JP2014084772A - Life estimation apparatus of exhaust turbocharger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関等に利用される排気エネルギを利用した排気ターボチャージャの寿命推定技術に関する。 The present invention relates to a life estimation technique for an exhaust turbocharger using exhaust energy used for an internal combustion engine or the like.
従来より、内燃機関において、小排気量でありながら吸入空気量を増大することができると共にポンピングロスを低減できることなどから、排気をクリーンに維持しつつ高出力化及び低燃費化の促進に貢献可能な技術として、排気エネルギを利用した排気ターボチャージャ(排気過給機)が採用されている。 Conventionally, in internal combustion engines, it is possible to increase the intake air volume while reducing the exhaust volume and reduce the pumping loss. This contributes to the promotion of higher output and lower fuel consumption while keeping the exhaust clean. As a new technology, an exhaust turbocharger (exhaust supercharger) using exhaust energy has been adopted.
この一方で、排気ターボチャージャのタービン翼車には応力が発生し、その応力はタービン翼車延いては排気ターボチャージャの寿命に影響を与えることになる。このため、従来より、排気ターボチャージャの使用期間、作動状態などから経験に基づいて大凡の寿命を想定して、排気ターボチャージャに破損等の不具合が発生してしまう前に、排気ターボチャージャのオーバーホールや新品やリビルト品への交換などが行われているといった実情がある。 On the other hand, stress is generated in the turbine wheel of the exhaust turbocharger, and the stress affects the life of the turbine wheel and the exhaust turbocharger. For this reason, the exhaust turbocharger has been overhauled before the exhaust turbocharger breaks and other malfunctions, assuming that the life of the exhaust turbocharger is based on experience and the experience, and so on. There are actual situations such as replacement with new or rebuilt products.
しかしながら、内燃機関の運転状況などによって、タービン翼車に発生する応力の大きさや繰り返し回数などは大きく異なるため、排気ターボチャージャの寿命延いてはオーバーホール時期や交換時期を正確に知ることは難しく、早め早めに対応するといった手法が採られているのが実情である。なお、それでも交換前に不具合が発生してしまうおそれもある。 However, since the magnitude of the stress generated in the turbine impeller and the number of repetitions vary greatly depending on the operating conditions of the internal combustion engine, it is difficult to accurately know the overhaul time and replacement time for extending the life of the exhaust turbocharger. The actual situation is that a method of responding early is adopted. Even so, there is a possibility that a problem may occur before replacement.
このようなことから、特許文献1には、ターボ過給機の圧縮機入口圧力と圧縮機出口圧力との関係に基づいてターボ過給機の寿命を予測するよにしたターボ過給機の寿命決定装置が提案されている。
また、特許文献2には、ターボ過給機の疲れ寿命をホイール速度(タービン回転速度)やタービン吸気温度に基づいて監視するといった技術が提案されている。
For this reason, Patent Document 1 discloses a turbocharger lifetime in which the lifetime of the turbocharger is predicted based on the relationship between the compressor inlet pressure and the compressor outlet pressure of the turbocharger. A decision device has been proposed.
しかしながら、特許文献1や特許文献2に記載されている技術であっても改良すべき余地は残されており、より一層高精度にタービン翼車延いては排気ターボチャージャの寿命を予測することが望まれている。
However, even the techniques described in Patent Document 1 and
本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ低コストな構成でありながら、タービン翼車に発生する応力を推定し、発生する応力の大きさとその発生頻度から一層高精度にタービン翼車延いては排気ターボチャージャの寿命を推定することができる排気ターボチャージャ寿命推定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and estimates the stress generated in the turbine impeller while having a simple and low-cost configuration, and the turbine blade with higher accuracy from the magnitude and frequency of the generated stress. An object of the present invention is to provide an exhaust gas turbocharger life estimation device capable of estimating the life of a vehicle and thus an exhaust gas turbocharger.
このため、本発明に係る排気ターボチャージャの寿命推定装置は、
内燃機関の排気通路に介装される排気ターボチャージャの寿命を推定する排気ターボチャージャの寿命推定装置であって、
実際のタービン翼車の回転数が、タービン翼車の共振回転数となった回数をカウントして共振発生回数を取得する共振発生回数取得手段と、
実際のタービン翼車の回転数が、タービン翼車の共振回転数となったときの膨張比を、内燃機関の回転速度と、内燃機関の負荷と、に基づいて取得する膨張比取得手段と、
膨張比取得手段により取得された膨張比に基づいて、タービン翼車に発生する共振応力を取得する共振応力取得手段と、
共振発生回数取得手段により取得された共振発生回数と、共振応力取得手段により取得された共振応力と、に基づいて、疲労限曲線を参照して、タービン翼車の寿命を推定する寿命推定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。
For this reason, the exhaust gas turbocharger life estimation device according to the present invention is
An exhaust turbocharger life estimation device for estimating the life of an exhaust turbocharger interposed in an exhaust passage of an internal combustion engine,
Resonance generation number acquisition means for acquiring the number of times of occurrence of resonance by counting the number of times that the actual rotation speed of the turbine wheel is the resonance speed of the turbine wheel,
Expansion ratio acquisition means for acquiring the expansion ratio when the actual rotational speed of the turbine impeller becomes the resonant rotational speed of the turbine impeller based on the rotational speed of the internal combustion engine and the load of the internal combustion engine;
Resonance stress acquisition means for acquiring resonance stress generated in the turbine impeller based on the expansion ratio acquired by the expansion ratio acquisition means;
Life estimation means for estimating the life of the turbine impeller by referring to the fatigue limit curve based on the number of resonance occurrences acquired by the resonance occurrence number acquisition means and the resonance stress acquired by the resonance stress acquisition means; ,
It is characterized by including.
本発明において、前記共振発生回数取得手段は、内燃機関の回転速度と、内燃機関の負荷と、に基づいて定められる等タービン回転数線図を参照して、実際のタービン回転数が、共振回転数線を通過した(或いは跨いだ)回数をカウントすることで、共振発生回数を取得することを特徴とすることができる。 In the present invention, the means for obtaining the number of times of resonance generation refers to an equal turbine rotation speed diagram determined on the basis of the rotation speed of the internal combustion engine and the load of the internal combustion engine. By counting the number of passes through (or straddling) the number lines, the number of resonance occurrences can be acquired.
本発明によれば、簡単かつ低コストな構成でありながら、タービン翼車に発生する応力を推定し、発生する応力の大きさとその発生頻度から一層高精度にタービン翼車延いては排気ターボチャージャの寿命を推定することができる排気ターボチャージャ寿命推定装置を提供することができる。 According to the present invention, the stress generated in the turbine impeller is estimated with a simple and low-cost configuration, and the turbine impeller and the exhaust turbocharger are more accurately determined from the magnitude and frequency of the generated stress. It is possible to provide an exhaust gas turbocharger lifetime estimation device that can estimate the lifetime of the exhaust gas.
以下に、本発明の一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below.
図1に示すように、内燃機関1の排気通路2に排気ターボチャージャ(排気過給機)10が介装され、タービン翼車11(排気を受けて回転駆動されるブレード付き回転体)は排気のエネルギにより回転駆動されることで同軸上に取り付けられているインペラ12を回転駆動し、回転駆動されるインペラ12により吸入空気を圧縮して過給し、吸気通路3に介装されるインタークーラ4により冷却しつつ給気を燃焼室5へ供給するように構成されている。
As shown in FIG. 1, an exhaust turbocharger (exhaust supercharger) 10 is interposed in an
なお、本実施の形態に係る内燃機関1の燃料噴射量や噴射タイミングを制御するエンジンコントロールユニット(ECU)20では、内燃機関の回転数(回転速度)、内燃機関1の燃料噴射量などの各種の情報が取得されるようになっている。 In the engine control unit (ECU) 20 that controls the fuel injection amount and the injection timing of the internal combustion engine 1 according to the present embodiment, various types such as the rotational speed (rotational speed) of the internal combustion engine, the fuel injection amount of the internal combustion engine 1 and the like. Information is acquired.
(1)タービン翼車11の固有振動数について
タービン翼車11は、その羽根の形状、厚さ、高さ等によって決定される固有振動数を持っている。
そして、図2に示すように、タービン回転数に応じて、回転1次、回転2次、・・・、回転n次の各モード毎に周波数特性を表す周波数特性線が存在し、固有振動数と、タービン回転次数の周波数特性線と、が合致(交差)したときに、そのタービン回転数(共振回転数)で共振現象が発生する。
(1) About the natural frequency of the
As shown in FIG. 2, there are frequency characteristic lines representing frequency characteristics for each of the primary rotation, secondary rotation,... When the frequency characteristic line of the turbine rotation order matches (crosses), a resonance phenomenon occurs at the turbine rotation speed (resonance rotation speed).
なお、通常の使用領域に共振回転数が存在しないようにタービン翼車11を設計することで、共振の発生が回避され、タービン翼車11の寿命を延ばすことができるが、このためには固有振動数を高い周波数とする必要がある。しかし、タービン翼車11の固有振動数を高い周波数とするためには、羽根高さを低くしたり厚くするなどの必要があり、このような変更は排気ターボチャージャ10としての性能低下を招く方向への変更であるため、採用が難しいのが実情である。
In addition, by designing the
(2)共振発生時に、タービン翼車11への強制力(膨張比=P3/P4)が大きい場合、タービン翼車11に疲労強度以上の大きな応力が発生し、その大きな応力の発生頻度に応じて、タービン翼車11の寿命が決まってくる。
(2) When the forcing force (expansion ratio = P3 / P4) to the
(3)すなわち、タービン翼車11の寿命を推定(予測)するためには、
A.共振が何回発生したのか?
B.共振発生時の強制力(加振力:すなわち、膨張比)の大きさはいくらであるのか?
C.その膨張比に対する発生応力の大きさはいくらであるのか?
これらA〜Cを把握することができれば、タービン翼車11の寿命をマイナー則(Miner’s Rule:S−N曲線(疲労限曲線):図6等参照)から推定(予測)することができる。
(3) That is, in order to estimate (predict) the life of the
A. How many times has resonance occurred?
B. What is the magnitude of the forcing force (excitation force: expansion ratio) when resonance occurs?
C. What is the magnitude of the generated stress relative to the expansion ratio?
If these A to C can be grasped, the life of the
このようなことから、本実施の形態では、エンジンコントロールユニット(ECU)20では、以下のようなステップに従ってタービン翼車(排気ターボチャージャ)の寿命(交換時期或いはオーバーホール時期、又は寿命までの残りの期間)を予測(推定)する処理を行う。 For this reason, in the present embodiment, the engine control unit (ECU) 20 follows the following steps in accordance with the life of the turbine impeller (exhaust turbocharger) (replacement time or overhaul time, or the remaining life until the life). (Period) is predicted (estimated).
すなわち、
ステップ1で、内燃機関1の回転速度と、内燃機関1の負荷(燃料噴射量)と、に基づいて、予め実験などにより得られたマップ(図3に示すような等タービン回転数曲線)等を参照して、実際の運転状態から定まるタービン回転数の変化をモニターし、共振回転数を通過したか(跨いだか)否かを取得(モニター)する。
なお、共振回転数は、回転次数毎に、例えば図2に示すようなマップを参照することで定められる。
That is,
In step 1, based on the rotational speed of the internal combustion engine 1 and the load (fuel injection amount) of the internal combustion engine 1, a map (an equal turbine rotational speed curve as shown in FIG. 3) obtained in advance by experiments or the like , The change in the turbine rotational speed determined from the actual operating state is monitored, and it is acquired (monitored) whether or not the resonant rotational speed has been passed (crossed).
Note that the resonance rotational speed is determined for each rotational order by referring to, for example, a map as shown in FIG.
ところで、タービン回転数は、タービン翼車11の回転数(タービン回転数:rpm)を検出するタービン回転センサが備えられている場合には、当該タービン回転センサから取得されるタービン回転数をモニターしても良いものである。
By the way, when the turbine rotational speed sensor which detects the rotational speed (turbine rotational speed: rpm) of the
続く、ステップ2では、ステップ1でタービン回転数が共振回転数を通過した(跨いだ)場合に、内燃機関1の回転速度と、内燃機関1の負荷(燃料噴射量)と、に基づいて、予め実験などにより得られたマップ(図4に示すような等膨張比線図)等を参照して、タービン回転数が共振回転数を通過した(跨いだ)時(共振時)の内燃機関1の回転速度と内燃機関1の負荷(燃料噴射量)から定まる膨張比を取得する。
Subsequently, in
エンジンコントロールユニット(ECU)20が実行するステップ2が、本発明に係る膨張比取得手段に相当する。
ステップ3では、ステップ2で取得された膨張比から、予め実験やシミュレーションなどにより得られたマップ(図5に示すような「膨張比」と「共振応力(タービン翼車に発生する応力)」との関係)等を参照して、タービン翼車11に発生する応力(共振応力)を取得する。図5のマップは、タービン翼車11の仕様(羽根の形状、厚さ、高さ等)に応じて設定されることができる。
In
ここで、エンジンコントロールユニット(ECU)20が実行するステップ3が、本発明に係る共振応力取得手段に相当する。
Here,
次に、ステップ4では、ステップ1にてタービン回転数が共振回転数を通過した(跨いだ)ときに共振発生回数をカウントアップ(インクリメント)して新たな共振発生回数を取得し、当該新たな共振発生回数と、ステップ3にて取得した共振応力と、に基づいて、図6に示すようなS−N線図(マイナー則(Miner’s Rule:(疲労限曲線))を参照して、タービン翼車11の交換時期或いはオーバーホール時期(寿命;寿命までの残り)を推定(予測)する。
Next, in step 4, when the turbine rotation speed has passed (stradded) the resonance rotation speed in step 1, the number of resonance occurrences is counted up (incremented) to obtain a new resonance occurrence number, and the new Based on the number of resonance occurrences and the resonance stress obtained in
ここで、エンジンコントロールユニット(ECU)20が実行するステップ4における「新たな共振発生回数を取得する処理」が、本発明に係る共振発生回数取得手段に相当する。 Here, the “processing for acquiring a new number of resonance occurrences” in step 4 executed by the engine control unit (ECU) 20 corresponds to the resonance occurrence number acquisition means according to the present invention.
また、エンジンコントロールユニット(ECU)20が実行するステップ4における「新たな共振発生回数と、共振応力と、に基づいて、S−N線図(疲労限曲線)を参照して、タービン翼車11の交換時期或いはオーバーホール時期(寿命;寿命までの残り)を推定(予測)する処理」が、本発明に係る寿命推定手段に相当する。
Further, referring to the SN diagram (fatigue limit curve) based on “new number of resonance occurrences and resonance stress” in Step 4 executed by the engine control unit (ECU) 20, the
例えば、エンジンコントロールユニット(ECU)20では、図7に示すように、発生した共振応力の領域毎に、共振発生回数の疲労限度回数までの比率や百分率(%)を求め、これら比率や百分率(%)の合計値を記憶更新する構成とすることができる。 For example, as shown in FIG. 7, the engine control unit (ECU) 20 obtains the ratio and percentage (%) of the number of occurrences of resonance up to the fatigue limit number for each region of the generated resonance stress, and these ratios and percentages ( %) Can be stored and updated.
そして、例えば、各共振応力(領域)での共振発生回数の疲労限度回数までの比率や百分率(%)の合計値(図7では0.65(65%))が0.8や80(%)を超えた場合に、排気ターボチャージャ10の交換或いはオーバーホール時期に近づいているとして、その旨を、エンジンコントロールユニット(ECU)20では、運転席付近のインスツルメントパネル30に点灯表示したり報知音を発生させたり音声でアナウンスしたりすることで、運転者等に報知するように構成することができる。
For example, the ratio of the number of occurrences of resonance in each resonance stress (region) to the fatigue limit number and the total value of percentage (%) (0.65 (65% in FIG. 7)) are 0.8 and 80 (%). ), It is assumed that the
また、サービス工場などにおいては、パーソナルコンピュータや専用コンピュータにより、エンジンコントロールユニット(ECU)20が記憶している各共振応力(領域)での共振発生回数の疲労限度回数までの比率や百分率(%)の合計値を読み出すことができる構成として、サービススタッフ等は排気ターボチャージャ10の交換或いはオーバーホール時期までどのくらい近づいているのかなどを把握して、顧客に交換時期までどのくらいであるのかなど知らせることなどが可能となり、以ってサービス向上等に貢献することも可能である。
In a service factory or the like, the ratio or percentage (%) of the number of resonance occurrences up to the fatigue limit number in each resonance stress (region) stored in the engine control unit (ECU) 20 by a personal computer or a dedicated computer. As a configuration that can read out the total value, the service staff or the like knows how close the
なお、本実施の形態では、エンジンコントロールユニット(ECU)20或いはサービススタッフは、例えば、車両の利用度合い(年間の走行距離など)を参照して、排気ターボチャージャ10の交換或いはオーバーホール時期まで後1年くらいに近づいた場合に、その旨を知らせることなどが可能である。
In the present embodiment, the engine control unit (ECU) 20 or service staff refers to, for example, the degree of use of the vehicle (annual mileage, etc.), until the replacement or overhaul time of the
ところで、本実施の形態において、エンジンコントロールユニット(ECU)20では、上記各ステップを実行するソフトウェア(フローチャート)をROMなどの記憶部に備え、所定時間(数msec)毎に該ソフトウェアを内燃機関1の運転中にリアルタイムに実行することができるが、これに限らず、内燃機関1の回転速度と内燃機関1の負荷(燃料噴射量)を含む運転履歴情報(実走行データ履歴)(図8等参照)を記憶しておいて、所定のタイミングで(運転停止時や始動時など)、運転履歴情報に基づいて図3〜図5のマップを参照して、タービン回転数が共振回転数を通過した(跨いだ)回数を取得すると共に、タービン回転数が共振回転数を通過した(跨いだ)ときの膨張比延いては共振応力を取得し、これらに基づいて、図6や図7に示したS−N線図を参照することで、タービン翼車11の寿命(寿命までの残り)を推定(予測)するように構成することも可能である。 By the way, in the present embodiment, the engine control unit (ECU) 20 includes software (flowchart) for executing the above steps in a storage unit such as a ROM, and the software is stored in the internal combustion engine 1 every predetermined time (several milliseconds). The operation history information (actual travel data history) including the rotation speed of the internal combustion engine 1 and the load (fuel injection amount) of the internal combustion engine 1 (FIG. 8 etc.) (Refer to FIG. 3 to FIG. 5 based on the operation history information) at a predetermined timing (when the operation is stopped or started), and the turbine rotational speed passes through the resonant rotational speed. And the resonance ratio is acquired as the expansion ratio when the turbine rotation speed passes (reverses) the resonance rotation speed. Based on these, By referring to the S-N diagram shown in 6 and 7, it is also possible to configure as the life of the turbine wheel 11 (remaining before the life) is estimated (predicted).
上述した実施の形態において、排気ターボチャージャの形式は特に限定されるものではなく、本発明は、例えば、可変容量式の排気ターボチャージャに適用可能であり、可変ノズル式ターボチャージャ(VNT)、その他の形式の可変容量式排気ターボチャージャにも本発明は適用可能である。 In the embodiment described above, the type of the exhaust turbocharger is not particularly limited, and the present invention can be applied to, for example, a variable displacement exhaust turbocharger, such as a variable nozzle turbocharger (VNT) and others. The present invention is also applicable to a variable displacement exhaust turbocharger of the type
ところで、本発明に係る内燃機関は、特に限定されるものではなく、例えば、車両に搭載されるものに限らず定置式のものにも本発明は適用可能であり、またディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、その他の燃料を燃焼方式に関わらず燃焼させる内燃機関に適用可能である。 By the way, the internal combustion engine according to the present invention is not particularly limited. For example, the present invention is applicable not only to a vehicle mounted on a vehicle but also to a stationary type, and also a diesel engine, a gasoline engine, The present invention is applicable to an internal combustion engine that burns other fuels regardless of the combustion method.
以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。 The embodiment described above is merely an example for explaining the present invention, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
1 内燃機関(エンジン)
2 排気通路
3 吸気通路
4 インタークーラ
5 燃焼室
10 排気ターボチャージャ(排気過給機)
11 タービン翼車
12 インペラ
20 エンジンコントロールユニット(ECU)
30 インスツルメントパネル
1 Internal combustion engine
2
11
30 Instrument panel
Claims (2)
実際のタービン翼車の回転数が、タービン翼車の共振回転数となった回数をカウントして共振発生回数を取得する共振発生回数取得手段と、
実際のタービン翼車の回転数が、タービン翼車の共振回転数となったときの膨張比を、内燃機関の回転速度と、内燃機関の負荷と、に基づいて取得する膨張比取得手段と、
膨張比取得手段により取得された膨張比に基づいて、タービン翼車に発生する共振応力を取得する共振応力取得手段と、
共振発生回数取得手段により取得された共振発生回数と、共振応力取得手段により取得された共振応力と、に基づいて、疲労限曲線を参照して、タービン翼車の寿命を推定する寿命推定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする排気ターボチャージャの寿命推定装置。 An exhaust turbocharger life estimation device for estimating the life of an exhaust turbocharger interposed in an exhaust passage of an internal combustion engine,
Resonance generation number acquisition means for acquiring the number of times of occurrence of resonance by counting the number of times that the actual rotation speed of the turbine wheel is the resonance speed of the turbine wheel,
Expansion ratio acquisition means for acquiring the expansion ratio when the actual rotational speed of the turbine impeller becomes the resonant rotational speed of the turbine impeller based on the rotational speed of the internal combustion engine and the load of the internal combustion engine;
Resonance stress acquisition means for acquiring resonance stress generated in the turbine impeller based on the expansion ratio acquired by the expansion ratio acquisition means;
Life estimation means for estimating the life of the turbine impeller by referring to the fatigue limit curve based on the number of resonance occurrences acquired by the resonance occurrence number acquisition means and the resonance stress acquired by the resonance stress acquisition means; ,
An exhaust gas turbocharger life estimation device characterized by comprising
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