JPWO2014030555A1 - 内燃機関の漏洩燃料測定方法及び漏洩燃料測定装置 - Google Patents
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Abstract
潤滑オイルに混入した燃料の量を極めて精度よく、しかも内燃機関の運転中にリアルタイムでも測定することを目的として成されたものであり、測定光を照射すると二次光を発する光標識であって、燃料の燃焼に実質的に不干渉な光標識を、燃料に所定割合で混入する光標識混入工程と、前記光標識を混入した燃料を使って内燃機関を運転する内燃機関運転工程と、前記内燃機関の潤滑オイルに前記測定光を照射して、前記二次光を検出する二次光検出工程と、前記二次光検出工程で出力される検出信号及び前記所定割合に基づいて、前記潤滑オイルに混入した前記燃料の量を算出する漏洩燃料算出工程とを行うことを特徴とする内燃機関の漏洩燃料測定方法。
Description
本発明は、例えばピストン−シリンダ間から漏洩し潤滑オイルに混入した燃料の量を測定する内燃機関の漏洩燃料測定方法及びその装置に関するものである。
車両や船舶、航空機などに用いられる内燃機関において、ピストン−シリンダ間を通って燃焼室に進入した潤滑オイルの消費量を測定する方法が、例えば先行文献１に記載されている。
一方、これとは逆に、燃焼室に導かれた燃料がピストン−シリンダ間の隙間を通って漏洩し潤滑オイルに混入することも知られている。
しかしながら、漏洩燃料の潤滑油に対する混入量はごく僅かであるうえに、燃料と潤滑オイルとは成分が類似していることからこれらを明確に区別することができず、燃料の漏洩量を精度よく測定するのは極めて難しい。
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであって、潤滑オイルに混入した燃料の量を極めて精度よく、測定できるようにすべく図ったものである。
本発明に係る内燃機関の漏洩燃料測定方法は、
（１）測定光を照射すると二次光を発する光標識であって、燃料の燃焼に実質的に不干渉な光標識を、該燃料に所定割合で混入する光標識混入工程と、
（２）前記光標識を混入した燃料を使って内燃機関を運転する内燃機関運転工程と、
（３）前記内燃機関の潤滑オイルに前記測定光を照射して、前記二次光を検出する二次光検出工程と、
（４）前記二次光検出工程で出力される検出信号及び前記所定割合に基づいて、前記潤滑オイルに混入した前記燃料の量を算出する漏洩燃料算出工程とを行うことを特徴とする。
（１）測定光を照射すると二次光を発する光標識であって、燃料の燃焼に実質的に不干渉な光標識を、該燃料に所定割合で混入する光標識混入工程と、
（２）前記光標識を混入した燃料を使って内燃機関を運転する内燃機関運転工程と、
（３）前記内燃機関の潤滑オイルに前記測定光を照射して、前記二次光を検出する二次光検出工程と、
（４）前記二次光検出工程で出力される検出信号及び前記所定割合に基づいて、前記潤滑オイルに混入した前記燃料の量を算出する漏洩燃料算出工程とを行うことを特徴とする。
また、本発明に係る内燃機関の漏洩燃料測定装置は、
（１）測定光を照射すると二次光を発する光標識であって、燃料の燃焼に実質的に不干渉な光標識が所定割合混入された燃料を使って内燃機関を運転中または運転後に、前記内燃機関の潤滑オイルに前記測定光を照射する測定光照射部と、
（２）前記測定光を照射された潤滑オイルから得られる前記二次光を検出する二次光検出部と、
（３）前記二次光検出部から出力される検出信号及び前記所定割合に基づいて、前記潤滑オイルに混入した前記燃料の量を算出する漏洩燃料算出部とを具備していることを特徴とする。
（１）測定光を照射すると二次光を発する光標識であって、燃料の燃焼に実質的に不干渉な光標識が所定割合混入された燃料を使って内燃機関を運転中または運転後に、前記内燃機関の潤滑オイルに前記測定光を照射する測定光照射部と、
（２）前記測定光を照射された潤滑オイルから得られる前記二次光を検出する二次光検出部と、
（３）前記二次光検出部から出力される検出信号及び前記所定割合に基づいて、前記潤滑オイルに混入した前記燃料の量を算出する漏洩燃料算出部とを具備していることを特徴とする。
このようなものであれば、潤滑オイルと漏洩燃料とを前もって分離処理することなく、それらが混じりあった状態で、測定光を照射し光標識から発せられる二次光を測定するだけで、漏洩燃料の量を精度よく測定・算出できる。また、測定光照射部及び二次光検出部を、例えば、潤滑オイルのフロー経路に設置すれば、潤滑オイルをサンプリングすることなく、IN-SITUでリアルタイムに燃料漏洩量を測定することができる。
前記光標識として好ましくは、測定光を照射すると所定のピーク波長を有した二次光たる蛍光を発する量子ドットを挙げることができる。量子ドットは、二次光の光量が大きいうえに、その二次光の光スペクトルが、潤滑オイルや漏洩燃料が発する蛍光や燐光の光スペクトルと比べて遥かに線幅が狭いため、該量子ドットからの二次光を容易に検出できるからである。なお、漏洩燃料とともに潤滑オイルに混入させるために、この量子ドットの直径はピストンとシリンダとの隙間寸法よりも小さい必要がある。
前記量子ドットの直径は２〜６０ｎｍがよく、より好ましくは２〜１０ｎｍがよい。
簡単な構成で実現できる本発明の具体的実施態様としては、前記測定光照射部が、潤滑オイルのフロー経路に設けられて該潤滑オイルに測定光を照射するものであり、前記フロー経路を通過するたびに、前記潤滑オイルに含まれる量子ドットが発する二次光を受光する前記二次光検出部の受光回数をカウントする計数部をさらに具備し、前記漏洩燃料算出部が、該計数部が計数した検出信号の回数と前記所定割合に基づいて漏洩している燃料の量を算出するものを挙げる事ができる。
このようなものであれば、潤滑オイルと漏洩燃料とを前処理にて分離せずとも、光標識から発せられる二次光を測定するだけで、漏洩燃料の量を精度よく測定・算出できる。また、測定光照射部及び二次光検出部を、例えば、潤滑オイルのフロー経路に設置すれば、潤滑オイルをサンプリングすることなくリアルタイムで燃料漏洩量を測定することができる。
１・・・漏洩燃料測定装置
２・・・測定光照射部
３・・・二次光検出部
５ａ・・・計数部
５ｃ・・・漏洩燃料算出部
１０１・・・循環経路
２・・・測定光照射部
３・・・二次光検出部
５ａ・・・計数部
５ｃ・・・漏洩燃料算出部
１０１・・・循環経路
以下に本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
本実施形態における漏洩燃料測定装置１は、図１、２に示すように、測定光を照射すると二次光を発する光標識である量子ドットが混入された燃料を用いて、内燃機関であるディ―ゼルエンジン１００を運転中に、シリンダ―ピストン間の隙間から潤滑オイル中に漏洩した燃料を測定するものであって、測定光照射部２と、二次光検出部３と、流量センサ４と、情報処理装置５とを備える。
ここで、量子ドットとは、例えば、文献「量子ドット、その合成法と生命科学への応用」（生産と技術 第６３巻第２号（２０１１）第５８頁〜第６５頁）に記載されているように、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ等の無機物からなるものである。その直径はシリンダ−ピストン間の隙間寸法よりも小さく、潤滑オイルや燃料の発光波長域と重ならないものを用いる。より具体的には、量子ドットの発光波長域はその大きさに依存するので、シリンダ−ピストン間の隙間寸法よりも小さい２ｎｍ〜６０ｎｍのうちから適宜最適なものを選択する。また、例えばその熱分解温度はディーゼルエンジン１００燃料の燃焼温度よりも高い２００℃以上のものである。このような量子ドットを、単位容量中の燃料に予め所定個数混入するようにする。なお、以下では燃料単位容量中の量子ドットの個数を所定割合ともいう。
次に、この装置の各部について説明する。
測定光照射部２は、潤滑オイルの循環経路１０１（請求項でいうフロー経路に相当する）を形成する配管の所定箇所に取り付けられたものであり、図示しない光源からレーザ光等の励起光である測定光を該配管の一部に設けた透明窓１０１ａを介して内部を流れる潤滑オイルに照射するものである。なお、前記循環経路１０１は予めディ―ゼルエンジン１００に付帯して設けてあるものであり、該循環経路１０１上には、図１に示すように潤滑オイルを循環させるためのオイルポンプ１０２、潤滑オイルを一時貯蔵するためのオイルパン１０３等が設けてある。
測定光照射部２は、潤滑オイルの循環経路１０１（請求項でいうフロー経路に相当する）を形成する配管の所定箇所に取り付けられたものであり、図示しない光源からレーザ光等の励起光である測定光を該配管の一部に設けた透明窓１０１ａを介して内部を流れる潤滑オイルに照射するものである。なお、前記循環経路１０１は予めディ―ゼルエンジン１００に付帯して設けてあるものであり、該循環経路１０１上には、図１に示すように潤滑オイルを循環させるためのオイルポンプ１０２、潤滑オイルを一時貯蔵するためのオイルパン１０３等が設けてある。
二次光検出部３は、循環経路１０１を形成する配管の測定光照射部２と対向する箇所に取り付けられたものであり、潤滑オイルに含まれる量子ドットが発する二次光を透明窓１０１ｂを介して図示しないＣＣＤやＣＭＯＳ等の光センサによって受光し、後述する計数部５ａにその受光信号を送信するものである。図３は、本実施形態における発光スペクトルの一例であるが、量子ドットが発する二次光の発光スペクトルは、潤滑オイルや燃料が発する蛍光や燐光の発光スペクトルと比べると、その発光波長域が異なるとともに、その線幅が遥かに狭く鋭いピークを有する。そこで、前記光センサには、例えば量子ドットの発光波長域のみを透過するフィルターを設けて、量子ドットの発光スペクトルのみを受光するように構成する。
流量センサ４は、例えば循環経路１０１を挟むように配置した２つのコイルにより循環経路１０１内に一定の強さの磁界を発生させて、潤滑オイルが当該磁界の中を流れることによって生じる微妙な起電力を検出することで、該潤滑オイルの単位時間当たりの流量を測定するものである。
情報処理装置５は、構造的には、ＣＰＵ、内部メモリ、Ｉ／Ｏバッファ回路、ＡＤコンバータ等を有した所謂コンピュータ回路である。そして、内部メモリの所定領域に格納したプログラムに従って動作することで情報処理を行い、後述する計数部５ａ、所定割合受付部５ｂ、漏洩燃料算出部５ｃ、としての機能を発揮する。
計数部５ａは、二次光検出部３から送信された受光信号を受信した後、該受光信号を例えばパルス等に変換することで、二次光検出部３の単位時間当たりにおける受光回数をカウントするものである。
所定割合受付部５ｂは、オペレータ等によって入力された前記所定割合を受け付けて、該所定割合を漏洩燃料算出部５ｃに送信するものである。
漏洩燃料算出部５ｃは、計数部５ａがカウントした単位時間当たりにおける受光回数を受信して、該受光回数と、流量センサ４が測定した単位時間当たりの流量と、所定割合受付部５ｂから送信された燃料に混入された量子ドットの所定割合に基づいて、潤滑オイル中に漏洩した漏洩燃料を算出するものである。この算出方法としては、受光回数が量子ドットの個数に該当するので、例えば単位時間当たりの受光回数を単位時間当たりの流量で割ることで単位量の潤滑オイルに含まれる量子ドットの個数を割り出す。次に、これを潤滑オイルの全量をかけることで潤滑オイル全量中に含まれる量子ドットの個数を出す。ここで、潤滑オイル全量中に含まれる量子ドットの個数は漏洩燃料の総量中に含まれる量子ドットの個数に等しい。そこで、これを単位容量中の燃料に含まれる量子ドットの個数で割ることで、漏洩燃料の総量を算出するものである。また、漏洩燃料算出部５ｃは、計数部５ａがカウントした全受光回数を燃料に混入された量子ドットの所定割合で割って、漏洩燃料の総量を算出するように構成してもよい。
このように構成した漏洩燃料測定装置１の測定方法について、図４を用いて、以下に説明する。
まず、オペレータ等が所定容量の燃料中に所定個数の量子ドットを混入させ、均一に分散させる（この工程が、請求項でいう光標識混入工程に相当する）。なお、本測定方法で用いられる量子ドットは、例えばその径が２０ｎｍであって、燃料中に１００万個／リットル混入される。
次に、量子ドットが混入した燃料を用いて、ディ―ゼルエンジン１００を運転する（この工程が、請求項でいう内燃機関運転工程に相当する）。このとき、ディ―ゼルエンジン１００内においては、燃焼室に導かれた燃料の一部とともに該燃料に含まれる量子ドットがピストン−シリンダ間の隙間から漏洩して潤滑オイルに混入し、循環経路１０１を循環する。
一方、測定光照射部２は、循環経路１０１を流れる潤滑オイルに透明窓１０１ａを介して測定光を照射しているので、透明窓１０１ａの位置に量子ドットを含んだ潤滑オイルが到達すると、その量子ドットが二次光を発する。これを、二次光検出部３が透明窓１０１ｂを介して検出して計数部５ａに受光信号を送信する（この工程が、請求項でいう二次光検出工程に相当する）。
計数部５ａが、二次光検出部３の受光信号を受信すると、測定光照射部２が単位時間当たりに受光した量子ドットの二次光の回数をカウントして、漏洩燃料算出部５ｃにその受光回数を送信し、漏洩燃料算出部５ｃが、段落［００２４］で前述したように、計数部５ａより受信した受光回数、燃料中に混入された量子ドットの所定割合、流量センサ４から出力される流量の値に基づいて、潤滑オイル中に漏洩した燃料の総量を算出する（この工程が、請求項でいう漏洩燃料算出工程に相当する）。
このように構成した漏洩燃料測定装置１によれば、潤滑オイルと漏洩燃料とを区別することなく、それらが混じりあった状態で測定光を照射し光標識から発せられる二次光を測定するだけで、潤滑オイル中の漏洩燃料の量を精度よく測定・算出できる。また、測定光照射部２及び二次光検出部３を、潤滑オイルの循環経路１０１に設置するので、潤滑オイルをサンプリングすることなく、IN-SITUでリアルタイムに燃料漏洩量を測定することができる。加えて、エンジン運転時の時間経過に対する漏洩燃料の総量を連続して測定するので、該測定値に微分処理等を施し特定の時間範囲に漏洩した燃料の量を算出すれば、その時々の運転に対応した燃料の漏洩量を知ることができる。
また、本実施形態における漏洩燃料測定装置１では、光標識が無機物からなる量子ドットであるため、炭化水素燃料を用いる内燃機関の燃焼に影響を及ぼさないようにすることができる。そして、ピストンとシリンダとの隙間寸法よりも小さい直径の量子ドットを選択したので、ピストン−シリンダ間から燃料が漏洩する際に該漏洩燃料と共に量子ドットも漏洩し、燃料を精度よく追跡することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
例えば、漏洩燃料を測定する場合に、エンジンの運転終了後にオイルパンから一定容量の潤滑オイルを抜き取って該潤滑オイルに含まれる量子ドットを検出するバッチ式を採用してもよい。この際の検出方法としては、循環経路１０１を別途設けてその経路に該潤滑オイルを循環させて測定光を照射するように構成してもよいし、該潤滑オイルを一方の容器から他方の容器にフローして、そのフロー間に測定光を照射するように構成してもよい。
また、本実施形態では光標識として量子ドットを用いたが蛍光剤を用いて蛍光剤が発する蛍光の光強度で漏洩した燃料を算出してもよい。
また、選択した量子ドットの大きさによって、図５に示すように潤滑オイルや燃料の発光波長域と量子ドットの発光波長域とが重なる場合には、分光システムで量子ドットの発光スペクトル領域を測定した後、例えば、図６に示すような周波数分析、図７に示すような微分処理あるいはケモメトリックス等を用いて両者を区別することができる。
その他、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
本発明によれば、潤滑オイルと漏洩燃料とを前処理にて分離せずとも、光標識から発せられる二次光を測定するだけで、漏洩燃料の量を精度よく測定・算出できる。また、測定光照射部及び二次光検出部を、例えば、潤滑オイルのフロー経路に設置すれば、潤滑オイルをサンプリングすることなくリアルタイムで燃料漏洩量を測定することができる。
Claims (5)
- 測定光を照射すると二次光を発する光標識であって、燃料の燃焼に実質的に不干渉な光標識を、燃料に所定割合で混入する光標識混入工程と、
前記光標識を混入した燃料を使って内燃機関を運転する内燃機関運転工程と、
前記内燃機関の潤滑オイルに前記測定光を照射して、前記二次光を検出する二次光検出工程と、
前記二次光検出工程で出力される検出信号及び前記所定割合に基づいて、前記潤滑オイルに混入した前記燃料の量を算出する漏洩燃料算出工程とを行うことを特徴とする内燃機関の漏洩燃料測定方法。 - 測定光を照射すると二次光を発する光標識であって、燃料の燃焼に実質的に不干渉な光標識が所定割合混入された燃料を使って内燃機関を運転した場合の、前記内燃機関の潤滑オイルに前記測定光を照射する測定光照射部と、
前記測定光を照射された潤滑オイルから得られる前記二次光を検出する二次光検出部と、
前記二次光検出部から出力される検出信号及び前記所定割合に基づいて、前記潤滑オイルに混入した前記燃料の量を算出する漏洩燃料算出部とを具備していることを特徴とする内燃機関の漏洩燃料測定装置。 - 前記光標識が、測定光を照射すると所定のピーク波長を有した二次光を発する量子ドットであり、その直径がピストンとシリンダとの隙間寸法よりも小さいものである請求項２記載の内燃機関の漏洩燃料測定装置。
- 前記量子ドットの直径が２〜６０ｎｍである請求項３記載の内燃機関の漏洩燃料測定装置。
- 前記測定光照射部が、潤滑オイルのフロー経路に設けられて該潤滑オイルに測定光を照射するものであり、
前記フロー経路を通過するたびに、前記潤滑オイルに含まれる量子ドットが発する二次光を受光する前記二次光検出部の受光回数をカウントする計数部をさらに具備し、
前記漏洩燃料算出部が、前記計数部がカウントした量子ドットの受光回数及び前記所定割合に基づいて、漏洩燃料を算出するものであることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の漏洩燃料測定装置。
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