JP5163947B2 - 油膜厚さ計測装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン内の油膜厚さ計測装置および方法に関する。

エンジン運転時におけるシリンダ内部の油膜厚さを計測する手段として、特許文献１、２が既に提案されている。

特許文献１の油膜厚さ測定法は、電気容量法によるピストンリング油膜厚さの計測法において、絶縁被膜を施した表面がピストンリング外周面に露出するようにピストンリングに埋設したピックアップ電極を使用し、前記ピックアップ電極をアルミニウム製としその表面の絶縁被膜を陽極酸化被膜としたものである。

特許文献２の「膜厚計測装置及び方法」は、エンジンシリンダ内部のピストンリング摺動面における油膜の膜厚を、精度良く且つ低コストで計測することを目的とする。

そのため、この装置は、図６に示すように、シリンダライナのピストンリング摺動面と面一に設けられた電極５１とピストンリング５２との間隙の静電容量Ｃを計測することによって間隙に形成された潤滑油の油膜の膜厚ｄを計測する膜厚計測装置であって、電極５１に定電流を供給することによって静電容量Ｃに対して充電を行い、充電に伴う充電電圧の変化に基づいて静電容量Ｃを検出し、静電容量を示す検出信号を出力する静電容量検出部５３と、静電容量検出部５３から入力された検出信号が示す静電容量に基づいて油膜の膜厚ｄを算出する膜厚演算部とを具備するものである。

特公平０２−３０４４１号明細書、「シリンダ内周面とピストンリング外周面の油膜厚さ測定法」 特開２００７−１０７９４７号明細書、「膜厚計測装置及び方法」

上述したように、従来の静電容量方式による油膜厚さの計測手段では、油膜の静電容量を計測し、これから油膜厚さを算出している。また、油膜厚さを算出する際、油膜の誘電率は一定として、油膜厚さを算出していた。

しかし、従来の計測手段では、油膜の温度が変化した場合、油膜の誘電率は変化するため、油膜の温度変化により、油膜厚さ計測の精度が落ちるという問題があった。

本発明は上述した従来の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、油膜の温度変化による油膜厚さの計測精度の低下を防止することができる油膜厚さ計測装置および方法を提供することにある。

本発明によれば、シリンダライナのピストンリング摺動面に面一かつ電気的に絶縁して埋設された膜厚計測用の電極と、
前記電極とピストンリングとの間の油膜の温度を検出する温度検出装置と、
前記電極とピストンリングとの間の油膜の静電容量を検出する静電容量検出器と、
検出された前記油膜温度と静電容量から油膜厚さを演算する膜厚演算装置とを備え、
該膜厚演算装置は、油膜誘電率の温度特性を記憶し、これを基に油膜誘電率の温度補償を行う、ことを特徴とする油膜厚さ計測装置が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記温度検出装置は、前記電極がピストンリングと対向するときに、同一のピストンリングと対向し、かつシリンダライナのピストンリング摺動面に面一かつ電気的に絶縁して埋設された温度検出用の温度センサである。

また本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記温度検出装置は、前記静電容量検出器と切替え可能に設置され、前記電極とピストンリングとの間の油膜の電気抵抗を検出する抵抗検出回路である。

また、本発明によれば、シリンダライナのピストンリング摺動面に面一かつ電気的に絶縁して埋設された膜厚計測用の電極とピストンリングとの間の油膜の温度を検出し、
前記電極とピストンリングとの間の油膜の静電容量を検出し、
油膜誘電率の温度特性を記憶しこれを基に油膜誘電率の温度補償を行い、
検出された前記油膜温度と静電容量から油膜厚さを演算する、ことを特徴とする油膜厚さ計測方法が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記電極がピストンリングと対向するときに、同一のピストンリングと対向する温度検出用の温度センサにより油膜の温度を検出する。

また本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記静電容量検出器と切替え可能に設置された抵抗検出回路により、前記電極とピストンリングとの間の油膜の電気抵抗を検出し、この電気抵抗と静電容量から油膜の温度を算出する。

上記本発明の装置および方法によれば、温度検出装置により油膜の温度を検出し、膜厚演算装置により、油膜誘電率の温度特性を記憶し、これを基に油膜誘電率の温度補償を行って検出された油膜温度と静電容量から油膜厚さを演算するので、油膜の温度変化による油膜厚さの計測精度の低下を防止することができる。

また、前記温度検出装置が温度検出用の温度センサ（例えば、熱電対）であり、これを膜厚計測用の電極がピストンリングと対向するときに、同一のピストンリングと対向する位置（すなわち、電極と同じ高さ）かつ、膜厚計測用の電極の直近に配置して、油膜厚さ計測位置の油膜温度を計測することで、より正確な油膜温度を計測することができる。
また、あらかじめ記憶した油膜の誘電率の温度特性に基づいて誘電率の温度補償をおこなうことで、油膜厚さを精度よく計測することができる。

また、前記温度検出装置が、前記静電容量検出器と切替え可能に設置され、前記電極とピストンリングとの間の油膜の電気抵抗を検出する抵抗検出回路である場合、膜厚計測用の電極を用いて油膜の電気抵抗を検出し、これから油膜の温度を算出するので、温度検出用の温度センサが不要となり、かつ正確に同一位置で油膜温度と静電容量の両方を検出することができる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明による油膜厚さ計測装置(一部断面図)の第１実施形態図である。
この図において、本発明の油膜厚さ計測装置１０は、膜厚計測用の電極１２、温度検出装置１４、静電容量検出器１６、および膜厚演算装置１８を備える。

膜厚計測用の電極１２は、シリンダライナ１のピストンリング摺動面１ａに面一かつ電気的に絶縁して埋設されている。

温度検出装置１４は、電極１２とピストンリング２との間の油膜３の温度Ｔを検出する。温度検出装置１４は、電極１２がピストンリング２と対向するときに、同一のピストンリング２と対向し、かつシリンダライナ１のピストンリング摺動面１ａに面一かつ電気的に絶縁して埋設された温度検出用の温度センサである。温度センサ１４は、熱電対１４ａとブリッジ回路１４ｂを有し、検出した温度Ｔを膜厚演算装置１８に出力する。

静電容量検出器１６は、電極１２とピストンリング２との間の油膜３の静電容量Ｃを検出し、検出した静電容量Ｃを膜厚演算装置１８に出力する。

膜厚演算装置１８は、例えばコンピュータ（ＰＣ）であり、油膜誘電率の温度特性を記憶し、これを基に油膜誘電率の温度補償を行って検出された油膜温度Ｔと静電容量Ｃから油膜厚さｄを演算し、出力装置（図示せず）に出力する。

図２は、図１の膜厚計測用の電極部付近の詳細図である。
この図において、膜厚計測用の電極１２は、円筒形状のセンサ電極１２ａを絶縁材１２ｂで同心円状に被覆し、さらに上記絶縁材１２ｂの外周を導電体のセンサケース１２ｃによって同心円状に被覆した構造となっている。このような電極１２は、ピストン摺動面１ａに対して面一となるようにセンサ取付孔に圧入されている。
センサ電極１２ａは、ピストンリング２と対向した場合に、ピストンリング２を対向電極とし、油膜３を誘電体とするコンデンサ（計測コンデンサ）を形成する。

センサ電極１２ａは、同軸ケーブル１３を介して静電容量検出器１６に接続されている。また、図に示すように、同軸ケーブル１３のシールド層を形成する編組線の一端は導電体のセンサケース１２ｃに接続され、他端は静電容量検出器１６の接地部（ＧＮＤ：グランド）と接続されている。これにより、センサケース１２ｃと静電容量検出器１６とは共通接地されている。

図３は、図１の静電容量検出器付近の詳細図である。
この図において、センサ電極１２ａ、油膜３、およびピストンリング２で油膜３を誘電体とする静電容量Ｃのコンデンサとする等価回路が構成されている。また、静電容量検出器１６は、電源電圧Ｖ１、負電圧（−Ｖ２）、抵抗Ｒ１、Ｒ２、リセットスイッチ１６ａ、およびＣ／Ｖ変換基板１６ｂからなる。
電源電圧Ｖ１と抵抗Ｒ１は、定電流回路として、センサ電極１２aに直列に接続する。抵抗Ｒ２、負電圧（−Ｖ２）、および定電流を供給するリセットスイッチ１６ａは、放電回路を構成する。Ｃ／Ｖ変換基板１６ｂは、電圧変化から静電容量Ｃを検出するようになっている。

静電容量検出器の原理について、以下に説明する。
図３に示すように、電源電圧Ｖ１と抵抗Ｒ１からなる定電流回路から定電流をセンサ電極１ａに供給することにより静電容量Ｃのコンデンサを充電する。Ｃ／Ｖ変換基板１６ｂにより、充電時の充電電圧が０Ｖから所定の電圧値に上昇するまでの充電時間から計測コンデンサの静電容量Ｃを求めることができる。なお、連続して静電容量Ｃを計測するためには、充電した電荷を放電する必要がある。そこで、所定の周期でリセットスイッチ１６ａをＯＮにし、計測コンデンサにリセット用電源から負電圧（−Ｖｒ）を印加することで電荷の放電を行うようになっている。

図２の膜厚計測用の電極１２には、センサ電極１２ａとセンサケース１２ｃの間に電極固有の静電容量Ｃ１（図３に記載）が存在する。この静電容量Ｃ１は、油膜の存在しない状態で、静電容量検出器１６をキャリブレーションすることで予め求めることができる。
従って、実際の計測においては、静電容量Ｃ＋Ｃ１を上述した静電容量検出器１６で求め、これから電極固有の静電容量Ｃ１を除去して求める。

上述した装置を用いて、本発明の方法によれば、まず、シリンダライナ１のピストンリング摺動面１ａに面一かつ電気的に絶縁して埋設された膜厚計測用の電極１２とピストンリング２との間の油膜３の温度Ｔを温度検出装置１４により検出し、膜厚演算装置１８に出力する。
また並行して、電極１２とピストンリング２との間の油膜３の静電容量Ｃを静電容量検出器１６により検出し、膜厚演算装置１８に出力する。
膜厚演算装置１８は、油膜３の誘電率の温度特性を予め記憶し、これを基に油膜誘電率の温度補償を行い、検出された油膜温度Ｔと静電容量Ｃから油膜厚さｄを演算し、出力する。

膜厚演算装置１８における温度補償と演算手段を以下に説明する。
本発明では、油膜の誘電率は、温度Ｔの関数として扱う。
油膜３の静電容量Ｃは式（１）で表せる。

Ｃ＝ε（Ｔ）×Ｓ／ｄ ・・・（１）
ここで、Ｓは、センサ電極１２ａの電極面積、ｄは油膜厚さ、ε（Ｔ）は誘電率（温度依存の関数）、Ｔ：油膜の温度（温度センサにより取得）である。

油膜厚さは、式（２）で算出できる。
ｄ＝ε（Ｔ）×Ｓ／Ｃ ・・・（２）

図４は、本発明による油膜厚さ計測装置（一部断面図）の第２実施形態図であり、図５は、図４の温度検出装置と静電容量検出器の詳細図(一部等価回路)である。
この例では、温度検出装置１４は、静電容量検出器１６と切替え可能に設置された抵抗検出回路であるり、電極１２とピストンリング２との間の油膜３の電気抵抗Ｒを検出し、この電気抵抗と静電容量および、両者の膜厚・温度特性から油膜の温度Ｔを算出するようになっている。

図３において、センサ電極１２ａ、油膜３、およびピストンリング２で油膜３を誘電体とする静電容量Ｃのコンデンサが構成されている。また、Ｃ１はセンサ電極１２ａとセンサケース１２ｃの間の電極固有の静電容量、Ｒはその間の電気抵抗である。

この例では、温度検出装置１４は、電源電圧Ｖ３と抵抗Ｒ３からなる。また切替リレー１９により、温度検出装置１４と静電容量検出器１６を切替えるようになっている。
この温度検出装置１４により抵抗Ｒ３と抵抗Ｒの中間電圧Ｖｒを検出し、これから、以下の式（３）により、油膜３の電気抵抗Ｒを求めることができる。

Ｒ＝（Ｒ３×Ｖｒ）／（Ｖ３−Ｖｒ） ・・・（３）

さらに、油膜３の電気抵抗Ｒは、油膜３の温度Ｔと、油膜厚さｄと一定の関係を有するので、この関係（Ｒ＝Ｒ（Ｔ,ｄ））を予め記憶しておくことにより、抵抗Ｒと静電容量の温度特性から温度Ｔを求めることができる。

上述した本発明の装置および方法によれば、温度検出装置１４により油膜３の温度Ｔを検出し、膜厚演算装置１８により、油膜誘電率の温度特性を記憶し、これを基に油膜誘電率の温度補償を行って検出された油膜温度Ｔと静電容量Ｃから油膜厚さｄを演算するので、油膜の温度変化による油膜厚さの計測精度の低下を防止することができる。

また、温度検出装置１４が温度検出用の温度センサ（例えば、熱電対）であり、これを膜厚計測用の電極１２がピストンリング２と対向するときに、同一のピストンリング２と対向する位置（すなわち、電極１２と同じ高さ）に配置して、油膜厚さ計測位置の油膜温度を計測することで、より正確な油膜温度を計測することができる。
また、あらかじめ記憶した油膜の誘電率の温度特性に基づいて誘電率の温度補償をおこなうことで、油膜厚さを精度よく計測することができる。

また、温度検出装置１４が、静電容量検出器１６と切替え可能に設置され、電極１２とピストンリング２との間の油膜３の電気抵抗Ｒを検出する抵抗検出回路である場合、膜厚計測用の電極１２を用いて油膜の電気抵抗Ｒを検出し、これから油膜の温度Ｔを算出するので、温度検出用の温度センサが不要となり、かつ正確に同一位置で油膜温度と静電容量の両方を検出することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

本発明による油膜厚さ計測装置の第１実施形態図(断面図)である。 図１の膜厚計測用の電極の詳細図である。 図１の静電容量検出器の詳細図である。 本発明による油膜厚さ計測装置の第２実施形態図(断面図)である。 図４の温度検出装置と静電容量検出器の詳細図である。 特許文献２の「膜厚計測装置及び方法」の模式図である。

符号の説明

１ シリンダライナ、１ａ ピストンリング摺動面、
２ ピストンリング、３ 油膜、
１０ 油膜厚さ計測装置、１２ 膜厚計測用の電極、
１２ａ センサ電極、１２ｂ 絶縁材、１２ｃ センサケース、
１３ 同軸ケーブル、１４ 温度検出装置、
１４ａ 熱電対、１４ｂ ブリッジ回路、１６ 静電容量検出器、
１６ａ リセットスイッチ、１６ｂ Ｃ／Ｖ変換基板、
１８ 膜厚演算装置（ＰＣ）、１９ 切替リレー

Claims (2)

1. シリンダライナのピストンリング摺動面に面一かつ電気的に絶縁して埋設された膜厚計測用の電極と、
   前記電極とピストンリングとの間の油膜の温度を検出する温度検出装置と、
   前記電極とピストンリングとの間の油膜の静電容量を検出する静電容量検出器と、
   検出された前記油膜温度と静電容量から油膜厚さを演算する膜厚演算装置とを備え、
   該膜厚演算装置は、油膜誘電率の温度特性を記憶し、これを基に油膜誘電率の温度補償を行い、
   前記温度検出装置は、前記静電容量検出器と切替え可能に設置され、前記電極とピストンリングとの間の油膜の電気抵抗を検出する抵抗検出回路である、ことを特徴とする油膜厚さ計測装置。
2. シリンダライナのピストンリング摺動面に面一かつ電気的に絶縁して埋設された膜厚計測用の電極とピストンリングとの間の油膜の温度を検出し、
   前記電極とピストンリングとの間の油膜の静電容量を検出し、
   油膜誘電率の温度特性を記憶しこれを基に油膜誘電率の温度補償を行い、
   検出された前記油膜温度と静電容量から油膜厚さを演算する場合に、
   前記静電容量検出器と切替え可能に設置された抵抗検出回路により、前記電極とピストンリングとの間の油膜の電気抵抗を検出し、この電気抵抗と静電容量から油膜の温度を算出する、ことを特徴とする油膜厚さ計測方法。
   

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