KR101229586B1 - 차량 배기가스 입자 모니터링 장치 - Google Patents

차량 배기가스 입자 모니터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 차량 배기가스 입자 모니터링 장치에 관한 것으로, 차량 배기관의 매연 저감 장치의 후방에 장착된 입자 측정 센서를 통해 차량의 배기 가스 중에 함유된 미세 입자의 농도를 검출하고, 이에 대한 정보를 차량 실내의 성능 표시부를 통해 사용자에게 제공함으로써, 배기 가스의 상태 및 매연 저감 장치의 성능 상태를 각 차량에서 자체적으로 파악하고 실시간 모니터링할 수 있으며, 입자 측정 센서를 차량의 시동시부터 일정 시간 동안만 작동하도록 제어하고, 입자 측정 센서가 작동하지 않는 동안에는 별도의 개폐 밸브를 통해 배기 가스가 입자 측정 센서 내부로 유입되지 않도록 제어함으로써, 입자 측정 센서의 정확성 및 내구성을 향상시킬 수 있는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치를 제공한다.

Description

차량 배기가스 입자 모니터링 장치{System for Monitoring Particle Matter in Exhaust Gas of Vehicle}
본 발명은 차량 배기가스 입자 모니터링 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 차량 배기관의 매연 저감 장치의 후방에 장착된 입자 측정 센서를 통해 차량의 배기 가스 중에 함유된 미세 입자의 농도를 검출하고, 이에 대한 정보를 차량 실내의 성능 표시부를 통해 사용자에게 제공함으로써, 배기 가스의 상태 및 매연 저감 장치의 성능 상태를 각 차량에서 자체적으로 파악하고 실시간 모니터링할 수 있으며, 입자 측정 센서를 차량의 시동시부터 일정 시간 동안만 작동하도록 제어하고, 입자 측정 센서가 작동하지 않는 동안에는 별도의 개폐 밸브를 통해 배기 가스가 입자 측정 센서 내부로 유입되지 않도록 제어함으로써, 입자 측정 센서의 정확성 및 내구성을 향상시킬 수 있는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치에 관한 것이다.
차량에서 배출되는 배기 가스에는 다량의 미세 입자가 포함되어 있으며, 이러한 미세 입자는 대부분 나노 입자에 해당한다. 나노 입자는 대기 중으로 배출되면 대기 화학 반응을 통해 초미세 입자를 생성시키고, 2차 오염 물질의 원인인 오존을 발생시킨다. 또한, 자동차에서 배출되는 나노 미세 입자는 다량의 발암 성분을 포함하고 있으며, 호흡시 기도나 점막에 걸러지지 않고 폐포 깊숙이 박히거나 뇌로 이동할 수도 있는 등 체내 축적이 잘되어 다양한 형태로 사람의 건강을 위협하고 있다.
이러한 이유로 자동차 배기가스 환경규제 기준은 미국을 비롯하여 유럽 연합 등에서 법을 강화하고 있으며, 유럽에서는 2013년 12월 31일부터 상용차에 유로 6 기준이 적용된다. 유로 6은 차량으로부터 배출되는 미세 입자의 저감에 그 초점이 맞추어진 것으로, 유로 5의 기준보다 약 66%의 미세 입자를 저감하도록 규정하고 있다.
또한, 유로 6에서는 미세 입자의 배출 규제로 현재 질량 농도 기준에서 질량과 개수 농도 기준으로 변경되며, 차량 자체적으로 OBD(On-Board Diagnostics), 즉 자가 진단할 수 있는 센서들을 의무적으로 설치하도록 규정하고 있다.
이러한 차량의 배기가스 배출 규제 강화에 따라 최근에는 차량 배기관에 설치되는 매연 저감 장치의 성능을 향상시키는 등 다양한 형태로 기술 개발이 되고 있으나, 아직까지 차량 자체적으로 미세 입자 배출량을 측정할 수 있는 측정 센서가 개발되지 않고 있을 뿐만 아니라 이러한 미세 입자 배출량을 차량 자체적으로 모니터링할 수 있는 장치 또한 전혀 개발되고 있지 않아 이에 대한 필요성이 더욱 커지고 있는 상황이다.
또한, 현재 연구되고 있는 차량 배기가스의 미세 입자 측정 장치들은 단순 테스트용 장치가 대부분이며, 이러한 장치들은 그 크기가 크거나 제어 방식 등이 최적화되어 있지 않아 실제 차량에 적용하기가 어려우며, 특히, 사용자가 작동 중단하지 않는 이상 일반적으로 계속적으로 작동하도록 구성되므로, 실제 차량에 적용하는 경우 차량의 주행중 배출되는 배기 가스에 계속적으로 오염되어 쉽게 손상되거나 오작동하는 등의 문제점을 내포하고 있다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 본 발명의 목적은 차량 배기관의 매연 저감 장치의 후방에 장착된 입자 측정 센서를 통해 차량의 배기 가스 중에 함유된 미세 입자의 농도를 검출하고, 이에 대한 정보를 차량 실내의 성능 표시부를 통해 사용자에게 제공함으로써, 배기 가스의 상태 및 매연 저감 장치의 성능 상태를 각 차량에서 자체적으로 파악하고 실시간 모니터링할 수 있는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 입자 측정 센서를 차량의 시동시부터 일정 시간 동안만 작동하도록 제어하고, 입자 측정 센서가 작동하지 않는 동안에는 별도의 개폐 밸브를 통해 배기 가스가 입자 측정 센서 내부로 유입되지 않도록 제어함으로써, 입자 측정 센서의 정확성 및 내구성을 향상시킬 수 있는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 차량의 배기 가스의 유속을 이용하여 미세 입자를 입자 측정 센서 내부로 유입시킴으로써, 별도의 흡입 장치 없이도 미세 입자의 농도를 측정할 수 있고, 흡입 장치가 불필요함에 따라 입자 측정 센서를 저렴한 비용으로 제작할 수 있을 뿐만 아니라 더욱 단순하고 콤팩트한 구조로 제작 가능하여 차량 배기관에 용이하게 장착할 수 있으며, 이에 따라 더욱 편리하게 차량에 적용할 수 있는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 차량 배기관의 매연 저감 장치 후방에 위치하도록 상기 차량 배기관의 내부에 연통되게 장착되며, 배기 가스의 미세 입자가 통과하도록 형성되어 미세 입자의 수 농도를 측정하는 입자 측정 센서; 차량 실내에 배치되어 상기 매연 저감 장치의 성능 상태를 표시하는 성능 표시부; 및 상기 입자 측정 센서에 의해 측정된 미세 입자의 수 농도를 인가받고 상기 미세 입자의 수 농도에 따라 상기 성능 표시부를 동작 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치를 제공한다.
이때, 상기 입자 측정 센서는 차량 배기관 내부에 장착되어 배기 가스의 미세 입자가 유입되도록 형성되는 유입부; 상기 유입부를 통해 유입된 미세 입자를 단극으로 하전시켜 통과시키는 하전부; 및 상기 하전부에 의해 단극으로 하전된 미세 입자가 통과할 수 있도록 형성되며, 상기 미세 입자가 통과하며 발생되는 전압 변화를 감지하여 미세 입자의 수 농도를 검출하는 검출부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 유입부는 배기 가스의 유동 압력에 의해 미세 입자가 유입될 수 있도록 상기 차량 배기관의 길이 방향을 따라 평행하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 하전부는 상기 유입부를 통해 유입된 미세 입자가 통과하도록 상기 유입부 및 상기 검출부와 연통되게 형성되는 믹싱 챔버; 및 이온 발생 전극을 통해 이온을 발생시켜 미세 입자와 부착되도록 상기 믹싱 챔버에 확산시키는 이온 발생기를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 검출부는 상기 하전부를 통과하며 단극으로 하전된 미세 입자가 사이 공간으로 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 계측 전극판; 및 상기 2개의 계측 전극판 사이의 전압을 측정하는 전압계를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 하전부에서 발생된 이온이 상기 검출부로 유입되지 않도록 상기 하전부와 상기 검출부 사이에 별도의 이온 제거부가 형성될 수 있다.
이때, 상기 이온 제거부는 상기 하전부에서 발생된 이온이 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 트랩 전극판을 포함하고, 상기 2개의 트랩 전극판에는 이온이 전기력에 의해 부착될 수 있도록 미세 전압이 생성되도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 제어부는 차량의 시동시부터 일정 시간 동안에만 상기 입자 측정 센서가 작동하도록 동작 제어할 수 있다.
이때, 상기 유입부에는 상기 유입부를 개폐할 수 있도록 작동하는 개폐 밸브가 장착되고, 상기 개폐 밸브는 상기 입자 측정 센서가 작동하는 동안에만 상기 유입부를 개방하도록 상기 제어부에 의해 동작 제어될 수 있다.
한편, 상기 성능 표시부는 상기 입자 측정 센서에 의해 측정된 미세 입자의 수 농도를 표시하는 농도 표시부; 및 상기 입자 측정 센서에 의해 측정된 미세 입자의 수 농도가 기준치 이상일 경우 점등되는 경고등을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 차량 배기관의 매연 저감 장치의 후방에 장착된 입자 측정 센서를 통해 차량의 배기 가스 중에 함유된 미세 입자의 농도를 검출하고, 이에 대한 정보를 차량 실내의 성능 표시부를 통해 사용자에게 제공함으로써, 배기 가스의 상태 및 매연 저감 장치의 성능 상태를 각 차량에서 자체적으로 파악하고 실시간 모니터링할 수 있는 효과가 있다.
또한, 입자 측정 센서를 차량의 시동시부터 일정 시간 동안만 작동하도록 제어하고, 입자 측정 센서가 작동하지 않는 동안에는 별도의 개폐 밸브를 통해 배기 가스가 입자 측정 센서 내부로 유입되지 않도록 제어함으로써, 입자 측정 센서의 정확성 및 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 차량의 배기 가스의 유속을 이용하여 미세 입자를 입자 측정 센서 내부로 유입시킴으로써, 별도의 흡입 장치 없이도 미세 입자의 농도를 측정할 수 있고, 흡입 장치가 불필요함에 따라 입자 측정 센서를 저렴한 비용으로 제작할 수 있을 뿐만 아니라 더욱 단순하고 콤팩트한 구조로 제작 가능하여 차량 배기관에 용이하게 장착할 수 있으며, 이에 따라 더욱 편리하게 차량에 적용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 입자 측정 센서를 통해 차량의 배기 가스 중에 함유된 미세 입자를 단극으로 하전시키고 단극으로 하전된 입자의 유동에 의해 발생되는 전압 변화를 통해 미세 입자의 농도를 측정함으로써, 더욱 정확한 미세 입자의 농도 측정이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배기가스 입자 모니터링 장치의 구성을 개념적으로 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배기가스 입자 모니터링 장치의 하전부 및 이온 제거부에 대한 작동 원리를 개념적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배기가스 입자 모니터링 장치의 검출부에 대한 작동 원리를 개념적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배기가스 입자 모니터링 장치의 동작 흐름 상태를 개략적으로 도시한 동작 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배기가스 입자 모니터링 장치의 구성을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배기가스 입자 모니터링 장치의 하전부 및 이온 제거부에 대한 작동 원리를 개념적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배기가스 입자 모니터링 장치의 검출부에 대한 작동 원리를 개념적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배기가스 입자 모니터링 장치는 차량 배기가스에 포함된 미세 입자의 수 농도를 검출하여 이에 대한 정보를 사용자에게 표시하는 장치로서, 차량 배기관(100)에 장착되는 입자 측정 센서(S)와, 차량 실내에 배치되는 성능 표시부(800)와, 성능 표시부(800)를 동작 제어하는 제어부(700)를 포함하여 구성된다.
입자 측정 센서(S)는 차량 배기관(100)의 매연 저감 장치(110)의 후방에 위치하도록 차량 배기관(100)의 내부에 연통되게 장착된다. 즉, 차량 배기관(100)에는 종래 기술에서 설명한 바와 같이 최근 배기가스 규제 강화에 따라 다양한 형태의 매연 저감 장치(110)가 장착되는데, 예를 들면, DPF(Diesel Particulate Filter), CPF(Catalyzed Particulate Filter) 또는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst) 등의 장치들이 사용되고 있다. 이러한 매연 저감 장치(110)들은 배기 가스 중의 미세 입자들을 필터링하여 외부로 배출되는 양을 감소시키도록 구성되는데, 배기 가스 중의 나노 입자에 대해서는 완벽하게 필터링하지 못할 뿐만 아니라 사용에 따라 노화되어 필터링 성능이 현저히 감소하게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 센서(S)는 이러한 매연 저감 장치(110)의 후방에 장착됨으로써, 1차적으로 매연 저감 장치(110)에 의해 필터링된 배기 가스를 대상으로 이러한 배기 가스에 함유된 미세 물질의 수 농도를 측정할 수 있도록 구성된다.
이러한 입자 측정 센서(S)는 배기 가스의 미세 입자(P)를 통과시키며 미세 입자(P)의 수 농도를 측정하도록 구성되는데, 차량 배기 가스의 유속을 이용하여 미세 입자가 센서 내부로 유입되도록 구성되므로 별도의 흡입 장치가 불필요한 구조로서, 유입부(200)와, 하전부(300)와, 검출부(500)를 포함하여 구성된다. 이러한 입자 측정 센서(S)에 대한 상세한 설명은 후술한다.
성능 표시부(800)는 차량 실내에 배치되어 운전자에게 매연 저감 장치(110)의 성능 상태를 표시하도록 구성된다. 여기서, 매연 저감 장치(110)의 성능 상태란 결국 매연 저감 장치(110)를 통과하며 필터링된 배기 가스에 함유된 미세 입자의 수 농도를 통해 알 수 있는 것이므로, 매연 저감 장치(110)의 성능 상태를 표시하는 성능 표시부(800)는 본 발명의 일 실시예에 따라 입자 측정 센서(S)에 의해 측정된 미세 입자의 수 농도를 표시하는 농도 표시부(810)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 성능 표시부(800)는 입자 측정 센서(S)에 의해 측정된 미세 입자의 수 농도가 기준치 이상일 경우에는 이를 사용자에게 경고할 수 있도록 점등되는 형태의 경고등(820)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
농도 표시부(810) 및 경고등(820)은 차량의 계기판(미도시) 내부에 장착되어 운전자가 용이하게 인식될 수 있도록 구성될 수 있으며, 예를 들면, 농도 표시부(810)는 입자 측정 센서(S)를 통해 측정된 미세 입자의 수 농도를 숫자화하여 표시하는 방식으로 표시하거나 그래프 형태로 표시하며, 기준치 이상에서는 그래프 표시 색상이 빨간색과 같은 사용자에게 경고를 줄 수 있는 색상으로 표시되도록 구성될 수 있다. 마찬가지로 경고등(820)은 농도 표시부(810)와 별도로 계기판 내부에 점등되도록 구성될 수 있으며, 사용자의 주의를 더욱 환기시킬 수 있도록 점멸하는 방식으로 작동하거나 또는 별도의 알람벨(미도시)과 함께 작동하도록 구성될 수도 있다.
제어부(700)는 입자 측정 센서(S)에 의해 측정된 미세 입자의 수 농도 값을 인가받고, 인가받은 미세 입자의 수 농도 값에 따라 성능 표시부(800)를 동작 제어하도록 구성된다. 즉, 전술한 농도 표시부(810) 및 경고등(820)이 미세 입자의 수 농도에 따라 작동하도록 동작 제어한다. 이러한 제어부(700)는 차량의 ECU(Electronic Control Unit)를 통해 이루어지도록 구성될 수도 있고, 별도로 제작되어 적용될 수도 있다.
이러한 구조에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배기가스 입자 모니터링 장치는 차량의 시동 이후에 차량 배기관(100)을 통해 외부로 배출되는 차량 배기 가스에 함유된 미세 입자의 수 농도를 실시간으로 모니터링할 수 있고, 특히, 매연 저감 장치(110)의 후방에 장착됨으로써, 매연 저감 장치(110)의 성능 상태를 계속적으로 모니터링하여, 미세 입자의 수 농도가 증가하는 경우 매연 저감 장치(110)를 교체할 수 있도록 경고 표시를 할 수 있어 매연 저감 장치(110)의 교체 주기를 운전자에게 인식시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 센서(S)의 구성에 대해 상세히 살펴본다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배기가스 입자 측정 센서는 전술한 바와 같이 유입부(200)와, 하전부(300)와, 검출부(500)를 포함하여 구성되며, 차량 배기 가스의 유속을 이용하여 미세 입자가 센서 내부로 유입되도록 구성되므로 별도의 흡입 장치가 불필요한 구조이다.
유입부(200)는 차량 배기관(100)의 매연 저감 장치(110) 후방에 위치하도록 차량 배기관(100) 내부에 장착되어 배기 가스의 미세 입자가 유입되도록 형성된다. 이러한 유입부(200)는 단순한 중공 파이프 형태로 형성될 수 있으며, 유입부(200)의 일단부는 미세 입자가 유입될 수 있도록 차량 배기관(100)의 내부에 배치되고 타단부는 유입된 미세 입자가 하전부(300)로 전달될 수 있도록 하전부(300)와 연통되게 결합될 수 있다.
이때, 차량 배기관(100) 내부에 배치되는 유입부(200)의 일단부는 도 1에 도시된 바와 같이 별도의 흡입 장치 없이도 배기 가스의 유속에 의해 미세 입자가 원활하게 유입될 수 있도록 차량 배기관(100)의 길이 방향을 따라 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 차량 배기관(100) 내부에서는 매연 저감 장치(110)를 통과한 배기 가스가 차량 배기관(100)의 길이 방향을 따라 유동하며 외부로 배출되기 때문에, 이러한 배기 가스가 유입부(200)로 원활하게 유입되도록 하기 위해서는 유입부(200)의 일단부가 배기 가스의 유동 흐름 방향, 즉 차량 배기관(100)의 길이 방향을 따라 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 구조에 따라 별도의 흡입 장치 없이도 배기 가스가 유입부(200)로 원활하게 유입될 수 있다.
한편, 하전부(300) 및 검출부(500) 등은 차량 배기관(100)의 외부에 배치되는 것이 더욱 안정적이라 할 수 있으므로, 유입부(200)는 일단부만 차량 배기관(100) 내부에 배치되고 타단부는 차량 배기관(100) 외부에 배치되는 것이 바람직하며, 이러한 유입부(200)의 타단부에 하전부(300) 및 검출부(500) 등이 연통되게 결합된다.
하전부(300)는 유입부(200)를 통해 유입된 미세 입자를 단극으로 하전시켜 통과시킬 수 있도록 형성되는데, 미세 입자를 단극으로 하전시키는 방식은 본 발명의 일 실시예에 따라 나노 입자의 단극 하전에 유리한 확산 하전(Diffusion Charge) 방식이 적용되도록 구성되는 것이 바람직하다.
좀 더 자세히 살펴보면, 종래 기술에서 설명한 바와 같이 자동차의 배기 가스에는 다량의 미세 입자가 포함되어 있으며, 이러한 미세 입자는 대부분 나노 입자에 해당된다. 이러한 미세 입자는 차량 배기관(100) 내부에서 매우 불균등하게 하전된 상태로 존재하며, 이러한 상태로 유입부(200)로 유입된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 유입부(200)로 유입된 미세 입자(P)는 각각 중성으로 하전된 입자(P3), +극으로 하전된 입자(P1), -극으로 하전된 입자(P2)가 서로 공존하는 형태로 유동하며, 이 상태로 하전부(300)로 유입된다.
하전부(300)는 이와 같이 불균등하게 하전된 미세 입자(P)들을 모두 하나의 단극으로 하전시키며, 이와 같이 단극으로 하전된 미세 입자들이 검출부(500)에서 검출될 수 있도록 구성된다.
하전부(300)에 의해 미세 입자들이 모두 단극으로 하전되도록 하는 방식은 본 발명의 일 실시예에 따라 확산 하전 방식이 적용되는데, 확산 하전 방식은 내부 공간에 이온(Q)을 발생 확산시킴으로써, 이온(Q)이 미세 입자들에 부착되도록 하는 방식이며, 이는 나노 입자에 대한 단극 하전에 매우 유리한 방식이다.
이러한 확산 하전 방식을 위해 하전부(300)는 믹싱 챔버(310)와 이온 발생기(320)를 포함하여 구성된다. 믹싱 챔버(310)는 유입부(200)를 통과한 미세 입자(P)가 유입되도록 유입부(200)와 연통되게 형성되고, 또한, 미세 입자가 믹싱 챔버(310)에서 이온(Q)과 부착되어 단극 하전된 상태로 검출부(500)로 유동하도록 검출부(500)와 연통되게 형성된다. 이온 발생기(320)는 이온 발생 전극(321)을 통해 이온(Q)을 발생시켜 믹싱 챔버(310)에 확산시키도록 믹싱 챔버(310)와 연통되게 형성되며, 이온 발생기(320)는 믹싱 챔버(310)에 더 많은 이온을 제공할 수 있도록 믹싱 챔버(310)의 양측에 각각 연통되게 장착될 수 있다. 이러한 이온 발생기(320)는 탄소 섬유(Carbon Fiber)로 이루어진 카본 브러쉬와 같은 이온 발생 전극(321)에 고전압을 인가하면 이온 발생 전극(321)에서 다량의 이온(Q)이 생성되는 방식으로 구성된다.
도 2에는 이러한 확산 하전 방식의 동작 원리가 개념적으로 도시되는데, 도 2에 도시된 바와 같이 믹싱 챔버(310)에 중성으로 하전된 입자(P3)가 유입되고, 이러한 믹싱 챔버(310)에 이온 발생기(320)의 이온 발생 전극(312)에 의해 생성된 다량의 이온(Q)이 공급 확산된다. 믹싱 챔버(310)에서는 중성으로 하전된 입자(P3)와 이온(Q)이 인력에 의해 상호 결합되며, 이에 따라 중성으로 하전된 입자(P3)는 이온(Q)의 극성과 동일한 극성을 갖는 단극 하전 입자(P1)로 변경된다. 이때, 믹싱 챔버(310)에는 충분한 이온이 공급 확산되므로 중성으로 하전된 입자(P3)는 모두 이온(Q)과 결합하며 단극 하전 입자(P1)로 변경된다.
이때, 이온(Q)은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1에 도시된 바와 같이 +극 이온, 즉 양이온으로 생성되는 것이 바람직하며, 이에 따라 입자는 +극으로 하전되고, 이와 같이 +극성의 단극 하전 입자(P1)가 믹싱 챔버(310)로부터 배출되어 검출부(500)로 유입된다.
도 2에는 개념적인 설명의 편의를 위해 믹싱 챔버(310)에 중성으로 하전된 입자(P3)만 유입되는 것으로 도시되었으나, 실제 믹싱 챔버(310)에는 전술한 바와 같이 중성으로 하전된 입자(P3) 이외에도 +극으로 하전된 입자(P1) 및 -극으로 하전된 입자(P2) 또한 유입될 수 있다. 이 경우, +극으로 하전된 입자(P1)에는 이온 전하의 특성상 양이온이 부착되지 않지만 그 자체로 +극성을 나타내고, -극으로 하전된 입자(P2)에는 이온 전하의 특성상 양이온이 더욱 쉽게 부착되어 중성으로 하전된 입자(P3)로 변화되고, 이후 중성으로 하전된 입자(P3)에 양이온이 부착된 원리와 마찬가지로 양이온이 부착되어 +극성의 단극 하전 입자(P1)으로 변화된다. 즉, +극으로 하전된 입자(P1)는 이온이 부착되지 않더라도 그 자체로 +극성의 단극 하전 입자이며, -극으로 하전된 입자(P2)는 양이온이 적어도 2개 이상 부착되어 +극성의 단극 하전 입자(P1)로 변화된다.
한편, 하전부(300)와 검출부(500) 사이에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 별도의 이온 제거부(400)가 구비되어 단극 하전 입자(P1)와 함께 믹싱 챔버(310)로부터 검출부(500)로 유입되는 이온(Q)을 포집하도록 구성되는 것이 바람직한데, 이에 대한 설명은 후술한다.
검출부(500)는 하전부(300)에 의해 단극으로 하전된 미세 입자(P1)가 통과할 수 있도록 형성되며, 미세 입자(P1)가 통과하며 발생되는 전압 변화를 감지하여 미세 입자의 수 농도를 검출하도록 구성된다.
이러한 검출부(500)는 도 3에 도시된 바와 같이 하전부(300)를 통해 단극으로 하전된 미세 입자(P1)가 사이 공간으로 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 계측 전극판(510)과, 2개의 계측 전극판(510) 사이의 전압을 측정하는 전압계(520)를 포함하여 구성된다. 즉, 2개의 계측 전극판(510)은 별도의 전원에 연결되어 상호 간에 미세 전류가 흐르도록 구성되며, 이러한 2개의 계측 전극판(510) 사이 공간으로 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 단극으로 하전된 미세 입자(P1)가 통과하게 되면, 단극으로 하전된 미세 입자(P1)에 의해 2개의 계측 전극판(510) 사이에 흐르는 미세 전류가 변화하게 된다. 이와 같이 미세 전류가 변화하게 되면, 2개의 계측 전극판(510) 사이의 전압 또한 변화하게 되므로, 이러한 전압 변화를 전압계(520)를 통해 측정함으로써, 미세 입자의 배출량을 검출하게 된다. 이때, 단극으로 하전된 미세 입자(P1)가 2개의 계측 전극판(510) 사이를 더 많이 통과하면 할수록 2개의 계측 전극판(510) 사이의 전압 변화량이 더욱 증가하게 된다. 즉, 통과하는 미세 입자의 농도와 전압 변화량이 서로 비례하는 관계에 있기 때문에, 전압 변화량을 측정함으로써, 미세 입자의 농도를 검출할 수 있게 된다.
이때, 전압계(520)를 통해 측정된 전압 변화는 매우 미세하기 때문에, 도 3에 도시된 바와 같이 별도의 증폭기(530)를 통해 전압 변화량 데이터를 증폭시키고, 증폭된 데이터를 별도의 연산부(550)를 통해 미세 입자에 대한 농도를 산출하여 이를 다시 미세 입자에 대한 수 농도로 환산하며, 환산한 미세 입자의 수 농도를 제어부(700)로 인가하도록 구성될 수 있다. 이때, 연산부(550)는 전압 변화량에 따른 미세 입자의 농도와 미세 입자에 대한 수 농도의 상호 관계를 데이터 베이스화한 데이터를 통해 환산하거나 이론적인 수식에 의해 환산하는 방식으로 연산 작업을 수행할 수 있을 것이다.
이와 같이 검출부(500)는 2개의 계측 전극판(510) 사이를 통과하는 단극으로 하전된 미세 입자(P1)에 의한 전압 변화를 측정하는 방식으로 미세 입자의 수 농도를 검출하는데, 이 경우 2개의 계측 전극판(510) 사이를 단극으로 하전된 미세 입자(P1) 이외에 전기적 극성을 갖는 다른 이온들이 통과하게 되면, 이러한 이온들에 의해 2개의 계측 전극판(510) 사이에서 발생하는 전압 변화에 영향을 미치게 되므로, 정확한 미세 입자의 수 농도를 검출할 수 없다.
따라서, 검출부(500)의 검출 정확성을 더욱 향상하기 위해 전술한 바와 같이 하전부(300)와 검출부(500) 사이에는 하전부(300)에서 발생된 이온(Q)이 검출부(500)로 유입되지 않도록 별도의 이온 제거부(400)가 구비되는 것이 바람직하다.
이온 제거부(400)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 하전부(300)에서 발생된 이온(Q) 및 단극으로 하전된 미세 입자(P1)가 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 트랩 전극판(410)을 포함하여 구성되고, 2개의 트랩 전극판(410)에는 각각 미세 전압이 생성되어 2개의 트랩 전극판(410)을 사이 공간을 통과하는 이온(Q)이 전기력에 의해 부착될 수 있도록 구성된다.
즉, 하전부(300)의 믹싱 챔버(310)에는 미세 입자가 모두 단극으로 하전될 수 있도록 이온 발생기(320)로부터 충분한 양의 이온(Q)이 공급 확산되고, 이중 일부만 미세 입자에 결합되어 미세 입자를 단극으로 하전시키고 나머지는 믹싱 챔버(310)의 출구를 통해 단극으로 하전된 미세 입자(P1)와 함께 검출부(500)를 향해 유동하게 된다. 이와 같이 검출부(500)를 향해 유동하는 이온(Q)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 이온 제거부(400)의 2개의 트랩 전극판(410) 사이 공간을 통과하게 되는데, 이때 2개의 트랩 전극판(410)에는 미세 전압이 생성되어 전기 극성을 가지므로, 이온(Q)이 통과하며 2개의 트랩 전극판(410)에 전기력에 의해 부착되게 된다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 이온 발생기(320)로부터 +극성을 갖는 양이온이 믹싱 챔버(310)로 공급 확산되는 경우, 양이온 중 일부는 미세 입자와 결합되어 미세 입자가 양극으로 하전되고, 나머지는 믹싱 챔버(310)의 출구를 통해 검출부(500)를 향해 유동한다. 이때, 이온 제거부(400)의 2개의 트랩 전극판(410)은 각각 양이온을 전기력에 의해 끌어당길 수 있도록 -극성을 갖는 형태로 미세 전압이 생성된다. 즉, 각각 별도의 전원에 연결되어 -극성을 갖도록 형성된다.
이때, 2개의 트랩 전극판(410)에 생성되는 미세 전압은 단지 이온(Q)에만 영향을 미칠 수 있는 정도의 크기로 생성된다. 즉, 2개의 트랩 전극판(410) 사이 공간으로는 단극으로 하전된 미세 입자(P1)와 이온(Q)이 함께 흘러가므로, 2개의 트랩 전극판(410)에 의해 작용하는 전기력에 의한 인력은 단극으로 하전된 미세 입자(P1) 및 이온(Q)에 모두 동시에 작용하게 된다. 이때, 이온(Q)을 끌어당겨 부착시키는데 필요한 전기력의 크기가 단극으로 하전된 미세 입자(P1)를 끌어당겨 부착시키는 데 필요한 전기력의 크기보다 상대적으로 작으므로, 따라서, 2개의 트랩 전극판(410)에 의해 작용하는 전기력은 단극으로 하전된 미세 입자(P1)는 통과시키고 이온(Q)만을 끌어당겨 부착시킬 수 있는 정도의 크기로 생성되는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 구조에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 배기가스 입자 측정 센서는 차량 배기관(100)을 통해 배출되는 배기 가스 중의 미세 입자가 유입부(200)를 통해 유입된 후, 하전부(300)를 통해 단극으로 하전되고, 이후 단극으로 하전된 미세 입자의 유동에 따른 전압 변화를 검출부(500)에 의해 검출하는 방식으로 미세 입자의 수 농도를 검출할 수 있다.
이때, 배기 가스의 미세 입자는 대부분 나노 입자에 해당하므로, 하전부(300)는 나노 입자의 단극 하전에 유리한 방식인 확산 하전 방식을 통해 미세 입자를 하전하도록 구성되며, 검출부(500)에는 확산 하전 방식의 하전부(300)에서 발생한 이온(Q)들이 유입되지 못하도록 하전부(300)와 검출부(500) 사이에는 별도의 이온 제거부(400)가 구비된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자 측정 센서(S)는 차량 배기 가스의 미세 입자에 대한 수 농도를 정확하게 검출할 수 있고, 별도의 흡입 장치 없이도 배기 가스의 유속을 이용하여 미세 입자를 센서 내부로 유입시켜 이를 검출할 수 있으므로, 더욱 단순하고 콤팩트한 형태로 용이하게 제작할 수 있으며, 아울러 제작 비용 또한 저렴하게 제작하여 차량에 장착할 수 있는 구조이다.
한편, 이와 같은 입자 측정 센서(S)가 차량의 주행 중에 계속해서 작동하게 되면, 입자 측정 센서(S)의 사용에 따른 손상이 심화되고, 일반적으로 차량의 배기 가스 중의 미세 입자는 차량의 시동시에 가장 많이 배출되고 있으므로, 입자 측정 센서(S)는 차량의 시동시부터 일정 시간 동안에만 작동하도록 제어부(700)에 의해 동작 제어되는 것이 바람직하다.
이때, 입자 측정 센서(S)의 유입부(200)는 별도의 흡입 장치 없이도 배기 가스의 미세 물질이 원활하게 유입되도록 차량 배기관(100) 내부에 배치되므로, 입자 측정 센서(S)가 작동하지 않는 동안에도 유입부(200)를 통해 입자 측정 센서(S) 내부로 계속해서 미세 입자가 유입될 수 있다.
따라서, 유입부(200)에는 도 1에 도시된 바와 같이 유입부(200)를 개폐할 수 있는 별도의 개폐 밸브(600)가 장착될 수 있고, 이러한 개폐 밸브(600)는 입자 측정 센서(S)가 작동하는 동안에만 유입부(200)를 개방하도록 제어부(700)에 의해 동작 제어되는 것이 바람직하다.
이러한 구조에 따라 운전자가 스타트 스위치를 시동 대기 상태로 조작하면, 제어부(700)는 이러한 신호를 인가받아 개폐 밸브(600)를 개방하도록 동작 제어하고, 차량의 시동시부터 일정 시간 동안, 예를 들면 5초 또는 10초 동안 하전부(300), 이온 제거부(400) 및 검출부(500)가 작동하도록 제어하여, 이 시간 동안에만 차량 배기관(100)을 통해 배출되는 미세 입자의 수 농도를 측정할 수 있고, 이후 하전부(300), 이온 제거부(400) 및 검출부(500)가 작동 중단하도록 제어함과 동시에 개폐 밸브(600)가 폐쇄되도록 동작 제어할 수 있다. 이와 같이 개폐 밸브(600)가 폐쇄되면, 차량의 주행 중에도 유입부(200) 내부로 배기 가스가 유입되지 않아 입자 측정 센서(S) 내부 공간이 배기 가스의 미세 입자로부터 보호되어 양호한 상태를 계속 유지할 수 있게 되어 내구성이 향상된다.
도 4에는 이러한 차량 배기가스 입자 모니터링 장치의 동작 흐름 상태가 개략적으로 도시된다. 도 4에 도시된 바와 같이 모니터링 장치가 작동 시작하면(S1), 먼저 제어부(700)가 차량이 시동 대기 상태인지 여부를 판단하고(S2), 차량 시동 대기 상태로 판단되면, 개폐 밸브(600)를 개방하고 입자 측정 센서(S)를 작동시킨다(S3). 이후, 차량 시동 대기 상태에서 차량 시동이 시작되었는지 여부를 판단하고(S4), 차량 시동이 시작되지 않은 상태라면 계속해서 차량 시동 대기 상태인지 여부를 파악하고, 차량 시동이 시작된 상태라면 일정 시간 후 입자 측정 센서(S)의 작동을 중단시키고 개폐 밸브(600)를 폐쇄하는 방향으로 작동시킨다(S5). 입자 측정 센서(S)에서 측정된 미세 입자 수 농도는 농도 표시부(810)를 통해 표시되도록 제어되고(S6), 측정된 미세 입자 수 농도가 기준치 이상인지 여부를 판단한다(S7). 미세 입자 수 농도가 기준치 이상이면, 경고등(820)이 작동하도록 제어된 후(S8) 종료되고(S9), 미세 입자 수 농도가 기준치보다 작으면, 경고등(820) 작동 없이 종료되도록 제어된다(S9).
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 차량 배기관 110: 매연 저감 장치
S: 입자 측정 센서 200: 유입부
300: 하전부 310: 믹싱 챔버
320: 이온 발생기 400: 이온 제거부
410: 트랩 전극판 500: 검출부
510: 계측 전극판 520: 전압계
600: 개폐 밸브 700: 제어부
800: 성능 표시부

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 차량 배기관의 매연 저감 장치 후방에 위치하도록 상기 차량 배기관의 내부에 연통되게 장착되며, 배기 가스의 미세 입자가 통과하도록 형성되어 미세 입자의 수 농도를 측정하는 입자 측정 센서;
    차량 실내에 배치되어 상기 매연 저감 장치의 성능 상태를 표시하는 성능 표시부; 및
    상기 입자 측정 센서에 의해 측정된 미세 입자의 수 농도를 인가받고 상기 미세 입자의 수 농도에 따라 상기 성능 표시부를 동작 제어하는 제어부
    를 포함하고, 상기 입자 측정 센서는
    차량 배기관 내부에 장착되어 배기 가스의 미세 입자가 유입되도록 형성되는 유입부;
    상기 유입부를 통해 유입된 미세 입자를 단극으로 하전시켜 통과시키는 하전부; 및
    상기 하전부에 의해 단극으로 하전된 미세 입자가 통과할 수 있도록 형성되며, 상기 미세 입자가 통과하며 발생되는 전압 변화를 감지하여 미세 입자의 수 농도를 검출하는 검출부
    를 포함하고, 상기 제어부에 의해 상기 입자 측정 센서의 작동 상태가 동작 제어되는 것을 특징으로 하는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유입부는 배기 가스의 유동 압력에 의해 미세 입자가 유입될 수 있도록 상기 차량 배기관의 길이 방향을 따라 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 하전부는
    상기 유입부를 통해 유입된 미세 입자가 통과하도록 상기 유입부 및 상기 검출부와 연통되게 형성되는 믹싱 챔버; 및
    이온 발생 전극을 통해 이온을 발생시켜 미세 입자와 부착되도록 상기 믹싱 챔버에 확산시키는 이온 발생기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 검출부는
    상기 하전부를 통과하며 단극으로 하전된 미세 입자가 사이 공간으로 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 계측 전극판; 및
    상기 2개의 계측 전극판 사이의 전압을 측정하는 전압계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 하전부에서 발생된 이온이 상기 검출부로 유입되지 않도록 상기 하전부와 상기 검출부 사이에 별도의 이온 제거부가 형성되는 것을 특징으로 하는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이온 제거부는 상기 하전부에서 발생된 이온이 통과할 수 있도록 상호 이격되게 배치되는 2개의 트랩 전극판을 포함하고, 상기 2개의 트랩 전극판에는 이온이 전기력에 의해 부착될 수 있도록 미세 전압이 생성되는 것을 특징으로 하는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는 차량의 시동시부터 일정 시간 동안에만 상기 입자 측정 센서가 작동하도록 동작 제어하는 것을 특징으로 하는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유입부에는 상기 유입부를 개폐할 수 있도록 작동하는 개폐 밸브가 장착되고, 상기 개폐 밸브는 상기 입자 측정 센서가 작동하는 동안에만 상기 유입부를 개방하도록 상기 제어부에 의해 동작 제어되는 것을 특징으로 하는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치.
  10. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성능 표시부는
    상기 입자 측정 센서에 의해 측정된 미세 입자의 수 농도를 표시하는 농도 표시부; 및
    상기 입자 측정 센서에 의해 측정된 미세 입자의 수 농도가 기준치 이상일 경우 점등되는 경고등
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 배기가스 입자 모니터링 장치.
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