JPH01210840A - ディーゼルエンジンの異常診断エキスパートシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、ディーゼルエンジンの各シリンダ内の燃焼圧
力波形データによる異常診断エキスパートシステムに関
する。

［従来技術］ 従来、ディーゼルエンジンの異常を自動診断するシステ
ムは特になく、エンジン周りの圧力、温度、流量等を測
定して監視するのが普通であった。このようなエンジン
の監視に使用される装置としては、例えば商品名ｒＥＤ
ＥＮ　　Ｓ　Ｔ　−３０」なる装置がある。これは船舶
エンジンのモニタリングをブリッジで行なえるようにし
たリモートタイプの監視装置である。この装置は、シリ
ンダ内燃焼圧力を計測する装置ではなく、従ってシリン
ダ内圧力検出部を常設していない。また、ディーゼルエ
ンジンの異常診断を行なうエキスパートシステムではな
く、単なるエンジン周りの状態を監視する装置である。

さらに、商品名ｒｃＯＭＯｓ　　Ｄ４Ｊなる装置がある
。これは、船舶エンジンを対象とし、圧力検出部を設け
てシリンダ燃焼圧力を計測しているが、エンジンの効率
計算等において用いられる装置であって、シリンダ内燃
焼圧力データによる異常診断システムではない。また装
置のコストも高い。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、離島の発電に使われているディーゼルエンジ
ン等についてはその公共性から高い信頼性が要求されて
おり、このようなディーゼルエンジンの異常を早期に発
見し故障を未然に防止する必要がある。しかしながら、
このような要求を満たすディーゼルエンジンの異常診断
システムはない。わずかに上述したような装置が船舶用
ディーゼルエンジンに用いられているのが実状であるが
、このような装置では各発電所に設置されている例えば
５〜１０機前後のエンジンの各シリンダ（１機関１８シ
リンダ平均）の燃焼状態を常に監視し、モニタリングす
ることは物理的に不可能に近いという問題点があった。

本発明は、上述の従来形における問題点に鑑み、常時オ
ンラインでディーゼルエンジンのシリンダ内圧を検知し
その異常を診断して外部にそれらの情報を出力すること
のできるディーゼルエンジンの異常診断エキスパートシ
ステムを提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、本発明に係るディーゼルエ
ンジンの異常診断エキスパートシステムは、ディーゼル
エンジンの各シリンダに対し配備されたシリンダ内圧力
を検出する手段と、該検出手段から経時的に各シリンダ
の圧力データを取込む手段と、該圧力データに基づいて
所定の特徴値を抽出する手段と、該特徴値と予め記憶し
てある複数の標準パターンの特徴値とを照合して、シリ
ンダ内圧力変化のパターンと該標準パターンとの相互の
類似性を評価する評価値を算出する手段と、該評価値に
基づいて各シリンダの異常内容を推論し出力する手段と
を具備することを特徴としている。

［作　用］ 上記構成により、ディーゼルエンジンの異常診断は以下
のように行なわれる。すなわち、先ずディーゼルエンジ
ンの各シリンダに対してシリンダ内の燃焼圧力を常時オ
ンラインで検出し、その圧力変化を示すデータを経時的
に取込んで所定の特徴値を抽出し、その特徴値と予め記
憶してある複数の標準パターンの特徴値とを照合して当
該圧力変化のパターンと標準パターンとの相互の類似性
を評価する評価値を算出し、その評価値に基づいて各シ
リンダの異常内容を推論し出力する。

［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例に係るディーゼルエンジン
の異常診断エキスパートシステムの構成を示すブロック
図である。同図において、１はディーゼルエンジンであ
り、複数のシリンダブロック２を備えている。各シリン
ダブロック２にはそれぞれシリンダ内燃焼圧力検出部３
が配備されており、これにより各シリンダブロック２の
シリンダ内の燃焼圧力を検出しアナログ電気信号として
取り出す。

４は発電機１２に動力を伝えるディーゼルエンジン１の
シャフトである。このシャフト４にはクランク角度検出
部５が配備されており、シャフト４の回転位置に基づい
て各シリンダに対応するクランク角度を検出しデジタル
電気信号として出力できるようになっている。

６は各圧力検出部３から送出される各シリンダブロック
２の微少燃焼圧力電気信号を増幅し複数あるシリンダを
切換えながらデータ処理部７に出力する信号増幅切換部
である。データ処理部７は信号増幅切換部６を介して送
出される圧力検出部３からのアナログ信号とクランク角
度検出部５ｈ１らのデジタル信号とを処理し、各シリン
ダブロック２毎にシリンダ内の最高圧力、平均有効圧力
、平均出力および回転数等を算出し出力する。

上述した圧力検出部３、クランク角度検出部５、信号増
幅切換部６およびデータ処理部７をまとめてシリンダ圧
力監視部と呼ぶ。本実施例ではこのシリンダ圧力監視部
としてＡＳＥＡ社（本社はスウェーデン）製のシリンダ
圧力監視装置（日本における代理店はガブリウスマリン
（株））であって、データ処理部７のインターフェース
等を改造したものを用いている。なお、従来より有るシ
リンダ内の圧力を計測するための検出部は耐久性および
精度等の点で問題があった。しかし、本実施例で用いた
シリンダ圧力監視装置は、ディーゼルエンジンが稼動し
ている間、シリンダの圧力を連続して計測するための十
分な耐久性を有し長寿命である。また、後述するように
圧力検出部３により計測されたデータに基づきディーゼ
ルエンジン本体の異常を早期に推論し発見するため、判
断のベースとなる計測データについては十分な精度が必
要であるが、この点でも満足できる装置である。

８は推論部、９はＣＲＴ、１０はプリンタ、１１はハー
ドディスクである。本実施例では推論部８として既存の
パーソナルコンピュータを用いた。

次に、データ処理部７から推論部８へ送出されるデータ
につき詳しく説明する。先ず、シリンダ内圧力データが
送出される。これはクランクが１回転（エンジンの圧縮
行程〜膨張行程）する間を等間隔に８００に分けた各時
点でのシリンダ内圧力データである。さらに、データ処
理部７は下記■〜■のような特徴値のデータを算出し、
推論部８へ送出する。

■　最大圧力 ■　平均有効圧力 ■　Ｔ、Ｄ、に、点の圧力 ■　膨張圧力 ■　回転数 ■　最大圧力時期とＴ、Ｄ、Ｇ、の角度■　出力馬力お
よび総出力 ■　波形のピーク値（最高圧力線図） 第２図の波形図を参照して、波形分類の基礎データを説
明する。前述の８００の経時的なシリンダ内圧データを
順次プロットすれば、同図のようなりランク角度に対す
るシリンダ内圧の波形図が得られる。同図において、２
１は非燃焼時のシリンダ内圧力の変化を示す圧縮カーブ
である。非燃焼時のデータはディーゼルエンジンの始動
時等に予め各シリンダ毎に測定して記憶しておく。２２
は燃焼を開始した後のシリンダ内圧の変化を示す燃焼カ
ーブである。２３はクランクの上死点（Ｔ、　　−Ｄ、
Ｃ，と略す）を示す。２４は燃焼カーブ２２の圧力がピ
ークとなった点を示す。

上述した特徴値■の最大圧力は燃焼カーブ２２の最大圧
力である。特徴値■の平均有効圧力は燃焼カーブ２２の
面積から非燃焼カーブの面積を差し引いた部分の平均値
である。特徴値■の着火時期は図中■に示す着火のタイ
ミングである。特徴値■は図中■の最大圧力時期とＴ、
Ｄ、Ｃ，のクランク角度である。

推論部８はこれらのデータを入力し、複数用意されてい
る燃焼波形の標準パターンの各特徴値と比較する。第３
図（ａ）〜（ｉ）　は、標準パターンの波形図である。

同図では比較のため非燃焼時の圧縮カーブも同時に表わ
している。同図（ａ）は正常時の波形（パターン０）、
同図（ｂ）は弁の癒着・摩耗あるいはバネ調整不良・劣
化等による燃料弁の異常が発生し燃料の噴霧状態が不良
となった場合の波形（パターン１）、同図（Ｃ）はリー
クや摩耗等で燃料噴射ポンプ系の異常が発生した場合の
波形（パターン２）、同図（ｄ）は噴射ポンプまたは燃
料の不具合等で圧力波形のピークが２つある圧力異常が
発生した場合の波形（パターン３）、同図（ｅ）は燃料
噴射時期が早過ぎる異常が発生した場合の波形（パター
ン４）、同図（ｆ）は燃料噴射時期が遅過ぎる異常が発
生した場合の波形（パターン５）、同図（ｇ）はシリン
ダ圧縮圧力が低下する異常が発生した場合の波形（パタ
ーン６）、同図（ｈ）は燃焼カーブに不規則な凹凸が現
われる異常が発生した場合の波形（パターン７）、同図
（ｉ）はノッキングが発生した場合の波形（パターン８
）を示す。

これらの標準パターンに対し上述した特徴値■〜■を予
め計算し記憶しておく。そして実際に測定した燃焼パタ
ーンの特徴値と標準パターンの特徴値とを比較しどの標
準パターンに類似しているか、その程度を表わす評価値
を算出する。

次に、第４図のフローチャートを参照して第１図に示す
本実施例のシステムによる異常診断の手順につき説明す
る。

本システムにおいては、先ずステップＳ１で圧力検出部
３により各シリンダの燃焼圧力データ（アナログ信号）
を得る。このデータは信号増幅切換部６を介してデータ
処理部７に入力され、ステップＳ２でアナログ／デジタ
ル変換がなされる。次に、ステップＳ３で発電負荷状態
に応じ、この圧力データの偏差値を計算し、ステップＳ
４で当該偏差値と規定値とを比較して異常の有無を判別
する。異常がなければ、ステップＳ５でデータ処理部７
は次のシリンダの燃焼圧力を検出するための指令を出し
、さらにステップＳ１に戻って順次この動作を常時オン
ラインで繰り返す。

次に、ステップＳ４で当該偏差値が規定値を外れた場合
は、ステップＳ６に進み、異常として警報信号を出力す
る。さらに、ステップＳ７で、異常が検出されたシリン
ダの圧力データ等をデータ処理部７から推論部８へ出力
する。以上のステップ５１〜Ｓ７の処理は、シリンダ圧
力監視部によって行なわれる。

次に、ステップＳ８で、推論部８はどの標準パターンの
どの特徴値についてチエツクするかを特定する。すなわ
ち、例えば第３図（ａ）　に示した正常のパターンの特
徴値■の最大圧力につきチエツクする等を特定する。次
に、ステップＳ９で、検出した当該圧力波形データの特
徴値例えば最大圧力が、予め記憶されている第３図（ａ
）の標準パターンの最大圧力の所定範囲に入るかどうか
を比較する。なお、各標準パターンの各特徴値はある所
定範囲で特定されている。

ステップＳ９の比較の結果、当該特徴値が標準パターン
の特徴値の範囲に人っている場合はステップＳＩＯで正
規分布による重み付けをして評価値を計算する。

この正規分布の重み付けは、標準パターンの特徴値の範
囲が例えば最小値ａで最大値すであって、測定した圧力
波形パターンの特徴値がＣ（ａ＜ｃａｂ）であった場合
に、当該標準パターンとの類似の割合がａからｂの間に
正規分布で分布しているとして、Ｃに対応する重み値を
得るものである。この重み値に定数を掛けて評価値（初
期値０）に足し込んでいく。掛けるべき定数は、各特徴
値の間の重み付けを示している。例えば標準パターンと
の類似性を評価する上で、特徴値の■の方が特徴値■よ
りも類似の程度が明確に出る場合には、特徴値■の定数
を大きくして重み付けを犬にする。

一方、ステップＳ９の比較の結果、当該特徴値が標準パ
ターンの特徴値の範囲外である場合には、その特徴値に
よる類似性の評価は０であるから評価値はそのままとし
、ステップＳ１１に進む。次に、ステップＳｉｔでその
標準パターンの全特徴値に関し比較を終了したかどうか
をチエツクする。未だ、すべての比較が終了していない
場合にはステップＳ８に戻り当該標準パターンの次の特
徴値についてチエツクすることとし、ステップＳ９で比
較をし、その結果範囲内であればステップＳＩＯで重み
付けをして評価値に足し込む計算をし、範囲外であれば
評価値はそのままとし、再びステップＳｌｌで全特徴に
ついて計算したかどうかをチエツクする。このようなル
ープ処理により１つの標準パターンのすべての特徴値に
ついて比較が終了し、その標準パターンとの類似の程度
を示す評価値を得る。なお、上記のように算出した評価
値と予め当該標準パターンの各特徴値の範囲の中心点を
取って評価値を計算し記憶しておいた値との比（以下、
評価値比と呼ぶ）を算出する。この評価値比は０以上１
以下となる値であり、１のときは当該標準パターンとの
類似の程度が極めて高いことが分る。

次に、ステップＳｉｔで当該標準パターンの全特徴につ
いて計算が終了したときは、ステップＳ１２ですべての
標準パターンについて計算済かどうか判別する。もし、
未だ計算していない標準パターンがあったらステップＳ
８に戻り、次の標準パターンについて上記と同様の計算
をし評価値および評価値比を算出する。すべての標準パ
ターンについて計算が終了したら、ステップＳ１３で評
価値比の上位３つを出力し、さらにステップＳ１４で異
常を推論した異常個所および考えられる異常原因と取る
べき主な対策をＣＲＴ９に出力して終了する。

第５図は、ＣＲＴ９に出力した画面表示例を示す。同図
において、異常診断の対象としたシリンダを「第２号機
第５シリンダ」と表示して特定している。さらに、日付
や時間等も表示される。圧力波形は予め取得してある非
燃焼時の圧縮カーブと燃焼カーブとを線の色を変えて表
示している。

評価値比は値の大きい方から３つを順に表示している。

この例の場合はパターン０（正常を示す）に類似する程
度が０．９５で最も高く、次にパターン６、パターン４
との類似の程度がそれぞれ０．０８，０．０３であると
示している。また、これらのデータは、プリンタ１０や
ハードディスク１１にも出力することができる。出力す
るデータを上位３つとしたのは便宜的なものであって適
宜変更が可能である。

なお、上記実施例では第１図のように１台のディーゼル
エンジンの複数のシリンダについて異常診断する構成例
を示したが、複数台のディーゼルエンジンがある場合で
も同様に構成できる。その場合は、各シリンダに圧力検
出部３を配備し、各ディーゼルエンジン１にクランク角
度検出部５を配備すればよい。また、標準パターンはパ
ターン０からパターン８までを設定しているが、特にこ
れに限ることなく、特徴値によって判別できるパターン
であればどのようなパターンでも用いることができる。

さらに、特徴値としては上記■〜■のようなシリンダ内
圧力に関連する特徴値に着目したが、その他にエンジン
回転数、排気ガス温度、振動、音、冷却水の入口／出口
温度、潤滑油の粘度・温度等に着目し、適当なセンサを
用いてこれらを検出しデータ処理部および推論部で処理
することとすれば、より木目細かな異常診断を行なうこ
とができる。

また、上記実施例によれば、各ディーゼルエンジンの各
シリンダについて上記のような評価データを自動的に取
得することができるので、これらのデータを長期に互っ
て保存しておけばデータの経時変化状況を監視すること
ができる。すなわち、例えばあるシリンダが少しずつあ
る異常パターンに近付いているというようなデータを容
易に取得できるので、このようなディーゼルエンジンは
予め点検して置くことにより、突発的な故障により稼動
停止しなければならないというような事態を回避できる
。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、シリンダ内燃焼
圧力を常時計測して得た圧力波形データを、予め記憶し
てある正常あるいは異常波形の標準パターンと照合して
、全シリンダの異常を推論診断しているので、以下のよ
うな効果がある。

（１）ディーゼルエンジンの異常をオンラインリアルタ
イムで早期に発見することができる。

（２）ディーゼルエンジンの点検時期が予測できるよう
になるので点検回数を減少させることができ効果的な定
期点検が行なえる。

（３）診断の結果に基づいて点検時の点検範囲および点
検内容を細かく特定することができ、無駄な部品交換の
防止、部品在庫を減少することかできる。

（４）各シリンダの燃焼状態を常時確認することができ
るので、エンジンの効率低下等が早期に解る。

（５）エンジンの補修後に、燃焼状態やタイミングの調
整が正常に行なわれたかどうかの確認ができる。

（６）従来、１〜２人が１時間程度毎にエンジン周りの
状態を見て歩く巡視点検をしていたが、本発明によれば
この人員の省力化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係るディーゼルエンジン
の異常診断エキスパートシステムの構成を示すブロック
図、 第２図は、波形分類の基礎データを説明するための波形
図、 第３図（ａ）〜（ｉ）は、標準パターンの波形図、第４
図は、本実施例のシステムによる異常診断の手順を説明
するためのフローチシート、第５図は、診断の結果をＣ
Ｒ７画面に表示する態様を示す説明図である。 １：ディーゼルエンジン、 ２ニジリンダブロツク、 ３：圧力検出部、 ５：クランク角度検出部、 ６：信号増幅切換部、 ７：データ処理部、 ８：推論部。 （０）正常（パターン０） （Ｃ）、ＬＷ片・責１寸ポンプ７Ｌの異常（パターン２
）第３図 （ｄ）ツイン・ピーク・プレッ７ｖ−（）寸−ン３）＜
ｅ＞）囚ｒト帽目ｌ！期（卆昌ざう）異常（パターン４
）（ｆ）煽を士・宴１寸−？ＩＫ（Ｊす一う）異常（パ
ターン５ン第３図 （９）シリンダ、圧縮ｐｉ迦ｑ翫下（パターン６）（ｈ
）不文ｔｌｌ’ｌ？７大だ１免（）マクーン７）（＋）
　　ノツキング（パターン８） 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　ディーゼルエンジンの各シリンダに対し配備されたシ
   リンダ内圧力を検出する手段と、 該検出手段から経時的に各シリンダの圧力データを取込
   む手段と、 該圧力データに基づいて所定の特徴値を抽出する手段と
   、 該特徴値と予め記憶してある複数の標準パターンの特徴
   値とを照合して、シリンダ内圧力変化のパターンと該標
   準パターンとの相互の類似性を評価する評価値を算出す
   る手段と、 該評価値に基づいて各シリンダの異常内容を推論し出力
   する手段と を具備することを特徴とするディーゼルエンジンの異常
   診断エキスパートシステム。