JPH0220664Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は内燃機関のピストンに作用する摩擦力
およびスラスト力を計測するための実験用エンジ
ンに関する。

従来の技術 従来の計測用エンジンとして、例えば、シリン
ダブロツクに形成された孔内に筒状のライナを配
設するとともに、この筒状ライナ内にピストンを
摺動自在に設け、かつライナの下端部と孔の底面
とをセンサにより連結し、このセンサがライナの
軸方向の力を計測する、という構成のものが知ら
れている（第４回内燃機関合同シンポジウム講演
論文集（′84−１）P.301，古浜・佐々木）。この
構成において、センサは圧電素子から成るロード
セルであり、ライナの軸方向の力すなわちピスト
ンの受ける摩擦力をこのセンサの圧縮方向に作用
する力として計測し、ライナの側圧力すなわちス
ラスト力はライナ外周に設けられたピンにより受
けられる。

考案が解決しようとする問題点 上記従来の計測用エンジンはスラスト力を計測
することができないため、ピストンの摩擦力とス
ラスト力の関係を実験的に求めることができず、
摩擦力を低減させるために必要なデータが充分得
られないという問題がある。また、ライナの支持
剛性が比較的小さく、計測用エンジンの固有振動
数が約1KHzであるので、高回転域でノイズが大
きく計測が不可能であり、約1400rpm以下の状態
しか計測できない。さらに、スラスト力を受ける
ピンとライナの外周面との間に摩擦力が作用する
ため、この分だけピストンの摩擦力が実際の値よ
りも小さめに計測されるという問題がある。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するため、本考案の計測用エ
ンジンは、シリンダブロツクに形成された孔内に
筒状ライナを配設するとともにこの筒状ライナ内
にピストンを摺動自在に設け、かつ上記孔の内壁
面と筒状ライナの外周面とを実質的にセンサのみ
により連結し、このセンサは少なくとも、上記筒
状ライナの軸方向に作用する第１の力と、この第
１の力の方向に直交し且つコネクチングロツドの
揺動する面に平行な方向に作用する第２の力とを
計測可能であることを特徴とする。

作 用 シリンダブロツクに形成された孔の中に筒状ラ
イナが配設されており、更にその中にピストンが
摺動自在に設けられているから、筒状ライナに対
するピストンの相対的移動によつて生じる摩擦力
は、筒状ライナをその軸方向に移動させようとす
る。筒状ライナとシリンダブロツクの孔との間は
実質的にセンサのみによつて連結されているか
ら、前記摩擦力による軸方向の第１の力はセンサ
を通つてシリンダブロツクに伝達される際にセン
サに軸方向の微小な変位を与えることによつてそ
の大きさを計測される。

また、第１の力の方向に直交しコネクチングロ
ツドの揺動する面に平行な方向に作用する力すな
わちスラスト力も、同様にセンサを通つてシリン
ダブロツクに伝達される際に、センサと半径方向
の微小な変位を与えることによつて計測される。

実施例 以下図示実施例により本考案を説明する。

第１図は本考案の一実施例に係る計測用エンジ
ンを示す。この計測用エンジンは、実際に混合気
を燃焼させつつピストン摩擦力およびスラスト力
を計測するためのものである。この図において、
シリンダブロツクは平板部１０と筒状部１１とを
有し、筒状部１１の内側に形成された孔１２内に
は筒状ライナ１３が配設される。この筒状ライナ
１３は、シリンダブロツクの筒状部１１の外側に
固定された側板１４と、筒状部１１の側壁を貫通
する水平穴１５とに取付けられる３方向フオース
センサ１６により支持される。すなわち、筒状ラ
イナ１３の外周面は筒状部１１の孔の内壁面から
離間し、この内壁面に対して実質的にセンサ１６
のみにより連結され、筒状ライナ１３は筒状部１
１に対して微小変位可能である。

筒状ライナ１３の内部孔であるシリンダボア１
７にはピストン２０が摺動自在に支持される。ピ
ストン２０はピストンピン２１を介してコネクチ
ングロツド２２に連結され、コネクチングロツド
２２はクランクシヤフト２３に摺動自在に支持さ
れる。したがつて、クランクシヤフト２３が回転
するとコネクチングロツド２２が揺動し、これに
よりピストン２０はシリンダボア１７内で昇降し
て筒状ライナ１３に摩擦力およびスラスト力を及
ぼす。

センサ１６は圧電素子から成るデイスクを多数
枚積層重合して構成され、筒状ライナ１３の軸方
向の一端部の近傍と他端部の近傍とに設けられ、
これらの各部において円周方向に約90゜間隔毎に
配置される。第２図はセンサ１６の筒状ライナ１
３に対する取付け構造を示し、各センサ１６の圧
電素子の軸方向すなわち圧縮方向は、図の左右方
向に一致している。換言すれば、各センサ１６の
軸方向は、コネクチングロツド２２の揺動する面
に平行な面内にある。しかしてセンサ１６は、ピ
ストン２０が筒状ライナ１３内で昇降運動するこ
とによりこの筒状ライナ１３に作用する力、すな
わち、筒状ライナ１３の軸方向（Ｙ方向）に作用
するピストン摩擦力と、この軸方向に直交する面
（コネクチングロツド２２の揺動面）に平行な方
向（Ｚ方向）に作用するスラスト力とを検知す
る。つまりセンサ１６は圧縮方向の変位によりス
ラスト力を検知し、剪断方向の変位により摩擦力
を検知する。センサ１６は、これらの摩擦力とス
ラスト力との両者に直角な方向の力、すなわち第
１図の紙面に垂直な方向（Ｘ方向）の力も検知す
るが、この力は本計測用エンジンの計測データと
しては解析には用いられない。

筒状部１１の上端にはフランジ３０が形成さ
れ、このフランジ３０の上にはシール板３１が固
定される。シリンダヘツド３２はシール板３１の
上面に載置され、シリンダヘツド３２の下面とシ
ール板３１の内周面とシリンダボア１７とピスト
ン２０の頂面とにより、燃焼室３３が区画形成さ
れる。シール板３１は環状を有し、その外周部は
フランジ３０の外周部に合致し、一方、その内周
部は筒状ライナ１３の内周面よりも内方に位置す
る。すなわち、シール板３１の内周部は筒状ライ
ナ１３の内側に突出し、筒状ライナ１３の上端部
はシール板３１の下面に形成された環状溝３４内
に嵌入する。筒状ライナ１３の上端部は環状溝３
４の内側壁面に接触し、この内側壁面にはシール
用のＯリング３５が設けられ、これにより燃焼室
３３内は外部から気密を保つて遮断される。

シリンダヘツド３２には吸気ポート４０と排気
ポート４１が形成され、これらのポート４０，４
１を開閉する吸排気弁４２，４３がそれぞれ設け
られる。吸気弁４２はシリンダヘツド３２の上方
に配設されたロツカアーム４４の揺動に従つて開
閉し、ロツカアーム４４はカム４５の回転に従つ
て昇降するカムフオロア４６およびプツシユロツ
ド４７により揺動駆動される。カム４５は側板１
４の外方に設けられたカムケース４８の中に収容
される。同様に排気弁４３はロツカアーム５３の
揺動に従つて開閉し、ロツカアーム５３は、カム
ケース４９内に収容されたカム５０の回転により
昇降するカムフオロア５１およびプツシユロツド
５２の昇降によつて揺動する。

上述のようにセンサ１６は、第１図の上方に４
個、下方に４個設けられ、これら計８個のセンサ
１６により筒状ライナ１３に作用する摩擦力とス
ラスト力が計測される。第３図は８個のセンサ１
６を含む計測システムの概要を示す。この図にお
いてセンサ１６から左側へ延びるリード線６０は
全てチヤージアンプ６１へ接続され、各センサ１
６の出力信号は増幅されるとともに相互に加算さ
れて出力される。この出力信号は、筒状ライナ１
３の軸方向（第１図のＹ方向）の力すなわち摩擦
力であり、センサ１６に作用する剪断力を示す。
一方、センサ１６から図の右側へ延びるリード線
は、筒状ライナ１３の左側の４個のセンサ１６に
結線されたリード線６２と筒状ライナ１３の右側
の４個のセンサ１６に結線されたリード線６３と
から成る。リード線６２はチヤージアンプ６４お
よび反転差動増幅器６５に接続され、リード線６
３はチヤージアンプ６６および差動増幅器６７に
接続される。これらの増幅器６５，６７の出力は
１本のリード線６８からとり出され、したがつて
各センサ１６のリード線６２，６３から得られる
出力信号は増幅されるとともに加算されてリード
線６８から出力される。この場合、第１図の左側
の４個のセンサ１６の出力は反転差動増幅器６５
により極性を反転させられる。これは、右側のセ
ンサと左側のセンサの圧縮方向が逆であり、正負
の極性を合わせるためである。リード線６８から
の出力信号は、筒状ライナ１３の横方向（第１図
のＺ方向）の力すなわちスラスト力であり、セン
サ１６に作用する圧縮力を示す。

本実施例は以上の構成を有するので、次のよう
にして筒状ライナ１３に作用する摩擦力とスラス
ト力を計測する。

燃焼室３３に燃焼圧力が作用すると、ピストン
２０が下方に押圧され、コネクチングロツド２２
を介してクランク軸２３が回転する。このとき筒
状ライナ１３はピストン２０から受ける摩擦力に
よりＹ方向に沿つて押下げられ、またスラスト力
によりＺ方向に押される。しかしてセンサ１６に
はＹ方向の力およびＺ方向の力の大きさに比例し
た量の電荷が発生し、これがチヤージアンプ６
１，６４，６６等を経てオシロスコープ等に出力
される。

第４図および第５図は計測結果のグラフの一例
を示す。第４図はスロツトル弁の開度を変えた場
合の計測結果であり、ａは燃焼圧力、ｂは摩擦
力、ｃはスラスト力をそれぞれ示し、また実線Ｒ
はスロツトル弁を全開にしてフアイヤリングを行
つた場合、一点鎖線Ｓはスロツトル弁を1/4だけ
開いてフアイヤリングを行つた場合、破線Ｔはス
ロツトル弁を1/4だけ開いてモータリングを行つ
た場合をそれぞれ示す。一方、第５図は点火時期
を変えた場合の計測結果であり、ａは燃焼圧力、
ｂは摩擦力、ｃはスラスト力をそれぞれ示し、ま
た実線Ｒは点火時期が上死点前20゜クランク角の
場合、一点鎖線Ｓは点火時期が上死点前10゜クラ
ンク角の場合、破線Ｔは点火時期が上死点の場合
をそれぞれ示す。

このように、筒状ライナ１３に働く摩擦力とス
ラスト力とを同時に計測することにより、これら
両者の力の関係を解析することができ、この解析
結果を摩擦力を低減させる方法を得るためのデー
タとして利用できる。またこの解析結果はピスト
ンスラツプを最小にするための最適なピストンオ
フセツトを求めるために利用することができる。

また本実施例においては、筒状ライナ１３は実
質的に８個のセンサ１６のみにより支持され、こ
れらのセンサ１６以外に摩擦力が作用する部材が
ないので、摩擦力を正確に計測することが可能で
ある。

さらに筒状ライナ１３は外周面を８個のセンサ
１６により支持されるので、従来装置に比べ支持
剛性が大きく、したがつて高回転域まで計測可能
である。第６図は本実施例装置に対してハンマリ
ングを行つた場合の振動を周波数解析した結果を
示す。この図からわかるように、本実施例装置の
固有振動数は約3.5KHzであり、従来のようにセ
ンサに作用する圧縮により摩擦力を計測する場合
に比べ、格段と大きくなつている。この結果、本
実施例装置によれば、約4900rpmの回転数まで計
測ができる。

第７図は本考案の他の実施例を示す。この実施
例において筒状ライナ１３は、シリンダヘツドの
筒状部１１に対して図の左側の外周面のみにおい
てセンサ１６により支持され、右側の外周面には
センサは設けられていない。またシリンダヘツド
に吸排気ポート４０，４１は形成されておらず、
燃焼室３３の上方はシール板３１により閉塞され
ており、フアイヤリングを行うことはできず、摩
擦力とスラスト力の計測はモータリングにより行
うようになつている。その他の構成は、第１図に
示した実施例装置と基本的に同じであり、その説
明を省略する。

なお本考案は２サイクルエンジンにも適用され
ることができることはもちろんである。

また、センサは圧電素子から成るものには限定
されないが、圧力と剪断力の相互影響（クロスト
ーク）を極力少なくすべく、センサの取付け姿勢
を選定することが好ましい。

考案の効果 以上のように本考案によれば、ライナに作用す
る摩擦力とスラスト力を同時に計測することがで
き、また固有振動数を高めて計測可能な回転数を
高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の一実施例を示す断面図、第２
図はセンサの筒状ライナに対する配置を示す平面
図、第３図は計測システムを示す回路図、第４図
および第５図は計測結果の一例を示し、第４図は
スロツトル弁の開度が、燃焼室内の圧力、摩擦
力、およびスラスト力に及ぼす影響を示すグラ
フ、第５図は点火時期が燃焼圧力、摩擦力、およ
びスラスト力に及ぼす影響を示すグラフ、第６図
は第１図の実施例装置に対してハンマリングを行
なつた場合の周波数解析の結果を示すグラフ、第
７図は本考案の他の実施例を示す断面図である。 １２……孔、１３……筒状ライナ、１６……セ
ンサ、２０……ピストン。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 １ シリンダブロツクに形成された孔内に筒状ラ
   イナを配設するとともにこの筒状ライナ内にピ
   ストンを摺動自在に設け、かつ上記孔の内壁面
   と筒状ライナの外周面とを実質的にセンサのみ
   により連結し、このセンサは少なくとも、上記
   筒状ライナの軸方向に作用する第１の力と、こ
   の第１の力の方向に直交し且つコネクチングロ
   ツドの揺動する面に平行な方向に作用する第２
   の力とを計測可能であることを特徴とする計測
   用エンジン。 ２ 上記センサが、上記筒状ライナの外周面であ
   つて第１の軸方向位置と第２の軸方向位置とに
   それぞれ設けられ、かつ、これらの各位置にお
   いて、円周方向に約90゜間隔毎に配置され、軸
   心をコネクチングロツドの揺動する面に平行で
   あつて水平方向に向けて取付けられることを特
   徴とする実用新案登録請求の範囲第１項記載の
   計測用エンジン。 ３ 上記センサが、圧電素子を積層重合してなる
   ことを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１
   項記載の計測用エンジン。