JPH0727213Y2 - ターボヒータシステムの異常処理装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案はターボヒータによる高温ガスを暖房用熱源とし
て直接又は間接に使用するターボヒータシステムの異常
処理装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、特に寒冷地等で冷間始動後に頻繁に車両の停車及
び運転を繰り返すような使用状況下においては、エンジ
ンがなかなか暖まらず、エンジン冷却水を熱源とする一
般的な温水式暖房装置のみでは車室を速やかに暖房する
という点で全く不充分であった。

このため、これを解決するための本出願人は、ターボヒ
ータによって発生した高温ガスを暖房用熱源として直接
又は間接に利用し車室の早期暖房が可能なターボヒータ
システムを開発した（特願昭63-25757号、特願昭63-384
90号、実願昭63-15753号等参照）。これは、排気通路に
設けた制御弁を迂回するバイパス通路内にターボヒータ
の排気タービンを配置し、この制御弁を例えば全閉にす
ることにより排気ガスをこのバイパス通路い全量流して
排気タービンを駆動し、これと一体回転する空気昇温用
ブロワにより高温ガスを発生させ、これを熱源として利
用することによって車内の早期暖房を行おうとするもの
である。

これら一連の提案技術により上記従来の早期暖房の問題
は極めて良好に解決されるに至った。

〔考案が解決しようとする課題〕

しかるに、ターボヒータシステムの導入は、ターボヒー
タの過回転（オーバラン）による破損等の新たな問題を
引き起こすことになってしまった。すなわち、ターボヒ
ータは一般的に使用されている過給用ターボチャージャ
と比較して相当に小型であり低速運転時に最も効果的に
作動するように設定されている。このため、例えば上述
した排気通路内の制御弁が全閉状態のまま作動不能とな
ったような場合、中・高速域になっても相変わらず排気
ガスの全量がターボヒータの排気タービンに供給される
ためターボヒータがその能力を越えてオーバランし、こ
れにより燃費が極端に悪化するのみならずターボヒータ
が破損しかねない。なお、ターボチャージャにおいても
このようなオーバラン等の問題が同様に存在するため、
これを解決・解消するために種々の技術が提案（特開昭
61-87928号、特開昭61−190124号公報等参照）されてい
るが、これらの異常処理装置はターボチャージャが高い
過給圧を発生させるものであるという前提に立ち、この
過給状態を直接又は間接に検出して異常時か否かを判断
する。

しかしながら、ターボヒータはターボチャージャと外観
上、酷似するものの、その目的及び作用効果において全
く異なるものである。すなわち、ターボチャージャは高
過給を得るために出来る限り効率の良いコンプレッサ・
インペラを使用し、いわゆる断熱圧縮を目的とする（と
は言うものの、過給された空気は昇温している）が、タ
ーボヒータはブロワ・インペラの効率の善し悪しと全く
無関係であり、空気を多量に攪拌することによって空気
温度を上昇させることを目的とする。また、ターボヒー
タは僅かな吐出圧を発生させるものの、ターボチャージ
ャと比較すればその過給圧はゼロに等しい。

このように、ターボヒータにおいては過給圧に基づいて
異常か否かの判断を行うことは全く無意味であり、また
実際上不可能でもある。妥当であり、また正確且つ確実
な方法としては、空気の攪拌の度合いに対応する、ター
ボヒータの排気タービンを駆動する排気の流量に基づい
て判断を行うことである。

このような点から容易に理解されるように、ターボチャ
ージャの過給圧に基づく上記従来の公報の異常処理技術
を、ターボヒータに直ちに適用できない。

以上の点に鑑み本考案は、空気昇温を本質とするターボ
ヒータの特性に基づき、ターボヒータの排気タービンを
駆動する排気の流量あるいはこの排気流量を代表するパ
ラメータによってターボヒータの異常を適切に処理でき
る、ターボヒータシステムの異常処理装置を提供しよう
とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本考案の原理を示すブロック図であり、本考案
に係るターボヒータシステムの異常処理装置によれば、
排気通路内に制御弁を配置し、上記制御弁の上流の排気
通路からこれを分岐して上記制御弁下流の排気通路に至
るバイパス通路を形成し、ターボヒータの排気タービン
を上記バイパス通路内に配置すると共にターボヒータの
ブロワから吐出された高温ガスを暖房用熱源として使用
するターボヒータシステムにおいて、 上記排気タービンを駆動する排気の流量あるいはこの排
気流量を代表し得るパラメータの値を検出する排気流量
状態検出手段と、 エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段と、 このエンジン運転状態に対応した基本排気流量状態を演
算する基本排気流量状態演算手段と、 検出した排気流量状態とこの基本排気流量状態とを比較
し、システムの異常を表わす信号を出力する比較手段、 とを備えたことを構成上の特徴とする。

〔作用〕

本考案によれば、ターボヒータの排気タービンを駆動す
る排気の流量あるいはこれを代表し得るパラメータの値
が検出され、この排気流量状態とエンジン運転状態に対
応する基本排気流量状態とが比較されて異常処理がなさ
れる。すなわち、ターボヒータの特性に合致した適切な
異常処理が行われることになり、ターボヒータシステム
の耐久性・信頼性が向上する。

〔実施例〕

以下図示実施例に基づき本考案を説明する。

第２図は本考案に係るターボヒータシステムの異常処理
装置の第１の実施例の全体概略図であり、１はエンジ
ン、２は吸気通路、３は排気通路、４はターボヒータを
夫々示し、吸気通路２の入口部にはエアクリーナ５が取
付けられる。

ターボヒータ４は回転軸６を介して互いに連結されたタ
ービン７とブロワ８からなる。排気通路３内には制御弁
Ａが配置され、排気通路３には制御弁Ａ上流の排気通路
３と制御弁Ａ下流の排気通路３とを連通するバイパス通
路９が連結される。このバイパス通路９内にはターボヒ
ータ４の排気タービン７が配置され、排気タービン７は
バイパス通路９内を流れる排気ガスによって回転駆動せ
しめられる。一方、ターボヒータ４のブロワ８の空気吸
込通路10は排気通路３を包囲するように配置された副吸
気通路11を介してエアクリーナ５に連結され、ブロワ８
の吐出通路12は吸気通路２に連結される。

ターボヒータ４は一般的に使用されている過給用のター
ボチャージャと比較してかなり小型であり、前述の如く
空気温度を上昇させることを唯一の目的とし、アイドリ
ング運転時或いは低速運転時に最も効率よく空気を攪拌
するように設定されている。

制御弁Ａは対応する負圧ダイアフラム装置16に連結さ
れ、負圧ダイアフラム装置16の負圧室19は大気に連通可
能な電磁切換弁A₀を介して負圧源に連結される。電磁切
換弁A₀の切換作用によって負圧室19が大気に開放される
と制御弁Ａは閉弁し、負圧室19が負圧源に接続されると
制御弁Ａは全開する。

車室14内には機関発熱利用ヒータ23が配置される。この
機関発熱利用ヒーター23にはエンジン１内で昇温された
冷却水が冷却水供給導管24を介して供給され、車室14内
に熱を放出して温度低下した冷却水は冷却水返戻導管25
を介してエンジン１に返戻される。

電子制御ユニット51はディジタルコンピュータからな
り、双方向性バス52によって相互に接続されたROM（リ
ードオンメモリ）53、RAM（ランダムアクセスメモリ）5
4、CPU（マイクロプロセッサ）55、入力ポート56および
出力ポート57を具備する。入力ポート56にはスタータモ
ータを駆動するためのスタータスイッチ27が接続され、
更に冷却水温を検出するための水温センサ26がA/D変換
器を介して接続される。一方、出力ポート57には電磁切
換弁A₀が接続される。

このように構成されたターボヒータシステムの暖機暖房
制御の作動の一例を、第３図のフローチャートを参照し
て説明する。まず初めにステップ301においてスタータ
スイッチ27がONであるか否かが判別される。スタータス
イッチ27がONであればステップ303に進み、ステップ303
では水温センサ26の出力信号から冷却水温Ｔが予め定め
た設定温度T₀よりも高くなったか否か判別される。T₀＞
Ｔであればステップ305に進み制御弁Ａを閉弁する。制
御弁Ａが閉弁されるとエンジン１から排出された全ての
排気ガスがバイパス通路９内に送り込まれ、ただちにタ
ーボヒータ４が回転駆動される。ターボヒータ４が回転
を開始するとブロワ８の吐出通路12にはブロワ８によっ
て昇温された高温の空気が排出され、従ってこの高温の
空気は吸気通路２を介してエンジンシリンダ内に供給さ
れる。このようにエンジンが回転し始めるとただちに高
温の空気がシリンダ内に供給されることになるため、エ
ンジン回転数がただちに立上り、早期にエンジンが暖機
せしめられる。これによりエンジン冷却水温が速やかに
上昇し、その結果、機関発熱利用ヒータ23による車室の
暖房がエンジン始動後例えば冷間始動後の早い時期から
良好に行なわれることになる。

ＴT₀となった場合（ステップ303）には、ステップ307
に進み、制御弁Ａを開弁する。制御弁Ａが開弁される
と、もはやバイパス通路９内には排気ガスが供給され
ず、ターボヒータ４は停止することになる。すなわち、
冷却水温Ｔが設定温度T₀以上になれば機関発熱利用ヒー
タ23による車室の暖房は既に充分なレベルとなっている
ので、これ以上、ターボヒータ４による高温空気をエン
ジン１に供給する必要がないからに他ならない。

以上の作動により、エンジン１がスタータモータにより
駆動されるとシリンダ内にはただちに高温の空気が供給
されるためにエンジンの良好な始動を確保でき、エンジ
ン回転数の立上りが早まるために冷却水温の急速上昇ひ
いては車室の早期暖房を行うことができる。また、未燃
炭化水素の生成或いは排出を抑制することができる。さ
らに、冷却水と同様に潤滑油も急速に温度上昇し、その
結果エンジン１の各部やターボヒータ軸受への潤滑性が
向上するのでエンジン１およびターボヒータ４の耐久性
を高めることができる。

しかしながら、前述の如く制御弁Ａが全閉のままスティ
ック状態となったような場合等に起因するターボヒータ
４のオーバランは様々の不都合・不具合を生じさせるた
め、このような異常を適切に処理する必要がある。

以下、これを解決するための本実施例の特徴部分を第２
図を参照して説明するに、バイパス通路９内においてタ
ーボヒータ４の排気タービン７を駆動する排気ガスの流
量を直接検出する流量センサ28が設けられ、電子制御ユ
ニット51の入力ポート56にA/D変換器を介して接続され
る。出力ポート57には、燃料噴射装置29が接続される。
そして、ターボヒータ４がオーバランしない最高の作動
状態における排気ガスの流量すなわち排気流量の上限値
を予め決定しておき、ターボヒータ４の作動時に検出さ
れる実際の排気流量とこの上限値とを比較することによ
り極めて簡便に、そしてターボヒータの特性に基づく信
頼性の高いターボヒータの異常検出を行うことができ
る。しかも、この異常検出に基づき燃料噴射装置29を介
してエンジンへの燃料供給量を速やかに制限例えばカッ
トすることにより、異常状態の進行を安全・確実に回避
することができる。

上記第１実施例においては、排気流量を直接検出しこれ
に基づいてターボヒータシステムの異常の有無を判断す
ることとしたが、以下説明する第２の実施例においては
この排気流量を代表し得るパラメータに基づいて判断す
る。

第４図は本考案に係るターボヒータシステムの異常処理
装置の第２の実施例の要部概略図であり、上記第１実施
例と同一部分の説明は省略する。

ターボヒータ４の排気タービン７を駆動する排気の流量
の大小は排気通路３に設けた制御弁Ａのバルブ開度と密
接に関係し、また、ターボヒータ４の異常特にオーバラ
ンは、制御弁Ａが開弁すべきときにバルブ開度が充分で
ない場合に主として起き得る。従って、エンジン運転状
態に対応した制御弁Ａの理論バルブ開度と現実のバルブ
開度とを比較し、後者の現実のバルブ開度が前者よりも
小さい場合にはターボヒータ４のオーバランは必至であ
ることから、これらの比較に基づきターボヒータの異常
を正確に検出せんとするのが本実施例の特徴的部分であ
る。

すなわち、第５図の異常処理制御フローチャートを参照
すると、エンジン運転状態として例えばエンジン回転数
及び負荷を検出し（ステップ501）、これらに基づき制
御弁Ａの理論バルブ開度θ₀（要求開度）を算出する
（ステップ503）。エンジン回転数及び負荷はそれぞれ
エンジン回転数センサ30及び負荷センサ31（第４図）に
より検出する。得られる制御弁Ａの要求開度は例えば第
６図に示すような特性を有することになる。この図では
負荷として燃料噴射量を用いている。

一方、制御弁Ａの実際のバルブ開度θ（deg）は位置セ
ンサ32により検出する（ステップ505）。

そして、これらを比較し（ステップ507）、θ＜θ₀なら
ば制御弁Ａが開いているべき開度になっていない、すな
わち不充分・不適切な開弁状態にあることから、このま
まではターボヒータ４のオーバランの危険性が極めて高
く、このため例えば燃料噴射量を速やかに制限する（ス
テップ509）こととする。

以上のように、ターボヒータ４の作動させる領域（制御
弁Ａ全閉）及び作動させない領域（制御弁Ａ全開）を明
確化し、これに実際の制御弁Ａのバルブ開度を当てはめ
ることによりターボヒータ４の異常を判断することとし
たため、制御弁Ａが全閉のままスティック状態となった
ような場合は勿論のこと、デポジット等により制御弁Ａ
が正規のバルブ開度を僅かに外れて閉弁方向にあるよう
な場合にあっても確実にターボヒータの異常を検出でき
る。そして、この異常時に燃料噴射量を制限するように
したため、燃費悪化や異常の進行に伴う例えばエンジン
破壊等の事態が回避でき、また、大事に至る前に異常を
検出できるため早い時期にメンテナンスを施すことが可
能となりターボヒータシステムの耐久性等の向上が図れ
る。

次に説明する第３の実施例も上記第２実施例と同様に排
気流量を代表し得るパラメータに基づいて判断を行う。

第７図は本考案に係るターボヒータシステムの異常処理
装置の第３の実施例の要部概略図であり、上記第１実施
例と同一部分の説明は省略する。

ターボヒータ４の排気タービン７を駆動する排気の流量
の大小は制御弁Ａのバルブの開度と密接に関係すること
は前述したが、制御弁Ａが最悪の状態、例えば全閉のま
まスティック状態となったような場合、排気流量は制御
弁Ａ上流側の排気通路３内の排圧に密接に関係する。す
なわち、ターボヒータ４のオーバラン時の排気流量に対
応する排圧値が存在し得る。従ってこれを上限値として
検出した実際の排圧と比較し、実際の排圧がこの上限値
を越えた場合にはターボヒータ４のオーバランは必至で
あることから、これらの比較に基づきターボヒータ４の
異常を正確に検出せんとするのが本実施例の特徴部分で
ある。

すなわち、第７図を参照すると制御弁Ａの上流側排気通
路３に、この通路３内の排圧を測定するための排圧セン
サ33が設けられ、予め決定しておいた一定の限界値とこ
れとを適宜比較することにより極めて簡便に、そしてタ
ーボヒータの特性に基づく信頼性の高いターボヒータの
異常検出が行われることになる。そして、これに基づき
燃料噴射量を制限することにより異常進行を回避でき
る。

あるいは、上記排圧は制御弁Ａの開度とエンジン運転状
態、簡便にはエンジン回転数との２つのパラメータで主
として求まるため、これら相関関係をマップ化して各回
転状態における排圧の上限を予め算出しておき、実際の
排圧とこれとの比較を異常検出の判断基準とするように
しても構わない。この場合より信頼性の高い異常検出を
行うことができる。

次に説明する第４の実施例も上記第２及び第３実施例と
同様に排気流量を代表し得るパラメータに基づいて判断
を行う。

第８図は本考案に係るターボヒータシステムの異常処理
装置の第４の実施例の要部概略図であり、上記第１実施
例と同一部分の説明は省略する。

ターボヒータ４の排気タービン７を駆動する排気の流量
が限界を越えるとターボヒータ４がオーバランをするこ
とは前述したが、その排気流量と排気タービン７及びブ
ロワ８を一体的に連結する回転軸６の回転数とは密接な
関係にある。従って、ターボヒータ４のオーバラン時の
この回転軸６の上限回転数を決定しておき、実際の回転
軸６の回転数とこの上限値とを比較し、実際の回転数が
この上限値を越えた場合にはターボヒータ４のオーバラ
ンは必至であることから、これらの比較に基づきターボ
ヒータ４の異常を正確に検出せんとするのが本実施例の
特徴部分である。

すなわち、第８図を参照するとターボヒータ４の回転軸
６の回転数を検出するための回転数センサ34が設けら
れ、予め決定しておいて一定の限界値とこれとを適宜比
較することにより極めて簡便に、そしてターボヒータの
特性に基づく信頼性の高いターボヒータの異常検出が行
われることになる。特に本実施例の場合、上記第２及び
第３実施例がターボヒータの異常処理に関してある程度
エンジン回転数が上昇したエンジン運転状態を前提とす
る傾向にあるのと異なり、エンジン運転状態にかかわら
ずターボヒータの異常処理が行える。すなわち、エンジ
ン低回転域においてターボヒータ４のブロワ８に何らか
の原因で空気が供給され得ないような事態になった場
合、ターボヒータ４のブロワ８の負荷が急速になくなる
ため排気タービン７の回転が異常に上昇（オーバラン）
し、ターボヒータ４が破壊しかねないが、ターボヒータ
４の回転軸６の回転数を異常判断の基準としているた
め、このような異常事態を安全・確実にそして未然に防
止することができる。しかも、複雑な制御が全く不要で
あり、またエンジン等から熱害を特に被らないのでセン
サ類の温度の補正等を行う煩わしさがない。

なお、システムの作動遅れを考慮してターボヒータ４の
回転軸６の上限回転数を、実際にオーバランする回転数
より所定に低く設定しておくことが好ましい。

以上説明した本考案に係るターボヒータシステムの異常
処理装置の４つの実施例を示す各図等から理解され得る
ように、これらの装置においては制御弁Ａの取付位置に
ついて特定していないが、例えば第９図に示す如く排気
通路のはるか下流のメインマフラ36の上流側に制御弁Ａ
を配置するようにして高温排気ガスが制御弁Ａを直撃し
ないようにすることが好ましい。すなわち、ターボヒー
タ４の排気タービン７を効率良く駆動するためには高エ
ネルギの排気ガスを排気タービン７に供給する必要があ
り、このためターボヒータ４を出来るだけエンジン近傍
に配置することが好ましいが、制御弁Ａを同様にエンジ
ン近傍に配置するとその構成部やそれを駆動するアクチ
ュエータ（ダイアフラム装置16）等の耐久性・信頼性が
欠ける。従って、実用上問題ない範囲で第９図に示す如
く出来るだけ排気通路３の下流側に制御弁Ａを配置する
ことが好ましい。なお、制御弁Ａの上流側にあるのはサ
ブマフラ37である。このように制御弁Ａをエンジン１か
ら距離をおくようにしたため、制御弁Ａが高熱にさらな
れることがなく、この制御弁Ａを廉価な材料で形成で
き、また、制御弁Ａ閉弁時の密封性を上げることができ
るのでターボヒータ４の出力を向上させることができ
る。

ところで、第２及び３実施例を実施する上で制御弁Ａを
このように、熱害から防護することにより、位置センサ
32（第４図）及び排圧センサ33（第７図）も同様に熱害
から守れ得るため、これらの信頼性・耐久性を向上させ
ることができる。

〔考案の効果〕

以上のように本考案によれば、ターボヒータの特性の基
づき、ターボヒータのオーバラン等の異常を正確且つ確
実にそして適切に処理することができ、ターボヒータシ
ステム全体の耐久性・信頼性の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の原理を示すブロック図、 第２図は本考案に係るターボヒータシステムの異常処理
装置の第１の実施例の全体概略図、 第３図は暖機暖房制御フローチャート図、 第４図は第２の実施例の要部概略図、 第５図は異常処理制御のフローチャート図、 第６図は制御弁の要求開度特性を示す図、 第７図は第３の実施例の要部概略図、 第８図は第４の実施例の要部概略図、 第９図は制御弁をエンジンから距離をおいて設けた実施
例を示す図である。 １…エンジン、２…吸気通路、３…排気通路、４…ター
ボヒータ、６…回転軸、７…排気タービン、８…ブロ
ワ、９…バイパス通路、Ａ…制御弁、26…水温センサ、
30…エンジン回転数センサ、31…負荷センサ、32…位置
センサ、33…排圧センサ、34…回転数センサ、36…メイ
ンマフラ。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】排気通路内に制御弁を配置し、上記制御弁
   の上流の排気通路からこれを分岐して上記制御弁下流の
   排気通路に至るバイパス通路を形成し、ターボヒータの
   排気タービンを上記バイパス通路内に配置すると共にタ
   ーボヒータのブロワから吐出された高温ガスを暖房用熱
   源として使用するターボヒータシステムにおいて、 上記排気タービンを駆動する排気の流量あるいはこの排
   気流量を代表し得るパラメータの値を検出する排気流量
   状態検出手段と、 エンジン運転状態を検出する運転状態検出手段と、 このエンジン運転状態に対応した基本排気流量状態を演
   算する基本排気流量状態演算手段と、 検出した排気流量状態とこの基本排気流量状態とを比較
   し、システムの異常を表わす信号を出力する比較手段、 とを備えたことを特徴とするターボヒータシステムの異
   常処理装置。