JPS61201136A - 往復内燃機関に於ける瞬間摩擦を測定する装置及びこれを計算する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、全般に機関の作用特性を測定する機関試験装
置及び機関試験方法に関し、特に往復内燃機関に於ける
全瞬間摩擦を測定する装置及び方法に関するものである
。

〈従来の技術〉 多くの色々な技術が、往復内燃機関の内部で全摩擦損失
に打ち勝つ為に、必要な動力、トルク又は平均有効圧力
を測定するのに使用されている。

しかし、すべてのこれ等の処理法は正確度の異なった程
度を与え、また全ての処理法は全機関サイクルにわたっ
て平均値を与え、又は機関サイクルの間にどんな瞬間の
瞬間摩擦に対しどんな反照もなした全部の摩擦損失の徴
候を与える。

ガソリンまたはディーゼル燃料又は他の燃料で動力を供
給された往復内燃機関のような内燃機関では、この機関
が最大動力／燃料の使用段階で効率よく動くはずである
場合には、機関の種々往復しかつ回転する構成要素間の
摩擦と同じくこの機関に据えつけられた種々の付属品間
の摩擦が最小にされねばならない、この機関摩擦はピス
トンアセンブリ、弁列、補助付属品及び軸受のような機
関の往復しかつ回転する構成要素に存在する。これら構
成要素の全ては、全摩擦損失に影響し、この全摩擦損失
は機関の作業出力を減じ、かつ長期間使用に亘って機関
構成要素に損耗を引き起こす。

〈発明が解決しようとする問題点〉 このような摩擦損失は熱力学機関サイクルの動作中にピ
ストンに対してガスによってなされた正味作業の直接的
な損失となるが、機関に於ける全瞬間摩擦トルクはこの
ような先に発明された方法によって測定することはでき
ない。

この様な摩擦損失のどんな減少でも結果として機関の正
味熱効率の直接増加になる。従って、往復内燃機関の種
々な構成要素によって引き起される全瞬間摩擦トルクを
測定する装置及び方法が得られることが望ましい。又、
往復内燃機関の種々の可動部品によって引き起こされる
摩擦損失を最小にするために設計工具として有用な全瞬
間摩擦トルクを測定する装置及び方法が得られることが
望ましい。

機関の全瞬間摩擦トルクの徴候は、機関設計者が機関の
燃料経済を改良するのに、最も効果的な範囲において摩
擦を減少させることに努力をささげることが出来たとき
機関設計者にとって有利であろう。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は往復内燃機関に於ける全瞬間摩擦トルクを測定
する装置及び方法であり、具体的には機関の瞬間角速度
を測定する第１測定装置１機関のシリンダ内部で瞬間ガ
ス圧力を測定する第２測定装置、前記第１測定装置及び
第２測定装置に応答して機関の全瞬間摩擦トルクを所定
の計算方法によって計算する処理装置、及び計算された
全瞬間摩擦トルクを指示する装置から構成し、これによ
って動作する往復内燃機関に於ける瞬間摩擦を測定する
如く構成した。

〈作用〉 本発明は第１測定装置により機関の瞬間角速度を測定し
、第２測定装置により機関のシリンダ内部で瞬間ガス圧
力を測定し、第１測定装置及び第２測定装置に応答して
機関の全瞬間摩擦トルクを処理装置によって所定の計算
方法により計算し、計算された全瞬間摩擦トルクを指示
装置によって指示する。

〈実施例〉 本発明に係る装置及び計算の方法を概略を説明する。

この装置は往復内燃機間に据え付けられた２個の測定装
置から入力を受ける中央処理装置を含む。

第１測定装置は機関の瞬間角速度を測定し、機関の回転
構成要素に密に関連して据えつけられる。

このような測定装置の一つの型は、はずみ車、クランク
軸及び又はカム軸に隣接して据えつけられることが出来
、機関の回転の１周期の始動に際し電気信号及び第２信
号を発生し、この第２信号は機関の回転子定周期の完結
を示す。角回転の予定された量によって回転させるよう
に機関にとって必要な時間に相当する時間信号が発生さ
れる。好適な実施例では、第１測定装置は、機関のはず
み車に隣接して据え付けられ、はずみ車の連続する歯の
間で回転させるように機関にとって必要な時間量を検出
する。

又第２測定装置は機関に据え付けられ、この第２測定装
置により機関の１個のシリンダ内でガス圧力に相当する
出力信号が得られる。第１測定装置及び第１測定装置の
両方からの出力は、適当な信号処理後、記憶装置に測定
値を記憶させる中央処理装置に入力される。

記憶したプログラムは、中央処理装置によって実行され
て機関作用サイクルに於いていつでも機関の全瞬間摩擦
トルクを計算する。第２プログラムは次式を実行して回
答する。

Ｔｙ−Ｔｃ　　Ｔ＋５（ｒａｃ＋　　Ｔ＋Ｈｔｒｏｔ＋
　　ＴＬこの式は、ガス圧力、ピストン面積、クランク
半径及び機関の連接棒即ちコンロフトの長さから異なる
クランク角度で瞬間ガストルクＴ６を計算する。

往復し、かつ回転する慣性トルクは相当する質量及びこ
れらの質量の瞬間の測定された瞬間加速度から計算され
る。これらの質量の瞬間加速度はクランク軸の測定され
た瞬間角速度から計算される０機関についての負荷によ
る瞬間トルクは負荷の特徴から得られ、又ははずみ車と
負荷の間に撮え付けられたトルクメータ又は他の装置に
よって測定されることが出来る。負荷によるトルクは機
関がアイドリングである場合には零に等しい。

この弐の回答は出力データを生じ、この出力データによ
り機関の全瞬間摩擦トルクの直接徴候が得られる。種々
の構成要素は機関の作用サイクルの間中、一定時間に大
きな摩擦損失を生じることが知られているので、全瞬間
摩擦トルクの形状及び又は値は機関設計者に非常に有用
なデータを与え、しかも機関内で全摩擦損失に最も影響
する範囲に於いて、摩擦とその結果として生じた損失を
減少させるために設計者が努力することが出来るように
する。又全瞬間摩擦トルクは機関摩擦を減少させる潤滑
油及び添加剤を開発するには潤滑技術者又は科学者にと
って非常に効果的な工具であることが出来る。

次の説明及び図面を通じて同一の参照数字が多数の図面
に示される同じ構成要素を参照するのに使用される。

第１図について説明すると、往復内燃機関の全瞬間摩擦
トルクを計算する装置１０が示される。装置１０はガソ
リンまたはディーゼル燃料または他の液体、固体又はガ
ス燃料によって動力を供給される機関の様な任意の往復
内燃機関１２に対して使用出来る。機関１２は４サイク
ル型又は２サイクル型で構成される単一シリンダ又は多
数シリンダの何れでもよい０通常のようにこの種の内燃
機関は機関サイクルあたり予定回転数を回転するクラン
ク軸１４のような回転部材を含む。クランク軸１４に加
えて機関１２の他の回転可能構成要素は図示されていな
いカム軸及びクランク軸１４の端部に据え付けられたは
ずみ車１６を含むことが出来る。

本発明の装２１０には、機関１２の瞬間角速度を測定す
る測定装置１８が含まれる。

好適には測定装置１８はセンサで構成され、はずみ車１
６．クランク軸１４又はカム軸のような機関１２の回転
構成要素の一つに近接して機関１２に据え付けられる。

第１図で説明されるように、単に例として測定装置１８
ははずみ車１６に近接して据え付けられ、該はずみ車１
６が測定装置１８を通り過ぎて回転するとき、はずみ車
のリング歯車の各々の歯の通過を検出する。別にこの測
定装置１８はクランク軸１４又はカム軸の上に又は近接
して据え付けられて、機関１２のこれらの構成要素の角
回転の予定量を検出することが出来る。

ある実施例では、該測定装置ははずみ車１６に隣接する
機関１２に据え付けられる磁気ピックアップ又は光電池
であっても良く、この場合ピックアンプで構成された測
定装置１日ははずみ車のリング歯車の各々の歯の通過を
検出し、各々の歯が該ピックアップを通る時信号を生じ
る。この他に測定装置１８は磁気ピンクアップ又は光電
池の代わりに機関１２の角回転の予定量の発生に際して
出力信号を生じるエンコーダであっても良い。

測定装置１８からの出力は第１図に示される信号調節電
気回路２０に入力される。信号調節電気回路２０は多（
の異なった型のものでも良く、この種の電気回路の一例
は第２図で詳細に示される。

信号調節電気回路２０には第１増幅器２１が含まれ、こ
の第１幅器２１はバッファとして作用して測定装置１８
及び残存する信号調節電気回路から信号を分離する。第
１増幅器２１からの出力はアダプティブ（適応の）感覚
増幅器２２に入力され、この感覚増幅器は増幅器２１か
らのパルス出力を角形電波信号に変換する。アダプティ
ブ感覚増幅器２２は、型番号ＬＭ１８１５のもとで米国
立生導体会社（ＮａｔｉｏｎａＩ　Ｓｅｍ１−Ｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ、Ｉｎｃ、）によって商業的に売られている
増幅器のような通常の感覚増幅器であってもよい。感覚
増幅器２２からの出力は、バッファとして作用するトラ
ンジスタ２４のベース電極に入力される。

又第２測定装置２６は機関１２に据え付けられて機関１
２の１個のシリンダ内のガス圧力を測定する。

好適には、第２測定装置２６はセンサが用いられるのが
好ましいが、該測定装置２６は型番号ＡＶＬ８ＱＰ５０
０Ｃの石英圧力変換器のような圧力変換器である。第２
測定装置２６からの出力は増幅器２８を通って中央処理
装置３０に入力される。好適な実施例では増幅器２８は
型番号５０４Ｅの二重方式の増幅器である。

増幅器２８からの出力はアナログ−ディジタル変換器（
Ａ／Ｄ変換器）２９を通って入力される。アナログ−デ
ィジタル変換器はアナログデバイス（Ａｎａｌｏｇ　［
１ｅｖｉｃｅｓ）会社によって売られている型番号ＡＤ
５７１のようなＡ／Ｄ変換器の任意の適当な型であって
も良い。

中央処理袋Ｗ３０は、コンピュータに基礎を置く装置の
任意の型でも良いが、型番号８０８６のもとでインテル
コーポレーション（Ｉｎｔｅｌ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏ
ｎ）社によって売られているもの又はロックウェル　イ
ンターナショナル（Ｒｏｃｋｗｅｌｌ　Ｉｎｔｅｒｎａ
ｔｉｏｎａｌ）社によって売られている型番号６５０２
のようなマイクロプロセッサが好適である。中央処理装
置３０は、入力としてＡ／Ｄ変換器２９及び信号調節電
気回路２０から出力を受は取り、記憶装置（メモ百月３
２．タイマ／カウンタ３４及びクロック３６に通じてい
る。中央処理装置３０はこの後に記述されるように、機
関作用サイクル中の任意の時の間に機関１２の全瞬間摩
擦トルクをインジケータ３８に出力する。

メモリ即ち記憶装置３２はランダムアクセス型のもので
、機関作用サイクルの間に、夫々第１測定装置１８及び
第２測定装置２６から蓄積されるデータを中央処理装置
３０に選択的に記憶させることが出来る。次にこの種の
データは全瞬間摩擦トルクを計算するように中央処理装
置３０によって作用することが出来る。

カウンタ３４は中央処理装置３０から出力信号を受は取
り、この出力信号は測定装置１Ｂからの信号に相当し、
この信号は測定装置１８を通り過ぎるはずみ車１６の１
つの歯の通過によって例示されるように、機関１２の角
回転の予定量の完結を表示する。

次にカウンタ３４はクロック周波数でクロック３６から
クロックパルスを計算する。好適な実施例ではクロック
３６の周波数は機関１２の回転速度について選択され、
代表的には０．５メガヘルツ（ＭＨｚ）と２０メガヘル
ツの間で変動できる。

インジケータ３８は任意の型のインジケータでもよく、
このインジケータにより中央処理装置３０によって計算
される全瞬間摩擦トルクの可視表示が得られる。従って
、通常のプリンタ、ＣＲＴ表示装置又はオシロスコープ
は、機関１２の作用サイクルの間に全瞬間摩擦トルクの
迅速な指示を与えるように利用されることが出来る。

機関１２の全瞬間摩擦トルクを計算することで本発明の
装置の作用は、第３図及び第４図と共に説明されよう。

又他の配置が使用されることが理解されよう。

全瞬間摩擦トルクを計算することで、中央処理装置３０
は記憶装置（メモリ）３２に記憶されたプログラムを実
行する。機関１２を無負荷即ちアイドリングで作用する
と、中央処理装置３０は記憶された第１プログラムを実
行し、インタラブドルーチン及びカウンタを初期化する
。中央処理装置３０は試料の予定数に対して最初にプロ
グラム化される。

例えば、はずみ車１６が１３８個の歯を存し、機関１２
が一つの機関サイクルを完成させるのに２回転を必要と
する４サイクル型のものである場合には、中央処理装置
３０はプログラム化されて１９３２の個々の信号の総数
に対して７つの完全な機関サイクルにわたってパルスを
検出することが出来る。しかしながら、任意の試料サイ
ズを使用することが出来る。

中央処理装置３０では、インタラブドが駆動され、即ち
測定装置１８を通り過ぎるはずみ車１６の１個の歯の通
過を示す、測定装置１８からの信号によって発生させら
れるインクラブドを検出すると、データの処理が行われ
、機関１２の回転の一定量に相当する。

測定装置１８からの第１信号を受けると、中央処理装置
３０はインタラブドモードの状態になり、カウンタ３４
にクロック３６からのパルスを計算することが出来るよ
うにする。測定装置１８からの次の信号が発生すると、
この信号は、測定装置Ｉ８を通り過ぎるはずみ車１６の
次の歯の通過によって明示されるように機関回転の予定
量の完結を示し、中央処理装置３０は記憶されたカウン
ト情報を処理する。

測定装置１８から次の信号を受は取ると、記憶されたカ
ウント情報はカウンタ３４の内部保持用記録器に移され
、カウンタ３４はその次のクロックパルスを再び計算す
ることが出来るようにさせられる。

カウンタ３４に記憶゛されるデータは、機関回転の一子
定周期の間に計算されたクロックパルスの数に相当し、
Ｘ　（Ｋ）又ははずみ車１６の２個の連続歯の間の遷移
時間に関連する。中央処理装置３０はカウンタ３４内の
保持用記録器のデータを読み取り、記憶装置３２にこの
データを記憶させる。機関サイクルの総数を完結すると
、中央処理装置３０はインクラブドを役に立たなくして
、記憶されＪこデータの処理を始める。

記憶された時間連続信号は機関１２の瞬間角速度に相当
する０時間信号の変動は、機関１２の瞬間角速度の変動
に相当する。

Ａ／Ｄ変換器２９の出力は、インクラブドモードの状態
にある間に中央処理装置３０によって読み取られる。Ａ
／Ｄ変換器２９の出力は、インタラブドが行われる時に
シリンダ圧力に相当する。中央処理装置はこの値を記憶
装置３２に記憶させる。

機関サイクルの前取ってプログラム化された数が完結す
ると、シリンダ圧力及び第１センサ１８を通り過ぎるは
ずみ車１６の連続歯の通過の間の時間に対する記憶され
たデータが分析される。

中央処理装置３０によって実行されたプログラムは次式
に従って全摩擦トルクを計算する。

Ｔｒ”Ｔｃ　　ＴＩＮ＋ｒ＠ｃｌ　　ＴＩＮｆｒｏＬ）
　　ＴＬここでＴ、は全瞬間摩擦トルクＩ　ＴＯはガス
圧力Ｐ、によるトルク＋　Ｔ　ＩＮ　＋ｒ＊ｃｌは往復
する機関構成要素のトルク＋　ＴＩＮｔｒ。ｔ、は回転
する機関構成要素のトルク、ＴＬは機関についての負荷
トルク（機関がアイドリングである場合には零に等しい
、） 全瞬間摩擦トルクは次式によってガス圧力１機関の瞬間
角速度２機関設計及びオペレーティングパラメータ（作
用媒介変数）の関数として記述されることが出来る。

Ｔｒ（Ｑ）＝　ｒ　Ｋ　（Ｆｅａｔ　＋　ｍｇｃｏｓａ
〕ここで、ｒ、１は機関の形状寸法から得られる。

■ははずみ車、クランク軸及び連接振部ちコンロッドの
一部からなる回転する部分品の形状寸法及び質量から計
算される。Ｆ９８．は測定されたガス圧力ＰＧ及びピス
トン面積から計算される。ｍはピストンアセンブリと連
接棒の往復する部分からなる往復部分品の質量であり、
ｇは重力加速度であり、ＦＩＮは次式から計算される往
復部分品の慣性の力である。

Ｔは負荷トルク、代表的に全てのし計算はＴＬ＝Ｏの場
合に無負荷で計算される。

機関１２の全瞬間摩擦トルクに対する後の式の出力は、
第４図に示されるように、機関１２の瞬間ガス圧力及び
瞬間角速度と共にインジケータ３８に展示され、及び又
は記録される。

往復内燃機関に於ける全瞬間摩擦トルクを計算するにあ
たり、本発明の装置によって使用される方法を明らかに
するために、次の処理が行われる。

１、機関内部でガス圧力（Ｐ）を測定すること。

２、機関の瞬間角速度を測定すること、及び３９次式に
従って全瞬間摩擦トルクを計算すること。

Ｔｒ＝Ｔｒ、Ｔ＋ｓ＋ｒａｃ＋　　ＴＩＮ＋ｒｏｌｌ　
　ＴＬ次にこの式の回答はインジケータ３８へ出力され
る。このように作用する往復内燃機関に於ける全瞬間摩
擦トルクの独特の徴候は上記の方法（Ｐ−）のもとで得
られる。これにより機関設計者にとって非常に貴重なデ
ータが得られ、この貴重なデータは設計者に機関効率を
最も不利にもたらすこれらの摩擦損失構成要素に対して
彼の努力を集結することができるようにする。又この全
瞬間摩擦トルクは潤滑技術者に機関に於ける摩擦と擦り
切れを減少させる潤滑油及び添加剤を開発することが出
来るようにする。

機関に於ける全瞬間摩擦トルクの計算についての追加情
報は、米国ミシガン州、デトロイト市のウニイン州立大
学（Ｗａｙｎｅ　５ｔａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
のＳｏｔ＋ａｉｒ　Ｆ、　Ｒｅｚａｋａ　　及びＮａｅ
ｉｗ＾、Ｈｅｎｅｉｎによって著作された°内燃機関に
おける瞬間摩擦及びその内部構成要素を評価する新解決
法”という名を付けられた自動車工学協会（Ｓｏｃｉｅ
ｔｙ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ
ｉｎｇ）の技術論文番号８４０１７９を参照することで
保有されることが出来、この内容は引例によってここに
組み入れられている。

〈発明の効果〉 本発明により作用する内燃機関に於ける全瞬間摩擦トル
クを計算することが出来、しかもこの全瞬間摩擦トルク
により潤滑技術者は機関用の潤滑油及び添加剤を開発す
ることが出来る効果がある。

本発明は動作する往復内燃機関の全瞬間摩擦トルクを計
算する装置及び方法である０本発明の装置及び方法は、
研究及び設計工具として有用であり、この工具は往復内
燃機関のサイクルを通じて全ての場合に設計者に瞬間摩
擦トルクの定量的な徴候を得ることが出来るようにする
。このような全瞬間摩擦トルクが測定されている場合に
は、エンジン設計者又は潤滑技術者は、減少された機関
効率に最も多く寄与し、それによって結果としてもっと
効率の良い機関設計又はよりすぐれた潤滑油又は潤滑油
添加剤になるこれらの範囲又は構成要素に努力を向ける
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の瞬間摩擦のインジケータ装置のブロッ
ク図で、第２図は第１図に示される装置に使用出来る信
号調節電気回路の一つの型の回路図で、第３図は本発明
の装置の中央処理装置に於ける記憶されたプログラムの
一部の作用を説明する工程系統図で、及び第４図は本発
明の瞬間摩擦１旨示装置からの出力を説明するグラフで
ある。 １０は全瞬間摩擦トルクを計算する装置、１２は内燃機
関７１４はクランク軸、１６ははずみ車、１８は瞬間角
速度を測定する測定装置、　２０は信号調節電気回路、
２１は第１増幅器、２２はアダプティブ感覚増幅器、２
４はトランジスタ、２６は第２測定装置、２８は増幅器
、２９はアナログ−ディジタル変換器、３０は中央処理
装置、３２は記憶装置（メモリ）、３４はタイマ／カウ
ンタ、３６はクロック、３８はインジケータである。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）機関の瞬間角速度を測定する第１装置、機関のシ
   リンダ内部で瞬間ガス圧力を測定する第２装置、第１測
   定装置及び第２測定装置に応答して機関の全瞬間摩擦ト
   ルクを計算する処理装置、及び計算された全瞬間摩擦ト
   ルクを指示する装置からなる、動作する往復内燃機関に
   於ける瞬間摩擦を測定する装置。
2. （２）第１測定装置が機関の回転出来る構成要素の角回
   転の予定量を測定する装置を含む、特許請求の範囲第１
   項記載の装置。
3. （３）回転できる機関構成要素が円周的に一定間隔離れ
   た複数の歯を有する機関はずみ車であり、更に第１検出
   装置がこの第１検出装置を通り過ぎる前記はずみ車の各
   々の歯の通過を検出する特許請求の範囲第２項記載の装
   置。
4. （４）機関の全瞬間摩擦トルクを計算するプログラムを
   記憶させる記憶プログラム装置をさらに含む特許請求の
   範囲第１項記載の装置。
5. （５）機関の瞬間角速度を測定する工程、機関のシリン
   ダ内部で瞬間ガス圧力を測定する工程、及び次式に従つ
   て機関の全瞬間摩擦トルクを計算する工程を含む、動作
   する往復内燃機関に於ける全瞬間摩擦トルクを計算する
   方法。 Ｔ＿Ｆ＝Ｔ＿Ｇ−Ｔ＿Ｉ＿Ｎ＿（＿ｒ＿ｅ＿ｃ＿）−Ｔ
   ＿Ｉ＿Ｎ＿（＿ｒ＿ｏ＿ｔ＿）−Ｔ＿Ｌ但しＴ＿Ｆは全
   瞬間摩擦トルク、Ｔ＿Ｇはガス圧力Ｐ＿Ｇによるトルク
   、Ｔ＿Ｉ＿Ｎ＿（＿ｒ＿ｅ＿ｃ＿）は往復する機関構成
   要素のトルク、Ｔ＿Ｉ＿Ｎ＿（＿ｒ＿ｏ＿ｔ＿）は回転
   する機関構成要素のトルク、Ｔ＿Ｌは機関についての負
   荷トルクを表す。