JP2015165101A - ターボチャージャの異常判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】亀裂発生の可能性があることを判定することのできるターボチャージャの異常判定装置を提供する。【解決手段】タービンハウジングは、タービンホイールよりも排気上流側の部分と同下流側の部分とを連通するバイパス通路を有し、同バイパス通路による連通と同連通の遮断とを切り換えるウェイストゲートバルブを有する。ターボチャージャには、ウェイストゲートバルブを開閉駆動するアクチュエータと、アクチュエータの作動制御を実行する電子制御装置と、ウェイストゲートバルブの全閉位置を検出する位置センサとが設けられる。ターボチャージャの温度が判定温度以下のときに（Ｓ１１：ＹＥＳ）、位置センサによって全閉位置を検出し（Ｓ１４）、この全閉位置と基準位置とのずれ量ΔＰが判定値Ｊよりも大きいときに（Ｓ１６：ＹＥＳ）、ターボチャージャに異常有りと判定する（Ｓ１７）。【選択図】図４

Description

本発明は、ウェイストゲートバルブを有するターボチャージャの異常判定装置に関するものである。

近年、ターボチャージャのタービンハウジングに、タービンホイールを迂回して延びる形状で同タービンホイールよりも排気上流側の部分と同下流側の部分とを連通するバイパス通路を設けるとともに、同バイパス通路による連通と同連通の遮断とを切り換えるウェイストゲートバルブを設けることが多用されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載の装置では、駆動用のアクチュエータがリンク機構を介してウェイストゲートバルブに接続されている。そして、このアクチュエータの作動制御を通じてウェイストゲートバルブが開閉駆動される。

また、特許文献１に記載の装置では、ウェイストゲートバルブの閉弁に際して、その弁体がバルブシート部に突き当たったときの作動位置を同ウェイストゲートバルブの全閉位置とする処理（イニシャライズ処理）が実行される。こうしたイニシャライズ処理を実行することにより、ウェイストゲートバルブを閉弁させる際に、弁体がバブルシート部に着座する位置までアクチュエータが駆動されるようになる。

特開２０１２−６７６９８号公報

ところで、タービンハウジングは高温の排気からの受熱によって高温になるため、同タービンハウジングに設けられたバルブシート部も高温になる。そして、バルブシート部が高温になった状態で同バルブシート部への弁体の着座が繰り返されたり、バルブシート部に弁体が強く押し付けられたりすると、バルブシート部付近が塑性変形してウェイストゲートバルブの全閉位置が変化するおそれがある。

こうした場合であっても、特許文献１に記載の装置では、上述したイニシャライズ処理が実行されるため、ウェイストゲートバルブを閉弁させる際には弁体がバブルシート部に着座するようになる。ただし、バルブシート部付近の塑性変形量が大きくなると、タービンハウジングの内部応力が大きくなるため、その剛性の低下を招いてしまう。これにより、場合によってはタービンハウジングに亀裂が発生するおそれがある。

本発明は、そうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、亀裂発生の可能性があることを判定することのできるターボチャージャの異常判定装置を提供することにある。

上記課題を達成するためのターボチャージャの異常判定装置は、タービンホイールよりも排気上流側の部分と同下流側の部分とを連通するバイパス通路、および、同バイパス通路による連通と同連通の遮断とを切り換えるウェイストゲートバルブを有するタービンハウジングを備える。また上記異常判定装置は、前記ウェイストゲートバルブを開閉駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータの作動制御を実行する制御部と、前記ウェイストゲートバルブの全閉位置を検出する検出部とを備える。そして、その判定部により、ターボチャージャの温度が判定温度以下であり、且つ予め定められた基準位置と前記検出部により検出される全閉位置とのずれ量が判定値よりも大きいときに、前記ターボチャージャに異常有りと判定する。

前述したようにタービンハウジングにおけるウェイストゲートバルブのバルブシート部付近の塑性変形量が大きくなると、同タービンハウジングに亀裂が発生する可能性が高くなる。また、上記塑性変形量が大きくなると、予め定めた基準位置（例えば塑性変形量が「０」のときの位置）からの上記ウェイストゲートバルブの実際の全閉位置のずれ量も大きくなる。そのため、実際の全閉位置と基準位置とのずれ量が大きくなっていることにより、タービンハウジングに亀裂が発生するおそれがあることを精度良く判定することができる。この点、上記異常判定装置では、予め定められた基準位置と検出部により検出される全閉位置とのずれ量が判定値よりも大きいときにターボチャージャに異常有りと判定される。そのため、ターボチャージャの異常、具体的にはタービンハウジングにおける亀裂発生の可能性があることを精度良く判定することができる。

また、ターボチャージャの温度はその作動状態に応じて変化する。そして、ターボチャージャの温度が変化すると、その各部（例えばタービンハウジングやウェイストゲートバルブ、並びにアクチュエータ）の熱膨張量が各別に変化し、これに伴って検出部によって検出されるウェイストゲートバルブの全閉位置も変化してしまう。そのため、単に検出部により検出される全閉位置に基づいてターボチャージャの異常を判定すると、ターボチャージャ各部の熱膨張の影響によって判定精度が低くなるおそれがある。この点、上記異常判定装置では、ターボチャージャの温度が判定温度以下である状況において前記ずれ量が判定値よりも大きいときに、ターボチャージャに異常有りと判定される。そのため、ターボチャージャの温度が低く各部の熱膨張量が小さいとき、すなわちターボチャージャ各部の熱膨張の影響を受けにくいときに検出部によって検出された全閉位置に基づいて上記異常の判定を実行することができ、タービンハウジングにおける亀裂発生の可能性があることを精度良く判定することができる。

一実施形態のターボチャージャの異常判定装置の概略構成を示す略図。 同ターボチャージャのタービンハウジングの斜視構造を示す斜視図。 タービンハウジングの図２の３−３線に沿った断面構造を示す断面図。 判定処理の実行手順を示すフローチャート。

以下、ターボチャージャの異常判定装置の一実施形態について説明する。
図１に示すように、ターボチャージャ２０は、内燃機関１０の吸気通路１１に設けられるコンプレッサ２１と、排気通路１２に設けられるタービン２２とを備えている。コンプレッサ２１は内部にコンプレッサインペラ２３を備えており、タービン２２は内部にタービンホイール２４を備えている。これらコンプレッサインペラ２３とタービンホイール２４とは、シャフト２５を介して一体回転可能に連結されている。こうしたターボチャージャ２０において、タービンホイール２４に内燃機関１０の排気が吹き付けられると、同タービンホイール２４およびコンプレッサインペラ２３が一体回転し、これにより吸気通路１１を流れる吸気が加圧されて内燃機関１０の燃焼室に強制的に送り込まれるようになる。

タービン２２にはタービンホイール２４を迂回して延びる形状のバイパス通路２６が設けられている。このバイパス通路２６は、排気通路１２における上記タービンホイール２４よりも排気上流側の部分と同下流側の部分とを連通する形状で延設されている。また、タービン２２には、バイパス通路２６による連通と同連通の遮断とを切り換えるウェイストゲートバルブ２７が設けられている。

図２または図３に示すように、タービンハウジング３０の内部には冷却水が循環するウォータジャケット３１が形成されている。タービンハウジング３０には、ウォータジャケット３１の内部に冷却水を導入するための導入口３１Ａとウォータジャケット３１の内部から外部に冷却水を排出するための排出口３１Ｂとが形成されている。ウォータジャケット３１には、これら導入口３１Ａおよび排出口３１Ｂを介して、内燃機関１０の冷却水の一部が供給されて循環している。

タービンハウジング３０は、その略全体がアルミニウム合金により形成されている。このタービンハウジング３０には前記バイパス通路２６が形成されている。図３に示すように、バイパス通路２６は連通路３２と貫通孔３３とにより構成される。連通路３２は排気通路１２（図１参照）におけるタービンホイール２４より排気下流側の部分に連通する形状に形成され、上記貫通孔３３は、排気通路１２におけるタービンホイール２４より排気上流側の部分と連通路３２とを連通する形状に形成されている。

図２または図３に示すように、前記ウェイストゲートバルブ２７は、上記貫通孔３３における上記連通路３２側の開口部周縁がバルブシート部４１になる。またウェイストゲートバルブ２７は、リンク機構４２を介して電動式のアクチュエータ４４に連結された弁体４６を備えている。このリンク機構４２は、回転軸３６の軸心を揺動中心として揺動する揺動アーム４３を備えている。この揺動アーム４３の一端には上記アクチュエータ４４の駆動ロッド４５が相対回動可能に連結されており、同揺動アーム４３の他端には円盤形状に形成された上記弁体４６が連結ピン４６Ａによって一体に取り付けられている。

内燃機関１０やターボチャージャ２０には、その周辺機器として、各種のセンサ類が設けられている。それらセンサ類としては例えば、ウェイストゲートバルブ２７の作動位置（具体的には、アクチュエータ４４の作動位置）を検出するための位置センサ５１や、内燃機関１０の運転を開始させる際にオン操作され、同内燃機関１０の運転を停止させる際にオフ操作される運転スイッチ５２が設けられている。

また周辺機器としては、マイクロコンピュータ等からなる電子制御装置５０が設けられている。この電子制御装置５０は、各種センサの出力信号を取り込むとともに同信号をもとに各種の演算を行い、その演算結果に基づいてアクチュエータ４４の作動制御など、内燃機関１０の運転にかかる各種制御を実行する。

その他、上記周辺機器としてはリレー５３なども設けられている。このリレー５３は、運転スイッチ５２のオフ操作による内燃機関１０の運転停止後に、後述する判定処理が終了するまでの期間にわたり、アクチュエータ４４、位置センサ５１および電子制御装置５０への電力供給を継続する。

アクチュエータ４４の作動制御では、図３中に黒塗りの矢印で示すように、揺動アーム４３の作動位置が内燃機関１０の運転状態に応じて変更される。こうしたアクチュエータ４４の作動制御を通じて、弁体４６がバルブシート部４１に着座した位置（図３に示す位置［全閉位置］）になると、貫通孔３３が閉鎖されるために、バイパス通路２６も閉鎖された状態（閉弁状態）になる。一方、弁体４６がバルブシート部４１から離座した位置（開弁位置）になると、貫通孔３３が開放されるために、バイパス通路２６が開放された状態（開弁状態）になる。

本実施形態では、ウェイストゲートバルブ２７を閉弁する際に、ウェイストゲートバルブ２７の全閉位置を学習する学習処理が実行される。
この学習処理では、先ず、ウェイストゲートバルブ２７の弁体４６をバルブシート部４１に突き当てるようにアクチュエータ４４の作動制御（突き当て制御）が実行される。そして、突き当て制御の実行中にアクチュエータ４４の消費電流が所定値以上になると、弁体４６がバルブシート部４１に突き当たった状態になったとして、このときのウェイストゲートバルブ２７の作動位置が位置センサ５１により検出されるとともに同作動位置が全閉位置として記憶される。以後においては、この記憶した全閉位置に基づいてアクチュエータ４４の作動制御が実行される。

なお、ウェイストゲートバルブ２７の閉弁駆動に際して弁体４６がバルブシート部４１に突き当たると、アクチュエータ４４にかかる負荷が急激に大きくなるため、同アクチュエータ４４の消費電流量が急増するようになる。そして、このときの消費電流量は、ウェイストゲートバルブ２７の弁体４６がバルブシート部４１に突き当たっていないときのアクチュエータ４４の消費電流量の最大値よりも多くなる。本実施形態では、上記所定値として、上記最大値よりも若干多い量が設定されている。そのため、アクチュエータ４４の消費電流量が所定値以上になったことにより、弁体４６がバルブシート部４１に突き当たった状態になったことを精度良く判定することができる。

ところで、タービンハウジング３０は高温の排気からの受熱によって高温になるため、同タービンハウジング３０に設けられたバルブシート部４１も高温になる。バルブシート部４１が高温になった状態で同バルブシート部４１への弁体４６の着座が繰り返されたり、バルブシート部４１に弁体４６が強く押し付けられたりすると、バルブシート部４１付近が窪む方向に塑性変形することがある。そして、この塑性変形量が大きくなると、タービンハウジング３０の内部応力が大きくなるために、その剛性の低下を招き、場合によってはタービンハウジング３０に亀裂が発生するおそれがある。これにより、ターボチャージャ２０からの排気の漏れや、ウォータジャケット３１内からの冷却水漏れによるターボチャージャ２０の過熱を招くおそれがある。

本実施形態では、そうしたターボチャージャ２０の異常に適切に対処するために、同異常を判定する処理（判定処理）を実行するようにしている。
この判定処理では、位置センサ５１により検出されるウェイストゲートバルブ２７の全閉位置と予め定められた基準位置（具体的には、標準的な特性のターボチャージャにおける全閉位置）とのずれ量ΔＰが算出される。そして、このずれ量ΔＰが判定値Ｊより大きいときに、ターボチャージャ２０に異常有りと判定される。以下、判定処理を実行することによる作用について説明する。

上述したようにタービンハウジング３０の塑性変形量が大きくなると、同タービンハウジング３０に亀裂が発生する可能性が高くなる。また、タービンハウジング３０のバルブシート部４１付近の塑性変形量が大きくなると、上記基準位置からのウェイストゲートバルブ２７の実際の全閉位置のずれ量も大きくなるため、そのずれ量が大きくなっていることによって、タービンハウジング３０に亀裂が発生するおそれがあることを精度良く判定することができる。

本実施形態の判定処理では、上記基準位置と位置センサ５１により検出される全閉位置とのずれ量ΔＰが判定値Ｊよりも大きいときにターボチャージャ２０に異常有りと判定される。そのため、ターボチャージャ２０の異常、詳しくはタービンハウジング３０における亀裂発生の可能性があることを精度良く判定することができる。なお、上記判定値Ｊとしては、タービンハウジング３０に亀裂が生じる可能性がある程度に上記ずれ量ΔＰが大きくなっていることを適切に判定することの可能な値が、実験やシミュレーションの結果をもとに予め求められて電子制御装置５０に記憶されている。

ここで、ターボチャージャ２０の温度はその作動状態に応じて変化する。そして、ターボチャージャ２０の温度が変化すると、その各部（例えばタービンハウジング３０やウェイストゲートバルブ２７、リンク機構４２、並びにアクチュエータ４４）の熱膨張量が各別に変化する。これに伴いターボチャージャ２０の各部の相対位置が変化するため、位置センサ５１によって検出されるウェイストゲートバルブ２７の全閉位置も変化してしまう。したがって、単に位置センサ５１によって検出される全閉位置に基づいてターボチャージャ２０の異常を判定するようにしても、ターボチャージャ２０各部の熱膨張の影響によって判定精度が低くなってしまう。

この点をふまえて、本実施形態の判定処理では、位置センサ５１による実際の全閉位置の検出を、内燃機関１０の運転停止後の経過時間が所定時間以上になったとき、具体的には運転スイッチ５２がオフ操作されてから所定時間が経過したときに実行するようにしている。なお本実施形態では、内燃機関１０の運転停止後の経過時間であって、その運転停止後における温度低下によってターボチャージャ２０の温度が確実に判定温度（判定処理において高い判定精度が得られるようになる温度）以下になる時間が各種の実験やシミュレーションの結果をもとに予め求められている。そして、同時間が上記所定時間として電子制御装置５０に記憶されている。

判定処理では、位置センサ５１によって検出した全閉位置と基準位置とのずれ量ΔＰが判定値Ｊよりも大きいときに、ターボチャージャ２０に異常有りと判定される。そのため、ターボチャージャ２０の温度が低く各部の熱膨張量が小さいとき、すなわちターボチャージャ２０各部の熱膨張の影響を受けにくいときに検出された全閉位置に基づいて上記異常の判定を実行することができ、タービンハウジング３０における亀裂発生の可能性があることを精度良く判定することができる。

以下、上記判定処理の実行手順について図４を参照して説明する。
なお、図４のフローチャートに示される一連の処理は、上記判定処理の実行手順を概念的に示したものであり、実際の処理は、所定周期毎の割り込み処理として、電子制御装置５０により実行される。

この処理では先ず、運転スイッチ５２がオフ操作されており、且つ運転スイッチ５２がオフ操作された後に所定時間が経過したか否かが判断される（ステップＳ１１）。
そして、運転スイッチ５２がオフ操作され、その後において所定時間が経過すると（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、ウェイストゲートバルブ２７の全閉位置を検出する処理が実行される（ステップＳ１２〜ステップＳ１４）。ここでは、前記学習処理と同一の処理が実行される。すなわち先ず、ウェイストゲートバルブ２７の弁体４６をバルブシート部４１に突き当てるようにアクチュエータ４４の作動制御（前記突き当て制御）が実行される（ステップＳ１２）。そして、アクチュエータ４４の消費電流が前記所定値以上になって全閉位置になったと判断されると（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、そのときのウェイストゲートバルブ２７の作動位置が位置センサ５１により検出されるとともに同作動位置が全閉位置として記憶される（ステップＳ１４）。

その後、ステップＳ１４の処理で新たに記憶された全閉位置Ｐｒと同ステップＳ１４の処理の実行時に記憶されていた全閉位置Ｐｉとの差（＝Ｐｒ−Ｐｉ）が算出されるとともに、同差の積算値が前記ずれ量ΔＰとして記憶される（ステップＳ１５）。なお本実施形態では、位置センサ５１によって検出されるウェイストゲートバルブ２７の移動位置は、最も開弁側の位置（全開位置）から遠い位置になるほど大きい値になる。

そして、上記ずれ量ΔＰが判定値Ｊよりも大きいか否かが判断される（ステップＳ１６）。このずれ量ΔＰが判定値Ｊよりも大きい場合には（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、ターボチャージャ２０に異常有りと判定される（ステップＳ１７）。本実施形態では、この場合、以後における内燃機関１０の運転に際して警告灯が点灯されて、ターボチャージャ２０の異常が運転者に報知される。一方、上記ずれ量ΔＰが判定値Ｊ以下である場合には（ステップＳ１６：ＮＯ）、ターボチャージャ２０に異常無しと判定される（ステップＳ１８）。

このように、ずれ量ΔＰに基づいてターボチャージャ２０の異常の有無が判定された後、本処理は終了される。そして、その後にリレー５３がオフ操作されて、システム各部への電力供給が遮断される。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下に記載する効果が得られるようになる。
（１）ターボチャージャ２０の温度が所定温度以下のときに位置センサ５１によってウェイストゲートバルブ２７の全閉位置を検出し、その全閉位置と基準位置とのずれ量ΔＰが判定値Ｊより大きいときに、ターボチャージャ２０に異常有りと判定するようにした。そのため、タービンハウジング３０の塑性変形量が大きくなったときに大きくなる上記ずれ量ΔＰをもとに、タービンハウジング３０に亀裂が発生する可能性が高い状況であることを精度良く判定することができる。また、ターボチャージャ２０の温度が低く各部の熱膨張量が小さいとき、すなわちターボチャージャ２０各部の熱膨張の影響を受けにくいときに検出された全閉位置に基づいて上記異常の判定を実行することができるため、タービンハウジング３０に亀裂が発生する可能性があることを精度良く判定することができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・判定処理（図４）のステップＳ１８の処理を省略してもよい。具体的には、前記ずれ量ΔＰが判定値Ｊ以下であるときに（ステップＳ１６：ＮＯ）、ターボチャージャ２０に異常有りと判定することなく（ステップＳ１７の処理をジャンプして）、またターボチャージャ２０に異常無しと判定することなく、本処理を終了するようにしてもよい。

・位置センサ５１により検出されるウェイストゲートバルブ２７の全閉位置と予め定められた基準位置とのずれ量を算出する処理は、任意に変更することができる。このずれ量は、例えば次のようにして算出することができる。すなわち先ず、基準位置として、所定の位置（具体的には、標準的な特性のターボチャージャにおける全閉位置）を予め定めておく。そして、判定処理のステップＳ１４の処理で記憶された全閉位置と上記所定の位置とのずれ量を算出する。

・判定処理においてターボチャージャ２０に異常有りと判定されたときに、警告灯を点灯することに限らず、以後における内燃機関１０の運転に際してブザーを吹聴したり、ナビゲーションシステムに異常が有る旨を表示したりしてもよい。要は、ターボチャージャ２０の異常を運転者に報知することができればよい。その他、判定処理においてターボチャージャ２０に異常有りと判定されたときに、以後における内燃機関１０の運転に際して出力制限を実行するなどしてもよい。

・上記実施形態では、内燃機関１０の運転停止後の経過時間が所定時間以上であることをもって、ターボチャージャ２０の温度が所定温度以下であることを判断した。これに代えて、ターボチャージャ２０の温度を検出する温度センサを新たに設けて、同温度センサにより検出される温度によってターボチャージャ２０の温度が所定温度以下であることを判断するようにしてもよい。

１０…内燃機関、１１…吸気通路、１２…排気通路、２０…ターボチャージャ、２１…コンプレッサ、２２…タービン、２３…コンプレッサインペラ、２４…タービンホイール、２５…シャフト、２６…バイパス通路、２７…ウェイストゲートバルブ、３０…タービンハウジング、３１…ウォータジャケット、３１Ａ…導入口、３１Ｂ…排出口、３２…連通路、３３…貫通孔、３６…回転軸、４１…バルブシート部、４２…リンク機構、４３…揺動アーム、４４…アクチュエータ、４５…駆動ロッド、４６…弁体、４６Ａ…連結ピン、５０…電子制御装置（制御部および判定部）、５１…位置センサ（検出部）、５２…運転スイッチ、５３…リレー。

Claims (1)

1. タービンホイールよりも排気上流側の部分と同下流側の部分とを連通するバイパス通路、および、同バイパス通路による連通と同連通の遮断とを切り換えるウェイストゲートバルブを有するタービンハウジングと、
   前記ウェイストゲートバルブを開閉駆動するアクチュエータと、
   前記アクチュエータの作動制御を実行する制御部と、
   前記ウェイストゲートバルブの全閉位置を検出する検出部と、
   ターボチャージャの温度が判定温度以下であり、且つ予め定められた基準位置と前記検出部により検出される全閉位置とのずれ量が判定値よりも大きいときに、前記ターボチャージャに異常有りと判定する判定部と
   を備えるターボチャージャの異常判定装置。