静岡理工科大学紀要 9 無線技術を応用したピストン温度測定に関する研究 P i s t o nT e m p e r a t u r eMeasurementSystemu s e dRF・MEMS 土屋高志' TakashiTSUCHIYA I ti se x t r e m e ! yi m p o r t a n tt os a v ee n e r g yf o rp r e v e n t i o no fg ! o b a !w a r m i n g .Newg e n e r a t i o na u t o m o t i v ee n g i n e i smadeupbyh i g hc o m p r e s s i o nr a t i oa n d!ow合i c t i o nbys m a l le n g i n ef o rb e t t e rf u e !c o n s u m p t i o n . Howeverw i t hh i g h e rc o m p r e s s i o ni n c r e a s et h ep i s t o n ' st e m p e r a t u r ee x c e e d sam e ! t i n gp o i n to ft h ea!uminum andap i s t o ni sd a m a g e d .Th em e a s u r e m e n to fgoodp i s t o nt e m p e r a t u r eo ft h ep r e c i s i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o r h i g h e rc o m p r e s s i o np i s t o nandgoodf u e !c o n s u m p t i o n . I nt h i sp a p e rwemadet h em e a s u r e m e n to fgoodp i s t o nt e m p e r a tぽ eo f t h ep r e c i s i o nbyRF-IDs y s t e m s . )ンクおよびリストンに取り付けられた温度センサから 1 1.研究の目的エンジンを小型・高出力にするためには，エンジンの高ード線は，線の切断，絶縁被服のはくり，リード線の引張・速化が必要であり，高速化するためにピストンを軽量化し，圧縮・曲げおよびねじれなどの変形が起きるという問題が慣性力を抑えるということが重要である.現在，ピストンあり，最も工夫が必要である.装置としてピストンが往復の軽量化をおこなうために，ピストンの材質は軽く，熱伝運動をしているので何らかの影響があり，高速回転での運導率の大きいアルミニウム合金が使用されている.アルミ転は不可能である. ニウムの特性として，加工性・表面処理性・耐食性・溶接 2 .2 燃焼貫通法性・電気伝導性・熱伝導性などが優れているが，欠点とし前項のリンク式ではリンクをクランク室に取り付けるたては融点が 6 6 0 'Cと低いという問題がある.エンジンの省め，クランクケースが狭小なもの，特に二サイクルエンジ燃費化を進めるためには，摺動抵抗(フリクション)の少ンには応用できないが，燃焼室貫通法は，クランク室に関ない小型エンジンを用い高圧縮比化をおこない高い比出係なく使用することができる.装置としては，ピストン頂力を得るととが最も良い方法であるが，高圧縮比化を進め面にロッドを立てて，燃焼室を貫通させることにより，熱るに伴いピストンの熱負荷は上昇し，ピストン温度がアル電対を導出し，外部に 1 )ンクを取り付ける方法である.ロミの融点を超えてピストンが破損するという問題が発生ッドは，燃焼室内を往復運動するので，耐熱性と素線の接する.このようなトラブルを回避して，最適な状態での運着剤j の耐熱性が使用限界あるという問題がある. 転ができるように，ピストンに対する熱負荷を設定するたまた，外部でリンクを使用するため，リンク式と同様にめにも精度の良いピストン温度の測定は非常に重要であ高速回転での運転が不可能であり，またピストンが拘束さると言える. れているので，ピストン揺動時の測定が不可能である. 本研究では，ピストンの温度を精度良く測定するため， 2 . 3 電磁誘導法 R F技術(ディジタル無線技術)を二つのコイルを用いて磁界の変化を利用して伝送する応用し，軽量かっ信頼度の高い温度測定システムを構築すことによって無線伝送する方法であり，トヨタ C A R T 等で使るととを円的とする. 用された実績がある.この実績のある電磁誘導法の装置と近年発展のめざましいしては，温度センサは小型のサーミスタを用いて，大きさ 2 . 過去に実施された測定方法はセンサ部で φ 0 . 8である.ピストンおよびライナ部に送 2 .!リンク方式受信コイルを取り付け，ライナ側送信コイルに高周波を印リンク方式は，英国のA .E .D やドイツのカール・シュミッ加し，ピストン温度によりピストン側コイルのインピーダト社などで開発されている.装置としては，温度センサをンスが変化するととによって，受信側コイルの出力が変化取り付けたピストンからリード線によって，エンジンの内する.これによって温度を取り出すものである. 部から外部に取り出せるようにリンクをピストンに取り非接触で信号を取り出す方法であるため，高回転での測付けて，温度を測定する方法である.そのリンクを外部に定が可能である.文，温度と電磁誘導量の関係が解ってい取り出すために，クランク室に穴を開ける必要がある.ピれば，リアルタイムでの温度測定が可能であるが，ビスト 2010年 3月 24日受理場理工学部機械工学科 1 0 Vo 1 . 18，2010 ン側コイルとライナ側コイルが重なっている時のみ測定囲は， 5 5't> . . ， +1 2 5'Cである. が可能となり連続したデータが測定できないという問題や，コイル部の温度によるドリフトが大きいという問題が M A X 6 6 9 1 は，それぞれのサーミスタと外部固定抵抗器 ( R ， M A X 6 6 9 1の内部基準電圧 ( V R E F)で運転されて分圧 E X r)は残されている. E X Tを通した電圧を P W Mディジタル出器を形成して V R E Fと R 2 . 4 硬度法 T T Lレベル)に変換させる. 力( 混み入った箇所や密閉空間，小部品等での温度測定と / D変換器は，それぞれ4 つのサーミスタと固定抵抗とのA しては，温度により硬度の変化する金属をビストンに埋込器によって内部電圧から分圧器を形成され，パルスに変えみ，運転後に金属の素材から硬度の度合いを測定することられるため，パルス幅と R R r H)の E X rおよびサーミスタ抵抗 ( で，実際の温度を測定する.一定時間運転することで最高関係を次式で表すことができる. 温度のみ測定が可能である. TUlreU V".V中 ι =一品ム -0.0002= ふ立山 T ww VREF 2 . アクティプ型温度測定システムの仕様 Rr :V T --0.0002 ιA_1 REXT+RTH 本研究では，市販されている軽量かつ小型の汎用無線モジュールを使用して小型で軽量な測定器を製作した. 構成した温度測定システムは F i g .2 .1に示すようにセンサ.A / D変換器・送信機・受信機に大別される.個々の仕様については下記に示す. F i g .2 .3 A/D変換のデータ出力信号 ¥ ¥ t E D D 1 4 2 u t ; M 2 .3 温度センサ仕様温度センサには立山科学工業(株)製ラジアル型サーミ 2 .OX4.O m mの円筒形，質スタを使用した.サイズは約 φ 量0 . 4 g，2 0'Cで約 16MQ， 2 0 0'Cで約 23.4kQの逆特性を N T Cサーミスタ)である. ( F i g .2 . 4 ) もっサーミスタ ( 抑制問 Fi g .2 .1システム構成図 2 .1 . 送信機仕様 Fi g .2 .4 サーミスタ送信機には一般的にノイズに強いとされるパルス幅変を用いたディジタル通信方式のアイテック(株)製 i T X 3 1 5 A型を使用した. ( F i g .2 .2 ) 送信機仕様としては， F S K変調方式の微弱電波送信モジュールを使用し送信周波数 3 1 5 聞Z ，出力一 2 5 d B m以上，消 2 . 4 送信機ユニット送信機・A/D変換器を組み合わせた物を F i g 2 . 5に示す. 4X横 1 4 m m，厚さ 5 m m，質量は約1.3gとなっサイズは縦 1 ており，非常に小型・軽量となっている mA，定格電圧 3 Vである. 費電力 2 F i g .2 .2 送信機ユニット外観 2 .2 A / D変換器仕様 A / D変換器には 4チャンネルの入力を持ち入力電圧を F i g25 送信機ユニット外観，， 2 .5 受信機仕様受信機は，送信機と対になるアイテック(株)製の T T Lレベルのディジタル出力に変換することができるマキ i R X 3 1 5 A型を使用した.受信機仕様としては， F S K復調，シム社製M A X 6 6 9 1型A / D変換ユニットを用い，サーミスタかシングルスーパーヘテロダイン方式の受信機を用いた.電らの出力電圧と基準電圧の比較により温度を推定し，各チ源電圧は 3 V，サイズは約 2 4X1 8lD1D，標準復調速度 9 6 0 0 b p s，ャンネル順に P W M変換をおこなう.チップの動作温度の範単信方式の受信機を用いた. 1 1 静岡理工科大学紀要 2 .6 電源仕様 R 4 2 5 ヒン形リチウム電池を使用し電池は松下電器製 B V，容量 2 5m Ah ，サイズは φ 4 .2x2 5 . 9 0 0，質量た.電圧 3 は約 O .6 gと非常に小型かつ軽量である. ( Fj g .2 .6 ) l .三三. 2 . 5 ~ ・。 20 国2 主目 ; :1 . 0 3 E05 . . : f { 〉 ) 』 ~ 00 5( ) ( s 4α2 - Z E m 30 < ト Fi g .2 .6 リチウム電池コ Q. “ コ 201 ~ 101 ω z u oαZ 3 .ピストン温度測定システムの基本特性試験 3 .1 データ出力確認試験 4 . 1 8 419 4 . 2 0 421 422 423 425 424 T im e( 5 ) 本研究のシステムでは送信機から受信機の間でパルス Fi 耳 3 .2 電源電圧試験結果 i g . 3 . 1に記す.温度センサは 4箇所分接続しであり，形を F 3 .3 温度直線性試験サーミスタと T熱電対を同位置に取り付けて，半田ごて N o lから N o 4までが順次送信されている. N o lセンサの判の温度(温度範囲は 25~370 'C )を測定した.結果は、別の為に N o lの立ち上がりの前に 5 μ 秒のプルダウン信号 Fi g .3 .3 に示すように 100~370'Cまでは，ほぼ直線に保ちが入っている.また，溢度の判定はブルアッフご時間とフル温度誤差は::t4 'C以下で， 1 0 0'C以下では P I I M応答性の問題ダウン時間との比率となっておりプルダウン時間は一定により測定不能であったが，実際の熱負荷が問題となるヒ幅変調によりデータを送信しており，受信機からの出力波 5 m秒としている.本研究では 2 3 8'Cの場合に(ブルアでップ時間)/(プルダウン時間)= 0 . 5 としている.この比率 5 0'C以上であるのストンの温度は，過去の温度測定より 1 で本システムでの測定には問題ないと考えられる. はピストン温度により変化するサーミスタ抵抗値と基準侭抗との比率と等価となっており，測定を希望する温度抵抗値を中心として基準抵抗値を設定するととにより温度感度の良い測定が可能となっている. 〉 ~ 1∞ 2 豊田 i f E 益。由 ∞∞叩凹 3210 主 = E ‘ E A L ト 40 50 60 70 80 90 凹 30 {﹀吉岡崎岩宣言 9 2 0包EEE 〉 _ g050 20 3 田 t 1 : 150 き 1曲 1 0 ~ 5m 1 デわ(三六二回二ー二ー一 ω150 ~ . 8250 1 出 2 c h 3 出 4 c h 200 ( 400 . p350 0 ~ 0 ./' ./ /"" ../ 50 1 四3 150 200 〆 250 /キ=附87 300 350 。。 ‘ S t a n d l r dTem 岡崎u r e ( O C ) F i巳 3 .3 温度直線性試験結果 3 .4 周囲温度影響試験(周囲によるドリフト試験) 本システムの送信機ユニットに温度計を当て，ヒータにより周囲温度を温めデータ出力の変化を確認した.また， 1 ime( m s ) 0' C ・7 0' C ・8 0'Cで行い，各 7回行った. 各周囲の温度を 5 Fi g3 .1 データ出力確認試験結果結果，送信機ユニットの周囲温度が 8 0tでもデータの変 3 .2 電源電圧試験化はなく，各周囲の温度による平均温度誤差は::tl 'C以下電源電圧を徐々に下げることにより電源電圧低下によであった周囲を温めてもシステムの動作を確認するととるシステムダウンを確認した結果，電圧が 2 . 0 1 V以下にができたので，ピストンに直接，送信機の取付けが可能で I I M変換誤差が発生し， . 19 3 V以下で送信電波が停なると P あると考えられる. 止1.9 1 V以下で A / D変換チッフからの P W M変換が停止し 3 .5 連続測定時間確認試験 . 0 1 V以上が必要た.結果，送信機側電圧としては，最低 2 送信機ユニットには，リチウム電池を取り付けることで . 0 1 V以上が必であり，システム動作の電源電圧としては 2 ヒストンの温度を測定するため，リチウム電池を l本使用要であることがわかった. し，データを測定できる時間の測定を行った.送信機ユニ Fj g .3 . 4 )で入るットから温度信号が受信機に一定の間隔 ( ようになっており，結果，信号の乱れが発生する時間は約 9時間であった.この時点で電池の電圧は 3 . 3 Vから 2 .4 V まで低下していた. 1 2 Vo1 . 18，2010 温度の測定位置は F i g .4 .2のように，ヒストンの中央，ー、 30 〉 (燃焼室ホットプラグ部中央)・スラスト側 2点(排気弁側 @ 国 ~ 2 20 ω ; i l . 1.0 ( 〉 c } ・ 0 老 00 5 と吸気弁側)と反スラスト側 l点(上面より見て右側)の計 4点である. ∞ 言 3 言 ← ∞ 2 コ O L ∞ 1 2 o e 3150000 31500.05 31500.10 31500.15 3150025 3150020 0 . 0 0 31500.30 a : : T imo ( & 】 F i耳 3 . 4 データ出力可能時間試験結果 4 .電池式温度測定システム実機温度測定結果送信機ユニットをピストンに取り付け，本システムが測定可能であるか確認するために小型エンジンを使用してピストン温度の測定を試みた. 供試エンジンには，富士重工製汎用 4サイクル単気筒小 Fi g .4 . 2 サーミスタ取り付け位置型デ、イーゼルエンジンを使用し，ピストン径 φ 75mm，行程 6 0 m m，定格出力(出力軸) 3 _l k W / 1 8 0 0 r p mである a b l e 4 .1に示す. その主要諸元を以下の T T a b l e 4 . 1 名称 DY23-2BS 冷却方式空冷シリンダ数 1 ボア×ストローク 70x60m m 排気量 230c c 圧縮比 2 1 最大出力(出力軸) 3 . 1 kW/1800rpm 最大トルク{出力勅) 21 .6N.m/1 l50rpm 測定項円は，ビストンの 4ヶ所・吸気温度・潤滑油温度・排気温度・エンジン回転数としている i g .4 . 3，F i g .4 .4に示すようにクラ受信機ユニットは F ンク軸横側(反スラスト側)のクランクケース内部に構造 5.0 用接着剤により接着した.また，クランクケースには φ の貫通穴をあけることにより電源用配線および信号用配線をスタータモータ裏側より外部に導出している送信機システムの取り付け位置は F i g . 4 . 1 に示すようにピンボス部横付近に耐熱接着剤により固定している. また，送信機用のヒン形 1 )チウム電池は，送信機側面に Fi g o4 .3 受信機ユニット取り付け位置取り付けたホルダにより送信機およびピストンに固定し，耐熱はんだにより配線を固定している. Fi g .4 .1 送信機ユニット取り付け位置 F i g .4 .4 受信機ユニット取り付け位置詳細 i g .4 . 5にボす実機試験の外観を F 受信機には定電圧電源から電気が供給され，受信機からの 1 3 静岡理工科大学紀要抑制畑 c (FE)ZS。羽.“。信号はデータローガによりサンプリング・保存している. ー醐 ( 〉 ) 日 o E ε ￨ー -00也 5 i a 冊 1 Z 砂川 3帥雪 5 。 ~ 2曲 . . h 1田四回6 2 1 2 1，5 22 2 2 . 5 23 2 3 . 6 聖・ o 0 . 0 0 a : 24 T i me(s) Fi g .4 . 7 実機試験結果 ( 3 5 0 0 r p m定格運転) Fi 再 4 .5 実機試験装置外観 5 .実機試験結果および考察 ρ3 ∞ ﹄) ータとび等の問題は発生せず，全データの取得が可能であ柏田 f 250 言 2 . 0 0 語安田った E @ F i g .4 . 6にエンジン始動から 3 5 0 0 r p mまでの測定結果を Fi g .4 . 7に 3 5 0 0 r p m一定回転で定格負荷を投入した場 i g .4 . 6および F i g .4 . 7より，エンジ合のデータを示す. F ンの始動時から定格出力が一定になるまでピストンからトー 2剛 1>0 1 5 曲 H Z E1∞ E a 50 1 田 5 i 。 a : @ : : o 0 0 1 4 . 0 150 1 8 . 0 t 1 。 180 1 9 . 0 2 0 . 0 2 1 . 0 220 230 240 T ime(s) Fi g .4 .8 エンジン始動時のヒストシ温度変化 i g .4 .8 この時のデータ信号を温度に換算した結果が F ピストン温度は，エンジンが始動してから急激に上昇し定格回転でほぼ一定の温度になるととがわかった. この時のヒストンの最高温度は，排気弁側の o ・ .00 データ信号が連続して測定できていることがわかる. である一E F させて温度を測定した.温度測定データは，温度変換，デ 350 問問エンジンを始動し，無負荷最高回転数まで回転数を上昇 3 1 5 tであり. 5 .まとめ本測定システムを使用することにより，軽量かつ安価なエンジン実動時のどストン温度測定システムを使用して，定格負荷時は燃焼室中央の温度と排気弁側の温度がほぼ過去，測定するととが困難であったピストン温度データを同一になることがわかった.また，吸気弁側と反スラストヒストンの挙動に影響を与えるととなく連続して測定す側の温度は一定負荷の場合ほぼ同じ温度となり，排気弁側の温度と約 2 0 tの差がある事がわかった. ることに成功したまた，問題点としてはデータ測定時間が 8時間以内に限定されており，今後は無電源システムのこの場合新気の流れが吸気弁ーから反スラスト側方向に検討をおこなう必要性がある. 流れ燃焼室内に流入し，燃料が噴射され燃焼し燃焼室から排気弁を介して排気されることを示しており，ー般的なタ参考文献環境再生保全機構:大気環境の情報館，ーンフロータイフの直噴ティーゼルエンジンの燃焼形態 (1)独立行政法人と致している事を推定するととができる. w e bページ， ( h t t p : / / w w w . e r c a . g o . j p / t a i k i / s i r y o u / i n d e x . h t m l # 5 ) A 棚醐 21 ~ 0 。 @aωc E E 。可 ♂ 。 ( 2 )古浜庄ーほか:エンジンの温度測定.日本機械学会 J S M E S 0 0 7( 19 8 6 )， p p l 3， p p . 7 0 7 8 ~ ￨ニロt i p t b n M l 二二戸 ∞ 4 2 . 0 0 186 1 1 116 18 186 一 _ . ー 1 9 195 T ime(s) F i麿 . 46 '実機試験結果(始動 ~3500rpm) ∞ 1 。。 20 3 s ・ Z 聖 ‘ 0 E 0 ( 3 )福島淳二超高速 ( C A R T )エンジンにおける実動時のヒストン温度計測，自動車技術 V o. 15 8， N o .7( 2 0 0 4 ). p p .6 9 7 3 ( 4 )アイテック株式会社，汎用無線モジュール， w e bページ， ( h t t p : / / w w w . i t e c c o r p . c o .i p ) ( 5 )マキシム・ジャハン株式会社守 M A X 6 6 9，1 w e bページ ( h t t p : / / w w w . i a p a n . m a x i m i c . c o m / q u i c k _ v i e w 2 .c f m / q v p k / 3 2 5 6 ) M型サーミスタ， w e bページ ( 6 )立山科学工業株式会社。 B ( h t t p : / / w w w .t at e y a m a .i . p / p r o d u ct / c at a1 o g / 2 0 0 8 / p df/bI b m c l _ 2 8 p 2 9 p .p d f )