JP4447266B2 - Exhaust gas flow measuring device and exhaust gas measuring system using the same - Google Patents
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Description
この発明は、例えば、自動車のエンジンから排出される排ガスの流量を計測するための排ガス流量計測装置およびこれを用いた排ガス計測システムに関する。 The present invention relates to an exhaust gas flow rate measuring device for measuring the flow rate of exhaust gas discharged from an automobile engine and an exhaust gas measurement system using the same.
自動車のエンジンから排出され、排気管などの管内を流れる排ガスの流量を連続測定することができる差圧式流量計の一つとして、ピトー管(Pitot tube)式流量計がある。このピトー管式流量計においては、標準状態換算した排ガス流量Q(t)〔m3 /min〕は、下記(1)式によって与えられる。
ここで、
α:比例定数
ΔP(t):ピトー管の差圧〔kPa〕
P(t):排ガス圧力〔kPa〕
T(t):排ガス温度〔°K〕
ρ:標準状態における排ガス密度〔g/m3 〕
One of the differential pressure type flow meters that can continuously measure the flow rate of exhaust gas discharged from an automobile engine and flowing through a pipe such as an exhaust pipe is a Pitot tube type flow meter. In this Pitot tube flow meter, the exhaust gas flow rate Q (t) [m 3 / min] converted to the standard state is given by the following equation (1).
here,
α: Proportional constant ΔP (t): Pitot tube differential pressure [kPa]
P (t): Exhaust gas pressure [kPa]
T (t): exhaust gas temperature [° K]
ρ: exhaust gas density in standard state [g / m 3 ]
すなわち、比例係数αを予め求めておけば、管内を流れる排ガスの温度、圧力、ピトー管の差圧の測定値から、排ガスの流量を得ることができる。 That is, if the proportionality coefficient α is obtained in advance, the flow rate of the exhaust gas can be obtained from the measured values of the temperature, pressure and differential pressure of the Pitot tube flowing in the pipe.
しかし、ピトー管式流量計は、排ガスの脈動時にその影響を受け、差圧から排ガス流量を演算する際に生じるいわゆる平方根誤差により、排ガス流量の測定誤差が大きくなることが指摘されている。 However, it has been pointed out that the Pitot tube type flow meter is affected by the pulsation of the exhaust gas, and the measurement error of the exhaust gas flow rate increases due to a so-called square root error that occurs when calculating the exhaust gas flow rate from the differential pressure.
そこで、特許文献1に示されているように、バッファタンクで排ガスの脈動を抑えつつ、流量計(アニューバ流量計)の差圧センサを用いて排ガス流量を測定する装置が考案されている。
Therefore, as disclosed in
また、特許文献2に示されているように、配管に加工を施し、空間フィルタを構成し脈動周波数を求める装置や、特許文献3に示されているように、超音波流量計を用いて脈動周波数を求める装置が考案されている。
しかし、特許文献1に示される排ガス流量測定装置では、排ガスの脈動をバッファタンクで吸収することにより測定場を変化させてしまい、ありのまま(in−situ)で測定することができない。これは、脈動そのものの解明やトランジェント計測が求められる現状及び今後の方向性にそぐわない。しかも、バッファタンクによって排ガスの脈動を完全に取り除くことは困難であることに加えて、可変容量のバッファタンクを形成したり、エンジン回転数にあわせてバッファタンクの容量を変える機構を設ける必要があるなど、装置自体が大掛かりで複雑なものにならざるを得ない。また、特許文献2に示されるガス流の測定装置および特許文献3に示される流量測定装置でも、装置自体が大掛かりで複雑なものになるといった不都合がある。
However, in the exhaust gas flow rate measuring device disclosed in
ところで、ピトー管式流量計では、上記(1)式に示すように、排ガス流量と差圧の平方根とが比例関係にあることを利用して排ガス流量を算出するので、差圧と排ガス流量とは、図7のグラフで示される関係を有することとなる。なお、図7において、横軸には差圧〔kPa〕、縦軸には流量〔L/min〕がとられている。そして、本発明者らは、排ガスの脈動に伴って、差圧が経時的に変化し、例えば、図7においてaで示すように脈動したときに、ピトー管の差圧を検出する差圧センサの応答周波数が低いと、差圧の測定値は平均化され、この平均化された差圧の測定値(例えば図7では約1.4〔kPa〕)に対応する排ガス流量(図7では約1300〔L/min〕)が得られ、このようにして得られた排ガス流量は、差圧を排ガス流量に変換した後に平均化して得られる正確な排ガス流量(図7では約1150〔L/min〕)と比べて、高い値となるということを発見した。 By the way, in the Pitot tube type flow meter, as shown in the above equation (1), the exhaust gas flow rate is calculated by utilizing the proportional relationship between the exhaust gas flow rate and the square root of the differential pressure. Will have the relationship shown in the graph of FIG. In FIG. 7, the horizontal axis represents differential pressure [kPa], and the vertical axis represents flow rate [L / min]. Then, the present inventors have developed a differential pressure sensor that detects the differential pressure of the Pitot tube when the differential pressure changes with time as the exhaust gas pulsates, for example, as shown by a in FIG. When the response frequency is low, the measured value of the differential pressure is averaged, and the exhaust gas flow rate corresponding to the averaged measured value of the differential pressure (for example, about 1.4 [kPa] in FIG. 7) is about 1300 [L / min]) is obtained, and the exhaust gas flow rate obtained in this way is an accurate exhaust gas flow rate obtained by averaging after converting the differential pressure to the exhaust gas flow rate (in FIG. 7, about 1150 [L / min]). )) And found a higher value.
この発明は上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、エンジンから排出される排ガスの流量を、脈動等が発生した場合にもリアルタイムで精度良く、しかも測定場を変化させることなく計測することができ、ひいては容易に小型化を図ることが可能な排ガス流量計測装置およびこれを用いた排ガス計測システムを提供することである。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned matters. The purpose of the present invention is to accurately control the flow rate of exhaust gas discharged from an engine in real time even when pulsation or the like occurs without changing the measurement field. It is an object to provide an exhaust gas flow rate measuring device that can be measured and can be easily reduced in size, and an exhaust gas measurement system using the exhaust gas flow rate measuring device.
上記目的を達成するために、この発明の排ガス流量計測装置は、エンジンから排出された排ガスが流れる流路にそれぞれ設けられる全圧検出部および静圧検出部と、全圧検出部および静圧検出部が接続される差圧センサと、演算処理装置とを備え、前記差圧センサが、排ガスの脈動周波数以上の応答周波数で静圧と全圧との差圧を検出して差圧信号を前記演算処理装置に出力する高速応答型差圧センサであり、該演算処理装置は前記差圧信号が示す差圧の瞬時値を用い、排ガス流量を導出する演算の周波数が前記脈動周波数以上になるように排ガス流量を算出するように構成してある(請求項1)。 In order to achieve the above object, an exhaust gas flow rate measuring device according to the present invention comprises a total pressure detection unit and a static pressure detection unit, a total pressure detection unit and a static pressure detection respectively provided in a flow path through which exhaust gas discharged from an engine flows. A differential pressure sensor to which a part is connected, and an arithmetic processing unit, wherein the differential pressure sensor detects a differential pressure between a static pressure and a total pressure at a response frequency equal to or higher than a pulsation frequency of exhaust gas, and outputs the differential pressure signal a high-speed response type differential pressure sensor to be output to the processing unit, the said processing unit using the instantaneous value of the differential pressure indicated by the differential pressure signal, so that the frequency of operation for deriving the exhaust gas flow rate becomes equal to or higher than the pulse frequency The exhaust gas flow rate is calculated as follows (claim 1).
また、この発明の排ガス流量計測装置は、エンジンから排出された排ガスが流れる流路にそれぞれ設けられる全圧検出部および静圧検出部と、全圧検出部および静圧検出部が接続される差圧センサと、演算処理装置とを備え、前記差圧センサが、エンジンがアイドル状態のときの排ガスの脈動周波数以上の応答周波数で静圧と全圧との差圧を検出して差圧信号を前記演算処理装置に出力する高速応答型差圧センサであり、該演算処理装置は前記差圧信号が示す差圧の瞬時値を用い、排ガス流量を導出する演算の周波数が前記脈動周波数以上になるように排ガス流量を算出するように構成してある(請求項2)。 Further, the exhaust gas flow rate measuring device of the present invention includes a difference between the total pressure detection unit and the static pressure detection unit, and the total pressure detection unit and the static pressure detection unit provided in the flow path through which the exhaust gas discharged from the engine flows. A pressure sensor and an arithmetic processing unit, wherein the differential pressure sensor detects a differential pressure signal between a static pressure and a total pressure at a response frequency equal to or higher than a pulsation frequency of exhaust gas when the engine is in an idle state, and generates a differential pressure signal. a high-speed response type differential pressure sensor to be output to the processing unit, the said processing unit using the instantaneous value of the differential pressure indicated by the differential pressure signal, the frequency of operation for deriving the exhaust gas flow rate becomes equal to or higher than the pulse frequency In this way, the exhaust gas flow rate is calculated (claim 2).
差圧センサが、半導体差圧センサであるのが好ましい(請求項3)。 The differential pressure sensor is preferably a semiconductor differential pressure sensor.
全圧検出部と差圧センサとの間および/または静圧検出部と差圧センサとの間に、応答差調整機構を設けてもよい(請求項4)。 A response difference adjusting mechanism may be provided between the total pressure detection unit and the differential pressure sensor and / or between the static pressure detection unit and the differential pressure sensor.
応答差調整機構が、バッファタンクまたはキャピラリまたは絞り弁であるとしてもよい(請求項5)。 The response difference adjusting mechanism may be a buffer tank, a capillary, or a throttle valve.
全圧検出部と差圧センサとの間および/または静圧検出部と差圧センサとの間に連通部が設けられており、この連通部が、20m以下の長さを有し、1.0〜50mmの内径を有する配管により構成されていてもよい(請求項6)。 A communication part is provided between the total pressure detection part and the differential pressure sensor and / or between the static pressure detection part and the differential pressure sensor, and the communication part has a length of 20 m or less. You may be comprised by piping which has an internal diameter of 0-50 mm (Claim 6).
差圧信号が示す差圧の平方根と排ガス流量とが比例することに基づいて排ガス流量を演算し、差圧信号が示す差圧が負であるときには、差圧信号が示す差圧の絶対値の平方根に−1を乗じた値と排ガス流量とが比例することに基づいて排ガス流量を演算するように構成されているのが好ましい(請求項7)。
すなわち、式(1)において、ΔP<0のときは、式(1)を下記の式(2)に代える。
ここで、
α’:比例定数
|ΔP(t)|:ピトー管の差圧の絶対値〔kPa〕
The exhaust gas flow rate is calculated based on the fact that the square root of the differential pressure indicated by the differential pressure signal is proportional to the exhaust gas flow rate, and when the differential pressure indicated by the differential pressure signal is negative, the absolute value of the differential pressure indicated by the differential pressure signal is calculated. It is preferable that the exhaust gas flow rate be calculated based on the fact that the value obtained by multiplying the square root by -1 and the exhaust gas flow rate are proportional to each other (Claim 7).
That is, in the equation (1), when ΔP <0, the equation (1) is replaced with the following equation (2).
here,
α ′: proportionality constant | ΔP (t) |: absolute value of differential pressure of pitot tube [kPa]
差圧信号が示す差圧を、流量に変換した後、平均化することにより排ガスの平均流量を求めるように構成されているのが好ましい(請求項8)。 The differential pressure indicated by the differential pressure signal is preferably converted to a flow rate and then averaged to obtain the average flow rate of the exhaust gas (claim 8).
車載タイプとしてもよい(請求項9)。 It may be a vehicle-mounted type (claim 9).
そして、上記目的を達成するために、この発明の排ガス計測システムは、請求項1〜9のいずれかに記載の排ガス流量計測装置を備えた(請求項10)。 And in order to achieve the said objective, the exhaust gas measurement system of this invention was equipped with the exhaust gas flow measuring device in any one of Claims 1-9 (Claim 10).
請求項1および2に係る発明によれば、エンジンから排出される排ガスの流量を、脈動等が発生した場合にもリアルタイムで精度良く、しかも測定場を変化させることなく計測することができ、ひいては容易に小型化を図ることが可能な排ガス流量計測装置が得られる。 According to the first and second aspects of the invention, the flow rate of the exhaust gas discharged from the engine can be measured in real time with high accuracy even when pulsation or the like occurs, and without changing the measurement field. An exhaust gas flow rate measuring device that can be easily downsized is obtained.
詳しくは、例えば、排ガスの脈動時に差圧を検出する差圧センサの応答周波数が脈動周波数よりも低い場合には、上述したように、検出される差圧が平均化されて測定誤差が大きくなるが、請求項1および2に係る発明では、排ガスの脈動周波数以上の応答周波数で静圧と全圧との差圧を検出するように構成してあるので、検出される差圧の平均化が抑えられ、従って、排ガスの流量が精度良く計測されることとなる。
Specifically, for example, when the response frequency of the differential pressure sensor that detects the differential pressure when the exhaust gas pulsates is lower than the pulsation frequency, the detected differential pressure is averaged and the measurement error increases as described above. However, in the inventions according to
また、請求項1および2に係る発明では、バッファタンクなどを用いて排ガスの脈動を抑えず、測定場を変化させることなくありのままで排ガス流量を計測することができる。
In the inventions according to
さらに、請求項1および2に係る発明は、例えば、一般的に用いられているピトー管と、応答周波数が脈動周波数以上である差圧センサとで主要な部分を構成することができ、ピトー管は小型かつコンパクトであり、また、差圧センサもエッチキャビティなどによって小型化したものを用いることができるので、装置全体の小型化を容易に図ることが可能である。
Further, in the invention according to
請求項3に記載したように、差圧センサを半導体差圧センサとした場合には、より容易に小型化を図ることが可能となる。
As described in
請求項4に記載のように、応答差調整機構を設けた場合には、差圧センサが検出する全圧と静圧との応答時間が異なることによって生じる誤差を無くすことができる。 According to the fourth aspect of the present invention, when the response difference adjusting mechanism is provided, it is possible to eliminate an error caused by a difference in response time between the total pressure detected by the differential pressure sensor and the static pressure.
請求項5に記載したように、応答差調整機構をバッファタンクまたはキャピラリまたは絞り弁とした場合には、応答差調整機構がシンプルな構成を有し、かつ安価なものとなる。 In the case where the response difference adjusting mechanism is a buffer tank, capillary or throttle valve, the response difference adjusting mechanism has a simple configuration and is inexpensive.
請求項6に記載したように、連通部を、20m以下で、1.0〜50mmの内径を有する配管により構成した場合には、連通部によって脈動による差圧が緩衝されることを確実に防止することができる。 As described in claim 6, when the communication portion is constituted by a pipe having an inner diameter of 1.0 to 50 mm with a length of 20 m or less, the communication portion reliably prevents the differential pressure due to pulsation from being buffered. can do.
請求項7に記載したように、差圧信号が示す差圧が負であるときには、差圧信号が示す差圧の絶対値の平方根に−1を乗じた値と排ガス流量とが比例することに基づいて排ガス流量を演算する場合には、排ガスの流路内において発生した逆流を正確に排ガス流量として導出することができ、排ガス流量の測定の信頼性が向上することとなる。 As described in claim 7, when the differential pressure indicated by the differential pressure signal is negative, the value obtained by multiplying the square root of the absolute value of the differential pressure indicated by the differential pressure signal by -1 is proportional to the exhaust gas flow rate. When the exhaust gas flow rate is calculated based on this, the backflow generated in the exhaust gas flow path can be accurately derived as the exhaust gas flow rate, and the reliability of the exhaust gas flow rate measurement is improved.
請求項8に記載したように、差圧信号が示す差圧を、流量に変換した後、平均化することにより排ガスの平均流量を求めれば、排ガス流量の測定値がより精度の高いものとなる。
If the average flow rate of the exhaust gas is obtained by converting the differential pressure indicated by the differential pressure signal into the flow rate and then averaging it as described in
請求項9に記載したように、この発明の排ガス流量計測装置を車載タイプとした場合には、例えば、シャシダイナモ上で模擬的に走行させる自動車からの排ガス流量のみならず、実際の走行時の自動車からの排ガス流量をも測定することができ、排ガス流量についてより有用なデータを採取することが可能となる。 As described in claim 9, when the exhaust gas flow rate measuring device of the present invention is an in-vehicle type, for example, not only exhaust gas flow rate from an automobile that runs on a chassis dynamometer, but also during actual travel. The exhaust gas flow rate from the automobile can also be measured, and more useful data can be collected about the exhaust gas flow rate.
請求項10に係る発明では、ミニダイリュータ法を利用して排ガスの一部を高精度で再現性良くサンプリングすることができ、しかも排ガスの各成分の濃度だけではなく質量をも精度良く算出することができる排ガス計測システムを提供することができる。すなわち、請求項10に係る排ガス計測システムは、請求項1〜9に係る排ガス流量計測装置を備えているので、排ガス流量計測装置によって精度の高い排ガス流量の測定値がリアルタイムで得られ、この排ガス流量の測定値は、例えば、リアルタイムの正確な排ガス流量の測定値を必要とするミニダイリュータ法や、排ガスの濃度から質量を導出する際にリアルタイムの正確な排ガス流量の測定値を必要とするガス分析計などに効果的に利用することができる。
In the invention according to
図1および図2は、この発明の一実施例を示す。 1 and 2 show an embodiment of the present invention.
図1に示すように、この実施例の排ガス計測システムSは、自動車1のエンジン(図示していない)から排出された排ガスGの流路2中に設けられ、前記排ガスGの流量を計測する排ガス流量計測装置D(詳細は後述する)と、サンプルバッグ3と、流路2を流れる排ガスGの一部を一定比率で希釈し、これを前記排ガス流量計測装置Dにより計測された排ガスGの流量に比例した流量でサンプルバッグ3に採取させるためのミニダイリュータ4と、このミニダイリュータ4に排ガスGを希釈する希釈ガス(この実施例ではN2 )Kを供給するための希釈ガス供給源5と、サンプルバッグ3に接続され、サンプルバッグ3に捕集された排ガスG中の所定成分(例えば、HC,CO,H2 O,NOX など)を分析するガス分析計Aとを有する。
As shown in FIG. 1, the exhaust gas measurement system S of this embodiment is provided in a
なお、希釈ガス供給源5は、例えば、希釈ガスを収容した高圧ボンベからなる。また、ガス分析計Aは、例えば、非分散型赤外分光法(NDIR)型ガス分析計である。
The dilution
以下、ミニダイリュータ4について説明する。
Hereinafter, the
ミニダイリュータ4は、流路2に上流端が接続され、途中にポンプ6を有するサンプルガス流路7と、上流端が希釈ガス供給源5に接続され、下流端がサンプルガス流路7に接続される希釈ガス流路8と、上流端がサンプルガス流路7における希釈ガス流路8の接続点よりも下流側の位置に接続され、下流端がサンプルバッグ3に接続されるサンプルガス採取ライン9とを備えている。
The
サンプルガス流路7は、流路2内に挿入され、流路2内を流れる排ガスGの一部を採取するためのサンプリングプローブ(図示していない)を上流端に有している。また、サンプルガス流路7における希釈ガス流路8の接続点よりも上流側の位置には、臨界流量ベンチュリ(CFV)10が設けられている。
The sample gas flow path 7 is inserted into the
なお、詳細は後述するが、この実施例の流路2は、図2に示すように、排気管14とテールパイプアタッチメント15とによって構成され、上述したサンプルガス流路7のサンプリングプローブは、テールパイプアタッチメント15内に挿入されるが、図2では省略している。
Although details will be described later, the
希釈ガス流路8には、上流側から順に、レギュレータ11と、臨界流量ベンチュリ(CFV)12とが設けられている。そして、レギュレータ11によって、サンプルガス流路7を流れる排ガスGの流量と希釈ガス流路8を流れる希釈ガスKの流量との比が常に一定となるように調整され、希釈ガス流路8からサンプルガス流路7に流れ込む希釈ガスKによって、サンプルガス流路7を流れる排ガスGは一定比率で希釈される。
The dilution
サンプルガス採取ライン9は、サンプルガス流路7において希釈ガスKによって一定比率で希釈された排ガスGの一部を、サンプルバッグ3に採取させるためのものである。このサンプルガス採取ライン9には、マスフローコントローラ(MFC)13が設けられており、MFC13には、流路2を流れる排ガスGの流量の計測値が、排ガス流量計測装置Dから出力信号gとしてフィードバックされる。そして、希釈ガスKによって一定比率で希釈された排ガスGのサンプルバッグ3への採取流量は、MFC13により、流路2を流れる排ガスGの流量の計測値に比例するように制御される。
The sample gas collection line 9 is for causing the
以下、排ガス流量計測装置Dについて説明する。 Hereinafter, the exhaust gas flow rate measuring device D will be described.
図2に示すように、排ガス流量計測装置Dは、車載タイプとして構成されており、詳しくは、自動車1の排気管14の下流端部に着脱自在に接続され、流路2を構成するテールパイプアタッチメント15と、このテールパイプアタッチメント15内を流れる排ガスGの流量を計測するための差圧式流量計16と、この差圧式流量計16からの出力信号が入力される演算処理装置(例えばパソコン)17とを備え、差圧式流量計16および演算処理装置17はユニット構成された状態でテールパイプアタッチメント15に取り付けられる。
As shown in FIG. 2, the exhaust gas flow rate measuring device D is configured as an in-vehicle type. Specifically, the tail pipe is detachably connected to the downstream end portion of the
テールパイプアタッチメント15は、排気管14と同等の内径を有するほぼ筒状(円筒状)の部材であり、その一端側には、排気管14の下流端部に着脱自在に外嵌される接続部15aが形成され、他端側は開放されている。
The
差圧式流量計16は、排ガスGが流れるテールパイプアタッチメント15の全圧(静圧+動圧)と静圧との差圧をピトー管20(詳細は後述する)によって検出するピトー管式流量計である。詳しくは、差圧式流量計16は、テールパイプアタッチメント15にそれぞれ設けられる全圧検出部18および静圧検出部19を有するピトー管20と、全圧検出部18が第1連通部21を介して接続され、静圧検出部19が第2連通部22を介して接続される差圧センサ23と、テールパイプアタッチメント15に設けられ、テールパイプアタッチメント15内を流れる排ガスGの温度および圧力を測定するための温度センサ24および圧力センサ25とを備えている。
The differential pressure
ピトー管20は、全圧検出部18としての全圧検出用ピトー管の外側に静圧検出部19としての静圧検出用ピトー管を配置した二重管構造をしている。また、ピトー管20は、ほぼL字型形状に屈曲しており、テールパイプアタッチメント15内においてその軸方向とほぼ平行に配置される平行部分20aと、この平行部分20aに対して垂直に連設され、テールパイプアタッチメント15の側壁を貫通するように配置される垂直部分20bとを先端側からこの順で有している。
The
全圧検出用ピトー管18の平行部分20aは、テールパイプアタッチメント15内を流れる排ガスGの上流側(図2では左側)に向けて設けられており、その先端には開口18aが形成されている。
The
静圧検出用ピトー管19の平行部分20aの側壁には、テールパイプアタッチメント15内における排ガスGの流れ方向と垂直となるように貫通孔19aが形成されている。また、静圧検出用ピトー管19の平行部分20aの先端と全圧検出用ピトー管18の平行部分20aの先端との間は閉塞してある。
A through
第1連通部21および第2連通部22はそれぞれ、10m以下の長さを有し、2.0〜50mmの内径を有する配管により構成されている。また、第1連通部21および第2連通部22にはそれぞれ、差圧センサ23における全圧と静圧との応答差をなくすための応答差調整機構26としての絞り弁(ニードル弁)が設けられている。
The
差圧センサ23は、例えば、半導体差圧センサであり、この実施例の差圧センサ23は、自動車1のエンジンがアイドル状態のときの排ガスGの脈動周波数(例えば約20〔Hz〕)以上(好ましくは4〜5倍以上)の応答周波数で静圧と全圧との差圧を検出して差圧信号を演算処理装置17に出力するように構成された高速応答型差圧センサである。
The
詳しくは、差圧センサ23は、第1連通部21を介して全圧検出部18に連通する全圧導入部27と、第2連通部22を介して静圧検出部19に連通する静圧導入部28と、全圧導入部27および静圧導入部28の間に配置されるダイヤフラム29と、このダイヤフラム29の近傍に配置される歪検出センサ30とを備えている。
Specifically, the
全圧導入部27は、シリコン基板31を貫通するようにその厚さ方向に設けられており、静圧導入部28は、シリコン基板32を貫通するようにその厚さ方向に設けられている。また、ダイヤフラム29は、2つのシリコン基板31,32に挟まれるシリコン層33に対してエッチングによって形成した例えば厚さが50μm程度の薄膜化した部分からなる。すなわち、この実施例の差圧センサ23は、エッチキャビティによりダイヤフラム29を小型化することによって高い応答周波数をもつようにした拡散型歪みゲージ式差圧計でもある。なお、ダイヤフラム29の径は適宜に設定される。
The total
上記の構成からなる差圧センサ23では、全圧検出部18によって検出された全圧と静圧検出部19によって検出された静圧との圧力差(差圧)に応じてダイヤフラム29が歪み、この歪み量が歪検出センサ30によって電気的に検出され、圧力差を示す差圧信号が歪検出センサ30から演算処理装置17へと送られることとなる。
In the
温度センサ24、圧力センサ25は、流路2を流れる排ガスGの温度、圧力の測定値を温度信号および圧力信号としてそれぞれ演算処理装置17へと送る。
The
演算処理装置17は、差圧式流量計16とともにケース34内に収容された状態でテールパイプアタッチメント15に着脱自在に取り付けられ、差圧センサ23、温度センサ24および圧力センサ25の出力信号が入力され、これらの信号を用いて上記(1)式に示す演算を行って排ガス流量の測定値を算出し、この測定値を出力信号gとしてミニダイリュータ4のMFC13に送る。
The
また、演算処理装置17において求められた排ガス流量の測定値をガス分析計Aに送り、ガス分析計Aにおいて測定された排ガスG中のHC,CO,H2 O,NOX などの各成分の濃度に掛け合わせることにより、各成分の排出量を求めることができる。
Further, the measured value of the exhaust gas flow rate obtained in the
上記の構成からなる排ガス流量計測装置Dでは、流路2を流れる排ガスGが脈動し、瞬間的にダイナミックに変化しても、排ガスGの差圧を正確に計測することができ、正確な排ガス流量の測定値を導出することができる。
In the exhaust gas flow rate measuring device D configured as described above, even if the exhaust gas G flowing through the
すなわち、排ガスGの脈動に伴って生じる排ガス流量の測定誤差の主な原因としては、差圧センサ23の応答周波数が低く、正確な差圧の測定値ではなく、平均化された差圧の測定値が流量演算に用いられてしまうこと(振幅誤差)と、差圧センサ23が検出する全圧と静圧との応答時間が異なること(位相誤差)とが挙げられる。
That is, the main cause of the measurement error of the exhaust gas flow rate caused by the pulsation of the exhaust gas G is that the response frequency of the
そして、この実施例の排ガス流量計測装置Dでは、排ガスGの脈動周波数以上の応答周波数で静圧と全圧との差圧を検出するように構成してあるので、検出される差圧の平均化が抑えられ、従って、上述した振幅誤差を非常に小さくするあるいは無くすことができる。例えば、サンプリング(標本化)定理により、差圧の原波形は、差圧センサ23の応答周波数が脈動周波数の2倍以上であれば再現される。
In the exhaust gas flow rate measuring device D of this embodiment, since the differential pressure between the static pressure and the total pressure is detected with a response frequency equal to or higher than the pulsation frequency of the exhaust gas G, the average of the detected differential pressures Therefore, the amplitude error described above can be greatly reduced or eliminated. For example, according to the sampling (sampling) theorem, the original waveform of the differential pressure is reproduced if the response frequency of the
上記のことを確認するためにコンピュータを用いてシミュレーションを行った。このシミュレーションは、応答周波数が2000〔Hz〕の差圧センサ23を用いて、脈動周波数が22〔Hz〕である排ガスGを実測して得られた排ガス流量を基準にして、差圧センサ23の応答周波数を段階的に低くし、得られる排ガス流量の測定値について調べた。その結果を図3のグラフに示す。なお、図3において、横軸には差圧センサ23の応答周波数〔Hz〕、縦軸には排ガス流量の測定値〔L/min〕をとっている。
In order to confirm the above, a simulation was performed using a computer. This simulation is based on the exhaust gas flow rate obtained by actually measuring the exhaust gas G having a pulsation frequency of 22 [Hz] using the
図3から明らかなように、差圧センサ23の応答周波数が脈動周波数よりも低くなればなるほど排ガス流量の測定値が大きくなる傾向が顕著にあらわれているとともに、差圧センサ23の応答周波数が脈動周波数と同じ程度であれば、誤差は僅かであり、また、差圧センサ23の応答周波数を脈動周波数の4〜5倍以上とした場合には、その誤差はほとんど無くなることがわかる。
As apparent from FIG. 3, the measured value of the exhaust gas flow rate tends to increase as the response frequency of the
従って、排ガス流量計測装置Dでは、演算処理装置17において、差圧センサ23の差圧信号が示す差圧の瞬時値を、排ガスGの流量に変換した後、平均化することにより排ガスGの平均流量を求めるように構成することで、非常に精度良く排ガス流量を導出することができる。
Therefore, in the exhaust gas flow rate measuring device D, the
また、この実施例の排ガス流量計測装置Dでは、全圧検出部18と差圧センサ23との間および静圧検出部19と差圧センサ23との間に応答差調整機構26を設けてあるので、上述した位相誤差を非常に小さくするあるいは無くすことができる。
Further, in the exhaust gas flow rate measuring device D of this embodiment, a response
詳しくは、図4に示すように、例えば、全圧検出部18により検出される全圧(図4(A)参照)と静圧検出部19により検出される静圧(図4(C)参照)との間に応答時間の差τがある場合、従来は、図5に示すように、応答時間の差τを調整することなく、全圧(図5(A)参照、図4(A)のものと同じ)と静圧(図5(B)参照、図4(C)のものと同じ)との差(図5(C)参照)を差圧信号として出力していたので、位相誤差が生じることとなっていた。 Specifically, as shown in FIG. 4, for example, the total pressure detected by the total pressure detector 18 (see FIG. 4A) and the static pressure detected by the static pressure detector 19 (see FIG. 4C). ), There is a response time difference τ between the total pressure (see FIG. 5A and FIG. 4A) without adjusting the response time difference τ as shown in FIG. Since the difference (see FIG. 5C) between the static pressure (see FIG. 5B and the same as FIG. 4C) is output as a differential pressure signal, the phase error Was supposed to occur.
しかし、この実施例の排ガス流量計測装置Dでは、応答差調整機構26によって応答時間の差τを調整するのであり、例えば、図4(B)に示すように、全圧が時間軸方向にτだけ平行移動するように調整し、図6に示すように、調整後の全圧(図6(A)参照、図4(B)のものと同じ)と静圧(図6(B)参照、図4(C)のものと同じ)との差(図6(C)参照)を差圧信号として出力するので、位相誤差を無くすことができる。
However, in the exhaust gas flow rate measuring device D of this embodiment, the response time difference τ is adjusted by the response
さらに、従来は、図5に示すように、差圧信号を用いて排ガス流量を導出する演算の周期T0 が、脈動の周期よりも長かったので、これによっても正確な排ガス流量の導出が困難であったが、この実施例の排ガス流量計測装置Dでは、差圧センサ23の応答周波数を脈動周波数以上とするとともに、図6に示すように、差圧信号を用いて排ガス流量を導出する演算の周期T1 が、脈動の周期よりも短くしてあるので、正確な排ガス流量が確実に導出される。なお、周期T1 を、脈動の周期とほぼ同じ程度としてもよい。
Further, conventionally, as shown in FIG. 5, the calculation period T 0 for deriving the exhaust gas flow rate using the differential pressure signal is longer than the pulsation cycle, which makes it difficult to accurately derive the exhaust gas flow rate. However, in the exhaust gas flow rate measuring device D of this embodiment, the response frequency of the
ここで、脈動時の排ガスGが流路2において瞬間的に逆流することが知られている。そのため、この実施例の排ガス流量計測装置Dでは、差圧センサ23の差圧信号が示す差圧の平方根と排ガス流量とが比例することに基づいて排ガス流量を演算しているが、排ガスGが逆流することにより、差圧センサ23の差圧信号が示す差圧が負となったときには、差圧信号が示す差圧の絶対値の平方根に−1を乗じた値と排ガス流量とが比例することに基づいて排ガス流量を演算するように構成してある。
Here, it is known that the exhaust gas G at the time of pulsation instantaneously flows backward in the
詳しくは、差圧センサ23の差圧信号が示す差圧が正であるときには、上記(1)式に基づいた演算を行い、負であるときには、標準状態換算の排ガス流量Q(t)〔m3 /min〕を、上記(2)式に基づいた演算を行うことによって導出する。
Specifically, when the differential pressure indicated by the differential pressure signal of the
すなわち、排ガスGが逆流した場合にも、比例係数α’を予め求めておけば、管内を流れる排ガスの温度、圧力、ピトー管の差圧の測定値から、排ガスの流量を得ることができる。 That is, even when the exhaust gas G flows backward, if the proportionality coefficient α ′ is obtained in advance, the flow rate of the exhaust gas can be obtained from the measured values of the temperature, pressure, and differential pressure of the Pitot tube flowing in the pipe.
なお、この実施例は、種々に変形することができる。例えば、前記希釈ガスKは、N2 に限られず、N2 以外の不活性ガスや精製空気などでもよい。 This embodiment can be variously modified. For example, the diluent gas K is not limited to N 2, or the like inert gas or purified air other than N 2.
また、差圧センサ23は、自動車1のエンジンがアイドル状態のときの排ガスGの脈動周波数以上の応答周波数で静圧と全圧との差圧を検出するものに限られず、例えば、エンジンがアイドル状態からアクセル全開状態までの全ての状態における排ガスGの脈動周波数(例えば、100〔Hz〕)以上の応答周波数で静圧と全圧との差圧を検出するように構成してあってもよい。
The
テールパイプアタッチメント15を設けず、差圧式流量計16および演算処理装置17を自動車の排気管14に直接取り付けてもよい。この場合には、排気管14のみによって流路2が構成されることとなる。
Instead of providing the
差圧式流量計16は、ピトー管式流量計に限られず、例えば、オリフィス式流量計や、ベンチュリ式差圧流量計であってもよい。
The differential pressure
ピトー管20は、二重管構造のものに限られず、例えば、全圧検出用ピトー管18と静圧検出用ピトー管19とを別々に有するものでもよい。
The
第1連通部21および第2連通部22は両方設けるものに限られず、例えば、一方のみを設けるようにしてもよい。また、応答差調整機構26を、第1連通部21および第2連通部22の両方に設けず、いずれか一方のみに設けてもよい。
The
応答差調整機構26は、絞り弁に限られず、例えば、バッファタンクまたはキャピラリでもよく、また、第1連通部21を構成する配管の長さおよび/または第2連通部22を構成する配管の長さを調整することにより応答差調整機構26の機能を発揮させてもよい。さらに、応答差調整機構26を設けず、例えば、全圧と静圧とを別々に測定し、各測定値を用いて信号処理によって差圧を導出するようにし、このとき、全圧と静圧との応答時間の差を、信号処理によって調整することにより無くすようにしてもよい。
The response
演算処理装置17を、差圧式流量計16とともにテールパイプアタッチメント15に取り付けず、テールパイプアタッチメント15および差圧式流量計16から離した位置(例えば、自動車1の座席上)などに配置してもよい。
The
2 流路
18 全圧検出部
19 静圧検出部
23 差圧センサ
D 排ガス流量計測装置
G 排ガス
2 Flow
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