(57)【要約】【課題】  タービン翼車に発生する応力を推定し、発生する応力の大きさとその発生頻度から一層高精度に排気ターボチャージャの寿命を推定する。【解決手段】  本発明に係る排気ターボチャージャの寿命推定装置であって、実際のタービン翼車１１の回転数が共振回転数となった回数をカウントして共振発生回数を取得する共振発生回数取得手段と、実際のタービン翼車１１の回転数が共振回転数となったときの膨張比を内燃機関１の回転速度と内燃機関１の負荷とに基づいて取得する膨張比取得手段と、取得された膨張比に基づいてタービン翼車１１に発生する共振応力を取得する共振応力取得手段と、取得された共振発生回数と共振応力とに基づいて疲労限曲線を参照してタービン翼車１１の寿命を推定する寿命推定手段と、を含んで構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に介装される排気ターボチャージャの寿命を推定する排気ターボチャージャの寿命推定装置であって、
実際のタービン翼車の回転数が、タービン翼車の共振回転数となった回数をカウントして共振発生回数を取得する共振発生回数取得手段と、
実際のタービン翼車の回転数が、タービン翼車の共振回転数となったときの膨張比を、内燃機関の回転速度と、内燃機関の負荷と、に基づいて取得する膨張比取得手段と、
膨張比取得手段により取得された膨張比に基づいて、タービン翼車に発生する共振応力を取得する共振応力取得手段と、
共振発生回数取得手段により取得された共振発生回数と、共振応力取得手段により取得された共振応力と、に基づいて、疲労限曲線を参照して、タービン翼車の寿命を推定する寿命推定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする排気ターボチャージャの寿命推定装置。
【請求項２】
前記共振発生回数取得手段は、内燃機関の回転速度と、内燃機関の負荷と、に基づいて定められる等タービン回転数線図を参照して、実際のタービン回転数が、共振回転数線を通過した回数をカウントすることで、共振発生回数を取得することを特徴とする請求項１に記載の排気ターボチャージャの寿命推定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関等に利用される排気エネルギを利用した排気ターボチャージャの寿命推定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、内燃機関において、小排気量でありながら吸入空気量を増大することができると共にポンピングロスを低減できることなどから、排気をクリーンに維持しつつ高出力化及び低燃費化の促進に貢献可能な技術として、排気エネルギを利用した排気ターボチャージャ（排気過給機）が採用されている。
【０００３】
この一方で、排気ターボチャージャのタービン翼車には応力が発生し、その応力はタービン翼車延いては排気ターボチャージャの寿命に影響を与えることになる。このため、従来より、排気ターボチャージャの使用期間、作動状態などから経験に基づいて大凡の寿命を想定して、排気ターボチャージャに破損等の不具合が発生してしまう前に、排気ターボチャージャのオーバーホールや新品やリビルト品への交換などが行われているといった実情がある。
【０００４】
しかしながら、内燃機関の運転状況などによって、タービン翼車に発生する応力の大きさや繰り返し回数などは大きく異なるため、排気ターボチャージャの寿命延いてはオーバーホール時期や交換時期を正確に知ることは難しく、早め早めに対応するといった手法が採られているのが実情である。なお、それでも交換前に不具合が発生してしまうおそれもある。
【０００５】
このようなことから、特許文献１には、ターボ過給機の圧縮機入口圧力と圧縮機出口圧力との関係に基づいてターボ過給機の寿命を予測するよにしたターボ過給機の寿命決定装置が提案されている。
また、特許文献２には、ターボ過給機の疲れ寿命をホイール速度（タービン回転速度）やタービン吸気温度に基づいて監視するといった技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２４８９５２号公報
【特許文献２】特表２００２−５４４４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載されている技術であっても改良すべき余地は残されており、より一層高精度にタービン翼車延いては排気ターボチャージャの寿命を予測することが望まれている。
【０００８】
本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、簡単かつ低コストな構成でありながら、タービン翼車に発生する応力を推定し、発生する応力の大きさとその発生頻度から一層高精度にタービン翼車延いては排気ターボチャージャの寿命を推定することができる排気ターボチャージャ寿命推定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このため、本発明に係る排気ターボチャージャの寿命推定装置は、
内燃機関の排気通路に介装される排気ターボチャージャの寿命を推定する排気ターボチャージャの寿命推定装置であって、
実際のタービン翼車の回転数が、タービン翼車の共振回転数となった回数をカウントして共振発生回数を取得する共振発生回数取得手段と、
実際のタービン翼車の回転数が、タービン翼車の共振回転数となったときの膨張比を、内燃機関の回転速度と、内燃機関の負荷と、に基づいて取得する膨張比取得手段と、
膨張比取得手段により取得された膨張比に基づいて、タービン翼車に発生する共振応力を取得する共振応力取得手段と、
共振発生回数取得手段により取得された共振発生回数と、共振応力取得手段により取得された共振応力と、に基づいて、疲労限曲線を参照して、タービン翼車の寿命を推定する寿命推定手段と、
を含んで構成したことを特徴とする。
【００１０】
本発明において、前記共振発生回数取得手段は、内燃機関の回転速度と、内燃機関の負荷と、に基づいて定められる等タービン回転数線図を参照して、実際のタービン回転数が、共振回転数線を通過した（或いは跨いだ）回数をカウントすることで、共振発生回数を取得することを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡単かつ低コストな構成でありながら、タービン翼車に発生する応力を推定し、発生する応力の大きさとその発生頻度から一層高精度にタービン翼車延いては排気ターボチャージャの寿命を推定することができる排気ターボチャージャ寿命推定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施の形態に係る排気ターボチャージャを備えた内燃機関の全体構成を概略的に示した図である。
【図２】排気ターボチャージャのタービン翼車の固有振度数と共振回転数の関係の一例を説明する図である。
【図３】内燃機関のエンジン回転数と、負荷（燃料噴射量）と、に基づき定められる等タービン翼車回転数線図（マップ）の一例と、そのうちの共振回転数線を実際のタービン翼車回転数（運転状態）が通過する様子を説明する図である。
【図４】内燃機関のエンジン回転数と、負荷（燃料噴射量）と、に基づき定められる等膨張比線図（マップ）の一例を示す図である。
【図５】膨張比（Ｐ３／Ｐ３）と共振応力（加振応力）との関係（マップ）の一例を示す図である。
【図６】共振応力（Ｓｔｒｅｓｓの振幅）を縦軸とし、共振発生回数（Ｎｕｍｂｅｒ）を横軸としたＳ−Ｎ線図（疲労限曲線）の一例を示す図である。
【図７】同上Ｓ−Ｎ線図（疲労限曲線）と、各共振応力領域毎の寿命の合計値について説明するための図である。
【図８】時間経過に対する内燃機関の運転履歴情報（実走行データ）の一例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００１４】
図１に示すように、内燃機関１の排気通路２に排気ターボチャージャ（排気過給機）１０が介装され、タービン翼車１１（排気を受けて回転駆動されるブレード付き回転体）は排気のエネルギにより回転駆動されることで同軸上に取り付けられているインペラ１２を回転駆動し、回転駆動されるインペラ１２により吸入空気を圧縮して過給し、吸気通路３に介装されるインタークーラ４により冷却しつつ給気を燃焼室５へ供給するように構成されている。
【００１５】
なお、本実施の形態に係る内燃機関１の燃料噴射量や噴射タイミングを制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０では、内燃機関の回転数（回転速度）、内燃機関１の燃料噴射量などの各種の情報が取得されるようになっている。
【００１６】
（１）タービン翼車１１の固有振動数について
タービン翼車１１は、その羽根の形状、厚さ、高さ等によって決定される固有振動数を持っている。
そして、図２に示すように、タービン回転数に応じて、回転１次、回転２次、・・・、回転ｎ次の各モード毎に周波数特性を表す周波数特性線が存在し、固有振動数と、タービン回転次数の周波数特性線と、が合致（交差）したときに、そのタービン回転数（共振回転数）で共振現象が発生する。
【００１７】
なお、通常の使用領域に共振回転数が存在しないようにタービン翼車１１を設計することで、共振の発生が回避され、タービン翼車１１の寿命を延ばすことができるが、このためには固有振動数を高い周波数とする必要がある。しかし、タービン翼車１１の固有振動数を高い周波数とするためには、羽根高さを低くしたり厚くするなどの必要があり、このような変更は排気ターボチャージャ１０としての性能低下を招く方向への変更であるため、採用が難しいのが実情である。
【００１８】
（２）共振発生時に、タービン翼車１１への強制力（膨張比＝Ｐ３／Ｐ４）が大きい場合、タービン翼車１１に疲労強度以上の大きな応力が発生し、その大きな応力の発生頻度に応じて、タービン翼車１１の寿命が決まってくる。
【００１９】
（３）すなわち、タービン翼車１１の寿命を推定（予測）するためには、
Ａ．共振が何回発生したのか？
Ｂ．共振発生時の強制力（加振力：すなわち、膨張比）の大きさはいくらであるのか？
Ｃ．その膨張比に対する発生応力の大きさはいくらであるのか？
これらＡ〜Ｃを把握することができれば、タービン翼車１１の寿命をマイナー則（Ｍｉｎｅｒ’ｓ  Ｒｕｌｅ：Ｓ−Ｎ曲線（疲労限曲線）：図６等参照）から推定（予測）することができる。
【００２０】
このようなことから、本実施の形態では、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０では、以下のようなステップに従ってタービン翼車（排気ターボチャージャ）の寿命（交換時期或いはオーバーホール時期、又は寿命までの残りの期間）を予測（推定）する処理を行う。
【００２１】
すなわち、
ステップ１で、内燃機関１の回転速度と、内燃機関１の負荷（燃料噴射量）と、に基づいて、予め実験などにより得られたマップ（図３に示すような等タービン回転数曲線）等を参照して、実際の運転状態から定まるタービン回転数の変化をモニターし、共振回転数を通過したか（跨いだか）否かを取得（モニター）する。
なお、共振回転数は、回転次数毎に、例えば図２に示すようなマップを参照することで定められる。
【００２２】
ところで、タービン回転数は、タービン翼車１１の回転数（タービン回転数：ｒｐｍ）を検出するタービン回転センサが備えられている場合には、当該タービン回転センサから取得されるタービン回転数をモニターしても良いものである。
【００２３】
続く、ステップ２では、ステップ１でタービン回転数が共振回転数を通過した（跨いだ）場合に、内燃機関１の回転速度と、内燃機関１の負荷（燃料噴射量）と、に基づいて、予め実験などにより得られたマップ（図４に示すような等膨張比線図）等を参照して、タービン回転数が共振回転数を通過した（跨いだ）時（共振時）の内燃機関１の回転速度と内燃機関１の負荷（燃料噴射量）から定まる膨張比を取得する。
【００２４】
エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０が実行するステップ２が、本発明に係る膨張比取得手段に相当する。
【００２５】
ステップ３では、ステップ２で取得された膨張比から、予め実験やシミュレーションなどにより得られたマップ（図５に示すような「膨張比」と「共振応力（タービン翼車に発生する応力）」との関係）等を参照して、タービン翼車１１に発生する応力（共振応力）を取得する。図５のマップは、タービン翼車１１の仕様（羽根の形状、厚さ、高さ等）に応じて設定されることができる。
【００２６】
ここで、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０が実行するステップ３が、本発明に係る共振応力取得手段に相当する。
【００２７】
次に、ステップ４では、ステップ１にてタービン回転数が共振回転数を通過した（跨いだ）ときに共振発生回数をカウントアップ（インクリメント）して新たな共振発生回数を取得し、当該新たな共振発生回数と、ステップ３にて取得した共振応力と、に基づいて、図６に示すようなＳ−Ｎ線図（マイナー則（Ｍｉｎｅｒ’ｓ  Ｒｕｌｅ：（疲労限曲線））を参照して、タービン翼車１１の交換時期或いはオーバーホール時期（寿命；寿命までの残り）を推定（予測）する。
【００２８】
ここで、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０が実行するステップ４における「新たな共振発生回数を取得する処理」が、本発明に係る共振発生回数取得手段に相当する。
【００２９】
また、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０が実行するステップ４における「新たな共振発生回数と、共振応力と、に基づいて、Ｓ−Ｎ線図（疲労限曲線）を参照して、タービン翼車１１の交換時期或いはオーバーホール時期（寿命；寿命までの残り）を推定（予測）する処理」が、本発明に係る寿命推定手段に相当する。
【００３０】
例えば、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０では、図７に示すように、発生した共振応力の領域毎に、共振発生回数の疲労限度回数までの比率や百分率（％）を求め、これら比率や百分率（％）の合計値を記憶更新する構成とすることができる。
【００３１】
そして、例えば、各共振応力（領域）での共振発生回数の疲労限度回数までの比率や百分率（％）の合計値（図７では０．６５（６５％））が０．８や８０（％）を超えた場合に、排気ターボチャージャ１０の交換或いはオーバーホール時期に近づいているとして、その旨を、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０では、運転席付近のインスツルメントパネル３０に点灯表示したり報知音を発生させたり音声でアナウンスしたりすることで、運転者等に報知するように構成することができる。
【００３２】
また、サービス工場などにおいては、パーソナルコンピュータや専用コンピュータにより、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０が記憶している各共振応力（領域）での共振発生回数の疲労限度回数までの比率や百分率（％）の合計値を読み出すことができる構成として、サービススタッフ等は排気ターボチャージャ１０の交換或いはオーバーホール時期までどのくらい近づいているのかなどを把握して、顧客に交換時期までどのくらいであるのかなど知らせることなどが可能となり、以ってサービス向上等に貢献することも可能である。
【００３３】
なお、本実施の形態では、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０或いはサービススタッフは、例えば、車両の利用度合い（年間の走行距離など）を参照して、排気ターボチャージャ１０の交換或いはオーバーホール時期まで後１年くらいに近づいた場合に、その旨を知らせることなどが可能である。
【００３４】
ところで、本実施の形態において、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２０では、上記各ステップを実行するソフトウェア（フローチャート）をＲＯＭなどの記憶部に備え、所定時間（数ｍｓｅｃ）毎に該ソフトウェアを内燃機関１の運転中にリアルタイムに実行することができるが、これに限らず、内燃機関１の回転速度と内燃機関１の負荷（燃料噴射量）を含む運転履歴情報（実走行データ履歴）（図８等参照）を記憶しておいて、所定のタイミングで（運転停止時や始動時など）、運転履歴情報に基づいて図３〜図５のマップを参照して、タービン回転数が共振回転数を通過した（跨いだ）回数を取得すると共に、タービン回転数が共振回転数を通過した（跨いだ）ときの膨張比延いては共振応力を取得し、これらに基づいて、図６や図７に示したＳ−Ｎ線図を参照することで、タービン翼車１１の寿命（寿命までの残り）を推定（予測）するように構成することも可能である。
【００３５】
上述した実施の形態において、排気ターボチャージャの形式は特に限定されるものではなく、本発明は、例えば、可変容量式の排気ターボチャージャに適用可能であり、可変ノズル式ターボチャージャ（ＶＮＴ）、その他の形式の可変容量式排気ターボチャージャにも本発明は適用可能である。
【００３６】
ところで、本発明に係る内燃機関は、特に限定されるものではなく、例えば、車両に搭載されるものに限らず定置式のものにも本発明は適用可能であり、またディーゼルエンジン、ガソリンエンジン、その他の燃料を燃焼方式に関わらず燃焼させる内燃機関に適用可能である。
【００３７】
以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、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可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１    内燃機関（エンジン）
２    排気通路
３    吸気通路
４    インタークーラ
５    燃焼室
１０    排気ターボチャージャ（排気過給機）
１１    タービン翼車
１２    インペラ
２０    エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
３０    インスツルメントパネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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