专利名称：汽车排气分析设备的利记博彩app
本申请是申请号为98807663.2、申请日为1998年8月24日、名称为“汽车排气分析设备”的申请的分案申请。1.引言轿车和载重汽车的排气造成多种环境负担。通过制订限制废气排放量的极限值规范，迫使汽车制造厂例如通过进一步改进发动机和排气系统降低各种汽车的排放量。
在汽车的使用寿命期间，主要由于部分构件老化造成逐步增加排放量以及也由于在驱动系统和废气净化系统内有缺陷的部件导致恶化排气状况，这些都可能成为不遵守此极限值规范的原因。
通常通过定期的排气检验，保证与原始状况类似的排放水平。这样做的缺点是，缺陷要到下一次排气检验时才发现，到那时已经排出了大量排放物。
在汽车运行的前几秒钟内，由于催化剂尚未达到其工作温度，所以通过催化剂降低排气中的有害物还很有限。因为发动机在冷起动阶段产生其全部排放量的约70％，恰恰在这一阶段期望有最佳的有害物减少，然而目前的排气检验根本不能检测到这一阶段。2.先有技术减少有害物排放的新开端是“On-Board-Diagnose”(车上诊断-OBD)。它是一个控制排放的系统，该系统借助于传感器通过监控轿车或载重汽车对排气至关重要的各构件的工作能力来控制排放量。在美国早已有轿车用的OBD第一种型式(OBD1-Gesetz)，从1995年型起它逐步被后来的OBD-11Gesetz代替。在使用OBD-1时只规定控制那些与发动机电子控制器连接的部件的工作能力，而OBD-11则监控所有对排放至关重要的构件。特别要求监控催化剂、λ探头、燃料系统、二次空气系统、废气再循环、油箱进气和燃烧断火的识别。当确认部件故障或工作有误时接通仪表板上的信号灯并储存缺陷代码。被确定的工作缺陷应尽可能准确定位、描述和储存此信息，使修理厂能通过迅速识别和修理缺陷用的标准接口将它们读出。
后来开始看到使用“On-Board-Measurment”(OBM-车上测量)。已知多种多样用于直接分析汽车排放量的系统。只作为举例可参见德国公开文件3232416、3339073、3608122、3716350、3932838、4005803、4124116、4235225、4307190、DE4319282C1、US-PS4803052和5281817以及其他申请GB2264170A、EP0196993A2和WO94/09266。在这些文件中特别涉及所有在这里没有一一说明的详细情况。
狭义地说专利申请/1/和/2/涉及相近的主题范围，因此详细进行讨论。例如，专利/1/介绍了一种红外线测量装置，它监控催化剂的工作状态，为此用螺纹将它从侧面旋入催化器内并通过一个孔确定在催化器内存在的气氛。在/2/中介绍了一种行程末尾的快速测量装置，它通过前后连接多个红外线吸收槽可达到时间分辨率为0.1-0.2s。两者均未针对在排气系统中催化器后面有害物排放量的连续测量问题加以说明。
由这些文献可以看出，当前还没有一种测量系统有能力在冷起动阶段及在工作中连续检测实际排放量，以记录所有的偏差和发出缺陷信号。
3.专利内容的说明未来的汽车为了排气分析有组合在一起的OBM系统。其中分析排气中规定的成分。通过将当时的浓度曲线与储存的额定特征线比较，可以推论燃烧系统内的缺陷。若长期连续地、重复和单值地超过针对该型汽车储存的认为是“良好”的曲线，便发出警报。“长期连续”意味着延续较长的时间，“重复”意味着不是一次而是多次超过，以及“单值地”意味着浓度离开了公差带的规定宽度。这些准则用于使分析可靠并保证不发出错误的报告。
图1举例表示由于燃烧系统内的缺陷，在这里是断火(1)，是如何影响有害物浓度的。
在汽车内有振动的条件下测量废气更加困难。一方面测量系统必须遵照对汽车普遍适用的公差范围和要求，另一方面正是这些排气特性如压力、湿度、温度和流量受到强烈的波动，这些波动影响浓度测量。为了解决这一问题，人们需要特别坚固耐用的微系统技术的构件，既包括用于排气处理的也包括用于测量排气成分的。
由DE19605053A1已知一种用于分析汽车排气的设备。然而，与在其他文件中介绍的测量仪器一样，这种设置在按要求使用时存在问题。由于在汽车内有振动，测量系统必须设计得非常稳定，以及除此之外对于炭烟、尘土和气溶胶体的沉积不敏感。还必须达到高的分辨率，因为要测量的排气分成如一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和一氧化氮(NO)的浓度，在配备有催化剂的汽油机汽车中恰恰是很低的。
在本发明的OBM系统中，作为排气分析方法使用红外线气体吸收法。本发明的基本思想是，为了达到必要的分辨率需要较长的光学上的行程。当吸收槽组合在汽车的结构中时它便可以装在汽车内。4.测量系统的技术结构图2表示在汽车内的OBM系统的主要装置以及燃烧系统最重要的部件。设计为内燃机的发动机(2)产生排气，在催化器(3)内进行将有害物转化为毒性较小的物质。在汽车内的OBM系统的组成部分包括取气点(4)、排气处理器(5)、分析器(6)、排气装置(7)以及将显示器(9)与分析器(6)连接起来的数据线(8)。
从汽车排气装置提取排气在催化器后面进行，因为只有这样才能说明有关整个燃烧系统及催化器的工作状态。
排气处理器在图3中表示为气体流程图。排气通过可更换的排气滤(11)去除炭烟和微粒。磁阀(12)用于在排气和校准用气体(见第7节)之间转换。测量气体泵(13)将要测量的气体通过减压器(14)和流量计(15)输入分析器(6)。
排气分析按红外线气体吸收原理在分析器(吸收槽Küvette)内进行。它由一个红外线源(透明的活塞)构成，它的射线通过测量行程(吸收槽)命中测量头。吸收槽可由一根直的高反射性的管或由多根带反射射线的反射头的管组成。测量头内装有两个热电式测量传感器，它们配备不同的滤光器，并产生一个取决于测量气体的信号和一个基准信号。生成这些信号的商以减少对测量信号的干扰因素(温度、压力、污染、老化)。采用热电原理需要脉冲式射线源。射线源的电脉冲避免了使用易出故障的机械部件(断续器)。为了增加测量系统的耐用性，吸收槽(测量行程)用特种钢制造。若设备可能被污染或设备的一些部分会出故障，则有利的是将此设备设计为模块式的，各部件例如滤可以方便地更换。5.在老的汽车内用于排气分析的改装用组件在那些汽车厂没有直接在汽车内安装OBD或OBM系统的老的汽车中，并非除排气检验外不能检查发动机和排气后处理的工作能力。因此应存在改装的可能性。
重新装备OBD的缺点是要设许多测量值检测元件。在电子设备中没有用于它们的位置和接头。因此安装OBM系统更为有利。
图4表示了这样一种模块式的OBM改装系统。排气的提取用取气探头(16)实现，它固定在排气的末端处。气体在排气处理器(17)内净化、干燥并进一步泵入分析器(6)。在仪表板上的显示器(9)则显示有关OBM系统的状态和工作的信息。
图5表示在汽车内改装用组件的安置。其中，取气探头(16)固定在排气末端处。分析器(6)和气体处理器(17)可装在行李箱内。显示器(9)可悬挂在通风格栅上或按另外的方式固定在仪表板上。6.冷起动测量和吸附阀在冷起动阶段排出发动机全部排放物的70％(见图6)。通过OBM系统也测量此排放量。借助于此值可接通排气途中的HC吸附阀(见图2中的10)用于捕集冷起动排放物。通过排气测量便有可能在最佳时刻接通在排气途径中的吸附阀或导致解吸。当催化器达到一个能保证令人满意地转换的温度时，将被滞留的碳氢化合物微粒解吸。
因为冷起动测量系统只需要少量的能量，所以在冷起动前它已能进入工作状态。控制可例如通过座椅衬里传感器(Sitzbelegungssensor)或在点火开关上的传感器进行，借助此传感器还可以接通在排气途径中的HC吸附阀(10)。7.零位线校准红外线气体吸收测量原理是充分已知的。在第3节中已说明了这种测量原理在变换的环境条件下存在的问题。下面说明通过不同的方法修正测量。
最常见的问题是零点漂移，这意味着在测量无排放物的气体时所获得的测量值并不为零。为了解决这一问题，按下列方法经常用环境空气来校准此系统。
在排气处理器(5、17)中的磁阀(12)按事先规定的时间或基于测得的外部影响自动转换，所以外界空气进入分析器(6)内。在外界空气中CO、HC和NO的浓度如此之小，以致可具有足够精度地将外界空气看作零位气体。通过在数学上的平衡关系修正零位线。由此得到的结果是，除零位线外通常还使灵敏度重新达到其正确值，并因而使此系统重新显示可再现的值。图7表示这种零位线修正的效果。由图可见因温度漂移而偏移的零位线(18)以及在校准后重新正确的测量曲线(19)。这一带来排放物记录中断的过程对于测量结果的说服力没有重要的影响，因为这种测量本来就不是绝对连续地监视，而是以识别排气系统中的缺陷为目的的。8.借助外界空气的CO2浓度调整测量信号的灵敏度在第7节所介绍的零位线的校准方法其优点在于，可取消持续的灵敏度调整，因为在此方法中灵敏度点(并因而所有其他值)也得到了正确的修正。尽管如此，仍可按下列方法控制灵敏度。
大气中的CO2含量全世界的平均值为350ppm(清洁的空气，城市以外)。这一数据可利用于灵敏度控制，因为这一浓度与要检测的排气流内其他成分的测量范围良好适配。虽然CO、HC尤其NO有比CO2弱的吸收带，但在浓度中有更大的峰值。因此按Lambert-Beerschen公式可利用等长的吸收槽，实际上可利用同一个吸收槽。当现在排气分析器(6)输入无排放物的外界空气时，在完成上述调零后此系统必须显示平均的CO2浓度。因此可具有足够可靠性地以此为出发点，也调整其他测量通道的灵敏度点。
上述方法的缺点是，受到外部的影响当地的CO2浓度变动很大。尤其在人口集中地区，市内交通导致很高的CO2浓度。图8表示在测量行驶期间外界空气内的二氧化碳浓度。在用合成的空气(20)调整零点后通过一个具有比较均匀的CO2浓度的小村镇(21)行驶。通过有一些十字路口和交通指挥灯的大城市(22)行驶时显示了高的强烈波动的CO2浓度。最后，在安静的内院(23)中的测量得到接近于自然的CO2浓度。9.借助排气内的CO2浓度调整灵敏度作为克服在第8节所述由于自然的CO2浓度波动造成困难的出路，推荐监视汽车排气流内的CO2浓度。此值通过燃烧过程比较稳定，所以可利用作为比较值，用于调整各测量通道的灵敏度。当然，由于排气内CO2高的浓度(12体积％)，所以在测量槽内CO2射线轨迹的布置必须与用于其他有害气体的不同。原则上用于CO2测量的光径比用于有害气体CO、NO和HC的短得多。10.借助软件技术过滤器修正测量信号零位线因温度波动引起的漂移通常测量值的确定通过由有害物成分的信号(测量信号)与基准信号生成商来完成。
测量信号和基准信号的信号变化曲线非常相似。因此可以改进求商法，只要围绕信号曲线确定某一个公差范围，在此范围内将商置为“1”。因此获得了一个零浓度区，只有离开了此公差范围才根据此时确定的真正的商值显示浓度。应当指出，对应于具有商为“1”的浓度“零”并非绝对必须的，但一般来说这是所获得的最好结果。11.通过考察信号变化曲线的动力学来补偿温度漂移因为在汽车内凭经验存在着过激的动态条件(与放射源的脉冲时间相比，在系统内随时间迅速改变)，所以真正的亦即由排气产生的测量信号能与缓慢地变化的温度引起的波动明显地区别开来。为了修正必须求出浓度变化曲线对时间的一阶导数。一阶导数只检测例如在汽车内给气时引起的真正的阶跃函数。图9表示了一条实际的测量值曲线。由有害物成分HC的原始测量信号(24)求出一阶导数(25)。可以明显看出，由于温度影响引起的测量信号波动(26)在导数(25)内趋近于零。
若由对时间的一阶导数找到了阶跃函数的位置，便可以唯一性地识别具有阶跃特征的点。若出现一次这种真正的阶跃，也就是超出前面已定义的具有允许宽度的公差带单值地从微分曲线上凸起一个测量值，则为了求值必须在真正的浓度曲线上使用这个点。当一阶导数回到零点时，零位线重新作为一条未改变的稳定线从软件技术的过滤器输出。也就是说在行驶过程中或有一条没有波动的绝对零位线，因为不出现阶跃函数以及温度引起的波动忽略不计，或在出现真正的动态的阶跃函数时，例如在给气、换档、制动等的情况下，根据一阶导数考察由浓度曲线得来的原始测量信号。12.调整在IR气体分析器通道内的原始信号量另一种修正方法是借助于一个可调式电子增益控制器调整信号量。
因为在红外线气体吸收时基准带设计为在此带内基本上不吸收，所以红外检测器基准通道的测量信号必须始终有原始的量。但由于有温度影响和老化，在汽车内此信号还是有明显的波动。
为了补偿温度引起的信号波动，可以通过系统自己的测量-控制-调整装置持续地监视基准信号。当基准信号偏离原来调整好的一次修正值到事先规定的值时，所有的信号被一个可调的电子增益控制器置于原始的信号量。图10表示基准信号的原始曲线(27)、由于老化或温度漂移变弱了的变化曲线(28)以及通过可调式电子增益器修正后的信号曲线(29)。采取这一措施保持信号动力学的全部区域不变。
附图的标号图1 断火时有害物浓度变化曲线1 断火图2 在汽车内的OBM系统的主要装置2 发动机3 催化器4 取气点5 排气处理器6 分析器7 排气装置8 数据线9 显示器10HC吸附阀图3 排气处理器的气体流程图11排气滤12磁阀
13测量气体泵14减压器15流量计图4改装用组件的主要结构16取气探头17排气处理器图5改装用组件在行李箱内的安装图6冷起动测量图7零位线修正18因温度漂移而偏移的零位线19修正后的测量曲线图8外界空气内的二氧化碳浓度20借助合成空气调整21通过小村镇行驶22通过大城市行驶23在平静的内院测量图9作为修正函数的导数24原始测量信号25一阶导数26温度引起的测量信号波动图10修正信号量27基准信号的原始曲线28由于老化而减弱了的变化曲线29修正后的信号曲线参考文献/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。
权利要求
1.用于分析在汽车排气内存在的对环境至关重要的物质如一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和一氧化氮(NO)的设备，有至少一个定量检测这些物质的传感器，传感器装在一个与排气系统分开的测量段内，其特征为设一泵系统，为了传感器调零它交替地将来自排气系统的排气和来自大气的环境空气通过测量段输送。
2.按照权利要求1所述的设备，其特征为传感器按红外线气体吸收法工作。
3.按照权利要求2所述的设备，其特征为测量段是一个用特种钢制的具有光学行程至少长50cm的吸收槽。
4.按照权利要求2或3所述的设备，其特征为传感器有一卤化物微放射源作为红外线源，它被一个透明的起黑体作用的活塞围绕。
5.按照权利要求2至4之一所述的设备，其特征为传感器按测量通道/基准通道原理同步接收放射源的光线；以及，由这些信号生成商用以确定测量值。
6.按照权利要求1至5之一所述的设备，其特征为泵系统有一个可通过加热再生的排气滤、一个磁阀和一台泵。
7.按照权利要求6所述的设备，其特征为设有减压器和流量计。
8.按照权利要求5至7之一或按照权利要求1前序部分所述的设备，其特征为由于温度漂移使来自两个对红外线灵敏的检测室(基准通道和测量通道)的彼此发散的信号曲线在位于零相位之间的测量阶段内互相叠合。
9.按照权利要求5至8之一所述的设备，其特征为信号量通过可调式电子增益控制器根据基准信号来受干扰的变化曲线调整。
10.按照权利要求1至9之一或按照权利要求1前序部分所述的设备，其特征为由于温度变化曲线引起的信号漂移与汽车正常运行中阶跃式的浓度变化，通过生成该浓度变化曲线对时间的一阶导数区别。
11.按照权利要求1至10之一所述的设备，其特征为灵敏度调整通过以在清洁的环境空气内天然的CO2浓度(正常值为340ppm)或在排气内的CO2比例(14体积％)为依据进行。
12.按照权利要求1至11之一所述的设备，其特征为此设备安装在汽车底板上、行李箱内、车厢内或汽车上其他恰当的地方。
13.按照权利要求1至12之一所述的设备，其特征为此设备组合在汽车结构内，并由加热的取气点、排气处理器、分析器、信号线和显示器组成，其中各部件由于模块式结构设计因而是可更换的以及也可以事后安装在汽车内。
14.按照权利要求1至13之一所述的设备，其特征为此设备借助于座椅衬里传感器或点火开关传感器接通，所以它从一开始便可以测量冷起动。
15.按照权利要求1至14之一所述的设备，其特征为测量信号用于控制发动机和催化器内的燃烧过程，以及用于早期识别和纠正缺陷。
全文摘要
本发明涉及一种以IR(红外)气体吸收原理为基础分析汽车排气内最重要的对环境至关重要的物质如CO、HC和NO的设备。其中,沿一个光学上的测量行程(特种钢管)借助于红外线源和检测器记录测量信号和基准信号,并通过求商确定测量值。当超过极限值时报警。OBM系统由模块式部件构成,如组合在汽车结构内的取气装置、排气处理器、分析器以及求值器。在汽车内的振动条件,通过坚固耐用的结构设计、通过生成一阶导数修正温度漂移、以及借助于可调式电子增益控制器调整信号高度等进行补偿。其他的修正可能性在于,用环境空气采取转换措施校准零位线以及提供围绕检测器内含噪声信号的公差带。此测量系统将来应装在所有的汽车内并作为已有的OBD(车上诊断On－Board－Diagnose－)系统的补充。对于老的汽车可使用改装用的设备。
文档编号G01M15/04GK1338625SQ0113259
公开日2002年3月6日 申请日期2001年9月7日 优先权日1997年8月25日
发明者斯特凡·加姆斯, 迈克尔·帕卢茨－安德列森, 斯特凡·施罗尔 申请人:环境技术科学工场有限公司