KR100233806B1

KR100233806B1 - 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치

Info

Publication number: KR100233806B1
Application number: KR1019970021803A
Authority: KR
Inventors: 박진영; 박성섭
Original assignee: 박진영
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 1999-12-01
Also published as: KR19980085663A

Abstract

본 발명은 정화장치의 세라믹 미립자 필터에서 이격되어 복사에너지의 입사량에 따라 필터의 온도를 측정함으로서 고온고압의 배기가스로부터 필터를 보호함과 아울러 필터의 전체적인 온도를 측정할 수 있는 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 이러한 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치는 세라믹 미립자 필터(310)가 구비되는 디젤자동차의 정화장치에 있어서, 상기 세라믹 미립자 필터(310)에 포집된 배기가스의 오염물질 연소시에 발생되는 복사에너지를 검출하여 필터(310)의 온도를 측정하도록 원통형 또는 함체로 외체가 형성되어 일측이 개구되는 단열재의 보호단열관(31)과, 상기 보호단열관(31)의 개구부 반대측에 내장되어 배기가스의 온도가 배제된 세라믹 미립자 필터(310)의 온도를 측정하도록 4㎛ 대역 이상의 파장을 선택적으로 차단하는 광학필터(32)와; 상기 광학필터(32)의 후방에 위치되어 광학필터(32)에 의해 선택적으로 투과된 복사에너지를 저항 또는 전압변화로 증폭하여 전기에너지로 출력하는 광센서(33)와, 상기 광학필터(32)와 광센서(33)를 고온, 고압의 배기가스로부터 보호할 수 있도록 상기 보호단열관(31)의 전방 개구부에 밀폐되는 사파이어재질의 보호유리(34)로 구성된 복사식 온도센서(3)가 구비됨으로서 고온고압의 배기가스로부터 필터를 보호함과 아울러 필터의 전체적인 온도를 측정하여 세라믹 미립자 필터의 과열을 방지할 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.

Description

복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치

본 발명은 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 특히, 연소되어 배출된 배기가스의 온도를 배제하고 전체적인 세라믹 미립자 필터의 온도를 특정할 수 있도록 하는 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치에 관한 것이다.

근래에 들어 자동차의 급속한 증가로 인하여 자동차에서 배출되는 가스에 의한 대기환경오염이 갈수록 심화되고 있는 가운데 그 중에서도 가솔린 및 LPG 사용 차량보다 디젤사용차량에서 배출되는 가스상 물질이 대기환경오염의 주범으로 인식되고 있다.

우리나라의 경우 현재 디젤차량의 보유비율이 전체차량의 약 1/3을 차지하고 있으며, 최근에 조사된 자동차에 의한 대기오염현황에 의하면 CO 32%, THC 37%, NOx 83%, SOF 98% 그리고 입자상 물질과 매연의 대부분이 디젤차량에서 배출되는 것으로 조사되었다. 특히, 전체 차량의 약 6%에 불과한 대형 디젤차량이 자동차에서 배출되는 오염물질의 50%를 차지할 정도로 대도시 환경오염의 주범으로 나타났을 뿐만 아니라 최근 디젤차량의 증가와 교통혼잡 등으로 그 배출량은 크게 증가하고 있다.

이와같이 자동차에서 배출되는 자동차의 배기가스의 증가는 건축물 및 산업시설물 등을 오염, 부식시키면서 사회에 막대한 피해를 입힐 뿐만 아니라, 또한 대기중에 부유하면서 호흡기를 통해 인체에 친입하여 호흡기 질환 및 시각장애, 암 등을 유발하여 국민 위생에 해치게 되는 문제점이 있었다.

상기와 같은 자동차의 배출가스에 의한 많은 문제점들을 해결하고자 가솔린 및 LPG 자동차에 대해서는 촉매 컨버터(catalytic converter)를 부착하여 배기가스중의 유해한 CO, HC, NOx 등을 무해한 CO₂, H₂O, N₂로 산화, 환원시켜 유해한 배기가스의 발생을 억제한다.

또한, 디젤자동차에 대해서는 세라믹 미립자 필터(ceramic particulate filter)를 통해 배기가스 내에 함유된 유해한 CO, HC, NOx 및 흑연 등을 포집한 후, 정화된 공기를 외부로 배출하고, 포집된 유해물질은 전기히터나 버너로 가열하여 태워버리게 된다.

일반적으로 자동차의 흡배기시스템은, 제1도에 도시된 바와같이, 엔진의 실린더에 흡입되는 공기의 이물질을 제거하는 공기정화기(100)와, 상기 공기정화기(100)에서 정화된 공기가 실린더에서 연소된 후, 각 실린더에서 배출된 배기가스를 모으는 배기 매니폴드(exhaust manifold)(200)와, 상기 배기 매니폴드(200)로부터 배출된 배기가스의 오염물질을 정화하는 정화장치(300)와, 상기 정화장치(300)에 의해 정화된 배기가스를 외부로 방출하는 배기관(400)과, 상기 배기관(400)의 후부에 실린더에서 배출되는 배기가스의 온도와 압력을 낮추어 배기소음을 저하시키는 소음기(500)로 구성되는 것으로, 이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

상기 정화장치(300)는, 제2도 및 제3도에서 도시된 바와같이, 배기가스의 유로를 형성할 수 있도록 다수의 정화공(311A)을 갖는 미세한 다공성재질의 세라믹 몸체(311)와, 상기 세라믹 몸체(311)의 정화공(311A)에 유입되는 배기가스의 배출압력에 의해 다공성의 세라믹 몸체(311)를 투과하여 외부로 방출될 수 있도록 상기 정화공(311A)의 선단 또는 후단 개구에 상호 중첩되지 않도록 끼워지는 세라믹 마개(312)로 구성된 세라믹 미립자 필터(310)를 구비하고, 이는 다시 금속재질의 케이스(320)에 내장되어 배기관(400) 또는 배기 매니폴드(200)에 설치된다.

또한, 상기와 같이 세라믹 미립자 필터(310)를 수용하여 외체를 형성하는 케이스(320)에 수개의 접촉식 온도센서(3)가 구비되어, 일측은 케이스(320)에 고정되고 타측은 정화공(311A)에 선택적으로 삽입되어 별도의 전기히터(H) 또는 경유버너로 가열된 세라믹 미립자 필터(310)의 온도를 측정하게 된다.

이와같이 구성된 세라믹 미립자 필터(310)는 실린더에서 배출되는 배기가스가 입구측이 개구된 정화공(311A)내로 유입되는 데 반하여, 출구측은 세라믹 마개(312)로 막혀있어 흐름이 멈추게 된다. 계속해서 유입되는 배기가스에 의해 소정 압력 이상의 배압이 형성되면 입구측이 개구된 정화공(311A)내의 배기가스는 다공성의 세라믹 몸체(311)를 투과하여 입구측은 세라믹 마개(312)에 의해 막히고 출구측은 개구되는 정화공(311A)으로 유로를 형성하게 된다. 이때, 상기 배기가스의 유해한 오염물질은 다공성의 세라믹 몸체(311)에 포집되어 정확된 배기가스만이 외부로 방출된다.

그리고, 상기 세라믹 몸체(311)에 포집된 오염물질에 의해 배기가스의 흐름에 소정이상의 배압이 형성되면, 상기 전기히터(H) 또는 경유버너에 의해 세라믹 몸체(311)를 가열하여 상기 세라믹 몸체(311)에 포집된 배기가스의 오염물질을 연소시켜 태워버리게 된다. 이때, 상기 세라믹 미립자 필터(310)가 소정온도 이상의 고온(재질의 특성상 약 900도 이상의 온도)이 되면 변형 및 파손으로 필터의 기능을 수행할 수 없게 되고, 반대로 소정온도이하의 저온이 되어도 세라믹 미립자 필터(310)에 포집된 배기가스의 오염물질이 충분히 연소되지 못하고 잔존하게 됨으로써 적정한 온도제어가 필요하게 된다. 따라서, 상기와 같이 구성된 세라믹 미립자 필터(310)의 정화공(311A)내에 선택적으로 수개의 접속식 온도센서(330)를 삽입하고 그 선단부와 세라믹 몸체(311)의 직접접촉에 의해 세라믹 미립자 필터(310)의 온도를 측정하게 된다.

그런데 상기와 같이 구성된 정화장치는 세라믹 미립자 필터의 정화공 내로 접촉식 온도센서가 직접 삽입되어 연소된 배기가스의 오염물질에서 발생되는 고온, 고압에 직접 노출되어 온도센서의 수명이 줄어들게 될 뿐만 아니라, 그에 따라 자주 교체해 주어야 함으로써 유지보수비가 상승하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 상기 접촉식 온도센서의 선단부와 세라믹 미립자 필터의 상호 직접적인 접촉에 의해 필터의 온도를 측정함으로써 국부적인 온도측정이 될 뿐만 아니라 이를 해결하기 위해 다수의 접촉식 온도센서를 사용해야 하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 특히 정화장치의 세라믹 미립자 필터에서 이격되어 복사에너지의 입사량에 따라 필터의 온도를 측정함으로서 고온고압의 배기가스로부터 필터를 보호함과 아울러 필터의 전체적인 온도를 측정할 수 있는 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 연소가스중의 이산화탄소 연소시에 발생되는 고밀도의 복사에너지에 의한 온도측정오차를 제거할 수 있는 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치는 세라믹 미립자 필터에 포집된 오염물질의 연소시에 발생되는 복사에너지의 입사량을 검출하여 상기 세라믹 미립자 필터의 온도를 측정할 수 있는 복사식 온도센서를 필터에서 이격되게 구비된 것을 특징으로 한다.

제1도는 일반적인 자동차의 흡배기 시스템을 보인 개량구성도.

제2도는 일반적인 세라믹 미립자 필터가 구비된 정화장치를 보인 측단면도.

제3도는 일반적인 세라믹 미립자 필터의 배기가스의 흐름을 보인 구성도.

제4도는 본 발명이 적용된 정화장치의 구성을 보인 측단면도로써,

제4(a)도는 복사식 온도센서가 입구측에 설치된 상태를 보인 거이고,

제4(b)도는 복사식 온도센서가 입구측에 설치된 상태를 보인 것이다.

제5도는 본 발명이 적용된 복사식 온도센서의 구조를 보인 측단면도.

제6도는 흑체의 복사온도별 방출파장을 보인 복사 스펙트럼 분포도.

제7도는 배기가스의 함유물에 따른 파장별 흡수도를 보인 그래프도.

제8도는 배기가스 연소시 파장과 출력간의 관계를 보인 분광감도특성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3 : 복사식 온도센서 30 : 광학필터

31 : 광센서 32 : 보호단열관

33 : 보호유리 100 : 공기정화기

200 : 배기 매니폴드 300 : 정화장치

310 : 세라믹 미립자 필터 311 : 세라믹 몸체

311A : 정화공 312 : 세라믹 마개

320 : 케이스 330 : 접촉식 온도센서

400 : 배기관 500 : 소음기

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치의 기술적 사상에 따른 실시예를 들어 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 제4도는 본 발명이 적용된 정화장치의 구성을 보인 측단면도이고, 제5도는 본 발명이 적용된 복사식 온도센서의 구조를 보인 측단면도이다.

본 발명이 적용되는 디젤자동차의 정화장치(300)는 배출압력에 의해 배기가스가 다공성의 몸체(311)를 투과하여 외부로 방출될 수 있도록 상기 몸체(311)에 통공된 정화공(311A)의 선단 또는 후단 개구에 상호 중첩되지 않게 세라믹 마개(312)가 끼워지는 세라믹 미립자 필터(310)가 금속재질의 케이스(320)에 내장된다.

이와같이 구성된 디젤자동차의 정화장치(300)에 있어서 본 발명은 상기 세라믹 미립자 필터(310)로부터 이격된 위치에서 세라믹 미립자 필터(310)에 포집된 배기가스의 오염물질 연소시에 발생되는 복사에너지를 검출하여 세라믹 미립자 필터(310)의 온도를 측정하는 복사식 온도센서(3)가 구비된 것으로 이를 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같다.

상기 복사식 온도센서(3)는 원통 또는 함체로 외체가 형성되어 일측이 개구되는 단열재의 보호단열재(31)과, 상기 보호단열관(31)의 개구부 반대측에 내장되어 세라믹 미립자 필터(310)에 포집된 오염물질의 연소시 배기가스의 연소온도가 배제된 세라믹 미립자 필터(310)의 온도를 측정될 수 있도록 선택적으로 4㎛대역 이상의 파장을 차단하는 광학필터(32)와, 상기 광학필터(32)의 근접후방에 위치되어 광학필터(32)에 의해 선택적으로 투과된 복사에너지를 저항 또는 전압변화로 증폭하여 전기에너지로 출력하는 광센서(33)와, 상기 광학필터(32)와 광센서(33)를 고온, 고압의 배기가스로부터 보호할 수 있도록 상기 보호단열관(31)의 전방 개구부에 밀폐되는 사파이어재질의 보호유리(34)로 구성된다.

또한, 상기 복사식 온도센서(3)는 상기 정화장치(300)의 세라믹 미립자 필터(310)의 입구측, 또는 출구측에 선택적으로 설치된다.

다음은 상기와 같이 구성된 본 발명에 대해 아래의 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명된다. 이들 실시에는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

상기와 같이 복사식 온도센서(3)가 구비된 정화장치(300)에서 배기가스는, 제3도에 도시된 바와같이, 배출압력에 의해 입구측이 개방된 정화공(311A)에 유입된 배기가스는 출구측의 마개(312)에 흐름이 차단되어 점차 가압된다. 이와같이, 배출압력에 의해 가압되는 배기가스는 다공성의 세라믹 몸체(311)를 투과하여 출구측이 개구된 정화공(311A)으로 유입, 배출된다. 이때, 다공성의 세라믹 몸체(311)의 미립공보다 큰 배기가스중에 포함된 오염물질은 상기 세라믹 몸체(311)에 포집된다.

한편, 이와같이 구성된 배기가스 정화장치(300)는, 제4도에 도시된 바와같이 이, 세라믹 미립자 필터(310)에 포집된 오염물질의 연소시에 발생되는 복사에너지를 이용하여 상기 세라믹 미립자 필터(310)의 온도를 측정하는 복사식 온도센서(3)를 상기 세라믹 미립자 필터(310)와 직접 접촉시키 않고 소정간격 이격시켜 세라믹 미립자 필터(310)의 입구측 또는 출구측 케이스(320)에 상기 복사식 온도센서(3)를 설치함으로서 세라믹 미립자 필터(310)의 전체적인 온도를 측정할 수 있게 되는데, 이를 좀더 자세히 살펴보면 다음과 같다.

상기 복사식 온도센서(3)는, 제5도에 도시된 바와같이, 상기 세라믹 미립자 필터(310)에 포집된 오염물질의 연소에서 발생되는 복사에너지를 검출하여 온도를 측정하게 되는 것으로, 상기 입사되는 복사에너지를 배기가스로부터 광센서(33)와 광학필터(32)를 보호하는 사파이어재질의 보호유리(34)를 통과하여 유입된다. 이때, 유입되는 복사에너지는 배기가스의 온도를 배제하고 세라믹 미립자 필터(310)의 온도를 측정할 수 있도록 4㎛대역 이상의 파장을 선택적으로 차단하는 광학 필터(32)를 통해 4㎛대역 이상의 파장은 차단되어 광센서로 입사된다. 따라서, 상기와 같이 광학필터(32)에 의해 선택적으로 4㎛대역이상의 파장이 차단된 입사광은 복사에너지를 열로 흡수시킨 뒤 이 온도변화를 얇은 막으로 된 서머스탯(thermostat) 또는 서머파일(thermopile)을 사용하여 전기에너지로 출력하는 광센서(33)에 의해 세라믹 미립자 필터(310)의 온도가 측정된다.

즉, 상기와 같이 복사식 온도센서(3)는 전복사온도를 이용하여 온도를 측정하게 되는데, 이때, 어떤 물체의 표면으로부터 방출되는 복사강도가 어떤 온도의 흑체의 복사강도와 동일할 때 그 흑체의 온도를 물체의 복사온도라 하고, 제6도에서 도시된 바와같이, 여러 온도의 흑체로부터 복사되는 복사능을 파장의 함수로 나타나는 출력으로써 복사에너지는 파장과 온도의 함수로 단위파장당 단위시간에 방출되는 에너지가 된다.

이와같이, 파장과 온도의 함수로 방출되는 복사에너지는 배기가스의 오염 물질이 포집된 세라믹 미립자 필터(310)뿐만 아니라 배기가스의 연소중에도 발생되는데, 이러한 복사에너지를 입사량에 따라 전기에너지로 변환하여 출력하는 광센서(33)를 통해 전기적인 신호로 출력하게 된다. 이는 입사광의 에너지가 일정하더라도 그 출력에너지는 각 파장에 따라서 각각 다르게 되는데, 제8도에 도시된 바와같이, 그 특성을 분광감도특성이라 한다. 이는 방사감도 표시방법에 의한 분광감도특성으로 X축은 파장(㎛)을 나타내고 Y축은 최고감도파장에서의 감도를 100(%)로 한 상대감도로 나타난다. 이에 따르면, 태양광(S)은 0∼1㎛대역의 파장에서 출력이 최대이고, 배기가스(F)의 연소에는 4㎛대역 이상의 파장에서 기형적으로 복사에너지의 출력이 급격히 증가되어 광센서(33)에서 고온의 온도를 측정된다. 이는 배기가스에 포함된 각 원소의 연소시의 발광파장을 보인 제7도에서 이해될 수 있는데 배기가스중에 포함된 CO₂가 4.3㎛대역에서 파장이 집중적으로 발생됨을 알 수 있게 된다. 여기에서 X축은 파장 그리고 Y축은 흡수도를 나타낸다.

따라서, 상기와 같은 정화장치(300)에서의 온도측정은 세라믹 미립자 필터(310)의 과열을 사전에 방지할 수 있도록 하는 것이므로 연소가스의 온도수치가 아닌 세라믹 미립자 필터(310)의 온도를 측정할 수 있도록 4㎛대역 이상의 파장을 차단하는 광학필터(32)를 구비하게 된다.

따라서, 온도측정시 이산화탄소(CO₂)의 연소에서 발생되는 급격한 온도상승을 배제하여 온도계측의 오차없이 전체적인 세라믹 미립자 필터(310)의 온도를 측정할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와같이, 본 발명 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치는 정화장치의 세라믹 미립자 필터에서 소정간격 이격되어 복사에너지의 입사량에 따라 필터의 온도를 측정함으로서 고온고압의 배기가스로부터 필터를 보호함과 아울러 필터의 전체적인 온도를 측정하여 세라믹 미립자 필터의 과열을 방지할 수 있는 효과가 있게 되는 것이다.

Claims

세라믹 미립자 필터(310)가 구비되는 디젤자동차의 정화장치에 있어서, 상기 세라믹 미립자 필터(310)에 포집된 배기가스의 오염물질 연소시에 발생되는 복사에너지를 검출하여 필터(310)의 온도를 측정하도록 원통형 또는 함체로 외체가 형성되어 일측이 개구되는 단열재의 보호단열단(31)과; 상기 보호단열단(31)의 개구부 반대측에 내장되어 배기가스의 온도가 배제된 세라믹 미립자 필터(310)의 온도를 측정하도록 4㎛대역 이상의 파장을 선택적으로 차단하는 광학필터(32)와; 상기 광학필터(32)의 후방에 위치되어 광학필터(32)에 의해 선택적으로 투과된 복사에너지를 저항 또는 전압변화로 증폭하여 전기에너지로 출력하는 광센서(33)와; 상기 광학필터(32)와 광센서(33)를 고온, 고압의 배기가스로부터 보호할 수 있도록 상기 보호단열관(31)의 전방 개구부에 밀페되는 사파이어재질의 보호유리(34)로 구성된 복사식 온도센서(3)가 구비되는 것을 특징으로 하는 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치.
제1항에 있어서, 상기 복사식 온도센서(3)는 세라믹 미립자 필터(310)에서 소정간격 이격되게 구비되는 것을 특징으로 하는 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배가가스 정화장치.
제1항, 또는 제2항에 있어서, 상기 복사식 온도센서(3)는 세라믹 미립자 필터(310)의 입구측 또는 출구측에 설치되는 것을 특징으로 하는 복사식 온도센서가 구비된 디젤자동차의 배기가스 정화장치.