排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステム
【課題】排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムを提供する。
【解決手段】排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステム２００Ａは、ディーゼルエンジン１００と、前記ディーゼルエンジン１００からの排ガス２０１を排出する排気管２０２と、前記排気管２０２中の排ガス２０１の粒子状物質（粒子状物質（ＰＭ）等）の濃度を計測するガス成分計測装置１０Ａ（１０Ｂ）とを具備し、ディーゼルエンジン運転中において、排ガス性状を計測することで、例えば燃料噴射圧、噴射タイミングの制御を的確に行うことができる。
【解決手段】排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステム２００Ａは、ディーゼルエンジン１００と、前記ディーゼルエンジン１００からの排ガス２０１を排出する排気管２０２と、前記排気管２０２中の排ガス２０１の粒子状物質（粒子状物質（ＰＭ）等）の濃度を計測するガス成分計測装置１０Ａ（１０Ｂ）とを具備し、ディーゼルエンジン運転中において、排ガス性状を計測することで、例えば燃料噴射圧、噴射タイミングの制御を的確に行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばディーゼルエンジンやガスエンジン等からの排ガス性状をオンラインで計測することができる排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料ガス中のダスト（粒子状物質）成分の濃度をレーザ照射によるミー散乱光により計測することが知られている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２４２４９号公報
【特許文献２】特開２００５−２４２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来のレーザ装置で粒子状物質濃度を求めるには、ミー散乱光を計測するという独自の操作が必要であり、レーザラマン散乱分析とは別の計測装置が必要であった。
しかしながら、独立の装置構成は大掛かりとなり、コンパクトなガス成分分析と、粒子状物質濃度分析とを同時にできる分析手法の確立が要望されている。
特に、単一の検知手段のみを使用することにより、複数の分析（ガス組成、粒子状物質濃度、炭化水素濃度）を実現することができれば、装置内部品点数を減少でき、コンパクトな分析装置が提供できることとなる。すなわち、複数の分析装置を用いる場合には、各々の装置のメンテナンスが必要となり、コストと手間がかかるという問題もある。
【０００５】
特に、航行中の船舶のディーゼルエンジンの不完全燃焼等に由来する排ガス中の炭素由来の粒子状物質（ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ））に起因するようなトラブルが発生した場合においては、航行中に分析することができず、その分析結果が出るまでに長期間を要し、その対策実施までの期間、多くの損失を招いているのが現状であるので、粒子状物質の検出と炭化水素濃度の簡易迅速な計測装置の出現が求められている。
【０００６】
特に、近年はディーゼルエンジンのランニングコストの低減のために、粗悪質の燃料が使用される一方、排ガス規制は年々厳しくなってきており、粒子状物質の排出の抑制のみならず、ガス状物質、特に多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ：polycyclic aromatic hydrocarbons）の低減のための簡易な分析手法の確立が切望されている。
【０００７】
本発明は、前記問題に鑑み、ガス中の粒子状物質や炭化水素を計測することが可能な排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、エンジンと、前記エンジンからの排ガスを排出する排気管と、前記排気管中の排ガスにレーザ光を照射するレーザ装置とを具備してなり、前記レーザ装置が、レーザ照射装置から発振された基本レーザ光を第１のレーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、前記基本レーザ光を波長変換し、第２のレーザ光とする第２の波長変換部と、第１及び第２のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部と、照射される第１のレーザ光及び第２のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器と、前記被測定ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光を計測する蛍光検出部とを具備することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、被測定ガスのガス成分が発する蛍光の相対強度より、被測定ガスのガス温度を計測することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【００１０】
第３の発明は、第１又は２の発明において、第１のレーザ光又は第２のレーザ光のいずれかを用いて、被測定ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光を計測する煤塵検出部を具備することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、例えばディーゼルエンジンやガスエンジン等からの排ガス性状を一台の装置で計測することで、エンジン運転状況を迅速に把握することができ、エンジン運転状況を良好に保つための、適切な予防策を講じることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、ディーゼルエンジンを模式的に示す説明図である。
【図２】図２は、１つの気筒を模式的に示す説明図である。
【図３−１】図３−１は、本発明に係る排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムの概略図である。
【図３−２】図３−２は、本発明に係る排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムの概略図である。
【図３−３】図３−３は、本発明に係る排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムの概略図である。
【図４】図４は、実施例１に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図５】図５は、ＮＯのエネルギー準位の模式図である。
【図６】図６は、ＣＯのエネルギー準位の模式図である。
【図７】図７は、実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図８】図８は、ＮＯガスの蛍光の信号強度と、回転量子数（Ｊ）との関係図である。
【図９】図９は、温度３００Ｋと１２５０Ｋにおける「Ａ2Σ+←Ｘ2Π（０，０）」遷移におけるＰ12枝におけるポンプ光のエネルギーのＬＩＦ励起スペクトル強度図である。
【図１０】図１０は、実施例３に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図１１】図１１は、実施例３に係る他のガス成分計測装置の概略図である。
【図１２】図１２は、排ガス中の性状を計測してその対策を実施するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１４】
図１は、ディーゼルエンジンを模式的に示す説明図である。図２は、１つの気筒を模式的に示す説明図である。
図１に示すように、本実施例のディーゼルエンジン１００は、１つ以上（本実施例では９つ）の気筒１２０と、過給機１１１と、空気冷却器１１２と、排気集合管１１３とを含む。まずは図２を用いて１つの気筒１２０の基本的な構成を説明する。なお、以下では、気筒１２０の一例としてレシプロ型のものを説明するが、気筒１２０はロータリー型のものでもよい。図２に示すように、気筒１２０は、シリンダ１２１と、ピストン１２２と、クランク軸１２３と、クランク室１２３ａと、コネクティングロッド１２４と、シリンダヘッド１２５と、燃焼室１２５ａと、吸気ポート１２６ａと、吸気バルブ１２６と、排気ポート１２７ａと、排気バルブ１２７と、インジェクター１２８と、オイルパン１２９とを含む。
【００１５】
シリンダ１２１は、筒状の部材である。ピストン１２２は、シリンダ１２１の中空部に設けられる。ピストン１２２は、シリンダ１２１の中心軸方向に移動できるように設けられる。クランク軸１２３は、回転できるようにクランク室１２３ａに設けられる。クランク室１２３ａは、シリンダ１２１の中心軸方向の一方側に設けられる。クランク軸１２３は、ピストン１２２の往復運動を回転運動に変換する。コネクティングロッド１２４は、ピストン１２２とクランク軸１２３とを連結する。
【００１６】
シリンダヘッド１２５は、シリンダ１２１の中心軸方向の他方側（クランク室１２３ａとは反対側）に設けられる。燃焼室１２５ａは、ピストン１２２と、シリンダヘッド１２５とで囲まれる空間である。
【００１７】
吸気ポート１２６ａ及び排気ポート１２７ａは、気筒１２０の外部と燃焼室１２５ａとを連通する。吸気バルブ１２６は、吸気ポート１２６ａに設けられる。吸気バルブ１２６は、吸気ポート１２６ａを介して気筒１２０の外部と燃焼室１２５ａとの間での空気の流動を調節する。排気バルブ１２７は、排気ポート１２７ａに設けられる。排気バルブ１２７は、排気ポート１２７ａを介して気筒１２０の外部と燃焼室１２５ａとの間での空気の流動を調節する。
【００１８】
インジェクター１２８は、図１に示す燃料噴射ポンプ１２８ａと接続される。燃料噴射ポンプ１２８ａは、燃料供給装置１３０からのエマルジョン燃料を加圧し、インジェクター１２８にエマルジョン燃料を導く。インジェクター１２８は、例えば燃焼室１２５ａに噴出口が突出して設けられる。インジェクター１２８は、燃焼噴射ポンプ１２８ａから導かれたエマルジョン燃料を燃焼室１２５ａに導く。エマルジョン燃料は、軽油や重油などの燃料に水が混合したものである。なお、インジェクター１２８は、吸気ポート１２６ａに噴出口が突出して設けられてもよい。オイルパン１２９は、クランク室１２３ａに設けられる。オイルパン１２９は、潤滑油１３１を溜める。
【００１９】
上記構成の気筒１２０は、吸気、圧縮、膨張、排気の１サイクルを繰り返し行う。これにより、気筒１２０は、ピストン１２２が往復運動し、クランク軸１２３が回転する。なお、気筒１２０は、４ストロークで１サイクルを行うものでもよいし、２ストロークで１サイクルを行うものでもよい。
【００２０】
ディーゼルエンジン１００についての説明に戻る。
過給機１１１は、空気を加圧する。過給機１１１は、図２に示す排気ポート１２７ａから排出された排気ガスのエネルギーを得て空気を加圧する、いわゆるターボチャージャーである。なお、過給機１１１は、クランク軸１２３の回転力を得て空気を加圧する、いわゆるスーパーチャージャーでもよい。空気冷却器１１２は、過給機１１１から導かれた空気を冷却する。排気集合管１１３は、各気筒１２０の排気ポート１２７ａと連通する。本実施例では、各気筒１２０の排気ポート１２７ａから排出された排気ガスは排気集合管１１３を介して過給機１１１に導かれる。
【００２１】
ここで、図１に示すクランク軸１２３は、各気筒１２０で共通の部材である。上記構成により、各気筒１２０が稼動することにより、ディーゼルエンジン１００はクランク軸１２３を回転させる。なお、本実施例では、ディーゼルエンジン１００が過給機１１１を含むものとして説明したが、ディーゼルエンジン１００は、過給機１１１を含まなくてもよい。すなわち、ディーゼルエンジン１００は、自然吸気型の内燃機関でもよい。この場合、ディーゼルエンジン１００は、空気冷却器１１２を含まなくてもよい。
【００２２】
次に、排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムについて詳細に説明する。
【００２３】
図３−１〜図３−３は、本発明に係る排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムの概略図を示す。
図３−１〜図３−３に示すように、排ガス中のガス成分計測装置を備えたディーゼルエンジンシステム２００Ａ〜２００Ｃは、ディーゼルエンジン１００と、前記ディーゼルエンジン１００からの排ガス２０１を排出する排気管２０２と、前記排気管２０２中の排ガス２０１の性状を計測するガス成分計測装置１０Ａ（１０Ｂ）とを具備するものである。
【００２４】
先ず、図３−１に示すディーゼルエンジンシステム２００Ａにおけるディーゼルエンジン１００には、吸入空気を過給するための過給機１１１を備えており、該過給機１１１は、排気管２０２に介装されたタービン１１１ａと、吸気管２０３に介装された圧縮器１１１ｂとを有している。なお、符号２２０は電磁式高圧噴射システムのコモンレール式燃料噴射システム（ＣＲＳ）、２２１はスロットルバルブを図示する。
【００２５】
図３−２に示すディーゼルエンジンシステム２００Ｂにおけるディーゼルエンジン１００には、さらに、上記タービン１１１ａより上流側の排気管２０２と上記圧縮器１１１ｂより下流側の吸気管２０３とを連絡する排気ガス環流装置（以下「ＥＧＲ」という）のＥＧＲ通路２１０を具備している。ＥＧＲ通路２１０にはＥＧＲバルブ２１１が介装されている。このＥＧＲバルブ２１１の開度を制御することで、ＥＧＲ率を調整している。なお、符号２１２はＥＧＲクーラーを図示する。
【００２６】
図３−３に示すディーゼルエンジンシステム２００Ｃにおけるエンジン１００には、さらに、排気管２０２には、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」という。）２３０が介装されており、通常はこのＤＰＦ２３０を迂回して排ガス２０１が外部に排気されている。
【００２７】
図４は、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ａの概略図である。図４に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ａは、煙道１５中の被測定ガス１１に対して照射される基本レーザ光（なお、実線は光軸を示す）２２により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）から被測定ガス１１中のガス成分を計測するものである。
【００２８】
具体的な装置構成としては、図４に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ａは、レーザ装置２１から発振された基本レーザ光（１０６４ｎｍ）２２を第１のレーザ光（波長：２２６ｎｍ）２２−１に波長変換する第１の波長変換部２３と、発振された基本レーザ光２２を波長変換し、第２のレーザ光（波長：６００ｎｍ）２２−２とする第２の波長変換部２４と、第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２の合波レーザ光２２−３を導入して、被測定ガス１１中のガス成分に照射するガス測定部２５と、照射される合波レーザ光２２−３（第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２）により、高い準位（Ｅ準位）に励起された励起分子が低い準位（Ｃ準位）に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：以下「ＡＳＥ」という）１４を計測する光検出器（例えばフォトダイオード、ＭＣＴディテクタ等）２６と、被測定ガス１１中の成分が発する蛍光５０を計測する蛍光検出部５１とを具備するものである。
図４中、符号１５ａ、１５ｂはレーザ光の透過する石英窓、２９は分光器、３１は集光レンズ、３３は光フィルタ、３４ａ〜３４ｄはミラーを各々図示する。
【００２９】
本発明のガス成分計測装置は、ＡＳＥの発光する原理を用いており、従来のような吸収分析と異なるので、被測定ガス１１のガス吸収光強度低下の影響がなくなるものとなる。
【００３０】
次に、図５に示すＮＯのエネルギー準位の模式図を参照してＡＳＥの発光原理を説明する。
被測定ガス中の例えば一酸化窒素（ＮＯ）にレーザ光を照射して、電子的に励起させると、図５に示すように、基底状態（Ｘ）から、励起状態に励起（Ｘ準位→Ａ準位→Ｅ準位）する。
【００３１】
具体的には第１のレーザ光（２２６ｎｍ）２２−１の励起波長ではＸ準位からＡ準位に励起され、次いで第２のレーザ光（６００ｎｍ）２２−２の励起波長ではＡ準位からＥ準位に励起される。
このとき、Ｅ準位の分子の数がＣ準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、Ｅ準位からＣ準位に自然放出され、これがきっかけとなり、Ｅ準位からＣ準位の誘導放出である１１７０〜１１８４ｎｍの自然放射増幅光（ＡＳＥ）が発生する。
【００３２】
被測定ガス中の計測対象のガス成分としては、一酸化窒素（ＮＯ）以外に、例えば
一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、メタン（ＣＨ4）、アンモニア、ベンゼン等を例示することができる。
【００３３】
図６は一酸化炭素（ＣＯ）のエネルギー準位の模式図である。
図６に示すように、一酸化炭素（ＣＯ）では、基底状態から２１５ｎｍの２光励起により、Ｘ準位からＥ準位に励起される。
【００３４】
このとき、Ｅ準位の分子の数がＢ準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、Ｅ準位からＢ準位に自然放出がされ、これがきっかけとなり、Ｅ準位からＢ準位の誘導放出である１．７μｍの自然放射増幅光（ＡＳＥ）が発生する。
【００３５】
また、ＡＳＥは、赤外領域（例えばＮＯの場合には、１１７０〜１１８４ｎｍ）の波長であるので、可視領域や紫外領域と異なり、光フィルタ３３での分離が容易であり、計測精度が向上する。
【００３６】
蛍光やラマン等の発光分析は等方発光であるので四方八方に光が拡がり、指向性が無いのに対し、ＡＳＥは指向性（基本レーザ光２２の入射方向と出射方向との二方向のみＡＳＥ１４が発光する）があり、高感度での分離が可能となる。
よって、本実施例では、前記ガス測定部２５に対してレーザ光が導入する光導入ラインと、発生したＡＳＥ１４を放出するレーザ光の進行方向と同方向の光放出ラインとを具備している。
【００３７】
この結果、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、ガス成分の濃度分析がオンラインで可能となる。
また、ＡＳＥは指向性のある光として発振するので、ＡＳＥ発光成分を集光し易く、計測感度が高いものとなる。
さらに、ＡＳＥは赤外領域の光であるので、入射レーザ光（可視光線、紫外光）との分離が容易となり、シグナルノイズ比の高い検出が可能となる。
【００３８】
また、本実施例においては、ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボン（ＨＣ）が発生する蛍光５０を蛍光検出部５１で計測している。
ここで、前記ハイドロカーボンの検出には蛍光検出部５１において、波長３００〜４５０ｎｍ（より好適には３５０〜４００ｎｍ）以外の波長を除外する分光器を備え、ハイドロカーボン検出を良好としている。
これにより、ＡＳＥ１４の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中に存在するハイドロカーボン（ＨＣ）の分析も可能となる。
【００３９】
この結果、ガスプラント由来のガス成分以外の他の成分であるハイドロカーボン（ＨＣ）についても同時に計測することで、一度の計測で多面的な分析が可能となる。
【００４０】
この結果、排ガス中に含まれるハイドロカーボン量が多いような場合には、排ガス中の油分（特にタール成分）が多いと判断され、燃焼条件の見直しを行う制御を図示しない制御装置で行うようにしている。
【００４１】
このような、図４に示すガス成分計測装置１０Ａを用い、例えばディーゼルエンジンやガスエンジン等からの排ガス中の性状を一台の装置で計測することで、エンジン運転状況を迅速に把握することができ、エンジン運転状況を良好に保つための、適切な予防策を講じることができる。
【００４２】
次に、制御手段による粒子状物質の濃度計測及びその排出抑制対策の一例の制御について説明する。
図１２は、排ガス中の性状を計測してその対策を実施するフローチャートである。
【００４３】
まず、制御手段は、ガス成分計測装置１０Ａからの排ガス成分（ＨＣ、ＮＯ、ＣＯ等）濃度を取得する（ステップＳＴ１）。
【００４４】
次に、取得した排ガス性状の濃度が所定の許容値（閾値）を超えていないかを判断する（ステップＳＴ２）。
【００４５】
計測した濃度が許容値を超えていないと判断した場合（ステップＳＴ２：Ｙｅｓ）、本制御を終了し、引き続き、排ガス性状の計測を継続する。
【００４６】
これに対し、上記許容値を超えていると判断した場合（ステップＳＴ２：Ｎｏ）、エンジンの燃料噴射圧力、噴射タイミングの調整等を制御装置より指示する（ステップＳＴ３）。
【００４７】
このように、エンジン運転中において、排ガス性状をガス成分計測装置１０Ａにより成分濃度を計測することで、例えば電子制御燃料噴射系の噴射圧力、噴射タイミングの制御を適切に行うことができ、常に安定した燃料を行うことができる。
また、ＡＳＥ分析では、蛍光の影響がないので、蛍光をＮＯで計測する際、ＨＣの濃度が高い場合には、その影響が懸念されるが、ＡＳＥによりＮＯを分析することで、その影響がなく、的確な計測を実施することができる。すなわち、図５に示すように、ＮＯのエネルギー準位を高めるために、２２６ｎｍの紫外線で励起し、次いで６００ｎｍの可視光線で励起し、近赤外領域での自然放射増幅光（ＡＳＥ）の発生であるので、蛍光の影響がないものとなる。
さらに、エンジン設備にスペースの制約があり、光学機器を全て設置できない場合には、指向性を有するＡＳＥの光検出器２６については、計測箇所から離れた場所に設置することが可能となる。
【実施例２】
【００４８】
次に、実施例２において、本発明の他のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図７は、実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。図７に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ａは、前記蛍光検出部５１において、ガス成分中のＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａを計測し、予め測定しておいた温度曲線に照らして、ガス中の温度計測を行うようにしている。
ここで、前記ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａの検出には蛍光検出部５１において、波長３００ｎｍ以下の波長の光を透過するフィルタ（好適には２５０ｎｍ以下、例えば２２７ｎｍのフィルタ等）を有する分光器を備え、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａの検出を良好としている。
これにより、ＡＳＥ１４の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中の温度を計測することが可能となる。
【００４９】
図８はＮＯガスの蛍光の信号強度と、回転量子数（Ｊ）との関係図である。図８中、黒丸印は３００Ｋにおける測定値であり、四角印は１２５０Ｋにおける測定値である。これらのプロットを結ぶ線は下記式（１）を用いたフィッテイングである。
このチャートは電子状態における基底状態から第一励起状態の電子励起振動回転スペクトルである。
【００５０】
また、図９は温度３００Ｋと１２５０Ｋにおける「Ａ2Σ+←Ｘ2Π（０，０）」遷移におけるＰ12枝におけるポンプ光のエネルギーのＬＩＦ励起スペクトル強度（ポンプ光波長４４０６０ｃｍ-1）の図である（波長２２６ｎｍ付近で挿引している）。
【００５１】
このスペクトル線の回転量子数（Ｊ）に対応する相対強度を測定し、その測定結果から、下記式（１）を温度の関数としてあてはめることにより、測定場の温度を算出することができる。
Ｎj／Ｎj=0＝（２Ｊ＋１）ｅｘｐ(−［（ｋｃＢＪ）・（Ｊ＋１）］／（ｋＴ）)…（１）
ここで、
Ｎj：回転量子数Ｊにおける分子数（数密度）
Ｎj=0：全分子数
Ｊ：回転量子数
ｋ：ボルツマン定数
ｃ：光速度
Ｂ：回転定数
Ｔ：温度（回転温度）
である。
【００５２】
よって、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａにより信号強度を求め、比較することで、排ガスの温度を予測することができる。この結果、従来においては、例えば熱電対等における配管内部の温度計測は、スポット的な温度計測であったものが、計測場全体（レーザ光の光路長全体）の平均温度を非接触で求めることができる。
また、ハイドロカーボン（ＨＣ）由来の蛍光との分離には、ＨＣ由来の蛍光は３５０〜４００ｎｍの範囲で計測するので、３００ｎｍ以下となるように、分光器を用いて分光する。これにより、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０ＡとＨＣ由来の蛍光（ＨＣ）５０Ｂの両方の蛍光が測定できる。
【００５３】
よって、通常の温度センサ以外に、排ガス温度をオンラインで計測が可能となる。
【実施例３】
【００５４】
次に、実施例３において、本発明の他のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１０は、実施例３に係るガス成分計測装置の概略図である。図１０に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ｂは、図７に示した蛍光検出部５１以外に、さらに、第１のレーザ光２２−１又は第２のレーザ光２２−２のいずれかを用いて、ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光６０を計測する煤塵検出部６１を具備するものである。これにより、煤塵が発するミー散乱光６０を煤塵検出部６１で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めることができる。なお、前記煤塵検出部６１としては、例えばファトダイオード（Ｓｉ半導体型等）を例示することができるが、これに限定されるものではない。
【００５５】
ここで、波長の短い第１のレーザ光（波長：２２６ｎｍ）２２−１を用いる場合には、小さい粒径の煤塵濃度を計測することができる。
一方、波長の長い第２のレーザ光（波長：６００ｎｍ）２２−２を用いる場合には、大きい粒径の煤塵濃度を計測することができる。
よって、求める粒径に応じて、第１のレーザ光か第２のレーザ光かを選択し、どちらかのラインを遮断するチョッパ６２−１、６２−２を設けるようにしている。
【００５６】
蛍光の分析と併用する場合には、実施例１で説明したように、先ず蛍光分析を行ってＡＳＥを計測した後、第１のレーザ光２２−１又は第２のレーザ光２２−２を用いて、煤塵濃度を計測するようにすればよい。
【００５７】
また、本実施例の変形例を示す図１１に示すように、例えば３０ｃｍ／１ｎｓ程度の時間遅れとなるディレイライン６３−１、６３−２を設け、第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２を用いて先ず、蛍光によるＮＯのＡＳＥを計測し、その後、タイミングをずらして煤塵濃度を計測するようにすればよい。なお、ディレイライン６３−１、６３−２には、前記チョッパ６２−１、６２−２をそれぞれ有するようにしている。
【００５８】
このような、図１０に示すガス成分計測装置１０Ｂを用いて、粒子状物質濃度を計測した結果、計測時の真の粒子状物質濃度が所定の閾値を超えている場合には、図示しない制御装置により、粒子状物質濃度が低減させるような種々のエンジン制御を行うようにしている。
【００５９】
ここで、粒子状物質濃度を低減させるようなエンジン制御としては、以下の制御方法を例示することができる。
図３―１に示すディーゼルエンジンシステム２００Ａにおいては、第１のエンジン制御として、電磁式高圧噴射システム（例えばＣＲＳ（コモンレール式燃料噴射システム））２２０の燃料噴射タイミングを進め、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。
【００６０】
また、第２のエンジン制御としては、電磁式高圧噴射システム（例えばＣＲＳ（コモンレール式燃料噴射システム））２２０の燃料噴射圧を高め、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。
【００６１】
また、第３のエンジン制御としては、過給機１１１の過給圧を高め、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。
【００６２】
図３―２に示すディーゼルエンジンシステム２００Ｂにおいては、前述した第１乃至３のエンジン制御に加えて、さらに、第４のエンジン制御として、排ガス再循環（ＥＧＲ）装置のＥＧＲバルブ２１１の開度を絞り、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。
【００６３】
また、第１乃至第４のエンジン制御を実施しても、粒子状物質濃度の低減効果が発揮されない場合に、排ガス２０１中の粒子状物質を除去するＤＰＦ２３０に排ガス２０１を通過させる制御を行い、外部への排出を防止するようにしている。
【００６４】
さらに、粒子状物質濃度が所定の閾値を超えた場合には、図示しない制御装置からアラームを発して、機関停止を実行するようにしてもよい。
【００６５】
ここで、制御手段は、マイコン等で構成されている。制御手段は、ＲＡＭやＲＯＭ等から構成されてプログラムやデータが格納される記憶部（図示せず）が設けられている。記憶部に格納されるデータは、エンジンからの排ガス中の粒子状物質の濃度を確認して、所定の閾値を超えているか否かを判断し、粒子状物質の排出を抑制するよう制御を行う。
【００６６】
このように、エンジン運転中において、排ガスの性状（ＮＯ、ＣＯ、ＨＣ等）以外にさらに正確な粒子状物質の濃度を計測することで、燃料噴射圧、過給圧の状況に応じて、実際にどれくらいの粒子状物質（ＰＭ）が排出されたかどうかの確認をオンラインで行うことができる。
【００６７】
以上、本発明によれば、エンジンからの排ガス中の性状を計測する成分計測装置を備えたエンジンシステムを用いることにより、例えば舶用ディーゼルエンジンの運転中において、オンラインで排ガス中の性状（ＮＯ、ＣＯ、ＨＣ等）、粒子状物質の濃度計測ができ、エンジンの不完全燃焼に対しての適切な予防対策（点火タイミングの変更、燃料混合比率の変更、フィルタ等の切替え等）を講じることができる。
【００６８】
本実施例では、エンジンとして舶用ディーゼルエンジンを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種陸用ディーゼルエンジンや、その他燃料ガスを燃焼するガスエンジンの排ガス性状の計測に適用することもできる。
【符号の説明】
【００６９】
１０Ａ〜１０Ｂ ガス成分計測装置
１１ 被測定ガス
１４ ＡＳＥ
２１ レーザ装置
２２ 基本レーザ光
２２−１ 第１のレーザ光
２２−２ 第２のレーザ光
２３ 第１の波長変換部
２４ 第２の波長変換部
２５ ガス測定部
２６ 光検出器
５０ 蛍光
５０Ａ 蛍光（ＮＯ）
５０Ｂ 蛍光（ＨＣ）
５１ 蛍光検出部
６０ ミー散乱光
６１ 煤塵検出部
１００ ディーゼルエンジン
１２０ 気筒
２００Ａ〜２００Ｃ ガス成分計測装置を備えたエンジンシステム
２０１ 排ガス
２０２ 排気管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばディーゼルエンジンやガスエンジン等からの排ガス性状をオンラインで計測することができる排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料ガス中のダスト（粒子状物質）成分の濃度をレーザ照射によるミー散乱光により計測することが知られている（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２４２４９号公報
【特許文献２】特開２００５−２４２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来のレーザ装置で粒子状物質濃度を求めるには、ミー散乱光を計測するという独自の操作が必要であり、レーザラマン散乱分析とは別の計測装置が必要であった。
しかしながら、独立の装置構成は大掛かりとなり、コンパクトなガス成分分析と、粒子状物質濃度分析とを同時にできる分析手法の確立が要望されている。
特に、単一の検知手段のみを使用することにより、複数の分析（ガス組成、粒子状物質濃度、炭化水素濃度）を実現することができれば、装置内部品点数を減少でき、コンパクトな分析装置が提供できることとなる。すなわち、複数の分析装置を用いる場合には、各々の装置のメンテナンスが必要となり、コストと手間がかかるという問題もある。
【０００５】
特に、航行中の船舶のディーゼルエンジンの不完全燃焼等に由来する排ガス中の炭素由来の粒子状物質（ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ））に起因するようなトラブルが発生した場合においては、航行中に分析することができず、その分析結果が出るまでに長期間を要し、その対策実施までの期間、多くの損失を招いているのが現状であるので、粒子状物質の検出と炭化水素濃度の簡易迅速な計測装置の出現が求められている。
【０００６】
特に、近年はディーゼルエンジンのランニングコストの低減のために、粗悪質の燃料が使用される一方、排ガス規制は年々厳しくなってきており、粒子状物質の排出の抑制のみならず、ガス状物質、特に多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ：polycyclic aromatic hydrocarbons）の低減のための簡易な分析手法の確立が切望されている。
【０００７】
本発明は、前記問題に鑑み、ガス中の粒子状物質や炭化水素を計測することが可能な排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、エンジンと、前記エンジンからの排ガスを排出する排気管と、前記排気管中の排ガスにレーザ光を照射するレーザ装置とを具備してなり、前記レーザ装置が、レーザ照射装置から発振された基本レーザ光を第１のレーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、前記基本レーザ光を波長変換し、第２のレーザ光とする第２の波長変換部と、第１及び第２のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部と、照射される第１のレーザ光及び第２のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器と、前記被測定ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光を計測する蛍光検出部とを具備することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、被測定ガスのガス成分が発する蛍光の相対強度より、被測定ガスのガス温度を計測することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【００１０】
第３の発明は、第１又は２の発明において、第１のレーザ光又は第２のレーザ光のいずれかを用いて、被測定ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光を計測する煤塵検出部を具備することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、例えばディーゼルエンジンやガスエンジン等からの排ガス性状を一台の装置で計測することで、エンジン運転状況を迅速に把握することができ、エンジン運転状況を良好に保つための、適切な予防策を講じることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、ディーゼルエンジンを模式的に示す説明図である。
【図２】図２は、１つの気筒を模式的に示す説明図である。
【図３−１】図３−１は、本発明に係る排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムの概略図である。
【図３−２】図３−２は、本発明に係る排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムの概略図である。
【図３−３】図３−３は、本発明に係る排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムの概略図である。
【図４】図４は、実施例１に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図５】図５は、ＮＯのエネルギー準位の模式図である。
【図６】図６は、ＣＯのエネルギー準位の模式図である。
【図７】図７は、実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図８】図８は、ＮＯガスの蛍光の信号強度と、回転量子数（Ｊ）との関係図である。
【図９】図９は、温度３００Ｋと１２５０Ｋにおける「Ａ2Σ+←Ｘ2Π（０，０）」遷移におけるＰ12枝におけるポンプ光のエネルギーのＬＩＦ励起スペクトル強度図である。
【図１０】図１０は、実施例３に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図１１】図１１は、実施例３に係る他のガス成分計測装置の概略図である。
【図１２】図１２は、排ガス中の性状を計測してその対策を実施するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１４】
図１は、ディーゼルエンジンを模式的に示す説明図である。図２は、１つの気筒を模式的に示す説明図である。
図１に示すように、本実施例のディーゼルエンジン１００は、１つ以上（本実施例では９つ）の気筒１２０と、過給機１１１と、空気冷却器１１２と、排気集合管１１３とを含む。まずは図２を用いて１つの気筒１２０の基本的な構成を説明する。なお、以下では、気筒１２０の一例としてレシプロ型のものを説明するが、気筒１２０はロータリー型のものでもよい。図２に示すように、気筒１２０は、シリンダ１２１と、ピストン１２２と、クランク軸１２３と、クランク室１２３ａと、コネクティングロッド１２４と、シリンダヘッド１２５と、燃焼室１２５ａと、吸気ポート１２６ａと、吸気バルブ１２６と、排気ポート１２７ａと、排気バルブ１２７と、インジェクター１２８と、オイルパン１２９とを含む。
【００１５】
シリンダ１２１は、筒状の部材である。ピストン１２２は、シリンダ１２１の中空部に設けられる。ピストン１２２は、シリンダ１２１の中心軸方向に移動できるように設けられる。クランク軸１２３は、回転できるようにクランク室１２３ａに設けられる。クランク室１２３ａは、シリンダ１２１の中心軸方向の一方側に設けられる。クランク軸１２３は、ピストン１２２の往復運動を回転運動に変換する。コネクティングロッド１２４は、ピストン１２２とクランク軸１２３とを連結する。
【００１６】
シリンダヘッド１２５は、シリンダ１２１の中心軸方向の他方側（クランク室１２３ａとは反対側）に設けられる。燃焼室１２５ａは、ピストン１２２と、シリンダヘッド１２５とで囲まれる空間である。
【００１７】
吸気ポート１２６ａ及び排気ポート１２７ａは、気筒１２０の外部と燃焼室１２５ａとを連通する。吸気バルブ１２６は、吸気ポート１２６ａに設けられる。吸気バルブ１２６は、吸気ポート１２６ａを介して気筒１２０の外部と燃焼室１２５ａとの間での空気の流動を調節する。排気バルブ１２７は、排気ポート１２７ａに設けられる。排気バルブ１２７は、排気ポート１２７ａを介して気筒１２０の外部と燃焼室１２５ａとの間での空気の流動を調節する。
【００１８】
インジェクター１２８は、図１に示す燃料噴射ポンプ１２８ａと接続される。燃料噴射ポンプ１２８ａは、燃料供給装置１３０からのエマルジョン燃料を加圧し、インジェクター１２８にエマルジョン燃料を導く。インジェクター１２８は、例えば燃焼室１２５ａに噴出口が突出して設けられる。インジェクター１２８は、燃焼噴射ポンプ１２８ａから導かれたエマルジョン燃料を燃焼室１２５ａに導く。エマルジョン燃料は、軽油や重油などの燃料に水が混合したものである。なお、インジェクター１２８は、吸気ポート１２６ａに噴出口が突出して設けられてもよい。オイルパン１２９は、クランク室１２３ａに設けられる。オイルパン１２９は、潤滑油１３１を溜める。
【００１９】
上記構成の気筒１２０は、吸気、圧縮、膨張、排気の１サイクルを繰り返し行う。これにより、気筒１２０は、ピストン１２２が往復運動し、クランク軸１２３が回転する。なお、気筒１２０は、４ストロークで１サイクルを行うものでもよいし、２ストロークで１サイクルを行うものでもよい。
【００２０】
ディーゼルエンジン１００についての説明に戻る。
過給機１１１は、空気を加圧する。過給機１１１は、図２に示す排気ポート１２７ａから排出された排気ガスのエネルギーを得て空気を加圧する、いわゆるターボチャージャーである。なお、過給機１１１は、クランク軸１２３の回転力を得て空気を加圧する、いわゆるスーパーチャージャーでもよい。空気冷却器１１２は、過給機１１１から導かれた空気を冷却する。排気集合管１１３は、各気筒１２０の排気ポート１２７ａと連通する。本実施例では、各気筒１２０の排気ポート１２７ａから排出された排気ガスは排気集合管１１３を介して過給機１１１に導かれる。
【００２１】
ここで、図１に示すクランク軸１２３は、各気筒１２０で共通の部材である。上記構成により、各気筒１２０が稼動することにより、ディーゼルエンジン１００はクランク軸１２３を回転させる。なお、本実施例では、ディーゼルエンジン１００が過給機１１１を含むものとして説明したが、ディーゼルエンジン１００は、過給機１１１を含まなくてもよい。すなわち、ディーゼルエンジン１００は、自然吸気型の内燃機関でもよい。この場合、ディーゼルエンジン１００は、空気冷却器１１２を含まなくてもよい。
【００２２】
次に、排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムについて詳細に説明する。
【００２３】
図３−１〜図３−３は、本発明に係る排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステムの概略図を示す。
図３−１〜図３−３に示すように、排ガス中のガス成分計測装置を備えたディーゼルエンジンシステム２００Ａ〜２００Ｃは、ディーゼルエンジン１００と、前記ディーゼルエンジン１００からの排ガス２０１を排出する排気管２０２と、前記排気管２０２中の排ガス２０１の性状を計測するガス成分計測装置１０Ａ（１０Ｂ）とを具備するものである。
【００２４】
先ず、図３−１に示すディーゼルエンジンシステム２００Ａにおけるディーゼルエンジン１００には、吸入空気を過給するための過給機１１１を備えており、該過給機１１１は、排気管２０２に介装されたタービン１１１ａと、吸気管２０３に介装された圧縮器１１１ｂとを有している。なお、符号２２０は電磁式高圧噴射システムのコモンレール式燃料噴射システム（ＣＲＳ）、２２１はスロットルバルブを図示する。
【００２５】
図３−２に示すディーゼルエンジンシステム２００Ｂにおけるディーゼルエンジン１００には、さらに、上記タービン１１１ａより上流側の排気管２０２と上記圧縮器１１１ｂより下流側の吸気管２０３とを連絡する排気ガス環流装置（以下「ＥＧＲ」という）のＥＧＲ通路２１０を具備している。ＥＧＲ通路２１０にはＥＧＲバルブ２１１が介装されている。このＥＧＲバルブ２１１の開度を制御することで、ＥＧＲ率を調整している。なお、符号２１２はＥＧＲクーラーを図示する。
【００２６】
図３−３に示すディーゼルエンジンシステム２００Ｃにおけるエンジン１００には、さらに、排気管２０２には、ディーゼルパティキュレートフィルタ（以下、「ＤＰＦ」という。）２３０が介装されており、通常はこのＤＰＦ２３０を迂回して排ガス２０１が外部に排気されている。
【００２７】
図４は、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ａの概略図である。図４に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ａは、煙道１５中の被測定ガス１１に対して照射される基本レーザ光（なお、実線は光軸を示す）２２により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）から被測定ガス１１中のガス成分を計測するものである。
【００２８】
具体的な装置構成としては、図４に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ａは、レーザ装置２１から発振された基本レーザ光（１０６４ｎｍ）２２を第１のレーザ光（波長：２２６ｎｍ）２２−１に波長変換する第１の波長変換部２３と、発振された基本レーザ光２２を波長変換し、第２のレーザ光（波長：６００ｎｍ）２２−２とする第２の波長変換部２４と、第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２の合波レーザ光２２−３を導入して、被測定ガス１１中のガス成分に照射するガス測定部２５と、照射される合波レーザ光２２−３（第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２）により、高い準位（Ｅ準位）に励起された励起分子が低い準位（Ｃ準位）に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：以下「ＡＳＥ」という）１４を計測する光検出器（例えばフォトダイオード、ＭＣＴディテクタ等）２６と、被測定ガス１１中の成分が発する蛍光５０を計測する蛍光検出部５１とを具備するものである。
図４中、符号１５ａ、１５ｂはレーザ光の透過する石英窓、２９は分光器、３１は集光レンズ、３３は光フィルタ、３４ａ〜３４ｄはミラーを各々図示する。
【００２９】
本発明のガス成分計測装置は、ＡＳＥの発光する原理を用いており、従来のような吸収分析と異なるので、被測定ガス１１のガス吸収光強度低下の影響がなくなるものとなる。
【００３０】
次に、図５に示すＮＯのエネルギー準位の模式図を参照してＡＳＥの発光原理を説明する。
被測定ガス中の例えば一酸化窒素（ＮＯ）にレーザ光を照射して、電子的に励起させると、図５に示すように、基底状態（Ｘ）から、励起状態に励起（Ｘ準位→Ａ準位→Ｅ準位）する。
【００３１】
具体的には第１のレーザ光（２２６ｎｍ）２２−１の励起波長ではＸ準位からＡ準位に励起され、次いで第２のレーザ光（６００ｎｍ）２２−２の励起波長ではＡ準位からＥ準位に励起される。
このとき、Ｅ準位の分子の数がＣ準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、Ｅ準位からＣ準位に自然放出され、これがきっかけとなり、Ｅ準位からＣ準位の誘導放出である１１７０〜１１８４ｎｍの自然放射増幅光（ＡＳＥ）が発生する。
【００３２】
被測定ガス中の計測対象のガス成分としては、一酸化窒素（ＮＯ）以外に、例えば
一酸化炭素（ＣＯ）、水（Ｈ2Ｏ）、二酸化窒素（ＮＯ2）、メタン（ＣＨ4）、アンモニア、ベンゼン等を例示することができる。
【００３３】
図６は一酸化炭素（ＣＯ）のエネルギー準位の模式図である。
図６に示すように、一酸化炭素（ＣＯ）では、基底状態から２１５ｎｍの２光励起により、Ｘ準位からＥ準位に励起される。
【００３４】
このとき、Ｅ準位の分子の数がＢ準位の分子の数よりも多い場合に、反転分布状態となり、Ｅ準位からＢ準位に自然放出がされ、これがきっかけとなり、Ｅ準位からＢ準位の誘導放出である１．７μｍの自然放射増幅光（ＡＳＥ）が発生する。
【００３５】
また、ＡＳＥは、赤外領域（例えばＮＯの場合には、１１７０〜１１８４ｎｍ）の波長であるので、可視領域や紫外領域と異なり、光フィルタ３３での分離が容易であり、計測精度が向上する。
【００３６】
蛍光やラマン等の発光分析は等方発光であるので四方八方に光が拡がり、指向性が無いのに対し、ＡＳＥは指向性（基本レーザ光２２の入射方向と出射方向との二方向のみＡＳＥ１４が発光する）があり、高感度での分離が可能となる。
よって、本実施例では、前記ガス測定部２５に対してレーザ光が導入する光導入ラインと、発生したＡＳＥ１４を放出するレーザ光の進行方向と同方向の光放出ラインとを具備している。
【００３７】
この結果、産業設備における計測対象の配管長が長い場合や、ガス吸収量が大きい場合においても、ガス成分の濃度分析がオンラインで可能となる。
また、ＡＳＥは指向性のある光として発振するので、ＡＳＥ発光成分を集光し易く、計測感度が高いものとなる。
さらに、ＡＳＥは赤外領域の光であるので、入射レーザ光（可視光線、紫外光）との分離が容易となり、シグナルノイズ比の高い検出が可能となる。
【００３８】
また、本実施例においては、ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボン（ＨＣ）が発生する蛍光５０を蛍光検出部５１で計測している。
ここで、前記ハイドロカーボンの検出には蛍光検出部５１において、波長３００〜４５０ｎｍ（より好適には３５０〜４００ｎｍ）以外の波長を除外する分光器を備え、ハイドロカーボン検出を良好としている。
これにより、ＡＳＥ１４の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中に存在するハイドロカーボン（ＨＣ）の分析も可能となる。
【００３９】
この結果、ガスプラント由来のガス成分以外の他の成分であるハイドロカーボン（ＨＣ）についても同時に計測することで、一度の計測で多面的な分析が可能となる。
【００４０】
この結果、排ガス中に含まれるハイドロカーボン量が多いような場合には、排ガス中の油分（特にタール成分）が多いと判断され、燃焼条件の見直しを行う制御を図示しない制御装置で行うようにしている。
【００４１】
このような、図４に示すガス成分計測装置１０Ａを用い、例えばディーゼルエンジンやガスエンジン等からの排ガス中の性状を一台の装置で計測することで、エンジン運転状況を迅速に把握することができ、エンジン運転状況を良好に保つための、適切な予防策を講じることができる。
【００４２】
次に、制御手段による粒子状物質の濃度計測及びその排出抑制対策の一例の制御について説明する。
図１２は、排ガス中の性状を計測してその対策を実施するフローチャートである。
【００４３】
まず、制御手段は、ガス成分計測装置１０Ａからの排ガス成分（ＨＣ、ＮＯ、ＣＯ等）濃度を取得する（ステップＳＴ１）。
【００４４】
次に、取得した排ガス性状の濃度が所定の許容値（閾値）を超えていないかを判断する（ステップＳＴ２）。
【００４５】
計測した濃度が許容値を超えていないと判断した場合（ステップＳＴ２：Ｙｅｓ）、本制御を終了し、引き続き、排ガス性状の計測を継続する。
【００４６】
これに対し、上記許容値を超えていると判断した場合（ステップＳＴ２：Ｎｏ）、エンジンの燃料噴射圧力、噴射タイミングの調整等を制御装置より指示する（ステップＳＴ３）。
【００４７】
このように、エンジン運転中において、排ガス性状をガス成分計測装置１０Ａにより成分濃度を計測することで、例えば電子制御燃料噴射系の噴射圧力、噴射タイミングの制御を適切に行うことができ、常に安定した燃料を行うことができる。
また、ＡＳＥ分析では、蛍光の影響がないので、蛍光をＮＯで計測する際、ＨＣの濃度が高い場合には、その影響が懸念されるが、ＡＳＥによりＮＯを分析することで、その影響がなく、的確な計測を実施することができる。すなわち、図５に示すように、ＮＯのエネルギー準位を高めるために、２２６ｎｍの紫外線で励起し、次いで６００ｎｍの可視光線で励起し、近赤外領域での自然放射増幅光（ＡＳＥ）の発生であるので、蛍光の影響がないものとなる。
さらに、エンジン設備にスペースの制約があり、光学機器を全て設置できない場合には、指向性を有するＡＳＥの光検出器２６については、計測箇所から離れた場所に設置することが可能となる。
【実施例２】
【００４８】
次に、実施例２において、本発明の他のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図７は、実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。図７に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ａは、前記蛍光検出部５１において、ガス成分中のＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａを計測し、予め測定しておいた温度曲線に照らして、ガス中の温度計測を行うようにしている。
ここで、前記ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａの検出には蛍光検出部５１において、波長３００ｎｍ以下の波長の光を透過するフィルタ（好適には２５０ｎｍ以下、例えば２２７ｎｍのフィルタ等）を有する分光器を備え、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａの検出を良好としている。
これにより、ＡＳＥ１４の計測によるガス成分の計測と同時に、ガス中の温度を計測することが可能となる。
【００４９】
図８はＮＯガスの蛍光の信号強度と、回転量子数（Ｊ）との関係図である。図８中、黒丸印は３００Ｋにおける測定値であり、四角印は１２５０Ｋにおける測定値である。これらのプロットを結ぶ線は下記式（１）を用いたフィッテイングである。
このチャートは電子状態における基底状態から第一励起状態の電子励起振動回転スペクトルである。
【００５０】
また、図９は温度３００Ｋと１２５０Ｋにおける「Ａ2Σ+←Ｘ2Π（０，０）」遷移におけるＰ12枝におけるポンプ光のエネルギーのＬＩＦ励起スペクトル強度（ポンプ光波長４４０６０ｃｍ-1）の図である（波長２２６ｎｍ付近で挿引している）。
【００５１】
このスペクトル線の回転量子数（Ｊ）に対応する相対強度を測定し、その測定結果から、下記式（１）を温度の関数としてあてはめることにより、測定場の温度を算出することができる。
Ｎj／Ｎj=0＝（２Ｊ＋１）ｅｘｐ(−［（ｋｃＢＪ）・（Ｊ＋１）］／（ｋＴ）)…（１）
ここで、
Ｎj：回転量子数Ｊにおける分子数（数密度）
Ｎj=0：全分子数
Ｊ：回転量子数
ｋ：ボルツマン定数
ｃ：光速度
Ｂ：回転定数
Ｔ：温度（回転温度）
である。
【００５２】
よって、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０Ａにより信号強度を求め、比較することで、排ガスの温度を予測することができる。この結果、従来においては、例えば熱電対等における配管内部の温度計測は、スポット的な温度計測であったものが、計測場全体（レーザ光の光路長全体）の平均温度を非接触で求めることができる。
また、ハイドロカーボン（ＨＣ）由来の蛍光との分離には、ＨＣ由来の蛍光は３５０〜４００ｎｍの範囲で計測するので、３００ｎｍ以下となるように、分光器を用いて分光する。これにより、ＮＯ由来の蛍光（ＮＯ）５０ＡとＨＣ由来の蛍光（ＨＣ）５０Ｂの両方の蛍光が測定できる。
【００５３】
よって、通常の温度センサ以外に、排ガス温度をオンラインで計測が可能となる。
【実施例３】
【００５４】
次に、実施例３において、本発明の他のガス成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１０は、実施例３に係るガス成分計測装置の概略図である。図１０に示すように、本実施例に係るガス成分計測装置１０Ｂは、図７に示した蛍光検出部５１以外に、さらに、第１のレーザ光２２−１又は第２のレーザ光２２−２のいずれかを用いて、ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光６０を計測する煤塵検出部６１を具備するものである。これにより、煤塵が発するミー散乱光６０を煤塵検出部６１で検出信号の強度を計測することで、煤塵濃度を求めることができる。なお、前記煤塵検出部６１としては、例えばファトダイオード（Ｓｉ半導体型等）を例示することができるが、これに限定されるものではない。
【００５５】
ここで、波長の短い第１のレーザ光（波長：２２６ｎｍ）２２−１を用いる場合には、小さい粒径の煤塵濃度を計測することができる。
一方、波長の長い第２のレーザ光（波長：６００ｎｍ）２２−２を用いる場合には、大きい粒径の煤塵濃度を計測することができる。
よって、求める粒径に応じて、第１のレーザ光か第２のレーザ光かを選択し、どちらかのラインを遮断するチョッパ６２−１、６２−２を設けるようにしている。
【００５６】
蛍光の分析と併用する場合には、実施例１で説明したように、先ず蛍光分析を行ってＡＳＥを計測した後、第１のレーザ光２２−１又は第２のレーザ光２２−２を用いて、煤塵濃度を計測するようにすればよい。
【００５７】
また、本実施例の変形例を示す図１１に示すように、例えば３０ｃｍ／１ｎｓ程度の時間遅れとなるディレイライン６３−１、６３−２を設け、第１のレーザ光２２−１及び第２のレーザ光２２−２を用いて先ず、蛍光によるＮＯのＡＳＥを計測し、その後、タイミングをずらして煤塵濃度を計測するようにすればよい。なお、ディレイライン６３−１、６３−２には、前記チョッパ６２−１、６２−２をそれぞれ有するようにしている。
【００５８】
このような、図１０に示すガス成分計測装置１０Ｂを用いて、粒子状物質濃度を計測した結果、計測時の真の粒子状物質濃度が所定の閾値を超えている場合には、図示しない制御装置により、粒子状物質濃度が低減させるような種々のエンジン制御を行うようにしている。
【００５９】
ここで、粒子状物質濃度を低減させるようなエンジン制御としては、以下の制御方法を例示することができる。
図３―１に示すディーゼルエンジンシステム２００Ａにおいては、第１のエンジン制御として、電磁式高圧噴射システム（例えばＣＲＳ（コモンレール式燃料噴射システム））２２０の燃料噴射タイミングを進め、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。
【００６０】
また、第２のエンジン制御としては、電磁式高圧噴射システム（例えばＣＲＳ（コモンレール式燃料噴射システム））２２０の燃料噴射圧を高め、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。
【００６１】
また、第３のエンジン制御としては、過給機１１１の過給圧を高め、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。
【００６２】
図３―２に示すディーゼルエンジンシステム２００Ｂにおいては、前述した第１乃至３のエンジン制御に加えて、さらに、第４のエンジン制御として、排ガス再循環（ＥＧＲ）装置のＥＧＲバルブ２１１の開度を絞り、粒子状物質濃度を低減させるようにしている。
【００６３】
また、第１乃至第４のエンジン制御を実施しても、粒子状物質濃度の低減効果が発揮されない場合に、排ガス２０１中の粒子状物質を除去するＤＰＦ２３０に排ガス２０１を通過させる制御を行い、外部への排出を防止するようにしている。
【００６４】
さらに、粒子状物質濃度が所定の閾値を超えた場合には、図示しない制御装置からアラームを発して、機関停止を実行するようにしてもよい。
【００６５】
ここで、制御手段は、マイコン等で構成されている。制御手段は、ＲＡＭやＲＯＭ等から構成されてプログラムやデータが格納される記憶部（図示せず）が設けられている。記憶部に格納されるデータは、エンジンからの排ガス中の粒子状物質の濃度を確認して、所定の閾値を超えているか否かを判断し、粒子状物質の排出を抑制するよう制御を行う。
【００６６】
このように、エンジン運転中において、排ガスの性状（ＮＯ、ＣＯ、ＨＣ等）以外にさらに正確な粒子状物質の濃度を計測することで、燃料噴射圧、過給圧の状況に応じて、実際にどれくらいの粒子状物質（ＰＭ）が排出されたかどうかの確認をオンラインで行うことができる。
【００６７】
以上、本発明によれば、エンジンからの排ガス中の性状を計測する成分計測装置を備えたエンジンシステムを用いることにより、例えば舶用ディーゼルエンジンの運転中において、オンラインで排ガス中の性状（ＮＯ、ＣＯ、ＨＣ等）、粒子状物質の濃度計測ができ、エンジンの不完全燃焼に対しての適切な予防対策（点火タイミングの変更、燃料混合比率の変更、フィルタ等の切替え等）を講じることができる。
【００６８】
本実施例では、エンジンとして舶用ディーゼルエンジンを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種陸用ディーゼルエンジンや、その他燃料ガスを燃焼するガスエンジンの排ガス性状の計測に適用することもできる。
【符号の説明】
【００６９】
１０Ａ〜１０Ｂ ガス成分計測装置
１１ 被測定ガス
１４ ＡＳＥ
２１ レーザ装置
２２ 基本レーザ光
２２−１ 第１のレーザ光
２２−２ 第２のレーザ光
２３ 第１の波長変換部
２４ 第２の波長変換部
２５ ガス測定部
２６ 光検出器
５０ 蛍光
５０Ａ 蛍光（ＮＯ）
５０Ｂ 蛍光（ＨＣ）
５１ 蛍光検出部
６０ ミー散乱光
６１ 煤塵検出部
１００ ディーゼルエンジン
１２０ 気筒
２００Ａ〜２００Ｃ ガス成分計測装置を備えたエンジンシステム
２０１ 排ガス
２０２ 排気管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンと、
前記エンジンからの排ガスを排出する排気管と、
前記排気管中の排ガスにレーザ光を照射するレーザ装置とを具備してなり、
前記レーザ装置が、
レーザ照射装置から発振された基本レーザ光を第１のレーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、
前記基本レーザ光を波長変換し、第２のレーザ光とする第２の波長変換部と、
第１及び第２のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部と、
照射される第１のレーザ光及び第２のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器と、
前記被測定ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光を計測する蛍光検出部とを具備することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステム。
【請求項２】
請求項１において、
被測定ガスのガス成分が発する蛍光の相対強度より、被測定ガスのガス温度を計測することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステム。
【請求項３】
請求項１又は２において、
第１のレーザ光又は第２のレーザ光のいずれかを用いて、被測定ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光を計測する煤塵検出部を具備することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステム。
【請求項１】
エンジンと、
前記エンジンからの排ガスを排出する排気管と、
前記排気管中の排ガスにレーザ光を照射するレーザ装置とを具備してなり、
前記レーザ装置が、
レーザ照射装置から発振された基本レーザ光を第１のレーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、
前記基本レーザ光を波長変換し、第２のレーザ光とする第２の波長変換部と、
第１及び第２のレーザ光を導入して、被測定ガス中のガス成分に照射するするガス測定部と、
照射される第１のレーザ光及び第２のレーザ光により高い準位に励起された励起分子が低い準位に電子的に緩和する際、その準位が下がるときに発生する自然放射増幅光（Amplified Spontaneous Emission：ＡＳＥ）を計測する光検出器と、
前記被測定ガス中に存在する油分由来のハイドロカーボンが発生する蛍光を計測する蛍光検出部とを具備することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステム。
【請求項２】
請求項１において、
被測定ガスのガス成分が発する蛍光の相対強度より、被測定ガスのガス温度を計測することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステム。
【請求項３】
請求項１又は２において、
第１のレーザ光又は第２のレーザ光のいずれかを用いて、被測定ガス中に存在する煤塵が発するミー散乱光を計測する煤塵検出部を具備することを特徴とする排ガス中のガス成分計測装置を備えたエンジンシステム。
【図１】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図３−３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図３−３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１６８１３２（Ｐ２０１２−１６８１３２Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３１４５３（Ｐ２０１１−３１４５３）
【出願日】平成２３年２月１６日（２０１１．２．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１６日（２０１１．２．１６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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