JP2011137467A - 選択的触媒還元プロセスの監視及び制御に関するシステム及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼排気ガス流からの窒素酸化物及び還元剤の放出レベルを監視及び／又は制御するためのシステムを提供する。
【解決手段】前記内燃機関（１１６）が、上流側導管（１２４）と下流側導管（１２６）との間で燃焼排気ガス流の中に配置されたＳＣＲユニットを含み、前記ＳＣＲユニットが、燃焼排気ガスの中に含まれる窒素酸化物を、還元剤及び酸素の存在下で窒素原子へ触媒還元するように構成された触媒を持ち、また、前記内燃機関（１１６）が更に還元剤注入装置（２１２）を含んでいる場合において、本発明のシステムは、前記下流側導管（１２６）内に配置されて、燃焼排気ガス流中の少なくとも窒素酸化物及び還元剤の濃度レベルを測定するように構成されたレーザ吸収分光ユニット（３００）と、制御ユニット（２１６）とを有する。
【選択図】図２

Description

本願は、一般的に云えば、内燃機関に関連した放出物を良好に監視及び／又は制御することができるように、化学種及び／又は温度マッピングを介して選択的触媒還元プロセスの性能を監視するための方法、システム及び装置に関するものである。限定するものではないが、より詳しく述べると、本願は、レーザ吸収分光法及び関連プロセスを用いた化学種及び温度マッピングによる選択的触媒還元プロセスの性能監視に関係する方法、システム及び装置に関するものである。

工業用及び公益事業用ボイラー・システム、ガスタービン・エンジン及び他の内燃機関を使用することに関連した重要な問題は、大気中に放出される窒素酸化物（ＮＯｘ）の量である。この問題に対処する方法として、長年にわたって多くのオペレータは、ＮＯｘ放出を低減するために選択的触媒還元（ＳＣＲ）プロセスを使用してきた。

結果として、選択的触媒還元プロセスは、ＮＯｘ放出の低減に関係するとき、公衆衛生の保護と促進にとって重要であることが理解されよう。その１つの理由は、ＮＯｘが、大気中に放出されたときに、しばしば他の化合物と混合してスモッグを生成することであり、スモッグは、勿論、多くの都市における空気汚染の重要な形態である。従って、環境保護庁（ＥＰＡ）では、施設が合法的に大気中に放出することのできるＮＯｘの量に関して限界を設定している。罰金や他の刑罰を避けるために、このような施設を運転している企業は、大気中に放出されるＮＯｘの量を厳重に監視して制限しようとしている。

一般に、選択的触媒還元は窒素酸化物を二原子窒素（Ｎ_２ ）と水（Ｈ_２ Ｏ）に変換する働きを持ち、二原子窒素及び水の両方は、大気中に放出されたときに環境にとって無害で安全である。この化学的反応（すなわち、ＮＯｘのＮ_２ 及びＨ_２ Ｏへの変換）は、ＮＯｘを還元剤（典型的には、アンモニア（ＮＨ_３ ））と組み合わせることによってもたらされ、これらは触媒と接触して、ＮＯｘをＮ_２ 及びＨ_２ Ｏに分離する反応を生じる。内燃機関、例えばガスタービン・エンジンが、定常状態で動作しているとき、ＳＣＲシステムは一般に、放出されるＮＯｘの量を低減するのに非常に有効であると判明している。例えば、用途によっては、ＮＯｘ放出を最大９０％まで低減することができる。

しかしながら、過渡動作状態、例えば、エンジン始動又は負荷変動状態の際、ＮＯｘ出力が急増することがあり、その結果、（許容限界を越えた）過剰なＮＯｘが大気中に放出されることがある。更に、このようなレベル増大を解消しようとして、従来のシステムでは、しばしば選択的触媒還元システムにアンモニアを過剰に注入（すなわち、過剰な量のアンモニアを注入）している。これは、一般に「ＮＨ_３ スリッペイジ(slippage)」と呼ばれているが、等しく問題の多い状況、すなわち、大気中への許容できないほど高レベルのＮＨ_３ の放出を招き、これはまた燃焼機関のオペレータに対して罰金や他の刑罰を負わせることがある。

このように従来のシステムでは過渡状態中にＮＯｘ及びＮＨ_３ 放出レベルを調整するのが困難であるが、その理由は、一般に、或る特定のシステム構成要素、特に、排気ガス中の関連化合物の濃度レベルを決定するために用いられる測定装置に関連した制約、並びにシステムの制約のある構成に関係している。これらの制約は多数ある。第１に、ガス組成及び化学種濃度レベルが一般に、加熱されたサンプル管路を使用して時間の掛かる抽出技術により測定されている。これは数十分（場合によっては、数時間）の遅延時間を持つ低速のプロセスであり、しばしば信頼性のない結果をもたらす。第２に、従来のシステムは一般に、測定場所における温度データが不足している。ＮＨ_３ 吸収速度が温度に依存するので、この温度データはプロセスの精密な制御のために不可欠である。第３に、従来のシステムは、排気ガス中の関連化合物の空間分布に関する情報が不足している。第４に、従来のシステムは一般に、ＳＣＲの下流でガスの組成を測定しているに過ぎない。

理想的にはＮＯｘに対するアンモニアのモル比の整合が非常に望ましいことが認められよう。そうなったとき、ＮＯｘ放出は意図したとおりに低減され、またアンモニアは大気中に全く又はほとんど放出されない。

米国特許第６５９３５７３号

実際に、当業者に理解されるように、前に述べた理由で、この目標は達成するのが困難である。その結果として、選択的触媒還元プロセスの監視及び／又は制御に関する改良された方法、システム及び装置が依然として必要とされている。

従って、本願では、内燃機関の燃焼排気ガス流からの窒素酸化物及び還元剤の放出レベルを監視及び／又は制御するためのシステムを記述する。該システムでは、内燃機関が選択的触媒還元ユニットを含み、該選択的触媒還元ユニットは、燃焼排気ガス流を該選択的触媒還元ユニットへ方向付ける上流側導管と燃焼排気ガス流を該選択的触媒還元ユニットから離れるように方向付ける下流側導管との間で燃焼排気ガス流中に配置される。選択的触媒還元ユニットは、燃焼排気ガスの中に含まれる窒素酸化物を、還元剤及び酸素の存在下で窒素原子へ触媒還元するように構成された触媒を持つ。また、内燃機関は更に、選択的触媒還元ユニットの上流の燃焼排気ガス流の中へ還元剤を注入する還元剤注入装置を含む。本システムは、下流側導管内に配置されて、燃焼排気ガス流中の少なくとも窒素酸化物及び還元剤の濃度レベルを測定するように構成されたレーザ吸収分光ユニットと、制御ユニットとを含むことができる。レーザ吸収分光ユニットは、窒素酸化物及び還元剤の測定された濃度レベルに関する適時なデータを制御ユニットへ供給するように構成される。

本願の実施形態によっては、適時のデータは、遅延時間が０．１秒未満であるデータを含む。本願の実施形態によっては、レーザ吸収分光ユニットは波長可変ダイオード・レーザを含み、また還元剤はアンモニアを含む。本願の実施形態によっては、レーザ吸収分光ユニットは第１の波長可変ダイオード・レーザ分光ユニットを含み、また本システムは更に、上流側導管内の還元剤注入装置より上流に配置された第２の波長可変ダイオード・レーザ分光ユニットを含み、該第２の波長可変レーザ吸収分光ユニットは、燃焼排気ガス流中の少なくとも窒素酸化物の濃度レベルを測定して、窒素酸化物の測定された濃度レベルに関する適時のデータを制御ユニットへ供給するように構成されている。

本願の実施形態によっては、下流側導管は、該下流側導管の内部をはさんで相対する第１及び第２の側面を含む断面形状を持ち、これらの第１及び第２の側面の各々は一連のポートを含んでいて、これらのポートは、第１の側面上の複数のポートが第２の側面上の複数のポートと対向するように配列されている。また第１の波長可変ダイオード・レーザ分光ユニットは複数のレーザ・エミッタ及び複数のレーザ・レシーバを含み、これらのエミッタ及びレシーバは、レーザ・エミッタが下流側導管の内部をはさんでレーザ・レシーバと対向するようにそれぞれのポートに配置されており、更にレーザ・エミッタは、所定の波長のレーザを放出して、該レーザが所定のレーザ通路に沿って進んで少なくとも１つのレーザ・レシーバによって受け取られるように構成されている。

本願の実施形態によっては、レーザ・エミッタの各々はレーザ・レシーバと１つずつ対を構成し、各対は下流側導管の内部をはさんで互いに真向かいに対向しており、また制御ユニットは、窒素酸化物及びアンモニアの測定された濃度レベルの空間分布に関する空間分布データを計算するように構成され、その空間分布データはレーザ通路に沿って測定された窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの変化を反映する。

本願の実施形態によっては、レーザ・エミッタ及びレーザ・レシーバの位置及び配向は、複数の交差するレーザ通路が作られるように設定され、これらのレーザ通路は、少なくとも、ａ）レーザ・エミッタから下流側導管の内部を真っ直ぐ横切って真向かいのレーザ・レシーバへ延在するレーザ通路、及びｂ）レーザ・エミッタから下流側導管の内部を斜めに横切って真向かいではない位置のレーザ・レシーバの１つへ延在するレーザ通路を含み、また、レーザ・エミッタ及びレーザ・レシーバの位置及び配向は、レーザ通路の交差点の場所が下流側導管の断面積にわたってほぼ格子を形成するように設定される。

本願の実施形態によっては、制御ユニットは、窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの空間分布に関する空間分布データを計算するように構成され、該空間分布データは、ａ）幾つかのレーザ通路の各々に沿って測定された窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの間の変化、及びｂ）レーザ通路の交差点で計算される起こり得る窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの間の変化を反映しており、該起こり得る窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルは、レーザ通路交差点を形成するように交差するレーザ通路の各々に沿った窒素酸化物及びアンモニアの測定された濃度レベルに基づくものである。

本願の実施形態によっては、下流側導管の断面形状は、更に、下流側導管の内部をはさんで相対する第３及び第４の側面を持ち、これらの第３及び第４の側面の各々は一連のポートを含み、これらのポートは、第３の側面上の複数のポートが第４の側面上の複数のポートと対向するように配列される。また、第１の波長可変ダイオード・レーザ分光ユニットが複数のレーザ・エミッタ及び複数のレーザ・レシーバを含み、これらのエミッタ及びレシーバは、レーザ・エミッタが下流側導管の内部をはさんでレーザ・レシーバと対向するように下流側導管の第３及び第４の側面のポートの中に配置されており、更に下流側導管の第３及び第４の側面に沿って配置されたレーザ・エミッタは、所定のレーザ通路を進んで、下流側導管の第３及び第４の側面に沿って配置されたレーザ・レシーバの少なくとも１つによって受け取られる所定の波長のレーザを放出するように構成される。第１の側面、第２の側面、第３の側面及び第４の側面上に配置されたレーザ・エミッタ及びレーザ・レシーバの位置及び配向は、第１の側面から第２の側面へ延在するレーザ通路及び第３の側面から第４の側面へ延在する交差するレーザ通路を含む複数の交差するレーザ通路が生成されるように設定される。制御ユニットは、窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの空間分布に関する空間分布データを計算するように構成され、該空間分布データは、ａ）幾つかのレーザ通路の各々に沿って測定された窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの間の変化、及びｂ）レーザ通路の交差点で計算される起こり得る窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの間の変化を反映しており、該起こり得る窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルは、レーザ通路交差点を形成するように交差するレーザ通路の各々に沿った窒素酸化物及びアンモニアの測定された濃度レベルに基づくものである。

本願の実施形態によっては、所定の波長は、少なくとも、窒素酸化物に関する吸収波長とアンモニアに関する吸収波長とを含む。

本願の実施形態によっては、所定の波長は少なくとも水蒸気に関する吸収波長を含み、レーザ吸収分光ユニットは水蒸気吸収波長に基づいて燃焼排気ガス流の温度を測定するように構成される。

本願の実施形態によっては、制御ユニットは、窒素酸化物及び還元剤の測定された濃度レベルに基づいて還元剤注入装置が還元剤を燃焼排気ガス流に注入する速度を制御する。
本願の実施形態によっては、還元剤注入装置は、還元剤を空間的に制御された態様で注入するための手段を含み、還元剤の空間的に制御された注入は、窒素酸化物及びアンモニアの測定された濃度レベルの空間分布に関する計算された空間分布データに基づくものである。本願の実施形態によっては、還元剤を空間的に制御された態様で注入するための手段は、１）複数の還元剤注入場所が設けられるように燃焼排気ガス流の中へ突き出す複数の還元剤注入ノズル、又は２）下流側導管の周縁に沿って間隔をおいて配置される複数の還元剤注入ノズル、又は３）これらの両方を含み、また還元剤を空間的に制御された態様で注入するための手段は、窒素酸化物の濃度レベルが高い領域には高レベルの還元剤を注入し且つ窒素酸化物の濃度レベルが低い領域には低レベルの還元剤を注入する。

本願のこれらの及び他の特徴は、図面及び「特許請求の範囲」と共に以下の好ましい実施形態の説明を見ることにより明らかになろう。

本発明のこれらの及び他の面は、本発明の模範的な実施形態についての以下のより詳しい説明を添付の図面と共に注意深く考察することによってより完全に理解され且つ評価されよう。

図１は、ガスタービン・エンジン並びに従来の設計によるＳＣＲシステム及び制御構成の概略図である。 図２は、ガスタービン・エンジン並びに本願の模範的な実施形態に従ったＳＣＲシステム及び制御構成の概略図である。 図３は、本願の模範的な実施形態に従って用いることのできるような波長可変ダイオード・レーザ吸収分光法の原理の概略図である。 図４は、本願の模範的な実施形態に従ったレーザ・エミッタ／レシーバ構成の概略図である。 図５は、本願の模範的な実施形態に従ったレーザ・エミッタ／レシーバ構成の概略図である。 図６は、本願の模範的な実施形態に従ったレーザ・エミッタ／レシーバ構成の概略図である。 図７は、アンモニアの吸収スペクトルに関する実験データを例示するグラフである。 図８は、ＮＯｘの吸収スペクトルに関する実験データを例示するグラフである。 図９は、水蒸気の吸収スペクトルに関する実験データを例示するグラフである。

窒素酸化物のエンジン放出物を低減し制御することは、内燃機関、特に、大出力発生運転に用いられる内燃機関にとって考慮すべき重要なことである。前に述べたように、ＮＯｘ放出はスモッグ発生の一要素である。厳密なＮＯｘ放出限界が既に米国州及び連邦政府によって定められており、将来には更に厳しくなりそうである。ＮＯｘ放出を低減する既知の一つの方法は、排気ガスをエンジン燃焼室の中へ再循環させて燃焼混合物を希釈すること等によって燃焼温度を下げることによりＮＯｘ形成を低減することである。しかしながら、最良の制御の下でも、未処理のエンジン排気ガスは典型的には許容できないレベルのＮＯｘを含有している。従って、別の方策は、１つ以上の後処理装置により排気ガスからＮＯｘを取り去ることである。

当該技術分野で知られている後処理システムでは、適当な還元剤、例えばアンモニア（ＮＨ３）の存在下で選択的触媒還元によって、下記の式
ＮＯ＋ＮＯ_２ ＋２ＮＨ_３ →２Ｎ_２ ＋３Ｈ_２ Ｏ
４ＮＯ＋Ｏ_２ ＋４ＮＨ_３ →４Ｎ_２ ＋６Ｈ_２ Ｏ
２ＮＯ_２ ＋Ｏ_２ ＋４ＮＨ_３ →３Ｎ_２ ＋６Ｈ_２ Ｏ
に従って、ＮＯｘをＮ_２ 分子に変換することができる。ここで、過剰なＮＨ_３ が大気中へ逃散しないようにしながら全てのＮＯｘ（又は少なくともその適当な一部分）を変換するするためにアンモニアとＮＯｘとのモル比の整合が望ましいことが認められよう。しかしながら、このことは、実際には、従来のＳＣＲシステムの様々な制約により、達成するのが困難であることが判明している。

本発明は、従来のＳＣＲシステムを考察すことによってより良く理解されよう。図１をについて説明すると、従来のＳＣＲシステム１００は、内燃機関１１６からの燃焼排気ガスを方向付けし処理する選択的触媒還元ユニット（ＳＣＲユニット）１１４を有する（図示のように、内燃機関室は、圧縮機１１８、燃焼器１２０及びタービン１２２を含むガスタービン・エンジン１１６であり、その一般的な動作は当該技術分野で知られている）。燃焼排気ガスは、図示されているように、ガスタービン・エンジン１１６から上流側導管１２４を通ってＳＣＲユニット１１４へ差し向けられ、ＳＣＲユニット１１４を通過する。燃焼排気ガスは、ＳＣＲユニット１１４を通った後、下流側導管１２６内を進み、そして該下流側導管１２６を通った後、大気中へ放出し、又は熱回収蒸気発生器へ差し向け、又は何らかの他の態様で使用することができる。

従来のＳＣＲシステム１００は更に、下流側導管１２６を通っている燃焼排気ガスからサンプルを抽出して、ＮＯｘ及び還元剤の濃度を求めるために該サンプルを試験するための通常の手段を含むことができる。図示されているように、還元剤試験サンプル１３０はＳＣＲユニット１１４の下流で採取することができ、またＮＯｘ試験サンプル１３２もＳＣＲユニット１１４の下流で採取することができる。試験サンプル１３０，１３２は次いで制御ユニット１３６へ差し向けることができる。

制御ユニット１３６は、還元剤注入装置１４０による還元剤の注入を制御するように構成することができる。還元剤注入装置１４０は、ＳＣＲユニット１１４より上流の位置で還元剤を燃焼排気ガスに注入することができる。ここで、試験サンプルの採取、試験サンプルの試験、及び燃焼排気ガスへの還元剤の注入は、従来の装置及びシステムによって遂行することができ、またそれらの制御は既知の方法及びプロセスを用いて制御ユニット１３６によって遂行することができることが理解されよう。例えば、還元剤の注入に関して、噴霧ノズルをＳＣＲユニット１１４の上流に配置することができ、また噴霧ノズルは供給源から還元剤の調整された流れを受け取って、被噴霧還元剤溶液を燃焼排気ガスの中へ噴射することができる。ＳＣＲユニット１１４は、既知の態様で、前に述べたように、還元剤及びＯ_２ の存在下でＮＯｘをＮ_２ へ選択的に還元するための触媒が内部に配置されている任意の従来の又は市販されているＳＣＲユニットで構成することができる。

動作について説明すると、従来のＳＣＲシステム１００は一般的に次のように動作する。燃焼排気ガスが上流側導管１２４を介してガスタービン・エンジン１１６からＳＣＲユニット１１４へ流れる。還元剤注入装置１４０が、上流側導管１２４を通って流れている燃焼排気ガスの中へ還元剤（例えば、アンモニア）の流れを注入する。ＳＣＲユニット１１４内では、触媒が還元剤及びＯ_２ の存在下でＮＯｘをＮ_２ へ選択的に還元する。ＳＣＲユニット１１４の下流では、ガス状試験サンプル１３０，１３２が採取されて、制御ユニット１３６へ供給される。制御ユニット１３６は、ＮＯｘ及び還元剤の濃度を求めるためにサンプルを試験することができる。その結果に基づいて、制御ユニット１３６は、ＮＯｘ放出が低減され及び／又は還元剤スリッペイジが低減されるように、還元剤注入装置１４０を通る還元剤の流れを調節することができる。例えば、ＮＯｘ放出のレベルが許容できないほど高いことを試験結果が示している場合、還元剤注入装置１４０を通る還元剤の流れを増大させることができる。このことにより、増大したＮＯｘの量が低減され、従ってＮＯｘ放出が低減されるはずである。他方、ＮＯｘ放出のレベルが許容レベルであるが還元剤放出のレベルが許容できないほど高いことを試験結果が示している場合、還元剤注入装置１４０を通る還元剤の流れを減少させることができ、このことにより、還元剤放出のレベルが低減されるはずである。しかしながら、前に述べたように、従来の試験プロセスはかなりの遅延を含んでおり、これは、他の制約と共に、ＮＯｘ放出及び還元剤スリッペイジを最少にし又は許容レベルに維持するようにプロセスを制御するシステム１００の能力を阻害する。

次に図２について説明すると、本願の一面に従った模範的なＳＣＲシステム２００が示されている。ＳＣＲシステム２００はガスタービン・エンジン１１６に関連して示されている。ここで、本発明が他の燃焼機関に対して使用できること、及び本例におけるガスタービン・エンジンの使用が模範例に過ぎないことが理解されよう。図示されているように、ＳＣＲシステム２００は、ＳＣＲユニット２０２と、下流側の波長可変ダイオード・レーザ吸収分光ユニット２０４（「下流側ＴＤＬＡＳユニット２０４」とも呼ぶ）と、上流側の波長可変ダイオード・レーザ吸収分光ユニット２０８（「上流側ＴＤＬＡＳユニット２０８」とも呼ぶ）と、還元剤注入装置２１２と、制御ユニット２１６とを含む。ここで、ＳＣＲシステム２００の幾つかの要素が、図１に関して述べた従来設計の対応する要素と同じか又は同様であってよいことが理解されよう。例えば、ＳＣＲユニット２０２は、還元剤（例えば、アンモニア）及びＯ_２ の存在下でＮＯｘを選択的に還元するための触媒を含む当該技術分野で知られている従来のＳＣＲユニットで構成することができる。実施形態によっては、ＳＣＲユニット２０２内の触媒は、当該技術分野で一般によく知られている多孔性又は溝路付きモノリスとして設けることができる。更に、還元剤注入装置２１２は、前に述べたものと同様なものとすることができる。例えば、噴霧ノズルは、還元剤の制御された流れを燃焼排気ガスの中に噴射するために使用することができる。実際に、本発明では任意の従来の送給方法による還元剤（例えば、 アンモニア）の導入を意図していることが理解されよう。すなわち、全てのアンモニア性化学的還元剤を含む全ての適切な化学的還元剤、並びに還元剤がＳＣＲ触媒と相互作用するように還元剤を排気ガス流へ供給又は注入するための全ての装置が本発明によって包含されることを理解されたい。しかしながら、或る特定の実施形態では、以下により詳しく述べるように、還元剤注入装置２１２は新規な構成を取ることができる。最後に、幾つかの構成要素をＳＣＲシステム２００の一部分であるとして述べているが、それらの構成要素の幾分かは本願の特許請求の範囲に記載された実施形態にとって必ずしも必要なものではないことを理解されたい。例えば、本願の幾つかの実施形態は、還元剤注入装置２１２の介在、機能又は制御が無くても、動作することができる。すなわち、特許請求の範囲に記載のように、本願の様々な面は新規な燃焼排気ガス監視能力を含み、これらの新規な能力は、還元剤注入を制御又は操作する態様とこれらの監視能力とを結合したシステムとは独立したものである。

本願によって更に予測されるように、下流側ＴＤＬＡＳユニット２０４及び上流側ＴＤＬＡＳユニット２０８は、波長可変ダイオード・レーザを取り入れた従来の吸収分光技術を有することができることを理解されたい。該技術の特定の機能については図３乃至図８に関連させて一層詳しく説明する。しかしながら、本願でレーザ吸収分光技術をどのように取り入れて用いるかに関連した或る特定の新規な構成及び動作方法もまた以下に述べるように本書で開示されることが理解されよう。更に、本願の実施形態によっては、ＴＤＬＡＳユニット２０４，２０８の両方が存在しないことがあることが理解されよう。例えば、実施形態によっては、上流側ＴＤＬＡＳユニット２０４がシステムから除外されるが、下流側ＴＤＬＡＳユニット２０４は存在し得る。

本書で用いられるように、制御ユニット２１６は通常のコンピュータ利用の監視、試験及び制御装置を有することができ、該装置は本書で述べるように動作するように構成される。以下に詳しく述べるように、ＳＣＲシステム２００の動作を監視し制御するために、アルゴリズム、 制御プログラム、 論理流れ図及び／又はソフトウエア・プログラムを開発できることが理解されよう。当業者に理解されるように、制御ユニット２１６は、関連した動作変数を監視する多数のセンサを含むことができる。これらのハードウエア装置、試験装置及び他の構成要素及びシステムはデータ及び情報を送ることができると共に、既知の方法及びシステムを用いて制御ユニット２１６によって制御し操作することができる。すなわち、従来の手段及び方法に従って、制御ユニット２１６は、システム２００の他の構成要素からデータを取得し、サンプルを試験し、データを処理／監視し、システムのオペレータと通信し、及び／又はシステムの様々な装置（例えば、還元剤注入装置２１２及び／又はＴＤＬＡＳユニット２０４，２０８）を１組の命令又は論理流れ図に従って制御することができる。１組の命令又は論理流れ図は、当業者に理解されるように、ソフトウエア・プログラムの一部とすることができる。

以下により詳しく説明するように、１組の命令又は論理の流れにより制御ユニット２１６の動作を制御する。これらの命令は、ソフトウエア・プログラムに記述し、コンピュータ化された制御ユニット２１６内で実行され、そして、一般的には、内燃機関１００からの燃焼排気ガスの特性を試験し、決定し、計算し及び／又は監視し、並びに／又は本願の実施形態に従ってＳＣＲシステムの機能を最適化するために用いることができる。当業者に理解されるように、これらの命令又は論理は制御ユニット２１６によって具現化し遂行することができる。実施形態によっては、制御ユニット２１６は通常のコンピュータで構成することができる。例えば、限定するものではないが、制御ユニット２１６は、全体のシステム・レベルの制御のための主又は中央処理装置部分と、中央処理装置部分の制御の下に様々な異なる特定の組合せ、機能及び他の処理を遂行する別の部分とを持つ単一の専用集積回路として具現化することができる。当業者に理解されるように、制御ユニット２１６はまた、個別素子回路又はプログラム可能な論理装置（例えば、ＰＬＤ、ＰＡＬ、ＰＬＡなど）を含むハードワイヤード電子又は論理回路のような、様々な別々の専用又はプログラム可能な集積回路又は他の電子回路又は装置を用いて、具現化することができる。制御ユニット２１６はまた、マイクロプロセッサ又はマイクロコントローラ、或いは他の処理装置（例えば、ＣＰＵ又はＭＰＵ）のような、適当にプログラムされた汎用コンピュータを使用して、単独で、又は１つ以上の周辺データ及び信号処理装置と共に具現化することができる。一般に、本書で述べた命令／論理の流れ及び他の機能を具現化することができる有限状態機械である任意の装置又は同様な装置は、制御ユニット２１６として首尾よく機能することができる。

前に述べたように、下流側ＴＤＬＡＳユニット２０４及び上流側ＴＤＬＡＳユニット２０８は、波長可変ダイオード・レーザを取り入れた任意の従来の吸収分光技術を有することができる。（他の実施形態では、他の種類の波長可変及び非波長可変レーザを用いることができる。本説明では、波長可変ダイオード・レーザがこの種類の吸収分光用途のための好ましい高機能の代替物として用いられる。）図３は、本願の実施形態に従って用いることのできるような波長可変ダイオード・レーザ吸収分光法の原理を表す概略図である。図示されているように、この概略図は波長可変ダイオード・レーザ吸収分光ユニット３００を大まかに示しており、この波長可変ダイオード・レーザ吸収分光ユニット３００は、レーザ・エミッタ３０２（これはエミッタ光学装置３０４を含むことができる）と、レーザ検出器又はレシーバ３０６（これはレシーバ光学装置３０８を含むことができる）とを含む。波長可変ダイオード・レーザ吸収分光法では一般に、レーザ通路３１０（すなわち、破線）に沿って差し向けられる１つ以上のレーザが生成される。これらのレーザは、吸収媒質３１２（すなわち、化学種濃度について試験される媒質）を通って進行するようにレーザ・エミッタ３０２によって放出される。吸収媒質を通った後、レーザはレーザ・レシーバ３０６によって受け取られる。この技術は、吸収媒質３１２によって化学種の濃度レベルをレーザの吸収度に関連付けることによって、吸収媒質３１２中の化学種の濃度又は量を評価する。一般に、レーザ利用の光学分光技術は、ガス媒質中の構成成分の検出及び監視に大いなる可能性を持っている。該技術は一般に多数の重要な利点、例えば、非侵入性及び遠隔検知能力と共に高感度及び高選択性を持つ。

実施形態によっては、レーザ・エミッタ３０２は波長可変レーザで構成することができる。一般に、波長可変レーザは、その動作波長を制御された態様で変更することが可能であるレーザである。この特徴が、使用の融通性を可能にし、また好ましい実施形態に関連して波長可変レーザについて記述する理由である。当業者に理解されるように、多数の種類及びカテゴリイの波長可変レーザがある。それらは気体、液体及び固体状態で存在する。波長可変レーザの種類には、エキシマーレーザ、ＣＯ_２ レーザ、色素レーザ（液体及び固体）、遷移金属固体レーザ、半導体ダイオード・レーザ、及び自由電子レーザがある。これらの全ては本願で用いるのに選択し得るものであり、波長可変ダイオード・レーザが特に好ましい実施形態である。ＴＤＬＡＳ応用の一部として、波長可変ダイオード・レーザは、ガス状形態の関心のある化合物（すなわち、化学種）に特有の単一の吸収波長に集束するように設計される。波長可変ダイオード・レーザは、検出限界を低くすることができ、また実質的に干渉がない。当業者に理解されるように、直接気相レーザ吸収分光法における量的測定値はしばしばベアーの法則に基づくものであり、ベアーの法則は、光路長が一定である場合、吸収媒質を横断した入射光のエネルギ強度が濃度につれて指数関数的に減少することを表している。

より詳しく述べると、ベアー・ランバートの法則は、レーザ・ビームが一様なガス状媒質を通過したときの入射スペクトル強度と透過スペクトル強度との間の関係を記述している。周波数ｖの狭いスペクトルの輻射線が長さＬ（ｃｍ）の一様なガス状媒質を通過したとき、透過強度Ｉ_ｔ が入射強度Ｉ_０ に次のように関係付けられる。すなわち、
（Ｉ_ｔ ／Ｉ_０）_ｖ＝ｅｘｐ（−ｋ_ｖＬ）
ここで、ｋ_ｖ （ｃｍ^−１）は分光吸収係数である。隔離遷移ｉについて（レーザの場合）、
ｋ_ｖ＝ｐｘ_ａｂｓＳｉ（Ｔ）φ_ｖ
ここで、Ｐ（ａｔｍ（気圧））はガスの全圧力であり、ｘ_ａｂｓ は関心のある吸収化学種のモル分率であり、Ｓｉ（Ｔ）（ｃｍ^−２ａｔｍ^−１）は温度Ｔ（Ｋ）における遷移の線強度であり、φ_ｖ は線形関数(line shape function) である。線形関数φ_ｖ は次式

のように正規化される。
化学種濃度（モル分率）は次式

のように決定することができる。
上記の式は、分子密度がレーザの基準及び透過強度の関数であることを示している。

一般に、本発明に従った波長可変ダイオード・レーザ計器、すなわち、レーザ・エミッタ３０２は、関心のある化学種の比較的固有の吸収波長を含む狭い周波数範囲内の光を発生するダイオードを含んでいる。レーザ周波数は、ダイオードの温度を変えることによって、又はダイオードに供給されている電流を変えることによって、或いは両方を変えることによって、調整することができる。この態様では、レーザの波長は関心のあるスペクトル吸収線に整合させることができる。特定の固定された波長における吸収度は、濃度を計算するために用いることができ、又は信号平均化器で作られた関心のある吸収線を中心とした小さい波長範囲を用いて計算することができ、この吸収度から濃度が計算される。２つ以上のダイオードで計器を多重化することによって複数の化学種を監視することができる。検出限界は、とりわけ、ガスの圧力及び温度並びに通路長に依存し、通路長が短くなると検出限界が高くなる。市販のダイオードは一般に、超純粋な材料の正確な組合せから製造された半導体である。これらのダイオードの基本的な構成材料には、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、燐（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉛（Ｐｂ）、錫（Ｓｎ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）及び硫黄（Ｓ）が含まれる。

本願のレーザ・レシーバ３０６は、フォトダイオードを含めて任意の従来のレーザ検出器を含むことができる。フォトダイオードは様々な材料から製造することができる。光学装置３０４，３０８は、必要とされるときにレーザ通路を集束するために含めることができる。

使用中、図３に大まかに示されているように、波長可変ダイオード・レーザ吸収分光ユニット３００は次のように動作することができる。レーザ・エミッタ３０２は、（本願ではエンジンの燃焼排気ガスで構成される）吸収媒質３１２内に含有されている関心のある化合物（例えば、ＮＯｘ、ＮＨ_３ 又は水蒸気）の吸収波長と一致する波長のレーザを放出することができる。レーザ・レシーバ３０６は、放出されたレーザが吸収媒質３１２を通過した後に該レーザを受け取るように配置することができる。既知の方法に従って、吸収媒質３１２内の関心のある化学種又は化合物の濃度は、吸収媒質３１２を通過したときのレーザが受けた吸収のレベルに基づいて計算することができ、その吸収のレベルは、レーザ・レシーバ３０６によって検出されたレーザに基づいて計算することができる。

図４は、本願の模範的な実施形態に従ったレーザ・トランスミッタ／レシーバ構成の概略図である。理解されるように、図４は、その中を吸収媒質３１２が通過する導管４００を表す。本願の模範的な実施形態に関係して、導管４００は、上流側導管１２４、下流側導管１２６、又は両方を表すことができる。導管４００内には、複数のポートを互いに向かい合って取り付けることができる。導管４００の一側面にあるポートは、レーザ・エミッタ３０２を有することができる。レーザ・エミッタ３０２と向かい合ったポートは、レーザ・レシーバ３０６を有することができる。既知の方法に従って、レーザはレーザ・エミッタ３０２から放出されて、レーザ通路３１０を進む（そして吸収媒質３１２を通って進む）ように配向することができる。レーザの波長は、吸収媒質３１２内の関心のあるガス状化学種又は化学種の吸収波長と整合するように予め決定することができる。この態様では、化学種の濃度は、吸収媒質３１２を横切って進むときのレーザの吸収に基づいて決定することができる。吸収媒質３１２を通過した後、レーザはレーザ・レシーバ３０６によって受け取られる。レーザ・レシーバ３０６は、受け取ったレーザを放出されたレーザと比較することによって吸収レベルを検出する。吸収レベルに基づいて、吸収媒質３１２内のガス状化学種の濃度を計算することができる。

図４におけるレーザ通路３１０の水平配列の場合、化学種濃度の空間分布に関するデータはかなり制限される。すなわち、空間分布は一般的に各対のレーザ・エミッタ３０２とレーザ・レシーバ３０６との間の各々の水平レベルにおいて測定された濃度に局限される。従って、図４のレーザ通路３１０の配向の場合、関心のある化学種の平均濃度は各レベルにおいて（すなわち、各対のエミッタ３０２とレシーバ３０６との間で）決定することができ且つ相異なるレベル相互で比較することができるが、化学種濃度の空間分布に関する更なる詳細は適切に得ることができない。

図５は、本発明の模範的な実施形態に従ったレーザ通路３１０の代わりの構成を例示する。図示されているように、この場合、レーザ・エミッタ３０２は、複数の交差するレーザ通路が生成されるように配向することができる。従って、例えば、レーザ・エミッタ３０２は、その真向かいにあるレーザ・レシーバ３０６に照準を合わせ、及び／又は相異なる行に配置された第２又は第３のレーザ・レシーバ３０６に照準を合わせる（これにより、１つ以上の交差する斜めのレーザ通路３１０を生成する）ことができる。

図５にはまた「データ雲」５０２が表されている。データ雲５０２は、交差するレーザ通路３１０がある場合に取得されたデータから収集することのできる化学種濃度の空間分布に関する視覚的表現である。図５に示されているように、化学種濃度の空間分布情報は２つのカテゴリイのデータを含む。すなわち、１）各々のエミッタ３０２／レシーバ３０６対の間で測定された平均濃度に関連したデータ、及び２）交差するレーザ通路３１０の各々に沿って行うことのできる起こり得る化学種濃度又は起こり得る濃度の計算（これは、交差する通路３１０の各々に沿って測定された平均濃度に基づいて近似することができる）。この態様では、幾つかのデータ雲５０２によって例示されているように、化学種濃度の空間分布に関する改善されたデータを計算することができる。すなわち、レーザ通路３１０の多数の交差点は、導管４００の格子状断面における化学種濃度に関する表示を提供する。

図６は、本発明の模範的な実施形態に従ったレーザ通路３１０の別の代替構成を例示する。この場合、レーザ・エミッタ３０２を矩形の導管４００の２つの側面上に配置することができ、またレーザ・エミッタ３０２に対向して、レーザ・レシーバ３０６を矩形の導管４００の他の２つの側面上に配置することができる。この態様では、複数のデータ雲６０２によって例示されているように、化学種濃度の空間分布に関する改善されたデータを、図５に関連して前に説明したのと同じやり方で計算することができる。勿論、設けたレーザ通路３１０の構成は模範的なものであり、他の構成も可能である。当業者に理解されるように、図５及び図６に示された構成の組合せを用いた他の構成、並びにレーザ・エミッタ３０２／レーザ・レシーバ３０６の数をより多く又はより少なくした構成が可能であり、それらの構成は本願によって完全に予想される。

上流側ＴＤＬＡＳユニット２０８及び／又は下流側ＴＤＬＡＳユニット２０４が図４、図５又は図６に示された構成、或いは他の構成を持つＴＤＬＡＳユニットを含み得ることが理解されよう。更に、前に述べたように、表示されたレーザ通路３１０の各々は、複数のガス状化学種の濃度を同時に測定するように設計された複数の波長のレーザを含むことができる。一つの好ましい用途では、吸収媒質３１２は燃焼機関の燃焼排気ガスとすることができ、またＴＤＬＡＳユニット２０４，２０８によって濃度が測定されるガス状化学種は、還元剤（例えば、アンモニア）、ＮＯｘ、及び／又は水蒸気を含むことができる。（以下により詳しく述べるように、燃焼排気ガスの温度を正確に測定するために且つ還元剤又はＮＯｘのための波長が用いられるときに水蒸気が引き起こす干渉を是正するために、水蒸気について広い吸収スペクトルを用い得ることが理解されよう。）。

図７は、関連する温度におけるアンモニアの吸収スペクトルに関して本願の発明者によって作成された実験データを示すグラフであり、該データは、アンモニアの濃度を測定することを目的として本発明で使用されるレーザ・ダイオードについての波長を効果的に調整するために用いることができる。図示されているように、アンモニアについての実効吸収スペクトルがほぼ１．５〜３．５μｍの波長を有することが判明した。（アンモニア濃度の測定と干渉を引き起こすことのある）燃焼排気ガス内の他の構成成分の吸収スペクトルと図７に示された実験結果とを考慮すると、より好ましい実施形態では、ほぼ１．９〜２．１μｍのアンモニア吸収スペクトルを用いることができる。別のより好ましい実施形態では、ほぼ２．２〜２．４μｍのアンモニア吸収スペクトルを用いることができる。

図８は、関連する温度におけるＮＯｘの吸収スペクトルに関して本願の発明者によって作成された実験データを示すグラフであり、該データは、ＮＯｘの濃度を測定することを目的として本発明で使用されるレーザ・ダイオードについての波長を効果的に調整するために用いることができる。図示されているように、ＮＯｘについての実効吸収スペクトルがほぼ２．５〜４．０μｍの波長を有することが判明した。（ＮＯｘ濃度の測定と干渉を引き起こすことのある）燃焼排気ガス内の他の構成成分の吸収スペクトルと図８に示された実験結果とを考慮すると、より好ましい実施形態では、ほぼ２．６〜２．８μｍのＮＯｘ吸収スペクトルを用いることができる。別のより好ましい実施形態では、ほぼ３．４〜３．６μｍのＮＯｘ吸収スペクトルを用いることができる。

図９は、関連する温度における水蒸気の吸収スペクトルに関して本願の発明者によって作成された実験データを示すグラフであり、該データは、排気ガス流の温度を決定するために用いることができる。当業者に理解されるように、温度は、２つの異なる温度依存遷移についての測定されたピーク吸収度の比から推測することができる。２つのピーク吸収度の比は次式によって与えられる。
Ｒ＝（ｐ_ａｂｓＬφ_ｖ１Ｓ_１（Ｔ）φ_ｖ）／（ｐ_ａｂｓＬφ_ｖ２Ｓ_２（Ｔ）φ_ｖ）
＝（Ｓ_１（Ｔ）φ_ｖ１）／（Ｓ_２ （Ｔ）φ_ｖ２）
ここで、φ_ｖ （ｃｍ）は特定のレーザ遷移の線形関数である。線形関数φ_ｖ は次式

のように正規化される。そこで、比は、Ｒ＝Ｓ_１ （Ｔ）／Ｓ_２ （Ｔ）になる。このように、排気ガス流の温度は本発明の本実施形態によって決定することができる。

更に、水蒸気が赤外範囲内で広い吸収帯域を持っているので、排気ガス流中に水蒸気が存在すると、一般的にその結果として、水分子とアンモニア又はＮＯｘとの組合せが排気ガス流中に存在することに起因して、検知用レーザの混吸収(cross-absorption)が生じる。すなわち、水蒸気のせいでＮＯｘ及び／又はアンモニア検知用レーザが吸収媒質内の実際の化学種成分よりも高いレベルを示すようになる。この混吸収のエラーを軽減するために、ＮＯｘ又はアンモニアが吸収しない波長のレーザを用いることにより、他の波長で測定されたＮＯｘ又はアンモニアから水蒸気を減算できるようにすることができる。次の式を用いて、ガス中に存在する水の濃度を推定することができる。
ｘ_{ｗａｔｅｒ}＝ｌｎ（Ｉ_０／Ｉ_{ｗａｔｅｒ}）_ｖ／ＰＳ_ｉ（Ｔ）Ｌ
アンモニアの場合、次式になる。
ｘ_{ＮＨ３＋ｗａｔｅｒ}＝ｌｎ（Ｉ_０／Ｉ_{ＮＨ３＋ｗａｔｅｒ}）_ｖ／ＰＳ_ｉ（Ｔ）Ｌ
従って、排気ガス中に存在するアンモニアの補正された濃度が次式のようになることが理解されよう。
ｘ_ＮＨ３＝ｘ_{ＮＨ３＋ｗａｔｅｒ}−ｘ_{ｗａｔｅｒ}
図９に示されているように（且つアンモニア及びＮＯｘの吸収波長を考慮して）、水蒸気についての実効吸収スペクトルがほぼ０．９〜１．５μｍの波長で構成され得ることを発見した。より好ましい実施形態では、ほぼ１．１〜１．３μｍの水蒸気吸収スペクトルを用いることができる。

動作について説明すると、上述のシステム、構成要素及び方法論に準じて、ＳＣＲシステム２００は次のように動作することができる。燃焼排気ガスが燃焼機関（この場合は、ガスタービン・エンジン１１６）から上流側導管１２４を通ってＳＣＲユニット１１４へ流れる。（ＳＣＲユニット１１４の直ぐ上流に配置することができる）上流側ＴＤＬＡＳユニット２０８が、燃焼排気ガス流の温度及び／又は燃焼排気ガス流内のＮＯｘの濃度を測定することができる。上流側ＴＤＬＡＳユニット２０８は、図示されているように、測定された温度及びＮＯｘの濃度に関するデータを制御ユニット２１６へ供給することができる。本願によれば、このデータは、測定から非常に短い時間で、例えば１秒未満で、利用可能にすることができる。

上流側ＴＤＬＡＳユニット２０８の下流で、還元剤注入装置２１２が還元剤（例えば、アンモニア）の流れを、上流側導管１２４の中を流れている燃焼排気ガスの中へ注入することができる。ＳＣＲユニット１１４内では、触媒が還元剤及びＯ_２ の存在下でＮＯｘをＮ_２ に選択的に還元することができる。

ＳＣＲユニット１１４の下流での下流側導管１２６において、下流側ＴＤＬＡＳユニット２０４が、ＳＣＲユニット１１４を出た燃焼排気ガス流の温度、燃焼排気ガス流内のＮＯｘ濃度及び／又は還元剤濃度を測定することができる。下流側ＴＤＬＡＳユニット２０４は、図示されているように、測定された温度、ＮＯｘ濃度及び還元剤濃度に関するデータを制御ユニット２１６へ供給することができる。前に述べたように、このデータは、測定から非常に短い時間で、例えば１秒未満で、供給することができる。

前に述べたように、システム２００の配置、構成及び構成要素が与えられると、ＴＤＬＡＳユニット２０４，２０８は、排気ガスの温度及び／又は排気ガス内の関連した化学種の濃度の測定に関するデータを、比較的短い期間の経過後に供給する。この態様では、温度並びに還元剤及び／又はＮＯｘの濃度に関して実質的に現在のデータを監視することができる。前に説明したように、ＴＤＬＡＳは、他の関連したガス状化学種を吸収しない波長で水蒸気の濃度を測定することによって、他の化学種濃度を測定しようとした波長での水蒸気の混吸収について補正を行うことができる。

本発明の実施形態によっては、現在の温度及び／又は濃度データに基づいて、制御ユニット２１６は、ＮＯｘ放出が所定の目標レベル以下に厳密に維持されるように及び／又は還元剤スリッペイジが所定の又は目標のレベル以下に維持されるように、制御アルゴリズムに従って還元剤注入装置２１２を通る還元剤の流量を調節することができる。例えば、ＮＯｘ放出のレベルが所定の目標レベルよりも高いことを試験結果が示している場合、還元剤注入装置１４０を通る還元剤（例えば、アンモニア）の流量を、制御ユニット２１６によって増大させることができる。これにより、ＮＯｘの増大した量をＳＣＲユニット１１４内で低減させて、その結果としてＮＯｘ放出を低減することができる。この場合、実質的に現在のＮＯｘ及びアンモニア濃度並びに排気ガス温度を反映する適時の（すなわち、遅れが１秒未満、場合によっては遅れが０．１秒未満である）データを周期的に測定して制御ユニット２１６に供給することにより、制御ユニット２１６が制御アルゴリズムに従って還元剤注入量を調節し続けることができるようにすることができる。このようにして、ＮＯｘ放出を低減することができ、また有意な還元剤スリッペイジを生じないレベルにアンモニアの注入量を維持することができる。他方、ＮＯｘ放出のレベルが許容レベルであるが、アンモニア放出（すなわち、スリッペイジ）のレベルが許容できないほど高いことを試験結果が示している場合、還元剤注入装置１４０を通るアンモニアの流量を制御ユニット２１６によって減少させることができる。これにより、ＳＣＲユニット１１４内で還元されるＮＯｘの量が減少し、その結果、ＮＯｘ放出のレベルが増大すると思われる。しかしながら、アンモニア・スリッペイジは低減されるはずである。前と同様に、実質的に現在のＮＯｘ及びアンモニア濃度並びに排気ガス温度を反映する適時の（すなわち、遅れが１秒未満、場合によっては遅れが０．１秒未満である）データを周期的に測定して制御ユニット２１６に供給することにより、制御ユニット２１６は制御アルゴリズムに従って還元剤注入量を調節し続けて、ＮＯｘ及びアンモニアの放出を許容レベルに維持することができるようにすることができる。

少なくとも或る用途では、本発明は幾つかの利点をもたらす。

第１に、本発明に従ったシステムは正確で適時な測定データを供給して、ＮＯｘ及び還元剤放出が低減され及び／又は最少にされるように選択的触媒還元プロセスを厳重に監視し及び／又は制御することができる。前に述べたように、本発明のシステムは、選択的触媒還元プロセスの現在の状態を知り且つ監視することができるように、１秒未満の時間遅れで測定データを提供する。この種の適時なデータにより、過渡的な動作期間（すなわち、始動、負荷変動など）に関連した急速に変化する状態を知って適時に反応することができることが理解されよう。これを行う能力により、還元剤注入量を現在の状態に基づいて調節することが可能になり、これによって還元剤スリッペイジ及びＮＯｘ放出が低減される。

第２に、従来のシステムでは一般に化学種濃度測定場所における正確な温度データが不足しているが、本発明に従ったシステムは化学種濃度データが収集されるのと同じ場所で正確な温度データを提供する。アンモニア吸収速度が温度に依存するので、この種の正確なデータは、過剰なＮＯｘ及び／又はアンモニアの放出を低減し又は最少にするようにプロセスを制御するのに必要である。

第３に、従来のシステムでは一般に排気ガス中の関連した化合物の空間分布に関する情報が不足しているが、本発明のシステムは、前に述べたように、この種のデータが適時に費用効率よく得られ且つ導管を通る燃焼排気ガスの流れと干渉しないで得られるように構成することができる。従来の抽出技術では排気ガスの流路の中まで延在する長さの導管を必要とするが、これは、建設して維持するのに厄介で費用が掛かり、また排気ガスの流れに悪影響を及ぼすおそれがある。

第４に、従来のシステムでは一般にＳＣＲの下流の排気ガス組成物のみを測定しているが、本発明のシステムは排気ガスの上流での測定を可能にして、上流での測定を有意義なものにできる（すなわち、ＳＣＲシステムの動作を向上させるために制御アルゴリズムに効果的に用いられる）ように測定結果を適時に供給する。より具体的に述べると、従来のシステムに関連した測定の時間遅れは一般に、ＳＣＲユニットの上流でのガス状組成物の測定が有用でなかった（又は考えられたほどに有用でなかった）ことを意味していた。結果として、従来のシステムはＳＣＲユニットの下流での測定に専心している。勿論、この位置では、下流側の測定値がどのようなことを示していても、そこにあるガスはＳＣＲユニット（すなわち、処理）の範囲外にあって、大気中へ放出されることになる。本発明のシステムでは、測定結果は事実上瞬時に（前に述べたように、１秒未満、場合によっては０．１秒未満に）供給することができ、これは、還元剤注入装置２１２及びＳＣＲユニット１１４の上流で行われると、測定されている排気ガスがまた大気中に放出される前に処理され得るように処理変数を調節する機会が与えられる（例えば、還元剤注入装置によって排気ガス流に注入される還元剤の量を増大させることができる）。

第５に、空間濃度データは、ＮＯｘの高い濃度の領域を増大させた濃度の還元剤で処理することができるように、排気ガス流の中に還元剤を注入する機会を提供する。ＮＯｘ及び還元剤の同様な分布（すなわち、ＮＯｘの高い濃度の領域がアンモニアの高い濃度の領域と一致し、且つＮＯｘの低い濃度の領域がアンモニアの低い濃度の領域と一致すること）により、ＳＣＲユニット内でＮＯｘのより効率の良い還元がなされ、ＮＯｘ放出レベルが低下し、また還元剤スリッペイジ・レベルが低下する。このように還元剤の制御された分布を得るために幾つかの種類の還元剤注入システムを使用することができる。一つのこのようなシステムは、排気ガスの流路の中に突き出していると共に、導管の断面積にわたって等間隔に設けられた複数の注入ノズルを備えた複数の還元剤注入装置を含むことができる。別のこのようなシステムは、導管の周縁に沿って等間隔に設けられた複数の還元剤注入ノズルを含むことができる。別のこのようなシステムは、流路の中に突き出す複数の還元剤注入ノズルと周縁に沿って配置された複数の還元剤注入ノズルとの組合せを含むことができる。更に、幾つかの注入ノズル（周縁に沿ったもの又は流路の中に突き出したもののいずれか）は、それらの噴射する方向を制御できるように製作することができる。複数のノズルへの還元剤の流れを変えることにより、還元剤が断面にわたって不均一に供給されてＮＯｘの不均一な分布が希望通りに生じるようにすることができることが理解されよう。他の実施形態では、ＮＯｘ又はアンモニアの高い濃度の領域が発生し又は不均一な温度分布が生じる場合、導管の中の流れパターンは、より多量の混合及びより高い連続性が達成されるように修正することができる。これは、排気ガス流の中に突き出して、排気ガス流に所望のレベルの一貫性が得られるまで操作することのできる調節可能な翼形又は面を使用することにより、達成することができる。この目的を達成するために制御帰還ループを用いることができ、制御帰還ループは、本願の幾つかの実施形態によって計算された様々な化学種ガスの濃度測定値及び空間分布を用いて構成することができる。

当業者に理解されるように、本発明の模範的な実施形態に関して前に述べた様々な特徴及び構成は、本発明の他の可能な実施形態を形成するために更に選択的に適用することができる。簡潔にするために、また当業者の能力を考慮して、可能な全てを反復して詳しく説明することは行わない。けれども、特許請求の範囲に包含される全ての組合せ及び可能な実施形態は本願の一部を成すものである。更に、本発明の幾つかの模範的な実施形態についての上記の説明から、当業者には様々な改良、変更及び修正が考えられよう。当該技術分野の技能の範囲内にあるこのようなの改良、変更及び修正はまた特許請求の範囲に包含されるものとする。更に、 上記のことは本願の記述した実施形態にのみ関係すること、並びに多数の変更及び修正が「特許請求の範囲」の記載及びその等価な事項によって定められるような本願の精神及び範囲から逸脱することなく為し得ることは明らかなはずである。

１００ 従来のＳＣＲシステム
１１４ 選択的触媒還元（ＳＣＲ）ユニット
１１６ 内燃機関（ガスタービン・エンジン）
１１８ 圧縮機
１２０ 燃焼器
１２２ タービン
１２４ 上流側導管
１２６ 下流側導管
１３０ 還元剤試験サンプル
１３２ ＮＯｘ試験サンプル
１３６ 制御ユニット
１４０ 還元剤注入装置
２００ ＳＣＲシステム
２０２ ＳＣＲユニット
２０４ 下流側の波長可変ダイオード・レーザ吸収分光（ＴＤＬＡＳ）ユニット
２０８ 上流側の波長可変ダイオード・レーザ吸収分光（ＴＤＬＡＳ）ユニット
２１２ 還元剤注入装置
２１６ 制御ユニット
３００ 波長可変ダイオード・レーザ吸収分光ユニット
３０２ レーザ・エミッタ
３０４ エミッタ 光学装置
３０６ レーザ検出器又はレシーバ
３０８ レシーバ 光学装置
３１０ レーザ通路
３１２ 吸収媒質
４００ 導管
５０２ データ雲
６０２ データ雲

Claims (14)

1. 内燃機関（１１６）の燃焼排気ガス流からの窒素酸化物及び還元剤の放出レベルを監視及び／又は制御するためのシステムであって、前記内燃機関（１１６）が選択的触媒還元ユニット（２０２）を含み、前記選択的触媒還元ユニット（２０２）は、燃焼排気ガス流を該選択的触媒還元ユニット（２０２）へ方向付ける上流側導管（１２４）と燃焼排気ガス流を該選択的触媒還元ユニット（２０２）から離れるように方向付ける下流側導管（１２６）との間で燃焼排気ガス流の中に配置されており、前記選択的触媒還元ユニット（２０２）は、燃焼排気ガスの中に含まれる窒素酸化物を、還元剤及び酸素の存在下で窒素原子へ触媒還元するように構成された触媒を持ち、また、前記内燃機関（１１６）が更に、前記選択的触媒還元ユニット（２０２）の上流の燃焼排気ガス流の中へ還元剤を注入する還元剤注入装置（２１２）を含んでいる、当該システムにおいて、
   前記下流側導管（１２６）内に配置されて、燃焼排気ガス流中の少なくとも窒素酸化物及び還元剤の濃度レベルを測定するように構成されたレーザ吸収分光ユニット（３００）と、
   制御ユニット（２１６）と、を有し、
   前記レーザ吸収分光ユニット（３００）が、窒素酸化物及び還元剤の測定された濃度レベルに関する適時なデータを前記制御ユニット（２１６）へ供給するように構成されていること、
   を特徴とするシステム。
2. 適時のデータは、遅延時間が０．１秒未満であるデータを有している、請求項１記載のシステム。
3. 前記レーザ吸収分光ユニット（３００）は波長可変ダイオード・レーザを有し、前記還元剤はアンモニアを有している、請求項１記載のシステム。
4. 前記レーザ吸収分光ユニット（３００）は第１の波長可変ダイオード・レーザ分光ユニット（３００）を有し、
   前記システムは更に、前記上流側導管（１２４）内の前記還元剤注入装置（２１２）より上流に配置された第２の波長可変ダイオード・レーザ分光ユニットを（３００）を有し、
   前記第２の波長可変レーザ吸収分光ユニット（３００）は、燃焼排気ガス流中の少なくとも窒素酸化物の濃度レベルを測定して、窒素酸化物の測定された濃度レベルに関する適時のデータを前記制御ユニット（２１６）へ供給するように構成されている、請求項３記載のシステム。
5. 前記下流側導管（１２６）は、該下流側導管（１２６）の内部をはさんで相対する第１及び第２の側面を含む断面形状を持ち、これらの第１及び第２の側面の各々は一連のポートを有していて、これらのポートは、該第１の側面上の複数のポートが該第２の側面上の複数のポートと対向するように配列されており、
   前記第１の波長可変ダイオード・レーザ分光ユニット（３００）は複数のレーザ・エミッタ（３０２）及び複数のレーザ・レシーバ（３０６）を含み、これらのエミッタ及びレシーバは、該レーザ・エミッタ（３０２）が前記下流側導管（１２６）の内部をはさんで前記レーザ・レシーバ（３０６）と対向するようにそれぞれの前記ポートに配置されており、
   前記レーザ・エミッタ（３０２）は、所定の波長のレーザを放出して、該レーザが所定のレーザ通路に沿って進んで少なくとも１つのレーザ・レシーバ（３０６）によって受け取られるように構成されている、請求項４記載のシステム。
6. 前記レーザ・エミッタ（３０２）の各々は前記レーザ・レシーバ（３０６）と１つずつ対を構成し、各対は前記下流側導管（１２６）の内部をはさんで互いに真向かいに対向しており、
   前記制御ユニット（２１６）は、窒素酸化物及びアンモニアの測定された濃度レベルの空間分布に関する空間分布データを計算するように構成されており、その空間分布データはレーザ通路に沿って測定された窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの変化を反映している、請求項５記載のシステム。
7. 前記レーザ・エミッタ（３０２）及び前記レーザ・レシーバ（３０６）の位置及び配向は、複数の交差するレーザ通路が作られるように設定されており、
   前記レーザ通路は、少なくとも、ａ）前記レーザ・エミッタから前記下流側導管（１２６）の内部を真っ直ぐ横切って真向かいの前記レーザ・レシーバへ延在するレーザ通路、及びｂ）前記レーザ・エミッタから前記下流側導管（１２６）の内部を斜めに横切って真向かいではない位置の前記レーザ・レシーバ（３０６）の１つへ延在するレーザ通路を含んでおり、
   また、前記レーザ・エミッタ（３０２）及び前記レーザ・レシーバ（３０６）の位置及び配向は、レーザ通路の交差点の場所が前記下流側導管（１２６）の断面積にわたってほぼ格子を形成するように設定されている、請求項５記載のシステム。
8. 前記制御ユニット（２１６）は、窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの空間分布に関する空間分布データを計算するように構成され、該空間分布データは、ａ）幾つかのレーザ通路の各々に沿って測定された窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの間の変化、及びｂ）レーザ通路の交差点で計算される起こり得る窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの間の変化を反映しており、該起こり得る窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルは、レーザ通路交差点を形成するように交差するレーザ通路の各々に沿った窒素酸化物及びアンモニアの測定された濃度レベルに基づくものである、請求項７記載のシステム。
9. 前記下流側導管（１２６）の断面形状は、更に、前記下流側導管（１２６）の内部をはさんで相対する第３及び第４の側面を有し、
   前記第３及び第４の側面の各々は一連のポートを有し、これらのポートは、前記第３の側面上の複数のポートが前記第４の側面上の複数のポートと対向するように配列されており、
   前記第１の波長可変ダイオード・レーザ分光ユニット（３００）は更に、複数のレーザ・エミッタ（３０２）及び複数のレーザ・レシーバ（３０６）を有し、これらのエミッタ及びレシーバは、該レーザ・エミッタ（３０２）が前記下流側導管（１２６）の内部をはさんで該レーザ・レシーバ（３０６）と対向するように前記下流側導管（１２６）の前記第３及び第４の側面のポートの中に配置されており、
   前記下流側導管（１２６）の前記第３及び第４の側面に沿って配置された前記レーザ・エミッタ（３０２）は、所定のレーザ通路を進んで、前記下流側導管（１２６）の前記第３及び第４の側面に沿って配置された前記レーザ・レシーバ（３０６）の少なくとも１つによって受け取られる所定の波長のレーザを放出するように構成されており、
   前記第１の側面、第２の側面、第３の側面及び第４の側面上に配置された前記レーザ・エミッタ（３０２）及びレーザ・レシーバ（３０６）の位置及び配向は、前記第１の側面から前記第２の側面へ延在するレーザ通路及び前記第３の側面から前記第４の側面へ延在する交差するレーザ通路を含む複数の交差するレーザ通路が生成されるように設定されており、
   前記制御ユニット（２１６）は、窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの空間分布に関する空間分布データを計算するように構成され、該空間分布データは、ａ）幾つかのレーザ通路の各々に沿って測定された窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの間の変化、及びｂ）レーザ通路の交差点で計算される起こり得る窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルの間の変化を反映しており、該起こり得る窒素酸化物及びアンモニアの濃度レベルは、レーザ通路交差点を形成するように交差するレーザ通路の各々に沿った窒素酸化物及びアンモニアの測定された濃度レベルに基づくものである、請求項５記載のシステム。
10. 前記所定の波長は、少なくとも、窒素酸化物に関する吸収波長とアンモニアに関する吸収波長とを有している、請求項５記載のシステム。
11. 前記所定の波長は少なくとも水蒸気に関する吸収波長を有しており、
    前記レーザ吸収分光ユニット（３００）は水蒸気吸収波長に基づいて燃焼排気ガス流の温度を測定するように構成されている、請求項１０記載のシステム。
12. 前記制御ユニット（２１６）は、窒素酸化物及び還元剤の測定された濃度レベルに基づいて前記還元剤注入装置が還元剤を燃焼排気ガス流に注入する速度を制御する、請求項７記載のシステム。
13. 前記還元剤注入装置（２１２）は、還元剤を空間的に制御された態様で注入するための手段を有し、
    前記還元剤の空間的に制御された注入は、窒素酸化物及びアンモニアの測定された濃度レベルの空間分布に関する計算された空間分布データに基づくものである、請求項１２記載のシステム。
14. 還元剤を空間的に制御された態様で注入するための前記手段は、１）複数の還元剤注入場所が設けられるように燃焼排気ガス流の中へ突き出す複数の還元剤注入ノズル、又は２）前記下流側導管（１２６）の周縁に沿って間隔をおいて配置される複数の還元剤注入ノズル、又は３）これらの両方を有しており、
    また、還元剤を空間的に制御された態様で注入するための前記手段は、窒素酸化物の濃度レベルが高い領域には高レベルの還元剤を注入し且つ窒素酸化物の濃度レベルが低い領域には低レベルの還元剤を注入するように構成されている、請求項１３記載のシステム。