JP2009243954A

JP2009243954A - 排ガス分析装置および排ガス分析方法

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Publication number: JP2009243954A
Application number: JP2008088206A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Matsumoto; 清市松本; Masahiro Yamakage; 正裕山蔭; Sei Fukada; 聖深田; Yoshihiro Deguchi; 祥啓出口; Shinichiro Asaumi; 慎一郎浅海
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】吸収スペクトルのスペクトル強度の検出精度を高め、ひいては排ガス中の成分濃度の測定精度を向上させた排ガス分析装置および排ガス分析方法を提供する。
【解決手段】複数の波長のレーザ光を発生させ、レーザ光を測定部５に導光される測定用レーザ光及び測定部５に導光されない参照用レーザ光に分波して供給するレーザ光源６０と、測定用レーザ光と参照用レーザ光との受信信号の差分信号を算出して、排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する差分型光検出器６６と、差分型光検出器６６にて算出される差分信号の最大値が予め設定された上限設定値となるように吸収スペクトルを調整する吸収スペクトル調整部７１と、吸収スペクトル調整部７１にて調整された吸収スペクトルを用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出部７２とを有する。
【選択図】図８

Description

本発明は、内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部を具備してなり、前記測定部にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析装置および排ガス分析方法の技術に関する。

従来、エンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれる炭化水素（ＨｙｇｒｏＣａｒｂｏｎ）濃度（以下、成分濃度）を測定するために、ＦＩＤ（ＦｌａｍｅＩｏｎｉｚａｔｉｏｎＤｅｔｅｃｔｏｒ）法やＮＤＩＲ（Ｎｏｎ‐ＤｉｓｐｅｒｓｉｖｅＩｎｆｒａｒｅｄＲｅｄ）法と呼ばれる測定方法を用いた排ガス分析装置が知られている。

特に、車載型の従来の排ガス分析装置としては、排気経路中の排ガスに特定の吸収波長を有する赤外レーザ光を照射して排ガス中を透過させ、その透過光を検出することで、排ガス中の成分濃度を測定する構成が公知である。このような、赤外レーザ光を用いた成分濃度の計測方法（赤外線レーザ吸収法）では、光源からの赤外レーザ光が排ガスを構成する炭化水素類の吸収波長に調整された上で排気経路内の排ガスに向けて照射され、排ガス中を透過した透過光が受光センサにて検出され、透過光の吸収スペクトルに基づいて光強度（スペクトル強度）が算出されることで排ガス中の成分濃度が測定される。

例えば、特許文献１には、排気経路に内燃機関より排出された排ガスが通過する排ガス通過孔に向けて赤外レーザ光を照射し、反射鏡により赤外レーザ光を多重反射させた後に、排ガス中を透過した赤外レーザ光を検出する測定部を直接配置した排ガス分析装置が開示されている。かかる排ガス分析装置では、測定部にて検出されたレーザ光（透過光）に基づいて排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルが検出され、かかる吸収スペクトルのスペクトル強度から排ガス中の成分濃度が算出される。

上述した排ガス分析装置を用いた排ガス中の成分濃度の算出方法としては、具体的には、測定部に導光されて排ガス中を透過した測定用レーザ光と、測定部に導光されない（すなわち、排ガス中を透過しない）参照用レーザ光とが差分型光検出器にて受信されて両レーザ光の受信信号の差が算出され、これを増幅した差分信号における吸収スペクトルのスペクトル強度が検出される。そして、吸収スペクトルのスペクトル強度と測定用レーザ光の光強度とが比較されてレーザ光の吸収率が算出されることで、排ガス中の成分濃度が算出される。

上述した排ガス中の成分濃度の算出方法においては、排ガス中の成分濃度の測定精度を向上させるために吸収スペクトルのスペクトル強度の検出精度を高める必要がある。そして、原理上、吸収スペクトルのスペクトル強度を検出する際には、排ガスの濃度、レーザ光（測定用レーザ光及び参照用レーザ光）の光強度、レーザ光の光路長、及び差分型光検出器における差分信号のゲインなどの影響を受ける。

しかしながら、従来の排ガス分析装置では、上述したレーザ光の光路長や差分型光検出器における差分信号のゲインが装置固有の値として設定されており、また、差分型光検出器にて受信されるレーザ光（測定用レーザ光及び参照用レーザ光）の受信信号が予め設定された値となるようにレーザ光源から供給されるレーザ光の光量が画一的に制御されていた。そのため、特に、排ガス中の特定成分の濃度が増減した場合などには、かかる濃度変化の影響を受けて吸収スペクトルのスペクトル強度の検出精度が低減してしまうという課題があった。

すなわち、例えば、排ガスの特定成分の濃度が高い場合には、差分型光検出器にて検出される差分信号の最大値が計測レンジ（上限設定値）を越えてしまい、換言すると吸収スペクトルのスペクトル強度が検出可能範囲を越えてしまい、吸収スペクトルのスペクトル強度が検出不能になってしまうという課題があった。一方、排ガスの特定成分の濃度が著しく低い場合には、差分型光検出器にて検出される差分信号の最大値が計測レンジ（設定上限値）に比べて小さく、換言すると吸収スペクトルのスペクトル強度が検出可能範囲に対して著しく小さいため、吸収スペクトルの分解能に劣り、吸収スペクトルのスペクトル強度の検出精度が低減してしまうという課題があった。
特開２００６−１８４１８０号公報

そこで、本発明においては、排ガス分析装置および排ガス分析方法に関し、前記従来の課題を解決するもので、吸収スペクトルのスペクトル強度の検出精度を高め、ひいては排ガス中の成分濃度の測定精度を向上させた排ガス分析装置および排ガス分析方法を提供することを目的とする。

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。

すなわち、請求項１においては、内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部を具備してなり、前記測定部にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析装置であって、複数の波長のレーザ光を発生させ、前記レーザ光を前記測定部に導光される測定用レーザ光及び前記測定部に導光されない参照用レーザ光に分波して供給するレーザ光供給手段と、前記レーザ光供給手段により供給された測定用レーザ光及び参照用レーザ光を受信し、測定用レーザ光と参照用レーザ光との受信信号の差分信号を算出して、排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出手段と、前記吸収スペクトル検出手段にて算出される差分信号の最大値が予め設定された上限設定値となるように吸収スペクトルを調整する吸収スペクトル調整手段と、前記吸収スペクトル調整手段にて調整された吸収スペクトルを用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出手段とを有するものである。

請求項２においては、前記吸収スペクトル調整手段は、前記吸収スペクトル検出手段にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度を増減させることにより吸収スペクトルを調整するものである。

請求項３においては、前記吸収スペクトル検出手段にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が所定の基準値となるように、前記レーザ光供給手段により供給される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量を調整するレーザ光量調整手段を有してなり、前記吸収スペクトル調整手段は、前記吸収スペクトル検出手段にて算出される差分信号の最大値が前記上限設定値となるように前記基準値を変更するものである。

請求項４においては、前記吸収スペクトル検出手段にて受信される測定用レーザ光の受信信号の信号強度が所定の基準値となるように、前記レーザ光供給手段により供給される測定用レーザ光の光量を調整するとともに、前記吸収スペクトル検出手段にて受信される参照用レーザ光の受信信号の信号強度が測定用レーザ光の受信信号の信号強度と等しくなるように、前記レーザ光供給手段により供給される参照用レーザ光の光量を調整するレーザ光量調整手段を有してなり、前記吸収スペクトル調整手段は、前記吸収スペクトル検出手段にて算出される差分信号の最大値が前記上限設定値となるように前記基準値を変更するものである。

請求項５においては、前記レーザ光量調整手段は、前記基準値が測定用レーザ光又は参照用レーザ光の光量出力の最大値より大きい場合には、前記吸収スペクトル検出手段にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が前記最大値となるように調整するものである。

請求項６においては、前記差分信号の最大値が吸収スペクトルのスペクトル強度に相当するものである。

請求項７においては、前記吸収スペクトル調整手段は、吸収スペクトル検出手段から出力される差分信号の増幅強度を増減させることにより吸収スペクトルを調整するものである。

請求項８においては、内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析方法であって、複数の波長のレーザ光を発生させ、前記レーザ光を前記測定部に導光される測定用レーザ光及び前記測定部に導光されない参照用レーザ光に分波して供給するレーザ光供給工程と、前記レーザ光供給工程により供給された測定用レーザ光及び参照用レーザ光を受信し、測定用レーザ光と参照用レーザ光との受信信号の差分信号を算出して、排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出工程と、前記吸収スペクトル検出工程にて算出される差分信号の最大値が予め設定された上限設定値となるように吸収スペクトルを調整する吸収スペクトル調整工程と、前記吸収スペクトル調整工程にて調整された吸収スペクトルを用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出工程とを有するものである。

請求項９においては、前記吸収スペクトル調整工程は、前記吸収スペクトル検出工程にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度を増減させることにより吸収スペクトルを調整するものである。

請求項１０においては、前記吸収スペクトル検出工程にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が所定の基準値となるように、前記レーザ光供給工程により供給される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量を調整するレーザ光量調整工程を有してなり、前記吸収スペクトル調整工程は、前記吸収スペクトル検出工程にて算出される差分信号の最大値が前記上限設定値となるように前記基準値を変更するものである。

請求項１１においては、前記吸収スペクトル調整工程は、前記成分濃度算出工程へ出力する吸収スペクトルの出力信号を増減させることにより吸収スペクトルを調整するものである。

本発明の効果としては、差分信号の最大値が上限設定値で一定となるよう調整されることで、排ガス中の特定成分の濃度が増減した場合であっても、差分信号に表れた吸収スペクトルのスペクトル強度を確実に検出することができ、吸収スペクトルのスペクトル強度の検出精度を高めて、排ガス中の成分濃度の測定精度を向上できる。

次に、発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係る排ガス分析装置を車輌に搭載した状態を示した側面図、図２は測定部の取付構造を示した斜視図、図３は同じく図２の測定部の取付構造を示した側面図、図４は測定部の構成を示した斜視図、図５はコントローラの構成を示した機能ブロック図、図６は特定成分の検出ピークを含む測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号を示した図、図７は特定成分の検出ピークを含む差分信号に表れた吸収スペクトルを示した図、図８はコンピュータ装置の構成を示した機能ブロック図、図９は差分信号の最大値が上限設定値よりも大きい場合の吸収スペクトルの調整方法を示した参考図、図１０は差分信号の最大値が上限設定値よりも小さい場合の吸収スペクトルの調整方法を示した参考図、図１１は本実施例の排ガス分析装置を用いた排ガス分析方法を示したフローチャート、図１２は吸収スペクトル調整工程の詳細を示したフローチャート、図１３は別実施例のコントローラの構成を示した機能ブロック図、図１４は特定成分の検出ピークを含む差分信号に表れた吸収スペクトルを示した図である。

まず、本実施例の排ガス分析装置１の全体構成について、以下に概説する。
図１に示すように、本実施例の排ガス分析装置１は、自動車２に配置された内燃機関としてのエンジン２０から排出される排ガス中の成分濃度や温度を測定して分析するものである。具体的には、排ガス分析装置１は、上述した排気経路３の複数箇所に配設された複数の測定部５・５・・・と、測定部５に接続されたレーザ発振・受光用のコントローラ６と、コントローラ６に接続されたコンピュータ装置７等とで構成されている。

自動車２には、エンジン２０からの排ガスを機外に排出する排気経路３が敷設されており、排気経路３は、エキゾーストマニホールド３０、排気管３１、第一触媒装置３２、第二触媒装置３３、マフラー３４、及び排気パイプ３５等とから構成されている。また、排気経路３の各構成機器は、断面円形状の配管３ａによって連結されている。

排気経路３においては、エンジン２０の排ガスが、まずエキゾーストマニホールド３０で合流され、排気管３１を通じて第一触媒装置３２及び第二触媒装置３３に導入され、その後マフラー３４を通じて排気パイプ３５から大気中に放出される。このような排気経路３が形成されることによって、エンジン２０からの排ガスは、二つの触媒装置３２・３３によって浄化され、マフラー３４によって消音・減圧されて大気中に放出される。

測定部５・５・・・は、排気経路３において４箇所に配置されており、具体的には、第一触媒装置３２の上流側のエンジン２０と排気管３１との間、第一触媒装置３２と第二触媒装置３３との間、第二触媒装置３３とマフラー３４との間、マフラー３４の下流側の排気パイプ３５の末端部にそれぞれ配置されている。そして、各測定部５において、コントローラ６によって（赤外）レーザ光が照射され、かつ排ガスを透過した後のレーザ光が受光されることで、排気経路３を流れる排ガスの成分濃度が連続的にリアルタイムで測定される。

このように、本実施例の排ガス分析装置１では、各測定部５による排気経路３の一断面におけるスポット的な排ガスの測定が可能となっている。特に、本実施例のように、測定部５が排気経路３の複数箇所に設けられることで、排ガスが排気経路３の所定断面でどのように変化するかを瞬時に測定することができ、排ガスの状態をリアルタイムに連続して測定することができる。

次に、測定部５の構成について、以下に詳述する。
なお、本実施例の排ガス分析装置１では、排気経路３に配置された測定部５・５・・・は、それぞれ略同一に構成されているため、以下、一例として、第一触媒装置３２と第二触媒装置３３との間に配置された測定部５について説明する。

図２乃至図４に示すように、本実施例の測定部５は、矩形状の薄板材から形成され、略中心部に排気経路３中の排ガスが通過する円形の排ガス通過孔５０ａが貫通された本体部としてのセンサ本体５０と、測定用のレーザ光を排ガス通過孔５０ａ内に向けて照射する照射部５１と、照射部５１より照射されたレーザ光を多重反射させる一対の反射鏡５２・５２と、排ガス中を透過したレーザ光を検出する受光部５３と、排気経路中の排ガスの実測温度Ｔ１を検出する温度検出手段としての温度センサ５５等とで構成されている。測定部５においては、照射部５１より排気経路３と直交する一断面に沿ってレーザ光が照射され、照射されたレーザ光が反射鏡５２間で排気経路３を横切るように複数回反射されて、受光部５３にて受光される。

測定部５は、センサ本体５０が一対の管継手３６・３６に挟まれた状態で固定され、管継手３６・３６がそれぞれ第一触媒装置３２及び第二触媒装置３３に接続された配管３ａ・３ａと接続されることで排気経路３に配設される。管継手３６・３６は、断面円形の貫通孔３６ａが穿設された筒状に形成され、一方の開口縁部にフランジ部３６ｂが設けられている。測定部５（のセンサ本体５０）は、一対の管継手３６・３６のフランジ部３６ｂが設けられた側の開口端の離間に、ガスケット３７を介して挟み込まれ、フランジ部３６ｂ・３６ｂがボルト３８・３８によって締結されることで固定される。管継手３６の貫通孔３６ａは、配管３ａと同じ直径の円形に形成され、排ガスの流れが妨げられることがない。

センサ本体５０は、平面視円形に形成された薄板状の金属部材より構成され、排ガスの流れ方向と直交する対向面の略中央部に円形の排ガス通過孔５０ａが穿設されている。このセンサ本体５０には、照射部５１及び受光部５３が投光面と受光面とがそれぞれ排ガス通過孔５０ａの中心方向に向くようにして組み付けられるとともに、反射鏡５２・５２が排ガス通過孔５０ａに面するように上下に対向して平行に配設され、照射部５１より照射されるレーザ光が排ガス通過孔５０ａ内を排気経路３に対して直交して横切るように平行状態に固定されている。

照射部５１からは、排気経路３と直交する一断面に沿ってレーザ光が照射され、照射部５１から照射されたレーザ光が受光部５３にて受光される。本実施例では、照射部５１及び受光部５３は、上述したコントローラ６に接続されており、コントローラ６から射出されたレーザ光が照射部５１を介して排ガス通過孔５０ａに照射され、排ガス中を透過したレーザ光が受光部５３で受光されてコントローラ６に受光信号が入力される。

照射部５１には、赤外線送信用の光ファイバ５１ａが設けられており、投光面がセンサ本体５０の排ガス通過孔５０ａの中心に向くようにして取り付けられている。光ファイバ５１ａの他端は、上述したコントローラ６に接続されており、コントローラ６から射出されたレーザ光が光ファイバ５１ａより排ガス通過孔５０ａ内に導入される。このように、照射部５１は、光ファイバ５１ａの投光面が排ガス通過孔５０ａに対向され、レーザ光が排ガス通過孔５０ａと直交する一断面に向けて照射可能にセンサ本体５０に取り付けられている。

受光部５３には、レーザ光を検出するディテクタ５３ａと、一端がディテクタ５３ａに接続されるとともに、他端が上述したコントローラ６に接続された信号線５３ｂとが設けられており、排ガス中を透過したレーザ光がディテクタ５３ａに受光されて、受光信号が信号線５３ｂを介してコントローラ６に入力される。受光部５３は、ディテクタ５３ａの受光面が排ガス通過孔５０ａに対向され、照射部５１より排ガス通過孔５０ａと直交する一断面に向けて照射されたレーザ光を受光可能に照射部６と同一平面上に位置するようにしてセンサ本体５０に取り付けられる。

反射鏡５２・５２は、照射部５１より照射されたレーザ光が一方の反射鏡５２（図４において下方の）により他方の反射鏡５２（図４において上方の）に向けて反射され、一対の反射鏡５２・５２により交互に反射されて受光側の受光部５３に到達されるように配設される。このように一対の反射鏡５２・５２によって、照射部５１により照射されたレーザ光が排気経路３に直交する一断面内を複数回反射してから受光部５３で受光される。

このように、測定部５では、コントローラ６から照射されたレーザ光が照射部５１の光ファイバ５１ａを介してセンサ本体５０の排ガス通過孔５０ａ内に照射され、排ガス中を透過したレーザ光が受光部５３のディテクタ５３ａにて受光され、信号線５３ｂを介してコントローラ６に入力されるように構成されている。

次に、コントローラ６について、以下に詳述する。
本実施例の排ガス分析装置１では、コントローラ６は、各排気経路３に配置された対応する測定部５・５・・・ごとにそれぞれ配設されており、各測定部５・５・・・に同様の波長の（赤外）レーザ光を供給するとともに、各測定部５・５・・・にて受光されたレーザ光の受光信号が受信されるように構成されている。以下では、第一触媒装置３２と第二触媒装置３３との間に配置された一の測定部５に注目して、かかる測定部５に接続されたコントローラ６の構成について説明するが、その他の測定部５に接続されるコントローラ６の構成についても略同様に構成される。

図１及び図５に示すように、コントローラ６は、複数の波長のレーザ光を発生させて供給するレーザ光供給手段及び供給されたレーザ光を受信して吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出手段として構成されている。具体的には、複数の波長の赤外レーザ光を発生させるレーザ光源６０と、レーザ光源６０より照射されたレーザ光を測定用レーザ光及び参照用レーザ光に分波して供給する複数の分波器６１・６１・・・と、分波器６１・６１・・・により分波されたレーザ光の光量を調整するレーザ光量調整手段としての可変光減衰器６２・６３と、分波器６１・６１・・・により分波されたレーザ光を所定の波長帯のレーザ光に合波する合波器６４・６５と、測定部５により受光されて排ガス中を透過して減衰した測定用レーザ光と参照用レーザ光とが導光される差分型光検出器６６等とで構成されている。

レーザ光源６０は、ファンクションジェネレータ等の信号発信器６７からの所定の周波数の信号が複数（本実施例では５個）のレーザダイオード６８・６８・・・に供給されることで、各レーザダイオード６８・６８・・・から特定波長の赤外レーザ光が発生される。レーザ光源６０では、例えば、一のレーザダイオード６８から波長が１３００〜１３３０ｎｍ程度のレーザ光や、波長が１３３０〜１３６０ｎｍ程度のレーザ光がそれぞれ照射される。

本実施例では、排ガス中に含まれる成分の内で、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）、及び水（Ｈ_２Ｏ）の５種類を検出対象として設定されており、それぞれの成分のピーク波長が存在する波長帯を含むレーザ光が合成される。具体的には、ＮＨ_３を検出するのに適した波長は１５３０ｎｍ近傍であり、ＣＯを検出するのに適した波長は１５６０ｎｍ近傍であり、ＣＯ_２を検出するのに適した波長は１５６０ｎｍ近傍であり、ＣＨ_４を検出するのに適した波長は１６８０ｎｍ近傍である。そして、Ｈ_２Ｏを検出するのに適した波長が１３５０ｎｍ近傍である。

分波器６１は、上述したレーザ光源６０のレーザダイオード６８・６８・・・より照射されたレーザ光を、測定部５に導光される測定用レーザ光と、測定部５に導光されない参照用レーザ光とに分波する装置であって、本実施例では、上述したレーザダイオード６８・６８・・・に対応して複数個（本実施例では５個）の分波器６１・６１・・・がそれぞれ配設されている。なお、本実施例のコントローラ６には、分波器６１にてレーザダイオード６８・６８・・・より照射されたレーザ光を測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波する前に、排ガス分析装置１を構成する各測定部５・５・・・に対してレーザ光を分波するための図示せぬ分波器が別途設けられている。

可変光減衰器６２・６３は、分波器６１にて分波された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量を調整するものであって、分波器６１にて分波され測定部５を介して後述する差分型光検出器６６に導光される測定用レーザ光の光量を調整する可変光減衰器６２と、分波器６１にて分波され後述する差分型光検出器６６にそのまま導光される測定用レーザ光の光量を調整する可変光減衰器６３とで構成されている。本実施例では、各可変光減衰器６２・６３は、上述したレーザダイオード６８・６８・・・に対応して複数個（本実施例では５個ずつ）設けられている。そのため、各レーザダイオード６８・６８・・・により照射されたレーザ光は、特定の波長帯ごとに可変光減衰器６２・６３によってその光量が調整される。

また、可変光減衰器６２・６３は、後述するコンピュータ装置７に接続されており、コンピュータ装置７にて可変光減衰器６２・６３のレーザ光の減衰率が変更されることで、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値となるように、差分型光検出器６６に導光される各レーザ光の光量が調整される。

合波器６４・６５は、分波器６１で測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波された各レーザ光を合波して、所定の波長帯のレーザ光に合波するものであって、合波器６４により分波器６１で分波された測定用レーザ光が合波され、合波器６５により分波器６１で分波された参照用レーザ光が合波される。このようにして合波器６４・６５により合波されたレーザ光は、排ガス中の複数の成分に合わせて１３００ｎｍ〜１７００ｎｍ程度の波長帯を有するように調整されている。

合波器６４により合成された測定用レーザ光は、光ファイバ５１ａを介して測定部５の照射部５１に導光され、測定部５にて反射鏡５２・５２で多重反射された後に受光部５３のディテクタ５３ａにて受光され、信号線５３ｂを介して後述する差分型光検出器６６に導光される。一方、合波器６５により合成された参照用レーザ光は、光ファイバ６５ａを介して後述する差分型光検出器６６に導光される。

差分型光検出器６６は、レーザ光源６０（レーザダイオード６８）により供給された測定用レーザ光及び参照用レーザ光を受信し、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号から差分信号を算出して、排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出手段として構成されている。本実施例の差分型光検出器６６には、測定部５から延出された信号線５３ｂと、合波器６５から延出された光ファイバ６５ａとがそれぞれ接続されており、測定部５にて排ガス中を透過して減衰された測定用レーザ光と排ガス中を透過していない参照用レーザ光とが、フォトダイオード６６ａ・６６ａに入力されて電気信号に変換された後に受信される。そして、差分型光検出器６６では、受信された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号に基づいて、測定用レーザ光と参照用レーザ光との受信信号の差をとって差分信号が算出され、増幅された差分信号に表れた吸収スペクトルが検出される。

差分型光検出器６６にて受信された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号や検出された吸収スペクトル（算出された差分信号）は、電気信号として後述するコンピュータ装置７に入力される。特に、本実施例では、差分型光検出器６６にて検出された吸収スペクトル（算出された差分信号）は、高域通過濾波器６９を介して低周波成分が削除された状態でコンピュータ装置７に入力される。

図６は、一例として、差分型光検出器６６にて受信された特定成分の測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号をそれぞれ示したものである。特に、排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の受信信号では、ピーク波長λ１において所定成分の吸収に伴う信号強度の減少（ピークＡ）が確認される。なお、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号は、後述するコンピュータ装置７により信号強度が所定の基準値となるように調整されており、本実施例では原則として両レーザ光の受信信号の信号強度がかかる基準値で一致するように調整されている。

また、図７は、一例として、差分型光検出器６６にて算出された特定成分の差分信号に表れた吸収スペクトルを示したものである。図６に示した（排ガス中を透過した後の）測定用レーザ光の受信信号に表れたピークに対応して、ピーク波長λ１において特定成分の吸収に伴うピークＡが確認される。なお、この差分信号の吸収スペクトルは、後述するコンピュータ装置７により差分信号の最大値が予め設定された上限設定値となるように調整されている。

次に、コンピュータ装置７について、以下に詳述する。
図８に示すように、本実施例のコンピュータ装置７は、後述するように、レーザ光量調整部７０、吸収スペクトル調整部７１と、成分濃度算出部７２、及び出力部７３等とで構成されており、コントローラ６からの出力信号が解析されて、入力された複数の波長帯ごとの吸収スペクトルに基づいて排ガスの成分濃度が測定される。特に、本実施例のコンピュータ装置７では、差分型光検出器６６にて算出される差分信号の最大値に基づいてフィードバック制御により所定の基準値が変更されるとともに、かかる基準値に基づいてフィードバック制御により測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量が調整されることで、排ガス中の成分濃度の算出に用いられる吸収スペクトルが調整される。

コンピュータ装置７は、上述したコントローラ６を構成する可変光減衰器６２・６３や差分型光検出器６６等と接続されており、差分型光検出器６６にて受信された各レーザ光の受信信号や差分信号（吸収スペクトル）が電気信号として入力されるとともに、可変光減衰器６２・６３にレーザ光の光量を調整する制御信号が出力される。

レーザ光量調整部７０は、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が所定の基準値となるように、レーザ光源６０により供給される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量を調整するレーザ光量調整手段として構成されている。本実施例では、レーザ光源６０により供給される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量は、可変光減衰器６２・６３のレーザ光の減衰率が変更されることで調整される。

「基準値」とは、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度の基準となる値のことをいう。本実施例では、基準値は、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光にそれぞれ対応して設定されるとともに、それぞれの値が同一となるように設定される。つまり、レーザ光量調整部７０では、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号がかかる基準値で一致した信号強度となるように調整される（例えば、図６参照）。

ところで、本実施例のコンピュータ装置７では、後述するように、吸収スペクトル調整部７１によるフィードバック制御により上述した基準値が変更可能とされている。一方、レーザ光量調整部７０にて調整可能な測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量の範囲は、可変光減衰器６２・６３の調整範囲（計測レンジ）に限定され、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量出力の最大値が制限される。

そのため、本実施例のレーザ光量調整部７０では、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量出力の調整可能な最大値が予めそれぞれ設定されており、吸収スペクトル調整部７１にて変更された基準値が測定用レーザ光又は参照用レーザ光の光量出力の最大値より大きい場合には、かかる最大値が「基準値」として用いられる。なお、かかる場合には、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号がいずれもこの最大値で一致した信号強度となるように調整される。

レーザ光量調整部７０では、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値となるように測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量がフィードバック制御により調整される。より詳細には、本実施例におけるレーザ光量調整部７０による測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量のフィードバック制御とは、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度に基づいて、レーザ光源６０より供給される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量を調整することをいう。

レーザ光量調整部７０による測定用レーザ光の光量のフィードバック制御について概説すると、差分型光検出器６６にて受信された測定用レーザ光の受信信号がコンピュータ装置７に入力されると、レーザ光量調整部７０にてかかる受信信号の信号強度が基準値と比較される。その結果、測定用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値より大きい場合には、可変光減衰器６２の減衰率を変更させる制御信号が可変光減衰器６２に出力されて、測定用レーザ光の光量が低減されることで、測定用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値に一致するように制御される。一方、差分型光検出器６６にて受信された測定用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値より小さい場合には、可変光減衰器６２の減衰率を変更させる制御信号が可変光減衰器６２に出力されて、測定用レーザ光の光量が増大されることで、測定用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値に一致するように調整される。

同様に、レーザ光量調整部７０による参照用レーザ光の光量のフィードバック制御について概説すると、差分型光検出器６６にて受信された参照用レーザ光の受信信号がコンピュータ装置７に入力されると、レーザ光量調整部７０にてかかる受信信号の信号強度が基準値と比較される。その結果、参照用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値より大きい場合には、可変光減衰器６３の減衰率を変更させる制御信号が可変光減衰器６３に出力されて、参照用レーザ光の光量が低減されることで、参照用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値に一致するように制御される。一方、差分型光検出器６６にて受信された参照用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値より小さい場合には、可変光減衰器６３の減衰率を変更させる制御信号が可変光減衰器６２に出力されて、参照用レーザ光の光量が増大されることで、参照用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値に一致するように調整される。

このようにレーザ光量調整部７０が構成されることで、差分型光検出器６６において一定の受信強度の測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号を受信することができるため、差分信号の算出精度や後述する成分濃度算出部７２における非ガス中の成分濃度の算出精度を向上させることができる。

吸収スペクトル調整部７１は、差分型光検出器６６にて算出される差分信号の最大値が予め設定された上限設定値となるように吸収スペクトルを調整する吸収スペクトル調整手段として構成されている。本実施例の吸収スペクトル調整部７１は、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度を増減させることで、吸収スペクトルを調整するように構成されており、具体的には、差分型光検出器６６にて算出される差分信号の最大値が上限設定値となるように上述した基準値を変更するように構成されている。

「上限設定値」は、後述する成分濃度算出部７２にて差分信号の信号強度を算出可能な範囲（計測レンジ）の上限値のことをいう。つまり、差分信号の最大値が上限設定値となるように調整することで、成分濃度算出部７２にて差分信号に表れた吸収スペクトルのスペクトル強度を確実に検出することができる。また、本実施例では、上述したように差分型光検出器６６にて算出された差分信号が高域通過濾波器６９を介してコンピュータ装置７に入力されるため、差分信号においてベースラインノイズの影響が除去されており、差分信号に表れた吸収スペクトルのスペクトル強度が差分信号の最大値となる（例えば、図７参照）。

吸収スペクトル調整部７１では、差分型光検出器６６にて算出される差分信号の最大値が上限設定値となるように基準値がフィードバック制御により変更される。より詳細には、本実施例における吸収スペクトル調整部７１による基準値のフィードバック制御とは、差分型光検出器６６にて算出される差分信号の最大値に基づいて基準値を所定の値に変更することをいう。

吸収スペクトル調整部７１による基準値のフィードバック制御について概説すると、差分型光検出器６６にて算出された差分信号がコンピュータ装置７に入力されると、吸収スペクトル調整部７１にて差分信号の最大値が上限設定値と比較される。本実施例では、この差分信号の最大値が差分信号に表れた吸収スペクトルのスペクトル強度に相当する。その結果、差分信号の最大値（吸収スペクトルのスペクトル強度）が上限設定値より大きい場合には、差分信号の最大値が上限設定値となるように基準値が低減される。一方、差分信号の最大値（吸収スペクトルのスペクトル強度）が上限設定値より小さい場合には、差分信号の最大値が上限設定値となるように基準値が増大される。

このように本実施例のコンピュータ装置７は、吸収スペクトル調整部７１にて基準値がフィードバック制御により変更されるとともに、レーザ光量調整部７０にて測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量がフィードバック制御により調整されることで、差分信号の最大値が予め設定された上限設定値となるように吸収スペクトルを調整するものであって、後述する成分濃度算出部７２にてかかる吸収スペクトルを用いて成分濃度が算出される。

図９を参照して、差分信号の最大値（吸収スペクトルのスペクトル強度）が上限設定値よりも大きい場合の吸収スペクトルの調整について説明する。なお、このような現象は、排ガス中の特定成分の濃度が高い場合などに発現される。

コンピュータ装置７では、差分型光検出器６６にて算出された差分信号が入力された後、吸収スペクトル調整部７１において、差分信号の最大値（吸収スペクトルのスペクトル強度）が上限設定値と比較される。その結果、差分信号の最大値が上限設定値よりも大きいため（図９（ａ）参照）、差分信号の最大値が上限設定値となるように基準値がフィードバック制御される。このとき、吸収スペクトル調整部７１にてフィードバック制御により変更された基準値は、変更前の基準値よりもその信号強度が低くなるように設定される（図９（ｂ）参照）。

次いで、レーザ光量調整部７０において、差分型光検出器６６にて受信された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号が変更された基準値と比較される。その結果、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度がかかる基準値より大きいため、フィードバック制御により測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量が低減されて、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値に一致するように制御される（図９（ｂ）参照）。

このようにして、レーザ光量調整部７０にて測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量が低減されることで、コンピュータ装置７に入力される差分信号の最大値が上限設定値に一致されて、差分信号に表れた吸収スペクトルが最適化される（図９（ｃ）参照）。

一方、図１０を参照して、差分信号の最大値（吸収スペクトルのスペクトル強度）が上限設定値よりも小さい場合の吸収スペクトルの調整について説明する。なお、このような現象は、排ガス中の特定成分の濃度が低い場合などに発現される。

コンピュータ装置７では、差分型光検出器６６にて算出された差分信号が入力された後、吸収スペクトル調整部７１において、差分信号の最大値（吸収スペクトルのスペクトル強度）が上限設定値と比較される。その結果、差分信号の最大値が上限設定値よりも小さいため（図１０（ａ）参照）、差分信号の最大値が上限設定値となるように基準値がフィードバック制御される。このとき、吸収スペクトル調整部７１にてフィードバック制御により変更された基準値は、変更前の基準値よりもその信号強度が高くなるように設定される（図１０（ｂ）参照）。

次いで、レーザ光量調整部７０において、差分型光検出器６６にて受信された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号が変更された基準値と比較される。その結果、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度がかかる基準値より小さいため、フィードバック制御により測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量が増加されて、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が基準値に一致するように制御される（図１０（ｂ）参照）。

このようにして、レーザ光量調整部７０にて測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量が増加されることで、コンピュータ装置７に入力される差分信号の最大値が上限設定値に一致されて、差分信号に表れた吸収スペクトルが最適化されるように調整される（図１０（ｃ）参照）。なお、本実施例では、吸収スペクトル調整部７１により変更された基準値が上述した最大基準値よりも小さいため、変更された基準値がそのまま「基準値」として用いられる。

成分濃度算出部７２は、吸収スペクトル調整部７１にて調整された吸収スペクトルを用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出手段として構成されている。成分濃度算出部７２では、排ガスの成分濃度の算出方法として公知の方法が用いられるが、本実施例では、一例として、排ガス中への入射光（参照用レーザ光）と、排ガス中を透過した後の透過光（測定用レーザ光）の光強度に基づいて、以下の数式（１）を用いて算出される。

Ｃ＝−ｌｎ（Ｉ／Ｉ_０）／ｋ・Ｌ・・・（１）

数式（１）において、Ｃは成分濃度、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。つまり、成分濃度Ｃは、参照用レーザ光である入射光の光強度Ｉ_０に対する測定用レーザ光である透過光のスペクトル強度（光強度Ｉ）の比（Ｉ／Ｉ_０）に基づいて算出される。本実施例の成分濃度算出部７２では、吸収スペクトル調整部７１にて調整された吸収スペクトルから透過光強度Ｉとしてのスペクトル強度が算出されるとともに、入射光強度Ｉ_０として差分型光検出器６６にて検出された参照用レーザ光の信号強度より成分濃度Ｃが算出される。

次に、本実施例の排ガス分析装置１を用いた排ガス分析方法について、以下に説明する。
図１１に示すように、本実施例の排ガス分析方法は、上述した排ガス分析装置１を用いて、エンジン２０の排ガスを排出する排気経路３中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光することで排ガス中の成分濃度を測定する方法であって、レーザ光供給工程（Ｓ１００）、吸収スペクトル検出工程（Ｓ１１０）、吸収スペクトル調整工程（Ｓ１２０）、及び成分濃度算出工程（Ｓ１３０）とに大別される。

まず、測定が開始されてエンジン２０からの排ガスが排気経路３に送られると、排ガス分析装置１が作動される。エンジン２０から排出された排ガスは、やがて測定部５のセンサ本体５０に穿設された排ガス通過孔５０ａを通過する。

レーザ光供給工程（Ｓ１００）では、測定部５の排ガス通過孔５０ａを通過する排ガスに対してレーザ光が照射されて、排ガスを透過したレーザ光が受光される。具体的には、コントローラ６から照射されたレーザ光が照射部５１の光ファイバ５１ａを介してセンサ本体５０の排ガス通過孔５０ａ内に照射され、一対の反射鏡５２・５２によって排気経路３に直交する一断面内を複数回反射されてから、受光部５３のディテクタ５３ａにて受光され、信号線５３ｂを介してコントローラ６に入力される。

本実施例では、レーザ光源６０から複数の波長のレーザ光が発生され、各レーザ光が分波器６１・６１・・・により測定部５に導光される測定用レーザ光及び測定部５に導光されない参照用レーザ光に分波される。そして、分波器６１にて分波された測定用レーザ光及び参照用レーザ光は、可変光減衰器６２・６３にて光量が調整されながら供給されて、やがて後述する差分型光検出器６６に受信される。

吸収スペクトル検出工程（Ｓ１１０）では、レーザ光供給工程により供給された測定用レーザ光及び参照用レーザ光が差分型光検出器６６にて受信され、測定部５にて排ガス中を透過して減衰された測定用レーザ光及び排ガス中を透過していない参照用レーザ光の受信信号から差分信号が算出されて、排ガス中の吸収されたレーザ光の吸収スペクトルが検出される。また、差分型光検出器６６にて受信された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号や、差分型光検出器６６にて検出された吸収スペクトル（算出された差分信号）は、電気信号として後述するコンピュータ装置７に入力される。

吸収スペクトル調整工程（Ｓ１２０）では、吸収スペクトル検出工程にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度を増減させることで、吸収スペクトル検出工程にて算出される差分信号の最大値が予め設定された上限設定値となるように吸収スペクトルが調整される。具体的には、吸収スペクトル調整工程では差分型光検出器６６にて算出される差分信号の最大値に基づいてフィードバック制御により所定の基準値が変更されるとともに、かかる基準値に基づいてフィードバック制御により測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量が調整されることで、排ガス中の成分濃度の算出に用いられる吸収スペクトルが調整される。

図１２を参照して、本実施例における吸収スペクトル調整工程の詳細を説明すると、まず、吸収スペクトル調整部７１では、差分信号の最大値（本実施例では吸収スペクトルのスペクトル強度）が上限設定値と比較され（Ｓ２００）、差分信号の最大値が上限設定値となるように基準値がフィードバック制御される（Ｓ２０１）。そして、レーザ光量調整部７０では、吸収スペクトル調整部７１にて変更された基準値と予め設定された最大値との大小が判定される（Ｓ２０２）。

その結果、変更された基準値が最大値よりも小さい場合には、差分型光検出器６６にて受信された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号が変更された基準値とそれぞれ比較され（Ｓ２０３）、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度がそれぞれ基準値に一致するようにフィードバック制御されて測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量が増減される（Ｓ２０４）。このようにして調整された吸収スペクトルは、差分信号の最大値が上限設定値に一致されて最適化される（Ｓ２０５）。

一方、変更された基準値が最大値よりも大きい場合には、差分型光検出器６６にて受信された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号が（基準値としての）最大値と比較され（Ｓ２０６）、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が最大値に一致するようにフィードバック制御されて測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量が増減される（Ｓ２０７）。このようにして調整された吸収スペクトルは、差分信号の最大値が上限設定値に完全に一致するものではないか、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量出力の範囲内で最適化されたものである。

図１１に戻って、成分濃度算出工程（Ｓ１３０）では、吸収スペクトル調整工程にて調整された吸収スペクトルを用いて排ガス中の成分濃度が算出される。具体的には、上述した数式（１）を用いて、吸収スペクトル調整部７１にて調整された吸収スペクトルから算出されたスペクトル強度と、入射光強度Ｉ_０として差分型光検出器６６にて検出された参照用レーザ光の信号強度とから成分濃度Ｃが算出される。

そして、成分濃度算出工程にて算出された排ガスの各成分の濃度などは、コンピュータ装置７の出力部７３に出力される（Ｓ１４０）。

以上のように、本実施例の排ガス分析装置１は、エンジン２０の排ガスを排出する排気経路３中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部５を具備してなり、測定部５にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析装置１であって、複数の波長のレーザ光を発生させ、かかるレーザ光を測定部５に導光される測定用レーザ光及び前記測定部に導光されない参照用レーザ光に分波して供給するレーザ光源６０と、レーザ光源６０により供給された測定用レーザ光及び参照用レーザ光を受信し、測定用レーザ光と参照用レーザ光との受信信号の差分信号を算出して、排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する差分型光検出器６６と、差分型光検出器６６にて算出される差分信号の最大値が予め設定された上限設定値となるように吸収スペクトルを調整する吸収スペクトル調整部７１と、吸収スペクトル調整部７１にて調整された吸収スペクトルを用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出部７２とを有するように構成されている。

このように構成されることで、排ガス分析装置１は、差分信号の最大値が上限設定値で一定となるよう調整されるため、排ガス中の特定成分の濃度が増減した場合であっても、差分信号に表れた吸収スペクトルのスペクトル強度を確実に検出することができ、吸収スペクトルのスペクトル強度の検出精度を高めて、排ガス中の成分濃度の測定精度を向上できるのである。すなわち、排ガスの特定成分の濃度が高い場合であっても、差分信号の最大値が吸収スペクトルのスペクトル強度が検出可能範囲である上限設定値に調整されることで、吸収スペクトルのスペクトル強度が検出不能となるのを防止でき、一方、排ガスの特定成分の濃度が低い場合であっても、差分信号の最大値が上限設定値に調整されることで、吸収スペクトルの分解能が高められて、吸収スペクトルのスペクトル強度の検出精度が向上される。

特に、本実施例の排ガス分析装置１においては、吸収スペクトル調整部７１は、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度を増減させることにより吸収スペクトルを調整するように構成されるため、かかる測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度の増減をフィードバック制御することで、差分型光検出器６６にて算出される差分信号の最大値の調整が可能であり、かかる差分信号の最大値を上限設定値に容易に調整することができる。

また、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が所定の基準値となるように、レーザ光源６０により供給される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量を調整するレーザ光量調整部７０を有してなり、吸収スペクトル調整部７１は、差分型光検出器６６にて算出される差分信号の最大値が前記上限設定値となるように前記基準値を変更するように構成されているため、吸収スペクトル調整部７１にて基準値をフィードバック制御により変更するとともに、レーザ光量調整部７０にて測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量をフィードバック制御により調整することで、差分信号の最大値を上限設定値に容易に一致させて吸収スペクトルを最適化することができ、かかる吸収スペクトルを用いて成分濃度算出部７２にて成分濃度を精度よく算出することができる。

また、本実施例のレーザ光量調整部７０は、前記基準値が測定用レーザ光又は参照用レーザ光の光量出力の最大値より大きい場合には、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が前記最大値となるように調整されるため、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量出力の範囲内で差分信号に表れた吸収スペクトルを最適化することで、吸収スペクトルのスペクトル強度の検出誤差を低減して、かかるスペクトル強度の検出精度を向上できる。

なお、本実施例の排ガス分析装置１及び排ガス分析方法としては、上述した構成等に限定されない。

すなわち、上述した実施例のコントローラ６は、差分型光検出器６６にて算出された差分信号が高域通過濾波器６９を介してコンピュータ装置７に出力されるように構成されているが（図５参照）、例えば、図１３に示すコントローラ６の構成のように、高域通過濾波器６９が設けられずに、差分型光検出器６６にて算出された差分信号が低周波成分が削除されることなくコンピュータ装置７に出力されるように構成されてもよい。

図１４に示すように、このようにコントローラ６が構成される場合には、差分型光検出器６６にて算出された特定成分の差分信号はベースラインノイズを含んで、ベースラインが傾斜（図１４においては右上方に傾斜）される。このベースラインノイズを含んだ差分信号は、成分濃度算出部７２においてノイズ補正が行われてスペクトル強度が算出されるが、吸収スペクトル調整部７１ではベースラインノイズを含んだままの差分信号を用いて吸収スペクトルの調整が行われる。

この別実施例の吸収スペクトル調整部７１では、差分信号の最大値として、差分信号に表れた吸収スペクトルのスペクトル強度よりも大きい値が検出され、かかる値が差分信号の最大値として予め設定された上限設定値となるように吸収スペクトルが調整される。このように、吸収スペクトル調整部７１にて、吸収スペクトルのスペクトル強度だけではなく、差分信号の最大値が上限設定値となるように調整することで、差分信号が飽和することなく差分信号に表れた吸収スペクトルのスペクトル強度を確実に検出することができる。

なお、吸収スペクトル調整部７１においては、所定の波長発光幅における差分信号の最大値のみならず差分信号の最小値も検出され、かかる差分信号の最小値が予め設定された下限設定値となるように吸収スペクトルが調整されるように構成されてもよい。この「下限設定値」は、成分濃度算出部７２にて差分信号の信号強度を算出可能な範囲（計測レンジ）の下限値のことをいい、このような構成とすることで、所定の信号強度の範囲で差分信号の全般を飽和させずに制御することができる。

また、上述した実施例のレーザ光量調整部７０は、いずれの実施例においても差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度に対する基準値がそれぞれ設定されているが（図６等参照）、測定用レーザ光は測定部５で排ガス中を透過される際に外乱を受けて参照用レーザ光と比べて受光量（光強度）が減少してしまい、差分型光検出器６６にて受信される両レーザ光の受光量がアンバランスとなる場合がある。

そこで、別実施例のレーザ光量調整部７０では、測定用レーザ光の光量のみがフィードバック制御され、参照用レーザ光は信号強度が常時測定用レーザ光の信号強度に追従させるように構成される。具体的には、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光の受信信号の信号強度が所定の基準値となるように、レーザ光源６０により供給される測定用レーザ光の光量を調整するとともに、差分型光検出器６６にて受信される参照用レーザ光の受信信号の信号強度が、測定用レーザ光の受信信号の信号強度と等しくなるように、レーザ光源６０により供給される参照用レーザ光の光量が調整される。

この別実施例のレーザ光量調整部７０では、差分型光検出器６６にて受信された測定用レーザ光の受信信号がコンピュータ装置７に入力されると、レーザ光量調整部７０にてかかる受信信号の信号強度が基準値と比較される。その結果、可変光減衰器６２の減衰率を変更させる制御信号が可変光減衰器６２に出力されて、測定用レーザ光の光量が増減される。一方、検出用レーザ光は、参照用レーザ光の信号強度に追従して調整され、差分型光検出器６６にて受信される参照用レーザ光の受信信号の信号強度が、測定用レーザ光の受信信号の信号強度と等しくなるよう可変光減衰器６２の減衰率を変更させる制御信号が可変光減衰器６３に出力されて、参照用レーザ光の光量が増減される。

特に、この別実施例のレーザ光量調整部７０によれば、測定用レーザ光が測定部５で排ガス中を透過される際に外乱を受けたために、可変光減衰器６２にて測定用レーザ光の光量出力が最大値に調整された状態でも参照用レーザ光の受光量に及ばない場合であっても、測定用レーザ光の信号強度に合わせて参照用レーザ光の信号強度が追従されて一致されるため、差分信号の最大値が上限設定値に一致するものではないが測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量出力の範囲内で最適化した吸収スペクトルを調整することができる。

また、上述した実施例の吸収スペクトル調整部７１は、いずれの実施例においても、差分型光検出器６６にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度を増減させることで吸収スペクトルを調整するように構成されているが、その他の別実施例として、例えば、可変光減衰器６２・６３から出力される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の信号強度の増幅強度を増減させて、差分信号の最大値が上限設定値となるように吸収スペクトルを調整するように構成されてもよい。

具体的には、吸収スペクトル調整部７１により、差分信号の最大値（吸収スペクトルのスペクトル強度）が予め設定された上限設定値と比較された後に、かかる差分信号の最大値に基づいて差分型光検出器６６から出力される差分信号の増幅強度がフィードバック制御により増減されるように構成される。そして、吸収スペクトル調整部７１では、差分信号の最大値に基づいて差分型光検出器６６への増幅強度の増減に関する制御信号が出力される。

このように、別実施例の吸収スペクトル調整部７１は、上述した実施例のようにレーザ光量調整部７０にて測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量をフィードバック制御するものではなく、差分型光検出器６６から出力される差分信号の増幅強度を増減させることにより、簡易に差分信号の最大値が上限設定値となるようにように調整することができるものである。ただし、別実施例の吸収スペクトル調整部７１で調整された吸収スペクトルを用いて成分濃度算出部７２にて成分濃度を算出する場合には、吸収スペクトルのスペクトル強度から増幅強度の増減分を補正した値が用いられる。

また、上述した実施例の排ガス分析装置１を用いた排ガス制御方法においては、差分型光検出器６６にて算出される差分信号の最大値に基づいてフィードバック制御により所定の基準値を変更し、次いでかかる基準値に基づいてフィードバック制御により測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量が調整されるが（図１２等参照）、吸収スペクトルの調整方法としてはかかる制御方法（カスケード制御）に限定されず、例えば、別実施例として差分型光検出器６６にて算出された差分信号に基づいたフィードバック制御により参照用レーザ光の光量が直接増減されるように制御（単段ループ）されてもよい。

この別実施例の制御方法では、差分信号の最大値が予め設定された上限設定値と比較された後に、かかる差分信号の最大値に基づいてレーザ光源６０より供給される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量がフィードバック制御されて直接調整されるように構成される。つまり、この制御方法によれば、上述した実施例のレーザ光量調整部７０及び吸収スペクトル調整部７１を一体に構成することで、上述したフィードバック制御の１ステップを省略して測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量を増減させることができる。

また、上述した実施例では、排ガス中の成分濃度の算出方法として、数式（１）を用いて算出する方法を示したが、他の公知の方法を用いてもよい。例えば、吸収スペクトルの形状の面積より成分濃度を算出する方法や、吸収スペクトルの形状と、温度・圧力・排ガスの濃度によって予め定められた理論吸収スペクトルの形状とのパターンマッチングにより成分濃度を決定する方法などが用いられる。

本発明の一実施例に係る排ガス分析装置を車輌に搭載した状態を示した側面図。測定部の取付構造を示した斜視図。同じく図２の測定部の取付構造を示した側面図。測定部の構成を示した斜視図。コントローラの構成を示した機能ブロック図。特定成分の検出ピークを含む測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号を示した図。特定成分の検出ピークを含む差分信号に表れた吸収スペクトルを示した図。コンピュータ装置の構成を示した機能ブロック図。差分信号の最大値が上限設定値よりも大きい場合の吸収スペクトルの調整方法を示した参考図。差分信号の最大値が上限設定値よりも小さい場合の吸収スペクトルの調整方法を示した参考図。本実施例の排ガス分析装置を用いた排ガス分析方法を示したフローチャート。吸収スペクトル調整工程の詳細を示したフローチャート。別実施例のコントローラの構成を示した機能ブロック図。特定成分の検出ピークを含む差分信号に表れた吸収スペクトルを示した図。

符号の説明

１排ガス分析装置
３排気経路
５測定部
６コントローラ
７コンピュータ装置
２０エンジン（内燃機関）
６０レーザ光源
６１分波器
６２・６３可変光減衰器
６６差分型光検出器（吸収スペクトル検出手段）
７０レーザ光量調整部（レーザ光量調整手段）
７１吸収スペクトル調整部（吸収スペクトル調整手段）
７２成分濃度算出部（成分濃度算出手段）

Claims

内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部を具備してなり、前記測定部にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析装置であって、
複数の波長のレーザ光を発生させ、前記レーザ光を前記測定部に導光される測定用レーザ光及び前記測定部に導光されない参照用レーザ光に分波して供給するレーザ光供給手段と、
前記レーザ光供給手段により供給された測定用レーザ光及び参照用レーザ光を受信し、測定用レーザ光と参照用レーザ光との受信信号の差分信号を算出して、排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出手段と、
前記吸収スペクトル検出手段にて算出される差分信号の最大値が予め設定された上限設定値となるように吸収スペクトルを調整する吸収スペクトル調整手段と、
前記吸収スペクトル調整手段にて調整された吸収スペクトルを用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出手段とを有することを特徴とする排ガス分析装置。
前記吸収スペクトル調整手段は、前記吸収スペクトル検出手段にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度を増減させることにより吸収スペクトルを調整することを特徴とする請求項１に記載の排ガス分析装置。
前記吸収スペクトル検出手段にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が所定の基準値となるように、前記レーザ光供給手段により供給される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量を調整するレーザ光量調整手段を有してなり、
前記吸収スペクトル調整手段は、前記吸収スペクトル検出手段にて算出される差分信号の最大値が前記上限設定値となるように前記基準値を変更することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排ガス分析装置。
前記吸収スペクトル検出手段にて受信される測定用レーザ光の受信信号の信号強度が所定の基準値となるように、前記レーザ光供給手段により供給される測定用レーザ光の光量を調整するとともに、前記吸収スペクトル検出手段にて受信される参照用レーザ光の受信信号の信号強度が測定用レーザ光の受信信号の信号強度と等しくなるように、前記レーザ光供給手段により供給される参照用レーザ光の光量を調整するレーザ光量調整手段を有してなり、
前記吸収スペクトル調整手段は、前記吸収スペクトル検出手段にて算出される差分信号の最大値が前記上限設定値となるように前記基準値を変更することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の排ガス分析装置。
前記レーザ光量調整手段は、前記基準値が測定用レーザ光又は参照用レーザ光の光量出力の最大値より大きい場合には、前記吸収スペクトル検出手段にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が前記最大値となるように調整することを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の排ガス分析装置。
前記差分信号の最大値が吸収スペクトルのスペクトル強度に相当することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の排ガス分析装置。
前記吸収スペクトル調整手段は、吸収スペクトル検出手段から出力される差分信号の増幅強度を増減させることにより吸収スペクトルを調整することを特徴とする請求項１に記載の排ガス分析装置。
内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析方法であって、
複数の波長のレーザ光を発生させ、前記レーザ光を前記測定部に導光される測定用レーザ光及び前記測定部に導光されない参照用レーザ光に分波して供給するレーザ光供給工程と、
前記レーザ光供給工程により供給された測定用レーザ光及び参照用レーザ光を受信し、測定用レーザ光と参照用レーザ光との受信信号の差分信号を算出して、排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出工程と、
前記吸収スペクトル検出工程にて算出される差分信号の最大値が予め設定された上限設定値となるように吸収スペクトルを調整する吸収スペクトル調整工程と、
前記吸収スペクトル調整工程にて調整された吸収スペクトルを用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出工程とを有することを特徴とする排ガス分析方法。
前記吸収スペクトル調整工程は、前記吸収スペクトル検出工程にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度を増減させることにより吸収スペクトルを調整することを特徴とする請求項８に記載の排ガス分析方法。
前記吸収スペクトル検出工程にて受信される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の受信信号の信号強度が所定の基準値となるように、前記レーザ光供給工程により供給される測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光量を調整するレーザ光量調整工程を有してなり、
前記吸収スペクトル調整工程は、前記吸収スペクトル検出工程にて算出される差分信号の最大値が前記上限設定値となるように前記基準値を変更することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の排ガス分析方法。
前記吸収スペクトル調整工程は、前記成分濃度算出工程へ出力する吸収スペクトルの出力信号を増減させることにより吸収スペクトルを調整することを特徴とする請求項８に記載の排ガス分析方法。