KR100432406B1 - 진단형 디젤 광투과식 매연측정기 - Google Patents

진단형 디젤 광투과식 매연측정기 Download PDF

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KR100432406B1
KR100432406B1 KR10-2003-0002288A KR20030002288A KR100432406B1 KR 100432406 B1 KR100432406 B1 KR 100432406B1 KR 20030002288 A KR20030002288 A KR 20030002288A KR 100432406 B1 KR100432406 B1 KR 100432406B1
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Abstract

디젤 광투과식 매연측정기(LIGHT-EXTINCTION TYPE DIESEL SMOKE METER, 또는 DIESEL OPACITY METER)는 매연을 함유하고 있는 가스에 광을 투과시켜 가스의 불투명도(OPACITY)를 실시간 연속적으로 측정하는 장치로서, 샘플링프로브(SAMPLING PROBE), 샘플링프로브 고정용 기구, 샘플링라인(SAMPLING LINE), 가열기와 온도센서가 외벽에 감겨져 있으며 내부에 온도센서가 설치된 측정실(MEASURING CHAMBER), 발광부(LIGHT TRANSMITTER)와 수광부 (LIGHT RECEIVER)로 이루어진 광학부(OPTICAL UNIT), 오염방지공기(PROTECTION AIR, 또는 AIR CURTAIN) 공급용 팬(FAN)과 유로, 마이크로컨트롤러, 측정값 지시부(DISPLAY UNIT), 및 프린트 등으로 구성되는 장치이다.
디젤엔진으로부터 배출되는 매연의 농도를 측정하는 종래의 디젤 광투과식 매연측정기는, 측정 시 차량의 과도한 진동에 의해 샘플링프로브가 배기관으로부터 이탈되는 현상을 시험자에게 인지시키는 기능을 제공하지 않았다. 따라서, 시험자가 시험 종료 후 육안으로 샘플링프로브의 이탈 여부를 확인하였으며, 시험결과의 유효 여부를 판정함에 있어서 큰 애로점이 되었다.
본 발명에서는 상기의 단점을 해결하기 위하여, 종래의 디젤 광투과식 매연측정기에서 매연농도를 표준상태로 보정하기 위하여 사용하던, 측정실 내부에 설치된 온도센서를 이용하였다. 측정실 내부에 설치된 온도센서는 시험 중 측정실 내부로 유입되는 가스의 온도를 측정한다. 따라서 시험 중 샘플링프로브가 정상적인 위치로부터 벗어나면 가스 온도 측정값이 비정상적인 거동을 보인다. 시험 중, 기 설정된 기준값과 비교하여 가스 온도가 일정 범위를 벗어나면, 시험자에게 샘플링프로브가 배기관으로부터 이탈되었음을 측정값 지시부에 표시해 줌으로써, 시험의 유효 여부를 신속히 판정할 수 있도록 하였다. 추가적으로 샘플링프로브가 이탈된 것으로 판정될 때, 디지털카메라를 이용하여 샘플링프로브와 배기관 연결부의 영상을 획득하여 기록함으로써 가시적으로 확인할 수 있도록 하였다.
본 발명의 '진단형 디젤 광투과식 매연측정기(DIAGNOSTIC, LIGHT-EXTINCTION TYPE DIESEL SMOKE METER)'는,
디젤 엔진과 디젤 차량으로부터 배출되는 배기가스 중의 매연농도를 측정하기 위하여 배기관의 말단(31)에 삽입하는 샘플링프로브와(32),
샘플링프로브를 배기관의 말단에 고정시켜 주는 샘플링프로브 고정용 기구 (33)와,
샘플링프로브(32)의 출구에 연결하는 샘플링라인(34)과,
샘플링라인의 출구에 연결되며, 수분의 응축이 발생하지 않도록 가열기와 온도센서(37)가 외벽을 감싸고 설치되어 일정한 온도로 가열되는, 내부에 가스 온도 측정을 위한 온도센서(36)가 설치된, 배기가스와 광선이 통과하는 측정실과(35),
매연농도를 광학적인 방법으로 측정하기 위한 발광부(38)와 수광부(39)로 구성된 광학부와,
오염방지공기를 공급하는 팬(40)과,
광학부의 광원 및 광센서를 인터페이스하여 제어하고, 오염방지공기의 유량을 공급하는 팬을 제어하고, 측정실을 감싼 가열기를 일정한 온도로 제어하고, 광학부로부터의 전기적 신호와 측정실 내부에 설치된 온도센서의 측정값을 이용하여 매연의 농도를 환산하는 마이크로컨트롤러(41)와,
측정실 내부에 설치된 온도센서로부터의 측정값을 이용하여 샘플링프로브의 이탈 여부를 진단하고 표시하는 샘플링프로브 진단창(52)을 제공하는 측정값 지시부(42) 등으로 구성된다.

Description

진단형 디젤 광투과식 매연측정기{DIAGNOSTIC, LIGHT-EXTINCTION TYPE DIESEL SMOKE METER}
1990년대 초부터 북미와 유럽은 여과식 매연측정기의 신뢰성 부재, 큰 측정오차 발생 등을 개선하기 위하여 광투과식 매연측정기를 개발하여 표준 측정장비로 선정하고 각종 디젤 매연 규제에 적용하고 있다. 광투과식 매연측정기는 디젤엔진을 장착하고 있는 모든 차량에서 배출되는 매연의 농도를 측정하여 규제하기 위한기본장비로 사용되고 있으며 경유와 석유를 사용하는 보일러, 파워플랜트의 굴뚝에 서 배출되는 가스의 매연농도를 측정하는 데도 이용하고 있다.
국내에서도 약 3년 간의 시범운영 기간을 거쳐, 2002년 5월부터 수도권의 노후화된 차량에 대해 실시하는 환경부 운행차 정밀검사에 디젤 광투과식 매연측정기가 표준장비로 처음 도입되었다. 운행차 정밀검사에 대해서는 환경부 '대기환경보전법', '대기환경보전법 시행규칙', 및 국립환경연구원 '환경측정기기의 형식승인 및 정도검사 등에 관한 고시' 등에 제시되어 있다.
도 1 에는, 샘플링프로브(2), 샘플링프로브 고정용 기구(3), 샘플링라인(4), 측정실(5), 측정실 내부에 설치된 온도센서(6), 측정실 외벽에 감싸진 가열기와 온도센서(7), 발광부(8), 발광부 렌즈(9), 수광부렌즈(10), 수광부(11), 오염방지공기 공급용 팬(12) 및 유로, 마이크로컨트롤러(13), 측정값 지시부(14), 및 프린트(15) 등으로 구성된, 종래의 디젤 광투과식 매연측정기(이하 '종래의 측정기' 라 약칭함)의 개략 구성도가 제시되어 있다.
디젤엔진이나 차량의 배기관 말단(1)에 삽입된 샘플링프로브(2)의 입구로 유입된 배기가스는 샘플링라인(4)을 거쳐 측정실(5)의 중앙으로 유입된다. 샘플링프로브(2)에 고정된, 샘플링프로브 고정용 기구(3)는 샘플링프로브를 배기관에 고정시키는 역할을 한다. 그림에 표시된 일례에서, 고정용 집게의 한쪽 끝은 샘플링프로브에 고정되어 분리되지 않으며, 다른 한쪽 끝은 배기관을 누름으로써 고정된다. 사용자가 집게의 손잡이 부분을 누르면 스프링이 압축되고 배기관에 고정된 부분이 벌어지며 샘플링프로브가 배기관으로부터 분리된다. 측정실로 유입된, 매연을 함유한 배기가스는 측정실의 양단의 출구를 통해 대기로 빠져나간다. 이 때 광학부의 발광부(8)에서 조사(照射)된 광선은 배기가스를 통과한 후 수광부(11)에 도달하여 광량에 비례하는 전기적인 신호로 검출된다. 배기가스를 통과하는 광선은 배기가스 중의 매연에 흡수되거나 산란되고 남은 양만 수광부(11)에 도달한다. 이 양은 매연의 농도에 비례하여 감소하므로 매연의 농도를 측정하는 정량적인 방법으로 채택되었다. 이에 관한 기술적인 내용은 국제표준규격인 ISO 11614 (ISO 11614 - APPARATUS FOR THE MEASUREMENT OF THE OPACITY AND FOR DETERMINATION OF THE LIGHT ABSORPTION COEFFICIENT OF THE EXHAUST GAS) 규정에 상세히 기술되어 있다. 발광부(8)에서 평행광선을 만들어 주는 볼록렌즈(9)와, 수광부(11)에서 집광 기능을 갖는 볼록렌즈(10)의 한쪽 면은 배기가스에 노출되어 오염될 수 있다. 팬(12)이나 기타 기구를 이용하여 오염방지공기를 렌즈(9,10) 앞으로 공급하여 오염을 방지하도록 구조가 설계되어 있다. 배기가스가 유입되는 측정실(5)은 수분의 응축을 방지하기 위하여, 측정실 외부 벽을 섭씨 80도 이상의 일정한 온도로 가열하도록 가열기와 온도센서(7)가 장착되어 있다. 수광부(11)에서 측정된 전기적인 신호를 이용하여 계산된 매연농도는, 측정실 내부에 설치된 온도센서(6)에 의해 측정된 배기가스의 온도를 이용하여 표준상태로 환산한다. 여기서 표준상태는 ISO 11614 규정에 의하여 373K(100℃)를 지칭한다. 마이크로컨트롤러(13)는 오염방지 공기의 유량 제어, 측정실(5) 외부 벽 가열기(7)의 제어, 측정실 내부 온도센서(6)와 광학부 (8,11)의 광학소자 제어 및 인터페이스를 통하여 매연농도를 실시간으로 측정하는 기능을 제공한다.
도 2 는, 도 1 의 종래의 측정기를 구성하는 측정값 지시부에 표시되는, 디젤 광투과식 매연측정기를 구동하는 사용자 인터페이스창(17,18), 측정값 표시창 (19,20), 시험자정보 표시창(21), 및 시험차량정보 표시창(22) 등으로 구성된 시험자용 소프트웨어의 실행 화면의 일례이다. 주요창(MAIN WINDOW, 16)은 여러가지 작은 창으로 구성되어 있으며, 시험자는 주요창 내부의 사용자 인터페이스창(17,18)을 이용하여 종래의 측정기에 명령을 내리고 진행 상황을 회신 받는다. 사용자 인터페이스창(17)에서 '측정', '저장', '영점', '평균', '리셋', '중지', '파일', '새이름', '프린트', '설정' 등과 같은 명령실행 아이콘을 누르면, 광투과식 매연측정기는 이에 적합한 절차를 수행하고 그 결과 또는 진행상황을 창(18)에 표시하여 사용자에게 인지시켜 준다. 명령실행 결과 중에서 시험 데이터는 측정값 표시창 (19,20)에 별도로 실시간으로 표시하여 사용자에게 제공한다. 이와 함께 시험자정보 표시창(21)에는, '시험번호', '시험장소', '시험일자', '시험자성명', '저장파일명' 등을 표시하거나 입력 및 기록할 수 있도록 하여 사용자에게 편의를 제공한다. 시험차량정보 표시창(22)에는 시험의 대상이 되는 차량에 관련된, '차량번호', '차대번호', '차종', '차령', '주행거리', '소유자', '수검기한' 등과 같은 정보를 표시하거나 입력 및 기록할 수 있도록 하여 사용자에게 편의를 제공한다.
도 3 은, 시험자가 디젤차량의 배기관 말단(25)에 샘플링프로브를 삽입하고, 샘플링프로브 고정용 기구(27)를 이용하여 배기관에 샘플링프로브를 고정한 후, 매연농도 측정시험을 수행할 때의 주변 모습이다. 샘플링라인(26)은 광투과식 매연측정기 본체(28)에 연결되고, 이 본체 내부에는 측정실, 광학부, 오염방지공기 유로,팬, 마이크로컨트롤러 등이 내장되어 있다. 본체에 내장된 마이크로컨트롤러는, 측정값 지시부(30)에 통신선(29)으로 연결되어 있다. 측정값 지시부(30)는, 시험자가 육안으로 측정과정과 데이터의 확인이 용이하고 광투과식 매연측정기에 명령을 내리기 쉬운 위치에 설치한다. 통상적으로 시험자(23)는 차량(24)의 운전석에 앉아서 가속페달을 밟으며 시험을 수행한다. 이 때 시험단계마다의 지시사항과 시험결과 또는 데이터를 시험자의 근처에 설치된 측정값 지시부(30)을 통해 확인한다. 시험자가 근처에 설치된 측정값 지시부(30)를 통하여 광투과식 매연측정기에 직접 명령을 내리거나, 또는 별도의 독립된 운영실(OPERATING ROOM)에서 제3자가 독립된 별도의 지시부를 통하여 광투과식 매연측정기에 명령을 내리고 그 결과를 확인한다.
이상에서와 같이, 종래의 측정기의 구조, 작동 및 측정원리, 시험자용 소프트웨어의 구성, 시험자의 사용 실례 등에 관해 기술하였다.
상기에서 살펴본 바와 같이 매연농도 측정시험을 수행함에 있어서, 샘플링프로브는 통상적으로 차량의 후방에 위치하고 시험자는 시험 도중 그 상황을 알 수가 없다. 디젤 차량의 매연농도 측정시험을 수행함에 있어서, 차량이 노후해서 시험 중 차량 진동이 심하게 발생하는 경우 샘플링프로브가 배기관 말단으로부터 이탈하는 경우가 발생한다. 즉, 샘플링프로브 고정용 기구가, 고정되어 있던 배기관 말단으로부터 이탈함을 의미한다. 이러한 현상이 발생하여도 시험자는 시험 중 인지하지 못한다. 시험 종료 후에 샘플링프로브를 배기관으로부터 분리하기 위하여 시험자가 차량의 후방으로 왔을 때만 비로소 샘플링프로브가 이탈하였음을 인지하게 된다. 시험자는 샘플링프로브가 시험 중에 이탈하였는지, 시험이 종료된 후 이탈하였는지 알지 못하기 때문에 시험의 유효성을 판정함에 있어서 어려움을 겪으며 대부분의 경우 시험을 무효 처리하게 된다.
상기의 경우는 시험자의 고의성이 없이 차량의 진동에 의해 샘플링프로브가 배기관으로부터 이탈하여 시험이 무효 처리되는 경우이다. 그러나 이와 달리, 시험자가 고의적으로 배기관 말단 내부에 정확히 샘플링프로브를 삽입하지 않고 시험을 수행하는 경우도 있다. 이는 시험자가 악의적으로 정확한 매연측정을 회피하고자 하는 경우이다. 왜냐하면 국내 환경부 운행차 정밀검사의 디젤 매연측정 시험에서 규제값 이하로 합격하지 못하면 차량의 등록과 운행에 불이익을 받기 때문이다. 이는 반드시 이러한 악의적인 경우가 있다는 것을 확정적으로 지칭하는 것이 아니고 개연적인 측면에서의 고려라고 볼 수도 있다.
종래의 측정기는, 상기에서 언급한 두가지 경우와 같이 샘플링프로브가 배기관으로부터 이탈하는 경우와, 샘플링프로브를 정확히 설치하지 않는 경우에 대한 어떠한 진단 기능도 제공하지 않는다.
본 발명에서는 이러한 단점을 극복하기 위한 '진단형 디젤 광투과식 매연측정기(DIAGNOSTIC, LIGHT-EXTINCTION TYPE DIESEL SMOKE METER, 이하 '진단형 측정기'라 약칭함)'를 제공하고자 한다.
종래의 측정기에서, 측정실 내부에 설치된 온도센서는 배기가스의 온도를 실시간으로 측정하여 매연농도를 표준상태로 환산하기 위하여 사용하였다. 시험 도중배기관으로부터 샘플링프로브가 이탈할 경우, 측정실로 배기가스가 유입되지 않고 대기(ATMOSPHERE)가 유입되기 때문에 측정실 내부의 온도센서에서 측정되는 온도는 비정상적인 거동을 보이게 된다. 즉, 시험 중 배기가스가 정상적으로 유입되는 경우와, 비정상적으로 대기가 유입되는 경우의 측정실 내부 가스 온도의 차이와 비교는 샘플링프로브의 이탈을 감지할 수 있는 좋은 수단이 된다. 측정실 내부의 가스 온도에 대한 해석을 통하여 샘플링프로브가 이탈하였다고 판정되면 측정값 지시부에 표시하고 시험 기록에 남김으로써, 시험 종료 후 결과의 자의적 해석 또는 수정이 불가능해진다. 이렇게 함으로써, 샘플링프로브가 차량 진동에 의해 배기관으로부터 이탈하는 경우와, 시험자가 고의적으로 시험을 회피하는 경우에 대해 정확한 진단과 결과를 남길 수 있다.
도 1 은, 샘플링프로브(SAMPLING PROBE), 샘플링프로브 고정용 기구, 샘플링라인(SAMPLING LINE), 측정실(MEASURING CHAMBER), 광학부(OPTICAL UNIT), 오염방지공기(PROTECTION AIR) 공급용 팬(FAN), 마이크로컨트롤러(MICRO CONTROLLER), 측정값 지시부(DISPLAY UNIT), 및 프린트 등으로 구성된 종래의 디젤 광투과식 매연측정기(LIGHT-EXTINCTION TYPE DIESEL SMOKE METER, 또는 DIESEL OPACITY METER, 이하 '종래의 측정기'라 약칭함)의 개략 구성도.
도 2 는, 도 1 의 종래의 측정기를 구성하는 측정값 지시부에 표시된, 디젤 광투과식 매연측정기를 구동하는 사용자 인터페이스창, 측정값 표시창, 시험자정보 표시창, 및 시험차량정보 표시창 등으로 구성된, 시험자용 소프트웨어의 실행 화면의 일례.
도 3 은, 시험자가 디젤차량에서 매연 측정 시험을 수행할 때, 측정실이 내장된 측정기 본체와 측정값 지시부가 배치된 개략도.
도 4 는, 도 1 의 종래의 측정기의 측정값 지시부에 디지털카메라가 통신선을 이용하여 연결된 본 발명의, 진단형 디젤 광투과식 매연측정기(DIAGNOSTIC,LIGHT-EXTINCTION TYPE DIESEL SMOKE METER, 이하 '진단형 측정기'라 약칭함)의 개략 구성도.
도 5 는, 도 2 의 종래의 측정기의 시험자용 소프트웨어의 실행 화면에, 추가로 측정실 내부에서 측정되는 가스의 온도를 이용하여 샘플링프로브의 이탈 여부를 진단하고 표시하는 샘플링프로브 진단창이 제공되는, 본 발명의 진단형 측정기의 시험자용 소프트웨어의 실행 화면의 일례.
도 6 은, 본 발명의 진단형 측정기가 제공하는 배기관 및 샘플링프로브 연결부의 영상.
도 7 은, 하나의 배기관 말단부에 동시에 샘플링프로브 두 개를 삽입하고, 두 대의 디젤 광투과식 매연측정기를 이용하여, 무부하 급가속 시험을 수행했을 때 측정된 시험 결과 데이터 비교도.
도 8 은, 도 7 의 데이터 중에서 경과시간 106초부터 124초 사이의 데이터를 상세히 확대하여 표시한 데이터 비교도.
도 9 는, 하나의 배기관 말단부에 동시에 샘플링프로브 두 개를 삽입하고, 두 대의 디젤 광투과식 매연측정기를 이용하여, 부하 시험을 수행했을 때 측정된 시험 결과 데이터 비교도.
도 10 은, 도 9 의 데이터 중에서 엔진속도와 가스온도 데이터를 확대하여 표시한 데이터 비교도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 배기관 말단 2 : 샘플링프로브
3 : 샘플링프로브 고정용 기구 4 : 샘플링라인
5 : 측정실 6 : 배기가스 온도 측정용 온도센서
7 : 측정실의 가열기와 온도센서 8 : 발광부
9 : 발광부 렌즈 10 : 수광부 렌즈
11 : 수광부 12 : 오염방지공기 공급용 팬
13 : 마이크로컨트롤러 14 : 측정값 지시부
15 : 프린트 16 :시험자용 소프트웨어의 주요창
17, 18 : 사용자 명령 인터페이스창
19, 20 : 측정값 표시창 21 : 시험자정보 표시창
22 : 시험차량정보 표시창 23 : 시험자
24 : 시험차량 25 : 배기관 말단
26 : 샘플링라인 27 : 샘플링프로브 고정용 기구
28 : 측정기 본체
29 : 측정기 본체와 측정값 지시부 사이의 통신선
30 : 측정값 지시부
31 : 배기관 말단 32 : 샘플링프로브
33 : 샘플링프로브 고정용 기구 34 : 샘플링라인
35 : 측정실 36 : 배기가스 온도 측정용 온도센서
37 : 측정실의 가열기와 온도센서 38 : 발광부
39 : 수광부 40 : 오염방지공기 공급용 팬
41 : 마이크로컨트롤러 42 : 측정값 지시부
43 : 통신선 44 : 디지털카메라
45 :시험자용 소프트웨어의 주요창 46, 47 : 사용자 명령 인터페이스창
48, 49 : 측정값 표시창 50 : 시험자정보 표시창
51 : 시험차량정보 표시창 52 : 샘플링프로브 진단창
53 : 영상 제공 명령 아이콘 54 : 배기관 말단
55 : 샘플링라인 56 : 샘플링프로브 고정용 집게
57 : 가스온도 1 58 : 가스온도 2
59 : 샘플링프로브 이탈 지점 60 : 정속구간 평균온도
61 : 1모드 평균온도 62 : 2모드 평균온도
63 : 3모드 평균온도
도 4 에는, 도 1 의 종래의 측정기를 구성하는 측정값 지시부(42)에 추가로 디지털카메라(44)를 통신선(43)을 이용하여 연결하고, 샘플링프로브와 배기관 연결부의 영상을 획득할 수 있도록 한, 본 발명의 진단형 측정기의 구성도가 제시되어 있다.
도 5 에는, 도 2 의 종래의 측정기의 시험자용 소프트웨어의 실행화면정보에, 추가로 측정실 내부의 가스 온도 해석를 통하여 샘플링프로브의 이탈 여부를 진단하고 표시하는 샘플링프로브 진단창(52)이 표시되는, 본 발명의 진단형 측정기의 시험자용 소프트웨어의 실행화면의 일례가 제시되어 있다. 시험자는, 측정값 지시부(42)의 샘플링프로브 진단창(52)에 표시되는 측정실 내부 가스 온도와 기 설정된 기준값의 비교를 통하여 샘플링프로브의 이탈 여부를 확인할 수 있다. 광투과식 매연측정기는 설정된 기준값으로부터 일정 범위 이상을 측정실 내부의 가스온도가 벗어나면 자동으로 측정값 지시부에 이를 표시하고 기록 및 저장한다. 동시에 진단형 측정기는 도 6 과 같이 샘플링프로브와 배기관 연결부의 영상을 획득하여 기록하고 저장한다. 시험자는, 샘플링프로브 진단창(52)에 측정실 온도가 비정상으로 표시될 때, 진단창(52)의 내부 명령 아이콘(53)인 '샘플링프로브 사진보기'를 실행시키고 자동으로 저장된 도 6 과 같은 영상을 확인할 수 있다.
도 7 에는, 국내 환경부 운행차 정밀검사에서 디젤 광투과식 매연측정기를 사용하여 수행하는 무부하 급가속 시험의 결과의 일례가 제시되어 있다. 무부하 급가속 시험은, 차량의 정지상태에서 변속기를 중립 위치에 둠으로써 구동바퀴에 동력을 전달하지 않고 무부하 상태에서 엔진의 회전수만을 증가시키며 수행한다. 도 7 에서, 공회전 상태에서 시험자는 가속페달을 최단시간 중에 최대한 밟고 유지한다. 엔진이 최대속도에 도달하면 약 3~5초간 유지하다가 가속페달을 놓는다. 무부하 급가속 시험은 연속하는 3번의 유효한 데이터를 이용한다. 여기서 '유효한'의 의미에 대해서는 국내 관련법규에 자세히 언급되어 있으므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다. 본 그림의 데이터는, 한 대의 디젤 차량의 배기관 말단에 동시에 두개의 샘플링프로브를 삽입하고 각각의 샘플링프로브에 연결된 두 대의 디젤 광투과식 매연측정기를 이용하여 동시에 측정한 시험 결과이다. 연속되는 세 번의 가속 시험에서 엔진속도의 증가와 함께 증가하는 매연농도가 잘 측정되어 있다. 또한,측정실 내부(35)에 설치된 온도센서(36)로부터 측정된 가스온도(57,58)도 표시되어 있다. '가스온도1(57)'은 샘플링프로브가 정상적으로 배기관 말단에 설치되고 유지되었을 때 측정된 가스온도이고, '가스온도2(58)'는 다른 하나의 샘플링프로브가 세번째 가속 직전에 배기관으로부터 이탈되었을 때 측정된 가스온도이다. 통상적으로 무부하 급가속 시험에서 엔진을 급가속하면 측정실 내부로 유입되는 배기가스의 온도가 상승하기 때문에, 엔진속도의 증가와 함께 측정실 내부에서 측정되는 가스온도도 상승한다. 그러나 배기관으로부터 샘플링프로브가 이탈하면 가스온도2(58)의 거동과 같이 엔진속도는 증가하여도 가스온도가 상승하지 않는다. 이는 이탈한 샘플링프로브로 배기가스보다 온도가 낮은 대기가 유입되기 때문에 발생하는 현상이다.
도 8 에는, 도 7 의 시험결과 중에서 경과시간 106초부터 124초 사이의 데이터를 상세히 확대한 것이다. 즉, 도 7 의 세번째 급가속 시험의 결과를 다시 비교한 것이다. 본 도에서, 엔진이 공회전 상태로부터 급가속되어 최고속도(정속)에 도달한 후 감속되어 다시 공회전 상태로 복귀할 때의 정상적인 가스온도 거동과 비정상적인 가스온도 거동을 상세히 이해할 수 있다. 샘플링프로브가 정상적으로 잘 유지되고 있는 경우는, 정속 구간에서의 평균온도가 가속 직전의 공회전 구간의 평균온도나 가속 구간보다 최소 5~10% 이상 높다. 이 현상은 모든 디젤 차량에서 동일하게 발생한다. 정속 구간의 평균온도의 절대값은 시험차량의 차종과 엔진의 종류에 따라 차이가 발생하며, 시험 시 외기 조건에 따라서도 차이가 발생한다. 그러나 정속 구간의 평균온도가 공회전 구간과 가속 구간의 온도보다 일정 비율 이상 높다는 것은 명확하다. 따라서 평균온도 절대값의 차이보다는 비율이 더욱 중요한 인자가 된다. 본 도의 결과는 시험 중에 샘플링프로브가 이탈한 경우의 데이터이지만, 만약 시험 시작 시에 시험자가 고의로 샘플링프로브를 정확히 설치하지 않는 경우도 동일한 해석이 가능하다. 샘플링프로브가 고의로 배기관에 정확히 설치되지 않은 경우는, 엔진이 정속 구간에 도달하여도 가속 구간이나 공회전 구간의 평균온도로부터 일정 비율 이상 가스온도가 상승하지 않는다.
이상에서와 같이, 무부하 급가속 시험 중 엔진속도와 측정실 가스온도 변화의 관계를 이용하면, 샘플링프로브가 시험 중에 배기관으로부터 이탈한 경우와, 시험자가 고의로 샘플링프로브를 배기관에 정확히 설치하지 않은 경우를 정확히 진단하여 사용자에게 알려주거나 시험 결과 기록에 남기는 것이 가능함은 명백하다.
국내 환경부가 시행하는 디젤 운행차 정밀검사의 두가지 시험 방법 중 다른 하나의 시험 방법인 '부하시험'에서는, 각 시험 구간에서의 엔진속도, 엔진부하, 및 가스온도 등의 관계를 이용하여 상기와 같은 동일한 방법으로 샘플링프로브의 이상 여부를 진단하는 것이 가능하다. 도 9 에는 부하시험 중 시간의 경과에 따른 엔진속도, 차속, 차량토크, 차량출력, 매연농도, 및 가스온도 등이 제시되어 있다. 부하시험은, 엔진 시동 후 공회전 상태에서 가속을 시작하여 예열 정속 구간, 1모드, 2모드, 3모드를 거쳐 시험이 종료된다. 1모드에서는 최대출력과 최대엔진속도 조건에서 차량이 운행되며, 2모드에서는 부하를 증가시켜 90% 엔진속도로 운전되며, 3모드에서는 부하를 더 증가시켜 80%의 엔진속도로 운전된다. 본 도에는 통상적인 디젤차량의 부하시험모드에서, 엔진속도와 차속의 변화에 따른 매연농도의 변화가 잘 제시되어 있다.
도 9 의 세번째 그래프에서 가스온도 3은, 시험종료 시까지 샘플링프로브가 정상적으로 배기관 말단부에 삽입되어 유지되었을 때의 측정실 내부의 가스온도이다. 가스온도 4는, 2모드 직전에 샘플링프로브가 배기관으로부터 이탈되어 대기 중에 노출되었을 때 측정실 내부의 가스온도 거동이다. 가스온도 3과 4는 두 개의 샘플링프로브를 동시에 하나의 배기관에 삽입하고 두 대의 광투과식 매연측정기를 이용하여 동시에 측정되었다. 본 도에서 알 수 있듯이 배기관으로부터 이탈되어 대기에 노출된 샘플링프로브와 연결된 측정실 내부의 온도센서로부터 측정된 가스온도는 급격히 하강하고 있다.
도 10 은, 도 9 의 세번째 그래프에서 매연농도값을 제외하고 엔진속도 측정값을 추가하여 재구성한 시험 데이터이다. 부하시험은 각 구간별로 엔진속도와 차속이 변화하기 때문에 각 구간별 가스온도의 상관관계를 이용하는 것이 해석에 유리하다. 샘플링프로브가 정상적으로 시험 종료 시까지 유지된 가스 온도 3은, 엔진의 시동과 함께 공회전 구간에서 약간 상승하였으며, 차량 가속 구간에서부터 급격히 상승한다. 정속 구간, 1모드, 2모드, 및 3모드를 종료할 때까지 차량에 가해지는 부하는 지속적으로 증가하기 때문에 가스온도도 지속적으로 상승한다. 그러나 이와 대조적으로 2모드 직전에 샘플링프로브가 배기관으로부터 이탈되어 대기 중에 노출된 가스온도 4는, 이탈된 시점으로부터 급격히 온도가 하강한다. 가스온도 3의 경우, 가속 구간, 정속 구간, 1모드, 2모드, 3모드 등의 각 모드에서의 평균온도는 직전 구간의 평균온도(섭씨온도)보다 최소 5% 이상 높다. 여기서 각 구간의 평균온도와 직전 구간의 평균온도와의 비교는 샘플링프로브의 이탈 여부를 판정하는 유효한 수단이 됨을 이해할 수 있다.
이상에서, 디젤 차량의 매연측정을 위한 무부하 급가속 시험과 부하시험에서, 엔진의 속도나 차속변화에 따른 각 구간별 가스온도의 변화를 직전 구간과 비교하는 동일한 방법으로 샘플링프로브의 비정상적인 이탈 여부를 판정하는 것이 명확히 가능함을 이해할 수 있다.
상기에서는 측정실(35) 내부에 기 설치된 온도센서(36)로부터 측정되는 가스 온도를 이용하여 샘플링프로브(32)의 이탈 여부를 진단하는 경우에 대해 설명하였다. 유사한 방법으로, 상기의 측정실 내부의 온도센서를 사용하지 않고 샘플링프로브(32)나 샘플링라인(34)에 추가로 온도센서를 설치하고 이로부터 측정되는 온도값을 이용하여도 역시 동일한 방법이 된다.
왜냐하면, 시험 중 샘플링프로브의 이탈에 의해 발생하는 가스 온도의 비정상적인 거동은, 온도센서가 측정실 내부, 샘플링프로브, 또는 샘플링라인 어떠한 곳에 위치하든 상관없이, 동일한 경향을 나타내기 때문이다. 샘플링프로브가 정상적인 위치에서 이탈하여 샘플링프로브로 배기가스 대신 대기가 유입될 경우, 대기는 샘플링프로브와 샘플링라인을 통과한 후 측정실로 유입되기 때문이다. 온도센서를 추가로 샘플링프로브 또는 샘플링라인에 설치하여 가스 온도를 측정할 경우, 측정실 내부의 온도센서로부터 측정되는 것보다 시간적으로는 더 조기에 검출된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 진단형 디젤 광투과식 매연측정기는, 시험 중에 샘플링프로브가 정상적인 위치로부터 이탈하거나 시험자가 고의로 정상적인 측정을 회피하기 위하여 샘플링프로브를 정확히 설치하지 않았을 때 이를 진단하는 기능을 제공하지 않았던 종래의 측정기의 단점을 극복한 유용한 발명인 것이다.
본 발명은, 이전에 아무도 제시하지 못하였던 근본적인 해결방법을 제시하는 개척발명(Breakthrough Invention)으로서, 향후 다양한 변형과 응용의 길을 열어놓았다.
통상적인 디젤 광투과식 매연측정기에 관한 지식의 소유자는 본 발명의 정신에 따라 다양한 변형이 가능하다는 것을 알 수 있고, 이러한 변형이 본 발명의 정신과 정밀한 시험을 통하여 확인한 효과를 뛰어넘는 새로운 것이 아님을 이해할 것이다. 또한 본 발명에 의한 효과가 매우 큼을 이해할 것이다.

Claims (6)

  1. 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중의 매연농도를 측정하기 위하여 배기관의 말단(31)에 삽입하는 샘플링프로브와(32),
    샘플링프로브를 배기관의 말단에 고정시켜 주는 샘플링프로브 고정용 기구(33)와,
    샘플링프로브(32)의 출구에 연결하는 샘플링라인(34)과,
    샘플링라인의 출구에 연결되며, 수분의 응축이 발생하지 않도록 가열기와 온도센서(37)가 외벽을 감싸고 설치되어 일정한 온도로 가열되는, 내부에 가스 온도 측정을 위한 온도센서(36)가 설치된, 배기가스와 광선이 통과하는 측정실과(35),
    매연농도를 광학적인 방법으로 측정하기 위한 발광부(38)와 수광부(39)로 구성된 광학부와,
    오염방지공기를 공급하는 팬(40)과,
    광학부의 광원 및 광센서를 인터페이스하여 제어하고, 오염방지공기의 유량을 공급하는 팬을 제어하고, 측정실을 감싼 가열기를 일정한 온도로 제어하고, 광학부로부터의 전기적 신호와 측정실 내부에 설치된 온도센서의 온도를 이용하여 매연의 농도를 표준상태로 환산하는 기능을 제공하는 마이크로컨트롤러(41)와,
    통신선을 이용하여 마이크로컨트롤러(41)에 연결되는 측정값 지시부(42)를 포함하는 디젤 광투과식 매연측정기에 있어서,
    측정실 내부에 설치된 온도센서(36)를 이용하여 측정실로 유입되는 가스의 온도를 측정하고, 측정된 가스의 온도변화를 이용하여 샘플링프로브의 이탈 여부를 검지하고 사용자에게 표시하는, 샘플링프로브 진단창(52)이 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 진단형 디젤 광투과식 매연측정기.
  2. 제1항에 있어서, 상기의 온도센서(36)로부터 측정되는 가스의 온도는, 무부하 급가속 시험의 경우에 엔진속도 변화에 대해 그 변화량이 비교됨으로써 샘플링프로브의 이탈 여부에 대한 정보를 제공함을 특징으로 하는 진단형 디젤 광투과식 매연측정기.
  3. 제1항에 있어서, 상기의 온도센서(36)로부터 측정되는 가스의 온도는, 부하시험의 경우에 각 시험 구간별로 그 변화량이 비교됨으로써 샘플링프로브의 이탈 여부를 판정하는 진단형 디젤 광투과식 매연측정기.
  4. 제1항에 있어서, 상기의 측정값 지시부(42)에 디지털카메라(44)가 통신선(43)으로 연결되어 구비된 것을 특징으로 하여, 샘플링프로브가 이탈될 경우 샘플링프로브(32)와 배기관 말단(31) 연결부의 영상을 획득하여 기록 및 저장하고 시험자에게 제공하는 것을 특징으로 하는 진단형 디젤 광투과식 매연측정기.
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