JP2002543371A - 往復動ピストン装置、特に、内燃機関の滑り軸受監視方法及び装置 - Google Patents
往復動ピストン装置、特に、内燃機関の滑り軸受監視方法及び装置Info
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Abstract
Description
の滑り軸受を監視する方法及び請求項7の前段部分に記載の方法を実施するため
の装置に関する。
置は、EP−B−0141348により公知である。潤滑フィルムにより互いに
絶縁され、相対的に動き、かつ、異なる導電材料から形成された2つの部材間の
接触点における潤滑を、内燃機関のクランクシャフトの主軸受を監視することに
より、監視する方法及び装置が記載されている。これら2つの部材は、実際の潤
滑点を通るとともに、電圧源及び外部接続部を有する電気回路に配置される。潤
滑フィルムが摩耗したときに低下する回路の抵抗と、潤滑フィルムが摩耗したと
きに摩擦熱により接触点に生ずるとともに、ガルバニ電圧源(galvanic voltage
source)として使用される熱起電力(thermal e.m.f)が、2つの滑り軸受部材間の
大きな面積に対して、潤滑の欠乏により引き起こされかつ熱ダメージを示す金属
接触が生じたときに、回路の外部電気接続により電流を発生させるのに使用され
る。この電流は、制御信号または警告信号として使用される。回路の接続部は、
大面積の接触点に電気的に整合される抵抗として具体化される。外部接続部の抵
抗において生ずる電圧降下が測定され、制御信号をトリガするのに使用される。
この場合には、制御信号は、幅広い形態で理解されるべきであり、例えば、制御
信号は、別の作用をトリガする切換え信号、例えば、内燃機関を停止しあるいは
警告装置をトリガする切換え信号として使用することもできる。この方法及び装
置は、簡単に生ずる電圧ピークの場合には、制御信号の出力が、時間に関する電
圧ピークの予め定められた周波数及び/または振幅の増加傾向が生ずるまで、抑
えられるように、便宜上具体化される。
滑点または滑り軸受の同時監視の際に、熱電流がどの滑り軸受から開始するのか
を、熱電流に基づいて定めることはできない。影響を受ける滑り軸受を識別する
ためには、個々の潤滑点に追加の熱的監視手段を設けるとともに、個々の滑り軸
受において生ずる温度を測定して比較することにより、どの軸受の温度が制御信
号をトリガする値に到達したかを識別することができるようにすることが必要で
ある。しかしながら、かかる測定は、比較的複雑であるとともに、特に、滑り軸
受には適していないので、よくあることであるが、例えば、ロッド軸受を接続す
るために及びピストンのピストンボルトに関して、適宜の追加の熱的監視手段を
配置することはできない。
ring)を監視する方法及び装置を提供することにある。
な情報は、例えば、得られる熱電流曲線(thermocurrent curve)を電気的に増幅
しかつ拡げるとともに、これをクランクシャフトの角度位置と関連させ、かつ、
この曲線により作動サイクルの全体に亘って滑り軸受の有意の徴候を調べること
により得られる。熱電流曲線のかかる分析は、好ましくは、例えば、試験により
得ることができるコンピュータプログラムを用いて行うことができる。本発明の
方法及び装置はまた、満足のいく滑り軸受においては、熱電流、従って、制御信
号は生じないので、好ましくは誤った警告のない監視手段を提供する。
sfactory overall bearing state")ことを意味する。低レベルの一定の熱電流曲
線は、ダメージを与えない混合摩擦(mized friction)を示す。簡単に発生しか
つ再び消失する曲線のふれ(deflection)は、軸受シェルの部材の損傷(breaking
off)のような一時的なダメージ(ホットスポット)を示すことができるが、これ
は、損傷した部材の溶融により再度回復することができる。一方、この曲線に大
きいふれが連続して生じた場合には、このふれは、ダメージを受けた滑り軸受で
あって、その位置が、曲線のふれの角度位置及び/または曲線の形状に基づいて
識別することができるものを示す。負荷の変化の際の及び/または負荷の回転速
度が変化するときの曲線の変化もまた、滑り軸受の特定の徴候を示すことができ
る。例えば、比較的高い回転速度、特に、比較的高い出力での基本曲線の上昇は
、増大した混合摩擦を示すものであり、これは、不十分な潤滑フィルム(lubrica
ting film)によるものであり、即ち、装置の不適当な潤滑及び/または過負荷を
原因とするものであるとすることができる。後者は、徴候が、所定の連続出力定
格よりも低いときに既に生じている場合に、特に問題となる。
の軸受サイクル及び負荷プロファイルが一定ではない全ての往復動ピストン装置
に適用することができる。かかる往復動ピストン装置は、例えば、ピストンポン
プ、特に、往復動ピストンをシリンダ内に配置して動作を行う内燃機関である。
往復動ピストン装置は、1つ以上のシリンダを備えるとともに、(クランクシャ
フトの1回転、即ち、360°の回転角度に対応する)2行程作動サイクルまた
は(クランクシャフトの2回転、即ち、720度の回転角度に対応する)4行程
作動サイクルに従って動作を行うことができる。これは、使用される燃料に拘わ
らず、内燃機関に適用され、燃料は、ディーゼル油、重油、ガソリンなどとする
ことができる。
ように、より正確な情報を提供する多数のパラメータ及び追加のパラメータを使
用することができる。
り軸受の位置を定めるパラメータとして請求項2に従って選定するのが有利であ
る。この点においては、潤滑フィルムの体積抵抗もまた最小となり、この体積抵
抗は、この角度位置において熱電流を検出することができるようにガルバニ導電
率と対応したものとすることができる。更にまた、軸受のダメージがここで最も
早く生ずる可能性が、最大となる。この場合の適宜のパラメータは、請求項3に
よれば、滑り軸受の軸受ジャーナルの変位経路である。
適している。請求項5によれば、更なるパラメータは、トルク及び/または回転
速度とすることができる。内燃機関の場合には、燃焼シーケンスもまた、請求項
6によれば、重要なパラメータである。
段が接続される共通の制御ユニットが、好都合に選定される。請求項8によれば
、各ピストンの死点位置を感知する手段もまた、制御ユニットに接続される。
するのが好都合である。請求項10によれば、これには、例えば、クランクシャ
フトの回転速度と角度位置とを感知する回転センサが含まれる。干渉をできるだ
けなくしかつインピーダンスをできるだけ低くして熱電流を移送することができ
るように、請求項11に記載の移送ユニットには、軌道の周辺に分配された複数
の摺動接点を有するコレクタが設けられている。評価の可能性は、請求項12に
記載の加速センサにより拡大することができる。クランクシャフトの破裂振動(d
isruptive oscillation)が、移送の際に不利な影響を及ぼさないように、装置は
、可撓性のあるカップリング素子をもって、請求項13に従って具体化するのが
好都合であり、可撓性カップリング素子は、請求項14に従って構成するのが好
ましい。
されている高価な制御ユニットを既に有していて、この制御ユニットは、滑り軸
受を監視する制御ユニットと組み合わせることができるようになっている。
即ち、クランクシャフトの2回転即ち720度の回転角に亘って全作動サイクル
の運転を行う、往復動ピストン内燃機関のレイアウトが示されている。内燃機関
は、3つのシリンダZ1、Z2及びZ3のクランク駆動体のクランクシャフト1
を有している。クランク駆動体は、主軸受2と呼ばれる滑り軸受内に取着され、
主軸受2はそれぞれ、図2に明瞭に示すように、軸受ジャーナル2aが軸受シェ
ル3内に載置されている。軸受シェル3は、良好な摺動特定を提供するために、
軸受ジャーナル2aと当接する側に、例えばホワイトメタルの層4がライニング
されており、このホワイトメタル層4と軸受ジャーナル2aとの間には、潤滑フ
ィルム5が介在配置されて、滑り軸受が高温で動作を行わないようにしている。
軸受シェル3は、共通のハウジング7と一体となっている軸受ブロック6により
支持されている。
ーナル8を有していて、クランクジャーナル8は、連結ロッド軸受10を介して
、連結ロッド9に連結されている。連結ロッド9は、別の滑り軸受11を介して
、ピストン13のピストンボルト12に連結されていて、ピストン13は、各シ
リンダZ1、Z2及びZ3内を上下に案内されるようになっている。連結ロッド
軸受10とピストンボルト12の滑り軸受11は、クランクシャフト1の主軸受
2と同じ構成となっている。
流、これにより生ずる熱及び最終的には滑り軸受における異なる金属の対合(pai
ring)を感知するために、内燃機関には、表示装置15を含む制御ユニット14
が配設されている。制御ユニット14は、接続ライン16を介してハウジング7
に電気的に接続されるとともに、接続ライン17及びコレクタ18を介してクラ
ンクシャフト1に接続されている。接続ライン16、17は、制御ユニット14
と並列に、低インピーダンスの抵抗19を介して短絡されている。滑り軸受にお
いてガルバニ発生される熱起電力により、熱電流Iが低インピーダンス回路16
、17、18及び19において流れるとともに、抵抗19において電圧降下Uを
トリガする。この信号は、制御ユニット14において処理され、表示装置15に
供給される。
設されている。かかる動作を行うために、かかる手段20は、例えば、クランク
シャフト1に連結されたパルスディスク21を有しており、このディスクの角度
依存信号、例えば、周方向に分配されたバーコードは、センサ22により感知さ
れるとともに、ライン23を介して制御ユニット14に供給される。更に、制御
ユニット14には、シリンダZ1、Z2及びZ3における点火シーケンスを決定
する手段24が配設されている。そのために、例えば、点火電流を点火ケーブル
27を介して個々のスパークプラグ28に供給する点火ディストリビュータ26
に接続されたライン25が使用される。回転角度を感知する手段20または点火
シーケンスを感知する手段24はまた、内燃機関の電子制御素子により構成する
ことができ、内燃機関が、スパークプラグを備えていないが燃料噴射装置を備え
ているディーゼルエンジンの場合には、特に後者となる。
ず)と、ピストン13と、ピストンボルト12と、連結ロッド9と、連結ロッド
軸受10と、クランクシャフト1とから構成されるシリンダZの作動鎖における
吸気行程T1、圧縮行程T2、働き行程T3及び爆発行程T4からなる4行程作
動サイクルの際に、摺動点における接触抵抗が薄い潤滑フィルムにより低インピ
ーダンスを有する、即ち、実質上ガルバニ導電性となる作動状態が形成され、か
くして、シリンダ壁は、クランクシャフトに貫通して接続される。この低インピ
ーダンス、即ち、ガルバニ導電性(galvanic conductivity)は、圧縮が行われる
第2の行程において、上死点OTに近接して、好ましくは、図3において曲線に
より示すように、点火処理も行われる上死点OTの直前に生ずる。これは、ピス
トンの少なくとも1つのピストンリング(これ以上詳細には説明せず)が、上死
点においてシリンダ壁において実質上動かないので、可能となり、従って、動的
潤滑(dynamic lubrication)も起こらない。ピストンリングは、この場合には、
潤滑フィルムを貫通して、シリンダ壁に当接する。このピストンリングの当接は
、燃焼行程により促進され、燃焼行程においては、燃焼ガスがピストンリングの
背後を通過することにより、ピストンリングをシリンダ壁に対して半径方向外方
へ付勢するとともに、このリングを燃焼ガスの圧力によりピストンの環状溝の下
側に対して付勢する。相対的な速度が小さいので、動きの方向が逆になると、ピ
ストンボルト12の滑り軸受11には、連続して延びて支持を行う潤滑フィルム
は形成されず、従って、この場合にも、低インピーダンス、即ち、導電率は一定
になることが考えられる。
異なる材料が対合したときにガルバニ熱電流が発生するが、かかるフィルムの中
断は、潤滑フィルムが薄くなっている点で最も生じやすいと考えられる。図3の
線図は、潤滑フィルムの破壊及び乾燥摩擦が生じたときの、連結ロッド軸受10
のかかる熱電流の熱起電力を示す。この熱電流は、上死点における上記した貫通
接続位置(connecting-through position)が確立されたときに、流れ、かくして
、現れる。
ある程度発生され、これにより、基本電流の低レベル基本曲線が生ずる。しかし
ながら、軸受がダメージを受けることにより、この駆動鎖に高い熱電流が生じた
場合には、作動サイクルのこの特定の相において、曲線に大きなふれ(deflectio
n)が突然生ずることになる。これは、作動サイクルのこの相における熱電流が、
滑り軸受の潤滑フィルムが駆動鎖において中断し、これがこの駆動鎖にダメージ
をもたらす可能性があることを示していることを意味する。この場合のダメージ
は、この駆動鎖のどの滑り軸受にも当然に生ずる可能性があるが、ダメージは、
ふれが作動サイクルの上記した特定の相において生ずる場合には連結ロッド軸受
10において生ずるのが好ましい。この相においては、上記した低インピーダン
ス及びこれに関連する貫通接続特性により、シリンダ壁とピストンとの間と、ピ
ストンボルトとに、導電連続性が常時存在する。これに対して、通常の動作の際
には、常時高速であるので、連結ロッド軸受に動的潤滑フィルムが存在し、この
フィルムは、導電連続性に対して高い抵抗を発揮し、即ち、かかる連続性を遮断
する。更に、このフィルムは、ダメージが発生したときにのみ低インピーダンス
になるとともに、発熱及び異なる軸受材料に関連して潤滑フィルムが少なくとも
一部破壊したときに、連続するガルバニ熱電流を供給する。この熱電流は、熱電
流曲線の上記したふれを、上死点の領域においてのみ、即ち、上記した貫通接続
位置においてのみ発生させる。
ジャーナル2aは、作動サイクルの大部分において下部軸受シェル3に対して押
圧され、その結果、押圧が行われているときにダメージが生ずると、ガルバニ熱
電流が連続して生ずるが、この熱電流は、軸受ジャーナルが下部軸受シェルから
持ち上がって離れたときに途絶し、あるいはピストン13の力が上方へ向けられ
たときに後者を負荷から少なくとも部分的に解放する。力のかかる反転は、吸気
相において行われ、主軸受の下部軸受シェルが負荷から解放されることにより、
熱電流の遮断が行われる。各主ベアリングに関する熱電流のこの一時的な遮断は
、特定の角度位置において行われるので、この遮断は、特定の角度位置において
生ずる場合には特定の主軸受のパラメータとして、かつ、主軸受のダメージを示
すものとして一般に作用することができる。
3気筒内燃機関の熱起電力のプロファイルを示す。内燃機関のシリンダの構成及
び数により異なり、本例の場合には240°のスパーク間隔が、個々のシリンダ
間にあるので、個々のシリンダに関して定められる熱起電力曲線もまた、240
°ずれることになり、これにより、既知の点火シーケンス(この場合には1−3
−2)と表示装置とにより、熱電流がどのシリンダで生じたのか、あるいはどの
連結ロッド軸受で生じたのかを正確に検出することができる。この熱電流は、潤
滑フィルムの中断及び対応する滑り軸受の最初のダメージを示す。
す。この場合に使用されるパラメータは、特定の動作の状態において形成され、
かつ、動作の際の連結ロッド軸受のジャーナルの変位による潤滑剤の厚さhであ
る。実際に、軸受力は、変化する負荷の状態並びに気体の力及び慣性力により方
向及び大きさが連続して変化することが明らかになった。図5は、クランクシャ
フトの回転角の関数としての4行程内燃機関の1つの作動サイクルに関する極線
図における連結ロッド軸受の潤滑材の得られる厚さhと、現在のジャーナルの変
位経路とを示している。この作動サイクルの周期的プロファイルにより、各場合
においてクランク位置が角度で与えられる連続曲線が得られる。これにより、各
作動サイクルの際に1回通る、ジャーナル変位経路と呼ばれるジャーナル変位点
の経路が得られる。ジャーナルは、その位置を、周方向だけでなく、半径方向に
変える。軸受接触面に向かうジャーナルの動きにより、潤滑材は、このプロセス
において一層狭くなるギャップhから追い出される。このギャップが既に小さい
場合には、潤滑フィルムの抵抗は小さくなり、対応する位置が、発生された変動
熱電流を対応する連結ロッド軸受に割り当てる、パラメータとして適した角度位
置である。類似した条件が、主軸受についてつくられる。しかしながら、軸受負
荷は反転している。即ち、上記したように、主負荷が主軸受の場合において下部
軸受シェルに生ずるときには、主負荷は、連結ロッド軸受の場合の上部軸受シェ
ルにおいて生ずる。
を移送するコレクタ18と、回転角度を測定するための手段20、20aとを含
む移送ユニット30が示されている。以下、移送ユニット30の構成について説
明する。
ダプタ31を有していて、アダプタ31は、シャフトの対応する円錐状凹部34
と互に連係して所期の心出しを行う円錐状部33を含んでいる。アダプタ31は
、クランクシャフト1から離隔した側に、心出しフランジ36が係合する別の円
錐状部35を有している。心出しフランジ36は、アダプタ31をクランクシャ
フト1に取着するねじ32に、中心ねじ37を介してねじ止めされている。心出
しフランジ36には、取り付け側から離れた側に、軸受39を介して、第1の固
定ハウジング部材40と外側に向けて連結された中空のシリンダ38が配設され
ている。軸受39は、シールリング41によりアダプタ31から離れて閉止され
る。反対側には、これ以上詳細には説明しない、公知の加速センサ42が、軸受
39に設けられている。この加速センサ42は、例えば、3つの全ての軸線方向
の加速度を検出することができる別体をなす3つの加速センサから構成されてい
る。中空シリンダの内部に配置されているのは、中空シリンダ38と、中空に形
成されるのが好ましいシャフト44とを駆動連結する弾性カップリング素子43
である。
配置され、かつ、連結ウエブ47、48を除き、全周に亘って分配された複数の
周方向スロット49、50をそれぞれ有する2つの中空シリンダ45、46を備
えている。中空シリンダ45、46の隣接する周方向のスロット49、50の連
結ウエブ47、48は、180°偏位している。更に、2つの中空シリンダ45
、46の連結ウエブ47、48は、互いに90°偏位して配置されている。これ
により、クランクシャフトの動作における不規則性は、シャフト44から可能な
限り遠ざけられる。
支持されている第2の固定ハウジング部材53の2つの軸受に取着されている。
マウント54は、外部取着フランジ56を介して、適宜の手段、例えば、機関の
ハウジングに取着することができる支持チューブ55を有している。ハウジング
部材53は、保護チューブ55の内側に、ゴムリング57を介して支持されてい
る。
知される一連のバー(これ以上詳細には説明しない)を有するインクリメントデ
ィスク21を有する、回転角を測定する手段である。本実施の形態においては、
回転角を定める第2の手段20aを配置するのが好ましく、この第2の手段20
aは、第1の手段に対して90°偏位して配置される。第2の手段は、一方では
安全のために使用され、他方ではシャフトの回転運動の変動を補償するために使
用される。
た、シャフトに装着され、摺動接点58はそれぞれ、ばねアーム59により固定
されたハウジング部材53に接続されている。周方向に、異なる軌道60で8つ
の摺動接点を分配配置するのが好ましく、好ましくは、各場合において、2つの
摺動接点58を180°偏位させて同じ軌道60で相互作用させることができる
。コレクタをこのように構成することにより、熱電流を、できるだけ正確にかつ
破壊または抵抗をできるだけ少なくして、出す(tap)ことができるとともに、シ
ャフト44の正しくない動作を補償することができる。
、即ち、クランクシャフトの振動も補償することができるように、中空のシリン
ダ45、46の周方向のスロット49、50と同じようにして構成された周方向
のスロット62が、長さの大部分に亘って設けられているケーシングチューブ6
1により形成されている。ケーシングチューブ61には、可撓性のある保護シー
ス63が設けられている。
制御ユニット14の接続ライン17、23に接続されている。
続性のスキームをクランク角の関数として示す線図である。
して示す線図である。
Claims (14)
- 【請求項1】少なくとも1つのシリンダ(Z1、Z2、Z3)において変位
自在のピストン(13)が連結ロッド(9)を介してクランクシャフト(1)に
連結され、相対的に動くとともに異なる導電性材料から形成された軸受部材間に
配置された潤滑フィルム(5)が滑り軸受(2a、10、11)における温度勾
配に基づいて摩耗したときに生ずる熱電流が制御ユニット(14)において制御
信号として使用される往復動ピストン装置、特に、内燃機関の滑り軸受を監視す
る方法であって、異なる滑り軸受(2a、10、11)間において及び/または
軸受状態間において分化を行うために、得られる熱電流(I)の曲線を増幅しか
つ拡げることにより熱電流曲線をクランクシャフト(1)の回転角度と関連させ
るとともに、得られたこの曲線を少なくとも1つの作動サイクル全体に亘って滑
り軸受のそれぞれの有意の徴候に関して調べることを特徴とする方法。 - 【請求項2】潤滑フィルムの厚さが通常の動作において最小となる角度位置
が、滑り軸受の制御信号を定めるためのパラメータとして選定されることを特徴
とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】軸受ジャーナルの変位経路が、滑り軸受の制御信号を定めるた
めのパラメータとして選定されることを特徴とする請求項1または2に記載の方
法。 - 【請求項4】連係するピストン(13)が圧縮相における上死点(OT)に
近接して配置されているクランクシャフトの位置が、制御信号を定めるためのパ
ラメータとして選定されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の
方法。 - 【請求項5】クランクシャフト(1)のトルク及び/または回転速度が、制
御信号を定めるためのパラメータとして使用されることを特徴とする請求項1乃
至4のいずれかに記載の方法。 - 【請求項6】熱電流(I)は内燃機関のシリンダ(Z1、Z2、Z3)の点
火シーケンスとの関係に置かれることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに
記載の方法。 - 【請求項7】ハウジング(7)にライン(16、17)により接続されると
ともに、往復動ピストンのクランクシャフト(1)に連結されかつ熱電流(I)
が生じたときに制御信号を出力する制御ユニット(14)を備える請求項1乃至
6のいずれかに記載の方法を実施する装置であって、クランクシャフト(1)の
回転角度を感知する手段(20、20a)が制御ユニット(14)に接続されて
いることを特徴とする装置。 - 【請求項8】ピストン(13)の上死点位置を感知する手段が制御ユニット
(14)に接続されていることを特徴とする請求項7に記載の装置。 - 【請求項9】熱電流(I)の移送ユニット(30)を備え、該移送ユニット
(30)は往復動ピストン装置のクランクシャフト(1)に接続することができ
ることを特徴とする請求項7または8に記載の装置。 - 【請求項10】移送装置(30)はクランクシャフト(1)の回転位置及び
回転速度を感知する回転センサ(20)を有することを特徴とする請求項9に記
載の装置。 - 【請求項11】移送ユニット(30)はクランクシャフト(1)に結合する
ことができる、周方向に分配され、好ましくは種々の軌道に分配された複数の摺
動接点(58)を有するコレクタ(18)を含み、前記摺動接点(58)は感知
領域を包囲する固定されたハウジング部材(53)にばねアーム(59)により
接続されていることを特徴とする請求項9または10に記載の装置。 - 【請求項12】移送ユニット(30)はクランクシャフト(1)に結合する
ことができる少なくとも1つの加速センサ(42)を有することを特徴とする請
求項9乃至11のいずれかに記載の装置。 - 【請求項13】移送ユニット(30)はクランクシャフト(1)に同軸をな
して連結することができかつ可撓性のカップリング素子(43)を介してシャフ
ト(44)に連結されるアダプタ(31)を有し、シャフトは固定されたハウジ
ング(53)に取着され、移送ユニット(30)のライン(17、23)が制御
ユニット(14)に接続されていることを特徴とする請求項9乃至12のいずれ
かに記載の装置。 - 【請求項14】可撓性のカップリング素子(43)は一方が他方の上部に同
軸をなして配置され、かつ、連結ウエブ(47、48)を除いて全周に亘って延
びる複数の周方向のスリット(49、50)をそれぞれ有する2つの中空のシリ
ンダ(45、46)を含み、隣接する周方向のスリット(49、50)の連結ウ
エブ(47、48)は180°偏位し、2つの中空シリンダ(45、46)の連
結ウエブ(47、48)は互いに90°偏位し、2つの中空シリンダ(45、4
6)は一端が互いに連結されかつ他端がアダプタ(31)とシャフト(44)と
に連結されていることを特徴とする請求項13に記載の装置。
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