JP2016200546A - ピストン温度測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの加工を不要又は低減して、高精度の温度測定を可能とするピストン温度測定装置を提供することである。【解決手段】エンジン１内部のピストン３の温度を測定するピストン温度測定装置１０は、ピストン３に設けられ、ピストン３の温度に基づく温度情報を検出する温度センサ１１と、ピストン３に設けられ、温度センサ１１から温度情報を取得して無線送信する送信モジュール１２と、ピストン３に設けられ、振動によって発電し、温度センサ１１及び送信モジュール１２へ電力を供給する振動発電器１３と、エンジン１の内部又は外部に設けられ、送信モジュール１２から温度情報を受信する受信モジュールと、エンジン１の内部又は外部に設けられ、受信モジュールから温度情報を取得して温度に変換する解析機器とを備える構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン内部のピストンの温度を測定するピストン温度測定装置に関する。

エンジンの稼働時にピストンは高温の燃焼ガスに曝されるため、ピストンに高熱が伝達される。したがって、エンジンを安定的に稼働させるためにはピストンの温度を測定して把握することが重要である。

そこで、ピストンの温度を測定するために、従来からピストンに温度センサを設ける手法が提案されている（特許文献１、２参照）。温度センサによりピストンの温度を測定するためには、温度センサに給電する必要があるため、特許文献１ではコネクティングロッドに回転発電機を設けており、特許文献２では電池を設けている。

特開２００９−２５４１６３号公報 特開２００６−１７７９３５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、温度センサと回転発電機との間を電力線で接続しているため、コネクティングロッドの動きに合わせて電力線が動き、断線するおそれがある。また、特許文献２の技術では、電池を用いることにより断線のおそれは回避されるが、電池の容積が大きいので、設置する空間を確保するためにピストンやエンジンブロックの加工が必要となる。ピストンやエンジンブロックを加工するためには、設計、時間、費用を要する。また、加工によってピストンの熱容量や応力が変化するので、測定した温度の精度は低くなる。さらに、電池が消耗した場合には、電池交換のためにエンジンの分解作業が必要となる。

本発明の解決しようとする課題は、ピストンの加工を不要又は低減して、高精度の温度測定を可能とするピストン温度測定装置を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、エンジン内部のピストンの温度を測定するピストン温度測定装置であって、前記ピストンに設けられ、前記ピストンの温度に基づく温度情報を検出する温度センサと、前記ピストンに設けられ、前記温度センサから前記温度情報を取得して無線送信する送信モジュールと、前記ピストンに設けられ、振動によって発電し、前記温度センサ及び前記送信モジュールへ電力を供給する振動発電器と、前記エンジンの内部又は外部に設けられ、前記送信モジュールから前記温度情報を受信する受信モジュールと、前記エンジンの内部又は外部に設けられ、前記受信モジュールから前記温度情報を取得して温度に変換する解析機器とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、振動発電器をピストンに設けることにより、ピストンの内部空間に振動発電器が収まるので、ピストンへ電池を取り付ける際に必要とされるピストンへの加工が不要又は低減される。その結果、ピストンに加工するための設計、時間、費用を削減することができる。

また、ピストンに加工した場合には、熱容量や応力が変化するので、測定したピストン温度の精度は低くなるが、振動発電器を用いることでこの問題が解消され、高精度の温度測定が可能となる。さらに、電池を用いた場合には、電池が消耗すると交換のためにエンジンの分解作業が必要となるが、振動発電器を用いることでこの問題も解消できる。

本発明の一実施形態におけるエンジンのピストン周辺の部分模式断面図である。 本発明の一実施形態におけるピストン温度測定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ピストン温度測定装置の動作を示すフローチャートである。

図１は、エンジンのピストン周辺の部分模式断面図である。エンジン１は、シリンダブロックに構成されるシリンダ２と、シリンダ２内において往復運動するピストン３と、クランク軸（不図示）と、ピストン３とクランク軸とを連結し、ピストン３のシリンダ２内における往復運動をクランク軸の回転運動に変換するためのコネクティングロッド４とを備えている。

ピストン３は、アルミニウムや窒化アルミニウム等を主成分とする合金を材料とすることができる。ピストン３は、上方部分を構成する略円盤状の頂部３ａと、下方部分を構成する略円筒状の側部３ｂとを有している。そして、シリンダ２のボア壁面（シリンダ２の側壁面）と、シリンダ２のヘッド下面と、ピストン３の頂部３ａの上面とで燃焼室５が形成される。

ピストン３の頂部３ａの下面（内面）には温度センサ１１が取り付けられている。ピストン３の側部３ｂの内面には送信モジュール１２及び振動発電器１３が取り付けられている。温度センサ１１、送信モジュール１２及び振動発電器１３は、例えば、接着剤によって取り付けることができる。よって、ピストン３は、温度センサ１１、送信モジュール１２及び振動発電器１３を取り付けるために特別な加工はされておらず、実際のエンジン（ピストン温度測定装置１０が設置されていないエンジン）のピストンと実質的に同一の形状を有している。

また、シリンダ２内におけるピストン３の下方位置には、アンテナ１４が配置されている。アンテナ１４は、ピストン３がシリンダ２内を往復運動する際に、ピストン３やコネクティングロッド４等の可動部品と干渉しない位置に配置されている。アンテナ１４に接続されている配線は、シリンダブロックに形成されボア壁面に開口する貫通穴を通じてエンジン１外部へ引き出されている。この配線の先には後述する受信モジュール１５（図２参照）が接続されている。

ここで、温度センサ１１、送信モジュール１２、振動発電器１３及びアンテナ１４は、ピストン３の温度を測定するピストン温度測定装置１０の構成部材である。

図２は、ピストン温度測定装置１０の構成を示すブロック図である。ピストン温度測定装置１０は、温度センサ１１と、送信モジュール１２と、振動発電器１３と、アンテナ１４と、受信モジュール１５と、解析機器１６とを備えている。

温度センサ１１としては、接触式温度センサを用いることができ、例えば、サーミスタ又は熱電対などを用いることができる。温度センサ１１は、ピストン３の温度に基づく温度情報を検出する。温度情報は、例えば、サーミスタの場合は温度変化に対して変化する電気抵抗であり、熱電対の場合は異種金属の２接点間の温度差によって生じる熱起電力である。温度センサ１１は、ピストン３に設けられれば位置に限定はないが、図１に示すように、ピストン３の頂部３ａの下面（内面）側の中央付近に設けられることで、ピストン３の温度を精度良く検出できる。

送信モジュール１２は、温度センサ１１に接続され、温度センサ１１から温度情報を取得する。送信モジュール１２は、取得した温度情報を、アンテナ１４を介して受信モジュール１５へ無線送信する。無線送信とすることで、ピストン３とシリンダ２との間の配線が不要となり、ピストン３の動作による断線をなくすことができる。送信モジュール１２は、ピストン３に設けられれば位置に限定はないが、図１に示すように、ピストン３の側部３ｂの内面に設けられることで燃焼室５から遠くに配置でき、熱による劣化を抑制できる。

振動発電器１３は、ピストン３の振動（ピストン３の往復運動）によって発電する発電器であり、温度センサ１１及び送信モジュール１２へ電力を供給する。振動発電器１３は、ピストン３に設けられれば位置に限定はないが、図１に示すように、ピストン３の側部３ｂの内面に設けられることで燃焼室５から遠くに配置でき、熱による劣化を抑制できる。また、振動発電器１３を送信モジュール１２と隣接して配置することにより、振動発電器１３と送信モジュール１２とを接続する電力線を短くすることができる。

振動発電器１３は一般的な電池と比較して小型であるため、ピストン３の内部空間に収まるので、ピストン３へ電池を取り付ける際に必要とされるピストン３の加工が不要又は低減される。よって、ピストン３に加工するための設計、時間、費用を削減することができる。

また、ピストン３に加工を施した場合には、熱容量や応力が変化するので、測定したピストン温度の精度は低くなる。これに対して、振動発電器１３を用いることでこの問題が解消され、高精度の温度測定が可能となる。さらに、温度センサ１１及び送信モジュール１２の電源として電池を用いた場合は、電池が消耗した際に、電池交換のためにエンジンの分解作業が必要となるが、振動発電器１３を用いることでこの問題も解消できる。

アンテナ１４は、受信モジュール１５に接続され、送信モジュール１２から温度情報を受信して受信モジュール１５へ送出する。なお、アンテナ１４は、受信モジュール１５に含まれる構成としてもよい。受信モジュール１５は、送信モジュール１２から無線送信された温度情報をアンテナ１４を介して受信する。受信モジュール１５は、受信した温度情報を加工し、解析機器１６へ送信する。

温度情報を加工するために受信モジュール１５は、受信した温度情報のノイズを除去する第１のバンドパスフィルタと、第１のバンドパスフィルタを通過した温度情報を増幅する増幅器と、増幅器を通過した温度情報のノイズを除去する第２のバンドパスフィルタと、第２のバンドパスフィルタを通過した温度情報をアナログ電気信号からデジタル電気信号に変換するアナログ／デジタル変換回路とを備えている。

受信モジュール１５は、エンジン１の外部に設けられることで、エンジン１内部に設けられる際に必要とされる耐熱性は不要となる。また、エンジン１内部に受信モジュール１５を設けるための加工が不要となる。

解析機器１６は、受信モジュール１５から温度情報を取得して温度に変換し、記録する。温度情報から温度への変換は、例えば、温度情報に基づいて、温度情報と温度との関係を規定するテーブルから温度を推定することができる。記録されたピストンの温度は、例えば、エンジン１を安定的に稼働させるための情報として利用される。

解析機器１６は、エンジン１の外部に設けられることで、エンジン１内部に設けられる際に必要とされる耐熱性は不要となる。また、エンジン１内部に解析機器１６を設けるための加工が不要となる。

なお、温度センサ１１、送信モジュール１２、振動発電器１３の３つの部材は、それら２つ又は３つの部材が一体化されていてもよい。また、アンテナ１４と受信モジュール１５とは一体化されていてもよい。また、アンテナ１４と受信モジュール１５と解析機器１６とは一体化されていてもよい。また、受信モジュール１５と解析機器１６とは一体化されていてもよい。また、アンテナ１４、受信モジュール１５、解析機器１６は、それぞれエンジン１の内部又は外部のどちらに設けられていてもよい。

また、エンジン１は複数のピストン３を備えるので、各ピストン３に温度センサ１１、送信モジュール１２及び振動発電器１３を設け、各ピストン３の温度を測定できるようにしてもよい。各送信モジュール１２からの温度情報は１つの受信モジュール１５で受信し、１つの解析機器１６で管理することができる。

また、１つのピストン３に複数の温度センサ１１を設けてもよい。これにより、ピストン３における温度分布を測定することができる。

図３は、ピストン温度測定装置１０の動作を示すフローチャートである。エンジン１が稼働している状態、つまりピストン３が往復運動している状態においては、振動発電器１３が発電し、温度センサ１１及び送信モジュール１２に電力が供給されている。この状態においてピストン３の温度を測定するには、まず、ステップＳ１０において、温度センサ１１がピストン３の温度に基づく温度情報を検出する。そして、ステップＳ１１へ進んで、温度センサ１１は送信モジュール１２へ温度情報を送信する。

ステップＳ１２において、送信モジュール１２は温度センサ１１から温度情報を受信し、ステップＳ１３へ進んで、その温度情報を受信モジュール１５へ無線送信する。次に、ステップＳ１４において、受信モジュール１５は送信モジュール１２から無線送信された温度情報をアンテナ１４を介して受信する。

ステップＳ１５へ進んで、受信モジュール１５は、受信した温度情報に対して、そのノイズを除去し、増幅し、再びノイズを除去し、アナログ電気信号からデジタル電気信号に変換することで加工する。そして、ステップＳ１６へ進んで、受信モジュール１５は、加工した温度情報を解析機器１６へ送信する。

ステップＳ１７において、解析機器１６は、受信モジュール１５から温度情報を受信し、ステップＳ１８へ進んで、温度情報を温度に変換し、記録する。以上の動作により、ピストン温度測定装置１０によるピストン３の温度測定が完了する。

なお、このピストン３の温度測定の頻度には特に限定はなく、使用者が任意に設定することができる。

１ エンジン
３ ピストン
１０ ピストン温度測定装置
１１ 温度センサ
１２ 送信モジュール
１３ 振動発電器
１５ 受信モジュール
１６ 解析機器

Claims (1)

1. エンジン内部のピストンの温度を測定するピストン温度測定装置であって、
   前記ピストンに設けられ、前記ピストンの温度に基づく温度情報を検出する温度センサと、
   前記ピストンに設けられ、前記温度センサから前記温度情報を取得して無線送信する送信モジュールと、
   前記ピストンに設けられ、振動によって発電し、前記温度センサ及び前記送信モジュールへ電力を供給する振動発電器と、
   前記エンジンの内部又は外部に設けられ、前記送信モジュールから前記温度情報を受信する受信モジュールと、
   前記エンジンの内部又は外部に設けられ、前記受信モジュールから前記温度情報を取得して温度に変換する解析機器とを備えることを特徴とするピストン温度測定装置。

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