CopyrightⒸ2014 KSAE / 129-22 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2014.22.3.166
< 기 술 논 문 >
Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 3, pp.166-170 (2014)
운송용 트럭에 대한 엔진오일의 전기․자기적 특성연구
김 만 재1)․이 우 신1)․정 종 훈2)․이 상 훈*1,2)
서울과학기술대학교 산업대학원 자동차공학과1)․서울과학기술대학교 기계・자동차공학과2)
Study on Electric and Magnetic Characteristics of Engine Oil in Transport Truck
Man Jae Kim1)․Woo Sin Lee1)․Jong Hoon Jung2)․Sang Hoon Lee*1,2)
1)Department of Automotive Engineering Graduate School of Industry, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 139-743, Korea
2)Department of Mechanical and Automotive Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 139-743, Korea
(Received 31 October 2013 / Revised 14 January 2014 / Accepted 15 January 2014)
Abstract : In this paper, we investigate the electric and magnetic properties of the engine oil, and estimate its changing time in transport truck. The four diesel trucks are selected, and the capacitance and inductance are investigated with parallel capacitor and induction coil, respectively. The measured capacitance gradually increases up to 10,000~14,000 km due to the activation of antioxidant, and then decreasing phenomena happen. The inductance decreases and the saturation began in 10,000~14,000 km range. Although the behavior of inductance is different from that of capacitance, but changing points are similar. From those results, we can estimate the changing time of engine oil is around 10,000~14,000 km and the inductance can be used for monitoring of engine oil in transport trucks.
Key words : Engine oil(엔진오일), Oil deterioration(오일열화), Capacitance(정전 용량), Inductance(인덕턴스), Environmental pollution(환경오염)
Nomenclature
1)C : capacitance, pF
L : inductance, μH
: dielectric constant µ : magnetic permeability
1. 서 론
전국 자동차 등록대수는 2012년 국토교통부 통계 기준 약 1887만대이며 매년 꾸준히 증가하고 있다.
1)*A part of this paper was presented at the KSAE 2013 Annual Conference and Exhibition
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
그 중 화물차량의 등록대수는 약 324만대로 전체차 량에 약 17.16%를 차지하고 있다. 화물자동차의 특 성상 잦은 운행과 장거리 운행이 많기 때문에, 일반 승용차보다 관리감독이 더욱 더 중요시 되어야 한 다. 자동차의 구동에 있어서 필수 소모품 중의 하나 인 엔진오일은 자동차의 원활한 운전을 위해 사용 되는 윤활유로써 윤활뿐 아니라 냉각・세척・방청・
밀봉작용을 한다. 이러하듯 엔진오일은 엔진의 수 명을 결정하는 중요한 요소이며, 적정한 시기에 오 일을 교체해야만 엔진이 원활하게 작동을 한다.
일반적으로 운전자들은 엔진오일 교환주기를
5,000 km마다 교환해야 하는 것으로 인식하고 있지
만,
2)현재 생산되는 차량들은 과거와 달리 기술개발
운송용 트럭에 대한 엔진오일의 전기・자기적 특성연구
과 함께 엔진성능이 향상되어 불필요한 오일 교환 없이 사용할 수 있다. 또한, 기초거리에 맞춰진 잦은 오일 교환은 심각한 환경오염 및 경제적 손실을 가 져올 수 있기 때문에, 엔진오일의 정확한 교환시점 을 예측하는 것은 매우 중요하다.
2)이러한 시점을 예측하기 위해, 오일 열화 및 엔진 구동 마모 등으로 인한 유전상수, 점도, 오일 성분 측정 등 다양한 엔 진오일 변화를 감지하기 위한 방법이 제안되어 연 구되어져 왔다.
3-9)본 연구에서는 엔진 구동시 마찰 에 의해 발생할 수 있는 마모입자 또는 불순물 등의 혼입으로 발생할 수 있는 오일의 상태변화를 감지 하고자 자기장을 이용하여 오일 특성변화를 측정하 였다. 또한, 이러한 결과를 선행연구에서 주로 이용 된 전기용량을 비교하여 자기적 성질 또한 엔진오 일 교환 시기에 판단 가능한 요소인지 확인하고자 하였다.
본 연구는 장시간 특정구간을 왕복하는 실제 화 물차량을 대상으로 실험을 진행하여 실험차량에서 정기적으로 채취한 사용유에 대한 오일의 자기적 성질과 전기적 성질을 비교분석하여 엔진오일의 교 환시점을 판단, 예측하고자 한다.
2. 이론적 배경
자동차 엔진오일은 석유 추출물을 근간으로 하는 광유계오일과 화학물질에서 생성해낸 합성 오일로 나누어지며, 약 10여종에 달하는 첨가제의 혼합물 로 이루어져있다. 휘발유 엔진오일과 달리 디젤 엔 진오일에는 연료에 유황성분이 많아 퇴적물이 많이 발생하며, 주행 중 공기와 결합하여 산화작용 및 열 화가 발생한다. 오일의 특성변화는 차량의 운행조 건 및 환경적 요인 그리고 오일의 첨가제의 종류에 따라 달라지며, 이러한 현상을 방지하고자 엔진오 일에 산화방지제를 첨가하여 산화 및 부식을 방지 한다. 산화 방지제 고갈에 따른 전산가(TAN)변화와 유전상수에 대한 연구가 활발히 진행되어지고 있 다.
4-9)본 연구에서는 마모입자 및 불순물의 혼입으로 인한 오일의 오염도를 자기적 성질을 이용하여 검 출하고자한다. 오일은 시간이 지날수록 특성 변화 가 일어 날 수 있으며, 여러 가지 요인 중 불순물 및
찌꺼기 혼입으로 인해 발생할 수 있는 변화를 측정 하고자 자기장을 사용하였다. 커패시터를 기초로 하여 인덕턴스의 실험데이터와 비교 분석하여 인덕 턴스 또한 오일 교환에 사용가능한 인자인지 판단 하였다. 실험에 앞서 본 실험과 비교분석 데이터를 구축하고자 평행판 커패시터로 오일의 전기적 성질 을 분석하기 위해 식 (1)을 사용하였다.
(1)
여기서 C는 커패시터 D는 평행판 사이의 거리 A 는 단면적, 는 유전상수이다. 일반적으로 비유전율 은
으로 진공의 유전율은
로 표시하며, 이들의 비인
를 유전상수 라 한다. SI단위계에서 진공 의 유전율은 8.85 × 10
-12(F/m)값을 가진다. 또한, 전 기용량을 유전상수로 변환이 가능하며 식 (2)를 사 용하였다.
(2)
자기적 성질 측정을 위해 솔레노이드 코일을 사용 하여 엔진오일 상태변화에 따른 인덕턴스 값을 검 출한 결과를 다음과 같은 수식을 사용하였다.
(3)
여기서 은 인덕턴스 N은 코일의 권선 수, A는 코 일의 단면적, 은 코일의 길이이다. 인덕턴스 값을 투자율 로 변환하여 표현할 수 도 있다.
(4)
3. 실험 조건 구성
본 연구를 위해 사용한 엔진오일은 SK루브리컨
츠사의 ZIC 5000 Power 디젤엔진오일 10W 40을 사
용하였다. 커패시터와 인덕턴스의 변화율을 감지하
기 위해 제작된 센서로 신유에 대한 실험결과로, 평
행판 커패시터의 경우 신유값의 측정값이 15.16 pF
로 나왔으며, 인덕턴스의 신유값은 652.71 μH로 나
왔다. 이를 기초로 하여 엔진오일의 상태변화를
Agilent사의 LCR 미터를 사용하여 측정하였다.
Man Jae Kim․Woo Sin Lee․Jong Hoon Jung․Sang Hoon Lee
Fig. 1 Experimental setup for engine oil properties
3.1 센서 제작
3.1.1 평행판 커패시터 제작
Fig. 2의 전기용량의 경우, 평행판 커패시터를 사 용하였으며, 센서의 크기를 가로60 × 세로40 × 높이 10 mm에 재질은 알루미늄으로 선택하였다. 알루미 늄 가공 후 후처리작업으로 아노다이징기법을
10)사 용하여 표면에서 발생하는 산화막을 억제하고 제품 의 표면 내구성을 높이기 위해 실행하였다. Fig. 2는 완성된 센서의 도면을 도시하였으며, 마주보는 평 행판 커패시터의 오차율을 줄이고자 센서에 홈을 가공하여 외부 케이스와 조립하였다. 외부케이스는 가로 세로 길이가 동일하며, 커패시터의 큰 값을 출 력하기 위해 두 평행판의 거리를 5 mm로 두었다. 기 본적으로 평행판 커패시터 외부에서 발생하는 프린 지현상은 제작한 센서의 크기가 크기 때문에 발생 하는 영향은 미세할 것이라 판단한다.
Fig. 2 Parallel-plate capacitor for capacitance detection
3.1.2 자기장 코일 제작
본 실험에서는 앞선 연구에서 실행하지 않은 엔 진오일 변화를 자기장 센서를 이용하여 적정한 오
Fig. 3 Inductor coil for measuring inductance
일 교환 시점의 요소로 사용하고자 한다. 센서제작 에 앞서 센서의 크기를 가장 고려 많이 하였으며, 실 차 적용을 하기 위해 소형으로 제작 하려 했으나, 제 작된 코일 사이로 점성을 가진 오일이 통과해야하 는 문제점과 엔진오일 변화에 따른 자기장 변화의 측정값을 크게 도출하기 위하여 소자의 크기를 Fig. 3 과 같이 제작하였다. 소자의 크기는 2 mm 아크릴원 형 파이프에 길이 95 mm 코일 권선 350번 감아 제작 하였다.
3.2 오일 채취
실험차량은 H사의 4.5톤 트럭 4대와 추가적으로
데이터비교를 위한 2.5톤 트럭 한 대를 대상으로 실
험을 진행하였다. 본 실험대상인 4.5톤 화물자동차
의 경우 평균 1,300 ~ 2,000 km 사이에서 600 cc씩 채
취하였으며, 총 측정기간은 2013년 5월 11일부터 8월
28일까지이며, 주행거리 1,836 ~ 20,881 km까지 차
량 4대를 평균 9.5회 측정 실험하였다. 또한 비교를
위해 실험을 진행한 2.5톤 화물 트럭에 대해서도 4.5
톤 화물 트럭과 동일한 방법으로 엔진오일을 채취
하여 실험을 진행하였다. 엔진오일 채취시 실험 차
량인 4.5톤 화물트럭 및 2.5톤 화물트럭의 경우 오일
용량이 12ℓ 이상 들어가기 때문에 별도로 신유를
보충하지 않고 채취한 오일을 실험한 다음 화물트
럭에 다시 주입 하는 방식으로 실험을 하였다. 이는
부족한 오일의 신유를 주입하면서 일어나는 오일의
특성변화를 감소시키기 위한 방법으로 조금 더 정
확한 엔진오일 변화를 관찰할 수 있을 것이라 사료
된다.
Study on Electric and Magnetic Characteristics of Engine Oil in Transport Truck
4. 실험결과
오일의 채취는 운송용 4.5톤 트럭 4대를 이용하여 측정한 결과 그래프 Fig. 4와 Fig. 5로 도시하였다.
Fig. 4는 차량의 운행거리에 따른 전기용량의 변화 를 도시한 것으로, 그래프의 결과값이 초기에는 산 화방지제의 영향으로 전기용량이 다소 감소한 후 증 가경향을 보였으며,
11)10,000 ~ 14,000 km지점 이후 전반적으로 감소를 보이고 있다. 이는 기존 실험에 서 발표된 결과와 유사하며,
11,12)전기용량과 선형적 으로 비례관계인 유전상수 또한 식 (2)를 사용하여 확 인할 수 있으며, 전체적으로 같은 그래프를 나타낸다.
Fig. 5는 운행거리에 따른 인덕턴스 값을 그래프 로 도시한 것으로 측정 초기부터 지속적으로 감소 하다가 역시 10,000 ~ 14,000 km에서 평탄화가 일어 나고 있으며, 전기용량과 비교한 결과 같은 구간에 서 전기용량의 변화구간과 자기적 성질의 변화 시 점이 유사하다는 결과가 도출되었다. 이는 마모입 자 또는 불순물 혼입으로 인한 오일의 특성 변화가 더 이상 변하지 않는 것으로 예측되며, 10,000 ~
Fig. 4 Capacitance measurement results of 4.5 ton trucks
Fig. 5 Inductance measurement results of 4.5 ton trucks
14,000 km 이내까지는 엔진오일 교환 없이 사용가 능하다고 예측할 수 있다. 인덕턴스와 선형적인 비 례관계인 투자율 또한 식 (4)를 사용가능하다.
또한, 전기용량과 인덕턴스의 변화가 유사하게 나타나기 때문에 두 특성 모두 엔진오일 교환과 관 련한 인자로 사용이 가능할 것으로 보인다.
본 실험에서 4.5톤 화물차량의 실험을 비교하기 위하여 2.5톤 화물자동차를 대상으로 동일한 실험 을 진행하였다. 차량은 연구에서 사용한 특정구간 을 왕복하는 화물차량은 동일하며 4.5톤 차량들과 달리 주행거리 20,000 km까지 실험이 진행되어야 하 였지만, 10,000 km에서부터 기존 Fig. 4에 전기용량 의 감소가 시작되는 부분과 Fig. 6의 2.5톤 화물자동 차의 전기용량의 감소되는 시점이 근접하다는 점을 고려하여, 약 14,000 km까지만 실험을 진행하였으며 동일한 경향성을 가진다는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 7에서 인덕턴스의 값 또한 Fig. 5의 실험결과 와 유사하다는 것을 확인할 수 있다. 2.5톤 운행거리 에 따른 인덕턴스변화율이 초기부터 감소하기 시작 하여 10,000 ~ 14,000 km까지 평탄화를 보이고 있으 며, Fig. 5의 실험과 동일한 경향성을 가진다는 것을
Fig. 6 Capacitance measurement result of 2.5 ton truck
Fig. 7 Inductance measurement result of 2.5 ton truck
김만재․이우신․정종훈․이상훈
확인하였다. 보다 명확한 분석을 위해 차후 오일의 성분 검사가 필요할 것으로 보인다.
5. 결 론
본 연구에서는 특정구간을 왕복하는 화물차량의 엔진오일 특성변화를 커패시터와 인덕턴스를 사용 하여 적정교환주기를 판단하기 위해 실험하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 실제 운송차량의 엔진오일을 분석한 결과 10,000
~ 14,000 km 부분에서 전기용량의 감소가 시작 되었으며, 인덕턴스의 경우에도 같은 구간에서 평탄화가 시작되었다.
2) 전기용량의 변화값을 기초로 하여 인덕턴스 변 화값을 대조한 결과, 서로 비슷한 구간에서 동일 한 경향성을 보이므로, 인덕턴스를 이용하여 엔 진오일 교환시점을 예측가능하리라 판단된다.
3) 최근 생산되는 차량들의 성능과 제조사의 교환 주기를 고려할 때, 5,000 km에 교환하던 엔진오 일을 10,000 ~ 14,000 km까지 사용하여도 가능할 것이라 사료된다.
4) 오일 교환시점을 늦춤으로써 주행거리에 입각 한 오일 교환에 따른 환경오염 및 경제적 비용을 저감할 수 있을 것이라 사료된다.
5) 전기용량과 자기적 성질의 변화구간이 유사하 다는 점으로 보아, 인덕턴스의 측정값에 신뢰성을 높이기 위한 오일의 성분 분석 연구가 요구된다.
후 기
본 연구는 서울과학기술대학교 교내 일반과제 연 구비 지원으로 수행되었습니다.
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