KR100411069B1 - 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 안전하고 정확하게 실시간으로 오일 갤러리 내의 오일에 혼입된 공기의 혼입률을 측정하는 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법을 제공한다.

본 발명에 따른 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법은 오일 갤러리 내의 오일과 공기의 혼합물의 압력, 온도, 그리고 차압을 측정하고; 이 압력, 온도, 그리고 차압으로부터 순수 공기 밀도, 순수 오일 밀도, 그리고 혼합물의 밀도를 구하며; 그리고 순수 오일의 밀도, 순수 공기의 밀도, 그리고 혼합물의 밀도로부터 공기 혼입률을 구한다.

Description

엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법{METHOD OF MEASURING AERATION RATIO FOR OIL IN HEAD GALLERY FOR ENGINE}

본 발명은 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 오일 갤러리 내의 오일과 공기의 혼합물 밀도를 측정하고 그 때의 압력과 온도로부터 순수 오일과 순수 공기의 밀도를 측정한 후, 공기 혼입률을 실시간으로 구하는 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 오일 갤러리 내의 오일과 공기의 혼합에 따른 공기 혼입률은 엔진 윤활유의 윤활 특성을 결정짓는 중요한 인자의 하나이다.

따라서 이 공기 혼입률에 대한 측정은 엔진 개발이나 문제 발생 때마다 실시된다. 이러한 공기 혼입률 측정방법으로 드레인법이 사용된다.

이 드레인법은 도 1에 도시된 바와 같은 열역학적 모델링에 의하여 공기 혼입률을 측정한다.

드레인법은 먼저 우선 일정량의 오일을 오일 갤러리로부터 드레인시킨다(a). 오일(1)에 공기(3)가 포함되어 있다.

그리고 공기(3)가 오일(1)에서 빠져 나올 때까지 기다렸다가 각 부피를 측정하여 공기 혼입률을 측정한다(b).

또한 드레인된 오일을 등온 팽창, 즉 온도(T)를 일정하게 유지하면서 오일(1)과 공기(3)의 압력(P)이 대기압(Patm)과 동일해질 때까지 팽창시킨다(c).

이때 공기(3)의 혼입률()은 식 1)과 같다.

----- 식 1)

여기서는 대기압(Patm)과 오일 드레인 온도(T)에서의 공기 혼입률, hair,atm은 대기압(Patm)과 온도(T)조건에서의 공기(3)가 차지하는 부피(높이), 그리고 hoil,atm은 대기압(Patm)과 온도(T)조건에서의 오일(1)이 차지하는 부피(높이)이다.

그러나 상기와 같은 드레인법에 의한 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법은 고온 고압의 오일을 드레인시켜야 하므로 위험하고, 오일이 드레인될 때까지 기다려야 하므로 공기 혼입률의 실시간 측정이 불가능하며, 그리고 공기가 오일로부터 빠져 나오는 동안 등온 과정을 유지하여야 하지만 이를 만족시키지 못할 경우 큰 오차를 발생시키는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 안전하고 정확하게 실시간으로 오일 갤러리 내의 오일에 혼입된 공기의 혼입률을 측정하는 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법을 제공한다.

도 1은 종래기술에 따른 드레인법에 의한 공기 혼입율 측정용 열역학적 모델링이다.

도 2는 본 발명에 따른 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법에 적용되는 높이 차가 있는 두 지점 사이의 압력차를 구하기 위한 구성도이다.

도 3은 도 2의 높이 차인 두 지점간의 압력차를 구하는 계기압식(a), 차압계식(b), 그리고 절대압계식(c)의 구성도이다.

도 4는 도 3의 두 압력계의 출력을 처리하는 구성도이다.

이를 실현하기 위하여 본 발명에 따른 오일 갤러리에 공기 혼입률 측정방법은,

오일 갤러리 내의 오일과 공기의 혼합물의 압력, 온도, 그리고 차압을 측정하는 단계,

상기 혼합물의 압력, 온도, 그리고 차압으로부터 순수 오일의 밀도, 순수 공기의 밀도, 그리고 혼합물의 밀도를 구하는 단계,

상기 순수 오일의 밀도, 순수 공기의 밀도, 그리고 혼합물의 밀도로부터 공기 혼입률을 구하는 단계,

를 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의하여 보다 상세히 설명한다.

본 실시예의 공기 혼입률 측정방법은 오일(1)과 공기(3)의 혼합물이 가압된 상태에서 각 성분의 분율을 알아야 한다. 따라서 압력(P)을 대기압()으로 떨어뜨린 상태의 부피 분율을 토대로 계산되는 식 1)을 가압된 상태의 부피 분율로 바꾸어 표현할 필요가 있다.

즉, 도 1의 (b)와 같이 압력은 P로 유지되고, 오일(1)과 공기(3)가 완전 분리되었다고 가정할 때의 각 오일(1)의 높이(hoil)와 공기(3)의 높이(hair)로 식 1)을 바꾸어 표현할 필요가 있다.

오일은 작동 조건에서 비압축성으로 가정할 수 있다. 따라서

----- 식 2)

로 된다.

공기(3)는 이상 기체로 가정할 수 있으므로 등온 과정의 관계식으로부터

----- 식 3)

로 된다.

식 2), 3)을 식 1)에 대입하여 정리하면,

----- 식 4)

로 된다.

이 식 4)는 압력 P, 온도 T상태에서 공기(3)가 차지하는 부피로부터 오일(1)의 공기 혼입률()을 구할 수 있다.

그러나 본 실시예는 공기 혼입률()을 실시간으로 측정하는 것을 목적으로 하므로 식 4)의 hair, 즉 공기(3)가 오일(1)에서 완전히 빠져 나왔을 때의 부피를 구할 수가 없다.

공기(3)와 오일(1)이 혼합되어 있을 때, 순수 공기(3) 및 순수 오일(1)의 밀도와 혼합물의 밀도를 구하여 공기 혼입률()을 구하기 위해서는 식 4)를 변형할 필요가 있다.

오일(1)과 공기(3)의 혼합물에서 오일(1)과 공기(3)는 열적으로 평형을 이루고 있다고 볼 수 있다. 측정된 혼합물의 압력과 온도는 각 오일(1)과 공기(3)의 압력(P)과 온도(T)로 생각할 수 있다.

공기(3)는 이상 기체로 간주할 수 있으므로 공기(3)의 밀도()는 이상 기체 상태 방정식으로부터 구할 수 있다.

----- 식 5)

오일(1)은 비압축성으로 간주되므로 오일(1)의 밀도()는 온도(T)만의 함수로 나타낼 수 있다.

----- 식 6)

식 5), 6)에서 알 수 있는 바와 같이 공기(3)의 밀도()와 오일(1)의 밀도()는 압력(P)과 온도(T)로부터 구할 수 있다.

그러나 공기(3)와 오일(1)의 혼합물, 즉 공기(3)가 흡입된 오일의 평균 밀도()는 직접 측정할 수밖에 없다.

이 오일의 평균 밀도()를 작동중인 엔진에서 실시간으로 측정하기 위해서 높이 차(h)가 나는 두 지점의 수력학적 압력차()를 이용한다.

----- 식 7)

이 식 7)로부터 혼합물의 평균 밀도()를 구한다.

----- 식 8)

한편 공기(3)와 오일(1)의 혼합물의 평균 밀도()는 공기(3)의 밀도()와 오일의 밀도()의 분률로부터 구할 수 있다.

----- 식 9)상기한 식 9)에서, 바이패스 관(5)에서의 높이 차이므로,를 식 9)에 대입하고, 식 9)를 정리하면,

----- 식 10)

로 된다.

식 10)을 식 4)에 대입하면,

----- 식 11)

로 된다.

식 11)과 식 5), 6), 8)로부터 공기 혼입률()을 구할 수 있다.

식 5), 6)을 구하기 위하여 필요한 오일(1)의 압력(P)과 온도(T)는 오일 갤러리의 임의 지점에서 측정할 수 있다. 그러나 식 8)을 구하기 위하여 필요한 높이 차(h)인 두 지점 사이의 압력차()를 구하기 위해서는 별도의 장치가 필요하다.

본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같은 바이패스 관(5)을 오일 갤러리(7)에 연결하여 중력 가속도(g) 방향으로 설치한다.

따라서 이 바이패스 관(5)에서의 공기 혼입률()은 측정하고자 하는 오일 갤러리(7)에서의 공기 혼입률()과 동일하다고 볼 수 있다.

그러므로 이 바이패스 관(5)에서의 높이 차(h), 압력차(), 오일(1)의 압력(P)과 온도(T)로부터 공기 혼입률()을 구할 수 있다.

한편, 높이 차(h)인 두 지점 간의 압력차()를 구하는 방법은 도 3에 예시된다. 즉, 계기압식(a), 차압계식(b), 그리고 절대압계식(c)이 있다.

계기압식(a)은 관로(9)에 2개의 차압계(11,13, 또는 계기압계)를 설치하여, 차압계(11,13)의 저압 부분(15)을 대기에 노출하여 차압계(11,13)를 계기압계처럼 사용한다.

이 때 차압계(11,13)의 저압 부분(15)에 가해진 대기압의 차이는 미미하므로 무시할 수 있다. 이때 두 차압계(11,13)의 신호 차이로부터 높이 차(h)인 두 지점 간의 압력차()를 구할 수 있다.

차압계식(b)은 차압계(11,13)의 저압 부분(15)에 기지의 밀도를 갖는 물질(17)을 채워 두 차압계(11,13)의 신호 차이로부터 높이 차(h)인 두 지점간의 압력차()를 구할 수 있다.

----- 식 12)

P2-P1=(P2-P4)-(P1-P3)+(P4-P3) ----- 식 13)

P2-P4는 하부 차압계(13)의 출력, P1-P3은 상부 차압계(11)의 출력, 그리고 P4-P3은 식 12)에서 계산된 값이다.

또한 절대압식(c)은 관로(9)에 2개의 절대압계(19,21)를 설치하여, 두 지점의 절대압을 직접 구하여 높이 차(h)인 두 지점간의 압력차()를 구한다.

상기 세 방식 모두 높이 차(h)인 두 지점간의 압력차()가 압력 측정 값 자체보다 매우 작고 또한 두 압력계의 특성이 조금이라도 다를 경우 큰 오차 요인이 되므로 압력차() 측정을 도 4와 같이 하는 것이 바람직하다.

차압계(11,13) 또는 절대압계(19,21)에 각각 증폭비가 다른 증폭기(23,25)가 연결되어 차압계(11,13) 또는 절대압계(19,21)의 출력을 증폭시킨다. 이 대 증폭비는 동일한 압력 신호에 대하여 차압계(11,13) 또는 절대압계(19,21)의 신호가 증폭된 후 두 신호가 동일한 값을 가지도록 조정된다.

실제 적용 시에는 두 차압계(11,13) 또는 절대압계(19,21)에 가해지는 압력차()는 증폭기(23,25)가 연결되는 차등 증폭기(27)를 통하여 증폭된다. 이 출력 전압을 측정하면 두 차압계(11,13) 또는 절대압계(19,21) 신호로부터 압력차()를 정밀하게 측정할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법은 갤러리 내의 온도, 압력, 차압으로부터 공기, 오일, 그리고 이 혼합물 밀도를 측정하므로 오일에 혼입된 공기의 혼입률을 실시간으로 구할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법은 안전하고 정확하게 실시간으로 오일 갤러리 내의 오일에 혼입된 공기의 혼입률을 측정할 수 있다.

Claims (6)

1. a)오일 갤러리 내의 오일과 공기의 혼합물의 압력, 온도, 그리고 차압을 측 정하는 단계,

   b)상기 혼합물의 압력, 온도, 그리고 차압으로부터 순수 오일의 밀도, 순수 공기의 밀도, 그리고 혼합물의 밀도를 구하는 단계,

   c)상기 순수 오일의 밀도, 순수 공기의 밀도, 그리고 혼합물의 밀도로부터 공기 혼입률을 구하는 단계,

   를 포함하는 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 공기의 밀도()는,

   로 구함을 특징으로 하는 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 오일의 밀도()는,

   로 구함을 특징으로 하는 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 혼합물의 평균 밀도()는,

   로 구함을 특징으로 하는 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 압력차()는,

   두 개의 절대계의 신호차를 증폭하여 구함을 특징으로 하는

   엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법.
6. (정정) 청구항 1에 있어서,

   상기 공기 혼입률()은,아래의 식으로 구함을 특징으로 하는 엔진 헤드 갤러리 내부 오일의 공기 혼입률 측정방법.

   [식]

   상기 식에서,

   Patm : 대기압, P : 압력, : 공기의 밀도, : 오일의 밀도, : 오일의 평균 밀도