WO2006118347A1

WO2006118347A1 - 排ガス分析装置

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Publication number: WO2006118347A1
Application number: PCT/JP2006/309360
Authority: WO
Inventors: Katsutoshi Goto; Masahiro Yamakage; Yoshihiro Deguchi; Taketoshi Yamaura
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha; Mitsubishi Heavy Industries, Ltd.
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2006-11-09
Also published as: CN101147054B; KR20080013949A; US8208143B2; EP1876439A1; EP1876439A4; CN101147054A; US20090039284A1; JPWO2006118347A1; JP4673887B2

Abstract

　排気経路の１断面における排ガスの成分の濃度や温度等をスポット的に測定してリアルタイムで分析でき、分析コストを低減できる排ガス分析装置を提供する。　排ガス分析装置(10)は、エンジン(2)の排ガスを排出する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)から構成される排気経路に、排ガスにレーザ光を照射する光ファイバ(25)と、光ファイバから照射され排ガス中を透過したレーザ光を受光するディテクタ(26)とを備えるセンサ部(11)～(14)を設置し、ディテクタ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等の状態を測定して排ガスを分析する装置であり、センサ部は排気経路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(21)を有しており、赤外レーザ光Ｒは光ファイバ(25)から貫通孔(21)に照射され、排気経路を横切ってディテクタ(26)で受光される。

Description

明細書排ガス分析装置技術分野

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。背景技術

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 H C測定装置がある。この車載型 H C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 H C (炭化水素）濃度を連続的に測定するための N D I R (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、 N D I R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 T H C (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、 N D I R (Non-Dispersive Infrared Analyzer) 非分散型赤外分光法、 F I D ( Flame Ionization Detector ) 法や、 C L D ( 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。

特許文献 1 ：特開 2 0 0 4 _ 1 1 7 2 5 9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 T H C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^ 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。発明の開示

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一まで、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一ザ光が照射され、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ぉ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、排気パルプ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。図面の簡単な説明

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はレ一ザ発振 ·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 5 aは低温のときのシグナル強度の説明図、図 5 bは高温のときのシグナル強度の説明図である。

図 6 a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 6 bは本発明の吸収スぺ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。 . . 発明を実施するための最良の形態

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に設置されたェンジン 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 1 A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、ェ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、そのあとマフラ一 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、ェキゾ一ストマニホルド 3、排気管 4、第 1触媒装置 5、第 2触媒装置 6、マフラ一 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、マフラ一 7により消音、減圧して大気中に放出する。なお、マフラ一はメインマフラーとサブマフラ一の 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ポ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はマフラ一 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 1 0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 1 1〜1 4を備えて構成される。第 1のセンサ部 1 1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 1 2は第 1触媒装置 5の下流側に設置され、第 3のセンサ部 1 3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 1 4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 1 4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 をポ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 1 1 , 1 2， 1 3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 1 1〜1 3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 1 4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 1 1〜1 4は同一構成であり、 1つのセンサ部 1 1について図 3を参照して説明する。センサ部 1 1は矩形状の薄板材から形成されたセンサ本体 2 0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 2 1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 2 0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 2 0の厚さは、例えば 5〜2 0 m m程度が好適である。 2 0 mmを超えると排ガス流に乱れが生じやすく、 5 mm より薄いと照射部ゃ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 2 0の厚さは任意に設定できる。

このように、貫通孔 2 1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 1 1 〜1 4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ゃ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 2 0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 2 2， 2 3が形成されている。センサ孔 2 2 , 2 3は貫通孔 2 1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 1 1はレ一ザ光を照射する照射部として光ファイバ 2 5 ( 2 5 A) がセンサ孔 2 2に固定され、光ファイバ 2 5から照射され貫通孔 2 1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 2 6がセンサ孔 2 3に固定されている。すなわち、センサ本体 2 0には照射側の光ファイバ 2 5と、受光部としてディテクタ 2 6とが対向して固定され、光ファイバ 2 5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 2 6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卜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、ェ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、エンジンの開発ゃ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 2 0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 2 0との間にはガスケット 2 7 , 2 7が挟まれた状態で図示していないポルト、ナット等により固定される。ガスケット 2 7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 2 0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 5 aの端部に溶接されたフランジ部 Fとの間に、ガスケット 2 7， 2 7を挟んでセンサ本体 2 0が固定される構成を示している。 . 光ファイバ 2 5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 (28 A ) 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 1 1〜14と、レ一ザ発振 '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。レ一ザ発振 ·受光コントローラ 30は、複数の波長の赤外レ一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 LD 1〜LD 5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、レ一ザダイオード LD 1〜LD 5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ォ一ド LD 1〜LD 5に供給されて発光し、例えば LD 1は波長が 1 300〜 1 330 nm程度、 LD 2は 1 330〜 1360 nmというように、検出しょ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（C0₂) 、アンモニア（NH₃) 、メタン（CH₄) 、水（H₂0) 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 1 53 O nmであり、一酸化炭素を検出するのに適した波長は 1 560 nmであり、二酸化炭素を検出するのに適した波長は 1 570 nmである。また、メタンを検出するのに適した波長は 1 680 nmであり、水を検出するのに適した波長は 1 350 nm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。

各レーザダイォ一ド LD 1〜LD 5から照射された赤外レ一ザ光は光ファイバ 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 1 1〜1 3に合わせて各レーザダイォード LD 1〜LD 5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 34Α 、 34Β··'、 34 C…により信号光と測定光に分けられる。分波器 34Α…はセンサ部 1 1用であり、分波器 3 4Β…はセンサ部 1 2用、分波器 34 C…はセンサ部 1 3用である。センサ部 1 1用の 5つの分波器 34 Α…で分けられた信号光は光ファイバを通して合波器 3 5A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 37 Aを通して後述する差分型光検出器 4 OA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 36 Aで合波され、光ファイバ 25 Aを通してセンサ部 1 1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一ザ光は、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 35 Bで複数の波長帯を合波した信号光となり、光ファイバ 37 Bを通して差分型光検出器 40 Bに導光される。 5つの分波器 34Β Ϊより分けられた測定光は合波器 36 Β で合波され、光ファイバ 25 Βを通してセンサ部 1 2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 1 3用の 5つの分波器 34 C…により信号光と測定光に分けられ、信号光は合波器 35 Cで複数の波長帯の信号光となり、光ファイバ 37 Cを通して差分型光検出器 40 C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 36 Cで合波され、光ファイバ 25 C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 1 1〜 1 3を示している力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 —ザ光を合波器 3 5…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 1 1~13の受光部に接続された受光側のディテクタ 26 Α, 26 Β , 26 Cはレーザ発振 ·受光コントローラ 30の差分型光検出器 40 A, 40 B , 40 Cに信号線 28A, 28 B, 28 Cを介して接続される。また、信号光は光ファイバ 37 A, 37 B, 37 Cを通して差分型光検出器 40 A， 40 B, 4 0 C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、 AZD変換器を介して信号解析装置であるパ一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 =- I n ( I / I ₀) XkL- (1)

この数式（1) において、 Iは透過光強度、 I。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 _Q) に対する透過光強度（I) の比、シグナル強度（1 /1。）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 26 A, 26 B, 26 Cを通して出力され、入射光強度 I。は、光ファイバ 37 A， 37 B, 37 C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。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 1 0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 *受光コント口一ラ 30の信号発生器を作動させて各レーザダイオード LD：!〜 LD 5に信号を供給して各レーザダイオード L D 1〜 L D 5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 LD 1〜LD 5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—， 34Β···, 34 C…で測定光と信号光に分波される。 1つのセンサ部 1 1について詳細に説明すると、 5つの分波器 34 Aで分波された信号光は合波器 35 Aで合波されて信号用レ一ザ光となり、差分型光検出器 4 OA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 36 Aで合波されて測定用レーザ光となり、センサ部 1 1の照射部に光ファイバ 25 Aを通して導光される。他のセンサ部 1 2, 1 3 についても、同様に分波器 33…で分波されたあと、分波器 34B， 34 Cで信号光と測定光に分波され、合波器 35 B， 35 Cで合波されて、信号光は差分型光検出器 40 B， 40 Cに導光され、測定光がセンサ部 12, 1 3に導光される。

そして、センサ部 1 1〜1 3の光ファイバ 25 A, 25 B, 25 C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 2 1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 2 1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 26 A, 26 B, 26 C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 2 1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、辨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はディテク夕 26A, 26 B, 26 Cで電気信号として出力され、信号線 28 A, 28 B, 28 Cを介して差分型光検出器 40A， 40 B, 40 Cに供給される。一方、信号用レーザ光は差分型光検出器 4 OA, 40 B, 40 C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 4 5に入力される。パーソナルコンピュー夕 4 5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 5 aは低温のときのシグナル強度（二分子数割合）を示しており、図 5 b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 λ ΐに対してレ一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、瘟度計測は、前記のスペクトルプロファイルを異なる 2つの吸収線 λ 1、 λ 2について計測し、それらの面積比 A 1 /A 2 (またはピークの高さの比 Ρ 1 / Ρ 2 ) 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 6 aに示すように、吸収スぺ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 6 b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 1 0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ゃ排ガスの成分の濃度、第 1触媒装置 5、第 2触媒装置 6、マフラ一 7を通過したあとの排ガスの温度ゃ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 1 0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、タイムリ一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 1 0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卜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、排ガス中のレ一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 1 1〜1 4は板状のセンサ本体 2 0 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 1 0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ゃ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 Ί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 1 5は、光ファイバ 2 5 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、ディテク夕 2 6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錄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 1 5のセンサ本体 5 0には、その中心部に排ガスを通過させる貫通孔 5 1が形成され、貫通孔 5 1内には、対向して上下 2枚の反射板 5 2 , 5 3が貫通孔 5 1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 5 1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 2 5から出射される赤外レーザ光 Rが先ず下方の反射板 5 3 .により上方に向けて反射され、次いで上方の反射板 5 2により下方に向けて皮射され、 2枚の反射板 5 2， 5 3により交互に反射されることで、受光側のディテクタ 2 6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夕 2 6で受光される構成となっている。

センサ本体 5 0の厚さは、前記の実施形態と同様に 5〜2 0 mm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 5 0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ポルトに対応している。そして、センサ本体 5 0に形成された貫通孔 5 1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 5 2 , 5 3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 2 5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、叟光側のディテクタ 2 6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 2 5およびディテクタ 2 6が、 2枚の反射板 5 2， 5 3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 2 5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 2 6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 5 2， 5 3において反射を繰返すことができるため、中央の貫通孔 5 1.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 5 2 , 5 3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 S i C、 S i 0 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、 M g F ₂や S i 0 ₂の薄膜が形成されている。本実施形態では、反射板 5 2， 5 3はセンサ本体 5 0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 1 5では、照射部である光ファイバ 2 5から照射された赤外レ一ザ光は対向する反射板 5 2 , 5 3で交互に反射が繰り返され、光路長が長くなつ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 5 0に形成された貫通孔 5 1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 1 5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 5 2 ， 5 3は平板であり、作製が容易で、センサ本体 5 0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 1 5では、信号レーザ光の光強度 I。と、測定用赤外レーザ光 Rの透過光強度 Iとの比（I Z I。）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 5 2 , 5 3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 2 5から照射された光強度に対して、ディテクタ 2 6で受光される光強度は 3 0 %以上となることが好ましい。 3 0 %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 1 6は、排ガス中を透過させる赤外レ一ザ光 Rの反射部として、センサ本体 6 0に形成された貫通孔 6 1の内面に反射面 6 2を形成している。すなわち、センサ本体 6 0には照射側の光ファイバ 2 5 と受光側のディテクタ 2 6が固定され、照射側の光ファイバ 2 5から出射された赤外レーザ光 Rは貫通孔 6 1の内面に形成された反射面 6 2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 2 6に受光される構成となっているまた、貫通孔 6 1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 6 0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 6 1の内面を反射面 6 2とすることで、センサ本体 6 0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 6 1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 6 1の内面に形成された反射面 6 2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、 M g F ₂や S i 0 ₂の薄膜が形成されている。反射面 6 2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 6 0を取外して清掃することが好ましい。反射面 6 2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、照射側の光フアイバ 2 5から照射された赤外レーザ光 Rは、貫通孔 6 1内で反射面 6 2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 2 6で受光されるように構成され、貫通孔 6 1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、赤外レ一ザ光を反射して、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（N O x ) 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、 · N O X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、可視レ一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ォ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一夕レンズを設け、コリメ一夕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ェキゾ一ストマニホルドとの間に設置してもよい。産業上の利用可能性

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

請求の範囲

1 . 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、前記排気経路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、排気経路を横切つて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 . 前記排気経路の断面形状は円形であり、前記センサ本体には、前記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前記貪通孔が形成されてい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ることを特徴とする請求項 1または 2に記載の排ガス分析装置。

4 . 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を特徴とする請求項 3に記載の排ガス分析装置。

5 . 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〜 4のいずれかに記載の排ガス分析装置。

6 . 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を特徴とする請求項 1〜 5のいずれかに記載の排ガス分析装置。