CN101346619B - 废气分析器及废气分析方法 - Google Patents
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Abstract
一种废气分析器，其能够实时测量从内燃发动机排出的废气中所包含的颗粒物质的浓度，所述废气分析器包括：废气通道孔(21)，其允许从内燃发动机排出的废气穿过；光纤(25)，其在垂直于流经废气通道孔的废气流的方向上施加激光；检测器(26)，其接收穿过废气的激光；光检测器(71)，其接收通过用激光照射包含在废气中的颗粒物质PM而引起的米氏散射光；以及作为计算单元的个人电脑(45)，其基于从检测器(26)获得的透射光强度的受光数据计算废气中的成分的浓度，并基于通过光检测器(71)获得的散射光强度的实际测量数据计算包含在废气中的颗粒物质的浓度。本发明还涉及一种废气分析方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种废气分析器和一种废气分析方法，其计算汽车等的内燃发动机排出的废气中所包含的成分的浓度，并计算废气中包含的颗粒物质的浓度。
背景技术
通常，用于测量汽车等的内燃发动机排出的废气中所包含的各种成分的方法和装置都已被提出过。例如，专利文献1公开了一种能够安装NDIR(非色散红外光谱检测技术)气体分析器、废气流量计以及运算处理电路的车辆，NDIR气体分析器用于连续地测量流经与发动机连接的废气管的废气中的HC(碳氢化合物)的浓度，废气流量计用于连续地测量流经废气管的废气的流量，而运算处理电路进行NDIR气体分析器的输出和废气流量计的输出的运算处理，从而连续地计算废气中的THC(总碳氢化合物)量，因此能够测量例如在路面上行驶的汽车等车辆的内燃发动机排出的废气中所包含的HC浓度。但是，专利文献1未提及废气中包含的颗粒物质的测量。
专利文献2描述了一种激光测量装置，其能够测量汽车等排出的废气中包含的悬浮颗粒物质的浓度以及废气中包含的二氧化碳、氮氧化物等的浓度。在这种情况下，废气被引入采样管，在所述采样管的一侧布置激光源并在其另一侧布置受光器，因此所施加的激光由悬浮在废气中的颗粒物质散射，而因此衰减的激光在受光器侧被接收，从而根据衰减测量出颗粒物质的浓度。
专利文献1：日本公开专利申请No.2004-117259A；
专利文献2：日本公开专利申请No.2002-48711A。
发明内容
本发明要解决的技术问题
从环保的角度，准确地定量地确定汽车等的内燃发动机排出的废气中所包含的包括碳微粒、例如硫酸盐的硫微粒、高分子量的碳氢化合物微粒(SOF)等在内的颗粒物质已成为相当大的挑战。专利文献2中描述的使用由激光的散射光所得的信息计算(测量)气体中颗粒物质的浓度的方法有望成为一种有效的对策。
但是，当专利文献2中描述的使用红外激光的激光测量装置应用于废气管时，会产生以下问题。即，当被测颗粒具有不同的颗粒直径时，信号强度与颗粒浓度将不具有比例关系，因此会降低测量准确性。为了提高测量准确性，必须采用多个波长的光，而这使得装置复杂化。此外，当需要同时测量成分浓度、温度以及颗粒物质时，就必须结合使用多个装置，引起装置尺寸和成本的增加。
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种废气分析器和一种废气分析方法，其能够使用用于分析废气中所含成分浓度的激光计算汽车等的内燃发动机排出的废气中所含颗粒物质的浓度，因此能够准确地进行废气中的成分分析以及废气中所含颗粒物质的测量的同时计算。
本发明的技术方案
为了实现上述目的，本发明的废气分析器通过用激光照射废气来分析从内燃发动机排出的废气，并且废气分析器包括：入口，所述废气经由所述入口引入；光照射单元，其在垂直于流经所述入口的废气流的方向上施加所述激光；透射光受光单元，其接收穿过所述废气的所述激光；散射光受光单元，其接收通过用所述激光照射包含在所述废气中的颗粒物质而由所述颗粒物质引起的米氏散射光；以及计算单元，其基于从所述透射光受光单元获得的透射光强度的受光数据计算所述废气中的成分的浓度，并基于由所述散射光受光单元获得的散射光强度的实际测量数据计算包含在所述废气中的所述颗粒物质的浓度。
本发明的用于分析废气的方法通过用激光照射废气来分析从内燃发动机排出的废气。所述方法包括以下步骤：用所述激光照射所述废气，接收穿过所述废气的所述激光，并基于所接收的激光计算包含在所述废气中的成分的浓度；以及接收通过用所述激光照射包含在所述废气中的颗粒物质而由所述颗粒物质引起的米氏散射光，并基于所接收的米氏散射光强度的实际测量数据以及关于每种颗粒直径特有的米氏散射光理论值数据计算废气中的颗粒物质的浓度。
根据本发明的废气分析器和废气分析方法，基本上，用激光照射废气，接收穿过废气的激光，并且基于所接收的激光计算废气中包含的成分的浓度，同时通过接收因激光照射而由所述颗粒物质引起的米氏散射光来计算颗粒物质的浓度。然后，颗粒物质的浓度基于以下事实测量：即，当用激光照射某种颗粒直径的颗粒物质时，由所述颗粒物质引起的米氏散射光的强度与所施加的激光具有波长相关性，而且假设以横轴表示波长并以纵轴表示米氏散射光强度，则能绘制出所述颗粒直径特有的理论值图形，并且此特定的理论值图形依据颗粒直径而改变。
汽车等的内燃发动机排出的废气随内燃发动机的操作环境变化而在成分浓度或颗粒物质浓度方面发生改变。另外，混在其中的具有不同颗粒直径的颗粒物质被排出。在本发明中，能够施加多个波长的激光的光源布置在入口处，内燃发动机产生的废气穿过所述入口引入，并且所述多个波长的激光施加到流经所述入口的废气。所施加的激光入射到废气中包含的颗粒物质上从而被散射，并且对每个波长产生必要强度的米氏散射光。这样产生的米氏散射光由散射光受光单元接收，且所接收的数据作为每个波长的米氏散射光强度的实际测量数据被传送到计算单元。
如上所述，不同颗粒直径的颗粒物质混合在废气中，且这样的颗粒物质会引起不同强度的米氏散射光。但是，能够认为，由散射光受光单元接收的每种波长的米氏散射光强度的实际测量数据与由主要颗粒直径的颗粒物质产生的米氏散射光强度数据基本一致。
将实际测量的每种波长的米氏散射光强度的实际测量数据与数据存储单元中存储的关于每种颗粒直径所特有的米氏散射光强度的理论值数据进行比较，以便选择最接近的理论值图形数据作为一个图形(图形匹配)。基于所选理论值图形数据，能够估算被测废气中包含的颗粒物质的主要颗粒直径。
从所选理论值图形数据获得米氏散射光强度的最大值，随后，计算单元基于米氏散射理论根据米氏散射光强度和浓度之间的关系计算作为理论值的浓度。计算单元进一步以通过常规已知方法实际测量的米氏散射光强度的测量值来校正作为理论值数据计算出的颗粒物质的浓度。因此，能够获得被测废气中实际的颗粒物质浓度(例如，mg/m3或％)。校正方法包括基于实际测量结果确定或使用由关于米氏散射光的理论公式确定的系数。在任一种情况下，预定波长的激光实际施加到流经的已知颗粒直径的颗粒物质上用于提前确认，借此能够更准确地计算浓度。
如前所述，根据本发明的废气分析器和废气分析方法，废气中包含的颗粒物质的浓度使用颗粒物质的颗粒直径作为一个计算基准而进行计算，因此能够准确计算。
在本发明的废气分析器中，优选地，所述计算单元包括数据存储单元，所述数据存储单元存储关于每种颗粒直径所特有的米氏散射光强度的理论值数据。所述计算单元基于由所述散射光受光单元获得的散射光强度的所述实际测量数据以及存储在所述数据存储单元中的所述理论值数据计算包含在所述废气中的所述颗粒物质的浓度。
根据这样配置的废气分析器，对比实际测量数据和理论值数据，并选择最接近的理论值图形数据作为图形。然后，基于所选理论值数据估算废气中包含的颗粒物质的颗粒直径，并基于所估算的颗粒直径计算颗粒物质的浓度，因此能够更准确地计算颗粒物质的浓度。
本发明的废气分析器优选包括多个散射光受光单元，且计算单元进一步包括计算由多个散射光受光单元获得的米氏散射光强度实际测量数据的平均值的装置。在此情况下，每种波长的米氏散射光强度数据的实际测量值能够获得为多个实际测量值的平均值，因此，能够更准确地选择理论值图形数据(图形匹配)。
本发明的有益效果
根据本发明，可以准确计算汽车等的内燃发动机排出的废气中的颗粒物质的浓度，以及废气中所含成分的浓度、温度、压力等。
附图说明
图1图示一种实施方式中主要部件的配置，其中根据本发明的废气分析器安装在车辆内；
图2图示另一种实施方式中主要部件的配置，其中根据本发明的废气分析器安装在发动机台架内；
图3图示废气分析器的主要部件的配置，其包括一个传感器单元的主要部件的分解状态的立体图；
图4为图3所示传感器单元的主视图；
图5为废气分析器的总体配置的框图，其包括激光振荡/受光控制器和信号分析器的主要部件的配置；
图6说明当不同波长的激光施加到特定颗粒直径的颗粒物质时，由所述颗粒物质引起的米氏散射光强度相对于波长绘制出的特定图形；
图7为图示根据本发明的废气分析方法的过程的流程图；
图8图示传感器单元的另一种配置。
在这些附图中，各附图标记分别表示下列内容：
1 汽车
1A 发动机台架
2 发动机(内燃发动机)
3 废气歧管(废气通路)
4 废气管(废气通路)
5 第一催化剂装置(废气通路)
6 第二催化剂装置(废气通路)
7 消声器(废气通路)
8 废气尾管(废气通路)
10 废气分析器(气体分析器)
11-14 传感器单元
20 传感器基座
21 废气通道孔(入口)
23 传感器孔(照射光通道孔)
24 传感器孔(透射光通道孔)
25 光纤(照射单元)
26 检测器(受光单元)
28、29 反射镜
38 光通道孔
30 激光振荡/受光控制器
33 分用器
34A-34C 分用器
35A-35C 复用器
36A-36C 复用器
40A-40C 差分光检测器
45 个人电脑(信号分析器)
46 存储单元
47 计算单元
70、70a 第三传感器孔
71、71a 米氏散射光光检测器
R(Ra) 激光
S 米氏散射光
PM 颗粒物质
具体实施方式
以下为参照附图对一种实施方式的详细说明，其中，根据本发明的废气分析器用作汽车内燃发动机(发动机)排出的废气的分析器。图1图示安装在汽车内的根据本实施方式的废气分析器的主要部件的配置；图2图示安装在发动机台架内的图1所示废气分析器的主要部件的配置；图3为图示传感器单元及相邻构件的分解状态的立体图；且图4图示传感器单元的细节。图5为图示包括了激光振荡/受光控制器和信号分析器的主要部件配置的废气分析器的总体配置的框图。
在图1到图3中，本实施方式的废气分析器是分析从安装在汽车1内的内燃发动机(发动机)2排出的废气的装置。如图2所示，其可以是一种分析安装在发动机台架1A内的内燃发动机(发动机)2排出的废气的装置。从发动机2的各气缸排出的废气在废气歧管3内汇集，流经废气管4导入第一催化剂装置5，进一步导入第二催化剂装置6，然后经由消声器7流经废气尾管8排放到大气中。废气歧管3、废气管4、第一催化剂装置5、第二催化剂装置6、消声器7以及废气尾管8构成废气通路，因此从发动机2排出的废气经历了两个催化剂装置5和6的净化以及由消声器7的噪声降低和压力降低而排放到大气。消声器可包括主消声器和子消声器两个部件。
构成废气通路的多个部件通过使各自的凸缘部分彼此相向且接触并以螺栓等紧固而彼此连接。例如，第一催化剂装置5和第二催化剂装置6各自具有连接到其较大直径主体的上游侧和下游侧的废气管部分，且凸缘部分F、F通过例如焊接的方式固定地连接到所述废气管部分的端部。消声器7具有连接到其较大直径主体的上游侧和下游侧的废气管部分，且凸缘部分F、F固定地连接到废气管部分的端部。废气尾管8的端部通过例如焊接的方式固定地直接连接到消声器7。因此，构成废气通路的多个构件经由凸缘部分F连接，且废气穿过的废气通路形成为直径为d的圆形横截面。
本发明的废气分析器10包括布置于沿废气通路的多个位置处的多个传感器单元(图示示例中为四个)11到14。第一传感器单元11布置于第一催化剂装置5和发动机侧的上游废气管4之间。第二传感器单元12布置于第一催化剂装置5的下游。第三传感器单元13布置于第二催化剂装置6的下游。第四传感器单元14安装于消声器7下游的废气尾管8内。传感器单元14可布置于废气尾管的中段或可插入废气尾管的开口端。可在废气汇集于废气歧管3之前的、第一传感器单元11上游的、每个气缸的废气管处安装另一个传感器单元。
废气管4、第一催化剂装置5、第二催化剂装置6以及消声器7通过以螺栓紧固凸缘部分F、F的方式耦联。布置于构成废气通路的各构件之间的传感器单元11、12和13设置为使得每个传感器单元都由凸缘部分F、F夹置。凸缘部分F、F形成于构成废气通路的各构件的两端，且凸缘部分的连接面与废气通路的中心线垂直相交。因此，传感器单元11到13布置为横切废气通路并由凸缘部分F、F夹置。对即将排到大气的废气进行分析的第四传感器单元14可布置于从消声器7伸出的废气尾管8的中间点并由凸缘部分F、F夹置。可以布置任何数量的这种传感器单元。
因为各传感器单元11到14都具有相同的配置，所以以下参照图3和图4说明其中一个，即传感器单元11。传感器单元11包括传感器基座20，其形成为矩形薄板，在传感器基座20的中心部分形成废气通道孔21，其直径d1与废气穿过的废气管部分的圆形横截面的内径d大致相等。废气通道孔21构成废气的入口。板状的传感器基座20具有的厚度使得能够固定激光照射单元和受光单元(包括稍后说明的投射光受光单元和散射光受光单元二者)，但是，此厚度最好尽可能小。
更具体地，传感器基座20的厚度优选例如约5到20mm。厚度大于20mm趋于引起废气流中的扰动，或趋于产生相当大的压力损失。厚度小于5mm会使得用于测量的激光单元的照射单元或受光单元的安装复杂化。废气通道孔21的直径d1最好与废气管部分的圆形横截面的内径d相等。但是，在此方面，当废气管部分的圆形横截面的内径d为30mm时，例如约30±1mm到30±2mm的废气通道孔21的直径d1将处于许可误差范围内。传感器基座20可由金属板或陶瓷板形成，但不局限于此。
传感器基座20固定为在各凸缘部分F和传感器基座20之间设置有垫圈22的情况下由凸缘部分F、F夹置，随后以未图示的例如螺栓和螺母紧固凸缘部分F、F。垫圈22由适当的材料形成，并在其上钻有直径与废气管部分的内径相同的废气通道孔。此结构甚至当传感器基座20插入用于连接废气通路的凸缘部分F、F之间时也能够防止废气泄漏，同时不会太多增加废气通路的长度。图3图示一种配置，其中，传感器基座20经由垫圈22、22固定于焊接在废气管4下游端的凸缘部分F和焊接在催化剂装置5上游的废气管部分5a端部的凸缘部分F之间。
传感器基座20具有第一传感器孔23和第二传感器孔24，其形成为从边缘表面朝向废气通道孔21穿透板厚中心。传感器基座20还具有第三传感器孔70，其从不同于带有以类似方式形成的第一和第二传感器孔23和24的边缘表面的另一边缘表面穿透到废气通道孔21。第三传感器孔70的横截面设置为大于第一和第二传感器孔23和24的横截面。
如稍后将说明的，第一传感器孔23是用于施加到废气通道孔21的激光R的通道孔，在其处固定有光纤25作为施加激光R的照射单元。第二传感器孔24是用于穿过废气的衰减激光Ra的通道孔，且在第二传感器孔24内的激光出口侧设置有检测器26作为透射光受光单元。第三传感器孔70是用于废气中所包含的颗粒物质PM被激光照射时引起的米氏散射光S的通道孔，在第三传感器孔70的与废气通道孔21相对的一侧设置有适当的光检测器71作为米氏散射光受光单元。优选地，第一和第二传感器孔23和24以及第三传感器孔70以垂直于废气流向的方向钻制。
附带地，在本发明的废气分析器仅用于被测废气中的颗粒物质PM的浓度分析的情况下，上述作为透射光受光单元的检测器26可不工作，而代之以从光纤25施加激光，并经由第三传感器孔70通过光检测器71接收由颗粒物质PM引起的米氏散射光。
在如图4所示示例中，两面反射镜28和29布置在废气通道孔21的外侧并相向布置将废气通道孔21夹在中间，使得反射镜的反射面彼此平行。穿过第一传感器孔23进入的激光由两面反射镜28和29反射，并在穿过废气的同时被衰减。如稍早提到的，衰减后的激光Ra穿过第二传感器孔24以由检测器26接收。在穿过废气通道孔21并被反射的过程中，如果废气包含颗粒物质PM，则引起数量取决于颗粒物质PM的颗粒直径和浓度的米氏散射光S。所引起的米氏散射光S穿过第三传感器孔70由如上所述的光检测器71检测。
反射镜28和29通过在由石英、蓝宝石、陶瓷等制成的基底件的表面上覆盖反射件的方式制造。优选选择与激光波长相匹配的具有高反射性的材料例如金、铂或氧化钛作为覆盖件。为了保护反射件，优选将透明的并具有极好耐热性能和耐环境性能的材料例如MgF2或SiO2形成在反射件的最上层表面作为覆盖层。使用具有极好耐热性能和高反射率的反射镜能够进行准确测量。在各反射镜28和29的表面上，可形成光催化层例如二氧化钛(TiO2)层。
根据本发明的用于计算废气中所包含的颗粒物质PM的浓度的方法主要基于以下事实：即，当用激光照射特定颗粒直径的颗粒物质时，由颗粒物质引起的米氏散射光的强度与所施加激光具有波长相关性，而且以横轴表示波长并以纵轴表示米氏散射光强度，能绘制出特定颗粒直径的理论值图形。为此，必须从光纤25向废气通道孔21施加多个波长的激光。另外，米氏散射光检测端必须检测对应每种波长的具有波长相关性的米氏散射光强度。
图5图示用于此目的的示例性激光振荡/受光控制器30。在图5所示示例中，从激光振荡/受光控制器30发出的多个波长的红外激光经由光纤25A(25B、25C)施加到传感器基座20内的废气通道孔21，且穿过废气的红外激光由透射光受光端的检测器26A(26B、26C)接收。差分光检测器40A(40B、40C)比较信号光和被测光，并将差分信号提供到作为分析器的个人电脑45，在此分析废气的成分。同时，通过用激光照射而在废气通道孔21中引起的米氏散射光S由光检测器71A(71B、71C)检测，且其上的信息经由信号线72传送到个人电脑45，如稍后将说明的，在此计算计算颗粒物质PM的浓度。
更具体地，如图5所示，激光振荡/受光控制器30包括多个激光二极管LD1到LD5，由信号发生器例如函数发生器(未图示)向每个激光二极管提供频率信号。然后，每个激光二极管LD1到LD5以对应于频率的波段发出红外激光。有效的是使穿过废气的红外激光具有与被测废气中每种成分所特有的吸收光谱相对应的峰值波长。例如，当需要检测一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氨(NH3)、甲烷(CH4)以及水(H2O)时，要采用五种波长的红外激光。例如，适于检测氨的波长是1530nm，适于检测一氧化碳的波长是1460nm，而适于检测二氧化碳的波长是1470nm。适于检测甲烷的波长是1680nm，而适于检测水的波长是1350nm。可施加不同的波长以检测同一成分的气体浓度，因此可从不同波长中选择采用一种。
从每个激光二极管LD1到LD5施加的红外激光由光纤32引导到第一分用器33，在此红外激光根据传感器单元的数量被分用。由第一分用器33如此分用的激光由第二分用器34A(34B、34C)分成信号光和测量光。第二分用器34A用于传感器单元11；第二分用器34B用于传感器单元12；且第二分用器34C用于传感器单元13。
由用于传感器单元11(12、13)的五个第二分用器34A(34B、34C)分离的各波段信号光穿过光纤并由复用器35A(35B、35C)复用。复用的多波段信号光随后经由光纤37A(37B、37C)引导到上面提到的差分光检测器40A(40B、40C)。同时，由五个第二分用器34A分离的测量光穿过光纤并由复用器36A(36B、36C)复用，复用的测量光随后经由光纤25A(25B、25C)引导到传感器单元11(12、13)的照射单元。
由照射光形成的用于测量的激光穿过废气通道孔21并被反射镜28和29反射，如图4所示，穿过废气的衰减的透射激光Ra由检测器26A(26B、26C)检测作为受光数据。被检测的信号经由信号线27A(27B、27C)传送到上面提到的差分光检测器40A(40B、40C)。所述差分光检测器40A(40B、40C)配置为用以查找穿过废气的衰减的透射光(测量光)与未穿过废气的信号光之间的差异，且与此由差分光检测器40计算的信号光和测量光之间的差异相对应的电信号由例如前置放大器(未图示)放大，并且放大的信号经由A/D转换器输入到作为信号分析器的个人电脑45中。个人电脑45根据输入信号计算例如废气中包含的成分的浓度以及废气的温度和压力，以便分析废气中的成分。
在本发明的废气分析器10中，允许例如红外激光穿过废气，并基于入射光的强度和穿过废气的透射光的强度计算废气成分的浓度，以便分析废气。即，废气成分的浓度C由下列方程式(1)计算：
C＝-ln(I/I0)/kL…(1)
在方程式(1)中，I表示透射光强度，I0表示入射光强度，k表示吸收系数，L表示透射距离。因此，废气成分的浓度C基于透射光强度(I)与作为信号光的入射光强度(I0)的比率计算，即基于信号强度(I/I0)计算。透射光强度I经由检测器26A(26B、26C)输出，且入射光强度I0经由光纤37A(37B、37C)从光电转换器输出，例如经由光纤37A(37B、37C)从差分光检测器40A(40B、40C)中的光电二极管输出。在本实施方式中，未穿过废气的信号光的强度用作入射光强度I0。
如此配置的本实施方式的废气分析器10的操作如下。当发动机工作时，废气分析器10启动。从发动机2排出的废气在废气通路的废气歧管3中汇集，经废气管4导入第一催化剂装置5，并进一步导入第二催化剂装置6，然后经由消声器7经废气尾管8排放到大气。废气穿过沿废气通路布置的每个传感器单元11到14的传感器基座20内形成的废气通道孔21。当废气中特定成分的浓度等要被测量时，将激光施加到废气通道孔21，并测量穿过废气的激光的强度。
即，启动激光振荡/受光控制器30的信号发生器以便向每个激光二极管LD1到LD5提供信号，因此使每个激光二极管LD1到LD5发出预定波长的红外激光。从每个激光二极管LD1到LD5发出的红外激光穿过光纤32…到达分用器33…，在此红外激光根据传感器单元的数量被分用。其后，如此分用的激光通过分用器34A…、34B…、34C…分离为信号光和测量光。
下面详细说明一个传感器单元11。由五个分用器34A分用的信号光由复用器35A复用成为用于发出信号的激光，其随后被引导到差分光检测器40A。同时，由五个分用器34A分离的测量光由复用器36A复用成为用于测量的激光，其随后经由光纤25A引导到传感器单元11的照射单元。对于其它的传感器单元12和13亦是如此，即，红外激光由分用器33…分用，随后由分用器34B…、34C…分用成为信号光和测量光。信号光由复用器35B…、35C…复用，并引导到差分光检测器40B、40C，而测量光由复用器36B、36C复用，并引导到传感器单元12、13。
随后，从每个传感器单元11到13的光纤25A(25B、25C)施加的用于测量的红外激光穿过作为照射光通道孔的传感器孔23并被施加到废气流经的废气通道孔21。红外激光横穿废气通路的废气通道孔21，经由光通道孔到达反射镜28而被下反射镜28向上反射，随后经由光通道孔到达反射镜29而被上反射镜29向下反射。这样重复反射增加了废气中的透射距离，最终光经由传感器孔24被检测器26A(26B、26C)接收。即，用于测量的红外激光由于穿过废气而衰减，且这样衰减的透射光由作为受光单元的检测器接收，以便测量透射光(测量光)的光强度。
穿过废气到达受光单元的衰减后的用于测量的红外激光由检测器26A(26B、26C)输出为电信号，输出信号经由信号线27A(27B、27C)供给到差分光检测器40A(40B、40C)。同时，用于发出信号的激光经由光纤37A(37B、37C)供给到差分光检测器40A(40B、40C)，且差分光检测器查找多个波长成分的每一个波长成分的透射光(测量光)和信号光之间的差异，这样检测吸收光谱，通过所述吸收光谱检测透射光中特定气体成分特有的峰值波长。这样，来自差分光检测器的输出输入到作为信号分析器的个人电脑45。基于所输入的吸收光谱的多个频带的每一个频带的峰值波长，个人电脑45计算和测量废气中包含的成分的浓度以及用于分析的废气的温度和压力。
在本实施方式的废气分析器10中，当废气中存在颗粒物质PM时，通过用测量光照射颗粒物质PM的方式将引起米氏散射光S。现在参考图7的流程图，在下文中说明采用引起的米氏散射光S强度计算被测废气中颗粒物质PM的浓度的方法。
如前所述，已知当用不同波长的激光照射相同颗粒直径的颗粒物质PM时，每种波长引起的米氏散射光的强度能绘制出特定的图形，即，通过相对于各波长连续绘制由颗粒物质PM引起的米氏散射光强度所获得的图形数据将根据颗粒物质PM的颗粒直径而改变。图6图示出一个示例，其中图形数据A表示颗粒直径为100nm的情况，图形数据B表示颗粒直径为1000nm的情况，图形数据C表示颗粒直径为500nm的情况。
在图7中，S01是用于浓度测量的激光照射步骤，其中上述五个波段的激光被施加到传感器单元11(12、13)的废气通道孔21。在S02，对于每种波长，获得由废气中颗粒物质PM引起的米氏散射光强度的测量值(实际测量值)，更具体地，在传感器单元11(12、13)处产生的每种波长的米氏散射光由光检测器71A(71B、71C)检测为散射光强度，检测信号转换为电信号。电信号作为实际测量数据输入到作为信号分析器的个人电脑45。图7a的图形图示相对于由激光二极管LD1到LD5生成的五个波段测量而绘制的米氏散射光强度的测量值以形成一种图形，其中横轴代表波长，而纵轴代表散射光强度。
个人电脑45包括数据存储单元46和计算单元47，数据存储单元46存储关于每个颗粒直径特有的米氏散射光强度的理论值数据。在S03，个人电脑45的计算单元47进行所存储的关于米氏散射光强度的理论值图形数据和通过测量获得的实际测量值图形数据之间的对比匹配。图7b说明了用于图形匹配的方法。因为数据存储单元46存储了大量图6所示基于每种颗粒直径的米氏散射光强度分布理论值的各种图形数据，且计算单元47对测量获得的图形数据和最类似于其的理论值图形数据进行匹配。随后，在S04，选择表示最接近测量值图形的分布的理论值图形数据。
作为S04的图形匹配结果，能够准确估计构成被测废气中所含颗粒物质PM的主要物质的颗粒直径。
接下来，在S05，获得如此选择的理论值图形数据中米氏散射光强度的最大值B(参见图7c)。随后，在S06，计算单元47基于米氏散射理论根据作为理论值的米氏散射光强度最大值B和颗粒浓度之间的关系计算作为理论值的颗粒浓度c(B)。图7d为图示米氏散射光强度的最大值B和颗粒浓度c(B)之间相关性的图，其显示出米氏散射光强度的最大值B和颗粒浓度c(B)之间的大体线性的相关性。
最后，在S07，如图7e所示，基于作为理论值的颗粒浓度c(B)和通过实际测量获得的散射光测量值之间的匹配校正量(A)，计算基于计算值确定的颗粒物质PM的浓度C(例如，mg/m3或％)。可替代地，基于预先确定的系数f(A)，计算作为理论值的颗粒浓度c(B)用于校正，并且颗粒物质PM的实际浓度C由下列方程式(2)获得：
浓度C＝颗粒浓度c(B)×f(A)…(2)
当从理论上确定每种颗粒的散射光强度的分布时，对比图7b中以虚线或实线表示的实际测量值的分布和理论值分布的“形状”，并以最接近的形状进行匹配。至于进行匹配所用的理论值的最大值B，当对应于确定的B(图7a到7d中的横轴)的波长的实际值为X时，则X/B即为匹配校正值(A)。
因此，根据本实施方式的废气分析器，通过用激光照射废气，能够测量废气中包含的成分的浓度、温度等用于分析。此时，通过用激光照射而由废气中包含的颗粒物质PM引起的米氏散射光S被接收，借此能够在分析废气中所含成分的浓度等的同时计算颗粒物质PM的浓度。此外，能够以较少的计算能力实时地计算颗粒物质的浓度。
图8图示另一种示例性传感器单元11。在此示例中，另一个第三传感器孔70a形成于传感器基座20内使得相对于第三传感器孔70以适当角度(例如20度)倾斜，在所述另一个第三传感器孔70a处以类似方式安装另一个光检测器71a。由光检测器71a接收的信号经由信号线72a传送到个人电脑45，且个人电脑45计算并对比所述信号和从光检测器71接收的信号，并基于这些值的平均值计算图7a所示的测量值图形。由此，米氏散射光强度由两个或更多的光检测器71测量，因此能够更加准确地测量浓度。
Claims (7)
1.一种废气分析器，其通过用激光照射废气来分析从内燃发动机排出的废气，包括：
废气管，所述废气引入至所述废气管；
传感器单元，其安装在所述废气管上，所述传感器单元包括：
光照射单元，其在垂直于流经所述废气管的废气流的方向上用所述激光照射所述废气；
反射镜，其用于沿垂直于废气流的方向反射已经从所述光照射单元发出并且已经穿过所述废气的激光使之穿过所述废气；
透射光受光单元，其接收已经穿过所述废气的所述激光；
散射光受光单元，其接收通过用所述激光照射包含在所述废气中的颗粒物质而由所述颗粒物质引起的米氏散射光；以及激光振荡/受光控制器；
计算单元，其基于从所述透射光受光单元获得的透射光强度的受光数据计算所述废气中的成分的浓度，并基于由所述散射光受光单元获得的散射光强度的实际测量数据计算包含在所述废气中的所述颗粒物质的浓度。
2.如权利要求1所述的废气分析器，
其中，所述计算单元包括数据存储单元，所述数据存储单元存储关于每种颗粒直径所特有的米氏散射光强度的理论值数据，以及
所述计算单元基于由所述散射光受光单元获得的米氏散射光强度的所述实际测量数据以及存储在所述数据存储单元中并为每种颗粒直径所特有的所述理论值数据计算包含在所述废气中的所述颗粒物质的所述浓度。
3.如权利要求2所述的废气分析器，包括多个所述散射光受光单元，
其中，所述计算单元进一步包括计算由多个所述散射光受光单元获得的米氏散射光强度的实际测量数据的平均值的装置。
4.如权利要求1所述的废气分析器，包括多个传感器单元，
其中，所述激光振荡/受光控制器包括多个激光二极管、多个分用器、多个复用器以及多个差分光检测器；
所述多个激光二极管中的每一个产生峰值波长与被测废气中每种成分所特有的吸收光谱相对应的红外激光；
所述分用器根据所述传感器单元的数量使所述红外激光分用；
所述复用器使具有不同峰值波长的被分用的所述红外激光复用以使之传输到所述光照射单元；以及
所述差分光检测器获取复用的光与所述透射光受光单元接收的光之间的差。
5.一种用于分析从内燃发动机排出的废气的方法，其通过用激光照射到引入废气的废气管中而进行废气分析，所述方法包括以下步骤：
沿垂直于废气流的方向用所述激光照射所述废气；通过反射镜沿垂直于废气流的方向反射所述激光使所述激光不只一次穿过所述废气；接收已经穿过所述废气的激光；并基于所接收的激光计算包含在所述废气中的成分的浓度；以及
接收通过用所述激光照射所述废气中包含的颗粒物质而由所述颗粒物质引起的米氏散射光，并基于所接收的米氏散射光强度的实际测量数据计算所述颗粒物质的浓度。
6.如权利要求5所述的用于分析废气的方法，其中，所述颗粒物质的所述浓度基于所述米氏散射光强度的所述实际测量数据以及关于每种颗粒直径所特有的米氏散射光强度的理论值数据来计算。
7.如权利要求6所述的用于分析废气的方法，
其中，所述颗粒物质的所述浓度根据由包含在所述废气中的所述颗粒物质引起的米氏散射光强度的实际测量数据利用关于波长连续的图形数据来计算，
所述方法包括以下步骤：
对比实际测量得到的米氏散射光强度的图形数据和关于每种颗粒直径所特有的米氏散射光强度的理论值图形数据，并且选择类似于所述实际测量得到的米氏散射光强度的图形数据的理论值图形数据，
获得所选理论值图形数据中的最大值，并基于所获得的值计算作为理论值数据的所述颗粒物质的理论值浓度，以及
以所述米氏散射光强度的实际测量值校正所述颗粒物质的所计算出的理论值浓度并且计算实际的颗粒物质浓度。
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