JP2012167635A - 排ガス再循環装置および内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】排ガスの供給量を適切に調整することができる排ガス再循環装置および内燃機関システムを提供することにある。
【解決手段】再循環配管と、流量調整弁と、レーザ計測装置と、制御装置と、を有し、レーザ計測装置は、計測セルと、酸素の吸収波長を含む波長域のレーザ光を出力する発光部と、発光部から射出されたレーザ光を計測セルに案内する光学系と、入射部から入射され、計測セルを通過し、出射部から出射されたレーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、受光部から出力される受光信号を処理する信号処理部と、信号処理部で処理した結果に基づいて、計測セルを流れる前記測定対象気体に含まれる酸素の濃度を算出する物理量算出部と、各部の動作を制御する制御部と、を有することで、上記課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の排気の一部を吸気に循環させる排ガス再循環装置および内燃機関システムに関する。

ディーゼルエンジン、ガスエンジン等の内燃機関を備える内燃機関システムとしては、排ガス中の酸素を計測してその計測結果に基づいて駆動を制御するものがある。例えば、特許文献１には、エンジンに供給される空気と燃料を混合する混合器に対してバイパスしてエンジンに空気を供給するバイパス管路と、バイパス管路の空気の流量を調整するバイパス弁と、エンジンから排出される排ガス経路中に配置され排ガス中の酸素濃度を計測する酸素センサと、を有し、酸素センサで計測する酸素濃度が可能な限り低減するように、バイパス弁を制御する装置が記載されている。酸素センサとしては、ヒータ付ジルコニア酸素センサが記載されている。

特許文献２には、エンジンの排ガスが排出される排気経路に安定化ジルコニア酸素センサ等の酸素センサを設け、酸素センサの検出結果に基づいて燃料ガスの流量を調整する装置が記載されている。また、酸素センサに替えてエンジンの回転数を検出するセンサを用い、エンジンの回転数に基づいて燃料ガスの流量を調整する装置も記載されている。

特開平３−２８１９７４号公報 特開平６−２８８２６７号公報

ここで、内燃機関システムには、燃焼機関から排出される排ガスの一部を再度内燃機関に供給する排ガス再循環装置（Exhaust Gas Recirculation）を備えるものがある。このように排ガス再循環装置を設けることで、燃焼効率を向上させたり、排ガスに含まれる窒素酸化物を低減したりすることができる。この排ガス再循環装置も、システム内を流れる気体の酸素濃度の計測結果によって排ガスの供給量、供給割合を制御することができる。

しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載されているジルコニア式酸素濃度センサは、排ガス中に炭化水素、一酸化炭素等の可燃性成分が含まれると燃焼反応が生じるため、測定誤差が生じる可能性がある。また、硫酸系ガス等の腐食性ガスが含まれるとセンサが劣化する恐れがある。このため、排ガスの成分によっては測定誤差が大きくなる恐れや、装置寿命を短くなる恐れがある。また、ジルコニア式酸素濃度センサは、計測に一定の時間が必要であり応答性の改善に限界があるという問題もある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、測定対象気体に含まれる酸素濃度を高い応答性で安定して計測することができ、排ガスの供給量を適切に調整することができる排ガス再循環装置および内燃機関システムを提供することを課題とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、内燃機関から排出された排ガスを、前記内燃機関の吸気管に供給する排ガス再循環装置であって、前記内燃機関から排出された排ガスを前記吸気管に案内する再循環配管と、前記再循環配管を流れる排ガスの流量を調整する流量調整弁と、前記内燃機関に供給される供給気体の一部である測定対象気体に含まれる酸素の濃度を計測するレーザ計測装置と、前記レーザ計測装置の計測結果に基づいて前記流量調整弁を制御する制御装置と、を有し、前記レーザ計測装置は、前記測定対象気体が流れる配管の経路の一部として配置され前記測定対象気体が流れる主管、前記主管に連結し、光が通過可能な窓部が形成された入射部、前記主管に連結し光が通過可能な窓部が形成された出射部と、を含む計測セルと、酸素の吸収波長を含む波長域のレーザ光を出力する発光部と、前記発光部から射出されたレーザ光を前記計測セルに案内する光学系と、前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、前記受光部から出力される受光信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部で処理した結果に基づいて、前記計測セルを流れる前記測定対象気体に含まれる酸素の濃度を算出する物理量算出部と、各部の動作を制御する制御部と、を有することを特徴とする。上記構成の排ガス再循環装置は、より高精度かつ高い応答性で酸素の濃度を計測することができる。これにより、排ガスの供給量を好適に調整することができ、内燃機関を効率よく運転することができ、かつ、窒素酸化物の排出量を低減することができる。

ここで、前記測定対象気体は、外部から供給された空気に前記再循環配管から供給された前記排ガスが混合され、前記内燃機関に供給される前の混合空気であり、前記計測セルは、前記主管が前記吸気管の前記内燃機関との接続部分と前記再循環配管との接続部部分との間に配置されていることが好ましい。これにより、内燃機関に供給される混合空気の酸素濃度を計測することができ、排ガスの供給量をより好適に調整することができ、内燃機関を効率よく運転することができ、かつ、窒素酸化物の排出量を低減することができる。

また、排ガスが流れる前記再循環配管の経路の一部として配置され前記排ガスが流れる主管、前記主管に連結し、光が通過可能な窓部が形成された入射部、前記主管に連結し光が通過可能な窓部が形成された出射部と、を含む計測セルと、酸素の吸収波長を含む波長域のレーザ光を出力する発光部と、前記発光部から射出されたレーザ光を前記計測セルに案内する光学系と、前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、前記受光部から出力される受光信号を処理する信号処理部と、前記信号処理部で処理した結果に基づいて、前記計測セルを流れる前記測定対象気体に含まれる酸素の濃度を算出する物理量算出部と、各部の動作を制御する制御部と、を有する副レーザ計測装置をさらに有することが好ましい。これにより、排ガスの酸素濃度を計測することができ、排ガスの供給量をより好適に調整することができ、内燃機関を効率よく運転することができ、かつ、窒素酸化物の排出量を低減することができる。

また、前記測定対象気体は、前記再循環配管を流れる前記排ガスであり、前記計測セルは、前記再循環配管に配置されていることが好ましい。これにより、排ガスの酸素濃度を計測することができ、排ガスの供給量をより好適に調整することができ、内燃機関を効率よく運転することができ、かつ、窒素酸化物の排出量を低減することができる。

また、前記発光部は、変調周波数で波長を変調しつつ出力し、前記信号処理部は、前記変調周波数の整数倍の周波数である指定周波数の出力を示すスペクトル信号を出力し、前記物理量算出部は、スペクトル信号から、酸素の濃度を算出することが好ましい。このようにレーザ光の波長を変調することで、レーザ計測装置での計測をより高精度で行うことができる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、内燃機関システムであって、内燃機関と、前記内燃機関に空気を供給する吸気管と、前記内燃機関で発生した排ガスを案内する排気管と、排気管から排出される排ガスが通過することで回転するタービン、前記タービンと共に回転し前記吸気管に空気を供給するコンプレッサを備える過給機と、前記排気管に案内された排ガスの一部を前記吸気管に案内する上記のいずれかに記載の排ガス再循環装置と、を有することを特徴とする。上記構成の内燃機関ユニットは、より高精度かつ高い応答性で酸素の濃度を計測することができる。これにより、排ガスの供給量を好適に調整することができ、内燃機関を効率よく運転することができ、かつ、窒素酸化物の排出量を低減することができる。

本発明にかかる排ガス再循環装置および内燃機関システムは、測定対象気体中の酸素濃度を高い応答性で安定して計測することができ、排ガスの供給量を適切に調整することができるという効果を奏する。これにより、内燃機関を効率よく運転することができ、かつ、窒素酸化物の排出量を低減することができる。

図１は、排ガス再循環装置を備える内燃機関システムの一実施形態の概略構成を示す模式図である。 図２は、レーザ計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。 図３は、図２に示すレーザ計測装置の計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図である。 図４は、排ガス再循環装置の動作の一例を示すフロー図である。 図５は、排ガス再循環装置を備える内燃機関システムの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。

以下に、本発明にかかる排ガス再循環装置および内燃機関システムの一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、以下の実施形態では、排ガスを排出する内燃機関にディーゼルエンジンを用いた例で説明するがこれに限定されず、ガソリンエンジンや、ガスエンジン等種々の内燃機関に用いることができる。また、内燃機関システムを有する装置としては、車両、船舶、発電機等種々の装置が例示される。

図１は、排ガス再循環装置を備える内燃機関システムの一実施形態の概略構成を示す模式図である。図１に示す内燃機関システム１００は、エンジン１０２と、吸気管１０４と、排気管１０５と、過給機１０８と、吸気管１１０と、排気管１１２と、排ガス再循環装置１２０と、制御装置１２４と、を有する。

まず、内燃機関システム１００における気体の流れについて説明する。内燃機関システム１００は、吸気管１１０の外部から吸気管１１０に空気１４０が供給される。外部から供給された空気１４０は、吸気管１１０の経路中で排ガス再循環装置１２０から供給される排ガス１４２と混合され混合気体１４４となる。混合気体１４４は、吸気管１１０、吸気管１０４を流れエンジン１０２に供給される。また、エンジン１０２から排気管１０５には排ガス１４２が排出される。排気管１０５に排出された排ガス１４２は、排気管１１２に排出され、排気管１１２から排ガス再循環装置１２０とシステム外部に排出される。

エンジン１０２は、内燃機関であり吸気管１０４から供給された混合気体１４４を用いて燃料を燃焼させ、燃料の燃焼時に発生するエネルギーでピストン等を駆動させる。エンジン１０２は、燃料の燃焼時に発生する排ガス１４２を排気管１０５に排出する。またエンジン１０２には、エンジン１０２の回転数を検出する回転数検出センサ１０３が配置されている。回転数検出センサ１０３は、検出したエンジン１０２の回転数を制御装置１２４に送る。

吸気管１０４は、エンジン１０２と過給機１０８とを繋げる配管である。吸気管１０４は、過給機１０８から供給された混合気体１４４をエンジン１０２に供給する。排気管１０５は、過給機１０８とエンジン１０２とを繋げる配管である。排気管１０５は、エンジン１０２から排出された排ガス１４２を過給機１０８に供給する。

過給機１０８は、ターボチャージャであり、コンプレッサ１０８ａとタービン１０８ｂと支持軸１０８ｃとを有する。コンプレッサ１０８ａは、吸気管１０４と吸気管１１０とに連結されている。タービン１０８ｂは、排気管１０５と排気管１１２とに連結されている。支持軸１０８ｃは、コンプレッサ１０８ａとタービン１０８ｂとを支持し、コンプレッサ１０８ａとタービン１０８ｂとを一体で回転させる。過給機１０８は、タービン１０８ｂが排気管１０５を流れ、排気管１１２から排出される排ガス１４２により回転される。過給機１０８は、タービン１０８ｂが回転すると、支持軸１０８ｃで連結しているコンプレッサ１０８ａも回転する。過給機１０８は、コンプレッサ１０８ａが回転することで、吸気管１１０を流れる混合気体１４４を吸気管１０４に供給する。このように過給機１０８は、排気管１０５を流れる排ガス１４２により駆動され、吸気管１０４に混合気体１４４を供給する。

吸気管１１０は、一方の端部が過給機１０８のコンプレッサ１０８ａと連結した配管であり、システム外部から供給される空気１４０をシステム内部に案内する配管である。吸気管１１０には、後述する排ガス再循環装置１２０が連結されている。排気管１１２は、一方の端部が過給機１０８のタービン１０８ｂと連結した配管であり、システム内部で発生した排ガスをシステム外部に案内する配管である。排気管１１２にも、後述する排ガス再循環装置１２０が連結されている。なお、吸気管１１０、排気管１１２が連結するシステム外部の部分は、他の配管でもよいが他の部品と繋がっていない、つまり大気に開放されていてもよい。

排ガス再循環装置１２０は、エンジン１０２から排出される排ガス１４２の一部を吸気管１１０に供給する装置であり、再循環配管１２１とＥＧＲ弁１２２とレーザ計測装置１０を有する。再循環配管１２１は、一方の端部が排気管１１２と連結されており、他方の端部が吸気管１１０と連結されている。また、再循環配管１２１の経路中には、ＥＧＲ弁１２２が配置されている。

ＥＧＲ弁１２２は、開度を調整可能な電磁弁であり、再循環配管１２１を流れる排ガス１４２の流量を調整する。なお、ＥＧＲ弁１２２は、開度を調整する電磁弁に限定されず、再循環配管１２１の流量を調整することができる弁であればよい。例えば、ＥＧＲ弁１２２として開状態と閉状態とを切り換える弁を用い、単位時間当たりの開状態の時間と閉状態の時間を調整することでも再循環配管１２２を流れる排ガス１４２の流量を調整することができる。

レーザ計測装置１０は、混合気体１４４に含まれる酸素の濃度、つまり混合気体１４４の酸素濃度を計測するセンサである。レーザ計測装置１０は、吸気管１１０のコンプレッサ１０８ａとの連結部分と再循環配管１２１との連結部分との間となる部分に配置されている。つまり、吸気管１１０のコンプレッサ１０８ａよりも上流で再循環配管１２１よりも下流となる位置に配置されている。レーザ計測装置１０は、吸気管１１０の再循環配管１２１よりも下流となる位置の気体の酸素濃度を計測することで、外部から吸気管１１０に供給された空気１４０と再循環配管１２１を流れる排ガス１４２とが混合した混合空気１４４の酸素濃度を計測する。レーザ計測装置１０は、酸素濃度の計測結果を制御装置１２４に送る。

図２は、本発明のレーザ計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図であり、図３は、図２に示すレーザ計測装置の計測セルの一部を拡大して示す拡大模式図である。図２に示すようにレーザ計測装置１０は、計測セル１２と、計測手段１４と、パージガス供給手段１６と、を有する。ここで、レーザ計測装置１０は、混合気体１４４が流れる吸気管１１０の経路中に設けられている。なお、図３では、レーザ計測装置１０の上流側の吸気管１１０を吸気管１１０ａとし、レーザ計測装置１０の下流側の吸気管１１０を吸気管１１０ｂとする。また、排ガス１４２は、吸気管１１０ａの上流側の排気管２０５から供給され、吸気管１１０ａ、レーザ計測装置１０、吸気管１１０ｂを通過し、吸気管１１０ｂよりも下流側の吸気管２０４に排出される。

計測セル１２は、基本的に主管２０と、入射管２２と、出射管２４とを有する。また、入射管２２には、窓２６と、パージガス供給管３０とが設けられており、出射管２４は、窓２８と、パージガス供給管３２が設けられている。主管２０は、筒状の管状部材であり、一方の端部が吸気管１１０ａと連結され、他方の端部が吸気管１１０ｂと連結されている。つまり、主管２０は、混合気体１４４が流れる流路の一部となる位置に配置されている。これにより、混合気体１４４は、吸気管１１０ａ、主管２０、吸気管１１０ｂの順に流れる。また、吸気管１１０ａを流れる排ガスは、基本的に全て主管２０を流れる。

入射管２２は、管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結されている。また、主管２０は、入射管２２との連結部が、入射管２２の開口（端部の開口）と略同一形状の開口となっている。つまり、入射管２２は、主管２０と、空気の流通が可能な状態で連結されている。また、入射管２２の他方の端部には、窓２６が設けられており、窓２６により封止されている。なお、窓２６は、光を透過する部材、例えば、透明なガラス、樹脂等で構成されている。これにより、入射管２２は、窓２６が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。

入射管２２は、図２及び図３に示すように、窓２６側の端部の開口（つまり、窓２６により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、入射管２２の形状は円筒形状に限定されず、空気及び光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。なお、入射管２２は、後述するパージガスが安定して流れる形状とすることが好ましい。

また、入射管２２には、さらにパージガス供給管３０が連結されている。パージガス供給管３０は、図３に示すように、窓２６が封止されている端部と主管２０と連結されている端部との間に配置されている。パージガス供給管３０は、パージガス供給手段１６から供給されたパージガスを入射管２２に案内する。また、パージガス供給管３０は、パージガスの噴出し口となる部分が窓２６側に向けて傾斜している。

出射管２４は、入射管２２と略同一形状の管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結され、出射管２４の他方の端部には、窓２８が設けられている。出射管２４も、主管２０と空気が流通可能な状態で、窓２８が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。また、出射管２４は、中心軸が入射管２２の中心軸と略同一となる位置に配置されている。つまり、入射管２２と出射管２４とは、主管２０の対向する位置に配置されている。

また、出射管２４も、窓２８側の端部の開口（つまり、窓２８により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、出射管２４も形状は円筒形状に限定されず、空気及び光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。なお、出射管２４も、後述するパージガスが安定して流れる形状とすることが好ましい。

また、出射管２４の、窓２８が封止されている端部と主管２０と連結されている端部との間には、パージガス供給管３２が連結されている。パージガス供給管３２は、パージガス供給手段１６から供給されたパージガスを出射管２４に案内する。また、パージガス供給管３２も吹出し口が窓２８側を向いた形状である。

次に、計測手段１４は、発光部４０と、光ファイバ４２と、受光部４４と、光源ドライバ４６と、信号処理部４７と、物理量算出部４８と、制御部５０と、を有する。なお、本実施形態では、信号処理部４７と、物理量算出部４８と、を別々に設けたが一体で（１つの処理部として）設けてもよい。また、光源ドライバ４６と、信号処理部４７と、物理量算出部４８と、制御部５０と、を一体で（１つの処理部として）設けてもよい。また、本実施形態では、発光部４０と光源ドライバ４６と信号処理部４７と物理量算出部４８と制御部５０とを、レーザ計測装置本体３９とする。

発光部４０は、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。なお、発光部４０の発光素子は、出力するレーザ光の出力波長を所定の波長幅（周波数幅）で設定した周波数で変化させることができる発光素子である。発光素子としては、波長可変の半導体レーザ素子（ＬＤ：Laser Diode）を用いることができる。発光部４０は、測定対象の物質である酸素（気体の酸素、Ｏ_２）が吸収する波長域（好ましくは近赤外波長域）を含む波長域のレーザ光を出力する。光ファイバ４２は、発光部４０から出力されたレーザ光を案内し、窓２６から計測セル１２内に入射させる。

受光部４４は、計測セル１２の主管２０の内部を通過し、出射管２４の窓２８から出力されたレーザ光を受光する受光部である。なお、受光部４４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の受光素子（光検出器）を備え、受光素子によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。受光部４４は、受光したレーザ光の強度（光量）を受光信号として、信号処理部４７に送る。

光源ドライバ４６は、発光部４０を駆動する機能を有し、発光部４０に供給する電流、電圧を調整することで、発光部４０から出力されるレーザ光の波長、強度を調整する。光源ドライバ４６は、発振器であり、電流、電圧を所定の波形で発光部４０に供給することで時間により波長が変化するレーザ光を出力させる。本実施形態の光源ドライバ４６は、設定された変調周波数でレーザ光の波長を振動させる。光源ドライバ４６は、制御部５０を介して物理量算出部４８に、発光部４０から出力しているレーザ光の強度の情報を出力する。これにより、発光部４０は、酸素が吸収する波長域（好ましくは近赤外波長域）を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力する。具体的には、発光部４０は、酸素が吸収する吸収波長を中心とした一定波長幅で波長を変調させる。この時の一定波長幅の波長の変動を周期的に行い、その変動の周期の周波数が変調周波数となる。光源ドライバ４６は、変調周波数として、８０ｋＨｚ以上の周波数を用いることが好ましく、１００ｋＨｚ以上の周波数を用いることがより好ましい。変調周波数を８０ｋＨｚ以上、より好ましくは１００ｋＨｚ以上とすることで、ノイズの低減効果を大きく得ることができる。具体的には、変調周波数を８０ｋＨｚ以上とすることで計測セルを流れるガスの流量によらず、−７０ｄＢ以下かつ−８０ｄＢの近傍まで飛躍的に低減することができる。さらに、変調周波数を１００ｋＨｚ以上（指定周波数を２００ｋＨｚ以上）とすることで計測セルを流れるガスの流量によらず、より−８０ｄＢの近傍まで低減することができる。なお、ノイズ成分の−８０ｄＢは、装置固有のノイズ成分である。このように、変調周波数を８０ｋＨｚ以上、より好ましくは１００ｋＨｚとすることで、ガスの濃度の検出時のノイズ成分を好適に低減、具体的には、装置固有のノイズ成分と同程度のノイズ以外は生じない状態とすることができる。これにより、レーザ計測装置１０は、測定対象のガスをより高い精度で計測することができる。

信号処理部４７は、受光部４４がレーザ光を受光することで生成した信号（受光信号）を処理する。具体的には、信号処理部４７は、受光信号に含まれるノイズ成分を除去し、発光部４０から出力され受光部４４に到達したレーザ光の成分（つまり変調周波数に対応した信号成分）を抽出する。なお、抽出して生成される信号を以下スペクトル信号という。ここで、本実施形態の信号処理部４７は、受光信号から、変調周波数の２倍の周波数成分を抽出することで、酸素のレーザ光の吸収の反応を示す波形（スペクトル信号）を検出する。なお、明細書においては信号処理部４７が受光信号から抽出する成分の周波数、つまりスペクトル信号の抽出に用いた周波数を指定周波数という。

物理量算出部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号に基づいて、計測セル１２を流れる混合気体１４４に含まれる酸素の濃度を算出する。物理量算出部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号と、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件とに基づいて、酸素の濃度を算出する。具体的には、物理量算出部４８は、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件に基づいて発光部４０から出力されるレーザ光の強度を算出し、信号処理部４７で生成されたスペクトル信号に基づいて受光したレーザ光の強度を算出する。物理量算出部４８は、この発光したレーザ光の強度と受光したレーザ光の強度と比較し、混合気体１４４に含まれる酸素の濃度を算出する。

具体的には、発光部４０から出力された近赤外の波長域のレーザ光Ｌは、光ファイバ４２から計測セル１２の所定経路、具体的には、窓２６、入射管２２、主管２０、出射管２４、窓２８を通過した後、受光部４４に到達する。このとき、計測セル１２内の混合気体１４４中に酸素が含まれていると、計測セル１２を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光Ｌは、混合気体１４４中の酸素の濃度によって、受光部４４に到達するレーザ光の出力が変化する。受光部４４は、受光したレーザ光を受光信号に変換する。受光部４４で生成された受光信号は、信号処理部４７で処理されスペクトル信号として物理量算出部４８に入力される。また、制御部５０および光源ドライバ４６は、発光部４０から出力したレーザ光Ｌの強度を物理量算出部４８に出力する。物理量算出部４８は、発光部４０から出力した光の強度と、スペクトル信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から計測セル１２内を流れる混合気体１４４の酸素の濃度を算出する。このように計測手段１４は、いわゆるＴＤＬＡＳ方式（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用いることで、出力したレーザ光の強度と、受光部４４で検出した受光信号とに基づいて主管２０内の所定位置、つまり、測定位置を通過する混合気体１４４中の酸素の濃度を、算出および／または計測することができる。また、計測手段１４は、連続的に酸素の濃度を、算出および／または計測することができる。なお、レーザ計測装置１０は、発光部４０から出力されるレーザ光の強度を一定として、スペクトル信号のみ基づいて混合気体１４４に含まれる酸素の濃度を算出してもよい。

制御部５０は、各部の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて、各部の動作を制御する。なお、制御部５０は、計測手段１４の制御のみならず、レーザ計測装置１０の全体の動作を制御する。つまり、制御部５０は、レーザ計測装置１０の動作を制御する制御部である。

パージガス供給手段１６は、配管５１と、ポンプ５２と、ドライヤ５４と、流量計５６と、を有し、計測セル１２のパージガス供給管３０、３２に所定流量の空気を供給する。なお、本実施形態では、空気を供給しているが、ボンベ等を使用してパージガスとして窒素などを供給する構成としてもよい。

配管５１は、パージガス供給管３０、３２と連結している。また、配管５１には、パージガス供給管３０、３２から最も遠い側（空気の流れの上流）から順に、ポンプ５２、ドライヤ５４、流量計５６が配置されている。ポンプ５２は、配管５１に空気を供給することで、パージガス供給管３０、３２に空気を供給する。また、ポンプ５２は、制御部５０により動作が制御される。

ドライヤ５４は、配管５１を流れる空気を乾燥させる乾燥機構である。ドライヤ５４として、空気中に含まれる水分を低減することができればよく、種々の吸湿機構、吸湿材料を用いることができる。

流量計５６は、配管５１を流れる空気の量、つまり、流量を計測する。流量計５６は、計測した流量の情報を制御部５０に送る。なお、配管５１には、基本的にポンプ５２から送られる空気が通過するため、流量が安定している。このため、通常用いる種々の流量計を使用することができる。

パージガス供給手段１６は、制御部５０が、流量計５６での計測結果に基づいてパージガスの流量を制御することで、配管５１を流れる空気の量を制御することができ、パージガス供給管３０から入射管２２に供給する空気の量、流速、パージガス供給管３２から出射管２４に供給する空気の量を所定の量とすることができる。また、ドライヤ５４で空気を乾燥させることで、流量計５６に水分が付着する可能性を低減することができる。レーザ計測装置１０は、以上のような構成である。

制御装置１２４は、内燃機関システム１００の各部の動作を制御する制御装置である。制御装置１２４は、エンジン１０２や、過給機１０８の動作を制御する。また、制御装置１２４は、排ガス再循環装置１２０の制御装置でもある。制御装置１２４は、レーザ計測装置１０で計測した混合気体１４４の酸素濃度、回転数検出センサ１０３の検出結果、エンジン１０２の駆動条件等を取得し、その取得結果の情報に基づいてＥＧＲ弁１２２の目標開度を算出し、その算出した目標開度に基づいてＥＧＲ弁１２２の動作を制御する。

以下、図４を用いて、制御装置１２４によるＥＧＲ弁１２２の制御について説明する。ここで、図４は、排ガス再循環装置の動作の一例を示すフロー図である。制御装置１２４は、ステップＳ１２として、燃焼室入口Ｏ_２濃度、つまりエンジン１０２の燃焼室に供給する混合気体１４４の酸素濃度を取得する。具体的には、制御装置１２４は、レーザ計測装置１０の計測結果を取得する。制御装置１２４は、ステップＳ１２で燃焼室入口Ｏ_２濃度を取得したら、ステップＳ１４として、燃焼室入口Ｏ_２濃度が許容範囲内であるかを判定する。ここで、許容範囲は、種々の方法で設定することができる。例えば、予め設定した固有の範囲を許容範囲として設定してもよく、制御装置１２４が燃料の使用量、排ガスの成分、空気の成分、エンジンの回転量、過給機１０８の運転状態等、運転時の各種条件を取得し取得した条件に基づいて許容範囲を算出し設定してもよい。

制御装置１２４は、ステップＳ１４で燃焼室入口Ｏ_２濃度が許容範囲内ではない（Ｎｏ）と判定したら、ステップＳ１６としてＥＧＲ弁１２２の開度を調整する。具体的には、制御装置１２４は、燃焼室入口Ｏ_２濃度が許容範囲内よりも低いと判定したら、開度をより大きくする。ここで、排ガス１４２は、混合気体１４４を用いて燃焼を燃焼して生成される気体であるため、空気１４０よりも酸素濃度が低い気体となる。これにより、混合気体１４４の排ガス１４２の割合を少なくすることで、混合気体１４４の酸素濃度をより高くすることができる。また、制御装置１２４は、燃焼室入口Ｏ_２濃度が許容範囲内よりも高いと判定したら、開度をより小さくする。混合気体１４４中の排ガス１４２の割合を高くすることができ、混合気体１４４の酸素濃度をより高くすることができる。なお、開度の変更分は、算出結果に基づいて算出した分変化させても、予め設定された一定開度分変化させてもよい。制御装置１２４は、ステップＳ１６の処理を行ったら、ステップＳ１８に進む。

また、制御装置１２４は、ステップＳ１４で燃焼室入口Ｏ_２濃度が許容範囲内である（Ｙｅｓ）と判定したらステップＳ１８に進む。制御装置１２４は、ステップＳ１４でＹｅｓと判定したら、またはステップＳ１６の処理を行ったら、ステップＳ１８として処理終了かを判定する。つまり、制御装置１２４は、排ガス再循環装置１２０の駆動を終了するかを判定する。制御装置１２４は、ステップＳ１８で処理終了ではない（Ｎｏ）と判定したらステップＳ１２に進む。このように、制御装置１２４は、処理終了である、つまり、排ガス再循環装置１２０の駆動を終了すると判定するまで、上記のＥＧＲ弁１２２の開度を調整する処理を繰り返し行う。制御装置１２４は、ステップＳ１８で処理終了である（Ｙｅｓ）と判定したら本処理を終了する。

このように、内燃機関システム１００および排ガス再循環装置１２０は、レーザ計測装置１０の計測結果に基づいてＥＧＲ弁１２２の開度を調整することで、空気２３２に適切な割合の排ガス１４２を混合した混合気体１４４をエンジン１０２に供給することができる。具体的には、内燃機関システム１００および排ガス再循環装置１２０は、レーザ光の吸収により酸素濃度を計測する、特に近赤外のレーザ光を用いるＴＤＬＡＳ方式のレーザ計測装置１０を用いることで、高い応答性かつ高い精度で酸素濃度を計測することができる。これにより、高い応答性かつ高い精度でＥＧＲ弁１２２の開度を調整することができ、エンジン１０２により適切な酸素濃度の混合気体を供給することができる。エンジン１０２により適切な混合気体を供給できることで、エンジン１０２の駆動効率を高くすることができ、さらに排出される窒素酸化物を低減することができる。

また、混合気体に可燃性ガス含まれている場合も混合気体の成分に影響を与えることなく酸素濃度を計測することができる。この点でも計測精度を高くすることができる。

また、レーザ計測装置１０は、レーザ光を用いた測定であるため使用による劣化等も少なくすることができる。具体的には、検出素子（受光部、発光部）を配管内に設ける必要がない、つまり混合ガスと検出素子が触れないため、混合気体により検出素子が腐食することを抑制できる。また、レーザ光を案内する光学系を設けることで発光部、受光部等の電子機器は計測セルから離れた位置に配置することができ、配管が高温多湿等厳しい条件に配置されている場合も電子機器を厳しい条件で配置する必要がない。これにより、これにより、装置の耐久性をより高くすることができる。

ここで、指定周波数は、上記実施形態のように変調周波数の２倍の周波数を用いることが好ましい。指定周波数を変調周波数の２倍の周波数とすることで、検出信号をより大きい強度で検出することができる。なお、上記効果を得ることができるため指定周波数は、変調周波数の２倍の周波数とすることが好ましいが、変調周波数の整数倍の種々の周波数も用いることができる。指定周波数として、変調周波数の４倍の周波数を用いても、変調周波数に含まれる吸収スペクトル（検出対象のスペクトル）の変化を検出することができる。なお、指定周波数として、変調周波数の４倍の周波数を用いて解析を行うとスペクトルの４次微分波形が検出される。このように変調周波数の２倍以外の周波数を用いることで、変調周波数の２倍の周波数にノイズ成分がある場合も吸収スペクトル（検出対象のスペクトル）の変化を検出することができる。

レーザ計測装置１０は、発光部４０から出力するレーザ光の波長を変調周波数よりも低い周波数である掃引周波数（例えば０．１ｋＨｚ、１ｋＨｚ）で掃引することが好ましい。レーザ光を掃引周波数掃引させることで、測定対象の物質の吸収波長がずれている場合や、レーザ光の出力波長が変動した場合でも補正することができ、測定対象の物質の物理量をより高い精度で計測できる。ここで、変調周波数に基づいたレーザ光の波長の振動の振動幅は、掃引周波数に基づいたレーザ光の波長の変化幅よりも小さくすることが好ましい。これにより、発光部４０から出力されるレーザ光は、変調周波数で振動する振動の中心が、掃引周波数に基づいて変化するレーザ光となる。また、上記実施形態では、レーザ光を所定周波数以上の変調周波数で変調したがこれに限定されない。

また、本実施形態のレーザ計測装置１０は、吸気管１１０に計測セルを設け、混合気体１４４の酸素濃度を計測することで、つまりエンジン１０２に供給される混合気体１４４の酸素濃度を計測することで、計測の時間遅れ等をより小さくできる。なお、レーザ計測装置の機構はこれに限定されない。レーザ計測装置は、吸気管１１０に分岐管を設け、分岐管を流れる混合気体１４４の濃度を計測してもよい。つまり、レーザ計測装置は、吸気管１１０を流れる混合気体１４４の一部をサンプリングし、酸素濃度を計測してもよい。

また、レーザ計測装置は、レーザ計測装置本体から出力されるレーザ光を光学系（ＶＯＡ等）で２つに分割し、一方は計測セルを通過させた後受光部で受光し、他方は計測セルを通過させずに受光部で受光し、その２つの受光信号の差分に基づいて酸素の濃度を計測する構成としてもよい。この場合、物理量算出部は、信号処理部から送られる受光信号の差分の情報と、発光部を駆動させている条件、光学系（特にＶＯＡによる減衰）の条件とに基づいて、解析を行い、酸素の濃度を算出する。具体的には、物理量算出部は、各種条件に基づいて計測セルに入射したレーザ光の強度を算出し、算出したレーザ光の強度と、受光部で受光したレーザ光の強度と比較し、混合気体に含まれる酸素の濃度を算出する。つまり入射光と出射光との強度の比較から、計測セルを通過することで、計測セル中の混合気体の酸素によるレーザ光の吸収量を算出し、その吸収量に基づいて、混合気体に含まれる酸素の濃度を算出する。なお、物理量算出部４８、信号処理部４７から送られる信号と、予め記憶されている条件のみに基づいて酸素濃度を算出してもよい。

ここで、上記実施形態では、レーザ計測装置１０で混合気体の酸素濃度を計測したがこれには限定されない。図５は、排ガス再循環装置を備える内燃機関システムの他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図５に示す内燃機関システム２００は、排ガスレーザ計測装置２３０の配置位置を除いて他の構成は、内燃機関システム１００と同様である。以下、内燃機関システム２００のうち、内燃機関システム１００と同様の構成については、同一の符号を付して詳細な説明は省略し、内燃機関システム２００に特有の点を説明する。図５に示す内燃機関システム２００は、エンジン１０２と、吸気管１０４と、排気管１０５と、過給機１０８と、吸気管１１０と、排気管１１２と、排ガス再循環装置２２０と、制御装置１２４と、を有する。

排ガス再循環装置２２０は、再循環配管１２１とＥＧＲ弁１２２とレーザ計測装置２３０を有する。ここで、本実施形態のレーザ計測装置２３０は、排ガス１４２に含まれる酸素の濃度を計測する。レーザ計測装置２３０は、再循環配管１２１のＥＧＲ弁１２２よりも上流側（排気管１１２側）に配置されている。レーザ計測装置２３０は、再循環配管１２１の気体の酸素濃度を計測することで、再循環配管１２１を流れる排ガス１４２の酸素濃度を計測する。レーザ計測装置２３０は、酸素濃度の計測結果を制御装置１２４に送る。

制御装置１２４は、レーザ計測装置２３０で計測した排ガス１４２の酸素濃度に基づいて、ＥＧＲ弁１２２の開度を調整する。例えば、制御装置１２４は、排ガス１４２の酸素濃度が許容範囲よりも高い場合、ＥＧＲ弁１２２の開度を大きくし、排ガス１４２の酸素濃度が許容範囲よりも低い場合、ＥＧＲ弁１２２の開度を小さくする。このように、ＥＧＲ弁１２２の開度を調整することで、混合気体に含まれる酸素濃度を一定範囲に維持することができる。具体的には排ガスの酸素濃度が高い場合は、混合気体に含まれる排ガスの割合を高くすることで、全体の酸素濃度が高くなりすぎないようにでき、排ガスの酸素濃度が低い場合は、混合気体に含まれる排ガスの割合を少なくすることで、全体の酸素濃度が低くなりすぎないようにできる。なお、空気１４０の酸素濃度は、大気の酸素濃度とみなせばよい。

このように、レーザ計測装置２３０で排ガスの濃度を計測することでも、計測装置にレーザ計測装置２３０を用いることで、高い応答性かつ高い精度で酸素濃度を計測することができる。これにより、高い応答性かつ高い精度でＥＧＲ弁１２２の開度を調整することができ、エンジン１０２により適切な酸素濃度の混合気体を供給することができる。エンジン１０２により適切な混合気体を供給できることで、エンジン１０２の駆動効率を高くすることができ、さらに排出される窒素酸化物を低減することができる。また、上述した各種効果を得ることができる。

また、排ガス再循環装置および内燃機関ユニットは、上記実施形態にも限定されず各種構成とすることができる。例えば、排ガス再循環装置および内燃機関ユニットに用いる各種構成要素を付加してもよい。ここで、排ガス再循環装置は、排ガスを冷却する冷却器を設けてもよい。また、内燃機関システムは、吸気管１０４の経路中に配置されており、過給機１０８から供給され吸気管を流れる混合気体を冷却する空気冷却器を設けてもよい。また、吸気管１１０に配置され空気の流量を調整する流量調整弁を設けてもよい。流量調整弁を設けることで、混合気体を構成する空気と排ガスの両方の流量を調整することができ、割合を相対的に調整することができる。これにより、混合気体の流量を一定にしたまま、割合を調整することも可能となる。

また、図１に示す構成と図５に示す構成を併せた構成としてもよい。つまり、レーザ計測装置を２つ設け、混合気体の酸素濃度と、排ガスの酸素濃度の両方を計測する構成としてもよい。

また、上記実施形態では、排ガス再循環装置を吸気管１１０および排気管１１２と連結する構成としたが、吸気管１０４および排気管１０５と連結した構成としてもよい。つまり、排ガス再循環装置は、排気管１０５を流れる排ガスの一部を吸気管１０４に供給する構成であってもよい。この構成の排ガス再循環装置がレーザ計測装置で混合気体の濃度を計測する場合、レーザ計測装置は、吸気管１０４の再循環配管とエンジン１０２との間の部分に配置される。

また、上記実施形態のレーザ計測装置は、酸素濃度のみを計測したがこれには限定されない。酸素以外の物質の濃度も計測するようにしてもよい。なお、この場合は、酸素の吸収波長域のレーザ光に加え、測定対象の物質の吸収波長域のレーザ光も出力する。例えば、計測対象が一酸化窒素の場合、発光部４０は、一酸化窒素を吸収する近赤外波長域を含む波長域のレーザ光を出力させる。また、計測対象が二酸化窒素の場合、発光部４０は、二酸化窒素を吸収する近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力させる。また、計測対象が亜酸化窒素の場合、発光部４０は、亜酸化窒素を吸収する近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力させる。この場合、制御装置１２４は、酸素濃度に加え計測した物質の濃度も加味してＥＧＲ弁１２２の開度を調整する。このように、排ガス再循環装置及び内燃機関ユニットは、レーザ計測装置で酸素以外の濃度も併せて計測することで、ＥＧＲ弁１２２の開度をより適切に調整することができる。

１０ レーザ計測装置
１２ 計測セル
１４ 計測手段
２０ 主管
２２ 入射管
２４ 出射管
２６、２８ 窓
４０ 発光部
４２ 光ファイバ
４４ 受光部
４６ 光源ドライバ
４８ 物理量算出部
５０ 制御部
１００ 内燃機関システム
１０２ エンジン
１０４、１１０ 吸気管
１０５、１１２ 排気管
１０８ 過給機
１０８ａ コンプレッサ
１０８ｂ タービン
１０８ｃ 支持軸
１２０ 排ガス再循環装置
１２１ 再循環配管
１２２ ＥＧＲ弁
１２４ 制御装置
１４０ 空気
１４２ 排ガス
１４４ 混合気体

Claims (6)

1. 内燃機関から排出された排ガスを、前記内燃機関の吸気管に供給する排ガス再循環装置であって、
   前記内燃機関から排出された排ガスを前記吸気管に案内する再循環配管と、
   前記再循環配管を流れる排ガスの流量を調整する流量調整弁と、
   前記内燃機関に供給される供給気体の一部である測定対象気体に含まれる酸素の濃度を計測するレーザ計測装置と、
   前記レーザ計測装置の計測結果に基づいて前記流量調整弁を制御する制御装置と、を有し、
   前記レーザ計測装置は、前記測定対象気体が流れる配管の経路の一部として配置され前記測定対象気体が流れる主管、前記主管に連結し、光が通過可能な窓部が形成された入射部、前記主管に連結し光が通過可能な窓部が形成された出射部と、を含む計測セルと、
   酸素の吸収波長を含む波長域のレーザ光を出力する発光部と、
   前記発光部から射出されたレーザ光を前記計測セルに案内する光学系と、
   前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、
   前記受光部から出力される受光信号を処理する信号処理部と、
   前記信号処理部で処理した結果に基づいて、前記計測セルを流れる前記測定対象気体に含まれる酸素の濃度を算出する物理量算出部と、
   各部の動作を制御する制御部と、を有することを特徴とする排ガス再循環装置。
2. 前記測定対象気体は、外部から供給された空気に前記再循環配管から供給された前記排ガスが混合され、前記内燃機関に供給される前の混合空気であり、
   前記計測セルは、前記主管が前記吸気管の前記内燃機関との接続部分と前記再循環配管との接続部部分との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス再循環装置。
3. 排ガスが流れる前記再循環配管の経路の一部として配置され前記排ガスが流れる主管、前記主管に連結し、光が通過可能な窓部が形成された入射部、前記主管に連結し光が通過可能な窓部が形成された出射部と、を含む計測セルと、
   酸素の吸収波長を含む波長域のレーザ光を出力する発光部と、
   前記発光部から射出されたレーザ光を前記計測セルに案内する光学系と、
   前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、
   前記受光部から出力される受光信号を処理する信号処理部と、
   前記信号処理部で処理した結果に基づいて、前記計測セルを流れる前記測定対象気体に含まれる酸素の濃度を算出する物理量算出部と、
   各部の動作を制御する制御部と、を有する副レーザ計測装置をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の排ガス再循環装置。
4. 前記測定対象気体は、前記再循環配管を流れる前記排ガスであり、
   前記計測セルは、前記再循環配管に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の排ガス再循環装置。
5. 前記発光部は、変調周波数で波長を変調しつつ出力し、
   前記信号処理部は、前記変調周波数の整数倍の周波数である指定周波数の出力を示すスペクトル信号を出力し、
   前記物理量算出部は、スペクトル信号から、酸素の濃度を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の排ガス再循環装置。
6. 内燃機関と、
   前記内燃機関に空気を供給する吸気管と、
   前記内燃機関で発生した排ガスを案内する排気管と、
   排気管から排出される排ガスが通過することで回転するタービン、前記タービンと共に回転し前記吸気管に空気を供給するコンプレッサを備える過給機と、
   前記排気管に案内された排ガスの一部を前記吸気管に案内する請求項１から５のいずれか一項に記載の排ガス再循環装置と、を有することを特徴とする内燃機関システム。

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