JP2005507984A - 希釈用空気供給の制御方法 - Google Patents

Abstract

ガス・サンプリング・システム（３６）の部分流ダイリューション・トンネルへの希釈用空気供給の制御方法が提供される。ガス・サンプリング・システムは、非定常状態の下で内燃機関（１６）を試験および認定することができ、部分流ダイリューション・トンネル（３８）と、マスタおよびスレーブ質量流量コントローラ（８０、６０）と、過渡的希釈用空気流制御装置１１０とを含む。過渡的希釈用空気流制御装置（１１０）は、吸気の非定常変化を測定して、部分流ダイリューション・トンネル（３８）への希釈用空気流を変える。このように希釈用空気を制御することによって、粒子サンプルを、排気ガス流量に対して一定の比率で、いつでも取得できることが保証される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気ガスストリーム中の粒子状物質の測定システムに関し、より詳細には、非定常エンジン状態の間のガス・サンプリング・システム内の部分流ダイルーション・トンネルへの希釈用空気供給の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
定常状態モデル試験が承認されたエンジンを開発および認定するための完全ダイリューション・トンネル・システムに対する効果的な代替案として、部分流ダイリューション・トンネル（ＰＦＤＴ）を用いる排気ガス・サンプリング・システムが、１９９０年代初頭から用いられている。以前は、全てのオフ・ハイウェイの、そして最近までは多くのヨーロッパ向けオン・ハイウェイのエンジン試験および認定が、ＰＦＤＴを用いるシステムによって行なわれていた。その理由は、完全希釈のシステムよりも携帯性が良く、安価で、再現性が高いからである。ＩＳＯ、ＣＡＲＢ、ＥＰＡ、ＥＥＣなどの規制機関は全て、定常状態試験サイクル認定用にＰＦＤＴを使用することを承認している。このようなシステムの１つが、米国特許公報（特許文献１）（１９９１年１０月２２日にラッセルＲ．グレイズ（Ｒｕｓｓｅｌｌ Ｒ．Ｇｒａｚｅ）に付与）に開示されている。なおこの特許は、本出願の所有者に譲渡されている。
【０００３】
環境保護庁は、大型のオフ・ハイウェイ・ディーゼル・エンジンの非定常サイクルの規制を広めることで、これらのエンジンから出される粒子排出物の制御を高めることに関心があることを明らかにしている。これらの規制は、２００６年までに施行されると予想される。粒子状物質（ＰＭ）を含むオン・ハイウェイ・エンジンの排出レベルの定量化に過去２０年余りの間使用されている業界の完全ダイリューション・トンネルの質量流量容量も、規制すべきオフ・ハイウェイ・エンジンのサイズに対しては、効果が薄い。さらに、開発すべきオフ・ハイウェイの定格の数の多さのために、またオン・ハイウェイ・エンジンの開発チームに同時に課される規制圧力と相まって、既存の完全ダイリューション・トンネルをオフ・ハイウェイ開発用に使用することは、小型エンジンに対しても不可能である。
【０００４】
したがって、非定常状態の下でオフ・ハイウェイ・ディーゼル・エンジンを試験および認定するために使用でき、おそらく非定常状態の下でのオン・ハイウェイ・エンジンの試験にも使用されるＰＦＤＴを開発することが望ましい。このようなシステムの１つは、米国特許公報（特許文献２）（２０００年５月１６日にクリストファ・ウィーバ（Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｗｅａｖｅｒ）に付与）に開示されている。なおこの特許は、エンジン、ヒューエル、アンド・エミッションズ・エンジニアリング、インコーポレーテッド（Ｅｎｇｉｎｅ，Ｆｕｅｌ，ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）に譲渡されている。このシステムは、エンジンからの排気流内の変化に基づいてサンプリング中の排気ガスの比率を変えるために、フィードバック装置を用いている。しかしこのシステムでは、排気ガス流ストリームとフィードバック用のサンプリング・プローブ内部の圧力との間の圧力差を用いて、ダイリューション・トンネル内での排気ガス・サンプルと希釈用空気との比例を制御している。このシステムでは、エンジン・ガス流内での変移をチェックするための試験システム内の可能な最終点を用いて、試験変化（すなわち排気ガス流ストリーム）をサンプリングしており、システムの空気静電容量については検討も考慮もしていない。空気静電容量は、非定常状態の下でのシステムの変化に対応するサンプリング・システム内の抵抗である。加えて、米国特許公報（特許文献２）の先行技術は、熱泳動によって引き起こされる粒子堆積を考慮していない。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第５，０５８，４４０号明細書
【特許文献２】
米国特許第６，０６２，０９２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前述の問題の１つ以上を克服することに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一形態においては、ガス・サンプリング・システムの部分流ダイリューション・トンネルへの希釈用空気供給の制御方法が提供される。本方法は、非定常状態の間の内燃機関への吸気をモニタすること、および吸気の変移に反比例する量で希釈用空気供給を変えることを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に示すように、本発明によるエンジン試験セル１０が示されており、これは、吸気供給源１２を含んでいる。吸気供給源１２は、導管１３を介して、内燃機関１６の吸気１４に接続されている。フィルタ１８が、吸気供給源１２とエンジン１６との間の導管１３に配置されている。フィルタ１８は、キャニスタ・フィルタ、または既知の多くのフィルタ装置のうちの何れであっても良い。
【０００９】
層流要素２０または他の流れデバイスが、フィルタ１８とエンジン１６との間の導管１３に配置されている。層流要素２０は、エンジン１６への吸気１４の流れを測定するために配置された圧力差流れ要素である。層流要素２０は、空気流量トランスデューサ・エンクロージャ２２に接続されている。エンクロージャ２２内には、圧力差トランスデューサ２４が配置されている。圧力差トランスデューサ２４は、層流要素２０の両端の圧力差を、たとえば０〜５Ｖｄｃまたは他の好適なレンジ（０〜１０Ｖｄｃなど）のアナログ信号出力へ変換する。アナログ信号出力は、導線２６を通して送信されて、後述するように使用される。前述した装置は、例示のためのものであり、線形化アルゴリズムを用いれば非線形測定デバイス（ブランドット・エア・フロー・メータ（Ｂｒａｎｄｔ Ａｉｒ Ｆｌｏｗ Ｍｅｔｅｒ）など）を用いることができ、または流量に線形な電圧出力を生成する他の何れの流れ測定システムも適用できることを理解されたい。また試験セル１０は、シングル・ターボ・チャージャを有する内燃機関１６を示している。しかしデュアルまたはクワッド・ターボ・チャージャ装置（図示せず）を有するエンジン１６を試験する場合には、吸気１４の供給は、２つまたは４つの経路にそれぞれ分離され、各経路は、各ターボ・チャージャの上流に層流要素２０を含む。
【００１０】
付加的な測定を、層流要素２０より前で導管１３内で行なう。吸気１４の供給内での相対湿度の割合をモニタするためのプローブ３０が、ワイヤを介して、空気流量トランスデューサ・エンクロージャ２２に接続されている。抵抗型温度プローブ３２も、ワイヤを介して、エンクロージャ２２に接続されている。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。
【００１１】
次に図１および２を参照するに、本発明により構成されるガス・サンプリング・システム３６は、部分流ダイリューション・トンネル（ＰＦＤＴ）３８を含む。ダイリューション・トンネル３８は、既知の構成の何れかのタイプであり、ミキシング・ボックス・タイプ、または空気供給チャンバ内に位置する空気分配チューブ内に配置される複数のミクロン・サイズの孔を有するポーラス・センタ・チューブを含むタイプが挙げられる。後者のタイプのものは、米国特許公報（特許文献１）に開示されている。さらに、図２には、ガス・サンプリング・システム３６用の複数のさらなる制御コンポーネント３９が、より詳細に示されている。制御コンポーネント３９は、ダイリューション・トンネル３８の出口に接続されている。ダイリューション・トンネル３８は、エンジン１６の排気ガス・パイプ４０に接続されている。ダイリューション・トンネル３８は、パイプ４０の低圧部分（変移が最小である）で排気ガス・パイプ４０に接続することができる。または任意に、サンプリング・プローブ４２（たとえばオリフィスが先端についたサンプリング・プローブで、排気ガス・パイプ１６内での圧力変移の影響を最小限にするようにサイズ取りされデザインされているもの）が、ダイリューション・トンネル３８の一方の端または入口に接続されて、排気ガス・パイプ４０内に延びている。サンプリング・プローブ４２は、当業界では「開平器」として知られている。このサンプリング・プローブ４２を用いることによって、背圧調整デバイスの上流でまたは従来の煙道内でデータがバイアスされる可能性なく、サンプリングするオプションが与えられる。図２に示されるように、プローブは、排気ガス・パイプ４０内に突出する入口通路４６を規定する鼻部分４４を有する。こうして、参照番号４８で示されるように粒子を含む排気ストリームの比例標本が、ダイリューション・トンネル３８内へ送られる。
【００１２】
ダイリューション・トンネル３８における入口ポート５０は、工場の空気供給などの空気供給（参照番号５２によって概略的に示される）と連通している。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より良好に調整するために、空気供給５２を、順次に配列された順番で、加圧された清浄空気リザーバ（Ｒｅｓ）５４と、電気制御の質量流量コントローラ６０（ＭＦＣ１）とに通す。リザーバ５４に達する前に、空気を処理してその清浄度を向上させる。これは、空気供給５２を順次、過剰水分を取り除くための乾燥剤フィルタ６２と、油および／または炭化水素を取り除くためのチャコール・スクラバ６４などとに通すことによって行なう。ソレノイド・バルブ６６が、空気供給５２を開閉するためにフィルタ６２の上流に配置されている。ソレノイド・バルブ６８が、質量流量コントローラ６０の下流でダイリューション・トンネル３８の前に、接続されている。
【００１３】
ダイリューション・トンネル３８の反対側または出口端は、ソレノイド・バルブ７０と、概略的に示したフィルタ・アセンブリ７２とに接続されている。またフィルタ・アセンブリ７２は、概略的に示したように取り外し可能なフィルタ要素７６を有している。フィルタ・アセンブリ７２は、順次、ソレノイド・バルブ７８と、電気制御の質量流量コントローラ８０（ＭＦＣ２）と、真空ポンプ８２とに接続されている。さらにソレノイド・バルブ７９が、質量流量コントローラ６０の出口と質量流量コントローラ８０の入口とに、並列に接続されている。ソレノイド・バルブ８１が、ソレノイド・バルブ７９と質量流量コントローラ８０の入口との間に、接続されている。ソレノイド・バルブ８１は、その入口が大気に開放しているため、サンプリング・システムが動作していないときでも真空ポンプ８０は壊れない。ソレノイド・バルブ８１には、特別なサイズのオリフィス８３が取り付けられていて、サンプリングを予想した予備動作ができるようになっている。オリフィス８３によって、クリーン・フィルタ要素７６および真空ライン中での圧力損失が最小限になる。
【００１４】
電気制御の質量流量コントローラ（ＭＦＣ２）８０は、マスタ・コントローラであり、全体的な流量の制御機器として用いられる。電気制御の質量流量コントローラ（ＭＦＣ１）６０は、スレーブ・コントローラであり、リザーバ５４からの希釈用空気流量を正確に制御するための機器として用いられる。これらの熱式質量流量コントローラは好ましくは、市販のキャピラリ・チューブ型であり、実質的に通常の温度および圧力の変動とは無関係に動作する。マスタ・コントローラ８０およびスレーブ・コントローラ６０は、それぞれ電気ライン８６、８８および９０、９２の対を介して、マイクロプロセッサ（ＰＲ）８４にそれぞれ電気的に接続されている。
【００１５】
図２に示すように、米国特許公報（特許文献１）で教示された先のシステムでは、サンプリングされるエンジン１６に供給される流入空気の流量を測定する空気流量メータ（ＡＭ）９４（層流要素またはブランドット・フロー・メータなど）が、設けられている。また燃料流量メータ（ＦＭ）９６が、エンジンに瞬時に供給されている燃料の流量を測定するために設けられている。空気流量メータ９４は、信号調整器１００に接続される信号線９８を有している。燃料流量メータ９６は、やはり信号調整器に接続される信号線１０２を有している。信号調整器１００は好ましくは、２つのプログラマブルな電子処理装置を内部に有している（図示せず）。これらの処理装置の一方は、信号線９８の電圧信号を、第１の事前プログラムされた換算表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構成できるものである。他方の処理装置は、信号線１０２の周波数信号を、第２の事前プログラムされた換算表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構成できるものである。
【００１６】
過渡的希釈用空気流制御装置（ＴＤＡＣ）１１０が、ダイリューション・トンネル３８から所定の距離だけ、近接して配置されている。次に図３を参照するに、過渡的希釈用空気流制御装置１１０は、固定質量流量ストリーム１１２（例示用としては、所定の試験用に１３０リットル毎分の希釈用空気の固定流を供給する）と、可変質量流量ストリーム１１４（例示用としては、所定の試験用に０〜３０リットル毎分の希釈用空気を供給する）とに分割される。固定質量流量ストリーム１１２は、スレーブ質量流量コントローラ６０の下流に配置され、臨界流量ベンチュリ１１８に動作可能に直列に接続される圧力調整バルブ１１６を含んでいる。臨界流量ベンチュリは、熱変移の下でも寸法的に安定な材料から製造されている。このような材料としては、インバー（Ｉｎｖａｒ）３６、セラミック、宝石、またはある種の高熱安定性ステンレス鋼（特に４００シリーズ・ステンレス鋼）が考えられる。
【００１７】
可変質量流量ストリーム１１４は、固定質量流量ストリーム１１２と並列に接続されていて、第１および第２の並列に接続された圧力調整バルブ１２０、１２２を含んでいる。第１の圧力調整バルブ１２０は、ドーム付き調整バルブ１２４と熱式質量流量トランスデューサ１２６とに、直列に動作可能に接続されている。熱式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の出力に、後方から動作可能に接続されている。第２の圧力調整バルブ１２２は、電圧−圧力コントローラ１３０に直列に動作可能に接続されている。熱式質量流量トランスデューサ１２６からの電気出力は、導線１３２を介して、電圧−圧力コントローラ１３０に接続されている。導管１３４によって、電圧−圧力コントローラ１３０が、第３の圧力調整バルブ１２４に接続されている。圧力調整バルブ１１６と第１および第２の圧力調整バルブ１２０、１２２とは、所定の試験用の所望の圧力設定に各バルブを調整する圧力表示ゲージ１３６を有する手動操作型バルブとして示されていることを理解されたい。しかし、圧力調整バルブ１１６と第１および第２の圧力調整バルブ１２０、１２２とが、マイクロプロセッサ８４に接続されてこれによって制御される電気制御型バルブであり得ることは、本応用例の理解および範囲内であると考えられることを理解されたい。
【００１８】
図３に示され、図４に詳細に示されるように、選択可能ゲイン回路１４０が、電圧−圧力コントローラ１３０に、導線１６０を介して接続されている。選択可能ゲイン回路１４０は、吸気の質量流量に比例する電気入力信号（圧力差トランスデューサ２４から導線２６を通る）を受け取るアナログ精製回路である。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において受け取られる。デュアル・ターボ・チャージド内燃機関１６用にデュアル吸気経路がある場合には、第２の入力接続部１４４が設けられる。スイッチ１４６によって、シングル・チャネル入力用の開位置またはデュアル・チャネル入力を平均化する閉位置の間で、回路１４０をトグル切り換えすることができる。選択可能ゲイン・スイッチ１５０は、複数の粗電圧位置１５２（たとえば０〜５Ｖｄｃの最大位置から０〜１．６７Ｖｄｃの最小位置まで）の間で、所定の試験用の吸気量または特定のサイズのエンジン１６に基づいて、選択可能である。その後に、ポテンシオメータ１５４を用いて信号を微調整する。回路１４０の残りの部分１５６によって、従来の方法でアナログ信号が精製され、出力接続部１５８からアナログ信号が、電圧−圧力コントローラ１３０に導線１６０を介して供給される。選択可能ゲイン回路１４０は、手動で操作することもできるし、マイクロプロセッサ８４によって制御することもできる。
【００１９】
次に図５を参照するに、エンジン排気流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。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
動作中、ソレノイド・バルブ６６、６８、７０、７８、および８１は、多くの目的に使用される開／閉型バルブである。たとえば、図２を詳細に調べれば明らかなように、始動時におよび通過モードによって使用され、その結果、真空ポンプ８２が損傷を受けない。ソレノイド・バルブ７９が含まれているのは、システムを分路することによってスレーブ質量流量コントローラ（ＭＦＣ１）６０とマスタ質量流量コントローラ（ＭＦＣ２）８０とを直接に互いに直列に配置する校正ループを得るためである。
【００２１】
図１および２に示すガス・サンプリング・システムでは、キャピラリ・チューブ型熱式質量流量コントローラ６０および８０（マイクロプロセッサ８４によって電気的に駆動される）が用いられている。プロセッサ８４は、粒子の堆積および混入を実質的に除去しながら非定常エンジン状態に対応できる部分流ダイリューション・トンネル３８に対する全体的な空気流量を制御する。たとえば比率を設定するプロセッサ８４は、マスタ質量流量コントローラ８０へのライン８６および８８の制御信号と、流れ容量の低いスレーブ質量流量コントローラ６０へのライン９０および９２の制御信号とを割り当てて、流れの概算的な比率として約１．１〜１．０を設定し、典型的な希釈比率として約１０：１を与える。この値は、制御可能および可変でなければならない。
【００２２】
非定常状態は、層流要素２０、選択可能ゲイン回路１４０、過渡的希釈用空気制御装置１１０によって補正される。具体的には、非定常試験操作の間に、層流要素２０が、要素２０両端の圧力差の変化を測定する。この測定値を、圧力差トランスデューサ２４によってアナログｄｃ電圧信号に変換する。選択可能ゲイン回路１４０によって、前述したように、アナログ信号が精製される。過渡的希釈用空気制御装置１１０によって、固定質量流量ストリーム１１２と可変質量流量ストリーム１１４とが与えられる。固定質量流量ストリーム１１２は、可変質量流量ストリーム１１４よりも大きい可能性がある。固定流ストリーム１１２は、試験が始まる前に、圧力調整バルブ１１６によって変えることができる。可変質量流量ストリーム１１４は、極めて迅速に応答する装置（１５ｍｓ）であり、選択可能ゲイン回路１４０から信号を受け取って、エンジン流に対する希釈流比率を設定する。可変質量流量ストリーム１１４からの流れ量は、エンジン１６の流量に反比例する（すなわちエンジン吸気流量が最大のときに、比例して、可変質量流量ストリーム１１４からの質量流量は最小になる）。このようにして、サンプル質量の最大の比例流量が、排気ストリーム４８から抽出される。
【００２３】
さらなる利点は、過渡的希釈用空気流制御装置１１０が、部分流ダイリューション・トンネル３８に近接して配置されていることである。このことによって、ガス・サンプリング・システム３６の空気静電容量が低減されて、対応時間が５００ｍｓ以下になる。大抵の場合、過渡的希釈用空気制御装置１１０のおかげで、ガス・サンプリング・システム３６は３００ｍｓ以下以内で対応することができる。
【００２４】
本発明の他の形態、目的および利点は、図面、明細書および添付した請求の範囲の検討によって得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】エンジン試験セルを示す全体的な概略図である。
【図２】本発明を実施するガス・サンプリング・システムを示す概略図である。
【図３】図２からの過渡的希釈用空気コントローラを示す概略図である。
【図４】図３の過渡的希釈用空気コントローラ用の電気回路を示す図である。
【図５】エンジン排気流と過渡的希釈用空気応答時間との間の関係を示すグラフである。

Claims (14)

1. ガス・サンプリング・システム（３６）の部分流ダイリューション・トンネル（３８）への希釈用空気供給の制御方法であって、
   非定常状態の間の内燃機関（１６）への吸気の変移をモニタするステップと、
   吸気の変移に応答して希釈用空気供給を変えるステップと、を含む方法。
2. 吸気の変移に対応して５００ｍｓ以下以内で希釈用空気供給を変えるステップを含む、請求項１に記載の希釈用空気供給の制御方法。
3. 吸気の変移に対応して３００ｍｓ以下以内で希釈用空気供給を変えるステップを含む、請求項２に記載の希釈用空気供給の制御方法。
4. 希釈用空気を固定の希釈用空気ストリームと可変空気ストリームとに分割するステップを含む、請求項１に記載の希釈用空気供給の制御方法。
5. 非定常状態の間の内燃機関（１６）への吸気の変移をモニタするステップが、吸気の変移に応答するアナログ信号を生成するステップを含む、請求項４に記載の希釈用空気供給の制御方法。
6. 信号を受け取るステップと、
   吸気の変移に反比例する量で可変空気ストリームを変えるステップと、を含む、請求項５に記載の希釈用空気供給の制御方法。
7. 希釈用空気供給に対して空気をフィルタリングおよびスクラビングして供給するステップを含む、請求項１に記載の希釈用空気供給の制御方法。
8. 内燃機関からの排気ストリーム中の排気粒子のサンプリング方法であって、
   内燃機関の排気ストリームに、部分流ダイリューション・トンネルを接続するステップと、
   部分流ダイリューション・トンネルに、希釈用空気をフィルタリングおよびスクラビングして供給するステップと、
   内燃機関に供給された吸気量の変移に応答して、希釈用空気供給を変えるステップと、
   部分流ダイリューション・トンネルから、排気ガス・サンプルと希釈用空気とを引き出すステップと、
   排気ガス・サンプルと希釈用空気とをフィルタリングして、部分流ダイリューション・トンネルの出口端で排気粒子を捕捉するステップと、を含む方法。
9. 排気ストリーム中にサンプリング・プローブを配置するステップと、
   サンプリング・プローブを部分流ダイリューション・トンネルに接続するステップと、を含む、請求項８に記載の排気粒子のサンプリング方法。
10. 吸気の変移に対応して５００ｍｓ以下以内で希釈用空気供給を変えるステップを含む、請求項８に記載の排気粒子のサンプリング方法。
11. 吸気の変移に対応して３００ｍｓ以下以内で希釈用空気供給を変えるステップを含む、請求項１０に記載の排気粒子のサンプリング方法。
12. 希釈用空気を固定の希釈用空気ストリームと可変空気ストリームとに分割するステップを含む、請求項８に記載の排気粒子のサンプリング方法。
13. 非定常状態の間の内燃機関（１６）への吸気の変移をモニタするステップと、
    吸気の変移に応答するアナログ信号を生成するステップと、を含む、請求項１２に記載の排気粒子のサンプリング方法。
14. 信号に応答するステップと、
    吸気の変移に反比例する量で可変空気ストリームを変えるステップと、を含む、請求項１３に記載の排気粒子のサンプリング方法。

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