JPH0795019B2 - 内燃機関の排気ガスの質量流量計測装置を較正する方法、そのための装置および比例サンプル抽出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は内燃機関の排気ガスを測定する装置に関するも
のであり、特に亜音速及び音速流体ベンチユリ計測系及
び凝縮による誤差を最少限にする浄化された乾燥空気を
導入する装置を利用して排気ガス中の汚物を測定する装
置に関するものである。

＜従来の技術＞ 米国連邦法規によると、自動車から排出される廃棄物は
所定のレベルを超えてはならない。米国法典規則45、第
７章1201条（1971年７月２日金曜日発行連邦登録番号第
36巻128号、12652ページ等）を参照。米国特許第3,699,
814号も参照すべきである。

このような基準の存在により、自動車用エンジンからの
排気ガスはテストされかつ分析されその中に含まれてい
る不純物の相対量を決定しなければならない。排気ガス
のサンプリングにおいて用いられる装置はかなり発達し
ており不純物の相対量を分析決定するテスト装置を介し
て正確に測定された流量で内燃機関の排気ガスを流出す
ることは知られている。このようなテストは臨界流ベン
チユリのような装置を用いて装置を通過する希釈された
サンプルガスの質量流を一定に維持しており、希釈され
たサンプルガスは自動車の排気ガスと希釈空気とからな
つている。空気を希釈することによりサンプルが冷却さ
れ、相対湿度を降下しサンプル保持装置内での凝縮を低
減し、サンプルの取扱いを容易にしている。希釈サンプ
ルはその後の化学的分析用の様々なサンプル保持装置に
分配される。所定の運転サイクル中の自動車の排気流量
が変化するため、希釈空気の量も装置における一定の質
量流手段により変化される（排ガス流量が大きくなると
希釈空気量は小さく、またその逆の関係が成立する）。

これらの条件を全体的に満たすシステムが上記法典の一
部に記載されている。しかしながらここに規定されたシ
ステムは多くの欠点を有している。この欠点は上記米国
特許3,699,814号（タイトル、ガスサンプラー、1972年1
2月24日登録、本出願と同一出願人）に議論されてい
る。上記米国特許は排気ガスサンプラーの著しい改良を
開示しており、従来の問題のあつた容積型ポンプに代え
て臨界流ベンチユリを用いて定積流量にて希釈された排
気ガスを測定している。

サンプルの温度を下げることの１つの問題点は低温サン
プルが高温サンプルと同程度の水分を含まないことであ
る。その結果水蒸気の一部はサンプル装置内に凝縮して
しまう。この凝縮によりサンプル装置を通過する容積流
が直接影響を受け測定精度が低下してしまう。この問題
点を解決する従来の技術は加熱されたサンプル管路を用
いて凝縮を防止していた。加熱されたサンプル管路は維
持がむずかしくサンプリングシステムを過度に複雑にし
てしまう。

水分の問題に加えてリアルタイムモード試験において希
釈空気導入システムの精度を維持することに問題があつ
た。上述のように、希釈空気の導入は正確に行なわれな
ければならず、エンジンの排ガス試験を行なうことによ
りエンジンの作動が影響を受けてはならない。さもなけ
れば試験結果は不正確なものとなつてしまう。例えば排
ガス試験装置はエンジンの排気系に不必要な排圧または
負圧を与えてはならず、さもなければエンジンは通常の
作動状態で運転されないことになつてしまう。従来の排
ガスアナライザーはこの点に問題があつた。従来のアナ
ライザーに用いられている流量計は最も正確な範囲で作
動するため高圧が必要であつた。比較的高圧下において
従来の流量計を用いなければならないことは、エンジン
の排気系を測定用の高圧下におかなければならないとい
う問題があつた。

また従来技術において、トレーサー方法（二酸化炭素ま
たは他の不活性ガス）が利用されており、２つの独立し
たアナライザーが用いられる。このような技術は一般的
に充分なものとはいえない。さらに、従来の技術は、実
際的でない条件すなわち、アナライザーに較正誤差がな
いという仮定及びシステムにもれがないという仮定に基
づいていた。現在まで誤差ともれとが試験システムにな
いということを保証する有効な較正は存在しない。

＜問題点を解決するための手段＞ 従つて、本発明は排気管を有する内燃機関の排ガス質量
流を計測する装置及びその方法を提供することである。
この装置は排気管に接続された排気入口を有する試験用
導管を備えている。亜音速ベンチユリは流体を通過させ
る試験用導管に接続されている。信号を発生する変換器
は亜音速ベンチユリに接続されている。音速ベンチユリ
は試験用導管に接続されており流体を通過させることが
できる。変換器は音速ベンチユリに接続されており、信
号を発生する。コンピユータは変換器に接続されてお
り、信号を受ける。

本発明の方法は試験用導管の排気入口をキヤツプし、一
定の流体を、亜音速ベンチユリ、試験用導管及び音速ベ
ンチユリに流し、前記音速ベンチユリを通過する流量を
計測し第１の信号を発生し、亜音速ベンチユリを通過す
る流量を計測し第２の信号を発生し、第１及び第２の信
号を比較して誤差を決定し、前記第１及び第２の信号の
いずれか一方を調整し前記誤差をなくして装置を調整す
ることを有している。

さらに本発明によると、内燃機関から排出された排ガス
の比例サンプルを抽出する装置及び方法が提供される。
抽出部材は機関に連結されておりサンプル用の限定通路
を形成している。浄化乾燥空気を抽出部材に供給する機
構が抽出部材に接続されている。計測機構は乾燥浄化空
気を抽出部材に供給するために前記第１の機構に接続さ
れている。第２の計測機構は第２の信号を発生する。コ
ンピユータは第１及び第２の計測機構に接続されており
信号を受ける。上記方法において、内燃機関からの排ガ
スのサンプルを抽出し抽出部材にサンプルを通過させ、
サンプルを一定の浄化乾燥空気と混合し、排気サンプル
と浄化乾燥空気の量を計測し第１の信号を発生し、混合
された浄化乾燥空気と排気サンプルとの量を計測し第２
の信号を発生し浄化乾燥空気の排気サンプルに対する比
を決定し、第１及び第２の信号の比と所定の比を比較
し、誤差を決定し、第１及び第２の信号のいずれか一方
を調整し誤差をなくし排ガスの比例サンプルを形成して
いる。

この装置の利点は袋解析に用いられるような範囲と同じ
ものについてアナライザを用いてリアルタイムに希釈生
サンプルを計測する手段が構成できることである。この
利点は生サンプル用にいくつかのアナライザのコストを
省略することができる（完全分離システムを用いること
もできる）。

EPAを必要とする駆動サイクルにわたつてリアルタイム
にガス分析読み取りを全体に行なうことにより袋サンプ
リング（サンプル保存装置）の必要性をなくすことがで
きる。その結果、袋サンプリングシステムに必要なコス
トを低減することができる。テスト結果がEPA条件につ
いての試験を必要とする場合は従来の袋サンプリングシ
ステムに対する関係が必要になる。

＜実施例＞ 第１図において、ガス源の比例含有量を測定するシステ
ムが参照番号10によつて示されている。このシステムに
連結されているものは生排気を排気管14に排出する内燃
機関の排気源12である。ガソリンエンジンの場合排気管
14は触媒コンバータ16及び排気パイプまたはテールパイ
プ28を有している。サンプル抽出部材18は触媒コンバー
タ16の上流または下流18aでエンジン源12の出口位置20
の近傍をサンプルするように接続されている。サンプル
に浄化乾燥空気を与える希釈機構22は抽出部材18に接続
されている。希釈機構22は抽出部材18がサンプリングを
する点の極めて近くの位置に浄化乾燥希釈空気を追加す
る。乾燥希釈空気を早めに供給することにより凝縮が低
減され加熱サンプル管を供給する必要がなくなる。オプ
シヨンとしてのサンプルテストバツグ60を有する比例サ
ンプル機構26が希釈機構22に連結されておりサンプルを
回収しまたはリアルタイムモード分析用のアナライザに
直接に接続されている。

システム10は、テールパイプ28の端部に固定された試験
用導管30を有している。試験用導管30はＴ型になつてお
り２つの足部32及び34を有している。希釈空気はフイル
タシステム37を介して足部32に噴射される。噴射された
希釈空気の流量を計測する機構36は試験用導管30の足部
32に接続されている。計測機構36は亜音速ベンチユリ74
を有している。計測機構36は管23を介して後述する希釈
機構22に接続されている。

噴射された希釈空気に加えた全体積排気ガスの流量を計
測する計測機構38は試験用導管30の足部34に接続されて
いる。機構38は音速ベンチユリ84を有している。ブロワ
ー31は試験用導管30に接続されておりシステムに負圧を
発生させ試験用導管30に流体を流し音速ベンチユリ84に
より一定質量の流量を確立する。音速ベンチユリ84によ
る大きな圧力降下がなく亜音速ベンチユリ74は正確であ
るのでシステム入口30またはテールパイプ28の端部にお
けるブロワーによつて形成された負圧はかなり低くする
ことができる。このように試験中のエンジンはこのテス
トシステムを含むことによつてほとんど影響されない。
希釈機構22、比例サンプリング機構26、計測機構36及び
全流量計測機構38は圧力及び温度変換器76、78、80、86
及び88によりコンピユータ40に接続されており、第２図
に示されるソレノイドバルブ及び流量計により電気的に
作動される。

第２図において、本発明の詳細が示されている。抽出部
材18aはエンジンの出口ポート20の近くに位置してい
る。この点で抽出された排ガスの一部は全体としては26
0〜371℃（500〜700゜F）の温度範囲であり、湿度はほ
ぼ20％である。

参照番号22で全体が示される希釈機構22は抽出部材18の
接続部の上流から管42に接続された部材を有しており抽
出部材18の接続部から下流において管44に接続された部
材を有している。

希釈機構22はポンプ46を有しており浄化乾燥空気を管23
を通してフイルタシステム37を介してこのシステムに吸
収している。また希釈機構22は流量計48を有しており、
このシステムにもちこまれる乾燥空気の量を計測してい
る。流量計48はコンピユータ40に関連して信号をコンピ
ユータに送つている。さらに希釈機構22は流量制御弁50
を有しており、管42を流れる流量を制御している。流量
制御弁50はコンピユータ40と関連しており、コンピユー
タ40により制御される。

乾燥空気がポンプ46により管42に吸引される。乾燥空気
は抽出部材18と一緒になるまで管42にそつて流れ抽出部
材18によつて抽出された排ガスの一部と混合される。排
ガスの一部は260〜371℃（500〜700゜F）であり約20％
の水分を有する。乾燥空気が排ガスの一部と混合される
と温度はかなり降下し、熱交換器や冷却装置を設ける必
要がなくなり、水分は約５％まで減少される。このよう
な水温量により凝縮の問題は実質的に解決される。

比例サンプリング機構26は分析用に乾燥空気と排ガスを
所定の割合で吸引する。比例サンプリング機構26は管44
を介して希釈ガスを吸引するポンプ56を有している。希
釈ガスとは乾燥空気と排ガスの抽出された部分との組合
せを意味する。また比例サンプリング機構26は流量計54
及び制御弁56を有しており、流量計54及び制御弁56はそ
れぞれ希釈ガスを計測制御するように管44にそつて位置
しており比例サンプリング機構は粒子フイルタ53を有し
ている。流量計54及び制御弁56はコンピユータ40に接続
されている。

希釈ガスは点線で示された流量指向回路58に管44を介し
て流れる。流量指向回路58は希釈ガスの一部または全て
をサンプリングするか、さらに解析用に保存バツグ60に
保存するため複数の管及び弁を有している。またパージ
装置62が流量指向回路58に含まれている。パージ装置62
はサンプルバツグ60を空にし新たなサンプルが前のサン
プルにより汚染されることなくサンプルバツグ60に保存
できる。空にされたサンプルバツグ60に連通する特定の
管を開閉するためパージ装置62はポンプ64及びソレノイ
ド弁を第２図に示すように有している。流量指向回路58
はシステムのもれをチエツクするため負圧スイツチ66を
有しており、弁68及び70は希釈ガスを大気に開放するよ
うに設けられておりまたは希釈ガスをリアルタイムで分
析するか、または希釈ガスを他の所定の試験のための場
所へ連通させている。流量指向回路58はシステムを浄化
するため管72を介して浄化空気を受け入れる。

希釈流量計測機構36は管30の第一の足部32に位置する亜
音速ベンチユリ74を有している。亜音速ベンチユリ74は
希釈メークアツプ用の空気流量FAを計測する。本来的に
高い精度をもち圧力降下の低い亜音速ベンチユリ74によ
り希釈空気流量が再現性をもつて決定される。温度変換
器76と圧力変換器78は亜音速ベンチユリ74の上流で空気
室73の近くに配置されており、第２の圧力変換器80は亜
音速ベンチユリ74の絞り74に位置している。これら３つ
の変換器はコンピユータ40に接続されており、コンピユ
ータによりベンチユリ74を通過する流量を決定する。

試験管30の第２の足部34は体積流量計測機構38を有して
いる。計測38は音速ベンチユリ84と温度変換器86と圧力
変換器88とを有している。前述の米国特許第3,699,814
号に説明されているように音速ベンチユリ84は試験用導
管30の容積流量を制御安定化し、絞り部における音速流
により下流の負圧に関係なく試験用導管30内の流れを制
限する。音速流（すなわち臨界流）は遠心ブロワー31に
よりベンチユリ出口に充分な負圧を形成することにより
維持される。この結果一定の質量流装置が得られる。こ
のように音速ベンチユリ84上流の温度及び圧力を知るこ
とにより希釈サンプルの流量FSが公知の演算により算出
される。音速ベンチユリ84の上流で試験用導管30の第２
の足部に位置する温度変換器86及び圧力変換器88はコン
ピユータ40に接続され演算が行なわれる。

キヤリブレーシヨンバルブ82は試験用導管30の第２の足
部32に位置している。キヤリブレーシヨンバルブ82によ
り流量計測機構36の亜音速ベンチユリ74が体積流量計測
機構38の音速ベンチユリ84をゼロ調整可能としている。
エンジン12を停止させ試験用導管30のテールパイプの入
口をプラグ止めまたはキヤツプしつつ、ゼロ調整は計測
機構36に乾燥空気を吸引することによりなされる。エン
ジンを止めて排気ガスが希釈機構22に入らないようにし
て、乾燥空気は空気室73及び亜音速ベンチユリ74に圧送
される。温度及び圧力変換器76、78、80を介してコンピ
ユータ40は亜音速ベンチユリ74の乾燥空気流量を演算す
る。温度及び圧力変換器86、88を介してコンピユータ40
は、体積流量計測機構38の音速ベンチユリ84の乾燥空気
流量を演算する。コンピユータ40は亜音速ベンチユリ74
と音速ベンチユリ84の２つの流量を比較決定する。理論
的には音速ベンチユリ84のガス流は亜音速ベンチユリ74
のガス量と一致する。音速ベンチユリ84の容積流量が亜
音速ベンチユリ74の流量と異なる場合コンピユータ40は
その読み取りが同じになるように調整される。亜音速ベ
ンチユリ74と音速ベンチユリ84の読み取り値を一致させ
ることによりシステム解析のスタート時点において誤差
がゼロになる。このため本発明によると２つのベンチユ
リが第３の基準値を用いることなくキヤリブレートされ
るのでそのキヤリブレーシヨン精度が高い。

一般的には、コンピユータ40は以下のようにいくつかの
機能を有している。コンピユータは空気のサンプル比に
対する割合を決定する。乾燥空気の抽出された排ガスの
一部に対する所定の比は第２図40aで示されるように選
択されコンピユータにメモリーされる。一般的にはこの
比は空気対抽出された排ガスの比で1:1から約10:1の間
であり、好ましくは3:1である。例えば3:1の比がステツ
プ40aで選択される。乾燥空気は流量計48に流れ始め
る。流量計48の流量は圧力／電流変換器90及びリード線
92を介してコンピユータ40に送られる。乾燥空気が抽出
部材18に入り排気管14から吸引された排ガスの抽出部と
混合される。希釈ガスとして知られる乾燥空気と抽出排
ガスの一部は流量計54を流れる。流量計54の流量は圧力
／電流変換器94及びリード線96を介してコンピユータ40
に送られる。コンピユータ40は希釈ガス流量から希釈空
気流量を引いて流量を比較決定する。この例において流
量計48及び54の比較が乾燥空気３部及び希釈ガス４部で
表わされる場合（一部サンプル）、3:1の所定の比は達
成されコンピユータ40は制御弁50及び56を調整する信号
を発生する必要がない。比が3:1でない場合コンピユー
タ40は信号をリード線100および104を介して電流圧力変
換器96及び102に送る。これにより3:1の比が達成するま
で流量制御弁50及び56が調整される。制御弁への信号の
伝達及び制御弁の調整は非常に速く数秒で行なわれる。
このようにシステムは正確にかつリアルタイムに乾燥空
気の希釈空気に対する比を制御できる。

同様にコンピユータ40は試験下におけるエンジンの排ガ
ス流量FEを決定する。希釈空気流量計測機構36の温度及
び圧力変換器76、78、80はリード線106、108、110を介
してコンピユータ40に接続される。コンピユータ40によ
り演算及びキヤリブレーシヨンを行なうため温度変換器
76は希釈空気の温度信号を電気信号に変換する。コンピ
ユータ40により演算及びキヤリブレーシヨンを行なうた
め圧力変換器78、80は希釈空気の圧力信号を電気信号に
変換する。公知のベンチユリの式を用いてこれら３つの
パラメータをもつてコンピユータは希釈空気の流量FAを
演算する。

容積流量計測機構38の温度及び圧力変換器86、88はリー
ド線118、120を介してコンピユータに接続されている。
コンピユータ40による演算及びキヤリブレーシヨンを行
なうため温度変換器86は体積流の温度信号を電気信号に
変換する。公知の音速ベンチユリ式を用いて２つのパラ
メータをもつてコンピユータは音速ベンチユリ84の容積
排気ガスの流量FSを演算する。

亜音速ベンチユリ74及び音速ベンチユリ84の希釈空気質
量流量及び排ガスの容積流量を計算する入力信号を有す
るコンピユータ40は排ガス質量流量FSと希釈空気質量流
量FAとの差を演算する。生の排ガス質量流量が決定され
るとこの値は希釈機構22に用いることができ、サンプリ
ングされる抽出ガス流量の比が制御される。

また温度変換器114は希釈流回路58に位置している。温
度変換器114はリード線116を介してコンピユータ40に接
続されている。温度変換器114は温度信号を電気信号に
変換しコンピユータ40による演算及びキヤリブレーシヨ
ンを行なう。コンピユータ40は回路58の希釈ガスの温度
をモニターし希釈ガス流量の温度を測定する装置をシス
テムに形成する。

第１図及び第２図に示された実施例においてはサンプル
は試験下のエンジンからの生の排気ガスから抽出され
る。しかしながら本発明はサンプル抽出点が希釈された
排気ガス側に位置しているシステムに適応できる。この
ような例が第３図及び第４図に示されている。第３図及
び第４図はサンプルが管200から抽出される点以外は第
１及び第２図と同じである。図示されるように、管200
は試験用導管30内からサンプルを抽出する。この点にお
いてサンプルはフイルターシステム37及び機構36を介し
て追加された希釈空気により希釈サンプルとなる。

上述の本発明の好適実施例は上述の目的を達成するもの
であるが、本発明において多くの変更例が可能であるこ
とはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による生排気ガスサンプリングシステム
の概略図、第２図は生排ガスサンプリングシステムにお
ける本発明の実施例を詳細に示す図、第３図は本発明に
よる希釈排ガスサンプリングシステムの概略図、及び第
４図は希釈排ガスサンプリングシステムの本発明の実施
例の詳細図である。 10……サンプリングシステム、12……排気源、14……排
気管、16……触媒コンバータ、18……サンプル抽出部
材、20……出口位置、22……希釈機構、26……比例サン
プル機構、28……テールパイプ、30……試験用導管、32
……足部、34……足部、36……計測機構、38……計測機
構、60……サンプルテストバツグ、76、78、80、86、88
……変換器、74……亜音速ベンチユリ、40……コンピユ
ータ、50……流量制御弁、54……流量計、56……制御
弁、62……パージ装置、64……ポンプ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気管に接続された排気ガス入
   口を有する試験用導管、流体を通過させる前記試験用導
   管に接続された亜音速ベンチュリ、前記亜音速ベンチュ
   リに接続され信号を発生する変換装置、前記試験用導管
   に接続され流体を通過させる音速ベンチュリ、前記音速
   ベンチュリに接続され信号を発生する変換装置及び前記
   変換装置に接続され前記信号を演算するコンピュータを
   有する内燃機関の排気の質量流量を計測する装置を較正
   する方法において、前記試験管の排気ガス入口をキャッ
   プし、前記亜音速ベンチュリ、前記試験管及び前記音速
   ベンチュリに流体を流し、前記音速ベンチュリの流量を
   計測し第１の信号を発生し、前記亜音速ベンチュリの流
   量を計測し第２の信号を発生し、前記第１及び第２の信
   号を比較し誤差を決定し、前記第１及び第２の信号のう
   ちのいずれか一方を調整して前記誤差をなくし前記計測
   装置を較正することを包含する内燃機関の排気ガスの質
   量流量計測装置を較正する方法。
2. 【請求項２】排気管を有する内燃機関の排気ガスの質量
   流量を計測する装置において、前記排気管に接続され排
   気ガスの通路を画成する試験用導管装置、前記試験用導
   管装置に接続され、多量の流体を前記試験用導管装置に
   通されて流す亜音速ベンチュリ装置、前記亜音速ベンチ
   ュリ装置に接続され信号を発生する第１の変換装置、前
   記試験用導管装置に接続され前記内燃機関からの排気ガ
   スの一定質量の流量と前記亜音速ベンチュリ装置からの
   流体を通過させるベンチュリ装置、前記ベンチュリ装置
   に接続され第２の信号を発生する第２の変換装置、及び
   前記第１及び第２の変換装置に接続され前記第１及び第
   ２の信号を比較し、前記内燃機関の排ガスの質量流量を
   算出する演算装置、を包含することを特徴とする内燃機
   関の排気ガスの質量流量計測装置。
3. 【請求項３】排気導管を有する内燃機関からの排気ガス
   の比例サンプルを抽出する方法にして、前記排気導管に
   接続され排気ガス用の流路を画成する試験用導管、該試
   験用導管に接続された亜音速ベンチュリ、前記内燃機関
   に接続されサンプル用の引き込み通路を提供する抽出部
   材、該抽出部材に接続され前記抽出部材内に浄化乾燥空
   気を提供する手段、該手段に接続され浄化乾燥空気を提
   供するために信号を発生する第１の測定手段、前記抽出
   部材に接続されて信号を発生する第２の測定手段、およ
   び前記第１および第２の測定手段に接続され前記両信号
   を判断処理するコンピュータを含むことにより、前記方
   法が、 多量の流体を前記試験用導管および前記亜音速ベンチュ
   リを通して流し、 前記内燃機関から排気ガスのサンプルを抽出し、 前記サンプルを前記抽出部材内へ通し、 前記サンプルを該サンプルと混合された多量の浄化乾燥
   空気と混合して第１の信号を発生し、 前記多量の混合された浄化乾燥空気および排気ガスサン
   プルの量を測定して第２の信号を発生し、 前記浄化乾燥空気の前記排気ガスサンプルとの比を決定
   し、 この決定された比と前記第１および第２の信号の比を比
   較して誤差を決定し、そして 前記第１および第２の信号のいずれかを調節して前記誤
   差を零にし、それにより排気ガスの所望の比例サンプル
   を作り出す、 ことを包含する内燃機関の排気ガスの比例サンプル抽出
   方法。