(57)【要約】【課題】コンプレッサ翼に対応してハウジング側に形成された取出し孔を、コンプレッサ翼が通過して取出し孔を瞬時に遮蔽開放することで、取出し孔を通じて捉えた圧力変動から回転数の導出が可能な、ターボチャージャの回転状態検出装置を提供する。【解決手段】コンプレッサホイールのコンプレッサ翼下流側に対面するコンプレッサハウジングの出口側部位に、コンプレッサハウジング外側からコンプレッサハウジング内に向けて穿設され、コンプレッサホイールの回転によりコンプレッサ翼が通過して開閉することでコンプレッサハウジング内の圧力変動を生成するための取出し孔と、取出し孔において取出される、コンプレッサハウジング内の圧力変動を検出する圧力変動検出部と、圧力変動検出部の検出信号に基づいてコンプレッサホイールの回転数とコンプレッサ翼内の失速を導出する回転状態検出部とを備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータシャフトを回転軸として連結されたタービンホイールとコンプレッサホイールと、前記タービンホイールを収容するタービンハウジングと、前記コンプレッサホイールを収容するコンプレッサハウジングとを具備するターボチャージャの回転状態検出装置において、
前記コンプレッサホイールのコンプレッサ翼下流側に位置する前記コンプレッサハウジングのシュラウド部に、前記コンプレッサハウジング外側から前記コンプレッサハウジング内側に向けて貫通して形成された取出し孔と、
該取出し孔において取出される、前記コンプレッサハウジング内の圧力変動を検出する圧力変動検出部と、
該圧力変動検出部の検出信号に基づいてコンプレッサホイールの回転数または回転変動を検出する回転状態検出部と、
を備えたことを特徴とするターボチャージャの回転状態検出装置。
【請求項２】
前記圧力変動検出部は、前記コンプレッサハウジング内に形成され、前記取出し孔に連通する拡張室に配置されている、ことを特徴とする請求項１記載のターボチャージャの回転状態検出装置。
【請求項３】
前記圧力変動検出部は、半導体圧力センサからなる、ことを特徴とする請求項１または２記載のターボチャージャの回転状態検出装置。
【請求項４】
前記圧力変動検出部は、音圧センサからなる、ことを特徴とする請求項１または２記載のターボチャージャの回転状態検出装置。
【請求項５】
前記取出し孔の開口は、前記コンプレッサ翼の翼高さ上端縁の回転軸方向の傾きに合わせて形成されたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のターボチャージャの回転状態検出装置。
【請求項６】
前記取出し孔の周方向の幅は前記コンプレッサ翼の翼厚と略同一とし、前記圧力変動検出部は、前記取出し孔を通過する前記コンプレッサ翼の回転方向前面側の空間と、回転方向後面側の空間における圧力差を検出することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のターボチャージャの回転状態検出装置。
【請求項７】
前記回転状態検出部は、前記コンプレッサ翼毎の圧力変動から所定周期毎に変動するうねりを検出するうねり検出部を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のターボチャージャの回転状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はターボチャージャの回転状態検出装置に係り、特にコンプレッサホイールの回転によりコンプレッサ翼を通過させ、ハウジング内の圧力変動を捉えることで、ターボチャージャの回転状態検出装置の回転数を容易に計測できるようにした、ターボチャージャの回転状態検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ターボチャージャの回転数検出方法として、例えば、複数のコンプレッサ翼を有するコンプレッサホイールの外周側に設けられたコンプレッサハウジングに距離センサを設置し、コンプレッサ翼の通過周波数を検出する方法が知られている。この場合、コンプレッサ翼の翼厚が薄すぎるとセンサがコンプレッサ翼を検知できないことや、翼枚数の多い場合、高回転の場合、センサの周波数応答能力以上となり、主として小径のターボチャージャには適用できない場合が多い。
【０００３】
また、別の回転数検出方法としては、コンプレッサハウジング外側にコイルを配し、そこに電流を流して磁場を発生させておき、コンプレッサ翼の回転軸のナットを磁化させる方法がある。  この方法によれば、コイルの電流により発生した磁場をナットの磁場が横切ることで、コイルに誘導パルスが発生する。このパルスは回転周波数に同期しているので、回転周波数を検出することができる。しかしながらこの方法では磁界が弱いため、大径の羽根車には適用できない場合が多い。
【０００４】
さらに別の回転数検出方法としては、回転軸に段差を設け、その外周側に設置された距離を検知するギャップセンサを用いて段差の通過周波数を検出する方法がある。この方法では回転軸そのものに加工が必要となる。また回転バランスを精密に確保する回転バランスの再調整の追加工程も必要となる。特に小径のターボチャージャは、高回転数で使用する場合が多いため、回転バランスを精密に調整する必要があり、加工コストが問題となっている。また、小径軸のターボチャージャでは、強度的観点よりこういった段差加工が難しいという難点もある。
【０００５】
また、特許文献１では、コンプレッサ翼が過給気を圧送する給気導出通路（ディフューザ）に流速センサを設け、流速センサは、各翼に対応した過給気の周期的な流速変化から、単位時間当たりに過給気を送りだした翼の数を求め、この翼の数と、コンプレッサ翼の翼数の総数とから、ターボロータの回転数を求めるようにしている。
【０００６】
さらに、特許文献２では、ターボ装置の回転子のタービン羽根の通過による圧力変動に応答して信号を出力する圧力検知手段をケーシングに設け、圧力検知手段からの信号を周波数解析して信号の周波数成分から基本周波数を測定する測定手段により、ターボ装置の回転数を検出するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−９７２８１号公報
【特許文献２】特開２００３−２４０７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では、流速センサは、各翼に対応した過給気の周期的な流速変化から、単位時間当たりに過給気を送りだした翼の数を求め、この翼の数とコンプレッサ翼の翼総数とから回転数を求めるという、種々の演算を経て回転数を求めているため煩雑さは否めない。
一方、特許文献２では、タービン羽根の通過による圧力変動に応答して信号を出力する圧力検知手段を用いるとしても、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）により周波数解析を行っており、製品コストの抑制は困難である。
本発明は、上記課題を改善するために提案されたものであって、新たに計測原理を見直して、ターボチャージャの音信号または圧力変動信号に着目し、それぞれの信号からダイレクトに計測できるように、最善のＳ／Ｎが得られるべく音信号または圧力変動信号の取得位置を定めて、音信号または圧力変動信号を捉えることで、ターボチャージャの回転数または回転状態を容易に検出できるようにした、ターボチャージャの回転状態検出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】
上記課題を解決するために請求項１記載の本発明では、ロータシャフトを回転軸として連結されたタービンホイールとコンプレッサホイールと、タービンホイールを収容するタービンハウジングと、コンプレッサホイールを収容するコンプレッサハウジングとを具備するターボチャージャの回転状態検出装置において、コンプレッサホイールのコンプレッサ翼下流側に位置するコンプレッサハウジングのシュラウド部に、コンプレッサハウジング外側からコンプレッサハウジング内側に向けて貫通して形成された取出し孔と、取出し孔において取出される、コンプレッサハウジング内の圧力変動を検出する圧力変動検出部と、圧力変動検出部の検出信号に基づいてコンプレッサホイールの回転数または回転変動を検出する回転状態検出部と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
これにより、コンプレッサハウジング内で、コンプレッサホイールの回転によって圧力が高まり、コンプレッサホイールのコンプレッサ翼下流側に位置するコンプレッサハウジングのシュラウド部に、コンプレッサハウジング外側からコンプレッサハウジング内に向けて穿設された取出し孔から、過給気の一部を高い圧力の変動を伴う脈動として取り出すことができる。かかる圧力の変動を圧力変動検出部によって検出して、圧力変動検出部の検出信号に基づいて回転状態検出部によりコンプレッサホイールの回転数または回転状態を検出することができる。
【００１１】
また、請求項２にかかる本発明では、圧力変動検出部は、コンプレッサハウジング内に形成され、取出し孔に連通する拡張室に配置されている、ことを特徴とする。
【００１２】
これにより、コンプレッサ翼が通過することで、過給気が取出し孔を通じて抜け、圧力変動検出部を通過する。従って圧力変動検出部は、大きく圧力変動を取り出すことができる。
【００１３】
また、請求項３にかかる本発明では、圧力変動検出部は、半導体圧力センサからなる、ことを特徴とする。
【００１４】
これにより、取出し孔から取出される過給気の脈動を、半導体圧力センサにより確実に捉えることができる。
【００１５】
また、請求項４にかかる本発明では、圧力変動検出部は、音圧センサからなる、ことを特徴とする。
【００１６】
これにより、取出し孔から取出される過給気の一部を高い圧力の変動を伴う脈動として取り出すことができる。この場合、高い圧力の変動を伴う脈動を音圧変動として取り出すことができる。
【００１７】
また、請求項５にかかる本発明では、取出し孔の開口は、コンプレッサ翼の翼高さ上端縁の回転軸方向の傾きに合わせて形成されたことを特徴とする。
【００１８】
コンプレッサ翼は、コンプレッサホイールの回転によって、コンプレッサハウジング内をコンプレッサハウジングの周方向に回転移動する。
コンプレッサ翼は、回転軸方向に導入側から排出側に向かって展開する曲線形状に形成されており、コンプレッサ翼の翼高さ上端縁の回転軸方向の傾きに、取出し孔を合わせるように設けることができる。このため、コンプレッサホイールの回転によってコンプレッサ翼の翼高さ上端縁は、確実に取出し孔を通過し、瞬時に取出し孔を遮蔽、開放することができる。したがって、取出し孔を介してコンプレッサハウジング内の高圧化した過給気を、圧力変動として取り出すことができる。
【００１９】
また、請求項６にかかる本発明では、取出し孔の周方向の幅はコンプレッサ翼の翼厚と略同一とし、圧力変動検出部は、取出し孔を通過するコンプレッサ翼の回転方向前面側の空間と、回転方向後面側の空間における圧力差を検出する、ことを特徴とする。
【００２０】
これにより、コンプレッサ翼の回転方向前面側の空間と、回転方向後面側の空間とには圧力差があり、このコンプレッサ翼の前面、後面の圧力差を、ターボ一回転でコンプレッサ翼枚数、計測することになり、回転数を計測することができる。
【００２１】
さらに、請求項７にかかる本発明では、回転状態検出部は、コンプレッサ翼毎の圧力変動から所定周期毎に変動するうねりを検出するうねり検出部を備えたことを特徴とする。
【００２２】
これにより、コンプレッサ翼の前面、後面の圧力変動からコンプレッサ翼内の失速が検出でき、プレサージやサージングの検出につながる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、コンプレッサホイールのコンプレッサ翼下流側に位置するコンプレッサハウジングのシュラウド部に、コンプレッサハウジング外側からコンプレッサハウジング内に向けて穿設された取出し孔により、回転するコンプレッサ翼が通過することでコンプレッサハウジング内の圧力変動を圧力変動として取り出すことができ、圧力変動に基づいて、回転数または回転変動及び、プレサージやサージングを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係る回転状態検出装置を備えたターボチャージャの一例を示す、概略構成図を示す。
【図２】図１に示すターボチャージャにおけるコンプレッサハウジングおよびコンプレッサ翼の要部拡大図である。
【図３】本発明に係る回転状態検出装置における圧力変動検出部をコンプレッサハウジングに配置した第１実施形態を示す模式図である。
【図４】図３に示す圧力変動検出部によって検出されるコンプレッサハウジング内の圧力変動を示すグラフである。
【図５】本発明に係る回転状態検出装置における圧力変動検出部をコンプレッサハウジングに配置した第２実施形態を示す模式図である。
【図６】図５に示す圧力変動検出部によって検出されるコンプレッサハウジング内の圧力変動を示すグラフである。
【図７】コンプレッサ翼の翼高さ上端縁の形成方向に合わせて形成された取り付け孔の一例を示す模式図である。
【図８】コンプレッサ翼の翼高さ上端縁の形成方向に合わせて形成された取り付け孔の別例を示す模式図である。
【図９】圧力変動検出部により取出される圧力変動の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明にかか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、その相対位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。
【００２６】
図１に本発明に係る回転状態検出装置を備えたターボチャージャ１の一例を示す。
ターボチャージャ１はロータシャフト２を回転軸として連結されたタービンホイール３とコンプレッサホイール４と、タービンホイール３を収容するタービンハウジング５と、コンプレッサホイール４を収容するコンプレッサハウジング６とを具備する。また、コンプレッサハウジング６は、空気送出通路７（以下、ディフューザ７）を介して連通するスクロール８を有する。
【００２７】
ターボチャージャ１は排気エネルギーにより過給気を作り出す回転機械であり、コンプレッサハウジング６に収容されるコンプレッサホイール４はコンプレッサ翼４ａを備えている。コンプレッサ翼４ａは、図中、左方からコンプレッサハウジング６内に流入する空気に対し、コンプレッサホイール４の回転で運動エネルギーを与え、ディフューザ７で、空気に与えられた運動エネルギーを圧力に変換（減速）し、スクロール８において、空気流を周方向に誘導して集めるようにしている。
【００２８】
そして、以上のようなターボチャージャ１には回転状態検出装置１０が搭載される。
回転状態検出装置１０は、コンプレッサホイール４のコンプレッサ翼４ａ下流側に位置するコンプレッサハウジング６のシュラウド部６ｓに、コンプレッサハウジング６外側からコンプレッサハウジング６内側に向けて貫通して形成された取出し孔１１を介し、コンプレッサハウジング６内の圧力変動を検出する圧力変動検出部１２と、圧力変動検出部１２の検出信号に基づいてコンプレッサホイール４の回転数または回転変動及びコンプレッサ翼内失速を検出する回転状態検出部１３と、を備えている（図２参照）。
【００２９】
取出し孔１１は、上述のように、コンプレッサハウジング６内に導入された空気をコンプレッサホイール４の回転により圧縮して過給気とし、この過給気の一部を、ディフューザ７に至る近傍に、すなわち、コンプレッサホイール４の回転により高圧化した位置で、取出すことが出来るように形成される。
さらに、この取出し孔１１は、本実施形態では、検出信号が充分強い場合には詳細は後述するが、コンプレッサホイール４におけるコンプレッサ翼４ａが回転により通過する位置に、コンプレッサ翼４ａにより遮蔽される大きさの寸法に形成し、精度、分解能を高めることもできる。
【００３０】
次に、回転状態検出装置１０について、第１実施形態としてより具体的に説明する。
（第１実施形態）
圧力変動検出部１２は、取出し孔１１に直接装着され、取出し孔１１を通じて取出される過給気の一部の圧力変動を検出するための圧力センサ１２（半導体圧力センサ）からなる。
また、回転状態検出部１３は、検出信号増幅器１４と、波形整形回路１６と、カウンタ１７とを備える。また、カウンタ１７以外に、Ｆ／Ｖコンバータも可能である。
【００３１】
圧力センサ１２は、例えば図３に示すように、コンプレッサハウジング６内側に向けて形成された取出し孔１１に、閉塞するように装着される。この場合、例えば圧力センサ１２は、例えばダイヤフラム型の半導体圧力センサが可能である。
この場合、コンプレッサホイール４が回転することで、コンプレッサ翼４ａが取出し孔１１の開口を通過する。このときの圧力の変動を圧力センサ１２により、捉えるようになっている（図４参照）。図４は圧力センサ１２で捉えられる圧力変動を模式的に示している。ここでは、コンプレッサ翼４ａが取出し孔１１の開口を通過前には、圧力センサ１２で捉えられる圧力は、Ｈレベルであり、取出し孔１１の開口を通過後には、図示するように圧力はＬレベルとなる。
【００３２】
波形整形回路１６では、検出信号増幅器１４からの信号をパルス信号に整形し、整形されたパルス信号をカウンタ１７によってカウントすることで、コンプレッサホイール４におけるコンプレッサ翼４ａが回転により通過する、回転数として、ターボチャージャ１の回転数として計測するようにしている。
【００３３】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る回転状態検出装置１０について説明する。
すなわち、第２実施形態では、サイレンの原理に基づいて、圧力変動検出部１２は、コンプレッサハウジング６内の圧力変動をコンプレッサ翼４ａによる音圧変動として捉えるために、音圧センサ（マイクロフォン）を用いることができる（図５参照）。
マイクロフォン１２は、コンプレッサハウジング６内に形成され、取出し孔１１に連通する拡張室１８に配置されている。なお、拡張室１８は完全に閉じた空間としてもよい。
この場合、マイクロフォン１２は、取出し孔１１に連通する拡張室１８において、コンプレッサハウジング６に形成された取出し孔１１に非接触状態で配置されている。
また、この場合、取出し孔１１の開口と取出し孔１１の開口を通過するコンプレッサ翼４ａの翼厚が略同寸法で、取出し孔１１の開口をコンプレッサ翼４ａによって、瞬時に遮蔽し、開放するようになっている。
【００３４】
以上のことから、第２実施形態によれば、取出し孔１１の開口とコンプレッサ翼４ａの翼厚が略同寸法であることから、コンプレッサ翼４ａが取出し孔１１の開口を通過時、取出し孔１１の開口をコンプレッサ翼４ａによって、瞬時に遮蔽することから、マイクロフォン１２で捉えられる音圧レベルは０であり、その後音圧レベルはＬレベルから取出し孔１１の開口を通過後には、図示するように音圧レベルはＨレベルとなる（図６参照）。
【００３５】
ここで、回転状態検出部１３は、マイクロフォン１２を用いた測定構成とするために、増幅器１９、自動利得制御回路１５（Ａ．Ｇ．Ｃ）、カウンタ２１、表示部２２で構成することができる。
ここで、自動利得制御回路は、ある基準出力信号強度に対して、入力信号強度が小さいときは増幅器の利得を上げ、入力信号強度が大きいときには増幅利得を下げて信号の大きさの適正化を図っている。
ここでは、マイクロフォン１２で捉えた音圧信号を増幅器１９で増幅し、自動利得制御回路１５で信号の大きさの適正化を図り、次にカウンタ２１で音圧パルスをカウントし、表示部２２で表示するというものである。表示部２２によりターボチャージャ１の回転数として表示するようにしている。
【００３６】
このように第２実施形態によっても、ターボチャージャ１の回転数を計測することができる。なお、第２実施形態の回転状態検出装置１０における回転状態検出部１３は、表示部２２によりターボチャージャ１の回転数として表示することができるので、例えば表示部２２を運転席のインストルメントパネルに標準装備し、ターボチャージャ１の作動状態を運転者に知らしめることができる。
【００３７】
以上、第１、第２実施形態では、取出し孔１１の開口は、コンプレッサ翼４ａの翼高さ上端縁の回転軸方向の傾きに合わせて形成され、これによって、コンプレッサホイール４の回転によってコンプレッサ翼４ａの翼高さ上端縁は、確実に取出し孔１１を通過し、瞬時に取出し孔１１を遮蔽、開放することができる。したがって、取出し孔１１を介してコンプレッサハウジング６内の高圧化した過給気を、圧力変動として取り出すことができる。
【００３８】
さらに、圧力変動をより確実にとらえるには、図７に示すように、取出し孔１１を複数、コンプレッサ翼４ａの翼高さ上端縁に沿うように設けることもできる。これにより、受圧面積が拡大し、圧力変動に係る信号の増大を図ることができる。また、図８に示すように、矩形状の取出し孔１１の開口をコンプレッサ翼４ａの翼高さ上端縁に沿うようにより長尺にすることによっても、受圧面積が拡大し、圧力変動に係る信号の増大を図ることができる。
【００３９】
以上、本発明を、取出し孔１１を介してコンプレッサハウジング６内の高圧化した過給気を、圧力変動として取り出す第１、第２実施形態を挙げて、説明した。
すなわち、コンプレッサ翼４ａの回転方向前面側の空間と、回転方向後面側の空間とには圧力差があり、このコンプレッサ翼４ａの前面、後面の圧力差を、ターボ一回転でコンプレッサ翼４ａ枚数、計測することになり、回転数を計測することができる。
【００４０】
そのために、ここでの回転状態検出部１３は、コンプレッサ翼４ａ毎の圧力変動（細い実線）だけでなく、長周期の所定周期毎に変動する、太実線で示すうねり（図９参照）を検出するうねり検出部を備えることができる。図９は、ターボ回転数を一定に維持しながらコンプレッサ流量を絞った場合の圧力波形を示している。
うねり検出部は、詳細な説明は省略するが、所定周期毎に変動するうねりをＦＦＴ、あるいはローパスフィルタにより検出することができる。
コンプレッサ翼４ａ毎の圧力変動で、翼毎の変動より長周期のうねりを検出した場合には、プレサージ（旋回失速）あるいはその延長線上に発生するサージングという、コンプレッサ翼の破壊につながる不具合を検出することができるという大きな特質がある。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明のターボチャージャの回転状態検出装置は、あらゆるエンジン機器のターボチャージャに汎用性がある。
【符号の説明】
【００４２】
１  ターボチャージャ
２  ロータシャフト
３  タービンホイール
４  コンプレッサホイール
４ａ  コンプレッサ翼
５  タービンハウジング
６  コンプレッサハウジング
６ｓ  シュラウド部
７  ディフューザ
８  スクロール
１０  回転状態検出装置
１１  取出し孔
１２  圧力変動検出部
１３  回転状態検出部
１４  検出信号増幅器
１５  自動利得制御回路
１６  波形整形回路
１７  カウンタ
１８  拡張室
１９  増幅器
２２  表示部
【図１】
2015108332.tif 000003
【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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【図９】
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