JP4673887B2 - 排ガス分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車等の内燃機関から排出される排ガスに含まれる成分を分析する排ガス分析装置に係り、特に、排ガスが通過する経路の１つの断面において排ガス中における多成分の濃度を同時に測定することができる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、特許文献１に記載の車載型ＨＣ測定装置がある。この車載型ＨＣ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。
さらに、ＮＤＩＲ（Ｎｏｎ−Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ａｎａｌｙｚｅｒ）非分散型赤外分光法、ＦＩＤ（Ｆｌａｍｅ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）法や、ＣＬＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）法等を用いた各種の排ガスの計測装置や分析装置がある。これらの測定法は、すべての測定原理において、基準ガスが必要である。
特開２００４−１１７２５９号公報

前記特許文献１に記載の排ガス分析装置は、実際の道路を走行する車両の内燃機関から排出される排ガスを、排気経路途中から取り出して赤外線吸収等の分析手法を用いて排ガス中に含まれるＴＨＣの成分等の濃度を測定するものである。
しかしながら、このような排ガス分析装置においては、排ガスを取り出す間に排気経路を流れる排ガスの流れが混合するため、排気経路中を流れる排ガスの状態をリアルタイムに分析することができない。したがって、内燃機関から排出される排ガスの、排気経路中に流れる状態における排ガス中に含まれる各成分の濃度を測定することができない。
本発明は、このような事情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、自動車等の内燃機関から排出される排ガスの成分濃度を、その排気経路中を流れる状態で精度良く測定することを可能とする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装置は、内燃機関の排ガスを排出する排気経路に、排ガスに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設置し、前記受光部で受光されたレーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度や温度を測定して排ガスを分析する装置であって、前記センサ部は、排気経路の断面形状に合わせた形状に形成され排ガスが通過できる貫通孔を有しており、前記レーザ光は、照射部から貫通孔内に照射され、排気経路を横切って受光部で受光されることを特徴としている。排気経路とは、エンジンから排出される排ガスが流れる経路のことを示しており、実施する形態にしたがって、エンジン本体の排気孔から末端のマフラーまで、もしくはこのマフラーより突出する排気パイプまでを含むものである。本発明の排ガス分析装置は、前記排気経路を流れる排ガスや、排気経路から排出される排ガスの成分濃度や温度を測定するものである。
前記のごとく構成された本発明の排ガス分析装置は、排ガスの成分の濃度や温度等の状態を測定するレーザ光は、排ガスが通過する貫通孔内に照射され、排ガス中を横切って透過して受光部で受光されるため、排気経路を横切る方向の１断面における排ガスの成分の濃度や温度等の測定が可能となる。また、排ガスが貫通する貫通孔の形状が排気経路の断面形状と合わされているため、排ガス流に乱れが発生せず排気損失が生じないため、精度の良い測定が可能となる。排気経路を横切る方向は直角方向が好ましいが、一定の角度で横切る構成でもよい。レーザ光を排ガス中に照射し、排ガス中を透過するときの減衰を測定して特定波長に関する吸収を検出することで排ガスの成分の濃度を算出する。
また、センサ部を、自動車等の排気経路中に容易に設置でき、貫通孔内の排ガスにレーザ光が照射され、レーザ光は排ガス中を透過して減衰した状態で受光され、受光されたレーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度や温度を測定するため、リアルタイムの測定が可能であり、内燃機関から排出された直後の高温の排ガスの測定が可能となる。さらに、測定に際して、基準ガス等が必要でなく、コストを低減することができると共に、測定が容易にしかも瞬時に行える。
前記センサ部は、板状のセンサ本体が排気経路を構成する部材間に挟まれた状態で設置され、排気経路の断面形状は円形であり、センサ本体には、排気経路の円形断面と同じ直径の円形を基本形状とする貫通孔が形成されていることが好ましい。このように構成すると、断面形状が円形の排気経路中に、円形の直径が同じ円形を基本形状とする貫通孔を有するセンサ部を設置するため、センサ部を設置することによる排ガス流の乱れが少なく、排気損失が発生しないため、内燃機関の性能に影響を与えることが防止され、効率の良い排気と、精度の良い測定が可能となる。また、センサ部の排気経路への設置が容易に行なえる。
貫通孔は、その内周面に反射部が形成されており、前記照射部から照射されたレーザ光は反射部で反射されたあと受光部で受光されると好ましい。このように構成された排ガス分析装置では、貫通孔内に照射されたレーザ光は、貫通孔の内周面に形成された反射部で反射され、排ガス中を長い距離で透過することができるため、排ガス中を透過したレーザ光の減衰が大きくなり、排ガスの成分の濃度や温度を精度良く測定することができる。
反射部は、貫通孔内に面するように対向して平行に配置された２枚の反射板より構成され、レーザ光は排気経路に対して直交して横切るように反射されることが好ましい。このように構成された排ガス分析装置では、平行な２枚の反射板間をレーザ光が貫通孔内を横切って反射され、排ガス中の透過距離を増やすことができる。この結果、レーザ光の光路長を長くして利用効率を向上させることができ、照射されたレーザ光の光強度と、透過レーザ光の光強度との比を小さくすることができるため、排気経路の１断面における精度の良い排ガスの成分の濃度測定および温度測定が可能となる。
前記照射部から照射されるレーザ光は、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。排ガスの分析装置の照射部から照射されるレーザ光が複数の波長を合波して構成されると、レーザ光の波長に合わせて排ガス中に含まれる複数の成分の濃度や、排ガス温度を精度良く同時に測定して排ガスの分析を行なうことができる。
また、前記センサ部は、前記排気経路の途中の複数個所に設置されることが好ましい。センサ部を排気経路の複数個所に設置すると、排気経路の途中での排ガスの状態を容易に確認することができる。本発明の排ガス分析装置で用いるセンサ部は、レーザ光を照射して排ガスの成分の濃度を測定するため、高温での測定が可能となり、排気バルブから排出された直後の排気経路に設置することができ、高温での成分の濃度の測定が可能となる。

図１は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である。
図２は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他の実施形態の要部構成図である。
図３は１つのセンサ部の要部の分解した状態の斜視図を含む排ガス分析装置の要部構成図である。
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装置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５は吸収スペクトルの圧力の影響を示し、図５ａは低温のときのシグナル強度の説明図、図５ｂは高温のときのシグナル強度の説明図である。
図６ａは従来の吸収スペクトルからガスの成分の濃度を算出する説明図、図６ｂは本発明の吸収スペクトルからガス濃度を算出する説明図である。
図７は本発明に係る排ガス分析装置に使用するセンサ部の他の実施形態の要部正面図である。
図８は本発明に係る排ガス分析装置に使用するセンサ部のさらに他の実施形態の要部正面図である。

以下、本発明に係る排ガス分析装置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分析装置を自動車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、センサ部の要部の分解した状態の斜視図を含む排ガス分析装置の要部構成図、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装置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１〜４において、本実施形態の排ガス分析装置は、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から構成され、エンジン２から排出された排ガスを２つの触媒装置５，６で浄化し、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、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、第２触媒装置５，６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、マフラー７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が固着されている。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。このように、排気経路を構成する複数の部材はフランジ部により接続され、排ガスが通過する断面形状が直径ｄの円形に形成されている。
本実施形態の排ガス分析装置１０は、前記の排気経路の複数個所に設置さ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はフランジ部Ｆ，Ｆをボルト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、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。
各センサ部１１〜１４は同一構成であり、１つのセンサ部１１について図３を参照して説明する。センサ部１１は矩形状の薄板材から形成されたセンサ本体２０を有し、このセンサ本体は中心部に排気パイプ部の円形断面の内径ｄと同じ直径ｄの貫通孔２１が形成されており、貫通孔内を排ガスが通過する。板状のセンサ本体２０の厚さはレーザ光の照射部と受光部とを固定できる範囲で、できるだけ薄いことが好ましい。具体的にはセンサ本体２０の厚さは、例えば５〜２０ｍｍ程度が好適である。２０ｍｍを超えると排ガス流に乱れが生じやすく、５ｍｍより薄いと照射部や受光部の取付固定が煩雑となる。また、排気経路の任意の個所に必要に応じて容易に設置できる。なお、センサ本体２０の厚さは任意に設定できる。
このように、貫通孔２１の形状は、排ガス流を乱さないように排気パイプ部の内径と同じ直径の円形に形成されている。このため、排気経路中にセンサ部１１〜１４を取付けても排ガス流を乱すことがなく、圧力損失が少なく円滑に排気させることができる。センサ本体を構成する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。センサ本体２０には、板厚の中央を端面から貫通孔に向けて貫通する２つのセンサ孔２２，２３が形成されている。センサ孔２２，２３は貫通孔２１の中心を通る直線上で対向しており、該センサ孔を結ぶ直線と排気経路の中心線とは直交している。
センサ部１１はレーザ光を照射する照射部として光ファイバ２５（２５Ａ）がセンサ孔２２に固定され、光ファイバ２５から照射され貫通孔２１内に存在する排ガス中を透過したレーザ光を受光する受光部として、ディテクタ２６がセンサ孔２３に固定されている。すなわち、センサ本体２０には照射側の光ファイバ２５と、受光部としてディテクタ２６とが対向して固定され、光ファイバ２５から排気経路を横切るように照射されたレーザ光は、排ガス中を透過して減衰し、ディテクタ２６で受光される構成となっている。
換言すると、排気経路と直交する１断面に沿ってレーザ光が照射され、排気経路を横切って受光される構成であるため、排気経路の１つの断面におけるスポット的な排ガスの測定が可能となる構成となっている。このため、排ガスが排気経路中の所定の断面上でどのように変化していくかを、瞬時に測定することができ、排ガスの状態を時々刻々、スポット的に把握することができる。例えば、エンジンから排出された直後の排ガスの成分の濃度や温度、排気経路の途中に設置された触媒装置の前後での排ガスの成分の濃度や温度等が瞬時に、スポット的に測定できるため、エンジンの開発や排ガス浄化装置の開発等に極めて有効なデータを取ることができる。
センサ本体２０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とセンサ本体２０との間にはガスケット２７，２７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２７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の間にセンサ本体２０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は、排気管４の下流端に溶接されたフランジ部Ｆと、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２７，２７を挟んでセンサ本体２０が固定される構成を示している。
光ファイバ２５およびディテクタ２６はレーザ発振・受光コントローラ３０に接続され、レーザ発振・受光コントローラ３０から出射される赤外レーザ光が光ファイバ２５を通してセンサ本体２０の貫通孔２１内に照射され、排ガス中を透過した赤外レーザ光が受光側のディテクタ２６で受光され、信号線２８（２８Ａ）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。光ファイバ２５から照射された発光強度と、排ガスを透過してディテクタ２６で受光された受光強度等が、分析装置であるパーソナルコンピュータ４５に供給される。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。
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照射する照射装置として、複数のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５に、図示していないファンクションジェネレータ等の信号発生器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照射する。レーザ発振・受光コントローラ３０の信号発生器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に供給されて発光し、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、検出する排ガスの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。さらに、他の排ガスの成分の濃度を検出する場合は、排ガスの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。
各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から照射された赤外レーザ光は光ファイバ３２…により分波器３３…に導光され、センサ部の数に合わせて分波器３３…により分波される。図４では３つのセンサ部１１〜１３に合わせて各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から照射されたレーザ光は３つに分波される。そして分波器３３…で分波されたレーザ光は、分波器３４Ａ…、３４Ｂ…、３４Ｃ…により信号光と測定光に分けられる。分波器３４Ａ…はセンサ部１１用であり、分波器３４Ｂ…はセンサ部１２用、分波器３４Ｃ…はセンサ部１３用である。センサ部１１用の５つの分波器３４Ａ…で分けられた信号光は光ファイバを通して合波器３５Ａで合波され、合波された複数の波長帯の信号光は光ファイバ３７Ａを通して後述する差分型光検出器４０Ａに導光される。一方、５つの分波器３４Ａ…で分けられた測定光は光ファイバを通して合波器３６Ａで合波され、光ファイバ２５Ａを通してセンサ部１１の照射部に導光される。
また、分波器３３…で分波された赤外レーザ光は、センサ部１２用の５つの分波器３４Ｂ…により信号光と測定光に分けられ、信号光は合波器３５Ｂで複数の波長帯を合波した信号光となり、光ファイバ３７Ｂを通して差分型光検出器４０Ｂに導光される。５つの分波器３４Ｂ…により分けられた測定光は合波器３６Ｂで合波され、光ファイバ２５Ｂを通してセンサ部１２の照射部に導光される。さらに、分波器３３…で分波された赤外レーザ光は、センサ部１３用の５つの分波器３４Ｃ…により信号光と測定光に分けられ、信号光は合波器３５Ｃで複数の波長帯の信号光となり、光ファイバ３７Ｃを通して差分型光検出器４０Ｃに導光される。５つの分波器３４Ｃ…により分けられた測定光は合波器３６Ｃで合波され、光ファイバ２５Ｃを通してセンサ部１３の照射部に導光される。
図４では、３つのセンサ部１１〜１３を示しているが、さらに多くのセンサ部１４…を設置する場合は、分波器３３でさらに多くのレーザ光に分波し、分波したレーザ光をさらに多くの分波器３４…で測定光と信号光に分波し、信号用のレーザ光を合波器３５…で合波してから差分型光検出器に導光すると共に、測定用のレーザ光をさらに多くのセンサ部１４…に導光する。
センサ部１１〜１３の受光部に接続された受光側のディテクタ２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃはレーザ発振・受光コントローラ３０の差分型光検出器４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃに信号線２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃを介して接続される。また、信号光は光ファイバ３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃを通して差分型光検出器４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃに導光される。差分型光検出器では、排ガス中を透過して減衰した透過レーザ光と、排ガス中を透過していない信号レーザ光との差を取る構成となっている。信号レーザ光はフォトダイオード等に入力され、その出力は、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装置であるパーソナルコンピュータ４５に入力される。パーソナルコンピュータ４５では、入力された信号から排ガスの成分の濃度や、排ガスの温度を算出して排ガスを分析する。
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、信号光である入射光強度（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、ディテクタ２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃを通して出力され、入射光強度Ｉ_０は、光ファイバ３７Ａ，３７Ｂ，３７Ｃを通して差分型光検出器４０内のフォトダイオード等の光電変換器から出力される。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分析装置１０の動作について以下に説明する。排ガスの成分の濃度を測定するときは、レーザ発振・受光コントローラ３０の信号発生器を作動させて各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５に信号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光させる。各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５から発光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、ここでセンサ部の数に合わせて分波される。
このあと、分波された赤外レーザ光は分波器３４Ａ…，３４Ｂ…，３４Ｃ…で測定光と信号光に分波される。１つのセンサ部１１について詳細に説明すると、５つの分波器３４Ａで分波された信号光は合波器３５Ａで合波されて信号用レーザ光となり、差分型光検出器４０Ａに導光される。また、５つの分波器３４Ａで分波された測定光は合波器３６Ａで合波されて測定用レーザ光となり、センサ部１１の照射部に光ファイバ２５Ａを通して導光される。他のセンサ部１２，１３についても、同様に分波器３３…で分波されたあと、分波器３４Ｂ，３４Ｃで信号光と測定光に分波され、合波器３５Ｂ，３５Ｃで合波されて、信号光は差分型光検出器４０Ｂ，４０Ｃに導光され、測定光がセンサ部１２，１３に導光される。
そして、センサ部１１〜１３の光ファイバ２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃから照射された測定用の赤外レーザ光Ｒは、排ガスが通過している貫通孔２１内に照射される。赤外レーザ光Ｒは排気経路である貫通孔２１内を横切り、排ガス中を透過して減衰され、減衰された透過光が受光部であるディテクタ２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃで受光される。このように、測定用の赤外レーザ光Ｒは排気経路を構成する貫通孔２１内の、排気経路と直交する面内を横切って受光されるため、直交する１断面における排ガスの成分の濃度や温度をスポット的に測定することができる。すなわち、排気経路に沿った、ある長さの範囲の排ガスの成分の濃度や温度を測定するのでなく、排気経路を横切る所定の１面を基準とした排ガスの成分の濃度や温度を測定することができるので、スポット的な測定が可能となる。
換言すると、排ガス中を透過するレーザ光の透過面が、排ガスの流れ方向に対して直交していることで、エンジンから排出された排ガスを時系列的に測定することが可能であり、エンジン自体の性能評価と共にエンジンの排気系統の性能評価を高精度に行うことが可能となる。
排ガス中を通り減衰して受光部に到達した測定用の赤外レーザ光Ｒはディテクタ２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃで電気信号として出力され、信号線２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃを介して差分型光検出器４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃに供給される。一方、信号用レーザ光は差分型光検出器４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃに導光され、差分型光検出器では、複数の波長成分毎に透過光と信号光の差を取り、透過光のうちの特定ガス成分のピーク波長を検出する。このようにして、差分型光検出器からの出力が信号解析装置であるパーソナルコンピュータ４５に入力される。パーソナルコンピュータ４５は、入力された複数の周波数帯ごとのピーク波長に基づいて、排ガスの成分の濃度測定や温度測定を実施して分析する。
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。
そして、図６に示すように、吸収線のうちの１本、例えば波長λ１に対してレーザ光の発振波長を掃引することによって吸収を測定する。この波形と信号レーザ光の波形との比をとることによって、スペクトルプロファイルを測定する。また、温度計測は、前記のスペクトルプロファイルを異なる２つの吸収線λ１、λ２について計測し、それらの面積比Ａ１／Ａ２（またはピークの高さの比Ｐ１／Ｐ２）をとることにより求めることができる。従来の波長変調法では、図６ａに示すように、吸収スペクトルピークの先端の曲率により成分の濃度を算出していたが、本発明では、図６ｂに示すように、吸収スペクトルの面積により成分の濃度を算出するため、圧力の影響を受けにくい排ガスの成分の濃度の算出が可能となる。
本実施形態の排ガス分析装置１０では、エンジン２の排気経路の複数個所で排ガスの成分の濃度や温度をスポット的に、すなわち、排気経路を横切る方向の１断面において測定でき、しかもリアルタイムで測定することができる。このため、エンジンから排出された直後の排ガスの温度や排ガスの成分の濃度、第１触媒装置５、第２触媒装置６、マフラー７を通過したあとの排ガスの温度や排ガスの成分の濃度、排気パイプ８から大気中に放出される直前の排ガスの状態等を瞬時に測定できる。このように、本実施形態の排ガス分析装置１０は排気経路の途中個所での排ガスの成分の濃度を任意の１断面において測定できるため、エンジンの開発や、エンジンに付属する浄化装置等の開発において、タイムリーな測定ができて開発期間を大幅に短縮できる。
また、本実施形態の排ガス分析装置１０は、基準ガス等を必要としない簡単な構成であり、排ガスの分析を行なうセンサ部をコンパクトに構成しているため自動車等に容易に車載することができ、自動車等に搭載した状態で該自動車より排出される排ガスの分析を行なうことができる。このため、自動車の実走行中に排出される排ガスをリアルタイムに分析することができる。さらに、排ガス中のレーザ光の透過距離を長くできるため、測定精度を高めることができると共に、測定時に基準ガス等が必要でなく、排ガス分析のコストを低減できる。
すなわち、排気経路に固定されるセンサ部１１〜１４は板状のセンサ本体２０が薄型に構成されており、排気経路の流体抵抗等の変化がほとんど無い状態で設置できる。この排ガス分析装置１０は高温状態でも測定できるため、エンジン２から排出された直後の排ガスの温度や排ガスの成分の濃度を測定して、排ガスを分析することができる。また、レーザ光の波長を増やすことにより、さらに排ガス中に含まれる多成分の分析が容易に行える。
本発明の他の実施形態を図７に基づき詳細に説明する。図７は本発明に係る排ガス分析装置に使用するセンサ部の他の実施形態の要部断面図である。なお、この実施形態は前記した実施形態に対し、複数のセンサ部１５は、光ファイバ２５から照射された赤外レーザ光Ｒが排ガス中を透過して直接、ディテクタ２６に受光されず、貫通孔内で複数回反射されたあと受光されるように構成されていることを特徴とする。赤外レーザ光を反射する反射面は、貫通孔内に対向して配置した２枚の反射板から構成され、２枚の反射板間で反射を繰返したあと受光されるように構成している。そして、他の実質的に同等の構成については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。
図７において、この実施形態では、センサ部１５のセンサ本体５０には、その中心部に排ガスを通過させる貫通孔５１が形成され、貫通孔５１内には、対向して上下２枚の反射板５２，５３が貫通孔５１に面するように平行に配置されている。２枚の反射板は、貫通孔５１内をレーザ光が排気経路に対して直交して横切るように平行状態に固定され、照射側の光ファイバ２５から出射される赤外レーザ光Ｒが先ず下方の反射板５３により上方に向けて反射され、次いで上方の反射板５２により下方に向けて反射され、２枚の反射板５２，５３により交互に反射されることで、受光側のディテクタ２６に到達するように構成されている。この構成により、レーザ光は排気経路に直交する１断面内を複数回反射してからディテクタ２６で受光される構成となっている。
センサ本体５０の厚さは、前記の実施形態と同様に５〜２０ｍｍの薄い板材が使用されており、材質は金属あるいはセラミックが好ましい。このセンサ本体５０は、図示していないフランジ部Ｆ，Ｆに挟まれて固定され、排気経路中に設置されるものであり、外形の左右の半円状の切欠きはフランジ部同士を接続するボルトに対応している。そして、センサ本体５０に形成された貫通孔５１は、排気経路の断面形状と同じ直径の円形状を基本形状として形成されている。すなわち、円形を基本として、反射板５２，５３を固定するべく上下に平坦な取付部が形成されている。このように、円形の一部を平坦とした形状も実質的に排気経路の断面形状に合わせた形状の範囲に入る。
照射側の光ファイバ２５は、反射板の垂直線に対して、例えば６度程度外側に傾斜して固定され、受光側のディテクタ２６も同様に６度程度外側に傾斜して固定されている。光ファイバ２５およびディテクタ２６が、２枚の反射板５２，５３に対して傾斜状態に配置されることで、照射側の光ファイバ２５から出射された赤外レーザ光Ｒは上下の反射板で交互に反射されることを繰り返し、最終的に赤外レーザ光Ｒは排ガス中を長い光路長で透過して受光側のディテクタ２６に受光されるように構成されている。この結果、赤外レーザ光は反射板５２，５３において反射を繰返すことができるため、中央の貫通孔５１の直径よりも長い光路長を得ることができる。このため、赤外レーザ光が排ガス中を透過する際に生じるレーザ光の減衰量が大きくなり、排ガス中に含まれる成分の濃度等を測定する精度を高めることができる。なお、赤外レーザ光の反射板における反射回数は、排ガス中に含まれる成分の濃度や、必要とされる測定精度に応じて適宜変更することができる。
反射板５２，５３は長方形状の平板に形成され、ベースとなる基板は熱膨張の小さいＳｉＣ、ＳｉＯ_２あるいはサファイアが用いられる。この基板に反射面として金やプラチナの薄膜が形成され、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。本実施形態では、反射板５２，５３はセンサ本体５０に接着等により固定されているが、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、取外して清掃できるように、ねじ止め、あるいはばね等による固定で着脱可能に固定すると好適である。
この実施形態に示すセンサ部１５では、照射部である光ファイバ２５から照射された赤外レーザ光は対向する反射板５２，５３で交互に反射が繰り返され、光路長が長くなって排ガス中のレーザ光の透過距離を大きくすることができる。このように、赤外レーザ光は排ガス中を透過する距離が長くなることにより減衰を大きくなり、精度の良い排ガスの成分の濃度測定が瞬時に行える。また、センサ本体５０に形成された貫通孔５１は、基本的に排気経路の円形断面と同じ直径の円形であり、排ガス流が乱れることがなく、既存の排気経路にセンサ部１５を固定することによる排気抵抗の変化を無視することができる。さらに、反射板５２，５３は平板であり、作製が容易で、センサ本体５０からの着脱や交換が容易に行える。
すなわち、本実施形態のセンサ部１５では、信号レーザ光の光強度Ｉ_０と、測定用赤外レーザ光Ｒ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しているが、透過光強度は複数回の反射による透過距離の増大により減衰量が大きく、精度の良い排ガスの成分の濃度測定や温度測定が可能となる。赤外レーザ光Ｒは反射面５２，５３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２５から照射された光強度に対して、ディテクタ２６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。
本発明の排ガス分析装置のセンサ部のさらに他の実施形態について、図８を参照して説明する。この実施形態のセンサ部１６は、排ガス中を透過させる赤外レーザ光Ｒの反射部として、センサ本体６０に形成された貫通孔６１の内面に反射面６２を形成している。すなわち、センサ本体６０には照射側の光ファイバ２５と受光側のディテクタ２６が固定され、照射側の光ファイバ２５から出射された赤外レーザ光Ｒは貫通孔６１の内面に形成された反射面６２で反射され、複数回の反射を繰り返したあと受光側のディテクタ２６に受光される構成となっている。
また、貫通孔６１の形状は円形に形成され、その直径は排気経路の円形断面の直径と同じに設定されている。このセンサ本体６０は排気経路を構成する部材を連結するフランジ部Ｆ，Ｆに挟まれた状態で取付け固定される。そして、貫通孔６１の内面を反射面６２とすることで、センサ本体６０と別の反射部材としてミラー等が不要となり、構成を簡単にすることができると共に、貫通孔６１の形状が排気パイプ部の断面形状と同じにできるため、排ガス流を乱すことがなく、既存の排気経路に設置しても排ガス流が乱れず、排気効率を低下させることがない。
貫通孔６１の内面に形成された反射面６２は鏡面仕上げされた円周面に形成され、この円周面に金やプラチナの薄膜が形成され、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。反射面６２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。反射面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からセンサ本体６０を取外して清掃することが好ましい。反射面６２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。
この構成により、照射側の光ファイバ２５から照射された赤外レーザ光Ｒは、貫通孔６１内で反射面６２により複数回反射され、長い光路長を経由して受光側のディテクタ２６で受光されるように構成され、貫通孔６１内に位置する排ガス中を長い透過距離で透過する構成となっている。この結果、前記の実施形態と同様に、レーザ光を有効利用することができ、測定精度を高めることができる。また、排気経路の断面形状と、センサ部の貫通孔の断面形状が同じであるため、排ガス流が乱れることなくなり、排気経路にセンサ部を設置することによる排気損失を取除くことができる。
なお、排気経路の断面形状が円形とは、真円のみならず楕円形状等であってもよい。また、円形に限らず、長方形や多角形状でもよい。この場合は、センサ部を構成するセンサ本体には長方形や多角形の貫通孔が形成される。そして、多角形を構成する各平面に形成された反射面で順次、赤外レーザ光を反射して、排ガス中を透過するレーザ光の透過距離を長くすることができる。貫通孔の形状は各面を反射面として用いる場合は５角形等の奇数の多角形が好ましいが、さらに面数を増やして排ガス中の透過距離を増加させることができる。センサ本体の外形は円形に限らず、長方形等、適宜の形状とすることができる。
以上、本発明の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。
センサ部のセンサ本体に照射部として光ファイバを、受光部としてディテクタを備える例を示したが、センサ本体に直接レーザダイオード等の照射部を備えてもよく、フォトダイオード等のディテクタの代わりに受光用の光ファイバを装着する構成としてもよい。また、光ファイバの照射部にコリメータレンズを設け、コリメータレンズを通して貫通孔内にレーザ光を照射するようにしてもよい。さらに、センサ部は内燃機関のシリンダブロックとエキゾーストマニホルドとの間に設置してもよい。

本発明の排ガス分析装置は、排気経路を横切る方向の１つの断面部分での排ガスの成分の濃度や温度の測定が可能であり、排ガスの成分の濃度等を排気経路中において、所定の断面に沿ってスポット的に測定することができ、排気経路中の排ガスの状態を高精度にリアルタイムで測定することができる。このため、内燃機関開発や、排ガス浄化装置の開発に極めて有効な、リアルタイムの排ガス分析が可能となる。
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や発電機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。また、ガソリンエンジンの排ガス分析の他にディーゼルエンジンの排ガス分析を行なうことができ、さらに他の内燃機関の排ガス分析の用途にも適用できる。

Claims (4)

1. 内燃機関の排ガスを排出する排気管に、排ガスに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接続し、前記受光部で受光されたレーザ光に基づいて排ガスの成分の濃度又は温度を測定して排ガスを分析する装置であって、
   前記センサ部は、前記排気管の断面形状に合わせた形状の排ガスが通過できる貫通孔を有しており、
   前記排気管の断面形状は円形であり、前記センサ部には、前記排気管の円形断面と同じ直径の円形を基本形状とする前記貫通孔が形成されており、
   前記貫通孔は、その内周面に反射部が形成されており、前記照射部から照射されたレーザ光は該反射部で反射されたあと前記受光部で受光され、
   前記反射部は、前記貫通孔内に面するように対向して平行に配置された２枚の反射板より構成され、
   前記レーザ光は、前記照射部から前記貫通孔内に照射され、排気管に対して直交する面内で前記２枚の反射板により複数回排気の流路を横切るように反射され、前記受光部で受光されることを特徴とする排ガス分析装置。
2. 前記レーザ光は、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を特徴とする請求項１に記載の排ガス分析装置。
3. 前記センサ部は、前記排気の流路の途中の複数個所に設置されることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス分析装置。
4. 前記センサ部は、厚さが５〜２０ｍｍの金属又はセラミックから成る薄い板材から形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の排ガス分析装置。

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