JP2008190963A - 内燃機関などの摩耗量検出方法とその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダドレンなどの微細な鉄粉を含んでいる液体から鉄粉の量を検出してエンジン部品の摩耗状態を検出する。
【解決手段】被測定液体の流路２０を構成している壁面の平坦に形成された部分の対面する位置に、それぞれ電極２２、２３を配置し、該電極部分に微細鉄粉ｔを磁気的に集合させる磁力線発生装置２４を設け、更に前記電極２２、２３の間に集合した微細鉄粉ｔの量を静電容量によって測定する装置を設けたことを特徴とする内燃機関のシリンダ摩耗の検出装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、大型の内燃機関などの潤滑油中に混入している摩耗鉄粉の量を検出することによって、特に大型ディーゼル機関の安全性や耐久性を向上させることができるシリンダ摩耗検知方法とその装置に関する。

舶用の大型のディーゼル機関、特に２サイクルクロスヘッド型ディーゼル機関の場合、２５０〜１０００ｍｍの大直径のものが装備されているのが普通であり、この機関の場合はシリンダライナ，ピストンリング，ピストンともに鋳鉄又は鋼が使用されている。そしてこの機関のピストンとシリンダライナとの間の間隙が大きくなると、前記部品温度が上昇して耐久性が損なわれる。

２サイクルクロスヘッド型ディーゼル機関Ｅの場合、図８に示すようにシリンダライナ１を潤滑する潤滑油は、シリンダライナ１にあけられた注油孔２から専用の潤滑油ポンプによって少量ずつ供給され、ピストン３の動きに伴なってピストンリング４によって掻き上げられながらピストン３とシリンダライナ１及びピストンリング４とシリンダライナ１との間を潤滑する。

ピストンリング４によって掻き上げられた潤滑油の一部は、シリンダライナ１とピストン３及びピストンリング４とシリンダライナ１との間の潤滑を行った後、ピストン３の動きに伴なって上方に移動してシリンダライナ１の上部や高温のピストン３の上部に達する。そしてそこで蒸発、燃焼、変質、あるいは飛散によって潤滑油としての機能を失い、排気ガスと共に排気管より排出される。

一方、ピストン３の頂部や燃焼室などに付着して高温に晒されて固化した潤滑油はデポジット（堆積物、炭化物）となってシリンダ１ａ内に落下する。また、一部の潤滑油は、潤滑油としての性質を保ったままシリンダ１ａ下部の潤滑油受け５（オイルパン）上に落ち、経路６でドレン管７を通って「シリンダドレンｄ」となってオイルタンク８内に収容される。前記ドレン管７を通って排出されたシリンダドレンｄの中には、シリンダライナ１やピストン３やピストンリング４を構成している鉄の摩耗粉が混入している。一方、シリンダライナ１とピストンリング４は鋳鉄あるいは鋼で製造されているので、これらの摩耗で発生する摩耗粉あるいは摩耗鉄粉（以下、鉄粉あるいは微細な鉄粉という。）の主成分は金属鉄もしくは酸化鉄である。

エンジンＥが正常な状態では、シリンダドレンｄの中の鉄粉の濃度は１００ｐｐｍ以下であるが、潤滑不良などで焼付きなどの異常が発生した時にはその濃度が急に上昇することになる。従って、この鉄粉が排出される濃度を検出することによってシリンダライナ１などの異常摩耗を検出することができる。

この鉄粉の増加より異常摩耗を検出した場合は、その原因を推測し、例えば、燃料が原因であると推定できる場合は、その燃料の使用を中止したり、清浄機での燃料の清浄化処理を強化して燃料に含まれている硬質粒子を除去するなどの処置を行なって、それ以上の摩耗の増加を防止するなどの対策を行なっている。

２サイクルクロスヘッド型ディーゼル機関のシリンダライナあるいはピストンリングの摩耗は、通常はエンジンを分解して前記部品の寸法を計測して摩耗の程度を評価している。一般に前記ディーゼル機関の部品の分解検査は１年から２年程度の間隔で実施され、そのデータをもとに部品が十分に寿命を保つように、潤滑油の供給量や運転状態を調整している。

（従来の検査の問題点）
しかしながら、１年から２年の間隔の分解検査では、その間に発生する摩耗の突発的な増加には対応することができない。例えば、燃料中に硬質の粒子（例として、燃料油を製造する際の接触流動分解装置で用いる触媒粒子など）が混入し、数千時間以内の短時間のうちに大きな摩耗が発生することがある。このような一時的に発生する大きな摩耗を放置していると、ピストンリングの摩耗による吹き抜けガスの増大により、シリンダの焼損やピストンの異常摩耗などを惹起することがある。

このような摩耗増加を検知するためには、通常の分解検査の間隔の測定では不可能である。従って、この分解検査と次の分解検査との間にシリンダの摩耗を検知できれば、ディーゼル機関の長期にわたって安全かつ経済的に運転することが可能となる。

そこで、ピストンなどの摩耗量を検出する方法として、シリンダドレン中の鉄の摩耗粉の検出方法が開発されている。シリンダドレン（潤滑油）中の鉄粉の第１の検出方法は、シリンダドレンｄの中の粒子が起こす磁場あるいは電場の変化を検知する方法である（特許文献１）。そして第２の検出方法は、磁石によって鉄の鉄粉を集め、集めた鉄粉の量を光学的な読取装置によって検出するものである（特許文献２参照）。更に第３の方法は、磁石によって鉄の摩耗粉を集め、集まった鉄の摩耗粉による磁場の変化を検出する方法である（特許文献３）。

特開２００６−３１７２５１号公報 特開２００２−２９６１５１号公報 特開２００３−２６２４３６号公報

前記第１の検出方法は、電場あるいは磁場の変化を起こすだけの粒子の大きさが必要であり、そのために数十ミクロン以上の大きさの鉄粉が必要である。しかし、実用の舶用エンジンで発生している鉄粉は数ミクロン以下の小さなものが多く、従って、この方法では正確に摩耗量の評価ができないという問題がある。

前記第２の検出方法は、舶用の大型の２サイクルクロスヘッドディーゼル機関のドレン油は濁っており、それ自体が光の透過が困難であることから、光学的な読み取りが困難である。また、鉄粉以外の不透明な粒子を多く含むために、これらを区別するために特別な処理が必要となる。

前記第３の検出方法は、汚れた潤滑油でも適用可能であり、また、この方法は磁場を用いるので鉄粉を選択的に検出が可能であることからディーゼル機関のシリンダ摩耗の検出には適している。しかし、通常シリンダドレン中の鉄粉の量が少ないために磁場の変化は極めて僅かであり、そのために計測精度の高い磁場のセンサが必要となり、装置が高価なものとなっている。

前記のように前記第１の検出方法は検出精度が悪く、第２の検出方法はシリンダドレンの処理が必要である上に検出精度も悪い。そして第３の検出方法は高価で測定精度の高い装置を必要とするなど何れの方法にも問題があった。

前記課題を解決するための本発明に係る鉄を主体とする機械的摩擦部分の摩耗量の検出方法とその装置の構成は次の通りである。

１）本発明に係る鉄を主体とする部材の摩耗量の検出方法は、被測定液体の流路を構成している壁面の平坦な部分の対面する位置に、それぞれ電極を配置し、更に前記電極部分に微細鉄粉を磁気的に集合させる磁力線発生装置を設けて前記電極間に微細鉄粉を堆積させ、この堆積した微細鉄粉の量を静電容量によって測定する方法であって、前記流路に機械的摩擦部分より発生した微細な鉄粉を浮遊状態で含んだ被測定液体を供給し、該被測定液体中の鉄粉の量より機械的摩擦部分の摩耗量を検出することを特徴としている。

２）本発明に係る内燃機関のシリンダ摩耗の検出装置は、被測定液体の流路を構成している壁面の平坦に形成された部分の対面する位置にそれぞれ電極を配置し、該電極部分に微細鉄粉を磁気的に集合させる磁力線発生装置を設け、更に前記電極間に集合した微細鉄粉の量を静電容量によって測定する装置を設けたことを特徴としている。

３）前記流路を流れる潤滑油の量を測定する装置を設けたことを特徴としている。

４）前記２個の電極のうちの１個の電極の近傍であって、前記鉄粉が集合する部分を避けた別の位置に被測定液体の誘電率に関係した補正電極を設けたことを特徴としている。

ａ）本発明は、対向する電極の間にシリンダを潤滑して排出される潤滑油を通過させ、その間に磁力を作用させ、この潤滑油中に含まれるシリンダライナとピストンリングの摩耗粉を一方の電極側に局部的に集合させ、次いで２つの電極の間の静電容量を測定することによって、前記集合した鉄粉による静電容量の変化を測定する。

そしてこの静電容量の変化と鉄粉の量との関係より、シリンダの摩耗の状態を検出するものである。従って、本発明に係る装置はシリンダドレンの排出回路に簡単に設けることができることから、機関の運転状態、つまり、シリンダライナとピストンリングの摩耗の状態を常時あるいは定期的に測定することができ、それによって機関が損傷して重大事故に発展する危険性を未然に防止することができる。

ｂ）本発明によれば、鉄の摩耗粉の計測する部分は電極のみで形成され、機械的に動く部分が存在しないため、頑丈で壊れにくい構造とすることができる。また、構造が単純なため、測定部の内部にゴミが溜まりにくく、掃除も容易である。

ｃ）微細な摩耗粉も磁力によって蓄積されるので、摩耗がマイルドで鉄の磨耗粉の大きさが数ミクロン以下の場合でも、摩耗粉の量を比較的正確に測定することができる。

ｄ）鉄の摩耗粉が磁力によって蓄積するため、流量を増せばぞれだけ電極間の静電容量の変化が大きくなる。この結果、Ｓ／Ｎ比を大きくとることができるため、安価な静電容量計を使用することができる。

ｅ）本発明によれば、計測が電気的に行なわれるため、特別な技量を必要とせず、常時計測を行うことも可能である。また、ディーゼル機関のような内燃機関のシリンダドレンを本発明に係る装置に自動的に流す装置を設けることによって、全自動で常時、機関のシリンダ摩耗状態を監視できる。そして自動的に計測を行うためには、シリンダドレン管の開閉、計測後の摩耗粉の除去などを自動的に行う装置とすることによって常時、内燃機関の状態を監視し、管理することができる。

本発明に係る方法及びその装置の機能と有用性を確認するために、先ず下記の実験を行った。

図５に本発明の方法及びその装置の性能を確認するための実験装置を示しており、この実験装置Ｔは、傾斜した流路（トラフ）を形成する長い第１電極１０の上方に間隔（１ミリメートル）をおいてこの電極１０に平行する第２電極１１を配置した。そして前記第１電極１０の上流側の下面に永久磁石１２を配置して電極１０と電極１１との間を周回するように磁力線１５を発生させるように構成した。

そしてこの電極１０、１１を静電容量計１３（静電容量式の変位計を改造して作成したもの）に接続した。この静電容量計１３の出力電圧は、静電容量が増大すると増加するように調整した。また、この静電容量計１３の出力電圧を記録計１４によって記録するようにした。

静電容量などの変化を確認するための試料Ｊとして、実際に使用している舶用大型のディーゼル機関のシリンダドレンを用いた。試料Ｊを流したメスシリンダ１６の目盛りを読んで計測した。

前記試料Ｊは、メスシリンダ１６から傾斜している第１電極１０の上端部に供給し、重力によって流した。この試料ｊを第１電極１０の上端部より流すと、試料Ｊ中の鉄粉ｔは磁石１２が発生している磁力線１５の影響を受けて第２電極１１の下側に集合する。この電極１０、１１の間に鉄粉ｔが集合したことで、二枚の電極１０、１１の間の静電容量が増加する。静電容量の変化は鉄粉ｔの集合ないし蓄積に伴なって始めのうちはゆっくりと増加するが、鉄粉ｔが積み重なることによって上昇速度を増していく。

図６は、前記実験の際の静電容量計１３の出力の変化を示している。この実験においては、試料Ｊに含まれている鉄粉ｔが電極１０、１１の間に集合する様子を確認する意味で試料Ｊを間欠的に少量ずつ流した。なお、この試料Ｊを化学分析した結果、その中に含まれている鉄分濃度は２００ｐｐｍであった。

図６は、図５に示した一連の実験装置を構成する静電容量計１３の出力電圧Ｖを縦軸に、横軸に実験の経過時刻をそれぞれ取って描いている。試料Ｊが二枚の電極１０、１１の間に入ると、この試料Ｊの静電容量の影響を受けて静電容量が一時的に上昇する。しかし、この試料ｊの供給を停止するとこの試料Ｊの流出にしたがって静電容量が下がる。このような状態を繰り返しながら計測した。

図６に示したグラフの各点について説明すると次の通りである。

点イは、試料Ｊを流し始める点を、点ロは、二枚の電極１０、１１の間に試料Ｊが流れ込み、この試料Ｊの誘電率によって静電容量が急速に上昇している様子を示している。また、点ハは、試料Ｊの液滴がメスシリンダ１６より落下して電極１０、１１の間に流れ込んで一時的に静電容量が上がったものが、試料ｊの排出とともに低下する所を示している。

図７は、合計９０ｃｃの試料Ｊを使用したシリンダドレンの試料Ｊを流した時の経過であり、前記図６に示した静電容量の変化と同様な変化を示すことを描いている。

試料Ｊを潤滑路を流し込んだときの静電容量計１３のピーク値（ノコギリ状の波形の山の部分）は、試料Ｊである潤滑油の流れ具合によって大きく変動していることが分かる。これは、試料Ｊが電極１０、１１の間を必ずしも満たしていない場合を意味しており、もし、前記電極１０、１１の間に完全に試料Ｊが充満した場合はこのようなバラツキを生じない。

一方、試料Ｊの供給を停止した時の値（ノコギリ状の波形の谷の部分）は安定しているが、最低値が徐々に右上がりに上昇していることが分かる。９０ｃｃの試料Ｊである潤滑油を全部流した後の静電容量計１３の電圧は０．６Ｖであった。これは電極１０、１１間に蓄積した鉄粉ｔの影響であることは明らかである。なお、二枚の電極の間に試料Ｊを充満させながら流すことによっても、鉄粉の蓄積による静電容量変化を計測することが可能である。

（実施例）
本発明は、被測定液体である大型のディーゼル機関より排出されるシリンダドレンｄ、つまり、図８に示すようにシリンダ１を潤滑してオイルパン５に落下して集められたエンジンオイル（シリンダドレンｄ）に、磁場を作用させることで、シリンダドレンｄ中の鉄の摩耗粉である鉄粉に磁力を利用して所定位置に集合させ、次いで図５（あるいは図１）の対面する電極（１０，１１あるいは２２，２３）の間の静電容量の変化を利用し、その変化の原因となった鉄粉ｔの量を検出する点に特徴がある。

図１は、本発明の摩耗粉の測定器Ｍ、特にエンジンのシリンダの摩耗検知装置に適用する装置の基本構成を示す図である。

被測定液体、つまり、シリンダドレンｄを流す流路２０としては、断面において対面して平行な二面を少なくとも一部に持つ流路２０（この部分が角形のものであっても良い）を形成し、この流路２０の終端に流量計２１を連結して前記シリンダドレンｄの流量を測定可能に構成している。

そして前記流路２０の上側の平坦な面に電極２３（第２電極）と、下側の平坦な面に電極２２（第１電極）をそれぞれ対面するように取付けている。そして電極２２の下側に磁気を発生する電磁石２４を配置し、シリンダドレンｄ中に含まれている鉄粉（鉄の摩耗粉）ｔを磁気的に集合（捕捉）させるようにしている。

また、前記電極２２、２３を静電容量計１３に接続し、両電極２２、２３の間の静電容量Ｃが、鉄粉ｔの堆積量によって変化する量を検知することができるようになっている。

シリンダドレンｄは、流路２０の上流より矢印のように供給され、前記電極２２、２３が設けられている部分に配置した電磁石２４（電流の強弱により磁力の強度を変化できるように構成されている。）が発生する磁場Ｇを影響を受けて鉄粉ｔを前記シリンダドレンｄ中から分離させ、て電磁石２４の対面する磁極で形成されている捕捉部２４ａに捕捉するようになっている。

本発明は、鉄の摩耗粉である鉄粉ｔを磁場Ｇによって集め、静電容量Ｃの変化を利用してその鉄粉ｔの量が検出されるものであるが、前記のようにシリンダドレンｄを対面する２枚の電極２２、２３の間を通過させ、その間に電磁石２４が発生する磁場Ｇの作用を受け、捕捉部２４ａを中心として鉄粉ｔを選択的に吸着する。

鉄粉ｔの集合状態によって変化する静電容量Ｃは、電極２２、２３に接続された静電容量計１３によって検出される。そして２枚の電極２２、２３の間の静電容量Ｃは次の式で表される。
Ｃ＝ε０・ε・Ｓ／ｄ
Ｃ：静電容量
ε０：真空の誘電率
ε：電極間の物質の誘電率
ｄ：電極間距離

電磁石２４によって吸着された鉄粉ｔは徐々に集合し、この堆積する厚さによって電極２２、２３間の静電容量Ｃが変化する。しかし、鉄粉ｔは必ずしも平坦に積み重ならないことが多く、鉄粉ｔによる静電容量Ｃの変化は簡単な関係にはならないことがある。

そこで、静電容量の変化を特性曲線で補正することによって静電容量の変化を利用して鉄粉ｔの量を割り出すことが可能であり、本発明はかかる知見に基づいて得られたものである。

周知のように、エンジンオイルなどの潤滑油は誘電率が高い。従って、潤滑油が電極２２、２３の間に満たされている場合と、満たされていない場合とでは静電容量Ｃに大きな差が生ずる。この関係から、常に潤滑油を電極間に満たした状態で計測するか、あるいは常に潤滑油を切った状態で計測することによって潤滑油の影響を除くことができる。

また、図２に示すように、測定する液体を流路２０に一杯満たした状態で計測する際に同じ油で満たされる前記電極２２、２３とは別に、電極２３の後方に参照電極２３Ａを設けることによって潤滑油の影響を補正することができる。

（鉄粉の濃度）
シリンダドレンｄに含まれている鉄粉ｔの「濃度」は、鉄粉ｔの量を電極間２２、２３を通過した潤滑油の量で「除す」ことによって求められる。油の量は流量計２１によって計測することができる。

前記各計測が完了すれば、電磁石２４の磁力を切って電極２２、２３の間に潤滑油または空気を流して電極２２側に吸着された鉄の鉄粉ｔを流し去って次の計測に備える。これらの一連の動作は、制御装置と組合わせることによって自動的に行うことができる。

〔本発明の鉄粉の測定器の構成〕
次に、本発明の摩耗粉である鉄粉ｔの潤滑油に含有されている量を測定する場合の各種の部材について説明する。

１）磁石の配置
図１を参照して測定器Ｍにおける磁力線について説明すると、例えば、図３に示すように電極２２、２３に対して磁石２４Ｘ（この場合、永久磁石を使用する）を磁力線ｍ１が貫く形にする方法と、図４に示すように電極２２、２３の間で磁力線ｍ２が弧を描くようにする方法がある。

図３に示すように、２つの電極２２、２３の間を貫くように磁力線ｍ１が通過すると、鉄粉ｔは２つの電極２２、２３の間に架橋するように積み重なる。この状態になると静電容量が大きくなり、検出し易くなる利点がある。一方、図４に示すように磁石２４Ｙの先端の間から弧状に磁力線ｍ２が発している場合は、鉄粉ｔの堆積に伴う静電容量Ｃの変化が緩やかになり、定量的で測定に有利である。

２）磁石の種類
磁石２４としては、永久磁石あるいは電磁石が適用可能であり、永久磁石の場合は、蓄積した鉄粉を除去する際に磁石を遠ざけるか、あるいは磁力に打ち勝つ程度の強い力で除去することが必要である。一方、磁石が電磁石の場合は、電流を切ることにより、容易に鉄粉を除去できる。この際、残留磁気を除くために逆電流を流すなどの方法を採用することもできる。

３）電極
電極２２、２３は、アルミニウム、銅合金など、非磁性体の金属を用いる。

４）電極２２と２３との間の距離
電極２２、２３の間の距離があまり短いと、シリンダドレンｄの中の大きな粒子が引っかかってしまうので、この粒子が引っかからない距離が必要である。また、電極間の距離が長いと静電容量が小さくなり、測定電圧の周波数を上げる必要がある。そこで、電極間距離としては、大型の舶用機関の場合は、「０．５〜１ｍｍ程度」が望ましい。また、電極２２、２３の面積は、シリンダドレンｄ流量と堆積する鉄粉ｔの量によって最適な広さが決まるが、略１ｃｍ² 程度のものでも良好なデータを得ることができる。

５）静電容量計
静電容量の測定には、次の方法が適用できる。
ａ．高周波に対するインピーダンスを直接計測する。
ｂ．電気的な共振回路を設けて、共振周波数の変化を計測する。
ｃ．静電容量ブリッジを形成し、そのうちのひとつを計測電極とし、高周波電源を接続 し、ブリッジの不平衡電圧を計測する。

前記のように、静電容量の変化が測定可能な回路であれば、如何なる回路でも適用可能である。

６）流量の測定
ａ．容積式、オリフイス式などの流量計を使用する。
ｂ．定量ポンプによって一定量を流すように構成する。
ｃ．一定量のサンプルを流し、流した回数によって計測する。
などの方法の採用が可能である。流した量が計測できる方法であればどのような方法も適用が可能である。

（摩耗量の評価について）
シリンダ部品の摩耗量と鉄粉ｔ（摩耗粉）は、概略次の式で表される。
シリンダ部品の摩耗量∞鉄の摩耗粉の濃度×シリンダ注油量

また、本発明による内燃機関のシリンダ摩耗量の検出方法は、静電容量の変化と鉄の摩耗粉である鉄粉ｔの濃度と正の相関を持っている。ある一定量を電極間に流したときの静電容量の変化と鉄粉の濃度は次式で表すことができる。
鉄粉の濃度＝ｆ（静電容量の変化）

以上をまとめると、次のように記述することができる。
・シリンダ部品の摩耗量∝ｆ（静電容量変化）×シリンダ注油量／シリンダドレン流量
・シリンダ注油量は運転時に計測できる。従って、「シリンダドレン流量と静電容量変化」が計測できると、シリンダ部品（シリンダライナとピストン）の間の摩耗状態を知ることができる。

本発明の実施の形態を示す潤滑油中の鉄粉の濃度の測定装置の概略図である。 図１に示した装置を改良した補正電極を設けた測定装置の概略図である。 測定装置における磁力線の作用方法の説明図である。 測定装置における磁力線の作用方法の説明図である。 本発明の実施例を示す概略図である。 図５に示す装置を使用した静電容量の変化を示すグラフである。 図５に示す装置を使用した静電容量計の波形である。 エンジンの潤滑油の経路を示す概略図である。

符号の説明

Ｍ 摩耗鉄粉の測定器
１０ 第１電極
１１ 第２電極
１２ 永久磁石
１３ 静電容量計
１４ 記録計
１５ 磁力線
１６ メスシリンダ
２０ 流路
２１ 流量計
２２ 第１電極
２３ 第２電極
２４ 電磁石
２４ａ 捕捉部
Ｇ 磁場
Ｃ 静電容量

Claims (4)

1. 被測定液体の流路を構成している壁面の平坦な部分の対面する位置に、それぞれ電極を配置し、更に前記電極部分に微細な鉄粉を磁気的に集合させる磁力線発生装置を設けて前記電極間に微細鉄粉を集合させ、この集合した微細な鉄粉の量を静電容量によって測定する方法であって、
   前記流路に機械的摩擦部分より発生した微細な鉄粉を浮遊状態で含んだ被測定液体を供給し、該被測定液体中の鉄粉の量より機械的摩擦部分の摩耗量を検出することを特徴とする鉄を主体とする部材の摩耗量の検出方法。
2. 被測定液体の流路を構成している壁面の平坦に形成された部分の対面する位置に、それぞれ電極を配置し、該電極部分に微細鉄粉を磁気的に集合させる磁力線発生装置を設け、 更に前記電極間に集合した微細鉄粉の量を静電容量によって測定する装置を設けたことを特徴とする内燃機関のシリンダ摩耗の検出装置。
3. 前記流路を流れる潤滑油の量を測定する装置を設けたことを特徴とする請求項２記載の内燃機関のシリンダ摩耗の検出装置。
4. 前記２個の電極のうちの１個の電極の近傍であって、前記鉄粉が集合する部分を避けた別の位置に被測定液体の誘電率に関係した補正電極を設けたことを特徴とする請求項２記載の内燃機関のシリンダ摩耗の検出装置。

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