JP4884453B2 - センサユニットの残り寿命判定方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、周期的に動作する機械に取り付けられつつ所定の負荷サイクル数によって規定されるセンサユニットの、残り寿命判定方法及びその装置に関するものである。ここで、センサの負荷サイクルが計数され、該負荷サイクル数が内燃機関における本発明による残り寿命判定装置で使用される。

例えば内燃エンジンや射出成形機などの周期的に動作する機械には、該機械における所定の測定値を連続的に検出するためのセンサが取り付けられていることが多い。このようなセンサは、自然な磨耗の影響を受けるため、所定の寿命を有している。この寿命は、通常、特定の許容負荷サイクル数として表される。ここで、負荷サイクルとは、例えば内燃エンジンにおける燃焼サイクルや射出成形機における射出サイクルなどの周期的な動作サイクルである。

しかして、上記センサについては、これらが故障したり十分な性能又は精度を保てなくなる前に交換する必要がある。従来では、これらセンサは、所定の動作時間後に交換されるか、又は個々の負荷サイクルを単に計数し、所定の寿命に達する前に交換されていた。
オーストリア国実用新案第００９２４２号明細書

しかしながら、実際には、センサの寿命はこのセンサへの負荷によって大きく変化するものである。仮に、センサが低負荷において動作すればその寿命は比較的長いものとなり、逆に、センサが高負荷において動作するか、又は不適切に設置されているとその寿命は比較的短いものとなってしまう。

また、センサには他の動作領域よりも強く劣化が起きる動作領域があり、負荷サイクルを適用する寿命予測は、信用に足らないものとなっている。そして、事情によっては、残り寿命がまだ十分あるうちにセンサを交換したり、まだ違った使用目的に対しては使用可能であったり、あるいはセンサが予想より早く寿命に達してしまうこともある。

本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、センサの残り寿命を正確かつ容易に判定することが可能な残り寿命判定方法及びその装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、センサユニットへの負荷を負荷サイクル数を単位として測定し、この測定された負荷に応じて、前記センサユニットの負荷サイクル数に対する劣化モデルを用いて該センサユニットの劣化係数を算出し、前記負荷サイクル数を前記劣化係数で重み付けすることを特徴としている。

このような本発明の方法によれば、センサの実際の劣化がセンサに対する実際の負荷によって考慮されるので、残り寿命をより高い信頼性をもって決定することが可能である。すなわち、センサがその最適な寿命の間使用されることになる。また、劣化モデルによって、負荷がよりフレキシブルかつ使用目的に応じて考慮されることになる。さらに、本発明によれば、キャリブレーション時間又はセンサの使用目的を実際の劣化に対応させることが可能である。

また、本発明の好ましい実施形態は、劣化係数の算出をセンサユニットによって測定された測定値のみにより行うことを特徴としている。こうすることで、たの測定値が不要となるため、本発明による方法又は装置を簡易化することが可能である。

また、本発明の他の好ましい実施形態は、重み付けされた負荷サイクル数を特定の負荷サイクル数から減算したり、この負荷サイクル数によって規格化することを特徴としている。

また、本発明の他の好ましい実施形態は、センサユニットを、算出された残り寿命に基づき、適用可能なカテゴリーに分類することを特徴としている。センサの使用目的によって、必要な精度が異なるため、劣化したセンサユニットは、所定の使用目的に対しては不適であっても、他の使用目的に対しては十分に使用可能であることがあり得る。したがって、上記のようにカテゴリーに分類することによって、センサユニットの使用可能な期間が延びるとともに、使用範囲を拡大することも可能である。

さらに、本発明の他の実施形態は、センサユニットのキャリブレーション時間を算出された残り寿命に基づき決定することを特徴としている。これにより、劣化したセンサをキャリブレーション時間を短縮しつつ信頼性をもって使用することが可能である。

本発明によれば、センサの残り寿命を正確かつ容易に判定することが可能な残り寿命判定方法及びその装置を提供することが可能である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１には内燃エンジンのシリンダ１の断面図が示されており、シリンダ内部３ではピストン２が動作するようになっているとともに、このシリンダ１には、従来公知のようにバルブ４、及びオットーサイクル機関にあっては更に点火プラグ５が設けられている。なお、本発明は、他の燃焼サイクルによる内燃エンジン（例えばディーゼルエンジン）、あるいは２サイクルエンジンや４サイクルエンジンの区別なく適用可能である。

さらに、図示の構成においては、シリンダ１には、例えばピエゾ型圧力センサであるセンサユニット１０と、シリンダ内圧を測定及び評価する例えば増幅器である処理ユニット８とが設けられている。なお、センサユニット１０として、その他例えばひずみゲージ、ピエゾ抵抗型圧力センサ、音波及び超音波放射解析用の音響体型ノッキング音センサ、イオン電流プローブ、反射光センサ、バルブ又はピストンの変位センサ等としてもよい。

また、図示の構成は、エンジン特性値、特に例えば動作サイクル中の燃焼状態などを時間又はクランク角の依存性に関する所定の解像度によって測定及び／又は評価する一般的なものである。そして、図示の構成あるいは図示の構成における処理ユニット８は、本実施の形態においては、例えばエンジン制御装置としての制御ユニット７又は例えば試験装置の処理装置としての特殊な処理ユニットに接続されている。

なお、本発明は、例えば射出成形機などの周期的に動作する他の機械にも応用することができ、射出成形機の場合には、制御ユニット７は例えば射出成形機の制御装置として構成される。

ところで、センサユニット１０の残り寿命を判定するために寿命判定ユニット６が設けられており、この寿命判定ユニット６は、図２ａに示すようにセンサユニット１０に直接設けられているか、図２ｂに示すように処理ユニット８内に設けられているか、又は図２ｃに示すように制御ユニット７の上部に設けられている。ここで、この寿命判定ユニット６は、マイクロプロセッサ若しくはシグナルプロセッサ又は単純な論理回路若しくは電子回路として形成することが考えられる。

また、処理ユニット８内には例えばマイクロプロセッサ又はＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）としての演算ユニット１２が設けられており、この演算ユニット１２によって、検出された特性値（ここでは例えばシリンダ１内のシリンダ内圧ｐ_zyl）が更に処理されるようになっている。また、場合によって更に必要となる測定信号のＡ／Ｄ変換器を、演算ユニット１２に直接設けるか、又はこの演算ユニット１２の前に設けることが可能である。

しかして、処理ユニット８における演算ユニット１２から送出された信号は、アナログ信号又はデジタル信号として、例えば制御ユニット７へ伝達される。また、簡易な実施形態として、寿命判定ユニット６と演算ユニット１２を１つのユニットとして形成することも考えられる。

さらに、センサユニット１０又は処理ユニット８に表示装置１５（例えば単純なＬＣＤディスプレイ又は表示ランプ）を設け、該表示装置１５にセンサユニット１０の残り寿命を表示するように構成することもできる。

また、図２ｂに示すように、センサユニット１０と演算ユニット１２又は寿命判定ユニット６の間に従来公知のごとく増幅器（特にピエゾ型圧力センサ用のチャージアンプリファイヤ１１）を設けることも考えられる。そのほか、処理ユニット８内又はセンサユニット１０と処理ユニット８の間に更に不図示の信号フィルタユニット及び／又はシグナルコンディショナを設けることが可能である。

そして、センサユニット１０の残り寿命を得るために、所定の負荷サイクルＢ_kにおけるセンサユニット１０の負荷状態が寿命判定ユニット６内で検出されるようになっている。これは、例えばシリンダ１内の最大圧力発生時のエンジン回転数ｎ及びトルクＴのような、負荷サイクルＢ_kにおける１つ以上の不連続な点であるか、又は負荷サイクルＢ_kの一部若しくは全体（例えば燃焼サイクル全体あるいは動作サイクル全体）における負荷変化を記録及び評価したものである。

そして、例えばエンジン回転数ｎ、トルクＴ、内燃エンジン温度ｔなどの測定値が更に必要であり、これら測定値は、図２ｂに示すように外部から寿命判定ユニット６へ入力されるか、又は寿命判定ユニット６内若しくは演算ユニット１２内で直接検出される。

なお、残り寿命の判定を、例えばシリンダ内圧ｐ_zylなどのセンサユニット１０によって検出された測定値のみに基づいて行うのが好ましい。ここで、処理ユニット８内、演算ユニット１２内又は寿命判定ユニット６内で測定された測定値は、要求に応じて評価又は処理される。

ところで、図３には例えばシリンダ内圧センサにより検出されたシリンダ内圧ｐ_zylの典型的な時間変化の概略が示されており、この時間変化に基づき、所定の負荷サイクルＢ_kにおけるセンサユニット１０の負荷状態を反映した一連の特性値が導出される。一例として、シリンダ内圧ｐ_zylについて、その最大圧力ｐ_max、最大圧力増加率ｐ’_max（ｐ_maxの時間微分）又は平均シリンダ内圧ｐ_meanが導出される。なお、その他一般的な特性値についても導出することができる。

さらに、シリンダ内圧ｐ_zylの時間変化から直接負荷サイクルＢ_kを算出することもできる。すなわち、この負荷サイクルＢ_kは同じような負荷状態を繰り返すため（例えば燃焼サイクル）、測定値の時間変化を解析することによりこの負荷サイクルＢ_kを算出することが可能である。なお、上記のような測定値の評価については、例えば特許文献１に記載されている。

しかして、負荷サイクルＢ_kにおける負荷状態は、図４に示すように、所定の劣化モデル９に入力される。この劣化モデル９は、寿命判定ユニット６、処理ユニット８又は制御ユニット７において実行されるようになっている。ここで、劣化モデル９とは、例えば数式、数値計算又はメモリされた表若しくはグラフ（曲線、曲面）としての所定のパラメータに依存した物理的、数学的又は経験的なモデルである。なお、劣化モデル９としてのシミュレーションも可能であるが、劣化モデル９の具体的な実行は本発明において無意味であるので、以下では例示的に説明する。

図４に示す実施の形態においては、シリンダ内圧ｐ_zylが測定され、上記のように、これに基づき例えば最大シリンダ内圧ｐ_maxなどの所定の特性値が導出される。そして、この特性値に基づき、劣化モデル９によって負荷サイクルＢ_kに対する劣化係数Ｓ_kが算出される。この劣化係数Ｓ_kは、この実施の形態においては、例えば計算、シミュレーション又は経験に基づくデータ（例えば処理ユニット８内にメモリされた表又は数式Ｓ_k＝ｆ（ｐ_max））により得られる劣化曲線である。

なお、センサユニット１０の劣化は一連の特性値によって決定されるものであるため、例えば最大シリンダ内圧ｐ_max、平均シリンダ内圧ｐ_meanなどの、測定値から導出される他の複数の特性値に基づき劣化係数Ｓ_kを算出することも可能である。

そして、負荷サイクルＢ_kはこの算出された劣化係数Ｓ_kによって重み付けされ、これに伴いこの負荷サイクルＢ_kがセンサユニット１０の残り寿命Ｒをある程度強く減少させることになる。ここで、センサユニット１０の寿命を負荷サイクルＢ_kを単位としてＬ（例えばＬ＝１０⁸負荷サイクル）とすれば、残り寿命Ｒは、例えば

によって算出される。これを規格化すれば、

となり、残り寿命Ｒは０〜１の値をとることになる。なお、０は劣化なしの状態を表し、１は損傷状態を表している。この場合、センサの劣化について、その使用が進むにつれてＲが１へ近づくことになる。

一方、他の測定値によって劣化係数Ｓ_kの算出を行うことも可能である。図５に示す実施の形態においては、センサユニット１０によって所定の負荷サイクルＢ_kにおけるシリンダ内圧ｐ_zylが測定される。また、これに並行して、内燃エンジンの回転数ｎ及びトルクＴが検出され、これらが寿命判定ユニット６へ入力される。

例えば、最大シリンダ内圧ｐ_maxにおいてエンジン回転数ｎ_k及びトルクＴ_kが検出されたとすると、これら特性値ｎ_k（ｐ_max）及びＴ_k（ｐ_max）において、例えば負荷点に依存する温度などの他のパラメータがバックグラウンドで得られ、劣化モデル９へ入力される。この実施の形態では、劣化モデル９内において、エンジン回転数ｎ及びトルクＴに基づき、例えば計算、シミュレーション又は経験に基づくデータにより得られる劣化曲線によって劣化係数Ｓが確定される。この場合、個々の最大シリンダ内圧ｐ_maxに対してそれぞれ異なる劣化モデル９が与えられるようになっている。

また、劣化モデル９は、例えば数式
Ｓ＝ｆ（ｐ_max,Ｔ,ｎ）
として数学的に、パラメータに応じてメモリすることが可能である。そして、エンジン回転数ｎ_k及びトルクＴ_kによって劣化係数Ｓ_kが算出される。ここでも負荷サイクルＢ_kは劣化係数Ｓ_kによって重み付けされ、これに伴いこの負荷サイクルＢ_kがセンサユニット１０の残り寿命Ｒをある程度強く減少させることになる。ここで、センサユニット１０の寿命を負荷サイクルＢ_kを単位としてＬ（例えばＬ＝１０⁸負荷サイクル）とすれば、残り寿命Ｒは、例えば

によって算出される。これを規格化すれば、

となり、残り寿命Ｒは０〜１の値をとることになる。なお、０は劣化なしの状態を表し、１は損傷状態を表している。この場合、センサの劣化について、その使用が進むにつれてＲが１へ近づくことになる。

また、演算負荷を低減するために、残り寿命Ｒの算出を、所定の負荷サイクルＢ_k後に新規に行うか、又は所定時間経過後に新規に行うようにしてもよい。

さらに、劣化モデル９には、例えば平均シリンダ内圧ｐ_mean（平均有効圧力）及びエンジン回転数ｎ、平均シリンダ内圧ｐ_mean及びセンサで実測された温度などの他の入力パラメータを入力することも可能である。この場合、劣化曲線又は劣化曲面は、これら入力パラメータによって確定される。そして、劣化モデル９を２つ以上の入力パラメータに依存したものとすることで、劣化係数Ｓは、一般式として
Ｓ＝ｆ（Ｐ₁，...Ｐ_n）
と表すことができる。ここで、Ｐは、例えばエンジン回転数ｎ、トルクＴ、センサにより測定された温度ｔ、平均シリンダ内圧Ｐ_mean、最大シリンダ内圧ｐ_maxなどの適当な入力パラメータである。

したがって、上記説明したような方法においては、各負荷サイクルＢ_kがそれぞれ迅速に評価されるとともに残り寿命Ｒの算出に利用される。また、所定の負荷状態の発生頻度Ｈ（単位：負荷サイクル）を算出することも可能であり、これに基づきセンサユニット１０の劣化及び残り寿命Ｒを算出することもできる。

ところで、図６には、内燃エンジンの例えばトルク−エンジン回転数領域（又は例えばｐ_max−ｐ’_max領域）を所定の負荷領域に分割したものが示されている。ここで、センサユニット１０によって検出された測定値のみを処理して特性値を算出すれば、図７に示すように、所定の特性値範囲が出現する頻度Ｈが得られる。この場合、所定数の負荷サイクルＢkの間又は所定の時間内に、特定の負荷状態（例えばエンジン回転数ｎ_m、最大シリンダ内圧ｐ_maxにおけるトルクＴ_n又はｐ_maxのみ）の頻度Ｈが計数される。そして、このような計数によって、図６及び図７に示すようなヒストグラムが得られる。

このようにして得られた頻度Ｈ_nmあるいはＨ_nは、これに対応する劣化係数Ｓによって重み付けされ、図４又は図５に示すような劣化モデル９へ入力される。ここで、この劣化モデル９を、重要な負荷領域へ量子化するのが好ましい。あるいは、劣化モデル９における適当な平均値を負荷部分領域へ導入することも可能である。この場合、残り寿命Ｒは、例えば

又は

により算出される。

残り寿命Ｒは、ここでも規格化された値として算出することが可能である。また、Ｌは、センサユニット１０の特定された寿命、又は先行の残り寿命の算出において算出された残り寿命である。なお、所定の負荷状態の出現頻度Ｈを定常的に計数し、この頻度Ｈが所定の範囲内にある場合のみ残り寿命Ｒの算出を行うようにしてもよい。

残り寿命Ｒは、例えばセンサユニット１０又は処理ユニット８における表示装置１５に直接出力されるか、又は例えば制御ユニット７、試験ソフトウェア若しくはセンサ管理ユニットの上位ユニット内で適当に処理される。そして、センサユニット１０が残り寿命Ｒによって所定の劣化状態に達したと判断されると、このセンサユニット１０は例えば交換されることになる。

また、センサユニット１０は、例えば下記の表のように、残り寿命Ｒに応じてその使用目的につきカテゴリーに分けることができる。

センサユニット１０は、所定の残り寿命Ｒに到達した場合には、所定の使用目的についてもはや適さなくなるが、例えばより精度について要求度の低い使用目的については使用可能である。センサユニット１０が、例えば、高い精度が要求される熱力学的な調査に用いられるような圧力センサに対してもはや不適となったとしても、エンジンへの利用については適当に使用することが可能である。

また、センサユニット１０のキャリブレーション時にも、実際の劣化状態あるいは残り寿命Ｒを適用することが可能である。この場合、例えば、残り寿命Ｒが少なくなるのに伴い、キャリブレーション時間を短く設定することができる。

さらに、劣化モデル９を、動作中に補正して適用することも可能である。すなわち、センサユニット１０の動作又はこのセンサユニット１０における寿命判定の実行よって、多くの新規な値を追加的に劣化モデル９へ入力し、この劣化モデル９の精度をより向上させるとともに、センサユニット１０の使用性を拡大することが可能である。なお、このような処理を自動化することもできる。

そして、図８に示すように、算出された残り寿命Ｒを有するセンサユニット１０を、センサ管理ユニット１４内で管理することも可能である。このようなセンサ管理ユニット１４内には、例えばいつあるいはどのくらいの偏差でセンサユニット１０のキャリブレーションを行うかがメモリされている。そのため、キャリブレーション時又はセルフテスト時にセンサユニット１０の実際の劣化を考慮することが可能であり、あるいは、センサユニット１０がどのような用途にならまだ使用することができるのかを把握するのに役に立つ。

なお、センサ管理ユニット１４は、例えばセンサユニット１０を管理するデータベースであり、各センサユニット１０（又は図８に示すような処理ユニット８若しくは制御ユニット７）のデータを収容している。

内燃エンジンのシリンダの断面図である。 残り寿命の判定を行う装置の概要を示す図である。 測定値の時間変化を示すグラフである。 センサユニットの劣化モデルの概要を示すグラフである。 センサユニットの劣化モデルの概要を示すグラフである。 所定の負荷状態の出現頻度のヒストグラムである。 所定の負荷状態の出現頻度のヒストグラムである。 センサ管理ユニットを備えた構成を示す図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ ピストン
３ シリンダ内部
４ バルブ
５ 点火プラグ
６ 寿命判定ユニット
７ 制御ユニット
８ 処理ユニット
９ 劣化モデル
１０ センサユニット
１１ チャージアンプリファイヤ
１２ 演算ユニット
１４ センサ管理ユニット
１５ 表示装置
Ｂ_k 負荷サイクル
Ｈ 所定特性値範囲の出現頻度
ｎ エンジン回転数
ｐ_max 最大シリンダ内圧
ｐ’_max 最大シリンダ内圧増加率
ｐ_mean 平均シリンダ内圧
ｐ_zyl シリンダ内圧
Ｒ 残り寿命
Ｓ，Ｓ_k 劣化係数
ｔ 温度
Ｔ トルク

Claims (16)

1. 周期的に動作する機械に取り付けられつつ所定の負荷サイクル（Ｂ）数によって規定されるセンサユニット（１０）の、残り寿命（Ｒ）判定方法において、
   前記センサユニットへの負荷を前記負荷サイクル（Ｂ）数を単位として測定し、
   この測定された負荷に応じて、前記センサユニット（１０）の負荷サイクル（Ｂ）数に対する劣化モデル（９）を用いて該センサユニット（１０）の劣化係数（Ｓ）を算出し、
   前記負荷サイクル（Ｂ）数を前記劣化係数（Ｓ）で重み付けする
   ことを特徴とするセンサユニットの残り寿命判定方法。
2. 前記劣化係数（Ｓ）の算出を前記センサユニット（１０）によって測定された測定値のみにより行うことを特徴とする請求項１記載のセンサユニットの残り寿命判定方法。
3. 前記負荷サイクル（Ｂ）ごとにそれぞれ重み付けするとともに、当該残り寿命（Ｒ）判定を連続的に行うことを特徴とする請求項１又は２記載のセンサユニットの残り寿命判定方法。
4. 前記負荷サイクル（Ｂ）ごとにそれぞれ重み付けするとともに、当該残り寿命（Ｒ）判定を所定の前記負荷サイクル（Ｂ）数後又は所定時間経過後に行うことを特徴とする請求項１又は２記載のセンサユニットの寿命判定方法。
5. 所定の負荷状態の発生頻度（Ｈ）を前記負荷サイクル数を単位として計数するとともに、この計数された発生頻度（Ｈ）を前記負荷サイクル（Ｂ）数に対して算出された劣化係数（Ｓ）で重み付けすることを特徴とする請求項１又は２記載のセンサユニットの残り寿命判定方法。
6. 前記重み付けされた負荷サイクル（Ｂ）数及び前記重み付けされた発生頻度（Ｈ）を特定の負荷サイクル数（Ｌ）から減算することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサユニットの残り寿命判定方法。
7. 前記重み付けされた負荷サイクル（Ｂ）数及び前記重み付けされた発生頻度（Ｈ）を所定の値によって規格化することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサユニットの残り寿命判定方法。
8. 前記センサユニット（１０）を、前記算出された残り寿命（Ｒ）に基づき、適用可能なカテゴリーに分類することを特徴とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のセンサユニットの残り寿命判定方法。
9. 前記センサユニット（１０）のキャリブレーション時間又はセルフテスト時間を前記算出された残り寿命（Ｒ）に基づき決定することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の残り寿命判定方法。
10. 周期的に動作する機械に取り付けられつつ所定の負荷サイクル（Ｂ）数によって規定されるセンサユニット（１０）の、残り寿命（Ｒ）判定装置において、
    判定ユニット（６）を設けるとともに劣化モデル（９）を設定し、
    前記判定ユニット（６）内で、前記センサユニット（１０）の負荷に応じて、前記劣化モデル（９）に基づき所定の前記負荷サイクル（Ｂ）数に対する劣化係数（Ｓ）を算出するとともに、該劣化係数（Ｓ）で前記負荷サイクル（Ｂ）数を重み付けする
    ことを特徴とするセンサユニットの残り寿命判定装置。
11. 前記判定ユニット（６）を前記センサユニット（１０）内に設けたことを特徴とする請求項１０記載のセンサユニットの残り寿命判定装置。
12. 前記判定ユニット（６）を、前記センサユニット（１０）に接続された処理ユニット（８）内に設けたことを特徴とする請求項１０記載のセンサユニットの残り寿命判定装置。
13. 前記判定ユニット（６）を、前記センサユニット（１０）に接続された処理ユニット（８）に更に接続された制御ユニット（７）内に設けたことを特徴とする請求項１０記載のセンサユニットの残り寿命判定装置。
14. 前記センサユニット（１０）、前記処理ユニット（８）又は前記制御ユニットに、前記センサユニット（１０）の残り寿命（Ｒ）を表示する表示装置（１５）を設けたことを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のセンサユニットの残り寿命判定装置。
15. センサ管理ユニットを設けるとともに、該センサ管理ユニット内で、前記センサユニット及びその算出された残り寿命（Ｒ）を共に管理するよう構成したことを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか１項に記載のセンサユニットの残り寿命判定装置。
16. 当該内燃機関についての測定値を検出するセンサユニット（１０）と、請求項１０〜１５のいずれかに記載のセンサユニットの残り寿命判定装置とを備えて成ることを特徴とする内燃機関。

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