JP2006337068A - Method and apparatus for analyzing exhaust gas - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排ガスの分析方法であって、特に、排気経路中の複数箇所にセンサ部を取り付けることで、排気経路中を通過する排ガスに含まれる成分の濃度や温度等を正確かつリアルタイムに測定して分析する排ガス分析方法と排ガス分析装置に関する。 The present invention relates to a method for analyzing exhaust gas discharged from an internal combustion engine such as an automobile, and in particular, the concentration of components contained in exhaust gas passing through the exhaust path by attaching sensor units to a plurality of locations in the exhaust path. The present invention relates to an exhaust gas analysis method and an exhaust gas analysis device that accurately and in real time measures and analyzes temperature and temperature.
従来、この種の排ガス分析装置としては、特許文献1に記載の車載型HC測定装置がある。この測定装置は、エンジンに連なる排気管を流れる排ガス中のHC(炭化水素)濃度を連続的に測定するためのNDIR(非分散型赤外分光法)型ガス分析計と、排気管を流れる排ガスの流量を連続的に測定する排ガス流量計と、NDIR型ガス分析計および排ガス流量計のそれぞれの出力を演算処理して、排ガス中のTHC(全炭化水素)量を連続的に算出する演算処理回路を車両内に搭載可能としている。また、NDIR型ガス分析計等の測定法は、すべての測定原理において、校正用の基準ガスや、分析に使用するための補助ガスが必要となる。
Conventionally, as this type of exhaust gas analyzer, there is an in-vehicle HC measuring device described in
ところで、前記構造の排ガスの分析装置や、従来の一般的な内燃機関の排ガス測定装置は、排ガスを一部採取して測定器に導入し、希釈ガス等を混入させて測定を行うため、大型化し車載型にするのが難しい。そして、この種の装置は、マフラーから排出される排ガスのみを測定しているため、計測する最終排出形態しか測定できず、相対的な排ガスの成分の濃度変化や、温度変化等を知ることができない。 By the way, the exhaust gas analyzer of the above-mentioned structure and the conventional exhaust gas measuring device of a general internal combustion engine collect a part of the exhaust gas and introduce it into a measuring instrument, and perform measurement by mixing dilution gas or the like. It is difficult to make it on-vehicle. And since this type of device measures only the exhaust gas discharged from the muffler, it can measure only the final exhaust form to be measured, and knows the relative concentration change of exhaust gas components, temperature change, etc. Can not.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、排気経路中の複数箇所での排ガスの状態を測定し、それらの測定値の相対的変化を求めることで排ガスに含まれるガス成分濃度等の変化を分析する方法を提供することにある。すなわち、排気経路中の、例えば触媒装置の前後や、マフラーの前後にセンサを取付け、このセンサを用いて排気経路の途中での排ガスの状態を測定し、それらの相対的変化を求めて分析する排ガスの分析方法と排ガス分析装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to measure the state of exhaust gas at a plurality of locations in the exhaust path and determine the relative change in those measured values. The object is to provide a method for analyzing changes in the concentration of gas components contained in exhaust gas. That is, for example, sensors are attached before and after the catalyst device or before and after the muffler in the exhaust path, and the state of the exhaust gas in the middle of the exhaust path is measured using this sensor, and the relative change is obtained and analyzed. An object is to provide an exhaust gas analysis method and an exhaust gas analyzer.
前記目的を達成すべく、本発明に係る排ガス分析方法は、内燃機関から排出される排ガスの流通する排気経路中に、レーザ光発生手段から発生させたレーザ光を照射する照射部と、該照射部から照射され排ガス中を透過したレーザ光を受光する受光部とを備えるセンサ部を複数箇所に取り付け、前記排ガスの状態を測定する排ガス分析方法であって、前記複数のセンサ部の出力に基づいて、前記排気経路中の複数箇所における排ガスの状態を、前記複数箇所のうちの1箇所を基準として相対的に検出することを特徴としている。すなわち、例えば、最上流部のセンサ部の出力を基準として、複数のセンサ部の出力を、差分型光検出器に入力し、パーソナルコンピュータで信号解析して排ガスの成分の濃度や温度等の状態を相対的に算出して検出する。 In order to achieve the above object, an exhaust gas analysis method according to the present invention includes an irradiation unit that irradiates a laser beam generated from a laser beam generation unit in an exhaust path through which an exhaust gas discharged from an internal combustion engine flows, and the irradiation unit. An exhaust gas analysis method for measuring a state of the exhaust gas by attaching a sensor unit including a light receiving unit that receives a laser beam irradiated from the unit and passing through the exhaust gas, and based on outputs of the plurality of sensor units Thus, the state of the exhaust gas at a plurality of locations in the exhaust path is relatively detected with reference to one of the plurality of locations. That is, for example, with reference to the output of the sensor part at the most upstream part, the outputs of a plurality of sensor parts are input to a differential photodetector, and signal analysis is performed by a personal computer to check the state of the exhaust gas component concentration, temperature, etc. Is calculated and detected relatively.
前記のごとく構成された本発明の排ガス分析方法は、複数箇所に設置されたセンサ部により排気経路中の排ガスの状態、例えば排ガスの成分の濃度や温度の状態を、例えば上流のセンサ部を基準として相対的に測定して分析することができる。このようにして測定された排ガスの状態の相対値は、例えば基準となる1つのレーザ光発生手段から供給されるレーザ光により測定されるため、測定精度が良く、排気経路中の状態変化を高精度に検証することができる。 The exhaust gas analysis method of the present invention configured as described above is based on the state of the exhaust gas in the exhaust path, for example, the concentration and temperature state of the exhaust gas, based on the upstream sensor unit, for example, by the sensor units installed at a plurality of locations. Can be measured and analyzed relatively. Since the relative value of the state of the exhaust gas measured in this way is measured by, for example, laser light supplied from one reference laser light generating means, the measurement accuracy is good and the state change in the exhaust path is high. The accuracy can be verified.
本発明に係る排ガス分析方法の好ましい具体的な態様としては、前記複数のセンサ部に供給されるレーザ光は、単一のレーザ光発生手段から分波して供給されることが好ましい。そして、前記単一のレーザ光発生手段は、排ガスの複数の成分に合わせた吸収波長を有するレーザ光を合波して構成されることが好ましい。この構成によれば、単一のレーザ光発生手段から発生されたレーザ光を用いて排ガスの状態を測定するため、相対的に検出する精度を高めることができる。また、排ガスの複数の成分の状態を精度良く測定することができる。 As a preferred specific mode of the exhaust gas analysis method according to the present invention, it is preferable that the laser beams supplied to the plurality of sensor units are demultiplexed and supplied from a single laser beam generating unit. And it is preferable that the said single laser beam generation means is comprised by combining the laser beam which has the absorption wavelength matched with the several component of waste gas. According to this configuration, since the state of the exhaust gas is measured using the laser light generated from the single laser light generating means, it is possible to improve the relative detection accuracy. Moreover, the state of the several component of waste gas can be measured accurately.
また、本発明に係る排ガス分析方法の好ましい具体的な他の態様としては、前記複数のセンサ部は、前記レーザ光発生手段から発生させたレーザ光を排ガス中で反射させてから、前記受光部で受光することを特徴としている。このように構成すると、排ガス中に照射されたレーザ光はミラー等で反射させてから受光部で受光されるため、レーザ光の排ガス中での透過距離を長くすることができる。この結果、レーザ光の排ガス中を透過することによる減衰量が大きくなり、入射光強度に対する透過光強度の比が大きくなり、排ガスの成分の濃度を高精度で測定することができる。 In another preferred embodiment of the exhaust gas analysis method according to the present invention, the plurality of sensor units reflect the laser light generated from the laser light generation unit in the exhaust gas, and then the light receiving unit. It is characterized by receiving light. If comprised in this way, since the laser beam irradiated in waste gas will be received by the light-receiving part after reflecting with a mirror etc., the permeation | transmission distance in the waste gas of laser light can be lengthened. As a result, the amount of attenuation due to the laser light passing through the exhaust gas increases, the ratio of the transmitted light intensity to the incident light intensity increases, and the concentration of the exhaust gas component can be measured with high accuracy.
さらに、本発明に係る排ガス分析方法の好ましい具体的な他の態様としては、前記排ガス分析方法は、前記排気経路中の排ガスの状態として、複数箇所の排ガスの成分の濃度を相対的に測定して分析することを特徴としている。この構成によれば、排気経路中の複数箇所に取り付けたセンサ部により排ガス中の成分ガス(例えば、COガス、CO2ガス等)の濃度を連続的に測定し、排気経路中での排ガスの成分の濃度の状態を検証することができる。特に、排気経路中に触媒装置が設置されている場合は、触媒装置の前後の排ガスの成分の濃度を測定することで、触媒装置の性能や劣化具合を判断することができる。 Furthermore, as another preferable specific embodiment of the exhaust gas analysis method according to the present invention, the exhaust gas analysis method relatively measures concentrations of exhaust gas components at a plurality of locations as the state of exhaust gas in the exhaust path. Analysis. According to this configuration, the concentration of the component gas (for example, CO gas, CO 2 gas, etc.) in the exhaust gas is continuously measured by the sensor units attached to a plurality of locations in the exhaust path, and the exhaust gas in the exhaust path is measured. The concentration state of the component can be verified. In particular, when a catalyst device is installed in the exhaust path, the performance and deterioration degree of the catalyst device can be determined by measuring the concentration of exhaust gas components before and after the catalyst device.
また、排ガスの状態として、前記排気経路中の排ガスの状態として、複数箇所の排ガス温度を相対的に測定して分析するように構成してもよい。このように構成された排ガス分析方法では、排気経路中の複数箇所に設置されたセンサ部により、連続的に排ガスの温度を測定することができ、内燃機関から排出された高温の排ガスが、排気経路中で低温状態になる過程を相対的に判断することができる。 Further, as the state of the exhaust gas, the exhaust gas state in the exhaust path may be configured to relatively measure and analyze the exhaust gas temperatures at a plurality of locations. In the thus configured exhaust gas analysis method, the temperature of the exhaust gas can be continuously measured by the sensor units installed at a plurality of locations in the exhaust path, and the high temperature exhaust gas discharged from the internal combustion engine is exhausted. The process of lowering the temperature in the route can be relatively determined.
本発明に係る排ガス分析装置は、内燃機関から排出される排ガスの流通する排気経路中に取り付けられる複数のセンサ部と、これらの複数のセンサ部から出力される信号に基づいて前記排気経路中を流通する排ガス成分の排出過程における成分濃度の変化を分析するための装置であって、前記複数のセンサ部がそれぞれレーザ光を照射する照射部と、該照射部から照射され排ガス中を透過したレーザ光を受光する受光部とを備えており、前記照射部から照射されるレーザ光が、単一光源から各照射部に分波して供給されることを特徴としている。この構成によれば、単一光源から発生させたレーザ光が複数のセンサ部の照射部に分波されて供給されるため、排ガス成分の排出過程における成分濃度の変化を精度良く測定して分析することができる。 An exhaust gas analyzer according to the present invention includes a plurality of sensor units attached in an exhaust path through which exhaust gas discharged from an internal combustion engine circulates, and the exhaust path based on signals output from the plurality of sensor units. An apparatus for analyzing changes in component concentration in the exhaust process of exhaust gas components that circulate, wherein the plurality of sensor units each irradiate laser light, and a laser that is irradiated from the irradiation unit and passes through the exhaust gas A light receiving unit that receives light, and the laser beam emitted from the irradiation unit is supplied to each irradiation unit after being demultiplexed from a single light source. According to this configuration, since the laser light generated from a single light source is demultiplexed and supplied to the irradiation units of the plurality of sensor units, the change in the component concentration during the exhaust gas component discharge process is accurately measured and analyzed. can do.
本発明の排ガス分析方法および排ガス分析装置は、内燃機関から排出された排ガスの排気経路中の状態、例えば排ガスの成分の濃度や排ガス温度を測定して、リアルタイムで分析することができる。これにより、排気経路に配置され排ガス浄化を行う触媒装置の上流側と下流側で、どの程度浄化することができたか等の状態変化をリアルタイムで分析することができるため、触媒装置等の開発段階における性能評価等が瞬時に判断できる。また、排気経路での排ガスの温度の相対変化も検出することができる。 The exhaust gas analysis method and the exhaust gas analyzer of the present invention can measure the state of exhaust gas discharged from an internal combustion engine in the exhaust path, for example, the concentration of exhaust gas components and the exhaust gas temperature, and analyze in real time. As a result, it is possible to analyze in real time the state change such as how much the catalyst device is disposed upstream and downstream of the catalyst device that is disposed in the exhaust path and performs exhaust gas purification. Performance evaluation etc. can be judged instantly. Further, a relative change in the temperature of the exhaust gas in the exhaust path can also be detected.
以下、本発明に係る排ガスの分析方法の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図1は、本実施形態に係る排ガスの分析方法を実施する排ガス分析装置を車両に搭載した要部構成図、図2は、図1の排ガス分析装置をエンジンベンチに設置した状態の要部構成図、図3は、排ガス分析装置のセンサ部の要部構成を示す分解斜視図、図4は、レーザ発振・受光コントローラの要部構成および信号解析部としてパーソナルコンピュータを含む排ガス分析装置の全体構成を示すブロック図である。 Hereinafter, an embodiment of an exhaust gas analysis method according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a main part configuration diagram in which an exhaust gas analyzer for carrying out an exhaust gas analysis method according to this embodiment is mounted on a vehicle, and FIG. 2 is a main part configuration in a state in which the exhaust gas analyzer of FIG. 1 is installed on an engine bench. FIG. 3 is an exploded perspective view showing a main part configuration of the sensor unit of the exhaust gas analyzer, and FIG. 4 is an overall configuration of the exhaust gas analyzer including a personal computer as a main part configuration of the laser oscillation / light receiving controller and a signal analysis unit. FIG.
図1において、本実施形態の排ガス分析方法を実施する排ガス分析装置は、自動車1に設置されたエンジン2から排出される排ガスを分析する装置である。また、図2に示すように、エンジンベンチ1Aに設置されたエンジン2の排ガスを分析する装置である。エンジン2の各気筒から排出される排ガスは、エキゾーストマニホルド3で合流され、排気管4を通して第1触媒装置5に導入され、さらに第2触媒装置6に導入され、そのあとマフラー7を通して排気パイプ8から大気中に放出される。排気経路は、エキゾーストマニホルド3、排気管4、第1触媒装置5、第2触媒装置6、マフラー7、排気パイプ8を接合して形成され、エンジン2から排出された排ガスを第1触媒装置5で浄化し、さらに第2触媒装置6で浄化したあと、マフラー7により消音、減圧して大気中に放出する。なお、マフラーはメインマフラーとサブマフラーの2つを有するものでもよい。
In FIG. 1, an exhaust gas analyzer that performs the exhaust gas analysis method of the present embodiment is an apparatus that analyzes exhaust gas discharged from an
排気経路を構成する複数の部材は基本的にはパイプ状の管部材であり、フランジ部同士を対接させてボルト等で接続されている。例えば、第1触媒装置5は大径の本体部の上流、下流側に排気パイプ部が連結され、これらの排気パイプ部の端部にフランジ部F,Fが溶接等により固着されている。また、第2触媒装置6も大径の本体部の上流、下流側に排気パイプ部が連結され、これらの排気パイプ部の端部にフランジ部F,Fが固着されており、フランジ部を接続して排気経路が構成されている。なお、末端の排気パイプ8はマフラー7に直接溶接等により固着されている。
The plurality of members constituting the exhaust path are basically pipe-like tube members, and are connected by bolts or the like with the flange portions in contact with each other. For example, the
本実施形態の排ガス分析装置10は、前記の排気経路中の複数箇所に取り付けられた複数のセンサ部11〜14を備えて構成される。第1のセンサ部11は第1触媒装置5より上流側のエンジン側の排気管4との間に設置され、第2のセンサ部12は第1触媒装置5の下流側に設置され、第3のセンサ部13は第2触媒装置6の下流側に設置されている。そして、第4のセンサ部14はマフラー7の下流の排気パイプ8に設置されている。センサ部14は排気パイプの途中に設置されても、排気パイプの末端の開口部に挿入して設置するものでもよい。
The
排気管4や第1触媒装置5、第2触媒装置6、マフラー7は、図3に示すように、フランジ部F,Fをボルト(図示せず)で締め付けることで連結されており、排気経路を構成する部材の間に設置されるセンサ部11,12,13は、フランジ部F,Fで挟まれた状態で設置されている。フランジ部F,Fは、排気経路を構成する部材の両端部に形成され、フランジ部同士の接合面は排気経路の中心線に対して直角に交差している。この結果、センサ部11〜13はフランジ部F,Fに挟まれて排気経路を横切るように設置される。第4のセンサ部14は排ガスが大気中に放出される直前の分析を行うものであり、メインマフラー7から突出する排気パイプ8の中間部にフランジ部F,Fで挟んで設置してもよい。なお、センサ部の設置数は任意に設定すればよい。
As shown in FIG. 3, the
排気経路中に取り付けられるセンサ部11〜14はほぼ同一構成であり、1つのセンサ部11について、図3,4を参照して詳細に説明する。センサ部は厚さが例えば5〜20mm程度の板材から形成されたセンサベース21を有し、中心部に排気パイプ部の内径と略同じ直径の貫通孔22が形成されている。貫通孔22は排気経路中を通過する排ガスが通過する。貫通孔22の形状は、排気流れを乱さないように排気パイプ部の内径とほぼ同じ直径の円形が好ましい。板材としては金属板材やセラミック製の板材を用いているが、材質については特に問わない。センサベース21には外周面から貫通孔に向けて貫通する2つのセンサ孔21a,21bが形成されている。一方のセンサ孔21aにはレーザ光を集光するコリメータ23が固定され、このコリメータにレーザ光を照射する光ファイバ24が接続され、他方の孔21bにはレーザ光を受光するフォトダイオード等のディテクタ25が固定されている。
The
センサベース21の貫通孔22内には、対向して上下2枚の反射板26,27が固定されている。2枚の反射板は平行状態に固定され、照射側の光ファイバ24からコリメータ23を通して集光され出射される赤外レーザ光が先ず下方の反射板27により上方に向けて反射され、次いで上方の反射板26により下方に向けて反射され、2枚の反射板26,27により交互に反射されることで、受光側のディテクタ25に到達するように構成されている。このようにして、レーザ光の排ガス中の透過距離が長くなるように設定されている。
In the through
反射板26,27は排ガスにより劣化しないもので形成されることが好ましく、ベースとなる板材に金やプラチナ等の薄膜が形成され、その上に保護層として、MgF2やSiO2の薄膜が形成されているものが好ましい。また、反射板は、赤外レーザ光を効率良く反射できるように反射率が高いことが望ましい。反射板はエンジンの起動中は排ガスに晒され、汚れが付着するため、必要に応じてフランジ部F,Fからセンサベース21を取外して清掃することが好ましい。反射面を覆う保護層を拭くことにより、付着した汚れを容易に清掃することができ、反射率を向上させることができる。
The
センサベース21はフランジ部F,Fに挟まれた状態で固定され、フランジ部F,Fとセンサベース21との間にはガスケット28,28が挟まれた状態で図示していないボルト、ナット等により固定される。ガスケット28は石綿等で形成され、排気管の内径と同じ直径の貫通孔が開けられている。この構成により、フランジ部F,Fの間にセンサベース21を挟んで排気経路を接続しても、排ガスが途中で漏れることはなく、排気経路の長さの増加も少ない。図3では、排気管4の下流端に溶接されたフランジ部Fと、第1触媒装置5の上流側の排気パイプ部5aの端部に溶接されたフランジ部Fとの間に、ガスケット28,28を挟んでセンサベース21が固定される構成である。
The
センサ部11にレーザ光を供給する光ファイバ24と、センサ部11で排ガス中を透過したレーザ光を受光して電気信号を出力するディテクタ25はレーザ発振・受光コントローラ30に接続される。すなわち、レーザ発振・受光コントローラ30の後述するレーザダイオードから出射される赤外レーザ光が、光ファイバ24を通してセンサベース21のセンサ孔21aを通して貫通孔22内に照射され、反射面26,27で反射された赤外レーザ光がセンサ孔21bを通して受光側のディテクタ25で受光され、ディテクタ25から出力される電気信号がケーブル29を介してレーザ発振・受光コントローラ30に入力される構成となっている。
An
レーザ発振・受光コントローラ30から出射された赤外レーザ光の参照光の発光強度と、排ガス中を透過しディテクタ25で受光された信号光の受光強度が信号解析部であるパーソナルコンピュータ45に供給され、パーソナルコンピュータで排ガスに含まれる成分の濃度や温度を測定して分析する構成となっている。このように、排ガス分析装置10は、複数のセンサ部11〜14と、レーザ発振・受光コントローラ30と、パーソナルコンピュータ45とを備えて構成される。そして、この排ガス分析装置10は、エンジンから排出される排ガスをセンサ部の貫通孔22に導入し、排ガスに光ファイバ24を通してレーザ光を照射し、排ガス中を透過したレーザ光をディテクタ25で受光し、受光されたレーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度等を測定して分析する装置である。
The light emission intensity of the reference light of the infrared laser light emitted from the laser oscillation /
ここで、レーザ発振・受光コントローラ30について、図4を参照して説明する。レーザ発振・受光コントローラ30は、複数の波長の赤外レーザ光を発生するレーザ光発生手段として、複数のレーザダイオードLD1〜LD5にファンクションジェネレータ等の信号発生器31から複数の周波数の信号を供給し、レーザダイオードLD1〜LD5は各周波数に対応してそれぞれ複数の波長の赤外レーザ光を発生させる。レーザ発振・受光コントローラ30の信号発生器31から出力される複数の周波数の信号がレーザダイオードLD1〜LD5に供給されてレーザ光を発生し、例えばLD1は波長が1300〜1330nm程度、LD2は1330〜1360nmというように、検出しようとする成分ガスのピーク波長が存在する波長帯が連続するような波長帯の赤外レーザ光を発生させるように設定されている。
Here, the laser oscillation /
排ガス中を透過させる赤外レーザ光の波長は、検出する排ガス成分に合わせて設定され、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、アンモニア(NH3)、メタン(CH4)、水(H2O)を検出する場合は、5つの波長の赤外レーザ光を使用する。例えば、アンモニアを検出するのに適した波長は1530nmであり、一酸化炭素を検出するのに適した波長は1560nmであり、二酸化炭素を検出するのに適した波長は1570nmである。また、メタンを検出するのに適した波長は1680nmであり、水を検出するのに適した波長は1350nmである。このように、排ガス中を透過させる赤外レーザ光は、複数種類の単波長レーザ光を合波したレーザ光を使用することが好ましい。さらに、他の排ガスの成分の濃度を検出する場合は、排ガス成分の数に合わせて異なる波長の赤外レーザ光を使用する。レーザダイオードLD1〜LD5は、複数種類の波長帯を有する単一のレーザ光発生手段(単一光源)を構成する。 The wavelength of the infrared laser beam that passes through the exhaust gas is set in accordance with the exhaust gas component to be detected. Carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), ammonia (NH 3 ), methane (CH 4 ), water When detecting (H 2 O), infrared laser beams having five wavelengths are used. For example, the wavelength suitable for detecting ammonia is 1530 nm, the wavelength suitable for detecting carbon monoxide is 1560 nm, and the wavelength suitable for detecting carbon dioxide is 1570 nm. The wavelength suitable for detecting methane is 1680 nm, and the wavelength suitable for detecting water is 1350 nm. As described above, it is preferable to use a laser beam obtained by combining a plurality of types of single wavelength laser beams as the infrared laser beam transmitted through the exhaust gas. Furthermore, when detecting the concentration of other exhaust gas components, infrared laser beams having different wavelengths are used in accordance with the number of exhaust gas components. The laser diodes LD1 to LD5 constitute a single laser light generating means (single light source) having a plurality of types of wavelength bands.
各レーザダイオードLD1〜LD5から照射されたレーザ光は光ファイバ32…により分波器33…を通して、参照光と信号光に分けられる。そして、5つの分波器33…で分けられた信号用レーザ光は途中に光減衰器34を設置した光ファイバ35Aを通して合波器36A,36Bで合波され、光ファイバ24を通してセンサ部11〜14の照射部に導光され、コリメータ23を通して貫通孔22内に照射される。また、5つの分波器33…で分けられた参照用レーザ光は光ファイバ35Bを通して合波器37で合波される。信号用および参照用のレーザ光は、排ガスの複数の成分ガスに合わせて複数の波長のレーザ光を合波した赤外レーザ光となっている。本実施形態では、光ファイバ24がレーザ光を照射する照射部を構成している。このように、単一光源を構成するレーザダイオードLD1〜LD5から発生されたレーザ光は、分波器33…で分波されて複数のセンサ部11〜14の照射部に供給される。
Laser light emitted from each of the laser diodes LD1 to LD5 is divided into reference light and signal light by
本実施形態では、前記のように分波器33で分波された信号用レーザ光は光減衰器34を通して合波されるように構成されている。この光減衰器34は信号用レーザ光の光強度を制御して排ガス中を透過させる信号用レーザ光の強度を調整する機能を有している。すなわち、排ガス中を透過した透過レーザ光の光強度と参照用レーザ光の光強度とに基づいてフィードバック補正量を算出し、この補正量を光減衰器34に入力して信号用レーザ光の光強度を調整する。光減衰器34は、レーザ光の光路中に透過率を変更できるフィルタを置き、透過光量を変更して光強度を調整するもの、また光路中にミラーを置き、ミラーの反射角度を変更して光強度を調整するもの等、適宜の形態のものを使用できる。なお、光減衰器は分波された参照用レーザ光を調整するように構成してもよく、参照用レーザ光と信号用レーザ光の両方を調整するように構成してもよい。
In the present embodiment, the signal laser light demultiplexed by the
図4では、図1で示した4つのセンサ部11〜14のうちの2つのセンサ部11,12を示している。すなわち、5つの波長帯の赤外レーザ光を発生させるレーザダイオードLD1〜LD5から出射されるレーザ光は2つの合波器36A,36Bで合波され、2つのセンサ部11,12の照射部に光ファイバ24A,24Bを通して供給される。センサ部が5つ、あるいはそれ以上の場合は、5つか、それ以上の合波器を使用し、それぞれの合波器からセンサ部の照射部に光ファイバ等を用いて信号用レーザ光を供給する。そして、2つのセンサ部11,12から出力される電気信号はケーブル29A,29Bを介してレーザ発振・受光コントローラ30の後述する差分型光検出器40に入力される。
In FIG. 4, two
また、参照光用合波器37から光ファイバ38で供給された参照用レーザ光は差分型光検出器40に入力され、フォトダイオード等の光電変換器により電気信号に変換される。差分型光検出器40は、排ガス中を透過した信号用レーザ光の電気信号と参照用レーザ光の電気信号とに基づいて、信号光の光強度を一定にするべくフィードバック補正量を算出し、フィードバック線41を通して信号用合波器36A,36Bの前段に配置された光減衰器34に入力する。
The reference laser light supplied from the
フィードバック補正量は成分ガスごとに算出され、成分ガスのピーク波長を発生させるレーザダイオードの信号光ごとに光減衰器34に供給され、信号光の光強度を調整制御する。また、差分型光検出器40は複数のセンサ部から出力された電気信号を、排ガスの成分の濃度や温度を算出する信号解析部としてのパーソナルコンピュータ45に入力する。なお、参照光は差分型光検出器に直接入力させず、フォトダイオード等を介して電気信号に変換してから入力してもよい。
The feedback correction amount is calculated for each component gas, supplied to the
光減衰器34では、供給されたフィードバック補正量に基づきレーザダイオードから発生されたレーザ光を減衰させて、レーザ光の光強度が一定となるように、レーザダイオードLD1〜LD5を制御する。差分型光検出器40で算出された信号光と参照光の差分に相当する電気信号は、例えば図示していないプリアンプで増幅され、A/D変換器を介して信号解析部であるパーソナルコンピュータ45に入力され、パーソナルコンピュータでは差分型光検出器からのデータを濃度値へ変換して排ガスの成分の濃度の算出や、排ガスの温度を算出する。
The
なお、センサ部11〜14の受光部としてセンサベース21に固定されたディテクタ25の代わりに、受光用の光ファイバをセンサベース21に固定し、受光されたレーザ光を分波器でガス成分ごとに分波して、フォトダイオード等でガス成分ごとの出力電圧を検出し、参照光と信号光とからパーソナルコンピュータ45で排ガスの成分の濃度を算出するように構成してもよい。
In place of the
本発明の排ガス分析装置10は、例えば赤外レーザ光を排ガス中に透過させ、入射光の強度と排ガス中を透過したあとの透過光の強度に基づいて排ガスの成分の濃度を算出し、排ガスを分析するものである。すなわち、排ガスの成分の濃度Cは、以下の数式(1)から算出される。
The
C=−ln(I/I0)/kL…(1)
この数式(1)において、Iは透過光強度、I0は入射光強度、kは吸収率、Lは透過距離である。したがって、入射光強度(I0)に対する透過光強度(I)の比、シグナル強度(I/I0)に基づいて排ガスの成分の濃度Cは算出される。透過光強度Iは、光ファイバ24を通して排ガス中を透過してディテクタ25から出力され、入射光強度I0は、合波器37から光ファイバ38を通して差分型光検出器40に入力され、図示していないフォトダイオード等から出力される。本実施形態では入射光強度I0として、排ガス中を透過しない信号光強度を用いている。
C = −ln (I / I 0 ) / kL (1)
In Equation (1), I is the transmitted light intensity, I 0 is the incident light intensity, k is the absorptance, and L is the transmission distance. Therefore, the concentration C of the exhaust gas component is calculated based on the ratio of the transmitted light intensity (I) to the incident light intensity (I 0 ) and the signal intensity (I / I 0 ). The transmitted light intensity I passes through the exhaust gas through the
前記の如く構成された本実施形態の排ガスの分析方法について以下に説明する。排ガスの成分の濃度等を測定して排ガスを分析するときは、レーザ発振・受光コントローラ30の信号発生器31を作動させ、各レーザダイオードLD1〜LD5に所定周波数帯の駆動パルスを供給して、各レーザダイオードLD1〜LD5から所定の波長の赤外レーザ光を発生させる。各レーザダイオードLD1〜LD5から発生された赤外レーザ光は、光ファイバ32…を通して分波器33…に至り、ここで信号光と参照光に分波される。各分波器で分波された信号光は光減衰器34、光ファイバ35Aを通して合波器36A,36Bで合波されて信号用レーザ光となり、センサ部11〜14の照射部に光ファイバ24を通して導光される。また、各分波器33…で分波された参照光は光ファイバ35Bを通して合波器37で合波されて参照用レーザ光となり、差分型光検出器40で入射光強度I0として計測される。
The exhaust gas analysis method of the present embodiment configured as described above will be described below. When analyzing the exhaust gas by measuring the concentration of the exhaust gas component, etc., the
そして、センサ部11〜14に光ファイバ24から照射された信号用レーザ光は、排ガスが通過している貫通孔22内に照射される。信号用レーザ光は反射面26,27で反射されることを繰り返して受光部のディテクタ25に到達する。排ガス中を通り減衰した信号用レーザ光は受光部であるディテクタ25で透過光強度Iとして受光され、電気信号に変換されて差分型光検出器40に入力される。信号用レーザ光は反射を繰り返されることにより排ガス中を透過する距離が大きくなり、前記数式(1)の透過距離Lが長くなることで減衰量が大きくなるため、精度の良い瞬時の排ガスの成分の濃度測定が可能となる。このように参照用レーザ光の光強度I0と、信号用レーザ光の透過光強度Iとの比(I/I0)であるシグナル強度を算出し、このシグナル強度比に基づいて排ガスの成分の濃度を算出する。信号用レーザ光は反射面26,27で繰り返し反射され減衰するが、排ガスが無い状態で光ファイバ24から照射された光強度に対して、ディテクタ25で受光される光強度は30%以上となることが好ましい。30%を下回るとノイズとの判別が難しくなるからである。
And the signal laser beam irradiated to the sensor parts 11-14 from the
差分型光検出器40では、排ガス中を透過して減衰した信号用レーザ光からフィードバック補正量を算出して、各波長に対応するレーザダイオードLD1〜LD5の光強度を調整するべく光減衰器34をフィードバック制御する。光減衰器34はレーザダイオードごとに光強度を調整し、信号用レーザ光の校正を行う。例えば、外乱により信号光強度が低下した場合、自動的に検出して減衰率を下げることで光強度を上げ、初期状態と同等なバランスを保つことができる。なお。参照光はレーザ光の発生から受光までに外乱要素がなく、レーザ出力が変化しない限り参照光強度は変化しないので、信号光強度を光減衰器で調整し、バランスをとることが好ましい。
In the
また、差分型光検出器40では参照用レーザ光と信号用レーザ光との差を取り、信号解析を行うべくパーソナルコンピュータ45に信号を供給する。パーソナルコンピュータ45では、参照用レーザ光の光強度と、排ガス中を透過して減衰した信号用レーザ光のピーク波長の光強度との比(I/I0)を算出し、センサ部が設置された排気経路中の位置における排ガス中に含まれる成分の濃度を算出する。また、複数箇所に設置されたセンサ部11〜14により排気経路中の排ガスの成分の濃度の相対変化も分析できる。
Further, the
本実施形態では、排気経路中に複数のセンサ部11〜14が取り付けられており、各センサ部の位置における排ガスの成分の濃度と温度等の状態が測定される。このため、エキゾーストマニホルド3の下流部分での成分ガスの濃度と温度や、第1触媒装置5の上流側および下流側での排ガスの成分の濃度や温度を測定できる。例えば、触媒装置5,6を通過したあとの温度と排ガスの成分の濃度と、触媒装置5,6で処理される前の温度と排ガスの成分の濃度により、触媒装置5,6の性能を評価できると共に、触媒装置の例えば経年変化による劣化等も検出することができる。特に、複数のレーザダイオードLD1〜LD5から構成される単一のレーザ光発生手段から発生させたレーザ光を分波して、複数のセンサ部11〜14の照射部に供給して成分ガス濃度や温度を測定するため、各センサ部におけるガス濃度等を相対的に精度良く測定することができ、精度良い分析が可能となる。
In the present embodiment, a plurality of
つぎに、本実施形態の排ガス分析装置を用いて温度の測定を行なう動作を説明する。気体は、それぞれ固有の吸収波長帯を持っており、その吸収波長帯には、例えば図5に示すように、多くの吸収線が存在している。図5aは低温のときのシグナル強度(=分子数割合)を示しており、図5bは高温のときのシグナル強度を示している。このように、シグナル強度は温度に依存して変化するため、シグナル強度比を計測することにより、測定時の排ガスの温度を算出することができる。なお、図5の横軸は波長λを示し、縦軸はシグナル強度を示している。このようにして算出した排ガスの温度も、排ガスに照射される赤外レーザ光が安定しているため、精度の良い測定が可能となる。 Next, the operation for measuring the temperature using the exhaust gas analyzer of the present embodiment will be described. Each gas has its own absorption wavelength band, and many absorption lines exist in the absorption wavelength band, for example, as shown in FIG. FIG. 5a shows the signal intensity at the low temperature (= number of molecules), and FIG. 5b shows the signal intensity at the high temperature. Thus, since the signal intensity changes depending on the temperature, the temperature of the exhaust gas at the time of measurement can be calculated by measuring the signal intensity ratio. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the wavelength λ, and the vertical axis indicates the signal intensity. The temperature of the exhaust gas thus calculated can also be measured with high accuracy because the infrared laser light irradiated to the exhaust gas is stable.
本発明の排ガスの分析方法では、第1のセンサ部11で排ガスの成分の濃度と温度を測定し、第2のセンサ部12でも排ガスの成分の濃度と温度を測定し、同様にして、第3〜第4のセンサ部13,14でも排ガスの成分の濃度と温度を測定する。この結果、排ガスの成分の濃度が第1〜第4のセンサ部で相対的に変化する状態が容易に判断できる。また、温度も第1〜第4のセンサ部で、それぞれの箇所での温度を測定して、排気経路中でどのように変化するかを容易に判断することができる。このように、本実施形態では4箇所に設置されたセンサ部11〜14により、4つの測定箇所での排ガスの成分の濃度の相対値、および温度の相対値を容易に検出できる。
In the exhaust gas analysis method of the present invention, the concentration and temperature of exhaust gas components are measured by the
すなわち、第1のセンサ部11では、排ガスのある成分の濃度が例えば(C1)PPMで、温度が(T1)℃であり、第2のセンサ部12では、排ガスのある成分の濃度が(C2)PPMで、温度が(T2)℃であり、第3のセンサ部13では、排ガスのある成分の濃度が(C3)PPMで、温度が(T3)℃であり、第4のセンサ部14では、排ガスのある成分の濃度が(C4)PPMで、温度が(T4)℃であるというように、各センサ部の排ガスの成分の濃度と温度が算出される。
That is, in the
これらの値からパーソナルコンピュータ45は、例えば、排ガスの成分の濃度は第1のセンサ部11の箇所で100%(基準値)とした場合に、第1触媒装置5を通過したあとは例えば約60%に低減し、第2触媒装置6を通過したあとは例えば約10%に低減するというように相対値を算出する。また、排ガスの状態の1つである温度については、第1のセンサ部11での温度が例えば700℃であるとした場合、第2のセンサ部12での温度は50%低減して約350℃となり、第3のセンサ部13で80%低減して約140℃となり、第4のセンサ部14では95%低減して約35℃となるというように相対値で評価することができる。なお、複数のセンサ部のうち基準とするセンサ部は最上流側のものが好ましいが、他のセンサ部を基準としても構わない。このようにして算出された排ガスの状態を示す相対値は、レーザダイオードLD1〜LD5から発生される赤外レーザ光を合波したレーザ光発生手段から供給されるレーザ光により測定されるため、測定精度が高く、排ガスの状態を高精度で検出できる。
From these values, the
以上述べたように、本発明の排ガス分析方法および排ガス分析装置は、複数のレーザダイオードから信号用レーザ光を合波し、合波された単一のレーザ光を用いて複数のセンサ部へ信号用レーザ光を供給すると共に、参照用レーザ光を差分型光検出器40へ供給するため、同じ位相、波長のレーザ光を用いて複数箇所で排ガスの成分の濃度や温度を測定でき、精度の良い相対的な排ガスの成分の濃度や温度を測定することができ、排ガス分析精度を向上させることができる。これにより、排気経路全体の排ガスの状態が相対的に分析でき、排ガスの低減や触媒装置の評価等を瞬時に判断することができる。
As described above, the exhaust gas analyzing method and the exhaust gas analyzing apparatus of the present invention combine signal laser light from a plurality of laser diodes, and use the combined single laser light to output signals to a plurality of sensor units. Since the reference laser beam is supplied to the differential
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、排ガスの成分ガスとして、窒素酸化物(NOx)の測定を行うこともできる。この場合は、排ガス中を透過させる赤外レーザ光として、NOxに適した波長(例えば1800nm)を用いることは勿論である。また、照射部から照射されるレーザ光は赤外レーザ光に限られず、可視レーザ光や紫外レーザ光でもよい。 Although one embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. Design changes can be made. For example, nitrogen oxide (NOx) can be measured as a component gas of exhaust gas. In this case, as a matter of course, a wavelength (for example, 1800 nm) suitable for NOx is used as the infrared laser beam that passes through the exhaust gas. The laser light emitted from the irradiation unit is not limited to infrared laser light, and may be visible laser light or ultraviolet laser light.
センサ部のセンサベースに光ファイバを介してレーザ光の照射部を取り付け、センサベースにフォトダイオードを固定して受光部とする例を示したが、センサベースに直接レーザダイオード等の照射部を装着してレーザ光の照射部としてもよい。また、センサベースに直接受光部であるディテクタを固定せず、光ファイバを固定してディテクタまで導光するように構成してもよい。光減衰器は信号用レーザ光側でなく、参照用レーザ光側に設置してもよい。 An example was shown in which a laser beam irradiation unit was attached to the sensor base of the sensor unit via an optical fiber, and a photodiode was fixed to the sensor base as a light receiving unit. However, an irradiation unit such as a laser diode was directly attached to the sensor base. And it is good also as a laser beam irradiation part. Alternatively, the detector that is the light receiving unit may not be directly fixed to the sensor base, but the optical fiber may be fixed and guided to the detector. The optical attenuator may be installed not on the signal laser beam side but on the reference laser beam side.
また、反射面として、金やプラチナの薄膜を形成する例を示したが、酸化チタン等の薄膜を形成してもよく、耐熱性に優れ、鏡面加工できるものであれば材質は特定されない。反射面はミラー等の反射板を使用せず、排ガスが流れる貫通孔の内面に直接形成してもよい。この場合は、貫通穴の内周面を研磨してから、めっきや蒸着等の手法により反射面を形成すればよい。反射面はミラー等を使用せず、貫通孔の内周面を研磨して金やプラチナの薄膜を形成してもよく、その上に保護層として、MgF2やSiO2の薄膜を形成してもよい。これにより反射面の構成を簡略化することができる。 Moreover, although the example which forms the thin film of gold | metal | money or platinum as a reflective surface was shown, thin films, such as a titanium oxide, may be formed, and if it is excellent in heat resistance and can be mirror-finished, a material will not be specified. The reflecting surface may be formed directly on the inner surface of the through hole through which the exhaust gas flows without using a reflecting plate such as a mirror. In this case, after reflecting the inner peripheral surface of the through hole, the reflection surface may be formed by a technique such as plating or vapor deposition. The reflecting surface may be a gold or platinum thin film formed by polishing the inner peripheral surface of the through-hole without using a mirror or the like, and a MgF 2 or SiO 2 thin film is formed thereon as a protective layer. Also good. Thereby, the structure of a reflective surface can be simplified.
前記の実施形態ではセンサ部をエキゾーストマニホルドの下流側に設置した構成を示したが、エキゾーストマニホルドとエンジンのシリンダブロックとの間に設置してもよい。このように構成すると、エンジンの気筒ごとの排ガスの成分の濃度や温度を測定することができ、例えばエンジンの不調等の原因を気筒ごとに判断することができる。特に、本発明の排ガス分析装置は、基準ガス等を使用せずに、レーザ光の透過を用いて排ガスの成分の濃度を検出するため、高温でも測定できる特徴があり、エンジンから排出した直後の800℃程度の高温の排ガスの成分の濃度の測定も精度良く行なうことができる。 In the above-described embodiment, the configuration in which the sensor unit is installed on the downstream side of the exhaust manifold is shown, but the sensor unit may be installed between the exhaust manifold and the cylinder block of the engine. If comprised in this way, the density | concentration and temperature of the component of the exhaust gas for every cylinder of an engine can be measured, for example, the cause of engine malfunction etc. can be judged for every cylinder. In particular, since the exhaust gas analyzer of the present invention detects the concentration of exhaust gas components using laser light transmission without using a reference gas or the like, it has a feature that can be measured even at high temperatures. Measurement of the concentration of the exhaust gas component at a high temperature of about 800 ° C. can be performed with high accuracy.
本発明の活用例として、この排ガス分析装置を用いてボイラー等の燃焼装置の排ガス分析を行うことができ、自動車の排ガス分析の他に船舶等で使用する内燃機関の排ガス分析の用途にも適用できる。 As an application example of the present invention, this exhaust gas analyzer can be used for exhaust gas analysis of combustion devices such as boilers, and in addition to automobile exhaust gas analysis, it can also be applied to exhaust gas analysis applications of internal combustion engines used in ships and the like it can.
1:自動車、1A:エンジンベンチ、2:エンジン(内燃機関)、3:エキゾーストマニホルド(排気経路)、4:排気管(排気経路)、5:第1触媒装置(排気経路)、6:第2触媒装置(排気経路)、7:マフラー(排気経路)、8:排気パイプ(排気経路)、10:排ガス分析装置、11〜14:センサ部、24A,24B…:光ファイバ(照射部)、25:ディテクタ(受光部)、26,27:反射板、29,29A,29B…:ケーブル、30:レーザ発振・受光コントローラ、31:信号発生器、33:分波器、34:光減衰器、36A,36B…,37:合波器、40:差分型光検出器、41:フィードバック線、45:パーソナルコンピュータ(信号解析部)、LD1〜LD5:レーザダイオード(レーザ光発生手段) 1: automobile, 1A: engine bench, 2: engine (internal combustion engine), 3: exhaust manifold (exhaust path), 4: exhaust pipe (exhaust path), 5: first catalyst device (exhaust path), 6: second Catalyst device (exhaust path), 7: Muffler (exhaust path), 8: Exhaust pipe (exhaust path), 10: Exhaust gas analyzer, 11-14: Sensor unit, 24A, 24B ...: Optical fiber (irradiation unit), 25 : Detector (light receiving unit), 26, 27: reflector, 29, 29A, 29B ...: cable, 30: laser oscillation / light receiving controller, 31: signal generator, 33: branching filter, 34: optical attenuator, 36A , 36B..., 37: multiplexer, 40: differential optical detector, 41: feedback line, 45: personal computer (signal analysis unit), LD1 to LD5: laser diode (laser light generating means)
Claims (7)
前記複数のセンサ部の出力に基づいて、前記排気経路中の複数箇所における排ガスの状態を、前記複数箇所のうちの1箇所を基準として相対的に検出することを特徴とする排ガス分析方法。 An irradiating unit for irradiating laser light generated from laser light generating means in an exhaust path through which exhaust gas discharged from an internal combustion engine flows, and a light receiving unit for receiving laser light irradiated from the irradiating unit and transmitted through the exhaust gas The exhaust gas analysis method for measuring the state of the exhaust gas, attached to a plurality of sensor parts comprising:
An exhaust gas analysis method, wherein, based on outputs of the plurality of sensor units, exhaust gas states at a plurality of locations in the exhaust path are relatively detected with reference to one of the plurality of locations.
前記複数のセンサ部がそれぞれレーザ光を照射する照射部と、該照射部から照射され排ガス中を透過したレーザ光を受光する受光部とを備えており、
前記照射部から照射されるレーザ光が、単一光源から各照射部に分波して供給されることを特徴とする排ガス分析装置。 Components in the exhaust process of exhaust gas components that circulate in the exhaust path based on signals output from the plurality of sensor parts attached to the exhaust path through which the exhaust gas discharged from the internal combustion engine circulates An exhaust gas analyzer for analyzing changes in concentration,
Each of the plurality of sensor units includes an irradiation unit that irradiates a laser beam, and a light receiving unit that receives the laser beam irradiated from the irradiation unit and transmitted through the exhaust gas,
The exhaust gas analyzing apparatus, wherein the laser beam emitted from the irradiation unit is demultiplexed and supplied from the single light source to each irradiation unit.
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