JPH11108801A - 内燃機関の摩擦力計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関のピストンとシリンダライナとの間
に作用する摩擦力の大きさを、簡単な手段によって燃焼
室圧力による影響を避けて正確に計測すること。 【解決手段】 シリンダライナ３の上端部に近い部分の
外側で、しかもピストン８のトップリング８２の上死点
位置よりも上方の部分に周方向の溝３３を設けて薄肉部
を形成すると共に、シリンダライナ３の中心軸線と実質
的に平行な溝３３の底面に、薄肉部の中心軸線方向の伸
縮量の検出手段として歪ゲージ７０ａ及び７０ｂを貼り
付ける。燃焼室１６の圧力がシリンダライナ３のフラン
ジ３１の上面に作用しても、溝３３の底面には実質的に
摩擦力が作用するだけであるから、可変形部分としての
フランジ３１の上下両面に歪ゲージを貼り付ける従来の
装置とは異なって、摩擦力の検出値に燃焼室圧力の影響
による誤差は入らない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関のピストン
とシリンダの間に作用する摩擦力を計測する装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関において、ピストンとシリンダ
の間に作用する摩擦力の大きさを計測するために、シリ
ンダライナをシリンダブロックに強固に固定しないで、
シリンダライナの中心軸線の方向に若干移動することが
できるように特別の支持手段によって弾力的に支持し、
シリンダライナ内でピストンが上下方向に摺動するとき
に、シリンダライナが摩擦力によってピストンと連れ動
きすることにより、シリンダライナが支持手段を弾性変
形させて上下方向に移動する変位量を、変位検出手段に
よって直接に、或いは支持手段の弾性変形量を検出する
手段等によって検出して、作用した摩擦力の大きさを計
測する装置が知られている。

【０００３】図２にそのような従来例の一つの要部構成
を示す。図２において、１はシリンダブロック、２はシ
リンダヘッド、３は鋼製のシリンダライナであって、シ
リンダライナ３の上端には外周へ張り出す円環状のフラ
ンジ３１が一体に形成されている。４はシール用のガス
ケット、５は円環状のシール用パッキン５である。摩擦
力を検出するための薄膜状の歪ゲージ７は、フランジ３
１のうちでシリンダブロック１とシリンダヘッド２の間
に挟着されていない可変形部分３１ａの上下両面に貼り
付けられている。なお、８はシリンダライナ３内を上下
方向に摺動するピストン、１５は冷却水套、１６は燃焼
室を示す。

【０００４】ピストン８がシリンダライナ３内で上下方
向に摺動するとき、シリンダライナ３には摩擦力Ｆが作
用するので、フランジ３１の可変形部分３１ａは摩擦力
Ｆの方向と大きさに応じて撓み変形をする。その変形量
は可変形部分３１ａの上下両面に貼り付けられた薄膜状
の歪ゲージ７を構成している抵抗線に伸縮を生じさせる
ので、伸縮に伴う抵抗線の電気抵抗値の増減変化量か
ら、可変形部分３１ａの撓み変形量、従って、摩擦力Ｆ
の大きさを計測することができる。

【０００５】しかしながら、図２に示した第１の従来例
のような構成では、シリンダライナ３の上端面や、フラ
ンジ３１の可変形部分３１ａの上面には燃焼室１６内の
圧力Ｐが作用するため、可変形部分３１ａの変形量は、
実質的に摩擦力Ｆによって生じる変形量と、燃焼室圧力
Ｐが作用することによって生じる変形量との和になるの
で、歪ゲージ７の電気抵抗値から、摩擦力Ｆの大きさだ
けを正確に計測することはできない。なお、可変形部分
３１ａを変形させる力としては、摩擦力Ｆと燃焼室圧力
Ｐによるものの他に、シリンダライナ３の運動に伴う慣
性力によるものもあるが、慣性力の値は比較的小さいか
ら無視することもできる。

【０００６】図２に示す第１の従来例の問題、即ち、シ
リンダライナ３の上端面やフランジ３１の上面に作用す
る燃焼室圧力Ｐによる摩擦力Ｆの計測値の誤差を解消す
るために、図３に示す第２の従来例においては、シリン
ダライナ３を上方へ延長してシリンダヘッド２の下面に
形成された環状の溝２ａの中へ進入する延長部３ａを設
けると共に、延長部３ａの内面と、それに対向するシリ
ンダヘッド２の環状の溝２ａの壁面との間をＯリング９
によってシールし、延長されたシリンダライナ３の上端
面や、フランジ３１の上面に燃焼室１６内の燃焼室圧力
Ｐが作用しないようにしている。

【０００７】また、同じ問題を解消するために、図４に
示す第３の従来例においては、シリンダライナ３の上端
をシリンダヘッド２の下面以上に延長して延長部３ａが
設けられると共に、その延長部３ａの内面に環状のシー
ル溝３２が形成される。シール溝３２の上側面３２ａと
下側面３２ｂとの上下方向の投影面積は等しくなってい
る。シリンダヘッド２の下面には環状の溝（又は切り欠
き）２ａが設けられ、その環状の溝２ａに嵌合する形の
アダプタ４０がボルト５０によってシリンダブロック１
に取り付けられる。アダプタ４０には環状の溝４０ａが
設けられて、それに前述のシリンダライナ３の延長部３
ａが嵌合する。環状の溝４０ａの内側の側面には、シリ
ンダライナ３のシール溝３２の上側面３２ａと対称的
に、段部としての面４０ｂが形成されて、上側面３２ａ
と共にシール用のＯリング９を支持するようになってい
る。

【０００８】アダプタ４０の下端面と、それに対向する
シリンダブロック１の段部の面との間には適当な厚さの
スペーサ４１が挟着されていて、スペーサ４１を圧縮す
るボルト５０の締めつけ力を調節することにより、Ｏリ
ング９をシリンダライナ３の上側面３２ａとアダプタ４
０の面４０ｂに均等に当接させる。第３の従来例におい
ては、計測すべき摩擦力は、シリンダライナ３の下端部
に形成されたフランジ３５とシリンダブロック１との間
に、それらを結合するボルト３６によって取り付けられ
たロードセル３７によって検出される。

【０００９】第３の従来例においては、燃焼室１６の圧
力がＯリング９に作用して上方へ押し上げる力を発生す
ることによって、燃焼室１６の周辺部のシールが形成さ
れるが、Ｏリング９に作用する上向きの力の約半分はシ
リンダライナ３のシール溝３２の上側面３２ａに加えら
れる。それと同時に燃焼室１６の圧力はシール溝３２の
下側面３２ｂにも作用して、同じ大きさの下向きの力を
発生するので、それらの大きさが同じで方向が反対の力
が相殺されて、燃焼室圧力によってシリンダライナ３を
上又は下方向へ押す力は消滅する。従って、シリンダラ
イナ３には実質的にピストン８の摺動による摩擦力のみ
が作用することになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、図２に
示した第１の従来例における問題点、即ち、燃焼室圧力
による摩擦力の計測値の誤差は、図３に示した第２の従
来例とか、図４に示した第３の従来例によって解決され
るけれども、それらの解決手段はいずれもシリンダライ
ナの上端部とシリンダヘッドやシリンダブロックとの結
合部分におけるシール装置等を複雑な構成とする必要が
あるものであるから、それによって加工及び分解・組
立、調整等の困難性が増加し、コストが上昇するという
別の問題が生じる。

【００１１】本発明は、従来技術における前述のような
問題を全て解決することによって、簡単な構成により計
測値に及ぼす燃焼室圧力の影響を排除して、実質的に摩
擦力のみを計測することができるような、改良された摩
擦力計測装置を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、特許請求の範囲の請求項１に記載された手段を採
用することができる。この手段によると、シリンダライ
ナの上端部に近い外側面の、しかもピストンのトップリ
ングの上死点位置よりも上方の位置に周方向の溝を形成
すると共に、シリンダライナの薄肉部分を形成するこの
周方向の溝の底面に、シリンダライナの中心軸線の方向
の伸縮量を検出することができる検出手段を設ける。検
出手段が設けられた周方向の溝はピストンのトップリン
グの上死点位置よりも上方にあるから、溝の底面には燃
焼室圧力の影響が及ばないので、実質的に摩擦力のみを
正確に計測することが可能になる。

【００１３】検出手段をクランク軸と直角のスラスト力
が作用する方向の溝の底面に対して設けることによっ
て、シリンダライナとピストンの摩耗量に対応する、そ
れら両者間に作用する摩擦力の主要部分の量を検出する
ことができる。その場合に、検出手段を複数個、対をな
すように対向して設けると検出精度が向上する。

【００１４】検出手段を設ける周方向の溝は、シリンダ
ライナの全周を取り巻く環状の溝として形成することが
できる。それによって、検出手段をスラスト力が作用す
る方向の底面のみならず、残余の底面にもくまなく設け
ることができるので、摩擦力の主要な部分だけでなく、
シリンダライナの全周における摩擦力の総和を検出する
ことができる。摩擦力の総和は内燃機関の摩擦損失に対
応する。

【００１５】好適な検出手段としては、電気抵抗値を出
力する歪ゲージを用いるのがよい。複数個の歪ゲージを
ブリッジ接続することによって、摩擦力を高精度に計測
することが可能になる。

【００１６】本発明によれば、シリンダライナを、その
上端部側においてシリンダブロックに固定支持すると共
に、下端部側を中心軸線の方向に移動可能に支持するこ
とができる。このようにすれば、検出手段が設けられる
シリンダライナの周方向の溝からなる薄肉部分が、摩擦
力によって中心軸線の方向に自由に伸縮するので、大き
な伸縮量によって摩擦力を正確に計測することができ
る。本発明の構成によって燃焼室圧力の影響を受けない
で摩擦力だけを計測することができるので、シリンダラ
イナの上端部に形成されたフランジが燃焼室圧力を受け
る受圧面や可変形部分を形成していても、支障なく摩擦
力が計測である。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１に本発明の第１実施形態とし
ての内燃機関の摩擦力計測装置を示す。本発明の実施形
態においても、図２ないし図４を用いて先に説明した従
来例と実質的に同じ構成部分には同じ参照符号を付して
いる。即ち、図１においても、１はシリンダブロック、
２はシリンダブロック１の上部に取り付けられたシリン
ダヘッド、３はシリンダブロック１の内部に支持される
鋼製のシリンダライナで、シリンダライナ３の上端には
外周へ張り出す円環状のフランジ３１が一体に形成され
ている。４はシール用のガスケット、５は円環状のシー
ル用パッキン５で、シリンダブロック１の上部の段部１
１に設けられており、シリンダライナ３のフランジ３１
をシリンダヘッド２側のガスケット４との間に挟み込む
ことにより、シリンダライナ３の上端部を支持する部分
において同時にシリンダブロック１やシリンダヘッド２
との間のシールを簡単に達成している。

【００１８】なお、シリンダブロック１の下部には内方
に向かって張り出すシールランド１２が設けられてお
り、それにはシリンダライナ３の外径よりも内径が少し
大きい円形の穴１３が形成されていて、その穴１３には
シリンダライナ３の下部が挿入され、円形の穴１３に形
成された溝１４に装着されているＯリング６によって冷
却水套１５がシールされている。なお、図において、８
はシリンダライナ３内を上下方向に摺動するピストン、
１６は燃焼室、８１はピストン８のピストンピンを示
す。

【００１９】本発明の特徴に対応するものとして、フラ
ンジ３１の下で、且つピストン８が図１の（ａ）及び
（ｂ）に示すように上死点の位置にあるときに、ピスト
ン８の２〜３本あるピストンリングのうちで最も上にあ
るトップリング８２よりも更に上になる位置において、
シリンダライナ３の外側には環状の溝３３が設けられて
おり、それによってシリンダライナ３の肉厚が溝３３の
部分だけ薄くなり、中心軸線の方向に伸縮し易くなって
いる。そして溝３３の底面には中心軸線の方向、即ち上
下方向の伸縮量を検出することができる薄膜状の歪ゲー
ジ７０ａ及び７０ｂが貼り付けられている。

【００２０】図１の（ａ）及び（ｂ）に示す第１実施形
態の場合は、シリンダライナ３の内径と燃焼室１６の内
径が同じであり、ガスケット４の内径がそれらよりも若
干大きい程度であるから、シリンダライナ３の上端部の
フランジ３１の上面のうちで燃焼室１６内の燃焼室圧力
を受ける面積が小さいので、燃焼室圧力によるフランジ
３１の変形量は比較的少ない。そこで、第１実施形態の
作動を説明する前に、より特徴的な例として、図５に示
された第２実施形態の構成と作用、効果を先に説明して
本発明の特徴を明らかにする。第１実施形態の作用、効
果は第２実施形態のそれの一部に相当する。

【００２１】図５に要部構成のみを示す第２実施形態の
摩擦力計測装置は、図２に示し先に説明した第１の従来
例と同様に、シリンダライナ３の上端面とフランジ３１
の上面に第１実施形態の場合よりも広い受圧面積と、フ
ランジ３１の大きな可変形部分３１ａを備えている。こ
の場合に、もしフランジ３１の上下両面に歪ゲージ７を
貼り付けると、前述の第１の従来例と同じ問題が生じる
筈であるが、本発明の第２実施形態においては、第１実
施形態の場合と同様に、シリンダライナ３の上端部近く
で且つピストン８のトップリング８２の上死点位置より
も上になる位置において、シリンダライナ３の外側に環
状の溝３３を形成しており、その溝３３の底面の薄肉部
分に歪ゲージ７０（例えば、図１における７０ａ或いは
７０ｂ）を貼り付けている。

【００２２】シリンダライナ３の溝３３の付近に作用す
る力は、実質的に、燃焼室１６内の燃焼室圧力Ｐ、フラ
ンジ３１の可変形部分３１ａの弾力Ｒ、ピストン８とシ
リンダライナ３との間に作用する摩擦力Ｆ、及び、図示
しない振動の慣性力Ｉの４つである。歪ゲージ７０を貼
り付けてある溝３３はフランジ３１直下のシリンダライ
ナ３の上部に形成されているので、ピストン８が上死点
（図５の一点鎖線）にあっても、歪ゲージ７０はピスト
ン８のトップリング８２よりも上にある。従って、シリ
ンダライナ３とピストン８との間の摩擦力Ｆは、常にシ
リンダライナ３の溝３３よりも下の部分に作用する。

【００２３】一方、燃焼室１６内の圧力Ｐ及びフランジ
３１の弾力Ｒは、常に溝３３よりも上方に作用する。ま
た、振動の慣性力Ｉは摩擦力Ｆに比べて十分に小さいの
で、シリンダライナ３の溝３３よりも下方の位置に作用
する力は、実質的に摩擦力Ｆだけである。従って、溝３
３の底面の薄肉部分が、燃焼室圧力Ｐの影響を受けない
で、実質的にこの摩擦力Ｆのみによってシリンダライナ
３の中心軸線の方向に伸縮するので、その部分に貼り付
けられている歪ゲージ７０によって直接に変形量（伸縮
量）を計測することができ、その変形量から燃焼室圧力
Ｐの影響を受けることなく、摩擦力Ｆの大きさだけを正
確に検出することができる。

【００２４】第２実施形態の作用、効果から明らかなよ
うに、図１に示す第１実施形態においては、第２実施形
態の場合に比べてシリンダライナ３の上端部やフランジ
３１における燃焼室圧力Ｐの受圧面積が小さいので、燃
焼室圧力によるフランジ３１の撓み変形は第２実施形態
の場合よりも小さくなる。しかも、シリンダライナ３の
上端部に近い位置の外側に形成された環状の溝３３の底
面に歪ゲージ７０を貼り付けている点は第２実施形態と
同じであるから、第１実施形態の摩擦力計測装置は、燃
焼室圧力Ｐの影響を受けることなく、歪ゲージ７０によ
ってシリンダライナ３とピストン８との間に作用する摩
擦力Ｆだけを正確に検出することができる。

【００２５】前述の第１実施形態及び第２実施形態にお
いては、シリンダライナ３に形成された環状の溝３３の
底面中で歪ゲージ７０を貼り付ける位置について特に言
及していないが、第１実施形態では図１から明らかなよ
うに、摩擦力が主に作用すると考えられるシリンダライ
ナ３とピストン８との間でスラスト力が作用する方向
（クランク軸に対して直角の方向）の対向する位置に一
対の歪ゲージ７０ａ及び７０ｂを貼り付けている。

【００２６】しかしながら、環状の溝３３の底面の一部
の位置だけに歪ゲージ７０を貼り付けると、溝３３の底
面のうちで歪ゲージ７０が貼り付けられた特定の部分に
よって伝達される摩擦力を計測することができても、多
少の偏りをもって溝３３の全周の底面に分配されて伝達
されると考えられる摩擦力の総和の値を計測することは
できない。従って、スラスト力の作用する方向のよう
に、環状の溝３３の底面の一部のみに比較的短い歪ゲー
ジ７０を貼り付けて摩擦力を計測すると、検出された摩
擦力の値は、ピストン８又はシリンダライナ３の摩耗量
とは対応するものの、内燃機関の摩擦損失の大きさとは
必ずしも対応しない。

【００２７】そこで、図６から図８に示す本発明の第３
実施形態においては、環状の溝３３の実質的に全周の底
面にわたって歪ゲージ７０が配置されるように、全周を
幾つかの部分に分けて、それらに長短の歪ゲージ７０を
貼り付けることにより、複数個の検出値からシリンダラ
イナ３に作用している摩擦力の総和と、特定の部分の摩
擦力の値を共に計測することができるようにしている。

【００２８】即ち、図６に示すように、シリンダライナ
３の上端部に近い外側に形成された環状の溝３３の底面
のうちで、クランク軸１００とは直角方向のスラスト力
が作用する対向部分には比較的短い一対の薄膜状の歪ゲ
ージ７０ａ及び７０ｂを貼り付けると共に、残余の溝３
３の底面を実質的に全て覆うように、比較的長い一対の
薄膜状の歪ゲージ７０ｃ及び７０ｄを、互いに対向する
ように貼り付ける。

【００２９】各歪ゲージ７０の構造は、図７に例示した
歪ゲージ７０ｃ及び７０ｄのようなもので、帯状の電気
の絶縁体からなるゲージベース７２上に電気抵抗線７３
がジグザグ状に配置されており、シリンダライナ３の溝
３３の底面が、それよりも下方に作用する摩擦力によっ
て伸縮するとき、その底面に貼り付けられたゲージベー
ス７２の矢印方向の伸縮によって、抵抗線７３の矢印方
向の部分の直径が変化することにより、抵抗線７３の両
端７３ａ，７３ｂの間の電気抵抗の値が変化するように
なっている。歪ゲージ７０ａ及び７０ｂも同様な構造で
あるが、歪ゲージ７０ｃ及び７０ｄに比べて横の長さが
短かい。

【００３０】薄膜状の歪ゲージ７０ａ，７０ｂ及び７０
ｃ及び７０ｄが電気抵抗の値として出力する信号は、第
３実施形態においては、図８に例示したようなブリッジ
回路７４によって処理している。即ち、一対の短い歪ゲ
ージ７０ａ及び７０ｂは上側のブリッジ回路部分７５に
おいて対向する位置に挿入されると共に、他の一対の長
い歪ゲージ７０ｃ及び７０ｄは下側のブリッジ回路部分
７６において対向する位置に挿入される。なお、図８中
において、７０ｅ，７０ｆ，７０ｇ，７０ｈはいずれも
ダミー抵抗を、また、７１ａ，７１ｂ，７１ｃ，７１ｄ
はいずれも端子を、更に、７７は定圧電源を示してい
る。

【００３１】シリンダライナ３とピストン８の間に作用
する摩擦力によって、主としてクランク軸１００と直角
のスラスト力が作用する位置に貼り付けられている比較
的短い歪ゲージ７０ａ及び７０ｂが、シリンダライナ３
の中心軸線の方向に大きく伸縮する。その結果、端子７
１ａ，７１ｂ間には、この伸縮に応じた大きさの電圧が
出力される。この電圧は摩擦力が集中して作用する部分
の信号であるから、シリンダライナ３又はピストン８の
摩耗量と対応する。

【００３２】また、溝３３の底面でもスラスト力が作用
する位置以外の部分によって伝達される摩擦力は、比較
的長い歪ゲージ７０ｃ及び７０ｄによって、端子７１
ｃ，７１ｄ間の出力電圧として検出される。そこで、図
示しないコンピュータ等によって、端子７１ａ，７１ｂ
間の出力電圧と、端子７１ｃ，７１ｄ間の出力電圧に、
それぞれの歪ゲージ７０の面積に応じた係数を乗算して
から加算すれば、シリンダライナ３とピストン８間に作
用する全体の摩擦力の大きさを求めることができる。こ
の値は、前述のように内燃機関の摩擦損失に対応するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の摩擦力計測装置の第１の実施形態を示
す縦断正面図であって、（ａ）は全体構成を示すと共
に、（ｂ）はその一部を拡大して示している。

【図２】第１の従来例の要部を拡大して示す縦断正面図
である。

【図３】第２の従来例の要部を拡大して示す縦断正面図
である。

【図４】第３の従来例の要部を拡大して示す縦断正面図
である。

【図５】本発明の第２の実施形態の要部を拡大して示す
縦断正面図である。

【図６】本発明の第３の実施形態を概念的に示す斜視図
である。

【図７】本発明に用いられる歪ゲージの一つを例示する
平面図である。

【図８】第３の実施形態に用いられるブリッジ回路を示
す電気回路図である。

【符号の説明】

１…シリンダブロック ２…シリンダヘッド ３…シリンダライナ ７…歪ゲージ ８…ピストン １６…燃焼室 ３１…フランジ ３１ａ…可変形部分 ３３…環状の溝 ８２…トップリング ７０，７０ａ〜７０ｄ…歪ゲージ Ｆ…摩擦力 Ｐ…燃焼室圧力 Ｒ…弾力

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中川 大督 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 加藤 慎治 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダライナの上端部に近い外側面で
   あって、しかも前記シリンダライナの内部において往復
   運動をするピストンのトップリングの上死点位置よりも
   上方の位置に周方向の溝を形成すると共に、前記周方向
   の溝の前記シリンダライナの中心軸線と実質的に平行な
   底面に、前記溝の前記底面を形成する前記シリンダライ
   ナの薄肉部分の前記中心軸線の方向の伸縮量を検出する
   検出手段を設けたことを特徴とする内燃機関の摩擦力計
   測装置。
2. 【請求項２】 前記検出手段が、クランク軸と直角のス
   ラスト力が作用する方向の前記溝の底面に対して設けら
   れていることを特徴とする請求項１に記載された摩擦力
   計測装置。
3. 【請求項３】 複数個の前記検出手段が、前記シリンダ
   ライナの周囲において対をなすように対向して設けられ
   ていることを特徴とする請求項１又は２に記載された摩
   擦力計測装置。
4. 【請求項４】 前記周方向の溝が、前記シリンダライナ
   の全周を取り巻く環状の溝として形成されていることを
   特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載された摩
   擦力計測装置。
5. 【請求項５】 前記検出手段が、前記シリンダライナの
   全周を取り巻く環状の溝の底面において、スラスト力が
   作用する方向の前記底面のみならず、残余の底面にも設
   けられることによって、実質的に前記環状の溝の全周に
   わたって設けられていることを特徴とする請求項４に記
   載された摩擦力計測装置。
6. 【請求項６】 前記検出手段が、電気抵抗値を出力する
   歪ゲージからなることを特徴とする請求項１ないし５の
   いずれかに記載された摩擦力計測装置。
7. 【請求項７】 前記シリンダライナが、その上端部側に
   おいてシリンダブロックに固定支持されていると共に、
   下端部側が中心軸線の方向に移動可能に支持されている
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載さ
   れた摩擦力計測装置。
8. 【請求項８】 前記シリンダライナの上端部に形成され
   たフランジが、燃焼室圧力を受ける受圧面及び可変形部
   分を有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれ
   かに記載された摩擦力計測装置。