JP2016061218A - ターボチャージャ回転速度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ターボチャージャのベーンの形状や特性等に相違があっても、その相違に関係なく、常に正確かつ確実に瞬時回転速度を検出できるターボチャージャ回転検出装置を提供する。【解決手段】エンジンに装着されたターボチャージャの回転速度を検出するターボチャージャ回転速度検出装置において、ターボチャージャのコンプレッサベーンに近接して配設されたターボセンサからの検出信号のピークを検出するピーク検出回路と、ピーク検出回路で検出されたピーク信号に基づいてターボチャージャの瞬時回転速度を演算する瞬時回転速度演算回路とを具備する。【選択図】図１３

Description

本発明は、エンジンに装着されるターボチャージャ（過給機）の回転速度を検出する小型で安価な構成のターボチャージャ回転速度検出装置に関し、特にターボチャージャのコンプレッサベーンに近接して配設されたターボセンサからの検出信号に基づき、ターボチャージャの瞬時回転速度を正確にかつ確実に、しかも機差に影響を受けることなく検出することができるターボチャージャ回転速度検出装置に関する。

自動車用等の内燃機関においては、その出力は、機関に燃焼のために提供され得る空気質量と相応の燃料量とに関連しており、内燃機関の出力を向上させたい場合には、より多くの燃焼空気と、より多くの燃料とが供給されなければならない。大型化することなく出力向上等を図るための過給機として、ターボチャージャを設けたものが知られている。ターボチャージャは、主として流体コンプレッサとタービンとから成っており、流体コンプレッサとタービンとは共通のシャフトで結合されており、同じ回転数で回転する。タービンは、排ガスの、通常使用されずに消失するエネルギーを回転エネルギーに変換し、コンプレッサを駆動する。コンプレッサは新しい空気を吸い込み、予圧縮された空気を機関の個々のシリンダに圧送する。シリンダ内のより大きな空気質量には、増加させられた燃料量が供給され得る。これによって、内燃機関がより多くの出力を放出するものである。

図１はタービン２０とコンプレッサ３０とを備えた一般的なターボチャージャ１０の構造例を示しており、コンプレッサ３０内には、コンプレッサホイール３１が回転可能に支承されており、ターボシャフト１１に結合されている。ターボシャフト１１も回転可能に支承されており、その他方の端部でタービンホイール２１に結合されている。タービン入口２２を介して、高温の排ガスが内燃機関（図示せず）からタービン２０内に流入させられることによりタービンホイール２１が回転する。排ガス流は、タービン２０からタービン出口２３を通って流出する。タービンホイール２１がターボシャフト１１を介してコンプレッサホイール３１に結合されているので、これによってタービン２０がコンプレッサ３０を駆動する。コンプレッサ３０内には、空気が空気入口３２（図３）を通して吸い込まれ、圧縮され、空気出口３３を介して内燃機関に供給される。

図２は、タービンホイール２１と、ターボシャフト１１と、コンプレッサホイール３１との結合関係を示しており、タービンホイール２１は、一般的に耐熱性のオーステナイト系のニッケル化合物から成っている。タービンホイール２１とターボシャフト１１とから成る構成部分は、ロータ又は回転体と呼ばれる。コンプレッサホイール３１は、例えばアルミニウム合金から精密鋳造法等で製作される。コンプレッサホイール３１はターボシャフト１１のコンプレッサ側の端部１２に、固定エレメント３４によって固定される。固定エレメント３４は、例えば袋ナット３５であってよい。袋ナット３５はタービンホイール２１をシールブシュと、支承つばと、スペーサブシュとでターボシャフトつばに対して固く緊締する。従って、回転体は固いユニットをコンプレッサホイール３１と共に形成している。

図３は、空気入口３２と空気出口３３とを備えたコンプレッサ３０を示しており、空気入口３２には円筒状のアダプタ３６が配置されている。アダプタ３６は螺旋状のコンプレッサハウジング３７に、例えばネジ３８によって結合されている。

ターボチャージャの回転数はエンジン制御等に必要であるが、ターボチャージャの回転数は２０万〜５０万ｒｐｍにも達し、温度も５００〜１０００℃となり、計測環境が苛酷であることから、コンプレッサホイール又はタービンホイールにおける回転数の直接的な計測は非常に困難である。

このため、特開２００８−５０６０７４号公報（特許文献１）では、ターボシャフトの回転数を検出するための装置として、ターボシャフトのコンプレッサ側の端部に磁界を変化させるためのエレメントを設け、磁界の変化が、ターボシャフトの回転に関連して生ぜしめられるようになっており、磁界を変化させるためのエレメントの近くにセンサ素子を配置しており、センサ素子が磁界の変化を検出するようになっている。

しかしながら、特許文献１によるターボシャフトの回転数検出では、ターボシャフトのコンプレッサ側端部に磁界を変化させるためのエレメントを装着しなければならず、ターボシャフトの軸径が小さいためにエレメントを大きくすることができず、その結果磁界変化を感度良く検出することができない。また、センサ素子が空気の流れを阻害するため、ターボチャージャの性能低下を起こす。そのため、ターボチャージャ製造上のコストアップと共に、検出精度の点で問題がある。

また、特開２００７−８９３３６号公報（特許文献２）では、センサレス永久磁石同期モータをターボシャフトに設け、駆動電流検出手段が検出したモータ駆動電流に基づいてセンサレス永久磁石同期モータの駆動時における回転状態を推定する回転状態推定手段と、非駆動時における回転状態を検出する回転状態検出手段とを切替えて使用する。特許文献２の装置では、装置として大型なセンサレス永久磁石同期モータを設けると共に、その制御に必要な手段を別途設置しなければならない問題がある。

かかる問題を解決するターボチャージャの回転検出装置として、本出願人による特願２０１２−５２２３０５（特許文献３）が提案されている。特許文献３では、ターボチャージャの回転センサに突出型渦電流センサ１００Ｂを用い、この渦電流センサ１００Ｂをターボチャージャのコンプレッサ３０に図４及び図５に示すように装着する。即ち、コンプレッサ３０の空気入口３２に、コンプレッサホイール３１のブレード回転面と対向するように渦電流センサ１００Ｂを装着している。渦電流センサ１００Ｂの装着は、例えばコンプレッサ３０空気入口３２の近辺に所定穴を開け、渦電流センサ１００Ｂの外套管を穴に嵌着することにより、或いは螺合させることにより、或いは溶接により固定する。

図５に示すように、ターボチャージャ１０は、エンジンの排気ガス流によって回転駆動されるタービン２０と、そのタービン２０の回転により回転駆動されて吸入空気を加圧するコンプレッサ３０と、タービン２０及びコンプレッサ３０を連結するターボシャフト１１とによって構成される。また、ハウジング１３内には、ターボシャフト１１をラジアル方向に回転可能に支持するベアリング１４が収容されている。タービン２０は、複数枚のタービンブレードを有するタービンホイール２１と、ハウジング１３のうちタービンホイール２１を収容する部分であるタービンハウジング２４とを備えている。また、コンプレッサ３０は、複数枚（例えば５〜１２枚）のコンプレッサブレード（ベーン）を有するコンプレッサホイール３１と、ハウジング１３のうちコンプレッサホイール３１を収容する部分であるコンプレッサハウジング３７とを有している。渦電流センサ１００Ｂはコンプレッサハウジング３７に貫通して、嵌着、螺合若しくは溶接で装着され、センサトップがブレード回転表面に近接して装着される。そして、タービンホイール２１が排気ガスにより回転すると、コンプレッサホイール３１がターボシャフト１１と共に回転し、コンプレッサハウジング３７内の吸気通路に吸入した空気を加圧圧縮し燃焼室に送り込む。

図６は、渦電流センサ１００Ｂに接続してターボ回転数を検出する検出回路の一例を示しており、上述のようにコンプレッサホイール３１のベーン（ブレード）回転表面に近接して配設された渦電流センサ１００Ｂは共振回路１１０で駆動されると共に、ベーンの回転による変位に対応して変化する信号成分を抽出する検波回路１１１に接続されている。検波回路１１１で抽出された信号成分は増幅器１１２で増幅され、閾値ＴＨ_０を有する比較器等の２値化回路１１３で２値化され、２値化されたパルス信号Ｐ１が分周回路１１４で分周され、例えばタービン１回転で１パルスを出力するように変換する。これにより分周パルスＰ２を計数することによって、回転数検出回路（カウンタ）１１５はタービン回転数ＲＮを検出し、時間換算によって平均的な回転速度を計測することができる。

ここにおいて、センサ１００Ｂの出力波形は例えば図７に示すようになっており、図６で示すように、全ての波形ピーク値よりも低い値の閾値ＴＨ_０で２値化している。

特開２００８−５０６０７４号公報 特開２００７−８９３３６号公報 特願２０１２−５２２３０５

しかしながら、センサ１００Ｂの出力波形は、コンプレッサベーンの厚さのバラツキ、ベーンの形状や材料の微差、ターボシャフトの偏心等に基づいて同一ではなく、図７の波形図や図８の模式図に詳細を示すように、閾値Ｔｈ_０に対してベーンの厚さに相当するパルス幅Ｗｂ１、Ｗｂ２，・・と、ベーン間距離に相当する波長間隔ΔＴ１，ΔＴ２，・・・とが波形毎に一定ではなく、しかもターボチャージャ毎に相違した値となる。そのため、閾値Ｔｈ_０に対して２値化したパルス波形は図９のように不均一となり、パルス間隔ΔＴ１，ΔＴ２，・・・が相違する。その結果、瞬時回転速度を計測する場合に、正確な計測ができないという問題がある。近年、ターボチャージャの瞬時回転速度はエンジン制御において重要な要因となっている。

図１０は、ブレード番号毎（Ｎｏ．０〜Ｎｏ．４２）に計測された瞬時回転速度{ｒｐｍ}のバラツキ（公差）の様子を示しており、公差の少ない状態で計測した正確な瞬時回転速度の取得が、高度なエンジン制御に要請されている。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、ターボチャージャのベーンの形状や特性等に相違があっても、その相違に関係なく、常に正確かつ確実に瞬時回転速度を検出できるターボチャージャ回転検出装置を提供することにある。

本発明は、エンジンに装着されたターボチャージャの回転速度を検出するターボチャージャ回転速度検出装置に関し、本発明の上記目的は、前記ターボチャージャのコンプレッサベーンに近接して配設されたターボセンサからの検出信号のピークを検出するピーク検出回路と、前記ピーク検出回路で検出されたピーク信号に基づいて前記ターボチャージャの瞬時回転速度を演算する瞬時回転速度演算回路とを具備することにより達成される。

本発明の上記目的は、前記ターボセンサが渦電流センサであることにより、或いは前記瞬時回転速度の演算を、前記ピークの検出の都度行うようになっていることにより、或いは前記検出信号のピークの検出を、前記検出信号に対する時系列のサンプリング値の大小比較に基づいて行うようになっていることにより、或いは前記時系列のサンプリング値の大小比較を少なくとも３回行って、前記ピークを確定するようになっていることにより、より効果的に達成される。

本発明のターボチャージャ回転速度検出装置によれば、コンプレッサの各ベーンに対応する波形のピークを検出し、ピークに対応するパルス列のパルス間隔に基づいて瞬時回転速度を検出するようにしているので、公差の影響を受けることなく、ターボチャージャの瞬時回転速度を正確にかつ確実に検出することができる。

一般的なターボチャージャの構造例を示す一部断面構造図である。 タービンホイールと、ターボシャフトと、コンプレッサホイールとの接続関係を示す構造図である。 空気入口と空気出口を備えたコンプレッサの一例を示す斜視図である。 ターボチャージャ回転センサの取り付け構造を示す斜視図である。 ターボチャージャ回転センサの取り付け構造を示す断面図である。 ターボチャージャ回転センサの検出回路の一例を示すブロック図である。 ターボチャージャ回転センサの出力波形の一例を示す波形図である。 ターボチャージャ回転センサの出力波形と閾値との関係の一部を詳細に示す模式図である。 ２値化された波形の一例を示す波形図である。 ターボチャージャ回転センサの出力波形の機差の一例を示す特性図である。 本発明の計測原理を説明する波形図である。 ２値化された波形の一例を示す波形図である。 本発明の構成例を示すブロック図である。 本発明の動作例を示すフローチャートである。 ピークの検出を説明するためのフローチャートである。 本発明の公差の一例を示す特性図である。

本発明では、所定の閾値を用いてターボチャージャのコンプレッサベーンの検出波形を２値化し、そのパルス間隔から瞬時回転速度を計測するのではなく、図１１に示すように各ベーンに対応する検出波形のピークＰＫ１，ＰＫ２，ＰＫ３，・・・を検出し、ピークＰＫ１，ＰＫ２，ＰＫ３，・・・に対応する図１２に示すようなパルス列のパルス間隔ΔＴｎに基づいて瞬時回転速度を検出する。つまり、ピークＰＫ１，ＰＫ２，ＰＫ３，・・・の時間間隔の計測により、ベーン毎の瞬時回転速度を検出する各ベーンの検出波形がピークＰＫ１，ＰＫ２，ＰＫ３，・・・に達するまでの途中波形は、ベーンの厚さや形状の違いによって影響を受けるが、ピークＰＫ１，ＰＫ２，ＰＫ３，・・・の位置は公差の影響を受けない。そのため、ピークＰＫ１，ＰＫ２，ＰＫ３，・・・の時間間隔を計測することによって、ターボチャージャの瞬時回転速度を正確に検出することができる。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１３は本発明の構成例を図６に対応させて示しており、増幅器１１２からのベーン検出信号ＡＭのピークを検出するピーク検出回路１２０と、ピーク検出回路１２０で検出されたピークのピーク列ＰＳに基づいて瞬時回転速度ＳＲをピーク毎に演算する瞬時回転速度演算回路１３０とを備えている。即ち、本発明では、ベーン検出信号ＡＭのピーク毎に瞬時回転速度ＳＲを得ることができ、この瞬時回転速度ＳＲをエンジン制御やターボチャージャの制御に利用することができる。

このような構成において、図１４のフローチャート及び図１５の波形図を参照して、本発明の動作例を説明する。

先ずベーン検出信号ＡＭが正側となるのを待ち（ステップＳ１）、メモリ（図示せず）に記憶されている前回のサンプリング値をクリアし（ステップＳ２）、所定時間、つまりサンプリング時間となるまで待機する（ステップＳ３）。

所定時間が経過してサンプリング時間になると（図１５の時点ｔ１）、ベーン検出信号ＡＭをサンプリングし（ステップＳ１０）、そのサンプリング値Ｐ１をメモリに記憶する（ステップＳ１１）。そして、当該サンプリング値Ｐ１が前回のサンプリング値以上であるか否かを判定するが（ステップＳ１２）、今回は当該サンプリング値Ｐ１は前回のサンプリング値以上であるので、次のサンプリング時間（図１５の時点ｔ２）にサンプリングし（ステップＳ１３）、当該サンプリング値Ｐ２をメモリに記憶する（ステップＳ１４）。そして、上記ステップＳ１２にリターンし、当該サンプリング値Ｐ２が前回のサンプリング値Ｐ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。このようなサンプリングと前回値との大小比較を繰り返す。

このようなサンプリングと比較において、時点ｔ６のサンプリング値Ｐ６は時点ｔ５のサンプリング値Ｐ５よりも大きく、時点ｔ７のサンプリング値Ｐ７は時点ｔ６のサンプリング値Ｐ６よりも小さくなっているので、サンプリング値Ｐ６がピーク値と確定し（ステップＳ２０）、ピーク値Ｐ６（時間を含む）をメモリに記憶する（ステップＳ２１）。

なお、ピーク値の確定動作において、本例では今回サンプリング値が前回サンプリング値より小さくなったときに、前回サンプリング値をピーク値と判定しているが、検出波形が一旦小さくなって再度大きくなる場合も想定される。そのため。今回サンプリング値が前回サンプリング値より小さくなる回数が、例えばｎ（２以上の整数）回続いた場合にｎ回前のサンプリング値をピーク値として確定すれば、より正確なピークの検出が可能となる。少なくとも３回のサンプリングで、ピークを確定することが望ましい。

検出波形のピークが定まると、ピーク間の時間ΔＴｎ[ｓ]が求まり、既知のベーン枚数Ｍから、下記数１によって瞬時回転速度ＳＲを演算する（ステップＳ３０）。
（数１）
６０／（ΔＴｎ・Ｍ） [ｒｐｍ]

かかる瞬時回転速度ＳＲを新しいピークが確定する都度演算する。瞬時回転速度ＳＲは、エンジンやターボチャージャの制御に利用される。

本発明によれば、コンプレッサの各ベーンに対応する波形のピークを検出し、ピークに対応するパルス列のパルス間隔に基づいて瞬時回転速度を検出するようにしているので、公差の影響を受けることなく、ターボチャージャの瞬時回転速度を正確にかつ確実に検出することができる。ピークを検出することにより、図１６に示すように公差が各ベーンについてほぼ均一になる。

なお、上述では検出波形の正側でパルスのピークを検出しているが、負側でも同様に適用できる。

１０ ターボチャージャ
１１ ターボシャフト
１３ ハウジング
１４ ベアリング
２０ タービン
２１ タービンホイール
２２ タービン入口
２３ タービン出口
２４ タービンハウジング
３０ コンプレッサ
３１ コンプレッサホイール
３２ 空気入口
３３ 空気出口
３７ コンプレッサハウジング
１００Ｂ 突出型渦電流センサ
１１０ 共振回路
１１１ 検波回路
１１２ 増幅器
１１３ ２値化回路（Ａ／Ｄ変換回路）
１１４ 分周回路
１１５ 回転数検出回路（カウンタ）
１２０ ピーク検出回路
１３０ 瞬時回転速度演算回路

Claims (5)

1. エンジンに装着されたターボチャージャの回転速度を検出するターボチャージャ回転速度検出装置において、
   前記ターボチャージャのコンプレッサベーンに近接して配設されたターボセンサからの検出信号のピークを検出するピーク検出回路と、
   前記ピーク検出回路で検出されたピーク信号に基づいて前記ターボチャージャの瞬時回転速度を演算する瞬時回転速度演算回路と、
   を具備したことを特徴とするターボチャージャ回転速度検出装置。
2. 前記ターボセンサが渦電流センサである請求項１に記載のターボチャージャ回転速度検出装置。
3. 前記瞬時回転速度の演算を、前記ピークの検出の都度行うようになっている請求項１又は２に記載のターボチャージャ回転速度検出装置。
4. 前記検出信号のピークの検出を、前記検出信号に対する時系列のサンプリング値の大小比較に基づいて行うようになっている請求項１乃至３のいずれかに記載のターボチャージャ回転速度検出装置。
5. 前記時系列のサンプリング値の大小比較を少なくとも３回行って、前記ピークを確定するようになっている請求項４に記載のターボチャージャ回転速度検出装置。