JP5305608B2 - ノイズの信号パターンの検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、装置のノイズ、特に動作ノイズの信号パターン又はノイズのスペクトルを検出するための装置および方法に関する。ミクロ亀裂などのミクロ現象は、装置に音響的に結合されたセンサーにより検出可能のノイズを発する。このような装置の典型的なものは、ピストンを含む構造と、ピストンが往復するシリンダインサートなどのシリンダ構造を有する内燃機関などである。このようなピストンには、少なくとも一つのピストンリングが設けられている。

シリンダライナー内を滑動するピストンリングのノイズを音響センサーでピックアップすることは、ＪＰ６１１３５９３９号から既知である。この信号は、所謂探傷装置に記憶した周波数データと比較される。すなわち、欠陥検出のために、ピストンリングが発する振動を測定する手段で破損ピストンリングを検知するものである。さらに、破損ピストンリングの周波数領域は、ミクロ現象の特性と考えられる周波数領域からかなりかけ離れている。

ＥＰ−Ａ−０７０６０３９に対となる滑動エレメントをモニターするシステムが開示されている。このシステムは、シリンダインサートとピストンあるいはピストンリングの滑動エレメント対の各点で潤滑材の膜および動的摩擦関係をモニターするものである。

ＥＰ１５０５２７０には、潤滑材膜の局所的パラメータをセンサーの手段で決定するための装置および方法が開示されており、潤滑材膜の特性値をあたえるこのパラメータは、潤滑材ノズルを制御する調整手段を含む制御装置に送られ、シリンダ壁の走行面上でパラメータを局所的に最適化する。さらにＥＰ１５０５２７０には、音響振動、所謂構造音響振動を検出するセンサーを使用する点が開示されている。これに使用されている測定原理は、音響振動、所謂構造音響振動の検出に基づくものである。この音響振動は、往復動ピストン燃焼機関の様々な構成部品からその動作状態において発せられる。この構成で、受動構造音響センサーそれ自身は、原理的にはマイクロフォンである単なる検出器すなわち圧電検出器であり、往復動ピストン燃焼機関内で発せられる構造音響波を検出して、例えば電気信号の形式で、制御装置に送りさらなる検証がなされる。例えば潤滑材膜の特性値について、特にシリンダ壁の走行面上の特定の点での潤滑材膜の厚みについて、検出された構造音響波パターンから結論が導き出される。構造音響波は、又音響放射とも称される。これらは、弾性張力の弾性波、すなわちシリンダ、ピストン、ピストンリングなどの往復動ピストン燃焼機関の構成部品が張力エネルギを吸収してそのゲインを放出する際などに良く生ずる弾性波である。音響波は、よって例えば、すなわちミクロの破断、ミクロの亀裂などのミクロ現象の結果として、あるいは自発的ミクロの材料変形などによる材料中の張力の突然の変化の結果として生ずるものである。通常一部が金属あるいは被覆金属からなるシリンダ内で、シリンダ壁、ピストン、ピストンリングなどの走行面において、上記に例示したミクロ現事象の典型的な線形膨張は、１から１００μｍの範囲、特に軟鋼や中間硬度の鋼においては１０から１００μｍ、あるいは微細粒アルミニウム合金では、１から１０μｍである。このような構成において、亀裂の伝播速度と、亀裂伝播に際して生ずる音速との間に差異が生じる。金属に場合、前者は、５０から６００ｍ／ｓｅｃの範囲であり、一方後者は、１０００から３７００ｍ／ｓｅｃの範囲である。この件に関して、空気中の音速は、３００ｍ／ｓｅｃであり、金属中の音速よりほぼ一桁少ない。特にアルミニウムやニッケルでは、音速の値は、３１００から３２００ｍ／ｓｅｃ、鉄やバナジウムでは、音速の値は、３０００から３１００ｍ／ｓｅｃ、クロームおよびモリブデンでは、３４００から３６００ｍ／ｓｅｃと測定されている。銅については、音速の測定平均値は低く、２４５０ｍ／ｓｅｃとなる。それゆえ、上述の構成要素の組合せの大半を占める合金の音速は、好ましくは、金属に対して特定した範囲となる。プロセス中で生ずる音響波の振幅と周波数スペクトルは、材料中の減衰を可能な限り考慮してミクロ現象の強度、大きさならびに種類の測定結果を与える。音響波は、ミクロ破断、ミクロ亀裂、自発的ミクロの材料変形などの現象に直接的に帰結し、非常に複雑な幾何学的構造を有するものであっても、被検査対象の全体のリアルタイムの非破壊検査に非常に適したものとなっている。

金属中で、主たる音響放射源は、より頻繁に生ずる塑性変形過程と、特性エネルギ分布を与える材料中の亀裂あるいは破断の成長などの、破損の成長にある。なかんずく、破裂のごとき音響事象、所謂破断は、これらを含む各種の過程で発生する。この過程では、音源のタイプとサイズに依存し、対応の材料の音速に依存して、典型的に可聴周波数から高超音波周波数までの範囲の周波数を含んでいる。この過程で、両音響圧縮波、すなわち疎密波および横偏極波が発生し、これらのスペクトル、極性、伝播速度、相対減衰ならびに相対強度からミクロ現象の情報が得られる。

本発明の目的は、信号パターンからノイズ自身ついての特性情報を決定することにある。

しかしながら、この種の解析では多量のデータを総合的精度で処理する必要があるが、通常その多量のデータの中でただ一つが重要である。

それゆえ、本発明の他の目的は、センサーにより得られたデータを圧縮（或いは低減）し、処理が簡略化され、かつ促進される一方フィルタリングにより、関係の無いデータと解っているものを処理させないようにすることにある。

本発明の以上の目的は、請求項１に記載の構成により達成され、その主題は、装置のノイズの信号パターンを検出する装置にある。特に、内燃機関の動作ノイズを検出する装置を提供するものである。この装置は、被ノイズ検出装置に音響的に結合されたセンサーを包含する。ノイズの周波数スペクトルの特定領域をろ過除去して信号パターンを発生できるフィルタ装置が設けられている。

本発明の装置は、例えば、特に大型ディーゼルエンジンなどの内燃機関に使用可能である。この種の内燃機関は、シリンダインサートに滑動可能に支持されたピストンを少なくとも一つ有している。シリンダインサートの内面は、相応の機械的性質を有する滑動面として形成されている。ピストンの往復運動がシリンダインサート内で行われ、ピストンの滑動面が、シリンダインサートの内面に沿って滑動する。ピストン自身がシリンダインーサートの内面に沿って滑動することを回避するため、ピストンは、通常シリンダインサートに対向して位置する外面を形成する少なくとも一つのピストンリングを通常有する。内燃機関に使用されるこの種のピストンリングは、潤滑材と協同してシリンダインサートとピストンとの間でシールを構成する。一実施例では、滑動面は、特にはピストンリングのマージナルゾーンに配置されている。最大磨耗深さに達する摩損がこの滑動面に少なくとも部分的に生ずることが予想される。シリンダインサートに相対的な滑動面の運動によるノイズが発生する。このノイズは、滑動の挙動に依存し、すなわちむしろ滑動の挙動における結果が導かれる。ピストンおよび／もしくはピストンリングの各運動の間、これらノイズは、膜あるいは特にセンサーの前方の圧電手段などの振動が可能な他の手段を振動させ、センサーにより検知される、特に内燃機関のピストンあるいはピストンリングとシリンダインサートなどの摩擦部材の対の摩擦性状に関する情報要素を検出できる。特に据え付け式センサーなどのセンサーは、シリンダキャップあるいはシリンダインサートに好適に配置され、圧電構造の形式のセンサーでは、キャップ壁やシリンダ壁などに特に接着剤で接合できるので、どの所望の位置にも装着可能である。原理上、センサーは、内燃機関のピストンやピストンリングなどの可動部分にも装着可能である。接着剤接合の代わりに、センサーをオイルの薄層に配置するか、固定可能のブラッケットで押圧することも可能である。特に、ブラケットでの固定は、磁石手段で行うことができる。

ノイズは、センサーで検出でき、センサーが検出できた音波は電気信号に変換できる。センサーに配置したレセプタは、音波が衝突する結果振動することとなる。圧電センサーは好適に使用され、構造音響波から受けた振動が、圧電結晶の分極を生じさせ、電荷の存在下で測定可能の電圧動揺を発生させる。電圧動揺は、この場合、衝突する音波の振幅の一時的な連続である。周期的な電圧の動揺は、帯域幅以内の衝突音波の形式のセンサー入力信号に相当する。

このケースは、本発明の第１実施例によれば、センサ入力信号を処理するため、センサー入力信号の帯域幅は、結局センサーが検出して処理可能の振動の帯域幅以内にほぼ存する状況をもたらす。結果、センサ入力信号の周波数スペクトルは、出力信号でもほぼ維持されている。

第２のケースでは、センサーの入力信号の帯域幅は、センサーにより共鳴周波数の領域で充分な振幅で検出できる振動の周波数帯域を越えている。これにより、センサー入力信号の周波数スペクトルが変調され、帯域幅内に存する信号が強く加重される一方、適正周波数の範囲からの距離が増大するとセンサー入力信号が虚弱に受信される。よってセンサーには、帯域通過フィルターに相当するフィルタ機能を有する結果となる。

シリンダスペースからのエンジンノイズをろ過除去するために、センサーが検知し信号処理する領域が、好適実施例において、センサ入力信号を含む帯域幅よりもほぼ小さな帯域幅を有している。センサーは、ミクロ現象に対する特性の信号の周波数を特に含む帯域幅をもつように好適に選定される。周波数帯域通過の効果により、測定に無関係のエンジンルームの非対象ノイズが起因し、周波数がセンサー内の振動可能の結晶の適正周波数領域から離れた位置にある非対象信号のほとんどが、これによりほとんど検出されず、すなわち、それぞれ信号が評価されない低加重で受信される。一例として、燃料噴射のためのバルブの開閉により生ずる流量ノイズが挙げられる。これらの音響信号は、ほとんど高周波数領域に存する。これらの信号は、いずれにせよ、ミクロ現象に起因する信号とはかなり異なるもので、帯域通過フィルタ（バンドパスフィルタ）によりろ過除去される音響エンジン運転信号に帰結する。逆に、これらの信号が、同様な周波数領域に存するならば、これらの信号は、異常現象の周期的信号と一致しない周期性を呈するならば簡単に識別できる。この場合、信号パターンを長期にわたって比較することにより、どの周期的ノイズが通常動作に属するが、そしてどのノイズが異常現象から生じたものであるかを明確化する。もしそれらの周波数スペクトルがセンサーの共鳴周波数から遠く離れて位置するならば、これらの信号はセンサーによって振動に変化させられることはない。センサーは、その正規周波数すなわち共鳴周波数の領域で音響信号に感受性を有している。好適実施例では、６００ｋＨｚの正規周波数を有するセンサーが用いられ，その測定範囲は、４００から８００ｋＨｚの範囲を実質的に含んでいる。しかしながら、異なる帯域幅の異なる周波数領域も考えられる。選定適正周波数は、６００ｋＨｚ以下とできるが、しかし、ＭＨｚ領域も含められ、これらは、エンジンの種類、サイズ、構造形式、使用材料に依存し、対象となる異常現象の種類にのみによらない。

信号パターンは、センサーのろ過機能により、および／もしくは受信周波数の振幅の時間依存パターンを表示する評価装置の機能により発生できる。各時点で、センサーは、測定空間でのその時点で丁度生じたノイズを表すある数の周波数の振幅を検知する。

請求項２によれば、フィルタ装置は、予め決定しうる中心周波数付近の予め決定しうる周波数領域をろ過するための帯域通過フィルタとして形成される。帯域通過フィルタは、電子帯域通過フィルタおよび／もしくはソフトウェア帯域通過フィルタを含む。この代わりに、またはこれに組み合わせて、センサーが機械的帯域通過フィルタとして形成される。もしセンサーが所与の周波数領域の周波数の振幅のみ受信するか、あるいはもしこれらの振幅でそれぞれ励振できれば、センサーそれ自身がろ過機能を有すことになる。この場合、センサーは、振幅に付随し、被測定外乱の測定に関係すると考えられる周波数領域により処理できるものが好適に選択される。関連領域にあるにも拘らず、センサーが処理できない周波数領域の音響信号の振幅が重要であるなら、別の周波数領域で動作する別の帯域幅を有するセンサーが用いられる。センサーの帯域幅が制限されているために全ての関連音響信号の測定が不可能な場合は、異なる値の適正周波数および／もしくは帯域幅を有する複数のセンサーを使用することができる。原理的には、帯域通過領域での励振は、センサーの選定適正周波数とは独立して背景ノイズを介して生じ、よって、例えば、特にガタつくバルブなどが原因する外乱領域の流れや衝撃ノイズによる流れノイズを介してこの励振が生ずる。周波数の増大と共に、音響波の減衰を増すことが可能となり、よって、高めの中心周波数の選択において、すなわち、高めの適正周波数のセンサー、バイパス機能のフィルタあるあノイズの高周波数領域の帯域通過の選択において、複数のセンサーを選定することが有利である。

更なる実施例によれば、センサーは、ローパスフィルタとして構成し、および／もしくはこのセンサーにより検出された一時的信号パターンは、電子的バイパスフィルタにおいて周波数ろ過される周波数である。これに代えて、一時的信号パターンは、データ処理プログラムの手段によりバイパスフィルタに相当するろ過がなされる。

更なる実施例によれば、センサーはローパスフィルタとして構成し、および／もしくはセンサーにより検出した一時的信号パターンは、電子的ローパスフィルタでろ過される周波数である。これに代わるに、一時的信号パターンは、データ処理プログラムの手段により電子的ローパスフィルタに相当するろ過がなされる。

請求項３によれば、標準信号パターン、すなわち特に周期的標準信号パターンは、記憶装置に記憶できる。信号パターンは、標準信号パターンと比較して外乱を検出可能である。

信号パターンの振幅は、時間の関数として記録され、このやり方で記憶装置に記憶される。もし、例えば、内燃機関のような周期的動作装置からノイズが発されるのであれば、次いで時間が周期に細分化される。サイクルおよび／もしくは周期は、ピストンストロークやクランクシャフトの回転と一致する。装置が通常動作していれば、標準信号パターンは、例えば、周波数スペクトルすなわち信号パターンの上述の振幅の一時的パターンの記録から決定できる。標準信号パターンは、通常の動作状態で装置から生ずるノイズの一時的シークエンスを表示する。周期的に動作する機械では、この種のノイズの一時的シーケンスは、異なるサイクルを重ね合わせるようにし、および／もしくは適時の所与の点で生ずる標準ノイズの特性値をサイクルから演算して決定するようにして、同一あるいは同様のノイズシークエンスによりサイクルのシリーズのシークエンスから決定できる。ノイズが周期的なシークエンスとなる場合は、適時所与の点でこの状況において決定された周波数スペクトルの平均値、すなわち特に周波数スペクトルの上述の振幅の平均値は、標準信号パターンに入ることとなる。周波数スペクトルの振幅が、狭い範囲内にあるなら、振幅は、帯域通過効果により理想的な結果となる。

周期Ｔ以内の時点ｔ_１の振幅の値は、次の周期の時点ｔ_１＋Ｔでの振幅ｔ_１の値と比較される。適時の所与の点での標準ノイズの統計的に重要な平均値を得るために、この比較は、周期（ｎ＋１）＊Ｔまで繰り返される。ここで
ｔ（ｎ＋１）＝ｔ（ｎ）＋Ｔ＝ｔ_１＋ｎ＊Ｔ

これらの平均値の一時的バターンは、記憶装置に蓄積された信号バターンとなる。

この信号パターンを、実際に測定したノイズ挙動が記憶されたノイズパターンと比較して装置のノイズ挙動の偏差が直接決定できる。記憶あるいは計算された信号パターンからの測定信号パターンの偏差が求まると、外乱の存在がこれから結論でき、その起源が、ノイズの到着時点を参照することにより決定できる。起源の決定すなわち信号の起源の位置の決定は、ノイズが検出された適時の点でノイズが生じた位置を知ることができれば、決定可能である。内燃機関では、適時のこの点とクランクアングルとの間にユニークな関係がある。特に摩擦的な対、すなわち例えば、二つの軸受け面の摩擦対、シリンダインサートとこの中で運動可能のピストンとの摩擦対などのノイズは、上記のやり方で検出できる。なぜなら、互いに摩擦接触する滑動対の領域の位置は、回転運動あるいは往復運動の場合適時のいずれの点も既知であるからである。ノイズの起源の位置は、クランクアングルから決定できる。滑動対の領域の摩擦状態についてのセンサー検出の情報は、結果として、特に潤滑材の量を最適化するために用いられる。

装置のノイズ、特に内燃機関の動作ノイズの信号パターンの検出のための請求項４の方法は、装置に音響的に結合されたセンサ手段でノイズを検出する段階を有し、これにより信号パターン発生用のフィルタ装置でノイズの周波数スペクトルの所定領域がろ過除去される。この方法は、少なくとも一つの上述の組合せの本発明による装置で特に実行できる。

請求項５に記載の好適実施例によれば、ノイズは、フィルタ装置により所定の中心周波数付近の所定周波数領域でろ過され、このフィルタ装置は、特に帯域通過フィルタとして作用する。帯域通過フィルタは、特に電子帯域通過フィルタおよび／もしくはソフトウェア帯域通過フィルタで構成され、および／もしくはセンサーが機械的帯域通過フィルターとして構成される。

請求項６に記載の例示的好適実施例によれば、標準信号パターン、特に周期的な標準信号パターンが発生され、記憶装置に記憶される。信号パターンは、次いで標準信号パターンと比較されて外乱の検出がなされる。そして特に外乱の発生する適時の点は、標準信号パターンと信号パターンとの比較により検出される。

請求項７に記載の好適実施例によれば、標準信号パターンとして第１信号パターンが第１サイクルでフィルタ装置により検出され、第２サイクルで第２信号パターンが検出され、第１サイクルが第２サイクルと比較される。この比較が所望のたびに繰り返される。

請求項８による方法は、データ圧縮のため信号パターンを所定の区分に細分化する段階を含み、これにより信号パターンが所定区域の特性値に取り代わる。時間依存のノイズの信号パターンは、測定期間の間にセンサーにより測定された動作ノイズをカバーする。この曲線上の各点は、時点ｔで受信したノイズの上述の特性振幅に相当する。次の段階で、データの圧縮の観点から、特性点の選定が行われ、考察がこれらの特性点に制限される。好適実施例によれば、閾値が選定され、閾値以下の振幅の背景ノイズなどの評価するに値しないノイズを削除する。閾値以上の全ての振幅値は、潜在的関連信号のための値となる。以下の方法の一つは、評価するデータの量を低減するために好適に使用される。第１実施例では、閾値以上となるピーク値が測定され、記録されデジタル化される。これらのピーク値に対して、回帰法により近似関数を見つけることが可能であり、あるいは包絡線が演算で決定できる。原理的には、それ自身を最高ピーク値に制限することも可能である。更に、周期を細分化し、すなわち、特に、クランクシャフトの完全な一回転の一時的持続時間を複数の時間区分に分割でき、この複数の時間区分は、特に検討すべき１つのみの区分最大（ｓｅｇｍｅｎｔ ｍａｘｉｍｕｍ）であり、これにより更なるデータの圧縮が可能となる。特に大きな区分の選択において、区分における更なる最大の決定は有利なものとなる。区分最大を用いる代わりに、区分の関数値をガウス分布により、あるいはその他の統計分布により記述できる。内燃機関の通常動作のための特性曲線は、これらの方法の少なくとも一つを用いて決定できる。例えば、ミクロ亀裂から生ずる抽出したミクロ現象は、最大振幅を決定することにより検出することができる。この場合、ピーク値は、適時の点すなわち特にあるクランクアングルで検出できるようになる。このピーク値は、通常動作に相当する関数パターンからかなりかけ離れている。クランクアングルにわたって、すなわち完全ピストンストロークの周期の持続時間にわたって、一区分の全ての現象の最大振幅がプロットされる。よってピストン空間のセンサーの位置に依存して、振幅レベルの特性プロットが得られる。一周期および／もしくはサイクル、すなわち特にクランクシャフトの回転の一時的持続時間の間、複数の区分への細分化は、有利であることが証明されている。もし絶対区分最大のみが評価されるのであれば、区分幅は、好適にクランクアングルの０．２から１度の間の値となる。

請求項９による好適実施例によれば、外乱の局所化が外乱から受信した信号を評価することでさらに可能となる。この過程で、信号パターンの異常現象がサイクルの適時の点および／もしくは周期的に動作する装置の周期、特にクランクアングルに関連するように周期的に動作する装置、特に内燃機関を設定することができ、異常現象が生起する位置が決定される。データ圧縮のための上述した方法の一つで得られた上述の特性振幅の特性値は、適時の点に有意に関連付けられる。周期的に動作する装置において、適時の点は、このサイクル中の位置、特に内燃機関の場合には特にクランクアングルに正確に対応する。よって、信号の生起する位置は、センサーでの信号の作用の適時の点およびクランクアングルから正確に決定でき，この信号が、シリンダインサートに対するピストンあるいはピストンリングからなる滑動対からのものであると推定できる。もし信号が、ミクロ亀裂などのミクロ現象に起因するものであれば、信号は、ピストン壁および／もしくはシリンダインサートを介してセンサーに伝わる。鋼などの金属材料中での音速、約５０００ｍ／ｓｅｃで、機械の運転速度に比し信号の伝達時間から測定に関連する遅れは生じない。その結果、信号が即座にセンサーに伝わる。０．２度から１度の間のクランクアングルの細分化をすると、この領域は、内燃機関の回転数の１００ｒｐｍから２００ｒｐｍで時間Δｔ＝１０^−３〜１０^−４に相当する。１ｍと５ｍとの間の領域でのピストンストロークとすると、信号は１０^−３〜１０^−４ｓｅｃで最大経路の距離を縦断し、このことはシリンダ空間中で生ずる信号が、選定された区間幅に相当する時間窓以内でセンサーに達することを意味する。

請求項１０による好適実施例によれば、少なくとも２つのセンサーが設けられ、異常現象の生起する位置が伝達時間の差から求められる。

請求項１１による方法の好適変形態様によれば、信号パターンの異常は、ミクロ亀裂などのミクロ現象に起因するものである。この一例として、熱焼付きなどがある。これは、滑動対の材料や周期的に動作する内燃機関などの潤滑材による温度制限があることによる高速滑動速度領域で生ずる傷や焼付きの形成によるものである。傷や焼付は次第に広範囲となり、これにより得られた信号パターンのピーク値の位置および／もしくは高さが次第に変化するので長期間の解析の枠内で検出できる。

請求項１から３のいずれか一項の発明によれば、本発明は、ピストンが往復可能のシリンダを含み、ピストンがピストンリングなど協同して滑動対を構成し、請求項４から１１のいずれか一項に記載の方法で動作するようになった大型ディーゼルエンジンなどの内燃機関に関する。
従属請求項１３は、潤滑材の量をモニターする本発明の装置の好適実施例に関し、音響放射の起源の位置を決定し、潤滑材の最適量を決定し、および／もしくはピストンリングおよび／もしくは滑動対の表面の状態を決定する方法にも関する。

本発明の更なる目的は、ピストン又はピストンリングとシリンダインサートからなる滑動対の摩擦の瞬時的状態を決定する手段を提供し、瞬時的状態の解析に基づき潤滑材の最適量を決定することにある。

上述の目的は、シリンダ表面から発する摩擦音の音響測定および評価ユニットにおける信号評価の結果として潤滑材の最適量を決定することにより達成される。この目的は、請求項１３で特徴付けられる内燃機関により達成される。これは、シリンダ内のピストの運動の結果として、滑動対の摩擦的挙動に対する特性を示す異常現象を検出することができ、検出された摩擦的挙動に依存する潤滑材の供給を調整あるいは制御する手段が設けられた内燃機関に特に関する。異常現象の検出に加えて、さらに特には潤滑材の量さらには潤滑材の膜の局所的厚さが、検出手段すなわち個々では音響信号の信号パターンを検出するセンサーを用いて本発明による方法で決定できる。信号の上述の振幅は、評価手段により解析されて時間軸に関してプロットされる。

よって一つあるいはそれ以上の構造音センサーを用いて、特には適切な評価を行って内燃機関の構造音を検出可能であり、異なるセンサー間で測定可能な伝達時間効果を考慮して上述の実施例の一つによりシリンダの走行面上の相当する音源を高精度で局所化し、特に潤滑材膜の厚さなどの潤滑材の膜の特性値に関する結論を引き出し、もって潤滑材の膜厚などの状態パラメータが相応して局所的に最適化される。

もしセンサーを一つだけ使用するとしたら、更なる動作パラメータ、例えば、クランクアングルあるいは周期的に繰り返される信号などが、測定目的としての外乱から得られる外乱信号の起源の位置の識別のために利用できる。この種の既知のノイズの一例は、付加的に一時的に正確に決定でき、周期的繰り返しがなされる吸気弁の開閉動作である。

好適実施例では、ピストンの上死点付近に位置するセンサーが利用される。この場合、内燃機関へのセンサーの取付は簡単にできる。内燃機関のミクロ亀裂を示す各現象は、シリンダインサートの壁での反射さらにはそれ自身の通路を原因として、音響信号が異なる材料を通過して減衰させることにより得られるクランクシャフトの領域のミクロ現象より実質的に大きな振幅を有している。結果として、測定結果に対する各センサーの位置の影響は無視できない。よってセンサー位置は、関連現象の予測から適正に選定されなければならない。センサー位置の選定は、センサーがいずれの所望の位置にも装着できるので構造的な制約は一般に少ない。この種のセンサーはすでに稼動されているピストンエンジンを改修することにより簡単に取付けできるので有利である。

本発明を添付図に基づき以下に具体的に説明する。

図１に、信号源から評価手段９の信号出力までの信号経路を概略的に図示する。信号は、この場合、装置１の一部であるワーク１６構造中のミクロ亀裂などのミクロ現象を介して発生する。このワーク１６は、例えば内燃機関の一部であり、ピストン、シリンダインサート、ピストンリングの一部、あるいは温度によるストレス、機械的および／もしくは化学的性質のストレスが作用するその他の構成要素などである。この図では、信号は波線で示され、すなわち特性周波数の音波である。時間ｔ_０の点で、信号１７ばかりでなく他の様々な信号が装置１により発生されるが、そのうちの２つを低波長の波線で例示的に図示してある。本図は、これら信号の波長領域を限定するものと解釈してはならない。すなわち、長波長の信号もまた装置１から発することができるものである。装置１の全音響信号の周波数を瞬時的に検知することが、グラフ１８で概略的に図示されている。この結果生じた周波数スペクトルが、中心周波数ｖ_０付近に位置することとなる。最大周波数ｖ_２および最小周波数ｖ_１は、同様に示され、この点の重要性を以下に詳述することにする。図示の場合、しかしながら、センサー８は、周波数スペクトル全体を処理するものでなく、むしろ、最大周波数ｖ_２と最小周波数ｖ_１との間に位置する周波数スペクトルの領域に『聞き耳』をたてるのみである。

グラフ１９は、センサーにより検知されセンサーにより出力されたノイズの電気信号周波数スペクトルを概略的に示す。中心周波数ｖ_０は、関連ミクロ現象から発された信号１７の予想領域に存する。センサー８の出力信号は、評価手段９に送られる。この評価手段９内では、周波数スペクトルの振幅、最大振幅、平均値あるいは統計処理法により決定された他の特性値などの周波数スペクトルの特性値が時間ｔに関してプロットしてある。グラフ２５は、評価手段９により決定された関数を概略的に示している。横軸が時間軸であり、周期Ｔは、周期性を与えることができる信号パターンに対して該略図示したものである。内燃機関において、周期は、完全燃焼サイクルに特に相当する。この場合、クランクアングルは、横軸上にプロットできる。信号パターンは、縦軸にプロットする。

振幅変調センサー出力信号の信号パターンの決定方法を図１ａに示してある。この方法を概略的に説明するべく、低周波数（ＮＦ）で振幅変調される、中波ラジオにより入力信号として受信されるなどの、高周波数信号（ＨＦ）が図１ａの上方部分に図示されている。次いで低周波信号情報ＮＦは、振幅変調ＨＦ信号の整流およびローパスろ過作用により得られ、生起音響信号としてラジオの拡声器を介して再び出力できる。ラジオ技術で既知のこの方法からの類推により、信号パターンは、本発明の方法の一実施例において、整流およびローパスろ過作用により、中心周波数付近の周波数分布である帯域通過ろ過信号からのエンジンの振幅変調ノイズパターンから得られる。図１ａに示す例において、センサーは、中心周波数６００ｋＨｚで帯域幅が２００ｋＨｚの帯域通過の帯域通過フィルタとして構成される。センサにより供給される電気信号は、センサの中心周波数および帯域幅により実質的に定義される、上述の周波数領域におけるノイズの振幅変調信号である。既に上述したように、情報は、中波送信器の振幅変調と同様に搬送周波数の振幅変調により符号化される。よって、振幅変調中波信号の場合のように正確に、関連情報、すなわち包絡線の一時パターンが達成され、高周波数成分は、適当なローパスフィルタでろ過除去され、および／もしくは信号の相当部分のみがさらに整流により処理される。

電圧振幅の一時的シークエンスを、図２に再度図示する。曲線上の各点は、電圧信号に変換された信号パターンに相当する。振幅の閾値Ａ_ｔｈは、信号パターンの閾値を記述するものであり、この閾値下側では、関連性の無い背景ノイズのみが検知される。時間ｔ_１の点で、閾値を上回り、閾値以上の全ての値は、ミクロ現象からの起因に相当する周波数領域における潜在的に関連する信号を示している。ｔ_１からｔ_３までの信号パターン全体を評価したい場合には、それぞれ個々の特性振幅値を検討する必要がある。これはかなりのデータ量になる。この理由で、信号の調整がなされ、データの低減がなされる。関連信号が閾値Ａ_ｔｈと最大値Ａ_ｐｋとの間にのみ生ずることが予測できれば、複数の近似方法が適していると証明している。最大振幅値Ａ_ｐｋそれ自身が、信号１７が何時装置１に生じたかの正確な記述を提供する。信号１７の起源の位置は、センサに到着する適時の点から知れる。

図３に更なる可能性を示す。この場合、パターンは、個々の区域に細分化される。これらの区分の各々について、データ圧縮の上述の方法の一つによる特性点或いは分布が決定できる。

本発明による装置１を、図４に概略的に図示する。この装置は、周知の方法で周方向に往復ピストン燃焼機関の燃焼室を画成する、シリンダ壁３を有するシリンダインサート４を含んでいる。シリンダインサート４の中に設けられたピストン５は、シリンダ壁３の走行面２に沿ってシリンダインサート４の長手方向軸に対して軸方向に往復する。少なくとも一つの潤滑材ノズル６がシリンダ壁３に設けられ、これによりシリンダ壁３の走行面２は、動作状態で潤滑材の膜７で被覆される。エンジンルーム内の音響信号は、センサー８により記録される。この目的のため、センサー８は、評価装置９に接続され、これによりセンサー８から入力された信号を処理する。信号評価と信号調整がこの評価手段で実行され、光、圧力、抵抗あるいは本実施例の場合におけるセンサーの電圧信号などの物理的パラメータが測定値に近似する、測定装置により測定可能且つ表示可能の電圧に変換される。

調整手段１０が評価手段９に接続され、この調整手段１０に潤滑材ノズル６が信号伝達可能に接続され、よって潤滑材ノズル６が、潤滑材膜７の状態パラメータＺＰ、本発明の実施例の場合は、シリンダ壁３の走行面２上の潤滑材膜７の厚さが最適になるようにセンサー８の信号により制御される。この図４に示された構成において、ただ一つの潤滑材ノズル６および唯一のセンサーが設けられている例を示したが、往復動ピストン内燃機関の各シリンダインサート４には、類似あるいは非類似の複数のセンサー８および複数の潤滑ノズル６がシリンダ壁３の異なる場所に取付て設けることが可能である。センサーを、シリンダキャップおよび／もしくはピストンおよび／もしくはピストンリングに設けるか、ピストンに移動可能に設けるようにしても良い。重要なことは、当然ながら内燃機関のシリンダ内の対向する運動対の間、すなわち、走行面および／もしくはピストン５および／もしくはピストンリング２０との間の潤滑材膜の膜厚を含む一つ又はそれ以上の特性値が音響放射および相互の摩擦的効果の結果で生ずる音響波に対して相応する効果を有することである。

評価手段９は、本実施例で明確に説明していないが、好適にはデータ処理システムを含む。このデータ処理システムによりセンサー８の信号が評価され、潤滑材ノズル６が、状態パラメータＺＰすなわち当該実施例ではシリンダ壁３上の潤滑材膜７の膜厚を最適化するように調整手段１０により制御される。

第１センサー８の直径方向反対側、上方あるいは下方に設けた第２の不図示のセンサーにより、通常状態からの偏差が音の空間伝播において生じたか否かの判断がなしうる。この二つのセンサーの信号は、所謂交差相関により互いに比較される。明確なピーク値が二つの信号の重ね合せにおいて現れるのであれば、これらは、流体力学的潤滑の存在下で滑り摩擦から混合摩擦へのあるいはその逆の遷移、そしてまたミクロ亀裂の形成などの摘出したミクロ現象への遷移において通常潤滑材供給の異常を示すノイズ分布に相当する。

更なる実施例において、ピストン経路の別のパラメータ特性が第２センサーの代わりに選択される。この構成において、クランクアングルあるいは周期信号、すなわち例えば、吸気弁あるいは排気弁の開閉ノイズなどが好適に選択される。クランクアングルに依存して、センサー８は、エンジンノイズが起因する信号を受信する。この場合、ピストンの通常動作時にセンサー８により記録された信号パターンは、記憶装置１３に記憶される。このパターンは、評価手段９に読み込まれ、測定室中のセンサー位置およびクランクアングルの位置に関して評価でき、外乱の表面座標が決定され、これにより外乱の位置が決定できる。評価手段９は、少なくとも一つのデータ接続手段を介して記憶装置１３に接続され、入力信号が比較装置１４により記憶装置１３に蓄積された参照データに関する参照信号と比較される。比較に基づき、音響パターンの異常は、外乱として検出でき、そして局所化しておくことができる。参照データは、補償手段１５を介して記憶装置に記憶させるか、あるいはコンピュータ２３でシミュレーションされたノイズ分布から求めることができる。

評価手段での検出および評価のための好適実施例を図示する図。 振幅変調センサー出力信号の信号パターンの決定を説明する図。 評価した信号パターンの可能な信号処理を説明する図 評価した信号パターンの更なる可能な信号処理を説明する図。 シリンダ／ピストンに設けたモニター装置を示す概略図

Claims (3)

1. 周期的に動作する装置に音響的に結合されてノイズを検出する２つのセンサーであって、前記ノイズから信号パターンを生成するフィルタ装置を有するセンサーと、
   前記周期的に動作する装置が通常の動作のときに発生するノイズの時系列信号を示す標準信号パターンを記憶可能な記憶装置と、
   前記フィルタ装置が生成した前記信号パターンを前記記憶装置に記憶されている前記標準信号パターンと比較することにより前記フィルタ装置が生成した前記信号パターンの異常を検出する、評価手段と、
   を含み、
   前記２つのセンサーの信号が、所謂交差相関により互いに比較され、
   前記フィルタ装置が生成した前記信号パターンの異常が前記周期的に動作する装置のサイクル中の位置と関連付けられて該異常の発生位置が決定される、周期的に動作する装置のノイズの信号パターンの検出装置。
2. 前記ノイズは内燃機関の動作ノイズであることを特徴とする請求項１に記載のノイズの信号パターンの検出装置。
3. 前記信号パターンの前記異常がクランクアングルと関連付けられることを特徴とする請求項２に記載のノイズの信号パターンの検出装置。
   

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