KR100469870B1 - 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 디젤 엔진오일 내의 수트 함량 증가에 따라 오일 내의 광학봉과 오일사이의 경계면에서 반사되는 광의 세기가 감쇠되는 정도를 실시간으로 측정함으로써 오일의 오염도를 평가하도록 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치에 관한 것이다. 광이 투과되는 광학봉이 디젤 엔진오일 내에 위치하여, 오일과 접촉하는 경계면을 가진다. 발광부와 연결된 광섬유는 광학봉의 일단으로 연장되고, 발광부로부터 방사된 광을 소정의 수광각 방향으로 광학봉의 일단으로 전달하여 광이 경계면을 향해 진행하도록 한다. 경계면에서 반사되며 광학봉을 투과한 광을 수신하는 수광부는 수신된 광의 세기에 대응하는 신호를 출력된다. 이 때, 광학봉의 굴절률은 디젤 엔진오일의 굴절률보다 크며, 광섬유의 수광각은 광섬유를 통해 방사된 광이 광학봉의 경계면에서 전반사가 일어날 수 있도록 하는 크기를 가진다.
Description
본 발명은 오일 수트 함량 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디젤 엔진오일 내의 수트 함량 증가에 따라 광학봉과 오일사이의 경계면에서 반사되는 광의 세기가 감쇠되는 정도를 실시간으로 측정함으로써 오일의 오염도를 평가하도록 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 엔진오일의 수명은 주행거리나 사용시간에 의해 결정된다. 사용시간이 증가함에 따라, 엔진오일은 산화 및 질화될 뿐만 아니라, 카본 수트, 금속 입자, 연료유 또는 냉각수 등이 오일 내로 유입되어 오일의 열화를 발생시킨다. 이러한 오일의 열화요인들을 검사하기 위해서는 다양한 종류의 측정장치가 요구되지만, 이는 생산자 및 소비자에게 결코 경제적이지 못하다. 따라서, 엔진의 종류에 따라 엔진오일의 열화를 가장 효과적으로 판단케 하는 주된 측정장치가 적용되어야 하는데, 디젤엔진의 경우에는 오일 내 카본 수트 함량을 측정하는 것이 가장 바람직하다.
디젤엔진 연료 중 대부분은 연소실에서 연소되나, 일부는 미연소되어 높은 온도하에서 열분해되는데, 이러한 미연소 성분들이 카본 수트 입자들을 생성시키게 된다. 카본 수트 입자들 중 일부는 배기 가스에 의해 대기로 방출되지만, 일부는 연소실 내에 잔류되어 엔진오일과 섞이게 된다. 엔진오일 내에서 수트 입자들은 분산제(dispersant) 또는 세정제(detergent) 등의 엔진 첨가제들과 상호 반응하여 일종의 수트 입자덩어리들을 형성하게 된다. 이러한 덩어리형태의 수트 입자들이 엔진오일의 점도를 크게 증가시켜 유동성을 심각하게 저하시키거나, 실린더나 베어링 등의 여러 엔진요소의 표면에 지나친 연삭마모를 초래하여 엔진성능에 커다란 악영향을 미치게 된다. 따라서, 디젤 엔진오일의 교환주기는 엔진오일 내의 수트 함량에 의해 크게 좌우된다.
디젤 엔진오일 내에 허용되는 수트 함량은 대략 0.5%~4%정도인 것으로 알려지고 있다. 특히, 디젤엔진에서 생성되는 수트 입자들은 크기가 수 nm에서 수십 nm의 매우 미세한 구형 입자로서 엔진오일 필터로 여과하는 것이 불가능하다.
오일내 카본 수트 함량을 정량적으로 측정하기 위한 여러 장치들이 알려져 있는데, 이 중 열중량측정 분석기(Thermal Gravimetric Analyzer)가 가장 보편적으로 사용되고 있다. 그러나, 열중량측정 분석기는 엔진으로부터 소정량의 샘플 오일을 채취하여 실험실적으로 분석하는 것이기 때문에 엔진작동 중에 실시간으로 오염도를 분석할 수 없는 문제점이 있다.
수트 함량을 실시간으로 측정할 수 있는 장치들 중 대표적인 것은 오일의 유전률(dielectric constant)변화를 측정하는 장치이다.
오일의 유전률변화를 이용한 수트 함량 측정장치의 예로서, 미국특허 제6,278,281호에 유체 상태 감시기(Fluid Condition Monitor)가 개시되어 있다. 상세히 설명하면, 한 쌍의 전극봉을 대상 유체에 담그고, 최소 1Hz이상의 주파수를 지니는 교류 전압을 가한 다음, 대상 유체의 벌크임피던스에 해당하는 제1출력전류를 측정한다. 다음, 1Hz미만의 제2교류 전압을 가하고, 전극봉의 표면임피던스에 해당하는 제2출력전류를 측정한다. 제 1출력전류와 제 2출력전류의 차이를 기설정된 허용치와 비교하고, 이 비교치에 의해 유체의 상태가 사용가능한 상태인지를 판단하고, 사용불가능한 상태로 판단되면 경고장치를 작동시키도록 구성되어 있다.
그러나, 상기와 같이 오일의 유전률변화를 이용한 수트 함량 측정장치는 카본 수트 오염 외에도 오일의 산화 또는 오일 내로 유입된 수분과 금속 마모입자들에 의해서도 매우 민감하게 반응하기 때문에, 오일 내의 수트 함량을 정확하게 측정할 수 없는 문제점을 가진다. 또한, 전기적 외란 또는 온도 의존성 등에 의해 오일상태를 정확히 모니터링할 수 없는 단점이 있는데, 이는 전기적 특성을 이용하는 대부분의 측정장치들이 공통적으로 갖고 있는 문제점이기도 한다.
이에 반해, 측정대상 오일로 광을 투과함으로써 오일의 오염도를 측정할 수 있는 장치들이 미국특허 제4,699,509호와 제5,548,393호에 개시되어 있다.
미국특허 제4,699,509호의 오일 오염도 측정장치(Device for Measuring Contamination of Lubricant)에서는, 광원측 윈도우와 수광부측 윈도우 사이에 광 경로 갭(optical path gap)이 구비된다. 광 경로 갭으로 측정대상 오일을 흐르게 한 다음, 갭에 위치한 오일을 통과하는 광의 광감쇠를 측정함으로써 오일의 오염도를 측정하게 된다. 이 때, 요구되는 광 경로 갭의 길이는 대략 수십㎛이다.
그러나, 이와 같이 짧은 길이의 광 경로 갭을 측정대상 오일이 통과할 때, 오일의 점도에 의한 유동저항때문에 오일이 광 경로 갭을 원활히 통과하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 광 경로 갭을 일정한 길이로 정확하게 조절하고 유지하기가어렵다.
미국특허 제5,548,393호의 오일 오염도 측정장치(Oil Deterioration Detection Apparatus and Apparatus for Detecting Particles in Liquid)는 광이 오일과의 경계면에서 전반사(total internal reflection)할 때 소정량의 광이 매우 낮은 깊이로 오일 내로 침입하는, 이른바 '구스-헨첸 시프트(Goos-Haenchen shift)'현상을 이용하고 있다. 즉, 오일내에 존재하는 카본 수트에 의해 소정량의 광이 흡수 또는 산란되어 전반사되는 광의 세기가 감쇠되는데, 광세기의 감쇠량에 근거하여 디젤 엔진오일내의 수트 함량을 측정하는 것이다.
상세히 설명하면, 측정대상 오일과 경계면을 이루며 접촉하는 프리즘부재, 경계면에서 광이 전반사하는 임계각도로 오일을 향해 광을 방사하는 발광부, 경계면에서 반사된 광을 수신하는 포토센서 및 포토센서로부터 출력된 신호가 소정치를 초과하면 오일이 카본 수트 입자에 의해 오염되어 있다고 판단하는 수단으로 구성되어 있다.
그러나, 상기 오일 오염도 측정장치에 있어서, 프리즘부재와 측정대상 오일과의 경계면 수가 하나 내지 세개 정도로 한정되므로 오일의 오염도가 낮은 경우에는 측정 정도가 떨어지게 된다. 또한, 오일 내 수트 함량이 증가함에 따라, 오일의 굴절률도 증가될 수 있다는 점이 고려되고 있지 않다. 즉, 오일 내 수트 함량이 증가하면 경계면에서 광이 전반사되는 임계각이 신유(clean oil)일 때보다 커지게 되므로, 광의 입사각이 임계각보다 작아져서 입사광의 전반사 조건에 위배되게 된다. 따라서, 경계면에서 반사되는 광의 세기가 상당히 작아지게 되므로, 오일 내 수트함량이 매우 높은 것으로 과장되어 측정될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 프리즘의 표면에 오염물질이 고착되는 것을 방지하기 위해 프리즘과 인접한 오일의 내부에 구비된 다수의 구형 세정입자들이 오일의 유동에 따라 프리즘의 표면과 충돌하는 복잡하고 부수적인 구성을 포함하고 있다. 더욱이, 높은 수트 오염도를 가지는 디젤 엔진오일 내에서는 이와 같은 세정입자들의 표면에도 오염물질이 고착되기 때문에, 이들에 의한 우수한 세정효과를 얻기가 어려울 뿐더러, 오염된 세정입자들을 깨끗한 입자로 교환해야 하는 번거로움이 있고, 적절한 교환시기를 알아내기도 곤란한 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 디젤 엔진오일 내에 광이 투과되는 광학봉을 위치시키고 오일 내의 수트 함량 증가에 따라 광학봉과 오일사이의 경계면에서 반사되는 광의 세기가 감쇠되는 정도를 실시간으로 측정함으로써 오일의 오염도를 평가하도록 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치는,
디젤 엔진오일과 접촉하는 경계면을 가지며, 광이 투과되는 광학봉;
광을 방사하는 발광부;
발광부와 연결되고, 발광부로부터 방사된 광을 소정의 수광각 방향으로 광학봉의 일단으로 전달하여 광이 경계면을 향해 진행하도록 하는 제 1광섬유; 그리고
광학봉을 투과한 광을 수신하고, 수신된 광의 세기에 대응하는 신호를 출력하는 수광부를 포함한다.
광학봉의 굴절률은 디젤 엔진오일의 굴절률보다 크며, 제 1광섬유의 수광각은 제 1광섬유를 통해 방사된 광이 광학봉의 경계면에서 전반사가 일어날 수 있도록 하는 크기를 가진다.
광학봉은 소정의 길이와 직경을 가지는 투명재질의 원통형으로 형성되고, 경계면은 광학봉의 길이방향 외주면이 된다.
바람직하게는, 광학봉의 길이와 직경의 비가 10:1이상으로 한다.
광학봉의 경계면에는 디젤 엔진오일내의 오염물질이 고착되는 것을 방지하기 위한 소수성 물질이 코팅되며, 소수성 물질의 굴절률은 광학봉의 굴절률이하이고, 디젤 엔진오일의 굴절률보다 크다.
하나 이상의 제 2광섬유가 광학봉의 일단에 위치하고, 수광부와 연결된다.
광학봉의 타단에는 제 1광섬유로부터 방사되어 광학봉을 투과하는 광을 반사시켜 제 2광섬유로 향하게 하는 광반사용 거울이 구비된다.
광학봉은 그 표면에 다수의 구멍이 형성되어 있는 하우징내에 수용되고, 하우징의 내부에는 마이크로프로세서와 전기적으로 연결된 온도감지부재가 설치되어, 마이크로프로세서가 온도감지부재로부터 출력된 온도신호로부터 디젤 엔진오일의 온도가 소정치 이상인 것으로 판단하면, 발광부 및 수광부를 작동시킨다.
도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치의 일실시예를 보인 도면,
도 2는 도 1의 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치의 센서부와 광전달부를 보인 단면도,
도 3a는 도 1의 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치의 광전달부의 일실시예를 보인 단면도,
도 3b는 도 1의 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치의 광전달부의 다른 실시예를 보인 단면도,
도 4는 광학봉내로 입사된 광이 디젤 엔진오일과 광학봉의 경계면에서 다수의 전반사를 행하며 진행하는 것을 보인 도면,
도 5는 신유속에 광학봉이 잠겨 있는 경우의 광의 전반사 임계각과 오일의 굴절률과의 관계를 보인 도면,
도 6은 사용유속에 광학봉이 잠겨 있는 경우의 광의 전반사 임계각과 오일의 굴절률과의 관계를 보인 도면,
도 7은 본 발명에 따른 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치의 다른 실시예를 보인 도면,
도 8은 본 발명에 따른 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치를 이용하여 측정한 카본 블랙 입자 오염 중량비에 따른 오일의 오염농도값의 변화를 보인 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치를 이용하여 측정한 오일 내의 수분 유입량에 따른 출력전압값의 변화를 보인 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치를 이용하여 측정한 오일 내의 연료유 유입량에 따른 출력전압값의 변화를 보인 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 센서부
106: 하우징
110: 광학봉
114: 거울
120: 광전달부
122,124: 광섬유
130: 서미스터
140: 오일저장통
142: 오일
200: 신호처리부
202: 발광부
204: 수광부
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치의 일실시예를 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 측정장치의 센서부와 광전달부를 보인 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치는 디젤 엔진오일을 수용하는 저장통(140)에 설치된 센서부(100)와, 센서부(100)로 광을 방사하고 센서부(100)를 투과한 후 출력되는 광을 수신하여 그에 해당하는 신호를 출력/처리하는 신호처리부(200)와, 센서부(100)와 신호처리부(200)를 연결하는 광전달부(120)로 구성된다.
신호처리부(200)는 센서부(100)로 광을 방사하는 발광부(202), 센서부(100)로부터 출력된 광을 수신하고 수신된 광의 세기에 대응하는 신호를 출력하는 수광부(204), 수광부(204)의 출력신호를 나타내는 디스플레이부(206)를 포함한다.
센서부(100)는 오일 저장통(140)의 일측벽에 고정되는 제 1지지부(102), 제 1지지부(102)에 일단이 결합되고 그 표면에 다수의 미세구멍(108)이 천공되어 있는 중공의 하우징(106), 하우징(106)의 타단에 결합되는 제 2지지부(104), 하우징(106)과 제 1및 제 2지지부(102, 104)에 의해 구비된 공간내에 위치하여 디젤 엔진오일과 접촉하는 경계면을 가지는 광학봉(110, optical rod)을 포함한다.
신호처리부(200)의 발광부(202)와 수광부(204)에는 광전달부(120)의 내부에 구비된 제 1 및 제 2광섬유(122, 124)가 각각 연결되며, 제 1 및 제 2 광섬유(122, 124)의 끝단부들은 광학봉(110)의 일단에 인접하여 위치한다.
이와 같이, 소정 길이의 광섬유(122, 124)에 의해 신호처리부(200)가 오일저장통(140)으로부터 소정 거리 이격되어 위치됨으로써 전기 노이즈(electric noise)를 줄일 수 있게 된다.
광학봉(110)은 소정의 길이와 직경을 가지며 광이 투과할 수 있는 유리와 같은 투명재질의 원통형으로 형성되고, 양단부가 제 1 및 제 2지지부(102, 104)에 고정된다. 오일(142)과 접촉하는 광학봉(110)의 경계면은 광학봉(110)의 길이방향 외주면이 된다.
디젤 엔진오일(142)이 수용된 오일 저장통(140)의 일측벽에 제 1지지부(102)가 고정된 상태로, 센서부(100)의 하우징(106), 광학봉(110) 및 제 2지지부(104)가 오일 저장통(140)의 내부에 위치하여 오일(142)속에 잠기도록 설치된다. 하우징(106)에 형성된 다수의 미세구멍(108)을 통해 오일(142)이 하우징(106) 내부로 유입되어 광학봉(110)의 외표면과 접촉하게 된다.
미세구멍(108)은 오일(142)내에 존재할 수 있는 오일(142)의 오염도 측정과 직접적으로 관련이 없는 큰 이물질이 하우징(106)의 내부로 유입되어 광학봉(110)과 접촉하는 것을 방지할 뿐만 아니라, 오일(142)내에 존재하는 기포들이 미세구멍(108)을 통과하면서 분쇄되어 기포가 오일의 오염도 측정에 영향을 미치지 않게 하는 효과를 가진다.
제 1지지부(102)와 광학봉(110) 사이에는 오-링(112, O-ring)을 설치하여 오일(142)의 누출을 방지한다.
광전달부(120)와 대향하는 광학봉(110)의 타단에는 광반사부재, 즉 거울(114)이 위치한다. 발광부(202)에서 방사된 광은 제 1광섬유(122)를 통과한 후 광섬유(122)의 수광각(acceptance angle)방향으로 광학봉(110)의 일단으로 전달되어 오일(142)과의 경계면을 향해 진행한다. 광섬유(122)의 수광각은 광이 광섬유의 코어(core) 내로 입사되어 코어와 클래딩(cladding)의 경계면에서 전반사(total internal reflection)가 발생하게 되는 입사각도를 의미하며, 이는 광섬유를 통과하며 전반사되는 광이 광섬유의 끝을 통해 출사할 때 광이 퍼져나가는 각도의 크기와 동일하다. 광학봉(110)을 투과하는 광은 도 2에 나타낸 화살표 A와 같이 오일(142)과의 경계면에서 수차례 전반사(total internal reflection)된 후 거울(114)에 도달한다. 거울(114)에 도달한 광은 거울(114)로부터 재차 반사되어 도 2에 나타낸 화살표 B와 같이 경계면에서 수차례 전반사된 후 제 2광섬유(124)를 통해 수광부(204)로 전달된다.
한편, 하우징(106)의 내부일측에는 온도감지부재인 서미스터(130, thermister)가 설치된다. 이 서미스터(130)는 오일(142)의 온도변화를 측정하기 위한 것으로, 신호처리부(200)에 설치된 마이크로프로세서(208)와 전기적으로 연결된다. 서미스터(130)에 의해 오일(142)의 온도가 소정치, 예를 들어 80℃에 도달한 것으로 판단되면, 마이크로프로세서(208)는 본 발명의 측정장치를 작동시켜 오일(142)의 오염도를 측정한다. 일반적으로, 디젤 엔진오일은 80℃이상일 때보다 80℃이하일 때 유전률 변화가 상대적으로 크기 때문에 광학봉(110) 내에서의 광굴절 및 전반사 특성에 많은 영향을 끼치므로, 오일의 오염도측정이 정확히 이루어지지 않는다. 하지만, 디젤 엔진오일은 엔진이 가동한 후 빠른 시간안에 80℃에 도달하므로, 운전초기에만 국한되어 오일의 오염도를 측정하지 못하는 것이기 때문에 큰 문제가 되지는 않는다.
광학봉(110)의 표면에는 소수성(hydrophobic) 물질(116)이 코팅되어 있어, 표면에 오염물질이 고착되는 것과 이에 의한 측정 정도 감소를 방지한다. 이 때, 소수성 코팅 물질(116)의 굴절률은 광학봉(110)과 오일(142)과의 경계면에서 후술할 전반사 조건에 위배되지 않도록 광학봉(110)의 굴절률보다는 같거나 적어야 하며, 아울러 오일(142)의 굴절률보다는 커야 한다. 예를 들면, 광학봉(110)의 굴절률이 1.55이고 오일(142)의 굴절률이 1.52인 경우에, 소수성 코팅 물질(116)의 굴절률은 1.53~1.55이어야 한다. 바람직하게는, 옥타데실클로로실레인 (Octadecyltrichlorosilane)이 그와 같은 소수성 코팅 물질(116)로 사용될 수 있다.
또한, 오-링(112) 및 지지부(102, 104)와 접촉되는 광학봉(110)의 표면을 보호하기 위해 또 다른 물질(118)로 코팅할 수 있는데, 상기 접촉면에서의 광투과 손실을 방지하기 위해 코팅 물질(118)의 굴절률은 광학봉(110)의 굴절률보다 작아야 한다. 예를 들어, 광학봉(110)의 굴절률이 1.55인 경우에 굴절률이 1.45~1.50 정도인 코팅 물질(118)이 사용되는 것이 바람직하다.
도 3a와 도 3b는 광전달부(120)의 실시예들을 보인 단면도이다.
발광부(202)에 연결된 제 1광섬유(122)와 수광부(204)에 연결된 제 2광섬유(124)는 도 3a에 도시된 바와 같이, 각각 하나씩 구비될 수 있고, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제 1광섬유(122)는 하나가 구비되고, 제 2광섬유(124)는 제 1광섬유(122)의 주위를 둘러싸도록 다수개가 구비되어 배열될 수 있다.
제 2광섬유(124)가 하나만 구비되는 경우에는, 제 2광섬유(124)의 단면적이 광학봉(110)을 통과하여 출력되는 광의 면적보다 작기 때문에, 출력광의 일부만이 제 2광섬유(124)를 통해 수광부(204)로 전달되는 반면, 제 2광섬유(124)가 다수개가 구비되는 경우에는, 제 2광섬유(124)의 전체면적이 상대적으로 커지므로 광학봉(110)으로부터 더욱 많은 양의 광을 수광부(204)로 전달할 수 있어 보다 높은 광출력을 얻을 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 측정장치를 이용한 디젤 엔진오일 내의 수트 함량 측정 원리를 설명한다.
일반적으로, 오일의 굴절률은로 나타낼 수 있다. 여기서,n은 실수부이고n'는 허수부이다.
굴절률의 실수부n는 매체를 통과하는 파동의 위상차에 의하여 결정되며, 오일의 산화, 연료유 및 냉각수의 유입과 수트 입자에 의한 오염 등의 요인으로 값이 변화하는 것으로 알려져 있다. 반면에, 허수부n'는 흡수 인덱스(absorption index)값으로서 수트 입자에 의하여 광이 흡수되는 정도에 의하여 결정된다.
이와 같이, 본 발명의 측정 원리는 디젤 엔진오일이 수트 입자에 의해 오염되는 결과로서 오일(142)의 굴절률이 변화하여 오일(142) 내에 잠겨져 있는 광학봉(110)을 투과하는 광이 경계면에서 반사된 후 출력될 때 광의 세기가 변하는 물리적 현상에 기초하고 있다.
서로 다른 굴절률을 가지는 제 1매질과 제 2매질의 경계를 제 1매질에서 제 2매질방향으로 광이 통과할 때, 광의 입사각(θ 1)이 아래의 수학식 1과 같은 임계각(θ cr) 이상인 조건하에서는 경계면에서 전반사가 일어나게 된다.
여기서,n 1 은 제 1매질의 굴절률이고,n 2 는 제 2매질의 굴절률이다.
이 때, 제 1매질내에서의 광손실이 없거나 무시할 정도로 적은 경우에는, 제 2매질 내부의 광흡수 요인, 즉, 본 발명의 경우 디젤 엔진오일 내의 수트 함량에 따라 소정량의 광이 제 2매질의 내부로 침입하여 흡수되고, 경계면에서 반사되는 광의 세기가 감소하게 되며, 광세기가 감소되는 특성에 의하여 오일 내의 수트 함량을 정량적으로 측정할 수 있게 된다.
본 발명에서는 광학봉(110)의 굴절률을 디젤 엔진오일(142)의 굴절률보다 크게 설정하여 광학봉(110)을 투과하는 광이 경계면에서 전반사하도록 유도하고 있다.
그러나, 오일(142) 내부의 수트에 의해 흡수되는 광의 세기가 매우 미약하므로, 경계면에서의 전반사가 한번만 일어나게 된다면 오일의 오염도를 측정할 수 있을 정도의 충분한 변화값을 얻기가 어렵기 때문에, 경계면에서의 광의 전반사가 여러 번 일어나게 하여 광감쇠 효과를 누적시켜 충분한 변화값을 얻는 것이 필요하다.
도 4를 참조하여 본 발명의 측정원리를 더 자세히 설명하기로 한다.
광섬유(122)를 통해 방사되어 광학봉(110)으로 입사된 광이 디젤 엔진오일(142)과 광학봉(110)의 경계면에서 다수의 전반사를 행하며 진행한다.
광학봉(110)을 통과한 후 광섬유(124)로 전달되는 출력광의 세기(P out )는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
여기서,P in (φ)는 광섬유(122)로부터 광학봉(110)측으로 방사된 광의 세기를 나타내고,φ는 광학봉(110)으로 입사되는 광의 각도를 나타내고,φ cr,a 는 공기로부터 광학봉(110)으로 입사된 광이 광학봉(110)과 디젤 엔진오일(142)의 경계면에서 전반사가 일어나는 임계각(critical angle)(즉, 입사각(-φ cr,a ≤φ≤+φ cr,a )범위내의 광이 전반사 조건을 만족하면서 광학봉(110)을 통과하는 각도)을 나타내며,m은 입사된 광이 광학봉(110)을 통과하여 외부로 출력될 때까지 광학봉(110)과 디젤 엔진오일(142)의 경계면에서 전반사되는 총횟수를 의미한다.
도 4의 미설명 부호φ A 는 광섬유(122)의 수광각이다.
전반사가 일어나는 임계각(φ cr,a )은 오일(142)의 굴절률의 실수부 값(n oil )에 의하여 좌우된다. 한편,는 광반사 계수(reflection coefficient)로서 매체 내에 어떠한 광흡수 요인들이 없으면 1에 가까운 값을 가지며, 광흡수 요인들이 있는 경우에는 1보다 작게 된다. 광반사 계수와 광흡수 요인을 갖는 매체의 굴절률과의 관계를 프레넬의 공식(Fresnel's formula)에 의하여 정의된 대표적인 비례 제안식을 적용하면 다음과 같은 수학식 3을 얻을 수 있다.
여기서,n LG 는 광학봉(110)의 굴절률이다.
즉, 광반사 계수는 굴절률의 실수부 값이 일정하고 디젤 엔진오일이 수트에 의해 오염된 경우에는, 오일의 흡수 인덱스(n' oil ) 값에 의하여 주로 결정된다. 따라서, 광학봉(110)으로 입사된 광의 세기가 오일(142)과의 경계면에서 오일(142) 내부의 수트 함량에 의해 주로 좌우되어 광감쇠된다. 결론적으로, 다수의 경계면에서 전반사되며 광학봉(110)으로부터 출력된 광의 세기(P out )는 오일 내 수트 함량에 비례하여 감소하게 되는 것이다.
도 5와 도 6은 각각 신유(clean oil)와 사용유(used oil)속에 광학봉이 잠겨 있는 경우의 광의 전반사 임계각과 오일의 굴절률의 관계를 보인 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 디젤 엔진오일이 신유(142a)인 경우 광학봉(110)의 경계면에서 광의 전반사가 발생하는 반면에, 도 6에 도시된 바와 같이, 사용유(142b)인 경우 오일의 굴절률이 증가되어 광학봉(110)의 경계면에서 전반사 조건에 위배되므로 사용유(142b)의 내부로 광의 일부가 굴절되어 침입한다.
오일과 광학봉(110)의 경계면에서 전반사가 일어나는 임계각은 θ cr =arcsin(n oil /n LG )의 관계식으로 표시되고, 공기 중에서의 임계각은의 관계식으로 표시된다.
만약, 광섬유(122)의 수광각(φ A )이 아래의 수학식 4와 같은 값을 가지는 경우에는, 입사된 광 전부가 도 5에서 나타낸 바와 같이 전반사되며 광학봉(110)을 통과하게 된다.
여기서,n cl_oil 는 신유(142a)의 굴절률을 나타낸다.
그러나, 사용유(142b)의 굴절률(n used_oil )이 오일의 산화 및 수트 오염 등의 요인에 의하여 신유(142a)의 굴절률(n cl_oil )보다 증가하게 되면, 이 때의 공기 중에서의 임계각은이 되어 광섬유(122)의 수광각(φ A )보다 작아지게 된다. 따라서, 광섬유(122)로부터 수광각(φ A )방향을 따라 방사된 후 광학봉(110)을 통과하는 광의 일부가 도 6에서 도시된 바와 같이 광굴절되어 광학봉(110)의 외부로 빠져나감으로써 광학봉(110)의 경계면으로부터 반사되는 광의 세기가 손실되게 된다. 이와 같이, 손실되는 광세기를 측정하여 오일의 굴절률 변화를 용이하게 감지할 수 있다.
사용된 디젤 엔진오일의 경우에는 오일 굴절률의 실수부는 수트 외에도 수분, 연료유의 유입 그리고 오일의 산화와 밀접한 관련을 가진다. 수분 및 연료유의 유입은 오일의 굴절률을 감소시키는데 반해, 오일의 산화는 굴절률을 증가시킨다. 그러나, 이러한 요인들에 의한 영향은 수트에 의한 굴절률 변화 에 비해 매우 작아서 무시할 수 있다.
본 발명에서 바람직한 광학봉(110)의 설계조건은 다음과 같다. 상기 수학식 4로부터 오일과 광학봉(110)의 경계면에서 전반사가 일어나기 위하여 요구되는 광학봉(110)의 굴절률(n LG )은 주어진 광섬유(122)의 수광각(φ A ) 및 신유의 굴절률(n cl_oil )로부터 다음과 같이 주어진다.
예를 들면, 광섬유(122)의 수광각(φ A )이 25°이고, 신유의 굴절률(n cl_oil )이 1.49이면, 바람직한 광학봉(110)의 굴절률(n LG )은 대략 1.55보다 같거나 커야 한다.
또한, 광학봉(110)의 길이 대 직경비는 광학봉(110)의 경계면에서 충분한 횟수의 전반사가 이루어지도록 10:1이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 광학봉(110)의 굴절률이 1.55이고 오일의 굴절률이 1.47인 경우에, 광학봉(110)의 길이가 80mm이고 직경이 3mm이면 광학봉(110)의 일단에서 타단까지 전반사가 이루어지는 횟수가 4회에 이르며, 광학봉(110)의 타단에 구비된 거울(114)에 의해 전반사 횟수가 2배가 되어 8회에 이르됨을 시험을 통해 알 수 있다. 이는 충분한 횟수의 전반사를 유도함으로써 광감쇠효과를 누적시켜 오염도 측정을 정확하고 용이하게 할 수 있도록 하기 위함이다.
도 5 및 도 6에서 미설명 부호P ref 와P refr 은 각각 광학봉(110)의 경계면에서반사된 광의 세기와, 디젤 엔진오일내의 수트 입자에 의해 흡수되는 광의 세기를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치의 다른 실시예를 보인 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치는 그 내부로 오일(342)이 유동하는 오일 배관(340)에 설치된 센서부(300)를 포함한다.
센서부(300)는 일부가 절단되어 분리된 오일 배관(340)에 결합되어 배관(340)의 일부를 형성하는 중공의 하우징(306), 하우징(306)의 내부에 오일(342)의 유동방향과 평행하게 배치된 광학봉(310), 광학봉(310)의 양단을 지지하며 하우징(306)의 내면에 고정되는 제 1및 제 2지지부(302, 304), 신호처리부(200)의 발광부(202) 및 수광부(204)에 각각 연결되고 광학봉(310)의 일단에 인접하여 연장되는 제 1 및 제 2광섬유(도 3a 및 도 3b참조)를 내장하는 광전달부(320)로 구성된다.
제 1 및 제 2광섬유와 대향되는 광학봉(310)의 타단에는 제 1광섬유로부터 광학봉(310)의 일단으로 방사되어 광학봉(310)을 투과하는 광을 다시 광학봉(310)의 일단으로 반사시켜 제 2광섬유로 전달하는 광반사부재, 즉 거울(314)이 구비된다.
제조 및 설치의 편의를 위해 하우징(306)의 내부에 위치하는 광섬유 부분과 하우징(306)의 외부에 위치하는 광섬유 부분을 상호 연결시키기 위한 광커넥터(322)가 하우징(306)에 설치된다.
하우징(306)의 내부일측에는 신호처리부(200)에 설치된 마이크로프로세서(208)와 전기적으로 연결된 서미스터(330)가 설치되어 오일(342)의 온도변화를 측정한다. 서미스터(330) 및 마이크로프로세서(208)의 작용효과는 도 1 및 도 2를 참조하여 상술한 바와 동일하므로, 그 설명은 생략한다.
또한, 광학봉(310)의 표면에는 도 1 및 도 2를 참조하여 상술한 바와 동일하게 소수성 물질 및 광투과 손실방지 물질로 코팅되며, 이에 대한 설명도 생략한다.
도 8은 점도가 15W-40인 디젤 엔진오일(API CF-4 grade)을 평균 입자 크기가 대략 20nm인 카본 블랙 입자(Degussa Furnace Black S 160)로 중량비 1%에서 5%까지 오염시켰을 때, 본 발명의 측정장치에서 측정된 출력 전압값을 이용하여 다음과 같이 정의되는 수학식(6)으로 나타낸 결과이다.
여기서,C는 디젤 엔진오일 내의 카본 블랙 입자 오염농도값이며,U o 및U는 각각 신유와 사용유에서 측정되는 출력 전압값을 나타낸다.
따라서, 측정된 오염도는 신유와 카본 입자에 의해 오염된 사용유와의 상대적인 광세기의 비를 의미한다. 도 8의 측정 결과에서 오염농도값의 변화는 카본 입자 오염 중량비에 따라 거의 선형적으로 증가함을 알 수 있으며, 이러한 변화 특성을 이용하면 디젤 엔진오일 내의 수트 입자 농도를 알 수 있게 된다.
상기 시험에서 발광부로는 파장이 940nm인 적외선 반도체 다이오드(IR Emitting Diode)를 사용하였고, 광학봉으로는 투명한 광재료인 보론실리케이트 크라운 글라스(Boronsilicate Crown Glass)재질로서 길이가 80mm이고 직경이 3mm이며 굴절률이 1.55인 것을 사용하였다. 또한, 광섬유는 내부 코어의 직경이 1mm이고, 수광각이 중심축으로부터 30°인 것을 사용하였다. 시험 시 온도는 20℃~25℃인 대기조건이었으며, 교반기로 디젤 엔진오일을 연속적으로 회전시켜서 오일 내의 카본 블랙 입자들의 오염 분포가 균일해지도록 하였고, 입자들이 상호 뭉치는 것을 방지하였다. 각 시험 후에 측정장치의 센서부를 헥산이 담겨져 있는 초음파 세척기 내에 위치시켜 세척하였다.
도 9는 디젤 엔진오일내에 수분을 부피비 0.1%에서 1.0%까지 유입시켜 얻은 출력전압의 변화값을 보인 것이다. 시험 방법 및 조건은 도 8의 경우와 동일하다. 일반적으로, 디젤 엔진오일 내의 수분의 함량은 대략 0.2 Vol.% 정도까지 허용이 되는데, 시험 결과에서 오일 내에 수분 0.2 Vol.%가 유입되었을 때 출력전압값의 변화가 초기 신유(수분 0 Vol.%)인 경우에 비하여 약 1.5% 이내로 나타나고 있으며, 이는 카본 블랙 입자들에 의한 출력전압변화보다 상대적으로 매우 적은 것이다. 이러한 결과로부터, 유전률을 측정하여 오일 내의 수트 함량을 측정하는 장치에서는 정밀측정에 대한 장애요소로 여겨지는 수분 유입이 본 발명의 측정장치에는 별다른 영향을 주지 못한다는 것을 알 수 있다.
도 10은 디젤 엔진오일내에 연료유를 부피비 1.0%에서 10.0%까지 유입시켜 얻은 출력전압의 변화값을 보인 것이다. 시험 방법 및 조건은 도 8의 경우와 동일하다. 시험 결과로부터 오일 내에 연료유 10 Vol.%가 유입되었을 때의 출력전압값이 초기 신유(연료유 0 Vol.%)인 경우에 비하여 약 2%이내로 나타나고 있으므로, 이는 카본 블랙 입자들에 의한 출력전압변화와 비교하면 거의 무시할 만하다. 이로부터, 유전률을 측정하여 오일 내의 수트 함량을 측정하는 장치에서는 정밀측정에 대한 장애요소로 여겨지는 연료유 유입이 본 발명의 측정장치에는 별다른 영향을 주지 못한다는 것을 알 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치는 디젤 엔진오일 내에 광학봉을 위치시키고 오일 내의 수트 함량 증가에 따라 광학봉과 오일사이의 경계면에서 반사되는 광의 세기가 감쇠되는 정도를 측정함으로써 오일의 오염도를 실시간으로 측정할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 원통형의 광학봉은 길이 대 직경의 비를 자유롭게 조절하여 제작이 가능하므로, 광학봉과 디젤 엔진오일사이의 경계면에서 광이 전반사되는 횟수를 증가시켜 광감쇠효과를 충분히 누적시킴으로써 오일 내의 수트 함량 측정을 정확하고 용이하게 할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 오일의 유전률 변화를 이용하는 종래의 측정장치에서는 정밀측정에 대한 장애요소로 간주되는 오일 내로의 수분이나 연료유 유입에 의한 영향을 거의 받지 않는 이점이 있다.
Claims (19)
- 저장통에 저장된 디젤 엔진오일의 오염도를 측정하기 위한 장치에 있어서,상기 저장통의 일측벽에 설치되는 지지부;상기 지지부에 일단이 결합되고, 상기 저장통의 내부에 위치하여 디젤 엔진오일을 수용하기 위한 중공의 하우징;일단이 상기 지지부에 고정되고 타단이 상기 하우징에 고정되어 상기 지지부와 상기 하우징에 의해 구비된 공간내에 위치하며, 디젤 엔진오일과 접촉하는 경계면을 가지고, 광이 투과되는 광학봉;광을 방사하는 발광부;일단이 상기 발광부에 연결되고, 타단이 상기 광학봉의 일단과 마주보도록 상기 지지부에 연결되어 상기 발광부로부터 방사된 광을 상기 광학봉의 일단을 향해 수광각방향으로 전달하여 광이 상기 경계면을 향해 진행하도록 하는 제 1광섬유;상기 광학봉의 타단에 구비되고, 상기 제 1광섬유로부터 방사되어 상기 광학봉을 투과하는 광을 반사시켜 상기 광학봉의 일단으로 향하게 하는 광반사부재;일단이 상기 광학봉의 일단과 마주보도록 상기 지지부와 연결되어 상기 광반사부재로부터 반사되어 상기 광학봉으로부터 출력되는 광을 전달받고, 상기 일단으로부터 연장되어 구비되는 타단을 가지는 하나 이상의 제 2광섬유;상기 제 2광섬유의 타단에 연결되고, 상기 제 2광섬유를 통해 수신된 광의 세기에 대응하는 신호를 출력하는 수광부를 포함하고,상기 광학봉의 굴절률은 디젤 엔진오일의 굴절률보다 크며,상기 제 1광섬유는 0도보다 크고 하기 수학식으로부터 산출되는 각도 이하의 크기의 수광각을 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.단,는 상기 제 1광섬유의 수광각,는 상기 광학봉의 굴절률,는 디젤 엔진오일의 굴절률.
- 제 1항에 있어서, 상기 광학봉은 투명재질의 원통형으로 형성되고, 상기 경계면은 상기 광학봉의 길이방향 외주면인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
- 삭제
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 광학봉의 경계면에 디젤 엔진오일내의 오염물질이 상기 경계면에 고착되는 것을 방지하기 위한 소수성 물질이 코팅되며, 상기 소수성 물질의 굴절률은 상기 광학봉의 굴절률이하이고, 디젤 엔진오일의 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
- 제 4항에 있어서, 상기 소수성 물질은 옥타데실클로로실레인인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 제 2광섬유는 상기 제 1광섬유의 주위를 둘러싸도록 배열되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 하우징의 표면에는 디젤 엔진오일의 유출입을 위한 다수의 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 하우징의 내부에는 온도감지부재가 설치되고, 상기 온도감지부재와 전기적으로 연결된 마이크로프로세서가 상기 온도감지부재로부터 출력된 온도신호로부터 디젤 엔진오일의 온도가 소정치 이상인 것으로 판단하면, 상기 발광부 및 상기 수광부를 작동시키는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
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- 배관내를 흐르는 디젤 엔진오일의 오염도를 측정하기 위한 장치에 있어서,상기 배관의 일부를 형성하며 상기 배관에 설치되는 중공의 하우징;상기 하우징의 내부에 엔진오일의 유동방향과 평행하게 배치되어 디젤 엔진오일과 접촉하는 경계면을 가지고, 그 양단이 하우징의 내면에 설치되는 지지부에 의해 고정되며, 광이 투과되는 광학봉;광을 방사하는 발광부;일단이 상기 발광부에 연결되고, 타단이 상기 광학봉의 일단과 마주보도록 상기 지지부에 연결되어 상기 발광부로부터 방사된 광을 상기 광학봉의 일단을 향해 수광각방향으로 전달하여 광이 상기 경계면을 향해 진행하도록 하는 제 1광섬유;상기 광학봉의 타단에 구비되고, 상기 제 1광섬유로부터 방사되어 상기 광학봉을 투과하는 광을 반사시켜 상기 광학봉의 일단으로 향하게 하는 광반사부재;일단이 상기 광학봉의 일단과 마주보도록 상기 지지부와 연결되어 상기 광반사부재로부터 반사되어 상기 광학봉으로부터 출력되는 방을 전달받고, 상기 일단으로부터 연장되어 구비되는 타단을 가지는 하나 이상의 제 2광섬유;상기 제 2광섬유의 타단에 연결되고, 상기 제 2광섬유를 통해 수신된 광의 세기에 대응하는 신호를 출력하는 수광부를 포함하고,상기 광학봉의 굴절률은 디젤 엔진오일의 굴절률보다 크며,상기 제 1광섬유는 0도보다 크고 하기 수학식으로부터 산출되는 각도 이하의 크기의 수광각을 가지는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.단,는 상기 제 1광섬유의 수광각,는 상기 광학봉의 굴절률,는 디젤 엔진오일의 굴절률.
- 제 13항에 있어서, 상기 광학봉은 투명재질의 원통형으로 형성되고, 상기 경계면은 상기 광학봉의 길이방향 외주면인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
- 제 13항 또는 제 14항에 있어서, 상기 광학봉의 경계면에 디젤 엔진오일내의 오염물질이 상기 경계면에 고착되는 것을 방지하기 위한 소수성 물질이 코팅되며, 상기 소수성 물질의 굴절률은 상기 광학봉의 굴절률이하이고, 디젤 엔진오일의 굴절률보다 큰 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
- 제 15항에 있어서, 상기 소수성 물질은 옥타데실클로로실레인인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
- 제 13항에 있어서, 상기 하나 이상의 제 2광섬유는 상기 제 1광섬유의 주위를 둘러싸도록 배열되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
- 제 13항에 있어서, 상기 하우징의 내부에는 온도감지부재가 설치되고, 상기 온도감지부재와 전기적으로 연결된 마이크로프로세서가 상기 온도감지부재로부터 출력된 온도신호로부터 디젤 엔진오일의 온도가 소정치 이상인 것으로 판단하면, 상기 발광부 및 상기 수광부를 작동시키는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
- 제 13항에 있어서, 상기 하우징에는 상기 하우징의 내부에 위치하는 상기 제 1 및 제 2광섬유 부분과 상기 하우징의 외부에 위치하는 제 1 및 제 2광섬유 부분을 상호 연결시키기 위한 광커넥터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진오일 수트 함량 실시간 측정장치.
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