JP6216935B2 - ボア変形量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のシリンダボアの変形量を計測するボア変形量測定装置に関する。

一般に、シリンダブロックに対するシリンダヘッドを取り付けるためのボルトの締結力、内燃機関の運転に伴う爆発行程による燃焼室内の温度の上昇、燃焼室内の圧力変動などによってシリンダブロックに変形が生じる。特に、燃焼室内の温度の上昇や圧力変動によってシリンダブロックが変形することで、シリンダブロックに形成されるシリンダボアの真円度が低下する。これによって、ピストンとシリンダ壁面（シリンダボア）の隙間が部分的に拡大し、燃焼ガスやエンジンオイルが外部に漏洩する問題が生じ、内燃機関の燃費が低下する。また、シリンダボアの真円度の低下によってピストンが傾き、ピストンの往復動に支障を来す問題が発生する場合もある。

そのため、内燃機関のシリンダブロックに形成されるシリンダボアの変形量を計測するための装置が種々提案されている。

特許文献１に記載の内燃機関用シリンダブロックのボア変形測定装置は、金属リングをボアの内周面に固定し、赤外線ＣＣＤカメラによって金属リングから発せられる赤外線を検出し、金属リングの温度分布を可視画像化する。この可視画像化した金属リングの変形態様からボアの変形態様を測定するようにしている。

特許文献２に記載のシリンダブロックのボア変形測定装置は、シリンダブロック内を加圧装置及び冷却水コントローラによって、エンジン圧力条件温度条件を同一に具現（内燃機関の運転条件と同一に具現）する。そして、ボア壁面までの距離を計測する非接触式のギャップセンサを配設した回転体を、ボア長さ方向に移動させ目標位置でのボアの変形をギャップセンサで検出するようにしている。

特許文献２に記載の装置では測定時に停止するために生じる温度分布の変化によって内燃機関実働時に近い環境での計測ができない。そのため、特許文献３に記載のシリンダボアの熱変形測定装置は、回転体の回転位置を読み取る手段を備え、上昇端と下降端との間で所定の角度回転をさせながら計測するようにしている。

しかし、特許文献１に記載のボア変形測定装置は、ボアの内周面に固定した金属リングの変形態様からボアの変形態様を推定するに過ぎず、正確なボア変形量を測定することはできない。また、特許文献２及び特許文献３に記載のボア変形測定装置は、内燃機関実働時の環境を擬似的に具現化して計測するもので、いずれも実際の内燃機関の実働時におけるシリンダボア変形量を計測するものではない。

特開２００２−７１３２１号公報 特開２００５−１２７９９０号公報 特開２０１０−１８５８５７号公報

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、実際の内燃機関の駆動時におけるシリンダボアの変形量を計測することができるボア変形量測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた発明は、
内燃機関のシリンダブロックに形成されるシリンダボアの変形量を計測するボア変形量測定装置であって、
シリンダ壁面に、指向性を有する光を照射する光源と、該光源から照射されシリンダ壁面の計測点で正反射する光を受光する受光面を備えた受光部とを配設し、
前記受光部の受光面で検出した受光位置と正反射光の受光基準位置とのずれを求める演算機構を備えたボア変形量測定装置である。

本発明のボア変形量測定装置は、指向性を有する光を光源から照射し、シリンダ内壁面の計測点で正反射させる。正反射した光は、シリンダ内壁面（シリンダボア）が変形していた場合、受光部での受光位置が内燃機関を駆動する前の受光基準位置と異なることとなる。そのため、内燃機関駆動中の受光面における、受光基準位置からのずれを演算機構によって求めることで計測点の変化量を知ることができる。

前記受光部の受光面を、イメージセンサとすることができる。受光部を汎用品であるＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ（電荷結合素子））やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＭＯＳ（相補型ＭＯＳ））等のイメージセンサを使用することで、装置の低廉化を図ることができる。

また、前記受光部を、複数の光ファイバの断面を束ねた受光面と各光ファイバに対応した光検出器とから構成することができる。複数の光ファイバの断面を束ねて受光面を構成することで耐熱性に優れる。

また、計測点を計測する対となる光源及び受光部を複数配設し、複数箇所の計測点を計測することができる。これにより、シリンダ内壁面（シリンダボア）の変形を高精度に測定することができる。

前記光源が照射角度調整機構を備え、予め定められた複数の照射角度に対応する位置に前記受光部を配設することができる。これにより、受光部のみを複数配設し、光源を複数箇所に配設することなく複数箇所の計測点を計測することができる。

前記複数の計測点の範囲を、中心角が１００°以上１７０°以下の円弧範囲内とすることができる。複数の計測点を計測する場合、シリンダの同一高さにおいて全周を計測することなく、中心角が１００°以上１７０°以下の円弧範囲内を計測することで、ボア変形の傾向をつかむことができ、計測を簡略化することができる。

前記光源及び受光部を、シリンダの壁面に埋設することが好ましい。燃焼室内のピストンの干渉しない位置に光源及び受光部を配設することは困難で、シリンダ壁面の計測点に対し、シリンダの長手方向に直交する面内に光源及び受光部を配設する必要がある。光源及び受光部をシリンダの壁面に埋設することでピストンとの物理的な干渉を防ぐことができる。

前記燃焼室に供給するエンジンオイルに蛍光物質を加え、レーザ（蛍光物質を蛍光させる、例えば短波長レーザ）を照射するレーザ発振器及びレーザ照射口を備えたレーザ照射器と、集光レンズ、フィルタ及び光電子増倍管を備えた蛍光強度測定器とによってレーザ誘起蛍光法を用いてシリンダ内壁面に形成されるエンジンオイルの油膜の厚さを計測することが好ましい。油膜の厚さを計測することで、油膜による光の屈折によって生じる反射光の受信位置のずれを較正することができる。

この場合において、前記計測点、光源及び受光部の位置を覆う油膜の厚さを測定することが好ましい。光源からの光を計測点において正反射させることから、油膜による屈折の影響は、計測点においては入射光と反射光、光源においては出射光、受光部においては入射光がそれぞれ影響を受ける。そのため、計測点、光源及び受光部の位置にある油膜の厚さをそれぞれ測定することで、シリンダ内壁面（シリンダボア）の変形を高精度に測定することができる。

前記光源は、計測点に対して、計測点の近傍に複数の平行光を照射するように構成することができる。計測点に傷等が存在し、表面粗さが一定ではない場合、計測点近傍に光源から複数の平行光を照射し、それぞれの光の反射光の受光位置のずれを平均することで表面粗さによる計測結果を較正することができる。

この場合において、光源は１の入力光を複数の平行な出力光に分岐させる分光レンズを備えることが好ましい。これにより１の光源からの光を複数の平行な出力光に分岐させ、容易に表面粗さによる計測結果を較正することができる。

前記ボア内に、シリンダ内部で発生する燃焼ガス成分を検出するガス成分検出器を配設し、ガス成分に応じて前記検出機構が検出する検出値を較正することができる。光源からの光は、燃焼室内で発生する燃焼ガスによって影響を受ける。ガス成分を検出し、ガス成分に応じた検出値の較正を行うことで、ガス成分による影響を最小限に抑えることができる。

本発明によると、実際の内燃機関の駆動時におけるシリンダボアの変形量を計測することができる。

本発明のボア変形量測定装置が測定するシリンダボアを備えた内燃機関の断面図である。 （ａ）は図１における、Ｘ−Ｘ断面を示し、（ｂ）は計測点のずれを求め方を説明する部分拡大図である。 受光面の実施形態を示し、（ａ）は光ファイバの断面を束ねた状態の正面図を示し、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ断面図である。 油膜の計測方法を説明する概略図で、（ａ）は図１におけるＸ−Ｘ断面での概略図、（ｂ）はレーザを照射するレーザ照射口と、蛍光強度測定器の集光レンズとを示す部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

＜実施形態１＞
図1〜図３に、本発明の実施形態１を示す。本実施形態は、内燃機関のシリンダブロック８１に形成されるシリンダボアの変形量を計測するボア変形量測定装置１であって、シリンダ壁面Ｗに、指向性を有する光を照射する光源２と、この光源２から照射されシリンダ壁面Ｗの計測点Ｐで正反射する光を受光する受光部３とを配設し、受光部３の受光面３０で検出した受光位置と、予め記録されている正反射光の受光基準位置とのずれを求める演算機構４を備えている。

（内燃機関）
本発明のボア変形量測定装置が計測対象とするシリンダボアを形成する内燃機関は、特に限定するものではなく、内燃機関の本体としては、図１に示すように、シリンダブロック８１と、シリンダヘッド８２と、ピストン８３とを備えている。ピストン８３は、シリンダブロック８１に形成されるシリンダ８４内に往復自在に設けられている。ピストン８３は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフトに連結されている（図示省略）。クランクシャフトは、シリンダブロック８１に回転自在に支持されおり、シリンダ８４内においてシリンダ８４の軸方向にピストン８３が往復運動すると、コネクティングロッドがピストン８３の往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。

シリンダヘッド８２は、ガスケットＧを挟んで、シリンダブロック８１上に載置されている。シリンダヘッド８２は、シリンダ８４、ピストン８３及びガスケットＧと共に、円形断面の燃焼室Fを区画する区画部材を構成している。

シリンダヘッド８２には、シリンダ８４に対して、点火プラグ９が設けられている。図１に示すように、点火プラグ９は、燃焼室Ｆに露出する先端部が、燃焼室Ｆの天井面ＦＡ（シリンダヘッド８２における燃焼室Ｆに露出する面）の略中心部に位置している。点火プラグ９の先端部には、中心電極の先端９ａ及び接地電極９ｂが設けられている。中心電極の先端９ａと接地電極９ｂとの間には、放電ギャップが形成されている。

シリンダヘッド８２には、シリンダ８４に対して、吸気ポート８５及び排気ポート８６が形成されている。吸気ポート８５には、吸気ポート８５の吸気側開口を開閉する吸気バルブ８７と、燃料を噴射するインジェクター８９とが設けられている。一方、排気ポート８６には、排気ポート８６の排気側開口を開閉する排気バルブ８８が設けられている。なお、内燃機関は、燃焼室Ｆにおいて強いタンブル流が形成されるように吸気ポート８５が設計されている。なお、内燃機関は、レシプロタイプの内燃機関に限定されない。

（光源）
光源２は、指向性を有する光を計測点Ｐに向けて照射することができるものであれば、特に限定されるものではないが、本実施形態においては、レーザ発振器２０と、レーザ発振器２０と光ファイバ等の光伝路２２によって接続される照射口２１とから構成されている。レーザ発振器２０は、照射するレーザの周波数、強度を調節する調節機構を備えるものが好ましく、燃焼室Ｆ内のガス雰囲気に応じてレーザの周波数、強度を調節する。照射するレーザ光は、計測点Ｐ及び受光面３０でその強度がもっとも強くなるレーザウエスト部分となるようにレーザ波長を調節することが好ましい。レーザ発振器２０から発振されるレーザを計測点Ｐに向けて照射する照射口２１は、燃焼室Ｆの内壁面に形成される取付口に配設される。取付口は内燃機関の外部に配設するレーザ発振器と照射口とを接続するために、燃焼室Ｆと外部とを連通する挿通孔である。照射口２１は、照射するレーザがシリンダ長手方向の中心軸Ｌと直交するように取り付ける。なお、照射するレーザの照射角度がシリンダ長手方向の中心軸Ｌと直交する角度（この角度を０°のレーザ照射角度とする。以下同じ。）から所定角度をもって計測点Ｐに向けて照射するように照射口２１を配設することもできる。この場合、正反射光となる計測点Ｐからの反射光（反射レーザ）を受光する受光部３の取付位置をレーザ照射角度に応じて中心軸Ｌと平行方向に移動させる。通常、中心軸Ｌと直交し、計測点Ｐを含む平面内に光源２及び受光部３を配設することが好ましいが、シリンダブロック８１の形状、冷却水路の位置等によってレーザ照射角度を０°とできない場合には、レーザ照射角度を任意の値として照射することができる。

照射口２１は、ピストン８３と干渉しない上死点近傍に設けることが好ましいが、計測時にピストン８３と干渉しなければよく、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ（エンジンコントロールユニット））からのピストン８３の位置情報を受け、制御機構（図示省略）からの制御信号によってレーザ発振器２０を作動させる。なお、照射口２１の照射面は、シリンダ８４の壁面から突出しないように配設する。本実施形態においては、取付口に雌ねじ部を形成し、照射口２１の取付部材周面に形成した雄ねじ部を螺合して照射口２１の位置を調節する。具体的には、光源２の照射口２１をシリンダ壁面Ｗに埋設させ、ピストン８３との物理的な干渉を避けるようにしている。

また、光源２は照射角度調節機構を備えることができる。照射角度調節機構は、上述したレーザ照射角度を０°に維持した状態で、シリンダ長手方向の中心軸Ｌと直交する面上で予め定めた所定の角度（以下、「水平面照射角度」という。）に照射口２１を調節する。これによって、照射口２１は、複数の水平面照射角度から、複数の計測点を計測することができる。この場合、予め定められた複数の水平面照射角度から照射される光の正反射光を受光することができる位置それぞれに受光面３０を配設する。

（受光部）
受光部３は、光源２から照射され、計測点Ｐにおいて正反射する光（レーザ）の受光面３０での受光位置を検出する。そして、受光面３０の受光素子と電気的に接続した演算機構４によって、内燃機関を駆動する前の計測点Ｐの位置（以下、「基準計測点位置」という。）からの正反射光の受光位置（以下、「基準受光位置」という。）と内燃機関駆動時の計測点Ｐからの正反射光の受光位置とを比較し、基準受光位置からのずれを求める。基準受光位置のからのずれは、計測点Ｐの基準計測点からのずれに換算でき、計測点Ｐのボア変形量を求めることができる。具体的には、図２（ｂ）に示すように、計測点Ｐが基準計測点位置からＰ’までΔＬだけ外側に移動した場合、正反射する照射光ろ正反射光との対称軸に対する照射角度θとすると、基準受光位置からのずれΔｘは、
Δｘ＝（ΔＬ／ｔａｎθ）
で表される。

受光部３の受光面３０は、上述したように正反射光の受光位置を求めることができるものであれば、特に限定するものではない。例えば、汎用品であるＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサを使用することができる。受光部３の受光面３０を汎用品であるＣＣＤやＣＭＯＳとすることで装置の低廉化を図ることができる。イメージセンサを受光面３０とした場合、イメージセンサを構成する複数の受光素子が正反射光を受光する。理想的な正反射光であれば、正反射光の中心から外方に向かって光の強度（レーザ強度）が低下し、正規分布となる。しかし、計測点Ｐの状態等の不確定要素によって、理想的な正反射光とならず、正反射光を受光した複数の受光素子の中で強度がばらつく場合がある。このような場合には、正反射光を受光した受光素子の検出強度に応じた重み付けをして、演算機構４において受光位置を計算する（例えば、平準化、最小自乗近似、内挿補間）。

また、計測点Ｐ近傍の壁面が、中心軸Ｌと直交した状態から傾く変形をした場合、正反射光は、計測点Ｐを含む中心軸Ｌと直交する平面から中心軸Ｌと平行方向にずれることとなる。しかし、イメージセンサの受光素子は、中心軸Ｌと直交する方向のみならず、中心軸Ｌと平行方向にも形成されているから、イメージセンサを受光面３０とすることによって、正反射光の中心軸Ｌと平行方向のずれにも対応することができる。なお、受光面３０は、光源２の照射口２１と同様、シリンダ８４の壁面から突出しないように配設する。本実施形態においては、取付口に雌ねじ部を形成し、受光面３０の取付部材周面に形成した雄ねじ部を螺合して受光面３０の位置を調節し、受光部３の受光面３０をシリンダ壁面Ｗに埋設するようにしている。

また、受光部３は、複数の光ファイバ３１の断面を束ねた受光面３０と各光ファイバ３１に対応した光検出器３２とから構成することができる。光ファイバ３１の種類は特に限定するものではないが、コア３１ａの径が約５０μｍ、クラッド３１ｂの径が約１２５μｍのものを使用する。なお、素材は、耐熱性の観点から石英ガラス（シリカ・ガラス）を使用することが好ましい。光ファイバは図３に示すように、中心軸Ｌと直交方向及び平行方向に多数並べて固定し、所定範囲の正反射光を受光できるように構成する。光ファイバ３１の並べ方は、単位面積当たりの本数を増やす観点から、図３（ａ）に示すように、千鳥格子状に並べることが好ましいが、単に格子状に並べても構わない。また、中心軸Ｌと直交する方向のみならず、中心軸Ｌと平行方向にも光ファイバ３１を並べることで、受光面３０としてイメージセンサ（ＣＣＤやＣＭＯＳ）を採用した場合と同様、正反射光の中心軸Ｌと平行方向のずれにも対応することができる。

光検出器３２は、特に限定するものではないが、フォトダイオードや光電子増倍管（ＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ））を使用することができる。本実施形態においては、多数の光ファイバ３１を使用することとなるため、複数チャンネル（例えば６４チャンネル）のマルチアノード型光電子増倍管を使用することが好ましい。光検出器３２が検出した値は、上述したイメージセンサの場合と同様に、近接する光ファイバ３１に対応した複数の光検出器３２が正規分布とは異なる強度の正反射光を検出する場合があるため、上述した場合と同様の補正（平準化、最小自乗近似、内挿補間等）を行って、演算機構４によって受光位置を計算する。

受光部３を、複数の光ファイバ３１の断面を束ねた受光面３０と各光ファイバに対応した光検出器３２とから構成することで、耐熱性に優れた受光部３とすることができる。

（計測点の決定）
計測点Ｐは、対となる光源２及び受光部３を複数配設し、複数の箇所とすることが好ましい。ボア変形を高精度の計測するためには定点計測ではなく複数点計測を行うことが好ましいからである。

複数の箇所を計測する場合、図２に示すように、中心軸Ｌと直交する計測平面上で、中心角が１００°以上１７０°以下の円弧範囲ＡＡ内で、複数の計測点Ｐを設定することができる。円弧の中心角の下限は１１０°が好ましく、１２０°がさらに好ましい。また円弧の中心角の上限は１６０°が好ましく、１５０°がさらに好ましい。本実施形態においては、円弧の中心角を１３５°としている。ボア変形を高精度に計測するためには、中心軸Ｌと直交し、光源２及び受光部３を含む平面がシリンダ壁面Ｗと接する全周に亘って計測することが好ましいが、複数の計測点Ｐを設定する円弧範囲ＡＡの中心角の範囲を上記範囲とすることで、一定のボア変形の傾向をつかむことができ、計測を簡略化することができる。また、計測点Ｐは、中心軸Ｌと平行方向に所定間隔をもって複数の計測平面に設定することもできる。そして、各計測平面上で複数の計測点Ｐを設定する。

上記構成において、内燃機関を駆動する前の計測点Ｐの基準計測点位置からの正反射光の基準受光位置を測定する。その後、内燃機関を駆動させ、円弧範囲ＡＡ内に設定した複数の計測点Ｐ（例えば５〜７箇所）の変形量を同時又は時間差をもって計測する。なお、内燃機関の駆動条件（エンジン回転数、筒内温度、筒内圧力等）を同一とした場合、ボア変形は略同一になると推定される。このため、各計測点Ｐにおける変形量の計測は、所定時間を開けて計測することもできる。これによって、光源２及び受光部３を、複数の計測点Ｐに対応した数だけ用意することなく、例えば、６箇所の計測点Ｐに対して２セットの光源２及び受光部３を用いて、２箇所単位で３回に分けて計測することができる。この場合、光源２の照射口２１及び受光部３の受光面３０を取り付けないシリンダ壁面Ｗの取付口には、取付口を封止するための封止部材（ダミーセンサ）を取り付けるようにする。

（実施形態１の効果）
本実施形態のボア変形量測定装置は、実際に駆動している内燃機関のボア変形量をリアルタイムで計測することができる。この結果、種々の内燃機関の運転条件に対応したボアの変形量を知ることができる。

また、本実施形態のボア変形量測定装置は、ボアの熱や圧力による変形の他、ピストン８３がシリンダ壁面Ｗを摺動することによって生じる、シリンダ壁面Ｗの材質表面の変質（焼き入れ、焼き戻し、焼きなまし等）を計測することもできる。

［実施形態の変形例１］
本実施形態のボア変形量測定装置は、光源２の照射口２１と受光部３の受光面３０とを所定間隔をもって配設した例を示したが、光源２の照射口２１と受光部３の受光面３０とを一体に構成することもできる。この場合、一体で取り付けたときに、隣接する照射口２１と受光面３０とが計測点Ｐに対して直交する向きとなるように構成する。

＜実施形態２＞
図４に、本発明の実施形態２を示す。本実施形態のボア変形量計測装置は、シリンダ壁面Ｗの油膜がボア変形量計測に与える影響を較正するための手段を付加した点が実施形態１とは異なる。実施形態１と共通する部分についての説明は省略する。

（油膜対策）
計測対象となるシリンダ壁面Ｗにはエンジンオイルが油膜として存在する。シリンダの中心軸Ｌと直交する同一平面内で計測する場合、光源２から照射する光は、油膜による屈折の影響を、照射口２１を覆う油膜を通過する際、計測点を覆う油膜に入射する際と反射する際、受光面３０を覆う油膜に入射する際のそれぞれで受けることとなる。油膜による光の屈折は、油膜の厚さによって変化する。そのため、予め静的な実験系で実際に使用する蛍光剤を加えたエンジンオイルをシリンダ壁面Ｗと同一素材の表面に所定の厚みで塗布し、実際に使用するレーザ光を照射して、屈折による正反射光の受光位置のずれを測定する。油膜厚さと屈折の関係は比例関係にあることから、この実験系から油膜厚さと屈折の関係を求め、計測中に測定した光源２、受光部３及び計測点Ｐの油膜の厚さに応じて、受光部３の受光位置のずれを較正する。

本実施形態においては、光源２、受光部３及び計測点Ｐを覆う油膜の厚さを計測するために、燃焼室Ｆに供給するエンジンオイルに蛍光物質を加え、レーザを照射するレーザ発振器５０及びレーザ照射口５１を備えたレーザ照射器５と、集光レンズ６０、フィルタ６１及び光電子増倍管６２を備えた蛍光強度測定器６とによってレーザ誘起蛍光法（Ｌａｓｅｒ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ（以下、ＬＩＦ法という。））を用いて行うようにしている。

ＬＩＦ法は、蛍光物質を含む油膜に、レーザを照射したときに誘起される蛍光強度から油膜の厚さを求める方法である。具体的には、一定濃度の蛍光物質が含まれる油膜にレーザ光を直角に照射したときに油膜が吸収する全光量は、
Ｉｏ×（１−ｅｘｐ（−ＥＣｔ））×（１＋ｒ）
Ｉｏ：入射レーザの強度
Ｅ：油中における光の吸収係数
Ｃ：蛍光剤濃度
ｔ：油膜厚さ
ｒ：シリンダ壁面の反射率
で表される。
ここで、ＥＣｔが十分に小さい場合、（１−ｅｘｐ（−ＥＣｔ））≒ＥＣｔとおける
従って、全光量は、
Ｉｏ×（−ＥＣｔ）×（１＋ｒ）
で表される。
この光によって誘起される全蛍光強度は、蛍光物質の発光効率をＦｑとした場合、
Ｆｑ×Ｉｏ×（ＥＣｔ）×（１＋ｒ）
となり、集光レンズ６０と波長をカットするフィルタ６１を介して光電子増倍管６２に導いたとき、フィルタ６１の透過率をＦｆ、集光レンズ６０の透過率をＦｌ、集光レンズ６０が油膜発光部を見込む立体角をＳｒとした場合、実際に光電子増倍管６２が計測する発光強度は、
（Ｓｒ／４π）×Ｆｌ×Ｆｆ×Ｆｑ×Ｉｏ×（１＋ｒ）×（ＥＣｔ）
となり、光電子増倍管６２の出力Ｓと油膜厚さｔとの関係は、
Ｓ＝Ｋｔ・・・（式１）
Ｋ＝（Ｓｒ／４π）×Ｆｌ×Ｆｆ×Ｆｑ×Ｉｏ×（１＋ｒ）×ＥＣＧａ・・・（式２）
Ｇａ：光電子増倍管６２のゲイン
Ｋがこの計測システム全体のゲインとなる。そして、式２の右辺の各因子のうち、蛍光物質の発光効率Ｆｑ以外は光学系及び測定系を固定すれば一定となるから、既知である厚さの油膜を計測してＫを求めた上で、式１を用いて、光電子増倍管６２の出力から油膜厚さｔを求めるものである。

レーザ照射器５のレーザ照射口５１は、光源２、受光部３及び計測点Ｐに対して直交する方向からレーザが照射できるシリンダ壁面Ｗの適所に配設する。また、蛍光強度測定器６の集光レンズ６０は、レーザが照射され光源２、受光部３及び計測点Ｐを覆う油膜に含まれる蛍光物質が蛍光した光を集光することができるシリンダ壁面Ｗの適所に配設する。本実施形態においては、レーザ照射口５１及び集光レンズ６０を、図４に示すように、一体に構成している。レーザ照射口５１は、外部に設置したレーザ発振器５０から延設される光ファイバ等の光伝路によってレーザ発振器５０と接続する。集光レンズ６０は、集光した蛍光物質の光を光ファイバ等の光伝路によって外部に設置したフィルタ６１を介して、光電子増倍管６２に伝送する。

計測点Ｐの油膜ＯＦの厚さを計測する場合、図４に示す光源２の照射口２１と受光部３の受光面３０との間に配設した、レーザ照射口５１及び集光レンズ６０によって計測する。ここで、レーザ照射器５のレーザ照射口５１及び蛍光強度測定器６の集光レンズ６０の配設位置にも蛍光物質を加えた油膜ＯＦが存在する。しかし、集光レンズ６０の集光範囲６０Ａは、図４（ｂ）に示すように、計測点Ｐに向かって扇状に拡がる。このため、レーザ照射口５１から照射されるレーザによって発生する２箇所の蛍光箇所ＦＰのうち、レーザ照射口５１直近の蛍光箇所ＦＰは集光範囲６０Ａに含まれず、計測点Ｐ近傍の蛍光箇所ＦＰのみが集光範囲６０Ａに含まれる。これによって、レーザ照射口５１及び集光レンズ６０を一体に構成しても、計測が必要となる計測点Ｐ近傍の蛍光強度のみを測定することができる。

光源２及び受光部３を覆う油膜の厚さ（照射口２１及び受光面３０近傍を覆う油膜の厚さ）は、図４（ａ）の右側２つのレーザ照射器５及び蛍光強度測定器６のレーザ照射口５１から照射されるレーザ光によって蛍光する蛍光物質の発光を、それぞれのレーザ照射口５１と一体に構成した集光レンズ６０によって集光し、光電子増倍管６２によって上述した方法でそれぞれの油膜の厚みを求めるようにしている。

このように、光源２、受光部３及び計測点Ｐを覆う油膜の厚さを計測することで、それぞれの箇所での照射口２１から照射されるレーザの屈折によって生じる基準受光位置に対する受光位置のずれを較正することができる。

（実施形態２の効果）
本実施形態のボア変形量測定装置は、光源２、受光部３及び計測点Ｐを覆う油膜の影響によって生じる屈折を較正し、ボア変形量の計測を高精度に行うことができる。

＜実施形態３＞
本実施形態のボア変形量計測装置は、シリンダ壁面Ｗの傷がボア変形量計測に与える影響を較正するための手段を付加した点が実施形態１とは異なる。実施形態１〜２と共通する部分についての説明は省略する。

（傷対策）
シリンダ壁面Ｗの表面には、ピストン８３に取り付けられているピストンリング等によって細かい傷がつき表面粗さが一定とならない場合（表面粗さが大きくなる）がある。計測点Ｐの表面粗さが一定でない場合、１本のレーザ光の照射だけでは、ボア変形による計測点Ｐが移動したのか、表面粗さの影響によって計測点Ｐが移動したのかの違いを知ることができない。そのため、本実施形態における、ボア変形量測定装置は、光源２が、計測点Ｐに対して、計測点Ｐの近傍に複数の光を照射するように構成する。

これにより、それぞれの光の反射光の受光位置のずれを平均することで表面粗さによる計測結果を較正することができる。

具体的には、光源２の照射口２１に、１の入力光を複数の平行な出力光に分岐させる分光レンズを配設する。分光レンズの構成は、特に限定するものではなく、スリットと複数のレンズ、スリットとミラー等の組み合わせによって構成すればよい。

また、分光レンズを使用することなく、物理的に複数の照射口を配設するようにしても構わない。

（実施形態３の効果）
本実施形態のボア変形量測定装置は、計測点Ｐの近傍に複数の光を照射し、それぞれの正反射光の受光位置でのずれを平均化することでボア変形量の計測を高精度に行うことができる。

＜実施形態４＞
本実施形態のボア変形量計測装置は、シリンダ内部で発生する燃焼ガス成分を検出するガス成分検出器をさらに備えるようにしている。実施形態１〜３と共通する部分についての説明は省略する。

燃焼室Ｆ内では、吸気ポート８５から供給される燃料及び空気を燃焼し、燃焼ガスは排気ポート８６から排出するようにしている。しかし、燃焼室Ｆ内には燃焼ガスが残留するため、光源２から照射される光（レーザ）が燃焼ガス中を通過することとなる。レーザ光が燃焼ガス中を通過すると照射するレーザの波長によって燃焼ガスに吸収され減衰する。そのため、燃焼ガス成分を検出し、検出した成分に吸収されにくい波長のレーザ光を照射するように調節することで、レーザ光は距離に反比例する減衰のみで高精度な計測を行うことができる。

＜その他の実施例＞
光源２から照射する光を、計測点Ｐに対して直交するように照射するとともに、計測点Ｐからの反射が錯乱光となる光を選択する。そして、この錯乱光を、受光部３を構成する集光レンズと受光素子によって受光する。これにより、受光素子上の計測点の変化を光源２から受光素子までの距離及び内燃機関駆動前の光源２から計測点Ｐまでの距離（通常ボア径）から三角測量の原理により計測することができる。なお、この場合、上述した油膜対策を備えて計測することが好ましい。

以上説明したように、本発明によると、駆動中の内燃機関のボア変形量を高精度に測定することができる。内燃機関としては、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等、シリンダ及びピストンを備えたエンジンのボア変形量の測定に広く使用することができる。

また、本発明のボア変形量測定装置によると、所定の運転条件によって生じるボアの真円度の変化が分かるから、全体の加工精度や使用する材質を見直すことがきでる。また、シリンダ壁面となるシリンダスリーブの内周面のコーティング（例えば、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ））のコーティング量の決定に資することがきる。さらに、一定の変形が生じる場合には、予め変形に合わせた真円度で加工し、内燃機関駆動中のボア変形を較正することもできる。また、複数気筒（例えば、3気筒）エンジンの場合、各気筒毎の変形量を知ることができるから、各気筒毎に、変形量に応じた上記手段を講じることができる。

１ ボア変形量測定装置
２ 光源
２０ レーザ発振器
２１ 照射口
２２ 光伝路
３ 受光部
３０ 受光面
３１ 光ファイバ
３２ 光検出器
４ 演算機構
５ レーザ照射器
５０ レーザ発振器
５１ レーザ照射口
６ 蛍光強度測定器
６０ 集光レンズ
６０Ａ 集光範囲
６１ フィルタ
６２ 光電子増倍管
Ｐ 計測点
Ｗ シリンダ壁面

Claims (10)

1. 内燃機関のシリンダブロックに形成されるシリンダボアの変形量を計測するボア変形量測定装置であって、
   シリンダ壁面に、指向性を有する光を照射するとともに、照射角度調整機構を備えた光源と、該光源から照射されシリンダ壁面の計測点で正反射する光を受光する受光面を備えた受光部とを配設し、
   前記受光部の受光面で検出した受光位置と正反射光の受光基準位置とのずれを求める演算機構を備え、
   前記受光部は、予め定められた複数の照射角度に対応する位置に配設して、複数個所の計測点を計測するようにしたボア変形量測定装置。
2. 前記受光部の受光面が、イメージセンサである請求項１記載のボア変形量測定装置。
3. 前記受光部が、複数の光ファイバの断面を束ねた受光面と各光ファイバに対応した光検出器とから構成される請求項１記載のボア変形量測定装置。
4. 前記光源及び受光部を複数配設し、
   複数箇所の計測点を計測するようにした請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のボア変形量測定装置。
5. 前記複数の計測点の範囲を、中心角が１００°以上１７０°以下の円弧範囲内とした請求項４記載のボア変形量測定装置。
6. 前記光源及び受光部が、シリンダ壁面に埋設されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のボア変形量測定装置。
7. 前記シリンダボア内に供給するエンジンオイルに蛍光物質を加え、レーザを照射するレーザ発振器及びレーザ照射口を備えたレーザ照射器と、集光レンズ、フィルタ及び光電子増倍管を備えた蛍光強度測定器とによってレーザ誘起蛍光法を用いてシリンダ内壁面に形成されるエンジンオイルの油膜の厚さを計測する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のボア変形量測定装置。
8. 前記計測点、光源及び受光部の位置を覆う油膜の厚さを測定する請求項７記載のボア変形量測定装置。
9. 前記光源は、計測点に対して、該計測点の近傍に複数の平行光を照射する請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のボア変形量測定装置。
10. 前記光源は１の入力光を複数の平行な出力光に分岐させる分光レンズを備えた請求項９記載のボア変形量測定装置。
    

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