特許 6373012 エンジン診断装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6373012

(24)【登録日】2018年7月27日

(45)【発行日】2018年8月15日

(54)【発明の名称】エンジン診断装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 45/00 20060101AFI20180806BHJP

   G01N 29/14 20060101ALI20180806BHJP

   F02F 7/00 20060101ALI20180806BHJP

   F16C 9/02 20060101ALI20180806BHJP

【ＦＩ】

   F02D45/00 360J

   G01N29/14

   F02F7/00 301Z

   F16C9/02

【請求項の数】5

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2014-27500(P2014-27500)

(22)【出願日】2014年2月17日

(65)【公開番号】特開2015-151957(P2015-151957A)

(43)【公開日】2015年8月24日

【審査請求日】2016年12月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000284

【氏名又は名称】大阪瓦斯株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003285

【氏名又は名称】千代田化工建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001818

【氏名又は名称】特許業務法人Ｒ＆Ｃ

(72)【発明者】

【氏名】北井 大介

(72)【発明者】

【氏名】宮原 照美

(72)【発明者】

【氏名】前田 守彦

(72)【発明者】

【氏名】日置 輝夫

【審査官】 比嘉 貴大

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６２−２８０６５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２１７９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３６０５４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３２４４１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ４１／００−４５／００

Ｇ０１Ｍ１５／００−１５／１４

Ｇ０１Ｎ２９／００−２９／５２

Ｆ０２Ｆ １／００− １／４２

Ｆ０２Ｆ ７／００

Ｆ１６Ｃ ３／００− ９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジン稼働中にエンジン構成部材から発せられるアコースティックエミッション波を感知して音波信号を出力する受信素子と、
測定周期毎に前記音波信号の所定時間領域に含まれている最大振幅値を算定する最大振幅値算定部と、
複数の測定周期にわたって得られた複数の前記最大振幅値に基づいて評価値を算定する評価値算定部と、
前記評価値と予め設定されたしきい値とを比較して前記エンジン構成部材の異常判定を行う評価部と、からなり、
前記エンジン構成部材はクランクシャフトの軸受メタルであり、前記軸受メタルからの固体伝播音が到達するエンジンハウジングの外面に前記受信素子が気筒に対応して装着されており、気筒単位の評価結果が出力されるエンジン診断装置。

【請求項2】

前記受信素子から出力された前記音波信号に対して、前記エンジン構成部材の音波減衰に基づいて、診断対象となる前記エンジン構成部材と前記受信素子との距離に応じた減衰補正を含む処理を行うプレアンプと、
前記プレアンプで処理された後の前記音波信号に対してハイパスフィルタ処理を行う信号前処理部とが備えられている請求項１に記載のエンジン診断装置。

【請求項3】

前記ハイパスフィルタ処理において、エンジン回転数に起因する振動周波数及びエンジン燃焼に起因する燃焼音周波数を上回る周波数のハイパスフィルタが用いられる請求項２に記載のエンジン診断装置。

【請求項4】

前記評価値算定部は複数の前記最大振幅値のなかでの最大のものを前記評価値として算定する請求項１から３のいずれか一項に記載のエンジン診断装置。

【請求項5】

前記評価部は、前もって行われた実験結果の統計値から求められたしきい値を評価条件として前記評価値から前記エンジン構成部材の異常判定を行う請求項１から４のいずれか一項に記載のエンジン診断装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンを構成するエンジン構成部材の劣化を、アコースティクエミッションを用いて診断するエンジン診断装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、エンジンの排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路を還流する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラの破損を診断するＥＧＲクーラの破損診断装置が記載されている。この破損診断装置には、ＥＧＲクーラに配設されるとともに検知したアコースティックエミッション信号を出力するアコースティックエミッションセンサと、このアコースティックエミッションセンサからの信号に基づいてＥＧＲクーラの破損を診断する制御手段とが備えられている。制御手段は、ＥＧＲクーラにクラックが発生した状態で発生するクラック状態で発生するアコースティックエミッション信号パターンを予め記憶しておくメモリを有し、アコースティックエミッションセンサから出力されたアコースティックエミッション信号の波形パターンがクラック状態のアコースティックエミッション信号波形パターンと一致したときにＥＧＲクーラにクラックが発生したと判定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４−３６０５４６公報（図１、図５）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１による破損診断装置では、アコースティックエミッションセンサから出力されたアコースティックエミッション信号の波形パターンが参照パターンとして記憶されているクラック発生時の信号パターンと一致したとき、ＥＧＲクーラの構成部材にクラックが発生したと判定するので、クラックが発生した時点でこれを検知することができる利点がある。しかしながら、アコースティックエミッション信号には様々な振動源（音源）からの振動が含まれていることからその波形形状は複雑であり、さらにはクラックの状態によっても変化するので、診断精度を上げるには、精度の高い波形パターンマッチングが要求される。しかしながら、波形パターンマッチングの高精度化は、制御手段のコストを押し上げる。このため、より簡単でかつ精度の良いエンジン診断装置が要望されている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明によるエンジン診断装置は、エンジン稼働中にエンジン構成部材から発せられるアコースティックエミッション波を感知して音波信号を出力する受信素子と、測定周期毎に前記音波信号の所定時間領域に含まれている最大振幅値を算定する最大振幅値算定部と、複数の測定周期にわたって得られた複数の前記最大振幅値に基づいて評価値を算定する評価値算定部と、前記評価値と予め設定されたしきい値とを比較して前記エンジン構成部材の異常判定を行う評価部と、からなり、前記エンジン構成部材はクランクシャフトの軸受メタルであり、前記軸受メタルからの固体伝播音が到達するエンジンハウジングの外面に前記受信素子が気筒に対応して装着されており、気筒単位の評価結果が出力される。

【0006】

この構成によれば、受信素子から送られてくる音波信号の所定時間領域における最大振幅値を測定周期毎に算定することによって得られた複数の最大振幅値がエンジン構成部材の異常判定を行うための基礎値となる。さらに、この複数の最大振幅値に基づいて算定される評価値を、予め設定されたしきい値と比較して、その評価値がしきい値を上回った（または下回った）場合、エンジン構成部材が異常であると判定される。ここでは、異常判定の基礎値として、信号処理的には簡単に得られる音波信号の最大振幅値を採用し、そのような測定を繰り返すことで得られる複数の最大振幅値に基づいて算定される評価値が判定基準としてのしきい値と比較評価されるだけで、エンジン構成部材の異常判定が行えることが、本発明の優れた着眼点である。しかも簡単に算定することができる音波信号の最大振幅値を基礎値としていることは、測定構成の簡素化かつ低コスト化を導く。

【0007】

判定基準となるしきい値は、実験結果の統計的な処理等によって求めることができ、実際の診断作業を通じて得られる経験値によって修正することで、さらに異常評価の精度を高めることができる。このため、本発明の好適な実施形態では、前記評価部は、前もって行われた実験結果の統計値から求められたしきい値を評価条件として前記評価値から前記エンジン構成部材の異常判定を行う。さらに好適な実施形態の１つでは、そのしきい値は、測定時期、測定箇所などの測定条件によって変更可能に構成されている。
また、複数の最大振幅値のなかでの最大のものを評価値とする評価方法が、特にエンジンのクランクシャフトの軸受メタル及びその周辺領域で発生した損傷に対して有効であることが発明者による実験結果から確かめられている。このことから、本発明によるエンジン診断装置では、診断対象となる前記エンジン構成部材をクランクシャフトの軸受メタルとしている。そのような、アコースティックエミッションを用いた本発明によるエンジン診断装置によって、自家発電装置などに用いられるエンジンにおける重要な保守点検項目の１つであるクランクシャフトの軸受領域の良否判定が、高い信頼性をもって行えるようになる。その際、多気筒エンジンに対する迅速な診断のためには、各気筒に対応して配置されている軸受メタルからの固体伝播音が到達するエンジンハウジングの外面に、受信素子が気筒に対応して装着され、マルチチャンネルで診断される。

【0008】

なお、診断対象となるエンジン構成部材と受信素子との距離、つまりアコースティックエミッション波の伝播距離に応じて、アコースティックエミッション波は減衰する。この減衰は直接振幅値に影響を与えるので、伝播距離の異なるアコースティックエミッション波の振幅値を同じようにそのまま採用すると、正確な異常評価ができなくなる。また、エンジンには種々の振動源（音源）を有するため、受信素子から出力される音波信号にはそのような振動源から伝播される、いわゆるノイズ振動成分が含まれるので、その音波信号をそのまま採用すると、正確な異常評価ができなくなる。このため、本発明の好適な実施形態では、前記受信素子から出力された前記音波信号に対して、前記エンジン構成部材の音波減衰に基づいて、診断対象となる前記エンジン構成部材と前記受信素子との距離に応じた減衰補正を含む処理を行うプレアンプと、前記プレアンプで処理された後の前記音波信号に対してハイパスフィルタ処理を行う信号前処理部とが備えられている。ここでハイパスフィルタ処理を行っているのは、ノイズ振動成分が、本発明が対象とするエンジン構成部材の異常に基づいて発生するアコースティックエミッション波の周波数成分より低い周波数を有しているという発明者の知見に基づく。

【0009】

特に、ノイズ振動として除去すべきものが、エンジン回転数に起因する振動周波数及びエンジン燃焼に起因する燃焼音周波数であるということも判明したので、本発明の好適な実施形態の１つでは、前記ハイパスフィルタ処理において、エンジン回転数に起因する振動周波数及びエンジン燃焼に起因する燃焼音周波数を上回る周波数のハイパスフィルタが用いられる。

【0010】

複数の最大振幅値から算定される評価値として、実験による知見から、複数の最大振幅値のうちの最大値、及び複数の最大振幅値の平均値ないしは中間値が、本発明が対象とするエンジン構成部材の異常判断時に評価されるべき値としての評価値として適正であることが判明した。特に、複数の最大振幅値のうちの最大値が異常発生との相関関係が良好である。このため、本発明の好適な実施形態の１つでは、評価値算定部は複数の最大振幅値のなかでの最大のものを前記評価値として算定する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の基本原理を説明する模式図である。

【図2】本発明によるエンジン診断装置の実施形態の１つを示す機能ブロック図である。

【図3】エンジンハウジングに対する受信素子の配置例を示す模式図である。

【図4】前処理後の音波信号の一例を示す波形図である。

【図5】種々の状態の軸受メタルに対して行われた診断時における、音波波形の処理結果を一覧的に示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本発明によるエンジン診断装置の具体的な実施形態を説明する前に、図１を用いて本発明の基本原理を説明する。このエンジン診断装置はアコースティックエミッション（acoustic emission：以後単にＡＥと略称する）を用いた検査装置であり、材料組織の亀裂の発生や進展などの破壊に伴って発生する弾性波(振動、音波)を検出し、その検出信号を処理することにより、正常または異常を判定する。
エンジン１における診断対象となるエンジン構成部材から発せられるＡＥ波を受け取ることができる箇所にＡＥセンサである受信素子２を取り付ける。受信素子２は弾性波を音波信号に変換する超音波トランスジューサであり、一般に圧電素子が用いられている。

【0014】

受信素子２から出力された音波信号は、必要に応じた減衰補正や増幅を施され、信号処理される。特定のエンジン構成部材に対する診断は、順次（測定周期毎に）取得された複数の音波信号に対する信号処理によって行われる。図１では、異なる時間領域Ｓ1・・・Ｓn（サンプリング繰り返し周波数に依存する）で取得されたｎ個の音波信号が取り扱われている。この信号処理では、まず、各時間領域における音波信号における最大振幅値が算定される。各時間領域における最大振幅値は、ここでは、ＭＡ1・・・ＭＡnで示されている。

【0015】

次に、算定されたｎ個の最大振幅値から、診断に適切な評価値を導出する。この評価値を導出する演算方法は、予め実験などを通じて決定されるが、ここでは、この評価値を導出する関数をＧで表している。つまり、評価値をＶとすれば、この評価値：Ｖは、
Ｖ＝Ｇ（ＭＡ1，・・・，ＭＡn）
で算定される。
好適な評価値導出関数の１つは、指定された数値群（引数）の最大値を求める関数であり、その関数をＧmaxと記述すれば、
Ｖ＝Ｇmax（ＭＡ1，・・・，ＭＡn）
と表される。つまり、ｎ個の最大振幅値の最大を評価値とするのである。
評価値導出関数の別の１つは、算術平均であり、その関数をＧaveと記述すれば、
Ｖ＝Ｇave（ＭＡ1，・・・，ＭＡn）＝（ＭＡ1＋・・・＋ＭＡn）／ｎ
と表される。つまり、ｎ個の最大振幅値の平均値を評価値とするのである。もちろんそれ以外の、統計演算などで用いられている複数数値群から代表値を導出する関数を用いることも本発明に含まれている。

【0016】

採用された評価値導出関数を用いて導出された評価値は、前もって実施された正常サンプルと異常サンプルとの実験において当該評価値導出関数を用いて算定された評価値群に基づいて作り出された、正常／異常判断のしきい値と比較される。評価値がこのしきい値を上回ると（採用されている評価値導出関数のタイプによっては下回ると）、診断対象箇所に異常が発生していると判定される。

【0017】

次に、本発明によるエンジン診断装置の具体的な実施形態の１つを説明する。図２は、このエンジン診断装置の機能ブロック図である。このエンジン診断装置の診断対象となるエンジン１の構成部材は、クランクシャフト１１の軸受メタル１２である。軸受メタル１２の摩耗や割れなどの異常に基づいて発生するＡＥ波を検出するべく、エンジンハウジング１３の外周面で軸受メタル１２との距離が近くかつアクセスのし易い箇所に受信素子２が装着されている。図３で模式的に示されているように、このエンジン１は６気筒のガスエンジンであり、各気筒を外した位置に７つの受信素子２が装着されており、このエンジン診断装置は７チャンネルの信号入力で稼働する。

【0018】

各受信素子２にはプレアンプ３が設けられており、受信素子２から出力されたＡＥ信号である音波信号が適切なレベルの増幅を受ける。プレアンプ３を経て、処理ユニット５に送られた音波信号は、信号前処理部５１でフィルタ処理を含む前処理を施される。また、信号前処理部５１は、入力した音波信号を後段の信号処理に適した信号形態に処理する。フィルタ処理では、１００ｋＨｚのハイパスフィルタが用いられており、このフィルタ処理後の音波信号の一例が図４に示されている。

【0019】

処理ユニット５には、信号前処理部５１以外に、本発明に特に関係する機能部として、最大振幅値算定部５２、評価値算定部５３、評価部５４、しきい値設定部５５、及びこれらの機能部の動作を管理する処理管理部５０が構築されている。さらには、この処理管理部５０による評価結果や評価に用いられた処理データ、入力された音波信号などを外部に出力するためのデータ出力部５６も備えられている。

【0020】

最大振幅値算定部５２は、信号前処理部５１によって前処理された、所定時間領域（この実施形態では約２００ｍ秒）の音波信号における最大振幅値を算定する。このような音波信号は、１つの測定箇所の診断において数十個取り込まれるので、数十個の最大振幅値が算定される。なお音波信号の生成に音波信号の処理時間が間に合わない場合には、音波信号は一時的にバッファメモリに記録される。

【0021】

評価値算定部５３は、この実施形態では、最大振幅値算定部５２で算定されたｎ個の最大振幅値の最大を評価値として算定するように構成されている。したがって、しきい値設定部５５には、最大振幅値の最大を評価値として採用した実験を通じて、エンジン１の軸受メタル１２の正常／異常判定条件として求められがしきい値が設定されている。評価部４は、このしきい値と評価値算定部５３で算定された評価値（複数回取り込んだ音波信号毎の最大振幅値の最大）とを比較する。評価値がしきい値を上回った場合、対応する測定チャンネルの受信素子２の装着位置から特定される軸受メタル１２に異常があると判定される。

【0022】

データ出力部５６は、評価部５４での評価結果や、この処理ユニット５に入力された生の音波信号（波形データ）、この処理ユニット５で処理された音波信号（波形信号）などを、接続されている外部機器のデータフォーマットに適応する形態で出力する。外部機器として、メディアレコーダ６１、モニタ６２、プリンタ６３、警報機器６４、通信機器６５などが、処理ユニット５に接続されているか、または接続可能である。メディアレコーダ６１は、波形データや診断結果などを診断対象となったエンジン構成部材の識別コードや履歴管理のための日時データとともに記録する。モニタ６２やプリンタ６３は各種データを視覚的に出力するものである。警報機器６４は、異常が発生していると見なされた時に作業者に注意を促すものであり、ブザーやランプなどが用いられる。経時的な解析を行うために診断に関する各種データは、管理センタのデータベースに蓄積されるが、そのようなデータ伝送のために通信機器６５が用いられる。また、この通信機器６５を利用することで、外部からオンラインでこの診断を監視することも可能である。

【0023】

図５に、種々の状態での軸受メタルに対して行われた診断時における処理結果がグラフで示されている。このグラフの横軸は、６気筒エンジン１の各気筒に対応する軸受メタル１２の領域からのＡＥ波を受けるエンジンハウジング１３の外周面に装着されている受信素子の信号チャンネル（図３参照）を表している。縦軸は、音波波形の振幅（Ｖ）を表している。各信号チャンネル（つまり各受信素子２によって検出された音波波形）における最大値の最大の値が繋がれて折れ線グラフで示されている。診断対象となったガスエンジン１の異なる状態が、３本の折れ線グラフで示されている。一点鎖線で示されている折れ線グラフは、新品状態のガスエンジン１における診断結果を表している。点線で示されている折れ線グラフは、模擬的にわずかに損傷させた状態のガスエンジン１における診断結果を表している。実線で示されている折れ線グラフは、過酷に使用されたガスエンジン１における診断結果を表している。このことから、わずかな摩耗や損傷では、有意な区別が可能となるような診断結果は得られないが、過酷な使用を行い、オーバーホールを考慮しなければならないような摩耗や損傷が考えられるような状況下では、正常／異常の判定、つまりオーバーホールを実施する必要があるかどうかの判定が十分に可能であることが理解できる。特に、エンジンのクランクシャフトの軸受メタル及びその周辺領域で発生した損傷に起因して放出されるＡＥ波である音波信号が良好なＳＮ比をもつ評価値は、複数の音波信号から得られる複数の最大振幅値のなかでの最大のものを評価値とすることが最適であるとわかっている。つまり、オーバーホールが必要となるクランクシャフト１１の軸受メタル１２は、その箇所から複数回検出された音波信号の各最大振幅値のなかの最大値を評価することで、推定することができる。

【0024】

なお、図５には、正常／異常の判定のしきい値として、コンマ数Ｖの値が示されている。このしきい値の値は現場でのサンプル実験から求められたものであるが、実地での診断作業を重ねることで得られていく診断データを考慮して修正を行うことで、かなり正確にオーバーホールの実施時期を決定することが可能になる。

【0025】

〔別実施の形態〕
（１）上述した実施形態では、診断対象はガスエンジン１の軸受メタル１２であったが、その他のエンジン構成部材、例えば排気管、吸気管、シリンダハウジング、シリンダヘッドなどを診断対象とすることができる。
（２）上述した実施形態では、評価値として複数の最大振幅値の最大が採用されたが、図１を用いた基本原理の説明において述べたように複数の最大振幅値の平均や中間値などの統計学で用いられている代表値を算定する種々の手法を採用することができる。
（３）上述した実施形態では、マルチチャンネル方式で多点検査が同時に行われる構成を採用したが、より簡単な装置においては、単一チャンネル方式で、一箇所毎診断を行う構成を採用してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0026】

本発明は、エンジン構成部材のＡＥによる診断、特に修理時期の判定などに適用可能である。

【符号の説明】

【0027】

１：エンジン
１２：軸受メタル（診断対象領域）
２：受信素子
５０：処理管理部
５１：信号前処理部
５２：最大振幅値算定部
５３：評価値算定部
５４：評価部
５５：しきい値設定部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】