摺動状態評価装置、エンジン制御ユニット、エンジンシステム及び摺動状態評価方法
【課題】摺動状態の変化を迅速に検知できる摺動状態評価装置、エンジン制御ユニット、エンジンシステム及び摺動状態評価方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る摺動状態評価装置５は、ピストン２２が往復自在に設置されるシリンダライナ２１の内周面２１ｃと、ピストン２２の外周面２２ａに設けられるピストンリングＲ１〜Ｒ４との間の摺動状態を評価する摺動状態評価装置であって、ピストン２２の往復方向でのピストンリングＲ１〜Ｒ４の両側の圧力差を算出する算出部５３と、圧力差の変化に基づいて摺動状態を評価する評価部５４とを備える、という構成を採用する。
【解決手段】本発明に係る摺動状態評価装置５は、ピストン２２が往復自在に設置されるシリンダライナ２１の内周面２１ｃと、ピストン２２の外周面２２ａに設けられるピストンリングＲ１〜Ｒ４との間の摺動状態を評価する摺動状態評価装置であって、ピストン２２の往復方向でのピストンリングＲ１〜Ｒ４の両側の圧力差を算出する算出部５３と、圧力差の変化に基づいて摺動状態を評価する評価部５４とを備える、という構成を採用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動状態評価装置、エンジン制御ユニット、エンジンシステム及び摺動状態評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料が燃焼して生じる熱エネルギーを、ピストンの往復運動という力学的エネルギーに変換するレシプロエンジンが知られている。ピストンはシリンダライナ内に設置され、燃料の燃焼により発生する燃焼ガスによって付勢されて往復運動する。ピストンの外周面にはピストンリングが設けられている。ピストンリングはシリンダライナの内周面に接して設けられ、ピストンの外周面とシリンダライナの内周面との隙間を通って燃焼ガスが抜け出ることを防止するものである。また、ピストンリングとシリンダライナとの円滑な摺動を確保するために、シリンダライナの内周面側には潤滑油が供給されている。
【０００３】
ピストンリングとシリンダライナとの摺動状態は、潤滑油の油膜厚さの増減等により変化する。例えば油膜が薄くなり、摺動状態が悪化すると、ピストンリング及びシリンダライナの摩耗や損傷、焼き付き等の不具合が生じる場合がある。このような不具合を防止するには、摺動状態の変化に応じて、潤滑油の供給やエンジンの出力調整等を行う必要がある。そして、特許文献１には、ピストンリングとシリンダライナとの摺動箇所の温度上昇を計測して、摺動状態の変化を検知する方法が開示されている。
また、特許文献２には、ピストンリング間の圧力を検出する圧力検出装置（圧力検出ピックアップ）を用いて、ピストンリングの折損を検知する監視装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１９８５４４号公報
【特許文献２】特開昭５９−６８５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に開示された方法では、温度を計測する温度センサをシリンダライナに形成された孔部内に設置している。潤滑油の薄膜化等により摺動状態が悪化すると、ピストンリングとシリンダライナとの摺動箇所の温度が上昇する。この温度上昇をシリンダライナに設置された温度センサにより計測することで、摺動状態の変化を検知している。
また、特許文献２に開示された監視装置では、ピストンリングが折損することでピストンリング間の圧力が変化するため、この変化をシリンダライナに設けられた圧力検出装置を用いて検出することで、ピストンリングの折損を検知している。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された方法では、温度センサがシリンダライナの孔部内に設置されているために、ピストンリングとシリンダライナとの摺動箇所で生じた熱が温度センサに伝わるには一定の時間が掛かる。すなわち、摺動状態の変化を迅速に検知することが難しいという課題があった。そして、ピストンリング及びシリンダライナの摩耗や損傷が進行してしまうという課題があった。
また、特許文献２に開示された監視装置では、圧力検出装置がピストンリング間の圧力の変化を検出した時点では、既にピストンリングの折損は発生しており、ピストンリングとシリンダライナとの摺動状態の経時的な変化を検知できないという課題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、摺動状態の変化を迅速に検知できる摺動状態評価装置、エンジン制御ユニット、エンジンシステム及び摺動状態評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明に係る摺動状態評価装置は、ピストンが往復自在に設置されるシリンダライナの内周面と、ピストンの外周面に設けられるピストンリングとの間の摺動状態を評価する摺動状態評価装置であって、ピストンの往復方向でのピストンリングの両側の圧力差を算出する算出部と、圧力差の変化に基づいて摺動状態を評価する評価部とを備える、という構成を採用する。
ピストンリングとシリンダライナとの摺動箇所では、摺動状態の変化に先立ち、ピストンの往復方向でのピストンリングの両側の圧力差が変化する。そのため、本発明によれば、圧力差の変化に基づいて摺動状態を評価することで、摺動状態の変化を迅速に検知することが可能となる。
【０００９】
また、本発明に係る摺動状態評価装置は、評価部が、所定の時間幅での圧力差の変化量が所定の閾値以上であるときに摺動状態が変化したと評価する、という構成を採用する。
【００１０】
また、本発明に係る摺動状態評価装置は、ピストンの外周面とシリンダライナの内周面との間に形成される空間の圧力を計測する圧力計測部と、往復方向でのピストンリングの位置を計測する位置計測部とを備え、算出部は、圧力計測部及び位置計測部の計測結果に基づいて圧力差を算出する、という構成を採用する。
【００１１】
また、本発明に係るエンジン制御ユニットは、レシプロエンジンを制御する制御装置を備えるエンジン制御ユニットであって、請求項１から３のいずれか一項に記載の摺動状態評価装置を備え、制御装置は、摺動状態評価装置の評価結果に基づいてレシプロエンジンを制御する、という構成を採用する。
【００１２】
また、本発明に係るエンジンシステムは、レシプロエンジンと、当該レシプロエンジンを制御する制御ユニットとを備えるエンジンシステムであって、制御ユニットとして請求項４に記載のエンジン制御ユニットを備える、という構成を採用する。
【００１３】
また、本発明に係る摺動状態評価方法は、ピストンが往復自在に設置されるシリンダライナの内周面と、ピストンの外周面に設けられるピストンリングとの間の摺動状態を評価する摺動状態評価方法であって、ピストンの往復方向でのピストンリングの両側の圧力差を算出する算出工程と、圧力差の変化に基づいて摺動状態を評価する評価工程とを有する、という方法を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、圧力差の変化に基づいて摺動状態を評価することで、摺動状態の変化を迅速に検知できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態におけるエンジンシステムの構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態におけるピストンの外周面を拡大した断面図である。
【図３】本発明の実施形態における評価部による摺動状態の評価処理を説明するためのグラフである。
【図４】本発明の実施形態におけるピストンリングの上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第１のグラフである。
【図５】本発明の実施形態におけるピストンリングの上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第２のグラフである。
【図６】本発明の実施形態におけるピストンリングの上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第３のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図１から図６を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１７】
図１は、本実施形態におけるエンジンシステム１の構成を示す概略図である。
エンジンシステム１は、内燃機関であるレシプロエンジン２と、当該レシプロエンジン２を制御するエンジン制御ユニット３とを備えている。
【００１８】
レシプロエンジン２は、燃料の燃焼により発生する熱エネルギーを、力学的エネルギーに変換する内燃機関である。レシプロエンジン２は、シリンダライナ２１と、ピストン２２と、クランクシャフト２３とを備えている。
【００１９】
シリンダライナ２１は、ピストン２２を収容する部材であって、端部が閉鎖された略円筒状に成形されている。シリンダライナ２１の内部には、燃料と空気との混合気を燃焼させる燃焼室２１ａが設けられている。シリンダライナ２１には、燃焼室２１ａに混合気を供給する不図示の供給口と、燃焼室２１ａでの混合気の燃焼により生じる燃焼ガス・排気ガスを排出する不図示の排出口が設けられている。また、シリンダライナ２１の燃焼室２１ａと逆側には、クランクシャフト２３を回転自在に収容するクランクケース２１ｂが接続されている。
【００２０】
ピストン２２は、略円柱状に成形され、シリンダライナ２１の内部に往復自在に設置されている。上述した燃焼室２１ａは、シリンダライナ２１と、ピストン２２の一方側の端面とによって形成されている。そのため、ピストン２２は、燃焼室２１ａでの混合気の燃焼により生じる燃焼ガスによって付勢され、移動する構成となっている。
ピストン２２は、シリンダライナ２１の内周面２１ｃとの間に、隙間２１ｄをあけて設置されている。また、ピストン２２は、コネクティングロッド２４を介してクランクシャフト２３に連結されている。クランクシャフト２３は、ピストン２２が往復移動することで回転する部材であり、レシプロエンジン２の外部に回転駆動力を出力する不図示の出力軸と接続されている。
なお、本実施形態におけるレシプロエンジン２では、ピストン２２の往復方向は鉛直上下方向に設定されている。以下の説明では、ピストン２２の往復方向を上下方向と記載して説明する場合がある。
【００２１】
ピストン２２の外周面２２ａには、第１ピストンリングＲ１から第４ピストンリングＲ４の４つのピストンリング（以下、単に「リング」と称する）が設けられている。リングＲ１〜Ｒ４は、シリンダライナ２１の内周面２１ｃに接して設けられており、ピストン２２が往復移動するに従って内周面２１ｃと摺動する。リングＲ１〜Ｒ４は、燃焼室２１ａで生じた燃焼ガスが隙間２１ｄを通ってクランクケース２１ｂ側に抜け出ることを防止するものである。なお、第１リングＲ１から第４リングＲ４は、燃焼室２１ａ側からクランクケース２１ｂ側に向かって順に配置されている。
【００２２】
また、レシプロエンジン２は、シリンダライナ２１の内周面２１ｃ側に潤滑油を供給する給油ノズル２５と、当該給油ノズル２５に向けて潤滑油を送り出す潤滑油供給部２６とを備えている。潤滑油は内周面２１ｃに対してリングＲ１〜Ｒ４を円滑に摺動させるために供給されるものである。
【００２３】
ピストン２２の外周面２２ａ近傍の構成について、さらに詳細に説明する。
図２は、本実施形態におけるピストン２２の外周面２２ａを拡大した断面図である。
ピストン２２の外周面２２ａには、周方向に延在する複数の溝部２２ｂが形成されている。複数の溝部２２ｂには、リングＲ１〜Ｒ４がそれぞれ配置されている。
【００２４】
リングＲ１〜Ｒ４は、弾性を有する金属材料を用いて円環状に成形されており、径方向内側に押し縮められた状態でシリンダライナ２１の内側に設けられている。リングＲ１〜Ｒ４は、径方向外側に拡開しようとするため、内周面２１ｃに密接している。また、内周面２１ｃ側への潤滑油の供給により、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの間には油膜２１ｅが形成されている。油膜２１ｅが形成されることで、リングＲ１〜Ｒ４が内周面２１ｃに対して円滑に摺動することが可能となる。
【００２５】
隙間２１ｄ内を上下方向（紙面上下方向）で燃焼ガスが流動すると、リングＲ１〜Ｒ４は燃焼ガスによって付勢され、溝部２２ｂの一方の側面に密接する。よって、リングＲ１〜Ｒ４は隙間２１ｄを閉鎖でき、燃焼ガスが燃焼室２１ａから隙間２１ｄを通ってクランクケース２１ｂ側に抜け出ることを防止・抑制することができる。
なお、隙間２１ｄのうち、第１リングＲ１と第２リングＲ２との間に形成される空間を第１空間Ｓ１と規定し、第２リングＲ２と第３リングＲ３との間に形成される空間を第２空間Ｓ２と規定する。
【００２６】
図１に戻り、エンジン制御ユニット３は、レシプロエンジン２の動作を制御するＥＣＵ（Engine Control Unit、制御装置）４と、リングＲ１〜Ｒ４とシリンダライナ２１の内周面２１ｃとの摺動状態を評価する摺動状態評価装置５とを備えている。
ＥＣＵ４は、燃焼室２１ａに供給される混合気の量や混合比率等を調整してレシプロエンジン２の出力等を制御し、潤滑油供給部２６が送り出す潤滑油量を調整して給油ノズル２５から内周面２１ｃ側に供給される潤滑油量を制御する制御装置である。
【００２７】
摺動状態評価装置５は、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの摺動状態を評価し、この評価結果をＥＣＵ４に出力する装置である。摺動状態評価装置５は、圧力センサ（圧力計測部）５１と、クランク角度計測部（位置計測部）５２と、算出部５３と、評価部５４とを備えている。
【００２８】
圧力センサ５１は、シリンダライナ２１の内周面２１ｃとピストン２２の外周面２２ａとの間の隙間２１ｄにおける圧力を計測するセンサである。圧力センサ５１は、シリンダライナ２１の内周面２１ｃに開口する孔部内に挿入して設置されている。圧力センサ５１の計測結果は、算出部５３に常時出力される。
【００２９】
クランク角度計測部５２は、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での位置計測に用いられる機器であって、クランクシャフト２３の回転角度を計測する機器である。クランク角度計測部５２は、クランクシャフト２３の回転角度を計測するロータリエンコーダ等を備えており、計測した回転角度は算出部５３に常時出力される。なお、クランク角度計測部５２の代わりに、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での位置を計測する他の計測機器を用いてもよい。
【００３０】
算出部５３は、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力差をそれぞれ算出する演算装置である。より詳細には、算出部５３は、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力を各々算出し、この算出結果からリングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力差をそれぞれ算出する。なお、算出部５３が圧力センサ５１から常時出力されている圧力計測結果を１秒間に取得できる回数（サンプリング周波数）は、１０ｋＨｚ程度となっている。算出部５３が算出したリングＲ１〜Ｒ４の各圧力差は、評価部５４に出力される。
【００３１】
算出部５３による圧力差の算出処理を詳細に説明する。
算出部５３は、隙間２１ｄにおける圧力計測結果を圧力センサ５１から常時取得している。レシプロエンジン２の動作中はピストン２２が往復移動していることから、圧力センサ５１の計測結果のうち、リングＲ１〜Ｒ４が上下方向でどこに位置しているときの計測結果であるかを判別する必要がある。
算出部５３は、クランク角度計測部５２からクランクシャフト２３の回転角度の計測結果を取得し、この回転角度を用いてリングＲ１〜Ｒ４の上下方向での位置を算出する。そして、算出部５３は、算出したリングＲ１〜Ｒ４の位置に基づいて、圧力センサ５１から取得している圧力計測結果から、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力を各々算出する。
【００３２】
なお、算出部５３は、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力を各々算出するにあたり、圧力センサ５１が複数回計測した結果を平均して算出している。
算出部５３は、高いサンプリング周波数（１０ｋＨｚ程度）を有しているため、ピストン２２の往復移動中においても、リングＲ１〜Ｒ４のうち所定のリング間における空間の圧力計測結果を複数回（例えば７回）で取得することかできる。そして、算出部５３は取得した圧力測定結果を平均して、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力を各々算出している。このような算出処理を行うことで、圧力センサ５１や算出部５３におけるノイズ等の影響を低減することができる。なお、算出部５３のサンプリング周波数は１０ｋＨｚに限定されず、ピストン２２の往復移動速度、圧力センサ５１の設置位置、又はリングＲ１〜Ｒ４の各間隔等に応じて適宜選択してよい。
【００３３】
なお、燃焼室２１ａにて混合気が燃焼し、ピストン２２がクランクケース２１ｂ側に移動している間にのみ、算出部５３が圧力センサ５１から圧力計測結果を取得するようにしてもよい。混合気の燃焼後に圧力計測結果を取得することで、大きな圧力差を算出することができる。
【００３４】
続いて、算出部５３は、各々算出したリングＲ１〜Ｒ４の両側の圧力を用いて、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力差をそれぞれ算出する。算出したリングＲ１〜Ｒ４の各圧力差は、評価部５４に出力される。
以上で、算出部５３による圧力差の算出処理が終了する。
【００３５】
評価部５４は、算出部５３が算出した圧力差の変化に基づいて、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの間の摺動状態をそれぞれ評価する演算装置である。評価部５４の評価結果は、ＥＣＵ４に出力される。
なお、評価部５４と上述した算出部５３とが、同一の演算装置によって構成されていてもよい。また、上述したＥＣＵ４、算出部５３及び評価部５４が、同一の演算装置によって構成されていてもよい。
【００３６】
評価部５４による摺動状態の評価処理を詳細に説明する。なお、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの間の摺動状態のそれぞれの評価処理は、いずれも同一である。よって、以下の説明では、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態の評価処理についてのみ説明する。
【００３７】
まず、評価部５４の評価処理の前提となる、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態と、第２リングＲ２の上下の圧力差における変化との関係について、図２を参照して説明する。
上述したように、第２リングＲ２は弾性を有する金属材料によって成形されており、径方向外側に拡開しようとすることから、内周面２１ｃに密接している。また、第２リングＲ２の内周面２１ｃへの密接力Ｆは、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２との間の圧力差（すなわち第２リングＲ２の上下の圧力差）によって変化する。ここで、第１空間Ｓ１の圧力を符号Ｐ１で表し、第２空間Ｓ２の圧力を符号Ｐ２で表している。
【００３８】
例えば、第１空間Ｓ１の圧力Ｐ１が第２空間Ｓ２の圧力Ｐ２よりも大きくなったときには、第２リングＲ２は下方に向けて付勢され、溝部２２ｂの下方側の側面に密接する。圧力Ｐ１，Ｐ２の圧力差が拡大するに従い、第２リングＲ２の溝部２２ｂに対する密接力は増加し、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２との間はさらに密閉される。この密閉により、第１空間Ｓ１から第２空間Ｓ２に向かう燃焼ガスの流動がさらに抑制される。第１空間Ｓ１内の燃焼ガスは、第２リングＲ２の径方向内側にも流入していることから、燃焼ガスは第２リングＲ２を径方向外側に付勢する。よって、第２リングＲ２の内周面２１ｃへの密接力Ｆが増加し、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の接触面圧が上昇する。すなわち、第２リングＲ２の上下の圧力差の拡大は、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の接触面圧の上昇をもたらす。
【００３９】
このように接触面圧が上昇することで、油膜２１ｅの薄膜化等を引き起こし、第２リングＲ２が内周面２１ｃに直接に接触するといった摺動状態の悪化（変化）に繋がる。もっとも、接触面圧が次第に上昇した場合には、第２リングＲ２と内周面２１ｃとのなじみ（局所的な摺り合わせ）が進むため、摺動状態が大きく悪化することはない。
しかしながら、第２リングＲ２の上下の圧力差が急激に拡大すると、上記なじみが適切に行われず、第２リングＲ２が内周面２１ｃに直接に接触して摩耗することや、微細な焼き付きが生じる。このような摩耗・焼き付きが生じることで、内周面２１ｃ側に供給された潤滑油に含まれる鉄粉濃度が増加する。さらに、悪化した摺動状態が所定の時間で続くことにより、摩耗が生じている部分が拡大し、第２リングＲ２の全体に亘る焼き付きが生じる虞がある。
【００４０】
本実施形態の評価部５４は、上述した知見に基づいて、第２リングＲ２の上下の圧力差が、所定の変化率以上の変化率で拡大し、且つその拡大が所定の時間幅で続いたときに、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの摺動状態が悪化（変化）したと評価し、評価結果をＥＣＵ４に出力してＥＣＵ４にレシプロエンジン２の運転調整を行わせるものである。具体的には、評価部５４は、第２リングＲ２の上下の圧力差が、０．５ＭＰａ／ｈｒ以上の変化率で拡大し、且つその拡大が１０分続いたときに、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの摺動状態が悪化（変化）したと評価する。
また、換言すれば、評価部５４は、所定の時刻に算出部５３から取得した圧力差と、所定の時刻から１０分後に算出部５３から取得した圧力差との間の変化量を算出し、当該変化量が所定の閾値以上であれば、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの摺動状態が悪化（変化）したと評価する。圧力差の変化量の閾値は、上述した圧力差の変化率０．５ＭＰａ／ｈｒに基づき、０．０８４ＭＰａ（≒０．５ＭＰａ／ｈｒ×０．１６７ｈｒ（≒１０ｍｉｎ））に設定している。
【００４１】
評価部５４による摺動状態の評価処理を、複数の具体例を挙げて説明する。
図３は、本実施形態における評価部５４による摺動状態の評価処理を説明するためのグラフである。
図３に示すように、具体例として３種類の圧力差の変化結果を用いて説明する。時間の経過とともに変化する圧力差を示すグラフとして、第１圧力差変化Ｇ１、第２圧力差変化Ｇ２及び第３圧力差変化Ｇ３を用いる。これらの圧力差変化は、時間Ｔａにおいて圧力差Ｐｄａを示している。時間Ｔａから１０分経過した時間を、時間Ｔｂとする。時間Ｔａにおける圧力差Ｐｄａが、０．５ＭＰａ／ｈｒの変化率で拡大したときの、時間Ｔｂにおける圧力差をＰｄｂとする。圧力差ＰｄａとＰｄｂとの差は、圧力差の変化量に対する閾値Ｐｄｔ（＝０．０８４ＭＰａ）となっている。
【００４２】
まず、第２リングＲ２の上下の圧力差が、第１圧力差変化Ｇ１に従って変化した場合の、評価部５４の評価処理について説明する。
最初に、評価部５４は、時間Ｔａにおける圧力差Ｐｄａを算出部５３から取得して保持する。
次に、評価部５４は、時間Ｔａから１０分後の時間Ｔｂにおける圧力差を算出部５３から取得して保持する。圧力差が第１圧力差変化Ｇ１に従って変化すると、時間Ｔｂにおける圧力差はＰｄ１となる。
次に、１０分の時間幅での圧力差の変化量と、閾値Ｐｄｔとを比較する。評価部５４は、圧力差ＰｄａとＰｄ１との間の差、すなわち圧力差の変化量を算出し、この変化量と閾値Ｐｄｔとを比較する。圧力差が第１圧力差変化Ｇ１に従って変化した場合には、圧力差Ｐｄ１はＰｄｂよりも小さくなっている。したがって、評価部５４は、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化（変化）したと評価しない。
【００４３】
次に、第２リングＲ２の上下の圧力差が、第２圧力差変化Ｇ２に従って変化した場合の、評価部５４の評価処理について説明する。
最初に、評価部５４は、時間Ｔａにおける圧力差Ｐｄａを算出部５３から取得して保持する。
次に、評価部５４は、時間Ｔａから１０分後の時間Ｔｂにおける圧力差を算出部５３から取得して保持する。圧力差が第２圧力差変化Ｇ２に従って変化すると、時間Ｔｂにおける圧力差はＰｄ２となる。
次に、１０分の時間幅での圧力差の変化量と、閾値Ｐｄｔとを比較する。評価部５４は、圧力差ＰｄａとＰｄ２との間の差、すなわち圧力差の変化量を算出し、この変化量と閾値Ｐｄｔとを比較する。圧力差が第２圧力差変化Ｇ２に従って変化した場合には、圧力差Ｐｄ２はＰｄｂよりも大きくなっている。したがって、評価部５４は、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化（変化）したと評価する。さらに、評価部５４は、この評価結果をＥＣＵ４に対して出力する。ＥＣＵ４は評価結果に従い、レシプロエンジン２の運転調整を行う。
【００４４】
最後に、第２リングＲ２の上下の圧力差が、第３圧力差変化Ｇ３に従って変化した場合の、評価部５４の評価処理について説明する。
最初に、評価部５４は、時間Ｔａにおける圧力差Ｐｄａを算出部５３から取得して保持する。
次に、評価部５４は、時間Ｔａから１０分後の時間Ｔｂにおける圧力差を算出部５３から取得して保持する。圧力差が第３圧力差変化Ｇ３に従って変化すると、時間Ｔｂにおける圧力差はＰｄ３となる。
次に、１０分の時間幅での圧力差の変化量と、閾値Ｐｄｔとを比較する。評価部５４は、圧力差ＰｄａとＰｄ３との間の差、すなわち圧力差の変化量を算出し、この変化量と閾値Ｐｄｔとを比較する。圧力差が第３圧力差変化Ｇ３に従って変化した場合には、圧力差Ｐｄ３はＰｄｂよりも小さくなっている。したがって、評価部５４は、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化（変化）したと評価しない。
圧力差が第３圧力差変化Ｇ３に従って変化した場合には、１０分の時間が経過するまでに圧力差は一時的に圧力差Ｐｄｂを超えている。圧力差の一時的な閾値Ｐｄｔの超過は、計測誤差等が考えられる。そのため、１０分という時間幅での圧力差の変化量と、閾値Ｐｄｔを比較することで、評価部５４は計測誤差等を除外した安定した評価処理を行うことができる。
以上で、評価部５４による摺動状態の評価処理が終了する。
【００４５】
続いて、エンジンシステム１の動作を説明する。
まず、ＥＣＵ４がレシプロエンジン２を作動させる。
次に、算出部５３が圧力センサ５１及びクランク角度計測部５２の計測結果に基づいて、第２リングＲ２の上下の圧力を各々算出する。
次に、算出部５３が、各々算出された第２リングＲ２の上下の圧力を用いて、第２リングＲ２の上下の圧力差を算出する（算出工程）。この算出結果は評価部５４に出力される。
次に、評価部５４が、算出部５３から取得した圧力差の変化に基づいて、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態を評価する（評価工程）。この評価結果はＥＣＵ４に出力される。
最後に、ＥＣＵ４が評価部５４の評価結果に基づいて、レシプロエンジン２の運転調整を行う。具体的には、レシプロエンジン２の出力調整や内周面２１ｃ側に供給される潤滑油量の調整等が行われる。
以上で、エンジンシステム１の動作が終了する。
【００４６】
最後に、実際のレシプロエンジン２における、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差のそれぞれの変化と、内周面２１ｃ側に供給された後の潤滑油中の鉄粉濃度の変化との関係を、図４から図６を参照して説明する。
図４は、本実施形態におけるリングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第１のグラフである。また、図５は、本実施形態におけるリングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第２のグラフである。また、図６は、本実施形態におけるリングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第３のグラフである。
【００４７】
図４から図６においては、時間の経過とともに変化する、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差と、内周面２１ｃ側に供給された後の潤滑油中の鉄粉濃度とを併せて記載している。なお、本計測において、鉄粉濃度の過度の増加を示す閾値（鉄粉のベース、図４参照）を約７０ｐｐｍに設定している。
【００４８】
図４に示すように、時間７ｈｒ辺りから第２リングＲ２の上下の圧力差が拡大し始め、当該圧力差の変化量は２１分間で０．２９ＭＰａとなった。なお、圧力差の変化率は、０．８３ＭＰａ／ｈｒである。また、第２リングＲ２の上下の圧力差が拡大し始めた後に、潤滑油中の鉄粉濃度が上述した鉄粉のベースを超え、鉄粉濃度が過度に増加した状態となっている。そのため、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化していると推定される。
【００４９】
図５に示すように、時間５．４ｈｒ辺りから第４リングＲ４の上下の圧力差が拡大し始め、当該圧力差の変化量は１６分間で０．９ＭＰａとなった。なお、圧力差の変化率は、３．３７５ＭＰａ／ｈｒである。また、第４リングＲ４の上下の圧力差が拡大し始めた後に、潤滑油中の鉄粉濃度が上昇し始めている。そのため、第４リングＲ４と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化していると推定される。
【００５０】
図６に示すように、時間２．５ｈｒ辺りから第３リングＲ３の上下の圧力差が拡大し始め、当該圧力差の変化量は１３分間で１．０ＭＰａとなった。なお、圧力差の変化率は、４．６２ＭＰａ／ｈｒである。また、第３リングＲ３の上下の圧力差が拡大し始めた後に、潤滑油中の鉄粉濃度が上昇し始めている。そのため、第３リングＲ３と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化していると推定される。
【００５１】
図４から図６に示すように、潤滑油中の鉄粉濃度の上昇に先立ち、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差が拡大している。そのため、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化を捉えることで、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの摺動状態の悪化（変化）を迅速に検知することができる。また、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化に基づいて、レシプロエンジン２の動作調整等を行うことで、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの間の摩耗や焼き付き等の発生を抑制又は防止することができる。
なお、圧力差が拡大した時間及び圧力差の変化量を以下に示す。
【００５２】
図４： ２１分間で０．２９ＭＰａ変化 （変化率０．８３ＭＰａ／ｈｒ）
図５： １６分間で０．９ＭＰａ変化 （変化率３．３７５ＭＰａ／ｈｒ）
図６： １３分間で１．０ＭＰａ変化 （変化率４．６２ＭＰａ／ｈｒ）
【００５３】
本実施形態における評価部５４は、図４から図６において、鉄粉濃度の上昇の前に確認された、圧力差が拡大した時間及び圧力差の変化率のそれぞれの最小値に対して、一定の安全係数を乗じた数値を基準値として設定している。圧力差の変化を確認するときの１０分の時間幅は、図６において圧力差が拡大した時間である１３分に安全係数として０．７程度を乗じたものである。また、圧力差の変化率の基準となる０．５ＭＰａ／ｈｒは、図４における圧力差の変化率である０．８３ＭＰａ／ｈｒに安全係数として０．７程度を乗じたものである。
【００５４】
本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化に基づいて、リングＲ１〜Ｒ４とシリンダライナ２１の内周面２１ｃとの間の摺動状態を評価することで、当該摺動状態の変化を迅速に検知できるという効果がある。
【００５５】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１…エンジンシステム、２…レシプロエンジン、３…エンジン制御ユニット、４…ＥＣＵ（制御装置）、５…摺動状態評価装置、２１…シリンダライナ、２１ｃ…内周面、２２…ピストン、２２ａ…外周面、Ｒ１…第１リング（ピストンリング）、Ｒ２…第２リング（ピストンリング）、Ｒ３…第３リング（ピストンリング）、Ｒ４…第４リング（ピストンリング）、５１…圧力センサ（圧力計測部）、５２…クランク角度計測部（位置計測部）、５３…算出部、５４…評価部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、摺動状態評価装置、エンジン制御ユニット、エンジンシステム及び摺動状態評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料が燃焼して生じる熱エネルギーを、ピストンの往復運動という力学的エネルギーに変換するレシプロエンジンが知られている。ピストンはシリンダライナ内に設置され、燃料の燃焼により発生する燃焼ガスによって付勢されて往復運動する。ピストンの外周面にはピストンリングが設けられている。ピストンリングはシリンダライナの内周面に接して設けられ、ピストンの外周面とシリンダライナの内周面との隙間を通って燃焼ガスが抜け出ることを防止するものである。また、ピストンリングとシリンダライナとの円滑な摺動を確保するために、シリンダライナの内周面側には潤滑油が供給されている。
【０００３】
ピストンリングとシリンダライナとの摺動状態は、潤滑油の油膜厚さの増減等により変化する。例えば油膜が薄くなり、摺動状態が悪化すると、ピストンリング及びシリンダライナの摩耗や損傷、焼き付き等の不具合が生じる場合がある。このような不具合を防止するには、摺動状態の変化に応じて、潤滑油の供給やエンジンの出力調整等を行う必要がある。そして、特許文献１には、ピストンリングとシリンダライナとの摺動箇所の温度上昇を計測して、摺動状態の変化を検知する方法が開示されている。
また、特許文献２には、ピストンリング間の圧力を検出する圧力検出装置（圧力検出ピックアップ）を用いて、ピストンリングの折損を検知する監視装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１９８５４４号公報
【特許文献２】特開昭５９−６８５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に開示された方法では、温度を計測する温度センサをシリンダライナに形成された孔部内に設置している。潤滑油の薄膜化等により摺動状態が悪化すると、ピストンリングとシリンダライナとの摺動箇所の温度が上昇する。この温度上昇をシリンダライナに設置された温度センサにより計測することで、摺動状態の変化を検知している。
また、特許文献２に開示された監視装置では、ピストンリングが折損することでピストンリング間の圧力が変化するため、この変化をシリンダライナに設けられた圧力検出装置を用いて検出することで、ピストンリングの折損を検知している。
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された方法では、温度センサがシリンダライナの孔部内に設置されているために、ピストンリングとシリンダライナとの摺動箇所で生じた熱が温度センサに伝わるには一定の時間が掛かる。すなわち、摺動状態の変化を迅速に検知することが難しいという課題があった。そして、ピストンリング及びシリンダライナの摩耗や損傷が進行してしまうという課題があった。
また、特許文献２に開示された監視装置では、圧力検出装置がピストンリング間の圧力の変化を検出した時点では、既にピストンリングの折損は発生しており、ピストンリングとシリンダライナとの摺動状態の経時的な変化を検知できないという課題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、摺動状態の変化を迅速に検知できる摺動状態評価装置、エンジン制御ユニット、エンジンシステム及び摺動状態評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明に係る摺動状態評価装置は、ピストンが往復自在に設置されるシリンダライナの内周面と、ピストンの外周面に設けられるピストンリングとの間の摺動状態を評価する摺動状態評価装置であって、ピストンの往復方向でのピストンリングの両側の圧力差を算出する算出部と、圧力差の変化に基づいて摺動状態を評価する評価部とを備える、という構成を採用する。
ピストンリングとシリンダライナとの摺動箇所では、摺動状態の変化に先立ち、ピストンの往復方向でのピストンリングの両側の圧力差が変化する。そのため、本発明によれば、圧力差の変化に基づいて摺動状態を評価することで、摺動状態の変化を迅速に検知することが可能となる。
【０００９】
また、本発明に係る摺動状態評価装置は、評価部が、所定の時間幅での圧力差の変化量が所定の閾値以上であるときに摺動状態が変化したと評価する、という構成を採用する。
【００１０】
また、本発明に係る摺動状態評価装置は、ピストンの外周面とシリンダライナの内周面との間に形成される空間の圧力を計測する圧力計測部と、往復方向でのピストンリングの位置を計測する位置計測部とを備え、算出部は、圧力計測部及び位置計測部の計測結果に基づいて圧力差を算出する、という構成を採用する。
【００１１】
また、本発明に係るエンジン制御ユニットは、レシプロエンジンを制御する制御装置を備えるエンジン制御ユニットであって、請求項１から３のいずれか一項に記載の摺動状態評価装置を備え、制御装置は、摺動状態評価装置の評価結果に基づいてレシプロエンジンを制御する、という構成を採用する。
【００１２】
また、本発明に係るエンジンシステムは、レシプロエンジンと、当該レシプロエンジンを制御する制御ユニットとを備えるエンジンシステムであって、制御ユニットとして請求項４に記載のエンジン制御ユニットを備える、という構成を採用する。
【００１３】
また、本発明に係る摺動状態評価方法は、ピストンが往復自在に設置されるシリンダライナの内周面と、ピストンの外周面に設けられるピストンリングとの間の摺動状態を評価する摺動状態評価方法であって、ピストンの往復方向でのピストンリングの両側の圧力差を算出する算出工程と、圧力差の変化に基づいて摺動状態を評価する評価工程とを有する、という方法を採用する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
本発明によれば、圧力差の変化に基づいて摺動状態を評価することで、摺動状態の変化を迅速に検知できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態におけるエンジンシステムの構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態におけるピストンの外周面を拡大した断面図である。
【図３】本発明の実施形態における評価部による摺動状態の評価処理を説明するためのグラフである。
【図４】本発明の実施形態におけるピストンリングの上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第１のグラフである。
【図５】本発明の実施形態におけるピストンリングの上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第２のグラフである。
【図６】本発明の実施形態におけるピストンリングの上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第３のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図１から図６を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１７】
図１は、本実施形態におけるエンジンシステム１の構成を示す概略図である。
エンジンシステム１は、内燃機関であるレシプロエンジン２と、当該レシプロエンジン２を制御するエンジン制御ユニット３とを備えている。
【００１８】
レシプロエンジン２は、燃料の燃焼により発生する熱エネルギーを、力学的エネルギーに変換する内燃機関である。レシプロエンジン２は、シリンダライナ２１と、ピストン２２と、クランクシャフト２３とを備えている。
【００１９】
シリンダライナ２１は、ピストン２２を収容する部材であって、端部が閉鎖された略円筒状に成形されている。シリンダライナ２１の内部には、燃料と空気との混合気を燃焼させる燃焼室２１ａが設けられている。シリンダライナ２１には、燃焼室２１ａに混合気を供給する不図示の供給口と、燃焼室２１ａでの混合気の燃焼により生じる燃焼ガス・排気ガスを排出する不図示の排出口が設けられている。また、シリンダライナ２１の燃焼室２１ａと逆側には、クランクシャフト２３を回転自在に収容するクランクケース２１ｂが接続されている。
【００２０】
ピストン２２は、略円柱状に成形され、シリンダライナ２１の内部に往復自在に設置されている。上述した燃焼室２１ａは、シリンダライナ２１と、ピストン２２の一方側の端面とによって形成されている。そのため、ピストン２２は、燃焼室２１ａでの混合気の燃焼により生じる燃焼ガスによって付勢され、移動する構成となっている。
ピストン２２は、シリンダライナ２１の内周面２１ｃとの間に、隙間２１ｄをあけて設置されている。また、ピストン２２は、コネクティングロッド２４を介してクランクシャフト２３に連結されている。クランクシャフト２３は、ピストン２２が往復移動することで回転する部材であり、レシプロエンジン２の外部に回転駆動力を出力する不図示の出力軸と接続されている。
なお、本実施形態におけるレシプロエンジン２では、ピストン２２の往復方向は鉛直上下方向に設定されている。以下の説明では、ピストン２２の往復方向を上下方向と記載して説明する場合がある。
【００２１】
ピストン２２の外周面２２ａには、第１ピストンリングＲ１から第４ピストンリングＲ４の４つのピストンリング（以下、単に「リング」と称する）が設けられている。リングＲ１〜Ｒ４は、シリンダライナ２１の内周面２１ｃに接して設けられており、ピストン２２が往復移動するに従って内周面２１ｃと摺動する。リングＲ１〜Ｒ４は、燃焼室２１ａで生じた燃焼ガスが隙間２１ｄを通ってクランクケース２１ｂ側に抜け出ることを防止するものである。なお、第１リングＲ１から第４リングＲ４は、燃焼室２１ａ側からクランクケース２１ｂ側に向かって順に配置されている。
【００２２】
また、レシプロエンジン２は、シリンダライナ２１の内周面２１ｃ側に潤滑油を供給する給油ノズル２５と、当該給油ノズル２５に向けて潤滑油を送り出す潤滑油供給部２６とを備えている。潤滑油は内周面２１ｃに対してリングＲ１〜Ｒ４を円滑に摺動させるために供給されるものである。
【００２３】
ピストン２２の外周面２２ａ近傍の構成について、さらに詳細に説明する。
図２は、本実施形態におけるピストン２２の外周面２２ａを拡大した断面図である。
ピストン２２の外周面２２ａには、周方向に延在する複数の溝部２２ｂが形成されている。複数の溝部２２ｂには、リングＲ１〜Ｒ４がそれぞれ配置されている。
【００２４】
リングＲ１〜Ｒ４は、弾性を有する金属材料を用いて円環状に成形されており、径方向内側に押し縮められた状態でシリンダライナ２１の内側に設けられている。リングＲ１〜Ｒ４は、径方向外側に拡開しようとするため、内周面２１ｃに密接している。また、内周面２１ｃ側への潤滑油の供給により、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの間には油膜２１ｅが形成されている。油膜２１ｅが形成されることで、リングＲ１〜Ｒ４が内周面２１ｃに対して円滑に摺動することが可能となる。
【００２５】
隙間２１ｄ内を上下方向（紙面上下方向）で燃焼ガスが流動すると、リングＲ１〜Ｒ４は燃焼ガスによって付勢され、溝部２２ｂの一方の側面に密接する。よって、リングＲ１〜Ｒ４は隙間２１ｄを閉鎖でき、燃焼ガスが燃焼室２１ａから隙間２１ｄを通ってクランクケース２１ｂ側に抜け出ることを防止・抑制することができる。
なお、隙間２１ｄのうち、第１リングＲ１と第２リングＲ２との間に形成される空間を第１空間Ｓ１と規定し、第２リングＲ２と第３リングＲ３との間に形成される空間を第２空間Ｓ２と規定する。
【００２６】
図１に戻り、エンジン制御ユニット３は、レシプロエンジン２の動作を制御するＥＣＵ（Engine Control Unit、制御装置）４と、リングＲ１〜Ｒ４とシリンダライナ２１の内周面２１ｃとの摺動状態を評価する摺動状態評価装置５とを備えている。
ＥＣＵ４は、燃焼室２１ａに供給される混合気の量や混合比率等を調整してレシプロエンジン２の出力等を制御し、潤滑油供給部２６が送り出す潤滑油量を調整して給油ノズル２５から内周面２１ｃ側に供給される潤滑油量を制御する制御装置である。
【００２７】
摺動状態評価装置５は、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの摺動状態を評価し、この評価結果をＥＣＵ４に出力する装置である。摺動状態評価装置５は、圧力センサ（圧力計測部）５１と、クランク角度計測部（位置計測部）５２と、算出部５３と、評価部５４とを備えている。
【００２８】
圧力センサ５１は、シリンダライナ２１の内周面２１ｃとピストン２２の外周面２２ａとの間の隙間２１ｄにおける圧力を計測するセンサである。圧力センサ５１は、シリンダライナ２１の内周面２１ｃに開口する孔部内に挿入して設置されている。圧力センサ５１の計測結果は、算出部５３に常時出力される。
【００２９】
クランク角度計測部５２は、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での位置計測に用いられる機器であって、クランクシャフト２３の回転角度を計測する機器である。クランク角度計測部５２は、クランクシャフト２３の回転角度を計測するロータリエンコーダ等を備えており、計測した回転角度は算出部５３に常時出力される。なお、クランク角度計測部５２の代わりに、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での位置を計測する他の計測機器を用いてもよい。
【００３０】
算出部５３は、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力差をそれぞれ算出する演算装置である。より詳細には、算出部５３は、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力を各々算出し、この算出結果からリングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力差をそれぞれ算出する。なお、算出部５３が圧力センサ５１から常時出力されている圧力計測結果を１秒間に取得できる回数（サンプリング周波数）は、１０ｋＨｚ程度となっている。算出部５３が算出したリングＲ１〜Ｒ４の各圧力差は、評価部５４に出力される。
【００３１】
算出部５３による圧力差の算出処理を詳細に説明する。
算出部５３は、隙間２１ｄにおける圧力計測結果を圧力センサ５１から常時取得している。レシプロエンジン２の動作中はピストン２２が往復移動していることから、圧力センサ５１の計測結果のうち、リングＲ１〜Ｒ４が上下方向でどこに位置しているときの計測結果であるかを判別する必要がある。
算出部５３は、クランク角度計測部５２からクランクシャフト２３の回転角度の計測結果を取得し、この回転角度を用いてリングＲ１〜Ｒ４の上下方向での位置を算出する。そして、算出部５３は、算出したリングＲ１〜Ｒ４の位置に基づいて、圧力センサ５１から取得している圧力計測結果から、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力を各々算出する。
【００３２】
なお、算出部５３は、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力を各々算出するにあたり、圧力センサ５１が複数回計測した結果を平均して算出している。
算出部５３は、高いサンプリング周波数（１０ｋＨｚ程度）を有しているため、ピストン２２の往復移動中においても、リングＲ１〜Ｒ４のうち所定のリング間における空間の圧力計測結果を複数回（例えば７回）で取得することかできる。そして、算出部５３は取得した圧力測定結果を平均して、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力を各々算出している。このような算出処理を行うことで、圧力センサ５１や算出部５３におけるノイズ等の影響を低減することができる。なお、算出部５３のサンプリング周波数は１０ｋＨｚに限定されず、ピストン２２の往復移動速度、圧力センサ５１の設置位置、又はリングＲ１〜Ｒ４の各間隔等に応じて適宜選択してよい。
【００３３】
なお、燃焼室２１ａにて混合気が燃焼し、ピストン２２がクランクケース２１ｂ側に移動している間にのみ、算出部５３が圧力センサ５１から圧力計測結果を取得するようにしてもよい。混合気の燃焼後に圧力計測結果を取得することで、大きな圧力差を算出することができる。
【００３４】
続いて、算出部５３は、各々算出したリングＲ１〜Ｒ４の両側の圧力を用いて、リングＲ１〜Ｒ４の上下方向での両側の圧力差をそれぞれ算出する。算出したリングＲ１〜Ｒ４の各圧力差は、評価部５４に出力される。
以上で、算出部５３による圧力差の算出処理が終了する。
【００３５】
評価部５４は、算出部５３が算出した圧力差の変化に基づいて、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの間の摺動状態をそれぞれ評価する演算装置である。評価部５４の評価結果は、ＥＣＵ４に出力される。
なお、評価部５４と上述した算出部５３とが、同一の演算装置によって構成されていてもよい。また、上述したＥＣＵ４、算出部５３及び評価部５４が、同一の演算装置によって構成されていてもよい。
【００３６】
評価部５４による摺動状態の評価処理を詳細に説明する。なお、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの間の摺動状態のそれぞれの評価処理は、いずれも同一である。よって、以下の説明では、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態の評価処理についてのみ説明する。
【００３７】
まず、評価部５４の評価処理の前提となる、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態と、第２リングＲ２の上下の圧力差における変化との関係について、図２を参照して説明する。
上述したように、第２リングＲ２は弾性を有する金属材料によって成形されており、径方向外側に拡開しようとすることから、内周面２１ｃに密接している。また、第２リングＲ２の内周面２１ｃへの密接力Ｆは、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２との間の圧力差（すなわち第２リングＲ２の上下の圧力差）によって変化する。ここで、第１空間Ｓ１の圧力を符号Ｐ１で表し、第２空間Ｓ２の圧力を符号Ｐ２で表している。
【００３８】
例えば、第１空間Ｓ１の圧力Ｐ１が第２空間Ｓ２の圧力Ｐ２よりも大きくなったときには、第２リングＲ２は下方に向けて付勢され、溝部２２ｂの下方側の側面に密接する。圧力Ｐ１，Ｐ２の圧力差が拡大するに従い、第２リングＲ２の溝部２２ｂに対する密接力は増加し、第１空間Ｓ１と第２空間Ｓ２との間はさらに密閉される。この密閉により、第１空間Ｓ１から第２空間Ｓ２に向かう燃焼ガスの流動がさらに抑制される。第１空間Ｓ１内の燃焼ガスは、第２リングＲ２の径方向内側にも流入していることから、燃焼ガスは第２リングＲ２を径方向外側に付勢する。よって、第２リングＲ２の内周面２１ｃへの密接力Ｆが増加し、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の接触面圧が上昇する。すなわち、第２リングＲ２の上下の圧力差の拡大は、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の接触面圧の上昇をもたらす。
【００３９】
このように接触面圧が上昇することで、油膜２１ｅの薄膜化等を引き起こし、第２リングＲ２が内周面２１ｃに直接に接触するといった摺動状態の悪化（変化）に繋がる。もっとも、接触面圧が次第に上昇した場合には、第２リングＲ２と内周面２１ｃとのなじみ（局所的な摺り合わせ）が進むため、摺動状態が大きく悪化することはない。
しかしながら、第２リングＲ２の上下の圧力差が急激に拡大すると、上記なじみが適切に行われず、第２リングＲ２が内周面２１ｃに直接に接触して摩耗することや、微細な焼き付きが生じる。このような摩耗・焼き付きが生じることで、内周面２１ｃ側に供給された潤滑油に含まれる鉄粉濃度が増加する。さらに、悪化した摺動状態が所定の時間で続くことにより、摩耗が生じている部分が拡大し、第２リングＲ２の全体に亘る焼き付きが生じる虞がある。
【００４０】
本実施形態の評価部５４は、上述した知見に基づいて、第２リングＲ２の上下の圧力差が、所定の変化率以上の変化率で拡大し、且つその拡大が所定の時間幅で続いたときに、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの摺動状態が悪化（変化）したと評価し、評価結果をＥＣＵ４に出力してＥＣＵ４にレシプロエンジン２の運転調整を行わせるものである。具体的には、評価部５４は、第２リングＲ２の上下の圧力差が、０．５ＭＰａ／ｈｒ以上の変化率で拡大し、且つその拡大が１０分続いたときに、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの摺動状態が悪化（変化）したと評価する。
また、換言すれば、評価部５４は、所定の時刻に算出部５３から取得した圧力差と、所定の時刻から１０分後に算出部５３から取得した圧力差との間の変化量を算出し、当該変化量が所定の閾値以上であれば、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの摺動状態が悪化（変化）したと評価する。圧力差の変化量の閾値は、上述した圧力差の変化率０．５ＭＰａ／ｈｒに基づき、０．０８４ＭＰａ（≒０．５ＭＰａ／ｈｒ×０．１６７ｈｒ（≒１０ｍｉｎ））に設定している。
【００４１】
評価部５４による摺動状態の評価処理を、複数の具体例を挙げて説明する。
図３は、本実施形態における評価部５４による摺動状態の評価処理を説明するためのグラフである。
図３に示すように、具体例として３種類の圧力差の変化結果を用いて説明する。時間の経過とともに変化する圧力差を示すグラフとして、第１圧力差変化Ｇ１、第２圧力差変化Ｇ２及び第３圧力差変化Ｇ３を用いる。これらの圧力差変化は、時間Ｔａにおいて圧力差Ｐｄａを示している。時間Ｔａから１０分経過した時間を、時間Ｔｂとする。時間Ｔａにおける圧力差Ｐｄａが、０．５ＭＰａ／ｈｒの変化率で拡大したときの、時間Ｔｂにおける圧力差をＰｄｂとする。圧力差ＰｄａとＰｄｂとの差は、圧力差の変化量に対する閾値Ｐｄｔ（＝０．０８４ＭＰａ）となっている。
【００４２】
まず、第２リングＲ２の上下の圧力差が、第１圧力差変化Ｇ１に従って変化した場合の、評価部５４の評価処理について説明する。
最初に、評価部５４は、時間Ｔａにおける圧力差Ｐｄａを算出部５３から取得して保持する。
次に、評価部５４は、時間Ｔａから１０分後の時間Ｔｂにおける圧力差を算出部５３から取得して保持する。圧力差が第１圧力差変化Ｇ１に従って変化すると、時間Ｔｂにおける圧力差はＰｄ１となる。
次に、１０分の時間幅での圧力差の変化量と、閾値Ｐｄｔとを比較する。評価部５４は、圧力差ＰｄａとＰｄ１との間の差、すなわち圧力差の変化量を算出し、この変化量と閾値Ｐｄｔとを比較する。圧力差が第１圧力差変化Ｇ１に従って変化した場合には、圧力差Ｐｄ１はＰｄｂよりも小さくなっている。したがって、評価部５４は、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化（変化）したと評価しない。
【００４３】
次に、第２リングＲ２の上下の圧力差が、第２圧力差変化Ｇ２に従って変化した場合の、評価部５４の評価処理について説明する。
最初に、評価部５４は、時間Ｔａにおける圧力差Ｐｄａを算出部５３から取得して保持する。
次に、評価部５４は、時間Ｔａから１０分後の時間Ｔｂにおける圧力差を算出部５３から取得して保持する。圧力差が第２圧力差変化Ｇ２に従って変化すると、時間Ｔｂにおける圧力差はＰｄ２となる。
次に、１０分の時間幅での圧力差の変化量と、閾値Ｐｄｔとを比較する。評価部５４は、圧力差ＰｄａとＰｄ２との間の差、すなわち圧力差の変化量を算出し、この変化量と閾値Ｐｄｔとを比較する。圧力差が第２圧力差変化Ｇ２に従って変化した場合には、圧力差Ｐｄ２はＰｄｂよりも大きくなっている。したがって、評価部５４は、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化（変化）したと評価する。さらに、評価部５４は、この評価結果をＥＣＵ４に対して出力する。ＥＣＵ４は評価結果に従い、レシプロエンジン２の運転調整を行う。
【００４４】
最後に、第２リングＲ２の上下の圧力差が、第３圧力差変化Ｇ３に従って変化した場合の、評価部５４の評価処理について説明する。
最初に、評価部５４は、時間Ｔａにおける圧力差Ｐｄａを算出部５３から取得して保持する。
次に、評価部５４は、時間Ｔａから１０分後の時間Ｔｂにおける圧力差を算出部５３から取得して保持する。圧力差が第３圧力差変化Ｇ３に従って変化すると、時間Ｔｂにおける圧力差はＰｄ３となる。
次に、１０分の時間幅での圧力差の変化量と、閾値Ｐｄｔとを比較する。評価部５４は、圧力差ＰｄａとＰｄ３との間の差、すなわち圧力差の変化量を算出し、この変化量と閾値Ｐｄｔとを比較する。圧力差が第３圧力差変化Ｇ３に従って変化した場合には、圧力差Ｐｄ３はＰｄｂよりも小さくなっている。したがって、評価部５４は、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化（変化）したと評価しない。
圧力差が第３圧力差変化Ｇ３に従って変化した場合には、１０分の時間が経過するまでに圧力差は一時的に圧力差Ｐｄｂを超えている。圧力差の一時的な閾値Ｐｄｔの超過は、計測誤差等が考えられる。そのため、１０分という時間幅での圧力差の変化量と、閾値Ｐｄｔを比較することで、評価部５４は計測誤差等を除外した安定した評価処理を行うことができる。
以上で、評価部５４による摺動状態の評価処理が終了する。
【００４５】
続いて、エンジンシステム１の動作を説明する。
まず、ＥＣＵ４がレシプロエンジン２を作動させる。
次に、算出部５３が圧力センサ５１及びクランク角度計測部５２の計測結果に基づいて、第２リングＲ２の上下の圧力を各々算出する。
次に、算出部５３が、各々算出された第２リングＲ２の上下の圧力を用いて、第２リングＲ２の上下の圧力差を算出する（算出工程）。この算出結果は評価部５４に出力される。
次に、評価部５４が、算出部５３から取得した圧力差の変化に基づいて、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態を評価する（評価工程）。この評価結果はＥＣＵ４に出力される。
最後に、ＥＣＵ４が評価部５４の評価結果に基づいて、レシプロエンジン２の運転調整を行う。具体的には、レシプロエンジン２の出力調整や内周面２１ｃ側に供給される潤滑油量の調整等が行われる。
以上で、エンジンシステム１の動作が終了する。
【００４６】
最後に、実際のレシプロエンジン２における、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差のそれぞれの変化と、内周面２１ｃ側に供給された後の潤滑油中の鉄粉濃度の変化との関係を、図４から図６を参照して説明する。
図４は、本実施形態におけるリングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第１のグラフである。また、図５は、本実施形態におけるリングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第２のグラフである。また、図６は、本実施形態におけるリングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化と潤滑油中の鉄粉濃度との関係を示す第３のグラフである。
【００４７】
図４から図６においては、時間の経過とともに変化する、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差と、内周面２１ｃ側に供給された後の潤滑油中の鉄粉濃度とを併せて記載している。なお、本計測において、鉄粉濃度の過度の増加を示す閾値（鉄粉のベース、図４参照）を約７０ｐｐｍに設定している。
【００４８】
図４に示すように、時間７ｈｒ辺りから第２リングＲ２の上下の圧力差が拡大し始め、当該圧力差の変化量は２１分間で０．２９ＭＰａとなった。なお、圧力差の変化率は、０．８３ＭＰａ／ｈｒである。また、第２リングＲ２の上下の圧力差が拡大し始めた後に、潤滑油中の鉄粉濃度が上述した鉄粉のベースを超え、鉄粉濃度が過度に増加した状態となっている。そのため、第２リングＲ２と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化していると推定される。
【００４９】
図５に示すように、時間５．４ｈｒ辺りから第４リングＲ４の上下の圧力差が拡大し始め、当該圧力差の変化量は１６分間で０．９ＭＰａとなった。なお、圧力差の変化率は、３．３７５ＭＰａ／ｈｒである。また、第４リングＲ４の上下の圧力差が拡大し始めた後に、潤滑油中の鉄粉濃度が上昇し始めている。そのため、第４リングＲ４と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化していると推定される。
【００５０】
図６に示すように、時間２．５ｈｒ辺りから第３リングＲ３の上下の圧力差が拡大し始め、当該圧力差の変化量は１３分間で１．０ＭＰａとなった。なお、圧力差の変化率は、４．６２ＭＰａ／ｈｒである。また、第３リングＲ３の上下の圧力差が拡大し始めた後に、潤滑油中の鉄粉濃度が上昇し始めている。そのため、第３リングＲ３と内周面２１ｃとの間の摺動状態が悪化していると推定される。
【００５１】
図４から図６に示すように、潤滑油中の鉄粉濃度の上昇に先立ち、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差が拡大している。そのため、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化を捉えることで、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの摺動状態の悪化（変化）を迅速に検知することができる。また、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化に基づいて、レシプロエンジン２の動作調整等を行うことで、リングＲ１〜Ｒ４と内周面２１ｃとの間の摩耗や焼き付き等の発生を抑制又は防止することができる。
なお、圧力差が拡大した時間及び圧力差の変化量を以下に示す。
【００５２】
図４： ２１分間で０．２９ＭＰａ変化 （変化率０．８３ＭＰａ／ｈｒ）
図５： １６分間で０．９ＭＰａ変化 （変化率３．３７５ＭＰａ／ｈｒ）
図６： １３分間で１．０ＭＰａ変化 （変化率４．６２ＭＰａ／ｈｒ）
【００５３】
本実施形態における評価部５４は、図４から図６において、鉄粉濃度の上昇の前に確認された、圧力差が拡大した時間及び圧力差の変化率のそれぞれの最小値に対して、一定の安全係数を乗じた数値を基準値として設定している。圧力差の変化を確認するときの１０分の時間幅は、図６において圧力差が拡大した時間である１３分に安全係数として０．７程度を乗じたものである。また、圧力差の変化率の基準となる０．５ＭＰａ／ｈｒは、図４における圧力差の変化率である０．８３ＭＰａ／ｈｒに安全係数として０．７程度を乗じたものである。
【００５４】
本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
本実施形態によれば、リングＲ１〜Ｒ４の上下の圧力差の変化に基づいて、リングＲ１〜Ｒ４とシリンダライナ２１の内周面２１ｃとの間の摺動状態を評価することで、当該摺動状態の変化を迅速に検知できるという効果がある。
【００５５】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１…エンジンシステム、２…レシプロエンジン、３…エンジン制御ユニット、４…ＥＣＵ（制御装置）、５…摺動状態評価装置、２１…シリンダライナ、２１ｃ…内周面、２２…ピストン、２２ａ…外周面、Ｒ１…第１リング（ピストンリング）、Ｒ２…第２リング（ピストンリング）、Ｒ３…第３リング（ピストンリング）、Ｒ４…第４リング（ピストンリング）、５１…圧力センサ（圧力計測部）、５２…クランク角度計測部（位置計測部）、５３…算出部、５４…評価部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンが往復自在に設置されるシリンダライナの内周面と、前記ピストンの外周面に設けられるピストンリングとの間の摺動状態を評価する摺動状態評価装置であって、
前記ピストンの往復方向での前記ピストンリングの両側の圧力差を算出する算出部と、
前記圧力差の変化に基づいて前記摺動状態を評価する評価部とを備えることを特徴とする摺動状態評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の摺動状態評価装置において、
前記評価部は、所定の時間幅での前記圧力差の変化量が所定の閾値以上であるときに、前記摺動状態が変化したと評価することを特徴とする摺動状態評価装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の摺動状態評価装置において、
前記ピストンの外周面と前記シリンダライナの内周面との間に形成される空間の圧力を計測する圧力計測部と、
前記往復方向での前記ピストンリングの位置を計測する位置計測部とを備え、
前記算出部は、前記圧力計測部及び前記位置計測部の計測結果に基づいて前記圧力差を算出することを特徴とする摺動状態評価装置。
【請求項４】
レシプロエンジンを制御する制御装置を備えるエンジン制御ユニットであって、
請求項１から３のいずれか一項に記載の摺動状態評価装置を備え、
前記制御装置は、前記摺動状態評価装置の評価結果に基づいて前記レシプロエンジンを制御することを特徴とするエンジン制御ユニット。
【請求項５】
レシプロエンジンと、当該レシプロエンジンを制御する制御ユニットとを備えるエンジンシステムであって、
前記制御ユニットとして、請求項４に記載のエンジン制御ユニットを備えることを特徴とするエンジンシステム。
【請求項６】
ピストンが往復自在に設置されるシリンダライナの内周面と、前記ピストンの外周面に設けられるピストンリングとの間の摺動状態を評価する摺動状態評価方法であって、
前記ピストンの往復方向での前記ピストンリングの両側の圧力差を算出する算出工程と、
前記圧力差の変化に基づいて前記摺動状態を評価する評価工程とを有することを特徴とする摺動状態評価方法。
【請求項１】
ピストンが往復自在に設置されるシリンダライナの内周面と、前記ピストンの外周面に設けられるピストンリングとの間の摺動状態を評価する摺動状態評価装置であって、
前記ピストンの往復方向での前記ピストンリングの両側の圧力差を算出する算出部と、
前記圧力差の変化に基づいて前記摺動状態を評価する評価部とを備えることを特徴とする摺動状態評価装置。
【請求項２】
請求項１に記載の摺動状態評価装置において、
前記評価部は、所定の時間幅での前記圧力差の変化量が所定の閾値以上であるときに、前記摺動状態が変化したと評価することを特徴とする摺動状態評価装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の摺動状態評価装置において、
前記ピストンの外周面と前記シリンダライナの内周面との間に形成される空間の圧力を計測する圧力計測部と、
前記往復方向での前記ピストンリングの位置を計測する位置計測部とを備え、
前記算出部は、前記圧力計測部及び前記位置計測部の計測結果に基づいて前記圧力差を算出することを特徴とする摺動状態評価装置。
【請求項４】
レシプロエンジンを制御する制御装置を備えるエンジン制御ユニットであって、
請求項１から３のいずれか一項に記載の摺動状態評価装置を備え、
前記制御装置は、前記摺動状態評価装置の評価結果に基づいて前記レシプロエンジンを制御することを特徴とするエンジン制御ユニット。
【請求項５】
レシプロエンジンと、当該レシプロエンジンを制御する制御ユニットとを備えるエンジンシステムであって、
前記制御ユニットとして、請求項４に記載のエンジン制御ユニットを備えることを特徴とするエンジンシステム。
【請求項６】
ピストンが往復自在に設置されるシリンダライナの内周面と、前記ピストンの外周面に設けられるピストンリングとの間の摺動状態を評価する摺動状態評価方法であって、
前記ピストンの往復方向での前記ピストンリングの両側の圧力差を算出する算出工程と、
前記圧力差の変化に基づいて前記摺動状態を評価する評価工程とを有することを特徴とする摺動状態評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２６５５（Ｐ２０１２−２６５５Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３７５４８（Ｐ２０１０−１３７５４８）
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（５９１０８３４０６）株式会社ディーゼルユナイテッド (30)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（５９１０８３４０６）株式会社ディーゼルユナイテッド (30)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]