JP5923615B2 - 潤滑油圧力信号に基づいて内燃機関のターボチャージャを診断するための方法およびシステム - Google Patents

Description

本明細書における主題の実施形態は、内燃機関システムに関する。他の実施形態は、ターボチャージャに関する。

ターボチャージャをエンジンシステム内で使用して、燃焼のためにエンジンに供給される空気の圧力を大きくすることができる。一例では、ターボチャージャは、吸気圧力を大きくするために、シャフトを介して圧縮機を少なくとも部分的に駆動する、エンジンの排気通路内に結合されたタービンを備える。多くのターボチャージャは、回転するシャフトを支持するためにジャーナル軸受を使用する。これらの軸受は、制御弁またはオリフィスの使用により、比較的一定の圧力に調節された圧油供給源（ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ ｏｉｌ ｓｕｐｐｌｙ）で潤滑される。しばしば、安定した油圧が、圧力変換器および制御システムによって監視されて、機械が適切に潤滑および冷却されることを保証する。

時間の経過と共に、シャフトおよび／またはジャーナル軸受、または関連する構成部品は、摩耗することがある。例えば、ジャーナル軸受は次第に機能しなくなることがある。しばしば、これにより、ターボチャージャの寿命が、エンジンの残りよりも短い。また、ターボチャージャ内に貯蔵されるエネルギーが高レベルであるため、その故障は、通常は破滅的である。この結果、エンジンの予期しない停止につながり、このことによって、システムのオペレータに対する安全性や費用の影響がある可能性がある。

ドイツ特許第２０２００９００６４９０号

したがって、一実施形態では、方法は、ターボチャージャまたは他のターボマシンの圧油供給源の監視圧力を示す信号を受信するステップを含む。方法はさらに、信号の高周波数成分が、１つまたは複数の指定された基準を満たすかどうかを判断するステップを含む。圧力の高周波数成分が１つまたは複数の指定された基準を満たす場合、第１の制御信号が生成される。例えば、制御信号は、ターボチャージャの予測健康状態（または、他の動作状態）に関するオペレータ警告を開始することができる。

ターボチャージャの予測健康状態は、ターボチャージャの劣化を示す可能性がある。例として、ターボチャージャシャフトの軸受間隙が摩耗により大きくなると、ターボチャージャシャフトは不均衡になり、それによって信号の高周波数成分の周波数を生成または増大させることがある。信号の高周波数成分を監視することによって、軸受健康状態を監視することができ、例えば、ターボチャージャの動作を調節する、および／または予期しない故障を防ぐためにターボチャージャを整備するために、適当な動作を行うことができる。

上の簡単な記載は、詳細な説明でさらに記載される、概念の選択を単純な形で導入するために行われたものであることを理解すべきである。その範囲が、詳細な説明の後に続く特許請求の範囲によって独自に規定される、請求する主題の重要または基本的特性を特定することは意図していない。さらに、請求する主題は、上に、または本開示のあらゆる部分に記したあらゆる欠点を解決する実施態様に限定するものではない。

本発明は、添付の図面を参照して、非限定的な実施形態の以下の説明を読んで、より良く理解されるだろう。

ターボチャージャを備えた車両の略図である。 ターボチャージャの一部の断面図である。 図３は、圧力測定に基づいて、ターボチャージャを診断する方法を示すフローチャートである。 圧力信号の周波数成分を使用して、ターボチャージャを診断する方法を示すフローチャートである。 圧力信号の周波数成分のグラフである。 圧力測定に基づいて、ターボチャージャを診断する方法を示すフローチャートである。 ターボチャージャの一部の断面図である。 圧力対時間信号分析のグラフである。 ターボチャージャの油供給キャビティ内の圧力測定に基づいて、ターボチャージャを診断する方法を示すフローチャートである。

以下の説明は、ターボチャージャを診断する方法およびシステムの様々な実施形態に関する。１つの例示的方法は、ターボチャージャまたは他のターボマシンの圧油供給源の監視圧力を示す信号を受信するステップを含む。方法はさらに、信号の高周波数成分が、１つまたは複数の指定された基準を満たすかどうかを判断するステップと、圧力の高周波数成分が１つまたは複数の指定された基準を満たす場合、第１の制御信号を生成するステップとを含む。いくつかの実施形態では、方法は、信号の基準成分における変化の大きさが、閾値量よりも大きいかどうかを判断するステップを含む。基準成分が閾値量より大きく変化している場合、第２の信号が生成される。第１および第２の制御信号は、ターボチャージャの劣化を示すことができる。例えば、摩耗の結果として、軸受間隙が大きくなり、ターボチャージャシャフトが不均衡になることがある。このように、信号の高周波数成分が、例えば大きくなり、信号の基準成分が小さくなることがある。したがって、以下により詳細に記載するように、圧力信号の高周波数成分および基準成分を監視することによって、ターボチャージャの劣化を判断することができる。

一実施形態では、ターボチャージャは、車両内のエンジンに結合させることができる。機関車システムを使用して、ターボチャージャ、またはマルチターボチャージャを取り付けることができるエンジンを有する車両のタイプの１つを例示する。他のタイプの車両としては、オンハイウェイ車両、および採掘機器および船舶などの他のオフハイウェイ車両を挙げることができる。本発明の他の実施形態は、固定エンジンに結合されたターボチャージャに使用することができる。エンジンは、ディーゼルエンジンであってもよく、または別の燃料または燃料の組合せを燃焼することができる。このような代替燃料としては、ガソリン、灯油、バイオディーゼル、天然ガス、およびエタノールを挙げることができる。適切なエンジンは、圧縮点火および／または火花点火を使用することができる。

図１は、複数の車輪１１２を介してレール１０２上を走るように構成された、鉄道車両１０６（例えば、機関車）として本明細書に示された、車両システム１００の例示的な実施形態のブロック図を示す。図示するように、鉄道車両１０６は、内燃機関などの、エンジン１０４を備えたエンジンシステムを含む。

エンジン１０４は、吸気通路１１４から燃焼用吸気を受ける。吸気通路１１４は、鉄道車両１０６の外側からの空気を濾過する空気フィルタ（図示せず）から外気を受ける。エンジン１０４内の燃焼から得られる排気ガスは、排気通路１１６に供給される。排気ガスは、排気通路１１６を通して、鉄道車両１０６の排気スタックから流出する。

エンジンシステムは、吸気通路１１４と排気通路１１６の間に配置されたターボチャージャ１２０（「ターボ」）を含む。ターボチャージャ１２０は、パワー出力および／またはエンジン動作効率を増加させるように、燃焼中により大きな給気密度を与えるために、吸気通路１１４内に引き込まれた外気の給気を増加させる。ターボチャージャ１２０は、タービン（図１には図示せず）によって少なくとも部分的に駆動される、圧縮機（図１には図示せず）を含むことができる。この場合、単一のターボチャージャが示されているが、システムは、多数のタービンおよび／または圧縮機段階を含むことができる。ターボチャージャは、図２を参照して、以下により詳細に記載される。

いくつかの実施形態では、車両システム１００はさらに、ターボチャージャ１２０の上流側または下流側で排気通路内に結合された排気ガス処理システムを備えることができる。例示的な一実施形態では、排気ガス処理システムは、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）、およびディーゼル微粒子除去装置（ＤＰＦ）を備えることができる。他の実施形態では、排気ガス処理システムは、加えて、または別の方法では、１つまたは複数の排気浄化装置を備えることができる。このような排気浄化装置は、選択接触還元（ＳＣＲ）触媒、三元触媒、ＮＯ_Xトラップ、または様々な他のデバイスまたはシステムを備えることができる。

鉄道車両１０６はさらに、車両システム１００に関連する様々な構成部品を制御するためのコントローラ１４８を備える。一例では、コントローラ１４８は、コンピュータ制御システムを備える。コントローラ１４８はさらに、鉄道車両動作のオンボード監視および制御を可能にするためのコードを含む、コンピュータ読取可能記憶媒体（図示せず）を備える。コントローラ１４８は、車両システム１００の制御および管理を監視しながら、動作パラメータおよび動作状態を判断し、これに応じて、鉄道車両１０６の動作を制御するように様々なエンジンアクチュエータ１５２を調節するために、本明細書でさらに詳細に述べられるように、様々なエンジンセンサ１５０から信号を受信するように構成することができる。例えば、コントローラ１４８は、これに限らないが、エンジン速度、エンジン負荷、給気圧、排気圧、外気圧、排気温度、吸気マニホールド空気圧（ＭＡＰ）１５４などを含む信号を、様々なエンジンセンサ１５０から受信することができる。これに応じて、コントローラ１４８は、トラクションモータ、オルタネータ、シリンダバルブ、スロットルなどの様々な構成要素にコマンドを送信することによって、車両システム１００を制御することができる。一例では、コントローラ１４８は、閾値圧力より大きいエンジンクランクケース圧力に応じて、エンジンを停止することができる。

一実施形態では、図３を参照して以下に記載するように、コントローラ１４８は、ターボチャージャ内の様々な場所、例えば、第１および第２の異なる場所に位置決めされた複数の圧力センサから圧力を示す信号を受信するように構成することができる。例として、第１の圧力信号を出力する第１の圧力センサは、ターボチャージャのシールキャビティ内に位置決めすることができ、第２の圧力信号を出力する第２の圧力センサは、ターボチャージャのオイルキャビティ内に位置決めすることができる。コントローラは、閾値差より大きい、第１の圧力と第２の圧力の間の差に応じてターボチャージャの劣化を特定することができる。

図２は、図１を参照して上に記載したターボチャージャ１２０などの、エンジンに結合することができるターボチャージャ２００の例示的な実施形態の図を示す。図２に示す図は、ターボチャージャ２００の一部の断面図である。一例では、ターボチャージャ２００は、エンジンにボルトで留めることができる。別の例では、ターボチャージャ２００は、エンジンの排気通路と吸気通路の間に結合させることができる。他の例では、ターボチャージャは、別の適切な方法によって、エンジンに結合させることができる。

ターボチャージャ２００は、タービン２０２および圧縮機２０４を備える。エンジンからの排気ガスは、タービン２０２を通過し、排気ガスからのエネルギーは回転運動エネルギーに変換されてシャフト２０６を回転させ、シャフト２０６はその後圧縮機２０４を駆動する。外吸気は、より大量の空気をエンジンのシリンダに運ぶことができるように、回転している圧縮機２０４を通して引き出されるときに、圧縮される（例えば、空気の圧力が増加する）。

いくつかの実施形態では、タービン２０２および圧縮機２０４は、例えば、単一のユニット（例えば、ターボチャージャ２００）が形成されるように、互いにボルト留めされた別個のケーシングを有することができる。例として、タービンは、鋳造鉄で作られたケーシングを有することができ、圧縮機は、アルミニウム合金で作られたケーシングを有することができる。他の例では、タービンおよび圧縮機のケーシングは、同じ材料で作ることができる。タービンケーシングおよび圧縮機ケーシングは、あらゆる適切な材料で作ることができることを理解すべきである。

図２に示すように、第１の圧力センサ２３２は、圧縮機ケーシング内の圧力を測定するために、圧縮機ケーシング内のディフューザ２２８に位置決めされる。ディフューザ２２８は、例えば、速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する圧縮機ケーシング内の分岐ダクトである。圧力センサ２３２は、例えば、加えられる圧力の関数として信号を生成する、変換器であってもよい。ディフューザ２２８での圧力は、吸気マニホールド空気圧（ＭＡＰ）と実質的に等しいことがある。例えば、いくつかのエンジンシステムのノッチ８気筒エンジンでは、第１の圧力センサ２３２は、約４５ｐｓｉｇ（約３バール）の圧力を測定することができる。

ターボチャージャ２００はさらに、シャフトが少ない摩擦で高速回転することができるように、シャフト２０６を支持する軸受２０８を備える。ターボチャージャはさらに、軸受の劣化を小さくし、軸受の温度を維持する（例えば、軸受を冷たく保持する）ために、潤滑システムを備えることができる。エンジンが動作中、エンジン油またはエンジン冷却剤の一定流は、例えば、ターボチャージャを通過することができる。一例では、加圧エンジン油は、油入口（図示せず）を介してターボチャージャに入ることがある。余分な油は、油キャビティ２１２内に集まる可能性があり、油は油キャビティ２１２に流体結合された出口（図示せず）を通してターボチャージャ２００から離れる。図２に示すように、油キャビティ圧力センサ２３０は、油キャビティ内の圧力を測定するために、油キャビティ２１２内に位置決めされる。油キャビティ圧力センサ２３０は、第１の圧力センサ２３２に加えることができる、またはそれに代わることができる。油キャビティ圧力センサ２３０は、例えば、加えられた圧力の関数として信号を生成する、変換器であってもよい。

図２に示すように、ターボチャージャ２００はさらに、２つの非接触シール（例えば、ラビリンスシール）、油キャビティ２１２とタービン２０２の間に位置決めされたタービンラビリンスシール２１６と、油キャビティ２１２と圧縮機２０４の間に位置決めされた圧縮機ラビリンスシール２１８とを備える。本明細書で使用されるようなラビリンスシールは、漏洩を防ぐのを助けるように、蛇行したまたは曲がりくねった経路を与えるタイプの機械的シールのことを言う。（例えば、Ｏリングまたは同様の円形シールに対してである。）一実施形態では、ラビリンスシールは、別の構成要素に対してしっかり押し付ける多くの溝またはねじ山で構成することができる。本明細書では、ラビリンスシールは、ラビリンスねじ山の先端と滑り面の間に小さな間隙を備え、回転シャフトシステムに適用される。このように、ラビリンスシールは、流体の通過を制御することによって、非接触密封作用を提供する。ラビリンスシール２１６および２１８はしたがって、例えば、ねじ曲げられた蛇行性経路を提供することによって、軸受２０８を潤滑させるために使用されるエンジン油のタービン２０２および圧縮機２０４に対する漏洩を少なくすることができる。ラビリンスシール２１６および２１８は非接触シールであるので、軸受２０８およびシャフト２０６の周りの摩擦を減らすことができ、油漏洩も減らされる。一例は、ラビリンスシール２１６および２１８は、軸受２０８から所定の距離間隔を置いて配置することができる。適切な所定の距離は、約１／４０００インチ（約６×１０^-4ｃｍ）未満の範囲内などの、特定用途向けパラメータに関して判断することができる。

ターボチャージャ２００はさらに、圧縮機ラビリンスシール２１８の近くの圧縮機２０４の後からタービンラビリンスシール２１６の近くの領域まで延びるシールキャビティ２３４を備える。シールキャビティ２３４は、ターボチャージャ２００のケーシング内の空気通路である。図２に示すように、シールキャビティ２３４はオリフィス２３６を備える。オリフィスは、チョーク空気流を生成するように構成される。このような構成では、チョーク空気流は、さらに下流側により大きな圧力差を生成し、その結果、ターボチャージャ２００内の様々な位置間の差をより良く検出することができる。シールキャビティ２３４はさらに、シールキャビティ２３４内の圧力を測定する第２の圧力センサ２３８を備える。図２に示すように、第２の圧力センサ２３８は、シールキャビティ２３４のポートに配置される。第２の圧力センサ２３８は、例えば、加えられる圧力の関数として信号を生成する、変換器であってもよい。シールキャビティ２３４内の圧力は、例えば、油キャビティ２１２内の圧力よりも高くてもよく、それによって、油を油キャビティ内に保持することができる。例として、特定のエンジンシステムのノッチ８気筒エンジンでは、圧力センサ２３８は、約２７ｐｓｉｇ（約２バール）の圧力を測定することができる。

各圧力センサ位置は、異なる圧力を有することができる。例えば、圧縮機ケーシング内のディフューザ２２８での圧力は、シールキャビティ２３４内の圧力より高く、シールキャビティ２３４内の圧力は、油キャビティ２１２内の圧力よりも高いことがある。さらに、各圧力間の差は、タービンまたは圧縮機速度、エンジンのノッチ設定、大気温度、および／または圧力などの動作状態で変化することがある。タービンラビリンスシール２１６および／または圧縮機ラビリンスシール２１８の劣化が、シャフト２０６がロータ不均衡または軸シフトのためにシールを擦ることにより起こると、シールキャビティ２３４内の圧力が小さくなり、圧縮機ケーシング内のディフューザ２２８での圧力は、実質的に同じままである。このように、ラビリンスシール２１６および２１８の劣化は、シールキャビティ２３４内で測定された圧力と、圧縮機ケーシング内のディフューザ２２８で測定された圧力の、それぞれの閾値差より大きい圧力差に基づいて診断することができる。

一実施形態では、システムは、圧縮機およびタービンを備えたターボチャージャと、第１の信号を生成する第１の圧力センサと、第２の信号を生成する第２の圧力センサとを備える。第１の圧力センサは、ターボチャージャの油キャビティ内に配置され、第２の圧力センサは、ターボチャージャのシールキャビティ内に配置される。システムはさらに、第１の信号から第１の圧力を、第２の信号から第２の圧力を特定し、第１の圧力と第２の圧力の間の差が第１の閾値差より大きい場合に、ターボチャージャの劣化を特定するように構成されたコントローラを備える。実施形態では、ターボチャージャの劣化を特定することは、例えば、警報または警告を開始する、または車両システムを制御するために、制御信号を出力することを含む。

いくつかの実施形態では、鉄道車両または他の車両内に設置することができるアップグレードキットは、上に記載するように、ターボチャージャ内で測定された圧力値に基づいて、ターボチャージャの劣化を判断する指示を含む、非一時コンピュータ読取可能媒体を含むことができる。アップグレードキットはさらに、ターボチャージャシステム内に設置することができる、複数の圧力センサまたは他の機械的要素を含むことができる。

図３、４および６は、エンジンに結合されたターボチャージャを備えた車両システム内で行うことができる例示的な方法を示すフローチャートを示す。図３は、ターボチャージャ内の測定圧力差に基づいて、ターボチャージャシャフト周りに配置された非接触シールの劣化を診断する方法を示す。図４は、ターボチャージャ内の測定圧力の周波数成分に基づいて、ターボチャージャのタービンまたは圧縮機の劣化を診断する方法を示す。図６は、ターボチャージャ内の測定圧力に基づいて、ターボチャージャシャフト周りに配置された非接触シールの劣化を診断する方法を示す。図３、４および６を参照して記載した方法は、例えば、同じコントローラによって同時に行うことができる。例として、第２の圧力は、第１の圧力と比較するために測定することができ、第２の圧力の周波数成分を判断することもでき、第１および／または第２の圧力をそれぞれの閾値圧力と比較することができる。さらに、図３、４および６を参照して記載した方法は、ターボチャージャに結合されたエンジンが動作している間（例えば、燃焼が起こっている間）に行われ、ターボチャージャが位置決めされる車両が移動している間に行うことができる。

例示的な一実施形態では、方法は、ターボチャージャ内の第１の位置で第１の圧力を判断するステップと、ターボチャージャ内の第２の位置で第２の圧力を判断するステップと、第２の圧力の周波数成分を判断するステップとを含む。方法はさらに、第１の圧力と第２の圧力の差、および第２の圧力の周波数成分に基づいて、ターボチャージャの状態を診断するステップを含む。

図３を参照すると、図２を参照して上に記載したターボチャージャ２００などの、ターボチャージャ内の状態を診断する方法３００が、示されている。特に、方法は、ターボチャージャ内の様々な位置に位置決めされた圧力センサを介して圧力を測定するステップと、測定した圧力値を比較するステップとを含む。例えば、第１の位置で測定した第１の圧力は、第２の位置で測定された第２の圧力と比較される。ターボチャージャの劣化は、測定した圧力値の差に基づいて判断される。上に記載したように、方法は、ターボチャージャが結合されるエンジンが動作中に行われ、ターボチャージャが位置決めされる鉄道車両などの車両が移動している間に、行うことができる。このように、ターボチャージャの様々なキャビティ間の圧力差が、測定するのに十分なだけ大きい可能性がある。

ステップ３０２では、システム動作状態が判断される。動作状態としては、給気圧、外気圧、外気温、エンジンノッチ設定などを挙げることができる。

動作状態が判断されると、方法はステップ３０４に進み、ここで、第１の圧力が第１の位置で測定される。上に記載したように、ターボチャージャは、ターボチャージャ内の様々な位置に位置決めされた複数の圧力センサを有することができる。このように、第１の圧力は、油キャビティ内に配置された第１の圧力センサ、圧縮機ケーシング内でディフューザに配置された圧力センサ、またはシールキャビティ内に配置された圧力センサによって測定することができる。他の実施形態では、第１の圧力は、ターボチャージャ内の別の適切な位置で測定することができる。

ステップ３０６では、第２の圧力が第２の位置で測定される。第２の位置は、第１の位置以外の位置であってもよい。例えば、第１の圧力は、油キャビティ内の第１の圧力センサによって測定することができ、第２の圧力は、シールキャビティ内の第２の圧力センサによって測定することができる。別の例として、第１の圧力は、圧縮機ケーシング内のディフューザで第１の圧力センサによって測定することができ、第２の圧力は、シールキャビティ内の第２の圧力センサによって測定することができる。他の実施形態では、第２の圧力は、ターボチャージャ内の別の適切な位置で測定することができる。

第１の圧力および第２の圧力が判断されると、ステップ３０８で第１の圧力と第２の圧力の間の差が、閾値差より大きいかどうかが判断される。第１および第２の圧力が突き合わせて評価される特定の閾値差は、第１および第２の圧力が感知される、ターボチャージャ内の位置によって左右され、異なるセットの位置は異なる閾値差を有する可能性がある。例えば、（第１および第２の圧力が、これらの位置で測定される場合）シールキャビティ内の圧力と油キャビティ内の圧力の間の閾値差は、第１の閾値差であってもよく、（第１および第２の圧力がこれらの位置で測定される場合）シールキャビティ内の圧力と圧縮機ケーシング内のディフューザでの圧力の間の閾値差は、第２の閾値差であってもよい。第１の閾値差は、第２の閾値差とは異なる値を有する可能性がある。というのは、測定した圧力はそれぞれ、通常の動作状態で異なる値を有することがあるからである。例として、ターボチャージャが健康である（例えば、劣化していない）通常の運転状態では、油キャビティ内の第１の圧力は特定の値を有することができ、シールキャビティ内で測定された第２の圧力は、油キャビティが油を保持するようにより高い値を有することができる。さらに、シールキャビティ内で測定される圧力は、エンジンノッチ、エンジン速度、外気温、外気圧、エンジン油温度、エンジン冷却剤温度、燃料噴射進角（ｆｕｅｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ａｄｖａｎｃｅ ａｎｇｌｅ）、給気圧、ターボチャージャ速度、および／または給気温度などの動作状態で変化する可能性がある。例えば、シールキャビティは、より高いエンジンノッチで（例えば、ノッチ４気筒エンジンと比べてノッチ８気筒エンジンで）より高い圧力を有することができる。同様に、閾値差は、圧縮機速度、エンジン負荷、エンジンノッチなどの動作状態に基づいて変化する可能性がある。例えば、圧縮機の速度が小さくなると、シールキャビティ圧力も小さくなり、その結果、シールキャビティと油キャビティ間の圧力差が小さくなることにつながる可能性がある。このように、シールキャビティと油キャビティの間の閾値差は、可能性のあるターボチャージャ劣化に関してこれらの位置での圧力を評価するために、これに応じて小さくなることがあり、それによって、ターボチャージャの劣化は誤って特定されないようになる。

別の例として、ターボチャージャが健康である通常の動作状態では、圧縮機ケーシング内のディフューザでの第１の圧力は、マニホールド空気圧と同様の値を有することができ、シールキャビティ内で測定された第２の圧力は、より低い値を有することができる。圧縮機ケーシング内およびシールキャビティ内のディフューザで測定された圧力は、エンジンノッチ設定およびターボチャージャ速度などの動作状態で変化する可能性がある。例えば、シールキャビティ内のディフューザで測定された圧力は、エンジンノッチと共に大きくなることがある（例えば、圧力は、ノッチ７気筒エンジンで、ノッチ６気筒エンジンよりも高い）。

様々な動作状態での第１の圧力と第２の圧力の間の差は、例えば、参照テーブル内に記憶することができる。第１と第２の圧力の間の圧力差の絶対値が閾値を超えた場合、ターボチャージャの劣化が、ステップ３１０で示される。一例では、第１の圧力と第２の圧力の間の差が閾値より大きい場合、タービンまたは圧縮機ラビリンスシールなどの非接触シールの劣化を診断することができる。（このタイプの診断を行うために、センサを油キャビティ、シールキャビティ、圧縮機ケーシング内のディフューザなどの、ターボチャージャ内の様々な位置に配置することができる。）例えば、ロータ不均衡または軸シフトにより、ターボチャージャの回転するシャフトが、非接触ラビリンスシール上を擦り、それによって、非接触ラビリンスシールの周りに間隙を生成し、クランクケースへの空気量を増加させて、クランクケースの過圧およびシールキャビティ圧力の減少につながることがある。したがって、シールキャビティ圧力が減少すると、シールキャビティ圧力と油キャビティ圧力の間の差が変化し、シールキャビティ圧力と圧縮機ケーシング内のディフューザでの圧力の間の差が変化する。

参照テーブルに関して、参照テーブルは、（エンジン、車両、または他のシステムのクラス、タイプ、または構成の）指定された動作状態のリスト、および、各動作状態に対して、例えば経験的に判断された、圧力差に対する関連する閾値を含む。動作中、（問題のエンジン、または車両、または他のシステムの）現在の動作モードは、関連する閾値を検索するために、テーブルの対応する動作状態に相互参照される。圧力差（ターボチャージャ内の第１と第２の感知圧力の間の差）はその後、ターボチャージャの健康を評価するために、検索した閾値と比較される。

コントローラは、例えば、オペレータインターフェイスパネルを介して表示される故障指標ランプ（ＭＩＬ）を点灯させるために診断コードを送信すること、診断コードを中央発送制御センタに送信することなどによって、エンジンが中に位置決めされた車両（または、他のシステム）のオペレータに診断を通知するように構成することができる。診断信号の受信に応じて、例えば、エンジンシステムおよび／またはターボチャージャシステムのさらなる劣化が起こらないように、ターボチャージャ動作を中断することができる。エンジンが停止されると、ターボチャージャを、車両から取り外し、修理または交換することができる。他の例では、エンジン動作および／またはターボチャージャ動作は、エンジンが停止されるまで、劣化したターボチャージャを補償するように調節することができる。さらに他の例では、ターボチャージャの劣化が起こったことを示す診断コードを受信した際に、エンジンを停止させることができ、それにより、ターボチャージャシステムおよび／またはエンジンシステムのさらなる劣化を低減することができる。

一方、第１の圧力と第２の圧力の間の差が閾値差より小さい場合、方法はステップ３１２に移動し、ここで、ターボチャージャが劣化していない（または、特定の実施形態では、動作が行われない）ことが示される。

このように、ターボチャージャの動作中に、ターボチャージャの劣化状態を診断することができる。例えば、圧縮機およびタービンラビリンスシールなどの１つまたは複数の非接触シール内の漏洩による、ターボチャージャの劣化は、閾値差より大きい第１と第２の圧力の差により特定することができる。差が閾値差以下である場合、エンジンクランクケース過圧事象は、劣化したピストンリングまたは何らかの他のソースなどの、劣化したターボチャージャ以外の状態によるものである可能性がある。

図４は、圧力信号の周波数成分に基づいて、図２を参照して上に記載したターボチャージャ２００などの、ターボチャージャの状態を診断する方法４００を示すフローチャートである。特に、方法は、ターボチャージャ内の位置で測定された圧力から周波数成分を判断するステップを含む。周波数成分に基づいて、タービンまたは圧縮機の劣化が特定される。上に記載したように、方法は、ターボチャージャが結合されるエンジンが動作中に行われ、ターボチャージャが位置決めされる鉄道車両などの車両が移動している間に、行うことができる。例えば、この方法を介して判断される周波数成分は、タービンファンまたは圧縮機ファンの回転に基づくので、ターボチャージャは、エンジン動作中にエンジンに給気している。

ステップ４０２では、システム動作状態が判断される。動作状態としては、給気圧、ターボチャージャのタービンおよび／または圧縮機の速度、外気圧、外気温などを挙げることができる。

ステップ４０４では、圧力は、ターボチャージャ内の位置で測定される。上に記載したように、圧力センサは、ターボチャージャ内の複数の位置に配置することができ、そのようにして、圧力を、シールキャビティ内で、油キャビティ内で、圧縮機ケーシング内のディフューザで、および／またはターボチャージャ内の別の適切な位置で測定することができる。

圧力（または、複数の圧力）が測定されると、圧力信号の周波数成分が、ステップ４０６で判断される。例えば、タービンまたは圧縮機ブレードの劣化は、シールキャビティ圧力において非常に明らかである可能性があるので、シールキャビティ内で測定される圧力の周波数成分を判断することができる。圧力の周波数成分は、周波数領域圧力信号の周波数成分の相対的大きさであり、かつ／またはバンドパスフィルタで生成されるような測定周波数成分である。一例では、周波数成分は、信号をフィルタリングし、信号をサンプリングし、信号を変換し、信号に相関アルゴリズムを適用することによって判断することができる。

例示的な一実施形態では、圧力信号は、一次周波数より僅かに大きいカットオフ周波数でローパスフィルタによってフィルタリングすることができる。例えば、カットオフ周波数は、一次周波数より１０から２０パーセント大きくてもよい。このように、カットオフ周波数は、タービンまたは圧縮機の速度によって判断することができる。一次周波数成分は、タービンまたは圧縮機ファンのスピンによるものであることがある。例えば、圧縮機ファンの１回転中、８つのファンブレードが特定の点を通過する可能性がある。したがって、圧縮機ファンのスピンにより、ファンブレードの数、およびファン回転周波数に対応する周波数で、クランクケースの内側に圧力波を生じさせることがある。

さらに、圧力は、ナイキスト速度より大きい、またはこれと等しい周波数でサンプリングすることができる。一実施形態では、圧力信号は、タービンまたは圧縮機一次周波数の２倍より大きい周波数でサンプリングすることができる。一実施形態では、圧力信号は、タービンまたは圧縮機最大周波数の２倍より大きい周波数でサンプリングすることができる。したがって、ナイキスト速度より大きいまたはこれと等しい周波数でのローパスフィルタリングおよびサンプリングによって、圧力の周波数成分が生じることがない。圧力がサンプリングされると、圧力を変換することができる。例えば、サンプリングした圧力を変換して、周波数領域圧力信号を生成することができる。一例では、高速フーリエ変換を使用して、周波数領域圧力信号を生成することができる。次に、相関アルゴリズムを適用することができる。一例では、相関アルゴリズムを適用して、周波数領域圧力信号、例えば、圧力の周波数成分を、ターボチャージャの状態に対するサインと比較することができる。例えば、健康なターボチャージャのサインは、一次周波数で周波数成分を含むことができる。

ステップ４０８では、周波数の中間／平均値が判断される。平均値は、ターボチャージャ劣化を診断するために、周波数成分と共に使用することができる。例えば、油キャビティ内で測定された平均値および周波数成分の両方における特定の閾値より上の圧力パルスの存在は、軸受および非接触シール故障を示し、その結果、給気がエンジンクランクケースに流れて、クランクケース過圧事象につながる可能性がある。

周波数成分が判断されると、ステップ４１０で、故障が検出されたかどうか判断される。一例として、圧力はまた、二次周波数（周波数の２倍）、三次周波数（周波数の３倍）などの、一次周波数の他の高調波での周波数成分を含むことができる。同様に、クランクケース圧力は、半次周波数（周波数の半分）などの、一次周波数より小さい周波数での周波数成分を含むことができる。故障は、一次周波数の高調波によって示すことができ、例えば、閾値より大きい半次周波数は故障したファンブレードを示す可能性がある。したがって、故障が検出された場合、方法はステップ４１２に続き、ここで、ターボチャージャの劣化が示される。上に記載したように、劣化が特定されると、コントローラは、オペレータインターフェイスパネルを介して表示される故障指標ランプ（ＭＩＬ）を点灯させるために診断コードを送信すること、診断コードを中央発送制御センタに送信することなどができる。

一方、ステップ４０８で故障が検出されない場合、方法はステップ４１２に移動し、ターボチャージャが劣化していない（または、特定の実施形態では、動作が行われない）ことが示される。

図５は、圧力信号の例示的な周波数成分を示すグラフ５００を示す。一次周波数は、閾値５０４より下で、５０２で示されている。上に記載したように、一次周波数成分は、タービンまたは圧縮機ファンの回転によるものである可能性がある。一次周波数が閾値５０４より下である場合、これは、均衡のとれた、または健康なタービンまたは圧縮機ファンであることを示すことができる。例えば、ファンブレード故障により、タービンまたは圧縮機が不均衡である場合、一次周波数の大きさが、閾値５０４より高くなるように増加する可能性がある。閾値５０４は、ファン速度、エンジン負荷、エンジンノッチ設定、外気温、外気圧、エンジン油温度、エンジン冷却剤温度、燃料噴射進角、給気圧、ターボチャージャ速度、給気温度などの、様々な動作状態に基づいて変化する可能性がある。例えば、より高いファン速度（例えば、ファンのより高速な回転）は、より大きな大きさの一次周波数を有することができる。このように、閾値５０４はファン速度と共に大きくなる可能性がある。このようにして、圧縮機またはターボチャージャファンの劣化を特定することができる。

このようにして、測定圧力信号の周波数成分を判断することができる。圧力信号の周波数成分を分析することによって、例えば故障したファンブレードによる、劣化した圧縮機またはタービンなどの状態を診断することができる。このように、ターボチャージャ劣化のより特定の診断を行うことができる。

図６は、図２を参照して上に記載したターボチャージャ２００などの、ターボチャージャ内の状態を診断する方法６００を示す。特に、方法は、ターボチャージャ内の様々な位置に位置決めされた圧力センサを使用して圧力を測定するステップと、（１つまたは複数の）測定圧力値をそれぞれの（１つまたは複数の）閾値圧力と比較するステップとを含む。例えば、第１の位置で測定された第１の圧力は、第１の閾値圧力と比較される。ターボチャージャの劣化は、第１の閾値圧力の下にある第１の圧力に基づいて判断される。上に記載したように、方法は、ターボチャージャが結合されるエンジンが動作中に、そして（場合によっては）ターボチャージャが位置決めされる鉄道車両などの車両が移動している間に、行われる。

ステップ６０２では、動作状態が判断される。動作状態としては、給気圧、外気圧、外気温、エンジンノッチ設定などを挙げることができる。

ステップ６０４では、圧力はターボチャージャ内の位置で測定される。上に記載したように、圧力センサは、圧縮機ケーシング内のディフューザに、シールキャビティ内に、油キャビティ内になど、ターボチャージャ内の様々な位置に配置することができる。いくつかの例では、圧力は、エンジンの吸気マニホールド内などの位置で判断することができる。いくつかの例では、圧力は２つ以上の位置で測定することができる。例えば、圧力は油キャビティおよびシールキャビティ内で測定することができ、または圧力は油キャビティ、および／またはシールキャビティ内で測定することができる。

圧力が測定されると、ステップ６０６で測定した圧力が閾値圧力を超えたかどうか判断される。例えば、非接触圧縮機ラビリンスシールおよびタービンラビリンスシールの一方または両方が劣化した場合、油キャビティ内の圧力が増加し、圧力は閾値圧力を超える可能性がある。別の例として、非接触シールの一方または両方が劣化した場合、シールキャビティ内の圧力が減少し、圧力は閾値圧力のより下に下がる可能性がある。いくつかの例では、圧力を、多数の位置で測定し、それぞれの閾値と比較することができる。例えば、第１の圧力は、油キャビティ内の第１の位置で測定することができ、第２の圧力は、圧縮機ケーシング内のディフューザで第２の位置で測定することができる。第１の圧力は、油キャビティに対する閾値圧力に対応する第１の閾値圧力と比較され、第２の圧力は、ディフューザに対する閾値圧力に対応する第２の閾値圧力と比較される。第１および第２の圧力が両方とも、それぞれの閾値を超えている場合、劣化を示している可能性がある。閾値圧力は、エンジン動作状態に基づいて変化する可能性があることを理解すべきである。例えば、閾値圧力と、測定した圧力は、エンジン速度、エンジン負荷、外気温、外気圧、エンジン油温度、エンジン冷却剤温度、燃料噴射進角、給気圧、ターボチャージャ速度、給気温度などで変化する可能性がある。

測定した圧力が閾値圧力を超えなかったと判断された場合、ステップ６１０でターボチャージャが劣化していないことが示される。代替として、特定の実施形態では、動作が行われないことがある。一方、測定した圧力が閾値圧力を超えたと判断された場合、ステップ６０８で、ターボチャージャが劣化していないことが示される。上に記載したように、劣化が特定されると、コントローラは、オペレータインターフェイスパネルを介して表示される故障指標ランプ（ＭＩＬ）を点灯させるために診断コードを送信すること、診断コードを中央発送制御センタに送信することなどができる。

このように、ターボチャージャの動作中に、ターボチャージャの劣化状態を診断することができる。例えば、圧縮機およびタービンラビリンスシールなどの１つまたは複数の非接触シール内の漏洩による、ターボチャージャの劣化は、ターボチャージャ内の１つまたは複数の測定した圧力がそれぞれの閾値圧力を超えた場合に、特定することができる。測定した圧力が閾値圧力を超えなかった場合、エンジンクランクケース過圧事象は、劣化したピストンリングまたは何らかの他のソースなどの、劣化したターボチャージャ以外の状態によるものである可能性があることを示すことができる。

いくつかの実施形態では、ターボチャージャの劣化は、ターボチャージャ内の測定圧力差、圧力信号の１つの周波数成分、および閾値圧力との測定した圧力の比較に基づくことがある。一例では、圧力差が閾値差より大きい場合にのみ、周波数成分を判断することができ、測定した圧力が閾値圧力を超えた場合にのみ、圧力差を判断することができる。

実施形態では、ターボチャージャ健康状態またはターボチャージャ状態を評価するためのパラメータ（例えば、圧力閾値）は、エンジン／システム動作モードの関数として経験的に判断される。所与のエンジン／システムでは、エンジン／システムが最適に動作していることが知られている場合に、システムのターボチャージャ内の圧力は、様々な動作モードに対して測定される。例えば、エンジン／システムは、テストモデル、新規モデル、最近整備したモデルなどであってもよい。（圧力を測定することができる位置は、本明細書の他の部分において記載されているようなところである。）圧力値はその後、同じまたは同様のタイプのエンジン／システム内のターボチャージャ健康状態を評価するために、記憶および使用される。別の実施形態では、圧力値は、同じまたは同様のタイプのエンジン／システムを評価する際に使用される１セットの複合値を判断するために、（最適に動作していると知られている）同じタイプのエンジン／システムのいくつかのユニット内で測定され、平均化されるかまたはそれ以外の方法で処理される。別の実施形態では、圧力値は、現場に展開され通常通り使用中であるエンジン／システムにおいて、ただしそのエンジン／システムが新しい時点、および／またはそれ以外で最適に動作していると考えられる時点で、測定される。圧力値は、ターボチャージャ健康状態の将来の評価のために、エンジン／システムの進行している使用中に、記憶され、その後、参照される。このような実施形態の別のバージョンでは、（新しい展開されたエンジン／システム内の）最初に感知された圧力値は、それらが同じまたは同様のタイプのエンジン／システムに対するテスト値の誤差閾値内にある場合に、将来の評価に使用されるだけである。したがって、最初に感知された値が、予期した値から（相対的に）離れている場合、指定された誤差閾値に基づいてもしくはその他の方法で、何か間違っている可能性があることをオペレータに報告するために警告または警報が生成されるか、または同様の是正動作が行われる。「エンジン／システム」は、エンジン、エンジンシステム、車両、またはエンジンシステムを有する他のシステムなどを意味する。

別の実施形態は、ターボチャージャ内の第１の位置で第１の圧力を判断するステップと、ターボチャージャ内の第２の位置で第２の圧力を判断するステップとを含む方法に関する。この方法はさらに、第１の圧力および第２の圧力に基づいて、ターボチャージャの状態を示す、またはこれに応じた、制御信号を出力するステップを含む。

方法の別の実施形態では、方法は、ターボチャージャ内の第１の位置で第１の圧力を判断するステップと、ターボチャージャ内の第２の位置で第２の圧力を判断するステップと、第１および第２の圧力の周波数成分を判断するステップとを含む。方法はさらに、第１の圧力、第２の圧力、および第２の圧力の周波数成分に基づいて、ターボチャージャの状態を示す、またはこれに応じた、制御信号を出力するステップを含む。

別の実施形態は、圧縮機およびタービンを備えたターボチャージャを含むシステムに関する。ターボチャージャは、車両内のエンジンに結合される。システムはさらに、第１の圧力センサ、第２の圧力センサ、およびコントローラを備える。第１の圧力センサは、ターボチャージャの油キャビティ内に配置され、第１の信号を生成するように構成されている。第２の圧力センサは、ターボチャージャのシールキャビティ内に配置され、第２の信号を生成するように構成されている。コントローラは、第１の信号から第１の圧力を、第２の信号から第２の圧力を特定し、第１および第２の圧力に基づいて、ターボチャージャの状態を判断するように構成されている。例えば、コントローラは、第１および第２の圧力に基づいて、ターボチャージャの健康状態を判断するように構成することができる。ターボチャージャの健康状態は、例えば、保守動作および／または交換の間で必要とされる間隔を反映する可能性がある。したがって、ターボチャージャの健康状態が劣化すると、保守動作がより頻繁な間隔で必要となり、ターボチャージャの健康状態が良くなると、保守動作はより少ない頻度の間隔で必要となる可能性がある。別の例として、コントローラは、指定された閾値差より大きい差などの、第１の圧力と第２の圧力の差に基づいて、ターボチャージャが（例えば、整備が必要とされる程度まで）劣化したかどうかを判断するように構成することができる。

別の実施形態は、ターボチャージャの第１の位置に配置された第１の圧力センサから第１の圧力信号を受信するように構成された制御モジュールを備えたシステムに関する。制御モジュールはさらに、ターボチャージャの第２の位置にある第２の圧力センサから第２の圧力信号を受信するように構成されている。（第１および第２の位置は、本明細書の別の箇所に記載されているところである。）制御モジュールはさらに、第１の圧力信号および第２の圧力信号に基づいて、制御信号を出力するように構成されている。例えば、制御モジュールは、第１および第２の圧力信号に基づいてターボチャージャの可能性のある劣化を評価し、ターボチャージャの劣化を判断することに応じて制御信号を出力するように構成することができる。制御信号は、劣化を示すために、システムを制御するようにフォーマットまたは構成（例えば、オペレータインターフェイス、警告）することができるか、または制御信号を使用して、劣化の責任を負うように車両牽引システムを制御することができる。制御モジュールは、１つまたは複数の指定された機能を行う（例えば、入力信号を受信する、および入力信号に基づいて出力／制御信号を生成する）ように構成された相互接続電子構成要素を備えることができるということを意味する、ハードウェアおよび／もしくはソフトウェアモジュールであってもよく、ならびに／または、電子デバイス（相互接続電子構成要素のグループ）によって読み取りおよび実行される場合に、電子デバイスに命令の内容にしたがって１つまたは複数の機能を行わせる、１つまたは複数の非一時媒体内に記憶された、１セットまたは複数セットの電子読取可能な命令を意味するソフトウェアであってもよい。

別の実施形態では、制御モジュールは、第１の圧力信号および第２の圧力信号に基づいて圧力差を判断し、圧力差が１つまたは複数の指定された基準を満たすかどうかを判断するように構成されている。圧力差が１つまたは複数の指定された基準を満たす場合、制御モジュールは、劣化したターボチャージャの状態を示す、またはこれに関連する制御信号を出力するように構成されている。１つまたは複数の指定された基準は、圧力が測定される位置の関数として予め決定され、ターボチャージャの劣化した状態を示す。例えば、健康なターボチャージャは通常、動作モードの関数として、２点間に第１の圧力差を有することができる。１つまたは複数の基準は、閾値より大きく、第１の圧力差（より小さいまたはより大きい圧力差）から逸脱することを含む。別の例として、１つまたは複数の基準は、より大きい圧力差のみ、またはより小さい圧力差のみを反映する閾値より大きく、第１の圧力差から逸脱することを含むことができる。すなわち、圧力差が通常「Ｘ」である場合、一実施形態では、基準は、Ｘが閾値だけ上回った場合にのみ満たされ、別の実施形態では、基準は、感知した圧力差が閾値だけＸより低い場合にのみ満たされる。選択された基準は、特定のターボチャージャ、および圧力が測定される位置に左右されることになる。

別の実施形態では、制御モジュールは、第１および第２の圧力信号の一方または両方の周波数分析を行い、周波数分析に（少なくとも部分的に）基づいて制御信号を出力するように構成されている。

一実施形態では、図７〜９を参照して以下に記載するように、コントローラ１４８（図１を参照して上に記載した）は、ターボチャージャに関連した変換器などの、油圧センサからのターボチャージャ油圧を示す信号を受信し、圧力信号の周波数成分および基準成分の１つまたは複数により軸受故障を判断するように構成することができる。図４を参照して上に記載したように、軸受および／または非接触シール劣化は、ターボチャージャ内の様々な位置で測定された、圧力信号の様々な高調波などの圧力信号の周波数成分に基づいて判断することができる。以下により詳細に記載するように、周波数成分に基づいてターボチャージャ軸受の劣化を特定する別の方法は、圧力信号の高周波数成分、および／または圧力信号の基準成分に基づくことができ、圧力は、ターボチャージャの圧油供給源において測定される。

図７は、図１を参照して上に記載したターボチャージャ１２０などの、エンジンに結合することができるターボチャージャ７００の例示的な実施形態の図を示す。図７に示す図は、ターボチャージャ７００の一部の断面図である。一例では、ターボチャージャ７００は、エンジンにボルト留めすることができる。別の例では、ターボチャージャ７００は、エンジンの排気通路と吸気通路の間に結合させることができる。他の例では、ターボチャージャは、別の適切な方法によってエンジンに結合させることができる。

ターボチャージャ７００は、タービン７０２および圧縮機７０４を備える。エンジンからの排気ガスは、タービン７０２を通過し、排気ガスからのエネルギーは回転運動エネルギーに変換されてシャフト７０６を回転させ、その後、シャフト７０６は圧縮機７０４を駆動する。外吸気は、より大量の空気をエンジンのシリンダに運ぶことができるように、回転している圧縮機７０４を通して引き出されるときに、圧縮される（例えば、空気の圧力が増加する）。

いくつかの実施形態では、タービン７０２および圧縮機７０４は、例えば、単一のユニット（例えば、ターボチャージャ７００）が形成されるように、互いにボルト留めされた別個のケーシングを有することができる。例として、タービンは、鋳造鉄で作られたケーシングを有することができ、圧縮機は、アルミニウム合金で作られたケーシングを有することができる。他の例では、タービンおよび圧縮機のケーシングは、同じ材料で作ることができる。タービンケーシングおよび圧縮機ケーシングは、あらゆる適切な材料で作ることができることを理解すべきである。

ターボチャージャ７００はさらに、シャフトが少ない摩擦で高速回転することができるように、シャフト７０６を支持するジャーナル軸受７０８、７１０を備える。圧縮機軸受は７０８で示され、タービン軸受は７１０で示される。ターボチャージャはさらに、軸受の劣化を低減し、軸受の温度を維持する（例えば、軸受を冷たく保持する）ために、潤滑システムを備えることができる。エンジンが動作中、エンジン油またはエンジン冷却剤の一定流は、例えば、ターボチャージャを通過することができる。一例では、加圧エンジン油は、油入口７１２を介してターボチャージャに入ることがある。油圧センサ７１４（例えば、変換器）は、油入口に対して動作可能に配置される。例えば、油圧センサ７１４は、圧油供給源内に配置することができる。動作中、油圧センサ７１４は、ジャーナル軸受に関連する油の圧力を示す信号７１６を生成する。信号７１６は、例えば、コントローラ１４８に供給することができる。

ターボチャージャの動作中、油は、油ポンプなどにより、エンジン油供給からターボチャージャに供給される。エンジン開始後、供給圧力は、図８に示すように、定常状態値８００に到達する。ターボチャージャに供給される油の圧力はいくらか低いが、また、エンジン開始後に、基準圧力８０２に到達する。（「基準」は、例えば、比較的低い周波数変化、および／または新しいターボチャージャまたはそうでなければ公称値で動作していると知られているターボチャージャに関連するポストエンジン開始ターボチャージャ油圧を有する、定常状態圧力のことを言う。）
本発明の実施形態では、油供給圧力の高周波数成分が監視されて、破壊的なシャフト動作および進行している軸受故障を予測する。このような目的で、基準ターボチャージャ油圧も監視することができる。シャフトが均衡しており、軸受が正常に動作している場合、ターボチャージャ内の油圧は、一定で予測可能となる。シャフトが不均衡または軸受摩耗により振動している場合、より高い周波数圧力信号が、圧力変換器によって検出される。基準圧力および高周波数信号は共に、シャフトおよび軸受の健康状態を予測することができる。この健康状態は、適当な動作を行うために、オペレータにターボチャージャの安全な平均寿命を報告することができる。

さらに説明するために、適切に設計されたターボチャージャジャーナル軸受が通常の方法で動作している場合、不均衡および軸受旋回力は、軸受上の重力負荷を超えない。ターボチャージャシャフトに関連する高速（ｒｐｍ）かつ比較的軽い負荷により、軸受は、パッドと呼ばれる個別の領域上にシャフトを支持するように設計されている。シャフトは、パッド内を安定して進む。この安定的シャフト動作は、圧力変換器にいずれの高周波数圧力波も伝達し戻さない。ロータシャフト不均衡力が、安定位置からシャフトを押し出すのに十分なだけ高い場合、シャフトは軸受内で旋回して、軸受間隙に迅速な変化が生じることになる。シャフトは、軸受に影響を与えて、高周波数圧力波が生じることになる。これらの破壊的動作による圧力波は、油供給孔まで伝達し戻されることになり、油圧センサによって検出することができる。これらの破壊的動作がしばらく続くままとされた場合、摩耗および変形が軸受に起こり、その結果、過剰な軸受間隙が生じる可能性がある。軸受間隙が大きくなったことにより、油圧変換器によって感知される基準圧力が小さくなることがある。軸受間隙が大きくなることにより、シャフト動作をさらに大きくし、その結果、軸受の故障につながる。

一実施形態では、図７および８を参照して、方法は、ターボチャージャ７００または他のターボマシンの圧油供給源の監視圧力を示す信号７１６を受信するステップを含む。方法はさらに、信号の高周波数成分８０４が、１つまたは複数の指定された基準を満たすかどうかを判断するステップを含む。圧力の高周波数成分が１つまたは複数の指定された基準を満たす場合、第１の制御信号８０６が生成される。例えば、制御信号は、ターボチャージャの予測健康状態（または、他の動作状態）に関するオペレータ警告を開始することができる。

別の実施形態では、方法はさらに、信号の基準成分８０２を監視するステップを含む。方法はさらに、基準成分における変化の大きさが、閾値量よりも大きい場合に、第２の制御信号８０８を生成するステップを含む。特定の一例では、方法は、変化の大きさが、第２の制御信号を生成する際に減少する場合の閾値より大きいかどうかを判断することができ、さらに別の例では、方法は、変化の大きさが、第２の制御信号を生成する際に増加する場合の閾値より大きいかどうかを判断することができる。

別の実施形態では、方法は、ターボチャージャ７００または他のターボマシンの圧油供給源の監視圧力を示す信号７１６を受信するステップを含む。方法はさらに、信号の高周波数成分８０４の第１の評価を行うステップと、信号の基準成分８０２の第２の評価を行うステップとを含む。第１および第２の評価に基づいて、ターボチャージャの予測動作状態を示す制御信号が生成される。第１の評価は、信号の高周波数成分が、１つまたは複数の指定された基準を満たすかどうかを判断するステップを含むことができ、第２の評価は、信号の基準成分の変化の大きさが、閾値量より大きい（および、減少または増加である）のかどうかを判断するステップを含むことができる。

基準成分８０２内の変化の大きさが閾値量より大きいかどうか（すなわち、基準成分が減少または増加するかどうか）を判断するステップは、時間の経過と共に基準成分のデータを記憶するステップと、基準成分の前の値を現在の値（または前の値の後に記録された複数のその後の値）と比較するステップとを含むことができる。一実施形態では、現在の値（またはその後の値）が前の値より低い（例えば、少なくとも閾値量だけ低い）場合、基準成分は減少していると判断することができる。別の例では、現在の値（またはその後の値）が前の値より高い（例えば、少なくとも閾値量だけ高い）場合、基準成分は増加していると判断することができる。いずれの場合でも、基準成分の変化の大きさは、閾値量より高い可能性がある。

信号の高周波数成分が１つまたは複数の指定された基準を満たすかどうかを判断するステップは、信号プロセッサなどを使用して信号を処理するステップを含むことができる。一実施形態では、基準は、何らかの高周波数成分が存在することを含む。すなわち、高周波数成分がある場合、基準は満たされたものとみなされる。他の基準は、高周波数成分の周波数および大きさに関する可能性がある。「高」周波数成分は、少なくとも閾値だけ基準成分より高い周波数、および／または実験的分析に基づいて、軸受摩耗を示すと経験的に判断された周波数範囲、および／またはターボチャージャシャフトの速度（ｒｐｍ）と等しい周波数のことを意味する。信号７１６は、標準的信号処理技術を使用して、（もしあれば）その高周波数成分に関して評価することができる。

図９は、図７を参照して上に記載したターボチャージャ７００などの、ターボチャージャを診断する方法９００を示すフローチャートを示す。特に、方法は、ターボチャージャの油供給キャビティ内の圧力測定に基づいて、ターボチャージャの軸受およびシャフトの予測される健康状態を判断する。ターボチャージャの予測健康状態はまた、ターボチャージャの安全な平均寿命を含むことができる。このように、これは、例えば、ターボチャージャ保守動作の間に必要とされる間隔を反映する可能性がある。したがって、ターボチャージャの予測された健康状態が劣化すると（すなわち、安全な平均寿命が少なくなると）、保守動作がより頻繁な間隔で必要とされることになる。比較すると、ターボチャージャの予測された健康状態が良くなると（すなわち、安全な平均寿命が長くなると）、保守動作があまり頻繁な頻度では必要とされないこととなる。

方法のステップ９０２では、システム動作状態が判断される。動作状態としては、給気圧、タービン速度、外気圧、外気温、エンジンノッチ設定などを挙げることができる。

動作状態が判断されると、方法はステップ９０４に進み、ここで、圧力が油供給内で測定される。例えば、圧力は、圧力変換器、または他の適切な圧力測定デバイスなどの圧力センサによって監視することができる。

ステップ９０６では、第１の評価は、圧力信号の高周波数成分を判断するために行われる。上に記載したように、圧力信号の高周波数成分は、少なくとも閾値だけ信号の基準成分より高い周波数であってもよい。他の例では、高周波数成分は、経験的分析に基づいて、軸受摩耗を示すと経験的に判断された周波数範囲であってもよい。別の例として、高周波数成分は、ターボチャージャシャフトの速度と等しい周波数であってもよい。例えば、高周波数成分は、タービン速度の高調波であってもよい。

第１の評価が行われると、方法はステップ９０８に続き、ここで、高周波数成分が、１つまたは複数の指定された基準を満たすかどうかが判断される。一例として、指定された基準は、閾値周波数を満たすまたは超える信号の高周波数成分を含むことができる。

高周波数信号が指定された基準を満たすと判断された場合、方法はステップ９１６に進み、ここで、第１の制御信号が生成される。第１の制御信号は、ターボチャージャの予測健康状態に関するオペレータ警告を示すことができる。例えば、制御信号は、システムが制御信号に応じてオペレータ警告を生成するようにフォーマット化することができる。例として、予測健康状態は、破壊的なターボチャージャシャフト動作および進行している軸受故障を含むことができる。このように、第１の制御信号はまた、ターボチャージャの劣化を示すようにフォーマット化することができる。

一方、高周波数成分が指定された基準を満たさないと判断された場合、方法はステップ９１０に進み、ここで、圧力信号の基準成分を判断するために第２の評価が行われる。上に記載したように、基準成分は、比較的低い周波数変化のみを有する定常状態圧力であってもよい。一例では、基準成分は、新しいターボチャージャまたはそうでなければ公称値で動作していると知られているターボチャージャに関連するポストエンジン開始ターボチャージャ油圧であってもよい。一例では、圧力信号の基準成分は、時間の経過と共に記憶することができる。このような例では、現在の値の基準成分を、記憶したデータを比較することができる。

このように、第２の評価が行われると、方法はステップ９１２に進み、ここで、圧力信号の基準成分の変化の大きさが、閾値量より大きいかどうかが判断される。すなわち、潤滑油回路の基準圧力パルスからのシフト、または潤滑油回路の基準圧力パルスの変化の大きさを判断することができる。このように、変化は、圧力信号の基準成分の増減を含むことができる。一例では、基準成分は減少することがあり、基準成分の現在の値が少なくとも閾値量だけ記憶されたデータより小さい場合に、基準成分が減少していると判断することができる。例として、基準成分のサインは、軸受間隙が小さくなると減少することになる。代替例では、基準成分は大きくなっている場合があり、基準成分の現在の値が少なくとも閾値量だけ記憶されたデータより大きい場合に増加していると判断することができる。例として、システムの全体的な動的応答が（不均衡により）回転ごとに１回見られる場合、基準成分のサインは増加する可能性がある。基準成分が閾値量より大きいだけ変化していない（すなわち、増減していない）と判断された場合、方法はステップ９１８に移動し、現在のシステム動作が続けられる。一方、基準成分の変化の大きさが閾値量より大きい（例えば、基準成分が減少している、または増加している）と判断された場合、方法はステップ９１４に続き、ここで、第２の制御信号が生成される。第１の制御信号と同様に、第２の制御信号は、ターボチャージャの予測動作状態を示すものであってもよい。例えば、第２の制御信号は、破壊的なターボチャージャシャフト動作および進行している軸受故障などの、ターボチャージャの劣化を示すことができる。別の例として、信号は、ターボチャージャの予測健康状態が劣化した、および／またはターボチャージャの安全な平均寿命が短くなったことを示すことができる。ターボチャージャの予測健康状態および安全な平均寿命の表示を行うことによって、保守動作を適当におよび適時に計画することができる。

軸受故障により生じる破壊的ターボチャージャシャフト動作により、信号の高周波数成分を検出することができるか、または高周波数成分は閾値周波数より大きい可能性がある。さらに、圧力信号の基準成分は、軸受故障により減少することがある。したがって、ターボチャージャの圧油供給源内の圧力の高周波数成分および基準成分の一方または両方を監視することによって、ターボチャージャの劣化を診断することができる。このように、例えば、ターボチャージャの動作を調節する、および／または予期しない故障を防ぐためにターボチャージャを整備するために、適当な動作を行うことができる。

本明細書で使用されるように、単数で引用され、「ａ」または「ａｎ」という語で始まる要素またはステップは、除外することが明示的に記されていない限り、前記要素またはステップの複数を除くものと理解すべきではない。さらに、本発明の「一実施形態」との言及は、引用された特性も組み込んだ追加の実施形態の存在を除くものとして解釈されることを意図したものではない。さらに、そうでないと明示的に記されていない限り、特定の特性を有する１つの要素または複数の要素を「備えた」、「含む」、または「有する」実施形態は、その特性を有していない追加のこのような要素を含む可能性がある。「含む」および「その中に（ｉｎ ｗｈｉｃｈ）」という用語は、それぞれ「備える」および「そこにおいて（ｗｈｅｒｅｉｎ）」という用語の分かりやすい言葉の同等物として使用される。さらに、「第１の」、「第２の」、および「第３の」など用語は、単にラベルとして使用されており、その対象物に数字的要件または特定の位置的順序を課すことを意図したものではない。

本明細書は、最良の形態を含め、本発明を開示するために、また、あらゆるデバイスまたはシステムを作り、使用すること、およびあらゆる組み込まれた方法を行うことを含め、本発明を当業者が実施できるようにするために、例を使用している。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が思い付く他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の文字通りの言葉とのごく僅かな差しかない同等の構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあることを意図している。

１００ 車両システム
１０２ レール
１０４ エンジン
１０６ 鉄道車両
１１２ 車輪
１１４ 吸気通路
１１６ 排気通路
１２０ ターボチャージャ
１４８ コントローラ
１５０ エンジンセンサ
１５２ エンジンアクチュエータ
１５４ 吸気マニホールド空気圧
２００ ターボチャージャ
２０２ タービン
２０４ 圧縮機
２０６ シャフト
２０８ 軸受
２１２ 油キャビティ
２１６ タービンラビリンスシール
２１８ 圧縮機ラビリンスシール
２２８ ディフューザ
２３０ 油キャビティ圧力センサ
２３２ 第１の圧力センサ
２３４ シールキャビティ
２３６ オリフィス
２３８ 第２の圧力センサ
３００ 方法
３０２ ステップ
３０４ ステップ
３０６ ステップ
３０８ ステップ
３１０ ステップ
３１２ ステップ
４００ 方法
４０２ ステップ
４０４ ステップ
４０６ ステップ
４０８ ステップ
４１０ ステップ
４１２ ステップ
５００ グラフ
５０２ 一次周波数
５０４ 閾値
６００ 方法
６０２ ステップ
６０４ ステップ
６０６ ステップ
６０８ ステップ
６１０ ステップ
７００ ターボチャージャ
７０２ タービン
７０４ 圧縮機
７０６ シャフト
７０８ ジャーナル軸受
７１０ ジャーナル軸受
７１２ 油入口
７１４ 油圧センサ
７１６ 信号
８００ 定常状態値
８０２ 基準圧力
８０４ 高周波数成分
８０６ 第１の制御信号
８０８ 第１の制御信号
９００ 方法
９０２ ステップ
９０４ ステップ
９０６ ステップ
９０８ ステップ
９１０ ステップ
９１２ ステップ
９１４ ステップ
９１６ ステップ
９１８ ステップ

Claims (14)

1. ターボチャージャまたは他のターボマシンの圧油供給源の監視圧力を示す信号を受信するステップと、
   前記信号の高周波数成分が、１つまたは複数の指定された基準を満たすかどうかを判断するステップと、
   前記圧力の前記高周波数成分が前記１つまたは複数の指定された基準を満たす場合、第１の制御信号を生成するステップと、
   前記信号の基準成分を監視するステップと、
   前記基準成分における変化の大きさが、閾値量よりも大きい場合に、第２の制御信号を生成するステップと、
   を含み、
   前記高周波数成分が、前記ターボチャージャまたは他のターボマシンの回転周波数よりも高い周波数に対応し、
   前記第２の制御信号は、前記ターボチャージャの劣化を示す、方法。
2. 前記信号の前記基準成分は、前記圧油供給源の定常状態圧力である、請求項１に記載の方法。
3. ターボチャージャまたは他のターボマシンの圧油供給源の監視圧力を示す信号を受信するステップと、
   前記信号の高周波数成分が、１つまたは複数の指定された基準を満たすかどうかを判断するステップと、
   前記圧力の前記高周波数成分が前記１つまたは複数の指定された基準を満たす場合、第１の制御信号を生成するステップとを含み、
   前記高周波数成分が、前記ターボチャージャまたは他のターボマシンの回転周波数よりも高い周波数に対応し、
   前記制御信号は、前記ターボチャージャの予測健康状態に関するオペレータ警告を示す、方法。
4. 前記予測健康状態は、破壊的なターボチャージャシャフト動作および進行している軸受故障を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記予測健康状態は、ターボチャージャの安全な平均寿命を含む、請求項３または４に記載の方法。
6. 前記高周波数成分は、軸受摩耗を示す範囲内の周波数を含む、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. ターボチャージャまたは他のターボマシンの圧油供給源の監視圧力を示す信号を受信するステップと、
   前記信号の高周波数成分が、１つまたは複数の指定された基準を満たすかどうかを判断することにより前記信号の前記高周波数成分の第１の評価を行うステップと、
   前記信号の基準成分の変化の大きさが、閾値量より大きいかどうかを判断することにより前記信号の前記基準成分の第２の評価を行うステップと、
   前記第１および第２の評価に基づいて、前記ターボチャージャの予測動作状態を示す制御信号を生成するステップと、
   前記信号の前記高周波数成分が、前記閾値周波数より大きい場合に、前記ターボチャージャの劣化を示すステップと、
   を含み、
   前記高周波数成分が、前記ターボチャージャまたは他のターボマシンの回転周波数よりも高い周波数に対応し、
   前記指定された基準は、閾値周波数より大きい前記信号の前記高周波数成分を含む、
   方法。
8. 前記信号の前記基準成分の変化の前記大きさが、前記閾値量より大きく増加する場合に、前記ターボチャージャの劣化を示すステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 時間の経過と共に前記信号の前記基準成分のデータを記憶するステップをさらに含み、前記第２の評価を行うステップは、前記基準成分の現在の値を前記記憶したデータと比較するステップを含む、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記高周波数成分は、少なくとも閾値だけ前記基準成分より高い周波数を有する、請求項７乃至９のいずれかに記載の方法。
11. 圧縮機およびタービンを備え、車両内のエンジンに結合されたターボチャージャと、
    周波数成分および基準成分を含む監視圧力を示す信号を生成するように構成され、前記ターボチャージャの圧油供給源内に配置された圧力センサと、
    前記圧力センサから前記信号を受信し、前記信号の高周波数成分が、１つまたは複数の指定された基準を満たすかどうかを判断することにより前記周波数成分の第１の評価を行い、前記信号の基準成分の変化の大きさが、閾値量より大きいかどうかを判断することにより前記基準成分の第２の評価を行い、前記第１および第２の評価に基づいて、制御信号を出力するように構成された制御モジュールとを備え、
    前記周波数成分が、前記ターボチャージャの回転周波数よりも高い周波数に対応し、
    前記信号の前記高周波数成分が、前記閾値周波数より大きい場合に、前記ターボチャージャの劣化を示し、
    前記指定された基準は、閾値周波数より大きい前記信号の前記高周波数成分を含む、
    システム。
12. 前記制御信号は、前記ターボチャージャの予測動作状態を示し、
    前記タービンおよび前記圧縮機は、シャフトを介して結合され、前記予測動作状態は、破壊的なターボチャージャシャフト動作を含む、請求項１１記載のシステム。
13. 前記タービンおよび前記圧縮機は、シャフトを介して結合され、前記予測動作状態は、破壊的なターボチャージャシャフト動作を含む、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記制御モジュールはさらに、前記圧力センサからの前記信号をフィルタリングして、前記高周波数成分の信号を出力するフィルタを備える、請求項１１乃至１３のいずれかに記載のシステム。