(57)【要約】【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、１０Ｃ）とを具備し、ディーゼルエンジン運転中において、常に正確な微粒子状物質の濃度を計測することで、燃料噴射圧、過給圧の変化に応じて、実際にどれくらいの微粒子状物資（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。【選択図】図３−１
2011232253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンと、
前記ディーゼル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、
基本レーザ光を発振するレーザ照射装置と、
発振された基本レーザ光を第１の波長変換レーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、
波長変換された第１の波長変換レーザ光を導入し、排ガスに照射して第１のラマン散乱光を発生させる測定領域と、
発生した第１のラマン散乱光を計測するラマン散乱光検出器とを具備し、
第１のラマン散乱光の計測結果により、排ガスのガス組成をラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス中の粒子状物質濃度をそのピーク信号スペクトルを除いたベースラインより求め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】
ディーゼルエンジンと、
前記ディーゼル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、
基本レーザ光を発振するレーザ照射装置と、
発振された基本レーザ光を第１の波長変換レーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、
基本レーザ光と第１の波長変換レーザ光とを合波させ、その合波光を第２の波長変換レーザ光に波長変換する第２の波長変換部と、
第２の波長変換レーザ光を導入し、排ガスに照射して第２のラマン散乱光を発生させる測定領域と、
発生した第２のラマン散乱光を計測するラマン散乱光検出器とを具備し、
第２のラマン散乱光の計測結果により、排ガスのガス組成を第２のラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス中の粒子状物質と炭化水素との濃度を、そのピーク信号スペクトルを除いたベースラインより求め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】
ディーゼルエンジンと、
前記ディーゼル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、
基本レーザ光を発振するレーザ照射装置と、
発振された基本レーザ光を第１の波長変換レーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、
第１の波長変換レーザ光を導入し、排ガスに照射して第１のラマン散乱光を発生させる測定領域と、
基本レーザ光と第１の波長変換レーザ光とを合波させ、その合波光を第２の波長変換レーザ光に波長変換する第２の波長変換部と、
第２の波長変換レーザ光を導入し、排ガスに照射して第２のラマン散乱光を発生させる測定領域と、
発生した第１又は第２のラマン散乱光を計測するラマン散乱光検出器とを具備し、
第１のラマン散乱光の計測結果により、排ガスのガス組成を第１のラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス中の粒子状物質濃度をそのピーク信号スペクトルを除いたベースラインより求め、且つ、
第２のラマン散乱光の計測結果により、排ガスのガス組成を第２のラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス中の粒子状物質と炭化水素との濃度をベースラインより求め、両者の差分から粒子状物質濃度を推定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４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一つにおいて、
予め、排ガス中に存在する基準ガスのラマン散乱光の信号強度（Ｒ0）を計測しておき、
計測を行う都度、測定領域に存在する基準ガスのラマン散乱光の信号強度（Ｒ1）を計測し、
得られたＲ0／Ｒ1を校正定数（Ｋ）とし、前記ピーク信号スペクトルの各検出信号強度（Ｘ1）に、校正係数（Ｋ＝Ｒ0／Ｒ1）を乗じて真の信号強度を求め、真の信号強度からガス組成と粒子状物質の濃度（Ｍ2）を算出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５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一つにおいて、
基本レーザ光が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光であ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６】
請求項２又は３において、
基本レーザ光が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光であり、
第１の波長変換レーザ光が５３２ｎｍのＹＡＧレーザ光の第２高調波であり、
第２の波長変換レーザ光が３５５ｎｍのＹＡＧレーザ光の第３高調波であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン排ガス中の粒子状物質や炭化水素（ＨＣ）の濃度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、ディーゼルエンジンと、前記ディーゼル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、基本レーザ光を発振するレーザ照射装置と、発振された基本レーザ光を第１の波長変換レーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、波長変換された第１の波長変換レーザ光を導入し、排ガスに照射して第１のラマン散乱光を発生させる測定領域と、発生した第１のラマン散乱光を計測するラマン散乱光検出器とを具備し、第１のラマン散乱光の計測結果により、排ガスのガス組成をラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス中の粒子状物質濃度をそのピーク信号スペクトルを除いたベースラインより求め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、ディーゼルエンジンと、前記ディーゼル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、基本レーザ光を発振するレーザ照射装置と、発振された基本レーザ光を第１の波長変換レーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、基本レーザ光と第１の波長変換レーザ光とを合波させ、その合波光を第２の波長変換レーザ光に波長変換する第２の波長変換部と、第２の波長変換レーザ光を導入し、排ガスに照射して第２のラマン散乱光を発生させる測定領域と、発生した第２のラマン散乱光を計測するラマン散乱光検出器とを具備し、第２のラマン散乱光の計測結果により、排ガスのガス組成を第２のラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス中の粒子状物質と炭化水素との濃度を、そのピーク信号スペクトルを除いたベースラインより求め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、ディーゼルエンジンと、前記ディーゼル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、基本レーザ光を発振するレーザ照射装置と、発振された基本レーザ光を第１の波長変換レーザ光に波長変換する第１の波長変換部と、第１の波長変換レーザ光を導入し、排ガスに照射して第１のラマン散乱光を発生させる測定領域と、基本レーザ光と第１の波長変換レーザ光とを合波させ、その合波光を第２の波長変換レーザ光に波長変換する第２の波長変換部と、第２の波長変換レーザ光を導入し、排ガスに照射して第２のラマン散乱光を発生させる測定領域と、発生した第１又は第２のラマン散乱光を計測するラマン散乱光検出器とを具備し、第１のラマン散乱光の計測結果により、排ガスのガス組成を第１のラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス中の粒子状物質濃度をそのピーク信号スペクトルを除いたベースラインより求め、且つ、第２のラマン散乱光の計測結果により、排ガスのガス組成を第２のラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス中の粒子状物質と炭化水素との濃度をベースラインより求め、両者の差分から粒子状物質濃度を推定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。
【００１１】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、予め、排ガス中に存在する基準ガス（窒素）のラマン散乱光の信号強度（Ｒ0）を計測しておき、計測を行う都度、測定領域に存在する基準ガスのラマン散乱光の信号強度（Ｒ1）を計測し、得られたＲ0／Ｒ1を校正定数（Ｋ）とし、前記ピーク信号スペクトルの各検出信号強度（Ｘ1）に、校正係数（Ｋ＝Ｒ0／Ｒ1）を乗じて真の信号強度を求め、真の信号強度からガス組成と粒子状物質の濃度（Ｍ2）を算出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。
【００１２】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、基本レーザ光が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光であ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。
【００１３】
第６の発明は、第２又は３の発明において、基本レーザ光が１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ光であり、第１の波長変換レーザ光が５３２ｎｍのＹＡＧレーザ光の第２高調波であり、第２の波長変換レーザ光が３５５ｎｍのＹＡＧレーザ光の第３高調波であ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】
【００１４】
本発明によれば、ディーゼルエンジンからの排ガス中の粒子状物質や炭化水素濃度をオンラインで計測することで、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】
【００１５】
【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、実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図６】図６は、実施例３に係るガス成分計測装置の概略図である。
【図７】図７は、ディーゼルエンジン排ガスを第１の波長変換レーザ光（５３２ｎｍ）で計測したラマン散乱光のピーク信号スペクトルチャートである。
【図８】図８は、ディーゼルエンジン排ガスを第２の波長変換レーザ光（３５５ｎｍ）で計測したラマン散乱光のピーク信号スペクトルチャートである。
【図９】図９は、ガス中の粒子状物質を計測してその対策を実施するフローチャートである。
【図１０−１】図１０−１は、波長５３２ｎｍにおけるミー散乱光強度と煤塵濃度との関係の検量線である。
【図１０−２】図１０−２は、波長３５５ｎｍにおけるミー散乱光強度と煤塵濃度との関係の検量線である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、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２５ａ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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【実施例１】
【００２５】
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。
【００２６】
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、１０Ｃ）とを具備するものである。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、ガス成分計測装置１０Ａは、基本レーザ光（１０６４ｎｍ）１１Ａを発振するレーザ照射装置１３と、発振された基本レーザ光１１Ａを第１の波長変換レーザ光１１Ｂに波長変換する第１の波長変換部１２Ａと、波長変換された第１の波長変換レーザ光１１Ｂを導入し、排ガス２０１に照射して第１のラマン散乱光１５Ａを発生させる測定領域１４と、発生した第１のラマン散乱光１５Ａを計測するラマン散乱光検出器１８とを具備し、第１のラマン散乱光１５Ａの計測結果により、排ガス２０１のガス組成をラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス２０１中の粒子状物質（ＰＭ）濃度をそのピーク信号スペクトルを除いたベースラインより求めるものである。
【００３１】
本発明では、基本レーザ光として、特定のレーザ光（ＹＡＧレーザの第２高調波：５３２ｎｍ）を用いることで、ガス組成成分と粒子状物質成分とを同時に把握することができる。
図７は、ディーゼルエンジン排ガスを第１の波長変換レーザ光（５３２ｎｍ）で計測したラマン散乱光のピーク信号スペクトルチャートである。ここで、図７中、そのピーク信号スペクトルを除いたベースラインが粒子状物質起因のミー散乱光による濃度である。
【００３２】
一般にはベースラインは静電ノイズや迷光などのノイズ情報でしかないが、５３２ｎｍの第１の波長変換レーザ光１１Ｂを用いる場合には、このベースラインの情報には粒子状物質に起因するミー散乱光が含まれているので、粒子状物質濃度情報として価値がある。
【００３３】
本発明では、波長としてＹＡＧレーザ光の第２高調波である５３２ｎｍを用いているが、本発明はこれに限定されず、４００ｎｍ以上のレーザ光、さらに好適には５００ｎｍ以上のレーザ光とするのが好ましい。なお、波長が長くなるにつれてミー散乱強度が減少するので、４００〜１，１００ｎｍの範囲、より好適には４００〜７００ｎｍの範囲のレーザ光を用いることが好ましい。
【００３４】
ここで、本実施例では、ラマン散乱光検出器１８は、第１の波長変換レーザ光１１Ｂの照射により発生する第１のラマン散乱光１５Ａを計測する分光部１６とＩＣＣＤ（Ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラ１７から構成されている。
ここで、図４において、符号１４は排ガス２０１が導入され、第１の波長変換レーザ光１１Ｂを照射してガス成分を計測する測定領域、２１ａは第１の波長変換レーザ光１１Ｂを反射する反射ミラー、２２は第１の波長変換レーザ光１１Ｂを集光する集光レンズ、２３はデータ処理手段（ＣＰＵ）を各々図示する。
【００３５】
ここで、レーザ照射装置１３からの基本レーザ光１１Ａは、第１の波長変換部１２Ａにより、基本レーザ光（ＹＡＧ：１０６４ｎｍ）１１Ａを５３２ｎｍのＹＡＧレーザの第２高調波の第１の波長変換レーザ光１１Ｂに波長変換させ、反射ミラー２１ａを介して測定チャンバ２０側へ反射させて、集光手段である集光レンズ２２により集光し、次いで排気管２０２内へ送られ、測定領域１４内に第１の波長変換レーザ光１１Ｂを入射させ、排気管２０２内に導入される排ガス２０１へ照射している。
なお、測定には排気管から排ガス２０１を、測定チャンバへ分岐するようにしてもよい。
【００３６】
また、測定領域１４の中心部から散乱された第１のラマン散乱光１５Ａは、例えば偏光子、集光レンズ及びフィルタ等の光学群（図示せず）を介して分光部１６で分光され、該分光部１６に接続されたＩＣＣＤカメラ１７により各波長の光の強度を計測する。
前記ＩＣＣＤカメラ１７からの計測データは、データ処理手段（ＣＰＵ）２３に送られ、ここで計測データの処理がなされる。
また、同時に発生する粒子状物質起因のミー散乱光も同様に計測され、計測データの処理がなされる。
【００３７】
図７はディーゼルエンジン排ガスのラマン散乱光計測結果のチャートであり、これより各ピーク強度から各組成（二酸化炭素、酸素等）の濃度を求めることができる。
なお、図中、横軸は、ＩＣＣＤカメラ１７のピクセルであり、波数（ｃｍ-1）に対応する。
【００３８】
本発明では、特定の５３２ｎｍのＹＡＧレーザの第２高調波の第１の波長変換レーザ光１１Ｂを用いてラマン散乱光のピーク信号スペクトルからガス組成を求めると共に、そのピーク信号スペクトルを除いたベースラインから粒子状物質濃度を求めることができ、一度の計測でガス成分と粒子状物質の濃度とを同時に測定が可能となる。
【００３９】
以下に、レーザ装置を用いたガス成分計測装置１０Ａの各構成部材について説明する。
【００４０】
なお、測定チャンバ２０内に設けられるパワーメータ２６は、レーザ照射装置１３から出力される第１の波長変換レーザ光１１Ｂの進行方向上に設けられており、第１の波長変換レーザ光１１Ｂの出力を正確に計測することが出来る計算機器である。この数値をフィードバックし、レーザ装置１３の出力を調整する。
これにより、レーザ光の位置検出精度が向上し、光軸修正を迅速に行うことが可能となる。ただし、劣悪環境では不向きである。
【００４１】
また、反射ミラー２１ａは、波長変換された第１の波長変換レーザ光１１Ｂの進行方向を、排ガス２０１の存在する方向へ反射により向けさせるミラーである。この反射ミラー２１ａの角度を調整することにより、測定領域１４内で任意の位置での計測を可能としている。
【００４２】
測定用の第１の波長変換レーザ光１１Ｂ及び排ガス２０１からの第１のラマン散乱光１５Ａは、第１の窓２７−１及び第２の窓２７−２から出入りする。
【００４３】
第２の窓２７−２は、排ガス２０１を外部へ流出させないための石英ガラス製の窓である。石英ガラス製にしているのは、その窓を第１の波長変換レーザ光１１Ｂが透過できるようにするためである。なお、この窓は二重にしており、石英ガラス１枚が破損しても、ガスがリークしないようにしている。
【００４４】
また、第１の波長変換レーザ光１１Ｂの通路には、電磁弁（図示せず）が設けられており、通常は、閉じている。
【００４５】
測定領域１４に存在する排ガス２０１に第１の波長変換レーザ光１１Ｂが照射されることにより測定がなされる。
【００４６】
また、第１のラマン散乱光１５Ａを分光し、測定データとして取り出す機能を有する分光部１６を有するラマン散乱光検出器１８について説明する。ここで、測定領域１４の中心部から散乱された第１のラマン散乱光１５Ａは、第１の波長変換レーザ光１１Ｂからある角度をなして、第２の窓２７−２及び第１の窓２７−１を経由して分光部１６へ入る。
【００４７】
上記分光部１６内に設けられる偏光子（図示せず）は、特定の偏光面を持つ散乱光のみを進行方向は変えずに透過させる偏光手段であり、この偏光子で透過した散乱光は、集光レンズ（図示せず）により集光された後に、フィルタ（図示せず）により、特定の波長の散乱光のみ透過させるようにしている。
【００４８】
そして、特定の波長領域となった第１のラマン散乱光１５Ａは分光部１６で分光され、ここに接続されているＩＣＣＤカメラ１７により、光の強度を計測している。そして、このＩＣＣＤカメラ１７は光電子増倍型のデバイスであり、ここで分光部１６により分光された各波長の光の強度を計測するようにしている。また、光検出器は、ＩＣＣＤカメラの他に、例えばアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）等を例示することができる。
【００４９】
また、粒子状物質濃度の計測精度を向上させるために、排ガス２０１中に存在する基準ガス（窒素）のラマン散乱光の信号強度（Ｒ0）を計測しておき、計測を行う都度、測定領域に存在する基準ガスのラマン散乱光の信号強度（Ｒ1）を計測し、得られたＲ0／Ｒ1を校正定数（Ｋ）とし、前記ピーク信号スペクトルの各検出信号強度（Ｘ1）に、校正係数（Ｋ＝Ｒ0／Ｒ1）を乗じて真の信号強度を求め、真の信号強度からガス組成と粒子状物質の濃度（Ｍ2）を算出する。
【００５０】
これにより、測定の都度、初期値のラマン散乱光の窒素濃度を基準として校正係数Ｋを用いて、校正することで、濃度校正された真の値の粒子状物質濃度（Ｍ2）を迅速に求めることができる。
この際、基準ガスとして用いる窒素は、外部から導入するものではなく、排ガス中に含まれているガスそのものであるので、計測精度が向上する。
【００５１】
このような、図４に示すガス成分計測装置１０Ａ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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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９は、ガス中の微粒子を計測してその対策を実施するフローチャートである。
【００６０】
まず、制御手段は、濃度計測装置１０からの粒子状物質（ＰＭ）の排出濃度を計測する（ステップＳＴ１）。
【００６１】
次に、計測した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）。
【００６２】
計測したＰＭ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、粒子状物質の濃度計測を継続する。
一方、上記許容値を超えていると判断した場合（ステップＳＴ２：Ｎｏ）、排気管２０２の酸素濃度及び二酸化炭素濃度を計測する（ステップＳＴ３）。
【００６３】
ステップＳＴ３での計測結果に基づき、酸素過剰率を算出する（ステップＳＴ４）。
【００６４】
次に、算出した酸素過剰率が所定の許容値（閾値）を下回っていないかを判断する（ステップＳＴ５）。
上記許容値を下回っていると判断した場合（ステップＳＴ５：Ｎｏ）、排気タービンノズルを絞り、吸気圧力を増大させる（ステップＳＴ６）。
【００６５】
その後、再度、排気管２０２の酸素（Ｏ2）濃度及び二酸化炭素（ＣＯ2）濃度を計測する（ステップＳＴ３）。
【００６６】
一方、酸素過剰率が許容値を下回っていないと判断した場合（ステップＳＴ５：Ｙｅｓ）、吸気の酸素（Ｏ2）濃度及び二酸化炭素（ＣＯ2）濃度を計測する（ステップＳＴ７）。
ステップＳＴ７での計測結果に基づき、吸気酸素濃度を算出する（ステップＳＴ８）。
【００６７】
次に、算出した吸気酸素過剰率が所定の許容値（閾値）を下回っていないかを判断する（ステップＳＴ９）。
上記許容値を下回っていると判断した場合（ステップＳＴ９：Ｎｏ）、ＥＧＲバルブの開度絞りを実行する（ステップＳＴ１０）。
【００６８】
その後、再度、吸気の酸素（Ｏ2）濃度及び二酸化炭素（ＣＯ2）濃度を計測する（ステップＳＴ７）。
【００６９】
一方、吸気酸素過剰率が許容値を下回っていないと判断した場合（ステップＳＴ９：Ｙｅｓ）、再度、濃度計測装置１０を用いて微粒子状物質の濃度を計測する（ステップＳＴ１１）。
【００７０】
次に、計測した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ＳＴ１２）。
計測したＰＭ濃度が許容値を超えていないと判断した場合（ステップＳＴ１２：Ｙｅｓ）、本制御を終了し、引き続き、微粒子状物質の濃度計測を継続する。
【００７１】
一方、上記許容値を超えていると判断した場合（ステップＳＴ１２：Ｎｏ）、燃料噴射圧を増大させる制御を実行する（ステップＳＴ１３）。
その後、濃度計測装置１０を用いて微粒子状物質の濃度を再度計測する（ステップＳＴ１１）。
【００７２】
このように、ディーゼルエンジン運転中において、常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、過給圧の変化に応じて、実際にどれくらいの粒子状物資（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。
また、ラマン散乱分析は、図７に示すように、Ｎ2、ＣＯ2、Ｏ2、Ｈ2Ｏも同時に検出できるので、リアルタイムでＯ2、ＣＯ2濃度もトレースできる。この計測には、吸気管においてもレーザ装置１３と第２の光検出器１８とからなるレーザ計測計を設置することで、排出ガスの組成をリアルタイムで確認することができる。
【実施例２】
【００７３】
図５は、実施例２に係るガス成分計測装置の概略図である。
図５に示すように、ガス成分計測装置１０Ｂは、基本レーザ光（１０６４ｎｍ）１１Ａを発振するレーザ照射装置１３と、発振された基本レーザ光１１Ａを５３２ｎｍの第２高調波の第１の波長変換レーザ光１１Ｂに波長変換する第１の波長変換部１２Ａと、基本レーザ光（１０６４ｎｍ）１１Ａを第１の波長変換部１２Ａの後流側に迂回させる迂回光路３１と、１０６４のｎｍの基本レーザ光１１Ａと５３２ｎｍの第１波長変換レーザ光１１Ｂとの合波光１１Ｃを、第３高調波（３５５ｎｍ）の第２波長変換レーザ光１１Ｄに波長変換する第２の波長変換部１２Ｂと、３５５ｎｍの第２の波長変換レーザ光１１Ｄを導入し、排ガス２０１に照射して第２のラマン散乱光１５Ｂを発生させる測定チャンバ２０と、発生した第２のラマン散乱光１５Ｂを計測するラマン散乱光検出器１８とを具備し、波長３５５ｎｍの第２の波長変換レーザ光１１Ｄの計測結果により、排ガス２０１のガス組成をラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス２０１中の粒子状物質及び炭化水素（ＨＣ）濃度をそのピーク信号スペクトルを除いたベースラインより求めるようにしたものである。
ここで、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄは反射ミラーであり、第１の波長変換部１２Ａを迂回する迂回光路を形成している。
【００７４】
実施例２では、１０６４ｎｍの基本レーザ光１１Ａと５３２ｎｍの第１の波長変換レーザ光１１Ｂとを合波させて合波光１１Ｃとし、この合波光１１Ｃを第２の波長変換部１２Ｂにより３５５ｎｍの第２の波長変換レーザ光１１Ｄとし、この第２の波長変換レーザ光１１Ｄを用いて、３５５ｎｍ以下の波長をカットしてラマン散乱光検出器１８で検出することで、ガス組成と、粒子状物質濃度（ミー散乱光）とＨＣ（蛍光）濃度とを併せたものを計測できる。
【００７５】
図８がその結果を示すチャートである。ここで、図８中、ベースラインが粒子状物質濃度（ミー散乱光）と炭化水素（ＨＣ）濃度（蛍光）とを併せたものである。
【００７６】
一般にはベースラインは静電ノイズや迷光などのノイズ情報でしかないが、３５５ｎｍの第２の波長変換レーザ光１１Ｄを用いる場合には、このベースラインの情報には粒子状物質に起因するミー散乱光と炭化水素に起因する蛍光とが含まれているので、粒子状物質濃度情報及び炭化水素濃度情報として価値がある。
【００７７】
本発明では、波長としてＹＡＧレーザ光の第３高調波である３５５ｎｍを用いているが、本発明はこれに限定されず、４００ｎｍ以下の蛍光を発生させるレーザ光を用いるのが好ましい。
【実施例３】
【００７８】
図６は、実施例３に係るガス成分計測装置の概略図である。
図６に示すように、ガス成分計測装置１０Ｃは、基本レーザ光（１０６４ｎｍ）１１Ａを発振するレーザ照射装置１３と、発振された基本レーザ光１１Ａを５３２ｎｍの第２高調波の第１の波長変換レーザ光１１Ｂに波長変換する第１の波長変換部１２Ａと、基本レーザ光（１０６４ｎｍ）１１Ａを第１の波長変換部１２Ａの後流側に迂回させる迂回光路３１と、１０６４のｎｍの基本レーザ光１１Ａと５３２ｎｍの第１の波長変換レーザ光１１Ｂとの合波光１１Ｃを、第３高調波（３５５ｎｍ）の第２の波長変換レーザ光１１Ｄに波長変換する第２の波長変換部１２Ｂと、５３２ｎｍの第１の波長変換レーザ光１１Ｂと、３５５ｎｍの第２の波長変換レーザ光１１Ｄとを時間遅れで導入し、排ガス２０１に照射して第１及び第２のラマン散乱光１５Ａ、１５Ｂを発生させる測定領域１４と、発生した第１及び第２のラマン散乱光１５Ａ、１５Ｂを計測するラマン散乱光検出器１８とを具備し、波長５３２ｎｍの第１の波長変換レーザ光１１Ｂの計測結果により、排ガス２０１のガス組成をラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス２０１中の粒子状物質濃度をそのピーク信号スペクトルを除いたベースラインより求め、且つ波長３５５ｎｍの第２の波長変換レーザ光１１Ｄの計測結果により、排ガス２０１のガス組成をラマン散乱光のピーク信号スペクトルより求めると共に、排ガス２０１中の粒子状物質及び炭化水素（ＨＣ）濃度をそのピーク信号スペクトルを除いたベースラインより求め、両者の差分から粒子状物質濃度を推定するようにしたものである。なお、図３中、符号２２ａ、２２ｂはレンズ、２１ｅ〜２１ｇは反射ミラーを図示する。
【００７９】
ここで、両者の差分から粒子状物質濃度を推定する工程を説明する。
図１０−１は、波長５３２ｎｍにおけるミー散乱光強度と粒子状物質濃度との関係の検量線である。図１０−２は、波長３５５ｎｍにおけるミー散乱光強度と粒子状物質濃度との関係の検量線である。
【００８０】
工程１）  実施例３では、実施例１と実施例２とを組合せた構成であり、波長５３２ｎｍの第１の波長変換レーザ光１１Ｂの計測結果により、計測値（例えば１．８Ａ．Ｕ）から粒子状物質濃度（１．０ｍｇ／ｍ３Ｎ）を、第１の検量線（図１０−１）により求める。
工程２）  次に、波長３５５ｎｍの第２の波長変換レーザ光１１Ｄの計測結果により、粒子状物質濃度（１．０ｍｇ／ｍ３Ｎ）から、ミー散乱光強度（例えば１５Ａ．Ｕ）を、第２の検量線（図１０−２）により求める。
工程３）  そして、波長３５５ｎｍの第２の波長変換レーザ光１１Ｄでの実際の計測値から、工程２により求めたミー散乱光強度（例えば１５Ａ．Ｕ）を除して、炭化水素（ＨＣ）の濃度を求める。
【００８１】
ここで、炭化水素（ＨＣ）は、アントラセンやナフタレン誘導体といった多環芳香族炭化水素（ＰＡＨ）の集合物であり、その濃度の傾向によりエンジンの燃焼状況を予測することができる。
さらには、特定のＨＣ（例えばアントラセンやナフタレン誘導体等）を予め検量線を作成しておき、その検量線にＨＣ濃度を当てはめて、大凡のアントラセンやナフタレン誘導体等の濃度を求めるようにしてもよい。
【００８２】
以上、本発明によれば、ガス中の粒子状物質の濃度やガス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、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粒子状物質や炭化水素の濃度計測ができ、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。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
以上のように、本発明に係るガス成分計測装置を備えたエンジンシステムによれば、オンラインで排ガス中の粒子状物質や炭化水素の濃度計測ができ、不完全燃焼に対しての適切な予防を講じることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１０Ａ〜１０Ｃ  ガス成分計測装置
１１Ａ  基本レーザ光（１０６４ｎｍ）
１１Ｂ  第１の波長変換レーザ光（５３２ｎｍ）
１１Ｃ  合波光
１１Ｄ  第２の波長変換レーザ光（３５５ｎｍ）
１２Ａ  第１の波長変換部
１２Ｂ  第２の波長変換部
１３  レーザ照射装置
１４  測定領域
１５Ａ  第１のラマン散乱光
１５Ｂ  第２のラマン散乱光
１８  ラマン散乱光検出器
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
【図１】
2011232253.tif 000003
【図２】
2011232253.tif 000004
【図３−１】
2011232253.tif 000005
【図３−２】
2011232253.tif 000006
【図３−３】
2011232253.tif 000007
【図４】
2011232253.tif 000008
【図５】
2011232253.tif 000009
【図６】
2011232253.tif 000010
【図７】
2011232253.tif 000011
【図８】
2011232253.tif 000012
【図９】
2011232253.tif 000013
【図１０−１】
2011232253.tif 000014
【図１０−２】
2011232253.tif 000015