(57)【要約】【課題】往復動ピストン式燃焼機関を潤滑するための改善された方法及び改良された装置を提供すること。【解決手段】方法は、往復動ピストン式燃焼機関、詳細にはピストン５がシリンダ４内で動作表面２に沿って往復動可能に構成される低速運転動作大型ジーゼル・エンジンのシリンダ４のシリンダ壁３の動作表面２の潤滑に関する。潤滑ノズル６によってシリンダ壁３の動作表面２に潤滑油被膜７が付着され、潤滑油被膜７の特徴的なパラメータＫがセンサ８によって決定される。この構成では、センサ８の信号を使用して、シリンダ壁３の動作表面２上の潤滑油被膜７の状態パラメータＺＰを最適化するように、調節手段１０を含む制御ユニット９を使用して、潤滑ノズル６を本発明にしたがって制御する。さらに、この方法を実施するための装置１が提案されている。【選択図】図１
2005054773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン（５）がシリンダ（４）内で動作表面（２）に沿って往復動可能に配置され、潤滑油被膜（７）が潤滑ノズル（６）によってシリンダ壁（３）の前記動作表面（２）に付着され、前記潤滑油被膜（７）の特徴的なパラメータ（Ｋ）が決定される、往復動ピストン式燃焼機関、特に低速運転大型ジーゼル・エンジンの、シリンダ（４）のシリンダ壁（３）の動作表面（２）の潤滑方法であって、前記潤滑ノズル（６）が、センサ（８）の信号を使用し、調節手段（１０）を含む制御ユニット（９）を使用して、前記シリンダ壁（３）の動作表面（２）上の潤滑油被膜（７）の状態パラメータ（ＺＰ）を最適化するように制御されることを特徴とする潤滑方法。
【請求項２】
前記特徴的なパラメータ（Ｋ）が前記潤滑油被膜（７）の厚さ（ｄ）である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記状態パラメータ（ＺＰ）が前記潤滑油被膜（７）の厚さ（ｄ）である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記状態パラメータ（ＺＰ）、特に前記潤滑油被膜（７）の厚さ（ｄ）が、局所的に最適化される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記状態パラメータ（ＺＰ）の所望の値、特に前記潤滑油被膜（７）の厚さ（ｄ）が、往復動ピストン式燃焼機関の様々な動作パラメータＢに応じて、特に回転数（Ｕ）及び／若しくは負荷（Ｌ）及び／若しくはシリンダ温度（Ｔ）及び／若しくは他の動作パラメータに応じて、且つ／又は燃料、潤滑油の成分（Ｚ）及び／若しくは他の動作材料に応じて、多次元データ・フィールドの形で存在する参照テーブル（ＬＴ）を使用して決定され、前記状態パラメータ（ＺＰ）、特に前記潤滑油被膜（７）の厚さ（ｄ）がその所望の値に最適化される、請求項１から４までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記潤滑油被膜（７）を前記シリンダ壁（３）の動作表面（２）上に付着させるための少なくとも１つの潤滑ノズル（６）と、前記潤滑油被膜（７）の特徴的なパラメータ（Ｋ）を測定するための少なくとも１つのセンサ（８）とを有する装置（１）であって、センサ（８）の信号を使用して前記シリンダ壁（３）の動作表面（２）上の潤滑油被膜（７）の状態パラメータ（ＺＰ）を最適化するように前記潤滑ノズル（６）を制御する調節手段（１０）を含む、前記潤滑ノズル（６）用の制御ユニット（９）が設けられている、請求項１から５までのいずれか一項に記載の本発明による方法を実施するための装置（１）。
【請求項７】
前記センサ（８）が、ピストン（５）内に且つ／又はピストン・リング（５１）内に且つ／又はシリンダ壁（３）内に且つ／又はシリンダ（４）のシリンダ・カバー内に且つ／又はシリンダ（４）に隣接して配設された部品（３）内に配置される、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記センサ（８）が構造体伝播騒音用の受動式センサである、請求項６又は７に記載の装置。
【請求項９】
前記センサ（８）が能動式音響センサである、請求項６から８までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記センサ（８）が誘導センサ、渦電流センサ又は抵抗センサである、請求項６から９までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
前記センサ（８）が容量センサである、請求項６から１０までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記センサ（８）が化学センサである、請求項６から１１までのいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
前記センサ（８）が温度センサである、請求項６から１２までのいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復動ピストン式燃焼機関のシリンダ壁の動作表面を潤滑する方法又はその装置に関し、詳細には、それぞれのカテゴリの独立請求項の前提部分に記載の低速運転大型ジーゼル・エンジンの潤滑方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大型ジーゼル・エンジンは、しばしば船舶用や定置動作で、例えば電力を発生させる大型発電機駆動用などの動力装置として使用される。その際、一般にこのエンジンは相当長期間常時運転され、そのため高い動作信頼性及び安定稼動性が要求される。このため、オペレータにとっては、修理間隔が長いこと、磨耗の程度が低いこと、並びに燃料及び運転材料の使用量が経済的であることが特にこの装置の運転にとって中心的な判断基準となる。特に、このような大径で低速運転するジーゼル・エンジンのピストンの動作挙動は、修理間隔の長さ、安定稼動性、また潤滑油の消費量を通じて直接的に運転コスト、したがって経済的実現性にとって決定的な要因となる。したがって、大型ジーゼル・エンジンの潤滑に関連する複雑な問題は益々重要となっている。
【０００３】
大型ジーゼル・エンジンでは、ただしこれらエンジンに限ることではないが、ピストンの潤滑は、往復動するピストン内又はシリンダ壁内の潤滑装置により行われ、それによりピストンと動作表面との間の摩擦を最小限にし、それによって動作表面とピストン・リングの磨耗を最小限に抑えるために、シリンダ壁の動作表面に潤滑油が付着される。したがって、例えばズルツァ（Ｓｕｌｚｅｒ）ＲＴＡエンジンのような最新式エンジンの場合では、動作表面の磨耗は、運転時間１０００時間で０．０５ｍｍ未満である。供給される潤滑油の量は約１．３ｇ／ｋＷｈ以下であるが、特にコスト上さらに削減すべきであり、同時に磨耗も最小限に抑えるべきである。
【０００４】
動作表面を潤滑する潤滑システムとして、潤滑装置そのものの実際の動作に関してのみならず、潤滑の方法に関しても、まったく異なる解決方法が知られている。すなわち、シリンダ壁に円周方向に設けられた複数の潤滑用開口を介して、この潤滑用開口を通過するピストンに潤滑油が供給され、この潤滑油が、ピストン・リングによって円周方向だけでなく軸方向にも分配されるような潤滑装置が知られている。この方法では、シリンダ壁の動作表面上の広い面積に潤滑油が付着されず、多少とも局所的にピストン・リングの間のピストンの側面に付着されるので、動作表面上の潤滑油の分配がしばしば十分には保証されず、したがって過剰な摩擦に起因する過剰な熱発生を、最終にはピストンと動作表面の共溶着による材料の破壊、言い換えればピストンの焼き付きをまねく。
【０００５】
改善された潤滑油分配を保証するため、すなわち動作表面上のより均一な潤滑油膜を保証するために、シリンダ壁内に格納されたアトマイジング・ノズルによって、潤滑油を小さな粒に霧化して、基本的にシリンダ壁の接線に向かって燃焼室内に存在する排気エア中に潤滑油を高圧で噴霧するある潤滑システムが、例えば国際公開ＷＯ００／２８１９４号明細書に提案されている。このようにして、霧化された潤滑油は排気エア中に微細に分配され、排気エアによって維持された旋回流及びその中に微細に分配された潤滑油粒子の遠心力によってシリンダ壁の動作表面に対して投射される。この方法により、径方向への潤滑油噴射の場合より大幅に均一な潤滑油膜が動作表面上に生成される。しかしながら、この方法の重大な欠点は、使用された潤滑油のわずかとはいえない部分が掃気空気とともに持ち去られ、あるいはやはり燃焼サイクル中に燃やされてしまうことである。これによって、不必要に大きな潤滑油消費が生じ、操業コストにかなりのマイナスの影響を与える。
【０００６】
他の方法では、複数の潤滑ノズルが、好ましくは移動するピストン内に格納され、それによって潤滑油を任意の所望の位置で、動作表面の実質的にすべての高さの所に付着させることができる。
【０００７】
この構成では、シリンダ壁の動作表面に潤滑油が供給される方法の他に、潤滑油の使用量が中心的な問題となる。１回毎且つ単位領域毎に動作表面に付着される潤滑油の量は往復動ピストン式燃焼機関の動作における多くの異なるパラメータに依存しうる。すなわち、例えば使用燃料の化学組成、特にその硫黄含有量が重要な役割を演じる。シリンダの潤滑、すなわちピストンとシリンダ動作表面の間の、より精確にいえばシリンダ壁の動作表面とピストン・リングの間の摩擦の減少の他に、潤滑油はとりわけ攻撃力の強い酸、特にエンジンの燃焼室内で燃焼過程中に生じる硫黄を含む酸を中和する働きをする。このため、使用燃料に応じて、とりわけそれらの中和能力において互いに異なる、異なる種類の潤滑油が使用される。この中和能力については、潤滑油のいわゆるＢＮ値が１つの尺度となる。すなわち、ＢＮ値が高い潤滑油ほど酸に対しより強い中和効果を有するので、燃料中の硫黄含有量が高い場合には、硫黄含有量が低い燃料の場合よりも高いＢＮ値を有する潤滑油を使用するのが有利である。
【０００８】
しかしながら、しばしば異なる品質の燃料に対し同じ種類の潤滑油を使用しなければならないことがやはりあり得る。そのような場合、燃焼生成物中のより高い又はより低い酸含有量を、それに対応して使用潤滑油の量を増加又は減少させることにより補償することができる。
【０００９】
付着させる潤滑油量の適量についての更なる問題は、往復動ピストン式燃焼機関の動作状態における潤滑油被膜の状態、特に潤滑油被膜の厚さが時間及び／又は場所に関して変動することにより引き起こされる。言うまでもなく、潤滑油の必要量はまた、回転数、燃焼温度、エンジン温度、原動機を冷却する冷却能力、負荷及び多くの他の動作パラメータなどの極めて多くの様々な動作パラメータにより多く依存しうる。したがって、シリンダの動作表面に対し所与の回転数で負荷がより高い場合、同一回転数で負荷がより低い場合とは異なる量の潤滑油を供給しなければならないことがあり得る。
【００１０】
これに加えて、燃焼機関自体の状態が、やはり潤滑油の量に影響を及ぼすことがある。すなわち、例えばシリンダ表面、ピストン・リング、ピストンなどの磨耗状況に応じて、必要とされる潤滑油の量が大きく変わり得ることが知られている。したがって、新しい未だならし運転をしていないシリンダ動作表面、及び／又はならし運転段階の新しいピストンを有するシリンダでは、摩擦面同士、言い換えれば例えばピストン・リングと動作表面がそれ自体で削合しあい、その結果互いに理想的に適合しあうことができるように、ある程度まで増大した摩擦が全面的に望ましい。これはシリンダのならし運転段階中は、既にかなり長い運転時間にわたって動作してきたシリンダに必要とされる量とは異なる潤滑油の量で特に運転することにより達成される。このため複数のシリンダを有する機械の場合には、潤滑油の量は、しばしば特にシリンダ毎に別々に調整されることがある。
【００１１】
シリンダの表面は、動作時間の長さに応じて、円周方向のみならず長手方向にもやはり一般に異なって磨耗する。ピストン・リング及びピストンそれ自体についても同様である。
【００１２】
したがって、往復動ピストン式燃焼機関の潤滑油の量は、経過した動作時間の長さのみに応じて設定するのではなく、同じシリンダの内部でもシリンダ壁の動作表面の異なる位置で時間に応じた要件に従って異なって、したがって異なる場所では異なって、調整できるようにすべきである。
【００１３】
したがって久しく以前から、潤滑油の量が時間的要件だけでなく位置的要件にも応じて柔軟に変更することができるように、好ましくはすべて個別に制御可能な潤滑油ノズルをシリンダの動作表面又は移動するピストン内の様々な領域に設けることが知られている。
【００１４】
適切な時期に特定の潤滑油ノズルから特定の個所に付着させるべき潤滑油の量を決定する他の方法も知られている。単純な場合には、潤滑油の量は、多分使用燃料及び潤滑油自体の品質を考慮に入れて、往復動ピストン式燃焼機関の動作状況、例えば負荷又は回転数の関数として単純に制御される。また、既に完了した動作時間の長さを基準とした摩擦面同士の磨耗状況も考慮に入れることができる。
【００１５】
これとの関連で、潤滑油の量を制御する差別的な方法が明確に知られている。例えば、スイス国際特許第６１３４９５号明細書には、動作中のピストン・リングの焼き付きを防止するために、ピストン・リングの異常な摩擦状況を温度又は振動センサによって検出し、この種の欠陥が発生したときは、特定の潤滑油位置から送り出す潤滑油の量を増加させる、往復動ピストン式燃焼機関用のシリンダ装置が開示されている。欧州特許第０６５２４２６号明細書は、磨耗に起因する擦り切れ（ｓｃｕｆｆｉｎｇ）や焼き付きの発生を、これに特徴的な温度カーブを使って、シリンダ壁の周期的な温度測定で認識できる方法を開示しており、対応する損傷は出力の自動的な削減及び／又は潤滑油供給の増加により是正される。燃焼機関の臨界動作状態を早期に認識する公知の方法にはさらに、シリンダ内に配置された超音波変換器からの音波信号が摩擦面の一方に作用し、反射したエコー信号がその摩擦面の一方の状態を判定するために使用される、欧州特許第１００６２７１号明細書に示されている超音波法がある。
【００１６】
しかしながら、これらのすべての装置及び／又は方法は、ピストン・リングの焼き付き又はよく知られた擦り切れの開始などの磨耗の兆候の発生個所を、シリンダ壁の動作表面で不十分な精度でしか、あるいはまったく突き止めることができないという欠点を共通して有している。すなわち、往復動ピストン式燃焼機関の異常な動作状況の発生は、従来技術で知られた方法及び装置を使用して基本的には判定できるが、従来方法及び装置を使用しても必要な空間的鮮明度でシリンダ内のその発端となった場所を検出できないので、その発端となった場所でその原因に対処することはできない。すなわち結局のところ、せいぜい、現に存在する任意のセンサの近傍で、例えば上記の超音波センサの近傍で、潤滑油被膜の厚さをとりわけ直接、確実に求めることしかできない。それとは対照的に、シリンダ壁の動作表面全体にわたる潤滑油被膜全域の状態は、制御することはできない。
【００１７】
例えば、従来技術で知られた装置では、ピストンの焼き付きや擦り切れの発生が特定のシリンダ内で検出された場合、検出された異常動作状態が再び消滅するまでこのシリンダの潤滑油の量を増加させ、その後再びこのシリンダに供給する単位時間当りの潤滑油の量を削減する。
【００１８】
したがって、該分野の技術者は、いわゆる流体力学的潤滑状態（ｒｅｇｉｍｅ）をデフィシャント（ｄｅｆｉｃｉｅｎｔ）潤滑及び混合潤滑状態から区別している。摩擦面同士が互いに潤滑油被膜によって完全に分離され互いに接触しないような厚さで、シリンダ壁の動作表面とピストンのピストン・リングの間に厚い潤滑油被膜が形成されている場合、流体力学的潤滑と呼ばれている。いわゆる混合摩擦又は混合潤滑状態は、他の極端な場合を示す。混合摩擦の場合は、摩擦面同士の間の潤滑油被膜は、少なくともその一部分で非常に薄く、摩擦面同士は直接接触をしている。この場合は、擦り切れの危険、最終的にはピストン焼き付きの危険が存在する。いわゆるデフィシャント潤滑はこれらの両極端の場合の中間にある。デフィシャント潤滑の状態では、潤滑油被膜は摩擦面同士がもはや接触しない丁度十分な厚さであるが、摩擦面同士の間の潤滑油の量は流体力学的潤滑を確立するには十分ではない。従来技術では、混合潤滑状態のみならずデフィシャント潤滑状態もできるだけ防止している。すなわち、摩擦面同士の間で流体力学的潤滑状態が定着するように、潤滑油被膜の厚さを選択することが好ましいとされている。
【００１９】
流体力学的潤滑状態での動作は、当然ながらそれ相応に高い潤滑油消費量をもたらす。これは極めて非経済的であるばかりではなく、驚くべきことに潤滑油不足だけではなく、潤滑油の過剰もまたシリンダ内の摩擦面同士の破損をまねきうることが示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
したがって、本発明の目的は、往復動ピストン式燃焼機関を潤滑するための改善された方法及び改良された装置を提案することである。
【００２１】
これらの目的をプロセス・エンジニアリング及び装置の点から満足させる本発明の主題は、それぞれのカテゴリの独立請求項の特徴部分によって特徴づけられている。
【００２２】
それぞれの従属請求項は本発明の特に有利な実施例に関係している。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
したがって、本発明は、ピストンがシリンダ内で動作表面に沿って往復動可能に配置された、往復動ピストン式燃焼機関、特に低速運転大型ジーゼル・エンジンのシリンダのシリンダ壁の動作表面の潤滑方法に関する。本方法では、潤滑油被膜が潤滑ノズルによってシリンダの動作表面に付着され、潤滑油被膜の特徴的なパラメータがセンサによって求められる。この構成では、本発明に従って、潤滑ノズルが、センサの信号を使用し、調節手段を含む制御ユニットを使用して、シリンダ壁の動作表面上の潤滑油被膜の状態パラメータを最適化するように制御される。
【００２４】
本発明は、往復動ピストン式燃焼機関の理想的動作状態を達成するには、状態パラメータ、例えばシリンダの動作表面上の潤滑油被膜の厚さを、好ましくは局所的に一様に最適化するべきであるとの重要な認識に基づいている。すなわち、供給される潤滑油の量はそれだけでは主要な決定要因ではなく、状態パラメータの真の値、例えばシリンダの動作表面上の潤滑油被膜の実際の厚さが主要な決定要因である。状態パラメータの望ましい値は、とりわけ燃焼機関の動作状態、使用する動作手段の特性などに依存しうる。
【００２５】
シリンダ壁の動作表面上の潤滑油の量は、デフィシャント潤滑状態が本質的に達成されるように、潤滑油被膜の厚さを形成するよう調整することが好ましいが、必ずしもそうする必要はない。デフィシャント潤滑状態では、潤滑油被膜は、摩擦面同士の間に流体力学的潤滑を形成するには十分ではない潤滑油の量で、しかも摩擦面同士はもはや接触しないように形成される。
【００２６】
したがって、本装置は、シリンダ壁の動作表面上の潤滑油被膜の特徴的なパラメータの測定が可能であり、制御ユニットの使用により潤滑油被膜の状態パラメータ、特に動作表面上の潤滑油被膜の厚さを最適化するように潤滑ノズルを制御することができる、本発明による方法を実行するための適切なセンサを含んでいる。
【００２７】
この構成では、シリンダ壁の動作表面上の潤滑油被膜の状態を異なるパラメータによって判定することができる。すなわち、特徴的なパラメータは、特に潤滑油被膜の厚さ及び／又は潤滑油被膜のアルカリ度及び／又は温度及び／又は粘度及び／又は水分量及び／又は酸含有量であり、これによって潤滑油被膜の実際の状態を判定することができる。このため、シリンダ壁上の潤滑油被膜の状態は、これらの特徴的なパラメータの１個又は複数を測定することによって判定することができる。
【００２８】
従来技術による方法では、シリンダ内の摩擦面同士の間に摩擦が増大したとき、例えば擦り切れが起きたとき、摩擦特性を改善するために供給する潤滑油の量を単純に増加させていたのに反し、本発明による方法では、状態パラメータの理想的な値、例えば潤滑油被膜の理想的な厚さが生じ、それによって摩擦学的動作特性が最適化されるように、潤滑ノズルを介した供給が制御され且つ／又は調節される。潤滑油被膜の厚さ以外では、もちろん潤滑油被膜のアルカリ度及び／又は温度及び／又は粘度及び／又は水分量及び／又は酸含有量も状態パラメータになりうる。このため、これらの状態パラメータのうちのただ１つを最適化することも、１個又は複数を同時に最適化することも可能である。
【００２９】
特に、上記で示した特性のリスト又は示した状態パラメータのリストはどれも完全なものではないことを理解されたい。潤滑油被膜の他の特性もやはり潤滑油被膜の特性パラメータとして有利に挙げることができ、それに対応して状態パラメータとして最適化することができる。さらに、言うまでもなく、特定の状態パラメータの最適化、例えばシリンダ壁の動作表面上の潤滑油被膜の厚さの最適化は、任意の適切なパラメータを使用して行うことができる。したがって、用途に応じて例えば潤滑油被膜のアルカリ度を特性パラメータとして決定するのが有利であり、この情報を使用して、潤滑油被膜のアルカリ度とは異なる状態パラメータ、例えば潤滑油被膜の厚さを最適化するように潤滑ノズルを制御することができる。
【００３０】
既に上記で述べてきたように、シリンダ壁の動作表面上の潤滑油の量が多すぎると、やはり明らかにシリンダ内の摩擦面同士の間の摩擦にマイナスの影響を及ぼす可能性があるので、シリンダ内で摩擦が増加中あるいは増加した場合に潤滑油被膜の実際の厚さを考慮せずに潤滑油の量を連続的に増加させる従来技術による方法では、究極的に往復動ピストン式燃焼機関のシリンダ内でピストン焼き付きさえもまねきかねない重大な損傷が生じる。
【００３１】
それに引き換え、本発明による方法は、例えば潤滑油被膜の実際の厚さなどの１つ又は複数の特性パラメータを考慮に入れ、１つ又は複数の状態パラメータ、例えば潤滑油被膜の理想的な厚さを、潤滑油供給の制御によって調節する。すなわち、例えばシリンダの動作表面上の過剰な潤滑油によって摩擦面同士の間で摩擦が増加した場合は、本発明の方法では潤滑油の量を自動的に増加するのではなく、例えばシリンダの動作表面上に理想的な潤滑油被膜の厚さを再度形成するのに必要なだけむしろ削減する。
【００３２】
このようにして、上記で述べたような種類の潤滑油供給の誤った制御が回避されるのみならず、動作特性を同時に最適化することにより潤滑油の消費量も自動的に最小限に抑えられる。
【００３３】
この構成では、状態パラメータ、特に潤滑油被膜の厚さを局所的に最適化することが好ましい。この目的のために、例えば往復動ピストン式燃焼機関のシリンダ壁の中に１つ又は複数の潤滑ノズルを設け、径方向だけでなく軸方向にもシリンダ壁及びピストン上の異なる位置に有利に配置し、制御ユニットにより個別に又は群として制御することができる。特に潤滑油被膜の厚さを十分広い空間的解像度で求め、潤滑油被膜の厚さを例えばシリンダ壁の動作表面上で局所的に最適化することができるように、複数のセンサを適切な位置に配置し、動作させることもできる。その結果、異なる潤滑油の量を、同じシリンダ内で動作表面の１箇所且つ／又は別々の場所に、同時に且つ／又は別々の時間に２つの異なる潤滑ノズルから特に供給し、潤滑油被膜の厚さ又は他の状態パラメータをシリンダ壁の動作表面上の２箇所で互いに独立に最適化することができる。具体的には、潤滑油供給の時を特に適切に選択することにより、ピストンがある特定のノズルを通過する直前にこの特定のノズルから潤滑油を供給することによって、例えばシリンダの動作表面上でピストンの移動方向に潤滑油をより良く分配させることができる。すなわち、ピストンの上死点へ向かってあるいはそこから離れる方向にピストンが移動するのに応じて、シリンダの動作表面上でそれぞれの方向で、潤滑油が理想的に分布されうる。
【００３４】
本発明による方法の特に好ましい実施例では、潤滑油被膜の厚さの所望の値は、往復動ピストン式燃焼機関の様々な動作パラメータに応じて、特に回転数及び／若しくは負荷及び／若しくはシリンダ温度及び／若しくは他の動作パラメータに応じて、且つ／又は燃料の成分及び／若しくは潤滑油の成分及び／若しくは他の動作材料に応じて、多次元データ・フィールドの形で存在する参照テーブルを使用して決定され、潤滑油被膜の厚さはその所望の値に最適化される。
【００３５】
例えばデータ処理ユニットとしてのデータ・バンク中にロードされた参照テーブル中には、潤滑油被膜の理想的な厚さを計算するのに関連した重要なデータが格納してある。既に基本的に知られている往復動ピストン式燃焼機関用の適切なデバイスを使用して、例えば回転数及び／又は負荷及び／又はシリンダ温度及び／又は燃焼室内温度及び／又は他の実際の動作パラメータを追加的に求めることが望ましく、ついでこれらから状態パラメータの所望の値、例えば各動作状態での潤滑油被膜の厚さの所望の値を、参照テーブル中に格納されたデータを使用して求める。使用される動作手段及びその特性、例えば使用燃料、特にその硫黄含有量及び／又は使用潤滑油の性質及び／又は潤滑油のＢＮ値は特に状態パラメータの理想値にとって中心的役割を演じる可能性があるので、所望の値を求めるためにそれらも照会するのが有利であり、適切な測定装置によって動作中絶えずモニタすることができる。
【００３６】
言うまでもなく、状態パラメータの所望の値を計算するために参照するのが有利である、往復動ピストン式燃焼機関の上記で示されたパラメータのリスト及び／又は動作状態のデータは網羅的なものではなく、所望の値を計算するために関連するパラメータ及びデータをさらに含むことができる。
【００３７】
この構成では、本発明による方法を実施する装置は、既に説明したように、シリンダ壁及び／又はピストン内に配置された、潤滑油をシリンダ壁の動作表面上に付着させるための少なくとも１つの潤滑ノズルと、シリンダ壁の動作表面上の潤滑油被膜の厚さを測定するための少なくとも１つのセンサとを有しており、その装置には潤滑ノズル用の制御ユニットが設けられており、この制御ユニットはセンサの信号を使用してシリンダ壁の動作表面上の潤滑油被膜の厚さを最適化するように潤滑ノズルを制御する調節手段を含む。
【００３８】
この構成では、センサはシリンダの様々な位置に配置するのが有利であり、センサの配置はとりわけセンサの種類によって変えることができるが、そうしなくてもよい。
【００３９】
シリンダのシリンダ壁の動作表面上の潤滑油被膜の厚さを測定するときは、十分に高い空間的解像度を目標とすることが好ましい。このために、様々な測定器を適切に使用することができる。
【００４０】
好ましい実施例では、センサは、動作表面に沿って往復動するように配置されたピストン及び／又はピストン・リング内に配置することができる。この配置は、本質的に局所的な狭い制限された測定しかできない１個のセンサを使用するときは、特に都合よく利用できる。例えばこのようなセンサには、超音波エコーから潤滑油被膜の厚さを求める超音波変換器、又は潤滑油被膜の厚さをキャパシタンス、インダクタンス又は抵抗値の対応する変化から求める容量センサ、誘導センサ、渦電流センサ又は抵抗センサがある。勿論、温度センサのような他の種類のセンサもやはり設けることができる。この構成では、ピストン内又はピストン・リング内で、局所的に有効なセンサしか有利に使用できないのではなく、例えば他のセンサと協働して潤滑油被膜の厚さを広範囲で測定可能なセンサも使用することができる。特別な場合には、異なる種類のセンサの組み合わせが特に有利である。
【００４１】
ピストン又はピストン・リング内に配置されたセンサの特別な利点は自明である。動作状態でピストンがシリンダ壁の動作表面に沿って移動することによって、センサは、シリンダ壁の動作表面に沿って、少なくともシリンダの長手方向軸の方向に案内され、センサによって、シリンダ壁の実質的に関連する動作表面全面にわたり、潤滑油被膜の厚さが局所的に、連続的にモニタされ、潤滑油被膜の厚さを局所的に最適化することができる。２個以上のセンサをピストンの円周方向に設ける場合は、この構成で空間的な解像度をさらに上げることができる。
【００４２】
この構成では、特性パラメータを求めるためのセンサは、勿論ピストン内に又はピストン・リングの凹部内に設けなければならないわけではなく、シリンダ壁内に又はシリンダのシリンダ・カバー内に又はシリンダに隣接した部品内に設けることもできる。
【００４３】
とりわけ、受動式構造体伝播騒音センサ（ｐａｓｓｉｖｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−ｂｏｒｎｅ  ｎｏｉｓｅ  ｓｅｎｓｏｒ）をシリンダ壁内に及び／又はシリンダ・カバー内に及び／又はシリンダに隣接した部品内に挿入することが好ましい。ここで適用される測定原理は、動作状態で往復動ピストン式燃焼機関の様々な構成部品が発する音響振動、いわゆる構造体伝播振動の検出に関連する。この構成では、受動式構造体伝播騒音センサ自体は単に一検出器、例えば圧電検出器、原理的には往復動ピストン式燃焼機関内で発生する構造体伝播波を検出し、それらを例えば電気信号の形で制御ユニットへさらなる評価のために供給する一種のマイクロホンである。次いで潤滑油被膜の特性パラメータ、特にシリンダ壁の動作表面上の特定の位置における潤滑油被膜の厚さが、検出された構造体伝播振動のパターンから、多分複数のセンサが協働して、稼動時間効果を考慮して判定される。すなわち受動式構造体伝播騒音センサと超音波センサとの間の重要な相違は、受動式構造体伝播騒音センサは、超音波パルスのようなそれ自体のいかなる測定信号も検査対象内に決して能動的に伝送しないことである。
【００４４】
以下に受動式構造体伝播騒音センサによる測定原理を多少より詳しく説明する。音響放射は弾性ひずみの弾性波であって、本質的に例えばシリンダ、ピストン、ピストン・リングなどの往復動ピストン式燃焼機関の構成部品がひずみエネルギを吸収しそれを再び放出することによって発生する。したがって、音響波は、例えば材料中のひずみの突然の変化、特に微小破壊、マイクロ・クラック又は自然発生的な微視的材料変形などの微小事象を介して生じ得る。原則として少なくとも部分的に金属又は被覆金属からなるシリンダ内、シリンダ壁の動作表面内、ピストン内、ピストン・リング内などでは、一例として上記で言及した微小事象の典型的な直線的拡がりは約１０μｍから約１００μｍに達する。それらは自然発生的に高速度で発生し、鋼の場合は約３００ｍ／ｓ程度の大きさになりうる。放出された音響波の振幅及び／又は周波数スペクトルは、できれば材料内における減衰／ダンピング／消散／吸収を考慮に入れて、微小事象の強度、程度及び種類の尺度となる。すなわち、音響波は微小破壊やマイクロ・クラックの発生、及び自然発生的な微視的材料変形と極めて直接的に関連しており、したがって、それが非常に複雑な幾何学的構造の物体であっても、検査対象の全体積にわたる実質上リアルタイムでの非破壊検査に非常によく適している。
【００４５】
すなわち、金属では音響放射の主要な源は非常にしばしば、特徴的なエネルギ分布を示す塑性変形過程、及び材料中のクラック又は破壊の成長のような損傷の成長である。特に、これら及び他のプロセスを通じて、爆発的な音の発生、いわゆるバースト（ｂｕｒｓｔ）が発生することがあり、これは音源の種類と規模に応じて、あるいは観察中の材料内の音の速度に応じて、可聴音域から高い超音波音域までの周波数を一般に含む。この構成では、両方の可聴圧縮波、換言すれば縦波と、同様に横に偏波した波が生成され、そのスペクトル、偏波、伝播速度、相対的減衰及び相対的強度が微小事象に関する情報を与える。
【００４６】
１つ又は複数の特性パラメータ、特に当然往復動ピストン式燃焼機関のシリンダ内の摩擦面同士の間の、換言すれば動作表面及び／又はピストン及び／又はピストン・リングとの間の潤滑油被膜の厚さも勿論、往復動摩擦効果により発生する音響放射及び音波に対し対応する影響を有することは重要である。
【００４７】
したがって、１個又は複数の構造体伝播騒音センサを使用して、往復動ピストン式燃焼機関の構造体伝播騒音を検出し、特に例えば異なるセンサの間で測定可能となる稼働時間効果をさらに考慮し、適切に評価することによって、シリンダ壁の動作表面上の対応する音源の場所を正確に突き止め、これに対応して状態パラメータ例えば潤滑油被膜の厚さが局所的に最適化されるように、潤滑油被膜の特徴パラメータ、特に潤滑油被膜の厚さに関する結論を引き出すことが可能である。
【００４８】
上述の受動式構造体伝播騒音センサに加えて、能動式音響センサ、特に圧電超音波センサもうまく使用することができる。能動式音響センサを使用するときは、摩擦面同士すなわち特にシリンダ壁の動作表面及び／又はピストン及び／又はピストン・リングに超音波信号、好ましくは例えば適切な交流電圧を印加することによって能動式音響センサが発生させることのできる短い超音波インパルスを作用させる。異なる音波抵抗を有する２つの媒体の間の境界表面では、これらの超音波インパルスの一部は反射され、一部は伝播される。反射された信号はいわゆるエコー信号として超音波変換器に戻る。変換器はこれらを電気信号に変換し、評価のため制御器に送る。次いで超音波インパルス又は超音波エコーが超音波センサから出てそこへ戻る経路上で横切った潤滑油被膜の厚さが、超音波センサで次々と受信される２つのエコーの相対的な減衰から且つ／又は通過時間から且つ／又は超音波エコーの周波数応答から、原理的に良く知られた簡単な方法で求められる。
【００４９】
上記で説明した測定は、能動式音響センサに受動式音響センサを組み合わせることによっても実施できることが理解できよう。この構成では、能動式音響センサは、特に測定すべき潤滑油被膜中を走る音響信号を生成する働きをし、その音響信号は潤滑油被膜中を１回又は数回走った後で第２の適切に配置された受動式音響センサにより検出され、例えば受動式音響センサで連続して受信された音響信号の２つのエコーの相対的な減衰から、且つ／又は通過時間から且つ／又は超音波信号の周波数応答から潤滑油被膜の厚さが求められる。それによって、シリンダ壁の動作表面上の潤滑油被膜の状態パラメータが最適化されるように潤滑ノズルが制御される。
【００５０】
上記で説明した音響センサに加えて、他のセンサも勿論、潤滑油被膜のパラメータを求め、次いで潤滑油被膜の状態パラメータを最適化するために非常に有利に使用することができる。すなわち、これらのセンサは、特に誘導センサ、容量センサ、電気抵抗センサ、温度センサ、或いは、潤滑油、燃料の、又は往復動ピストン式燃焼機関の燃焼生成物の、例えば硫黄含有量、ｐＨ値、又は一般に化学組成を求めることができる化学センサであってもよい。
【００５１】
言うまでもなく、特別な場合には勿論センサの任意の適切な組み合わせを有利に使用でき、すべてのセンサは原則として且つ必要に応じて、ピストン内で及び／若しくはピストン・リング内で一緒に動くセンサとして、且つ／又はシリンダ壁内で若しくは壁上で、且つ／又はシリンダ・カバー内で若しくはカバー上で、且つ／又はシリンダに隣接した往復動ピストン式燃焼機関の部品内で静止したセンサとしても設けることができる。
【００５２】
特に、ピストン内で一緒に動くセンサは勿論、適切な静止センサと組み合わせることもできる。センサの空間的配置に関する限り、受動式音響センサは特に非常に柔軟性があることが判明している。というのは、これらのセンサを使用して又は上記で説明した測定プロセスを使用して、非常に複雑な形状を非常に高い信頼性で且つ非常に高い空間的解像度で検査することができ、複数のセンサを、これらセンサの信号を潤滑油被膜の特性を評価するために適切に組み合わせることができるように、シリンダ上且つ／又はピストン上の異なる位置に配置したときは特にそうだからである。
【００５３】
本発明を概略図を使用して、より詳しく説明する。
【実施例】
【００５４】
図１に本発明による方法を実施するための装置１を概略的に示している。装置は、往復動ピストン式燃焼機関の燃焼室をそれ自体よく知られている方法で円周方向に取り囲むシリンダ壁３を有するシリンダ４を含む。ピストン５がシリンダ４内に設けられ、シリンダ壁３の動作表面２に沿って、軸方向にシリンダ４の長手方向軸に沿って往復動できるように配置されている。少なくとも１個の潤滑ノズル６がシリンダ壁３内に配置され、それによって潤滑油被膜７を動作状態でシリンダ壁３の動作表面２に付着させる。潤滑油被膜７の状態パラメータＫがセンサ８によって計算される。このセンサは図１の例中に一例として示されており、潤滑油被膜７の厚さｄがこのセンサで測定される。センサ８と潤滑ノズル６は調節手段１０を含む制御ユニット９に信号で接続されており、センサ８の信号を使用して、潤滑ノズル６が、潤滑油被膜７の状態パラメータＺＰ、この例ではシリンダ壁３の動作表面２上の潤滑油被膜７の厚さｄが最適化されるように本発明にしたがって制御される。この構成では、図１にはただ１つの潤滑ノズル６とただ１つのセンサのみが図示されている。言うまでもなく、往復動ピストン式燃焼機関の各シリンダ４はそれぞれ、複数の同一あるいは異なるセンサ８と複数の潤滑ノズル６を有することができ、それらはシリンダ壁３内に且つ／又は壁３上に、異なる位置に適切に設けることができる。
【００５５】
この構成では、制御手段９は、センサ８の信号を評価することができ、状態パラメータＺＰ、すなわちこの場合はシリンダ壁上の潤滑油被膜７の厚さを最適化するように調節手段１０によって潤滑ノズル６を制御する、ここでは明示的には示してないデータ処理ユニットを含むことが好ましい。
【００５６】
図２に、この例では潤滑油被膜７の厚さｄとしてここで特に示されているが、状態パラメータＺＰの所望の値が、往復動ピストン式燃焼機関の様々な動作パラメータＢに応じて、特に回転数Ｕ及び／又は負荷Ｌ及び／又はシリンダ温度Ｔ及び／又は他の動作パラメータＢに応じて、且つ／或いは使用燃料の及び／又は潤滑油の及び／又は他の動作材料の成分Ｚに応じて、多次元データ・フィールドの形で存在する参照テーブルＬＴを使用して計算される、本発明による方法の特に好ましい変形形態が示されている。この構成では、往復動ピストン式燃焼機関の動作状態において、状態パラメータＺＰ、ここでは潤滑油被膜７の厚さｄが、状態パラメータＺＰのための所望の値、ここでは参照テーブルＬＴを使用して評価された潤滑油被膜７の厚さｄに最適化される。
【００５７】
センサ８、例えばピストン５内に、且つ／又はピストン・リング５１内に、且つ／又はここには示されていないがシリンダ・カバー内に、且つ／又はシリンダ４に隣接した往復動ピストン式燃焼機関の部品内にも勿論設置することができる、往復動ピストン式燃焼機関からの構造体伝播波を検出するための受動式構造体伝播騒音センサ８によって、例えば潤滑油被膜７の実際の厚さｄが測定され、この値が特にデータ処理ユニットを含む制御ユニット９並びに調節手段１０に供給される。この構成では、図２に概略的に示すように、潤滑油被膜７の厚さｄを測定するために複数のセンサ８を設けることが好ましい。上記で言及したように、センサ８が例えば受動式構造体伝播騒音センサの場合、特にセンサ８によって検出された信号の動作時間変化を検出することによって、且つ／又は信号の相関関係の既知の技術、すなわち信号の対応する相関関数の検査を使用して、潤滑油被膜７の厚さｄを位置に応じて求めることができる。それに加えて、ここには示されていないが、特に往復動ピストン式燃焼機関の回転数Ｕ，負荷Ｌ又はシリンダ温度Ｔなどの異なる動作パラメータＢを検出し、やはりそれらを制御装置９へ供給する測定装置をさらに設けることもできる。
【００５８】
シリンダ壁３の動作表面上２の潤滑油被膜７の厚さｄの所望の値を評価するために、図２ａに一例として略図で示した参照テーブルＬＴが使用される。この構成では、参照テーブルＬＴは２次元あるいは多次元のデータ・フィールドであり、それを使用して、例えば状態パラメータＺＰの実際の所望の値、ここでは潤滑油被膜７の厚さｄを、往復動ピストン式燃焼機関に特有であって、且つ／又は使用動作材料、特に使用燃料又は潤滑油の成分Ｚに応じた、且つ／又は他の関連するファクタを考慮に入れた、関連する様々の実際の且つ／又は包括的な動作パラメータＢから求めることができる。例えばこのようにして求めた潤滑油被膜７の厚さｄの所望の値が、センサ８によって評価された指標Ｋ、すなわちここでは潤滑油被膜７の実際の厚さｄと比較され関連付けられる。これから、調節手段１０を使用して潤滑ノズル６を制御する信号が生成され、潤滑ノズル６は、潤滑油被膜７の厚さｄが最適化されるように、シリンダ壁３の動作表面２に丁度十分な潤滑油を付着させる。
【００５９】
すなわち、状態パラメータＺＰの理想値、この例では潤滑油被膜７の理想的な厚さｄを求めるための関連する様々なデータが参照テーブルＬＴに格納されている。さらには、既に往復動ピストン式燃焼機関用として基本的に知られている適切なデバイスを使用して、回転数Ｕ及び／又は負荷Ｌ及び／又はシリンダ温度Ｔ及び／又は燃焼室内温度及び／又は他の実際の動作パラメータＢなどの動作パラメータＢを求めることが好ましく、ついでこれらから参照テーブルＬＴ中に格納されたデータを使用して、潤滑油被膜７の理想的厚さｄの所望の値が、各動作状態毎に絶えず新たに計算される。中でも使用動作手段、特にその特性、例えば使用燃料、とりわけその硫黄含有量、及び／又は使用潤滑油の性質及び／又は潤滑油それ自体のＢＮ値が、状態パラメータＺＰの理想値、すなわち潤滑油被膜７の理想的な厚さｄにとって中心的役割を果たすので、これらはやはり所望の値を求めるのに使用するのが有利であり、動作中適切な測定装置によって絶えずそれを監視することができる。
【００６０】
図３に、往復動ピストン式燃焼機関のピストン５のピストン・リング５１内の凹部内に配置された誘導センサが示されている。この構成では、ピストン・リング５１は、動作中実質的にピストン・リング５１はいかなる回転も起きないようにピストン５の溝内に固定することが好ましい。電気的接続リード線は、例えばカプラ機構として設計するのが好ましいケーブル案内システム（やはり図示せず）を介してシリンダ４から外側へ送り出すことができる。誘導センサとして設計するセンサ８は、コイル８２に取り囲まれている高い透磁率を有する磁気コア８１、例えば好ましくはフェライト・コア８１として設計された、例えばＵ字形をした磁気コア８１を基本的に含む。コイル８２に交流電圧Ｕを供給すると、コア８１内にそれ自体よく知られたように潤滑油被膜７及びシリンダ壁３を通って閉じる磁束が形成される。この構成では、実質的に磁気コア８１、厚さｄの潤滑油被膜７及びシリンダ壁３を含む閉鎖回路は、前記で示した区分の部分の磁気抵抗の和である磁気抵抗を有する。潤滑油被膜７の厚さｄが変化すると、潤滑油被膜７に起因する磁気抵抗もまた必然的に変化し、したがって磁気抵抗が変化し、全回路の誘導性（ｉｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）も変化する。しかしながら、回路の誘導性の変化は、コイル８２における交流電圧Ｕがあらかじめ定められているため、コイル８２を通る電流変化となる。したがって、コイル８２を通る電流１の変化を測定することによって、潤滑油被膜７の厚さｄを直接最高の精度で測定することができる。
【００６１】
本発明による方法によって、且つ本方法を実施するための装置を使用することによって、シリンダ壁の動作表面上の潤滑油被膜の状態パラメータを、往復動ピストン式燃焼機関の動作状態で選択的に最適化することができる。この構成では、状態パラメータは潤滑油被膜の異なる特性パラメータによって表すことができる。シリンダ壁の動作表面上で最適化される潤滑油被膜の状態パラメータは潤滑油被膜の厚さとすることが好ましい。他の実施例では状態パラメータは潤滑油被膜のアルカリ度、温度、粘度、水分含有量、ＢＮ値又は酸含有量であってもよいが、状態パラメータの前述の例は網羅的なものではない。
【００６２】
この目的のために必要な潤滑油の量は、回転数、燃焼温度、エンジン温度、エンジン冷却に必要な動力、負荷又はその他の動作パラメータなどの様々な動作パラメータを考慮に入れて、繰り返し現実に合った形にしていくことが好ましい。
【００６３】
本発明は、往復動ピストン式燃焼機関の理想的動作状態を達成するためには、状態パラメータ、特別な場合には特にシリンダの動作表面上の潤滑油被膜の厚さを、好ましくは局所的に最適化させるべきであるとの重要な認識に基づいている。すなわち、供給される潤滑油の量はそれだけでは最重要ではなく、状態パラメータの真の値、具体的に言えばシリンダの動作表面上の潤滑油被膜の実際の厚さの方が最重要である。
【００６４】
本発明によって、ピストン、ピストン・リング及びシリンダ表面の平均寿命が大きく延びるのみならず、潤滑油の消費量も同時に最小限になり、修理間隔も大きく延長される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明による方法を実施するための装置を示す図である。
【図２】参照テーブルを使用する方法を概略的に示す図である。
【図２ａ】潤滑油被膜の厚さの所望の値を識別する参照テーブルを示す図である。
【図３】ピストン・リング内に配置された誘導センサを示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  装置
２  動作表面
３  シリンダ壁
４  シリンダ
５  ピストン
６  潤滑ノズル
７  潤滑油被膜
８  センサ
９  制御ユニット
１０  調節手段
５１  ピストン・リング
【図１】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図３】
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