(57)【要約】【課題】　内燃機関のターボチャージャーの高サイクル疲労を低減する方法を提供する。【解決手段】　高サイクル疲労を低減する本方法では、エンジンへの燃料供給は、異なるエンジン運転条件に適合するために必要な燃料値の燃料マップ２にしたがって、電子エンジン管理ユニット（ＥＣＵ）１によって制御される。本方法は、特定のエンジン運転条件に関連した燃料値Ｆを変化させるステップを備え、上記ステップによって、上記特定のエンジン運転条件が生じる毎にターボチャージャーが同一一定速度で運転するのを妨げて、高サイクル疲労を低減する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　内燃機関に取り付けられたターボチャージャーの高サイクル疲労を低減する方法であって、異なるエンジン運転条件に適合するために必要な燃料値の燃料マップにしたがって、電子エンジン管理ユニットによって、エンジンへの燃料供給が制御され、
　特定のエンジン運転条件に関連する燃料値Ｆを変化させるステップを備え、上記特定のエンジン運転条件が生じる毎にターボチャージャーが同一一定速度で運転するのを、上記ステップによって妨げることを特徴とする方法。
【請求項２】
　請求項１に記載の方法において、上記特定のエンジン運転条件に適合させるための上記マップによって決定された燃料値Ｆを、上記燃料値Ｆへの変動摂動Ｅの付与により変えることによって、上記燃料供給が変化させられることを特徴とする方法。
【請求項３】
　請求項２に記載の方法において、上記規定の燃料値Ｆは、上記特定のエンジン運転条件が生じる毎に摂動され、その後上記特定のエンジン運転条件が同じ場合の間中、一定のままであるが、上記特定のエンジン運転条件が生じる異なる場合の間では、上記摂動値が変化することを特徴とする方法。　　　　　　　
【請求項４】
　請求項２に記載の方法において、上記摂動値は、予め定められた範囲の値から無作為に選択されることを特徴とする方法。
【請求項５】
　請求項４に記載の方法において、上記摂動値は、予想される摂動値の範囲から順次選択されることを特徴とする方法。
【請求項６】
　請求項４または５に記載の方法において、上記予め定められた範囲の値は、規定の燃料値Ｆの比率として決定されることを特徴とする方法。
【請求項７】
　請求項６に記載の方法において、上記比率は、上記燃料値の３パーセント以下であることを特徴とする方法。
【請求項８】
　請求項２に記載の方法において、上記摂動値は、上記特定のエンジン運転条件の存続期間に渡って長期間変化し、従って、上記特定のエンジン運転条件が存続する間、エンジンとターボチャージャーの運転速度が長期間変化することを特徴とする方法。
【請求項９】
　請求項８に記載の方法において、上記時間変化する摂動は、燃料値の規則的な周期的摂動であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
　請求項８または９に記載の方法において、上記摂動値は、予め定められた範囲の値に渡って変化することを特徴とする方法。
【請求項１１】
　請求項１０に記載の方法において、上記予め定められた範囲の値は、上記規定の燃料値Ｆの百分率として予め決定されていることを特徴とする方法。
【請求項１２】
　請求項１１に記載の方法において、上記百分率は、上記規定の燃料供給値の±３パーセントであることを特徴とする方法。
【請求項１３】
　請求項２乃至１２のいずれか一つに記載の方法において、上記規定の燃料値Ｆは燃料供給制御システムに付与され、また、上記燃料値Ｆを変化させる為に、別個の摂動信号が上記燃料供給制御システムに付与されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
　請求項２乃至１２のいずれか一つに記載の方法において、上記燃料マップから決定された上記規定の燃料値は、燃料供給信号をエンジン燃料供給システムに付与する前に、上記電子エンジン管理ユニットによる上記摂動の付与によって、変化されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
　請求項１乃至１４のいずれか一つに記載の方法において、上記燃料供給値は、エンジン運転条件の範囲の各々１つに対して、変化されることを特徴とする方法。
【請求項１６】
　請求項１５に記載の方法において、上記エンジン運転条件の範囲は、エンジンが遭遇するエンジン運転条件の全範囲であることを特徴とする方法。
【請求項１７】
　請求項１５に記載の方法において、上記エンジン運転条件の範囲は、高サイクル疲労を生じやすいものとして予め定められた選定運転条件であることを特徴とする方法。
【請求項１８】
　ターボチャージャーで過給される内燃機関のための燃料供給制御システムであって、特定のエンジン運転条件に適合するように与えられた燃料値を変化させる手段を備え、上記特定のエンジン運転条件が生じる毎に、ターボチャージャーが同一一定の速度で運転するのを、上記手段によって妨げることを特徴とする燃料供給制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、内燃機関に取り付けられたターボチャージャーの高サイクル疲労の低減に関する。具体的には、本発明は、ターボチャージャーのタービンホイールブレードの高サイクル疲労を低減する。
【背景技術】
【０００２】
　ターボチャージャーは、内燃機関の吸気口に大気圧を超える圧力（ブースト圧）で空気を供給するための周知の装置である。従来のターボチャージャーは、基本的には、タービンハウジング内にある回転シャフトに取り付けられた排気ガス駆動のタービンホイールで構成されている。タービンホイールの回転は、コンプレッサーハウジング内の上記シャフトの他端に取り付けられたコンプレッサーホイールを回転させる。上記コンプレッサーホイールは、圧縮空気をエンジンの吸気マニホールドに供給し、その結果、エンジンの出力を増加させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
　疲労によるタービンホイールの破損は、多くの場合、ターボチャージャーの耐久性の限定要因となる。タービンブレードの疲労には、種々の異なる原因がある。その原因の一つは、タービンホイールブレードの調和振動である。調和振動は、タービンが一定速度状態、特に全負荷や最高速度状態で動かされるときに起こる。これが高サイクル疲労として知られている。ターボチャージャーのコンプレッサーホイールブレードも、それほどではないにせよ、高サイクル疲労に陥る可能性がある。タービンホイールの寿命に対して重要な高サイクル疲労は、ターボチャージャーが取り付けらるエンジンの負荷サイクルに或る程度まで依存する。高サイクル疲労は、長期間常に最高速度で動かされる工業用ターボチャージャーに特に関係する。
【０００４】
　本発明の目的は、タービンホイールの高サイクル疲労を低減する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
　本発明によれば、内燃機関に取り付けられたターボチャージャーの高サイクル疲労を低減する方法が提供される。上記方法では、異なるエンジン運転条件に適合させるために必要な燃料値の燃料マップにしたがって、電子エンジン管理ユニット（ＥＣＵ）によって、エンジンへの燃料供給が制御され、特定のエンジン運転条件に関連する燃料値Ｆを変化させるステップを備え、上記特定のエンジン運転条件が生じる毎にターボチャージャーが同一一定速度で運転するのを上記ステップによって妨げる。
【０００６】
　例えば、特定のエンジン運転条件に適合させるためにエンジンマップから決定される燃料値Ｆを適当に変えることによって、すなわち、燃料値Ｆに変化する摂動（擾乱）信号を付与することによって、燃料の供給が変化する。ターボチャージャーの速度を変化させるには、燃料供給に対して比較的小さな変化が必要なだけであり、それによって、高サイクル疲労がタービン（すなわちコンプレッサー）ブレードに集中するのを充分回避できる。
【０００７】
　本発明は、また、ターボチャージャーで過給される内燃機関のための燃料供給制御システムを提供し、上記燃料供給制御システムは、特定のエンジン運転条件に適合するように燃料値を変化させる手段を備え、上記特定のエンジン運転条件が生じる毎に、ターボチャージャーが同一一定の速度で運転するのを上記手段によって妨ぐ。
【０００８】
　本発明の更なる有益な特徴は、以下の記載から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
　本発明の実施例は、添付図面を参照して一例として説明される。
【００１０】
　今日の内燃機関の運転は、典型的には、しばしばＥＣＵ（電子制御ユニット）と言われる電子エンジン管理ユニットによって制御される。上記ＥＣＵは、様々な検知器からのあらゆる局面のエンジン性能に関するデータと、運転上の要求とを受け、それに従って、エンジンの制御を行う。エンジンにターボチャージャーが取り付けられている場合、上記ＥＣＵは、付加的に、上記ターボチャージャーの運転状態を示す信号を受けることができる。また、ＥＣＵはターボチャージャーの運転に対して何らかの制御を直接行うことができる。
【００１１】
　上記従来型のＥＣＵはプロセッサ（処理装置）を備え、上記プロセッサは、「参照表」や「マップ」の一連のデータに基いて、エンジン性能を管理する。上記「参照表」や「マップ」は、特定の作動要件が様々な測定パラメーターから決定され得る実験的に導き出されたデータポイントである。このようなマップの一つが上記燃料マップであり、その一例が図１に示されている。燃料マップは、上記エンジン速度とトルク需要に対する燃料所要量（すなわち燃料消費量）に関するものである。Ａｘ、Ｂｘ、Ｃｘ・・・等の値によって表示されているように、様々に異なる燃料値が、異なるエンジン速度／トルク需要の条件に対してマップ化されている。マップに表示されていないエンジン速度とエンジントルクの要求値に対しては、マップ化された値を補間することによって、適切な燃料値が導かれる。
【００１２】
　エンジン燃料供給のこのような電子制御は、エンジン速度つまりターボチャージャーのタービン速度に対して非常に正確な制御を与える。本発明では、このような正確な制御が高サイクル疲労問題を増大させると認識されている。すなわち、エンジン運転条件が一定速度を要求する場合、上記エンジンＥＣＵは、非常に正確に、一定速度になるよう作動する。同様に、エンジンの負荷サイクルが、エンジンを特定の目標速度たとえば最大の速度と負荷で運転するようにしばしば要求する場合、そのたび毎に、上記ＥＣＵは、目標に到達した速度が確実に同一となるよう作動する。
【００１３】
　本発明の基本原理は、（少なくとも深刻な高サイクル疲労を起こすと思われる運転条件下において）個々のブレードへの高サイクル疲労の影響を軽減するように、ターボチャージャーによって過給されるエンジンの運転に、摂動を導入し、ターボチャージャーの運転速度を故意に変化させることである。本発明は、これをエンジン燃料供給の摂動によって達成する。
【００１４】
　本発明の第１実施例は、図２によって概略的に示されている。エンジンの速度と負荷（トルク）の要求値を示す信号は、エンジンのＥＣＵ１に入力される。上記ＥＣＵに予めプログラムされたエンジン燃料マップ２から、上記ＥＣＵは、上記運転要求値に見合う必要燃料供給値Ｆを決定し、そして適切な燃料信号を燃料供給システム３に送信する。本発明にしたがって、燃料供給を変化させるために、時間的に変化する摂動信号Ｅが上記燃料供給システム３に付与される。このため、上記エンジンへの燃料供給はＦ−Ｅとなる（ここにおいて、Ｅは正負いずれの値も取り得るし、正から負に変化してもよい）。上記摂動信号は、無作為に変化し得る信号でもよく、或いは、正弦波や方形波などの規則的な周期の信号でもよい。一般的には、０.１秒から１０秒の間の周波数が適当である。
【００１５】
　したがって、上記摂動信号Ｅは、有意な期間に渡って、エンジンが一定の速度で運動するのを妨げる。個々のターボチャージャーのタービンブレード共振周波数は、高いＱ値を有するので、特定ブレードの共振周波数から離反するためには、回転速度に僅かな偏れ（約数ヘルツ）が必要となる。それ故、どの特定のブレードにも深刻な共振を確実に起させないためには、エンジン速度つまりターボチャージャー速度を極わずか変化させる必要がある。留意すべきは、異なるブレードは異なる共振周波数を持っており、したがって、所定の時間においては、１以上の共振するブレードが存在する。しかし、どの特定ブレードの振動つまり疲労は大きく低減される。
【００１６】
　非常に望まれることは、摂動がエンジン性能と確かに妥協しないことである。実際、通常の規定燃料供給値Ｆの３パーセント以下の摂動は、知覚できるような影響をエンジン性能に及ぼすこと無く、ターボチャージャーの速度に十分な振動を与え、個別のタービンブレードの共振周波数が高いＱ値であると、高サイクル疲労を大幅に低減させる。
【００１７】
　一方、図２の実例では、上述したように、摂動信号が燃料システムに送られ、燃料システムに供給される燃料値に必要な摂動を導入するように、ＥＣＵがプログラムされ得ることが認識される。同じく、（燃料ラインの可変的制限といった）摂動信号によるエンジンの燃料供給を変化させるために、別の燃料制御装置がエンジンへの燃料ラインに導入され得ることが認識される。
【００１８】
　燃料供給を摂動させる別の手法が、図３に概略的に示されている。ここでは、上記燃料値Ｆを継続的に変化させるのでなく、（予め決められた限界値内で）無作為の摂動Ｅが、特定のエンジン運転条件に適うものとして、エンジンマップにより決定される目標燃料値Ｆに導入される。こうして、上記摂動の結果、エンジンは、同一エンジン運転条件に遭遇する毎に、僅かに異なる速度或いは負荷点で作動する。運転要件に変化がなければ、エンジンのターボチャージ速度は所定のサイクルで一定であるが、異なるサイクル間でのターボチャージ速度の変化は、上記タービンブレードの高サイクル疲労を大幅に低減させるのに充分なものとなる。
【００１９】
　本発明の最初に記載した実施例と同様、上記摂動は、上記燃料システムに直接導入される必要はなく、ＥＣＵプログラムに組み入れら得ることが認識される。例えば、エンジン燃料マップから決定される燃料供給値は、上記燃料値が要求される毎に、摂動Ｅによって調整されてもよい。また、上記摂動Ｅは、無作為である必要はなく、予めプログラムされたサイクルに従い得ることも認識される。
【００２０】
　さらに、本発明の上記２つの実施例が、一つの適用例に組み合わされ得ることも認識される。すなわち、目標燃料値Ｆは、燃料供給値が燃料マップから要求される毎に、最初の摂動Ｅ１によって変化され得て、変更された燃料値Ｆｍを生じさせることができる。次に、上記燃料値Ｆｍは、本発明の最初に記載した実施例に従って、変動する摂動信号Ｅ２を付与することより、更に変更され得る。エンジンに供給される実際の燃料値は、Ｆｍ−Ｅ２となる（ここで、Ｅは、正または負の値でも、正と負の間で変化する値でもよい）。
【００２１】
　本発明の更なる変形例として、上記摂動は、全てのエンジン運転条件下で適用される必要は必ずしもなく、高サイクル疲労が特定の問題に成ると予期される条件に限定してもよい。例えば、一定速度運転や一定負荷運転に該当する燃料マップ領域、あるいはタービンブレードの共振が生じると考えられる他の運転条件に該当する燃料マップ領域を同定することができる。その際、ＥＣＵ或いはその他専用の制御装置は、そのような燃料マップ領域でのみ本発明を実行するように、プログラムされ得る。
【００２２】
　本発明のその他の可能な修正は、熟練者には直ちに明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】内燃機関の燃料マップの一例を示す。
【図２】本発明による高サイクル疲労を低減するための制御システムの概略図である。
【図３】本発明による高サイクル疲労を低減するための別の制御システムの概略図である。
【符号の説明】
【００２４】
　１　電子エンジン管理ユニット（ＥＣＵ）
　２　燃料マップ
　３　燃料供給システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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