三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

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特集論文

高速応答レーザ排ガス計測でのエンジン過渡域計測
Transition Region Exhaust Gas Measurement
Using by High-Speed Response Laser
Equipment
牟 田 研 二＊1

Kenji Muta

瀧 田 篤 史＊4

Atushi Takita

田 浦 昌 純＊2

近 藤 明 生＊3＊5

加 藤 英 治＊6

Masazumi Tanoura

浅海慎一郎

Asami Shinichirou

Akio Kondou
Eiji Kato

当社では，ボイラやごみ焼却炉などの炉内監視技術を応用し，エンジン配管内のガス温度／濃度を，直接的に，かつ，高速応答で計測できる，コンパクトなレーザ方式の排ガス計測装置を開発した．本報告では，これらの装置を紹介するとともに，本装置を過渡運転時の排ガス（エンジンベンチ／車両）計測に適用し，従来装置では取得困難な，新たな知見が得られた事例を示し，本装置のエンジン開発・排ガス処理装置開発に対する有効性を紹介する．

1．はじめに

計測対象配管

当社では，これまで，主にボイラやごみ焼却炉などの炉内監視技術(1)(2)

エンジン排ガスとしてレーザによるガス濃度／温度の計測技術を開発してきた．この技術は非接触計測光ファイバが可能であるため，従来のようにガスをサンプリングレーザ計測装置本体して計測する場合と比較して，応答遅れが無い計測が可能である．現在，本技術の自動車などのエンジン排（レーザ）＜計測セル＞ 受光部

電気ケーブル（受光信号）

ガス計測への適用を進めているが，それには，次の２点を新たに開発していく必要があった．

図１① 応答性の更なる向上（秒オーダ→ ms オーダ）

レーザ排ガス計測装置での計測系統

配管内ガス計測を行う場合の代表的な装置系統．

② 自動車配管などに直接装着できる計測センサ部
本報告では，上記を実現した高速応答タイプのエンジン排ガス計測装置を紹介するとともに，エンジン負受光信号を装置本体で解析し，排ガス中の濃度 / 温度を計測する．

荷が急激に変化する過渡領域の計測に適用すること

なお，当社では，計測原理は同じレーザ吸収分光法で，従来装置では得られなかった，新たな知見が得らを用いながら，制御 / 解析方式の異なる手法を適用しれる例を示し，本装置のエンジン開発などへの有効性た，高速応答タイプと，高精度タイプの２種類の計測を紹介する．

装置を商品化している．

2．レーザ式エンジン排ガス計測装置

2．1

計測装置のご紹介（1）高速応答タイプのレーザ排ガス計測装置

今回，開発したレーザ排ガス計測装置は，レーザ吸先ず，１ms の高速応答計測が可能な SUPPLEA

収分光法技術を基礎としている．本手法は，ガスが固（SUPer Prompt Laser Exhaust gas Analyzer）の有波長の光のみを吸収する特性を応用し，その光吸収構成を図２に示す．本装置は，配管に直接取り付量からガス濃度／温度を導出する手法である．また，ける計測セル，装置本体，解析／表示用パソコン

実際の計測は，図１に示すように，装置本体から，配（PC）から構成されており，排ガス温度と，多成分管に直接取り付けた計測センサ部（計測セル）に，光（H2O/CO/CO2/CH4/O2）濃度とを同時に，１ms のファイバを用いてレーザを搬送し，排ガスを透過した時間分解能で計測する．

＊1

＊4

＊2

＊5

技術本部先進技術研究センタープロジェクトグループ主席
技術本部先進技術研究センタープロジェクトグループ主席 理博＊3
技術本部先進技術研究センタープロジェクトグループ

技術本部横浜研究所制御システム研究室
神戸造船所先端製品・機械システム部制御システム設計課主席＊6
神戸造船所先端製品・機械システム部メカトロシステム設計課

特徴

適用先

光ファイバ

2. TDLAS*2

・超高速応答性（1 ms）

・高速応答性（100 ms）

・多成分濃度（％レベル）/・単成分濃度高精度計測

温度同時計測計測セル（ppmレベル）・一ヵ所計測・二ヵ所同時計測

・ガソリンエンジン排ガス

・ディーゼルエンジン排ガス

・ディーゼルDPF後流排ガス

・ガソリンエンジン排ガス（固体粒子を含まない環境）（固体粒子の影響なし）

・計測化学種：・計測化学種：詳細

光ファイバ
コネクタ当社のレーザ排ガス計測装置概要
1. SUPPLEA*1

製品名（受光信号）

H2O/CO/CO2/CH4/（ O2 ）・NH3, NO, NO2, N2O 他（上記全種の同時計測）（上記中から1種を選択）

・ガス温度計測範囲：

排ガス

150〜800℃
計測原理

図２11

表１
入出力端子台
LAN
ケーブル

トレンド
表示用PC

LANケーブル

三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

超高速応答型のレーザ排ガス計測装置（SUPPLEA）
１ms の 超 高 速 応 答 性 で， ガ ス 温 度 と H2O/CO/CO2/CH4/O2 濃度の同時計測が可能．

レーザ吸収分光法

レーザ吸収分光法（高速波長掃引と差分検出）（波長変調法）＊1：SUPer Prompt Laser Exhaust gas Analyzer＊2：Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy

能である．
なお，両計測器の特徴をまとめて表１に示す．

なお，本装置は，主に，ガソリンエンジン排ガス2．2

計 測 セ ルなどの固体粒子が少ない雰囲気での計測に適用する．

次に，配管に直接取り付ける計測セルを紹介する．

（2）高速応答／高精度タイプのレーザ排ガス計測装置

尚，計測セルは，配管サイズに応じた各種ラインナッ

次に，NH3 や NOx などの ppm レベルの微量成プを設けているが，代表的な計測セルとしては，下記分を高速応答計測できる TDLAS（Tunable Diode２種類がある．

Laser Absorption Spectroscopy）の構成を図３に（1）多重反射型セル( )示す．本装置も配管直接取付型の計測セル，装置

このセルは，図４ 3 に示すように，センサ厚みが薄本体，解析／表示用 PC から構成され，排ガス中のいため，既設のフランジに直接挟み込んで設置できppm レベルの微量成分を 100 ms 以下の応答性で計る．
構造は，排ガス中にミラーを２枚，対で設置し，レー測する．

ザが配管断面内を隈なく透過するように，多重反射

本装置は，排ガス中の固体粒子に影響を受けにくさせており， ① 配管内の濃度／温度分布の影響をいため，主に，ディーゼルエンジン排ガスの計測に受けずに，断面平均値が得られる ， ② 光路長を長用いられる．さらに，排ガス浄化触媒の前後など，く取れ，計測感度を向上できる などの特徴を持つ．

２ヶ所のガス濃度を１台の装置で計測することも可

ただし，排ガスとミラーが直接接触するため，ミラー部の汚れに課題があり，主に，固体粒子が少ない，ガソリンエンジン排ガスや DPF（Diesel

解析用PC

Particle Filter）後流のディーゼルエンジン排ガス

レーザ（受光信号）

光ファイバ（10m〜）

排ガス

図３

計測セル

光学ユニット 制御／解析部

光ファイバ

光学ミラー

（反射率≧99%）

ガス流れ
受光部

光ファイバ
コネクタ

高精度／高速応答型のレーザ排ガス計測装置（TDLAS）
NOx，NH3 な ど の ppm レ ベ ル の 微 量 成 分 濃 度 を，
100 ms 以下の応答性で，２ヶ所での同時計測が可能．

図４

多重反射型セル (3)センサ部厚みが薄く，既設配管のフランジ部に直接取り付け可能．

三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008
受光系

N2

N2

12500mm以下

N2

光ファイバ

受光装置
熱電対

排ガス 送光系
ガス温用熱電対（a）小口径配管用セル

N

受光装置

2熱電対
ザ

送光系

ー

レ

受光系

レーザ

バイァ 光学系 N
フ2光（b）大口径配管用セル

図５

排ガス

窓部パージ型ワンパスセル

粒子存在下でも，メンテナンスフリーの計測が可能（(a)小口径配管用セル，(b)大口径配管用セル）．などの計測に適している．

一方，当社で開発したレーザ排ガス計測装置は，高（2）窓部パージ型ワンパスセル

速応答であり，かつ，計測セルは，配管部の改造無しで，次に，窓部パージ型ワンパスセルを図５に示す．

容易に配管の任意の場所に組み付け可能である．その本セルは，排ガスと直接接触する光学部品を無くし，ため，シャシダイ試験でもエンジンの過渡域挙動に関さらに，窓部に汚れ防止用パージガスを吹き付けるわる情報を容易に取得可能である．

ことで，メンテナンスフリーの計測を可能にしてい図６に，シャシダイ上で 10-15 モード走行した際の，る．ただし，セルの厚み，サイズが多重反射型と比エグゾーストマニホールド出口でのレーザ排ガス計測

較して大きいため，取付け時に，配管部の改造が必例を示す．ギヤチェンジによるわずかなスロットル開要な場合もある．主に，ディーゼルエンジン排ガス度の変化に応じた瞬間的なガス濃度／温度の変化や，計測に利用される例が多い．

燃費向上のためのフューエルカット制御など，エンジ（a）
は 50 A 程度以下の小口径の配管向なお，図５

ン制御に関わる過渡現象が明瞭に捉えられている．さ（b）は 100 A 以上のような大口径配管向けで，図５

らに，CO2 濃度やガス温度の計測値が一見幅広く（変けである．

動量が大きく）計測されているが，詳細分析すると，こ3．自動車排ガス計測事例

ジン／車両開発への有効性を紹介する．
3．1

乗用車シャシダイ試験での計測結果例

乗用車のシャシーダイナモ（シャシダイ）試験は，従来のサンプリング式計器を用いても比較的容易に実施できる．しかし，従来計器は応答性が数秒と遅く，かつ，エンジン近傍の計測では，別途，ガスサンプリ

ガス濃度（％）

を用いて排ガス計測した事例を紹介し，本装置のエンめ，エンジンの過渡域での挙動を把握することは非常に困難であった．

CO2

12

燃焼サイクルごとの温度変動
濃度変動

84600

CO

濃度/温度の瞬時変化

200160ガス温度

500

12040080300
200

ング設備が必要との理由からエンジン挙動から応答遅れのある，テールエンド計測が一般的である．そのた160
ガス温度（％）域（負荷などが急激に変化する運転条件）で，本装置

フューエルカット

ギヤチェンジ2040

車速6080100120140

車速（km/h）

最後に，従来は計測が困難であった，自動車の過渡0

計測時間（s）

図６

モード走行試験中の高速応答排ガス計測結果例

ギヤチェンジやフューエルカットなどの瞬間的な過渡現象把握に加え，サイクルごとの燃焼変動計測も可能．

三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 200813の変動は各ピストンの各燃焼サイクルごとに，実際の濃3．3ディーゼル乗用車での NH3 濃度計測度／温度が変動している状態が計測された結果である．

近年，ディーゼル排ガス規制の強化に伴い，尿素

このように，本装置を用いることで，シャシダイ試SCR（Selective Catalytic Reduction）システムが注験でも容易に過渡域の高速現象や，各燃焼サイクルの目を集めており，このシステムは，窒素酸化物（NOx）変動を計測でき，より高燃費，よりクリーンな車両開発生量に応じた最適アンモニア（NH3）注入量制御が発の加速化／高度化につなげることが可能である．

重要である．また，NOx 吸蔵触媒方式の脱硝システ

3．2

エンジンベンチでのガス吹返量把握

ムでもアンモニアが重要な役割を演じることが分かっ

現在のエンジン制御の一つに，高負荷域で吸気バルてきている．

ブと排気バルブのオーバラップを増やし，吸気ガスに一方，NH3 は吸着性の強い物質であるため，ガス排ガスの一部を吹き返しの形で戻すことで，燃焼を安サンプリング方式の計測装置では，正確な濃度計測が定させる手法がある．

困難であり，特に，急激に濃度変化する場合（濃度変ここで紹介するのは，エンジンベンチ試験（ガソリン）において，吸気マニホールド／吸気ポート間での化過渡域）は，サンプリング式では，応答遅れがあり，変化を捉えることは，非常に困難であった．

吸気中 CO2 濃度を SUPPLEA にて高速応答計測し，そこで，ディーゼル排ガス中の NH3 濃度（ppm レ

吸気ガス中に排気ガスが吹き込む（吹き返し）量の計ベル）計測にレーザ排ガス計測（TDLAS）を適用し測が可能かどうかを検証した例である．

た事例を紹介する．ここでは，乗用車（ディーゼルエ(3)計測結果を図７ に示す．このグラフは，横軸がクンジン）のテールエンドにおける排ガス中 NH3 濃度

ランクアングル，縦軸が吸気ガス中の CO2 濃度を示

を，① レーザ排ガス計測装置（TDLAS ＋窓部パージす．また，図中の ① 〜 ⑤ は，吸気バルブと排気バ型ワンパスセル），及び，② ガスサンプリング方式のルブのオーバラップ程度を示し，数字が大きくなる計測装置で計測し，計測定量性，応答性を比較した．

に従って，オーバラップ量は増えていく．オーバラッ

試験は，まず，一定濃度の NH3 を含む排ガスを計プが無い ① の条件では，吸気ガス中に CO2 はほとん測し，両計測値が同一であること確認し，その後，ど見られないが，オーバラップが大きくなるに従い，NH3 発生量がスパイク状に変化する条件（リッチス

CO2 濃度が急激に高くなるとともに，そのピークも早パイク条件）で車を運転し，計測結果を比較した．

くなる現象を捕らえることができた．

結果例を図８に示す．このグラフは，横軸が計測時間で，上のグラフの縦軸は NH3 濃度，下のグラフの・吸気バルブ：位相を変化
・排気バルブ：固定

バルブオーバラップ
吸気バルブ開（可変）⑤④

CO2 濃度（％）

縦軸が，車への NH3 生成指令信号（リッチスパイク上死点
排気バルブ閉信号：スパイク時に NH3 が発生）を示している．本
装置は，リッチスパイク信号と同期した NH3 濃度変化を計測できているが，従来計器はほとんど計測でき⑤④③②①ていない．

③

このように，従来計器で上記のような脱硝システム

吸気バルブ閉（可変）②①

排気バルブ開−60

図７060120180240 300 360 420
クランク角度 ( °)480を評価／制御することは，応答性の上で問題があるが，本装置では容易に可能であり，より高度な脱硝システ

下死点540600660ムの構築／制御の開発加速につながる．

吸気バルブ／排気バルブのオーバラップ量に応じた吹返量変化の計測例 (3)吸気側への排ガスの吹返量をリアルタイム計測できることで，高度なエンジン燃焼制御も容易．

NH3 濃度このように，従来は数値シミュレーションでしか評：レーザNH3 計：従来計測値（FTIR）

価できなかった吹返し量をリアルタイムで計測できる制御することが可能である．
上記の例で示すように，本装置を利用することで，高度なエンジン燃焼制御の適合作業を簡単に，かつ，迅速に行うことが可能となる．

0NH3 生成
運転指令

ため，計測結果を基に最適なオーバラップ量を計測／

ON51015202530
計測時間（s）

354045OFF

図８リッチスパイク時のアンモニア発生量計測例

急激な NH3 変化も計測可能なレーザ計測装置を用いることで，より高度な脱硝システムの構築／制御も可能．

三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

144．まとめ

当社では，エンジン排ガスを高速応答で計測できる，コンパクトなレーザ排ガス計測装置を開発した．
（1）高速応答レーザ排ガス計測装置（SUPPLEA）● １ms の 応答性 で ガ ス 温 度 ／ 濃 度（ ％ オ ーダ：

参 考 文 献（1）牟田ほか，第 34 回燃焼シンポジウム講演論文集（1996）p.551（2）牟田ほか，第 37 回燃焼シンポジウム講演論文集（1999）p.465（3） 山 蔭 ほ か，2008 自 動 車 技 術 会 論 文 集 Vol.39
No.2 March 2008 p.123

H2O，CO，CO2，CH4，O2）の同時計測が可能● 装置 1 台で１ヶ所の計測（2）高精度レーザ排ガス計測装置（TDLAS）● 100 ms 以下の応答性で，ppm レベルの高精度濃度計測が可能● 装置１台で触媒前後などの２ヶ所同時計測が可能

今後は，本装置をお客様に提供し，従来は把握できなかった各種の現象把握に寄与していくことで，お客

牟田研二

田浦昌純

近藤明生

瀧田篤史

浅海慎一郎

加藤英治

様の製品開発のお役に立ちたいと考えています．
① エンジン燃焼工程の各サイクルごとの濃度／温度変化など，従来では取得困難な高速現象② 今後の排ガス処理システムでキーとなる，サンプ
リング計測では把握困難な，NH3 濃度変化など