KR20080091144A - 배기가스 분석방법 및 배기가스 분석장치 - Google Patents

배기가스 분석방법 및 배기가스 분석장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 레이저광을 조사하고, 배기가스 중을 투과한 레이저광을 수광하며, 수광된 레이저광에 의거하여 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 측정하는 배기가스 분석방법은, 수광된 레이저광으로부터 배기가스 중에 흡수된 레이저광의 흡수 스펙트럼을 검출(S1)하고, 흡수 스펙트럼으로부터 특정 가스 성분의 농도를 산출(S2)하고, 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스의 온도를 산출하고(S3), 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스의 압력을 산출하며(S4 ~ S6), 산출된 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 산출된 온도로 보정하고(S7), 산출된 압력으로 보정(S8)하며, 농도의 참값을 출력(S9)하여 배기가스의 압력변동이나 온도의 영향을 받기 어렵고, 배기가스에 함유되는 성분의 농도를 고정밀도로 실시간으로 산출하여 분석할 수 있는 배기가스 분석방법이다.

Description

배기가스 분석방법 및 배기가스 분석장치{METHOD FOR ANALYZING EXHAUST GAS AND APPARATUS FOR ANALYZING EXHAUST GAS}
본 발명은, 자동차 등의 내연기관으로부터 배출되는 배기가스의 분석방법과, 배기가스 분석장치에 관한 것으로, 특히, 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도나 온도 등을 정확하고 또한 실시간으로 산출하여 측정하고 분석하는 배기가스 분석방법과 배기가스 분석장치에 관한 것이다.
종래, 이 종류의 배기가스 분석장치로서, 특허문헌 1에 기재된 차량 탑재형 HC 측정장치가 있다. 이 차량 탑재형 HC 측정장치는, 엔진에 연속되어 있는 배기관을 흐르는 배기가스 중의 HC(탄화수소)농도를 연속적으로 측정하기 위한 NDIR(비분산형 적외분광법)형 가스 분석계와, 배기관을 흐르는 배기가스의 유량을 연속적으로 측정하는 배기가스 유량계와, NDIR형 가스 분석계 및 배기가스 유량계의 각각의 출력을 연산처리하여, 배기가스 중의 THC(전체 탄화수소)량을 연속적으로 산출하는 연산처리회로를 차량 내에 탑재 가능하게 하고 있다.
또, 적외선 레이저광을 이용한 계측(적외흡수법)을 배기가스 배관 내에 적용하면, 이하와 같은 과제가 있다. 즉, 배관 내의 배기가스 농도를 레이저광의 흡수 스펙트럼형상에 의해 연산하여 구하고 있으나, 배기가스 배관 내에서는, 엔진의 운 전상황에 의하여 급격한 압력변동이나 농도변화가 발생한다. 압력변동이 발생하면, 브로드닝이라는 현상 때문에 레이저광의 흡수 스펙트럼형상이 변화되어 정확한 농도값을 구할 수 없게 된다.
[특허문헌 1]
일본국 특개2004-117259호 공보
흡수 스펙트럼형상으로 구한 배기가스 중에 존재하고 있는 가스성분의 농도는, 압력이나 온도에 의해 변동하기 때문에, 정확한 농도값을 얻기 위해서는 배기가스의 압력을 계측할 필요가 있고, 압력의 계측방법으로서, 통상, 압력계를 설치하나, 부품점수의 증가 등, 시스템이 복잡화된다. 그 때문에, 흡수 스펙트럼형상을 보정하도록, 배관 내의 배기가스 압력을 실시간으로 계측하여, 농도 보정할 필요가 있다. 이때, 흡수 스펙트럼형상을 파라미터로 한 계산으로 농도를 구하려고 하면, 반복하여 계산이 필요하게 되고, 해석시간이 증대하여 실시간 계측이 곤란해진다.
본 발명은, 이와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 배기가스의 압력변동이나 온도의 영향을 받기 어렵고, 배기가스에 함유되는 성분의 농도를 고정밀도로 실시간으로 산출하여 측정하고 분석할 수 있는 배기가스 분석방법과, 배기가스 분석장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하도록, 본 발명에 관한 배기가스 분석방법은, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 레이저광을 조사하고, 배기가스 중을 투과한 레이저광을 수광하며, 수광된 레이저광에 의거하여 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 측정하는 배기가스 분석방법에 있어서, 수광된 레이저광으로부터 배기가스 중에 흡수된 레이저광의 흡수 스펙트럼을 검출하고, 이 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도, 배기가스 온도 및 배기가스 압력을 산출하고, 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를, 산출된 배기가스 온도 및 배기가스 압력을 이용하여 보정하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 배기가스 분석방법은, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스 중을 투과하여 수광된 레이저광으로부터, 배기가스 중에서 흡수된 흡수 스펙트럼을 검출하고, 이 흡수 스펙트럼의 감쇠량, 즉, 배기가스 중을 투과한 광강도와 투과하지 않은 광강도와의 비에 의거하여 특정 가스 성분, 예를 들면 일산화탄소, 질소산화물 등의 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 산출한다. 그리고, 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스 온도 및 배기가스 압력을 산출하고, 산출된 배기가스 온도와 배기가스 압력에 의하여 산출된 성분의 농도를 보정하기 때문에, 배기가스유로 중의 압력이나 온도의 거동 변화에 충실한 측정 정밀도가 높은 성분의 농도를 얻을 수 있어 고정밀도 분석을 행할 수 있다. 또한 압력계를 사용하지 않고 압력을 산출할 수 있기 때문에, 실시간 측정이 가능해지고, 구성이 간단해짐과 동시에, 비용을 저감할 수 있다.
본 발명에 관한 배기가스 분석방법의 다른 형태로서는, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 레이저광을 조사하고, 배기가스 중을 투과한 레이저광을 수광하며, 수광된 레이저광에 의거하여 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 측정하는 배기가스 분석방법에 있어서, 수광된 레이저광으로부터 배기가스 중에 흡수된 레이저광의 흡수 스펙트럼을 검출하고, 이 흡수 스펙트럼으로부터 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도, 배기가스 온도 및 배기가스 압력을 산출하고, 상기 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스 온도, 배기가스 압력 및 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도에 의해 결정되는 이론 스펙트럼과, 검출된 흡수 스펙트럼에 의거하여 농도의 보정값을 산출하고, 이 보정값에 의해 산출된 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 보정하는 것을 특징으로 하고 있다.
구체적으로는, 이론 스펙트럼과 흡수 스펙트럼을 겹쳐서, 이론 스펙트럼을 적분한 제 1 적분값(제 1 면적)과, 한쪽의 스펙트럼보다 다른쪽의 스펙트럼이 큰 부분의 제 2 적분값(제 2 면적)과, 다른쪽의 스펙트럼보다 한쪽의 스펙트럼이 큰 부분의 제 3 적분값(제 3 면적)을 산출하고, (제 1 적분값 - 제 2 적분값 + 제 3 적분값)/제 1 적분값으로부터 보정값을 산출하고, 산출되는 농도(제 1 면적)에 상기 보정값을 곱하여 보정한다.
이와 같이 구성된 배기가스 분석방법에서는, 산출된 배기가스 온도, 배기가스 압력, 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도에 의하여 일의적으로 결정되는 이론 스펙트럼과, 검출된 흡수 스펙트럼을 비교하고, 2개의 스펙트럼에 의거하여 농도의 보정값을 얻을 수 있으며, 구체적으로는 2개의 스펙트럼으로 구분된 면적을 산출하여 보정값을 얻을 수 있고, 이 보정값을 산출된 농도에 곱함으로써 정밀도가 좋은 배기가스의 특정 성분 농도를 얻을 수 있어, 고정밀도한 배기가스 분석이 가능해진다.
본 발명에 관한 배기가스 분석방법의 바람직한 구체적인 형태로서는, 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도의 산출은, 분석되는 배기가스의 특정 성분의 이론 스펙트럼을 배기가스 농도에 따라 변화시킨 복수의 스펙트럼 패턴을 사용하여, 가장 근사한 스펙트럼 패턴의 배기가스 농도로부터 산출되는 것을 특징으로 하고 있다. 이 구성에 의하면, 예를 들면, 수증기의 이론 스펙트럼을 배기가스 농도에 따라 변화시킨 복수의 스펙트럼 패턴과, 가장 근사한 흡수 스펙트럼 패턴을 선택하고, 그 스펙트럼 패턴의 배기가스 농도에 의하여 결정함으로써 산출할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 배기가스 분석방법에 있어서, 상기 배기가스의 온도의 산출은, H2O의 상기 흡수 스펙트럼 중의 선택된 적어도 2 파장의 투과광 강도비로부터 산출되는 것이 바람직하다. 이 구성에 의하면, 배기가스가 통과하는 배기경로 중에 항시 존재하는 H2O를 사용하여 온도를 산출할 수 있으므로, 정밀도가 좋은 온도 측정이 가능해지고, 결과적으로 고정밀도의 배기가스분석을 가능하게 한다.
또한, 본 발명에 관한 배기가스 분석방법에 있어서, 상기 배기가스의 압력의 산출은, H2O의 흡수 스펙트럼의 피크 파장의 스펙트럼 폭에 의거하여 산출되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 흡수 스펙트럼의 피크 파장의 피크값의 반값의 스펙트럼 폭을 검출하고, 검출된 스펙트럼 폭을 상기 산출된 온도로 보정하며, 상기 보정된 상기 스펙트럼 폭으로부터 압력을 산출하여 구한다. 이 구성에 의하면, 배기경로 중에 항시 존재하는 H2O를 이용하고, 그 흡수 스펙트럼의 피크 파장의 스펙트럼 폭으로부터 용이하게, 고정밀도로 압력을 산출할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 배기가스 분석장치는, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 레이저광 발생수단으로부터 발생시킨 레이저광을 조사하고, 배기가스 중을 투과한 레이저광을 수광하며, 수광된 레이저광에 의거하여 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 측정하는 장치에 있어서, 수광된 레이저광으로부터 배기가스 중에 흡수된 레이저광의 흡수 스펙트럼을 검출하는 검출수단과, 상기 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도, 배기가스 온도 및 배기가스 압력을 산출하는 산출수단과, 상기 산출된 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 상기 산출된 배기가스 온도 및 배기가스 압력으로 보정하는 보정수단을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같이 구성된 배기가스 분석장치는, 배기가스에 레이저광을 조사하여 투과광을 수광하고, 수광된 레이저광으로부터 배기가스 중에 흡수된 레이저광의 흡수 스펙트럼을 검출한다. 그리고, 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 산출하고, 배기가스 온도와 배기가스 압력을 산출하여, 산출된 성분의 농도를 산출된 배기가스 온도와 배기가스 압력으로 보정하기 때문에, 압력변동이나 온도의 영향을 받지 않는 참(眞) 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 산출할 수 있고, 배기가스의 분석을 정밀도 좋게 행할 수 있다.
본 발명에 관한 배기가스 분석장치의 다른 형태는, 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 레이저광 발생수단으로부터 발생시킨 레이저광을 조사하고, 배기가스를 투과한 레이저광을 수광하며, 수광된 레이저광에 의거하여 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 측정하는 장치에 있어서, 수광된 레이저광으로부터 배기가스 중에 흡수된 레이저광의 흡수 스펙트럼을 검출하는 검출수단과, 상기 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도, 배기가스 온도 및 배기가스 압력을 산출함과 동시에, 산출된 배기가스 온도, 배기가스 압력, 및 배기가스의 성분의 농도에 의하여 결정되는 이론 스펙트럼과, 검출된 흡수 스펙트럼에 의거하여 농도의 보정값을 다시 산출하는 산출수단과, 산출된 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 상기 보정값에 의하여 보정하는 보정수단을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
이와 같이 구성된 배기가스 분석장치는, 배기가스에 레이저광을 조사하여 투과광을 수광하고, 수광된 레이저광으로부터 배기가스 중에 흡수된 레이저광의 흡수 스펙트럼을 검출한다. 그리고, 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도, 배기가스 온도 및 배기가스 압력을 산출하고, 산출된 배기가스 온도, 배기가스 압력 및 배기가스의 성분의 농도에 의하여 결정되는 이론 스펙트럼과, 검출된 상기 흡수 스펙트럼에 의거하여 농도의 보정값을 다시 산출하고, 산출된 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 상기 보정값으로 보정하기 때문에, 압력변동이나 온도의 영향을 받지 않는 농도를 산출할 수 있어, 배기가스의 분석을 정밀도 좋게 행할 수 있다.
본 발명의 배기가스 분석방법 및 배기가스 분석장치는, 배기가스 중에 레이저광을 투과시켜, 배기가스 중을 투과한 레이저광의 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스 중의 특정성분의 가스농도를 산출하여 배기가스 분석할 때에, 산출된 가스농도는 온도에 기인하는 오차, 및 압력에 기인하는 오차를 포함하고 있기 때문에, 그것들의 오차를 실시간으로 보정할 수 있어, 정밀도가 높은 가스농도를 산출하여 측정하고 분석할 수 있다. 또, 압력을 검출할 때에, 흡수 스펙트럼의 형상으로부터 압력을 산출하기 때문에, 압력계가 불필요하여 장치 구성을 간단하게 할 수 있음과 동시에, 신속한 압력측정이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 관한 배기가스 분석장치를 차량에 탑재한 일 실시형태의 주요부 구성도,
도 2는 본 발명에 관한 배기가스 분석장치를 엔진 벤치에 탑재한 다른 실시형태의 주요부 구성도,
도 3은 하나의 센서부의 주요부의 분해된 상태의 사시도를 포함하는 배기가스 분석장치의 주요부 구성도,
도 4(a)는 도 3의 센서부의 정면도,
도 4(b)는 도 4(a)의 A-A선 단면도,
도 4(c)는 도 4(a)의 B-B선 단면도,
도 4(d)는 도 4(c)의 C-C선 주요부 단면도,
도 5는 레이저 발진·수광 컨트롤러의 주요부 구성 및 신호 해석장치를 포함하는 배기가스 분석장치의 전체구성을 나타내는 블럭도,
도 6은 본 발명에 관한 배기가스 분석방법의 공정을 나타내는 플로우차트,
도 7은, 흡수 스펙트럼의 온도의 영향을 나타내고, 온도에 의해 흡수 스펙트 럼이 변화되는 상태를 나타내는 설명도,
도 8(a), 도 8(b), 도 8(c), 도 8(d)는, 각각 다른 설정 압력 하에서의 흡수 스펙트럼 및 이론 스펙트럼의 피크값과 스펙트럼 폭을 나타내는 설명도,
도 9(a) 내지 도 9(c)는 도 6의 플로우차트를 사용하는 보정선도로서, (a)는 온도(K)와 선폭 보정량과의 보정선도를, (b)는 압력(MPa)과 선폭과의 보정선도를, (c)는 다른 실시형태의 H2O 농도와 선폭 보정량과의 보정선도를 나타내는 도,
도 10은 본 발명에 관한 배기가스 분석방법의 다른 실시형태의 흡수 스펙트럼으로부터 압력을 산출하는 설명도,
도 11은 본 발명에 관한 배기가스 분석방법의 또 다른 실시형태에서의 가스농도 보정의 설명도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 자동차 1A : 엔진 벤치
2 : 엔진(내연기관) 3 : 익조스트 매니폴드(배기경로)
4 : 배기관(배기경로) 5 : 제 1 촉매장치(배기경로)
6 : 제 2 촉매장치(배기경로) 7 : 머플러(배기경로)
8 : 배기 파이프(배기경로)
10 : 배기가스 분석장치(가스분석장치)
11∼14 : 센서부 20 : 센서 베이스
21 : 배기가스 통과구멍 23 : 센서구멍(조사광 통과구멍)
24 : 센서구멍(투과광 통과구멍) 25 : 광파이버(조사부)
26 : 디텍터(수광부) 30, 31 : 미러
38 : 광 통과구멍 39 : 슬릿(광 통과구멍)
40 : 레이저 발진·수광 컨트롤러 43 : 분파기
44A∼44C : 분파기 45A∼45C, 46A∼46C : 합파기
50A∼50C : 차분형 광검출기(검출수단)
55 : 퍼스널 컴퓨터(신호 해석장치, 산출수단, 보정수단)
R : 레이저광
이하, 본 발명에 관한 가스분석장치를 자동차의 배기가스 분석장치에 사용한 일 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 실시형태에 관한 배기가스 분석장치를 자동차에 탑재한 주요부 구성도, 도 2는 도 1의 배기가스 분석장치를 엔진 벤치에 탑재한 상태의 주요부 구성도, 도 3은 센서부의 주요부가 분해된 상태의 사시도를 포함하는 배기가스 분석장치의 주요부 구성도, 도 4(a)∼도 4(d)는, 도 3의 센서부의 상세를 나타내는 일부를 파단한 정면도, A-A선 단면도, B-B선 단면도 및 C-C선 주요부 단면도를 각각 나타내는 것이고, 도 5는, 레이저 발진·수광 컨트롤러의 주요부 구성 및 신호 해석장치를 포함하는 배기가스 분석장치의 전체구성을 나타내는 블럭도이다.
도 1 내지 도 5에서, 본 실시형태의 배기가스 분석장치는, 분석대상 가스로서, 자동차(1)에 설치된 엔진(내연기관)(2)으로부터 배출되는 배기가스를 분석하는 장치이다. 또, 도 2에 나타내는 바와 같이, 엔진 벤치(1A)에 설치된 엔진(2)의 배기가스를 분석하는 장치이다. 엔진(2)의 각 기통으로부터 배출되는 배기가스는, 익조스트 매니폴드(3)에서 합류되고, 배기관(4)을 통하여 제 1 촉매장치(5)에 도입되고, 다시 제 2 촉매장치(6)에 도입되며, 그후 머플러(7)를 통하여 배기 파이프(8)로부터 대기 중에 방출된다. 배기가스가 흐르는 유로(경로)를 구성하는 배기경로는, 익조스트 매니폴드(3), 배기관(4), 제 1 촉매장치(5), 제 2 촉매장치(6), 머플러(7), 배기 파이프(8)로 구성되고, 엔진(2)으로부터 배출된 배기가스를 2개의 촉매장치(5, 6)로 정화하며, 머플러(7)에 의해 소음, 감압하여 대기 중에 방출한다. 또한, 머플러는 메인 머플러와 서브 머플러 2개를 가지는 것이어도 된다.
배기경로를 구성하는 복수의 부재는, 플랜지부끼리를 대접시켜 볼트 등으로 접속되어 있다. 예를 들면, 제 1, 제 2 촉매장치(5, 6)는 큰 지름의 본체부의 상류, 하류측에 배기 파이프부가 연결되고, 이들 배기 파이프부의 끝부에 플랜지부(F, F)가 용접 등에 의하여 고착되어 있다. 또, 머플러(7)는 큰 지름의 본체부의 상류, 하류측에 배기 파이프부가 연결되고, 이들 배기 파이프부의 끝부에 플랜지부(F, F)가 고착되어 있다. 또한, 말단의 배기 파이프(8)는 머플러(7)에 직접 용접 등에 의해 고착되어 있다. 이와 같이, 배기경로를 구성하는 복수의 부재는 플랜지부에 의해 접속되고, 배기가스가 통과하는 단면형상이 직경(d)의 원형으로 형성되어 있다.
본 실시형태의 배기가스 분석장치(10)는, 상기한 배기경로의 복수부분에 설치된 복수의 센서부(11∼14)를 구비하여 구성된다. 제 1 센서부(11)는 제 1 촉매 장치(5)보다 상류측의 엔진측의 배기관(4)과의 사이에 설치되고, 제 2 센서부(12)는 제 1 촉매장치(5)의 하류측에 설치되며, 제 3 센서부(13)는 제 2 촉매장치(6)의 하류측에 설치되어 있다. 그리고, 제 4 센서부(14)는 머플러(7)의 하류의 배기 파이프(8)에 설치되어 있다. 센서부(14)는 배기 파이프의 도중에 설치되어도, 배기 파이프의 말단의 개구부에 삽입하여 설치하는 것이어도 된다. 제 1 센서부(11)의 상류측의 익조스트 매니폴드(3)에서 합류하기 전의 1기통마다의 배기관에 센서부를 설치하여도 된다.
배기관(4)이나 제 1 촉매장치(5), 제 2 촉매장치(6), 머플러(7)는 플랜지부(F, F)를 볼트로 조임으로써 연결되어 있고, 배기경로를 구성하는 부재의 사이에 설치되는 센서부(11, 12, 13)는, 플랜지부(F, F)로 끼워진 상태로 설치되어 있다. 플랜지부(F, F)는, 배기경로를 구성하는 부재의 양쪽 끝부에 형성되고, 플랜지부끼리의 접합면은 배기경로의 중심선에 대하여 직각으로 교차하고 있다. 이 결과, 센서부(11∼13)는 플랜지부(F, F)에 끼워져 배기경로를 가로지르도록 설치된다. 제 4 센서부(14)는 배기가스가 대기 중에 방출되기 직전의 분석을 행하는 것으로, 머플러(7)로부터 돌출하는 배기 파이프(8)의 중간부에 플랜지부(F, F)로 끼워 설치하여도 된다. 또한, 센서부의 설치수는 임의로 설정하면 된다.
각 센서부(11∼14)는 동일 구성이고, 하나의 센서부(11)에 대하여 도 3, 도 4를 참조하여 설명한다. 센서부(11)는 직사각형상의 박판재로 형성된 센서 베이스(20)를 가지고, 이 센서 베이스는 중심부에 배기 파이프부의 원형 단면의 내경(d)과 동일한 직경(d)의 배기가스 통과구멍(21)이 형성되어 있고, 배기가스 통과 구멍 내를 배기가스가 통과한다. 판 형상의 센서 베이스(20)의 두께는 레이저광의 조사부와 수광부를 고정할 수 있는 범위에서, 가능한 한 얇은 것이 바람직하다. 구체적으로는 센서 베이스(20)의 두께는, 예를 들면 5 내지 20 mm 정도가 적합하다. 20 mm를 넘으면 배기가스 흐름에 흩어짐이 생기기 쉽고, 5 mm보다 얇으면 측정용 레이저광의 조사부나, 배기가스 중을 투과한 레이저광의 수광부의 설치 고정이 번잡해진다. 또, 배기경로의 임의의 부분에 필요에 따라 용이하게 설치할 수 있다. 또한, 센서 베이스(20)의 두께는 임의로 설정할 수 있다.
이와 같이, 센서 베이스(20)에 형성된 배기가스 통과구멍(21)의 형상은, 배기가스 흐름을 흩어지지 않게 배기 파이프부의 내경과 동일한 직경의 원형에 형성되고, 또한 센서 베이스(20)는 얇게 형성되어 있다. 이 때문에, 배기경로 중에 센서부(11∼14)를 설치하여도 배기가스 흐름을 흩어지는 일 없이, 압력손실이 적고 원활하게 배기시킬 수 있다. 배기가스 통과구멍(21)의 형상은, 예를 들면 직경(d)이 30 mm인 경우, 30±1∼2 mm 정도이면 배기가스 흐름의 흩어짐이 일어나기 어렵기 때문에, 이와 같은 범위에서 설정되면 바람직하다. 이 정도의 범위가 실질적으로 동일한 단면형상으로서 바람직한 범위이다. 센서 베이스(20)를 구성하는 판재로서는 금속판재나 세라믹제의 판재를 사용하고 있으나, 재질에 대해서는 특별히 묻지 않는다.
센서 베이스(20)는 플랜지부(F, F)에 끼워진 상태로 고정되고, 플랜지부(F, F)와 센서 베이스(20)의 사이에는 가스킷(22, 22)이 끼워진 상태에서 도시 생략한 볼트, 너트 등에 의해 고정된다. 가스킷(22)은 석면 등으로 형성되고, 배기관의 내경과 동일한 직경의 배기가스 통과구멍이 개방되어 있다. 이 구성에 의하여 플랜지부(F, F) 사이에 센서 베이스(20)를 끼워 배기경로를 접속하여도, 배기가스가 도중에 누출되는 일은 없고, 배기경로의 길이의 증가도 적다. 도 3은, 배기관(4)의 하류단에 용접된 플랜지부(F)와, 촉매장치(5)의 상류측의 배기 파이프부(5a)의 끝부에 용접된 플랜지부(F)와의 사이에, 가스킷(22, 22)을 끼워 센서 베이스(20)가 고정되는 구성을 나타내고 있다.
센서 베이스(20)에는, 판 두께의 중앙을 끝면으로부터 배기가스 통과구멍을 향하여 관통하는 2개의 센서구멍(23, 24)이 형성되어 있다. 센서구멍(23)은 배기가스 통과구멍(21)을 향하여 개구되어 있고, 조사된 레이저광이 배기가스 통과구멍(21)을 통하여 수광부에 도달할 수 있도록 형성된 조사광 통과구멍을 구성하고 있다. 또, 센서구멍(24)은 배기가스 통과구멍(21)을 향하여 개구되어 있고, 레이저광이 수광부에 도달할 수 있도록 형성된 투과광 통과구멍을 구성하고 있으며, 센서구멍(23, 24)은 배기가스가 흐르는 방향과 직교하여 개구되어 있다.
센서부(11)는 레이저광을 조사하는 조사부로서 광파이버(25A)가 센서구멍(23)에 고정되고, 광파이버(25A)로부터 조사되어 배기가스 통과구멍(21) 내에 존재하는 배기가스 중을 투과한 레이저광을 수광하는 수광부로서, 디텍터(26A)가 센서구멍(24)에 고정되어 있다. 즉, 센서부(11)는, 조사측의 광파이버(25A)로부터 배기경로를 가로지르도록 조사된 레이저광이, 2개의 미러(30, 31)에 의해 반사되고, 배기가스 중을 투과하여 감쇠하고, 디텍터(26A)에서 수광되는 구성으로 되어 있으며, 미러는 조사된 레이저광을 반사하여 디텍터에 도광하고 있다.
센서구멍(23)은 배기가스 통과구멍(21)과 조사부인 광파이버(25)를 연통시키고, 상기와 같이 광파이버로부터 조사되는 측정용 레이저광이 통과하는 조사광 통과구멍을 구성한다. 또, 센서구멍(24)은 배기가스 통과구멍(21)과 수광부인 디텍터(26)를 연통시키고, 배기가스 중을 투과한 레이저광이 통과하여 디텍터(26)에 도달하는 투과광 통과구멍을 구성한다. 센서구멍(23)의 안 둘레면에 레이저광의 산란광을 배제하는 수단으로 구비하는 것이 바람직하다. 산란광 배제수단으로서는, 센서구멍의 안 둘레에 암나사를 형성하면 적합하다. 암나사는 관통구멍에 탭을 통과시킴으로써 용이하게 형성할 수 있다.
2개의 미러(30, 31)는, 도 4에 상세하게 나타내는 바와 같이 센서 베이스(20)의 중심부의 원형의 배기가스 통과구멍(21) 밖에, 배기가스 통과구멍을 끼워 유지하는 대향위치에서 각각 설치되어 있고, 미러의 반사면이 서로 평행이 되도록 하여 2매 배치되고, 측정용 레이저광을 반사시키도록 상하에 설치 고정된다. 즉, 미러(30, 31)는 배기가스 통과구멍(21)의 바깥 둘레에, 배기가스 통과구멍을 사이에 두고 대향하여 평행상태로 배치되어 있다. 미러(30, 31)는 배기가스 통과구멍(21)의 바깥 둘레측에 평행하게 형성된 2개의 삽입홈(32, 33) 내에 착탈 가능하게 고정되어 있고, 광파이버(25A)에서 배기가스 통과구멍(21)을 향하여 조사된 레이저광을 디텍터(26A)에 도달시키는 기능을 가지고 있다. 미러(30, 31)는 두께가 수 mm 정도인 장방형상의 기판형상으로 형성되고, 기판의 한쪽 면에 금이나 백금의 박막이 반사면으로서 형성되고, 그 위에 보호막으로서, MgF2나 SiO2의 박막이 형성 되어 있다. 또한 보호막은 형성하지 않아도 된다.
센서 베이스(20)의 배기가스 통과구멍(21)의 바깥 둘레에 형성된 삽입홈(32, 33)은, 미러(30, 31)를 느슨하게 삽입할 수 있을 정도의 크기로 설정되어 있다. 삽입홈(32, 33)은 센서 베이스(20)를 관통하여 양면측에 개구하여도, 또는 한쪽 면측에 개구하고 다른 면측이 폐쇄되어 있는 형상이어도 된다. 미러(30, 31)는 삽입홈(32, 33) 내에서 설치 스크류(36)에 의해 스페이서(37)를 거쳐 고정되어 있다. 미러가 열쇼크 등에 의해 파손된 경우는, 설치 스크류(36)를 느슨하게 함으로써 떼어 내고 새로운 미러를 고정할 수 있다. 또, 미러가 더러워졌을 때에, 센서 베이스(20)로부터 떼어 내어 청소할 수도 있다.
미러(30, 31)는 설치 스크류(36)에 의해 스페이서(37)를 거쳐 고정되어 있기 때문에, 엔진의 진동이나 배기관 등의 배기경로의 진동에 의해 미러가 진동하는 것을 방지하고 있다. 미러와 설치 스크류와의 열팽창의 차를 흡수하기 위하여 스페이서(37)가 끼워져 있고, 완충재로서 기능하고 있다. 스페이서로서는 내환경성이 우수하고, 탄성 변형하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 운모계나 카본계, 구리 등의 판재가 바람직하다. 이와 같이 스페이서를 거쳐 설치 스크류로 고정함으로써, 800℃ 정도의 고온상태에서도 진동하지 않고 안정되게 고정할 수 있다.
미러(30, 31)는 석영, 또는 사파이퍼, 세라믹 등의 모재의 표면에 반사재를 코팅하여 제작한다. 코팅재로서는, 금이나 산화티탄 등의 레이저 파장에 맞는 반사율이 높은 것을 선택하는 것이 바람직하다. 또, 반사재를 보호하는 코팅으로서 SiO2 등의 투명하고 내열성이 우수하며, 내환경성이 우수한 것을 최상면에 형성하는 것이 바람직하다. 내열성이 우수하고, 반사율이 높은 미러를 사용함으로써 정밀도 좋은 측정이 가능해진다. 또, 반사재로서 산화티탄을 사용할 때는, 산화티탄이 단독으로 내환경성이 우수하고, 광촉매로서 오염방지에 유효하기 때문에 보호막을 형성할 필요가 없고, 그대로의 상태에서 측정하는 것이 바람직하다.
배기가스 통과구멍(21)의 안 둘레면과 미러를 고정하는 삽입홈(32, 33)과의 사이에는, 측정용 레이저광이 미러에 도달할 수 있도록 광 통과구멍이 형성되어 있다. 광 통과구멍으로서는 관통하는 슬릿이나, 관통하는 광 통과구멍 등이 형성된다. 본 실시형태에서는, 배기경로에 직교하는 방향으로 직경이 수 mm 정도의 광 통과구멍(38, 38, …)이 배기가스 통과구멍(21)의 안 둘레면에서 삽입홈(32, 33)까지 관통하여 형성되고, 광 통과구멍은 배기가스 통과구멍(21)의 안 둘레면과 미러(30, 31)를 관통하고 있다. 이 구성에 의하여, 측정용 적외 레이저광이 조사부인 광파이버(25)로부터 배기가스 통과구멍(21) 내에 조사되면 아래쪽의 광 통과구멍(38)을 통하여 아래 쪽의 미러(31)에 도달하고, 아래 쪽의 미러에 의해 위쪽으로 반사되며, 이어서 위쪽의 광 통과구멍(38)을 통하여 위쪽의 미러(30)에 도달하고, 위쪽의 미러에 의해 아래쪽으로 반사되어, 상하에서 반사를 반복한 후, 위쪽에 고정된 디텍터(26)에 수광되는 구성으로 되어 있다.
광파이버(25A) 및 디텍터(26A)는 레이저 발진·수광 컨트롤러(40)에 접속되고, 레이저 발진·수광 컨트롤러(40)로부터 출사되는 적외 레이저광이 광파이 버(25A)를 통하여 센서 베이스(20)의 배기가스 통과구멍(21) 내에 조사되고, 배기가스 중을 투과한 적외 레이저광이 수광측의 디텍터(26A)에서 수광되며, 신호선(28A)을 거쳐 레이저 발진·수광 컨트롤러(40)에 입력되는 구성으로 되어 있다. 광파이버(25A)로부터 조사된 발광강도와, 배기가스 중을 투과하여 디텍터(26A)에서 수광된 수광강도 등이, 분석장치인 퍼스널 컴퓨터(55)에 공급된다. 이와 같이, 배기가스 분석장치(10)는, 복수의 센서부(11∼14)와, 레이저 발진·수광 컨트롤러(40)와, 퍼스널 컴퓨터(55)를 구비하여 구성된다.
여기서, 레이저 발진·수광 컨트롤러(40)에 대하여, 도 5를 참조하여 설명한다. 레이저 발진·수광 컨트롤러(40)는, 복수의 파장의 적외 레이저광을 조사하는 조사장치로서, 복수의 레이저 다이오드(LD1∼LD5)에, 도시 생략한 펑션 제네레이터 등의 신호발생기로부터 복수의 주파수의 신호를 공급하고, 레이저 다이오드(LD1∼LD5)는 각 주파수에 대응하여 각각 복수의 파장의 적외 레이저광을 조사한다. 레이저 발진·수광 컨트롤러(40)의 신호발생기로부터 출력되는 복수의 주파수의 신호가 레이저 다이오드(LD1∼LD5)에 공급되어 발광하고, 예를 들면 LD1은 파장이 1300 내지 1330 nm정도, LD2는 1330 내지 1360 nm라는 바와 같이, 검출하고자 하는 성분가스의 피크 파장이 존재하는 파장대가 연속되는 파장대의 적외 레이저광을 발생시키도록 설정되어 있다.
배기가스 중을 투과시키는 적외 레이저광의 파장은, 검출하는 배기가스의 성분에 맞추어 설정되고, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 암모니아(NH3), 메 탄(CH4), 물(H2O)을 검출하는 경우는, 5개의 파장의 적외 레이저광을 사용한다. 예를 들면, 암모니아를 검출하는 데 적합한 파장은 1530 nm이고, 일산화탄소를 검출하는 데 적합한 파장은 1560 nm이며, 이산화탄소를 검출하는 데 적합한 파장은 1570 nm이다. 또, 메탄을 검출하는 데 적합한 파장은 1680 nm이고, 물을 검출하는 데 적합한 파장은 1350 nm이다. 또한, 다른 배기가스의 성분의 농도를 검출하는 경우는, 배기가스성분의 수에 맞추어 다른 파장의 적외 레이저광을 사용한다. 또한, 가스농도의 검출은, 동일한 성분이어도 다른 파장인 경우가 있어, 다른 파장 중에서 선택하여 사용하도록 하여도 있다.
각 레이저 다이오드(LD1∼LD5)로부터 조사된 적외 레이저광은 광파이버(42 …)에 의해 분파기(43, …)에 도광되고, 센서부의 수에 맞추어 분파기(43)에 의해 분파된다. 도 5에서는 3개의 센서부(11∼13)에 맞추어 각 레이저 다이오드(LD1∼LD5)로부터 조사된 레이저광은 3개로 분파된다. 그리고 분파기(43 …)로 분파된 레이저광은, 분파기(44A …, 44B …, 44…)에 의해 신호광과 측정광으로 나누어진다. 분파기(44A…)는 센서부(11)용이고, 분파기(44B …)는 센서부(12)용, 분파기(44C …)는 센서부(13)용이다. 센서부(11)용의 5개의 분파기(44A …)로 나누어진 신호광은 광파이버를 통하여 합파기(45A)로 합파되고, 합파된 복수의 파장대의 신호광은 광파이버(47A)를 통하여 뒤에서 설명하는 차분형 광검출기(50A)로 도광된다. 한편, 5개의 분파기(44A …)로 나누어진 측정광은 광파이버를 통하여 합파기(46A)로 합파되고, 광파이버(25A)에 의해 센서부(11)의 조사부에 도광된다.
또, 분파기(43 …)로 분파된 적외 레이저광은, 센서부(12)용의 5개의 분파기(44B …)에 의해 신호광과 측정광으로 나누어지고, 신호광은 합파기(45B)에서 복수의 파장대를 합파한 신호광이 되고, 광파이버(47B)를 통하여 차분형 광검출기(50B)에 도광된다. 5개의 분파기(44B …)에 의해 나누어진 측정광은 합파기(46B)로 합파되고, 광파이버(25B)에 의해 센서부(12)의 조사부에 도광된다. 또한, 분파기(43 …)에서 분파된 적외 레이저광은, 센서부(13)용의 5개의 분파기(44C …)에 의해 신호광과 측정광으로 나누어지고, 신호광은 합파기(45C)에서 복수의 파장대의 신호광이 되고, 광파이버(47C)를 통하여 차분형 광검출기(50C)에 도광된다. 5개의 분파기(44C …)에 의해 나누어진 측정광은 합파기(46C)로 합파되고, 광파이버(25C)에 의해 센서부(13)의 조사부에 도광된다.
도 5에서는, 3개의 센서부(11∼13)를 나타내고 있으나, 더욱 많은 센서부(14 …)를 설치하는 경우는, 분파기(43)로 더욱 많은 레이저광으로 분파하고, 분파된 레이저광을 더욱 많은 분파기(44 …)로 측정광과 신호광으로 분파하고, 신호용 레이저광을 합파기(45)로 합파하고 나서 차분형 광검출기(50 …)에 도광함과 동시에, 측정용 레이저광을 합파기(46 …)로 합파하고 나서, 더욱 많은 센서부(14 …)에 도광한다.
본 실시형태의 배기가스 분석장치(10)는, 측정용 적외 레이저광을 미러(30, 3l)로 반사시켜 배기가스 중의 투과거리를 크게 하도록 구성되어 있고, 미러(30, 31)로 반복하여 반사된 측정용 레이저광이 디텍터에서 수광되는 구성으로 되어 있다. 센서부(11∼13)의 수광부에 접속된 수광측의 디텍터(26A, 26B, 26C)는 레이저 발진·수광 컨트롤러(40)의 차분형 광검출기(50A, 50B, 50C)에 신호선(28A, 28B, 28C)을 거쳐 접속된다. 또, 합파기(45A, 45B, 45C)로 합파된 신호광은 광파이버(47A, 47B, 47C)를 통하여 차분형 광검출기(50A, 50B, 50C)에 도광된다.
3개의 차분형 광검출기(50A, 50B, 50C)에서는, 배기가스 중을 투과하여 감쇠한 투과 레이저광과, 배기가스 중을 투과하지 않은 신호 레이저광과의 차를 취하는 구성으로 되어 있다. 신호 레이저광은 포토 다이오드 등에 입력되고, 전기신호로 변환된다. 차분형 광검출기로 산출된 신호광과 측정광의 차분에 상당하는 전기신호는, 예를 들면 도시 생략한 프리앰플리파이어로 증폭되고, A/D 변환기를 거쳐 신호 해석장치인 퍼스널 컴퓨터(55)에 입력된다. 퍼스널 컴퓨터(55)에서는, 입력된 신호로부터 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도나, 배기가스의 온도, 압력 등을 산출하여 배기가스를 분석한다.
본 발명의 배기가스 분석장치(10)는, 예를 들면 적외 레이저광을 배기가스 중에 투과시키고, 입사광의 강도와 배기가스 중을 투과한 후의 투과광의 강도에 의거하여 배기가스의 성분의 농도를 산출하여, 배기가스를 분석하는 것이다. 즉, 배기가스의 성분의 농도(C)는, 이하의 수학식 (1)로부터 산출된다.
C = -1n(I/I0)/kL
이 수학식 (1)에서, I은 투과광 강도, I0은 입사광 강도, k는 흡수율, L은 투과거리이다. 따라서 신호광인 입사광 강도(I0)에 대한 투과광 강도(I)의 비, 시 그널강도(I/I0)에 의거하여 배기가스의 성분의 농도(C)는 산출된다. 투과광 강도(I)는, 디텍터(26A, 26B, 26C)를 통하여 출력되고, 입사광 강도(I0)는, 광파이버(47A, 47B, 47C)를 통하여 차분형 광검출기(50A, 50B, 50C) 내의 포토 다이오드 등의 광전 변환기로부터 출력된다. 본 실시형태에서는 입사광 강도(I0)로서, 배기가스 중을 투과하지 않은 신호광 강도를 사용하고 있다.
상기한 바와 같이 구성된 본 실시형태의 배기가스 분석장치(10)의 동작에 대하여 이하에 설명한다. 엔진이 작동하고 있는 상태에서, 배기가스 분석장치(10)를 작동시킨다. 엔진(2)으로부터 배출된 배기가스는 배기경로인 익조스트 매니폴드(3)에서 합류되고, 배기관(4)을 통하여 제 1 촉매장치(5)에 도입되며, 다시 제 2 촉매장치(6)에 도입되고, 그후 머플러(7)를 통하여 배기 파이프(8)로부터 대기 중으로 방출된다.
그리고, 배기경로 중에 설치된 센서부(11∼14)의 센서 베이스(20)에 형성된 배기가스 통과구멍(21)을 배기가스가 통과한다. 배기가스의 특정 성분의 농도 등을 측정할 때는, 배기가스 통과구멍(21) 내에 레이저광을 조사하고, 배기가스 중을 투과한 레이저광의 광강도를 측정한다.
즉, 레이저 발진·수광 컨트롤러(40)의 신호발생기를 작동시켜 각 레이저 다이오드(LD1∼LD5)에 신호를 공급하여, 각 레이저 다이오드(LD1 ~ LD5)로부터 기설정된 파장의 적외 레이저광을 발광시킨다. 각 레이저 다이오드(LD1 ∼ LD5)로부터 발광된 적외 레이저광은, 광파이버(42 …)를 통하여 분파기(43)에 도달하고, 여기 서 센서부의 수에 맞추어 분파된다. 이후, 분파된 적외 레이저광은 분파기(44A …, 44B…, 44C …)로 측정광과 신호광으로 분파된다.
하나의 센서부(11)에 대하여 상세하게 설명하면, 5개의 분파기(44A)로 분파된 신호광은 합파기(45A)로 합파되어 신호용 레이저광이 되고, 차분형 광검출기(50 A)에 도광된다. 또, 5개의 분파기(44A)로 분파된 측정광은 합파기(46A)로 합파되어 측정용 레이저광이 되고, 센서부(11)의 조사부에 광파이버(25A)를 통하여 도광된다. 다른 센서부(12, 13)에 대해서도 마찬가지로 분파기(43 …)로 분파된 후, 분파기(44B …, 44C …)로 신호광과 측정광으로 분파되고, 합파기(45B, 45C)로 합파되며, 신호광은 차분형 광검출기(50B, 50C)에 도광되고, 합파기(46B, 46C)로 합파되며, 측정광이 센서부(12, 13)에 도광된다.
그리고, 센서부(11∼13)의 광파이버(25A, 25B, 25C)로부터 조사된 측정용 적외 레이저광은, 조사광 통과구멍인 센서구멍(23)을 통하여 배기가스가 통과하고 있는 배기가스 통과구멍(21) 내에 조사된다. 적외 레이저광은 배기경로인 배기가스 통과구멍(21) 내를 가로 질러, 광통과구멍(38)을 통하여 미러(31)에 도달하여 아래 쪽의 미러(31)에 의해 위쪽으로 반사되고, 이어서 광통과구멍(38)을 통하여 미러(31)에 도달하여 위쪽의 미러(30)에 의해 아래쪽으로 반사되고, 반사를 반복함으로써 배기가스 중의 투과거리가 커지고, 제일 마지막에 센서구멍(24)을 통하여 디텍터(26A, 26B, 26C)에서 수광된다. 즉, 측정용 적외 레이저광은 배기가스 중을 투과하여 감쇠되고, 감쇠된 투과광이 수광부인 디텍터에서 수광되어, 투과광(측정광)의 광강도가 측정된다.
배기가스 중을 통하여 감쇠하여 수광부에 도달한 측정용 적외 레이저광은 디텍터(26A. 26B, 26C)에서 전기신호로서 출력되고, 신호선(28A, 28B, 28C)을 거쳐 차분형 광검출기(50A, 50B, 50C)에 공급된다. 한편, 신호용 레이저광은 차분형 광검출기(50A, 50B, 50C)에 공급되고, 차분형 광검출기에서는, 복수의 파장성분마다 투과광(측정광)과 신호광의 차이를 취하여, 투과광 중의 특정 가스 성분의 피크파장이 검출된 흡수 스펙트럼이 검출된다. 이와 같이 하여 차분형 광검출기로부터의 출력이 신호 해석장치인 퍼스널 컴퓨터(55)에 입력된다. 퍼스널 컴퓨터(55)는, 입력된 흡수 스펙트럼의 복수의 주파수대마다의 피크 파장에 의거하여, 배기가스의 성분의 농도나 온도, 압력을 산출하여 측정하여 분석한다.
본 실시형태의 배기가스 분석장치(10)는, 상기와 같이 하여 얻어진 투과 레이저광의 흡수 스펙트럼을 도 6의 플로우차트에 따라 처리하여 배기가스를 분석한다. 단계 S1에서는, 배기가스 중을 투과한 측정용 레이저광과, 배기가스를 투과하지 않은 신호용 레이저광을 차분형 검출기에 입력하여 흡수 스펙트럼을 검출한다. 그리고, 배기가스 중을 투과한 측정용 레이저광의 광 강도(I)와, 배기가스를 투과하지 않은 신호용 레이저광의 광 강도(I0)의 비로부터, 배기가스 중의 특정성분의 농도를 산출한다(단계 S2). 이 산출은 상기한 수학식 (1)로부터 산출된다.
이후, 산출된 특성성분의 가스농도를 보정한다. 먼저, 단계 S3에서 온도에 의한 보정을 행하기 위하여, 배기가스의 온도를 산출한다. 즉, 단계 1에서 검출된 흡수 스펙트럼의 특정한 2 파장의 비로부터, 유통하고 있는 배기가스의 온도를 산 출하여 측정한다. 배기가스의 온도의 산출은 이하와 같이 행한다. 기체는, 각각 고유의 흡수 파장대를 가지고 있고, 그 흡수 파장대에는, 예를 들면 도 7에 나타내는 바와 같이, 많은 흡수선이 존재하고 있다. 도 7에서는 300K, 800K, 1000K일 때의 시그널 강도(= 분자수 비율)를 나타내고 있다. 이와 같이, 시그널강도는 온도에 의존하여 변화되기 때문에, 시그널 강도비를 측정함으로써, 측정시의 배기가스의 온도를 산출할 수 있다.
즉, 배기가스 중을 투과한 투과광 강도는 농도, 온도, 압력에 의해 변화되고, 특정한 2 파장의 투과광 강도(I)의 비율은 농도, 압력의 영향이 없고, 온도에 의존하는 것이 알려져 있다. 따라서, 특정한 λ1, λ2에서의 H2O 농도(C1, C2)를 상기한 수학식 (1)로부터 산출하고, 2개의 농도가 같기 때문에 농도를 산출하는 수학식 중의 온도를 산출할 수 있는 것이다. 구체적으로는, 수학식 (1)의 흡수율(k)은, 흡수선 강도[S(T)]와, 가스압력(Pabs)과의 곱으로 나타내지고, k = S(T)·Pabs 이고, 흡수선 강도[S(T)]는 흡수율 단면적(α)과, 아보가드로수(Na)와, 기체 정수(R)와, 온도(T)를 이용하여,
S(T)=α·(Na/RT)로 나타내진다. 온도의 산출에는, 배기가스 중에 항시 존재하고 있는 H2O(수증기)가 적합하다. 도 7에서는, 1379 nm 부근의 파장대를 변조범위로서 측정하고 있고, 투과광 강도는 아래 쪽이 커지도록 나타나 있다. 또한, 배기가스 온도의 산출은, 특정한 2파장으로부터 산출하는 것에 한정하지 않고, 선택된 적어도 2파장으로부터 산출하면 된다.
이어서, 압력에 의한 보정을 행하기 위하여, 도 6의 굵은 선의 직사각형으로 둘러싼 단계 S4 내지 단계 S6에서, 배기가스의 압력을 산출한다. 종래는, 굵은 선의 직사각형의 공정을, 배기경로 중에 설치한 압력센서에 의해 압력을 계측하고 있었으나, 본 실시형태에서는 압력센서를 사용하지 않고, 검출된 흡수 스펙트럼에 의거하여 압력을 산출한다. 이 때문에, 압력센서를 생략할 수 있어 구성이 간단해지고, 산출된 압력을 사용하여 농도를 실시간으로 보정할 수 있다. 압력의 산출에 사용하는 특정한 가스성분으로서는, 계측하는 배기경로에 항시 존재하고 있는 H2O, 즉 수증기가 바람직하다.
흡수 스펙트럼을 사용한 압력의 산출은, H2O의 흡수 스펙트럼의 피크값의 반값 폭을 사용하여 산출한다. 즉, 도 8에 나타내는 바와 같이, 흡수 스펙트럼은 압력에 의하여 그 형상이 변화되는 것으로, 구체적으로는 압력이 높아지면 피크부분이 눌려 찌그러져 편평한 형상이 되기 때문에, 그 편평도를 피크값의 반값 폭으로 근사하여 압력을 산출하는 것이고, 단계 S4에서 흡수 스펙트럼의 폭(반값 폭)을 검출한다. 그리고 단계 S5에서는, 단계 S3에서 산출한 배기가스의 온도에 의거하여, 흡수 스펙트럼의 폭을 보정한다. 이 보정은, 도 9(a)의 보정 그래프에 의하여 행하여지고, 가로축의 온도에 대응하여 선폭 보정량을 얻어, 이 보정량을 곱하여 보정한다. 이와 같이 하여 보정된 스펙트럼 폭으로부터, 도 9(b)에서 나타내는 선도를 이용하여 압력을 산출한다(단계 S6).
본 실시형태에서는, 압력센서를 사용하지 않고 흡수 스펙트럼의 형상으로부 터 압력을 산출하기 때문에, 실시간으로 배기가스의 압력 데이터를 얻을 수 있다. 그리고, 단계 S7에서는, 단계 S3에서 산출된 온도 데이터에 의하여 단계 S2에서 산출된 농도를 보정하고, 단계 S8에서는, 단계 S6에서 산출된 압력 데이터에 의하여 직전의 단계에서 보정된 농도를 다시 보정한다. 이 보정은, 실제로는 단계 S8, S9의 보정은, 동시에 행하여지고, 이론 스펙트럼을 구하는 이론식 중의 온도와 압력의 항에 실제로 산출된 온도와 압력의 수치를 대입하여 이론 스펙트럼의 보정을 행하고, 그 결과와 실제로 측정하여 검출한 흡수 스펙트럼과의 관계로부터 참된 농도를 구할 수 있다.
구체적으로는, 이하에 나타내는 수학식 (2)의 온도와 압력의 항에 수치를 대입하여 이론 스펙트럼의 보정을 행한다. 즉, 일반적으로 분자로부터 발생하는 광의 스펙트럼은 완전한 선 스펙트럼으로는 되지 않고, 기설정된 넓이를 가지는 것이 알려져 있다. 그 넓이의 종류에는, 자연 넓이, 충돌 넓이, 도플러 넓이 등, 3개의 넓이가 있고, 자연 넓이는 분자 에너지의 불확정성으로부터 생기는 것이고, 충돌 넓이는 분자간 충돌에 의한 분자진동만으로부터 생기는 것이고, 도플러 넓이는 분자 병진운동과 광의 도플러효과로부터 생기는 것이다.
이들 3개의 넓이를 정리하여, 소정의 온도, 압력, 가스의 농도에서의 이론 스펙트럼을 산출하는 수학식을 나타내면, 결과적으로 Voigt 함수라 불리우고 있는 이하의 수학식 (2)가 된다.
Figure 112008050921537-PCT00001
상기 수학식 (2)에서 이용되는 Iλ는, 파장 람다에서의 흡수량이고, λc는 흡수 라인 파장이며, Adbs는 흡수선의 광 흡수량이고, WL은 압력 브로드닝의 반값 폭이고, Wg는 온도 브로드닝의 반값 폭이다. 그리고, Adbs=[1-exp(-α·N·L)]이고, α는 흡수율, L은 투과거리, N은 분자의 개수이다. 또, WL= P·(294/T)al, Wg= b1·Ta2이고, T는 온도, P는 압력, a1, a2, b1은 각 분자에 기인하는 계수이다. 그리고 단계 S7, S8에서의 농도의 보정은, 상기 수학식 (2)의 온도의 항과 압력의 항에, 단계 S3에서 산출된 온도와, 단계 S6에서 산출된 압력을 대입하여 이론 스펙트럼을 보정하고, 단계 S9에서 농도의 참값을 출력한다.
상기한 플로우차트에 의한 연산이나 신호해석은, 퍼스널 컴퓨터(55) 내의 메모리 내에 축적된 데이터나, 수학식에 의거하여 연산처리가 행하여짐과 동시에, 산출된 수치의 보정처리도 행하여지고, 부속의 디스플레이로 표시하여 출력된다. 즉, 퍼스널 컴퓨터(55)의 디스플레이에서는, 복수의 센서부(11∼14)마다, 배기가스 중의 특정한 가스성분마다, 참된 가스농도가 표시되고, 배기가스분석이 행하여진다. 이와 같이 차분형 광검출기(50)는, 수광된 레이저광으로부터 흡수 스펙트럼을 검출하는 검출수단을 구성하고, 퍼스널 컴퓨터(55)는, 배기가스의 농도를 산출하 고, 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스의 온도를 산출하며, 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스의 압력을 산출하는 산출수단을 구성함과 동시에, 산출된 가스의 농도를 보정하는 보정수단을 구성하고 있다.
또한, 도시 생략하였으나, 도 6의 플로우차트에서 단계 S4와 단계 S5와의 사이에, 농도에 의한 흡수 스펙트럼 폭 보정의 공정을 넣어도 된다. 이 경우는, 단계 S2에서 산출된 H2O 농도로부터 도 9(c)의 보정선도를 이용하여 선폭 보정량을 구하고, 이 보정량을 단계 S4에서 검출한 흡수 스펙트럼 폭에 곱하여 보정하도록 구성한다. 이 공정도, 퍼스널 컴퓨터(55) 내에서, 일련의 연산처리로서 실행된다.
다음에, 본 발명의 다른 실시형태에 대하여, 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10은 검출된 흡수 스펙트럼으로부터 그 때의 배기가스의 특정 성분의 가스농도를 산출하는 설명도이다. 이 실시형태는, 상기한 실시형태의 플로우차트(도 6)의 단계 S4내지 S6에서 압력을 산출하는 대신에 행하여진다. 즉, 단계 S1에서 흡수 스펙트럼을 검출하고, 단계 S2에서 흡수 스펙트럼의 흡수비로부터 농도를 산출하고, 단계 S3에서 2파장의 비로부터 배기가스의 온도를 산출한 후, 도 10에서 설명하는 패턴 매칭에 의한 피팅방법에 의하여 배기가스의 농도를 산출하는 것이다.
이 방법에 의한 압력의 산출은, (b)에서 나타내는 미리 산출된 다수의 이론 스펙트럼의 형상과, 단계 S1에서 검출된 (a)에서 나타내는 흡수 스펙트럼의 형상을 비교하여, 가장 근사한 스펙트럼을 구하여, 이 스펙트럼을 기초로 농도를 결정한다. 도시한 예에서는, 가스농도가 1%, 0.9%, 0.8% …, 1000 PPM, 900 PPM, 800 PPM …, 200 PPM, 150 PPM, 100 PPM, 50 PPM …이라는 바와 같이 미리 산출된 이론 스펙트럼과, 실측된 흡수 스펙트럼의 형상을 비교하여, 가장 가까운 형상의 이론 스펙트럼으로부터, 그 때의 가스농도를 결정한다. 이와 같이 하여, 가스농도를 산출하면, 해석시간이 길어지는 문제가 발생하나, 연산장치의 처리능력을 올림으로써 대처할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 대하여, 도 11을 참조하여 설명한다. 도 11은, 검출된 흡수 스펙트럼을 사용하여, 가스농도의 보정을 행하는 설명도이다. 도 11에서, 가로축은 파장이고, 세로축은 광강도이다. 이 실시형태는, 상기한 실시형태의 플로우차트(도 6)의 단계 S2에서 산출된 가스농도를 보정하여 농도의 참값을 출력하는 것을 특징으로 하고 있다. 즉, 이 실시형태에서는, 단계 S1에서 검출된 흡수 스펙트럼과, 단계 S2에서 산출된 농도, 단계 S3에서 산출된 온도, 단계 S4∼S6에서 산출된 압력으로 일의적으로 정해지는 이론 스펙트럼을 비교하여 단계 S7, S8 대신에 농도의 보정값을 산출하는 공정과, 산출된 보정값으로 보정하는 공정을 구비하고 농도를 보정하여 농도 참값을 출력하는 것이다.
이 실시형태에서는, (a)에 나타내는 바와 같이 이론 스펙트럼(S1)과 흡수 스펙트럼(S2)을 겹쳐서, 먼저 이론 스펙트럼의 적분값(제 1 면적 A)을 산출한다. 그리고, 흡수 스펙트럼(S2)으로부터 이론 스펙트럼(S1)이 큰 부분의 적분값(제 2 면적 B) 과, 이론 스펙트럼(S1)으로부터 흡수 스펙트럼(S2)이 큰 부분의 적분값(제 3 면적 C)을 산출한다. 이와 같이 하여 산출된 3개의 면적(A, B, C)으로부터, 이하의 수학식 (3)에 의하여 보정값(x)을 산출한다.
즉,
보정값 x = (제 1 면적 A - 제 2 면적 B + 제 3 면적 C)/제 1 면적 A
따라서, 제 2 면적(B)과 제 3 면적(C)이 같은 경우는, 보정값(x)은 「1」이 된다.
이와 같이 하여 농도의 보정값(x)을 산출하고, 상기한 이론 스펙트럼의 면적 A에 상당하는 가스농도에 이 보정값(x)을 곱하여, 가스농도의 참값을 얻을 수 있다. 가스농도의 참값은, 이하의 수학식 (4)로 산출된다.
즉,
가스농도의 참값 = 이론 스펙트럼(S1)의 면적(제 1 면적 A)×보정값(x)
이 실시형태에서는, 흡수 스펙트럼의 형상으로부터 산출된 가스농도를, 이론 스펙트럼과 흡수 스펙트럼과의 형상에 의거하여 보정값을 산출하여 보정하기 때문에, 가스농도의 참값을 얻기 위한 연산 시간을 대폭으로 단축할 수 있다. 이 결과, 배기가스분석의 신속한 처리가 가능해져, 엔진의 개발 등에서의 배기가스 분석에 공헌할 수 있다. 이들 연산은 퍼스널 컴퓨터(55)로 실행된다. 이 실시형태에서는, 상기 실시형태와 같이 패턴 매칭을 행하지 않고 계산으로 보정값을 산출하여 가스농도를 보정하기 때문에, 계산속도가 향상하여 실시간으로 가스농도의 계측이 가능해진다.
이상, 본 발명의 실시형태에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은, 상 기한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 정신을 일탈하지 않는 범위에서, 여러가지의 설계변경을 행할 수 있는 것이다. 예를 들면, 배기가스의 성분의 농도의 산출에서, 수학식 (1)에 의해 산출하는 예와, 흡수 스펙트럼의 형상의 면적을 구하여 산출하는 예, 흡수 스펙트럼의 형상과, 온도, 압력, 가스농도에 의해 일의적에 결정되는 이론 스펙트럼의 형상을 비교하여, 패턴 매칭에 의하여 가스농도를 결정하는 예를 나타내었으나, 다른 방법에 의해 가스농도를 산출하도록 하여도 된다.
또, 센서부의 형태는 하나의 예를 나타내는 것으로, 이 형태에 한정되는 것은 아니고, 가스통과구멍에 대향하도록 레이저광의 조사부와 수광부를 배치하고, 미러 등의 반사부재를 사용하지 않고, 레이저광을 직접 수광하도록 구성하여도 된다, 또 미러를 1매 사용하여, 조사부로부터 조사된 레이저광을 미러로 1도만큼 반사시켜 수광하도록 구성하여도 된다.
또한 미러의 표면에, 예를 들면 이산화티탄(TiO2)의 박막으로 이루어지는 광촉매층을 형성하여도 된다. 이 박막은 자외광 등의 광촉매용 광선을 흡수하여 활성화하고, 표면에 부착된 오염을 부상시켜, 부상된 오염은 배기가스 흐름에 의하여 흘러 배기경로로부터 외부에 배출되도록 기능하기 때문에, 미러의 표면을 청정화할 수 있고, 반사율을 높일 수 있어, 바람직하다.
본 발명의 활용예로서, 이 배기가스 분석장치를 사용하여 보일러 등의 연소 장치의 배기가스 분석을 행하는 수 있고, 자동차의 배기가스 분석 외에, 선박이나 발전기 등에서 이용하는 내연기관의 배기가스 분석의 용도에도 적용할 수 있다. 또 가솔린엔진의 배기가스 분석 외에 디젤엔진의 배기가스분석을 행할 수 있고, 또한 다른 내연기관의 배기가스분석의 용도에도 적용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 레이저광을 조사하고, 배기가스 중을 투과한 레이저광을 수광하며, 수광된 레이저광에 의거하여 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 측정하는 배기가스 분석방법에 있어서,
    수광된 레이저광으로부터 배기가스 중에 흡수된 레이저광의 흡수 스펙트럼을 검출하고, 상기 흡수 스펙트럼으로부터 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도, 배기가스 온도, 및 배기가스 압력을 산출하고, 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를, 상기 배기가스 온도 및 배기가스 압력을 사용하여 보정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 분석방법.
  2. 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 레이저광을 조사하고, 배기가스 중을 투과한 레이저광을 수광하며, 수광된 레이저광에 의거하여 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 측정하는 배기가스 분석방법에 있어서,
    수광된 레이저광으로부터 배기가스 중에 흡수된 레이저광의 흡수 스펙트럼을 검출하고, 상기 흡수 스펙트럼으로부터 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도, 배기가스 온도 및 배기가스 압력을 산출하며,
    상기 흡수 스펙트럼으로부터 산출된 배기가스 온도, 배기가스 압력 및 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도에 의하여 결정되는 이론 스펙트럼과, 검출된 상기 흡수 스펙트럼에 의거하여 농도의 보정값을 산출하고,
    상기 보정값에 의하여 상기 산출된 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 보정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 분석방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도의 산출은, 분석되는 배기가스의 특정 성분의 이론 스펙트럼을 성분 농도에 따라 변화시킨 복수의 스펙트럼 패턴을 사용하여, 가장 근사한 스펙트럼 패턴의 배기가스 농도로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 분석방법.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 배기가스 온도의 산출은, H2O의 상기 흡수 스펙트럼 중의 선택된 적어도 2파장의 투과광 강도비로부터 산출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 분석방법.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 배기가스 압력의 산출은, H2O의 흡수 스펙트럼의 피크 파장의 스펙트럼 폭에 의거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 분석방법.
  6. 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 레이저광 발생수단으로부터 발생시킨 레이저광을 조사하고, 배기가스 중을 투과한 레이저광을 수광하며, 수광된 레이저 광에 의거하여 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 측정하는 배기가스 분석장치에 있어서,
    상기 배기가스 분석장치는, 수광된 레이저광으로부터 배기가스 중에 흡수된 레이저광의 흡수 스펙트럼을 검출하는 검출수단과,
    상기 흡수 스펙트럼으로부터 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도, 배기가스온도 및 배기가스 압력을 산출하는 산출수단과,
    상기 산출된 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를, 상기 산출된 배기가스 온도 및 배기가스 압력으로 보정하는 보정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 분석장치.
  7. 내연기관으로부터 배출되는 배기가스에 레이저광 발생수단으로부터 발생시킨 레이저광을 조사하고, 배기가스 중을 투과한 레이저광을 수광하며, 수광된 레이저광에 의거하여 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 측정하는 배기가스 분석장치에 있어서,
    상기 배기가스 분석장치는, 수광된 레이저광으로부터 배기가스 중에 흡수된 레이저광의 흡수 스펙트럼을 검출하는 검출수단과,
    상기 흡수 스펙트럼으로부터 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도, 배기가스 온도 및 배기가스 압력을 산출함과 동시에, 산출된 배기가스 온도, 배기가스 압력 및 배기가스의 성분의 농도에 의하여 결정되는 이론 스펙트럼과, 검출된 상기 흡수 스펙트럼에 의거하여 농도의 보정값을 다시 산출하는 산출수단과,
    상기 산출된 상기 배기가스 중에 함유되는 성분의 농도를 상기 보정값에 의하여 보정하는 보정수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 분석장치.
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