JP4326761B2 - 排気ガス粒子測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気ガ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。
【０００２】
【従来の技術】
部分流ダイリューショントンネル（ＰＦＤＴ）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１９９１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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
環境保護局は、大型の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。
【０００４】
ゆえに、過渡的状態下でオフハイウエイデ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、Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｗｅａｖｅｒの２０００年５月１６日に発行され、Ｅｎｇｉｎｅ、Ｆｕｅｌ、ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、 Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ社に譲渡されている米国特許第６，０６２，０９２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。
【０００５】
本発明は、上述の１つまたはそれ以上の課題を克服することに向けられている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態において、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。
【０００７】
本発明の他の形態において、内燃機関の排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。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に示されるように、本発明によるエンジン試験セル１０が示されており、内燃機関１６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２０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。
【０００９】
さらなる測定は、層流要素２０の前の導管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。
【００１０】
図１および２を参照するに、本発明に従っ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４０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。
【００１１】
部分流ダイリューショントンネル３８内の入口ポート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５４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６０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。
【００１２】
部分流ダイリューショントンネル３８の反対または出口端は、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。
【００１３】
電気的に制御される質量流量制御装置（ＭＦＣ２）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、８８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。
【００１４】
図２で示されるように、米国特許第５，０５８，４４０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。
【００１５】
部分流ダイリューショントンネル３８から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。
【００１６】
可変質量流量ストリーム１１４は、一定質量流量ストリーム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１２２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１３０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。
【００１７】
図３で明らかであり、図４で詳細に示されるように、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（ａｎａｌｏｇ 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、０〜５Ｖｄｃ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（ｒｅｆｉｎｅｓ）、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。
【００１８】
（産業上の利用可能性）
動作時、ソレノイド弁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。
【００１９】
図１および２で示されたガス抽出装置は、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２０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１４０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１１４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。
【００２０】
付加的利点は、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。
【００２１】
本発明の他の形態、目的、および利点は、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジン試験セルの全体の線図である。
【図２】本発明を実施するガス抽出装置の線図である。
【図３】図２からの過渡的希釈用空気制御装置の線図である。
【図４】図３の過渡的希釈用空気制御装置の電気的略図である。
【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表すグラフである。
【符号の説明】
１０ エンジン試験セル
１２ 吸入空気供給源
１３ 導管
１４ 空気吸入口
１６ 内燃機関
１８ フィルタ
２０ 層流要素
２２ 空気流量トランスデューサ密閉容器
２４ 圧力差トランスデューサ
２６ 導体
３０ プローブ
３２ 抵抗性温度プローブ
３４ 試験セルホストコンピュータ
３６ ガス抽出装置
３８ 部分流ダイリューショントンネル
３９ 複数の付加制御構成要素
４０ 排気管
１１０ 過渡的希釈用空気流制御装置

Claims (6)

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口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、
   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み、
   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過渡的希釈用空気流制御装置。
2. 前記第１の圧力調整弁と並列に接続された電圧／圧力制御装置と、該電圧／圧力制御装置に直列に接続された第２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。
3. 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に電気的に直列に接続され、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２に記載の過渡的希釈用空気流制御装置。
4. 前記質量流量トランスデューサ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３に記載の過渡的希釈用空気流制御装置。
5. 前記内燃機関の空気吸入のための導管内に位置決めされ、前記内燃機関が吸入し部分流ダイリューショントンネルが一定質量流量ストリーム及び可変質量流量ストリームを抽出する前の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む請求項１に記載の過渡的希釈用空気流制御装置。
6. 前記流量測定装置は、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５に記載の過渡的希釈用空気流制御装置。

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