JP2006343293A - 排ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 排ガスの成分の濃度や温度等の測定精度を高めることができ、測定精度の高い状態を長期間維持することができる排ガス分析装置を提供する。
【解決手段】 レーザダイオードから発生させたレーザ光を、ミラー３０，３１で反射させ、エンジン２から排出される排ガス中を透過したレーザ光をディテクタ２６で受光し、受光された透過レーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度や温度を測定して排ガスを分析する装置は、ミラーの表面に光触媒層３５と、この光触媒層３５を照射する光触媒用の光線を発生させるレーザダイオードＬＤ６を備え、光触媒用の光線を光ファイバ２５Ａを通してミラーに照射して光触媒層を活性化させ、ミラーの表面に付着した排ガスの汚れを除去する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排ガスに含まれる成分を分析する排ガス分析装置に関する。

従来、この種の排ガス分析装置として、特許文献１に記載の半導体レーザ分光法を用いた温度・濃度・化学種の高速計測方法では、排気管にプローブとしてコリメータを設けるとともに、ミラーを設けることにより、排ガス中に含まれるＨ_２Ｏ、ＣＯ_２、ＮＯなど各種燃焼生成ガスの温度・濃度の計測が可能となっている。

この種の計測装置では、半導体レーザから波数ｖの入射光がセル内の気体に入射すると、入射光はガスの吸収を受けて、受光素子に受光されるが、その透過光強度はランバートベールの法則に従い入射光に対して減衰する。このため、レーザ光の気体中の透過距離を大きくすることで減衰を大きくすることができ、これにより精度の良い計測が可能となる。透過距離を大きくするために、この種の計測装置ではレーザ光を気体中で複数回反射させ、減衰量を大きくすることが行なわれている。

さらに、ＮＤＩＲ（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｔｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ａｎａｌｙｚｅｒ）非分散型赤外分光法、ＦＩＤ（Ｆｌａｍｅ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）法や、ＣＬＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）法等を用いた各種の排ガスの計測装置や分析装置がある。これらの測定法は、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。

特開２０００−７４８３０号公報（［００４５］、［００１２］）

ところで、前記特許文献１に記載の排ガスの高速計測方法では、測定用のレーザ光線を反射する反射面に、排ガスの汚れが付着して反射率が低下し、その結果排ガスの温度・濃度・化学種等の測定精度が低下して正確な分析ができないおそれがあった。特に、測定が長期間におよぶ場合は、反射率が時間の経過と共に低下していくため、長期間にわたる測定は、測定の初期と後期で精度が一定しないというおそれがある。

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、排ガス中を透過させる測定用のレーザ光を反射させ、その反射光を受光し、その反射光に基づいて排ガスの温度・濃度・化学種等の測定を行なう排ガス分析装置において、反射面を清浄に保つことで反射のロスを少なくして測定精度を安定させた排ガス分析装置を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係る排ガス分析装置は、レーザ光を発生させるレーザ光発生手段と、発生されたレーザ光を反射させる反射面と、該反射面で反射されたレーザ光を受光する受光手段とを備え、前記レーザ光を内燃機関から排出される排ガス中を透過させて受光し、受光された透過レーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度や温度を測定して排ガスを分析する装置であって、この装置は前記反射面の表面に形成された光触媒層と、該光触媒層を照射する光線を発生させる光線発生手段とをさらに備えることを特徴としている。

前記のごとく構成された本発明の排ガス分析装置は、測定用のレーザ光を反射する反射面に排ガスの成分が付着して反射率が低下しても、光触媒層を照射する光触媒用の光線を発生させる光線発生手段を動作させ、この手段から発生した光線を反射面に照射することで、反射面に付着した汚れが触媒作用で浮上り、排ガス流により流され除去されることで、反射率を向上させることができ、排ガスの成分の濃度や温度等を精度良く測定することができる。光触媒用の光線発生手段は測定時に常時点灯させておいてもよく、また汚れを検出して点灯させるように構成してもよい。

また、本発明に係る排ガス分析装置の好ましい具体的な態様としては、前記排ガス分析装置は、排ガスが流通する排気経路中に少なくとも１つのセンサ部を設置して構成され、該センサ部は排ガスが通過する貫通孔と、該貫通孔に前記レーザ光発生手段から発生されたレーザ光を照射する照射部と、排ガス中を透過したレーザ光を受光する受光手段の受光部とを備えることを特徴としている。前記センサ部は、排気経路中の複数個所に設置されることが好ましい。この構成によれば、排気経路中に排ガスが通過できる貫通孔を有するセンサ部を設置し、このセンサ部にレーザ光の照射部と、排ガス中を透過したレーザ光の受光部とを備えるように構成しているため、排気経路中への設置、特に複数個所への設置が容易に行なえる。

さらに、本発明に係る排ガス分析装置の好ましい具体的な他の態様としては、前記排ガス分析装置は光切替器を備えており、前記照射部はレーザ光発生手段から発生されたレーザ光と光線発生手段から発生された光触媒用の光線とを切替えて照射することを特徴としている。このように構成された排ガス分析装置によれば、光切替器により測定用のレーザ光と光触媒用の光線発生手段から発生された光線とを切替えて照射するため、反射面が排ガス成分で汚れたときに光触媒用の光線発生手段を動作させて光触媒層に照射する。この結果、光触媒層から排ガス成分が浮上り、排ガス流で排気経路外に排出され、反射面の清浄化が達成され、排ガスの成分の濃度や温度を精度良く測定することができる。

他の態様として、本発明の排ガス分析装置は、前記受光手段により受光されたレーザ光の光強度が、所定値を下回ったとき、前記光線発生手段を動作させて光線を発生させ、前記光触媒層を照射するように構成すると好ましい。排ガスを流通させない状態で、レーザ光を照射し、反射面で反射させてから受光することにより、反射面に排ガスの汚れが付着して反射率が低下すると受光されたレーザ光の光強度が低下する。そして、受光された光強度が所定値を下回ったときに光線発生手段を動作させると共に光切替器を切替えることで、反射面に付着した汚れを除去して反射面の清浄化を図ることができる。

本発明の排ガス分析装置は、前記レーザ光発生手段と前記光線発生手段の動作を所定のタイミングで切替える信号発生器を備えることが好ましい。このように構成すると、測定用のレーザ光と光触媒用の光線とを所定のタイミングで切替えて発生させるため、レーザ光を反射させる反射面に汚れが付着すると、光触媒用の光線を照射して光触媒層を活性化させ、汚れを浮かして排ガス流で除去することができる。そして、汚れが除去され清浄化された反射面で測定用のレーザ光を反射し、排ガス中の透過距離を長くできるため測定精度を高めることができる。

また、本発明の排ガス分析装置では、前記光線発生装置は、前記センサ部に設置されるように構成してもよい。この構成によれば、センサ部に測定用レーザ光の照射部と、排ガス中を透過したレーザ光の受光部と、さらに光触媒用の光線を発生させる光線発生手段が固定され、センサ部に固定された反射面を清浄に維持することができるため、レーザ光の照射と受光および反射面の清浄化を、一体化したセンサユニットとして機能させることができる。

さらに、本発明の排ガス分析装置は、前記光触媒用の光線を常時照射するように構成してもよい。このように構成すると、測定用のレーザ光を反射する反射部材の表面の光触媒層を光触媒用の光線で常時照射して清浄にするため、排ガスの成分の濃度や温度等の測定データが反射面の状態により変化することがなくなり、安定したデータ取得が可能となり、排ガスの分析精度を向上できる。

本発明の排ガス分析装置は、排ガス中を透過させるレーザ光を排ガス中で反射させるため透過距離を長くできて測定精度を向上させることができ、しかも、レーザ光を反射させる反射面の表面に光触媒層を形成してあるため、反射面に排ガスの汚れが付着して反射率が低下しても、光触媒層を機能させて汚れを除去して清浄にでき、測定精度の高い状態を維持することができ、排ガス分析の精度を高めることができる。

以下、本発明に係る排ガス分析装置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分析装置を自動車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、センサ部の要部の分解した状態の斜視図を含む排ガス分析装置の要部構成図、図４は、図３のセンサ部の詳細を示す一部を破断した正面図と、Ａ−Ａ線断面図、Ｂ−Ｂ線断面図およびＣ−Ｃ線要部断面図、図５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装置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。

図１〜５において、本実施形態の排ガス分析装置は、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から構成され、エンジン２から排出された排ガスを２つの触媒装置５，６で浄化し、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。

排気経路を構成する複数の部材は、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、第２触媒装置５，６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、マフラー７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が固着されている。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。このように、排気経路を構成する複数の部材はフランジ部により接続され、排ガスが通過する断面形状が直径ｄの円形に形成されている。

本実施形態の排ガス分析装置１０は、前記の排気経路の複数個所に設置さ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。第１のセンサ部１１の上流側の、エキゾーストマニホルド３で合流する前の１気筒毎の排気管にセンサ部を設置してもよい。

排気管４や第１触媒装置５、第２触媒装置６、マフラー７はフランジ部Ｆ，Ｆをボルト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、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。

各センサ部１１〜１４は同一構成であり、１つのセンサ部１１について図３，４を参照して説明する。センサ部１１は矩形状の薄板材から形成されたセンサ本体２０を有し、このセンサ本体は中心部に排気パイプ部の円形断面の内径ｄと同じ直径ｄの貫通孔２１が形成されており、貫通孔内を排ガスが通過する。板状のセンサ本体２０の厚さはレーザ光の照射部と受光部とを固定できる範囲で、できるだけ薄いことが好ましい。具体的にはセンサ本体２０の厚さは、例えば５〜２０ｍｍ程度が好適である。２０ｍｍを超えると排ガス流に乱れが生じやすく、５ｍｍより薄いと測定用のレーザ光の照射部や、排ガス中を透過したレーザ光の受光部の取付固定が煩雑となる。また、排気経路の任意の個所に必要に応じて容易に設置できる。なお、センサ本体２０の厚さは任意に設定できる。

このように、センサ本体２０に形成された貫通孔２１の形状は、排ガス流を乱さないように排気パイプ部の内径と同じ直径の円形に形成され、しかもセンサ本体２０は薄く形成されている。このため、排気経路中にセンサ部１１〜１４を取付けても排ガス流を乱すことがなく、圧力損失が少なく円滑に排気させることができる。センサ本体２０を構成する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。

センサ本体２０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とセンサ本体２０との間にはガスケット２２，２２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２２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の間にセンサ本体２０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は、排気管４の下流端に溶接されたフランジ部Ｆと、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２２，２２を挟んでセンサ本体２０が固定される構成を示している。

センサ本体２０には、板厚の中央を端面から貫通孔に向けて貫通する２つのセンサ孔２３，２４が形成されている。センサ孔２３，２４は貫通孔２１に向けて開口しており、排ガスの流れる方向と直交して開口している。センサ部１１はレーザ光を照射する照射部として光ファイバ２５がセンサ孔２３に固定され、光ファイバ２５から照射され貫通孔２１内に存在する排ガス中を透過したレーザ光を受光する受光部として、ディテクタ２６がセンサ孔２４に固定されている。すなわち、センサ部１１は、照射側の光ファイバ２５から排気経路を横切るように照射されたレーザ光が、２つのミラー３０，３１で反射され、排ガス中を透過して減衰し、ディテクタ２６で受光される構成となっている。

２つのミラー３０，３１は、図４に詳細に示すようにセンサ本体２０の中心部の円形の貫通孔２１の外側に、測定用の赤外レーザ光や光触媒用の光線を反射させるように上下に設置固定される。ミラー３０，３１は貫通孔２１の外周側に平行に形成された２つの挿入溝３２，３３内に着脱可能に固定されている。ミラー３０，３１は厚さが数ｍｍ程度の長方形状の基板状に形成され、基板の一方の面に金やプラチナの薄膜が反射面として形成され、その上に保護層として、ＭｇＦ_２やＳｉＯ_２の薄膜が形成されている。なお、保護膜は形成しなくてもよい。

ミラー３０，３１は、表面に形成された反射面、保護膜の表面に光触媒層３５が形成されている。光触媒層３５は、例えば二酸化チタン（ＴｉＯ_２）の薄膜が好ましい。光触媒層３５は塗布、あるいはコーティングによってミラーの表面に薄膜として形成されている。光触媒層が二酸化チタンの場合、この薄膜は紫外光等の光触媒用の光線を吸収して活性化し、表面に付着した汚れを浮上らせ、浮上った汚れは排ガス流により流されて排気経路から外部に排出されるように機能する。

センサ本体２０の貫通孔２１の外周に形成された挿入溝３２，３３は、ミラー３０，３１が緩く挿入できる程度の大きさに設定されている。挿入溝３２，３３はセンサ本体２０を貫通して両面側に開口しても、あるいは片面側に開口して他面側が閉塞している形状でもよい。ミラー３０，３１は挿入溝３２，３３内で取付ビス３６によりスペーサ３７を介して固定されている。ミラーが熱ショック等により破損した場合は、取付ビス３６を緩めることで取り外して新しいミラーを固定することができる。また、ミラーが汚れたときに、センサ本体２０から取り外して清掃することもできる。

貫通孔２１の内周面とミラーを固定する挿入溝３２，３３との間には、光が通過できる通路が形成されている。通路としては貫通するスリットや、貫通する通過孔等が形成される。本実施形態では、排気経路に直交する方向に幅が数ｍｍ程度のスリット３８，３８が貫通孔２１の内周面から挿入溝３２，３３まで貫通して形成されている。この構成により、測定用の赤外レーザ光が照射部である光ファイバ２５から貫通孔２１内に照射されると下方のスリット３８を通して下方のミラー３１に到達し、下方のミラーで上方に反射され、次いで上方のスリット３８を通して上方のミラー３０に到達し、上方のミラーで下方に反射され、上下で反射を繰返したあと上方に固定されたディテクタ２６に受光される構成となっている。

光ファイバ２５およびディテクタ２６はレーザ発振・受光コントローラ４０に接続され、レーザ発振・受光コントローラ４０から出射される赤外レーザ光が光ファイバ２５Ａを通してセンサ本体２０の貫通孔２１内に照射され、排ガス中を透過した赤外レーザ光が受光側のディテクタ２６で受光され、信号線２８Ａを介してレーザ発振・受光コントローラ４０に入力される構成となっている。光ファイバ２５Ａから照射された発光強度と、排ガスを透過してディテクタ２６で受光された受光強度等が、分析装置であるパーソナルコンピュータ５５に供給される。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４０と、パーソナルコンピュータ５５とを備えて構成される。

ここで、レーザ発振・受光コントローラ４０について、図５を参照して説明する。レーザ発振・受光コントローラ４０は、複数の波長の赤外レーザ光を照射する照射装置として、複数のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５に、図示していないファンクションジェネレータ等の信号発生器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照射する。レーザ発振・受光コントローラ４０の信号発生器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に供給されて発光し、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。

排ガス中を透過させる赤外レーザ光の波長は、検出する排ガスの成分に合わせて設定され、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、アンモニア（ＮＨ_３）、メタン（ＣＨ_４）、水（Ｈ_２Ｏ）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。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。なお、ガス濃度の検出は、同じ成分でも異なる波長である場合があり、異なる波長の中から選択して用いるようにしてもよい。

本実施形態の排ガス分析装置１０は、測定用の赤外レーザ光をミラー３０，３１で反射させ排ガス中の透過距離を大きくするように構成されており、このミラーの表面に形成されている光触媒層３５に光触媒用の光線である紫外光を発生させる光線発生器としてＬＤ６を備えている。すなわち、ＬＤ６は光触媒層３５を活性化させるために適した波長帯の光線として、例えば波長が３６０ｎｍ程度の紫外光を発生する。この紫外光を光触媒層３５に照射することで、光触媒層は活性化して超親水性を発揮し、ミラー３０，３１の表面に排ガスの微粒子等の汚れが付着しても排ガス中の水分により表面から浮上り、排ガス流によって排気経路外に排出され、容易に除去することができる。

各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から照射された赤外レーザ光は光ファイバ４２…により分波器４３…に導光され、センサ部の数に合わせて分波器３３…により分波される。図５では３つのセンサ部１１〜１３に合わせて各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から照射されたレーザ光は３つに分波される。そして分波器４３…で分波されたレーザ光は、分波器４４Ａ…、４４Ｂ…、４４Ｃ…により信号光と測定光に分けられる。分波器４４Ａ…はセンサ部１１用であり、分波器４４Ｂ…はセンサ部１２用、分波器４４Ｃ…はセンサ部１３用である。センサ部１１用の５つの分波器４４Ａ…で分けられた信号光は光ファイバを通して合波器４５Ａで合波され、合波された複数の波長帯の信号光は光ファイバ４７Ａを通して後述する差分型光検出器５０Ａに導光される。一方、５つの分波器４４Ａ…で分けられた測定光は光ファイバを通して合波器４６Ａで合波され、光ファイバ２５Ａにより光切替器４８Ａを経由してセンサ部１１の照射部に導光される。

また、分波器４３…で分波された赤外レーザ光は、センサ部１２用の５つの分波器４４Ｂ…により信号光と測定光に分けられ、信号光は合波器４５Ｂで複数の波長帯を合波した信号光となり、光ファイバ４７Ｂを通して差分型光検出器５０Ｂに導光される。５つの分波器４４Ｂ…により分けられた測定光は合波器４６Ｂで合波され、光ファイバ２５Ｂにより光切替器４８Ｂを経由してセンサ部１２の照射部に導光される。さらに、分波器４３…で分波された赤外レーザ光は、センサ部１３用の５つの分波器４４Ｃ…により信号光と測定光に分けられ、信号光は合波器４５Ｃで複数の波長帯の信号光となり、光ファイバ４７Ｃを通して差分型光検出器５０Ｃに導光される。５つの分波器４４Ｃ…により分けられた測定光は合波器４６Ｃで合波され、光ファイバ２５Ｃにより光切替器４８Ｃを経由してセンサ部１３の照射部に導光される。

図５では、３つのセンサ部１１〜１３を示しているが、さらに多くのセンサ部１４…を設置する場合は、分波器４３でさらに多くのレーザ光に分波し、分波したレーザ光をさらに多くの分波器４４…で測定光と信号光に分波し、信号用のレーザ光を合波器４５…で合波してから差分型光検出器５０…に導光すると共に、測定用のレーザ光をさらに多くの光切替器４８…を経由してさらに多くのセンサ部１４…に導光する。

また、光触媒用のＬＤ６から照射された光触媒用の紫外光は光ファイバを通して分波器４１に導光され、センサ部の数に合わせて３つに分波された光触媒用の紫外光は光切替器４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃに導光される。３つの光切替器は測定用の赤外レーザ光が光ファイバにより導光されると共に、光触媒を清浄にする紫外光が光ファイバにより導光され、測定用の赤外レーザ光または光触媒用の紫外光の一方を光ファイバ２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃに出力するもので、例えば、内蔵する可動ミラーを切替えて一方の光ファイバと出力光ファイバの光軸を合わせて導光するように構成されている。なお、光切替器は可動ミラーを備えるものに限らず、他の適宜の方式のものを用いることができる。

本実施形態では、光切替器４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃによる測定用の赤外レーザ光と光触媒用の紫外光との切替は、ミラー３０，３１の汚れが確認されたときに、測定用の赤外レーザ光から光触媒用の紫外光に切替え、照射部から照射される。例えば、センサ部１１のミラー３０，３１の汚れが検出されると、光切替器４８Ａにより光ファイバ２５Ａに光触媒用の紫外光が供給され、この紫外光はセンサ本体２０の貫通孔２１内に照射され、上下のミラー３０，３１を照射する構成となっている。

光触媒用の紫外光はビーム径が大きく設定され、測定用の赤外レーザ光と同じ光路を通るように照射され、赤外レーザ光が反射されるミラーの表面を広い範囲で照射するように構成されている。したがって、紫外光により照射された上下のミラー３０，３１は、測定用の赤外レーザ光が反射される領域を広い範囲で照射して汚れを除去し、この領域の反射率の低減を防止することができる。紫外光のビーム形をさらに広げてミラーの全面を紫外光で照射すると、ミラーの全面を清浄にできて好ましい。

センサ部１１〜１３の受光部に接続された受光側のディテクタ２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃはレーザ発振・受光コントローラ４０の差分型光検出器５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃに信号線２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃを介して接続される。また、合波器４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃで合波された信号光は光ファイバ４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃを通して差分型光検出器５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃに導光される。差分型光検出器では、排ガス中を透過して減衰した透過レーザ光と、排ガス中を透過していない信号レーザ光との差を取る構成となっている。信号レーザ光はフォトダイオード等に入力され、電気信号に変換される。差分型光検出器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装置であるパーソナルコンピュータ５５に入力される。パーソナルコンピュータ５５では、入力された信号から排ガスの成分の濃度や、排ガスの温度を算出して排ガスを分析する。

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。

Ｃ＝−ｌｎ（Ｉ／Ｉ_０）／ｋＬ…（１）

この数式（１）において、Ｉは透過光強度、Ｉ_０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、信号光である入射光強度（Ｉ_０）に対する透過光強度（Ｉ）の比、シグナル強度（Ｉ／Ｉ_０）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、ディテクタ２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃを通して出力され、入射光強度Ｉ_０は、光ファイバ４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃを通して差分型光検出器５０内のフォトダイオード等の光電変換器から出力される。本実施形態では入射光強度Ｉ_０として、排ガス中を透過しない信号光強度を用いている。

前記の如く構成された本実施形態の排ガス分析装置１０の動作について以下に説明する。排ガスの成分の濃度を測定するときは、レーザ発振・受光コントローラ４０の信号発生器を作動させて各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５に信号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光させる。各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から発光された赤外レーザ光は、光ファイバ４２…を通して分波器４３…に至り、ここでセンサ部の数に合わせて分波される。

このあと、分波された赤外レーザ光は分波器４４Ａ…，４４Ｂ…，４４Ｃ…で測定光と信号光に分波される。１つのセンサ部１１について詳細に説明すると、５つの分波器４４Ａで分波された信号光は合波器４５Ａで合波されて信号用レーザ光となり、差分型光検出器５０Ａに導光される。また、５つの分波器４４Ａで分波された測定光は合波器４６Ａで合波されて測定用レーザ光となり、光切替器４８Ａを経由してセンサ部１１の照射部に光ファイバ２５Ａを通して導光される。他のセンサ部１２，１３についても、同様に分波器４３…で分波されたあと、分波器４４Ｂ，４４Ｃで信号光と測定光に分波され、合波器４５Ｂ，４５Ｃで合波されて、信号光は差分型光検出器５０Ｂ，５０Ｃに導光され、測定光がセンサ部１２，１３に導光される。

そして、センサ部１１〜１３の光ファイバ２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃから照射された測定用の赤外レーザ光は、排ガスが通過している貫通孔２１内に照射される。赤外レーザ光は排気経路である貫通孔２１内を横切り、下方のミラー３１で上方に反射され、ついで上方のミラー３０で下方に反射され、反射を繰返すことで排ガス中の透過距離が大きくなり、最後にディテクタ２６で受光される。すなわち、測定用の赤外レーザ光は排ガス中を透過して減衰され、減衰された透過光が受光部であるディテクタ２６で受光され、透過光（測定光）の光強度が測定される。

このように、測定用の赤外レーザ光は排気経路を構成するセンサ部の貫通孔２１内の、排気経路と直交する面内を横切って受光されるため、直交する１断面における排ガスの成分の濃度や温度をスポット的に測定することができる。すなわち、排気経路に沿った、ある長さの範囲の排ガスの成分の濃度や温度を測定するのでなく、排気経路を横切る所定の１面を基準とした排ガスの成分の濃度や温度を測定することができるので、スポット的な測定が可能となる。

排ガス中を通り減衰して受光部に到達した測定用の赤外レーザ光はディテクタ２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃで電気信号として出力され、信号線２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃを介して差分型光検出器５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃに供給される。一方、信号用レーザ光は差分型光検出器５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃに供給され、差分型光検出器では、複数の波長成分毎に透過光（測定光）と信号光の差を取り、透過光のうちの特定ガス成分のピーク波長を検出する。このようにして、差分型光検出器からの出力が信号解析装置であるパーソナルコンピュータ５５に入力される。パーソナルコンピュータ５５は、入力された複数の周波数帯ごとのピーク波長に基づいて、排ガスの成分の濃度測定や温度測定を実施して分析する。

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６に示すように、多くの吸収線が存在している。図６ａ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６ｂ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、シグナル強度比を測定することにより、測定時の排ガスの温度を算出することができる。

そして、図７に示すように、吸収線のうちの１本、例えば波長λ１に対してレーザ光の発振波長を掃引することによって吸収を測定する。この波形と信号レーザ光の波形との比をとることによって、スペクトルプロファイルを測定する。また、温度測定は、前記のスペクトルプロファイルを異なる２つの吸収線λ１、λ２について測定し、それらの面積比Ａ１／Ａ２（またはピークの高さの比Ｐ１／Ｐ２）をとることにより求めることができる。従来の波長変調法では、図７ａに示すように、吸収スペクトルピークの先端の曲率により排ガスの成分の濃度を算出していたが、本発明では、図７ｂに示すように、吸収スペクトルの面積により排ガスの成分の濃度を算出するため、圧力の影響を受けにくい排ガスの成分の濃度の算出が可能となる。

本実施形態の排ガス分析装置１０では、排ガス中を透過して減衰した赤外レーザ光をディテクタ２６…で検出して排ガスの成分の濃度や温度を測定して分析するため、ディテクタの出力値からミラー３０，３１の反射率低下を判定することができる。すなわち、排ガスを通さない状態で赤外レーザ光を照射し、反射のみによる減衰をディテクタ２６…で検出し、排ガス成分がミラー３０，３１の表面に付着し、反射率が所定の閾値（例えば数１０％）より低下したとき、光触媒用のＬＤ６を動作させ、光切替器４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃを切替えて赤外レーザ光を照射せずに光触媒用の紫外光を照射するように切替え、紫外光をミラーの表面に照射してミラー３０，３１の清浄化を行ない、低下した反射率を復帰させることができる。

ＬＤ６を動作させると光触媒用の紫外光が照射され、光切替器４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃを通してミラー３０，３１の表面に紫外光が照射されるとミラーの表面に形成された光触媒層３５が活性化され、ミラー面に付着していた排ガス成分が浮上り、排ガス流で流されてミラー３０，３１の表面が清浄となる。すなわち、紫外光が照射されると光触媒層３５は超親水性を発揮し、排ガス中の水分を吸着して汚れを浮上らせ、排ガス流により除去される。これにより、ミラー３０，３１の反射率が向上し、再び精度の良い排ガスの成分の濃度測定や温度測定が可能となる。このように、ミラー面が汚れたときにＬＤ６を動作させて紫外光を照射してミラー面を清浄にすることで、測定精度の高い状態に長期間にわたって維持できる。また、光触媒用の光線のビーム径を大きくしてミラーに照射することで広い領域の洗浄が行なえ、ミラー全面の清浄化を行なうこともできる。

つぎに、本発明の他の実施形態について図８を参照して説明する。この実施形態では、光触媒用の光線は測定用の赤外レーザ光と共に組み合わせてセンサ部の照射部から貫通孔内に照射されることを特徴としている。この実施形態では光切替え器により、測定用の赤外レーザ光と光触媒用の光線とを、所定のタイミングで切替え、照射部である光ファイバに赤外レーザ光と光触媒用の光線を切替えて供給する。

この実施形態においては、測定用の赤外レーザ光の発光中に一定のタイミングで光触媒用の光線を発生させるパルスが信号発生器から出力される。すなわち、レーザダイオードを発振させる信号発生器は、図８に示す光検出器の出力のように、測定しようとしている複数の排ガスの成分の濃度の波長帯を有する赤外レーザ光を発生させる駆動パルスＲの中に、光触媒層清浄用の紫外光の駆動パルスＶを組み込んで、測定用赤外レーザ光と紫外光とを切替えて発生させている。紫外光の駆動パルスＶは、１０ｍＷ程度の光強度を発生できる電流が印加されることが好ましい。そして、一定のタイミングで、すなわち紫外光の駆動パルスＶに対応して、図５に示す光切替器を切替えるようにしている。

このように構成された排ガス分析装置は、排ガス中の成分の濃度や、排ガスの温度を測定する赤外レーザ光に、この赤外レーザ光を反射させるミラー表面に形成された光触媒層を活性化させる光触媒用の光線として紫外光を組み込んでいるため、排ガス測定中にミラー表面に排ガスの微粒子等が付着して反射率が低下しても、赤外レーザ光に組み込まれた紫外光によりミラー表面の光触媒層が活性化され、微粒子等の汚れが浮上って排ガス流により排気経路外に排出されるため、ミラーの反射率低下を常に防止することができ、排ガスの成分の濃度測定や温度測定を安定した精度で行なうことができる。

本発明のさらに他の実施形態を図９に基づき詳細に説明する。図９は本発明に係る排ガス分析装置のセンサ部の他の実施形態の正面図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、光触媒用の光線を発生させる光線発生手段がセンサ部のセンサ本体に直接設置されており、必要時、あるいは常時、光線発生手段を動作させることで光切替器を使用しないことを特徴とする。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

この実施形態では、ミラー３０Ａ，３１の表面に形成された光触媒層３５を清浄な状態にすることができる光線（紫外光）を照射する光線発生器であるレーザダイオード（以下、ＬＤという）６０は、センサ本体２０の測定用の赤外レーザ光を照射する照射部と対向する位置に固定されており、ＬＤ６０から照射される光触媒用の光線はセンサ本体２０のセンサ孔６１を通して貫通孔２１内に照射される構成となっている。なお、ＬＤの位置はセンサ本体のどの位置でもミラーに光触媒用の光線を照射できる位置であればよい。

この実施形態のセンサ部１５では、上方のミラー３０Ａは、図において左端の赤外レーザ光を反射させる反射面が一部除去され、紫外光を反射する反射面が形成されており、測定用の赤外レーザ光が透過できるように構成されている。これにより、測定用のレーザ光はミラー３０Ａの左端部を透過して下方のミラー３１で上方に反射され、上方のミラー３０Ａの反射面で下方に反射され、反射を繰返してディテクタ２６で受光される構成となっている。そして、光触媒用のＬＤ６０から照射される紫外光は上方のミラー３０Ａで下方に反射され、次いで下方のミラー３１で上方に反射されることを繰り返し、ミラー３０Ａ，３１の全表面を照射する構成となっている。なお、図示していないが、貫通孔の内周面とミラーの反射面とは貫通したスリットで赤外レーザ光や紫外光が到達できるように構成されている。

このように構成された本実施形態のセンサ部１５では、ミラー３０Ａ，３１が汚れて光触媒用の紫外光を照射させたいときにＬＤ６０に電圧を印加して動作させると、ＬＤ６０から紫外光が発生され上下のミラーの表面に照射される。ミラー３０Ａ，３１の表面には光触媒層３５が形成されており、紫外光が照射されると活性化され、ミラー表面に付着している汚れを浮かすことができ、浮き上げられた排ガス成分の汚れは排ガス流とともに排気経路から外部に排出される。これによりミラー面は清浄となり、反射率が高く復帰して排ガスの成分の濃度や温度の測定精度を上げることができる。また、この実施形態では、測定用の赤外レーザ光と光触媒用の紫外光とを切替える光切替器が不要となるため、構成を簡単にできる特長をさらに備える。

この実施形態の場合、光触媒用の光線は常時照射させておいてもよい。すなわち、排ガスの成分の濃度や温度を測定中はセンサ部の貫通孔２１内には常に排ガスが流れており、測定用の赤外レーザ光を反射させるミラー３０Ａ，３１の表面には排ガス成分の微粒子等の汚れが付着するため、ミラー表面の光触媒層３５に常時紫外光を照射することでミラー３０Ａ，３１の表面を常時清浄な状態とすることができ、排ガスの成分の濃度や温度の測定精度が安定して、測定精度のばらつきを防ぐことができる。

以上、本発明の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、光触媒層として、二酸化チタンの例を示したが、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の他の光触媒膜を用いてもよいのは勿論である。排ガスの成分として、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。反射面を有する反射部材として１枚のミラーを貫通孔に面して配置し、照射部から照射された赤外レーザ光を１度だけ反射させ、光路長を２倍程度として受光部で受光するように構成してもよい。

センサ部のセンサ本体に照射部として光ファイバを、受光部としてディテクタを備える例を示したが、センサ本体に直接レーザダイオード等の照射部を備えてもよく、フォトダイオード等のディテクタの代わりに受光用の光ファイバを装着する構成としてもよい。また、光ファイバの照射部にコリメータレンズを設け、コリメータレンズを通して貫通孔内にレーザ光を照射するようにしてもよい。さらに、センサ部は内燃機関のシリンダブロックとエキゾーストマニホルドとの間に設置してもよい。

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や発電機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。また、ガソリンエンジンの排ガス分析の他にディーゼルエンジンの排ガス分析を行なうことができ、さらに他の内燃機関の排ガス分析の用途にも適用できる。

本発明に係る排ガス分析装置を車両に搭載した一実施形態の要部構成図。 本発明に係る排ガス分析装置をエンジンベンチに搭載した他の実施形態の要部構成図。 １つのセンサ部の要部の分解した状態の斜視図を含む排ガス分析装置の要部構成図。 （ａ）は図３のセンサ部の正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｄ）は（ｃ）のＣ−Ｃ線要部断面図。 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装置を含む排ガス分析装置の全体構成を示すブロック図。 吸収スペクトルの圧力の影響を示し、（ａ）は低温のときのシグナル強度の説明図、（ｂ）は高温のときのシグナル強度の説明図。 （ａ）は従来の吸収スペクトルから排ガスの成分の濃度を算出する説明図、（ｂ）は本発明の吸収スペクトルから排ガスの成分の濃度を算出する説明図。 センサ部の照射部に供給される赤外レーザ光と光触媒用の光線とを合波した光検出器の出力を示す図。 センサ部の他の実施形態の正面図。

符号の説明

１：自動車、１Ａ：エンジンベンチ、２：エンジン、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、１１〜１５：センサ部、２０：センサ本体、２１：貫通孔、２５：光ファイバ（照射部）、２６：ディテクタ（受光部）、３０，３０Ａ，３１：ミラー、３５：光触媒層、４０：レーザ発振・受光コントローラ、４３：分波器、４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ：分波器、４５Ａ，４５Ｂ，４５Ｃ，４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃ：合波器、４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ：光切替器、５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ：差分型光検出器、５５：パーソナルコンピュータ（信号解析装置）、ＬＤ１〜ＬＤ５：レーザダイオード（レーザ光発生手段）、ＬＤ６，ＬＤ６０：レーザダイオード（光触媒用の光線発生装置）、Ｆ：フランジ部、ｄ：排気通路、貫通孔の直径

Claims (7)

1. レーザ光を発生させるレーザ光発生手段と、発生されたレーザ光を反射させる反射面と、該反射面で反射されたレーザ光を受光する受光手段とを備え、前記レーザ光を内燃機関から排出される排ガス中を透過させて受光し、受光された透過レーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度や温度を測定して排ガスを分析する装置であって、
   該装置は、前記反射面の表面に形成された光触媒層と、該光触媒層を照射する光線を発生させる光線発生手段とをさらに備えることを特徴とする排ガス分析装置。
2. 前記排ガス分析装置は、排ガスが流通する排気経路中に少なくとも１つのセンサ部を設置して構成され、
   該センサ部は排ガスが通過する貫通孔と、該貫通孔に前記レーザ光発生手段から発生されたレーザ光を照射する照射部と、前記受光手段の受光部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の排ガス分析装置。
3. 前記センサ部は、前記排気経路中の複数個所に設置されることを特徴とする請求項２に記載の排ガス分析装置。
4. 前記排ガス分析装置は光切替器を備えており、前記照射部は、前記レーザ光発生手段から発生されたレーザ光と、前記光線発生手段から発生させた光触媒を照射する光線とを、前記光切替器を介して切替えて照射することを特徴とする請求項２または３に記載の排ガス分析装置。
5. 前記受光手段により受光されたレーザ光の光強度が所定値を下回ったとき、前記光線発生手段を動作させて光線を発生させ、前記光触媒層を照射するように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排ガス分析装置。
6. 前記排ガス分析装置は、前記レーザ光発生手段と前記光線発生手段の動作を所定のタイミングで切替える信号発生器を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排ガス分析装置。
7. 前記光線発生手段は、前記センサ部に設置されることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の排ガス分析装置。