KR100302643B1 - 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동차용 엔진오일의 교체시기를 확인할 수 있도록 하는 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서에 관한 것이다.
본 발명에 의한 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서는 오일팬의 벽체 일 측에 소정 크기의 관통홀을 통해 형성된 내측부와 몸체로 이루어진 하우징; 상기 하우징의 내측부에 삽입 설치되어 오일에 대한 정전용량을 측정할 수 있는 센서 전극판; 상기 센서 전극판의 전극과 접촉하여 전원을 인가하는 복수의 접촉핀이 측벽 내부에 내장된 실린더; 상기 접촉핀과 연결되어 전자회로와 연결되도록 하는 연결단자가 형성되어 있는 차단판; 상기 차단판 하부에 위치하며 상기 센서 전극판에 의해 측정된 측정값을 비교 판단하기 위한 전자회로가 형성되어 있는 전자회로 기판을 구비하여 이루어진다.
따라서, 자동차용 엔진오일의 실제적인 교환주기를 센서에 의해 판단 및 지시되도록 함으로써 불필요한 에너지 및 경제적 손실을 대폭 감소시킬 수 있으며, 빈번한 오일교환으로 발생된 폐오일로 인한 환경오염 방지에 기여할 수 있다.
Description
본 발명은 자동차 엔진오일의 열화상태 측정센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차용 엔진의 엔진오일의 교체시기를 확인할 수 있도록 하는 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서에 관한 것이다.
자동차 엔진의 엔진오일은 일반적으로 엔진의 윤활 부분에서 발생하는 마찰이나 마모를 감소시키는 기능 이외에도 냉각, 압력의 분산, 세척 등의 기능도 동시에 한다. 즉, 엔진의 마모 감소에 의한 동력 손실방지, 냉각작용, 세정작용, 충격방지, 진동방지, 밀폐작용 및 부식방지 등의 역할을 한다. 그러나 엔진이 동작되는 동안 저온 운전, 연료의 불완전 연소, 엔진의 마모 및 부식 등의 이유로 오일 내에 물과 산이 만들어지고 피스톤의 왕복운동으로 금속 찌꺼기가 발생하여 오일의 점도가 떨어진다. 상기 오일의 점도 감소는 엔진의 수명을 단축시키는 결과를 초래한다. 즉, 엔진내부의 찌꺼기, 타르, 부식물 및 침전물 등은 엔진내부에 그대로남게 되어 오일펌프, 오일팬, 오일순환통로 등에 침전되어 엔진마모는 물론 출력저하와 함께 엔진내부 온도를 상승시켜 윤활작용을 감소시킨다. 특히 냉각수, 휘발유 및 물 등이 오일에 섞이게 되면 엔진 가스켓트에 손상을 주거나 피스톤링이 파손되는 문제가 발생될 수 있다.
따라서, 엔진오일은 주기적으로 새로운 오일로 교환해 주어야 한다.
통상 자가용 승용차의 대부분이 평균 주행거리 약 6,111 km 마다 엔진오일을 교환하고 있는 데 이는 영업용 승용차의 교환주기 11,900 km의 절반 정도에 불과하다. 심지어 자가용 운전자의 66.3 %가 5,000 km 이내에서 엔진오일을 교환하고 있고, 3,000 km 이내에서 교환하는 경우도 전체의 10 %나 차지하고 있다. 이는 주로 정비업소의 권고에 의해 이루어지고 있을 뿐 과학 기술적 근거는 없다. 외국 자동차사의 경우 권장 엔진오일 교환주기를 15,000 km에서 20,000 km로 정하고 있으나 우리 나라의 경우 수출용에만 외국 자동차회사와 비슷한 주기를 권장하고 있다.
따라서, 자가용 승용차 엔진오일 교환에 대한 잘못된 인식으로 엔진오일이 불필요하게 낭비되고 있다. 근래 엔진오일의 성능을 개선하기 위한 비뉴턴계 점탄성 차세대 최고급 엔진오일, 무교환 오일, 오일 첨가제 등의 이름으로 상품화하고 있으나 오일의 특성 및 오일의 교환적기에 대한 과학적인 정보는 전혀 없다.
각종 차량의 경우, 휘발유 등 연료의 보충시기는 운전석 클러스터의 계기(또는 미터)에 의해 정확하게 판단할 수 있도록 되어 있으나, 엔진오일 교환시기를 알려주는 것은 오로지 주행거리 표지 이외에는 없다. 더욱이 종전 오일 교체시의 주행거리를 암기하거나 차계부에 기록해 놓지 않고는 그 교환시기를 정확히 판단할 수 없다.
한편 폐 엔진오일은 연료, 도로포장 또는 건축현장에서의 지지물의 부식방지용으로 사용되고 있기는 하지만 어떤 경우라 하더라도 중요한 환경공해물질의 하나라고 하지 않을 수 없다.
따라서, 자동차 엔진오일의 노화상태를 측정할 수 있는 센서를 개발하여 운전자가 운전석에서 최적의 오일의 교환시기를 파악할 수 있도록 자동적으로 예고해 주는 장치가 있으면 엔진오일의 교환계획을 설정하여 효과적으로 엔진오일을 교환해 줄 수 있게 될 것이다.
이 분야에 대한 종래의 기술로서, 국내에서는 공해를 줄이기 위한 방법의 하나로서 폐 엔진오일 소각기 개발(한국폐기물학회지 v.12, n.4, 421-428, 1995)연구가 수행되었고, 국내 각 자동차 생산업체에서는 엔진오일의 교환 일로부터 차량의 주행거리를 계수하여 미리 지정해 놓은 주행거리가 되면 램프 또는 소리로서 오일 교환시기를 알리는 방법과 오일팬에 설치된 팬의 회전속도를 가속도 센서와 결합하여 오일의 점도를 측정하여 적당한 시기에 운전자에게 알려주는 장치에 대한 특허를 보유하고 있는 실정이다. 일반적으로 널리 사용되고 있는 방법으로서 엔진오일 레벨 점검 게이지에 묻혀진 엔진오일의 색깔과 점도를 손끝의 감각으로 판단하는 고전적인 방법을 사용하고 있으나 오일의 실질적인 성능을 측정할 수 있는 센서 개발 연구는 없었다. 국외에서는 magneto resistor sensor를 이용하여 sensor head에 부착되는 부스러기에 의한 flux 경로의 변화를 측정하거나, 엔진의 점도, total base number(TBN), total acid number(TAN) 등을 분석하여 판단하고 있다. 또한 오일 내에 포함된 부스러기를 광학적인 방법으로 측정하고 있다. 그러나 이러한 방법은 측정코자 하는 오일을 반드시 엔진이 정지된 상태에서 채집하여 분석하는 방법이므로 엔진의 가동상태에서의 직접측정이 불가능하다. 한편 엔진구조에 별도로 설치된 오일 파이프 주변에 한 쌍의 권선된 코일을 장착하여 오일 내에 포함된 금속 부스러기 양에 따른 유도전압출력의 변화를 측정하는 방법이 발표되었으나 실제적인 적용을 위해서는 엔진의 구조를 변경시켜야 하는 문제점이 있다.
또한 최근 오일의 노화에 따라 오일의 유전상수가 증가되는 것을 DC 출력 전압으로 변환시키는 센서(참조 : 미합중국 특허 제 5.540.086, 1996)를 제작하였으나 오일의 종류에 따라 출력에 큰 차이가 발생되며, 온도변화 및 주파수 변화에 따라 손실계수가 크게 변화되는 현상을 검출할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 측정 대상 오일의 종류에 따른 오차를 감소하기 위하여 센서 내부 회로에서 교정하는 방법을 사용할 수 있으나 모든 센서를 개별적으로 교정한다는 것도 비효과적인 방법이라고 판단된다
본 발명의 목적은 자동차 엔진오일의 실제적인 열화상태를 전기용량특성의 변화로서 측정하여 운전자가 엔진오일의 최적의 교환시기를 사전에 판단할 수 있도록 하는 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 엔진의 운전 중에도 엔진오일의 성능저하를 판단할 수 있는 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서를 제공하는 데 있다.
도1은 본 발명에 의한 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서를 나타내는 개략도이다.
도2는 본 발명에 의한 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서의 센서 전극판의 상부 평면도이다.
도3은 본 발명에 의한 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서의 센서 전극판의 하부 평면도이다.
도4는 도3의 IV - IV'선의 단면도이다.
도5는 도3의 V - V'선의 단면도이다.
도6은 도3의 VI - VI'선의 단면도이다.
도7은 도3의 VII - VII'선의 단면도이다.
도8은 도3의 제 1 실린더를 나타내는 절개 사시도이다.
도9는 단일 쌍의 전극을 나타내는 도면이다.
도10은 도9의 XIV - XIV' 선의 확대 단면도이다.
도11은 유전상수의 합과 정전용량과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도12는 본 발명에 의한 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서의 전자회로 기판의 회로 구성도이다.
도13은 엔진오일의 온도에 따른 유전상수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도14는 전극에 대한 인가 주파수에 따른 유전상수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도15는 전극에 대한 인가 주파수에 따른 손실계수의 변화를 나타내는 그래프이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 ; 측정센서 10 ; 오일팬
12 ; 관통홀 14 ; 외측벽
16 ; 제 1 오링 20 ; 하우징
22 ; 내측부 24 ; 몸체
26 ; 유통공 27 ; 제 2 오링
28 ; 주입구 29 ; 나사
30 ; 센서 전극판 32 ; 제 1 전극
34 ; 제 2 전극 36 ; 제 3 전극
38 ; 제 4 전극 40 ; 제 1 실린더
42 ; 접촉핀 50 ; 차단판
52 ; 기준오일 54 ; 연결단자
56 ; 제 3 오링 60 ; 전자회로 기판
61 ; 정전압장치 62 ; 오실레이터
63 ; 제 1 시그널변환기 64 ; 제 2 시그널변환기
65 ; 비교 회로부 66 ; 래치회로
67 ; 열센서 68 ; 프리셋장치
69 ; 출력단자 70 ; 제 2 실린더
80 ; 지지대
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서는 오일팬의 벽체 일 측에 소정 크기의 관통홀을 통해 상기 오일팬의 내측으로 소정 길이만큼 돌출 삽입되도록 원통캡 형상을 하고, 단부에는 오일팬 내부의 오일이 유통될 수 있는 다수의 유통공이 형성된 내측부와 몸체로 이루어진 하우징; 상기 하우징의 내측부에 삽입 설치되어 상기 유통공과 통하는 소정의 공간을 이루도록 하며 오일에 대한 정전용량을 측정할 수 있는 상부전극 쌍 및 하부전극 쌍이 상부면과 하부면에 각각 형성되어 있는 센서 전극판; 상기 센서 전극판을 지지하며 상기 센서 전극판의 전극과 접촉하여 전원인가 및 정전용량 측정을 위한 복수의 접촉핀이 측벽 내부에 내장된 실린더; 상기 실린더를 지지하며 상기 실린더 내부에 기준오일이 존재할 수 있는 밀폐 공간을 이루도록 하며 상기 접촉핀과 연결되어 전자회로와 연결되도록 하는 연결단자가 형성되어 있는 차단판; 상기 차단판 하부에 상기 차단판과 소정간격 이격되어 위치하며 상기 연결단자와 연결되어 상기 센서 전극판에 의해 측정된 측정값을 비교판단하기 위한 전자회로가 형성되어 있는 전자회로 기판; 및 상기 전자회로 기판을 지지하며, 상기 전자회로에 의한 데이타를 외부로 출력하기 위한 출력단자가 내장된 지지대;를 구비하여 이루어진다.
상기 차단판과 상기 전자회로 기판 사이에는 상기 차단판과 상기 전자회로 기판을 서로 분리하는 실린더가 더 구비되는 것이 바람직하다.
상기 하우징의 재질은 금속일 수 있으며, 상기 센서 전극판의 재질은 사파이어 또는 알루미나일 수 있다.
상기 센서 전극판의 전극의 재질은 금인 것이 바람직하다.
상기 센서 전극판은, 상기 센서 전극판의 상부면의 소정영역의 가장자리를 따라 소정 폭으로 형성된 제 1 베이스전극(Base Electrode)과 상기 제 1 베이스전극에서 반대편 가장자리 방향으로 서로 소정 간격 이격되며 소정 폭과 길이를 가지며 연장 형성된 복수의 제 1 바전극(Bar Electrode)으로 이루어진 제 1 전극; 상기 제 1 베이스전극과 동일한 형상을 하며 상기 제 1 베이스전극 반대편 가장자리를 따라 형성된 제 2 베이스전극과 상기 제 2 베이스전극에서 연장 형성되어 상기 제 1 바전극의 사이사이에 형성된 복수의 제 2 바전극으로 이루어진 제 2 전극; 상기 센서 전극판의 하부면에 형성되며 상기 제 1 전극과 서로 대칭을 이루는 제 3 베이스전극과 제 3 바전극으로 이루어진 제 3 전극; 및 상기 센서 전극판의 하부면에 형성되며 상기 제 2 전극과 서로 대칭을 이루는 제 4 베이스전극과 제 4 바전극으로 이루어진 제 4 전극;을 구비하여 이루어진다.
상기 제 1 베이스전극은 소정 폭으로 상기 센서 전극판의 측벽을 따라 연장 형성되어 상기 제 3 베이스전극과 연결되어 있는 것이 바람직하며, 상기 제 4 베이스전극의 소정 영역은 제거되어 있으며, 상기 제거된 영역으로 상기 제 2 베이스전극이 소정 폭으로 상기 센서 전극판의 측벽을 따라 연장 형성되며 상기 제 4 베이스전극과는 절연되어 있는 것이 바람직하다.
상기 접촉핀은 3 개일 수 있으며, 상기 접촉핀 중 제 1 접촉핀은 상기 제 3 베이스전극과 접촉하며, 상기 접촉핀 중 제 2 접촉핀은 상기 제 4 베이스전극과 접촉하며, 제 3 접촉핀은 상기 전극판상의 제 2 베이스전극이 연장된 부분과 접촉하는 것이 바람직하다.
상기 센서 전극판의 양면은 전극 보호용 락카가 도포되어 있는 것이 바람직하다.
상기 전자회로 기판은 하이브리드 회로로 구성되며, 정전압장치; 상기 센서 전극판상의 각각의 상부전극 쌍과 하부전극 쌍에 교류전원을 인가하기 위한 오실레이터; 상기 오실레이터가 인가한 교류전원에 의해 측정용 오일에 의한 상기 상부전극 쌍의 정전용량을 전기적 신호로 바꾸는 제 1 시그널변환기; 상기 오실레이터가 인가한 교류전원에 의해 기준오일에 의한 상기 하부전극 쌍의 정전용량을 전기적 신호로 바꾸는 제 2 시그널변환기; 상기 제 1 및 제 2 시그널변환기로부터 받은 신호를 비교하는 비교회로부; 및 오일의 불량여부에 따라 상기 비교 회로부에서 발생시키는 출력신호를 일정시간 동안 유지하여 외부로 표현하는 래치회로;를 구비하여 이루어진다.
상기 정전압장치는 특정 온도 범위에서만 전원이 인가되도록 하는 열센서를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 정전압장치는 열센서에 의해 10 ℃ 내지 70 ℃ 온도 범위에서 작동되며, 상기 오실레이터에 의해 인가되는 전원의 주파수는 8 kHz 내지 12 kHz 일 수 있다.
상기 제 2 시그널변환기에는 상기 하부전극 및 상부전극 쌍의 정전용량의 차이에 의해 발생되는 출력전압을 사전에 지정하는 프리셋장치가 더 구비되어 있는 것이 바람직하다.
상기 래치회로는 오일의 정전압장치가 10 ℃ 내지 70 ℃ 이외의 온도범위에서 차단이 되더라도 오일의 불량여부를 일정시간 동안 아날로그 또는 디지털 신호로 출력하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 구체적인 일 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도1은 본 발명에 의한 엔진오일의 열화상태 측정센서를 나타내는 개략도이다.
도1을 참조하면, 엔진오일의 열화상태 측정센서(1)는 자동차의 오일팬(10)의 측벽을 통하여 삽입 고정되어 있다.
상기 엔진오일의 열화상태 측정센서(1)는 내측부(22)와 몸체(24)로 이루어진 하우징(20), 상부면과 하부면에 각각 전극 쌍이 형성되어 있는 센서 전극판(30) 및 상기 센서 전극판(30)의 전극과 접촉하여 전원인가 및 정전용량 측정을 위한 복수의 접촉핀(42)이 측벽내부에 내장된 실린더(40), 상기 실린더(40) 내부가 밀폐 공간을 이루도록 하는 차단판(50), 상기 센서 전극판(30)에 의해 측정된 측정값을 비교 판단하기 위한 전자회로가 형성되어 있는 전자회로 기판(60)을 포함하여 이루어진다.
상기 하우징(20)의 내측부(22)는 오일팬(10)의 측벽에 형성된 소정 크기의 관통홀(12)을 통해 상기 오일팬(10)의 내측으로 소정 길이만큼 돌출 삽입되도록 원통캡 형상을 하고, 단부에는 상기 오일팬(10) 내부의 오일이 자유롭게 유통되도록 함과 동시에 외부 충격으로부터 측정센서(1)를 보호하기 위한 복수의 유통공(26)이 형성되어 있다.
상기 내측부(22)는 외측벽(14)과 상기 관통홀(12)이 나사형상으로 되어 서로 맞물려 밀착 고정되어 있으며, 상기 관통홀(12)의 측벽과 상기 내측부(22)사이에는 제 1 오링(16)이 구비되어 있다.
또한 상기 몸체(24)는 4각 내지 6각 모양으로 형성되어 공구를 사용하여 쉽게 상기 측정센서(1)를 상기 오일팬(10)에 설치할 수 있다.
상기 하우징(20)은 종래의 오일팬(10)의 오일 유입구에 삽입 고정시킬 수 도 있으나 승용차인 경우 차체가 낮아 상기 측정센서(1)와 노면과의 거리가 짧아 노면상태에 따라 상기 측정센서(1)가 노면과 접촉하여 파손될 우려가 있어 본 발명의 경우는 오일팬(1)의 측면에 새로운 관통홀(12)을 형성하여 상기 측정센서(1)를 삽입 고정한다.
상기 하우징(20)은 금속재질로 제작되며, 불필요한 정전기력을 차폐시키는 역할을 한다.
상기 센서 전극판(30)은 상기 하우징(20)의 내측부(22)에 삽입 설치되어 상기 유통공(26)과 통하는 소정의 공간을 이루도록 한다.
상기 유통공(26)은 상기 오일팬(10)내의 오일이 효과적으로 순환되어 상기 센서 전극판(30)과 접촉되도록 하여 오일의 정전용량의 측정값이 보다 더 신뢰성을 갖도록 한다.
상기 센서 전극판(30)과 내측부(22) 사이에는 제 2 오링(27)이 끼워져 있어 오일이 상기 센서 전극판(30) 하부로 유입되는 것을 방지한다.
상기 센서 전극판(30)은 상부면과 하부면에 서로 대칭적인 각각 상부전극 쌍 및 하부전극 쌍이 형성되어 있다. 상기 센서 전극판(30)의 재질로는 사파이어 또는 알루미나가 바람직하다.
도2 내지 도8을 참조하면, 상기 상부전극 쌍은 상기 센서 전극판(30)의 상부면의 소정영역의 가장자리를 따라 소정 폭으로 형성된 제 1 베이스전극(32a)과 상기 제 1 베이스전극(32a)에서 반대편 가장자리 방향으로 서로 소정 간격 이격되며 소정 폭과 길이를 가지며 연장 형성된 복수의 제 1 바전극(32b)으로 이루어진 제 1 전극(32) 및 상기 제 1 베이스전극(32a)과 절연되며 동일한 형상을 하며 상기 제 1 베이스전극(32a) 반대편 가장자리를 따라 형성된 제 2 베이스전극(34a)과 상기 제 2 베이스전극(34a)에서 연장 형성되어 상기 제 1 바전극(32b)의 사이사이에 형성된 복수의 제 2 바전극(34b)으로 이루어진 제 2 전극(34)으로 이루어진다.
상기 하부전극 쌍은 상기 센서 전극판(30)의 하부면에 형성되며 상기 제 1 전극(32)과 서로 대칭을 이루는 제 3 베이스전극(36a)과 제 3 바전극(36b)으로 이루어진 제 3 전극(36) 및 상기 제 2 전극(34)과 서로 대칭을 이루는 제 4 베이스전극(38a)과 제 4 바전극(38b)으로 이루어진 제 4 전극(38)으로 이루어진다.
상기 제 1 베이스전극(32a)은 소정 폭으로 상기 센서 전극판(30)의 측벽을 따라 연장 형성되어 상기 제 3 베이스전극(36a)과 연결되어 있다.
상기 4 베이스전극(38a)의 소정 영역은 제거되어 있으며, 상기 제거된 영역으로 상기 제 2 베이스전극(34a)이 소정 폭으로 상기 센서 전극판(30)의 측벽을 따라 연장 형성되며 상기 제 4 베이스전극(38a)과는 절연되도록 구성된다.
즉, 상기 센서 전극판(30) 양면 모두가 공기중일 때 상부의 정전용량과 하부의 정전용량이 동일하기 때문에 브릿지 구성시 1 : 1 비교가 되며 이러한 비교회로를 구성하기 위하여 상기 센서 전극판(30)의 상부전극과 하부전극의 크기 및 수량과 배치를 대칭구조가 되도록 하였다. 상기 제 1 베이스전극(32a)과 제 3 베이스전극(36a)의 일부분을 연결시킴으로써 브릿지 구성시 공통 단자로 이용할 수 있도록 하였다. 또한 전극의 정전용량측정을 위한 결선이 상기 센서 전극판(30) 하부에서 이루어지도록 하기 위하여 상기 제 4 베이스전극(38a)이 형성된 상기 센서 전극판(30) 하부면의 일부분에 제 2 베이스전극(34a)을 연장 형성하였다.
상기 전극들의 재질은 금이 바람직하며 상기 바전극(32b, 34b, 36b, 38b)의 폭은 약 1 mm이며,약 0.3 mm의 절연구간을 형성한다.
상기 센서 전극판(30)의 양면에는 엔진오일과의 계속적인 접촉과정에서 전극 표면의 손상을 방지하기 위하여 보호용 락카를 도포하였다.
상술한 구조로 이루어진 전극의 정전용량을 이론적으로 산출하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션으로부터 구해진 계산 값을 정리한 결과는 도 11과 같다. 즉, 여러 개의 전극이 고체 유전체 표면 위에 반복적으로 형성된 상태를 단순화하여 가정하자.
도9와 도10을 참고하면, 고체 유전체(100)의 유전상수는이고 전극(102)의 대향 위치에 유전상수가인 액체가 놓여져 있을 때, 두 유전상수의 합과 상기 전극(102)의 단위 길이당의 정전용량과의 관계는 상기 전극(102)의 상대 폭의 크기()에 따라 선형적인 관계가 있음이 확인되었다.
즉, 수학식 1의 관계가 성립한다.
의 관계가 성립된다. 실제 적용되는 정전용량은 수학식 2에 의해 계산된다. 여기에서는 단일 전극 쌍의 정전용량,는 유전상수가 1 일 때 초기 정전용량,은 전극의 크기에 따른 정전용량 감도이다.
여기서는 고체 유전체의 실제적인 넓이이고, 실제적인 전극의 길이는 이는이 된다.
따라서, 상기 센서 전극판(30)상의 전극의 총 정전용량은 각 전극 쌍의 정전용량을 상기 수학식 2에 의해 계산하여 합계를 구하면 된다.
상기 실린더(40)는 상기 센서 전극판(30)을 균일하게 지지하며 3개의 접촉핀(42)을 내장한다.
제 1 접촉핀(42a)은 제 3 베이스전극(36a)과 접촉되며, 제 2 접촉핀(42b)은 제 4 베이스전극(38a)과 접촉되며, 제 3 접촉핀(42c)은 상기 센서 전극판(30) 하부의 제 2 베이스전극(34a)이 연장된 부분과 접촉된다.
상기 차단판(50)은 상기 제 1 실린더(40)를 지지하며 상기 제 1 실린더(40) 내부에 기준오일(52)이 존재할 수 있는 밀폐 공간을 이루도록 하며 상기 접촉핀(42)들과 연결되어 전자회로와 연결되도록 하는 연결단자(54)가 형성되어 있다. 또한 상기 기준오일(52)이 기포가 없는 상태로 밀폐시키기 위하여 상기 차단판(50)을 제 3 오링(56)과 함께 압축되도록 하였다.
상기 기준오일(52)은 상기 센서장치(1)의 조립이 완성된 후 주입구(28)를 통하여 주입하고 밀폐용 나사(29)로 잠근다.
따라서, 상기 제 1 접촉핀(42a)과 상기 제 3 접촉핀(42c)에 의해 상기 오일팬(10) 내부의 오일에 의한 상기 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34) 사이의 정전용량 측정이 가능하고, 상기 제 1 접촉핀(42a)과 상기 제 2 접촉핀(42b)에 의해 상기 기준오일(52)에 의한 상기 제 3 전극(36)과 제 4 전극(38) 사이의 정전용량 측정이 가능하다. 이때 상기 전극(32, 34, 36, 38)들과 상기 접촉핀(42a, 42b, 42c)들이 접촉하는 접촉점은 접촉저항을 최소화시키기 위하여 도전성 접착제를 사용할 수 있다.
상기 전자회로 기판(60)은 상기 차단판(50)과 절연체 재질의 제 2 실린더(70)에 의해 소정간격 이격되며 상기 연결단자(54)와 연결되어 상기 센서 전극판(30)에 의해 측정된 상기 오일팬(10)내부의 오일과 상기 기준오일(52)에 대한 두 정전용량을 비교판단 하여 상기 오일팬(10)내부의 오일의 불량여부를 결정한다.
도12를 참조하면, 상기 전자회로 기판(60)은 하이브리드 회로로 구성되며 그 구성은 정전압장치(61), 상기 센서 전극판(30)상의 각각의 상부전극 쌍과 하부전극 쌍에 교류전원을 인가하기 위한 오실레이터(62), 상기 오실레이터(62)가 인가한 교류전원에 의해 오일팬(10)내부의 오일에 대한 상기 상부전극 쌍의 정전용량을 전기적 신호로 바꾸는 제 1 시그널변환기(63),상기 오실레이터(62)가 인가한 교류전원에 의해 기준오일(52)에 의한 상기 하부전극 쌍의 정전용량을 전기적 신호로 바꾸는 제 2 시그널변환기(64), 상기 제 1 시그널변환기(63) 및 제 2 시그널변환기(64)로부터 받은 신호를 비교하는 비교 회로부(65) 및 상기 오일팬(10)내부의 오일의 불량여부에 따라 상기 비교 회로부(65)에서 발생시키는 출력신호를 일정시간 동안 유지하여 외부로 표현하는 래치회로(66)를 구비하여 이루어진다.
상기 정전압장치(61)는 특정 온도 범위에서만 전원이 인가되도록 하는 열센서(67)를 구비하고 있다.
상기 열센서(67)는 엔진의 하부에 있는 상기 오일팬(10)에 설치하되 계절의 변화에 따른 엔진의 동작온도의 영향이나 자동차의 운행지역에 따른 영향을 최소화하기 위하여 자동차 엔진의 온도가 10 ℃ ∼ 70 ℃ 이내에서만 상기 정전압장치(61)가 동작되도록 하였다.
즉, 상기 정전압장치(61)는 안정된 +5 Vdc를 공급하며, 이것은 자동차 배터리로부터+12 Vdc 전압을 공급받아 열센서(67)에 의해 엔진의 온도가 70 ℃ 이하일 때에만 전자회로에 전원이 공급되도록 회로를 구성하였다. 상기 열센서(67)를 통해 공급된 +12 Vdc 전압은 정전압장치(61)를 통해 +5 Vdc의 안정된 직류전압이 발생되고 이 전압은 모든 회로의 전원이 된다.
도13에서 보는 바와 같이, 엔진의 온도가 70 ℃ 이상에서는 엔진오일의 종류에 따라 유전상수가 크게 변화되어 측정된 정전용량값의 신뢰성을 확보할 수 없기 때문이다.
따라서, 고온영역에서 엔진오일의 종류에 따른 오일 특성의 차이에 의한 오차를 배제하기 위하여 엔진 시동 후 수분 동안에 형성되는 10 ℃ ∼ 70 ℃에서만 측정되도록 함으로써 오일의 종류에 따른 측정 불확도를 크게 감소시킬 수 있다.
그러므로 엔진오일의 온도가 -40 ℃ 내지 150 ℃의 범위에서 변화되더라도 온도보상을 위한 별도의 전자회로가 불필요하고 측정오차도 최소화할 수 있다.
상기 오실레이터(62)에 의해 인가되는 전원의 주파수는 전자회로가 가장 안정되게 동작되기 위하여 8 kHz 내지 12 kHz임이 바람직하다.
도14에서 보는 바와 같이, 유전상수는 1 kHz 내지 100 kHz 범위에서 비슷하게 나타나고 있으나, 손실계수는 도15와 같이 1 kHz에서의 손실계수는 10 kHz에서의 손실계수 값의 약 50 ∼ 80 배 정도로 크다는 것을 확인하였다. 따라서 측정 주파수를 10 kHz로 선정함으로써 콘덕턴스 및 손실계수에 의한 오차를 크게 감소시킬 수 있었다. 이 영향은 피측정 오일과 기준오일에 동시에 작용하기 때문에 새 오일을 기준오일로 사용할 수 있다는 의미가 된다.
상기 제 2 시그널변환기(64)에는 바람직하게 상기 하부전극 및 상부전극 쌍의 정전용량의 차이에 의해 발생되는 출력전압을 사전에 지정하는 프리셋장치(68)가 더 구비되어 있다.
상기 래치회로(66)는 전원 공급장치가 10 ℃ 내지 70 ℃ 이외의 온도 범위에서 차단이 되더라도 오일의 불량여부를 일정시간 동안 아날로그 또는 디지털 신호로 출력한다. 일 예로 상기 래치회로(66)는 자동차의 클러스터에 형성되어 있는 오일의 부족상태를 표시해주는 표시장치와 연결되어 있으며, 오일의 부족상태와 구별하기 위하여 서로 다른 색깔의 램프를 사용하든지 또는 램프가 깜빡거리게 하여 구별되도록 한다. 따라서 상기 클러스터의 형태를 변경할 필요 없이 효과적으로 엔진오일의 불량여부를 확인할 수 있다.
상기 전자회로 기판(66)하부에는 상기 전자회로 기판(66)을 지지하며, 상기 전자회로에 의한 데이터를 외부로 출력하기 위한 출력단자(67)가 내장된 지지대(80)가 더 구비되어 있다.
그러므로 상기 측정센서(1)는 상기 하우징(20)과 상기 지지대(80)가 가압 결합되어 일체형을 이룬다.
따라서, 상술한 측정센서(1)에 의한 구동방법을 살펴보면, 오실레이터(34)에 의해 생성된 10 kHz의 교류 전압이 제 1 전극(32)과 제 2 전극(34)이 이루는 피측정 커패시터()와 제 3 전극(36)과 제 4 전극(38)이 이루는 기준 커패시터()에 동시에 인가된다. 다음 두 커패시터의 정전용량이 측정되어 비교 회로부(65)로 전달되고, 상기 비교 회로부(65)는 수학식 3으로 표현되는 두 커패시터의 비교결과가 직류전압의 출력으로 나타난다.
여기서는 전기용량 비교 결과와 출력 직류전압()과의 비례상수이다.
즉, 엔진오일의 사용기간에 따른 열화정도가의 리액턴스 변화로 나타나고 이것이 제 1 시그널변환기(63)를 통하여 생성된 신호와 프리셋장치(68)에 의해 사전에 지정된의 제 2 시그널변환기(64)의 신호가 비교회로부(65)에 보내면 설정된 경년 변화 한계 값보다 크면 디지털신호를 발생시킨다. 이 디지털 신호는 상기 래치회로(66)를 사용하여 전원이 차단된 상태에서도 엔진오일의 불량상태를 클러스터에 표시한다. 즉, 엔진오일이 불량일 때는 Hi 출력, 양호일 때에는 Lo 출력이 발생되어 클러스터의 램프를 점등시키게 되어 운전자로 하여금 엔진오일의 교환시기를 인지하도록 한다.
따라서, 본 발명에 의한 엔진오일의 열화상태 측정센서를 자동차의 오일팬에 장착하여 사용하면 자동차 엔진오일의 실제적인 교환주기를 센서에 의해 판단 및 지시되도록 함으로써 불필요한 에너지 및 경제적 손실을 대폭 감소시킬 수 있다. 기존차량에도 쉽게 장착이 용이하고, 새 차에 적용하기 위한 별도의 공정이 불필요하며, 새로운 자동차 부품의 양산 및 기업화가 가능하다.
이밖에도 이 센서를 동작시키는 전자회로에서의 간단한 조절만으로 엔진오일의 열화상태 측정 이외에도 기어오일, 브레이크오일 및 파워 핸들용 오일 등의 상태를 측정하는 센서로서 그 용도를 확장할 수 있다. 또한 빈번한 오일교환으로 발생된 폐오일로 인한 환경오염 방지에 크게 기여할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (19)
- 오일팬의 벽체 일 측에 소정 크기의 관통홀을 통해 상기 오일팬의 내측으로 소정 길이만큼 돌출 삽입되도록 원통캡 형상을 하고, 단부에는 오일팬 내부의 오일이 유통될 수 있는 다수의 유통공이 형성된 내측부와 몸체로 이루어진 하우징;상기 하우징의 내측부에 삽입 설치되어 상기 유통공과 통하는 소정의 공간을 이루도록 하며 오일에 대한 정전용량을 측정할 수 있는 상부전극 쌍 및 하부전극 쌍이 상부면과 하부면에 각각 형성되어 있는 센서 전극판;상기 센서 전극판을 지지하며 상기 센서 전극판의 전극과 접촉하여 전원인가 및 정전용량 측정을 위한 복수의 접촉핀이 측벽 내부에 내장된 실린더;상기 실린더를 지지하며 상기 실린더 내부에 기준오일이 존재할 수 있는 밀폐 공간을 이루도록 하며 상기 접촉핀과 연결되어 전자회로와 연결되도록 하는 연결단자가 형성되어 있는 차단판;상기 차단판 하부에 상기 차단판과 소정간격 이격되어 위치하며 상기 연결단자와 연결되어 상기 센서 전극판에 의해 측정된 측정값을 비교판단하기 위한 전자회로가 형성되어 있는 전자회로 기판; 및상기 전자회로 기판을 지지하며, 상기 전자회로에 의한 데이터를 외부로출력하기 위한 출력단자가 내장된 지지대;를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 차단판과 상기 전자회로 기판 사이에는 상기 차단판과 상기 전자회로 기판을 서로 분리하는 절연체 실리더가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 하우징의 재질은 금속인 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 센서 전극판의 재질은 사파이어 또는 알루미나인 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 4 항에 있어서,상기 센서 전극판의 전극의 재질은 금인 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 센서 전극판은,상기 센서 전극판의 상부면의 소정영역의 가장자리를 따라 소정 폭으로 형성된 제 1 베이스전극과 상기 제 1 베이스전극에서 반대편 가장자리 방향으로 서로 소정 간격 이격되며 소정 폭과 길이를 가지며 연장 형성된 복수의 제 1 바전극으로 이루어진 제 1 전극;상기 제 1 베이스전극과 동일한 형상을 하며 상기 제 1 베이스전극 반대편 가장자리를 따라 형성된 제 2 베이스전극과 상기 제 2 베이스전극에서 연장 형성되어 상기 제 1 바전극의 사이사이에 형성된 복수의 제 2 바전극으로 이루어진 제 2 전극;상기 센서 전극판의 하부면에 형성되며 상기 제 1 전극과 서로 대칭을 이루는 제 3 베이스전극과 제 3 바전극으로 이루어진 제 3 전극; 및상기 센서 전극판의 하부면에 형성되며 상기 제 2 전극과 서로 대칭을 이루는 제 4 베이스전극과 제 4 바전극으로 이루어진 제 4 전극;을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 1 베이스전극은 소정 폭으로 상기 센서 전극판의 측벽을 따라연장 형성되어 상기 제 3 베이스전극과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 제 4 베이스전극의 소정 영역은 제거되어 있으며, 상기 제거된 영역으로 상기 제 2 베이스전극이 소정 폭으로 상기 센서 전극판의 측벽을 따라 연장 형성되며 상기 제 4 베이스전극과는 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 접촉핀은 3 개임을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 접촉핀 중 제 1 접촉핀은 상기 제 3 베이스전극과 접촉하는 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서,상기 접촉핀 중 제 2 접촉핀은 상기 제 4 베이스전극과 접촉하며, 제 3 접촉핀은 상기 전극판상의 제 2 베이스전극이 연장된 부분과 접촉하는것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 6 항에 있어서,상기 센서 전극판의 양면은 전극 보호용 락카가 도포 되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 1 항에 있어서,상기 전자회로 기판은 하이브리드 회로로 구성된 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 13 항에 있어서,상기 하이브리드 회로는정전압장치;상기 센서 전극판상의 각각의 상부전극 쌍과 하부전극 쌍에 교류 전원을 인가하기 위한 오실레이터;상기 오실레이터가 인가한 교류전원에 의해 측정용 오일에 의한 상기 상부전극 쌍의 정전용량을 전기적 신호로 바꾸는 제 1 시그널변환기;상기 오실레이터가 인가한 교류전원에 의해 기준오일에 의한 상기 하부전극 쌍의 정전용량을 전기적 신호로 바꾸는 제 2 시그널변환기;상기 제 1 및 제 2 시그널변환기로부터 받은 신호를 비교하는 비교 회로부; 및오일의 불량여부에 따라 상기 비교 회로부에서 발생시키는 출력신호를 일정시간 동안 유지하여 외부로 표현하는 래치회로;를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 13 항에 있어서,상기 정전압장치는 특정 온도 범위에서만 전원이 인가되도록 하는 열센서를 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 15 항에 있어서,상기 정전압장치는 열센서에 의해 10 ℃ 내지 70 ℃ 온도 범위에서 작동되는 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 13 항에 있어서,상기 오실레이터에 의해 인가되는 전원의 주파수는 8 kHz 내지 12 kHz 임을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 13 항에 있어서,상기 제 2 시그널변환기에는 상기 하부전극 쌍 및 상부전극 쌍의 정전용량의 차이에 의해 발생되는 출력전압을 사전에 지정하는 프리셋장치가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
- 제 16 항에 있어서,상기 래치회로는 전원 공급장치가 10 ℃ 내지 70 ℃ 이외의 온도 범위에서 차단이 되더라도 오일의 불량여부를 일정시간 동안 아날로그 또는 디지털 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 상기 자동차용 엔진오일의 열화상태 측정센서.
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