JP2008255961A - 過給システム - Google Patents

Abstract

【課題】過給機のディフューザ及び過給機上流側の吸気系における異常を簡単に判定することができる過給システムを得る。
【解決手段】ステップＳ３０８ではサージが発生しているかどうかが判定される。サージが発生しているのであれば異常が発生していないと判断して終了する。サージが発生していないときには、処理はステップＳ３１０へ移る。ステップＳ３１０ではコンプレッサの回転数が上昇させられる。ステップＳ３０４において、コンプレッサの回転数が規定の範囲内にないときには、過給機とその上流側の吸気系に異常が発生していると判断し、ステップＳ３１１で異常判定処理が終了する。この異常判定処理は第１及び第２のサージラインごとに行われる。第１のサージラインでサージが発生しなければディフューザ、第２のサージラインでサージが発生しなければコンプレッサの上流側で閉塞が発生していることがわかる。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関に接続される過給システムに関する。

過給機のコンプレッサには、エアクリーナによって異物を除去された空気が内燃機関に設けられる吸気管を通じて供給される。

エアクリーナでは除去しきれない異物やブローバイガス管から流入したオイル等がディフューザに付着してディフューザの目詰まり、つまりディフューザコーキングを生じることがある。またエアクリーナは使用により異物が付着し、吸気抵抗を増加させる。ディフューザコーキングや吸気抵抗の増加が生じると内燃機関の性能が悪化する。

これを防止するため、過給機にポジションセンサを設けてポジションセンサが発する信号の時間間隔を監視することにより過給機の異常を判定する構成が知られている（特許文献１）。
特開平４−２７６１３１号公報

しかし、ディフューザやエアクリーナの目詰まりでは、ポジションセンサが発する信号の時間間隔に異常が発生しないことがある。そのため、この構成では過給機及び過給機の上流側における吸気管の異常を判定できないおそれがある。

本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、過給機のディフューザ及び過給機が有するコンプレッサ上流側の吸気系における異常を判定することができる過給システムを簡単に得ることを目的とする。

過給システムは、過給器の回転速度を調整することが可能な回転速度制御手段と、過給器にサージが発生していることを検出するサージ検出手段と、回転速度制御手段による回転速度の調整により発生したサージをサージ検出手段が検出するときの、過給器に接続される吸気管の上流側と下流側との圧力比に基づいて、吸気管の上流側及び過給器の状態を判定する判定手段とを備えることを特徴とする。

判定手段は、前記過給機の回転速度を用いて前記圧力比を算出しても良い。

過給器と内燃機関との間の吸気管に取り付けられる流量調整弁をさらに備え、流量調整弁は、吸気管を流れる気体の流量を調節することが望ましい。

サージ検出手段は、過給機が有するコンプレッサを通過する空気量、並びにコンプレッサの入口における空気圧及び温度のうち少なくとも１つの値を２階微分した値が所定値以上であるときにサージが発生したと検出することが好ましい。

過給システムは、過給機よりも上流側の吸気管に取り付けられて空気量を測定する圧力センサを備えてもよい。

過給システムは、過給機と内燃機関との間の吸気管に取り付けられて空気量を測定する圧力センサを備えてもよい。

過給機は電動アシストモータを備え、回転速度調整手段は、過給機がサージを発生するときの過給機のコンプレッサの回転数又は流量と圧力比との関係を定めるサージマップを備え、コンプレッサの回転数又は流量と圧力比との関係がサージを発生する関係となるようにサージマップに従って電動アシストモータを動作させることにより過給機にサージを発生させることが望ましい。

過給機はスーパーチャージャであって、回転速度調整手段は、スーパーチャージャがサージを発生するときのスーパーチャージャの回転数又は流量と圧力比との関係を定めるサージマップを備え、スーパーチャージャの回転数又は流量と圧力比との関係がサージを発生する関係となるようにサージマップに従ってスーパーチャージャを動作させることによりサージを発生させても良い。

回転速度調整手段は、過給機がサージを発生するときの過給機のコンプレッサの回転数又は流量と圧力比との関係を定めるサージマップを備え、判定手段は、サージマップにおいて、コンプレッサの回転数又は流量と圧力比との関係がサージを発生する関係となるときにサージ検出手段がサージを検出しない場合、過給機又は吸気管に異常が発生していると判定することが好ましい。

コンプレッサの回転数又は流量が所定の回転数以下の低速コンプレッサ回転数又は所定の流量以下の小流量であるときに、判定手段は過給機が備えるディフューザが閉塞していると判定しても良い。

あるいは、コンプレッサの回転数又は流量が所定の回転数以上の中高速コンプレッサ回転数又は所定の流量以上の大流量であるときに、判定手段は吸気管における過給機よりも上流側に異常があると判定しても良い。

本発明によれば、過給機のディフューザ及び過給機上流側の吸気系における異常を簡単に判定することができる過給システムを得ることができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。

本発明による過給システムにおける一実施形態について図１を用いて説明する。

過給システムは過給機１１０と、内燃機関、すなわちエンジン１２０及び過給機１１０を制御するＥＣＵ１３０とから主に構成される。

過給機１１０はエアクリーナ１５６から吸入された空気を第１の吸気管１５５を介して吸入し、圧縮して第２の吸気管１５４に吐出する。吐出された空気はインタークーラ１５３から第３の吸気管１５２に流入し、吸気マニホールド１５１を経てエンジン１２０のシリンダ１２１に吸入される。

シリンダ１２１において燃焼により生じた排気は排気マニホールド１４１に排出される。排気マニホールド１４１は第１の排気管１４２に接続されて、排気を過給機１１０に送る。排気は過給機１１０を回転させ、触媒１４４を経て大気に放出される。

過給機１１０は、コンプレッサ１１１、電動アシストモータ１１２及びタービン１１３を備える。タービン１１３は第１の排気管１４２に接続され排気が有する排気エネルギーにより回転される。

タービン１１３とコンプレッサ１１１は回転シャフト（図示しない）により接続され、タービン１１３の回転は回転シャフトによりコンプレッサ１１１に伝達される。コンプレッサ１１１は第１の吸気管１５５から流入する空気を吸入し加速する。加速された空気はコンプレッサ１１１が備えるディフューザ１１４内で流速を下げられて加圧される。加圧された空気は第２の吸気管１５４に吐出され、インタークーラ１５３により冷却される。

電動アシストモータ１１２は回転シャフトに取り付けられ、ＥＣＵ１３０からの信号に従ってコンプレッサ１１１の回転をアシストする。回転シャフトには回転数を検出する回転センサ（図示しない）が設けられ、ＥＣＵ１３０に回転シャフトの回転数を送信する。

第３の吸気管１５２は流量調整弁１５９及び吐出圧センサ１７１を備える。流量調整弁１５９はＥＣＵ１３０からの信号に従い、第３の吸気管１５２を通過する空気の体積流量を調節する。これにより、後述する異常判定処理を行う際に、過給機１１０を通過する空気の体積流量が調節されると共に、エンジン１２０の燃焼が維持される。吐出圧センサ１７１は、第３の吸気管１５２内部の気体の圧力を測定し、ＥＣＵ１３０に送信する。

第１の吸気管１５５には吸気絞り弁１５７が設けられ、ＥＣＵ１３０からの信号に従い空気の流量を調整する。

第１の吸気管１５５は、エンジン１２０のヘッドカバー１２２及びクランクケース（図示しない）から延びるブローバイガス管１６０に接続される。ヘッドカバー１２２及びクランクケースのブローバイガス排出部１２３からはブローバイガスが排出される。ブローバイガス管１６０はブローバイガスをヘッドカバー１２２及びクランクケースから第１の吸気管１５５に還流する。

第１の吸気管１５５にはＥＣＵ１３０に接続される圧力センサ１５８が取り付けられる。圧力センサ１５８は第１の吸気管１５５内部の気体の圧力（コンプレッサ１１１の吐出圧）を測定し、ＥＣＵ１３０に送信する。

エアクリーナ１５６の内部には、エアクリーナ１５６の内部を通過する空気の流量を測定するエアフローメータ１７０が設けられる。エアフローメータ１７０は空気の流量をＥＣＵ１３０に送信する。

ＥＣＵ１３０により燃料噴射量等を制御され、エンジン１２０において燃焼により生じた排気ガスは排気マニホールド１４１及び第１の排気管１４２を通過してタービン１１３を動作させ、触媒１４４により浄化されて大気に放出される。

次に図２を用いて過給システムによる異常判定処理の原理について説明する。

図２は、コンプレッサ１１１の上流側及び下流側の吸気管における圧力比と、コンプレッサ１１１の体積流量との関係により表されるサージラインを示した図である。

実線で示す正常サージライン２０１は過給機１１０及びその上流側の吸気系、つまりエアクリーナ１５６及び第１の吸気管１５５が正常に動作しているときの限界を示し、等回転ライン２０５は過給機１１０の回転数を一定と仮定したときの圧力比と流量との関係を示す。

正常サージライン２０１は、コンプレッサ１１１が第１の流量、つまり小流量で動作しているときの特性を示す第１のサージライン２０１ａと、第２の流量、つまり第１の流量よりも大きい流量で過給機１１０が動作しているときの特性を示す第２のサージライン２０１ｂとに分けられる。正常サージライン２０１において、第１のサージライン２０１ａと第２のサージライン２０１ｂとを接続する第１の屈曲点２０８ａから、第２のサージライン２０１ｂにおいて傾きが変化する第２の屈曲点２０８ｂまでの領域はサージのキンクと呼ばれ、圧力比が２．５の近傍に位置する。第１の流量はサージのキンクの領域より小さい流量であり、第２の流量はサージのキンクが生じる流量以上の流量である。なお、サージのキンクの位置は例示であり、コンプレッサの容量等によって変化する。

エンジン１２０のアイドリング時には、過給機１１０は点２０３で動作する。過給機１１０及びその上流側の吸気系が正常に動作しているとき、点２０３は正常サージライン２０１よりも図において右側にあるため、サージは発生しない。

流量を一定に保ちながら過給機１１０の回転を上げることにより圧力比を上昇させると、過給機１１０の作動点は点２０４へ移動する。点２０４は正常サージライン２０１よりも図において左側にあるため、サージが発生する。

ディフューザ１１４の閉塞が起こると、吸気抵抗が増加してサージが発生しにくくなり、正常サージライン２０１のうち第１のサージライン２０１ａ側が破線で示す異常サージライン２０２へシフトする。

このとき圧力比を上昇させる上述の処理により作動点を点２０３から点２０４へ移動させる。ディフューザ１１４の閉塞が発生しているときには、異常サージライン２０２は点２０４よりも図において左側にあるため、サージが発生しない。つまり、サージが発生しないことを検出することにより、ディフューザ１１４の閉塞が発生しているかどうかを判断することができる。

エアクリーナ１５６の目詰まり等のコンプレッサ１１１上流における異常が起こると、吸気抵抗が増加してサージが発生しにくくなり、正常サージライン２０１のうち第２のサージライン２０１ｂ側が異常サージライン２０２側にシフトする。

このとき圧力比を上昇させる上述の処理により作動点を点２０６から点２０７へ移動させる。コンプレッサ１１１の上流側で異常が発生しているときには、異常サージライン２０２は点２０７よりも図において左側にあるため、サージが発生しない。つまり、サージが発生しないことを検出することにより、コンプレッサ１１１上流側、つまりエアクリーナ１５６及び第１の吸気管１５５で異常が発生しているかどうかを判断することができる。

これにより、コンプレッサ１１１及びその上流側における閉塞を判定すると共に、閉塞の位置を特定することができる。

次に図３を用いて過給システムによる過給機１１０等の異常判定処理について説明する。

自動的に、あるいはユーザの操作により異常判定処理がＥＣＵ１３０においてステップＳ３０１から開始する。

ステップＳ３０２では、エアフローメータ１７０が第１の吸気管１５５内の流量を検出する。検出された流量は基準流量値としてＥＣＵ１３０に送信され、記録される。ステップＳ３０３において、電動アシストモータ１１２が駆動され、過給機１１０が規定の回転数まで回転される。これによりコンプレッサ１１１上流側と下流側の圧力比が増加する。ＥＣＵ１３０はコンプレッサ１１１の回転数から圧力比を算出する圧力比マップを有する。規定の回転数は、点２０４又は点２０７（図２参照）における圧力比に対応する過給機１１０の回転数であり、圧力比マップを用いて求められる。

ステップＳ３０４では、回転センサから送信されるコンプレッサ１１１の回転数が規定の範囲内であるかを判断する。規定の範囲内であるときには、ステップＳ３０５で再度エアフローメータ１７０が第１の吸気管１５５内の流量を測定する。

ステップＳ３０６では基準流量値とステップＳ３０５で測定した流量との比較を行う。流量が基準流量値よりも増加しているのであれば、ステップＳ３０７において流量調整弁１５９を適切な量だけ閉じる。これを繰り返すことにより、コンプレッサ１１１の流量を一定に保ちながら圧力比を増加させることができる。流量が増加していない、つまり流量が一定に保たれているならば、ステップＳ３０８へ処理が移る。

ステップＳ３０８ではサージが発生しているかどうかが判定される。コンプレッサ１１１を通過する空気量、並びにコンプレッサ１１１の入口における空気圧及び温度のうち少なくとも１つの値を２階微分した値が所定値以上であるとき、ＥＣＵ１３０はサージが発生したと判定する。空気量はエアフローメータ１７０、空気圧及び温度は圧力センサ１５８により測定され、ＥＣＵ１３０に送信される。サージが発生しているのであれば、ステップＳ３０９へ処理が移り、過給機１１０とその上流側の吸気系に異常が発生していないと判断して、異常判定処理が終了する。

サージが発生していないときには、処理はステップＳ３１０へ移る。ステップＳ３１０では、電動アシストモータ１１２がコンプレッサ１１１の回転数を上昇させ、ステップＳ３０４へ処理を移す。

ステップＳ３０４において、コンプレッサ１１１の回転数が規定の範囲内にないときには、流量が一定かつ圧力比が上昇しているにもかかわらず、サージが発生していないのであるから、過給機１１０とその上流側の吸気系に異常が発生していると判断して、ステップＳ３１１で異常判定処理が終了する。このとき、ユーザには異常が発生している箇所を分解清掃することが要求される。

この異常判定処理は第１のサージライン２０１ａ、及び第２のサージライン２０１ｂに対応した流量ごとに行われる。第１のサージライン２０１ａでサージが発生しなければディフューザ１１４、第２のサージライン２０１ｂでサージが発生しなければコンプレッサ１１１の上流側で閉塞が発生していることがわかる。

以上のように本実施形態によれば、過給機及び吸気系を分解することなく、コンプレッサ１１１及びその上流側における閉塞を判定すると共に、閉塞の位置を特定することができる。

なお、処理はＥＣＵ１３０で実行されなくても良く、他の制御手段により実行されても良い。

また、サージは圧力比とコンプレッサの流量との関係でなく、圧力比とコンプレッサの回転数との関係で検出されても良い。このとき、第１のサージラインはコンプレッサが低速で動作している低速コンプレッサ回転数のときを、そして第２のサージラインはコンプレッサが中高速で動作している中高速コンプレッサ回転数のときを示す。低速コンプレッサ回転数はサージのキンクが生じる回転数以下であり、中高速コンプレッサ回転数は低回転よりも高速な回転数である。

そして、ＥＣＵ１３０は、電動アシストモータ１１２の回転数が規定の範囲内であるか判断する代わりに、吐出圧センサ１７１が計測した吐出圧が規定の範囲内にあるか判断してもよい。このとき、ＥＣＵ１３０はエアフローメータ１７０から送信される空気流量と吐出圧とからコンプレッサ１１１の上流側と下流側との圧力比を算出するマップを備える。これにより、吐出圧センサ１７１を圧力センサ１５８の代わりに用いることができ、部品点数の削減が可能となる。

過給機は回転手段、例えば電動モータを備えるスーパーチャージャであっても良い。このとき、ＥＣＵは、スーパーチャージャがサージを発生するときのスーパーチャージャの回転数又は流量と圧力比との関係を定めるサージマップを備える。回転手段がスーパーチャージャのインペラを回転させることによりサージが発生する。

過給システム及び過給システムが接続されたエンジンの模式図である。 過給システムのサージラインを模式的に示した図である。 過給システムにおける異常判定処理の流れを示したフローチャートである。

符号の説明

１１０ 過給機
１１１ コンプレッサ
１１２ 電動アシストモータ
１１３ タービン
１１４ ディフューザ
１２０ エンジン
１３０ ＥＣＵ
１４１ 排気マニホールド
１４２ 第１の排気管
１４３ 第２の排気管
１５１ 吸気マニホールド
１５２ 第３の吸気管
１５４ 第２の吸気管
１５５ 第１の吸気管
１５８ 圧力センサ
１６０ ブローバイガス管
１７０ エアフローメータ
１７１ 吐出圧センサ

Claims (11)

1. 過給器の回転速度を調整することが可能な回転速度制御手段と、
   前記過給器にサージが発生していることを検出するサージ検出手段と、
   前記回転速度制御手段による回転速度の調整により発生したサージを前記サージ検出手段が検出するときの、前記過給器に接続される吸気管の上流側と下流側との圧力比に基づいて、前記吸気管の上流側及び前記過給器の状態を判定する判定手段とを備える過給システム。
2. 前記判定手段は、前記過給機の回転速度を用いて前記圧力比を算出する請求項１に記載の過給システム。
3. 前記過給器と内燃機関との間の吸気管に取り付けられる流量調整弁をさらに備え、
   前記流量調整弁は、前記吸気管を流れる気体の流量を調節する請求項１に記載の過給システム。
4. 前記サージ検出手段は、前記過給機が有するコンプレッサを通過する空気量、並びに前記コンプレッサの入口における空気圧及び温度のうち少なくとも１つの値を２階微分した値が所定値以上であるときにサージが発生したと検出する請求項１に記載の過給システム。
5. 前記過給機よりも上流側の前記吸気管に取り付けられ、前記空気量を測定する圧力センサをさらに備える請求項４に記載の過給システム。
6. 前記過給機と内燃機関との間の前記吸気管に取り付けられ、前記空気量を測定する圧力センサをさらに備える請求項４に記載の過給システム。
7. 前記過給機は電動アシストモータを備え、
   前記回転速度調整手段は、前記過給機がサージを発生するときの前記過給機のコンプレッサの回転数又は流量と圧力比との関係を定めるサージマップを備え、前記コンプレッサの回転数又は流量と圧力比との関係がサージを発生する関係となるように前記サージマップに従って前記電動アシストモータを動作させることにより前記過給機にサージを発生させる請求項１に記載の過給システム。
8. 前記過給機はスーパーチャージャであって、
   前記回転速度調整手段は、前記スーパーチャージャがサージを発生するときの前記スーパーチャージャの回転数又は流量と圧力比との関係を定めるサージマップを備え、前記スーパーチャージャの回転数又は流量と圧力比との関係がサージを発生する関係となるように前記サージマップに従って前記スーパーチャージャを動作させることによりサージを発生させる請求項１に記載の過給システム。
9. 前記回転速度調整手段は、前記過給機がサージを発生するときの前記過給機のコンプレッサの回転数又は流量と圧力比との関係を定めるサージマップを備え、
   前記判定手段は、前記サージマップにおいて、前記コンプレッサの回転数又は流量と圧力比との関係がサージを発生する関係となるときに前記サージ検出手段がサージを検出しない場合、前記過給機又は前記吸気管に異常が発生していると判定する請求項１に記載の過給システム。
10. 前記コンプレッサの回転数又は流量が所定の回転数以下の低速コンプレッサ回転数又は所定の流量以下の小流量であるときに、前記判定手段は前記過給機が備えるディフューザが閉塞していると判定する請求項９に記載の過給システム。
11. 前記コンプレッサの回転数又は流量が所定の回転数以上の中高速コンプレッサ回転数又は所定の流量以上の大流量であるときに、前記判定手段は前記吸気管における前記過給機よりも上流側に異常があると判定する請求項９に記載の過給システム。

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