JP2015514976A - 内燃機関の排ガス試料を採取する装置 - Google Patents

Abstract

排ガス入口（１０）を介して排ガス源（１４）に通流可能に接続される排ガス通路（１２）と、空気フィルタ（２８）を介して周囲空気を吸入可能な空気通路（２０）と、排ガス通路（１２）の流出横断面（１８）の下流に配置される混合域（３６）と、排ガス−空気−混合物が通流する希釈トンネル（３８）と、を備え、排ガス通路（１２）の流出横断面（１８）が、空気通路（２０）内に略同心的に配置されており、かつ排ガス通路（１２）の流出横断面（１８）の下流にて、希釈トンネル（３８）内に環状オリフィス（３４）が配置されている、内燃機関の排ガス試料を採取する装置は、公知である。しかし、両ガス流の混合は、しばしば不十分である。それゆえ、良好な混合及び実態を表した試料採取を保証するために、オリフィス（３４）の上流であって、排ガス通路（１２）の流出横断面（１８）の下流に、排ガスの流れ変向手段（３２，４４，５０）が配置されており、流れ変向手段（３２，４４，５０）は、流れ変向手段（３２，４４，５０）の直ぐ下流において排ガスの流れが希釈トンネル（３８）の中心軸線から軸対称的に離れていくように、排ガスの流れを変向することを提案する。

Description

本発明は、排ガス入口を介して排ガス源に通流可能に接続される排ガス通路と、空気フィルタを介して周囲空気を吸入可能な空気通路と、排ガス通路の流出横断面の下流に配置される混合域と、排ガス−空気−混合物が通流する希釈トンネルと、を備え、排ガス通路の流出横断面が、空気通路内に略同心的に配置されており、かつ排ガス通路の流出横断面の下流にて、希釈トンネル内に環状オリフィスが配置されている、内燃機関の排ガス試料を採取する装置に関する。

この種の装置は、例えばＣＶＳ（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖｏｌｕｍｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ：定容量サンプリング）装置の概念で公知である。これらの装置では、排ガスに常に、空気−排ガス−混合物の一定の総体積流量を生じさせる空気が混合される。これらの装置を介してバッグに採取された試料は、次にその有害物質の割合に関する分析がなされる。特に二酸化炭素、一酸化炭素、炭化水素、窒素酸化物の割合や、粒子状物質負荷が測定される。測定方法は、例えばヨーロッパ圏ではＥＣＥガイドラインＲ８３により法定され、アメリカ合衆国圏では連邦規則４０巻により法定されている。

独国特許出願公開第１０２００９０１５１８８号明細書には、２つの異なる排ガス源に接続可能な排ガス試料を採取する装置が記載され、１つの装置を介してディーゼル機関の粒子状物質負荷も、オットー機関の粒子状物質負荷も測定可能である。当該装置の、ディーゼル機関から延びる排ガス通路は、オリフィスの上流にて空気通路内で同心的に終端している。排ガス通路の流出横断面とオリフィスとの間の領域には、排ガスが空気と混合する混合域が形成されている。

しかし、この種のシステムでは、排ガスの混合状態が他の領域よりも悪い流動ストリーク（Ｓｔｒｏｅｍｕｎｇｓｓｔｒａｅｈｎｅ）が発生する場合があることが判っている。これにより、一様な混合は、比較的長い流路にもかかわらず存在せず、その結果、測定結果に誤りが生じる恐れがある。

それゆえ本発明の課題は、排ガスの混合状態が悪い領域の形成を回避することで、法規に応じて実態を表した試料採取を保証する装置を開発することである。同時に、当該装置は、安価に製造可能かつ運転可能であることが望ましく、特に両ガス流を圧送するのに、比較的出力の低いフィードポンプで十分であることが望ましい。

この課題は、独立請求項に記載の特徴を有する内燃機関の排ガス試料を採取する装置により解決される。オリフィスの上流であって、排ガス通路の流出横断面の下流に、排ガスの流れ変向手段が配置されており、流れ変向手段は、流れ変向手段の直ぐ下流において排ガスの流れが希釈トンネルの中心軸線から軸対称的に離れていくように、排ガスの流れを変向することにより、排ガスは、空気通路内に突入する排ガス通路に基づいて予め希釈トンネルの外側の領域に押しのけられた空気流内に直接導入され、これにより混合は明らかに向上する。次にオリフィスにより、排ガス−空気−混合物の速度は上昇する。これにより付加的な乱流が形成される。このことは、混合流の付加的な均質化につながる。

好ましい態様において、流れ変向手段は、球面部を有し、かつ希釈トンネル内に同心的に配置されている物体により形成されている。球面部により、排ガスの流れを変向する際の圧力損失は、それほど高くならず、その結果、駆動する圧力勾配、ひいてはフィードポンプの入力を高める必要もない。また、この物体により両ガス流の特に良好な混合が達成される。

付加的な好ましい態様において、球面部は、半球である。この態様は、混合の均質化と、これと同時の圧力損失の低減とについて特に良好な結果をもたらす。

粒子状物質の堆積を回避するために、球面部の表面は、電解研磨されている。さらに粒子状物質が、後々、流れ変向手段から剥離し、測定結果に誤りをもたらすことは回避される。

球面部の好ましい態様において、球面部は、中央の穴を有する。この穴は、圧力損失を明らかに高めてしまうよどみ点が形成されることを、混合を明らかに悪化させずに回避する。

球面部又はオリフィスは、好ましくは加熱可能である。このことは、オリフィス又は球面部の下流側の表面に加熱フィルムが配置されていることにより、特に簡単に実現される。その結果、加熱フィルムは、直接排ガス流に曝されず、上流側の表面により保護される。こうして、流れが吹き寄せる表面において凝縮液が形成されることは回避される。このことは、他方において堆積物の減少につながる。

球面部の、中心軸線の方向での投影面が、少なくとも排ガス通路の流出横断面に等しいと、一方では、排ガス流全体が空気流に向かって変向されることが保証され、他方では、圧力損失につながりかねない付加的な絞り込みが防止されるため、特に良好な結果が達成される。

本発明の別の好ましい態様において、オリフィスの通流横断面は、流れ変向手段の横断面の１．２倍〜１．８倍に相当する。こうして、通流速度が高められ、混合をさらに強める乱流が、大きな圧力損失を結果として伴うことなく、発生される。

好ましい態様において、流れ変向手段と排ガス通路の流出横断面との間隔が、空気通路の直径と排ガス通路の直径との差の３分の１〜５分の１である。こうして、排ガスが空気流内へ流入する際の圧力損失が過度に大きくならないことが保証される。一方では、排ガス流に十分な流出面積が提供され、他方では、変向角度が、乱流を発生させ、ストリーク形成を阻止するのに十分な大きさである。

オリフィスの通流時の過度に大きな圧力損失は、流れ変向手段とオリフィスとの間隔が、空気通路の直径の３分の１〜５分の１であることにより回避される。こうして、一方では、排ガス−空気−混合物のための十分な面積が提供され、他方では、比較的近くで連続して行われる逆向きの変向により乱流が形成される。

本発明のこれらの態様に対して択一的な態様において、流れ変向手段は、中心軸線に関して互いに対称的に配置される複数の流出管により形成されている。こうして、排ガス通路の下流にオリフィス以外の流れを妨げるものが配置されていないので、圧力損失は付加的に低減される。それにもかかわらず排ガス流は、空気流に向かって変向される。

好ましくは４つの流出管が、互いに９０°ずらされて配置されている。こうして、横断面全体にわたる排ガスの十分に一定の導入が、しかも僅かな構造的な手間で生じる。この構成は、容易に組み立て可能でもある。

この発明の付加的な態様において、４つの流出管は、排ガス通路の直接近傍にか、又は排ガス通路内に、まず中心軸線に対して平行に延在し、続いて排ガス通路の外を連続的に中心軸線から離れていくように曲げられている。この連続的な曲げにより、圧力損失は低減される。

好ましい態様において、流出管の流出横断面は、希釈トンネルの中心軸線に対して３０°〜８０°の角度をなしている。これにより、一方では、混合を向上させるのに十分な変向が保証され、他方では、両ガス流が衝突する際の圧力損失が、是認可能な限度に維持される。その結果、ガス流を圧送する送風機の総圧力上昇は、さらに調整される必要がない。

特に簡単な固定及び組立は、流れ変向手段が、少なくとも１つ、好ましくは３つのホルダを介してオリフィスに固定されていると生じる。これは、組立がオリフィスの組立とともに１回のステップで実施されるからである。

これにより、両ガス流の極めて良好な混合が保証されるため、実態を表した試料が希釈トンネルから取り出し可能であることを保証する、内燃機関の排ガス試料を採取する装置が提供される。他方、当該装置は、組立が簡単であるとともに、付加的な圧力損失が小さく維持されるがゆえに比較的小型の圧送用送風機が使用可能であるので、安価に製造可能かつ運転可能である。

本発明に係る排ガス試料を採取する装置の２つの実施の形態を図面に示し、以下に説明する。

本発明に係る排ガス試料を採取する装置の概略側面図である。 図１に示した装置の混合域の領域における３次元部分拡大図である。 混合域の本発明における択一的な構成の３次元図である。

本発明に係るディーゼル機関又はオットー機関用の内燃機関の排ガス試料を採取する装置は、排ガス入口１０を有している。排ガス入口１０を介して排ガス通路１２が、自動車の内燃機関により形成されている排ガス源１４に通流可能に接続されている。

この排ガス通路１２は、流出横断面１８を有する端部１６を有している。端部１６は、空気通路２０内で同心的に開口している。このためにこの空気通路２０は、空気通路２０の画定壁２４に開口２２を有している。開口２２を通して排ガス通路１２は、空気通路２０内に垂直に突入している。空気通路２０内で同心的に開口するために、排ガス通路１２は、９０°の変向部を有している。

空気通路２０は、排ガス通路１２の上流に入口２６を有している。入口２６には、一般に３つのフィルタからなる第１の空気フィルタ２８が配置されている。第１の空気フィルタ２８を介して空気が、空気通路２０内に吸引可能である。排ガス通路１２の変向部は、排ガスの流出方向が空気フィルタ２８とは反対側に向けられているように形成されており、その結果、空気の流れと排ガスの流れとは、排ガス通路１２の流出横断面１８において１つの共通の流動方向を有している。この流動方向は、空気通路２０の中心軸線に対して略平行に延びている。

流動方向で見て排ガス通路１２の流出横断面１８の下流には、排ガスの流れ変向手段３２が配置されている。流れ変向手段３２は、図２及び図３の以下の説明から看取可能であるように、構造的に様々に形成可能である。流れ変向手段３２の構成にかかわらず、流れ変向手段３２は、排ガス流を空気流に向かって、つまり空気通路２０の半径方向の成分を伴って空気流内へと変向するために用いられ、これにより乱流が発生し、混合の改善が生じる。

この流れ変向手段３２の下流には、オリフィス３４が配置されている。オリフィス３４により、空気通路の自由に通流可能な横断面が狭窄され、その結果、流動速度が上昇し、付加的な乱流が発生する。この乱流域は、混合域３６を形成し、混合域３６内で、空気流中の排ガス流の可及的完全な混合が実施され、混合域３６は、オリフィス３４の下流まで引き伸ばされる。

この混合域３６には、希釈トンネル３８が接続されている。希釈トンネル３８内には、ストリーク形成なしの排ガス−空気−混合物の一様な流れが存在している。希釈トンネル３８内には、中心軸線に関して中央に、混合流から試料を採取する試料採取プローブ４０が配置されている。試料採取プローブ４０を介して取り出された試料流は、加熱可能な粒子状物質フィルタを介して水素炎イオン化検出器に供給可能である。水素炎イオン化検出器を介して、排ガス中の窒素酸化物、二酸化炭素及び一酸化炭素の割合を求めるために、排ガス中の炭化水素が計測される。また試料採取プローブ４０を介して、排出される粒子状物質が採取され、粒子状物質測定装置に供給される。分析流の圧送は、それぞれ、図示しない別個のポンプを介して実施される。

残りの混合ガス流は、希釈トンネル３８から、制御可能なフィードポンプ４２へと到達する。フィードポンプ４２は、空気及び排ガスを圧送するのに十分な圧力を形成するためのものである。ここで混合ガス流は排出される。制御されるフィードポンプ４２の他、フィードポンプの上流に、所望の圧送流を設定するベンチュリノズルを配置することも可能である。

付言すると、フィードポンプを通るガス流量は、一定の温度及び一定の圧力あるいは一定の体積流量で測定される。いずれにしても排ガスは、所定の比で周囲空気により希釈される。試料採取は、それぞれ、フィードポンプ４２の流量に対して比例的に実施される。これについては、例えばＥＣＥガイドラインＲ８３に記載されているような臨界流量ベンチュリ管を有する希釈システムと同様、可変の希釈及び容積式ポンプを有する試料採取システムが公知である。これらの装置で使用される流量制御器、弁、流量測定装置、圧力測定装置及び温度測定装置のアッセンブリも、公知であり、使用されるシステム次第で種々異なる。その結果、制御のこれらの可能性は、本明細書では専門知識として前提とされる。本発明は、試料採取のこれらのすべての形態にとって好適である。

しかし、このような装置の試料採取の結果は、実際には、試料採取箇所に可及的均質な流れが存在していることが保証される場合、つまり、空気流内での排ガス流の良好な混合が保証され、ストリーク形成が高信頼性に回避される場合にのみ、実態を表す。既に説明したように、このことは、本発明において流れ変向手段３２により達成される。流れ変向手段３２は、図２に示す実施の形態では、球面部状あるいは球帯状の物体、本実施の形態では半球４４を形成している物体により形成される。この物体の凸面状の表面は、排ガス通路１２に向けられている。

この半球４４は、排ガス通路１２の流出横断面１８に対して４５ｍｍの間隔を置いて存在し、約９５ｍｍの直径を有している一方、排ガス通路１２の流出横断面は、約９０ｍｍである。他方、半球４４は、オリフィス３４から約７０ｍｍ離間している。オリフィス３４の自由通流直径は、約１５０ｍｍである。これらの寸法は、空気通路２０の直径に応じて決定されたものであり、空気通路２０の直径は、本実施の形態では２７３ｍｍである。その結果、オリフィス３４の通流横断面は、流れ変向手段３２の横断面の約１．６倍に相当し、流れ変向手段３２と排ガス通路１２の流出横断面１８との間隔は、空気通路２０の直径と排ガス通路１２の直径との差の約４分の１であり、流れ変向手段３２とオリフィス３４との間隔は、空気通路２０の直径の約４分の１である。

これらの上述の比は、一方では、排ガス通路１２と半球４４との間の中間室から排ガスを流出させるために提供される自由円筒面が、排ガス通路１２からの流出面より大きく、これにより圧力損失が僅かに維持されるようにし、しかし他方では、半球４４において半径方向外向きの明確な流れの変向が形成され、その結果、排ガス流が空気流内に押し込まれ、これにより乱流が発生するように、間隔が十分に小さいまま維持されるようにする。さらに、排ガス−空気−混合物を通流させるために提供される空間も、オリフィス３４と半球４４との間の円筒面が、中心軸線に対して平行に半球４４のレベルにおける自由通流横断面と略同じ大きさに維持されることにより、十分な大きさに維持される。その結果、ここでも過度に高い圧力損失は発生しない。排ガス−空気−混合物のいずれにしてもなお渦流を伴った流れは、この領域においてオリフィス３４により再び半径方向内向きに方向付けられ、これにより逆方向の渦流が発生する。このことは、最終的に、極めて良好な混合を保証する乱流に至る。これらの乱流は、オリフィスの下流に所定の間隔を置いてなおも維持される。排ガスが空気に流入し、空気と混じり合うこの領域は、混合域３６を形成する。

さらに半球４４は、中央の穴４６を有している。穴４６は、よどみ点の発生を阻止し、これによりやはりさらなる圧力損失を回避する。半球４４の表面は、流れに向けられた側で電解研磨され、反対側で加熱フィルムによりコーティングされている。その結果、排ガスの凝縮は、回避される。半球４４は、３つの支柱４８を介してオリフィス３４に固定されている。その結果、半球４４は、簡単にオリフィス３４とともに前組み立てされ、オリフィス３４とともに希釈トンネル３８に対して同心的に希釈トンネル３８内に挿入可能である。この流れ変向手段３２と、通路２０内でのその配置とにより、排ガスの、中心軸線に関して対称的な流れの変向がなされることが保証され、このことは、空気との一様な混合を保証する。

図３は、択一的な実施の形態を示している。排ガス通路１２の流出横断面１８内には、互いに９０°ずらされて対称的に配置された４つの流出管５０が存在している。流出管５０は、まず排ガス通路１２の通流方向に対して平行に延び、排ガス通路１２の端部１６の下流において半径方向外向きに曲げられている。その結果、管５０の延びは、流動方向で連続的に中心軸線から離れている。流出管５０の流出横断面は、希釈トンネル３８の中心軸線に対して４５°の角度をなしている。これらの流出管５０の固定は、予め環５２において実施され、環５２は、組立の際に排ガス通路１２に固定される。択一的には、固定は、支柱を介してオリフィス３４に実施されてもよい。

流れ変向手段３２のこの構成も、排ガス流が所定の角度で空気流内に軸対称的に流入するようにし、その結果、排ガス流に半径方向の成分が強制的に付与される。この半径方向の成分は、オリフィス３４による絞り込みに基づく渦流とは逆向きの渦流を発生させることになり、その結果、大きな乱流が発生し、両ガス流の極めて良好な混合を結果として伴う。連続的な変向は、圧力損失を僅かなものとする。

両実施の形態は、排ガス流の混合及び均質化の改善に相応に適している。その結果、実態を表した試料採取が可能となる。このことは、有害物質負荷を分析する際、存在する圧力損失が可及的小さく維持されるので、フィードポンプの出力を高める必要なしに、より良好な検査結果につながる。

本発明が上述の実施の形態に限定されず、本独立請求項の権利範囲内で様々な変更が可能であることは、自明である。

Claims (16)

1. 排ガス入口（１０）を介して排ガス源（１４）に通流可能に接続される排ガス通路（１２）と、
   空気フィルタ（２８）を介して周囲空気を吸入可能な空気通路（２０）と、
   前記排ガス通路（１２）の流出横断面（１８）の下流に配置される混合域（３６）と、
   排ガス−空気−混合物が通流する希釈トンネル（３８）と、
   を備え、
   前記排ガス通路（１２）の流出横断面（１８）が、前記空気通路（２０）内に略同心的に配置されており、かつ
   前記排ガス通路（１２）の流出横断面（１８）の下流にて、前記希釈トンネル（３８）内に環状オリフィス（３４）が配置されている、
   内燃機関の排ガス試料を採取する装置であって、
   前記オリフィス（３４）の上流であって、前記排ガス通路（１２）の流出横断面（１８）の下流に、排ガスの流れ変向手段（３２，４４，５０）が配置されており、該流れ変向手段（３２，４４，５０）は、該流れ変向手段（３２，４４，５０）の直ぐ下流において排ガスの流れが前記希釈トンネル（３８）の中心軸線から軸対称的に離れていくように、排ガスの流れを変向することを特徴とする、内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
2. 前記流れ変向手段（３２）は、球面部を有し、かつ前記希釈トンネル（３８）内に同心的に配置されている物体（４４）により形成されている、請求項１記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
3. 前記球面部は、半球（４４）である、請求項２記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
4. 前記球面部（４４）は、電解研磨されている、請求項２又は３記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
5. 前記球面部（４４）は、中央の穴（４６）を有する、請求項２から４までのいずれか１項記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
6. 前記球面部（４４）又は前記オリフィス（３４）は加熱可能である、請求項２から５までのいずれか１項記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
7. 前記オリフィス（３４）又は前記球面部（４４）の下流側の表面に加熱フィルムが配置されている、請求項６記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
8. 前記球面部（４４）の、前記中心軸線の方向での投影面は、少なくとも前記排ガス通路（１２）の流出横断面（１８）に等しい、請求項１から７までのいずれか１項記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
9. 前記オリフィス（３４）の通流横断面は、前記流れ変向手段（３２，４４）の横断面の１．２倍〜１．８倍に相当する、請求項１から８までのいずれか１項記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
10. 前記流れ変向手段（３２，４４）と前記排ガス通路（１２）の流出横断面（１８）との間隔が、前記空気通路（２０）の直径と前記排ガス通路（１２）の直径との差の３分の１〜５分の１である、請求項１から９までのいずれか１項記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
11. 前記流れ変向手段（３２，４４，５０）と前記オリフィス（３４）との間隔が、前記空気通路（２０）の直径の３分の１〜５分の１である、請求項１から１０までのいずれか１項記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
12. 前記流れ変向手段（３２，５０）は、前記中心軸線に関して互いに対称的に配置される複数の流出管（５０）により形成されている、請求項１記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
13. ４つの前記流出管（５０）が、互いに９０°ずらされて配置されている、請求項１０記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
14. ４つの前記流出管（５０）が、前記排ガス通路（１２）の直接近傍にか、又は前記排ガス通路（１２）内に、まず前記中心軸線に対して平行に延在し、続いて前記排ガス通路（１２）の外を連続的に前記中心軸線から離れていくように曲げられている、請求項１０又は１１記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
15. 前記流出管（５０）の流出横断面は、前記希釈トンネルの中心軸線に対して３０°〜８０°の角度をなしている、請求項１２記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。
16. 前記流れ変向手段（３２，４４，５０）は、少なくとも１つ、好ましくは３つの支柱（４８）を介して前記オリフィス（３４）に固定されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の内燃機関の排ガス試料を採取する装置。

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