CN102472694A - 废气采样分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种废气采样分析系统，其目的在于对压力高的废气采样并无损精度地分析该废气的成分。本发明包括：设有节流机构(3)和第一吸引泵(P1)的主流路(2)；在节流机构(3)的下游从主流路(2)延伸出的、设有废气分析装置(5)的测定流路(4)；在测定流路(4)的延伸点的下游从主流路(2)延伸出的、设有流量调整机构的补偿流路(6)，第一吸引泵(P1)将通过节流机构(3)被减压的废气的压力进一步减小到规定值，流量调整机构调整提供给主流路(2)的补偿气体的流量使得测定流路(4)的延伸点的废气的压力为规定值。

Description

废气采样分析系统
技术领域
本发明涉及一种采样发动机的废气，对其成分进行分析的废气采样分析系统。
背景技术
作为这种废气采样分析系统，如专利文献1所示，使来自内燃机(发动机)的废气通过空气稀释之后，使该稀释废气在稀释管道内流通，在该稀释管道内流通的稀释废气的一部分由样品采取管道所采取。
该样品采取管道中，依次设置有：用于采取稀释废气的样品采取测管；调整所采取的稀释废气的流量流压的节流阀；通过稀释废气分析废气成分的废气分析装置；用于以一定的总量吸引样品采取管道内的稀释气体而设的临界文丘里管和吸引泵。又，在样品采取管道的废气分析装置和临界文丘里管之间，连接有大气通路。这样的构成是根据流入样品采取管道的稀释废气和从大气通路导入的大气的量的比减少通过废气分析装置的稀释废气的流压变化的结构。
然而，由于临界文丘里管和吸引泵所吸引的样品采取管道内的稀释气体的流量的总量为一定，因此，从大气通路提供的大气的流入流量变化必然导致采样废气的流量变化。又，在高压废气中，流量变化大的上述结构中，会有无法对应该流量变化的问题。
又，用于废气采样分析系统的废气分析装置，导入分析装置的采样废气的流量和压力由规格决定，需要对采样废气的流量和压力进行调整以使其在该规格范围内。
因此，在上述专利文献1的废气采样分析系统的稀释管道中，在稀释废气流的下游侧设有定容量型泵，通过该定容量型泵，使得即使流入废气导入管道的废气量变化稀释管道内流过的稀释废气的总量和压力也大致保持一定。又，稀释管道连接有空气导入管道，其大气取入口设有空气过滤器。
但是，上述废气采样分析系统，稀释管道流过的稀释废气通过定容量型泵保持稀释废气的总量和压力大致一定，从这一点也可以明了，并未设想对压力高的废气进行采样。又，在稀释管道连接有空气导入管道，其大气取入口上配置有空气过滤器，即使存在空气过滤被阻塞稀释管道内的压力变低的情况，也难以存在压力变高这种情况。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开特开平4-216435号公报
发明内容
发明所要解决的问题
本发明用于一并解决上述问题，以采样压力高的废气并无损测定精度地对该废气进行成分分析为主要的研究课题。
解决问题的手段
即本发明涉及的废气采样分析系统，包括：基端连接于用于导入废气的到入端口的主流路；用于将废气导入所述主流路的、连接于该主流路的第一吸引泵；设于所述主流路上的节流机构；在所述节流机构下游从所述主流路延伸出，并对流过该主流路的废气采样并流通的测定流路；设于所述测定流路上、分析被采样的废气的分析装置；在所述测定流路的延伸点的下游、从所述主流路延伸出的、对该主流路提供补偿气体的补偿流路；设于所述补偿流路、对提供给所述主流路的补偿气体的流量进行调整的流量调整机构，其中，所述第一吸引泵将通过所述节流机构被减压的废气压力进一步减压为规定值，所述流量调整机构调整提供给所述主流路的补偿气体的流量以使得所述测定流路的延伸点的废气压力为规定值。
通过以上结构，可进一步对由节流机构减压的废气的压力进行减压，并且调整提供给主流路的补偿气体使测定流路的延伸点的废气压力为规定值，这样可将流过测定流路的废气的压力和流量限制在分析装置的规格范围内。这样，就可以对管内以高压流动的废气进行采样且无损测定精度地对废气进行分析。
为了使得发明效果更加显著，最好将所述导入端口设置于设有排气管的过滤装置的上游侧。在过滤装置(例如DPF)的上游，由于过滤器的阻塞等导致高压(例如300kPa(表压))，但通过本发明的废气采样分析系统可采样过滤装置上游的废气并分析。从而，另外从过滤装置的下游采样废气进行分析，通过比较这些分析结果，可以评价过滤装置的性能。
为了使得废气容易被导入到测定流路内，最好构成所述测定流路的管道的上游侧开口配置为与在主流路的同轴并朝向上游侧，通过构成所述测定流路的管道进行匀速采样。此处，匀速采样是指，使得主流路的废气的流速和测定流路的废气流速相同地进行采样，这样，可没有损耗地吸引大粒子。
为了使得流量基于输入到节流机构的废气的压力可变，且不在该节流机构中损失废气中所包含的PM等成分，最好所述节流机构包括：活动体，其形成有在中央部的沿轴向与主流路连通的主节流流路和在主节流流路周围的沿轴向的一个或多个与主流路连通的副节流流路；固定部，其可滑动地嵌合于所述活动体的下游侧的外周、对所述副节流流路进行闭塞和打开的固定部；弹簧，其位于所述活动体的外周夹在所述固定部和所述活动体之间、在使得所述活动体离开所述固定部的方向施力，通过所述活动体对应于所受到的废气的压力而在轴向滑动，调整通过的废气的流量。
发明效果
通过这样构成的本发明，可对高压力的废气进行采样并无损测定精度地对该废气的成分进行分析。
附图说明
图1为本发明的实施方式涉及的废气采样分析系统的示意性构成图。
图2为该实施方式的节流结构及其周围管道的示意性截面图。
图3为显示临界文丘里管的压力(表压)-流量特性的示意图。
图4为显示该实施方式的废气采样分析系统各部的流量特性的示意图。
图5为显示该实施方式的废气采样分析系统的节流机构下游的废气压力(表压)的示意图。
符号说明
100…废气采样分析系统
201…过滤装置(DPF)
PT…导入端口
2…主流路
3…节流机构
P1…第1吸引泵
4…测定流路
5…分析装置
6…补偿流路
MFC3…流量调整机构
31…活动体
301…主节流流路
302…副节流流路
32…固定部
33…弹簧
具体实施方式
下面参考附图对本发明涉及的废气采样分析系统的一实施方式进行说明。
本实施方式涉及的废气采样分析系统100为对连接于内燃机(发动机)的排气管200内的废气进行采样并对该采样废气进行分析的设备。
具体来说，如图1所示，其具有：基端连接于用于导入废气的导入端口PT的主流路2；用于向主流路2导入废气的连接于该主流路2的第一吸引泵P1；设于主流路2的节流机构3；在节流机构3的下游从主流路2延伸出的、对流通于该主流路2的废气进行采样使其流通的测定流路4；设于测定流路4上的、对采样的废气进行分析的分析装置5；在测定流路4的延伸点的下游从主流路延伸出的、对主流路2供给补偿气体的补偿流路6；设于补偿流路6的、对提供给主流路2的补偿气体的流量进行调整的流量调整机构MFC3。又，在测定流路4的延伸点和补偿流路6的延伸点之间的主流路2上设有，防止由补偿流路6提供的补偿气体流入到测定流路4的逆流防止结构。
下面，对各部分进行详细描述。
导入端口PT设置在设于排气管200的例如DPF(微粒捕集器Diesel ParticulateFilter)等的过滤装置201的上游侧。该过滤装置201的上游，由于过滤器的阻塞等原因导致废气的压力为高压(例如300Kpa(表压))。
主流路2的基端连接于导入端口PT，从主流路2上游起依次设有：由文丘里管或限流孔所构成的节流机构3；用于缓冲废气的压力变动的缓冲空间BS；第一流量调整机构MFC1；和第一吸引泵P1。第一流量调整机构MFC1包括流量计FM1和流量调整阀(例如针形阀)V1。该流量调整阀V1由图未示的控制部所控制，接受到来自流量计FM1的流量计测信号的控制部将控制信号输出到流量控制调整阀V1，调整流量调整阀V1的开度。又，第一吸引泵P1同样由控制部控制，吸引废气，使得节流机构3下游(具体来说为缓冲空间BS内)的压力达到规定值。又，图1中的符号F表示过滤器，CU标示冷却器。
测定流路4在节流机构3的下游从主流路2延伸设置。该测定流路4从上游侧(主流路2侧)开始依次设有：由流量计FM2和流量调整阀(例如针形阀)V2所构成的第二流量调整机构MFC2；对采样的废气进行分析的例如粒子数计测装置(CPC)等分析装置5；和第二吸引泵P2。又，第二流量调整机构MFC2通过所述控制部将流入分析装置5的废气流量控制为一定。
补偿流路6在测定流路的延伸点的下游从主流路2延伸设置。该补偿流路6上，设有由流量计FM3和压力控制阀V3构成的第三流量调整机构MFC3。又，补偿流路6内也可设置用于使得补偿气体流通的泵。但在本实施方式中，通过第一吸引泵P1将缓冲空间BS变为负压，则不需要在补偿流路6上设置泵，也可使得大气等补偿气体流入到缓冲空间BS内。又，第三流量调整机构MFC3的压力控制阀V3通过所述控制部将节流机构3的下游(具体来说是缓冲空间BS内)的废气流量控制为规定值。
下面对这样构成废气采样分析系统100的动作进行说明。
在排气管200的DPF201上游的压力为高压力(例如300[kPa](表压)的情况下，当采样到来自导入端口PT的废气时，通过节流机构3的文丘里管(例如流量性能6[lpm(升每分)])使废气的压力降低(例如280[kPa](表压))。此处，临界文丘里管的压力-流量特性如图3所示。又，图3的横轴的压力为表压。根据该图3可知，节流机构3的下游的废气压力为一定的-15[kPa](表压)时，排气管200的废气的压力越高，文丘里管的降压效果越小，流过文丘里管的废气的流量无法调整为一定，流量变大。具体来说，废气的输入压力为300[kPa](表压)时，流量性能6[lpm]的CFV处流过20[lpm]的废气，24[lpm]的CFV处流过100[lpm]的废气。即，CFV随着排气管200的废气的压力上升流量变大。
此时，为了通过测定流路4采样将废气导入到分析装置5，需要使节流机构3下游的压力和流量为规定值。此处，规定值是指，在通过测定流路4进行了废气采样时，该被采样取得的废气的压力和流量为满足分析装置5的测定规格的程度的压力和流量。
接着，通过第一吸引泵P1进行吸引使得节流机构3的下游的压力(例如280[kPa](表压))变为规定范围内(例如-35kPa～35kPa(表压))的规定值。这样节流机构3下游的压力低于规定范围内的话，则测定流路4的延伸点处的流量变得过大。因此，通过由补偿流路6向主流路2提供补偿气体，使得节流机构3下游的废气流量变小，流量限制在规定范围内，使得测定流路4的延伸点的废气的压力在规定范围内(例如-35kPa～35kPa(表压))的规定值。
此处，参考图4、5对本实施方式的废气采样分析系统得到的高压废气的采样结果进行说明。此处，第一吸引泵P1的稀释废气流量(补偿气体稀释的废气流量)为Qma、提供给主流路2的补偿气体流量为Qmu、流过测定流路4的废气流量为Qana、流过节流机构3(CFV)的废气流量为Qv、节流机构3下游的废气压力为Pv。又，在本例中，采用流量性能为5.0[lpm]的CFV。又，图4和图5中的压力都是表压。
即使输入的废气的压力在0～300[kPa(表压)]的范围内变化，也可使得测定流路4中的废气流量Qana大致为4.00[lpm](参考图4)，也可将该废气压力Pv限制在-10.60～-8.20[kPa(表压)]的范围内(参考图5)。
通过这样使得节流机构3下游的压力和流量为规定值，因此，不会由于测定流路4上的第二吸引泵P2所吸引的废气而导致分析装置5发生故障，可提高测定流路4所采样的废气的流量精度以高精度计算稀释率，提高分析装置5的测定精度。
本实施方式的节流机构3为流量可变的文丘里管，该文丘里管3如图2所示，容纳在形成有缓冲空间BS的框体8中。
流量可变文丘里管3根据输入的废气的压力其流路截面积发生变化，包括有：形成有主节流流路301和副节流流路302的旋转体形状的活动体31；可滑动地嵌合于活动体31的下游侧外周、对副节流流路302进行闭合或打开的固定部32；在活动体31的外周夹在固定部32和活动体31之间的、向使得活动体31离开固定部32的方向施力的弹簧33。
活动体31形成有：在其中央部的沿轴向与主流路2连通的主节流流路301；和在主节流流路301周围的沿轴向的一个或多个连通主流路2的副节流流路302。又，本实施方式的各副节流流路302的流路截面积相等，其流路截面积比主节流流路301的流路截面积小。
固定部32固定于框体8的内侧周面，包括：使得活动体31的下游侧能够滑动嵌入的凹部321；和设于该凹部321底壁的贯通孔322。凹部321的开口径与所述活动体31的下游侧的外周的直径大致相同或稍大。又，凹部321的底面为与形成有副节流流路302的下游侧开口的端面(本实施方式中为锥状)相对应的锥状。贯通孔322设于凹部321的底壁，与活动体31的主节流流路301的流路方向为大致相同方向。
因此，活动体31以安座状态(活动体31轴向移动与固定部32接触，闭塞副节流流路302的闭塞位置)闭塞副节流流路302，流过主节流流路301的废气通过贯通孔322流到下游。另一方面，活动体31以离开状态(活动体31轴向移动离开固定部32，开放副节流流路302的开放位置)开放副节流流路302，流过主节流流路301和副节流流路302的废气通过贯通孔322流到下游。该活动体31通过在安装位置和离开位置间移动增减副节流流路302的流路截面积。
弹簧33外嵌于活动体31，由形成于活动体31的基端部整周的凸缘部311和固定部32的凹部周缘部321R夹着。又，凸缘部311可滑动地嵌入于框体8的内侧周面。即，弹簧33被收纳在由活动体31的外表面、凸缘部311的侧面、固定部32的凹部周缘部和框体8的内侧周面所形成的空间内，弹簧33不与流动的废气接触。这样，可防止废气中包含的PM等成分付着于弹簧33而造成损失。
该弹簧33随着活动体31受到的废气的压力伸缩，根据废气的压力确定副节流流路302的流路截面积。根据上述结构，随着活动体31所受到的废气的压力活动体31在轴向滑动，调整通过副节流流路302的废气流量，进而调整通过文丘里管3的废气的流量。
接着，由壳体8在文丘里管3的下游形成的缓冲空间BS连接有构成测定流路4的管道(下面，称为“测定用管道4T”)和构成补偿流路6的管道(下面，称为“补偿用管道6T”)。通过该缓冲空间BS，可缓冲废气压力的脉动和第一吸引泵P1的脉动造成的压力变动。又，图2中的符号2T为构成主流路2的管道。
更加具体的，测定用管道4T连接于补偿用管道6T的更上游侧，测定用管道4T的上游侧开口配置为与主流路2的流路方向大致朝向同一方向。更具体的是，测定用管道4T的上游侧开口配置为与所述文丘里管的主节流流路301的流路方向大致朝向同一方向。在本实施方式中，该上游侧开口与形成于固定部32的流路(贯通孔322)的下游侧开口接近地配置。这样，从排气管200采样的废气可直接导入到测定流路4。又，通过测定用管道4T的上游侧开口与贯通孔322的下游侧开口接近配置，构成为防止来自补偿流路6的提供给主流路2的补偿气体流入测定流路4内的逆流防止结构。
本实施方式的效果
通过如此构成的本实施方式涉及的废气采样装置100，由于在进一步减少由节流机构3减压的废气的压力的同时，对提供给主流路2的补偿气体进行调整使得测定流路4的延伸点的废气压力为规定值，因此可将流过测定流路4的流量限制在分析装置5的规格范围内。这样，就可无损测量精度地对高压废气进行采样，并分析废气。
又，本发明并不限于所述实施方式。
例如，在所述实施方式中，虽然是将节流机构3设置在形成有缓冲空间BS的框体8内，但是也可设置在主流路上其他地方。
又，虽然在上述实施方式中，设置有缓冲空间BS，但是也可不设置缓冲空间BS。
进一步的，逆流防止结构虽然通过测定用管道的上游侧开口接近文丘里管(节流机构3)的下游侧开口的设置来构成，但是也可由构成主流路的管道内面的阻抗构成。
另外，本发明不限于上述实施方式，在不脱离发明主旨的前提下可进行种种变更。
产业上的利用可能性
根据本发明，可采样压力高的废气并无损精度地对该废气进行成分分析。

Claims (4)

1.一种废气采样分析系统，其特征在于，包括：
基端连接于用于导入废气的导入端口的主流路；
用于将废气导入所述主流路的、连接于该主流路的第一吸引泵；
设于所述主流路上的节流机构；
在所述节流机构下游从所述主流路延伸出，并对流过该主流路的废气采样后使其流通的测定流路；
设于所述测定流路上、分析被采样所得废气的分析装置；
在所述测定流路的延伸点的下游、从所述主流路延伸出的、对该主流路提供补偿气体的补偿流路；
设于所述补偿流路、对提供给所述主流路的补偿气体的流量进行调整的流量调整机构，
其中，所述第一吸引泵将通过所述节流机构被减压的废气压力进一步减压为规定值，所述流量调整机构调整提供给所述主流路的补偿气体的流量，以使得所述测定流路的延伸点的废气压力为规定值。
2.如权利要求1所述的废气采样分析系统，其特征在于，所述导入端口设置于设于排气管的过滤装置的上游侧。
3.如权利要求1所述的废气采样分析系统，其特征在于，构成所述测定流路的管道的上游侧开口配置为与所述主流路同轴并朝向上游侧，通过构成所述测定流路的管道进行匀速采样。
4.如权利要求1所述的废气采样分析系统，其特征在于，所述节流机构包括：
活动体，其形成有在中央部的沿轴向与主流路连通的主节流流路和在主节流流路周围的沿轴向的一个或多个与主流路连通的副节流流路；
固定部，其可滑动地嵌合于所述活动体的下游侧的外周、对所述副节流流路进行闭塞和打开；
弹簧，其位于所述活动体的外周夹在所述固定部和所述活动体之间、在使得所述活动体离开所述固定部的方向施力，
通过所述活动体对应于所受到的废气的压力而在轴向滑动，调整通过的废气的流量。
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