JP2005351129A - ターボチャージャの疲労故障診断方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジンの実際の運転状態に応じた、ターボチャージャの疲労の程度を判定し、ターボチャージャの適切な交換時期を判断する。
【解決手段】 ターボチャージャ５の疲労故障を診断するための方法において、ターボチャージャ５の回転数を測定し、測定した回転数に基づいて蓄積疲労値Ｆｔを演算し、演算した蓄積疲労値Ｆｔと所定の疲労限界値Ｆｌとを比較してターボチャージャ５の疲労故障判定を実行する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、エンジンに装着されるターボチャージャの疲労故障診断方法及び装置に関する。

ターボチャージャ（過給機）は、エンジンの排気通路に接続され、エンジンの排気ガスにより駆動されるタービンと、エンジンの吸気通路に接続され、タービンにより駆動されるコンプレッサとから構成されている。タービンは、回転軸上に固定されたタービンホイールを備えている。コンプレッサは、タービンホイールと同一回転軸上に固定されたコンプレッサインペラを備えている。タービンホイールを、エンジンの排気ガスにより回転させることで、同一回転軸上のコンプレッサインペラが回転される。これにより、コンプレッサは空気を吸入し、その吸入空気を昇圧する。そして、コンプレッサは、昇圧した吸入空気をエンジンに供給する。

ところで、ターボチャージャのコンプレッサインペラは極めて高速で回転されるので、比較的大きな負荷がコンプレッサインペラにかかる。万が一、コンプレッサインペラが破断すると、その破断片がエンジン内部へ吸込まれるおそれがある。そのため、コンプレッサインペラの交換時期を予め決定し、その交換時期毎にコンプレッサインペラを交換するようにしている。

従来、ターボチャージャの疲労を診断するための方法においては、経験則、実験、或いは、解析等に基づいてコンプレッサインペラに蓄積される疲労（特に、低サイクル疲労：ＬＣＦ（Low Cycle Fatigue））の程度を予測し、その予測結果に基づいて交換時期を決定していた。例えば、疲労の予測を、エンジンの運転状態を想定した、コンプレッサインペラの回転数の実験データに基づいて行っていた。

なお、特許文献１には、ガスタービンの疲労を診断するための方法が記載されている。この方法は、ガスタービン圧縮機の翼段落の圧力変動を計測し、この計測した圧力変動データと圧縮機翼の構造解析モデルとを用いて応力解析をして圧縮機翼の実働環境下における応力変動の推定を行い、この推定した圧縮機翼の応力変動を圧縮機翼材料の腐食環境下での強度マスターカーブと比較し、圧縮機翼の疲労損傷を評価し、評価した疲労損傷をもとに圧縮機翼の交換時期を決定するようにしたものである。

特開２００１−３２９８５６号公報

しかしながら、エンジンが搭載される車両の使われ方は多種多様であり、コンプレッサインペラ毎に蓄積される疲労の程度は大きく異なるので、エンジンの実際の運転状態の全てを踏まえた交換時期の決定は困難であった。例えば、比較的高地での運転や加減速頻度が比較的高い運転を頻繁に行う場合には、疲労がコンプレッサインペラに比較的早く蓄積され易く、コンプレッサインペラを、交換時期に至る前に交換する必要があった。また、必要以上に過酷な運転状態に合わせて交換時期を決定すると、交換の必要がないものまで交換することとなり、結果としてコスト高となってしまう。

そこで、本発明の目的は、エンジンの実際の運転状態に応じた、ターボチャージャの疲労の程度を判定でき、ターボチャージャの適切な交換時期を判断することができるターボチャージャの疲労故障診断方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ターボチャージャの疲労故障を診断するための方法において、ターボチャージャの回転数を測定し、測定した回転数に基づいて蓄積疲労値を演算し、演算した蓄積疲労値と所定の疲労限界値とを比較してターボチャージャの疲労故障判定を実行することを特徴とするターボチャージャの疲労故障診断方法である。

請求項２の発明は、一定振幅の応力をターボチャージャに疲労破壊するまで周期的に繰り返し加えたときの応力振幅と、このときの応力変化繰返回数との関係を予め求めるステップを備え、上記疲労故障判定を、上記測定した回転数に基づいて回転変動のピーク点を判定した毎に行い、上記蓄積疲労値の演算が、判定したピーク点における回転数を読み取って、この回転数をピーク点回転数に置換するステップと、そのピーク点回転数を用いてピーク点応力を演算するステップと、そのピーク点応力と前ピーク点におけるピーク点応力とを用いて前ピーク点からの応力変動幅を演算するステップと、その応力変動幅を上記応力振幅に置換し、この応力振幅に対応する上記応力変化繰返回数を上記関係から検索するステップと、検索した応力変化繰返回数を用いて所定の演算を行い疲労値を算出するステップと、算出した疲労値と、前ピーク点において演算した蓄積疲労値とを用いて上記蓄積疲労値を演算するステップと、を有する請求項１記載のターボチャージャの疲労故障診断方法である。

請求項３の発明は、ターボチャージャの回転数をターボチャージャが疲労破壊するまで一定振幅で周期的に繰り返し変化させたときの最大ピーク回転数と、このときの回転数振幅と、このときの回転数変化繰返回数との関係を予め求めるステップを備え、上記疲労故障判定を、上記測定した回転数に基づいて回転変動のピーク点を判定した毎に行い、上記蓄積疲労値の演算は、判定したピーク点における回転数を読み取って、この回転数をピーク点回転数に置換するステップと、そのピーク点回転数と前ピーク点におけるピーク点回転数とを用いて前ピーク点からの回転数変動幅を演算するステップと、上記ピーク点回転数を上記最大ピーク回転数に置換し、上記演算した回転数変動幅を上記回転数振幅に置換し、これら最大ピーク回転数と回転数振幅とに対応する回転数変化繰返回数を上記関係から検索し、検索した回転数変化繰返回数を用いて所定の演算を行い疲労値を算出するステップと、算出した疲労値と、前ピーク点において演算した蓄積疲労値とを用いて上記蓄積疲労値を演算するステップと、を有する請求項１記載のターボチャージャの疲労故障診断方法である。

請求項４の発明は、上記疲労値の算出は、上記検索した応力変化繰返回数或いは回転数変化繰返回数の逆数を算出し、これを上記疲労値とすることからなる請求項２又は３記載のターボチャージャの疲労故障診断方法である。

請求項５の発明は、上記蓄積疲労値の演算は、上記算出した疲労値を、前ピーク点において演算した蓄積疲労値に加算し、これを上記蓄積疲労値とすることからなる請求項２から４いずれか記載のターボチャージャの疲労故障診断方法である。

請求項６の発明は、ターボチャージャの疲労故障を診断するための装置において、ターボチャージャの回転数を測定するための回転数測定手段と、該回転数測定手段により測定された回転数に基づいて蓄積疲労値を演算するための演算手段と、該演算手段により演算された蓄積疲労値と所定の疲労限界値とを比較してターボチャージャの疲労故障判定を実行するための判定手段とを備えたことを特徴とするターボチャージャの疲労故障診断装置である。

請求項７の発明は、一定振幅の応力をターボチャージャに疲労破壊するまで周期的に繰り返し加えたときの応力振幅と、このときの応力変化繰返回数との関係を格納するための格納手段を備え、上記疲労故障判定は、上記回転数測定手段により測定された回転数に基づいて回転変動のピーク点が判定された毎に行われ、上記演算手段が、上記判定されたピーク点における回転数を読み取って、この回転数をピーク点回転数に置換するためのピーク点回転数置換手段と、そのピーク点回転数を用いてピーク点応力を演算するためのピーク点応力演算手段と、そのピーク点応力と前ピーク点におけるピーク点応力とを用いて前ピーク点からの応力変動幅を演算するための応力変動幅演算手段と、その応力変動幅を上記応力振幅に置換し、この応力振幅に対応する上記応力変化繰返回数を上記関係から検索するための繰返回数検索手段と、該繰返回数検索手段により検索された応力変化繰返回数を用いて所定の演算を行い疲労値を算出するための疲労値算出手段と、該疲労値算出手段により算出された疲労値と、前ピーク点において演算された蓄積疲労値とを用いて上記蓄積疲労値を演算するための蓄積疲労値演算手段と、を有する請求項６記載のターボチャージャの疲労故障診断装置である。

請求項８の発明は、ターボチャージャの回転数をターボチャージャが疲労破壊するまで一定振幅で周期的に繰り返し変化させたときの最大ピーク回転数と、このときの回転数振幅と、このときの回転数変化繰返回数との関係を格納するための格納手段を備え、上記疲労故障判定は、上記回転数測定手段により測定された回転数に基づいて回転変動のピーク点が判定された毎に行われ、上記演算手段が、上記判定されたピーク点における回転数を読み取って、この回転数をピーク点回転数に置換するためのピーク点回転数置換手段と、そのピーク点回転数と前ピーク点におけるピーク点回転数とを用いて前ピーク点からの回転数変動幅を演算するための回転数変動幅演算手段と、上記ピーク点回転数を上記最大ピーク回転数に置換し、上記回転数変動幅演算手段により演算された回転数変動幅を上記回転数振幅に置換し、これら最大ピーク回転数と回転数振幅とに対応する回転数変化繰返回数を上記関係から検索するための繰返回数検索手段と、該繰返回数検索手段により検索された回転数変化繰返回数を用いて所定の演算を行い疲労値を算出するための疲労値算出手段と、該疲労値算出手段により算出された疲労値と、前ピーク点において演算された蓄積疲労値とを用いて上記蓄積疲労値を演算するための蓄積疲労値演算手段と、を有する請求項６記載のターボチャージャの疲労故障診断装置である。

請求項９の発明は、上記疲労値の算出は、上記検索した応力変化繰返回数或いは回転数変化繰返回数の逆数を算出し、これを上記疲労値とすることからなる請求項７又は８記載のターボチャージャの疲労故障診断装置である。

請求項１０の発明は、上記蓄積疲労値の演算は、上記算出した疲労値を、前ピーク点において演算した蓄積疲労値に加算し、これを上記蓄積疲労値とすることからなる請求項７から９いずれか記載のターボチャージャの疲労故障診断装置である。

請求項１１の発明は、上記判定手段がターボチャージャの疲労故障判定を是と判定したときに作動する警告手段をさらに備えた請求項６から１０いずれか記載のターボチャージャの疲労故障診断装置である。

本発明によれば、エンジンの実際の運転状態に応じた、ターボチャージャの疲労の程度を判定でき、ターボチャージャの適切な交換時期を判断することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の好適な第一の実施形態に係るターボチャージャの疲労故障診断装置を適用したエンジンの概略図である。本実施形態のエンジンは、トラックや乗用車等の車両に搭載されるディーゼルエンジンである。

図中、１はエンジン本体、２はエンジン本体１に設けられ吸入空気が流通する吸気通路、３はエンジン本体１に設けられ排気ガスが流通する排気通路、４は各種センサ類及び各種機器類が接続された制御ユニット（以下、ＥＣＵ）、５はエンジン本体１に装着されたターボチャージャである。

図１に示すように、本実施形態のターボチャージャ５は、排気通路３に接続され、エンジン本体１の排気ガスにより駆動されるタービン６と、吸気通路２に接続され、タービン６により駆動されるコンプレッサ７とから構成されている。タービン６とコンプレッサ７との間には、ベアリング８が設けられている。ベアリング８は、シャフト（回転軸）９を回転可能に支持している。

タービン６は、タービンハウジング１０と、タービンハウジング１０内に設けられ、シャフト９の一端部に固定されたタービンホイール１１とから構成されている。コンプレッサ７は、コンプレッサハウジング１２と、コンプレッサハウジング１２内に設けられ、シャフト９の他端部に固定されたコンプレッサインペラ１３とから構成されている。つまり、タービンホイール１１とコンプレッサインペラ１３とは、同一軸（シャフト９）上に配置されている。

エンジン本体１の排気ガスが、タービンホイール１１に与えられると、タービンホイール１１が回転される。これにより、タービン６が駆動される。タービン６が駆動されると、タービンホイール１１と同一軸上に配置されたコンプレッサインペラ１３も回転される。これにより、コンプレッサ７が駆動される。

コンプレッサ７は、空気をコンプレッサハウジング１２内に吸入し、この吸入空気をコンプレッサハウジング１２内で昇圧する。そして、コンプレッサ７は、昇圧した吸入空気をエンジン本体１に供給する。

本実施形態のターボチャージャ５は、ターボチャージャ５の疲労故障を診断するための装置を備えている。本実施形態の疲労故障診断装置は、コンプレッサインペラ１３の疲労故障を診断するためのものである。

本実施形態の疲労故障診断装置は、コンプレッサインペラ１３の回転数を測定するための回転数測定手段を備えている。本実施形態の回転数測定手段は、コンプレッサハウジング１２に設けられた回転数センサ１４と、ＥＣＵ４とから構成されている。回転数センサ１４は、ＥＣＵ４に接続されており、回転数センサ１４からの検出信号がＥＣＵ４に入力される。本実施形態において、回転数とは、１分間あたりの回転数（回転速度）である。

本実施形態の疲労故障診断装置は、上記の回転数測定手段により測定されたコンプレッサインペラ１３の回転数に基づいて、蓄積疲労値を演算するための演算手段と、この演算手段により演算された蓄積疲労値と所定の疲労限界値とを比較してコンプレッサインペラ１３の疲労故障判定を実行するための判定手段とを備えている。本実施形態のＥＣＵ４が、上記の演算手段及び判定手段をなす。本実施形態において、蓄積疲労値とは、コンプレッサインペラ１３に蓄積された疲労の程度を示す値である。

本実施形態の疲労故障診断装置は、上記の判定手段がコンプレッサインペラ１３の疲労故障判定を是（交換の必要有り）と判定したときに作動する警告手段を備えている。この警告手段の作動により、コンプレッサインペラ１３の交換を使用者（例えば、運転者等）に対して促す。

本実施形態の警告手段は、運転席のメータパネル（図示せず）に配置された警告灯１５と、ＥＣＵ４とから構成されている。警告灯１５は、ＥＣＵ４に接続されており、警告灯１５の作動（消灯・点灯、或いは、点滅）がＥＣＵ４により制御される。本実施形態においては、警告灯１５は、通常時には消灯されており、警告時に赤色に点灯される。

格納手段としてのＥＣＵ４には、一定振幅の応力（遠心応力）をコンプレッサインペラ１３に疲労破壊するまで周期的に繰り返し加えたときの応力振幅ＳＬｔと、このときの（疲労破壊までの）応力変化繰返回数ＳＮＦｔとの関係が格納されている。コンプレッサ１３に遠心応力を加える際は、その遠心応力に応じた一定振幅の回転数を、周期的に繰り返し変化させることで行う。上記の関係は、コンプレッサインペラ１３において疲労故障が予想される部位について、予め求められる。また、上記の関係は、コンプレッサインペラ１３において疲労故障が予想される部位が複数ある場合は、これら部位毎に予め求められる。

本実施形態において、上記の関係は、図２に示す、応力振幅−応力変化繰返回数ラインＳＮＬで表されている。この応力振幅−応力変化繰返回数ラインＳＮＬを有するマップがＥＣＵ４に格納されている。本実施形態における応力振幅−応力変化繰返回数ラインＳＮＬは、実験や解析等により求めた、所謂、Ｓ−Ｎ曲線（Stress-Number Curve）である。なお、上記の関係は、数式により表されたものであっても良い。

本実施形態においては、コンプレッサインペラ１３の疲労故障診断を、ＥＵＣ４により行う。これを図３及び図４を用いて説明する。

図３は、回転数の時間変化を表す時間−回転数線図である。図３において、波形Ｗは、回転数センサ１４により測定した基波形から、疲労故障判定に対して無効な成分（例えば、ノイズや、極めて微小な回転数変動等）をフィルタ処理等により除去したものである。図４は、第一の実施形態に係る、ＥＣＵによる処理フローチャートである。

ＥＣＵ４による処理フローを図４により説明する。

まず、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ４は、回転数センサ１４から信号を検出することで、コンプレッサインペラ１３の回転数の測定を行い、ステップＳ１０２において、ステップＳ１０１で測定した回転数に基づいて回転変動のピーク点判定を行う。本実施形態において、疲労故障判定は、測定した回転数に基づいて回転変動のピーク点を判定した毎に行われる。

本実施形態において、ピーク点（図３中の符号Ｐ（ｉ）等参照）とは、加速度の正負が切り替わる点（加速と減速とが切り替わる点）であり、回転変動とは、隣接する二つのピーク点間における回転数の差である。また、本実施形態において、加速度が一定（０）であるときは、ピーク点ではない。ここで、符号Ｐ（ｉ）中のｉは、任意の回転変動のサイクルを表す（以下の符号中のｉについても同様とする）。

ピーク点を判定すると、ステップＳ１０３において、ＥＣＵ４は、ステップＳ１０２で判定したピーク点における回転数を読み取って、この回転数をピーク点回転数Ｒ（ｉ）に置換する。

次に、ステップＳ１０４において、ＥＣＵ４は、ステップＳ１０３で置換したピーク点回転数Ｒ（ｉ）を用いて、コンプレッサインペラ１３に作用するピーク点応力ＳＰ（ｉ）を演算する。本実施形態においては、ピーク点応力ＳＰ（ｉ）の演算は、有限要素法（ＦＥＭ）に基づいた遠心応力計算からなる。なお、ピーク点回転数Ｒ（ｉ）と、これに対応するピーク点応力ＳＰ（ｉ）との関係をグラフや数式等で表して、これをＥＣＵ４に格納しておいても良い。

次に、ステップＳ１０５において、ＥＣＵ４は、ステップＳ１０４で演算したピーク点応力ＳＰ（ｉ）と、前ピーク点におけるピーク点応力ＳＰ（ｉ−１）とを用いて前ピーク点からの応力変動幅ＳＬ（ｉ）を演算する。応力変動幅ＳＬ（ｉ）の演算は、前ピーク点におけるピーク点応力ＳＰ（ｉ−１）を、ピーク点応力ＳＰ（ｉ）から除算し、その絶対値を応力変動幅ＳＬ（ｉ）とすることからなる。

次に、ステップＳ１０６において、ＥＣＵ４は、ステップＳ１０５で演算した応力変動幅ＳＬ（ｉ）を、図２の応力振幅ＳＬｔ（ｉ）に置換し、この応力振幅ＳＬｔ（ｉ）に対応する図２の応力変化繰返回数ＳＮＦｔ（ｉ）を、応力振幅−応力変化繰返回数ラインＳＮＬから検索する。例えば、応力変化繰返回数ＳＮＦｔは、１０⁵回等のように表される。ここで、応力振幅ＳＬｔが疲労限度（図２中の符号ＥＬで示す）よりも小さい場合、そのときの応力変化繰返回数ＳＮＦｔは∞回とする。応力変化繰返回数ＳＮＦｔ（ｉ）を、回転変動の繰返回数ＮＦ（ｉ）に置換する。なお、上記の関係（応力振幅−応力変化繰返回数ラインＳＮＬ）からの検索は、回転変動毎の他、多点補間読取方式（例えば、四点補間）や、傾斜読取方式等を含む。

次に、ステップＳ１０７において、ＥＣＵ４は、ステップＳ１０６で検索・置換した繰返回数ＮＦ（ｉ）を用いて所定の演算を行い、回転変動に応じたコンプレッサインペラ１３の疲労値Ｆ（ｉ）を算出する。本実施形態においては、疲労値Ｆ（ｉ）の算出は、繰返回数ＮＦ（ｉ）の逆数を算出し、これを疲労値Ｆ（ｉ）とすることからなる。例えば、繰返回数ＮＦ（ｉ）が、１０⁵回であれば、疲労値Ｆ（ｉ）は、０．００００１である。ここで、繰返回数ＮＦ（ｉ）が、∞回であれば、疲労値Ｆ（ｉ）を、０（１／∞）とする。なお、疲労値Ｆ（ｉ）の算出は、高温疲労強度等を踏まえたものであることが望ましい。例えば、コンプレッサハウジング１２に温度センサを設け、これにより測定した温度に基づいて温度補償を行う。

次に、ステップＳ１０８において、ＥＣＵ４は、ステップＳ１０７で算出した疲労値Ｆ（ｉ）と、前ピーク点において演算した蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ−１）とを用いて、回転変動の蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ）を演算する。本実施形態においては、疲労値Ｆ（ｉ）を、前ピーク点において演算した蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ−１）に加算し、これを新たな蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ）とすることからなる。つまり、回転変動に応じたコンプレッサインペラ１３の疲労値Ｆｔ（ｉ）を、マイナー則により積算していく。積算方法は、単純積算の他、高精度なレインフロー法等であっても良い。

次に、ステップＳ１０９において、ＥＣＵ４は、ステップＳ１０８で演算した蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ）と、所定の疲労限界値Ｆｌとを比較して、コンプレッサインペラ１３の疲労故障判定を実行する。本実施形態においては、疲労故障の判定は、蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ）が、疲労限界値Ｆｌ以上であるときに、疲労故障判定を是と判定する。蓄積疲労値Ｆｔが１．０に達すると、応力変化繰返回数ＳＮＦｔに達したとみなせるので、疲労限界値Ｆｌを、１．０より低く（例えば、０．９、或いは、０．８等）設定することが好ましい。

ステップＳ１０９で疲労故障判定が是と判定されると、ステップＳ１１０において、ＥＣＵ４は、上記の警告手段を作動して、コンプレッサインペラ１３が交換時期に至ったことを使用者に対して通知する。本実施形態において、警告手段の作動は、ＥＣＵ４が、警告灯１５を点灯することからなる。

一方、ＥＣＵ４が、ステップＳ１０２でピーク点を判定しなかったときや、ステップＳ１０９で疲労故障判定を否と判定したときには、ステップＳ１０１に戻り、ＥＣＵ４は、ステップＳ１０１からの手順を再度行う。

ここで、コンプレッサインペラ１３において疲労損傷が予想される部位が複数ある場合は、上述の手順に従って、部位毎に蓄積疲労値Ｆｔを演算し、これら蓄積疲労値Ｆｔと、各々の疲労限界値Ｆｌとを比較して、部位毎に疲労故障判定を実行する。

本実施形態のＥＣＵ４が、特許請求の範囲のピーク点回転数置換手段、ピーク点応力演算手段、応力変動幅演算手段、繰返回数検索手段、疲労値算出手段、及び、蓄積疲労値演算手段をなす。

以上、本実施形態のターボチャージャの疲労故障診断方法は、ターボチャージャ５の回転数を測定し、測定した回転数に基づいて蓄積疲労値Ｆｔを演算し、演算した蓄積疲労値Ｆｔと所定の疲労限界値Ｆｌとを比較してターボチャージャ５の疲労故障判定を実行することを特徴とする。つまり、本実施形態においては、ターボチャージャ５の回転数を測定することで、ターボチャージャ５の運転状態のモニタリングを行い、これに基づいてターボチャージャ５の疲労故障判定を実行している。そのため、本実施形態によれば、エンジンの実際の運転状態に応じた、ターボチャージャ５の疲労の程度を判定でき、ターボチャージャ５の適切な交換時期を判断することができる。

次に、第二の実施形態について説明する。

この実施形態においては、ＥＣＵ４による疲労故障判定の手順が、第一の実施形態とは一部異なる。この実施形態の疲労故障診断装置も、コンプレッサインペラ１３の疲労故障を診断するためのものである。

この実施形態においては、格納手段としてのＥＣＵ４には、コンプレッサインペラ１３の回転数を、コンプレッサインペラ１３が疲労破壊するまで一定振幅で周期的に繰り返し変化させたときの最大ピーク回転数Ｒｔと、このときの回転数振幅Ｌｔと、このときの（疲労破壊までの）回転数変化繰返回数ＲＮＦｔとの関係が格納されている。この関係は、コンプレッサインペラ１３において疲労故障が予想される部位について、予め求められる。また、上記の関係は、コンプレッサインペラ１３において疲労故障が予想される部位が複数ある場合は、これら部位毎に予め求められる。

この実施形態において、上記の関係は、図５に示す、最大ピーク回転数−回転数振幅行列ＲＮＭで表されている。この最大ピーク回転数−回転数振幅行列ＲＮＭがＥＣＵ４に格納されている。この実施形態における最大ピーク回転数−回転数振幅行列ＲＮＭは、実験や解析等により求めたものである。また、この実施形態において、最大ピーク回転数−回転数振幅行列ＲＮＭにおける最大ピーク回転数Ｒｔ及び回転数振幅Ｌｔは、それぞれ、所定の範囲で区切られている。この範囲は、任意に設定可能である。なお、上記の関係は、数式により表されたものであっても良い。

ＥＣＵ４による処理フローを図６により説明する。

図６は、第二の実施形態に係る、ＥＣＵによる処理フローチャートである。

まず、ステップＳ２０１において、ＥＣＵ４は、回転数センサ１４から信号を検出することで、コンプレッサインペラ１３の回転数の測定を行い、ステップＳ２０２において、ステップＳ２０１で測定した回転数に基づいて回転変動のピーク点判定を行う。この実施形態において、疲労故障判定は、測定した回転数に基づいて回転変動のピーク点を判定した毎に行われる。

この実施形態においても、ピーク点（図３中の符号Ｐ（ｉ）等参照）とは、加速度の正負が切り替わる点（加速と減速とが切り替わる点）であり、回転変動とは、隣接する二つのピーク点間における回転数の差である。また、この実施形態においても、加速度が一定（０）であるときは、ピーク点ではない。

ピーク点を判定すると、ステップＳ２０３において、ＥＣＵ４は、ステップＳ２０２で判定したピーク点における回転数を読み取って、この回転数をピーク点回転数Ｒ（ｉ）に置換する。

次に、ステップＳ２０４において、ＥＣＵ４は、ステップＳ２０３で置換したピーク点回転数Ｒ（ｉ）と、前ピーク点におけるピーク点回転数Ｒ（ｉ−１）とを用いて前ピーク点からの回転数変動幅Ｌ（ｉ）を演算する。回転数変動幅Ｌ（ｉ）の演算は、前ピーク点におけるピーク点回転数Ｒ（ｉ−１）を、ピーク点回転数Ｒ（ｉ）から除算し、その絶対値を回転数変動幅Ｌ（ｉ）とすることからなる。

次に、ステップＳ２０５において、ＥＣＵ４は、ステップＳ２０３で置換したピーク点回転数Ｒ（ｉ）と前ピーク点におけるピーク点回転数Ｒ（ｉ−１）とを比較して、大きい方を、図５の最大ピーク回転数Ｒｔ（ｉ）に置換し、ステップＳ２０４で演算した回転数変動幅Ｌ（ｉ）を、図５の回転数振幅Ｌｔ（ｉ）に置換し、これら最大ピーク回転数Ｒｔ（ｉ）と回転数振幅Ｌｔ（ｉ）とに対応する図５の回転数変化繰返回数ＲＮＦｔを、最大ピーク回転数−回転数振幅行列ＲＮＭから検索する。例えば、回転数変化繰返回数ＲＮＦｔは、１０⁵回等のように表される。ここで、最大ピーク回転数Ｒｔ及び回転数振幅Ｌｔとの組合せにより作用する応力の振幅（応力振幅）が、疲労限度よりも小さい場合、そのときの回転数変化繰返回数ＲＮＦｔは∞回で表される。回転数変化繰返回数ＲＮＦｔを、回転変動の繰返回数ＮＦ（ｉ）に置換する。なお、上記の関係（最大ピーク回転数−回転数振幅行列ＲＮＭ）からの検索は、回転変動毎の他、多点補間読取方式（例えば、四点補間読取方式）や、傾斜読取方式等を含む。

次に、ステップＳ２０６において、ＥＣＵ４は、ステップＳ２０５で検索・置換した繰返回数ＮＦ（ｉ）を用いて所定の演算を行い、回転変動に応じたコンプレッサインペラ１３の疲労値Ｆ（ｉ）を算出する。この実施形態においては、疲労値Ｆ（ｉ）の算出は、繰返回数ＮＦ（ｉ）の逆数を算出し、これを疲労値Ｆ（ｉ）とすることからなる。例えば、繰返回数ＮＦ（ｉ）が、１０⁵回であれば、疲労値Ｆ（ｉ）は、０．００００１である。ここで、繰返回数ＮＦ（ｉ）が、∞回であれば、疲労値Ｆ（ｉ）を、０（１／∞）とする。なお、疲労値Ｆ（ｉ）の算出は、高温疲労強度等を踏まえたものであることが望ましい。

次に、ステップＳ２０７において、ＥＣＵ４は、ステップＳ２０６で算出した疲労値Ｆ（ｉ）と、前ピーク点において演算した蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ−１）とを用いて、回転変動の蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ）を演算する。この実施形態においては、疲労値Ｆ（ｉ）を、前ピーク点において演算した蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ−１）に加算し、これを新たな蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ）とすることからなる。つまり、回転変動に応じたコンプレッサインペラ１３の疲労値Ｆｔ（ｉ）を、積算していく。積算方法は、単純積算の他、高精度なレインフロー法等であっても良い。

次に、ステップＳ２０８において、ＥＣＵ４は、ステップＳ２０７で演算した蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ）と、所定の疲労限界値Ｆｌとを比較してコンプレッサインペラ１３の疲労故障判定を実行する。この実施形態においても、疲労故障の判定は、蓄積疲労値Ｆｔ（ｉ）が、疲労限界値Ｆｌ以上であるときに、疲労故障判定を是と判定する。蓄積疲労値Ｆｔが１．０に達すると、回転数変化繰返回数ＲＮＦｔに達したとみなせるので、疲労限界値Ｆｌを、１．０より低く（例えば、０．９、或いは、０．８等）設定することが好ましい。

ステップＳ２０８で疲労故障判定が是と判定されると、ステップＳ２０９において、ＥＣＵ４は、上記の警告手段を作動して、コンプレッサインペラ１３が交換時期に至ったことを使用者に対して通知する。本実施形態において、警告手段の作動は、警告灯１５を点灯することからなる。

一方、ＥＣＵ４が、ステップＳ２０２でピーク点を判定しなかったときや、ステップＳ２０８で疲労故障判定を否と判定したときには、ステップＳ２０１に戻り、ＥＣＵ４は、ステップＳ２０１からの手順を再度行う。

ここで、コンプレッサインペラ１３において疲労損傷が予想される部位が複数ある場合は、上述の手順に従って、部位毎に蓄積疲労値Ｆｔを演算し、これら蓄積疲労値Ｆｔと、各々の疲労限界値Ｆｌとを比較して、部位毎に疲労故障判定を実行する。

この実施形態のＥＣＵ４が、特許請求の範囲のピーク点回転数置換手段、回転数変動幅演算手段、繰返回数検索手段、疲労値算出手段、及び、蓄積疲労値演算手段をなす。

この実施形態によれば、第一の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明は以上説明した実施形態には限定はされない。

例えば、上述の実施形態においては、コンプレッサインペラ１３について疲労故障の診断を行ったが、シャフト９或いはタービンホイール１１について疲労故障の診断を行っても良い。この場合、一定振幅の応力（シャフト９については、ねじり応力、タービンホイール１１については遠心応力）をシャフト９或いはタービンホイール１１に疲労破壊するまで周期的に繰り返し加えたときの応力振幅と、このときの応力変化繰返回数との関係、或いは、シャフト９或いはタービンホイール１１の回転数を、シャフト９或いはタービンホイール１１が疲労破壊するまで一定振幅で周期的に繰り返し変化させたときの最大ピーク回転数と、このときの回転数振幅と、このときの回転数変化繰返回数との関係を予め求めて、それをＥＣＵ４に格納しておく。なお、コンプレッサインペラ１３の回転数と、シャフト９及びタービンホイール１１の回転数とは等しいため、回転数測定手段は、上述の実施形態と同様とすることができる。

また、第一の実施形態において、一定振幅の応力をコンプレッサインペラ１３に疲労破壊するまで周期的に繰り返し加えたときの応力振幅ＳＬｔと、このときの応力変化繰返回数ＳＮＦｔとの関係を、実験や解析等により求めたＳ−Ｎ曲線を、図７に示すように直線近似した応力振幅−応力変化繰返回数ラインＳＮＬ２により表しても良い。

なお、疲労故障の判定は、演算した蓄積疲労値Ｆｔを、所定の疲労限界値Ｆｌから除算し、その疲労限界値Ｆｌが０となったときに、疲労故障判定を是と判定するようにしても良い。

また、上記警告手段は、警告ブザー等であっても良い。

また、上記の回転数センサは、センターハウジング（ベアリング）或いはタービンハウジングに設けられても良い。コンプレッサインペラの回転数と、シャフト及びタービンホイールの回転数とは等しいためである。

また、本発明が適用されるエンジンは、車両用に限らず、船舶用、或いは、定置発電機用等であっても良い。

また、本発明が適用されるエンジンは、ディーゼルエンジンに限らず、ガソリンエンジン等であっても良い。

本発明の好適な第一の実施形態に係るターボチャージャの疲労故障診断装置を適用したエンジンの概略図である。 応力振幅−応力変化繰返回数ラインを有するマップである。 回転数の時間変化を表す時間−回転数線図である。 第一の実施形態に係る、ＥＣＵによる処理フローチャートである。 最大ピーク回転数−回転数振幅行列を有する表である。 第二の実施形態に係る、ＥＣＵによる処理フローチャートである。 変形例に係る応力振幅−破壊繰返回数ラインを有するマップである。

符号の説明

１ エンジン本体
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ 制御ユニット（ＥＣＵ）（回転数測定手段、演算手段、判定手段、ピーク点応力演算手段、応力変動幅演算手段、回転数変動幅演算手段、繰返回数検索手段、疲労値算出手段、蓄積疲労値演算手段、警告手段）
５ ターボチャージャ
６ タービン
７ コンプレッサ
８ ベアリング
９ シャフト
１０ タービンハウジング
１１ タービンホイール
１２ コンプレッサハウジング
１３ コンプレッサインペラ
１４ 回転数センサ（回転数測定手段）
１５ 警告灯（警告手段）
Ｆ 疲労値
Ｆｌ 疲労限界値
Ｆｔ 蓄積疲労値
Ｌ 回転数変動幅
Ｌｔ 回転数振幅
ＮＦ 繰返回数
Ｐ ピーク点
Ｒ ピーク点回転数
Ｒｔ 最大ピーク回転数
ＲＮＦｔ 回転数変化繰返回数
ＳＬ 応力変動幅
ＳＬｔ 応力振幅
ＳＮＦｔ 応力変化繰返回数
ＳＰ ピーク点応力

Claims (11)

1. ターボチャージャの疲労故障を診断するための方法において、ターボチャージャの回転数を測定し、測定した回転数に基づいて蓄積疲労値を演算し、演算した蓄積疲労値と所定の疲労限界値とを比較してターボチャージャの疲労故障判定を実行することを特徴とするターボチャージャの疲労故障診断方法。
2. 一定振幅の応力をターボチャージャに疲労破壊するまで周期的に繰り返し加えたときの応力振幅と、このときの応力変化繰返回数との関係を予め求めるステップを備え、上記疲労故障判定を、上記測定した回転数に基づいて回転変動のピーク点を判定した毎に行い、 上記蓄積疲労値の演算が、判定したピーク点における回転数を読み取って、この回転数をピーク点回転数に置換するステップと、そのピーク点回転数を用いてピーク点応力を演算するステップと、そのピーク点応力と前ピーク点におけるピーク点応力とを用いて前ピーク点からの応力変動幅を演算するステップと、その応力変動幅を上記応力振幅に置換し、この応力振幅に対応する上記応力変化繰返回数を上記関係から検索するステップと、検索した応力変化繰返回数を用いて所定の演算を行い疲労値を算出するステップと、算出した疲労値と、前ピーク点において演算した蓄積疲労値とを用いて上記蓄積疲労値を演算するステップと、
   を有する請求項１記載のターボチャージャの疲労故障診断方法。
3. ターボチャージャの回転数をターボチャージャが疲労破壊するまで一定振幅で周期的に繰り返し変化させたときの最大ピーク回転数と、このときの回転数振幅と、このときの回転数変化繰返回数との関係を予め求めるステップを備え、上記疲労故障判定を、上記測定した回転数に基づいて回転変動のピーク点を判定した毎に行い、
   上記蓄積疲労値の演算は、判定したピーク点における回転数を読み取って、この回転数をピーク点回転数に置換するステップと、そのピーク点回転数と前ピーク点におけるピーク点回転数とを用いて前ピーク点からの回転数変動幅を演算するステップと、上記ピーク点回転数を上記最大ピーク回転数に置換し、上記演算した回転数変動幅を上記回転数振幅に置換し、これら最大ピーク回転数と回転数振幅とに対応する回転数変化繰返回数を上記関係から検索し、検索した回転数変化繰返回数を用いて所定の演算を行い疲労値を算出するステップと、算出した疲労値と、前ピーク点において演算した蓄積疲労値とを用いて上記蓄積疲労値を演算するステップと、
   を有する請求項１記載のターボチャージャの疲労故障診断方法。
4. 上記疲労値の算出は、上記検索した応力変化繰返回数或いは回転数変化繰返回数の逆数を算出し、これを上記疲労値とすることからなる請求項２又は３記載のターボチャージャの疲労故障診断方法。
5. 上記蓄積疲労値の演算は、上記算出した疲労値を、前ピーク点において演算した蓄積疲労値に加算し、これを上記蓄積疲労値とすることからなる請求項２から４いずれか記載のターボチャージャの疲労故障診断方法。
6. ターボチャージャの疲労故障を診断するための装置において、ターボチャージャの回転数を測定するための回転数測定手段と、該回転数測定手段により測定された回転数に基づいて蓄積疲労値を演算するための演算手段と、該演算手段により演算された蓄積疲労値と所定の疲労限界値とを比較してターボチャージャの疲労故障判定を実行するための判定手段とを備えたことを特徴とするターボチャージャの疲労故障診断装置。
7. 一定振幅の応力をターボチャージャに疲労破壊するまで周期的に繰り返し加えたときの応力振幅と、このときの応力変化繰返回数との関係を格納するための格納手段を備え、上記疲労故障判定は、上記回転数測定手段により測定された回転数に基づいて回転変動のピーク点が判定された毎に行われ、
   上記演算手段が、上記判定されたピーク点における回転数を読み取って、この回転数をピーク点回転数に置換するためのピーク点回転数置換手段と、そのピーク点回転数を用いてピーク点応力を演算するためのピーク点応力演算手段と、そのピーク点応力と前ピーク点におけるピーク点応力とを用いて前ピーク点からの応力変動幅を演算するための応力変動幅演算手段と、その応力変動幅を上記応力振幅に置換し、この応力振幅に対応する上記応力変化繰返回数を上記関係から検索するための繰返回数検索手段と、該繰返回数検索手段により検索された応力変化繰返回数を用いて所定の演算を行い疲労値を算出するための疲労値算出手段と、該疲労値算出手段により算出された疲労値と、前ピーク点において演算された蓄積疲労値とを用いて上記蓄積疲労値を演算するための蓄積疲労値演算手段と、 を有する請求項６記載のターボチャージャの疲労故障診断装置。
8. ターボチャージャの回転数をターボチャージャが疲労破壊するまで一定振幅で周期的に繰り返し変化させたときの最大ピーク回転数と、このときの回転数振幅と、このときの回転数変化繰返回数との関係を格納するための格納手段を備え、上記疲労故障判定は、上記回転数測定手段により測定された回転数に基づいて回転変動のピーク点が判定された毎に行われ、
   上記演算手段が、上記判定されたピーク点における回転数を読み取って、この回転数をピーク点回転数に置換するためのピーク点回転数置換手段と、そのピーク点回転数と前ピーク点におけるピーク点回転数とを用いて前ピーク点からの回転数変動幅を演算するための回転数変動幅演算手段と、上記ピーク点回転数を上記最大ピーク回転数に置換し、上記回転数変動幅演算手段により演算された回転数変動幅を上記回転数振幅に置換し、これら最大ピーク回転数と回転数振幅とに対応する回転数変化繰返回数を上記関係から検索するための繰返回数検索手段と、該繰返回数検索手段により検索された回転数変化繰返回数を用いて所定の演算を行い疲労値を算出するための疲労値算出手段と、該疲労値算出手段により算出された疲労値と、前ピーク点において演算された蓄積疲労値とを用いて上記蓄積疲労値を演算するための蓄積疲労値演算手段と、
   を有する請求項６記載のターボチャージャの疲労故障診断装置。
9. 上記疲労値の算出は、上記検索した応力変化繰返回数或いは回転数変化繰返回数の逆数を算出し、これを上記疲労値とすることからなる請求項７又は８記載のターボチャージャの疲労故障診断装置。
10. 上記蓄積疲労値の演算は、上記算出した疲労値を、前ピーク点において演算した蓄積疲労値に加算し、これを上記蓄積疲労値とすることからなる請求項７から９いずれか記載のターボチャージャの疲労故障診断装置。
11. 上記判定手段がターボチャージャの疲労故障判定を是と判定したときに作動する警告手段をさらに備えた請求項６から１０いずれか記載のターボチャージャの疲労故障診断装置。
    

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