排ガス分析装置
【課題】簡易な構成で、排ガスの成分濃度を精度よく、かつ安定して測定することができる排ガス分析装置を提供することを目的とする。
【解決手段】エンジン２０の排ガスを排出する排気経路３に取り付けられ、排気経路３中の排ガスの成分濃度を測定する排ガス分析用センサ５を備えたガス分析装置において、排ガス分析用センサ５は、エンジン２０からの排ガスが通過される排ガス通過孔５１・５１・・・が長手方向に沿って複数穿設されたセンサ本体５０と、各排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部６と、照射部６から照射されたレーザ光を受光する受光部７とを備えてなる。
【解決手段】エンジン２０の排ガスを排出する排気経路３に取り付けられ、排気経路３中の排ガスの成分濃度を測定する排ガス分析用センサ５を備えたガス分析装置において、排ガス分析用センサ５は、エンジン２０からの排ガスが通過される排ガス通過孔５１・５１・・・が長手方向に沿って複数穿設されたセンサ本体５０と、各排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部６と、照射部６から照射されたレーザ光を受光する受光部７とを備えてなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス分析装置の技術に関し、より詳細には、内燃機関の排ガスを排出する排気経路に取り付けられ、該排気経路中の排ガスの成分濃度を測定するセンサ部を備えた排ガス分析装置の改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等のエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中の成分濃度や温度を測定し、分析するための装置として、排気経路（配管）に、光源や検出器部等からなるセンサ部が直接に配設され、かかるセンサ部によって排気経路を流れる排ガス中を透過したレーザ光を検出する等して、排ガス中の成分濃度等をリアルタイムで測定するように構成された排ガス分析装置の構成が公知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上述した特許文献１に開示される排ガス分析装置は、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レーザ光を照射し、反射鏡によりレーザ光を多重反射させた後に、排ガス中を透過したレーザ光を検出するセンサ部が設けられている。そして、このセンサ部は、センサ本体の排ガス通過孔内で対向する一対の反射鏡によってレーザ光を多重反射させて、レーザ光が排ガス中を透過する距離（測定長）をより長く確保することで、その測定精度を向上するように構成されている。
【特許文献１】特開２００６−１８４１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した特許文献１に開示される排ガス分析装置は、上述したセンサ部をエンジンのシリンダヘッドとエキゾーストマニホールドの間に配置して、エンジンから排出された直後の排ガスがエキゾーストマニホールドで合流される前の段階で排ガスの温度やガス濃度を測定する構成が開示されている。
【０００５】
なるほど、エンジンの各気筒から排出される排ガスの温度やガス濃度を直接測定することで、気筒ごとに排出される排ガスを分析できるため、エンジンの燃焼状態を気筒ごとに確認することができる。特に、近年のエンジン開発においては、商品力の高い製品とするために燃費やエミッションの性能向上が課題となっているところ、瞬時燃費評価やエミッション評価を行うためにエンジン給排気ガスを精度よく測定することができるのが好ましいとされているところである。
【０００６】
しかしながら、上述した排ガス分析装置の構成では、センサ部において、排ガス通過孔に向けて照射されるレーザ光の光路長を確保するために反射鏡を用いた多重反射方式が採用されていたことから、次のような課題があった。
すなわち、センサ部がエンジンのシリンダヘッドとエキゾーストマニホールドの間に配置されることで、エンジンからの排出直後の高温排ガス（８００℃〜１０００℃）の影響（熱輻射や熱伝達）を受けて、センサ部に設けられた反射鏡において、比較的耐熱温度（５００℃〜６００℃）の低い計測用レーザ光を多重反射させるための反射コートが損傷等してしまい、排ガスの測定精度に劣るといった課題があった。
【０００７】
また、センサ部において、エンジンからの排出直後の高温排ガスの影響を受けて、センサ本体や当該センサを構成する各部材が温度変形（熱歪みや熱変形）してしまう恐れがあった。そして、センサ本体や当該センサ部を構成する各部材が温度変形してしまうと、反射鏡の固定に緩みが生じ、照射部から照射されたレーザ光の反射角度がずれて、受光部にてレーザ光を受光できないといった計測不良の原因となっていた。
【０００８】
さらに、そもそも、センサ部において反射鏡が用いられることで、センサ部の構成が複雑化してメンテナンス性に劣るとともに、製造コストがかかるという課題があった。
【０００９】
そこで、本発明においては、排ガス分析装置に関し、前記従来の課題を解決するもので、簡易な構成で、排ガスの成分濃度を精度よく、かつ安定して測定することができる排ガス分析装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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に取り付けられ、該排気経路中の排ガスの成分濃度を測定するセンサ部を備えたガス分析装置において、前記センサ部は、前記内燃機関からの排ガスが通過される排ガス通過孔が所定方向に沿って複数穿設されたセンサ本体と、前記各排ガス通過孔を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部と、前記照射部から照射されたレーザ光を受光する受光部とを備えてなるものである。
【００１２】
請求項２においては、前記センサ本体は、前記照射部より照射されるレーザ光の光路に沿って、隣接する前記排ガス通過孔の間を連通する通光孔が設けられるものである。
【００１３】
請求項３においては、前記センサ本体は、前記通光孔に、前記排ガス通過孔内の領域と前記通光孔内の領域とを区画するレーザ光透過用のレンズ部材が設けられるものである。
【００１４】
請求項４においては、前記センサ本体は、前記通光孔内の領域にイナートガスを給排するガス給排経路が設けられるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１６】
請求項１に示す構成としたので、簡易な構成で、排ガスの成分濃度を精度よく、かつ安定して測定することができる。
【００１７】
請求項２に示す構成としたので、センサ本体に対して一対の照射部及び受光部を取り付けることで、全ての排ガス通過孔を横断するようにレーザ光を照射させることができ、センサ構造を簡易に構成することができる。
【００１８】
請求項３に示す構成としたので、排ガス通過孔内の排ガスが通光孔内の領域に滞留するのを防止でき、本来の排ガスの濃度計測の結果に滞留ガスの成分濃度が重複し、または滞留ガスの成分濃度が変動して濃度計測の際に生じるノイズによって、測定精度が低減するのを防止できる。
【００１９】
請求項４に示す構成としたので、イナートガスによって通光孔内の滞留ガスを機外に排出することができ、本来の排ガスの濃度計測の結果に滞留ガスの成分濃度が重複し、または滞留ガスの成分濃度が変動して濃度計測の際に生じるノイズによって、排ガスの測定精度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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の全体的な構成を示した側面図、図２は本実施例の排ガス分析用センサの構成を示した斜視図、図３は本実施例の排ガス分析用センサの取付状態を示した斜視図、図４は本実施例の排ガス分析用センサの正面断面図、図５は照射部の取付構造を示した拡大断面図、図６は受光部の取付構造を示した拡大断面図、図７は通光孔付近を拡大して示した断面図、図８は別実施例の排ガス分析用センサの通光孔付近を拡大して示した断面図である。
【００２１】
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であるエンジン２０から排出される排ガス中の成分濃度や温度を測定し分析するものである。具体的には、排ガス分析装置１は、エンジン２０から延出された排ガスの排気経路３の複数箇所に、該排気経路３中の排ガスの成分濃度を測定するセンサ部としての排ガス分析用センサ４・５と、この排ガス分析用センサ４・５に接続されたレーザ発信・受光用のコントローラ１０と、コントローラ１０に接続されたコンピュータ装置１１等とで構成されている。
【００２２】
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、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、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。
【００２３】
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。
【００２４】
排気経路３においては、排ガス分析用センサ４が４箇所に配置されており、具体的には、第一触媒装置３２の上流側の排気管３１と第一触媒装置３２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、排気パイプ３５の末端部に配設されている。また、本実施例では、排ガス分析用センサ５が、エンジン２０とエキゾーストマニホールド３０との間に配置されている（図４参照）。
【００２５】
本実施例の排ガス分析装置１では、各排ガス分析用センサ４・５において、コントローラ１０によって赤外線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得られたデータが、コントローラ１０からコンピュータ装置１１に送られて排ガス中の成分が分析される。
【００２６】
コントローラ１０は、複数の波長の赤外線レーザ光を照射する照射装置であり、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る。また、コントローラ１０には、排ガス分析用センサ４・５に接続された図示せぬ差分型光検出器等が設けられており、排ガス分析用センサ４・５により受光された信号光が導光され、排ガス中を透過して減衰したレーザ光と排ガス中を透過していないレーザ光との信号光が接続されたコンピュータ装置１１に出力される。
コンピュータ装置１１では、コントローラ１０からの出力信号を解析して、排ガスの成分濃度や排ガスの温度を算出する等して、排ガスの分析が行われる。
【００２７】
このように、本実施例の排ガス分析装置１では、各排ガス分析用センサ４・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、排ガス分析用センサ４・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。
【００２８】
次に、排ガス分析用センサ５の構成について、以下に詳述する。
図２乃至６に示すように、本実施例の排ガス分析用センサ５は、平面視略矩形の長板状部材より形成され、排ガスが通過する円形の排ガス通過孔５１・５１・・・が所定方向（図２において左右方向）に沿って複数穿設されたセンサ本体５０と、排ガス通過孔５１・５１・・・と直交する一断面に沿って、各排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部６と、照射部６から照射されたレーザ光を受光する受光部７等とを備えてなり、エンジン２０とエキゾーストマニホールド３０との間に配置される。
【００２９】
まず、センサ本体５０の構成について、以下に詳述する。
図２に示すように、センサ本体５０は、排ガス分析用センサ５を構成する機台として形成され、具体的には、平面視略矩形に形成された長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を貫通するようにして、円形の排ガス通過孔５１・５１・・・が複数箇所（本実施例では４箇所）に穿設されている。各排ガス通過孔５１は、それぞれ同一平面上に開口され、隣接する排ガス通過孔５１・５１が所定の離間を有するようにして、センサ本体５０の長手方向（図２において左右方向）に沿って平面視略同一線上に位置するように穿設されている。
【００３０】
以下、センサ本体５０に穿設された排ガス通過孔５１は、長手方向の一端面（図２において最左側の端面）から見て順に長手方向に沿って位置Ｐ１〜Ｐ４の排ガス通過孔５１として区別することとする。ただし、各位置Ｐ１〜Ｐ４の排ガス通過孔５１は略同一に形成される。
【００３１】
図３に示すように、本実施例の排ガス分析用センサ５は、４気筒のエンジン２０のシリンダヘッド２０ａとエキゾーストマニホールド３０との間に取り付けられ、具体的には、センサ本体５０が両面に図示せぬガスケットが当接された状態でシリンダヘッド２０ａとエキゾーストマニホールド３０との間に挟まれて固定される。エキゾーストマニホールド３０は、排気経路３の上流側端部のフランジ部３０ａがシリンダヘッド２０ａに対して図示せぬボルト等によって締結される。また、エキゾーストマニホールド３０の排気経路３の下流側端部は、上述した管継手３６と連結されて排気経路３が形成される。
【００３２】
そして、本実施例の排ガス分析用センサ５は、センサ本体５０において、エンジン２０の気筒数、すなわちシリンダヘッド２０ａに設けられた４つの排気孔２０ｂに対応する位置に、排ガス通過孔５１・５１・・・が穿設されている。かかる位置に排ガス通過孔５１が穿設されることで、シリンダヘッド２０ａとエキゾーストマニホールド３０との間に取り付けられた排ガス分析用センサ５によって、各排気孔２０ｂから排出される排ガスが対応する位置に設けられた排ガス通過孔５１を通過する際に成分濃度を測定することができる。
【００３３】
図２及び図４に示すように、センサ本体５０は、照射部６より照射されるレーザ光の光路に沿って、隣接する排ガス通過孔５１を連通する複数の通光孔５２・５２・・・が設けられている。具体的には、通光孔５２は、隣接する排ガス通過孔５１の離間毎に、隣接する排ガス通過孔５１の空間を連続するように貫通されている。各通光孔５２は、排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿うようにして穿設される。本実施例では、各通光孔５２は、照射部６より照射されるレーザ光の光路に沿って、すなわち、センサ本体５０において排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿ってそれぞれが同一線上に位置するようにして設けられる。
【００３４】
図４乃至図６に示すように、センサ本体５０は、位置Ｐ１・Ｐ４の排ガス通過孔５１を長手方向の両端面側の外部空間と連通する通光孔５３が設けられており、通光孔５３を介して、位置Ｐ１・Ｐ４の排ガス通過孔５１がセンサ本体５０の外側と連通されている。本実施例の通光孔５３は、上述した通光孔５２と同一線上、すなわち、センサ本体５０において排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿って横断する同一線上にそれぞれ位置するようにして設けられる。
【００３５】
通光孔５３には、最奥部（排ガス通過孔５１側の奥部）から外側方向に向けて順に、ガスケット５４とレーザ光透過用のレンズ部材５５とが配設されている。レンズ部材５５は、通光孔５３の内壁に密接されており、排ガス通過孔５１と外部空間とが遮蔽されており、排ガス通過孔５１内の排ガスが通光孔５３を介して外部に漏出しないように構成されている。
【００３６】
ガスケット５４及びレンズ部材５５は、同軸ボルト５６によってセンサ本体５０に位置決め固定されている。また、ガスケット５４及び同軸ボルト５６の軸中心であってレーザ光の光軸上に位置する箇所には、レーザ光通過用の穴が穿設されている。後述する照射部６より照射されたレーザ光は、レンズ部材５５を介して排ガス通過孔５１内に導入されるとともに、レンズ部材５５を介して排ガス通過孔５１外に導出されて受光部７により受光される。
【００３７】
次に、照射部６及び受光部７の構成について、以下に詳述する。
図４及び図５に示すように、照射部６は、赤外線送信用の光ファイバ６０と、光ファイバ６０をセンサ本体５０に位置決めして取り付ける接続ブロック６１等とで構成されている。光ファイバ６０は、一端が接続ブロック６１に設けられた入光コリメータ６１ａに接続されるとともに、他端が上述したコントローラ１０に接続されており、コントローラ１０から射出されたレーザ光が光ファイバ６０を介して入光コリメータ６１ａより照射される。
【００３８】
接続ブロック６１は、セラミック板より形成されるアライメント調整板６２及びセラミック素材より形成される断熱板６３を介して、センサ本体５０の一方の端面に面接された状態で、ボルト６４によって締結される。接続ブロック６１には、センサ本体５０の一方の端面に穿設された通光孔５３に取り付けられた状態で、通光孔５３と直線状に接続される通光孔６５が穿設されている。
【００３９】
そして、本実施例の照射部６は、光ファイバ６０の照射面が通光孔６５・通光孔５３を介して排ガス通過孔５１に対向され、通光孔６５・通光孔５３を介してレーザ光が排ガス通過孔５１と直交する一断面に向けて照射可能であって、かつ、各排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向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。
【００４０】
図４及び図６に示すように、受光部７は、上述した照射部６と略同一に構成され、レーザ光を検出するディテクタ７０と、ディテクタ７０をセンサ本体５０に位置決めして取り付ける接続ブロック７１等とで構成されている。ディテクタ７０は、一端が接続ブロック７１に設けられた受光コリメータ７１ａに接続されるとともに、他端が上述したコントローラ１０に接続されており、排ガス中を透過したレーザ光がディテクタ７０に受光されて、受光信号がコントローラ１０に入力される。
【００４１】
接続ブロック７１は、セラミック板より形成されるアライメント調整板７２及びセラミック素材より形成される断熱板７３を介して、センサ本体５０の他方の端面に面接された状態で、ボルト７４によって締結される。接続ブロック７１には、センサ本体５０の他方の端面に穿設された通光孔５３に取り付けられた状態で、通光孔５３と直線状に接続される通光孔７５が穿設されている。
【００４２】
本実施例の受光部７は、ディテクタ７０の受光面が通光孔７５・通光孔５３を介して排ガス通過孔５１に対向され、上述したように、照射部６より排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿って、各排ガス通過孔５１を横断する方向に照射されたレーザ光を、通光孔５３・通光孔７５を介して受光可能となるように、照射部６と同一線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。
【００４３】
このように、本実施例の排ガス分析用センサ５は、照射部６及び受光部７により、排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿って、排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向に向けてレーザ光の光路が形成されている。そして、排ガス分析用センサ５のセンサ本体５０には、このレーザ光の光路に沿って、上述した通光孔５２及びその他の通光孔５３等が設けられている。
【００４４】
本実施例の排ガス分析装置１において、排ガス分析用センサ５にて各排ガス通過孔５１を通過する排ガスの成分濃度を測定する際には、まず、照射部６から排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿って、各排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向に向けてレーザ光が照射され、通光孔５３等を通って位置Ｐ１の排ガス通過孔５１内に導入される。
そして、位置Ｐ１の排ガス通過孔５１内に導入されたレーザ光は、排ガス中を透過しながら、各通光孔５２・５２・・・を介して隣接する位置Ｐ２・Ｐ３の排ガス通過孔５１へと長手方向に横断し、やがて位置Ｐ４の排ガス通過孔５１に到達される。
通光孔５３等を通って位置Ｐ４の排ガス通過孔５１内から導出されたレーザ光は、照射部６と同一線上に配置された受光部７にて受光される。
【００４５】
次に、通光孔５２に設けられるレンズ部材９０について、以下に説明する。
図４及び図７に示すように、本実施例の排ガス分析用センサ５は、センサ本体５０の各通光孔５２・５２・・・に、排ガス通過孔５１内の領域（排ガス領域Ｄ１）と通光孔５２内の領域（センサ内部領域Ｄ２）とを区画するレーザ光透過用のレンズ部材９０・９０がそれぞれ設けられている。具体的には、通光孔５２内の排ガス通過孔５１側の両開口端に、排ガス通過孔５１と通光孔５２との境界を区画するようにしてレンズ部材９０・９０がそれぞれ配設される。
【００４６】
レンズ部材９０は、通光孔５２の開口端であって、排ガス通過孔５１側の開口端から見てセンサ本体５０の内部側に、ガスケット９１を介して固定ボルト９２によって位置固定されている。このように、一対のレンズ部材９０・９０が通光孔５２に取り付けられることで、センサ本体５０において排ガス通過孔５１と通光孔５２により形成される空間が、排ガス領域Ｄ１と内部領域Ｄ２とに複数に区画される。
【００４７】
照射部６より照射されたレーザ光は、各通光孔５２を通過する際には、排ガス領域Ｄ１から一方のレンズ部材９０を介して内部領域Ｄ２に導入され、内部領域Ｄ２を通過した後は、他方のレンズ部材９０を介して内部領域Ｄ２から排ガス領域Ｄ１へと導出される。
【００４８】
なお、各レンズ部材９０は、通光孔５２の内壁に密接されており、排ガス通過孔５１と通光孔５２内部、すなわち、排ガス領域Ｄ１と内部領域Ｄ２とを遮蔽して、排ガス通過孔５１内（排ガス領域Ｄ１）の排ガスが通光孔５２内（内部領域Ｄ２）に漏出することがないように構成されている。
【００４９】
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に取り付けられ、排気経路３中の排ガスの成分濃度を測定する排ガス分析用センサ５を備えたガス分析装置において、排ガス分析用センサ５は、エンジン２０からの排ガスが通過される排ガス通過孔５１・５１・・・が長手方向に沿って複数穿設されたセンサ本体５０と、各排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部６と、照射部６から照射されたレーザ光を受光する受光部７とを備えてなるため、簡易な構成で、排ガスの成分濃度を精度よく、かつ安定して測定することができる。
【００５０】
すなわち、本実施例の排ガス分析装置１は、排ガス分析用センサ５において、従来のように排ガス分析用センサ５に反射鏡を設けてレーザ光を多重反射させることで、排ガス中を透過するレーザ光の光路長を確保するような構成ではなく、反射鏡を設けることなく、照射部６より照射されたレーザ光をセンサ本体５０に穿設された複数の排ガス通過孔５１・５１・・・を横断させることで、排ガス中を透過するレーザ光の光路長を確保するような構成とされている。
【００５１】
このように、本実施例の排ガス分析装置１は、排ガス分析用センサ５において、レーザ光を複数の排ガス通過孔５１・５１・・・を横断させることで、排ガス分析用センサ５に反射鏡を設けることなく排ガス中を透過するレーザ光の光路長を確保しつつ、反射鏡の破損等に基づく測定精度の低減を回避することができるため、排ガスの成分濃度を精度よく測定できる。また、センサ本体５０の温度変形による光軸のずれを低減することができ、高温条件下であっても安定して排ガスの成分濃度を測定することができる。さらに、排ガス分析用センサ５を簡易に構成することができ、製造コストやメンテナンスコストを低減できる。
【００５２】
また、本実施例の排ガス分析用センサ５を用いることで、高温条件での排ガスの成分濃度測定が可能となることから、エンジン２０とエキゾーストマニホールド３０との間に排ガス分析用センサ５を配置することで、例えば、エンジン２０の性能評価（燃費やエミッション）や排気経路３に配設される各触媒装置３２・３３の触媒性能を精度よく評価することができる。特に、一対の排ガス分析用センサ５・５をシリンダヘッド２０ａの各吸気ポート及び排気ポートに対応する位置にそれぞれ取り付けることで、エンジン２０の詳細な性能を評価することができる。
【００５３】
また、本実施例の排ガス分析用センサ５において、センサ本体５０は、照射部６より照射されるレーザ光の光路に沿って、隣接する排ガス通過孔５１・５１の間を連通する通光孔５２が設けられるため、センサ本体５０に対して一対の照射部６及び受光部７を取り付けることで、全ての排ガス通過孔５１を横断するようにレーザ光を照射させることができ、センサ構造を簡易に構成することができる。
【００５４】
特に、本実施例の排ガス分析装置１では、排ガス分析用センサ５において、通光孔５２に、排ガス通過孔５１内の領域（排ガス領域Ｄ１）と通光孔５２内の領域（内部領域Ｄ２）とを区画するレンズ部材９０が設けられるため、排ガス通過孔５１内の排ガスが、通光孔５２内の余剰空間としての内部領域Ｄ２に滞留したり、隣接する排ガス通過孔５１の間で通光孔５２を介して排ガスが流出したりするのを防止でき、本来の排ガスの濃度計測の結果に滞留ガスの成分濃度が重複し、または滞留ガスの成分濃度が変動して濃度計測の際に生じるノイズによって、測定精度が低減するのを防止できる。
特に、エンジン２０の性能評価（燃費やエミッション）を評価する際には、通光孔５２内に排ガスが滞留してエンジン２０の性能が低下することを防止して、正確な実エンジンを計測することができる。
【００５５】
なお、本実施例の排ガス分析装置１の構成は、上述した実施例に限定されない。
【００５６】
すなわち、上述した実施例の排ガス分析装置１における排ガス分析用センサ５では、通光孔５２にレンズ部材９０・９０が配設されて、排ガス領域Ｄ１と内部領域Ｄ２とを区画するように構成されているが、さらに排ガス分析用センサ５において、センサ本体５０に内部領域Ｄ２に対してイナートガス（不活性ガス）を給排するガス給排経路９３が設けられてもよい。
【００５７】
具体的には、図８に示すように、ガス給排経路９３は、センサ本体５０の通光孔５２に開口するように設けられ、通光孔５２内の内部領域Ｄ２にイナートガスを供給する供給路９３ａと、通光孔５２内の内部領域Ｄ２にイナートガスを機外に排出する排出路９３ｂとが設けられている。供給路９３ａは、一端が通光孔５２内に設けられた一方のレンズ部材９０の近傍位置に開口され、他端がイナートガスのガス供給装置９４と接続されている。一方、排出路９３ｂは、一端が通光孔５２内に設けられた他方のレンズ部材９０の近傍位置に開口され、他端がガス回収装置９５と接続されている。
【００５８】
ガス供給装置９４から送出されたイナートガスは、供給路９３ａを介して通光孔５２内に送り込まれる。通光孔５２内に送り込まれたイナートガスは、通光孔５２のレンズ部材９０・９０のレンズ表面を冷却しながら、やがて排出路９３ｂからガス回収装置９５へと排出される。このように、排ガス分析用センサ５のセンサ本体５０にガス給排経路９３が設けられることで、イナートガスが、ガス供給装置９４→供給路９３ａ→通光孔５２（内部領域Ｄ２）→排出路９３ｂ→ガス回収装置９５に送られる。
【００５９】
以上のように、本実施例の排ガス分析用センサ５は、センサ本体５０に、通光孔５２内の領域（内部領域Ｄ２）にイナートガスを給排するガス給排経路９３が設けられるため、イナートガスによって通光孔５２内の滞留ガスを機外に排出することができ、本来の排ガスの濃度計測の結果に滞留ガスの成分濃度が重複し、または滞留ガスの成分濃度が変動して濃度計測の際に生じるノイズによって、排ガスの測定精度を向上できる。
【００６０】
ただし、ガス給排経路９３はセンサ本体５０に設けられた全ての通光孔５２にイナートガスを給排可能に設けられる必要はなく、例えば、一部の通光孔５２にのみイナートガスが給排されるように設けられてもよい。特に、センサ本体５０にはガス給排経路９３が、隣接する排ガス通過孔５１の離間、すなわち通光孔５２の長さや径が大きい通光孔５２に対してイナートガスが給排可能となるように構成されるのが好ましい。
【００６１】
また、通光孔５２に設けられるレンズ部材９０やガス給排経路９３は、通光孔５２の長さや径に応じて必ずしも設けられなくてもよい。
【００６２】
また、センサ本体５０において、通光孔５３に設けられるレンズ部材５５や通光孔５２に設けられるレンズ部材９０の配置近傍に、各レンズ部材５５・９０のレンズ面の結露を防止するためのヒータ等の加熱装置が設けられてもよい。
【００６３】
本実施例の排ガス分析装置１を用いて測定可能な内燃機関としては、上述したように４気筒のエンジン２０の構成だけではなく、例えば、３気筒エンジンやＶ型６気筒エンジン等に対しても測定可能であり、かかる場合には、排ガス分析用センサ５においてセンサ本体５０に３つの排ガス通過孔５１・５１・・・が連設するようにして穿設される。
このように、排ガス通過孔５１は、センサ本体５０においてエンジン２０の気筒数（又はシリンダヘッド２０ａの排気孔２０ｂ）に対応する個数及び位置に適宜設けることができる。
【００６４】
また、本実施例の排ガス分析装置１は、排ガス分析用センサ５をエンジン２０のシリンダヘッド２０ａとインテークマニホールドとの間に取り付けて、上述したように排ガス中の成分濃度等を測定する場合と同様に、吸気ガスを測定する吸気ガス分析装置として用いることも可能である。具体的には、排ガス分析装置１は、内燃機関（エンジン２０）への吸気ガスを供給する吸気経路に取り付けられ、吸気経路中の吸気ガスの成分濃度を測定するセンサ部を備えた吸気ガス分析装置として、センサ部が、内燃機関からの吸気ガスが通過される吸気ガス通過孔が所定方向に沿って複数穿設されたセンサ本体と、各吸気ガス通過孔を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部と、照射部から照射されたレーザ光を受光する受光部とを備えるように構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施例に係る排ガス分析装置の全体的な構成を示した側面図。
【図２】本実施例の排ガス分析用センサの構成を示した斜視図。
【図３】本実施例の排ガス分析用センサの取付状態を示した斜視図。
【図４】本実施例の排ガス分析用センサの正面断面図。
【図５】照射部の取付構造を示した拡大断面図。
【図６】受光部の取付構造を示した拡大断面図。
【図７】通光孔付近を拡大して示した断面図。
【図８】別実施例の排ガス分析用センサの通光孔付近を拡大して示した断面図。
【符号の説明】
【００６６】
１ 排ガス分析装置
３ 排気経路
５ 排ガス分析用センサ（センサ部）
６ 照射部
７ 受光部
２０ エンジン（内燃機関）
５０ センサ本体
５１ 排ガス通過孔
５２ 通光孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排ガス分析装置の技術に関し、より詳細には、内燃機関の排ガスを排出する排気経路に取り付けられ、該排気経路中の排ガスの成分濃度を測定するセンサ部を備えた排ガス分析装置の改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車等のエンジン等の内燃機関から排出される排ガス中の成分濃度や温度を測定し、分析するための装置として、排気経路（配管）に、光源や検出器部等からなるセンサ部が直接に配設され、かかるセンサ部によって排気経路を流れる排ガス中を透過したレーザ光を検出する等して、排ガス中の成分濃度等をリアルタイムで測定するように構成された排ガス分析装置の構成が公知である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
上述した特許文献１に開示される排ガス分析装置は、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レーザ光を照射し、反射鏡によりレーザ光を多重反射させた後に、排ガス中を透過したレーザ光を検出するセンサ部が設けられている。そして、このセンサ部は、センサ本体の排ガス通過孔内で対向する一対の反射鏡によってレーザ光を多重反射させて、レーザ光が排ガス中を透過する距離（測定長）をより長く確保することで、その測定精度を向上するように構成されている。
【特許文献１】特開２００６−１８４１８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した特許文献１に開示される排ガス分析装置は、上述したセンサ部をエンジンのシリンダヘッドとエキゾーストマニホールドの間に配置して、エンジンから排出された直後の排ガスがエキゾーストマニホールドで合流される前の段階で排ガスの温度やガス濃度を測定する構成が開示されている。
【０００５】
なるほど、エンジンの各気筒から排出される排ガスの温度やガス濃度を直接測定することで、気筒ごとに排出される排ガスを分析できるため、エンジンの燃焼状態を気筒ごとに確認することができる。特に、近年のエンジン開発においては、商品力の高い製品とするために燃費やエミッションの性能向上が課題となっているところ、瞬時燃費評価やエミッション評価を行うためにエンジン給排気ガスを精度よく測定することができるのが好ましいとされているところである。
【０００６】
しかしながら、上述した排ガス分析装置の構成では、センサ部において、排ガス通過孔に向けて照射されるレーザ光の光路長を確保するために反射鏡を用いた多重反射方式が採用されていたことから、次のような課題があった。
すなわち、センサ部がエンジンのシリンダヘッドとエキゾーストマニホールドの間に配置されることで、エンジンからの排出直後の高温排ガス（８００℃〜１０００℃）の影響（熱輻射や熱伝達）を受けて、センサ部に設けられた反射鏡において、比較的耐熱温度（５００℃〜６００℃）の低い計測用レーザ光を多重反射させるための反射コートが損傷等してしまい、排ガスの測定精度に劣るといった課題があった。
【０００７】
また、センサ部において、エンジンからの排出直後の高温排ガスの影響を受けて、センサ本体や当該センサを構成する各部材が温度変形（熱歪みや熱変形）してしまう恐れがあった。そして、センサ本体や当該センサ部を構成する各部材が温度変形してしまうと、反射鏡の固定に緩みが生じ、照射部から照射されたレーザ光の反射角度がずれて、受光部にてレーザ光を受光できないといった計測不良の原因となっていた。
【０００８】
さらに、そもそも、センサ部において反射鏡が用いられることで、センサ部の構成が複雑化してメンテナンス性に劣るとともに、製造コストがかかるという課題があった。
【０００９】
そこで、本発明においては、排ガス分析装置に関し、前記従来の課題を解決するもので、簡易な構成で、排ガスの成分濃度を精度よく、かつ安定して測定することができる排ガス分析装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
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に取り付けられ、該排気経路中の排ガスの成分濃度を測定するセンサ部を備えたガス分析装置において、前記センサ部は、前記内燃機関からの排ガスが通過される排ガス通過孔が所定方向に沿って複数穿設されたセンサ本体と、前記各排ガス通過孔を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部と、前記照射部から照射されたレーザ光を受光する受光部とを備えてなるものである。
【００１２】
請求項２においては、前記センサ本体は、前記照射部より照射されるレーザ光の光路に沿って、隣接する前記排ガス通過孔の間を連通する通光孔が設けられるものである。
【００１３】
請求項３においては、前記センサ本体は、前記通光孔に、前記排ガス通過孔内の領域と前記通光孔内の領域とを区画するレーザ光透過用のレンズ部材が設けられるものである。
【００１４】
請求項４においては、前記センサ本体は、前記通光孔内の領域にイナートガスを給排するガス給排経路が設けられるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【００１６】
請求項１に示す構成としたので、簡易な構成で、排ガスの成分濃度を精度よく、かつ安定して測定することができる。
【００１７】
請求項２に示す構成としたので、センサ本体に対して一対の照射部及び受光部を取り付けることで、全ての排ガス通過孔を横断するようにレーザ光を照射させることができ、センサ構造を簡易に構成することができる。
【００１８】
請求項３に示す構成としたので、排ガス通過孔内の排ガスが通光孔内の領域に滞留するのを防止でき、本来の排ガスの濃度計測の結果に滞留ガスの成分濃度が重複し、または滞留ガスの成分濃度が変動して濃度計測の際に生じるノイズによって、測定精度が低減するのを防止できる。
【００１９】
請求項４に示す構成としたので、イナートガスによって通光孔内の滞留ガスを機外に排出することができ、本来の排ガスの濃度計測の結果に滞留ガスの成分濃度が重複し、または滞留ガスの成分濃度が変動して濃度計測の際に生じるノイズによって、排ガスの測定精度を向上できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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の全体的な構成を示した側面図、図２は本実施例の排ガス分析用センサの構成を示した斜視図、図３は本実施例の排ガス分析用センサの取付状態を示した斜視図、図４は本実施例の排ガス分析用センサの正面断面図、図５は照射部の取付構造を示した拡大断面図、図６は受光部の取付構造を示した拡大断面図、図７は通光孔付近を拡大して示した断面図、図８は別実施例の排ガス分析用センサの通光孔付近を拡大して示した断面図である。
【００２１】
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であるエンジン２０から排出される排ガス中の成分濃度や温度を測定し分析するものである。具体的には、排ガス分析装置１は、エンジン２０から延出された排ガスの排気経路３の複数箇所に、該排気経路３中の排ガスの成分濃度を測定するセンサ部としての排ガス分析用センサ４・５と、この排ガス分析用センサ４・５に接続されたレーザ発信・受光用のコントローラ１０と、コントローラ１０に接続されたコンピュータ装置１１等とで構成されている。
【００２２】
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、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、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。
【００２３】
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。
【００２４】
排気経路３においては、排ガス分析用センサ４が４箇所に配置されており、具体的には、第一触媒装置３２の上流側の排気管３１と第一触媒装置３２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、排気パイプ３５の末端部に配設されている。また、本実施例では、排ガス分析用センサ５が、エンジン２０とエキゾーストマニホールド３０との間に配置されている（図４参照）。
【００２５】
本実施例の排ガス分析装置１では、各排ガス分析用センサ４・５において、コントローラ１０によって赤外線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得られたデータが、コントローラ１０からコンピュータ装置１１に送られて排ガス中の成分が分析される。
【００２６】
コントローラ１０は、複数の波長の赤外線レーザ光を照射する照射装置であり、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る。また、コントローラ１０には、排ガス分析用センサ４・５に接続された図示せぬ差分型光検出器等が設けられており、排ガス分析用センサ４・５により受光された信号光が導光され、排ガス中を透過して減衰したレーザ光と排ガス中を透過していないレーザ光との信号光が接続されたコンピュータ装置１１に出力される。
コンピュータ装置１１では、コントローラ１０からの出力信号を解析して、排ガスの成分濃度や排ガスの温度を算出する等して、排ガスの分析が行われる。
【００２７】
このように、本実施例の排ガス分析装置１では、各排ガス分析用センサ４・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、排ガス分析用センサ４・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。
【００２８】
次に、排ガス分析用センサ５の構成について、以下に詳述する。
図２乃至６に示すように、本実施例の排ガス分析用センサ５は、平面視略矩形の長板状部材より形成され、排ガスが通過する円形の排ガス通過孔５１・５１・・・が所定方向（図２において左右方向）に沿って複数穿設されたセンサ本体５０と、排ガス通過孔５１・５１・・・と直交する一断面に沿って、各排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部６と、照射部６から照射されたレーザ光を受光する受光部７等とを備えてなり、エンジン２０とエキゾーストマニホールド３０との間に配置される。
【００２９】
まず、センサ本体５０の構成について、以下に詳述する。
図２に示すように、センサ本体５０は、排ガス分析用センサ５を構成する機台として形成され、具体的には、平面視略矩形に形成された長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を貫通するようにして、円形の排ガス通過孔５１・５１・・・が複数箇所（本実施例では４箇所）に穿設されている。各排ガス通過孔５１は、それぞれ同一平面上に開口され、隣接する排ガス通過孔５１・５１が所定の離間を有するようにして、センサ本体５０の長手方向（図２において左右方向）に沿って平面視略同一線上に位置するように穿設されている。
【００３０】
以下、センサ本体５０に穿設された排ガス通過孔５１は、長手方向の一端面（図２において最左側の端面）から見て順に長手方向に沿って位置Ｐ１〜Ｐ４の排ガス通過孔５１として区別することとする。ただし、各位置Ｐ１〜Ｐ４の排ガス通過孔５１は略同一に形成される。
【００３１】
図３に示すように、本実施例の排ガス分析用センサ５は、４気筒のエンジン２０のシリンダヘッド２０ａとエキゾーストマニホールド３０との間に取り付けられ、具体的には、センサ本体５０が両面に図示せぬガスケットが当接された状態でシリンダヘッド２０ａとエキゾーストマニホールド３０との間に挟まれて固定される。エキゾーストマニホールド３０は、排気経路３の上流側端部のフランジ部３０ａがシリンダヘッド２０ａに対して図示せぬボルト等によって締結される。また、エキゾーストマニホールド３０の排気経路３の下流側端部は、上述した管継手３６と連結されて排気経路３が形成される。
【００３２】
そして、本実施例の排ガス分析用センサ５は、センサ本体５０において、エンジン２０の気筒数、すなわちシリンダヘッド２０ａに設けられた４つの排気孔２０ｂに対応する位置に、排ガス通過孔５１・５１・・・が穿設されている。かかる位置に排ガス通過孔５１が穿設されることで、シリンダヘッド２０ａとエキゾーストマニホールド３０との間に取り付けられた排ガス分析用センサ５によって、各排気孔２０ｂから排出される排ガスが対応する位置に設けられた排ガス通過孔５１を通過する際に成分濃度を測定することができる。
【００３３】
図２及び図４に示すように、センサ本体５０は、照射部６より照射されるレーザ光の光路に沿って、隣接する排ガス通過孔５１を連通する複数の通光孔５２・５２・・・が設けられている。具体的には、通光孔５２は、隣接する排ガス通過孔５１の離間毎に、隣接する排ガス通過孔５１の空間を連続するように貫通されている。各通光孔５２は、排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿うようにして穿設される。本実施例では、各通光孔５２は、照射部６より照射されるレーザ光の光路に沿って、すなわち、センサ本体５０において排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿ってそれぞれが同一線上に位置するようにして設けられる。
【００３４】
図４乃至図６に示すように、センサ本体５０は、位置Ｐ１・Ｐ４の排ガス通過孔５１を長手方向の両端面側の外部空間と連通する通光孔５３が設けられており、通光孔５３を介して、位置Ｐ１・Ｐ４の排ガス通過孔５１がセンサ本体５０の外側と連通されている。本実施例の通光孔５３は、上述した通光孔５２と同一線上、すなわち、センサ本体５０において排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿って横断する同一線上にそれぞれ位置するようにして設けられる。
【００３５】
通光孔５３には、最奥部（排ガス通過孔５１側の奥部）から外側方向に向けて順に、ガスケット５４とレーザ光透過用のレンズ部材５５とが配設されている。レンズ部材５５は、通光孔５３の内壁に密接されており、排ガス通過孔５１と外部空間とが遮蔽されており、排ガス通過孔５１内の排ガスが通光孔５３を介して外部に漏出しないように構成されている。
【００３６】
ガスケット５４及びレンズ部材５５は、同軸ボルト５６によってセンサ本体５０に位置決め固定されている。また、ガスケット５４及び同軸ボルト５６の軸中心であってレーザ光の光軸上に位置する箇所には、レーザ光通過用の穴が穿設されている。後述する照射部６より照射されたレーザ光は、レンズ部材５５を介して排ガス通過孔５１内に導入されるとともに、レンズ部材５５を介して排ガス通過孔５１外に導出されて受光部７により受光される。
【００３７】
次に、照射部６及び受光部７の構成について、以下に詳述する。
図４及び図５に示すように、照射部６は、赤外線送信用の光ファイバ６０と、光ファイバ６０をセンサ本体５０に位置決めして取り付ける接続ブロック６１等とで構成されている。光ファイバ６０は、一端が接続ブロック６１に設けられた入光コリメータ６１ａに接続されるとともに、他端が上述したコントローラ１０に接続されており、コントローラ１０から射出されたレーザ光が光ファイバ６０を介して入光コリメータ６１ａより照射される。
【００３８】
接続ブロック６１は、セラミック板より形成されるアライメント調整板６２及びセラミック素材より形成される断熱板６３を介して、センサ本体５０の一方の端面に面接された状態で、ボルト６４によって締結される。接続ブロック６１には、センサ本体５０の一方の端面に穿設された通光孔５３に取り付けられた状態で、通光孔５３と直線状に接続される通光孔６５が穿設されている。
【００３９】
そして、本実施例の照射部６は、光ファイバ６０の照射面が通光孔６５・通光孔５３を介して排ガス通過孔５１に対向され、通光孔６５・通光孔５３を介してレーザ光が排ガス通過孔５１と直交する一断面に向けて照射可能であって、かつ、各排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向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。
【００４０】
図４及び図６に示すように、受光部７は、上述した照射部６と略同一に構成され、レーザ光を検出するディテクタ７０と、ディテクタ７０をセンサ本体５０に位置決めして取り付ける接続ブロック７１等とで構成されている。ディテクタ７０は、一端が接続ブロック７１に設けられた受光コリメータ７１ａに接続されるとともに、他端が上述したコントローラ１０に接続されており、排ガス中を透過したレーザ光がディテクタ７０に受光されて、受光信号がコントローラ１０に入力される。
【００４１】
接続ブロック７１は、セラミック板より形成されるアライメント調整板７２及びセラミック素材より形成される断熱板７３を介して、センサ本体５０の他方の端面に面接された状態で、ボルト７４によって締結される。接続ブロック７１には、センサ本体５０の他方の端面に穿設された通光孔５３に取り付けられた状態で、通光孔５３と直線状に接続される通光孔７５が穿設されている。
【００４２】
本実施例の受光部７は、ディテクタ７０の受光面が通光孔７５・通光孔５３を介して排ガス通過孔５１に対向され、上述したように、照射部６より排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿って、各排ガス通過孔５１を横断する方向に照射されたレーザ光を、通光孔５３・通光孔７５を介して受光可能となるように、照射部６と同一線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。
【００４３】
このように、本実施例の排ガス分析用センサ５は、照射部６及び受光部７により、排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿って、排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向に向けてレーザ光の光路が形成されている。そして、排ガス分析用センサ５のセンサ本体５０には、このレーザ光の光路に沿って、上述した通光孔５２及びその他の通光孔５３等が設けられている。
【００４４】
本実施例の排ガス分析装置１において、排ガス分析用センサ５にて各排ガス通過孔５１を通過する排ガスの成分濃度を測定する際には、まず、照射部６から排ガス通過孔５１と直交する一断面に沿って、各排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向に向けてレーザ光が照射され、通光孔５３等を通って位置Ｐ１の排ガス通過孔５１内に導入される。
そして、位置Ｐ１の排ガス通過孔５１内に導入されたレーザ光は、排ガス中を透過しながら、各通光孔５２・５２・・・を介して隣接する位置Ｐ２・Ｐ３の排ガス通過孔５１へと長手方向に横断し、やがて位置Ｐ４の排ガス通過孔５１に到達される。
通光孔５３等を通って位置Ｐ４の排ガス通過孔５１内から導出されたレーザ光は、照射部６と同一線上に配置された受光部７にて受光される。
【００４５】
次に、通光孔５２に設けられるレンズ部材９０について、以下に説明する。
図４及び図７に示すように、本実施例の排ガス分析用センサ５は、センサ本体５０の各通光孔５２・５２・・・に、排ガス通過孔５１内の領域（排ガス領域Ｄ１）と通光孔５２内の領域（センサ内部領域Ｄ２）とを区画するレーザ光透過用のレンズ部材９０・９０がそれぞれ設けられている。具体的には、通光孔５２内の排ガス通過孔５１側の両開口端に、排ガス通過孔５１と通光孔５２との境界を区画するようにしてレンズ部材９０・９０がそれぞれ配設される。
【００４６】
レンズ部材９０は、通光孔５２の開口端であって、排ガス通過孔５１側の開口端から見てセンサ本体５０の内部側に、ガスケット９１を介して固定ボルト９２によって位置固定されている。このように、一対のレンズ部材９０・９０が通光孔５２に取り付けられることで、センサ本体５０において排ガス通過孔５１と通光孔５２により形成される空間が、排ガス領域Ｄ１と内部領域Ｄ２とに複数に区画される。
【００４７】
照射部６より照射されたレーザ光は、各通光孔５２を通過する際には、排ガス領域Ｄ１から一方のレンズ部材９０を介して内部領域Ｄ２に導入され、内部領域Ｄ２を通過した後は、他方のレンズ部材９０を介して内部領域Ｄ２から排ガス領域Ｄ１へと導出される。
【００４８】
なお、各レンズ部材９０は、通光孔５２の内壁に密接されており、排ガス通過孔５１と通光孔５２内部、すなわち、排ガス領域Ｄ１と内部領域Ｄ２とを遮蔽して、排ガス通過孔５１内（排ガス領域Ｄ１）の排ガスが通光孔５２内（内部領域Ｄ２）に漏出することがないように構成されている。
【００４９】
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に取り付けられ、排気経路３中の排ガスの成分濃度を測定する排ガス分析用センサ５を備えたガス分析装置において、排ガス分析用センサ５は、エンジン２０からの排ガスが通過される排ガス通過孔５１・５１・・・が長手方向に沿って複数穿設されたセンサ本体５０と、各排ガス通過孔５１・５１・・・を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部６と、照射部６から照射されたレーザ光を受光する受光部７とを備えてなるため、簡易な構成で、排ガスの成分濃度を精度よく、かつ安定して測定することができる。
【００５０】
すなわち、本実施例の排ガス分析装置１は、排ガス分析用センサ５において、従来のように排ガス分析用センサ５に反射鏡を設けてレーザ光を多重反射させることで、排ガス中を透過するレーザ光の光路長を確保するような構成ではなく、反射鏡を設けることなく、照射部６より照射されたレーザ光をセンサ本体５０に穿設された複数の排ガス通過孔５１・５１・・・を横断させることで、排ガス中を透過するレーザ光の光路長を確保するような構成とされている。
【００５１】
このように、本実施例の排ガス分析装置１は、排ガス分析用センサ５において、レーザ光を複数の排ガス通過孔５１・５１・・・を横断させることで、排ガス分析用センサ５に反射鏡を設けることなく排ガス中を透過するレーザ光の光路長を確保しつつ、反射鏡の破損等に基づく測定精度の低減を回避することができるため、排ガスの成分濃度を精度よく測定できる。また、センサ本体５０の温度変形による光軸のずれを低減することができ、高温条件下であっても安定して排ガスの成分濃度を測定することができる。さらに、排ガス分析用センサ５を簡易に構成することができ、製造コストやメンテナンスコストを低減できる。
【００５２】
また、本実施例の排ガス分析用センサ５を用いることで、高温条件での排ガスの成分濃度測定が可能となることから、エンジン２０とエキゾーストマニホールド３０との間に排ガス分析用センサ５を配置することで、例えば、エンジン２０の性能評価（燃費やエミッション）や排気経路３に配設される各触媒装置３２・３３の触媒性能を精度よく評価することができる。特に、一対の排ガス分析用センサ５・５をシリンダヘッド２０ａの各吸気ポート及び排気ポートに対応する位置にそれぞれ取り付けることで、エンジン２０の詳細な性能を評価することができる。
【００５３】
また、本実施例の排ガス分析用センサ５において、センサ本体５０は、照射部６より照射されるレーザ光の光路に沿って、隣接する排ガス通過孔５１・５１の間を連通する通光孔５２が設けられるため、センサ本体５０に対して一対の照射部６及び受光部７を取り付けることで、全ての排ガス通過孔５１を横断するようにレーザ光を照射させることができ、センサ構造を簡易に構成することができる。
【００５４】
特に、本実施例の排ガス分析装置１では、排ガス分析用センサ５において、通光孔５２に、排ガス通過孔５１内の領域（排ガス領域Ｄ１）と通光孔５２内の領域（内部領域Ｄ２）とを区画するレンズ部材９０が設けられるため、排ガス通過孔５１内の排ガスが、通光孔５２内の余剰空間としての内部領域Ｄ２に滞留したり、隣接する排ガス通過孔５１の間で通光孔５２を介して排ガスが流出したりするのを防止でき、本来の排ガスの濃度計測の結果に滞留ガスの成分濃度が重複し、または滞留ガスの成分濃度が変動して濃度計測の際に生じるノイズによって、測定精度が低減するのを防止できる。
特に、エンジン２０の性能評価（燃費やエミッション）を評価する際には、通光孔５２内に排ガスが滞留してエンジン２０の性能が低下することを防止して、正確な実エンジンを計測することができる。
【００５５】
なお、本実施例の排ガス分析装置１の構成は、上述した実施例に限定されない。
【００５６】
すなわち、上述した実施例の排ガス分析装置１における排ガス分析用センサ５では、通光孔５２にレンズ部材９０・９０が配設されて、排ガス領域Ｄ１と内部領域Ｄ２とを区画するように構成されているが、さらに排ガス分析用センサ５において、センサ本体５０に内部領域Ｄ２に対してイナートガス（不活性ガス）を給排するガス給排経路９３が設けられてもよい。
【００５７】
具体的には、図８に示すように、ガス給排経路９３は、センサ本体５０の通光孔５２に開口するように設けられ、通光孔５２内の内部領域Ｄ２にイナートガスを供給する供給路９３ａと、通光孔５２内の内部領域Ｄ２にイナートガスを機外に排出する排出路９３ｂとが設けられている。供給路９３ａは、一端が通光孔５２内に設けられた一方のレンズ部材９０の近傍位置に開口され、他端がイナートガスのガス供給装置９４と接続されている。一方、排出路９３ｂは、一端が通光孔５２内に設けられた他方のレンズ部材９０の近傍位置に開口され、他端がガス回収装置９５と接続されている。
【００５８】
ガス供給装置９４から送出されたイナートガスは、供給路９３ａを介して通光孔５２内に送り込まれる。通光孔５２内に送り込まれたイナートガスは、通光孔５２のレンズ部材９０・９０のレンズ表面を冷却しながら、やがて排出路９３ｂからガス回収装置９５へと排出される。このように、排ガス分析用センサ５のセンサ本体５０にガス給排経路９３が設けられることで、イナートガスが、ガス供給装置９４→供給路９３ａ→通光孔５２（内部領域Ｄ２）→排出路９３ｂ→ガス回収装置９５に送られる。
【００５９】
以上のように、本実施例の排ガス分析用センサ５は、センサ本体５０に、通光孔５２内の領域（内部領域Ｄ２）にイナートガスを給排するガス給排経路９３が設けられるため、イナートガスによって通光孔５２内の滞留ガスを機外に排出することができ、本来の排ガスの濃度計測の結果に滞留ガスの成分濃度が重複し、または滞留ガスの成分濃度が変動して濃度計測の際に生じるノイズによって、排ガスの測定精度を向上できる。
【００６０】
ただし、ガス給排経路９３はセンサ本体５０に設けられた全ての通光孔５２にイナートガスを給排可能に設けられる必要はなく、例えば、一部の通光孔５２にのみイナートガスが給排されるように設けられてもよい。特に、センサ本体５０にはガス給排経路９３が、隣接する排ガス通過孔５１の離間、すなわち通光孔５２の長さや径が大きい通光孔５２に対してイナートガスが給排可能となるように構成されるのが好ましい。
【００６１】
また、通光孔５２に設けられるレンズ部材９０やガス給排経路９３は、通光孔５２の長さや径に応じて必ずしも設けられなくてもよい。
【００６２】
また、センサ本体５０において、通光孔５３に設けられるレンズ部材５５や通光孔５２に設けられるレンズ部材９０の配置近傍に、各レンズ部材５５・９０のレンズ面の結露を防止するためのヒータ等の加熱装置が設けられてもよい。
【００６３】
本実施例の排ガス分析装置１を用いて測定可能な内燃機関としては、上述したように４気筒のエンジン２０の構成だけではなく、例えば、３気筒エンジンやＶ型６気筒エンジン等に対しても測定可能であり、かかる場合には、排ガス分析用センサ５においてセンサ本体５０に３つの排ガス通過孔５１・５１・・・が連設するようにして穿設される。
このように、排ガス通過孔５１は、センサ本体５０においてエンジン２０の気筒数（又はシリンダヘッド２０ａの排気孔２０ｂ）に対応する個数及び位置に適宜設けることができる。
【００６４】
また、本実施例の排ガス分析装置１は、排ガス分析用センサ５をエンジン２０のシリンダヘッド２０ａとインテークマニホールドとの間に取り付けて、上述したように排ガス中の成分濃度等を測定する場合と同様に、吸気ガスを測定する吸気ガス分析装置として用いることも可能である。具体的には、排ガス分析装置１は、内燃機関（エンジン２０）への吸気ガスを供給する吸気経路に取り付けられ、吸気経路中の吸気ガスの成分濃度を測定するセンサ部を備えた吸気ガス分析装置として、センサ部が、内燃機関からの吸気ガスが通過される吸気ガス通過孔が所定方向に沿って複数穿設されたセンサ本体と、各吸気ガス通過孔を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部と、照射部から照射されたレーザ光を受光する受光部とを備えるように構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施例に係る排ガス分析装置の全体的な構成を示した側面図。
【図２】本実施例の排ガス分析用センサの構成を示した斜視図。
【図３】本実施例の排ガス分析用センサの取付状態を示した斜視図。
【図４】本実施例の排ガス分析用センサの正面断面図。
【図５】照射部の取付構造を示した拡大断面図。
【図６】受光部の取付構造を示した拡大断面図。
【図７】通光孔付近を拡大して示した断面図。
【図８】別実施例の排ガス分析用センサの通光孔付近を拡大して示した断面図。
【符号の説明】
【００６６】
１ 排ガス分析装置
３ 排気経路
５ 排ガス分析用センサ（センサ部）
６ 照射部
７ 受光部
２０ エンジン（内燃機関）
５０ センサ本体
５１ 排ガス通過孔
５２ 通光孔
【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に取り付けられ、該排気経路中の排ガスの成分濃度を測定するセンサ部を備えた排ガス分析装置において、
前記センサ部は、
前記内燃機関からの排ガスが通過される排ガス通過孔が所定方向に沿って複数穿設されたセンサ本体と、
前記各排ガス通過孔を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部と、
前記照射部から照射されたレーザ光を受光する受光部とを備えてなることを特徴とする排ガス分析装置。
【請求項２】
前記センサ本体は、前記照射部より照射されるレーザ光の光路に沿って、隣接する前記排ガス通過孔の間を連通する通光孔が設けられることを特徴とする請求項１に記載の排ガス分析装置。
【請求項３】
前記センサ本体は、前記通光孔に、前記排ガス通過孔内の領域と前記通光孔内の領域とを区画するレーザ光透過用のレンズ部材が設けられることを特徴とする請求項２に記載の排ガス分析装置。
【請求項４】
前記センサ本体は、前記通光孔内の領域にイナートガスを給排するガス給排経路が設けられることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の排ガス分析装置。
【請求項１】
内燃機関の排ガスを排出する排気経路に取り付けられ、該排気経路中の排ガスの成分濃度を測定するセンサ部を備えた排ガス分析装置において、
前記センサ部は、
前記内燃機関からの排ガスが通過される排ガス通過孔が所定方向に沿って複数穿設されたセンサ本体と、
前記各排ガス通過孔を横断する方向に向けてレーザ光を照射する照射部と、
前記照射部から照射されたレーザ光を受光する受光部とを備えてなることを特徴とする排ガス分析装置。
【請求項２】
前記センサ本体は、前記照射部より照射されるレーザ光の光路に沿って、隣接する前記排ガス通過孔の間を連通する通光孔が設けられることを特徴とする請求項１に記載の排ガス分析装置。
【請求項３】
前記センサ本体は、前記通光孔に、前記排ガス通過孔内の領域と前記通光孔内の領域とを区画するレーザ光透過用のレンズ部材が設けられることを特徴とする請求項２に記載の排ガス分析装置。
【請求項４】
前記センサ本体は、前記通光孔内の領域にイナートガスを給排するガス給排経路が設けられることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の排ガス分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−２３２８４８（Ｐ２００８−２３２８４８Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７３２５１（Ｐ２００７−７３２５１）
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【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２０年１０月２日（２００８．１０．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２０日（２００７．３．２０）
【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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