KR100210664B1 - 자동차의 배기가스 채집장치 - Google Patents

자동차의 배기가스 채집장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벤츄리 플로어 미터를 이용하여 본체를 통과하는 배기가스와 외부공기의 유량을 측정한 다음, 이 유량을 바탕으로 송풍모터의 회전속도를 제어하여 희석가스의 혼합비를 조절함으로써, 새로운 배출가스 규제값을 만족시키고 테스트 모드의 변경에 적용할 수 있는 자동차의 배기가스 채집장치에 관한 것으로서, 배기관에 연결되어 배기가스를 도입하고, 에어공급관을 통해 여과된 외부공기를 도입하여 배기가스를 희석시키는 본체(20)와, 본체의 후방단에 설치되어 희석된 배기가스를 외부로 배출하는 송풍모터(30)와, 에어채집관(52)을 통해 본체 내로 도입된 희석용 공기를 채집하는 에어채집부(50)와, 가스채집관(62)에 의해 공기에 의해 희석된 희석가스를 채집하는 가스채집부(60)로 이루어진 본 발명의 배기가스 채집장치에서는 희석가스의 유량 측정을 위해, 트롯부(72)의 압력(P1)을 감지하는 제 1압력센서(82)와, 후방단(74)의 압력(P2)을 감지하는 제 2압력센서(84)를 구비한 벤츄리 플로어 미터(70)를 본체(20)내부에 설치하였으며, 제어기(90)는 벤츄리 플로어 미터(70)에서 전달되는 압력(P1,P2)에 따라 송풍모터(30)의 회전수를 제어하는 구성을 지닌다.

Description

자동차의 배기가스 채집장치
본 발명은 자동차의 배기가스 채집장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 벤츄리 플로어 미터를 이용하여 본체를 통과하는 배기가스와 외부공기의 유량을 측정한 다음, 이 유량을 바탕으로 송풍모터의 회전속도를 제어하여 희석가스의 혼합비를 조절함으로써, 새로운 배출가스 규제값을 만족시키고 테스트 모드의 변경에 적용할 수 있는 배기가스 채집장치의 개선에 관한 것이다.
통상적으로 자동차에서는 실린더에서 연소된 배기가스를 대기중으로 방출하게 되는데, 이들 배기가스의 성분은 대개 인체에 무해한 수증기(H2O) 및 질소(N2) 그리고 탄산가스(CO2)로 이루어져 있으나, 이 중에는 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx)과 같은 인체에 해로운 유해가스도 포함되어 있다.
따라서, 배기가스의 배출경로상에는 배기가스 중에 포함되어 있는 유해성분을 감소시키기 위해 촉매컨버터나 배기가스 제순환장치 등을 설치함으로써, 환경오염을 막기 위한 많은 노력이 진행되고 있다.
그러나, 이러한 노력에도 불구하고 미량의 유해가스가 배기가스중에 포함되어 있으므로, 각국별로 약간의 차이는 있으나 배기가스 중에 포함된 유해가스의 성분비를 법적으로 엄격히 규제하고 있다.
이러한 배기가스의 법적 규제는 자동차의 형식승인시에 행하는 배기가스 테스트와 사용중인 자동차의 계속검사시에 행하는 배기가스 테스트로 나눌 수 있다. 실험을 위해 배기가스를 채집하는 방법으로는 CVS 희석방식(Constant Volume Sampling dilution method)을 가장 널리 사용하고 있다.
이 CVS 희석방식은 배기가스의 전량을 포집하여 분석하는 방식에 비해 배기가스에 포함된 증기가 응축되어 응축수로 되는 것을 막을 수 있으며, 배기가스 구성 성분간의 반응을 방지할 수 있는 장점을 지니고 있으나, 희석비율(dilution factor)에 따라 각 유해물질의 농도가 낮아지기 때문에 희석비율만큼 측정장치의 정도와 성능이 우수해야 한다는 단점을 갖고 있다.
도 1을 참고하여 종래의 배기가스 채집장치를 살펴보면, 일단에는 배기관(10)의 단부에 연결되는 입구(22)가 형성되고, 타단에는 내측에 배기가스를 배출하는 출구(24)가 형성되는 원통형상의 본체(20)가 구비된다. 본체(20)의 출구(24)측에는 송풍모터(30)가 설치되어 본체(20)내로 도입되는 배기가스를 강제로 흡인한 다음, 출구(24)를 통해 배출시키는 역할을 한다.
상기 본체(20)의 중앙부에는 송풍모터(30)에 의해 배출되는 배기가스의 유속을 증대시키는 벤츄리관(26)(Critical Flow Venturi)이 형성되어 있다.
또한, 상기 입구(22)의 일측에는 외부공기를 본체(20)내로 도입시키는 에어공급관(42)이 연결되고, 에어공급관(42)상에는 도입되는 공기중의 불순물을 제거하는 에어필터(40)가 설치된다. 이 에어 공급관(42)에는 에어필터(40)를 통과한 공기를 에어채집부(50)로 유도하는 에어채집관(52)이 연결된다.
본체(20)에는 상기 벤츄리관(26)의 전방에 인접하게 가스 채집관(62)이 연결되어 있어, 에어공급관(42)을 통해 도입된 공기와 배기관(10)을 통해 유입된 배기가스와의 혼합에 의해 만들어진 희석가스를 가스채집부(60)로 유도한다.
이러한 구성을 갖는 종래의 배기가스 채집장치는 배기관(10)으로부터 배기가스가 본체(20)로 도입되고, 필터(40)에 의해 여과된 외부공기가 에어공급관(42)을 통해 본체(20)내로 도입된다. 이때 외부공기는 본체(20)의 출구(24)측에 인접하게 배치된 송풍모터(30)의 회전에 의해 도입되는 것으로, 본체(20)내로 도입된 공기는 상기한 바와 같이, 배기가스와 혼합되어 배기가스 중의 수증기 성분비를 급격히 저하시킴으로써, 결로로 인한 수분응축을 방지하게 된다.
여기에서, 에어채집관(52)을 통해 도입된 공기는 에어채집부(50)에 저장되며, 도입공기에 의해 희석된 희석가스는 벤츄리관(26)의 전방에 연결된 가스채집관(62)을 통해 가스채집부(60)에 저장된다. 이와 같이, 가스채집부(60)에 저장된 희석가스는 분석기에 의해 유해가스의 성분비를 분석하는데 사용한다. 다음에, 상기 에어채집부(50)에 저장된 공기중의 유해가스 성분비를 분석함으로써, 희석가스의 유해가스 성분비에서 공기중의 유해가스 성분비를 빼내어 배기가스에 포함되어 있는 유해가스의 성분비를 알수 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 배기가스 채집장치에 있어서 송풍모터에 의해 흡입되는 배기가스와 희석공기의 총체적유량은 일정한 비율을 유지되며, 이를 위해 벤츄리관의 유속은 반드시 음속이 되어야 하기 때문에 희석비 조정이 불가능하다. 그에 따라, 점차 강화되고 있는 배기가스 기준치를 만족하는데는 한계가 있으며, 실차조건을 재현할 수 없기 때문에 새로운 테스트 모드의 변경에 대응할 수 없는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 제반문제를 감안하여 안출된 것으로서, 그 목적은 본체에 벤츄리 플로어 미터를 설치하여 배기가스와 공기의 유량을 측정한 다음, 이 유량을 바탕으로 송풍모터의 회전속도를 제어하여 희석가스의 혼합비를 조절할 수 있는 배기가스 채집장치를 제공함에 있다.
도 1은 종래의 배기가스 채집장치의 구성을 보인 단면도
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 채집장치의 구성을 보인 단면도
♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
10: 배기관 20: 본체
22: 입구 24: 출구
30: 송풍모터 40: 필터
42: 에어공급관 50: 에어채집부
52: 에어채집관 60: 가스채집부
62: 가스채집관 70:벤츄리 플로어 미터
72:트롯부 74:후방단
82, 84:제 1, 2압력센서 90:제어기
상기한 바와 같은 본 발명의 목적은 배기관에 연결되어 배기가스를 도입하고, 에어공급관을 통해 여과된 외부공기를 도입하여 배기가스를 희석시키는 본체와, 본체의 후방단에 설치되어 희석된 배기가스를 외부로 배출하는 송풍모터와, 에어채집관을 통해 본체 내로 도입된 희석용 공기를 채집하는 에어채집부와, 가스채집관에 의해 공기에 의해 희석된 희석가스를 채집하는 가스채집부로 이루어진 배기가스 채집장치를 구성함에 있어서, 본체 내부에는 희석가스의 유량 측정을 위해 트롯부의 압력을 감지하는 제 1압력센서와, 후방단의 압력을 감지하는 제 2압력센서를 구비한 벤츄리 플로어 미터가 설치되어 있으며, 제어기는 벤츄리 플로어 미터에서 전달되는 압력에 따라 상기 송풍모터의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 채집장치에 의해 달성될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 자동차의 통과폭 확인장치의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.(이하에서는 종래와 동일한 구성요소에 대해서는 도면상 도시하나 그 상세한 설명은 생략하며, 부호는 동일하게 부여한다.)
도 2는 본 발명에 따른 배기가스 채집장치의 구성을 보인 단면도이다. 여기에 도시한 바와 같이, 본체(20)내부를 통과하는 배기가스와 외부공기의 희석비 조정을 위해 본 발명에서는 음속 구간은 종래와 마찬가지로 정용량 채집을 위해서 반드시 음속을 유지하여야 하므로, 희석비 조정이 불가능하기 때문에, 아음속(subsonic)구간을 활용하여 희석비를 조정하는 방안을 채용하였다. 또한, 종래의 농도단위로 규제하는 방식 대신에 질량(mass)단위로 규제하는 방식을 채용하였다.
이를 위해서, 본체(20)의 내부에는 트롯부(72)의 압력(P1)을 감지하는 제 1압력센서(82)와, 후방단(74)의 압력(P2)을 감지하는 제 2압력센서(84)를 구비한 벤츄리 플로어 미터(70)를 설치하였다. 제어기(90)는 이들 센서(82, 84)에서 전달되는 압력(P1, P2)과 벤츄리 플로어 미터(70)전방단을 통해 유입되는 희석가스의 압력(P)을 바탕으로 유량(Q)을 측정한 다음, 이 유량에 따라 송풍모터(30)에 제어신호를 보내 회전수를 제어하게 된다. 본 명세서에서 전방단이라함은 엔진에서 배출된 배기가스가 입력되는 단을 말하며, 후방단은 배기가스가 배출되는 단을 말한다.
이때, 배기가스는 CVS의 유로를 통해 혼합지점에서 외부공기와 혼합된 다음, 벤츄리 플로어 미터(70)를 통과하게 되는데, 희석가스의 유량(Q)은 벤츄리 플로어 미터(70)의 직경이 가장 작은 부분인 트롯부(72)의 압력(P1)과 희석가스가 빠져 나오는 후방단(74)의 압력(P2)을 바탕으로 다음의 수학식 1에 의해서 구할 수 있다.
Figure 1019970050350_B1_M0001
여기에서, ΔP=P2-P1 로서, 벤츄리 플로어 미터(70)의 후방단(74)에서 측정된 압력(P2)과 트롯부(72)에서 측정된 압력(P1)간의 차를 말한다. 또한, K와 Cd는 상수이며, Y는 팽창인자(expansion factor)이고, d는 벤츄리 플로어 미터(70)의 직경을 나타낸다.
이 수학식 1은 정상류에서 유체의 유동속도와 압력은 일정한 관계가 성립한다는 베루누이 정리를 이용하여 구한 식으로서, 이것을 통해 음속이 아닌 아음속 구간에서도 희석가스의 유량을 측정할 수 있기 때문에, 측정된 유량을 바탕으로 송풍모터(30)의 회전수를 조절하여 공기대 배기가스의 희석비율을 임의로 조절하는 것이 가능하다.
즉, 희석비의 양을 조절할 수 있다는 것은 혼합지점에서의 배기가스의 농도를 인위적으로 높이거나 낮출 수 있다는 의미로서, 이것을 이용하여 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 양이 적으면 희석비를 낮추어 혼합지점에서의 농도를 높이는 반면에, 배기가스의 양이 많으면 희석비를 높여서 혼합지점에서의 농도를 자유롭게 낮출 수 있게 된다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 배기가스 채집장치에 대해서 설명하였으나, 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신에 따라 다양한 변형이 가능하다는 것을 알 수 있으며, 이러한 변형은 본 발명의 정신을 벗어나는 것이 아님을 이해할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 자동차의 배기가스 채집장치는 벤츄리 플로어 미터를 이용하여 본체를 통과하는 배기가스와 외부공기의 유량을 측정한 다음, 이 유량을 바탕으로 송풍모터의 회전속도를 제어하여 희석가스의 혼합비를 조절함으로써, 새로운 배출가스 규제값을 만족시키고 테스트 모드의 변경에 적용할 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Claims (1)

  1. 배기관(10)에 연결되어 배기가스를 도입하고, 에어공급관(42)을 통해 여과된 외부공기를 도입하여 배기가스를 희석시키는 본체(20)와, 상기 본체(20)의 후방단에 설치되어 희석된 배기가스를 외부로 배출하는 송풍모터(30)와, 에어채집관(52)을 통해 본체(20)내로 도입된 희석용 공기를 채집하는 에어채집부(50)와, 가스채집관(62)에 의해 공기에 의해 희석된 희석가스를 채집하는 가스채집부(60)로 이루어진 배기가스 채집장치에 있어서,
    상기 본체(20)내부에는 희석가스의 유량 측정을 위해 트롯부(72)의 압력(P1)을 감지하는 제 1압력센서(82)와, 후방단(74)의 압력(P2)을 감지하는 제 2압력센서(84)를 구비한 벤츄리 플로어 미터(70)가 설치되어 있으며,
    제어기(90)는 상기 벤츄리 플로어 미터(70)에서 전달되는 압력(P1, P2)에 따라 상기 송풍모터(30)의 회전수를 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 채집장치.
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