用于水蒸气管理的排气采样系统和方法与流程

用于水蒸气管理的排气采样系统和方法

背景技术：
在诸如定容采样器（CVS）的传统排气采样系统中，发动机排气利用补充气体或稀释剂来稀释，并且稀释后的排气的样本按比例地提取并存储在一个或多个样本袋中。根据发动机的大小、驱动循环和环境条件，选择包括补充气体和发动机排气两者的CVS总流量，以确保被稀释的排气样本在被存储于袋中时不使水凝结。除了确定适当的CVS总流量，某些系统利用诸如预充气体的气体填充样本袋，以避免袋压缩。某些其它系统向样本袋施加热，使得样本的温度维持在露点以上。

技术实现要素：
公开了一种包括多个排气采样系统分区的排气采样系统。这些分区至少是采样管道、填充电路和读取电路。控制器被编程为预测为了避免在这些排气采样系统分区之一中凝结的最小稀释比。该控制器进一步被编程为运行试验程序，在该试验程序中，排气的样本利用补充气体以所选择的最小稀释比被稀释，所选择的最小稀释比大于或等于所预测的最小稀释比。进一步公开了预测在试验程序过程中是否发生凝结的方法。根据以下附图和具体描述，能够最佳地理解本公开的这些和其它特点。附图说明各附图可以简要描述如下：图1是示例性排气采样系统的示意图。图2是另一示例性排气采样系统的示意图。图3是图示用于针对试验程序选择最小稀释比的示例性步骤的流程图。图4是图示用于确定试验程序是否失效的示例性步骤的流程图。图5是在图4的流程图中考虑的发动机性能的示例。图6是图示用于确定试验是否失效的示例性步骤的另一流程图。图7是在图6的流程图中考虑的滑动平均（runningaverage）的示例。具体实施方式图1中示出示例性排气采样系统10的示意图。具体地，所图示的系统10是CVS。在美国专利No.7,559,262中呈现了一种示例性CVS，该美国专利的全部内容通过引用被合并于此。然而，应当理解，该应用扩展到其它类型的排气采样系统，而不限于所图示的系统10的特殊性。示例性系统10包括采样管道12，采样管道12被配置为接收补充空气14和来自发动机18的排气16。补充空气14经由形成在采样管道的一端中的入口20导向采样管道12。在该示例中，入口20配有过滤器22。在入口20的对面放置有泵24，以将期望量的补充空气抽吸到采样管道12中。排气16经由尾管26被导入采样管道12中。如在本文中所使用的，术语“排气”指代从发动机排出的各种流体（包括气体和水蒸汽）以及悬浮在其中的颗粒物（PM）。PM通常从发动机排出，并且一般包括呈元素形式的含碳物质（或烟灰）和呈挥发性和半挥发性碳氢化合物的含碳物质（这可以是SOF或可溶有机馏分）以及其他有机和无机化合物（例如硫酸盐）。上面论述的补充空气可以是诸如环境空气的任何类型稀释剂，其中稀释剂的水浓度是已知的或可容易确定的。如图示的，采样管道12进一步包括混合器28、隧道30、热交换器32以及测量装置34。在美国专利No.7,559,262中呈现了这些部件的详细论述。尽管采样管道在该示例中包括这些部件28、30、32、34，但该应用扩展到其它类型的采样管道，包括没有这些部件的管道。入口20和尾管26的下游是用于提取补充气体14和排气16的混合物的样本的采样器36。补充气体14和排气16的混合物在本文中是指被稀释的排气。通过采样器36采样的样本是指被稀释的排气样本。在采样器36的下游，被稀释的排气样本被引导通过填充电路38。在该示例中，填充电路包括阀40、泵42以及流量计44。填充电路38进一步包括通向相应样本袋48的独立可调节阀46。尽管填充电路38被示出包括阀40、泵42以及流量计44，但根据需要，该填充电路可以包括部件的任意组合。如在本文中所使用的，术语“填充电路38”的使用是指采样系统10的、位于采样管道12的下游和采样袋48的上游的部分。在某些示例中，术语“填充电路”可以包括采样器36。如所图示的，填充电路38将被稀释的排气样本引导至两个样本袋48，然而，该应用扩展到包括任何数量的袋（包括仅一个样本袋）的公开。根据样本袋48的数量，可以相应地调节阀46的数量。袋48的下游是读取电路50，读取电路50包括独立可调节的阀52、泵54、流量计55以及排放分析仪56，排放分析仪56可以是台式分析单元。与填充电路38一样，读取电路50可以包括期望部件的任意组合。如在本文中所使用的，术语“读取电路50”是指采样系统10的、位于袋48下游的部分。控制器58，可以是任意类型的已知计算机，包括具有存储该控制器可执行的指令的能力的计算机可读介质。控制器58进一步与所公开的系统部件中的每一个进行通信。例如，该控制器可操作地控制并监测发动机18，并且进一步能够独立地操作各个泵24、42、54和阀40、46、52。系统10的变体落入本公开的范围内。例如，在一个变体中，系统10在利用被稀释的排气样本填充样本袋48之前，利用来自源60的诸如预充气体的气体填充这些袋，以确保在分析仪56处的精确测量。在美国专利No.7,559,262中公开了这种系统。该公开扩展到不包括预充特点的系统。该公开进一步扩展到单独包括后充特点的系统或者包括与预充特点结合的后充特点的系统。在另一示例中，系统10包括微型稀释器62，例如图2所示的一个。在图1和图2之间，相似的附图标记用于指示相似的元素。在图2中，来自发动机18的排气16被导入采样管道12中，并且被采样器36采样。排气样本在混合器64处利用来自微型稀释器62的补充气体稀释。包括微型稀释器的示例性系统是公开号为2010/0000339的美国专利申请，该美国专利申请的全部内容通过引用被合并于此。返回参照图1，示例性排放试验程序通过将排气16从发动机18导入到采样管道12中，并且利用补充空气14以在试验程序之前选择的最小稀释比DRCVS-MIN稀释排气16来进行，如下面将说明的。为了以所选择的最小稀释比稀释排气16，控制器58被编程为指令泵24将适当量的补充空气14抽吸到采样管道中。在图2的示例中，稀释通过从控制器58到微型稀释器62的指令在混合器64处发生。被稀释的排气样本通过填充电路38从采样管道12被引导至样本袋48。被稀释的排气样本在试验程序过程中被收集在样本袋48中。在试验程序之后，被稀释的排气样本从样本袋48下游被引导至读取电路50，并最终被引导至达分析仪56。在诸如上面所述的示例性程序的试验程序过程中，凝结在被稀释的排气样本中的形成不仅导致不精确的试验结果，而且特定法规禁止在样本袋内部存在凝结。新的法规甚至更严格，并且禁止不仅仅在样本袋48中形成凝结。换言之，如果在试验程序过程中，在采样系统10中的任何点发生凝结，则新的法规有效地致使该试验程序失效（compromise），并且将要求新的试验程序。因此，在针对排气16选择最小稀释比DRCVS-MIN时，该公开不仅考虑样本袋48，而且可替代地或者另外地还考虑读取电路38、填充电路50以及采样管道12中的至少一个。一般而言，根据以下公式定义稀释比DRCVS：其中Qm是补充气体14的流量，并且Qex是排气16的流量。一旦选择DRCVS-MIN（例如，将DRCVS设定为DRCVS-MIN），如下面论述的，则根据以下公式提供采样管道中的流量Qcvs：QCVS=DRCVS-MIN·Qex-ave其中Qex-ave是试验程序过程中期望的平均排气16流量。可替代地，Qex-ave可以是该程序过程中排气16流量的滑动平均。给定DRCVS-MIN，控制器58可操作地提供适当的Qcvs。如上面总体提及的，凝结的问题能够通过利用补充气体14过度地稀释排气16而避免。然而，由于补充气体14在被稀释的排气样本中的高含量，这将会导致极其难以分析的排气样本。因此，在此公开的一个示例中，选择最小稀释比DRCVS-MIN，使得其尽可能的低，同时又高的足以避免在排气采样系统10的各种部件内的凝结。为了得出该最佳的DRCVS-MIN，分别确定为避免在填充电路38、袋48、读取电路50以及采样管道12中凝结的稀释比，并且设定排气16的最小稀释比，使得其高于或等于预测稀释比的最大值。具体地，参照图3，在68处预测为避免在填充电路38中凝结的最小稀释比DRfill-min，并将其定义为如下：其中，Wex-max是试验程序过程中排气中的期望最大水浓度，Wfill-sat是试验程序过程中将与填充电路38相关联的期望饱和水浓度，并且Wm是试验过程序程中补充气体中的期望水浓度。在一个示例中，根据以下公式确定Wfill-sat：其中，PH2O-vap是利用已知方法（例如，查找表）识别的饱和蒸汽压。在另一示例中，PH2O-vap是利用作为指南的某些联邦法规而识别。在该示例中，输入温度Tfill是在给定的试验程序过程中填充电路38中被稀释的排气样本的期望平均温度。Pfill是在该试验程序过程中填充电路38中被稀释的排气样本的期望平均压力。Tfill和Pfill可以通过考虑环境条件以及例如在之前的类似试验过程中提供的Tfill和Pfill...