DE69021836T2

DE69021836T2 - Verdünnungssystem mit Mehrrohrströmungsteiler.

Info

Publication number: DE69021836T2
Application number: DE69021836T
Authority: DE
Inventors: Souhei Abe; Izumi Fukano; Yoshinaka Takeda; Akira Yamasaki
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1990-09-28
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2010-09-29
Also published as: US5090258A; EP0428850A1; DE69021836D1; EP0428850B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung nach dem Oberbegriff des Patentanspmchs 1, um ein zu prüfendes bzw. zu untersuchendes Gas bei einem vorbestimmten Teilungsverhältnis zu teilen, ein abgeteiltes Gas zu verdünnen, und eine Probe zu entnehmen bzw. abzutasten und das verdünnte Gas nach seinen Komponenten oder Bestandteilen zu untersuchen.
Zu dem Zweck der Verringerung von Luftverschmutzung, die durch Automobilabgase bewirkt wird, ist es erforderlich, Automobilabgase abzutasten bzw. zu untersuchen und bestimmte Materialien, die in den Abgasen enthalten sind, und andere Komponenten davon zu analysieren. Gesamtverdünnungskanalsysteme, die verwendet werden, um die gesamte Menge des abgetasteten Abgases zu verdünnen, weisen große Abmessungen auf, und erfordern einen großen Kostenaufwand. Im Hinblick darauf ist ein Strömungsteilungs-Verdünnungskanalsystem vorgeschlagen worden, das einen kleindimensionierten Verdünnungskanal zum Verdünnen eines abgeteilten Stromes des Abgases einsetzt.
Die Figur 14 der beigefügten Zeichnungen stellt ein übliches Strömungsteilungs- Verdünnungskanalsystem dar, das in der JP-A-1 044 735 offenbart wurde. In dem üblichen Strömungsteilungs-Verdünnungskanalsystem wird das von der Maschine des Automobils abgegebene Abgas durch einen Mehrrohrströmungsteiler 2, der mehrere Strömungsteilungsrohre 1 aufweist, die den gleichen Durchmesser und die gleiche Länge haben, in einen Saugtank 3 eingeleitet. Das Abgas wird danach von dem Saugtank 3 durch ein Flammrohr 17 entlassen. Eines der Strömungsteilungsrohre 1 erstreckt sich aus dem Strömungsteiler 2 und weist einen stromabwärtigen Endabschnitt auf, der als ein Einlaßrohr 4 in einen Verdünnungskanal 5 eingeführt ist. Der Verdünnungskanal 5 weist eine Einrichtung 6 mit einer konstanten Saugrate in seinem stromabwärtigen Ende auf. Die Saugeinrichtung 6 zieht Umgebungsluft von dem stromaufwärtigen Ende des Verdünnungstunnels 5 durch ein die Rate regulierendes Butterfly-Ventil 24 in den Verdünnungskanal 5 hinein. Das abgeteilte Abgas, das durch das Einlaßrohr 4 in den Verdünnungskanal 5 eingeführt worden ist, wird durch Luft oder ein Verdünnungsgas von dem Butterfly-Ventil 24 in einer Position unmittelbar stromaufwärts einer Mischungsöffnung 7 verdünnt. Kleine bzw. feine Teilchen des verdünnten Gases werden durch einen korrigierenden Filter 30 hindurchgeführt, und durch eine Abtasteinrichtung 31 mit konstanter Rate abgetastet, oder durch einen Abgasanalysator 32 analysiert.
Das in Figur 14 gezeigte Strömungsverteilungs-Verdünnungskanalsystem vermag ein abgeteiltes Abgas durch das Einlaßrohr 4 in den Verdünnungskanal 5 bei einem Teilungsverhältnis einleiten, das zu dem Verhältnis der Anzahl des Einlaßrohrs 4 zu der Anzahl der Strömungsteilungsrohre 1 gleich ist. Das eingeführte Abgas wird durch die Verdünnungsluft verdünnt und das verdünnte Gas wird danach nach seinen Bestandteilen abgetastet und analysiert.
Wenn sich jedoch die Ausgangsleistung der Maschine des Automobils verändert, verändert sich auch der Druckverlust des Mehrrohrströmungsteilers 2, woraus sich Fluktuationen des Verhältnisses der Menge des abgeteilten Abgases, welches in den Verdünnungstunnel 5 durch das Einlaßrohr 4 eingeleitet wird, zu der Menge des Gesamtabgases ergeben, das in den Strömungsteiler 2 fließt. Wenn dies geschieht, kann das verdünnte Abgas nicht genau nach seinen Bestandteilen analysiert werden. Dieses Problem kann gelöst werden, wenn ein Druckverlust an das Einlaßrohr 4 angelegt wird, der einer Veränderung des Druckverlustes des Mehrrohrströmungsteilers 2 infolge einer Änderung der Gesamtmenge des eingeleiteten Abgases gleich ist.
Ein Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der JP-A-1-38626 (A) bekannt. In diesem bekannten System wird ein Verdünnungsrohr aus einem Abgaskanal bei einem vorbestimmten Abzweigungsverhältnis abgezweigt. Das abgezweigte Gas wird zu einem NOx- Anzeiger geleitet, um analysiert zu werden.
Die EP-A-0 388 392, die ein Dokument nach dem Stand der Technik darstellt, das nur im Hinblick auf die Neuheitserfordernisse in Betracht zu ziehen ist, beschreibt ein Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung. Dieses System enthält einen Strömungsteiler und einen Verdünnungskanal, wie sie auch in der Zusammenfassung des oben erörterten Dokumentes nach dem Stand der Technik JP-A-1-38626 erörtert wird. Darüberhinaus zeigt dieses Dokument mehrere Teilungsraten- Steuerventile, die um eine zentrale Achse des Auslaßrohres des Verdünnungskanals angeordnet sind. Die Ventile enthalten jeweilige Öffnungen, um ein unter Druck gesetztes Verdünnungsgas auszustoßen. Ein Auslaßraten-Steuerventil ist angeordnet, um eine Rate zu regulieren, bei der das unter Druck gesetzte Verdünnungsgas aus den Durchgängen der Teilungsraten-Steuerventile ausgestoßen wird. Eine Quelle des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases wird an die Teilungsraten-Steuerdüse angeschlossen und der Strom des Verdünnungsgases geht durch das Auslaßraten- Steuerventil. Darüberhinaus ist eine Steuereinrichtung an das Auslaßraten-Steuerventil angeschlossen, um dieses zu steuern.
Dieses System umfaßt keinen Mehrfachteiler. Zusätzlich wird das unter Druck gesetzte Verdünnungsgas in den Abtast- bzw. Probestrom eingeleitet, bevor es in den Verdünnungstunnel eintritt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hochgenaues Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung zur Verfügung zu stellen, das ein zu untersuchendes Abgas, das bei einer genauen Teilungsrate abgeteilt worden ist, die dem Verhältnis der Anzahl eines Einlaßrohres zu der Anzahl von Strömungsteilungsrohren gleich ist, in einen Verdünnungskanal einzuleiten, ungeachtet der Fluktuationen der Gesamtmenge eines Abgases, von dem das zu untersuchende Abgas abgeteilt worden ist, so daß das Abgas mit hoher Genauigkeit nach seinen Komponenten oder Bestandteilen geprüft werden kann.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein hochgenaues Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung zur Verfügung zu stellen, das eine Steuereinrichtung zur automatischen Abgleichung des statischen Drucks an dem Auslaß eines Einlaßrohres und den statischen Druck an dem Auslaß eines Mehrrohrströmungsteilers zueinander aufweist, um dadurch ein Abgas bei einem genauen Teilungsverhältnis abzuteilen, das zu dem Verhältnis der Anzahl des Einlaßrohres und der Anzahl der Strömungsteilungsrohre gleich ist, und daß das abgeteilte Abgas in einen Verdünnungskanal einleitet, um es so hochgenau nach seinen Komponenten oder Bestandteilen zu testen bzw. zu prüfen.
Die obigen Aufgaben werden durch ein Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die in den Unteransprüchen aufgelisteten Merkmale definiert.
Die Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung basieren auf den nachfolgenden Merkmalen:
Mehrere Teilungsverhältnis-Steuerdüsen, die in dem Verdünnungskanal unmittelbar stromabwärts eines Auslasses des Einlaßrohres angeordnet und symmetrisch um eine Zentral- bzw. Hauptachse des Auslasses des Einlaßrohres eingerichtet sind, wobei die Teilungsverhältnis-Steuerdüsenjeweilige Düsenlöcher zum Ausstoßen eines unter Druck gesetzten Verdünnungsgases in Richtung auf eine Position stromabwärts des Auslasses des Einlaßrohres aufweisen;
ein Ausströmraten-Steuerventil, um eine Rate einzustellen, bei der das unter Druck gesetzte Verdünnungsgas von den Teilungsverhältnis-Steuerventilen ausgestoßen wird;
eine Quelle des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases, wobei die Quelle an die Teilungsverhältnis-Steuerdüsen über das Strömungsraten-Steuerventil angeschlossen ist; und
eine Steuereinrichtung, die an das Strömungsraten-Steuerventil angeschlossen ist, um das Ausströmraten-Steuerventil so zu steuern, daß ein statischer Druck an dem Auslaß des Einlaßrohres und ein statischer Druck an dem Auslaß des Mehrrohrströmungsverteilers aneinander angeglichen werden.
Zusammengefaßt weist ein Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung gemäß der vorliegenden Erfindung einen Mehrrohrströmungsteiler, mehrere Teilungsverhältnis-Steuerdüsen, mehrere Detektoren für den statischen Druck, einen Saugtank, ein Butterfly- bzw. Schmetterlings-Ventil und eine Steuerung auf.
Der Mehrrohrströmungsteiler weist mehrere parallele Strömungsteilungsrohre auf, von denen sich eines als ein Einlaßrohr in einen Verdünnungskanal erstreckt. Ein Abgas, das durch das Einlaßrohr bei einem Teilungsverhältnis entsprechend dem Verhältnis der Anzahl des Einlaßrohres zu der Anzahl der Strömungsteilungsrohre abgeteilt wird, wird durch das Einlaßrohr in den Verdünnungskanal eingeleitet. Die Teilungsverhältnis-Steuerdüsen sind in den Verdünnungskanal unmittelbar stromabwärts von einem Auslaß des Einlaßrohres angeordnet, und sind symmetrisch um eine zentrale Achse des Auslasses des Einlaßrohres angeordnet, wobei die Teilungsverhältnis-Steuerdüsen jeweilige Düsenlöcher zum Ausstoßen eines unter Druck gesetzten Verdünnungsgases in Richtung auf eine stromabwärtige Position des Auslasses des Einlaßrohres aufweisen. Die Teilungsraten-Steuerventile weisen eine zentrale Achse auf, die winkelmäßig von der zentralen Achse des Auslasses des Einlaßrohres um einen Winkel in einem Bereich von 40º bis 50º beabstandet ist. Wenn der Druck von dem Verdünnungsgas, das von den Teilungsverhältnis- Steuerdüsen ausgestoßen wird, anwächst, verändert sich der statische Druck an dem Auslaß des Einlaßrohres linear und kann folglich gut gesteuert werden.
Die Detektoren für den statischen Druck sind jeweilig an dem Auslaß des Einlaßrohres und dem Auslaß des Mehrrohrströmungsteilers angeordnet, um Informationen im Hinblick auf den statischen Druck an dem Auslaß des Einlaßrohres und dem Auslaß des Strömungsteilers zu erfassen.
Die Detektoren für den statischen Druck sind stromaufwärts von den Auslaßenden des Einlaßrohres und des Mehrrohrströmungsteilers über eine Entfernung angeordnet, die zumindest dem inneren Durchmesser der Strömungsteilungsrohre einschließlich dem Einlaßrohr gleich ist, oder jeder der Detektoren für den statischen Druck weist mehrere Detektoreinheiten auf, die axial gleichermaßen von den Auslaßenden des Einlaßrohrs und des Mehrrohrströmungsteilers beabstandet sind, um Informationen über den mittleren statischen Druck zu der Steuereinrichtung zu übertragen, so daß Variationen bzw. Änderungen des erfaßten statischen Drucks eliminiert werden können.
Der Saugtank kombiniert Abgase, die von den Strömungsteilungsrohren des Mehrrohrströmungsteilers abgegeben werden, und führt das kombinierte Abgas einem Durchgang zu, wie etwa einem Flammrohr, das an die Atmosphäre entlüftet wird.
Das Butterfly-Ventil kann die Druckdifferenz zwischen dem Saugtank und dem Durchgang regulieren und kann im besonderen den statischen Druck an den Auslässen der Strömungsteilungsrohre des Mehrrohrströmungsteilers bis zu einem Niveau erhöhen, das höher ist als der statische Druck an dem Auslaß des Einlaßrohres.
Das Auslaßraten-Steuerventil bzw. Auströmraten-Steuerventil, das die Rate, bei der ein Verdünnungsgas aus dem Teilungsverhältnis-Zustandsdüsen in den Verdünnungskanal ausgestoßen wird, erhöht oder verringert, ist an die Steuerung angeschlossen.
An das Auslaßraten-Steuerventil ist eine Quelle eines unter Druck gesetzten Verdünnungsgases zum Zuführen des Verdünnungsgases angeschlossen. Die Steuerung steuert die Öffnung des Auslaßraten-Steuerventils, so daß bzw. sowie den statischen Druck an dem Auslaß des Einlaßrohres und den statischen Druck an dem Auslaß des Mehrrohrströmungsteilers.
Das unter Druck gesetzte Verdünnungsgas wird in Richtung des stromabwärtigen Auslasses des Einlaßrohres ausgestoßen, um den statischen Druck an dem Auslaß des Einlaßrohres und den statischen Druck an dem Auslaß des Mehrrohrströmungsteilers abzugleichen. Deshalb kann das Abgas ungeachtet der Fluktuationen der Rate, bei der das Abgas in das Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung eingeleitet wird, zu jederzeit bei einer konstanten Teilungsrate abgeteilt werden. Das abgeteilte Abgas wird danach in dem Verdünnungskanal verdünnt und anschließend wird das verdünnte Abgas abgetastet bzw. untersucht und nach seinen Komponenten oder Bestandteilen analysiert.
Die Steuerung steuert das Auslaßraten-Steuerventil in Abhängigkeit zu den Informationen bezüglich des statischen Drucks an dem Auslaß des Einlaßrohres und dem Auslaß des Mehrrohr-Strömungsteilers, um die Rate, bei der das Verdünnungsgas durch die Teilungsverhältnis-Steuerventile in den Verdünnungskanal ausgestoßen wird, zu erhöhen oder zu verringern, um dadurch den statischen Druck an dem Auslaß des Einlaßrohres und den statischen Druck an dem Auslaß des Mehrrohr- Strömungsteilers automatisch an- bzw. abzugleichen. Folglich kann das Abgas immer bei einem konstanten Verhältnis geteilt werden und das abgeteilte Abgas wird verdünnt, abgetastet bzw. untersucht und nach seinen Bestandteilen überprüft.
Die obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile nach der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung klarer hervorgehen, wenn diese in Verbindung mit den beigefügten Darstellungen herangezogen wird, in denen bevorzugte Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung mittels darstellerischer Beispiele gezeigt werden.
Figur 1 ist eine schematische querschnittliche Ansicht teilweise in Blockform, von einem Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung gemäß einer Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ist eine teilweise querschnittliche Ansicht eines Detektors für den statischen Druck in dem in Figur 1 gezeigten Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung;
Figur 3 ist ein Diagramm, das die Art zeigt, in der sich die durch die Detektoren für den statischen Druck erfaßten Drücke ändern;
Figuren 4A und 4B sind teilweise querschnittliche Ansichten, die einen eingekreisten Abschnitt II in Figur 1 zeigen;
Figuren 5A und 5B sind querschnittliche Ansichten, die entlang der Linien III-III nach den Figuren 4A bzw. 4B genommen sind;
Figuren 6A, 6B und 6C sind teilweise querschnittliche Ansichten, die jeweils verschiedene Teilungsratensteuerdüsen zeigen;
Figur 7 ist ein Diagramm, das die statischen Drücke an dem Auslaß von einem Einlaßrohr in den in den Figuren 6A, 6B bzw. 6C gezeigten Anordnungen wiedergibt;
Figuren 8 und 9 sind Diagramme, die jeweils das Verhältnis zwischen einem Verdünnungsgasdruck, einem statischen Druck an dem Auslaß eines Einlaßrohres und einen statischen Druck an dem Auslaß eines Mehrrohrströmungsteilers in dem in Figur 1 gezeigten Verdünnungskanalsystem mit Melrrrohrströmungsteilung zeigen;
Figur 10 ist ein Diagramm, das eine Karte bzw. Kurve zum Berechnen eines Ausgang eines Auslaßraten-Steuerventils mit einer Steuerung in dem in Figur 1 gezeigten Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung wiedergibt;
Figur 11 ist ein Flußdiagramm einer Drucksteuerungsbefehlsfolge, die durch das in Figur 1 gezeigte Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung beeinflußt wird;
Figur 12 ist eine schematische querschnittliche Ansicht teilweise in Blockform eines Verdünnungskanalsystems mit Mehrrohrströmungsteilung nach einer anderen Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung;
Figur 13 ist ein Flußdiagramm einer Drucksteuerungsbefehlsfolge, die durch das in Figur 12 gezeigte Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung beeinflußt wird; und
Figur 14 ist eine schematische Ansicht eines konventionellen Verdünnungskanalsystems mit Strömungsteilung.
Die Figur 1 zeigt schematisch ein Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung gemäß einer Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung.
Das von der Maschine eines Automobils abgegebene Abgas wird in einen Mehrrohr- Strömungsteiler 2 eingeleitet, der mehrere Strömungsteilungsrohre 1 aufweist, die den gleichen Durchmesser und die gleiche Länge haben. Das Abgas wird danach von dem Strömungsteiler 2 in die Atmosphäre ausgegeben bzw. entlassen. Eines der Strömungsteilungsrohre 1 erstreckt sich aus dem Strömungsteiler 2 und hat einen stromabwärtigen Endabschnitt, der als ein Einlaßrohr 4 in einen Strömungskanal 5 eingeleitet wird. Umgebungsluft wird als Verdünnungsluft in den Verdünnungskanal 5 von seinem stromaufwärtigen Ende durch ein ratenregulierendes Butterfly-Ventil 24 eingeleitet, das in dem Verdünnungskanal 5 angeordnet ist. Das abgeteilte Abgas, das durch das Einlaßrohr 4 in den Verdünnungskanal 5 eingeleitet worden ist, wird durch Verdünnungsluft von dem Butterfly-Ventil 24 in einer Position unmittelbar stromaufwärts von einer Mischöffnung 7 verdünnt.
Zwischen dem stromabwärtigen Ende des Einlaßrohres 4 und der Mischungsöffnung 7 sind mehrere Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10 (nur in Figur 1 gezeigt) angeordnet, die in dem Verdünnungskanal 5 positioniert sind und über Rohre an eine Quelle 19 für unter Druck gesetztes Verdünnungsgas angeschlossen sind, welche außerhalb des Verdünnungskanals 5 angeordnet ist, über ein Ausstoßraten- Steuerventil 18, das die Rate bei der ein unter Druck gesetztes Verdünnungsgas von den Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10 ausgelassen wird, erhöht oder verringert. Die Teilungsverhältnis-Steuerventile 10 sind symmetrisch um die Zentral- bzw. Hauptachse des stromabwärtigen Auslaßendes des Einlaßrohres 4 angeordnet. Eine Strömungsgleichrichtungsplatte 13 ist zwischen dem Butterfly-Ventil 24 und dem Einlaßrohr 4 in dem Verdünnungskanal 5 angeordnet.
Das Auslaßraten-Steuerventil 18 kann einen elektropneumatischen Meßgrößenumformer aufweisen, um den Druck eines unter Druck gesetzten Verdünnungsgases in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal Du, das daran angelegt wird, zu erhöhen und zu verringern. Das unter Druck gesetzte Verdünnungsgas kann unter Druck gesetzte Luft sein und die Quelle 19 für das unter Druck gesetzte Verdünnungsgas kann einen Lufttank oder dergleichen aufweisen, welchem von Zeit zu Zeit unter Druck gesetzte Luft zugeführt wird.
Das in Figur 1 gezeigte Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung enthält Detektoren 20, 21 für den statischen Druck, um einen statischen Druck Ps2 an dem Auslaß des Einlaßrohres 4 bzw. einen statischen Druck Ps3 an dem Auslaß des Mehrrohr-Strömungsteilers 2 zu erfassen. Das Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung hat auch einen Detektor 23 für den statischen Druck, um den Druck Ps4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases zu erfassen. Von den Detektoren 20, 21 für den statischen Druck erfaßte Signale werden über einen Differentialdmckdetektor 11 an eine Steuerung 12 angelegt. Ein erfaßtes Signal von einem Detektor 23 für den statischen Druck wird unmittelbar zu der Steuerung 12 geleitet.
Wie in Figur 2 gezeigt, weist der Detektor 20 für den statischen Druck mehrere Detektoreinheiten 201 auf, die auf dem Einlaßrohr 4 an einer Stelle angeordnet sind, welche stromaufwärts von dem Auslaßende des Einlaßrohrs 4 über einen Abstand beabstandet sind, der größer als der innere Durchmesser d des Einlaßrohres 4 ist (in dieser Ausführungsform ist der Abstand ungefähr 2 x d). Diese Anordnung der Detektoreinheit 201 ist bei der Verringerung der erfaßten Druckfluktuationen wirksam, die ansonsten durch Druckschwankungen bzw. -pulsationen erzeugt werden würden. In dieser Ausführungsform sind vier Detektoreinheiten 201 winkelmäßig in der umfänglichen Richtung des Einlaßrohrs 4 beabstandet, jedoch gleichermaßen axial von dem Auslaßende des Einlaßrohrs 4 beabstandet. Jedoch sind nur zwei der Detektoreinheiten 201 in Figur 2 gezeigt. Die Detektoreinheiten 201 sind über eine Verbindung 202 zusammengeschlossen, die von den Detektoreinheiten 201 über einen bestimmten Abstand entfernt ist. Die statischen Drücke, die von den Detektoreinheiten 201 eingeleitet werden, werden durch das Verbindungsteil 202 gemittelt, und der mittlere statische Druck wird als statischer Druck Ps2 verwendet. Die Detektoreinheiten 201 und das Verbindungsglied 202 wirken miteinander zusammen, um Veränderungen oder Abweichungen bzw. Fluktuationen in dem erfaßten statischen Druck zu verringern, so daß äußerst verläßliche Informationen über den Druck durch den Detektor 20 für den statischen Druck erzeugt werden können.
Der Detektor 21 für den statischen Druck weist die gleiche Konstruktion auf wie in Figur 2 gezeigt, und wird nicht im einzelnen beschrieben.
Wie in Figur 1 gezeigt, kann das Butterfly-Ventil 24 zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung durch eine übliche elektrische Betätigungseinrichtung 26 bewegt werden, die durch die Steuerung 12 gesteuert wird.
Wie in den Figuren 4(A), 4(B) und 5(A), 5(B) gezeigt, erstrecken sich die an die jeweiligen Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10 angeschlossenen Rohre durch die Wand des Verdünnungskanals 5. Jede der Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10 weist eine Haupt- bzw. Zentralachse l1 auf, die winkelmäßig um einen Winkel θ (welcher aus den unten beschriebenen Gründen 45º beträgt) von einer zentralen Achse l2 des stromabwärtigen Auslaßendes des Einlaßrohres 4 beabstandet ist. Jede der Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10 weist ein Düsenloch auf, das von dem stromabwärtigen Auslaßende des Einlaßrohres 4 um einen Abstand X entfernt liegt. Die Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10 sind in einem gegenüberliegenden Verhältnis zueinander um die zentrale Achse bzw. Hauptachse l2 des Auslasses des Einlaßrohres 4 angeordnet, und symmetrisch auf eine Position stromabwärts des Auslaßendes des Einlaßrohres 4 ausgerichtet.
Es gibt acht Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10, die jeweils einen inneren Durchmesser von ungefähr 2 mm haben, wobei das Einlaßrohr 4 einen inneren Durchmesser von ungefähr 10 mm hat. Die Düsenlöcher der Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10 sind 10 mm von dem stromabwärtigen Auslaßende des Einlaßrohrs 4 entfernt (siehe Figur 4B).
Mit den so festgelegten Parametern der Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10 verändert sich der statische Druck Ps2 an dem Auslaß des Einlaßrohres 4 und der statische Druck Ps3 an dem Auslaß des Mehrrohr-Strömungsteilers 2 gemäß einer Kurve a nach Figur 7, wenn der Druck P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases durch das Auslaßraten-Steuerventil 18 reguliert wird. Da der statische Druck Ps2 an dem Auslaß des Einlaßrohres 4 im wesentlichen linear im Hinblick auf den Druck P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases variiert, kann der statische Druck Ps2 gut so gesteuert werden, daß er dem statischen Druck Ps3 an dem Auslaß des Mehrrohr-Strömungsteilers 2 gleich ist.
Der Winkel θ zwischen der Zentral- bzw. Hauptachse l1 der Teilungsverhältnis- Steuerdüsen 10 und der Zentral- bzw. Hauptachse l2 des Auslasses des Einlaßrohres 4 kann sich in dem Bereich von 0º ≤ θ ≤ 180º befinden.
Die Figur 6A zeigt Teilungsverhältnis-Steuerventile mit dem Winkel θ bei ungefähr 45 ± 5º. Die Figur 6B zeigt Teilungsverhältnis-Steuerventile mit dem Winkel θ in der Umgebung von 90º. Die Figur 6C zeigt Teilungsverhältnis-Steuerventile mit dem Winkel θ bei ungefähr 135º. Der statische Druck Ps2 verändert sich im Hinblick auf den Druck P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases mit diesen unterschiedlichen Teilungsverhältnis-Steuerventilanordnung nach den Figuren 6A, 6B und 6C nach sehr unterschiedlichen Mustern.
Insbesondere variiert der statische Druck Ps2 linear und kann mit der in Figur 6A gezeigten Anordnung leicht gesteuert werden. Mit der in Figur 6B gezeigten Anordnung jedoch variiert der statische Druck Ps2 nicht linear und kann nicht gut bei und nahe seinem Spitzenwert gesteuert werden.
Gemäß der in Figur 6C gezeigten Anordnung variiert der statische Druck Ps2 über einen großen Bereich nicht linear und kann nicht gut gesteuert werden. Wenn die von dem Einlaßrohr 4 und den Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10 ausgestoßenen Ströme einander beaufschlagen, könnte der statische Druck Ps2 nicht leicht erhöht werden, wenn der Winkel θ zu klein wäre, und wenn der Winkel θ zu groß wäre, könnte der kombinierte Strom, der nach den jeweiligen einander beaufschlagenden Strömen um einen großen Winkel aufgeweitet werden und dazu tendieren, Strömungspulsationen zu erzeugen, was nicht gut gesteuert werden könnte. (?) Wenn der über einen großen Winkel aufgeweitete kombinierte Strom, dann würde ein Teil des kombimerten Stromes über die Öffnung 7 beaufschlagen, was einen Zustand ergebe, der für die Messung von bestimmten Materialien nicht zweckmäßig wäre.
Wenn andere konstruktive Einzelheiten der Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10 des in der Figur 1 gezeigten Systems geändert werden, werden die in den Figuren 8 und 9 gezeigten Daten erhalten.
Insbesondere wird eine in Figur 8 abgedruckte Kurve mit einer Reihe von Quadraten erhalten, wenn es acht Teilungsverhältnis-Steuerdüsen gibt mit dem Winkel θ = 60º und dem Abstand X = 0 mm. Eine in Figur 8 mit einer Reihe von Kreisen gedruckte Kurve wird erhalten, wenn es acht Teilungsverhältnis-Steuerdüsen gibt, mit dem Winkel θ = 45º und dem Abstand X = 0 mm. Eine mit einer Reihe von Dreiecken in Figur 8 gedruckte Kurve wird erhalten, wenn es acht Teilungsverhältnis-Steuerdüsen gibt, mit dem Winkel θ = 30º und dem Abstand X = 0 mm.
Mit der mit Quadraten gedruckten Kurve werden die statischen Drücke Ps2, Ps3 angeglichen, wenn der Druck P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases P4 = 1,0 kg/cm² ist, und erreicht Spitzenwerte, wenn der Druck P4 = 1,8 kg/cm² ist und danach verringert wird. Gemäß der mit Kreisen gedruckten Kurve werden die statischen Drücke Ps2, Ps3 abgeglichen, wenn P4 = 1,5 kg/cm² ist und bleiben linear bis zu P4 = 2,5 kg/cm². Mit der mit Dreiecken gedruckten Kurve werden die statischen Drücke Ps2, Ps3 nicht aneinander angeglichen, auch wenn P4 = 2,5 kg/cm² ist. Deshalb sind die Teilungsraten-Steuerdüsen, die durch die mit Kreisen gedruckte Kurve dargestellt sind, am bevorzugtesten, und die Teilungsverhältnis-Steuerdüsen, die durch die Kurve mit Quadraten dargestellt sind, sind am zweit-bevorzugtesten.
Die Figur 9 zeigt andere Kurven, die die gleiche Kurve enthalten, die wie in Figur 8 gezeigt mit Kreisen bedruckt ist. In Figur 9 wird eine mit Dreiecken gedruckte Kurve erhalten, wenn es vier Teilungsverhältnis-Steuerdüsen gibt, mit dem Winkel θ = 45º und dem Abstand X = 0 mm, und eine mit Quadraten gedruckte Kurve wird erhalten, wenn es acht Teilungsverhältnis-Steuerdüsen gibt, mit dem Winkel θ = 45º und dem Abstand X = 10 mm. Gemäß diesen Kurven sind die statischen Drücke Ps2, Ps3 nicht aneinander angeglichen, auch wenn P4 = 2,5 kg/cm² ist.
Von den Figuren 8 und 9 kann entnommen werden, daß die Anzahl der Teilungsverhältnis-Steuerdüsen eher acht als vier betragen sollte, der Winkel θ in einem Bereich von 40º bis 50º praktisch ist und der Abstand X = 0 mm praktisch ist. Mit den eingesetzten Teilungsverhältnis-Steuerdüsen 10 wird der statische Druck Ps2 an dem Auslaß des Einlaßrohrs 4 variiert, wenn der Druck P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases variiert wird. Deshalb kann ein Abgas in den Verdünnungskanal 5 bei einer Rate eingeleitet werden, die immer im Hinblick auf die Rate des insgesamt in das System eingeleiteten Abgase konstant ist, unabhängig von Fluktuationen in der Rate des gesamten Abgases, wenn der Druck P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases so gesteuert wird, daß die statischen Drücke Ps2, Ps3 aneinander angeglichen werden.
In dem in Figur 1 gezeigten Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung werden Druckinformationen über den statischen Druck Ps2 an dem Auslaß des Einlaßrohres P4, des statischen Drucks Ps3 an dem Ausläß des Strömungsteilers 2 und den Druck P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases wie durch die Detektoren 20, 21, 23 für den statischen Druck erfaßt, der Steuerung 12 zugeführt, und die Steuerung 12 steuert das Auslaßraten-Steuerventil 18, so daß die statischen Drücke Ps2, Ps3 aneinander angeglichen werden bzw. gleich werden.
Die Figur 11 zeigt eine Drucksteuerfolge bzw. -befehlsfolge, die durch die Steuerung 12 in dem in Figur 1 gezeigten Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung durchgeführt wird.
Das Butterfly-Ventil 24 wird im voraus durch die Betätigungseinrichtung 26 betätigt, so daß die statischen Drücke Ps2, Ps3 zueinander in die Beziehung gesetzt werden: Ps2 ≤ Ps3. Die Druckdifferenz ΔP zwischen dem statischen Druck Ps2, Ps3 wird durch den Differential-Druckdetektor 11 zu jeder Zeit in einem Schritt a1 erfaßt.
Die Steuerung 12 liest den erfaßten Differentialdruck ΔP und bestimmt aus der in Figur 10 gezeigten Karte einen Ausgangswert Du um einen Druck P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases zu erzeugen, der hochgenug ist, um den Differenzdruck ΔP in einem Schritt a2 zu beseitigen. Dann legt die Steuerung 12 den Ausgangswert Du in der Form eines elektrischen Signales in einem Schritt a3 an das Ausläßraten-Steuerventil 18 an, um den gegenwertigen Wert des Drucks P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases zu ändern, wodurch der statische Druck Ps2 geregelt wird, bis die statischen Drücke Ps2, Ps3 automatisch aneinander arigeglichen werden bzw. gleich sind.
Wenn die statischen Drücke Ps2, Ps3 aneinander angeglichen sind bzw. gleich sind, strömen die Abgase durch die Rohre 1, 4 mit der gleichen Rate, unabhängig von Flukmationen der Rate des gesamten Abgases, das in das Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung eingeleitet wird, da das Einlaßrohr 4 und die Strömungsteilungsrohre 1 des Mehrrohr-Strömungsteilers 2 abmessungsmäßig und hydrodynamisch in den vollkommen gleichen Zuständen sind. Das Abgas wird zu jeder Zeit bei einer konstanten Teilungsrate geteilt, und das abgeteilte Abgas wird in den Verdünnungskanal 5 eingeleitet, in dem das Abgas verdünnt wird. Das verdünnte Abgas wird danach untersucht bzw. abgetastet und nach seinen Bestandteilen analysiert.
In dem in Figur 1 gezeigten Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung wird das Abgas von dem Mehrrohr-Strömungsteiler 2 über ein Flammrohr (nicht gezeigt) in die Atmosphäre abgelassen. An ein solches Flammrohr sind mehrere Testbänke bzw. -stationen angeschlossen. Deshalb werden Abgase von mehreren Maschinen von Automobilen an den Testbänken bzw. -stationen in das Flammrohr ausgelassen. Wenn mehrere solcher Maschinen von Automobilen gleichzeitig getestet werden, können die Abgase miteinander durch das Flammrohr interverieren und können nicht genau für die Untersuchung und die Analyse geteilt werden.
Die Figur 12 zeigt ein Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung gemäß einer anderen Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung. In dem in Figur 12 gezeigten Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung wird das Abgas von dem Mehrrohr-Strömungsteiler 2 über einen Saugtank 15 und ein Butterfly-Ventil 16 in ein Flammrohr 17 eingeleitet und anschließend von dem Flammrohr 17 in die Atmosphäre ausgelassen. Die Teile in Figur 12, die mit den in Figur 1 gezeigten Teilen identisch sind, werden durch identische Bezugsziffern bezeichnet und werden nicht im einzelnen beschrieben.
Das Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung in Figur 12 hat Detektoren 20, 21, 22, 23 für den statischen Druck, um einen statischen Druck Ps2 an dem Auslaß des Einlaßrohres 2, einen statischen Druck Ps3 an dem Auslaß des Mehrrohr-Strömungsteilers 2 zu erfassen, einen Detektor 22 für den statischen Druck zum Erfassen eines Druckes P1 an dem Einlaß des Melrrrohr-Strömungsteilers 2 und einen Detektor 23 für den statischen Druck zum Erfassen des Drucks P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases. Die erfaßten Signale von den Detektoren 20, 21, 22, 23 für den statischen Druck werden an eine Steuerung 25 angelegt. Der Druck P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases wird durch die Steuerung 25 über ein Auslaßraten-Steuerventil 18 gesteuert.
Ein Butterfly-Ventil 24, das in einem stromaufwärtigen Abschnitt eines Verdünnungskanals 5 angeordnet ist, und ein Butterfly-Ventil 16, das stromabwärts des Saugtanks 15 vorgesehen ist, sind an jeweilige übliche elektrische Betätigungseinrichtungen 26, 27 angeschlossen, die durch die Steuerung 25 gesteuert werden, um die Öffnung der Ventile 24, 16 zu verändern.
Die Figur 3 zeigt die Art und Weise, in der die Drücke in dem Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung in Figur 12 variieren, wobei der Mehrrohr-Strömungsteiler 2 91 Strömungsteilungsrohre aufweist, und folglich das Teilungsverhältnis für das Abgas 91 beträgt. Während die in Figur 3 gezeigten Daten erhalten wurden, wurde der Druck P3 in dem Saugtank 15 verändert, indem die Öffnung des Butterfly-Ventils 16 an dem Auslaß des Saugtanks 15 eingestellt wurde. Im Ergebnis veränderten sich der statische Druck P1, der statische Druck Ps2, der statische Druck Ps3 und der Druck P2 vor der Mischöffnung 7 wie in Figur 3 gezeigt.
Wenn die statischen Drücke Ps2, Ps3 zueinander gleich sind, war das Teilungsverhältnis genau 91 und der Druck P2 ist nicht gleich dem Druck P3. Um so größer der Druck P1, um so größer ist die Abweichung zwischen den Drücken P2, P3. Es wurde bestätigt, daß verläßliche Testergebnisse erhalten wurden, wenn das Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung auf der Grundlage der statischen Drücke Ps2, Ps3 gesteuert wurde.
Die Steuerung 25 führt eine in Figur 13 gezeigte Drucksteuerungs-Befehlsfolge aus.
Wenn die Drucksteuerungs-Befehlsfolge gestartet wird, initialisiert die Steuerung 27 verschiedene Komponenten bzw. Bestandteile, wie etwa Schließen des Auslaßraten- Steuerventils 18 und Betätigen der Betätigungseinrichtungen 26, 27 in einem Schritt b1 in vollständig geöffnete Stellungen. Anschließend liest die Steuerung 25 in einem Schritt b2 verschiedene Daten aus den Detektoren für den statischen Druck. In einen Schritt b3 bestimmt die Steuerung 25, ob der Druck P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases zugeführt wird oder nicht. Falls nicht, geht die Steuerung zu einem Schritt b4, der bestimmt, ob der statische Druck Ps3 höher ist der statische Druck Ps2 oder nicht. Wenn der statische Druck Ps3 höher ist als der statische Druck Ps2, geht die Steuerung zu einem Schritt b6, und falls nicht, geht die Steuerung zu einem Schritt b5, indem das Butterfly-Ventil 24 um einen vorbestimmten Grad geschlossen wird, nachdem der Schritt b4 abermals ausgeführt wird.
Wenn der Druck P4 des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases den Schritt b3 zugeführt wird, dann berechnet die Steuerung 25 ΔP = Ps3 - Ps2 in dem Schritt b6. Wenn ΔP > 0 ist, dann bestimmt die Steuerung 25 einen Ausgangswert Du, um den Druck P4 in einem Schritt b7 zu erhöhen, und betätigt das Auslaßraten-Steuerventil 18 mit dem Ausgangswert Du in einem Schritt b8. Falls ΔP < 0 ist, dann bestimmt die Steuerung 25 einen Ausgangswert Du, um den Druck P4 in dem Schritt b7 zu verringern, und betätigt das Auslaßraten-Steuerventil 18 mit dem Ausgangswert Du in dem Schritt b8. Wenn ΔP = 0 ist, dann endet die Steuerung.
Mit der obigen Drucksteuerungs-Befehlsfolge wird der Differenzdruck ΔP beseitigt, wodurch die statischen Drücke Ps2, Ps3 automatisch gleich werden.
Folglich wird das eingeleitete Abgas zu allen Zeiten bei einem konstanten Teilungsverhältnis geteilt, und das abgeteilte Abgas wird in den Verdünnungskanal 5 eingeleitet, indem das Abgas verdünnt wird. Das verdünnte Abgas wird anschließend untersucht und nach seinen Bestandteilen analysiert.

Claims

1. Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung

mit einem Mehrrohrströmungsteiler (2), der mit mehreren strömungsteilenden Rohren (1) zusammengestellt ist, die den gleichen Durchmesser und Länge wie jedes andere aufweisen, um da hindurch ein Gas zu dessen Untersuchung bzw. Prüfung zuzuführen;

mit einem Verdünnungskanal zum Einführen eines Verdünnungsgases von dessen stromaufwärtigem Ende, wobei eines der strömungsteilenden Rohre (1) aus dem Mehrrohrströmungsteiler (2) erstreckt ist und einen stromabwärtigen Abschnitt aufweist, der als ein Einlaßrohr (4) in den Verdünnungskanal (5) erstreckt ist, wodurch ein Gas, das durch das Einlaßrohr (4) aufgeteilt und in den Verdünnungskanal (5) eingeführt ist, durch das Verdünnungsgas verdünnt ist, das in den Verdünnungskanal eingeführt ist, so daß das verdünnte Gas abgetastet und nach seinen Bestandteilen untersucht werden kann;

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

mehrere Teilungsverhältnis-Steuerdüsen (10), die in dem Verdünnungskanal unmittelbar stromabwärts eines Auslasses des Einlaßrohres (4) angeordnet und symmetrisch um eine Zentral- bzw. Hauptachse des Auslasses des Einlaßrohres (4) eingerichtet sind, wobei die Teilungsverhältnis-Steuerdüsen (10) jeweilige Düsenlöcher zum Ausstoßen eines unter Druck gesetzten Verdünnungsgases in Richtung auf eine Position stromabwärts des Auslasses des Einlaßrohres (4) aufweisen;

ein Ausströmraten-Steuerventil (18), um eine Rate einzustellen, bei der das unter Druck gesetzte Verdünnungsgas von den Teilungsverhältnis-Steuerventilen (10) ausgestoßen wird;

eine Quelle (19) des unter Druck gesetzten Verdünnungsgases, wobei die Quelle (19) an die Teilungsverhältnis-Steuerdüsen (10) über das Ausströmraten-Steuerventil (18) angeschlossen sind; und

eine Steuereinrichtung (25), die an das Ausströmraten-Steuerventil (18) angeschlossen ist, um das Ausströmraten-Steuerventil (18) so zu steuern, daß ein statischer Druck an dem Auslaß des Einlaßrohres (4) und ein statischer Druck an dem Auslaß des Mehrrohrströmungsverteilers (2) aneinander angeglichen werden.

2. Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung gemäß Anspruch 1, das ferner einen Saugtank umfaßt, der an die strömungsteilenden Rohre mit Ausnahme des Einlaßrohres angeschlossen ist, um Gase zu kombinieren bzw. zu mischen, die aus den strömungsteilenden Rohren fließen, wobei der Saugtank an einen Durchlaß angeschlossen ist, der über ein Ventil an die Atmosphäre entlüftet ist.

3. Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, in dem jedes der Teilungsverhältnis-Steuerventile eine Zentral- bzw. Hauptachse aufweist, die winkelmäßig von der Zentral- bzw. Hauptachse des Auslasses des Einlaßrohres um einen Winkel in einem Bereich von 40 bis 50º beabstandet ist.

4. Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das weiterhin mehrere Detektoren für den statischen Druck umfaßt, die jeweils am Auslaß des Einlaßrohres und dem Auslaß des Mehrrohrströmungsteilers angeordnet sind, wobei die Detektoren für den statischen Druck stromaufwärts von den Auslaßenden des Einlaßrohres und des Mehrrohrströmungsteilers über einen Abstand angeordnet sind, der mindestens mit dem Innendurchmesser der strömungsteilenden Rohre einschließlich dem Einlaßrohr gleich ist.

5. Verdünnungskanalsystem mit Mehrrohrströmungsteilung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner mehrere Detektoren für den statischen Druck umfaßt, die jeweils an dem Auslaß des Einlaßrohres und dem Auslaß des Mehrrohrströmungsteilers angeordnet sind, wobei jeder der Detektoren für den statischen Druck mehrere Detektoreinheiten aufweist, die gleichmäßig axial von den Auslaßenden des Einlaßrohres und des Mehrrohrstromteilers entfernt sind, um Informationen über den mittleren statischen Druck zu der Steuereinrichtung zu übertragen.