JP2018197684A - Flow rate measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明による実施形態は、流量測定装置に関する。 Embodiments according to the present invention relate to a flow measurement device.
自動車等の排出ガスの流量測定は、試験室にてシャシダイナモメータやエンジンダイナモメータを用いて、実際の路上走行を想定した走行試験で行われていた。しかしながら、実際の路上走行では、走行経路の違い、渋滞のような交通状況、天候等により、走行条件が異なる。このため、試験室での流量測定結果は、実際の路上走行における流量測定結果と乖離していた。 The flow rate measurement of exhaust gas from automobiles and the like has been performed in a driving test assuming actual road driving using a chassis dynamometer or an engine dynamometer in a test room. However, in actual road driving, driving conditions differ depending on driving routes, traffic conditions such as traffic jams, weather, and the like. For this reason, the flow rate measurement result in the test room is different from the actual flow rate measurement result on the road.
このような状況の中で、走行試験のモードについては、世界的に規格の統一化が進められている。実際の路上走行に近い試験である乗用車等の国際調和排出ガス・燃費試験法 (WLTP(Worldwide Harmonized Light vehicles Test Procedure))、過渡試験サイクル (WHTC(Worldwide Harmonized Transient Cycle))の導入、および、車載式排出ガス測定システム (PEMS(Portable Emission Measurement System))を用いた実路走行排ガス(RDE(Real Driving Emissions))試験の導入が検討されている。 Under such circumstances, the standardization of the driving test mode is being promoted worldwide. International Harmonized Light Vehicle Test Procedure (WLTP), transient test cycle (WHTC (Worldwide Harmonized Transient Cycle)), and in-vehicle use, which are tests close to actual road driving The introduction of a Real Driving Emissions (RDE) test using a portable emission measurement system (PEMS) is being considered.
特に、PEMSを用いたRDE試験に関しては、厳しい環境基準に対応するように、実走行における排出ガスの流量を正確に測定することは重要である。また、PEMSを用いたRDE試験は、PEMSを車載して実走行しながら行われるので、気象条件などの計測環境を考慮する必要がある。 In particular, regarding the RDE test using PEMS, it is important to accurately measure the exhaust gas flow rate in actual driving so as to meet strict environmental standards. In addition, since the RDE test using PEMS is performed while actually running with PEMS on-board, it is necessary to consider the measurement environment such as weather conditions.
PEMSを用いたRDE試験では、排出ガスの特定成分の濃度と排出ガスの総流量との積から該特定成分の排出量を算出している。この場合、排出ガスの流量を高精度で測定する必要がある。また、粒子状物質(PM(Particulate Matter)) の希釈率を求めるために排出ガスの流量を高精度で測定する必要がある。 In the RDE test using PEMS, the discharge amount of the specific component is calculated from the product of the concentration of the specific component of the exhaust gas and the total flow rate of the exhaust gas. In this case, it is necessary to measure the flow rate of the exhaust gas with high accuracy. In addition, it is necessary to measure the exhaust gas flow rate with high accuracy in order to obtain the dilution rate of particulate matter (PM).
実走行における排出ガスの流量測定は、アイドリング等の低回転時の脈動流や逆流、加速時における急激な流量変化や温度変化、さらに、振動や凝縮水等の影響を考慮しつつ、高精度に測定することが要求される。また、車載可能にするためには、PEMS自体の装置の大きさも考慮する必要がある。 Exhaust gas flow rate measurement in actual driving is highly accurate considering the effects of pulsating flow and reverse flow at low revolutions such as idling, sudden flow rate changes and temperature changes during acceleration, and vibration and condensed water. It is required to measure. Moreover, in order to be able to be mounted on a vehicle, it is necessary to consider the size of the PEMS itself.
例えば、コリオリ式やカルマン渦流量計等の流量計は、耐振動、脈動流、逆流において流量を精度良く測定することが困難である。一方、ピトー管式流量計は、逆流や凝縮水があっても、流量を精度良く測定可能であり、また、構造が簡単で小型である。このことから、ピトー管式流量計は、PEMSとして頻繁に用いられる。しかし、トピー管式流量計は、排出ガスの圧力差と流量との関係が線形でなく、特に、低流量において流量を精度良く測定することができないという問題がある。 For example, a flow meter such as a Coriolis type or a Karman vortex flow meter is difficult to accurately measure the flow rate in vibration resistance, pulsation flow, or reverse flow. On the other hand, the Pitot tube type flow meter can measure the flow rate accurately even if there is a backflow or condensed water, and the structure is simple and small. For this reason, the Pitot tube type flow meter is frequently used as PEMS. However, the topy tube type flow meter has a problem that the relationship between the pressure difference of the exhaust gas and the flow rate is not linear, and in particular, the flow rate cannot be measured accurately at a low flow rate.
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、応答性が高く、脈動や逆流があっても計測可能であり、低流量を精度良く測定することができる流量測定装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above problems, and is to provide a flow rate measuring device that has high responsiveness, can be measured even when there is pulsation or backflow, and can accurately measure a low flow rate. .
本実施形態による流量測定装置は、排出ガスの流入口と、流入口と連通し、排出ガスの入口よりも出口が高い位置にあり、排出ガスから粒子および水分を除去するメッシュフィルタと、メッシュフィルタと連通し、排出ガスの入口が出口よりも高い位置にあり、排出ガスを層流状態で流す層流素子と、層流素子の入口近傍における排出ガスの気圧と層流素子の出口近傍における排出ガスの気圧との差圧を測定する差圧計と、層流素子を通過した排出ガスを排出する流出口とを備えている。
メッシュフィルタおよび層流素子は、ともに略鉛直方向に排出ガスを流すように縦型配置され、メッシュフィルタと層流素子との間の配管と併せて逆U字形状に構成されていてもよい。
流量測定装置は、流入口およびメッシュフィルタより低い位置に設けられ水分を当該流量測定装置の外へ排出する水抜き孔をさらに備えてもよい。
層流素子の全体の断面積に対する該層流素子を構成する細管の開口断面積の総和の比率が0.9以上でよい。
流量測定装置は、層流素子の入口側の円周に亘って略等間隔に設けられた4つ以上の第1ガス取出し孔と、層流素子の出口側の円周に亘って略等間隔に設けられた4つ以上の第2ガス取出し孔と、層流素子の円周方向に隣接する2つの第1ガス取出し孔を接続する複数の第1継手と、層流素子の円周方向に隣接する2つの第2ガス取出し孔を接続する複数の第2継手と、層流素子の円周方向に隣接する2つの第1継手同士を接続する少なくとも1つの第3継手と、層流素子の円周方向に隣接する2つの前記第2継手同士を接続する少なくとも1つの第4継手とをさらに備え、差圧計は、第1および第3継手を介して層流素子の入口近傍における排出ガスの気圧を測定し、第2および第4継手を介して層流素子の出口近傍における排出ガスの気圧を測定してよい。
流量測定装置は、層流素子の入口近傍から第1および第3継手を介して差圧計までの第1導管と層流素子の出口近傍から第1および第3継手を介して差圧計までの第2導管とにパージガスを供給するパージガス供給部をさらに備えてもよい。
流量測定装置は、層流素子の入口近傍における排出ガスの第1温度と層流素子の出口近傍における排出ガスの第2温度とを測定する温度計をさらに備えてもよい。
流量測定装置は、複数の温度を有する排出ガスによって導出された係数a、b、cを予め格納する記憶部と、係数a、b、cを用いて流量Qを算出する演算部とをさらに備えてもよい。尚、
Both the mesh filter and the laminar flow element may be arranged vertically so that the exhaust gas flows in a substantially vertical direction, and may be configured in an inverted U shape together with the piping between the mesh filter and the laminar flow element.
The flow rate measuring device may further include a drain hole provided at a position lower than the inlet and the mesh filter for discharging moisture out of the flow rate measuring device.
The ratio of the sum of the opening cross-sectional areas of the thin tubes constituting the laminar flow element to the entire cross-sectional area of the laminar flow element may be 0.9 or more.
The flow rate measuring device includes four or more first gas extraction holes provided at substantially equal intervals over the circumference on the inlet side of the laminar flow element, and substantially equal intervals over the circumference on the outlet side of the laminar flow element. Four or more second gas extraction holes provided in the plurality, a plurality of first joints connecting two first gas extraction holes adjacent in the circumferential direction of the laminar flow element, and a circumferential direction of the laminar flow element A plurality of second joints connecting two adjacent second gas extraction holes, at least one third joint connecting two first joints adjacent in the circumferential direction of the laminar flow element, and a laminar flow element And at least one fourth joint that connects the two second joints adjacent in the circumferential direction, and the differential pressure gauge is configured to discharge exhaust gas in the vicinity of the inlet of the laminar flow element via the first and third joints. The pressure of the exhaust gas is measured near the outlet of the laminar flow element through the second and fourth joints. The may be measured.
The flow rate measuring device includes a first conduit from the vicinity of the inlet of the laminar flow element to the differential pressure gauge via the first and third joints, and a first conduit from the vicinity of the outlet of the laminar flow element to the differential pressure gauge via the first and third joints. You may further provide the purge gas supply part which supplies purge gas to 2 conduit | pipe.
The flow rate measuring device may further include a thermometer that measures a first temperature of the exhaust gas near the inlet of the laminar flow element and a second temperature of the exhaust gas near the outlet of the laminar flow element.
The flow rate measuring device further includes a storage unit that preliminarily stores coefficients a, b, and c derived from exhaust gases having a plurality of temperatures, and a calculation unit that calculates the flow rate Q using the coefficients a, b, and c. May be. still,
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment does not limit the present invention.
図1は、本実施形態によるラミナー式流量計1の構成例を示す図である。ラミナー式流量計1は、流入口10と、メッシュフィルタ20と、層流素子30と、圧力管40と、圧力計50と、圧力管60と、導管70と、差圧計80と、温度センサ90と、温度計100と、水抜き孔110と、流出口120と、配管141〜146と、演算部130とを備えている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a
ラミナー式流量計1は、層流素子30を備えた層流形流量計であり、層流形排出ガス流量計(ExLFM(Exhaust Gas Lamina Flowmeter))である。本実施形態では、ラミナー式流量計1を校正した上でPEMSに適用してRDE試験を行う。
The
流入口10は、排出ガスEをラミナー式流量計1内へ取り込む配管141の開口であり、例えば、自動車のマフラーに取り付けられ、該自動車のエンジンからの排出ガスEを取り込む。エンジンからの排出ガスEは、脈動流を伴い、燃焼生成物である燃焼ガスや水蒸気等を含む。
The
排出ガスEは、配管141を通過して鉛直上方向へ移動し、メッシュフィルタ20に達する。メッシュフィルタ20は、配管142内に設けられており、流入口10と連通している。メッシュフィルタ20において、排出ガスEの入口21よりも出口22が高い位置にある。例えば、メッシュフィルタ20は、円筒形の籠状の形状を有し、略鉛直方向に延伸している。メッシュフィルタ20は、その開口部の鉛直上方向へ向けて、縦型配置されている。メッシュフィルタ20の開口部の外縁は、配管143の上流側端部に取り付けられており、排出ガスEは全てメッシュフィルタ20を介して配管143へ移動する。メッシュフィルタ20は、例えば、316UL等の耐腐食性かつ耐熱性に優れた金属で形成されている。メッシュフィルタ20の目のサイズは、特に限定しないが、例えば、0.6mm以下である。入口21からメッシュフィルタ20を通過した排出ガスEは、鉛直上方向へ移動して出口22から配管143へ流れる。このように、排出ガスEがメッシュフィルタ20を通過することによって、排出ガスEに含まれる粒子はメッシュフィルタ20によって排出ガスEから除去される。また、配管142の径は、配管141の径よりも大きい。従って、排出ガスEが配管141から配管142へ達すると、排出ガスの気圧が低下し、排出ガス中に含まれる水分が凝縮し易くなる。このような状態の排出ガスEがメッシュフィルタ20を通過すると、排出ガスEに含まれる水分が凝縮する。凝縮水は、メッシュフィルタ20に一旦付着するが、メッシュフィルタ20は縦型配置されているので、鉛直下方へ滴下しあるいは配管141、142の内壁を伝って、メッシュフィルタ20の下方にある水抜き孔110の上の貯留部115に溜まる。
The exhaust gas E passes through the
水抜き孔(キャピラリ)110は、流入口10およびメッシュフィルタ20より低い位置に設けられ、貯留部115に溜まった凝縮水をラミナー式流量計1の外部へ排出ガスEの一部とともに排出する。水抜き孔110の孔径は、例えば、約1mmである。水抜き孔110から排出される排出ガスの一部は、排出ガスの流量に影響を与えない程度(例えば、排出ガスの流量の0.1%未満)にする。このとき、凝縮水に含まれる粒子も凝縮水および排出ガスとともに水抜き孔110から排出され得る。
The drain hole (capillary) 110 is provided at a position lower than the
図9(A)〜図9(C)は、水抜き孔110の構成例を示す断面図である。水抜き孔110は、重力および/または配管141の内部と外部との圧力差によって凝縮水を排出してよい。図9(A)に示すように、水抜き孔110は、略直線状の管であってもよい。
FIGS. 9A to 9C are cross-sectional views illustrating a configuration example of the
図9(B)に示すように、水抜き孔110は、逆J形状の管であってもよい。この場合、水抜き孔110は、配管141の内部と外部との圧力差が所定値よりも大きいときに凝縮水を排出する。圧力差の所定値は、端部EDGbから上端までの高さHbによって決定される。これにより、排出ガスEが水抜き孔110から排出されるときに或る程度の抵抗を有する。これは、排出ガスEが無駄に外部に漏れ出ることを抑制することができる。
As shown in FIG. 9B, the
さらに、図9(C)に示すように、水抜き孔110は、J形状の管であってもよい。この場合も、水抜き孔110は、配管141の内部と外部との圧力差が所定値よりも大きいときに凝縮水を排出する。圧力差の所定値は、端部EDGcから下端までの高さHcによって決定される。これにより、図9(B)の水抜き孔110と同様に、排出ガスEが水抜き孔110から排出されるときに或る程度の抵抗を有する。これは、排出ガスEが無駄に外部に漏れ出ることを抑制することができる。このように、水抜き孔110は略直線状の管であってもよく、逆J形状あるいはJ形状に屈曲したトラップのある管であってもよい。排出ガスEの漏出を少なくする必要がある場合には、図9(B)または図9(C)に示す水抜き孔110を用いればよい。
Furthermore, as shown in FIG. 9C, the
排出ガスEは、メッシュフィルタ20および配管143を通過して配管144へ移動する。配管143は、逆U字形状を有し、排出ガスEの流れる方向を上方向から下方向へ変更する。配管144には、圧力管40が設けられており、圧力管40には圧力計50が設けられている。圧力計50は、圧力管40を介して排出ガスEの圧力Pを計測する。
The exhaust gas E passes through the
排出ガスEは、配管144を鉛直下方向へ移動し、配管145で層流素子30に達する。配管145には、層流素子30の他、圧力管60および温度センサ90が設けられている。
The exhaust gas E moves vertically down the
層流素子30は、排出ガスEの入口31が出口32よりも高い位置にあり、排出ガスEを層流状態で流すように多数の細管33(図4参照)で構成されている。層流素子30は、縦型配置されており、略鉛直下方向に排出ガスEを流すように構成されている。層流素子30に凝縮水が付着した場合であっても、排出ガスEを層流素子30の下方向へ流すことによって、凝縮水は、排出ガスEの下流側、即ち、鉛直下方向へ排出ガスEの流れとともに強制的に層流素子30から排出される。メッシュフィルタ20および層流素子30は、メッシュフィルタ20と層流素子30との間にある配管142〜145と併せて略逆U字形状に構成されている。
The
複数の圧力管60が層流素子30の入口近傍と出口近傍に設けられている。圧力管60には差圧計80が接続されている。差圧計80は、複数の圧力管60を介して層流素子30の入口近傍における排出ガスEの気圧と層流素子30の出口近傍における排出ガスEの気圧との差圧ΔPを測定する。導管70は、圧力管60と差圧計80との間に設けられている。圧力管60、差圧計80および導管70の構成については後で説明する。
A plurality of
複数の温度センサ90が層流素子30の入口近傍と出口近傍に設けられている。層流素子30の入口近傍(上側)にある温度センサ90は、層流素子30の入口近傍における排出ガスEの第1温度を検知する。層流素子30の出口近傍(下側)にある温度センサ90は、層流素子30の出口近傍における排出ガスEの第2温度を検知する。温度センサ90には温度計100が接続されており、温度計100は、温度センサ90において検知された排出ガスEの第1および第2温度を測定する。
A plurality of
層流素子30の上流および下流の両方で排出ガスEの温度を計測する理由は以下の通りである。排出ガスEの温度は、層流素子30を通過する際も放熱により低下し、層流素子30の上流と下流とでは温度が異なる。このため、上流と下流とのどちらか一方の計測では、層流素子30を通過する排出ガスEの温度となりえず、誤差が生じる。排出ガスEの温度が高いほど放熱量が大きくなるため、排出ガスのように高温となる流体では上流と下流との温度差は無視できない。このよう温度差を低減させるために、温度センサ90は、層流素子30の上流と下流の近傍を計測する。さらに、多くの温度計測を用いて、算術平均(相加平均)、加重平均、調和平均等の平均法を用いて、層流素子30を通過する排出ガスEの温度とすればよい。これにより、層流素子30内を通過する排出ガスEの温度を正確に測定することができる。
The reason why the temperature of the exhaust gas E is measured both upstream and downstream of the
排出ガスEは、配管145を鉛直下方向へ移動すると、配管146の流出口120から排出される。
The exhaust gas E is discharged from the
配管141〜146は、流入口10から流出口120までほぼ密閉された状態で連通している。配管141〜146は、例えば、316UL(ステンレス)等の耐腐食性かつ耐熱性に優れた金属で形成されている。
The
演算部130は、圧力計50で測定された排出ガスEの圧力、差圧計80で測定された差圧ΔP、および、温度計100で計測された温度を用いて、排出ガスEの流量Qを演算する。このとき、流量Qは、記憶部135に予め格納された係数a、b、cを用いて演算される。演算された結果データは、図示しない付属モニタに表示してもよく、あるいは、外部へ出力してもよい。係数a、b、cの導出および流量Qの演算については後述する。
The
図2は、層流素子30、圧力管60、導管70、差圧計80の構成例を示す概略図である。層流素子30の上流側と下流側とのそれぞれに複数(例えば、4つ)の圧力管60が設けられている。層流素子30の上流側に設けられた圧力管60を60_1とし、層流素子30の下流側に設けられた圧力管60を60_2とする。また、層流素子30の上流側に設けられた導管70を70_1とし、層流素子30の下流側に設けられた導管70を70_2とする。この場合、圧力管60_1は、導管70_1に接続されており、導管70_1を介して差圧計80に接続されている。圧力管60_2は、導管70_2に接続されており、導管70_2を介して差圧計80に接続されている。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the
導管70_1、70_2には、パージガス供給部PGSが接続されている。パージガス供給部PGSは、圧力調整部140および流量調整部150、160を備えている。圧力調整部140は、外部から供給されるパージガスPGの全体圧力を調整する。流量調整部150、160は、それぞれ圧力調整部140から供給された所定圧力のパージガスPGを、導管70_1、70_2に所定の流量で流すように調節する。このとき、流量調整部150、160は、差圧の測定に支障を来さないように、導管70_1、70_2のそれぞれにほぼ等しい流量でパージガスPGを流す。パージガスは、排出ガスEに含まれる凝縮水が圧力管60_1、60_2および導管70_1、70_2に逆流することを抑制する。凝縮水が逆流すると、凝縮水が圧力管60_1、60_2または導管70_1、70_2を閉塞し計測が不可能となるからである。それとともに、パージガスは、圧力管60_1、60_2、導管70_1、70_2および差圧計80を排出ガスによる腐食から保護する。このために、パージガスは、流量測定中において、パージガス供給部PGSから配管145内へ継続的に供給される。これにより、差圧の計測が中断されるようなことを抑制できる。さらに、パージガスPGが圧力管60_1、60_2および導管70_1、70_2を冷却するので、圧力管60_1、60_2、導管70_1、70_2および差圧計80の材料の耐熱性の制約を緩和させることができる。パージガスPGは、例えば、ドライエアーまたは窒素等の不活性ガスでよい。パージガスPGは、圧力管60_1、60_2から配管145へ流れる。しかし、パージガスPGの流量は、排出ガスEの流量に比べて非常に少量(例えば、0.1%未満)となっている。従って、排出ガスEの流量Qにはほとんど影響を与えない。
A purge gas supply unit PGS is connected to the conduits 70_1 and 70_2. The purge gas supply unit PGS includes a
図3は、層流素子30、圧力管60、導管70、差圧計80を略鉛直上方向から見た概略図である。第1ガス取出し孔としての4つの圧力管60_1が、層流素子30の上流側において、配管145の円周に亘って四方に略等間隔に配置されている。また、図3では圧力管60_1の下に隠れているが、第2ガス取出し孔としての4つの圧力管60_2が、層流素子30の下流側において、配管145の円周に亘って四方に略等間隔に配置されている。
FIG. 3 is a schematic view of the
尚、層流素子30の上流側に設けられた4つの圧力管60_1を、便宜的に、60_1a、60_1b、60_1c、60_1dとする。また、圧力管60_1a、60_1b、60_1c、60_1dに接続する導管70_1を、それぞれ便宜的に、70_1a、70_1b、70_1c、70_1dとする。
For convenience, the four pressure pipes 60_1 provided on the upstream side of the
層流素子30の下流側に設けられた4つの圧力管60_2を、便宜的に、60_2a、60_2b、60_2c、60_2dとする。また、圧力管60_2a、60_2b、60_2c、60_2dに接続する導管70_2を、それぞれ便宜的に、70_2a、70_2b、70_2c、70_2dとする。
層流素子30の上流側において、層流素子30の円周方向に隣接する2つの導管70_1a、70_1bは、T型継手(第1継手)TC1aによって連結されている。即ち、層流素子30の円周方向に隣接する2つの圧力管60_1a、60_1bは、導管70_1a、70_1bを介してT型継手TC1aによって接続されている。層流素子30の円周方向に隣接する他の2つの導管70_1c、70_1dは、T型継手(第1継手)TC1bによって連結されている。即ち、層流素子30の円周方向に隣接する他の2つの圧力管60_1c、60_1dは、導管70_1c、70_1dを介してT型継手TC1bによって接続されている。
For convenience, four pressure pipes 60_2 provided on the downstream side of the
On the upstream side of the
さらに、層流素子30の円周方向に隣接する2つの導管70_1e、70_1fは、T型継手(第3継手)TC1cによって連結されている。即ち、層流素子30の円周方向に隣接する2つのT型継手TC1a、TC1bは、導管70_1e、70_1fを介してT型継手TC1cによって接続されている。T型継手TC1cは、導管70_1gを介して差圧計80に接続されている。
Furthermore, the two conduits 70_1e and 70_1f adjacent in the circumferential direction of the
このように、3つのT型継手TC1a〜TC1cで導管70_1a〜70_1fを接続し、1つの導管70_1gにまとめる構成は、“トリプルT”と呼ばれている。トリプルTを採用することによって、差圧計80は、4つの圧力管60_1a〜60_1dを通して得られる気圧の平均値を検出することができる。
The configuration in which the conduits 70_1a to 70_1f are connected by the three T-shaped joints TC1a to TC1c and combined into one conduit 70_1g is called “triple T”. By adopting the triple T, the
また、層流素子30の下流側についても同様のことが言える。層流素子30の円周方向に隣接する2つの導管70_2a、70_2bは、T型継手(第2継手)TC2aによって連結されている。即ち、層流素子30の円周方向に隣接する2つの圧力管60_2a、60_2bは、導管70_2a、70_2bを介してT型継手TC2aによって接続されている。層流素子30の円周方向に隣接する他の2つの導管70_2c、70_2dは、T型継手(第2継手)TC2bによって連結されている。即ち、層流素子30の円周方向に隣接する他の2つの圧力管60_2c、60_2dは、導管70_2c、70_2dを介してT型継手TC2bによって接続されている。
The same applies to the downstream side of the
さらに、層流素子30の円周方向に隣接する2つの導管70_2e、70_2fは、T型継手(第4継手)TC2cによって連結されている。即ち、層流素子30の円周方向に隣接する2つのT型継手TC2a、TC2bは、導管70_2e、70_2fを介してT型継手TC2cによって接続されている。T型継手TC2cは、導管70_2gを介して差圧計80に接続されている。
Furthermore, the two conduits 70_2e and 70_2f adjacent in the circumferential direction of the
このように、下流側においても、3つのT型継手TC2a〜TC2cで導管70_2a〜70_2fを接続し、1つの導管70_2gにまとめる “トリプルT”の構成となっている。これにより、差圧計80は、4つの圧力管60_2a〜60_2dを通して得られる気圧の平均値を検出することができる。
As described above, the “triple T” configuration in which the conduits 70_2a to 70_2f are connected by the three T-shaped joints TC2a to TC2c and combined into one conduit 70_2g also on the downstream side. Thereby, the
このような構成により、差圧計80は、層流素子30の上流側で層流素子30の円周に均等配置された4つの圧力管60_1a〜60_1dにおいける平均気圧と、層流素子30の下流側で層流素子30の円周に均等配置された4つの圧力管60_2a〜60_2dにおいける平均気圧との差圧ΔPを測定する。即ち、差圧計80は、T型継手TC1a、TC1bおよびTC1cを介して層流素子30の入口近傍における排出ガスEの平均気圧を測定し、T型継手TC2a、TC2bおよびTC2cを介して層流素子30の出口近傍における排出ガスEの平均気圧を測定し、それらの差圧を算出することができる。あるいは、差圧計80は、層流素子30の入口近傍における排出ガスEの平均気圧と層流素子30の出口近傍における排出ガスEの平均気圧との差圧を受圧部(図示せず)でそのまま検出してもよい。
With such a configuration, the
尚、パージガス供給部PGSは、層流素子30の入口近傍からT型継手TC1a、TC1bおよびTC1cを介して差圧計80までの第1導管70_1と、層流素子30の出口近傍からT型継手TC2a、TC2bおよびTC2cを介して差圧計80までの第2導管70_2とにパージガスを供給する。このとき、パージガス供給部PGSは、第1導管70_1a〜70_1gのいずれにパージガスを供給してもよく、第2導管70_2a〜70_2gのいずれにパージガスを供給してもよい。
The purge gas supply unit PGS includes the first conduit 70_1 from the vicinity of the inlet of the
図4(A)および図4(B)は、層流素子30の構成例を示す図である。図4(A)は、細管33の構成を示す図であり、図4(B)は、図3の枠Cの拡大図である。図4(A)および図4(B)は、排出ガスEの流れる方向に対して垂直方向の層流素子30の断面を示している。
4A and 4B are diagrams illustrating a configuration example of the
層流素子30は、延伸した細長い金属板34と、金属板34上に設けられジグザグ状あるいは波形状に屈曲した金属板35とを備えている。細管33は、金属板34と金属板35と間の略台形状の隙間によって構成される。このように金属板35をを有する金属板34を、図3に示す層流素子30の中心Oに巻くことによって、図4(B)に示すような多数の細管33を有する層流素子30が形成される。尚、細管33の断面形状は、台形に限定されず、円形、他の多角形であってもよい。
The
また、層流素子30の全体の断面積に対する細管33の開口断面積の総和の比率を0.9以上にする。これにより、圧力損失(ΔP)を低下させ、汚れの付着も低減させることができる。
Further, the ratio of the sum of the opening cross-sectional areas of the thin tubes 33 to the entire cross-sectional area of the
さらに、層流素子30の凝縮水や汚染を除去するために、層流素子30にヒータ(図示せず)を設けてもよい。この場合、排出ガスEの温度も変わるので、後述する係数a、b、cの導出および流量Qの演算において温度補償を行う必要がある。
Furthermore, a heater (not shown) may be provided in the
次に、係数a、b、cの導出および流量Qの演算について説明する。ラミナー式流量計において、図4(A)および図4(B)に示すような層流素子30内の複数の細管33のレイノズル数は、臨界レイノズル数よりも低い。このため、細管33はその内部を通過する排出ガスEを層流にする。排出ガスEが層流である場合、細管33内の排出ガスEの粘性抵抗による圧力降下は、流体の流速(流量)に比例する(ハーゲン・ポアズイユの法則)。
Next, the derivation of the coefficients a, b, and c and the calculation of the flow rate Q will be described. In the laminar flow meter, the number of lay nozzles of the plurality of thin tubes 33 in the
ラミナー式流量計のような層流型流量計の原理は、層流素子30の圧力損失(差圧)ΔPを計測し、差圧ΔPを流量Qに変換する。差圧ΔPは、ハーゲン・ポアズイユの法則を層流素子30に適用した場合の圧力損失(層流素子30内の圧力損失)をΔP1とし、層流素子30の入口端およびその近傍の助走区間における圧力損失をΔP2とした場合に、式1で表わされる。
また、差圧ΔPは、Qを排出ガスEの流量、dを細管の直径、Lを細管長、ρを排出ガスEの密度、μを排出ガスEの粘度、ζを損失係数として式2で表される。
図5は、流量校正装置の構成例を示す概略図である。流量校正装置2は、ブロア210と、基準流量計220と、ヒータ230と、を備えている。流量校正装置2には、校正対象となるラミナー式流量計1が取り付けられている。ブロア210で排出ガスの流量を調節し、基準流量計220でその流量を測定する。ヒータ230は排出ガスEを所定温度に調節し、ラミナー式流量計1が排出ガスEの流量を計測する。流量校正装置2は、排出ガスEの流量を基準流量計220で測定しつつ、温度や流量を変更しながら、ラミナー式流量計1で排出ガスEの流量を計測する。
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the flow rate calibration apparatus. The flow
例えば、図6は、流量係数K20と測定値Xとの関係を示すグラフである。このグラフは、流量校正装置2を用いて、排出ガスEの温度を50℃〜200℃で変化させたときに得られるXとK20との関数である。即ち、このグラフは式10を表している。このような複数の温度の排出ガスにおける測定値Xを、流量校正装置2を用いて校正し、係数a、b、cを導出する。係数a、b、cは、流量計1の固有値であり、流量計1の固体ごとに導出される。係数a、b、cは、複数の温度の排出ガスに対応するように校正されているので、流量計1は、高温の排出ガスEに対しても高精度な流量係数K20および流量Qを得ることができる。係数a、b、cは、流量計1の記憶部135に予め格納され、図8に示す実際のRDE試験で流量QEXの算出のために用いられる。
For example, FIG. 6 is a graph showing the relationship between the flow rate coefficient K 20 between the measured values X. This graph, with a flow
図7は、流量校正装置2を用いたラミナー式流量計1の流量校正方法を示すフロー図である。まず、流量校正装置2に排出ガスEを流し、温度および流量を設定(変更)する(S10,S20)。次に、ラミナー式流量計1において差圧ΔP、気圧P、温度Tを測定する(S30)。流量および温度の測定回数は、流量校正装置2に設けられたカウンタ(図示せず)でカウントする。
FIG. 7 is a flowchart showing a flow rate calibration method of the
次に、流量の測定回数が所定値を超えたか否かを判定する(S40)。また、温度の測定回数が所定値を超えたか否かを判定する(S50)。ステップS40、S50の判定は、図示しない制御部において実行される。 Next, it is determined whether or not the number of times of flow rate measurement exceeds a predetermined value (S40). Further, it is determined whether or not the number of temperature measurements exceeds a predetermined value (S50). The determinations in steps S40 and S50 are executed by a control unit (not shown).
流量の測定回数が所定値を超えていない場合(S40のNO)、ステップS20〜S50を繰り返す。 If the number of measurement of the flow rate does not exceed the predetermined value (NO in S40), steps S20 to S50 are repeated.
流量の測定回数が所定値を超えたが、温度の測定回数が所定値を超えていない場合(S40のYES、S50のNO)、ステップS10〜S50を繰り返す。 When the flow measurement count exceeds the predetermined value, but the temperature measurement count does not exceed the predetermined value (YES in S40, NO in S50), steps S10 to S50 are repeated.
温度の測定回数も所定値を超えた場合(S50のYES)、流量および温度の測定が終了する。尚、流量および温度の測定は、いずれを先に実行してもよく、あるいは、同時であってもよい。また、流量および温度の測定回数の判定は、いずれを先に実行してもよく、あるいは、同時であってもよい。 If the number of temperature measurements also exceeds the predetermined value (YES in S50), the flow rate and temperature measurement ends. Note that either the flow rate or the temperature measurement may be performed first or at the same time. Further, the determination of the number of measurement of the flow rate and the temperature may be performed first or may be performed simultaneously.
次に、流量校正装置2は、測定されたΔP、P、Tから式7を用いてμ /μ20を算出し、式9を用いてXを算出する(S60)。さらに、流量校正装置2は、Qを基準流量として、式11を用いて、Q、μ /μ20およびΔPからK20を算出する(S70)。これにより、或る流量および或る温度におけるK20およびXが分かる。測定された全ての流量および温度について、K20およびXが算出されると、式10の関数が近似的に分かる。これにより、係数a、b、cが最小二乗法等の近似曲線算出法を用いて判明する。尚、係数a、b、cを正確に算出するために、流量および温度の測定点は、流量の計測レンジにわたって、例えば、10以上分割した点であることが好ましい。
Next, the flow
このように算出された係数a、b、cは、流量計1の記憶部135に格納される。これより、流量校正装置2によるラミナー式流量計1の校正が終了する。
The coefficients a, b, and c calculated in this way are stored in the
校正後、ラミナー式流量計1を実際に自動車等に取り付けて、実際の流量を計測する。即ち、流量測定対象からの排出ガスEを実測する。
After calibration, the
図8は、図7の流量校正方法で得られた係数a、b、cを用いて、流量を測定する方法を示すフロー図である。まず、ラミナー式流量計1を自動車等に取り付けて、自動車等から実際に排出されるガスEの差圧ΔP、気圧P、温度Tを測定する(S11)。
FIG. 8 is a flowchart showing a method of measuring the flow rate using the coefficients a, b, and c obtained by the flow rate calibration method of FIG. First, the
次に、ラミナー式流量計1では、演算部130が、式7および式9を用いて、測定された差圧ΔP、圧力P、温度Tからμ /μ20およびXEXを算出する(S21)。尚、XEXは、流量測定の対象となる実際の排出ガスEのXを示す。
Next, in the
次に、演算部130は、記憶部135内に格納された係数a、b、cを用いて、XEXから係数KEXを算出する(S31)。尚、KEXは、流量測定の対象となる実際の排出ガスEの係数Kを示す。
Next, the
次に、演算部130は、差圧ΔP、μ /μ20、KEXから排出ガスEの流量QEXを算出する。流量QEXはRDE試験に用いられる数値となる。
Next, the
このように、本実施形態によるラミナー式流量計1は、式3において、差圧ΔPの三次項まで用いて、係数a、b、cを予め算出し、これを格納している。そして、ラミナー式流量計1は、係数a、b、cを用いて、実際の排出ガスEの流量Qを測定する。
As described above, the
通常、式2を流量Qについて二項定理を用いてΔPの二次項まで解くと、式12および式13のように表される。
一般的な層流形流量計では、式13のA、Bを流量校正によって定数として与える。しかしながら、定数Bには、密度ρと粘度μの項がある。従って、排出ガスのように温度が高い流体や圧力が大きく変動(脈動)する流体では、定数Bにおいて誤差が大きくなる。従って、従来の層流形流量計は、PEMSとしてRDE試験に用いると、正確な流量Qを得ることが困難となる。 In a general laminar flow meter, A and B in Equation 13 are given as constants by flow rate calibration. However, the constant B has terms of density ρ and viscosity μ. Therefore, in a fluid with a high temperature such as exhaust gas or a fluid whose pressure fluctuates (pulsates), the error in the constant B increases. Therefore, when the conventional laminar flow meter is used for the RDE test as PEMS, it is difficult to obtain an accurate flow rate Q.
これに対し、本実施形態によるラミナー式流量計1は、式3において、差圧ΔPの三次項まで用いて、係数a、b、cを予め算出している。そして、ラミナー式流量計1は、係数a、b、cを用いて、実際の排出ガスEの流量Qを測定する。これにより、密度ρおよび粘度μをより詳細に考慮した高精度の係数a、b、cが算出され得る。従って、ラミナー式流量計1は、排出ガスのように高温度かつ圧力変動(脈動)の大きな流体であっても、PEMSとしてRDE試験に用いることができる。
On the other hand, the
また、本実施形態によるラミナー式流量計1は、排出ガスEの入口21よりも出口22が高い位置にあるメッシュフィルタ20を、逆U字形状の前段に備えている。これにより、メッシュフィルタ20は、入口21からの排出ガスEに含まれる粒子を除去し、かつ、排出ガスEに含まれる水分(凝縮水)を排除することができる。
In addition, the
また、ラミナー式流量計1は、メッシュフィルタ20の下方に水抜き孔110を有するので、排出ガスEの極少量を排出しつつ、貯留部115に溜まった凝縮水や粒子を外部へ排出することがきる。
Moreover, since the laminar
また、ラミナー式流量計1は、略鉛直方向に排出ガスEを流すように縦型配置された層流素子30を、逆U字形状の後段に備えている。このように層流素子30を縦型配置することによって、排出ガスEの水分が層流素子30に凝縮水として付着しても層流素子30から滴下させ、排出ガスEの流出口120から排出することができる。
Further, the
また、層流素子30の全体の断面積に対する細管33の開口断面積の総和の比率は0.9以上である。これにより、圧力損失(ΔP)を低下させ、汚れの付着も低減させることができる。
The ratio of the sum of the opening cross-sectional areas of the thin tubes 33 to the entire cross-sectional area of the
また、層流素子30に発生する差圧ΔPの取り出しに関し、差圧計80と配管145との間の導管70は、所謂、トリプルT接続されている。このトリプルT接続は、層流素子30の上流および下流の両方にある。これにより、層流素子30の上流および下流のそれぞれにおいて、差圧ΔPの平均圧力を測定することができるとともに、導管70の目詰まりも抑制することができる。
Regarding the extraction of the differential pressure ΔP generated in the
また、導管70_1、70_2には、パージガス供給部PGSが接続されており、差圧の測定時に、パージガスPGが導管70_1、70_2に常時供給されている。パージガスPGは、排出ガスEに影響を与えない程度の少量であり、かつ、ほぼ等しい流量で導管70_1、70_2に供給される。これにより、差圧の測定に支障を与えること無く、排出ガスEに含まれる凝縮水が圧力管60_1、60_2、導管70_1、70_2および差圧計80に逆流することを抑制できる。凝縮水の逆流を抑制することによって、圧力管60_1、60_2、導管70_1、70_2および差圧計80を腐食から保護することができる。
Further, a purge gas supply unit PGS is connected to the conduits 70_1 and 70_2, and the purge gas PG is constantly supplied to the conduits 70_1 and 70_2 when the differential pressure is measured. The purge gas PG is a small amount that does not affect the exhaust gas E, and is supplied to the conduits 70_1 and 70_2 at an approximately equal flow rate. Thereby, it is possible to suppress the condensate contained in the exhaust gas E from flowing back to the pressure pipes 60_1, 60_2, the conduits 70_1, 70_2, and the
また、ラミナー式流量計1は、トピー管式流量計ほどではないが、車載可能な程度に小型化可能であり、単独でも、排出ガスEの流量を計測可能である。一方、ラミナー式流量計1は、トピー管式流量計に比べて、低流量を精度良く測定することができる。
Further, the
層流型流量計の脈動流に対する応答性は、細管33内の非圧縮性流体のナビエストークス方程式を基礎として考える。また、脈動流を式14のように単純な振動流と仮定した場合、細管33内の非圧縮性流体のナビエストークス方程式は、式15のように表される。
上記式15にて、ウォーマスリィ数W0は、式14で定義される振動数と粘度で表される無次元数である。
ラミナー式流量計1は、100℃の空気においてW0=2.5のとき角速度ωが344rad/s(55Hz)なので、応答性が良いと言える。
The
以上の本実施形態によるラミナー式流量計1は、煙突等の排出ガスの流量測定に適用することもできる。
The
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.
1 ラミナー式流量計、
10 流入口、
20 メッシュフィルタ、
30 層流素子、
40 圧力管、
50 圧力計、
60 圧力管、
70 導管、
80 差圧計、
90 温度センサ、
100 温度計、
110 水抜き孔、
120流出口、
141〜146 配管、
130 演算部
1 laminar flow meter,
10 Inlet,
20 mesh filter,
30 laminar flow elements,
40 pressure pipe,
50 pressure gauge,
60 pressure tubes,
70 conduit,
80 Differential pressure gauge,
90 temperature sensor,
100 thermometer,
110 drain hole,
120 outlet,
141-146 piping,
130 Calculation unit
Claims (8)
前記流入口と連通し、前記排出ガスの入口よりも出口が高い位置にあり、前記排出ガスから粒子および水分を除去するメッシュフィルタと、
前記メッシュフィルタと連通し、前記排出ガスの入口が出口よりも高い位置にあり、前記排出ガスを層流状態で流す層流素子と、
前記層流素子の入口近傍における前記排出ガスの気圧と前記層流素子の出口近傍における前記排出ガスの気圧との差圧を測定する差圧計と、
前記層流素子を通過した前記排出ガスを排出する流出口とを備えた、流量測定装置。 An exhaust gas inlet,
A mesh filter that communicates with the inlet and has a higher outlet than the inlet of the exhaust gas, and removes particles and moisture from the exhaust gas;
A laminar flow element communicating with the mesh filter, wherein the exhaust gas inlet is at a position higher than the outlet, and the exhaust gas flows in a laminar flow state;
A differential pressure gauge for measuring a differential pressure between the pressure of the exhaust gas in the vicinity of the inlet of the laminar flow element and the pressure of the exhaust gas in the vicinity of the outlet of the laminar flow element;
A flow rate measuring device comprising: an outlet for discharging the exhaust gas that has passed through the laminar flow element.
前記層流素子の出口側の円周に亘って略等間隔に設けられた4つ以上の第2ガス取出し孔と、
前記層流素子の円周方向に隣接する2つの前記第1ガス取出し孔を接続する複数の第1継手と、
前記層流素子の円周方向に隣接する2つの前記第2ガス取出し孔を接続する複数の第2継手と、
前記層流素子の円周方向に隣接する2つの前記第1継手同士を接続する少なくとも1つの第3継手と、
前記層流素子の円周方向に隣接する2つの前記第2継手同士を接続する少なくとも1つの第4継手とをさらに備え、
前記差圧計は、前記第1および第3継手を介して前記層流素子の入口近傍における前記排出ガスの気圧を測定し、前記第2および第4継手を介して前記層流素子の出口近傍における前記排出ガスの気圧を測定する、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の流量測定装置。 Four or more first gas outlet holes provided at substantially equal intervals over the circumference on the inlet side of the laminar flow element;
Four or more second gas extraction holes provided at substantially equal intervals over the circumference on the outlet side of the laminar flow element;
A plurality of first joints connecting the two first gas extraction holes adjacent in the circumferential direction of the laminar flow element;
A plurality of second joints connecting the two second gas extraction holes adjacent in the circumferential direction of the laminar flow element;
At least one third joint connecting the two first joints adjacent to each other in the circumferential direction of the laminar flow element;
And at least one fourth joint that connects the two second joints adjacent to each other in the circumferential direction of the laminar flow element;
The differential pressure gauge measures the pressure of the exhaust gas in the vicinity of the inlet of the laminar flow element through the first and third joints, and in the vicinity of the outlet of the laminar flow element through the second and fourth joints. The flow rate measuring device according to any one of claims 1 to 4, which measures the pressure of the exhaust gas.
前記係数a、b、cを用いて流量Qを算出する演算部とをさらに備えており、
An arithmetic unit that calculates the flow rate Q using the coefficients a, b, and c.
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Cited By (1)
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CN113348339A (en) * | 2019-01-25 | 2021-09-03 | 朗姆研究公司 | Differential pressure based flow meter |
-
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- 2017-05-23 JP JP2017102049A patent/JP2018197684A/en active Pending
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