JP4344407B2 - Ｔｂｎモデルに基づきエンジンオイルの状態を求める方法 - Google Patents

Description

発明の技術分野
本発明は、一般にエンジンオイルの状態を求める方法に関し、より詳しくは、エンジンオイルの全アルカリ価（ＴＢＮ）をモデリングし、それに応じてオイルの状態を求める方法に関する。
背景技術
エンジンは、ますます厳しい条件で作動することを要求される。エンジンにかけられる負荷と、周囲の環境の厳しさとにより、エンジンに多くのストレスがかかる。そのため、オイルの状態を一貫してモニターすることがますます重要になってきている。
現在、エンジンオイルの状態、即ちいつオイルの有効寿命が終了するかは、オイルが使用された時間の長さをモニターし、エンジンが作動する条件を考慮して評価値を修正することにより、判断されている。評価値を使用して、オイル交換の間の間隔を時間又はマイル数で決める。しかし、この方法では、ある与えられた時におけるオイルの状態を求めることは出来ない。
さらに、評価値は、オイルの有効寿命を正確に求めないかもしれない。そのため、オイルを頻繁に交換して、そのため不必要なメンテナンス費用がかかり、又は交換の頻度が不十分で、そのためエンジンが過度に摩耗することになる。
エンジンの燃料の燃焼中に、各燃焼サイクルの間にエンジンの各シリンダーの壁上に、燃料のある種の副産物が堆積する。これらの副産物の１つである硫黄は、水及び酸素と結合して硫酸を形成する。次にピストンリングが、この硫酸と余分の硫黄をシリンダー壁から落し、これらの副産物をエンジンのクランクケース内にあるオイルに堆積させる。硫黄と硫酸のこれらの産物は、オイルの全アルカリ価（ＴＢＮ）を減少させる。
オイルのＴＢＮは、オイルの状態の直接の指標である。例えば、新しいオイルのＴＢＮは所望の10を有する。オイルに硫酸が添加されると、ＴＢＮはゼロに向かって減少する（オイルが酸性になると、負の数になる）。エンジンオイルのＴＢＮが減少すると、オイル中の酸がエンジンの金属ライニングを攻撃し、そのため腐食が生じる。オイルのＴＢＮをモニターすることが出来ると、オイルがいつ有効寿命の終わりに近づくかを求める助けになる。
本発明は、上述の問題の１つ又はそれ以上を解決することを目的とする。
発明の概要
本発明の１態様では、エンジン内のオイルの状態を求める方法が開示される。この方法は、複数のパラメータを求め、シリンダー内への燃料噴射の持続時間のモデルを求め、燃料で覆われるシリンダーの壁面積を求め、該パラメータと該覆われた壁面積の関数として全アルカリ価（ＴＢＮ）のモデルを求めるステップを備える。
本発明の他の態様では、エンジン内のオイルの状態を求めるモデルが開示される。このモデルは、エンジンのシリンダー内への燃料噴射の持続時間を求める燃料噴射持続時間モデルと、シリンダーの内壁の燃料の噴射に晒される面積を求めるクランクモデルとを備える。このモデルはまた、該クランクモデルからデータを受取り、エンジンに関連付けられた複数のパラメータを受取り、それに応じてオイルのＴＢＮを求め、それに応じてオイルの状態を求める全アルカリ価（ＴＢＮ）モデルを備える。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施例を示すブロック線図である。
図２は、内燃エンジンの動作サイクルを示す時間線である。
図３は、シリンダー壁にかけられる燃料を示す概略図である。
図４は、ＴＢＮの減小を予測する傾斜線の図である。
図５は、本発明によるエンジン内のオイルのＴＢＮを評価する方法のフローチャートである。
図６は、本発明による燃料噴射の持続時間を求める方法のフローチャートである。
発明を実施するための最良の態様
本発明は、オイルの状態をモニターするため、オイルの全アルカリ価（ＴＢＮ）のモデルを使用して、内燃エンジンのオイルの状態を求める方法に向けられる。
特に図１を参照すると、ＴＢＮを求めるモデル100のブロック線図が示される。モデル100は、幾つかの特定のモデルを含み、それらを以下の詳述する。
複数のパラメータが、モデル100により受取られる。パラメータは直接検出しても、他のパラメータから求めても、本発明の一部でない他のモデルにより求めてもよい。パラメータの例としては、燃料ラック位置、エンジン速度、環境気温、環境気圧、吸気マニホルド温度、ブースト圧力、燃料送り速度、空気-燃料比等があるが、これらに限らない。
燃料噴射持続時間モデル110が、燃料ラック位置とエンジン速度を表すデータを受取り、これに応じて噴射の開始（ＳＯＩ）と噴射の終了（ＥＯＩ）を求める。次に、燃料噴射持続時間モデルは、シリンダー内への燃料噴射の持続時間を、噴射の開始と噴射の終了の時間差（ＥＯＩ−ＳＯＩ）として計算する。
図２を参照すると、内燃エンジンの１つの全体のサイクルの時間線が示される。このサイクルは、吸気行程、圧縮行程、動力行程、排気行程の４つの段階を有する。吸気行程の間、シリンダー内のピストンは、上死点（ＴＤＣ）の近くから下死点（ＢＤＣ）の近くまで移動する。圧縮行程の間、ピストンは、ＢＤＣからＴＤＣまで移動する。動力行程の間、ピストンは、ＴＤＣからＢＤＣまで移動する。排気行程の間、ピストンは、ＢＤＣからＴＤＣまで移動する。
図２の時間腺は、ＳＯＩが動力行程の前のＴＤＣの前の時間に起こることを示す。ＥＯＩは、動力行程の間のＴＤＣの後の時間に起こる。この時間間隔の間、燃料はシリンダー内へ噴射される。燃料が噴射されると、燃料噴射の勢いにより、硫黄等の燃料の副産物がシリンダーの壁に運ばれ、そこの温度はシリンダーのオープン室より低い。この堆積した硫黄は、ピストンのリングによりシリンダーの壁から除去され、クランクケースのオイルの中へ入る。硫黄は、オイル中の水及び酸素と結合して、硫酸を形成する。
図２に、元のＳＯＩとＥＯＩから遅れて、別の噴射の開始（ＳＯＩ’）と噴射の終了（ＥＯＩ’）が、示される。これは、排気基準に合わせるため、エンジンに使用される好適なタイミング方法を示す。しかし、動力行程の間に噴射の継続時間が追加されて存在するので、シリンダー壁を燃料噴射に多く晒す結果になる。この結果、より多い硫黄がシリンダーに堆積し、除去されてオイル中に落ち、そのためオイルの有効寿命が短くなる。
エンジンクランクケース内に堆積される硫黄の量は、噴射中に燃料噴射に晒されるシリンダー壁の面積に比例する。図１と３を参照すると壁面積を求めるのに必要な情報を与えるクランクモデル120が示される。
図３において、シリンダー壁310内を往復運動するピストン340が示される。燃料噴射ノズル320が、ＳＯＩからＥＯＩまで、シリンダー壁310に燃料噴射330を行う。ピストン340が移動すると、シリンダー壁310の面積の値が変る。
ピストン340は、連接棒350によりクランクシャフト360に接続し、これにより駆動される。連接棒350は、ピストンピン軸380でピンによりピストン340に接続され、クランク軸370でピンによりクランクシャフト360に接続される。
クランク軸からピストンピン軸までの距離（ｓ）を使用して、燃料噴射330に晒されるシリンダー壁の高さ（ｈ）を求めることが出来る。距離（ｓ）は、次式により求められる。

ここに、ａはクランクシャフト360の半径、
θはクランク角、
ｌは連続棒350の長さである。
噴射中に硫黄により有効に覆われる壁面積（ＷＡ）は、次式を使用して、時間期間の間に晒される合計面積の関数として求めることが出来る。

ここに、Ｂはピストン340のボア（直径）、
ｈは晒されるシリンダー壁の高さ、
Ｎはエンジン速度、
ｘはエンジンが運転された時間長さである。
式２において、燃料噴射330が行われるとき、ピストン340が一定の移動をすることは、仮定されていない。有効壁面積（ＷＡ）を求める好適な方法は、クランク角度又はＳＯＩからＥＯＩまでの時間について積分することである。この方法は、図１に示す積分器モデル130により実行される。ＷＡを求める好適な式は、

又は、ＷＡは次式により求めることができる。

式３と式４において、ＳＯＩとＥＯＩは、燃料ラック位置と、燃料速度と、エンジンの幾何学的形態との関数として、シリンダー壁310上に位置するように相関付けられる。
図１に示す空気-燃料比モデル140を使用して、空気-燃料比を求め、次にそれを使用してオイルに添加される硫黄の量を求める。空気-燃料比モデル140が受取るパラメータには、吸気マニホルド温度、ブースト圧力、環境気温、環境気圧、燃料送り速度、エンジン速度等があるが、これらに限らない。
ＴＢＮモデル150は、空気-燃料比モデル140から空気-燃料比パラメータを受取り、積分器モデル130から壁面積パラメータを受取る。さらにＴＢＮモデル150は、エンジン速度、吸気マニホルド温度、オイルの酸化、エンジン中に存在するすす等のパラメータを受取る。酸化は、容量センサー等のオイル中のセンサーにより求め、これを使用して硫酸に変る可能性のある硫黄の量を求めることが出来る。エンジン内に存在するすすもまた、硫酸に変る硫黄の量に影響する。ＴＢＮモデル150は、これらのパラメータからエンジンオイルのＴＢＮを求め、次にそれを使用して、時間にわたるＴＢＮ減少の値を求める。
上述の記述に従って、エンジンのサイクル中のエンジンオイルのＴＢＮを求める。好適な実施例では、オイルのＴＢＮ減少を求めるため、エンジンの１サイクルについてＴＢＮのインクリメント（増分）値を求め、前に求めたＴＢＮの値からインクリメントＴＢＮを減算し、クランクケースに添加される補給オイル用に調節したＴＢＮ値を加算することにより、ＴＢＮは求められる。補給オイルの添加は、クランクケース内のオイルのレベルをモニターし、又は流れセンサーの使用により新しいオイルの追加を検知し、又は業界で知られる他の手段等の手段により求めることが出来る。
好適な実施例では、ＴＢＮモデル150は回帰ベースのモデルである。ＴＢＮを求めるのに使用する例示の式は、次式である。
ＴＢＮ＝a₀+a₁x₁+a₂x₂+a₃x₃+a₄x₁x₂+a₅x₁x₃+a₆x₂x₃+a₇x₄+a₈x₄ ²
（式５）
ここに、ａ₀−ａ₈は経験的な定数、
ｘ₁はエンジン速度、
ｘ₂は有効壁面積、
ｘ₃は吸気マニホルド温度、
ｘ₄は空気-燃料比である。
ＴＢＮモデル150から求めたＴＢＮ減少を、図４に例示するように時間にわたってプロットし、オイルの状態のトレンドを予測することが出来る。公知の曲線適合技術を使用して、時間にわたるＴＢＮ減少の曲線420を求めることが出来る。この曲線420を将来に延長し、所定のオイル寿命限度しきい値410と曲線420との交点を求め、オイルの有効寿命の終了点を予測することが出来る。ＴＢＮモデル150から求めた各データ点により、オイルの有効寿命の真の終了点を予測するのに、曲線の精度が上がる。
図５と６に本発明の動作をフローチャートで示す。
図５の第１制御ブロック510で複数のパラメータを求める。パラメータの例としては、燃料ラック位置、エンジン速度、環境気温、環境気圧、吸気マニホルド温度、ブースト圧力、燃料送り速度、空気-燃料比等があるが、これらに限らない。
第２制御ブロック520で、燃料噴射持続時間モデル110を求める。燃料噴射持続時間モデル110はさらに図６のフローチャートに記載され、その第１制御ブロック610で噴射の開始（ＳＯＩ）が求められる。第２制御ブロック620で噴射の終了（ＥＯＩ）が求められる。第３制御ブロック630で、燃料噴射持続時間が、ＥＯＩ−ＳＯＩとして計算される。
図5に戻ると、第３制御ブロック520で、燃料で覆われるシリンダー壁310の面積が求められる。壁面積は、クランクモデル120と積分器モデル130のうち少なくとも１つで求められ、上述した式２、３、４のどれによっても求めることが出来る。
第４制御ブロック540で、エンジン動作の１サイクルについてＴＢＮのインクリメント値が求められる。第５制御ブロック550で、補給オイルの追加の関数として調整したＴＢＮの値が求められる。第６制御ブロック560で、オイルのＴＢＮが求められる。
第７制御ブロック570で、ＴＢＮモデル150から求めたＴＢＮの値を時間にわたってプロットし、プロットのトレンドを将来に延長することにより、オイルの有効寿命の終了点が求められる。
工業上の適用性
本発明の用途の例として、幾つかの工業では、内燃エンジンを原動機と動力源として使用して、機械と車両のフリート（隊）を運転する。このようなフリートの例として、ハイウェイトラック、オフロード採鉱機械、電力発電機がある。
このようなフリートを運転するのに伴う主なメンテナンスのコストは、エンジンオイルの周期的な交換である。通常、これらのオイル交換の間隔は、エンジン使用のマイル数又は時間に基づいてスケジュールされる。しかし、このようにスケジュールしたオイル交換は、オイルがその有効寿命に到達したことを保証するものではない。それと逆に、オイルがその有効寿命を超えていないという保証がなく、その結果高価なエンジン部品の損傷を起こすことになる。どちらの場合も、オイルの有効寿命の終了点でないときに、大きなフリートのエンジンでエンジンオイルを交換することは、コストがかかる。
本発明では、エンジンの作動と関連付けられた複数のパラメータを受取り、モデリング技術の使用により、エンジン作動中のエンジンオイルの状態を求める。求めたオイルの状態を時間にわたってトレンドを求め、オイルがその有効寿命の終了点にいつ到達するかを予測し、オペレータが最適でコスト有効性のあるオイル交換時間を求めることが出来るようにする。
更に本発明を使用して、オイルがその有効寿命の終了点に近づくと、オペレーターにオイル状態警報を開始することが出来る。この警報は、機械上で行うことも出来、又は遠隔の場所へ送ることも出来る。
本発明の他の局面、目的、態様は、図面、発明の詳細な説明、及び請求の範囲から明らかになるであろう。

Claims (25)

1. 内燃エンジン内のオイルの状態を求める方法において、
   前記エンジンと関連付けられた複数のパラメータを求め、
   前記エンジンのシリンダー内への燃料噴射の持続時間のモデル(110)を求め、
   噴射中に燃料で覆われる前記シリンダーの壁面積を求め、
   前記パラメータと、前記燃料噴射持続時間モデル(110)と、前記覆われた壁面積との関数として、オイルの全アルカリ価（ＴＢＮ）のモデル(150)を求め、
   それに応じて、オイルの状態を求める、
   ステップを備えることを特徴とする方法。
2. 前記壁面積は、クランクシャフト(360)の中心を通る縦軸からピストンピンを通る軸(380)までの距離の関数として求められる請求の範囲第１項に記載した方法。
3. 前記壁面積は、前記シリンダーの覆われた壁(310)の寸法とエンジン速度の関数として求められる請求の範囲第２項に記載した方法。
4. 前記壁面積は、前記燃料噴射の間の前記クランクシャフト(360)の角度位置の変化についての、前記覆われた壁面積の積分の関数として求められる請求の範囲第３項に記載した方法。
5. 前記壁面積は、前記燃料噴射の間の時間についての、前記覆われた壁(310)の面積の積分の関数として求められる請求の範囲第３項に記載した方法。
6. 少なくとも１回の新しいエンジンオイルの追加が起こることの関数として、ＴＢＮの値を求めるステップを備える請求の範囲第１項に記載した方法。
7. 前記燃料噴射の持続時間のモデル(110)は、燃料ラック位置とエンジン速度との関数として求められる請求の範囲第１項に記載した方法。
8. 前記燃料噴射の持続時間のモデル(110)を求めるステップは、
   噴射の開始（ＳＯＩ）を求め、
   噴射の終了（ＥＯＩ）を求め、
   噴射の持続時間を、前記噴射の開始から前記噴射の終了までの時間間隔（ＥＯＩ−ＳＯＩ）として計算するステップを備える請求の範囲第７項に記載した方法。
9. １つのパラメータが燃料ラック位置である請求の範囲第１項に記載した方法。
10. １つのパラメータがエンジン速度である請求の範囲第１項に記載した方法。
11. １つのパラメータが環境気温である請求の範囲第１項に記載した方法。
12. １つのパラメータが環境気圧である請求の範囲第１項に記載した方法。
13. １つのパラメータが吸気マニホルド位置である請求の範囲第１項に記載した方法。
14. １つのパラメータがブースト圧力である請求の範囲第１項に記載した方法。
15. １つのパラメータが燃料送り速度である請求の範囲第１項に記載した方法。
16. １つのパラメータが空気-燃料比である請求の範囲第１項に記載した方法。
17. 前記ＴＢＮモデル(150)から求めたＴＢＮの減小のトレンドを延長し、オイルの有効寿命の終了点を予測する請求の範囲第１項に記載した方法。
18. オイルがその有効寿命の終了点に近づくと、警告を開始するステップを備える請求の範囲第１７項に記載した方法。
19. 前記警告は、前記エンジンにより駆動される機械に乗っているオペレーターに送られる請求の範囲第１８項に記載した方法。
20. 前記警告は、遠隔の場所へ送られる請求の範囲第１８項に記載した方法。
21. 内燃エンジン内のオイルの状態を求める方法において、
    前記エンジンと関連付けられた複数のパラメータを求め、
    前記エンジンのシリンダー内への燃料噴射の持続時間のモデル(110)を求め、
    噴射中に燃料で覆われる前記シリンダーの壁面積を求め、
    少なくとも１回の新しいエンジンオイルの追加が起こることを求め、
    前記パラメータと、前記覆われた壁面積と、前記追加された新しいオイル量との関数として、オイルの全アルカリ価（ＴＢＮ）のモデル(150)を求め、
    それに応じて、オイルの状態を求める、
    ステップを備えることを特徴とする方法。
22. 内燃エンジン内のオイルの状態を求めるモデル(100)において、
    噴射の開始と、噴射の終了と、前記エンジンのシリンダー内へ燃料噴射の持続時間とを求める燃料噴射持続時間モデル(110)、
    前記燃料噴射持続時間モデル(110)から求めたデータを受取り、それに応じて前記シリンダーの内壁(310)の燃料噴射に晒された面積を求めるクランクモデル(120)、及び、
    前記クランクモデル(120)から求めたデータを受取り、前記エンジンと関連付けられた複数のパラメータを受取り、それに応じてオイルのＴＢＮを求め、それに応じてオイルの状態を求めるオイルの全アルカリ価（ＴＢＮ）モデル(150)、
    を備えることを特徴とするモデル。
23. 前記クランクモデル(120)からデータを受取り、それに応じて、前記エンジン内のクランクシャフト(360)の角度回転と燃料噴射の持続時間のうち少なくとも１つについての、前記壁面積の積分の関数として、前記シリンダーの内壁(310)の燃料噴射に晒された面積を求める積分器モデル(130)を備える請求の範囲第２２項に記載したモデル。
24. 複数のパラメータを受取り、それに応じて空気-燃料比を求める空気-燃料比モデル(140)を備え、前記空気-燃料比データは、オイルのＴＢＮを求めるため前記ＴＢＮモデル(150)へ送られる請求の範囲第２２項に記載したモデル。
25. 前記複数のパラメータは、吸気マニホルド温度、ブースト圧力、環境気温、環境気圧、燃料送り速度、エンジン速度を含む請求の範囲第２４項に記載したモデル。

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