JP7188339B2 - ファンベルト異常検出装置 - Google Patents

Description

本開示は、内燃機関のファンベルトの異常を検出するためのファンベルト異常検出装置に関する。

一般に、ファンがクランクシャフトからオフセットして配置される内燃機関では、クランクシャフトに取り付けられたクランクプーリと、ファンに取り付けられたファンプーリとの間にファンベルトが掛け渡される。

特開２０１８－２００００５号公報

ファンベルトは使用につれ徐々に劣化する。ファンベルトが劣化するとクランクシャフトの駆動力がファンに十分伝達されなくなり、ファンの回転速度が低下し、例えばラジエータ通過風量の不足を招く。

従来、ファンベルトによって同時に駆動される補機の作動不良に基づくエンジン異常を検出することによって、ファンベルトの異常を間接的に検出していた。例えば、ファンベルトによってウォータポンプが同時に駆動される場合、ウォータポンプの作動不良によって水温が上昇する。この水温上昇をエンジン異常として捉えて点検整備を行い、その結果、ファンベルトの異常を検出していた。

しかし、これだとファンベルト異常発生からエンジン異常発生までの間にタイムラグがあり、エンジン異常発生の時点では既に遅過ぎる結果となる場合がある。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、ファンベルトの異常を即座に検出することが可能なファンベルト異常検出装置を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
内燃機関のファンベルトの異常を検出するためのファンベルト異常検出装置であって、
前記内燃機関は、
クランクシャフトに取り付けられたクランクプーリと、
ファンに取り付けられたファンプーリと、
前記クランクプーリおよび前記ファンプーリの間に掛け渡された前記ファンベルトと、
を備え、
前記ファンベルト異常検出装置は、
前記クランクシャフトの回転速度を検出するクランク速度センサと、
前記ファンの回転速度を検出するファン速度センサと、
前記クランク速度センサおよび前記ファン速度センサによりそれぞれ検出された回転速度に基づいて前記ファンベルトの異常を検出するように構成された検出ユニットと、
を備え、
前記検出ユニットは、前記クランクシャフトの回転速度と、前記ファンの回転速度の閾値との関係を規定したマップまたは関数を予め記憶し、前記マップまたは関数から求められた閾値と、前記ファンの回転速度の検出値とを比較して前記ファンベルトの異常を検出し、
前記クランクシャフトの同一の回転速度に対し前記閾値は複数設定され、前記検出ユニットは、前記複数の閾値と、前記ファンの回転速度の検出値とを比較して、前記ファンベルトの異常の種類を判別する
ことを特徴とするファンベルト異常検出装置が提供される。

好ましくは、前記閾値として、高い方から順に第１閾値、第２閾値および第３閾値が設定され、
前記検出ユニットは、
前記ファンの回転速度の検出値が前記第１閾値以下かつ前記第２閾値より大きいとき、前記ファンベルトの滑り異常と判定し、
前記ファンの回転速度の検出値が前記第２閾値以下かつ前記第３閾値より大きいとき、前記ファンベルトの摩耗異常と判定し、
前記ファンの回転速度の検出値が前記第３閾値以下のとき、前記ファンベルトの破断異常と判定する。

本開示によれば、ファンベルトの異常を即座に検出することができる。

本実施形態の構成を示す概略図である。 マップを示す図である。 異常検出ルーチンのフローチャートである。 別の異常検出ルーチンのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

図１に本実施形態の構成を概略的に示す。本実施形態の内燃機関は車両に搭載され、車両はトラック、内燃機関（エンジンともいう）はディーゼルエンジンである。しかしながら、内燃機関の種類、用途等に特に限定はなく、例えばエンジンはガソリンエンジンであってもよい。なおエンジンは、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に搭載されたものであってもよい。またエンジンは、移動体に搭載されたものでなくてもよく、定置式のものであってもよい。

本実施形態において、エンジンは車両に縦置きされ、図の紙面厚さ方向手前側が車両前方である。前後左右上下の各方向は図示の通りである。

エンジンの前面部において、クランクシャフト２０にはクランクプーリ１が固定して取り付けられている。符号Ｃ１はクランクプーリ１の中心を表す。またエンジンの前面部には、ウォータポンプ２と発電機（ＡＣＧ：AC Generator）３が固定して取り付けられている。ウォータポンプ２の入力軸には、後方から順に、ファンプーリ４とファンクラッチ５とファン（図ではファンブレードのみ示す）６とが同軸に取り付けられている。符号Ｃ４はファンプーリ４の中心を表す。発電機３の入力軸には発電機プーリ７が取り付けられている。符号Ｃ７は発電機プーリ７の中心を表す。

クランクプーリ１、ファンプーリ４および発電機プーリ７にはファンベルト８が掛け渡される。これによりウォータポンプ２、ファン６および発電機３が共通のファンベルト８を介してクランクシャフト２０により駆動される。ウォータポンプ２、ファン６および発電機３はクランクシャフト２０に対しオフセットして配置される。

ファン６はラジエータの後方に近接して配置され、回転して空気を吸引するときにラジエータを通過する風を発生させる。

本実施形態の場合、ファンクラッチ５には、電子制御ユニット（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）という）１００によって締結力を制御可能な電子制御式のファンクラッチが用いられる。その構造は任意であるが、例えばファンクラッチ５は、入力部と出力部を断接可能な流体カップリングと、流体カップリングへの流体供給状態を調節するバルブとを備え、このバルブの開弁状態をＥＣＵ１００によって制御することで、クラッチ締結率を完断相当の０％から完接相当の１００％までの間で任意に可変制御可能である。ファンクラッチ５の入力部にはファンプーリ４が固定され、ファンクラッチ５の出力部にはファン６が固定される。

ＥＣＵ１００は、図示しない各種センサからの出力に基づき求められたエンジンおよび車両等の運転状態に関する情報、例えばエンジン水温、変速機油温、外気温、車速等に基づき、最適となるクラッチ締結率の目標値を計算し、実際のクラッチ締結率が目標値となるようにバルブの開弁状態を制御する。これにより、エンジンおよび車両等の運転状態に最適なファン６の回転速度を得ることができる。

なお、他の電子制御式ファンクラッチとして、電磁力によって締結力を制御可能な電磁クラッチ等を用いることもできる。

かかる構成においてファンベルト異常検出装置は、クランクシャフト２０の回転速度（クランク速度ともいう）を検出するクランク速度センサ３１と、ファン６の回転速度（ファン速度ともいう）を検出するファン速度センサ３２と、クランク速度センサ３１およびファン速度センサ３２によりそれぞれ検出された回転速度に基づいてファンベルト８の異常を検出するように構成された検出ユニットとを備える。本実施形態の場合、検出ユニットはＥＣＵ１００により構成される。なおＥＣＵ１００は、エンジン全体の制御を司るものでもある。クランク速度センサ３１およびファン速度センサ３２は、例えば、クランクシャフト２０およびファン６にそれぞれ近接して配置された周知の非接触式センサにより構成される。回転速度は毎分当たりの回転数（ｒｐｍ）で表されるため、以下、クランク速度およびファン速度をクランク回転数およびファン回転数ともいう。クランク回転数はエンジン回転数と同義である。

以下、異常検出方法を具体的に説明する。ＥＣＵ１００は、クランク回転数Ｎｅと、ファン回転数Ｎｆの閾値Ｎｆａ，Ｎｆｂ，Ｎｆｃ（総じてＮｆとする）との関係を規定した、図２に示すようなマップ（関数でもよい。以下同様）を予め記憶している。そしてＥＣＵ１００は、マップから求められた閾値Ｎｆと、ファン回転数Ｎｆの検出値とを比較してファンベルト８の異常を検出する。

特に、同一のクランク回転数Ｎｅに対し閾値Ｎｆは複数設定され、本実施形態では高い方から順にＮｆａ，Ｎｆｂ，Ｎｆｃといった三つの閾値が設定されている。ＥＣＵ１００は、これら複数の閾値Ｎｆａ，Ｎｆｂ，Ｎｆｃと、ファン回転数Ｎｆの検出値とを比較して、ファンベルト８の異常の種類を判別する。

ここでファンクラッチ５は完接状態にあり、その滑りはなく、ファンプーリ４とファン６は一体的に同一の回転速度で回転するものとする。

図２に示すように、ファンベルト８の滑りがないと仮定すると、クランク回転数Ｎｅとファン回転数Ｎｆの間には、線ｓで示すような比例関係が成り立つ。ここでＮｅｉは所定のアイドル回転数（例えば５００ｒｐｍ）、Ｎｃｍは所定の最高回転数（例えば２０００ｒｐｍ）である。線ｓ上では、アイドル回転数Ｎｅｉのときのファン回転数はＮｆｉであり、これは、クランクプーリ１とファンプーリ４のプーリ比Ｋ（クランクプーリ直径／ファンプーリ直径、例えば１．５）をアイドル回転数Ｎｅｉに掛けた値である（Ｎｆｉ＝Ｋ×Ｎｅｉ）。同様に、最高回転数Ｎｅｍのときのファン回転数はＮｆｍである。

ファンベルト８が新品のとき、ファン回転数Ｎｆは概ね線ｓ上に位置する。しかし、使用につれファンベルト８が劣化すると、ファンベルト８がプーリ上で滑るため、ファン回転数Ｎｆは線ｓよりも低下する。

閾値Ｎｆａを表す線ａは、ファンベルト８の滑りが許容できない程に大きくなったときのファン回転数Ｎｆの最大値を結んだ線である。つまり、ファンベルト８の正常と異常を区別するための線である。見られるように、アイドル回転数Ｎｅｉから、それより高い所定の第１回転数Ｎｅｊまでの回転数範囲ΔＮｅで、線ａは比例線ｓより大きく低下する。その理由は、このような低速の回転数範囲ΔＮｅではエンジンが高負荷運転される傾向にあり、ファンベルト８が滑り易くなるからである。なお一般的に見られるように、エンジンの暖機完了前の冷間時には、ファーストアイドル運転中を含め、こうした回転数範囲ΔＮｅでファンベルト８が滑り易く、これによるベルト鳴きが起こり易い。

一方、第１回転数Ｎｅｊを超えると、線ａは比例線ｓに急速に近づき、やがて比例線ｓと平行に上昇する。これは、ファンベルト８の劣化が軽度である場合、高回転域ではファンベルト８の滑りが起こり難くなるからである。

特定のクランク回転数Ｎｅのときに検出されたファン回転数Ｎｆが、そのクランク回転数Ｎｅに対応する閾値Ｎｆａ以下の場合、ファンベルト８が許容できない程大きく滑る滑り異常が発生している可能性があると判断される。逆に、検出されたファン回転数Ｎｆが閾値Ｎｆａより大きいとき、ファンベルト８は正常と判断される。

線ａは、所定のマージンΔＮｆだけ比例線ｓより下側（ファン回転数低下側）に位置される。これは、例えば正常なファンベルト８でも起こり得る、製品および運転状態のバラツキに起因した軽度のベルト滑りで異常と誤判定しないためである。

次に、閾値Ｎｆｂを表す線ｂは、滑り異常と、ファンベルト８の摩耗が許容できない程に大きくなっている摩耗異常とを区別するための線である。摩耗異常は滑り異常より重度の異常である。線ｂは、第１回転数Ｎｅｊより僅かに高い所定の第２回転数Ｎｅｋ以下の回転数領域で、線ａと同一である。しかしながら、線ｂは、第２回転数Ｎｅｋから高回転側に向かうにつれ、線ａから下側に徐々に乖離する。これは、ファンベルト８が大きく摩耗していると、もはや高回転域でもファンベルト８が滑り易くなるからである。

特定のクランク回転数Ｎｅのときに検出されたファン回転数Ｎｆが、そのクランク回転数Ｎｅに対応する閾値Ｎｆｂ以下の場合、ファンベルト８に摩耗異常が発生している可能性があると判断される。他方、検出されたファン回転数Ｎｆが閾値Ｎｆａ以下かつ閾値Ｎｆｂより大きいとき、ファンベルト８は滑り異常と確定的に判定される。

次に、閾値Ｎｆｃを表す線ｃは、前述の滑り異常および摩耗異常と、ファンベルト８が破断ないし分断された破断異常とを区別するための線である。破断異常は摩耗異常より重度の異常である。線ｃは、全ての回転数領域で線ａおよび線ｂより遙かに下側に位置される。ファンベルト８が破断すると、ファン６はもはやファンベルト８で駆動されないが、走行風等によりファン６が回転することがある。これを考慮し、閾値Ｎｆｃは、ゼロより若干大きいファン回転数Ｎｆの値に設定されている。

特定のクランク回転数Ｎｅのときに検出されたファン回転数Ｎｆが、そのクランク回転数Ｎｅに対応する閾値Ｎｆｃ以下の場合、ファンベルト８は破断異常と確定的に判定される。他方、検出されたファン回転数Ｎｆが閾値Ｎｆｂ以下かつ閾値Ｎｆｃより大きいとき、ファンベルト８は摩耗異常と確定的に判定される。

このように本実施形態によれば、マップから求めた閾値Ｎｆと、ファン回転数Ｎｆの検出値とを比較してファンベルト８の異常を検出するため、ファンベルト８の異常を即座に検出することができる。しかも、複数の閾値Ｎｆａ，Ｎｆｂ，Ｎｆｃと、ファン回転数Ｎｆの検出値とを比較して、ファンベルト８の異常の種類を判別するため、異常の種類をも特定でき、その後の点検整備を容易にすると共に、異常の種類に応じた適切な措置を採ることができる。

なお、マップにおいて、線ａより上側（ファン回転数上昇側）の領域を正常領域Ａｓとし、線ａと線ｂに挟まれた領域を滑り異常領域Ａａとし、線ｂと線ｃに挟まれた領域を摩耗異常領域Ａｂとし、線ｃより下側の領域を破断異常領域Ａｃとする。クランク回転数Ｎｅとファン回転数Ｎｆの検出値の組み合わせが、どの領域に属するかにより、正常、滑り異常、摩耗異常および破断異常を判別することができる。

次に、図３および図４を参照して、本実施形態の異常検出ルーチンを説明する。図示するルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

図３に示すように、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ１００は、クランク速度センサ３１により検出されたクランク回転数Ｎｅの値を取得する。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ１００は、取得したクランク回転数Ｎｅが、アイドル回転数Ｎｅｉから第１回転数Ｎｅｊまでの回転数範囲ΔＮｅ内の値か否か、すなわちＮｅｉ≦Ｎｅ≦Ｎｅｊか否かを判断する。クランク回転数Ｎｅが回転数範囲ΔＮｅ内の値であれば、ステップＳ１０３に進んで検出処理を継続する。クランク回転数Ｎｅが回転数範囲ΔＮｅ内の値でなければ、ルーチンを終了し、検出処理を終了する。

図２を参照して説明したように、回転数範囲ΔＮｅでは線ａが比例線ｓより大きく乖離するため、正常と異常が区別しやすい。よって異常検出を回転数範囲ΔＮｅに限定して行うことで、検出精度を高めることができる。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ１００は、ファンクラッチ５を完接する。これにより、ファンクラッチ５の滑りを無くし、その滑りが原因でファン回転数が低下し誤検出することを防止できる。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ１００は、ファン速度センサ３２により検出されたファン回転数Ｎｆを取得する。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ１００は、取得したクランク回転数Ｎｅに対応する、最も高い閾値Ｎｆａを図２のマップから算出する。そして取得したファン回転数Ｎｆを、算出した閾値Ｎｆａと比較する。

ファン回転数Ｎｆが閾値Ｎｆａより大きい場合、ＥＣＵ１００は、ファンベルト８は正常と実質的に判断し、ルーチンを終了する。他方、ファン回転数Ｎｆが閾値Ｎｆａ以下の場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ１００は、取得したクランク回転数Ｎｅに対応する、最も低い閾値Ｎｆｃを図２のマップから算出する。そして取得したファン回転数Ｎｆを、算出した閾値Ｎｆｃと比較する。

ファン回転数Ｎｆが閾値Ｎｆｃ以下の場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０７に進み、ファンベルト８の破断異常が発生していると判定する。そしてステップＳ１０８に進み、最も強度の高い警告である強警告を行うと共に、エンジンをフェイルセーフモードで制御する。すなわち、車両の警告装置を作動させ、例えばファンベルト８の破断異常が発生していること、即座に車両を修理すること等をディスプレイ表示および音声等により車両のドライバに伝達する。そしてエンジンの回転数、燃料噴射量等を制限し、エンジンの高負荷運転を禁止して車両の退避走行を促す。

他方、ファン回転数Ｎｆが閾値Ｎｆｃより大きい場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１０９に進んで仮異常フラグをオンにする。この時点では、滑り異常および摩耗異常のいずれかが生じていることは特定できるものの、そのいずれが生じているかまでは特定できない。そのため仮異常フラグをオンにし、図４に示す別ルーチンにより異常の種類を特定する。

次に、図４に示す別ルーチンを説明する。ステップＳ２０１において、ＥＣＵ１００は、仮異常フラグがオンか否かを判断する。オンでなければ（オフであれば）ルーチンを終了し、オンであればステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２において、ＥＣＵ１００は、クランク速度センサ３１により検出されたクランク回転数Ｎｅの値を取得する。

ステップＳ２０３において、ＥＣＵ１００は、取得したクランク回転数Ｎｅが、図２に示した所定回転数Ｎｅｋ以上か否かを判断する。クランク回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅｋ未満であれば、ルーチンを終了し、クランク回転数Ｎｅが所定回転数Ｎｅｋ以上であれば、滑り異常と摩耗異常を判別するため、ステップＳ２０４に進む。

ステップＳ２０４において、ＥＣＵ１００は、ファンクラッチ５を完接する。

ステップＳ２０５において、ＥＣＵ１００は、ファン速度センサ３２により検出されたファン回転数Ｎｆを取得する。

ステップＳ２０６において、ＥＣＵ１００は、取得したクランク回転数Ｎｅに対応する、中間の大きさの閾値Ｎｆｂを図２のマップから算出する。そして取得したファン回転数Ｎｆを、算出した閾値Ｎｆｂと比較する。

ファン回転数Ｎｆが閾値Ｎｆｂ以下の場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２０７に進み、ファンベルト８の摩耗異常が発生していると判定する。そしてステップＳ２０８に進み、中程度の強度を有する警告である中警告を行う。すなわち、車両の警告装置を作動させ、例えばファンベルト８の摩耗異常が発生していること、できるだけ速やかに車両を修理すること等をディスプレイ表示および音声等により車両のドライバに伝達する。

他方、ファン回転数Ｎｆが閾値Ｎｆｂより大きい場合、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２０９に進み、ファンベルト８の滑り異常が発生していると判定する。そしてステップＳ２１０に進み、最も弱い警告である弱警告を行う。すなわち、車両の警告装置を作動させ、例えばファンベルト８の滑り異常が発生していること、次回の点検時にファンベルト８を点検すること等をディスプレイ表示等により車両のドライバに伝達する。

上記の説明で理解されるように、本実施形態の閾値Ｎｆａ，Ｎｆｂ，Ｎｆｃは特許請求の範囲にいう第１、第２および第３の閾値にそれぞれ相当する。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。

（１）例えば、図３のルーチンにおいて、異常検出を行うクランク回転数Ｎｅを回転数範囲ΔＮｅに限定しなくてもよい。すなわちステップＳ１０２を省略してもよい。

（２）図３および図４のルーチンでは、ファン回転数Ｎｆの取得時にファンクラッチ５を完接したが、必ずしも完接しなくてもよい。この場合にはファンクラッチ５の締結率に応じて閾値Ｎｆを補正するのが好ましい。すなわちファンクラッチ５の締結率が低いほど、閾値Ｎｆを減少側に補正するのが好ましい。

（３）ファンクラッチは電子制御式でなくてもよく、より一般的なバイメタルを用いた吸気温感応式クラッチであってもよい。あるいは、ファンクラッチを省略し、ファンとファンプーリを直結してもよい。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ クランクプーリ
４ ファンプーリ
８ ファンベルト
３１ クランク速度センサ
３２ ファン速度センサ
１００ 電子制御ユニット

Claims (2)

1. 内燃機関のファンベルトの異常を検出するためのファンベルト異常検出装置であって、
   前記内燃機関は、
   クランクシャフトに取り付けられたクランクプーリと、
   ファンに取り付けられたファンプーリと、
   前記クランクプーリおよび前記ファンプーリの間に掛け渡された前記ファンベルトと、
   を備え、
   前記ファンベルト異常検出装置は、
   前記クランクシャフトの回転速度を検出するクランク速度センサと、
   前記ファンの回転速度を検出するファン速度センサと、
   前記クランク速度センサおよび前記ファン速度センサによりそれぞれ検出された回転速度に基づいて前記ファンベルトの異常を検出するように構成された検出ユニットと、
   を備え、
   前記検出ユニットは、前記クランクシャフトの回転速度と、前記ファンの回転速度の閾値との関係を規定したマップまたは関数を予め記憶し、前記マップまたは関数から求められた閾値と、前記ファンの回転速度の検出値とを比較して前記ファンベルトの異常を検出し、
   前記クランクシャフトの同一の回転速度に対し前記閾値は複数設定され、前記検出ユニットは、前記複数の閾値と、前記ファンの回転速度の検出値とを比較して、前記ファンベルトの異常の種類を判別する
   ことを特徴とするファンベルト異常検出装置。
2. 前記閾値として、高い方から順に第１閾値、第２閾値および第３閾値が設定され、
   前記検出ユニットは、
   前記ファンの回転速度の検出値が前記第１閾値以下かつ前記第２閾値より大きいとき、前記ファンベルトの滑り異常と判定し、
   前記ファンの回転速度の検出値が前記第２閾値以下かつ前記第３閾値より大きいとき、前記ファンベルトの摩耗異常と判定し、
   前記ファンの回転速度の検出値が前記第３閾値以下のとき、前記ファンベルトの破断異常と判定する
   請求項１に記載のファンベルト異常検出装置。

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