JP2009300376A

JP2009300376A - 膜厚計測装置及び方法

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Publication number: JP2009300376A
Application number: JP2008158074A
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: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2028-06-17
Also published as: JP5109825B2

Abstract

【課題】静電容量を計測することにより膜厚を計測する膜厚計測装置において、金属接触状態と油膜が薄い状態とを判別する。
【解決手段】エンジンＳを構成するシリンダライナｓ１の壁面に検出電極１を面一に設け、該検出電極１とピストンリングｐ１との間隙に形成される計測対象コンデンサＣｘの静電容量を検出することにより上記間隙に形成された潤滑油の油膜厚さを計測する膜厚計測装置であって、計測対象コンデンサＣｘに直列接続されるコイルＬと、該コイルＬを介して計測対象コンデンサＣｘに充電電流を供給して充電時間を計測すると共に計測対象コンデンサＣｘに充電された電荷を放電させ、充電時間に基づいて潤滑油の油膜厚さを計測すると共にシリンダライナｓ１とピストンリングｐ１との金属接触を判定する信号処理手段とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ピストンリングとシリンダライナとの間の静電容量に基づいて潤滑油の油膜厚さを計測する膜厚計測装置及び方法に関する。

例えば下記特許文献１には、エンジンにおけるピストンリングとシリンダライナに設けられた電極との間隙の静電容量を計測することにより、ピストンリングとシリンダライナとの間に形成される潤滑油の油膜厚さを計測し、もってエンジンの焼きつきの兆候を評価する技術が開示されている。すなわち、この従来技術は、ピストンリングとシリンダライナとの間に形成されるコンデンサの充電時間を評価することにより、当該コンデンサの静電容量を計測し、この静電容量に基づいて潤滑油の油膜厚さを計測するものである。
特開２００７−１０７９４７号公報

ところで、エンジンの焼きつきは、ピストンリングとシリンダライナとの空隙つまり潤滑油の油膜厚さが徐々に薄くなり、最終的にピストンリングとシリンダライナとが直接接触（金属接触）することにより発生する。

しかしながら、上記従来技術は、油膜厚さが減少した状態つまりピストンリングとシリンダライナとの空隙が狭くなった状態とピストンリングとシリンダライナとが直接接触（金属接触）した状態とを識別することができないため、油膜厚さが所定の閾値以下となった状態をピストンリングとシリンダライナとが直接接触（金属接触）した状態と判定するものであり、上記金属接触の事実を直接的に検知するものではない。したがって、エンジンの焼きつきの兆候を評価する技術としては、改善の余地が残されている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ピストンリングとシリンダライナとの金属接触を潤滑油の油膜厚さが薄くなった状態と識別することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、膜厚計測装置に係る第１の解決手段として、エンジンを構成するシリンダライナの壁面に検出電極を面一に設け、該検出電極とピストンリングとの間隙に形成される計測対象コンデンサの静電容量を検出することにより前記間隙に形成された潤滑油の油膜厚さを計測する膜厚計測装置であって、前記計測対象コンデンサに直列接続される誘導性回路素子と、該誘導性回路素子を介して前記計測対象コンデンサに充電電流を供給して充電時間を計測すると共に前記計測対象コンデンサに充電された電荷を放電させ、前記充電時間に基づいて前記潤滑油の油膜厚さを計測すると共にシリンダライナとピストンリングとの金属接触を判定する信号処理手段とを具備する、という手段を採用する。

膜厚計測装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記誘導性回路素子は、前記検出電極と前記信号処理手段とを接続する電線が分布定数として有するインダクタンスからなる、という手段を採用する。

膜厚計測装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記信号処理手段は、所定の繰り返し周波数のクロック信号を出力するクロック発生回路と、前記該誘導性回路素子を介して前記計測対象コンデンサに充電電流を供給する電流源と、前記計測対象コンデンサに充電された電荷を放電させる放電回路と、前記クロック信号及び前記電流源の出力端の電圧に基づいて前記放電回路を制御する放電制御部と、前記クロック信号及び前記電流源の出力端の電圧に基づいて充電時間に相当する電圧信号を生成する時間／電圧変換部と、該時間／電圧変換部から入力された電圧信号に基づいて前記潤滑油の油膜厚さを計測すると共に、シリンダライナとピストンリングとの金属接触を判定する演算部とを備える、という手段を採用する。

また、本発明では、膜厚計測方法に係る第１の解決手段として、シリンダライナの壁面に検出電極を面一に設け、該検出電極とピストンリングとの間隙に形成される計測対象コンデンサの静電容量を検出することにより前記間隙に形成された潤滑油の油膜厚さを計測する方法であって、前記計測対象コンデンサに誘導性回路素子を直列接続し、該誘導性回路素子を介して前記計測対象コンデンサに充電電流を供給して充電時間を計測すると共に該前記計測対象コンデンサに充電された電荷を放電させ、前記充電時間に基づいて前記潤滑油の油膜厚さを計測すると共にシリンダライナとピストンリングとの金属接触を判定する、という手段を採用する。

膜厚計測方法に係る第５の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記誘導性回路素子として、前記検出電極への充電電流の供給及び前記検出電極からの放電電流の受入を行うための電線が分布定数として有するインダクタンスを利用する、という手段を採用する。

本発明によれば、誘導性回路素子に充電電流を供給する接点の電圧変化がシリンダライナとピストンリングとが金属接触している場合としていない場合とでは極端に異なる、つまり金属接触が発生していない場合は電圧変化の時間が比較的長く、金属接触が発生している場合には電圧変化の時間が極端に短いので、この電圧変化の時間の相違によってピストンリングとシリンダライナとの空隙における潤滑油の油膜厚さが薄い状態とピストンリングとシリンダライナとの金属接触とを確実に識別することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る膜厚計測装置の構成を示す図である。この膜厚計測装置は、エンジンＳにおけるシリンダライナｓ１の内壁面（ピストン摺動面ｓ２）とピストンＰに設けられたピストンリングｐ１との間隙に形成される潤滑油の油膜厚さＬを計測するものであり、静電容量センサ１、同軸ケーブル２、静電容量／電圧変換部３、ロータリエンコーダ４及び演算部５から構成されている。これら構成要素のうち、静電容量／電圧変換部３及び演算部５は、本実施形態における信号処理手段を構成している。なお、ピストンＰは、ピストンロッドｐ２及びクランクシャフトＫを介して往復動（上下動）自在にエンジンＳに支持されている。

静電容量センサ１は、ピストン摺動面ｓ２と面一となるようにシリンダライナｓ１に絶縁状態で設けられた検出電極（金属電極）であり、同軸ケーブル２を介して静電容量／電圧変換部３に接続されている。同軸ケーブル２は、上記静電容量センサ１と静電容量／電圧変換部３とを電気的に接続するシールド線である。

静電容量／電圧変換部３は、静電容量センサ１に検出用充電電流Ｉsを供給すると共に、この検出用充電電流Ｉs及び静電容量センサ１とピストンリングｐ１との間隙に潤滑油によって形成されるコンデンサの静電容量とに基づいて発生する静電容量センサ１の電圧変化に基づいて上記静電容量を示す電圧信号（静電容量信号）を生成して演算部５に出力する。また、この静電容量／電圧変換部３は、本膜厚計測装置における特徴的な構成要素であり、上記静電容量信号の生成に加え、ピストンリングｐ１とシリンダライナｓ１（つまり静電容量センサ１）との金属接触を示す接触検出信号を生成して演算部５に出力する。

図２は、このような静電容量／電圧変換部３の詳細構成を示す回路図である。この図に示すように、静電容量／電圧変換部３は、電流源１０、コンパレータ１１、基準電圧源１２、放電抵抗器１３、電圧源１４、開閉スイッチ１５、クロック発生回路１６、Ｄフリップフロップ１７、ＯＲゲート回路１８及び時間／電圧変換部１９から構成されている。これら構成要素のうち、コンパレータ１１、電圧源１４、Ｄフリップフロップ１７及びＯＲゲート回路１８は、本実施形態における放電制御部を構成している。

なお、この図２では、上記静電容量センサ１とシリンダライナｓ１と同軸ケーブル２とによって等価的に形成される回路素子を計測対象コンデンサＣｘ、開閉スイッチＳｓ及びコイルＬとして示しており、また図２における接点Ａは、同軸ケーブル２と静電容量／電圧変換部３との接続点を示している。

計測対象コンデンサＣｘは、静電容量センサ１とピストンリングｐ１とにより形成される計測対象コンデンサである。この計測対象コンデンサＣｘに並列接続されたスイッチＳｓは、ピストンリングｐ１とシリンダライナｓ１（つまり静電容量センサ１）とが金属接触を起こしたときに閉状態となる開閉スイッチである。コイルＬは、上記同軸ケーブル２のインダクタンスに起因して静電容量センサ１と電流源１０との間（つまり、静電容量センサ１と静電容量／電圧変換部３との間）に挿入される。

電流源１０は、上述した検出用充電電流Ｉsを発生する直流電圧源であり、出力端が上記接点Ａに接続されている。コンパレータ１１は、正相入力端が接点Ａに接続される一方、逆相入力端が基準電圧源１２の正極端に接続され、接点Ａの電圧Ｖｃと基準電圧源１２の電圧（しきい値電圧Ｖth）とを比較し、当該比較の結果を時間／電圧変換部１３のｓｔｏｐ入力端に出力する。基準電圧源１２は、上記しきい値Ｖthとなる電圧を発生してコンパレータ１１の逆相入力端に出力する。

放電抵抗器１３、電圧源１４及び開閉スイッチ１５は、互いに直列接続されており、接点ＡとＧＮＤ（接地点）との間に挿入される放電回路を構成している。放電抵抗器１３は、放電電流を規定するための所定の抵抗値を有し、一端が接点Ａに接続されている。電圧源１４は、端子電圧Ｖresetの直流電圧源であり、負極端が開閉スイッチ１５の一端に、正極端がＧＮＤに接続されている。開閉スイッチ１５は、上記放電抵抗器１３と電圧源１４との間に挿入されており、ＯＲゲート回路１８によって開閉が設定される。

クロック発生回路１６は、所定繰り返し周波数のクロック信号ＣＬＫを発生して、Ｄフリップフロップ１７のリセット端子（ＲＳＴ）、ＯＲゲート回路１８の片方の入力端及び時間／電圧変換部１９のstart端子に出力する。上記クロック信号ＣＬＫは、例えば繰り返し周波数が４００ｋＨｚの周期パルスである。Ｄフリップフロップ１７は、データ入力端子（Ｄ）が電源電圧にプルアップされ、クロック入力端子（Ｃ）に上記コンパレータ１１の出力が入力され、またリセット端子（ＲＳＴ）にクロック信号ＣＬＫが入力されており、コンパレータ１１の出力に同期して正相出力（Ｑ）の出力論理レベルが変化すると共にクロック信号ＣＬＫによってリセットされる順序回路である。

ＯＲロゲート回路１８は、時間／電圧変換部１９は、Ｄフリップフロップ１７の出力と上記クロック信号ＣＬＫとの論理和を取る論理回路であり、当該論理和の結果に基づいて開閉スイッチ１５を開閉駆動する。時間／電圧変換部１９は、上記クロック信号ＣＬＫを開始タイミング、またコンパレータ１１の出力を終了タイミングとし、開始タイミングから終了タイミングまでの時間を電圧値に変換し、当該電圧を出力端（Ｖout）から演算部５に出力する。

ロータリエンコーダ４は、エンジンシリンダＳにおけるクランク角度θを検出して演算部５に出力する。演算部５は、上記時間／電圧変換部１９の出力電圧及びロータリエンコーダ４の出力に基づいてピストンリングｐ１とシリンダライナｓ１との空隙における計測対象コンデンサＣｘの静電容量を算出し、この静電容量に基づいてピストンリングｐ１とシリンダライナｓ１との空隙における潤滑油の油膜厚さを算出する。また、演算部５は、時間／電圧変換部１９の出力電圧に基づいてピストンリングｐ１とシリンダライナｓ１との金属接触をも判定する。

次に、このように構成された本膜厚計測装置の動作について、図３をも参照して詳しく説明する。

最初に、周知のようにエンジンＳは、運転状態において爆発行程、排気行程、吸気行程、圧縮行程を繰り返しており、ピストンＰはシリンダライナｓ１内を往復運動する。そして、演算部５は、往復運動におけるピストンＰの位置、正確にはピストンリングｐ１の位置をロータリエンコーダ４から入力されるクランク角度θに基づいて判断し、ピストンリングｐ１が静電容量センサ１に対向した時点における計測対象コンデンサＣｘの静電容量を算出し、この静電容量に基づいてピストンリングｐ１とシリンダライナｓ１との空隙における潤滑油の油膜厚さを算出する。

すなわち、計測対象コンデンサＣｘの静電容量を「Ｃｃ」、真空中の誘電率を「ε_０」、潤滑油の比誘電率を「ε_ｒ」及び静電容量センサ１の面積（ピストンリングｐ１と対向する面積）を「Ｓ」とすると、ピストンリングｐ１と静電容量センサ１との距離、つまり潤滑油の油膜厚さＬは、下式（１）によって表される。つまり、計測対象コンデンサＣｘの静電容量Ｃｃが分かれば、油膜厚さＬを式（１）によって計算することができる。
Ｌ＝ε_０・ε_ｒ・Ｓ／Ｃｃ（１）

このような本膜厚計測装置における静電容量／電圧変換部３は、図３に示すタイミングチャートに沿って動作する。この図３は、ピストンリングｐ１とシリンダライナｓ１とが金属接触をしていない状態、つまりエンジンＳが正常状態にある場合の接点Ａの電圧Ｖｃ、ピストンリングｐ１とシリンダライナｓ１とが金属接触をしている状態、つまりエンジンＳが異常状態にある場合の接点Ａの電圧Ｖｃをクロック信号ＣＬＫとの関係で示したタイミングチャートである。

エンジンＳが正常状態にある場合、図２に示した開閉スイッチＳｓは開状態にあり、よって電流源１０の出力端には、コイルＬと計測対象コンデンサＣｘとの直列回路が接続された状態となる。また、時刻ｔ０からｔ１の期間において、クロック信号ＣＬＫが‘Ｈ’になることにより、Ｄフリップフロップ１７がリセットされ、出力Ｑが‘Ｌ’となる。また、この時刻ｔ０からｔ１の期間において、クロック信号ＣＬＫが‘Ｈ’となり、このクロック信号ＣＬＫによりＯＲゲート回路１８の出力が‘Ｈ’になることにより、放電回路を構成する開閉スイッチ１５が閉状態となるので、計測対象コンデンサＣｘに充電された電化が放電回路を介して放電され、この結果、接点Ａにおける電圧Ｖｃは電圧源１３の端子電圧−Ｖresetとなる。

このような状態において、時刻ｔ１において、クロック信号ＣＬＫが‘Ｈ’から‘Ｌ’に遷移すると、ＯＲゲート回路１８の出力が‘Ｌ’となる（Ｄフリップフロップ１７の出力Ｑは‘Ｌ’のままである）。これにより、開閉スイッチ１５が閉状態から開状態に変化し、この結果、電流源１０からコイルＬと計測対象コンデンサＣｘとの直列回路に充電電流Ｉｓが定電流として供給されるので、コイルＬを介して計測対象コンデンサＣｘに電荷が順次蓄積されて、接点Ａにおける電圧Ｖｃは直線的に順次上昇する。

そして、時刻ｔ３において、電圧Ｖｃがしきい値電圧Ｖthを越えると、コンパレータ１１の出力が‘Ｌ’から‘Ｈ’に遷移するので、Ｄフリップフロップ１７のクロック入力端子Ｃにコンパレータ１１の出力の変化が入力され、Ｄフリップフロップ１７の出力Ｑが‘Ｌ’から‘Ｈ’に遷移する。これにより、ＯＲゲート回路１８の出力が‘Ｈ’となり、放電回路の開閉スイッチ１５が開状態から閉状態に変化し、接点Ａの電圧Ｖｃは再び電圧−Ｖresetとなる。

ここで、接点Ａにおける電圧Ｖｃが電圧−Ｖresetからしきい値電圧Ｖthまで上昇するのに要する時間Ｔｎは、計測対象コンデンサＣｘの静電容量に依存する物理量であり、静電容量が大きい程長くなり、静電容量が小さい程短くなる。また、エンジンＳが正常状態にある場合においては、計測対象コンデンサＣｘの両端が短絡していないので、接点Ａにおける電圧Ｖｃが電圧−Ｖresetからしきい値電圧Ｖthまで上昇するのに要する時間Ｔｎは、計測対象コンデンサＣｘを充電するのに時間を要するので比較的長い。

続いて、エンジンＳが異常状態にある場合について説明する。この場合、計測対象コンデンサＣｘはスイッチＳｓが閉状態となるので、両端が短絡された状態となる。すなわち、電流源１０の出力端には、コイルＬのみが接続された状態となるので、接点Ａにおける電圧Ｖｃが電圧−Ｖresetからしきい値電圧Ｖthまで上昇するのに要する時間Ｔｅは、上述した正常状態における時間Ｔｎと比較して極端に短い。この時間Ｔｅは、充電開始時にコイルＬに発生する誘起電圧に依るものであり、計測対象コンデンサＣｘの両端が短絡することなく開放されている場合においては実現し得ない短時間である。

演算部５は、接点Ａにおける電圧Ｖｃが電圧−Ｖresetからしきい値電圧Ｖthまで上昇するのに要する時間を評価することにより、エンジンＳの正常／異常を判定する。演算部５は、例えば金属接触の発生頻度が所定の期間において所定回数以上発生した場合には、ピストンＰとシリンダライナｓ１との焼き付きを防止するために、警報信号を出力する。この警報によって、潤滑油の注油量の増加やエンジン回転の減速等の焼き付き対策を施すことが可能となる。

本膜厚計測装置によれば、接点Ａにおける電圧Ｖｃが電圧−Ｖresetからしきい値電圧Ｖthまで上昇するのに要する時間に基づいて計測対象コンデンサＣｘの静電容量を検出し、この静電容量に基づいてピストンリングｐ１とシリンダライナｓ１との空隙に形成さる潤滑油の油膜厚さＬを計測することが可能である。
また、本膜厚計測装置によれば、接点Ａにおける電圧Ｖｃが電圧−Ｖresetからしきい値電圧Ｖthまで上昇するのに要する時間が現実的でない程に短いか否かを評価することにより、ピストンリングｐ１とシリンダライナｓ１とが金属接触しているか否かを識別することが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、異常時における接点Ａにおける電圧Ｖｃを評価するために、同軸ケーブル２のインダクタンスに起因するコイルＬに発生する誘起電圧を利用したが、このようなコイルＬに代えて集中定数素子であるコイルを静電容量センサ１と静電容量／電圧変換部３との間に挿入するようにしても良い。
（２）また、放電回路の構成や放電開始を設定する放電駆動回路の構成については、上記実施形態以外に種々の回路構成が考えられるので、必要に応じて適宜変更しても良い。

本発明の一実施形態に係わる膜厚計測装置の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態における静電容量／電圧変換部３の詳細構成を示す回路図である。本発明の一実施形態における静電容量／電圧変換部の動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１…静電容量センサ、２…同軸ケーブル、３…静電容量／電圧変換部、４…ロータリエンコーダ、５…演算部、１０…電流源、１１…コンパレータ、１２…基準電圧源、１３…放電抵抗器、１４…電圧源、１５…開閉スイッチ、１６…クロック発生回路、１７…Ｄフリップフロップ、１８…ＯＲゲート回路、１９…時間／電圧変換部、Ｃｘ…計測対象コンデンサ、Ｓｓ…開閉スイッチ、Ｌ…コイル

Claims

エンジンを構成するシリンダライナの壁面に検出電極を面一に設け、該検出電極とピストンリングとの間隙に形成される計測対象コンデンサの静電容量を検出することにより前記間隙に形成された潤滑油の油膜厚さを計測する膜厚計測装置であって、
前記計測対象コンデンサに直列接続される誘導性回路素子と、
該誘導性回路素子を介して前記計測対象コンデンサに充電電流を供給して充電時間を計測すると共に前記計測対象コンデンサに充電された電荷を放電させ、前記充電時間に基づいて前記潤滑油の油膜厚さを計測すると共にシリンダライナとピストンリングとの金属接触を判定する信号処理手段と
を具備することを特徴とする膜厚計測装置。
前記誘導性回路素子は、前記検出電極と前記信号処理手段とを接続する電線が分布定数として有するインダクタンスからなることを特徴とする請求項１記載の膜厚計測装置。
前記信号処理手段は、
所定の繰り返し周波数のクロック信号を出力するクロック発生回路と、
前記該誘導性回路素子を介して前記計測対象コンデンサに充電電流を供給する電流源と、
前記計測対象コンデンサに充電された電荷を放電させる放電回路と、
前記クロック信号及び前記電流源の出力端の電圧に基づいて前記放電回路を制御する放電制御部と、
前記クロック信号及び前記電流源の出力端の電圧に基づいて充電時間に相当する電圧信号を生成する時間／電圧変換部と、
該時間／電圧変換部から入力された電圧信号に基づいて前記潤滑油の油膜厚さを計測すると共に、シリンダライナとピストンリングとの金属接触を判定する演算部と
を備えることを特徴とする請求項１または２記載の膜厚計測装置。
シリンダライナの壁面に検出電極を面一に設け、該検出電極とピストンリングとの間隙に形成される計測対象コンデンサの静電容量を検出することにより前記間隙に形成された潤滑油の油膜厚さを計測する方法であって、
前記計測対象コンデンサに誘導性回路素子を直列接続し、
該誘導性回路素子を介して前記計測対象コンデンサに充電電流を供給して充電時間を計測すると共に該前記計測対象コンデンサに充電された電荷を放電させ、前記充電時間に基づいて前記潤滑油の油膜厚さを計測すると共にシリンダライナとピストンリングとの金属接触を判定する
ことを特徴とする油膜厚さ計測方法。
前記誘導性回路素子として、前記検出電極への充電電流の供給及び前記検出電極からの放電電流の受入を行うための電線が分布定数として有するインダクタンスを利用することを特徴とする請求項１記載の膜厚計測装置。