CN104165665B - 排气流量计和排气分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供排气流量计和排气分析系统，能高精度测量稀释前的排气中含有的对象成分的浓度，从而提高利用可追溯法的排气流量的测量精度。所述排气流量计包括：第一取样管道，对原始排气取样；第一浓度测量部，测量原始排气中含有的规定对象成分的浓度；第二取样管道，对稀释排气取样；第二浓度测量部，测量稀释排气中含有的对象成分的浓度；以及计算装置，利用第一测量浓度、第二测量浓度、以及稀释排气流量，计算原始排气流量，在第一取样管道和第一浓度测量部被加热的状态下，第一浓度测量部测量原始排气中含有的对象成分的浓度。
Description
技术领域
本发明涉及利用可追溯法测量从例如发动机等内燃机排出的排气的流量的排气流量计和使用所述排气流量计的排气分析系统。
背景技术
以往，作为稀释从内燃机排出的排气的稀释取样方式的排气分析系统，包括：主流道，流过从内燃机的排气管排出的排气；稀释气体流道，与主流道汇合，并且流过用于稀释所述排气的稀释气体；以及流量控制部，设置在主流道和稀释气体流道的汇合点的下游侧，控制由稀释气体稀释的稀释排气的流量。
在所述稀释取样方式中，作为测量从排气管排出的排气的流量的一种测量计，利用可追溯法测量的排气流量计已被公众所知。
例如专利文献1(日本专利公开公报特开昭62-5151号)所示，所述排气流量计包括：原始排气取样管道，从所述汇合点的上游侧的主流道对作为稀释前的排气的原始排气取样；稀释排气取样管道，从所述汇合点的下游侧的主流道对作为稀释后的排气的稀释排气取样；浓度计，与各取样管道连接、对被取样的气体含有的对象成分(例如CO2)的浓度进行测量；以及计算装置，根据由各浓度计测量的对象成分的浓度和由流量控制部控制的稀释排气的流量，计算原始排气的流量。
按照所述的排气流量计，各浓度计瞬时测量原始排气和稀释排气含有的对象成分的浓度，而且由于上述浓度比与稀释气体的稀释比相等，所以能瞬时测量原始排气的流量。
可是，从内燃机排出的排气中含有很多例如水分等干涉成分。这里，作为除去水分的装置，在取样管道和浓度计之间设置排液分离器，将排气中含有的水分除去后导入浓度计(所谓Dry测量)。此时，由于对象成分的浓度高于排气中含有水分的状态时，所以根据条例(40CFR part1065)规定的换算公式(Dry to Wet换算公式)，将其换算为刚刚从内燃机排出的排气中含有的对象成分的浓度。
可是实际上，在从内燃机排出的排气流过排气管期间，所述排气中含有的水分有时在排气管内凝聚或吸附。此时，刚刚从内燃机排出的排气和从排气管排出的排气(前述的原始排气)含有的水分量有差别，因此由所述换算公式换算出的对象成分的浓度，不能表示所述原始排气中含有的对象成分的浓度。此外，难以把握排气管内发生了多少凝聚和吸附等，所以难以高精度测量原始排气中含有的对象成分的浓度。
另一方面，可以考虑不使用排液分离器、而在从排气管排出的排气中包含水分的状态下测量对象成分的浓度的方法(所谓Wet测量)，但是所述方法中，特别是在含水分较多的原始排气流过的取样管道和浓度计上，所述原始排气含有的水分会发生凝聚或吸附。这样，如果对象成分是具有溶解性的例如CO2等时，对象成分会溶解在凝聚和吸附的水分中，引起测量误差，此时也不能高精度测量对象成分的浓度。
发明内容
本发明的目的是提供一种排气流量计和排气分析系统，特别是高精度测量稀释前的排气中含有的对象成分的浓度，以提高利用可追溯法的排气流量的测量精度。
即本发明的排气流量计，用于排气稀释系统，所述排气稀释系统包括：主流道，流过从内燃机排出的排气；以及稀释气体流道，与所述主流道汇合，并且流过用于稀释所述排气的稀释气体，所述排气流量计的特征在于，包括：第一取样管道，从所述主流道的、所述主流道与所述稀释气体流道的汇合点的上游侧，对作为稀释前的所述排气的原始排气取样；第一浓度测量部，设置在所述第一取样管道上，测量所述原始排气中含有的规定对象成分的浓度；第二取样管道，从所述主流道的、所述汇合点的下游侧，对作为稀释后的所述排气的稀释排气取样；第二浓度测量部，设置在所述第二取样管道上，测量所述稀释排气中含有的所述规定对象成分的浓度；以及计算装置，利用由所述第一浓度测量部得到的所述规定对象成分的第一测量浓度、由所述第二浓度测量部得到的所述规定对象成分的第二测量浓度、以及作为所述稀释排气的流量的稀释排气流量，计算作为所述原始排气的流量的原始排气流量，在所述第一取样管道和所述第一浓度测量部被加热的状态下，所述第一浓度测量部测量所述原始排气中含有的所述规定对象成分的浓度。
按照所述结构，由于在第一取样管道和第一浓度测量部被加热的状态下测量对象成分的浓度，所以能够防止第一取样管道和第一浓度测量部中的原始排气中包含的水分等凝聚和吸附等。这样，能够在包含水分的状态下测量原始排气(Wet测量)，能够使原始排气中包含的对象成分不溶解在水分中，能够高精度地求出对象成分的浓度，从而能够提高利用可追溯法的排气流量的测量精度。
此外，由于在原始排气中含有水分的状态下测量(Wet测量)对象成分的浓度，所以不必用Dry to Wet换算公式将其换算成刚刚从内燃机排出的浓度。
而且，因为不使用排液分离器等，所以能缩短从主流道到第一浓度测量部的取样管道，从而能够提高浓度测量的响应性并有利于实现排气流量计的紧凑化和轻量化。
尽管通常稀释排气中含有的水分等不易凝聚和吸附等，但还是为了进一步确保水分等不发生凝聚和吸附等、以更高精度测量稀释排气中含有的对象成分的浓度，优选在所述第二取样管道和所述第二浓度测量部被加热的状态下，所述第二浓度测量部测量所述稀释排气中含有的所述对象成分的浓度。
为了在水分影响对象成分的浓度测量的情况下，也能高精度测量原始排气和稀释排气中含有的对象成分的浓度，优选被加热的所述浓度测量部包括：水分浓度计，测量排气中的水分浓度；以及对象成分浓度计，测量水分影响浓度，所述水分影响浓度是受到水分影响的状态下的、所述排气中的所述对象成分的浓度，把所述排气中含有的所述对象成分的浓度，作为根据所述水分浓度、从所述水分影响浓度去除水分影响的浓度来算出。
此外，按照采用本发明的排气流量计的排气分析系统，能够利用可追溯法更高精度测量从内燃机排出的排气的流量，从而能够进行高精度的排气分析。
按照所述构成的本发明，特别是通过高精度测量稀释前的排气中含有的对象成分的浓度，能够提高利用可追溯法的排气流量的测量精度。
附图说明
图1是示意性表示本实施方式的排气流量计的图。
图2是示意性表示同实施方式的浓度测量部的构成的图。
附图标记说明
201 内燃机
202 排气管
101 定容取样装置
ML 主流道
1 排气流量计
11 第一取样管道
21 第一浓度测量部
12 第二取样管道
22 第二浓度测量部
3 计算装置
41 第一加热机构
42 第二加热机构
具体实施方式
以下参照附图对使用本发明的排气流量计1的排气分析系统100进行说明。
本实施方式的排气分析系统100为稀释取样方式，采用排气稀释系统、将例如从发动机等内燃机201排出的排气通过从大气精制的稀释气体稀释数倍后、进行浓度测量。以下，本实施方式对作为排气稀释系统的、采用对全部排气进行取样并用稀释气体稀释后使其成为一定流量的定容取样装置的系统进行说明。
具体如图1所示，所述排气分析系统100包括：定容取样装置101，对全部排气和稀释气体结合后的总流量进行控制，使其时常保持一定，并且对稀释后的排气的一部分和稀释气体的一部分进行取样；排气取样袋M1，收容被取样的排气；稀释气体取样袋M2，收容被取样的稀释气体；以及排气分析装置102，对各取样袋M1、M2中的被取样的气体中的规定成分(例如HC、CO、CO2等)的浓度进行分析，并算出排气中含有的规定成分的浓度。
如图1所示，定容取样装置101包括：主流道ML，流过从内燃机201的排气管202排出的排气；稀释气体流道DL，与主流道ML汇合，并且流过用于稀释排气的稀释气体；以及流量控制部103，设置在主流道ML与稀释气体流道DL的汇合点X的下游侧，对由稀释气体稀释后的稀释排气的流量进行控制，使其保持一定。
如图1所示，所述流量控制部103是由临界流量文丘里CFV和吸引泵P组成的临界流量文丘里方式的装置。本实施方式设置有一个临界流量文丘里CFV，但是也可以并列设置多个临界流量文丘里CFV，通过用例如开关阀等变更稀释排气流过的临界流量文丘里CFV，能够改变稀释排气的流量。
上述排气分析系统100中使用的排气流量计1，通过测量稀释前和稀释后的排气中含有的对象成分的浓度，并且利用可追溯法测量从排气管202排出的排气的流量。另外，本实施方式以CO2为对象成分。
具体如图1所示，所述排气流量计1包括：第一取样管道11，从主流道ML的、汇合点X的上游侧对作为稀释前的排气的原始排气取样；第一浓度测量部21，与第一取样管道11连接，测量原始排气中含有的CO2的浓度；第二取样管道12，从主流道ML的、汇合点X的下游侧对作为稀释后的排气的稀释排气取样；第二浓度测量部22，与第二取样管道12连接，测量稀释排气中含有的CO2的浓度；以及计算装置3，计算原始排气的流量。
第一取样管道11对原始排气取样、并向第一浓度测量部21供给，第一取样管道11的一端与主流道ML的、汇合点X的上游侧连接，另一端与第一浓度测量部21连接。另外，第一取样管道11的取样利用未图示的吸引泵进行。
第二取样管道12对稀释排气取样、并向第二浓度测量部22供给，第二取样管道12的一端与主流道ML的、汇合点X的下游侧连接，另一端与第二浓度测量部22连接。另外，第二取样管道12的取样利用未图示的吸引泵进行。
第一浓度测量部21瞬时测量被供给的原始排气中含有的CO2浓度，第二浓度测量部22瞬时测量被供给的稀释排气中含有的CO2浓度，并且上述两者都能在排气中含有水分的状态下测量(Wet测量)CO2浓度。
这些浓度测量部21、22都是NDIR分析装置，都具有测量排气中的水分浓度的水分浓度计的功能和测量对象成分浓度的对象成分浓度计的功能，而且分别具有相同结构。
以下，对作为其中的代表的第一浓度测量部21的NDIR分析装置的结构进行说明。
如图2所示，第一浓度测量部21的NDIR分析装置包括：测量单元5，与取样管道11连接，被供给排气(这里为原始排气)；红外光源6，从外部向所述测量单元5照射红外光L；第一光学过滤器71，使与水分的吸收光谱匹配的波长范围的红外光L1透过；第一光检测器81，检测红外光L1的光强度；第二光学过滤器72，使与CO2的吸收光谱匹配的波长范围的红外光L2透过；第二光检测器82，检测红外光L2的光强度；以及实际浓度计算部9，算出去除了水分影响的、排气中含有的CO2的浓度(实际浓度)。
另外，从取样管道11向测量单元5供给的排气从排出管道10排出，所述排出管道10可以使排出的排气返回主流道ML，也可以使其排出到外部。
水分的吸收光谱不受CO2的吸收光谱的影响，但是CO2的吸收光谱受水分的吸收光谱的影响，所以由第二光检测器82检测出的CO2的吸收光谱是在受到排气含有的水分的影响的状态下检测出的吸收光谱。
实际浓度计算部9取得来自第一光检测器81的光强度信号并算出排气中的水分浓度，并且取得来自第二光检测器82的光强度信号并算出作为受到排气中的水分影响的CO2浓度的水分影响浓度。而后，根据所述水分浓度、算出从所述水分影响浓度去除了水分的影响的CO2的实际浓度。
以上所述的第一浓度测量部21，瞬时测量从第一取样管道11供给的原始排气中含有的CO2的实际浓度C稀释前(t)，并且将所述测量结果发送至计算装置3。
同样，第二浓度测量部22瞬时测量从第二取样管道12供给的稀释排气中含有的CO2的实际浓度C稀释后(t)，并且将所述测量结果发送至计算装置3。
计算装置3从各浓度测量部21、22取得信号，并且取得由流量控制部103控制的稀释排气流量Qmix，算出原始排气流量Qex(t)。本实施方式的稀释排气流量Qmix为临界流量文丘里CFV的临界流量。
另外，计算装置3是具有未图示的CPU、存储器、输入输出接口、AD转换器等的专用或通用的计算机。
具体而言，计算装置3算出相对于由第一浓度测量部21得到的原始排气中含有的CO2的实际浓度C稀释前(t)的、由第二浓度测量部22得到的稀释排气中含有的CO2的实际浓度C稀释后(t)的浓度比(＝C稀释后(t)/C稀释前(t))，将所述浓度比乘以稀释排气流量Qmix瞬时算出原始排气的流量Qex(t)(＝Qmix×C稀释后(t)/C稀释前(t))。
此外，本实施方式的计算装置3利用所述原始排气的流量Qex(t)，算出排气中含有的规定测量成分X(例如HC、CO、CO2等)从排气管202排出的瞬时排气重量MX(t)。
具体而言，计算装置3从上述的第一浓度测量部21取得原始排气中含有的测量成分X的排气浓度CX(t)，并且将所述排气浓度CX(t)和预先存储的测量成分X的密度ρX乘以上述的原始排气流量Qex(t)，算出测量成分X的瞬时排气重量MX(t)(＝Qex(t)×CX(t)×ρX)。
并且如图1和图2所示，本实施方式设有对第一取样管道11和第一浓度测量部21进行加热的第一加热机构41，以及对第二取样管道12和第二浓度测量部22进行加热的第二加热机构42。
另外，这些加热机构41、42在本实施方式中能够分别独立运转。
第一加热机构41具备例如未图示的加热器，至少对第一取样管道11和第一浓度测量部21的测量单元5进行加热并使其保持所希望的设定温度。
第二加热机构42也同样具备例如未图示的加热器，至少对第二取样管道12和第二浓度测量部22的测量单元5进行加热并使其保持所希望的设定温度。
在本实施方式中，这些加热机构41、42的设定温度设定为，使各取样管道11、12和各浓度测量部21、22中的原始排气和稀释排气中含有的水分不凝聚的例如80℃。
另外，当排气中含有具备高沸点、不易凝聚的成分时，可以设定为更高的温度，当排气中含有容易吸附到取样管道11、12等的NH3等时，可以设定为使NH3等不吸附的温度。
此外，这些加热机构41、42的加热时间可以设定为，例如从取样管道11、12的排气取样开始、到浓度测量部21、22对对象成分的浓度测量结束为止，也可以从取样开始前把温度调整到规定温度。
按照如上所述的本实施方式的排气流量计1，从原始排气的取样开始、到原始排气中含有的CO2浓度的测量结束为止的期间，第一加热机构41对第一取样管道11和第一浓度测量部21进行加热，因此能够使所述期间的第一取样管道11和第一浓度测量部21中的水分不发生凝聚和吸附，从而能够在包含水分的状态下测量(Wet测量)原始排气。这样，能够使原始排气中含有的CO2不溶解在水分中，能够高精度地求出CO2浓度，从而能够提高利用可追溯法的排气流量的测量精度。
此外，由于在原始排气中包含水分的状态下测量(Wet测量)CO2浓度，所以不必用Dry to Wet换算公式将其换算成刚刚从内燃机201排出的浓度，就能够准确测量从内燃机通过排气管排出的排气中的对象成分的浓度。
而且，尽管通常稀释排气中含有的水分不易凝聚和吸附等，但还是在对第二取样管道12和第二浓度测量部22也进行加热的状态下测量CO2浓度，所以能进一步确保稀释排气中含有的水分不发生凝聚和吸附，从而能够更高精度测量稀释排气中含有的CO2浓度。
此外，因为不使用排液分离器等，所以能缩短从主流道ML到浓度测量部21、22的取样管道11、12，从而能够提高浓度测量的响应性并有利于实现排气流量计1的紧凑化和轻量化。
此外，由于第一加热机构41和第二加热机构42能独立运转，所以在不需要利用第二加热机构42进行加热时，如果仅运转第一加热机构41，则省电并节省能源。
用NDIR法测量排气中的CO2浓度时，以往会受到排气中含有的水分的影响，但是本实施方式的浓度测量部21、22具有水分浓度计的功能和对象成分浓度计的功能，所以能够高精度测量去除了排气中含有的水分的影响的、实际的CO2浓度。
另外，本发明不限于所述实施方式。
例如，所述实施方式的加热机构41、42分别独立，但是取样管道11、12和浓度测量部21、22也可以全部由一个加热机构加热。
此外，加热机构41也可以加热红外光源6、光学过滤器71和光检测器81。
而且，所述实施方式中的第一浓度测量部21的NDIR分析装置，具有水分浓度计的功能和对象成分浓度计的功能，但是也可以是分别具备水分浓度计和对象成分浓度计的分析装置。
关于可追溯法，所述实施方式中对象成分是CO2，但是对象成分也可以是排气中包含的其他成分。此外，也可以向排气管排出的排气混入排气中未含有的惰性成分、例如He等，测量稀释前和稀释后的He浓度。
此外，所述实施方式的流量控制部103为临界流量文丘里方式，但是也可以例如使用临界流量节流孔(CFO)、定容泵、风机等进行流量控制。而且，也可以设置流量计，瞬时测量稀释排气流量Qmix。
关于排气分析系统100，所述实施方式为定容稀释取样方式，但也可以采取对排气的一部分取样、并以一定比率稀释的微型袋稀释取样方式。
此外，本发明不限于所述实施方式，可以在不脱离发明思想的范围内进行各种变形。
Claims (4)
1.一种排气流量计，用于排气稀释系统，所述排气稀释系统包括：主流道，流过从内燃机排出的排气；以及稀释气体流道，与所述主流道汇合，并且流过用于稀释所述排气的稀释气体，所述排气流量计的特征在于，包括：
第一取样管道，从所述主流道的、所述主流道与所述稀释气体流道的汇合点的上游侧，对作为稀释前的所述排气的原始排气取样；
第一浓度测量部，设置在所述第一取样管道上，测量所述原始排气中含有的规定对象成分的浓度；
第二取样管道，从所述主流道的、所述汇合点的下游侧，对作为稀释后的所述排气的稀释排气取样；
第二浓度测量部，设置在所述第二取样管道上，测量所述稀释排气中含有的所述规定对象成分的浓度；以及
计算装置，利用由所述第一浓度测量部得到的所述规定对象成分的第一测量浓度、由所述第二浓度测量部得到的所述规定对象成分的第二测量浓度、以及作为所述稀释排气的流量的稀释排气流量，计算作为所述原始排气的流量的原始排气流量，
在所述第一取样管道和所述第一浓度测量部被加热的状态下，所述第一浓度测量部测量所述原始排气中含有的所述规定对象成分的浓度。
2.根据权利要求1所述的排气流量计，其特征在于，在所述第二取样管道和所述第二浓度测量部被加热的状态下，所述第二浓度测量部测量所述稀释排气中含有的所述规定对象成分的浓度。
3.根据权利要求1所述的排气流量计，其特征在于，
被加热的所述浓度测量部包括：
水分浓度计，测量排气中的水分浓度；以及
对象成分浓度计，测量水分影响浓度，所述水分影响浓度是受到水分影响的状态下的、所述排气中的所述规定对象成分的浓度，
把所述排气中含有的所述规定对象成分的浓度，作为根据所述水分浓度、从所述水分影响浓度去除水分影响的浓度来算出。
4.一种排气分析系统，其特征在于，采用权利要求1至3中任意一项所述的排气流量计。
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