JP4443561B2 - 舶用ディーゼルエンジンおよびその異常検出装置ならびに異常検出方法 - Google Patents

Description

請求項に係る発明は、舶用二サイクルディーゼルエンジンにおけるシリンダーとピストンとの摺動部におけるブローバイやスカッフィング等の摺動異常を検出する異常検出装置等に関するものである。

ディーゼルエンジンの運転においては、粗悪燃料油の使用等による燃焼不良等の場合に、シリンダとピストンとの間に焼付きなどの摺動異常が発生することがある。摺動異常は出力の低下をもたらすだけでなく、シリンダおよびピストンの損傷を招き、エンジンの運転が不能となることもある。

従来、シリンダーとピストン間の摺動異常の検出については、下記に示す文献がある。すなわち、特許文献１、２および非特許文献１、２には、シリンダライナ（またはシリンダ）の外壁に埋め込まれた温度検出器により外壁温度の上昇を感知して異常摺動の発生を検出する技術が記載されている。

特許文献１では、異常の影響をあまり受けない位置に設置した第一温度検出器と異常摩擦発生時に生じる高温を検出する第二温度検出器での検出信号を比較し、その結果が正常状態と異なる場合に異常と判定する異常温度検出装置を示している。
また非特許文献２では、スカッフィング（シリンダーの異常磨耗）を早期に発見するため、予兆として現れる温度パターンを検出して異常検知判断を行う装置が示されている。
いずれの文献に記載の技術も、シリンダとピストン間の異常磨耗を、シリンダライナ外壁部に組み込んだ温度検出器で検出して異常状態の判定を行うものである。特許文献１では「高温燃焼ガス温度を検出する」と記載された部分もあるが、外壁に埋め込んだ温度検出器で測定する温度を燃焼ガスの温度として扱っているにすぎない。
特開昭６０−３２９４１号公報 特開平７−１９８５４４号公報 日本マリンエンジニアリング学会誌 第３８巻 第１２号（２００３−１２）「ディーゼル機関シリンダライナにおけるスカフィングの原因，予知診断および予防保全」 日本マリンエンジニアリング学会誌 第４１巻 第６号（２００６）「過大磨耗が発生する前にスカッフィングを検知するＴ−ＭＡＳ」

上記の各文献に記載の方式では、シリンダライナの外壁部に穴開け加工が必要である。しかしシリンダライナ外壁部は、ディーゼルエンジン運転中の応力レベルが高く、穴開け加工に特別な配慮が必要であり、加工に必要なコストも高い。
また上記各文献の技術では、外壁の金属部の温度を検出していることから、ガス温度を直接的には検出できていない。そのため、ピストン周りに設置しているピストンリングの異常磨耗によるシール不良に基づくブローバイ現象（ピストンリングとシリンダライナ間からのガス漏れ）は検出することが難しい。
上述の技術では、検出器の耐久性の点でも好ましくない。すなわちシリンダライナ部は爆発力を直接的に受ける部分であるため、それに埋め込んだ検出器は常時大きな振動を受けることになり、耐久性が低下しやすい。

請求項に係る発明は、以上の点を考慮してなしたもので、温度検出器を取り付けるために必要な加工を容易にし、ブローバイの検出をも可能にするうえ、検出器の耐久性を向上させることもできる舶用ディーゼルエンジンの異常検出装置および異常検出方法、ならびに舶用ディーゼルエンジンを提供するものである。

請求項に係る舶用ディーゼルエンジンの異常検出方法は、下記a)およびb)を特徴とする舶用ディーゼルエンジンの異常検出装置を使用する異常検出方法であって、下記1)、2)および3)を特徴とするものである。
a) シリンダーとピストンとの摺動異常を検出するため、掃気室内のうち掃気口付近にてガス温度を検出する掃気口温度検出器を、ブローバイ発生時の高温ガスが漏れ出る掃気口に面したすぐ外側に感温部を位置させて有すること。
b) 掃気室内のうち掃気口付近にてガス温度を検出する上記の掃気口温度検出器と、掃気管内のガス温度を検出する掃気管温度検出器と、エンジンの負荷を検出する負荷検出器とを有するとともに、それらの温度検出器および負荷検出器の信号を受け、上記双方の温度検出器の信号が示す温度の差が、負荷検出器の信号が示すエンジンの負荷に対応づけられる基準値を超えたとき異常信号を発する判定器を有すること。
1) 掃気室内のうち掃気口付近のガス温度である掃気口温度と、掃気管内のガス温度である掃気管温度と、エンジンの負荷とを検出し、検出される掃気口温度と掃気管温度との温度差が、検出されるエンジンの負荷に対応づけられる基準値を超えることをもって異常とすること。
2) 検出される掃気口温度と掃気管温度との温度差を平均化処理するとともに、検出されるエンジンの負荷を平均化処理したうえで上記基準値への対応づけを行うこととし、検出されるエンジンの負荷が整定された段階で、平均化処理した上記の温度差が上記の対応づけによる基準値を超えるか否かを判定し、当該基準値を超えることをもって異常とすること。
3) 上記の負荷検出器として過給器回転数の検出器を用い、上記のエンジンの負荷を、当該検出器が検出する過給器回転数で代用すること。
シリンダライナやピストンリングの異常摩耗によってブローバイが発生すると、掃気ポートから漏れ出る高温ガスにより掃気口付近のガス温度が上昇する。上記異常検出装置によれば、ブローバイによって掃気口付近へ漏れ出る高温ガスを、掃気口付近に設置した上記の温度検出器（掃気口温度検出器）によって直接検出することができる。スカッフィングが起こる前の初期段階ではブローバイが必ず発生するため、こうしてブローバイを検出することで、スカッフィングをも事前に検知できることになる。
また、上記異常検出装置では、加工の難しいシリンダライナ外壁部に温度検出器を埋め込む必要がないので、検出器設置のための加工コストが低減できる。ディーゼル機関の最大の振動源であるシリンダライナから離れているため、温度検出器の耐久性の観点からも望ましい。
上記エンジンの負荷については、変動が一定範囲内にある状態が３０分以上経過した場合をもって整定されたとし、上記の判定を行うとよい。

上記異常検出装置については、上記の掃気口温度検出器が、掃気室の壁に設けられた穴に、当該壁の外側から挿入され当該壁の外側において固定されることにより取り付けられていると好ましい。
温度検出器を、加工の難しいシリンダライナ外壁部にではなく、より一般的な材料が使用される掃気室の壁に設けられた穴に取り付けることとすると、検出器設置のための加工コストがとくに低減される。温度検出器を、掃気室の壁の外側から挿入され当該壁の外側において固定される形で取り付けるなら、その取り付けおよび取り外しも容易である。異常時に漏れ出てくる高温ガスを当該検出器が直接検出できるうえ、検出器の耐久性の面でも好ましい、といった点は上記と同様である。なお、掃気口付近に点検用の開閉ハッチ等があれば、掃気室の壁として当該ハッチ等に温度検出器を設置するのも好ましい。

上記異常検出装置においては、掃気室内のうち掃気口付近にてガス温度を検出する掃気口温度検出器と、掃気管内のガス温度を検出する掃気管温度検出器と、エンジンの負荷を検出する負荷検出器とを有するとともに、それらの温度検出器および負荷検出器の信号を受け、双方の温度検出器の信号が示す温度の差が、負荷検出器の信号が示すエンジンの負荷に対応づけられる基準値を超えたとき異常信号を発する判定器を有することを特徴としている。負荷検出器としては動力計を使用することができるが、過給器回転数の検出器やガバナのラック位置検出器を用い、それらが検出する過給器回転数またはガバナのラック位置をエンジンの負荷に置き換えることとしてもよい。
この異常検出装置では、エンジンを搭載した船舶は広い領域を航海しており、外気温度が高い地域や低い地域があるうえ天候も大幅に変化することに基づき、外気温度が上昇するとそれに応じて掃気管温度も上昇し、ひいては掃気口温度も上昇すること、さらには、ディーゼルエンジンの負荷に応じて燃焼ガス温度が変化することを考慮して、以下のごとくさらに判定判断を改善できる。
ディーゼルエンジンでは、運転負荷が大きくなると一般に燃焼室ガス温度が上昇してくる。そのため、掃気口温度検出器と掃気管温度検出器出力との間の温度差が、船舶の運転負荷状態によって基準づけられる値を超えたときに異常と判定することで、検出された当該温度差の拡大が、シリンダ摺動の異常によるものか単にエンジン負荷が変化したことによるものかを判断することができる。なお、掃気口温度と掃気管温度との温度差に基づいて判断するので、外気温度の変化による影響を受けないようにできることはいうまでもない。

舶用ディーゼルエンジンは、上記の異常検出装置を備えていることが望ましい。
そのようなエンジンでは、温度検出器の取り付けに要するコストを抑えながら、上述した好ましい異常検出を行うことができる。

発明の異常検出方法は、上記の装置を使用するもので、掃気室内のうち掃気口付近のガス温度である掃気口温度と、掃気管内のガス温度である掃気管温度と、エンジンの負荷とを検出し、検出される掃気口温度と掃気管温度との温度差が、検出されるエンジンの負荷に対応づけられる基準値を超えることをもって異常とすることを特徴とする。
このようにすることにより、a)ブローバイの段階からシリンダライナ等の異常摩耗を検出できる、b)温度を検出するために、特殊な材料でできたシリンダライナ等に困難な加工をして温度検出器を取り付ける必要がない、c)温度を検出するための手段について耐久性を向上させられる、といったメリットに加えて、エンジンの負荷による温度変化の影響を矯正して、さらに高精度な異常検出を行うことが可能になる。

発明の異常検出方法は、さらに、検出される掃気口温度と掃気管温度との温度差を平均化処理するとともに、検出されるエンジンの負荷を平均化処理したうえで上記基準値への対応づけを行うこととし、検出されるエンジンの負荷が整定された段階で、平均化処理した上記の温度差が上記の対応づけによる基準値を超えるか否かを判定し、基準値を超えることをもって異常とすることを特徴としている。この方法は、たとえば図５に示す手順によって行うことができる。
この方法によれば、掃気口温度や掃気管温度、さらにはエンジンの運転負荷が時間的に変化している場合においても、好ましい異常検出が行える。つまり、エンジンの運転については、起動から順次出力を上昇させ、定常運転時においてもその運転状況に応じて出力が変化することがある。検出される掃気口温度と掃気管温度との温度差、および検出されるエンジンの負荷をそれぞれ平均化処理するとともに、上記温度差が上記基準値を超えるか否かを判定するタイミングをエンジン負荷が整定されたときとすることで、瞬時的なあるいは継時的な変化を誤って異常と判定しないようにすることができる。

発明によれば、スカッフィングのみならずその前の段階で生じるブローバイ現象をも検出することができ、シリンダライナやピストンリングの異常摩耗を早期に検出することが可能となる。検出器を取り付けるための加工コストが低減できるほか、温度検出器の耐久性を確保する点でも好ましい。

また、運転時における様々なエンジン負荷状況を判定判断に取り入れて、異常判断の精度がさらに向上する。

発明の方法では、エンジンの負荷による温度変化の影響をなくしてさらに高精度な異常検出を行うことができる。
またとくに、瞬時的・継時的な変化による誤差をなくしてディーゼルエンジンの異常検出の精度向上をはかることができる。

図１および図２に、発明の実施についての第一の形態を紹介する。
図１には二サイクルの舶用ディーゼルエンジン１を示している。エンジン１の上部にはシリンダ２とその中を移動するピストン３があり、シリンダ２内に噴射された燃料と吸入された空気とが混合されて爆発し、ピストン３を押し下げる。ピストン３の動きはコネクティングロッド４を介してクランク５を動かし、主軸６に回転運動を与える。主軸６の回転運動がディーゼルエンジン１の出力となる。主軸６の長さ方向に複数のシリンダ２が配置され、それぞれに対してピストン３やコネクティングロッド４が設けられている。

各シリンダ２の下部には、燃焼用空気を取り込むための掃気口７が設けられている。掃気口７の周りにはシリンダ２ごとに掃気室８がある。それぞれの掃気室８は、外気に通じる掃気管９で連結されている。

図１および図２の例では、掃気口７の近傍に温度検出器（掃気口温度検出器）１０を設置している。
シリンダ２とピストン３との摺動部において、保守不良や潤滑油の不足などにより摺動異常が生じると、摺動面の摩擦が増大し、ブローバイ現象が生じるとともにその後にスカッフィングが発生しがちである。ブローバイが生ずると高温の排気ガスがピストン３の下に漏れ、それが掃気口７に流出してきて、付近の温度が上昇する。この事例では、掃気口温度検出器１０によって、ブローバイにより漏れてくる高温の燃焼ガスを直接温度測定することで、摺動異常を早期に検出するようにしたものである。

掃気口温度検出器１０は、掃気室８の外壁１１を貫通するように形成した穴に外側から挿入することにより取り付けている。その外壁１の穴に設けたねじ部に検出器１０のねじ部をはめ付けること等により、掃気室８の外側から検出器１０を固定する。検出器１０の先端の感温部は、掃気室８内のうち掃気口７に面したすぐ外側に位置させ、掃気口７から漏れ出るガスの温度（掃気口温度）を測定できるようにしている。なお、掃気室８の外壁１１は一般鋳鉄であるため、上記の穴の加工は容易である。
掃気口７の外側付近に点検用途などの蓋があれば、温度検出器１０の取り付け用の穴をその蓋に加工することも可能である。そのような蓋に加工をすることができれば、温度検出器１０の取り付けやそのメンテナンス等がさらに容易となる。
掃気口温度検出器１０には測温抵抗体を使用しているが、熱電対を用いても同様に実施できる。

この事例では、掃気口温度検出器１０の出力を判定器に送り、ディーゼルエンジン１における摺動異常の発生を当該判定器に判断させるようにしている。図２に示す信号線１３の先にその判定器（図示省略）を接続し、温度検出器１０の出力（掃気口７付近の温度）が通常状態から逸脱上昇した場合に異常を判定し、警報するようにしている。

つづく図３には、発明の第二の実施形態を示している。この例では、図１・図２の例と同様に掃気口温度検出器１０を取り付けたことに加え、掃気管９にも温度検出器（掃気管温度検出器）１２を設置している。すなわち、掃気管９の外壁に穴あけ加工を行い、当該外壁の外側から温度検出器１２を挿入して固定し、先端の感温部を掃気管９内に挿入して内部のガス温度（掃気管温度）を測定する。

なんら異常のない通常運転状態では掃気口温度検出器１０と掃気管温度検出器１２の出力にはわずかな差しかないが、シリンダ２とピストン３との間で摺動異常が生じて燃焼ガスがブローバイするようになると、掃気口温度検出器１０の出力である掃気口温度のみが上昇し、掃気管温度検出器１２の出力との間に差が生じて通常状態から逸脱してくる。図３の例は、それら出力の差（すなわち温度差）に基づいて異常を検出するものである。異常の判定は判定器（温度異常判定装置）１４に行わせることとし、信号線１３および１５によって掃気口温度検出器１０の出力と掃気管温度検出器１２の出力を判定器１４に伝えている。

図４および図５には第三の実施形態を示す。この例でも、図３の例と同様に掃気口温度検出器１０と掃気管温度検出器１２とを取り付け、それらの出力を判定器（温度異常判定装置）１４に送って異常の判定をさせている。ただしこの例では、下記に示すようにディーゼルエンジン１の負荷に応じた基準値を判定条件に入れることで、異常検出の精度をさらに高めている。
ディーゼルエンジン１の燃焼ガス温度は、エンジンの負荷が増加すると高くなるなど、負荷に応じて変化する。そこで、掃気口温度検出器１０の出力と掃気管温度検出器１２の出力との差が、エンジンの負荷に応じて正常とされる基準値と比較して一定以上逸脱しているか否かによって異常を判定する。この例ではエンジン負荷検出器１６として過給器の回転数検出器を使用し、エンジン負荷を過給機回転数で代用しているが、ガバナのラック位置信号や、動力計の出力、またはエンジンの回転数をもって代用することもできる。

図５には、図４の例において判定器１４が行う異常判定ロジック例（機能ブロック図）を示している。
舶用ディーゼルエンジン１においては、起動時および運行時に、負荷状態を始め種々のデータについて時間的な変動がある。そこで、瞬時的なデータ変動を異常と誤って判断しないよう、検出された出力値を平均化処理して入力値とし、瞬時あるいは短時間の経時的変化事象を除外して異常を判定できるようにする。

そのために、まず、掃気口温度検出器１０の出力である温度Ｔ_１と掃気管温度検出器１２出力である温度Ｔ_２との差（Ｔ_１−Ｔ_２）をとり、これをＰＢＰ温度Ｔ_３とする。シリンダ２とピストン３間に摺動異常が生ずるとブローバイガスが漏れ出てくることで、ＰＢＰ温度Ｔ_３が異常に大きくなる。ただし、瞬時的な動きからの誤った判断を排除するよう、その温度Ｔ_３について時間平均をとる平均化処理Ｓ_１を施している。
一方、シリンダ２内のガスの燃焼温度は負荷に応じて変化するため、負荷（たとえば過給器回転数）に応じたＰＢＰ温度の基準値を示す異常判定線（判定値関数。図５の下部に示すもの）を求め、これを判定器１４に記憶させておく。
図４のエンジン負荷検出器１６によってたとえば過給器の回転数Ｌを測定し続けるとともに、ディーゼルエンジン１の運転について整定判定Ｓ_２を行い、運転が整定した時点でＰＢＰ温度Ｔ_３の変化による判定を開始する。整定判定Ｓ_２は、たとえば過給機回転数Ｌが±２％以内の変動で３０分以上経過した場合をもって整定と判断する。
エンジン負荷に相当する過給器回転数Ｌについても、瞬時的な動作変化を排除するために平均化処理Ｓ_３を行い、それによって得る平均過給器回転数を、判定器１４が上記の異常判定線に当てはめて変化判定Ｓ_４を行う。その結果、測定されて平均化処理Ｓ_１をされたＰＢＰ温度Ｔ_３が異常判定線より上にあれば、摺動異常が発生したと判定し、その旨をランプまたはブザー等で警報Ｓ_５する。
こうした異常判定ロジックは、マイコン、ＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）などで組むことにより容易に実現できる。
異常の判定がなされて警報が発せられると、運転員は、その状態に応じて給油量の増量や負荷の低減等を行うことができる。

摺動異常の検出は、最も簡易な方法として、掃気口温度検出器１０の出力の上昇度合のみによって行うことも可能である。その場合、上昇幅を判定器に検知させて異常を判定させるのもよいが、人（運転員）が温度を目で見て判断することもできる。
エンジン負荷を考慮せずに上述のＰＢＰ温度のみを使用して判定を行うのもよい。たとえばＰＢＰ温度の平均値が３０分前と比較して異常上昇（たとえば＋４℃）した、といった事態が検出されると、摺動異常が発生していると判定する。

発明の実施についての形態を示すもので、断面図にて示すディーゼルエンジン１と、その掃気口７付近に設置した掃気口温度検出器１０等を示す。 掃気口温度検出器１０を組み込んだ異常検出装置の概念図である。 掃気管温度検出器１２をさらに組み込んだ異常検出装置の概念図である。 さらにエンジン負荷をも異常判定に組み込んだ異常検出装置の概念図である。 異常判定のロジック例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン
２ シリンダ
７ 掃気口
８ 掃気室
９ 掃気管
１０ 掃気口温度検出器
１１ 掃気室外壁
１２ 掃気管温度検出器
１４ 判定器（温度異常判定装置）
１６ エンジン負荷検出器

Claims (3)

1. 下記a)およびb)を特徴とする舶用ディーゼルエンジンの異常検出装置を使用する異常検出方法であって、下記1)、2)および3)を特徴とする舶用ディーゼルエンジンの異常検出方法。
   a) シリンダーとピストンとの摺動異常を検出するため、掃気室内のうち掃気口付近にてガス温度を検出する掃気口温度検出器を、ブローバイ発生時の高温ガスが漏れ出る掃気口に面したすぐ外側に感温部を位置させて有すること。
   b) 掃気室内のうち掃気口付近にてガス温度を検出する上記の掃気口温度検出器と、掃気管内のガス温度を検出する掃気管温度検出器と、エンジンの負荷を検出する負荷検出器とを有するとともに、それらの温度検出器および負荷検出器の信号を受け、上記双方の温度検出器の信号が示す温度の差が、負荷検出器の信号が示すエンジンの負荷に対応づけられる基準値を超えたとき異常信号を発する判定器を有すること。
   1) 掃気室内のうち掃気口付近のガス温度である掃気口温度と、掃気管内のガス温度である掃気管温度と、エンジンの負荷とを検出し、検出される掃気口温度と掃気管温度との温度差が、検出されるエンジンの負荷に対応づけられる基準値を超えることをもって異常とすること。
   2) 検出される掃気口温度と掃気管温度との温度差を平均化処理するとともに、検出されるエンジンの負荷を平均化処理したうえで上記基準値への対応づけを行うこととし、検出されるエンジンの負荷が整定された段階で、平均化処理した上記の温度差が上記の対応づけによる基準値を超えるか否かを判定し、当該基準値を超えることをもって異常とすること。
   3) 上記の負荷検出器として過給器回転数の検出器を用い、上記のエンジンの負荷を、当該検出器が検出する過給器回転数で代用すること。
2. 上記エンジンの負荷については、変動が一定範囲内にある状態が３０分以上経過した場合をもって整定されたとし、上記の判定を行うことを特徴とする請求項１に記載した舶用ディーゼルエンジンの異常検出方法。
3. 上記の掃気口温度検出器が、掃気室の壁に設けられた穴に、当該壁の外側から挿入され当該壁の外側において固定されることにより取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載した舶用ディーゼルエンジンの異常検出方法。

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