(57)【要約】【課題】動弁系に関して、より正確な摩耗特性を把握する。【解決手段】バルブ１及びバルブ１が着座するバルブシート２を有する動弁系の摩耗特性把握方法であって、実機のモデルを用いて、バルブ１及びバルブシート２の形状及び運転条件をパラメータとして機構解析を行うことにより、運転条件でのバルブ・バルブシート間の面圧及びすべり量を取得する解析ステップと、動弁系を模擬した試験機を用いて少なくとも運転条件にて摩耗試験を行うことにより、運転条件における試験機の動弁系のバルブ１及びバルブシート２の摩耗量を測定する摩耗試験ステップと、解析ステップの結果と摩耗試験ステップとの結果に基づいて、実機の摩耗状態を推定する摩耗推定ステップと、を含む動弁系の摩耗特性把握方法を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブ及び前記バルブが着座するバルブシートを有する動弁系の摩耗特性把握方法であって、
実機のモデルを用いて、バルブ及びバルブシートの形状及び運転条件をパラメータとして機構解析を行うことにより、前記運転条件でのバルブ・バルブシート間の面圧及びすべり量を取得する解析ステップと、
前記動弁系を模擬した試験機を用いて少なくとも前記運転条件にて摩耗試験を行うことにより、前記運転条件における前記試験機の動弁系のバルブ及びバルブシートの摩耗量を測定する摩耗試験ステップと、
前記解析ステップの結果と前記摩耗試験ステップとの結果に基づいて、前記実機の摩耗状態を推定する摩耗推定ステップと、を含む動弁系の摩耗特性把握方法。
【請求項２】
前記摩耗推定ステップにおいて、
前記解析ステップにより取得された前記面圧及び前記すべり量と、前記摩耗試験ステップにより測定された前記摩耗量との関係を示した摩耗評価マップの作成を行う請求項１に記載の動弁系の摩耗特性把握方法。
【請求項３】
前記運転条件は、少なくとも、前記バルブの着座速度、前記バルブシートのシート角度、を含む請求項１に記載の動弁系の摩耗特性把握方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブ及びバルブが着座するバルブシートを有する動弁系の摩耗特性把握方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ピストンが往復動することによって、回転動力を出力する内燃機関のレシプロエンジンは、バルブ及びバルブが着座するバルブシートを有する動弁系を備えて吸排気を行うことが一般的である。このようなエンジンにおいては、エンジンの設計、エンジンの寿命把握、メンテナンス計画の立案等を行う際、バルブ及びバルブシートの摩耗特性を把握することが重要である。
【０００３】
バルブ及びバルブシートの摩耗特性を把握するに当たっては、特許文献１に記載されているように、実際の動弁系を模したバルブ・バルブシート摩耗試験機を用いて摩耗を計測する方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３０１７６５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に記載れている摩耗試験機においては、容易に試験を行えるという長所はあるものの、実機状態の再現性の点に課題が残っている。即ち、摩耗試験機で得られた結果を用いてエンジンを設計しても、実機では試験で予想された以上の摩耗が現れるなどの課題があった。
【０００６】
この発明は、より正確な摩耗特性を把握することができる動弁系の摩耗特性把握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】
【０００７】
本発明の第一の態様によれば、動弁系の摩耗特性把握方法は、バルブ及び前記バルブが着座するバルブシートを有する動弁系の摩耗特性把握方法であって、実機のモデルを用いて、バルブ及びバルブシートの形状及び運転条件をパラメータとして機構解析を行うことにより、前記運転条件でのバルブ・バルブシート間の面圧及びすべり量を取得する解析ステップと、前記動弁系を模擬した試験機を用いて少なくとも前記運転条件にて摩耗試験を行うことにより、前記運転条件における前記試験機の動弁系のバルブ及びバルブシートの摩耗量を測定する摩耗試験ステップと、前記解析ステップの結果と前記摩耗試験ステップとの結果に基づいて、前記実機の摩耗状態を推定する摩耗推定ステップと、を含むことを特徴とする。
【０００８】
このような構成によれば、試験機を用いた摩耗量の測定結果に機構解析による計算結果を加味することによって、実機の摩耗特性をより正確に把握することができる。即ち、機構解析にて入力される所定の運転条件と、摩耗試験を行う運転条件とを対応させて、計算される面圧及びすべり量と測定される摩耗量とを関連付けることによって、機構解析による摩耗量の推定が可能となる。これにより、摩耗特性を把握する際の信頼性を向上させることができる。
【０００９】
上記動弁系の摩耗特性把握方法の前記摩耗推定ステップにおいて、前記解析ステップにより取得された前記面圧及び前記すべり量と、前記摩耗試験ステップにより測定された前記摩耗量との関係を示した摩耗評価マップの作成を行ってよい。
【００１０】
このような構成によれば、機構解析を行ってバルブ・バルブシートとの間の面圧及びすべり量を算出することによって、摩耗の傾向を把握することができる。
【００１１】
上記動弁系の摩耗特性把握方法において、前記運転条件は、少なくとも、バルブの着座速度、バルブシートのシート角度、を含んでよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、試験機を用いた摩耗量の測定結果に機構解析による計算結果を加味することによって、より正確な摩耗特性を把握することができる。即ち、機構解析にて入力される所定の運転条件と、摩耗試験を行う運転条件とを対応させて、計算される面圧及びすべり量と測定される摩耗量とを関連付けることによって、機構解析による摩耗量の推定が可能となる。これにより、摩耗特性を把握する際の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の動弁系の摩耗特性把握方法が適用されるバルブ及びバルブシートの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態の動弁系の摩耗特性把握方法にて使用される試験機の概略構成図である。
【図３】解析ステップと摩耗試験ステップの結果から作製される摩耗評価マップである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態の動弁系の摩耗特性把握方法について詳細に説明する。本実施形態の動弁系の摩耗特性把握方法は、例えば、内燃機関（以下、単にエンジンと呼ぶ）などの動弁系を有する熱機関において、動弁系を構成するバルブ１（弁）とバルブ１が着座するバルブシート２（弁座）の摩耗特性を把握するための方法である。
【００１５】
ここで、バルブ１及びバルブシート２の摩耗とは、バルブシート２の摩耗、バルブ１の摩耗、バルブ１とバルブシート２両方の摩耗を含む。動弁系の摩耗特性把握とは、例えば、エンジンを設計する際に動弁系を構成する構成要素の形状を決定するにあたって、その形状における動弁系の摩耗量や、摩耗速度などの特性を把握することである。
【００１６】
本実施形態の動弁系の摩耗特性把握方法は、コンピュータ等を用いて機構解析を行う解析ステップと、エンジンを構成する動弁系を模した試験機１０（図２参照）を用いて摩耗量の計測を行う摩耗試験ステップと、解析ステップの結果と摩耗試験ステップとの結果に基づいて、実機の摩耗状態を推定する摩耗推定ステップと、を含む。即ち、本実施形態の動弁系の摩耗特性把握方法は、試験機１０を用いた摩耗量の計測と併せて機構解析を行い、エンジンの動弁系の摩耗状態を推定する。
【００１７】
（解析ステップ）
解析ステップは、摩耗特性の把握を必要とした実機のエンジンのモデルを用いてバルブ１及びバルブシート２の形状及び運転条件をパラメータとして機構解析を行うことにより、運転条件でのバルブ・バルブシート間の面圧及びすべり量を取得して事前検討を行う工程である。
機構解析は、コンピュータ（ワークステーションや、パーソナル・コンピュータ等）に組み込まれた機構解析用のソフトウェア（シミュレーション・ソフトウェア、以下、解析ソフトと呼ぶ）を用いて行うことができる。即ち、機構解析は、試験機１０などを動かすことなく、計算によってエンジンの動弁系の状態を計算する。
【００１８】
解析ソフトは、エンジンなどの機構の動きをコンピュータを用いてシミュレーションで再現し、例えば、エンジンの部品に係る応力などを計算するソフトウェアである。解析ソフトとしては、例えば、ＦｕｎｃｔｉｏｎＢａｙ社・Ｒｅｃｕｒｄｙｎ、ＭＳＣ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ社Ａｄａｍｓ、ＶｉｒｔｕａｌＭｏｔｉｏｎ社・ＤＡＦＵＬなどを採用することができる。
【００１９】
ここで、モデルとは解析ソフトに入力することによってコンピュータ上でエンジンを模擬的に再現するためのデータ（解析モデル、計算機モデル）である。モデルは、エンジンを構成するシリンダーブロック、ピストン、コネクティングロッド、クランクシャフト、シリンダ、バルブ等の形状、及びこれら構成要素の組み立て構造等を電子化したデータである。
モデルを解析ソフトに入力することによって、解析ソフト上でエンジンの動作（ピストンの直線的な運動をコネクティングロッドとクランクシャフトにより回転運動に変える動きなど）の再現が可能である。
【００２０】
解析ソフトには、エンジンの運転条件を設定することが可能である。即ち、エンジンの回転数、スプリング荷重等のパラメータを入力することができる。
エンジンの回転数等のエンジンの運転条件を設定した上で、モデルを解析ソフト上で模擬動作させることによって、エンジンを構成する、例えばバルブにかかる圧力等を計算することができる。
【００２１】
図１は、本実施形態の動弁系の摩耗特性把握方法が適用されるバルブ及びバルブシートの概略構成図である。
本実施形態の解析ステップでは、上述したモデル、及びエンジンの運転条件を解析ソフトに入力して、エンジンの動弁系を構成するバルブ１とバルブシート２との間の面圧Ｐ、及びバルブ１とバルブシート２との間のすべり量δとを計算する。バルブ１及びバルブシート２は、エンジンの燃焼室への混合気の吸入及び燃焼ガスの排気、燃焼室内の密閉を行うための機構である。
【００２２】
ここで、バルブ１及びバルブシート２の摩耗量などの摩耗量を推定する数式として、以下の数式（１）がある。
Ｗ＝ｋ・Ｐ・Ｖ・Ｔ  ・・・  （１）
Ｗ：摩耗量
Ｐ：面圧
ｋ：摩耗係数
Ｖ：すべり速度
Ｔ：時間
即ち、摩耗量Ｗは、面圧Ｐ、及びすべり速度Ｖ（すべり量δ）に依存する。実際には、他の要因が加わることによって、数式（１）に示すように比例関係にはならないが、摩耗量Ｗを把握するにあたっては、面圧Ｐとすべり量δは重要な要素である。
【００２３】
図１に示すように、バルブ１は、バルブヘッド３（傘部）とバルブステム４（軸部）とを有している。バルブヘッド３におけるバルブシート２との接触面がバルブフェース５である。
ここでバルブ１とバルブシート２との間の面圧Ｐとは、エンジンの運転に伴って開閉するバルブ１と、バルブ１が着座するバルブシート２との間に発生する圧力である。本実施形態のバルブ１とバルブシート２との間の面圧Ｐは、バルブ１がバルブシート２に着座する際に発生する最大の圧力と定義する。
【００２４】
バルブ１が閉じる際、即ち、バルブ１がバルブシート２に着座する際は、図１の符号Ｓにて示すように、バルブ１がバルブシート２に沿って移動する。すべり量δは、バルブ１がバルブシート２に着座する際に、バルブ１がバルブシート２上をすべる距離である。本実施形態のすべり量δは、バルブ１がバルブシート２に接触してから、バルブ１とバルブシート２との間の面圧Ｐが最大になるまでに移動する距離である。なお、すべり量δをバルブ１がバルブシート２に接触してから、バルブ１とバルブシート２とが離間するまでにバルブ１が移動する距離として定義してもよい。
【００２５】
上述したバルブ１とバルブシート２との間の面圧Ｐ、及びすべり量δは、動弁系の形状（バルブ１、バルブシート２の形状）、及び運転条件等によって変動する。
本実施形態の解析ステップは、
（１）エンジンの回転数Ｒ
（２）試験温度Ｔｍ
（３）ガイドクリアランスＣ
（４）シート角度Ａ
の４つのパラメータを用いて機構解析を行う。
ガイドクリアランスＣは、バルブステム４とバルブステム４をガイドするバルブガイド（図示せず）との間の隙間である。シート角度Ａは、バルブシート２とバルブフェース５との接触面の角度である。また、エンジン回転数Ｒは、即ち、バルブ１の着座速度である。
【００２６】
具体的には、４つのパラメータを変化させて、例えば、１０の運転条件Ｃ１〜Ｃ１０を決定する。運転条件Ｃは、エンジンの回転数Ｒ、試験温度Ｔｍ、ガイドクリアランスＣ、シート角度Ａの組み合わせである。なお、運転条件の数は多いほど好ましい。また、運転条件は上記４つの条件に限らず、必要に応じて追加することができる。例えば、バルブ１のリフト量、スプリング荷重、バルブ長さ、バルブヘッド直径、バルブ重量などを運転条件に加えてもよい。
【００２７】
そして、運転条件Ｃ１〜Ｃ１０について、機構解析を行い、各々の運転条件Ｃ１〜Ｃ１０での面圧Ｐ、及びすべり量δを計算する。即ち、運転条件Ｃ１における面圧Ｐ１，すべり量δ１、運転条件Ｃ１とは異なる運転条件Ｃ２における面圧Ｐ２，すべり量δ２、を順次算出し、運転条件Ｃ１０における面圧Ｐ１０，すべり量δ１０まで計算する。
試験機１０や実機において、バルブ１及びバルブシート２の面圧Ｐやすべり量δは、測定が困難であるが、上記解析ステップにより、複数の運転条件におけるバルブ１・バルブシート２の面圧Ｐ及びすべり量δを計算することができる。
【００２８】
（摩耗試験ステップ）
摩耗試験ステップは、実機のエンジンではなく、エンジンの動弁系を模した試験機１０を用いて、バルブ１及びバルブシート２の摩耗量Ｗを計測するステップである。
図２に示すように、試験機１０は、バルブ１及びバルブ１に着座するバルブシート２を有する動弁系を有する試験機１０である。試験機１０は、バルブ１をバルブ１の軸方向に往復動させてバルブ１のバルブヘッド３をバルブシート２に周期的に押圧させ、バルブ１とバルブシート２の少なくとも一方の摩耗を計測する機械である。
【００２９】
試験機１０は、ケーシング１１に固定されてバルブシート２を有するバルブシートホルダ１２と、バルブシート２に着座可能なバルブ１と、ケーシング１１に揺動自在に固定されたロッカーアーム１３と、ケーシング１１に回転自在に固定されたカム１４と、カム１４に追従して往復運動するカムフォロアシャフト１５と、を有している。カム１４は、図示しないサーボモータによって回転駆動される。
【００３０】
バルブ１のバルブステム４は、ケーシング１１に固定されたバルブガイド１６に摺動自在に支持されている。バルブ１は、バルブスプリング１７によってバルブ１が閉じる方向に付勢されている。また、試験機１０は、バルブ１近傍の雰囲気を加熱して試験温度Ｔｍの変動させることができる加熱装置１８を有している。加熱装置１８は、例えば、ＬＰＧバーナーなどのバーナーを用いて構成することができる。
【００３１】
ロッカーアーム１３は、カム１４を回転させることによって、カムフォロアシャフト１５を介して揺動する。ロッカーアーム１３が揺動することによって、ロッカーアーム１３の一端に当接するバルブステム４の端部が上下に移動する。これにより、バルブ１が開閉する。
【００３２】
本実施形態の摩耗試験ステップにおいては、解析ステップと同様に、４つのパラメータエンジンの回転数Ｒ，試験温度Ｔｍ，ガイドクリアランスＣ，シート角度Ａを含む１０の運転条件Ｃ１〜Ｃ１０で、試験を行ってバルブ１・バルブシート２の摩耗量Ｗを計測する。
摩耗試験ステップにおける運転条件Ｃ１〜Ｃ１０は、解析ステップにおける運転条件Ｃ１〜Ｃ１０を試験機１０上で再現するように設定される。また、試験時間を加味することによって、摩耗量Ｗを摩耗速度に置き換えることができる。
【００３３】
例えば、解析ステップにおける運転条件Ｃ１のエンジンの回転数Ｒが１，０００ｒｐｍと設定されている場合、摩耗試験ステップの運転条件Ｃ１では、エンジンの回転数Ｒ＝１，０００ｒｐｍが再現されるようにカム１４を回転させる。
同様に、解析ステップにおける運転条件Ｃ１０の試験温度Ｔｍが２００℃と設定されている場合、摩耗試験ステップの運転条件Ｃ１０では、バルブ１近傍の温度が２００℃になるように、加熱装置１８を制御する。
運転条件のうち、ガイドクリアランスＣは、バルブガイド１６の内径（又はバルブステム４の外形）を交換することによって変更することができる。運転条件のうち、シート角度Ａは、バルブシート２を交換することによって変更することができる。
【００３４】
摩耗試験ステップでは、運転条件Ｃ１における摩耗量Ｗ１、運転条件Ｃ２における摩耗量Ｗ２、を順次し、運転条件Ｃ１０における摩耗量Ｗ１０まで計測する。
【００３５】
（摩耗推定ステップ）
摩耗推定ステップは、解析ステップと摩耗試験ステップの結果から、図３に示すような摩耗評価マップを作成して、摩耗量Ｗを推定するステップである。
解析ステップの結果から、運転条件Ｃにおける面圧Ｐ、すべり量δが計算され、摩耗試験ステップの結果から、運転条件Ｃにおける摩耗量Ｗが計測された。これらの結果から、機構解析において求められた面圧Ｐ及びすべり量δと、摩耗試験ステップにて計測された摩耗量Ｗとの関係を示した摩耗評価マップが作成可能となる。なお、実機のエンジンを稼働させて実際に摩耗が確認されている場合は、この摩耗実績を考慮して摩耗評価マップを校正することもできる。
【００３６】
図３に示すように、摩耗評価マップは、横軸をすべり量δ、縦軸を面圧Ｐとした座標平面上に、摩耗量Ｗをプロットすることによって作成されたマップである。摩耗評価マップを用いることによって、機構解析により算出された面圧Ｐ及びひずみ量δを用いて、摩耗量Ｗの推定が可能となる。
摩耗評価マップは、図３に示すような二次元的なものに限らず、例えば、すべり量δをｘ軸、面圧Ｐをｙ軸、摩耗量Ｗをｚ軸にプロットする三次元的なグラフとしてもよい。
【００３７】
なお、摩耗評価マップを作成することなく、実機の摩耗量Ｗを推定することも可能である。即ち、解析ステップと同様の運転条件Ｃを用いて、摩耗試験ステップを実施することによって、摩耗試験ステップにて測定された摩耗量Ｗを同様の運転条件Ｃを設定して行った解析ステップの摩耗量Ｗとみなしてもよい。即ち、所定の運転条件Ｃで行った摩耗試験の結果を、同一の運転条件Ｃを用いて行った機構解析の摩耗量Ｗとしてもよい。
【００３８】
上記実施形態によれば、実機のエンジンのモデルを用いた機構解析によりバルブ１及びバルブシート２の面圧Ｐ及びすべり量δを求めて、摩耗評価マップを参照することによって、バルブ１及びバルブシート２の摩耗を把握することができる。摩耗評価マップは、試験機１０による計測結果に加えて機構解析の結果を加味して作成されているため、試験機１０による摩耗量の推定と比較して、より早くより正確に摩耗特性を把握することができる。
【００３９】
また、既に実機のエンジンを運転中である場合においても、バルブ１の摩耗状態の予測が可能となる。即ち、事前のメンテナンス計画がより正確に実施可能となり、エンジンの信頼性を向上させることができる。
【００４０】
以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態の摩耗試験ステップにて使用される試験機は、カム機構を用いてバルブを開閉させる構成としたが、これに限ることはなく、所定の周期でバルブを開閉させることができればどのような機構を用いてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  バルブ
２  バルブシート
３  バルブヘッド
４  バルブステム
５  バルブフェース
１０  試験機
１１  ケーシング
１２  バルブシートホルダ
１３  ロッカーアーム
１４  カム
１５  カムフォロアシャフト
１６  バルブガイド
１７  バルブスプリング
１８  加熱装置
Ａ  シート角度
Ｃ  ガイドクリアランス
Ｐ  面圧
Ｒ  回転数
Ｔｍ  試験温度
δ  すべり量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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