JP2003130782A - 排気ガス粒子測定装置 - Google Patents
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Abstract
証明できるガス抽出装置36が提供され、部分流ダイリ
ューショントンネル38、主および従質量流量コントロ
ーラ80、60、および過渡的希釈用空気流制御装置1
10を含む。過渡的希釈用空気流制御装置110は、吸
気内の過渡的変化を測定し、希釈用空気の流れを部分流
ダイリューショントンネル38へ変える。このような方
法で希釈用空気を制御することによって、粒子サンプル
を、いつでも、排気流量に対して一定の割合で確実に抽
出できる。
Description
ス流内の粒子状物質を測定する装置、より詳しくは、過
渡的エンジン状態の間に粒子状物質を測定する部分流希
釈抽出装置に関する。
DT)を利用する排気ガス抽出装置は、定常状態モデル
試験が認められたエンジンの開発および証明のためのフ
ルダイリューショントンネル装置に代わる効率的な代替
装置として1990年代初期から使用されている。以
前、すべてのオフハイウエイ、および最近まで、ほとん
どの欧州向けオンハイウエイエンジンの試験および証明
は、PFDTがそのフルダイリューションの同等のもの
と比べてより持ち運びが便利で、より安価、および反復
可能であるということで、PFDTを利用する装置で行
われた。ISO、CARB、EPA、およびEECのよ
うな規制する機関のすべてが定常状態試験サイクルの証
明にPFDTを使用することを承認している。このよう
な装置の一つが、Russell R.Grazeの1
991年10月22日に発行され、本願の所有者に譲渡
されている米国特許第5,058,440号で開示され
ている。
オフハイウエイディーゼルエンジンから排出される粒子
状排出物質をさらに管理するためにこれらのエンジンに
ついて過渡的サイクル規制をかけることに関心があるこ
とを発表した。これらの規制は、2006年までに施行
されるはずである。規制の対象となるオフハイウエイデ
ィーゼルエンジンのサイズは、粒子状物質(PM)を含
むオンハイウエイエンジン排出レベルの量を計るために
過去二十数年間使用されてきた産業のフルダイリューシ
ョントンネルの質量流量の容量を凌ぐ。さらに、オンハ
イウエイエンジン開発チームに課せられた同時の規制圧
力と組み合わさって、開発すべきオフハイウエイ等級の
純粋な数により、小型エンジンに対してもオフハイウエ
イ開発用の既存のフルダイリューショントンネルが使用
できなくなる。
ィーゼルエンジンを試験し、証明するために使用でき、
当然過渡的状態下でオンハイウエイエンジンも同じよう
に試験するために利用されるようなPFDTを開発する
ことが望ましい。1つのこのような装置は、Chris
topher Weaverの2000年5月16日に
発行され、Engine、Fuel、and Emis
sions Engineering、 Incorp
orated社に譲渡されている米国特許第6,06
2,092号に記述されている。この装置は、エンジン
からの排気流の変化に基づいて抽出される排気ガスの割
合を変更するためにフィードバック装置を利用する。但
し、この装置は、排気ガス流ストリームとフィードバッ
ク用の抽出プローブ内の圧力との間の圧力差を使用し
て、ダイリューショントンネル内の排気ガス抽出物と希
釈用空気との釣り合いを制御する。この装置は、試験装
置内の最終可能点を使用して試験変化に対して抽出する
べくエンジンガス流の偏位(すなわち、排気ガス流スト
リーム)を調べるが、その装置の空気圧キャパシタンス
(pneumatic capacitance)につ
いて議論または考慮をしていない。空気圧キャパシタン
スは、過渡的状態下の装置の変化に反応する抽出装置内
の抵抗となる。さらに、米国特許第6,062,092
号の従来技術は、熱泳動に起因する粒子状物質の堆積に
ついて考慮をしていない。
題を克服することに向けられている。
て、ガス抽出装置の部分流ダイリューショントンネルへ
の希釈用空気の供給を制御するための過渡的希釈用空気
流制御装置が提供される。部分流ダイリューショントン
ネルは、内燃機関の排気管に接続される。ガス抽出装置
は、部分流ダイリューショントンネルの入口に適切に接
続された第1の質量流量制御装置、部分流ダイリューシ
ョントンネルの出口端に接続された第2の質量流量制御
装置、および第2の質量流量制御装置と部分流ダイリュ
ーショントンネルの出口端との間に介挿されたフィルタ
を有する。過渡的希釈用空気流制御装置は、部分流ダイ
リューショントンネルの入力に接続された一定質量流量
ストリームと、一定質量流量ストリームに接続された可
変質量流量ストリームとを含む。
気ガスストリーム内の粒子状物質を測定するガス抽出装
置が提供される。ガス抽出装置は、内燃機関の排気ガス
ストリームに接続された部分流ダイリューショントンネ
ルを含む。第1の質量流量制御装置は、部分流ダイリュ
ーショントンネルの入口に適切に接続される。第2の質
量流量制御装置は、部分流ダイリューショントンネルの
出口端に接続される。過渡的希釈用空気流制御装置は、
第1の質量流量制御装置と部分流ダイリューショントン
ネルの入口との間に介挿され、部分流ダイリューション
トンネルへの希釈用空気の供給を制御する。
よるエンジン試験セル10が示されており、内燃機関1
6の空気吸入口14へ導管13によって接続された吸入
空気供給源12を含む。吸入空気供給源12と内燃機関
16との間の導管13内に位置決めされるのはフィルタ
18であり、これは吸収缶型フィルタまたは多数ある公
知フィルタ装置のうちの任意のものであっても良い。層
流要素20または他の流量装置がフィルタ18と内燃機
関16との間の導管13内に位置決めされる。層流要素
20は、内燃機関16への空気吸入口14の流量を測定
するために位置する差圧流要素である。層流要素20
は、空気流量トランスデューサ密閉容器22に接続され
る。密閉容器22内に位置付けられるのは、層流要素2
0を横切る圧力差を、例えば、0〜5Vdcまたは0〜
10Vdcのような他の適当な範囲の、後述されるよう
に使用するべく導体26を介して伝送されるアナログ信
号出力に変換する差圧トランスデューサ24である。上
述の装置は、説明を目的としたものであり、線形化アル
ゴリズムが使用される場合にブランド気流計のような非
線形測定装置が使用されるか、または流量に対して線形
な電圧出力を生成する任意の他の流量測定装置が適用可
能であることは理解されよう。エンジン試験セル10
は、単一ターボチャージャのみを有する内燃機関16を
示す。但し、二重または四重のターボチャージャ構成
(図示せず)を有する内燃機関16を試験する場合、空
気吸入口14の供給は2本または4本の流路にそれぞれ
分流され、各々が各ターボチャージャの上流に層流要素
20を収容する。
13内で行われる。供給される空気吸入口14内の相対
的湿度のパーセントを監視するプローブ30は、空気流
量トランスデューサ密閉容器22へ、ワイヤによって、
接続される。抵抗性温度プローブ32もまた空気流量ト
ランスデューサ密閉容器22へワイヤによって接続され
る。行われたこれらの測定値は試験セルホストコンピュ
ータ34へ中継される。
て構成されたガス抽出装置36は、部分流ダイリューシ
ョントンネル(PFDT)38を含む。部分流ダイリュ
ーショントンネル38は、混合ボックスタイプを含むま
たは空気供給チャンバ内に位置決めされた空気分配管内
に位置付けられた複数の微小孔を有する多孔性中央管を
含む公知構造の任意のタイプであっても良い。後者のタ
イプは、米国特許第5,058,440号で開示されて
いる。さらに、図2でより詳細に示されるガス抽出装置
36の複数の付加制御構成要素39は、部分流ダイリュ
ーショントンネル38の出口に接続される。部分流ダイ
リューショントンネル38は、内燃機関16の排気管
(排気流路)40に接続される。部分流ダイリューショ
ントンネル38は、偏位が最小限に抑えられる排気管4
0の低圧部分において排気管40へ接続することができ
る。あるいはオプションとして、排気管40内の圧力偏
位の影響を最小限に抑えるようなサイズに加工、設計さ
れたオリフィス先端付き抽出プローブのような、抽出プ
ローブ42が、排気管40内に延びる部分流ダイリュー
ショントンネル38の一端または入口に接続される。抽
出プローブ42は、工業界では「スクエアルートエキス
トラクタ」として知られている。この抽出プローブ42
を使用すると、背圧調整装置の上流、またはデータバイ
アスの可能性のない通常スタック内の任意の抽出ができ
る。図2に示されるように、プローブは、排気管40内
に突出する入口通路46を定めるノーズ部分44を有す
る。したがって、参照番号48で示されるように、粒子
状物質を載せた排気流に比例した抽出物が部分流ダイリ
ューショントンネル38内へ送られる。
入口ポート50は、参照番号52で概略的に示されるよ
うに、プラント空気供給源のような空気供給源と連通し
ている。部分流ダイリューショントンネル38内への希
釈用空気の流量をさらに調整するために、供給空気52
は、加圧清浄空気リザーバ(Res)54と、電気的に
制御される質量流量制御装置60(MFC1)とに直列
に配置された順序で通される。加圧清浄空気リザーバ5
4に達する前に、過剰な水分を除去するべく乾燥剤フィ
ルタ62、および油および/または炭化水素を除去する
べく木炭スクラバ64などに供給空気52を順番に通過
させることによって、空気の清浄度を高めるように空気
が処理される。ソレノイド弁66は、供給空気52のオ
ン/オフを切り換えるためにフィルタ62の上流に設置
されている。ソレノイド弁68は、質量流量制御装置6
0の下流の、部分流ダイリューショントンネル38の前
に接続されている。
対または出口端は、ソレノイド弁70と、図式的に例示
されたフィルタ装置72とに接続される。フィルタ装置
72はまた、概略的に表示されるように着脱可能なフィ
ルタエレメント76を有する。フィルタ装置72は、ソ
レノイド弁78、電気的に制御される質量流量制御装置
80(MFC2)および真空ポンプ82へ連続して順番
に結合されている。さらに、質量流量制御装置60の出
口および質量流量制御装置80の入口と並列に接続され
ているのがソレノイド弁79である。ソレノイド弁81
は、ソレノイド弁79と質量流量制御装置80の入口と
の間に接続されている。ソレノイド弁81は、抽出装置
が動作していないとき真空ポンプ80が壊れないように
大気に開口している入口を有する。ソレノイド弁81
は、抽出を見越して待機動作を可能にする特別なサイズ
に加工されたオリフィス83を備えている。オリフィス
83は、クリーンフィルタエレメント76および真空ラ
インの全域での圧力損失を最小限に抑える。
FC2)80は、主制御装置であり、総流量制御機器と
して使用され、電気的に制御される質量流量制御装置
(MFC1)60は、従制御装置であり、リザーバ54
からの希釈用空気の流量を精密に制御するための機器と
して使用される。これらの熱質量流量制御装置は、好ま
しくは一般に入手可能な毛細管型であり、通常温度およ
び圧力変動から実質的に独立して動作する。主制御装置
80および従制御装置60は、対の電気的導線86、8
8および90、92のそれぞれによってマイクロプロセ
ッサ(PR)84へそれぞれ電気的に接続される。
58,440号において教示された先の装置は、抽出す
るために内燃機関16へ供給される吸入空気の流量を測
定する、層流要素またはブラント流量計のような、空気
流量計(AM)94である。燃料流量計(FM)90も
提供されて内燃機関へ瞬間的に供給される燃料の流量を
測定する。空気流量計94は、シグナルコンディショナ
100へ接続される信号線98を有し、燃料流量計96
は、シグナルコンディショナへ接続された信号線102
を有する。シグナルコンディショナ100は、好ましく
は、2台のプログラム可能な電子処理装置を内蔵してい
るが、図示されていない。これらの装置の一台は、信号
線98の電圧信号を第1の事前プログラムされたレート
テーブルによってマイクロプロセッサ(PR)84への
第1の出口線104の電気信号に変換するように適応可
能であり、他方の装置は、信号線102の周波数信号を
第2の事前プログラムされたレートテーブルによってマ
イクロプロセッサ84への第2の出口線106の電気信
号に変換するように適応可能である。
所定距離に近接して位置決めされているのは、過渡的希
釈用空気流制御装置(TDAC)110である。図3を
参照するに、過渡的希釈用空気流制御装置110は、例
示的目的で、所定試験のために希釈用空気を毎分130
リットルの固定流量で供給する一定質量流量ストリーム
(一定質量流量流路)112と、例示的目的で、所定試
験のために希釈用空気を毎分0〜30リットルの流量で
供給する可変質量流量ストリーム(可変質量流量流路)
114とに分割されている。一定の質量流量ストリーム
112は、従質量流量制御装置60の下流に位置決めさ
れ、臨界流量ベンチュリ118へ連続して適切に接続さ
れる圧力調整弁116を含む。臨界流量ベンチュリは、
熱偏位下で寸法的に安定である材料から製造される。こ
のような材料は、インバール36、セラミック、宝石、
またはある種の高度に熱的に安定なステンレス鋼(特に
400系ステンレス鋼)であっても良い。
量流量ストリーム112へ並列に接続され、第1および
第2の並列接続された圧力調整弁120、122を含
む。第1の圧力調整弁120は、ドーム負荷圧力調整弁
124および熱質量流量トランスデューサ126と直列
かつ適切に接続されている。熱質量流量トランスデュー
サ126の出力は、臨界流量ベンチュリ118の出力へ
戻るように適切に接続されている。第2の圧力調整弁1
22は、電圧/圧力制御装置130と直列かつ適切に接
続されている。熱質量流量トランスデューサ126の電
気的出力は、導体132によって電圧/圧力制御装置1
30へ接続されている。導管134は、電圧/圧力制御
装置130を第3の圧力調整弁124に接続する。圧力
調整弁116と、第1および第2の圧力調整弁120、
122とが、所定試験のために所望圧力設定にそれぞれ
の圧力を調整するための圧力指示ゲージ136を備えた
手動操作される弁として示されていることが理解される
べきである。但し、圧力調整弁116と、第1および第
2の圧力調整弁120、122とが、マイクロプロセッ
サ84に接続され、それによって制御される、電気的に
制御される弁であることは本願の理解および範囲内にあ
ると考えられることは理解されるべきである。
るように、選択可能利得回路140は、導体160を介
して電圧/圧力制御装置130へ接続されている。選択
可能利得回路140は、圧力差トランスデューサ24か
ら導体26を経て吸入空気の質量流量に比例した電気入
力信号を受けるアナログリファイニング回路(anal
og refining circuit)である。圧
力差トランスデューサ24からのアナログ信号は、第1
の入力接続部142で受ける。二重ターボチャージャ付
き内燃機関16用の二重吸気路の場合には、第2の入力
接続部144が提供される。スイッチ146は、単一チ
ャネル入力用の開位置と、二重チャネル入力を平均化す
る閉位置との間での回路140の切換を提供する。選択
可能利得スイッチ150は、所定試験の内燃機関16の
吸入空気の量または粒度に基づいて、例えば、0〜5V
dcの最大位置から0〜1.67Vdcの最小位置まで
の、複数の粗調整電圧位置152間で選択可能であり、
電位差計154がその後の信号を微調整するために使用
される。回路140の残りの部分156は、通常の方法
でアナログ信号をリファイニングし(refine
s)、出力接続部158でアナログ信号を導体160を
介して電圧/圧力制御装置130へ供給する。選択可能
利得回路140は、手動操作されるか、またはマイクロ
プロセッサ84によって制御される。図5を参照する
に、エンジン排気流量と過渡的希釈用空気応答時間との
間の関係を表すグラフである。
ド弁66、68、70、78、81は、真空ポンプ82
が損傷を受けないように始動時やバイパスモードのよう
な、図2の検討により明らかとなる多様な目的に使用さ
れる開閉式弁である。ソレノイド弁79は、装置を切り
換えることによって、従質量流量制御装置(MFC1)
60および主質量流量制御装置(MFC2)80を互い
直列に直に配置する較正ループを提供するように包含さ
れる。
マイクロプロセッサ84によって電気的に作動される毛
細管式熱質量流量制御装置60、80を使用する。マイ
クロプロセッサ84は、過渡的エンジン状態に反応でき
る部分流ダイリューショントンネル38への総空気流量
を制御すると同時に実質的に粒子の堆積や飛沫同伴を排
除する。例えば、比率確立プロセッサ84は、線86、
88内の制御信号を主質量流量制御装置80へ割り当
て、線90、92内の制御信号を流量容量のより小さい
従質量流量制御装置60へ割り当てて約1.1〜1.0
の近似流量比率を確立し、約10:1の典型的希釈比率
を与えることができる。この値は、制御可能であり可変
である。過渡的状態は、層流要素20、選択可能利得回
路140および過渡的希釈用空気流制御装置110によ
って補正される。特に、過渡的試験動作中、層流要素2
0は、層流要素20を横切る圧力差の変化を測定する。
この測定値は、圧力差トランスデューサ24によってア
ナログdc電圧信号に変換される。選択可能利得回路1
40は、前述したようにアナログ信号をリファイニング
する。過渡的希釈用空気流制御装置110は、一定質量
流量ストリーム112および可変質量流量ストリーム1
14を提供する。一定質量流量ストリーム112は、可
変質量流量ストリーム114よりも大きいようである。
一定質量流量ストリーム112は、試験開始前に圧力調
整弁116によって変更可能である。可変質量流量スト
リーム114は、選択可能利得回路140からの信号を
受け、エンジンの流量に対する希釈用空気の流量を確立
する極めて高速で応答する装置(15ミリ秒)である。
可変質量流量ストリーム114からの流量は、内燃機関
16の流量と反比例する(すなわち、最大エンジン吸気
流量は、可変質量流量ストリーム114からの比例した
最小質量の流量となる)。このような方法で、抽出質量
の最大および比例流量が排気ストリーム48から抽出さ
れている。
置110が部分流ダイリューショントンネル38に近接
して位置決めされることである。これは、ガス抽出装置
36の空気圧キャパシタンスを低減し、500ミリ秒ま
たはそれ以下の反応時間を与える。たいていの場合、ガ
ス抽出装置36は、過渡的希釈用空気流制御装置110
のため300ミリ秒またはそれ以下で反応することがで
きる。
図面、明細書および特許請求の範囲の検討によって得ら
れることができる。
ある。
である。
の間の関係を表すグラフである。
Claims (9)
- 【請求項1】 ガス抽出装置の部分流ダイリューション
トンネルへの希釈用空気の供給を制御するための過渡的
希釈用空気流制御装置であって、 部分流ダイリューショントンネルが内燃機関の排気ガス
ストリームに接続され、ガス抽出装置が、部分流ダイリ
ューショントンネルの入口に接続された第1の質量流量
制御装置と、部分流ダイリューショントンネルの出口端
に接続された第2の質量流量制御装置と、第2の質量流
量制御装置と部分流ダイリューショントンネルの出口端
との間に介挿されたフィルタとを有しており、 部分流ダイリューショントンネルの入力と接続された一
定質量流量ストリームと、 前記一定質量流量ストリームと並列に接続された可変質
量流量ストリームとを備える過渡的希釈用空気流制御装
置。 - 【請求項2】 前記一定質量流量ストリームは、臨界流
量ベンチュリと直列に接続された圧力調整弁を含む請求
項1に記載の過渡的希釈用空気流制御装置。 - 【請求項3】 前記可変質量流量ストリームは、ドーム
負荷圧力調整弁および質量流量トランスデューサと直列
に接続された第1の圧力調整弁を含む請求項1に記載の
過渡的希釈用空気流制御装置。 - 【請求項4】 電圧/圧力制御装置と直列に接続された
圧力調整弁を含む請求項3に記載の過渡的希釈用空気流
制御装置。 - 【請求項5】 前記電圧/圧力制御装置は、流量測定装
置および前記質量流量トランスデューサと接続され、そ
れらから電気的入力を受け取り、前記流量測定装置は、
エンジンへの吸入空気の流量を測定するように適合され
ている請求項4に記載の過渡的希釈用空気流制御装置。 - 【請求項6】 前記電圧/圧力制御装置は、前記ドーム
負荷圧力調整弁に接続され、この弁に圧力信号を送る請
求項5に記載の過渡的希釈用空気流制御装置。 - 【請求項7】 前記ドーム負荷圧力調整弁および前記臨
界流量ベンチュリからの出力は、希釈用空気を前記部分
流ダイリューショントンネルに供給する請求項6に記載
の過渡的希釈用空気流制御装置。 - 【請求項8】 吸入空気の流量を測定するように適合さ
れた流量測定装置を含み、前記流量測定装置は、エンジ
ンの空気吸入の導管内に位置決めされている請求項1に
記載の過渡的希釈用空気流制御装置。 - 【請求項9】 前記層流要素は、圧力差トランスデュー
サに接続され、前記圧力差トランスデューサは、選択可
能利得回路に接続されている請求項8に記載の過渡的希
釈用空気流制御装置。
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