KR20060087680A - 가진장치와 용량 센싱 장치를 이용한 오일증기 검출기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가진장치를 이용하여 디젤엔진 내에서 추출흡입한 오일증기(Oil Mist)를 포함하는 공기를 전자기적힘으로 가진(스핀운동)시킴으로써 용량 센싱 장치에서 유전율 변화를 최대화하고 흡착을 최소화하여 실시간으로 용이하게 디젤엔진 내 오일증기의 분포밀도를 측정하여 종래의 기술이 갖는 장시간 연속 운용에의 한계, 운용 환경에의 제한, 계측기기의 오염에 의한 저신뢰도 등 여러 장애요인을 해결하여, 신뢰 할 수 있는 디젤엔진 내 오일증기 분포 밀도의 정보를 제공하여 디젤엔진 기구부의 상태를 운전 중에 체크하여 기구부의 결함/파손을 감지하고 디젤엔진의 폭발을 사전에 방지하는 기능을 갖는 오일증기검출기(Oil Mist Detector)에 관한 것이다.

오일증기, 검출기, 디젤엔진, 가진장치, 용량센서, 발진, 코일, 계측

Description

가진장치와 용량 센싱 장치를 이용한 오일증기 검출기{Oil mist detector using vibration increaser equipment and capacitive sensing equipment}

도 1은 주파수 고정형 가진장치.

도 2는 주파수 증가형 가진장치.

도 3은 평판형 용량 센싱 장치.

도 4는 병렬형 용량 센싱 장치.

도 5는 주파수 고정형 가진장치와 평판형 용량 센싱 장치를 적용한 오일증기검출기의 모듈.

도 6은 주파수 증가형 가진장치와 병렬형 용량 센싱 장치를 적용한 오일증기검출기의 모듈.

도 7은 오일증기검출기의 추출부 및 귀환부.

도 8은 주파수 고정형 가진장치와 평판형 용량 센싱 장치를 적용한 오일증기검출기 및 엔진에의 장착 예.

도 9는 주파수 증가형 가진장치와 병렬형 용량 센싱 장치를 적용한 오일증기검출기 및 엔진에의 장착 예.

도 10은 본 발명의 한 실시 예에 따른 제어장치의 출력(Output)신호와 입력(Input)신호의 흐름을 개략적으로 도시한 제어 블럭 다이어그램.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

a1,b1,c1,d1 ; 덕트부 a2,b2 ; 코일부 a3,b3 ; 발진부

c2,d2 ; 용량형 센서 c3,d3 ; 계측부

e1,f1 ; 진공펌프 e2,f2 ; 제어기 e3,f3 ; 층류기

g1 ; 추출관 g2 ; 솔레노이드 벨브 g3 ; 추출공기안내관

g4 ; 귀환부 g5 ; 디젤엔진 크랭크케이스 g6 ; 기구부

h1,i1,j8 ; 벨브선별 신호 h2,i2,j10 ; 경고(alarm) 신호

h3,i3,j11 ; 엔진 정지 신호 h4,i4 ; 엔진컨트롤러

j1; 압력측정치 j2; 가진장치 발진부 전류 크기/주파수 값

j3; 온도 측정치 j4; 용량센싱장치 발진부 전압 크기/주파수 값

j5; 유전율 변화값 j6; 진공펌프 회전속도

j7; 유속/유량 측정값 j9; 오일증기 분포밀도 측정값

본 발명은 디젤엔진 내 오일증기(Oil Mist)의 분포밀도(단위체적당 오일증기의 양)의 측정으로 엔진 크랭크케이스(Crankcase)내 기구부의 이상을 감지하고 폭발을 사전에 방지하는 장치에 관한 것으로, 대형디젤엔진의 경우 저속 고부하 구동으로 인해 기구부(크랭크축,베어링 등)의 손상이 초래되고 그로인해 발생되는 마찰열로 윤활오일이 증발하여 크랭크케이스 내에서 오일증기(Oil Mist)로 부유하는데 그 분포밀도가 증가하면 파손된 기구부에서 발생되는 불꽃(spark) 및 엔진부의 열에 의해 발화를 하게 되고 결국 엔진의 폭발을 초래하여 엔진의 파손은 물론 인명피해까지 초래되어, 이를 방지하기 위한 장치로 오일증기검출기(Oil Mist Detector)가 필요하다.

동일목적을 갖는 종래의 기술로는 레이져나 적외선을 이용한 광산란법(광송신부와 광수신부의 광세기변화로 측정)을 이용한 장치가 있으나 종래의 기술을 활용한 이러한 목적의 기기 및 장비는 장시간 연속 운용에의 한계, 운용 환경에의 제한, 계측기기의 오염에 의한 저신뢰도 등의 장애요인으로 인하여 원하는 정밀도의 성능을 제공하지 못하여 신뢰성이 낮거나 기계 및 장비 시스템과의 정보공유에의 곤란을 보여주고 있다. 그러나 본 발명을 이용한 오일증기검출기는 디젤엔진의 컨트롤러 및 운용하는 사람에게 장시간 안정적으로 신뢰할 수 있는 오일증기의 분포 밀도의 정보를 제공 할 수 있어 보다 나은 시스템의 성능 개선에 따른 경제적 효과는 물론 재해에 의한 인명피해를 사전에 방지하는 데에도 크게 일조 하리라 본다.

디젤엔진 그랭크케이스(Crankcase)내 오일증기(Oil Mist)의 분포밀도를 측정하고자 하는 종래의 기술 중, 레이져나 적외선을 이용한 광산란법은 광송신부에서 나온 빛의 강도의 광수신부에서의 수신광의 세기변화로 측정하는데, 오일증기의 점성 및 정전기적 대전으로 오일증기검출기의 광송신부와 광수신부의 렌즈에의 흡착으로 인한 기기의 오염으로 측정결과에 신뢰성이 낮아 수시로 렌즈부의 오염상태를 감시하여 오염을 제거 해주어야 하는 등의 장시간 운용에의 장애가 있다.

이와 같은 문제점을 감안하여 본 발명은 가진장치를 이용하여 전자기적힘으로 오일증기 입자를 가진(스핀운동)시킴으로써 용량센서에서 유전율 변화를 최대화하고 흡착요인을 제거하여 실시간으로 용이하게 오일증기의 분포밀도를 측정하여 종래의 기술이 갖는 장시간 연속 운용에의 한계, 운용 환경에의 제한, 계측기기의 오염에 의한 저신뢰도 등 여러 장애요인을 해결하여 디젤엔진의 컨트롤러 및 운용하는 사람에게 장시간 안정적으로 신뢰할 수 있는 오일증기의 분포 밀도의 정보를 제공 하려는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

디젤엔진 크랭크케이스 내 공기를 추출하는 추출부 및 센싱을 마친 공기를 다시 디젤엔진 크랭크케이스 내로 안내하는 귀환부(도 7);

오일증기 입자의 극성 및 진동(스핀운동)을 키워주는 가진장치(도 1,도 2);

가진장치를 통과한 오일증기 입자의 분포밀도를 측정하는 용량 센싱 장치(도 3,도 4);

디젤엔진 크랭크게이스에서 오일증기를 포함하는 공기를 빨아들이는 진공펌프(e1,f1);

가 직렬로 연결된 구조에,

추출부의 벨브(g2)를 선별하고 가진장치와 진공펌프를 컨트롤하고 용량 센싱 장치로부터의 측정치를 읽어들여 그 값을 출력하며 위험 신호시 엔진컨트롤러에 경고(alarm) 신호를 보내는 제어장치(e2,f2);

로 구성된다.

이하, 첨부한 도면을 활용한 발명의 구성에 관한 구체적 설명이다.

본 발명의 원리는, 공기 중의 오일증기 입자(고체,액체)를 유전율 변화형 용량센서로 바로 측정하기에는 공기 중의 오일증기 분포밀도(공기의 단위 부피당 오일증기 양)가 작아 오일증기 입자의 유전율에 의한 용량형 센서의 반응이 미약하여 센서로써 사용하기 불가능하여, 이 문제의 해결 수단으로써,

측정대상에서 진공펌프(e1,f1)로 흡입한 오일증기를 포함하는 공기를 가진장치(도 1,도 2)내 주기적 전자기장의 변화 영역을 통과시키면 오일증기 입자들(오일증기 입자는 분자구조상의 비대칭으로 인하여 쌍극자적 성질을 띄며 고체입자들의 경우는 정전기적으로도 대전 되어 극성을 갖는다)은 전자기력의 방향에 직각인 방향으로 축을 정열시켜(회전진동하는 물체의 축 방향을 유지하려는 성질인 자이로효과(Gyroscopic Effect)에 의해 오일증기입자들은 진동(스핀운동)이 멈출 때까지 축 방향을 통일되게 유지한다) 전자기장의 변화 주기(코일부(a2,b2)에 입력되는 전류의 주파수에 비례)에 비례한 진동(스핀운동)을 하며 출구를 통해 나오게 되는데 이 진동(스핀운동)하는 극성을 띄는 입자는 공간상에서의 전자기장의 영역이 커지게 되며 이로 인해 유전율 변화형 용량센서 통과 시 센서의 입력변수인 유전율의 변화에 큰 영향을 끼치게 하여 유전율 변화형 용량센서의 공기 중 오일증기의 검출을 가능케 하는 것이다. 또한 가진장치(도 1,도 2 에서 발진부(a3,b3))와 용량 센싱장치(도 3,도 4 에서 계측부(c3,d3))에서 입력신호로 교류가 인가되며(상하의 극성이 교대로 변하여 흡착을 방지한다) 축정열 된 진동(스핀운동)하는 미세입자가 받는 자이로효과(Gyroscopic Effect)에 의한 힘(각각의 미세 입자가 자신의 경로를 유지하게 한다)에 의하여 덕트부(a1,b1,c1,d1) 안쪽면에의 흡착을 방지할 수 있다.

도 1은 주파수 고정형 가진장치이다.

덕트부(a1)는 오일증기를 포함하는 공기를 안내하는 역할을 한다;

덕트부의 상하에 코일부가 위치하여 공기중의 입자에 전자기에 의한 힘을 가하므로 오일증기 입자가 전자기장의 영향을 쉽게 받기 위하여 덕트부의 높이는 낮아야하며 충분한 양의 오일증기 입자가 가진하기 위해 폭은 넓어야한다.

코일부(a2)는 덕트부(a1) 외부의 상하에 배열되어 덕트부 내에 주기적 전자기장의 변화를 유발해 오일증기 입자에 전자기력을 가하는 역할을 한다;

코일부는 공기중의 입자들의 진동(스핀운동) 및 회전진동축의 자장방향과 직각 방향으로의 배열을 위해 상하의 코일부에서 나오는 전자기의 극성은 서로 반대여야하며 같은 층의 코일의 배열 또한 오일증기 입자들의 스핀량(회전에너지)을 크게 하기 위해 자장의 방향(N극 S극)이 교대로 바뀌도록 코일의 입력 전류선의 배열이 교대로 바뀌도록 배치한다. 이때 오일증기 입자의 진동(스핀운동)이 용이하게 증가하도록 전자기력의 힘을 점점 증가 시키기 위해 각 코일의 감은수를 입구쪽 코일에서 출구쪽 코일로 갈수록 점점 증가해 줄 수 있다. 코일부 중심 코어(Core)로는 투자율이 높은 재료인 페라이트등을 쓸 수 있다.

발진부(a3)는 코일부(a2)에 일정 크기 및 주파수를 갖는 입력전류를 공급하는 역할을 한다;

코일의 입력전류는 흡입한 공기의 유속과 측정하고자 하는 오일증기 입자의 종류에 적합한 교류전류를 입력하도록 한다.

도 2는 주파수 증가형 가진장치이다.

덕트부(b1)는 오일증기를 포함하는 공기를 안내하는 역할을 한다;

덕트부의 상하에 코일부가 위치하여 공기중의 오일증기 입자에 전자기에 의한 힘을 가하므로 오일증기 입자가 전자기장의 영향을 쉽게 받기 위하여 덕트부의 높이는 낮아야하며 충분한 양의 오일증기 입자가 가진하기 위해 폭은 넓어야한다.

코일부(b2)는 덕트부(b1) 상하에 위치한 한쌍의 코일이 병렬로 다수 배열되어 독립적으로 입력전류의 크기 및 주파수에 따른 전자기장을 형성케 하는 역할을 한다;

한쌍의 코일부는 공기 중의 오일증기 입자들의 진동(스핀운동) 및 회전진동축의 자장방향과 직각 방향으로의 배열을 위해 전자기의 극성이 서로 반대인 상하의 코일부로 이루어지며 덕트부의 상하 외부에 병렬로 배치된 각각의 코일부는 독립적으로 가진한다. 코일부 중심 코어(Core)로는 투자율이 높은 재료인 페라이트등을 쓸 수 있다.

발진부(b3)는 코일부(b2)의 각 코일에 일정 크기 및 주파수를 갖는 입력전류를 공급하는 역할을 한다;

측정하고자 하는 공기중의 오일증기 입자의 진동(스핀운동)을 용이하게 가진하기 위해 각 코일에 입력하는 전류의 크기 나 주파수를 코일 순서대로 점점 증가 시킨다.

도 3은 평판형 용량 센싱 장치이다.

덕트부(c1)는 오일증기를 포함하는 공기를 안내하는 역할을 한다;

덕트부의 안내로 가진장치를 통과한 오일증기 입자를 포함하는 공기가 유전율 변화형 용량 센서를 지나게 되므로 단일 시간 최대한의 유전율 변화에의 반응을 위해 높이는 낮아야 하며 공기의 유량이 많아야 하므로 폭은 넓어야 한다.

용량형 센서(c2)는 덕트부(c1) 안쪽 상하에 넓고 길게 배치되어 오일증기 입자를 포함하는 공기의 유전율 변화를 측정하는 역할을 한다;

유전율 변화형 용량 센서의 유전율 변화에의 감도 향상을 위해 센싱면적이 넓도록 극판이 긴 형태를 취해야한다.

계측부(c3)는 용량변화를 측정하는 역할을 한다;

유전율 변화형 용량센서에서 나오는 출력신호에서 잡음성분(noise)을 제거하고 증폭하여 출력한다.

도 4는 병렬형 용량 센싱 장치이다.

덕트부(d1)는 오일증기를 포함하는 공기를 안내하는 역할을 한다;

덕트부의 안내로 가진장치를 통과한 오일증기 입자를 포함하는 공기가 유전율 변화형 용량 센서를 지나게 되므로 단일 시간 최대한의 유전율 변화에의 반응을 위해 높이는 낮아야 하며 공기의 유량이 많아야 하므로 폭은 넓어야 한다.

용량형 센서(d2)는 덕트부(d1) 안쪽 상하 및 좌우로 서로 다른 극성을 갖도록 극판이 병렬 배치 되어 오일증기 입자를 포함하는 공기의 유전율 변화를 측정하는 역할을 한다 ;

유전율 변화형 용량 센서가 단일 시간 최대한의 유전율 변화에의 반응을 위하여 덕트부 안쪽 상하 및 좌우로 서로 다른 극성을 갖도록 극판이 병렬 배치 되어야 한다(전자기적힘이 상하는 물론 좌우와도 작용하므로 용량센서의 감도 향상을 꾀할 수 있다).

용량변화를 측정하는 계측부(d3);

유전율 변화형 용량센서에서 나오는 출력신호에서 잡음성분(noise)을 제거하고 증폭하여 출력한다.

도 5는 주파수 고정형 가진장치와 평판형 용량 센싱 장치를 적용한 오일증기검출기의 모듈이다.

주파수 고정형 가진장치(도 1)와 평판형 용량 센싱장치(도 3) 및 오일증기를 포함하는 공기를 빨아들이기 위한 진공펌프(e1)가 직렬로 연결된 구조이며 (이때 층류기(e3)는 각 장치의 중간에 위치하여 장치의 연결 역할과 오일증기를 포함하는 공기의 흐름이 층류에 가깝도록 유도한다), 제어장치(e2)는 가진장치와 센싱장치 및 진공펌프를 컨트롤하고 측정값을 출력하는 역할을 한다.

도 6은 주파수 증가형 가진장치와 병렬형 용량 센싱 장치를 적용한 오일증기검출기의 모듈이다.

주파수 증가형 가진장치(도 2)와 병렬형 용량 센싱 장치(도 4) 및 오일증기를 포함하는 공기를 빨아들이기 위한 진공펌프(f1)가 직렬로 연결된 구조이며 (이때 층류기(f3)는 각 장치의 중간에 위치하여 장치의 연결 역할과 오일증기를 포함하는 공기의 흐름이 층류에 가깝도록 유도한다), 제어장치(f2)는 가진장치와 센싱장치 및 진공펌프를 컨트롤하고 측정값을 출력하는 역할을 한다.

도 7은 오일증기검출기의 추출부 및 귀환부이다.

오일증기의 발생부인 디젤엔진 크랭크케이스 내 기구부(크랭크축, 베어링 등)로부터 공기를 빨아들이는 추출관(g1), 추출관의 개패(Open or Close)를 하는 솔레노이드 벨브(g2),빨아들인 공기를 가진장치와 센싱장치로 유도하는 안내관(g3),센싱을 마친 공기를 다시 디젤엔진 크랭크케이스 내로 돌려보내는 귀한부(g4)가 직렬로 연결된 구조이며 추후 가진장치와 용량 센싱 장치를 적용한 오일증기검출기의 모듈은 추출안내관(g3)와 귀한부(g4)사이에 위치하게 된다.오일증기검출과정에서 흡입했던 공기를 다시 크랭크케이스안으로 되돌리는 것은 크랭크케이스안의 압력변화에 영향을 주지않기 위함이다.

여기서 g5는 측정대상인 디젤엔진의 크랭크 케이스이며 g6는 구동부(크랭크축, 베어링 등)이다.

도 8은 주파수 고정형 가진장치와 평판형 용량 센싱 장치를 적용한 오일증기검출기 및 엔진에의 장착 예이다.

디젤엔진 크랭크케이스 내 공기를 추출하는 추출부 및 센싱을 마친 공기를 다시 디젤엔진 크랭크케이스 내로 안내하는 귀환부(도 7);

오일증기 입자의 극성 및 진동(스핀운동)을 키워주는 주파수 고정형 가진장치(도 1)와 오일증기 입자에 의한 유전율 변화를 측정하기 위한 평판형 용량 센싱 장치(도 3)를 적용한 오일증기검출기의 모듈(도 5);

추출부의 벨브(g2)를 선별 컨트롤하여 크랭크케이스 내의 전부 혹은 특정부분을 임의로 샘플 추출하도록 하고(h1) 가진장치와 진공펌프를 컨트롤하여 용량 센싱 장치로부터 나온 측정치를 읽어들여 그 값을 출력하며 위험신호 검출시 엔진컨트롤러(h4)에 경고(alarm) 신호(h2)를 보내는 제어장치(e2);

로 구성된다.

도 9는 주파수 증가형 가진장치와 병렬형 용량 센싱 장치를 적용한 오일증기검출기 및 엔진에의 장착 예이다.

디젤엔진 크랭크케이스 내 공기를 추출하는 추출부 및 센싱을 마친 공기를 다시 디젤엔진 크랭크케이스 내로 안내하는 귀환부(도 7);

오일증기 입자의 극성 및 진동(스핀운동)을 키워주는 주파수 증가형 가진장치(도 2)와 오일증기 입자에 의한 유전율 변화를 측정하기 위한 증가형 용량 센싱 장치(도 4)를 적용한 오일증기검출기의 모듈(도 6);

추출부의 벨브(g2)를 선별 컨트롤하여 크랭크케이스 내의 전부 혹은 특정부분을 임의로 샘플 추출하도록 하고(i1) 가진장치와 진공펌프를 컨트롤하여 용량 센싱 장치로부터 나온 측정치를 읽어들여 그 값을 출력하며 위험신호 검출시 엔진컨트롤러(i4)에 경고(alarm) 신호(i2)를 보내는 제어장치(f2);

로 구성된다.

도 10은 본 발명의 한 실시 예에 따른 제어장치의 출력(Output)신호와 입력(Input)신호의 흐름을 개략적으로 도시한 제어 블럭 다이어그램이다.

여기서 (j1)은 가진장치를 지나기 전에 흡입한 공기의 압력을 측정한 값이다; (j2)는 가진장치의 발진부에서 코일에 인가하는 입력전류의 크기 및 주파수 값이다; (j3)는 가진장치를 지난 공기의 온도를 측정한 값이다; (j4)는 용량 센싱 장치의 발진부에 인가하는 입력전압의 크기 및 주파수 값이다; (j5)는 용량 센싱 장치가 오일증기의 유전율 변화를 측정한 값이다; (j6)은 진공펌프의 회전속도 입력값이다; (j7)은 진공펌프를 지난 공기의 유속과 유량을 측정한 값이다; (j8)은 임의의 솔레노이드 벨브를 선별하여 크랭크케이스 내 임의의 기구부 영역을 선별하여 공기를 추출케 하는 신호이다; (j9)는 크랭크케이스 내 오일증기 분포밀도의 측정값이다; (j10)은 오일증기 분포밀도가 일정수준 이상이 되어 크랭크케이스 내 구동부의 손상이나 파손이 추정될 때 엔진 컨트롤러에 보내는 경고신호(alarm)이다; (j11)은 엔진 컨트롤러가 오일증기검출기의 제어장치로부터 경고신호(alarm)를 받았을 때 엔진을 정지시키는 신호이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명을 활용하면 종래의 기술이 갖는 장시간 연속 운용에의 한계, 운용 환경에의 제한, 계측기기의 오염에 의한 저신뢰도 등의 장애요인 없이 보다 신뢰 할 수 있는 디젤엔진 크랭크케이스내 오일증기의 분포 밀도 정보를 기계 및 장치, 운용자에게 장시간 안정적으로 제공 할 수 있다.

Claims (2)

1. 디젤엔진 크랭크케이스 내 오일증기의 분포밀도를 측정하여 기구부의 손상을 검출하고 엔진의 폭발을 방지하기 위해,

   디젤엔진 크랭크케이스 내 공기를 추출하는 추출부 및 센싱을 마친 공기를 다시 디젤엔진 크랭크케이스 내로 안내하는 귀환부(도 7);

   오일증기 입자의 극성 및 진동(스핀운동)을 키워주는 주파수 고정형 가진장치(도 1)와 오일증기 입자에 의한 유전율 변화를 측정하기 위한 평판형 용량 센싱 장치(도 3)를 적용한 오일증기검출기의 모듈(도 5);

   추출부의 벨브(g2)를 선별하고 가진장치와 진공펌프를 컨트롤하고 용량 센싱 장치로부터의 측정치를 읽어들여 그 값을 출력하며 위험 신호시 엔진 컨트롤러에 경고(alarm) 신호를 보내는 제어장치(e2);

   로 구성된 주파수 고정형 가진장치와 평판형 용량 센싱 장치를 적용한 오일증기검출기(도 8).
2. 디젤엔진 크랭크케이스 내 오일증기의 분포밀도를 측정하여 기구부의 손상을 검출하고 엔진의 폭발을 방지하기 위해,

   디젤엔진 크랭크케이스 내 공기를 추출하는 추출부 및 센싱을 마친 공기를 다시 디젤엔진 크랭크케이스 내로 안내하는 귀환부(도 7);

   오일증기 입자의 극성 및 진동(스핀운동)을 키워주는 주파수 증가형 가진장치(도 2)와 오일증기 입자에 의한 유전율 변화를 측정하기 위한 병렬형 용량 센싱 장치(도 4)를 적용한 오일증기검출기의 모듈(도 6);

   추출부의 벨브(g2)를 선별하고 가진장치와 진공펌프를 컨트롤하고 용량 센싱 장치로부터의 측정치를 읽어들여 그 값을 출력하며 위험 신호시 엔진 컨트롤러에 경고(alarm) 신호를 보내는 제어장치(f2);

   로 구성된 주파수 증가형 가진장치와 병렬형 용량 센싱 장치를 적용한 오일증기검출기(도 9).

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