JP5374890B2 - 膜厚・接触状態計測方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、膜厚・接触状態計測方法及び装置に関するものである。

一般に、エンジン運転時におけるシリンダ内部の潤滑油の油膜の膜厚を計測する方法の一つとして、油膜が形成されているピストンリングとシリンダライナのピストンリング摺動面に設けられたセンサ電極との間隙の静電容量を計測し、該静電容量に基づいて膜厚を算出する方法がある。

尚、静電容量に基づいてシリンダ内部の潤滑油の油膜の膜厚を計測する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１がある。
特開２００７−１０７９４７号公報

ところで、流体潤滑とは、油膜を挟んで摩擦面同士が離れて滑っている状態であり、又、境界潤滑とは、流体潤滑のように充分な厚みの油膜を保持していない状態であり、流体潤滑状態である場合には、静電容量に基づいてシリンダ内部の潤滑油の油膜の膜厚を正確に計測することは可能となっている。

しかしながら、境界潤滑状態となってシリンダライナにピストンリングが部分的に金属接触した場合、コンデンサを形成できなくなるため、静電容量に基づいてシリンダ内部の潤滑油の油膜の膜厚を正しく計測することは不可能となっていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、流体潤滑状態では静電容量計測により潤滑油の油膜の膜厚を正確に計測し得且つ境界潤滑状態では電気抵抗計測によりシリンダライナに対するピストンリングの接触状態の評価を行い得る膜厚・接触状態計測方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、シリンダライナのピストンリング摺動面に埋設されたセンサ電極とピストンリングとの間隙に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測する静電容量計測回路と、前記センサ電極とピストンリングとの間隙に形成された潤滑油の油膜の電気抵抗を計測する電気抵抗計測回路とを切換器を介して切換可能に接続し、
エンジン回転に連動してクランク回転角度をクランク回転角度検出器で検出し、該クランク回転角度検出器から一定クランク回転角度毎に計測トリガー信号を、前記静電容量計測回路及び前記電気抵抗計測回路に接続される膜厚・接触状態演算評価器へ出力し、
該膜厚・接触状態演算評価器において、前記クランク回転角度検出器からの計測トリガー信号が入力される一定クランク回転角度毎に、通常は前記切換器を前記静電容量計測回路側へ切り換えて該静電容量計測回路による計測値に基づき流体潤滑状態にある前記油膜の膜厚を求め、このとき、前記ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値若しくは直後の複数点の計測値を記録してその計測平均値を求め、該直前の計測平均値若しくは直後の計測平均値を、ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過中の計測値から差し引いて補正し、該補正した計測値に基づいて、前記油膜の膜厚を求めるようにし、
一方、前記ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過中の膜厚が設定値以下になった場合、前記切換器を前記電気抵抗計測回路側へ切り換えて該電気抵抗計測回路による計測値に基づき境界潤滑状態にある前記シリンダライナに対するピストンリングの接触状態の評価を行うことを特徴とする膜厚・接触状態計測方法にかかるものである。

一方、本発明は、シリンダライナのピストンリング摺動面に埋設されたセンサ電極と、
該センサ電極に切換器を介して接続され、該センサ電極とピストンリングとの間隙に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測する静電容量計測回路と、
前記センサ電極に前記切換器を介して接続され、該センサ電極とピストンリングとの間隙に形成された潤滑油の油膜の電気抵抗を計測する電気抵抗計測回路と、
エンジン回転に連動してクランク回転角度を検出し、一定クランク回転角度毎に計測トリガー信号を出力するクランク回転角度検出器と、
該クランク回転角度検出器からの計測トリガー信号が入力される一定クランク回転角度毎に、通常は前記切換器を前記静電容量計測回路側へ切り換えて該静電容量計測回路による計測値に基づき流体潤滑状態にある前記油膜の膜厚を求め、このとき、前記ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値若しくは直後の複数点の計測値を記録してその計測平均値を求め、該直前の計測平均値若しくは直後の計測平均値を、ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過中の計測値から差し引いて補正し、該補正した計測値に基づいて、前記油膜の膜厚を求めるようにし、
一方、前記ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過中の膜厚が設定値以下になった場合、前記切換器を前記電気抵抗計測回路側へ切り換えて該電気抵抗計測回路による計測値に基づき境界潤滑状態にある前記シリンダライナに対するピストンリングの接触状態の評価を行う膜厚・接触状態演算評価器と
を備えたことを特徴とする膜厚・接触状態計測装置にかかるものである。

本発明の膜厚・接触状態計測方法及び装置によれば、流体潤滑状態では静電容量計測により潤滑油の油膜の膜厚を正確に計測し得且つ境界潤滑状態では電気抵抗計測によりシリンダライナに対するピストンリングの接触状態の評価を行い得るという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図４は本発明を実施する形態の一例であって、１はエンジン、２はエンジン１のシリンダ、３はシリンダ２内部に設けられるシリンダライナ、４はシリンダライナ３内に摺動自在に嵌挿されるピストン、５はピストン４の外周部に嵌着されたピストンリング、６は一端がピストン４に連結されるピストンロッド、７はピストンロッド６の他端に連結されるクランクシャフトであり、前記シリンダライナ３のピストンリング５摺動面にセンサ電極８を埋設し、該センサ電極８に切換器９を介して、該センサ電極８とピストンリング５との間隙に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測する静電容量計測回路１０と、前記センサ電極８とピストンリング５との間隙に形成された潤滑油の油膜の電気抵抗を計測する電気抵抗計測回路１１とを接続すると共に、前記静電容量計測回路１０と電気抵抗計測回路１１とにＡ／Ｄ変換器１２を介して膜厚・接触状態演算評価器１３を接続し、又、エンジン回転に連動して前記クランクシャフト７のクランク回転角度を検出し、一定クランク回転角度毎（例えば、０．０５°毎）に計測トリガー信号１４ａを出力するクランク回転角度検出器１４を設け、前記膜厚・接触状態演算評価器１３において、前記クランク回転角度検出器１４からの計測トリガー信号１４ａが入力される一定クランク回転角度毎に、通常は切換指令信号１３ａにより前記切換器９を前記静電容量計測回路１０側へ切り換えて該静電容量計測回路１０による計測値に基づき流体潤滑状態にある前記油膜の膜厚を求める一方、前記ピストンリング５がセンサ電極８の埋設箇所を通過中の膜厚が設定値以下になった場合、切換指令信号１３ａにより前記切換器９を前記電気抵抗計測回路１１側へ切り換えて該電気抵抗計測回路１１による計測値に基づき境界潤滑状態にある前記シリンダライナ３に対するピストンリング５の接触状態の評価を行うよう構成したものである。

本図示例の場合、前記センサ電極８は、図２に示す如く、中心電極８ａの外周に、絶縁材８ｂを介して円筒状電極８ｃを配置してなる構成を有しており、該センサ電極８は、その先端面がピストンリング５摺動面に対して一致するようにセンサ取付孔１５に圧入され、前記ピストンリング５と対向した場合に、該ピストンリング５を対向電極とし、油膜を誘電体とするコンデンサ（計測コンデンサ）を形成して静電容量を計測する一方、前記切換器９の切り換えにより油膜の電気抵抗を計測できるようにしてある。尚、前記センサ電極８の中心電極８ａは、同軸ケーブル１６の中心部を貫通する内部導線１６ａにより切換器９を介して静電容量計測回路１０と電気抵抗計測回路１１とに接続し、前記センサ電極８の円筒状電極８ｃは、前記同軸ケーブル１６の図示していない絶縁体外周に配設される外部導線１６ｂ（編組線）により切換器９を介して静電容量計測回路１０の接地部（ＧＮＤ：グランド）と電気抵抗計測回路１１の接地部（ＧＮＤ：グランド）とに接続してある。

ここで、図３に示す如く、所定のクランク回転角度θの時に前記静電容量計測回路１０による計測値（出力電圧値）がＶ_θとなって最も高くなるが、このように計測値（出力電圧値）が最も高くなるのは、静電容量が最も大きい場合、即ち計測点に埋設されたセンサ電極８に対しピストンリング５が対向した時点であり、クランク回転角度θと前記静電容量計測回路１０による計測値（出力電圧値）との関係は計測点の位置に応じて一義的に決まっている。従って、センサ電極８に対しピストンリング５が対向する時のクランク回転角度θを予め求めておき、前記クランク回転角度検出器１４でクランク回転角度をモニタしてそれがθとなった時点の前記静電容量計測回路１０による計測値（出力電圧値）Ｖ_θを抽出し、静電容量に変換することで、該静電容量からセンサ電極８とピストンリング５との間隙に形成された油膜の膜厚Ｌを算出することができる。因みに、前記静電容量計測回路１０による計測値（出力電圧値）は、膜厚Ｌが小さい（つまり静電容量が大きい）場合は大きくなり、膜厚Ｌが大きい（つまり静電容量が小さい）場合は小さくなる。

尚、前記静電容量計測回路１０においては、前記同軸ケーブル１６の振動等が計測値を不安定化させて計測精度が低下し、流体潤滑状態と境界潤滑状態のいずれの状態にあるかの判定が困難となる可能性があるため、前記ピストンリング５がセンサ電極８の埋設箇所を通過する直前（例えば、クランク回転角度θ₁´＝θ−０．０５°となる時点を含め、その前０．０５°刻みで・・・θ₉´，θ₁₀´までの合計１０点）の複数の計測値Ｖ_θ1´，・・・Ｖ_θ9´，Ｖ_θ10´を記録してその計測平均値Ｖ_θ´を求め、該直前の計測平均値Ｖ_θ´を、ピストンリング５がセンサ電極８の埋設箇所を通過中の計測値Ｖ_θから差し引いて補正し、該補正した計測値（Ｖ_θ−Ｖ_θ´）に基づいて、前記油膜の膜厚を求めるよう前記膜厚・接触状態演算評価器１３を構成してある。因みに、図３には、クランク回転角度θ₁´と計測値Ｖ_θ1´のみを図示してある。又、前記ピストンリング５がセンサ電極８の埋設箇所を通過する直前の代わりに直後の計測値を前述と同様に記録してその計測平均値を求め、該直後の計測平均値を、ピストンリング５がセンサ電極８の埋設箇所を通過中の計測値Ｖ_θから差し引いて補正し、該補正した計測値に基づいて、前記油膜の膜厚を求めるよう前記膜厚・接触状態演算評価器１３を構成しても良いことは言うまでもない。

又、前記電気抵抗計測回路１１は、図４に示す如く、電源１７（例えば、１．５Ｖ）と、既知の二つの抵抗１８，１９（例えば、１ｋΩの抵抗と、１００Ωの抵抗）とを備え、一方の抵抗１９（例えば、１００Ωの抵抗）と並列接続される箇所における前記中心電極８ａと円筒状電極８ｃとの間の計測値（出力電圧値）に基づいて電気抵抗を計測するようにしてある。前記電気抵抗計測回路１１による計測値（出力電圧値に基づく電気抵抗値）は、膜厚Ｌが小さい場合は小さくなり、膜厚Ｌが大きい場合は大きくなる。

尚、前記センサ電極８は、必要に応じて、シリンダライナ３の周方向に所定の間隔で複数個設けたり、シリンダライナ３のピストン摺動方向に所定の間隔で複数段設けるようにしても良い。

次に、上記図示例の作用を説明する。

エンジン１の運転時には、クランク回転角度検出器１４によりエンジン回転に連動してクランクシャフト７のクランク回転角度が検出され、一定クランク回転角度毎（例えば、０．０５°毎）に計測トリガー信号１４ａが膜厚・接触状態演算評価器１３へ出力され、該膜厚・接触状態演算評価器１３において、前記クランク回転角度検出器１４からの計測トリガー信号１４ａが入力される一定クランク回転角度毎に、通常は切換指令信号１３ａにより切換器９が静電容量計測回路１０側へ切り換えられて該静電容量計測回路１０による計測値に基づき流体潤滑状態にある潤滑油の油膜の膜厚が求められる。尚、センサ電極８に対しピストンリング５が対向する時のクランク回転角度θ（図３参照）は予め求められており、前記クランク回転角度がθとなった時点の前記静電容量計測回路１０による計測値（出力電圧値）Ｖ_θが抽出され、これが静電容量に変換されることにより、該静電容量からセンサ電極８とピストンリング５との間隙に形成された油膜の膜厚Ｌ（図２参照）が算出される形となる。

一方、前記ピストンリング５がセンサ電極８の埋設箇所を通過中の膜厚が設定値以下になった場合、切換指令信号１３ａにより前記切換器９が前記電気抵抗計測回路１１側へ切り換えられて該電気抵抗計測回路１１による計測値に基づき境界潤滑状態にある前記シリンダライナ３に対するピストンリング５の接触状態の評価が行われる。

この結果、油膜を挟んで摩擦面同士が離れて滑っている流体潤滑状態である場合には、静電容量に基づいてシリンダ２内部の潤滑油の油膜の膜厚を正確に計測することが可能となる一方、流体潤滑のように充分な厚みの油膜を保持していない境界潤滑状態となってシリンダライナ３にピストンリング５が部分的に金属接触した場合であっても、電気抵抗計測回路１１によって計測される電気抵抗に基づいてシリンダ２内部のシリンダライナ３に対するピストンリング５の接触状態の評価を正しく行うことが可能となる。

尚、前記膜厚・接触状態演算評価器１３においては、前記ピストンリング５がセンサ電極８の埋設箇所を通過する直前（例えば、クランク回転角度θ₁´＝θ−０．０５°となる時点を含め、その前０．０５°刻みで・・・θ₉´，θ₁₀´までの合計１０点）の複数の計測値Ｖ_θ1´，・・・Ｖ_θ9´，Ｖ_θ10´を記録してその計測平均値Ｖ_θ´を求め、該直前の計測平均値Ｖ_θ´を、ピストンリング５がセンサ電極８の埋設箇所を通過中の計測値Ｖ_θから差し引いて補正し、該補正した計測値（Ｖ_θ−Ｖ_θ´）に基づいて、前記油膜の膜厚が求められるため、前記静電容量計測回路１０において、前記同軸ケーブル１６の振動等が生じていたとしても、流体潤滑状態と境界潤滑状態のいずれの状態にあるかの判定が確実に行われ、計測精度を向上させることが可能となる。又、前記膜厚・接触状態演算評価器１３において、前記ピストンリング５がセンサ電極８の埋設箇所を通過する直前の代わりに直後の計測値を前述と同様に記録してその計測平均値を求め、該直後の計測平均値を、ピストンリング５がセンサ電極８の埋設箇所を通過中の計測値Ｖ_θから差し引いて補正し、該補正した計測値に基づいて、前記油膜の膜厚を求めるようにしても、前記静電容量計測回路１０において、前記同軸ケーブル１６の振動等の影響を受けることなく、流体潤滑状態と境界潤滑状態のいずれの状態にあるかの判定が確実に行われ、計測精度を向上させることが可能となる。

こうして、流体潤滑状態では静電容量計測により潤滑油の油膜の膜厚を正確に計測し得且つ境界潤滑状態では電気抵抗計測によりシリンダライナ３に対するピストンリング５の接触状態の評価を行い得る。

尚、本発明の膜厚・接触状態計測方法及び装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す全体概要構成図である。 本発明を実施する形態の一例におけるセンサ電極を示す拡大断面図である。 本発明を実施する形態の一例におけるクランク回転角度と計測値（出力電圧値）との関係を示す線図である。 本発明を実施する形態の一例における電気抵抗計測回路を示す回路図である。

符号の説明

１ エンジン
２ シリンダ
３ シリンダライナ
４ ピストン
５ ピストンリング
７ クランクシャフト
８ センサ電極
８ａ 中心電極
８ｂ 絶縁材
８ｃ 円筒状電極
９ 切換器
１０ 静電容量計測回路
１１ 電気抵抗計測回路
１２ Ａ／Ｄ変換器
１３ 膜厚・接触状態演算評価器
１３ａ 切換指令信号
１４ クランク回転角度検出器
１４ａ 計測トリガー信号
１７ 電源
１８ 抵抗
１９ 抵抗
Ｌ 膜厚

Claims (2)

1. シリンダライナのピストンリング摺動面に埋設されたセンサ電極とピストンリングとの間隙に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測する静電容量計測回路と、前記センサ電極とピストンリングとの間隙に形成された潤滑油の油膜の電気抵抗を計測する電気抵抗計測回路とを切換器を介して切換可能に接続し、
   エンジン回転に連動してクランク回転角度をクランク回転角度検出器で検出し、該クランク回転角度検出器から一定クランク回転角度毎に計測トリガー信号を、前記静電容量計測回路及び前記電気抵抗計測回路に接続される膜厚・接触状態演算評価器へ出力し、
   該膜厚・接触状態演算評価器において、前記クランク回転角度検出器からの計測トリガー信号が入力される一定クランク回転角度毎に、通常は前記切換器を前記静電容量計測回路側へ切り換えて該静電容量計測回路による計測値に基づき流体潤滑状態にある前記油膜の膜厚を求め、このとき、前記ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値若しくは直後の複数点の計測値を記録してその計測平均値を求め、該直前の計測平均値若しくは直後の計測平均値を、ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過中の計測値から差し引いて補正し、該補正した計測値に基づいて、前記油膜の膜厚を求めるようにし、
   一方、前記ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過中の膜厚が設定値以下になった場合、前記切換器を前記電気抵抗計測回路側へ切り換えて該電気抵抗計測回路による計測値に基づき境界潤滑状態にある前記シリンダライナに対するピストンリングの接触状態の評価を行うことを特徴とする膜厚・接触状態計測方法。
2. シリンダライナのピストンリング摺動面に埋設されたセンサ電極と、
   該センサ電極に切換器を介して接続され、該センサ電極とピストンリングとの間隙に形成された潤滑油の油膜の静電容量を計測する静電容量計測回路と、
   前記センサ電極に前記切換器を介して接続され、該センサ電極とピストンリングとの間隙に形成された潤滑油の油膜の電気抵抗を計測する電気抵抗計測回路と、
   エンジン回転に連動してクランク回転角度を検出し、一定クランク回転角度毎に計測トリガー信号を出力するクランク回転角度検出器と、
   該クランク回転角度検出器からの計測トリガー信号が入力される一定クランク回転角度毎に、通常は前記切換器を前記静電容量計測回路側へ切り換えて該静電容量計測回路による計測値に基づき流体潤滑状態にある前記油膜の膜厚を求め、このとき、前記ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過する直前の複数点の計測値若しくは直後の複数点の計測値を記録してその計測平均値を求め、該直前の計測平均値若しくは直後の計測平均値を、ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過中の計測値から差し引いて補正し、該補正した計測値に基づいて、前記油膜の膜厚を求めるようにし、
   一方、前記ピストンリングがセンサ電極の埋設箇所を通過中の膜厚が設定値以下になった場合、前記切換器を前記電気抵抗計測回路側へ切り換えて該電気抵抗計測回路による計測値に基づき境界潤滑状態にある前記シリンダライナに対するピストンリングの接触状態の評価を行う膜厚・接触状態演算評価器と
   を備えたことを特徴とする膜厚・接触状態計測装置。

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