Piston ring sliding state monitoring apparatus and method

本発明は、ピストンリング摺動状態モニタリング装置及び方法に関する。

従来、運転時におけるエンジンシ内のピストンの焼き付きを防ぐために、潤滑油の油膜の厚さを計測する試みが行なわれている。 この油膜の膜厚を計測する方法の１つとして、シリンダライナにおけるピストンリング摺動面に検出電極を設け、この検出電極によってピストンリング摺動面とピストンリングとの間隙の静電容量を計測し、当該静電容量に基づいて潤滑油の膜厚を算出する方法がある。
例えば下記特許文献１には、このような静電容量検出型の膜圧計測技術が開示されている。

特開２００７−１０７９４７号公報

ところで、上記従来技術は、静電容量を計測するために検出電極に充電電流を供給したり、充電時間を検出したり、また検出電極に充電された電荷を放電させる等の電子回路が必要であり、装置コストが高くなるという問題があった。
また、機械加工によってシリンダ及びシリンダライナに貫通穴をあけ、この貫通孔の先端部位（ピストンリング摺動面）に検出電極を設置する必要があるので、検出電極の設置に大変手間が掛かるとともに貫通穴を通じての燃焼ガスもれの懸念を伴うという問題もあった。 したがって、より安価で簡便な方法により、ピストンの焼き付きの兆候を検知する技術の開発が切望されていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、以下の点を目的とするものである。
（１）従来よりも安価な装置でピストンの焼き付きの兆候を検知する。
（２）センサの設置が従来よりも簡便な方法でピストンの焼き付きの兆候を検知する。

上記目的を達成するために、本発明では、ピストンリング摺動状態モニタリング装置に係る第１の解決手段として、シリンダライナの所定箇所の温度を検出する温度センサと、エンジンの回転を検出する回転センサと、該温度センサの検出結果及び回転センサの検出結果に基づいてピストンリングが通過する際における所定箇所の温度データを取得する温度データ収集部と、温度データに基づいて温度の変動周期を求め、当該変動周期をピストンリングの回転周期として検出し、 当該回転周期が所定のしきい値以下であるか否かに基づいてピストンの焼き付きの兆候を判定するピストンリング回転状態判定部とを備える、という手段を採用する。

ピストンリング摺動状態モニタリング装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、ピストンの往復方向に直行する断面内に複数の温度センサを備え、ピストンリング回転状態判定部は、各温度センサに関する温度データの平均値に基づいてピストンリングの回転を検出する、という手段を採用する。

また、本発明では、ピストンリング摺動状態モニタリング方法に係る第１の解決手段として、シリンダライナの所定箇所の温度を検出する温度検出工程と、エンジンの回転を検出するエンジン回転検出工程と、温度の検出結果及び回転の検出結果に基づいてピストンリングが所定箇所を通過する際における所定箇所の温度データを取得する温度データ収集工程と、温度データに基づいて温度の変動周期を求め、当該変動周期をピストンリングの回転周期として検出するピストンリング回転検出工程と、当該回転周期が所定のしきい値以下であるか否かに基づいてピストンの焼き付きの兆候を判定する判定工程とを有する、という手段を採用する。

ピストンリング摺動状態モニタリング方法に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、温度検出工程では、ピストンの往復方向に直行する断面内の複数箇所の温度を検出し、温度データ収集工程では、複数箇所に関する温度データを取得し、ピストンリング回転検出工程では、各温度データの平均値に基づいてピストンリングの回転を検出する、という手段を採用する。

本発明によれば、シリンダライナの所定箇所における温度に基づいて温度の変動周期を求め、当該変動周期をピストンリングの回転周期として検出し、 当該回転周期が所定のしきい値以下であるか否かに基づいてピストンの焼き付きの兆候を判定するので、静電容量を検出する従来技術よりも安価な装置でピストンの焼き付きの兆候を検知することができる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るピストンリング摺動状態モニタリング装置の構成を示すブロック図である。 本ピストンリング摺動状態モニタリング装置は、４つの温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、ロータリエンコーダ２、温度データ収集部３及びピストンリング回転状態判定部４を備えるものであり、図示するようにエンジンＳをモニタリングの対象とする。

最初に、モニタリング対象であるエンジンＳについて説明すると、エンジンＳは、周知の構成を備えるものであり、円筒状のシリンダライナｓ１内に往復動するピストンＰが収納されたものである。 ピストンＰは、円筒状部材であって、周面に形成されたリング状の溝にピストンリングｐ１が嵌め合い装着されている。 このピストンリングｐ１は、全体としてリング状に形成された金属部材であり、ピストンＰの上記溝に嵌め合う必要から一箇所が切り欠かれている。 本明細書では、ピストンリングｐ１における切り欠き部分を「合口」という。

本ピストンリング摺動状態モニタリング装置を構成する上記各構成要素のうち、４つの温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ及びロータリエンコーダ２は、上述したエンジンＳを制御する上でエンジンＳに予め備えられたものである。 すなわち、４つの温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ及びロータリエンコーダ２は、ピストンＰに備えられたピストンリングｐ１のシリンダライナｓ１（正確にはシリンダライナｓ１の表面であるピストンリング摺動面ｓ２）に対する摺動状態を検出するために別途設けたものではない。

４つの温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、例えばサーミスタであり、シリンダライナｓ１の円周方向に等間隔で埋設されている。 すなわち、各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、シリンダライナｓ１の円周方向における４点の温度を計測して温度データ収集部３に出力する。

図２は、各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの配置とピストンリングｐ１の合口Ａとの位置関係を示す断面図である。 この図２において、（Ａ）はピストンＰの往復方向に平行な方向におけるシリンダライナｓ１の断面を示し、（Ｂ）はピストンＰの往復方向に垂直な方向におけるシリンダライナｓ１の断面を示している。 これら図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、ピストンＰの往復方向における所定の直交断面（配置断面）内の４箇所（互いに９０°の角度を隔てた４点）にそれぞれ配置されている。 ピストンＰに備えられたピストンリングｐ１は、上述したように配置された各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの配置位置を通過しつつピストンＰの往復動に伴なってシリンダライナｓ１内を往復運動する。

ロータリエンコーダ２は、エンジンＳの回転を検出する回転センサであり、エンジンＳが回転（作動）している状態においては、エンジンＳの回転状態に応じたパルス信号を温度データ収集部３及びピストンリング回転状態判定部４に出力する。 このパルス信号は、エンジンＳの作動状態を示すと共に、エンジンＳのクランク角θ、つまり往復運動におけるピストンＰの位置（ピストンリングｐ１の位置）を示すものである。

温度データ収集部３は、上記ロータリエンコーダ２から入力されるパルス信号に基づいて各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄから入力される温度検出信号を取り込んで記憶するものである。 すなわち、温度データ収集部３は、ピストンリングｐ１が上記配置断面を通過するタイミングで各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄから入力される温度検出信号を取り込むことによりピストンリングｐ１が上記配置断面を通過する際のシリンダライナｓ１の温度を取得し、この温度を示すデータ（温度データ）を生成して各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ毎に記憶（蓄積）する。 また、この温度データ収集部３は、ピストンリング回転状態判定部４の求めに応じて上記温度データをピストンリング回転状態判定部４に提供する。

ピストンリング回転状態判定部４は、上記温度データ及び上記ロータリエンコーダ２から入力されるパルス信号に基づいてエンジンＳが作動している状態におけるピストンリングｐ１の回転状態を判定するものである。 上記ピストンリング摺動面ｓ２において合口Ａと対向する部位は、燃焼ガスの影響で合口Ａ以外の部位よりも高い温度となるので、ピストンリング回転状態判定部４は、この合口部位と合口以外の部位との温度差に基づいて合口Ａの回転状態（例えば回転数や回転速度）を判定し、その判定結果を外部のエンジン制御装置（図示略）に出力する。

次に、このように構成された本ピストンリング摺動状態モニタリング装置の動作について、図３〜図６をも参照して詳しく説明する。

エンジンＳが作動すると、ピストンＰ及びピストンリングｐ１はシリンダライナｓ１内を往復運動するが、ピストンリングｐ１はピストンＰに対して回転しつつシリンダライナｓ１内を往復運動する。 すなわち、ピストンリングｐ１は、ピストンＰの周面に形成されたリング状の溝に嵌め合わされた状態でピストンＰに装着されており、ピストンＰに対して完全に固着されていないので、往復運動におけるシリンダライナｓ１との摩擦等の影響で一定方向に回転する。

このようにピストンリングｐ１がピストンＰに対して回転することにより、ピストンリングｐ１の合口Ａも当然にピストンＰに対して回転するので、各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを介して温度データ収集部３が収集する温度データは図３のようになる。 つまり、ピストンリングｐ１の合口Ａが回転するので、各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは、合口Ａが通過するときに最も高い温度となる。 また、各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄはピストンＰの周方向に互いに９０°の角度を隔てて配置されているので、各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄにおいて、最も高い温度となる時刻は異なるものとなる。

そして、ピストンリングｐ１は、潤滑油による潤滑作用が良好な場合、つまりシリンダライナｓ１との間に適切な厚さの油膜が形成されている状態においては摩擦が良好に低減されるので、略一定の回転周期で回転するので、上記最も高い温度の検出周期は、ピストンリングｐ１の回転周期（つまり、合口Ａの回転周期）と同様な略一定の回転周期となる。

図４は、エンジンＳの速度（エンジンスピード）、ピストンリングｐ１とシリンダライナｓ１との間における潤滑油の油膜厚さ、ピストンリング回転インデックス（ピストンリングｐ１の一日当たりの回転回数を示す指標）との関係を示す実験結果であり、２００７年１２月８日〜２００８年１月９日までの約１ヶ月の期間に渡って測定したものである（１２月１６日〜１２月２０日の間は実験休止）。 なお、この実験における油膜厚さは、静電容量方式の膜厚計測装置により計測したものであり、上下方向のパルス状の線はピストンリングｐ１の合口Ａの影響によるものである。

この図４に示すように、１２月８日〜１２月１６の間、つまり一定のエンジンスピードでエンジンＳを運転し、かつ油膜厚さが十分に確保されている状態では、ピストンリング回転インデックスは大きく、これに対して１２月２０日以降のように、エンジンスピードが１２月８日〜１２月１６と同様であるにも拘らず油膜厚さが小さくなっている場合には、ピストンリング回転インデックスが低下している。 すなわち、ピストンリングｐ１は、油膜厚さが十分な場合には良好に回転し、油膜厚さが薄くなると遅く回転するか、最終的には回転停止する。

このようにピストンリングｐ１の回転は潤滑油の油膜厚さと相関を持っているので、油膜厚さを計測することに代えてピストンリングｐ１の回転を計測することにより、油膜厚さが薄くなってエンジンＳの焼き付が発生する兆候を検知することができる。 また、ピストンリングｐ１の回転は、図３に示すように合口Ａの回転として検出することが可能である。

すなわち、本ピストンリング摺動状態モニタリング装置では、温度データ収集部３は、図３に示す温度データを各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄについて取得して記憶する。 そして、ピストンリング回転状態判定部４は、上記温度データ収集部３に記憶された各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの温度データに基づいて最も高い温度が発生する周期（つまり、合口Ａの回転周期）を検出する。

図３に示すように、各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの検出結果には合口Ａの通過に伴って各々に最も高い温度が周期的に現れるが、ピストンリング回転状態判定部４は、温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ毎に最も高い温度が発生する周期を求め、その平均値を最終的な合口Ａの回転周期とする。 そして、ピストンリング回転状態判定部４は、この回転周期が所定のしきい値以下か否かを判定することにより、エンジンＳの焼き付の兆候を検知する。 そして、ピストンリング回転状態判定部４は、最も高い温度の発生周期がしきい値以下となると、エンジンＳの焼き付の兆候があると判断して警報を外部に出力する。

以上説明したように、本実施形態によれば、各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの温度データに基づいて合口Ａの回転周期を検出することによってエンジンＳの焼き付の兆候を判定するので、従来よりも安価かつ簡便な方法でピストンの焼き付きの兆候を検知することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では４つの温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを設けるようにしたが、温度センサの個数は４個以外でも良い。
（２）上記実施形態ではピストンＰの往復方向に直交する１つの断面に４つの温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを設けるようにしたが、ピストンＰの往復方向に直交する複数の断面に温度センサを設けるようにしても良い。
（３）上記実施形態では合口Ａの位置を検出することによってピストンリングｐ１の回転を検出したが、本発明はこれに限定されない。 他の方法によってピストンリングｐ１の回転を検出するようにしても良い。

本発明の一実施形態に係るピストンリング摺動状態モニタリング装置の構成を示すブロック図である。

本発明の一実施形態において、各温度センサ１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの配置とピストンリングｐ１の合口Ａとの位置関係を示す断面図である。

本発明の一実施形態において、温度センサで検出される温度計測データの変化を模式的に示す図である。

本発明の一実施形態において、油膜厚さとピストンリング回転との関係を示す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ…温度センサ、２…ロータリエンコーダ（回転センサ）、３…温度データ収集部、４…ピストンリング回転状態判定部、Ｓ…エンジン、Ｐ…ピストン、ｐ１…ピストンリング、ｓ１…シリンダライナ