排氣流量計和排氣分析系統的制作方法
【專利摘要】本發明提供排氣流量計和排氣分析系統，能高精度測量稀釋前的排氣中含有的對象成分的濃度，從而提高利用可追溯法的排氣流量的測量精度。所述排氣流量計包括：第一取樣管道，對原始排氣取樣；第一濃度測量部，測量原始排氣中含有的規定對象成分的濃度；第二取樣管道，對稀釋排氣取樣；第二濃度測量部，測量稀釋排氣中含有的對象成分的濃度；以及計算裝置，利用第一測量濃度、第二測量濃度、以及稀釋排氣流量，計算原始排氣流量，在第一取樣管道和第一濃度測量部被加熱的狀態下，第一濃度測量部測量原始排氣中含有的對象成分的濃度。
【專利說明】排氣流量計和排氣分析系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及利用可追溯法測量從例如發動機等內燃機排出的排氣的流量的排氣流量計和使用所述排氣流量計的排氣分析系統。
【背景技術】
[0002]以往，作為稀釋從內燃機排出的排氣的稀釋取樣方式的排氣分析系統，包括:主流道，流過從內燃機的排氣管排出的排氣；稀釋氣體流道，與主流道匯合，并且流過用于稀釋所述排氣的稀釋氣體；以及流量控制部，設置在主流道和稀釋氣體流道的匯合點的下游側，控制由稀釋氣體稀釋的稀釋排氣的流量。
[0003]在所述稀釋取樣方式中，作為測量從排氣管排出的排氣的流量的一種測量計，利用可追溯法測量的排氣流量計已被公眾所知。
[0004]例如專利文獻I (日本專利公開公報特開昭62-5151號)所示，所述排氣流量計包括:原始排氣取樣管道，從所述匯合點的上游側的主流道對作為稀釋前的排氣的原始排氣取樣；稀釋排氣取樣管道，從所述匯合點的下游側的主流道對作為稀釋后的排氣的稀釋排氣取樣；濃度計，與各取樣管道連接、對被取樣的氣體含有的對象成分(例如CO2)的濃度進行測量；以及計算裝置，根據由各濃度計測量的對象成分的濃度和由流量控制部控制的稀釋排氣的流量，計算原始排氣的流量。
[0005]按照所述的排氣流量計，各濃度計瞬時測量原始排氣和稀釋排氣含有的對象成分的濃度，而且由于上述濃度比與稀釋氣體的稀釋比相等，所以能瞬時測量原始排氣的流量。
[0006]可是，從內燃機排出的排氣中含有很多例如水分等干涉成分。這里，作為除去水分的裝置，在取樣管道和濃度計之間設置排液分離器，將排氣中含有的水分除去后導入濃度計(所謂Dry測量)。此時，由于對象成分的濃度高于排氣中含有水分的狀態時，所以根據條例(40CFR part 1065)規定的換算公式(Dry to Wet換算公式)，將其換算為剛剛從內燃機排出的排氣中含有的對象成分的濃度。
[0007]可是實際上，在從內燃機排出的排氣流過排氣管期間，所述排氣中含有的水分有時在排氣管內凝聚或吸附。此時，剛剛從內燃機排出的排氣和從排氣管排出的排氣(前述的原始排氣)含有的水分量有差別，因此由所述換算公式換算出的對象成分的濃度，不能表示所述原始排氣中含有的對象成分的濃度。此外，難以把握排氣管內發生了多少凝聚和吸附等，所以難以高精度測量原始排氣中含有的對象成分的濃度。
[0008]另一方面，可以考慮不使用排液分離器、而在從排氣管排出的排氣中包含水分的狀態下測量對象成分的濃度的方法(所謂Wet測量)，但是所述方法中，特別是在含水分較多的原始排氣流過的取樣管道和濃度計上，所述原始排氣含有的水分會發生凝聚或吸附。這樣，如果對象成分是具有溶解性的例如CO2等時，對象成分會溶解在凝聚和吸附的水分中，引起測量誤差，此時也不能高精度測量對象成分的濃度。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是提供一種排氣流量計和排氣分析系統，特別是高精度測量稀釋前的排氣中含有的對象成分的濃度，以提高利用可追溯法的排氣流量的測量精度。
[0010]即本發明的排氣流量計，用于排氣稀釋系統，所述排氣稀釋系統包括:主流道，流過從內燃機排出的排氣；以及稀釋氣體流道，與所述主流道匯合，并且流過用于稀釋所述排氣的稀釋氣體，所述排氣流量計的特征在于，包括:第一取樣管道，從所述主流道的、所述主流道與所述稀釋氣體流道的匯合點的上游側，對作為稀釋前的所述排氣的原始排氣取樣；第一濃度測量部，設置在所述第一取樣管道上，測量所述原始排氣中含有的規定對象成分的濃度；第二取樣管道，從所述主流道的、所述匯合點的下游側，對作為稀釋后的所述排氣的稀釋排氣取樣；第二濃度測量部，設置在所述第二取樣管道上，測量所述稀釋排氣中含有的所述對象成分的濃度；以及計算裝置，利用由所述第一濃度測量部得到的第一測量濃度、由所述第二濃度測量部得到的第二測量濃度、以及作為所述稀釋排氣的流量的稀釋排氣流量，計算作為所述原始排氣的流量的原始排氣流量，在所述第一取樣管道和所述第一濃度測量部被加熱的狀態下，所述第一濃度測量部測量所述原始排氣中含有的所述對象成分的濃度。
[0011]按照所述結構，由于在第一取樣管道和第一濃度測量部被加熱的狀態下測量對象成分的濃度，所以能夠防止第一取樣管道和第一濃度測量部中的原始排氣中包含的水分等凝聚和吸附等。這樣，能夠在包含水分的狀態下測量原始排氣(Wet測量)，能夠使原始排氣中包含的對象成分不溶解在水分中，能夠高精度地求出對象成分的濃度，從而能夠提高利用可追溯法的排氣流量的測量精度。
[0012]此外，由于在原始排氣中含有水分的狀態下測量(Wet測量)對象成分的濃度，所以不必用Dry to Wet換算公式將其換算成剛剛從內燃機排出的濃度。
[0013]而且，因為不使用排液分離器等，所以能縮短從主流道到第一濃度測量部的取樣管道，從而能夠提高濃度測量的響應性并有利于實現排氣流量計的緊湊化和輕量化。
[0014]盡管通常稀釋排氣中含有的水分等不易凝聚和吸附等，但還是為了進一步確保水分等不發生凝聚和吸附等、以更高精度測量稀釋排氣中含有的對象成分的濃度，優選在所述第二取樣管道和所述第二濃度測量部被加熱的狀態下，所述第二濃度測量部測量所述稀釋排氣中含有的所述對象成分的濃度。
[0015]為了在水分影響對象成分的濃度測量的情況下，也能高精度測量原始排氣和稀釋排氣中含有的對象成分的濃度，優選被加熱的所述濃度測量部包括:水分濃度計，測量排氣中的水分濃度；以及對象成分濃度計，測量水分影響濃度，所述水分影響濃度是受到水分影響的狀態下的、所述排氣中的所述對象成分的濃度，把所述排氣中含有的所述對象成分的濃度，作為根據所述水分濃度、從所述水分影響濃度去除水分影響的濃度來算出。
[0016]此外，按照采用本發明的排氣流量計的排氣分析系統，能夠利用可追溯法更高精度測量從內燃機排出的排氣的流量，從而能夠進行高精度的排氣分析。
[0017]按照所述構成的本發明，特別是通過高精度測量稀釋前的排氣中含有的對象成分的濃度，能夠提高利用可追溯法的排氣流量的測量精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是示意性表示本實施方式的排氣流量計的圖。
[0019]圖2是示意性表示同實施方式的濃度測量部的構成的圖。
[0020]附圖標記說明
[0021]201內燃機
[0022]202排氣管
[0023]101定容取樣裝置
[0024]ML主流道
[0025]I排氣流量計
[0026]11第一取樣管道
[0027]21第一濃度測量部
[0028]12第二取樣管道
[0029]22第二濃度測量部
[0030]3計算裝置
[0031]41第一加熱機構
[0032]42第二加熱機構
【具體實施方式】
[0033]以下參照附圖對使用本發明的排氣流量計I的排氣分析系統100進行說明。
[0034]本實施方式的排氣分析系統100為稀釋取樣方式，采用排氣稀釋系統、將例如從發動機等內燃機201排出的排氣通過從大氣精制的稀釋氣體稀釋數倍后、進行濃度測量。以下，本實施方式對作為排氣稀釋系統的、采用對全部排氣進行取樣并用稀釋氣體稀釋后使其成為一定流量的定容取樣裝置的系統進行說明。
[0035]具體如圖1所示，所述排氣分析系統100包括:定容取樣裝置101，對全部排氣和稀釋氣體結合后的總流量進行控制，使其時常保持一定，并且對稀釋后的排氣的一部分和稀釋氣體的一部分進行取樣；排氣取樣袋M1，收容被取樣的排氣；稀釋氣體取樣袋M2，收容被取樣的稀釋氣體；以及排氣分析裝置102，對各取樣袋M1、M2中的被取樣的氣體中的規定成分(例如HC、CO、CO2等)的濃度進行分析，并算出排氣中含有的規定成分的濃度。
[0036]如圖1所示，定容取樣裝置101包括:主流道ML，流過從內燃機201的排氣管202排出的排氣；稀釋氣體流道DL，與主流道ML匯合，并且流過用于稀釋排氣的稀釋氣體；以及流量控制部103，設置在主流道ML與稀釋氣體流道DL的匯合點X的下游側，對由稀釋氣體稀釋后的稀釋排氣的流量進行控制，使其保持一定。
[0037]如圖1所示,所述流量控制部103是由臨界流量文丘里CFV和吸引泵P組成的臨界流量文丘里方式的裝置。本實施方式設置有一個臨界流量文丘里CFV，但是也可以并列設置多個臨界流量文丘里CFV，通過用例如開關閥等變更稀釋排氣流過的臨界流量文丘里CFV,能夠改變稀釋排氣的流量。
[0038]上述排氣分析系統100中使用的排氣流量計1，通過測量稀釋前和稀釋后的排氣中含有的對象成分的濃度，并且利用可追溯法測量從排氣管202排出的排氣的流量。另外，本實施方式以CO2為對象成分。
[0039]具體如圖1所示，所述排氣流量計I包括:第一取樣管道11，從主流道ML的、匯合點X的上游側對作為稀釋前的排氣的原始排氣取樣；第一濃度測量部21，與第一取樣管道11連接，測量原始排氣中含有的CO2的濃度；第二取樣管道12，從主流道ML的、匯合點X的下游側對作為稀釋后的排氣的稀釋排氣取樣；第二濃度測量部22，與第二取樣管道12連接，測量稀釋排氣中含有的CO2的濃度；以及計算裝置3，計算原始排氣的流量。
[0040]第一取樣管道11對原始排氣取樣、并向第一濃度測量部21供給，第一取樣管道11的一端與主流道ML的、匯合點X的上游側連接，另一端與第一濃度測量部21連接。另外，第一取樣管道11的取樣利用未圖示的吸引泵進行。
[0041 ] 第二取樣管道12對稀釋排氣取樣、并向第二濃度測量部22供給，第二取樣管道12的一端與主流道ML的、匯合點X的下游側連接，另一端與第二濃度測量部22連接。另外，第二取樣管道12的取樣利用未圖示的吸引泵進行。
[0042]第一濃度測量部21瞬時測量被供給的原始排氣中含有的CO2濃度，第二濃度測量部22瞬時測量被供給的稀釋排氣中含有的CO2濃度，并且上述兩者都能在排氣中含有水分的狀態下測量(Wet測量)CO2濃度。
[0043]這些濃度測量部21、22都是NDIR分析裝置，都具有測量排氣中的水分濃度的水分濃度計的功能和測量對象成分濃度的對象成分濃度計的功能，而且分別具有相同結構。
[0044]以下，對作為其中的代表的第一濃度測量部21的NDIR分析裝置的結構進行說明。
[0045]如圖2所示，第一濃度測量部21的NDIR分析裝置包括:測量單元5，與取樣管道11連接，被供給排氣(這里為原始排氣)；紅外光源6，從外部向所述測量單元5照射紅外光L ;第一光學過濾器71，使與水分的吸收光譜匹配的波長范圍的紅外光LI透過；第一光檢測器81，檢測紅外光LI的光強度；第二光學過濾器72，使與CO2的吸收光譜匹配的波長范圍的紅外光L2透過；第二光檢測器82，檢測紅外光L2的光強度；以及實際濃度計算部9，算出去除了水分影響的、排氣中含有的CO2的濃度(實際濃度)。
[0046]另外，從取樣管道11向測量單元5供給的排氣從排出管道10排出，所述排出管道10可以使排出的排氣返回主流道ML，也可以使其排出到外部。
[0047]水分的吸收光譜不受CO2的吸收光譜的影響，但是CO2的吸收光譜受水分的吸收光譜的影響，所以由第二光檢測器82檢測出的CO2的吸收光譜是在受到排氣含有的水分的影響的狀態下檢測出的吸收光譜。
[0048]實際濃度計算部9取得來自第一光檢測器81的光強度信號并算出排氣中的水分濃度，并且取得來自第二光檢測器82的光強度信號并算出作為受到排氣中的水分影響的CO2濃度的水分影響濃度。而后，根據所述水分濃度、算出從所述水分影響濃度去除了水分的影響的CO2的實際濃度。
[0049]以上所述的第一濃度測量部21，瞬時測量從第一取樣管道11供給的原始排氣中含有的CO2的實際濃度Cww (t)，并且將所述測量結果發送至計算裝置3。
[0050]同樣，第二濃度測量部22瞬時測量從第二取樣管道12供給的稀釋排氣中含有的CO2的實際濃度Cwws (t)，并且將所述測量結果發送至計算裝置3。
[0051]計算裝置3從各濃度測量部21、22取得信號，并且取得由流量控制部103控制的稀釋排氣流量Qmix，算出原始排氣流量Qrai (t)。本實施方式的稀釋排氣流量Qmix為臨界流量文丘里CFV的臨界流量。
[0052]另外，計算裝置3是具有未圖示的CPU、存儲器、輸入輸出接口、AD轉換器等的專用或通用的計算機。
[0053]具體而言，計算裝置3算出相對于由第一濃度測量部21得到的原始排氣中含有的CO2的實際濃度Cww⑴的、由第二濃度測量部22得到的稀釋排氣中含有的CO2的實際濃度C_后(t)的濃度比(=C稀釋后(t)/C_u (t))，將所述濃度比乘以柄?釋排氣'流星;Qmix瞬時算出原始排氣的流星Qex⑴(=Qmix X c稀釋后⑴/c稀釋U (t))。
[0054]此外，本實施方式的計算裝置3利用所述原始排氣的流量Qrai (t)，算出排氣中含有的規定測量成分X (例如HC、CO、CO2等)從排氣管202排出的瞬時排氣重量Mx(t)。
[0055]具體而言，計算裝置3從上述的第一濃度測量部21取得原始排氣中含有的測量成分X的排氣濃度cx(t)，并且將所述排氣濃度Cx(t)和預先存儲的測量成分X的密度Px乘以上述的原始排氣流量Ut)，算出測量成分X的瞬時排氣重量仏⑴(=Qex ⑴ X Cx (t) X P x)。
[0056]并且如圖1和圖2所示，本實施方式設有對第一取樣管道11和第一濃度測量部21進行加熱的第一加熱機構41，以及對第二取樣管道12和第二濃度測量部22進行加熱的第二加熱機構42。
[0057]另外，這些加熱機構41、42在本實施方式中能夠分別獨立運轉。
[0058]第一加熱機構41具備例如未圖示的加熱器，至少對第一取樣管道11和第一濃度測量部21的測量單元5進行加熱并使其保持所希望的設定溫度。
[0059]第二加熱機構42也同樣具備例如未圖示的加熱器，至少對第二取樣管道12和第二濃度測量部22的測量單元5進行加熱并使其保持所希望的設定溫度。
[0060]在本實施方式中，這些加熱機構41、42的設定溫度設定為，使各取樣管道11、12和各濃度測量部21、22中的原始排氣和稀釋排氣中含有的水分不凝聚的例如80°C。
[0061]另外，當排氣中含有具備高沸點、不易凝聚的成分時，可以設定為更高的溫度，當排氣中含有容易吸附到取樣管道11、12等的NH3等時，可以設定為使NH3等不吸附的溫度。
[0062]此外，這些加熱機構41、42的加熱時間可以設定為，例如從取樣管道11、12的排氣取樣開始、到濃度測量部21、22對對象成分的濃度測量結束為止，也可以從取樣開始前把溫度調整到規定溫度。
[0063]按照如上所述的本實施方式的排氣流量計1，從原始排氣的取樣開始、到原始排氣中含有的CO2濃度的測量結束為止的期間，第一加熱機構41對第一取樣管道11和第一濃度測量部21進行加熱，因此能夠使所述期間的第一取樣管道11和第一濃度測量部21中的水分不發生凝聚和吸附，從而能夠在包含水分的狀態下測量(Wet測量)原始排氣。這樣，能夠使原始排氣中含有的CO2不溶解在水分中，能夠高精度地求出CO2濃度，從而能夠提高利用可追溯法的排氣流量的測量精度。
[0064]此外，由于在原始排氣中包含水分的狀態下測量(Wet測量)CO2濃度，所以不必用Dry to Wet換算公式將其換算成剛剛從內燃機201排出的濃度，就能夠準確測量從內燃機通過排氣管排出的排氣中的對象成分的濃度。
[0065]而且，盡管通常稀釋排氣中含有的水分不易凝聚和吸附等，但還是在對第二取樣管道12和第二濃度測量部22也進行加熱的狀態下測量CO2濃度，所以能進一步確保稀釋排氣中含有的水分不發生凝聚和吸附，從而能夠更高精度測量稀釋排氣中含有的CO2濃度。
[0066]此外，因為不使用排液分離器等，所以能縮短從主流道ML到濃度測量部21、22的取樣管道11、12，從而能夠提高濃度測量的響應性并有利于實現排氣流量計I的緊湊化和輕量化。
[0067]此外，由于第一加熱機構41和第二加熱機構42能獨立運轉，所以在不需要利用第二加熱機構42進行加熱時，如果僅運轉第一加熱機構41，則省電并節省能源。
[0068]用NDIR法測量排氣中的CO2濃度時，以往會受到排氣中含有的水分的影響，但是本實施方式的濃度測量部21、22具有水分濃度計的功能和對象成分濃度計的功能，所以能夠高精度測量去除了排氣中含有的水分的影響的、實際的CO2濃度。
[0069]另外，本發明不限于所述實施方式。
[0070]例如，所述實施方式的加熱機構41、42分別獨立，但是取樣管道11、12和濃度測量部21、22也可以全部由一個加熱機構加熱。
[0071]此外，加熱機構41也可以加熱紅外光源6、光學過濾器71和光檢測器81。
[0072]而且，所述實施方式中的第一濃度測量部21的NDIR分析裝置，具有水分濃度計的功能和對象成分濃度計的功能，但是也可以是分別具備水分濃度計和對象成分濃度計的分析裝置。
[0073]關于可追溯法，所述實施方式中對象成分是CO2，但是對象成分也可以是排氣中包含的其他成分。此外，也可以向排氣管排出的排氣混入排氣中未含有的惰性成分、例如He等，測量稀釋前和稀釋后的He濃度。
[0074]此外，所述實施方式的流量控制部103為臨界流量文丘里方式，但是也可以例如使用臨界流量節流孔(CFO)、定容泵、風機等進行流量控制。而且，也可以設置流量計，瞬時測量稀釋排氣流量Qmix。
[0075]關于排氣分析系統100,所述實施方式為定容稀釋取樣方式,但也可以米取對排氣的一部分取樣、并以一定比率稀釋的微型袋稀釋取樣方式。
[0076]此外，本發明不限于所述實施方式，可以在不脫離發明思想的范圍內進行各種變形。
【權利要求】
1.一種排氣流量計，用于排氣稀釋系統，所述排氣稀釋系統包括:主流道，流過從內燃機排出的排氣；以及稀釋氣體流道，與所述主流道匯合，并且流過用于稀釋所述排氣的稀釋氣體，所述排氣流量計的特征在于，包括: 第一取樣管道，從所述主流道的、所述主流道與所述稀釋氣體流道的匯合點的上游側，對作為稀釋前的所述排氣的原始排氣取樣； 第一濃度測量部，設置在所述第一取樣管道上，測量所述原始排氣中含有的規定對象成分的濃度； 第二取樣管道，從所述主流道的、所述匯合點的下游側，對作為稀釋后的所述排氣的稀釋排氣取樣； 第二濃度測量部，設置在所述第二取樣管道上，測量所述稀釋排氣中含有的所述對象成分的濃度；以及 計算裝置，利用由所述第一濃度測量部得到的第一測量濃度、由所述第二濃度測量部得到的第二測量濃度、以及作為所述稀釋排氣的流量的稀釋排氣流量，計算作為所述原始排氣的流量的原始排氣流量， 在所述第一取樣管道和所述第一濃度測量部被加熱的狀態下，所述第一濃度測量部測量所述原始排氣中含有的所述對象成分的濃度。
2.根據權利要求1所述的排氣流量計，其特征在于，在所述第二取樣管道和所述第二濃度測量部被加熱的狀態下，所述第二濃度測量部測量所述稀釋排氣中含有的所述對象成分的濃度。
3.根據權利要求1所述的排氣流量計，其特征在于， 被加熱的所述濃度測量部包括: 水分濃度計，測量排氣中的水分濃度；以及 對象成分濃度計，測量水分影響濃度，所述水分影響濃度是受到水分影響的狀態下的、所述排氣中的所述對象成分的濃度， 把所述排氣中含有的所述對象成分的濃度，作為根據所述水分濃度、從所述水分影響濃度去除水分影響的濃度來算出。
4.一種排氣分析系統，其特征在于，采用權利要求1至3中任意一項所述的排氣流量計。
【文檔編號】G01F7/00GK104165665SQ201410165318
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2013年5月16日
【發明者】吉村友志 申請人:株式會社堀場制作所
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
