CN110031538A - 排气分析系统和排气分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供排气分析系统，使系统不会大规模化和价格昂贵，并能高精度分析排气所含的颗粒状物质，所述排气分析系统包括：排气流道(L1)，导入内燃机的排气；分路流道(L2)，从排气流道(L1)分路；第一分析装置(30a)，设置在排气流道(L1)中的分路流道(L2)的分路部位的下游，测定排气所含的颗粒状物质；第二分析装置(30b)，设置在分路流道(L2)，测定排气所含的颗粒状物质；以及温度调节机构(10)，对第一分析装置(30a)进行温度调节。

Description

排气分析系统和排气分析方法
技术领域
本发明涉及分析内燃机的排气的排气分析系统和排气分析方法。
背景技术
以往，作为分析排气所含的颗粒状物质的排气分析系统，如专利文献1所示，具备测定碳烟(soot)的碳烟测定系统以及测定有机溶剂可溶性成分(SOF：Soluble OrganicFraction)的SOF测定系统。
碳烟测定系统采用用于测定碳烟的扩散式荷电传感器(DCS：Diffusion ChargerSensor)，将取样的排气加热，使SOF挥发后，将所述排气借助配管导到DCS。
可是，按照上述的结构，由于排气会在至DCS的配管和DCS的内部冷却，导致排气所含的SOF产生凝聚，所以不能高精度分析碳烟。
而且，上述的结构因为分别具备用于测定碳烟和SOF的碳烟测定系统和SOF测定系统，所以产生系统大规模化的问题和系统昂贵的问题。
现有技术文献
专利文献1：日本专利公开公报特开2006-153716号
发明内容
为了一举解决上述问题，本发明的主要目的是使系统不会大规模化和价格昂贵，并能高精度分析排气所含的各种颗粒状物质。
即本发明的排气分析系统，包括：排气流道，导入内燃机的排气；分路流道，从所述排气流道分路；第一分析装置，设置在所述排气流道中的所述分路流道的分路部位的下游，测定所述排气所含的颗粒状物质；第二分析装置，设置在所述分路流道，测定所述排气所含的颗粒状物质；以及温度调节机构，将所述第一分析装置温度调节到高于所述第二分析装置的温度。
按照这种排气分析系统，由于通过温度调节机构将第一分析装置温度调节到高温，所以被导入第一分析装置的排气不会冷却，排气所含的SOF等挥发性成分不凝聚而保持汽化，能采用第一分析装置高精度分析例如碳烟等不挥发性成分。另外，作为对第一分析装置进行温度调节的方式，可以直接加热第一分析装置进行温度调节，也可以通过加热第一分析装置上连接的配管进行温度调节。
而且，通过将第二分析装置保持在低温，可以采用所述第二分析装置分析包含挥发性成分和不挥发性成分的颗粒状物质，因此通过比较第一分析装置的分析结果和第二分析装置的分析结果，能分析排气所含的挥发性成分。这样，即使不像以往那样分别具备碳烟测定系统和SOF测定系统，也能够分别分析不挥发性成分和挥发性成分，在不使系统大规模化和价格昂贵的前提下，能高精度分析排气所含的颗粒状物质。
在比较第一分析装置的分析结果和第二分析装置的分析结果的基础上，为具备各分析装置的分析条件，优选所述第一分析装置和所述第二分析装置采用彼此相同的分析原理。
这样如果使各分析装置采用相同的分析原理，可以通过比较各分析装置的分析结果来高精度分析挥发性成分。
为得到颗粒状物质中的挥发性成分的浓度等，优选还具备信息处理装置，所述信息处理装置从所述第一分析装置和所述第二分析装置取得输出，并且通过比较各分析装置的分析结果，计算排气所含的挥发性成分的颗粒状物质的浓度或与浓度相关的值。
为实时得到挥发性成分的浓度等，优选所述第一分析装置实时分析流过所述排气流道的排气，所述第二分析装置实时分析流过所述分路流道的排气。
可是，近年不仅是碳烟和SOF，希望测定还包含被称为硫酸盐的硫磺成分的颗粒状物质全部的要求增加，上述的现有结构只停留在SOF和碳烟的测定，而不能测定颗粒状物质全部。
在此，为了测定排气所含的颗粒状物质全部，优选所述第一分析装置和所述第二分析装置采用扩散荷电法测定颗粒状物质。
这样通过采用扩散荷电法，第二分析装置不仅测定碳烟和SOF，还可以测定还包含被称为硫酸盐的硫磺成分的全数颗粒状物质。
作为具体实施方式，优选所述第一分析装置测定颗粒状物质中的不挥发性成分，所述第二分析装置测定颗粒状物质中的不挥发性成分和挥发性成分。
按照这种结构，通过比较第一分析装置的分析结果和第二分析装置的分析结果，能分析排气所含的挥发性成分。
作为更具体的实施方式，可以列举所述第一分析装置测定至少包含碳烟的颗粒状物质，所述第二分析装置测定至少包含碳烟、SOF和硫酸盐的颗粒状物质的方式。
优选具备挥发性成分计算部，所述挥发性成分计算部从由所述第二分析装置得到的至少包含碳烟、SOF和硫酸盐的颗粒状物质的浓度，减去由所述第一分析装置得到的至少包含碳烟的颗粒状物质的浓度，计算至少包含SOF和硫酸盐的颗粒状物质的浓度。
按照这种结构，可以得到颗粒状物质中至少包含SOF和硫酸盐的挥发性成分的浓度。
加热至第一分析装置的排气流道时，由于加热过的排气的体积流量增大而流动加快，所以在分路部位分路的排气，相比到达第二分析装置，会先到达第一分析装置，使第一分析装置的分析结果与第二分析装置的分析结果不同步，而在不同步的情况下，比较上述分析结果会降低分析精度。
在此，优选形成从所述分路部位至所述第一分析装置为止的所述排气流道的配管，比形成从所述分路部位至所述第二分析装置为止的所述分路流道的配管，更长或直径更大。
按照这种结构，由于在分路部位分路的排气，几乎同时到达第一分析装置和第二分析装置，因此可以使第一分析装置的分析结果与第二分析装置的分析结果同步。
为保证第一分析装置的不挥发性成分的分析精度，优选由所述温度调节机构温度调节的所述第一分析装置的温度，在所述排气所含的挥发性成分的蒸发温度以上。
为保证分析精度，防止排气所含的水分在排气流道内凝聚，优选在所述排气流道中的所述分路部位的上游侧设有稀释器。
此外，本发明的排气分析方法是采用排气分析系统的排气分析方法，所述排气分析系统包括：排气流道，导入内燃机的排气；分路流道，从所述排气流道分路；第一分析装置，设置在所述排气流道中的所述分路流道的分路部位的下游，测定所述排气所含的颗粒状物质；以及第二分析装置，设置在所述分路流道，测定所述排气所含的颗粒状物质，其中，将所述第一分析装置温度调节到高于所述第二分析装置的温度。
按照这种排气分析方法，可以得到与上述的排气分析系统同样的作用效果。
按照上述结构的本发明，不会使系统大规模化和价格昂贵，并能高精度分析排气所含的各种颗粒状物质。
附图说明
图1是表示本实施方式的排气分析系统的结构的示意图。
图2是表示本实施方式的第一分析装置和第二分析装置的结构的示意图。
图3是表示本实施方式的信息处理装置的功能的功能框图。
附图标记说明
100 排气分析系统
L1 排气流道
L2 分路流道
10 温度调节机构
20a 第一分析装置
20b 第二分析装置
40 信息处理装置
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的排气分析系统的一个实施方式。
本实施方式的排气分析系统100分析从未图示的内燃机排出的排气所含的成分，这里用于排气中的颗粒状物质(PM)的测量。
具体所述排气分析系统100具备：导入取样的排气的排气流道L1；对排气流道L1进行温度调节的温度调节机构10；以及设置在排气流道L1并测定排气所含的颗粒状物质的第一分析装置20a。
排气流道L1对从内燃机排出的排气全部取样，并且向取样的排气混合稀释气体而生成稀释排气，所述排气流道L1中设有所谓全流通道的稀释器。另外，排气流道L1也可以利用对从内燃机排出的排气的一部分进行取样并稀释的所谓微型通道。
在本实施方式中，排气流道L1上设置有多个稀释器30，具体而言，第一稀释器30a与设置在所述第一稀释器30a的下游侧的第二稀释器30b串联配置。另外，排气流道L1上设置的稀释器也可以是一个。
温度调节机构10用于加热排气流道L1中的第二稀释器30b的下游侧，具体是将形成排气流道L1的配管或在所述配管内流动的排气，温度调节到排气所含的挥发性成分的蒸发温度以上的规定设定温度(例如191℃)的加热器等。
第一分析装置20a用于测定包括排气所含的颗粒状物质中的例如碳烟(soot)等的不挥发性成分，这里对在排气流道L1中流动的排气中的不挥发性成分进行实时分析。具体所述第一分析装置20a如图2所示，是利用扩散荷电法(Diffusion Charger法)的被称为扩散式荷电传感器(以下，记载为DCS)的能够分析不挥发性成分的装置，这里是用于计算颗粒状物质的质量浓度的装置。
更具体地，第一分析装置20a的DCS，通过电晕放电使导入的颗粒的表面带电，用电流检测部21检测与每单位体积的总颗粒长对应大小的电流。而后，通过预先求取表示总颗粒长与质量的关系的相关数据，可以根据所述相关数据和第一分析装置20a的输出(具体由电流检测部21检测的电流值)，连续计算颗粒状物质的质量浓度。
并且，在本实施方式的排气分析系统100中，上述的温度调节机构10将第一分析装置20a温度调节到高于后述第二分析装置的温度上。具体所述温度调节机构10将第一分析装置20a加热到排气所含的挥发性成分的蒸发温度以上的规定设定温度，这里加热到和排气流道L1相同的设定温度(例如191℃)。
另外，对排气流道L1进行温度调节的温度调节机构和对第一分析装置20a进行温度调节的温度调节机构可以互相分开，对排气流道L1进行温度调节的温度与对第一分析装置20a进行温度调节的温度，也可以是彼此不同的温度。
如图1所示，本实施方式的排气分析系统100还具备：从排气流道L1分路的分路流道L2；设置在分路流道L2并测定排气所含的颗粒状物质的第二分析装置20b；以及从第一分析装置20a和第二分析装置20b取得输出的信息处理装置40。
分路流道L2从排气流道L1中的第二稀释器30b的下游且在排气流道L1中由温度调节机构10进行温度调节的区域的上游分路，在这里不会被温度调节，保持在比排气所含的挥发性成分的蒸发温度低的温度(例如室温)。在本实施方式中，形成从分路部位X至第一分析装置20a为止的排气流道L1的配管直径，比形成从分路部位X至第二分析装置20b为止的分路流道L2的配管直径大。另外，作为更具体的方式，例如可以列举如下结构：在流入第一分析装置20a的排气的质量流量、与流入第二分析装置20b的排气的质量流量相等的情况下，从分路部位X至第一分析装置20a为止的排气流道L1的容积，与从分路部位X至第二分析装置20b为止的分路流道L2的容积，和各流道L1、L2的绝对温度成比例。
第二分析装置20b通过测定排气所含的颗粒状物质中的不挥发性成分和挥发性成分，测定全数颗粒状物质，这里实时分析在分路流道L2中流动的排气中的全数颗粒状物质。作为不挥发性成分，如上所述至少包含碳烟，作为挥发性成分，至少包含有机溶剂可溶性成分(SOF)和硫磺成分(硫酸盐)。第二分析装置20b的分析原理和第一分析装置20a相同，这里为DCS。所述第二分析装置20b保持比排气所含的挥发性成分的蒸发温度低的温度(例如室温)。
信息处理装置40是具备CPU、存储器和A/D转换器等的计算机，通过使CPU和周边设备根据存储在所述存储器的规定区域的程序协作，如图3所示，作为不挥发性成分计算部41、全数颗粒状物质计算部42和挥发性成分计算部43发挥功能。
不挥发性成分计算部41从第一分析装置20a取得输出并计算不挥发性成分的质量浓度，这里连续实时计算颗粒状物质中的至少包含碳烟的不挥发性成分的质量浓度。
全数颗粒状物质计算部42从第二分析装置20b取得输出并计算排气所含的全数颗粒状物质的质量浓度，这里连续实时计算至少包含碳烟、SOF和硫酸盐的颗粒状物质的质量浓度。
挥发性成分计算部43根据不挥发性成分计算部41和全数颗粒状物质计算部42的计算结果，计算挥发性成分的质量浓度。具体所述挥发性成分计算部43通过从由全数颗粒状物质计算部42计算的质量浓度减去由不挥发性成分计算部41计算的质量浓度，连续实时计算至少包含SOF和硫酸盐的挥发性成分的质量浓度。
按照上述结构的本实施方式的排气分析系统100，因为由温度调节机构10将第一分析装置20a温度调节到挥发性成分的蒸发温度以上，所以被导入第一分析装置20a的排气所含的挥发性成分不凝聚而保持汽化。这样，可以采用第一分析装置20a高精度计算例如包含碳烟等的不挥发性成分的质量浓度。
而且，由于将分路流道L2和第二分析装置20b保持在比挥发性成分的蒸发温度低的规定温度，因此可以采用第二分析装置20b计算至少包含碳烟、SOF和硫酸盐的全数颗粒状物质的质量浓度。这样，通过比较第一分析装置20a的计算结果和第二分析装置20b的计算结果，能分析排气所含的挥发性成分。因此，即使不分别具备用于测定碳烟的分析装置和用于测定SOF的分析装置，也能够分别分析不挥发性成分和挥发性成分，不会使系统大规模化和价格昂贵，并能高精度分析排气所含的颗粒状物质。
此外，通过这样分析不挥发性成分和挥发性成分双方，能够从不挥发性成分的分析结果评价例如燃料的喷射的均匀性，并可以从挥发性成分的分析结果评价例如燃料的不完全燃烧的程度。
此外，因为形成从分路部位X至第一分析装置20a为止的排气流道L1的配管直径，大于形成从分路部位X至第二分析装置20b为止的分路流道L2的配管直径，所以能够使在分路部位X分路的排气几乎同时到达第一分析装置20a和第二分析装置20b，实现了第一分析装置20a的分析结果与第二分析装置20b的分析结果的同步。这样，可以实时测定不挥发性成分、挥发性成分和全数颗粒状物质的质量浓度等。
而且，由于排气流道L1上设有稀释器，所以能够防止排气所含的水分在排气流道L1内凝聚，可以保证分析精度。
另外，本发明不限于上述实施方式。
例如，作为实现第一分析装置20a的分析结果与第二分析装置20b的分析结果同步的方式，也可以使形成从分路部位X至第一分析装置20a为止的排气流道L1的配管，长于形成从分路部位X至第二分析装置20b为止的分路流道L2的配管。
此外，也可以在从分路部位X至第一分析装置20a为止的排气流道L1以及从分路部位X至第二分析装置20b为止的分路流道L2设置例如临界流量文丘里和质量流量控制器等，适当控制流入第一分析装置20a的排气流量和流入第二分析装置20b的排气流量，使在分路部位X分路的排气几乎同时到达第一分析装置20a和第二分析装置20b。
而且，在分路部位X分路的排气，不同时到达第一分析装置20a和第二分析装置20b时，挥发性成分计算部43也可以通过例如从全数颗粒状物质计算部42计算的质量浓度，减去在所述全数颗粒状物质计算部42的计算时刻的规定时间前由不挥发性成分计算部41计算的质量浓度，由此计算挥发性成分的质量浓度。
所述实施方式的温度调节机构10对第一分析装置20a直接加热，但是作为温度调节机构10，也可以不必直接加热第一分析装置20a，而通过加热与第一分析装置20a连接的排气流道L1中的分路部位X的下游侧，以其热量对第一分析装置进行温度调节。
此外，第二分析装置20b在上述实施方式中保持室温，但是只要是低于测定对象的挥发性成分的蒸发温度的温度，也可以被加热，也可以被冷却。
第一分析装置20a和第二分析装置20b，不限于计算颗粒状物质的质量浓度，也可以用于计算颗粒状物质的数量(PN)、质量、个数浓度等与浓度相关的值。
信息处理装置可以不具备不挥发性成分计算部41和全数颗粒状物质计算部42的功能，可以是第一分析装置20a具备不挥发性成分计算部41，第二分析装置20b具备全数颗粒状物质计算部42。
可是，第一分析装置20a中的电流检测部21具备对电信号进行放大的前置放大器等放大器时，加热所述放大器会产生噪声。
在此，作为解决所述问题的一个方式，可以列举使前置放大器从电流检测部21的主体分离不向前置放大器传递热量的程度。不过，前置放大器与主体的分离距离变大时，将其连接的导线变长，导线上容易产生噪声。在此，作为另一方式，考虑使用风扇和散热构件等冷却手段，用以冷却前置放大器和连接前置放大器与主体的导线。
此外，作为另一方式，可以考虑将前置放大器配置在加热装置10不对电流检测部21加热的部位。
另外，在上述的各方式中，不是必须完全不对前置放大器传递热量，只要是能够保证分析精度的程度，也可以略微传递热量。此外，当希望将前置放大器调整到规定的温度时，可以通过改变上述风扇的风量和温度调节机构10的热量等，将前置放大器调整到所述所定的温度。
第一分析装置20a和第二分析装置20b不限于DCS，只要能分析排气所含的颗粒状物质中的不挥发性成分即可，作为这种可以列举凝聚颗粒计数器(CPC)、电子式低压冲击器(ELPI)、扫描型移动度颗粒分析器(SMPS)等。
本发明的排气分析系统，能够搭载在路上行驶的车辆上，从而可以利用其例如实时测定在路上实际行驶中从内燃机排出的排气所含的不挥发性成分的颗粒状物质、挥发性成分的颗粒状物质和全数颗粒状物质。
此外，本发明不限于上述实施方式，在不脱离其发明思想的范围内可以进行各种变形。

Claims (12)

1.一种排气分析系统，其特征在于包括：
排气流道，导入内燃机的排气；
分路流道，从所述排气流道分路；
第一分析装置，设置在所述排气流道中的所述分路流道的分路部位的下游，测定所述排气所含的颗粒状物质；
第二分析装置，设置在所述分路流道，测定所述排气所含的颗粒状物质；以及
温度调节机构，将所述第一分析装置温度调节到高于所述第二分析装置的温度。
2.根据权利要求1所述的排气分析系统，其特征在于，所述第一分析装置和所述第二分析装置采用彼此相同的分析原理。
3.根据权利要求1所述的排气分析系统，其特征在于，还具备信息处理装置，所述信息处理装置从所述第一分析装置和所述第二分析装置取得输出，并且通过比较各分析装置的分析结果，计算排气所含的挥发性成分的颗粒状物质的浓度或与浓度相关的值。
4.根据权利要求1所述的排气分析系统，其特征在于，
所述第一分析装置实时分析流过所述排气流道的排气，
所述第二分析装置实时分析流过所述分路流道的排气。
5.根据权利要求1所述的排气分析系统，其特征在于，所述第一分析装置和所述第二分析装置采用扩散荷电法测定颗粒状物质。
6.根据权利要求1所述的排气分析系统，其特征在于，
所述第一分析装置测定颗粒状物质中的不挥发性成分，
所述第二分析装置测定颗粒状物质中的不挥发性成分和挥发性成分。
7.根据权利要求1所述的排气分析系统，其特征在于，
所述第一分析装置测定至少包含碳烟的颗粒状物质，
所述第二分析装置测定至少包含碳烟、SOF和硫酸盐的颗粒状物质。
8.根据权利要求7所述的排气分析系统，其特征在于，具备挥发性成分计算部，所述挥发性成分计算部从由所述第二分析装置得到的至少包含碳烟、SOF和硫酸盐的颗粒状物质的浓度，减去由所述第一分析装置得到的至少包含碳烟的颗粒状物质的浓度，计算至少包含SOF和硫酸盐的颗粒状物质的浓度。
9.根据权利要求1所述的排气分析系统，其特征在于，形成从所述分路部位至所述第一分析装置为止的所述排气流道的配管，比形成从所述分路部位至所述第二分析装置为止的所述分路流道的配管，更长或直径更大。
10.根据权利要求1所述的排气分析系统，其特征在于，由所述温度调节机构温度调节的所述第一分析装置的温度，在所述排气所含的挥发性成分的蒸发温度以上。
11.根据权利要求1所述的排气分析系统，其特征在于，在所述排气流道中的所述分路部位的上游侧设有稀释器。
12.一种排气分析方法，是采用排气分析系统的排气分析方法，所述排气分析系统包括：排气流道，导入内燃机的排气；分路流道，从所述排气流道分路；第一分析装置，设置在所述排气流道中的所述分路流道的分路部位的下游，测定所述排气所含的颗粒状物质；以及第二分析装置，设置在所述分路流道，测定所述排气所含的颗粒状物质，
所述排气分析方法的特征在于，将所述第一分析装置温度调节到高于所述第二分析装置的温度。
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