JP7221857B2 - 異常検出装置および異常検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンに設けられる燃料噴射部の異常を検出する技術に関する。

従来、エンジン（内燃機関）の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射部が用いられており、燃料噴射部における燃料の噴射時期を検出する手法も知られている。例えば、特許文献１および２では、燃料噴射弁の内部に設けられた圧電素子等の出力が、針弁の移動により変化することに基づいて、燃料噴射時期が検出される。また、特許文献３では、燃料供給弁において運転中に発生する閉弁時のガス漏洩を検出する異常検知装置が開示されている。当該装置では、燃料供給弁に振動センサが設置され、燃料供給弁の開閉に伴う振動の強度に基づいて燃料供給弁の異常が検出される。

特公昭４７－７１６８号公報 特開平７－１２７５５１号公報 特開２０１２－１３２４２０号公報

ところで、特許文献３のように燃料噴射部に振動センサを設ける場合、当該振動センサはエンジン全体の振動の影響を受けるため、燃料噴射部の異常を適切に検出することができない場合がある。そこで、燃料噴射部の異常を適切に検出することが可能な新規な手法が求められている。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、燃料噴射部の異常を適切に検出することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、エンジンのシリンダに設けられる取付孔に挿入され、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室外において前記燃料噴射弁および前記シリンダの双方に接合されることにより、前記燃料噴射弁を前記シリンダに押し付けて固定する弁固定部とを備える燃料噴射部の異常を検出する異常検出装置であって、前記弁固定部に取り付けられるとともに、前記燃料の噴射に向けて前記燃料噴射弁の内部圧力を増大する際に前記弁固定部に生じる変形に関する測定を行う測定部と、前記測定部の出力に基づいて、前記燃料噴射部における異常の有無を判定する異常判定部とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の異常検出装置であって、前記異常判定部が、前記弁固定部の異常の有無を判定する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の異常検出装置であって、前記異常判定部が、前記弁固定部の異常と、前記燃料噴射弁の異常とを区別して特定する。

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の異常検出装置であって、前記弁固定部において、前記燃料噴射弁を前記シリンダに向けて付勢する弾性部材が設けられ、前記測定部が、前記燃料噴射弁の前記内部圧力の増大時に前記弾性部材に生じる変形に関する測定を行う。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の異常検出装置であって、前記異常判定部が、前記弾性部材の異常の有無を判定する。

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の異常検出装置であって、前記燃料噴射部における異常の発生を報知する報知部をさらに備える。

請求項７に記載の発明は、エンジンのシリンダに設けられる取付孔に挿入され、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室外において前記燃料噴射弁および前記シリンダの双方に接合されることにより、前記燃料噴射弁を前記シリンダに押し付けて固定する弁固定部とを備える燃料噴射部の異常を検出する異常検出方法であって、ａ）前記燃料の噴射に向けて前記燃料噴射弁の内部圧力を増大する際に前記弁固定部に生じる変形に関する測定を、前記弁固定部に取り付けられる測定部により行う工程と、ｂ）前記測定部の出力に基づいて、前記燃料噴射部における異常の有無を判定する、または、前記燃料噴射部のメンテナンスの時期を決定する工程とを備え、前記ａ）工程において、前記測定部に作用する圧縮力の変化に応じた電気エネルギーが、前記測定部から出力される。

本発明によれば、燃料噴射部の異常を適切に検出することができる。

エンジンの構成を示す図である。 燃料噴射部を示す図である。 燃料噴射弁の内部構成を示す図である。 付勢部を示す部分断面図である。 測定部から出力される電圧の変化を示す図である。 異常を検出する動作の流れを示す図である。 異常検出装置の他の例を示すブロック図である。 燃料噴射部の他の例を示す図である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係るエンジン１の構成を示す図である。エンジン１は、例えば船舶用の内燃機関であり、高圧の燃料を用いる２ストロークディーゼルエンジンである。エンジン１は、シリンダ２と、シリンダ２内に設けられるピストン３とを備え、ピストン３は、図１中の上下方向に移動可能である。なお、図１の上下方向は重力方向であるとは限らない。

シリンダ２は、円筒状のシリンダライナ２１と、シリンダライナ２１の上部に取り付けられるシリンダカバー２２とを備える。ピストン３は、シリンダライナ２１に挿入された厚い円板状のピストンクラウン３１と、一端がピストンクラウン３１の下面に接続されるピストンロッド３２とを備える。ピストンロッド３２の他端は、図示省略のクランク機構に接続される。

エンジン１では、シリンダライナ２１、シリンダカバー２２、排気弁２５（後述）、および、ピストンクラウン３１の上面（すなわち、ピストン３の上面）にて囲まれる空間が、燃料および空気を燃焼するための燃焼室２０である。シリンダライナ２１の下端部近傍には、多数の貫通孔が周状に配列して形成され、これらの貫通孔の集合が、燃焼室２０内に後述の掃気を供給する掃気ポート２３である。掃気ポート２３の周囲には、掃気室２３１が設けられており、掃気ポート２３は掃気室２３１を介して掃気管４１に連通する。

シリンダカバー２２には、燃焼室２０内のガスを燃焼室２０外に排出する排気ポート２４が形成され、排気ポート２４には、排気ポート２４を開閉する排気弁２５が設けられる。排気ポート２４を介して燃焼室２０から排出されたガス（以下、「排気」という。）は、排気路２４１を介して排気管４２へと導かれる。実際のエンジン１では、複数のシリンダ２が併設されており、複数のシリンダ２が１つの掃気管４１および１つの排気管４２に接続される。好ましいエンジン１では、排気を利用する図示省略の過給機において、外部から取り込んだ吸気（空気）が加圧され、掃気として掃気管４１内に供給される。

シリンダカバー２２において、排気ポート２４の周囲には複数の燃料噴射部６が設けられる。各シリンダ２に設けられる燃料噴射部６の個数は、図１の例では、２個である。燃料噴射部６の個数は、３個以上であってもよく、１個であってもよい。

図２は、シリンダカバー２２の断面図であり、１つの燃料噴射部６の近傍を示している。図２では、後述の燃料噴射弁６０の中心軸Ｊ１が図２の上下方向に平行となるように、燃料噴射部６を描いている。以下の説明における上下方向は、原則として図２の上下方向を意味する。図２の上下方向は、重力方向である必要はない。

燃料噴射部６は、燃料噴射弁６０と、弁固定部７とを備える。弁固定部７は、燃料噴射弁６０をシリンダカバー２２に対して固定する。弁固定部７の詳細については後述する。燃料噴射弁６０は、燃焼室２０内に燃料を霧状に噴射する。燃料は、典型的には液体であるが、気体であってもよい。燃料噴射弁６０は、本体胴部６１と、傾斜部６２と、先端部６３とを備える。図２の上側から下方に向かって（すなわち、シリンダ２の外側から燃焼室２０に向かって）順に、本体胴部６１、傾斜部６２および先端部６３が配置される。本体胴部６１は、ほぼ一定の直径を有する略円柱状である。先端部６３は、燃焼室２０側に配置され、直径が本体胴部６１よりも十分に小さい略円柱状である。傾斜部６２は、本体胴部６１と先端部６３との間に配置される円錐台状の部位であり、両者に連続する。傾斜部６２の直径は、本体胴部６１側から先端部６３に向かって漸次減少する。

本体胴部６１において、傾斜部６２とは反対側の端部にはフランジ部６８が設けられる。フランジ部６８は、本体胴部６１から外側に突出する略円環状の部材である。フランジ部６８は、複数の貫通孔６８１を有する。各貫通孔６８１は、中心軸Ｊ１に略平行に延びる。図２では、各貫通孔６８１の近傍において、フランジ部６８の部分断面を示している。燃料噴射弁６０の内部構成については後述する。

シリンダカバー２２には、燃料噴射部６の個数と同数の取付孔２２０が設けられる。取付孔２２０は、シリンダカバー２２の上面から燃焼室２０まで貫通し、燃料噴射弁６０が、取付孔２２０に挿入される。取付孔２２０は、大径部２２１と、中間部２２２と、小径部２２３とを備える。大径部２２１は、燃料噴射弁６０の本体胴部６１の周囲を囲み、本体胴部６１の直径よりも僅かに大きい直径を有する。なお、図２の例では、本体胴部６１の上部の周囲に円筒部材６１１が設けられ、円筒部材６１１の下部も取付孔２２０に嵌め込まれている。小径部２２３は、先端部６３の周囲を囲み、先端部６３の直径よりも僅かに大きい直径を有する。中間部２２２は、傾斜部６２の周囲を囲む。中間部２２２の直径は、傾斜部６２と同様に、大径部２２１側から小径部２２３に向かって漸次減少する。

弁固定部７により燃料噴射弁６０がシリンダカバー２２に固定された状態では、燃料噴射弁６０の先端部６３の一部のみが燃焼室２０内に配置される。先端部６３と小径部２２３の内周面との間には、全周に亘って隙間が設けられる。中間部２２２において小径部２２３側の部位には、被接触部２２４が設けられる。被接触部２２４では、小径部２２３に向かうに従って直径が急激に小さくなる。傾斜部６２において先端部６３側の部位には、接触部６２１が設けられる。接触部６２１では、先端部６３に向かうに従って直径が急激に小さくなる。燃料噴射弁６０では、接触部６２１が、取付孔２２０の被接触部２２４と全周に亘って接触する。すなわち、互いに接触する接触部６２１の面、および、被接触部２２４の面が気密面となる。これらの面は、シート面とも呼ばれる。

図３は、燃料噴射弁６０の内部構成を示す図であり、燃料噴射弁６０の中心軸Ｊ１を含む面における断面を示している。図３では、後述の可動部６５のみ背景を破線にて示している。燃料噴射弁６０の各構成は、主として金属により形成される。

燃料噴射弁６０の本体胴部６１内には、胴部流路管６１２が設けられる。胴部流路管６１２は、中心軸Ｊ１を中心とする筒状であり、中心軸Ｊ１に沿って延びる。胴部流路管６１２における先端部６３側の端部には、可動部６５が設けられる。可動部６５は、スピンドルとも呼ばれる。可動部６５は、胴部流路管６１２の当該端部を囲む筒状部６５１を有する。筒状部６５１における先端部６３側の端部には、当該端部を閉塞する蓋部６５２が設けられる。蓋部６５２には、先端部６３側に突出する突出部６５４が設けられる。

蓋部６５２において突出部６５４の周囲には、複数の貫通孔６５３が設けられる。複数の貫通孔６５３は、中心軸Ｊ１を中心とする周方向に配列される。各貫通孔６５３は、筒状部６５１の内部と外部とを連通する。突出部６５４は、蓋部６５２から先端部６３まで延びる。蓋部６５２側に配置される突出部６５４の基部６５５は、突出部６５４の他の部位よりも大きい直径を有する。突出部６５４において、蓋部６５２とは反対側の部位には、中空部６５６が設けられる。中心軸Ｊ１の方向における突出部６５４の中央近傍には、中空部６５６の内部と連通する複数の開口６５７が設けられる。また、突出部６５４の先端面には、中空部６５６の内部と連通する１つの先端開口６５８が設けられる。

本体胴部６１内には、略筒状の可動部ガイド６６がさらに設けられる。可動部ガイド６６は、可動部６５の筒状部６５１の周囲を囲む。可動部ガイド６６の内周面は、筒状部６５１の外周面と接触する。可動部ガイド６６は、可動部６５を中心軸Ｊ１の方向に移動可能に保持する。可動部ガイド６６における先端部６３側の端部には、先端部６３に向かって内径および外径が漸次小さくなるガイド端部６６１が設けられる。ガイド端部６６１における先端部６３側の部位の内径は、突出部６５４の基部６５５の直径よりも小さい。可動部６５は、図示省略の弾性部材（例えば、ばね）により先端部６３に向かって付勢されており、基部６５５の外周面の一部がガイド端部６６１の内周面の一部と全周に亘って接触する。以下の説明では、基部６５５の外周面、および、ガイド端部６６１の内周面において、互いに接触する部位をそれぞれ「接触部６５９」および「被接触部６６２」という。接触部６５９の面、および、被接触部６６２の面は、シート面とも呼ばれる。基部６５５の接触部６５９と、ガイド端部６６１の被接触部６６２とが互いに接触した状態において、基部６５５の外周面とガイド端部６６１の内周面との間には、中心軸Ｊ１を中心とする環状空間６７が形成される。

可動部６５の突出部６５４の周囲には、略筒状の先端部本体６３１が設けられる。先端部本体６３１は、突出部６５４において基部６５５よりも先端側の部位の周囲を囲む。先端部本体６３１の先端側は閉塞される。突出部６５４における接触部６５９近傍から複数の開口６５７までの間の部位と、先端部本体６３１の内周面との間には、微小な隙間が設けられる。一方、突出部６５４における先端近傍の部位の外周面と、先端部本体６３１の内周面とは、ほぼ接触する。先端部本体６３１の先端近傍には、噴射口６３２が設けられる。基部６５５の接触部６５９と、ガイド端部６６１の被接触部６６２とが互いに接触した状態では、突出部６５４により噴射口６３２が閉塞される。

エンジン１では、図示省略の燃料供給部から燃料噴射弁６０の胴部流路管６１２に、石油燃料等の燃料が供給され、可動部６５の筒状部６５１および複数の貫通孔６５３を介して、環状空間６７に当該燃料が充填される。実際には、燃料供給部から環状空間６７までの流路には、隙間なく燃料が充填されている。燃料噴射弁６０における燃料の非噴射時には、胴部流路管６１２の内部における燃料の圧力（以下、単に「燃料噴射弁６０の内部圧力」という。）が所定値以下であり、基部６５５の接触部６５９と、ガイド端部６６１の被接触部６６２とが接触した状態が保たれる。

燃料噴射弁６０において燃料を噴射する直前には、燃料供給部により燃料噴射弁６０の内部圧力が増大される。これにより、環状空間６７内の圧力が高くなるとともに、燃料噴射弁６０の本体胴部６１において中心軸Ｊ１の方向に引っ張り歪みが生じる（すなわち、燃料噴射弁６０が当該方向に僅かに伸びる。）。そして、環状空間６７内の圧力がさらに大きくなると、上記弾性部材の付勢力に抗して可動部６５が先端部６３とは反対側へと移動し、基部６５５の接触部６５９が、ガイド端部６６１の被接触部６６２から離れる。環状空間６７内の燃料は、先端部本体６３１内に流入し、突出部６５４における複数の開口６５７を介して、中空部６５６内へと至る。このとき、突出部６５４の先端が噴射口６３２よりも可動部ガイド６６側に配置されており、噴射口６３２が開放されている。中空部６５６内の燃料は、先端開口６５８から流出し、噴射口６３２から燃焼室２０内に噴射される。燃料の噴射により、燃料噴射弁６０の内部圧力は所定値以下に戻り、燃料噴射弁６０の引っ張り歪みも解消される。実際には、図１のピストン３の上下動に同期して、燃料噴射弁６０から燃焼室２０内への燃料の噴射が繰り返し行われる。

図２に示すように、弁固定部７は、複数の固定ユニット７０を備える。複数の固定ユニット７０は、シリンダカバー２２の上面において取付孔２２０の周囲に設けられる。図２の例では、２個の固定ユニット７０が設けられる。固定ユニット７０の個数は、１個または３個以上であってもよい。各固定ユニット７０は、固定ボルト７１と、ナット７２と、付勢部７３とを備える。固定ボルト７１は、例えばスタッドボルトであり、シリンダカバー２２の上面に設けられたネジ孔に、固定ボルト７１の下端が螺合により締結される。これにより、固定ボルト７１は、シリンダカバー２２の上面に対して略垂直に直立した状態でシリンダカバー２２に固定される。

燃料噴射弁６０のフランジ部６８における複数の貫通孔６８１は、複数の固定ボルト７１に対してそれぞれ嵌め込まれる。付勢部７３は、略円筒状であり、固定ボルト７１に対してフランジ部６８よりも上方から嵌め込まれる。付勢部７３の詳細については後述する。固定ボルト７１の上端には、ナット７２が所定の大きさの締め付けトルク（以下、「設定トルク」という。）にて締め付けられて締結される。付勢部７３の上部はナット７２に接触し、付勢部７３の下部はフランジ部６８に接触する。

図４は、付勢部７３を示す部分断面図である。図４では、略円筒状の付勢部７３の中心軸Ｊ２を含む面における付勢部７３の断面の一部を示している。付勢部７３は、皿ばね部７３１と、ケーシング７４と、ばね押さえ７５と、複数のピン７３６とを備える。付勢部７３は、ばねケーシングとも呼ばれる。皿ばね部７３１は、少なくとも１つの皿ばねを含む。図４の例では、皿ばね部７３１は、複数の皿ばねの積層体である。複数の皿ばねの重ね方（並列重ねおよび直列組合せ）は任意に変更されてよい。皿ばね部７３１は、上下方向（中心軸Ｊ２の方向）に弾性変形可能な弾性部材と捉えることが可能である。付勢部７３では、皿ばね以外のばねやゴム等、他の種類の弾性部材が用いられてもよい。皿ばね部７３１は、略円筒状であり、後述するように、固定ボルト７１が皿ばね部７３１に挿入される。

ケーシング７４は、ケーシング本体７４１と、ケーシング底部７４２と、筒状突出部７４３とを備える。ケーシング本体７４１は、略円筒状であり、皿ばね部７３１を収容する。ケーシング底部７４２は、中心軸Ｊ２に略垂直な円環板状であり、ケーシング本体７４１の下端から中心軸Ｊ２に向かって広がる。皿ばね部７３１の下端は、ケーシング底部７４２の上面に接触する。筒状突出部７４３は、略円筒状であり、ケーシング底部７４２の内周縁から下方に向かって突出する。筒状突出部７４３の内径および外径は、ケーシング本体７４１の内径よりも小さい。筒状突出部７４３は、フランジ部６８の貫通孔６８１に挿入され（図２参照）、ケーシング底部７４２の下面が、フランジ部６８に接触する。

ばね押さえ７５は、略円筒状であり、ケーシング本体７４１に上方から挿入される。ばね押さえ７５は、後述の測定部５１を介して皿ばね部７３１に間接的に接触する。ばね押さえ７５の外周面には、複数のピン固定孔７５１が、中心軸Ｊ２を中心とする周方向に配列して形成される。また、ケーシング本体７４１には、中心軸Ｊ２を中心とする径方向において各ピン固定孔７５１と重なるピン挿入孔７４４が設けられる。ピン挿入孔７４４は、上下方向に長い孔である。各ピン７３６は、ピン挿入孔７４４に挿入された状態でピン固定孔７５１に固定される。これにより、各固定ユニット７０（図２参照）の固定ボルト７１、ナット７２および付勢部７３を分離した状態において、ばね押さえ７５および皿ばね部７３１が、ケーシング７４から抜けることが防止される。ばね押さえ７５は、上下方向にある程度移動可能である。

図２および図４に示すように、各固定ユニット７０では、筒状突出部７４３、ケーシング底部７４２、皿ばね部７３１、および、ばね押さえ７５に、固定ボルト７１が挿入される。既述のように、ケーシング底部７４２は、燃料噴射弁６０のフランジ部６８の上面に接触する。また、固定ボルト７１の上端に締結されたナット７２は、ばね押さえ７５の上端面に接触し、ばね押さえ７５がケーシング７４に対して下方に押し下げられる。これにより、皿ばね部７３１が圧縮され、フランジ部６８がシリンダ２に向けて付勢される。

以上のように、燃料噴射部６では、付勢部７３を燃料噴射弁６０との接合部とし、固定ボルト７１の下端をシリンダ２との接合部として、弁固定部７が、燃焼室２０外において燃料噴射弁６０およびシリンダ２（のシリンダカバー２２）の双方に接合される。そして、弁固定部７により、燃料噴射弁６０がシリンダ２に押し付けられた状態で、シリンダ２に固定される。

図４に示すように、エンジン１は、異常検出装置５をさらに備える。異常検出装置５は、燃料噴射部６の異常を検出する。図４の例では、異常検出装置５は、各固定ユニット７０（の付勢部７３）に対して設けられ、測定部５１と、異常判定部５２と、報知部５３とを備える。測定部５１は、例えば略円環状であり、ケーシング７４内において、ばね押さえ７５と皿ばね部７３１との間に配置される。測定部５１は、例えば圧電素子であり、上下方向に作用する力の変化に応じた電気エネルギー（電圧）を出力する。

図２に示す弁固定部７の各固定ユニット７０では、既述のように、図４の皿ばね部７３１が圧縮されており、測定部５１には一定の圧縮力（予圧）が作用する。また、燃料の噴射に向けて燃料噴射弁６０の内部圧力を増大する際に、燃料噴射弁６０（主として、本体胴部６１）において引っ張り歪みが生じる。これにより、ケーシング７４がフランジ部６８により押し上げられ、皿ばね部７３１がさらに圧縮される。その結果、測定部５１に作用する圧縮力が大きくなり、圧縮力の変化に応じた電圧が測定部５１から異常判定部５２に出力される。燃料の噴射により燃料噴射弁６０の引っ張り歪みは解消されるため、図５中に線Ｌ０～Ｌ２にて模式的に示すように、測定部５１から出力される電圧の変化は山型となる。以上のように、測定部５１では、燃料噴射弁６０の内部圧力を増大する際に、弁固定部７に生じる変形（ここでは、皿ばね部７３１の圧縮）に関する測定が行われる。なお、皿ばね部７３１により、燃料噴射弁６０における燃料の噴射直後の衝撃が吸収される。

異常判定部５２は、ばね押さえ７５の内部に組み込まれた電気的回路であり、測定部５１および報知部５３に電気的に接続される。異常判定部５２では、１回の燃料の噴射において、測定部５１から出力される電圧の変化における最大値（絶対値の最大値）が、評価値として取得される。評価値は、実質的には、測定部５１により取得されていると捉えることも可能である。報知部５３は、例えば赤、緑および青の発光素子（発光ダイオード）を含み、ばね押さえ７５の外周面における上部に設けられる。ばね押さえ７５に固定されたピン７３６が、ケーシング本体７４１のピン挿入孔７４４の上端および下端のいずれに接触する場合でも、報知部５３の少なくとも一部は、ケーシング本体７４１よりも上方に位置し、外部から視認可能である。

ここで、異常検出装置５により検出される燃料噴射部６の異常について説明する。燃料噴射部６の異常には、燃料噴射弁６０の異常、および、弁固定部７の異常が含まれる。燃料噴射弁６０の異常の一例は、図３に示す可動部６５の接触部６５９と可動部ガイド６６の被接触部６６２とが接触した状態で、可動部ガイド６６と可動部６５の筒状部６５１とが固着することにより、燃料の供給不良が生じる異常（以下、「閉固着異常」という。）である。閉固着異常では、燃料の噴射に向けて燃料噴射弁６０の内部圧力を増大する際に、接触部６５９と被接触部６６２とが離れないため、燃料噴射弁６０の内部圧力が非常に大きくなる。これにより、燃料噴射弁６０の引っ張り歪み（伸び量）が大きくなり、図５中に破線Ｌ１にて示すように、測定部５１から出力される電圧の最大値、すなわち、評価値が大きくなる。図５では、燃料噴射部６の正常時に測定部５１から出力される電圧を、実線Ｌ０にて示しており、閉固着異常時に取得される評価値は、正常時に取得される評価値よりも大きくなる。

燃料噴射弁６０の異常の他の例は、可動部６５の接触部６５９と可動部ガイド６６の被接触部６６２とが離れた状態で、可動部ガイド６６と可動部６５の筒状部６５１とが固着することにより、燃料の過剰供給が生じる異常（以下、「開固着異常」という。）である。開固着異常では、噴射口６３２から燃料が常時漏れた状態となるため、燃料の噴射に向けて燃料噴射弁６０の内部圧力を増大する際に、燃料噴射弁６０の内部圧力があまり大きくならない。これにより、燃料噴射弁６０の引っ張り歪みが僅かとなり、図５中に一点鎖線Ｌ２にて示すように、測定部５１から出力される電圧の最大値が、正常時よりも小さくなる。すなわち、開固着異常時に取得される評価値が、正常時に取得される評価値よりも小さくなる。

弁固定部７の異常の一例は、皿ばね部７３１がへたることにより、燃料噴射弁６０をシリンダ２に向けて付勢する力（すなわち、固定ボルト７１の軸力）が小さくなる、ばね劣化異常である。ばね劣化異常では、燃料の噴射に向けて燃料噴射弁６０の内部圧力を増大する際に、燃料噴射弁６０の引っ張り歪みが大きくなり、閉固着異常時と同様に、評価値が、正常時に取得される評価値よりも大きくなる。

弁固定部７の異常の他の例は、ナット７２の締め付けトルクが、設定トルクよりも大幅に小さいナット締付異常である。この場合も、燃料噴射弁６０をシリンダ２に向けて付勢する力が小さくなる。これにより、燃料の噴射に向けて燃料噴射弁６０の内部圧力を増大する際に、燃料噴射弁６０の引っ張り歪みが大きくなり、閉固着異常時と同様に、評価値が、正常時に取得される評価値よりも大きくなる。

次に、各固定ユニット７０に対して設けられる異常検出装置５による上記異常の検出について説明する。図６は、異常検出装置５が異常を検出する動作の流れを示す図である。各燃料噴射部６では、燃料の噴射に向けて燃料噴射弁６０の内部圧力を増大する際に（すなわち、燃料噴射弁６０による燃料の各噴射の直前に）、当該燃料噴射部６に含まれる各固定ユニット７０の測定部５１により、皿ばね部７３１に生じる変形に関する測定が行われる。そして、当該測定部５１の出力に基づいて、当該固定ユニット７０の異常判定部５２により評価値が取得される（ステップＳ１１）。

続いて、異常判定部５２では、評価値に基づいて、当該燃料噴射部６における異常の有無が判定される（ステップＳ１２）。ステップＳ１２の処理の詳細については後述する。異常判定部５２における判定結果を示す信号は、報知部５３に入力され、報知部５３により、燃料噴射部６の異常の有無が周囲に報知される（ステップＳ１３）。異常検出装置５では、エンジン１が駆動している間、評価値の取得、異常の有無の判定、および、異常の有無の報知（ステップＳ１１～Ｓ１３）が常時繰り返される。

ステップＳ１２における異常の有無の判定では、例えば、評価値が、予め設定された第１閾値Ｔ１および第２閾値Ｔ２（図５参照）と比較される。第１閾値Ｔ１は、第２閾値Ｔ２よりも大きい。評価値が第１閾値Ｔ１以下、かつ、第２閾値Ｔ２以上である場合には、燃料噴射部６において異常が無いと判定される。この場合、異常判定部５２からの信号に基づいて、報知部５３が、第１の色（例えば青）に点灯され、異常が無いことが周囲に報知される。

異常の有無の判定において、評価値が第１閾値Ｔ１よりも大きい場合には、燃料噴射部６において異常が有ると判定され、報知部５３が、第２の色（例えば赤）に点灯される。第２の色に点灯した報知部５３により、作業者（船員）において、閉固着異常、ばね劣化異常、または、ナット締付異常のいずれかの異常が発生していることが認識される。例えば、燃料噴射弁６０のメンテナンス直後の運転において、報知部５３が第２の色に点灯する場合には、当該固定ユニット７０のナット７２が、設定トルクにて締め付けられておらず、ナット締付異常である可能性が考えられる。この場合、作業者によりナット７２が設定トルクで締め付けられる。

メンテナンス直後においてナット締付異常に該当せず、報知部５３が第２の色に点灯するときには、閉固着異常が考えられる。この場合、燃料噴射弁６０がシリンダカバー２２から取り外されて点検され、必要に応じて補修や部品の交換が行われる。閉固着異常では、同じ弁固定部７の他の固定ユニット７０における報知部５３も第２の色に点灯していることが多い。他の燃料噴射部６における報知部５３も第２の色に点灯しているとき等には、ばね劣化異常である可能性が考えられる。この場合、適切な時期に、皿ばね部７３１の交換が行われる。

異常の有無の判定において、評価値が第２閾値Ｔ２よりも小さい場合には、燃料噴射部６において異常が有ると判定され、報知部５３が、第３の色（例えば黄）に点灯される。第３の色に点灯した報知部５３により、作業者において、開固着異常が発生していることが認識される。この場合、閉固着異常と同様に、適切な時期に、燃料噴射弁６０がシリンダカバー２２から取り外されて点検され、必要に応じて補修や部品交換が行われる。

上記では、異常検出装置５における、開固着異常、閉固着異常、ばね劣化異常、および、ナット締付異常の検出について説明したが、異常検出装置５では、燃料噴射部６の他の種類の異常が検出されてもよい。

ところで、仮に、燃料噴射弁６０に振動センサを設けることにより、燃料噴射弁６０の異常を検出する場合、当該振動センサは、エンジン全体の振動の影響を大きく受けるため、燃料噴射弁６０の異常を適切に検出することができない場合がある。また、燃料噴射弁６０の内部に各種センサを設けることも考えられるが、センサの配線用の開口等から燃料が漏れ出す可能性がある。また、燃料噴射弁６０の内部における高温高圧環境および脈動に対して耐久性の高い高価なセンサが必要となり、燃料噴射弁６０の異常の検出に係るコストが増大する。

また、定期的にシリンダ２から燃料噴射弁６０を取り外し、専用のテスト装置を用いて燃料噴射弁６０の噴射状態を確認することも考えられるが、異常が無い燃料噴射弁６０も取り外すことになり、作業が非効率となる。さらに、排気の温度を測定することにより燃料噴射弁６０の異常（燃料噴射量の異常）を検出することも考えられるが、シリンダ２に複数の燃料噴射弁６０が取り付けられている場合、いずれの燃料噴射弁６０が異常であるかを特定することが困難となる。また、燃料噴射弁６０の異常により排気の温度が変化するまでに時間を要する場合もある。

これに対し、図４の異常検出装置５では、燃料噴射弁６０の内部圧力を増大する際に、弁固定部７に生じる変形に関する測定を行う測定部５１が用いられる。このような測定部５１では、エンジン全体の振動の影響をあまり受けずに、測定を適切に行うことが可能となる。また、測定部５１が、燃料噴射弁６０の内部ではなく、弁固定部７に取り付けられる。したがって、燃料噴射弁６０において、センサの配線用の開口等を設ける必要がなく、耐久性の高い高価なセンサも不要となる。

また、異常検出装置５では、異常判定部５２により、測定部５１の出力に基づいて燃料噴射部６における異常の有無が判定される。これにより、陸上運転時から就航時にわたって、燃料噴射部６をシリンダ２から取り外すことなく、燃料噴射部６の異常を個別に、迅速に、かつ、適切に検出することができる。したがって、異常が検出された場合に、燃料噴射弁６０等の早期の点検および補修を行って、エンジン１の深刻な損傷に至ることを回避し、エンジン１の長寿命化を図ることが可能となる。

弁固定部７では、燃料噴射弁６０をシリンダ２に向けて付勢する皿ばね部７３１が設けられ、燃料噴射弁６０の内部圧力の増大時に、皿ばね部７３１に生じる変形に関する測定が測定部５１により行われる。これにより、燃料噴射弁６０における燃料の噴射直後の衝撃を皿ばね部７３１により吸収しつつ、評価値を適切に取得することが可能となる。また、測定部５１として圧電素子等の発電素子を利用する場合には、測定部５１に対する外部からの給電を省略することができる。さらに、異常判定部５２が、皿ばね部７３１の異常の有無を判定することにより、皿ばね部７３１のへたりを適切に検出することができる。なお、皿ばね部７３１に代えて他の種類の弾性部材を用いる場合も、当該弾性部材のへたりが同様に検出可能となる。

異常検出装置５では、報知部５３が、燃料噴射部６における異常の発生を報知することにより、作業者が異常の発生を迅速に認識することができ、必要な対応策を適宜施すことが可能となる。なお、報知部５３が、単色の発光素子のみを含み、当該発光素子の点灯パターンを変更することにより、異常の種類が報知されてもよい。また、報知部５３は、異常の種類を音により報知するブザー等であってもよい。報知部５３は、異常が発生した場合にのみ、異常の発生を報知するものであってもよい。

図７は、異常検出装置５ａの他の例を示すブロック図である。既述のように、エンジン１では、複数のシリンダ２が併設され、各シリンダ２には複数の燃料噴射部６が設けられる。各燃料噴射部６は、複数の固定ユニット７０を含み、各固定ユニット７０の付勢部７３に測定部５１が設けられる。図７の異常検出装置５ａでは、複数の（全ての）固定ユニット７０にそれぞれ設けられる複数の測定部５１に対して１つの異常判定部５２ａが設けられ、複数の測定部５１からの出力が、有線通信または無線通信により異常判定部５２ａに入力される。

異常判定部５２ａは、例えばＣＰＵ等を有するコンピュータが所定のプログラムを実行することにより実現される。異常判定部５２ａの一部または全部が、専用の電気的回路により実現されてもよい。異常判定部５２ａには、各種情報を記憶する記憶部５２１が設けられる。また、異常判定部５２ａには、表示部５４１および入力部５４２が接続される。表示部５４１は、異常判定部５２ａによる判定結果を表示する。入力部５４２は、異常判定部５２ａに対する各種情報の入力に利用される。例えば、燃料噴射弁６０のメンテナンスを行った場合、異常判定部５２ａには、当該燃料噴射弁６０のメンテナンスの実施を示す入力が入力部５４２を介して行われる。

異常検出装置５ａによる異常の検出では、上述の処理例と同様に、燃料の噴射に向けて各燃料噴射弁６０の内部圧力を増大する際に、各測定部５１を用いて評価値が取得される（図６：ステップＳ１１）。異常判定部５２ａでは、複数の測定部５１の評価値が記憶部５２１にて記憶（ロギング）されるとともに、各燃料噴射部６における異常の有無が判定される（ステップＳ１２）。そして、異常判定部５２ａによる判定結果が、表示部５４１に表示されて報知される（ステップＳ１３）。ステップＳ１１～Ｓ１３は、エンジン１が駆動している間、常時繰り返される。

異常検出装置５ａでは、各測定部５１を用いて評価値が繰り返し取得されるため、好ましい異常判定部５２ａでは、当該測定部５１を用いて取得される直近の複数の評価値の代表値（平均値または中央値等、複数の評価値の中央近傍の値を示すものであり、以下、「代表評価値」という。）に基づいて、異常の有無が判定される。以下、一の測定部５１を「注目測定部５１」と呼び、注目測定部５１に注目して、ステップＳ１２における異常の有無の判定の具体例を説明する。他の測定部５１についても、注目測定部５１と同様の処理が行われる。

例えば、注目測定部５１の代表評価値が第１閾値Ｔ１以下、かつ、第２閾値Ｔ２以上である場合には、異常判定部５２ａでは、注目測定部５１が設けられた固定ユニット７０において異常が無いと判定される。そして、当該固定ユニット７０に異常が無い旨が表示部５４１に表示される。

注目測定部５１の代表評価値が第１閾値Ｔ１よりも大きい場合には、注目測定部５１が設けられた燃料噴射部６において異常が有ると判定される。例えば、燃料噴射弁６０のメンテナンス直後の運転において、注目測定部５１の代表評価値が第１閾値Ｔ１よりも大きい場合には、注目測定部５１が設けられた固定ユニット７０におけるナット締付異常であると判定され、その旨が表示部５４１に表示される。ナット締付異常に該当しない場合には、注目測定部５１とは異なる燃料噴射部６に設けられた複数の測定部５１の代表評価値が確認される。当該複数の測定部５１の代表評価値のうち、所定数以上の測定部５１の代表評価値が第３閾値（例えば、第１閾値Ｔ１よりも僅かに小さい値である。）よりも大きい場合、ばね劣化異常であると判定され、その旨が表示部５４１に表示される。また、ばね劣化異常に該当しない場合には、注目測定部５１が設けられた燃料噴射部６の他の測定部５１の代表評価値が確認される。当該他の測定部５１の代表評価値が第１閾値Ｔ１よりも大きい場合、当該燃料噴射部６における燃料噴射弁６０の閉固着異常であると判定され、その旨が表示部５４１に表示される。なお、閉固着異常、ばね劣化異常、および、ナット締付異常に対して異なる閾値が設定されてもよい。

注目測定部５１の代表評価値が第２閾値Ｔ２よりも小さい場合には、注目測定部５１が設けられた燃料噴射部６における燃料噴射弁６０の開固着異常であると判定され、その旨が表示部５４１に表示される。

異常判定部５２における上記処理は、一例に過ぎず、異常の有無の判定、または、異常の種類の特定では、評価値以外の測定値が利用されてもよい。例えば、エンジン１では、シリンダ２からの排気の温度を測定する排気温度測定部が設けられており、燃料噴射弁６０の開固着異常が発生した場合、燃料の過剰供給となり、排気の温度が高くなる。また、燃料噴射弁６０の閉固着異常が発生した場合、燃料の供給不良となり、排気の温度が低くなる。したがって、異常判定部５２ａでは、注目測定部５１の代表評価値が第２閾値Ｔ２よりも小さく、かつ、排気の温度が所定範囲よりも高い場合には、燃料噴射弁６０の開固着異常と判定される。また、注目測定部５１の代表評価値が第１閾値Ｔ１よりも大きく、かつ、排気の温度が所定範囲よりも低い場合には、燃料噴射弁６０の閉固着異常と判定される。

以上に説明したように、図７の異常検出装置５ａでは、異常判定部５２ａにより、測定部５１の出力に基づいて、燃料噴射部６における異常の有無が判定される。これにより、燃料噴射部６をシリンダ２から取り外すことなく、燃料噴射部６の異常を適切に検出することができる。また、異常判定部５２ａでは、弁固定部７の異常と、燃料噴射弁６０の異常とが区別して特定される。これにより、燃料噴射部６の補修や部品交換を効率よく行うことができる。

上記異常検出装置５，５ａおよび異常検出方法では様々な変形が可能である。

図６のステップＳ１２において、例えば、作業者が、評価値の経時変化を監視することにより、開固着異常、閉固着異常、または、ばね劣化異常に近づいている等、各燃料噴射部６の状態を時間的に評価して、当該燃料噴射部６のメンテナンスの時期を決定することも可能である。この場合、燃料噴射部６の異常の発生を予防することが可能となる。また、代表評価値の複数の範囲と、燃料噴射部６のメンテナンスの時期とを対応付けたテーブルを準備し、実際に取得された代表評価値を用いて、当該テーブルを参照することにより、作業者または異常判定部５２ａにより、燃料噴射部６のメンテナンスの時期が決定されてもよい。

異常判定部５２，５２ａでは、測定部５１から出力される電圧の変化（図５参照）において最大となる時点を利用して、燃料噴射部６の異常の有無が判定されてもよい。当該時点は、燃料噴射弁６０から燃料が噴射される時点とほぼ等価であり、燃料噴射時と捉えることが可能である。例えば、測定部５１の出力に基づいて特定される燃料噴射時が、クランク軸において検出される角度信号に対して設定された時点から大きくずれている場合には、燃料噴射弁６０に異常が発生していると判定される。また、同じシリンダ２に設けられる複数の燃料噴射弁６０において、一の燃料噴射弁６０の燃料噴射時と、他の燃料噴射弁６０の燃料噴射時とが大きくずれている場合も、燃料噴射弁６０に異常が発生していると判定される。この場合も、上記角度信号等を参照することにより、異常が発生している燃料噴射弁６０を特定可能である。

異常判定部５２，５２ａでは、必ずしも弁固定部７および燃料噴射弁６０の双方の異常の有無が判定される必要はなく、弁固定部７または燃料噴射弁６０の一方の異常の有無のみが判定されてもよい。また、燃料噴射弁６０の異常の有無のみを判定する場合に、燃料噴射弁６０に対して設けられる複数の固定ユニット７０のうち、１つの固定ユニット７０のみに測定部５１が設けられてもよい。

異常検出装置５，５ａでは、弁固定部７の構造に応じて様々な種類の測定部が用いられてよい。例えば、図８に示す弁固定部７では、付勢部７３に代えて、ディスタンスパイプ７９が設けられるとともに、固定ボルト７１が図２よりも長くされる。ディスタンスパイプ７９が、燃料噴射弁６０のフランジ部６８に接触することにより、燃料噴射弁６０がシリンダ２に押し付けられて固定される。図８の燃料噴射部６では、歪みゲージである測定部５１ａが、固定ボルト７１の表面に取り付けられる。測定部５１ａでは、燃料の噴射に向けて燃料噴射弁６０の内部圧力を増大する際に固定ボルト７１に生じる変形（歪み）が測定される。すなわち、固定ボルト７１に生じる応力が実質的に測定される。なお、図８の弁固定部７において、例えばディスタンスパイプ７９とフランジ部６８との間に、圧電素子である測定部を設けることも可能である。

異常検出装置５，５ａを有するエンジンは、船舶以外に、自動車や発電用の原動機等、様々な用途に用いられてよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

１ エンジン
２ シリンダ
５，５ａ 異常検出装置
６ 燃料噴射部
７ 弁固定部
２０ 燃焼室
５１，５１ａ 測定部
５２，５２ａ 異常判定部
５３ 報知部
６０ 燃料噴射弁
２２０ 取付孔
５４１ 表示部
７３１ 皿ばね部
Ｓ１１～Ｓ１３ ステップ

Claims (7)

1. エンジンのシリンダに設けられる取付孔に挿入され、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室外において前記燃料噴射弁および前記シリンダの双方に接合されることにより、前記燃料噴射弁を前記シリンダに押し付けて固定する弁固定部とを備える燃料噴射部の異常を検出する異常検出装置であって、
   前記弁固定部に取り付けられるとともに、前記燃料の噴射に向けて前記燃料噴射弁の内部圧力を増大する際に前記弁固定部に生じる変形に関する測定を行う測定部と、
   前記測定部の出力に基づいて、前記燃料噴射部における異常の有無を判定する異常判定部と、
   を備えることを特徴とする異常検出装置。
2. 請求項１に記載の異常検出装置であって、
   前記異常判定部が、前記弁固定部の異常の有無を判定することを特徴とする異常検出装置。
3. 請求項２に記載の異常検出装置であって、
   前記異常判定部が、前記弁固定部の異常と、前記燃料噴射弁の異常とを区別して特定することを特徴とする異常検出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１つに記載の異常検出装置であって、
   前記弁固定部において、前記燃料噴射弁を前記シリンダに向けて付勢する弾性部材が設けられ、
   前記測定部が、前記燃料噴射弁の前記内部圧力の増大時に前記弾性部材に生じる変形に関する測定を行うことを特徴とする異常検出装置。
5. 請求項４に記載の異常検出装置であって、
   前記異常判定部が、前記弾性部材の異常の有無を判定することを特徴とする異常検出装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の異常検出装置であって、
   前記燃料噴射部における異常の発生を報知する報知部をさらに備えることを特徴とする異常検出装置。
7. エンジンのシリンダに設けられる取付孔に挿入され、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室外において前記燃料噴射弁および前記シリンダの双方に接合されることにより、前記燃料噴射弁を前記シリンダに押し付けて固定する弁固定部とを備える燃料噴射部の異常を検出する異常検出方法であって、
   ａ）前記燃料の噴射に向けて前記燃料噴射弁の内部圧力を増大する際に前記弁固定部に生じる変形に関する測定を、前記弁固定部に取り付けられる測定部により行う工程と、
   ｂ）前記測定部の出力に基づいて、前記燃料噴射部における異常の有無を判定する、または、前記燃料噴射部のメンテナンスの時期を決定する工程と、
   を備え、
   前記ａ）工程において、前記測定部に作用する圧縮力の変化に応じた電気エネルギーが、前記測定部から出力されることを特徴とする異常検出方法。

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