專利名稱：汽車排氣分析設備的制作方法
本申請是申請號為98807663.2、申請日為1998年8月24日、名稱為“汽車排氣分析設備”的申請的分案申請。1.引言轎車和載重汽車的排氣造成多種環境負擔。通過制訂限制廢氣排放量的極限值規范，迫使汽車制造廠例如通過進一步改進發動機和排氣系統降低各種汽車的排放量。
在汽車的使用壽命期間，主要由于部分構件老化造成逐步增加排放量以及也由于在驅動系統和廢氣凈化系統內有缺陷的部件導致惡化排氣狀況，這些都可能成為不遵守此極限值規范的原因。
通常通過定期的排氣檢驗，保證與原始狀況類似的排放水平。這樣做的缺點是，缺陷要到下一次排氣檢驗時才發現，到那時已經排出了大量排放物。
在汽車運行的前幾秒鐘內，由于催化劑尚未達到其工作溫度，所以通過催化劑降低排氣中的有害物還很有限。因為發動機在冷起動階段產生其全部排放量的約70％，恰恰在這一階段期望有最佳的有害物減少，然而目前的排氣檢驗根本不能檢測到這一階段。2.先有技術減少有害物排放的新開端是“On-Board-Diagnose”(車上診斷-OBD)。它是一個控制排放的系統，該系統借助于傳感器通過監控轎車或載重汽車對排氣至關重要的各構件的工作能力來控制排放量。在美國早已有轎車用的OBD第一種型式(OBD1-Gesetz)，從1995年型起它逐步被后來的OBD-11Gesetz代替。在使用OBD-1時只規定控制那些與發動機電子控制器連接的部件的工作能力，而OBD-11則監控所有對排放至關重要的構件。特別要求監控催化劑、λ探頭、燃料系統、二次空氣系統、廢氣再循環、油箱進氣和燃燒斷火的識別。當確認部件故障或工作有誤時接通儀表板上的信號燈并儲存缺陷代碼。被確定的工作缺陷應盡可能準確定位、描述和儲存此信息，使修理廠能通過迅速識別和修理缺陷用的標準接口將它們讀出。
后來開始看到使用“On-Board-Measurment”(OBM-車上測量)。已知多種多樣用于直接分析汽車排放量的系統。只作為舉例可參見德國公開文件3232416、3339073、3608122、3716350、3932838、4005803、4124116、4235225、4307190、DE4319282C1、US-PS4803052和5281817以及其他申請GB2264170A、EP0196993A2和WO94/09266。在這些文件中特別涉及所有在這里沒有一一說明的詳細情況。
狹義地說專利申請/1/和/2/涉及相近的主題范圍，因此詳細進行討論。例如，專利/1/介紹了一種紅外線測量裝置，它監控催化劑的工作狀態，為此用螺紋將它從側面旋入催化器內并通過一個孔確定在催化器內存在的氣氛。在/2/中介紹了一種行程末尾的快速測量裝置，它通過前后連接多個紅外線吸收槽可達到時間分辨率為0.1-0.2s。兩者均未針對在排氣系統中催化器后面有害物排放量的連續測量問題加以說明。
由這些文獻可以看出，當前還沒有一種測量系統有能力在冷起動階段及在工作中連續檢測實際排放量，以記錄所有的偏差和發出缺陷信號。
3.專利內容的說明未來的汽車為了排氣分析有組合在一起的OBM系統。其中分析排氣中規定的成分。通過將當時的濃度曲線與儲存的額定特征線比較，可以推論燃燒系統內的缺陷。若長期連續地、重復和單值地超過針對該型汽車儲存的認為是“良好”的曲線，便發出警報。“長期連續”意味著延續較長的時間，“重復”意味著不是一次而是多次超過，以及“單值地”意味著濃度離開了公差帶的規定寬度。這些準則用于使分析可靠并保證不發出錯誤的報告。


圖1舉例表示由于燃燒系統內的缺陷，在這里是斷火(1)，是如何影響有害物濃度的。
在汽車內有振動的條件下測量廢氣更加困難。一方面測量系統必須遵照對汽車普遍適用的公差范圍和要求，另一方面正是這些排氣特性如壓力、濕度、溫度和流量受到強烈的波動，這些波動影響濃度測量。為了解決這一問題，人們需要特別堅固耐用的微系統技術的構件，既包括用于排氣處理的也包括用于測量排氣成分的。
由DE19605053A1已知一種用于分析汽車排氣的設備。然而，與在其他文件中介紹的測量儀器一樣，這種設置在按要求使用時存在問題。由于在汽車內有振動，測量系統必須設計得非常穩定，以及除此之外對于炭煙、塵土和氣溶膠體的沉積不敏感。還必須達到高的分辨率，因為要測量的排氣分成如一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和一氧化氮(NO)的濃度，在配備有催化劑的汽油機汽車中恰恰是很低的。
在本發明的OBM系統中，作為排氣分析方法使用紅外線氣體吸收法。本發明的基本思想是，為了達到必要的分辨率需要較長的光學上的行程。當吸收槽組合在汽車的結構中時它便可以裝在汽車內。4.測量系統的技術結構圖2表示在汽車內的OBM系統的主要裝置以及燃燒系統最重要的部件。設計為內燃機的發動機(2)產生排氣，在催化器(3)內進行將有害物轉化為毒性較小的物質。在汽車內的OBM系統的組成部分包括取氣點(4)、排氣處理器(5)、分析器(6)、排氣裝置(7)以及將顯示器(9)與分析器(6)連接起來的數據線(8)。
從汽車排氣裝置提取排氣在催化器后面進行，因為只有這樣才能說明有關整個燃燒系統及催化器的工作狀態。
排氣處理器在圖3中表示為氣體流程圖。排氣通過可更換的排氣濾(11)去除炭煙和微粒。磁閥(12)用于在排氣和校準用氣體(見第7節)之間轉換。測量氣體泵(13)將要測量的氣體通過減壓器(14)和流量計(15)輸入分析器(6)。
排氣分析按紅外線氣體吸收原理在分析器(吸收槽Küvette)內進行。它由一個紅外線源(透明的活塞)構成，它的射線通過測量行程(吸收槽)命中測量頭。吸收槽可由一根直的高反射性的管或由多根帶反射射線的反射頭的管組成。測量頭內裝有兩個熱電式測量傳感器，它們配備不同的濾光器，并產生一個取決于測量氣體的信號和一個基準信號。生成這些信號的商以減少對測量信號的干擾因素(溫度、壓力、污染、老化)。采用熱電原理需要脈沖式射線源。射線源的電脈沖避免了使用易出故障的機械部件(斷續器)。為了增加測量系統的耐用性，吸收槽(測量行程)用特種鋼制造。若設備可能被污染或設備的一些部分會出故障，則有利的是將此設備設計為模塊式的，各部件例如濾可以方便地更換。5.在老的汽車內用于排氣分析的改裝用組件在那些汽車廠沒有直接在汽車內安裝OBD或OBM系統的老的汽車中，并非除排氣檢驗外不能檢查發動機和排氣后處理的工作能力。因此應存在改裝的可能性。
重新裝備OBD的缺點是要設許多測量值檢測元件。在電子設備中沒有用于它們的位置和接頭。因此安裝OBM系統更為有利。
圖4表示了這樣一種模塊式的OBM改裝系統。排氣的提取用取氣探頭(16)實現，它固定在排氣的末端處。氣體在排氣處理器(17)內凈化、干燥并進一步泵入分析器(6)。在儀表板上的顯示器(9)則顯示有關OBM系統的狀態和工作的信息。
圖5表示在汽車內改裝用組件的安置。其中，取氣探頭(16)固定在排氣末端處。分析器(6)和氣體處理器(17)可裝在行李箱內。顯示器(9)可懸掛在通風格柵上或按另外的方式固定在儀表板上。6.冷起動測量和吸附閥在冷起動階段排出發動機全部排放物的70％(見圖6)。通過OBM系統也測量此排放量。借助于此值可接通排氣途中的HC吸附閥(見圖2中的10)用于捕集冷起動排放物。通過排氣測量便有可能在最佳時刻接通在排氣途徑中的吸附閥或導致解吸。當催化器達到一個能保證令人滿意地轉換的溫度時，將被滯留的碳氫化合物微粒解吸。
因為冷起動測量系統只需要少量的能量，所以在冷起動前它已能進入工作狀態。控制可例如通過座椅襯里傳感器(Sitzbelegungssensor)或在點火開關上的傳感器進行，借助此傳感器還可以接通在排氣途徑中的HC吸附閥(10)。7.零位線校準紅外線氣體吸收測量原理是充分已知的。在第3節中已說明了這種測量原理在變換的環境條件下存在的問題。下面說明通過不同的方法修正測量。
最常見的問題是零點漂移，這意味著在測量無排放物的氣體時所獲得的測量值并不為零。為了解決這一問題，按下列方法經常用環境空氣來校準此系統。
在排氣處理器(5、17)中的磁閥(12)按事先規定的時間或基于測得的外部影響自動轉換，所以外界空氣進入分析器(6)內。在外界空氣中CO、HC和NO的濃度如此之小，以致可具有足夠精度地將外界空氣看作零位氣體。通過在數學上的平衡關系修正零位線。由此得到的結果是，除零位線外通常還使靈敏度重新達到其正確值，并因而使此系統重新顯示可再現的值。圖7表示這種零位線修正的效果。由圖可見因溫度漂移而偏移的零位線(18)以及在校準后重新正確的測量曲線(19)。這一帶來排放物記錄中斷的過程對于測量結果的說服力沒有重要的影響，因為這種測量本來就不是絕對連續地監視，而是以識別排氣系統中的缺陷為目的的。8.借助外界空氣的CO2濃度調整測量信號的靈敏度在第7節所介紹的零位線的校準方法其優點在于，可取消持續的靈敏度調整，因為在此方法中靈敏度點(并因而所有其他值)也得到了正確的修正。盡管如此，仍可按下列方法控制靈敏度。
大氣中的CO2含量全世界的平均值為350ppm(清潔的空氣，城市以外)。這一數據可利用于靈敏度控制，因為這一濃度與要檢測的排氣流內其他成分的測量范圍良好適配。雖然CO、HC尤其NO有比CO2弱的吸收帶，但在濃度中有更大的峰值。因此按Lambert-Beerschen公式可利用等長的吸收槽，實際上可利用同一個吸收槽。當現在排氣分析器(6)輸入無排放物的外界空氣時，在完成上述調零后此系統必須顯示平均的CO2濃度。因此可具有足夠可靠性地以此為出發點，也調整其他測量通道的靈敏度點。
上述方法的缺點是，受到外部的影響當地的CO2濃度變動很大。尤其在人口集中地區，市內交通導致很高的CO2濃度。圖8表示在測量行駛期間外界空氣內的二氧化碳濃度。在用合成的空氣(20)調整零點后通過一個具有比較均勻的CO2濃度的小村鎮(21)行駛。通過有一些十字路口和交通指揮燈的大城市(22)行駛時顯示了高的強烈波動的CO2濃度。最后，在安靜的內院(23)中的測量得到接近于自然的CO2濃度。9.借助排氣內的CO2濃度調整靈敏度作為克服在第8節所述由于自然的CO2濃度波動造成困難的出路，推薦監視汽車排氣流內的CO2濃度。此值通過燃燒過程比較穩定，所以可利用作為比較值，用于調整各測量通道的靈敏度。當然，由于排氣內CO2高的濃度(12體積％)，所以在測量槽內CO2射線軌跡的布置必須與用于其他有害氣體的不同。原則上用于CO2測量的光徑比用于有害氣體CO、NO和HC的短得多。10.借助軟件技術過濾器修正測量信號零位線因溫度波動引起的漂移通常測量值的確定通過由有害物成分的信號(測量信號)與基準信號生成商來完成。
測量信號和基準信號的信號變化曲線非常相似。因此可以改進求商法，只要圍繞信號曲線確定某一個公差范圍，在此范圍內將商置為“1”。因此獲得了一個零濃度區，只有離開了此公差范圍才根據此時確定的真正的商值顯示濃度。應當指出，對應于具有商為“1”的濃度“零”并非絕對必須的，但一般來說這是所獲得的最好結果。11.通過考察信號變化曲線的動力學來補償溫度漂移因為在汽車內憑經驗存在著過激的動態條件(與放射源的脈沖時間相比，在系統內隨時間迅速改變)，所以真正的亦即由排氣產生的測量信號能與緩慢地變化的溫度引起的波動明顯地區別開來。為了修正必須求出濃度變化曲線對時間的一階導數。一階導數只檢測例如在汽車內給氣時引起的真正的階躍函數。圖9表示了一條實際的測量值曲線。由有害物成分HC的原始測量信號(24)求出一階導數(25)。可以明顯看出，由于溫度影響引起的測量信號波動(26)在導數(25)內趨近于零。
若由對時間的一階導數找到了階躍函數的位置，便可以唯一性地識別具有階躍特征的點。若出現一次這種真正的階躍，也就是超出前面已定義的具有允許寬度的公差帶單值地從微分曲線上凸起一個測量值，則為了求值必須在真正的濃度曲線上使用這個點。當一階導數回到零點時，零位線重新作為一條未改變的穩定線從軟件技術的過濾器輸出。也就是說在行駛過程中或有一條沒有波動的絕對零位線，因為不出現階躍函數以及溫度引起的波動忽略不計，或在出現真正的動態的階躍函數時，例如在給氣、換檔、制動等的情況下，根據一階導數考察由濃度曲線得來的原始測量信號。12.調整在IR氣體分析器通道內的原始信號量另一種修正方法是借助于一個可調式電子增益控制器調整信號量。
因為在紅外線氣體吸收時基準帶設計為在此帶內基本上不吸收，所以紅外檢測器基準通道的測量信號必須始終有原始的量。但由于有溫度影響和老化，在汽車內此信號還是有明顯的波動。
為了補償溫度引起的信號波動，可以通過系統自己的測量-控制-調整裝置持續地監視基準信號。當基準信號偏離原來調整好的一次修正值到事先規定的值時，所有的信號被一個可調的電子增益控制器置于原始的信號量。圖10表示基準信號的原始曲線(27)、由于老化或溫度漂移變弱了的變化曲線(28)以及通過可調式電子增益器修正后的信號曲線(29)。采取這一措施保持信號動力學的全部區域不變。
附圖的標號圖1 斷火時有害物濃度變化曲線1 斷火圖2 在汽車內的OBM系統的主要裝置2 發動機3 催化器4 取氣點5 排氣處理器6 分析器7 排氣裝置8 數據線9 顯示器10HC吸附閥圖3 排氣處理器的氣體流程圖11排氣濾12磁閥
13測量氣體泵14減壓器15流量計圖4改裝用組件的主要結構16取氣探頭17排氣處理器圖5改裝用組件在行李箱內的安裝圖6冷起動測量圖7零位線修正18因溫度漂移而偏移的零位線19修正后的測量曲線圖8外界空氣內的二氧化碳濃度20借助合成空氣調整21通過小村鎮行駛22通過大城市行駛23在平靜的內院測量圖9作為修正函數的導數24原始測量信號25一階導數26溫度引起的測量信號波動圖10修正信號量27基準信號的原始曲線28由于老化而減弱了的變化曲線29修正后的信號曲線參考文獻/1/United States PatentSystem for monitoringexhaust gas composition.Patent number5475223.Dateof PatentDec，12，1995/2/Offenlegungsschrift DE 196 05 053 A1On-
Board-Diagnose-/OBD/-Verfahren undVorrichtung im Mikromaβstab zurkontinuierlichenMessung desSchadstoffaustrages aus Kraftfahrzeugen。
權利要求
1.用于分析在汽車排氣內存在的對環境至關重要的物質如一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和一氧化氮(NO)的設備，有至少一個定量檢測這些物質的傳感器，傳感器裝在一個與排氣系統分開的測量段內，其特征為設一泵系統，為了傳感器調零它交替地將來自排氣系統的排氣和來自大氣的環境空氣通過測量段輸送。
2.按照權利要求1所述的設備，其特征為傳感器按紅外線氣體吸收法工作。
3.按照權利要求2所述的設備，其特征為測量段是一個用特種鋼制的具有光學行程至少長50cm的吸收槽。
4.按照權利要求2或3所述的設備，其特征為傳感器有一鹵化物微放射源作為紅外線源，它被一個透明的起黑體作用的活塞圍繞。
5.按照權利要求2至4之一所述的設備，其特征為傳感器按測量通道/基準通道原理同步接收放射源的光線；以及，由這些信號生成商用以確定測量值。
6.按照權利要求1至5之一所述的設備，其特征為泵系統有一個可通過加熱再生的排氣濾、一個磁閥和一臺泵。
7.按照權利要求6所述的設備，其特征為設有減壓器和流量計。
8.按照權利要求5至7之一或按照權利要求1前序部分所述的設備，其特征為由于溫度漂移使來自兩個對紅外線靈敏的檢測室(基準通道和測量通道)的彼此發散的信號曲線在位于零相位之間的測量階段內互相疊合。
9.按照權利要求5至8之一所述的設備，其特征為信號量通過可調式電子增益控制器根據基準信號來受干擾的變化曲線調整。
10.按照權利要求1至9之一或按照權利要求1前序部分所述的設備，其特征為由于溫度變化曲線引起的信號漂移與汽車正常運行中階躍式的濃度變化，通過生成該濃度變化曲線對時間的一階導數區別。
11.按照權利要求1至10之一所述的設備，其特征為靈敏度調整通過以在清潔的環境空氣內天然的CO2濃度(正常值為340ppm)或在排氣內的CO2比例(14體積％)為依據進行。
12.按照權利要求1至11之一所述的設備，其特征為此設備安裝在汽車底板上、行李箱內、車廂內或汽車上其他恰當的地方。
13.按照權利要求1至12之一所述的設備，其特征為此設備組合在汽車結構內，并由加熱的取氣點、排氣處理器、分析器、信號線和顯示器組成，其中各部件由于模塊式結構設計因而是可更換的以及也可以事后安裝在汽車內。
14.按照權利要求1至13之一所述的設備，其特征為此設備借助于座椅襯里傳感器或點火開關傳感器接通，所以它從一開始便可以測量冷起動。
15.按照權利要求1至14之一所述的設備，其特征為測量信號用于控制發動機和催化器內的燃燒過程，以及用于早期識別和糾正缺陷。
全文摘要
本發明涉及一種以IR(紅外)氣體吸收原理為基礎分析汽車排氣內最重要的對環境至關重要的物質如CO、HC和NO的設備。其中,沿一個光學上的測量行程(特種鋼管)借助于紅外線源和檢測器記錄測量信號和基準信號,并通過求商確定測量值。當超過極限值時報警。OBM系統由模塊式部件構成,如組合在汽車結構內的取氣裝置、排氣處理器、分析器以及求值器。在汽車內的振動條件,通過堅固耐用的結構設計、通過生成一階導數修正溫度漂移、以及借助于可調式電子增益控制器調整信號高度等進行補償。其他的修正可能性在于,用環境空氣采取轉換措施校準零位線以及提供圍繞檢測器內含噪聲信號的公差帶。此測量系統將來應裝在所有的汽車內并作為已有的OBD(車上診斷On－Board－Diagnose－)系統的補充。對于老的汽車可使用改裝用的設備。
文檔編號G01M15/04GK1338625SQ0113259
公開日2002年3月6日 申請日期2001年9月7日 優先權日1997年8月25日
發明者斯特凡·加姆斯, 邁克爾·帕盧茨－安德列森, 斯特凡·施羅爾 申請人:環境技術科學工場有限公司