废气测量仪器

本发明涉及一种利用小型稀释孔道测量在来自发动机的废气中 的各种组分排出量的废气测量仪器。小型稀释孔道这样布置，以致于 从发动机排气管抽取一部分废气，并经一根取样管引入到小型稀释孔 道内，然后用空气稀释以降低废气温度。

一种小型稀释孔道用来测量在来自发动机，特别是柴油发动机的 废气中的各种组分的排出量。小型稀释孔道把抽取废气的温度降低到 例如52℃，由此产生一种其中废气中各种组分由于降低温度而冷凝 成颗粒状物质的条件。一种使用小型稀释孔道的废气测量仪器，测量 在大体类似于在把废气排放到大气中的情况的状态下的废气组分，如 氮氧化物的浓度，并且得到废气组分的排出量。

在一种利用小型稀释孔道的废气测量方法中，把通过分析在小型 稀释孔道中稀释的废气而得到的各种废气组分的浓度乘以流过小型 稀释孔道的稀释废气的流量、在小型稀释孔道中的稀释比、与流量分 流比，可得到在来自发动机的废气中的各种组分的排出量(重量)，流 量分流比是通过排气管的废气流量与引进取样管的废气流量的比 值。

必须在每种输出或工作模式或类似模式下，准确且以最小的时间 延迟测量在来自发动机的废气中的各种组分的排出量，以便评价以各 种操作模式操作的发动机的性能，和判断是否符合排气法规。一种利 用小型稀释孔道的废气测量仪器不必稀释全量的废气，并因此通过利 用小尺寸小型稀释孔道就能够测量废气中各种组分的排出量。于是， 整个废气测量仪器能以紧凑的结构建造。

然而，对于发动机的稳态工作模式开发了利用小型稀释孔道的常 规废气测量仪器，并且它具有在稳态下用来测量废气组分浓度的结 构。因为浓度达到稳定状态需要长时间，所以在瞬态工作模式中不能 使用常规废气测量仪器。换句话说，利用小型稀释孔道的常规废气测 量仪器不能在瞬态工作模式中进行废气组分的测量，因为由于废气在 取样管中的滞留和检测器响应的延迟，在对阶跃输入响应的90％处 需要约10秒钟。

本发明的一个目的在于，消除常规废气测量仪器的缺点，并且提 供一种利用小型稀释孔道、且能够在发动机的瞬态工作模式中测量废 气中各种组分的量的快速响应废气测量仪器。本发明的一个特别目的 在于提供一种废气测量仪器，其中一个用来测量排气管中废气流量的 旁通气体流量计、和一个用来测量取样管中废气流量的抽取气体流量 计分别是高灵敏差压型流量计，从而有可能得到流量分流比，流量分 流比是在发动机的稳态和瞬态工作模式下排气管中的废气流量与取 样管的废气流量的比值。

本发明的另一个目的在于，在利用小型稀释孔道的废气测量仪器 中，通过把在发动机的瞬态工作模式下得到的流量分流比乘以一个校 准系数，能够计算出一个更精确的校准流量分流比。在本发明的实施 例、权利要求书和附图中能使本发明的其他目的和优点变明白。

根据本发明的一种废气测量仪器带有：一个小型稀释孔道，其中 在发动机排气管中的一部分废气经一根取样管引入，并且用空气稀 释；一个测量装置，用来测量在小型稀释孔道内稀释的废气中的特定 组分；一个高灵敏差压型抽取气体流量计，测量取样管中的废气流量 Qs；一个高灵敏差压型旁通气体流量计，测量排气管中的废气流量 Qb；及一个运算装置，用来通过把由高灵敏差压型旁通气体流量计 得到的排气管中的废气流量、除以由高灵敏差压型抽取气流计得到的 取样管中的废气流量而得到一个流量分流比R=Qb/Qs。

根据本发明的废气测量仪器进一步带有一个用来得到流量分流 比的一个校准系数k的装置，和一个用来通过把流量分流比乘以校准 系数得到一个校准流量分流比k·R的装置。用来得到校准系数k的装 置带有：一个用来在发动机的瞬态工作期间测量排气管内废气中的特 定物质的浓度Db的测量装置；一个通过把排气管中的废气流量Qb 乘以排气管内废气中的特定物质的浓度得到排气管内特定物质的总 量Qb·Db的装置；一个用来测量小型稀释孔道中的稀释废气流量Qt 的装置；一个用来测量在小型稀释孔道中稀释的废气中的特定物质的 浓度Dt的测量装置；一个用来通过把小型稀释孔道中的稀释废气流 量乘以小型稀释孔道中稀释的废气中的特定物质的浓度得到小型稀 释孔道中特定物质的总量Qt·Dt的装置；及一个用来通过把排气管内 特定物质的总量除以小型稀释孔道中特定物质的总量而计算浓度分 流比Rc=(Qb·Db)/(Qt·Dt)的装置。通过把浓度分流比Rc除以流量分 流比R得到校准系数k。

根据本发明的测量仪器最好具有如下构造。

(1)特定物质是氮氧化物。

(2)高灵敏差压型抽取气体流量计带有一个安装在取样管中的样 本孔板，并且根据由通流过样本孔板的废气在样本孔板的两侧之间产 生的压差，得到取样管中的废气流量Qs。

(3)高灵敏差压型抽取气体流量计带有第一和第二压力接收活 塞、和一个布置在两个压力接收活塞之间以把压力转换成电信号的传 感器。在样本孔板一侧的压力和在样本孔板另一侧的压力分别施加到 第一和第二压力接收活塞上，借此把样本孔板处的压差转换成一个电 信号。

(4)高灵敏差压型抽取气体流量计带有第一和第二波纹管、和一个 把置于两个波纹管之间的一个板簧的变形转换成电信号的电阻丝应 变仪。在样本孔板一侧的压力和在样本孔板另一侧的压力分别施加到 第一和第二波纹管上，借此把样本孔板处的压差转换成一个电信号。

(5)高灵敏差压型旁通气体流量计带有一个安装在废气管中的旁 通孔板，并且根据由流过旁通孔板的废气在旁通孔板的两侧之间产生 的压差，得到废气管中的废气流量Qb。

(6)高灵敏差压型旁通气体流量计带有第一和第二压力接收活 塞、和一个布置在两个压力接收活塞之间以把压力转换成电信号的传 感器。在旁通孔板一侧的压力和在旁通孔板另一侧的压力分别施加到 第一和第二压力接收活塞上，借此把旁通孔板处的压差转换成一个电 信号。

(7)高灵敏差压型旁通气体流量计带有第一和第二波纹管、和一个 把置于两个波纹管之间的一个板簧的变形转换成电信号的电阻丝应 变仪。在旁通孔板一侧的压力和在旁通孔板另一侧的压力分别施加到 第一和第二波纹管上，借此把旁通孔板处的压差转换成一个电信号。

(8)旁通气体流量计测量作为吸入空气量和燃料流量之和的排气 管中的废气流量Qb。

(9)测量排气管中废气流量的旁通气体流量计测量在经取样管抽 取一部分废气之后剩余的废气流量。

(10)小型稀释孔道带有一个把空气供入小型稀释孔道中的气泵、 和一个把在小型稀释孔道中稀释的废气排出的鼓风机。

(11)鼓风机以恒速转动，并且气泵的转数受到控制，由此反馈控 制流量分流比R。

图1是平面图，表示根据本发明的一种废气测量仪器的整个布 置。

图2是局部放大平面图，表示差压计的安装方式。

图3是局部纵向剖视图，表示一种差压计的内部结构。

图4是局部纵向剖视图，表示另一种差压计的内部结构。

图5是曲线图，表示差压计的阶跃响应。

图6是曲线图，表示由一种利用差压计的测量仪器测量的分流比 的结果。

下面将参照附图描述本发明的多个实施例。然而，本发明的技术 范围不限于这些实施例，而是由附属权利要求书的范围限定。图1是 平面图，表示根据本发明一个实施例的一种废气测量仪器的整个布 置。一根排气管12连接到一个安装到柴油发动机10一侧上的排气歧 管11上。一个用于排气压力调节的蝶形阀13和一个消音器14连接 到排气管12上。

消音器14的出口侧连接到另一根排气管15上。一个用来防止振 动的谐振器16以这样一种方式连接到排气管15上，以致于从其分 支。排气管15的上端向大气打开。排气管15向大气打开的部分伸进 一个烟筒17的进口部分中。一个排气鼓风机18连接到烟筒17的远 端。

一根吸气歧管安装到发动机10远离排气歧管11的一侧。一根吸 气管19连接到吸气歧管的远端。吸气管19进一步连接一个用来测量 吸入空气流量E的流量计20。

图1中的废气测量仪器带有一个小型稀释孔道22。小型稀释孔道 22的进口部分连接到一根空气引入管23上。一个气泵24提供在空 气引入管23的远端处，以引入稀释空气。在提供气泵24的空气引入 管23的远端，相对着一根稀释空气供给管25的一端打开。空气引入 管23带有一个置于其中间位置的稀释空气压力调节阀26。

一个热交换器27连接到小型稀释孔道22的下游侧，并且一个鼓 风机28连接到热交换器27的下游侧。鼓风机28是一个以恒定转数 转动的鼓风机。

一个旁通孔板29安装在连接到消音器14下游侧的排气管15的 竖直部分中。一根取样管30的一端插入到旁通孔板29下面的排气管 15的一部分中。取样管30把废气抽取和引入到小型稀释孔道22中。 一个样本孔板31安装在取样管30中。

排气管15中的旁通孔板29和取样管30中的样本孔板31中的每 个都起一个节气门的作用。流入排气和取样管15和30的每一个中的 废气流量根据两个孔板29与31之间的空气阻力比分布。因为在孔板 29和31处的输入压力几乎相同，所以废气流量分流比R，即废气管 中的废气流量Qb与取样管中的废气流量Qs之比Qb/Qs，就通过控 制输出压力来改变。

一根带有一个用来抽取在小型稀释孔道22中稀释的一部分废气 的取样泵32的小直径细管32’被插入到小型稀释孔道22中。一个 NOX(氮氧化物)计33连接到取样泵32的下游。NOX计33进一步连接 到一个用于控制的计算机(CPU)44上。此外，另一根插入在小型稀释 孔道22中的细管35’与一个颗粒过滤器34、一个取样泵35、和一个 流量计36相连。

一个预处理装置37连接到一根在消音器14的出口侧处和在竖直 部分下面插入到排气管15的一部分中的细管37’。一个NOX计38连 接到预处理装置37的下游侧。NOX计38连接到用于控制的计算机44 上。

提供一个差压计39，以检测提供在排气管15的竖直部分中的旁 通孔板29两侧之间的压差。抽取废气的取样管30在其中部装有一个 差压计40，以检测样本孔板31两侧之间的压差。这些差压计39和 40的检测输出都输入到用于控制的计算机44。

而且，吸气管19的流量计20与一个用来测量供给发动机10的 燃料量的燃料计41一起连接到用于控制的计算机44上。根据由流量 计20和燃料计41测量的值，计算机44计算废气排出总量，即当发 动机10处在高温下时的废气流量。此外，鼓风机28的一个转速计连 接到计算机44上。计算机44由鼓风机28的转数通过计算得到小型 稀释孔道22中的流量。

在这种废气测量仪器中，一种高灵敏型差压计用作图2中所示的 差压计39和40中的每一个。这样一种差压计带有如图3中所示的一 个圆柱形壳体50。圆柱形壳体50在其两侧处具有开口51和52。在 孔板29(30)两侧的压力P1和P2经开口51和52施加到壳体50的两 侧。压力接收活塞53和54分别置于开口51和52内。

压力接收活塞53和54中的每一个在其外周缘部分处密封，并且 一个传感器55以这样一种方式置于在壳体50中，以致于夹在压力接 收活塞53与54之间。传感器55是一种由压电陶瓷材料形成的高灵 敏型传感器，以把压力转换成电信号。传感器55的输出经一根电缆 56取出。

于是，当孔板29(31)两侧的压力P1和P2经开口51和52分别施 加到压力接收活塞53和54上时，传感器55检测在两侧的压力P1与 P2之间的差压，并且把一个检测信号经电缆56传送到用于控制的计 算机44。

图4表示差压计39和40的另一种形式。差压计带有一个基座 60，并且支撑板61和62竖直地连接到基座60的两侧。波纹管63和 64刚性地固定到支撑板61和62的相对侧表面上。压力构件65和66 安装到波纹管63和64的各远端上。放置压力构件65和66以压着一 个板簧67的相对侧。板簧67带有一个由基座60的一个夹持部分68 固定的下端部。一个电阻丝应变仪69安装到板簧67每个侧表面上。

孔板29(31)两侧的压力P1和P2引入到差压计39(40)的波纹管63 和64中，并且波纹管63和64根据引入的压力伸展或收缩。波纹管 63和64的压力构件65和66中的每个压着板簧67，使板簧67偏斜。 板簧67的偏斜经电阻丝应变仪69测出。电阻丝应变仪69连接到一 个桥路上，并且把检测的输出输入到用于控制的计算机44中。

在图1的仪器中，由发动机10的工作产生的废气经排气歧管11 和排气管12排出。在这时，排气压力由用于排气压力调节的蝶形阀 13调节。而且，排气振动由消音器14减轻。通过排气管15的一部 分废气经取样管30抽取，并且引入到小型稀释孔道22中。

在小型稀释孔道22中，废气用经空气引入管23引入的空气稀 释。用于稀释的空气由气泵24从稀释空气供给管25送到空气引入管 23中。

稀释的废气由取样泵32取样，并且引入到NOX计33，在NOX计33处进行氮氧化物量，即NOX浓度Db，的测量。此外，稀释的 废气由取样泵35抽吸以通过颗粒过滤器34。在这时，测量由过滤器 34捕获的颗粒物质的量。

在稀释之前，来自发动机10的废气经在消音器14的出口侧处的 细管37’直接从排气管15抽取，并且由预处理装置37预处理。此后， 由NOX计38测量NOx浓度Db。

其次，将描述一种用来控制经空气引入管23抽吸到小型稀释孔 道22中空气量的结构。连接到空气引入管23上的气泵24由一个电 动机42驱动。电动机42的转数由一个变换器43控制。根据来自计 算机44的一个控制命令信号43’控制变换器43。

向计算机44分别输入小型稀释孔道22中的废气流量Qt、小型 稀释孔道22中的NOX浓度Dt、和稀释之前废气中的NOX浓度Db。 小型稀释孔道22中的废气流量Qt通过一种与测量稀释孔道中流量的 方法一致的方法测量。排气管15中的废气流量Qb也作为吸入空气 量和燃料流量之和而测量。小型稀释孔道22中的NOX浓度Dt用NOX计33测量。稀释之前废气中的NOX浓度Db用NOX计38测量。

基于NOX是追踪气体的假设，由从发动机10排出的废气中的 NOX总量与小型稀释孔道22中的稀释气体中的NOX总量之比，计算 在图1废气测量仪器的小型稀释孔道22中的废气的废气浓度分流比 Rc。浓度分流比Rc由如下公式(1)表示：

Rc=(Qb·Db)/(Qt·Dt)    …公式(1)

其中Qb是排气管中的废气流量；Db是排气管中的NOX浓度； Qt是小型稀释孔道中的稀释废气流量；及Dt是小型稀释孔道中的 NOX浓度。

另一方面，小型稀释孔道中的流量分流比R由如下公式(2)得到：

R=Qb/Qs    …公式(2)

其中Qb是排气管中的废气流量；而Qs是取样管中的废气流量。

计算机44经变换器43控制电动机42的转数，由此控制气泵24 的转数，从而使由计算机44得到的流量分流比R与一个希望值重 合。通过这样做，变得有可能反馈控制废气的流量分流比R。

当气泵24的转数改变时，小型稀释孔道22中的压力变化，并且 导致流量分流比变化。就是说，如果气泵24的转数增大以升高小型 稀释孔道22中的压力，则废气经取样管30进入小型稀释孔道22会 变得困难。因此，流量分流比R增大。如果气泵24的转数减小以降 低小型稀释孔道22中的压力，则增大数量的废气经取样管30引入到 小型稀释孔道22中。结果，流量分流比R减小。

因而，尽管能由用于控制的计算机44使用公式(1)计算浓度分流 比Rc，但这种方法具有需要几十秒去稳定追踪气体(一般为氮氧化物 或碳酸气)的浓度的缺点，并因此而响应时间很长。于是，在发动机 的瞬态工作期间不能使用该方法。

相反，基于公式(2)的流量分流比R的计算使用用于排气管15中 孔板29两侧之间的差压的差压计39、和用于取样管30中孔板31两 侧之间的压差的差压计40，并且具有响应非常快的特征。即使在发 动机的瞬态工作期间，公式(2)的使用也能使流量分流比R以高精度 得到。然而，使用公式(2)的方法因为孔板的使用，具有易于受长期使 用、温度变化等影响的缺点。因此，得到基于公式(2)的流量分流比R， 并且通过利用由公式(1)表达的浓度分流比Rc来校准该流量分流比。 通过这样做，有可能在发动机的瞬态工作期间以高精度得到流量分流 比。

在这个实施例中，如图3和4中所示，高灵敏型差压计39安装 在排气管15中孔板29的两侧之间，而高灵敏型差压计40安装在取 样管30中孔板31的两侧之间。通过用差压计39测量孔板29两侧之 间的差压，得到排气管15中的废气流量，并且输入到计算机44。用 差压计40检测取样管30中孔板31的两侧的压力，并且把检测输出 输入到计算机44中。因而，根据差压计39和40的输出，测量排气 管15中的废气流量Qb、和取样管30中的废气流量Qs。作为两个流 量之比的流量分流比R由计算机44计算，并且由一个打印机或一个 笔式记录器输出。

如图5中所示，高灵敏型差压计39和40具有由曲线A代表的特 征。这表示有可能得到比代表常规测量方法的特征的曲线B和C高 十倍的响应比值。因而，当在发动机的瞬态工作模式下利用高灵敏型 差压计39和40测量流量分流比R时，测量结果落在容许极限内，如 图6中的曲线A所示。图6中的曲线B和C表示通过常规测量方法 的测量结果。两个测量结果都偏离容许极限。本发明通过一种利用高 灵敏型差压计39和40及小型稀释孔道22的测量仪器，能够实现在 发动机瞬态工作模式下的废气测量。

在分别装有差压计39和40的排气管15和30中，孔板29和31 可能随时间变化，导致孔板29和31的每一个中的流量系数变化。因 此，为了使由这样一种变化造成的测量值误差最小，就把流量分流比 R乘以一个校准系数k，以得到校准的流量系数k·R。在发动机的稳 态工作期间，以浓度分流比Rc与流量分流比R之比的形式得到校准 系数k，即k=Rc/R。通过以这种方式得到校准的流量系数k·R，有 可能防止发生由利用差压计39和40的测量迟滞造成的误差。

因而，在根据本实施例的废气测量仪器中，安装小型稀释孔道。 此外，高灵敏型差压计39安装在孔板29的两侧之间，而高灵敏型差 压计40安装在孔板31的两侧之间，由此得到在发动机瞬态工作模式 下的流量分流比。因而，能测量废气组分的排出量。换句话说，能把 用于稳态工作模式的利用一个小型稀释孔道的一种废气测量仪器变 成一种用于瞬态工作模式的废气测量仪器。

本发明的主要效果和优点如下。

(1)根据本发明的废气测量仪器使用一个小型稀释孔道。布置该小 型稀释孔道，以向其中引入来自发动机排气管的一部分废气并用空气 稀释它。小型稀释孔道仅稀释一部分废气，并且能减小尺寸。因此， 能减小废气测量仪器的整体尺寸。

(2)在小型稀释孔道中，把废气置于大约类似于释放到大气中的情 况的状态下，并且在该状态下检测废气组分的量。因此，有可能得到 与发动机性能估计和排气法规有关的必要检测结果。

(3)根据本发明的废气测量仪器使用一个高灵敏差压型旁通气体 流量计和一个高灵敏差压型抽取气体流量计，并且在满意地跟随发动 机工况变化的同时能够得到流量分流比。因此，除发动机的稳态工作 模式外，在瞬态工作模式下也有可能进行废气测量。

(4)根据本发明的废气测量仪器预先得到一个校准系数，并且通过 把流量分流比乘以该校准系数，校准由于使用时间或环境影响而在其 中可能引入误差的流量分流比。因此，能得到独立于使用时间推移或 环境变化的精确废气测量值。

(5)在根据本发明的废气测量仪器中，在稳态工作期间以浓度分流 比与流量分流比之比的形式得到流量分流比的校准系数。因此，提供 在废气测量仪器中的一个组成装置也能用作一个用来得到校准系数 的装置，并且不需要专门的装置。