JP6234198B2 - ターボチャージャ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンのターボチャージャ装置に関し、特に、ターボチャージャを制御する制御装置の配置、および該制御装置によるターボチャージャの寿命予測に関する。
自動車等に用いられるエンジンにおいては、エンジンの出力を向上させるために、エンジンの排気ガスのエネルギーでタービンを回転させ、回転軸を介してタービンと直結させた遠心圧縮機で吸入空気を圧縮してエンジンに供給する排気ターボチャージャが広く知られている。
この排気ターボチャージャの寿命は、自動車用の場合には、自動車と同等の数１０万キロ、トラックやバスになると１００万キロ以上が求められる。
しかし、ターボチャージャは、その運転履歴（例えば、運転時間、回転回数、累積損傷度等）については十分把握されていない。また、ターボチャージャには高信頼性が求められるため、十分な安全率を持った設計が必要であり、材料強度の観点からハイスペック（高強度、高耐久性）となり、コスト高を招く。
一方、ターボチャージャの寿命予測については、ターボチャージャの疲れ寿命モニタ装置に関する発明が、特許文献１（特表２００２−５４４４４３号公報）に示されている。
該文献には、ターボ過給機の回転軸の回転速度を測定するセンサと、該センサからの回転速度情報を処理して実際のターボ過給機の故障確率を算出し、この実際のターボ過給機故障の確率と設定されたターボ過給機の故障確率とを比較する手段と、比較によって、実際の確率が設定されたターボ過給機の故障確率を超えている場合に、その旨を表示するとともに、修理を促すことが開示されている。
また、ターボ過給機タービンの吸気口温度も情報として入力されることが示され、さらに、中央演算処理装置および記憶装置が、エンジン制御モジュールとは無関係に、またはその一部としてパッケージ化されることが開示されている。
特表２００２−５４４４４３号公報
前述のように、ターボチャージャには高信頼性が求められるため、十分な安全率を持った設計が必要であり、材料強度の観点からハイスペックとなり、コスト高を招きやすい。そのため、ターボチャージャの寿命予測が精度良く行われれば、従来よりも、寿命を短く設定して、コスト低減を行ったターボチャージャを製造可能であり、初期費用を抑えることが可能になることから、精度良い寿命判定手法が必要とされている。
さらに、寿命に達したターボチャージャを交換する際に、ターボチャージャの運転履歴情報を記録したコントロールユニットを同時に回収できれば、運転履歴情報の取得、さらに故障等が発生した際の原因特定においても有効である。このため、エンジンを制御するエンジンＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）とは別個に、独立してターボチャージャの運転履歴が記録された記録手段が設置されてターボチャージャを交換する際に同時に回収できることが望まれる。
前記特許文献１には、ターボチャージャの寿命予測を行うことが開示されているが、具体的な予測手段についての開示はなく、さらに、ターボチャージャの交換に際して、ターボチャージャと同時に回収できるコントロールユニットの配置構造までは開示されていない。
そこで、かかる従来の技術的課題に鑑み、本願発明は、ターボチャージャの寿命を精度よく予測し、寿命に達した場合には、ターボチャージャを、該ターボチャージャの運転履歴のデータが記録されたターボコントローラ（ターボＥＣＵ）ごと交換可能にすることで、ターボチャージャの運転履歴情報の取得の容易性、およびターボチャージャの初期コストの低減を可能とするターボチャージャ装置を提供することを目的とする。
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、エンジンからの排ガスによって回転されるタービン及び該タービンによって回転駆動されてエンジンへの吸気を過給するコンプレッサを有したターボチャージャと、ウエストゲートバルブもしくはタービンへの排ガス量の可変容量機構を制御してターボチャージャの過給圧力を制御するターボコントローラと、を備え、該ターボコントローラは、エンジンの運転を制御するエンジンコントローラとは別に独立した制御演算部及びセンサ信号入力部を有し、前記ターボチャージャのコンプレッサ側のコンプレッサハウジングに取り付けられて配置され、さらに、前記ターボコントローラは、ターボチャージャの運転履歴情報を記録する運転履歴記録部を有し、前記センサ信号入力部から入力され前記運転履歴記録部に記録されたターボチャージャの回転軸の回転速度、前記コンプレッサによる過給圧、及び前記タービンに流入する排ガス温度のいずれかを少なくとも含む運転履歴情報を基に、ターボチャージャの寿命予測を行う寿命予測手段を有することを特徴とする。
かかる発明によれば、ターボコントローラは、エンジンコントローラとは別に独立した制御演算部及びセンサ信号入力部を有し、ターボチャージャのコンプレッサ側のコンプレッサハウジングに取り付けられて配置されるため、制御演算部やセンサ信号入力部が排ガスの熱影響を受けにくいレイアウトになっている。
また、ターボチャージャの交換に際して、同時にターボコントローラの回収を容易に行える。また、エンジンコントローラを経由せずに制御に必要なデータの入力や、演算が行われるため制御の応答性や精度を高めることが可能になる。
さらに、寿命に達したターボチャージャをターボコントローラとともに交換に容易できることによって、交換を前提としないハイスペックのターボチャージャよりも、初期コストの低減が可能になる。
また、本発明は、前述のように、前記ターボコントローラは、ターボチャージャの運転履歴情報を記録する運転履歴記録部を有し、前記センサ信号入力部から入力され前記運転履歴記録部に記録されたターボチャージャの回転軸の回転速度、前記コンプレッサによる過給圧、及び前記タービンに流入する排ガス温度のいずれかを少なくとも含む運転履歴情報を基に、ターボチャージャの寿命予測を行う寿命予測手段を有することを特徴とする。
このように寿命予測手段によって、ターボコントローラのセンサ信号入力部から入力されて、運転履歴データとして運転履歴記録部に記録したターボチャージャの回転軸の回転速度、コンプレッサの過給圧、タービンに入力する排ガス温度、さらに時間等の運転情報を用いて、寿命予測が行われる。
これらターボチャージャに関する運転履歴情報は、エンジンコントローラを経由せずに、ターボコントローラのセンサ信号入力部から直接入力されることで、エンジンコントローラからのデータ転送の場合では転送周期によっては精度良いデータが蓄積されないおそれがあるが、このような問題はなく、寿命判定に必要な運転履歴情報を用いて精度よい判定が可能になる。
また、ターボコントローラは、ターボチャージャの運転履歴情報を記録する運転履歴記録部を有するため、ターボコントローラの回収によって、運転履歴情報の入手が容易になり、運転情報を解析することで故障等の原因究明、さらには次の開発へ反映が容易となる。
また、本発明において好ましくは、前記寿命予測手段は、一定の時間間隔内におけるターボチャージャの回転軸の平均回転数または最高回転数を基に、各回転数の累積時間を算出する累積時間算出部と、該累積時間と予め設定された基準累積時間との比較によって寿命を判定する寿命判定部とを有すること特徴とする。
このような寿命予測手段よる寿命判定によれば、予め試験またはシミュレーション計算によって、回転数毎に寿命に達する累積時間を基準累積時間として算出しておき、その基準累積時間と累積時間算出部で算出した回転数に対する実際の累積時間との比較によって寿命に達したかを判定する。予め設定された基準累積時間との比較によって、簡単に判定可能である。
また、本発明において好ましくは、前記寿命予測手段は、前記コンプレッサによる過給圧に基づいて、コンプレッサのサージングに至るまでの過給圧の余裕値を示すサージマージンを算出するサージマージン算出部と、予め設定された基準サージマージンとの比較によって寿命を判定する寿命判定部とを有するとよい。
ターボチャージャは使用経過とともに性能劣化を生じ、運転範囲がコンプレッサの性能特性から設定されるサージングが生じるサージ圧力に近づく。このため、サージ圧力に対する過給圧力の余裕値であるサージマージンンを指標として、サージマージンが予め設定された基準サージマージンと比較することによって、寿命を判定することができる。
また、本発明において好ましくは、前記寿命予測手段は、ターボチャージャの回転軸の回転速度に基づいて、過回転に至る許容回転数までの余裕値を示す回転数マージンを算出する回転数マージン算出部と、予め設定された基準回転数マージンとの比較によって寿命を判定する寿命判定部とを有するとよい。
前述のサージマージンと同様に、ターボチャージャは使用年月の経過とともに性能劣化を生じ、特にウエストゲートバルブや、可変容量型ターボチャージャにおける可変ノズル機構の作動性能が低下し、タービンに流入する排ガス量の制御が十分になされずに過回転を生じるおそれがある。このため、許容過回転に対する実回転数の余裕値である回転数マージンを指標として、回転数マージンが予め設定された基準回転数マージンと比較することによって、寿命を判定することができる。
また、本発明において好ましくは、前記寿命予測手段は、タービンに流入する排ガス温度に基づいて、過昇温に至る許容排ガス温度までの余裕値を示す排温マージンを算出する排温マージン算出部と、予め設定された寿命排温マージンとの比較によって寿命を判定する寿命判定部とを有するとよい。
前述の過回転マージンにおいて説明したように、経過劣化によってウエストゲートバルブや、可変容量型ターボチャージャにおける可変ノズル機構の作動性能が低下し、過回転が生じやすくなり、それに伴って排ガス温度の上昇をもたらす。このため、許容排ガス温度の余裕値である排温マージンを指標として、排温マージンが予め設定された基準排温マージンと比較することによって、寿命を判定することができる。
また、本発明において好ましくは、前記寿命予測手段は、ターボチャージャの回転数変動における回転数極値を生じる回転数と、その回転数極値の発生回数とに基づいて寿命を判定する寿命判定部を有することを特徴とする。
このように回転変動における回転数極値を生じる回転数と、その回転数極値の発生回数とに基づいて寿命を予測するので、回転変動による応力振幅を捉えての寿命判定であるため、ターボチャージャのコンプレッサやタービンの羽根車の翼における疲労強度を基に判定するため、精度良い寿命判定が可能となる。
また、本発明において好ましくは、前記寿命予測手段は、前記回転数極値を判定する回転数極値判定部と、回転数極値の回転数より応力振幅を算出する応力算出部と、該応力振幅からコンプレッサまたはタービンの羽根車の翼の疲労強度のＳＮ線図を基に繰り返し回数を算出する繰り返し回数算出部と、回転数極値の回転数よりダメージファクタを算出するダメージファクタ算出部と、該ダメージファクタを前記繰り返し回数累積してダメージファクタ累積値を算出するダメージファクタ累積部と、該ダメージファクタ累積部で算出したダメージファクタ累積値と、予め設定されたダメージファクタ基準累積値との比較によって寿命を判定する前記寿命判定部とを有するとよい。
このように、寿命予測判定手段では、回転変動における回転数極値を生じる回転数と、その回転数極値の発生回数とに基づいて寿命を予測するに際して、具体的に、回転数極値判定部、応力算出部、繰り返し回数算出部、ダメージファクタ算出部、ダメージファクタ累積部と、寿命判定部とを有して構成されることによって、ターボチャージャのコンプレッサやタービンの羽根車の翼における疲労強度を基に精度良い寿命判定が可能となる。
本発明によれば、ターボチャージャの寿命を精度よく予測し、寿命に達した場合には、ターボチャージャを、該ターボチャージャの運転履歴のデータが記録されたターボコントローラ（ターボＥＣＵ）ごと交換可能にすることで、ターボチャージャの運転履歴情報の取得の容易性、およびターボチャージャの初期コストの低減を達成できる。
本発明のターボチャージャ装置にかかる第１実施形態を示す全体構成図である。 第１実施形態におけるエンジンＥＣＵとターボＥＣＵとの信号のやり取りを示す説明図である。 図２のターボＥＣＵの構成ブロック図である。 図２の信号のやり取りの他の例を示す説明図である。 ターボＥＣＵにおける運転履歴データの取得および寿命予測の流れの概要を示すタイムチャート説明図である。 ターボＥＣＵにおける寿命予測の手順を示すフローチャートである。 図６のフローチャートのＡ部の詳細を示すフローチャートである。 図７のフローチャートのイメージを示す説明図である。 第２実施形態を示し、寿命予測手段における寿命予測手順を示すフローチャートである。 第３実施形態を示し、寿命予測手段の全体構成の説明図である。 第３実施形態の寿命予測手順を示すフローチャートである。 図１１のフローチャートのステップＳ４１、Ｓ４２の説明図である。 図１１のフローチャートのステップＳ４３、Ｓ４４の説明図である。 第４実施形態を示し、可変ノズルベーンを有した可変容量型ターボチャージャへの適用を示した全体構成図である。 第５実施形態を示し、２段ターボチャージャへの適用を示した全体構成図である。
以下、本発明に係る実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施例に係るターボチャージャ装置１の全体構成を示し、エンジン３は、自動車、トラック、バス、船舶、産業用エンジン等に搭載されるディーゼエンジンまたはガソリンエンジンである。この例では、ガソリンエンジンを示し、燃焼室５、ピストン７、吸気弁９、排気弁１１、点火プラグ１３を備え、吸気通路１５にはスロットル弁１７、インタークーラ１９が設けられ、スロットル弁１７の吸気下流側の吸気ポートには燃料噴射ノズル２１が設けられている。
また、エンジン３には排気ターボチャージャ（ターボチャージャ）２３が設けられ、エンジン３からの排ガスによって回転されるタービン２３ａと、該タービン２３ａによって回転駆動されてエンジン３への吸気を過給するコンプレッサ２３ｂを有し、コンプレッサ２３ｂにはエアクリーナ２５を通って空気が流入されるようになっている。
また、エンジン３からターボチャージャ２３のタービン２３ａにつながる排気通路２７は、途中で分岐し分岐通路２９が形成され、該分岐通路２９にはウエストゲートバルブ３１が設けられ、タービン２３ａをバイパスして下流の排気通路に連通している。
図１、２に示すように、エンジン３は、エンジン回転数、エンジン負荷（アクセル信号）を含むエンジン制御信号を基に、エンジンコントローラ（エンジンＥＣＵ）３３によって、燃料噴射ノズル２１の噴射タイミングや、点火プラグ１３の点火時期等の制御を行っている。
一方、ターボチャージャ２３は、ターボコントローラ（ターボＥＣＵ）３５からの信号で、ウエストゲートバルブ３１の開閉を行うアクチュエータ３１ａの作動を制御してターボチャージャ２３の過給圧が制御されるようになっている。
図１、２に示すように、該ターボＥＣＵ３５には、各種センサからの信号が入力されている。例えば、ターボチャージャ２３の回転軸３７の回転速度を検出するターボ回転速度センサ３９からの回転数信号、ウエストゲートバルブ３１の開度信号、コンプレッサ２３ｂによる過給圧力を検出する圧力センサ４１からの信号、さらに、タービン２３ａへ導入される排ガス温度を検出する温度センサ４３からの信号がそれぞれ入力されている。
さらに、ターボＥＣＵ３５は、図３に示すように、エンジンＥＣＵ３３とは別に独立した制御演算部４４及びセンサ信号入力部４５を有するとともに、ターボチャージャ２３の運転履歴情報を記録する運転履歴記録部４７、及びターボチャージャ２３の寿命に到達したかの判定する寿命予測手段４９を有している。そして、ユニット化されたターボＥＣＵ３５は、図１で示すように、ターボチャージャ２３のコンプレッサ２３ｂ側のコンプレッサハウジングに取り付けられて配置されている。
このように、ターボＥＣＵ３５は、エンジンＥＣＵ３３とは別に独立した制御演算部４４およびセンサ信号入力部４５を有し、さらに、ターボチャージャ２３の運転履歴情報を記録する運転履歴記録部４７を有し、ターボチャージャ２３のコンプレッサ２３ｂ側のコンプレッサハウジングに取り付けられて配置されるため、排ガスの熱影響を受けにくく、熱による影響も少ない。
また、ターボチャージャ２３の交換に際して、同時にターボＥＣＵ３５の回収が容易に行える。これによって、運転履歴情報の入手が容易になり、運転情報を解析することで故障等の原因究明、さらには次の開発へ反映が容易となる。
エンジンＥＣＵ３３と、ターボＥＣＵ３５との信号のやり取りの概要を、図２に示す。図２において、エンジンＥＣＵ３３では、エンジン回転数、アクセル開度等のセンサ信号が入力され、これら信号を基に、目標過給圧制御、空燃比制御、燃料噴射量制御、点火時期制御等のエンジンの作動制御が実施される。
そして、エンジン回転数や燃料噴射量等の状態量の情報、及び目標過給制御信号が、エンジンＥＣＵ３３側からターボＥＣＵ３５側へ、通信回線を通って所定の通信周期で送信される。またターボＥＣＵ３５側からは、後述する寿命予測の結果、寿命に到達していると判定した結果のアラーム信号等がエンジンＥＣＵ３３側に返送されるようになっている。
ターボＥＣＵ３５の制御演算部４４では、エンジンＥＣＵ３３からの目標過給圧制御信号、及びターボチャージャ２３側の各種センサ信号を基に、目標過給圧になるようにターボチャージャ２３のアクチュエータ、例えばウエストゲートバルブ３１を開閉作動するアクチュエータ３１ａを制御する。
尚、図４は、図２、３のターボＥＣＵ３５の変形例を示すものであり、図４のターボＥＣＵ５１は、図２のターボＥＣＵ３５の制御演算部４４に相当する構成を有せずに、エンジンＥＣＵ３３からの制御信号で、目標過給圧になるようにターボチャージャ２３のアクチュエータ、例えばウエストゲートバルブ３１を開閉作動するアクチュエータを直接開閉制御してもよい。
次に、図５、図６を参照して、ターボＥＣＵ３５における寿命予測手段４９について説明する。図５は図２、３に示すエンジンＥＣＵ３３とターボＥＣＵ３５との信号のやり取りの関係が前提となっている。
まず、図６のステップＳ１では、ターボＥＣＵ３５から、一定間隔の時間ｔ１、ｔ２、ｔ３、…毎に、ウエストゲートバルブ３１のアクチュエータに制御指令値を発する。
その後、ステップＳ２では、ｔ２のタイミングで、ｔ１〜ｔ２間の回転数、排気温度、過給圧等の運転履歴データを運転履歴記録部４７に記録する。同様にｔ３ではｔ２〜ｔ３、ｔ４ではｔ３〜ｔ４のデータをそれぞれ記録する。
その後、ステップＳ３では、一定間隔の時間内に記録した前記運転履歴データを基に寿命演算を行い、ステップＳ４で、寿命基準値と比較して、寿命基準値を超えている場合には、寿命に達したと判定して、ステップＳ５でアラームをエンジンＥＣＵ３３側に出力する。
図６に示すフローチャートのステップＳ３〜Ｓ５の範囲Ａについての詳細を図７、８に示す。図７のステップＳ２１で、一定間隔の時間内における平均回転数、若しくはその時間内における最高回転数に対する累積運転時間を演算する。一定間隔の時間は、ウエストゲートバルブ３１のアクチュエータ３１ａへの制御量の作動指令出力タイミングと同一の間隔として、その間の回転速度をターボ回転速度センサ３９から信号によって検出する。
累積時間は、そのサンプリングの一定間隔の時間の累積値として算出し、該算出を行う累積時間算出部５０を備えている。イメージとしては図８のようになり、横軸に回転数（Ｎ）をとると、平均回転数、または最高回転数毎の累積時間が縦軸に表さられる。
そして、ステップＳ２２で、予め試験またはシミュレーション計算によって、回転数毎に寿命に達する累積時間を基準累積時間として算出しておき、その基準累積時間と前記累積時間算出部で算出した各回転数に対する実際の累積時間との比較によって寿命に達したかを判定する。例えば、各回転数から応力振幅を算出し、ＳＮ線図を用いて導出するダメージファクタを累積していき、ダメージファクタが１を超えた場合に寿命に達したと判定するとよい。アラームの発報はダメージファクタに安全率を乗じたクライテリアを超えた場合に行えばよい。
そして、ステップＳ２３において、寿命に達したと判定した場合にはアラームを出力する。このように、回転数に対する累積時間を基に、予め設定された基準累積時間との比較によって、簡単に寿命の判定をすることができる。
また、寿命に達したことを報知することで、ターボチャージャの交換を促すため、交換を前提としないハイスペックのターボチャージャよりも、コスト低減が可能になる。
（第２実施形態）
次に、図９を参照して、ターボＥＣＵ３５における寿命予測手段４９の第２実施形態を説明する。
第２実施形態の寿命予測手段５３においては、まず、ステップＳ３１で、一定間隔の時間内における平均過給圧または最高過給圧に基づいてサージマージンを算出する。ターボチャージャは使用経過とともに性能劣化を生じ、当初のコンプレッサの性能特性から設定されるサージングが生じるサージ圧力に対しての実際の給気圧力の余裕度（サージマージン）が当初より低下する。
従って、サージマージンンを算出して、その値を指標として寿命を判定するものである。このサージマージンは具体的には、実際の過給圧力に対する実際の過給圧力とサージ圧力との偏差として算出される。
次に、ステップＳ３２で、算出したサージマージンが予め設定された基準サージマージンと比較して、その差が許容値以下かどうか判定する。許容値以下に低下している場合には、劣化が進んでいると判定する。そして、ステップＳ３３で、再度同様の判定を行って、連続した２回の一定期間においてサージマージンが基準サージマージン以下であるか判定する。同様の判定が連続して得られた場合に、ステップＳ４０へ進んでアラームを出力する。
また、回転数マージンに対しても同様の判定がステップＳ３４〜Ｓ３６で行われる。まず、ステップＳ３４で、一定間隔の時間内における平均回転数または最高回転数に基づいて回転数マージンを算出する。
前述のサージマージンと同様に、ターボチャージャは使用経過とともに性能劣化を生じ、特にウエストゲートバルブや、可変容量型ターボチャージャにおける可変ノズル機構の作動性能が低下し、タービンに流入する排ガス量の制御が十分になされずに過回転を生じるおそれがある。このため、許容過回転に対する実回転数の余裕値である回転数マージンを算出して、その値を指標として寿命を判定する。
この回転数マージンは具体的には、実際の回転数に対する実際の回転数と許容回転数との偏差として算出される。
次に、ステップＳ３５で、算出した回転数マージンが予め設定された基準サージマージンと比較して、その差が許容値以下かどうか判定する。許容値以下に低下している場合には、劣化が進んでいると判定する。そして、ステップＳ３６で、再度同様の判定を行って、連続した２つの一定期間において回転数マージンが基準回転数マージン以下であるか判定する。同様の判定が連続して得られた場合に、ステップＳ４０へ進んでアラームを出力する。
さらに、排温マージンに対しても同様の判定がステップＳ３７〜Ｓ３９で行われる。まず、ステップＳ３７で、一定間隔の時間内における平均排温または最高排温に基づいて排温マージンを算出する。
前述のサージマージン、回転数マージンと同様に、ターボチャージャは使用経過とともに性能劣化を生じ、特にウエストゲートバルブや、可変容量型ターボチャージャにおける可変ノズル機構の作動性能が低下し、タービンに流入する排ガス量の制御が十分になされずに過回転を生じ、排温が異常上昇するおそれがある。このため、許容排温に対する実排温の余裕値である排温マージンを算出して、その値を指標として寿命を判定する。
この排温マージンは具体的には、実際の排温に対する実際の排温と許容排温との偏差として算出される。
次に、ステップＳ３８で、算出した排温マージンが予め設定された基準排温マージンと比較して、その差が許容値以下かどうか判定する。許容値以下に低下している場合には、劣化が進んでいると判定する。そして、ステップＳ３９で、再度同様の判定を行って、連続した２つの一定期間において排温マージンが基準排温マージン以下であるか判定する。同様の判定が連続して得られた場合に、ステップＳ４０へ進んでアラームを出力する。
以上のように、サージマージ、回転数マージン、排温マージンの少なくとも何れか一つのマージンが、連続して許容値以下に低下した場合には、ターボチャージャ２３が寿命に達したものと判定するので、劣化状態さらには、寿命を的確に判定できる。これら３つのマージンの判定を全て合わせて判定してもよく、この場合には、寿命の判定精度をより向上できる。
なお、寿命予測手段５３には、図３に示すように、サージマージン算出部（９５）と、予め設定された基準サージマージンとの比較によって寿命を判定する寿命判定部（９６）、とを備え、さらに、回転数マージン算出部（９７）と、予め設定された基準回転数マージンとの比較によって寿命を判定する寿命判定部（９８）とを備え、さらに、排温マージンを算出する排温マージン算出部（９９）と、予め設定された基準排温マージンとの比較によって寿命を判定する寿命判定部（１００）とを備えている。
（第３実施形態）
次に、図１０〜１３を参照して、ターボＥＣＵ３５における寿命予測手段４９の第３実施形態を説明する。
この第３実施形態の寿命予測手段５４においては、第１、第２実施形態のように一定間隔の時間内における過給圧や、回転数や、排温等によって判定するものではなく、ターボチャージャ２３の回転数変動の極値の出現回数とその時の回転数とを全運転期間に渡って記録した情報に基づいて判定する。
寿命予測手段５４は、図１０に示すように、回転数極値を判定する回転数極値判定部５５と、回転数極値の回転数より応力振幅を算出する応力算出部５６と、該応力振幅からコンプレッサ２３ｂまたはタービン２３ａの羽根車の翼の疲労強度のＳＮ線図を基に繰り返し回数を算出する繰り返し回数算出部５７と、回転数極値の回転数よりダメージファクタを算出するダメージファクタ算出部５８と、該ダメージファクタを繰り返し回数累積してダメージファクタ累積値を算出するダメージファクタ累積部５９と、該ダメージファクタ累積部５９で算出したダメージファクタ累積値と、予め設定されたダメージファクタ基準累積値との比較によって寿命を判定する寿命判定部６０を有して構成されている。
図１１のフローチャートにおいて、まず、ステップＳ４１で、ターボチャージャ２３の回転数の極値出現より短いサンプリング周期で回転数を取得する。ステップＳ４２で、回転数極値判定部５５によって回転数極値（Ｎｉ，Ｎｉ＋１，Ｎｉ＋２…）を算出して記録する。その他の回転数はデリートする。このステップＳ４１、Ｓ４２のイメージを図１２に示す。
次に、ステップＳ４３で、回転数Ｎから応力振幅を算出する。この際に、応力振幅Δσ∝Ｎｉ ２−Ｎｉ＋１ ２の関係を用いて、応力振幅Δσを算出する。より複雑な運転モードでは、Ｒａｉｎ ｆｌｏｗ法などを用いて応力振幅Δσを算出してもよい。
ステップＳ４４で、疲労強度におけるＳＮ線図を用いて、ＳＮ線図から繰り返し回数ｎを算出する。このステップＳ４３、Ｓ４４のイメージを図１３に示す。
また、応力振幅の算出は、応力算出部５６で、ＳＮ線図を基に繰り返し回数の算出は繰り返し回数算出部５７で行われる。
次に、ステップＳ４５で、ダメージファクタを算出し、その累積をステップＳ４６で行う。このダメージファクタΔＤｆｉ＝１／Ｎｉで定義され、ダメージファクタ累積Ｄｆは、Ｄｆ＝ΔＤｆｉ＋ΔＤｆｉ＋１＋ΔＤｆｉ＋２＋…ΔＤｆｎの式によって算出される。
次に、ステップＳ４７で、ダメージファクタ累積値と、予め設定されたダメージファクタ基準累積値（１×安全率）との比較によって寿命を判定する。具体的には、Ｄｆ＜１×安全率の比較式によって判定する。なお、この関係式によって、寿命を判定する。
ステップＳ４７で、ダメージファクタ累積値がダメージファクタ基準累積値未満である場合には、ステップＳ４２に戻り極値の算出から繰り返す。ダメージファクタ基準累積値以上である場合には、ステップＳ４８に進んでアラームを出力する。
以上のように第３実施形態では、寿命予測手段５４によって、回転変動における回転数極値を生じる回転数と、その回転数極値の発生回数とに基づいて寿命を予測するに際して、具体的に、回転数極値判定部５５、応力算出部５６、繰り返し回数算出部５７、ダメージファクタ算出部５８、ダメージファクタ累積部５９と、寿命判定部６０とを有して構成されることによって、ターボチャージャ２３のコンプレッサ２３ｂやタービン２３ａの羽根車の翼における疲労強度を基に精度良い寿命判定が可能となる。
なお、ステップＳ４４で、疲労強度におけるＳＮ線図を用いて、ＳＮ線図から繰り返し回数ｎを算出する場合において、ＳＮ線図をコンプレッサ２３ｂの翼材料に対してのものと、タービン２３ａの翼材料に対してのものとをそれぞれ持ち、両方に対して寿命予測してもよい。この場合には、両方に対して寿命予測を行うためより精度の向上が図れる。また、予め設計で弱い方がわかっている場合には、そちらのみを監視して判定してもよい。この場合には、効率的に精度よい判定が可能になる。
（第４実施形態）
次に、図１４を参照して、第４実施形態について説明する。第４実施形態は、第１実施形態に対して、ウエストゲートバルブ３１に代えてターボチャージャ２３が可変容量型ターボチャージャ６１であることが相違し、その他の構成は第１実施形態と同様である。そのため同一構成には同一符号を付して説明は省略する。
図１４のように、可変容量型ターボチャージャ６１は、エンジン３からの排ガスによって回転されるタービン６１ａへ導入する排ガスの流量を調整する可変ノズル機構６３が、動翼の外周側に周方向に並べて設けられるターボチャージャである。
従って、ターボＥＣＵ３５は、第１実施形態と同様に、各種センサからの信号がセンサ信号入力部に入力されて、ターボＥＣＵ３５の制御演算部４４では、エンジンＥＣＵ３３からの目標過給圧制御信号、及び可変容量型ターボチャージャ６１側の各種センサ信号を基に、目標過給圧になるように可変ノズル機構６３のガイドベーンを開閉作動するアクチュエータ６３ａを制御する。
この可変ノズル機構６３は、可変容量型ターボチャージャ６１のケーシング内に設けられるため、第１実施形態のようにウエストゲートバルブ３１を設ける構造では、バイパス通路を配管する必要があるが、本実施形態においてはそのような配管が不要であり、ターボチャージャ装置を簡素化できる。
その他、寿命判定の手法については、第１実施形態〜第３実施形態が適用され、これら実施形態と同様の作用効果を有する。
また、ウエストゲートバルブ３１のアクチュエータ３１ａの制御に代えて可変ノズル機構６３のガイドベーンを開閉作動するアクチュエータ６３ａを制御することを説明したが、ウエストゲートバルブ３１と、この可変容量型ターボチャージャ６１との両方を併設させ、それぞれを制御するターボチャージャ装置であっても勿論よい。
（第５実施形態）
次に、図１５を参照して、第５実施形態について説明する。第５実施形態は、第１実施形態に対して、ターボチャージャが、第１（低圧段）ターボチャージャ７１と、第２（高圧段）ターボチャージャ７３との２段ターボチャージャ装置からなっている点が相違し、その他の構成は第１実施形態と同様である。そのため同一構成には同一符号を付して説明は省略する。
図１５のように、吸気上流側から第１（低圧段）ターボチャージャ７１と第２（高圧段）ターボチャージャ７３とが直列に設けられている。
吸気側では、エアクリーナ２５からの空気は、第１コンプレッサ７１ｂを通ってその下流側の第２コンプレッサ７３ｂに導入され、その下流側にはインタークーラ１９が設けられている。排気側では、エンジン３からの排ガスエネルギーによって、第２（高圧段）タービン７３ａが駆動され、さらに排ガスが下流に流れて第１（低圧段）タービン７１ａを駆動する。
また、第１タービン７１ａをバイパスする第１バイパス通路７５には第１ウエストゲートバルブ７５ａが設けられ、また、第２タービン７３ａをバイパスする第２バイパス通路７７には第２ウエストゲートバルブ７７ａが設けられている。
本実施形態のように、第１実施形態のように１段のターボチャージャ２３より、２段階にして第１ターボチャージャ７１と第２ターボチャージャ７３とを直列に配置することで、過給圧を迅速に高めることができるため、応用性を向上できる。
ターボＥＣＵ３５には、第１ターボチャージャ７１と、第２ターボチャージャ７３とのそれぞれに対して、圧力センサ４１、８１、温度センサ４３、７９、ターボ回転速度センサ３９、８３の信号がそれぞれ入力され、第１ターボチャージャ７１と、第２ターボチャージャ７３とに対して寿命判定が行われる。寿命判定の手法については、第１実施形態〜第３実施形態が適用され、これら実施形態と同様の作用効果を有する。
本発明によれば、ターボチャージャの寿命を精度よく予測し、寿命に達したターボチャージャを、該ターボチャージャの運転履歴のデータが記録されたターボコントローラ（ターボＥＣＵ）ごと交換可能にすることで、ターボチャージャの運転履歴情報の取得の容易性、およびターボチャージャの初期コストの低減を達成できるので、車両、船舶、定置式エンジンのターボチャージャ装置への利用に適している。
１ ターボチャージャ装置
３ エンジン
２３ 排気ターボチャージャ（ターボチャージャ）
２３ａ タービン
２３ｂ コンプレッサ
３１ ウエストゲートバルブ
３１ａ アクチュエータ
３３ エンジンＥＣＵ（エンジンコントローラ）
３５、５１ ターボＥＣＵ（ターボコントローラ）
３９、８３ ターボ回転速度センサ
４１、８１ 圧力センサ
４３、７９ 温度センサ
４４ 制御演算部
４５ センサ信号入力部
４７ 運転履歴記録部
４９、５３、５４ 寿命予測手段
５０ 累積時間算出部
５５ 回転数極値判定部
５６ 応力算出部
５７ 繰り返し回数算出部
５８ ダメージファクタ算出部
５９ ダメージファクタ累積部
６０、９０ 寿命判定部
６３ 可変ノズル機構
６３ａ アクチュエータ
７１ 第１ターボチャージャ
７３ 第２ターボチャージャ

Claims (7)

  1. エンジンからの排ガスによって回転されるタービン及び該タービンによって回転駆動されてエンジンへの吸気を過給するコンプレッサを有したターボチャージャと、
    ウエストゲートバルブもしくはタービンへの排ガス量の可変容量機構を制御してターボチャージャの過給圧力を制御するターボコントローラと、を備え、
    該ターボコントローラは、エンジンの運転を制御するエンジンコントローラとは別に独立した制御演算部及びセンサ信号入力部を有し、前記ターボチャージャのコンプレッサ側のコンプレッサハウジングに取り付けられて配置され、
    さらに、前記ターボコントローラは、ターボチャージャの運転履歴情報を記録する運転履歴記録部を有し、前記センサ信号入力部から入力され前記運転履歴記録部に記録されたターボチャージャの回転軸の回転速度、前記コンプレッサによる過給圧、及び前記タービンに流入する排ガス温度のいずれかを少なくとも含む運転履歴情報を基に、ターボチャージャの寿命予測を行う寿命予測手段を有することを特徴とするターボチャージャ装置。
  2. 前記寿命予測手段は、一定の時間間隔内におけるターボチャージャの回転軸の平均回転数または最高回転数を基に、各回転数の累積時間を算出する累積時間算出部と、該累積時間と予め設定された基準累積時間との比較によって寿命を判定する寿命判定部とを有することを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ装置。
  3. 前記寿命予測手段は、前記コンプレッサによる過給圧に基づいて、コンプレッサのサージングに至るまでの過給圧の余裕値を示すサージマージンを算出するサージマージン算出部と、予め設定された基準サージマージンとの比較によって寿命を判定する寿命判定部とを有すること特徴とする請求項１記載のターボチャージャ装置。
  4. 前記寿命予測手段は、ターボチャージャの回転軸の回転速度に基づいて、過回転に至る許容回転数までの余裕値を示す回転数マージンを算出する回転数マージン算出部と、予め設定された基準回転数マージンとの比較によって寿命を判定する寿命判定部とを有すること特徴とする請求項１記載のターボチャージャ装置。
  5. 前記寿命予測手段は、タービンに流入する排ガス温度に基づいて、過昇温に至る許容排ガス温度までの余裕値を示す排温マージンを算出する排温マージン算出部と、予め設定された基準排温マージンとの比較によって寿命を判定する寿命判定部とを有すること特徴とする請求項１記載のターボチャージャ装置。
  6. 前記寿命予測手段は、ターボチャージャの回転数変動における回転数極値を生じる回転数と、その回転数極値の発生回数とに基づいて寿命を判定する寿命判定部を有することを特徴とする請求項１記載のターボチャージャ装置。
  7. 前記寿命予測手段は、前記回転数極値を判定する回転数極値判定部と、回転数極値の回転数より応力振幅を算出する応力算出部と、該応力振幅からコンプレッサまたはタービンの羽根車の翼の疲労強度のＳＮ線図を基に繰り返し回数を算出する繰り返し回数算出部と、回転数極値の回転数よりダメージファクタを算出するダメージファクタ算出部と、該ダメージファクタを前記繰り返し回数累積してダメージファクタ累積値を算出するダメージファクタ累積部と、該ダメージファクタ累積部で算出したダメージファクタ累積値と、予め設定されたダメージファクタ基準累積値との比較によって寿命を判定する前記寿命判定部とを有すること特徴とする請求項６記載のターボチャージャ装置。
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