JP4313734B2 - Monitoring and diagnosis system - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の特定の部位に設置された表面振動センサ及び温度、圧力等の従来センサにより検出される性能データに基づいて内燃機関の各部の異常を検知し故障を診断する監視診断システムに関する。 The present invention relates to a monitoring diagnostic system for detecting an abnormality of each part of an internal combustion engine and diagnosing a failure based on performance data detected by a surface vibration sensor installed at a specific part of the internal combustion engine and a conventional sensor such as temperature and pressure. About.
従来より、内燃機関の故障を予知する装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, an apparatus for predicting a failure of an internal combustion engine has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
この故障予知装置は、機関の各部の振動や温度、発生音等を検出するための複数のセンサと、これらの各センサの検出値の変化を予め各種の異常に応じて設定された標準的な変化傾向と比較し、特定の変化傾向の組み合わせと一致する傾向を示している場合にその変化傾向に該当する箇所の異常と判定する判定手段と、この判定手段による判定結果を予知信号として出力する出力手段とを備えている。 This failure prediction device includes a plurality of sensors for detecting vibration, temperature, generated sound, etc. of each part of the engine, and standard values in which changes in detection values of these sensors are set in advance according to various abnormalities. When a tendency corresponding to a combination of specific change trends is shown in comparison with a change trend, a determination unit that determines that the part corresponding to the change trend is abnormal, and a determination result by the determination unit is output as a prediction signal Output means.
このような構成の故障予知装置によれば、例えば振動センサを主軸受メタルに1個、シリンダブロックに2個、ギアケースに1個、排気マニホールドに1個ずつ設け、温度センサを主軸受メタルの裏側と各気筒の排気管に1個ずつ、潤滑油系に1個設け、音センサを機関の近傍に配置する、というように必要な箇所にそれぞれ必要なセンサを取り付けることにより、例えば、主軸受メタルに取り付けられた振動センサと温度センサとによって主軸受メタルの磨耗状態が判定でき、シリンダブロックに取り付けられた振動センサと主軸受メタルに取り付けられた温度センサとによってクランク軸の亀裂の有無を判定でき、ギアケースに取り付けられた振動センサと機関の近傍に配置された音センサとによってねじりダンパの異常の有無が判定できるようになっている。
しかしながら、上記従来の故障予知装置では、個々の部位に取り付けられた種々のセンサによって個々の部位の故障の予知は可能であるものの、例えばある部位のセンサによる異常の検知が、他の部位の影響によるものである場合に、他の部位の故障まで予知できる構成とはなっていない。つまり、各部位に直接取り付けられたセンサ(例えば、振動センサ)が主として各部位の振動を検知することにより当該部位の故障を予知するためにだけ使用されており、これら複数のセンサの検知出力を総合的に勘案して、内燃機関の故障箇所や故障内容を総合的に判断することまでは行われていなかった。 However, in the above-described conventional failure prediction apparatus, although it is possible to predict failure of each part by using various sensors attached to each part, for example, detection of an abnormality by a sensor at one part is not effective for other parts. Therefore, it is not configured to be able to predict even the failure of other parts. That is, a sensor (for example, a vibration sensor) directly attached to each part is used only for predicting a failure of the part mainly by detecting the vibration of each part. Considering comprehensively, it has not been done to comprehensively judge the location of failure and the content of failure of the internal combustion engine.
また、各部位の状態をセンサによって直接検出する場合、センサ数が多くなるために必然的にコストアップにつながるといった問題があった。 In addition, when the state of each part is directly detected by a sensor, there is a problem that the number of sensors increases, which inevitably leads to an increase in cost.
ところで、熟練した機関長は、聴音棒を使い機関の固体音(振動)の変化を利用して、機関の状態を評価している。換言すると、機関表面振動を用いて機関の状態を把握することが可能と言える。従って、温度、圧力等の従来形センサによる信号を検知項目として構築された監視診断システムに、機関表面振動センサによる信号を新たな検知項目として取り入れることにより、以下の2つのメリットが生まれると考えられる。1つ目のメリットは、従来形のセンサによる検知項目に振動センサによる検知項目が増えることで、診断精度の向上が図れる点であり、2つ目のメリットは、従来形センサでは検知できない機関内部の微小な変化、例えばメタル等の磨耗を検知できるようになると、従来形センサだけによる監視診断システムより高いレベルの予防保全が実践できる点である。 By the way, a skilled engineer evaluates the state of the engine by using a change of a solid sound (vibration) of the engine by using a listening rod. In other words, it can be said that the state of the engine can be grasped using the engine surface vibration. Therefore, it is considered that the following two merits are born by incorporating the signal from the engine surface vibration sensor as a new detection item into the monitoring diagnosis system constructed using the signal from the conventional sensor such as temperature and pressure as the detection item. . The first merit is that the number of items detected by the vibration sensor is increased compared to the items detected by the conventional sensor, so that the diagnostic accuracy can be improved. The second merit is that the engine cannot be detected by the conventional sensor. If it becomes possible to detect the slight change of the metal, for example, wear of metal or the like, it is possible to implement a higher level of preventive maintenance than the monitoring diagnosis system using only conventional sensors.
ここで、本発明者らは、上記の温度、圧力等の従来型センサで構成された監視診断システムをすでに提案している(特願2003−154928号)。この診断監視システムは、内燃機関の各検出部位にそれぞれ取り付けられた温度、圧力等を検出する検出手段と、内燃機関が設置された後の正常運転時の運転初期データに基づいて設定された性能データの正常範囲値を予め格納している正常範囲値データ格納手段と、各検出手段により各検出部位の値を直接的または間接的な手法により検出することによって得られる性能データと正常範囲値データ格納手段に格納されている正常範囲値とを比較することにより、各検出手段より得られた性能データが正常範囲値から外れている場合に異常を検知する異常検知手段と、この異常検知手段での検知結果に基づき、内燃機関の故障箇所と故障内容とを診断する故障診断手段とを備えた構成となっている。 Here, the present inventors have already proposed a monitoring diagnosis system composed of conventional sensors such as the above-mentioned temperature and pressure (Japanese Patent Application No. 2003-1554928). This diagnostic monitoring system is configured based on detection means for detecting temperature, pressure and the like attached to each detection part of the internal combustion engine, and performance set based on initial operation data during normal operation after the internal combustion engine is installed. Normal range value data storage means for storing normal range values of data in advance, and performance data and normal range value data obtained by detecting the value of each detection part by each detection means by a direct or indirect technique By comparing the normal range value stored in the storage means with the abnormality detection means for detecting an abnormality when the performance data obtained from each detection means deviates from the normal range value, On the basis of the detection result, a failure diagnosis means for diagnosing the failure location and the failure content of the internal combustion engine is provided.
すなわち、各計測項目の正常範囲値は、内燃機関(以下単に「機関」ともいう。)が正常かつ現地で稼動させる状態(舶用の場合は海上公試以後)で、機関出力との相関を一度計測、算出することで設定している。そして、このようにして得られた関係式から、機関出力を常時監視することで、各計測項目の正常値をリアルタイムで求めている。 In other words, the normal range value of each measurement item has a correlation with the engine output once in a state in which the internal combustion engine (hereinafter also simply referred to as “engine”) is operating normally and in the case of a ship (after marine public test in the case of ship use) It is set by measuring and calculating. From the relational expression thus obtained, the engine output is constantly monitored to obtain the normal value of each measurement item in real time.
従って、機関表面振動解析のアルゴリズムを従来形センサ(温度センサ、圧力センサ)で構成された上記監視診断システムに統合させることを考えると、各々の振動値は機関の出力との相関で正常範囲値を設定してリアルタイムで表示させる必要がある。 Therefore, considering the integration of the engine surface vibration analysis algorithm into the above-described monitoring / diagnosis system composed of conventional sensors (temperature sensors, pressure sensors), each vibration value is a normal range value in correlation with the engine output. Must be set and displayed in real time.
ここで、本発明者らは、機関の出力と表面振動との間に相関関係があることを実証するために、以下の試験を行った。 Here, the present inventors performed the following tests in order to demonstrate that there is a correlation between the engine output and the surface vibration.
機関の表面振動解析による機関内部の微小変化の検知対象項目は、以下の3項目である。 The items to be detected for minute changes inside the engine by the surface vibration analysis of the engine are the following three items.
(1)動弁系磨耗
(2)主軸受メタル磨耗
(3)ピストン磨耗
これらの項目は、従来から使用されている温度、圧力、流量等のセンサでは異常の検知が困難である項目であり、かつメンテナンスに機関停止など多大な工数が発生するものを基準として設定している。
(1) Valve system wear (2) Main bearing metal wear (3) Piston wear These items are difficult to detect with conventional sensors such as temperature, pressure, flow rate, etc. In addition, it is set based on what requires a lot of man-hours such as engine stoppage for maintenance.
この試験では、実際の機関(仕様の詳細については省略する。)1台を疑似故障試験用として用意した。また、上記3項目について、機関の表面振動で異常を検知するため、最終的に以下の計測位置での計測を試みた。 In this test, one actual engine (details of specifications are omitted) was prepared for a pseudo failure test. In addition, in order to detect abnormalities with the surface vibration of the engine for the above three items, measurement was finally attempted at the following measurement positions.
(1)ライナ中心横のブロック(以下「気筒横ブロック」という。)の表面
(2)気筒のヘッド(以下「気筒ヘッド」という。)の表面
(3)主軸受横のブロック(以下「主軸受横ブロック」という。)の表面
上記計測位置を図70に示す。図70は、6気筒エンジンの概観図である。
(1) Surface of the block next to the center of the liner (hereinafter referred to as “cylinder horizontal block”) (2) Surface of the cylinder head (hereinafter referred to as “cylinder head”) (3) Block next to the main bearing (hereinafter referred to as “main bearing”) Surface of “Horizontal Block”)) The measurement position is shown in FIG. FIG. 70 is an overview of a 6-cylinder engine.
各計測位置での負荷による変化を調査した結果、いずれの計測位置においても負荷の増加に伴って、振動が増加することが確認された。因みに、計測位置が第2気筒横ブロックの表面の場合の、負荷0%、50%、100%のそれぞれの計測結果を図71(a)〜(c)に示す。このような計測結果は、図示は省略しているが他の計測位置においても同様であった。因みに、図71の各図において、図中に記載の1個の数字と2個のアルファベットの組み合わせによる記号は、先頭の数字が各気筒の番号を示しており、「FT」がファイアリングトップ(気筒爆発)、「EC」がイグゾーストバルブのクローズ(排気弁着座)、「SC」がサクションバルブのクローズ(吸気弁着座)を意味している。例えば、図中の「1FT」は第1気筒の爆発タイミング位置を示し、「6EC」は第6気筒の排気弁着座タイミング位置を示し、「2SC」は第2気筒の吸気弁着座タイミング位置を示している。このような記号の意味は、後に出てくる各図の計測結果においても同様である。
As a result of investigating the change due to the load at each measurement position, it was confirmed that the vibration increased with the increase in the load at any measurement position. Incidentally, the respective measurement results of
以上の結果より、各検出対象部位の振動値は、機関の出力との相関で正常範囲値を設定してリアルタイムで表示させることが可能であることが実証された。 From the above results, it was proved that the vibration value of each detection target part can be displayed in real time by setting a normal range value by correlation with the output of the engine.
本発明はこのような実証結果を踏まえて創案されたもので、その目的は、内燃機関表面の特定部位に取り付けられた表面振動センサにより検出される表面振動の性能データに対して、表面振動センサの特性等を考慮しつつ予め定められた手法によって異常の有無を検知し、異常が見つかった場合にはその異常の種類から総合的に判断して故障箇所と故障内容とを診断することにより、内燃機関の故障をいち早くかつより精度よく診断することのできる監視診断システムを提供することにある。 The present invention was devised in view of such verification results, and the purpose of the present invention is to provide surface vibration sensors for surface vibration performance data detected by surface vibration sensors attached to specific parts of the internal combustion engine surface. By detecting the presence or absence of abnormality by a predetermined method while taking into account the characteristics etc., if abnormality is found, by comprehensively judging from the type of abnormality and diagnosing the failure location and failure content, An object of the present invention is to provide a monitoring / diagnosis system capable of quickly and accurately diagnosing a failure of an internal combustion engine.
上記課題を解決するため、本発明に係わる内燃機関の監視診断システムは、内燃機関の正常運転時の運転データに基づいて設定された検出対象部位の振動性能データの正常範囲値を予め格納している正常範囲値データ格納手段と、前記内燃機関表面の1または複数の振動計測部位に取り付けられた表面振動センサと、この表面振動センサによる振動波形の信号を気筒の燃焼1サイクルの期間単位で順次取り込むとともに、取り込んだ期間単位のデータを周波数分析し、その分析結果から実効値を求めるフィルタ処理手段と、このフィルタ処理手段にて求められた実効値と前記正常範囲値データ格納手段に格納されている正常範囲値とを比較することにより、前記実効値が前記正常範囲値から外れている場合に異常を検知する異常検知手段と、この異常検知手段での検知結果に基づき、前記内燃機関の故障箇所と故障内容とを診断する故障診断手段と、を備えた構成としてもよい。 In order to solve the above-described problems, an internal combustion engine monitoring and diagnosis system according to the present invention stores in advance a normal range value of vibration performance data of a detection target portion set based on operation data during normal operation of the internal combustion engine. Normal range value data storage means, a surface vibration sensor attached to one or a plurality of vibration measurement parts on the surface of the internal combustion engine, and a signal of a vibration waveform by the surface vibration sensor in units of a period of one combustion cycle of the cylinder In addition to capturing, the frequency analysis is performed on the data of the captured period unit, and an effective value is obtained from the analysis result, and the effective value obtained by the filter processing means and the normal range value data storage means are stored. An abnormality detection means for detecting an abnormality when the effective value deviates from the normal range value by comparing with a normal range value; Based on the in abnormality detection means detection result, a failure diagnosis means for diagnosing a fault condition and fault location of the internal combustion engine, it may be configured to include.
また、本発明に係わる内燃機関の監視診断システムは、内燃機関の正常運転時の運転データに基づいて設定された検出対象部位の振動性能データの正常範囲値を予め格納している正常範囲値データ格納手段と、前記内燃機関表面の1または複数の振動計測部位に取り付けられた表面振動センサと、この表面振動センサによる振動波形の信号を気筒の燃焼1サイクルの期間単位で順次取り込むとともに、この振動波形の信号からさらに検出対象部位の振動を検出できる所定のタイミングにて信号波形を切り出す時間ゲート手段と、この時間ゲート手段により切り出されたデータを周波数分析し、その分析結果から実効値を求めるフィルタ処理手段と、このフィルタ処理手段にて求められた実効値と前記正常範囲値データ格納手段に格納されている正常範囲値とを比較することにより、前記実効値が前記正常範囲値から外れている場合に異常を検知する異常検知手段と、この異常検知手段での検知結果に基づき、前記内燃機関の故障箇所と故障内容とを診断する故障診断手段と、を備えた構成としてもよい。すなわち、上記構成の監視診断システムにおいて、時間ゲート手段をさらに追加した構成となっている。 Further, the internal combustion engine monitoring and diagnosis system according to the present invention is a normal range value data in which normal range values of vibration performance data of a detection target portion set based on operation data during normal operation of the internal combustion engine are stored in advance. A storage means, a surface vibration sensor attached to one or a plurality of vibration measurement parts on the surface of the internal combustion engine, and a vibration waveform signal from the surface vibration sensor are sequentially taken in a unit of period of one combustion cycle of the cylinder, and this vibration Time gate means for cutting out the signal waveform at a predetermined timing that can further detect vibration of the detection target part from the waveform signal, and a filter for performing frequency analysis on the data cut out by the time gate means and obtaining an effective value from the analysis result Stored in the processing means, the effective value obtained by the filter processing means, and the normal range value data storage means. Comparing with a normal range value, an abnormality detection means for detecting an abnormality when the effective value is out of the normal range value, and a failure location of the internal combustion engine based on the detection result of the abnormality detection means And failure diagnosis means for diagnosing the failure content . That is, in the monitoring diagnosis system having the above-described configuration , a time gate means is further added.
内燃機関が例えば4サイクル機関である場合、1燃焼サイクルはクランク軸2回転(クランク角度720度)に該当する。その結果、1サイクル内でのタイミングチャートをもとに時系列で現象を捉えることができる。つまり、対象とする現象を1サイクル単位で処理できることになる。
When the internal combustion engine is a four-cycle engine, for example, one combustion cycle corresponds to two rotations of the crankshaft (
具体的には、連続して入力される時間データを第1気筒燃焼トップ信号(回転トップパルス:1FTDC)をトリガにして、燃焼1サイクル毎の処理ができるように時間データを区切り、この燃焼1サイクル単位で表面振動センサによる振動波形の信号を取り込む。この場合、時間ゲート手段により、燃焼サイクル毎に区切られた時間データから、1FTDCを基準として、必要とする任意の区間で時間データをさらに切り出すようにしてもよい。そして、このようにして切り出された時間データの振動波形の信号を周波数分析(フィルタ処理)し、周波数分析結果に周波数軸上でバンドパスフィルタをかけて、部分和(パーシャルオーバーオール:実効値RMS)を求め、このRMS値を、異常検知手段に入力する。 Specifically, time data that is continuously input is triggered by a first cylinder combustion top signal (rotational top pulse: 1 FTDC) as a trigger, and the time data is divided so that processing can be performed for each combustion cycle. The vibration waveform signal from the surface vibration sensor is taken in cycle units. In this case, the time data may be further cut out from the time data divided for each combustion cycle by the time gate means in any necessary section with 1FTDC as a reference. A frequency waveform analysis (filtering process) is performed on the vibration waveform signal of the time data cut out in this way, and a bandpass filter is applied to the frequency analysis result on the frequency axis to obtain a partial sum (partial overall: effective value RMS). And the RMS value is input to the abnormality detection means.
一方、異常検知手段では、リアルタイムに適当な正常値を求めるために、以下に示すアルゴリズムを適用している。まず図72に示す通り、機関出力(電力)と各計測値の相関を予め求めておく。その後、出力をリアルタイムで計測すれば、同時に各計測項目の正常値が求められる。 On the other hand, the abnormality detection means applies the following algorithm in order to obtain an appropriate normal value in real time. First, as shown in FIG. 72, the correlation between the engine output (electric power) and each measured value is obtained in advance. After that, if the output is measured in real time, the normal value of each measurement item is obtained at the same time.
例えば、図73に示すように、機関出力より算出された正常値101に、図中斜線を付して示すように上下限の正常範囲(実際は「注意」と「警報」の2水準で検知)を設定し、計測値がこの範囲を超えた場合に異常とみなす。
For example, as shown in FIG. 73, the
故障診断手段は、この異常検知手段での検知結果に基づき、後述する診断マップやガイダンスマップを参照して内燃機関の故障箇所と故障内容とを診断する。 The failure diagnosis means diagnoses the failure location and the failure content of the internal combustion engine with reference to a diagnosis map and a guidance map described later based on the detection result of the abnormality detection means.
ここで、表面振動センサが取り付けられる振動計測部位は、隣接配置されている3個の気筒のうち中央部に位置している気筒の横ブロックの1箇所であり、この部位に取り付けられた表面振動センサによる検出対象部位は、隣接配置されている上記3個の気筒の動弁系の振動である。また、表面振動センサが取り付けられる振動計測部位は、各気筒のヘッドの1箇所であり、この部位に取り付けられた表面振動センサによる検出対象部位は、各気筒の動弁系の振動である。さらに、表面振動センサが取り付けられる振動計測部位は、任意の気筒(より好ましくは、複数の気筒のうち中央部に位置している気筒)の主軸受横ブロックの1箇所であり、この部位に取り付けられた表面振動センサによる検出対象部位は、各気筒の主軸受メタル部分の振動である。これら表面振動センサの振動計測部位と検出対象部位との関係は、後述する疑似故障試験によって求めたものである。 Here, the vibration measurement part to which the surface vibration sensor is attached is one of the horizontal blocks of the cylinder located in the center among the three cylinders arranged adjacent to each other, and the surface vibration attached to this part. The site to be detected by the sensor is the vibration of the valve train of the three cylinders arranged adjacent to each other. The vibration measurement part to which the surface vibration sensor is attached is one part of the head of each cylinder, and the detection target part by the surface vibration sensor attached to this part is vibration of the valve train of each cylinder. Further, the vibration measurement part to which the surface vibration sensor is attached is one place of the main bearing lateral block of an arbitrary cylinder (more preferably, a cylinder located at the center of the plurality of cylinders), and the vibration measurement part is attached to this part. The portion to be detected by the surface vibration sensor is vibration of the main bearing metal portion of each cylinder. The relationship between the vibration measurement region and the detection target region of these surface vibration sensors is obtained by a pseudo failure test described later.
また、表面振動センサが取り付けられる振動計測部位は、気筒のライナの1箇所であり、この部位に取り付けられた表面振動センサによる検出対象部位は、当該気筒のピストン部分の振動である。また、表面振動センサが取り付けられる振動計測部位は、気筒の横ブロックの1箇所であり、この部位に取り付けられた表面振動センサによる検出対象部位は、当該気筒のピストン部分の振動である。これら表面振動センサの振動計測部位と検出対象部位との関係は、後述する疑似故障試験によって求めたものである。 The vibration measurement part to which the surface vibration sensor is attached is one part of the liner of the cylinder, and the part to be detected by the surface vibration sensor attached to this part is vibration of the piston part of the cylinder. The vibration measurement part to which the surface vibration sensor is attached is one part of the horizontal block of the cylinder, and the detection target part by the surface vibration sensor attached to this part is vibration of the piston part of the cylinder. The relationship between the vibration measurement region and the detection target region of these surface vibration sensors is obtained by a pseudo failure test described later.
また、本発明に係わる内燃機関の監視診断システムは、前記内燃機関内部の各検出部位にそれぞれ取り付けられた温度、圧力等を検出する第1検出手段と、前記内燃機関表面の1または複数の振動計測部位に取り付けられた表面振動を検出する第2検出手段と、前記内燃機関が設置された後の正常運転時の運転初期データに基づいて設定された性能データの正常範囲値を予め格納している正常範囲値データ格納手段と、前記第2検出手段による振動波形の信号を気筒の燃焼1サイクルの期間単位で順次取り込むとともに、取り込んだ期間単位のデータを周波数分析し、その分析結果から実効値を求めるフィルタ処理手段と、前記各第1検出手段により各検出部位の値を直接的または間接的な手法により検出することによって得られる性能データと前記正常範囲値データ格納手段に格納されている正常範囲値とを比較することにより、前記各検出手段より得られた性能データが正常範囲値から外れている場合に異常を検知するとともに、前記フィルタ処理手段にて求められた実効値と前記正常範囲値データ格納手段に格納されている正常範囲値とを比較することにより、前記実効値が前記正常範囲値から外れている場合に異常を検知する異常検知手段と、この異常検知手段での検知結果に基づき、前記内燃機関の故障箇所と故障内容とを診断する故障診断手段と、を備えた構成としてもよい。 The monitoring and diagnosis system for an internal combustion engine according to the present invention includes a first detection means for detecting temperature, pressure and the like attached to each detection portion inside the internal combustion engine, and one or more vibrations on the surface of the internal combustion engine. A second detection means for detecting surface vibration attached to the measurement site, and a normal range value of performance data set based on initial operation data during normal operation after the internal combustion engine is installed; The normal waveform value data storage means and the vibration waveform signal from the second detection means are sequentially fetched in units of periods of one combustion cycle of the cylinder, the frequency data of the fetched period units is analyzed, and the effective value is obtained from the analysis result. Filter processing means for obtaining the performance data obtained by detecting the value of each detection site by the first detection means by a direct or indirect technique. By comparing the normal range value stored in the normal range value data storage means and the performance data obtained from each detection means is out of the normal range value, the abnormality is detected, Abnormality is detected when the effective value deviates from the normal range value by comparing the effective value obtained by the filter processing means with the normal range value stored in the normal range value data storage means. It is also possible to have a configuration comprising an abnormality detecting means for performing the diagnosis and a failure diagnosing means for diagnosing the failure location and content of the internal combustion engine based on the detection result of the abnormality detecting means .
このような構成とすれば、正常範囲値データ格納手段に格納される正常範囲値のデータは、実稼働する作業場に内燃機関が設置された後の正常運転時の運転初期データに基づいて設定されている。これにより、各内燃機関の設置状況に応じた適正な正常範囲値が設定されることになり、このように設定された圧力や温度等の正常範囲値と、圧力センサや温度センサ等の各第1検出手段より得られた圧力及び温度に関する性能データとを比較するとともに、設定された振動の正常範囲値と、表面振動センサである各第2検出手段より得られた表面振動に関する性能データとを比較することで、その内燃機関の異常検知の精度を上げることが可能となる。 Such a configuration and to lever, the data of the normal range values stored in the normal range value data storage means, set based on the initial operation data during normal operation after the engine is installed in the workplace of production Has been. As a result, an appropriate normal range value according to the installation status of each internal combustion engine is set, and the normal range value such as pressure and temperature set in this way, and each of the pressure sensor and temperature sensor etc. The performance data related to pressure and temperature obtained from one detection means is compared, and the set normal range value of vibration and the performance data related to surface vibration obtained from each second detection means which is a surface vibration sensor. By comparing, it is possible to improve the accuracy of abnormality detection of the internal combustion engine.
また、本発明に係わる内燃機関の監視診断システムは、前記内燃機関内部の各検出部位にそれぞれ取り付けられた温度、圧力等を検出する第1検出手段と、前記内燃機関表面の1または複数の振動計測部位に取り付けられた表面振動を検出する第2検出手段と、前記内燃機関が設置された後の正常運転時に前記各第1検出手段で検出された運転初期データに対して移動平均処理を施すことによって機関出力の時間変化に一致させた正常時データを求め、この正常時データに許容値幅を設定した性能データの正常範囲値を予め格納しているとともに、前記内燃機関が設置された後の正常運転時に前記各第2検出手段で検出された振動値と機関出力との相関により求めた正常時データに許容値幅を設定した正常範囲値を予め格納している正常範囲値データ格納手段と、前記第2検出手段による振動波形の信号を気筒の燃焼1サイクルの期間単位で順次取り込むとともに、この振動波形の信号からさらに検出対象部位の振動を検出できる所定のタイミングにて信号波形を切り出す時間ゲート手段と、この時間ゲート手段により切り出されたデータを周波数分析し、その分析結果から実効値を求めるフィルタ処理手段と、前記各第1検出手段により各検出部位の値を直接的または間接的な手法により検出することによって得られる性能データと前記正常範囲値データ格納手段に格納されている正常範囲値とを比較することにより、前記各第1検出手段より得られた性能データが正常範囲値から外れている場合に異常を検知するとともに、前記フィルタ処理手段にて求められた実効値と前記正常範囲値データ格納手段に格納されている前記振動の正常範囲値とを比較することにより、前記実効値が前記正常範囲値から外れている場合に異常を検知する異常検知手段と、この異常検知手段での検知結果に基づき、前記内燃機関の故障箇所と故障内容とを診断する故障診断手段と、を備えたことを特徴とする。 The monitoring and diagnosis system for an internal combustion engine according to the present invention includes a first detection means for detecting temperature, pressure and the like attached to each detection portion inside the internal combustion engine, and one or more vibrations on the surface of the internal combustion engine. second detection means for detecting a surface vibration, which is attached to the measurement site, moving average processing on the detected operating initialized data in the respective first detecting means at the time of normal operation after the engine is installed the determined normal time data to match the time variation of the engine output by the facilities Succoth, with stores in advance a normal range value of the performance data set an allowable width in this normal state data, the internal combustion engine is installed normal range stored in advance a normal range value set an allowable width in a normal time data obtained by the correlation between the engine output detected vibration values in the respective second detector means during normal operation after the The signal of the vibration waveform from the data storage means and the second detection means is sequentially fetched in units of one cycle of combustion of the cylinder, and the signal at a predetermined timing at which the vibration of the detection target portion can be further detected from the vibration waveform signal. The time gate means for cutting out the waveform, the frequency analysis of the data cut out by the time gate means, the filter processing means for obtaining the effective value from the analysis result, and the value of each detection site directly by the first detection means Alternatively, by comparing the performance data obtained by detection by an indirect method with the normal range value stored in the normal range value data storage means, the performance data obtained from each of the first detection means is An abnormality is detected when the value falls outside the normal range value, and the effective value obtained by the filter processing means and the positive value are detected. By comparing the normal range value of the vibration that is stored in the value range data storage means, and abnormality detection means for the effective value to detect an abnormality if they deviate from the normal range value, the abnormality detecting means And a failure diagnosing means for diagnosing the failure location and the failure content of the internal combustion engine based on the detection result at 1.
このような特徴を有する本発明によれば、正常範囲値データ格納手段に格納される正常範囲値のデータは、実稼働する作業場に内燃機関が設置された後の正常運転時の運転初期データに基づいて設定されている。これにより、各内燃機関の設置状況に応じた適正な正常範囲値が設定されることになり、このように設定された圧力や温度等の正常範囲値と、圧力センサや温度センサ等の各第1検出手段より得られた圧力及び温度に関する性能データとを比較するとともに、設定された振動の正常範囲値と、表面振動センサである各第2検出手段より得られた表面振動に関する性能データとを比較することで、その内燃機関の異常検知の精度を上げることが可能となる。 According to the present invention having such a feature, the data of the normal range value stored in the normal range value data storage means is the initial operation data during normal operation after the internal combustion engine is installed in the work site that is actually operated. Is set based on. As a result, an appropriate normal range value according to the installation status of each internal combustion engine is set, and the normal range value such as pressure and temperature set in this way, and each of the pressure sensor and temperature sensor etc. The performance data related to pressure and temperature obtained from one detection means is compared, and the set normal range value of vibration and the performance data related to surface vibration obtained from each second detection means which is a surface vibration sensor. By comparing, it is possible to improve the accuracy of abnormality detection of the internal combustion engine.
本発明の監視診断システムによれば、検知項目として、温度センサや圧力センサ等の従来形センサによる信号の検知項目に、機関表面振動センサによる信号を新たな検知項目として加えることにより、診断精度の向上を図ることができるとともに、従来形センサだけでは検知できない機関内部の微小な変化、例えばメタル等の磨耗を検知できるようになるため、より高いレベルの予防保全が実践できるといった特有の効果を奏する。 According to the monitoring diagnosis system of the present invention, the detection accuracy can be improved by adding a signal from the engine surface vibration sensor as a new detection item to a detection item of a signal from a conventional sensor such as a temperature sensor or a pressure sensor. In addition to being able to improve, it is possible to detect minute changes inside the engine that cannot be detected by conventional sensors alone, such as wear of metal, etc., and thus have a unique effect that a higher level of preventive maintenance can be practiced. .
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の監視診断システムは、本発明者らが先に提案している基本となる監視診断システム(以下「基本監視診断システム」という。)に組み込むことでより優れた効果を発揮する。従って、本実施形態では、まずこの基本監視診断システムについてその全体を説明し、その後、本発明の監視診断システムの特徴(基本監視診断システムに追加した部分)について説明する。 The monitoring diagnosis system of the present invention exhibits a more excellent effect by being incorporated in the basic monitoring diagnosis system (hereinafter referred to as “basic monitoring diagnosis system”) previously proposed by the present inventors. Therefore, in the present embodiment, the whole of the basic monitoring diagnostic system will be described first, and then the characteristics of the monitoring diagnostic system of the present invention (part added to the basic monitoring diagnostic system) will be described.
−基本監視診断システムの説明−
図2は、基本監視診断システムのシステム構成を示す機能ブロック図である。
-Explanation of basic monitoring and diagnosis system-
FIG. 2 is a functional block diagram showing the system configuration of the basic monitoring diagnosis system.
この基本監視診断システムは、大別すると、内燃機関及び発電機等の被駆動機(以下、「内燃機関」と称す)10の検知部位に設けられた各種センサ群1〜4、データ収集部5、異常検知部6、故障診断部7、正常範囲値データ格納部8、診断マップ格納部9a、ガイダンスマップ格納部9bにより構成されている。
This basic monitoring / diagnostic system can be broadly divided into
温度センサ群1の各温度センサ1aは、主軸受メタルの裏側、各気筒の排気管、潤滑油系、冷却水系などの必要箇所に必要個数取り付けられており、圧力センサ群2の各圧力センサ2aは、主に潤滑油系、冷却水系、吸入空気系、燃料供給系及びシリンダブロックのクランク室などの必要箇所に必要個数取り付けられており、流量センサ群3の各流量センサ3aは潤滑油系や燃料供給系などの必要箇所に必要個数取り付けられており、振動センサ群4の各振動センサ4aは、主軸受メタル、シリンダブロック、ギアケース、排気マニホールドなどの必要箇所に必要個数取り付けられている。
Each
このような各センサ群1〜4の取り付け自体は、内燃機関の分野においては従来から行われていることであり、特に目新しいことではない。また、これらの各センサ1a〜4aからデータを収集すること自体も従来から行われていることである。ただし、この基本監視診断システムでは、後述するように、任意のセンサの検知による性能データの検出方法に工夫を凝らせている。
Such attachment of the
このような各センサ群1〜4により検出された性能データは、データ収集部5によって収集された後、異常検知部6に送られる。
The performance data detected by each of the
異常検知部6では、データ収集部5を介して得られる各センサ1a〜4aからの性能データと出力に重み付き移動平均処理して、正常範囲値データ格納部8に格納されている正常範囲値(これについては後述する)とを比較することにより、各センサ1a〜4aより得られた性能データが正常範囲値から外れている場合に異常を検知する。
In the
故障診断部7は、この異常検知部6での検知結果に基づき、診断マップ格納部9aに格納されている診断マップ(これについては後述する)を参照して、内燃機関10の故障箇所と故障内容とを診断し、その診断結果を出力する。また、故障診断部7は、診断マップから検索した故障名に基づき、ガイダンスマップ格納部9bに格納されているガイダンスマップ(これについても後述する)から対策情報を抽出し、診断結果として出力する。
The
図3は、本実施形態における内燃機関10の構造の一例を示している。
FIG. 3 shows an example of the structure of the
本実施形態の内燃機関10は、エンジン部11と発電機12とが筐体20内に一体に組み込まれたいわゆるパッケージ形発電機である。筐体(パッケージ)20の右上部には、外部の空気を筐体20内部に取り入れるための吸入口21が設けられており、吸入口21から取り入れられた空気の一部は、エアクリーナ13を介してエンジン部11で燃料を燃焼させた後、ターボチャージャ(T/C)14に導かれている。エンジン部11には、FOポンプ(図示省略)、FOフィルタ、LO(潤滑油)フィルタ、フィードポンプ(図示省略)、ラジエータなどが収容されているとともに、エンジン部11のクランクシャフトを介して駆動されるラジエータファン15が取り付けられており、ラジエータファン15の下流側の筐体(パッケージ)20に、内部空気を外部に放出するための導出口22が設けられている。
The
<正常範囲値データ格納部8に格納される正常範囲値の説明>
正常範囲値データ格納部8に格納される正常範囲値のデータは、内燃機関10が設置された後の正常運転時の運転初期データに基づいて設定される。すなわち、内燃機関10は、設置場所や設置環境等によって正常運転時に得られる運転データが異なる。例えば、冬の厳しい北海道で使用する場合と、夏の暑い沖縄で使用する場合とでは、正常運転時に得られる運転データは当然に異なることになる。そのため、本基本監視診断システムでは、正常範囲値データ格納部8に格納する正常範囲値のデータを、内燃機関10を設置した後の正常運転時に得られる運転初期データに基づいて設定する。これにより、内燃機関10の設置状況に応じた適正な正常範囲値が設定されることになる。
<Description of Normal Range Value Stored in Normal Range Value
The normal range value data stored in the normal range value
この正常範囲値の設定方法を、内燃機関10の排気温度と機関出力との関係に着目して具体的に説明する。
This normal range value setting method will be specifically described by paying attention to the relationship between the exhaust temperature of the
この正常範囲値のデータは、設置される内燃機関10の外部環境条件(大気温度、気圧、湿度、冷却水温度等)と内燃機関10の出力の大きさとに基づいて、正常値を、下式(1)〜(4)のように数式化する。
The data of the normal range value is expressed as the normal value based on the external environmental conditions (atmospheric temperature, atmospheric pressure, humidity, cooling water temperature, etc.) of the installed
なお、この正常範囲値による異常検知の手法については、上記で説明した内燃機関10の排気温度に限らず、給気圧力、冷却水の温度及び圧力、海水の圧力、潤滑油の温度及び圧力、燃料油の圧力及び流量など検出する大部分のデータに適用する。
The abnormality detection method based on the normal range value is not limited to the exhaust gas temperature of the
<異常検知部6の説明>
図4は、内燃機関10の正常運転時に得られる運転初期データの一例であり、排気温度(℃)と内燃機関10の出力(kW)との関係を示している。従来は、最大出力に対する排気温度を基に上限温度を設定し、この上限温度を超えたときに異常と判断していたが、本実施形態では、この運転初期データを、上記数式(1)〜(4)に当てはめて正常範囲値(正常範囲幅)を計算している。
<Description of
FIG. 4 is an example of initial operation data obtained during normal operation of the
図5は、計算により求めた正常範囲値(図中、斜線を付して示す幅)を図4に示す運転初期データに重ね合わせて示したグラフである。すなわち、本実施形態の異常検知部6では、内燃機関10の出力(以下、「機関出力」ともいう。)に対して、排気温度がその機関出力に対する正常範囲値(斜線部分)内にある場合には正常と判断し、この正常範囲値を超えた場合に異常を検知する。
FIG. 5 is a graph in which normal range values obtained by calculation (width shown by hatching in the figure) are superimposed on the initial operation data shown in FIG. That is, in the
<重み付き移動平均の説明>
ここで、機関出力が安定せず、出力の時間変化が大きい場合には、時間遅れのある性能データの正常範囲値を、変化の早い出力から単純に上記数式(1)〜(4)を用いて求めたのでは誤差が大きく、異常検知の精度が落ちることになる。そこで、本実施形態では、次のようにして異常検知の精度向上を図っている。
<Description of weighted moving average>
Here, when the engine output is not stable and the time change of the output is large, the normal range value of the performance data with time delay is simply used from the output with the fast change, using the above formulas (1) to (4). Thus, the error is large, and the accuracy of abnormality detection is reduced. Therefore, in this embodiment, the accuracy of abnormality detection is improved as follows.
すなわち、温度センサ1aより得られる性能データと、それの正常値計算に用いる出力に重み付き移動平均処理して得られたデータを用いている。この場合、重み付き移動平均処理は、温度センサ1aより得られる性能データと出力の時間変化を一致させるように設定する。出力に対して時間遅れの大きい(変化の遅い)性能データには少ない移動平均数で移動平均処理を行う一方、正常値計算に用いる出力は多い移動平均数で移動平均処理を行うように構成する。このように性能と出力の時間変化を一致させることで、正常範囲の誤差を少なくし、異常検知の精度の向上を図っている。
That is, performance data obtained from the
図6は、機関出力(kW)と排気温度のタイミングチャートを示している。負荷変動の大きい機関出力に対して性能データである排気温度は時間遅れのあるデータとなっている。時間遅れは、特にエンジンの起動時と停止時に(すなわち、過渡状態において)顕著に現れる。そのため、エンジンの起動時や停止時も含めて、出力変化の大きい過渡状態では、この時間遅れを考慮しなければ、正しい異常検知が行えない。 FIG. 6 shows a timing chart of the engine output (kW) and the exhaust temperature. Exhaust temperature, which is performance data for engine output with large load fluctuations, is data with a time delay. The time delay is particularly noticeable when the engine is started and stopped (ie, in a transient state). Therefore, in a transient state where the output change is large, including when the engine is started and stopped, correct abnormality detection cannot be performed unless this time delay is taken into consideration.
図7は、図6に示すグラフで負荷変動の大きい時の機関出力と排気温度との関係(図6中、破線で囲んだ部分)を時間軸を拡大して示したものであり、移動平均処理を行う前の状態である。因みに、図中の移動平均(出力:1,排温:1)とは、出力も排気温度も移動平均処理を行っていない(すなわち、出力及び排気温度共に移動平均数=1)ことを示している。ここで、上記数式(1)〜(4)を用いて計算した機関出力に対する排気温度の正常範囲値(正常範囲幅)は、図7に細い実線の波形幅で示すように、機関出力の変動に応じて不規則に変動している。そして、このグラフに、排気温度を検出する温度センサにより検知された排気温度データ(図中、符号81により示す)を重ね合わせると、排気温度に異常が無くても、図中の丸囲み部分及び黒丸部分で排気温度データが正常範囲値からはみ出す結果、この部分で異常を検知(誤検知)してしまうことになる。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the engine output and the exhaust gas temperature when the load fluctuation is large in the graph shown in FIG. 6 (the portion surrounded by a broken line in FIG. 6) with the time axis expanded. This is the state before processing. Incidentally, the moving average (output: 1, exhaust temperature: 1) in the figure indicates that neither the output nor the exhaust temperature is subjected to the moving average process (that is, the moving average number is 1 for both the output and the exhaust temperature). Yes. Here, the normal range value (normal range width) of the exhaust temperature with respect to the engine output calculated using the above formulas (1) to (4) is the fluctuation of the engine output as shown by the thin solid line waveform width in FIG. It fluctuates irregularly depending on. When the exhaust temperature data (indicated by
これに対し、図8は、機関出力及び排気温度の両方を、同数(出力及び排気温度共に同じ移動平均数)で移動平均処理を行った結果を示している。移動平均処理を行った結果、排気温度の実測データ81と出力の変化が平均化され、図7に示した場合に比べて誤検知の回数が減っている。しかしながら、このような性能と出力の同数の移動平均処理では、両者の時間変化は一致せず、図中の黒丸部分で排気温度データ81が正常範囲値からはみ出す結果、この部分で異常を検知(誤検知)することになる。
On the other hand, FIG. 8 shows a result of performing the moving average process with the same number of both engine output and exhaust temperature (the same moving average number for both output and exhaust temperature). As a result of the moving average process, the actual exhaust
これに対し、図9は、機関出力及び排気温度の両方を、異なる数(出力の移動平均数=60、排気温度の移動平均数=1)で移動平均処理を行った結果を示している。このような重み付き移動平均処理を行った結果、排気温度の実測データと正常範囲値の変化の時間遅れがほぼ一致したものとなっており、図8に示した場合に比べて異常検知の精度が大きく改善され、誤検知の回数が0回となっており、出力変動が大きいときの異常検知の精度が向上している。なお、図9には移動平均処理をしていない機関出力(符号98により示す)も参考に示している。 On the other hand, FIG. 9 shows the result of performing the moving average process with different numbers of both engine output and exhaust temperature (moving average number of outputs = 60, moving average number of exhaust temperatures = 1). As a result of such weighted moving average processing, the actual exhaust gas temperature data and the time delay of the change in the normal range value are almost the same, and the accuracy of abnormality detection is higher than that shown in FIG. Is greatly improved, the number of false detections is 0, and the accuracy of abnormality detection when the output fluctuation is large is improved. In FIG. 9, the engine output (indicated by reference numeral 98) that has not been subjected to moving average processing is also shown for reference.
因みに、図10は別の事例を示しており、エンジン起動時の機関出力と排気温度との関係を示したものである。 Incidentally, FIG. 10 shows another example, which shows the relationship between the engine output and the exhaust temperature when the engine is started.
図11は図10の起動時(破線で囲んだ部分)を時間軸を拡大して示しており、機関出力及び排気温度の両方を、同数(出力及び排気温度共に移動平均数=10)で移動平均処理を行った結果を示している。この場合、図中の白丸部分83で排気温度データ82が正常範囲値からはみ出す結果、この部分で異常を検知(誤検知)してしまうことになる。
FIG. 11 shows the start-up time of FIG. 10 (the portion surrounded by a broken line) with the time axis enlarged, and both the engine output and the exhaust temperature are moved by the same number (moving average number of both the output and the exhaust temperature = 10). The result of the average processing is shown. In this case, as a result of the
これに対し、図12は、機関出力及び排気温度を、重み付き移動平均処理(出力の移動平均数=20、排気温度の移動平均数=1)で移動平均処理を行った結果を示している。このように重み付き移動平均処理を行った結果、正常範囲値の変化が排気温度の実測データ82の時間遅れを考慮したものとなっている。つまり、図11に示した場合に比べて異常検知の精度が大きく改善されて誤検知の回数が0回となっており、異常検知の精度が向上している。
On the other hand, FIG. 12 shows the result of performing the moving average process on the engine output and the exhaust temperature by the weighted moving average process (moving average number of outputs = 20, moving average number of exhaust temperatures = 1). . As a result of performing the weighted moving average process in this way, the change in the normal range value takes into account the time delay of the actual measured
<性能データの検出に関する本実施形態の説明>
(1)燃料供給系の燃料油圧の検出
燃料供給系に設けられる圧力センサ2aでは、配管内燃料の燃料(FO)ポンプの噴射に伴う圧力変動を考慮せずに燃料圧力を検出した場合には、誤検知が頻繁に発生することになる。
<Description of this embodiment regarding detection of performance data>
(1) Detection of fuel oil pressure in the fuel supply system When the
図13は、図3に示すエンジン部11の燃料供給系の概略図である。
FIG. 13 is a schematic diagram of a fuel supply system of the
燃料供給系は、図示しない燃料タンクと燃料ポンプ(FOポンプ)31に設けられたフィードポンプ32の入力側とが第1配管34によって接続され、フィードポンプ32の出力側とFOフィルタ33の入力側とが第2配管35によって接続され、FOフィルタ33の出力側とFOポンプ31の入力側とが第3配管36によって接続されている。そして、FOポンプ31の出力側が第4配管37を介して図示しない燃料タンクに接続された構成となっている。
In the fuel supply system, a fuel tank (not shown) and an input side of a
このような構成の燃料供給系においては、任意の配管(例えば、第3配管36)に燃料油圧を測定するための圧力センサ2aが取り付けられている。しかしながら、FOフィルタ33後の燃料油圧には、スピルにより大きな圧力変動がある。そのため、この圧力変動が原因で、圧力測定の精度が低下し、圧力センサ2aの寿命も低下することになる。
In the fuel supply system having such a configuration, a
そこで、本実施形態では、FOフィルタ33直後の第3配管36部分を分岐して、絞りφ0.3の圧力取出管38を接続し、この圧力取出管38に圧力センサ2aを接続している。すなわち、圧力取出管38に絞りφ0.3の細孔部38aを設けることにより、配管内燃料の燃料ポンプ31の噴射に伴う圧力変動を減衰させて平均的な燃料圧力を測定する構成としている。
Therefore, in the present embodiment, the
図14は、圧力センサ2aによって配管内の燃料油圧を測定した結果の一例を示している。圧力取出管38に細孔部38aを設けない場合には、図中符号91で示すように、0.2〜0.4MPaの範囲で圧力変動が生じているが、絞りφ0.3の細孔部38aを設けた場合、図中符号92で示すように、圧力変動が改善されており、平均的な燃料圧力の測定が可能となっている。この例では、絞りφ0.3の細孔部38aを圧力取出管38に設けることで、圧力変動を0.02MPa以下に低減できている。このように、配管内燃料の燃料ポンプ31の噴射に伴う圧力変動を減衰させることにより、燃料圧力の検出精度と圧力センサ2aの耐久性を向上させることができる。
FIG. 14 shows an example of the result of measuring the fuel oil pressure in the pipe by the
(2)クランク室内圧によるブローバイ検出
エンジン11のクランク室の圧力を測定する圧力センサ2aでは、クランク室内のピストンやクランクの運動に伴う圧力変動を考慮せずにクランク室圧力を検出した場合には、誤検知が頻繁に発生することになる。
(2) Blow-by detection by crank chamber pressure When the
図15は、クランク室の圧力を測定する系の概略図であり、本発明の一例として、エンジン11の図示しないクランク室への給油口41部分を分岐して、絞りφ0.2の圧力取出管42を接続し、この圧力取出管42に圧力センサ2aを接続している。すなわち、圧力取出管42に絞りφ0.2の細孔部42aを設けることにより、クランク室内のピストンやクランクの運動に伴う圧力変動を減衰させて平均的なクランク室圧力を測定する構成としている。
FIG. 15 is a schematic diagram of a system for measuring the pressure in the crank chamber. As an example of the present invention, a
図16は、圧力センサ2aによってクランク室の圧力を測定した結果を示している。圧力取出管42に細孔部42aを設けない場合には、図中符号95で示すように、0.0〜0.9kPaの範囲で圧力変動が生じているが、絞りφ0.2の細孔部42aを設けた場合には、図中符号96で示すように、圧力変動が改善されており、平均的なクランク室圧力の測定が可能となっている。このように圧力変動を減衰させることにより、クランク室圧力の検出精度と圧力センサ2aの耐久性を向上させることができる。
FIG. 16 shows the result of measuring the pressure in the crank chamber by the
これにより、異常検知部6は、図17に示すように、平均的なクランク室圧力と機器外部の大気圧との圧力差に対して、予め求めておいたブローバイガス量と当該圧力差との関係から、ブローバイガス量を精度良く推定することが可能となり、後述する故障診断部7での故障診断も精度良く行うことができる。
Thereby, as shown in FIG. 17, the
(3)ラジエータファンの空気流量の検出
内燃機関10のラジエータファン15(図3参照)の空気流量の検出の場合、図3に示すパッケージ形発電機では、パッケージ外部の空気温度とラジエータファン15の前もしくは後に設置された温度センサ1aにより検出された空気温度との温度差から、ラジエータファン15の空気流量を推定して、冷却系の異常を検知する。これは、パッケージ形発電機では、内燃機関10自体やラジエータからの放熱量が空気流量と前記温度差との積に比例する(空気温度差×空気流量∝(機関+発電機)放熱量)ことから、この関係を利用して、ラジエータファン損傷、ラジエータ目詰まりなどの故障によって空気流量が低下した場合、空気温度差が増大することを利用するものである。
(3) Detection of the air flow rate of the radiator fan When detecting the air flow rate of the radiator fan 15 (see FIG. 3) of the
図18は、空気温度差から冷却系の異常を検知する様子を示したグラフであり、この例では、空気流量が低下して空気温度差が8℃を超えると(図中、丸で囲んだ部分)、冷却系の異常と判断している。すなわち、ラジエータファン15の損傷やラジエータ目詰まりなどの故障が発生していると考えられる。
FIG. 18 is a graph showing how the cooling system abnormality is detected from the air temperature difference. In this example, when the air flow rate decreases and the air temperature difference exceeds 8 ° C. (circled in the figure). Part), it is judged that the cooling system is abnormal. That is, it is considered that a failure such as damage to the
異常検知部6での処理を以上のように構成することにより、より精度の高い異常検知が可能であり、次段の故障診断部7に正確な異常検知データを提供することができ、故障診断部7での診断精度を向上させることができる。
By configuring the processing in the
なお、上記で説明した以外の異常検知処理については、内燃機関10に関して従来から行われている異常検知処理を本発明においても利用することができるので、ここでは上記以外の他のセンサ(温度センサ、圧力センサ、振動センサ、流量センサ)の性能データによる異常検知処理については説明を省略する。
As for the abnormality detection processing other than that described above, the abnormality detection processing conventionally performed for the
<故障診断部7の説明>
故障診断部7は、異常検知部6による各検知項目と内燃機関10の各部位の故障名とを対応させた診断マップ格納部9aに格納されている診断マップを用いて故障診断を行うとともに、内燃機関の各部位の故障名とこの故障名に対応する対策情報とを対応させたガイダンスマップ格納部9bに格納されているガイダンスマップを用いて診断結果を出力する。
<Description of
The
図19は、診断マップのデータ構成例を示している。 FIG. 19 shows a data configuration example of the diagnostic map.
この診断マップは、縦の項目に故障名を列挙し、横の項目に異常検知名を列挙して、異常検知名から推定される故障名の箇所に丸印を付したデータ構成となっている。 This diagnostic map has a data structure in which failure names are listed in the vertical items, abnormality detection names are listed in the horizontal items, and the locations of the failure names estimated from the abnormality detection names are circled. .
ここで、異常検知名の各項目に記載されている内容の意味については、図20に一覧形式でまとめている。 Here, the meaning of the contents described in each item of the abnormality detection name is summarized in a list form in FIG.
故障診断部7は、異常検知部6での検知結果に基づき、診断マップ格納部9aに格納されている診断マップから、異常と判断された検知項目を含む故障名を検索し、これを診断結果として出力する。
The
具体的には、図19に示す診断マップを参照すると、例えば異常検知項目が「排気偏温大」、「燃料油圧低」、「燃料流量大」の3項目である場合には、故障名として「燃料供給管漏油・破損」を特定し、異常検知項目が「排気偏温大」、「燃料油圧低」の2項目である場合には、故障名として「燃料供給管漏油・破損」、「燃料フィードポンプ異常・破損」、「燃料こし器目詰まり」の3つが選択される。 Specifically, referring to the diagnosis map shown in FIG. 19, for example, when the abnormality detection items are three items of “exhaust exhaust temperature high”, “low fuel oil pressure”, and “high fuel flow rate”, the failure name is If “Fuel supply pipe oil leakage / breakage” is specified and the abnormality detection items are “Exhaust exhaust temperature high” and “Fuel oil pressure low”, the failure name is “Fuel supply pipe oil leakage / breakage”. , “Fuel feed pump abnormality / damage” and “Fuel strainer clogging” are selected.
このように、本実施形態の故障診断部7は、予め用意されている診断マップから、異常検知部6の検知結果に合致する故障名を検索することで、検知結果を総合的に勘案した故障診断を行っている。
As described above, the
また、故障診断部7では、異常検知部6での検知結果に加え、異常と判断された検知項目の性能データの時間変化率の大小を加味することにより、該当する故障名をさらに絞り込む構成としている。
In addition, the
例えば、燃料油圧の低下を検知した場合でも、その変化率が小さい場合(ゆっくりと変化する場合)には、例えば燃料こし器の目詰まりが考えられ、その変化率が大きい場合(急に変化する場合)には、燃料供給管の漏油や破損、燃料フィードポンプの異常や破損等が考えられる。なお、図19では、変化率が大きい故障名を○、小さい故障名を●で示している。 For example, even when a decrease in fuel oil pressure is detected, if the rate of change is small (if it changes slowly), for example, the fuel strainer may be clogged, and if the rate of change is large (changes suddenly) Case), the fuel supply pipe may be leaked or damaged, or the fuel feed pump may be abnormal or damaged. In FIG. 19, a fault name having a large change rate is indicated by ◯, and a small fault name is indicated by ●.
このように、性能データの時間変化率の大小を加味することで、今まで区別できなかった燃料こし器の目詰なのか、燃料フィードポンプの漏油や破損等なのかを区別することが可能となり、故障診断の精度がさらに向上することになる。 In this way, by adding the magnitude of the time change rate of the performance data, it is possible to distinguish between clogged fuel strainers that could not be distinguished until now, oil leakage or damage of the fuel feed pump, etc. Thus, the accuracy of failure diagnosis is further improved.
図21(a)〜(c)は、ガイダンスマップのデータ構成例を示している。 FIGS. 21A to 21C show data configuration examples of the guidance map.
このガイダンスマップは、個々の故障名ごとにその対策情報を格納したものであり、不良要因、点検、修理・整備の各項目からなっている。 This guidance map stores countermeasure information for each fault name, and includes items of defect factor, inspection, repair and maintenance.
故障診断部7は、診断マップから検索した故障名に基づき、ガイダンスマップから対策情報を抽出し、診断結果として出力する。
The
具体的には、図21に示すガイダンスマップを参照すると、診断マップから検索された故障名が例えば「燃料供給管漏油・破損」の場合(同図(a)参照)、その不良要因としては、「継手部シール不良」、「振動大による折損」、「スピル圧大による破損」とが対応付けられており、そのときの点検方法として、「管継手ボルトの緩み」、「管継手部パッキンの破損」、「燃料配管の振動大、亀裂」、「スピル圧の過大」、「燃料配管の振動大、亀裂」がそれぞれに対応付けられており、その修理・整備方法として、「増し締め」、「パッキン交換」、「振れ止め増強、配管交換」、「圧力低減装置設置:減衰弁など」、「燃料配管の補強・振止め、交換」がそれぞれに対応付けられている。診断結果として出力するのは、このような一覧表そのものを図示しない表示部に表示し、またはプリンタ等の出力手段から印字出力するようにしてもよいし、不良要因からさらに絞り込んだ内容のみを表示または印字出力するようにしてもよい。この場合、各表の上部に記載されている「異常内容、異常検知、最終状態」といった内容も合わせて表示または印字出力してもよい。ただし、出力形態としては、このような一覧表形式に限るものではなく、必要に応じて種々の形態に加工することが可能である。 Specifically, referring to the guidance map shown in FIG. 21, when the failure name retrieved from the diagnosis map is, for example, “fuel supply pipe oil leakage / damage” (see FIG. 21A), , “Fitting joint seal failure”, “Fracture breakage due to large vibration”, and “Damage due to large spill pressure”. ”Failure of fuel pipe, large vibration and crack of fuel pipe”, “Excessive spill pressure” and “Large vibration of fuel pipe and crack” are associated with each other. , “Packing replacement”, “Stabilization enhancement, piping replacement”, “Pressure reduction device installation: damping valve, etc.”, “Fuel piping reinforcement / resting, replacement” are associated with each other. As a result of the diagnosis, such a list itself may be displayed on a display unit (not shown), or may be printed out from an output unit such as a printer, or only the contents further narrowed down from the cause of failure are displayed. Alternatively, it may be printed out. In this case, contents such as “abnormal content, abnormality detection, final state” described at the top of each table may be displayed or printed out together. However, the output form is not limited to such a list form, and can be processed into various forms as necessary.
なお、上記実施形態では、診断マップとガイダンスマップを別ファイルとして構成し、別々の格納部9a,9bに格納しているが、診断/ガイダンスマップとして1つのファイルで構成し、1つの格納部に格納することが可能である。
In the above embodiment, the diagnosis map and the guidance map are configured as separate files and stored in
−本発明に係わる監視診断システムの説明−
図1は、本発明に係わる監視診断システムのシステム構成を示す機能ブロック図である。
-Description of the monitoring diagnosis system according to the present invention-
FIG. 1 is a functional block diagram showing a system configuration of a monitoring diagnosis system according to the present invention.
この監視診断システムは、大別すると、内燃機関10の検知部位に設けられた各種センサ群1〜4、内燃機関10の表面の検知部位に設けられた表面振動センサ群61、時間ゲート部62、フィルタ処理部63、データ収集部5、異常検知部6、故障診断部7、正常範囲値データ格納部8、診断マップ格納部9a、ガイダンスマップ格納部9bにより構成されている。
This monitoring and diagnosis system is roughly classified into
すなわち、図2に示す基本監視診断システムと異なるところは、各種センサ群1〜4の他に表面振動センサ群61を追加するとともに、この表面振動センサ群61に対応して時間ゲート部62とフィルタ処理部63とを追加した点であり、その他の構成は図2に示す基本監視診断システムと全く同じである。ただし、表面振動センサ群61を追加した分、異常検知部6での異常検知処理及び故障診断部7での故障診断処理は、当然、表面振動センサ61による検知結果を加味した処理となり、正常範囲値データ格納部8にも内燃機関の正常運転時の運転データに基づいて設定された検出対象部位の振動性能データの正常範囲値(図73に示す正常範囲値)が格納されており、診断マップ格納部9aにも表面振動センサの検知結果に対応した故障名が列挙されている。また、表面振動センサ61を追加した代わりに、内燃機関内部に取り付けていた従来の振動センサ群4を省略することも可能である。
That is, the difference from the basic monitoring and diagnosis system shown in FIG. 2 is that a surface
時間ゲート部62は、表面振動センサ61aによる振動波形の信号を気筒の燃焼1サイクルの期間単位で順次取り込むとともに、この振動波形の信号からさらに検出対象部位の振動を検出できる所定のタイミングにて信号波形を切り出すブロックである。また、フィルタ処理部63は、この時間ゲート部62により切り出されたデータを周波数分析し、その分析結果から実効値RMSを演算により求めるブロックである。
The
本発明の監視診断システムでは、表面振動センサ61の機関表面の取り付け位置、すなわち機関表面計測位置をどの位置にするかが重要なポイントであり、これによって機関内部のどの部位の異常(振動)を検知できるか、すなわち検知対象部位が決まる。
In the monitoring / diagnosis system of the present invention, an important point is the position where the
この場合、検知対象とする部位以外からの信号の影響を受けることなく、機関の表面振動に基づいて精度よく内部の異常を検知するためには、適切な信号処理を施す必要がある。そのため、本疑似故障試験では、表面振動解析を用いた実用的なシステム構築を優先させ、かつ、煩雑なプログラミングを用いないシンプルな処理にするために、計測位置を最適化することにより、内部の微小変化を簡易な処理によって精度良く計測できることを試みた。 In this case, it is necessary to perform appropriate signal processing in order to accurately detect an internal abnormality based on the surface vibration of the engine without being affected by a signal from a portion other than the part to be detected. For this reason, in this pseudo-fault test, in order to prioritize the construction of a practical system using surface vibration analysis and to simplify the process without using complicated programming, the measurement position is optimized, We tried to measure minute changes with a simple process with high accuracy.
今回対象とした機関は4サイクル機関である。4サイクル機関の場合、1燃焼サイクルはクランク軸2回転(クランク角度720度)に該当する。その結果、1サイクル内でのタイミングチャートをもとに時系列で現象を捉えることができる。つまり、図22のフロー図に示す手順に従い、対象とする現象を1サイクル単位で処理できることになる。
The target organization is a 4-cycle engine. In the case of a 4-cycle engine, one combustion cycle corresponds to two crankshaft rotations (crank
具体的には、図23に示すように、連続して入力される時間データを第1気筒燃焼トップ信号(回転トップパルス:1FTDC)をトリガにして、燃焼1サイクル毎の処理ができるように時間データを区切り(図23中、時間T1)、この燃焼1サイクル単位(時間T1)で表面振動センサ61aによる振動波形の信号(以下「振動時間データ」という。)を取り込む。この場合、時間ゲート部62により、燃焼サイクル毎に区切られた振動時間データから、1FTDCを基準として、必要とする任意の区間(図23中、時間T2)で振動時間データをさらに切り出す。そして、このようにして切り出された振動時間データをフィルタ処理部63にて周波数分析し、周波数分析結果に周波数軸上でバンドパスフィルタをかけて、部分和(パーシャルオーバーオール:実効値RMS)を求める。そして、この求めたRMS値を、データ収集部5を介してリアルタイムで異常検知部6に送出する。
Specifically, as shown in FIG. 23, the time data that is continuously input is triggered by the first cylinder combustion top signal (rotary top pulse: 1 FTDC) as a trigger so that processing can be performed for each combustion cycle. The data is divided (time T1 in FIG. 23), and a vibration waveform signal (hereinafter referred to as “vibration time data”) from the
一方、正常範囲値データ格納部8には、[課題を解決するための手段]のところですでに説明したように、図73に示すような正常範囲値のデータが格納されている。異常検知部6では、正常範囲値データ格納部8に格納ている正常範囲値のデータとフィルタ処理部63によりフィルタ処理されたRMS値とに基づいて、検知対象部位の異常の有無を検知する。
On the other hand, the normal range value
<本発明の監視診断システムによる検知技術の検証>
すでに説明したように、機関の表面振動による異常検知には2つのメリットがあり、そのうちの1つ目のメリットとして挙げられるのが、従来形センサによる検知項目に表面振動センサによる検知項目を追加することで、診断精度の向上が図れることである。言い換えると、表面振動を検知することで故障名を絞込めるということである。
<Verification of detection technology by the monitoring diagnosis system of the present invention>
As already explained, there are two merits in detecting abnormalities due to engine surface vibrations. The first of these is the addition of items detected by surface vibration sensors to items detected by conventional sensors. Thus, the diagnostic accuracy can be improved. In other words, failure names can be narrowed down by detecting surface vibrations.
本実施形態では、後述する疑似故障試験を実施することにより、内容の確証を行った。 In the present embodiment, the contents are verified by performing a pseudo failure test described later.
ここでは、疑似故障試験の一例として、「燃料供給管漏油、破損」と「燃料調圧弁異常」の例を示す。図24は、これらの故障名を検知するための検知項目の対応を定義した診断マップを示している。 Here, as an example of the pseudo failure test, examples of “fuel supply pipe oil leakage and breakage” and “fuel pressure regulation valve abnormality” are shown. FIG. 24 shows a diagnostic map that defines the correspondence of detection items for detecting these fault names.
図24の診断マップに示すように、いずれの故障名も従来センサでは「排気偏温大」と「燃料圧力低下」が検知されるだけで、それ以上の故障名の絞込みはできない。 As shown in the diagnostic map of FIG. 24, for any failure name, only the “exhaust temperature deviation” and “fuel pressure drop” are detected by the conventional sensor, and further failure names cannot be narrowed down.
これに対し、「燃料調圧弁異常」により燃焼のアンバランスが発生した場合には、図25の燃焼アンバランスによる振動の変化のグラフに示すように、回転の0.5次成分の振動値が増加する。従って、従来形センサの検知結果に機関表面振動の「ブロック振動の増加」という検知名が追加されることで、図24の診断マップに示すように、「燃料調圧弁異常」という1つの故障名を絞り込むことができている。このように、従来センサだけでは分離できなかった故障名を絞り込めるようになる。 On the other hand, when the combustion imbalance occurs due to “abnormality of the fuel pressure regulation valve”, the vibration value of the 0.5th-order component of the rotation is as shown in the graph of the vibration change due to the combustion imbalance in FIG. To increase. Therefore, by adding the detection name “increase in block vibration” of the engine surface vibration to the detection result of the conventional sensor, as shown in the diagnosis map of FIG. 24, one failure name “fuel pressure regulation valve abnormality” is obtained. Can be narrowed down. In this way, it becomes possible to narrow down the fault names that could not be separated by the conventional sensor alone.
<疑似故障試験の説明>
以上の検証を踏まえ、本発明者らは、表面振動センサ61aの機関表面の振動計測位置と検知対象部位との関係をより具体的に求めるべく、機関表面振動から機関内部の異常を検知するための疑似故障試験を行った。以下にその疑似故障試験の内容について説明する。
<Explanation of pseudo failure test>
Based on the above verification, the present inventors detect an abnormality inside the engine from the engine surface vibration in order to more specifically obtain the relationship between the vibration measurement position on the engine surface of the
この疑似故障試験において、機関の表面振動解析による機関内部の微小変化の検知対象項目(検知対象部位)は、以下の3項目である。 In this pseudo failure test, the following three items are the detection target items (detection target portions) of minute changes inside the engine by the surface vibration analysis of the engine.
(1)動弁系磨耗
(2)主軸受メタル磨耗
(3)ピストン磨耗
これらの項目は、従来から使用されている温度、圧力、流量等のセンサでは異常の検知が困難である項目であり、かつメンテナンスに機関停止など多大な工数が発生するものを基準として設定している。
(1) Valve system wear (2) Main bearing metal wear (3) Piston wear These items are difficult to detect with conventional sensors such as temperature, pressure, flow rate, etc. In addition, it is set based on what requires a lot of man-hours such as engine stoppage for maintenance.
この疑似故障試験では、実際の機関(仕様の詳細については省略する。)1台を疑似故障試験用として用意した。また、上記3項目について、機関の表面振動で異常を検知するため、最終的に図70に示す5箇所の振動計測位置での計測を試みた。具体的には、第2気筒ヘッド表面、第2気筒横ブロック表面、第2気筒ライナ(内部)、第5気筒横ブロック表面、第4主軸受横ブロック表面、の5箇所である。ただし、図70に示すように、試供機関が6気筒エンジンの場合である。 In this simulated fault test, one actual engine (details are omitted for specification) was prepared for the simulated fault test. Further, in order to detect abnormalities in the above three items by surface vibration of the engine, measurement was finally attempted at five vibration measurement positions shown in FIG. Specifically, there are five locations: the second cylinder head surface, the second cylinder lateral block surface, the second cylinder liner (inside), the fifth cylinder lateral block surface, and the fourth main bearing lateral block surface. However, as shown in FIG. 70, the sample engine is a 6-cylinder engine.
[動弁系磨耗の検知試験の説明]
動弁系の磨耗等が発生した場合を想定して、第2気筒の弁隙間を正常状態から大きくして、着座時のランプ域を外れて着座させるようにして疑似故障試験を実施した。振動計測位置は、第2気筒ヘッド表面、第2気筒横ブロック表面、第5気筒横ブロック表面の3箇所である。
[Explanation of valve system wear detection test]
Assuming that the valve system wears, etc., the pseudo-failure test was conducted by increasing the valve clearance of the second cylinder from the normal state and seating outside the ramp area during seating. There are three vibration measurement positions: the second cylinder head surface, the second cylinder lateral block surface, and the fifth cylinder lateral block surface.
(1)表面振動センサ61aを第2気筒ヘッドの表面に取り付けた場合
図26は、表面振動センサ61aを第2気筒ヘッド(負荷0%)の表面に取り付けたときの動弁系が正常時の燃焼1サイクルの振動時間データであり、図27は、表面振動センサ61aを第2気筒ヘッド(負荷0%)の表面に取り付けたときの動弁系が磨耗時の燃焼1サイクルの振動時間データである。また、図28は、図26に示す正常時の振動時間データと図27に示す磨耗時の振動時間データとを、時間ゲート無しで比較した結果を示しており、図29は、周波数分析後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。
(1) When the
これらの結果から、表面振動センサ61aを第2気筒ヘッドの表面に取り付けた場合には、吸気弁、排気弁の着座のタイミング(図27中、符号110により示す丸部分)で、正常時には見られなかった振動が検出された。すなわち、表面振動センサ61aを第2気筒ヘッドの表面に取り付けた場合には、動弁系の着座タイミングでの時間ゲートをかけなくても、図28及び図29に示すように、動弁系磨耗の現象を捉えることができた。
From these results, when the
一方、吸気弁の着座のタイミングで時間ゲートをかけて周波数分析し、RMS値を求めた。図30は、図26に示す正常時の振動時間データと図27に示す磨耗時の振動時間データとを、吸気弁の着座のタイミングで時間ゲートをかけて比較した結果を示しており、図31は、時間ゲートをかけて周波数分析した後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。時間ゲートをかけない場合と同様、顕著に動弁系磨耗の現象を捉えることができた。 On the other hand, a frequency analysis was performed by taking a time gate at the timing of intake valve seating to obtain an RMS value. FIG. 30 shows the result of comparing the normal vibration time data shown in FIG. 26 with the wear vibration time data shown in FIG. 27 by applying a time gate at the intake valve seating timing. Shows the comparison result between the RMS value at normal time and the RMS value at the time of wear after frequency analysis with a time gate. As with the case where no time gate was applied, the valve system wear phenomenon was noticeable.
(2)表面振動センサ61aを第2気筒横ブロックの表面に取り付けた場合
図32は、表面振動センサ61aを第2気筒横ブロック(負荷0%)の表面に取り付けたときの動弁系が正常時の燃焼1サイクルの振動時間データであり、図33は、表面振動センサ61aを第2気筒横ブロック(負荷0%)の表面に取り付けたときの動弁系が磨耗時の燃焼1サイクルの振動時間データである。また、図34は、図32に示す正常時の振動時間データと図33に示す磨耗時の振動時間データとを、時間ゲート無しで比較した結果を示しており、図35は、周波数分析後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。
(2) When the
これらの結果から、表面振動センサ61aを第2気筒横ブロックの表面に取り付けた場合には、上記の第2気筒ヘッドと同じように、吸気弁、排気弁の着座のタイミング(図33中、符号120により示す丸部分、及び図34中、符号121により示す丸部分)で、正常時には見られなかった振動が時間データ上で検出された。しかし、第2気筒横ブロックの振動を時間ゲートをかけずに周波数分析し、RMS値を求めると、図34及び図35に示すように、各気筒の爆発による振動等の影響で、有意な差が出なかった。
From these results, when the
そこで、吸気弁の着座のタイミングで時間ゲートをかけて周波数分析し、RMS値を求めた。図36は、図32に示す正常時の振動時間データと図33に示す磨耗時の振動時間データとを、吸気弁の着座のタイミングで時間ゲートをかけて比較した結果を示しており、図37は、周波数分析後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。図36に示すように、第2気筒吸気弁着座タイミング(図36中、符号123により示す丸部分)で動弁系磨耗の現象を捉えることができ、RMS値を求めると、図37に示すように有意な差が得られた。
Therefore, a frequency analysis was performed by applying a time gate at the timing of seating of the intake valve, and an RMS value was obtained. FIG. 36 shows the result of comparing the vibration time data at normal time shown in FIG. 32 and the vibration time data at the time of wear shown in FIG. 33 by applying a time gate at the seating timing of the intake valve. These show the comparison results of the RMS value at the normal time and the RMS value at the time of wear after frequency analysis. As shown in FIG. 36, the valve system wear phenomenon can be grasped at the second cylinder intake valve seating timing (the circle portion indicated by
(3)表面振動センサ61aを第5気筒横ブロックの表面に取り付けた場合
図38は、表面振動センサ61aを第5気筒横ブロック(負荷0%)の表面に取り付けたときの動弁系が正常時の燃焼1サイクルの振動時間データであり、図39は、表面振動センサ61aを第5気筒横ブロック(負荷0%)の表面に取り付けたときの動弁系が磨耗時の燃焼1サイクルの振動時間データである。また、図40は、図38に示す正常時の振動時間データと図39に示す磨耗時の振動時間データとを、時間ゲート無しで比較した結果を示しており、図41は、周波数分析後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。
(3) When the
これらの結果から、表面振動センサ61aを第5気筒横ブロックの表面に取り付けた場合には、吸気弁、排気弁の着座のタイミング(図39中、符号130により示す丸部分)では、時間軸データでも顕著な差が出なかったが、RMS値で比較するために、まず時間ゲート無しで周波数分析した。しかし、図40中の符号131で示す丸部分、及び図41に示すように、有意な差はなかった。
From these results, when the
そこで、吸気弁の着座のタイミングで時間ゲートをかけて周波数分析をし、RMS値を求めた。図42は、図38に示す正常時の振動時間データと図39に示す磨耗時の振動時間データとを、吸気弁の着座のタイミングで時間ゲートをかけて比較した結果を示しており、図43は、時間ゲートをかけて周波数分析した後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。図42及び図43に示すように、有意な差は得られなかった。よって、第5気筒横ブロックでは第2気筒と離れているため、第2気筒の動弁系磨耗を検知するのは困難であると考えられる。 Therefore, a frequency analysis was performed by taking a time gate at the timing of intake valve seating to obtain an RMS value. FIG. 42 shows a result of comparing the vibration time data at normal time shown in FIG. 38 with the vibration time data at the time of wear shown in FIG. 39 by applying a time gate at the timing of seating of the intake valve, and FIG. Shows the comparison result between the RMS value at normal time and the RMS value at the time of wear after frequency analysis with a time gate. As shown in FIGS. 42 and 43, no significant difference was obtained. Therefore, since the fifth cylinder side block is separated from the second cylinder, it is considered difficult to detect valve system wear of the second cylinder.
以上、第2気筒の動弁系磨耗に対して、上記3箇所でそれぞれ計測、解析した結果をまとめると、下表1のようになる。 The results obtained by measuring and analyzing the valve system wear of the second cylinder at the three locations are summarized in Table 1 below.
主軸受メタル磨耗が発生した場合を想定して、主軸受メタルとクランク軸とのクリアランスを広げるために、全ての主軸受メタル厚さを正常状態から−30μm(オーバーレイ相当:磨耗限度) にし、疑似故障試験を実施した。振動計測位置は、第5気筒横ブロック、第4主軸受横ブロックの2箇所である。
To increase the clearance between the main bearing metal and the crankshaft, assuming that main bearing metal wear has occurred, all main bearing metal thicknesses are set to -30 μm (equivalent to overlay: wear limit) from the normal state. A failure test was performed. There are two vibration measurement positions: the fifth cylinder lateral block and the fourth main bearing lateral block.
(1)表面振動センサ61aを第5気筒横ブロックの表面に取り付けた場合
図44は、表面振動センサ61aを第5気筒横ブロック(負荷0%)の表面に取り付けたときの主軸受メタルが正常時の燃焼1サイクルの振動時間データであり、図45は、表面振動センサ61aを第5気筒横ブロック(負荷0%)の表面に取り付けたときの主軸受メタルの磨耗時の燃焼1サイクルの振動時間データである。また、図46は、図44に示す正常時の振動時間データと図45に示す磨耗時の振動時間データとを、時間ゲート無しで比較した結果を示しており、図47は、周波数分析後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。
(1) When the
これらの結果から、第5気筒横ブロックでは、時間軸データ、周波数解析のいずれを行っても、現象に顕著な差は現れなかった。 From these results, in the fifth cylinder horizontal block, no significant difference appeared in the phenomenon regardless of whether time axis data or frequency analysis was performed.
一方、主軸受メタルが磨耗した場合、各気筒での爆発タイミングでの振動に変化が現れると考えられるため、第4気筒爆発(4FTDC)のタイミングで時間ゲートをかけた。図48は、図44に示す正常時の振動時間データと図45に示す磨耗時の振動時間データとを、第4気筒爆発(4FTDC)のタイミングで時間ゲートをかけて比較した結果を示しており、図49は、時間ゲートをかけて周波数分析した後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。図48及び図49から明らかなように、周波数分析した後にパーシャルオーバーオールからRMS値を求めたが、有意な差は得られなかった。 On the other hand, when the main bearing metal is worn out, it is considered that a change appears in the vibration at the explosion timing in each cylinder. Therefore, a time gate is applied at the timing of the fourth cylinder explosion (4FTDC). FIG. 48 shows the result of comparing the normal vibration time data shown in FIG. 44 with the wear vibration time data shown in FIG. 45 by applying a time gate at the timing of the fourth cylinder explosion (4FTDC). FIG. 49 shows a comparison result between the RMS value at the normal time and the RMS value at the time of wear after the frequency analysis using the time gate. As apparent from FIGS. 48 and 49, the RMS value was obtained from the partial overall after frequency analysis, but no significant difference was obtained.
以上のことより、第5気筒横ブロックでは主軸受メタルの状態(磨耗)を検知できないため、振動センサの機関表面の取付部の構造を考慮しながら、別の計測位置で評価する必要がある。 From the above, since the state (wear) of the main bearing metal cannot be detected in the fifth cylinder horizontal block, it is necessary to perform evaluation at another measurement position while considering the structure of the mounting portion of the vibration sensor on the engine surface.
(2)表面振動センサ61aを第4主軸受横ブロックの表面に取り付けた場合
図50は、表面振動センサ61aを第4主軸受横ブロック(負荷0%)の表面に取り付けたときの主軸受メタルが正常時の燃焼1サイクルの振動時間データであり、図51は、表面振動センサ61aを第4主軸受横ブロック(負荷0%)の表面に取り付けたときの主軸受メタルの磨耗時の燃焼1サイクルの振動時間データである。また、図52は、図50に示す正常時の振動時間データと図51に示す磨耗時の振動時間データとを、時間ゲート無しで比較した結果を示しており、図53は、周波数分析後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。
(2) When the
これらの結果から、第4主軸受横ブロックでは、図51に示すように、時間軸データでみると全体に高周波の信号が増え、特に各気筒の燃焼のタイミング(図51中、符号151により示す丸部分)で顕著に振動が増加することを確認した。その結果、第4主軸受横ブロックでは、各気筒の燃焼タイミングでの時間ゲートをかけなくても、図52及び図53に示すように、磨耗時に有意な差が得られた。
From these results, in the fourth main bearing lateral block, as shown in FIG. 51, the high-frequency signal increases as a whole in the time axis data, and in particular, the combustion timing of each cylinder (indicated by
一方、第4気筒の燃焼タイミングで、時間ゲートをかけた。図54は、図50に示す正常時の振動時間データと図51に示す磨耗時の振動時間データとを、第4気筒の燃焼タイミングで時間ゲートをかけて比較した結果を示しており、図55は、時間ゲートをかけて周波数分析した後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。図54及び図55に示すように、時間ゲートをかけない場合と同様、顕著に現象を捉えることができている。 On the other hand, a time gate was applied at the combustion timing of the fourth cylinder. FIG. 54 shows the result of comparing the normal vibration time data shown in FIG. 50 with the wear time vibration data shown in FIG. 51 by applying a time gate at the combustion timing of the fourth cylinder. Shows the comparison result between the RMS value at normal time and the RMS value at the time of wear after frequency analysis with a time gate. As shown in FIG. 54 and FIG. 55, the phenomenon can be remarkably captured as in the case where the time gate is not applied.
さらに、第4軸受ブロックでの振動で、他軸受の振動の変化が検知できる可能性を探るために、以下の比較を行った。 Furthermore, the following comparison was performed in order to investigate the possibility of detecting the change in the vibration of the other bearing by the vibration in the fourth bearing block.
(比較1)第4軸受ブロックの信号から、第2気筒爆発位相で時間ゲートをかけた後の周波数分析結果(図56参照)
(比較2)第2軸受ブロックの信号から、第2気筒爆発位相で時間ゲートをかけた後の周波数分析結果(図57参照)
その結果、図56及び図57に示す通り、特に3kHz以上の高周波の広帯域でよく似た特徴を示すスペクトルが得られた。これによって、第4軸受ブロックから他軸受の振動の変化を検知することが可能であることが確認された。すなわち、ブロックの中央に位置する第4軸受ブロックの振動で他の軸受の主軸受メタル磨耗を検知することが可能となる。
(Comparison 1) Frequency analysis result after applying time gate in second cylinder explosion phase from signal of fourth bearing block (see FIG. 56)
(Comparison 2) Frequency analysis result after applying time gate in the second cylinder explosion phase from the signal of the second bearing block (see FIG. 57)
As a result, as shown in FIGS. 56 and 57, a spectrum having similar characteristics was obtained particularly in a wide band of a high frequency of 3 kHz or more. Thus, it was confirmed that it was possible to detect the vibration change of the other bearing from the fourth bearing block. That is, it becomes possible to detect the main bearing metal wear of other bearings by the vibration of the fourth bearing block located at the center of the block.
以上、主軸受メタル磨耗に対して、上記2箇所でそれぞれ計測、解析した結果をまとめると、下表2のようになる。 The results obtained by measuring and analyzing the main bearing metal wear at the two locations are summarized in Table 2 below.
ピストンが磨耗した場合を想定して、市場の実機(15カ月運転)のピストンを回収し、疑似故障試験を実施した。磨耗量は3〜5μm程度であり、標準のピストン表面のデフリックコートの厚さが20〜30μm程度あることを考えると、今回供試品として用いたピストンの磨耗量はかなり小さいといえる。振動計測位置は、第2気筒シリンダライナ、第2気筒横ブロックの2箇所である。各々の振動計測位置については、ピストンとライナ間でのスラップにより発生する振動を計測することで磨耗による影響が検知できるとの想定のもとに決定した。
Assuming that the piston is worn, the piston of the actual machine (15 months operation) was collected and a pseudo failure test was conducted. The amount of wear is about 3 to 5 μm, and the amount of wear of the piston used as the test sample this time can be said to be quite small considering that the thickness of the deflick coat on the standard piston surface is about 20 to 30 μm. There are two vibration measurement positions: the second cylinder cylinder liner and the second cylinder horizontal block. Each vibration measurement position was determined on the assumption that the influence of wear could be detected by measuring the vibration generated by the slap between the piston and the liner.
(1)表面振動センサ61aを第2気筒シリンダライナの表面に埋め込む形で取り付けた場合
第2気筒シリンダライナの信号で直接スラップによる影響を調査した。
(1) When the
図58は、表面振動センサ61aを第2気筒シリンダライナ(負荷0%)の表面内部に埋め込む形で取り付けたときのピストンが正常時の燃焼1サイクルの振動時間データであり、図59は、表面振動センサ61aを第2気筒シリンダライナ(負荷0%)の表面内部に埋め込む形で取り付けたときのピストンの磨耗時の燃焼1サイクルの振動時間データである。また、図60は、図58に示す正常時の振動時間データと図59に示す磨耗時の振動時間データとを、時間ゲート無しで比較した結果を示している。
FIG. 58 shows vibration time data for one combustion cycle when the piston is normal when the
これらの結果から、燃焼1サイクルを通しての時間軸データでは、図58及び図59に示すように、顕著な差はなかった。さらに、RMS値で比較するために、時間ゲート無しで周波数分析したが、図60に示すように、有意な差はなかった。 From these results, as shown in FIGS. 58 and 59, there was no significant difference in the time axis data through one combustion cycle. Furthermore, in order to compare with the RMS value, frequency analysis was performed without a time gate. As shown in FIG. 60, there was no significant difference.
一方、第2気筒シリンダライナのスラスト側(振動が大きい側)では、燃焼1サイクルに以下の通り、ピストンとの間でスラップが3回発生する。 On the other hand, on the thrust side (large vibration side) of the second cylinder liner, slap is generated three times with the piston as follows in one combustion cycle.
a)第2気筒爆発上死点(No2FTDL)
b)第2気筒オーバーラップ上死点前60°(No2FTDL前60°)
c)第2気筒オーバーラップ上死点後110°(No2FTDL後110°)
そこで、1サイクル中に3回発生するスラップのタイミングで時間ゲートをかけて周波数分析し、RMS値を求めた。図61は、図58に示す正常時の振動時間データと図59に示す磨耗時の振動時間データとを、第2気筒爆発上死点のタイミングで時間ゲートをかけて比較した結果を示しており、図62は、図58に示す正常時の振動時間データと図59に示す磨耗時の振動時間データとを、第2気筒オーバーラップ上死点前60°のタイミングで時間ゲートをかけて比較した結果を示しており、図63は、図58に示す正常時の振動時間データと図59に示す磨耗時の振動時間データとを、第2気筒オーバーラップ上死点後110°のタイミングで時間ゲートをかけて比較した結果を示している。各々のタイミングでは変化が見られたが、周波数軸上での共通した顕著な傾向は見られなかった。
a) Upper dead center of second cylinder explosion (No2FTDL)
b) Second cylinder overlap 60 ° before top dead center (60 ° before No2 FTDL)
c) Second cylinder overlap 110 ° after top dead center (110 ° after No2 FTDL)
Therefore, a frequency analysis was performed by applying a time gate at the timing of a slap generated three times in one cycle, and an RMS value was obtained. 61 shows the result of comparing the vibration time data at normal time shown in FIG. 58 and the vibration time data at the time of wear shown in FIG. 59 by applying a time gate at the timing of the top dead center of the second cylinder. 62, the vibration time data at normal time shown in FIG. 58 and the vibration time data at the time of wear shown in FIG. 59 are compared by applying a time gate at the timing of 60 ° before the second cylinder overlap top dead center. FIG. 63 shows the results of normal time vibration time data shown in FIG. 58 and wear time vibration time data shown in FIG. 59 at a time gate of 110 ° after the second cylinder overlap top dead center. The results of comparison are shown. Although there was a change at each timing, there was no common remarkable tendency on the frequency axis.
ライナの振動はピストンの磨耗に対して、スラップ現象そのものを計測していると考えられるが、同時に表面振動にどのような影響があるかを第2気筒横ブロック振動で確認した。 The vibration of the liner is thought to measure the slap phenomenon itself against the wear of the piston, but at the same time, the influence on the surface vibration was confirmed by the second cylinder transverse block vibration.
(2)表面振動センサ61aを第2気筒横ブロックの表面に取り付けた場合
第2気筒シリンダライナの信号で直接スラップによる影響を調査した。
(2) When the
図64は、表面振動センサ61aを第2気筒横ブロック(負荷0%)の表面に埋め込む形で取り付けたときのピストンが正常時の燃焼1サイクルの振動時間データであり、図65は、表面振動センサ61aを第2気筒横ブロック(負荷0%)の表面に取り付けたときのピストンの磨耗時の燃焼1サイクルの振動時間データである。また、図66は、図64に示す正常時の振動時間データと図65に示す磨耗時の振動時間データとを、時間ゲート無しで比較した結果を示しており、図67は、周波数分析後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。
FIG. 64 shows vibration time data of one combustion cycle when the piston is normal when the
これらの結果から、第2気筒横ブロックでは、時間軸データでも顕著な差が出なかった(図64、図65参照)。また、RMS値で比較するために、時間ゲート無しで周波数分析しても有意な差はなかった(図66、図67参照)。 From these results, there was no significant difference in the time axis data in the second cylinder horizontal block (see FIGS. 64 and 65). Further, in order to compare with the RMS value, there was no significant difference even if the frequency analysis was performed without the time gate (see FIGS. 66 and 67).
次に、爆発上死点でのスラップのタイミングで時間ゲートをかけて周波数分析をし、RMS値を求めた。図68は、図64に示す正常時の振動時間データと図65に示す磨耗時の振動時間データとを、爆発上死点でのスラップのタイミングで時間ゲートをかけて比較した結果を示しており、図69は、時間ゲートをかけて周波数分析した後の正常時のRMS値と磨耗時のRMS値の比較結果を示している。 Next, frequency analysis was performed by applying a time gate at the timing of the slap at the explosion top dead center, and the RMS value was obtained. FIG. 68 shows the result of comparing the vibration time data at normal time shown in FIG. 64 and the vibration time data at the time of wear shown in FIG. 65 by applying a time gate at the timing of slap at the explosion top dead center. FIG. 69 shows a comparison result between the RMS value at the normal time and the RMS value at the time of wear after the frequency analysis with the time gate.
時間ゲートをかけても、周波数軸上で広帯域の変化は見られないものの、狭帯域では評価が可能であった。ただし、正常時と磨耗時とのRMS値の差は小さかった。 Even if a time gate is used, a wide band change on the frequency axis is not seen, but evaluation was possible in a narrow band. However, the difference in RMS value between normal and worn was small.
結論としては、第2気筒横ブロックの表面振動で、ピストン磨耗を評価するのは若干厳しいものの、図73に示す正常範囲値を狭く設定すれば、ピストン磨耗を評価することも可能である。また、この疑似故障試験では、上記したように、今回供試品として用いたピストンの磨耗量があまりに小さかったために、現象が顕著に現れなかった可能性が大きく、ピストンの磨耗量がもう少し大きい場合には、現象を捉えることが十分に可能であると推察される。 In conclusion, although it is somewhat severe to evaluate the piston wear by the surface vibration of the second cylinder lateral block, if the normal range value shown in FIG. 73 is set narrow, it is also possible to evaluate the piston wear. Also, in this pseudo-fault test, as described above, the amount of wear of the piston used as the test sample was too small, so there was a high possibility that the phenomenon did not appear significantly, and the amount of wear of the piston was a little larger It is speculated that it is possible to capture the phenomenon.
以上、ピストン磨耗に対して、上記2箇所でそれぞれ計測、解析した結果をまとめると、下表3のようになる。 The results obtained by measuring and analyzing the piston wear at the two locations are summarized in Table 3 below.
以上、疑似故障試験を行って、(1)動弁系磨耗、(2)主軸受メタル磨耗、(3)ピストン磨耗、のそれぞれにおける各振動計測位置での検知技術を検証した。その結果、下表4の通りの振動計測位置で各々の異常検知に必要な振動データを得られることがわかった。 As described above, the pseudo failure test was performed to verify the detection technology at each vibration measurement position in each of (1) valve system wear, (2) main bearing metal wear, and (3) piston wear. As a result, it was found that vibration data necessary for detecting each abnormality can be obtained at the vibration measurement positions shown in Table 4 below.
1 温度センサ群
1a 温度センサ
2 圧力センサ群
2a 圧力センサ
3 流量センサ群
3a 流量センサ
4 振動センサ群
4a 振動センサ
5 データ収集部
6 異常検知部
7 故障診断部
8 正常範囲値データ格納部
9a 診断マップ格納部
9b ガイダンスマップ格納部
10 内燃機関
11 エンジン部
12 発電機
13 エアクリーナ
14 ターボチャージャ(T/C)
15 ラジエータファン
20 筐体
21 吸入口
22 導出口
31 燃料ポンプ(FOポンプ)
32 フィードポンプ
33 FOフィルタ
34 第1配管
35 第2配管
36 第3配管
37 第4配管
38 圧力取出管
41 給油口
42 圧力取出管
61 表面振動センサ群
61a 表面振動センサ
62 時間ゲート部
63 フィルタ処理部
DESCRIPTION OF
15
32
Claims (4)
前記内燃機関内部の各検出部位にそれぞれ取り付けられた温度、圧力等を検出する第1検出手段と、
前記内燃機関表面の1または複数の振動計測部位に取り付けられた表面振動を検出する第2検出手段と、
前記内燃機関が設置された後の正常運転時に前記各第1検出手段で検出された運転初期データに対して移動平均処理を施すことによって機関出力の時間変化に一致させた正常時データを求め、この正常時データに許容値幅を設定した性能データの正常範囲値を予め格納しているとともに、前記内燃機関が設置された後の正常運転時に前記各第2検出手段で検出された振動値と機関出力との相関により求めた正常時データに許容値幅を設定した正常範囲値を予め格納している正常範囲値データ格納手段と、
前記第2検出手段による振動波形の信号を気筒の燃焼1サイクルの期間単位で順次取り込むとともに、この振動波形の信号からさらに検出対象部位の振動を検出できる所定のタイミングにて信号波形を切り出す時間ゲート手段と、
この時間ゲート手段により切り出されたデータを周波数分析し、その分析結果から実効値を求めるフィルタ処理手段と、
前記各第1検出手段により各検出部位の値を直接的または間接的な手法により検出することによって得られる性能データと前記正常範囲値データ格納手段に格納されている正常範囲値とを比較することにより、前記各第1検出手段より得られた性能データが正常範囲値から外れている場合に異常を検知するとともに、前記フィルタ処理手段にて求められた実効値と前記正常範囲値データ格納手段に格納されている前記振動の正常範囲値とを比較することにより、前記実効値が前記正常範囲値から外れている場合に異常を検知する異常検知手段と、
この異常検知手段での検知結果に基づき、前記内燃機関の故障箇所と故障内容とを診断する故障診断手段と、を備えたことを特徴とする監視診断システム。 In a monitoring and diagnosis system for an internal combustion engine,
First detection means for detecting temperature, pressure and the like attached to each detection site inside the internal combustion engine;
Second detection means for detecting surface vibrations attached to one or more vibration measurement sites on the surface of the internal combustion engine;
Normal state data to match the moving average processing time changes in the engine output by the facilities Succoth to the initial stage of operation data detected by the first detecting means at the time of normal operation after the engine is installed The normal range value of the performance data in which the allowable range is set in the normal time data is stored in advance , and the vibration detected by each of the second detection means during normal operation after the internal combustion engine is installed Normal range value data storage means for storing in advance a normal range value in which a tolerance range is set in normal time data obtained by correlation between the value and the engine output ;
A time gate that sequentially captures the vibration waveform signal by the second detection means in units of one cycle of combustion of the cylinder and cuts out the signal waveform at a predetermined timing at which the vibration of the detection target portion can be further detected from the vibration waveform signal. Means,
Filter processing means for frequency-analyzing the data cut out by the time gate means and obtaining an effective value from the analysis result;
Comparing the performance data obtained by detecting the value of each detection part by the first detection means by a direct or indirect method and the normal range value stored in the normal range value data storage means; Thus, when the performance data obtained from each of the first detection means deviates from the normal range value, an abnormality is detected, and the effective value obtained by the filter processing means and the normal range value data storage means An abnormality detection means for detecting an abnormality when the effective value is out of the normal range value by comparing the stored normal range value of the vibration ;
A monitoring diagnosis system comprising failure diagnosis means for diagnosing a failure location and a failure content of the internal combustion engine based on a detection result of the abnormality detection means.
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