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Mass discharge measurement for vehicle

阅读:140发布:2024-02-26

专利汇可以提供Mass discharge measurement for vehicle专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately measure without a consumption calibration gas by providing a step analyzing each component of an undiluted exhaust gas and a step analyzing a predetermined component of a diluted exhaust gas. SOLUTION: For example, mass discharge measurement for a vehicle 12 is performed by a gas analyzer 28 measuring concentration of each component, and preferably a gas analyzer 32 of an oxygen sensor. An undiluted exhaust gas is measured by the analyzer 28, and in a mixed gas of an exhaust gas and diluted air drawn into by a blower 24, the flow rate thereof is measured by a mass flow meter 36 and the oxygen concentration thereof is measured by an analyzer 32. For example, by using these data and oxygen concentration in the atmosphere obtained by a predetermined method, mass discharge of each component in the exhaust gas is determined by predetermined computing with a computer 40. For example, compensation for influence caused by each component in an exhaust gas to the analyzer 32 of a zirconium oxide oxygen sensor, is performed by a predetermined compensation algorithm.,下面是Mass discharge measurement for vehicle专利的具体信息内容。

【特許請求の範囲】
  • 【請求項1】 車両排気を収集する排気取り入れ口と、 前記排気取り入れ口に接続されて、車両排気と希釈空気との希釈混合ガスを供給する希釈空気取り入れ口と、 前記排気取り入れ口からの希釈されていない排気ガスの各成分の濃度を測定する第1のアナライザと、 少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度を測定する第2のアナライザと、 前記希釈混合ガスの流量を測定する測定器と、 前記希釈されていない排気ガスの各成分の濃度と、少なくとも一つの希釈混合ガス成分の前記濃度の補正値と、
    前記希釈混合ガスの流量とから、前記排気ガスの各成分の質量を算出するプロセッサーと、 を有し、 前記補正値は前記排気ガス成分の化学反応について調整されていることを特徴とする車両排気質量排出量(vehi
    cle exhaust mass emission)アナライザ。
  • 【請求項2】 請求項1の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記補正値は補正されていない値よりも大きいことを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項3】 請求項1の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記第2のアナライザは酸素アナライザを含むことを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項4】 請求項3の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記酸素アナライザは加熱酸化ジルコニウム媒体を有することを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項5】 請求項4の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記化学反応は、少なくとも部分的に、前記酸素アナライザによる前記希釈混合ガスの加熱によって起きることを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項6】 請求項1の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記希釈混合ガスの一部を取り出すための流れ分配器を有し、前記第2のガスアナライザは、前記取り出された希釈混合ガスの一部内の前記特定の一つの希釈ガス成分の濃度を測定するものであることを特徴とする排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項7】 請求項6の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記第2のアナライザは、希釈混合ガス温度よりも高い温度に加熱される酸素アナライザを有することを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項8】 請求項1の車両排気質量排出量アナライザにおいて、排気ガスと希釈空気との希釈混合ガスの流れを起こすためのブロワを有することを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項9】 請求項1の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記プロセッサーは、希釈されていない排気ガスの各成分の濃度と、少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度と、前記希釈混合ガスの流量とから、次の式を用いて前記排気ガスの各成分の質量を算出するものであることを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。 V e =V d (P dd −P aa )/(P ee −P aa ) ただし、V eは排気の体積、 V dは希釈混合ガスの体積、 P d ,P aおよびP eは、それぞれ、希釈混合ガス、大気および排気ガスの密度係数、 C dは希釈混合ガス中の前記少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度の測定値、 C aは大気中の前記少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度の測定値、 C eは非希釈車両排気中の前記少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度の測定値である。
  • 【請求項10】 車両排気を収集する排気取り入れ口と、 前記排気取り入れ口に接続されて、車両排気と希釈空気との希釈混合ガスを供給する希釈空気取り入れ口と、 前記排気取り入れ口からの希釈されていない排気ガスの各成分の濃度を測定する第1のアナライザと、 前記第1のアナライザで測定された前記排気ガスの特定の成分である少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度を測定する第2のアナライザと、 前記希釈混合ガスの流量を測定する測定器と、 前記希釈されていない排気ガスの各成分の濃度と、少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度と、前記希釈混合ガスの流量とから、前記排気ガスの各成分の質量を算出するプロセッサーと、 を有し、 前記プロセッサーは、前記排気ガスの各成分の化学反応を補正した排気ガス成分の質量を得るものであり、その補正された値は、少なくとも一つの非希釈排気ガス成分の関数であって、前記少なくとも一つの非希釈排気ガス成分の計算値よりも大きいことを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項11】 請求項10の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記化学反応は、少なくとも部分的に、前記第2のアナライザによる前記希釈混合ガスの加熱によって起きることを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項12】 請求項10の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記希釈混合ガスの一部を取り出すための流れ分配器を有し、前記第2のガスアナライザは、
    前記取り出された希釈混合ガスの一部内の前記少なくとも一つの希釈ガス成分の濃度を測定するものであることを特徴とす排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項13】 請求項10の車両排気質量排出量アナライザにおいて、排気ガスと希釈空気との希釈混合ガスの流れを起こすためのブロワを有することを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項14】 請求項10の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記プロセッサーは、希釈されていない排気ガスの各成分の濃度と、少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度と、前記希釈混合ガスの流量とから、
    次の式を用いて前記排気ガスの各成分の質量を算出するものであることを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。 V e =V d (P dd −P aa )/(P ee −P aa ) ただし、V eは排気の体積、 V dは希釈混合ガスの体積、 P d ,P aおよびP eは、それぞれ、希釈混合ガス、大気および排気ガスの密度係数、 C dは希釈混合ガス中の少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度の測定値、 C aは大気中の前記少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度の測定値、 C eは非希釈車両排気中の前記少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度の測定値である。
  • 【請求項15】 請求項10の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記第2のアナライザは酸素アナライザであることを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項16】 車両の排気質量排出量を測定する方法において、 希釈されていない車両排気および車両排気と大気との希釈混合ガスをサンプリングするステップと、 前記車両排気の希釈されていない各ガス成分の濃度を測定するステップと、 少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度を測定するステップと、 前記希釈混合ガスの流量を測定するステップと、 前記希釈されていない排気ガスの各成分の濃度と、前記特定の成分の前記濃度と、前記希釈混合ガスの前記流量とから、前記排気ガスの各成分の質量排出量を算出するステップであって、前記排気ガス成分の化学反応について補正した、排気ガスの質量の補正値を算出するステップを含む、ステップと、 を有し、 前記補正値は、少なくとも一つの希釈されていない排気ガス濃度の関数であって、前記少なくとも一つの希釈されていないガス成分についての算出値よりも大きいこと、 を特徴とする方法。
  • 【請求項17】 請求項16の方法において、前記サンプリングするステップの前または後に、較正のために、
    大気のみをサンプリングするステップを有することを特徴とする方法。
  • 【請求項18】 請求項16の方法において、前記特定の排気ガス成分は酸素であることを特徴とする方法。
  • 【請求項19】 請求項18の方法において、前記質量排出量を算出するステップは、測定された酸素を、酸素と排気ガス成分との化学反応について補正するステップを有することを特徴とする方法。
  • 【請求項20】 請求項19の方法において、前記希釈混合ガス中の濃度を測定するステップは、加熱した酸化ジルコニウム媒体を使用することを特徴とする方法。
  • 【請求項21】 請求項16の方法において、前記質量排出量を算出するステップは、前記特定のガス成分を、
    前記特定の成分と前記排気ガス成分との化学反応について補正するステップを含むことを特徴とする方法。
  • 【請求項22】 請求項16の方法において、前記希釈されていない排気ガスの濃度と、前記特定のガス成分の濃度と、前記希釈混合ガスの流量とから前記排気ガスの各成分の質量を算出するステップは、次の式の計算を含むことを特徴とする方法。 V e =V d (P dd −P aa )/(P ee −P aa ) ただし、V eは排気の体積、 V dは希釈混合ガスの体積、 P d ,P aおよびP eは、それぞれ、希釈混合ガス、大気および排気ガスの密度係数、 C dは大気中および車両排気中に存在するガス成分の希釈混合ガス中の酸素濃度の測定値、 C aは大気中および車両排気中に存在するガス成分の大気の濃度の測定値、 C eは大気中および車両排気中に存在するガス成分の車両排気の濃度の測定値である。
  • 【請求項23】 車両排気を収集する排気取り入れ口と、 前記排気取り入れ口に接続されて、車両排気と希釈空気との希釈混合ガスを供給する希釈空気取り入れ口と、 前記排気取り入れ口からの希釈されていない排気ガスの各成分の濃度を測定する第1のアナライザと、 前記車両排気ガス、希釈空気、および車両排気と希釈空気との希釈混合ガスの温度を測定する第2のアナライザと、 前記希釈混合ガスの流量を測定する測定器と、 前記希釈されていない排気ガスの各成分の濃度と前記温度とから前記排気ガスの各成分の質量を算出するプロセッサーと、 を有することを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項24】 請求項23の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記第2のアナライザは温度プローブを含むことを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項25】 請求項24の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記温度プローブは、サーミスターと、RTDと、熱電対装置の中から選択されたものであることを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項26】 請求項23の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記プロセッサーは、前記希釈混合ガスと大気の温度の違いによって生じる前記希釈混合の熱損失を補正するものであることを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項27】 請求項23の車両排気質量排出量アナライザにおいて、排気ガス希釈空気との希釈混合ガスの流れを起こすためのブロワを有することを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項28】 請求項23の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記プロセッサーは、希釈されていない排気ガスの各成分の濃度、前記温度、および前記希釈混合ガスの流量から、次の式を用いて前記排気ガスの各成分の質量を算出するものであることを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。 M e =M d (T d −T a )/(T e −T a ) ここに、M eは排気の質量、 M dは希釈混合ガスの質量、 T dは希釈混合ガスの温度測定値、 T aは大気温度測定値、 T eは希釈されていない排気の温度測定値である。
  • 【請求項29】 車両排気を収集する排気取り入れ口と、 前記排気取り入れ口に接続されて、車両排気と希釈空気との希釈混合ガスを供給する希釈空気取り入れ口と、 前記排気取り入れ口からの希釈されていない排気ガスの各成分の濃度を測定する第1のアナライザと、 希釈混合ガスと排気ガスと希釈空気の温度を測定する第2のアナライザと、前記希釈混合ガスの流量を測定する測定器と、 前記希釈されていない排気ガスの各成分の濃度、前記温度、および前記希釈混合ガス成分の流量から前記排気ガスの各成分の質量を算出するプロセッサーと、 を有し、 前記プロセッサーは、大気温度での前記希釈混合ガスの熱損失を補正するものであることを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項30】 請求項29の車両排気質量排出量アナライザにおいて、排気ガスと希釈空気との希釈混合ガスの流れを起こすためのブロワを有することを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。
  • 【請求項31】 請求項29の車両排気質量排出量アナライザにおいて、前記プロセッサーは、希釈されていない排気ガスの各成分の濃度と、少なくとも一つの希釈混合ガスの濃度と、前記希釈混合ガスの流量とから、次の式を用いて前記排気ガスの各成分の質量を算出するものであることを特徴とする車両排気質量排出量アナライザ。 M e =M d (T d −T a )/(T e −T a ) ここに、M eは排気の質量、 M dは希釈混合ガスの質量、 T dは希釈混合ガスの温度測定値、 T aは大気温度測定値、 T eは車両排気の温度測定値である。
  • 【請求項32】 車両の排気質量排出量を測定する方法において、 希釈されていない車両排気および車両排気と大気の希釈混合ガスをサンプリングするステップと、 前記車両排気の希釈されていない各ガス成分の濃度を測定するステップと、 希釈されていない排気ガスと希釈混合ガスと大気の温度を測定するステップと、 前記希釈混合ガスの流量を測定するステップと、 前記希釈されていない排気ガスの各成分の濃度と、前記温度、および前記希釈混合ガスの流量から前記排気ガスの各成分の質量排出量を算出するステップと、を有することを特徴とする方法。
  • 【請求項33】 請求項32の方法において、前記算出するステップは、前記希釈混合ガスを、大気温度に対して補正するステップを含むことを特徴とする方法。
  • 【請求項34】 請求項32の方法において、前記希釈されていない排気ガスの濃度、前記温度、および前記希釈混合ガスの流量から前記排気ガスの各成分の質量を算出するステップは、次の式の計算を含むことを特徴とする方法。 M e =M d (T d −T a )/(T e −T a ) ここに、M eは排気の質量、 M dは希釈混合ガスの質量、 T dは希釈混合ガスの温度測定値、 T aは大気温度測定値、 T eは車両排気の温度測定値である。
  • 说明书全文

    【発明の詳細な説明】

    【0001】

    【発明の属する技術分野】本発明は、車両の排気から質量排出量を測定する方法および装置に関し、より具体的には、空気によって車両排気を希釈したものを利用する質量排出量測定に関する。

    【0002】

    【従来の技術】従来の車両排気分析技術では、環境基準を満たすかどうかの判定のために、排気ガスの各成分の濃度を測定するものであった。 しかし、ガス濃度測定は、車両の真の排出量を判定するには不十分であった。
    濃度は、生成される汚染の量の一つのパラメータにしかすぎず、真の排気量を測定するためには、単に濃度だけでなく、質量排出量を測定する必要がある。 質量排出量を測定するためには、排気ガスの体積または流量も測定する必要がある。

    【0003】

    【発明が解決しようとする課題】質量排出量を測定する一つの公知技術では、動作環境を考慮した技術を用いてテールパイプからのガスの流れを直接測定する。 しかし、排気ガスが存在し高熱であるため試験環境が厳しく、この技術は実施が困難である。 さらに、種々の構造のテールパイプと漏れがないように接続できるアダプタが必要である。 この技術は、二重排気系統を有する車両では特に困難である。

    【0004】もう一つの公知技術では、希釈された排気ガスの濃度を測定する。 この技術では、きわめて低い濃度に希釈された成分ガスの濃度を測定するため、高価な計測器が必要である。 さらに、排気ガスの体積の変化が排気ガスの濃度の変化をもたらすため、正確な結果を得るためにはそれを考慮しなければならない。 分析装置の精度は、汚染排出量が少ない車両の場合の小排出量から、汚染排出量が多い車両の場合の大排出量まで十分にカバーするものでなければならない。 この広範囲の検出領域のために計測器がさらに高価なものとなる。 車両の排気質量を測定するための他の公知技術では、二酸化炭素追跡法が用いられる。 これは、希釈していない車両排気ガス内の二酸化炭素の濃度測定値と、排気ガスおよび希釈ガスの希釈混合ガスの中の二酸化炭素の濃度測定値とを比較することによって、流量を求める。 この方法には二つの問題がある。 一つは、二酸化炭素は大気中にごく低濃度(例えば、約400ppmすなわち0.04
    %)しか存在しないことである。 この大気中のごく低濃度の二酸化炭素では、正確な分析較正点を提供するために用いるには不十分である。 車両の試験をしているときは、アナライザは、1桁パーセントの二酸化炭素領域で動作する。 したがって、較正のために大気を使用すると、較正点での不確定性が非常に大きくなる。 したがって、二酸化炭素希釈アナライザを正確に較正して希釈率を測定するためには、消耗ガス(consumablegas)としての二酸化炭素源を用意しなければならない。

    【0005】車両の排気と希釈空気との希釈混合ガス内の二酸化炭素の測定には、混合ガスを二酸化炭素分析計、すなわち典型的には非分散形赤外(NDIR)アナライザに通す前に、希釈混合ガスから蒸気を除去するために、希釈混合ガスの濾過が必要である。 このような濾過には、ポンプ、フィルター、ソレノイドなどを含む複雑なガスサンプリングシステムが必要である。 かかる濾過を行なわないと、二酸化炭素センサの寿命が短くなる。 しかし、ガスサンプリングシステムの付加によってアナライザのコストが著しく上昇する。 さらに、かかるサンプリングシステムに付随する遅延によって、非希釈排気ガスから得た濃度測定値と希釈混合ガスから得た濃度測定値との間に時間のずれ(phasing)が生じる。 希釈濃度と非希釈濃度との整合(alignment)は、質量排気量の評価における精度にとってきわめて重要である。
    サンプリングシステムが複雑になるほど、許容できる整合レベルを達成するのが困難になり、コストも高くなる。 このような技術はコストが高くて複雑なため、研究室の装置でしか使用されていない。

    【0006】したがって、研究室と屋外排気試験プログラムでは使用可能な消耗較正ガスを使用せずに、車両排気質量の正確な測定ができる、丈夫で安価な車両排気質量排出量アナライザが必要とされている。

    【0007】

    【課題を解決するための手段】本発明は、正確で、丈夫で、低コストで、かつ消耗較正ガスの使用を必要としない車両排気質量排出量を測定するための方法および装置を提供する。 本発明の一つの態様による車両排気質量排出量測定方法は、希釈されていない車両排気および車両排気と希釈空気との希釈混合ガスをサンプリングするステップと、前記希釈されていない車両排気の各ガス成分の濃度を測定するステップと、希釈混合ガス成分の特定の排気ガス成分の濃度を測定するステップと、排気ガスの各成分の濃度と、前記特定排気ガスの成分の濃度と、
    希釈混合ガスの流量とから、排気ガスの各成分の質量排出量を算出するステップとを有する。 プロセッサーは、
    排気ガスの各成分の化学反応について補正された排気ガス成分の質量排出量を得る。 補正された値は、少なくとも一つの希釈されていない排気ガス成分の関数であって、その成分について計算された値よりも大きい。

    【0008】本発明の一態様による車両排気質量排出量アナライザは、車両排気を収集する排気取り入れ口と、
    その排気取り入れ口に接続されて、車両排気と希釈空気との希釈混合ガスを供給する希釈空気取り入れ口とを有する。 排気取り入れ口からの希釈されていない排気ガスの各成分の濃度を測定する第1のアナライザが具備されている。 少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度を測定する第2のアナライザが具備されている。 希釈混合ガスの流量を測定する測定器が具備されている。 プロセッサーは、排気ガスの各成分の濃度と、少なくとも一つの希釈混合ガス成分の濃度の補正値と、希釈混合ガスの流量とから、排気ガスの各成分の排出質量を算出する。 補正値は、排気ガス成分の化学反応について調整されていて、補正していない値よりも大きくなっている。

    【0009】本発明は、正確で、丈夫で、低コストで、
    かつ消耗較正ガスの使用を必要としない車両排気質量排出量を測定するための方法および装置を提供する。 本発明の一態様による車両排気質量排出量測定方法は、大気と、希釈されていない車両排気と、希釈空気中の車両排気の希釈混合ガスの温度を測定するステップと、希釈されていない車両排気の各ガス成分の濃度を測定するステップと、希釈混合ガスの流量を測定するステップとを含む。 この方法はさらに、排気ガスの各成分の濃度と、三つの温度と、希釈混合ガスの流量とから、排気ガスの各成分の質量排出量を算出するステップを有する。 これは、温度平衡式を用いて実際の希釈率を求めることによって達成される。 実際の希釈率および希釈混合ガスの体積から、排気の体積を求めることができる。 排気ガス体積と、測定された排気ガスの各成分の濃度から、排気質量排出量を正確に求めることができる。

    【0010】本発明の一態様による車両排気質量排出量アナライザは、車両排気を収集する排気取り入れ口と、
    その排気取り入れ口に接続されて、車両排気と希釈空気との希釈混合ガスを供給する希釈空気取り入れ口とを有する。 排気取り入れ口からの排気ガスの各成分の濃度を測定する第1のアナライザが具備されている。 希釈されていない車両排気の温度、希釈空気の温度、および希釈された排気ガス成分の温度を測定する第2のアナライザが具備されている。 希釈混合ガスの流量を測定する測定器が具備されている。 プロセッサーは、排気ガスの各成分の濃度と、三つの温度と、希釈混合ガスの流量とから、排気ガスの各成分の排出質量を算出する。

    【0011】上記および他の本発明の目的、効果、および特徴は詳細な説明および添付図面から明らかである。

    【0012】

    【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。 図1は、車両12の質量排出量を測定する車両排気質量排出量アナライザおよび方法10を示す。 この車両の運転状態は、ダイナモメータ14で監視していてもよい。 サンプリングアッセンブリ(すなわち、コーン)16は車両の排気管と接続される構造の排気取り入れ口18を有し、車両から排出される希釈されていない排気ガスをサンプリングする。 排気取り入れ口と同軸上に大気取り入れ口20があって、ここから、車両の外部環境の大気が取り込まれる。 希釈混合ガスダクト22は、ブロワ24によって引き込まれた、車両排気と希釈空気との希釈混合ガスを受け取る。

    【0013】ガスサンプリングシステム26は、排気取り入れ口18からの希釈されていない排気ガスをサンプリングし、ガスサンプルをガス濃度アナライザ28に供給する。 ガスアナライザ28は、排気ガス中のガス濃度を測定する。 この測定では、たとえば、この出願と譲り受け人が同じであるブラック(Black)等の米国特許第5,5
    10,269号「電子的較正を含むガス濃度測定のための赤外線方法および装置」に開示された原理が利用される。 この米国特許の開示内容をここに援用する。 アナライザ2
    8はさらに、ガスアナライザ32からの入30をも受け取る。 ガスアナライザ32は、後述するように、希釈混合ガスダクト22内の成分ガスの濃度を検出する。 好ましくは、ガスアナライザ32は酸素センサである。 その理由は後で詳述する。 アナライザ28はさらに、質量流量計36からの入力34を受け取る。 質量流量計36
    は希釈混合ガスダクト22に配置され、車両排気系統のインピーダンスを低く押さえるように設計されており、
    希釈混合ガスの流量測定を行なうものである。 アナライザ28の出力38はコンピュータ40に送られ、ここで表示され、アナライザ28から出力された質量排出量の測定値に基づいて、車両12について、種々の合否判定を行なう。

    【0014】車両12の排気中の各成分ガス、すなわち炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO 2 )、酸素(O 2 )および窒素酸化物(NOx)の質量排出量を求めるためには、排気の体積と各成分ガスの濃度の両方を測定する必要がある。 各成分ガスの濃度は、アナライザ28によって直接測定される。 排気ガス体積V eは、質量流量計36で測定された希釈混合ガスの体積V dと希釈率(d)の積として求められる。 この情報を用いて、各成分ガスの質量は第1式によって求められる。 質量=密度×体積×濃度=PVC (1)

    【0015】希釈混合ガスの質量は、排気ガスの各排出成分またはそれらの組み合せについての成分の質量に等しい。 M d =M e +M a (2) ここに、M d =希釈混合ガスの質量、 M e =排気の質量、 M a =大気の質量である。

    【0016】同様に、希釈混合ガスの体積は、その成分の体積に等しい。

    ここに、V

    dは希釈混合ガスの体積、V

    eは非希釈排気の体積、V

    aは大気の体積である。

    【0017】第2式と第3式を組み合わせると、 P ddd =P eee +P aa (V d −V e ) (4) ここに、P d ,P a ,P eは密度係数、C dは希釈混合ガス中の酸素濃度の測定値、C aは大気中の酸素濃度の測定値、C eは非希釈車両排気中の酸素濃度の測定値である。 排気の体積について解くと、 V e =V d (P dd −P aa )/(P ee −P aa ) (5)

    【0018】C dの値は、酸素アナライザ32で測定される。 C eの値は、アナライザ28で測定される。 C aの値は、サンプリングアッセンブリ16が車両12から切り離されたときに、たとえば、車両の試験の合間で、大気だけがサンプリングアッセンブリ16に引き込まれているときに、アナライザ28またはアナライザ32で、
    または両方で測定される。

    【0019】以上のことから、車両の排気の各成分ガスの質量排出量が、アナライザ28とアナライザ32と質量流量計34の組み合せによって測定できることが理解できる。 ここに示した実施の形態では、アナライザ32
    は、酸化ジルコニウム酸素センサである。 このようなセンサは、車両部品販売店で市販されており、多数のメーカーから売り出されている。 酸化ジルコニウム酸素センサは、例えば700℃の高温で動作する。 そのような高温では、車両の排気と希釈空気との希釈混合ガスの中の酸素と、同じく希釈混合ガス中にある一酸化炭素および炭化水素の分子とが結合する。 この車両排気中の酸素とその他の成分ガスとの間の燃焼を含む化学反応は、適当な補正をしないと、質量排出量の計算値の誤差をもたらす。 車両排気と希釈空気との希釈混合ガス中の酸素の測定は、きわめて複雑である。 高速応答酸素センサは、たとえば700℃の高温で動作する。 そのような高温により、酸素と種々の排気ガスとの間で化学反応が起きる。
    その結果、残る希釈濃度は、測定された酸素よりも小さいことがありうる。 補正をしないと、このような化学反応によって、質量排出量測定精度に悪影響を与える。

    【0020】排気成分の一部、特に一酸化炭素および炭化水素については解析的な補正をすることができる。 そのような反応は次の式で表される。 2CO+O 2 →2CO 2 (6) C3H 8 +5O 2 →4H 2 O+3CO 2 (7) 2C 614 +19O 2 →14H 2 O+12CO 2 (8)

    【0021】これらの式から、酸素と反応する分子2個ずつについて1個の酸素分子が消費され、炭化水素(プロパン)分子が1個減るごとに5個の酸素分子が消費される、等といったことが分かる。 したがって、希釈された一酸化炭素および代表的な炭化水素成分を測定して計算することによって、そして、化学反応のある種の効率を推定することによって、上記の予測される反応に基づいて補正を施すことが可能である。 補正を施すために、
    補正アルゴリズム42が実行される。 補正アルゴリズム42は、まずステップ44で、アナライザ32および排気ガスアナライザ28を利用して、各ガス成分の濃度の測定から始められる。

    【0022】ステップ46で、化学反応を無視して希釈率が計算され、これは、ステップ48で、他の成分ガスとの化学反応の結果としての酸素分子の減少について、
    アナライザ32で測定された酸素の量を補正するのに利用される。 測定された酸素濃度がステップ48で補正された後に、ステップ50で、新しい希釈率が計算される。 ステップ50で計算された新しい希釈率は、ステップ48で酸素濃度測定値を補正するのに利用され、また、ステップ50で新たな希釈率を算出するのに利用される。 このプロセスは、公知の数学的手法を用いて、このアルゴリズムが収束したと判定されるまで繰り返される。 ステップ50で希釈率が決定された後に、ステップ52で、車両の質量排出量が計算される。 他の実施の形態として、繰り返し計算は、モデル化して、参照テーブルまたは式中の定数として記憶しておくこともできる。

    【0023】計算された効率が最大になる化学反応の場合、測定された酸素は最大の予測値よりもはるかに低い結果になることが、実験的にわかった。 すなわち、消費される酸素は常に予測値よりも多かった。 実際の酸素の損失は、希釈排気成分について測定した場合の予測値の2倍にもなりうる。

    【0024】よりよい補正アルゴリズムを提供するために、次の方法を用いた。 負荷条件を種々に変えた複数の運転中の車両を用いて、種々の希釈ガス成分の濃度を作り出した。 したがって、作られたデータは、排気成分濃度の種々の組み合せに関係する多次元パラメーターを含んでいた。 生成された複数の排気ガスは、高温酸素センサとガルバ酸素センサとで同時に測定した。 二つのセンサの間の差異が記録され、種々のガス成分の濃度と関連付けた。 統計的な多数相関係数を計算した後、次の修正関係式を適用した。 O 2 (実損失)=O 2 (予測損失)+Ki * Ci (9) ここに、Ciは希釈排気ガス濃度 Kiは統計的多数相関係数 Kiの値は、サンプリングシステムの幾何学的形状などのシステムの実際の構造と、酸素センサの温度に依存する。

    【0025】酸素センサ32は、種々の技術を用いて、
    希釈混合ガスダクト22から希釈混合ガスをサンプリングすることができる。 一つの技術では、ダクト22を流れる空気から直接酸素を測定するために、酸素センサをダクト中に置く。 他の実施の形態では、ダクト22を流れるガスを一定割合でサンプリングするために、ピトー管などの分配器(proportionalizer)システムが用いられる。 この実施の形態では、ダクト22から引き込まれた希釈混合ガスの部分中に酸素センサ32が配置される。 この実施の形態は、酸素センサの上の希釈混合ガスの流れが減るので、その酸素センサの上の希釈混合ガスによる熱拡散の量が減り、それによって、酸素センサがその設計温度で動作させ得るので好ましい。 その他のサンプリング技術も、当業者には自明である。

    【0026】図3および図4に、希釈混合ダクト22の詳細を示す。 図3で、希釈混合ガスの流れの方向を矢印で示す。 ブロワ24(図3および図5に示していない)
    は、図3に示す希釈混合ダクト22の左端に接続されている。

    【0027】希釈ダクト22は円筒形のハウジング50
    を有し、ハウジング50は、アナライザ28およびガスサンプラー26のサンプル管アセンブリー48を取り付けるためのオプション領域52を有する。 ハウジング5
    0内には、渦支柱54が、支柱保持具56によって保持されている。 超音波発信器58と超音波受信器60が、
    支柱54の両側に位置するようにハウジング50に取り付けられている。 後に詳述するように、渦支柱54と、
    超音波発信器58と超音波受信器60の組み合せによって質量流量計36が構成される。

    【0028】ガスダイバータ、すなわちピトー管62
    は、ハウジング50を通る希釈混合ガスをサンプル抽出する。 サンプリングされたガスは、管66によって酸素測定チャンバ64に搬送される。 チャンバ64内には酸素センサ68が配置されている。 ピトー管62と、酸素測定チャンバ64と、管66と、酸素センサ62とで、
    アナライザ32が構成される。

    【0029】希釈混合ダクト22はさらに、温度センサ70と圧力センサ72とを有する。 これらはともに、ハウジング50内部の状態を検出するものである。 可撓性電子回路基板74は、たとえばマイクロプロセッサー制御回路を有し、超音波受信器60からの入力を受けて全体質量流量(mass flow volume)を計算する。 プロセッサー回路基板76は、好ましくはマイクロプロセッサー制御回路を有し、ガスアナライザ28の分析機能を実行して出力38を出す。

    【0030】図示した実施の形態では、質量流量計36
    は、アイオワ州シダーラピッズ市のJ−TEC社から市販されているもので、本実施例での適用に合わせて改造したものである。 質量流量計36は、超音波発信器58
    から発信された超音波信号を超音波受信器60で受信することによって動作する。 信号は支柱54の周りを通過して、支柱54を通過して流れる希釈混合ガスによって生成される空気の乱れによって修正される。 生成される乱れの量は、希釈混合ガスの流量(flow rate)に比例する。 したがって、超音波受信器60で受信された信号を、当業者にとって自明の方法で処理することによって、希釈混合ガス流量が算出できる。 酸素センサ68
    は、好ましくは、フィリップス社から販売されているG
    MS−10型酸化ジルコニウムセンサである。 酸素センサは、好ましくは、ガスモジュール、ハネウェル社(Gas
    modul, a Honeywell Company)発行の「より良い燃焼制御のためのダイナミックZrO 2酸素センサ(Dynamic Zr
    O 2 oxygen sensors forimproved combustion contro
    l)」と題する応用ガイドに開示された原則に従って操作される。 この文献の開示内容をここに援用する。

    【0031】他の車両排気質量排出アナライザおよび方法10'は、サンプリングシステム26'を有し、これは、排気取り入れ口18から非希釈排気ガスをサンプリングして、ガス濃度アナライザ28にサンプルを供給する(図5および図6)。 アナライザ28'はさらに、3
    個の温度プローブ52、54、56からのデータを受信する。 プローブ54は大気温度を測定する。 プローブ5
    2は非希釈排気ガス温度を測定する。 プローブ56は、
    希釈されたガスの流路中に置かれ、その温度を測定する。 アナライザ28'はさらに、質量流量計36からの入力34を受信する。 質量流量計36は希釈混合ダクト22内に配置され、車両排気のインピーダンスを低く押さえる構造となっていて、希釈混合ガスの流量を測定する。 アナライザ28'の出力38はコンピュータ40に提供され、ここで、表示と、アナライザ28'から出力された質量排出量の測定値に基づく車両12の種々の合否判定が実行される。

    【0032】車両12の排気中の各成分ガスすなわち、
    炭化水素(HC)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO 2 )、窒素酸化物(NOx)の質量排出量を算出するためには、各成分ガスの排出量と濃度を算出する必要がある。 各成分ガスの濃度は、アナライザ28で直接測定できる。 排気ガス体積V eは、質量流量計36で測定された希釈混合ガス体積V dと希釈率(d)との積として求められる。 この情報を用いて、各成分ガスの質量を、第1式によって算出することができる。 質量=密度×体積×濃度=PVC (1)

    【0033】希釈混合ガスの質量は、排気ガスの各排気成分またはそれらの組み合せについての成分の質量に等しい。 M d =M e +M a (2) ここに、M d =希釈混合ガスの質量、 M e =排気の質量、 M a =大気の質量である。

    【0034】すべてのガス成分の熱容量が等しいと仮定すると、 M e (T e −T d )=M a (T d −T a ) (10) ここに、T eは希釈されていない排気の温度、T dは希釈混合ガスの温度、T aは大気温度である。

    【0035】第2式と第3式とを組み合わせて、 M e (T e −T d )=(T d −T a )(M d −M e ) (11) すべてのガス成分の密度係数が等しいと仮定すると、上式より、 M e =M d (T d −T a )/(T e −T a ) (12)

    【0036】T dの値は温度プローブ56によって測定され、T aはプローブ54によって測定され、T eはプローブ52によって測定される。 このことから、車両の排気の各成分ガスの質量排出量は、アナライザ28'と、
    温度プローブ52、54、56と、質量流量計34との組み合せによって測定できることがわかる。 以上述べた実施の形態において、温度プローブは、たとえば、サーミスター、RTDまたは熱電対素子である。 かかるセンサは、多数のメーカーから一般に販売されている。

    【0037】質量流量計の構造は図6に示されている。
    希釈ダクト22は支柱保持具56で支持された渦支柱5
    4を有する。 支柱54をはさんで、超音波発信器58と超音波受信器60が取り付けられている。 後に詳述するように、渦支柱54と超音波発信器58と超音波受信器60とを組み合わせることによって、質量流量計が構成されている。

    【0038】可撓性電子回路基板74は、たとえばマイクロプロセッサー制御回路を有し、超音波受信器60から入力を受信して、全体の質量流量を算出する。 プロセッサー回路基板76は、好ましくは、マイクロプロセッサー制御回路を有し、ガスアナライザ28の分析機能を実行して出力38を出す。

    【0039】本発明の原理から逸脱せずに、ここに具体的に開示した実施の形態を変更し修正することは可能である。 本発明は、均等論を含む特許法の解釈に従って、
    特許請求の範囲の記載によってのみ限定されるべきものである。

    【0040】

    【発明の効果】本発明は、比較的安価でかつ、頑丈である。 これは、車両の排気の各成分ガスの濃度の測定のために、一つのガスサンプリングシステムしか必要としないということから達成される。 酸素センサとして別のガスサンプリングシステムを要しない。 かかる酸素センサは、安価でかつ厳しい環境下での動作に適したものが簡単に入手できる。 さらに、システムの較正は、大気を用いて行なうことができる。 これは、酸素が、大気の十分に大きな成分要素になっていて、標準的な精度(たとえば1%)の計測器でも許容できるレベルの精度以内での測定値を提供できる程度に存在するからである。 したがって、消耗品である較正ガスを必要としない。 本発明が、車両の運転状態によらずに、車両の質量排気量データをきわめて正確に供給することは重要である。

    【図面の簡単な説明】

    【図1】本発明による車両排気質量排出量の測定方法および車両排気質量排出量アナライザの流れ図。

    【図2】酸素と排気ガス成分との化学反応を補正する繰り返しプロセスのフローチャート。

    【図3】本発明での使用に適した希釈混合ガスダクトの斜視図。

    【図4】図3のIV−IV線矢視図。

    【図5】発明の他の実施の形態を表す、図1と同様の図。

    【図6】上記他の実施の形態を表す、図4と同様の図。

    【符号の説明】

    12 試験車両 14 ダイナモメータ 16 サンプリングアッセンブリ 18 排気取り入れ口 20 大気取り入れ口 22、22' 希釈混合ガスダクト 24 ブロワ 28、28' アナライザ 32 酸素センサ 36 質量流量計 40 コンピュータ 52、54、56 温度プローブ

    ───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ギディアン イーデン アメリカ合衆国 48104 ミシガン州 ア ン アーバー ヒドン バレイ ドライブ 625 (72)発明者 ティモシィー エイ. ネビウス アメリカ合衆国 48176 ミシガン州 サ リン スプリング ブルウク コート 622 (72)発明者 ドナルド エム. ソエネン アメリカ合衆国 48176 ミシガン州 サ リン サウス ステイト ロード 6812 (72)発明者 カール ディー. エンスフィールド アメリカ合衆国 48130 ミシガン州 デ ックスター ウエスト ジョイ ロード 6771 (72)発明者 ハロルド エム. ライアン アメリカ合衆国 48169 ミシガン州 ピ ンクニー プレザント ビュウ 11729 (72)発明者 ロバート ケイ. ズマー アメリカ合衆国 48103 ミシガン州 ア ン アーバー デックスター アベニュ 3213 Fターム(参考) 2F035 HA04 HB02 2G059 AA01 BB01 CC04 CC05 CC07 DD04 DD12 EE01 HH01 MM01 2G087 AA15 BB28 CC19 CC27 EE23 FF03

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