KR20160098616A - 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템 - Google Patents

선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템 Download PDF

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홍성호
박종국
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Abstract

본 발명에 따른 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템은, 윤활유를 엔진으로 공급하는 메인 펌프와; 메인 펌프에서 배출된 윤활유에 포함된 불순물을 제거하는 메인 필터와; 메인 펌프에서 배출되어 메인 필터로 흐르는 윤활유 중 적어도 일부가 유입되는 윤활유 유입부와 윤활유 유입부와 이격되게 형성되는 윤활유 배출부와 복수개의 체결공을 포함하는 플레이트와, 플레이트에 유입되는 윤활유가 통과하는 공간부를 형성하는 전극부와, 전극부를 외부와 절연시키는 케이스를 포함하는 센서 블럭과; 센서 블럭의 전극부에 전원을 인가하고, 전극부로부터 윤활유에 의해 발생하는 정전 용량에 대응하는 전류와 전압 및 전류와 전압의 위상차로부터 복소 임피던스를 산출하고 산출된 복소 임피던스로부터 정전 용량을 산출하고 산출된 정전 용량으로부터 유전율을 산출하는 유전율 산출부 및 유전율 산출부에서 산출된 유전율과 공기의 유전율을 이용하여 유전상수를 산출하고, 미리 설정된 윤활유의 기준 유전상수와 산출된 유전상수를 비교하여 윤활유의 상태를 평가하는 윤활유 상태 평가부를 포함한다.

Description

선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템{System for monitoring the condition of lubricant oil used in ship engine}
본 발명은 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박 엔진에 사용되는 윤활유의 열화 정도를 조기 진단할 수 있고, 기존 구조를 크게 변경하지 않고도 윤활유 공급 시스템을 합목적적으로 구현할 수 있는 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템을 제공하는 것이다.
일반적으로 선박용 디젤엔진은 운전속도에 따라 350RPM 이하의 저속엔진, 350∼1,000RPM의 중속엔진, 1,000RPM 이상의 고속엔진으로 분류된다. 저속엔진은 10,000톤 이상인 컨테이너선의 추진엔진으로 이용되며, 중속엔진 및 고속엔진은 카페리나 어선에 사용된다.
선박용 엔진을 포함한 내연기관에는 각 마찰부의 마찰과 마멸을 감쇄시키고 장비의 작동을 원활하게 하기 위하여 자체 윤활장치를 가지고 있다. 선박용 엔진의 윤활계통은 크게 크랭크 케이스와 캠 구동부의 윤활면에 작용하는 시스템오일계통과 피스톤과 실린더 벽면의 윤활면에 작용하는 실린더 오일계통이 있다.
선박용 엔진의 윤활계통에서 일어나는 주요 운전상의 고장은 실린더, 피스톤, 링의 과도한 마모, 피스톤과 실린더 상에 과도한 퇴적물 형성, 포트 막힘, 오일 냉각 피스톤과 밸브계통의 퇴적물 형성, 베어링 파손, 시스템 오일의 박테리아 오염 등으로 요약된다. 특히, 실린더와 피스톤 접동부위의 마모는 윤활막의 파괴를 가져와 블로우바이(blowby) 가스가 크랭크케이스로 유입되는 원인이 된다. 이 블로우바이 가스는 연료중에 있는 황성분과 수분응축에 의하여 생성된 황산 때문에 시스템 오일에 포함된 첨가제의 성상을 변화시킨다.
상기한 바와 같은 이유로 선박 엔진의 윤활유를 적시 교환하지 않을 경우 피스톤 링 파괴, 엔진출력 저하, 피스톤의 고착, 소음·진동발생 등으로 인하여 운항중단을 초래할 수 있다. 이에 기존에는 여러 가지 항목(예를 들어 점도, 수분함량, AN, BN)에 대해 진동, 소음, 열을 측정하는 복수개의 센서들을 사용하였다. 그러나 종래 윤활유 상태 진단 시스템은 비용적인 측면과 센서들의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다. 도 5에서 알 수 있듯이, 진동, 소음, 열을 측정하는 이상진단 방식은 조기 진단이 어려운 문제가 있다.
한국공개특허공보 제10-2003-0080671호 (공개일 2003.10.17) 한국공개특허공보 제10-2011-0052074호 (공개일 2011.05.18) 한국공개특허공보 제10-2012-0098732호 (공개일 2012.09.05)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 선박 엔진에 사용되는 윤활유의 열화 정도를 조기 진단할 수 있는 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 진단의 신뢰성을 높일 수 있는 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 기존 구조를 크게 변경하지 않고도 윤활유 공급 시스템을 합목적적으로 구현할 수 있는 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 양상에 따른 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템은, 윤활유를 엔진으로 공급하는 메인 펌프와; 메인 펌프에서 배출된 윤활유에 포함된 불순물을 제거하는 메인 필터와; 메인 펌프에서 배출되어 메인 필터로 흐르는 윤활유 중 적어도 일부가 유입되는 윤활유 유입부와 윤활유 유입부와 이격되게 형성되는 윤활유 배출부와 복수개의 체결공을 포함하는 플레이트와, 플레이트에 유입되는 윤활유가 통과하는 공간부를 형성하는 전극부와, 전극부를 외부와 절연시키는 케이스를 포함하는 센서 블럭과;
상기 센서 블럭의 전극부에 전원을 인가하고, 전극부로부터 윤활유에 의해 발생하는 정전 용량에 대응하는 전류와 전압 및 전류와 전압의 위상차로부터 복소 임피던스를 산출하고 산출된 복소 임피던스로부터 정전 용량을 산출하고 산출된 정전 용량으로부터 유전율을 산출하는 유전율 산출부; 및 유전율 산출부에서 산출된 유전율과 공기의 유전율을 이용하여 유전상수를 산출하고, 미리 설정된 윤활유의 기준 유전상수와 산출된 유전상수를 비교하여 윤활유의 상태를 평가하는 윤활유 상태 평가부를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템은, 윤활유 상태 평가부로부터 산출된 유전상수와 윤활유의 상태 정보를 출력하는 출력부를 더 포함한다. 일례로, 출력부는 LED 표시부로 구현될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 센서 블럭은 윤활유 유입부에 형성되는 입력 코일과, 윤활유 배출부에 형성되는 출력 코일을 더 포함한다. 이 같은 양상에 따라 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템은, 입력 코일과 출력 코일에 전원을 인가하고, 윤활유에 의해 발생하는 투자율에 대응하는 출력 코일의 임피던스를 산출하고 산출된 임피던스로부터 철분농도를 산출하는 철분농도 산출부를 더 포함한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템은, 선박 엔진에 사용되는 윤활유의 유전율을 측정하여 윤활유의 열화 정도를 조기 진단할 수 있도록 구현됨으로써, 엔진의 손상이나 이상 징후를 조기에 발견하여 관리자가 적절히 대처할 수 있도록 해주는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템은, 윤활유 상태를 검출하는 센서 블럭이 메인펌프 후단과 메인필터 전단 사이에 설치됨으로써, 기존 윤활유 공급 시스템의 구조를 크게 변경하지 않고도 합목적적으로 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템은, 선박 엔진에 사용되는 윤활유의 열화 정도를 유전율과 철분농도를 측정하여 조기 진단할 수 있도록 구현됨으로써, 진단의 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템의 전체 구성 블럭도,
도 2 는 본 발명에 따른 센서 블럭을 설명하기 위한 예시도,
도 3 은 도 2의 A-A 단면도에서 윤활유를 흐름을 설명하기 위한 예시도,
도 4 는 본 발명에 따른 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템에서 선박 엔진 윤활유 상태를 진단한 출력 예시도,
도 5 는 종래 윤활유 상태 진단 방식별 예비 경고를 출력하는 데까지 걸리는 시간을 나타낸 그래프이다.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
본 발명에 따른 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이, 크게 윤활유 공급 시스템(110)과 윤활유 상태 출력장치(120)를 포함하여 구현된다.
윤활유 공급 시스템(110)은 펌프(112)에 의해 윤활유 저장탱크(111)에서 유입되는 윤활유를 냉각시키는 오일 쿨러(113)와, 윤활유의 유량을 검출하는 유량검출센서(114)와, 오일 쿨러(113)에서 냉각된 윤활유를 엔진(1)으로 공급하는 메인 펌프(115)와, 윤활유의 온도를 검출하는 온도센서(116)와, 메인 펌프(115)에 의해 순환되는 윤활유의 상태를 검출하는 센서 블럭(117)과, 메인 펌프(115)에서 배출된 윤활유에 포함된 불순물을 제거하는 메인 필터(118)를 포함한다.
센서 블럭(117)은 메인 펌프(115) 후단과 메인 필터(118) 전단 사이에 설치된다. 이에 기존 구조를 크게 변경하지 않고도 윤활유 공급 시스템(110)을 합목적적으로 구현할 수 있다. 센서 블럭(117)은 유전율 검출센서를 포함하여 구현될 수 있다. 유전율 검출센서는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 복수개의 체결공(21)을 포함하는 플레이트(117a)와, 케이스(117b)와, 전원선(117c)과, 전극부(117d)와, 플레이트(117a)에 형성되는 윤활유 유입부(117e)와 윤활유 배출부(117f)를 포함한다.
플레이트(117a)는 복수개의 체결공(21)에 끼워지는 체결부재(예컨대, 볼트)에 의해 윤활유 공급 시스템(110)의 기구물에 결합되어 고정된다. 케이스(117b)는 전원선(117c)과 연결된 전극부(117d)를 외부와 절연시키는 것으로 부도체인 플라스틱으로 구현될 수 있다. 전극부(117d)는 플레이트(117a)에 유입되는 윤활유가 통과하는 공간부를 형성한다. 전원선(117c)을 통해 전극부(117d)에 윤활유 상태를 측정하기 위한 전원이 인가되면 전극부(117d)에는 윤활유에 의해 발생하는 정전 용량에 대응하는 전류와 전압이 흐른다. 전류와 전압은 윤활유 상태 출력장치(120)로 전달된다.
일례로, 전극부(117d)는 일정 거리(d) 만큼 이격되게 설치된 한 쌍의 전극판으로 구현될 수 있다. 한 쌍의 전극판은 미리 설정된 동일한 면적(A)을 갖는다. 다른 예로, 전극부(117d)는 일정한 길이(L)를 갖는 원통형 관으로 구현될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 센서 블럭(117)은 철분농도 검출센서를 포함하여 구현될 수 있다. 철분농도 검출센서는 윤활유가 유입되는 부분에 입력 코일을, 윤활유가 배출되는 부분에 출력 코일을 설치하고 입력 코일과 출력 코일은 전류케이블을 통해 전류를 공급받는다. 철분농도 검출센서는 전자유도법을 응용하여 윤활유에 포함된 철분농도에 의한 투자율의 변화가 입력 코일과 출력 코일의 임피던스 변화로 검출된다.
입력 코일의 단면적, 권수, 권폭을 결정하고, 입력 코일에 공급하는 전류의 주파수를 고정하면 출력 코일의 임피던스는 윤활유에 포함된 철분농도의 투자율에 비례하여 변화되고 출력 코일의 임피던스값은 윤활유 상태 출력장치(120)로 전달된다.
윤활유 상태 출력장치(120)는 윤활유 상태 평가부(121)와 윤활유 온도 제어부(122)와 윤활유 유량 제어부(123)와 출력부(124)를 포함하여 구현된다. 윤활유 상태 평가부(121)는 유전율 산출부를 포함한다. 유전율 산출부는 센서 블럭(117)의 전극부(117d)에 윤활유 상태를 측정하기 위한 전원을 인가하고 윤활유에 의해 발생하는 정전 용량에 대응하는 전류와 전압 및 전류와 전압의 위상차를 이용하여 윤활유의 유전율을 산출한다.
유전율 산출부는 일례로, 센서 블럭(117)의 전극부(117d)가 일정 거리(d) 만큼 이격되게 설치된 한 쌍의 전극판으로 구현되는 경우, 수학식 1과 같이 유전율(ε)을 산출할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, CX는 윤활유가 담긴 공간의 정전 용량.
d는 한 쌍의 전극판의 거리.
A는 전극판의 면적.
유전율 산출부는 다른 예로, 센서 블럭(117)의 전극부(117d)가 일정한 길이(L)를 갖는 원통형 관으로 구현되는 경우, 수학식 2와 같이 유전율을 산출할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, CX는 윤활유가 담긴 공간의 정전 용량.
L은 원통형 관의 길이.
ro는 관의 외경.
ri는 관의 내경.
윤활유 상태 평가부(121)는 유전율 산출부에서 산출된 유전율과 공기의 유전율을 이용하여 유전상수(Dielectric Constant)를 산출한다. 공기의 유전율 값은 8.85418782×10-12(V-1m-1)이다. 유전상수는 전기에너지를 전달하는 정도를 나타내며, 윤활유의 물성 중 특히 전산가(TAN, Total Acid Number)와 관련이 깊다. 전산가는 윤활유 중에 포함된 산성물질의 양을 말하며, 산성물질은 전기적으로 양성을 나타낸다. 전산가는 윤활유가 열화 및 퇴화됨에 따라 증가함으로, 윤활유의 열화정도에 따라 유전상수도 증가한다. 윤활유 상태 평가부(121)는 미리 설정된 윤활유의 기준 유전상수와 산출된 유전상수를 비교하여 윤활유의 상태를 평가한다.
윤활유 상태 평가부(121)는 철분농도 산출부를 포함한다. 철분농도 산출부는 윤활유 상태를 측정하기 위한 전원을 인가하고 윤활유에 의해 발생하는 투자율에 대응하는 입력 코일과 출력 코일의 임피던스를 산출하고 산출된 임피던스로부터 철분농도를 산출한다. 윤활유 상태 평가부(121)는 유전율 산출부에서 산출된 유전상수와 철분농도 산출부에서 산출된 철분농도를 기초로 선박 엔진에 사용되는 윤활유의 열화 정도를 평가할 수 있다.
윤활유 상태 평가부(121)는 연료유(F.O.)와 윤활유(L.O.)의 종류에 따른 엔진 윤활유의 열화 정도를 평가하여 윤활유 상태(L.O.Status)에 대한 안전(Safe)/주의(Caution)/위험(Hazard)을 판단하는 판단 알고리즘을 포함한다.
윤활유 온도 제어부(122)는 온도센서(116)로부터 입력되는 윤활유의 온도값이 사용자 설정한 온도값 또는 미리 프로그램으로 설정된 온도값이 되도록 오일 쿨러(113)를 제어한다. 윤활유 유량 제어부(123)는 유량검출센서(114)로부터 입력되는 윤활유의 양이 사용자 설정되거나 또는 미리 프로그램으로 설정된 양이 되도록 펌프(112)를 제어한다. 출력부(124)는 윤활유 상태 평가부(121)로부터 산출된 유전상수와 윤활유의 상태 정보를 출력하도록 구현된다. 출력부(124)는 도 4에 도시한 바와 같이, 7세그먼트 표시장치와 엘이디(LED) 표시장치를 포함하여 구현될 수 있다.
도 4를 참조하면, 출력부(124)에 의해 출력되는 정보는, 선박 엔진에 사용되는 연료유(F.O.)의 종류, 윤활유(L.O.)의 종류, 윤활유의 양(L.O. Volume)에 대한 안전(Safe)/주의(Caution)/위험(Hazard), 윤활유의 온도(L.O. Temperature), 산출된 윤활유의 유전상수(Dielectric Constant), 미리 설정된 윤활유의 유전상수에 대한 주의(Caution)/위험(Hazard) 범위, 윤활유에 포함된 철분농도(L.O. IRON Concentration), 윤활유 상태(L.O.Status)에 대한 안전(Safe)/주의(Caution)/위험(Hazard)을 포함한다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
171 : 센서 블럭
171a : 플레이트
171b : 케이스
171c : 전원선
171d : 전극부
171e : 윤활유 유입부
171f : 윤활유 배출부

Claims (5)

  1. 윤활유를 엔진으로 공급하는 메인 펌프;
    상기 메인 펌프에서 배출된 윤활유에 포함된 불순물을 제거하는 메인 필터;
    상기 메인 펌프에서 배출되어 상기 메인 필터로 흐르는 윤활유 중 적어도 일부가 유입되는 윤활유 유입부와 상기 윤활유 유입부와 이격되게 형성되는 윤활유 배출부와 복수개의 체결공을 포함하는 플레이트와, 상기 플레이트에 유입되는 윤활유가 통과하는 공간부를 형성하는 전극부와, 상기 전극부를 외부와 절연시키는 케이스를 포함하는 센서 블럭;
    상기 센서 블럭의 전극부에 전원을 인가하고, 상기 전극부로부터 윤활유에 의해 발생하는 정전 용량에 대응하는 전류와 전압 및 전류와 전압의 위상차로부터 복소 임피던스를 산출하고 상기 산출된 복소 임피던스로부터 정전 용량을 산출하고 상기 산출된 정전 용량으로부터 유전율을 산출하는 유전율 산출부; 및
    상기 유전율 산출부에서 산출된 유전율과 공기의 유전율을 이용하여 유전상수를 산출하고, 미리 설정된 윤활유의 기준 유전상수와 상기 산출된 유전상수를 비교하여 윤활유의 상태를 평가하는 윤활유 상태 평가부;
    를 포함하는 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템.
  2. 청구항 1 에 있어서,
    상기 센서 블럭의 전극부는,
    상기 윤활유 유입부를 통해 유입되는 윤활유가 접촉하며, 미리 설정된 동일한 면적(A)과 일정 거리(d) 만큼 이격되게 설치된 한 쌍의 전극판으로 구현되는 것,
    을 특징으로 하는 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템.
  3. 청구항 1 에 있어서,
    상기 센서 블럭의 전극부는,
    상기 윤활유 유입부를 통해 유입되는 윤활유가 접촉하며, 일정한 길이(L)를 갖는 원통형 관으로 구현되는 것,
    을 특징으로 하는 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템.
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템은:
    상기 윤활유 상태 평가부로부터 산출된 유전상수와 윤활유의 상태 정보를 출력하는 출력부;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템.
  5. 청구항 1 에 있어서,
    상기 센서 블럭은:
    상기 윤활유 유입부에 형성되는 입력 코일과, 상기 윤활유 배출부에 형성되는 출력 코일을 더 포함하고,
    상기 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템은:
    상기 입력 코일과 출력 코일에 전원을 인가하고, 윤활유에 의해 발생하는 투자율에 대응하는 상기 출력 코일의 임피던스를 산출하고 상기 산출된 임피던스로부터 철분농도를 산출하는 철분농도 산출부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진 윤활유 상태 진단 시스템.
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