JP2009270873A - 油膜厚さ計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの回転速度が不安定であっても、電圧信号の変動による油膜厚さの計測精度の低下を防止することができる油膜厚さ計測装置および方法を提供する。
【解決手段】膜厚信号を検出する膜厚信号検出器１４と、クランクシャフト４のクランク角度θを検出するクランク角度検出装置１６と、検出されたクランク角度θと膜厚信号からから油膜厚さを演算する膜厚演算装置１８とを備える。膜厚演算装置は、複数サイクル分の、クランク角度θとこれに対応する膜厚信号を順次記憶し、これから統計処理により油膜厚さｄを求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン内の油膜厚さ計測装置および方法に関する。

エンジン運転時におけるシリンダ内部の油膜厚さを計測する手段として、特許文献１、２が既に提案されている。

特許文献１の油膜厚さ測定法は、電気容量法によるピストンリング油膜厚さの計測法において、絶縁被膜を施した表面がピストンリング外周面に露出するようにピストンリングに埋設したピックアップ電極を使用し、前記ピックアップ電極をアルミニウム製としその表面の絶縁被膜を陽極酸化被膜としたものである。

特許文献２の「膜厚計測装置及び方法」は、エンジンシリンダ内部のピストンリング摺動面における油膜の膜厚を、精度良く且つ低コストで計測することを目的とする。

そのため、この装置は、図８に示すように、シリンダライナのピストンリング摺動面と面一に設けられた電極５１とピストンリング５２との間隙の静電容量Ｃを計測することによって間隙に形成された潤滑油の油膜の膜厚ｄを計測する膜厚計測装置であって、電極５１に定電流を供給することによって静電容量Ｃに対して充電を行い、充電に伴う充電電圧の変化に基づいて静電容量Ｃを検出し、静電容量を示す検出信号を出力する静電容量検出部５３と、静電容量検出部５３から入力された検出信号が示す静電容量に基づいて油膜の膜厚ｄを算出する膜厚演算部とを具備するものである。

特公平０２−３０４４１号明細書、「シリンダ内周面とピストンリング外周面の油膜厚さ測定法」 特開２００７−１０７９４７号明細書、「膜厚計測装置及び方法」

上述した特許文献１の静電容量方式による油膜厚さの計測手段では、油膜の静電容量Ｃを計測し、静電容量Ｃを電圧信号Ｖｃに変換して出力し、これから油膜厚さｄを算出している。

静電容量Ｃと油膜厚さｄは、以下の関係がある。
Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ ・・・（１）
ここで、Ｓは電極５１の電極面積、εは誘電率である。

図９は、特許文献２のクランク角度と出力電圧の関係を示す図である。
油膜厚さｄが小さいほど静電容量Ｃが大きく、電圧信号Ｖｃは静電容量Ｃに比例する。そのため、最も油膜厚さが薄くなる、ピストンリング位置の油膜厚さデータは、急峻なピーク波形を描く。

従来、エンジンの１サイクル毎にこの関係を出力し、ピストンリングに対応するピーク波形の電圧信号Ｖｃを求め、これから油膜厚さｄを演算して求めていた。
しかし、エンジン運転中において、電圧信号Ｖｃの変動が大きく、正確な油膜厚さを得ることが困難であった。この傾向は、特に、エンジンの回転速度が不安定となる低速域では顕著であり、正確な油膜厚さが得られない問題点があった。
なお、１サイクル中の近傍のデータで移動平均をとるというノイズ除去手段は、ピーク波形がなまってしまうため、適用できなかった。

本発明は上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、エンジンの回転速度が不安定であっても、電圧信号の変動による油膜厚さの計測精度の低下を防止することができる油膜厚さ計測装置および方法を提供することにある。

本発明によれば、ピストンリングを有するピストンに連結されたクランクシャフトを有するエンジン内の油膜厚さ計測装置であって、
クランクシャフトのクランク角度を検出するクランク角度検出装置と、
膜厚信号を検出する膜厚信号検出器と、
検出されたクランク角度と前記膜厚信号から油膜厚さを演算する膜厚演算装置とを備え、
該膜厚演算装置は、複数サイクル分の、クランク角度とこれに対応する前記膜厚信号を順次記憶し、これから統計処理により油膜厚さを求める、ことを特徴とする油膜厚さ計測装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記膜厚信号検出器は、シリンダライナのピストンリング摺動面に面一かつ電気的に絶縁して埋設された膜厚計測用の電極と、
前記電極とピストンリングとの間の油膜の静電容量に比例する膜厚信号を検出する静電容量方式膜厚信号検出器とからなる。
また、前記統計処理により、クランク角度に対応する複数サイクル分の平均膜厚信号を求め、任意のクランク角度の平均膜厚信号から油膜厚さを求める。

また、別の好ましい実施形態によれば、前記統計処理により、サイクル毎に、任意のクランク角度と膜厚信号を記憶し、これから油膜厚さの平均値及び／又は分散を算出する。

また、本発明によれば、ピストンリングを有するピストンに連結されたクランクシャフトを有するエンジン内の油膜厚さ計測方法であって、
クランクシャフトのクランク角度を検出し、
膜厚信号を検出し、
複数サイクル分の、クランク角度とこれに対応する前記膜厚信号を順次記憶し、これから統計処理により油膜厚さを求める、ことを特徴とする油膜厚さ計測方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、シリンダライナのピストンリング摺動面に面一かつ電気的に絶縁して埋設された膜厚計測用の電極とピストンリングとの間の油膜の静電容量に比例する膜厚信号を検出する。
また、前記統計処理において、クランク角度に対応する複数サイクル分の平均膜厚信号を求め、任意のクランク角度（例えば、急峻なピーク波形を描くピストンリングの位置）の平均膜厚信号から油膜厚さを求める。

また、別の好ましい実施形態によれば、前記統計処理において、サイクル毎に、任意のクランク角度（例えば、急峻なピーク波形を描くピストンリングの位置）と膜厚信号を記憶し、これから油膜厚さの平均値及び／又は分散を算出する。

上記本発明の装置および方法によれば、膜厚演算装置により、複数サイクル分の、クランク角度とこれに対応する膜厚信号を順次記憶し、これから統計処理により油膜厚さを求めるので、エンジンの回転速度が不安定であっても、膜厚信号の変動による油膜厚さの計測精度の低下を防止することができる。

すなわち、ピストンリング位置とクランク角度は、エンジンの回転速度が不安定であっても、常に正確に対応しているので、同一のクランク角度に対応して検出された膜厚信号は、同一のピストンリング位置に常に正確に対応している。
従って、同一のクランク角度に対応する複数の検出された膜厚信号をデータとして統計処理することにより、膜厚信号にバラツキや変動があっても正確な油膜厚さを求めることができる。
また、同一のクランク角度に対応して検出された膜厚信号は、同一のピストンリング位置に常に正確に対応しているので、エンジンの回転速度が不安定であっても、回転数変動に影響されずに正確な油膜厚さを求めることができる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明による油膜厚さ計測装置の実施形態図である。
この図において、本発明の油膜厚さ計測装置１０は、ピストンリング２を有するピストンに連結されたクランクシャフト４を有するエンジン内の油膜厚さ計測装置であり、膜厚計測用の電極１２、膜厚信号検出器１４、クランク角度検出装置１６および膜厚演算装置１８を備える。

膜厚計測用の電極１２は、シリンダライナ１のピストンリング摺動面１ａに面一かつ電気的に絶縁して埋設されている。

膜厚信号検出器１４は、この例では、静電容量方式膜厚信号検出器であり、電極１２とピストンリング２との間の油膜３の静電容量Ｃに比例する膜厚信号を検出し、検出した膜厚信号を膜厚演算装置１８に出力する。膜厚信号は、この例では電圧信号Ｖｃであるが、静電容量、又は電流信号、その他の信号であってもよい。
なお、膜厚信号検出器１４は静電容量方式に限定されず、レーザ誘起蛍光法、その他であってもよい。以下、静電容量方式の場合を説明する。

図２は、図１の膜厚計測用の電極の詳細図である。
この図において、膜厚計測用の電極１２は、円筒形状のセンサ電極１２ａを絶縁材１２ｂで同心円状に被覆し、さらに上記絶縁材１２ｂの外周を導電体のセンサケース１２ｃによって同心円状に被覆した構造となっている。このような電極１２は、ピストン摺動面１ａに対して面一となるようにセンサ取付孔に圧入されている。
センサ電極１２ａは、ピストンリング２と対向した場合に、ピストンリング２を対向電極とし、油膜３を誘電体とするコンデンサ（計測コンデンサ）を形成する。

センサ電極１２ａは、同軸ケーブル１３を介して膜厚信号検出器１４に接続されている。また、図に示すように、同軸ケーブル１３のシールド層を形成する編組線の一端は導電体のセンサケース１２ｃに接続され、他端は膜厚信号検出器１４の接地部（ＧＮＤ：グランド）と接続されている。これにより、センサケース１２ｃと膜厚信号検出器１４とは共通接地されている。

図３は、図１の膜厚信号検出器の詳細図である。
この図において、センサ電極１２ａ、油膜３、およびピストンリング２で油膜３を誘電体とする静電容量Ｃのコンデンサが構成されている。また、膜厚信号検出器１４は、電源電圧Ｖ１、負電圧（−Ｖ２）、抵抗Ｒ１、Ｒ２、リセットスイッチ１４ａ、およびＣ／Ｖ変換基板１４ｂからなる。
電源電圧Ｖ１と抵抗Ｒ１は、定電流回路として、センサ電極１ａに直列に接続する。抵抗Ｒ２、負電圧（−Ｖ２）、および定電流を供給するリセットスイッチ１４ａは、放電回路を構成する。Ｃ／Ｖ変換基板１４ｂは、電圧変化から静電容量Ｃに比例する電圧信号Ｖｃを出力するようになっている。

膜厚信号検出器の原理について、以下に説明する。
図３に示すように、電源電圧Ｖ１と抵抗Ｒ１からなる定電流回路から定電流をセンサ電極１２ａに供給することにより静電容量Ｃのコンデンサを充電する。 Ｃ／Ｖ変換基板１４ｂにより、充電時の充電電圧が０Ｖから所定の電圧値に上昇するまでの充電時間から計測コンデンサの静電容量Ｃを求めることができる。なお、連続して静電容量Ｃを計測するためには、充電した電荷を放電する必要がある。そこで、所定の周期でリセットスイッチ１４ａをＯＮにし、計測コンデンサにリセット用電源から負電圧（−Ｖ２）を印加することで電荷の放電を行うようになっている。

図３に示すように、図２の膜厚計測用の電極１２には、センサ電極１２ａとセンサケース１２ｃの間に電極固有の静電容量Ｃ１が存在する。この静電容量Ｃ１は、油膜の存在しない状態で、膜厚信号検出器１４をキャリブレーションすることで予め求めることができる。
従って、実際の計測においては、静電容量Ｃ＋Ｃ１を上述した膜厚信号検出器１４で求め、これから電極固有の静電容量Ｃ１を除去して求める。

図４は、本発明におけるクランク角度検出装置１６の説明図である。この図において、（Ａ）は、Ｚ相パルス、（Ｂ）はエンコーダ信号、（Ｃ）は、油膜厚さデータである。また各図における横軸はクランク角度である。

クランク角度検出装置１６は、この例ではクランクシャフト４に連結されたインクリメンタル型のロータリーエンコーダであり、クランクシャフト４が１回転毎に１パルス出力するＺ相信号（Ａ）と、一定回転角度（例えば１度）ごとのエンコーダ信号Ｂ（パルス信号）を出力する。
このＺ相信号（Ａ）からのパルス数により、クランクシャフト４の角度θ（クランク角度）を検出することができ、これに対応する油膜厚さデータ（Ｃ）を求めることができる。
なお、アブソリュート型のロータリーエンコーダを用いて、クランク角度θを直接出力してもよい。

図５は、本発明による統計処理の説明図である。
膜厚演算装置１８は、例えばコンピュータ（ＰＣ）であり、複数Ｎのサイクル分の、クランク角度θとこれに対応する静電容量Ｃに比例する膜厚信号（この例では電圧信号Ｖｃ）のデータ（Ａ）を順次記憶し、これから統計処理により油膜厚さｄを求め、出力装置（図示せず）に出力する。
この統計処理は、この例では、クランク角度θに対応する複数Ｎ（Ｎは、２以上の整数であり、例えば３０回）のサイクル分の平均膜厚信号（平均電圧信号）を求め、急峻なピーク波形を描く位置の平均電圧信号から油膜厚さを求める。

なお、統計処理は、この例に限定されず、例えば、サイクル毎に、急峻なピーク波形を描く位置のクランク角度θと膜厚信号（電圧信号Ｖｃ）を記憶し、これから油膜厚さｄの平均値及び／又は分散を算出してもよい。

上述した装置を用いて、本発明の方法によれば、まず、クランク角度検出装置１６により、クランクシャフト４のクランク角度θをリアルタイムに検出し、膜厚演算装置１８に出力する。
またこれと並行して、シリンダライナ１のピストンリング摺動面１ａに面一かつ電気的に絶縁して埋設された膜厚計測用の電極１２とピストンリング２との間の油膜３の静電容量Ｃに比例する膜厚信号（電圧信号Ｖｃ）を膜厚信号検出器１４によりリアルタイムに検出し、膜厚演算装置１８に出力する。
膜厚演算装置１８は、複数サイクル分の、クランク角度θとこれに対応する膜厚信号（電圧信号Ｖｃ）を順次記憶し、これから統計処理により油膜厚さｄを求め、出力装置（図示せず）出力する。

統計処理は、例えば、クランク角度θに対応する複数Ｎ（Ｎは、２以上の整数であり、例えば３０回）のサイクル分の平均膜厚信号（平均電圧信号）を求め、急峻なピーク波形を描く位置の平均電圧信号から油膜厚さを求める。

また、統計処理として、サイクル毎に、急峻なピーク波形を描く位置のクランク角度θと静電容量Ｃに比例する膜厚信号（電圧信号Ｖｃ）を記憶し、これから油膜厚さｄの平均値及び／又は分散を算出してもよい。

図６は、本発明の第１実施例を示す図である。
この例では、統計処理として、クランク角度θに対応する３０回のサイクル分の出力電圧Ｖｃの平均を求めた。この図において、（Ａ）（Ｂ）は１サイクルにおける検出された出力電圧Ｖｃの例、（Ｃ）は３０回のサイクル分のクランク角度θに対応する平均出力電圧である。なお、ピーク波形を描く３つ位置は、それぞれ別のピストンリングに対応している。

この図から、１サイクルにおける急峻なピーク波形を描く位置の出力電圧の変動に対し、平均出力電圧の変動が少なくなっていることがわかる。
従ってこの平均出力電圧から平均静電容量を求め、これから油膜厚さを求めることにより、正確な油膜厚さを得ることができる。

図７は、本発明の第２実施例を示す図である。
この図において、（Ａ）は、従来例であり、３サイクルにおける検出された出力電圧を重ね書きした図、（Ｂ）は本発明の例であり、３０サイクルの平均出力電圧を示している。

図７（Ａ）からわかるように、従来のように検出された出力電圧を重ね書きすると、電圧信号の変動が大きく、正確な油膜厚さを得ることが困難であった。
これに対して、図７（Ｂ）からわかるように、本発明により、３０サイクルの平均出力電圧が得られれば、これから容易かつ正確に油膜厚さを得ることができることがわかる。

また、統計処理として、サイクル毎に、急峻なピーク波形を描くクランク角度θと静電容量Ｃ（または出力電圧Ｖｃ）を記憶し、これから油膜厚さｄの平均値及び／又は分散を算出すれば、得られた油膜厚さｄの精度も同時に把握することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本発明による油膜厚さ計測装置の実施形態図である。 図１の膜厚計測用電極の詳細図である。 図１の膜厚信号検出器の詳細図である。 本発明におけるクランク角度検出装置１６の説明図である。 本発明による統計処理の説明図である。 本発明の第１実施例を示す図である。 本発明の第２実施例を示す図である。 特許文献２の「膜厚計測装置及び方法」の模式図である。 特許文献２のクランク角度と出力電圧の関係を示す図である。

符号の説明

１ シリンダライナ、１ａ ピストンリング摺動面、
２ ピストンリング、３ 油膜、４ クランクシャフト
１０ 油膜厚さ計測装置、１２ 膜厚計測用の電極、
１２ａ センサ電極、１２ｂ 絶縁材、１２ｃ センサケース、
１３ 同軸ケーブル、１４ 膜厚信号検出器、
１４ａ リセットスイッチ、１４ｂ Ｃ／Ｖ変換基板、
１６ クランク角度検出装置、
１８ 膜厚演算装置（ＰＣ）

Claims (8)

1. ピストンリングを有するピストンに連結されたクランクシャフトを有するエンジン内の油膜厚さ計測装置であって、
   クランクシャフトのクランク角度を検出するクランク角度検出装置と、
   膜厚信号を検出する膜厚信号検出器と、
   検出されたクランク角度と前記膜厚信号から油膜厚さを演算する膜厚演算装置とを備え、
   該膜厚演算装置は、複数サイクル分の、クランク角度とこれに対応する前記膜厚信号を順次記憶し、これから統計処理により油膜厚さを求める、ことを特徴とする油膜厚さ計測装置。
2. 前記膜厚信号検出器は、シリンダライナのピストンリング摺動面に面一かつ電気的に絶縁して埋設された膜厚計測用の電極と、
   前記電極とピストンリングとの間の油膜の静電容量に比例する膜厚信号を検出する静電容量方式膜厚信号検出器とからなる、ことを特徴とする請求項１に記載の油膜厚さ計測装置。
3. 前記統計処理により、クランク角度に対応する複数サイクル分の平均膜厚信号を求め、任意のクランク角度の平均膜厚信号から油膜厚さを求める、ことを特徴とする請求項１に記載の油膜厚さ計測装置。
4. 前記統計処理により、サイクル毎に、任意のクランク角度と膜厚信号を記憶し、これから油膜厚さの平均値及び／又は分散を算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の油膜厚さ計測装置。
5. ピストンリングを有するピストンに連結されたクランクシャフトを有するエンジン内の油膜厚さ計測方法であって、
   クランクシャフトのクランク角度を検出し、
   膜厚信号を検出し、
   複数サイクル分の、クランク角度とこれに対応する前記膜厚信号を順次記憶し、これから統計処理により油膜厚さを求める、ことを特徴とする油膜厚さ計測方法。
6. シリンダライナのピストンリング摺動面に面一かつ電気的に絶縁して埋設された膜厚計測用の電極とピストンリングとの間の油膜の静電容量に比例する膜厚信号を検出する、ことを特徴とする請求項５に記載の油膜厚さ計測方法。
7. 前記統計処理において、クランク角度に対応する複数サイクル分の平均膜厚信号を求め、任意のクランク角度の平均膜厚信号から油膜厚さを求める、ことを特徴とする請求項５に記載の油膜厚さ計測方法。
8. 前記統計処理において、サイクル毎に、任意のクランク角度と膜厚信号を記憶し、これから油膜厚さの平均値及び／又は分散を算出する、ことを特徴とする請求項５に記載の油膜厚さ計測方法。

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