(57)【要約】【課題】容易にターボチャージャの回転数を所定値に調整して、試験することを可能にするターボチャージャの試験装置を提供する。【解決手段】ターボチャージャ１２の試験装置は、燃焼ガスを生成し、該生成された燃焼ガスをタービン１４に供給する燃焼器２４と、該燃焼器２４に送られる燃焼用の空気の流量を制御する燃焼空気流量制御弁３０と、コンプレッサ１６から吐出される空気の流量を制御するコンプレッサ吐出流量制御弁３４と、ターボチャージャ１２の回転数を検出する回転数検出手段４６と、コンプレッサ吐出流量制御弁３４の開度が所定開度に固定された状態で、回転数検出手段４６により検出されるターボチャージャ１２の回転数が所定値に一致するように、燃焼空気流量制御弁３０の開度をフィードバック制御する流量制御弁制御手段４０と、を備える。【選択図】図１
2008082296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンとコンプレッサとが同軸に連結されたターボチャージャの試験装置において、
燃焼ガスを生成し、該生成された燃焼ガスを前記タービンに供給する燃焼器と、
前記燃焼器に送られる燃焼用の空気の流量を制御する燃焼空気流量制御弁と、
前記コンプレッサから吐出される空気の流量を制御するコンプレッサ吐出流量制御弁と、
前記ターボチャージャの回転数を検出する回転数検出手段と、
前記コンプレッサ吐出流量制御弁の開度が所定開度に固定された状態で、前記回転数検出手段により検出される前記ターボチャージャの回転数が所定値に一致するように、前記燃焼空気流量制御弁の開度をフィードバック制御する流量制御弁制御手段と、
を備えたことを特徴とするターボチャージャの試験装置。
【請求項２】
前記燃焼器に供給される燃料の量を調節する燃料制御弁と、
前記タービンに供給される燃焼ガスの温度を検出する温度検出手段と、
前記コンプレッサ吐出流量制御弁の開度が所定開度に固定された状態で、前記温度検出手段により検出される前記燃焼ガスの温度が所定値に一致するように、前記燃料制御弁の開度をフィードバック制御する燃料制御弁制御手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャの試験装置。
【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試験装置に係り、特にターボチャージャの回転数を一定にしてデータをとることができるターボチャージャの試験装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャの性能、機能を調べるべく、ターボチャージャの試験装置が従来から用いられている。例えば、特許文献１には、高温燃焼ガスを供給して試験対象のターボチャージャを駆動するターボチャージャの試験装置が開示されている。この装置では、燃焼機で発生する高温の燃焼ガスを試験対象のターボチャージャのタービン室に供給する経路の途中と、タービン室から排出される燃焼ガスを外部へ送出する経路の途中とを連通し、この連通経路を流れる燃焼ガスの流量を調節可能にしている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１９６３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ターボチャージャの試験では、ターボチャージャの回転数を所定値に一致させて、種々のデータをとる場合がある。それ故、ターボチャージャの回転数を所定値に容易に一致させる機構が望まれる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の装置は、タービンに供給される燃焼ガスの流量を調節するための機構を有しているものの、ターボチャージャの回転数を所定値に一致させる機構を有していない。
【０００６】
そこで、本発明は、容易にターボチャージャの回転数を所定値に調整して、試験することを可能にするターボチャージャの試験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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明によるターボチャージャの試験装置は、タービンとコンプレッサとが同軸に連結されたターボチャージャの試験装置において、燃焼ガスを生成し、該生成された燃焼ガスを前記タービンに供給する燃焼器と、前記燃焼器に送られる燃焼用の空気の流量を制御する燃焼空気流量制御弁と、前記コンプレッサから吐出される空気の流量を制御するコンプレッサ吐出流量制御弁と、前記ターボチャージャの回転数を検出する回転数検出手段と、前記コンプレッサ吐出流量制御弁の開度が所定開度に固定された状態で、前記回転数検出手段により検出される前記ターボチャージャの回転数が所定値に一致するように、前記燃焼空気流量制御弁の開度をフィードバック制御する流量制御弁制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、コンプレッサ吐出流量制御弁の開度が所定開度に固定された状態で、回転数検出手段により検出される前記ターボチャージャの回転数が所定値に一致するように、前記燃焼空気流量制御弁の開度がフィードバック制御されるので、燃焼空気流量制御弁を自動制御して、容易に、ターボチャージャの回転数を所定値に調整することが可能になる。
【０００９】
加えて、上記ターボチャージャの試験装置は、前記燃焼器に供給される燃料の量を調節する燃料制御弁と、前記タービンに供給される燃焼ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記コンプレッサ吐出流量制御弁の開度が所定開度に固定された状態で、前記温度検出手段により検出される前記燃焼ガスの温度が所定値に一致するように、前記燃料制御弁の開度をフィードバック制御する燃料制御弁制御手段と、を更に備えると良い。これにより、容易に燃焼ガスの温度が所定値に調整されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の一実施形態に係るターボチャージャの試験装置（以下、試験装置）１０を示している。
【００１１】
試験装置１０での試験に供される、供試体としてのターボチャージャ１２は、タービン１４と、コンプレッサ１６とを備えている。タービン１４のホイール１８は、軸受で支持されたシャフト２０を介して、コンプレッサ１６のインペラ２２と同軸に連結されている。なお、図示しないが、シャフト２０にオイルを供給するオイル供給ユニットが設けられている。
【００１２】
試験装置１０は、タービン１４に燃焼ガスを供給するべく、燃焼器２４を有している。燃焼器２４は、燃焼ガス供給通路ＧＳの上流端に設けられている。燃焼器２４の上流側には、空気供給通路ＡＳと、燃料供給通路ＦＳとが接続されている。空気供給通路ＡＳには、空気源２６から大気中の空気が導入される（図１中の矢印ａ１）。本実施形態では、空気源２６はコンプレッサであり、空気源２６から空気は概ね所定圧で供給される。燃焼器２４に空気源２６から送られる燃焼用の空気の流量は第１制御弁３０により調整される。この第１制御弁３０は、本発明の燃焼空気流量制御弁に対応する。他方、燃料供給通路ＦＳには、燃料タンクおよび燃料を所定圧で供給するポンプからなっている燃料供給ユニット２８から燃料が導入される。燃料供給ユニット２８から燃焼器２４に供給される燃料（図中の矢印ａ２）の量は、第２制御弁３２により調節される。第２制御弁３２は本発明の燃料制御弁に対応する。なお、本実施形態において用いられる燃料は液体燃料であるが、他の種類の燃料であっても良い。
【００１３】
燃焼器２４が備える着火手段は、空気供給通路ＡＳを介して供給された空気と、燃料供給通路ＦＳを介して供給された燃料とからなる混合気を着火する。燃焼器２４で生成した燃焼ガスは、その全量が、燃焼ガス供給通路ＧＳを介してタービン１４に供給される（図中の矢印ａ３）。すなわち、燃焼器２４は、燃焼ガスを生成し、生成された燃焼ガスをタービン１４に供給する。タービン１４のホイール１８に回転駆動力を与えた燃焼ガスは、燃焼ガス排気通路ＧＥを介して、大気へ放出される（図中の矢印ａ４）。
【００１４】
他方、タービン１４のホイール１８が回転すると、同軸連結されたコンプレッサ１６のインペラ２２は回転する。コンプレッサ１６は、ホイール１８の回転駆動力に基づき、空気を外部から取り込み、導入された空気を吐出する。タービン１４に連結されたコンプレッサ１６には、空気導入通路ＡＩを介して、空気が導入される（吸い込まれる）（図中の矢印ａ５）。そして、圧縮された空気は、コンプレッサ１６の下流側に接続された空気送出通路ＡＤを介して送出される（吐出される）（図中の矢印ａ６）。コンプレッサ１６から吐出される空気の流量を調節制御するべく、空気送出通路ＡＤには第３制御弁３４が設けられている。なお、第３制御弁３４は、本実施形態では手動式であり、本発明のコンプレッサ吐出流量制御弁に対応している。
【００１５】
なお、第１制御弁３０および第２制御弁３２の各々は、独立に制御可能である。第１制御弁３０および第２制御弁３２の各々は、手動でも、自動でも制御され得る。第１制御弁３０および第２制御弁３２はジョグダイヤル機能を有し、手動操作と自動操作とのどちら側への切換もスムーズに移行可能である。本実施形態では、例えば、それらの弁３０、３２が自動操作されているときに、それらの弁３０、３２のいずれかが操作者により操作されると、自動制御が解除され、操作者の手動操作（手動制御）に円滑に切り替えられる。第１制御弁３０および第２制御弁３２の各々は、その開度を調節するためのアクチュエータ、およびその開度を検出するためのポジションセンサを一体に備えている。
【００１６】
試験装置１０は、上記第１、第２制御弁３０、３２などを制御するべく、制御装置４０を備えている。制御装置４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器、入力インタフェース、出力インタフェース等を含むコンピュータを含んで構成されている。入力インタフェースには、第１制御弁３０の開度を検出するためのポジションセンサ、第２制御弁３２の開度を検出するためのポジションセンサ、空気供給通路ＡＳの第１制御弁３０よりも下流側の部分に設けられていて空気流量ひいては燃焼ガスの流量を検出するための流量計４２、燃焼ガス供給通路ＧＳに設けられていて燃焼ガスの温度を検出するための温度センサ４４、ターボチャージャ１２に設けられていてターボチャージャ１２の回転数を検出するための回転数センサ４６、空気導入通路ＡＩに設けられていてコンプレッサ１６の空気流量を検出するための流量計４８、およびコンプレッサ１６から吐出される空気の圧力、すなわち出口圧力を検出するための圧力センサ５０などが電気的に接続されている。これらの各種センサ類などからの出力信号（検出信号）に基づき、予め設定されたプログラムにしたがって第１制御弁３０および第２制御弁３２に、制御装置４０は出力インタフェースから電気的に信号を出力して、ターボチャージャ１２の回転数および燃焼ガスの温度を調節する。ただし、第１制御弁３０および第２制御弁３２の開度は、その各々に一体化され、制御装置４０からの出力信号により作動制御される各アクチュエータにより調整される。なお、本実施形態では、流量計４２、４８はオリフィス流量計である。
【００１７】
なお、制御装置４０は、外部からの指示により作動する。具体的には、電源がＯＮにされた状態で、不図示のスイッチが操作者等によりＯＮにされることで、制御装置４０は第１制御弁３０および第２制御弁３２を制御する。
【００１８】
図２に、ターボチャージャ１２の回転数が一定のときの、コンプレッサ１６の空気流量（コンプレッサ空気流量）とコンプレッサ１６の負荷（コンプレッサ負荷）との関係の一例を示す。図２の線Ｌ上の作動点αでの状態のとき、コンプレッサ空気流量を単に増量すると、例えば作動点βでの状態に移行し、ターボチャージャ１２の回転数を一定に保てない。ターボチャージャ１２の回転数を一定に保ちつつ、コンプレッサ空気流量を増量するには、その増量分に対応して概して増えるコンプレッサ負荷分、コンプレッサ１６のインペラ２２の駆動力を増すことが必要になる。
【００１９】
コンプレッサ１６の駆動力は、タービン１４に供給される燃焼ガスの流量を増減することで、増減される。したがって、コンプレッサ空気流量を変化させるときには、その変化分に対応した分、燃焼ガスの流量を変化させれば、ターボチャージャ１２の回転数は一定に保たれる。例えば、作動点αでの状態でのコンプレッサ空気流量から、作動点βでの状態でのコンプレッサ空気流量にまでコンプレッサ空気流量を増量し、そしてコンプレッサ１６の駆動力を増加させると、ターボチャージャ１２は線Ｌ上の作動点γでの状態に移行することになる。
【００２０】
コンプレッサ空気流量は第３制御弁３４の開度を調節することで調整される。他方、コンプレッサ１６の駆動力は、上記の如くタービン１４に供給される燃焼ガスの流量に基づくので第１制御弁３０の開度を調節することで調整される。したがって、第３制御弁３４の開度を変えることに対応して、第１制御弁３０の開度を変えることで、ターボチャージャ１２の回転数を一定にすることができる。
【００２１】
これらの関係に基づき、本実施形態では、ターボチャージャ１２の回転数を所望の回転数（所定値）にしたいとき、手動で第３制御弁３４の開度をその所望の回転数に見合った開度に調節して固定し、その後、第１制御弁３０を自動で制御するようにしている。また、試験装置１０による試験で得られるデータを、より正確なものとするため、タービン１４に供給される燃焼ガスの温度を所定値に保つようにしている。なお、燃焼ガスの温度は、本実施形態では、６００℃一定に制御される。
【００２２】
この制御について、以下に説明する。図３に第１から第３制御弁３０、３２、３４の操作手順を概念的に示す。
【００２３】
まず、操作者は、ターボチャージャ１２の回転数の目標値を決める。その目標値にターボチャージャ１２の回転数が近くなるように、操作者は、第１から第３制御弁３０、３２、３４を手動操作（手動制御）する。概ねターボチャージャ１２の回転数が目標値に近い値になったら、その状態で、操作者は制御装置４０にその目標値を入力し、自動操作（自動制御）のスイッチをいれる（スイッチ：ＯＮ）。ただし、自動操作のスイッチが入れられてからは、原則として、操作者は第３制御弁３４に触れることはない。すなわち、自動操作が開始された後は、データ取得が終了するまで、操作者は第１から第３制御弁３０、３２、３４には触れず、特に第３制御弁３４の開度はそのときの開度、すなわち所定開度に固定される（ステップＳ３０１）。なお、このとき第３制御弁３４の開度が固定される所定開度は、ターボチャージャ１２の回転数の目標値から、操作者が適宜決める開度である。
【００２４】
そのように第３制御弁３４の開度がターボチャージャ１２の回転数の目標値に概ね対応する開度に固定された状態で、制御装置４０は第１制御弁３０を制御する。自動操作が開始されると、制御装置４０は、回転数センサ４６からの出力信号に基づいて検出されるターボチャージャ１２の回転数が所定値、すなわち上記目標値に一致するように、第１制御弁３０の開度を制御する（ステップＳ３０３）。この制御は、フィードバック制御により行われる。制御装置４０は、検出されるターボチャージャ１２の回転数と、上記目標値との間の差、例えば乖離度に基づき、その回転数が目標値に一致するように、第１制御弁３０の開度を増減させる。
【００２５】
ターボチャージャ１２の回転数が目標値に一致されると、第２制御弁３２が制御される。制御装置４０は、温度センサ４４からの出力信号に基づいて検出される燃焼ガスの温度が、本実施形態では６００℃である所定値に一致するように、第２制御弁３２の開度を制御する（ステップＳ３０５）。この制御は、上記第１制御弁３０の制御と同じく、フィードバック制御により行われる。これにより、燃焼ガスの温度は６００℃に一致することになる。
【００２６】
図３に示すように、ステップＳ３０１からステップＳ３０５が繰り返し行われ、制御装置４０は第１制御弁３０および第２制御弁３２を制御する。このとき、上記の如く、第３制御弁３４は制御されず、第３制御弁３４の開度は固定されている。それ故、図３の手順に従うことで、第１制御弁３０および第２制御弁３２が繰り返し、フィードバック制御されることになる。
【００２７】
なお、第１制御弁３０の制御と、第２制御弁３２の制御を、それぞれ同時に行うことも可能であるが、本実施形態では、第１制御弁３０の制御を行った後、第２制御弁３２の制御を行い、その後、それらの制御を交互に繰り返すように、プログラムが組まれている。したがって、その時々では、第１制御弁３０および第２制御弁３２のいずれか一方のみが調節されるので、その調節がより容易に且つ迅速に行われることになる。なお、第１制御弁３０の制御と、第２制御弁３２の制御は、それぞれ一度ずつであっても良い。
【００２８】
なお、上記の如く、第１制御弁３０および第２制御弁３２が自動操作されているときに、それらの内の少なくともいずれかが手動操作されると、自動制御が解除され、操作者の手動制御に切り替えられるように、制御装置４０のプログラムは設定されている（スイッチ：ＯＦＦ）。他には、上記自動制御がされているときに、例えば、ターボチャージャ１２の回転数が所定値に収束せず、ターボチャージャ１２の回転数が所定値から遠ざかる方向に変化したときには、手動制御に切り替えられるように制御装置４０のプログラムは設定されている。ターボチャージャ１２の回転数が所定値から遠ざかる方向に変化するときは、例えば、操作者等により第３制御弁３４が操作されたときである。
【００２９】
以上、実施形態に基づいて説明したように、第３制御弁３４の開度が固定された状態で、第１制御弁３０および第２制御弁３２の各開度がそれぞれ別途、自動制御により調整され、ターボチャージャ１２の回転数および燃焼ガスの温度がそれぞれ所定値に設定される。したがって、ターボチャージャ１２の回転数および燃焼ガスの温度の設定が容易になる。
【００３０】
上記の如く、ターボチャージャ１２の回転数を所定値、すなわち目標値に容易に一致させることで、ターボチャージャ１２の回転数を一定にして、各種のデータ（燃焼ガスの流量、コンプレッサ１６の空気流量、コンプレッサ１６の出口圧力など）を迅速に且つ容易に得ることが可能になる。例えば、このように得られたデータをもとに、図４に示すように、コンプレッサ１６の流量特性を表すグラフを作成することが可能である。例えば、ターボチャージャの回転数を回転数ｎ１に一定にして種々のコンプレッサ空気流量と、そのときのコンプレッサ１６の出口圧力との値を検出し、それら検出した値から、コンプレッサ空気流量と、コンプレッサ１６の圧力比との関係を示す曲線Ｎ１が得られる。同様に、ターボチャージャ１２の回転数を回転数ｎ２、ｎ３に一定にしてデータをとることで、曲線Ｎ２、Ｎ３が得られる。この結果、サージ線Ｓを定めることが可能になり、サージング領域Ａが定められることになる。なお、本実施形態ではコンプレッサ１６の圧力比は、コンプレッサ１６の出口圧力とコンプレッサ１６の入口圧力として別途計測された大気圧とから求められる。ターボチャージャ１２の回転数を一定にして上記各種センサからの出力信号に基づいてデータを得ることで、エンジン実装時をシミュレートしての種々の運転状態での過給特性を知ることが可能になる。なお、ターボチャージャ１２の種々の性能、機能を調べるため、制御装置１０には、上記した以外にも、各種センサが設けられ得る。
【００３１】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。上記実施形態では、ターボチャージャ１２の回転数ばかりでなく、燃焼ガスの温度も制御することにしたが、第２および第３制御弁３２、３４の開度を固定しておいて、ターボチャージャ１２の回転数が所定値に一致するように、第１制御弁３０のみを制御するようにしても良い。なお、この場合、第２制御弁３２は単なる手動式バルブであっても良い。
【００３２】
また、上記実施形態では、第３制御弁３４は単に手動式としたが、第１制御弁３０および第２制御弁３２の如く、手動でも、自動でも制御され得るように第３制御弁３４は構成されても良い。そして、ターボチャージャ１２の回転数に概ね対応した開度に、第３制御弁３４の開度がなるように制御するのを、自動制御により行うようにしても良い。
【００３３】
なお、上記燃焼器２４は、供給される燃料と空気とからなる混合気を燃焼させる機能を有していればどのように構成されても良い。燃焼器はバーナであり得る。空気源２６は空気を燃焼器２４に供給可能であれば如何なる構成であっても良い。同様に、燃料供給ユニット２８は燃焼器２４に燃料を供給可能であれば如何なる構成であっても良い。また、流量計４２、４８は、オリフィス流量計であることに限定されず、他の如何なる流量計であっても良い。
【００３４】
なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係るターボチャージャの試験装置の概念的な系統図である。
【図２】コンプレッサ空気流量とコンプレッサ負荷との関係の一例を概念的に表したグラフである。
【図３】第１から第３制御弁の操作手順の一例を概念的に示した図である。
【図４】コンプレッサの流量特性図の一例である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  試験装置
１２  ターボチャージャ
１４  タービン
１６  コンプレッサ
１８  ホイール
２０  シャフト
２２  インペラ
２４  燃焼器
２６  空気源
２８  燃料供給ユニット
３０  第１制御弁
３２  第２制御弁
３４  第３制御弁
４０  制御装置
４２、４８  オリフィス流量計
４４  温度センサ
４６  回転数センサ
５０  圧力センサ
ＧＳ  燃焼ガス供給通路
ＡＳ  空気供給通路
ＦＳ  燃料供給通路
ＧＥ  燃焼ガス排気通路
ＡＩ  空気導入通路
ＡＤ  空気送出通路
【図１】
2008082296.tif 000003
【図２】
2008082296.tif 000004
【図３】
2008082296.tif 000005
【図４】
2008082296.tif 000006