JP2009250180A - エンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ロータリーエンコーダの故障を確実に検出できるようにする。
【解決手段】 クランク軸３にロータリーエンコーダ７を設け、エンコーダパルス８をタイミング信号として用いて制御装置９のＡ／Ｄ変換器１０にセンサ出力１２を取り込むことができるようにする。クランク軸３に付設した回転検出センサ１３より入力される回転検出信号１４を基に、エンジン１の停止と運転に応じてオン信号１６ａとオフ信号１６ｂを切り替えて出力する回転計ユニット１５を設け、そのオン／オフ信号１６ａ，１６ｂを制御装置９の接点入力回路１７へ入力させる。制御装置９にて、回転計ユニット１５より接点入力回路１７へ入力されるオン／オフ信号１６ａ，１６ｂからエンジン１が運転中であると判断されるにもかかわらず、Ａ／Ｄ変換器１０でのセンサ出力１２の取り込みが行われない場合は、ロータリーエンコーダ７の故障と判定させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、舶用エンジン等のエンジンのクランク軸に取り付けて該エンジンの運転状況計測用の各種センサの出力信号をＡ／Ｄ変換器で取り込むためのタイミング信号を発生させるようにしてある回転角度センサに、故障が生じているか否かを判定するために用いるエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法及び装置に関するものである。

船舶用のエンジンの開発時には、エンジンに温度センサ、圧力センサ、潤滑用の油膜の厚さを測るセンサ等の各種センサを取り付けて、センサ設置個所をピストンが通過するタイミングや、点火のタイミング等、各センサごとに個別に設定されたエンジン運転中における所定位置にピストンが配置されるタイミングに同期させて、上記各種センサからのセンサ出力値を計測することで、上記エンジンの運転中の状況を計測する試験が行われている。

又、エンジンの完成品、たとえば、運用中のエンジンを対象として、上記と同様にしてエンジン運転中の状況を計測する試験を実施することが求められることもある。

上記のように、エンジン運転中の所定のタイミングでエンジンに取り付けた各種センサからセンサ信号を取り込む場合、通常は、クランク軸の角度（回転角度）を基準として、エンジン運転中のピストンの位置を検出して、上記各種センサからセンサ信号を取り込むタイミングを計るようにしてある。

ところで、エンジンのクランク軸の所要の角度に同期してエンジン内圧や温度等の事象を計測する場合、クランク軸に取り付けたタイミング信号発生用回転角度センサとしてのロータリーエンコーダから出力されるパルス信号をタイミング信号として、Ａ／Ｄ変換器で上記各種センサからのセンサ信号を取り込むようにした方式が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

すなわち、ロータリーエンコーダは、回転速度に関係なく１回転当り一定数のパルスを発するものであるため、上記のようにエンジンのクランク軸にロータリーエンコーダを取り付けた構成とすることで、クランク軸が１回転するごとに上記ロータリーエンコーダより一定数のエンコーダパルスが発せられるタイミングで、Ａ／Ｄ変換器にてエンジン運転状況計測用の各種センサからのセンサ信号を取り込むことができるようにしてある。更に、上記ロータリーエンコーダにてクランク軸の１回転ごとに１回発せられる原点信号からのエンコーダパルスの数をカウントすることで、エンジンの回転数（回転速度）に影響を受けることなくクランク軸が特定の角度となるタイミングに同期したタイミングで取り込んだセンサ信号を検出できるようにしてある。

特に、船舶用エンジンではピストンストロークが数メートルになることもあるため、このような大ストロークのピストンのセンサ設置個所通過時を正確に知るためには、クランク軸の角度を精密に知る必要があり、そのため、本発明者等は、一回転当りに発生するエンコーダパルスのパルス数の多いロータリーエンコーダを、上記船舶用エンジンのクランク軸に取り付けて、上記ロータリーエンコーダの発生するエンコーダパルスを、エンジン運転状態を計測するための各種センサから出力されるセンサ出力をＡ／Ｄ変換器へ取り込むためのタイミングパルスとして用いるようにしてなる構成のエンジンの運転状況計測装置を考えている。

特開２００５−２３３０３５号公報

ところが、ロータリーエンコーダは精密機器であるため、該ロータリーエンコーダを舶用エンジンのような大きな振動が発生するエンジンのクランク軸に取り付けて使用する場合は、長期の運用中に故障が発生する虞が懸念される。

したがって、前述したようにロータリーエンコーダから出力されるエンコーダパルスをタイミング信号として、Ａ／Ｄ変換器で上記各種センサからのセンサ信号を取り込むようにするエンジンの運転状況計測装置を使用する場合は、上記ロータリーエンコーダに故障が生じた時点で、その故障を速やかに検知できるようにすることが望まれるが、この種のロータリーエンコーダの故障の発生を速やかに検知するための手段は、従来特に提案されていないというのが実状である。

すなわち、ロータリーエンコーダから出力されるエンコーダパルスをタイミング信号として、Ａ／Ｄ変換器で上記各種センサからのセンサ信号を取り込むようにしてある構成において、上記ロータリーエンコーダが故障した場合、該ロータリーエンコーダからのエンコーダパルスがＡ／Ｄ変換器に到来しなくなるため、Ａ／Ｄ変換器が動作タイムアウトを起こすようになる。

しかし、一方で、エンジン自体が停止しているために、ロータリーエンコーダからのエンコーダパルスがＡ／Ｄ変換器に到来していない可能性もある。

したがって、上記のようにロータリーエンコーダからのエンコーダパルスがＡ／Ｄ変換器に到来しない場合は、その原因がロータリーエンコーダの故障によるものか、あるいは、エンジンが停止状態にあることによるものかの判定が必要になる。

このような判定を行うための手法の１つとしては、エンジン回転数センサの出力を、Ａ／Ｄ変換器で取り込みながら計測し、その計測される回転数値からエンジン停止を判断する方法が考えられるが、この手法の場合は、完全にエンジンが停止してしまうと、上記Ａ／Ｄ変換器にデータ取込用のタイミング信号として使用するためのエンコーダパルスが到来しなくなるため、エンジンの回転数を計測することができなくなってしまう。

又、別の判定手法としては、回転数が完全にゼロに落ちきる前にエンジンがほぼ停止したと判断するようにさせることも考えられるが、エンジンを極低速で動作させている場合は対応することが困難である。

更に別の判定手法としては、エンジンの制御系から該エンジンが運転中か否かのオン／オフ情報を受け取るようにすれば、Ａ／Ｄ変換器を介さずにエンジンの停止を判断する（確認する）ことが可能になると考えられるが、エンジンの制御系、特に、完成品のエンジンや運用中のエンジンの制御系に、エンジンが運転中か否かを判断するために用いる信号を引き出す改造を加えることは、エンジン本体の信頼性に悪影響を及ぼす可能性が懸念されることから適当ではない。

そこで、本発明は、エンジンのクランク軸に取り付けて該エンジンの運転状況計測用の各種センサの出力信号をＡ／Ｄ変換器で取り込むためのタイミング信号を発生させるようにしてある回転角度センサが故障しているか否かの判定を、確実に且つエンジン本体の制御系に対する改造を要することなく実施できるようにするためのエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、エンジンのクランク軸に取り付けた回転角度センサより出力されるパルス信号をタイミング信号として使用してＡ／Ｄ変換器にエンジン運転状況計測用のセンサのセンサ出力を取り込むようにしてある制御装置に接点入力回路を備え、該接点入力回路に、クランク軸の回転検出信号を基にエンジンが運転中か停止中かに応じてオン／オフ信号を出力するようにしてある回転計ユニットを接続して、該回転計ユニットより入力される上記オン／オフ信号を監視して、該接点入力回路に上記回転計ユニットより入力されるオン／オフ信号から上記エンジンが運転中であると判断されるにもかかわらず上記Ａ／Ｄ変換器におけるセンサ出力の取り込みが行われない場合に上記回転角度センサが故障していると判定するようにするエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法とする。

又、請求項２に対応して、エンジンのクランク軸に取り付けた回転角度センサと、該回転角度センサより出力されるパルス信号をタイミング信号として使用してＡ／Ｄ変換器にエンジン運転状況計測用のセンサのセンサ出力を取り込むようにしてある制御装置と、該制御装置に設けた接点入力回路と、クランク軸の回転検出信号を基にエンジンが運転中か停止中かに応じてオン／オフ信号を上記接点入力回路へ出力するようにしてある回転計ユニットとを備えてなる構成を有するエンジン計測タイミング発生用回転角度センサの故障判定装置とする。

更に、上記構成において、制御装置を、回転計ユニットより該制御装置の接点入力回路へ入力されるオン／オフ信号を監視して、該接点入力回路に上記回転計ユニットより入力されるオン／オフ信号から上記エンジンが運転中であると判断されるにもかかわらず上記Ａ／Ｄ変換器におけるセンサ出力の取り込みが行われない場合に上記回転角度センサが故障していると判定する機能を有するものとした構成とする。

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）エンジンのクランク軸に取り付けた回転角度センサより出力されるパルス信号をタイミング信号として使用してＡ／Ｄ変換器にエンジン運転状況計測用のセンサのセンサ出力を取り込むようにしてある制御装置に接点入力回路を備え、該接点入力回路に、クランク軸の回転検出信号を基にエンジンが運転中か停止中かに応じてオン／オフ信号を出力するようにしてある回転計ユニットを接続して、該回転計ユニットより入力される上記オン／オフ信号を監視して、該接点入力回路に上記回転計ユニットより入力されるオン／オフ信号から上記エンジンが運転中であると判断されるにもかかわらず上記Ａ／Ｄ変換器におけるセンサ出力の取り込みが行われない場合に上記回転角度センサが故障していると判定するようにすることを特徴とするエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法及び装置としてあるので、上記回転角度センサが故障しているか否かを容易に且つ確実に判定できる。しかも、エンジンの制御系には何ら改造を必要とすることはない。
（２）更に、クランク軸の回転を検出してその回転検出信号を回転計ユニットへ出力するためのクランク軸回転検出用のセンサとして、構造がシンプルで且つ振動等に対し堅牢で、故障が少なく信頼性の高いセンサを使用するようにすれば、上記回転角度センサが故障しているか否かの判定の信頼性をより高めることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１及び図２は本発明のエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法及び装置の実施の一形態を示すもので、以下のようにしてある。

ここで、先ず、本発明のエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法及び装置の適用対象となるクランク軸に取り付けたタイミング信号発生用回転角度センサとしてのロータリーエンコーダから出力されるパルス信号をタイミング信号として、Ａ／Ｄ変換器でエンジン運転状況検出用のセンサからのセンサ信号を取り込むようにしてあるエンジンの運転状況計測装置の基本構成について説明する。

すなわち、図１におけるエンジン１は、クランクケース２内に配したクランク軸３に、シリンダ４内に収納したピストン５を、コンロッド６を介し接続してなる構成としてある。

上記クランク軸３には、タイミング信号発生用回転角度センサとしてのロータリーエンコーダ７を取り付けて、該ロータリーエンコーダ７より上記クランク軸３の１回転当り一定数のパルス信号であるエンコーダパルス８を出力できるようにしてある。上記ロータリーエンコーダ７から主力されるエンコーダパルス８は、制御装置９に付設してあるＡ／Ｄ変換器１０に入力させるようにしてある。

更に、上記Ａ／Ｄ変換器１０には、エンジン１の運転状況を計測するためのセンサとして、たとえば、上記エンジン１のシリンダ４に設けた温度センサ等のセンサ１１のセンサ出力１２を入力させて、該Ａ／Ｄ変換器１０にて、上記エンジン運転状況計測用センサ１１のセンサ出力１２を、上記ロータリーエンコーダ７からのエンコーダパルス８をタイミング信号として使用して取り込むことで、上記制御装置９で、上記センサ出力１２をＡ／Ｄ変換処理してなるセンサ出力値が得られるようにしてある。

以上の基本構成を備えてなるエンジン運転状況計測装置に適用する本発明のエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法の実施に用いる装置は、上記エンジン１のクランク軸３の所要個所に、該クランク軸３の回転を検出するための回転検出用センサ１３を付設すると共に、該回転検出用センサ１３より入力されるクランク軸３の回転検出信号１４を基に、上記エンジン１が回転しているか否かによってオン／オフ信号１６ａ，１６ｂを切り替えて出力できるようにしてある速度判定機能付きの回転計ユニット１５を設ける。

更に、上記制御装置９に、上記Ａ／Ｄ変換器１０とは別に、上記回転系ユニット１５より上記エンジン１が回転しているか否かによって切り替えて出力されるオン／オフ信号１６ａ，１６ｂを入力するための接点入力回路１７を設ける。且つ上記制御装置９が、上記Ａ／Ｄ変換器１０でセンサ出力１２（アナログ値）をデジタル化して取り込むことで得られるセンサ出力値を保存する機能と、上記回転計ユニット１５より接点入力回路１７へ入力されるオン／オフ信号１６ａ，１６ｂ、及び、上記Ａ／Ｄ変換器１０へのロータリーエンコーダ７からのエンコーダパルス８の入力を監視して、上記ロータリーエンコーダ７の故障の判定を行う機能を備えてなる構成とする。

詳述すると、上記回転検出用センサ１３は、たとえば、上記クランク軸３の所要個所の外周に取り付けた金属板の回転を、近接センサで検出する形式や、上記クランク軸３の所要個所の外周に取り付けた光を遮る板の回転を、光学センサによって検出する形式や、その他、構造がシンプルで且つ振動等に対し堅牢で、故障が少なく信頼性の高いセンサを採用するようにすればよい。

上記速度判定機能付きの回転計ユニット１５は、たとえば、クランク軸３の回転に伴い上記回転検出用センサ１３によって検出されるエンジン回転数が、規定の回転数を上回っている間はオフ信号１６ｂを、又、該規定の回転数以下となる場合にオン信号１６ａをそれぞれ出力することができるようにしてあり、且つ上記規定の回転数を、ゼロ、又は、ゼロに近い極低速値であって、それ以下の回転数となるとエンジン１の停止に繋がることが設計上あるいは経験的に得られている極低速値に設定するようにしてある。これにより、上記回転計ユニット１５よりオフ信号１６ｂが出力されている間は上記エンジン１が回転している状態を把握でき、一方、回転計ユニット１５からのオン信号１６ａの出力に伴い、上記エンジン１の停止状態を把握することができるようにしてある。

次に、上記制御装置９による処理内容に即して本発明のエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法について詳述する。

図２は上記制御装置９による処理手順のフローを示すもので、制御装置９は、先ず、Ａ／Ｄ変換器１０でロータリーエンコーダ７より入力されるエンコーダパルス８をタイミング信号として使用してエンジン運転状況計測用のセンサ１１からのセンサ出力１２が取り込まれるか否かの判断を行う（ステップ１：Ｓ１）。

上記ステップ１（Ｓ１）で、Ａ／Ｄ変換器１０にセンサ出力１２が正常に取り込まれている場合は、該制御装置９にて、Ａ／Ｄ変換器１０に上記タイミング信号として入力されているエンコーダパルス８を基に検出されるクランク軸３の所定の角度に同期したタイミングでのセンサ出力値を保存する（ステップ２：Ｓ２）。

その後は、上記ステップ１（Ｓ１）へ戻り、上記Ａ／Ｄ変換器１０にエンコーダパルス８をタイミング信号として使用して上記センサ１１からのセンサ出力１２が取り込まれている間は、上記ステップ１（Ｓ１）とステップ２（Ｓ２）の処理を順次繰り返すことで、クランク軸３が所定角度に達するタイミングに同期したタイミングでセンサ出力値を順次保存するようにする。

一方、上記ステップ１（Ｓ１）で、Ａ／Ｄ変換器１０にて、上記ロータリーエンコーダ７より入力されるエンコーダパルス８をタイミング信号として使用した上記センサ１１からのセンサ出力１２の取り込みが行われていないと判断された場合は、ステップ３（Ｓ３）に進み、上記センサ出力１２がＡ／Ｄ変換器１０に取り込まれない状態が、ある一定時間が経過したか否かを判断し、一定時間が経過する以前は、上記ステップ１（Ｓ１）へ戻って、上記一定時間が経過するまでは、ステップ１（Ｓ１）とステップ３（Ｓ３）の処理を繰り返すようにする。これにより、上記センサ出力１２のＡ／Ｄ変換器１０への取り込みが行われていない状態であっても上記一定時間の間は待機できるようにしてある。

その後、上記ステップ３（Ｓ３）にて、Ａ／Ｄ変換器１０における上記エンコーダパルス８をタイミング信号として使用した上記センサ出力１２の取り込みが、一定時間経過しても行われていない場合、すなわち、上記一定時間経過しても、クランク軸一回転分のセンサ出力１２が取り込まれない場合は、タイムアウトと判断して、ステップ４（Ｓ４）に進む。

ステップ４（Ｓ４）では、上記制御装置９は、上記回転計ユニット１５より接点入力回路１７へ入力されている信号がオン信号１６ａであるか否か、すなわち、上記エンジン１が停止中であるか否かの判断を行う。

この際、エンジン１が停止している場合は、クランク軸３に取り付けてある上記ロータリーエンコーダ７からエンコーダパルス８が出力されないため、上記Ａ／Ｄ変換器１０でセンサ出力１２が取り込まれないとしても異常ではない。したがって、この場合は、上記ステップ１（Ｓ１）へ戻って処理を続行するようにしてある。

一方、上記ステップ４（Ｓ４）で、回転計ユニット１５より接点入力回路１７へ入力されている信号がオフ信号１６ｂであって、上記エンジン１が停止していないと判断された場合、すなわち、エンジン１が運転状態であるにもかかわらず、Ａ／Ｄ変換器１０にてエンコーダパルス８をタイミング信号として使用したセンサ出力１２の取り込みが行われていないと判断された場合は、制御装置９は、ステップ５（Ｓ５）へ進み、ロータリーエンコーダ７が故障していると判定するようにしてある。

以上のように、本発明のエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法及び装置を使用すると、クランク軸３に設けたロータリーエンコーダ７が正常に機能しているか、又は、故障しているかを速やかに且つ確実に判定することができる。

しかも、上記エンジン１の制御系には何ら改造を要することなく、上記ロータリーエンコーダ７が故障しているか否かの判定を行うことができる。

更に、クランク軸３の回転を検出するために用いる回転検出用センサ１３としては、構造がシンプルで且つ振動等に対し堅牢で、故障が少なく信頼性の高いセンサを使用することで、本発明のエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法及び装置による上記ロータリーエンコーダ７が故障しているか否かの判定の信頼性を高いものとすることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、上記速度判定機能付きの回転計ユニット１５へ入力させるクランク軸３の回転検出信号としては、クランク軸３の所要個所に付設した回転検出用センサ１３より出力される回転検出信号１４を例示したが、エンジン１に既存の速度出力が、パルス出力、アナログ出力のいずれであっても存在して、この出力を利用できる場合は、このエンジン１に既存の速度出力を、上記速度判定器の付きの回転計ユニット１５へ入力させるようにしてもよい。更には、上記ロータリーエンコーダ７に故障が生じるとしても、原点信号や一部のパルス信号が出力されていれば、このロータリーエンコーダ７の原点信号や一部のパルス信号を、上記速度判定器の付きの回転計ユニット１５へ、クランク軸３の回転検出信号として入力させるようにしてもよい。

上記速度判定機能付きの回転計ユニット１５は、エンジン回転数が、規定の回転数を上回っている間はオン信号を、又、該規定の回転数以下となる場合にオフ信号をそれぞれ出力する構成としてもよい。この場合は、上記制御装置９にて、図２に示した処理手順のフローにおけるステップ４（Ｓ４）で上記回転計ユニット１５より接点入力回路１７へ入力されている信号がオフ信号であるか否かに基づいて、上記エンジン１が停止中であるか否かの判断を行うようにすればよい。

上記エンジン運転状況計測用のセンサ１１としては、クランク軸３の所定の角度に対応するエンジン運転中の所定のタイミングで計測値を得ることが必要とされるセンサであれば、エンジンにおけるシリンダ以外の個所、更には、図示してない機器に設けたセンサであってもよい。又、温度センサ以外のいかなるセンサを用いるようにしてもよい。

エンジン計測タイミング信号発生用の回転角度センサとしては、エンジンのクランク軸の回転角度に応じてＡ／Ｄ変換器１０にてセンサ出力１２を取りこむためのタイミング信号として利用可能なパルス信号を出力することができるようにしてあれば、たとえば、レゾルバと該レゾルバの出力する正弦波をパルス波に変換するユニットとからなる回転角度センサ等、ロータリーエンコーダ７以外の回転角度センサを用いるようにしてもよい。

本発明のエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法及び装置は、エンジン運転状況を計測するセンサの信号を、Ａ／Ｄ変換器１０にてエンジン１のクランク軸３が所定角度となるタイミングに同期して取り込むためのエンジン計測タイミング信号発生用の回転角度センサが用いられていれば、船舶用エンジン以外のいかなるエンジンに適用してもよい。

その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明のエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法及び装置の実施の一形態を示す概要図である。 図１の装置の制御装置における処理手順を示すフロー図である。

符号の説明

１ エンジン
３ クランク軸
７ ロータリーエンコーダ（回転角度センサ）
８ エンコーダパルス（パルス信号）
９ 制御装置
１０ Ａ／Ｄ変換器
１１ センサ
１２ センサ出力
１５ 回転計ユニット
１６ａ オン信号
１６ｂ オフ信号
１７ 接点入力回路

Claims (3)

1. エンジンのクランク軸に取り付けた回転角度センサより出力されるパルス信号をタイミング信号として使用してＡ／Ｄ変換器にエンジン運転状況計測用のセンサのセンサ出力を取り込むようにしてある制御装置に接点入力回路を備え、該接点入力回路に、クランク軸の回転検出信号を基にエンジンが運転中か停止中かに応じてオン／オフ信号を出力するようにしてある回転計ユニットを接続して、該回転計ユニットより入力される上記オン／オフ信号を監視して、該接点入力回路に上記回転計ユニットより入力されるオン／オフ信号から上記エンジンが運転中であると判断されるにもかかわらず上記Ａ／Ｄ変換器におけるセンサ出力の取り込みが行われない場合に上記回転角度センサが故障していると判定するようにすることを特徴とするエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定方法。
2. エンジンのクランク軸に取り付けた回転角度センサと、該回転角度センサより出力されるパルス信号をタイミング信号として使用してＡ／Ｄ変換器にエンジン運転状況計測用のセンサのセンサ出力を取り込むようにしてある制御装置と、該制御装置に設けた接点入力回路と、クランク軸の回転検出信号を基にエンジンが運転中か停止中かに応じてオン／オフ信号を上記接点入力回路へ出力するようにしてある回転計ユニットとを備えてなる構成を有することを特徴とするエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定装置。
3. 制御装置を、回転計ユニットより該制御装置の接点入力回路へ入力されるオン／オフ信号を監視して、該接点入力回路に上記回転計ユニットより入力されるオン／オフ信号から上記エンジンが運転中であると判断されるにもかかわらず上記Ａ／Ｄ変換器におけるセンサ出力の取り込みが行われない場合に上記回転角度センサが故障していると判定する機能を有するものとした請求項２記載のエンジン計測タイミング信号発生用回転角度センサの故障判定装置。

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