KR20050014444A - 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서와 이를 이용한 검출장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서에 관한 것으로, 오일 통로에 설치된 금속판 사이의 정전 용량의 변화로부터 오일중 포함된 공기의 양을 검출하여 이로부터 오일의 잔류량을 추정함으로써, 정확한 오일의 보충 시기를 산정함과 더불어 오일의 잔류량에 대한 정확한 검증과 이에 따른 오일의 정확한 보충 시기를 산정할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 오일 통로의 내부에서 양측부로 분리되어 고정된 절연체와; 상기 절연체로부터 상기 오일 통로를 향해 다수개로 돌출됨과 더불어 각각의 사이에 일정 간극을 유지하도록 배치되어, 통전시 공기 혼입율에 따라 정전 용량이 변화되는 전극 판부재 및; 상기 전극 판부재와 각각 일단이 연결됨과 더불어 타단이 전원과 연결되는 입/출력 단자선을 갖춘 구조로 이루어진다.

Description

엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서와 이를 이용한 검출 장치{aeration sensor for an engine oil and detecting device using aeration sensor}

본 발명은 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오일 통로의 내부에 복수개로 설치되는 전극판 사이에서 발생하는 정전 용량을 검출하여 이로부터 엔진 오일중 함유된 공기의 혼입율을 측정할 수 있도록 하는 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서에 관한 것이다.

일반적으로 엔진에 있어 오일은 베어링과 피스톤 및 캠 등과 같이 상호 섭동되는 부위의 마찰면에 대한 윤활을 도모하여 마찰에 의한 손상을 방지하는 것이다.

이에 따라, 엔진 오일은 엔진의 작동중 설계된 경로를 통해 엔진의 내부에 각 섭동 부위로 공급되는 데, 이와 같은 엔진 오일의 순환 과정에서 경우에 따라 연소실내로 유입되어 연료의 연소 과정중 함께 연소되어 소진되기도 한다.

따라서, 상기와 같이 엔진 오일이 연소실내에서 연소되는 소모를 줄이기 위해 종래에 다양한 기술들의 개발이 있어 왔는 바, 엔진 오일의 소모를 전적으로 발생되지 않도록 하는 기술은 아직껏 개발되지 않고 있는 실정이다.

즉, 종래에는 엔진 오일의 잔류량의 검출이 엔진에 딥 스틱 형태로 설치된 오일 레벨 게이지에 의해 이루어지거나, 최근 들어 엔진 오일의 레벨이 전자적으로 측정되어 잔류량의 부족시 이를 자동적으로 경고할 수 있는 장치도 도입되고 있다.

그런데, 오일 레벨을 전자적으로 측정하는 종래 오일 레벨 센서에서는 오일의 유면상에 떠서 오일 레벨을 표시하는 장치와, 오일과 공기의 물리적 특성 차이를 이용하여 오일의 유면 위치를 표시하는 장치가 있는 데, 이들 장치는 모두 오일의 유면 전체중 특정의 하나 또는 소수의 위치에서 오일 레벨을 측정하여, 전체 오일의 잔류량을 대표적으로 표시하는 것이므로, 차량이 선회 또는 경사로를 운행하여 오일이 오일 팬의 내부에서 한쪽 방향으로 쏠리는 경우에 오일 레벨에 대한 대표적 측정값이 정확하지 않아, 실제로는 오일이 충분한데도 오일 레벨이 부족한 것으로 잘못 판별되거나, 그와는 반대로 오일이 부족한데도 충분한 것으로 오판되는 문제가 있어 왔다.

또한, 엔진의 운전 중 오일 레벨은 심하게 변동하므로, 오일 레벨 센서로부터 입력되는 신호는 일정 시간 동안의 평균값을 이용할 수 밖에 없었고, 사고 내지 고장 등으로 인한 오일 레벨의 급격한 변동에 대해 느린 반응을 보일 수 밖에 없는 문제점도 있었다.

아울러, 엔진 오일이 부족하면, 오일 펌프는 오일과 함께 공기를 흡입하게 되므로, 엔진 오일 내에는 다량의 공기가 포함되게 된다.

이때, 오일에 혼입된 공기는 베어링면에서 유막의 형성을 방해하여 금속간 접촉을 유발하여 엔진을 손상시키게 되므로, 다량의 공기 혼입은 방지하여야 한다.

그럼에도 불구하고, 종래 방식은 오일 레벨을 단순히 측정만 하여, 오일 레벨이 저하되면 공기가 흡입될 것으로 가정하여 이를 경고하는 방식이다.

따라서, 보다 직접적으로 오일에 포함된 공기량을 측정하여 엔진에 손상을 미칠지의 여부를 판단할 수 있는 센서의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 오일 통로에 설치된 금속판 사이의 정전 용량의 변화로부터 오일중 포함된 공기의 양을 검출하여 이로부터 오일의 잔류량을 추정함으로써, 정확한 오일의 보충 시기를 산정함과 더불어 오일의 잔류량에 대한 정확한 검증과 이에 따른 오일의 정확한 보충 시기를 산정할 수 있도록 하는 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 오일 통로의 내부에서 양측부로 분리되어 고정된 절연체와; 상기 절연체로부터 상기 오일 통로를 향해 다수개로 돌출됨과 더불어 각각의 사이에 일정 간극을 유지하도록 배치되어, 통전시 공기 혼입율에 따라 정전 용량이 변화되는 전극 판부재 및; 상기 전극 판부재와 각각 일단이 연결됨과 더불어 타단이 전원과 연결되는 입/출력 단자선을 갖춘 구조로 이루어진다.

도 1은 본 발명에 따른 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서를 도시한 단면도.

도 2는 도 1에 도시된 전극판 부재를 도시한 사시도.

도 3 내지 도 5는 각각 본 발명에 따른 공기 혼입율 검출 센서에 있어, 센서의 유효 폭을 증대시키기 위한 변형 실시예를 도시한 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 공기 혼입율 검출 센서에 있어, 전극판의 내진동성을 향상시키기 위한 변형 실시예를 도시한 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10-오일 통로 12-절연체

14-전극 판부재 16-입/출력 단자선

18-지지부재 20-검출기

22-지시계 24-제어기

먼저, 본 발명의 구성에 대한 설명에 앞서, 엔진에 있어서 오일의 순환 경로를 정리하면 다음과 같다.

즉, 엔진 오일은 엔진의 시동전 실린더 블럭의 하부에 설치된 오일 팬의 내부에 저장되어 있으며, 엔진의 작동과 동시에 구동되는 오일 펌프에 의해 흡입되어 실린더 블럭내의 메인 갤러리로 공급된다.

이어, 실린더 블럭내의 메인 갤러리로 공급된 엔진 오일은 오일 필터를 거친 다음, 크랭크 축의 메인 베어링과, 컨로드 베어링 등을 윤활하고, 일부는 엔진의실린더 헤드로 보내져, 캠 축의 베어링 등 밸브 트레인 계통의 각 섭동 부위를 윤활하게 된다.

이후, 각 섭동 부위를 윤활한 오일은 다시 오일팬으로 낙하하여 고이게 되고, 오일팬에 잠시 머무른 오일은 다시 오일 펌프로 흡입되어 재순환되어진다.

상기와 같은 일련의 엔진 오일에 대한 순환 과정에 있어, 엔진 오일의 공기 혼입율은 각 윤활부위로 오일의 공급이 이루어지기 전에 측정되는 것이 바람직하므로, 대개 오일 펌프의 전/후단, 즉 일반적으로 오일 펌프 전에는 오일의 흡입을 용이하게 하기 위해 오일 스트레이너가 설치되는데, 이 오일 스트레이너 부위에 설치하거나, 오일 펌프 후 오일 필터 부위에 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 오일 스트레이너 부위나 오일 필터 부위는 공간이 협소하고, 오일의 유동하는 유로의 단면적이 작으므로, 이를 감안하여 본 발명에 따른 공기혼입율 센서를 설계하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서는 오일과 공기 사이의 정전 용량의 차이를 매개로 오일에 포함된 공기량을 측정하도록 되어 있는 바, 이는 오일의 정전 용량이 공기의 정전 용량에 비해 대략 4배 정도로 크기 때문으로, 본 발명은 이와 같은 정전 용량의 차이를 이용한 것이다.

다시 말하자면, 본 발명에 따른 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서는 두개의 전극 판 사이에 공기만 충전된 경우에 비해 오일이 충전된 경우는 더 큰 정전 용량을 보이는 것을 이용한 것이다.

즉, 전극판의 면적과 간격을 일정하게 유지한 상태에서 오일 내 공기혼입율을 달리하면, 각각의 경우에 있어 전극판 사이에서는 정전 용량의 차이를 보이게 되는데, 이러한 현상으로부터 역으로 이용하여 정전 용량의 변화에 따른 오일 내 공기 혼입율을 구할 수 있는 것이다.

여기서, 정전 용량은 전극판의 면적에 비례하므로, 안정적으로 신호를 획득하기 위해서는 전극판의 면적을 크게 하는 것이 중요한데, 앞서 언급한 바와 같이 공기 혼입율 센서의 장착 부위에서 유로의 단면적은 작으므로, 본 발명에서는 동일한 유로의 단면적에서 전극판의 면적을 크게 하기 위해 다양한 형태의 전극판을 적용하였다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서를 도시한 단면도이고, 도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 공기 혼입율 검출 센서에 있어, 센서의 유효 폭을 증대시키기 위한 변형 실시예를 도시한 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 공기 혼입율 검출 센서에 있어, 전극판의 내진동성을 향상시키기 위한 실시예를 도시한 단면도이다.

본 발명은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 단면이 원형인 오일 통로(10)의 내부에서 양측부로 분리되어 전체적인 외형이 반원통체 형상의 한 쌍의 절연체(12)가 서로 대향되게 각각 고정되고, 상기 절연체(12)로부터 일단이 고정되는 고정단과 이로부터 대향되는 위치에 자유단을 각각 갖추고서 상기 오일 통로(10)의 내부를 향해 다수개로 돌출되는 한 쌍의 서로 대향된 평판 형상의 전극 판부재(14)가설치되는 바, 이 전극 판부재(14)는 각각의 사이에 일정한 간극을 유지하도록 상기 절연체(12)에 고정된다.

그리고, 상기 전극 판부재(14)에는 입/출력 단자선(16)의 일단이 각각 연결됨과 더불어 타단이 전원에 연결되는 바, 이를 위해 상기 입/출력 단자선(16)은 상기 오일 통로(10)와 절연체(12)를 순차적으로 관통하여 상기 전극 판부재(14)에 연결되어진다.

또한, 상기 전극 판부재(14)는 도 1의 실시예에 도시된 바와 같이, 일측이 네개의 판으로 이루어지고, 타측이 세개의 판으로 이루어져, 각각의 판들은 서로 층상으로 배치되어지고, 각각의 판들은 상기 언급한 바와 같이 각각의 입/출력 단자선(16)과 연결되는 구성을 이루고 있는 바, 상기 전극 판부재(14)의 수량은 상기 오일 통로(10)의 단면적 등에 의해 결정된다.

한편, 상기의 경우에서 동일한 면적의 오일 통로(10)에서 상기 전극 판부재(14)의 면적을 크게 하는 것이 정전 용량을 증대시킬 수 있으므로, 상기 전극 판부재(14)의 형상은 이하에서 게시되는 바와 같이 다양한 형태로 제안될 수 있다.

그리고, 본 발명의 공기 혼입율 검출 센서는 도체인 금속에 설치해야 하므로, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 절연체(12)를 이용하여 입/출력 단자선(16)을 각각 양의 전극과 음의 전극으로 설정하면 되고, 이때 상기 절연체(12)는 양의 전극과 음의 전극 사이의 절연을 도모하게 되는 것이다.

한편, 상기와 같은 구성의 공기 혼입율 검출 센서는 엔진의 오일 통로(10)내에 설치해야 하므로, 상기 오일 통로(10)에서는 절연체(12)와 전극 판부재(14)에 의한 압력 강하가 발생하게 되는 바, 이러한 압력 강하는 오일 펌프의 성능을 저하시키게 되므로, 이에 대한 대비책이 필요로 하다.

즉, 본 발명의 공기 혼입율 검출 센서에 의한 상기 오일 통로(10)에서 수반되는 압력 강하는 상기 전극 판부재(14)의 수량과 면적에 각각 비례하고, 상기 전극 판부재(14) 사이의 간극과 길이에 각각 반비례하게 된다.

따라서, 압력 강하를 크게 하는 제반 인자의 설계치는 상기 전극 판부재(14) 사이의 정전 용량을 크게 하여 검출 센서의 정도의 측면에서는 바람직한 결과를 초래하지만, 상기 오일 통로(10)내 오일의 유동에는 방해를 주기 때문에, 공기 혼입율 검출 센서의 설계시에는 압력 강하는 최소화하면서 정전 용량은 극대화할 수 있도록 상기 전극 판부재(14)의 수량과 간극 및 형상을 설정하는 것이 매우 중요하다.

참고로, 유체가 유동중 발생하는 압력 강하는 유체의 마찰 계수와 유로의 형상 등에 따라 결정되는 바, 일반적으로 유체의 마찰 계수는 유체의 속도와 점도 등에 따른 복잡한 거동을 보이나, 엔진 오일의 경우에는 전 작동 영역에서 층류 유동으로 해석할 수 있으므로, 상기 오일 통로(10)내에서 전극 판부재(14)의 양단 사이에서 수반되는 압력 강하(ΔP)는 다음의 관계식과 같이 해석할 수 있다.

ΔP=32μLV/d²---------------- 관계식 (1)

여기서, μ는 오일의 점도이고, L은 전극 판부재의 길이이며, V는 오일의 평균 유속이고, d는 전극 판부재 사이의 유효 간극이다.

그리고, 공기 혼입율 검출 센서에 있어 정전 용량(C)은 공기가 혼입된 오일의 유전율(e)과, 전극 판부재 사이의 유효 간극(d), 전극 판부재의 길이(L), 전극 판부재의 유효 폭(b) 등에 따라 다음과 같은 관계식으로 해석할 수 있다.

C=εbL/d -------------------- 관계식 (2)

이상의 관계식 (1,)(2)로부터 상기 전극 판부재(14)의 유효 폭(b)은 다른 요소에 비해, 상기 오일 통로(10)의 단면적을 변화시키지 않은 상태에서 정전 용량을 증대시키는 데 큰 영향을 미침을 알 수 있는 바, 이를 위해 상기 전극 판부재(14)에 대한 유효 폭(b)을 크게 하기 위한 실시예는 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이 다양한 형태로 변형 실시가 가능하다.

먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전극 판부재(14)는 도 1에 도시된 평판 형상이 아니라, 단면의 형상으로 보아 전장을 따라 상하로 굴곡진 형태의 파형 형상으로 이루어져, 상기 전극 판부재(14)의 유효 폭(b)의 증대에 따른 공기 혼입율 검출 센서의 정전 용량을 증대시킬 수 있다.

또한, 상기 전극 판부재(14)는 도 4에 도시된 바와 같이, 단면의 형상으로 보아 전장을 따라 나선 형상으로 꼬이게 형성될 수도 있어, 이 경우에도 상기 전극 판부재(14)의 유효 폭(b)은 증대되므로 공기 혼입율 검출 센서의 정전 용량이 증대될 수 있게 된다.

아울러, 상기 전극 판부재(14)는 도 5에 도시된 바와 같이, 단면의 형상으로 보아 상기 오일 통로(10)의 내부를 가로지르는 방향으로 층상의 형태로 절곡된 형태로 형성될 수도 있어, 이 경우에도 상기 전극 판부재(14)의 유효 폭(b)은 증대되므로 공기 혼입율 검출 센서의 정전 용량이 증대될 수 있게 된다.

한편, 상기 전극 판부재(14)의 자유단은 도 6에 도시된 바와 같이, 지지부재(18)를 매개로 상호 연결되도록 형성될 수도 있는 바, 이는 도 3 내지 도 5에 각각 도시된 전극 판부재(14)에 비해 전극 판부재(14)의 고정단이 절연체(12)에 의해 지지될 뿐만 아니라, 전극 판부재(14)의 자유단이 상기 지지부재(18)를 매개로 상호 연결됨에 따라 전극 판부재(14)의 장착 강성을 증대시키기 위함인 것이다.

즉, 상기 오일 통로(10)의 내부에는 항상 엔진 오일의 유동이 발생하는 부분이므로, 유동되는 엔진 오일로부터 상기 전극 판부재(14)의 내진동성의 감소를 위한 장착 강성을 확보하기 위함인 것이다.

이와 더불어, 상기 오일 통로(10)의 내부에서 전극 판부재(14)의 장착 강성이 확보되면, 유동하는 엔진 오일에 의해 상기 전극 판부재(14) 사이의 유효 간극의 변화를 방지할 수 있어, 상기 전극 판부재(14) 사이에서 검출되는 정전 용량의 변화를 줄일 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 따른 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서를 이용한 검출 장치를 구성할 수 있는 바, 이 검출 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 입/출력 단자선(16)과 각각 전원을 매개로 연결되어, 상기 전극 판부재(14) 사이의 정전 용량을 검출하는 검출기(20)와, 상기 검출기(20)로부터 검출된 정전 용량을 판독하여 외부로 지시하는 지시계(22)의 작동을 도모하는 제어기(24)를 포함하여 이루어진다.

상기와 같은 구성의 공기 혼입율 검출 센서를 이용한 검출 장치는 엔진은 물론, 오일의 순환이 이루어지는 어떤 기기류에도 적용이 가능하고, 적용시 오일중 포함된 공기의 혼입율을 자동적으로 판독하여 이의 정도를 지시할 수 있어, 사용자는 오일의 보충시기를 용이하게 알 수 있게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서에 의하면, 오일에 혼입되는 공기량을 전극 판부재 사이에서 발생하는 정전 용량의 차이로부터 직접 측정함으로써, 종래 보다 훨씬 더 정확한 오일의 잔류량을 계측할 수 있게 되고, 이로 인해 검출의 신뢰성을 향상시키게 된다.

또한, 본 발명에 따른 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서는 구조적인 측면에서 볼 때, 상기 오일 통로(10)내에서 압력 강하의 발생은 줄이고, 상기 전극 판부재(14) 사이의 정전 용량은 증대시킬 수 있는 이점이 있게 된다.

그리고, 상기 전극 판부재(14)는 절연체(12)에 대한 장착 강성의 증대를 위해, 전극 판부재(14)의 형상 변경 내지 자유단 사이의 연결을 도모하는 지지부재(18) 등의 채택을 매개로 하여 내구성의 향상을 도모할 수 있게 된다.

Claims (7)

1. 오일 통로의 내부에서 양측부로 분리되어 고정된 절연체와;

   상기 절연체로부터 상기 오일 통로를 향해 다수개로 돌출됨과 더불어 각각의 사이에 일정 간극을 유지하도록 배치되어, 통전시 공기 혼입율에 따라 정전 용량이 변화되는 전극 판부재 및;

   상기 전극 판부재와 각각 일단이 연결됨과 더불어 타단이 전원과 연결되는 입/출력 단자선을 갖춘 것을 특징으로 하는 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극 판부재는 단면의 형상으로 보아 폭방향으로 평평하게 형성된 평판 형상인 것을 특징으로 하는 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극 판부재는 단면의 형상으로 보아 폭방향으로 상하로 굴곡진 형태의 파형 형상인 것을 특징으로 하는 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극 판부재는 단면의 형상으로 보아 폭방향으로 나선형상으로 꼬이게 형성된 것을 특징으로 하는 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 전극 판부재의 자유단은 지지부재를 매개로 상호 연결된 것을 특징으로 하는 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극 판부재는 단면의 형상으로 보아 상기 오일 통로의 내부를 가로지르는 방향으로 층상의 형태로 절곡되게 형성된 것을 특징으로 하는 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 센서.
7. 오일 통로의 내부에서 양측부로 분리되어 고정된 절연체와;

   상기 절연체로부터 상기 오일 통로를 향해 다수개로 돌출됨과 더불어 각각의 사이에 일정 간극을 유지하도록 배치된 전극 판부재;

   상기 전극 판부재와 각각 일단이 연결됨과 더불어 타단이 전원과 연결되는입/출력 단자선;

   상기 입/출력 단자선과 각각 연결되어, 상기 전극 판부재 사이의 정전 용량을 검출하는 검출기 및;

   상기 검출기로부터 검출된 정전 용량을 판독하여 지시계를 매개로 외부로 지시하는 제어기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 엔진 오일의 공기 혼입율 검출 장치.