JP2010217100A - 排ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ吸引法による排ガス分析装置および方法において、計測セルで発生する背景光（輻射光）による影響をなくしたリアルタイムでの信号処理を可能とし、それにより計測程度の高い排ガス分析をリアルタイムで行うことを可能とする。
【解決手段】エンジンから排出される排ガスにレーザ光発生手段３１の出力光Ｐから分波した測定光Ｐ１を光減衰器３５を通して照射し、排ガス中を透過した測定光Ｐ１と参照光Ｐ２とを受光して測定光信号と参照光信号との差分信号を差分検出器４０で検出して該差分信号に基づいて排ガスの成分を分析する排ガス分析方法において、レーザ光が照射していないときに測定光受光素子３７が受光した輻射光信号をメモリ４５に格納し、レーザ光を照射しているときに測定光受光素子が受光した測定光信号から前記輻射光信号を減算して得られた信号を光減衰器３５にフィードバックする。それにより、輻射分を除いた測定光レベルを設定値に近付けるようにする制御をリアルタイムで行うことができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、自動車等の排ガスの分析装置および排ガス分析方法に係り、特に、排気経路中に取り付けることで、排気経路中を通過する排ガスの成分を正確にリアルタイムに測定できようにした排ガス分析装置と排ガス分析方法に関する。

従来、この種の排ガス分析装置として、特許文献１には、排ガス分析の精度を向上させることができ、排ガス分析を容易にリアルタイムで行える、レーザ吸引法による排ガス分析装置が記載されており、その装置は、レーザ光発生手段の出力光を測定光と参照光に分波させ、その測定光を計測セル内を流れる排ガスに照射させる光分波手段と、光分波手段と計測セルの間の光路に配置された光減衰器と、排ガス中を透過した測定光と参照光を受光する受光素子と、受光素子で受光された測定光信号と参照光信号との差分信号を検出する差分検出器とを備え、前記差分検出器は、さらに、受光素子で受光された測定光信号と参照光信号に基づき、測定光と参照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てその信号を光減衰器に入力する回路を備えている。

この種の排ガス分析装置において、計測部である計測セルからの背景光（輻射光）が測定光の受光素子に入力されると、測定光信号と参照光信号の差分に背景光に基づく誤差が生じ、計測誤差を生じる結果となる。

特許文献２には、測定対象とされるガス状物質に固有な吸収波長のレーザ光を発振する光源と、測定ガスを透過したレーザ光を受光する手段とを備えたガス濃度計側装置において、背景光（輻射光）を受光する手段をレーザの光軸を外れた位置に別途設置し、レーザ光の受光出力から背景光の受光出力を差し引くことにより、背景光の影響を除去することが記載されている。

また、特許文献３には、内燃機関の燃焼室内の燃料濃度を高精度に検出するために、測定光を入射させたときの通過後の光強度を検出し、該検出値を、前記光源から測定光を遮断弁で遮断したときに燃焼室内の熱輻射光によって同様に検出される検出値により補正することで熱輻射の影響を除去した光強度を入手し、その信号から燃料濃度を算出することが記載されている。

特開２００６−３３７３２６号公報 特開２００１−７４６５３号公報 特開２００３−４６３３号公報

特許文献１に記載の排ガス分析装置では、計測部である計測セルからの背景光（輻射光）による計測誤差について、特に言及がされていない。特許文献２に記載のガス濃度計側装置では、背景光を受光するための受光手段を別途レーザの光軸を外れた位置に設置する必要がある。また、特許文献３に記載の燃料濃度測定装置では、検出値を、光源から測定光を遮断弁で遮断したときに燃焼室内の熱輻射光によって同様に検出される検出値により補正するようにしており、遮断弁という機械的な手段による測定光の遮断であることから、１ｍｓ以内という高速演算を必要とする排ガス分析装置にその技術を適用しても、リアルタイムでの測定が難しい。

さらに、特許文献１に記載のように、測定信号と参照信号とのバランスを取るために、測定光と参照光の受光強度を光減衰器でフィードバック制御し、一定強度の光を受光するようにしたものにおいて、背景光（輻射光）による計測誤差をなくすために、特許文献２あるいは特許文献３に記載のように測定光信号からと参照光信号を差し引くだけでは、後記するように、正しい計測ができないという不都合がある。

本発明は、上記のような背景のもとになされたものであり、背景光（輻射光）の影響を排除することで計測誤差をなくすことができ、かつリアルタイムで計測することのできる、より改良された排ガス分析装置を開示することを課題とする。

本発明に係る排ガス分析装置は、基本的には、エンジンから排出される排ガスにレーザ光を照射し、排ガス中を透過した信号光の吸収線から排ガスの成分を分析する排ガス分析装置であって、レーザ光照射タイミングチャートとレーザ光が照射されない時間帯を選択するタイミング信号発生手段を備えたレーザ光発生手段と、前記レーザ光発生手段の出力光を測定光と参照光に分波させ前記測定光を計測セル内を流れる排ガスに照射させる光分波手段と、前記光分波手段と前記計測セルの間の光路に配置された光減衰器と、排ガス中を透過した前記測定光と前記参照光を受光する受光素子と、前記受光素子で受光された測定光信号と参照光信号との差分信号を検出する差分検出器と、前記タイミング信号発生手段からの信号に基づきレーザ光が照射されないときに前記測定光の受光素子が受光した輻射光信号を格納するメモリと、前記測定信号から前記輻射光信号を減算する減算回路と、前記減算後の信号を前記光減衰器にフィードバックする光減衰器制御回路と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る排ガス分析方法は、エンジンから排出される排ガスにレーザ光発生手段の出力光から分波した測定光を光減衰器を通して照射し、排ガス中を透過した測定光と参照光とを受光して測定光信号と参照光信号との差分信号を検出して該差分信号に基づいて排ガスの成分を分析する排ガス分析方法であって、前記排ガス分析方法は、レーザ光が照射していないときに測定光受光手段が受光した輻射光信号をメモリに格納し、レーザ光を照射しているときに測定光受光手段が受光した測定光信号から前記輻射光信号を減算して得られた信号を前記光減衰器にフィードバックすることにより、輻射分を除いた測定光レベルを設定値に近付けるようにする制御を含むことを特徴とする。

以下に、本発明における排ガス分析装置および排ガス分析方法の特徴的事項について、説明する。前記した特許文献１に記載される差分法を利用したガス分析方法において、レーザ光発生手段に印加される駆動パルスが電流値が経時変化する電流走査区間を持つ駆動パルスである場合、背景光（輻射光）である輻射光信号がない状態では、図１（ａ）に示すように、排ガス中を通した測定光信号と通さない参照光信号の信号レベルの強弱の差を取り、これをアンプで信号を差分増幅することにより、図１（ｂ）に示すような差分信号の吸収波形を得、この強度に基づいてガス分析を行っている。差分増幅が必要な理由は、測定信号と参照信号との差がきわめて微弱であることによる。ここで、測定信号（吸収部を除く）と参照信号とのバランスがとれていることが必要となるために、前記のように、測定光、参照光の受光強度を光減衰器でフィードバック制御し、常に一定の強度の光を受光するようにしている。

この方法に、輻射光による誤差をなくすために、単に測定光信号から参照光信号および輻射光信号を減算する手法を適用すると、下記の理由により正しい計測ができないことが起こる。

（ア）輻射による測定光への寄与は、波長依存性が低いため、差分法で計測する領域ではほぼ一定と見なせるため、測定信号は、図２（ａ）に示すように、参照信号に比べて輻射光分だけゲタをはいた値に等しくなる。
（イ）これを差分増幅すると、差分前の差分信号に比べて輻射光が十分に大きい場合には輻射後の差分信号は飽和する場合があり、計測不能となる。
（ウ）さらに、（ア）でいうゲタをはいた値が測定信号に重畳すると、測定信号／参照信号のバランスを回復するために、測定光学系の減衰率を操作し、測定光の強度を下げて、バランスを取ることとなる。このときに、に測定信号は一定比率で割り引かれることとなり、その結果、図２（ｂ）に示すように、測定信号／参照信号の傾きに差異が生じる。それを差分増幅することにより、傾きが増幅し、図２（ｃ）に示すように、差分信号の一部が測定系において飽和が発生して信号の計測不能となる領域が生じ、排ガス濃度の計測に問題を生じる。

本発明では、上記の不都合を解消するために、本発明では、測定信号／参照信号のバランスを取る前に、測定光信号からから輻射光信号を削除するようにしている。すなわち、図３（ａ）に示すように、測定光に輻射光が重畳している信号から、図３（ｂ）に示す測定光と同時に入手した輻射光信号分を差し引き、減算後の信号を測定信号／参照信号を一定値となるようにフィードバック制御している。そのようにして得られた測定光信号と参照光信号は、図３（ｃ）に示すように傾きが同じものとなり、両信号の差分を差分増幅回路で増幅することにより、図３（ｄ）に示すように、誤差のない差分信号をリアルタイムで得ることができる。得られた差分信号は、従来知られた解析系に送られて、排ガスの分析が行われる。

より具体的には、本発明において、レーザ光発生手段は、レーザ光照射タイミングチャートとレーザ光が照射されない時間帯を選択するタイミング信号発生手段を備える。タイミングチャートにより、図４に示すように、レーザ光発生手段は、レーザが照射されない時間帯ａとレーザが照射されている時間帯ｂとを反復する。その結果として、測定光を受光する受光素子から、前記した図３（ｂ）に示したような波形の信号強度が得られる。すなわち、図３（ｂ）において、レーザが照射されない時間帯ａでの信号強度は輻射光に起因しており、レーザが照射されている時間帯ｂで信号強度は輻射光による寄与を含む測定光の信号強度となる。

レーザ光発生手段は、さらに、レーザ光が照射されない時間帯を選択するタイミング信号発生手段を備えており、前記タイミング信号発生手段からの信号に基づきレーザ光が照射されないときに測定光の受光素子が受光した輻射光信号がメモリに格納される。減算回路は、測定光信号から輻射光信号を減算し、減算回路によって減算された信号が光減衰器制御回路に送られて、測定光側の光減衰器にフィードバックされる。

参照光側ではその信号が光減衰器制御回路に送られ、参照光側の光減衰器にフィードバックされる。

そのようにして測定信号／参照信号を一定値となるようにかつ傾きが一定になるようにフィードバック制御された測定信号と参照信号とが、差分増幅回路を備えた差分検出器に送られ、そこで差分増幅された差分信号が形成される。その信号が解析系に送られ、例えば特許文献１に記載されているような従来知られた解析法によって、リアルタイムに排ガスの分析が行われる。

本発明において、差分増幅回路への入力信号から前記輻射光に起因する信号分を除去することが望ましく、適宜の手法によりそれを行うことができる。一例として、差分検出器に備えられたバンドパスフィルタを用いることができる。すなわち、輻射光のスペクトルは平坦であり、特許文献１に記載のようなレーザ吸収法で行う分光分析における波長掃引幅の範囲内では一定値のバイアスと扱うことができる。従って、例えば、７ｋ〜２ＭＨｚのバンドパスフィルタを用いることにより、直流成分としての輻射光信号を除去するとができる。

本発明によれば、レーザ吸引法による排ガス分析装置および方法において、計測セルで発生する背景光（輻射光）による影響をなくしたリアルタイムでの信号処理が可能となり、計測程度の高い排ガス分析をリアルタイムで行うことが可能となる。

差分法を利用した排ガス分析において、輻射光信号がない状態での信号処理状態を模式的に示す図。 差分法を利用した排ガス分析において、輻射光が寄与する場合での信号処理状態を模式的に示す図。 本発明に係る信号処理状態を模式的に示す図。 本発明に係るレーザ光発生手段でのレーザ光照射タイミングチャートの一例を示す図。 本発明に係る排ガス分析装置の一実施の形態の全体構成を示す図。 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場合の要部構成図。

以下、図面を参照して、本発明に係る排ガス分析装置の一実施形態を説明する。図５は排ガス分析装置の全体構成を示すブロック図である。図５において、排ガス分析装置３０はレーザ光発生手段３１を備え、該レーザ光発生手段３１には、電流値が経時変化する電流走査区間を持つ駆動パルスが印加される。また、レーザ光発生手段３１は、レーザ光照射タイミングチャート３２とレーザ光が照射されない時間帯を選択するタイミング信号発生手段３３とを備える。レーザ光発生手段３１の出力光Ｐ（図４に示すような波形を持つ）は、公知の分波器３４によって、測定光Ｐ１と参照光Ｐ２とに分波される。測定光Ｐ１と参照光Ｐ２は、それぞれ公知の光減衰器（ＶＯＡ）３５を通過する。

測定光Ｐ１は、計測セル３６内を流れるエンジンから排出される排ガス中を透過した後、輻射光を含んだ状態でフォトダイオード（ＰＤ）などである受光素子３７によって受光される。参照光Ｐ２はそのままで同様の受光素子３８によって受光される。

受光素子３７からの測定光信号と受光素子３８からの参照光信号は、差分信号器４０に入力する。この例において、差分信号器４０は、受光素子３７からの測定光信号と受光素子３８からの参照光信号とそれぞれに対応して、アンプ４１と、７ｋ〜２ＭＨｚ帯域の周波数成分を通過させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）４２とを備え、バンドパスフィルタ４２を通過した２つの信号が公知の差分増幅回路４３に送られる。

バンドパスフィルタ４２を通過することにより、測定光信号と参照光信号からは直流成分が除去される。特に、測定光信号からは、輻射光信号成分が除去される。直流成分が除去された測定光信号と参照光信号は差分増幅回路４３において差分増幅が行われ、図３（ｄ）に示したような差分信号が出力される。この差分信号の波形は、計測セル３６内を流れる排ガスの成分に依存しており、解析系を構成するコンピュータ４４に送られて、前記した特許文献１に記載のような従来知られた手法により、排ガス分析が行われる。

本発明による排ガス分析装置３０において、前記測定光信号は、前記バンドパスフィルタ４２の前で一部が分岐され、分岐された輻射光成分を含む測定光信号は、アナログメモリ４５と光減衰器制御回路４６に送られる。前記アナログメモリ４５には、レーザ光発生手段３１に備えた前記タイミング信号発生手段３３から、レーザ光が照射されない時間帯をＯＮとする信号が送られ、メモリ更新タイミング制御が行われる。そして、アナログメモリ４５は、前記信号がＯＮのときに、前記輻射光成分を含む測定光信号を格納する。ここで実際に格納される信号強度は、レーザ光が照射されない時間帯のものであり、計測セル３６における背景光、すなわち輻射光に起因する信号強度である。

前記アナログメモリ４５に格納された信号の信号強度は、加算器（減算回路）４７において、次のタイミングで送られてきた輻射光成分を含む測定光信号の信号強度から減算され、減算後の信号が前記した光減衰器制御回路４６に送られる。光減衰器制御回路４６で処理後のフィードバック信号が前記した光減衰器（ＶＯＡ）３５に送られてフィードバック制御され、測定光の光強度が設定値に近づくように制御される。

参照光Ｐ２についても、同様にして光減衰器制御回路４６によるフィードバック制御が行われ、参照光の光強度が設定値に近づくように制御される。それにより、測定信号／参照信号のバランスが図られる。

上記のように、本発明による排ガス分析装置では、図５において（ア）で囲まれる領域において、測定光から輻射光分を除く処理が行われ、（イ）で囲まれる領域において、測定光から輻射光分を除いた信号成分により光減衰器（ＶＯＡ）に対するフィードバック制御を行い測定光の光強度が設定値に近づくように制御される。そのために、レーザ吸引法による排ガス分析装置および方法において、計測セル３６で発生する背景光（輻射光）による影響をなくしたリアルタイムでの信号処理が可能となり、計測程度の高い排ガス分析をリアルタイムで行うことが可能となる。また、図示の例では、（ウ）で囲まれる差分検出器の領域で、バンドパスフィルタ４２によって測定光信号と参照光信号から直流成分を除去する処理をおこなっており、このバンドパスフィルタ４２として、公知の差分検出器が備えるバンドパスフィルタをそのまま用いることができる利点もある。なお、図５で、ＳＶは、光量設定値を示す。

図示しないが、分波器３４から、複数系統の図５に示した測定光と参照光とからなる群を取り出して、同時に、複数箇所においてガス分析を行うこともできる。その場合、同じ周波数のレーザ光を複数系統で用いるようにしてもよく、信号発生器から出力される複数の周波数の信号を各系統で用いるようにしてもよい。前者の場合には、例えば排ガス触媒の前後に、前記した排ガス分析装置を設置することにより、触媒により排ガス成分の変化を知ることができる。後者の場合には、排ガスに含まれる複数種のガス成分の分析を行うことができる。

図６は、本発明による排ガス分析装置３０を、自動車１に設置した場合であり、図７は、エンジンベンチ１Ａに設置した場合である。いずれにおいても、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。この例において、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している。

このような排気経路における複数箇所に、本発明による排ガス分析装置３０における前記した計測セル３６が取り付けられ、各計測セル３６毎に、前記した分析系が配置され、それらの信号がそれぞれの差分検出器４０に送られて、それぞれの差分信号が出力される。それらの差分信号は解析系を構成するコンピュータ４４に送られて、排ガス分析が行われる。前記したように複数の計測セル３６を備えることにより、排気経路での種々の箇所での排ガス分析を同時にかつリアルタイムで行うことができる。

Ｐ…レーザ光発生手段の出力光、
Ｐ１…測定光、
Ｐ２…参照光、
３０…排ガス分析装置、
３１…レーザ光発生手段、
３２…レーザ光照射タイミングチャート、
３３…レーザ光が照射されない時間帯を選択するタイミング信号発生手段、
３５…光減衰器（ＶＯＡ）、
３６…計測セル、
３７、３８…フォトダイオード（ＰＤ）などである受光素子、
４０…差分信号器、
４１…アンプ、
４２…バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）、
４３…差分増幅回路、
４４…解析系を構成するコンピュータ、
４５…アナログメモリ、
４６…光減衰器制御回路、
４７…加算器（減算回路）。

Claims (4)

1. エンジンから排出される排ガスにレーザ光を照射し、排ガス中を透過した信号光の吸収線から排ガスの成分を分析する排ガス分析装置であって、該排ガス分析装置は、
   レーザ光照射タイミングチャートとレーザ光が照射されない時間帯を選択するタイミング信号発生手段を備えたレーザ光発生手段と、
   前記レーザ光発生手段の出力光を測定光と参照光に分波させ前記測定光を計測セル内を流れる排ガスに照射させる光分波手段と、
   前記光分波手段と前記計測セルの間の光路に配置された光減衰器と、
   排ガス中を透過した前記測定光と前記参照光を受光する受光素子と、
   前記受光素子で受光された測定光信号と参照光信号との差分信号を検出する差分検出器と、
   前記タイミング信号発生手段からの信号に基づきレーザ光が照射されないときに前記測定光の受光素子が受光した輻射光信号を格納するメモリと、
   前記測定光信号から前記輻射光信号を減算する減算回路と、
   前記減算後の信号を前記光減衰器にフィードバックする光減衰器制御回路と、を備えることを特徴とする排ガス分析装置。
2. 前記差分検出器は、前記測定光信号および参照光信号から直流成分を除去するバンドパスフィルタをさらに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. エンジンから排出される排ガスにレーザ光発生手段の出力光から分波した測定光を光減衰器を通して照射し、排ガス中を透過した測定光と参照光とを受光して測定光信号と参照光信号との差分信号を検出して該差分信号に基づいて排ガスの成分を分析する排ガス分析方法であって、
   前記排ガス分析方法は、レーザ光が照射していないときに測定光受光手段が受光した輻射光信号をメモリに格納し、レーザ光を照射しているときに測定光受光手段が受光した測定光信号から前記輻射光信号を減算して得られた信号を前記光減衰器にフィードバックすることにより、輻射分を除いた測定光レベルを設定値に近付けるようにする制御を含むことを特徴とする排ガス分析方法。
4. 前記測定信号および参照信号からバンドパスフィルタを用いて直流成分を除去した後、前記差分信号を入手することを特徴とする請求項３に記載の排ガス分析方法。

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