JP2005091360A

JP2005091360A - 作動中のディーゼルエンジンの潤滑油の状態をリアルタイムで決定する方法

Info

Publication number: JP2005091360A
Application number: JP2004266724A
Authority: JP
Inventors: Steven R Schachameyer; ロイシャチャメイヤースティーブン; Richard W Hirthe; ウォルターヒールテリチャード; Anne M Brunson; マシューブロンソンアン; Victor E Shtaida; エワルドシュタイダビィクター; Lian Qiang Zou; クワンゾウリアン; Charles J Koehler; ジョンケヒラーチャールズ
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 2003-09-15
Filing date: 2004-09-14
Publication date: 2005-04-07
Also published as: MXPA04009027A; AU2004205345A1; EP1515139A3; CA2481598A1; BRPI0404038A; CN1598560A; EP1515139A2; KR20050027920A; US6844745B1

Abstract

【課題】エンジン潤滑油の有効寿命状態を監視すること。
【解決手段】高及び低周波数の交流電圧で励起される一対の電極(16,18)を備えたプローブ(12)で電流差を測定して、バルク液体インピーダンスと表面インピーダンス間の差ｄＺを計算し、この差の変化率ΔｄＺが一定時間後に決定され、また、(a)リン、酸素及びカーボン(P-O-C)；(b)リン及び二重結合硫黄(P=Ｓ);(c)ジアルキルジチオリン酸亜鉛(ZDDP)、(d)CaC03を測定した総基本数TBN(C03)のグループから選ばれた既知の成分量の潤滑油と、第１領域テーブルの選択パラメータＸ対ｄＺから、ΔｄＺが正の場合のパラメータＸの値を決定し、そして、ＲＵＬ対パラメータＸのテーブル(Ｘ1)からＲＵＬを決定する。ΔｄＺが負の場合、選択パラメータＸの値がＸ対ｄＺテーブルの第２領域から決定される。選択時間後にＸの変化率Ψが決定され、ＲＵＬは潤滑油寿命に関する既知の値ＸEOLから決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンが作動中にディーゼルエンジン潤滑油のような液体の状態を監視して、作動中のエンジンを効果的に潤滑する機能を維持するように液体自体の状態を示す電気信号を供給する方法に関する。

作動中のエンジン潤滑油をリアルタイムで監視する従来の技術では、インピーダンス分光器が利用されている。この分光器は、一対の電極が潤滑油タンクに浸漬され、一つの電極が低レベル交流電圧により比較的高い周波数で続いて比較的低い周波数で励起され、両周波数の電流を測定してインピーダンスを計算し、そして、潤滑ストレスが作用する種々の段階で液体の既知の特性に関連するインピーダンス差を計算する。次に、インピーダンス差は、リアルタイムで既知の値と比較され、インピーダンス差と既知の液体状態のルックアップテーブルに基づいて、エンジン作動中の液体の瞬時の状態が決定される。

このようなインピーダンス分光器技術を利用した潤滑油モニターは、本発明の譲受人に譲渡された特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４に示され説明されている。前述の特許文献１には、特に自動変速機の液体および自動車モーターオイルのエンジン冷媒の存在を決定するためにインピーダンス分光器を利用する技術が開示されている。

特許文献２には、自動車の火花点火ガソリン燃料エンジンで用いられるタイプの合成モーターオイルを監視する方法として、インピーダンス分光器を利用して、既知のエンジンオイル状態に対する異なる周波数で連続的に電流を測定して計算されたインピーダンスを比較することによって、作動中のエンジン潤滑油の即時の残存有効寿命(ＲＵＬ)をリアルタイムで決定することが開示されている。
米国特許第６，２７８，２８１号米国特許第６，３７７，０５２号米国特許第６，３８０，７４６号米国特許第６，４３３，５６０号

エンジンの作動中に、圧縮点火エンジンまたはディーゼルエンジンの潤滑油の状態を監視することが要望されていた。ディーゼルエンジンでは、潤滑油の悪化を防いで、ディーゼル燃料を効果的に燃焼させるために、潤滑油の製造業者によって、独特の添加物すなわち組成物が潤滑油に混合されていた。このように、ディーゼルエンジンの潤滑油は、ガソリンあるいは他の燃料を燃焼させる火花点火式エンジン用の潤滑油とは実質的に異なる化学組成の添加物で構成されていた。したがって、エンジン作動中に、ディーゼルエンジンの潤滑油の状態をリアルタイムで電気的に正確に示すインピーダンス分光器を利用する技術及び方法が望まれていた。

本発明は、エンジンの潤滑油に浸漬された１対の電極を有するプローブを採用して、低交流電圧を用いて比較的高い周波数および比較的低い周波数で次々と一つのプローブを励起させて、両周波数で電流を測定し、インピーダンスの変化のアナログ信号として電流差を利用するインピーダンス分光器技術を適用する。インピーダンス差は、ルックアップテーブルの添加物消耗特性を有するディーゼル潤滑油のサンプル用に測定された値と比較され、パーセントＲＵＬが決定される。

本発明の方法は、液体が新しいかまたは部分的にストレスを受けた場合に最高値に増加し、また、適正なストレスを受けている間の最高値から、十分にストレスを受け、かつ、ほぼゼロＲＵＬに達した最低値へ減少するインピーダンス差(ｄＺ)の傾向を利用する。本発明の方法は、選択された抽出期間中にインピーダンス差の変化率(ΔｄＺ)あるいは変化勾配を決定し、ここで、ΔｄＺが正の場合、既知の添加物消耗値のルックアップテーブルの第１領域から関連する値を読みこんで、また、ΔｄＺが負の場合、ルックアップテーブルの第２領域から関連する値を読みこむ。本発明の実施の形態では、テーブルは、(ａ)リン、酸素、カーボン(Ｐ−Ｏ−Ｃ)、(ｂ)リン及び二重結合硫黄(Ｐ＝Ｓ)、(ｃ)カルシウム炭酸塩の消耗関数としての酸度あるいは総基本数(ＴＢＮ)(ＣＯ3)、または、(d)ジアルキルジチオリン酸亜鉛（Zincdialkyldithiophosphate；ZDDP)、から構成されるグループから選択されたパラメータＸの消耗（減少）の値を測定することにより編集される。また、液体状態あるいはＲＵＬの既知の値のテーブルは、既知の潤滑油ストレス状態のレベルでディーゼルエンジンから得られた潤滑油サンプルをフーリエ変換赤外線分光器(Fourier Transform Infrared Spectroscopy:FTIR)で実験室で測定してそれぞれパラメータ(ａ)〜(ｄ)毎に決定される。

図１を参照して、本発明のシステムが１０で示されており、内側の円筒状電極１８から同心的に半径方向に離れて配置された、円筒状で外側のピックアップ電極すなわち測定電極１６を構成する符号１２で示すプローブを有している。各電極１６，１８からそれぞれターミナルストリップ２０，２２が軸方向に延在され電気的に接続されている。電子制御装置１０は、ターミナルストリップ２２に接続されたリード２４およびターミナルストリップ２０に接続されたリード２６を有している。本発明の好適な実施の形態では、プローブは、「液体状態モニター用プローブアセンブリ及びその方法」という名称で２００２年１月３１日に出願番号１０／０６０，１０７として出願され、２００３年８月５日に米国特許公開第２００３−０１４１，８８２号として発行され、本発明の譲受人に譲渡された上記出願に示されると共に説明されているように形成されている。しかしながら、前述した特許文献１〜３に開示された平面状の交互嵌合式電極、または、らせん状の電極などの他のプローブの形態を採用することができる。

コントローラ１０は、信号発生セクションすなわち信号生成セクション２８と信号処理及び信号出力セクション３０を有している。

信号発生セクション２８は、約１ボルト以下の比較的低い交流電圧を供給する。本発明の実施の形態では、プローブは０．７５０ボルトＲＭＳで励起されるが、他の電圧レベルを使用して有効なＳＮ比を提供することもできる。セクション２８は電源３２を備えると共に、オシレータ３４を備えており、比較的高い周波数電流及び比較的低い周波数電流をプローブ励起回路３６に供給して、ライン２４を介して電極１８を、高い周波数及び低い周波数で次々と励起させる。本発明の実施の形態では、低い周波数は約３０ミリヘルツ（milliHertz)が選択され、また、高い周波数は１００ヘルツ(Hertz)が選択される。低い周波数は電極の表面の特性により変化するし、また、高い周波数はバルク液体特性により変化することを理解されたい。低い周波数は１０〜１００ミリヘルツの範囲が好適であり、また、高い周波数は１０〜１０，０００ヘルツの範囲が好適である。

信号処理セクションは、ライン２６を介して電流検知回路３８にプルーブ電流を受け取り、インピーダンス差ｄＺを計算するコンピュータ４０に入力信号を供給する。コンピュータ４０は、後述するように、液体状態パラメータＸの既知の値をインピーダンス差ｄＺに関連させるように作動して、コンピュータ４４にＲＵＬを決定する入力信号を供給すると共にディスプレイ４６に出力信号を供給する比較回路４２に入力信号を供給する。

図２ａ〜図２ｃを参照すると、電子制御装置１０の信号発生セクション２８及び信号処理セクション３０の信号処理フローが示されている。ここで、ステップ５０で開始すると、ステップ５２でコンピュータ４０が(図示されていない)温度センサから液体温度入力を受信し、ステップ５４に進み、液体温度Ｔfが最低許容限界ＴMIN及び最高許容限界ＴMAX内にあるかどうかを判定する。ステップ５４の判定が否定的である場合、システムは温度が所定の許容限界内になるまで維持されるか、停止される。ステップ５４で肯定的である場合、システムはステップ５６に進み、励起回路３６は高い周波数でプローブを励起して、電流センサは電流ＩHIを測定する。次に、システムはステップ５８でインピーダンスＺHIを計算し、ステップ６０に進み、ここで、回路３６は低い周波数でプローブを励起し、電流センサで電流ＩLOを測定する。次に、システムはステップ６２に進み、電流測定値ＩLOからインピーダンスＺLOを計算する。次に、システムはステップ６４に進み、インピーダンス差ΔZを計算して、ステップ６６に進み、インピーダンス差ｄＺとしてΔＺの絶対値を得る。

次に、システムはステップ６８に進み、ｄＺをｄＺ1として記憶し、そして次に既定時間遅れのためにステップ７２に進み、次にステップ７４に進み、ステップ５６からステップ６６を繰り返し、ステップ７６に進み、ｄＺ2として結果を記憶する。
本発明の実施の形態では、ステップ７２の時間遅れΔｔが、もし約２時間に設定された場合に満足されると判断されると、ｄＺの変化率を正確に決定できるように適正な期間が選択される。次に、システムは、コンピュータ４４を介してステップ７８に進み、ｄＺの変化率ΔｄＺを計算する。次に、コンピュータはステップ８０に進み、ΔｄＺが正かどうか判定し、コンピュータはステップ８８に進んだ場合には、(ａ)リン、酸素、カーボンＰ−Ｏ−Ｃ、(ｂ)リン、二重結合硫黄Ｐ＝Ｓ、(ｃ)カルシウム炭酸塩ＣａＣＯ3、ＣＯ3及び(ｄ)ジアルキルジチオリン酸亜鉛(ＺＤＤＰ)のグループから選択したパラメータＸを選択して、次に、ステップ９０に進み、テーブルの領域ＩのＸ対ｄＺの値のテーブルからパラメータＸを決定する。

テーブルは図３〜図６のグラフから得られるデータ点から編集されることを理解されたい。次に、システムは所定の時間遅れΔｔのためにステップ９４に進む。

ステップ８０の判定が否定的である場合には、コンピュータはステップ８２に進み、勾配の絶対値が約０．５と等しいか、あるいは約０．５よりも大きいかを判定する。ステップ８２の判定が否定的である場合、システムはステップ８８に進む。

但し、ステップ８２の判定が肯定的である場合、ΔｄＺの負勾配は幾分急勾配であることを意味し、コンピュータはステップ８４に進み、前述のパラメータの１つからパラメータＸを選択し、次に、ステップ８６に進み、図３〜図６の一つから編集されるテーブルの領域ＩＩのＸ対ｄＺの値のテーブルから変数Ｘを決定する。次に、コンピュータはＸ１として決定された値を記憶する。

次に、コンピュータは所定時間遅れΔｔのためにステップ９４に進み、次に、ステップ９６へ進んで、ステップ５６からステップ９０を繰り返して、ステップ９８でＸ2として結果を記憶する。

次に、コンピュータはステップ１００に進み、Ｘ２とＸ１の差をΔｔで割って消耗率Ψを計算する。次に、コンピュータは、ステップ１０２で潤滑油の有効寿命の最後に記憶されたＸEOLまたはパラメータＸの値を検索して、ステップ１０４に進み、Ｘ2からＸEOLを引いて消耗率Ψで割って、残存有効寿命(ＲＵＬ)を計算する。

次に、コンピュータはステップ１０６でディスプレイに信号を出力する。ディスプレイは、ＲＵＬが閾値レベルに達した場合の運行指示あるいはアラームであることを理解されたい。

本発明の実施の形態では、ｄＺの値が、最高ピーク値の約２０パーセント(２０％)のレベルに増加した時に、図３〜図６のグラフを領域Ｉと領域ＩＩに分離するように決定され、コンピュータはほぼゼロのＲＵＬを直接示すようにプログラムさせることができる。

本発明の実施の形態では、図３〜図６のグラフは、液体ストレスが漸進的に増加されるレベルで、ディーゼルエンジンの潤滑油のドレンサンプルを連続的に取ることによって得られる。次に、サンプルは、Ｐ−Ｏ−Ｃ、Ｐ＝Ｓ、ＣＯ3及びＺＤＤＰの量が、図９に示す表の領域の分光密度を観察することにより既知のＦＴＩＲ技術によって試験される。

図６を参照すると、エンジン潤滑油に混合すなわち添加する前の状態のＺＤＤＰのパーセント伝達ＦＴＩＲ分光トレースが示されている。図６から、ＺＤＤＰは、９７０ｃｍ^-1及び６４５ｃｍ^-1の周波数で赤外線伝達０、すなわち、これらの周波数で完全に吸収されることに注目されたい。このＺＤＤＰの特徴は分光器にかなり有用であることがわかってきており、これらの周波数で潤滑油の赤外線伝達ロスは、潤滑油の特定のサンプルに残ったＺＤＤＰのパーセントをアナログ的に示すものとして扱わうことができる。

図７及び図８を参照すると、２５時間、１１２時間および２７５時間の選択された間隔のエンジン作動中に、エンジンオイルドレンのサンプルを取り、各サンプルの分光トレースが新しいオイルのトレースと共に周波数帯域９７０ｃｍ^-1及び６５５ｃｍ^-1にプロットされている。これらの周波数はＰ−Ｏ−ＣおよびＰ＝Ｓにそれぞれ対応する。採用した技術では、図９の表に示す周波数帯域内で起こる各サンプルのピーク間に引かれたベースラインを利用する。図７及び図８に影で示された、周波数帯域のベースラインの下側にトレースされた領域が計算され、面積の減少が既知のストレスレベル状態の各サンプルのために測定される。ＺＤＤＰのパーセント減少は既知であり、サンプルは本発明のプローブにより測定され、インピーダンスｄＺの変化が測定され、そして、ｄＺの関数としてパーセント減少の値のテーブルが確立される。従って、図７及び図８から、ストレスを受ける潤滑油のサンプルが前述したＦＴＩＲ技術によって分析され、その結果、監視領域のベースラインの下側のトレース面積がほぼゼロを示し、監視周波数でほぼ吸光度はなくなり、ＺＤＤＰは完全に消耗（減少）してしまう。

再度図３及び図４を参照すると、潤滑油のストレス増加の関数としてのＰ＝Ｓ及びＰ−Ｏ−Ｃのプロットから、選択されたセンサ出力ｄＺの値は、ＺＤＤＰの総消耗を表す領域のＰ−Ｏ−Ｃの最低値に対応することがわかり、また、このｄＺの値は、潤滑油の寿命として選択することができる。同様に、図４には、潤滑油のストレス増加の関数としてのＰ＝Ｓのプロットは、図３に示すＰ−Ｏ−ＣのｄＺの値と同様に、総添加物消耗に対応して最低値に達している。このように、潤滑油状態の関数としてのｄＺの値のルックアップテーブルは、潤滑油に残存しているＺＤＤＰの量を示す選択された周波数でスペクトルを利用して編集することができる。

また、弱い酸度ＴＢＮ(ＣＯ3)は、米国材料試験協会(ＡＳＴＭ:American Society For Testing Materials)の規格Ｄ４７３９−２「電位差滴定による基数を決定するための標準試験法(Standard Test Method For Base Numeber Determinaition By Potentiometric Titration)」で測定することができる。

図３〜図６に示すグラフは、本発明の技術によって、漸進的にストレスを受ける潤滑油であるディーゼルエンジンオイルのサンプルを順次測定して得られるデータに基づいており、また、ｄＺ値は、ステップ５０〜７０に従ってサンプル用に計算される。次に、図９の表にリストアップされた各潤滑油混合添加物の量は、ＦＴＩＲ実験分析により個々に決定される。次に、各添加物タイプ用のｄＺの値に関連させたテーブルが編集され、データセットが、図３〜図６に示すようにプロットされる。図３〜図６の横すなわち「Ｘ」軸は、漸進的にストレスを受ける潤滑油の選択された間隔で得られた連続的なサンプルを表している。図３〜図６の横軸上のゼロは新しいオイルを表しており、また、横軸上の１４は、前述した実験分析により定められた同じオイルの有効寿命の終わりのオイルサンプルを表しており、全ての添加物が化学的に消耗した時である。図３〜図６のプロットからわかるように、ｄＺは潤滑油が最大値で適当なストレスを受けている領域Ｉでは増加しており、その後、潤滑油の有効寿命の終わり（ＥＯＬ）ではさらにストレスを受けてｄＺは減少する。

次に、グループ中の添加物の一つが選択され、テーブルすなわちグラフのデータが回路１０のセクション３０のコンピュータ４０，４２にプログラムされることによって、潤滑油のＲＵＬをｄＺにリアルタイムで関連させることができる。本発明の図３〜図６のデータは、米国石油協会(ＡＰＩ:American Petroleum Institute)のカテゴリであるＳＡＥ２５Ｗ−４０粘性規格(viscosity rating)のＣＨ４，ＣＦオイルから定められた。本発明の技術として、他のＡＰＩカテゴリ(本発明を限定するものではないが、ＣＦ−４，ＣＧ−４、ＣＦ−２並びにＳＡＥ３０，ＳＡＥ２５Ｗ−４０などの他のＳＡＥ粘性規格)を採用することができる。

コンピュータ回路４２は、混合添加物の化学的タイプがモニターで追跡できる図３〜図６のいずれか一つから得られるルックアップテーブルでプログラムすることができる。さらに、ほぼゼロＲＵＬを表すために割り当てられたｄＺの値は、エンジン製造業者の推薦に従って添加物を消耗させるように変えることができ、また、ステップ８３の閾値の決定は、要望があればエンジン製造業者の推薦に従ってｄＺMAXの０．２(２０％)以外を選択することができる。

本発明は、インピーダンス分光器を用いて、ディーゼルエンジンの作動中の潤滑油の即時の状態をリアルタイムで示す有効な方法を提供する。本発明は、電子制御装置を備えた潤滑油タンク内に浸漬され間隔をあけて配置された電極を有するプローブを利用する。電子制御装置には電流を測定する電極が接続され、低レベル交流電圧で励起された時に、比較的高い周波数及び比較的低い周波数で順次測定され、インピーダンス差を計算して、既知のディーゼル潤滑油用に定められた記憶値と比較される。次に、電子制御装置は比較することにより、潤滑油の残存有効寿命を決定し、エンジンオペレータへアラーム表示をする。

上述したように、本発明は、具体的な実施の形態に関して説明されているが、本発明は、修正及び変更が可能であり、添付された請求の範囲のみに限定されるものである。

本発明の方法を採用したシステム図及びブロックダイアグラムである。本発明の方法の信号処理のブロックダイアグラムである。本発明の方法の信号処理のブロックダイアグラムである。本発明の方法の信号処理のブロックダイアグラムである。漸進的に増大されたストレス状態の潤滑油サンプル用のＰＯＣ及びｄＺの値をプロットして示すグラフである。潤滑油ストレスの関数としてのＰ＝Ｓ用の図３と同様のグラフである。漸進的に増大されたストレス状態のＴＢＮあるいは炭酸塩減少用の図３と同様のグラフである。潤滑油に添加される前のＺＤＤＰのＦＴＩＲ伝送スペクトルトレースである期間間隔でエンジンから得られた潤滑油サンプルのＦＴＩＲ伝送スペクトルトレースであり、ベースラインより下方の影の領域でＰ−Ｏ−Ｃの周波数範囲のストレスレベルが増加している。期間間隔でエンジンから得られた潤滑油サンプルのＦＴＩＲであり、ベースラインより下方の影の領域でＰ＝Ｓの周波数範囲のストレスレベルが増加している。本発明の方法に採用される潤滑油添加物を示す表である。

符号の説明

１０電子制御装置（コントローラ）
１２プローブ
１６，１８電極
２０，２２ターミナルストリップ
２４，２６リード
２８信号発生セクション
３０信号出力セクション
３２電源
３４オシレータ
３６プローブ励起回路
３８電流検知回路
４０、４４コンピュータ
４２比較回路
４６ディスプレイ

Claims

作動中のエンジン潤滑油の状態をリアルタイムで監視する方法であって：該方法は、
（Ａ）一対の間隔をあけて平行に配置した電極(１６，１８)を備えたプローブ(１２)を監視される液体中に浸漬させるステップと；
（Ｂ）前記一対の電極の一つを第１の比較的高い周波数の交流電圧で励起し(５６)、また、前記一対の電極の一つを第２の比較的低い周波数で励起して(６０)、前記第１および第２周波数で電流を測定する(３８)ステップと；
（Ｃ）前記第１周波数でバルク液体インピーダンスを計算する(５８)と共に、前記第２周波数で液体‐電極インターフェイス(表面)インピーダンスを計算して(６２)、これらのインピーダンスからインピーダンスの差(ｄＺ)を計算する(６４)ステップと；
（Ｄ）選択した時間間隔遅らせて(７２)、前記ステップ(Ａ)〜(Ｃ)を繰り返して、他のｄＺの値を計算する(７４，７６)ステップと；
（Ｅ）選択した時間間隔(Δｔ)でｄＺの変化率(ΔｄＺ)を計算し(７８)、潤滑油の残存有効寿命(ＲＵＬ)の値を次のように決定するステップと；
(ｉ)ΔｄＺが正の場合、(ａ)リン、酸素及びカーボン(Ｐ−Ｏ−Ｃ)；(ｂ)リン及び二重結合硫黄(Ｐ＝Ｓ);(ｃ)ジアルキルジチオリン酸亜鉛(ＺＤＤＰ);および(ｄ)ＣａＣＯ3を測定した総基本数ＴＢＮ(ＣＯ3)、のグループから選ばれた成分量が既知の潤滑油、及び、テーブルの第１領域における選択パラメータＸ対ｄＺのテーブルから物理化学的パラメータ(Ｘ)の値を決定し(９０)、そして、ＲＵＬ対パラメータＸのテーブル(Ｘ１)からＲＵＬを決定する(１０４)ステップと；
(ｉｉ)ΔｄＺが負の場合、Ｘ対ｄＺのテーブルの第２領域から選択パラメータＸの値を決定する(８６)ステップと;
(Ｆ)選択時間遅れΔｔの後、ステップ(Ｂ)〜(Ｅ)を繰返し、Ｘの第２値(Ｘ2)を決定して、式Ψ＝(Ｘ２−Ｘ１)／ΔｔからＸの変化率Ψを計算する(１００)ステップと；
(Ｇ)Ｘと既知のＸEOLの差を変化率Ψで割って〔ＲＵＬ＝(Ｘ−ＸEOL)／Ψ〕、パーセントで表した残存有効寿命(ＲＵＬ)を計算する(１０４)ステップと、を特徴とするエンジン潤滑油の状態を監視する方法。
前記ステップ(Ｅ)(ｉｉ)は、ΔｄＺが約１より大きい負勾配であることを決定するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記電極の１つを励起するステップは、１ボルトＲＭＳ以上の交流電圧を印加するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
ΔｄＺが負の場合にＲＵＬの値を決定する前記ステップは、ｄＺがｄＺMAXの約２５％以下で、かつ、正である場合に、ＲＵＬがほぼゼロであることを示すステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。