本發(fā)明涉及測量從例如內(nèi)燃機(jī)排出的排氣的流量的流量測量裝置等。

背景技術(shù)：

為了測量包含在內(nèi)燃機(jī)的排氣中的各種成分的量和燃料消耗量等，除了需要測量所述成分的濃度以外，還需要測量排氣流量，以往，如專利文獻(xiàn)1所示，在與車輛和內(nèi)燃機(jī)的例如排氣管串聯(lián)連接的管體上安裝有超聲波式等的流量計(jì)來測量排氣流量。

此時(shí)，設(shè)置溫度傳感器來對流量測量時(shí)的排氣溫度進(jìn)行測量。作為其理由，可以例舉的是，對測量到的流量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)(normal)換算(將測量流量換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)亦即0℃、101.325kpas·abs下的體積流量)時(shí)需要流量測量時(shí)的排氣溫度，不僅在超聲波流量計(jì)中，在各種類型的流量計(jì)中，流體溫度是流量測量時(shí)的參數(shù)。

溫度傳感器通常配置成其傳感器主體位于流道的中央附近，測量在流道中央流動(dòng)的排氣的溫度。

在內(nèi)燃機(jī)的燃料消耗量測量和排氣成分測量中，排氣流的中央附近的溫度就是表示該排氣的溫度，將該溫度作為排氣流量計(jì)算時(shí)的參數(shù)是一般常識(shí)。此外，并未發(fā)現(xiàn)這樣做會(huì)產(chǎn)生特別的不好的問題的事實(shí)。

但是，在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的油混入測試等特殊的測試狀況下，在所述流量測量方式中，發(fā)現(xiàn)測量流量產(chǎn)生誤差，作為本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過專心研究的結(jié)果，首次找到了其原因。

即，為了防止安裝有流量計(jì)的管體在其內(nèi)壁面上產(chǎn)生水分和thc(碳?xì)浠衔?凝結(jié)，利用加熱器將該管體加熱至大約100℃。在所述油混入測試中，使內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)速急速上升，在相當(dāng)長的時(shí)間使最高達(dá)到300℃的排氣流動(dòng)并對其流量進(jìn)行持續(xù)測量。在這樣的特殊條件下，由于在排氣流動(dòng)開始后的一段時(shí)間內(nèi)，與排氣溫度相比，管體內(nèi)壁的溫度相當(dāng)?shù)停艢獾闹車糠直还荏w冷卻，所以與維持溫度的中央附近產(chǎn)生大的溫度差。其結(jié)果，在測量中央的溫度的以往方式中，無視了因排氣周圍部分的溫度下降產(chǎn)生的影響，由此產(chǎn)生了測量誤差。

相對于此，在通常的模式行駛測試等中，例如，并不是從初期動(dòng)作時(shí)起就一下子持續(xù)流動(dòng)溫度高的排氣，在以往的測量方法中在流量測量中幾乎不會(huì)產(chǎn)生不好的問題。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本專利公開公報(bào)特開2015-36623號

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是鑒于所述的問題而做出的發(fā)明，本發(fā)明的主要目的在于提供一種流量測量裝置，即使在管體內(nèi)流通的試樣流體沿徑向產(chǎn)生溫度不均，也能夠高精度地測量其流量。

即，本發(fā)明提供一種流量測量裝置，其具備溫度測量器，所述溫度測量器測量在管體內(nèi)流動(dòng)的試樣流體的平均溫度或所述試樣流體的沿徑向的溫度分布，所述流量測量裝置基于所述溫度測量器測量到的所述平均溫度或所述溫度分布，測量所述試樣流體的流量。

具體地說，所述試樣流體是從內(nèi)燃機(jī)排出并在管體內(nèi)流動(dòng)的排氣，所述溫度測量器測量從內(nèi)燃機(jī)排出并在管體內(nèi)流動(dòng)的排氣的平均溫度或排氣的沿徑向的溫度分布。

如果是這樣的裝置，則即使在管體內(nèi)流動(dòng)的作為試樣流體的排氣的溫度存在不勻，也能夠更準(zhǔn)確地測量流量，其結(jié)果，能夠減少例如作為進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)換算時(shí)的排氣流量的標(biāo)準(zhǔn)流量的誤差。

更具體地說，可以舉出下述的裝置：所述流量測量裝置具備一對超聲波收發(fā)器，并且基于在所述一對超聲波收發(fā)器之間傳播的超聲波的傳播時(shí)間，測量所述試樣流體的流量。此時(shí)，優(yōu)選的是，所述溫度測量器基于所述傳播時(shí)間，計(jì)算試樣流體的平均溫度。

按照這種構(gòu)成，由于將流量計(jì)的一部分用作溫度測量器，所以可以不在管體內(nèi)配置專用的溫度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡單化，并且能夠使試樣流體在管體內(nèi)沒有阻力地流動(dòng)。

更優(yōu)選的是，可以舉出下述的裝置：所述溫度測量器還基于空燃比傳感器測量到的內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的空燃比，計(jì)算排氣的平均溫度。

作為用于基于所述傳播時(shí)間計(jì)算排氣流量和排氣溫度的具體結(jié)構(gòu)，可以舉出下述的裝置：所述流量測量裝置具備一對超聲波收發(fā)器，并且基于在所述一對超聲波收發(fā)器之間向排氣的上游方向和下游方向傳播的超聲波的各傳播時(shí)間的倒數(shù)差，計(jì)算排氣流量，還基于根據(jù)所述各傳播時(shí)間的倒數(shù)和計(jì)算出的排氣溫度，計(jì)算排氣流量。

本發(fā)明還提供一種燃料消耗量測量裝置，其包括：本發(fā)明的流量測量裝置；以及燃料消耗量計(jì)算器，基于所述流量測量裝置測量到的排氣流量，計(jì)算燃料消耗量。按照該燃料消耗量測量裝置，能夠基于與以往相比更準(zhǔn)確的排氣流量，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的燃料消耗量的測量。

為了能夠在以往的流量測量裝置中實(shí)現(xiàn)與本發(fā)明同樣的功能，更準(zhǔn)確地測量試樣流體的流量，只要將程序安裝在以往的流量測量裝置中即可。所述程序安裝在流量測量裝置內(nèi)，所述流量測量裝置具備：一對超聲波收發(fā)器；以及計(jì)算部，基于在所述一對超聲波收發(fā)器之間通過所述試樣流體并進(jìn)行傳播的超聲波的傳播時(shí)間，計(jì)算試樣流體的流量，所述程序使所述計(jì)算部發(fā)揮下述功能：基于所述傳播時(shí)間，計(jì)算試樣流體的平均溫度，并且進(jìn)一步基于所述平均溫度，計(jì)算排氣的流量。

此外，本發(fā)明還提供一種流量測量方法，其包括下述工序：測量在管體內(nèi)流動(dòng)的試樣流體的平均溫度或所述試樣流體的沿徑向的溫度分布；基于測量到的所述平均溫度或所述溫度分布，測量所述試樣流體的流量。

按照所述構(gòu)成的本發(fā)明，即使試樣流體的溫度存在不均，也能夠更準(zhǔn)確地測量其流量，其結(jié)果，例如能夠減少作為進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)換算時(shí)的試樣流體的流量的標(biāo)準(zhǔn)流量的誤差。

附圖說明

圖1是示意性地表示本發(fā)明一種實(shí)施方式的燃料消耗量測量裝置的整體結(jié)構(gòu)的圖。

圖2是同一實(shí)施方式的超聲波流量計(jì)的計(jì)算部的功能框圖。

圖3是使同一實(shí)施方式的平均溫度計(jì)算部計(jì)算溫度時(shí)使用的圖成為曲線圖的溫度-傳播時(shí)間相關(guān)圖。

附圖標(biāo)記說明

100···燃料消耗量測量裝置

8···管體

2···超聲波流量計(jì)

21、22···超聲波收發(fā)器

23b···溫度測量器(平均溫度計(jì)算部)

3···空燃比傳感器

4···燃料消耗量計(jì)算器(計(jì)算裝置)

具體實(shí)施方式

下面，參照附圖，對本發(fā)明的燃料消耗量測量裝置進(jìn)行說明。

本實(shí)施方式的燃料消耗量測量裝置100測量內(nèi)燃機(jī)的燃料消耗量，如圖1所示，其包括：排氣流過的管體8，串聯(lián)安裝在內(nèi)燃機(jī)的排氣管上；空燃比傳感器3，測量空燃比；作為排氣流量測量裝置的超聲波流量計(jì)2，測量在所述管體8內(nèi)流動(dòng)的排氣的流量；溫度傳感器6和壓力傳感器7，分別測量溫度和壓力；以及作為燃料消耗量計(jì)算器的計(jì)算裝置4，基于通過所述各傳感器等得到的測量值，計(jì)算內(nèi)燃機(jī)的燃料消耗量fe等。

所述管體8例如由不銹鋼制成，與排氣管連續(xù)地串聯(lián)連接，使從內(nèi)燃機(jī)排出的排氣的全部的量在該管體8中流通。

在所述管體8的外側(cè)周面上安裝有加熱器h，將該管體8加熱到大約100℃，防止排氣中的各種成分凝結(jié)在所述管體8的內(nèi)壁面上。

所述空燃比傳感器3是以貫通的方式安裝于所述管體8的管壁的直插型傳感器，在此配置在所述超聲波流量計(jì)2的下游側(cè)。所述空燃比傳感器3是二氧化鋯式傳感器，該二氧化鋯式傳感器在二氧化鋯(zro2)固體電解質(zhì)體的兩面上設(shè)置有電極，檢測與所述兩面的氧濃度差對應(yīng)的電動(dòng)勢。具體地說，空燃比傳感器3包括：檢測部31，內(nèi)置有所述二氧化鋯固定電解質(zhì)、所述電極和用于對所述固定電解質(zhì)進(jìn)行加熱的加熱器等；以及計(jì)算單元32，根據(jù)所述電動(dòng)勢來測量排氣中的氧濃度，并且根據(jù)所述氧濃度計(jì)算空燃比。另外，可以省略所述計(jì)算單元32的全部或一部分功能，并且使后述的計(jì)算裝置4具有所述功能。

所述超聲波流量計(jì)2具有：成對的第一超聲波收發(fā)器21和第二超聲波收發(fā)器22，以相對于所述管體8的軸向傾斜的方式相互相對配置；以及計(jì)算單元23。

所述成對的第一超聲波收發(fā)器21和第二超聲波收發(fā)器22安裝在所述管體8的管壁上。

計(jì)算單元23是具有cpu和存儲(chǔ)器等的計(jì)算機(jī)，通過按照存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器內(nèi)的規(guī)定的程序使所述cpu及其外圍設(shè)備協(xié)同動(dòng)作，發(fā)揮作為傳播時(shí)間檢測部23a、作為溫度測量器的平均溫度計(jì)算部23b和排氣流量計(jì)算部23c等的功能。另外，可以省略所述計(jì)算單元23的一部分或全部的功能，并且使后述的計(jì)算裝置4具有所述功能。

接著，對所述傳播時(shí)間檢測部23a～排氣流量計(jì)算部23c各部分進(jìn)行說明。

所述傳播時(shí)間檢測部23a通過向一方的超聲波收發(fā)器21(或超聲波收發(fā)器22)輸出發(fā)送信號，并且從另一方的超聲波收發(fā)器22(或超聲波收發(fā)器21)取得接收信號，檢測超聲波脈沖的傳播時(shí)間亦即向下游方向的超聲波的傳播時(shí)間(以下也稱為順向傳播時(shí)間)和向上游方向的超聲波的傳播時(shí)間(以下也稱為逆向傳播時(shí)間)。

平均溫度計(jì)算部23b將通過所述傳播時(shí)間檢測部23a得到的聲波的順向傳播時(shí)間和逆向傳播時(shí)間以及通過空燃比傳感器得到的空燃比作為參數(shù)，計(jì)算排氣的溫度。

首先，對能夠根據(jù)所述參數(shù)計(jì)算排氣溫度的概念性理由進(jìn)行說明。

由于如果溫度變化，則超聲波的傳播速度(音速)變化，所以通過測量該音速，能夠計(jì)算排氣的溫度。但是，音速也因排氣密度而變化，然而由于根據(jù)作為空燃比傳感器的測量值的空燃比，得到排氣的成分，也得到其密度，所以能夠根據(jù)所述參數(shù)計(jì)算排氣的溫度。

更具體地進(jìn)行說明。

在音速c[m/s]與、所述順向傳播時(shí)間tdn[s]、逆向傳播時(shí)間tup[s]和超聲波收發(fā)器21、22之間的距離l[m]之間具有以下關(guān)系。

[數(shù)學(xué)式1]

此外，在音速c和溫度t之間具有以下關(guān)系。

[數(shù)學(xué)式2]

其中，κ是排氣的比熱比，r是氣體常數(shù)，m是排氣的平均分子量。

根據(jù)所述數(shù)學(xué)式1和數(shù)學(xué)式2可以導(dǎo)出以下的數(shù)學(xué)式。

[數(shù)學(xué)式3]

在所述數(shù)學(xué)式3中，由于右邊第一項(xiàng)可以根據(jù)空燃比求出，并且l已知，所以只要測量順向傳播時(shí)間tdn和逆向傳播時(shí)間tup，就能夠根據(jù)其倒數(shù)和求出排氣溫度tex。

另外，簡單地說，通過將排氣的組成看作始終大體不變，并且將右邊第一項(xiàng)作為常數(shù)，可以求出排氣溫度tex。在這種情況下，可以不使用空燃比。即，也可以僅將順向傳播時(shí)間tdn和逆向傳播時(shí)間tup作為變量，求出排氣溫度tex。

因此，所述平均溫度計(jì)算部23b基于所述數(shù)學(xué)式3或通過進(jìn)行與其等同的計(jì)算，計(jì)算出溫度tex。

實(shí)際上，針對每個(gè)作為空燃比傳感器的測量值的空燃比，將表示溫度t與、順向傳播時(shí)間tdn和逆向傳播時(shí)間tup的關(guān)系的曲線圖(圖3所示)作為圖存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)，所述平均溫度計(jì)算部23b將測量到的空燃比與計(jì)算出的順向傳播時(shí)間tdn和逆向傳播時(shí)間tup的倒數(shù)和應(yīng)用于所述圖，計(jì)算出溫度tex。

但是，由于基于超聲波沿著排氣的徑向得到所述溫度tex，所以可以將所述溫度tex視為沿著排氣的徑向的溫度的平均值。

所述排氣流量計(jì)算部23c接收所述平均溫度計(jì)算部23b計(jì)算出的排氣溫度tex，根據(jù)包含所述排氣溫度tex的以下的數(shù)學(xué)式或通過進(jìn)行與其等同的計(jì)算，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的排氣流量qex。這是所謂的標(biāo)準(zhǔn)換算。此外，所述排氣流量計(jì)算部23c以能夠顯示的方式將排氣流量qex向另外設(shè)置的顯示器輸出、或向外部信息處理裝置輸出。

[數(shù)學(xué)式4]

在此，qex是所述標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的排氣體積流量[m³/min]，kprofile是基于管體8內(nèi)的排氣速度分布的修正系數(shù)，a是管體8的流道截面面積[m²]，t0是標(biāo)準(zhǔn)溫度(＝293.15)[k]，tex是排氣溫度[k]，pex是排氣壓力[kpa]，p0是標(biāo)準(zhǔn)壓力(＝101.3)[kpa]。

此外，v是能夠通過以下的數(shù)學(xué)式計(jì)算的、未考慮溫度的假設(shè)排氣流速[m/s]。從該數(shù)學(xué)式可以判明，根據(jù)順向傳播時(shí)間tdn和逆向傳播時(shí)間tup的倒數(shù)差能夠求出v。

[數(shù)學(xué)式5]

計(jì)算裝置4是專用或通用的計(jì)算機(jī)，其包括：cpu、存儲(chǔ)器、輸入輸出接口和ad轉(zhuǎn)換器等，如圖1所示，該計(jì)算裝置4收容在殼體5內(nèi)，所述殼體5以包圍的方式配置在所述管體8的外側(cè)。所述計(jì)算裝置4通過按照存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器內(nèi)的規(guī)定的程序使cpu及其外圍設(shè)備協(xié)同動(dòng)作，發(fā)揮計(jì)算燃料消耗量的功能。

具體地說，所述計(jì)算裝置4取得所述超聲波流量計(jì)2測量到的排氣流量qex和空燃比傳感器3測量到的空燃比afr，使用它們并通過以下的數(shù)學(xué)式或通過進(jìn)行與其等同的計(jì)算，逐次計(jì)算瞬時(shí)燃料消耗量fe(t)。此外，將所述瞬時(shí)燃料消耗量fe(t)的值以能夠顯示的方式向另外設(shè)置的顯示器輸出、或向外部信息處理裝置輸出。

[數(shù)學(xué)式6]

在此，fe(t)是時(shí)間t的燃料消耗率[g/s]，qex(t)是時(shí)間t的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(溫度293.15k、壓力101.3kpa)的排氣流量[l/min]，afr(t)是時(shí)間t的空燃比，dex是排氣密度[kg/m³]。

由此，如果是這樣的裝置，則能夠在管體8內(nèi)流動(dòng)的排氣的溫度下更準(zhǔn)確地測量流量，其結(jié)果，能夠減少例如作為進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)換算時(shí)的排氣流量的標(biāo)準(zhǔn)流量的誤差。

此外，由于利用超聲波流量計(jì)2的一部分功能來測量溫度，所以可以無需在管體8內(nèi)配置專用的溫度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的簡單化，并且可以使排氣沒有阻力地在管體8內(nèi)流動(dòng)。

另外，本發(fā)明并不限于所述實(shí)施方式。

例如，在所述實(shí)施方式中設(shè)置有溫度傳感器6，但是也可以利用由所述溫度傳感器6測量的測量溫度，對所述平均溫度計(jì)算部23b計(jì)算出的溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。優(yōu)選的是，所述溫度傳感器6能夠裝拆，以便能夠僅在校準(zhǔn)時(shí)使用。

此外，可以將所述溫度傳感器6的傳感器面配置在管體8的徑向中心，由于是用于校準(zhǔn)，所以也可以配置在管體8的內(nèi)壁面附近。作為流動(dòng)方向上的設(shè)置位置優(yōu)選的是超聲波流量計(jì)2的附近。

可以不利用超聲波流量計(jì)來測量排氣溫度而是在管體內(nèi)以分別沿徑向位置不同的方式預(yù)先設(shè)置多個(gè)溫度傳感器，測量排氣的徑向的溫度分布，并且根據(jù)該溫度分布來計(jì)算排氣流量。例如可以沿徑向在管體的中心、管體的內(nèi)周面附近、管體的中心與內(nèi)周面之間等兩個(gè)部位或三個(gè)以上的部位分別設(shè)置多個(gè)溫度傳感器。多個(gè)溫度傳感器作為測量在管體內(nèi)流動(dòng)的試樣流體的平均溫度或溫度分布的溫度測量器發(fā)揮功能。

如果是這樣的裝置，則由于不是基于排氣的平均溫度而是基于溫度分布進(jìn)行測量，所以能夠進(jìn)行精度更高的流量測量。但是，由于與利用所述超聲波流量進(jìn)行測量的溫度測量相比，將溫度傳感器配置在管體8內(nèi)，所以存在這些溫度傳感器成為流體阻力的缺點(diǎn)。

作為流量計(jì)并不限于超聲波流量計(jì)，也可以使用其它流量計(jì)。

不僅可以將本發(fā)明應(yīng)用于排氣，也可以將本發(fā)明應(yīng)用于其它各種各樣的試樣流體。

作為試樣流體的排氣以外的具體例子，可以例舉吸入內(nèi)燃機(jī)的空氣。可以將所述實(shí)施方式所示的結(jié)構(gòu)預(yù)先設(shè)置在作為空氣的吸入通道的管體內(nèi)，測量在管體內(nèi)流動(dòng)的空氣的平均溫度或空氣的沿徑向的溫度分布，并且基于該值測量空氣的流量。此外，本發(fā)明的測量對象并不限于氣體，也可以測量包含氣體和液體的試樣流體。

另外，本發(fā)明并不限于所述實(shí)施方式，能夠在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變形。

可以相互組合本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方式(實(shí)施例)中所記載的技術(shù)特征形成新的技術(shù)方案。