(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のシリンダを有する内燃機関から発生する音響信号に基づいて、前記複数のシリンダの吸気弁及び排気弁の状態を監視する内燃機関の状態監視方法であって、
非接触の音響センサを用いて、前記内燃機関が正常なときに前記音響信号を取得し、
前記吸気弁において異常が発生したときに爆発のタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる中心周波数を持った第１のフィルタで前記音響信号をフィルタ処理して第１の基準信号を取得し、
前記排気弁において異常が発生したときに前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる中心周波数を持った第２のフィルタで前記音響信号をフィルタ処理して第２の基準信号を取得し、
前記シリンダにおいてカーボン付着の異常が発生したときに前記爆発のタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる中心周波数を持った第３のフィルタで前記音響信号をフィルタ処理して第３の基準信号を取得し、
監視時において、前記非接触の音響センサを用いて得た前記内燃機関が発生する音響信号を前記第１のフィルタによりフィルタ処理して第１の観測信号を取得し、前記音響信号を前記第２のフィルタによりフィルタ処理して第２の観測信号を取得し、前記音響信号を前記第３のフィルタによりフィルタ処理して第３の観測信号を取得し、
前記複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、前記第１の観測信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の観測信号波形の変化パターンと、前記第１の基準信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンとを対比して前記複数のシリンダの前記吸気弁の状態を監視し、
前記複数のシリンダのそれぞれの前記排気弁が閉まるタイミング及び前記吸気弁が閉まるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、前記第２の観測信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉まるタイミング及び前記吸気弁が閉まるタイミングにおける複数の観測信号波形の変化パターンと、前記第２の基準信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉まるタイミング及び前記吸気弁が閉まるタイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンとを対比して前記複数のシリンダの前記排気弁の状態を監視し、
前記複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、前記第３の観測信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の観測信号波形の変化パターンと、前記第３の基準信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンとを対比して前記複数のシリンダの前記シリンダのカーボン付着状態を監視することを特徴とする内燃機関の状態監視方法。
【請求項２】
前記第１の観測信号に含まれる前記爆発のタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じ、前記第１の観測信号に含まれる前記排気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形及び前記吸気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じていない前記変化パターンが発生しているときに、前記シリンダの前記吸気弁に吹抜けが発生しているものと判断し、
前記第２の観測信号に含まれる前記爆発のタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じておらず、前記第２の観測信号に含まれる前記排気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形及び前記吸気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じている前記変化パターンが発生しているときに、前記シリンダの前記排気弁に吹抜けが発生する可能性が高くなっているものと判断し、
前記第３の観測信号に含まれる前記爆発のタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じ、前記第３の観測信号に含まれる前記排気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形及び前記吸気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じていない前記変化パターンが発生しているときに、前記シリンダの前記シリンダにカーボン付着が発生しているものと判断することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の状態監視方法。
【請求項３】
前記複数のシリンダの一つの前記爆発のタイミングを定める信号に基づいて、すべてのシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉まるタイミング、前記吸気弁が閉まるタイミングについての前記タイミング情報を得る請求項１または２に記載の内燃機関の状態監視方法。
【請求項４】
複数のシリンダを有する内燃機関から発生する音響信号に基づいて、前記複数のシリンダの吸気弁及び排気弁の状態を監視する内燃機関の状態監視装置であって、
前記内燃機関から前記音響信号を取得する非接触の音響センサと、
前記吸気弁において異常が発生したときに爆発のタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる信号を取得できる中心周波数を持った第１のフィルタと、
前記排気弁において異常が発生したときに前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる信号を取得できる中心周波数を持った第２のフィルタと、
前記シリンダにおいてカーボン付着の異常が発生したときに前記爆発のタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる信号を取得できる中心周波数を持った第３のフィルタと、
前記内燃機関が正常なときに前記非接触の音響センサを用いて得た前記音響信号を前記第１乃至第３のフィルタでそれぞれフィルタ処理して得た前記第１乃至第３の基準信号を記憶し、監視時において、前記非接触の音響センサを用いて得た前記内燃機関が発生する音響信号を前記第１乃至第３のフィルタによりそれぞれフィルタ処理して得た第１乃至第３の観測信号を取得して記憶する記憶装置と、
前記記憶装置に記憶された前記第１乃至第３の基準信号と前記第１乃至第３の観測信号に基づいて前記複数のシリンダの吸気弁及び排気弁の状態を監視する監視部とを備え、
前記監視部は、
前記複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、前記第１の観測信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の観測信号波形の変化パターンと、前記第１の基準信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンとを対比して前記複数のシリンダの前記吸気弁の状態を監視し、
前記複数のシリンダのそれぞれの前記排気弁が閉まるタイミング及び前記吸気弁が閉まるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、前記第２の観測信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉まるタイミング及び前記吸気弁が閉まるタイミングにおける複数の観測信号波形の変化パターンと、前記第２の基準信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉まるタイミング及び前記吸気弁が閉まるタイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンとを対比して前記複数のシリンダの前記排気弁の状態を監視し、
前記複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、前記第３の観測信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の観測信号波形の変化パターンと、前記第３の基準信号に含まれる前記複数のシリンダの前記爆発のタイミング、前記排気弁が閉じるタイミング及び前記吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンとを対比して前記複数のシリンダの前記シリンダのカーボン付着状態を監視するように構成されていることを特徴とする内燃機関の状態監視装置。
【請求項５】
前記監視部は、
前記第１の観測信号に含まれる前記爆発のタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じ、前記第１の観測信号に含まれる前記排気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形及び前記吸気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じていない前記変化パターンが発生しているときに、前記シリンダの前記吸気弁に吹抜けが発生しているものと判断し、
前記第２の観測信号に含まれる前記爆発のタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じておらず、前記第２の観測信号に含まれる前記排気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形及び前記吸気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じている前記変化パターンが発生しているときに、前記シリンダの前記排気弁に吹抜けが発生する可能性が高くなっているものと判断し、
前記第３の観測信号に含まれる前記爆発のタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じ、前記第３の観測信号に含まれる前記排気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形及び前記吸気弁が閉まるタイミングに対応する前記観測信号波形に大きな変化が生じていない前記変化パターンが発生しているときに、前記シリンダの前記シリンダにカーボン付着が発生しているものと判断することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の状態監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のシリンダを有する内燃機関から発生する音響信号に基づいて、複数台のシリンダの吸気弁及び／または排気弁の状態を監視する内燃機関の状態監視方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の内燃機関の吸・排気弁吹抜けに関する状態監視の方法では、主に排気ガス温度の状態（上昇傾向）の監視や、シリンダ内の爆発圧力計測などにより状態の監視が行われている。
【０００３】
従来の内燃機関の状態監視方法のうち、排気ガス温度の状態を監視する方法では、排気ガス温度が相当高い場合、具体的には、対象シリンダの通常時または他のシリンダの排気温度平均値に比べて、排気ガス温度との間に顕著な差がある場合に、内燃機関の状態変化を捉えている。しかしながら吸・排気弁吹抜け異常については、欠損部（吹抜け部）の面積がかなり大きく、内燃機関を継続して運転することが困難なほどに損傷の程度が進んでいることが多い。また、複数のシリンダから故障シリンダの識別、吸気弁吹抜けと排気弁吹抜けの識別は困難である。
【０００４】
またシリンダ内の爆発圧力計測を用いた方法においては、個別シリンダ内の圧力を直接計測するため、故障シリンダの識別は可能であるものの、センサの耐久性に課題があり、実用性に欠ける。また、吸気弁吹抜けと排気弁吹抜けの識別は不可能である。
【０００５】
また従来の方法では、異常発生を初期の段階で検知することが困難であり、故障シリンダ、故障形態の識別が難しいという課題があった。また、内燃機関にセンサを直接接触させる方法では、状態監視システムの耐久性に課題があった。
【０００６】
これに対して、発明者等が先に提案した「動作部の異常診断方法及び圧縮機のバルブ異常診断方法」（特開２００２−０４１１４３号公報：特許文献１）では、内燃機関から発生する音響信号に基づいて、内燃機関の異常状態を検知することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−０４１１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
内燃機関は、機関を構成する要素の数が極めて多く、故障形態も多種多様であり、その中で比較的トラブル頻度が高い吸気弁・排気弁の吹抜けについては、実用的な状態監視法方法が期待されている。しかしながら特許文献１に記載の方法では、吸気弁の吹抜け（破損による気体の漏れの発生）と排気弁の吹抜けの識別は困難である。また従来は、シリンダにカーボンが付着していることを識別することも困難であった。
【０００９】
本発明の目的は、吸気弁の吹抜け及び／または排気弁の吹抜けの識別及び／またはシリンダにカーボンが付着していることの識別が可能な内燃機関の状態監視方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、内燃機関に非接触で計測可能な音響センサを用いて、機器運転中の音響計測により得られた音響信号に基づいて、燃焼関連部位の状態を監視し、吸・排気弁吹抜け異常の発生を従来方法よりも早期に検出し、且つ故障シリンダの識別や吸・排気弁吹抜けの識別が可能な方法及び装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、複数のシリンダを有する内燃機関から発生する音響信号に基づいて、複数のシリンダの吸気弁及び排気弁の状態を監視する内燃機関の状態監視方法を対象とする。本発明の方法では、内燃機関が正常なときに、非接触の音響センサを用いて取得した音響信号を第１乃至第３のフィルタを用いてフィルタ処理する。第１のフィルタは、吸気弁において異常が発生したときに爆発のタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる中心周波数を持っており、第１のフィルタからは音響信号をフィルタ処理して第１の基準信号を取得する。第２のフィルタは、排気弁において異常が発生したときに排気弁が閉じるタイミング及び吸気弁が閉じるタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる中心周波数を持っており、第２のフィルタからは音響信号をフィルタ処理して第２の基準信号を取得する。第３のフィルタは、シリンダにおいてカーボン付着の異常が発生したときに爆発のタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる中心周波数を持っており、第３のフィルタからは音響信号をフィルタ処理して第３の基準信号を取得する。
【００１２】
次ぎに、監視時において、非接触の音響センサを用いて得た内燃機関が発生する音響信号を第１のフィルタを用いてフィルタ処理して第１の観測信号を取得し、音響信号を第２のフィルタによりフィルタ処理して第２の観測信号を取得し、音響信号を第３のフィルタによりフィルタ処理して第３の観測信号を取得する。
【００１３】
そして複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第１の観測信号に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングにおける複数の観測信号波形と、第１の基準信号に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングにおける複数の基準信号波形とを対比して複数のシリンダの吸気弁の状態を監視する。また複数のシリンダのそれぞれの排気弁が閉まるタイミング及び吸気弁が閉まるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第２の観測信号に含まれる複数のシリンダの排気弁が閉まるタイミング及び吸気弁が閉まるタイミングにおける複数の観測信号波形と、第２の基準信号に含まれる複数のシリンダの排気弁が閉まるタイミング及び吸気弁が閉まるタイミングにおける複数の基準信号波形とを対比して複数のシリンダの排気弁の状態を監視する。さらに複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第３の観測信号に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングにおける複数の観測信号波形と、第３の基準信号に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングにおける複数の基準信号波形とを対比して複数のシリンダのカーボン付着状態を監視する。
【００１４】
発明者は、吸気弁の吹抜けが、状態監視対象のシリンダの爆発のタイミングにおいて音響波形が変化する（音圧レベルが増大するなど）音響パターンとして現れること、排気弁の吹抜けが、状態監視対象のシリンダの排気弁が閉まるタイミングと吸気弁が閉まるタイミングとにおいて音響波形が変化する（音圧レベルが増大するなど）音響パターンとして現れること、及びシリンダにおけるカーボンの付着が状態監視対象のシリンダの爆発のタイミングにおいて音響波形が変化する（音圧レベルが増大するなど）音響パターンとして現れることを見出した。なお排気弁の吹抜けにおいては、最終的には爆発のタイミングにおいても音響波形が変化する。すなわち発明者は、各シリンダの吸気弁及び／または排気弁における状態を監視する場合に、吸気弁及び／または排気弁から発生する音響信号のうち、特定の作動タイミングで発生する音響信号の変化に着目することにより、吸気弁及び／または排気弁において、吹抜けが発生していること及びシリンダにカーボンが付着していることが分かることを発見した。そこで本発明においては、吸気弁については爆発のタイミングにおける第１の観測信号中に含まれる観測信号波形の基準信号波形に対する変化に基づいて吸気弁の状態を判断する。また排気弁については、排気弁が閉まるタイミング及び吸気弁が閉まるタイミングにおける第２の観測信号に含まれる観測信号波形の基準信号波形に対する変化が大きくなると排気弁に吹抜けが発生する可能性が高くなっている（予兆が発生している）ものと判断する。そして、排気弁については、爆発のタイミング、排気弁が閉まるタイミング及び吸気弁が閉まるタイミングにおける第２の観測信号に含まれる観測信号波形の基準信号波形に対する変化がすべて大きくなると、排気弁に完全に吹抜けが発生しているものと判断する。さらにシリンダについては、爆発のタイミングにおける第３の観測信号中に含まれる観測信号波形の基準信号波形に対する変化に基づいてシリンダへのカーボンの付着状態を判断する。この判断方法に従うと、シリンダを特定した上で、従来の方法と比べて、異常（吹き抜け）の発生の予兆を検出して、早期に異常（吹き抜け）の発生を診断することができ、またシリンダへのカーボンの付着の有無を診断することができる。
【００１５】
なお観測信号波形（音響信号）の変化は、音響波形のピーク値や平均値、波形密度など、基準音響波形に対する違いとして現れる。よってこれらの少なくとも一つの変化に着目して、吸気弁及び排気弁の吹抜け並びにシリンダへのカーボン付着の有無を判断することができる。
【００１６】
なお本発明では、吸気弁及び排気弁の状態を同時または連続して判断してもよいが、それぞれの状態を個別に判断してもよいのは勿論である。
【００１７】
また複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミング、排気弁が閉まるタイミング、吸気弁が閉まるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第１の観測信号に含まれる複数のシリンダの各タイミングにおける複数の観測信号波形の変化パターンと、第１の基準信号に含まれる複数のシリンダの各タイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンとを対比してシリンダの吸気弁の状態を監視してもよい。さらに複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミング、排気弁が閉まるタイミング、吸気弁が閉まるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第２の観測信号に含まれる複数のシリンダの各タイミングにおける複数の観測信号波形の変化パターンに対する、第２の基準信号に含まれる複数のシリンダの各タイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンとを対比してシリンダの排気弁の状態を監視してもよい。このような変化パターンに基づく判断手法を採用すると、各シリンダの動作状態を監視しながら、各シリンダの吸気弁及び排気弁の状態を監視することができる。
【００１８】
なお変化パターンに基づいて監視する場合には、第１の観測信号に含まれる爆発のタイミングに対応する観測信号波形に大きな変化が生じ、第１の観測信号に含まれる排気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形及び吸気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形に大きな変化が生じていない変化パターンが発生しているときに、該当するシリンダの吸気弁に吹抜けが発生しているものと判断すればよい。また第２の観測信号に含まれる爆発のタイミングに対応する観測信号波形に大きな変化が生じておらず、第２の観測信号に含まれる排気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形及び吸気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形に大きな変化が生じている変化パターンが発生しているときに、該当するシリンダの排気弁に吹抜けが発生する可能性が高まっている（予兆が発生している）ものと判断すればよい。さらに第２の観測信号に含まれる爆発のタイミングに対応する観測信号波形、排気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形及び吸気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形の全てに大きな変化が生じている変化パターンが発生しているときに、該当するシリンダの排気弁に吹抜けが発生しているものと判断すればよい。さらに複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミング、排気弁が閉じるタイミング及び吸気弁が閉じるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第３の観測信号に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミング、排気弁が閉じるタイミング及び吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の観測信号波形の変化パターンと、第３の基準信号に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミング、排気弁が閉じるタイミング及び吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンとを対比して複数のシリンダのカーボン付着状態を監視する。そして第３の観測信号に含まれる爆発のタイミングに対応する観測信号波形に大きな変化が生じ、第３の観測信号に含まれる排気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形及び吸気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形に大きな変化が生じていない変化パターンが発生しているときに、シリンダの内部にカーボン付着が発生しているものと判断すればよい。
【００１９】
各シリンダの動作タイミングは、どのように決定してもよい。例えば、複数のシリンダの一つの爆発のタイミングを定めるパルサ信号（点火信号の発生に関係する信号）に基づいて、すべてのシリンダの爆発のタイミング、排気弁が閉まるタイミング、吸気弁が閉まるタイミングについてのタイミング情報を得るようにしてもよい。
【００２０】
なお本発明では、吸気弁における吹抜けの発生の監視、排気弁における吹抜けの発生の監視及びシリンダにおけるカーボンの付着の監視をそれぞれ個別に行ってもよいのは勿論である。
【００２１】
本発明は、複数のシリンダを有する内燃機関から発生する音響信号に基づいて、複数のシリンダの吸気弁及び排気弁の状態を監視する内燃機関の状態監視装置としても把握できる。本発明の内燃機関の状態監視装置は、内燃機関から音響信号を取得する非接触の音響センサと、吸気弁において異常が発生したときに爆発のタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる信号を取得できる中心周波数を持った第１のフィルタと、排気弁において異常が発生したときに排気弁が閉じるタイミング及び吸気弁が閉じるタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる信号を取得できる中心周波数を持った第２のフィルタと、シリンダにおいてカーボン付着の異常が発生したときに爆発のタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる信号を取得できる中心周波数を持った第３のフィルタと、記憶装置と監視部とを有する。記憶装置は、内燃機関が正常なときに非接触の音響センサを用いて得た音響信号を第１乃至第３のフィルタでそれぞれフィルタ処理して得た第１乃至第３の基準信号を記憶し、監視時において、非接触の音響センサを用いて得た内燃機関が発生する音響信号を第１乃至第３のフィルタによりそれぞれフィルタ処理して得た第１乃至第３の観測信号を取得して記憶する。監視部は、記憶装置に記憶された第１乃至第３の基準信号と第１乃至第３の観測信号に基づいて複数のシリンダの吸気弁及び排気弁の状態を監視する。そして本発明では、監視部が、複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第１の観測信号に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングにおける複数の観測信号波形と、第１の基準信号に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングにおける複数の基準信号波形とを対比して複数のシリンダの吸気弁の状態を監視し、複数のシリンダのそれぞれの排気弁が閉まるタイミング及び吸気弁が閉まるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第２の観測信号に含まれる複数のシリンダの排気弁が閉まるタイミング及び吸気弁が閉まるタイミングにおける複数の観測信号波形と、第２の基準信号に含まれる複数のシリンダの排気弁が閉まるタイミング及び吸気弁が閉まるタイミングにおける複数の基準信号波形とを対比して複数のシリンダの排気弁の状態を監視し、複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第３の観測信号に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングにおける複数の観測信号波形と、第３の基準信号に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングにおける複数の基準信号波形とを対比して複数のシリンダのカーボン付着状態を監視するように構成されている。
【００２２】
なお本発明では、吸気弁における吹抜けの発生の監視、排気弁における吹抜けの発生の監視及びシリンダにおけるカーボンの付着の監視をそれぞれ個別に行うように内燃機関の状態監視装置を構成してもよいのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の方法の実施の形態の一例を実施するために用いる本発明の内燃機関の状態監視装置の構成を概略的に示した図である。
【図２】同時に３つのシリンダの３個の吸気弁と３個の排気弁から発生する音を集音した音響信号をフーリエ変換して周波数軸上のパワースペクトル（音圧スペクトル）として示した図である。
【図３】（Ａ）は動作タイミングを示す図であり、（Ｂ）乃至（Ｅ）はそれぞれ診断方法を説明するために用いる波形図である。
【図４】内燃機関の作動タイミングと、シリンダにおける動作状態の関係を示す図である。
【図５】（Ａ）は動作タイミングを示す図であり、（Ｂ）乃至（Ｄ）はそれぞれ診断方法を説明するために用いる波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下図面を参照して本発明の内燃機関の状態監視方法の一実施の形態について詳細に説明する。図１は本発明の方法の実施の形態の一例を実施するために用いる本発明の内燃機関の状態監視装置の実施の形態の構成を概略的に示した図である。本実施の形態では、発電機を駆動するための１６気筒の内燃機関のシリンダ１乃至１６の吸気弁ＳＶ及び排気弁ＤＶの異常を、音響信号を用いて診断する。シリンダ１乃至３が位置する内燃機関の部分から発生する音を音響信号に変換する音響センサＡとしてマイクロフォンを用いる。本実施の形態では、６の音響センサを用いて１６気筒のシリンダ１乃至１６から音響信号を取得している。音響センサＡは、３台のシリンダ１乃至３の吸気弁ＳＶ及び排気弁ＤＶが位置する内燃機関の部分から発生する音響信号を収集できる位置に、機関とは非接触状態で配置される。なお音響センサＡは、他のシリンダから発生する音も収集することになる。
【００２５】
またこの例では、内燃機関の作動タイミング（爆発のタイミング、吸気弁が閉じるタイミング、排気弁が閉じるタイミング等）を測定するために、内燃機関によって回転駆動される回転子に対して設けたパルサ（回転検出器）の出力を利用する。パルサ（回転検出器）は、回転子の回転位置に基づいて、シリンダ１乃至１６の一つのシリンダにおける上死点でパルス信号を出力する。その他のシリンダの上死点位置は、パルサの出力に基づいて計算により求められる。そして作動タイミング検出部ＯＴＤは、パルサの出力に基づいて、すべてのシリンダ１乃至１６の爆発のタイミング、吸気弁が閉じるタイミング、排気弁が閉じるタイミング等のタイミングを決定する。音響センサＡの出力は、作動タイミング検出部ＯＴＤによって検出された作動タイミングの情報と一緒にレコーダＲに記録される。音響センサ及びレコーダＲは、可搬式のものであれば、作業員が測定現場まで持参する。なおこのレコーダＲは、アナログまたはデジタルのいずれにより、データを記録してもよい。データ分析部ＤＡは、診断の対象とするデータ（音響信号データと動作タイミング・データ）を分析して取得する。
【００２６】
フィルタ装置は第１のフィルタＦ１と、第２のフィルタＦ２と第３のフィルタＦ３とを備えている。第１のフィルタＦ１は、吸気弁において異常が発生したときに爆発のタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる中心周波数を持っており、第１のフィルタＦ１からは音響信号をフィルタ処理して第１の基準信号Ｓr1を取得する。中心周波数は、内燃機関の種類によって異なるが、例えば３〜７ｋHzの周波数を用いることができる。また第２のフィルタＦ２は、排気弁において異常が発生したときに排気弁が閉じるタイミング及び吸気弁が閉じるタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる中心周波数を持っており、第２のフィルタＦ２からは音響信号をフィルタ処理して第２の基準信号Ｓr2を取得する。中心周波数は、内燃機関の種類によって異なるが、例えば２３〜２７ｋHzの周波数を用いることができる。フィルタ装置Ｆは、データ分析部ＤＡが選択した音響信号をそれぞれフィルタ処理して出力する。図２は例えば、シリンダ３乃至５が位置する部分に対して音響センサ（マイクロフォン）を設置して同時に３つのシリンダの３個の吸気弁ＳＶと３個の排気弁ＤＶから発生する音を含む音響信号をフーリエ変換して周波数軸上のパワースペクトル（音圧スペクトル）として示した図の一例である。この図の縦軸は音圧である。第３のフィルタＦ３は、シリンダにおいてカーボン付着の異常が発生したときに爆発のタイミングにおいて大きな信号の変化が現れる中心周波数を持っており、第３のフィルタＦ３からは音響信号をフィルタ処理して第３の基準信号Ｓr3を取得する。中心周波数は、内燃機関の種類によって異なるが、例えば２３〜２７ｋＨｚの周波数を用いることができる。
【００２７】
また図３（Ａ）は、内燃機関の作動タイミングを示す図である。図３（Ａ）において、例えば「燃４」の文字は、「シリンダ４の爆発のタイミング」を示し、「排９」は「シリンダ９の排気弁が閉じるタイミング」を示しており、「吸６」は「シリンダ６の吸気弁が閉じるタイミング」を示している。また図３（Ａ）の０Ｖラインを基準に並ぶパルス信号は、前述のパルサの信号の例を示している。
【００２８】
図３（Ｂ）は、内燃機関が正常なときに非接触の音響センサにより取得した監視対象シリンダ３乃至５廻りからの音響信号を第１のフィルタＦ１によりフィルタ処理して得た、第１の基準信号Ｓr1である。第１の基準信号Ｓr1には、吸気弁の状況の情報が含まれる。図３（Ｂ）に見られるように、正常時には、爆発のタイミングに対応する領域Ｐ１、排気弁が閉じるタイミングに対応する領域Ｐ２及び吸気弁が閉じるタイミングに対応する領域Ｐ３のいずれにおいても、フィルタ処理された第１の基準信号Ｓr1中には大きな変化はない。また図３（Ｄ）は、内燃機関が正常なときに非接触の音響センサにより取得した監視対象シリンダ３乃至５廻りからの音響信号を第２のフィルタＦ２を用いてフィルタ処理して得た第２の基準信号Ｓr2である。第２の基準信号には、排気弁の状況の情報が含まれる。図３（Ｄ）に見られるように、正常時には、爆発のタイミングに対応する領域Ｐ１、排気弁が閉じるタイミングに対応する領域Ｐ２及び吸気弁が閉じるタイミングに対応する領域Ｐ３のいずれにおいても、フィルタ処理された第２の基準信号Ｓr2中に明確な基準信号波形の存在が見られる。図３（Ｃ）は、監視のために非接触の音響センサにより取得した監視対象シリンダ３乃至５廻りからの音響信号を第１のフィルタＦ１によりフィルタ処理して得た第１の観測信号Ｓo1である。なおこの例では、シリンダ４の吸気弁ＳＶに吹抜けが発生している場合を示している。また図３（Ｅ）は、監視のために非接触の音響センサにより取得した監視対象シリンダ３乃至５廻りからの音響信号を第２のフィルタＦ２を用いてフィルタ処理して得た、第２の観測信号Ｓo2である。なおこの例では、シリンダ４の排気弁ＤＶに吹抜けが発生している場合を示している。図３（Ｂ）乃至（Ｅ）においては、それぞれ所定の周波数帯域成分をフィルタ処理により時間軸上の音響波形として顕在化している。
【００２９】
また図５（Ａ）は、内燃機関の作動タイミングを示す図であり、図５（Ａ）における表示は図３（Ａ）の表示と同じである。また図５（Ａ）の０Ｖラインを基準に並ぶパルス信号は、前述のパルサの信号の例を示している。図５（Ｂ）は、内燃機関が正常なときに非接触の音響センサにより取得した監視対象シリンダ６廻りからの音響信号を第３のフィルタＦ３によりフィルタ処理して得た、第３の基準信号Ｓr3である。第３の基準信号Ｓr3には、シリンダ内へのカーボン付着の情報が含まれる。図５（Ｂ）に見られるように、正常時には、爆発のタイミング「燃６」において、フィルタ処理された第３の基準信号Ｓr3中に異常と思われるような大きな変化はない。また図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）よりも約１年後に内燃機関が正常なときに非接触の音響センサにより取得した監視対象シリンダ６廻りからの音響信号を第３のフィルタＦ３を用いてフィルタ処理して得た第３の観測信号Ｓo3である。図５（Ｃ）と図５（Ｂ）とを比較してみると、両者の爆発のタイミングにおける観測信号波形に大きな相違はない。図５（Ｄ）は、さらに約１年後に監視のために非接触の音響センサにより取得した監視対象シリンダ６廻りからの音響信号を第３のフィルタＦ３によりフィルタ処理して得た第３の観測信号Ｓo3である。なおこの例では、シリンダ６にカーボンの付着が発生していた。図５（Ｃ）と図５（Ｄ）とを比較してみると、両者の爆発のタイミングにおける観測信号波形に大きな相違がある。すなわちシリンダ６にカーボンが付着している状態では、爆発のタイミングにおける観測信号波形は時間軸方向に波形の大きな広がりが見られる。図５（Ｂ）乃至（Ｄ）においては、それぞれ所定の周波数帯域成分をフィルタ処理により時間軸上の音響波形として顕在化している。
【００３０】
第１乃至第３のフィルタＦ１乃至Ｆ３で使用するフィルタの帯域幅は、診断の対象となる弁の種類及び数に応じて異なってくる。このフィルタの帯域幅の設定については、帯域の変更が可能なフィルタ装置を用いて、適切に設定しておけばよい。
【００３１】
第１のフィルタＦ１によってフィルタ処理された第１の基準信号Ｓr1は、記憶装置Ｍの第１の基準信号記憶部Ｍ１に記憶され、第１のフィルタＦ１によってフィルタ処理された第１の観測信号Ｓo1は、記憶装置Ｍの第１の観測信号記憶部Ｍ２に記憶される。また第２のフィルタによってフィルタ処理された第２の基準信号Ｓr2は、記憶装置Ｍの第２の基準信号記憶部Ｍ３に記憶され、第２のフィルタＦ２によってフィルタ処理された第２の観測信号Ｓo2は、記憶装置Ｍの第２の観測信号記憶部Ｍ４に記憶される。さらに第３のフィルタによってフィルタ処理された第３の基準信号Ｓr3は、記憶装置Ｍの第３の基準信号記憶部Ｍ５に記憶され、第３のフィルタＦ２によってフィルタ処理された第３の観測信号Ｓo3は、記憶装置Ｍの第３の観測信号記憶部Ｍ６に記憶される。
【００３２】
監視部ＭＴは、図３（Ａ）に示されるような３つのシリンダ３乃至５のそれぞれの爆発のタイミング「燃３」「燃４」「燃５」についてのタイミング情報に基づいて、図３（Ｃ）に示す第１の観測信号Ｓo1に含まれる３つのシリンダ３乃至５の爆発のタイミングにおける３つの観測信号波形Ｗ１３乃至Ｗ１５と、図３（Ｂ）に示される第１の基準信号Ｓr1に含まれ３つのシリンダ３乃至５の爆発のタイミング「燃３」「燃４」「燃５」における３つ基準信号波形Ｗ３乃至Ｗ５との対比に基づいて複数のシリンダの吸気弁ＳＶの状態を監視する。図３（Ｂ）と図３（Ｃ）とを対比すると、シリンダ４の爆発のタイミングにおいて、観測信号波形Ｗ１４の振幅及び周期に大きな変化が現れている。これに対してシリンダ３及び５の爆発のタイミングにおいて、観測信号波形Ｗ１３及びＷ１５には、特に変化は現れていない。またシリンダ４の、排気弁ＤＶが閉じるタイミング「排４」と吸気弁ＳＶが閉じるタイミング「吸４」に対応する領域Ｐ２及びＰ３に現れる基準信号波形及び観測信号波形にも、変化は現れていない。このことからシリンダの吸気弁ＳＶにおける異常の発生（吹抜け）は、複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第１の観測信号Ｓo1に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングにおける複数の観測信号波形（例えばＷ１３〜Ｗ１５）と、第１の基準信号Ｓr1に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングにおける複数の基準信号波形（例えばＷ３〜Ｗ５）とを対比することにより複数のシリンダの吸気弁の状態を診断することができることが判った。
【００３３】
また監視部ＭＴは、図３の波形の例で説明すると、図３（Ａ）に示されるような３つのシリンダ３乃至５のそれぞれの爆発のタイミング「燃３」「燃４」「燃５」についてのタイミング情報に基づいて、図３（Ｅ）に示す第２の観測信号Ｓo2に含まれる３つのシリンダ３乃至５の爆発のタイミングにおける３つの観測信号波形Ｗ１３´乃至Ｗ１５´と、図３（Ｄ）に示す第２の基準信号Ｓr2に含まれ３つのシリンダ３乃至５の爆発のタイミング「燃３」「燃４」「燃５」における３つ基準信号波形Ｗ３′乃至Ｗ５′との対比に基づいて複数のシリンダの排気弁ＤＶの状態を監視する。図３（Ｅ）と図３（Ｄ）とを対比すると、シリンダ４の爆発のタイミングにおいて、観測信号波形Ｗ１４′と基準信号波形Ｗ４′の振幅及び周期には、殆ど変化が見られない。また図３（Ｅ）に示されるように、シリンダ４の排気弁ＤＶが閉じるタイミング「排４」と吸気弁ＳＶが閉じるタイミング「吸４」に対応する領域Ｐ２及びＰ３に現れる観測信号波形（Ｗ４１′，Ｗ４２′）には、図３（Ｄ）に示された第２の基準信号Ｓr2のシリンダ４の排気弁ＤＶが閉じるタイミング「排４」と吸気弁ＳＶが閉じるタイミング「吸４」に対応する領域Ｐ２及びＰ３に現れる基準信号波形（Ｗ４１，Ｗ４２）とを比べると、振幅及び周期に明確な変化が現れている。なおさらに吹き抜けが進行すると、爆発のタイミングにおける観測信号波形Ｗ１４′にも基準信号波形Ｗ４′と比べて大きな変化が現れる。このことからシリンダの排気弁ＤＶにおける異常の発生（吹抜け）の予兆として、複数のシリンダの爆発のタイミングと、複数のシリンダのそれぞれの排気弁ＤＶが閉じるタイミングと、吸気弁ＳＶが閉じるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第２の観測信号Ｓo2に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングにおける複数の観測信号波形（Ｗ１４′等）、複数のシリンダの排気弁ＤＶが閉じるタイミング及び吸気弁ＳＶが閉じるタイミングにおける複数の観測信号波形（例えばＷ４１′，Ｗ４２′）と、第１の基準信号Ｓr1に含まれる複数のシリンダの各タイミングにおける複数の基準信号波形（例えばＷ４１，Ｗ４２）との対比に基づいて、複数のシリンダの排気弁ＤＶの状態を診断することができることが判った。
【００３４】
なお、図３（Ｄ）に示された第２の基準信号Ｓr2及び図３（Ｅ）に示された第２の観測信号Ｓo2には、排気弁ＤＶが閉じるタイミング及び吸気弁ＳＶが閉じるタイミング以外のその他のタイミングで比較的大きな波形が現れているが、これらは周囲の他の音源からのノイズ信号である。本実施の形態では、タイミング情報に基づいて波形の対比をするためのノイズ信号の影響を受けることはない。
【００３５】
また監視部は、図５の波形の例で説明すると、複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミング、排気弁が閉じるタイミング及び吸気弁が閉じるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第３の観測信号Ｓo3に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミング、排気弁が閉じるタイミング及び吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の観測信号波形の変化パターンと、第３の基準信号Ｓr3に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミング、排気弁が閉じるタイミング及び吸気弁が閉じるタイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンとを対比して複数のシリンダのカーボン付着状態を監視する。
【００３６】
上記の吹抜けが発生しているか否か、カーボンが付着しているか否かの判断基準を音響の変化パターンとして表現すると、下記の表１のとおりになる。
【表１】
0005624807.tif 000002
【００３７】
上記パターンを利用すると、複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミング、排気弁が閉まるタイミング、吸気弁が閉まるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第１の観測信号Ｓo1に含まれる複数のシリンダの各タイミングにおける複数の観測信号波形に対する、第１の基準信号Ｓr1に含まれる複数のシリンダの各タイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンに基づいてシリンダの吸気弁の状態を監視することができる。また複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミング、排気弁が閉まるタイミング、吸気弁が閉まるタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第２の観測信号Ｓo2に含まれる複数のシリンダの各タイミングにおける複数の観測信号波形に対する、第２の基準信号Ｓr2に含まれる複数のシリンダの各タイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンに基づいてシリンダの排気弁の状態を監視することができる。また複数のシリンダのそれぞれの爆発のタイミングについてのタイミング情報に基づいて、第３の観測信号Ｓo3に含まれる複数のシリンダの各タイミングにおける複数の観測信号波形の変化パターンと、第３の基準信号Ｓr3に含まれる複数のシリンダの各タイミングにおける複数の基準信号波形の変化パターンとを対比して複数のシリンダのカーボン付着状態を監視することができる。
【００３８】
このような変化パターンに基づく判断手法を採用すると、各シリンダの動作状態を監視しながら、各シリンダの吸気弁及び排気弁の状態と複数のシリンダのカーボン付着状態を監視することができる。
【００３９】
なおこの変化パターンに基づいて監視する場合には、第１の観測信号Ｓo1に含まれる爆発のタイミングに対応する観測信号波形に大きな変化が生じ、第１の観測信号Ｓo1に含まれる排気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形及び吸気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形に大きな変化が生じていない変化パターンが発生しているときに、シリンダの吸気弁に吹抜けが発生しているものと判断すればよい。また第２の観測信号Ｓo2に含まれる爆発のタイミングに対応する観測信号波形に大きな変化が生じておらず、第２の観測信号Ｓo2に含まれる排気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形及び吸気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形に大きな変化が生じている変化パターンが発生しているときに、シリンダの排気弁に吹抜けが発生する可能性がある（予兆がある）とものと判断すればよい。そして第２の観測信号Ｓo2に含まれる爆発のタイミングに対応する観測信号波形、第２の観測信号Ｓo2に含まれる排気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形及び吸気弁が閉まるタイミングに対応する観測信号波形の全てに大きな変化が生じている変化パターンが発生しているときに、シリンダの排気弁に吹抜けが発生していると判断すればよい。さらに第３の観測信号Ｓo3に含まれる複数のシリンダの爆発のタイミングに対応する観測信号波形に大きな変化が生じている変化パターンが発生しているときに、シリンダにカーボンが付着している状態が発生していると判断すればよい。
【００４０】
排気弁の損傷過程を音響の変化パターンにより状態監視するイメージを図４に示す。図４のイメージから、「吸・排気弁の強い着座」、「異物の食い込みによる弁座の欠損」、「吹抜け部より排気ガスの噴出」、「吹抜け部の拡大」を、観測信号波形の変化の程度から判定することができる。図４に示すように、本発明によれば、聴感による検知や、排気ガスの温度異常による検知と比べて、早期に異常の発生を検知することができる。
【００４１】
本発明では、内燃機関運転中に計測した音響信号（音響時刻歴データ）について、内燃機関の作動工程（サイクル）の時間長さで切り出し、燃焼関連部位の作動タイミングとの関連付けを施した音響波形により、状態監視対象となるシリンダの状態を診断する。正常状態を示す基準信号の基準信号波形に対して計測された音響信号（観測信号）の波形（観測信号波形）を比較することにより、音響パターン（または音響波形）の違いから、吸・排気弁の吹抜けを診断することができる。
【００４２】
上記実施の形態によれば、状態監視対象のシリンダの爆発のタイミング、排気弁が閉まるタイミング、吸気弁が閉まるタイミングにおける音響信号の変化（音響波形のピーク値や平均値、波形密度などの変化や基準音響波形に対する違い）に基づき、吸・排気弁の吹抜けを診断することができる。また本実施の形態によれば、シリンダにおけるカーボンの付着が状態監視対象のシリンダの爆発のタイミングにおいて音響波形が変化する（音圧レベルが増大するなど）音響パターンとして現れることに基づいて、シリンダへのカーボンの付着を診断することができる。特に、正常運転状態時の基準音響波形に対して状態監視時の音響波形を比較することにより、吸・排気弁吹抜けの初期状態より異常を検出するので、排気ガス温度の変化が従来の監理値（３０℃程度）に至る以前の状態から異常を早期に検出することができる。また本実施の形態では、内燃機関に対して非接触の音響センサを用いるので、高温で且つ振動の大きい環境においても状態監視が可能である。また本実施の形態によれば、シリンダ内爆発圧力計測用のセンサと比較して、状態監視システムの耐久性や実用性を高めることができる。
【００４３】
上記の実施の形態では、吸気弁における吹抜けの発生の監視、排気弁における吹抜けの発生の監視及びシリンダにおけるカーボンの付着の監視を同時に行っているが、吸気弁における吹抜けの発生の監視、排気弁における吹抜けの発生の監視及びシリンダにおけるカーボンの付着の監視をそれぞれ個別に行ってもよく、またこれらを個別に行うように内燃機関の状態監視装置を構成してもよいのは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明によれば、音響法を用いて内燃機関の状態監視をすることができ、音響信号の変化パターン（または音響波形）を用いて故障シリンダ及び故障形態の識別が可能になる。さらに従来と比べて、異常の発生を早期に検知することが可能になる。また本発明によれば、異常早期検知、故障シリンダ・故障形態の識別、状態監視システムの耐久性の観点において、従来方法に比べて優れており、内燃機関の設備管理の高度化を実現することができる。
【符号の説明】
【００４５】
ＳＶ  吸気弁
ＤＶ  排気弁
１乃至１４  シリンダ
Ａ，Ｅ  音響センサ
Ｒ  レコーダ
ＯＴＤ  作動タイミング検出部
ＤＡ  データ分析器
Ｆ  フィルタ装置
Ｍ  記憶装置
ＭＴ  監視部
【図１】
0005624807.tif 000003
【図２】
0005624807.tif 000004
【図３】
0005624807.tif 000005
【図４】
0005624807.tif 000006
【図５】
0005624807.tif 000007