JP2019044638A - 内燃機関のデータ送信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電性能の高い内燃機関のデータ送信装置を提供することを課題とする。【解決手段】ピストンに設けられたセンサと、前記ピストンに連結されたコンロッドに設けられ、前記センサにより測定されたデータを送信する送信部と、前記コンロッドに設けられ、前記送信部に電力を供給する発電部と、前記発電部を覆うカバーと、を具備し、前記発電部は、前記コンロッドと、前記コンロッドが収納されたクランク室との温度差を用いた熱電効果により前記電力を発生させ、前記カバーは前記発電部の前記クランク室側の面を覆い、前記コンロッドの延伸方向に沿って前記カバーを貫通する空洞を有する内燃機関のデータ送信装置。【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関のデータ送信装置に関する。

内燃機関の安定した動作のために、ピストンの温度および挙動などを測定することが重要である。ピストンにセンサを設け、センサで検知した物理量のデータを送信する技術が知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１２−２０７６４２号公報

こうした送信装置は、センサが検知したデータを送信する送信機器、送信機器に電力を供給する電源を含む。特許文献１の技術では電源としてバッテリを用いる。しかしバッテリの容量が尽きると発電は困難であり、またバッテリの交換の手間も大きい。そこで、発電性能の高い内燃機関のデータ送信装置を提供することを目的とする。

上記目的は、ピストンに設けられたセンサと、前記ピストンに連結されたコンロッドに設けられ、前記センサにより測定されたデータを送信する送信部と、前記コンロッドに設けられ、前記送信部に電力を供給する発電部と、前記発電部を覆うカバーと、を具備し、前記発電部は、前記コンロッドと、前記コンロッドが収納されたクランク室との温度差を用いた熱電効果により前記電力を発生させ、前記カバーは前記発電部の前記クランク室側の面を覆い、前記コンロッドの延伸方向に沿って前記カバーを貫通する空洞を有する内燃機関のデータ送信装置によって達成できる。

発電性能の高い内燃機関のデータ送信装置を提供できる。

図１はデータ送信装置を例示する模式図である。 図２（ａ）はカバーを例示する斜視図である。図２（ｂ）は発電部を例示する斜視図である。図２（ｃ）は発電部を例示する側面図である。図２（ｄ）は発電部およびカバーをコンロッドに取り付けた状態の斜視図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）はコンロッド、発電部およびカバーを例示する断面図である。 図４はカバーを拡大した図である。 図５はデータ送信装置の組み立ての工程を例示するフローチャートである。 図６はデータ送信装置の動作を例示するフローチャートである。

（実施形態）
以下、図面を参照して本実施形態の内燃機関のデータ送信装置１００について説明する。データ送信装置１００はエンジン１０（内燃機関）に適用される。エンジン１０は例えば自動車に搭載されるガソリンエンジンなどである。図１はデータ送信装置１００を例示する模式図である。Ｚ方向は上下方向であり、Ｘ方向およびＹ方向はＺ方向に直交する。

図１に示すように、エンジン１０のシリンダブロック１１に燃焼室１２およびクランク室１４が形成される。燃焼室１２にピストン１６が配置され、エンジン１０のクランク室１４にコンロッド（コネクティングロッド）１８が配置されている。不図示のクランクシャフトの回転によりピストン１６およびコンロッド１８は上下方向（Ｚ方向）に往復運動する。

データ送信装置１００は、センサ２０、送信部２２、発電部２４およびカバー３０を備える。２つのセンサ２０は例えば熱電対であり、ピストン１６に設けられ、ピストン１６の温度を測定する。２つのセンサ２０それぞれは温度情報などを出力する。また、例えばセンサ２０のうち一方が熱電対であり、他方がギャップセンサでもよい。この場合、温度情報および変位情報が出力される。

送信部２２および発電部２４はコンロッド１８に設けられている。送信部２２はセンサ２０と電気的に接続され、かつアンテナ２５と無線通信を行う。送信部２２は、センサ２０が検知したデータをアナログデータに変換、またはアナログデジタル変換し、アンテナ２５に送信する。

アンテナ２５はデータを受信する。シリンダブロック１１の外部の受信部２６は、シリンダブロック１１の外に引き出された配線によりアンテナ２５と電気的に接続され、アンテナ２５からデータを取得する。受信部２６は、例えばデータからノイズを除去するフィルタ、データの信号を増幅する増幅器、アナログ信号とデジタル信号とを相互に変換するアナログ／デジタル変換回路などを含む。受信部２６はデータをデジタルデータに変換する。

解析部２８は例えばパーソナルコンピュータなどのコンピュータであり、受信部２６と電気的に接続されている。解析部２８はデータを物理特性値（温度など）に変換し、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ：Hard Disc Drive）などの記憶装置に記憶する。また、ユーザはディスプレイなどで、ピストン１６の温度のデータを視認することができる。

発電部２４はコンロッド１８に設けられ、配線２３を通じて送信部２２に電力を供給する。カバー３０は発電部２４を覆い、例えばボルトなどでコンロッド１８に固定される。

図２（ａ）はカバー３０を例示する斜視図である。カバー３０の内部には、Ｚ方向にカバー３０を貫通する空洞３２が設けられている。カバー３０の−Ｙ側には空洞３３が形成されている。

カバー３０の＋Ｙ側の面のうち＋Ｚ側端部および−Ｚ側端部には傾斜部３４が形成されている。傾斜部３４は、カバー３０の外側から中央側にかけて、−Ｙ側に傾斜している。カバー３０の＋Ｚ側および−Ｚ側に溶接などで、板３５が取り付けられている。板３５は、カバー３０の外側から中央側にかけて、＋Ｙ方向を向くように傾斜している。傾斜部３４および板３５により、Ｚ軸に沿ってカバー３０の中央側に近づくほど幅が小さくなるような端部３１が形成される。

図２（ｂ）は発電部２４を例示する斜視図である。図２（ｃ）は発電部２４を例示する側面図である。図２（ｂ）および図２（ｃ）に示す発電部２４は熱電素子である。基板２４ａの基板２４ｂと対向する面に複数の電極２４ｃが設けられ、基板２４ｂの基板２４ａと対向する面に複数の電極２４ｄが設けられている。２つの基板２４ａおよび２４ｂの間に複数の半導体２４ｐおよび２４ｎが挟まれている。電極２４ｃおよび２４ｄに、ｐ型の半導体２４ｐおよびｎ型の半導体２４ｎが接触する。半導体２４ｐおよび２４ｎは交互に配置され、直列に接続されている。基板２４ａおよび２４ｂ間に温度差が生じるとゼーペック効果により起電力が生じ、電流が複数の電極２４ｃおよび２４ｄを流れる。１つの電極２４ｃおよび１つの電極２４ｄそれぞれに配線２３が接続され、配線２３を通じて電力が送信部２２に供給される。

図２（ｄ）は発電部２４およびカバー３０をコンロッド１８に取り付けた状態の斜視図である。図３（ａ）および図３（ｂ）はコンロッド１８、発電部２４およびカバー３０を例示する断面図であり、図３（ａ）はコンロッド１８が上昇中、図３（ｂ）はコンロッド１８が下降中の図である。図３（ａ）および図３（ｂ）では電極２４ｃおよび２４ｄ、配線２３を省略している。

図２（ｄ）から図３（ｂ）に示すように、発電部２４の基板２４ａはコンロッド１８に固定される。基板２４ｂはコンロッド１８とは反対側を向き、カバー３０の空洞３３にはめ込まれ、かつ空洞３２に露出する。カバー３０は、空洞３２がＺ方向に沿うように配置される。

図１に示すようにコンロッド１８はピストン１６に連結されており、燃焼室１２からピストン１６を通じて熱がコンロッド１８に伝わる。図２（ｄ）から図３（ｂ）に示すように、基板２４ａはコンロッド１８に近いため、コンロッド１８から伝わる熱により高温になる。一方、基板２４ｂはコンロッド１８から遠い側の面であり、カバー３０の空洞３２に露出する。したがって基板２４ｂは基板２４ａに比べて低温になる。基板２４ａと２４ｂとの間に温度差が生じることで、発電部２４は発電する。発生した電力は配線２３を通じて、発電部２４から送信部２２へと供給される。

図３（ａ）に矢印Ａ１で示すようにコンロッド１８が上昇する際、カバー３０の空洞３２には矢印Ａ２で示すように下方向に空気が流れる。図３（ｂ）に矢印Ａ３で示すようにコンロッド１８が下降する際、空洞３２には矢印Ａ４で示すように上方向に空気が流れる。これにより基板２４ｂと、クランク室１４内の雰囲気との熱交換が促進され、基板２４ｂは基板２４ａよりも低温になる。温度差が大きくなることで、発電部２４の発電性能が向上する。

図４はカバー３０を拡大した図である。図４に示すように、カバー３０の入口（端部３１の最も外側の部分）のＸＹ平面における断面積Ｓ１は、空洞３２の断面積Ｓ２より大きい。空気の密度はカバー３０内で一定の値ρとする。端部３１における空気の流量Ｑ１は数１で表され、空洞３２内の流量Ｑ２は数２で表される。

質量保存の法則により次の数３が成り立つ。

数３を変形すると数４が導き出される。

Ｓ２＜Ｓ１であるため、空洞３２を通る空気の速度Ｖ２は、端部３１に流入する空気の速度Ｖ１より大きくなる。したがって、空洞３２に露出する基板２４ｂと空気との熱交換が促進され、電極間の温度差が大きくなる。この結果、発電性能が向上する。

図５はデータ送信装置１００の組み立ての工程を例示するフローチャートである。組み立ては、例えばエンジンの組み上げ前に、車両の整備士およびユーザなどが行う。図５に示すように、例えばユーザは、まずセンサ２０をピストン１６に取り付ける（ステップＳ１０）。送信部２２をコンロッド１８に取り付ける（ステップＳ１２）。カバー３０を発電部２４に取り付け（ステップＳ１４）、発電部２４をコンロッド１８に取り付ける（ステップＳ１６）。センサ２０、送信部２２、発電部２４を互いに結線する（ステップＳ１８）。ピストン１６とコンロッド１８とを組み付け、これらをエンジン１０に組み付ける（ステップＳ１９）。

図６はデータ送信装置１００の動作を例示するフローチャートである。エンジン１０は運転を開始しているものとする。エンジン１０の運転に伴いコンロッド１８は高温になり、発電部２４の基板２４ａと基板２４ｂとの間に温度差が生じる。これにより発電部２４は発電する（ステップＳ２０）。電力は送信部２２に供給される。センサ２０はピストン１６の温度に関するデータを検知する（ステップＳ２２）。送信部２２はセンサ２０から温度に関するデータを取得して、アンテナ２５に送信する（ステップＳ２４）。受信部２６はアンテナ２５を介してデータを受信し（ステップＳ２６）、例えばアナログ／デジタル変換などを行う。解析部２８は、受信部２６からデータを受信し、データを物理特性値などに変換し（ステップＳ２８）、その結果の表示および記憶を行う（ステップＳ３０）。物理特性値とは例えばセンサ２０間の温度差、センサ２０それぞれにおける温度、ピストン１６の変位などである。

以上、本実施形態によれば、コンロッド１８に送信部２２および発電部２４が設けられ、カバー３０が発電部２４を覆う。発電部２４の基板２４ａはコンロッド１８側に位置し、基板２４ｂはカバー３０の空洞３２に露出する。エンジン１０が作動することでコンロッド１８の温度が上昇し、基板２４ａと基板２４ｂとの間に温度差が生じ、発電部２４は熱電効果により発電することができる。エンジン１０が作動し温度差が発生する間、発電部２４は発電するため、例えばバッテリなどのように発電部２４を交換しなくてよい。したがって発電性能が向上する。

図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、カバー３０の空洞３２に空気が流れることで基板２４ｂは基板２４ａに比べてより低温となる。特に、カバー３０の端部３１がテーパ形状であるため、空洞３２では空気の流速Ｖ２が大きくなり、基板２４ｂと空気との熱交換が促進される。したがって発電性能が向上する。また、カバー３０により発電部２４をオイルなどから保護することができる。

カバー３０の形状は変更してもよい。例えば、カバー３０を一定の断面積を有する筒状としても、空気がカバー３０の内部を流れ、基板２４ｂが空気により冷却される。ただし、カバー３０の端部の断面積が小さいと、空気の圧力損失が大きくなり、流速が低下する。カバー３０内における空気の流速を高めるためには、カバー３０の端部３１の断面積Ｓ１が、カバー３０の中央部の断面積Ｓ２よりも大きいことが好ましい。Ｓ１は例えばＳ２の１．５倍以上、２倍以上などとしてもよい。端部３１の傾斜の角度は変更してもよく、また端部３１が曲線状でもよい。

コンロッドに回転発電機を取り付けることで発電が可能である。しかし、回転発電機の偏心回転子にエンジンオイルなどが付着することで、発電が阻害されることがある。また、偏心回転子の遠心力によるコンロッドおよびピストンの運動への影響を抑制するため、回転発電機の取り付け位置はコンロッドの下端に近い側に制限されてしまう。本実施形態の発電部２４は熱電素子であり、コンロッドの運動に大きな影響を与えない。また、基板２４ａおよび２４ｂの形状、半導体２４ｐおよび２４ｎの配列などにより、発電部２４のサイズおよび形状を変えることができる。したがって発電部２４の取り付け位置の自由度が高い。例えば発電部２４を、コンロッド１８の送信部２２が取り付けられた面（＋Ｙ側の面）に設けてもよいし、それ以外の面に設けてもよい。発電部２４を送信部２２よりも上側に設けてもよいし、下側に設けてもよい。

ばねおよび圧電素子などを利用し発電することもできる。しかしエンジンの回転数により発電性能が低下する恐れがある。発電部２４は、エンジンの回転数に関わらず、基板２４ａおよび２４ｂ間で温度差があれば発電が可能である。

解析部２８に記憶された温度はエンジンを安定的に稼働させるための情報として利用される。センサ２０は熱電対以外にサーミスタでもよい。またセンサ２０は、例えばピストン１６とシリンダブロック１１の内壁との距離を測定するギャップセンサなど、温度以外の物理量を測定するセンサとしてもよい。

アンテナ２５と受信部２６と解析部２８とは一体化されてもよい。受信部２６と解析部２８とは有線通信を行ってもよいし、無線通信を行ってもよい。解析部２８はパーソナルコンピュータ以外に車両に搭載されたＥＣＵ（Engine Control Unit）などでもよい。エンジン１０はガソリンエンジン以外にディーゼルエンジンなどでもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ エンジン
１１ シリンダブロック
１２ 燃焼室
１４ クランク室
１６ ピストン
１８ コンロッド
２０ センサ
２２ 送信部
２４ 発電部
２４ａ、２４ｂ 基板
２４ｃ、２４ｄ 電極
２４ｐ、２４ｎ 半導体
２５ アンテナ
２６ 受信部
２８ 解析部
３０ カバー
３１ 端部
３２、３３ 空洞
３４ 傾斜部
３５ 板
１００ データ送信装置

Claims (1)

1. ピストンに設けられたセンサと、
   前記ピストンに連結されたコンロッドに設けられ、前記センサにより測定されたデータを送信する送信部と、
   前記コンロッドに設けられ、前記送信部に電力を供給する発電部と、
   前記発電部を覆うカバーと、を具備し、
   前記発電部は、前記コンロッドと、前記コンロッドが収納されたクランク室との温度差を用いた熱電効果により前記電力を発生させ、
   前記カバーは前記発電部の前記クランク室側の面を覆い、前記コンロッドの延伸方向に沿って前記カバーを貫通する空洞を有する内燃機関のデータ送信装置。

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