專利名稱：排氣分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于分析例如由機(jī)動車輛內(nèi)燃機(jī)排放的排氣中所含成 分的排氣分析裝置。具體地，本發(fā)明涉及一種能夠同時測量氣道橫截面中 的排氣的多種成分的濃度的排氣分析裝置。
背景技術(shù)：
作為前述類型的排氣分析裝置的傳統(tǒng)示例，專利文件l公開了一種車載HC測量設(shè)備。這種車載HC測量設(shè)備使得以下裝置安裝在車輛上 用于連續(xù)測量在與發(fā)動機(jī)連接的排氣管道中流動的排氣中的HC (碳?xì)?化合物)濃度的NDIR (非分光紅外)氣體分析裝置；用于連續(xù)測量在 排氣管道中流動的排氣流量的排氣流量計；以及用于通過計算NDIR氣 體分析裝置和排氣流量計的輸出而連續(xù)計算排氣中的THC (總碳?xì)浠?合物)量的運(yùn)行處理電路。有很多其它的排氣測量設(shè)備和分析裝置采用了 NDIR(非分光紅外) 方法、FID (火焰離子檢測器)方法或CLD (化學(xué)發(fā)光檢測器)方法。 所有這些測量方法的測量原理都需要使用參比氣體。專利文件1:日本專利乂>開說明書(Kokai ) No.2004-117259A專利文件1中披露的排氣分析裝置利用紅外吸收或一些其它分析技行采樣來測量排氣中的例如THC成分的濃度。然而，在這種排氣分析裝置中，在對排氣采樣時擾動了排氣通道中 的排氣流，從而阻止了對排氣在排氣通道中流動時的排氣狀態(tài)的實時分 析。結(jié)果，不可能測量在排氣從內(nèi)燃機(jī)排放之后在排氣通道中流動時的 各個成分的濃度。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠在排氣于排氣通道中流動時精 確測量由機(jī)動車輛內(nèi)燃機(jī)等排出的排氣成分的濃度的排氣分析裝置。
為了實現(xiàn)前述目的，本發(fā)明提供了一種排氣分析裝置，其包括"&置 在排氣通道中的傳感器單元，排氣經(jīng)由所述排氣通道從內(nèi)燃機(jī)排出，所 述傳感器單元包括使用激光照射所述排氣的照射單元和用于接收由所 述照射單元發(fā)出的透射穿過所述排氣的激光的受光單元?；谒鍪芄?單元接收到的激光來測量排氣成分的濃度、溫度等以對所述排氣進(jìn)行分 析。所述傳感器單元包括允許所述排氣通過的通孔，所述通孔形成為與 所述排氣通道的橫截面形狀匹配的形狀。所述激光由所述照射單元照射 到所述通孔內(nèi)并且橫穿所述排氣通道由所述受光單元接收。所述排氣通
道指的是發(fā)動機(jī)排出的排氣經(jīng)由其流動的通道；其可從發(fā)動機(jī)主體的排 氣孔延伸到末端的消音器或延伸到從消音器突出的排氣管，這取決于特 定的實施方式。本發(fā)明的排氣分析裝置用于測量流過所述排氣通道或經(jīng) 由所述排氣通道排出的排氣中的排氣成分的濃度或溫度。
因而，根據(jù)本發(fā)明的排氣分析裝置，用于測量排氣成分濃度、溫度 等的激光照射到排氣通過的通孔中，透射穿過排氣并且由受光單元接 收。因而，該裝置能夠測量排氣通道橫截面中的排氣的濃度、溫度等。 另外，排氣通過的通孔的形狀與排氣通道的橫截面形狀匹配，因此不會 在排氣流中產(chǎn)生擾動并且不會導(dǎo)致排氣損失，從而實現(xiàn)了精確測量。優(yōu) 選地，激光垂直地橫穿排氣通道；然而，它可以一定角度與排氣通道相 交。通過如此地將激光發(fā)射到排氣中并且測量其穿過排氣時的衰減，可 檢測到特定波長的吸收并且可計算出排氣成分的濃度。
傳感器單元可容易地安裝在例如機(jī)動車輛的排氣通道中。激光發(fā)射到 通孔內(nèi)的排氣中，透射穿過排氣并被其衰減，然后被接收。基于接收到的 激光，可測量出排氣成分的濃度或溫度。這樣，實時測量成為可能，因此 可測量剛從內(nèi)燃機(jī)排出之后的高溫排氣。此外，不需要參比氣體等用于測 量，因此可減小成本并且容易地和即刻地進(jìn)行測量。
傳感器單元安裝成使板狀的傳感器主體夾置在構(gòu)成排氣通道的構(gòu)件之 間。排氣通道具有圓形的橫截面形狀；優(yōu)選地，傳感器主體具有形成在其
中的通孔，所述通孔具有基本圓形的形狀并且具有與排氣通道的圓形橫截 面相同的直徑。這樣，帶有相同直徑的基本圓形形狀的通孔的傳感器單元 安裝在具有圓形橫截面形狀的排氣通道中。結(jié)果，可減小由傳感器單元在 排氣流中導(dǎo)致的擾動，并且不會導(dǎo)致排氣損失，從而防止了內(nèi)燃機(jī)的性能 受到影響，并且能夠有效地排出氣體和精確地測量。另外，方便了傳感器 單元在排氣通道中的安裝。
優(yōu)選地，通孔具有形成在其內(nèi)周面上的反射部分，其中照射單元發(fā) 出的激光在被受光單元接收之前通過反射部分反射。在排氣分析裝置的 該配置中，照射到通孔中的激光被形成在通孔內(nèi)周面上的反射部分反 射，因此激光在排氣中行進(jìn)了長的距離。結(jié)果，激光在其透射穿過排氣 時的衰減得以增加，這允許對排氣成分的濃度或溫度進(jìn)行精確的測量。
優(yōu)選地，反射部分包括彼此對置并且平行設(shè)置的兩個反射板，使得 所述兩個反射板面向所述通孔的內(nèi)側(cè)，從而，所述激光垂直于所述排氣 通道反射。在排氣分析裝置的該配置中，激光橫穿通孔在兩個平行的反 射板之間反射，從而延長了在排氣中的透射距離。結(jié)果，可延長激光的 光程并且可實現(xiàn)更高的使用效率。因為可以減小發(fā)出的激光的光強(qiáng)度與 透射激光的光強(qiáng)度的比值，所以可精確地測量排氣通道的橫截面中的排 氣成分的濃度和溫度。
優(yōu)選地，照射單元發(fā)出的激光包括具有與所述排氣的多個成分相匹 配的吸收波長的激光合波。當(dāng)排氣照射單元發(fā)出的激光包括多種波長的 合波時，排氣中的多種成分的濃度或排氣的溫度可根據(jù)用于分析排氣的 激光的波長即刻地精確測量。
優(yōu)選地，這些傳感器單元沿所述排氣通道安裝在多個位置處。當(dāng)傳 感器單元沿排氣通道安裝在多個位置處時，可容易地監(jiān)測沿排氣通道的 排氣的狀態(tài)。因為本發(fā)明的排氣分析裝置的傳感器單元通過激光照射測 量排氣成分的濃度，所以有可能進(jìn)行高溫測量。因而，傳感器單元可安 裝在緊隨排氣閥之后的排氣通道中，從而允許對成分的濃度進(jìn)行高溫測 量。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的車載排氣分析裝置的主要部 分的簡圖。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的安裝在發(fā)動機(jī)臺架上的排氣 分析裝置的主要部分的簡圖。
圖3示出了排氣分析裝置的主要部分的簡圖，包括單個傳感器單元 的分解立體圖。
圖4示出了排氣分析裝置的總體配置的框圖，包括激光振蕩/受光控 制器和信號分析裝置。
圖5示出了吸收光鐠中壓力的影響。圖5a是低溫下的信號強(qiáng)度的 說明圖；圖5b是高溫下的信號強(qiáng)度的說明圖。
圖6a是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的如何通過吸收光鐠計算氣體成分濃度的說 明圖；圖6b是根據(jù)本發(fā)明的如何通過吸收光譜計算氣體濃度的說明圖。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的排氣分析裝置的傳感器單元 的主視圖。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明又一實施方式的排氣分析裝置的傳感器單元 的主視圖。
具體實施例方式
以下將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的排氣分析裝置。圖 1示出了安裝了本實施方式的排氣分析裝置的機(jī)動車輛的簡圖。圖2示 出了圖1所示排氣分析裝置安裝在發(fā)動機(jī)臺架上的簡圖。圖3示出了排 氣分析裝置的簡圖，包括傳感器單元主要部分的分解立體圖。圖4示出 了排氣分析裝置的總體配置的框圖，包括激光振蕩/受光控制器和信號 分析裝置。
在圖1-4中，本實施方式的排氣分析裝置用于分析汽車1上安裝 的發(fā)動機(jī)2所排出的排氣。如圖2所示，其也用于分析安裝在發(fā)動機(jī)臺 架1A上的發(fā)動機(jī)2所排出的排氣。通過發(fā)動機(jī)2的各個氣缸排出的排
氣匯集在排氣歧管3中。氣體穿過排氣管道4，然后引入第一催化裝置 5，隨后為第二催化裝置6。此后，氣體經(jīng)由消音器7從排氣管8排入大 氣。從而，排氣通道包括排氣歧管3、排氣管道4、第一催化裝置5、第 二催化裝置6、消音器7和排氣管8。發(fā)動機(jī)2排出的排氣在排到大氣 之前通過兩個催化裝置5和6凈化，且其噪聲和壓力通過消音器7減小。 消音器可包括主消音器和子消音器。
構(gòu)成排氣通道的構(gòu)件例如通過其螺栓連接的凸緣而連接。例如，第 一和第二催化裝置5和6各自具有連接到其具有較大直徑的主體的上游 側(cè)和下游側(cè)的排氣管道部分，并且凸緣F、 F例如通過焊接固定附接到 排氣管道部分的端部。消音器7具有連接到其具有較大直徑的主體的上 游側(cè)和下游側(cè)的排氣管道部分，并且凸緣F、 F固定附接到排氣管道部 分的端部。排氣管8在端部處例如通過焊接直徑固定到消音器7。因而， 構(gòu)成排氣通道的構(gòu)件經(jīng)由其凸緣連接，并且排氣所經(jīng)過的排氣通道形成 為具有直徑d的圓形橫截面的形狀。
本實施方式的排氣分析裝置10包括沿排氣通道設(shè)置于多個位置處 的多個傳感器單元11-14。第一傳感器單元11設(shè)置在第一催化裝置5 和發(fā)動機(jī)之間。第二傳感器單元12設(shè)置在第一催化裝置5下游。第三 傳感器單元13設(shè)置在第二催化裝置6下游。第四傳感器單元14安裝在 消音器7下游的排氣管8上。傳感器單元14可沿排氣管設(shè)置在某位置 處或者在排氣管的開口端處插入排氣管中。
排氣管道4、第一催化裝置5、第二催化裝置6和消音器7經(jīng)由螺 栓緊固的凸緣F、 F耦聯(lián)。設(shè)置在排氣通道構(gòu)成構(gòu)件之間的傳感器單元 11、 12和13均夾置在凸緣F、 F之間。凸緣F、 F形成在排氣通道各構(gòu) 成構(gòu)件的任一端。凸緣的接合面垂直于排氣通道的中心線。因而，傳感 器單元11-13以與排氣通道相交同時被凸緣F、 F夾置的方式設(shè)置。用 于剛好在排氣排放到大氣之前分析排氣的第四傳感器單元14可設(shè)置在 從消音器7突出的排氣管8的中間位置處，并位于凸緣F、 F之間。這 種傳感器單元的數(shù)量沒有特定限制。
各個傳感器單元11-14具有相同的配置；因此，以下將參照圖3 描述它們中的一個一一即傳感器單元ll。傳感器單元ll包括由矩形薄 板形成的傳感器主體20。傳感器主體具有形成在其中心處的通孔21,通孔21具有與排氣所經(jīng)過的排氣管道的圓形橫截面的內(nèi)徑d相同的直 徑d。板狀的傳感器主體20的厚度使得可以固定安裝激光照射單元和 受光單元；然而，有利地，厚度盡可能地小。優(yōu)選地，傳感器主體20 的厚度為例如大約5到20mm。如果厚度超過20mm，則排氣流中易于 形成擾流；如果其小于5mm，則照射單元或受光單元的安裝將復(fù)雜化。 傳感器可容易地安裝在排氣通道上的任何期望位置.傳感器主體20的 厚度可根據(jù)需要設(shè)定。因而，通孔21為圓形并且具有與排氣管道內(nèi)徑相同的直徑，從而 不擾動排氣流。結(jié)果，設(shè)置在排氣通道中的傳感器單元11-14不擾動 排氣流，并且使壓力損失最小化，從而允許順利地排出氣體。傳感器主 體可由金屬或陶瓷板形成；然而，材料不受特定限制。傳感器主體20 還具有兩個形成在板厚度方向中心處、從板邊緣表面貫穿到通孔21的 傳感器開口22和23。傳感器開口22、 23在貫穿通孔21中心的線上彼 此對置。連接傳感器開口的線和排氣通道的中心線彼此垂直。在傳感器單元ll中，光纖25 (25A)固定在傳感器開口 22中以作 為激光照射單元。作為用于接收由光纖25發(fā)出之后穿過位于通孔21中 的排氣的激光的受光單元，檢測器26固定在傳感器開口 23中。因而， 在傳感器主體20中，位于照射端的光纖25和作為受光單元的檢測器26 彼此對置地固定。從光纖25發(fā)出的橫穿排氣通道的激光在其被檢測器 26接收到之前穿過排氣并且從而減弱。換言之，激光沿垂直于排氣通道的橫截面發(fā)出，光線穿過所述排氣 通道被接收。這樣，能夠以逐點的方式對排氣通道一個橫截面中的排氣 進(jìn)行測量，因此有可能即刻地測量排氣在排氣通道的特定橫截面中如何 改變，從而能夠以逐點的方式實時監(jiān)測排氣的狀態(tài)。因為分析裝置能夠 在排氣從發(fā)動機(jī)排出之后立刻測量排氣成分的濃度或溫度，或者以逐點 的方式在排氣通道中設(shè)置的催化劑之前或之后即刻地測量排氣成分的 濃度或溫度等，所以可得到有關(guān)例如發(fā)動機(jī)或排氣凈化器的研發(fā)方面的 非常有用的數(shù)據(jù)。傳感器主體20固定在凸緣F、 F之間，墊圏27、 27設(shè)置在各凸緣F 和傳感器主體20之間并且例如用未示出的螺栓和螺母固定。墊圏27由 例如石棉形成并且具有開孔在其中的通孔，所述通孔的直徑與排氣管道 的內(nèi)徑相同。該結(jié)構(gòu)防止了當(dāng)傳感器主體20在排氣通道中安裝在凸緣 F、 F之間時的排氣泄漏，同時不會很大地增加排氣通道的長度。圖3 示出了其中傳感器主體20經(jīng)由墊圏27、 27固定在焊接到排氣管道4下 游端的凸緣F和焊接到催化裝置5上游的排氣管道部分5a端部的凸緣 F之間的配置。光纖25和檢測器26連接到激光振蕩/受光控制器30。激光振蕩/受 光控制器30發(fā)出紅外激光，此紅外激光經(jīng)由光纖25輸送到傳感器主體 20的通孔21中。穿過排氣的紅外激光通過接收端的檢測器26接收并且 隨后經(jīng)由信號線28 (28A)饋送到激光振蕩/受光控制器30。光纖25發(fā) 出的光線強(qiáng)度和穿過排氣由檢測器26接收的光線強(qiáng)度例如被饋送到作 為分析裝置的個人電腦45。因而，排氣分析裝置10包括多個傳感器單 元11-14、激光振蕩/受光控制器30和個人電腦45。將參照圖4描述激光振蕩/受光控制器30。作為發(fā)出多種波長紅外 激光的照射裝置，激光振蕩/受光控制器30從例如函數(shù)發(fā)生器(未示出) 的信號發(fā)生器將具有多個頻率的信號供給到多個激光二極管LD1到 1D5。然后激光二極管LD1到LD5發(fā)出對應(yīng)于不同頻率的多種波長的紅 外激光。激光振蕩/受光控制器30中的信號發(fā)生器因而將多種頻率的信 號供給到發(fā)出光線的激光二極管LD1到LD5。例如，LD1發(fā)出1300 -1330nm波長的紅外激光，LD2發(fā)出1330 — 1360nm波長的紅外激光， 等等，因此，其中存在有待檢測氣體成分的峰值波長的波段是連續(xù)的。穿過排氣的紅外激光的波長根據(jù)待檢測的排氣成分設(shè)定。在檢測一 氧化碳(CO )、 二氧化碳(C02 )、氨(NH3 )、甲烷(CH4 )和水(H20 ) 時，使用五個波長的紅外激光。例如，適于檢測氨的波長為1530nm; 適于檢測一氧化碳的波長為1560nm;適于檢測二氧化碳的波長為 1570nm。適于檢測甲烷的波長為1680nm;適于檢測水的波長為 1350nm,在檢測其它排氣成分的濃度時，使用與待檢測排氣成分相關(guān) 的不同波長的紅外激光。各個激光二極管LD1到LD5發(fā)出的紅外激光通過光纖32引導(dǎo)到分 波器33，在此處，根據(jù)傳感器單元的數(shù)量對光線進(jìn)行分波。在圖4的示 例中，由各激光二極管LD1到LD5發(fā)出的激光鑒于三個傳感器單元11 —13而分波為三個分量。被分波器33如此分波的激光被分波器34A、 34B和34C分成信號光和測量光。分波器34A用于傳感器單元11;分 波器34B用于傳感器單元12;而分波器34C用于傳感器單元13。由用 于傳感器單元11的五個分波器34A分離的信號光通過光纖傳輸并且通 過合波器35A合波。具有多個波段的合波信號光然后經(jīng)由光纖37A引 導(dǎo)到將在下文描述的差分光電檢測器40A。另一方面，通過五個分波器 34A分離的測量光穿過光纖并且在合波器36A中合波，并且被合波的光 隨后經(jīng)由光纖25A引導(dǎo)到傳感器單元11的照射單元。由分波器33分離的紅外激光通過用于傳感器單元12的五個分波器 34B分離成信號光和測量光。信號光通過合波器35B合波成具有多個波 段的信號光，然后合波的光經(jīng)由光纖37B引導(dǎo)到差分光電檢測器40B。 由五個分波器34B分離的測量光在合波器36B中合波，并且合波的光 經(jīng)由光纖25B引導(dǎo)到傳感器單元12的照射單元。由分波器33分離的紅 外激光也通過用于傳感器單元13的五個分波器34C分離成信號光和測 量光。信號光通過合波器35C合波成具有多個波段的信號光，然后合波 的光經(jīng)由光纖37C引導(dǎo)到差分光電檢測器40C。由五個分波器34C分 離的測量光通過合波器36C合波，并且合波的光經(jīng)由光纖25C引導(dǎo)到 傳感器單元13的照射單元。圖4示出了三個傳感器單元11-13。當(dāng)需要安裝另外的傳感器單元 14時，紅外激光通過分波器33分波出另外的激光分量。由此分波的激 光分量通過另外的分波器34分為測量光和信號光。信號激光由另外的 合波器35合波，然后引導(dǎo)到差分光電檢測器，而測量激光引導(dǎo)到另外 的傳感器單元14。連接到傳感器單元11-13的受光單元的接收端上的檢測器26A、 26B和26C經(jīng)由信號線28A、 28B和28C連接到激光振蕩/受光控制器 30的差分光電檢測器40A、 40B和40C。信號光經(jīng)由光纖37A、 37B和 37C引導(dǎo)到差分光電檢測器40A、 40B和40C。在差分光電檢測器中， 獲得由于透射通過排氣而衰減的透射激光與沒有穿過排氣的信號激光 之間的差值。信號激光例如饋送到光電二極管，其輸出由前置放大器(未 示出)放大并且放大的信號經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器饋送到個人電腦45——即 信號分析裝置。在個人電腦45中，通過輸入信號計算出例如排氣成分 的濃度和排氣的溫度以分析排氣。
根據(jù)本發(fā)明的排氣分析裝置io，例如紅外激光穿過排氣，并且基于析排氣。排氣成分的濃度C從以下方程(1)算出<formula>formula see original document page 11</formula> (1)其中I為透射光的強(qiáng)度，Io為入射光強(qiáng)度，k為吸收比，L為透射距離。 因而，排氣成分的濃度C基于透射光強(qiáng)度(I)與入射(信號)光強(qiáng)度 (Io)的比值一一即信號強(qiáng)度比(I/IJ ——算出。透射光強(qiáng)度I經(jīng)由檢 測器26A、 26B和26C輸出，入射光強(qiáng)度I。經(jīng)由光纖37A、 37B和37C 通過例如光電轉(zhuǎn)換器一一比如差分光電檢測器40中的光電二極管一一 輸出。在本實施方式中，入射光強(qiáng)度Io是沒有穿過排氣的信號光的強(qiáng)度。下文將描述上述配置的排氣分析裝置10的操作。在測量排氣成分 濃度時，激光振蕩/受光控制器30中的信號發(fā)生器被激活以向各個激光 二極管LD1到LD5供給信號從而使它們發(fā)出預(yù)定波長的紅外激光。各 個激光二極管LD1到LD5發(fā)出的紅外激光經(jīng)由光纖32輸送到分波器 33，在此處，光線根據(jù)傳感器單元的數(shù)量而分波。分波的紅外激光通過分波器34A、 34B、 34C分波成測量光和信號 光。參照單個傳感器單元11，通過五個分波器34A分波的信號光被合 波器35A合波為引導(dǎo)到差分光電檢測器40A的信號激光。由五個分波 器34A分波的測量光通過合波器36A合波為經(jīng)由光纖25A引導(dǎo)到傳感 器單元11的照射單元的測量激光。同樣的情況適用于其它傳感器單元 12和13;即，在分波器33中分波之后，激光通過分波器34B和34C 分波成信號光和測量光。在被合波器35B和35C合波之后，信號光被 引導(dǎo)到差分光電檢測器40B和40C，而測量光被引導(dǎo)到傳感器單元12 和13。由傳感器單元11中的光纖25A、 25B和25C發(fā)出的用于測量的紅 外激光R照射到排氣通過的通孔21中。紅外激光R穿過排氣通道中的 通孔21，并且然后透射穿過排氣從而被衰減。衰減的透射光隨后由檢測 器26A、 26B和26C或受光單元接收。因而，用于測量的紅外激光R 在穿過通孔21之后被接收，所述通孔21為排氣通道的一部分并且處于
與排氣通道垂直的平面中。結(jié)果，可以逐點的方式測量垂直橫截面中的 排氣成分的濃度或溫度。換言之，與在沿排氣通道一定長度內(nèi)對排氣成 分的濃度或溫度進(jìn)行測量相反，本發(fā)明能夠相對于與排氣通道相交的單 個預(yù)定平面對排氣成分的濃度或溫度進(jìn)行測量，從而允許以逐點的方式 測量。因為激光透射穿過排氣的平面垂直于排氣流動的方向，所以能以時 間序列的方式測量發(fā)動機(jī)排出的排氣。結(jié)果，有可能非常精確地評估發(fā) 動機(jī)排氣系統(tǒng)的性能和發(fā)動機(jī)本身的性能。穿過排氣、從而被衰減并且抵達(dá)受光單元的測量紅外激光R通過檢 測器26A、 26B和26C轉(zhuǎn)換成電信號。然后，電信號經(jīng)由信號線28A、 28B和28C供給到差分光電檢測器40A、 40B和40C。另一方面，信號 激光被引導(dǎo)到差分光電檢測器40A、 40B和40C，由此獲得多個波長分 量中的每一個的透射光和信號光之間的差值，以檢測透射光中特定的氣 體成分的峰值波長。這樣，差分光電檢測器的輸出被饋送到信號分析裝 置或個人電腦45。在個人電腦45中，基于接收到的多個頻帶中的每一 個的峰值波長來測量和分析例如排氣成分的濃度和溫度。氣體具有其自身獨(dú)特的吸收波段，其中存在多條吸收線，例如如圖 5所示。圖5a示出了低溫下的信號強(qiáng)度(=分子數(shù)量的比例)；圖5b 示出了高溫下的信號強(qiáng)度。如圖所示，信號強(qiáng)度根據(jù)溫度而改變，因此 通過測量信號強(qiáng)度比，可計算出測量時的排氣溫度。然后，如圖6所示，通過相對于其中一條吸收線一一例如波長入l 一一掃描激光的振蕩波長來測量吸收。通過得到該波形與信號激光的波 形之比來測量光i普輪廓。對于溫度測量，可通過相對于兩個不同的吸收 線入l和入2及其面積比Al/A2 (或一個峰值高度與另一個峰值高度的 比值，Pl/P2)來測量這種光鐠輪廓。在傳統(tǒng)的波長調(diào)制方法中，如圖 6a所示，從吸收光鐠峰值尖端處的曲率半徑來計算成分的濃度。根據(jù)本 發(fā)明，如圖6b所示，通過吸收光鐠的面積計算出成分的濃度，這使得 有可能不太受壓力影響地計算出排氣成分的濃度。在本實施方式的排氣分析裝置10中，有可能以逐點的方式、在排 氣通道的橫截面中實時地在沿發(fā)動機(jī)2的排氣通道的多個位置處測量排氣成分的濃度或溫度。因而，排氣分析裝置10能夠即刻地進(jìn)行以下測 量在剛剛從發(fā)動機(jī)排出之后的排氣溫度，或其中的排氣成分的濃度； 已經(jīng)通過第一催化裝置5、第二催化裝置6和消音器7的排氣的溫度或 其中的排氣成分的濃度；或剛好在被排氣管8排入大氣之前排氣狀態(tài)。 因為本實施方式的排氣分析裝置10能夠沿排氣通道在其任何期望的橫 截面中測量排氣成分的濃度，所以可以及時的方式進(jìn)行測量，從而顯著 減小了發(fā)動機(jī)或所附的凈化裝置的研發(fā)所需的周期。本實施方式的排氣分析裝置10配置成不需要參比氣體等，并且用 于分析排氣的傳感器單元可制造成緊湊的尺寸。因而，排氣分析裝置10 可容易地安裝在機(jī)動車輛中，例如用于分析機(jī)動車輛排放的排氣。因而， 在排氣從機(jī)動車輛排出時，可以實時地分析排氣。此外，可得到激光在 排氣中的長透射距離，因此可實現(xiàn)高的測量精度，并且可消除測量期間 需要的參比氣體等，從而減小了排氣分析的成本。具體地，因為固定在排氣通道中的傳感器單元11 - 14每一個都包括 薄的板狀傳感器主體20，所以傳感器單元可安裝成例如對排氣通道中的 流體阻力造成很小的改變。排氣分析裝置10能夠在高溫狀態(tài)下進(jìn)行測 量，因此可測量剛被發(fā)動機(jī)2排出之后的排氣溫度或其中的排氣成分的 濃度以用于分析。通過增加激光中的波長的數(shù)量，可容易地分析排氣中 包含的更多成分。參照圖7，描述了本發(fā)明另一實施方式。圖7示出了用于該實施方 式的排氣分析裝置中的傳感器單元的主要部分的橫截面。該實施方式的 特征在于，與前述實施方式相比，多個傳感器單元15配置成使得檢測 器26不直接接收在從光纖25發(fā)出后穿過排氣的紅外激光R，而是使得 檢測器26接收在通孔內(nèi)反射多次的紅外激光R.反射紅外激光的反射 面包括在通孔中彼此對置設(shè)置的兩個反射板。紅外激光在兩個反射板之 間反復(fù)反射之后被接收?；旧吓c前述實施方式的相應(yīng)部分相同的傳感 器單元的其它部分用相似的標(biāo)號表示；其詳細(xì)說明將省略。在圖7所示的本實施方式中，通孔51在傳感器單元15的中心處形 成在傳感器單元15的傳感器主體50中，以用于通過排氣。在通孔51 中，上、下反射板52和53彼此對置設(shè)置并且平行，每個都面向通孔51。 兩個反射板平行固定、使得激光可在通孔51中垂直于排氣通道地行進(jìn)。
具體地，由發(fā)射端的光纖25發(fā)出的紅外激光R最初由下反射板53向上 反射；然后由上反射板52向下反射。因而，紅外激光R在其到達(dá)接收 端的檢測器26之前通過兩個反射板52和53交替地反射。因而，激光 在其被檢測器26接收之前在垂直于排氣通道的橫截面中被多次反射。優(yōu)選地，由薄板制成的傳感器主體50的厚度如前述實施方式一樣 為5-20mm;薄板的材料優(yōu)選為金屬或陶瓷。傳感器主體50在其安裝 在排氣通道中時固定夾置在未示出的凸緣F、 F之間。在其兩側(cè)中形成 有半圓形凹口， 一個在左， 一個在右，位置對應(yīng)于連接凸緣的螺栓。傳 感器主體50中的通孔51基本上形成為與排氣通道的橫截面形狀相同的 形狀并且具有相同的直徑；另外，在開口的頂部和底部處形成有平坦的 安裝部分以用于固定反射板52和53。這種帶有局部平坦部分的圓形形 狀包括在"與排氣通道的橫截面形狀相符合"的范圍內(nèi)。發(fā)射端的光纖25固定成相對于與反射板垂直的線向外傾斜大約 6° ;接收端的檢測器26也固定成向外傾斜大約6° 。因為光纖25和檢 測器26設(shè)置成相對于兩個反射板52和53成一定角度，所以發(fā)射端的 光纖25發(fā)出的紅外激光R在其穿過排氣行進(jìn)了長的光程之后最終被接 收端的檢測器26接收之前通過上下反射板反復(fù)反射。因而，紅外激光 因為其被反射板52和53反復(fù)反射而可行進(jìn)比中心處的通孔51直徑更 長的光程。結(jié)果，紅外激光在其透射穿過排氣期間產(chǎn)生的衰減量得以增 加，從而改善了對排氣所含成分的濃度等的測量精度。紅外激光在反射 板之間的反射次數(shù)可根據(jù)例如排氣所含成分的濃度或所需的測量精度 而如需地改變。反射板52和53每一個都形成為矩形，作為基底的基板由熱膨脹小 的材料——例如SiC、 Si02、或藍(lán)寶石——制成。在該基板上，形成金 或鉑薄膜作為反射面，在其上形成MgF2或Si02薄膜作為保護(hù)層。在本 實施方式中，反射板52和53用接合劑等固定在傳感器主體50上；然 而，優(yōu)選地，利用螺釘、彈簧等可拆卸地安裝反射板以允許它們在暴露 于發(fā)動機(jī)運(yùn)行期間產(chǎn)生的排氣之后可取下清潔。在本實施方式的傳感器單元15中，由照射單元一一即光纖25—一 發(fā)出的紅外激光通過反射板52和53反復(fù)地和交替地反射，因此可增加 激光在排氣中的光程 一 一 即透射距離。在紅外激光透射穿過排氣時行進(jìn)
距離的這種延長導(dǎo)致了衰減的增加，從而允許高精度地即時測量排氣成分的濃度。形成在傳感器主體50中的通孔51基本上是圓形的，具有與 排氣通道的圓形橫截面相同的直徑。這允許排氣不受擾動地流動，并且 還有可能使得能夠忽略在將傳感器單元15固定在現(xiàn)有排氣通道中時排 氣阻力的任何變化.此外，因為反射板52和53包括平板，所以它們能 夠容易地制造、方便地從傳感器主體50取下和更換。在本實施方式的傳感器單元15中，計算出信號激光的光強(qiáng)度I。與 測量紅外激光R的透射光強(qiáng)度I的比值(1/1。)，并且基于信號的強(qiáng)度比， 計算出排氣成分的濃度。因為透射光強(qiáng)度由于多次反射所增加的透射距 離而大大衰減，所以可以高精度地測量排氣成分的濃度或溫度。在紅外 激光R通過反射面52和53的反復(fù)反射而衰減時，優(yōu)選地，檢測器26 接收的光強(qiáng)度與光纖25發(fā)出的光強(qiáng)度的比值在沒有排氣的情況下為30 %或更多。這是因為如果比值降低到低于30%，則難以從噪聲中區(qū)分出 有用的信號。將參照圖8描述根據(jù)本發(fā)明又一實施方式的排氣分析裝置的傳感器 單元。依據(jù)本實施方式的傳感器單元16具有形成在傳感器主體60中的 通孔61內(nèi)側(cè)的反射面62。反射面62形成為穿過排氣的紅外激光R的 反射器。具體地，發(fā)射端的光纖25和接收端的檢測器26安裝在傳感器 主體60上。由發(fā)射端的光纖25發(fā)出的紅外激光R由形成于通孔61內(nèi) 側(cè)上的反射面62反射多次，然后由接收端的檢測器26接收。通孔61形成為圓形，并且具有與排氣通道的圓形橫截面相同的直 徑。傳感器主體60固定在凸緣F、 F之間，經(jīng)由所述凸緣F、 F連接排 氣通道的部件。在通孔61內(nèi)側(cè)形成反射面62消除了對作為與傳感器主 體60分開的反射構(gòu)件的鏡子等的需求，從而有助于簡化結(jié)構(gòu).同時， 因為通孔61的形狀可制造成與排氣管道的橫截面形狀相同，所以當(dāng)傳 感器安裝在現(xiàn)有排氣通道中時，不會在排氣流中產(chǎn)生擾動，并且不會導(dǎo) 致排氣效率降低。形成在通孔61內(nèi)側(cè)上的反射面62包括鏡面拋光的圓周面，在其上 形成有金或鉑的薄膜。進(jìn)一步在頂面上形成由MgF2或Si02薄膜構(gòu)成的 保護(hù)層。優(yōu)選地，反射面62具有高反射系數(shù)以有效地反射紅外激光。 還優(yōu)選地，在反射面暴露到發(fā)動機(jī)運(yùn)行期間產(chǎn)生的排氣中并且污垢開始
黏附到其上時，通過從凸緣F、 F取下傳感器主體60來如需地清潔反射 面。通過擦拭覆蓋反射面62的保護(hù)層，可容易地去除黏附的污垢以改 善反射系數(shù)。在該配置中，由發(fā)射端的光纖25發(fā)出的紅外激光R在其行進(jìn)長的 光程而被接收端的檢測器26接收之前在通孔61內(nèi)被反射面62反射多 次。因而，激光在通孔61內(nèi)穿過排氣行進(jìn)長的透射距離。結(jié)果，與前 述實施方式中相同，激光可有效地利用，并且因此可得到改善的測量精 度。此外，因為排氣通道的橫截面形狀與傳感器單元中的通孔的橫截面 形狀相同，所以不會在排氣流中產(chǎn)生擾動，并且消除了由于將傳感器單 元安裝在排氣通道中而導(dǎo)致的排氣損失。已經(jīng)描述為圃形的排氣通道的橫截面形狀從嚴(yán)格意義上講可以不 是圓形的，而是可以例如為橢圓形；甚至它可以不必為圓形，而可以是 矩形或多邊形。在這些情況下，矩形或多邊形的通孔形成在傳感器單元 的傳感器主體中，并且紅外激光通過在形成多邊形的各個平面上所形成 的反射面依次地反射。結(jié)果，延長了激光透射穿過排氣的透射距離。當(dāng) 這種通孔的各個表面要用作反射面時，通孔優(yōu)選地由具有奇數(shù)個邊的多 邊形——例如比如五邊形——構(gòu)成。這些表面的數(shù)量可進(jìn)一步增加以增 加穿過排氣的透射距離。傳感器主體的外部形狀不限于圓形，而是可以 為矩形或任何其它合適的形狀。盡管上文已經(jīng)借助于實施方式描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這 些實施方式。在不偏離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況 下可以對本發(fā)明做出各種改變或修改。例如，待測的排氣成分可以是氮 氧化合物(NOx);在這種情況下，顯然穿過排氣的紅外激光應(yīng)該具有 適用于NOx的波長。照射單元發(fā)出的激光不限于紅外激光，而是可以 為可見激光或紫外激光。盡管在前述實施方式中，將安裝光纖在傳感器單元的傳感器主體上 作為照射單元，并且安裝了檢測器作為受光單元，但是傳感器主體可以 直接配備有如激光二極管的照射單元，并且除了諸如光電二極管之類的 檢測器，為了受光目的可以安裝光纖?？商娲?，由光纖構(gòu)成的照射單 元可配備準(zhǔn)直透鏡，使得激光經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡發(fā)射到通孔中。此外，可替 代地，傳感器單元可設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)的氣缸體和排氣歧管之間。 工業(yè)實用性本發(fā)明的排氣分析裝置可用于測量與排氣通道垂直的橫截面區(qū)域 中的排氣成分的濃度或溫度。其可用于以逐點的方式測量例如排氣通道 中預(yù)定橫截面中的排氣成分的濃度，因而能夠以高的精度實時測量排氣 通道中的排氣狀態(tài)。從而，本發(fā)明能夠進(jìn)行實時的排氣分析，這對于內(nèi) 燃機(jī)或排氣凈化裝置的研發(fā)非常有用。例如，本發(fā)明的排氣分析裝置可用于例如鍋爐的燃燒設(shè)備的排氣分 析。除了用于機(jī)動車輛的排氣分析之外，本發(fā)明也可用于船舶或發(fā)電機(jī) 用的內(nèi)燃機(jī)的排氣分析。此外，除了用于汽油發(fā)動機(jī)的排氣分析之外， 本發(fā)明可用于柴油發(fā)動機(jī)或其它類型的內(nèi)燃機(jī)的排氣分析.
權(quán)利要求
1. 一種排氣分析裝置，包括設(shè)置在排氣通道中的傳感器單元，排 氣經(jīng)由所述排氣通道從內(nèi)燃機(jī)排出，所述傳感器單元包括使用激光照射 所述排氣的照射單元和用于接收由所述照射單元發(fā)出的透射穿過所述 排氣的激光的受光單元，其中基于所述受光單元接收到的激光來測量排 氣成分的濃度、溫度等以對所述排氣進(jìn)行分析，其中所述傳感器單元包括允許所述排氣通過的通孔，所述通孔形成 為與所述排氣通道的橫截面形狀匹配的形狀，其中所述激光由所述照射 單元照射到所述通孔內(nèi)并且橫穿所述排氣通道由所述受光單元接收。
2. 如權(quán)利要求l所述的排氣分析裝置，其中所述排氣通道具有圓 形橫截面形狀，并且其中傳感器主體具有形成在其中的通孔，所述通孔徑。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的排氣分析裝置，其中所述通孔具有形成 在其內(nèi)周面上的反射部分，其中所述照射單元發(fā)出的激光由所述反射部 分反射然后由所述受光單元接收。
4. 如權(quán)利要求3所述的排氣分析裝置，其中所述反射部分包括平 行設(shè)置并且彼此對置的兩個反射板，使得所述兩個反射板面向所述通孔 的內(nèi)側(cè)，其中所述激光沿垂直于所述排氣通道的方向反射。
5. 如權(quán)利要求1至4中任一項所述的排氣分析裝置，其中所述激光 包括具有與所述排氣的多個成分相匹配的吸收波長的激光合波。
6. 如權(quán)利要求1至5中任一項所述的排氣分析裝置，其中所述傳感 器單元沿所述排氣通道設(shè)置在多個位置處。
全文摘要
一種排氣分析裝置，其能夠通過在排氣通道的一個橫截面處以逐點的方式測量排氣成分的濃度、溫度等對排氣進(jìn)行實時分析。利用該分析裝置減小了分析成本。排氣分析裝置(10)具有位于排氣通道中的傳感器單元(11-14)，傳感器單元(11-14)具有用于通過激光照射排氣的光纖(25)和用于接收由光纖發(fā)出并透射穿過排氣的激光的檢測器(26)，排氣通道由用于排出發(fā)動機(jī)(2)排氣的排氣歧管(3)、排氣管道(4)、第一催化裝置(5)、第二催化裝置(6)、消音器(7)和排氣管(8)構(gòu)成。排氣分析裝置(10)基于檢測器接收到的激光來測量排氣成分的例如濃度、溫度等的狀態(tài)而對排氣進(jìn)行分析。傳感器單元具有形狀與排氣通道的橫截面形狀匹配的通孔(21)。紅外激光(R)從光纖(25)發(fā)射到通孔(21)并且在橫穿排氣通道之后由檢測器(26)接收。
文檔編號G01N21/59GK101147054SQ20068000914
公開日2008年3月19日 申請日期2006年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月28日
發(fā)明者出口祥啟, 后藤勝利, 山浦剛俊, 山蔭正裕 申請人:豐田自動車株式會社;三菱重工業(yè)株式會社