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專利名稱：實(shí)時(shí)移動(dòng)車載排放報(bào)告系統(tǒng)和測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種便攜式車輛廢氣測量系統(tǒng)，具體地說，是一種實(shí)時(shí)行駛車輛排放報(bào)告系統(tǒng)，它能速續(xù)地測量、顯示和記錄以克/英里計(jì)的氣體排放量(HC、CO、CO2、NO與O2)以及燃油經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛操作參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)氣/油比率和道路等級，所有這些參數(shù)都以用戶可選的更新速率連續(xù)地測量、顯示和記錄。本發(fā)明還涉及系統(tǒng)中應(yīng)用的一種流量計(jì)模塊。
背景技術(shù)：
美國環(huán)保局(EPA)建立的數(shù)值廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)適用于應(yīng)用聯(lián)邦測試步驟(FTP)測試的車輛。FTP是在受控的環(huán)境條件下，即在車輛駛過一條特定的速度一時(shí)間路線的同時(shí)，對排放進(jìn)行采樣的情況下，在實(shí)驗(yàn)室的測力計(jì)上進(jìn)行的。同一條速度一時(shí)間路線被用于測試所有的客車和輕型卡車，并且理想地表示典型的使用的行駛。測試期間，測力計(jì)對車輛施加靜態(tài)的慣性負(fù)載，模擬同一車速在行駛中遇到的實(shí)際道路負(fù)載和動(dòng)態(tài)負(fù)載。在三個(gè)測試階段的每個(gè)階段內(nèi)，恒定容量采樣器(CVS)以某種方式用空氣稀釋廢氣，從而在車輛的廢氣流動(dòng)速率變化時(shí)，使稀釋的廢氣流的速率保持不變，并對稀釋的廢氣作適動(dòng)的采樣。這樣，樣品中每種污染的的濃度就基本上正比于該污染物的質(zhì)量排放。
典型的這類系統(tǒng)就是美國專利4,727746所揭示的那種系統(tǒng)，它以組合方式包括了常規(guī)的靜止測力計(jì)測試架和將稀釋空氣加到廢氣里而操作的CVS。
在車輛應(yīng)用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，諸如牽引拖車和城市公交車，相關(guān)的EPA排放標(biāo)準(zhǔn)適用于在發(fā)動(dòng)機(jī)測力上測試排放并工作于EPA“瞬時(shí)測試”的車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)。排放采樣系統(tǒng)與CVS同上述客車的情況相似。不過，要將待測試的發(fā)動(dòng)機(jī)連接到發(fā)動(dòng)機(jī)測力計(jì)上施加規(guī)定的力矩和發(fā)動(dòng)機(jī)速度。測試之前，必須將發(fā)動(dòng)機(jī)從有關(guān)的車輛上取下(已安裝的話)。在排放測試期間，有時(shí)必須斷開裝入發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)的基于車輛的電子傳感器，諸如車速傳感器，或者所述傳感器必須具有模擬的值，從而可能導(dǎo)致排放測量結(jié)果不同于真實(shí)的值。
對于要獲得允許出售特定系列的車輛或發(fā)動(dòng)機(jī)的合格證明的制造商而言，必須證明他們已遵循適用的EPA排放標(biāo)準(zhǔn)。對于客車和輕型車輛而言，證明的一個(gè)重要部分是通過ETP，而大功率發(fā)動(dòng)機(jī)要通過瞬時(shí)測試。另外，通常與之對立的是，制造商追求的目標(biāo)在于使車輛性能或燃油經(jīng)濟(jì)性最大。由于這兩個(gè)目標(biāo)通常互為對立，而且由于FTP與瞬間測試規(guī)定得很嚴(yán)密且能重現(xiàn)，所以要符合合格的排放標(biāo)準(zhǔn)常常變?yōu)橐粋€(gè)為車輛的電子注油系統(tǒng)所使用的校正值“擔(dān)擾”的過程，直到正好滿足數(shù)值排放標(biāo)準(zhǔn)以“通過”FTP并在車輛“有效使用期”內(nèi)保持“通過”的水平。
在擔(dān)心特定系列的車輛的校正通過FTP時(shí)，即便是同樣的環(huán)境條件和車速安排，測試結(jié)果不一定反映了同一輛車在行駛時(shí)產(chǎn)生的車輛排放情況。排放不僅依賴于車輛、里程數(shù)和行駛等級，還要取決于具體的司機(jī)、行駛路線的熟悉程度、交通狀況等等。
作為一家負(fù)責(zé)的車輛制造商，重要的在于在各種競爭的校正和設(shè)計(jì)條件下，要了解車輛在行駛中實(shí)際的排放性能，從而有機(jī)會(huì)作一番環(huán)境研究，這是他們賴以選擇最低設(shè)計(jì)或校正的參數(shù)之一。作為排放管理者，重要的在于要監(jiān)視每家制造商的車輛在行駛中的排放性能。借助于當(dāng)今復(fù)雜精巧的電子發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置，為了確定FTP和瞬時(shí)測試在幫助維護(hù)潔凈空氣方面的有效性以及評估排放總量，行駛測試數(shù)據(jù)是必需的。只有了解了車輛在行駛中實(shí)際的排放情況，才能為管理這些排放制訂有效的政策。
為了監(jiān)視車輛在行駛中的排放性能，要求有一種用戶友好的、便攜式的、便于轉(zhuǎn)移的行駛中排放測量系統(tǒng)。理想的話，安裝這種系統(tǒng)不要求對待測試車輛進(jìn)行改裝。另外，當(dāng)兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí)，任何系統(tǒng)的排放測量結(jié)果都必須符合實(shí)驗(yàn)室的FTP測試結(jié)果。
頒發(fā)給Fournier等人的美國專利5,099,680、頒發(fā)給Gutman的美國專利5,105,651和頒發(fā)給Harris等人的美國專利5,709,082，都揭示過車載排氣監(jiān)視系統(tǒng)。然而，這些原有技術(shù)的車載系統(tǒng)都測不出實(shí)際的廢氣流動(dòng)速度，也未提供便于在各車輛之間轉(zhuǎn)移的儀表模塊。
美國專利5,099,680揭示的一種車載系統(tǒng)，可分析多種廢氣成分(第3欄，第45-47行)，并與發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)接口(第3欄，第15-18行)。這種原有技術(shù)的系統(tǒng)以每英里克數(shù)計(jì)算車輛排放，顯然是以車速與發(fā)動(dòng)機(jī)容量為基礎(chǔ)的，如第4欄第3-30行所述。
美國專利5,105,651揭示一種圖2實(shí)施例中的車輛系統(tǒng)。它對廢氣的一氧化碳與碳?xì)浠衔锖孔饕槐O(jiān)視(第4欄第28-30行)，并將廢氣分析數(shù)據(jù)與車輛工作情況作了相關(guān)，如第6欄第42行至第7欄第23行所述。
美國專利5,639,957指出，由于廢氣流量的理論值與實(shí)際值有差異，所以計(jì)算的氣態(tài)污染物排放的誤差為30～50％。參照這種原有技術(shù)，建議改進(jìn)計(jì)算確定理論廢氣流量的方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種移動(dòng)的車載排放測試系統(tǒng)，所述系統(tǒng)能在不同的車輛之間轉(zhuǎn)移，基于實(shí)際的廢氣流動(dòng)速率實(shí)時(shí)地確定各種氣態(tài)污染物的質(zhì)量流量速率，且無須對待測試車輛進(jìn)行改裝。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這樣一種排放測試系統(tǒng)，其中，將要求與廢氣接觸的傳感器都裝在一個(gè)模塊中，而模塊可卸地裝在車上，且便于在各車輛間轉(zhuǎn)移。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供這樣一種系統(tǒng)，它能確定車輛的操作參數(shù)，并使這些操作參數(shù)實(shí)時(shí)地與污染物質(zhì)量流量速率相關(guān)。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是提供這樣一種系統(tǒng)，它具有一個(gè)全球定位系統(tǒng)接收機(jī)，可連續(xù)監(jiān)視車輛位置，并使所述污染物質(zhì)量流量速率與車輛行駛周期或行駛調(diào)度相關(guān)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種移動(dòng)的車載測試系統(tǒng)，其中包括一個(gè)設(shè)計(jì)成可卸地裝在待測試車輛止的模塊和將該模塊可卸地固定到車身部分的支承裝置。最好包括一個(gè)彈性套管的連接裝置將模塊可卸地接至車輛的廢氣管，從而由集成一體裝在模塊里的流量敏感元件檢測車輛廢氣的流動(dòng)速率。同樣裝在模塊里的是一根位于流量敏感元件附近的采樣管，它連續(xù)地對廢氣采樣，并將采集的廢氣送至下游的氣體分析儀。下游氣體分析儀檢測通過下游采樣管采集的廢氣中每種氣態(tài)污染物的濃度，所述下游采樣管即是處理裝置(如催化轉(zhuǎn)換器)后面處于廢氣下游的采樣管。計(jì)算機(jī)作為計(jì)算裝置，根據(jù)檢出的濃度和廢氣流動(dòng)速率，計(jì)算每一種氣態(tài)污染物的質(zhì)量流量速率。
還可將檢測廢氣溫度與絕對壓力的各種探頭裝入該模塊。將這類探頭裝得盡量靠近流量敏感元件，有利于使所有的讀數(shù)同時(shí)對應(yīng)于同一個(gè)廢氣樣品。
另一方面，本發(fā)明提供了上述系統(tǒng)中所應(yīng)用的依表模塊。該儀表模塊包含一個(gè)固定裝在里面的元件和采樣管，所述元件用于確定廢氣的流動(dòng)速率(下稱“流量敏感元件”，所述采樣管對廢氣連續(xù)采樣，并將采集的廢氣送至氣體分析儀。如上所述，該模塊還可含有固定在里面的探頭，用于確定廢氣的溫度與絕對壓力。模塊在探頭的相對兩側(cè)包括一段直管，提供必要的上游和下游流量通路以實(shí)現(xiàn)精密的傳感。另一個(gè)任選特征是在上述儀表探頭的上游配備了流量平直裝置，例如裝在模塊內(nèi)的多個(gè)平行葉片。為進(jìn)行粒子物質(zhì)(PM)檢測，模塊還應(yīng)配備第二根開口的氣體采樣管，將氣體樣品供給PM分析儀。
任選的粒子物質(zhì)(PM)檢測單元尤其適用于以柴油為動(dòng)力的車輛。PM檢測單元包括至少一個(gè)從廢氣樣圖中去除粒子物質(zhì)的過濾元件，在接收發(fā)氣樣品并從中收集粒子物質(zhì)的某一預(yù)定時(shí)間的前后，可以取下該元件進(jìn)行稱量。在包括PM檢測器的某個(gè)實(shí)施例中，將第二根開口的氣體采樣管固定在上述模塊內(nèi)，對PM檢測器提供樣品，它與提供給氣體分析儀的樣品分開。
另外，系統(tǒng)配有第二臺5氣體分析儀，可作催化轉(zhuǎn)換效率性能測試。送入一次分析儀的氣體樣品，來自催化轉(zhuǎn)換器下游戲的車輛/發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣系統(tǒng)或處理裝置后面的其它系統(tǒng)。送入二次分析儀的氣體樣品，來自催化轉(zhuǎn)換器上游的車輛/發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣系統(tǒng)。對催化轉(zhuǎn)換器上下游的氣體濃度加以比較，便能實(shí)時(shí)地確定轉(zhuǎn)換器效率。可以用汽車掃描工具監(jiān)視由車輛的車載計(jì)算機(jī)所檢測的輸入。作為典型監(jiān)視的被檢測參數(shù)的例子，包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(RPM)、分集管空氣壓力(MAP)、油門位置(TPS)、氧傳感器電壓等等。用戶選擇哪一個(gè)參數(shù)要監(jiān)視。然后，像廢氣數(shù)據(jù)一樣，把選擇參數(shù)的值顯示在同一顯示屏上，并保持在同一個(gè)數(shù)據(jù)文件里(見圖10)。將這些參數(shù)值與廢氣數(shù)據(jù)結(jié)合起來，有助于確定在何種條件下會(huì)產(chǎn)生大量廢氣排放(即污染物)，從而掌握大量排放的原因。
因此，本發(fā)明是一種設(shè)計(jì)供移動(dòng)車輛使用的基于計(jì)算機(jī)的排放測量系統(tǒng)。它用來測量多種氣體，例如碳氧化合物(HC)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氧(O2)和氧化氮(NO)的實(shí)時(shí)質(zhì)量排放(克)。利用5氣體分析儀測量每次排放的濃度，用模塊化廢氣流量計(jì)測量校正到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(利用廢氣溫度與壓力的測量結(jié)果)的廢氣容積流動(dòng)速率，并且掌握每次排放的密度，便可實(shí)現(xiàn)這種測量。
利用全球定位系統(tǒng)(GPS)和/或通過監(jiān)視車載計(jì)算機(jī)檢測的速度信號，還可測量車速和行駛距離。知道了車輛行駛的距離和實(shí)時(shí)質(zhì)量排放，本發(fā)明的系統(tǒng)還以單位行駛距離的質(zhì)量(每英里克數(shù))計(jì)算排放情況，并應(yīng)用碳平衡技術(shù)確定燃油經(jīng)濟(jì)性(英里/加侖)和發(fā)動(dòng)機(jī)工作的氣/油比率。質(zhì)量測量、氣體濃度、廢氣流動(dòng)速率、氣/油比率、燃油經(jīng)濟(jì)性等結(jié)果都在計(jì)算機(jī)上以實(shí)時(shí)方式顯示和更新，并被存入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)文件。


圖1是本發(fā)明整個(gè)排放報(bào)告系統(tǒng)的簡圖；圖2是圖1實(shí)施例中模塊流量計(jì)的簡圖；圖3是圖2中部分模塊流量計(jì)的簡圖；圖4是本發(fā)明第二實(shí)施例中模塊流量計(jì)的簡圖，附帶包括一粒子物質(zhì)檢測單元(PM檢測器)設(shè)計(jì)供柴油機(jī)車使用；圖5是圖4 PM檢測器中探頭的截面圖；圖6是應(yīng)用于實(shí)施例1與2的換能器盒的電氣圖；圖7示出圖2中裝在客車上的模塊流量計(jì)；圖8是本發(fā)明排放報(bào)告系統(tǒng)的較佳主操作程序的流程圖；圖9是操作程序連續(xù)測量環(huán)路的子程序的流程圖(步驟S4，圖8)；及圖10表示提供圖表用戶界面的顯示屏。
較佳實(shí)施例的描述圖1示出一整套系統(tǒng)，包括便于裝到車輛尾管4的流量計(jì)與氣體采樣模塊10和測量污染物濃度的氣體分析儀30。圖1還示出一車輛廢氣系統(tǒng)，它包括尾管4、回氣管6與催化轉(zhuǎn)換器7。排放計(jì)數(shù)機(jī)40接收流量計(jì)與氣體采樣模塊10和氣體分析儀30的輸出，還接收來自鍵盤41或其它用戶輸入裝置的信號。此外，掃描工具70接至發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算20的OBD或另一端口21，它具有串行輸出，說明來自發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算機(jī)20的數(shù)據(jù)流，并將信號輸出至排放計(jì)算機(jī)40。
另外，該系統(tǒng)還包括一個(gè)獨(dú)立的氣/油比率表26，它應(yīng)用了廢氣流量的lambda傳感器27和/或全球定位接收機(jī)60。
下面將對上述每個(gè)元件作一詳述。
流量計(jì)模塊10圖2示出了模塊化廢氣流量計(jì)10的設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)便于在不同的車輛之間轉(zhuǎn)移。直管部分11用作外殼，可容納平直器8(多塊平行葉片)、流量敏感元件13、壓力檢測器14、熱電偶15和封口廢氣采樣管口，這些都裝在單個(gè)組件里，便于在車輛間轉(zhuǎn)移。如下所述，直管部分11還可提供設(shè)置在流量敏感元件13上下游的必需的直管。
較佳的流量敏感元件13由Dover工業(yè)公司的子公司Dieterich Standardof Boulder(Colorado)制造，以ANNUBAR DIAMOND II商標(biāo)出售，是分壓型式。這包括探頭131，垂直于直管部分11裝在廢氣流中。在探頭131周圍流動(dòng)的廢氣在探頭131上下游側(cè)之間造成分壓，分壓的大小表示通過直管部分11的廢氣流動(dòng)速率。
流量敏感元件如圖3更詳細(xì)地顯示，ANNUBAR流量敏感元件13的探頭131具有高壓(上游)縱向通道131c和低壓(下游)縱向通道131d。探頭131有著金剛石形狀的截面，在直管部分11內(nèi)定向后呈現(xiàn)出面向上游邊緣131a和面向下游邊緣131b。面向上游邊緣131a有多個(gè)沿其長度方向間隔開的孔131e，在廢氣流與高壓通道131c之間提供流體聯(lián)系。同樣地，面向下游邊緣131b有多個(gè)沿其長度方向間隔的孔131f，在廢氣與低壓通道131d之間提供流體聯(lián)系。孔131e與131f的間隔在探頭131的兩端比其中心更緊密。通道131c與131d接著使上下游壓力與流量敏元件13的頭部132中的腔室132A與132B發(fā)生聯(lián)系，并從這里通過管線134、135、同裝在電子單元50中的單個(gè)分壓換能器501發(fā)生聯(lián)系。壓力換能器501是一種PX164-010D5V的0-10英寸H2O分壓換能器。在133處示出的是“weld-O-let”，實(shí)際上是焊接到直管部分11的螺紋鋼管接頭或接管，可以穿過接受和支承探頭131。探頭位于直管段“A”的下游和第二直管段“B”的上游，每段的長度都足以保證在探頭位置處端直地流動(dòng)。例如，對于外徑為 或5英寸的直管部分11，“A”最好為最小34英寸，“B”最好為最小30英寸。外徑小于 英寸的管子，應(yīng)有更短的“A”與“B”最小尺寸。例如，外徑為2英寸的管子，“A”的最小長度為17英寸，“B”的最小長度為12英寸。
壓力與溫度檢測圖3還示出壓力檢測器14的詳細(xì)情況，它包括一個(gè)圓形套管141和多個(gè)鉆透直管部分11壁并在首管部分11四周呈環(huán)形均勻間隔開的1/16英寸的孔142，讓廢氣流體與套管141內(nèi)部發(fā)生聯(lián)系。廢氣壓力經(jīng)導(dǎo)管142送到電子單元50內(nèi)的第二壓力換能器502，后者是量程為0～15psia(Abs.)的PX142-015A5V型。
廢氣溫度用丁型熱電偶15檢測，熱電偶的探頭151伸入直管部分11的廢氣流。熱電偶15輸出的非線性電壓信號，在電子單元50內(nèi)被TAC-386-JF轉(zhuǎn)換器503轉(zhuǎn)換成線性電壓信號。之所以選用丁型熱電偶，是因?yàn)樵谄谕膹U氣溫度范圍內(nèi)，對于每一度溫度變化，它能提供很大的電壓(信號)變化。
圖6示出了電子單元50，它包括壓力換能器502(PX142-015A5V，0-15PSIAA)、分壓換能器501(PX164-010D5V，0-10英寸，H2O分壓)、電壓轉(zhuǎn)換器503(TAC-386-JF)、調(diào)壓器505(LM317T)和LED507(RS276-963)。
氣體分析儀氣體分析儀30是Sun/Snapon出售的MT-3505型。它分析和顯示廢氣樣品中HC、C、CO2、O2與NO的濃度以及發(fā)動(dòng)機(jī)RPM、分析儀熱電偶檢測的溫度和根據(jù)測出的氣體成分算出的氣/油比率。顯示在圖表用戶界面(GUI)上的氣體濃度(圖10)總是與顯示在實(shí)際分析儀顯示器上的氣體濃度相同的。由于在采樣探頭上出現(xiàn)的排放樣品與分析儀的濃度測量之間存在樣品運(yùn)送時(shí)延，所以分析儀的虛擬儀表對該時(shí)延(秒)有一用戶輸入端。應(yīng)用的時(shí)延如圖10所示。
使用SUN/Snap-On制造的SUN/Suap-on MT-3505型便攜式排放分析儀30(帶內(nèi)裝的采樣泵)，連續(xù)測量每種氣壓污染物i的濃度Xi。分析儀應(yīng)用非彌散紅外(NDIR)方法分析HC(n-己烷)、CO和CO2，還提供電化學(xué)NO分析，并且氧傳感器確定氣體樣品的氧濃度。
MT-3505分析儀30除了上述諸功能外，還根據(jù)廢氣成分的碳平衡，計(jì)算燃料混合物與車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的氣/油比率。該分析儀還有一個(gè)K型熱電偶輸入端。這種K型熱電偶用于對進(jìn)入分析儀的氣體樣品測量其溫度，以便確定水蒸汽校正系數(shù)，用于補(bǔ)償樣品沿長的采樣軟管凝結(jié)的水蒸汽。
分析儀30作為大型排放測試系統(tǒng)的一部分特別有用，因?yàn)樗梢耘渲贸稍赗S-232串行數(shù)據(jù)流中連續(xù)輸出測量的濃度。
另外，還可應(yīng)用與30一樣的第二個(gè)氣體分析儀32，其采樣探頭位于催化轉(zhuǎn)換器的上游，可作催化劑效率檢查。
如圖2所示，連接至氣體分析儀30的采樣管線的探頭12是一根不銹鋼管(外徑3/8英寸)，其遠(yuǎn)端密封，四周鉆出6個(gè)3/32英寸的孔，所有的孔都位于1英寸的尖端內(nèi)。探頭12通過鋼彎頭16的壁進(jìn)入，并與直管部分11同心。
掃描工具掃描工具20是Monitor 4000增強(qiáng)型，由SPX公司的OTC分部銷售。它是確定各種車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)操作參數(shù)的裝置，參數(shù)包括車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，有時(shí)還包括發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩等。
如下所述，較佳的操作程序可讓用戶選擇哪些ECM數(shù)據(jù)流項(xiàng)是用戶希望用相關(guān)的OTC掃描工具監(jiān)視的。如圖10所示，與所需的項(xiàng)相關(guān)的檢查箱可讓該項(xiàng)被選擇、顯示、記錄和作其它運(yùn)算。每車輛都有其有已相關(guān)的可選項(xiàng)清單。在下述的程序中，“文本-編號”陣列用數(shù)值代替布爾文本值，從準(zhǔn)備存入文件的數(shù)據(jù)中去掉單位等。在將數(shù)據(jù)存入文件之前去掉非數(shù)字字符，更便于在完成測試后應(yīng)用展開圖表中的數(shù)據(jù)。在建立的每個(gè)數(shù)據(jù)文件中，記錄了一張所有的轉(zhuǎn)換與被刪除字符的清單，因而數(shù)據(jù)的用戶將明白這些約定。用戶還可添加附加的布爾文本值以轉(zhuǎn)換單位或刪除單位。
質(zhì)量排放的計(jì)算流量計(jì)模塊10能按每秒鐘和每英里計(jì)算每種管理污染物的質(zhì)量排放。以克/英里(gm/mi)為單位的測量結(jié)果可直接同采用FTP得到的聯(lián)邦證明測試結(jié)果和EPA排放標(biāo)準(zhǔn)作比較。
某污染物的排放，例如在t時(shí)刻的污染物i，可按下式計(jì)算P:(t)＝P1Xi(t)Qs(t)·3600/V(t) (1)其中的Pi(t)是在t時(shí)刻產(chǎn)生的排放，即污染物i(gm/mi)，Pi是污染物i在標(biāo)準(zhǔn)條件下的密度，Xi(t)是測得的污染物i的濃度，Qs(t)是廢氣在t(t)時(shí)刻在標(biāo)準(zhǔn)條件下的容積流動(dòng)速率，而V(t)是于t時(shí)刻車輛在道路上的速度(mph)。這些變量都與時(shí)間相關(guān)。
公式(1)中的Qs可用ANNUBAR制造商提供的下式計(jì)算Qs=C′hwPf---(2)]]>其中的hw是流量計(jì)元件兩端的分壓，Pf是下述氣體的絕對壓力，而C′＝FNAKD2FRAYAFMFAAF1(3)式中的各系數(shù)定義如下FNA-單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，常量。
K-基本流量系數(shù)，取決于Aunuabar型號，由FRA修正的常量。
D-管道在基礎(chǔ)溫度時(shí)的內(nèi)徑，由FAA修正的常量。
FRA-雷諾數(shù)系數(shù)，對這里使用的ANNUBAR DIAMOND II型流量敏感元件而言，是個(gè)常量。
YA-擴(kuò)展系數(shù)，用于校正流量元件周圍氣流密度因氣體速度變化而發(fā)生的變化。在預(yù)期的整個(gè)流量條件范圍內(nèi)，該系數(shù)從0.9955變至1.0000(即0.5％)，可略而不計(jì)。
FM-與注液壓力計(jì)配用的壓力計(jì)系數(shù)，這里不適用。
FAA-熱膨脹系數(shù)，用于校正管道在流量計(jì)元件處因溫度作用而產(chǎn)生的流量面積的變化。對于鋼質(zhì)廢氣管，該系數(shù)在[email protected]與[email protected]之間變動(dòng)，預(yù)期有最大流量溫度。
F1-量規(guī)定位系數(shù)，計(jì)入了重力常數(shù)在各種緯度與高度發(fā)生變化的影響。該系數(shù)在0.9982(0緯度@1000英尺)與1.0013(90緯度，海平面)之間變化。這樣，地球上任意兩點(diǎn)間的最大變化為0.3％，故可忽略。
最好不是將流量速率計(jì)算成上述各系數(shù)的乘積，而是可用下述的公式(4)校正已安裝的整個(gè)流量計(jì)模塊。按公式(4)校正可提供更高的精度，簡化在各種流量條件下的流量計(jì)算，且與車輛安裝情況無關(guān)。具體地說，流量計(jì)算簡化成Qs=CFAAhwPf(293/T+273))1/2---(4)]]>其中的C是由流量計(jì)校正確定的常量，T是熱電偶15檢測的流動(dòng)氣體的溫度(K)，Pf是壓力檢測器14檢測的流動(dòng)氣體的絕對壓力，而FAA同上。hw是來自流量元件131的分壓，由分壓換能器134檢測，換能器134還輸出正比于hw的模塊電壓，該信號由平行端口A/D轉(zhuǎn)換器16轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，以后由計(jì)算機(jī)40通過其平行端口讀出，接著由下述的操作程序標(biāo)定為壓力物理單位。
如上所述，廢氣溫度T由裝在模塊化廢氣流量計(jì)10中的丁型熱電偶15檢測。熱電偶電壓由熱電偶作冷結(jié)補(bǔ)償、線性化和放大后送給毫伏轉(zhuǎn)換器。然后把輸出電壓送給平行端口A/D轉(zhuǎn)換器16，接著由計(jì)算機(jī)40通過其平行端口讀出。
用A/D轉(zhuǎn)換器讀出的模擬輸入電壓，全部由操作程序標(biāo)定成溫度()與壓力(英寸H2O和英寸Hg)的物理單位。必要的標(biāo)定值通過換能器校正而確定，并通過圖10中在“模擬分壓輸入”部分上顯示的GUI輸入操作程序。
流量計(jì)校正每個(gè)流量計(jì)模塊通過與已知的流量計(jì)算準(zhǔn)和真空源(如壓氣機(jī))串接，用空氣單獨(dú)校正。流量計(jì)模塊的電氣連接與一般的測試安裝一樣，故將流量傳感器分壓、氣體絕對壓力和溫度都輸入計(jì)算機(jī)。同時(shí)，在為此目的而編制的校正軟件的控制下，由系統(tǒng)計(jì)算機(jī)同時(shí)讀出確定流量標(biāo)準(zhǔn)的流量所需的所有壓力值與。溫度對于調(diào)節(jié)風(fēng)門而選擇的每一種流動(dòng)速率，校正軟件都通過該流量標(biāo)準(zhǔn)確定流量。在給定流量計(jì)模塊所預(yù)期的流量范圍內(nèi)，可對每個(gè)流量設(shè)定值確定公式(2)中的常量C′。一般采用在整個(gè)預(yù)期流量范圍內(nèi)各個(gè)值的平均值。在預(yù)期的范圍內(nèi)，C′值只相差一點(diǎn)點(diǎn)。得到的C′校正值對被校正的流量計(jì)而言是獨(dú)特的，而每當(dāng)使用有關(guān)的流量計(jì)時(shí)輸入操作程序的數(shù)據(jù)項(xiàng)，供以后的排放測試應(yīng)用。
大多數(shù)輕型車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)現(xiàn)在都能連續(xù)輸出含有各種發(fā)動(dòng)機(jī)與車輛操作參數(shù)的串行數(shù)據(jù)流，這些操作參數(shù)有風(fēng)門位置、致冷劑、溫度車速等等。數(shù)據(jù)流格式是獨(dú)特的。OTC Monitor 4000增強(qiáng)型掃描工具能輸入這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)流，對它作出解釋，并輸出包含ASCII代碼格式的車輛操作參數(shù)的第二RS232串行數(shù)據(jù)流。
本發(fā)明通過將掃描工具232端口與計(jì)算機(jī)相接口而利用了Monitor 4000增強(qiáng)型掃描工具70的能力，能遙控建立與訪問掃描工具70的數(shù)據(jù)流。
對于具有這類數(shù)據(jù)流的車輛，可把該系統(tǒng)配置成監(jiān)視車速ν，并且在每次連續(xù)采樣間隔Δtj內(nèi)，將這一車速用作確定該車輛行駛的增量距離Δdj。增量距離可表示為Δtj＝νΔtj對于不具有可訪問的數(shù)據(jù)流的那些車輛，可從PATHFINDERTMTrimble全球定位接收機(jī)60的數(shù)據(jù)流中得到速度ν。
重型車輛一般在其訪問流中都包括發(fā)動(dòng)機(jī)力矩。將發(fā)動(dòng)機(jī)力矩乘上發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和時(shí)間，可得到功率值。因此，可把這類重型車輛的質(zhì)量指放速率表達(dá)成每個(gè)制動(dòng)馬力小時(shí)的克數(shù)。
氣/油比率計(jì)如上所述，MT3505排放分析儀30根據(jù)氣態(tài)排放濃度的碳平衡，連續(xù)地計(jì)算氣/油比率。或者，獨(dú)立的氣/油NGK比率計(jì)26應(yīng)用lambda傳感器提供氣/油比率。lambda傳感器應(yīng)在廢氣系統(tǒng)中裝得盡可能靠近廢近分集管，以將傳感器的溫度溫度保持高于其操作閾值。NTK氣/油比率計(jì)26或其它具有公共模擬輸出的裝置的模擬電壓輸出，可以連接至A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)通過其平行端口把它讀出，然后以實(shí)時(shí)方式顯示這一數(shù)據(jù)。
GPS接收機(jī)(任選)
全球定位系統(tǒng)(GPS)磁性安裝天線60由Trimble Wavigation銷售，與TrimlbePATHFINDERTMGPS PC卡115和Trimble GPS軟件一起使用，當(dāng)用戶選擇該軟件時(shí)，可讓下述的操作程序(ROVERTM軟件)與它發(fā)生聯(lián)系。
PM檢測器(任選)圖4示出的本發(fā)明的另一實(shí)施例與所述的第一實(shí)施例雷同，不過是為柴油動(dòng)力機(jī)車設(shè)計(jì)的，并增設(shè)了一個(gè)粒子物質(zhì)(PM)檢測器80。采用真空泵811通過開口的加熱采樣探以出原始廢氣樣品。原始樣品在通過兩個(gè)過濾槽之一前，在混合器806中由質(zhì)量流量控制器802用精確計(jì)量的可變數(shù)量的過濾空氣稀釋。上述的每個(gè)過濾槽包括兩個(gè)串接的過濾器803、804。稀釋空氣泵816將稀釋空氣供給質(zhì)量流量控制器802。利用第二個(gè)質(zhì)量流量控制器805使稀釋的樣品質(zhì)量流量保持恒定。稀釋空氣量以實(shí)時(shí)方式變化，使原始樣品質(zhì)量流量速率保持正比于總廢氣質(zhì)量流量速率，以確保成比例的樣品。或者，可用質(zhì)量流量控制器805將稀釋的質(zhì)量流量控制成正比于總廢氣質(zhì)量流量速率，同時(shí)用質(zhì)量流量控制器802保持稀釋空氣的比例。按聯(lián)邦步驟中一樣的方法將粒子物質(zhì)保持在過濾器上。在測試結(jié)束時(shí)，將過濾器803、804增加的質(zhì)量與其初始質(zhì)量作一比較，可確定車輛/發(fā)動(dòng)機(jī)在測試中的粒子物質(zhì)排放情況。在溫度控制器817控制下，對原始樣品和稀釋樣品溫度進(jìn)行監(jiān)視，如果哪一個(gè)溫度降到低于閾值水平，就通過采樣探頭加熱元件(見圖5中的鎳鉻絲813)對原樣樣品加熱。一般而言，在測試“冷”發(fā)動(dòng)機(jī)期間或確定可能在采樣系統(tǒng)中形成凝結(jié)的任何時(shí)候作這種加熱。還對絕對壓力和過濾槽兩端的壓力降進(jìn)行監(jiān)視。對稀釋樣品流動(dòng)速率作一選擇，以在壓力降超出閾值之前完成整個(gè)測試(取決于操作者考慮的是什么)。這樣就確保了過濾的樣品不處于低壓力或高粘性的環(huán)境，而這種環(huán)境會(huì)使PM樣器中的揮發(fā)性成份丟失。與聯(lián)邦步驟相等效是極其重要的，因?yàn)槁?lián)邦步驟是用來確定與聯(lián)邦法規(guī)相一致的工具。還要將過濾器兩端的壓力降成雙地記錄在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)文件中，這樣不僅知道了在所選的測試期間的PM質(zhì)量排放，還可對數(shù)據(jù)作后處理，從而確定何時(shí)，在怎樣的發(fā)動(dòng)機(jī)或車輛操作條件下(利用上述在車輛上檢測出的參數(shù)值)發(fā)出PM排放，有助于以類似于上述氣體排放的方法確定高PM排放的原因。
固態(tài)繼電器810控制三通閾，該閥可在(1)過濾器803和804的第一槽與(2)過濾器803和804的第二槽之間切換來自探頭801的氣體樣品流量。過濾器的第二槽也可用作旁通，以實(shí)現(xiàn)所需的采樣暫停。
如圖5所示，探頭812包括一只與鎳鉻絲813隔離的采樣探頭，鎳鉻你埋在陶瓷814里對探頭812加熱，而絕緣體815的另一層減少對探頭周圍廢氣的熱傳導(dǎo)。
圖4的實(shí)施例還包括圖1中的其它系統(tǒng)元件。
煙霧計(jì)(任選)該系統(tǒng)還可配用光能量計(jì)900(圖4)。煙霧計(jì)頭900以光學(xué)方法檢測廢氣不透明度，并將模擬電壓信號發(fā)送給A/D轉(zhuǎn)換器16以傳輸給計(jì)算機(jī)40。最好將TelonicBerkeley 300型儀表用作煙霧計(jì)或光密度計(jì)900。
操作程序圖8和9的流程圖示出了本發(fā)明系統(tǒng)的操作程序的較佳實(shí)施例。
圖8的流程圖示出了較佳的主操作程序(ROVERTM軟件)，用于操作裝上車輛后作流測的排放報(bào)告系統(tǒng)。通過有效地選擇圖10所示的圖表用戶界面，操作者指定要收集哪種數(shù)據(jù)(步驟S1)。于是，一啟動(dòng)該程序(步驟S2)，文件窗便打開，讓技術(shù)人員輸入有關(guān)車輛和要執(zhí)行測試的說明(步驟S3)。說明用計(jì)算機(jī)鍵盤41輸入。完成了預(yù)測試文件后，文件窗就關(guān)閉，程序不斷地查詢所需的數(shù)據(jù)，作必要的計(jì)算(步驟S4)，并在計(jì)算機(jī)屏上顯示存貯在計(jì)算機(jī)文件中的排放與車輛數(shù)據(jù)。程序以這種操作方式繼續(xù)下去(S4的環(huán)路)，直到操作者停止操作。一旦操作者選擇了停止該程序(步驟S5)，在計(jì)算機(jī)屏上再次打開用戶文件窗，允許輸入測試后文件和有關(guān)車輛和剛作過的測試的說明(步驟S6)。
圖9示出圖8中“連續(xù)測量環(huán)路”的子程序(S4)。在每次迭代期間，在某一設(shè)置頻率下(一般為1Hzj)，從每個(gè)源S401～S405收集原始數(shù)據(jù)，如圖所示。由于存在與每個(gè)源有關(guān)的小的已知特性時(shí)延，所以要作時(shí)基調(diào)節(jié)(S406～S410)。另外，要對沿著采樣軟管進(jìn)入分析儀的水蒸汽凝結(jié)校正分析儀測出的氣體濃度(S411)。根據(jù)公式(4)，用標(biāo)定成合適單位的模擬輸入電壓確定在標(biāo)準(zhǔn)條件下的廢氣流量(S412)。根據(jù)校正的氣體濃度和廢氣流量，只用已知?dú)怏w密度的附加參數(shù)作質(zhì)量計(jì)算(S415)。通過加入速度信號(S413)和迭代次數(shù)(S414)，對迭代確定克數(shù)/英里(S415)。接著，數(shù)據(jù)被顯示在計(jì)算機(jī)屏上(S416)，并保存在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)文件中(S417)。
廢氣連接與模塊支承圖7示出裝在客車100后面的流量計(jì)/氣體采樣探頭模塊10。一例將本發(fā)明的模塊10接到車輛100的廢氣管101的連接裝置，被示為鋼管彎頭17和彈性套管90的組合，鋼管彎頭17夾持在直管部分11的上游端，而彈性套管90用軟管夾頭91與92連接到彎頭17的上游端和廢氣管101。彈性套管可以是一種耐高溫的硅橡膠管，將車輛廢氣管接到用于排放測度的普通(靜止)測試架上。絕緣套管99將模塊10的采樣管送到氣體分析儀30，并從壓力換能器501、502、熱電偶15等接到A/D轉(zhuǎn)換器16，再接到計(jì)算機(jī)40。
從圖7可以看出，支承本發(fā)明模塊的裝置是一對由桿95、96支撐的管件吊鉤93、94，而桿95、96接至車輛100的底盤。橡膠帶97、98再支持模塊10。也可用其它裝置緊固流量計(jì)模塊使之安全。
權(quán)利要求
1.一種連接到在道路上行駛的車輛(100)的廢氣管的流量計(jì)模塊(10)，所述流量計(jì)模塊(10)包括包括直管部分(11)的模塊外殼，所述直管部分(11)具有截面直徑為D的敞開的內(nèi)部；支承裝置(93、94、95、96)，用于把所述直管部分(11)連接到車輛(100)的車身部分；連接裝置(17、90、91、92)，用于把所述直管部分(11)的一端接到廢氣管(101)，提供通過所述敞開內(nèi)部從廢氣管(101)流出的廢氣；裝在所述直管部分(11)內(nèi)的流量敏感元件(13)，用于確定廢氣通過所述直管部分(11)的敞開內(nèi)部流動(dòng)的速度；及氣體采樣管(12)，它延伸到所述敞開內(nèi)部相對于所述流量敏感元件(13)固定的某一位置，用于獲取廢氣樣品并將樣品供給氣體分析儀(30)。
2.如權(quán)利要求1所述的流量計(jì)模塊(10)，其特征在于，所述流量敏感元件(13)包括延伸到所述敞開內(nèi)部并跨過至少大部分直徑D的桿(131)，所述桿(131)的第一排開口(131e)面向所述直管部分(11)的上游端，為廢氣與在所述桿內(nèi)縱向延伸的第一通道(131c)提供聯(lián)系，并且所述桿(131)的第二排開口(131f)面向所述直管部分(11)的下游端，為廢氣與在所述桿(131)內(nèi)縱向延伸的第二通道(131d)提供聯(lián)系；及壓力換能器裝置(501)，用于在所述第一與第二通道(131c、131d)內(nèi)分別檢測上游與下游壓力之間的差壓。
3.如權(quán)利要求2所述的流量模塊(10)，其特征在于還包括壓力檢測器(14)，用于檢測在所述流量敏感元件(13)附近流動(dòng)的廢氣的壓力；溫度探頭(15)，用于檢測在所述流量敏感元件(13)附近流動(dòng)的廢氣的溫度；及計(jì)算裝置(40)，用于根據(jù)所述上游和下游壓力之間的差壓計(jì)算氣體流動(dòng)速率，并根據(jù)檢測出的溫度與壓力校正所計(jì)算的氣體流動(dòng)速率。
4.如權(quán)利要求1所述的流量計(jì)模塊(10)，進(jìn)一步包括多個(gè)裝在所述流量敏感元件(13)上游的所述敞開內(nèi)部里的平行葉片(8)，使廢氣流平直。
5.如權(quán)利要求1所述的流量計(jì)模塊(10)，進(jìn)一步包括用于檢測在流量敏感元件(13)附近流動(dòng)的廢氣的壓力的壓力檢測裝置(14)，所述壓力檢測裝置(14)包括密封在所述直管部分(11)外圍的圓形套管(141)和多個(gè)間隔開的孔(142)，所述孔(142)延伸通過所述直管部分(11)并呈圓形安排在所述直管部分(11)的周圍，在所述敞開內(nèi)部與所述圓形套管(141)之間提供流體聯(lián)系，并使壓力檢測器(50)與所述圓形套管(141)發(fā)生流體聯(lián)系。
6.如權(quán)利要求3所述的流量計(jì)模塊(10)，其特征在于，所述壓力檢測器(14)包括密封在所述直管部分(11)外圍的圓形套管(141)和多個(gè)孔(142)，所述孔(142)延伸通過所述直管部分(11)并呈圓形安置在所述直管部分(11)的周圍，在所述敞開內(nèi)部與所述圓形套管(141)之間提供流體聯(lián)系，并使壓力換能器(50)與所述圓形套管(141)發(fā)生流體聯(lián)系。
全文摘要
一種車載排放測試系統(tǒng)，包括可卸地接到車輛廢氣管以提供廢氣流量的儀表模塊。所述儀表模塊包括確定廢氣流速的分壓探頭和向氣體分析儀連續(xù)供給廢氣樣品的氣體采樣管。此外，所述系統(tǒng)還包括彈性套管、氣體分析儀和計(jì)算機(jī)，也可包括帶第二氣體采樣管的粒子物質(zhì)檢測器。
文檔編號G01F1/34GK1945254SQ20061014214
公開日2007年4月11日 申請日期1999年1月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月5日
發(fā)明者L·A·G·布里頓 申請人:美國環(huán)境保護(hù)署