(57)【要約】【課題】ガス中の粒子状物質の計測が可能となるガス中の粒子状物質濃度計測方法及び粒子状物質濃度計測装置を提供する。【解決手段】粒子状物質濃度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）の濃度を計測する粒子状物質濃度計測装置（以下、「濃度計測装置」という）１０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
2011232257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ装置と、
前記レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第１の光検出器と、
前記レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第２の光検出器とを具備してなる粒子状物質濃度計測装置を用い、
予め、第１の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の信号強度（Ｍ0）を計測すると共に、第２の光検出器により被測定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、
粒子状物質濃度の計測を行う都度、第１の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度（Ｍ1）を計測すると共に、第２の光検出器により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、前記粒子状物質濃度を計測時のミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度（Ｍ1）に、校正係数（Ｋ＝Ｒ0／Ｒ1）を乗じて真の粒子状物質濃度（Ｍ2）を算出することを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記基準ガスが、被測定ガスに含まれるガスであることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法。
【請求項３】
請求項１において、
前記基準ガスが、窒素であることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法。
【請求項４】
請求項１又は２において、
前記被測定ガスが、ディーゼルエンジンからの排ガスであることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法。
【請求項５】
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、
前記レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第１の光検出器と、
前記レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第２の光検出器と、を具備してなり、
予め、第１の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の信号強度（Ｍ0）を計測すると共に、第２の光検出器により被測定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、
粒子状物質濃度の計測を行う都度、第１の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度（Ｍ1）を計測すると共に、第２の光検出器により測定領域に存在する基準ガス（窒素）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、前記粒子状物質濃度を計測時のミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度（Ｍ1）に、校正係数（Ｋ＝Ｒ0／Ｒ1）を乗じて真の粒子状物質濃度（Ｍ2）を算出し、
真の粒子状物質濃度が閾値を超えている場合には、エンジン制御を行うことを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。
【請求項６】
請求項５において、
前記エンジン制御が、燃料噴射タイミングを進める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。
【請求項７】
請求項５において、
前記エンジン制御が、燃料噴射圧を高める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。
【請求項８】
請求項５において、
前記エンジン制御が、ターボチャージャーの過給圧を高める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。
【請求項９】
請求項５において、
前記エンジン制御が、排ガス再循環（ＥＧＲ）装置のＥＧＲバルブの開度を絞る制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。
【請求項１０】
請求項５乃至９のいずれか一つにおいて、
さらに、排ガス中の粒子状物質を除去する除去フィルタに排ガスを通過させる制御を行うことを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム。
【請求項１１】
請求項５乃至１０のいずれか一つにおいて、
さらに、アラームを発することを特徴とする粒子状物質濃度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、ガス中の粒子状物質濃度を安定して計測することができる排ガス中の粒子状物質濃度計測方法及び粒子状物質濃度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、例えば燃料ガス（例えばガス化ガス）中のダスト（煤塵）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、レーザ装置は長期間に亙って連続計測することが求められており、その長寿命化が課題となっている。特に、レーザ出力の低下や光軸のずれによる、ミー散乱光の発光効率の低下が問題となる。特にミー散乱光法は、散乱光強度により直接濃度算出するので、計測装置側の変動による影響を受けやすいという、問題がある。
そこで、長期間に亙って安定して計測が可能となるガス成分計測手法の出現が切望されている。
【０００５】
特に、航行中の船舶のエンジンの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、航行中に粒子状物質の量及びその成分を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、簡易迅速な計測装置の出現が求められている。
【０００６】
本発明は、前記問題に鑑み、長期間に亙って安定して計測精度の良いガス中の粒子状物質の計測が可能となるガス中の粒子状物質濃度計測方法及び粒子状物質濃度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】
【０００７】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、被測定ガスにレーザ光を照射するレーザ装置と、前記レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第１の光検出器と、前記レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第２の光検出器とを具備してなる粒子状物質濃度計測装置を用い、予め、第１の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の信号強度（Ｍ0）を計測すると共に、第２の光検出器により被測定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、粒子状物質濃度の計測を行う都度、第１の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度（Ｍ1）を計測すると共に、第２の光検出器により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、前記粒子状物質濃度を計測時のミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度（Ｍ1）に、校正係数（Ｋ＝Ｒ0／Ｒ1）を乗じて真の粒子状物質濃度（Ｍ2）を算出することを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法にある。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記基準ガスが、被測定ガスに含まれるガスであることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法にある。
【０００９】
第３の発明は、第１の発明において、前記基準ガスが、窒素であることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法にある。
【００１０】
第４の発明は、第１又は２の発明において、前記被測定ガスが、ディーゼルエンジンからの排ガスであることを特徴とするガス中の粒子状物質濃度計測方法にある。
【００１１】
第５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、前記レーザ光の照射により発生するミー散乱光を計測する第１の光検出器と、前記レーザ光の照射により発生するラマン散乱光を計測する第２の光検出器と、を具備してなり、予め、第１の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の信号強度（Ｍ0）を計測すると共に、第２の光検出器により被測定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、粒子状物質濃度の計測を行う都度、第１の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度（Ｍ1）を計測すると共に、第２の光検出器により測定領域に存在する基準ガス（窒素）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、前記粒子状物質濃度を計測時のミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度（Ｍ1）に、校正係数（Ｋ＝Ｒ0／Ｒ1）を乗じて真の粒子状物質濃度（Ｍ2）を算出し、真の粒子状物質濃度が閾値を超えている場合には、エンジン制御を行うことを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【００１２】
第６の発明は、第５の発明において、前記エンジン制御が、燃料噴射タイミングを進める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【００１３】
第７の発明は、第５の発明において、前記エンジン制御が、燃料噴射圧を高める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【００１４】
第８の発明は、第５の発明において、前記エンジン制御が、ターボチャージャーの過給圧を高める制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【００１５】
第９の発明は、第５の発明において、前記エンジン制御が、排ガス再循環（ＥＧＲ）装置のＥＧＲバルブの開度を絞る制御であることを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【００１６】
第１０の発明は、第５乃至９のいずれか一つの発明において、さらに、排ガス中の粒子状物質を除去する除去フィルタに排ガスを通過させる制御を行うことを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【００１７】
第１１の発明は、第５乃至１０のいずれか一つの発明において、さらに、アラームを発することを特徴とする粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムにある。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、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。
【００１９】
また、ディーゼルエンジンの排ガス中の微粒子状物質の計測に適用することで、微粒子状物質の抑制対策を適確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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、本発明に係る粒子状物質濃度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、本発明に係る粒子状物質濃度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、本発明に係る粒子状物質濃度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、ガス中の粒子状物質濃度計測装置の概略図である。
【図５−１】図５−１は、初期のミー散乱光の時間と信号強度の関係図である。
【図５−２】図５−２は、初期のラマン散乱光計測の波長と信号強度との関係図である。
【図６−１】図６−１は、校正時のミー散乱光の時間と信号強度の関係図である。
【図６−２】図６−２は、校正時のラマン散乱光計測の波長と信号強度との関係図である。
【図６−３】図６−３は、ミー散乱光の計測結果を重ね合わせたものである。
【図７】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る。
【図８】図８は、ラマン散乱信号強度とレーザ出力との相関関係図である。
【図９】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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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】
【００２２】
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１２８と、オイルパン１２９とを含む。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
燃料噴射ポンプ１３２は、エマルジョン燃料を加圧し、インジェクタ１２８にエマルジョン燃料を導く。インジェクタ１２８は、例えば燃焼室１２５ａに噴出口が突出して設けられる。燃料噴射ポンプ１３２は、燃料供給装置１３０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、燃料噴射ポンプ１３２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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
次に、ガス中の粒子状物質濃度計測方法及び粒子状物質濃度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。
【００３１】
図３−１〜図３−３は、本発明に係るガス中の粒子状物質濃度計測方法を実施する粒子状物質濃度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、粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステム２００Ａ〜Ｃ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）の濃度を計測する粒子状物質濃度計測装置（以下、「濃度計測装置」という）１０とを具備するものである。
【００３２】
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。
【００３３】
図３−２に示すディーゼルエンジンシステム２００Ｂにおけるエンジン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。
【００３４】
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）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。
【００３５】
図４は本実施例に係る濃度計測装置１０の概略図である。
図４に示すように、濃度計測装置１０は、被測定ガスである排ガス２０１にレーザ光１１を照射するレーザ装置１３と、前記レーザ光１１の照射により発生するミー散乱光３０を計測する第１の光検出器３１と、前記レーザ光１１の照射により発生するラマン散乱光１５を計測する第２の光検出器１８と、を具備してなり、予め（計測初期時に）、第１の光検出器３１によりミー散乱光３０の粒子状物質の信号強度（＝Ｍ0）を計測すると共に、第２の光検出器１８により被測定ガス中に存在する基準ガス（例えば窒素）のラマン散乱光の信号強度（＝Ｒ0）を計測しておき、粒子状物質濃度の計測を行う都度、第１の光検出器によりミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度（＝Ｍ1）を計測すると共に、第２の光検出器により測定領域に存在する基準ガス（窒素）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、前記粒子状物質濃度を計測時のミー散乱光の粒子状物質の検出信号強度（Ｍ1）に、校正係数（Ｋ＝Ｒ0／Ｒ1）を乗じて真の粒子状物質濃度（Ｍ2）を算出するものである。
ここで、図４において、符号２１はレーザ装置１３からのレーザ光１１を反射する反射ミラー、２２はレーザ光１１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。
【００３６】
ここで、レーザ装置１３からのレーザ光１１は、反射ミラー２１を介して排気管２０２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内にレーザ光１１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、本実施例では、排気管２０２内に直接レーザ光を導入するものであるが、排気管から分枝するサンプルラインを設け、このサンプルラインに導入するようにしてもよい。
【００３７】
また、測定領域１４の中心部から散乱されたラマン散乱光１５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。
【００３８】
次に、前記濃度計測装置１０を用いて粒子状物質濃度を計測する方法について説明する。
図５−１、５−２は初期時における計測結果を示すものであり、図５−１のチャートはミー散乱光の時間と信号強度の関係図である。図５−２のチャートはラマン散乱光計測の波長と信号強度との関係図である。
図６−１のチャートはミー散乱光の時間と信号強度の関係図である。図６−２のチャートはラマン散乱光計測の波長と信号強度との関係図である。図６−３は、図５−１と図６−１の各々のミー散乱光の計測結果を重ね合わせたものである。
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る。図７に示すように、二酸化炭素（ＣＯ2）、酸素（Ｏ2）、窒素（Ｎ2）、水（Ｈ2Ｏ）が確認される。
【００３９】
先ず、濃度計測装置１０を用いて、予め初期値を求めておく。
ここで、本実施例では、排ガス中に多量に含まれている窒素（Ｎ2）ガスを基準ガスとして用いている。
【００４０】
ここで、初期値の設定として、図５−１のチャートに示すように、第１の光検出器３１によりミー散乱光３０の粒子状物質の信号強度（＝Ｍ0）を求めておく。
また、図５−２のチャートに示すように、第２の光検出器１８により測定領域１４に存在する濃度校正用ガス（本例ではＮ2）のラマン散乱光１５の信号強度（＝Ｒ0）を求めておく。なお、レーザ出力とラマン散乱光の信号強度は図８に示すように、比例関係にある。
【００４１】
すなわち、粒子状物質濃度の計測の都度、第１の光検出器３１によりミー散乱光３０の粒子状物質の検出信号強度（Ｍ1）を計測する（図６−１のチャート）と共に、第２の光検出器１８により測定領域１４に存在する基準ガス（Ｎ2）のラマン散乱光１５の信号強度（Ｒ1）を計測する（図６−２のチャート）。
そして、図６−３に示すように、初期に得られたＲ0と濃度計測の際に実際に測定されたＲ1とから求めた「Ｒ0／Ｒ1」を校正定数（Ｋ）とする。そして、前記計測されたミー散乱光３０の粒子状物質の検出信号強度（Ｍ1）に校正係数（Ｋ＝Ｒ0／Ｒ1）を乗じて、真の粒子状物質濃度（Ｍ2）を算出する。
【００４２】
これにより、測定の都度、初期値のラマン散乱光１５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。
【００４３】
そして、微粒子状物質（煤塵）の散乱を計測するには、レーザ光１１の照射によって、窓２７−１、２７−２を通って測定領域１４内に微粒子状物質に当たって、ミー散乱し、そのミー散乱光３０が窓３２aを通って、第１の光検出器３１に導入される。
窒素も同様に、近傍の波長で散乱が発生し、ラマン散乱光１５が窓２７−１、２７−２を通って、第２の光検出器１８で計測される。
このように、同一の性質の光が、同一の光学部品を通って、計測されるので、校正精度が高いものとなる。
【００４４】
これに対し、窓の外に出力計を設置するような場合、窓の汚れに起因する状況（励起光の窓の透過率と散乱光の窓の透過率）は考慮されないので、校正精度が低いものとなる。
また、窓の中の測定領域内に出力計を設置するような場合、レーザ光の入射光の汚れは加味され、励起光の窓の透過率は考慮されるが、散乱光の透過率は考慮されないので、同様に校正精度が低いものとなる。出力計は精密部品であるので、測定場内に設置すると汚れの影響もおおきく、精度の良い出力の測定が困難な場合がある。
【００４５】
本実施例では、被測定ガスとしてディーゼルエンジン排ガスを一例として用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、産業設備から排出され、例えばガス化に利用する生成ガスとして例えばバイオマスガス化ガス、石炭ガス化ガス等を挙げることができるが、他の用途に用いられるガス化装置、ガスエンジンからの排ガスにおいても、適用可能である。
【００４６】
以下に、レーザ装置を用いたガス中の粒子状物質濃度計測装置の各構成部材について説明する。
先ず、レーザ光１１を出力し排ガス２０１へ照射する機能を有するレーザ装置１３について説明する。レーザ装置１３は、レーザ発振によりレーザ光１１を出力するものであり、使用するレーザにより、レーザ光１１の波長は、所望のものを使用できる。
本発明では、波長が可視光域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）のものを使用するのが好ましい。ここでは、５３２ｎｍのものを用いている。
【００４７】
なお、排気管２０２内に設けられるパワーメータ２６は、レーザ装置１３から出力されるレーザ光１１の進行方向上に設けられており、レーザ光１１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。
【００４８】
また、反射ミラー２１は、出力されたレーザ光１１の進行方向を、排ガス２０１の存在する排気管２０２の方向へ、反射により向けさせるミラーである。このミラー２１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。
【００４９】
測定用のレーザ光１１及び排ガス２０１からのラマン散乱光１５は、第１の窓２７−１及び第２の窓２７−２から出入りする。
【００５０】
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、その窓をレーザ光１１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。
【００５１】
また、レーザ光１１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。これは、長期間に亙って排気管２０２側の第２の窓２７−２を排ガス２０１に曝しておくと、該ガス中の不純物により、第２の窓２７−２が汚れてしまい、その汚れの為にレーザによる測定が困難となるからである。なお、前記電磁弁は測定時には開口される。
【００５２】
また、排気管２０２に直接第２の窓２７−２を設置しているが、本発明はこれに限定されず、排気管に一部を分岐したラインに測定チャンバを設け、測定チャンバ内の測定領域に存在する排ガスにレーザ光を照射して測定をするようにしてもよい。ただし、排ガスは、この場所で留まっている必要は無く、ガスが滞留することなく流れている（動いている）状態であっても測定可能である。
【００５３】
次に、排ガス２０１中の粒子状物質からのミー散乱光３０を分光し、測定データとして取り出す機能を有する第１の光検出器３１について説明する。第１の光検出器３１は、排ガス２０１中の固体成分である粒子状物質からのミー散乱光３０を受光窓３２ａを備えた受光部３２で受光し、光ファイバ３３により導入した後に分光し、第１の検出器３１において、測定データとして取り出す機能を有する。
【００５４】
また、排ガス２０１からのラマン散乱光１５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を有する第２の光検出器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ラマン散乱光１５は、レーザ光１１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。
【００５５】
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。本実施例では、５７０〜７００ｎｍの領域の光が透過するフィルタを使用する。
【００５６】
そして、特定の波長領域となったラマン散乱光１５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。
【００５７】
このような、図４に示す濃度計測装置１０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。
【００５８】
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）１３０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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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２１２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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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微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。
【００６５】
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の一例である。
【００６６】
まず、制御手段は、濃度計測装置１０からの微粒子状物質（ＰＭ）の排出濃度を計測する（ステップＳＴ１）。
【００６７】
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）。
【００６８】
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、微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）。
【００６９】
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）。
【００７０】
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）。
【００７１】
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）。
【００７２】
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）。
【００７３】
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）。
【００７４】
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）。
【００７５】
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）。
【００７６】
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。
【００７７】
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）。
【００７８】
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。
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、導入ガスの組成がリアルタイムで確認することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
以上のように、本発明に係るガス中の粒子状物質濃度計測方法及び粒子状物質濃度計測装置を備えたエンジンシステムによれば、長期間に亙って安定して精度良くガス中の微粒子成分（煤塵）の計測ができる。さらにエンジン運転中に、粒子状物質の濃度を正確に計測巣することができるため、エンジンを正常に運転するための制御を行うことができる。
【符号の説明】
【００８０】
１０  濃度計測装置
１１  レーザ光
１３  レーザ装置
１４  測定領域
１５  ラマン散乱光
１６  分光部
１８  第２の光検出器（ラマン散乱光検出器）
３０  ミー散乱光
３１  第１の光検出器（ミー散乱光検出器）
１００  ディーゼルエンジン
１２０  気筒
２００Ａ〜２００Ｃ  濃度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】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図４】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図６−３】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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