排ガス分析装置および排ガス分析方法
【課題】実測温度の検出精度を高め、排ガス中の成分濃度の測定精度を向上させた排ガス分析装置および排ガス分析方法を提供する。
【解決手段】排気経路３中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部５と、測定部５の上流側の排気経路３中に配設され、排気経路３中の排ガスの実測温度Ｔ１を検出する温度センサ５５と、測定部５にて受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する差分型光検出器６４と、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２を算出する温度算出部７０と、排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には温度センサ５５により検出された実測温度Ｔ１を用いて、又は排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を用いて、排ガスの成分濃度Ｃを算出する成分濃度算出部７３とを有する排ガス分析装置。
【解決手段】排気経路３中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部５と、測定部５の上流側の排気経路３中に配設され、排気経路３中の排ガスの実測温度Ｔ１を検出する温度センサ５５と、測定部５にて受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する差分型光検出器６４と、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２を算出する温度算出部７０と、排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には温度センサ５５により検出された実測温度Ｔ１を用いて、又は排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を用いて、排ガスの成分濃度Ｃを算出する成分濃度算出部７３とを有する排ガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光することで排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析装置および排ガス分析方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれる炭化水素（Ｈｙｄｒｏ Ｃａｒｂｏｎ）濃度（以下、成分濃度）を測定するために、ＦＩＤ（Ｆｌａｍｅ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）法やＮＤＩＲ（Ｎｏｎ‐Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒｅｄ）法と呼ばれる測定方法を用いた排ガス分析装置が知られている。
【０００３】
特に、車載型の従来の排ガス分析装置としては、排気経路中の排ガスに特定の吸収波長を有する赤外レーザ光を照射して排ガス中を透過させ、その透過光を検出することで、排ガス中の成分濃度を測定する構成が公知である。このような赤外レーザ光を用いた成分濃度の計測方法（赤外線レーザ吸収法）では、光源からの赤外レーザ光が排ガスを構成する炭化水素類の吸収波長に調整された上で排気経路内の排ガスに向けて照射され、排ガス中を透過した透過光の光強度が受光センサにて検出され、透過光の吸収スペクトルに基づいて光強度（シグナル強度）が算出されることで、排ガス中の成分濃度が測定される。
【０００４】
ところで、上述した赤外線レーザ吸収法を用いた排ガス分析装置では、排気経路内の排ガス中の成分濃度が赤外レーザ光（透過光）の吸収スペクトルに基づいて算出されるが、この赤外レーザ光の吸収スペクトルは排ガスの温度の影響を受けるため、算出される濃度はこれらの温度に起因する誤差を有している。そのため、これまでにも、成分濃度の測定精度を高めるために、赤外レーザ光の吸収スペクトルを温度補正し、その結果を用いて成分濃度を測定するようにした排ガス分析方法が提案されているところである。
【０００５】
例えば、特許文献１には、排気経路に内燃機関より排出された排ガスが通過する排ガス通過孔に向けて赤外レーザ光を照射し、反射鏡により赤外レーザ光を多重反射させた後に、排ガス中を透過した赤外レーザ光を検出する測定部を直接配置することで、排ガス中の成分濃度等を測定するようにした排ガス分析装置において、検出された吸収スペクトルの内の所定成分としてＨ2Ｏの吸収スペクトルの光強度（シグナル強度）から排ガスの温度を算出し、算出された温度を用いて排ガス中の各分子の吸収スペクトルを補正して、排ガス中の成分濃度を測定する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１６３４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
確かに、特許文献１に開示される従来の排ガス分析装置のように、排ガス中の所定成分としてとしてＨ2Ｏの吸収スペクトルの光強度から温度を算出し、算出された温度を用いて排ガス中の成分ごとの吸収スペクトルを補正する方法であれば、なるほど高応答の温度計測が可能であるため、ひいては成分濃度を高応答で測定することができる。
【０００８】
しかしながら、エンジン始動前や始動直後等の低温条件で成分濃度を測定する際には、排ガス中の所定成分であるＨ2Ｏの濃度が低い（換言すると、Ｈ2Ｏ分子の飽和蒸気圧が低い）ため、正確なＨ2Ｏの吸収スペクトルを検出することができず、高温条件で成分濃度を測定する際と比べて温度の算出精度が劣っていた。そのため、低温条件下では排ガス中の成分ごとの吸収スペクトルを精度よく温度補正できずに、ひいては成分濃度の測定精度が低下してしまうという課題があった。
【０００９】
なお、排ガスの温度測定方法としては、上述した方法の他に熱電対等の温度センサを用いて測定する方法が公知であるが、このような温度センサを用いた温度測定方法によると、確かに、温度変化が緩やかな条件では、上述したＨ2Ｏの吸収スペクトルから排ガスの温度を算出する方法と比べると、排気経路中を通過する排ガス温度の実測値であるため、その測定精度が高い。しかしながら、温度センサ自体の熱容量による応答遅れにより、エンジン始動直後などの温度が急激に変化する条件では、高応答で成分濃度を測定することが困難であった。
【００１０】
そこで、本発明においては、排ガス分析装置および排ガス分析方法に関し、前記従来の課題を解決するもので、低温条件下で所定成分の濃度が低い場合であっても成分濃度の測定精度を向上させた排ガス分析装置および排ガス分析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１２】
すなわち、請求項１においては、内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部を具備してなり、前記測定部にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析装置であって、前記排気経路中の排ガスの実測温度を検出する温度検出手段と、前記測定部にて受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出手段と、前記吸収スペクトル検出手段により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度を算出する温度算出手段と、排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には前記温度検出手段により検出された実測温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出し、排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には前記温度算出手段により算出された理論温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出手段とを有し、前記温度検出手段は、前記排ガスの実測温度を検出する温度センサを有し、前記温度センサは、前記測定部の上流側の排気経路中に配設されるものである。
【００１３】
請求項２においては、内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光することで排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析方法であって、前記排気経路中の排ガスの実測温度を検出する温度検出工程と、前記受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出工程と、前記吸収スペクトル検出工程により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度を算出する温度算出工程と、排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には前記温度検出工程により検出された実測温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出し、排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には前記温度算出工程により算出された理論温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出工程とを有し、前記温度検出工程において、前記排ガスの実測温度を、前記測定部の上流側の排気経路中に配設される温度センサにより検出するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の効果としては、エンジン始動前や始動直後などのように排ガス中の所定成分の濃度が低く、吸収スペクトル検出手段により正確な吸収スペクトルを検出することができない場合であっても、温度検出手段による排ガスの実測温度を用いて成分濃度の温度補正を行うことで、排ガス中の成分ごとの吸収スペクトルを精度よく温度補正することができ、ひいては所定成分の濃度が低い低温条件下であっても成分濃度の測定精度を向上できる。
また、温度検出手段にて検出される実測温度の応答遅れを防止して、実測温度の検出精度を高め、ひいては排ガス中の成分濃度の測定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例に係る排ガス分析装置を車輌に搭載した状態を示した側面図。
【図２】測定部の取付構造を示した斜視図。
【図３】同じく図２の測定部の取付構造を示した側面図。
【図４】測定部の構成を示した斜視図。
【図５】コントローラの構成を示した機能ブロック図。
【図６】Ｈ2Ｏの検出ピークを含む波長帯におけるレーザ光の信号強度を示した図。
【図７】Ｈ2Ｏの検出ピークを含む波長帯におけるレーザ光の吸収スペクトルを示した図。
【図８】コンピュータ装置の構成を示した機能ブロック図。
【図９】吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴う各ピークの面積を示した図。
【図１０】本実施例の排ガス分析装置を用いた排ガス分析方法を示したフローチャート。
【図１１】吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴う各ピーク波長の光強度を示した図。
【図１２】（ａ）は実測吸収スペクトルと理論吸収スペクトルとによって囲まれた境域の面積を示した図、（ｂ）は理論吸収スペクトルの面積を示した図。
【図１３】別実施例の測定部の取付構造を示した側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係る排ガス分析装置を車輌に搭載した状態を示した側面図、図２は測定部の取付構造を示した斜視図、図３は同じく図２の測定部の取付構造を示した側面図、図４は測定部の構成を示した斜視図、図５はコントローラの構成を示した機能ブロック図、図６はＨ2Ｏの検出ピークを含む波長帯におけるレーザ光の信号強度を示した図、図７はＨ2Ｏの検出ピークを含む波長帯におけるレーザ光の吸収スペクトルを示した図、図８はコンピュータ装置の構成を示した機能ブロック図、図９は吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴う各ピークの面積を示した図、図１０は本実施例の排ガス分析装置を用いた排ガス分析方法を示したフローチャート、図１１は吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴う各ピーク波長の光強度を示した図、図１２は（ａ）は実測吸収スペクトルと理論吸収スペクトルとによって囲まれた境域の面積を示した図、（ｂ）は理論吸収スペクトルの面積を示した図、図１３は別実施例の測定部の取付構造を示した側面図である。
【００１７】
まず、本実施例の排ガス分析装置１の全体構成について、以下に概説する。
図１に示すように、本実施例の排ガス分析装置１は、自動車２に配置された内燃機関としてのエンジン２０から排出される排ガス中の成分濃度や温度を測定して分析するものである。具体的には、排ガス分析装置１は、上述した排気経路３の複数箇所に配設された複数の測定部５・５・・・と、測定部５に接続されたレーザ発振・受光用のコントローラ６と、コントローラ６に接続されたコンピュータ装置７等とで構成されている。
【００１８】
自動車２には、エンジン２０からの排ガスを機外に排出する排気経路３が敷設されており、排気経路３は、エキゾーストマニホールド３０、排気管３１、第一触媒装置３２、第二触媒装置３３、マフラー３４、及び排気パイプ３５等とから構成されている。また、排気経路３の各構成機器は、断面円形状の配管３ａによって連結されている。
【００１９】
排気経路３においては、エンジン２０の排ガスが、まずエキゾーストマニホールド３０で合流され、排気管３１を通じて第一触媒装置３２及び第二触媒装置３３に導入され、その後マフラー３４を通じて排気パイプ３５から大気中に放出される。このような排気経路３が形成されることによって、エンジン２０からの排ガスは、二つの触媒装置３２・３３によって浄化され、マフラー３４によって消音・減圧されて大気中に放出される。
【００２０】
測定部５・５・・・は、排気経路３において４箇所に配置されており、具体的には、第一触媒装置３２の上流側のエンジン２０と排気管３１との間、第一触媒装置３２と第二触媒装置３３との間、第二触媒装置３３とマフラー３４との間、マフラー３４の下流側の排気パイプ３５の末端部にそれぞれ配置されている。そして、各測定部５において、コントローラ６によって（赤外）レーザ光が照射され、かつ排ガスを透過した後のレーザ光が受光されることで、排気経路３を流れる排ガスの成分濃度が連続的にリアルタイムで測定される。
【００２１】
このように、本実施例の排ガス分析装置１では、各測定部５による排気経路３の一断面におけるスポット的な排ガスの測定が可能となっている。特に、本実施例のように、測定部５が排気経路３の複数箇所に設けられることで、排ガスが排気経路３の所定断面でどのように変化するかを瞬時に測定することができ、排ガスの状態をリアルタイムに連続して測定することができる。
【００２２】
次に、測定部５について、以下に詳述する。
なお、本実施例の排ガス分析装置１では、排気経路３に配置された測定部５・５・・・は、それぞれ略同一に構成されているため、以下、一例として、第一触媒装置３２と第二触媒装置３３との間に配置された測定部５について説明する。
【００２３】
図２乃至図４に示すように、本実施例の測定部５は、矩形状の薄板材から形成され、略中心部に排気経路３中の排ガスが通過する円形の排ガス通過孔５０ａが貫通された本体部としてのセンサ本体５０と、測定用のレーザ光を排ガス通過孔５０ａ内に向けて照射する照射部５１と、照射部５１より照射されたレーザ光を多重反射させる一対の反射鏡５２・５２と、排ガス中を透過したレーザ光を検出する受光部５３と、排気経路中の排ガスの実測温度Ｔ１を検出する温度検出手段としての温度センサ５５等とで構成されている。測定部５においては、照射部５１より排気経路３と直交する一断面に沿ってレーザ光が照射され、照射されたレーザ光が反射鏡５２間で排気経路３を横切るように複数回反射されて、受光部５３にて受光される。
【００２４】
測定部５は、センサ本体５０が一対の管継手３６・３６に挟まれた状態で固定され、管継手３６・３６がそれぞれ第一触媒装置３２及び第二触媒装置３３に接続された配管３ａ・３ａと接続されることで排気経路３に配設される。管継手３６・３６は、断面円形の貫通孔３６ａが穿設された筒状に形成され、一方の開口縁部にフランジ部３６ｂが設けられている。測定部５（のセンサ本体５０）は、一対の管継手３６・３６のフランジ部３６ｂが設けられた側の開口端の離間に、ガスケット３７を介して挟み込まれ、フランジ部３６ｂ・３６ｂがボルト３８・３８によって締結されることで固定される。管継手３６の貫通孔３６ａは、配管３ａと同じ直径の円形に形成され、排ガスの流れが妨げられることがない。
【００２５】
センサ本体５０は、平面視円形に形成された薄板状の金属部材より構成され、排ガスの流れ方向と直交する対向面の略中央部に円形の排ガス通過孔５０ａが穿設されている。このセンサ本体５０には、照射部５１及び受光部５３が投光面と受光面とがそれぞれ排ガス通過孔５０ａの中心方向に向くようにして組み付けられるとともに、反射鏡５２・５２が排ガス通過孔５０ａに面するように上下に対向して平行に配設され、照射部５１より照射されるレーザ光が排ガス通過孔５０ａ内を排気経路３に対して直交して横切るように平行状態に固定されている。
【００２６】
照射部５１からは、排気経路３と直交する一断面に沿ってレーザ光が照射され、照射部５１から照射されたレーザ光が受光部５３にて受光される。本実施例では、照射部５１及び受光部５３は、上述したコントローラ６に接続されており、コントローラ６から射出されたレーザ光が照射部５１を介して排ガス通過孔５０ａに照射され、排ガス中を透過したレーザ光が受光部５３で受光されてコントローラ６に受光信号が入力される。
【００２７】
照射部５１には、赤外線送信用の光ファイバ５１ａが設けられており、投光面がセンサ本体５０の排ガス通過孔５０ａの中心に向くようにして取り付けられている。光ファイバ５１ａの他端は、上述したコントローラ６に接続されており、コントローラ６から射出されたレーザ光が光ファイバ５１ａより排ガス通過孔５０ａ内に導入される。このように、照射部５１は、光ファイバ５１ａの投光面が排ガス通過孔５０ａに対向され、レーザ光が排ガス通過孔５０ａと直交する一断面に向けて照射可能にセンサ本体５０に取り付けられている。
【００２８】
受光部５３には、レーザ光を検出するディテクタ５３ａと、一端がディテクタ５３ａに接続されるとともに、他端が上述したコントローラ６に接続された信号線５３ｂとが設けられており、排ガス中を透過したレーザ光がディテクタ５３ａに受光されて、受光信号が信号線５３ｂを介してコントローラ６に入力される。受光部５３は、ディテクタ５３ａの受光面が排ガス通過孔５０ａに対向され、照射部５１より排ガス通過孔５０ａと直交する一断面に向けて照射されたレーザ光を受光可能に照射部６と同一平面上に位置するようにしてセンサ本体５０に取り付けられる。
【００２９】
反射鏡５２・５２は、照射部５１より照射されたレーザ光が一方の反射鏡５２（図４において下方の）により他方の反射鏡５２（図４において上方の）に向けて反射され、一対の反射鏡５２・５２により交互に反射されて受光側の受光部５３に到達されるように配設される。このように一対の反射鏡５２・５２によって、照射部５１により照射されたレーザ光が排気経路３に直交する一断面内を複数回反射してから受光部５３で受光される。
【００３０】
このように、測定部５では、コントローラ６から照射されたレーザ光が照射部５１の光ファイバ５１ａを介してセンサ本体５０の排ガス通過孔５０ａ内に照射され、排ガス中を透過したレーザ光が受光部５３のディテクタ５３ａにて受光され、信号線５３ｂを介してコントローラ６に入力されるように構成されている。
【００３１】
温度センサ５５は、センサ本体５０の排ガス通過孔５０ａ内に配設されており、排ガス通過孔５０ａを通過する排ガスの実測温度Ｔ１が直接に検出される。温度センサ５５の一端は後述するコンピュータ装置７に接続されており、検出された排ガスの実測温度Ｔ１がコンピュータ装置７に入力される（図３参照）。なお、本実施例の温度センサ５５は、例えば、導線部分がエナメルやセラミック等の耐熱性素材により被覆された熱電対が用いられる。特に、熱電対が用いられる場合には、金属製の保護管等に収容された状態で排ガス通過孔５０ａ内に配設されてもよい。
【００３２】
次に、コントローラ６について、以下に詳述する。
本実施例の排ガス分析装置１では、コントローラ６は、各排気経路３に配置された対応する測定部５・５・・・ごとにそれぞれ配設されており、各測定部５・５・・・に同様の波長の（赤外）レーザ光を供給するとともに、各測定部５・５・・・にて受光されたレーザ光の受光信号が受信されるように構成されている。以下では、第一触媒装置３２と第二触媒装置３３との間に配置された一の測定部５に注目して、かかる測定部５に接続されたコントローラ６の構成について説明するが、その他の測定部５に接続されるコントローラ６の構成についても略同様に構成される。
【００３３】
図１及び図５に示すように、コントローラ６は、複数の波長のレーザ光を照射する照射装置及び所定のレーザ光を検出する光検出装置として構成されている。具体的には、複数の波長の赤外レーザ光を発生させるレーザ光源６０と、レーザ光源６０より照射されたレーザ光を分波する複数の分波器６１・６１・・・と、レーザ光源６０より照射されたレーザ光（測定用レーザ光及び参照用レーザ光）を所定の波長帯のレーザ光に合波する合波器６２・６３と、測定部５により受光されて排ガス中を透過して減衰した測定用レーザ光と参照用レーザ光とが導光される差分型光検出器６４等とで構成されている。
【００３４】
レーザ光源６０は、ファンクションジェネレータ等の信号発信器６５からの所定の周波数の信号が複数（本実施例では５個）のレーザダイオード６６・６６・・・に供給されることで、各レーザダイオード６６・６６・・・から特定波長の赤外レーザ光がそれぞれ照射される。レーザ光源６０では、例えば、一のレーザダイオード６６から波長が１３００〜１３３０ｎｍ程度のレーザ光や、波長が１３３０〜１３６０ｎｍ程度のレーザ光がそれぞれ照射される。
【００３５】
本実施例では、排ガス中に含まれる成分の内で、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、アンモニア（ＮＨ3）、メタン（ＣＨ4）、及び水（Ｈ2Ｏ）の５種類を検出対象として設定されており、それぞれの成分のピーク波長が存在する波長帯を含むレーザ光が合成される。具体的には、ＮＨ3を検出するのに適した波長は１５３０ｎｍ近傍であり、ＣＯを検出するのに適した波長は１５６０ｎｍ近傍であり、ＣＯ2を検出するのに適した波長は１５８０ｎｍ近傍であり、ＣＨ4を検出するのに適した波長は１６５０ｎｍ近傍である。そして、Ｈ2Ｏを検出するのに適した波長が１３８０ｎｍ近傍である。
【００３６】
分波器６１は、上述したレーザ光源６０のレーザダイオード６６・６６・・・より照射されたレーザ光を測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波する装置であって、本実施例では、上述したレーザダイオード６６・６６・・・に対応して複数個（本実施例では５個）の分波器６１・６１・・・がそれぞれ配設されている。なお、本実施例のコントローラ６には、分波器６１にてレーザダイオード６６・６６・・・より照射されたレーザ光を測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波する前に、排ガス分析装置１を構成する各測定部５・５・・・に対してレーザ光を分波するための図示せぬ分波器が別途設けられている。
【００３７】
合波器６２・６３は、分波器６１で測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波された各レーザ光を合波して、所定の波長帯のレーザ光に合波するものであって、合波器６２により分波器６１で分波された測定用レーザ光が合波され、合波器６３により分波器６１で分波された参照用レーザ光が合波される。このようにして合波器６２・６３により合波されたレーザ光は、排ガス中の複数の成分に合わせて７００ｎｍ〜１８００ｎｍ程度の波長帯を有するように調整されている。
【００３８】
合波器６２により合成された測定用レーザ光は、光ファイバ５１ａを介して測定部５の照射部５１に導光され、測定部５にて反射鏡５２・５２で多重反射された後に受光部５３のディテクタ５３ａにて受光され、信号線５３ｂを介して後述する差分型光検出器６４に導光される。一方、合波器６３により合成された参照用レーザ光は、光ファイバ６３ａを介して後述する差分型光検出器６４に導光される。
【００３９】
差分型光検出器６４は、測定部５にて受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出手段として構成されており、本実施例の差分型光検出器６４では、入力された各レーザ光の信号強度と、両レーザ光の吸収スペクトルとが検出される。差分型光検出器６４は、測定部５から延出された信号線５３ｂと、分波器６３から延出された光ファイバ６３ａとがそれぞれ接続されており、測定部５にて排ガス中を透過して減衰された測定用レーザ光と排ガス中を透過していない参照用レーザ光とが、フォトダイオード６４ａ・６４ａに入力されて電気信号に変換された後に電気信号として入力され、各レーザ光の信号強度が検出される。
【００４０】
図６は、一例として、差分型光検出器６４に入力された特定成分の測定用レーザ光及び参照用レーザ光の信号強度をそれぞれ示したものである。具体的には、Ｈ2Ｏの検出ピークを含む波長帯において、図６（ａ）は参照用レーザ光の信号強度を表したものであり、図６（ｂ）は排ガス中を透過した後の測定用レーザ光（透過光）の信号強度を示したものである。特に、図６（ｂ）に示した排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の信号強度では、ピーク波長λ１、λ２、λ３においてＨ2Ｏの吸収に伴うシグナル光量の減少（ピークＡ・Ｂ・Ｃ）が確認される。
【００４１】
また、差分型光検出器６４では、入力された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の入力信号に基づいて、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光強度の差をとって、測定用レーザ光（透過光）のうち所定の波長帯における吸収スペクトルが検出される。図７は、一例として、差分型光検出器６４に入力された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の特定成分の吸収スペクトルを示したものであり、図６（ｂ）に示した排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の信号強度のピークに対応して、ピーク波長λ１、λ２、λ３においてＨ2Ｏの吸収に伴うピークＡ・Ｂ・Ｃが確認される。
【００４２】
なお、差分型光検出器６４にて検出されたレーザ光の吸収スペクトルは、電気信号として図示せぬプリアンプやＡ／Ｄ変換器を介して後述するコンピュータ装置７に入力される。
【００４３】
次に、コンピュータ装置７について、以下に詳述する。
図８に示すように、本実施例のコンピュータ装置７は、後述するように温度算出部７０、基準値算出部７１、判定部７２、成分濃度算出部７３、及び出力部７４等とで構成されており、コントローラ６からの出力信号が解析されて、入力された複数の波長帯ごとの吸収スペクトルに基づいて排ガスの成分濃度Ｃが測定される。特に、本実施例のコンピュータ装置７では、上述した温度センサ５５で検出された実測温度Ｔ１又は温度算出部７０で算出される理論温度Ｔ２のいずれかを選択的に用いて温度補正して排ガスの成分濃度Ｃを算出するように構成されている。
【００４４】
コンピュータ装置７は、上述した差分型光検出器６４及び温度センサ５５と接続されており、差分型光検出器６４にて検出された吸収スペクトルが電気信号として入力されるとともに、温度センサ５５にて検出された排ガスの実測温度Ｔ１が電気信号として入力される。
【００４５】
本実施例のコンピュータ装置７では、公知の方法を用いて排ガス中の成分濃度Ｃが算出される。一例として、排ガス中の成分濃度Ｃ（後述する概算成分濃度Ｃ１に相当する）は、排ガス中への入射光（参照用レーザ光）と、排ガス中を透過した後の透過光（測定用レーザ光）の光強度に基づいて、以下の数式（１）を用いて算出される。
【００４６】
Ｃ＝−ｌｎ（Ｉ／Ｉ０）／ｋ・Ｌ ・・・（１）
【００４７】
数式（１）において、Ｉは透過光強度、Ｉ０は入射光強度、ｋは吸収率、Ｌは透過距離である。つまり、成分濃度Ｃは、参照用レーザ光である入射光の光強度Ｉ０に対する測定用レーザ光である透過光の光強度Ｉの比（Ｉ／Ｉ０）に基づいて算出される。コンピュータ装置７では、差分型光検出器６４にて検出された吸収スペクトルから透過光強度Ｉ（シグナル強度）及び入射光強度Ｉ０が算出されて成分濃度Ｃが算出される。
【００４８】
また、本実施例のコンピュータ装置７では、排ガス中に常時存在しているＨ2Ｏ水蒸気）が排ガス中の所定成分として設定されており、後述するように、かかる所定成分としてのＨ2Ｏの吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２が算出されるとともに、排ガス中のＨ2Ｏ濃度の大小に基づいて温度補正の際に用いられる温度が判定される（図１０参照）。
【００４９】
温度算出部７０は、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２を算出する温度算出手段として構成されている。吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２を算出する方法としては、公知の方法が用いられる。一例として、本実施例では、特定の２波長の光強度の比率が温度のみに依存するため、図７で示された排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の吸収スペクトルに表れた少なくとも２つのピーク波長の光強度（例えば、ピーク波長λ１・λ２の光強度Ｉ１・Ｉ２）を用いて、数式（１）からＨ2Ｏ濃度が算出され、そして、算出された２つのＨ2Ｏ濃度が等しいことから目的とする理論温度Ｔ２が算出される。
【００５０】
具体的には、上述した成分濃度Ｃを算出する数式（１）において、右辺の吸収率ｋが吸収線強度Ｓ（Ｔ）と圧力Ｐとの積で表され（ｋ＝Ｓ（Ｔ）・Ｐ）、吸収線強度Ｓ（Ｔ）が吸収率断面積αと、アボガドロ数Ｎａと、気体定数Ｒと、温度Ｔとの関数で表される（Ｓ（Ｔ）＝α・（Ｎａ／ＲＴ））ことに基づいて、これらが数式（１）の吸収率ｋに代入されることで、理論温度Ｔ２が算出される。
【００５１】
基準値算出部７１は、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから、所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値を算出する基準値算出手段として構成されている。「排ガス中のＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値」は、Ｈ2Ｏ濃度と相関性のある値のことをいい、本実施例では、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が排ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関関係にあることから、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が基準値として設定されている。
【００５２】
図９に示すように、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値は、図７に示した排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の吸収スペクトルを用いて、吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴うピークＡ・Ｂ・Ｃの積分値の合計値として算出される。ただし、このＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値は、単一ピークの積分値（例えば、ピーク波長λ１に基づくピークＡの積分値）又は２以上のピークの積分値から算出されてもよい。
【００５３】
判定部７２は、基準値算出部７１により算出された基準値が所定の閾値より小さい場合には所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定し、基準値算出部７１により算出された基準値が所定の閾値より大きい場合には所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定する判定手段として構成されている。
【００５４】
「Ｈ2Ｏ濃度の閾値」は、後述するように、温度センサ５５で検出された実測温度Ｔ１又は温度算出部７０で算出される理論温度Ｔ２のいずれかを選択的に用いる際の閾値であって、排ガスの測定条件やピーク波長の検出精度等に応じて適宜設定される。また、「基準値の閾値」は、予め設定されたＨ2Ｏ濃度の閾値に対応して適宜設定される。例えば、Ｈ2Ｏ濃度の閾値が排ガス中における所定％濃度と予め設定されることで、かかるＨ2Ｏ濃度の閾値に対応した基準値の閾値が設定される。
【００５５】
本実施例の判定部７２では、上述した基準値算出部７１にて算出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定され、面積値が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定される。このように、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値と排ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関性を利用すれば、基準値算出部７１にてＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値を基準値として算出することで、判定部７２にてＨ2Ｏ濃度の大小を容易に判定できる。
【００５６】
成分濃度算出部７３は、排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低い場合には温度センサ５５により検出された実測温度Ｔ１を用いて、又は排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高い場合には温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を用いて、排ガスの成分濃度を算出する成分濃度算出手段として構成されている。具体的には、本実施例の成分濃度算出部７３では、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから排ガスの概算成分濃度Ｃ１を一旦算出し、温度センサ５５により検出された実測温度Ｔ１又は温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を用いて、概算成分濃度Ｃ１を温度補正して成分濃度Ｃが算出される。
【００５７】
排ガスの概算成分濃度Ｃ１は、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから上述した数式（１）を用いて算出される。「排ガスの概算成分濃度Ｃ１」とは、温度補正を行う前の排ガスの成分濃度のことである。そして、成分濃度算出部７３では、上述した判定部７２にて判定された判定結果に基づいて、排ガスの概算成分濃度Ｃ１が実測温度Ｔ１又は理論温度Ｔ２のいずれかを用いて温度補正されて、排ガスの成分濃度Ｃが算出される。
【００５８】
例えば、判定部７２にて、基準値算出部７１にて算出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より小さく、したがって排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定された場合には、成分濃度算出部７３にて実測温度Ｔ１を用いて概算成分濃度Ｃ１が温度補正されて、排ガス中の成分濃度Ｃが算出される。一方、判定部７２にて、基準値算出部７１にて算出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より大きく、したがって排ガス中のｖ濃度が高いと判定された場合には、成分濃度算出部７３にて理論温度Ｔ２を用いて概算成分濃度Ｃ１が温度補正されて、排ガス中の成分濃度Ｃが算出される。
【００５９】
概算成分濃度Ｃ１の温度補正の方法としては、公知の方法を用いることができ、一例として、本実施例では、排ガスの実測吸収スペクトルである吸収スペクトルを、温度・圧力・濃度毎に予め定義された理論吸収スペクトルとパターンマッチングを行うことで排ガスの成分濃度Ｃが算出される。具体的には、に示す特定成分の吸収スペクトルの形状と、予め算出された理論吸収スペクトルの形状とが比較されて、最も近似する吸収スペクトルが求められ、この吸収スペクトルに基づいて特定成分の成分濃度Ｃが算出される。なお、理論吸収スペクトルにおいて、所与の圧力と濃度毎に予め複数の理論吸収スペクトルが算出されている。
【００６０】
出力部７４は、ＣＴＲや液晶モニタなどの画像表示装置として構成されており、上述した各吸収スペクトルが画像表示されるとともに、排ガスの温度（実測温度Ｔ１及び理論温度Ｔ２）や濃度（概算成分濃度Ｃ１及び成分濃度Ｃ）などが表示される。
【００６１】
次に、本実施例の排ガス分析装置１を用いた排ガス分析方法について、以下に説明する。
図１０に示すように、本実施例の排ガス分析方法は、上述した排ガス分析装置１を用いてエンジン２０の排ガスを排出する排気経路３中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光することで排ガス中の成分濃度Ｃを測定する方法であって、測定が開始されてエンジン２０からの排ガスが排気経路３に送られると、排ガス分析装置１が作動される。エンジン２０から排出された排ガスは、やがて測定部５のセンサ本体５０に穿設された排ガス通過孔５０ａを通過する。
【００６２】
まず、測定部５では、排ガス通過孔５０ａを通過する排ガスに対して、レーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光が受光される（Ｓ１００）。具体的には、測定部５では、コントローラ６から照射されたレーザ光が照射部５１の光ファイバ５１ａを介してセンサ本体５０の排ガス通過孔５０ａ内に照射され、一対の反射鏡５２・５２によって排気経路３に直交する一断面内を複数回反射されてから、受光部５３のディテクタ５３ａにて受光され、信号線５３ｂを介してコントローラ６に入力される。
【００６３】
コントローラ６では、測定部５にて排ガス中を透過して減衰された測定用レーザ光と排ガス中を透過していない参照用レーザ光とが電気信号に変換された後に電気信号として差分型光検出器６４に入力されて、吸収スペクトルが検出される（Ｓ１０１）。差分型光検出器６４にて検出されたレーザ光の吸収スペクトルは、電気信号として図示せぬコンピュータ装置７に入力される。
【００６４】
コンピュータ装置７では、まず、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２が算出される（Ｓ１０２）。本実施例では、排ガスの理論温度Ｔ２は、排ガス中の所定成分として設定されているＨ2Ｏの吸収スペクトル（図７参照）に表れた少なくとも２つのピーク波長の光強度から数式（１）を用いて算出される。Ｈ2Ｏの吸収スペクトルには、所定の波長帯において３つのピーク波長λ１、λ２、λ３においてピークＡ・Ｂ・Ｃが存在し、少なくとも２つのピーク波長の光強度が比較されるのである。
【００６５】
また、エンジン２０から排出された排ガスが測定部５のセンサ本体５０に穿設された排ガス通過孔５０ａを通過する際には、排気経路３中の排ガスの実測温度Ｔ１が温度センサ５５にて検出されて検出信号がコンピュータ装置７に送られる（Ｓ１０３）。
【００６６】
そして、本実施例では、以上のようにして検出又は算出された温度（実測温度Ｔ１又は理論温度Ｔ２）を用いて、具体的には、排ガス中の所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低い場合には実測温度Ｔ１を用いて、又は排ガス中の所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高い場合には理論温度Ｔ２を用いて、排ガスの成分濃度Ｃが算出される。この成分濃度Ｃは、以下のようにして算出される。
【００６７】
すなわち、まず、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから、所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値が算出され、本実施例では差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が基準値として算出される（Ｓ１０４）。このＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値は、排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の吸収スペクトル（図９参照）を用いて、吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴うピークＡ・Ｂ・Ｃの積分値の合計値として算出される。
【００６８】
そして、算出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定され、面積値が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定される（Ｓ１０５）。このように本実施例の排ガス分析方法では、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値を基準値として用いることで、排ガス中のＨ2Ｏ濃度の大小が判定されるのである。
【００６９】
そして、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より小さく、したがって排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定された場合には、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから上述した数式（１）を用いて排ガスの概算成分濃度Ｃ１が一旦算出され（Ｓ１０６）、この概算成分濃度Ｃ１が実測温度Ｔ１を用いて温度補正されることで（Ｓ１０７）、成分濃度Ｃが算出される（Ｓ１０８）。
【００７０】
一方、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より大きく、したがって排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定された場合には、差分型光検出器６４により吸収スペクトルから上述した数式（１）を用いて排ガスの概算成分濃度Ｃ１が一旦算出され（Ｓ１０９）、この概算成分濃度Ｃ１が理論温度Ｔ２を用いて温度補正されることで（Ｓ１１０）、成分濃度Ｃが算出される（Ｓ１１１）。
【００７１】
なお、本実施例では、概算成分濃度Ｃ１の温度補正の方法として、排ガスの実測スペクトルである吸収スペクトルを、圧力・濃度毎に予め定義された理論吸収スペクトルとパターンマッチングを行うことで排ガスの成分濃度Ｃが算出される。
【００７２】
そして、算出された排ガスの温度（実測温度Ｔ１及び理論温度Ｔ２）や濃度（概算成分濃度Ｃ１及び成分濃度Ｃ）などがコンピュータ装置７の出力部７４に出力される（Ｓ１１２）。
【００７３】
以上のように、本実施例の排ガス分析装置１は、エンジン２０の排ガスを排出する排気経路３中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部５を具備してなり、測定部５にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度Ｃを測定する排ガス分析装置１であって、排気経路３中の排ガスの実測温度Ｔ１を検出する温度センサ５５と、測定部５にて受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する差分型光検出器６４と、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２を算出する温度算出部７０と、排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には温度センサ５５により検出された実測温度Ｔ１を用いて排ガスの成分濃度Ｃを算出し、排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を用いて排ガスの成分濃度Ｃを算出する成分濃度算出部７３とを有するように構成されているため、エンジン２０の始動前や始動直後などのように排ガス中の所定成分の濃度が低く、差分型光検出器６４により正確な吸収スペクトルを検出することができない場合であっても、温度センサ５５による排ガスの実測温度Ｔ１を用いて成分濃度の温度補正を行うことで、排ガス中の成分ごとの吸収スペクトルを精度よく温度補正することができ、ひいては所定成分の濃度が低い低温条件下であっても成分濃度の測定精度を向上できるのである。
【００７４】
また、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから、所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値を算出する基準値算出部７１と、基準値算出部７１により算出された基準値が所定の閾値より小さい場合には所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定し、基準値算出部７１により算出された基準値が所定の閾値より大きい場合には所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定する判定部７２を有するため、排ガス中に常時存在しているＨ2Ｏを排ガス中の所定成分とすることで、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルからの各種の算出が容易であり、分析精度や分析目的に応じてＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値として多用な基準値を設定することができる。
【００７５】
特に、本実施例の排ガス分析装置１は、基準値算出部７１にて、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値を基準値として算出し、判定部７２にて、前記面積値が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定し、前記面積値が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定するため、基準値算出部７１にて基準値の算出が容易であり、かつ判定部７２にてＨ2Ｏ濃度の大小を容易に判定することができる。
【００７６】
また、本実施例の排ガス分析装置１では、測定部５に穿設された排ガス通過孔５０ａに配設され、排ガス通過孔５０ａを通過する排ガスの実測温度Ｔ１を検出する温度センサを用いることで、簡易な構成で排ガス中の実測温度Ｔ１を高精度で検出することができる。
【００７７】
なお、本実施例の排ガス分析装置１及び排ガス分析方法としては、上述した構成等に限定されない。
【００７８】
例えば、上述した実施例の排ガス分析装置１では、コンピュータ装置７の構成において、基準値算出部７１にて、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値を基準値として算出し、判定部７２にて、前記面積値が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定し、前記面積値が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定するように構成されるが、基準値算出部７１及び判定部７２の構成としてはこれに限定されない。すなわち、所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値としては、以下に示す実施例のように別の値を用いることができる。
【００７９】
例えば、別の実施例について図１１を参照して説明すると、Ｈ2Ｏ濃度に基づいた基準値としては、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルのうち少なくとも一のピーク波長の光強度を用いてもよい。具体的には、基準値算出部７１にて、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルのうち少なくとも一のピーク波長の光強度を基準値として算出し、判定部７２にて、前記光強度が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定され、前記光強度が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定される。
【００８０】
Ｈ2Ｏの吸収スペクトルにおける所定のピーク波長の光強度は、排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の吸収スペクトル（図１１参照）を用いて、Ｈ2Ｏの吸収に伴ういずれかのピーク波長λ１、λ２、λ３のうち少なくとも一のピーク波長の光強度（例えば、ピーク波長λ１の光強度Ｉ１）として算出される。そして、この所定のピーク波長の光強度は、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値と同じく排ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関関係にあり、所定のピーク波長の光強度が増減することで、排ガス中のＨ2Ｏ濃度もこれに相関して増減する。
【００８１】
このように、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルにおいて所定のピーク波長の光強度と排ガス中のＨ2Ｏ濃度との相関性を利用すれば、基準値算出部７１にてＨ2Ｏの吸収スペクトルにおいて所定のピーク波長の光強度を基準値として算出することで、基準値算出部７１にて基準値の算出が容易となり、かつ判定部７２にてＨ2Ｏ濃度の大小を容易に判定することができる。
【００８２】
また、別の実施例について図１２を参照して説明すると、Ｈ2Ｏ濃度に基づいた基準値としては、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの実測吸収スペクトルと予め定義されたＨ2Ｏの理論吸収スペクトルとのフィッティング誤差を用いてもよい。具体的には、基準値算出部７１にて、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの実測吸収スペクトル（差分吸収スペクトル）と、温度・圧力ごとに予め定義されたＨ2Ｏの理論吸収スペクトルとのフィッティング誤差を基準値として算出し、判定部７２にて、フィッティング誤差が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定され、フィッティング誤差が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定される。
【００８３】
フィッティング誤差は、Ｈ2Ｏの実測吸収スペクトルと予め定義されたＨ2Ｏの理論吸収スペクトルとの形状に基づいた相対誤差として算出される。例えば、一例として、まず、実測吸収スペクトルの形状と理論吸収スペクトルの形状とが比較されてパターンマッチングが行われ、最も近似する理論吸収スペクトルが求められる。次いで、実測吸収スペクトルと理論吸収スペクトルとが重ねられ、実測吸収スペクトルと理論吸収スペクトルとによって囲まれた境域の面積値Ａ１（積分値）（図１２（ａ）参照）を、理論吸収スペクトルの面積値Ｂ１（積分値）（図１２（ｂ）参照）で割ることでフィッティング誤差が算出される。
【００８４】
そして、このフィッティング誤差は、上述したＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値と同じく排ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関関係にあり、フィッティング誤差が増減することで、排ガス中のＨ2Ｏ濃度もこれに相関して増減し、具体的には、フィッティング誤差が大きくなるとＨ2Ｏ濃度が小さくなり、一方でフィッティング誤差が小さくなるとＨ2Ｏ濃度が大きくなる。
【００８５】
このように、フィッティング誤差と排ガス中のＨ2Ｏ濃度との相関性を利用すれば、基準値算出部７１にてフィッティング誤差を基準値として算出することで、判定部７２にてＨ2Ｏ濃度の大小を容易に判定することができる。
【００８６】
さらに、別の実施例について説明すると、Ｈ2Ｏ濃度に基づいた基準値としては、温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を基準値として用いてもよい。具体的には、基準値算出部７１にて、温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を基準値として算出し、判定部７２にて、理論温度Ｔ２が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定され、理論温度Ｔ２が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定される。
【００８７】
理論温度Ｔ２は、分析対象である排ガスにおいてエンジン２０の始動時から温度が上昇するとともに、排ガス中のＨ2Ｏ濃度も高くなっていくことから、上述したＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値と同じく排ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関関係にあり、理論温度Ｔ２が増減することで、排ガス中のＨ2Ｏ濃度もこれに相関して増減する。
【００８８】
このように、理論温度Ｔ２と排ガス中のＨ2Ｏ濃度との相関性を利用すれば、基準値算出部７１にて理論温度Ｔ２を基準値として算出することで、温度算出部７０にて算出される理論温度Ｔ２を基準値算出部７１にてそのまま基準値として設定すればよいため簡易であり、かつ判定部７２にてＨ2Ｏ濃度の大小を容易に判定することができる。
【００８９】
以上の実施例で説明した構成の他に、例えば、上述した実施例（図３参照）の排ガス分析装置１では、温度センサ５５は、測定部５に穿設された排ガス通過孔５０ａに配設されて、排ガス通過孔５０ａを通過する排ガスの実測温度Ｔ１を検出するように構成されているが、温度センサ５５の配置構成としてはこれに限定されない。すなわち、図１３に示すように、排気経路３中の対象となる測定部５に対して上流側の配管３ａに温度センサ５５が配設され、排ガス通過孔５０ａを通過する直前の排ガスの実測温度Ｔ１を検出するように構成されてもよい。このような配置構成とすることで、温度センサ５５にて検出される実測温度Ｔ１の応答遅れを防止して、実測温度Ｔ１の検出精度を高め、ひいては排ガス中の成分濃度Ｃの測定精度を向上できる。
【００９０】
コントローラ６は、他の排ガス中の成分濃度を測定する場合には、対象となる成分の数に合わせた波長の赤外レーザ光を照射可能なレーザ光源６０を適宜用いることで、検出対象となる成分を追加若しくは変更等することができる。
【００９１】
コンピュータ装置７は、上述した実施例では、成分濃度算出部７３による排ガスの成分濃度Ｃの算出方法として、数式（１）により算出された概算成分濃度Ｃ１から実測吸収スペクトルを温度・圧力・成分濃度により一義的に決まる理論吸収スペクトルの形状と比較したパターンマッチングにより成分濃度Ｃを算出（温度補正）する方法を説明したが、排ガスの成分濃度Ｃの算出方法としてはこれに限定されない。また、温度算出部７１における理論温度Ｔ２の算出方法についても、上述した実施例で示した方法に限定されない。
【符号の説明】
【００９２】
１ 排ガス分析装置
３ 排気経路
５ 測定部
６ コントローラ
７ コンピュータ装置
２０ エンジン（内燃機関）
５０ センサ本体
５０ａ 排ガス通過孔
５１ 照射部
５３ 受光部
５５ 温度センサ（温度検出手段）
６４ 差分型光検出器（吸収スペクトル検出手段）
７０ 温度算出部（温度算出手段）
７１ 基準値算出部（基準値算出手段）
７２ 判定部（判定手段）
７３ 成分濃度算出部（成分濃度算出手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光することで排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析装置および排ガス分析方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジン等の内燃機関からの排ガス中に含まれる炭化水素（Ｈｙｄｒｏ Ｃａｒｂｏｎ）濃度（以下、成分濃度）を測定するために、ＦＩＤ（Ｆｌａｍｅ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）法やＮＤＩＲ（Ｎｏｎ‐Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｒｅｄ）法と呼ばれる測定方法を用いた排ガス分析装置が知られている。
【０００３】
特に、車載型の従来の排ガス分析装置としては、排気経路中の排ガスに特定の吸収波長を有する赤外レーザ光を照射して排ガス中を透過させ、その透過光を検出することで、排ガス中の成分濃度を測定する構成が公知である。このような赤外レーザ光を用いた成分濃度の計測方法（赤外線レーザ吸収法）では、光源からの赤外レーザ光が排ガスを構成する炭化水素類の吸収波長に調整された上で排気経路内の排ガスに向けて照射され、排ガス中を透過した透過光の光強度が受光センサにて検出され、透過光の吸収スペクトルに基づいて光強度（シグナル強度）が算出されることで、排ガス中の成分濃度が測定される。
【０００４】
ところで、上述した赤外線レーザ吸収法を用いた排ガス分析装置では、排気経路内の排ガス中の成分濃度が赤外レーザ光（透過光）の吸収スペクトルに基づいて算出されるが、この赤外レーザ光の吸収スペクトルは排ガスの温度の影響を受けるため、算出される濃度はこれらの温度に起因する誤差を有している。そのため、これまでにも、成分濃度の測定精度を高めるために、赤外レーザ光の吸収スペクトルを温度補正し、その結果を用いて成分濃度を測定するようにした排ガス分析方法が提案されているところである。
【０００５】
例えば、特許文献１には、排気経路に内燃機関より排出された排ガスが通過する排ガス通過孔に向けて赤外レーザ光を照射し、反射鏡により赤外レーザ光を多重反射させた後に、排ガス中を透過した赤外レーザ光を検出する測定部を直接配置することで、排ガス中の成分濃度等を測定するようにした排ガス分析装置において、検出された吸収スペクトルの内の所定成分としてＨ2Ｏの吸収スペクトルの光強度（シグナル強度）から排ガスの温度を算出し、算出された温度を用いて排ガス中の各分子の吸収スペクトルを補正して、排ガス中の成分濃度を測定する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１６３４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
確かに、特許文献１に開示される従来の排ガス分析装置のように、排ガス中の所定成分としてとしてＨ2Ｏの吸収スペクトルの光強度から温度を算出し、算出された温度を用いて排ガス中の成分ごとの吸収スペクトルを補正する方法であれば、なるほど高応答の温度計測が可能であるため、ひいては成分濃度を高応答で測定することができる。
【０００８】
しかしながら、エンジン始動前や始動直後等の低温条件で成分濃度を測定する際には、排ガス中の所定成分であるＨ2Ｏの濃度が低い（換言すると、Ｈ2Ｏ分子の飽和蒸気圧が低い）ため、正確なＨ2Ｏの吸収スペクトルを検出することができず、高温条件で成分濃度を測定する際と比べて温度の算出精度が劣っていた。そのため、低温条件下では排ガス中の成分ごとの吸収スペクトルを精度よく温度補正できずに、ひいては成分濃度の測定精度が低下してしまうという課題があった。
【０００９】
なお、排ガスの温度測定方法としては、上述した方法の他に熱電対等の温度センサを用いて測定する方法が公知であるが、このような温度センサを用いた温度測定方法によると、確かに、温度変化が緩やかな条件では、上述したＨ2Ｏの吸収スペクトルから排ガスの温度を算出する方法と比べると、排気経路中を通過する排ガス温度の実測値であるため、その測定精度が高い。しかしながら、温度センサ自体の熱容量による応答遅れにより、エンジン始動直後などの温度が急激に変化する条件では、高応答で成分濃度を測定することが困難であった。
【００１０】
そこで、本発明においては、排ガス分析装置および排ガス分析方法に関し、前記従来の課題を解決するもので、低温条件下で所定成分の濃度が低い場合であっても成分濃度の測定精度を向上させた排ガス分析装置および排ガス分析方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【００１２】
すなわち、請求項１においては、内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部を具備してなり、前記測定部にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析装置であって、前記排気経路中の排ガスの実測温度を検出する温度検出手段と、前記測定部にて受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出手段と、前記吸収スペクトル検出手段により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度を算出する温度算出手段と、排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には前記温度検出手段により検出された実測温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出し、排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には前記温度算出手段により算出された理論温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出手段とを有し、前記温度検出手段は、前記排ガスの実測温度を検出する温度センサを有し、前記温度センサは、前記測定部の上流側の排気経路中に配設されるものである。
【００１３】
請求項２においては、内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光することで排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析方法であって、前記排気経路中の排ガスの実測温度を検出する温度検出工程と、前記受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出工程と、前記吸収スペクトル検出工程により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度を算出する温度算出工程と、排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には前記温度検出工程により検出された実測温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出し、排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には前記温度算出工程により算出された理論温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出工程とを有し、前記温度検出工程において、前記排ガスの実測温度を、前記測定部の上流側の排気経路中に配設される温度センサにより検出するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の効果としては、エンジン始動前や始動直後などのように排ガス中の所定成分の濃度が低く、吸収スペクトル検出手段により正確な吸収スペクトルを検出することができない場合であっても、温度検出手段による排ガスの実測温度を用いて成分濃度の温度補正を行うことで、排ガス中の成分ごとの吸収スペクトルを精度よく温度補正することができ、ひいては所定成分の濃度が低い低温条件下であっても成分濃度の測定精度を向上できる。
また、温度検出手段にて検出される実測温度の応答遅れを防止して、実測温度の検出精度を高め、ひいては排ガス中の成分濃度の測定精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例に係る排ガス分析装置を車輌に搭載した状態を示した側面図。
【図２】測定部の取付構造を示した斜視図。
【図３】同じく図２の測定部の取付構造を示した側面図。
【図４】測定部の構成を示した斜視図。
【図５】コントローラの構成を示した機能ブロック図。
【図６】Ｈ2Ｏの検出ピークを含む波長帯におけるレーザ光の信号強度を示した図。
【図７】Ｈ2Ｏの検出ピークを含む波長帯におけるレーザ光の吸収スペクトルを示した図。
【図８】コンピュータ装置の構成を示した機能ブロック図。
【図９】吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴う各ピークの面積を示した図。
【図１０】本実施例の排ガス分析装置を用いた排ガス分析方法を示したフローチャート。
【図１１】吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴う各ピーク波長の光強度を示した図。
【図１２】（ａ）は実測吸収スペクトルと理論吸収スペクトルとによって囲まれた境域の面積を示した図、（ｂ）は理論吸収スペクトルの面積を示した図。
【図１３】別実施例の測定部の取付構造を示した側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係る排ガス分析装置を車輌に搭載した状態を示した側面図、図２は測定部の取付構造を示した斜視図、図３は同じく図２の測定部の取付構造を示した側面図、図４は測定部の構成を示した斜視図、図５はコントローラの構成を示した機能ブロック図、図６はＨ2Ｏの検出ピークを含む波長帯におけるレーザ光の信号強度を示した図、図７はＨ2Ｏの検出ピークを含む波長帯におけるレーザ光の吸収スペクトルを示した図、図８はコンピュータ装置の構成を示した機能ブロック図、図９は吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴う各ピークの面積を示した図、図１０は本実施例の排ガス分析装置を用いた排ガス分析方法を示したフローチャート、図１１は吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴う各ピーク波長の光強度を示した図、図１２は（ａ）は実測吸収スペクトルと理論吸収スペクトルとによって囲まれた境域の面積を示した図、（ｂ）は理論吸収スペクトルの面積を示した図、図１３は別実施例の測定部の取付構造を示した側面図である。
【００１７】
まず、本実施例の排ガス分析装置１の全体構成について、以下に概説する。
図１に示すように、本実施例の排ガス分析装置１は、自動車２に配置された内燃機関としてのエンジン２０から排出される排ガス中の成分濃度や温度を測定して分析するものである。具体的には、排ガス分析装置１は、上述した排気経路３の複数箇所に配設された複数の測定部５・５・・・と、測定部５に接続されたレーザ発振・受光用のコントローラ６と、コントローラ６に接続されたコンピュータ装置７等とで構成されている。
【００１８】
自動車２には、エンジン２０からの排ガスを機外に排出する排気経路３が敷設されており、排気経路３は、エキゾーストマニホールド３０、排気管３１、第一触媒装置３２、第二触媒装置３３、マフラー３４、及び排気パイプ３５等とから構成されている。また、排気経路３の各構成機器は、断面円形状の配管３ａによって連結されている。
【００１９】
排気経路３においては、エンジン２０の排ガスが、まずエキゾーストマニホールド３０で合流され、排気管３１を通じて第一触媒装置３２及び第二触媒装置３３に導入され、その後マフラー３４を通じて排気パイプ３５から大気中に放出される。このような排気経路３が形成されることによって、エンジン２０からの排ガスは、二つの触媒装置３２・３３によって浄化され、マフラー３４によって消音・減圧されて大気中に放出される。
【００２０】
測定部５・５・・・は、排気経路３において４箇所に配置されており、具体的には、第一触媒装置３２の上流側のエンジン２０と排気管３１との間、第一触媒装置３２と第二触媒装置３３との間、第二触媒装置３３とマフラー３４との間、マフラー３４の下流側の排気パイプ３５の末端部にそれぞれ配置されている。そして、各測定部５において、コントローラ６によって（赤外）レーザ光が照射され、かつ排ガスを透過した後のレーザ光が受光されることで、排気経路３を流れる排ガスの成分濃度が連続的にリアルタイムで測定される。
【００２１】
このように、本実施例の排ガス分析装置１では、各測定部５による排気経路３の一断面におけるスポット的な排ガスの測定が可能となっている。特に、本実施例のように、測定部５が排気経路３の複数箇所に設けられることで、排ガスが排気経路３の所定断面でどのように変化するかを瞬時に測定することができ、排ガスの状態をリアルタイムに連続して測定することができる。
【００２２】
次に、測定部５について、以下に詳述する。
なお、本実施例の排ガス分析装置１では、排気経路３に配置された測定部５・５・・・は、それぞれ略同一に構成されているため、以下、一例として、第一触媒装置３２と第二触媒装置３３との間に配置された測定部５について説明する。
【００２３】
図２乃至図４に示すように、本実施例の測定部５は、矩形状の薄板材から形成され、略中心部に排気経路３中の排ガスが通過する円形の排ガス通過孔５０ａが貫通された本体部としてのセンサ本体５０と、測定用のレーザ光を排ガス通過孔５０ａ内に向けて照射する照射部５１と、照射部５１より照射されたレーザ光を多重反射させる一対の反射鏡５２・５２と、排ガス中を透過したレーザ光を検出する受光部５３と、排気経路中の排ガスの実測温度Ｔ１を検出する温度検出手段としての温度センサ５５等とで構成されている。測定部５においては、照射部５１より排気経路３と直交する一断面に沿ってレーザ光が照射され、照射されたレーザ光が反射鏡５２間で排気経路３を横切るように複数回反射されて、受光部５３にて受光される。
【００２４】
測定部５は、センサ本体５０が一対の管継手３６・３６に挟まれた状態で固定され、管継手３６・３６がそれぞれ第一触媒装置３２及び第二触媒装置３３に接続された配管３ａ・３ａと接続されることで排気経路３に配設される。管継手３６・３６は、断面円形の貫通孔３６ａが穿設された筒状に形成され、一方の開口縁部にフランジ部３６ｂが設けられている。測定部５（のセンサ本体５０）は、一対の管継手３６・３６のフランジ部３６ｂが設けられた側の開口端の離間に、ガスケット３７を介して挟み込まれ、フランジ部３６ｂ・３６ｂがボルト３８・３８によって締結されることで固定される。管継手３６の貫通孔３６ａは、配管３ａと同じ直径の円形に形成され、排ガスの流れが妨げられることがない。
【００２５】
センサ本体５０は、平面視円形に形成された薄板状の金属部材より構成され、排ガスの流れ方向と直交する対向面の略中央部に円形の排ガス通過孔５０ａが穿設されている。このセンサ本体５０には、照射部５１及び受光部５３が投光面と受光面とがそれぞれ排ガス通過孔５０ａの中心方向に向くようにして組み付けられるとともに、反射鏡５２・５２が排ガス通過孔５０ａに面するように上下に対向して平行に配設され、照射部５１より照射されるレーザ光が排ガス通過孔５０ａ内を排気経路３に対して直交して横切るように平行状態に固定されている。
【００２６】
照射部５１からは、排気経路３と直交する一断面に沿ってレーザ光が照射され、照射部５１から照射されたレーザ光が受光部５３にて受光される。本実施例では、照射部５１及び受光部５３は、上述したコントローラ６に接続されており、コントローラ６から射出されたレーザ光が照射部５１を介して排ガス通過孔５０ａに照射され、排ガス中を透過したレーザ光が受光部５３で受光されてコントローラ６に受光信号が入力される。
【００２７】
照射部５１には、赤外線送信用の光ファイバ５１ａが設けられており、投光面がセンサ本体５０の排ガス通過孔５０ａの中心に向くようにして取り付けられている。光ファイバ５１ａの他端は、上述したコントローラ６に接続されており、コントローラ６から射出されたレーザ光が光ファイバ５１ａより排ガス通過孔５０ａ内に導入される。このように、照射部５１は、光ファイバ５１ａの投光面が排ガス通過孔５０ａに対向され、レーザ光が排ガス通過孔５０ａと直交する一断面に向けて照射可能にセンサ本体５０に取り付けられている。
【００２８】
受光部５３には、レーザ光を検出するディテクタ５３ａと、一端がディテクタ５３ａに接続されるとともに、他端が上述したコントローラ６に接続された信号線５３ｂとが設けられており、排ガス中を透過したレーザ光がディテクタ５３ａに受光されて、受光信号が信号線５３ｂを介してコントローラ６に入力される。受光部５３は、ディテクタ５３ａの受光面が排ガス通過孔５０ａに対向され、照射部５１より排ガス通過孔５０ａと直交する一断面に向けて照射されたレーザ光を受光可能に照射部６と同一平面上に位置するようにしてセンサ本体５０に取り付けられる。
【００２９】
反射鏡５２・５２は、照射部５１より照射されたレーザ光が一方の反射鏡５２（図４において下方の）により他方の反射鏡５２（図４において上方の）に向けて反射され、一対の反射鏡５２・５２により交互に反射されて受光側の受光部５３に到達されるように配設される。このように一対の反射鏡５２・５２によって、照射部５１により照射されたレーザ光が排気経路３に直交する一断面内を複数回反射してから受光部５３で受光される。
【００３０】
このように、測定部５では、コントローラ６から照射されたレーザ光が照射部５１の光ファイバ５１ａを介してセンサ本体５０の排ガス通過孔５０ａ内に照射され、排ガス中を透過したレーザ光が受光部５３のディテクタ５３ａにて受光され、信号線５３ｂを介してコントローラ６に入力されるように構成されている。
【００３１】
温度センサ５５は、センサ本体５０の排ガス通過孔５０ａ内に配設されており、排ガス通過孔５０ａを通過する排ガスの実測温度Ｔ１が直接に検出される。温度センサ５５の一端は後述するコンピュータ装置７に接続されており、検出された排ガスの実測温度Ｔ１がコンピュータ装置７に入力される（図３参照）。なお、本実施例の温度センサ５５は、例えば、導線部分がエナメルやセラミック等の耐熱性素材により被覆された熱電対が用いられる。特に、熱電対が用いられる場合には、金属製の保護管等に収容された状態で排ガス通過孔５０ａ内に配設されてもよい。
【００３２】
次に、コントローラ６について、以下に詳述する。
本実施例の排ガス分析装置１では、コントローラ６は、各排気経路３に配置された対応する測定部５・５・・・ごとにそれぞれ配設されており、各測定部５・５・・・に同様の波長の（赤外）レーザ光を供給するとともに、各測定部５・５・・・にて受光されたレーザ光の受光信号が受信されるように構成されている。以下では、第一触媒装置３２と第二触媒装置３３との間に配置された一の測定部５に注目して、かかる測定部５に接続されたコントローラ６の構成について説明するが、その他の測定部５に接続されるコントローラ６の構成についても略同様に構成される。
【００３３】
図１及び図５に示すように、コントローラ６は、複数の波長のレーザ光を照射する照射装置及び所定のレーザ光を検出する光検出装置として構成されている。具体的には、複数の波長の赤外レーザ光を発生させるレーザ光源６０と、レーザ光源６０より照射されたレーザ光を分波する複数の分波器６１・６１・・・と、レーザ光源６０より照射されたレーザ光（測定用レーザ光及び参照用レーザ光）を所定の波長帯のレーザ光に合波する合波器６２・６３と、測定部５により受光されて排ガス中を透過して減衰した測定用レーザ光と参照用レーザ光とが導光される差分型光検出器６４等とで構成されている。
【００３４】
レーザ光源６０は、ファンクションジェネレータ等の信号発信器６５からの所定の周波数の信号が複数（本実施例では５個）のレーザダイオード６６・６６・・・に供給されることで、各レーザダイオード６６・６６・・・から特定波長の赤外レーザ光がそれぞれ照射される。レーザ光源６０では、例えば、一のレーザダイオード６６から波長が１３００〜１３３０ｎｍ程度のレーザ光や、波長が１３３０〜１３６０ｎｍ程度のレーザ光がそれぞれ照射される。
【００３５】
本実施例では、排ガス中に含まれる成分の内で、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、アンモニア（ＮＨ3）、メタン（ＣＨ4）、及び水（Ｈ2Ｏ）の５種類を検出対象として設定されており、それぞれの成分のピーク波長が存在する波長帯を含むレーザ光が合成される。具体的には、ＮＨ3を検出するのに適した波長は１５３０ｎｍ近傍であり、ＣＯを検出するのに適した波長は１５６０ｎｍ近傍であり、ＣＯ2を検出するのに適した波長は１５８０ｎｍ近傍であり、ＣＨ4を検出するのに適した波長は１６５０ｎｍ近傍である。そして、Ｈ2Ｏを検出するのに適した波長が１３８０ｎｍ近傍である。
【００３６】
分波器６１は、上述したレーザ光源６０のレーザダイオード６６・６６・・・より照射されたレーザ光を測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波する装置であって、本実施例では、上述したレーザダイオード６６・６６・・・に対応して複数個（本実施例では５個）の分波器６１・６１・・・がそれぞれ配設されている。なお、本実施例のコントローラ６には、分波器６１にてレーザダイオード６６・６６・・・より照射されたレーザ光を測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波する前に、排ガス分析装置１を構成する各測定部５・５・・・に対してレーザ光を分波するための図示せぬ分波器が別途設けられている。
【００３７】
合波器６２・６３は、分波器６１で測定用レーザ光と参照用レーザ光とに分波された各レーザ光を合波して、所定の波長帯のレーザ光に合波するものであって、合波器６２により分波器６１で分波された測定用レーザ光が合波され、合波器６３により分波器６１で分波された参照用レーザ光が合波される。このようにして合波器６２・６３により合波されたレーザ光は、排ガス中の複数の成分に合わせて７００ｎｍ〜１８００ｎｍ程度の波長帯を有するように調整されている。
【００３８】
合波器６２により合成された測定用レーザ光は、光ファイバ５１ａを介して測定部５の照射部５１に導光され、測定部５にて反射鏡５２・５２で多重反射された後に受光部５３のディテクタ５３ａにて受光され、信号線５３ｂを介して後述する差分型光検出器６４に導光される。一方、合波器６３により合成された参照用レーザ光は、光ファイバ６３ａを介して後述する差分型光検出器６４に導光される。
【００３９】
差分型光検出器６４は、測定部５にて受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出手段として構成されており、本実施例の差分型光検出器６４では、入力された各レーザ光の信号強度と、両レーザ光の吸収スペクトルとが検出される。差分型光検出器６４は、測定部５から延出された信号線５３ｂと、分波器６３から延出された光ファイバ６３ａとがそれぞれ接続されており、測定部５にて排ガス中を透過して減衰された測定用レーザ光と排ガス中を透過していない参照用レーザ光とが、フォトダイオード６４ａ・６４ａに入力されて電気信号に変換された後に電気信号として入力され、各レーザ光の信号強度が検出される。
【００４０】
図６は、一例として、差分型光検出器６４に入力された特定成分の測定用レーザ光及び参照用レーザ光の信号強度をそれぞれ示したものである。具体的には、Ｈ2Ｏの検出ピークを含む波長帯において、図６（ａ）は参照用レーザ光の信号強度を表したものであり、図６（ｂ）は排ガス中を透過した後の測定用レーザ光（透過光）の信号強度を示したものである。特に、図６（ｂ）に示した排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の信号強度では、ピーク波長λ１、λ２、λ３においてＨ2Ｏの吸収に伴うシグナル光量の減少（ピークＡ・Ｂ・Ｃ）が確認される。
【００４１】
また、差分型光検出器６４では、入力された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の入力信号に基づいて、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の光強度の差をとって、測定用レーザ光（透過光）のうち所定の波長帯における吸収スペクトルが検出される。図７は、一例として、差分型光検出器６４に入力された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の特定成分の吸収スペクトルを示したものであり、図６（ｂ）に示した排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の信号強度のピークに対応して、ピーク波長λ１、λ２、λ３においてＨ2Ｏの吸収に伴うピークＡ・Ｂ・Ｃが確認される。
【００４２】
なお、差分型光検出器６４にて検出されたレーザ光の吸収スペクトルは、電気信号として図示せぬプリアンプやＡ／Ｄ変換器を介して後述するコンピュータ装置７に入力される。
【００４３】
次に、コンピュータ装置７について、以下に詳述する。
図８に示すように、本実施例のコンピュータ装置７は、後述するように温度算出部７０、基準値算出部７１、判定部７２、成分濃度算出部７３、及び出力部７４等とで構成されており、コントローラ６からの出力信号が解析されて、入力された複数の波長帯ごとの吸収スペクトルに基づいて排ガスの成分濃度Ｃが測定される。特に、本実施例のコンピュータ装置７では、上述した温度センサ５５で検出された実測温度Ｔ１又は温度算出部７０で算出される理論温度Ｔ２のいずれかを選択的に用いて温度補正して排ガスの成分濃度Ｃを算出するように構成されている。
【００４４】
コンピュータ装置７は、上述した差分型光検出器６４及び温度センサ５５と接続されており、差分型光検出器６４にて検出された吸収スペクトルが電気信号として入力されるとともに、温度センサ５５にて検出された排ガスの実測温度Ｔ１が電気信号として入力される。
【００４５】
本実施例のコンピュータ装置７では、公知の方法を用いて排ガス中の成分濃度Ｃが算出される。一例として、排ガス中の成分濃度Ｃ（後述する概算成分濃度Ｃ１に相当する）は、排ガス中への入射光（参照用レーザ光）と、排ガス中を透過した後の透過光（測定用レーザ光）の光強度に基づいて、以下の数式（１）を用いて算出される。
【００４６】
Ｃ＝−ｌｎ（Ｉ／Ｉ０）／ｋ・Ｌ ・・・（１）
【００４７】
数式（１）において、Ｉは透過光強度、Ｉ０は入射光強度、ｋは吸収率、Ｌは透過距離である。つまり、成分濃度Ｃは、参照用レーザ光である入射光の光強度Ｉ０に対する測定用レーザ光である透過光の光強度Ｉの比（Ｉ／Ｉ０）に基づいて算出される。コンピュータ装置７では、差分型光検出器６４にて検出された吸収スペクトルから透過光強度Ｉ（シグナル強度）及び入射光強度Ｉ０が算出されて成分濃度Ｃが算出される。
【００４８】
また、本実施例のコンピュータ装置７では、排ガス中に常時存在しているＨ2Ｏ水蒸気）が排ガス中の所定成分として設定されており、後述するように、かかる所定成分としてのＨ2Ｏの吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２が算出されるとともに、排ガス中のＨ2Ｏ濃度の大小に基づいて温度補正の際に用いられる温度が判定される（図１０参照）。
【００４９】
温度算出部７０は、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２を算出する温度算出手段として構成されている。吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２を算出する方法としては、公知の方法が用いられる。一例として、本実施例では、特定の２波長の光強度の比率が温度のみに依存するため、図７で示された排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の吸収スペクトルに表れた少なくとも２つのピーク波長の光強度（例えば、ピーク波長λ１・λ２の光強度Ｉ１・Ｉ２）を用いて、数式（１）からＨ2Ｏ濃度が算出され、そして、算出された２つのＨ2Ｏ濃度が等しいことから目的とする理論温度Ｔ２が算出される。
【００５０】
具体的には、上述した成分濃度Ｃを算出する数式（１）において、右辺の吸収率ｋが吸収線強度Ｓ（Ｔ）と圧力Ｐとの積で表され（ｋ＝Ｓ（Ｔ）・Ｐ）、吸収線強度Ｓ（Ｔ）が吸収率断面積αと、アボガドロ数Ｎａと、気体定数Ｒと、温度Ｔとの関数で表される（Ｓ（Ｔ）＝α・（Ｎａ／ＲＴ））ことに基づいて、これらが数式（１）の吸収率ｋに代入されることで、理論温度Ｔ２が算出される。
【００５１】
基準値算出部７１は、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから、所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値を算出する基準値算出手段として構成されている。「排ガス中のＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値」は、Ｈ2Ｏ濃度と相関性のある値のことをいい、本実施例では、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が排ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関関係にあることから、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が基準値として設定されている。
【００５２】
図９に示すように、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値は、図７に示した排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の吸収スペクトルを用いて、吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴うピークＡ・Ｂ・Ｃの積分値の合計値として算出される。ただし、このＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値は、単一ピークの積分値（例えば、ピーク波長λ１に基づくピークＡの積分値）又は２以上のピークの積分値から算出されてもよい。
【００５３】
判定部７２は、基準値算出部７１により算出された基準値が所定の閾値より小さい場合には所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定し、基準値算出部７１により算出された基準値が所定の閾値より大きい場合には所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定する判定手段として構成されている。
【００５４】
「Ｈ2Ｏ濃度の閾値」は、後述するように、温度センサ５５で検出された実測温度Ｔ１又は温度算出部７０で算出される理論温度Ｔ２のいずれかを選択的に用いる際の閾値であって、排ガスの測定条件やピーク波長の検出精度等に応じて適宜設定される。また、「基準値の閾値」は、予め設定されたＨ2Ｏ濃度の閾値に対応して適宜設定される。例えば、Ｈ2Ｏ濃度の閾値が排ガス中における所定％濃度と予め設定されることで、かかるＨ2Ｏ濃度の閾値に対応した基準値の閾値が設定される。
【００５５】
本実施例の判定部７２では、上述した基準値算出部７１にて算出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定され、面積値が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定される。このように、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値と排ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関性を利用すれば、基準値算出部７１にてＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値を基準値として算出することで、判定部７２にてＨ2Ｏ濃度の大小を容易に判定できる。
【００５６】
成分濃度算出部７３は、排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低い場合には温度センサ５５により検出された実測温度Ｔ１を用いて、又は排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高い場合には温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を用いて、排ガスの成分濃度を算出する成分濃度算出手段として構成されている。具体的には、本実施例の成分濃度算出部７３では、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから排ガスの概算成分濃度Ｃ１を一旦算出し、温度センサ５５により検出された実測温度Ｔ１又は温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を用いて、概算成分濃度Ｃ１を温度補正して成分濃度Ｃが算出される。
【００５７】
排ガスの概算成分濃度Ｃ１は、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから上述した数式（１）を用いて算出される。「排ガスの概算成分濃度Ｃ１」とは、温度補正を行う前の排ガスの成分濃度のことである。そして、成分濃度算出部７３では、上述した判定部７２にて判定された判定結果に基づいて、排ガスの概算成分濃度Ｃ１が実測温度Ｔ１又は理論温度Ｔ２のいずれかを用いて温度補正されて、排ガスの成分濃度Ｃが算出される。
【００５８】
例えば、判定部７２にて、基準値算出部７１にて算出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より小さく、したがって排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定された場合には、成分濃度算出部７３にて実測温度Ｔ１を用いて概算成分濃度Ｃ１が温度補正されて、排ガス中の成分濃度Ｃが算出される。一方、判定部７２にて、基準値算出部７１にて算出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より大きく、したがって排ガス中のｖ濃度が高いと判定された場合には、成分濃度算出部７３にて理論温度Ｔ２を用いて概算成分濃度Ｃ１が温度補正されて、排ガス中の成分濃度Ｃが算出される。
【００５９】
概算成分濃度Ｃ１の温度補正の方法としては、公知の方法を用いることができ、一例として、本実施例では、排ガスの実測吸収スペクトルである吸収スペクトルを、温度・圧力・濃度毎に予め定義された理論吸収スペクトルとパターンマッチングを行うことで排ガスの成分濃度Ｃが算出される。具体的には、に示す特定成分の吸収スペクトルの形状と、予め算出された理論吸収スペクトルの形状とが比較されて、最も近似する吸収スペクトルが求められ、この吸収スペクトルに基づいて特定成分の成分濃度Ｃが算出される。なお、理論吸収スペクトルにおいて、所与の圧力と濃度毎に予め複数の理論吸収スペクトルが算出されている。
【００６０】
出力部７４は、ＣＴＲや液晶モニタなどの画像表示装置として構成されており、上述した各吸収スペクトルが画像表示されるとともに、排ガスの温度（実測温度Ｔ１及び理論温度Ｔ２）や濃度（概算成分濃度Ｃ１及び成分濃度Ｃ）などが表示される。
【００６１】
次に、本実施例の排ガス分析装置１を用いた排ガス分析方法について、以下に説明する。
図１０に示すように、本実施例の排ガス分析方法は、上述した排ガス分析装置１を用いてエンジン２０の排ガスを排出する排気経路３中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光することで排ガス中の成分濃度Ｃを測定する方法であって、測定が開始されてエンジン２０からの排ガスが排気経路３に送られると、排ガス分析装置１が作動される。エンジン２０から排出された排ガスは、やがて測定部５のセンサ本体５０に穿設された排ガス通過孔５０ａを通過する。
【００６２】
まず、測定部５では、排ガス通過孔５０ａを通過する排ガスに対して、レーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光が受光される（Ｓ１００）。具体的には、測定部５では、コントローラ６から照射されたレーザ光が照射部５１の光ファイバ５１ａを介してセンサ本体５０の排ガス通過孔５０ａ内に照射され、一対の反射鏡５２・５２によって排気経路３に直交する一断面内を複数回反射されてから、受光部５３のディテクタ５３ａにて受光され、信号線５３ｂを介してコントローラ６に入力される。
【００６３】
コントローラ６では、測定部５にて排ガス中を透過して減衰された測定用レーザ光と排ガス中を透過していない参照用レーザ光とが電気信号に変換された後に電気信号として差分型光検出器６４に入力されて、吸収スペクトルが検出される（Ｓ１０１）。差分型光検出器６４にて検出されたレーザ光の吸収スペクトルは、電気信号として図示せぬコンピュータ装置７に入力される。
【００６４】
コンピュータ装置７では、まず、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２が算出される（Ｓ１０２）。本実施例では、排ガスの理論温度Ｔ２は、排ガス中の所定成分として設定されているＨ2Ｏの吸収スペクトル（図７参照）に表れた少なくとも２つのピーク波長の光強度から数式（１）を用いて算出される。Ｈ2Ｏの吸収スペクトルには、所定の波長帯において３つのピーク波長λ１、λ２、λ３においてピークＡ・Ｂ・Ｃが存在し、少なくとも２つのピーク波長の光強度が比較されるのである。
【００６５】
また、エンジン２０から排出された排ガスが測定部５のセンサ本体５０に穿設された排ガス通過孔５０ａを通過する際には、排気経路３中の排ガスの実測温度Ｔ１が温度センサ５５にて検出されて検出信号がコンピュータ装置７に送られる（Ｓ１０３）。
【００６６】
そして、本実施例では、以上のようにして検出又は算出された温度（実測温度Ｔ１又は理論温度Ｔ２）を用いて、具体的には、排ガス中の所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低い場合には実測温度Ｔ１を用いて、又は排ガス中の所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高い場合には理論温度Ｔ２を用いて、排ガスの成分濃度Ｃが算出される。この成分濃度Ｃは、以下のようにして算出される。
【００６７】
すなわち、まず、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから、所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値が算出され、本実施例では差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が基準値として算出される（Ｓ１０４）。このＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値は、排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の吸収スペクトル（図９参照）を用いて、吸収スペクトルに表れたＨ2Ｏの吸収に伴うピークＡ・Ｂ・Ｃの積分値の合計値として算出される。
【００６８】
そして、算出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定され、面積値が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定される（Ｓ１０５）。このように本実施例の排ガス分析方法では、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値を基準値として用いることで、排ガス中のＨ2Ｏ濃度の大小が判定されるのである。
【００６９】
そして、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より小さく、したがって排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定された場合には、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから上述した数式（１）を用いて排ガスの概算成分濃度Ｃ１が一旦算出され（Ｓ１０６）、この概算成分濃度Ｃ１が実測温度Ｔ１を用いて温度補正されることで（Ｓ１０７）、成分濃度Ｃが算出される（Ｓ１０８）。
【００７０】
一方、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値が所定の閾値より大きく、したがって排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定された場合には、差分型光検出器６４により吸収スペクトルから上述した数式（１）を用いて排ガスの概算成分濃度Ｃ１が一旦算出され（Ｓ１０９）、この概算成分濃度Ｃ１が理論温度Ｔ２を用いて温度補正されることで（Ｓ１１０）、成分濃度Ｃが算出される（Ｓ１１１）。
【００７１】
なお、本実施例では、概算成分濃度Ｃ１の温度補正の方法として、排ガスの実測スペクトルである吸収スペクトルを、圧力・濃度毎に予め定義された理論吸収スペクトルとパターンマッチングを行うことで排ガスの成分濃度Ｃが算出される。
【００７２】
そして、算出された排ガスの温度（実測温度Ｔ１及び理論温度Ｔ２）や濃度（概算成分濃度Ｃ１及び成分濃度Ｃ）などがコンピュータ装置７の出力部７４に出力される（Ｓ１１２）。
【００７３】
以上のように、本実施例の排ガス分析装置１は、エンジン２０の排ガスを排出する排気経路３中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部５を具備してなり、測定部５にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度Ｃを測定する排ガス分析装置１であって、排気経路３中の排ガスの実測温度Ｔ１を検出する温度センサ５５と、測定部５にて受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する差分型光検出器６４と、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度Ｔ２を算出する温度算出部７０と、排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には温度センサ５５により検出された実測温度Ｔ１を用いて排ガスの成分濃度Ｃを算出し、排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を用いて排ガスの成分濃度Ｃを算出する成分濃度算出部７３とを有するように構成されているため、エンジン２０の始動前や始動直後などのように排ガス中の所定成分の濃度が低く、差分型光検出器６４により正確な吸収スペクトルを検出することができない場合であっても、温度センサ５５による排ガスの実測温度Ｔ１を用いて成分濃度の温度補正を行うことで、排ガス中の成分ごとの吸収スペクトルを精度よく温度補正することができ、ひいては所定成分の濃度が低い低温条件下であっても成分濃度の測定精度を向上できるのである。
【００７４】
また、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルから、所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値を算出する基準値算出部７１と、基準値算出部７１により算出された基準値が所定の閾値より小さい場合には所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定し、基準値算出部７１により算出された基準値が所定の閾値より大きい場合には所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定する判定部７２を有するため、排ガス中に常時存在しているＨ2Ｏを排ガス中の所定成分とすることで、差分型光検出器６４により検出された吸収スペクトルからの各種の算出が容易であり、分析精度や分析目的に応じてＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値として多用な基準値を設定することができる。
【００７５】
特に、本実施例の排ガス分析装置１は、基準値算出部７１にて、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値を基準値として算出し、判定部７２にて、前記面積値が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定し、前記面積値が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定するため、基準値算出部７１にて基準値の算出が容易であり、かつ判定部７２にてＨ2Ｏ濃度の大小を容易に判定することができる。
【００７６】
また、本実施例の排ガス分析装置１では、測定部５に穿設された排ガス通過孔５０ａに配設され、排ガス通過孔５０ａを通過する排ガスの実測温度Ｔ１を検出する温度センサを用いることで、簡易な構成で排ガス中の実測温度Ｔ１を高精度で検出することができる。
【００７７】
なお、本実施例の排ガス分析装置１及び排ガス分析方法としては、上述した構成等に限定されない。
【００７８】
例えば、上述した実施例の排ガス分析装置１では、コンピュータ装置７の構成において、基準値算出部７１にて、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値を基準値として算出し、判定部７２にて、前記面積値が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定し、前記面積値が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定するように構成されるが、基準値算出部７１及び判定部７２の構成としてはこれに限定されない。すなわち、所定成分の濃度としての排ガス中のＨ2Ｏ濃度に基づいた基準値としては、以下に示す実施例のように別の値を用いることができる。
【００７９】
例えば、別の実施例について図１１を参照して説明すると、Ｈ2Ｏ濃度に基づいた基準値としては、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルのうち少なくとも一のピーク波長の光強度を用いてもよい。具体的には、基準値算出部７１にて、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの吸収スペクトルのうち少なくとも一のピーク波長の光強度を基準値として算出し、判定部７２にて、前記光強度が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定され、前記光強度が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定される。
【００８０】
Ｈ2Ｏの吸収スペクトルにおける所定のピーク波長の光強度は、排ガス中を透過した後の測定用レーザ光の吸収スペクトル（図１１参照）を用いて、Ｈ2Ｏの吸収に伴ういずれかのピーク波長λ１、λ２、λ３のうち少なくとも一のピーク波長の光強度（例えば、ピーク波長λ１の光強度Ｉ１）として算出される。そして、この所定のピーク波長の光強度は、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルの面積値と同じく排ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関関係にあり、所定のピーク波長の光強度が増減することで、排ガス中のＨ2Ｏ濃度もこれに相関して増減する。
【００８１】
このように、Ｈ2Ｏの吸収スペクトルにおいて所定のピーク波長の光強度と排ガス中のＨ2Ｏ濃度との相関性を利用すれば、基準値算出部７１にてＨ2Ｏの吸収スペクトルにおいて所定のピーク波長の光強度を基準値として算出することで、基準値算出部７１にて基準値の算出が容易となり、かつ判定部７２にてＨ2Ｏ濃度の大小を容易に判定することができる。
【００８２】
また、別の実施例について図１２を参照して説明すると、Ｈ2Ｏ濃度に基づいた基準値としては、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの実測吸収スペクトルと予め定義されたＨ2Ｏの理論吸収スペクトルとのフィッティング誤差を用いてもよい。具体的には、基準値算出部７１にて、差分型光検出器６４により検出されたＨ2Ｏの実測吸収スペクトル（差分吸収スペクトル）と、温度・圧力ごとに予め定義されたＨ2Ｏの理論吸収スペクトルとのフィッティング誤差を基準値として算出し、判定部７２にて、フィッティング誤差が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定され、フィッティング誤差が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定される。
【００８３】
フィッティング誤差は、Ｈ2Ｏの実測吸収スペクトルと予め定義されたＨ2Ｏの理論吸収スペクトルとの形状に基づいた相対誤差として算出される。例えば、一例として、まず、実測吸収スペクトルの形状と理論吸収スペクトルの形状とが比較されてパターンマッチングが行われ、最も近似する理論吸収スペクトルが求められる。次いで、実測吸収スペクトルと理論吸収スペクトルとが重ねられ、実測吸収スペクトルと理論吸収スペクトルとによって囲まれた境域の面積値Ａ１（積分値）（図１２（ａ）参照）を、理論吸収スペクトルの面積値Ｂ１（積分値）（図１２（ｂ）参照）で割ることでフィッティング誤差が算出される。
【００８４】
そして、このフィッティング誤差は、上述したＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値と同じく排ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関関係にあり、フィッティング誤差が増減することで、排ガス中のＨ2Ｏ濃度もこれに相関して増減し、具体的には、フィッティング誤差が大きくなるとＨ2Ｏ濃度が小さくなり、一方でフィッティング誤差が小さくなるとＨ2Ｏ濃度が大きくなる。
【００８５】
このように、フィッティング誤差と排ガス中のＨ2Ｏ濃度との相関性を利用すれば、基準値算出部７１にてフィッティング誤差を基準値として算出することで、判定部７２にてＨ2Ｏ濃度の大小を容易に判定することができる。
【００８６】
さらに、別の実施例について説明すると、Ｈ2Ｏ濃度に基づいた基準値としては、温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を基準値として用いてもよい。具体的には、基準値算出部７１にて、温度算出部７０により算出された理論温度Ｔ２を基準値として算出し、判定部７２にて、理論温度Ｔ２が所定の閾値より小さい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が低いと判定され、理論温度Ｔ２が所定の閾値より大きい場合には排ガス中のＨ2Ｏ濃度が高いと判定される。
【００８７】
理論温度Ｔ２は、分析対象である排ガスにおいてエンジン２０の始動時から温度が上昇するとともに、排ガス中のＨ2Ｏ濃度も高くなっていくことから、上述したＨ2Ｏの吸収スペクトルの面積値と同じく排ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関関係にあり、理論温度Ｔ２が増減することで、排ガス中のＨ2Ｏ濃度もこれに相関して増減する。
【００８８】
このように、理論温度Ｔ２と排ガス中のＨ2Ｏ濃度との相関性を利用すれば、基準値算出部７１にて理論温度Ｔ２を基準値として算出することで、温度算出部７０にて算出される理論温度Ｔ２を基準値算出部７１にてそのまま基準値として設定すればよいため簡易であり、かつ判定部７２にてＨ2Ｏ濃度の大小を容易に判定することができる。
【００８９】
以上の実施例で説明した構成の他に、例えば、上述した実施例（図３参照）の排ガス分析装置１では、温度センサ５５は、測定部５に穿設された排ガス通過孔５０ａに配設されて、排ガス通過孔５０ａを通過する排ガスの実測温度Ｔ１を検出するように構成されているが、温度センサ５５の配置構成としてはこれに限定されない。すなわち、図１３に示すように、排気経路３中の対象となる測定部５に対して上流側の配管３ａに温度センサ５５が配設され、排ガス通過孔５０ａを通過する直前の排ガスの実測温度Ｔ１を検出するように構成されてもよい。このような配置構成とすることで、温度センサ５５にて検出される実測温度Ｔ１の応答遅れを防止して、実測温度Ｔ１の検出精度を高め、ひいては排ガス中の成分濃度Ｃの測定精度を向上できる。
【００９０】
コントローラ６は、他の排ガス中の成分濃度を測定する場合には、対象となる成分の数に合わせた波長の赤外レーザ光を照射可能なレーザ光源６０を適宜用いることで、検出対象となる成分を追加若しくは変更等することができる。
【００９１】
コンピュータ装置７は、上述した実施例では、成分濃度算出部７３による排ガスの成分濃度Ｃの算出方法として、数式（１）により算出された概算成分濃度Ｃ１から実測吸収スペクトルを温度・圧力・成分濃度により一義的に決まる理論吸収スペクトルの形状と比較したパターンマッチングにより成分濃度Ｃを算出（温度補正）する方法を説明したが、排ガスの成分濃度Ｃの算出方法としてはこれに限定されない。また、温度算出部７１における理論温度Ｔ２の算出方法についても、上述した実施例で示した方法に限定されない。
【符号の説明】
【００９２】
１ 排ガス分析装置
３ 排気経路
５ 測定部
６ コントローラ
７ コンピュータ装置
２０ エンジン（内燃機関）
５０ センサ本体
５０ａ 排ガス通過孔
５１ 照射部
５３ 受光部
５５ 温度センサ（温度検出手段）
６４ 差分型光検出器（吸収スペクトル検出手段）
７０ 温度算出部（温度算出手段）
７１ 基準値算出部（基準値算出手段）
７２ 判定部（判定手段）
７３ 成分濃度算出部（成分濃度算出手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部を具備してなり、前記測定部にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析装置であって、
前記排気経路中の排ガスの実測温度を検出する温度検出手段と、
前記測定部にて受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出手段と、
前記吸収スペクトル検出手段により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度を算出する温度算出手段と、
排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には前記温度検出手段により検出された実測温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出し、排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には前記温度算出手段により算出された理論温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出手段とを有し、
前記温度検出手段は、前記排ガスの実測温度を検出する温度センサを有し、前記温度センサは、前記測定部の上流側の排気経路中に配設される、
ことを特徴とする排ガス分析装置。
【請求項２】
内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光することで排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析方法であって、
前記排気経路中の排ガスの実測温度を検出する温度検出工程と、
前記受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出工程と、
前記吸収スペクトル検出工程により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度を算出する温度算出工程と、
排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には前記温度検出工程により検出された実測温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出し、排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には前記温度算出工程により算出された理論温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出工程とを有し、
前記温度検出工程において、前記排ガスの実測温度を、前記測定部の上流側の排気経路中に配設される温度センサにより検出する、
ことを特徴とする排ガス分析方法。
【請求項１】
内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光する測定部を具備してなり、前記測定部にて受光されたレーザ光に基づいて排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析装置であって、
前記排気経路中の排ガスの実測温度を検出する温度検出手段と、
前記測定部にて受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出手段と、
前記吸収スペクトル検出手段により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度を算出する温度算出手段と、
排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には前記温度検出手段により検出された実測温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出し、排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には前記温度算出手段により算出された理論温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出手段とを有し、
前記温度検出手段は、前記排ガスの実測温度を検出する温度センサを有し、前記温度センサは、前記測定部の上流側の排気経路中に配設される、
ことを特徴とする排ガス分析装置。
【請求項２】
内燃機関の排ガスを排出する排気経路中の排ガスにレーザ光を照射し、排ガスを透過したレーザ光を受光することで排ガス中の成分濃度を測定する排ガス分析方法であって、
前記排気経路中の排ガスの実測温度を検出する温度検出工程と、
前記受光されたレーザ光より排ガス中に吸収されたレーザ光の吸収スペクトルを検出する吸収スペクトル検出工程と、
前記吸収スペクトル検出工程により検出された吸収スペクトルから排ガスの理論温度を算出する温度算出工程と、
排ガス中の所定成分の濃度が低い場合には前記温度検出工程により検出された実測温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出し、排ガス中の所定成分の濃度が高い場合には前記温度算出工程により算出された理論温度を用いて排ガス中の成分濃度を算出する成分濃度算出工程とを有し、
前記温度検出工程において、前記排ガスの実測温度を、前記測定部の上流側の排気経路中に配設される温度センサにより検出する、
ことを特徴とする排ガス分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１３−６１３５８（Ｐ２０１３−６１３５８Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１３−１８８１（Ｐ２０１３−１８８１）
【出願日】平成２５年１月９日（２０１３．１．９）
【分割の表示】特願２００８−８８６３１（Ｐ２００８−８８６３１）の分割
【原出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【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２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２５年１月９日（２０１３．１．９）
【分割の表示】特願２００８−８８６３１（Ｐ２００８−８８６３１）の分割
【原出願日】平成２０年３月２８日（２００８．３．２８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【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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