2024-5-27 日本船舶海洋工学会 春季講演会 @金沢

異常診断に向けた舶用主機関シミュレーションの開発- デジタルエンジニアリングによる故障箇所推定手法構築の基礎的検討 -正会員 〇小知井 秀馬* 渡部 潤* 井上 伸一*
小木曽 誠人** 吉村 裕史**
*株式会社MTI **トヨタ自動車株式会社

2024-5-27 日本船舶海洋工学会 春季講演会 @金沢

目次
1.

研究背景と目的

2.

主機シミュレーションモデルの開発と故障解析

3.

異常診断ロジックの構築

4.

まとめと今後© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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目次
1.

研究背景と目的

2.

主機シミュレーションモデルの開発と故障解析

3.

異常診断ロジックの構築

4.

まとめと今後© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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研究の背景
MEPC80：2050年までのGHG排出ネットゼロが目標 ➡ 運用最適化：広範な条件下でのエミッション監視が必要不可欠

GHG削減シナリオ*
本研究のターゲット

ゼロエミ燃料転換が進みつつ、既存燃料船も一定数は残る燃料転換➡ 新技術の開発によるゼロエミ燃料の導入

既存燃料>>>➡ 設計/運用最適化による作動状況の改善
稼働条件

実運航中

・ 海気象
・ 航路選定・ 燃料性状・ 主機異常etc...
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*引用) 国交省, 国際海運2050年カーボンニュートラル達成に向けて動作状況の把握➡ 重要なKPIに

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状態診断の必要性
自動車業界：実走行での排気性能評価(RDE*)が導入 ➡ 故障検出：車載診断(OBD)でエミッションが一定基準以下と保証

影響 故障 不具合などの異常の兆候や故障の発生

経年劣化や厳しい条件下での運転継続

≒

稼働 -

燃焼効率の低下などエミッション悪化

船舶の場合では…
重大事故の場合は安全性にも影響あり

OBD(On-Board Diagnostics)
各機器センサ© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

ｴﾐｯｼｮﾝ
故障検知

主機関の定量的な状態診断>>>

保証*画像引用) 国土交通省, 車載式故障診断装置（OBD）に関する制度と運用の現状✓ 安全 = エミッション増加の防止✗ 海運業界での実現例はない

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現状とアプローチ手法構築：実機試験で全条件を網羅することは困難 ➡ デジタルエンジニアリングの活用：幅広い条件や仮定に基づき検討

故障事例の蓄積
Model Based Development
各機器

各故障

ピストン

特徴量

シミュレーション技術を活用した開発

温度増減

ﾘﾝｸﾞ折損➡ 精度向上や開発検証のプロセス加速

…
??

…

排気弁

ｼｰﾄ損傷

有効〇 多種の予測✗ 精度の不足…

出力増減??

過給機モデル>>>

ｸﾗｳﾝ汚損

相互補完

圧力増減

Expertwith AI…

実機…

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ベンチ〇 全体の把握✗ 実施の制約

運航データの蓄積〇 詳細な評価✗ 複雑な条件*画像引用) トヨタ紡織, 試験・評価の技術

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研究の目的
舶用主機関シミュレーションの開発：各故障シナリオのプロセス解明 ➡ 定量的かつ詳細な主機状態診断手法の構築① 検出対象を決めて故障プロセス解明
各機器

各故障

ピストン

Simulation

研究の概要

特徴量

温度増減

ﾘﾝｸﾞ折損① 舶用主機関シミュレーションの開発…

➡ 各故障シナリオの特徴量変化を解明
圧力増減

ｸﾗｳﾝ汚損…

排気弁ｼｰﾄ損傷…

過給機

出力増減>>>② 故障箇所および原因推定手法を構築➡ 特徴量変化に基づく故障原因の決定

Expertwith AI…

幅広い条件下で健全に主機を運用…

➡ 船舶の安全/エミッション性能を保証© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

② 計測点と診断手法の策定

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目次
1.

研究背景と目的2.

主機シミュレーションモデルの開発と故障解析

3.

異常診断ロジックの構築

4.

まとめと今後© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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シミュレーションモデルの開発
GT-Powerにより1次元CFDと予測燃焼予測によるモデル構築 ➡ 設計情報から部品を再現してエンジンプラント構築

モデル概要 -能代丸（7UEC60LSE-Eco-A2)-

作成→計算→比較→修正のプロセスで実機に適合➡ 出荷データと概ね一致し性能解析が実施可能に© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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シミュレーションによる故障挙動解析
開発したシミュレーションモデルで故障を再現して主機挙動を推定➡ 各種パラメータ変化から故障発生時のプロセス解明を実施

本研究で明らかにしたこと
ﾘﾝｸﾞ折損

ﾌﾞﾛｰﾊﾞｲ

燃料弁

噴孔拡大

噴霧悪化

排気弁

ｼｰﾄ損耗

吹き抜け

各機器

故障

不具合

温度増減

圧力増減

…

ピストン

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出力増減
特徴量

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シミュレーションによる故障挙動解析
開発したシミュレーションモデルで故障を再現して主機挙動を推定➡ 各種パラメータ変化から故障発生時のプロセス解明を実施

故障事例

プロファイル

シミュレーション

ﾘﾝｸﾞ折損

ﾌﾞﾛｰﾊﾞｲ

燃料弁

噴孔拡大噴霧悪化

排気弁

ｼｰﾄ損耗

吹き抜け

各機器

故障

不具合

温度増減

圧力増減

…

ピストン

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モデル化し実装する必要がある

出力増減
特徴量

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機関故障のモデル化と解析①
解析結果
不具合模擬の実施例① ： ピストンリングの折損（ブローバイ発生）✓ リングからのガス抜けをシリンダ→掃気室の連通経路で再現計算の仮定 –指示回転数：80 rpm, 目標出力：10,900 kW-

・ 燃費悪化： 質量2%逆流で168→175 g/kWh・ 故障プロセス ✔ 不具合Cyl.
① ガス戻り✔ 正常Cyl.
③ 掃気圧up② 燃焼悪化

④ 燃焼改善ピストンリング： 燃焼ガスが漏れない様に密閉する機能②↓

シリンダ→掃気室の仮想配管を直接モデル化

↑③>>>

④↓①↑

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機関故障のモデル化と解析②
解析結果
不具合模擬の実施例② ： 燃料噴射弁の噴孔拡大（燃料噴霧の悪化）✓ 噴射量は同一として予測燃焼モデルのノズル噴孔を変更し再現

・ 燃費悪化： 噴孔径×1.3で168→180 g/kWh
・ 故障プロセスはリング折損の場合と同様に…
✔ 不具合： 燃焼悪化

計算の仮定 –指示回転数：80 rpm, 目標出力：10,900 kW-✔ 正常➡ 排ガス温 上昇： 掃気圧増加 ➡ Pmax 上昇

燃料噴射弁： ガスを噴霧し液滴分裂と蒸発を促進する機能
燃焼予測式に噴孔拡大による噴霧悪化をモデル化

噴霧の悪化

DI Pulse➡ 燃焼遅れ燃焼モデル

蒸発量が減少微粒化が遅延Injection
噴射弁𝒕𝒃 ∝Evaporation

微粒化時間

𝑫𝒏
噴孔直径
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液滴直径

𝑫𝒅 ∝ 𝑫𝒏

液滴
表面積➡ Pmax変化

𝑺𝒅 ∝ 𝑫𝒅 𝟐>

𝟐𝝆𝒇𝒄 𝑫𝒏
𝝆𝒂 𝑪𝒏 𝑼𝒊>>>

掃気圧増加

蒸発 𝒅𝒎𝒅∝ −𝑫𝒅
速度 𝒅𝒕*画像引用) IDAJ, ディーゼル燃焼(DIPulse)モデル

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機関故障のモデル化と解析③
解析結果
不具合模擬の実施例③ ： 排気弁シートの損耗（吹き抜け）・ 燃費はリフトオフセット量×3で168→173 g/kWh✓ 排気弁の最小リフト量を開く方向にオフセットして再現

・ 故障プロセスはリング折損や噴孔拡大とやや異なる✔ 不具合： 排気エネルギ流出 ➡ 排ガス温 上昇

計算の仮定 –指示回転数：80 rpm, 目標出力：10,900 kW-✔ 正常： 掃気圧増加➡ Pmax 上昇

排気弁： 燃焼室内の排気ガス流れを制御する機能
CFD計算結果の流量係数によりモデル化
排気弁モデル
リフト量オフセット

流量係数>>>

不具合で2%の増加© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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目次
1.

研究背景と目的

2.

主機シミュレーションモデルの開発と故障解析

3.

異常診断ロジックの構築

4.

まとめと今後© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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機関異常の診断手法
解析結果

圧縮行程の考察

故障プロセス解明のまとめ✔ リング折損：燃焼ガス戻りによる燃焼悪化✔ 噴孔拡大：噴霧悪化による着火遅延と後燃え✔ 排気弁損耗： 閉弁不良による排気エネルギ増加
計測点

正常不具合

排気温度減少増加

掃気圧Pmax増加✔ リング折損(ー 実線)：
➡ ブローバイ発生により低下✔ 噴孔拡大(--- 破線)：
➡ 掃気圧upの影響のみで増加低下✔ 排気弁損耗(・・・ 点線)：

➡ 排気ガスの漏洩により低下

増加
増加

不具合気筒のPmotor変化は…

減少

計測点の策定と故障診断

同様のパラメータ変化のため故障の差別化困難

影響がより顕著な特徴量を探索低下

リング折損 or 排気弁損耗

不具合疑惑シリンダでのPmotorを確認
噴孔拡大増加（掃気圧）© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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機関異常の診断手法
解析結果

ガス性状の考察

故障プロセス解明のまとめ✔ リング折損：

燃焼ガス戻りによる燃焼悪化✔ 噴孔拡大：噴霧悪化による着火遅延と後燃え✔ 排気弁損耗： 閉弁不良による排気エネルギ増加

不具合気筒のA/F（空燃比)変化は…

リーン✔ リング折損(ー 実線)：
➡ 燃焼ガスが掃気に混入➡ 酸素濃度低下でA/Fリッチ

計測点

正常

不具合

✔ 排気弁損耗(・・・ 点線)：

排気温度減少増加➡ 吹き抜けガスは排出

掃気圧
Pmax

➡ 掃気圧上昇でA/Fリーン

増加
増加

リッチ

減少

計測点の策定と故障診断（全シリンダ同様）
A/Fリッチ同様のパラメータ変化のため故障の差別化困難

影響がより顕著な特徴量を探索

リング折損
or
排気弁損耗

リング折損
A/Fを確認
排気弁損耗
A/Fリーン© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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機関異常の診断手法
解析結果

燃焼状況の考察

故障プロセス解明のまとめ✔ リング折損：

燃焼ガス戻りによる燃焼悪化✔ 噴孔拡大：噴霧悪化による着火遅延と後燃え✔ 排気弁損耗： 閉弁不良による排気エネルギ増加
計測点

排気温度

正常減少

掃気圧
Pmax

不具合増加
増加

増加

減少

Case: 噴孔拡大×2

不具合気筒の熱発生速度は…
✔ 噴孔拡大： 着火遅れ+後燃え𝑑𝑄
1𝑑𝑝𝜅𝑑𝑉=𝑉+𝑝𝑑𝜃 𝜅 − 1 𝑑𝜃 1 − 𝜅 𝑑𝜃
故障

2% MBF 50% MBF

リング折損

1.18

12.7

噴孔拡大

2.87

16.9

排気弁損耗

1.18

12.5

着火遅れ

計測点の策定と故障診断

同様のパラメータ変化のため故障の差別化困難

影響がより顕著な特徴量を探索

後燃え

遅角あり
噴孔拡大
or
その他故障

噴孔拡大

2%,50%
MBF確認
その他故障
遅角なし

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機関異常の診断手法
計測項目の考察
故障プロセス解明のまとめ✔ リング折損：

燃焼ガス戻りによる燃焼悪化✔ 噴孔拡大：噴霧悪化による着火遅延と後燃え✔ 排気弁損耗： 閉弁不良による排気エネルギ増加
故障Pmotor

A/FMBF

リング折損

低下

減少

変化なし

噴孔拡大

増加

増加

変化なし

排気弁損耗

低下

変化なし

遅角

故障診断の分類木
現象の考察

故障項目

プロセス考察と特徴量探索➡ 故障箇所特定ロジック構築© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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1.

研究背景と目的

2.

主機シミュレーションモデルの開発と故障解析

3.

異常診断ロジックの構築

4.

まとめと今後© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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本研究のまとめ

今後の課題- シミュレーションによる故障箇所推定手法の構築 -- 実稼働条件下での健全な主機運用と安全/エミッション性能保証 -① 燃焼室部品の故障モデル化とプロセス解明① 故障解析の信頼性確認✔ リング折損：燃焼ガス戻りによる燃焼悪化✔ 要素試験とオペレーションデータによる解析結果の比較検証✔ 噴孔拡大：噴霧悪化による着火遅延と後燃え✔ 新燃料転換や新技術搭載における予期せぬ新規事例への対応✔ 排気弁損耗： 閉弁不良による排気エネルギ増加② 特徴量探索による故障箇所推定の分類木検討② 故障診断ロジックの本船実装✔ 故障診断データベースや自動診断システムへの落とし込み✔ 運航船の観測値を活用したデータ同化による対象船の拡大© 2024. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

ご清聴ありがとうございました。

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