JP2003097281A - ターボチャージャーの回転数計測方法及びターボチャージャー - Google Patents

ターボチャージャーの回転数計測方法及びターボチャージャー

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JP2003097281A JP2001289907A JP2001289907A JP2003097281A JP 2003097281 A JP2003097281 A JP 2003097281A JP 2001289907 A JP2001289907 A JP 2001289907A JP 2001289907 A JP2001289907 A JP 2001289907A JP 2003097281 A JP2003097281 A JP 2003097281A
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pressure
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Shoji Sasaki
祥二 佐々木
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ターボチャージャーの運転中に発生する有害
な振動を増大させることなくその回転数を直接検出す
る。 【解決手段】 コンプレッサインペラ21が過給気を圧
送する吸気導出通路27には、過給気の流速変化を検出
する流速センサ30が設けられている。流速センサ30
は、各羽根21aに対応した過給気の周期的な流速変化
を検出する。この流速センサ30が検出する過給気の流
速変化から、単位時間当たりに過給気を送り出した羽根
21aの数を求め、この羽根21aの数と、コンプレッ
サインペラ21の羽根21aの総数とから、ターボロー
タ12の回転数を求める。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの排気ガ
スによって駆動されるタービンホイールによって回転駆
動されるコンプレッサインペラを備えたターボチャージ
ャーの回転数計測方法、及び、この方法の実施に直接使
用するターボチャージャーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、ウェイストゲート、あるいは、内
蔵された可変ノズルベーン等が、ターボロータの回転数
に基づいて制御されることで、エンジンの運転状態に応
じて過給圧が制御されるターボチャージャーがある。こ
のようなターボチャージャーの制御装置には、例えば、
実開平5−78936号公報に開示された過給圧制御装
置がある。この過給圧制御装置は、エンジン回転数、エ
ンジン負荷及びターボロータ回転数に基づいてウェイス
トゲートバルブのアクチュエータを制御する。そして、
エンジンの運転状況が軽負荷運転域又は高負荷運転域で
あるかによって、その過給特性を切り替えるようにして
いる。ところが、この公報では、ターボロータの回転数
を検出する回転数センサが、具体的に明らかにされてい
ない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ターボロータの回転数
を検出する回転数センサとしては、回転数の検出に一般
的に使用される電磁ピックアップを用いることが考えら
れる。電磁ピックアップをターボチャージャーに設ける
には、例えば、コンプレッサインペラをロータシャフト
に固定するナットに磁石(被検出体)を埋め込み、コン
プレッサ側のハウジングに固定した電磁ピックアップで
ロータシャフトの回転に伴う磁束変化を検出することが
考えられる。あるいは、コンプレッサインペラの裏側に
おいてロータシャフトに支持させた金属板に切り欠き部
(被検出部)を設け、ハウジングに固定した電磁ピック
アップで磁束変化を検出することが考えられる。
【0004】しかしながら、ターボロータの回転数は、
例えば1分当たり最高で20万回転にも達するので、磁
石が設けられたナットや、被検出部が設けられた金属板
によってロータシャフトの回転バランスが悪化し、運転
中に発生する有害な振動が増大する問題がある。
【0005】また、タービンホイール及びコンプレッサ
インペラは、ロータシャフトが振れ難いように、それぞ
れ軸受ができるだけ近い位置に設けられているので、新
たに金属板を設ける空間はない。仮に、金属板を設ける
ことができるように、タービンホイール又はコンプレッ
サインペラからより離れた位置に軸受を設けると、ロー
タシャフトの振れが大きくなり、運転中に発生する有害
な振動が増大する問題がある。このため、従来の市販車
両には、ターボチャージャーに回転数センサが設けられ
たものは存在しない。
【0006】従って、ターボロータの実際の回転数に基
づいて過給圧を制御することができないため、過給圧が
上昇し難い高地での走行時にターボチャージャーが過回
転とならないように、平地での走行時に最大回転数が最
大許容回転数よりも十分に小さくなるように過給特性が
設定されている。このため、平地での走行時には、ター
ボチャージャーの過給能力が最大限発揮されない状態で
の使用が余儀なくされていた。
【0007】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、ターボチャージャーの
運転中に発生する有害な振動を増大させることなく、そ
の回転数を直接検出することができるターボチャージャ
ーの回転数計測方法、及び、この方法の実施に直接使用
するターボチャージャーを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項1に記載の発明は、排気ガスによってタービ
ンホイールが回転駆動され、該タービンホイールと共に
回転するコンプレッサインペラが過給気を供給するター
ボチャージャーの回転数計測方法であって、前記コンプ
レッサインペラの各羽根に対応した過給気の周期的な流
速変化又は圧力変化を検出することを特徴とする。
【0009】請求項1に記載の発明によれば、コンプレ
ッサインペラの各羽根に対応した過給気の周期的な流速
変化又は圧力変化から、単位時間当たりに過給気を送り
出した羽根の数を求めることができる。この羽根の数
と、コンプレッサインペラの羽根の総数とから、コンプ
レッサインペラの回転数を求めることができる。従っ
て、磁気ピックアップを用いて回転数を検出する場合と
異なり、ターボロータに回転バランスを悪化させる被検
出部を設けないので、ターボロータの回転バランスが悪
化しない。
【0010】請求項2に記載の発明は、排気ガスによっ
てタービンホイールが回転駆動され、該タービンホイー
ルと共に回転するコンプレッサインペラが過給気を供給
するターボチャージャーにおいて、前記コンプレッサイ
ンペラの各羽根に対応した過給気の周期的な流速変化又
は圧力変化を検出するセンサを備えたことを特徴とす
る。
【0011】請求項2に記載の発明によれば、コンプレ
ッサインペラの各羽根に対応する過給気の周期的な流速
変化又は圧力変化がセンサによって検出される。この過
給気の流速変化又は圧力変化から、単位時間当たりに過
給気を送り出した羽根の数を求めることができる。この
羽根の数と、コンプレッサインペラの羽根の総数とか
ら、コンプレッサインペラの回転数が求められる。従っ
て、磁気ピックアップを用いて回転数を検出する場合と
異なり、ターボロータに回転バランスを悪化させる被検
出部を設けないので、ターボロータの回転バランスが悪
化しない。
【0012】請求項3に記載の発明は、請求項2に記載
の発明において、前記センサは、過給気の流速変化を検
出する流速センサであることを特徴とする。請求項3に
記載の発明によれば、請求項2に記載の発明の作用に加
えて、コンプレッサインペラの各羽根に対応した過給気
の流速変化が流速センサによって検出される。
【0013】請求項4に記載の発明は、請求項2に記載
の発明において、前記センサは、過給気の圧力変化を検
出する圧力センサであることを特徴とする。請求項4に
記載の発明によれば、請求項2に記載の発明の作用に加
えて、コンプレッサインペラの各羽根に対応した過給気
の圧力変化が圧力センサによって検出される。
【0014】請求項5に記載の発明は、請求項4に記載
の発明において、前記圧力センサの受圧面は、前記コン
プレッサインペラが過給気を導出する吸気導出通路の壁
面上に配置され、該壁面上には、前記過給気の流れを邪
魔して該受圧面に加わる圧力の変動量を増大させる邪魔
板が設けられていることを特徴とする。
【0015】請求項5に記載の発明によれば、請求項4
に記載の発明の作用に加えて、ターボチャージャーの回
転数が低い状態であるほどコンプレッサインペラから送
り出される過給気の圧力がより低くなり、圧力センサが
出力する電圧信号の変動量がより小さくなる。このと
き、圧力センサの受圧面に加わる過給気の変動量が邪魔
板によって増大されているので、電圧信号の変動量がよ
り大きなレベルに維持される。このため、受圧面を吸気
導出通路内に過給気が直接当たるように配置することが
困難な圧力センサを用いながら、羽根に対応した過給気
の周期的な圧力変化の数をより低い回転数領域で検出す
ることができる。従って、ターボチャージャーの回転数
がより低いエンジンの運転状態においてその回転数を直
接検出することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】(第1実施形態)以下、本発明を
可変ノズルベーン式のターボチャージャーに具体化した
第1実施形態を図1〜図4に従って説明する。
【0017】図2に示すように、ターボチャージャー1
0は、ハウジング11、ターボロータ12及び可変ノズ
ル機構13を備えている。ハウジング11は、センタハ
ウジング14、タービンハウジング15及びコンプレッ
サハウジング16からなる。センタハウジング14及び
タービンハウジング15によってタービン室17が形成
され、センタハウジング14及びコンプレッサハウジン
グ16によってコンプレッサ室18が形成されている。
【0018】ターボロータ12はロータシャフト19を
備え、その一端にタービンホイール20が固定され、他
端にコンプレッサインペラ21が固定されている。ロー
タシャフト19は、センタハウジング14に設けられた
一対の軸受34によって回転可能に支持されている。タ
ービンホイール20は複数の羽根20aを備え、タービ
ン室17に配置されている。コンプレッサインペラ21
は複数の羽根21aを備え、コンプレッサ室18に配置
されている。本実施形態では、8枚の羽根21aが設け
られている。
【0019】タービンハウジング15には、排気スクロ
ール通路22、排気導入通路23及び排気口24が設け
られている。排気スクロール通路22は、タービン室1
7の外周に沿った渦巻き状に形成され、その導入側には
図示しないエンジンの排気管が接続されている。排気導
入通路23は、タービン室17の周囲に排気スクロール
通路22を連通する。排気口24はタービン室17の軸
線方向に延びるように形成され、図示しない排気管に接
続されている。そして、エンジンが運転されて排気管か
ら排気スクロール通路22に導入された排気ガスは、排
気スクロール通路22に沿ってタービン室17の周囲を
移動しながら排気導入通路23からタービン室17内に
導入される。そして、タービンホイール20を回転させ
た後、排気口24から排気管に排出される。
【0020】前記可変ノズル機構13は、センタハウジ
ング14とタービンハウジング15との間に設けられて
いる。可変ノズル機構13は公知の機構であって、排気
スクロール通路22から排気導入通路23を通じてター
ビン室17のタービンホイール20に供給される排気ガ
スの流速を調節する複数のノズルベーン25を備えてい
る。
【0021】可変ノズル機構13は、図示しない電子制
御装置(ECU)によって制御されるステップモータに
よって各ノズルベーン25の開度が調節される。そし
て、そのときのターボロータ12の回転数に対する過給
圧を変化させる。
【0022】ECUは、例えばターボロータ12の回転
数を含む車両情報に基づき、ターボチャージャー10が
出力する過給圧を、その車両情報に対して予め設定され
ている目標過給圧に制御する。
【0023】前記コンプレッサハウジング16には、吸
気口26、吸気導出通路(ディフューザー)27及び吸
気スクロール通路28が設けられている。吸気口26は
コンプレッサ室18の軸線方向に延びるように形成さ
れ、その端部が大気に開口されている。吸気スクロール
通路28は、コンプレッサ室18の外周に沿った渦巻き
状に形成され、その供給出口は図示しない吸気管に接続
されている。吸気導出通路27は、コンプレッサ室18
の周囲を吸気スクロール通路28に連通する。そして、
タービン室17に導入される排気ガスによってターボロ
ータ12が回転すると、コンプレッサインペラ21が回
転してコンプレッサ室18から外気を吸気導出通路27
を通じて吸気スクロール通路28に圧送し、吸気口26
を通じて新たな外気をコンプレッサ室18に導入する。
【0024】本実施形態のターボチャージャー10に
は、図1及び図2に示すように、ターボロータ12の回
転数を検出するための流速センサ30が設けられてい
る。流速センサ30は、コンプレッサインペラ21によ
ってコンプレッサ室18から吸気導出通路27に圧送さ
れる過給気の流速変化を検出する。
【0025】本実施形態の流速センサ30はホットフィ
ルム式であって、半球状の検出部31を備えている。検
出部31の表面には、通電によって加熱されるフィルム
状の抵抗体31aが設けられている。抵抗体31aは、
検出部31の表面に当たる過給気によって冷却され、そ
の抵抗値を変化させる。流速センサ30は、過給気によ
って冷却される抵抗体31aの抵抗変化から、検出部3
1に当たる過給気の流速に応じた電圧信号を生成して出
力する。
【0026】流速センサ30は、コンプレッサハウジン
グ16に設けられた孔16aに装着され、検出部31が
吸気導出通路27内に配置されている。そして、コンプ
レッサインペラ21によって吸気導出通路27に圧送さ
れる過給気が抵抗体31aに当たるようになっている。
【0027】次に、このように設けられた流速センサ3
0の電圧信号から、ターボロータ12の回転数を求める
方法について説明する。ターボロータ12が回転すると
コンプレッサインペラ21の各羽根21aから吸気導出
通路27内に略放射方向に過給気が圧送される。このと
きコンプレッサインペラ21の周縁における過給気の流
速分布は、図3に示すように、各羽根21a毎にその進
行方向の側面に近いほどより速くなっていることが知ら
れている。そして、ターボロータ12の回転に伴って、
各羽根21a毎の過給気の流速分布がコンプレッサイン
ペラ21の周縁に沿って移動する。このため、吸気導出
通路27のある位置における過給気の流速も、コンプレ
ッサインペラ21の各羽根21aに対応して周期的に変
化する。
【0028】流速センサ30は、吸気導出通路27にお
ける過給気の周期的な流速変化を検出する。すなわち、
流速センサ30は、コンプレッサインペラ21の各羽根
21aに対応した過給気の周期的な流速変化を検出す
る。そして、図4に示すように、過給気の周期的な流速
変化に応じて略正弦波状に変化する電圧信号を出力す
る。但し、図4のグラフには、電圧信号の変動分のみを
図示している。
【0029】従って、所定の検出時間T当たりに流速セ
ンサ30が検出する過給気の流速変化数F1から、単位
時間当たりに過給気を送り出した羽根21aの数f(=
F1/T)を求め、この数fをコンプレッサインペラ2
1の羽根21aの総数Z(本実施形態では8)で除する
ことで、ターボロータ12の回転数N(=f/Z=F1
/(T・Z))を求めることができる。
【0030】以上詳述した本実施形態によれば、以下の
効果を得ることができる。 (1) 磁気ピックアップを用いて回転数を検出する場
合と異なり、ターボロータ12に回転バランスを悪化さ
せる被検出部を設けないので、ターボロータ12の回転
バランスが悪化しない。従って、ターボチャージャー1
0の運転中に発生する有害な振動を増大させることな
く、その回転数を直接検出することができる。この結
果、ターボロータ12の実際の回転数に基づいてターボ
チャージャー10の過給圧を制御することができるた
め、高地での走行時に回転数が過回転とならないように
過給圧を制御することができ、しかも、平地での走行時
に過給能力を最大限発揮させることができる。
【0031】(第2実施形態)次に、本発明を具体化し
た第2実施形態を図5及び図6に従って説明する。尚、
本実施形態は、前記第1実施形態の流速センサ30を圧
力センサ32に変更したことのみが第1実施形態と異な
る。従って、第1実施形態と同じ構成については、符号
を同じにしてその説明を省略し、圧力センサ32のみに
ついて詳述する。
【0032】本実施形態のターボチャージャー10に
は、図5に示すように、ターボロータ12の回転数を検
出するための圧力センサ32が設けられている。圧力セ
ンサ32は、コンプレッサインペラ21によってコンプ
レッサ室18から吸気導出通路27に圧送される過給気
の圧力変化を検出する。
【0033】本実施形態の圧力センサ32は半導体式で
あって、円形の受圧面32aを備えている。受圧面32
aの内側には、シリコン単結晶からなる受圧ダイアフラ
ムが設けられ、受圧ダイアフラムの表面には歪ゲージ抵
抗が形成されている。受圧ダイアフラムは、受圧面32
aに加わる過給気の圧力によって撓み変形し、歪ゲージ
の抵抗値を変化させる。圧力センサ32は、受圧面32
aに加わる過給気の圧力に応じた歪ゲージの抵抗値変化
から、受圧面32aに加わる過給気の圧力に応じて変化
する電圧信号を生成して出力する。
【0034】圧力センサ32は、コンプレッサハウジン
グ16に設けられた孔16aに装着され、その受圧面3
2aが吸気導出通路27の壁面27a上に配置されてい
る。そして、コンプレッサインペラ21によって吸気導
出通路27内に圧送される過給気の圧力が受圧面32a
に加わるようになっている。
【0035】また、圧力センサ32は、図6に示すよう
に、受圧面32aの周縁に沿って設けられるとともに、
ターボロータ12の回転軸線方向に延びる邪魔板33を
備えている。邪魔板33は、コンプレッサインペラ21
によって吸気導出通路27に圧送される過給気の略放射
方向での流れを邪魔して、受圧面32aに加わる過給気
の圧力変動を増大させる。
【0036】コンプレッサインペラ21の周縁における
過給気の圧力分布は、前記第1実施形態で説明した過給
気の流速分布に重なることが知られている。そして、吸
気導出通路27のある位置における過給気の圧力も、コ
ンプレッサインペラ21の各羽根21aに対応して周期
的に変化する。
【0037】圧力センサ32は、吸気導出通路27にお
ける過給気の周期的な圧力変化を検出する。すなわち、
圧力センサ32は、コンプレッサインペラ21の各羽根
21aに対応した過給気の周期的な圧力変化を検出す
る。そして、前記第1実施形態の流速センサ30と同様
に、過給気の周期的な圧力変化に応じて略正弦波状に変
化する電圧信号を出力する。
【0038】従って、検出時間T当たりに圧力センサ3
2が検出する過給気の圧力変化数F2と、コンプレッサ
インペラ21の羽根21aの総数Zとから、ターボロー
タ12の回転数N(=F2/(T・Z))を求めること
ができる。
【0039】以上詳述した本実施形態によっても、前記
第1実施形態の(1)に記載した効果の他、下記の効果
を得ることができる。 (2) ターボロータ12の回転数がより低い状態であ
るほど、コンプレッサインペラ21から送り出される過
給気の圧力の大きさ及び変動幅がより小さくなり、圧力
センサ32が出力する電圧信号の変動量がより小さくな
る。その結果、各羽根21aに対応する過給気の周期的
な圧力変化を検出できなくなることがある。本実施形態
では、圧力センサ32の受圧面32aの周縁に設けられ
た邪魔板33が、受圧面32aに加わる過給気の圧力の
変動量を増大させるので、回転数が低い状態でも電圧信
号の変動量がより大きなレベルに維持される。このた
め、受圧面32aを吸気導出通路27内に過給気が直接
当たるように配置することが困難な圧力センサ32を用
いながら、羽根21aに対応する過給気の周期的な圧力
変化をより低い回転数領域で検出することができる。従
って、ターボチャージャー10の回転数がより低くなる
エンジンの運転状態においてその回転数を直接検出する
ことができる。
【0040】次に、上記各実施形態以外の実施形態を列
挙する。 ・ 前記第1実施形態で、ホットフィルム式の流速セン
サは、図7(a)に示すように、検出部31が円錐状で
あって、その表面にフィルム状の抵抗体31aが設けら
れたものであってもよい。また、図7(b)に示すよう
に、検出部31が円柱状であって、その円形の端面にフ
ィルム状の抵抗体31aが設けられたものや、図7
(c)に示すように、円柱状の検出部31の少なくとも
先端部の周面にフィルム状の抵抗体31aが設けられた
ものであってもよい。このいずれの流速センサによって
も第1実施形態の効果を得ることができる。
【0041】・ 前記第2実施形態で、図8に示すよう
に、圧力センサ32の受圧面32aの周縁に邪魔板33
を設けず、受圧面32aに対し、過給気から軸線方向に
加わる圧力変化だけを検出する構成であってもよい。
【0042】・ 前記第1実施形態で、流速センサは、
ホットフィルム式に限らず、ホットワイヤ式であっても
よい。また、過給気中を通過する超音波の伝播時間から
流速を検出する超音波式流速センサであってもよい。超
音波式流速センサの場合には、吸気導出通路27内にセ
ンサを全く配置する必要がないので、コンプレッサ側の
吸気抵抗が増大しない。
【0043】・ 前記第2実施形態で、圧力センサは、
半導体式に限らず、歪ゲージ式圧力センサであってもよ
い。 ・ 前記第1又は第2実施形態で、ターボチャージャー
は、可変ノズル機構13を備えず、タービン室を迂回し
て排気管と連通するバイパス管の入口に設けられたウェ
イストゲートが開閉制御されることで過給圧が制御され
るものであってもよい。また、エンジンの回転数を下げ
るか、燃料を絞る以外、過給圧を制御することができな
いように設けられたターボチャージャーであってもよ
い。
【0044】・ 前記第1又は第2実施形態で、コンプ
レッサインペラ21の各羽根21aに対応した過給気
の、吸気スクロール通路28における周期的な流速変化
又は圧力変化を検出するように流速センサ又は圧力セン
サが設けられた構成とする。そして、過給気の周期的な
流速変化又は圧力変化から単位時間当たりに過給気を送
り出した羽根の数を求め、この羽根の数とコンプレッサ
インペラの羽根の総数とから回転数を求めてもよい。
【0045】・ ターボチャージャーが過給するエンジ
ンは、レシプロエンジン、ロータリエンジン等のいずれ
の内燃機関であってもよい。 ・ ターボチャージャーが過給するエンジンは、自動
車、二輪車、列車、船舶、航空機等のいずれに搭載され
るエンジンであってもよい。
【0046】以下、前述した各実施形態から把握される
技術的思想を記載する。 (1) 請求項2〜請求項5のいずれか一項に記載の発
明において、前記タービンホイールに当たる排気ガスの
流速を調整するための可変ノズル機構が設けられている
ターボチャージャー。
【0047】(2) 請求項2〜請求項5のいずれか一
項、又は、上記技術的思想(1)に記載のターボチャー
ジャーを備えた車両。
【0048】
【発明の効果】請求項1〜請求項5に記載の発明によれ
ば、ターボチャージャーの運転中に発生する有害な振動
を増大させることなく、その回転数を直接検出すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1実施形態のターボチャージャーの要部模
式断面図。
【図2】 ターボチャージャーの模式断面図。
【図3】 コンプレッサインペラ周縁における過給気の
流速を示す模式平面図。
【図4】 流速センサが出力する電圧信号の変動分を示
すグラフ。
【図5】 第2実施形態のターボチャージャーを示す要
部模式断面図。
【図6】 圧力センサを示す模式斜視図。
【図7】 (a)〜(c)は他のホットフィルム式流速
センサを示す検出部の模式図。
【図8】 他の実施形態のターボチャージャーを示す要
部模式断面図。
【符号の説明】
10…ターボチャージャー、20…タービンホイール、
21…コンプレッサインペラ、21a…羽根、27…吸
気導出通路、27a…壁面、30…センサとしての流速
センサ、32…同じく圧力センサ、32a…受圧面、3
3…邪魔板。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 排気ガスによってタービンホイールが回
    転駆動され、該タービンホイールと共に回転するコンプ
    レッサインペラが過給気を供給するターボチャージャー
    の回転数計測方法であって、 前記コンプレッサインペラの各羽根に対応した過給気の
    周期的な流速変化又は圧力変化を検出することを特徴と
    するターボチャージャーの回転数計測方法。
  2. 【請求項2】 排気ガスによってタービンホイールが回
    転駆動され、該タービンホイールと共に回転するコンプ
    レッサインペラが過給気を供給するターボチャージャー
    において、 前記コンプレッサインペラの各羽根に対応した過給気の
    周期的な流速変化又は圧力変化を検出するセンサを備え
    たことを特徴とするターボチャージャー。
  3. 【請求項3】 前記センサは、過給気の流速変化を検出
    する流速センサであることを特徴とする請求項2に記載
    のターボチャージャー。
  4. 【請求項4】 前記センサは、過給気の圧力変化を検出
    する圧力センサであることを特徴とする請求項2に記載
    のターボチャージャー。
  5. 【請求項5】 前記圧力センサの受圧面は、前記コンプ
    レッサインペラが過給気を導出する吸気導出通路の壁面
    上に配置され、該壁面上には、前記過給気の流れを邪魔
    して該受圧面に加わる圧力の変動量を増大させる邪魔板
    が設けられていることを特徴とする請求項4に記載のタ
    ーボチャージャー。
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