JP4227991B2 - 排ガス分析装置および排ガス分析方法 - 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の濃度を算出すると共に、排ガス中に含まれる粒子状物質の濃度を算出する排ガス分析装置と、排ガス分析方法に関する。

従来、自動車等の内燃機関から排出される排ガスに含まれる種々の成分を測定する方法および装置はすでに提案されている。例えば、特許文献１には、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することにより、路上走行中の自動車などの車輌の内燃機関からの排ガスに含まれるＨＣ濃度をリアルタイムで測定することを可能としている。しかし、特許文献１では、排ガス中に含まれる粒子状物質を測定することについては、言及がされていない。

特許文献２には、自動車などの排ガスに含まれる二酸化炭素や窒素酸化物などの濃度と共に、排ガス中に含まれる浮遊粒子状物質の濃度をも計測できるようにしたレーザ計測装置が記載されている。ここでは、一方側にレーザ光源が、他方側に受光器が配置されているサンプリング管内に排ガスを導入し、照射するレーザ光が排ガス中に浮遊する粒状物質によって散乱することにより減衰したレーザ光を受光器側で受光し、その減衰分から粒子状物質の濃度を測定するようにしている。
特開２００４−１１７２５９号公報 特開２００２−４８７１１号公報

自動車などの内燃機関から出る排ガス中に含まれる炭素微粒子、サルフェート等の硫黄系微粒子、高分子量炭化水素微粒子（ＳＯＦ）等のような粒子状物質を量として正確にとらえることは、環境保全の観点から緊要の課題となっている。特許文献２に記載される、レーザ光の散乱光に起因する情報を利用してガス中の粒子状物質の濃度を算出（計測）する方法は、そのための有効な解決策として期待できる。

しかし、特許文献２に示される赤外線レーザ光を用いたレーザ計測装置を排ガス配管内に適用すると、以下のような問題点がある。すなわち、計測する粒子径が異なる粒子の場合、信号強度と粒子濃度に比例関係が成立しなくなり、計測精度は低下する。また、計測精度向上のためには、複数の波長の光を使用する必要があり、装置形態が複雑となる。さらに、成分濃度、温度、粒子状物質を同時に計測する場合、複数装置を組み合わせる必要があり、装置が大型化すると共に高価となる。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、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中に含まれる成分の濃度を分析するレーザ光を用いて、排ガスに含まれる粒子状物質の濃度を測定でき、排ガス中の成分分析と、排ガスに含まれる粒子状物質の測定とを同時に高い精度で算出することのできる排ガス分析装置および排ガス分析方法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、内燃機関から排出される排ガスにレーザ光を照射して排ガスを分析する装置で、内燃機関からの排ガスを導入する導入路と、この導入路を流れる排ガスの流れに対して直交する方向にレーザ光を照射する光照射部と、排ガス中を透過した後のレーザ光を受光する透過光受光部と、前記レーザ光の照射により排ガス中に含まれる粒子状物質から生じるミー散乱光を受光する散乱光受光部と、前記透過光受光部から得られる透過光強度の受光データに基づいて排ガス中の成分の濃度を算出すると共に、前記散乱光受光部から得られる散乱光強度の実測データに基づいて排ガス中に含まれる粒子状物質の濃度を算出する算出部と、を備えることを特徴としている。

また、本発明による排ガス分析方法は、内燃機関から排出される排ガスにレーザ光を照射して排ガスを分析する方法であって、前記レーザ光を排ガス中に照射し、排ガス中を透過したレーザ光を受光し、受光されたレーザ光に基づいて前記排ガス中に含まれる成分の濃度を算出し、前記レーザ光を照射したときに排ガス中に含まれる粒子状物質から生じるミー散乱光を受光し、受光されたミー散乱光強度の実測データと、粒径毎に特定されるミー散乱光強度に関する理論値データとに基づいて当該排ガス中の前記粒子状物質の濃度を算出することを特徴とする。

本発明による排ガス分析装置および排ガス分析方法は、基本的に、排ガスにレーザ光を照射し、排ガス中を透過したレーザ光を受光し、受光されたレーザ光に基づいて前記排ガス中に含まれる成分の濃度を算出すると共に、レーザ光の照射で粒子状物質から生じるミー散乱光を受光して粒子状物質の濃度を算出している。そして、粒子状物質の濃度の測定は、一定粒子径の粒子状物質にレーザ光を照射したときに発生するミー散乱光強度は照射するレーザ光の波長依存性があり、波長を横軸としミー散乱光強度を縦軸としたときに当該粒子径に固有の理論値パターンが存在すること、および、前記固有の理論値パターンは粒子径によってそれぞれ異なっていること、を利用している。

自動車等の内燃機関から排出される排ガスは、内燃機関の運転環境に応じて、成分濃度や粒子状物質の濃度が変化する。また、粒子状物質は、異なった粒子径のものが混在した状態で排出される。本発明においては、内燃機関からの排ガスを導入する導入路に複数の波長の光を含むレーザ光を照射することのできる光源を配置して、そこを流れる排ガスに複数の波長の光を含むレーザ光を照射する。照射したレーザ光は排ガス中に含まれる粒子状物質に当たって散乱し、各波長ごとの所要強度のミー散乱光を発生する。発生したミー散乱光は散乱光受光部で受光され、受光したデータは各波長毎のミー散乱光強度の実測データとして算出部に送られる。

前記のように排ガス中には異なった粒径の粒子状物質が混在しており、それぞれの粒子状物質からそれぞれの強度のミー散乱光が発生するが、散乱光受光部で受光する各波長毎のミー散乱光強度の実測データは、その中で最も支配的な粒径の粒子状物質からのミー散乱光強度データとほぼ一致すると考えることができる。

実測された各波長毎のミー散乱光強度の実測データを、データ格納部に格納されている粒径毎に特定されるミー散乱光強度に関する理論値データと比較し、パターンとして最も近似する理論値パターンデータを選択する（パターンマッチング）。選択された理論値パターンデータから、実測している排ガス中に含まれる粒子状物質中での最も支配的な粒径を推測することができる。

選択した理論値パターンデータから、そのミー散乱光強度の最大値を得、以下、ミー散乱理論に基づき、算出部は、ミー散乱光強度と濃度の関係から理論値での濃度を算出する。さらに、算出部は、算出された理論値データでの粒子状物質の濃度を、従来知られた手法により、実測したミー散乱光強度の計測値で補正する。それにより、計測排ガス中での実際の粒子状物質濃度（例えば、ｍｇ／ｍ^３あるいは％）が得られる。前記補正手法としては、実際の計測結果から求める手法やミー散乱光の理論式から求められる計数を利用する手法などが挙げられるが、いずれにおいても、流下する既知の粒径の粒子状物質に所定の波長の光を含むレーザ光を実際に照射して予め検証しておくことにより、より高い精度での濃度の算出が可能となる。

上記のように、本発明に係る排ガス分析装置および排ガス分析方法では、排ガス中に含まれる粒子状物質の濃度を算出するに当たって、粒子状物質の粒子径を算出根拠の一つとして用いており、精度の高い算出が可能となる。

本発明に係る排ガス分析装置において、好ましくは、前記算出部は、粒径毎に特定されるミー散乱光強度に関する理論値データを格納するデータ格納部を備えており、散乱光受光部で得られるミー散乱光強度の実測データとデータ格納部に収納された理論値データとに基づき排ガス中の前記粒子状物質の濃度を算出することを特徴とする。

このように構成された排ガス分析装置によれば、実測データと理論値データとを比較し、パターンとして最も近似する理論値パターンデータを選択する。そして、選択された理論値データから排ガス中に含まれる粒子状物質の粒径を推定し、推定された粒径に基づいて粒子状物質の濃度を算出するため、より高い精度の粒子状物質の濃度を算出することができる。

本発明に係る排ガス分析装置において、好ましくは、前記散乱光受光部を複数個備え、算出部は複数の散乱光受光部で得られたミー散乱光強度の実測データの平均値を演算する手段をさらに備えるようにされる。この場合には、複数の実測値の平均値として各波長毎のミー散乱光強度データの実測値を得ることかできるので、より高い精度での理論値パターンデータ選択（パターンマッチング）が可能となる。

本発明によれば、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の濃度や温度、圧力等と共に、粒子状物質の濃度を高い精度で算出することが可能となる。

以下、本発明に係る排ガス分析装置を自動車の内燃機関（エンジン）からの排ガス分析装置として用いた場合の一実施の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搭載した状態の要部構成図、図３は、センサ部とその近傍を分解した状態で示す斜視図、図４はセンサ部の詳細図である。また、図５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１〜３において、本実施形態の排ガス分析装置は、自動車１に設置された内燃機関（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に設置された内燃機関（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Ｆ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（図示の例では４個）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。また、第１のセンサ部１１の上流側の、エキゾーストマニホルド３で合流する前の１気筒毎の排気管に別のセンサ部を設置してもよい。

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なうものであり、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、図４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ベース２０を有し、このセンサベースは中心部に排気パイプ部の円形断面の内径ｄとほぼ同じ直径ｄ１の排ガス通過孔２１が形成されており、排ガス通過孔内を排ガスが通過する。排ガス通過孔２１は排ガスの導入路を構成する。板状のセンサベース２０の厚さはレーザ光の照射部と受光部（後記する透過光受光部と散乱光受光部の双方）とを固定できる範囲で、できるだけ薄いことが好ましい。

具体的にはセンサベース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れに乱れが生じやすくなり無視できない圧力損失も生じやすい。５ｍｍより薄いと測定用のレーザ光の照射部や受光部の取付固定が煩雑となる。なお、排ガス通過孔２１の直径ｄ１は排気パイプ部の円形断面の内径ｄと同じ寸法であることが望ましいが、例えば排気パイプ部の円形断面の内径ｄが３０ｍｍの場合、排ガス通過孔２１の直径ｄ１は、３０±１〜２ｍｍ程度であれば誤差として許容される。センサベース２０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。

センサベース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，Ｆとセンサベース２０との間にはガスケット２２，２２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２２は適宜の材料で形成され、排気パイプ部の内径と同じ直径の排ガス通過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２２，２２を挟んでセンサベース２０が固定される構成を示している。

センサベース２０には、板厚の中央を端面から排ガス通過孔２１に向けて貫通する第１と第２のセンサ孔２３，２４が形成されている。さらに、前記第１と第２のセンサ孔２３，２４が形成される端面とは異なる端面からやはり排ガス通過孔２１に向けて貫通する第３のセンサ孔７０が形成されており、該第３のセンサ孔７０の断面積は第１と第２のセンサ孔２３，２４の断面積よりも大きくされている。

後記するように、第１のセンサ孔２３は、排ガス通過孔２１内に照射するレーザ光Ｒの通過孔であり、レーザ光Ｒを照射する照射部として光ファイバ２５が固定される。第２のセンサ孔２４は、排ガス中を透過して減衰したレーザ光Ｒａの通過孔であり、第２のセンサ孔２４におけるレーザ光の出口側には透過光受光部としてのディテクタ２６が備えられる。第３のセンサ孔７０は、排ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭにレーザ光を照射したときに生じるミー散乱光Ｓの通過孔として作用するものであり、第３のセンサ孔７０の排ガス通過孔２１と反対の側には、適宜の光検出器７１がミー散乱光受光部として備えられる。好ましくは、第１と第２のセンサ孔２３，２４、および第３のセンサ孔７０は、排ガスの流れる方向と直交する方向に開口させる。

なお、本発明による排ガス分析装置において、計測排ガス中の粒子状物質ＰＭの濃度分析のみを行う場合には、前記した透過光受光部としてのディテクタ２６を機能させず、光ファイバ２５からレーザ光を照射し、粒子状物質ＰＭから生じるミー散乱光を第３のセンサ孔７０を通して光検出器７１で受光すればよい。

また、図示のものでは、２つのミラー２８，２９が、図４に示すように、排ガス通過孔２１の外に、排ガス通過孔２１を挟持する対向位置において、ミラーの反射面が互いに平行となるようにして配置されている。前記第１のセンサ孔２３から入り込むレーザ光は、２つのミラー２８，２９で反射され、排ガス中を透過することにより減衰し、前記したように減衰したレーザ光Ｒａが第２のセンサ孔２４を通過してディテクタ２６によって受光される。また、そのように反射しながら排ガス通過孔２１を通過する過程で、排ガス中に粒子状物質ＰＭが存在する場合には、その粒子径や濃度に依存した量のミー散乱光Ｓが発生する。発生したミー散乱光Ｓは前記のように第３のセンサ孔７０を通して光検出器７１により検出される。

ミラー２８，２９は石英、若しくはサファイア、セラミック等の母材の表面に反射材をコーティングして作製する。コーティング材としては、金、プラチナや酸化チタン等のレーザ波長に合った反射率の高いものを選択することが好ましい。また、反射材を保護するために、ＭｇＦ_２やＳｉＯ_２等の透明で耐熱性に優れ、耐環境性に優れた材料をコーティング層として最上面に形成することが好ましい。耐熱性に優れ、反射率の高いミラーを用いることで精度良い測定が可能となる。ミラー２８，２９の表面に例えば二酸化チタン（ＴｉＯ_２）薄膜のような光触媒層を形成してもよい。

本発明による排ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭの濃度を算出する方法は、基本的に、一定粒子径の粒子状物質にレーザ光を照射したときに発生するミー散乱光強度は、照射するレーザ光の波長依存性があり、波長を横軸としミー散乱光強度を縦軸としたときに、当該粒子径に固有の理論値パターンが描かれる、という事実に基づいている。そのために、排ガスが流下する前記排ガス通過孔２１内に、光ファイバ２５から複数の波長の光を含むレーザ光を照射することが必要となる。また、ミー散乱光検出側でも、波長に対応したミー散乱光強度を照射した波長毎に検出することが必要となる。

図５は、そのためのレーザ発振・受光コントローラ３０の一例を示している。図５に示す例においては、レーザ発振・受光コントローラ３０から出射される複数の波長の光を含む赤外レーザ光は、光ファイバ２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）を通してセンサベース２０の排ガス通過孔２１内に照射され、排ガス中を透過した赤外レーザ光は透過光受光側のディテクタ２６Ａ（２６Ｂ，２６Ｃ）で受光され、その測定光が差分型光検出器４０Ａ（４０Ｂ，４０Ｃ）において信号光と比較され、差分信号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、そこにおいて、排ガス中の成分分析が行われる。一方、レーザ光の照射により排ガス通過孔２１内で発生したミー散乱光Ｓは、光検出器７１Ａ（７１Ｂ，７１Ｃ）により検出され、その情報が信号線７２を介してパーソナルコンピュータ４５に送られて、後記するようにして粒子状物質ＰＭの濃度の算出が行われる。

より詳細に説明すれば、図５に示すように、レーザ発振・受光コントローラ３０は、複数のレーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５を備え、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周波数信号が供給され、各レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５は各周波数に対応した波長帯の赤外レーザ光を発光する。排ガス中を透過させる赤外レーザ光の波長は、検出する排ガス中の各成分に固有の吸収スペクトルに対応するピーク波長を持つ赤外レーザ光を発生させることが有効である。例えば、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１４６０ｎｍであり、二酸化炭素を検出するのに適した波長は１４７０ｎｍ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。なお、ガス濃度の検出は、同じ成分でも異なる波長である場合があり、異なる波長の中から選択して用いるようにしてもよい。

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により第１の分波器３３に導光され、そこでセンサ部の数に合わせて分波される。第１の分波器３３で分波されたレーザ光は、第２の分波器３４Ａ（３４Ｂ、３４Ｃ）により信号光と測定光に分けられる。第２の分波器３４Ａはセンサ部１１用であり、第２の分波器３４Ｂはセンサ部１２用、第２の分波器３４Ｃはセンサ部１３用である。

センサ部１１（１２，１３）用の５つの第２の分波器３４Ａ（３４Ｂ，３４Ｃ）で分けられた各波長域の信号光は、光ファイバを通して合波器３５Ａ（３５Ｂ，３５Ｃ）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（３７Ｂ，３７Ｃ）を通して前記した差分型光検出器４０Ａ（４０Ｂ，４０Ｃ）に導光される。一方、５つの第２の分波器３４Ａ（３４Ｂ，３４Ｃ）で分けられた測定光は光ファイバを通して合波器３６Ａ（３６Ｂ，３６Ｃ）で合波され、光ファイバ２５Ａ（２５Ｂ，２５Ｃ）によりセンサ部１１（１２，１３）の照射部に導光される。

照射部からの測定用レーザ光は、図４に示すようにミラー２８，２９で反射しながら排ガス通過孔２１を透過し、排ガス中を透過して減衰した透過レーザ光Ｒａはディテクタ２６Ａ（２６Ｂ，２６Ｃ）で受光データとして検出される。検出した信号は、信号線２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）を介して前記した差分型光検出器４０Ａ（４０Ｂ，４０Ｃ）に送られる。差分型光検出器４０Ａ（４０Ｂ，４０Ｃ）は、排ガス中を透過して減衰した透過光（測定光）と、排ガス中を透過していない信号光との差を取る構成となっており、差分型光検出器４０で算出された信号光と測定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中に含まれる成分の濃度や、排ガスの温度、圧力等を算出して排ガスの成分分析が行われる。

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４０Ａ（４０Ｂ，４０Ｃ）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。エンジンが作動している状態で、排ガス分析装置１０を作動させる。エンジン２から排出された排ガスは排気経路である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。そして、排気経路中に設置されたセンサ部１１〜１４のセンサベース２０に形成された排ガス通過孔２１を排ガスが通過する。排ガスの特定成分の濃度等を測定するときは、排ガス通過孔２１内にレーザ光を照射して、排ガス中を透過したレーザ光の光強度を測定する。

すなわち、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、合波器３６Ｂ，３６Ｃで合波されて、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は、照射光通過孔であるセンサ孔２３を通して排ガスが通過している排ガス通過孔２１内に照射される。赤外レーザ光は排気経路である排ガス通過孔２１内を横切り、光通過孔を通してミラー２８に到達し下方のミラー２８で上方に反射され、ついで光通過孔を通してミラー２９に到達し上方のミラー２９で下方に反射され、反射を繰返すことで排ガス中の透過距離が大きくなり、最後にセンサ孔２４を通してディテクタ２６Ａ（２６Ｂ，２６Ｃ）で受光される。すなわち、測定用の赤外レーザ光は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で受光され、透過光（測定光）の光強度が測定される。

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はディテクタ２６Ａ（２６Ｂ，２６Ｃ）で電気信号として出力され、信号線２７Ａ（２７Ｂ，２７Ｃ）を介して差分型光検出器４０Ａ（４０Ｂ，４０Ｃ）に供給される。一方、信号用レーザ光は光ファイバ３７Ａ（３７Ｂ，３７Ｃ）を通して差分型光検出器４０Ａ（４０Ｂ，４０Ｃ）に供給され、差分型光検出器では、複数の波長成分毎に透過光（測定光）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が検出された吸収スペクトルが検出される。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、入力された吸収スペクトルの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や温度、圧力を算出して測定し分析する。

本実施形態の排ガス分析装置１０において、排ガス中に粒子状物質ＰＭが存在する場合には、測定光が粒子状物質ＰＭに照射されることによりミー散乱光Ｓが発生する。以下、発生したミー散乱光Ｓ強度を利用して当該分析排ガス中の粒子状物質ＰＭの濃度を算出する方法を図７のフローチャートを参照しながら説明する。

前記のように、同じ粒子径の粒子状物質ＰＭに異なる波長のレーザ光を照射したときに生じる各波長毎のミー散乱光強度が一定のパターンを描くこと、すなわち、粒子状物質から生じるミー散乱光の強度を波長ごとに連続させたパターンデータは粒子状物質ＰＭの粒子径によって異なること、は知られている事実である。図６はその一例を示しており、例えば、パターンデータＡは粒子径１００ｎｍの場合であり、パターンデータＢは粒子径１０００ｎｍの場合であり、パターンデータＣは粒子径５００ｎｍの場合である。

図７のＳ０１は、濃度計測用レーザ照射ステップであり、前記した５つの波長帯のレーザ光がセンサ部１１（１２，１３）の排ガス通過孔２１内に照射される。Ｓ０２は、排ガス中の粒子状物質ＰＭからのミー散乱光強度の計測値（実測値）を各波長毎に得るステップであり、具体的には、センサ部１１（１２，１３）で発生した各波長毎のミー散乱光Ｓは、光検出器７１Ａ（７１Ｂ，７１Ｃ）で散乱光強度として検出され、検出信号は電気信号に変換されて、信号解析装置であるパーソナルコンピュータ４５に実測データとして入力される。図７ａのグラフは、その計測値を横軸に波長を、縦軸に散乱光強度を取り、前記レーザダイオードＬＤ１〜ＬＤ５で生成された５つの波長帯について計測されたミー散乱光強度をプロットしてパターン化したものである。

パーソナルコンピュータ４５は、粒径毎に特定されるミー散乱光強度に関する理論値データを格納するデータ格納部４６と算出部４７を備えており、Ｓ０３で、パーソナルコンピュータ４５内の算出部４７は、格納してあるミー散乱光強度の理論値パターンデータと計測された実測値パターンデータとを比較マッチングする。図７ｂはそのパターンマッチング手法を説明するものであり、データ格納部４６には、前記図６に示したような、粒子径ごとのミー散乱光強度分布の理論値に基づく多くの種類のパターンデータが収納されており、算出部４７は、計測して得られたパターンデータと最も近似する理論値パターンデータとのマッチングを行う。そして、Ｓ０４で、計測値パターンと最も近い分布を示す理論値パターンデータを選択する。

Ｓ０４でのパターンマッチングにより、測定排ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭを構成する支配的な物質の粒子径を高い精度で推定することができる。

次ぎに、Ｓ０５で、選択された理論値パターンデータでのミー散乱光強度の最大値Ｂ（図７ｃ参照）を得る。そして、Ｓ０６で、ミー散乱理論に基づき、算出部４７は、理論値でのミー散乱光強度最大値Ｂと粒子濃度との関係から、理論値での粒子濃度ｃ（Ｂ）を算出する。図７ｄはミー散乱光強度最大値Ｂと粒子濃度ｃ（Ｂ）の相関の例を示すグラフであり、両者は実質的にほぼ線形の相関を持つ。

最後に、Ｓ０７で、図７ｅに示すように、理論値での粒子濃度ｃ（Ｂ）と実測した散乱光計測値のマッチング補正量（Ａ）から、計算値から求まる粒子状物質ＰＭの濃度Ｃ（例えば、ｍｇ／ｍ^３または％）を演算する。あるいは、予め求めておいた係数ｆ（Ａ）により、理論値での粒子濃度ｃ（Ｂ）を補正演算して、以下の数式（２）により粒子状物質ＰＭの実際の濃度Ｃを得る。
濃度Ｃ＝粒子濃度ｃ（Ｂ）×ｆ（Ａ）…（２）

各粒子による散乱光強度の分布を理論から求める場合、図７ｂの破線および実線の実測値の分布を理論値の分布の「形」と比較し、最も近いものと合わせる。このように合わせた理論値の最大値Ｂについて、Ｂを求めた波長（図７ａ〜ｄの横軸）における実測値をＸとすると、Ｘ／Ｂがマッチング補正量（Ａ）となる。

このように、本実施形態の排ガス分析装置は、レーザ光を排ガスに照射して排ガス中に含まれる成分の濃度や温度等を測定して分析することができ、そのときに照射されたレーザ光により排ガス中に含まれる粒子状物質ＰＭから生じるミー散乱光Ｓを受光して、排ガス中に含まれる成分の濃度等の分析と同時に、粒子状物質ＰＭの濃度を算出することができる。しかも、粒子状物質の濃度の算出は、少ないコンピューティングパワーでリアルタイムに算出することができる。

図８は、センサ部１１の他の例を示す。ここでは、センサベース２０に形成した第３のセンサ孔７０と適宜の角度（例えば２０度）で傾斜するようにしてもう一つの第３のセンサ孔７０ａが形成されており、そこにも同じようにしてもう一つの光検出器７１ａが取り付けられている。光検出器７１ａの受光信号は信号線７２ａを介してパーソナルコンピュータ４５に送られ、そこで光検出器７１からの受光信号と比較演算され、その平均した値から図７ａに示した計測値パターンが算出される。このように２個あるいは２個以上の光検出器７１によってミー散乱光強度を測定することにより、さらに精度の高い濃度測定が可能となる。

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。 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。 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。 図３のセンサ部の正面図。 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。 同じ粒子径の粒子状物質に異なる波長のレーザ光を照射したときに生じる各波長毎のミー散乱光強度が一定のパターンを描くことを説明する図。 本発明に係る排ガス分析方法の工程を示すフローチャート。 センサ部の他の形態を示す図。

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（ガス分析装置）、１１〜１４：センサ部、２０：センサベース、２１：排ガス通過孔（導入路）、２３：センサ孔（照射光通過孔）、２４：センサ孔（透過光通過孔）、２５：光ファイバ（照射部）、２６：ディテクタ（受光部）、２８，２９：ミラー、３８：光通過孔、３０：レーザ発振・受光コントローラ、３３：分波器、３４Ａ〜３４Ｃ：分波器、３５Ａ〜３５Ｃ，３６Ａ〜３６Ｃ：合波器、４０Ａ〜４０Ｃ：差分型光検出器、４５：パーソナルコンピュータ（信号解析装置）、４６：格納部、４７：算出部、７０，７０ａ：第３のセンサ孔、７１，７１ａ：ミー散乱光検出手段、Ｒ（Ｒａ）：レーザ光、Ｓ：ミー散乱光、ＰＭ：粒子状物質

Claims (7)

1. 内燃機関から排出される排ガスにレーザ光を照射して排ガスを分析する装置であって、
   前記排ガスを導入する排気管と、
   該排気管に装着されるセンサ部であって、
   該排気管を流れる排ガスの流れに対して直交する方向にレーザ光を照射する光照射部と、
   該光照射部から照射され、該排ガスを透過した該レーザ光を、該排ガスの流れに対して直行する方向に反射して該排ガスを透過させるミラーと、
   該排ガス中を透過した後のレーザ光を受光する透過光受光部と、
   前記レーザ光の照射により排ガス中に含まれる粒子状物質から生じるミー散乱光を受光する散乱光受光部と、
   を備えるセンサ部と、
   レーザ発振・受光コントローラ部と、
   前記透過光受光部から得られる透過光強度の受光データに基づいて排ガス中の成分の濃度を算出すると共に、前記散乱光受光部から得られる散乱光強度の実測データに基づいて排ガス中に含まれる粒子状物質の濃度を算出する算出部と、
   を備えることを特徴とする排ガス分析装置。
2. 前記算出部は、粒径毎に特定されるミー散乱光強度に関する理論値データを格納するデータ格納部を備えており、散乱光受光部で得られるミー散乱光強度の実測データと、データ格納部に収納され粒径毎に特定される理論値データとに基づき排ガス中の前記粒子状物質の濃度を算出す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. 前記散乱光受光部を複数個備え、前記算出部は複数の散乱光受光部で得られたミー散乱光強度の実測データの平均値を演算する手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の排ガス分析装置。
4. 前記センサ部を複数備え、前記レーザ発振・受光コントローラ部は、複数のレーザダイオードと複数の分波器と複数の合波器と複数の差分型光検出器を備え、前記複数のレーザダイオードの各ダイオードが、検出対象となる排ガス中の各成分に固有の吸収スペクトルに対応するピーク波長を持つ赤外レーザ光を発生させ、前記分波器が、前記赤外レーザ光をセンサ部の数だけ分波し、前記合波器は前記分波された異なるピーク波長を持つ赤外レーザ光を合波して前記光照射部に送り、前記差分型光検出器が前記の合波光と前記透過光受光部からの受光の差分をとることを特徴とする請求項１に記載の排ガス分析装置。
5. 内燃機関から排出される排ガスが流れる排気管内にレーザ光を照射して排ガスを分析する方法であって、
   前記レーザ光を排ガス中に照射し、排ガス中を透過したレーザ光をミラーによって反射して排ガス中を透過させるようにして排ガス中を複数回通過したレーザ光を受光し、受光されたレーザ光に基づいて前記排ガス中に含まれる成分の濃度を算出し、
   前記レーザ光を照射したときに排ガス中に含まれる粒子状物質から生じるミー散乱光を受光し、受光されたミー散乱光強度の実測データに基づいて前記粒子状物質の濃度を算出することを特徴とする排ガス分析方法。
6. 前記粒子状物質の濃度の算出は、前記ミー散乱光強度の実測データと、粒径毎に特定されるミー散乱光強度に関する理論値データとに基づいて行われることを特徴とする請求項５に記載の排ガス分析方法。
7. 前記粒子状物質の濃度の算出は、排ガス中に含まれる粒子状物質からのミー散乱光強度の実測データを波長ごとに連続させたパターンデータを用いて行われ、
   実測したミー散乱光強度の前記パターンデータと粒径毎に特定されるミー散乱光強度に関する理論値パターンデータとを比較して、実測したミー散乱光強度の前記パターンデータに近似した理論値パターンデータを選択する工程、
   選択した理論値パターンデータでの最大値を取得し、取得した値から理論値データでの粒子状物質の理論値濃度を算出する工程、
   算出された粒子状物質の理論値濃度を実測したミー散乱光強度の計測値で補正して実際の粒子状物質濃度を算出する工程、
   を含むことを特徴とする請求項６に記載の排ガス分析方法。

Images