CN104380077A - 用于排气取样系统的智能袋填充 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于发动机的排气取样系统。所述排气取样系统可包括：排气的源；排气收集单元，包括选择性接收所述排气的至少一个收集袋；以及第一样品探头，与所述排气的源流体连通并选择性地向所述至少一个收集袋供应所述排气。所述排气取样系统还可包括控制器，该控制器在第一状态下允许所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋，并且在第二状态下阻止所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋。所述控制器可基于所述发动机在取样周期期间的开启时间来确定所述第一样品探头的提取速率。

Description

用于排气取样系统的智能袋填充
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年3月15日递交的美国临时申请第61/791,635号的权益并要求于2012年5月29日递交的美国临时申请第61/652,367号的权益。每个上述申请的全部公开内容均通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及一种排气取样系统。
背景技术
该部分提供与本公开有关的背景信息，其不一定构成现有技术。
排气取样系统通常与具有内燃机的发动机或车辆结合使用，以确定发动机在使用期间产生的排放物质量。这种排气取样系统可包括定容取样系统(CVS)或部分流袋采系统(bag mini-diluter,BMD)，它们提取并分析稀释排气以便确定特定发动机的排放物质量。
在CVS系统操作期间，例如，可用补充空气或稀释剂将发动机排气进行稀释，稀释排气样品按比例提取并存储在一个或多个样品袋中。根据发动机或车辆尺寸、驱动或工作周期以及周围环境情况，包括补充空气和发动机排气的CVS总流率被选择以确保稀释排气样品在取样期间提取、存储在袋中或在取样周期之后分析时凝结水。一旦样品袋被填充有稀释排气，存储袋中的内容物可被分析以确定特定发动机在测试间隔期间的排放物质量。
包含传统内燃机动力系统的车辆连续操作动力系统的内燃机，并因此与传统车辆动力系统关联的内燃机在测试间隔或取样周期期间被连续操作。结果，CVS系统对稀释排气的收集在整个测试间隔同样是连续的。
然而，在车辆操作期间间歇地使用内燃机的新动力系统被开发。例如，混合动力车辆可在对车辆电池进行再充电时仅使用内燃机。这种动力系统对CVS取样系统和BMD取样系统都提出了挑战，因为每个系统通常均被构造为从在整个取样周期期间操作的内燃机对稀释排气进行取样(即，收集)用于分析。
发明内容
本部分提供本公开的大致概要，并非其全部范围或其所有特征的全面公开。
提供一种用于发动机的排气取样系统。所述排气取样系统可包括：排气的源；排气收集单元，包括选择性接收所述排气的至少一个收集袋；以及第一样品探头，与所述排气的源流体连通并选择性地向所述至少一个收集袋供应所述排气。所述排气取样系统还可包括控制器，该控制器在第一状态下允许所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋，并在第二状态下阻止或避免所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋。所述控制器可基于所述发动机在取样周期期间的开启(ON)时间来确定所述第一样品探头的提取速率。
在另一构造中，提供一种用于发动机或车辆的排气取样系统。所述排气取样系统可包括：稀释排气的源，所述稀释排气包括补充空气和来自所述发动机的排气；排气收集单元，包括选择性接收所述稀释排气的至少一个收集袋；以及第一样品探头，与所述排气的源流体连通并能操作以选择性地向所述至少一个收集袋供应所述稀释排气。所述排气取样系统还可包括控制器，该控制器以在第一状态下允许所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋，并在第二状态下阻止或避免所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋。所述控制器在取样周期期间可选择性地将所述补充空气供应到所述至少一个收集袋。
在又一构造中，提供一种用于发动机或车辆的排气取样系统。所述排气取样系统可包括：排气的源；排气收集单元，包括选择性接收所述排气的至少一个收集袋；第一样品探头，与所述排气的源流体连通并能操作以选择性地向所述至少一个收集袋供应所述排气；和填充气体的源。所述排气取样系统还可包括控制器，该控制器在第一状态下允许所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋，并在第二状态下阻止或避免所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋。所述控制器可在取样周期期间将所述填充气体供应到所述至少一个收集袋。
进一步的可应用领域由在此提供的描述将变得明显。在该概要中的描述和具体示例仅意在例示的目的，并且不意在限制本公开的范围。
附图说明
在此描述的附图仅用于所选实施例而非全部可能实施方式的例示目的，并且不意在限制本公开的范围。
图1为根据本公开原理的CVS取样系统的示意图；
图2为根据本公开原理的CVS取样系统的示意图；
图3为对于内燃机一测试周期的排气流量与时间的曲线图；
图4为对于内燃机一测试周期的排气流量与时间的曲线图，其突出了在测试周期期间何时获得排气的样品；
图5为对于内燃机一测试周期的排气流量与时间的曲线图，其突出了在测试周期期间执行的补充填充期；和
图6为根据本公开原理的BMD取样系统的示意图。
相应的附图标记在附图的数个视图中始终指示相应的部分。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例实施例。
示例实施例被提供以使本公开将是全面的，并将范围充分地传达给本领域技术人员。许多特定细节被陈述，诸如特定部件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的全面理解。本领域技术人员将明白，不需要采用特定细节，示例实施例可以许多不同的形式被呈现并且不应该被理解为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，众所周知的工艺、众所周知的设备结构以及众所周知的技术不再详细描述。
本文中所用的术语仅为了描述特定示例实施例的目的，而不意在为限定性的。如在本文中使用的，单数形式的“一”、“一个”和“所述”可意在还包括复数形式，除非上下文另外明确指出。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”为包括性的，并因此明确指明所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。在本文中描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必然要求以所讨论或例示的特定顺序执行，除非明确指出为执行顺序。还将理解，可采用另外的或替代的步骤。
当一元件或层被提及为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，其可以直接在另一元件或层上、直接接合到、直接连接到或直接联接到另一元件或层，或者可存在中间元件或层。相比之下，当一元件被提及为“直接”在另一元件或层“上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件或层时，则不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其它用语应该以相似的方式被解释(例如，“在……之间”与“直接在……之间”，“邻近”与“直接邻近”等)。如在本文中使用的，用语“和/或”包括一个或多个关联的所列项中的任意或全部组合。
虽然用语第一、第二、第三等在本文中可用于描述各个元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些用语的限制。这些用语可仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开。诸如“第一”、“第二”的用语或其它数字用语当在本文中使用时不意指顺序或次序，除非上下文明确指出。因此，下文中讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不脱离示例实施例的教导。
诸如“内部”、“外部”、“之下”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等的空间相关用语可为了易于描述起见而在本文中描述如图中例示的一个元件或特征与另外的元件或特征的关系。空间相关用语可意在包括设备在使用或操作中的除了图中所描绘的方位之外的不同方位。例如，如果图中的设备被翻转，被描述为在其它元件或特征“下方”或“之下”的元件于是将被定向为在该其它元件或特征“上方”。因此，示例用语“下方”可包括上方和下方两种方位。设备可被另外定向(旋转90度或处于其它方位)，并且本文中使用的空间相关描述词语被相应地解释。
参照图1，排气取样系统10被提供，并可包括稀释通道12、排气收集单元14、本底收集单元(background collection unit)16、控制器18和分析器20。如在下面将更详细地描述的那样，排气收集单元14从稀释通道12收集稀释排气，并将稀释排气的样品提供给分析器20以允许分析器20确定稀释排气样品的排放物浓度。
稀释通道12可被流体联接到发动机22，并可从发动机20接收排气流。在一种构造中，发动机22为被构造用于在具有电驱动动力系统的车辆(未示出)中使用的内燃机(ICE)。稀释通道12还可被流体联接到补充空气入口24，补充空气入口24将补充空气提供到稀释通道12。补充空气入口24可包括在空气流进入稀释通道12之前从空气流中移除杂质的过滤器26。
混合板28可被布置在稀释通道12内，并可包括贯穿其形成的开口或孔30。孔30可与混合板28的主体协作，以便当在入口24处进入稀释通道12的空气流动通过混合板28的孔30时，促使该空气被混合。因此，来自发动机22的排气与由稀释通道12在补充空气入口24处接收的补充空气混合，使得补充空气与排气的基本均匀的混合物被可布置在混合板28下游的热交换器32接收。
热交换器32可沿稀释通道12的长度定位，并可被用于将排气和补充空气的混合物保持在期望温度。混合物的温度可由布置在热交换器32下游的温度传感器或其他测量设备34确定。
泵36可在稀释通道12的与补充空气入口24相反的端部处被流体联接到稀释通道12。泵36可在稀释通道12上施加流体力，以便将空气抽吸到补充空气入口24中并通过过滤器26。施加在补充空气入口24上的力促使补充空气进入稀释通道12并与来自发动机22的排气混合。具体而言，施加在补充空气上并施加在来自发动机22的排气上的力促使排气与补充空气碰触混合板28并流过孔30。这样做，补充空气和排气被混合。因此，基本均匀的混合物被热交换器32和温度传感器34接收。补充空气和排气的均匀的混合物然后可经由泵36的出口38从稀释通道12排放。
继续参照图1，排气收集单元14可被流体联接到稀释通道12，以接收布置在稀释通道12内并流动通过稀释通道12的稀释排气(即，补充空气和排气的均匀混合物)的一部分。在稀释排气被分析器20分析之前，排气收集单元12可接收并存储稀释排气的一部分。
排气收集单元14可包括一个或多个样品袋40，一个或多个样品袋40将稀释排气存储于其中。样品袋40可被流体联接到与稀释通道12流体连通的一个或多个样品探头。如图1中所示，样品探头可包括第一样品探头42、第二样品探头44和第三样品探头46。样品探头42、44、46可相同，使得每个样品探头42、44、46的从稀释通道12内接收稀释排气流的喷嘴(未标注)可基本相同。换言之，喷嘴包括基本相同的直径，使得由每个样品探头42、44、46接收的流率基本相同。相反地，样品探头42、44、46可包括不同的喷嘴，使得每个样品探头42、44、46的内径不同，由此为每个样品探头42、44、46提供不同的样品提取速率。最终，虽然样品探头42、44、46可包括不同的直径并因此包括不同的提取速率，但是样品探头42、44、46中的两个样品探头可包括相同的直径并因此包括相同的提取速率，而三个样品探头42、44、46中的另一个样品探头包括不同的直径并因此包括不同的提取速率。不管各个样品探头42、44、46的特定构造如何，样品探头42、44、46均从稀释通道12提取稀释排气的样品，并将提取的稀释排气的样品传送到样品袋40用于存储。
样品探头42、44、46中的每个均可与控制稀释排气从样品探头42、44、46到样品袋40的流动的控制阀关联。也就是说，第一样品探头42可被流体联接到第一控制阀48；第二样品探头44可被流体联接到第二控制阀50；第三样品探头46可被流体联接到第三控制阀52。控制阀48、50、52控制分别由样品探头42、44、46接收的稀释排气到样品袋40的流动。例如，控制阀48、50、52可为能在打开状态与闭合状态之间移动的螺线管致动阀。可替代地，控制阀48、50、52中的一个或多个可为能从完全打开状态向闭合状态逐步移动的步进阀。换言之，控制阀48、50、52中的一个或多个为可变阀，其在完全打开状态和完全闭合状态之间具有任意数量的打开状态，以便为阀48、50、52中的一个或多个提供可调节度。因此，如果控制阀48、50、52中的一个或多个包括步进阀，则控制阀48、50、52可对从稀释通道12到样品袋40的稀释排气流进行计量，以便精确地控制稀释排气的提取速率，并最终精确地控制在测试间隔或取样周期期间由样品袋40接收的稀释排气的量。
稀释排气可由样品探头42、44、46接收并可借助泵54被抽吸通过控制阀48、50、52。具体而言，泵54可被布置在控制阀48、50、52的下游，并可在样品探头42、44、46上施加力，以使稀释排气被抽吸到样品探头42、44、46中并流动通过控制阀48、50、52。
被抽吸通过控制阀48、50、52的稀释排气还可在被样品袋40接收之前流动通过流量计56。稀释排气可由样品袋40中的一个或多个接收，由此稀释排气向相应样品袋40中的流动通过布置在每个样品袋40上游的控制阀58被控制。
虽然样品袋40被描述并显示为经由样品探头42、44、46和控制阀48、50、52从稀释通道12接收稀释排气，但是样品袋40在测试间隔或取样周期期间的任意时间可另外接收填充气体60。填充气体60可在被样品袋40接收之前通过泵64被抽吸通过流量计62。填充气体60可在到达流量计62之前流动通过控制阀66并可在被样品袋40接收之前流动通过控制阀68。控制阀66可选择性地在允许填充气体60流动到流量计62的打开状态与阻止填充气体60流动到流量计62的闭合状态之间移动。当控制阀68处于打开状态时允许填充气体60进入样品袋40，当控制阀68处于闭合状态时阻止填充气体60进入样品袋40。
如图1中所示，控制器18可与流量计62、泵64和控制阀66连通，以便控制在测试间隔或取样周期期间供应到样品袋40的填充气体60的量。例如，如果在测试间隔或取样周期期间被样品袋40接收的稀释排气的量不足以允许分析器20确定排气中包含的排放物质量，则控制器18可使泵64通电，并可打开控制阀66以便为样品袋40供应一定体积的填充气体60。填充气体60与布置在样品袋40内的稀释排气混合,并用于补充布置在每个样品袋40内的体积。进一步，填充气体60可为纯净干燥的气体，其减少在样品袋40内形成凝结的可能性。
当确定包含在由排气收集单元14提供的稀释排气内的排放物质量时，本底收集单元16可被分析器20使用。具体而言，分析器20可分析在补充空气入口24处提供到稀释通道12的补充空气的样品，以便允许分析器20说明在补充空气入口24处供应的补充空气内的任意本底污染物。在补充空气内布置的颗粒物质没有被疏忽地视为构成排放物质量的一部分的情况下，对布置在补充空气内的本底污染物的说明允许分析器获得对稀释排气样品内包含的排放物质量的准确测量。
本底收集单元16可包括一个或多个样品袋70、泵72和控制阀74。当控制阀74处于打开状态时，泵72可将补充空气从过滤器26抽吸通过控制阀74。由泵72从过滤器26抽吸的补充空气可在被样品袋70接收之前被引导通过流量计76。补充空气可流动通过流量计76并可由样品袋70接收以便收集。样品袋70可分别与选择性地允许补充空气流入一个或多个样品袋70中的控制阀78关联。
继续参照图1，分析器20被示出为流体联接到排气收集单元14并被流体联接到本底收集单元16。因此，分析器20可从排气收集单元14接收稀释排气样品，并可从本底收集单元16接收补充空气样品。
通过借助泵80对包含在单元14、16内的流体施加力，分析器20可从排气收集单元14接收稀释排气样品和/或可从本底收集单元16接收补充空气样品。当与排气收集单元14关联的一个或多个控制阀82处于打开状态时，泵80可从排气收集单元14抽吸稀释排气。同样地，当与本底收集单元16关联的一个或多个控制阀84处于打开状态时，泵80可从本底收集单元16抽吸补充空气。稀释排气样品或补充空气样品可从相应的单元14、16被抽吸，并可在到达分析器20之前流动通过控制阀86和流量计88。一旦分析器20从排气收集单元14接收稀释排气样品和/或从本底收集单元16接收补充空气样品，则分析器20可确定稀释排气样品内包含的排放物质量和/或布置在补充空气内的颗粒物质的量。
继续参照图1，将详细描述排气取样系统10的操作。排气取样系统10的下列操作可由控制器18执行。虽然没有在图1中具体例示，但是控制器18可以与温度传感器34、泵36、54、64、72、80、控制阀48、50、52、58、66、68、74、82、84、86以及流量计56、62、76连通。因此，控制器18可从温度传感器34和流量计56、62、76接收操作数据，并可使用前述信息来控制泵36、54、64、72、80和控制阀48、50、52、58、66、68、74、82、84、86，以便允许分析器20获得布置在稀释通道12内的稀释排气内包含的排放物质量的准确读数。
控制器18可被编程以运行具有任意数量的测试间隔或取样周期的任意数量的测试程序。例如，控制器18可通过控制各个泵36、54、64、72、80和控制阀48、50、52、58、66、68、74、82、84、86在五百零五秒(505s)的取样周期期间从稀释通道对稀释排气进行取样。虽然可以执行事实上具有任意长度测试间隔或取样周期的任意数量的测试程序，但是下面的描述将参照五百零五秒(505s)的示例性取样周期期间进行。
控制器18可在零时启动取样周期。如果在零时发动机22没有运行，则控制器18可以将阀48、50、52移动进入打开状态并可使泵54通电以排放从稀释通道12抽吸的补充空气。具体而言，当发动机22处于关闭(OFF)状态时，控制器18可打开泵54下游的阀57，以便排放从稀释通道12抽吸的补充空气。控制器18还可通过打开阀89并使泵90通电而确保样品袋40为完全空的，泵90可被用于在启动取样周期之前排空布置在样品袋40内的任何空气。
在发动机22处于关闭状态时，控制器18可保持泵54处于通电状态并保持阀48、50、52处于打开状态。在发动机22处于关闭状态时，控制器18同样地可保持泵72处于通电状态并保持阀74处于打开状态。正如在发动机22处于关闭状态时由样品探头42、44、46从稀释通道12提取的补充空气一样，在发动机22处于关闭状态时由泵72提取的补充空气可通过打开布置在泵72下游的阀73而被排放。
控制器18可与对发动机22的操作进行监控的传感器92连通。另外地或可替代地，控制器18可从诸如计算机或控制器之类的控制测试循环的另一系统(即，测试自动化系统)或从测试车辆的CAN总线或OBD(车载数据)接收发动机22的状态(即，开启或关闭)。不管控制器18如何确定发动机22的状态，控制器18可保持阀57、73处于打开状态，直到控制器18从传感器92接收到发动机22处于开启状态的信号。此时，控制器18可关闭阀57、73，以阻止从稀释通道12提取的补充空气的排放。
控制器18可记录在测试间隔或取样周期期间如通过传感器92报告的发动机22开启的时间。也就是说，控制器18可确定距离在取样周期开始时记录的零时的时间，以确定在发动机开启之前在取样周期期间已经经过多长时间。控制器18可记录并利用发动机22的开启时间，以确保样品袋40以期望的稀释比率收集足够的体积，如将在下面更详细地讨论的。
控制器18可基于样品袋40的尺寸确定样品袋40的样品流率。也就是说，控制器18可确定，如果发动机20在整个取样周期期间运行，填充样品袋40所需的样品流率。样品填充流率可由收集周期的长度(即，本示例中的五百零五秒)和样品袋40的容积确定。样品填充流率可通过样品袋40的容积(即，最大目标填充容积)除以取样周期的长度(五百零五秒)而被确定。
如截止目前所描述的，控制器18仅在如由传感器92指示的那样发动机22移动进入开启状态时闭合阀57、73。当发动机22未运行时(即，处于关闭状态)，阀57、73处于打开状态以排放从稀释通道12收集的补充空气。因此，当发动机处于关闭状态且阀57、73处于打开状态时，排气收集单元14和本底收集单元16不将样品收集在相应的样品袋40、70内。
如果发动机22在整个取样周期处于开启状态，则控制器18可同时使泵54、72通电并打开阀48、50、52、74，以允许排气收集单元14的样品袋40和本底收集单元16的样品袋70分别收集稀释排气样品和补充空气样品。假设发动机22保持处于开启状态，泵54、72将保持通电，且阀48、50、52、74将保持打开。
当传感器92指示发动机处于开启状态时，控制器18确定允许排气收集单元14的样品袋40和本底收集单元16的样品袋70分别接收足够体积的稀释排气和补充空气所需的流率。可替代地，控制器18可连续计算并调节流率，直到传感器92指示发动机22处于开启状态。
为了允许分析器20分析从排气收集单元14接收的稀释排气样品并分析从本底收集单元16接收的补充空气样品，排气收集单元14的样品袋40必须接收足够体积的稀释排气，并且本底收集单元16的样品袋70必须接收足够体积的补充空气。由排气收集单元14的样品袋40接收的稀释排气的体积基于稀释通道12内的稀释排气的流率以及样品探头42、44、46的提取速率确定。因为控制器18仅在发动机22处于开启状态时打开阀58以从稀释通道12收集稀释排气，所以如果在五百零五秒(505s)取样周期期间发动机22仅短时间处于开启状态则可能收集的稀释排气的体积不够。
控制器18确保从稀释通道12对稀释排气的取样实现分析器20所需的最小体积，而不管发动机22的状态(即，开启或关闭)如何。简言之，控制器18将阀58、78保持在闭合状态并将旁通阀57、73保持在打开状态，直到在取样周期期间阀58、78必须打开且旁通阀57、73必须闭合以实现控制器18所需的最小体积的时间点。换言之，即使发动机22处于关闭状态，自取样周期开始以后已经经过了预定量的时间，控制器18可闭合旁通阀57、73并可打开阀58、78，以允许样品袋40被填充流动通过稀释通道12的补充空气并允许样品袋70被填充补充空气。
另外地或可替代地，控制器18可将泵54保持处于断电状态并可将阀48、50、52保持在闭合状态，并且可打开阀66、68并使泵64通电以促使填充气体进入样品袋40。因此，在取样周期期间可用填充气体60填充样品袋40。虽然控制器18被描述为用填充气体60或来自稀释通道12的补充空气填充样品袋40，但是控制器18可用填充气体60和来自稀释通道12的补充空气两者填充样品袋40。而且，控制器18可用填充气体60或来自稀释通道12的补充空气至少部分地填充样品袋40，以允许样品袋40实现分析器20所需的最小体积，以便分析样品袋40内的内容物。分析器20所需的最小样品体积可由分析器20的流率以及取样周期的长度预先确定。总之，控制器18可在取样周期期间为样品袋40提供填充气体60或来自稀释通道12的补充空气中的任一种或两种。
在取样周期期间将填充气体60和/或来自稀释通道12的补充空气添加到样品袋40，增加排气取样系统10的效率，因为在取样周期之前或之后不添加补充空气和/或填充气体60。因此，在取样周期期间添加填充气体60和/或来自稀释通道12的补充空气，使整体测试效率提高，因为添加到样品袋40的气体在取样周期期间被添加并且在取样周期之前或之后不会由于另外的停止(additional stop)而被需要。
在取样周期期间开始时，控制器18基于样品袋40的容积、规定的收集时间(即，取样周期的长度)确定样品探头42、44、46的样品提取速率。在取样周期期间的起始时由控制器18确定的提取速率可为初始提取速率，并可受限于取样周期的长度。例如，样品袋40包括固定或最大容积。因此，较长的取样周期期间要求控制器18选择的提取流率在被积分时不超过样品袋40的容积。
在操作期间，控制器18可基于发动机22的操作来动态调节探头42、44、46的提取速率。也就是说，基于取样周期期间发动机22被移动至开启状态的时间，控制器18可连续计算为样品袋40提供期望的体积所需的提取速率。当发动机22首次移动进入开启状态时，提取流率被选择并被保持至取样周期结束，以确保比例取样，这是用于精确计算稀释排气样品内包含的排放物质量的CVS和BMD系统的比例取样理论所要求的。
基于前述内容，控制器18通过在如由传感器92所识别的发动机22移动到开启状态之前连续计算提取速率来使优化起始提取速率。因此，控制器18确保最大提取速率被选择，由此当发动机22处于开启状态时允许控制器18在周期期间实现分析器20所需的足够体积的稀释排气。
调节提取流率同样使控制器为样品袋40供应来自稀释通道12的补充空气和/或填充气体60的需求最小化，以便为分析器20提供所需的最小体积。在发动机22移动进入开启状态之前，控制器18连续计算并优化样品探头42、44、46的提取流率，以使提取流率达到最大，使得当发动机处于开启状态时取得足够的样品，由此使当发动机22处于关闭状态时为样品袋40填充来自稀释通道12的补充空气或填充气体60的需求最小化或被消除。因此，样品袋40主要填充有来自稀释通道12的稀释排气，结果，样品袋40内容纳的样品的稀释比率达到最小。
控制器18可通过对阀48、50、52中的一个或多个阀进行控制而实现提取流率。例如，如果样品探头42、44、46包括不同尺寸的喷嘴，使得第一样品探头42提供大约二(2)lpm(升每分)的提取流率，第二样品探头44提供大约五(5)lpm的提取流率，第三样品探头46提供大约五(5)lpm的提取流率，那么如果计算的提取流率大约为七(7)lpm，则控制器18可仅打开与第一样品探头42和第二样品探头44关联的阀48、50。因为第一样品探头42包括大约二(2)lpm的提取流率，第二样品探头44供应大约五(5)lpm的提取流率，第一样品探头42和第二样品探头44的使用提供大约七(7)lpm的总样品提取流率。
另一方面，如果控制器18确定需要更高的样品流动提取流率(即，在取样周期期间发动机22较晚地被移动至开启状态)，使得需要大约十二(12)lpm的样品提取流率，那么控制器18可打开阀48、50、52中的每个阀，以便允许由样品探头42、44、46提供的提取流率等于大约十二(12)lpm(即，来自样品探头42的二(2)lpm；来自样品探头44的五(5)lpm；来自样品探头46的五(5)lpm)。
前述示例例示当发动机22移动到开启状态时控制器18如何通过控制阀48、50、52并仅允许流动通过样品探头42、44、46中的选择探头而可以调节样品提取流率。如果控制阀48、50、52为步进阀使得阀48、50、52可以移动进入部分打开状态(即，在完全打开状态与完全闭合状态之间)，则控制器18可进一步调整提供到样品袋40的样品提取流率。例如，在前述示例中，如果控制器18确定需要大约八(8)lpm的样品提取流率，则控制器18可完全打开第一控制阀48和第二控制阀50但可仅部分打开第三控制阀52，使得通过第三阀52的有效流率为大约一(1)lpm。因此，在本示例中供应的总提取流率将为来自第一样品探头42的二(2)lpm；来自样品探头44的五(5)lpm；来自第三样品探头46的一(1)lpm，因为第三控制阀52仅部分打开，由此限制通过第三控制阀的流动。进一步，如果阀48、50、52中的一个或多个阀包括电磁控制阀，诸如螺线管阀，电磁控制阀可通过使用脉冲宽度调制(PWM)控制，以实现期望的提取流率。不管样品提取流率如何实现，一旦控制器18确定样品提取速率，则样品提取速率在整个取样周期中被保持并基于在取样周期期间何时发动机22被移动进入开启状态而确定。如果PWM被用于控制阀42、44、46中的一个或多个阀，则利用用作反馈元件的流量计56保持比例取样。
分析器20可基于按比例收集的排气样品的排放物浓度以及相应的平均CVS体积来确定取样周期期间的排放物质量(m)。参见下面的方程式1。
m＝Vmix*ρ[emission]*c*x
在前述方程式中，m代表在取样周期期间以克计的排放物质量；Vmix代表在标准参考条件下在取样周期期间的总稀释排气体积(scf或m3)；ρ[emission]代表合适的化学物种的密度(g/scfm或gram/m3)；x[emission]代表在由干到湿(dry-to-wet)和本底校正之后在样品中测量的排放物浓度(ppmV或百分比)；c对于排放物浓度百分比代表10-2并且对于ppm形式的排放物浓度代表10-6。
基于前述内容，CVS体积的积分必须与样品袋40、70的填充协同地开始和停止。因此，控制器18可与袋填充(即，样品袋40、70的填充)的开始和停止协同地开始并停止方程式1中CVS体积的积分。
控制器18亦可按顺序进行与本底收集单元16关联的样品袋70的填充和与排气收集单元14关联的样品袋40的填充。因此，当控制器18打开阀58或者为样品袋40提供补充空气和/或填充气体60时，控制器18亦可打开阀78以便为样品袋70填充补充空气。简言之，可同时填充样品袋70与样品袋40，以便样品袋70与样品袋40以相同方式被控制。
虽然样品袋70被描述为与样品袋40以相同方式被控制，使得在样品袋40被填充稀释排气、补充空气或填充气体60的同时样品袋70被填充补充空气，但是样品袋70可以不同的方式被控制。也就是说，样品袋70可在整个取样周期期间收集补充空气。可替代地，样品袋70内收集的补充空气的体积可以与填充气体60被供应到样品袋40的类似方式利用清洁气体被调节，以确保样品袋70内包含的体积实现分析器20分析所需的最小体积。
总之，控制器18控制排气取样系统10，以便通过与发动机开启/关闭时间协同地开始和停止向样品袋40填充稀释排气而实现期望的(即，低的)稀释比率。进一步，控制器18通过在取样周期期间向样品袋40选择性地添加来自稀释通道12的补充空气和/或填充气体60而实现样品袋40内的目标体积。控制器18还可动态选择由样品探头42、44、46实现的提取流率并可在取样周期期间内连续地调节提取样品速率直到发动机移动到开启状态。最终，控制器18可控制补充空气至样品袋70中的流动，使得在稀释排气、补充空气或填充气体60被样品袋40接收的同时补充空气被样品袋70接收。
如上所述，控制器18可控制排气取样系统10，使得样品袋40被选择性地填充来自稀释通道12的补充空气和/或填充气体60，如果由样品袋40接收的稀释排气不足以允许分析器20适当地分析样品袋40的内容物。前述系统10可通过移除填充气体的源60而被简化，使得假设样品袋40在取样周期期间接收的稀释排气的体积不充足，则控制器18仅向样品袋40填充来自稀释通道12的补充空气。
填充气体的源60被移除的排气取样系统10a的示意性代表在图2中示出。考虑到与排气取样系统10a关联的部件相对于与排气取样系统10关联的部件在结构和功能上的基本相似性，相似的附图标记被用于指示相似的部件，同时包含字母附加部分的相似的附图标记被用于指示已经被修改的部件。
排气取样系统10a的操作实质上等同于排气取样系统10，除了当被供应到样品袋40的稀释排气的体积不足以允许分析器20适当地分析样品袋40的内容物时控制器18仅向样品袋40供应来自稀释通道12的补充空气。排气取样系统10a的操作在其它方面等同于排气取样系统10的操作。因此，排气取样系统10a的操作的详细描述如前述。
前述系统10、10a优化CVS的袋填充，以便优化所取样品的稀释比率，将足够样品提供在收集袋40中用于分析并在限定的取样阶段时间内实现前述目的。系统10、10a与发动机22的操作并行地提取样品，并在分析所需的最小样品体积未实现时补充收集袋40的体积。补充的体积可在发动机22处于关闭状态时在测试阶段期间提供到收集袋40。
实现分析所需的最小样品体积的一种方法是在测试间隔(即，测试阶段)期间对袋样品体积进行积分并确定测试间隔中对于测试间隔的剩余部分而言要求样品收集保持开启而实现分析必需的最小样品体积的时刻。图3-5提供前述方法的示例。
参照图3，发动机22的测试间隔被提供。测试间隔包括505秒的运行时间，其中在测试间隔期间发动机22仅处于开启状态191秒。
如果选择350scfm的CVS流率(即，提取速率)，则下面表1中所示的结果代表CVS标准操作。总体稀释比率高，但是系统在收集袋40中将具有足够样品用于分析。
表1
在上述测试中，通过仅当发动机22处于开启状态时收集样品来优化取样。也就是说，CVS袋取样仅在测试间隔中发动机22处于开启状态的时间内被执行，结果，系统将仅收集袋样品191秒，如下表2中所示。优化的袋取样(即，仅当发动机22处于开启状态时取样)的样品周期在图4中示出。
表2
虽然样品的稀释比率通过仅在周期期间在发动机22处于开启状态时提取样品而被改进，但是收集的体积经常产生不够分析所需的足够样品。
如上所述，收集袋40可在测试间隔期间在发动机22处于关闭状态的一些时刻被填充。在图5中，该周期被示出在测试间隔的末端。也就是说，如果目标样品体积被建立以便具有足够样品用于分析，则控制系统基于已经收集的排气的量可确认在测试间隔期间何时必须开始在测试间隔的剩余部分进行取样的时间点，以便在测试间隔结束之前收集期望的体积。
如下在表3中所示，通过在测试间隔期间在发动机22处于关闭状态时向收集袋40填充另外的样品，用于分析的样品体积从34升增加到41.5升。同时，稀释率被保持在与获得用于分析的足够样品相一致的最低可能比例。
表3
采用优化的袋取样(即，仅当发动机22处于开启状态时取样)并且在测试间隔期间当发动机22处于关闭状态时的选择时间提供补充袋填充允许CVS系统实现分析所需的最小体积并允许CVS系统优化稀释比率同时保持最小的稀释比率及分析所需的袋体积。进一步，在测试间隔期间补充袋填充避免预先稀释或过后稀释程序的执行(即，在测试间隔之前或之后补充袋填充)。最终，现有的CVS系统可在不需要另外的硬件的情况下被升级为执行前述程序。
特别参照图6，提供另一取样系统100。排气取样系统100提供BMD取样系统，由此排气样品以固定的稀释比率被稀释并与来自发动机102的排气流成比例地被收集。在图6中所示的图表中，发动机102包括内燃机104和诸如电动机的另一发动机106，内燃机104和另一发动机106协作以提供用于混合动力车辆(未示出)的推进单元。发动机106可为车辆的主要推进单元，结果车辆可存在内燃机104排放较少或没有排气通过发动机104的尾管108的操作时期。
排气取样系统100可包括取样单元110、排气收集单元112、控制器114和分析器116。取样单元110可与样品探头118流体连通并可包括混合器120。样品探头118可接收于尾管108内，以允许样品探头118从发动机102收集排气样品。排气样品可通过泵122被抽吸到取样单元110中，并可通过布置在样品探头118与泵122之间的流量计124被测量。
排气收集单元112可与取样单元110流体连通，并可包括一个或多个样品袋126和将稀释排气样品抽吸到样品袋126中的泵128。稀释排气可从取样单元110被抽吸，在取样单元110中，从样品探头118接收的排气与稀释剂130混合。具体而言，稀释剂130可流动通过流量计132，并可随后被取样单元110的混合器120接收。混合器120可将稀释剂130与从样品探头118接收的排气样品混合，以产生稀释排气样品。稀释排气可通过泵128从取样单元110抽吸，并可由排气收集单元112的样品袋126收集。样品袋126对稀释排气的收集可由分别与样品袋126中的每个关联的一对控制阀134控制。
分析器116可从样品袋126接收稀释排气样品用于分析。具体而言，泵136可从样品袋126抽吸稀释排气样品，并可在稀释排气样品到达分析器116之前将稀释排气样品泵送通过控制阀138和流量计140。分析器116可分析稀释排气以确定排气内包含的排放物质量。
正如排气取样系统10、10a那样，样品袋126必须包括足够的体积以允许分析器116适当地分析稀释排气样品。如果从取样单元110接收的稀释排气样品不足以填充样品袋126，则填充气体可经由流量计144和控制阀146被提供到一个或多个样品袋126。
继续参照图6，将详细描述排气取样系统100的操作。正如排气取样系统10、10a那样，可使用排气取样系统100执行任意数量的测试，并且进一步，任一测试可包括实质上具有任意持续时间的测试间隔或的取样周期。虽然排气取样系统10可被用于与大量测试以及实质上任意长度的测试间隔或取样周期结合，但是在下文中将描述五百零五秒(505s)的示例性取样周期。
控制器114可与识别发动机102的状态的传感器148或152连通。也就是说，传感器148或152识别发动机102是否处于开启状态或关闭状态。如果传感器152被使用，则传感器152通过测量排气流量来测量开启或关闭状态。不管发动机102的状态如何，控制器114命令泵122进入通电状态以通过样品探头118将排气样品抽吸到取样单元110中。排气样品可通过混合器120与稀释剂130混合，以产生稀释排气样品。质量流量控制器150可与排气流量计152连通，并可控制供应到样品袋126的稀释排气的量。如果发动机102处于开启状态，则稀释排气由于控制器114打开阀134而被接收在收集袋126内。另一方面，如果发动机102处于关闭状态，则控制器114关闭阀134并打开旁通阀129。控制器114还可使位于阀129下游的泵131通电以排放稀释排气。
正如排气取样系统10、10a那样，如果供应到样品袋126的稀释排气的体积不足以实现所需的最小体积，则可在测试间隔或取样周期期间将填充气体142添加到样品袋126。在测试间隔或取样周期期间将填充气体142添加到样品袋126增加排气取样系统100的效率，因为在取样周期之前或之后不需要另外的程序。具体而言，在取样周期之前或之后不需要将填充气体142添加到样品袋126，因为填充气体142在取样周期期间被添加。
一旦样品袋126被填充有足够体积的稀释排气，则与排气收集单元112关联的控制阀154可被打开以允许分析器116接收稀释排气样品用于分析。
虽然未示出控制器114与排气取样系统100的每个部件连通，但是控制器可与传感器148、泵122、128、136、控制阀138、146、154、流量计124、132、140、144、152和质量流量控制器150连通。因此，控制器114可基于从传感器148和各个流量计124、132、140、144、152接收的信息来控制泵122、128、136和控制阀138、146、154。
为了例示和描述的目的已经提供了实施例的前述描述。其并非意在为穷尽的或限制本公开。特定实施例的单独的元件或特征一般不限于该特定实施例，而是，在可应用的场合，可互换并可用于选择的实施例中，即便未特别示出或描述。特定实施例的单独的元件或特征也可以许多方式变化。这种变化不应被认为脱离本公开，并且所有这种更改意在被包括在本公开的范围内。

Claims (27)

1.一种用于发动机的排气取样系统，所述排气取样系统包括：
排气的源；
排气收集单元，包括选择性接收所述排气的至少一个收集袋；
第一样品探头，与所述排气的源流体连通并能操作以选择性地向所述至少一个收集袋供应所述排气；以及
控制器，能操作以在第一状态下允许所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋，并能操作以在第二状态下阻止所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋，所述控制器基于所述发动机在所述取样周期期间的开启时间来确定所述第一样品探头的提取速率。
2.根据权利要求1所述的排气取样系统，进一步包括旁通阀，该旁通阀与所述第一样品探头关联并能在允许所述排气流动到所述至少一个收集袋的打开状态和阻止所述排气流动到所述至少一个收集袋的闭合状态之间移动，所述控制器与所述第一阀连通并能操作以控制所述第一阀在所述打开状态和所述闭合状态之间的移动。
3.根据权利要求2所述的排气取样系统，其中所述打开状态为完全打开状态，所述阀能移动至在所述完全打开状态和所述闭合状态之间的多个部分打开状态之一。
4.根据权利要求1所述的排气取样系统，进一步包括填充气体的源，所述控制器能操作以选择性地将所述填充气体供应到所述至少一个样品袋。
5.根据权利要求4所述的排气取样系统，其中所述填充气体的源与所述排气的源分离。
6.根据权利要求4所述的排气取样系统，其中从包含所述排气和补充空气的混合物的通道提取所述排气的样品，当所述发动机处于关闭状态时所述填充气体的源为所述补充空气。
7.根据权利要求1所述的排气取样系统，其中所述排气的源包括补充空气和来自所述发动机的排气二者的混合物。
8.根据权利要求1所述的排气取样系统，其中所述控制器在所述发动机处于所述开启状态时以所述第一状态操作，并在所述发动机处于关闭状态时以所述第二状态操作。
9.根据权利要求1所述的排气取样系统，进一步包括包含至少一个本底取样袋的本底收集单元。
10.根据权利要求9所述的排气取样系统，其中所述排气的源包括补充空气和来自所述发动机的排气二者的混合物，所述本底收集单元收集所述补充空气。
11.一种用于发动机的排气取样系统，所述排气取样系统包括：
稀释排气的源，所述稀释排气包括补充空气和来自所述发动机的排气；
排气收集单元，包括选择性接收所述稀释排气的至少一个收集袋；
第一样品探头，与所述排气的源流体连通并能操作以选择性地向所述至少一个收集袋供应所述稀释排气；以及
控制器，能操作以在第一状态下允许所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋，并能操作以在第二状态下阻止所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋，所述控制器在取样周期期间选择性地将所述补充空气供应到所述至少一个收集袋。
12.根据权利要求11所述的排气取样系统，其中所述控制器基于所述发动机的开启时间将所述补充空气供应到所述至少一个收集袋。
13.根据权利要求11所述的排气取样系统，其中所述控制器基于在取样周期期间所述发动机被移动至开启状态的时间将所述补充空气供应到所述至少一个收集袋。
14.根据权利要求11所述的排气取样系统，进一步包括第一阀，该第一阀与第一样品探头关联并能在允许所述稀释排气流动到所述至少一个收集袋的打开状态和阻止所述稀释排气流动到所述至少一个收集袋的闭合状态之间移动，所述控制器与所述第一阀连通并能操作以控制所述第一阀在所述打开状态和所述闭合状态之间的移动。
15.根据权利要求14所述的排气取样系统，其中所述打开状态为完全打开状态，所述阀能移动至在所述完全打开状态和所述闭合状态之间的多个部分打开状态之一。
16.根据权利要求11所述的排气取样系统，进一步包括包含至少一个本底取样袋的本底收集单元。
17.根据权利要求16所述的排气取样系统，其中所述本底收集单元收集所述补充空气。
18.根据权利要求17所述的排气取样系统，其中所述本底收集单元在所述取样周期期间收集所述补充空气。
19.一种用于发动机的排气取样系统，所述排气取样系统包括：
排气的源；
排气收集单元，包括选择性接收所述排气的至少一个收集袋；
第一样品探头，与所述排气的源流体连通并能操作以选择性地向所述至少一个收集袋供应所述排气；
填充气体的源；以及
控制器，能操作以在第一状态下允许所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋，并能操作以在第二状态下阻止所述排气从所述第一样品探头流动到所述至少一个收集袋，所述控制器能操作以在取样周期期间将所述填充气体供应到所述至少一个收集袋。
20.根据权利要求19所述的排气取样系统，其中所述控制器基于所述发动机的开启时间将所述填充气体供应到所述至少一个收集袋。
21.根据权利要求19所述的排气取样系统，其中所述控制器基于在取样周期期间所述发动机被移动到开启状态的时间将所述填充气体供应到所述至少一个收集袋。
22.根据权利要求19所述的排气取样系统，进一步包括第一阀，该第一阀与第一样品探头关联并能在允许所述排气流动到所述至少一个收集袋的打开状态和阻止所述排气流动到所述至少一个收集袋的闭合状态之间移动，所述控制器与所述第一阀连通并能操作以控制所述第一阀在所述打开状态和所述闭合状态之间的移动。
23.根据权利要求22所述的排气取样系统，其中所述打开状态为完全打开状态，所述阀能移动至在所述完全打开状态和所述闭合状态之间的多个部分打开状态之一。
24.根据权利要求19所述的排气取样系统，其中所述排气的源包括补充空气和来自所述发动机的排气二者的混合物。
25.根据权利要求24所述的排气取样系统，进一步包括包含至少一个本底取样袋的本底收集单元。
26.根据权利要求24所述的排气取样系统，其中所述本底收集单元收集所述补充空气。
27.根据权利要求24所述的排气取样系统，其中所述本底收集单元在所述取样周期期间收集所述补充空气。
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