JP6032966B2

JP6032966B2 - ターボ回転数検出装置

Info

Publication number: JP6032966B2
Application number: JP2012143657A
Authority: JP
Inventors: 平中野; 英世岩間
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2032-06-27
Also published as: JP2014005811A; CN104379901A; WO2014002464A1; CN104379901B; US9804059B2; US20150143882A1; EP2868895A4; EP2868895A1

Description

本発明は、ターボ回転数検出装置に関するものである。

近年におけるエンジン設計では、これまでの最高性能重視の発想を転換させたダウンサイジングコンセプトが主流になってきており、ターボチャージャで過給を行うことにより排気量及び気筒数を減らして一回り大きな自然吸気エンジンと同等の出力・トルクが得られるエンジンへの置き換えが進んでいる。

例えば、ディーゼルエンジンの場合、商用車（トラック）を中心にかつてはＶ型１２気筒エンジン、Ｖ型８気筒エンジンが主流であったものが、ダウンサイジングコンセプトにより直列６気筒エンジン、直列４気筒エンジンを過給したものが主流となってきている。

そして、このようなダウンサイジングコンセプトが主流になってきたことに伴い、ターボチャージャの更なるコンパクト化が求められており、これまでターボチャージャのタービンとコンプレッサとの間の軸受部分に設けられていた回転センサの配置が難しくなってきている。

即ち、従来の回転センサは、ターボチャージャのタービンとコンプレッサとを連結している回転シャフトに、切欠きを円周方向の一部に備えたディスクを一体的に外嵌装着すると共に、該ディスクの切欠きの通過を磁界の変化等として捉える非接触式の検出器を前記ディスクの近傍に備え、前記ディスクの切欠きの通過を前記検出器により検出してカウントし、これによりターボチャージャの回転数を監視し得るようになっているが、タービンとコンプレッサとの間には、冷却水や潤滑油等の配管があってスペース的な余裕がなく、前記ディスクや非接触式の検出器を物理的に配置することができないケースが増えてきている。

尚、本発明に関連する先行技術文献情報としては下記の特許文献１等がある。

特開２００６−５７５２６号公報

しかしながら、回転センサを配置できないターボチャージャにあっては、該ターボチャージャの回転数を監視することができないため、限界速度を超えて過剰な回転速度で回転するオーバーランを検出することができず、ターボチャージャがオーバーランを起こして破損する虞れがあり、特に高地等での使用では、気圧の低下により空気密度が低下してオーバーランが起こり易くなり、エンジンの出力を下げて回転数を抑制するといった措置を採らなければならないこともあった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、回転センサ無しでターボチャージャの回転数を検出し得るターボ回転数検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、コンプレッサの入口圧を検出する第一圧力センサと、前記コンプレッサの出口圧を検出する第二圧力センサと、吸気の質量流量を検出する吸気流量センサと、吸気の入口温度を検出する吸気温度センサと、コンプレッサの入口圧及び吸気の入口温度が標準的な所定値を採る時の標準環境条件においてターボチャージャのコンプレッサの等回転数線を吸気の体積流量と圧力比で表現した作動特性図を数値化して記憶した演算装置とを備え、
第一圧力センサ及び第二圧力センサにより検出したコンプレッサの入口圧と出口圧とに基づき該コンプレッサの圧力比を算出すると共に、吸気流量センサ及び吸気温度センサにより検出した吸気の質量流量及び入口温度と前記入口圧とに基づき気体の状態方程式を用いて測定時点での環境条件における吸気の体積流量を算出し、その算出した値に吸気の入口温度に基づく補正係数を掛けて前記標準環境条件での体積流量に補正し、その補正値と前記圧力比の算出値とに基づき前記作動特性図に照らして標準環境条件でのコンプレッサの回転数を読み出し、その読み出した回転数に吸気の入口温度に基づく補正係数を掛けてコンプレッサの実回転数に補正し、その補正値をターボチャージャの回転数として検出し、該ターボチャージャの回転数が所定の閾値を超えて所要時間以上に亘り検出された時にターボチャージャのオーバーランを判定するように前記演算装置が構成されていることを特徴とするターボ回転数検出装置、に係るものである。

即ち、コンプレッサにおいては、ある回転数で回っている時に圧力比（入口圧と出口圧の比）が決まれば、前記コンプレッサ内の吸気の体積流量が一義的に決まるという特性があるので、圧力比を縦軸とし且つ吸気の体積流量を横軸としたグラフの中に実験により等回転数線を求めて描くことができ、このようなグラフとして表現された作動特性図（コンプレッサマップ）に基づけば、圧力比と体積流量とから回転数を読み出すことが可能となる。

ただし、前述の作動特性図は、ある一点の入口温度及び入口圧における環境条件で成立するものであり、例えば、同じ質量流量の吸気であっても入口温度が高くなれば膨張して体積流量が大きくなり、入口圧が低くなっても膨張して体積流量が大きくなるので、コンプレッサの入口圧及び吸気の入口温度が標準的な所定値を採る時の標準環境条件を決め、この標準環境条件での体積流量を基準とする必要がある。

このため、第一圧力センサ及び第二圧力センサにより検出したコンプレッサの入口圧と出口圧とに基づき該コンプレッサの圧力比を算出し、吸気流量センサ及び吸気温度センサにより検出した吸気の質量流量及び入口温度と前記入口圧とに基づき気体の状態方程式を用いて測定時点での環境条件における吸気の体積流量を算出しても、このままでは体積流量が標準化されていないので、演算装置に記憶されている標準環境条件での作動特性図から回転数を読み出すことはできない。

そこで、その算出した体積流量の値に吸気の入口温度に基づく補正係数を掛けて前記標準環境条件での体積流量に補正すれば、その補正値と前記圧力比の算出値とに基づき前記作動特性図に照らして標準環境条件でのコンプレッサの回転数を読み出すことが可能となる。

尚、算出した体積流量の値に吸気の入口温度に基づく補正係数を掛けて標準環境条件での体積流量に補正するにあたっては、標準環境条件での入口温度（絶対温度）を測定時点での入口温度（吸気温度センサにより検出された絶対温度）で割った商の平方根を補正係数として用いれば良く、斯かる補正係数を掛けることで標準環境条件での体積流量に補正できるのは気体の相似則によるものである。

ただし、作動特性図に照らして読み出された回転数は、標準環境条件でのコンプレッサの回転数であって実回転数とは異なっているので、その読み出された値に吸気の入口温度に基づく補正係数を掛けてコンプレッサの実回転数に換算すれば、その換算した値がターボチャージャの回転数として検出されることになる。

尚、作動特性図から読み出された値に吸気の入口温度に基づく補正係数を掛けてコンプレッサの実回転数に換算するにあたっては、測定時点での入口温度（吸気温度センサにより検出された絶対温度）を標準環境条件での入口温度（絶対温度）で割った商の平方根を補正係数として用いれば良く、斯かる補正係数を掛けることでコンプレッサの実回転数に補正できるのは気体の相似則によるものである。

また、本発明においては、ターボチャージャの回転数が所定の閾値を超えて所要時間以上に亘り検出された時にターボチャージャのオーバーランを判定するように演算装置が構成されているので、ターボチャージャの回転数を監視してオーバーランを判定することが可能となり、ターボチャージャの破損を未然に回避することが可能となる。

上記した本発明のターボ回転数検出装置によれば、ターボチャージャのタービンとコンプレッサとの間の軸受部分に回転センサを設けなくても、コンプレッサの入口圧と出口圧、吸気の質量流量、吸気の入口温度に基づく物理的な計算によりターボチャージャの回転数を検出することができ、スペース的な余裕がないために回転センサを配置できないターボチャージャであっても、その回転数を監視して該回転数が所要時間以上に亘り検出された時にオーバーランを判定することができるので、オーバーランによるターボチャージャの破損を未然に防止することができ、また、回転センサを配置できるターボチャージャであっても、回転センサを不要とすることで大幅なコストの削減を図ることができるという優れた効果を奏し得る。

本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。図１の制御装置に数値化されて記憶されている作動特性図である。図１のターボチャージャの回転数を検出する手法のフローチャートである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は本発明を実施する形態例を示すものであり、図１中における１はターボチャージャ２を搭載したエンジンを示し、エアクリーナ３から導いた吸気４を吸気管５を通し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへ送り、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４をインタークーラ６へと送って冷却し、該インタークーラ６から更に吸気マニホールド７へと吸気４を導いてエンジン１の各気筒８に分配するようにしてある。

また、このエンジン１の各気筒８から排出された排気ガス９を排気マニホールド１０を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへ送り、該タービン２ｂを駆動した排気ガス９を排気管１１を介し車外へ排出するようにしてある。

更に、エンジンルーム内における走行風の影響の少ない適宜な場所に、大気圧をコンプレッサ２ａの入口圧として検出する大気圧センサ１３（第一圧力センサ）が設けられていると共に、コンプレッサ２ａとインタークーラ６との間の吸気管５には、前記コンプレッサ２ａの出口圧を検出するブースト圧センサ１４が設けられており、前記コンプレッサ２ａより上流でエアクリーナ３に近い位置の吸気管５には、吸気４の質量流量を検出する吸気流量センサ１５（エアフローメータ）と、吸気４の入口温度を検出する吸気温度センサ１６とが装備されている。

ただし、ここでは説明の便宜上から吸気流量センサ１５と吸気温度センサ１６を分けて記載しているが、実際には、吸気４（新気）の質量流量を求めるのに該吸気４の温度が必要であるため、吸気温度センサ１６が吸気流量センサ１５に内蔵されているのが通常である。

そして、これら大気圧センサ１３，ブースト圧センサ１４，吸気流量センサ１５，吸気温度センサ１６からの検出信号１３ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａが、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１２（演算装置）に入力されるようになっており、この制御装置１２には、コンプレッサ２ａの入口圧及び吸気４の入口温度が標準的な所定値を採る時の標準環境条件において、ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａの等回転数線を吸気４の体積流量と圧力比で表現した作動特性図（図２参照）が数値化されて記憶されている。

ここではターボチャージャ２が単段の場合を例示しているので、コンプレッサ２ａの入口圧を大気圧に相当するものとして１ａｔｍ（標準大気圧）とし且つ吸気４の入口温度を２９３Ｋ（２０℃）とした場合を標準環境条件としており、一般的な既存設備である大気圧センサ１３とブースト圧センサ１４を、コンプレッサ２ａの入口圧と出口圧を検出するための第一圧力センサ及び第二圧力センサとして用い、吸気流量センサ１５に内蔵された吸気温度センサ１６を、吸気４の入口温度を検出するための吸気温度センサとして用いている。

ただし、ターボチャージャ２を複数段備えた多段過給システムにあっては、二段目以降のターボチャージャ２について、そのコンプレッサ２ａの入口圧と出口圧を検出するための第一圧力センサと第二圧力センサ、及び吸気４の入口温度を検出するための吸気温度センサを別途設ける必要がある。ただし、以下に詳述する制御装置１２でのターボチャージャ２の回転数を検出する手法については単段の場合と多段の場合とで格別な違いはない。

図３は前記制御装置１２で行われるターボチャージャ２の回転数を検出する手法をフローチャートで示したものであり、前記制御装置１２においては、先ずステップＳ１にて大気圧センサ１３及びブースト圧センサ１４により検出したコンプレッサ２ａの入口圧（大気圧）と出口圧（ブースト圧）とに基づき、下記の式（１）でコンプレッサ２ａの圧力比が算出されるようになっている。
［数１］
圧力比π_c＝出口圧／入口圧…（１）

一方、ステップＳ１と並行して、ステップＳ２にて吸気流量センサ１５及び吸気温度センサ１６により検出した吸気４の質量流量及び入口温度と前記入口圧とに基づき気体の状態方程式を用いて測定時点での環境条件における吸気４の体積流量が算出され、次のステップＳ３において、算出された体積流量が吸気４の入口温度に基づく補正係数を掛けられて前記標準環境条件での体積流量に補正されるようになっている。

このステップＳ２とステップＳ３の行程は、下記の式（２）により一度に行うことができ、この式（２）は、気体の状態方程式（ＰＶ＝ｇＲＴ：Ｐは気体の圧力、Ｖは気体の体積流量、ｇは気体の質量流量、Ｒは気体定数、Ｔは気体の温度）を体積流量Ｖを求める形に変形すると共に、吸気４の入口温度Ｔに基づく補正係数を掛けた形としてあり、ここでは標準環境条件での入口温度２９３Ｋ（絶対温度）を測定時点での入口温度Ｔ（吸気温度センサ１６により検出された絶対温度）で割った商の平方根を補正係数として用いているが、気体の状態方程式の中で用いられている温度Ｔを補正係数の式中のルート内に取り込むことで式を簡略化している。尚、斯かる補正係数を掛けることで標準環境条件での体積流量に補正できるのは気体の相似則によるものである。
［数２］
体積流量Ｖの補正値Ｑ_a293＝（質量流量ｇ×気体定数Ｒ）／入口圧Ｐ×√（２９３×入口温度Ｔ）…（２）

そして、次のステップＳ４において、前記体積流量の補正値Ｑ_a293と前記圧力比の算出値π_c（ステップＳ１で得られたもの）とに基づき前記作動特性図（図２参照）に照らして標準環境条件でのコンプレッサ２ａの回転数Ｎ_t293が読み出され、更に次のステップＳ５において、その読み出された回転数Ｎ_t293に吸気４の入口温度Ｔに基づく補正係数が掛けられてコンプレッサ２ａの実回転数Ｎ_tに補正されるようにしてあり、次のステップＳ６において、その補正値Ｎ_tがターボチャージャ２の回転数として検出されるようになっている。

ここで、ステップＳ４の行程で用いられる作動特性図は、制御装置１２内に数値化されて関数プログラムとして記憶されており、体積流量の補正値Ｑ_a293と圧力比の算出値π_cの入力により前記関数プログラムを介し回転数Ｎ_t293が算出されるようになっている。

また、ステップＳ５の行程で用いられる補正係数は、測定時点での入口温度Ｔ（吸気温度センサ１６により検出された絶対温度）を標準環境条件での入口温度２９３Ｋ（絶対温度）で割った商の平方根であり、より具体的には、下記の式（３）により回転数Ｎ_t293が実回転数Ｎ_tに補正される。尚、斯かる補正係数を掛けることでコンプレッサ２ａの実回転数に補正できるのは気体の相似則によるものである。
［数３］
回転数Ｎ_t＝回転数Ｎ_t293×√（入口温度Ｔ／２９３）…（３）

このような制御装置１２におけるターボチャージャ２の回転数を検出する手法につき以下に補足して説明すると、コンプレッサ２ａにおいては、ある回転数で回っている時に圧力比（入口圧と出口圧の比）が決まれば、前記コンプレッサ２ａ内の吸気４の体積流量が一義的に決まるという特性があるので、圧力比を縦軸とし且つ吸気４の体積流量を横軸としたグラフの中に実験により等回転数線を求めて描くことができ、このようなグラフとして表現された作動特性図（コンプレッサマップ：図２参照）に基づけば、圧力比と体積流量とから回転数を読み出すことが可能となる。

ただし、前述の作動特性図は、ある一点の入口温度及び入口圧における環境条件で成立するものであり、例えば、同じ質量流量の吸気４であっても入口温度が高くなれば膨張して体積流量が大きくなり、入口圧が低くなっても膨張して体積流量が大きくなるので、コンプレッサ２ａの入口圧及び吸気４の入口温度が標準的な所定値を採る時の標準環境条件を決め、この標準環境条件での体積流量を基準とする必要がある。

このため、大気圧センサ１３及びブースト圧センサ１４により検出したコンプレッサ２ａの入口圧と出口圧とに基づき該コンプレッサ２ａの圧力比を算出し、吸気流量センサ１５及び吸気温度センサ１６により検出した吸気４の質量流量及び入口温度と前記入口圧とに基づき気体の状態方程式を用いて測定時点での環境条件における吸気４の体積流量を算出しても、このままでは体積流量が標準化されていないので、制御装置１２に記憶されている標準環境条件での作動特性図から回転数を読み出すことはできない。

そこで、その算出した体積流量の値に吸気４の入口温度に基づく補正係数を掛けて前記標準環境条件での体積流量に補正すれば、その補正値と前記圧力比の算出値とに基づき前記作動特性図に照らして標準環境条件でのコンプレッサ２ａの回転数を読み出すことが可能となる。

ただし、作動特性図に照らして読み出された回転数は、標準環境条件でのコンプレッサ２ａの回転数であって実回転数とは異なっているので、その読み出された値に吸気４の入口温度に基づく補正係数を掛けてコンプレッサ２ａの実回転数に換算すれば、その換算した値がターボチャージャ２の回転数として検出されることになる。

この際、制御装置１２は、ターボチャージャ２の回転数が所定の閾値を超えて所要時間以上に亘り検出された時にターボチャージャ２のオーバーランを判定するように構成されていることが好ましく、このようにすれば、ターボチャージャ２の回転数を監視してオーバーランを判定することが可能となり、ターボチャージャ２の破損を未然に回避することが可能となる。

従って、上記形態例によれば、ターボチャージャ２のタービン２ｂとコンプレッサ２ａとの間の軸受部分に回転センサを設けなくても、コンプレッサ２ａの入口圧と出口圧、吸気４の質量流量、吸気４の入口温度に基づく物理的な計算によりターボチャージャ２の回転数を検出することができ、スペース的な余裕がないために回転センサを配置できないターボチャージャ２であっても、その回転数を監視して該回転数が所要時間以上に亘り検出された時にオーバーランを判定することができるので、オーバーランによるターボチャージャ２の破損を未然に防止することができ、また、回転センサを配置できるターボチャージャ２であっても、回転センサを不要とすることで大幅なコストの削減を図ることができる。

尚、本発明のターボ回転数検出装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

２ターボチャージャ
２ａコンプレッサ
４吸気
１２制御装置（演算装置）
１３大気圧センサ（第一圧力センサ）
１４ブースト圧センサ（第二圧力センサ）
１５吸気流量センサ
１６吸気温度センサ

Claims

コンプレッサの入口圧を検出する第一圧力センサと、前記コンプレッサの出口圧を検出する第二圧力センサと、吸気の質量流量を検出する吸気流量センサと、吸気の入口温度を検出する吸気温度センサと、コンプレッサの入口圧及び吸気の入口温度が標準的な所定値を採る時の標準環境条件においてターボチャージャのコンプレッサの等回転数線を吸気の体積流量と圧力比で表現した作動特性図を数値化して記憶した演算装置とを備え、
第一圧力センサ及び第二圧力センサにより検出したコンプレッサの入口圧と出口圧とに基づき該コンプレッサの圧力比を算出すると共に、吸気流量センサ及び吸気温度センサにより検出した吸気の質量流量及び入口温度と前記入口圧とに基づき気体の状態方程式を用いて測定時点での環境条件における吸気の体積流量を算出し、その算出した値に吸気の入口温度に基づく補正係数を掛けて前記標準環境条件での体積流量に補正し、その補正値と前記圧力比の算出値とに基づき前記作動特性図に照らして標準環境条件でのコンプレッサの回転数を読み出し、その読み出した回転数に吸気の入口温度に基づく補正係数を掛けてコンプレッサの実回転数に補正し、その補正値をターボチャージャの回転数として検出し、該ターボチャージャの回転数が所定の閾値を超えて所要時間以上に亘り検出された時にターボチャージャのオーバーランを判定するように前記演算装置が構成されていることを特徴とするターボ回転数検出装置。