JP2018184846A - ターボチャージャの異常判定装置及び制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャの異常を適切に判定することができるターボチャージャの異常判定装置、及びターボチャージャに異常が生じた場合にその旨をユーザに適切を報知したり、ターボチャージャに異常が生じた場合にエンジンを適切に制御したりすることができる制御装置を提供する。【解決手段】ターボチャージャの異常判定装置１００は、エンジン５の排気のエネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャ１０のタービン１１を収容するタービンハウジング１６及びコンプレッサ１２を収容するコンプレッサハウジング１７の少なくとも一方の振動の度合いを示す振動値を取得する振動値取得部５１と、振動値取得部の取得した振動値が予め設定された基準値以上である状態が予め設定された所定時間以上になった場合に、ターボチャージャに異常が生じた旨を判定する異常判定部５１と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、ターボチャージャの異常判定装置及び制御装置に関する。

従来、エンジンの排気のエネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャが知られている（例えば特許文献１参照）。このようなターボチャージャは、タービンハウジングに収容されたタービンと、コンプレッサハウジングに収容されたコンプレッサと、タービン及びコンプレッサを接続するシャフトとを有しており、エンジンの排気のエネルギによってタービンが駆動し、このタービンが駆動すると、タービンにシャフトを介して接続されたコンプレッサが駆動して、吸気を過給する。

また、上述した特許文献１には、コンプレッサを収容するコンプレッサハウジング（吸気側ハウジング）に衝撃センサを設け、この衝撃センサの検出値が標準値以上のときに異常信号を出力する技術も開示されている。

特開平５−３２１６８７号公報

上述した特許文献１の技術を応用すれば、例えば、ターボチャージャに何等かの異常が生じてタービンハウジング及びコンプレッサハウジングが振動した場合に、衝撃センサによってコンプレッサハウジングの振動を検出し、この検出値が標準値以上のときに、ターボチャージャに異常が生じた旨を判定することができる。しかしながら、この技術の場合、異常振動ではない瞬間的な振動が生じた場合であっても、異常が生じた旨を判定してしまう。このため、ターボチャージャの異常を適切に判定できているとはいえない。このため、ターボチャージャに異常が生じた旨をユーザに適切に報知したり、エンジンを適切に制御したりすることも困難である。

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、ターボチャージャの異常を適切に判定することができるターボチャージャの異常判定装置、及びターボチャージャに異常が生じた場合に、その旨をユーザに適切を報知したり、エンジンを適切に制御したりすることができる制御装置を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明に係るターボチャージャの異常判定装置は、エンジンの排気のエネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャのタービンを収容するタービンハウジング及びコンプレッサを収容するコンプレッサハウジングの少なくとも一方の振動の度合いを示す振動値を取得する振動値取得部と、前記振動値取得部の取得した前記振動値が予め設定された基準値以上である状態が予め設定された所定時間以上になった場合に、前記ターボチャージャに異常が生じた旨を判定する異常判定部と、を備える。

また、上記目的を達成するため、本発明に係る制御装置は、エンジンの排気のエネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャのタービンを収容するタービンハウジング及びコンプレッサを収容するコンプレッサハウジングの少なくとも一方の振動の度合いを示す振動値を取得する振動値取得部と、前記振動値取得部の取得した前記振動値が予め設定
された基準値以上である状態が予め設定された所定時間以上になった場合に、警報を発生する警報発生処理、及び前記エンジンの出力を低下させるエンジン出力低下処理の少なくとも一つを実行する制御部と、を備える。

本発明に係るターボチャージャの異常判定装置によれば、ターボチャージャに何等かの異常が生じて、タービンハウジング及びコンプレッサハウジングが異常振動した場合において、タービンハウジング及びコンプレッサハウジングの少なくとも一方の振動値が基準値以上である状態が所定時間以上になった場合に、ターボチャージャに異常が生じた旨を判定することができる。これにより、異常振動ではない瞬間的な振動がタービンハウジング及びコンプレッサハウジングに生じた場合にターボチャージャに異常が生じた旨を判定してしまう、といった誤判定を抑制して、ターボチャージャの異常を適切に判定することができる。

また、本発明に係る制御装置によれば、ターボチャージャに何等かの異常が生じて、タービンハウジング及びコンプレッサハウジングが異常振動した場合において、タービンハウジング及びコンプレッサハウジングの少なくとも一方の振動値が基準値以上である状態が所定時間以上になった場合に、警報を発生する警報発生処理、及び前記エンジンの出力を低下させるエンジン出力低下処理の少なくとも一つを実行することができる。これにより、ターボチャージャに異常が生じた場合に、その旨をユーザに適切に報知したり、エンジンを適切に制御したりすることができる。

実施形態に係るエンジンシステムの全体構成を示す模式図である。 異常判定処理のフローチャートの一例を示す図である。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に係るターボチャージャの異常判定装置１００（以下、異常判定装置１００と略称する）について、図面を参照しつつ説明する。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように模式的に図示されており、各部材の厚みや幅、長さ等の比率は必ずしも実際の製品の比率と一致しているとは限らない。

図１は、本実施形態に係る異常判定装置１００を備えるエンジンシステム１の全体構成を示す模式図である。なお、図１は、実施形態１及び実施形態２に共通の模式図となっている。エンジンシステム１は車両に搭載されている。エンジンシステム１は、エンジン５と、ターボチャージャ１０と、各種センサ類（この具体例として図１では振動センサ３０が例示されている）と、警報装置４０と、制御装置５０とを備えている。なお、これは後述するが、本実施形態に係る異常判定装置１００は、制御装置５０の機能によって実現されている。また、本実施形態では、エンジン５の一例として、ディーゼルエンジンを用いている。

ターボチャージャ１０は、タービン１１と、コンプレッサ１２と、シャフト１３と、タービン側軸受１４と、コンプレッサ側軸受１５と、タービンハウジング１６と、コンプレッサハウジング１７とを備えている。なお、図１に図示されている軸線２２は、シャフト１３の軸線（中心軸を示す線）である。

タービン１１及びコンプレッサ１２は、シャフト１３によって接続されている。シャフト１３は、タービン１１の近傍に配置されたタービン側軸受１４と、コンプレッサ１２の近傍に配置されたコンプレッサ側軸受１５とによって軸支されている。

タービンハウジング１６は、その内部にタービン１１を収容している。コンプレッサハウジング１７は、その内部にコンプレッサ１２を収容している。タービンハウジング１６には、排気スクロール部１８及び排気出口１９が設けられている。コンプレッサハウジング１７には、吸気入口２０及び吸気スクロール部２１が設けられている。エンジン５から排出された排気（Ｅ）は、排気通路を通過して排気スクロール部１８に流入し、次いで、タービン１１に当接し、その後、排気出口１９から排出される。コンプレッサハウジング１７の吸気入口２０には、ターボチャージャ１０よりも上流側の吸気（Ａ）が吸気通路を通過して流入する。

タービン１１は、排気スクロール部１８から流入した排気のエネルギを受けて回転する。タービン１１が回転すると、シャフト１３を介してタービン１１に接続されたコンプレッサ１２も回転する。コンプレッサ１２が回転することにより、コンプレッサ１２は吸気を過給する。この過給された吸気は吸気スクロール部２１から排出されて、吸気通路を通過してエンジン５に供給される。このようにしてターボチャージャ１０は排気のエネルギを利用して吸気を過給している。

振動センサ３０は、ターボチャージャ１０のタービンハウジング１６及びコンプレッサハウジング１７の少なくとも一方の振動の度合い（振動の程度）を検出できる箇所に配置されており、検出結果を制御装置５０に伝える。制御装置５０は、この振動センサ３０の検出結果に基づいて、タービンハウジング１６及びコンプレッサハウジング１７の少なくとも一方の振動の度合いを示す指標値（以下、「振動値」と称する）を取得する。なお、本実施形態に係る振動センサ３０は、一例として、タービンハウジング１６に配置されている。このため、制御装置５０は、タービンハウジング１６の振動値を直接的に取得している。

なお、振動センサ３０の配置箇所として、例えばタービンハウジング１６の近傍にある部材の所定箇所を用いてもよい。この所定箇所の具体例としては、タービン側軸受１４及びコンプレッサ側軸受１５を収容するベアリングハウジング（図示せず）のタービンハウジング１６の近傍の箇所等を用いることができる。この場合においても、制御装置５０は、タービンハウジング１６の振動値を取得することができる。

あるいは、振動センサ３０は、コンプレッサハウジング１７や、コンプレッサハウジング１７の近傍にある部材の所定箇所（例えば、ベアリングハウジングのコンプレッサハウジング１７の近傍の箇所）等に配置されていてもよい。この場合、制御装置５０は、コンプレッサハウジング１７の振動値を取得する。

あるいは、振動センサ３０は、タービンハウジング１６及びコンプレッサハウジング１７の両方の振動の度合いを検出できるように配置されていてもよい。例えば、振動センサ３０をタービンハウジング１６及びコンプレッサハウジング１７の両方にそれぞれ配置することによって、タービンハウジング１６及びコンプレッサハウジング１７の両方の振動の度合いを検出することができる。

振動センサ３０としては、例えば、振動の度合いに応じた電圧値を出力する電圧出力型振動センサや、振動の度合いに応じた周波数値を出力する周波数出力型振動センサ等の、公知の振動センサを用いることができる。なお、本実施形態では、振動センサ３０の一例として、電圧出力型振動センサを用いることとする。

警報装置４０は、制御装置５０の指示を受けて警報を発生する装置である。このような機能を有するものであれば警報装置４０の具体的な構成は特に限定されるものではなく、
例えば、警報として光を発する警報ランプや、音声を発するスピーカ、文字を表示するディスプレイ、あるいは、これらの組み合わせ等を用いることができる。本実施形態では、警報装置４０の一例として、警報ランプを用いている。

制御装置５０は、各種の制御処理を実行するＣＰＵ５１と、ＣＰＵ５１の動作に用いられるプログラムやデータ等を記憶する記憶部５２とを有するマイクロコンピュータを備えている。なお、記憶部５２としては、例えばＲＯＭ、ＲＡＭ等を用いることができる。制御装置５０は、エンジン５の燃料噴射時期、燃料噴射量等を制御することでエンジンシステム１の動作を統合的に制御する統合制御装置としての機能を有している。

また、本実施形態に係る制御装置５０は、ターボチャージャ１０の異常を判定する制御処理（「異常判定処理」と称する）を実行することで、ターボチャージャ１０の異常判定装置１００としての機能も有している。

続いて、制御装置５０の異常判定処理について説明する。図２は、異常判定処理のフローチャートの一例を示す図である。制御装置５０は、図２のフローチャートを例えばエンジン５の始動開始と同時に実行する。なお、図２のフローチャートの各ステップは、制御装置５０の具体的にはＣＰＵ５１が実行する。

まず、制御装置５０は、振動センサ３０の検出結果に基づいて、タービンハウジング１６及びコンプレッサハウジング１７の少なくとも一方の振動値（Ｖｓ）を取得する（ステップＳ１０）。

具体的には、前述したように、本実施形態に係る振動センサ３０はタービンハウジング１６の振動の度合いを検出する電圧出力型振動センサであるので、制御装置５０は、この電圧出力型振動センサの検出結果を取得することで、タービンハウジング１６の振動値（具体的には、タービンハウジング１６の振動の度合いに応じた電圧値）を取得する。

なお、仮に振動センサ３０として周波数出力型振動センサを用いた場合、制御装置５０は、この振動センサ３０の出力する周波数を電圧に変換して、この変換された電圧値を取得してもよい。また、電圧降下の影響で、振動センサ３０の出力電圧値が非常に小さい場合には、制御装置５０は、増幅アンプ等を用いて振動センサ３０の出力電圧を増幅させたものを取得してもよい。

次いで制御装置５０は、ステップＳ１０で取得された振動値が予め設定された基準値（Ｖｒｅｆ）以上である状態が予め設定された所定時間以上になったか否かを判定する（ステップＳ２０）。このステップＳ２０の詳細は以下のとおりである。

まず、振動値の基準値（Ｖｒｅｆ）について説明する。この基準値としては、例えば、タービンハウジング１６の振動値がこの基準値以上になった場合に、ターボチャージャ１０に何らかの異常な振動（異常振動）が生じたと考えられるような値を用いることができる。この基準値（Ｖｒｅｆ）の一例を挙げると、例えば、通常時（すなわちターボチャージャ１０に異常が生じていない時）におけるタービンハウジング１６の振動値（振動センサ３０の出力電圧）よりも、所定値だけ高い値を、基準値として設定すればよいと考えられる。

なお、この基準値は、ターボチャージャ１０の容量等によって異なる値を採り得るものであるため、ターボチャージャ１０の容量等に応じて適切な値を予め求めておき、記憶部５２に記憶させておけばよい。

また、ステップＳ２０の所定時間は、異常振動ではない瞬間的な振動がタービンハウジング１６に生じた場合に、これをターボチャージャ１０の異常と誤って判定しないようにするために設けられたものである。そこで、この所定時間として、瞬間的な時間ではないと考えられる時間を予め求めておき、これを記憶部５２に記憶させておけばよい。なお、所定時間の一例として、５秒程度の時間を挙げることができる。

ステップＳ２０でＮＯと判定された場合、制御装置５０はステップＳ１０を再度実行する。すなわち、ステップＳ２０はＹＥＳと判定されるまで繰り返し実行される。

ステップＳ２０でＹＥＳと判定された場合（すなわち、振動値が基準値以上である状態が所定時間以上になった場合）、制御装置５０は、ターボチャージャ１０に異常が生じた旨を判定する（ステップＳ３０）。具体的には、制御装置５０は、ターボチャージャ１０の特にタービン１１、コンプレッサ１２及びシャフト１３（以下、これらを「回転部」と総称する）に異常が生じた旨を判定する。

次いで制御装置５０は、警報装置４０に警報を発生させる警報発生処理、及び、エンジン５の出力を低下させるエンジン出力低下処理の少なくとも一つを実行する（ステップＳ４０）。この一例として、本実施形態に係る制御装置５０は、警報発生処理及びエンジン出力低下処理の両方を実行している。

具体的には制御装置５０は、警報発生処理において、警報装置４０の一例としての警報ランプを点灯させる。これにより、ユーザはターボチャージャ１０に異常が生じたことを知ることができる。また、制御装置５０は、エンジン出力低下処理において、エンジン５の出力（具体的には回転数）をステップＳ４０が実行される前よりも低下させる。

また、制御装置５０は、エンジン出力低下処理において、エンジン５の出力を所定の基準出力（具体的には基準回転数）以下になるまで低下させる。なお、制御装置５０は、エンジン５の出力を低下させるにあたり、例えばエンジン５を停止させてもよい。ステップＳ４０の後に制御装置５０は、フローチャートの実行を終了する。

なお、ステップＳ１０を実行する制御装置５０のＣＰＵ５１は、本発明の「振動値取得部」としての機能を有する部材に相当する。ステップＳ３０及びステップＳ４０を実行する制御装置５０のＣＰＵ５１は、本発明の「異常判定部」としての機能を有する部材に相当する。

続いて、本実施形態の作用効果について説明する。まず、本実施形態によれば、ターボチャージャ１０に何等かの異常が生じて、タービンハウジング１６が異常振動した場合において、このタービンハウジング１６の振動値が基準値以上である状態が所定時間以上になったときに、ターボチャージャ１０に異常が生じた旨を判定することができる（ステップＳ３０）。具体的には、ターボチャージャ１０の回転部に異常が生じた旨を判定することができる。これにより、異常振動ではない瞬間的な振動がタービンハウジング１６に生じた場合にターボチャージャ１０に異常が生じた旨を判定してしまう、といった誤判定を抑制しつつ、ターボチャージャ１０の異常を判定することができる。したがって、ターボチャージャ１０の異常を適切に判定することができる。

また、本実施形態によれば、ターボチャージャ１０に異常が生じた旨を判定した場合に警報を発生するので（ステップＳ４０）、ターボチャージャ１０に異常が生じた旨をユーザに適切に報知することができる。これにより、ユーザはターボチャージャ１０に異常が生じた旨を早期に把握することができる。この結果、ユーザは、例えば修理工場に修理を依頼する等の適切な処理を施すことができる。これにより、より重大な故障が生じる前に
修理がなされることになるので、結果的に、修理コストの低減を図ることができる。

また、本実施形態によれば、ターボチャージャ１０に異常が生じた旨を判定した場合にエンジン５の出力を低下させるので（ステップＳ４０）、エンジン５を適切に制御することができる。具体的には、ターボチャージャ１０に異常振動が生じた状態でエンジン５が高出力で運転することを抑制することができる。これにより、エンジン５に二次的な損傷が生じることを抑制することができるので、修理コストの低減を図ることができる。また、安全性を確保することもできる。

なお、振動センサ３０が、タービンハウジング１６ではなく、コンプレッサハウジング１７の振動の度合いを検出できる箇所に配置されている場合には、図２のステップＳ１０において制御装置５０は、コンプレッサハウジング１７の振動の度合いを示す振動値を取得することになる。そして、制御装置５０は、このコンプレッサハウジング１７の振動値が基準値以上である状態が所定時間以上になった場合（ステップＳ２０でＹＥＳの場合）に、ターボチャージャ１０に異常が生じた旨を判定する（ステップＳ３０）。

この構成によれば、異常振動ではない瞬間的な振動がコンプレッサハウジング１７に生じた場合にターボチャージャ１０に異常が生じた旨を判定してしまう、といった誤判定を抑制しつつ、ターボチャージャ１０の異常を判定することができる。この場合においても、ターボチャージャ１０の異常を適切に判定することができる。

あるいは、振動センサ３０がタービンハウジング１６及びコンプレッサハウジング１７の両方にそれぞれ配置されている場合には、ステップＳ１０において制御装置５０は、タービンハウジング１６の振動値（第１振動値と称する）及びコンプレッサハウジング１７の振動値（第２振動値と称する）の両方を取得してもよい。そして、ステップＳ２０において、制御装置５０は、ステップＳ１０で取得された第１振動値及び第２振動値のうち、一方の値が基準値（Ｖｒｅｆ）以上である状態が所定時間以上になった場合に、ＹＥＳと判定してステップＳ３０を実行してもよい。

なお、タービンハウジング１６やコンプレッサハウジング１７の異常振動の具体例やエンジン５の二次的な損傷の具体例としては、例えば、以下のものが挙げられる。

ターボチャージャ１０においては、特にタービン１１のタービン翼部分が高回転で共振を起こすことで、タービン翼の一部（すなわちタービン１１の一部）が欠損する場合が考えられる。このようにタービン１１の一部が欠損した場合、タービン側とコンプレッサ側との重量バランスが崩れる。この状態でタービン１１が回転した場合、タービンハウジング１６及びコンプレッサハウジング１７が通常よりも大きく振動する（すなわち、異常振動する）。そして、この異常振動がエンジン５に伝わり、この状態でエンジン５が高出力で回転した場合、エンジン５の例えば燃料配管が大きな振動で損傷する等の二次的な被害が生じる可能性がある。

これに関して、本実施形態によれば、タービン側とコンプレッサ側との重量バランスが崩れたことに起因してタービンハウジング１６が異常振動した場合であっても、ステップＳ３０において、ターボチャージャ１０に異常が生じた旨を判定することができるとともに、ステップＳ４０において、ユーザに異常を報知することができ、且つエンジン５の出力を低下させることができる。これにより、タービン側とコンプレッサ側との重量バランスが崩れた状態でターボチャージャ１０が回転することに伴うエンジン５の二次的な被害を抑制することができる。

また、タービン１１の一部が欠損した場合、コンプレッサハウジング１７よりもタービ
ンハウジング１６の方が先に異常振動を起こす傾向がある。そこで、振動センサ３０は、少なくともタービンハウジング１６の振動の度合いを検出可能な箇所に配置されていることが好ましく、また、制御装置５０は、図２のステップＳ１０において、少なくともタービンハウジング１６の振動値を取得することが好ましい。

この構成によれば、タービン１１の一部が欠損することに起因する異常振動を迅速に検出することができるので、タービン１１の一部の欠損に起因するターボチャージャ１０の異常（例えば、タービン１１の一部が欠損したという異常）を迅速に判定することができる。この結果、タービン１１の一部の欠損に起因するターボチャージャ１０の異常をより適切に判定することができる。

また、この場合、予め実験、シミュレーション等を行うことによって、タービン１１の一部が欠損した際に生じるタービンハウジング１６の振動値を求めておき、この振動値以上の値を図２のステップＳ２０の基準値（Ｖｒｅｆ）として設定することが好ましい。この構成によれば、タービン１１の一部が欠損することに起因するターボチャージャ１０の異常をより精度良く判定することができる。これにより、タービン１１の一部の欠損に起因するターボチャージャ１０の異常を適切に判定することができる。

（実施形態２）
本実施形態に係る制御装置５０ａ（この符号は図１に括弧書きで図示されている）は、図２のフローチャートで、ステップＳ２０でＹＥＳと判定された後にステップＳ３０を実行せずにステップＳ４０を実行する点において、実施形態１の制御装置５０と異なっている。

すなわち、本実施形態に係る制御装置５０ａは、タービンハウジング１６及びコンプレッサハウジング１７の少なくとも一方の振動の度合いを示す振動値を取得し（ステップＳ１０）、この取得された振動値が予め設定された基準値以上である状態が予め設定された所定時間以上になった場合（ステップＳ２０でＹＥＳの場合）に、警報を発生する警報発生処理、及びエンジン５の出力を低下させるエンジン出力低下処理の少なくとも一つを実行する（ステップＳ４０）。

なお、本実施形態において、ステップＳ４０を実行する制御装置５０ａのＣＰＵ５１は、本発明の「制御部」としての機能を有する部材に相当する。

本実施形態によれば、ターボチャージャ１０に何等かの異常が生じて、タービンハウジング１６が異常振動した場合において、振動値が予め設定された基準値以上である状態が予め設定された所定時間以上になった場合に警報発生処理が実行されるので、ターボチャージャ１０に異常が生じた旨をユーザに適切に報知することができる。

また、本実施形態によれば、ターボチャージャ１０に何等かの異常が生じて、タービンハウジング１６が異常振動した場合において、振動値が予め設定された基準値以上である状態が予め設定された所定時間以上になった場合にエンジン出力低下処理が実行されるので、エンジン５を適切に制御することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ エンジンシステム
５ エンジン
１０ ターボチャージャ
１１ タービン
１２ コンプレッサ
１６ タービンハウジング
１７ コンプレッサハウジング
３０ 振動センサ
４０ 警報装置
５０，５０ａ 制御装置
５１ ＣＰＵ（振動値取得部、異常判定部、制御部）
１００ ターボチャージャの異常判定装置

Claims (4)

1. エンジンの排気のエネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャのタービンを収容するタービンハウジング及びコンプレッサを収容するコンプレッサハウジングの少なくとも一方の振動の度合いを示す振動値を取得する振動値取得部と、
   前記振動値取得部の取得した前記振動値が予め設定された基準値以上である状態が予め設定された所定時間以上になった場合に、前記ターボチャージャに異常が生じた旨を判定する異常判定部と、を備える、ターボチャージャの異常判定装置。
2. 前記異常判定部は、前記ターボチャージャに異常が生じた旨を判定した場合に、警報を発生する警報発生処理、及び前記エンジンの出力を低下させるエンジン出力低下処理の少なくとも一つをさらに実行する請求項１記載のターボチャージャの異常判定装置。
3. 前記振動値取得部は、少なくとも前記タービンハウジングの前記振動値を取得する請求項１又は２に記載のターボチャージャの異常判定装置。
4. エンジンの排気のエネルギを利用して吸気を過給するターボチャージャのタービンを収容するタービンハウジング及びコンプレッサを収容するコンプレッサハウジングの少なくとも一方の振動の度合いを示す振動値を取得する振動値取得部と、
   前記振動値取得部の取得した前記振動値が予め設定された基準値以上である状態が予め設定された所定時間以上になった場合に、警報を発生する警報発生処理、及び前記エンジンの出力を低下させるエンジン出力低下処理の少なくとも一つを実行する制御部と、を備える、制御装置。

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