KR20170131794A - 입자상물질 발생장치 - Google Patents

Abstract

입자상물질 발생장치에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 입자상물질 발생장치는: 전달가스의 공급으로 액체연료를 미립화시키는 연료무화부와, 연료무화부에 연결되며 액체연료가 미립화된 성분을 포함한 전달가스에 희석가스와 산화성가스를 공급하여 혼합시키는 혼합부와, 혼합부에 연결되며 혼합부에서 배출된 유체를 설정된 온도로 가열하여 입자상물질을 생성하는 가열부 및 가열부를 통과하며 가열된 유체를 외부의 배기가스 모사 장치에서 배출된 배기가스와 혼합하여 출력하는 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

입자상물질 발생장치{APPARATUS FOR GENERATING SOOT}

본 발명은 입자상물질 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체연료를 이용하여 자동차 배기가스 중 입자상물질을 모사할 수 있는 입자상물질 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차용 배기가스 모사 장치는 자동차용 배기가스를 실차와 동일한 조건으로 공급하는 시험 장치이다. 최근 자동차 성능, 배기가스 규제, 효율 증대를 위해 배기가스를 이용하는 기술의 개발이 상당히 필요하므로, 자동차의 배기가스를 그대로 모사할 수 있는 장치의 수요가 증가하고 있다.

차량 배기단에 위치한 각종 부품 및 장치의 성능을 검증하거나 개발하기 위해서 정밀하고 정확한 배기가스 모사 장치가 필요하며, 이에 따라 배기가스 모사 장치에서 배출하는 배기가스 중에 혼합할 입자상물질을 보다 정확하게 모사할 수 있도록 하는 입자상물질 발생장치의 개발이 요구된다.

자동차 배기가스 중의 입자상물질(PM 또는 Soot)은 통상 공기와 연료의 혼합비로써 출력을 조정하는 디젤엔진에서 주로 배출된다. 즉, 디젤 엔진의 연소시에는 연료가 연소실에 고압으로 분사되는 기간이 매우 짧기 때문에 국부적인 농후 영역이 발생하고 다량의 매연이 발생한다. 입자상물질의 크기는 대부분 미세한 직경을 가지며 탄소입자 외에 용해성 유기물도 다량 포함된다.

종래의 입자상물질 발생장치로는 가스연료를 활용한 매연 발생기가 있으며, 가스연료를 활용한 입자상물질 발생장치는 프로판과 같은 가스연료를 이용하여 확산 화염을 형성하고, 냉각가스를 이용하여 입자 포집을 수행하며, 희석가스를 사용하여 입자를 생성한다.

종래의 가스연료를 활용한 입자상물질 발생장치는 화염에서 입자가 생성되므로 그 생성량이 제한적이며, 입자 사이즈에 따른 성분이 독립적이지 못하고, 가스연료를 사용하므로 초기 생성 입자 및 저온 연소시 발생하는 입자를 모사할 수 없는 문제점이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1329067호(2013.11.07.등록, 입자상물질 생성장치 및 수집장치)에 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 액체연료를 이용하여 자동차 배기가스 중 입자상물질을 모사할 수 있는 입자상물질 발생장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 입자상물질 발생장치는: 전달가스의 공급으로 액체연료를 미립화시키는 연료무화부와, 연료무화부에 연결되며 액체연료가 미립화된 성분을 포함한 전달가스에 희석가스와 산화성가스를 공급하여 혼합시키는 혼합부와, 혼합부에 연결되며 혼합부에서 배출된 유체를 설정된 온도로 가열하여 입자상물질을 생성하는 가열부 및 가열부를 통과하며 가열된 유체를 외부의 배기가스 모사 장치에서 배출된 배기가스와 혼합하여 출력하는 배출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 연료무화부는, 액체연료가 내측에 저장되며 혼합부와 연결되는 저장몸체와, 저장몸체의 내측으로 전달가스를 공급하는 공급관로부 및 일측은 액체연료의 내측으로 연장되며 타측은 공급관로부에 연결되며 부압에 의해 공급관로부로 이동되는 액체연료의 흐름을 안내하는 안내관로를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 혼합부는, 저장몸체에 연결되며 저장몸체에서 배출되는 전달가스의 이동통로가 점차로 좁아지게 형성되는 내측관로부와, 내측관로부의 외측에 위치하며 내측관로부에서 배출된 전달가스를 가열부를 향한 방향으로 안내하는 외측관로부 및 외측관로부에 연결되며 외측관로부의 내측으로 희석가스와 산화성가스를 공급하는 가스공급부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 가스공급부는 외측관로부를 통한 전달가스의 이동방향에 대하여 사선 방향으로 희석가스와 산화성가스를 공급하는 것이 바람직하다.

또한 가열부는, 외측관로부에서 배출된 전달가스의 이동을 안내하며 열전달이 이루어지는 재질로 성형되는 가열관로부 및 가열관로부의 외측에 위치하며 가열관로부의 내측을 따라 이동하는 전달가스를 가열하는 히터부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 가열관로부는 알루미나 튜브가 복수 개 구비되는 것이 바람직하다.

또한 배출부는, 가열관로부에 연결되어 입자상물질이 포함된 전달가스를 전달받는 배출관로부 및 배출관로부에 연결되며 배출관로부의 내측으로 배기가스를 공급하는 측면공급부를 포함하며, 측면공급부는 배출관로부를 통한 전달가스의 이동방향에 대하여 사선 방향으로 배기가스를 공급하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 입자상물질 발생장치는, 액체연료를 이용하여 자동차 배기가스 중 입자상물질을 모사할 수 있으므로 차량 부품 검사의 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상물질 발생장치의 주요 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료무화부를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저장몸체의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공급관로부와 안내관로가 연결된 상태를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료무화부의 중앙관로가 혼합부에서 이격된 상태를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열부에 구비된 복수의 가열관로부를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열부의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배출부의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상물질 발생장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상물질 발생장치의 주요 구성을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료무화부를 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저장몸체의 평면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공급관로부와 안내관로가 연결된 상태를 도시한 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료무화부의 중앙관로가 혼합부에서 이격된 상태를 도시한 단면도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열부에 구비된 복수의 가열관로부를 도시한 사시도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가열부의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 배출부의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상물질 발생장치(1)는, 전달가스(G)의 공급으로 액체연료(F)를 미립화시키는 연료무화부(10)와, 연료무화부(10)에 연결되며 액체연료(F)가 미립화된 성분을 포함한 전달가스(G)에 희석가스(D)와 산화성가스(H)를 공급하여 혼합시키는 혼합부(20)와, 혼합부(20)에 연결되며 혼합부(20)에서 배출된 유체를 설정된 온도로 가열하여 입자상물질(P)을 생성하는 가열부(40)와, 가열부(40)를 통과하며 가열된 유체를 외부의 배기가스 모사 장치에서 배출된 배기가스(E)와 혼합하여 출력하는 배출부(50)를 포함한다.

액체연료(F)의 무화는 액체를 미립자화 하는 것이며, 무화된 액체연료(F)를 가열온도와 가열시간 등을 조절하여 입자상물질(P)의 입자수 및 입자의 크기를 조절할 수 있다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 연료무화부(10)는 전달가스(G)의 공급으로 액체연료(F)를 미립화한 후, 혼합부(20)로 미립화된 액체연료(F)와 함께 전달가스(G)를 공급하는 기술사상 안에서 다양한 변형이 가능하다. 일 실시예에 따른 연료무화부(10)는, 저장몸체(12)와 공급관로부(13)와 안내관로(19)를 포함한다.

저장몸체(12)는 중앙관로(11)를 포함하며 혼합부(20)와 연결되며, 저장몸체(12)의 내측에 액체연료(F)가 저장되는 기술사상 안에서 다양한 변형이 가능하다. 저장몸체(12)의 내측에는 액체연료(F)가 저장되는 공간을 형성하며, 저장몸체(12)의 상측에는 관 형상의 중앙관로(11)가 수직방향으로 설치된다. 중앙관로(11)는 액체연료(F)와 이격된 상태에서 저장몸체(12)의 상측에 고정되므로, 연무된 액체연료(F)와 전달가스(G)는 중앙관로(11)의 하측을 통해 상측으로 이동한다.

중앙관로(11)의 측면에는 액체연료(F)를 분무하는 공급관로부(13)가 설치되므로, 공급관로부(13)에서 분무된 액체연료(F)는 바로 혼합부(20)로 이동하지 않고, 보다 미립화된 액체연료(F)만 전달가스(G)와 함께 중앙관로(11)의 하측으로 이동한 후 중앙관로(11)를 따라 상측으로 이동한다.

공급관로부(13)는 저장몸체(12)의 내측으로 전달가스(G)를 공급하는 기술사상 안에서 다양한 종류의 분무장치가 사용될 수 있다. 일 실시예에 따른 공급관로부(13)는, 연결관로(14)와 돌출관로(15)와 공급관로(16)를 포함한다.

연결관로(14)는 내측에 암나사산이 구비되며, 저장몸체(12)의 측방향으로 돌출된다. 연결관로(14)는 전달가스(G)를 공급하는 관로와 연결되며, 이러한 연결관로(14)는 복수로 구비되어 저장몸체(12)의 둘레를 따라 설정된 각도로 이격된다.

연결관로(14)에서 저장몸체(12)의 내측을 향하여 연장된 돌출관로(15)는 수평방향으로 설치되며, 돌출관로(15)의 내측에는 전달가스(G)의 이동을 안내하는 공급관로(16)가 구비된다. 공급관로(16)는 부압에 의해 하측에 있는 액체연료(F)를 상측으로 이동시키기 위해 관의 직경이 가변된다. 일 실시예에 따른 공급관로(16)는 소관로(17)와 대관로(18)를 포함한다. 소관로(17)의 내부직경은 대관로(18)의 내부직경보다 작게 형성된다. 소관로(17)는 연결관로(14)에 연통되며 대관로(18)는 중앙관로(11)와 마주하는 돌출관로(15)에 연통된다. 소관로(17)와 대관로(18)는 서로 연결되며, 소관로(17)를 통과하여 대관로(18)로 이동된 전달가스(G)의 압력이 떨어지므로 대기압보다 낮은 기압이 형성된다.

안내관로(19)의 일측은 액체연료(F)의 내측으로 연장되며, 안내관로(19)의 타측은 공급관로부(13)의 대관로(18)에 연결되며, 부압에 의해 공급관로부(13)로 이동되는 액체연료(F)의 흐름을 안내한다. 안내관로(19)는 상하 길이방향으로 연장되는 파이프 형상이며, 안내관로(19)의 일측이 하측으로 연장되어 액체연료(F)의 내측에 잠긴다.

일 실시예에 따른 연료무화부(10)는 디젤연료 및 엔진오일을 혼합하여 사용할 수 있다. 연료무화부(10)의 출구는 상기 미립화된 액체연료(F) 중 가스흐름을 추종하는 미세입자를 선택할 수 있는 구조로 형성된다. 이를 위하여 저장몸체(12)의 내측에는 중앙관로(11)가 구비되며, 중앙관로(11)의 외측에는 공급관로부(13)에서 무화된 유체와 충돌되는 충돌면이 외측에 구비된다. 공급관로부(13)에서 무화된 액체연료(F) 중 비교적 입자가 큰 유체는 중앙관로(11)의 측면에 부딪힌 후 하측으로 낙하되며, 비교적 작은 입자는 중앙관로(11)의 하측을 통해 상측으로 이동된다. 따라서 공급관로부(13) 보다 입구가 하측에 위치한 중앙관로(11)를 사용하므로 비교적 큰 입자의 액체연료(F)가 연료무화부(10)의 출구로 배출됨이 방지된다.

일 실시예에 따른 혼합부(20)에 사용되는 액체연료(F)는 디젤과 엔진오일의 영향을 모두 받기 위해서 엔진오일 5wt%(전체 화합물 g수 중에 존재하는 특정 물질의 g수의 백분율)를 첨가한 디젤을 이용한다.

연료무화부(10)에서 액체연료(F)의 무화는 기화기 구조의 벤추리(Venturi)를 이용하여 액체연료(F)를 부압으로 끌어올린 후, 전달가스(G)와 혼합하여 분무가 이루어진다. 이때 전달가스(G)의 유동에 섞여 자연스럽게 이동하는 작은 액체방울인 액적을 선정한다.

도 1과 도 5에 도시된 바와 같이, 혼합부(20)는 연료무화부(10)를 통과한 전달가스(G)와 무화된 액체연료(F)의 혼합 유체에 공기와 희석가스(D)를 공급하여 혼합한다. 이러한 혼합부(20)의 동작으로 무화된 액체연료(F)가 가열부(40) 내의 있는 체재시간 및 산화도를 조절할 수 있다.

무화된 액체연료(F)가 가열부(40) 내에서 갖는 체재시간은, 열기관에서 연료가 연소실로 들어가는 순간부터 연소 가스가 되어 연소실을 벗어나는 순간까지의 시간에 대응된다. 혼합부(20)는 산화도 조절을 위해 무화된 액체연료(F)와 전달가스(G)가 혼합된 공기에 질소와 같은 희석가스(D)를 공급한다. 가열부(40)에서의 무화된 액체연료(F)가 머무는 체재시간은, 혼합부(20)에서 공급되는 질소(N₂)의 유량을 조절하므로 해결할 수 있다.

무화된 액체연료(F)가 가열부(40) 내에서 머무는 체재시간 조절을 위해, 혼합부(20)에서 사용하는 희석가스(D)의 종류에 따른 C/H비(탄소(C)와 수소(H)의 중량비)의 영향은 다음과 같다.

C/H 비율은 SOF의 양을 정량화 하는데 좋은 지표로 사용될 수 있으며, 디젤연료의 C/H비는 0.5정도이고, EGR(배기가스 재순환율)이 커서 저온 연소시에 발생하는 입자상물질(P)의 경우 2 정도의 비율을 보이며, 전형적인 디젤연소의 경우 4~9 정도의 비율을 보인다.

희석가스(D)가 질소인 경우 희석량에 따라 급격히 C/H 비율이 감소하며, 희석가스(D)를 헬륨(He)을 이용한 경우 희석양에 따라 비교적 천천히 변화함을 알 수 있다.

질소와 헬륨이 같은 유량인 경우, 두 가스 사이에 C/H 비율의 차이가 발생하는데, 이는 헬륨을 희석가스(D)로 사용한 경우 질소에 비해 열용량이 적어서 가열관로부(42) 내의 온도 분포가 평탄하고 높게 유지되기 때문이다.

혼합부(20)는 가열부(40)에서 열분해를 위한 시간 조절 및 발생된 입자의 산화 정도를 조절한다. 혼합부(20)는 희석가스(D) 또는 산화성가스(H)를 공급하며, 이를 위하여 공기나 질소 등이 공급된다.

이러한 혼합부(20)는 연료무화부(10)에 연결되며, 액체연료(F)가 미립화된 성분을 포함한 전달가스(G)에 희석가스(D)와 산화성가스(H)를 공급하여 혼합시키는 기술사상 안에서 다양한 변형이 가능하다. 일 실시예에 따른 혼합부(20)는 내측관로부(22)와 외측관로부(24)와 가스공급부(26)를 포함한다.

내측관로부(22)는 저장몸체(12)에 연결되며, 저장몸체(12)에서 배출되는 전달가스(G)의 이동통로가 점차로 좁아지게 형성된다. 내측관로부(22)는 깔때기가 뒤집힌 형상이며, 하측에서 상측으로 갈수록 유체가 이동하기 위한 통로가 점차로 작게 형성된다. 따라서 혼합부(20)의 내측에는 중앙부를 따라 상측으로 이동하는 전달가스(G)와 무화된 액체연료(F)의 흐름이 형성되며, 이로 인하여 혼합부(20)에서 공급되는 희석가스((D)와 산화성가스(H)가 무화된 액체연료(F)를 포함한 전달가스(G)와 용이하게 혼합된다.

외측관로부(24)는 내측관로부(22)의 외측에 위치하며, 내측관로부(22)에서 배출된 전달가스(G)를 가열부(40)를 향한 방향으로 안내하는 기술사상 안에서 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 일 실시예에 따른 외측관로부(24)는 내측관로부(22)를 감싸며 내측관로부(22)에서 나온 유체와 가스공급부(26)에서 공급된 유체가 혼합되기 위한 공간을 형성한다.

가스공급부(26)는 외측관로부(24)에 연결되며, 외측관로부(24)의 내측으로 희석가스(D)와 산화성가스(H)를 공급한다. 가스공급부(26)는 외측관로부(24)를 통한 전달가스(G)의 이동방향에 대하여 사선 방향으로 희석가스(D)와 산화성가스(H)를 공급하므로, 가스공급부(26)에서 공급되는 가스와 내측관로부(22)를 통해 배출되는 유체의 혼합이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.

혼합부(20)와 가열부(40)는 직접 연결될 수 있으며, 필요에 따라 이음관로(30)를 통해 연결될 수도 있다.

도 1 및 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 가열부(40)는 혼합부(20)에 연결되며 혼합부(20)에서 배출된 유체를 설정된 온도로 가열하여 입자상물질(P)을 생성하는 기술사상 안에서 다양한 종류의 가열부(40)가 사용될 수 있다.

액체연료(F)를 경유로 사용하는 경우, 가열부(40)의 가열온도가 1100℃ 부터 그을음이 형성된다. 가열부(40)로 유입되는 무화 연료가 동일한 경우, 가열부(40)의 열분해 온도가 높을수록, 고온에 체재되는 시간이 증가할 수록 입자상물질(P)의 농도가 증가한다. 또는 가열부(40)로 유입되는 무화된 액체연료(F)의 농도가 증가할수록 그을음의 생성이 증가한다.

일 실시예에 따른 가열부(40)는, 외측관로부(24)에서 배출된 전달가스(G)의 이동을 안내하며 열전달이 이루어지는 재질로 성형되는 가열관로부(42) 및 가열관로부(42)의 외측에 위치하며 가열관로부(42)의 내측을 따라 이동하는 전달가스(G)를 가열하는 히터부(44)를 포함한다. 가열관로부(42)는 알루미나(Alumina) 튜브가 복수 개 구비되어 가열부(40)의 길이방향으로 설치되며, 이러한 가열관로부(42)는 튜브를 고정시키는 홀더부(48)에 의해 설치위치가 설정된다.

가열관로부(42)의 외측에는 히터부(44)가 위치하며, 히터부(44)의 외측에는 케이스부(46)가 위치한다. 케이스부(46)의 양측 단부에는 연결단부(49)가 위치하므로, 혼합부(20)나 혼합부(20)에 연결된 이음관로(30) 또는 배출부(50)와 연결되는 작업이 용이하게 이루어질 수 있다.

가열부(40)의 히터부(44)는 SiC(실리콘 카바이드) 히터를 사용하며, 히터부(44)의 온도는 PID(비례 적분 미분) 제어기(미도시)를 이용하여 내측관로부(22)의 표면 온도를 피드백 하여 제어한다. 히터부(44)는 가열부(40)의 전체길이에 맞춰 제작되거나, 길이가 짧은 복수의 히터를 연이어 설치할 수 있다.

혼합부(20)에서 배출되는 무화된 액체연료(F)가 흐르는 가열관로부(42)는 복수의 알루미나 튜브를 포함한다. 열분해 튜브인 알루미나 튜브는 설정된 내경을 구비한 튜브를 사용하며, 이러한 내측관로부(22)는 가열부(40)의 길이방향으로 설치된다.

연료무화부(10)에서 무화된 액체연료(F)는 가열부(40)의 가열관로부(42)를 통과한 후, 배출부(50)에서 배기가스(E)와 혼합되며, 그 혼합지점으로부터 1.5m 후단에서 가스를 샘플링하도록 구성된다. 즉, 배출부(50)의 후방에서 입자상물질(P)을 채취하여 측정할 수 있다.

배출부(50)는 가열부(40)를 통과하며 가열된 유체를 외부의 배기가스 모사 장치에서 배출된 배기가스(E)와 혼합하여 출력한다. 일 실시예에 따른 배출부(50)는, 가열관로부(42)에 연결되어 입자상물질(P)이 포함된 전달가스(G)를 전달받는 배출관로부(52)와, 배출관로부(52)에 연결되며 배출관로부(52)의 내측으로 배기가스(E)를 공급하는 측면공급부(54)를 포함한다.

일 실시예에 따른 측면공급부(54)는 배출관로부(52)를 통한 전달가스(G)의 이동방향에 대하여 사선 방향으로 배기가스(E)를 공급하므로, 전달가스(G)와 배기가스(E)의 혼합이 용이하게 이루어질 수 있다.

배출부(50)는 가열부(40)에서 토출된 입자상물질(P)이 응축됨을 억제하기 위해 고온의 가스에 비교적 저온의 배기가스(E)를 공급하여 입자상물질(P)의 응축을 최소화한다.

한편 본 실시예에 따른 입자상물질 발생장치(1)에서 생성되는 입자상물질(P)의 특성을 살펴보기 위해, 가변 희석기(DEKAKI:FPS-4000) 및 thermodenuder, ELPI(DEKAKI)가 차례로 연결되어 매연의 입자크기의 분포 특성을 살펴볼 수 있고, CPC(Condensation Particle Counter, TSI : TSI 3775)를 동시에 연결하여 전체입자수를 확인할 수 있다. 그리고 열영동 포집을 통하여 포집된 매연은 SOF(Soluble Organic Compounds)의 함량을 알기 위해 원소 분석(C/H, Thermo Finnigan : FlashEA 1112)을 수행할 수 있고, 산화 및 열적 물성 분석을 위해 TGA/DSC 분석을 수행할 수 있다.

이렇게 특성화된 입자상물질 발생장치(1)를 이용하여 SOF 성분의 함량에 따른 표면에 부착된 매연의 형상을 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope, Carl zeiss : Supra 60) and TEM(Transmission Electron Microscope, Philips : Tecnal F20)을 이용하여 관찰할 수 있다.

참고로, 엔진에서 생성되는 대부분의 매연 입자는 연소과정을 통해 완전히 산화되지 못하므로 발생한다. 따라서 운전 조건에 따라서 연소 특성이 변화하고 이때 생성되는 매연 입자의 특성과 SOF(Soluble Organic Fracture) 성분들이 변화한다.

가열부(40)에서 열분해 온도가 낮을수록, 그리고 무화된 액체연료(F)가 가열부(40)에서 머무는 체재시간이 짧을수록 매연의 양이 감소하고 색깔이 갈색으로 변화한다. 갈색형태의 매연은 아직 탄화가 진행 중인 매연으로 수소함량이 큰 특징을 보인다.

이와 같이 체재시간이 짧고 열분해 온도가 낮은 영역에서는 SOF가 다량인 매연이 형성되고, 열분해 온도가 높고 체재시간이 긴 경우는 SOF가 거의 없고 탄소가 대부분인 매연을 얻을 수 있다.

가열부(40)를 통과하는 무화된 액체연료(F)와 전달가스(G)에 전달되는 열분해 온도가 높아수록 매연입자의 생성이 활발해지고, 입자간의 응집(Coagulation)에 의해 매연 입자의 크기가 증가한다. 그리고 가열부(40)에 무화된 액체연료(F)가 머무는 체재시간이 감소함에 따라, 입자의 응집이 일어날 수 있는 시간이 감소되므로, 입자상물질(P)의 입자수는 증가하지만 입자의 크기는 감소한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 입자상물질 발생장치(1)는, 열분해 온도 변화에 따라 평균 매연 입경을 20nm~70nm까지 조절이 가능하며, 입자수도 엔진에서 배출되는 입자상물질(P)(PM)과 비슷한 수준으로 조절 가능하다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 입자상물질 발생장치(1)의 작동상태를 상세히 설명한다.

연료무화부(10)의 공급관로부(13)로 공급된 전달가스(G)는 연결관로(14)를 통해 공급관로(16)의 소관로(17)로 이동한다. 소관로(17)로 이동된 전달가스(G)는 대관로(18)로 이동하면서 압력이 하강하며, 이로 인하여 액체연료(F)는 안내관로(19)를 통해 상측으로 이동되어 대관로(18)에 있는 전달가스(G)에 혼합된다.

액체연료(F)와 혼합된 전달가스(G)는 중앙관로(11)의 측면을 향하여 무화되며, 무화된 기체 중에 비교적 입자가 작은 유체만 전달가스(G)와 함께 중앙관로(11)의 하측을 통해 혼합부(20)가 연결된 상측으로 이동한다.

무화된 액체연료(F)와 전달가스(G)는 내측관로부(22)를 따라 상측으로 이동되며 외측관로부(24)의 중앙 부분으로 모아지며 상측으로 이동한다. 그리고, 외측관로부(24)의 측방향을 통해 공급되는 전달가스(G)와 무화된 액체연료(F)에는 희석가스(D)와 산화성가스(H)가 혼합된다. 희석가스(D)만 공급되거나 산화성가스(H)만 공급될 수 있으며, 필요에 따라 희석가스(D)와 산화성가스(H)가 동시에 공급될 수 있다.

혼합부(20)를 통과한 전달가스(G)와 무화된 액체연료(F) 등을 포함한 유체는 가열부(40)를 통과하며 설정된 시간 동안 설정된 온도로 가열되어 입자상물질(P)을 생성한다.

가열부(40)를 통과한 입자상물질(P)을 포함한 전달가스(G)는 배출부(50)를 통과하며 외부의 배기가스 모사 장치에서 발생된 배기가스(E)가 혼합된 후 설정된 장소로 이동한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 액체연료(F)를 이용하여 자동차 배기가스 중 입자상물질(P)을 모사할 수 있으므로 차량 부품 검사의 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한 액체연료(F)를 포함한 전달가스(G)는 가열부(40) 내의 체재시간 및 가열부(40)의 가열온도에 따라 매연의 생성특성을 연속적으로 변경할 수 있으며, 액체연료(F)뿐만 아니라 엔진오일 등 액체연료(F)와 혼합 가능한 첨가물을 추가하여 입자상물질(P) 생성할 수 있다. 또한 입자상물질 발생장치(1)에는 액체연료(F)와 가스연료를 혼합할 수 있으며, 가열부(40) 내에 배치된 튜브 형상의 가열관로부(42)의 배치를 조절하여 매연 생성량 조절을 용이하게 할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

1: 입자상물질 발생장치
10: 연료무화부 11: 중앙관로
12: 저장몸체 13: 공급관로부
14: 연결관로 15: 돌출관로
16: 공급관로 17: 소관로
18: 대관로 19: 안내관로
20: 혼합부 22: 내측관로부
24: 외측관로부 26: 가스공급부
30: 이음관로 40: 가열부
42: 가열관로부 44: 히터부
46: 케이스부 48: 홀더부
49: 연결단부 50: 배출부
52: 배출관로부 54: 측면공급부
G: 전달가스 F: 액체연료 D: 희석가스 H: 산화성가스
P: 입자상물질 E: 배기가스

Claims (7)

1. 전달가스의 공급으로 액체연료를 미립화시키는 연료무화부;
   상기 연료무화부에 연결되며, 상기 액체연료가 미립화된 성분을 포함한 상기 전달가스에 희석가스와 산화성가스를 공급하여 혼합시키는 혼합부;
   상기 혼합부에 연결되며, 상기 혼합부에서 배출된 유체를 설정된 온도로 가열하여 입자상물질을 생성하는 가열부; 및
   상기 가열부를 통과하며 가열된 유체를 외부의 배기가스 모사 장치에서 배출된 배기가스와 혼합하여 출력하는 배출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 발생장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 연료무화부는, 상기 액체연료가 내측에 저장되며 상기 혼합부와 연결되는 저장몸체;
   상기 저장몸체의 내측으로 상기 전달가스를 공급하는 공급관로부; 및
   일측은 상기 액체연료의 내측으로 연장되며 타측은 상기 공급관로부에 연결되며, 부압에 의해 상기 공급관로부로 이동되는 상기 액체연료의 흐름을 안내하는 안내관로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 발생장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 혼합부는, 상기 저장몸체에 연결되며, 상기 저장몸체에서 배출되는 상기 전달가스의 이동통로가 점차로 좁아지게 형성되는 내측관로부;
   상기 내측관로부의 외측에 위치하며, 상기 내측관로부에서 배출된 상기 전달가스를 상기 가열부를 향한 방향으로 안내하는 외측관로부; 및
   상기 외측관로부에 연결되며, 상기 외측관로부의 내측으로 희석가스와 산화성가스를 공급하는 가스공급부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 발생장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 가스공급부는 상기 외측관로부를 통한 상기 전달가스의 이동방향에 대하여 사선 방향으로 희석가스와 산화성가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 발생장치.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 가열부는, 상기 외측관로부에서 배출된 상기 전달가스의 이동을 안내하며, 열전달이 이루어지는 재질로 성형되는 가열관로부; 및
   상기 가열관로부의 외측에 위치하며, 상기 가열관로부의 내측을 따라 이동하는 상기 전달가스를 가열하는 히터부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 발생장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 가열관로부는 알루미나 튜브가 복수 개 구비되는 것을 특징으로 하는 입자상물질 발생장치.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 배출부는, 상기 가열관로부에 연결되어 입자상물질이 포함된 상기 전달가스를 전달받는 배출관로부; 및
   상기 배출관로부에 연결되며, 상기 배출관로부의 내측으로 상기 배기가스를 공급하는 측면공급부;를 포함하며,
   상기 측면공급부는 상기 배출관로부를 통한 상기 전달가스의 이동방향에 대하여 사선 방향으로 배기가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 입자상물질 발생장치.

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