JP3097025B2

JP3097025B2 - 内燃機関のピストン測温方法及びその装置

Info

Publication number: JP3097025B2
Application number: JP08107098A
Authority: JP
Inventors: 彰高岡; 後藤　　正博; 義彦増田; 節志村
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 2000-10-10
Anticipated expiration: 2016-04-26
Also published as: JPH09292287A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関のピストン測
温方法及びその装置に係り、特に、電磁誘導法を利用し
てピストンの複数の測温部の各温度を測定するピストン
測温方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、内燃機関のピストンの測温は、硬
度法または熱電対法によって行われている。硬度法に
は、測定温度差が大きく、最高履歴温度のみの推定しか
できないという問題がある。一方、熱電対法には、測定
装置の製作に多大な工数が必要であること、測定可能な
気筒が制限されること、長時間の測定が困難であるこ
と、計測中での熱電対の断線が頻繁に発生すること等の
種々の問題がある。

【０００３】これに対して、電磁誘導法によりピストン
測温を行うことが考えられる。この電磁誘導法によるピ
ストン測温にあたっては、例えば、電気学会論文集（電
学論）Ｃ１１２巻２号により開示されている。この論文
集によれば、ピストン測温の原理は次のようなものであ
る。図７にて示すように、送信コイル１及び受信コイル
２が、その各軸にて、図示しないピストン軸に対し直交
するように、同軸的にかつ相互に間隔をおいて配置され
る。そして、共振コイル３が、送信コイル１と受信コイ
ル２との間の中間位置にてこれらと同軸的に配置される
ように上記ピストンの底壁に装着される。また、サーミ
スタからなる抵抗測温素子４が、共振コイル３と共に直
列閉回路を形成するように、共振コイル３に接続され
る。

【０００４】このような構成のもとに、高周波発振器５
から送信コイル１に高周波電流を流すと、受信コイル２
に誘導電流が生ずる。そして、ピストンの下動により共
振コイル３が送信コイル１と受信コイル２との間の中間
位置に達すると、この共振コイル３と受信コイル２との
間に電磁誘導作用が生じる。このような状態で、抵抗測
温素子４の抵抗値が、温度によって変動すると、共振コ
イル３の誘導電流が変化し、その結果、受信コイル２の
誘導電流も変化する。そこで、このような現象を利用し
て、受信コイルの出力電圧の波高値を、オシロスコープ
６により測定することで、測温素子４を設けた部位（ピ
ストンの部位）の温度を測定する。

【０００５】

【本発明が解決しようとする課題】ところで、ピストン
の温度測定のためのコイルユニット（上記送信コイル及
び受信コイルからなる）の取付け位置は、例えば、クラ
ンクシャフトのカウンタウェイトを削って形成した１５
（Ｗ）×３０（Ｄ）×２５（Ｈ）の２ヶ所である。この
ように内燃機関内へのコイルユニットの取付けスペース
が制限されるために、内燃機関の１気筒あたりのピスト
ンの測温部の数が多くなる程、各コイルユニットの間隔
が狭くなる。

【０００６】例えば、１気筒あたり６箇所の測温を行う
ようにすると、隣接する両コイルユニットの間隔は８ｍ
ｍしかない。このため、全コイルユニットに対し、同時
に、高周波発振器から高周波電流を送信コイルに印加し
て測温を行うと、共振コイル３に生じる誘導電流が、隣
接するコイルユニットの受信コイル１の誘導電流をも変
化させ、出力電圧に誤差が生じ、正確な温度測定ができ
ないという不具合を生ずる。

【０００７】そこで、本発明は、このようなことに対処
するため、電磁誘導法による測温にあたり、各コイルユ
ニットの配置やその駆動に工夫を凝らすことにより、気
筒内のピストンのできるだけ多くの測温部の温度を精度
よく測定するようにした内燃機関のピストン測温方法及
びその装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１及び２に記載の発明によれば、ピストンの
軸に平行な軸を有する送信コイル及びこの送信コイルと
同軸的な受信コイルの双方をそれぞれ備える複数のコイ
ルユニットが、気筒内底部に沿い間隔をおいて支持され
ており、各ピストンコイルが、各コイルユニットにそれ
ぞれ同軸的に対向するようにピストンの底壁に配設され
てこのピストンの動作時に前記各受信コイルをその軸方
向に通るようになっている。また、各抵抗測温素子が、
ピストンの各測温部にそれぞれ配設され、かつ、各ピス
トンコイルにそれぞれ接続されて各測温部の温度を抵抗
変化により測温する。

【０００９】しかして、ピストン位置検出手段が、各ピ
ストンコイルが各受信コイルをその軸方向に通る毎にピ
ストンの位置を検出し位置検出信号を発生すると、これ
ら位置検出信号に基づき、電圧誘起手段が、各送信コイ
ルに順次電磁誘導作用を発揮させて当該各送信コイルと
同軸的な各受信コイルに順次電圧を誘起させる。そし
て、誘起電圧変化検出手段が、この電圧を誘起する受信
コイル毎に、この受信コイルをピストンコイルが通ると
きこれら両コイル間の電磁誘導作用により生ずる誘起電
圧の測温値に応じた変化を順次検出する。

【００１０】このように、ピストン位置検出手段の各位
置検出信号に基づき、各送信コイルに電磁誘導作用を発
揮させるタイミングを重複しないように切り替えること
で、各コイルユニットの間の間隔が狭くても、他のコイ
ルユニットの磁界の影響を受けず、ピストンの各測温部
の温度測定を精度よく行える。また、請求項３に記載の
発明によれば、請求項１に記載の発明の作用効果を達成
できる内燃機関のピストン測温方法が提供され得る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
１乃至図６に基づいて説明する。図１及び図２は、本発
明に係るピストン測温装置が４気筒式内燃機関Ｅに適用
された例を示している。このピストン測温装置は、図１
にて例示するように、内燃機関Ｅの第１気筒Ｃ内に配設
した６個のコイルユニットＵ（図１では、紙面の手前側
に位置する３個のコイルユニットのみを示す）を備えて
いる。なお、残りの３個のコイルユニットＵは、図１の
各コイルユニットＵの紙面を基準としてその各奥側に位
置している。

【００１２】各コイルユニットＵは、第１気筒Ｃ内を摺
動する第１ピストンＰに連結するピストンクランクシャ
フトのカウンタウェイトを削り形成したスペースにて、
内燃機関Ｅのシリンダブロックに、図１にて示すごと
く、支持部材Ｕａを介し立設されている。これら各コイ
ルユニットＵは、共に、同一の構成を有するので、これ
らコイルユニットＵの一個の構成について説明する。

【００１３】コイルユニットＵは、棒状フェライトコア
１５を有しており、このフェライトコア１５は、上述の
ごとく、支持部材Ｕａを介しシリンダブロックに立設さ
れている。また、コイルユニットＵは、送信コイル１１
及び受信コイル１２を有しており、これら送信コイル１
１及び受信コイル１２は、フェライトコア１５に巻装支
持されている。ここで、送信コイル１１及び受信コイル
１２は、フェライトコア１５の軸方向上下に間隔をおい
て位置している。

【００１４】６つのコイルユニットＵの各送信コイルに
は、後述する高周波発振器１６からの高周波電流が流さ
れる。これにより、送信コイル１１の各々が、フェライ
トコア１５を通過する磁界を形成し、対応する受信コイ
ル１２に電磁誘導作用のもとに誘導電流を発生させる。
また、ピストン測温装置は、図１及び図２にて示すよう
に、第１気筒Ｃ内のピストンＰの底壁に配設した６個の
ピストンコイル１３と、ピストンＰの各測温部にそれぞ
れ設けた６個の抵抗測温素子１４（サーミスタからな
る）とを備えている。

【００１５】６個のピストンコイル１３は、紙面の手前
及び向こう側にて、それぞれ、３個ずつ、間隔をおい
て、各コイルユニットＵに対向する位置にてピストンＰ
の底壁に設けられている。但し、各ピストンコイル１３
は、各対応コイルユニットＵ、即ち各対応の送信コイル
１１及び受信コイル１２と同軸的に位置している。ま
た、各ピストンコイル１３は、ピストンＰの下方へのス
トロークにより、各対応コイルユニットＵに外方から嵌
まり、下死点に達したとき送信コイル１１と受信コイル
１２の軸方向中間位置（図３参照）に達するように位置
している。なお、ピストンコイル１３の内径は、コイル
ユニットＵ、即ち、送信コイル１１及び受信コイル１２
の外径より大きい。

【００１６】各抵抗測温素子１４は、図１（ａ）にて例
示するごとく、第１ピストンＰの各測温部にそれぞれ埋
め込まれており、これら各抵抗測温素子１４は、各対応
のピストンコイル１３とそれぞれ直列閉回路を形成して
いる。しかして、各抵抗測温素子１４の抵抗値が温度に
より変化すると、各ピストンコイル１３の誘導電流が変
化する。それに伴って、各ピストンコイル１３が通るる
各受信コイル１２の交流電圧波形の波高値が両コイル間
の電磁誘導作用により変化する。このため、対応の各受
信コイル１２にオシロスコープ６を接続して、その出力
値を監視することにより、各抵抗測温素子１４の温度、
即ち上記各測温部の温度を演算することが可能になる。

【００１７】本ピストン測温装置は、第１ピストンＰの
下死点近傍で測温する構成で、図２に示すように、第１
ピストンＰの位置を検出する手段としてクランク角セン
サＳを用いている。このクランク角センサＳは、内燃機
関Ｅの回転軸に軸支したスリット円板Ｓ１と、電磁ピッ
クアップＳ２とにより構成されている。しかして、電磁
ピックアップＳ２は、スリット円板Ｓ１の１°のクラン
ク角ＣＡの回転毎にクランク角信号ωｃを発生し、スリ
ット円板Ｓ１の一回転毎の第１ピストンＰの下死点への
到達時にＲＳ信号を発生する（図３参照）。

【００１８】上記高周波発振器１６は、マイクロコンピ
ュータ１９により制御を受けて、各送信コイル１１に時
を異にして順次高周波電流を流す。この場合、各送信コ
イル１１への高周波電流を流す時期は、第１ピストンＰ
の下死点への各到達以後に亘時間帯に相当する。直流電
圧発生回路１６ａは、マイクロコンピュータ１９による
制御を受けて、高周波電流を流してない各送信コイル１
１に同時に直流電圧（−１．５Ｖ）を印加する。

【００１９】包絡線検波回路１７は、各受信コイル１２
からの出力電圧の波形の包絡線を順次検波して検波電圧
を出力する（図３参照）。Ａ−Ｄ変換器１８は、包絡線
検波回路１７からの各検波電圧をディジタル変換してマ
イクロコンピュータ１９に入力する。マイクロコンピュ
ータ１９は、回転角センサＳから生ずる各ＲＳ信号に応
答して、その各発生前後に亘る所定クランク角（図３参
照）の間ごとに、高周波発振器１６から各送信コイル１
１に高周波電流を順次流すように制御する。また、この
マイクロコンピュータ１９は、各ＲＳ信号の発生後所定
クランク角（上記各検波電圧が８００ｋＨｚの周波数の
とき示す最小電圧に対応する所定クランク角）にて、上
記各検波電圧の最小電圧でもって、第１ピストンＰの各
測温部の温度を算出する。なお、図２にて符号２０は、
マイクロコンピュータ１９による算出温度を表示する温
度表示器を示す。

【００２０】以上説明したように、本装置では、各コイ
ルユニットＵの取り付けスペースであるカウンタウェイ
トを削った１５（Ｗ）×３０（Ｄ）×２５（Ｈ）の２箇
所のスペースに、３つずつコイルユニットＵを取り付け
て、第１気筒ピストンＰの６か所の測温部を温度測定す
る構成とした。このため、図４（ａ）に示すように，隣
接する両コイルユニットＵの間隔は８ｍｍと狭い。

【００２１】そこで、図４（ａ）、（ｂ）にて示す構成
で、両コイルユニットＵの各送信コイルに共に高周波電
流を流して測温した場合の出力と、両コイルユニットＵ
の一方の送信コイルに直流電圧（−１．５Ｖ）を印加
し、他方の送信コイルに高周波電流を流して測温した場
合の出力電圧とを比較してみたところ、図５にて示すよ
うな結果が得られた。これによれば、両出力電圧間に差
が生じていることが分かる。

【００２２】これは、ピストンコイルに生じる誘導電流
が、隣接受信コイルの誘導電流を変化させ、出力電圧に
誤差を生じさせるためである。従って、正確な温度測定
を行うためには、上述したように、各コイルユニットＵ
のうち同時に駆動するのは常に１個のコイルユニットＵ
のみとし、残りのコイルユニットＵは磁界を発生しない
ようにする必要がある。

【００２３】そこで、本実施の形態では、上述のごと
く、内燃機関の回転中において駆動するコイルユニット
Ｕを切り替える手段として、クランク角センサのＲＳ信
号を利用する。即ち、図６に示すようにＲＳ信号の発生
タイミングで、高周波駆動するコイルユニットＵに流す
高周波電流が重複しないように切り替えることで、他の
コイルユニットＵの磁界の影響を受けず、高精度な温度
測定が可能になる。

【００２４】換言すれば、上述のように、各コイルユニ
ットＵの送信コイルに高周波電流を流すタイミングを、
各ＲＳ信号でもって切り換えるとともに、高周波電流を
流さない残りの送信コイルには上記直流電圧を印加する
ことにより、隣接し合う両受信コイル１２の間の相互の
電磁誘導干渉作用を防止することができる。これによ
り、各コイルユニットＵの間の間隔が上述のごとく狭く
ても、第１ピストンＰの６箇所の測温部の温度測定が精
度よく行われ得る。

【００２５】なお、上記実施の形態では、内燃機関Ｅの
第１気筒のピストンＰの温度を測定する例について説明
したが、これに限ることなく、第２乃至第４の気筒をも
含めて全ピストンＰの温度測定を行うようにしてもよ
く、また、第１乃至第４の気筒のピストンＰの少なくと
も一以上のピストンＰの温度測定をするようにしてもよ
い。

【００２６】この場合、第１及び第４のピストンＰは共
に同一タイミングにて下死点に達し、第２及び第３のピ
ストンＰの下死点に達するタイミングは、第１及び第４
のピストンＰの下死点に達するタイミングと１８０°異
なるので、高周波発振器の発振タイミングを、第１及び
第４の気筒の各コイルユニットＵに対する発振タイミン
グからこれらに対応する第２及び第３の気筒の各コイル
ユニットＵへの発振タイミングを１８０°ずらして行う
ようにすればよい。

【００２７】また、本発明の実施にあたっては、各コイ
ルユニットＵのフェライトコアは廃止して実施してもよ
い。また、本発明の実施にあたっては、各コイルユニッ
トＵの送信コイルと受信コイルの上下の位置関係は、逆
にしてもよい。また、上記実施の形態では、高周波電流
を流さない受信コイルには直流電圧を印加するようにし
たが、これに代えて、当該直流電圧の印加をも廃止して
実施してもよい。

【００２８】また、本発明の実施にあたり、ピストンの
測温部の数は、適宜変更して実施してもよい。また、本
発明の実施にあたり、ピストンの測温タイミングは、ピ
ストンの下死点近傍に限ることなく、下死点近傍以外の
ピストンの位置に設定してもよい。また、本発明の実施
にあたり、４気筒式内燃機関に限らず、単気筒式等の各
種内燃機関のピストン測温に本発明を適用して実施して
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明に係る内燃機関のピストン測
温装置の一実施の形態の機械的構成部を示す断面図であ
り、（ｂ）は、同構成部の拡大断面図である。

【図２】上記実施の形態におけるピストン測温装置の電
気回路構成を示すブロック図である。

【図３】図１の各コイルユニットに対する各ピストンコ
イルの相対的位置を考慮した包絡線検波回路１７の検波
出力及び図２のクランク角センサＳの出力の各波形を示
すタイミングチャートである。

【図４】（ａ）は、隣接する両コイルユニットＵを同時
に高周波駆動する場合の構成図を示し、（ｂ）は、隣接
する両コイルユニットＵの一方を高周波駆動し、他方を
直流駆動する場合の構成図を示す。

【図５】図４の同時高周波駆動の場合と一方のみ高周波
駆動する場合の温度と出力電圧の関係を示すグラフであ
る。

【図６】クランク角センサによる駆動ユニット切り替え
タイミングを示す図である。

【図７】従来の電磁誘導法による測温方法の原理を示す
図である。

【符号の説明】

１１・・・送信コイル、１２・・・受信コイル、１３・
・・ピストンコイル、１４・・・抵抗測温素子、１５・
・・フェライトコア、１６・・・高周波発振器、１７・
・・包絡線検波回路、１９・・・マイクロコンピュー
タ、Ｃ・・・気筒、Ｐ・・・ピストン、Ｕ・・・コイル
ユニット、Ｓ・・・回転角センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者増田義彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者志村節愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (56)参考文献特開平８−278205（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01K 7/22 G01K 1/14 G01K 7/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関（Ｅ）の気筒（Ｃ）内に嵌装し
たピストン（Ｐ）の軸に平行な軸を有する送信コイル
（１１）及びこの送信コイルと同軸的な受信コイル（１
２）の双方をそれぞれ備え、前記気筒内底部（Ｕａ）に
沿い間隔をおいて支持される複数のコイルユニット
（Ｕ）と、これら複数のコイルユニットにそれぞれ同軸的に対向す
るように前記ピストンの底壁に配設されてこのピストン
の動作時に前記各受信コイルをその軸方向に通る各ピス
トンコイル（１３）と、前記ピストンの各測温部にそれぞれ配設され、かつ、前
記各ピストンコイルにそれぞれ接続されて前記各測温部
の温度を抵抗変化により測温する各抵抗測温素子（１
４）と、前記各ピストンコイルが前記各受信コイルをその軸方向
に通る毎に前記ピストンの位置を検出し位置検出信号を
発生するピストン位置検出手段（Ｓ）と、このピストン位置検出手段から順次発生する位置検出信
号に基づき前記各送信コイルに順次電磁誘導作用を発揮
させて当該各送信コイルと同軸的な各受信コイルに順次
電圧を誘起させる電圧誘起手段（１６）と、前記電圧を誘起する受信コイル毎に、この受信コイルを
これと同軸的なピストンコイルが通るときこれら両コイ
ル間の電磁誘導作用により生ずる前記誘起電圧の前記測
温値に応じた変化を順次検出する誘起電圧変化検出手段
（１７）と、この誘起電圧変化検出手段の各検出結果に基づき前記各
測温部の温度を算出する算出手段（１９）とを具備して
なる内燃機関のピストン測温装置。
【請求項２】前記ピストン位置検出手段が、前記ピス
トンの下死点近傍に対応する前記内燃機関の回転角を検
出し前記位置検出信号として発生する回転角センサ
（Ｓ）であり、前記複数のコイルユニットが、それぞれ、前記各ピスト
ンコイルと同軸的に前記気筒内底部に立設した棒状フェ
ライトコア（１５）を有しており、これらフェライトコ
アには、前記各コイルユニットの受信コイルがこれと同
軸的な送信コイルの上方にてこの送信コイルと共に巻装
支持されており、前記ピストンがその動作時に下死点近傍に達するとき、
前記各ピストンコイルがこれらと同軸的な各受信コイル
を通り過ぎることを特徴とする請求項１に記載の内燃機
関のピストン測温装置。
【請求項３】内燃機関（Ｅ）の気筒（Ｃ）内に嵌装し
たピストン（Ｐ）の軸に平行な軸を有し互いに同軸的な
送信コイル（１１）及び受信コイル（１２）を複数対前
記気筒内底部（Ｕａ）に設け、これら各対の送信コイル及び受信コイルにそれぞれ同軸
的に対向するように各ピストンコイルを前記ピストンの
底壁に設けて、前記ピストンの各測温部の温度を各測温抵抗素子（１
４）の抵抗値の変化により測温し、前記各ピストンコイルが前記各受信コイルをその軸方向
に通る毎に前記ピストンの位置を検出し、これら各位置検出に応答して前記各送信コイルに順次電
磁誘導作用を発揮させて当該各送信コイルと同軸的な各
受信コイルに順次電圧を誘起させ、前記電圧を誘起する受信コイル毎に、この受信コイルを
これと同軸的なピストンコイルが通るときこれら両コイ
ル間の電磁誘導作用により生ずる前記誘起電圧の前記測
温値に応じた変化を順次検出し、これら各検出結果に基づき前記各測温部の温度を算出す
るようにした内燃機関のピストン測温方法。