KR100495981B1 - 배기가스 측정장치 - Google Patents

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Abstract

배기가스 측정장치는 엔진의 배기관(15) 내의 일부 배기가스가 샘플링 튜브(30)를 통하여 유입되어 공기와 희석되는 소량희석 터널, 상기 소량희석 터널(22) 내에 희석된 배기가스 내의 특정성분을 측정하는 측정수단(33, 36), 상기 샘플링 튜브(30) 내의 배기가스 유량(Qs)을 측정하는 고응답 차압형 추출 가스 유량계(31, 40), 상기 배기관(15)내의 배기가스 유량(Qb)을 측정하는 고응답 차압형 바이패스 가스 유량계(29, 39) 및 배기가스 유량비(Qb)를 배기가스 유량(Qs)으로 나누어 유량 분할비(R = Qb/Qs)를 계산하는 연산수단을 구비한다.
배기가스 측정장치는 유량 분할비의 보정계수(k)를 얻는 수단 및 유량 분할비에 보정계수를 곱하여 보정된 유량 분할비(k·R)를 얻는 수단을 더욱 구비한다. 보정계수(k)는 농도분할비(Rc)를 유량 분할비(R)로 나누어 얻어질 수 있다.

Description

배기가스 측정장치{EXHAUST GAS MEASURING INSTRUMENT}
본 발명은 엔진으로부터의 배기가스내의 여러 성분의 방출량을 측정하기 위해 소량희석 터널(mini-dilution tunnel)을 사용하는 배기가스 측정장치에 관한 것이다. 소량희석 터널은 배기가스의 일부분이 엔진의 배기관으로부터 추출되고 샘플링 튜브를 통해 소량희석 터널로 도입된 다음 공기와 희석되어 저온의 배기가스 온도가 되도록 배치된다.
소량희석 터널은 엔진, 특히 디젤엔진으로부터의 배기가스내의 여러 성분의 방출량을 측정하는데 사용된다. 소량희석 터널은 추출된 배기가스의 온도를 예를 들어 52℃로 낮춰 배기가스내의 여러 성분이 온도저하에 따른 결과로서 입자상물질로 응축되는 조건을 만든다. 소량희석 터널을 사용하는 배기가스 측정장치는 배기가스가 대기로 배출되는 경우와 대략 비슷한 상태에서 질소 산화물같은 배기가스 성분의 농도를 측정하고, 배기가스 성분의 방출량을 얻는다.
소량희석 터널을 사용하는 배기가스 측정법에 있어서, 엔진으로부터의 배기가스내의 여러 성분의 방출량(중량)은 소량희석 터널에서 희석된 배기가스, 소량희석 터널을 통과하는 희석된 배기가스의 유량, 소량희석 터널에서의 희석비 및 배기관을 통과하는 배기가스의 유량과 샘플링 튜브로 유입되는 배기가스의 유량비율인 유량 분할비를 분석함으로써 얻어지는 여러 배기가스 성분의 농축물의 형태로 얻어진다.
각각의 출력 또는 작동모드등에서 정확하게 그리고 여러 작동모드에서 작동되는 엔진의 성능을 평가하고 방출조절에 대한 순응성 평가에 있어서 시간지연을 최소화한 상태에서 엔진으로부터의 배기가스내의 여러 성분의 방출량을 측정하는 것이 중요하다. 소량희석 터널을 사용하는 배기가스 측정장치는 배기가스 전량을 희석할 필요는 없어 소형의 소량희석 터널을 사용함으로써 배기가스내의 여러 성분의 방출량을 측정할 수 있다. 결과적으로, 전체 배기가스 측정장치는 컴팩트한 구조로 구성될 수 있다.
하지만, 소량희석 터널을 사용하는 종래의 배기가스 측정장치는 엔진의 정상상태작동모드에 대해 개발되었고, 정상상태에서 배기가스 성분의 농도를 측정하는 구조를 가졌다. 농축상태가 안정상태에 도달하기까지 많은 시간이 필요하기 때문에 종래의 배기가스 측정장치는 과도작동모드에서는 사용될 수 없다. 다시 말하면, 종래의 소량희석 터널을 사용하는 배기가스 측정장치는 샘플링 튜브에서의 배기가스 잔류 및 검출기의 응답지연으로 인해 단계입력에 대한 응답의 90%에서 약 10초가 필요하기 때문에 과도작동모드에서 배기가스 성분 측정을 실행할 수 없다.
제 1도는 본 발명에 따른 배기가스의 전체 배열을 도시하는 배치도;
제 2도는 차압 게이지가 설치된 방법을 도시하는 부분 확대 배치도;
제 3도는 차압 게이지의 내부구조를 도시하는 부분 종단면도;
제 4도는 다른 차압 게이지의 내부구조를 도시하는 부분 종단면도;
제 5도는 차압 게이지의 단계응답을 도시하는 그래프 및
제 6도는 차압 게이지를 사용하는 측정기구에 의한 분할비의 측정결과를 보여주는 그래프.
본 발명의 목적은 종래의 배기가스 측정장치의 단점을 없애고, 소량희석 터널을 사용하고 엔진의 과도작동모드에서 배기가스내의 여러 성분의 양을 측정할 수 있는 고속응답의 배기가스 측정장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 특별한 목적은 배기관에서 배기가스 유량을 측정하는 바이패스 가스 유량계 및 샘플링 튜브에서 배기가스 유량을 측정하는 추출 가스 유량계가 각각 고응답형 차압유량계(differential pressure type flow meter)여서, 엔진의 정상상태 및 과도작동모드에서 배기관에서의 배기가스 유량과 샘플링 튜브에서의 배기가스 유량비율인 유량 분할비를 얻는 것이 가능한 배기가스 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 엔진의 과도작동모드에서 얻어진 유량 분할비에 보정계수를 곱함으로써 소량희석 터널을 사용하는 배기가스 측정장치에서 정확히 보정된 유량 분할비가 계산될 수 있도록 하는 것이다. 본 발명의 다른 목적 및 장점은 본 발명의 실시예, 청구범위 및 도면에서 명백하게 된다.
본 발명에 따른 배기가스 측정장치는 엔진의 배기관내의 배기가스의 일부분이 샘플링 튜브를 통해 유입되고 공기에 희석되는 소량희석 터널; 소량희석 터널에서 희석된 배기가스내의 특정성분을 측정하는 측정수단; 상기 샘플링 튜브내의 배기가스 유량비(Qs)를 측정하는 고응답 차압형 추출 가스 유량계; 상기 배기관내의 배기가스 유량비(Qb)를 측정하는 고응답 차압형 바이패스 가스 유량계; 및 배기관에서 배기가스 유량(Qb)을 측정하는 고응답형 차압형 바이패스 가스 유량계 및 고응답형 차압형 바이패스 가스 유량계에 의해 얻어지는 배기관내의 배기가스 유량을 고응답 차압형 추출 가스 유량계에 의해 얻어지는 샘플링 튜브내의 배기가스 유량으로 나눔으로써 유량 분할비(R = Qb/Qs)를 얻는 연산수단을 구비한다.
본 발명에 따른 배기가스 측정장치는 유량 분할비의 보정계수(k)를 얻는 수단 및 유량 분할비에 보정계수를 곱함으로써 보정된 유량 분할비(k·R)를 얻는 수단을 더 포함한다. 보정계수(k)를 얻는 수단은 엔진의 과도작동기간동안 배기관내의 배기가스내의 특정물질의 농도(Db)를 측정하는 측정수단, 배기관내의 배기가스 유량(Qb)에 배기관내의 배기가스에 있는 특정물질의 농도를 곱함으로써 배기관내의 특정물질의 전량(Qb·Db)을 얻는 수단, 소량희석 터널내의 희석된 배기가스 유량(Qt)을 측정하는 수단, 소량희석 터널에서 희석된 배기가스내의 특정물질의 농도(Dt)를 측정하는 측정수단, 소량희석 터널내의 희석된 배기가스 유량에 소량희석 터널에서 희석된 배기가스내의 특정물질의 농도를 곱함으로써 소량희석 터널내의 특정물질의 전량(Qt·Dt)을 얻는 수단 및 배기관내의 특정물질의 전량을 소량희석 터널내의 특정물질의 전량으로 나누어 농도 분할비 Rc = (Qb·Db)/(Qt·Dt)를 계산하는 수단을 구비한다. 보정계수(k)는 농도 분할비(Rc)를 유량 분할비(R)로 나눔으로써 얻어진다.
본 발명에 따른 측정장치는 양호하게는 다음의 형태를 구비한다.
(1) 특정물질은 질소 산화물이다.
(2) 고응답 차압형 추출 가스 유량계는 샘플링 튜브에 설치된 샘플 오리피스를 구비하고 샘플 오리피스를 통과하는 배기가스에 의해 발생되는 샘플 오리피스의 두 측면 사이의 압력차에 근거하여 샘플링 튜브내의 배기가스 유량(Qs)을 얻는다.
(3) 고응답 차압형 추출 가스 유량계는 제 1 및 2 수압 피스톤(pressure-receiving piston) 및 두 수압 피스톤 사이에 위치하여 압력을 전기신호로 변환하는 변환기를 구비한다. 샘플 오리피스의 한쪽 측면상의 압력 및 다른 쪽 측면상의 압력은 제 1 및 2 수압 피스톤에 각각 인가되어 샘플 오리피스에서의 압력차는 전기신호로 변환된다.
(4) 고응답 차압형 추출 가스 유량계는 제 1 및 2 벨로스와 두 벨로스 사이에 위치한 판스프링의 변형을 전기적 신호로 변환하는 저항성 와이어 스트레인 게이지(resistant-wire strain gauge)를 구비한다. 샘플 오리피스의 한 쪽 측면상의 압력 및 샘플 오리피스의 다른 쪽 측면상의 압력은 제 1 및 2 벨로스에 각각 인가되어 샘플 오리피스에 있어서의 압력차는 전기적 신호로 변환된다.
(5) 고응답 차압형 바이패스 가스유량계는 배기관에 설치된 바이패스 오리피스를 구비하고 바이패스 오리피스를 통과하는 배기가스에 의해 발생되는 바이패스 오리피스의 두 측면 사이의 압력차에 근거하여 배기관내의 배기가스 유량(Qb)을 얻는다.
(6) 고응답 차압형 바이패스 가스 유량계는 제 1 및 2 수압 피스톤과 두 수압 피스톤 사이에 위치하여 압력을 전기적 신호로 변환하는 변환기를 구비한다. 바이패스 오리피스의 한 쪽 측면상의 압력 및 바이패스 오리피스의 다른 쪽 측면상의 압력은 제 1 및 2 수압 피스톤에 각각 인가되어 바이패스 오리피스에 있어서의 압력차는 전기적 신호로 변환된다.
(7) 고응답 차압형 바이패스 가스 유량계는 제 1 및 2 벨로스와 두 벨로스 사이에 위치한 판스프링의 변형을 전기적 신호로 변환하는 저항성 와이어 스트레인 게이지를 구비한다. 바이패스 오리피스의 한 쪽 측면상의 압력 및 바이패스 오리피스의 다른 쪽 측면상의 압력은 제 1 및 2 벨로스에 각각 인가되어 바이패스 오리피스에 있어서의 압력차는 전기적 신호로 변환된다.
(8) 바이패스 가스 유량계는 흡입 공기량과 연료유량의 합으로써 배기관내의 배기가스 유량(Qb)을 측정한다.
(9) 배기관내의 배기가스 유량을 측정하는 바이패스 가스 유량계는 배기가스의 일부분이 샘플링 튜브를 통해 추출된 후 남아있는 배기가스의 유량을 측정한다.
(10) 소량희석 터널은 소량희석 터널에 공기를 공급하는 공기펌프 및 소량희석 터널에서 희석된 배기가스를 방출하는 송풍기를 구비한다.
(11) 송풍기는 일정속도로 회전되고, 공기펌프의 회전수는 제어되어 유량 분할비(R)는 피드백 제어된다.
본 발명의 복수의 실시예가 도면을 참고로 설명될 것이다. 하지만 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 제한되지 않고 첨부된 청구범위의 범위에 의해 한정된다. 제 1도는 본 발명의 제 1실시예에 따른 배기가스 측정장치의 전체 배열을 도시하는 배치도이다. 배기관(12)은 디젤엔진(10)의 한 쪽 측면에 부착된 배기 매니폴드(manifold, 11)에 연결된다. 배기압력조절을 위한 나비밸브(13) 및 머플러(14)는 배기관(12)에 연결된다.
머플러(14)의 배기측은 다른 배기관(15)에 연결된다. 맥동을 방지하기 위한 공진기(16)는 배기관(15)으로부터 뻗어나오게 배기관(15)에 연결된다. 배기관(15)의 상단은 대기로 개방된다. 대기로 개방된 배기관(15)의 부분은 연도(flue, 17)의 흡기측으로 연장한다. 배기 송풍기(18)는 연도(17)의 말단부에 연결된다.
흡입 매니폴드는 배기 매니폴드(11)로부터 떨어진 엔진(10)의 한 쪽 측면에 부착된다. 흡기관(19)은 흡기 매니폴드의 말단부에 연결된다. 흡기관(19)은 흡기공기(E)의 유량을 측정하는 유량계(20)에 더 연결된다.
제 1도의 배기가스 측정장치는 소량희석 터널(22)을 구비한다. 소량희석 터널(22)의 흡기부는 공기 유입관(23)에 연결된다. 공기펌프(24)는 공기 유입관(23)의 말단부에 제공되어 희석공기를 유입한다. 공기펌프(24)가 제공된 공기 유입관(23)의 말단부는 희석공기 공급관(25)의 단부와 대향하게 개방된다. 공기 유입관(23)은 중간 위치에 희석공기 압력 조절밸브(26)를 구비한다.
열교환기(27)는 소량희석 터널(22)의 하류측에 연결되고 송풍기(28)는 열교환기(27)의 하류측에 연결된다. 송풍기(28)는 일정회전수로 회전하는 송풍기이다.
바이패스 오리피스(29)는 머플러(14)의 하류측에 연결된 배기관(15)의 직립부에 설치된다. 샘플링 튜브(30)의 일단은 바이패스 오리피스(29)의 아래쪽으로 배기관(15)의 일부분에 삽입된다. 샘플링 튜브(30)는 배기가스를 추출하고 소량희석 터널(22)로 유입시킨다. 샘플 오리피스(31)는 샘플링 튜브(30)에 설치된다.
배기관(15)내의 바이패스 오리피스(29) 및 샘플링 튜브(30)내의 샘플 오리피스(31)는 수축밸브(restrictor)로서 각각 작용한다. 배기관(15) 및 샘플링 튜브(30)로 각각 흐르는 배기가스의 유량은 두 오리피스(29, 31)사이의 공기 저항비에 따라 배분된다. 오리피스(29, 31)에서의 입력압력은 거의 동일하기 때문에, 배기가스 유량 분할비 (R), 즉 배기관내의 배기가스 유량(Qb)대 샘플링 튜브내의 배기가스 유량비(Qs)의 비율(즉, Qb/Qs)은 출력압력을 제어함으로써 변한다.
소량희석 터널(22)에서 희석된 배기가스의 일부분을 추출하는 샘플링 튜브(32)를 구비한 소직경의 얇은 관(32')은 소량희석 터널(22)에 삽입된다. NOx계량기(33)는 샘플링 펌프(32)의 하류측에 연결된다. NOx계량기(33)는 제어용 컴퓨터 (CPU, 44)에 더 연결된다. 추가적으로, 소량희석 터널(22)에 삽입된 다른 얇은 관(35')에 입자상필터(34), 샘플링 펌프(35) 및 유량계(36)가 연결된다.
전처리 장치(37)는 머플러(14)의 배기측에서 직립부보다 낮게 배기관(15)의 일부분에 삽입된 얇은 관(37')에 연결된다. NOx계량기(38)는 전처리 장치(37)의 하류측에 연결된다. NOx계량기(38)는 제어용 컴퓨터(44)에 연결된다.
차압 게이지(39)는 배기관(15)의 직립부에 제공된 바이패스 오리피스(29)의 양측 사이의 압력차를 검출하기 위해 제공된다. 배기가스를 추출하는 샘플링 튜브(30)에 샘플 오리피스(31)의 양측사이의 압력차를 검출하기 위해 중간부에 차압 게이지(40)가 제공된다. 차압 게이지(39, 40)의 검출된 출력값은 제어용 컴퓨터(44)에 입력된다.
더욱이, 흡기관(19)의 유량계(20)는 엔진(10)에 공급된 연료의 양을 측정하는 연료 게이지(41)와 함께 제어용 컴퓨터(44)에 연결된다. 유량계(20) 및 연료 게이지(41)에 의한 측정값에 기초하여, 컴퓨터(44)는 엔진(10)이 고온일 때 배기가스의 전체 방출량, 즉 배기가스 유량을 계산한다. 추가적으로, 송풍기(28)의 회전속도계는 컴퓨터(44)에 연결된다. 컴퓨터(44)는 송풍기(28)의 회전수로부터 소량희석 터널(22)에서의 유량을 계산적으로 얻는다.
이 배기가스 측정장치에 있어서, 고응답형 차압 게이지는 제 2도에 도시된 차압 게이지(39, 40)로서 각각 사용된다. 제 3도에 도시되듯이 이 차압 게이지는 원통형 하우징(50)을 구비한다. 하우징(50)은 양측에 개구(51, 52)를 구비한다. 오리피스(29(30))의 양측상의 압력(P1, P2)은 개구(51, 52)를 통해 하우징(50)의 양측에 인가된다. 수압 피스톤(53, 54)은 개구(51, 52)의 내부에 각각 위치한다.
수압 피스톤(53, 54)은 외주부에서 각각 밀봉되고 변환기(55)는 수압 피스톤(53, 54)사이에 끼워지도록 하우징(50)에 위치한다. 변환기(55)는 압전 세라믹재료로 만들어진, 압력을 전기신호로 변환하는 고응답형 변환기이다. 변환기의 출력은 케이블(56)을 통해 이루어진다.
결과적으로, 오리피스(29(31))의 양측상의 압력(P1, P2)이 개구(51, 52)를 통해 수압 피스톤(53, 54)에 각각 인가될 때, 변환기(55)는 양측상의 압력(P1, P2)사이의 차압을 검출하고 케이블(56)을 통해 제어용 컴퓨터(44)에 검출된 신호를 전달한다.
제 4도는 차압 게이지(39, 40)의 다른 형태를 도시한다. 차압 게이지는 베이스(60)를 구비하고, 지지판(61, 62)은 베이스(60)의 양측에 직립적으로 부착된다. 벨로스(63, 64)는 지지판(61, 62)의 대향하는 측면에 단단히 고정된다. 압력부재(65, 66)는 벨로스(63, 64)의 말단부에 각각 부착된다. 압력부재(65, 66)는 판스프링(67)의 대향면을 누르도록 위치한다. 판스프링(67)은 베이스(60)의 샌드위칭부(sandwiching portion, 68)에 의해 고정된 하단부를 구비한다. 저항성 와이어 스트레인 게이지(69)는 판스프링(67)의 각 측면에 부착된다.
오리피스(29(31))의 양측상의 압력(P1, P2)은 차압 게이지(39(40))의 벨로스(63, 64)로 유입되고, 벨로스(63, 64)는 유입된 압력에 따라 연장하거나 수축한다. 벨로스(63, 64)의 압력부재(65, 66)는 판스프링(67)을 각각 눌러 판스프링(67)이 변형되게 한다. 판스프링(67)의 변형은 저항성 와이어 스트레인 게이지(69)를 통해 출력된다. 저항성 와이어 스트레인 게이지(69)는 브리지 회로안으로 연결되고, 검출된 출력은 제어용 컴퓨터(44)로 입력된다.
제 1도의 장치에 있어서, 엔진(10)의 작동에 의해 발생된 배기가스는 배기 매니폴드(11) 및 배기관(12)을 통해 배출된다. 이때, 배기압력은 배기압력 조절용 나비밸브(13)에 의해 조절된다. 더욱이, 배기맥동은 머플러(14)에 의해 감소된다. 배기관(15)을 통과하는 배기가스의 일부분은 샘플링 튜브(30)를 통해 추출되고 소량희석 터널(22)로 유입된다.
소량희석 터널(22)에 있어서, 배기가스는 공기 유입관(23)을 통해 유입된 공기에 희석된다. 희석용 공기는 공기펌프(24)에 의해서 희석공기 공급관(25)으로부터 공기유입관(23)으로 보내진다.
희석된 배기가스는 샘플링 펌프(32)에 의해 샘플링되어 NOx계량기(33)로 보내지고, 여기에서 질소 산화물의 양, 즉 NOx 농도(Dt)를 측정하는 것이 수행된다. 추가적으로, 희석된 배기가스는 샘플링 펌프(35)에 의해 흡입되어 입자상필터(34)를 통과한다. 이때, 필터(34)에 걸린 입자상물질의 양이 측정된다.
희석전의 엔진(10)으로부터의 배기가스는 머플러(14)의 배출측에 있는 얇은 관(37')을 통해 배기관(15)으로부터 직접적으로 추출되고 전처리 장치(37)에 의해서 전처리 된다. 따라서, NOx 농도(Db)는 NOx 계량기(38)에 의해서 측정된다.
다음, 공기유입관(23)을 통해 소량희석 터널(22)로 흡입되는 공기량을 제어하는 배치에 대해서 설명된다. 공기 유입관(23)에 연결된 공기 펌프(24)는 모터(42)에 의해 회전하게 구동된다. 모터(42)의 회전수는 인버터(43)에 의해 제어될 수 있다. 인버터(43)는 컴퓨터(44)로부터의 제어명령신호(43')에 근거하여 제어된다.
컴퓨터(44)에 소량희석 터널(22)내의 배기가스 유량(Qt), 소량희석 터널(22)내의 질소 산화물(NOX) 농도(Dt), 및 희석하기 전 배기가스내의 질소 산화물 농도(Db)가 각각 입력된다. 소량희석 터널(22)내의 배기가스 유량(Qt)은 희석터널내의 유량을 측정하는 방법과 유사한 방법으로 측정된다. 배기관(15)내의 배기가스 유량(Qb)은 또한 흡기량 및 연료 유량의 합으로서 측정된다. 소량희석 터널(22)내의 질소 산화물 농도(Dt)는 질소 산화물 계량기(33)로 측정된다. 희석하기 전 배기가스내의 질소 산화물 농도(Db)는 질소 산화물 계량기(38)로 측정된다.
제 1도의 배기가스 측정장치의 소량희석 터널내의 배기가스의 배기가스 농도 분할비(Rc)는, 질소 산화물이 추적자 가스(tracer gas)라는 가정하에, 엔진(10)으로부터 방출되는 배기가스내의 질소 산화물의 전량대 소량희석 터널(22)내의 희석된 가스내의 질소 산화물 전량비로부터 계산된다. 농도 분할비(Rc)는 다음 방정식(1)으로 표현된다:
Rc = (Qb·Db) / (Qt·Dt)··· 방정식(1)
여기서, Qb는 배기관내의 배기가스유량; Db는 배기관내의 질소 산화물 농도; Qt는 소량희석 터널내의 희석된 배기가스 유량; 및 Dt는 소량희석 터널내의 질소 산화물 농도이다.
반면, 소량희석 터널내의 유량 분할비(R)는 다음 방정식(2)으로부터 얻어진다:
R = Qb / Qs··· 방정식(2)
여기서, Qb는 배기관내의 배기가스 유량이고, Qs는 샘플링 튜브내의 배기가스 유량이다.
컴퓨터(44)는 인버터(43)를 통하여 모터(42)의 회전수를 제어하여, 공기펌프(24)의 회전수를 제어하므로, 컴퓨터(44)에 의해 얻어진 유량 분할비(R)는 소망하는 값과 일치하게 된다. 이렇게 함으로써, 배기가스의 유량 분할비(R)를 피드백 제어하는 것이 가능하다.
공기펌프(24)의 회전수가 변화하면, 소량희석 터널(22)내의 압력이 변화하여, 유량 분할비가 변화하게 된다. 즉, 펌프(24)의 회전수가 증가하여 소량희석터널(22)내의 압력을 상승시키면, 배기가스가 샘플링 튜브(30)를 통하여 소량희석 터널(22)로 들어가는 것이 어렵게 된다. 결과적으로, 유량 분할비(R)가 증가한다. 펌프(24)의 회전수가 감소하여 소량희석 터널(22)내의 압력을 하강시키면, 배기가스의 증가량이 샘플링 튜브(30)를 통하여 소량희석 터널(22)로 유입된다. 결과적으로, 유량 분할비(R)가 감소한다.
따라서, 방정식(1)을 이용하여 제어용 컴퓨터(44)에 의해 농도 분할비(Rc)가 계산될 수 있지만, 이 방법은 추적자 가스(일반적으로, 질소 산화물 또는 탄산가스)의 농도의 안정화를 위해 수십 초가 필요하다는 단점이 있으므로, 응답시간이 길게 된다. 따라서, 이 방법은 엔진의 과도동작 동안에는 사용될 수 없다.
반면, 방정식(2)에 근거한 유량 분할비(R)의 계산은 배기관(15)내의 오리피스(29) 양측 사이의 차압용 차압게이지(39)와 샘플링 튜브(30) 내의 오리피스(31) 양측 사이의 차압용 차압게이지(40)를 이용하여, 응답이 매우 빠른 특징을 갖는다. 방정식(2)을 이용하면 엔진의 과도동작 동안에도 유량 분할비(R)가 매우 정밀하게 얻어질 수 있다. 그러나, 방정식(2)을 이용한 방법은 오리피스의 이용 때문에 장시간의 이용, 온도변화 등에 쉽게 영향을 받는다는 단점이 있다. 따라서, 방정식(2)에 근거한 유량 분할비(R)가 얻어지고, 유량 분할비(R)는 방정식(1)에 의해 표현된 농도 분할비(Rc)를 이용하여 보정된다. 이렇게 하여, 엔진의 과도동작 동안에도 매우 정밀하게 유량 분할비를 얻을 수 있다.
제 3 및 4도에 도시되듯이, 본 실시예에서, 고응답형 차압게이지(39)가 배기관(15)내의 오리피스(29) 양 측면에 설치되고, 고응답형 차압게이지(40)가 샘플링 튜브(30)내의 오리피스(31) 양 측면 사이에 설치된다. 배기관(15)내의 배기가스 유량은 차압게이지(39)로 오리피스(29) 양 측면 사이의 차압을 측정하여, 컴퓨터(44)에 입력하여 얻어진다. 샘플링 튜브(30)내의 오리피스(31) 양 측면 상의 압력은 차압게이지(40)로 검출되며, 상기 검출된 출력은 컴퓨터(44)로 입력된다. 따라서, 배기관(15) 내의 배기가스 유령(Qb) 및 샘플링 튜브(30)내의 배기가스 유량(Qs)은 차압게이지(39, 40)의 출력에 근거하여 측정된다. 두 유량 사이의 비율인 유량 분할비(R)는 컴퓨터에 의해 계산되어, 프린터 또는 펜 레코더에 의해 출력된다.
제 5도에 도시되듯이, 고응답형 차압게이지(39, 40)는 곡선(A)에 의해 표현되는 특성을 갖는다. 이것은 종래의 측정방법의 특징을 나타내는 곡선(B, C)보다 10배 이상 높은 응답률을 얻을 수 있다는 것을 보여준다. 따라서, 유량 분할비(R)가 고응답형 차압게이지(39, 40)를 이용하여 엔진의 과도동작 모드에서 측정되면, 측정결과는 제 6도의 곡선(A)에 의해 도시된 허용오차범위 내로 하락한다. 제 6도의 곡선(B, C)은 종래의 측정방법에 의한 측정결과를 나타낸다. 양 측정결과는 모두 허용오차범위로부터 벗어난다. 본 발명은 엔진의 과도동작 모드에서 고응답형 차압게이지(39, 40) 및 소량희석 터널(22)을 이용한 측정장비에 의해 배기가스의 측정을 가능하게 한다.
차압게이지(39, 40)가 각각 장착된 배기관(15, 30)에서, 오리피스(29, 31)는 시간에 따라 변화하여, 각 오리피스(29, 31)의 유량계수의 변화가 초래된다. 따라서, 이러한 변화에 기인한 측정값의 오차를 최소화하기 위해, 유량 분할비(R)에 보정계수(k)가 곱하여져, 보정된 유량분할비(k·R)가 얻어진다. 보정계수(k)는 엔진의 정상상태동작 동안에 유량 분할비(R)에 대한 농도 분할비(Rc)의 비율의 형태(즉, k = Rc/R)로 얻어진다. 이러한 방법으로 보정된 유량분할비(k·R)를 얻어서, 차압게이지(39, 40)를 이용한 측정시 시효(aging)로 인한 오차의 발생을 방지하는 것이 가능하다.
따라서, 본 발명에 따른 배기가스측정장치에서, 소량희석 터널이 설치된다. 또한, 고응답형 차압게이지(39)가 오리피스(29)의 양 측면 사이에 설치되며, 고응답형 차압게이지(40)가 오리피스(31)의 양 측면 사이에 설치되어, 엔진의 과도동작 모드에서 유량 분할비를 얻는다. 따라서, 배기가스 성분의 방출량이 측정될 수 있다. 즉, 소량희석 터널을 이용하여 정상상태 동작 모드용 배기가스측정장치가 과도동작 모드용 배기가스측정장치로 변화될 수 있다.
본 발명의 주요한 효과 및 이점은 다음과 같다.
(1) 본 발명에 따른 배기가스 측정장치는 소량희석 터널을 이용한다. 소량희석 터널은 엔진의 배기관으로부터의 일부 배기가스를 그 안에 유입하여 공기와 희석하도록 배치된다. 소량희석 터널은 단순히 일부 배기가스를 희석하고, 크기가 감소될 수 있다. 따라서, 배기가스 측정장치의 전체 크기가 감소될 수 있다.
(2) 소량희석 터널에서, 배기가스는 대기로 배출된 것과 대략적으로 유사한 상태에 놓이고, 이 상태에서 배기가스 성분의 양이 검출된다. 따라서, 엔진성능 평가 및 방출조절과 관련하여 필요한 검출결과를 얻는 것이 가능하다.
(3) 본 발명에 따른 배기가스 측정장치는 고응답 차압형 바이패스 가스 유량계 및 고응답 차압형 추출 가스 유량계를 사용하고, 엔진의 동작조건의 변화를 충분히 따르는 유량 분할비를 얻을 수 있다. 따라서, 엔진의 정상상태 작동모드 뿐만 아니라 과도작동 모드에서도 배기가스 측정이 가능하다.
(4) 본 발명에 따른 배기가스 측정장치는 미리 보정계수를 얻어서, 유량 분할비를 보정하고, 오차는 사용시간에 따라 또는 환경의 영향에 의해, 유량 분할비를 보정계수와 곱하여 유도된다. 따라서, 정확한 배기가스 측정값이 사용시간의 경과 또는 환경의 변화와 관계없이 얻어질 수 있다.
(5) 본 발명에 따른 배기가스 측정장치에서, 유량 분할비의 보정계수는 정상상태 동작 동안의 유량 분할비에 대한 농도 분할비의 비율의 형태로 얻어진다. 따라서, 배기가스 측정장치에 제공된 구성수단은 또한 보정계수를 얻는 수단으로서 기능하고, 특별한 수단이 필요하지 않다.

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 배기가스 측정장치에 있어서,
    엔진의 배기관 내의 일부 배기가스가 샘플링 튜브를 통하여 유입되어 공기와 희석되는 소량희석 터널, 상기 소량희석 터널 내의 희석된 배기가스의 특정성분을 측정하는 측정수단, 상기 샘플링 튜브 내의 배기가스 유량(Qs)을 측정하는 고응답 차압형 추출 가스 유량계, 상기 배기관 내의 배기가스 유량(Qb)을 측정하는 고응답 차압형 바이패스 가스 유량계, 상기 고응답 차압형 바이패스 가스 유량계에 의해 얻어진 상기 배기관 내의 배기가스 유량을, 상기 고응답 차압형 추출 가스 유량계에 의해 얻어진 상기 샘플링 튜브 내의 배기가스 유량으로 나누어 유량 분할비를 얻는 연산수단, 상기 유량 분할비의 보정계수(k)를 얻는 수단, 상기 유량 분할비에 엔진의 과도동작 모드에서의 상기 보정계수를 곱하여 보정된 유량 분할비(k·R)를 얻는 수단을 포함하고,
    상기 보정계수(k)를 얻는 수단은 엔진의 정상상태 동작 동안 배기관 내의 배기가스 내의 특정물질의 농도(Db)를 측정하는 측정수단, 상기 배기관 내의 배기가스 유량(Qb)에 상기 배기관내의 배기가스내의 특정물질의 농도(Db)를 곱하여, 상기 배기관 내의 특정물질의 전량(Qb·Db)을 얻는 수단, 상기 소량희석 터널 내의 희석된 배기가스 유량(Qt)을 측정하는 수단, 상기 소량희석 터널에서 희석된 배기가스내의 특정물질의 농도(Dt)를 측정하는 측정수단, 상기 소량희석 터널 내의 희석된 배기가스 유량에 상기 소량희석 터널에서 희석된 배기가스내의 특정물질의 농도를 곱하여, 상기 소량희석 터널 내의 특정물질의 전량(Qt·Dt)을 얻는 수단, 상기 배기관내의 특정물질의 전량을 상기 소량희석 터널 내의 특정물질의 전량으로 나누어 농도 분할비(Rc)를 계산하는 수단을 구비하며,
    상기 보정계수(k)는 상기 농도 분할비(Rc)를 상기 유량 분할비(R)로 나누어서 얻어지는 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 특정물질은 질소 산화물인 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 고응답 차압형 추출 가스 유량계는 상기 샘플링 튜브 내에 설치된 샘플 오리피스(31) 및 상기 샘플 오리피스를 통과하는 배기가스에 의해 생성된 상기 샘플 오리피스의 양 측면 사이의 차압을 검출하는 차압게이지(40)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 샘플 오리피스에서의 차압을 검출하는 상기 차압게이지(40)는 제 1, 제 2 수압 피스톤(53, 54) 및 상기 두 수압 피스톤 사이에 위치하여 압력을 전기적 신호로 변환하는 변환기(55)를 구비하며,
    상기 샘플 오리피스의 일 측면상의 압력 및 다른 측면상의 압력이 제 1 수압 피스톤 및 제 2 수압 피스톤에 각각 인가되어, 상기 샘플 오리피스에서 생성된 차압이 전기적 신호로 변환되는 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 샘플 오리피스에서 차압을 검출하는 상기 차압게이지(40)는 제 1, 제 2 벨로스(63, 64) 및 상기 두 벨로스 사이에 위치하여 판스프링(67)의 변형을 전기적 신호로 변환하는 저항성 와이어 스트레인 게이지(69)를 구비하며,
    상기 샘플 오리피스의 일 측면상의 압력 및 다른 측면상의 압력은 제 1 벨로스 및 제 2 벨로스에 각각 인가되어, 상기 샘플 오리피스에서의 차압이 전기적 신호로 변환되는 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
  8. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 고응답 차압형 바이패스 가스 유량계는 상기 배기관내에 설치된 바이패스 오리피스(29) 및 상기 바이패스 오리피스를 통과하는 배기가스에 의해 생성된 바이패스 오리피스의 양 측면 사이의 차압을 검출하는 차압게이지(39)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 바이패스 오리피스에서의 차압을 검출하는 상기 차압게이지(39)는 제 1, 제 2 수압 피스톤 및 상기 두 수압 피스톤 사이에 위치하여 압력을 전기적 신호로 변환하는 변환기를 구비하며,
    상기 바이패스 오리피스의 일 측면상의 압력 및 다른 측면상의 압력은 제 1 수압 피스톤 및 제 2 수압 피스톤에 각각 인가되어, 상기 바이패스 오리피스에서의 차압이 전기적 신호로 변환되는 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 바이패스 오리피스에서의 차압을 검출하는 상기 차압게이지(39)는 제 1, 제 2 벨로스(63, 64) 및 상기 두 벨로스 사이에 위치하여 판스프링(67)의 변형을 전기적 신호로 변환하는 저항성 와이어 스트레인 게이지(69)를 구비하며,
    상기 바이패스 오리피스의 일 측면상의 압력 및 다른 측면상의 압력은 상기 제 1 벨로스 및 제 2 벨로스에 각각 인가되어, 상기 바이패스 오리피스에서의 차압이 전기적 신호로 변환되는 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
  11. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 고응답 차압형 바이패스 가스 유량계는 흡기량 및 연료유량의 합으로서 상기 배기관내의 상기 배기가스 유량(Qb)을 측정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
  12. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 배기관내의 배기가스 유량을 측정하는 상기 고응답 차압형 바이패스 가스 유량계는 일부의 배기가스가 상기 샘플링 튜브를 통하여 추출된 후 남아있는 배기가스의 유량을 측정하는 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
  13. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 소량희석 터널은 공기를 상기 소량희석 터널내로 공급하는 공기펌프(24) 및 상기 소량희석 터널 내에 희석된 배기가스를 배출하는 송풍기(28)를 구비하는 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 송풍기는 일정속도로 회전하며, 상기 공기펌프(24)의 회전수가 제어되어, 유량 분할비(R)가 피드백 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 측정장치.
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