が 規 制 されるようになってきた エン ジンでのCO 2 発 生 量 は, 燃 料 消 費 量 で 決 まるため,CO 2の 排 出 量 を 削 減 するには 燃 費 の 向 上 が 欠 かせない これを 受 け, 自 動 車 業 界 全 体 で 燃 費 改 善 技 術 の 開 発 がますます 盛 んになっている その 開 発 プロセスでは, 燃 料 消 費 量 を 精 度 よく 計 測 することが 求 められる 燃 費 の 計 測 には,いくつかの 方 法 が 用 いられている そ の 一 つが,エンジンで 消 費 される 燃 料 流 量 を 流 量 計 で 直 Waste 26.6 million tons Manufacturing process 41.5 million tons Energy conversion 86.3 million tons Industry 431 million tons (34%) Transportation 227 million tons (18%) House 203 million tons (16%) Business and others 259 million tons (20%) Figure 1 CO2 emission of the transport secter(japan 2012) Source: Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism. No.42 May 2014 85
B: Fuel return flow Center: Vibration of a constant period is applied A: Fuel supply flow Fuel consumption (mass flow rate) = A - B Figure 2 Image of fuel measurement by fuel flowmeter 接 計 測 する 方 法 である ここで,この 燃 料 流 量 計 測 に 要 求 される 計 測 精 度 を 試 算 してみる たとえば, 排 気 量 10 Lの 重 量 車 エンジンの 場 合,JE05と 呼 ばれる 試 験 サイク ル(1830 秒 )で 運 転 した 場 合 の 燃 料 消 費 量 は 約 3.6 kgと 見 積 もられる これを 燃 料 の 質 量 流 量 に 換 算 すると 約 7.1 kg/hとなる 燃 費 については,この 値 からの1%の 改 善 で も 大 きな 意 味 を 持 つことを 考 えれば, 少 なくとも0.07 kg/ h 程 度 の 変 化 を 明 確 に 検 出 できる 必 要 があることがわか る HORIBAグループでは,このような 高 精 度 での 燃 料 流 量 計 測 への 要 求 に 対 して,コリオリメータ 式 燃 料 流 量 計 FQ-2200CRを 提 供 している 本 稿 では,このFQ- 2200CRにおける 精 度 向 上 技 術 について 紹 介 する 燃 料 流 量 計 FQ-2200CRの 概 要 Fuel Figure 4 Outline of Coriolis meter の 燃 費 計 測 に 使 用 される Figure 3に, 燃 料 流 量 計 FQ-2200CRのフロー 図 を 示 す FQ-2200CRでは,コリオリメータと 呼 ばれる 質 量 流 量 セ ンサを 用 いて, 燃 料 流 量 を 検 出 している コリオリメータ の 原 理 と 特 徴 については 後 述 する 青 枠 で 示 した 範 囲 が FQ-2200CRの 内 部 である Figure 3 中,A 部 は 計 測 部 に あたり,コリオリメータもここに 搭 載 されている また,B 部 で 示 す 部 分 は,エンジンに 送 られる 燃 料 の 温 度 と 圧 力 を 調 整 する 前 処 理 部 となっている C 部 は, 試 験 対 象 のエ ンジンである Inlet and outlet (in 2 places): Vibration is detected by the sensor 装 置 の 全 体 構 成 Figure 2に, 燃 料 流 量 計 を 用 いた 燃 費 の 直 接 計 測 のイ メージを 示 す 実 際 に 消 費 された 量 ( 流 量 )は,エンジンへ の 燃 料 供 給 ラインとエンジンからの 燃 料 リターンライン との 流 量 の 差 分 から 求 める このような 燃 料 流 量 計 によ る 燃 費 計 測 は,リアルタイムの 燃 料 消 費 量 を 連 続 計 測 で きるのが 大 きな 特 長 である その 一 方, 燃 料 ライン 中 に 流 量 計 を 組 み 込 む 必 要 があり, 完 成 車 両 の 試 験 時 には 適 用 しにくい 面 もある そのため,エンジンの 研 究 開 発 現 場 や 重 量 車 用 エンジンの 認 証 試 験 など, 主 にエンジン 単 体 で Coriolis meter コリオリメータの 原 理 と 特 徴 FQ-2200CRに 使 用 しているコリオリメータは,1 本 のつな がった 配 管 で2つのループを 作 り,そのループ 部 を 互 いに 平 行 に 配 置 した 構 造 となっている Figure 4に,コリオリ メータをループに 対 して 垂 直 の 方 向 から 見 た 概 略 図 を 示 す ループの 中 央 のポイントには,コイルにより 一 定 周 期 の 振 動 が 加 えられている その 両 側, 燃 料 の 入 口 側 と 出 口 側 のポイントには, 実 際 の 配 管 の 振 動 を 検 知 するセン サが 設 置 されている Figure 5に,コリオリメータによる 燃 料 流 量 検 出 の 原 理 を Inside of FQ-2200CR (the part with a blue background) Outside the device (FQ-2200CR) A: Measuring part B: Pre-processing part C: Engine Figure 3 Fuel measurement flow of FQ-2200CR (a) When flow rate is 0 Figure 5 Principle of Coriolis meter (b) When fuel is flowing 86 No.42 May 2014
Technical Reports 示 す Figure 5aは,ループ 内 部 に 燃 料 の 流 れがないとき で,ループの2 箇 所 でモニタしている 振 動 の 位 相 がそろっ ている 一 方,Figure 5bはループ 内 部 を 燃 料 が 流 れてい るときである このケースでは,2 箇 所 で 検 出 する 振 動 波 形 に 位 相 差 (ΔT)が 生 じている これは, 流 体 の 流 れてい る 配 管 に 対 し, 流 れと 垂 直 方 向 に 振 動 を 加 えると,コリオ リ 力 と 呼 ばれる 力 が 発 生 するためである コリオリ 力 の 大 きさは 配 管 内 の 質 量 流 量 に 依 存 するため, 検 出 される 位 相 差 から 質 量 流 量 を 算 出 することができる コリオリメータでは,センサから 直 接, 質 量 としてのリ アルタイムの 流 量 を 知 ることができる 容 積 流 量 を 検 出 するタイプのものとは 違 い, 燃 料 密 度 を 用 いた 質 量 へ の 換 算 が 不 要 であるため, 密 度 補 正 に 起 因 する 誤 差 の 影 響 を 排 除 できる なお, 一 般 には,コリオリメータは 低 流 量 域 での 繰 り 返 し 性 が 確 保 しづらいのが 難 点 とされてい る 後 述 するように,FQ-2200CRでは,HORIBAグルー プ 独 自 の 技 術 によりこの 問 題 点 を 解 決 している 繰 り 返 し 性 向 上 のための 技 術 コリオリメータ 式 燃 料 流 量 計 の 繰 り 返 し 性 を 確 保 するに は,センサであるコリオリメータそのものの 条 件 のほか, エンジンに 燃 料 を 供 給 する 前 処 理 部 の 条 件 もポイントと なる 以 下,FQ-2200CRで 応 用 されている 技 術 を 紹 介 す る このように,コリオリメータ 入 口 に 燃 料 循 環 回 路 を 設 け, レギュレータを 用 いて 燃 料 圧 力 を, 熱 交 換 器 にて 燃 料 温 度 を 制 御 している この 回 路 によりゼロ 点 校 正 時 点 と 実 計 測 時 の 条 件 をそろえ,センサ 出 力 への 温 度 圧 力 の 影 響 を 抑 制 している また,コリオリメータの 出 力 に 影 響 する 別 の 要 因 として, センサ 部 の 振 動 があげられる すでに 説 明 したように,コ リオリメータは 内 部 の 配 管 を 振 動 させて 質 量 流 量 を 検 出 している 配 管 内 の 燃 料 の 脈 動,あるいは 外 部 の 振 動 が コリオリメータ 内 の 配 管 振 動 と 共 振 してしまうと, 検 出 精 度 を 悪 化 させる 可 能 性 がある そこで, 燃 料 ポンプや 外 部 からの 振 動 が 伝 わりにくいフレキ 管 を 燃 料 配 管 の 一 部 に 使 用 し,さらにコリオリメータには 防 振 対 策 を 行 ってい る 前 処 理 部 の 条 件 制 御 コリオリメータで 燃 料 流 量 を 計 測 する 際,エンジンとコリ オリメータを 接 続 する 前 処 理 部 ( 配 管 レギュレータなど) 内 にはある 程 度 の 容 積 が 存 在 する この 容 積 が 温 度 によ り 変 動 する,あるいはこの 部 分 を 流 れている 燃 料 の 密 度 が 温 度 圧 力 により 変 動 すると,エンジンが 消 費 した 燃 料 をコリオリメータで 検 出 する 際 の 応 答 時 間 に 影 響 を 与 える この 現 象 は, 燃 料 流 量 の 計 測 結 果 の 繰 り 返 し 性 悪 化 の 一 因 となり 得 る Figure 7に, 前 処 理 部 における 温 度 圧 力 影 響 の 低 減 策 を 示 す 流 量 計 測 部 の 条 件 制 御 コリオリメータでは, 内 部 を 通 っている 燃 料 の 温 度 圧 力 の 変 化 が,センサ 出 力 に 影 響 する 可 能 性 が ある Figure 6に,この 影 響 を 抑 制 するためのポイントを 示 す FQ-2200CRでは, 内 燃 機 関 直 前 まで 燃 料 を 循 環 させ, 燃 料 供 給 温 度 を 安 定 させている この 温 度 制 御 には 熱 交 換 器 2 式 を 使 用 する まず,1 次 側 の 熱 交 換 器 で 燃 料 温 度 を ターゲット 温 度 +α までいったん 昇 温 し, 次 に,2 次 側 Primary heat exchanger Fuel temperature is increased: Target + C Control of fuel temperature at sensor inlet Secondary heat exchanger Fuel temperature is decreased: Target temperature Coriolis meter Fuel circulation circuit Control of pressure at sensor inlet Fuel circulation Figure 6 Inhibition of influence of temperature and pressure in coriolis meter. Figure 7 Inhibition of influence of temperature and pressure in the preprocessing part No.42 May 2014 87
(a) Fuel out temperature (degc) 29 28 27 26 25 24 23 22 21 Fuel temp : 25 C to 27 C Vibration in temperature at the device outlet ± 0.1 C -0.075 kg/h 0 200 400 600 Test time (sec) 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 Fuel flow (kg/h) (b) Fuel out temperature (degc) 30 0.7 Fuel temp : 25 C to 23 C 29 28 0.65 27 26 +0.06 kg/h 0.6 25 24 0.55 23 Vibration in temperature 22 at the device outlet ± 0.1 C 0.5 0 200 400 600 Test time (sec) Fuel flow (kg/h) Temp Fuel Outlet (deg) Mass Flow (kg/h) Temp Fuel Outlet (deg) Mass Flow (kg/h) Figure 8 燃 料 温 度 を 変 化 させた 場 合 の 質 量 流 量 出 力 の 熱 交 換 器 でターゲット 温 度 へ 冷 却 する ここで,αは 一 定 値 である このように2 段 構 えの 制 御 を 行 うことで, 燃 料 温 度 を 高 精 度 で 制 御 することが 可 能 である Spring range 前 処 理 部 における 温 度 変 化 の 影 響 の 例 ここでは, 参 考 として, 燃 料 温 度 が 変 化 したときの 前 処 理 部 での 影 響 を 確 認 した 例 を 紹 介 する Figure 8に,FQ- 2200CRにて, 内 部 の 燃 料 温 度 を 急 変 させたときの 出 力 の 例 を 示 す 燃 料 流 量 は 一 定 の 状 態 で, 燃 料 温 度 制 御 の 目 標 温 度 を25 から27 (Figure 8a),または25 から23 (Figure 8b)に 変 更 した いずれのケースも, 燃 料 温 度 が 約 100 秒 かけて 変 化 する 間 に, 燃 料 流 量 出 力 に-0.075 kg/hまたは+0.06 kg/hのふらつきが 発 生 している また, 温 度 安 定 後 には, 出 力 は 温 度 設 定 変 更 前 と 同 レベルに 戻 っている (a) : Zero flow rate state Diaphragm Force of spring range Balanced: pressure control 上 の 現 象 の 要 因 として, 前 処 理 部 に 使 用 しているレギュ レータPR4(Figure 9)の 容 積 が 温 度 により 増 減 している ことが 考 えられる Figure 10に,このレギュレータの 動 作 と 内 部 で 働 く 力 を 示 す 燃 料 流 量 がゼロの 場 合,レギュ レータ 内 部 の 流 路 はレンジスプリングの 力 により 閉 じた 状 態 にある(Figure 10a) 一 方, 圧 力 を 制 御 した 状 態 で 燃 料 が 流 れているときには, 下 部 のスプリングにより 上 部 (b) : State where fuel is flowing Force of spring Spring range Diaphragm Force to return back Coriolis meter Heat exchanger (for fuel temperature control) To engine Capacity increased Push down Circulation line Force of spring Regulator PR4 Figure 9 Influence of fuel temperature in regulator(preprocessing part) (c) : In case that temperature is decreased from (b) state Figure 10 Movement of regulator and force within regulator 88 No.42 May 2014
Technical Reports P b-p b = 1.7% P a-p a = 0.5% Six tests in all Six tests in all (a) With temperature control (ordinary operation) (b) Without temperature control Figure 11 Result of evaluation of flow rate measurement accuracy のレンジスプリングが 押 し 上 げられて 流 路 が 開 き, 同 時 にダイヤフラムも 燃 料 流 路 側 にせり 出 した 形 となってい る(Figure 10b) ここで, 燃 料 に 接 しているレンジスプリ ング(カーボンスチール 製 )やダイヤフラムは, 温 度 により スプリング 力 や 硬 度 が 変 化 する この 作 用 により,たとえ ば, 燃 料 温 度 が25 から23 に 急 に 下 がった 場 合,ダイ ヤフラムおよびレンジスプリングには 元 に 戻 ろうとする 力 が 発 生 する(Figure 10c) その 結 果,ダイヤフラムの 形 状 がFigure 10aの 静 止 状 態 に 近 づき,レギュレータ 内 の 容 積 が 増 加 する 温 度 下 降 時 (Figure 6b)でみられた 燃 料 流 量 出 力 のふらつきは,この 増 加 した 容 積 に 流 れ 込 んだ 燃 料 分 を 検 出 している 可 能 性 がある 従 って, 誤 差 Fuel flow rate measurement system Flow rate accuracy testing (by comparison method) Master meter (Coriolis meter) Needle valve (which decides flow rate) Accuracy testing Fuel flow rate measurement system Validation Figure 13 Flow rate accuracy testing method Validation HORIBA testing facility Master meter (Coriolis meter) Three-way valve Figure 12 Flow in flow rate measurement accuracy inspection facility Electronic balance Accuracy testing 要 因 を 低 減 させるためには, 燃 費 計 測 中 における 燃 料 温 度 変 化 を 抑 える 必 要 があると 考 えている FQ-2200CRで は,Figure 9に 示 すように, 循 環 ラインにある 熱 交 換 器 と レギュレータを 用 いて, 設 定 値 から±0.1 の 振 れ 幅 で 高 精 度 に 燃 料 温 度 を 制 御 している FQ-2200CRの 繰 り 返 し 性 の 実 力 Figure 11に,FQ-2200CRの 流 量 精 度 を 確 認 した 例 を 示 す 確 認 の 方 法 の 詳 細 についてはFigure 12,Figure 13 を 用 いて 後 述 する 横 軸 は 基 準 器 とした 外 部 のコリオリ メータによる 質 量 流 量, 縦 軸 はその 基 準 器 とFQ-2200CR の 指 示 差 (%)である Figure 11aには, 前 述 した 繰 り 返 し 性 向 上 技 術 を 取 り 入 れた 通 常 の 状 態 における 確 認 結 果, Figure 11bには, 一 時 的 にこれらの 対 策 を 無 効 にした 状 態 での 結 果 を 示 した 対 策 をしていないFigure 11bの 状 態 で Measurement は, 特 に 低 流 量 域 で,テスト 結 果 の 最 大 値 Pと 最 小 値 P の 差 が 大 きい 一 方, 精 度 向 上 技 術 を 取 り 入 れたFigure 11aの 状 態 では,1 kg/h~10 kg/hの 全 領 域 についてテスト 結 果 の 最 大 値 Pと 最 小 値 P の 差 が 小 さく, 繰 り 返 し 性 が 大 きく 向 上 していることが 確 認 できる Preparation Flow rate accuracy testing (Weighing method) Electronic balance Figure 12に,Figure 11における 流 量 計 測 精 度 評 価 に 用 いている 検 査 設 備 のフ ロー,Figure 13にそのコンセプトを 示 す 装 置 の 精 度 を 評 価 する 基 準 器 とし ては,コリオリメータと 電 子 天 秤 の2 種 類 を 使 用 している このうち,コリオリ No.42 May 2014 89
メータを 基 準 とする 評 価 は, 評 価 対 象 の 計 測 システムと 基 準 コリオリメータの 出 力 (ともに 質 量 流 量 )を 直 接 比 較 する 比 較 法 である なお,2つのコリオリメータを 接 続 して 評 価 することから, 検 査 設 備 は, 振 動 が 相 互 干 渉 し ないような 設 計 となっている 一 方, 電 子 天 秤 については, 流 量 計 測 中 のみ, 流 れている 燃 料 が 電 子 天 秤 ( 浮 力 補 正 付 き)の 受 け 皿 に 流 れ 込 む 構 成 をとっている 評 価 は, 計 測 システムの 流 量 積 算 値 と 電 子 天 秤 の 読 み 値 である 質 量 とを 比 べる 秤 量 法 による このように,2 種 類 の 基 準 を 使 用 することで,FQ-2200CRの 流 量 計 測 精 度 および 検 査 自 体 の 妥 当 性 を 同 時 に 検 証 し, 信 頼 性 を 確 保 している おわりに 本 稿 では, 燃 料 直 接 計 測 法 に 使 用 できるコリオリメータ 式 燃 料 流 量 計 (FQ-2200CR)について, 繰 り 返 し 精 度 向 上 のための 技 術 を 紹 介 した 本 システムは, 高 精 度 なリア ルタイム 燃 費 計 測 ツールとして,エンジンの 研 究 開 発 の 高 効 率 化 や 評 価 期 間 短 縮 に 役 立 つものと 確 信 している 今 後 も,より 高 性 能 でより 信 頼 できる 燃 料 流 量 計 の 提 供 を 通 じ, 内 燃 機 関 車 両 の 性 能 計 測 に 引 き 続 き 貢 献 でき るように, 取 り 組 んでいく 松 山 貴 史 Takashi MATSUYAMA 株 式 会 社 堀 場 製 作 所 開 発 本 部 エンジニアリングセンター 自 動 車 計 測 システム 設 計 部 糸 賀 友 城 Yuki ITOGA 株 式 会 社 堀 場 製 作 所 開 発 本 部 エンジニアリングセンター 自 動 車 計 測 システム 設 計 部 90 No.42 May 2014