JP2021056023A - 摺動部材の損傷を監視するための自己検知材料を含む内燃機関の摺動部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い信頼性で簡易に摺動部材の損傷を監視するための自己検知材料を含む内燃機関の摺動部材を提供すること。【解決手段】摺動部材の損傷を監視するための自己検知材料を含む内燃機関の摺動部材において、摺動部材は、金属、合金、および/または樹脂材料から作製された単層または複層の構造体を有しており、自己検知材料は、摺動部材を構成する層のうちの少なくとも１つの層の中に埋め込まれており、自己検知材料は、外部エネルギーに反応して信号特性を示す少なくとも１種類の材料から構成される。【選択図】図１
Description
本発明は、摺動部材の損傷を監視するための自己検知材料を含む内燃機関の摺動部材に関する。
特許文献１および特許文献２は、回転軸受アプリケーション用の軸受診断装置とＡＥセンサによる検出方法を開示している。また、特許文献３および特許文献４は、摺動軸受用の軸受摩耗監視システムとＲＦＩＤセンサによる検出方法を開示している。また、特許文献５は、すべり軸受の損傷検出方法を開示しており、特殊粒子のもたらす電気的信号が、潤滑油路に設置した検出器によって監視される。
従来のセンサ技術は、複雑な生産工程、観測用の追加ソフトウェア、巨大なデータストレージ、および、生産時とデータ観測時に高度に訓練された技術者を必要とする。そのため、従来のセンサ技術の適用が制限されている。
さらに、信号の検出は外乱要因（例えば、構成物のノイズ、潤滑油中の異物、汚れ等）によって多大な影響を受ける可能性がある。そのため、正確で信頼性のある監視は非常に難しくなる。
特許文献１および特許文献２はＡＥセンサを使用しているが、その観測データは実際のエンジン環境（振動、温度変化、複雑な多層構造の摺動部材への統合等）によって多大な影響を受ける可能性がある。
特許文献３および特許文献４はＲＦＩＤセンサを使用しているが、それは摺動部材の摺動表面処理（オーバレイ）に統合されている。しかし、ＲＦＩＤセンサの性質により、低温下での生産を強いられる。さらに、このセンササイズは、通常、数十μｍであるため、薄い摺動表面処理へ統合することは非常に難しいかまたは不可能である。
特許文献５では、軸受材料に含まれる誘電粒子が、排油路に設置された静電容量センサによって検出される。具体的には、軸受メタルに損傷が発生したときに、軸受メタル損傷片と比誘電率の異なる微粒子が排油に含まれることになり、排油路に設置された静電容量センサの電極間の電界が変化することから、微粒子の存在を検出する。ただし、この方法は、以下の理由から、正確で信頼性の高い測定が困難である。
静電容量センサによる測定は、油路を通るごみの量に非常に敏感であり、油量、油温、密度、油の劣化、およびオイルフィルタの性能が、測定データの変化の原因となり得る。このため、正確で革新的な監視をすることは不可能である。
また、潤滑油と誘電粒子の誘電率が似ているため、静電容量センサによる検出方法は、潤滑油と誘電粒子を識別することができない。また、この誘電粒子が金属異物の中に包含されていた場合、金属異物内の誘電粒子の有無の判別が不可能なため、十分に誘電粒子を検出することができない。さらに、水飛沫の油への混入が、金属異物と同様に誘電粒子の検出を阻害する静電パルスを生成する可能性がある。このため、正確で信頼性のある監視をすることは不可能である。
さらに、この静電容量センサによる方法は、排油路のパイプにセンサが組み込まれているため、定期的なメンテナンスを必要とする。さもなければ、センサの劣化および信号検出精度の大幅な低下が見込まれる。また、センサが、複雑なエンジンオイル潤滑装置の中に組み込まれているため、そのメンテナンスのために多大な費用が必要となる可能性がある。
本発明は、高い信頼性で簡易に摺動部材の損傷を監視するための自己検知材料を含む内燃機関の摺動部材を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、摺動部材の損傷を監視するための自己検知材料を含む内燃機関の摺動部材において、
摺動部材は、金属、合金、および/または樹脂材料から作製された単層または複層の構造体を有しており、
自己検知材料は、摺動部材を構成する層のうちの少なくとも１つの層の中に埋め込まれており、
自己検知材料は、外部エネルギーに反応して信号特性を示す少なくとも１種類の材料から構成されることを特徴とする。
摺動部材は、金属、合金、および/または樹脂材料から作製された単層または複層の構造体を有しており、
自己検知材料は、摺動部材を構成する層のうちの少なくとも１つの層の中に埋め込まれており、
自己検知材料は、外部エネルギーに反応して信号特性を示す少なくとも１種類の材料から構成されることを特徴とする。
また、本発明の別の実施形態では、自己検知材料は、０．１μｍから１００μｍのサイズを有する粒子である。
また、本発明の別の実施形態では、自己検知材料は、０．２μｍから１０μｍのサイズを有する粒子である。
また、本発明の別の実施形態では、自己検知材料は、自己検知材料が埋め込まれた摺動部材の少なくとも１つの層に対して、５０ｖｏｌ％以下の含有量で含まれる。
また、本発明の別の実施形態では、摺動部材が、摺動部材の異なる深さの層の中に、互いに異なる信号特性を示す自己検知材料をそれぞれ含む。
また、本発明の別の実施形態では、自己検知材料は、外部エネルギーに反応して顕著な視覚的特徴を有する信号特性を示す。
また、本発明の別の態様は、上述の摺動部材を複数有する摺動装置において、複数の前記摺動部材が、互いに異なる信号特性を示す前記自己検知材料をそれぞれ含むことを特徴とする。
また、本発明の別の態様は、上述の摺動部材または上述の摺動装置を備えることを特徴とする内燃機関である。
また、本発明の別の態様は、摺動部材の損傷を監視するための方法において、
上述の摺動部材、上述の摺動装置、または上述の内燃機関を提供するステップと、
内燃機関の潤滑油システムからサンプルをとるステップと、
サンプルに外部エネルギーを印加するステップと、
サンプルの中の自己検知材料を検知するステップと
を含むことを特徴とする。
上述の摺動部材、上述の摺動装置、または上述の内燃機関を提供するステップと、
内燃機関の潤滑油システムからサンプルをとるステップと、
サンプルに外部エネルギーを印加するステップと、
サンプルの中の自己検知材料を検知するステップと
を含むことを特徴とする。
図１は、本発明の実施形態による摺動部材を有する組立品１００の模式図を示している。組立品１００は、一例として内燃機関のクランクシャフトを有する摺動装置である。図１では、４つの異なる摺動部材３ａ〜３ｄが示されている。各摺動部材は、摺動部材の損傷を監視するための自己検知材料１ａ〜１ｄを含む。各摺動部材は、金属、合金、および／または樹脂材料から作製された単層または複層の構造体を有している。自己検知材料１ａ〜１ｄは、本実施形態では粒子状態で、摺動部材を構成する層のうちの少なくとも１つの層（本例では、下層１）の中に埋め込まれている。自己検知材料は、外部エネルギーに反応して信号特性を示す少なくとも１種類の材料から構成されている。本例では、互いに異なる信号を発する自己検知材料１ａ〜１ｄが各摺動部材に含まれている。すなわち、自己検知材料１ａ〜１ｄは、信号検知時にそれぞれ異なる色を示す。上層２が摩滅し、下層１が摩耗し始めた場合には、自己検知材料１ａ〜１ｄが潤滑油内に検知されることとなる。自己検知材料１ａ〜１ｄの信号の色によって、損傷した摺動部材を特定することができる。
以下に、測定方法の一例を示す。
１．サンプル収集
信号検知用のサンプルは、エンジン運転中または補修中に液体またはオイルスラッジの状態で回収される。例えば、液体の状態に関して、サンプルは、潤滑油供給システム中のオイル供給バルブから回収される。スラッジの状態に関して、サンプルは、オイルフィルタより回収される。このオイルサンプルまたはオイルスラッジサンプルは目的に応じて、一定時間ごとや特定の運転時間に回収される。
１．サンプル収集
信号検知用のサンプルは、エンジン運転中または補修中に液体またはオイルスラッジの状態で回収される。例えば、液体の状態に関して、サンプルは、潤滑油供給システム中のオイル供給バルブから回収される。スラッジの状態に関して、サンプルは、オイルフィルタより回収される。このオイルサンプルまたはオイルスラッジサンプルは目的に応じて、一定時間ごとや特定の運転時間に回収される。
２．サンプル準備
オイルサンプルの場合、透明なボトルへオイルサンプルを注ぎ、３，０００ｒｐｍから５，０００ｒｐｍで遠心分離させる。遠心分離は、５，０００ｒｐｍで１０分間行うことが望ましい。これによって、オイルサンプル中の含有物（自己検知材料を含む）を完全にボトルの底へ沈殿させる。
オイルスラッジサンプルの場合、サンプルを物理的に潰し、粉末状にする。そして、背景となる黒い紙の上へ粉末状のオイルスラッジサンプルを散布する。散布厚みは、１ｍｍから２ｍｍが望ましい。
オイルサンプルの場合、透明なボトルへオイルサンプルを注ぎ、３，０００ｒｐｍから５，０００ｒｐｍで遠心分離させる。遠心分離は、５，０００ｒｐｍで１０分間行うことが望ましい。これによって、オイルサンプル中の含有物（自己検知材料を含む）を完全にボトルの底へ沈殿させる。
オイルスラッジサンプルの場合、サンプルを物理的に潰し、粉末状にする。そして、背景となる黒い紙の上へ粉末状のオイルスラッジサンプルを散布する。散布厚みは、１ｍｍから２ｍｍが望ましい。
３．信号検知
信号検知には手持ち式の照明源を使用する。照明装置は、５０Ｗ以上の出力を必要とし、１００Ｗ以上の出力が望ましい。サンプルを５分から１０分間照らす（１０分間が望ましい）。オイルサンプルやスラッジサンプル内の自己検知材料が、高い励起エネルギーを保持することで、様々な色の光を放出する。ここで、放出される光は、特定の波長の照明源からの励起エネルギーに反応して特定の波長（色）を発することによるものである。
信号検知には手持ち式の照明源を使用する。照明装置は、５０Ｗ以上の出力を必要とし、１００Ｗ以上の出力が望ましい。サンプルを５分から１０分間照らす（１０分間が望ましい）。オイルサンプルやスラッジサンプル内の自己検知材料が、高い励起エネルギーを保持することで、様々な色の光を放出する。ここで、放出される光は、特定の波長の照明源からの励起エネルギーに反応して特定の波長（色）を発することによるものである。
本測定方法によれば、エンジンシステムと完全に切り離された環境で測定が可能であるため、各種外乱（エンジンノイズ、振動、温度変化等）の影響を受けず、正確で信頼性の高い測定が可能となる。
本発明によって、摺動部材の状態について、連続的な監視を行うことが可能である。ここで、連続的とは、例えば５，０００時間毎にサンプルを回収して分析すれば、摺動部材の連続的な摩耗量追跡調査が可能という意味である。また、本発明によって、エンジンシステム内の異なるいくつかの摺動部材の摩耗を検知することが可能である。
自己検知材料は、例えば、特定の外部刺激に反応して特定の信号特性を示す粒子である。ここで、特定の外部刺激は、電場、磁場、電磁波、超音波、特に、紫外線を含むが、これらに限定されない。特定の信号特性とは、例えば、１つまたは複数の発光色を示すということであり、発光は、顕著な視覚的特徴を有する。顕著な視覚的特徴とは、視覚的にはっきり分かるということである。紫外線励起により発光する市販の自己検知材料の代表例を以下に示す。
粒子タイプ１（１ａ）； Ａｌ２ＳｒＯ４：ＲＥ （黄緑）
粒子タイプ２（１ｂ）； ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：ＲＥ （青）
粒子タイプ３（１ｃ）； Ｙ２Ｏ３：ＲＥ （赤）
粒子タイプ４（１ｄ）； Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：ＲＥ （緑）
粒子タイプ５（１ｅ）； Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：ＲＥ （黄）
ここで、ＲＥとは、希土類元素を表している。
粒子タイプ１（１ａ）； Ａｌ２ＳｒＯ４：ＲＥ （黄緑）
粒子タイプ２（１ｂ）； ＢａＭｇ２Ａｌ１６Ｏ２７：ＲＥ （青）
粒子タイプ３（１ｃ）； Ｙ２Ｏ３：ＲＥ （赤）
粒子タイプ４（１ｄ）； Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：ＲＥ （緑）
粒子タイプ５（１ｅ）； Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：ＲＥ （黄）
ここで、ＲＥとは、希土類元素を表している。
自己検知材料は、０．１μｍから１００μｍのサイズを有する粒子であることが好ましい。この理由は、０．１μｍ未満の粒子は検出困難であり、１００μｍより大きい粒子は摺動部材の機械的特性を悪化させる可能性があるからである。
ただし、検出精度を考慮すれば、粒子サイズの下限側を０．２μｍとすることが望ましい。また、摺動部材の機械的特性を考慮すれば、粒子サイズの上限側を１０μｍとすることが望ましい。特に、一般的に数μｍから数十μｍの厚みを有するオーバレイ層に対して、１０μｍを超える自己検知材料を適用した場合には、内部応力による材料性能の低下が懸念される場合がある。
ここで、粒子サイズは、任意の粒子形状に対して粒子の長手方向に計測したものとする。粒子サイズは、下記のような当技術分野において一般に知られる装置によって測定可能である。
・島津製作所 レーザ回折式粒子径分布測定装置 （ＳＡＬＤ−２３００）
・Ｍａｌｖｅｒｎ Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ社 装置ラインナップ
・島津製作所 レーザ回折式粒子径分布測定装置 （ＳＡＬＤ−２３００）
・Ｍａｌｖｅｒｎ Ｐａｎａｌｙｔｉｃａｌ社 装置ラインナップ
また、自己検知材料は、自己検知材料が埋め込まれた摺動部材の層に対して、５０ｖｏｌ％以下の含有量で含まれることが好ましい。ここで、摺動部材の層とは、例えば、軸受の軸受合金層、中間層、またはオーバレイ層などである。
上限側に関して、自己検知材料の含有量を５０ｖｏｌ％よりも多くした場合には、一般的に、本来の軸受性能を発揮させ難い可能性がある。一方、下限側に関して、サンプル内に１つの粒子（限りなく０に近いｖｏｌ％）でも発光していれば、視覚的な判断が可能である（例えば、オイルスラッジサンプル中に発光粒子を見つけることができる）。発光の捉え易さの観点から、０．５ｖｏｌ％以上の含有量で含まれることが好ましい。
なお、「自己検知材料」という用語に関して、「自己」は、非常に簡易な手順（本例の場合、照明源として紫外線ライト）のみで信号特性を取得することができるという意味を含んでいる。これは、例えば、「自己修復材料」（外部からの影響（温度変化等）を受け修復が行われる材料）という用語が、純粋に自己内で完結する現象だけでなく、簡易な外部的影響を含む現象に対して使用されるのと同様である。従来の検知材料のように外観的な変化が見られず、センサ等の複雑な機構が不可欠であることへの対比として、「自己」という表現を使用した。
また、摺動部材は、単層構造または多層構造であり、様々な種類の基層上にオーバレイ層等を堆積され得る。基層は、青銅、真鍮、ホワイトメタル（バビットメタル）、アルミニウム合金、鉄鋼、およびその他の基層を含むが、それに限定されるものではない。自己検知材料は、摺動部材の使用用途等に応じて、オーバレイ層及びそれ以外の層に任意に含ませることができる。
摺動部材は、以下の材料生産方法によって生産することができるが、これらに限定されるものではない：焼結、鋳造、圧接、真空スパッタリング、熱間および冷間噴霧、焼き付け、モールドおよび電気めっき、またはこれらの組み合わせ。
図２は、本発明の実施形態による摺動部材の摩耗量監視の具体例を示した概略図である。本例では、摺動部材は、初期のステージ０（Ｓ０）に３つの層２ａ〜２ｃによって形成されており、３つの層の厚みは、例えば同一に設定されている。異なる深さの３つの層２ａ〜２ｃの中には、互いに異なる信号特性を示す自己検知材料１ａ〜１ｃがそれぞれ含まれている。ステージ１（Ｓ１）において、自己検知材料１ａが埋め込まれた層２ａが摩耗し始める。ステージ２（Ｓ２）では、層２ａが摩耗し終わっており、次に、自己検知材料１ｂを含む層２ｂが露出されている。摩耗監視システムは、オイルサンプルまたはオイルスラッジサンプルから自己検知材料１ｂが検出されたことにより、初期警告として、局所的なエリアで摺動部材の１／３の厚みが摩耗したことを警告する。同様に、ステージ３（Ｓ３）において、下層の層２ｃに含まれる自己検知材料１ｃが検出された場合は、最終警告として、局所的なエリアで摺動部材の２／３の厚みが摩耗したことを警告する。摺動部材の層の数、および、摺動部材の各層の厚み（比率）は、適宜設定することが可能である。本発明によって、摺動部材の寿命を予測することが可能である。
本発明により、従来技術に対して以下の利点が得られる。
追加のソフトウェアや継続的な記録保管のための膨大なデータストレージなしに、現場での測定が可能である。また、測定者への高度な訓練を必要としない。
新しい設備および手順なしに、現在行っている生産工程への組み込みが可能であり、現在の生産工程との両立が容易である。
この検出監視方法は、エンジンノイズ、金属系異物、潤滑油汚れ、振動、温度変化等に影響されず、正確で信頼性がある。
自己検知材料は軸受設計の変更や追加のセンサなしに摺動部材の中に組み込むことができる。また、それに付随する追加のメンテナンスを必要とせず、費用対効果が高い。
追加のソフトウェアや継続的な記録保管のための膨大なデータストレージなしに、現場での測定が可能である。また、測定者への高度な訓練を必要としない。
新しい設備および手順なしに、現在行っている生産工程への組み込みが可能であり、現在の生産工程との両立が容易である。
この検出監視方法は、エンジンノイズ、金属系異物、潤滑油汚れ、振動、温度変化等に影響されず、正確で信頼性がある。
自己検知材料は軸受設計の変更や追加のセンサなしに摺動部材の中に組み込むことができる。また、それに付随する追加のメンテナンスを必要とせず、費用対効果が高い。
本発明で述べられた自己検知材料を含む内燃機関の摺動部材は、クランクシャフト、カムシャフト、軸受、ブッシュ、スラストワッシャ、およびピストン構成物（ピストンリング、シリンダライナの摺動表面）を含むが、それに限定されない。
１ 下層
１ａ〜１ｄ 自己検知材料
２ 上層
２ａ〜２ｃ 摺動層
３ａ〜３ｄ 摺動部材
１００ 組立品
１ａ〜１ｄ 自己検知材料
２ 上層
２ａ〜２ｃ 摺動層
３ａ〜３ｄ 摺動部材
１００ 組立品
Claims (9)
- 摺動部材の損傷を監視するための自己検知材料を含む内燃機関の摺動部材において、
前記摺動部材は、金属、合金、および/または樹脂材料から作製された単層または複層の構造体を有しており、
前記自己検知材料は、前記摺動部材を構成する層のうちの少なくとも１つの層の中に埋め込まれており、
前記自己検知材料は、外部エネルギーに反応して信号特性を示す少なくとも１種類の材料から構成されることを特徴とする摺動部材。 - 前記自己検知材料は、０．１μｍから１００μｍのサイズを有する粒子であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
- 前記自己検知材料は、０．２μｍから１０μｍのサイズを有する粒子であることを特徴とする請求項１に記載の摺動部材。
- 前記自己検知材料は、前記自己検知材料が埋め込まれた前記摺動部材の前記少なくとも１つの層に対して、５０ｖｏｌ％以下の含有量で含まれることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の摺動部材。
- 前記摺動部材が、前記摺動部材の異なる深さの層の中に、互いに異なる信号特性を示す前記自己検知材料をそれぞれ含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の摺動部材。
- 前記自己検知材料は、前記外部エネルギーに反応して顕著な視覚的特徴を有する前記信号特性を示すことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の摺動部材。
- 請求項１〜６のいずれか一項に記載の摺動部材を複数有する摺動装置において、複数の前記摺動部材が、互いに異なる信号特性を示す前記自己検知材料をそれぞれ含むことを特徴とする摺動装置。
- 請求項１〜６のいずれか一項に記載の摺動部材または請求項７に記載の摺動装置を備えることを特徴とする内燃機関。
- 摺動部材の損傷を監視するための方法において、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の摺動部材、請求項７に記載の摺動装置、または請求項８に記載の内燃機関を提供するステップと、
前記内燃機関の潤滑油システムからサンプルをとるステップと、
前記サンプルに前記外部エネルギーを印加するステップと、
前記サンプルの中の前記自己検知材料を検知するステップと
を含むことを特徴とする方法。
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