Мобильная система регистрации выхлопных газов автомобиля и расходомерный модуль для нее - RU2224233C2
Код документа: RU2224233C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к системе регистрации выхлопных газов автомобиля и к системе определения состава выхлопных газов автомобиля в режиме реального времени, которые непрерывно измеряют и записывают количество газообразных выделений (НС, СО, CO2, NO и O2) в граммах на пройденные мили, а также экономию топлива, рабочие параметры двигателя и автомобиля, отношение воздух/топливо для двигателя и уклон дороги, и все это со скоростью обновления, задаваемой пользователем. Настоящее изобретение также относится к расходомерному модулю, который применяется в системе.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Количественный стандарт выделений с выхлопными газами, установленный Агентством по защите окружающей среды США (АЗОС), применяется к автомобилям, подлежащим испытанию посредством Федеральной процедуры испытаний (ФПИ). ФПИ проводится в лаборатории на динамометре при управляемых условиях окружающей среды, когда "езда" на автомобиле осуществляется по конкретному графику зависимости скорости от времени, и в это время осуществляется забор выхлопных газов. При испытании всех легковых машин и малотоннажных грузовиков используется один и тот же график зависимости скорости от времени, который, в идеале, характеризует типичную езду при эксплуатации. В ходе испытаний динамометр обеспечивает стационарное и инерционное нагружение автомобиля, моделируя фактическое дорожное нагружение и динамическое нагружение, имеющие место в дорожных условиях при тех же скоростях автомобиля. Для разбавления выхлопного газа воздухом с целью поддержания постоянного расхода разбавленного газа при переменном расходе выхлопного газа автомобиля и для получения пропорциональной пробы разбавленного выхлопного газа на протяжении каждой из трех фаз испытания используется пробник постоянного объема (ППО). Таким образом, концентрация пробы каждого загрязняющего вещества оказывается практически пропорциональной выбросу данного загрязняющего вещества. В патенте США 4727746 раскрыта типичная система такого рода, которая включает в себя комбинацию общепринятого стационарного динамометрического испытательного стенда и ППО, который действует, добавляя в выхлопной газ воздух для разбавления.
В случае автомобилей, на которых установлены двигатели для работы в тяжелых условиях, например тягачей и городских автобусов, соответствующий стандарт АЗОС применяется к автомобильным двигателям, проходящим испытания на двигательном динамометре с использованием "переходного испытания" АЗОС. В этом случае система забора газов и ППО аналогичны тем, которые были описаны выше применительно к легковым машинам. Однако двигатель, подлежащий испытанию, присоединяется к двигательному динамометру, который развивает предписанные крутящий момент и обороты двигателя. Перед испытанием двигатель необходимо снимать с соответствующего автомобиля, если он был установлен. Иногда в ходе испытаний на выхлоп автомобильные электронные датчики, управляющие топливной системой двигателя, например датчик скорости автомобиля, требуется отключать или моделировать их показания. В результате измерения выделений могут давать результаты, отличающиеся от тех, которые имеют место в реальных условиях.
Чтобы получить сертификат соответствия, дающий право продавать то или иное семейство автомобилей или двигателей, производитель должен продемонстрировать согласованность с применяемыми стандартами АЗОС на выхлопные газы. Демонстрация легковых машин и малотоннажных автомобилей в основном заключается в прохождении ФПИ и/или для двигателей, предназначенных для работы в тяжелых условиях, в прохождении переходного испытания. Другие, обычно противоположные, задачи производителя состоят в максимизации приемистости автомобиля или экономии топлива. Поскольку эти две цели обычно противоречат друг другу и поскольку ФПИ и переходное испытание четко определены и обладают хорошей повторяемостью, согласование с сертификационными стандартами по выбросу порой превращается в процесс "подгонки" калибровочных значений, используемых в автомобильной электронной системе впрыска топлива, чтобы удовлетворить количественным стандартам по выделениям хотя бы на пограничном уровне, позволяющем "пройти" ФПИ, и в то же время сохранить приемлемый "ресурс" автомобиля.
При "подгонке" калибровки того или иного семейства автомобилей для прохождения ФПИ результаты испытаний не обязательно отражают автомобильные выбросы, которые имеют место в ходе движения того же автомобиля по дороге даже при тех же условиях окружающей среды и том же скоростном режиме автомобиля. Выбросы зависят не только от скоростей, количества пройденных миль и уклонов, но также от конкретного водителя, его знания трассы, напряженности дорожного движения и т.д.
Для ответственного производителя автомобилей важно знать, сколько выбросов фактически производит автомобиль в дорожных условиях при том или ином выборе калибровки и конструкции, чтобы иметь возможность принимать во внимание какое воздействие на окружающую среду оказывает тот или иной параметр, и исходя из этого делать окончательный выбор конструкции или калибровки. Также важно, чтобы регулировщики отслеживали, сколько выбросов в дорожных условиях производят автомобили того или иного производителя. При современных сложных электронных средствах управления двигателем данные дорожных испытаний необходимы для определения эффективности ФПИ и переходного испытания в помощь поддержания чистоты воздуха, а также для оценки перечней выделений. Только зная фактические выделения автомобиля в дорожных условиях, можно сформулировать эффективные правила, регулирующие эти выделения. Чтобы отслеживать, сколько выделений производит автомобиль в дорожных условиях, необходима удобная в пользовании, портативная и легко переносимая система измерения выделений в дорожных условиях. В идеале, для установки такой системы не требуется модифицировать автомобиль, подлежащий испытанию. Кроме того, измерения выделений, производимые любой системой, должны согласовываться с лабораторными испытаниями ФПИ, когда обе системы задействованы совместно.
Автомобильные бортовые системы отслеживания выделений в выхлопных газах раскрыты в патенте США 5099680, выданном Фурнье (Fournier) и др., в патенте США 5105651, выданному Гутману (Gutmann), и в патенте США 5709082, выданному Харрису (Harris) и др. Однако ни одна из этих бортовых систем, отвечающих предшествующему уровню техники, не измеряет фактический расход выхлопных газов и не предусматривает инструментальный модуль, который можно было бы легко переносить с автомобиля на автомобиль.
В патенте США 5099680 раскрыта бортовая система анализа совокупности компонентов выхлопного газа (столбец 3, строки 45-47) и сопряжение с компьютером двигателя (столбец 3, строки 15-18). Эта система, отвечающая уровню техники, предусматривает измерение выделений автомобиля в граммах на милю, очевидно, на основании скорости автомобиля и рабочего объема двигателя (столбец 4, строки 3-20).
В патенте США 5105651 раскрыта бортовая система, отвечающая варианту реализации, представленному на фиг.2. Отслеживается содержание окиси углерода и углеводорода в выхлопном газе (столбец 4, строки 28-30) и аналитические данные по выхлопному газу коррелируются с эксплуатацией автомобиля, что описано со столбца 6, строки 42 по столбец 7, строка 23.
В патенте США 5639957 отмечено, что вычисление выделений газообразных загрязняющих веществ характеризуется ошибкой в 30-50% в силу различия между теоретическими и фактическими значениями расхода выхлопного газа. Эта ссылка на предшествующий уровень техники объясняет необходимость в усовершенствованных вычислениях для определения теоретического расхода выхлопного газа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Соответственно, задача настоящего изобретения состоит в предоставлении мобильной бортовой системы испытаний на выделения, переносимой с одного автомобиля на другой, которая обеспечивает определение в режиме реального времени выбросов различных газообразных загрязняющих веществ на основании фактического выхода выхлопного газа и которая не требует никаких модификаций испытуемого автомобиля.
Другая задача настоящего изобретения состоит в предоставлении такой системы, в которой все датчики, вступающие в контакт с выхлопным газом, входят в состав модуля, который можно монтировать на автомобиле с возможностью отсоединения и легко переносить с одного автомобиля на другой.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в предоставлении системы, способной определять рабочие параметры автомобиля и коррелировать эти рабочие параметры автомобиля с выбросами загрязняющих веществ в режиме реального времени.
Еще одна задача настоящего изобретения состоит в предоставлении системы, включающей в себя приемник глобальной системы позиционирования для непрерывного отслеживания местоположения автомобиля и для коррелирования упомянутых выбросов загрязняющих веществ с испытательным циклом автомобиля или режимом езды.
Для решения вышеупомянутых задач настоящее изобретение предлагает мобильную бортовую систему определения, включающую в себя модуль, который можно монтировать с возможностью отсоединения на автомобиль, подлежащий испытанию, и крепежное средство для крепления модуля на борту автомобиля. Соединительное средство, предпочтительно включающее в себя эластомерную манжету, обеспечивает подключение с возможностью отсоединения модуля к выхлопной трубе автомобиля, что позволяет регистрировать выход выхлопного газа автомобиля с помощью потокочувствительного элемента, смонтированного в составе модуля. В состав модуля также входит газозаборная трубка, расположенная вблизи потокочувствительного элемента, которая служит для непрерывного забора выхлопного газа и направления забранного выхлопного газа на нижний газоанализатор. Нижний газоанализатор регистрирует концентрации каждого из совокупности газообразных загрязняющих веществ, присутствующих в выхлопном газе, забранном через нижнюю газозаборную трубку, т.е. газозаборную трубку, находящуюся на пути движения выхлопного газа, прошедшего устройство обработки, например каталитический нейтрализатор. В качестве вычислительного средства для вычисления выбросов для каждого из газообразных загрязняющих веществ на основании зарегистрированных концентраций и зарегистрированного расхода выхлопного газа используется компьютер. В состав модуля также могут входить датчики регистрации температуры и абсолютного давления выхлопного газа. Такие датчики удобно размещать как можно ближе к потокочувствительному элементу, чтобы все показания соответствовали одной и той же пробе выхлопа в один и тот же момент времени.
Настоящее изобретение предусматривает также инструментальный модуль, применяемый в вышеописанной системе. Инструментальный модуль содержит жестко смонтированный в нем элемент для определения выхода выхлопного газа (ниже именуемый "потокочувствительным элементом") и газозаборную трубку для непрерывного забора выхлопного газа и направления забранного выхлопного газа на газоанализатор. Модуль также может содержать закрепленные в нем датчики для определения температуры и абсолютного давления выхлопного газа. Модуль должен включать в себя отрезки прямой трубки по обе стороны датчиков для обеспечения путей приходящего и уходящего потоков, необходимых для точного считывания. Другая особенность состоит в наличии средства спрямления потока, например совокупности параллельных лопаток, смонтированных в модуле, расположенных по ходу потока выше вышеупомянутых инструментальных датчиков. В случае необходимости регистрировать частицы твердого вещества (ЧТВ) модуль также включает в себя вторую газозаборную трубку с открытым концом для подачи пробы газа на анализатор ЧТВ.
Блок регистрации частиц твердого вещества (ЧТВ) особенно полезен при использовании в дизельном автомобиле. Блок регистрации ЧТВ включает в себя хотя бы один фильтрующий элемент для удаления из пробы выхлопного газа частиц твердого вещества, и этот элемент можно извлекать для взвешивания до и после некоторого заданного времени, в течение которого он принимает пробу выхлопного газа и собирает оттуда частицы твердого вещества. Согласно варианту реализации, предусматривающему наличие детектора ЧТВ, вторая газозаборная трубка с открытым концом крепится внутри вышеупомянутого модуля, обеспечивая подачу пробы на детектор ЧПВ, независимо и отдельно от пробы, подаваемой на газоанализатор.
В состав системы может входить второй газовый анализатор, позволяющий проводить испытания эффективности каталитического нейтрализатора. На первичный анализатор проба газа поступает из той точки системы выпуска выхлопных газов автомобиля/двигателя, которая находится по ходу потока ниже каталитического нейтрализатора или, иначе, после устройства обработки. На вторичный анализатор проба газа поступает из той точки системы выпуска выхлопных газов, которая находится по ходу потока выше каталитического нейтрализатора. Сравнивая концентрации газа до и после каталитического нейтрализатора, можно определять эффективность нейтрализатора в режиме реального времени. Для отслеживания входных сигналов, поступающих на бортовой компьютер автомобиля, можно использовать автомобильный сканер. Примеры считываемых параметров, которые обычно отслеживаются, включают в себя обороты двигателя (об/мин), давление во всасывающем трубопроводе (ДВТ), положение дроссельной заслонки (ПДС), напряжение кислородного датчика и т.д. Пользователь выбирает, какие параметры нужно отслеживать. Значения выбранных параметров отображаются на том же экране, что и данные по выделениям в выхлопные газы, а также сохраняются в том же файле данных (см. фиг.10). Значения параметров в сочетании с данными по выделениям в выхлопных газах помогают определить, при каких условиях в выхлопных газах генерируется большое количество выделений (т.е. загрязняющих веществ), и понять причину высоких выделений.
Таким образом, настоящее изобретение представляет собой компьютерную систему измерения выделений, предназначенную для использования на движущемся автомобиле. Она измеряет в режиме реального времени массовые выделения (в граммах) нескольких газов, например углеводородов (НС), окиси углерода (СО), двуокиси углерода (CO2), кислорода (O2) и окиси азота (NO). Она делает это с помощью 5-газового анализатора, который измеряет концентрацию каждого из выделений, расходомерного модуля, который измеряет объемный расход выхлопного газа, приведенный к нормальным условиям (за счет измерения температуры и давления выхлопного газа), и информации по плотности каждого выделения. Скорость автомобиля и пройденное расстояние также измеряются с использованием глобальной системы позиционирования (ГСП) и/или путем отслеживания сигнала скорости, считываемого бортовым компьютером автомобиля. Зная расстояние, пройденное автомобилем, а также массовые выделения в режиме реального времени, система, отвечающая настоящему изобретению, также вычисляет выделения в виде массы на пройденное расстояние (в граммах на милю), а также использует методику углеродного баланса для определения как экономии топлива (в милях на галлон), так и отношения воздух/топливо, при котором работает двигатель. Результаты измерений массы, концентрации газов, расхода выхлопного газа, отношения воздух/топливо, экономии топлива и т.д. отображаются и обновляются на компьютере в режиме реального времени, а также сохраняются в файле данных компьютера.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой общий схематический вид системы регистрации выхлопных газов, отвечающей настоящему изобретению.
Фиг.2 представляет собой схематический вид модуля расходомера, отвечающего варианту реализации, представленного на фиг.1.
Фиг.3 представляет собой схематический вид участка расходомерного модуля, изображенного на фиг.2.
Фиг.4 представляет собой схематический вид расходомерного модуля, отвечающего второму варианту реализации настоящего изобретения, дополнительно включающего в себя блок регистрации частиц твердого вещества (детектор ЧТВ) и предназначенного для использования на дизельном автомобиле.
Фиг.5 представляет собой поперечное сечение датчика детектора ЧТВ, изображенного на фиг.4.
Фиг.6 представляет собой электрическую схему блока преобразователей, используемого согласно вариантам реализации 1 и 2.
Фиг.7 демонстрирует расходомерный модуль, изображенный на фиг.2, смонтированный на легковом автомобиле.
Фиг.8 представляет собой блок-схему преимущественной главной рабочей программы для системы предоставления отчета по выделениям, отвечающей настоящему изобретению.
Фиг.9 представляет собой блок-схему подпрограммы непрерывного измерительного цикла рабочей программы (этап Э4, фиг.8).
Фиг.10 представляет собой изображение экрана дисплея, обеспечивающего графический интерфейс пользователя.
ОПИСАНИЕ ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
На фиг.1 изображена система в целом, включающая в себя расходомерный модуль 10, выполненный в корпусе и приспособленный для присоединения к выхлопной трубе 4 автомобиля, и газоанализатор 30, предназначенный для измерения концентраций загрязняющих веществ. На фиг.1 также изображена автомобильная система выпуска выхлопных газов, которая включает в себя выхлопную трубу 4, глушитель 6 и каталитический нейтрализатор 7. Выходные сигналы расходомерного модуля 10 и газоанализатора 30 поступают на вычислительное средство 40 для вычисления выброса газообразных загрязняющих веществ и предоставления отчета в режиме реального времени на основании непосредственно измеренного выхода выхлопного газа и зарегистрированных концентраций. На вычислительное средство 40, служащее также для вычисления выхода газа на основании разности между давлениями проходящего потока и уходящего потока и для корректирования вычисленного выхода газа на основании зарегистрированной температуры и давления, также поступают сигналы от клавиатуры 41 или иных средств пользовательского ввода. Кроме того, сканер 70 получает данные от компьютера 80 двигателя на борту автомобиля и передает полученные данные на вычислительное средство 40. Вычислительное средство 40 на основании данных, полученных от сканера 70, коррелирует вычисленные выбросы с хотя бы одним рабочим параметром двигателя. Факультативно, система дополнительно включает в себя отдельный измеритель 26 отношения воздух/топливо, который использует лямбда-зонд 27, находящийся в потоке выхлопного газа, и/или приемник 60 глобального позиционирования. Сканер 70 и приемник 60 глобального позиционирования являются средствами непрерывной регистрации расстояния, пройденного автомобилем 100, при этом приемник 60 предназначен для непрерывного приема сигналов с целью использования при вычислении текущих координат автомобиля 100.
Расходомерный модуль 10
На фиг.2 показано устройство расходомерного модуля 10 выхлопного газа, предназначенного для непосредственной регистрации фактического выхода выхлопного газа при движении. Модульная конструкция позволяет легко переносить его с одного автомобиля на другой. Модуль имеет корпус, включающий в себя прямую секцию 11 трубы, имеющую открытую внутреннюю область с диаметром поперечного сечения D и служащую кожухом для спрямителя 8 потока, представляющего собой совокупность параллельных лопаток, смонтированных внутри открытой внутренней области по ходу потока выше потокочувствительного элемента 13 для спрямления потока выхлопного газа, потокочувствительный элемент 13, детектор давления 14, включающий в себя кольцеобразную рубашку 141, герметично охватывающую внешнюю поверхность прямой секции трубы, и совокупность равноотстоящих друг от друга отверстий 142, проходящих через прямую секцию трубы и размещенных по окружности поперечного сечения, при этом совокупность отверстий 142 обеспечивает жидкостную связь между открытой внутренней областью и кольцеобразной рубашкой 141 детектора 50 давления, а преобразователь 502 давления имеет жидкостную связь с упомянутой кольцеобразной рубашкой 141, термопару 15 и газозаборную трубку 12 с закрытым концом, проходящим в открытую внутреннюю область в положении, фиксированном относительно потокочувствительного элемента 13, и предназначенную для получения пробы выхлопного газа и для подачи пробы на нижний газоанализатор 30. Все эти детали образуют единый агрегат, который можно легко переносить с одного автомобиля на другой. Прямая секция 11 трубы также служит для обеспечения необходимых отрезков прямой трубы, расположенных по ходу потока выше и ниже потокочувствительного элемента 13, предназначенного для определения скорости потока выхлопного газа через открытую внутреннюю область прямой секции 11 трубы.
Преимущественный потокочувствительныи элемент 13 производится фирмой "Дитрих стандарт" (Dietrich Standard), г. Боулдер, штат Колорадо, которая является дочерней компанией фирмы "Довер индастриз" (Dover Industries), продается под торговым названием ANNUBAR DIAMOND 11 и реагирует на разность давлений. Потокочувствительныи элемент 13 включает в себя датчик 131, смонтированный в потоке выхлопного газа перпендикулярно оси прямой секции 11 трубы и проходящий в открытую внутреннюю область и выступающий на, по крайней мере, большую часть диаметра D. Выхлопной газ, обтекающий датчик 131, обуславливает разность давлений между сторонами датчика 131, обращенными к приходящему и уходящему потокам. Величина разности давлений указывает на расход выхлопного газа через прямую секцию 11 трубы.
Потокочувствительный элемент
Как показано более подробно на фиг.3, датчик 131 потокочувствительного элемента 13 ANNUBAR имеет продольный канал высокого давления 131с (расположенный выше по ходу потока) и продольный канал низкого давления 131d (расположенный ниже по ходу потока). Датчик 131 имеет поперечное сечение в виде ромба и ориентирован в прямой секции 11 трубы так, что одна его кромка 131а обращена к приходящему потоку, а другая его кромка 131b обращена к уходящему потоку. Кромка 131а, обращенная к приходящему потоку, имеет совокупность отверстий 131е, обращенных ко впускному концу прямой секции 11 трубы и обеспечивающих жидкостную связь между потоком выхлопного газа и каналом высокого давления 131с. Аналогично, кромка 131b, обращенная к уходящему потоку, имеет совокупность отверстий 131f, разнесенных по его длине и обеспечивающих жидкостную связь между выхлопным газом и каналом низкого давления 131d. Отверстия 131е и 131f ближе к концам датчика 131 расположены теснее, чем посередине. Каналы 131с и 131d, в свою очередь, передают давления приходящего и уходящего потоков в камеры 132А и 132В, находящиеся в головке 132 потокочувствительного элемента 13 ANNUBAR, а оттуда по линиям 134, 135 эти давления передаются в единый дифференциальный преобразователь давления 501, заключенный в электронном блоке 50. Преобразователь давления 501 представляет собой дифференциальный преобразователь PX164-010D5V, 0-10" Н2O [0-2,5 кПа]. Под номером 133 обозначен "Weld-0-let", который, по существу, представляет собой нарезной стальной ниппель или патрубок, приваренный к секции 11 трубы, и обеспечивает резьбовое крепление датчика 131. Датчик располагается по ходу потока ниже отрезка "А" прямой трубы и выше второго отрезка "В" прямой трубы, каждый из которых имеет достаточную длину, чтобы обеспечивать прямолинейность потока в месте размещения датчика. Например, если секция 11 трубы имеет диаметр (НД (наружный диаметр)) 3 1/2" [0,09 м] или 5" [0,13 м], то "А" предпочтительно имеет длину минимум 34" [0,85 м], а "В" предпочтительно имеет длину минимум 30" [0,75 м]. Для труб или трубок, имеющих НД менее 3 1/2" [0,09 м], допустимы меньшие минимальные размеры участков "А" и "В". Например, труба НД 2" [0,05 м] имела бы минимальную длину "А" 17" [0,43 м] и минимальную длину "В" 12" [0,3 м].
Регистрация давления и температуры
На фиг.3 также подробно изображен детектор давления 14, включающий в себя кольцеобразную рубашку 141 и совокупность отверстий 142 диаметром 1/16" [0,0016 м], просверленных в стенке секции 11 трубы и равноотстоящих друг от друга по окружности поперечного сечения секции 11 трубы для обеспечения жидкостной связи между открытой внутренней областью и кольцеобразной рубашкой 141 детектора 14. Давление выхлопного газа подается через трубопровод 1421 на второй преобразователь давления 502, заключенный в электронном блоке 50. Преобразователь давления 502 представляет собой PX142-015A5V, работающий в диапазоне 0-15 фунт-сила/кв.дюйм абс. [0-103 кПа].
Температура выхлопного газа регистрируется термопарой 15 J-типа, имеющей датчик 151, проходящий в поток выхлопного газа внутри секции 11 трубы. Термопара 15 выдает нелинейный сигнал напряжения, который преобразуется в электронном блоке 50 в линейный сигнал напряжения с помощью преобразователя 503 TAC-386-JF. Термопара J-типа выбрана потому, что она дает большое изменение напряжения (сигнала) при изменении температуры на один градус в ожидаемом диапазоне температур выхлопного газа.
На фиг.6 изображен электронный блок 50, включающий в себя преобразователь давления 502 (PX142-015A5V 0-15 фунт-сила/кв.дюйм абс. [0-103 кПа]), дифференциальное средство преобразования давления 501 (PX164-010D5V 0-10" Н20 [0-2,5 кПа] дифф.), предназначенное для регистрации разности между давлениями приходящего и уходящего потоков соответственно в упомянутых первом и втором каналах (131с, 131d), преобразователь напряжения 503 (TAC-386-JF), регулятор напряжения 505 (LM317T) и светодиод 507 (RS276-963).
Газоанализатор
Газоанализатор 30 представляет собой модель МТ-3505, продаваемый фирмой "Sun/Snap-on". Он анализирует и отображает концентрации НС, СО, СO2, O2 и NO в пробе выхлопного газа, а также обороты двигателя, температуру, считанную термопарой анализатора, и отношение воздух/топливо, вычисленное на основании измеренных составляющих выхлопного газа. Концентрации газов, показанные с помощью графического интерфейса пользователя (ГИП) (фиг.10) всегда идентичны тем, что показывает реальный дисплей анализатора. Поскольку между появлением пробы выделений на заборном датчике и измерением концентрации, произведенном анализатором, происходит задержка по времени, обусловленная транспортировкой пробы, виртуальный инструмент анализатора имеет пользовательский вход для задержки по времени в секундах. Задержка по времени вносится, как показано на фиг.10.
Концентрация Xi каждого из газообразных загрязняющих веществ i непрерывно измеряется с использованием портативного анализатора 30 выделений SUN/Snap-on MT-3505 со встроенным заборным насосом производства SUN/Snap-on. Анализатор использует недисперсионный инфракрасный (НДИК) способ для анализа НС (п-гексан), СО и СO2. Анализатор 30 также обеспечивает электрохимический анализ NO, а для определения концентрации кислорода в пробе газа используется кислородный датчик.
Помимо вышеупомянутых функций анализатор 30 МТ-3505 также выполняет вычисление отношения воздух/топливо топливной смеси, поступающей в автомобильный двигатель, на основании углеродного баланса компонентов выхлопного газа. Анализатор МТ-3505 также предусматривает один вход термопары k-типа. Эта термопара k-типа используется для измерения температуры пробы газа, поступившей в анализатор, в целях определения коэффициента поправки на водяной пар для компенсации водяного пара, конденсирующегося из пробы по длинному заборному шлангу.
Анализатор 30 МТ-3505, в частности, применяется как деталь более обширной системы испытаний на выделения, поскольку его можно конфигурировать на непрерывную выдачу измеряемых концентраций в последовательный поток данных RS-232.
Верхний газоанализатор 32, идентичный 30, можно использовать с его заборным датчиком, расположенным по ходу потока выше каталитического нейтрализатора в целях обеспечения проверки эффективности катализатора.
Как показано на фиг.2, газозаборная трубка 12, присоединенная к заборной линии газоанализатора 30, представляет собой трубку из нержавеющей стали (3/8" [0,01 м] НД) с запаянным наружным концом и 6 отверстиями 3/32" [0,002 м], просверленными по окружности ее поперечного сечения, причем все отверстия находятся не дальше 1" [0,025 м] от оконечности. Газозаборная трубка 12 входит через стенку стального колена 16 концентрично прямой секции 11 трубы.
Сканер
Сканер 70 представляет собой Monitor 4000 Enhanced, продаваемый ОТС, отделением SPX Corporation. Он служит средством определения различных рабочих параметров автомобиля и двигателя, включая скорости автомобиля, обороты двигателя и в некоторых случаях выходной крутящий момент двигателя и т.д.
Преимущественная рабочая программа, описанная ниже, позволяет пользователю выбирать, какие элементы потока данных ЕСМ [предположительно, электрохимическая обработка, ЭХО] пользователь желает отслеживать с помощью сопряженного сканера ОТС. Как показано на фиг.10, кнопка-флажок, связанная с желаемым элементом, обуславливает выбор, отображение, запись этого элемента и позволяет производить с ним другие вычисления. Каждый автомобиль имеет свой собственный список выбираемых элементов. В описанной ниже программе массивы "Текст в числа" заменяют логические текстовые значения числовыми значениями, удаляют единицы измерения из данных, подлежащих сохранению в файле и т.д. Удаление нечисловых символов перед сохранением данных в файле облегчает использование данных в электронной таблице по окончании испытаний. Список всех преобразований и стертых символов записывается в каждый созданный файл данных, так что пользователь данных будет знать, какие преобразования были произведены. Пользователь также имеет опцию добавления дополнительных логических текстовых значений, подлежащих преобразованию, или единиц измерения, подлежащих удалению.
Вычисление содержания выброса
Расходомерный модуль 10 позволяет вычислять выделения каждого регулируемого загрязняющего вещества в расчете на одну секунду и на одну милю. Измерение в граммах на милю (г/ми) позволяет производить прямое сравнение с результатами испытаний для федеральной сертификации, полученными с использованием ФПИ, и со стандартами АЗОС по выделениям.
Выделения загрязняющего вещества, например загрязняющего вещества i на момент времени t, можно вычислить по следующей формуле:
Pi(t)=piXi(t)Qs(t)·3600/v(t), (1)
где Pi(t) - выделение загрязняющего вещества i в г/ми, генерируемое в момент времени t;
pi - плотность загрязняющего вещества i при нормальных условиях;
Xi(t) - измеренная концентрация загрязняющего вещества i;
Qs(t) - объемный расход выхлопного газа при нормальных условиях в момент времени t(t)2;
v(t) - скорость автомобиля на дороге в милях в час в момент времени t. Все переменные являются функциями времени.
Qs в уравнении (1) вычисляется в соответствии с уравнением выхода, поставляемым производителем ANNUBAR, которое можно записать следующим образом:
где hw - разность давлений по разные стороны расходомерного элемента;
Рf - абсолютное давление текущего газа, и
C'=FNAKD2FRAYAFMFAAF1, (3)
где коэффициенты определяются следующим образом:
FNA - коэффициент преобразования единиц измерения, константа;
К - базовый коэффициент расхода, зависящий от типа Аnnubar, константа, модифицируемая FRA;
D - внутренний диаметр трубы при базовой температуре, константа, модифицируемая FAA;
FRA - число Рейнольдса, константа для используемого в данном случае потокочувствительного элемента ANNUBAR DIAMOND 11;
YA - коэффициент расширения для поправки на изменение плотности газового потока вокруг измерительного элемента при изменении скорости газа. Этот коэффициент варьируется от 9955 до 1,0000 (0,5%) по всему диапазону ожидаемых условий потока и, соответственно, его можно не принимать во внимание;
FM - манометрический коэффициент, используемый для жидкостных манометров, которые в данном случае не применяются;
FAA - коэффициент теплового расширения для поправки на изменение площади поперечного сечения трубы в месте расположения измерительного элемента под воздействием температуры. Для стальной выхлопной трубы этот коэффициент варьируется от 1,000 при 68°F [20°С] до 1,009 при 675°F [357°С], максимальной ожидаемой температуре потока;
F1 - коэффициент местоположения измерительного прибора, учитывающий влияние изменений гравитационной постоянной на различных широтах и высотах. Этот коэффициент варьируется между 0,9982 (0° широты, 1000 фт [300 м]) и 1,0013 (90° широты, уровень моря). Таким образом, максимальное изменение между двумя точками на Земле составляет 0,3%, и потому им можно пренебречь.
Предпочтительно вместо вычисления расхода как произведения всех вышеупомянутых коэффициентов весь расходомерный модуль можно калибровать при установке в соответствии с формулой (4) следующим образом. Калибровка в соответствии с уравнением (4) обеспечивает более высокую точность, упрощает вычисление расхода при изменяющихся условиях потока и не зависит от установки на автомобиле. Конкретно, вычисление расхода приводится к виду:
где С - константа, подлежащая определению в нижеописанной калибровке расходомера;
Т - температура текущего газа в градусах Кельвина, которая регистрируется термопарой 15;
Pf - абсолютное давление текущего газа, которое регистрируется детектором давления 14;
FAA - определенный выше коэффициент;
hw - разность давлений, выдаваемая потокочувствительным элементом 13, которая считывается дифференциальным преобразователем давления 501, который выдает аналоговое напряжение, пропорциональное hw.
Этот сигнал преобразуется в цифровую форму А/Ц-преобразователем 16 параллельного порта, считывается вычислительным устройством 40 через его параллельный порт, после чего масштабируется в физические единицы измерения рабочей программой, описание которой приведено ниже.
Как было отмечено выше, температура выхлопа Т считывается термопарой 15 J-типа, смонтированной в модульном выхлопном расходомерном модуле 10. Напряжение термопары компенсируется холодным спаем, линеаризуется и усиливается преобразователем "напряжение_термопары/милливольты". Затем 19 выходное напряжение поступает на А/Ц-преобразователя 16 параллельного порта, после чего считывается вычислительным устройством 40 через его параллельный порт.
Все аналоговые входные напряжения, считываемые с использованием А/Ц-преобразователя, масштабируются рабочей программой с целью выдачи показаний в физических единицах измерения температуры (в °F) и давления (в дюймах Н2O и в дюймах Нg). Необходимые масштабирующие значения определяются через калибровки преобразователей и вводятся в рабочую программу с помощью ГИП, что показано в разделе "Аналоговые дифференциальные входы", изображенном на фиг.10.
Калибровка расходомера
Каждый расходомерный модуль калибруется индивидуально с помощью воздуха, путем размещения его последовательно с известным поверочным расходомером и источником вакуума, например компрессором. Электрические соединения расходомерного модуля производятся таким же образом, как и при нормальной установке для испытаний, чтобы разность давлений, выдаваемая датчиком расхода, и абсолютное давление и температура газа поступали на компьютер. Одновременно с этим под управлением калибровочного программного обеспечения, разработанного для этой цели, значения давлений и температура, необходимые для определения расхода эталонного потока, одновременно считываются системным компьютером. Калибровочное программное обеспечение определяет расход через эталонный поток для каждого расхода, выбранного путем регулировки дроссельного клапана. Константу С' в уравнении (2) можно определить для каждого расхода, задаваемого в диапазоне расходов, ожидаемых для данного расходомерного модуля. Используется среднее индивидуальных значений по ожидаемому диапазону расходов. Значения С' различаются весьма незначительно по ожидаемому диапазону. Полученное калибровочное значение С' является уникальным для калибруемого расходомера, и элемент данных вводится в рабочую программу всякий раз, когда соответствующий расходомер используется для последующего испытания на выделения.
В настоящее время системы управления двигателем самых малотоннажных автомобилей имеют возможность непрерывно выдавать последовательный поток данных, содержащий многочисленные рабочие параметры двигателя и автомобиля, например положение дроссельной заслонки, температуру охлаждающей жидкости, скорость автомобиля и т.д. Формат потоков задается индивидуально. Сканер ОТС Monitor 4000 Enhanced имеет возможность вводить такой индивидуальный поток данных, интерпретировать его и выдавать вторичный последовательный поток данных RS232, содержащий рабочие параметры автомобиля, в виде ASCII-кодов.
Настоящее изобретение использует возможности сканера 70 Monitor 4000 Enhanced путем сопряжения порта RS232 сканера с компьютером, что позволяет осуществлять дистанционную настройку и доступ к потоку данных сканера 70.
Для автомобилей, располагающих подобным потоком данных, систему можно конфигурировать на отслеживание скорости v автомобиля и использовать эту скорость как основание для определения приращения расстояния Δdj, пройденного автомобилем в течение каждого последовательного интервала забора пробы Δtj. Приращение расстояния можно выразить в виде
Δdj=vΔtj.
Для автомобилей, где доступ к потоку данных отсутствует, скорость v можно получить из потока данных приемника 60 глобального позиционирования Trimble PATHFINDER™.
Доступный поток данных для крупнотоннажных автомобилей обычно включает в себя крутящий момент двигателя. Умножая крутящий момент двигателя на обороты двигателя и на время, можно получить значение энергии. Соответственно, скорость массового выделения для таких крупнотоннажных автомобилей можно выражать в грамм/тормозная лошадиная сила-час.
Измеритель отношения воздух/топливо
Как было отмечено выше, отношение воздух/топливо непрерывно вычисляется анализатором выделений 30 МТ3505 на основании углеродного баланса концентраций газообразных выделений. Альтернативно отношение воздух/топливо можно получать с помощью отдельного измерителя 26 отношения воздух/топливо NGK, использующего лямбда-зонд. Лямбда-зонд следует устанавливать в системе выпуска выхлопных газов как можно ближе к выпускному коллектору, чтобы поддерживать температуру зонда выше его рабочего порога. Аналоговое напряжение, выдаваемое измерителем 26 отношения воздух/топливо NTK или любым другим устройством с обычным аналоговым выходом, можно подключать к А/Ц-аппаратуре для преобразования в цифровые данные, считываемые компьютером через его параллельный порт. Эти данные затем отображаются в режиме реального времени.
Приемник ГСП (необязательный)
Магнитная антенна 60 Глобальной системы позиционирования (ГСП) продается фирмой "Trimble Navigation" и используется совместно с PC-картой 115 ГСП Trimble PATHFINDER™ и программным обеспечением Trimble для ГСП, которое позволяет нижеописанной рабочей программе (программное обеспечение ROVER™) связываться с ней по выбору пользователя.
Детектор ЧТВ (необязательный)
На фиг.4 изображен другой вариант реализации настоящего изобретения, аналогичный вышеописанному варианту реализации, но предназначенный для дизельных автомобилей и отличающийся наличием дополнительного детектора 80 частиц твердого вещества (ЧТВ). Необработанная проба выхлопного газа втягивается через подогревной газозаборный датчик 801 с открытым концом с использованием вакуумного насоса 811, предназначенный для непрерывного забора выхлопного газа, содержащего частицы твердого вещества. Необработанная проба разбавляется в смесителе 806 точно измеряемым, переменным количеством фильтрованного воздуха с использованием контроллера массового расхода 802 перед прохождением через один из двух блоков фильтров, каждый из которых состоит из 2 последовательно соединенных фильтров 803, 804. Воздух для разбавления подается на контроллер массового расхода 802 насосом 816 разбавления воздухом. Массовый расход разбавленной пробы поддерживается постоянным с использованием второго контроллера выхода 805. Количество воздуха для разбавления варьируется в режиме реального времени, чтобы поддерживать пропорциональность выхода необработанной пробы полному выходу выхлопного газа с целью обеспечения пропорциональной пробы. Альтернативно выходом разбавленной пробы можно управлять с помощью контроллера выхода 805 таким образом, чтобы он был пропорционален полному выходу выхлопного газа, в то же время поддерживая пропорциональность подачи воздуха для разбавления с помощью контроллера выхода 802. Частицы твердого вещества задерживаются фильтром, как и в федеральной процедуре.
Фильтры 803, 804 смонтированы с возможностью удаления и могут быть взвешены до и после известного периода времени, в течение которого выхлопной газ, поступающий из газозаборного датчика 801 с открытым концом, проходит через фильтр 803, 804.
В конце испытания приращение массы фильтров 803, 804 сравнивается с их исходной массой, что дает возможность определять массовое выделение частиц твердого вещества испытуемого автомобиля/двигателя. Температуры необработанной пробы и разбавленной пробы отслеживаются, и если какая-либо из них падает ниже порогового уровня, то необработанная проба подогревается с помощью нагревательного элемента заборного датчика (см. нихромовую проволоку 813 на фиг.5) под управлением контроллера температуры 817. Обычно это делается при испытании "холодного" двигателя или всякий раз, когда выясняется, что в заборной системе может произойти конденсация. Абсолютное давление и перепад давлений на блоке фильтров также отслеживаются. Выход разбавленной пробы выбирается таким, чтобы все испытания (в зависимости от того, что задумал оператор) можно было завершить до того, как перепад давлений превысит пороговое значение. Это делается для того, чтобы гарантировать, что отфильтрованная проба не находится в условиях низкого давления и высокой скорости, что привело бы к потере легких составляющих пробы ЧТВ. Эквивалентность федеральной процедуре чрезвычайно важна, поскольку федеральная процедура является средством, используемым для определения соответствия с федеральными установлениями. Перепад давлений на фильтрах также ежесекундно записывается в компьютерный файл данных. Это позволяет не только знать массовые выделения ЧТВ на протяжении выбранного испытания, но также проводить последующую обработку данных и определять, в какое время и при каких условиях эксплуатации двигателя или автомобиля (с помощью вышеописанных значений параметров автомобиля, считываемых на борту) происходил выброс выделений ЧТВ. Это помогает при определении причины высоких выделений ЧТВ таким же образом, как в вышеописанном случае газообразных выделений.
Полупроводниковое реле 810 управляет трехходовым клапаном, который позволяет переключать поток пробы газа, приходящий от датчика 801, между (1) первым блоком фильтров 803 и 804 и (2) вторым блоком фильтров 803 и 804. Второй блок фильтров может также служить обходным каналом и при необходимости сделать паузу в заборе.
Как следует из фиг.5, датчик 812 включает в себя заборный датчик, изолированный от нихромовых проволок 813, заделанных в керамический материал 814 для подогрева датчика 812, и еще один слой изоляции 815, предназначенный для снижения теплоотвода к выхлопным газам, окружающим датчик.
Вариант реализации, представленный на фиг.4, кроме того, включает в себя другие системные компоненты, изображенные на фиг.1.
Дымомер (необязательный)
Измеритель оптической пропускной способности 900 (фиг.4) также можно использовать в сочетании с системой. Головка 900 дымомера оптически воспринимает непрозрачность выхлопного газа и передает аналоговые сигналы напряжения на А/Ц-преобразователь 16 для передачи на вычислительное устройство 40. В качестве дымомера или измерителя 900 оптической плотности предпочтительно использовать инструмент Telonic BerkleyModel 300.
Рабочая программа
Преимущественный вариант реализации программы работы системы, отвечающей настоящему изобретению, проиллюстрирован в виде блок-схемы, изображенной на фиг. 8 и 9.
Блок-схема, изображенная на фиг. 8, иллюстрирует преимущественную главную рабочую программу (программное обеспечение ROVER™) для эксплуатации системы предоставления отчета по выделениям после установки на автомобиль, подлежащий испытанию. Оператор указывает, какие данные нужно собирать, посредством доступных вариантов выбора в графическом интерфейсе пользователя, изображенном на фиг. 10 (этап Э1). Затем сразу же после запуска программы (этап 32) открывается окно документации, позволяющее технику вносить замечания, касающиеся автомобиля и испытания, которое надлежит провести (этап Э3). Замечания вводятся с помощью компьютерной клавиатуры 41. По завершении составления документации, предваряющей испытание, окно документации закрывается, и программа приступает к непрерывному сбору нужных данных и осуществлению необходимых вычислений (этап Э4), а также отображает данные, касающиеся выделений и автомобиля на экране компьютера и сохраняет их в компьютерном файле. Программа продолжает работать в этом режиме (цикл на Э4), пока оператор не даст команду остановки. Как только оператор выбирает останов программы (этап Э5), на экране компьютера вновь открывается окно пользовательской документации, давая возможность ввести документацию, завершающую испытание, и замечания, касающиеся автомобиля и проведенного только что испытания (этап Э6).
Фиг.9 иллюстрирует подпрограмму для "цикла непрерывных измерений" (Э4), представленного на фиг.8. В ходе каждой итерации и на заданной частоте, обычно 1 Гц, осуществляется сбор необработанных данных от каждого из источников, что обозначено в виде блоков Э401-Э405. Поскольку каждому из источников сопоставляются малые, известные характерные задержки по времени, то, как показано в виде блоков Э406-Э410, применяются регулировки по времени. Кроме того, в концентрации газов, измеренных анализатором, вносится поправка на конденсацию водяного пара, которая происходит по заборному шлангу, ведущему к анализатору (Э411). Расход выхлопного газа при нормальных условиях определяется согласно уравнению (4) с использованием аналоговых входных напряжений, масштабированных к соответствующим физическим единицам измерения (Э412). Затем, исходя из скорректированных концентраций газов и расхода выхлопного газа, производится вычисление массы с привлечением лишь одного дополнительного параметра - известных плотностей газов (Э415). Кроме того, с применением сигнала скорости (Э413) и времени итерации (Э414) определяются граммы на милю для данной итерации (Э415). Эти данные отображаются на экране компьютера (Э416) и сохраняются в компьютерном файле данных (Э417).
Подключение выхлопного газа и крепление модуля
На фиг.7 показан модуль 10 расходомера/газозаборного датчика, смонтированный в задней части легкового автомобиля 100. В качестве примера соединительного средства, предназначенного для подключения модуля 10, отвечающего настоящему изобретению, к выхлопной трубе 101 автомобиля 100 изображено соединительное средство 17, 90, 91, 92 для присоединения одного конца прямой секции 11 трубы к выхлопной трубе 101 с целью обеспечения потока выхлопного газа из выхлопной трубы 101 через открытую внутреннюю область, выполненную в виде комбинации колена 17 стальной трубы, прикрепленного ко входному концу прямой секции 11 трубы, и эластомерной манжеты 90, присоединенной ко входному концу колена 17 и к выходной трубе 101 посредством хомутов 91 и 92. Эластомерная манжета может представлять собой трубку из термостойкого силиконового каучука, типа той, которую используют для присоединения выхлопной трубы автомобиля к общепринятому (стационарному) испытательному стенду, используемому для испытаний на выделения. Изолированный трубопровод 99 несет заборную трубку, выходящую из модуля 10, к газоанализатору 30 и провода от преобразователей давления 501, 502, термопары 15 и т.д. к А/Ц-преобразователю 16 и затем к вычислительному средству 40.
Средство крепления модуля, отвечающего настоящему изобретению, показано на фиг.7 в виде пары трубных кронштейнов 93, 94, которые, в свою очередь, крепятся на штангах 95, 96, присоединенных к шасси автомобиля 100. Резиновые ремни 97, 98 служат для обеспечения дополнительного крепления модуля 10. Для безопасного крепления расходомерных модулей можно использовать и другие средства.
Реферат
Изобретение относится к системам регистрации выхлопных газов автомобиля и определения состава выхлопных газов автомобиля, а также к расходомерному модулю, который применяется в данных системах. Мобильная система регистрации выхлопных газов автомобиля работает в режиме реального времени и содержит расходомерный модуль для непосредственной регистрации фактического выхода выхлопного газа при движении и крепежное средство для крепления упомянутого расходомерного модуля на борту автомобиля. Система регистрации выхлопных газов также содержит газоанализатор для регистрации концентрации каждого из совокупности газообразных загрязняющих веществ, присутствующих в выхлопном газе, и вычислительное средство для вычисления выброса газообразных загрязняющих веществ и предоставления отчета в режиме реального времени на основании непосредственно измеренного выхода выхлопного газа и зарегистрированных концентраций. Помимо мобильной системы регистрации выхлопных газов автомобиля в изобретении раскрыты мобильная система определения состава выхлопных газов автомобиля и расходомерный модуль, применяемый в этих системах. Технический результат заключается в возможности создания мобильной бортовой системы испытаний на выделения, переносимой с одного автомобиля на другой, которая обеспечивает определение в режиме реального времени выбросов различных газообразных загрязняющих веществ на основании фактического выхода выхлопного газа и которая не требует никаких модификаций испытуемого автомобиля. В соответствии с изобретением система также способна определять рабочие параметры автомобиля и коррелировать эти рабочие параметры с выбросами загрязняющих веществ в режиме реального времени и с помощью приемника глобальной системы позиционирования непрерывно отслеживать местоположение автомобиля для коррелирования упомянутых выбросов с испытательным циклом автомобиля или режимом езды. Кроме того, технический результат состоит в предоставлении такой системы, в которой все датчики, вступающие в контакт с выхлопным газом, входят в состав модуля, который можно монтировать на автомобиле с возможностью отсоединения и легко переносить с одного автомобиля на другой. 3 с. и 21 з.п. ф-лы, 10 ил.
