JP5338147B2

JP5338147B2 - 膜厚測定装置及び膜厚測定方法

Info

Publication number: JP5338147B2
Application number: JP2008152124A
Authority: JP
Inventors: 強寺内; 武寿高野; 雄一高濱; 吉之齋藤; 孝行廣瀬
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-06-10
Also published as: JP2009300115A

Description

本発明は、シリンダライナとピストンリングとの間に形成された潤滑油の油膜の膜厚を測定する膜厚測定装置及び膜厚測定方法に関する。

従来、エンジンシリンダ内部の運転時における油膜の膜厚を測定する種々の膜厚測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。これら膜厚測定装置の中には、潤滑油の誘電率をあらかじめ測定しておき、この誘電率に基づいて、膜厚を測定するものがある。例えば、図６に示すように、静電容量計測器１００と誘電率測定用の電極１０１とがケーブル１０２を介して接続された装置によって、あらかじめ潤滑油の誘電率が測定される。すなわち、静電容量計測器１００は、電極１０１に潤滑油を入れない空の状態での静電容量と、電極１０１に潤滑油を充填した状態での静電容量の比から、潤滑油の比誘電率を算出する。そして、静電容量計測器１００は、潤滑油の比誘電率に、真空の誘電率を乗じることにより、潤滑油の誘電率を算出する。
これにより、シリンダライナに供給する前の潤滑油の誘電率があらかじめ測定され、この誘電率を利用して、シリンダライナとピストンリングとの間に形成された潤滑油の油膜の膜厚が測定される。
特開２００７−１０７９４７号公報

しかしながら、上記のような膜厚測定装置では、シリンダライナに供給する潤滑油の種類が変わった場合、その都度、誘電率を測定し直して、膜厚測定装置に手入力する必要があり、潤滑油の変更作業負担が増大してしまうという問題がある。また、潤滑油は、時間の経過とともに誘電率が変化するため、同じ潤滑油を使い続けたとしても、経年変化による誘電率の変化に対応することができず、膜厚を精度よく測定することができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、油種が変更されても、迅速かつ容易に膜厚を測定することができるだけでなく、長期にわたって、高精度な測定を行うことができる膜厚測定装置及び膜厚測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、シリンダライナとピストンリングとの間に形成された潤滑油の油膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、前記シリンダライナに前記潤滑油を供給する潤滑油供給部を通る潤滑油の誘電率を測定する誘電率測定部と、前記シリンダライナと前記ピストンリングとの間の静電容量を測定する静電容量測定部と、前記誘電率測定部によって測定された誘電率と前記静電容量測定部によって測定された静電容量とに基づいて、前記シリンダライナと前記ピストンリングとの間に形成された油膜の膜厚を算出する膜厚算出部とを備えることを特徴とする。

また、本発明は、前記誘電率測定部が、前記潤滑油供給部に設けられた対をなす電極と、前記電極に接続されて、前記電極間の静電容量から前記潤滑油供給部を通る潤滑油の誘電率を算出する誘電率算出部とを備えることを特徴とする。

また、本発明は、前記ピストンリングの往復動方向における前記シリンダライナに対する前記ピストンリングの位置を示すクランク回転角を検出するクランク回転角検出部を備え、前記膜厚算出部は、前記クランク回転角検出部によって検出されたクランク回転角に基づいて前記膜厚を算出することを特徴とする。

また、本発明は、シリンダライナとピストンリングとの間に形成された潤滑油の油膜の膜厚を測定する膜厚測定方法であって、前記シリンダライナに前記潤滑油を供給する潤滑油供給部を通る潤滑油の誘電率を測定する誘電率測定工程と、前記シリンダライナと前記ピストンリングとの間の静電容量を測定する静電容量測定工程と、前記誘電率測定工程によって測定された誘電率と前記静電容量測定工程によって測定された静電容量とに基づいて、前記シリンダライナと前記ピストンリングとの間に形成された膜厚を算出する膜厚算出工程とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、誘電率測定部が潤滑油供給部を通る潤滑油の誘電率を測定し、静電容量測定部が静電容量を測定し、膜厚算出部が誘電率と静電容量とに基づいて膜厚を算出することから、油種が変更されても、迅速かつ容易に膜厚を測定することができるだけでなく、長期にわたって、高精度な測定を行うことができる。

（実施形態１）
以下、本発明の第１の実施形態における膜厚測定装置及び膜厚測定方法について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態としての膜厚測定装置を示したものである。
最初に、膜厚測定装置１の測定対象である膜厚が形成されるエンジンシリンダＳ１について説明する。
エンジンシリンダＳ１は、円筒状に延びるシリンダライナＳＬと、このシリンダライナＳＬ内において往復動可能に支持された円柱状のピストンＰとを備えている。

ピストンＰの外周には、ピストンＰの径方向外方に突出するピストンリングＰＲが、ピストンＰの全周にわたって設けられている。ピストンリングＰＲは、ピストンＰの往復動方向Ｍに所定間隔をあけて複数設けられている。
ピストンＰの底面には、棒状に延びるロッドＲの一端が連結されている。ロッドＲの他端は、クランクシャフトＫの一端に回転可能に連結されている。クランクシャフトＫの他端は、回転中心Ｅを中心として回転可能に支持されている。
これにより、ピストンＰは、燃料の燃焼による圧力を受けて、ロッドＲが揺動しクランクシャフトＫが回転中心Ｅを中心として回転することにより、往復動方向Ｍに往復動するようになっている。

次いで、本発明に係る膜厚測定装置１について説明する。
膜厚測定装置１は、ピストンリングＰＲの外周面ＰＲ１と、シリンダライナＳＬの内周面ＳＬ１との間に形成された油膜の膜厚Ｌを測定するものである。
この膜厚測定装置１は、エンジンシリンダＳ１内に潤滑油を供給する潤滑油供給部２と、この潤滑油供給部２を通ってエンジンシリンダＳ１内に供給される潤滑油の誘電率を測定する誘電率測定部３とを備えている。また、膜厚測定装置１は、ピストンリングＰＲの外周面ＰＲ１と、シリンダライナＳＬの内周面ＳＬ１との間の静電容量を測定する静電容量測定部５と、クランクシャフトＫの回転中心Ｅを中心とした回転角を検出するエンコーダ（クランク回転角検出部）６とを備えている。さらに、膜厚測定装置１は、誘電率測定部３と静電容量測定部５とエンコーダ６とに接続された信号処理部（膜厚算出部）４とを備えている。

潤滑油供給部２は、潤滑油を排出する注油器２ｂと、この注油器２ｂに連結されたパイプ２ａとを備えている。そして、注油器２ｂから潤滑油が排出されると、その潤滑油がパイプ２ａを通ってエンジンシリンダＳ１内に供給されるようになっている。なお、エンジンシリンダＳ１内に供給された潤滑油は、不図示の排出孔を通って注油器２ｂに還流される。
誘電率測定部３は、図２に示すように、パイプ２ａ内に設置された板状の一対の電極３ａと、この電極３ａにケーブル３ｃを介して接続された誘電率測定装置（誘電率算出部）３ｂとを備えている。
そして、誘電率測定装置３ｂは、電極３ａの静電容量に基づいて、潤滑油の誘電率を算出し、この誘電率を示す誘電率信号を信号処理部４に出力する。なお、この誘電率の算出については、後述するものとする。

また、図１に示すように、静電容量測定部５は、シリンダライナＳＬの内周面ＳＬ１に面一に配置された静電容量センサ５ａと、この静電容量センサ５ａに接続された信号変換部５ｂとを備えている。
静電容量センサ５ａは、定電流が供給されるセンサ電極（不図示）と、誘電率測定装置３ｂのグランドに接続される接地部（不図示）とを備えている。そして、静電容量センサ５ａは、往復動方向Ｍに直交する方向において、ピストンリングＰＲと静電容量センサ５ａとが対向すると、ピストンリングＰＲを対向電極とし、潤滑油を誘電体とする計測コンデンサとして機能する。さらに、静電容量センサ５ａは、センサ電極を介して供給される定電流によって充電される計測コンデンサの充電電圧の時間変化に基づいて、計測コンデンサの静電容量を検出し、この静電容量を示す電流信号を信号変換部５ｂに出力する。
信号変換部５ｂは、静電容量センサ５ａから出力された電流信号を電圧信号に変換して、信号処理部４に出力する。

エンコーダ６は、クランクシャフトＫが回転中心Ｅを中心として回転したときの回転角度を検出し、この回転角度を示す回転角度信号を信号処理部４に出力する。なお、このクランクシャフトＫの回転角度は、ピストンリングＰＲの往復動方向ＭにおけるシリンダライナＳＬに対する位置に対応するものである。そのため、クランクシャフトＫの回転角度を検出することにより、往復動方向ＭにおけるピストンリングＰＲの位置が検出される。

信号処理部４は、誘電率測定装置３ｂから出力された誘電率信号と、信号変換部５ｂから出力された電圧信号（計測コンデンサの静電容量を示す）と、エンコーダ６から出力された回転角度信号とに基づいて、ピストンリングＰＲの外周面ＰＲ１と、シリンダライナＳＬの内周面ＳＬ１との間に形成された油膜の膜厚Ｌを算出する。なお、この膜厚Ｌの算出については、後述するものとする。

次に、このように構成された本実施形態における膜厚測定装置１の動作について説明する。
エンジンシリンダＳ１は、所定の周期で爆発行程、排気行程、吸気行程、圧縮行程を繰り返しており、ピストンＰは、シリンダライナＳＬ内を往復運動している。そして、ピストンリングＰＲの外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとが対向すると、外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとの間に形成された油膜を誘電体とした計測コンデンサが構成されることになる。
コンデンサの静電容量Ｃは、以下の式で表される。
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ
なお、εは誘電率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離を示している。
したがって、電極面積が分かっていれば、外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとの間の静電容量Ｃ_Ｘと、潤滑油の誘電率とを検出することにより、電極間距離ｄを介して油膜の膜厚Ｌを求めることができる。

従来は、潤滑油の誘電率をあらかじめに測定しておくことにより、膜厚Ｌを算出していた。
ここで、潤滑油の誘電率は、図３に示すように、その種類によってそれぞれ異なっている。例えば、潤滑油Ａ、潤滑油Ｂ及び潤滑油Ｃの誘電率を比べてみると、潤滑油Ｂ、潤滑油Ｃ、潤滑油Ａの順に誘電率が高くなっている。
また、同じ潤滑油であっても、図４に示すように、劣化や異物混入などにより、時間の経過とともに、誘電率が変化してしまう。

本実施形態における膜厚測定装置１では、以下のようにして膜厚Ｌが測定される。
まず、誘電率測定部３によって、パイプ２ａに潤滑油を入れない空の状態での電極３ａ間の静電容量Ｃ_０が測定される。この場合、電極３ａには、潤滑油が配されていないことから、誘電体は空気になる。この静電容量Ｃ_０は、あらかじめ測定されるものである。ただし、誘電体が空気であることから、静電容量Ｃ_０を一度測定して、定数として入力してしまえば、この静電容量Ｃ_０は固定的に使用することができる。

そして、静電容量Ｃ_０をあらかじめ記憶した状態で、注油器２ｂから潤滑油を排出し、パイプ２ａを通して潤滑油をエンジンシリンダＳ１に供給する。さらに、エンジンシリンダＳ１を駆動することにより、ピストンＰが往復動する。
このとき、パイプ２ａ内には、潤滑油が充填されることから、電極３ａの間は潤滑油が配される。そこで、潤滑油で充填された状態の電極３ａ間の静電容量Ｃを測定する。このときの誘電体は潤滑油となる。
さらに、誘電率測定装置３ｂは、それら静電容量Ｃ_０，Ｃから、以下の式に基づいて、潤滑油の比誘電率ε_ｒを算出する。
ε_ｒ＝Ｃ／Ｃ_０・・・（１）

ここで、静電容量Ｃ_０は以下の式で表される。
Ｃ_０＝ε_０Ｓ／ｄ・・・（２）
なお、ε_０は真空の誘電率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離を示している。
また、静電容量Ｃは以下の式で表される。
Ｃ＝ε_ｒε_０Ｓ／ｄ・・・（３）
したがって、上記（２）式及び（３）式より、潤滑油の比誘電率ε_ｒは、上記（１）式によって表される。
さらに、誘電率測定装置３ｂは、潤滑油の比誘電率ε_ｒに、真空の誘電率ε_０を乗じることにより、潤滑油の誘電率εをリアルタイムに算出し、誘電率信号として信号処理部４に出力する（誘電率測定工程）。

さらに、ピストンＰの往復動の際に、ピストンリングＰＲの外周面ＰＲ１と、静電容量センサ５ａとが対向配置されると、それらによって計測コンデンサが構成されることになる。そのとき、静電容量センサ５ａは、計測コンデンサの充電電圧の時間変化に基づいて、計測コンデンサの静電容量を検出する。すなわち、静電容量センサ５ａは、充電電圧が所定の電圧値にまで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_Ｘを検出し、この静電容量Ｃ_Ｘを示す電流信号を信号変換部５ｂに出力する。なお、静電容量Ｃ_Ｘは、外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとの間の距離、すなわち膜厚Ｌが大きければ大きいほど小さくなり、電流信号の値も小さくなる。
信号変換部５ｂは、受け付けた電流信号を電圧信号に変換して信号処理部４に出力する。

ここで、ピストンＰの往復動において、外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとが対向配置していない場合にも、静電容量センサ５ａは、わずかに電流信号を出力している。そして、外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとが対向配置したときに、最も大きな電流信号を出力することになる。
また、ピストンＰが、外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとが対向する位置に配置されるか否かは、クランクシャフトＫの回転角によってあらかじめ定まっている。すなわち、一つのピストンリングＰＲの外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとが対向したときのピストンリングＰＲの位置と、クランクシャフトＫの回転角とは、１対１に対応する。
したがって、外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとが対向するときの回転角があらかじめ分かっていれば、その回転角における信号変換部５ｂの電流信号を読み出すことにより、外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとの間の静電容量Ｃ_Ｘを算出することができる。

そこで、信号処理部４は、エンコーダ６から出力された回転角信号を読み出して、その回転角信号によって示されるクランクシャフトＫの回転角が、あらかじめ記憶された回転角に一致しているか否かを判定する。そして、信号処理部４は、両回転角が一致していないと判定すると、エンコーダ６の回転角信号を再度読み出して処理を繰り返す。一方、信号処理部４は、両回転角が一致していると判定すると、信号変換部５ｂの電圧信号を読み出して、静電容量Ｃ_Ｘを算出する（静電容量測定工程）。このときの静電容量Ｃ_Ｘが、外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとが対向したときの計測コンデンサの静電容量になる。
さらに、信号処理部４は、算出した静電容量Ｃ_Ｘ，誘電率εと、あらかじめ記憶された電極面積Ｓとに基づいて、計測コンデンサの電極間の距離を介して膜厚Ｌを算出し（膜厚算出工程）、不図示の表示部に表示する。

以上より、本実施形態における膜厚測定装置１によれば、パイプ２ａを通る潤滑油の誘電率をリアルタイムに求め、この誘電率に基づいて膜厚Ｌを算出することから、油種が変更されても、誘電率の変化に合わせて、迅速かつ容易に膜厚Ｌを測定することができる。さらに、経年変化により誘電率が変化しても、エンジンシリンダＳ１に供給される潤滑油の誘電率をリアルタイムに求めることから、変化する誘電率に合わせて長期にわたって高精度な測定を行うことができる。
また、パイプ２ａ内に設けられた対をなす電極３ａと、誘電率測定装置３ｂとが設けられていることから、パイプ２ａ内を通る潤滑油の誘電率を高精度に測定することができる。
また、エンコーダ６によって検出されたクランクシャフトＫの回転角に基づいて、信号処理部４が膜厚Ｌを算出することから、ピストンリングＰＲの外周面ＰＲ１と静電容量センサ５ａとが対向したときの静電容量Ｃ_Ｘを高精度に測定することができる。

（実施形態２）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態を示したものである。
図５において、図１から図４に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施形態と上記第１の実施形態とは基本的構成は同一であり、ここでは主として異なる点について説明する。

本実施形態における膜厚測定装置１ａは、上記第１実施形態の誘電率測定装置３ｂに代えて、電極３ａが信号変換部５ｂ１に接続されて構成されている。
信号変換部５ｂ１は、信号処理部４ａから所定の周期で出力されるタイミング信号を受け付けると、電極３ａ間の静電容量を示す電流信号を電極３ａから読み出し、電圧信号に変換して信号処理部４ａに出力する。そして、信号処理部４ａは、入力された電圧信号から、電極３ａ間を流れる潤滑油の誘電率εを、上記と同様にして、算出する。
なお、本実施形態において、電極３ａ、信号変換部５ｂ１及び信号処理部４ａは、誘電率測定部としても機能するものである。

また、信号変換部５ｂ１は、信号処理部４ａからタイミング信号が出力されていない場合には、上記と同様にして、静電容量センサ５ａから出力された電流信号を読み出し、電圧信号に変換して信号処理部４ａに出力する。
なお、符号５Ａは、静電容量測定部を示すものである。
このような構成のもと、信号処理部４ａは、算出した静電容量Ｃ_Ｘ，誘電率εと、あらかじめ記憶された電極面積Ｓとに基づいて、計測コンデンサの電極間の距離を介して膜厚Ｌを算出し、不図示の表示部に表示する。

以上より、本実施形態における膜厚測定装置１ａによれば、上記第１の実施形態と同様の効果を奏することができるだけでなく、部品点数を減少させコストの低減を図ることができる。

なお、上記第１及び第２の実施形態においては、電極３ａをパイプ２ａ内に設けるとしたが、これに限ることはなく、その設置位置は適宜変更可能である。例えば、電極３ａを、注油器２ｂ内に設けたり、エンジンシリンダＳ１から注油器２ｂに至る還流用のパイプ内に設けたりしてもよい。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。

本発明に係る膜厚測定装置の第１の実施形態を示す全体構成図である。図１のパイプに誘電率測定部が設けられた様子を示す説明図である。潤滑油の種類と誘電率との関係を示すグラフである。潤滑油の誘電率が経年変化により変化する様子を示すグラフである。本発明に係る膜厚測定装置の第２の実施形態を示す全体構成図である。従来の膜厚測定装置において、潤滑油の誘電率を測定する測定装置の様子を示す説明図である。

符号の説明

１，１ａ膜厚測定装置
２潤滑油供給部
３誘電率測定部
３ａ電極
３ｂ誘電率測定装置（誘電率算出部）
４信号処理部（膜厚算出部）
４ａ信号処理部（膜厚算出部，誘電率算出部）
５静電容量測定部
６エンコーダ（クランク回転角検出部）
Ｌ膜厚
ＰＲピストンリング
ＳＬシリンダライナ

Claims

シリンダライナとピストンリングとの間に形成された潤滑油の油膜の膜厚を測定する膜厚測定装置であって、
前記シリンダライナの内周面に面一に配置された静電容量センサと、
前記シリンダライナに前記潤滑油を供給する潤滑油供給部に設けられた対をなす電極と、
所定のタイミング信号が入力されると、前記電極間の静電容量を示す電流信号を前記電極から読み出して電圧信号に変換し、前記タイミング信号が入力されないときには、前記静電容量センサから出力された電流信号を読み出して電圧信号に変換する信号変換部と、
前記タイミング信号を生成して前記信号変換部に出力すると共に、当該信号変換部から入力される前記各電気信号に基づいて前記潤滑油の誘電率及び前記シリンダライナと前記ピストンリングとの間の静電容量を測定し、前記誘電率及び前記静電容量に基づいて前記シリンダライナと前記ピストンリングとの間に形成された油膜の膜厚を算出する信号処理部と
を備えることを特徴とする膜厚測定装置。
前記ピストンリングの往復動方向における前記シリンダライナに対する前記ピストンリングの位置を示すクランク回転角を検出するクランク回転角検出部を備え、
前記膜厚算出部は、前記クランク回転角検出部によって検出されたクランク回転角に基づいて前記膜厚を算出することを特徴とする請求項１に記載の膜厚測定装置。