JP4709591B2 - エンジンのオイルの空気混入率測定装置及び測定方法 - Google Patents

エンジンのオイルの空気混入率測定装置及び測定方法 Download PDF

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Description

本発明はエンジンのオイルの空気混入率測定装置及び測定方法に関し、より詳しくは、エンジンの設計時に最少オイルレベルを設定するための試験用エンジンのオイルの空気混入率測定装置及び測定方法に関する。
一般に、エンジンは、その作動過程で燃焼熱及び摩擦熱が発生するので、円滑なエンジンの作動のためには、適正量のオイル及び冷却水が供給されなければならない。このために、エンジンのシリンダーブロック及びシリンダーヘッド内には、オイル供給のために、オイルポンプ、オイルギャラリー、オイルパッセージ、オイルジェットなどの潤滑システムが形成され、また、冷却水の供給及び循環のために、ウォーターポンプ、ウォータージャケットなどの冷却システムが形成される。
エンジンの各摩擦部及び作動部に供給されるオイルは、エンジンの下側に装着されるオイルパンに保存される。オイルパンに保存されたオイルは、エンジンが作動すると共にオイルポンプでポンピングされた後、オイルギャラリー及びオイルパッセージを通じて各潤滑部に適当な圧力で供給される。各潤滑部に供給されたオイルは、一連のオイルラインに沿って循環して、エンジンの作動が停止すると共にオイルパンに帰還する。
このようなオイルの循環過程で、一部のオイルは、燃焼室などで燃焼したり漏れたりして無くなったり変質するので、車両の運転者は、一定の間隔でエンジンのオイルの量及びオイルの状態を点検して、必要な場合には補充しなければならない。
一方、エンジンを設計する車両メーカーの試験室では、当該エンジンの最適設計のためにエンジンの最少オイルレベルを設定する。
エンジンのオイルレベルを測定することができるように、エンジンには伝統的にディップスチック(dip stick)形態のオイルレベルゲージが装着されている。最近は、オイルレベルを電子的に測定することもある。
エンジンの最少オイルレベルを設定するための方法としては、最近は、試験用エンジンのオイルの空気混入率を測定して、空気混入率が多すぎないオイルレベル値などの最少値に最少オイルレベルを設定する方法が提案されている。
オイル内の空気混入率を測定するための装置としては、ドイツFEV社の‘Aerometer’及びフランスIFP社の‘SMAC’という装置が適用されている。前記‘Aerometer’10は、図3に示すように、試験用エンジン内のオイルを一定量取り出して真空シリンダー11でオイルに含まれた空気を迅速に分離させた後、真空シリンダー11を再調整して、真空シリンダー11の内部の圧力を1気圧に合せて空気の体積を測定することができるように構成される。
一方、前記‘SMAC’20は、図4に示すように、試験用エンジン内のオイルを一定量取り出した後、オイル空気混合物の圧縮率を測定することによって、オイルの空気混入率を測定することができるように構成される。
ところが、前記‘Aerometer’及び‘SMAC’は、全て試験用エンジンのオイルの一定量をシリンダーに取り出した後、閉じ込めて試験しなければならないので、リアルタイムでの測定が不可能であるという問題点があった。
特開2005−114732号公報
したがって、本発明は、試験用エンジンのオイルの空気混入率をリアルタイムで測定することができるエンジンのオイルの空気混入率測定装置及び測定方法を提供することに目的がある。
本発明は、エンジン潤滑システム内のオイルの空気混入率を測定する空気混入率測定装置において、エンジンに装着されたオイルポンプとシリンダーブロック内のオイルギャラリーとを連結するオイルラインオイルライン上に設置されて、オイルライン上のオイルの密度を検出する密度計オイルライン上に設置されて、オイルライン上のオイルの圧力を検出する圧力計オイルライン上に設置されて、オイルライン上のオイルの温度を検出する温度計及び密度計、圧力計、及び温度計から検出されるオイルの密度、オイルの圧力、及びオイルの温度に基づいてオイルの空気混入率を計算するプロセッサーを含み、
プロセッサーは、密度計を利用して、オイルライン上のオイルの密度を測定する段階、圧力計を利用して、オイルライン上のオイルの圧力を測定する段階、温度計を利用して、オイルライン上のオイルの温度を測定する段階、測定されたオイルの圧力及び測定されたオイルの温度に基づいて純粋オイルの密度を計算する段階、測定されたオイルの圧力及び測定されたオイルの温度に基づいて空気の密度を計算する段階、及び測定されたオイルの密度、測定されたオイルの圧力、計算された純粋オイルの密度、そして計算された空気の密度に基づいてオイルの空気混入率を計算する段階を順次行うことを含み、
純粋オイルの密度を計算する段階で、測定されたオイルの圧力、測定されたオイルの温度、設定された温度及び設定された圧力状態でのオイルの密度、純粋オイルの熱膨張係数、純粋オイルの圧縮率、そして空気の気体定数を〔数1〕に代入して純粋オイルの密度を計算し、
Figure 0004709591
ここで、ρ (P、T)は、測定されたオイルの圧力(P)及び測定されたオイルの温度(T)での純粋オイルの密度、ρ (P 、T )は設定された温度(T )及び設定された圧力(P )での純粋オイルの密度、ΔPは測定されたオイルの圧力(P)と設定された圧力(P )との差(P−P )、ΔTは測定されたオイルの温度(T)と設定された温度(T )との差(T−T )、γは純粋オイルの圧縮率、βは純粋オイルの熱膨張係数を示す。)
空気の密度を計算する段階で、測定されたオイルの圧力、測定されたオイルの温度、及び空気の気体定数を〔数2〕に代入して空気の密度を計算し
Figure 0004709591
ここで、ρ は空気の密度、Pは測定されたオイルの圧力、Tは測定されたオイルの温度、Rは空気の気体定数を示す。)
オイルの空気混入率を計算する段階で、測定されたオイルの密度、測定されたオイルの圧力、計算された純粋オイルの密度、そして計算された空気の密度を〔数3〕に代入して
Figure 0004709591
ここで、Ψは空気混入率、P atm は大気圧、Pは測定されたオイルの圧力、γは純粋オイルの圧縮率、ρは測定されたオイルの密度、ρ は空気の密度、ρ は純粋オイルの密度を示す。)
オイルの空気混入率を計算することを特徴とする。
また、本発明は、エンジンに装着されたオイルポンプとシリンダーブロック内のオイルギャラリーとを連結するオイルライン上に設置されて、オイルライン上のオイルの密度を検出する密度計オイルライン上に設置されて、オイルライン上のオイルの圧力を検出する圧力計及びオイルライン上に設置されて、オイルライン上のオイルの温度を検出する温度計を利用してエンジンのオイルの空気混入率を測定する方法であって、
密度計を利用して、オイルライン上のオイルの密度を測定する段階圧力計を利用して、オイルライン上のオイルの圧力を測定する段階温度計を利用して、オイルライン上のオイルの温度を測定する段階測定されたオイルの圧力及び測定されたオイルの温度に基づいて純粋オイルの密度を計算する段階測定されたオイルの圧力及び測定されたオイルの温度に基づいて空気の密度を計算する段階及び測定されたオイルの密度、測定されたオイルの圧力、計算された純粋オイルの密度、そして計算された空気の密度に基づいてオイルの空気混入率を計算する段階を含み、
純粋オイルの密度を計算する段階は、測定されたオイルの圧力、測定されたオイルの温度、設定された温度及び設定された圧力状態でのオイルの密度、純粋オイルの熱膨張係数、純粋オイルの圧縮率、そして空気の気体定数を〔数1〕に代入して純粋オイルの密度を計算し、
Figure 0004709591
ここで、ρ (P、T)は、測定されたオイルの圧力(P)及び測定されたオイルの温度(T)での純粋オイルの密度、ρ (P 、T )は設定された温度(T )及び設定された圧力(P )での純粋オイルの密度、ΔPは測定されたオイルの圧力(P)と設定された圧力(P )との差(P−P )、ΔTは測定されたオイルの温度(T)と設定された温度(T )との差(T−T )、γは純粋オイルの圧縮率、βは純粋オイルの熱膨張係数を示す。)
空気の密度を計算する段階は、測定されたオイルの圧力、測定されたオイルの温度、及び空気の気体定数を〔数2〕に代入して空気の密度を計算し
Figure 0004709591
ここで、ρ は空気の密度、Pは測定されたオイルの圧力、Tは測定されたオイルの温度、Rは空気の気体定数を示す。)
オイルの空気混入率を計算する段階は、測定されたオイルの密度、測定されたオイルの圧力、計算された純粋オイルの密度、そして計算された空気の密度を〔数3〕に代入して
Figure 0004709591
ここで、Ψは空気混入率、P atm は大気圧、Pは測定されたオイルの圧力、γは純粋オイルの圧縮率、ρは測定されたオイルの密度、ρ は空気の密度、ρ は純粋オイルの密度を示す。)
オイルの空気混入率を計算することを特徴とする。
本発明の実施例によれば、様々なオイルレベルでの空気混入率をリアルタイムで容易に計算することができ、これにより、エンジンの最少オイルレベルを効率的に設定することができる。
以下、本発明によるエンジン設計時に最少オイルレベルを設定するための試験用エンジンのオイルの空気混入率測定装置及びその測定方法に対する好ましい実施例を、添付した図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明の実施例による空気混入率測定装置の構成図であり、図2は本発明の実施例による空気混入率測定方法を示したフローチャートである。
図面に示す図面符号30は前記空気混入率測定装置が適用される試験用エンジンを示すものであり、図面符号40は空気混入率測定のために前記試験用エンジンに形成されるオイルラインを示すものである。
試験用エンジン30は、エンジンの設計過程で当該エンジンに適用するための最少オイルレベルを設定するために、エンジンの実際の作動状況でオイルの量の変化及びオイルの空気混入率との関係から最適値を測定するためのものである。
そのために、試験用エンジン30には、実際のエンジンに適用されるオイルパン31、オイルポンプ32、オイルフィルター33、オイルギャラリー34を含む全ての潤滑システム(lubrication system)が同一に適用される。
ただし、オイルポンプ32でポンピングされたオイルを試験のために様々な装置に供給するためのオイルライン40が、オイルフィルター33が装着される位置からエンジン30の外側に露出したまま形成される。
このオイルライン40は、試験用エンジン30に必ず露出されたまま形成されるものではなく、本発明のための測定装置の装着に支障がなければ、試験用エンジンの内側にオイルライン40が形成されてもよい。
前記のように形成されるオイルライン40の途中には、オイルの密度を測定するための密度計41、オイルの圧力を測定するための圧力計42、オイルの温度を測定するための温度計43などが設置される。
また、プロセッサー50は、前記密度計41、圧力計42、及び温度計43から検出されるオイルの密度、オイルの圧力、及びオイルの温度に基づいて前記オイルライン上のオイルの空気混入率を計算する。
プロセッサー50は、設定されたプログラムによって作動する一つ以上のマイクロプロセッサーで実現でき、設定されたプログラムは、後述する本発明の実施例を行うための一連の命令を含むものとすることができる。
一方、測定装置41、42、43で測定されたオイルの密度(ρ)、測定されたオイルの圧力(P)、測定されたオイルの温度(T)は、オイルの空気混入率(Ψ)を測定するための基礎要素となる。
また、測定値(ρ、P、T)は、0℃の大気圧状態での純粋オイルの密度[ρ(Patm、0)]、純粋オイルの熱膨張係数(β)、純粋オイルの圧縮率(γ)、空気の気体定数(R)などと共に(数1)、(数2)、(数3)に適用される。
(数1)
Figure 0004709591
(数1)は、測定されたオイルの圧力(P)及びオイルの温度(T)での純粋オイルの密度(ρ(P、T))を計算するための数式である。
(数1)で、(γ)は純粋オイルの圧縮率を示し、(β)は純粋オイルの熱膨張係数を示す。純粋オイルの圧縮率(γ)及び純粋オイルの熱膨張係数(β)は、オイルごとに異なる値を有することがある。
また、(数1)で、ρ(P 、T )は設定された温度T及び設定された圧力Pでの純粋オイルの密度を示す。一例として、本発明の実施例では、前記設定された温度Tとして摂氏0度を使用し、前記設定された圧力Pとして大気圧(1気圧)を使用する。
また、(数1)で、ΔPは測定されたオイルの圧力(P)と前記設定された圧力(P)との差(P−P)を示す。
また、数式1で、ΔTは測定されたオイルの温度(T)と前記設定された温度(T)との差(T−T)を示す。
測定されたオイルの圧力(P)及びオイルの温度(T)での純粋オイルの密度(ρ(P、T))を数式1のように計算することができる理由は以下の通りである。
すなわち、オイルの密度は、温度及び圧力に大きく左右されるので、基準となる温度及び圧力でのオイルの密度がわかれば、温度変化による密度変化を予測し、また圧力変化による密度変化を予測することによって、測定された実際の温度及び圧力でのオイルの密度を計算することができる。
ここで、温度変化による密度変化を求めるためにオイルの熱膨張係数(β)が使用され、圧力変化による密度変化を求めるためにオイルの圧縮率(γ)が使用されるのである。
(数2)
Figure 0004709591
(数2)は、測定されたオイルの圧力(P)及びオイルの温度(T)での空気の密度(ρ)を計算するための数式である。
(数2)で、Rは空気の気体定数を示す。
空気が混入されたオイル及び空気は互いに平衡状態にあるので、これらの温度及び圧力は互いに同一であると考えることができる。したがって、このような前提下で、(数2)は、測定されたオイルの圧力(P)及びオイルの温度(T)での空気の密度を理想気体状態方程式を利用して計算するのである。
(数3)
Figure 0004709591
(数3)は、(数1)及び(数2)のように計算される純粋オイルの密度(ρ(P、T))及び空気の密度(ρ)を利用して、測定されたオイルの圧力(P)、測定されたオイルの温度(T)、そして測定されたオイルの密度(ρ)からオイルの空気混入率(Ψ)を計算するための数式である。
(数3)で、Patmは大気圧を示す。
空気混入率(Ψ)は、空気が混入したオイルの体積中に空気が占める体積の比率で定義され、したがって、このような空気混入率(Ψ)の定義及び(数3)に含まれた変数の定義から当業者は容易に(数3)を導きだすことができるので、これに関するそれ以上の詳細な説明は省略する。
(数1)、(数2)、及び(数3)から、特定の温度(T)及び圧力(P)でのオイルの空気混入率(Ψ)は下記のように計算することができる。
したがって、オイルライン40の途中に設置された密度計41、圧力計42、温度計43で測定されたオイルの密度(ρ)、圧力(P)、及び温度(T)から、(数1)乃至(数3)で使用される定数値を利用して、試験用エンジンでのオイルの空気混入率(Ψ)は下記のような過程によって測定される。
まず、密度計41、圧力計42、及び温度計43を通じてオイルの密度(ρ)、オイルの圧力(P)、及びオイルの温度(T)を測定する(S210、S220、S230)。
次に、前段階で測定されたオイルの圧力(P)、温度(T)、及び0℃の大気圧状態でのオイルの密度(ρ(Patm,0))、熱膨張係数(β)、圧縮率(γ)、空気の気体定数(R)を(数1)に代入して純粋オイルの密度(ρ)を計算する段階を行う(S240)。
そして、段階(S210−S230)で検出されたオイルの圧力(P)、温度(T)及び空気の気体定数(R)を下記の(数2)に代入してオイルが含まれていない空気の密度(ρ)を計算する段階を行う(S250)。
次に、段階(S210−250)で検出されたオイルの密度(ρ)、オイルの圧力(P)、純粋オイルの密度(ρ)、空気の密度(ρ)を下記の(数3)に代入してオイルの空気混入率(Ψ)を計算する段階を行う(S260)。
このように計算されるオイルの空気混入率(Ψ)を利用して、エンジンの最少オイルレベルを設定する。すなわち、試験室では、試験用エンジン30に注入されるオイルの量を変えて、各オイル量での空気混入率(Ψ)を測定する。
このように測定されるオイルの量対比の空気混入率(Ψ)が設定された基準を満たす最小限のオイルの量をエンジンの最少オイルレベルとして最終的に設定する。
本発明の実施例によるエンジンのオイルの空気混入率測定装置の構成図である。 本発明の実施例によるエンジンのオイルの空気混入率測定方法を示したフローチャートである。 従来の技術によるエンジンのオイルの空気混入率測定装置の一例を示した図面である 従来の技術によるエンジンのオイルの空気混入率測定装置の他の例を示した図面である。
符号の説明
30 試験用エンジン
31 オイルパン
32 オイルポンプ
33 オイルフィルター
34 オイルギャラリー
40 オイルライン
41 密度計
42 圧力計
43 温度計
50 プロセッサー

Claims (2)

  1. エンジン潤滑システム内のオイルの空気混入率を測定する空気混入率測定装置において、
    エンジンに装着されたオイルポンプとシリンダーブロック内のオイルギャラリーとを連結するオイルライン
    前記オイルライン上に設置されて、前記オイルライン上のオイルの密度を検出する密度計
    前記オイルライン上に設置されて、前記オイルライン上のオイルの圧力を検出する圧力計
    前記オイルライン上に設置されて、前記オイルライン上のオイルの温度を検出する温度計及び
    前記密度計、前記圧力計、及び前記温度計から検出されるオイルの密度、オイルの圧力、及びオイルの温度に基づいて前記オイルの空気混入率を計算するプロセッサーを含み、
    前記プロセッサーは、
    前記密度計を利用して、前記オイルライン上のオイルの密度を測定する段階、
    前記圧力計を利用して、前記オイルライン上のオイルの圧力を測定する段階、
    前記温度計を利用して、前記オイルライン上のオイルの温度を測定する段階、
    前記測定されたオイルの圧力及び前記測定されたオイルの温度に基づいて純粋オイルの密度を計算する段階、
    前記測定されたオイルの圧力及び前記測定されたオイルの温度に基づいて空気の密度を計算する段階、及び
    前記測定されたオイルの密度、前記測定されたオイルの圧力、前記計算された純粋オイルの密度、そして前記計算された空気の密度に基づいて前記オイルの空気混入率を計算する段階を順次行うことを含み、
    前記純粋オイルの密度を計算する段階で
    前記測定されたオイルの圧力、前記測定されたオイルの温度、設定された温度及び設定された圧力状態でのオイルの密度、純粋オイルの熱膨張係数、純粋オイルの圧縮率、そして空気の気体定数を〔数1〕に代入して純粋オイルの密度を計算し、
    Figure 0004709591
    ここで、ρ (P、T)は、測定されたオイルの圧力(P)及び測定されたオイルの温度(T)での純粋オイルの密度、ρ (P 、T )は設定された温度(T )及び設定された圧力(P )での純粋オイルの密度、ΔPは測定されたオイルの圧力(P)と設定された圧力(P )との差(P−P )、ΔTは測定されたオイルの温度(T)と設定された温度(T )との差(T−T )、γは純粋オイルの圧縮率、βは純粋オイルの熱膨張係数を示す。)
    前記空気の密度を計算する段階で
    前記測定されたオイルの圧力、前記測定されたオイルの温度、及び空気の気体定数を〔数2〕に代入して空気の密度を計算し
    Figure 0004709591
    ここで、ρ は空気の密度、Pは測定されたオイルの圧力、Tは測定されたオイルの温度、Rは空気の気体定数を示す。)
    前記オイルの空気混入率を計算する段階で
    前記測定されたオイルの密度、前記測定されたオイルの圧力、前記計算された純粋オイルの密度、そして前記計算された空気の密度を〔数3〕に代入して
    Figure 0004709591
    ここで、Ψは空気混入率、P atm は大気圧、Pは測定されたオイルの圧力、γは純粋オイルの圧縮率、ρは測定されたオイルの密度、ρ は空気の密度、ρ は純粋オイルの密度を示す。)
    前記オイルの空気混入率を計算することを特徴とするエンジンのオイルの空気混入率測定装置。
  2. エンジンに装着されたオイルポンプとシリンダーブロック内のオイルギャラリーとを連結するオイルライン上に設置されて、前記オイルライン上のオイルの密度を検出する密度計前記オイルライン上に設置されて、前記オイルライン上のオイルの圧力を検出する圧力計及び前記オイルライン上に設置されて、前記オイルライン上のオイルの温度を検出する温度計を利用してエンジンのオイルの空気混入率を測定する方法であって、
    前記密度計を利用して、前記オイルライン上のオイルの密度を測定する段階
    前記圧力計を利用して、前記オイルライン上のオイルの圧力を測定する段階
    前記温度計を利用して、前記オイルライン上のオイルの温度を測定する段階
    前記測定されたオイルの圧力及び前記測定されたオイルの温度に基づいて純粋オイルの密度を計算する段階
    前記測定されたオイルの圧力及び前記測定されたオイルの温度に基づいて空気の密度を計算する段階及び
    前記測定されたオイルの密度、前記測定されたオイルの圧力、前記計算された純粋オイルの密度、そして前記計算された空気の密度に基づいて前記オイルの空気混入率を計算する段階を含み、
    前記純粋オイルの密度を計算する段階は
    前記測定されたオイルの圧力、前記測定されたオイルの温度、設定された温度及び設定された圧力状態でのオイルの密度、純粋オイルの熱膨張係数、純粋オイルの圧縮率、そして空気の気体定数を〔数1〕に代入して純粋オイルの密度を計算し、
    Figure 0004709591
    ここで、ρ (P、T)は、測定されたオイルの圧力(P)及び測定されたオイルの温度(T)での純粋オイルの密度、ρ (P 、T )は設定された温度(T )及び設定された圧力(P )での純粋オイルの密度、ΔPは測定されたオイルの圧力(P)と設定された圧力(P )との差(P−P )、ΔTは測定されたオイルの温度(T)と設定された温度(T )との差(T−T )、γは純粋オイルの圧縮率、βは純粋オイルの熱膨張係数を示す。)
    前記空気の密度を計算する段階は
    前記測定されたオイルの圧力、前記測定されたオイルの温度、及び空気の気体定数を〔数2〕に代入して空気の密度を計算し
    Figure 0004709591
    ここで、ρ は空気の密度、Pは測定されたオイルの圧力、Tは測定されたオイルの温度T、Rは空気の気体定数を示す。)
    前記オイルの空気混入率を計算する段階は
    前記測定されたオイルの密度、前記測定されたオイルの圧力、前記計算された純粋オイルの密度、そして前記計算された空気の密度を〔数3〕に代入して
    Figure 0004709591
    ここで、Ψは空気混入率、P atm は大気圧、Pは測定されたオイルの圧力、γは純粋オイルの圧縮率、ρは測定されたオイルの密度、ρ は空気の密度、ρ は純粋オイルの密度を示す。)
    前記オイルの空気混入率を計算することを特徴とするエンジンのオイルの空気混入率測定方法。
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