JP2009300160A

JP2009300160A - 膜厚計測装置および膜厚計測方法

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Publication number: JP2009300160A
Application number: JP2008152900A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Terauchi; 強寺内; Taketoshi Takano; 武寿高野; Yuichi Takahama; 雄一高濱; Yoshiyuki Saito; 吉之齋藤; Takayuki Hirose; 孝行廣瀬
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-06-11
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: JP5309705B2

Abstract

【課題】静電容量型センサの健全性を容易に確認することができ、エンジンが稼働している状態においても静電容量型センサの健全性を確認することができる。
【解決手段】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１もしくは複数の電極とピストンリングとの間隙の静電容量を検出することによって前記間隙に形成された潤滑油の油膜の膜厚を計測する膜厚計測装置であって、前記電極に定電流を供給することによって前記静電容量に対して充電を行い、当該充電に伴う充電電圧の変化に基づいて静電容量を検出し、当該静電容量を示す検出信号を出力する静電容量検出部と、前記静電容量検出部が出力する前記検出信号に基づいた前記静電容量と、所定の閾値とを比較し、当該膜厚計測装置に異常が起きているか否か判断する判断部とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、膜厚計測装置および膜厚計測方法に関する。

従来、エンジンシリンダ内部の油膜の膜厚を計測する装置の１つとして、油膜が形成されているピストンリングとシリンダとの間隙の静電容量を計測し、計測した静電容量に基づいて膜厚を算出する膜厚計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献１に記載の膜厚計測装置の健全性を確認するには、膜厚計測装置を備えたエンジンが稼働していない状態において、静電容量計測器を用いて、膜厚測定装置が備える静電容量型センサの健全性（断線、異物の付着、センサの凹みなど）を確認していた。
特開２００７−１０７９４７号公報

しかしながら、静電容量計測器を用いて計測を行い、過去のデータと照らし合わせて静電容量型センサの健全性を確認するには時間がかかるという問題があった。また、エンジンが船舶に搭載されている場合、航海中に静電容量型センサの健全性を確認することができないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、静電容量型センサの健全性を容易に確認することができ、エンジンが稼働している状態においても静電容量型センサの健全性を確認することができる膜厚計測装置および膜厚計測方法を提供することを目的とする。

本発明は、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１もしくは複数の電極とピストンリングとの間隙の静電容量を検出することによって前記間隙に形成された潤滑油の油膜の膜厚を計測する膜厚計測装置であって、前記電極に定電流を供給することによって前記静電容量に対して充電を行い、当該充電に伴う充電電圧の変化に基づいて静電容量を検出し、当該静電容量を示す検出信号を出力する静電容量検出部と、前記静電容量検出部が出力する前記検出信号に基づいた前記静電容量と、所定の閾値とを比較し、当該膜厚計測装置に異常が起きているか否か判断する判断部と、を備えたことを特徴とする膜厚計測装置である。

また、本発明は、ピストンリング摺動面に対するピストンリングの位置を示すクランク回転角を検出するクランク回転角検出部を備え、前記判断部は、前記静電容量と前記閾値とを比較する際に、前記電極と前記ピストンリングとが対向している状態で検出された前記静電容量と、前記電極と前記ピストンリングとが対向していない状態で検出された前記静電容量とで異なる閾値を用いることを特徴とする膜厚計測装置である。

また、本発明は、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１もしくは複数の電極とピストンリングとの間隙の静電容量を検出することによって前記間隙に形成された潤滑油の油膜の膜厚を計測する膜厚計測方法であって、前記電極に定電流を供給することによって前記静電容量に対して充電を行い、当該充電に伴う充電電圧の変化に基づいて静電容量を検出し、当該静電容量を示す検出信号を出力する静電容量検出ステップと、前記静電容量検出ステップで出力する前記検出信号に基づいた前記静電容量と、所定の閾値とを比較し、当該膜厚計測装置に異常が起きているか否か判断する判断ステップと、を有することを特徴とする膜厚計測方法である。

また、本発明は、ピストンリング摺動面に対するピストンリングの位置を示すクランク回転角を検出するクランク回転角検出ステップを有し、前記判断ステップでは、前記静電容量と前記閾値とを比較する際に、前記電極と前記ピストンリングとが対向している状態で検出された前記静電容量と、前記電極と前記ピストンリングとが対向していない状態で検出された前記静電容量とで異なる閾値を用いることを特徴とする膜厚計測方法である。

本発明によれば、静電容量型センサの健全性を容易に確認することができ、エンジンが稼働している状態においても静電容量型センサの健全性を確認することができる。

以下、図面を参照し、本発明の一実施形態について説明する。図１は本実施形態における膜厚計測装置の機能構成を示した構成図である。図示する例では、膜厚計測装置は、静電容量センサ１と、信号変換部２（Ｃ／Ｖ変換器）と、信号処理部３と、エンコーダ４と、記憶部５とを備える。

本実施形態における膜厚計測装置は、従来知られているとおり、シリンダライナ６の内壁面（ピストンリング摺動面）に設けられた静電容量センサ１と、ピストン７に設けられたピストンリング８との間の静電容量を検出し、検出した静電容量に基づいて静電容量センサ１と、ピストンリング８との間隙に形成されている潤滑油の油膜の厚さを計測するものである。

静電容量センサ１とピストンリング８とが対向したとき、静電容量センサ１とピストンリング８との間隙に形成された油膜を誘電体とした計測コンデンサが構成されることになる。したがって、この静電容量センサ１とピストンリング８との間の静電容量を検出することで油膜の膜厚を求めることができる。

静電容量センサ１は、静電容量センサ１とピストンリング８との間の静電容量を検出する。信号変換部２はＣ／Ｖ変換器であり、静電容量センサ１が検出した静電容量を電圧（出力電圧値）に変換する。エンコーダ４（クランク回転角検出部）は、エンジンが備えるクランク（図示せず）の角度を検出する。

クランク角度に応じてピストンリング８の位置が一意に決まるため、エンコーダ４が検出したクランク角度に基づいてピストンリング８の位置を算出することができる。信号処理部３は、エンコーダ４が検出したクランクの角度に基づいて、静電容量センサ１とピストンリング８との位置関係を算出し、静電容量センサ１が静電容量を検出した時点でのピストンリング８と静電容量センサ１との位置関係を判断する。

また、信号処理部３は、信号変換部２が変換した出力電圧値と、補正用電圧値より容量換算用電圧値を算出する。続いて、信号処理部３は、容量換算用電圧値に基づいて、静電容量センサ１とピストンリング８との間の静電容量を算出する。続いて、信号処理部３は、算出した静電容量に基づいて、油膜の膜厚を算出する。

また、信号処理部３は、算出した静電容量の値と、静電容量センサ１が静電容量を検出した時点でのピストンリング８と静電容量センサ１との位置関係（ピストンリング８が静電容量センサ１を通過したタイミングであるか否か）とを関連づけて記憶部５に記憶させる。

また、信号処理部３は、静電容量センサ１の健全性を判断する。判断方法については後述する。

次に、図２を参照して、クランク角度と静電容量の差について説明する。図２は、本実施形態における静電容量センサ１とピストンリング８との間の静電容量と、エンジンのクランク角度との関係を示した図である。静電容量の差は、信号処理部３が算出した静電容量と、ピストンリングが静電容量センサ１を通過していない状態での静電容量との差である。

図示する例では、所定のクランク角度において静電容量の差が大きくなっている。静電容量の差が大きくなる場合は、ピストンリング８と静電容量センサ１とが対向している場合である。このように、静電容量の差とクランク角度との関係は一義的に決まっている。したがって、ピストンリング８と静電容量センサ１とが対向するときのクランク角度を予め求めておくことで、クランク角度に基づいてピストンリング８と静電容量センサ１との位置関係を判断することができる。

次に、静電容量センサ１に異常が起きた場合における静電容量について説明する。図３は、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過していない状態において、初期値との静電容量の差と、時間との関係を示した図である。

静電容量センサ１に何も障害が起きていない場合に、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過していない状態にて測定した静電容量を非通過時の初期値とし、非通過時の初期値と信号処理部３が算出した静電容量との差を、初期値との静電容量の差としている。具体的には、エンジンが船舶に搭載されている場合、陸上試験や出航前に静電容量計測器を用いて、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過していない状態において、ピストンリング８と静電容量センサ１との間の静電容量を計測し、計測した値を非通過時の初期値とする。また、記憶部５はこの非通過時の初期値を記憶する。

図示する例では、シリンダ内に水やガスなどの異物が混入した際に初期値との静電容量の差が大きくなっている。これは、異物が混入することで、ピストンリング８と静電容量センサ１との間での静電容量が大きくなるためである。また、静電容量センサ１に接続しているケーブルが断線した際に初期値との静電容量の差が小さくなっている。これは、ケーブルが断線することで、ピストンリング８と静電容量センサ１との間の静電容量を測定することができなくなるためである。

よって、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過していない状態において、初期値との静電容量の差が、予め設定している非通過時の下限閾値と非通過時の上限閾値の範囲を超えたか否か判断することで、静電容量センサ１の健全性を判断することができる。なお、本実施形態では、記憶部５は非通過時の下限閾値と非通過時の上限閾値を予め記憶している。

図４は、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過している状態における、初期値との静電容量の平均値の差と、時間との関係を示した図である。

静電容量センサ１に何も障害が起きていない場合に、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過している状態にて測定した静電容量を通過時の初期値とし、通過時の初期値と、信号処理部３が算出した静電容量の積算値の平均値との差を、初期値との静電容量の平均値の差としている。具体的には、エンジンが船舶に搭載されている場合、陸上試験や出航前に静電容量計測器を用いて、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過している状態において、ピストンリング８と静電容量センサ１との間の静電容量を計測し、計測した値を通過時の初期値とする。また、記憶部５はこの通過時の初期値を記憶する。

また、信号処理部３が算出した静電容量の積算値の平均値としては、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過した際の静電容量を複数取得し、取得した静電容量の平均値とする。また、ピストン７が複数のピストンリング８を備えている場合、ピストンリング８毎に静電容量の平均値を算出してもよく、すべてのピストンリング８について静電容量の平均値を算出してもよい。

図示する例では、静電容量センサ１やピストンリング８に異物が付着した際に初期値との静電容量の平均値の差が大きくなっている。これは、静電容量センサ１やピストンリング８に異物が付着すると、ピストンリング８と静電容量センサ１との間での静電容量が大きくなるためである。また、静電容量センサ１が凹んだ際に初期値との静電容量の平均値の差が小さくなっている。これは、静電容量センサ１が凹んだことで、ピストンリング８と静電容量センサ１との間の静電容量が小さくなるためである。

よって、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過している状態において、初期値との静電容量の平均値の差が、予め設定している通過時の下限閾値と通過時の上限閾値の範囲を超えたか否か判断することで、静電容量センサ１の健全性を判断することができる。なお、本実施形態では、記憶部５は通過時の下限閾値と通過時の上限閾値を予め記憶している。

次に、本実施形態における静電容量センサ１の健全性を判断する手順について図５を参照して説明する。図５は、本実施形態における静電容量センサ１の健全性を判断する手順を示したフローチャートである。

（ステップＳ１０１）信号処理部３は、自身が算出した静電容量の値と、静電容量センサ１が静電容量を検出した時点でのピストンリング８と静電容量センサ１との位置関係とを関連づけた情報を記憶部５から取得する。その後、ステップＳ１０２に進む。

（ステップＳ１０２）静電容量センサ１の障害判断について、信号処理部３はピストンリング８が静電容量センサ１を通過した際の情報に基づいて行うか否か判断する。ピストンリング８が静電容量センサ１を通過した際の情報に基づいて行うと判断した場合、ステップＳ１１１に進み、それ以外はステップＳ１０３に進む。

（ステップＳ１０３）信号処理部３は、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過していない状態において、静電容量センサ１に何も障害が起きていない場合に測定したピストンリング８と静電容量センサ１との間の静電容量である非通過時の初期値を記憶部５より読み出す。その後、ステップＳ１０４に進む。

（ステップＳ１０４）信号処理部３は、ステップＳ１０１で読み出したデータのうち、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過していない際の静電容量を選択し、選択した静電容量から、ステップＳ１０３で読み出した非通過時の初期値を減算し、初期値との静電容量の差を算出する。続いて、信号処理部３は、初期値との静電容量の差が、記憶部５が記憶する非通過時の下限閾値より小さいか否か判断する。小さいと判断した場合ステップＳ１０５に進み、それ以外はステップＳ１０７に進む。

（ステップＳ１０５）信号処理部３は、静電容量センサ１に接続しているケーブルが断線していると判断する。その後、ステップＳ１０６に進む。
（ステップＳ１０６）信号処理部３は、断線箇所の確認要求メッセージを表示部（図示せず）に表示させる。その後、処理を終了する。

（ステップＳ１０７）信号処理部３は、ステップＳ１０４で算出した初期値との静電容量の差が、記憶部５が記憶する非通過時の上限閾値より大きいか否か判断する。大きいと判断した場合ステップＳ１０８に進み、それ以外はステップＳ１１０に進む。

（ステップＳ１０８）信号処理部３は、水漏れやガス漏れなどにより、シリンダ内に異物が混入したと判断する。その後、ステップＳ１０９に進む。
（ステップＳ１０９）信号処理部３は、水漏れ、ガス漏れの確認要求メッセージを表示部（図示せず）に表示させる。その後、処理を終了する。
（ステップＳ１１０）信号処理部３は、静電容量センサ１は正常に動作していると判断する。その後、処理を終了する。

（ステップＳ１１１）信号処理部３は、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過している状態において、静電容量センサ１に何も障害が起きていない場合に測定したピストンリング８と静電容量センサ１との間の静電容量である通過時の初期値を記憶部５より読み出す。その後、ステップＳ１１２に進む。

（ステップＳ１１２）信号処理部３は、ステップＳ１０１で読み出したデータのうち、ピストンリング８が静電容量センサ１を通過している際の静電容量を複数選択し、選択した静電容量の積算値の平均値を算出する。その後、ステップＳ１１３に進む。

（ステップＳ１１３）信号処理部３は、ステップＳ１１２で算出した静電容量の積算値の平均値から、ステップＳ１１１で読み出した通過時の初期値を減算し、初期値との静電容量の平均値の差を算出する。続いて、信号処理部３は、初期値との静電容量の平均値の差が、記憶部５が記憶する通過時の下限閾値より小さいか否か判断する。小さいと判断した場合ステップＳ１１４に進み、それ以外はステップＳ１１６に進む。

（ステップＳ１１４）信号処理部３は、静電容量センサ１が凹んでいると判断する。その後、ステップＳ１１５に進む。
（ステップＳ１１５）信号処理部３は、センサの凹み確認要求メッセージを表示部（図示せず）に表示させる。その後、処理を終了する。

（ステップＳ１１６）信号処理部３は、ステップＳ１１３で算出した初期値との静電容量の差が、記憶部５が記憶する通過時の上限閾値より大きいか否か判断する。大きいと判断した場合ステップＳ１１７に進み、それ以外はステップＳ１１９に進む。

（ステップＳ１１７）信号処理部３は、静電容量センサ１の表面に異物が付着していると判断する。その後、ステップＳ１１８に進む。
（ステップＳ１１８）信号処理部３は、センサ表面の異物付着の確認要求メッセージを表示部（図示せず）に表示させる。その後、処理を終了する。
（ステップＳ１１９）信号処理部３は、静電容量センサ１は正常に動作していると判断する。その後、処理を終了する。

上述したとおり、異常が起きていない状態でのピストンリング８と静電容量センサ１との間の静電容量と、エンジンが稼働中の状態でのピストンリング８と静電容量センサ１との間の静電容量に基づいて、静電容量センサ１の健全性を判断することができる。これにより、静電容量センサの健全性を容易に確認することができ、エンジンが稼働している状態においても静電容量センサの健全性を確認することができる。

また、障害が起きていることを検知した場合においては、静電容量センサ１の異常内容も表示されるため、静電容量センサ１の健全性の確認作業が容易となり、確認に必要な時間も短縮することができる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

例えば、本実施形態では、膜厚計測装置をエンジンに適用した例について説明したが、エンジンに限らず、軸受けなどの摩耗状態を監視することを目的とした装置に適用することも可能である。

本発明の一実施形態における膜厚計測装置の機能構成を示した構成図である。本実施形態における静電容量センサとピストンリングとの間の静電容量と、エンジンのクランク角度との関係を示した図である。本実施形態における初期値との静電容量の差と、時間との関係を示した図である。本実施形態における初期値との静電容量の平均値の差と、時間との関係を示した図である。本実施形態における静電容量センサの健全性を判断する手順を示したフローチャートである。

符号の説明

１・・・静電容量センサ、２・・・信号変換部、３・・・信号処理部、４・・・エンコーダ、５・・・記憶部、６・・・シリンダライナ、７・・・ピストン、８・・・ピストンリング

Claims

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１もしくは複数の電極とピストンリングとの間隙の静電容量を検出することによって前記間隙に形成された潤滑油の油膜の膜厚を計測する膜厚計測装置であって、
前記電極に定電流を供給することによって前記静電容量に対して充電を行い、当該充電に伴う充電電圧の変化に基づいて静電容量を検出し、当該静電容量を示す検出信号を出力する静電容量検出部と、
前記静電容量検出部が出力する前記検出信号に基づいた前記静電容量と、所定の閾値とを比較し、当該膜厚計測装置に異常が起きているか否か判断する判断部と、
を備えたことを特徴とする膜厚計測装置。
ピストンリング摺動面に対するピストンリングの位置を示すクランク回転角を検出するクランク回転角検出部を備え、
前記判断部は、前記静電容量と前記閾値とを比較する際に、前記電極と前記ピストンリングとが対向している状態で検出された前記静電容量と、前記電極と前記ピストンリングとが対向していない状態で検出された前記静電容量とで異なる閾値を用いる
ことを特徴とする請求項１に記載の膜厚計測装置。
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１もしくは複数の電極とピストンリングとの間隙の静電容量を検出することによって前記間隙に形成された潤滑油の油膜の膜厚を計測する膜厚計測方法であって、
前記電極に定電流を供給することによって前記静電容量に対して充電を行い、当該充電に伴う充電電圧の変化に基づいて静電容量を検出し、当該静電容量を示す検出信号を出力する静電容量検出ステップと、
前記静電容量検出ステップで出力する前記検出信号に基づいた前記静電容量と、所定の閾値とを比較し、当該膜厚計測装置に異常が起きているか否か判断する判断ステップと、
を有することを特徴とする膜厚計測方法。
ピストンリング摺動面に対するピストンリングの位置を示すクランク回転角を検出するクランク回転角検出ステップを有し、
前記判断ステップでは、前記静電容量と前記閾値とを比較する際に、前記電極と前記ピストンリングとが対向している状態で検出された前記静電容量と、前記電極と前記ピストンリングとが対向していない状態で検出された前記静電容量とで異なる閾値を用いる
ことを特徴とする請求項３に記載の膜厚計測方法。