JP5569383B2 - Pulsating flow measurement method and gas flow measurement device - Google Patents
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Description
本発明は、ラミナー式流量計を用いた脈動流の流量測定方法およびガス流量測定装置の技術に関する。 The present invention relates to a technique for measuring a pulsating flow rate using a laminar flow meter and a gas flow rate measuring device.
流体(気体)の流量測定に用いられる流量計として、ラミナー式流量計が知られている。ラミナー式流量計は、レイノルズ数が十分に小さい層流においては、流体の粘性抵抗による圧力降下(差圧)が、流体の流速(流量)に比例するというハーゲン・ポアズイユの法則を利用するものであり、微小流量を高精度に測定できるという特性を有している。
ハーゲン・ポアズイユの法則は、体積流量をQ(m3)、円管直径をd(m)、圧力測定点間の距離をL(m)、圧力測定点間の差圧をΔP(Pa)、流体の粘度をμ(Pa・s)と規定するとき、以下に示す数式1の関係が成立するというものである。
A laminar flow meter is known as a flow meter used for measuring a flow rate of a fluid (gas). The laminar flow meter uses Hagen-Poiseuille's law in a laminar flow with a sufficiently small Reynolds number that the pressure drop (differential pressure) due to the viscous resistance of the fluid is proportional to the flow velocity (flow rate) of the fluid. Yes, it has the characteristic that a minute flow rate can be measured with high accuracy.
Hagen-Poiseuille's law is that the volume flow rate is Q (m 3 ), the diameter of the circular tube is d (m), the distance between the pressure measurement points is L (m), the differential pressure between the pressure measurement points is ΔP (Pa), When the viscosity of the fluid is defined as μ (Pa · s), the relationship of Formula 1 shown below is established.
このような特性を有するラミナー式流量計を用いて、自動車(エンジン)から排出される排気ガス等の脈動流の流量を測定する技術があり、例えば、以下に示す特許文献1にその技術が開示され公知となっている。
特許文献1に開示された従来技術では、排気管の直後にラミナー式流量計を配置して、該ラミナー式流量計によって、自動車(エンジン)から排出される排気ガスの全流量を測定する構成としている。
There is a technique for measuring the flow rate of a pulsating flow such as exhaust gas discharged from an automobile (engine) using a laminar flow meter having such characteristics. For example, the technique is disclosed in
In the prior art disclosed in
ラミナー式流量計は、測定対象たる流体の流れが、レイノルズ数の十分に小さい層流である場合には、図8に示すグラフ(1)のように、測定結果(即ち、差圧と流量の関係)が線形となるが、流れ場がレイノルズ数の十分に小さい層流でない場合には、図8に示すグラフ(2)のように、測定した差圧と流量の線形性が崩れ(即ち、非線形になり)、既知の流量(真の流量)である基準流量と測定流量が一致しない(即ち、測定誤差が生じる)ことが判明している。 When the fluid flow to be measured is a laminar flow with a sufficiently small Reynolds number, the laminar flow meter can measure the measurement results (ie, the differential pressure and the flow rate) as shown in the graph (1) in FIG. Relationship) is linear, but if the flow field is not a laminar flow with a sufficiently small Reynolds number, the linearity of the measured differential pressure and flow rate collapses as shown in graph (2) in FIG. It has been found that the reference flow rate, which is a known flow rate (true flow rate), does not match the measured flow rate (that is, a measurement error occurs).
一般的に脈動流の流量を測定する場合には、流量計の上流側にサージタンク等のバッファを設けて、脈動を機械的にカットして測定誤差を抑制する対策がとられるが、例えば、ラミナー式流量計をエンジンにおけるEGRガスラインに実装し、EGRガスの流量測定に用いるような場合には、エンジン性能に影響を与えるため、バッファを設けることができない。 Generally, when measuring the flow rate of a pulsating flow, a buffer such as a surge tank is provided on the upstream side of the flow meter, and measures are taken to suppress measurement errors by mechanically cutting the pulsation. When a laminar type flow meter is mounted on an EGR gas line in an engine and used for measuring the flow rate of EGR gas, the engine performance is affected, so that a buffer cannot be provided.
また、排気管から出た(開放された)後に排気ガスの流量を測定する場合には、ラミナー式流量計の圧力損失や大きさはあまり問題とはならないが、ラミナー式流量計をエンジンに実装する場合には、EGRガスの流れを可能な限り阻害しないように、ラミナー式流量計を低圧損化することが必要になり、また、エンジン回りのスペースに実装するためには、ラミナー式流量計を小型化することが必要になる。
そして、ラミナー式流量計を低圧損化および小型化した場合には、低圧損化および小型化をしない場合に比して、ラミナー式流量計を通過する流体の流速が増大する。
このため、ラミナー式流量計の低圧損化および小型化を図ってエンジンに実装をした場合には、ラミナー式流量計の測定対象たるEGRガスの流れが、レイノルズ数の十分に小さい層流ではなくなってしまうため、ラミナー式流量計によって、EGRガスの流量を正確に測定することが困難になるという問題があった。
Also, when measuring the exhaust gas flow rate after exiting (opening) the exhaust pipe, the pressure loss and size of the laminar flow meter are not a problem, but the laminar flow meter is mounted on the engine. In order to prevent the flow of EGR gas from being disturbed as much as possible, it is necessary to reduce the laminar flow meter at a low pressure, and in order to mount it in the space around the engine, the laminar flow meter It is necessary to reduce the size.
When the laminar flow meter is reduced in pressure and reduced in size, the flow velocity of the fluid passing through the laminar flow meter increases as compared to the case where the low pressure loss and downsizing are not performed.
For this reason, when the laminar flow meter is mounted on an engine with low pressure loss and downsizing, the flow of the EGR gas that is the measurement target of the laminar flow meter is not a laminar flow with a sufficiently small Reynolds number. Therefore, there has been a problem that it is difficult to accurately measure the flow rate of EGR gas with a laminar flow meter.
また、ラミナー式流量計を用いた脈動流の流量測定においては、図9(a)に示すように、流量が既知である基準流量を測定した場合に、真の流量Zに対して測定流量が少ない値として測定される傾向にあることが判明している。
ラミナー式流量計では、上流側と下流側に一定の距離(距離L、数式1参照)だけ離間した位置で測定した各圧力の差圧に基づいて流量を算出するようにしている。この上流側と下流側の各圧力は、厳密には同じ時刻における同じガスの流れの圧力ではなく、上流側と下流側の各圧力には位相差が存在している。
定常流の流量測定においては、この位相差は測定誤差を生じさせる要因とはならないが、脈動流の流量測定においては、この位相差に起因して測定誤差が生じるものと考察できる。
Further, in the flow rate measurement of the pulsating flow using the laminar flow meter, when the reference flow rate with the known flow rate is measured as shown in FIG. It has been found that it tends to be measured as a low value.
In the laminar flow meter, the flow rate is calculated based on the differential pressure of each pressure measured at a position separated from the upstream side and the downstream side by a certain distance (distance L, see Formula 1). Strictly speaking, the pressures on the upstream side and the downstream side are not the pressures of the same gas flow at the same time, but there is a phase difference between the pressures on the upstream side and the downstream side.
In steady flow rate measurement, this phase difference does not cause a measurement error, but in pulsating flow rate measurement, it can be considered that a measurement error occurs due to this phase difference.
ここで、上流側と下流側の各圧力の位相差に起因して測定誤差が生じるものとした考察について、さらに検討をする。
上流側と下流側の各圧力の位相差を考慮して、差圧ΔPを机上においてシミュレーションすると、差圧ΔPは以下に示す数式2のように表すことができる。
尚、以下に示す数式2では、上流側の圧力測定部における圧力をP1、下流側の圧力測定部における圧力をP2、位相差をα、脈動周波数をf、脈動振幅をA・B、差圧ΔPのDC成分(オフセット値)をΔPDCと規定している。
Here, further discussion will be made on the consideration that a measurement error occurs due to the phase difference between the upstream and downstream pressures.
When the differential pressure ΔP is simulated on the desk in consideration of the phase difference between the upstream and downstream pressures, the differential pressure ΔP can be expressed as
In
そして、この数式2を用いたシミュレーションにより算出した差圧ΔPから、流量を算出すると、差圧と流量の関係は図9(b)に示すようなグラフとして表される。
この図9(b)では、真の流量Zに対して、算出した流量が少ない値として算出される傾向が示されており、この傾向は、図9(a)に示すラミナー式流量計により脈動流を実際に測定した場合の測定結果における傾向と良く一致している。
Then, when the flow rate is calculated from the differential pressure ΔP calculated by the
FIG. 9B shows a tendency that the calculated flow rate is a small value with respect to the true flow rate Z, and this tendency is pulsated by a laminar flow meter shown in FIG. 9A. It is in good agreement with the trend in the measurement results when the flow is actually measured.
さらに、差圧の各平均値(即ち、ΔPDC)p1・p2が同じ(p1=p2)であり、また各脈動周波数f1・f2も同じ(f1=f2)であって、各脈動振幅A1・A2のみが異なっている(A1<A2)条件とした図10(a)(b)に示すような二つのモデル波形W1・W2を用いて、机上のシミュレーションを行う。 Further, each average value of differential pressure (ie, ΔP DC ) p 1 · p 2 is the same (p 1 = p 2 ), and each pulsation frequency f 1 · f 2 is also the same (f 1 = f 2 ). Then, using two model waveforms W 1 and W 2 as shown in FIGS. 10A and 10B under the condition that only the pulsation amplitudes A 1 and A 2 are different (A 1 <A 2 ). , Do a desktop simulation.
そして、このような各モデル波形W1・W2に基づいて算出した各平均流量q1・q2を比較すると、図10(a)(b)に示すように、各平均流量q1・q2は、q1>q2となり、脈動振幅がより大きいモデル波形W2の場合に、平均流量の値がより小さくなっている。
さらに、脈動振幅の大きさを種々変更してシミュレーションを行った場合にも、脈動振幅がより大きいモデル波形の場合に、平均流量の値がより小さくなることが確認された。
When comparing the respective average flow rate q 1 · q 2 calculated based such each model waveform W 1 · W 2, as shown in FIG. 10 (a) (b), the mean flow rate q 1 · q 2 is q 1 > q 2 , and in the case of the model waveform W 2 having a larger pulsation amplitude, the value of the average flow rate is smaller.
Furthermore, even when simulation was performed with various changes in the magnitude of the pulsation amplitude, it was confirmed that the average flow rate was smaller in the case of a model waveform with a larger pulsation amplitude.
このようなシミュレーション結果から、ラミナー式流量計を用いて脈動流を測定した場合の流量は脈動振幅と相関しており、脈動振幅が大きくなるに従って測定誤差が大きくなり、また、脈動振幅が小さくなる(即ち、定常流に近づく)に従って測定誤差が小さくなることが判明した。
即ち、ラミナー式流量計による脈動流の流量測定において生じる測定誤差は、脈動振幅の大きさに影響を受けているものと考察される。
From such simulation results, the flow rate when pulsating flow is measured using a laminar flow meter correlates with the pulsation amplitude, and the measurement error increases as the pulsation amplitude increases, and the pulsation amplitude decreases. It was found that the measurement error becomes smaller as it approaches the steady flow.
That is, it is considered that the measurement error generated in the flow rate measurement of the pulsating flow by the laminar flow meter is influenced by the magnitude of the pulsation amplitude.
このように、ラミナー式流量計は、測定結果が脈動振幅による影響を受けるという特性を有しているため、ラミナー式流量計の低圧損化および小型化を図った場合であって、さらに、測定対象たる流体の流れが脈動流である場合には、流体の流量を正確に測定することが困難であるという問題があった。 As described above, the laminar flow meter has a characteristic that the measurement result is influenced by the pulsation amplitude. Therefore, the laminar flow meter is a case where the laminar flow meter is reduced in pressure and reduced in size. When the flow of the target fluid is a pulsating flow, there is a problem that it is difficult to accurately measure the flow rate of the fluid.
本発明は、斯かる現状の課題を鑑みてなされたものであり、ラミナー式流量計の測定対象たるガスの流れが、レイノルズ数が十分に小さい層流でない脈動流であっても、ガスの流量を正確に測定することができる脈動流の流量測定方法およびガス流量測定装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such a current problem, and even if the gas flow to be measured by the laminar flow meter is a pulsating flow that is not a laminar flow having a sufficiently small Reynolds number, the gas flow rate is It is an object of the present invention to provide a pulsating flow rate measuring method and a gas flow rate measuring apparatus capable of accurately measuring the flow rate.
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。 The problem to be solved by the present invention is as described above. Next, means for solving the problem will be described.
即ち、請求項1においては、ラミナー式流量計を用いた脈動流の流量測定方法であって、測定前の準備において、測定の対象とする脈動周波数を複数設定するとともに、流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量を設定し、設定した各脈動周波数と設定した各基準流量とを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅を変化させながら、前記ラミナー式流量計によって流量を測定し、前記各測定パターンにおける測定結果を多項式近似して、前記ラミナー式流量計による測定流量と脈動振幅との関係を表す多項式関数を測定パターンごとに算出しておき、測定において、当該測定の測定条件に最も近似する測定パターンを前記各測定パターンから選択するとともに、選択した測定パターンにおいて算出された前記多項式関数を用いて、前記多項式関数に、脈動振幅を0として代入したときの値に基づいて、前記ラミナー式流量計により測定したガスの流量を補正するものである。
That is, in
請求項2においては、ガス流量の測定を行うラミナー式流量計と、測定の対象とする脈動周波数が複数設定されるとともに、流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量が設定され、設定された各脈動周波数と設定された各基準流量とを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅を変化させながら、前記ラミナー式流量計によって測定した結果を多項式近似して、前記各測定パターンにおいて、前記ラミナー式流量計による測定流量と脈動振幅との関係を表す多項式関数を算出し、測定時における測定条件に最も近似する測定パターンを前記各測定パターンから選択するとともに、選択した測定パターンにおいて算出された前記多項式関数を用いて、前記ラミナー式流量計により測定したガスの流量を、前記多項式関数に、脈動振幅を0として代入したときの値に基づいて補正するコントローラと、を備えるものである。
In
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。 As effects of the present invention, the following effects can be obtained.
請求項1においては、ラミナー式流量計により、レイノルズ数が十分に小さい状態ではない脈動流の流量を精度良く測定することができるとともに、ラミナー式流量計による測定流量の補正値を、精度良く真の流量に近づけることができる。
In
請求項2においては、ラミナー式流量計において、レイノルズ数が十分に小さい状態ではない脈動流の流量を精度良く測定することができるとともに、測定流量の補正値を、精度良く真の流量に近づけることができる。
In
次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置の全体構成について、図1を用いて説明をする。
図1に示す如く、本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置1は、管内を流れるガスの流量を測定するための装置であって、ラミナー式流量計2、差圧検出部3、コントローラ4等を備えている。
Next, embodiments of the invention will be described.
First, the overall configuration of a gas flow rate measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 1, a gas flow
ラミナー式流量計2は、フランジ等の接続手段により測定対象たる流れ場を形成する配管部材5・5の中途部に気密的に接続されている。
さらにラミナー式流量計2について詳述すると、ラミナー式流量計2は、その内部にエレメント2aを備えている。また、ラミナー式流量計2は、エレメント2aを通過するガスのエレメント2aの上流側における圧力P1を検出するための部位である上流側圧力検出部2bと、該圧力検出部2bから軸心方向に距離Lだけ離間した位置においてエレメント2aの下流側における圧力P2を検出するための部位である下流側圧力検出部2cを備えている。
The
Further, the
各圧力検出部2b・2cは、それぞれ導管6・7によって差圧検出部3に接続されており、該差圧検出部3によって、圧力P1と圧力P2の差圧ΔP(即ち、ΔP=P1−P2)を検出する構成としている。
また、エレメント2aの内部には、温度センサ8・9が挿入されており、エレメント2aを通過するガスの温度Tを検出する構成としている。
The
Further,
コントローラ4は、ラミナー式流量計2および差圧検出部3により検出した差圧ΔPと、各温度センサ8・9により検出した温度Tおよびラミナー式流量計2の入口におけるガスの絶対圧力Pinの各情報に基づいて、ガスの質量流量Geを演算するための装置であり、差圧検出部3および各温度センサ8・9に接続されている。
そして、コントローラ4には、差圧検出部3から差圧ΔPに係る信号と、各温度センサ8・9からは、各温度T1・T2に係る信号が入力される。また、コントローラ4には、ラミナー式流量計2の入口において検出した絶対圧力Pinも入力される。
The
The
尚、本実施形態では、コントローラ4に入力される絶対圧力Pinとしては、上流側の圧力P1を採用している。また、本実施形態では、コントローラ4によって、上流側の温度センサ8により検出した温度T1と下流側の温度センサ9により検出した温度T2の平均値(即ち、(T1+T2)/2)を算出し、この平均値をエレメント2a内部におけるガスの温度Tとして採用している。
In the present embodiment, the absolute pressure P in input to the
また、コントローラ4は、検出した差圧ΔPから、その差圧ΔPを検出したときの脈動振幅を算出することもできる。
The
そして、コントローラ4は、以下の数式3〜数式7に基づいて、ガス質量流量Geを算出する。
尚、以下に示す数式3〜数式7においては、ガス質量流量をGe(g/L)、ガス温度をT(K)、ガス密度をρEX(g/L)、実体積流量をQope(g/L)、20℃・1atmの状態に換算した標準換算体積流量をQstp、20℃における空気の粘性係数をμ20(Air)、T(K)におけるガスの粘性係数をμT(EX)、20℃における流量係数をK20、ラミナー式流量計2の入口におけるガスの絶対圧力をPin(kPa)、と規定している。
また、数式4中に示すaおよびbは、各ラミナー式流量計2に固有の定数であり、ラミナー式流量計2の校正により求められる値である。
Then, the
In the following
Further, a and b shown in
次に、本実施形態に係るガス流量測定装置1における流量の補正方法について、図2〜図4を用いて説明をする。
本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置1は、ラミナー式流量計2を用いて測定した流量が脈動振幅と相関関係にあるという考察結果に着目し、この相関関係を利用して測定流量を補正するものであり、これによって、ガスの流れがレイノルズ数の十分に小さい層流ではなく、かつ脈動流であっても、精度良く流量の測定を行うことを可能にするものである。
尚、本実施形態では、図2に示すような検定装置20を用いる場合を例示して説明をする。
Next, a flow rate correction method in the gas flow
The gas flow
In the present embodiment, the case where the
図2に示す如く、検定装置20は、ラミナー式流量計2の検定を行ったり(即ち、数式4における各定数a・bを算出したり)、後述する学習運転を行ったりするための装置であり、基準流量計21、ブロア22、回転バルブ23、絞りバルブ24およびこれらの各部を連通する風管25・25・・・等を備えている。
As shown in FIG. 2, the
基準流量計21は、既に検定等がなされ、測定対象たるガスの流れに対して流量の測定精度が確保されている流量計である。検定装置20では、基準流量計21による流量の測定値を真の流量として採用する。
ブロア22は、例えば、回転数をインバータ制御等することにより送風量を変更することができる送風機である。
回転バルブ23は、弁体を回転させることによって、流路の開状態と閉状態を周期的に切り換えることができる弁装置であり、弁体の回転数を変更することによって、ガスの流れの脈動周波数を調整することができる。
絞りバルブ24は、測定対象たるガスの流路における管内抵抗を調整するための弁装置であり、絞りバルブ24の開度を変更することによって、ガスの流れの脈動振幅を調整することができる。
さらに、検定装置20は、ラミナー式流量計2による測定対象たる流れ場の温度条件を整えるためのヒータ26等も備えている。
そして、検定装置20は、測定対象たるガスの平均流量、脈動周波数、脈動振幅等の各条件を変化させることができ、測定対象たるガスの真の流量を把握しつつ、脈動周波数や脈動振幅が異なる種々のパターンのガスの流れを再現することができる。
The
The
The
The
Furthermore, the
The
ここで、図2に示す検定装置20の使用方法の一例を、説明をする。
まず、回転バルブ23の回転数(即ち、脈動周波数R)を、一定とする。例えば、図3では、回転数を1000(rpm)(即ち、脈動周波数R=66.67(Hz))に固定した場合を例示している。
ここでは、絞りバルブ24の設定により、ガスの流れを定常流(即ち、脈動振幅が「0」)としておく。
そして、基準流量計21の測定値により流量を確認しながら、ブロア22の送風量を変更する。
この状態で、ラミナー式流量計2による測定を行い、差圧ΔPと測定流量yとの関係を得ておく。
そして、この測定結果から、ラミナー式流量計2に固有の各定数a・b(数式4参照)が得られる。例えば、本実施形態において各係数a、bは、a=18.53、b=−0.2411として導出される。
Here, an example of the usage method of the test |
First, the rotational speed (that is, pulsation frequency R) of the
Here, the gas flow is set to a steady flow (that is, the pulsation amplitude is “0”) by setting the
Then, the air flow rate of the
In this state, measurement is performed with the
Then, from this measurement result, constants a and b (see Formula 4) specific to the
次に、同じく回転バルブ23の回転数回転数を1000(rpm)(即ち、脈動周波数R=66.67(Hz))に固定した状態で、基準流量計21の測定値を、1〜10(L/S)の範囲で、1(L/S)ずつステップ状に変化させた各測定パターンを設定する。
尚、以下では、基準流量計21の測定値を基準流量Qaと呼ぶ。
また、基準流量Qaのステップ幅をどの程度に設定するかは、ラミナー式流量計2の使用条件や使用目的等に応じて適宜設定する。
Next, in the same manner, the measured value of the
In the following, the measurement value of the
In addition, how much the step width of the reference flow rate Q a is set is appropriately set according to the use conditions, the purpose of use, etc. of the
次に、例えば基準流量Qaを、1(L/S)に設定した測定パターンにおいて、絞りバルブ24の開度を変更して、脈動振幅xを変化させる。
本実施形態では、脈動振幅xを、1〜3(kPa)の範囲で、0.5(kPa)ずつステップ状に変化させるようにしている。
また、脈動振幅の変更(ステップ)幅をどの程度に設定するかは、ラミナー式流量計2の使用条件や使用目的等に応じて適宜設定する。
Next, for example, in the measurement pattern in which the reference flow rate Q a is set to 1 (L / S), the opening degree of the
In this embodiment, the pulsation amplitude x is changed in steps of 0.5 (kPa) in the range of 1 to 3 (kPa).
In addition, how much the change (step) width of the pulsation amplitude is set is appropriately set according to the use conditions, the purpose of use, and the like of the
そして、1〜3(kPa)の脈動振幅である各状態において、ラミナー式流量計2によって流量の測定を行い、ラミナー式流量計2により検出した差圧ΔPや温度T等から、測定流量yを算出する。
これにより、脈動周波数Rが66.67(Hz)で、かつ、基準流量Qaが、1(L/S)であって、脈動振幅が異なる各状態におけるラミナー式流量計2の測定流量が得られ、図3中に示す基準流量Qaが1(L/S)である場合のグラフを生成することができる。
Then, in each state having a pulsation amplitude of 1 to 3 (kPa), the flow rate is measured by the
As a result, the measured flow rate of the
同様にして、さらに基準流量Qaが、2〜10(L/S)の各パターンで、脈動振幅を変化させた各状態において、ラミナー式流量計2による測定流量を得ることによって、図3に示す回転バルブ23の回転数を1000(rpm)(即ち、脈動周波数R=66.67(Hz))に固定した場合のグラフ全体が生成される。
Similarly, by obtaining the measured flow rate by the
さらに、回転バルブ23の回転数(即ち、脈動周波数R)が異なる条件(例えば、回転数が、1100rpm、1200rpm、・・・)で、同様の測定を行うことによって、図3と同様のグラフが脈動周波数Rごとに生成される。
尚、脈動周波数の変更範囲や変更単位をどの程度に設定するかは、ラミナー式流量計2の使用条件や使用目的等に応じて適宜設定する。
Furthermore, the same graph as FIG. 3 is obtained by performing the same measurement under the condition that the rotational speed (that is, the pulsation frequency R) of the
The extent to which the pulsation frequency change range and the change unit are set is appropriately set according to the use conditions and purpose of use of the
次に、生成した各グラフに基づいて、測定流量yと脈動振幅xとの相関を表す関数を算出する。
具体的には、図4に示す如く、例えば基準流量Qaが、9(L/S)であるグラフの各測定点を通過する近似曲線K9を求める。この近似曲線K9は、脈動振幅が「0」であるときには、流量が9(L/S)になるという条件の元で、例えば、多項式近似を行うことによって算出できる。
そして、近似曲線K9は、例えば、次数を4次として求めた場合には、数式8のように表される。
このようにして、脈動周波数Rが66.67(Hz)であって、かつ、基準流量Qaが9(L/S)である場合の、測定流量yと脈動振幅xの相関を表す関数が算出できる。
Next, a function representing a correlation between the measured flow rate y and the pulsation amplitude x is calculated based on each generated graph.
Specifically, as shown in FIG. 4, for example, an approximate curve K 9 that passes through each measurement point of a graph in which the reference flow rate Q a is 9 (L / S) is obtained. The approximate curve K 9 can be calculated by performing polynomial approximation, for example, under the condition that the flow rate is 9 (L / S) when the pulsation amplitude is “0”.
The approximate curve K 9 is expressed as
Thus, when the pulsation frequency R is 66.67 (Hz) and the reference flow rate Q a is 9 (L / S), a function representing the correlation between the measured flow rate y and the pulsation amplitude x is obtained. It can be calculated.
同様にして、各測定パターンにおける基準流量Qaごとに、測定流量yと脈動振幅xの相関を表す関数が算出できる。
そして、本発明の一実施形態に係る脈動流の流量測定方法では、このようにして算出した、測定流量yと脈動振幅xの相関を表す各関数を用いて、ラミナー式流量計2の測定流量yを補正する。
また、測定流量yと脈動振幅xの相関を表す各関数を算出するために、測定条件を変更しつつ行うこのような運転を学習運転と呼ぶ。
尚、近似曲線を表す近似式を算出する際には、必ずしも一旦グラフ化をする必要はなく、各測定パターンにおける基準流量Qaごとの一群の測定データから、直接近似式を算出することも可能である。
Similarly, for each reference flow Q a in each measurement pattern, function can be calculated which represents the correlation of the measured flow rate y pulsation amplitude x.
In the pulsating flow rate measuring method according to the embodiment of the present invention, the measured flow rate of the
Further, such an operation performed while changing the measurement conditions in order to calculate each function representing the correlation between the measured flow rate y and the pulsation amplitude x is referred to as a learning operation.
Note that when calculating an approximate expression representing an approximate curve, it is not always necessary to make a graph once, and it is also possible to directly calculate an approximate expression from a group of measurement data for each reference flow rate Q a in each measurement pattern. It is.
次に、測定流量yと脈動振幅xの相関を表す関数を用いた補正方法について、説明をする。
脈動周波数Rが66.67(Hz)である(図3が適用できる)測定パターンで、例えば、ラミナー式流量計2による流量の測定値が、5.0(L/S)であって、そのときの脈動振幅が、3.0(kPa)である場合を例示して説明をする。
Next, a correction method using a function representing the correlation between the measured flow rate y and the pulsation amplitude x will be described.
In the measurement pattern in which the pulsation frequency R is 66.67 (Hz) (applicable to FIG. 3), for example, the measurement value of the flow rate by the
図4に示す如く、この場合の測定値は、基準流量Qa=9(L/S)の場合に最も近いため、基準流量Qa=9(L/S)の場合の関数(即ち、数式8)を補正式として採用する。
数式8に、脈動振幅x=3(kPa)を代入したときの値は、約4.8(L/S)であり、測定値との誤差dが、およそ0.2(L/S)存在している。
As shown in FIG. 4, the measured value in this case, since the nearest in the case of the reference flow Q a = 9 (L / S ) , the reference flow rate Q a = 9 (L / S ) function in the case of (i.e., Formula 8) is adopted as a correction formula.
The value when substituting the pulsation amplitude x = 3 (kPa) into
測定値が近似曲線K9上に位置する場合には、真の流量は、数式8に脈動振幅x=0(kPa)を代入したときの値(即ち、y切片)として算出され、9(L/S)となる。
この場合の測定値は、近似曲線K9上に位置していないため、数式8に脈動振幅x=0(kPa)を代入したときの値を基準値として、さらにその基準値に誤差dを加算して、ラミナー式流量計2の測定流量を補正するようにしている。
具体的には、数式8に脈動振幅x=0(kPa)を代入したときの基準値(9(L/S))に、誤差d(0.2(L/S))を加算して、補正値を9.2(L/S)を算出する。
When the measured value is located on the approximate curve K 9 , the true flow rate is calculated as a value when the pulsation amplitude x = 0 (kPa) is substituted into Equation 8 (ie, y intercept), and 9 (L / S).
Since the measured value in this case is not located on the approximate curve K 9 , the value obtained by substituting the pulsation amplitude x = 0 (kPa) into
Specifically, the error d (0.2 (L / S)) is added to the reference value (9 (L / S)) when the pulsation amplitude x = 0 (kPa) is substituted into
次に、本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置1を用いたガス流量の測定状況について、図5〜図7を用いて説明をする。
本実施形態では、図5に示すように、エンジン10が備えるEGRライン11においてEGRガスのガス質量流量Geを測定する用途にガス流量測定装置1を使用する場合を例示して説明をする。
Next, the measurement state of the gas flow rate using the gas flow
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the case where the gas flow
エンジン10は、シリンダブロック12とシリンダヘッド13を備えており、シリンダヘッド13には、排気ポート13aと吸気ポート13bが形成されている。EGRライン11により、排気ポート13aと吸気ポート13bを連通させることによって、排気ガスの一部を吸気ポート13b側に還流させる構成としている。
また、EGRライン11は配管部材5・5によってEGRガスの流路を形成しており、該配管部材5・5の中途部にはEGRバルブ15およびEGRクーラー16を備えている。そして、EGRバルブ15の開度を変更することによって、排気ポート13aから吸気ポート13bに還流させる排気ガス(EGRガス)の流量を調整する構成としている。
The
Further, the
EGRライン11におけるEGRガスの流量を測定するためには、ラミナー式流量計2を配管部材5・5の中途部に配設する必要がある。このため、ラミナー式流量計2は、エンジン10に実装できる大きさにすべく小型化を図る必要があり、また、EGRライン11における圧力損失を極力抑える必要がある。
In order to measure the flow rate of the EGR gas in the
この場合、ラミナー式流量計2における流れ場は、小型化に伴って流速が増大するため、レイノルズ数が十分に小さい層流の状態ではなくなっている。このため、ガス流量測定装置1によりEGRライン11の流量測定を行う場合には、ラミナー式流量計2による測定結果においては、差圧と流量の関係が非線形になる。
In this case, the flow field in the
また、EGRライン11は、エンジン10の排気ポート13aと直結されているため、EGRライン11における排気ガスの流れは脈動流となっている。
EGRバルブ15の開度は、エンジン10の回転数および負荷に応じて制御されているため、EGRライン11における排気ガスの流れは、エンジン10の回転数(即ち、脈動周波数)および負荷の変化に応じて、流量が変化している。さらにエンジン10から排出される排気ガスのような脈動流では、脈動振幅が成り行きで変化している。
Further, since the
Since the opening degree of the
図6に示す如く、まず始めに、排気ガスの流れを定常流(即ち、脈動振幅が「0」)とした状態において、ラミナー式流量計2の検定を行う(STEP−1)。
ガス流量測定装置1をエンジン10に実装した状態で検定を行う場合には、EGRバルブ15の開度を調整して、排気ガスの流れを定常流としておく。
また、エンジン10の回転数(即ち、脈動周波数)を一定に保持するとともに、エンジン10に対する負荷を調整して、基準流量Qaである排気ガスを流通させる。
そして、このような運転状態において、ラミナー式流量計2による測定を行い、図3に示すものと同様の流量と差圧の関係を得る。そして、このようにして得た流量と差圧の関係から各係数a、bを導出しておく。
As shown in FIG. 6, first, the
When the verification is performed in a state where the gas flow
Further, while maintaining the rotation speed (that is, pulsation frequency) of the
And in such an operation state, the measurement by the laminar
また、ガス流量測定装置1をエンジン10に実装した状態においては、基準流量計21を用いなくとも、EGR率から基準流量Qaを算出することができる。
EGR率は、例えば、以下の数式9により算出することができる。
尚、数式9では、EGRガス質量流量をGe、吸入空気質量流量をGaと規定している
Further, the gas
The EGR rate can be calculated by, for example,
In
また、EGR率は、代用特性を用いて算出することもできる。
例えば、EGRライン11の各部においてCO2濃度を測定すれば、以下の数式10に基づいてEGR率を算出することができる。
尚、以下の数式10においては、EGRがON時の吸気ポート13bにおけるCO2濃度を[CO2]m、EGRがOFF時の吸気ポート13bにおけるCO2濃度を[CO2]b、吸気OFF時の排気ポート13aにおけるCO2濃度を[CO2]eと規定している。
The EGR rate can also be calculated using the substitute characteristics.
For example, if the CO 2 concentration is measured in each part of the
In
あるいは、空燃比に基づいて、以下の数式11からEGR率を算出することもできる。
尚、以下の数式11においては、EGRがON時の空燃比を[A/F]w/EGR、EGRがOFF時の空燃比を[A/F]w/oEGR、EGRがON時の吸気ポート13bにおける圧力を[P] w/EGR、EGRがOFF時の吸気ポート13bにおける圧力を[P] w/oEGR、EGRがON時の吸気ポート13bにおけるガス温度を[T] w/EGR、EGRがOFF時の吸気ポート13bにおけるガス温度を[T] w/oEGR、と規定している。
Alternatively, the EGR rate can be calculated from the following
In the following
そして、この数式10あるいは数式11によって算出したEGR率と、測定した吸入空気質量流量Gaを数式9に代入して、EGRガス質量流量Geを算出することができる。
このようにして算出したEGRガス質量流量Geを、検定に用いる基準流量Qa(真の流量)として採用する。
Then, the EGR gas mass flow rate Ge can be calculated by substituting the EGR rate calculated by the
The EGR gas mass flow rate Ge calculated in this way is adopted as the reference flow rate Q a (true flow rate) used for verification.
即ち、ガス流量測定装置1をエンジン10に実装している状態では、ブロア22および回転バルブ23の役割をエンジン10が果たし、絞りバルブ24の役割をEGRバルブ15が果たし、さらに、前述した数式9〜数式11に基づいて基準流量を算出すれば基準流量計21を設ける必要もないため、検定装置20を別途準備しなくても学習運転を行うことができる。
That is, in a state where the gas flow
次に、各測定パターンで、脈動振幅xを変化させつつ、ラミナー式流量計2によって、排気ガスの測定流量yを算出する(STEP−2)。
具体的には、エンジン10の回転数(即ち、脈動周波数)を一定に保持した状態で、エンジン10に所定の負荷を与えた状態(各基準流量Qa)において、EGRバルブ15の開度(脈動振幅x)を変更しながら、ラミナー式流量計2によって流量測定を行う。
Next, the measured flow rate y of the exhaust gas is calculated by the
Specifically, in a state where a predetermined load is applied to the engine 10 (each reference flow rate Q a ) with the rotation speed (ie, pulsation frequency) of the
より詳しくは、ラミナー式流量計2によって、エレメント2aの上流側における圧力P1とエレメント2aの下流側における圧力P2を測定するとともに、差圧検出部3により差圧ΔPを算出し、また、温度センサ8・9によって、エレメント2aにおける排気ガスの温度T1・T2を測定し、これらの測定結果および検定により導出した各係数a、bに基づき、コントローラ4により前述した数式2〜数式6に基づく演算を行うことによって、排気ガス質量流量Geを算出する。
More specifically, the pressure P 1 on the upstream side of the
そして、エンジン10の回転数を種々変更しつつ、同様の測定を複数回行って、エンジン10の回転数ごとに、図3と同様のグラフを生成しておく。
そして、生成した(図3と同様の)各グラフから、排気ガスの測定流量yと脈動振幅xの相関を表す関数を算出する(STEP−3)。
And the same measurement is performed in multiple times, changing the rotation speed of the
Then, a function representing the correlation between the measured flow rate y of exhaust gas and the pulsation amplitude x is calculated from each generated graph (similar to FIG. 3) (STEP-3).
次に、所定の測定パターンにおいて、脈動振幅xを成り行きとした状態で、排気ガスの流量測定を行う(STEP−4)。
補正前における測定流量yは、図9(a)に示すグラフと同様のものとなり、誤差が生じている。
Next, in a predetermined measurement pattern, the flow rate of the exhaust gas is measured in a state where the pulsation amplitude x is in order (STEP-4).
The measured flow rate y before correction is the same as the graph shown in FIG. 9A, and an error has occurred.
次に、生成した(図3と同様の)各グラフから、測定時におけるエンジン10の回転数に対応したグラフを選択する。さらに、差圧ΔPの測定値から、測定時における脈動振幅xを算出する。
そして、選択したグラフから、測定流量yおよび脈動振幅xの値が、どの基準流量Qaのグラフに最も近いかを判断する。
そして、選択した基準流量Qaに対応する補正式を用いて、測定流量yの補正を行う(STEP−5)。
このようにして各測定流量yを補正した場合の測定結果は、図7のように示される。
Next, a graph corresponding to the rotation speed of the
From the selected graph, it is determined which reference flow rate Q a is closest to the measured flow rate y and the pulsation amplitude x.
Then, by using the correction equation corresponding to the reference flow rate Q a selected, correct the measured flow rate y (STEP-5).
The measurement result when each measured flow rate y is corrected in this way is shown in FIG.
この図7に示される補正後の測定結果は、図9(a)に示される測定結果に比して測定誤差が低減されており、ラミナー式流量計2を測定対象たる流体(本実施形態では排気ガス)が、レイノルズ数が十分に小さい層流でない場合であって、かつ、脈動流である場合でも、精度の良い流量測定を実現している。 The measurement result after correction shown in FIG. 7 has a measurement error reduced as compared with the measurement result shown in FIG. 9A, and the fluid to be measured by the laminar flow meter 2 (in this embodiment, Even when the exhaust gas) is not a laminar flow with a sufficiently small Reynolds number and is a pulsating flow, an accurate flow rate measurement is realized.
即ち、本発明の一実施形態に係る脈動流の流量測定方法は、ラミナー式流量計2を用いた流量測定方法であって、測定前の準備において、測定の対象とする脈動周波数を複数設定するとともに、流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量Qaを設定し、設定した各脈動周波数と設定した各基準流量Qaとを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅xを変化させながら、ラミナー式流量計2によって流量を測定(測定流量yを取得)し、各測定パターンにおいて、ラミナー式流量計2による測定流量yと脈動振幅xとの関係を表す関数を算出しておき、測定において、当該測定の測定条件に最も近似する測定パターンを各測定パターンから選択するとともに、選択した測定パターンにおいて算出された関数を用いて、ラミナー式流量計2により測定したガスの流量(測定流量y)を補正するものである。
That is, the pulsating flow measurement method according to an embodiment of the present invention is a flow measurement method using the
また、本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置1は、ガス流量の測定を行うラミナー式流量計2と、測定の対象とする脈動周波数が複数設定されるとともに、流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量Qaが設定され、設定された各脈動周波数と設定された各基準流量Qaとを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅xを変化させながら、ラミナー式流量計2によって測定した結果(測定流量y)に基づいて、各測定パターンにおいて、前記ラミナー式流量計による測定流量yと脈動振幅xとの関係を表す関数を算出し、測定時における測定条件に最も近似する測定パターンを前記各測定パターンから選択するとともに、選択した測定パターンにおいて算出された前記関数を用いて、ラミナー式流量計2により測定したガスの流量を補正するコントローラ4と、を備えるものである。
このような構成により、ラミナー式流量計2により、レイノルズ数が十分に小さい状態ではない脈動流の流量を精度良く測定することができる。
Moreover, the gas flow
With such a configuration, the
また、本発明の一実施形態に係る脈動流の流量測定方法では、測定において、ラミナー式流量計2により測定したガスの流量(測定流量y)は、前記関数に、脈動振幅xを0として代入したときの値に基づいて補正するものである。
このような構成により、ラミナー式流量計2による測定流量yの補正値を、精度良く真の流量に近づけることができる。
In the pulsating flow rate measuring method according to an embodiment of the present invention, the gas flow rate (measured flow rate y) measured by the
With such a configuration, the correction value of the measured flow rate y by the
1 ガス流量測定装置
2 ラミナー式流量計
2a エレメント
2b 圧力検出部(上流側)
2c 圧力検出部(下流側)
3 差圧検出部
4 コントローラ
5 配管部材
1 Gas
2c Pressure detector (downstream)
3
Claims (2)
測定前の準備において、
測定の対象とする脈動周波数を複数設定するとともに、
流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量を設定し、
設定した各脈動周波数と設定した各基準流量とを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅を変化させながら、前記ラミナー式流量計によって流量を測定し、
前記各測定パターンにおける測定結果を多項式近似して、前記ラミナー式流量計による測定流量と脈動振幅との関係を表す多項式関数を測定パターンごとに算出しておき、
測定において、
当該測定の測定条件に最も近似する測定パターンを前記各測定パターンから選択するとともに、
選択した測定パターンにおいて算出された前記多項式関数を用いて、
前記多項式関数に、脈動振幅を0として代入したときの値に基づいて、
前記ラミナー式流量計により測定したガスの流量を補正する、
ことを特徴とする脈動流の流量測定方法。 A method for measuring the flow rate of a pulsating flow using a laminar flow meter,
In preparation before measurement,
While setting multiple pulsation frequencies to be measured,
Set multiple reference flow rates where the flow rate is constant and known,
Measure the flow rate with the laminar flow meter while changing the pulsation amplitude of the gas flow of each measurement pattern that combines each set pulsation frequency and each set reference flow rate,
Said polynomial approximating the definitive measurement results for each measurement pattern in advance to calculate the polynomial function representing the relationship between the measured flow and the pulsation amplitude by the laminar flow meter for each measurement pattern,
In measurement,
While selecting the measurement pattern that most closely approximates the measurement conditions of the measurement from each measurement pattern,
Using the polynomial function calculated in the selected measurement pattern,
Based on the value when the pulsation amplitude is substituted into the polynomial function as 0,
Correct the gas flow rate measured by the laminar flow meter,
A method for measuring the flow rate of a pulsating flow.
測定の対象とする脈動周波数が複数設定されるとともに、流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量が設定され、
設定された各脈動周波数と設定された各基準流量とを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅を変化させながら、前記ラミナー式流量計によって測定した結果を多項式近似して、前記各測定パターンにおいて、前記ラミナー式流量計による測定流量と脈動振幅との関係を表す多項式関数を算出し、
測定時における測定条件に最も近似する測定パターンを前記各測定パターンから選択するとともに、選択した測定パターンにおいて算出された前記多項式関数を用いて、前記ラミナー式流量計により測定したガスの流量を、前記多項式関数に、脈動振幅を0として代入したときの値に基づいて補正するコントローラと、
を備える、
ことを特徴とするガス流量測定装置。 A laminar flow meter for measuring gas flow rate,
A plurality of pulsation frequencies to be measured are set, a flow rate is constant, and a plurality of known reference flow rates are set,
The gas flow of each measurement pattern in which each set pulsation frequency and each set reference flow rate are combined is measured by the above-mentioned laminar flow meter while changing the pulsation amplitude, and a polynomial approximation is performed. In the measurement pattern, calculate a polynomial function representing the relationship between the measured flow rate by the laminar flow meter and the pulsation amplitude,
With a measurement pattern most approximate to the measurement conditions at the time of measurement is selected from the respective measuring patterns, by using the polynomial function calculated in the measurement pattern selected, the flow rate of the gas as measured by the laminar flow meter, the A controller that corrects the polynomial function based on a value obtained by substituting the pulsation amplitude as 0 ;
Comprising
A gas flow rate measuring device.
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