(57)【要約】【課題】シリンダライナに加工を要する事無く、シリンダライナとピストンリングとの間に形成される油膜の状態が、健全といえる範囲にあるか否かを判断することができる油膜厚さ検査方法を提供することを目的とする。【解決手段】上記目的を達成するための油膜観測方法は、シリンダライナ５０の外壁面に備えた超音波センサのセンサ部１２から、シリンダライナ５０の内壁面側へ向けて超音波を出力する出力工程と、前記超音波センサにより、出力した前記超音波の反射波を検出する検出工程と、前記反射波を受信することによって得られる振幅と、予め測定した反射波の振幅の基準値とを比較し、両者の振幅差が閾値の範囲内にあるか否かを判定する判定工程と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダライナの外壁面に備えた超音波センサから、シリンダライナの内壁面側へ向けて超音波を出力する出力工程と、
前記超音波センサにより、出力した前記超音波の反射波を検出する検出工程と、
前記反射波を受信することによって得られる振幅と、予め測定した反射波の振幅の基準値とを比較し、両者の振幅差が閾値の範囲内にあるか否かを判定する判定工程と、
を備えることを特徴とする油膜厚さ検査方法。
【請求項２】
前記閾値の範囲を数値範囲別の複数のレベル範囲に分け、前記判定工程において、受信した前記反射波の振幅と前記基準値との振幅差が、前記レベル範囲におけるどの範囲に属するかに基づいて、油膜厚さの健全性を判定する健全性判定工程を備えることを特徴とする請求項１に記載の油膜厚さ検査方法。
【請求項３】
油膜厚さと前記反射波の振幅との関係を予めデータベース化し、
前記判定工程では、前記検出工程において検出された反射波の振幅と、前記データベースに記録されている振幅とを比較することで、検出された反射波の振幅に近似する振幅と、この振幅に対応する油膜厚さを導き出し、
導き出された油膜厚さに基づいて、油膜厚さの健全性を判定することを特徴とする請求項１に記載の油膜厚さ検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンのモニタリングの技術に係り、特に、シリンダの内壁面に形成される油膜の状態を検査する方法に関する。  
【背景技術】
【０００２】
エンジン運転時のコンディションを判断するための指標の１つとして、シリンダライナとピストンリングとの間に形成される油膜の膜厚を挙げることができる。運転中のエンジンの油膜膜厚（以下、単に油膜厚さと称す）を計測する手段としては、特許文献１、２に開示されているような静電容量によるものや、特許文献３に開示されているように、レーザを用いるものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２５７８８０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１７７５６号公報
【特許文献３】特開２００６−３３７１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献に開示されている技術によれば、確かに、油膜厚さの計測を行うことが可能となる。しかし、いずれの技術においてもシリンダライナに貫通孔を形成し、センサとなる部分をシリンダライナ内壁面に露出させる必要がある。
【０００５】
このため、既存のエンジンの検査を行う場合には、シリンダライナに対する加工が必要となってしまう。また、シリンダライナに対する孔開け加工は、シリンダの変形や偏摩耗の要因となりうる。
【０００６】
ここで、本願出願人は、シリンダライナとピストンリングとの間に形成される油膜に関しては、実質的な油膜厚さが何ミクロンであるかという点よりも、その油膜厚さが、エンジンを運転する上で健全なものであるか否か、という点が重要であると認識した。
【０００７】
そこで本発明では、シリンダライナに加工を要する事無く、シリンダライナとピストンリングとの間に形成される油膜の状態が、少なくともどの程度の範囲にあるか、すなわち、健全といえる範囲にあるか否かを判断することができる油膜厚さ検査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】
上記目的を達成するための本発明に係る油膜厚さ検査方法は、シリンダライナの外壁面に備えた超音波センサから、シリンダライナの内壁面側へ向けて超音波を出力する出力工程と、前記超音波センサにより、出力した前記超音波の反射波を検出する検出工程と、前記反射波を受信することによって得られる反射波の振幅と、予め測定した反射波の振幅の基準値とを比較し、両者の振幅差が閾値の範囲内にあるか否かを判定する判定工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、上記特徴を有する油膜厚さ検査方法では、前記閾値の範囲を数値範囲別の複数のレベル範囲に分け、前記判定工程において、受信した前記反射波の振幅と前記基準値との振幅差が、前記レベル範囲におけるどの範囲に属するかに基づいて、油膜膜厚の健全性を判定する健全性判定工程を備えるようにすると良い。
【００１０】
さらに、上記特徴を有する油膜厚さ検査方法では、油膜厚さと前記反射波の振幅との関係を予めデータベース化し、前記判定工程では、前記検出工程において検出された反射波の振幅と、前記データベースに記録されている振幅とを比較することで、検出された反射波の振幅に近似する振幅と、この振幅に対応する油膜厚さを導き出し、導き出された油膜厚さに基づいて、油膜厚さの健全性を判定するようにしても良い。
【発明の効果】
【００１１】
上記のような特徴を有する油膜厚さ検査方法によれば、シリンダライナに加工を要する事無く、シリンダライナとピストンリングとの間に形成される油膜の状態が、健全といえる範囲にあるか否かを判断することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る油膜厚さ検査方法を実施するための装置構成の概要を示すブロック図である。
【図２】超音波による油膜厚さ検査の原理を説明するための図である。
【図３】実際のエンジンのシリンダライナとピストンリングを想定したモデル実験装置の構成を示すブロック図である。
【図４】モデル実験装置における油膜厚さの違いにより生ずる反射波の振幅の違いを示す図である。
【図５】２つの固体間に油膜を介在させて超音波の反射率を求める計算例を説明するための図である。
【図６】図５に示す計算モデルにおいて、油膜厚さと超音波の反射率との関係を示すグラフである。
【図７】２つの固体間に空気層を介在させて超音波の反射率を求める計算例を説明するための図である。
【図８】図７に示す計算モデルにおいて、空気層の厚さと超音波の反射率との関係を示すグラフである。
【図９】固体と空気層との境界層として油膜を配して超音波の反射率を求める計算例を説明するための図である。
【図１０】図９に示す計算モデルにおいて、油膜厚さと超音波の反射率との関係を示すグラフである。
【図１１】実際のエンジンにおいて、油膜が切れた場合と油膜がある場合とにおける反射波の違いの有無を調べたシミュレーションのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の油膜厚さ検査方法に係る実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
本実施形態において、油膜厚さ検査を実施する対象となるシリンダライナは、図１に一例を示すように、エンジンを構成する要素の１つである。また、観測対象とする油膜は、シリンダライナ５０の内周側を摺動するピストン５２に備えられたピストンリング５４と、シリンダライナ５０の内周面との間に形成される油膜である（図２参照）。
【００１４】
実施形態に係る油膜厚さ検査方法を実施するための装置は、少なくとも、センシング手段１０と演算手段１６とを有する。センシング手段１０は、データを検出するための信号の送受信（出力波の送信と、反射波の受信）を行うための手段である。本実施形態では、信号として、超音波を用いている。すなわち、センシング手段１０は、超音波を出力すると共に、この反射波を検出するための手段である。図１に示す例では、センシング手段１０は、センサ部１２と、本体１４とによって構成されている。
【００１５】
演算手段１６は、センシング手段１０の本体１４に接続されており、センシング手段１０により検出される超音波反射波（例えば、第１反射波と第２反射波）の解析を行うための手段である。反射波の解析を行う場合、まず、検出された反射波を増幅する。これにより、微細な反射波の変化を解析可能な範囲にまで増大することができる。
【００１６】
次に、増幅された反射波の振幅について、予め定めた基準値と比較する。基準値は、予め実験により得られた振幅値であれば良い。
このため、演算手段１６は、検出された信号をデータとして記録する記憶部１８と、データを増幅、解析するための演算部２０、および演算部２０による処理を実行するための作業スペースを構成するメモリ２２等を基本として備える。また、演算手段１６には、検出データや、演算結果等を視認可能に表示するための表示手段２４や、検出データの解析方法や、演算結果の表示方式等を入力するための入力手段２６などが接続されている。
【００１７】
上記のような基本構成を持つ装置を用い、まず、油膜の膜厚と反射波の振幅の関係を求めるために、図３に示した実際のエンジンのシリンダライナとピストンリングを想定したモデル実験装置を用いて油膜の膜厚を３０μｍから、油膜がない状態（脱脂剤を用いて油膜を完全に拭き取った状態）まで変化させ、それぞれ反射波の検出を行った。その結果を図４に示す。なお、この実験では、実際のエンジンにおいて油膜厚さが３０μｍ以上となることは実質的に無いため、実験の膜厚の上限値は３０μｍとした。
【００１８】
その結果を見ると、油膜の膜厚が十分に厚い状態（＝膜厚３０μｍ）から、油膜の膜厚が極薄い状態（＝膜厚５μｍ未満）に至るまでは、反射波の振幅が段階的に低下して行く傾向を示している。これに対し、油膜が無い状態では、極度に反射波の振幅が向上し、膜厚が３０μｍの場合よりも大きな振幅を示す結果となった。
【００１９】
次に、これらの結果に一般性があるかどうかを確認するために、次のような理論計算を行った。
まず、図５に示すように、シリンダライナ５０に相当する固体３０と、ピストンリング５４に相当する固体３２を対向させ、両者の間に油膜３４を配置した場合における超音波の反射率Ｒを計算した（この計算では、固体３０と固体３２は、同一素材としている）。ここで、反射率Ｒは、シリンダライナ５０に相当する固体３０側から、固体３２側へ向けて入射させる超音波の振幅と、その油膜を含む境界面から固体３０に返ってくる反射波の振幅の比の逆数（反射波振幅／入射波振幅）として定義した。その結果を図６に示す。ここで、油膜厚さｈが０の場合、すなわち、計算上固体３０と固体３２が完全に接触している状態とは、固体３０と固体３２は、一体化している状態であり、また両者の材質は同一素材としていることから、その境界では反射波は生じず、反射率Ｒは０となる。そして、図６に示すように、油膜厚さｈを増加させる毎に反射率Ｒは上昇していく傾向を得ることができた。この傾向は、図３における実験結果（ｂ）〜（ｆ）に一致する。
【００２０】
次に、図７に示すように、固体３０と固体３２を対向させた状態で、固体３０と固体３２の間には、隙間にあたる空気層３６を設け、その空気層３６の厚さ（空気層厚さｈ１）を変化させた場合において、超音波の反射率Ｒを計算した。その結果を図８に示す。本計算では、固体３０と固体３２との間の空気層の厚さｈ１＝０については、図５におけるｈ＝０と計算条件が全く同じになるため、計算をしていないが、空気層の厚さをある値からゼロに近づけてゆくと、反射率Ｒは、ほぼ１を維持したままで空気層の厚さがゼロ（ｈ１＝０）になる。すなわち、固体３０と固体３２の間に空気層がある場合は、空気層の厚さが限りなく薄くなっても、ほぼ１００％反射するという結果を得ることができた。この結果は図３における実験結果（ａ）に相当する（図３（ａ）では脱脂剤を用いて油膜を完全に拭き取った状態で、シリンダライナ相当材とピストンリング相当材を接触させているが、それぞれの接触面（機械加工面）は幾何学的に完全な平面ではなく、表面には細かな凹凸があり、その隙間には空気が満たされている状態である。即ち、両固体間には空気層が介在していると考えればよい。）。
【００２１】
以上の結果から、図４に示した結果は、一般性があるということができる。即ち、シリンダライナ５０とピストンリング５４の間で油切れを起こした場合には、シリンダライナ５０側からピストンリング５４に向けて入射される超音波は、両者の界面で１００％に近い反射率を示し、一方、シリンダライナ５０とピストンリング５４は接触しているが、その界面の隙間には油が満たされている場合（ｈ≒０相当）には、超音波の反射率はほとんど０相当となり、油膜厚さがある程度の厚みになってくると（すなわち、健全な油膜厚さを形成している場合には）、超音波の反射率は０と１の中間値をとることになる。
【００２２】
次に、図９に示すように、固体３０に対向する固体３２が無い状態（空気層３８が存在する状態）で、固体３０と空気層３８との境界層に油膜３４を配置し、その油膜厚さｈを変化させた場合における超音波の反射率Ｒを計算した。その結果、図１０に示すように、油膜厚さｈに関わらず、超音波の反射率Ｒは、ほぼ１になるという結果を得ることができた。
【００２３】
この計算結果は、シリンダライナ５０とピストンリング５４の間の油膜を拭き取った場合（油切れが発生した場合）と、ピストンリング５４がセンサ部１２の対向位置に無い状態との反射率は略同じ値（≒１）を示すという事である。
【００２４】
従って、本発明の検査技術を実際の機関に応用する場合に、検査の基準として用いる油膜厚さゼロ（油膜なし）の状態における反射波の振幅の大きさは、ピストンリング５４がセンサ部１２の対向位置に無い状態で、その反射波の振幅を計測しておけば、その振幅で代用できることを示すものである。
【００２５】
このため、検出される反射波の振幅の基準値（反射率Ｒ≒１）を油膜が無い状態（ピストンリング５４がセンサ部１２の対向面に無い状態）の振幅とし、この基準値と、ピストンリング５４がセンサ部１２の対向面に来た際に計測された反射波の振幅との反射率にどの程度の差があるかを検出することで、油膜厚さの健全性を判定することができる。なお、実際には、油膜厚さが０となった際に、シリンダライナ５０の内周側面とピストンリング５４との間に空気層が生ずることは無く、シリンダライナ５０の内周側面にピストンリング５４が接触する状態となり、反射率Ｒは、限りなく０に近づくこととなると考えられる。また、一方で、上述したように、油膜厚さが３０μｍ以上となることは、通常は生じ得ないため、反射率Ｒは、０．７以下程度になると考えられる（図６参照）。
【００２６】
油膜厚さの健全な厚さを５μｍ以上３０μｍ以下と認定した場合、図４に示す実験値や、図６に示す計算値より得られる反射波の閾値は、下限値が、反射率Ｒ＝０．２、上限値が、反射率Ｒ＝０．７程度となる。なお、この反射率は、基準値の反射率Ｒを１とした場合に基づいて、計測された反射波の振幅差から算出する。
【００２７】
そして、反射波の振幅を計測した際に算出される反射率Ｒが閾値の下限値と上限値の間の範囲内にある場合には「健全」である旨の判定を成すことができる。一方、反射率Ｒが閾値の下限値よりも小さい場合には、油膜厚さが薄くなりすぎていると想定でき、「不健全」である旨の判定を成すことができる。また、反射率Ｒが閾値の上限値よりも大きい場合には、何らかの理由で油膜切れを生じている可能性があり、「不健全」である旨の判定を成すことができる。
【００２８】
このように、シリンダライナ５０の外部から、シリンダライナ５０の内周側面に向けて超音波を入射させ、その反射波を検出する方法を採ることにより、基準値としての振幅（反射率Ｒ≒１）を、計測毎に確認することができる。すなわち、振幅差に基づく反射率についての閾値さえ定めておけば、計測時に基準値を確認し、油膜厚さの健全性についての判定を行うことが可能となる。
【００２９】
演算手段２０には、判定結果を視認可能なように出力するための出力手段が接続されており、演算手段１６により算出された判定結果は、表示手段２４に表示される。よって、反射率Ｒが閾値の範囲内であった場合には、表示手段２４に「健全」と表示され、反射率Ｒが閾値の範囲外であった場合には、表示手段２４に「不健全」と表示されるようにすることができる。
【００３０】
上記のような油膜の有無、膜厚変化に対する超音波における反射波の変化について、実際のエンジンを想定したシミュレーションを行った。図１１に示すグラフは、油膜切れ（実際は、ピストンリング５４がセンサ部１２の対向位置に無い場合で反射率Ｒ≒１）の場合における反射波と、油膜が健全な場合における反射波の比較結果である。ここで、シミュレーション時の油膜厚さは、エンジンの定常運転時に想定し得る平均的な油膜厚さとすることが望ましく、１０μｍとしている。
【００３１】
シミュレーションの結果は、図１１に示すように、油膜が切れた場合（ピストンリング５４がセンサ部１２の対向位置に無い場合）と、油膜がある場合とでは、上述した実験や計算と同様に、“油膜有り”の方が、反射波の振幅（電圧）が小さくなっていることを読み取ることができる。このシミュレーションにより、反射波の振幅は、実機においても、実験や計算と同様な傾向を示すことが確認できた。また、この傾向は、エンジンの出力を変化させた場合であっても同様に現れる。
【００３２】
よって、実機においても、超音波の反射波の振幅について、ピストンリング５４がセンサ部１２の対向位置に無い場合（油膜が無い場合）の振幅を基準値として、ピストンリング５４がセンサ部１２の対向位置に来た時の振幅とを比較し、後者の反射率Ｒが閾値の範囲内にあるか否かにより、油膜厚さの健全性が良好であるか否かを判断することが可能となると考えられる。
【００３３】
上記実施形態では、基準値の振幅に基づいて算出される検出する反射波の反射率Ｒが、閾値の範囲内にあるか否かで、油膜厚さの健全性を判定する旨記載した。しかしながら、本発明の油膜厚さ検査方法では、反射率Ｒの閾値を定めた上で、反射率Ｒの中心値を定め、検出された反射波の反射率Ｒが、中心値からどの程度離れているかに基づいて、その健全性を導くようにすることもできる。
【００３４】
例えば、反射率Ｒの中心値をＲ＝０．４とした場合、検出された反射波の反射率Ｒが０．４５である場合には、反射率Ｒは、閾値の範囲内にあり、かつ中心値に近似しており、油膜厚さは、必要十分な厚みがあると推定される。よって、健全性レベルが高いと判定することができる。
【００３５】
一方で、検出された反射波の反射率Ｒが０．２５であった場合には、反射率Ｒは、閾値の範囲内にあるものの、中心値から下限方向に離れており、油膜厚さが薄くなりつつあると推定される。よって、健全性レベルが低いと判定することができる。
【００３６】
また、本発明の油膜厚さ検査方法では、反射波の反射率Ｒと実際の油膜厚さとの関係を詳細にデータベース化することにより、反射波の反射率Ｒに基づいて、現状の油膜厚さを推定し、出力すると共に、当該油膜厚さが、健全か否かの判定をするようにしても良い。なお、この場合には、反射波の反射率Ｒに対応する油膜厚さについて、健全であるか否かの閾値（第２の閾値：下限値、および上限値）を定め、この第２の閾値に基づいて健全性の判定を行うようにすれば良い。
【符号の説明】
【００３７】
１０………センシング手段、１２………センサ部、１４………本体、１６………演算手段、１８………記憶部、２０………演算部、２２………メモリ、２４………表示手段、２６………入力手段、５０………シリンダライナ、５２………ピストン、５４………ピストンリング。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2015045514.tif 000011
【図１０】
2015045514.tif 000012
【図１１】
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