CN101147054A - 排气分析装置 - Google Patents

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Abstract

一种排气分析装置，其能够通过在排气通道的一个横截面处以逐点的方式测量排气成分的浓度、温度等对排气进行实时分析。利用该分析装置减小了分析成本。排气分析装置(10)具有位于排气通道中的传感器单元(11－14)，传感器单元(11－14)具有用于通过激光照射排气的光纤(25)和用于接收由光纤发出并透射穿过排气的激光的检测器(26)，排气通道由用于排出发动机(2)排气的排气歧管(3)、排气管道(4)、第一催化装置(5)、第二催化装置(6)、消音器(7)和排气管(8)构成。排气分析装置(10)基于检测器接收到的激光来测量排气成分的例如浓度、温度等的状态而对排气进行分析。传感器单元具有形状与排气通道的横截面形状匹配的通孔(21)。红外激光(R)从光纤(25)发射到通孔(21)并且在横穿排气通道之后由检测器(26)接收。

Description

排气分析装置
技术领域
本发明涉及一种用于分析例如由机动车辆内燃机排放的排气中所含成分的排气分析装置。具体地，本发明涉及一种能够同时测量气道横截面中的排气的多种成分的浓度的排气分析装置。
背景技术
作为前述类型的排气分析装置的传统示例，专利文件1公开了一种车载HC测量设备。这种车载HC测量设备使得以下装置安装在车辆上：用于连续测量在与发动机连接的排气管道中流动的排气中的HC(碳氢化合物)浓度的NDIR(非分光红外)气体分析装置；用于连续测量在排气管道中流动的排气流量的排气流量计；以及用于通过计算NDIR气体分析装置和排气流量计的输出而连续计算排气中的THC(总碳氢化合物)量的运行处理电路。
有很多其它的排气测量设备和分析装置采用了NDIR(非分光红外)方法、FID(火焰离子检测器)方法或CLD(化学发光检测器)方法。所有这些测量方法的测量原理都需要使用参比气体。
专利文件1：日本专利公开说明书(Kokai)No.2004-117259A
专利文件1中披露的排气分析装置利用红外吸收或一些其它分析技术通过对在实际道路上行驶的车辆内燃机排放的排气通道中的排气进行采样来测量排气中的例如THC成分的浓度。
然而，在这种排气分析装置中，在对排气采样时扰动了排气通道中的排气流，从而阻止了对排气在排气通道中流动时的排气状态的实时分析。结果，不可能测量在排气从内燃机排放之后在排气通道中流动时的各个成分的浓度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够在排气于排气通道中流动时精确测量由机动车辆内燃机等排出的排气成分的浓度的排气分析装置。
为了实现前述目的，本发明提供了一种排气分析装置，其包括设置在排气通道中的传感器单元，排气经由所述排气通道从内燃机排出，所述传感器单元包括使用激光照射所述排气的照射单元和用于接收由所述照射单元发出的透射穿过所述排气的激光的受光单元。基于所述受光单元接收到的激光来测量排气成分的浓度、温度等以对所述排气进行分析。所述传感器单元包括允许所述排气通过的通孔，所述通孔形成为与所述排气通道的横截面形状匹配的形状。所述激光由所述照射单元照射到所述通孔内并且横穿所述排气通道由所述受光单元接收。所述排气通道指的是发动机排出的排气经由其流动的通道；其可从发动机主体的排气孔延伸到末端的消音器或延伸到从消音器突出的排气管，这取决于特定的实施方式。本发明的排气分析装置用于测量流过所述排气通道或经由所述排气通道排出的排气中的排气成分的浓度或温度。
因而，根据本发明的排气分析装置，用于测量排气成分浓度、温度等的激光照射到排气通过的通孔中，透射穿过排气并且由受光单元接收。因而，该装置能够测量排气通道横截面中的排气的浓度、温度等。另外，排气通过的通孔的形状与排气通道的横截面形状匹配，因此不会在排气流中产生扰动并且不会导致排气损失，从而实现了精确测量。优选地，激光垂直地横穿排气通道；然而，它可以一定角度与排气通道相交。通过如此地将激光发射到排气中并且测量其穿过排气时的衰减，可检测到特定波长的吸收并且可计算出排气成分的浓度。
传感器单元可容易地安装在例如机动车辆的排气通道中。激光发射到通孔内的排气中，透射穿过排气并被其衰减，然后被接收。基于接收到的激光，可测量出排气成分的浓度或温度。这样，实时测量成为可能，因此可测量刚从内燃机排出之后的高温排气。此外，不需要参比气体等用于测量，因此可减小成本并且容易地和即刻地进行测量。
传感器单元安装成使板状的传感器主体夹置在构成排气通道的构件之间。排气通道具有圆形的横截面形状；优选地，传感器主体具有形成在其中的通孔，所述通孔具有基本圆形的形状并且具有与排气通道的圆形横截面相同的直径。这样，带有相同直径的基本圆形形状的通孔的传感器单元安装在具有圆形横截面形状的排气通道中。结果，可减小由传感器单元在排气流中导致的扰动，并且不会导致排气损失，从而防止了内燃机的性能受到影响，并且能够有效地排出气体和精确地测量。另外，方便了传感器单元在排气通道中的安装。
优选地，通孔具有形成在其内周面上的反射部分，其中照射单元发出的激光在被受光单元接收之前通过反射部分反射。在排气分析装置的该配置中，照射到通孔中的激光被形成在通孔内周面上的反射部分反射，因此激光在排气中行进了长的距离。结果，激光在其透射穿过排气时的衰减得以增加，这允许对排气成分的浓度或温度进行精确的测量。
优选地，反射部分包括彼此对置并且平行设置的两个反射板，使得所述两个反射板面向所述通孔的内侧，从而，所述激光垂直于所述排气通道反射。在排气分析装置的该配置中，激光横穿通孔在两个平行的反射板之间反射，从而延长了在排气中的透射距离。结果，可延长激光的光程并且可实现更高的使用效率。因为可以减小发出的激光的光强度与透射激光的光强度的比值，所以可精确地测量排气通道的横截面中的排气成分的浓度和温度。
优选地，照射单元发出的激光包括具有与所述排气的多个成分相匹配的吸收波长的激光合波。当排气照射单元发出的激光包括多种波长的合波时，排气中的多种成分的浓度或排气的温度可根据用于分析排气的激光的波长即刻地精确测量。
优选地，这些传感器单元沿所述排气通道安装在多个位置处。当传感器单元沿排气通道安装在多个位置处时，可容易地监测沿排气通道的排气的状态。因为本发明的排气分析装置的传感器单元通过激光照射测量排气成分的浓度，所以有可能进行高温测量。因而，传感器单元可安装在紧随排气阀之后的排气通道中，从而允许对成分的浓度进行高温测量。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施方式的车载排气分析装置的主要部分的简图。
图2示出了根据本发明另一实施方式的安装在发动机台架上的排气分析装置的主要部分的简图。
图3示出了排气分析装置的主要部分的简图，包括单个传感器单元的分解立体图。
图4示出了排气分析装置的总体配置的框图，包括激光振荡/受光控制器和信号分析装置。
图5示出了吸收光谱中压力的影响。图5a是低温下的信号强度的说明图；图5b是高温下的信号强度的说明图。
图6a是根据现有技术的如何通过吸收光谱计算气体成分浓度的说明图；图6b是根据本发明的如何通过吸收光谱计算气体浓度的说明图。
图7示出了根据本发明另一实施方式的排气分析装置的传感器单元的主视图。
图8示出了根据本发明又一实施方式的排气分析装置的传感器单元的主视图。
具体实施方式
以下将参照附图描述根据本发明一个实施方式的排气分析装置。图1示出了安装了本实施方式的排气分析装置的机动车辆的简图。图2示出了图1所示排气分析装置安装在发动机台架上的简图。图3示出了排气分析装置的简图，包括传感器单元主要部分的分解立体图。图4示出了排气分析装置的总体配置的框图，包括激光振荡/受光控制器和信号分析装置。
在图1-4中，本实施方式的排气分析装置用于分析汽车1上安装的发动机2所排出的排气。如图2所示，其也用于分析安装在发动机台架1A上的发动机2所排出的排气。通过发动机2的各个气缸排出的排气汇集在排气歧管3中。气体穿过排气管道4，然后引入第一催化装置5，随后为第二催化装置6。此后，气体经由消音器7从排气管8排入大气。从而，排气通道包括排气歧管3、排气管道4、第一催化装置5、第二催化装置6、消音器7和排气管8。发动机2排出的排气在排到大气之前通过两个催化装置5和6净化，且其噪声和压力通过消音器7减小。消音器可包括主消音器和子消音器。
构成排气通道的构件例如通过其螺栓连接的凸缘而连接。例如，第一和第二催化装置5和6各自具有连接到其具有较大直径的主体的上游侧和下游侧的排气管道部分，并且凸缘F、F例如通过焊接固定附接到排气管道部分的端部。消音器7具有连接到其具有较大直径的主体的上游侧和下游侧的排气管道部分，并且凸缘F、F固定附接到排气管道部分的端部。排气管8在端部处例如通过焊接直径固定到消音器7。因而，构成排气通道的构件经由其凸缘连接，并且排气所经过的排气通道形成为具有直径d的圆形横截面的形状。
本实施方式的排气分析装置10包括沿排气通道设置于多个位置处的多个传感器单元11-14。第一传感器单元11设置在第一催化装置5和发动机之间。第二传感器单元12设置在第一催化装置5下游。第三传感器单元13设置在第二催化装置6下游。第四传感器单元14安装在消音器7下游的排气管8上。传感器单元14可沿排气管设置在某位置处或者在排气管的开口端处插入排气管中。
排气管道4、第一催化装置5、第二催化装置6和消音器7经由螺栓紧固的凸缘F、F耦联。设置在排气通道构成构件之间的传感器单元11、12和13均夹置在凸缘F、F之间。凸缘F、F形成在排气通道各构成构件的任一端。凸缘的接合面垂直于排气通道的中心线。因而，传感器单元11-13以与排气通道相交同时被凸缘F、F夹置的方式设置。用于刚好在排气排放到大气之前分析排气的第四传感器单元14可设置在从消音器7突出的排气管8的中间位置处，并位于凸缘F、F之间。这种传感器单元的数量没有特定限制。
各个传感器单元11-14具有相同的配置；因此，以下将参照图3描述它们中的一个——即传感器单元11。传感器单元11包括由矩形薄板形成的传感器主体20。传感器主体具有形成在其中心处的通孔21，通孔21具有与排气所经过的排气管道的圆形横截面的内径d相同的直径d。板状的传感器主体20的厚度使得可以固定安装激光照射单元和受光单元；然而，有利地，厚度尽可能地小。优选地，传感器主体20的厚度为例如大约5到20mm。如果厚度超过20mm，则排气流中易于形成扰流；如果其小于5mm，则照射单元或受光单元的安装将复杂化。传感器可容易地安装在排气通道上的任何期望位置。传感器主体20的厚度可根据需要设定。
因而，通孔21为圆形并且具有与排气管道内径相同的直径，从而不扰动排气流。结果，设置在排气通道中的传感器单元11-14不扰动排气流，并且使压力损失最小化，从而允许顺利地排出气体。传感器主体可由金属或陶瓷板形成；然而，材料不受特定限制。传感器主体20还具有两个形成在板厚度方向中心处、从板边缘表面贯穿到通孔21的传感器开口22和23。传感器开口22、23在贯穿通孔21中心的线上彼此对置。连接传感器开口的线和排气通道的中心线彼此垂直。
在传感器单元11中，光纤25(25A)固定在传感器开口22中以作为激光照射单元。作为用于接收由光纤25发出之后穿过位于通孔21中的排气的激光的受光单元，检测器26固定在传感器开口23中。因而，在传感器主体20中，位于照射端的光纤25和作为受光单元的检测器26彼此对置地固定。从光纤25发出的横穿排气通道的激光在其被检测器26接收到之前穿过排气并且从而减弱。
换言之，激光沿垂直于排气通道的横截面发出，光线穿过所述排气通道被接收。这样，能够以逐点的方式对排气通道一个横截面中的排气进行测量，因此有可能即刻地测量排气在排气通道的特定横截面中如何改变，从而能够以逐点的方式实时监测排气的状态。因为分析装置能够在排气从发动机排出之后立刻测量排气成分的浓度或温度，或者以逐点的方式在排气通道中设置的催化剂之前或之后即刻地测量排气成分的浓度或温度等，所以可得到有关例如发动机或排气净化器的研发方面的非常有用的数据。
传感器主体20固定在凸缘F、F之间，垫圈27、27设置在各凸缘F和传感器主体20之间并且例如用未示出的螺栓和螺母固定。垫圈27由例如石棉形成并且具有开孔在其中的通孔，所述通孔的直径与排气管道的内径相同。该结构防止了当传感器主体20在排气通道中安装在凸缘F、F之间时的排气泄漏，同时不会很大地增加排气通道的长度。图3示出了其中传感器主体20经由垫圈27、27固定在焊接到排气管道4下游端的凸缘F和焊接到催化装置5上游的排气管道部分5a端部的凸缘F之间的配置。
光纤25和检测器26连接到激光振荡/受光控制器30。激光振荡/受光控制器30发出红外激光，此红外激光经由光纤25输送到传感器主体20的通孔21中。穿过排气的红外激光通过接收端的检测器26接收并且随后经由信号线28(28A)馈送到激光振荡/受光控制器30。光纤25发出的光线强度和穿过排气由检测器26接收的光线强度例如被馈送到作为分析装置的个人电脑45。因而，排气分析装置10包括多个传感器单元11-14、激光振荡/受光控制器30和个人电脑45。
将参照图4描述激光振荡/受光控制器30。作为发出多种波长红外激光的照射装置，激光振荡/受光控制器30从例如函数发生器(未示出)的信号发生器将具有多个频率的信号供给到多个激光二极管LD1到ID5。然后激光二极管LD1到LD5发出对应于不同频率的多种波长的红外激光。激光振荡/受光控制器30中的信号发生器因而将多种频率的信号供给到发出光线的激光二极管LD1到LD5。例如，LD1发出1300-1330nm波长的红外激光，LD2发出1330-1360nm波长的红外激光，等等，因此，其中存在有待检测气体成分的峰值波长的波段是连续的。
穿过排气的红外激光的波长根据待检测的排气成分设定。在检测一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氨(NH3)、甲烷(CH4)和水(H2O)时，使用五个波长的红外激光。例如，适于检测氨的波长为1530nm；适于检测一氧化碳的波长为1560nm；适于检测二氧化碳的波长为1570nm。适于检测甲烷的波长为1680nm；适于检测水的波长为1350nm。在检测其它排气成分的浓度时，使用与待检测排气成分相关的不同波长的红外激光。
各个激光二极管LD1到LD5发出的红外激光通过光纤32引导到分波器33，在此处，根据传感器单元的数量对光线进行分波。在图4的示例中，由各激光二极管LD1到LD5发出的激光鉴于三个传感器单元11-13而分波为三个分量。被分波器33如此分波的激光被分波器34A、34B和34C分成信号光和测量光。分波器34A用于传感器单元11；分波器34B用于传感器单元12；而分波器34C用于传感器单元13。由用于传感器单元11的五个分波器34A分离的信号光通过光纤传输并且通过合波器35A合波。具有多个波段的合波信号光然后经由光纤37A引导到将在下文描述的差分光电检测器40A。另一方面，通过五个分波器34A分离的测量光穿过光纤并且在合波器36A中合波，并且被合波的光随后经由光纤25A引导到传感器单元11的照射单元。
由分波器33分离的红外激光通过用于传感器单元12的五个分波器34B分离成信号光和测量光。信号光通过合波器35B合波成具有多个波段的信号光，然后合波的光经由光纤37B引导到差分光电检测器40B。由五个分波器34B分离的测量光在合波器36B中合波，并且合波的光经由光纤25B引导到传感器单元12的照射单元。由分波器33分离的红外激光也通过用于传感器单元13的五个分波器34C分离成信号光和测量光。信号光通过合波器35C合波成具有多个波段的信号光，然后合波的光经由光纤37C引导到差分光电检测器40C。由五个分波器34C分离的测量光通过合波器36C合波，并且合波的光经由光纤25C引导到传感器单元13的照射单元。
图4示出了三个传感器单元11-13。当需要安装另外的传感器单元14时，红外激光通过分波器33分波出另外的激光分量。由此分波的激光分量通过另外的分波器34分为测量光和信号光。信号激光由另外的合波器35合波，然后引导到差分光电检测器，而测量激光引导到另外的传感器单元14。
连接到传感器单元11-13的受光单元的接收端上的检测器26A、26B和26C经由信号线28A、28B和28C连接到激光振荡/受光控制器30的差分光电检测器40A、40B和40C。信号光经由光纤37A、37B和37C引导到差分光电检测器40A、40B和40C。在差分光电检测器中，获得由于透射通过排气而衰减的透射激光与没有穿过排气的信号激光之间的差值。信号激光例如馈送到光电二极管，其输出由前置放大器(未示出)放大并且放大的信号经由A/D转换器馈送到个人电脑45——即信号分析装置。在个人电脑45中，通过输入信号计算出例如排气成分的浓度和排气的温度以分析排气。
根据本发明的排气分析装置10，例如红外激光穿过排气，并且基于入射光的强度和穿过排气的透射光的强度计算出排气成分的浓度以分析排气。排气成分的浓度c从以下方程(1)算出：
C＝-ln(I/I0)/kL    (1)
其中I为透射光的强度，I0为入射光强度，k为吸收比，L为透射距离。因而，排气成分的浓度C基于透射光强度(I)与入射(信号)光强度(I0)的比值——即信号强度比(I/I0)——算出。透射光强度I经由检测器26A、26B和26C输出，入射光强度I0经由光纤37A、37B和37C通过例如光电转换器——比如差分光电检测器40中的光电二极管——输出。在本实施方式中，入射光强度I0是没有穿过排气的信号光的强度。
下文将描述上述配置的排气分析装置10的操作。在测量排气成分浓度时，激光振荡/受光控制器30中的信号发生器被激活以向各个激光二极管LD1到LD5供给信号从而使它们发出预定波长的红外激光。各个激光二极管LD1到LD5发出的红外激光经由光纤32输送到分波器33，在此处，光线根据传感器单元的数量而分波。
分波的红外激光通过分波器34A、34B、34C分波成测量光和信号光。参照单个传感器单元11，通过五个分波器34A分波的信号光被合波器35A合波为引导到差分光电检测器40A的信号激光。由五个分波器34A分波的测量光通过合波器36A合波为经由光纤25A引导到传感器单元11的照射单元的测量激光。同样的情况适用于其它传感器单元12和13；即，在分波器33中分波之后，激光通过分波器34B和34C分波成信号光和测量光。在被合波器35B和35C合波之后，信号光被引导到差分光电检测器40B和40C，而测量光被引导到传感器单元12和13。
由传感器单元11中的光纤25A、25B和25C发出的用于测量的红外激光R照射到排气通过的通孔21中。红外激光R穿过排气通道中的通孔21，并且然后透射穿过排气从而被衰减。衰减的透射光随后由检测器26A、26B和26C或受光单元接收。因而，用于测量的红外激光R在穿过通孔21之后被接收，所述通孔21为排气通道的一部分并且处于与排气通道垂直的平面中。结果，可以逐点的方式测量垂直横截面中的排气成分的浓度或温度。换言之，与在沿排气通道一定长度内对排气成分的浓度或温度进行测量相反，本发明能够相对于与排气通道相交的单个预定平面对排气成分的浓度或温度进行测量，从而允许以逐点的方式测量。
因为激光透射穿过排气的平面垂直于排气流动的方向，所以能以时间序列的方式测量发动机排出的排气。结果，有可能非常精确地评估发动机排气系统的性能和发动机本身的性能。
穿过排气、从而被衰减并且抵达受光单元的测量红外激光R通过检测器26A、26B和26C转换成电信号。然后，电信号经由信号线28A、28B和28C供给到差分光电检测器40A、40B和40C。另一方面，信号激光被引导到差分光电检测器40A、40B和40C，由此获得多个波长分量中的每一个的透射光和信号光之间的差值，以检测透射光中特定的气体成分的峰值波长。这样，差分光电检测器的输出被馈送到信号分析装置或个人电脑45。在个人电脑45中，基于接收到的多个频带中的每一个的峰值波长来测量和分析例如排气成分的浓度和温度。
气体具有其自身独特的吸收波段，其中存在多条吸收线，例如如图5所示。图5a示出了低温下的信号强度(＝分子数量的比例)；图5b示出了高温下的信号强度。如图所示，信号强度根据温度而改变，因此通过测量信号强度比，可计算出测量时的排气温度。
然后，如图6所示，通过相对于其中一条吸收线——例如波长λ1——扫描激光的振荡波长来测量吸收。通过得到该波形与信号激光的波形之比来测量光谱轮廓。对于温度测量，可通过相对于两个不同的吸收线λ1和λ2及其面积比A1/A2(或一个峰值高度与另一个峰值高度的比值，P1/P2)来测量这种光谱轮廓。在传统的波长调制方法中，如图6a所示，从吸收光谱峰值尖端处的曲率半径来计算成分的浓度。根据本发明，如图6b所示，通过吸收光谱的面积计算出成分的浓度，这使得有可能不太受压力影响地计算出排气成分的浓度。
在本实施方式的排气分析装置10中，有可能以逐点的方式、在排气通道的横截面中实时地在沿发动机2的排气通道的多个位置处测量排气成分的浓度或温度。因而，排气分析装置10能够即刻地进行以下测量：在刚刚从发动机排出之后的排气温度，或其中的排气成分的浓度；已经通过第一催化装置5、第二催化装置6和消音器7的排气的温度或其中的排气成分的浓度；或刚好在被排气管8排入大气之前排气状态。因为本实施方式的排气分析装置10能够沿排气通道在其任何期望的横截面中测量排气成分的浓度，所以可以及时的方式进行测量，从而显著减小了发动机或所附的净化装置的研发所需的周期。
本实施方式的排气分析装置10配置成不需要参比气体等，并且用于分析排气的传感器单元可制造成紧凑的尺寸。因而，排气分析装置10可容易地安装在机动车辆中，例如用于分析机动车辆排放的排气。因而，在排气从机动车辆排出时，可以实时地分析排气。此外，可得到激光在排气中的长透射距离，因此可实现高的测量精度，并且可消除测量期间需要的参比气体等，从而减小了排气分析的成本。
具体地，因为固定在排气通道中的传感器单元11-14每一个都包括薄的板状传感器主体20，所以传感器单元可安装成例如对排气通道中的流体阻力造成很小的改变。排气分析装置10能够在高温状态下进行测量，因此可测量刚被发动机2排出之后的排气温度或其中的排气成分的浓度以用于分析。通过增加激光中的波长的数量，可容易地分析排气中包含的更多成分。
参照图7，描述了本发明另一实施方式。图7示出了用于该实施方式的排气分析装置中的传感器单元的主要部分的横截面。该实施方式的特征在于，与前述实施方式相比，多个传感器单元15配置成使得检测器26不直接接收在从光纤25发出后穿过排气的红外激光R，而是使得检测器26接收在通孔内反射多次的红外激光R。反射红外激光的反射面包括在通孔中彼此对置设置的两个反射板。红外激光在两个反射板之间反复反射之后被接收。基本上与前述实施方式的相应部分相同的传感器单元的其它部分用相似的标号表示；其详细说明将省略。
在图7所示的本实施方式中，通孔51在传感器单元15的中心处形成在传感器单元15的传感器主体50中，以用于通过排气。在通孔51中，上、下反射板52和53彼此对置设置并且平行，每个都面向通孔51。两个反射板平行固定、使得激光可在通孔51中垂直于排气通道地行进。具体地，由发射端的光纤25发出的红外激光R最初由下反射板53向上反射；然后由上反射板52向下反射。因而，红外激光R在其到达接收端的检测器26之前通过两个反射板52和53交替地反射。因而，激光在其被检测器26接收之前在垂直于排气通道的横截面中被多次反射。
优选地，由薄板制成的传感器主体50的厚度如前述实施方式一样为5-20mm；薄板的材料优选为金属或陶瓷。传感器主体50在其安装在排气通道中时固定夹置在未示出的凸缘F、F之间。在其两侧中形成有半圆形凹口，一个在左，一个在右，位置对应于连接凸缘的螺栓。传感器主体50中的通孔51基本上形成为与排气通道的横截面形状相同的形状并且具有相同的直径；另外，在开口的顶部和底部处形成有平坦的安装部分以用于固定反射板52和53。这种带有局部平坦部分的圆形形状包括在“与排气通道的横截面形状相符合”的范围内。
发射端的光纤25固定成相对于与反射板垂直的线向外倾斜大约6°；接收端的检测器26也固定成向外倾斜大约6°。因为光纤25和检测器26设置成相对于两个反射板52和53成一定角度，所以发射端的光纤25发出的红外激光R在其穿过排气行进了长的光程之后最终被接收端的检测器26接收之前通过上下反射板反复反射。因而，红外激光因为其被反射板52和53反复反射而可行进比中心处的通孔51直径更长的光程。结果，红外激光在其透射穿过排气期间产生的衰减量得以增加，从而改善了对排气所含成分的浓度等的测量精度。红外激光在反射板之间的反射次数可根据例如排气所含成分的浓度或所需的测量精度而如需地改变。
反射板52和53每一个都形成为矩形，作为基底的基板由热膨胀小的材料——例如SiC、SiO2、或蓝宝石——制成。在该基板上，形成金或铂薄膜作为反射面，在其上形成MgF2或SiO2薄膜作为保护层。在本实施方式中，反射板52和53用接合剂等固定在传感器主体50上；然而，优选地，利用螺钉、弹簧等可拆卸地安装反射板以允许它们在暴露于发动机运行期间产生的排气之后可取下清洁。
在本实施方式的传感器单元15中，由照射单元——即光纤25——发出的红外激光通过反射板52和53反复地和交替地反射，因此可增加激光在排气中的光程——即透射距离。在红外激光透射穿过排气时行进距离的这种延长导致了衰减的增加，从而允许高精度地即时测量排气成分的浓度。形成在传感器主体50中的通孔51基本上是圆形的，具有与排气通道的圆形横截面相同的直径。这允许排气不受扰动地流动，并且还有可能使得能够忽略在将传感器单元15固定在现有排气通道中时排气阻力的任何变化。此外，因为反射板52和53包括平板，所以它们能够容易地制造、方便地从传感器主体50取下和更换。
在本实施方式的传感器单元15中，计算出信号激光的光强度I0与测量红外激光R的透射光强度I的比值(I/I0)，并且基于信号的强度比，计算出排气成分的浓度。因为透射光强度由于多次反射所增加的透射距离而大大衰减，所以可以高精度地测量排气成分的浓度或温度。在红外激光R通过反射面52和53的反复反射而衰减时，优选地，检测器26接收的光强度与光纤25发出的光强度的比值在没有排气的情况下为30％或更多。这是因为如果比值降低到低于30％，则难以从噪声中区分出有用的信号。
将参照图8描述根据本发明又一实施方式的排气分析装置的传感器单元。依据本实施方式的传感器单元16具有形成在传感器主体60中的通孔61内侧的反射面62。反射面62形成为穿过排气的红外激光R的反射器。具体地，发射端的光纤25和接收端的检测器26安装在传感器主体60上。由发射端的光纤25发出的红外激光R由形成于通孔61内侧上的反射面62反射多次，然后由接收端的检测器26接收。
通孔61形成为圆形，并且具有与排气通道的圆形横截面相同的直径。传感器主体60固定在凸缘F、F之间，经由所述凸缘F、F连接排气通道的部件。在通孔61内侧形成反射面62消除了对作为与传感器主体60分开的反射构件的镜子等的需求，从而有助于简化结构。同时，因为通孔61的形状可制造成与排气管道的横截面形状相同，所以当传感器安装在现有排气通道中时，不会在排气流中产生扰动，并且不会导致排气效率降低。
形成在通孔61内侧上的反射面62包括镜面抛光的圆周面，在其上形成有金或铂的薄膜。进一步在顶面上形成由MgF2或SiO2薄膜构成的保护层。优选地，反射面62具有高反射系数以有效地反射红外激光。还优选地，在反射面暴露到发动机运行期间产生的排气中并且污垢开始黏附到其上时，通过从凸缘F、F取下传感器主体60来如需地清洁反射面。通过擦拭覆盖反射面62的保护层，可容易地去除黏附的污垢以改善反射系数。
在该配置中，由发射端的光纤25发出的红外激光R在其行进长的光程而被接收端的检测器26接收之前在通孔61内被反射面62反射多次。因而，激光在通孔61内穿过排气行进长的透射距离。结果，与前述实施方式中相同，激光可有效地利用，并且因此可得到改善的测量精度。此外，因为排气通道的横截面形状与传感器单元中的通孔的横截面形状相同，所以不会在排气流中产生扰动，并且消除了由于将传感器单元安装在排气通道中而导致的排气损失。
已经描述为圆形的排气通道的横截面形状从严格意义上讲可以不是圆形的，而是可以例如为椭圆形；甚至它可以不必为圆形，而可以是矩形或多边形。在这些情况下，矩形或多边形的通孔形成在传感器单元的传感器主体中，并且红外激光通过在形成多边形的各个平面上所形成的反射面依次地反射。结果，延长了激光透射穿过排气的透射距离。当这种通孔的各个表面要用作反射面时，通孔优选地由具有奇数个边的多边形——例如比如五边形——构成。这些表面的数量可进一步增加以增加穿过排气的透射距离。传感器主体的外部形状不限于圆形，而是可以为矩形或任何其它合适的形状。
尽管上文已经借助于实施方式描述了本发明，但是本发明不限于这些实施方式。在不偏离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以对本发明做出各种改变或修改。例如，待测的排气成分可以是氮氧化合物(Nox)；在这种情况下，显然穿过排气的红外激光应该具有适用于NOx的波长。照射单元发出的激光不限于红外激光，而是可以为可见激光或紫外激光。
尽管在前述实施方式中，将安装光纤在传感器单元的传感器主体上作为照射单元，并且安装了检测器作为受光单元，但是传感器主体可以直接配备有如激光二极管的照射单元，并且除了诸如光电二极管之类的检测器，为了受光目的可以安装光纤。可替代地，由光纤构成的照射单元可配备准直透镜，使得激光经由准直透镜发射到通孔中。此外，可替代地，传感器单元可设置在内燃机的气缸体和排气歧管之间。
工业实用性
本发明的排气分析装置可用于测量与排气通道垂直的横截面区域中的排气成分的浓度或温度。其可用于以逐点的方式测量例如排气通道中预定横截面中的排气成分的浓度，因而能够以高的精度实时测量排气通道中的排气状态。从而，本发明能够进行实时的排气分析，这对于内燃机或排气净化装置的研发非常有用。
例如，本发明的排气分析装置可用于例如锅炉的燃烧设备的排气分析。除了用于机动车辆的排气分析之外，本发明也可用于船舶或发电机用的内燃机的排气分析。此外，除了用于汽油发动机的排气分析之外，本发明可用于柴油发动机或其它类型的内燃机的排气分析。

Claims (6)

1.一种排气分析装置，包括设置在排气通道中的传感器单元，排气经由所述排气通道从内燃机排出，所述传感器单元包括使用激光照射所述排气的照射单元和用于接收由所述照射单元发出的透射穿过所述排气的激光的受光单元，其中基于所述受光单元接收到的激光来测量排气成分的浓度、温度等以对所述排气进行分析，
其中所述传感器单元包括允许所述排气通过的通孔，所述通孔形成为与所述排气通道的横截面形状匹配的形状，其中所述激光由所述照射单元照射到所述通孔内并且横穿所述排气通道由所述受光单元接收。
2.如权利要求1所述的排气分析装置，其中所述排气通道具有圆形横截面形状，并且其中传感器主体具有形成在其中的通孔，所述通孔具有圆形的基本形状并且具有与所述排气通道的圆形横截面相同的直径。
3.如权利要求1或2所述的排气分析装置，其中所述通孔具有形成在其内周面上的反射部分，其中所述照射单元发出的激光由所述反射部分反射然后由所述受光单元接收。
4.如权利要求3所述的排气分析装置，其中所述反射部分包括平行设置并且彼此对置的两个反射板，使得所述两个反射板面向所述通孔的内侧，其中所述激光沿垂直于所述排气通道的方向反射。
5.如权利要求1至4中任一项所述的排气分析装置，其中所述激光包括具有与所述排气的多个成分相匹配的吸收波长的激光合波。
6.如权利要求1至5中任一项所述的排气分析装置，其中所述传感器单元沿所述排气通道设置在多个位置处。
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