颗粒物测量系统 |
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| 申请号 | CN201080056942.1 | 申请日 | 2010-08-06 | 公开(公告)号 | CN102656344B | 公开(公告)日 | 2016-04-20 |
| 申请人 | AVL测试系统公司; | 发明人 | W·M·塞尔维斯; R·万科; | ||||
| 摘要 | 所公开的是一种车辆废气监测系统，能提供对在车辆的废气内的颗粒物（PM）的含量的精确实时预测。这种系统能通过鉴定 烟尘 、SOF和 硫酸 盐 的含量精确地分化PM的组成。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种颗粒物测量系统，包括： |
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| 说明书全文 | 颗粒物测量系统技术领域[0001] 本公开涉及监视在车辆的废气或排放物内的颗粒物（PM）的含量（质量、重量、浓度等）的系统。这种系统可以是车载的，用以提供精确的分化PM测量。 背景技术[0002] PM通常是指悬浮在流体（例如，气体）中的呈现为非常小的微粒或微滴的物质。所谓废气（或者，烟雾、排气、排出物等）是指一种流体和其中所携带的PM。PM通常从发动机射出，一般包括元素形式的含碳物质（或者，烟尘）和呈现为挥发和半挥发性烃化合物的含碳物质（可以是SOF或者可溶解的有机分馏物）以及其他有机和无机化合物（诸如硫酸盐）。 [0003] 可以要求某些车辆在政府所委托的包括所谓的不过度测量事件（NTE事件）的废气测试程序期间或者在正常使用期间排放出的PM低于预定门限的水平。这样的车辆在测试的情况下所排出的PM含量可表示发动机效率、燃料质量、车辆污染等等。废气内的PM可以由废气所通过的测量过滤器收集或者可以附着到这过滤器上。在一种已知的测试中，用收集在车辆废气的样本内的几乎所有PM的测量过滤器对PM进行监测。从采样装置中取下测量过滤器后，例如在实验室内确定过滤器所收集的PM含量。发明内容 [0004] 所公开的是一种具有传感器、过滤器和计算机的系统。计算机包括处理器，被编程根据与另一个废气样本关联的至少一个参数鉴定在废气样本内的至少一个量。在废气样本内的这至少一个量可以是例如在废气样本内的烟尘、SOF和/或硫酸盐的含量（例如，数量、质量、重量、浓度等）。此外，这至少一个参数可以是例如与那另一个废气样本关联的SOF对烟尘的比例因子和/或与那另一个废气样本关联的硫酸盐形成因子。 [0005] 还公开的是一种方法，包括提供一个周期的废气样本和鉴定与在这个废气样本内的PM的总含量的一部分相应的量的步骤。这个量可以至少部分根据所鉴定的参数鉴定，这个参数可以是与另一个废气样本关联的参数（例如，因子、值、数量等）。 附图说明[0007] 下面将对附有以下详细说明的附图作简要说明，其中： [0008] 图1示出了与发动机的排气系统配置在一起的PM监测系统； [0009] 图2为示出鉴定与在第一废气样本内的烟尘、硫酸盐和SOF相应的量和确定与第一废气样本关联的参数的步骤的流程图；以及 [0010] 图3为示出根据在第一废气样本内所鉴定的至少一些参数/量鉴定与在第二废气样本内的烟尘、硫酸盐和SOF相应的量的步骤的流程图。 具体实施方式[0011] 参见图1，PM监测系统21被配置成与车辆10的排气系统11在一起。车辆10的发动机12产生废气14a，从发动机12向下游流入大气。废气14a通过排气管道15排离发动机12。发动机12可以是例如柴油机，而排气系统11可以包括与排气管道15同轴配置的内燃机氧化催化器（DOC）16和内燃机颗粒过滤器（DPF）18。如图所示，流量计17a被配置在DOC 16和DPF 18的下游，但流量计也可以被配置在DOC 16和DPF 18的上游。 [0012] DOC 16和DPF 18的下游是废气采样器44和28。采样器44将废气14a的样本42（例如，样本废气流）引导到总碳氢化合物（THC，或者总HC）分析单元40，分析单元40应是耐热的，被配置成可以鉴定在样本42内存在的THC气体浓度。在这方面，THC分析单元40可以是任何类型的已知THC分析器。此外，采样器28还将废气14b的样本20引导到处在传感器22和测量过滤单元24上游的调节单元50。废气14b为废气14a减去样本42，而废气14c定义为废气14b减去废气样本20，但是，由于样本20、42很小，因此废气14b-c的特性和流量基本上与14a类似。 [0013] 调节单元50的主要作用是稀释废气样本20，再将经稀释的废气流54提供给传感器22和测量过滤单元24。具体地说，调节单元将可以是空气或其他适当稀释流体的稀释剂52与废气样本20混合在一起。稀释剂52的流量可以用流量计17b监测。可以用稀释剂52的流量来鉴定包含在经稀释的废气流54内的稀释剂52的含量。如下面要说明的那样，确定在调节单元50内出现的稀释的稀释量对于确定例如流量和各种浓度是有益的。就称呼来说，经稀释的废气流54将被称为经稀释的传感器流56和经稀释的过滤器流58。 [0014] 传感器22和测量过滤单元24被配置成并行的，因此它们接收各自的经稀释的废气流56、58。经稀释的传感器流56和过滤器流58的流量可以由分别处在传感器22和测量过滤单元24下游的流量计17c、17d测量。按需要，可以在排气系统11的管线内或在PM监测系统21的管线内包括一些辅助流量计。流量计17a-d例如可以是关键性的流量文氏管或热质流量计。 [0015] 传感器22例如可以是AVL 483微烟尘传感器（MSS）。在任何情况下，传感器22都被配置成测量在经稀释的传感器流56（或任何废气样本）内的烟尘的浓度，并且传感器22输出作为时间函数的所测浓度。测量过滤单元24包括测量过滤器25，它能收集在经稀释的过滤器流58内的几乎所有PM。测量过滤单元24可以是一种重力测量过滤器，或者是任何其他适当类型的过滤单元。 [0016] 计算机29可以是车辆10上的，可以从各种设备，诸如温度传感器和流量计17a-d，接收与发动机12、排气系统11和PM监测系统21的各种参数关联的信息。计算机29可以通过例如电线束30与这些设备通信。具体地说，计算机29实时接收至少以下信息：废气温度（例如，可以由紧邻流量计17a的温度传感器向计算机29报告；紧邻流量计17a的废气14c的温度基本上与在DOC16处或内的废气14a的温度雷同）；废气14a-c、经稀释的废气流54和稀释剂52的流量（由相应流量计17a-d报告）；在经稀释的传感器流56内的烟尘的浓度（由传感器22报告），等等。计算机29和电线束30可以按需要被安排成接收来自发动机12、排气系统11和PM监测系统21的其他有关信息。温度传感器之类可以用已知方法安排在发动机10、排气系统11和PM监测系统21上（以及按需要设置的其他位置处）。 [0017] 计算机29可以存储信息（存储在诸如RAM的存储器内，或者存储在硬盘上，诸如此类），并可以包括一个或多个集成在一起或分开的被编程成执行各种算法、功能等的处理器。计算机29还可以包括监视器，从而可以被配置成在监视器上显示有用信息。 [0018] 如以上所说明的，已知的PM监测系统通常所涉及的是PM的未分化的总含量。然而，由于在燃料和润滑油内可以存在硫元素（S），因此在测量过滤器25上就会出现一些硫酸盐微滴。硫酸盐可以是由于硫元素（S）在发动机12内燃烧而形成的，燃烧使硫元素（S）氧化并在一定条件下形成气态的硫酸盐（SO3）。气态的硫酸盐可以与水化合而形成硫酸（H2SO4）。这种硫酸盐的形成基本上取决于在DOC16内存在废气和废气的温度（例如，TempDOC）。例如，如果DOC 16不存在，就不会有多少H2SO4形成。此外，如果存在DOC 16，如图1所示，那么只有在DOC足够热的情况下（例如，如果TempDOC处于活化温度或更高）才会形成可观的H2SO4。如果形成了硫酸，这硫酸H2SO4还可以集结和冷却，从而产生纳米颗粒的硫酸盐，这些纳米颗粒可以被测量过滤器25收集或"粘"到测量过滤器25上，或者可以吸附到烟尘颗粒上。因为这硫酸盐可以出现在测量过滤器25上，因此也将被认为是PM。 [0019] 类似，在废气14a-c内存在的半挥发性烃中有些随着废气14a-c被采样和冷却可以吸附到在废气14a-c内的烟尘颗粒上。因此，这些半挥发性烃将成为总PM中的所谓的SOF部分（或者，PM中的可归因于SOF的含量）。SOF的形成取决于在热的废气14a-c内这样的HC气体的含量（如由THC分析单元40所测量的）、经冷却的样本的温度（例如，样本20的温度，通常为47°C）、反应时间以及这些物质的其他化学和表面性质。这个SOF部分可以表征为可得到的半挥发HC气体在通常的工作条件（包括压强和温度）下与可得到的烟尘颗粒起反应的部分。 下面将对实际确定这个比例的情况进行说明。 [0020] 为了更好地理解在给定的废气样本内的PM的组成，应该精确地估计在废气样本内的硫酸盐的含量。通过估计在废气样本内的硫酸盐的含量，可以推测在车辆的废气内的PM的组成，从而可以研究这废气与车辆污染、发动机性能、后处理效率、对人体健康和环境的影响等等的关系。 [0021] 这个示范性的排气系统11和方法（如图2-3所示）考虑了在废气内的硫酸盐和SOF，以提供精确的对在废气内的PM的组成的分化测量（例如，通过考虑总PM中的分别可归因于烟尘、SOF和硫酸盐的各个部分）。 [0022] 图2为示出鉴定在第一废气样本内的PM的组成的步骤的流程图。第一废气样本（以及第二废气样本，参见图3）可以以与图1中所示的提供废气14a-c（包括样本20、42）类似的方式提供。在步骤110，提供作为步骤112到124之间的时间的第一时间期间（T1）的第一废气样本。 [0023] 在第一时间期间（T1）期间，在步骤114，监测废气样本20的温度。具体地说，有益的是在步骤114用与测量过滤单元24关联的温度传感器监测经稀释的过滤器流58的温度（Temp1-ex-filter）。在步骤116，传感器22测量在经稀释的传感器流56内的烟尘的作为时间函数的浓度（C1-soot(t)），并将测量结果传送给计算机29。同时，测量过滤单元24的过滤器25收集在经稀释的过滤器流58内几乎所有的PM，如步骤118所示，而处在测量过滤单元24下游的流量计17d监测经稀释的过滤器流58的流量（q1-ex-filter），如步骤120所示。此外，在步骤122，THC分析单元40确定废气样本42的作为时间函数的THC浓度（HC1(t)）。所有的数据然后都被发送给计算机29，存储在那里。 [0024] 值得注意的是，经稀释的过滤器流58的流量在对例如经稀释的传感器流56的流量这方面可以提供类似的精度，因为在图2所示的这种方法中所鉴定的这些量中有许多是与测量过滤单元24关联的。此外，在以下公式中所使用的流量（q1-ex-filter）可以是所测量的经稀释的过滤器流58的流量。样本经稀释后的含量可以根据将经稀释的废气流54的流量与稀释剂52的流量相联系的稀释率确定。 [0025] 例如，在实验室内，可以鉴定与在第一时间期间过滤器25所收集的硫酸盐的含量相应的量（M1-sulfate），如步骤126所示。步骤126可以用已知的方法诸如离子交换层析执行。还可以对过滤器25进行分析，可以鉴定与在第一时间期间过滤器25所收集的PM的总含量（质量、重量等）相应的量（M1-PM），如步骤130所示。具体地说，步骤130可以通过将过滤器25在第一时间期间前的重量或质量与过滤器25在第一时间期间后的重量/质量相比较来执行。 [0026] 利用如从传感器22得出的在第一废气样本内的烟尘的浓度（C1-soot(t)）、通过测量过滤器25的流量（q1-ex-filter）和时间期间（T1），就可以如步骤128所示按下式确定在第一废气样本内的烟尘的含量（M1-soot）（用计算机29，或者用另一个单独的计算机，如果使用后处理的话）： [0027] [0028] 利用以上所鉴定的这些量，就可以鉴定在第一时间期间在第一废气样本内的SOF的含量（质量、重量等）（M1-SOF）。例如，SOF的含量（M1-SOF）可以通过从M1-PM中减去M1-sulfate和M1-soot得出。 [0029] M1-SOF=M1-PM-M1-soot-M1-sulfate [0030] 在步骤132，鉴定与第一废气样本关联的比例因子（α）。例如，在第一废气样本内的SOF与烟尘之比取决于在第一废气样本内可得到的半挥发HC气体中存在的可以由比例因子（α）表示的部分（例如可以最终吸附到烟尘颗粒上的那部分）。比例因子（α）通常表示如下（其中：CSOF为在废气样本内的SOF的浓度，Csoot为在废气样本内的烟尘的浓度，而HC为在废气样本内的总烃气浓度）。 [0031] [0032] 例如，在废气14a-c内可得到的半挥发HC中的一部分可以吸附到在经稀释的过滤器流58内存在的烟尘上。在这个意义上，所吸附的半挥发HC实际上就已成为SOF。也就是说，由于所吸附的半挥发HC会被过滤器25收集，从而会是PM，因此它就可以表示PM中的SOF部分。传感器22就其自身而言可以不考虑SOF，因为传感器22只测量在给定废气样本内的烟尘的浓度。因此，可以用步骤122所示的由THC分析单元40所测量的在调节单元50稀释调整的THC浓度（HC1(t)）按下式计算比例因子（α）： [0033] [0034] 以上所给出的这个值α表示在第一废气样本内SOF与烟尘之比，由于这个比涉及所测量的烃气浓度（在经样品稀释调整的情况下），可以用来精确地预测在任何其他废气样本内的SOF的含量，而不需要在实验室内对过滤器25进行分析。 [0035] 如上面所说明的，在对于第一废气样本可用过滤器测量的情况下，可以在实验室内确定在第一废气样本内的硫酸盐的含量。然而，在其他废气样本内和/或在其他时段期间的硫酸盐含量用其他措施确定。因此，在步骤134鉴定硫酸盐形成因子（K），从而可以再用它来鉴定或预测在其他废气样本内的硫酸盐的含量。 [0036] 具体地说，在废气样本内硫酸盐含量可以取决于几个因素，这些因素可以包括：在燃料内的硫（S）的含量（Sfuel），燃料的流量 废气样本的温度，在DOC 16内的温度（TempDOC），废气的流量，等等。其他一些因素也可以是重要的，可以酌情引入。 [0037] 具体就步骤134而言，对于第一废气样本，硫酸盐形成因子（K）根据已知的硫酸盐的含量（M1-sulfate）、经稀释的过滤器流58的流量（q1-ex-filter）和第一时间期间的时间（T1）鉴定。 [0038] [0039] 在上式中，C1-sulfate为所计算的在给定的废气样本（在这里为第一废气样本）内的硫酸盐浓度（例如，用在步骤120和126中所鉴定的量确定）。在其他废气样本和/或在其他时间期间的情况下，浓度部分根据从基于计算机的硫酸盐浓度模型（例如，根据在计算机29内）得到的预测和根据硫酸盐形成因子（K）确定。硫酸盐浓度模型考虑了一些已知与硫酸盐浓度有关的因素。例如，如上面所说明的，在给定的废气样本内的硫酸盐的含量正比于在燃料内的硫（S）的含量（Sfuel）、燃料的流量（例如， 或发动机10的燃料消耗率）、在DOC 16内的废气14a的温度（Temp1-ex）（可以用废气14c的温度表示，如紧邻流量计17a的温度传感器所确定的）和通过DOC 16或者在DOC 16内的废气的流量（q1-ex）（可以是如流量计17a所确定的废气14c的流量）。C1-sulfate可以表示为： [0040] [0041] 给定至少输入Sfuel、 Temp1-ex和q1-ex，就可以根据计算机的硫酸盐浓度模型预测硫酸盐浓度。然后，给定以上计算的C1-sulfate和M1-sulfate，就可以确定硫酸盐形成因子（K）。这个值K，联同预先存在的基于计算机的硫酸盐浓度模型，可以用来精确预测在任何废气样本内的硫酸盐的含量。 [0042] 在以上这些鉴定步骤中所鉴定的这些量（例如，值、参数等）可以被保存在计算机29上，以用于另一个废气样本，如步骤136所示。然而，其中特别重要的是参数硫酸盐形成因子（K）和比例因子（α）。确定这些参数所需的量（例如，M1-PM和M1-sulfate）可以通过与计算机29关联的用户输入字段输入计算机29。于是，计算机29就可以按需要存取和使用这些量。 [0043] 参见图3，提供第二废气样本，如步骤210所示，从而可以精确确定在第二废气样本内的PM的含量和PM的组成。在所示这个例子中，在限定第二时间期间（表示为在步骤212到222之间的时间）的NTE事件期间提供第二废气样本。 [0044] 值得注意的是，在第一废气采样期间可以进行第二废气采样。也就是说，可以在一个8小时的驾驶日期间采取第一废气样本，而车辆可以经受甚至只有这个驾驶日的一小部分的NTE。在这种情况下，第一废气样本会包括第二废气样本，但是由于实时后处理和数据存储，可以用所鉴定的在第一废气样本内的这些量来确定在第二样本内的PM的组成。在第一样本采样期间甚至可以采几个第二样本。在有些情况下，在第一样本采样期间可以不采任何第二样本（例如，第一样本可以在一个8小时的驾驶日期间采取，而在这个驾驶日期间没有NTE事件出现）。在这种情况下，每当出现第二样本时（例如，第一和第二样本可以依次出现或者在不同的日子出现），所鉴定的在第一样本内的这些量（例如，K、α）仍可以用于第二样本。 [0045] 在第二时间期间（T2）（同样可以是NTE事件）期间，在步骤214，测量第二废气样本的温度（Temp2-ex）。这个温度Temp2-ex可表示在排气管道15和DOC 16内的废气14a-c的温度。因此，例如，有温度传感器被配置在排气管道15内所关联的流量计17a附近，如图1中所示。 [0046] 在这个第二时间期间也测量第二废气样本的流量，如步骤216所示。在第二时间期间特别重要的流量是在排气管道15内的废气14c的流量（q2-ex）。此外，第二废气样本还被传送给传感器22。在步骤218，传感器22不断地测量在第二废气样本内的烟尘的浓度作为时间的函数（C2-soot(t)），并将测量结果传送给计算机29。同时，在步骤220，由THC分析单元40测量在第二废气样本内的THC的浓度。由此，确定会在由被配置成测量PM的测量过滤器用已知的所需采样操作所采取的气体内存在的HC浓度HC2(t)，如果会存在这样的过滤器的话。 [0047] 然后，在步骤224，鉴定与在第二废气样本内的SOF、烟尘和硫酸盐的含量相应的量。首先，可以鉴定在第二废气样本内的烟尘的含量（M2-soot）。这可以由计算机29执行，给定了在步骤218取得的来自传感器22的烟灰浓度测量结果（C2-soot(t)）（在有已知的调整和标定的情况下），以及给定了在第二段采样时间期间的废气的流量（q2-ex）和第二时间期间（T2），有： [0048] [0049] 按照以上所述，在第二废气样本内的PM的含量（M2-PM）可以表示为烟尘（M2-soot）、SOF（M2-SOF）和硫酸盐（M2-sulfate）的组合。值得注意的是，可以如下用在步骤132所鉴定的SOF对烟尘的比例因子（α）来鉴定在第二废气样本内的SOF的含量： [0050] [0051] 此外，再给定Sfuel、 q2-ex和Temp2-ex，就可以用基于计算机的硫酸盐浓度模型和在步骤134所鉴定的硫酸盐形成因子（K），与实验室采样中会执行的稀释量调整（例如，dilution_adjustment）一起，预测在第二废气采样内的硫酸盐的浓度（C2-sulfate-predict）。例如： [0052] [0053] 然后，可以如下用这个预测浓度C2-sulfate-predict来确定在第二废气样本内的硫酸盐的含量： [0054] [0055] 因此，使用以上公式/算法，就可以鉴定在第二废气样本内存在的PM的一些分化部分（例如可以鉴定烟尘、SOF和硫酸盐的质量），从而精确地预测了在第二样本内的总PM（例如，通过将M2-soot、M2-SOF和M2-sulfate相加得出）。 [0056] 计算机29可以被编程成利用以上公式/算法来提供在给定废气样本内的总PM的精确分化指示，犹如是在实验室内测量的那样。此外，计算机29可以被配置成输出（例如，用以计算机监测或可打印的读出等）测量时段的每个时刻在任何废气样本内的PM的组成（例如，在废气样本内的烟尘、SOF和硫酸盐的各自含量）。 |
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