CN109716092B - 用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元 - Google Patents

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Abstract

已知一种用于测量内燃机废气的废气分析单元(10)的气体输送单元，具有用于分析样气的测量仪(18)、校准气体管路(30；32；34)、吹扫气体管路(26)和样气管路(13)，这些管路通入共同的连接管路(20)，通过所述连接管路(20)能建立与测量仪(18)的流体连接、在校准气体管路(30；32；34)、吹扫气体管路(26)和样气管路(13)中的截止阀(24、28、36、38、40)，样气流、校准气体流和吹扫气体流通过所述截止阀可选地可截止或可释放以及用于从废气源(12)输送样气流的泵(16)。为了能够在高精度测量的同时也以非常小的通流和较短的响应时间运行废气分析单元，按照本发明建议，所述样气管路(13)在相应的测量仪(18)与校准气体管路(30；32；34)以及吹扫气体管路(26)之间通入连接管路(20)，其中，在连接管路(20)的与测量仪(18)相反的端部上布置有流出喷嘴(42)，并且从连接管路(20)分支出流出管路(48)，在所述流出管路(48)中布置有流出喷嘴(50)和截止阀(52)。

Description

用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元
本发明涉及一种用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，具有用于分析样气的测量仪、校准气体管路、吹扫气体管路和样气管路，这些管路通入共同的连接管路，通过所述连接管路能建立与测量仪的流体连接、在校准气体管路、吹扫气体管路和样气管路中的截止阀，样气流、校准气体流和吹扫气体流能够通过所述截止阀有选择性地被截止或释放、用于从废气源输送样气流的泵。
废气分析单元例如用在机动车的转鼓试验台上。在此使用的分析柜一方面包含废气测量设施中的控制装置和电子设备，废气测量设施可以例如设计为定容采样设施(CVS,constant volume sample)，但也可以用于分析未稀释的废气，并且另一方面分析柜包含分析废气所需要的用于确定废气中的有害物质量的测量仪，例如用于确定碳水化合物或通过气相色谱仪用于确定甲烷量的火焰离子化检测器分析仪、用于确定废气中的氮氧化物量的化学发光检测器分析仪以及用于确定废气中的各种活性成分如一氧化碳、二氧化碳或碳水化合物的红外检测器分析仪。相应地，开关柜通过管路与废气取样设施的采样探针连接，这些管路通过相应的接头连接到开关柜上。
测量仪通过气体输送单元供给，借助气体输送单元将待分析的样气、校准气体或吹扫气体输入测量仪。
气体输送单元中的通流速率通常约为10-12升/分钟。但在现代内燃机中，由于更好和更清洁的燃烧，废气的比例不断减少。此外，不仅测量实际排出的废气的组分，而且要分析经由废气再循环管路送回的废气的组分。但特别是送回的废气总是影响后续的燃烧过程，从而取样仅能在非常小的通流速率下进行，否则对发动机的影响会如此之大以至于燃烧数据不再与正常运行的燃烧数据相符。如果要以较小的、例如大约1秒的延迟提交关于该废气组分的信息，则必须通过极度稀释以便获得用于分析单元的足够的通流速率。但这导致非常不准确的测量值，因为在这样高度稀释的情况下达到现有测量仪的测量准确度的限度。因此，测量结果的错误由于先前在气体输送单元中输送的气体的污染而明显增加。
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于测量内燃机的废气的气体输送单元，所述气体输送单元具有较小的通流速率但还是为测量仪尽可能在短时间内提供测量气体，从而实现准确的测量值，其中，必须使对内燃机的影响最小化。
所述技术问题通过具有独立权利要求1的特征在用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元解决。
所述样气管路在相应的测量仪与校准气体管路以及吹扫气体管路之间通入连接管路，其中，在连接管路的与测量仪相反的端部上布置有流出喷嘴，并且从连接管路分支出流出管路，在所述流出管路中布置有流出喷嘴和截止阀，由此实现的是，在测量开始时仅需要挤出非常小的、填充以先前测量的吹扫气体、校准气体或样气的容积，就能使待测量的样气流到达测量仪。也明显降低测量的错误，因为样气流不必流过吹扫气体或校准气体的连接管路。这产生非常迅速和正确的测量结果并且由于存在的死容积较小可以降低通流速率。此外，通过布置在连接管路的与测量仪相反的端部上的流出喷嘴防止样气流沿连接管路被压向吹扫气体连接端和校准气体连接端并且从那里朝测量仪的方向流回，由此会对测量结果产生不利的影响。取而代之的是，到达填充以吹扫气体或校准气体的区段的样气通过喷嘴流向外部并且因此将校准气体和吹扫气体从所述管路区段移除。通过流出管路中的流出喷嘴和截止阀同时实现从连接管路迅速排空先前存在于管路中的气体，在阀门打开的情况下在不同的气流之间转换时，这部分气体通过喷嘴可以流出，从而仅需要将还存在于测量仪中的相应的残余气体从整个系统输出。附加地可以用比测量仪的设计气体流量更大的气体流量进行吹扫。
优选地，流出管路在样气管路的通入口与测量仪之间从连接管路分支出。相应地，存在于连接管路中的吹扫气体或校准气体被样气从管路中挤出，而不必通流测量仪。如果输送的样气量大于可以通过限流器流向测量仪的量，则残余气体在最短的时间内被从管路和测量仪自身清除，从而非常迅速地得到可靠的测量结果。
此外有利的是，当校准气体管路的截止阀之一打开时，流出管路中的截止阀打开，当样气管路的截止阀打开时，流出管路中的截止阀关闭。因此，测量仪在吹扫后非常迅速地使用就绪。
在有利的实施方式中，所述吹扫气体管路在每个校准气体管路与样气管路的通入口之间通入连接管路。这使得，在引入吹扫气体时，来自校准气体管路的残余气体不会被夹带。取而代之的是，校准气体被吹扫气体完全从连接管路移除。
也有利的是，所述气体输送单元具有多个校准气体管路，待测量的气体组分的不同浓度的校准气体能输入所述校准气体管路，其中，具有随着相对测量仪的距离增大而浓度升高的待测量的气体组分的校准气体管路通入连接管路。这点也用于，在测量仪上，在从连接管路一次排空先前使用的校准气体后，不会由于更高浓度的校准气体而出现污染，因为较低剂量的校准气体不经过较高剂量的校准气体的管路。相反，较高剂量的校准气体在连接管路的相反的端部处经过流出喷嘴完全排出。
优选地，在校准气体管路和吹扫气体管路下游的连接管路中布置有压力调节阀。相应地可以借助该阀门调节连接管路中的不同的校准气体和吹扫气体的压力。
在有利的实施方式中，在连接管路中布置有截止阀。相应地可以中断连接管路的不希望的通流。在这种情况下，例如该截止阀在分析样气时关闭，并且在校准和吹扫时打开。因此可以迅速地从管路排空样气，从而在短时间后就可以实施吹扫和校准。由于废气分析单元中的样气流较小，因此阻止样气在测量仪前附加地流出，并且因此确保为测量仪充分供给用于分析的样气。
在对此进一步的实施方式中，所述截止阀布置在压力调节阀的下游并且在样气管路通入连接管路的通入口的上游。因此，在样气的测量期间可以关闭通向其它管路的连接管路，从而没有附加的容积被样气通流。因此，即使废气量较小也能在最短时间内提供准确的测量结果。
在本发明的另外的有利的设计方式中，所述废气分析单元具有多个测量仪，所述测量仪分别通过样气管路和连接管路与主样气管路流体连通，其中，样气管路中的压力通过主样气管路的端部的背压调节器可调节。因此，在分析单元中进行测量时，可以仅通过一个压力调节器为多个测量仪调节样气压力，由此节约了构件。
此外，用于输送样气流的泵布置在测量仪的上游。这防止样气流由于废气分析单元中的较小的泄漏而被污染，因为气体不是被吸入，而是被设施压入。由此在设施中产生过压，该过压可靠地防止从外界流入并且能够使气流通过喷嘴流出。
有利地，所述泵输送2.5至3.0升/分钟的样气流量，从而可以使用相对小型地构造的膜片式泵。在气体取样如此小的情况下例如也可以分析来自废气再循环通道的废气，而不必担心对待测试的发动机的运行状态的不利影响。
为了实现这样的较小的通流速率并且但还确保管路中的足够的速度，所述样气管路以及连接管路的内径大约为2至4mm。
由此实现一种用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，利用该气体输送单元即使通流速率非常小也能实现非常短的响应时间内的准确的测量值，方式是防止测量值由于被外界或吹扫气体或校准气体污染而产生的错误。进一步避免由于取样对内燃机造成的影响。
按照本发明的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元的实施例在附图中示出并且以下对其进行说明。
图1示出按照本发明的废气分析单元的气体输送单元的流动线路示意图。
废气分析单元10被供给以来自废气源12、例如机动车内燃机的废气。分别根据使用的设施，分析单元10的废气或者稀释或者未稀释地被输送。对此，样气或者直接从取样管路或者从样气袋借助泵16被输入主样气管路14，在本实施例中，泵16将样气压入主样气管路14，从而可以避免样气由于在主样气管路14和随后的样气管路13中的泄漏而被污染。
主样气管路14具有不同的分支点15，从这些分支点15开始，样气流可以经由样气管路13朝不同的测量仪18被输送，测量仪18通常布置在开关柜中。这些测量仪18例如是用于确定碳水化合物的火焰离子化检测器分析仪、用于确定废气中的氮氧化物量的化学发光检测器分析仪或者是用于确定各种活性成分如一氧化碳、二氧化碳或碳水化合物的红外检测器分析仪，并且分别通过自有的连接管路20被供给以或者样气或者吹扫气体或者一种或多种校准气体。为了分别将正确的测量气体量输入测量仪18，在测量仪18前构造有节流阀或毛细管22，气流被节流阀或毛细管22限制。
在样气管路13的位于分支点15后的区段中布置有截止阀24，样气管路13通过该截止阀24能够在其通入连接管路20的通入口23前被截止。
在样气管路13的通入口23的上游，吹扫气体管路26通入连接管路20，通过吹扫气体管路20可以朝测量仪18的方向输送吹扫气体、例如氮气。在吹扫气体管路26中也有截止阀28，用于打开和关闭吹扫气体管路26。在本实施例中，在吹扫气体管路26的上游，三个校准气体管路30、32、34通入连接管路20，其中，各校准气体管路30、32、34通入连接管路20的通入口相对测量仪18的距离随着校准气体的浓度升高而增大。在这种情况下，随着与测量仪18的距离增大，浓度例如按10的乘方增加。在所有的校准气体管路30、32、34中又有截止阀36、38、40，各自的校准气体流通过截止阀36、38、40能被释放或中断。
在连接管路20的与测量仪18相反的端部41处布置有流出喷嘴42，分别位于连接管路20中的气体在输送另外的气体时通过该流出喷嘴42从连接管路20被压出，由此该气体不会朝测量仪18的方向回流。因此确保，例如在输送来自校准气体管路32的校准气体之后、在输送来自校准气体管路30的校准气体期间，来自校准气体管路32或连接管路20的上游区段的校准气体不被压向测量仪18。这会导致明显延长的校准时间，因为将残余气体从管路20、26、30、32、34完全移除会持续明显更长的时间。
为了调节校准气体和吹扫气体的压力，在连接管路20中，在样气管路13通入连接管路20的通入口23前布置有压力调节阀44和截止阀46，截止阀46在分析样气时被关闭，从而样气流不能朝校准气体管路30、32、34的方向流动并且因此这些校准气体管路30、32、34不被样气污染。
这种污染也通过如下方式被阻止，在截止阀46的下游从连接管路20分支出流出管路48，在流出管路48中布置有流出喷嘴50和时间控制的截止阀52，在输送吹扫气体或校准气体时，通过流出喷嘴50和截止阀52可以将先前存在于连接管路20中的气体、尤其样气压出连接管路20。在吹扫过程或校准过程期间，截止阀52打开，从而较大的量的相应气体能被输入连接管路20中，该气体则能够在最短的时间内将还位于连接管路20中的残余气体量排出，残余气体可以经由流出喷嘴50被输出。一旦转换到废气分析运行上，通过调节连接管路20中的截止阀46，少量的样气就足以清除剩余的连接管路段20和测量仪18中存在的气体。在结束校准或吹扫后，流出管路48中的截止阀52相应地调节并且关闭流出管路48的横截面，从而较少的样气量足以给测量仪18供给充足的样气。
在此，样气的压力通过背压调节器54调节，该背压调节器54布置在主样气管路14的端部并且在主样气管路14中的通向测量仪18的分支点15的下游。
样气管路仅具有大约2至4mm的直径并且以仅大约2.5至3升/分钟的体积流量被通流。这通过流出喷嘴42、50和截止阀24、46、52的特别的布置方式实现，尽管体积流量较小，但借助流出喷嘴42、50和截止阀24、46、52仍能实现评估先前输送的气体的存在的容积。较小的体积流量又能够实现那些产生非常少的废气量的区域中、例如废气再循环装置的区域中的废气测量，而不必担心对发动机的燃烧过程的影响。由于通过避免可通流的死区进行完全和可靠的评估，尽管较小的量但测量结果仍高精度。
应当清楚的是，本独立权利要求的保护范围不局限于所述实施例。本发明可用于各种废气测量设施。也可以不同地进行压力调节或者使用或多或少的校准气体。

Claims (12)

1.一种用于测量内燃机废气的废气分析单元(10)的气体输送单元，所述气体输送单元具有
用于分析样气的测量仪(18)；
校准气体管路(30；32；34)、吹扫气体管路(26)和样气管路(13)，这些管路通入共同的连接管路(20)，通过所述连接管路(20)能建立与测量仪(18)的流体连接；
在校准气体管路(30；32；34)、吹扫气体管路(26)和样气管路(13)中的截止阀(24、28、36、38、40)，样气流、校准气体流和吹扫气体流能够通过所述截止阀(24、28、36、38、40)有选择性地被截止或释放；
用于从废气源(12)输送样气流的泵(16)，
其特征在于，
所述样气管路(13)在相应的测量仪(18)与校准气体管路(30；32；34)以及吹扫气体管路(26)之间通入连接管路(20)，其中，在连接管路(20)的与测量仪(18)相反的端部上布置有流出喷嘴(42)，并且从连接管路(20)分支出流出管路(48)，在所述流出管路(48)中布置有流出喷嘴(50)和截止阀(52)。
2.按照权利要求1所述的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，
其特征在于，
所述流出管路(48)在样气管路(13)的通入口(23)与测量仪(18)之间从连接管路(20)分支出。
3.按照权利要求1或2所述的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，
其特征在于，
当校准气体管路(30、32、34)的截止阀(36、38、40)之一打开时，流出管路(48)中的截止阀(52)打开，当样气管路(13)的截止阀(24)打开时，流出管路(48)中的截止阀(52)关闭。
4.按照权利要求1所述的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，
其特征在于，
所述吹扫气体管路(26)在每个校准气体管路(30；32；34)与样气管路(13)的通入口(23)之间通入连接管路(20)。
5.按照权利要求1所述的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，
其特征在于，
所述气体输送单元具有多个校准气体管路(30、32、34)，待测量的气体组分的不同浓度的校准气体能输入所述校准气体管路(30、32、34)，其中，具有随着相对测量仪(18)的距离增大而浓度升高的待测量的气体组分的校准气体管路(30、32、34)通入连接管路(20)。
6.按照权利要求1所述的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，
其特征在于，
在校准气体管路(30；32；34)和吹扫气体管路(26)下游的连接管路(20)中布置有压力调节阀(44)。
7.按照权利要求1所述的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，
其特征在于，
在连接管路(20)中布置有另外的截止阀(46)。
8.按照权利要求7所述的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，
其特征在于，
所述另外的截止阀(46)布置在压力调节阀(44)的下游并且在样气管路(13)通入连接管路(20)的通入口(23)的上游。
9.按照权利要求1所述的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，
其特征在于，
所述废气分析单元(10)具有多个测量仪(18)，所述测量仪(18)分别通过样气管路(13)及连接管路(20)与主样气管路(14)流体连通，其中，样气管路(13)中的压力能通过主样气管路(14)的端部的背压调节器(54)被调节。
10.按照权利要求1所述的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，
其特征在于，
用于输送样气流的泵(16)布置在测量仪(18)的上游。
11.按照权利要求1所述的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，
其特征在于，
所述泵(16)输送2.5至3.0升/分钟的样气流量。
12.按照权利要求1所述的用于测量内燃机废气的废气分析单元的气体输送单元，
其特征在于，
所述样气管路(13)以及连接管路(20)的内径为2至4mm。
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