JP4490333B2

JP4490333B2 - 排ガス分析装置

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Publication number: JP4490333B2
Application number: JP2005159152A
Authority: JP
Inventors: 正裕山蔭; 祥啓出口; 剛俊山浦
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-31
Filing date: 2005-05-31
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2025-05-31
Also published as: JP2006337068A

Description

本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排ガスの分析方法であって、特に、排気経路中の複数箇所にセンサ部を取り付けることで、排気経路中を通過する排ガスに含まれる成分の濃度や温度等を正確かつリアルタイムに測定して分析する排ガス分析方法と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は、特許文献１に記載の車載型ＨＣ測定装置がある。この測定装置は、エンジンに連なる排気管を流れる排ガス中のＨＣ（炭化水素）濃度を連続的に測定するためのＮＤＩＲ（非分散型赤外分光法）型ガス分析計と、排気管を流れる排ガスの流量を連続的に測定する排ガス流量計と、ＮＤＩＲ型ガス分析計および排ガス流量計のそれぞれの出力を演算処理して、排ガス中のＴＨＣ（全炭化水素）量を連続的に算出する演算処理回路を車両内に搭載可能としている。また、ＮＤＩＲ型ガス分析計等の測定法は、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２００４−１１７２５９号公報

ところで、前記構造の排ガスの分析装置や、従来の一般的な内燃機関の排ガス測定装置は、排ガスを一部採取して測定器に導入し、希釈ガス等を混入させて測定を行うため、大型化し車載型にするのが難しい。そして、この種の装置は、マフラーから排出される排ガスのみを測定しているため、計測する最終排出形態しか測定できず、相対的な排ガスの成分の濃度変化や、温度変化等を知ることができない。

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、排気経路中の複数箇所での排ガスの状態を測定し、それらの測定値の相対的変化を求めることで排ガスに含まれるガス成分濃度等の変化を分析する方法を提供することにある。すなわち、排気経路中の、例えば触媒装置の前後や、マフラーの前後にセンサを取付け、このセンサを用いて排気経路の途中での排ガスの状態を測定し、それらの相対的変化を求めて分析する排ガスの分析方法と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方法は、内燃機関から排出される排ガスの流通する排気経路中に、レーザ光発生手段から発生させたレーザ光を照射する照射部と、該照射部から照射され排ガス中を透過したレーザ光を受光する受光部とを備えるセンサ部を複数箇所に取り付け、前記排ガスの状態を測定する排ガス分析方法であって、前記複数のセンサ部の出力に基づいて、前記排気経路中の複数箇所における排ガスの状態を、前記複数箇所のうちの１箇所を基準として相対的に検出することを特徴としている。すなわち、例えば、最上流部のセンサ部の出力を基準として、複数のセンサ部の出力を、差分型光検出器に入力し、パーソナルコンピュータで信号解析して排ガスの成分の濃度や温度等の状態を相対的に算出して検出する。

前記のごとく構成された本発明の排ガス分析方法は、複数箇所に設置されたセンサ部により排気経路中の排ガスの状態、例えば排ガスの成分の濃度や温度の状態を、例えば上流のセンサ部を基準として相対的に測定して分析することができる。このようにして測定された排ガスの状態の相対値は、例えば基準となる１つのレーザ光発生手段から供給されるレーザ光により測定されるため、測定精度が良く、排気経路中の状態変化を高精度に検証することができる。

本発明に係る排ガス分析方法の好ましい具体的な態様としては、前記複数のセンサ部に供給されるレーザ光は、単一のレーザ光発生手段から分波して供給されることが好ましい。そして、前記単一のレーザ光発生手段は、排ガスの複数の成分に合わせた吸収波長を有するレーザ光を合波して構成されることが好ましい。この構成によれば、単一のレーザ光発生手段から発生されたレーザ光を用いて排ガスの状態を測定するため、相対的に検出する精度を高めることができる。また、排ガスの複数の成分の状態を精度良く測定することができる。

また、本発明に係る排ガス分析方法の好ましい具体的な他の態様としては、前記複数のセンサ部は、前記レーザ光発生手段から発生させたレーザ光を排ガス中で反射させてから、前記受光部で受光することを特徴としている。このように構成すると、排ガス中に照射されたレーザ光はミラー等で反射させてから受光部で受光されるため、レーザ光の排ガス中での透過距離を長くすることができる。この結果、レーザ光の排ガス中を透過することによる減衰量が大きくなり、入射光強度に対する透過光強度の比が大きくなり、排ガスの成分の濃度を高精度で測定することができる。

さらに、本発明に係る排ガス分析方法の好ましい具体的な他の態様としては、前記排ガス分析方法は、前記排気経路中の排ガスの状態として、複数箇所の排ガスの成分の濃度を相対的に測定して分析することを特徴としている。この構成によれば、排気経路中の複数箇所に取り付けたセンサ部により排ガス中の成分ガス（例えば、ＣＯガス、ＣＯ_２ガス等）の濃度を連続的に測定し、排気経路中での排ガスの成分の濃度の状態を検証することができる。特に、排気経路中に触媒装置が設置されている場合は、触媒装置の前後の排ガスの成分の濃度を測定することで、触媒装置の性能や劣化具合を判断することができる。

また、排ガスの状態として、前記排気経路中の排ガスの状態として、複数箇所の排ガス温度を相対的に測定して分析するように構成してもよい。このように構成された排ガス分析方法では、排気経路中の複数箇所に設置されたセンサ部により、連続的に排ガスの温度を測定することができ、内燃機関から排出された高温の排ガスが、排気経路中で低温状態になる過程を相対的に判断することができる。

本発明に係る排ガス分析装置は、内燃機関から排出される排ガスの流通する排気経路中に取り付けられる複数のセンサ部と、これらの複数のセンサ部から出力される信号に基づいて前記排気経路中を流通する排ガス成分の排出過程における成分濃度の変化を分析するための装置であって、前記複数のセンサ部がそれぞれレーザ光を照射する照射部と、該照射部から照射され排ガス中を透過したレーザ光を受光する受光部とを備えており、前記照射部から照射されるレーザ光が、単一光源から各照射部に分波して供給されることを特徴としている。この構成によれば、単一光源から発生させたレーザ光が複数のセンサ部の照射部に分波されて供給されるため、排ガス成分の排出過程における成分濃度の変化を精度良く測定して分析することができる。

本発明の排ガス分析方法および排ガス分析装置は、内燃機関から排出された排ガスの排気経路中の状態、例えば排ガスの成分の濃度や排ガス温度を測定して、リアルタイムで分析することができる。これにより、排気経路に配置され排ガス浄化を行う触媒装置の上流側と下流側で、どの程度浄化することができたか等の状態変化をリアルタイムで分析することができるため、触媒装置等の開発段階における性能評価等が瞬時に判断できる。また、排気経路での排ガスの温度の相対変化も検出することができる。

以下、本発明に係る排ガスの分析方法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の分析方法を実施する排ガス分析装置を車両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、排ガス分析装置のセンサ部の要部構成を示す分解斜視図、図４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部としてパーソナルコンピュータ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において、本実施形態の排ガス分析方法を実施する排ガス分析装置は、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基本的にはパイプ状の管部材であり、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触媒装置５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、第２触媒装置６も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が固着されており、フランジ部を接続して排気経路が構成されている。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。

本実施形態の排ガス分析装置１０は、前記の排気経路中の複数箇所に取り付けら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。

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、図３に示すように、フランジ部Ｆ，Ｆをボルト（図示せず）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、メインマフラー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。

排気経路中に取り付けられるセンサ部１１〜１４はほぼ同一構成であり、１つのセンサ部１１について、図３，４を参照して詳細に説明する。センサ部は厚さが例えば５〜２０ｍｍ程度の板材から形成されたセンサベース２１を有し、中心部に排気パイプ部の内径と略同じ直径の貫通孔２２が形成されている。貫通孔２２は排気経路中を通過する排ガスが通過する。貫通孔２２の形状は、排気流れを乱さないように排気パイプ部の内径とほぼ同じ直径の円形が好ましい。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。センサベース２１には外周面から貫通孔に向けて貫通する２つのセンサ孔２１ａ，２１ｂが形成されている。一方のセンサ孔２１ａにはレーザ光を集光するコリメータ２３が固定され、このコリメータにレーザ光を照射する光ファイバ２４が接続され、他方の孔２１ｂにはレーザ光を受光するフォトダイオード等のディテクタ２５が固定されている。

センサベース２１の貫通孔２２内には、対向して上下２枚の反射板２６，２７が固定されている。２枚の反射板は平行状態に固定され、照射側の光ファイバ２４からコリメータ２３を通して集光され出射される赤外レーザ光が先ず下方の反射板２７により上方に向けて反射され、次いで上方の反射板２６により下方に向けて反射され、２枚の反射板２６，２７により交互に反射されることで、受光側のディテクタ２５に到達するように構成されている。このようにして、レーザ光の排ガス中の透過距離が長くなるように設定されている。

反射板２６，２７は排ガスにより劣化しないもので形成されることが好ましく、ベースとなる板材に金やプラチナ等の薄膜が形成され、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ものが好ましい。また、反射板は、赤外レーザ光を効率良く反射できるように反射率が高いことが望ましい。反射板はエンジンの起動中は排ガスに晒され、汚れが付着するため、必要に応じてフランジ部Ｆ，Ｆからセンサベース２１を取外して清掃することが好ましい。反射面を覆う保護層を拭くことにより、付着した汚れを容易に清掃することができ、反射率を向上させることができる。

センサベース２１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とセンサベース２１との間にはガスケット２８，２８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２８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の間にセンサベース２１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では、排気管４の下流端に溶接されたフランジ部Ｆと、第１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２８，２８を挟んでセンサベース２１が固定される構成である。

センサ部１１にレーザ光を供給する光ファイバ２４と、センサ部１１で排ガス中を透過したレーザ光を受光して電気信号を出力するディテクタ２５はレーザ発振・受光コントローラ３０に接続される。すなわち、レーザ発振・受光コントローラ３０の後述するレーザダイオードから出射される赤外レーザ光が、光ファイバ２４を通してセンサベース２１のセンサ孔２１ａを通して貫通孔２２内に照射され、反射面２６，２７で反射された赤外レーザ光がセンサ孔２１ｂを通して受光側のディテクタ２５で受光され、ディテクタ２５から出力される電気信号がケーブル２９を介してレーザ発振・受光コントローラ３０に入力される構成となっている。

レーザ発振・受光コントローラ３０から出射された赤外レーザ光の参照光の発光強度と、排ガス中を透過しディテクタ２５で受光された信号光の受光強度が信号解析部であるパーソナルコンピュータ４５に供給され、パーソナルコンピュータで排ガスに含まれる成分の濃度や温度を測定して分析する構成となっている。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３０と、パーソナルコンピュータ４５とを備えて構成される。そして、この排ガス分析装置１０は、エンジンから排出される排ガスをセンサ部の貫通孔２２に導入し、排ガスに光ファイバ２４を通してレーザ光を照射し、排ガス中を透過したレーザ光をディテクタ２５で受光し、受光されたレーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度等を測定して分析する装置である。

ここで、レーザ発振・受光コントローラ３０について、図４を参照して説明する。レーザ発振・受光コントローラ３０は、複数の波長の赤外レーザ光を発生するレーザ光発生手段として、複数のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５にファンクションジェネレータ等の信号発生器３１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発生させる。レーザ発振・受光コントローラ３０の信号発生器３１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に供給されてレーザ光を発生し、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。このように、排ガス中を透過させる赤外レーザ光は、複数種類の単波長レーザ光を合波したレーザ光を使用することが好ましい。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。レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５は、複数種類の波長帯を有する単一のレーザ光発生手段（単一光源）を構成する。

各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から照射されたレーザ光は光ファイバ３２…により分波器３３…を通して、参照光と信号光に分けられる。そして、５つの分波器３３…で分けられた信号用レーザ光は途中に光減衰器３４を設置した光ファイバ３５Ａを通して合波器３６Ａ，３６Ｂで合波され、光ファイバ２４を通してセンサ部１１〜１４の照射部に導光され、コリメータ２３を通して貫通孔２２内に照射される。また、５つの分波器３３…で分けられた参照用レーザ光は光ファイバ３５Ｂを通して合波器３７で合波される。信号用および参照用のレーザ光は、排ガスの複数の成分ガスに合わせて複数の波長のレーザ光を合波した赤外レーザ光となっている。本実施形態では、光ファイバ２４がレーザ光を照射する照射部を構成している。このように、単一光源を構成するレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から発生されたレーザ光は、分波器３３…で分波されて複数のセンサ部１１〜１４の照射部に供給される。

本実施形態では、前記のように分波器３３で分波された信号用レーザ光は光減衰器３４を通して合波されるように構成されている。この光減衰器３４は信号用レーザ光の光強度を制御して排ガス中を透過させる信号用レーザ光の強度を調整する機能を有している。すなわち、排ガス中を透過した透過レーザ光の光強度と参照用レーザ光の光強度とに基づいてフィードバック補正量を算出し、この補正量を光減衰器３４に入力して信号用レーザ光の光強度を調整する。光減衰器３４は、レーザ光の光路中に透過率を変更できるフィルタを置き、透過光量を変更して光強度を調整するもの、また光路中にミラーを置き、ミラーの反射角度を変更して光強度を調整するもの等、適宜の形態のものを使用できる。なお、光減衰器は分波された参照用レーザ光を調整するように構成してもよく、参照用レーザ光と信号用レーザ光の両方を調整するように構成してもよい。

図４では、図１で示した４つのセンサ部１１〜１４のうちの２つのセンサ部１１，１２を示している。すなわち、５つの波長帯の赤外レーザ光を発生させるレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から出射されるレーザ光は２つの合波器３６Ａ，３６Ｂで合波され、２つのセンサ部１１，１２の照射部に光ファイバ２４Ａ，２４Ｂを通して供給される。センサ部が５つ、あるいはそれ以上の場合は、５つか、それ以上の合波器を使用し、それぞれの合波器からセンサ部の照射部に光ファイバ等を用いて信号用レーザ光を供給する。そして、２つのセンサ部１１，１２から出力される電気信号はケーブル２９Ａ，２９Ｂを介してレーザ発振・受光コントローラ３０の後述する差分型光検出器４０に入力される。

また、参照光用合波器３７から光ファイバ３８で供給された参照用レーザ光は差分型光検出器４０に入力され、フォトダイオード等の光電変換器により電気信号に変換される。差分型光検出器４０は、排ガス中を透過した信号用レーザ光の電気信号と参照用レーザ光の電気信号とに基づいて、信号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、フィードバック線４１を通して信号用合波器３６Ａ，３６Ｂの前段に配置された光減衰器３４に入力する。

フィードバック補正量は成分ガスごとに算出され、成分ガスのピーク波長を発生させるレーザダイオードの信号光ごとに光減衰器３４に供給され、信号光の光強度を調整制御する。また、差分型光検出器４０は複数のセンサ部から出力された電気信号を、排ガスの成分の濃度や温度を算出する信号解析部としてのパーソナルコンピュータ４５に入力する。なお、参照光は差分型光検出器に直接入力させず、フォトダイオード等を介して電気信号に変換してから入力してもよい。

光減衰器３４では、供給されたフィードバック補正量に基づきレーザダイオードから発生されたレーザ光を減衰させて、レーザ光の光強度が一定となるように、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５を制御する。差分型光検出器４０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部であるパーソナルコンピュータ４５に入力され、パーソナルコンピュータでは差分型光検出器からのデータを濃度値へ変換して排ガスの成分の濃度の算出や、排ガスの温度を算出する。

なお、センサ部１１〜１４の受光部としてセンサベース２１に固定されたディテクタ２５の代わりに、受光用の光ファイバをセンサベース２１に固定し、受光されたレーザ光を分波器でガス成分ごとに分波して、フォトダイオード等でガス成分ごとの出力電圧を検出し、参照光と信号光とからパーソナルコンピュータ４５で排ガスの成分の濃度を算出するように構成してもよい。

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、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、光ファイバ２４を通して排ガス中を透過してディテクタ２５から出力され、入射光強度Ｉ_０は、合波器３７から光ファイバ３８を通して差分型光検出器４０に入力され、図示していないフォトダイオード等から出力される。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の分析方法について以下に説明する。排ガスの成分の濃度等を測定して排ガスを分析するときは、レーザ発振・受光コントローラ３０の信号発生器３１を作動させ、各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５に所定周波数帯の駆動パルスを供給して、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生させる。各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から発生された赤外レーザ光は、光ファイバ３２…を通して分波器３３…に至り、ここで信号光と参照光に分波される。各分波器で分波された信号光は光減衰器３４、光ファイバ３５Ａを通して合波器３６Ａ，３６Ｂで合波されて信号用レーザ光となり、センサ部１１〜１４の照射部に光ファイバ２４を通して導光される。また、各分波器３３…で分波された参照光は光ファイバ３５Ｂを通して合波器３７で合波されて参照用レーザ光となり、差分型光検出器４０で入射光強度Ｉ_０として計測される。

そして、センサ部１１〜１４に光ファイバ２４から照射された信号用レーザ光は、排ガスが通過している貫通孔２２内に照射される。信号用レーザ光は反射面２６，２７で反射されることを繰り返して受光部のディテクタ２５に到達する。排ガス中を通り減衰した信号用レーザ光は受光部であるディテクタ２５で透過光強度Ｉとして受光され、電気信号に変換されて差分型光検出器４０に入力される。信号用レーザ光は反射を繰り返されることにより排ガス中を透過する距離が大きくなり、前記数式（１）の透過距離Ｌが長くなることで減衰量が大きくなるため、精度の良い瞬時の排ガスの成分の濃度測定が可能となる。このように参照用レーザ光の光強度Ｉ_０と、信号用レーザ光の透過光強度Ｉとの比（Ｉ／Ｉ_０）であるシグナル強度を算出し、このシグナル強度比に基づいて排ガスの成分の濃度を算出する。信号用レーザ光は反射面２６，２７で繰り返し反射され減衰するが、排ガスが無い状態で光ファイバ２４から照射された光強度に対して、ディテクタ２５で受光される光強度は３０％以上となることが好ましい。３０％を下回るとノイズとの判別が難しくなるからである。

差分型光検出器４０では、排ガス中を透過して減衰した信号用レーザ光からフィードバック補正量を算出して、各波長に対応するレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５の光強度を調整するべく光減衰器３４をフィードバック制御する。光減衰器３４はレーザダイオードごとに光強度を調整し、信号用レーザ光の校正を行う。例えば、外乱により信号光強度が低下した場合、自動的に検出して減衰率を下げることで光強度を上げ、初期状態と同等なバランスを保つことができる。なお。参照光はレーザ光の発生から受光までに外乱要素がなく、レーザ出力が変化しない限り参照光強度は変化しないので、信号光強度を光減衰器で調整し、バランスをとることが好ましい。

また、差分型光検出器４０では参照用レーザ光と信号用レーザ光との差を取り、信号解析を行うべくパーソナルコンピュータ４５に信号を供給する。パーソナルコンピュータ４５では、参照用レーザ光の光強度と、排ガス中を透過して減衰した信号用レーザ光のピーク波長の光強度との比（Ｉ／Ｉ_０）を算出し、センサ部が設置された排気経路中の位置における排ガス中に含まれる成分の濃度を算出する。また、複数箇所に設置されたセンサ部１１〜１４により排気経路中の排ガスの成分の濃度の相対変化も分析できる。

本実施形態では、排気経路中に複数のセンサ部１１〜１４が取り付けられており、各センサ部の位置における排ガスの成分の濃度と温度等の状態が測定される。このため、エキゾーストマニホルド３の下流部分での成分ガスの濃度と温度や、第１触媒装置５の上流側および下流側での排ガスの成分の濃度や温度を測定できる。例えば、触媒装置５，６を通過したあとの温度と排ガスの成分の濃度と、触媒装置５，６で処理される前の温度と排ガスの成分の濃度により、触媒装置５，６の性能を評価できると共に、触媒装置の例えば経年変化による劣化等も検出することができる。特に、複数のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から構成される単一のレーザ光発生手段から発生させたレーザ光を分波して、複数のセンサ部１１〜１４の照射部に供給して成分ガス濃度や温度を測定するため、各センサ部におけるガス濃度等を相対的に精度良く測定することができ、精度良い分析が可能となる。

つぎに、本実施形態の排ガス分析装置を用いて温度の測定を行なう動作を説明する。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５に示すように、多くの吸収線が存在している。図５ａ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５ｂ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、シグナル強度比を計測することにより、測定時の排ガスの温度を算出することができる。なお、図５の横軸は波長λを示し、縦軸はシグナル強度を示している。このようにして算出した排ガスの温度も、排ガスに照射される赤外レーザ光が安定しているため、精度の良い測定が可能となる。

本発明の排ガスの分析方法では、第１のセンサ部１１で排ガスの成分の濃度と温度を測定し、第２のセンサ部１２でも排ガスの成分の濃度と温度を測定し、同様にして、第３〜第４のセンサ部１３，１４でも排ガスの成分の濃度と温度を測定する。この結果、排ガスの成分の濃度が第１〜第４のセンサ部で相対的に変化する状態が容易に判断できる。また、温度も第１〜第４のセンサ部で、それぞれの箇所での温度を測定して、排気経路中でどのように変化するかを容易に判断することができる。このように、本実施形態では４箇所に設置されたセンサ部１１〜１４により、４つの測定箇所での排ガスの成分の濃度の相対値、および温度の相対値を容易に検出できる。

すなわち、第１のセンサ部１１では、排ガスのある成分の濃度が例えば（Ｃ１）ＰＰＭで、温度が（Ｔ１）℃であり、第２のセンサ部１２では、排ガスのある成分の濃度が（Ｃ２）ＰＰＭで、温度が（Ｔ２）℃であり、第３のセンサ部１３では、排ガスのある成分の濃度が（Ｃ３）ＰＰＭで、温度が（Ｔ３）℃であり、第４のセンサ部１４では、排ガスのある成分の濃度が（Ｃ４）ＰＰＭで、温度が（Ｔ４）℃であるというように、各センサ部の排ガスの成分の濃度と温度が算出される。

これらの値からパーソナルコンピュータ４５は、例えば、排ガスの成分の濃度は第１のセンサ部１１の箇所で１００％（基準値）とした場合に、第１触媒装置５を通過したあとは例えば約６０％に低減し、第２触媒装置６を通過したあとは例えば約１０％に低減するというように相対値を算出する。また、排ガスの状態の１つである温度については、第１のセンサ部１１での温度が例えば７００℃であるとした場合、第２のセンサ部１２での温度は５０％低減して約３５０℃となり、第３のセンサ部１３で８０％低減して約１４０℃となり、第４のセンサ部１４では９５％低減して約３５℃となるというように相対値で評価することができる。なお、複数のセンサ部のうち基準とするセンサ部は最上流側のものが好ましいが、他のセンサ部を基準としても構わない。このようにして算出された排ガスの状態を示す相対値は、レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から発生される赤外レーザ光を合波したレーザ光発生手段から供給されるレーザ光により測定されるため、測定精度が高く、排ガスの状態を高精度で検出できる。

以上述べたように、本発明の排ガス分析方法および排ガス分析装置は、複数のレーザダイオードから信号用レーザ光を合波し、合波された単一のレーザ光を用いて複数のセンサ部へ信号用レーザ光を供給すると共に、参照用レーザ光を差分型光検出器４０へ供給するため、同じ位相、波長のレーザ光を用いて複数箇所で排ガスの成分の濃度や温度を測定でき、精度の良い相対的な排ガスの成分の濃度や温度を測定することができ、排ガス分析精度を向上させることができる。これにより、排気経路全体の排ガスの状態が相対的に分析でき、排ガスの低減や触媒装置の評価等を瞬時に判断することができる。

以上、本発明の一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、排ガスの成分ガスとして、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（例えば１８００ｎｍ）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。

センサ部のセンサベースに光ファイバを介してレーザ光の照射部を取り付け、センサベースにフォトダイオードを固定して受光部とする例を示したが、センサベースに直接レーザダイオード等の照射部を装着してレーザ光の照射部としてもよい。また、センサベースに直接受光部であるディテクタを固定せず、光ファイバを固定してディテクタまで導光するように構成してもよい。光減衰器は信号用レーザ光側でなく、参照用レーザ光側に設置してもよい。

また、反射面として、金やプラチナの薄膜を形成する例を示したが、酸化チタン等の薄膜を形成してもよく、耐熱性に優れ、鏡面加工できるものであれば材質は特定されない。反射面はミラー等の反射板を使用せず、排ガスが流れる貫通孔の内面に直接形成してもよい。この場合は、貫通穴の内周面を研磨してから、めっきや蒸着等の手法により反射面を形成すればよい。反射面はミラー等を使用せず、貫通孔の内周面を研磨して金やプラチナの薄膜を形成してもよく、その上に保護層として、ＭｇＦ_２やＳｉＯ_２の薄膜を形成してもよい。これにより反射面の構成を簡略化することができる。

前記の実施形態ではセンサ部をエキゾーストマニホルドの下流側に設置した構成を示したが、エキゾーストマニホルドとエンジンのシリンダブロックとの間に設置してもよい。このように構成すると、エンジンの気筒ごとの排ガスの成分の濃度や温度を測定することができ、例えばエンジンの不調等の原因を気筒ごとに判断することができる。特に、本発明の排ガス分析装置は、基準ガス等を使用せずに、レーザ光の透過を用いて排ガスの成分の濃度を検出するため、高温でも測定できる特徴があり、エンジンから排出した直後の８００℃程度の高温の排ガスの成分の濃度の測定も精度良く行なうことができる。

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。

本発明に係る排ガスの分析方法を実施す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。図１の排ガス分析装置をエンジンベンチに搭載した実施形態の要部構成図。センサ部の要部構成を示す分解斜視図。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部を含む排ガス分析装置の全体構成を示すブロック図。吸収スペクトルの温度の影響を示し、（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。

符号の説明

１：自動車、１Ａ：エンジンベンチ、２：エンジン（内燃機関）、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、１１〜１４：センサ部、２４Ａ，２４Ｂ…：光ファイバ（照射部）、２５：ディテクタ（受光部）、２６，２７：反射板、２９，２９Ａ，２９Ｂ…：ケーブル、３０：レーザ発振・受光コントローラ、３１：信号発生器、３３：分波器、３４：光減衰器、３６Ａ，３６Ｂ…，３７：合波器、４０：差分型光検出器、４１：フィードバック線、４５：パーソナルコンピュータ（信号解析部）、ＬＤ１〜ＬＤ５：レーザダイオード（レーザ光発生手段）

Claims

内燃機関から排出される排ガスの流通する排気経路中にレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光に基づいて、前記排ガスを分析する排ガス分析装置であって、
前記排ガスの成分に合わせた吸収波長を有する複数のレーザ光を発生させるレーザ光発生部と、
該レーザ光発生部で発生させた複数のレーザ光をそれぞれ信号用レーザ光と参照用レーザ光に分波する分波部と、
該分波部で分波された各信号用レーザ光を単一の信号用レーザ光に合波する信号用合波部と、
前記分波部で分波された各参照用レーザ光を単一の参照用レーザ光に合波する参照用合波部と、
前記排気経路の複数箇所に配置され、前記信号用合波部から前記単一の信号用レーザ光の分配を受けて該単一の信号用レーザ光を前記排気経路中に照射する照射部及び前記排気経路中を通過したレーザ光を受光する受光部をそれぞれ有する複数のセンサ部と、
前記複数のセンサ部の出力に基づいて、前記排気経路中の複数箇所における排ガスの濃度成分を、前記複数箇所のうちの１箇所を基準として相対的に検出する信号解析部と、
前記分波部と前記信号用合波部との間に設けられ、前記分波部で分波された各信号用レーザ光の光強度を調整する減衰部と、
該減衰部で前記各信号用レーザ光の光強度をそれぞれ一定に調整すべく、前記参照用合波部で合波した単一の参照用レーザ光の光強度と前記センサ部で受光したレーザ光の光強度に基づいて前記減衰部をフィードバック制御するフィードバック制御部と、
を有することを特徴とする排ガス分析装置。