CN101326343B - 轴承健康状况监测器 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮增压器监测器包括传感器，其适配于涡轮增压器机架并被定位成用以感测经过的压缩机叶片、既产生转子转动信息又产生转子位移信息。控制器被配置用于接收从叶片传感器产生的信息，并用于建立转子转动速度和轴承状况的指示。

Description

轴承健康状况监测器
【技术领域】
总体上说，本发明涉及涡轮机；更具体说，本发明涉及监测涡轮增压器轴承状况的装置和方法。
【背景技术】
涡轮增压器可与内燃发动机一起使用，用以增加给定尺寸发动机的有效功率。使用时，涡轮增压器通过一大批参数如运行速度、温度、发动机背压、油压、油质以及类似参数，而经受多种多样的运行条件。根据给定涡轮增压器经受的运行条件，其使用寿命可能会比所期望的有巨大的改变。
轴承磨损严重地影响着涡轮增压器的使用寿命。轴承磨损会因多种条件而被加剧，包括燃料或者用以润滑涡轮增压器的油中的微粒污染物、过大的转子转速以及过高的运行温度。当轴承磨损超过一个可接受的水平时，压缩机或者涡轮叶片可能会与它们相应的机架相接触，从而导致灾难性故障。这种故障会导致相关内燃发动机的故障，燃油流出-流到外部或者进入其它系统，并甚至可能导致发动机起火。因此，在涡轮增压器故障发生前最好能够正确地预见，从而在其发生故障前得到修复或者替换。
相应地，有必要对涡轮增压器轴承磨损进行监测，以提供涡轮增压器状况相关的信息，并且或者保护内燃发动机免于涡轮增压器故障的风险。本发明的优选实施例满足这些和其它需要，并提供进一步地相关优势。
【发明内容】
在各种实施例中，本发明解决了上述的一些或者所有需要，提供了一种涡轮增压器轴承磨损监测器，其能提供涡轮增压器状况相关的信息。
本发明的涡轮增压器监测器被配置成与涡轮增压器一起使用，该涡轮增压器具有转子和机架，转子被配置成在一个或者多个轴承上相对于机架围绕转动轴线旋转。涡轮增压器监测器具有传感器，其适配于机架并且相对于机架被定位从而感测转子运动信息，该转子运动信息包括转子转动信息和转子位移信息。转子转动信息与围绕转动轴线的转动有关，从而转子的转动速度可以从转子转动信息中被计算出。转子位移信息与距离转动轴线的位移有关，从而距离转动轴线的转子位移可从转子位移信息中被计算出，并用于估测轴承状况。涡轮增压器监测器进一步地还具有控制器，其被配置用于接收来自叶片传感器的转子运动信息并根据转子运动信息建立转子转动速度和轴承状况的指示。
通过下述对本发明优选实施例的详细描述，以及通过举例示意了本发明原理的附图，本发明的其它特征和优点是明显的。特定实施例的详细描述，如下陈述，允许技术人员建立和使用本发明的实施例，但其目的并不限制列举的权利要求书，它们而是作为本保护发明的特定例子。
【附图说明】
图1是包括有涡轮增压器的内燃发动机系统的第一实施例。
图2是图1所描述的涡轮增压器的剖视图，包括传感器。
图3是图2所描述的涡轮增压器的压缩机的局部截面图。
图4是来自图2所描述的传感器的未调节的模拟信号的图解描述。
图5是包括涡轮增压器的内燃发动机系统的第二实施例的压缩机的局部截面图。
【具体实施方式】
上述以及例举的、权利要求所定义的本发明通过参考下述详细介绍以及相应的附图，能够更好的被理解。本发明的特定实施例的详细描述，下述陈述允许人们建立和使用本发明的特定实施，但目的不限定例举的实施例，而是提供特定的例子。
本发明的典型实施例存在于轴承监测系统，其被配置成监测涡轮增压器轴承的健康状况(也就是磨损以及退化)。本发明的优选实施例被汇集以评估涡轮增压器转子的偏轴运动。同样地，本发明的监测器被设计成根据实际轴承磨损提供所需涡轮增压器维护指示。
参考图1和图2，本发明的第一实施例中，涡轮增压器101包括涡轮增压器机架、被配置成沿着转子转动轴线103在涡轮增压器机架内旋转的转子、止推轴承以及径向轴承。涡轮增压器机架包括涡轮机架105、压缩机机架107以及将涡轮机架连接到压缩机机架的轴承机架109。
转子包括基本上位于涡轮机架内的涡轮叶轮111、基本上位于压缩机机架内的压缩机叶轮113、以及沿着转子转动轴线延伸通过轴承机架从而将涡轮叶轮111连接到压缩机叶轮的轴15。径向轴承(未图示)位于轴承机架内的两位置上，并被配置成限制轴(以及转子)偏离转子转动轴线的旋转或平移。止推轴承(未图示)在轴承机架内，并被配置成限制轴沿着转子转动轴线的平移。
涡轮机架105以及涡轮叶轮111形成涡轮，被配置成沿周向(circumferentially)接收来自内燃发动机125排气歧管123的高压废气流121。涡轮叶轮(以及转子)由高压废气流驱动以围绕转子转动轴线103旋转，该高压废气流成为低压废气流127，并被轴向地释放到排气系统中(未图示)。
压缩机机架107以及压缩机叶轮113形成压缩机。压缩机叶轮，其被由废气驱动的涡轮叶轮111驱动而旋转，被配置为将轴向地接收的环境空气131压缩成压缩空气流133，该压缩空气流133从压缩机中沿周向被喷射出。压缩空气流的特征在于由于压缩过程而高于环境空气的温度的增加温度，但是可被导入通过对流冷却中冷器135，该中冷器135被配置成从压缩空气流中消除热量，从而增加了其密度。由此引起的冷却和压缩空气流137被导入到内燃发动机上的进气歧管139中。
内燃发动机被提供有发动机控制单元(ECU)151，其被配置成执行通常的ECU功能。这些功能包括熟知的涡轮增压器控制功能，如控制涡轮增压器废气门(wastegate)的运行。
参考图1-3，其描述了压缩机，压缩机叶轮113包括多个叶片201(也就是叶轮)，其定义了进口导流器203(也就是叶片组合集成的典型的运行进口端(circular intake end))和出口导流器205(也就是叶片组合集成的典型的环形出口端)。压缩机机架和压缩机叶轮形成空气通道，其包括轴向地从环境空气源引入进口导流器的进口通道207、从进口导流器引入到出口导流器并基本上与压缩机叶轮在其中旋转的空间相符的叶轮通道209、从出口导流器径向地向外引导的导流器211以及围绕(并包括与其相连的)导流器211的蜗壳213。蜗壳为涡旋外形，并形成出口通道215，通过其压缩空气流作为压缩空气流133被沿周向(也就是在出口处垂直于涡旋周围)被喷射出。
压缩机机架可进一步地形成定义了罩盖通道233的端口罩盖231，罩盖通道233包括通过叶轮通道壁237开口进入到进口导流器203和出口导流器205之间的叶轮通道209的一个或者多个端口235以及基本环形并进入到进口通道的开口239。端口罩盖231因此产生了将进口通道连接到叶轮通道的第二通道，其中第二通道不延伸通过进口导流器。
第一实施例的涡轮增压器监测器包括传感器251，其适配于压缩机机架107并且相对于压缩机机架107被定位从而感测转子运动信息。传感器包括传感元件253以及形成电连接器257的传感器外壳255。传感元件定位成延伸通过靠近压缩机叶轮的叶轮通道壁237，从而通过感测表面259，它检测每个通过的可检测的叶片的外端部分261的通过(也就是每个叶片外端部分可在传感器可操作范围内通过)。传感器检测叶片近端以检测通过情况。
在转子转动时每个叶片的外端部分261基本上与叶轮通道壁相一致，在该实施例中，它在与转子转动轴基本平行的方向上延伸。在本实施例中，传感元件在基本上垂直于转子转动轴线的方向上检测叶片距离。作为结果，叶片传感器对转子平移、转动或者弯曲(其引起压缩机叶轮在径向上平移)首要敏感。
感测的转子运动信息包括转子转动信息和转子位移信息。尤其地，转子转动信息适用于围绕其转动轴线的转子转动测量(例如转动偏移测量或者转动速度测量)，转子位移信息适用于转子偏离其转动轴线的位移测量(例如偏轴转动的测量或者偏轴平移的测量)。
第一实施例的涡轮增压器监测器进一步地包括控制器，其被配置成接收传感器感测的转子运动信息。它被进一步地配置为根据转子运动信息建立转子转动速度和轴承状况的指示，从而使其作为涡轮增压器速度传感器和轴承磨损监测器而工作。
控制器可以为ECU 151(如描述)的一部分，或者为优选地连接到ECU的单独的控制单元，例如通过数字通信链。通过将控制器连接到叶片传感器251的电连接器257的电缆153，控制器接收感测的转子运动信息。控制器以模拟格式从传感器接收未调节的信号。
在替代的实施例中，传感器可包括内部或外部信号处理系统，其被配置成将已调节的信号发送给控制器。例如，涡轮增压器可被配置有电传动装置，其被配置成控制涡轮增压器的运行，如通过运行废气门或者涡轮增压器内的可变几何形状叶片。电传动装置可被配置为接收传感器的模拟格式的叶片近端信息，并将叶片近端信息以数字格式提供给发动机控制单元。
感测的转子运动信息可为一系列电压尖脉冲的形式，如图表4所描述，所示的设定叶片传感器信号在很短时间周期内发生。每个描述的电压尖脉冲，如图表竖轴所示，代表传感器和叶片201的流通叶轮通道壁边缘261的距离。在给定时间周期内的电压尖脉冲的数目，或者电压尖脉冲之间的时间周期提供转子转动信息。该信息，当与在其通过在叶片传感器可运行范围内的压缩机叶轮上叶片数量的已知信息一起使用时，可被用于计算转子围绕转子转动轴线103的转动速度。
通过一系列叶片传感器读数(未图示)，每个电压尖脉冲的电压水平可在最小水平电压尖脉冲303的最小电压水平301到最大水平电压尖脉冲307的最大电压水平305之间正弦变化。最小电压水平和最大电压水平的差值提供了传感器叶片距离的变化信息以及转子位移信息。该信息，当与当径向轴承被知为健康时(也就是当轴承磨损水平被知为最小时)的时段所取的可比较的基准(baseline)变化信息一起使用时，可被用以计算径向轴承状况参数，如表示轴承磨损水平的参数。
ECU 151被配置使得，当径向轴承状况参数超过设定水平(例如，轴承损耗极限)时，ECU将采取一个或者多个行为告知内燃发动机125的操作者，以及/或者直接保护内燃发动机以及其操作者免于由于警戒轴承而使涡轮增压器失效时可能发生的危险。
例如，对于控制器(例如ECU)一种这种行为就是通过启动控制面板上的报警灯将信号发送给发动机操作者。控制器另一个可能的行为就是例如通过引起废气门开启来降低压缩机叶轮转动速率(也就是转子转动速率)。控制器再一个可能行为就是例如通过限制流入到一个或者多个燃烧室的燃料，降低内燃发动机的运行率。可选地，在不同的叶片距离变化阈值上不同的行为可以被采用。例如，在第一阈值报警灯可被启动，在第二阈值压缩机叶轮转动可被减速。
控制器优选地被配置为转子位移信息仅在一定相符的预设的情况下被开发并被比较。尤其地，控制器最初被提供有一组准确的一个、二个或者多个运行条件，在该条件下转子位移信息将被开发。在轴承磨损被知为最小的一时间周期内，叶片距离变化在每个运行条件下被感测。然后，在后续时间上，当涡轮增压器经历了预设运行状况的一个时，传感器感测叶片距离变化信息，并且控制器计算径向轴承状况参数。
通过一个或者多个可测量参数可确定一运行条件。这些参数可包括涡轮增压器旋转速度、油的温度和/或压力。为了具有轴承频繁的监测，可期望选择一通常发生条件作为运行条件。另外，运行条件优选地在旋转频率上，在其转子的临界振动方式(例如通过压缩机或涡轮叶轮的巨大的偏轴运动而特征的低频模式)可被引起。
控制器可被进一步地配置为追踪信息，所述信息与径向轴承状态参数有关，以及在诊断程序中需要时报告该信息。
参考图5，本发明的第二实施例除了叶片传感器的位置、朝向以及设计，类似于第一实施例而被配置。该实施例包括具有传感元件403的叶片传感器401，其位置设置成通过感测表面405它检测每个可检测的叶片409的外端部分407的通过情况。感应元件的方向设置成在基本上垂直于外端延伸方向的方向上检测叶片距离。该外端部分在基本上在垂直于与平行于转子转动轴之间(例如在从轴30到60的角度变化)的方向上延伸，从而叶片传感器敏感于转子平移、旋转、或者引起压缩机叶轮在径向或者轴向平移的弯曲。
其它实施例可被配置有传感器，其位于并用于相对于涡轮机架在转子其它位置上感测转子运动。例如，传感器可定位为感测涡轮叶轮或轴的任何给定部分的运动。然而，期望地，通过将传感器位于转子的压缩机端，更节省的设计可被开发，从而避免了转子的涡轮端的高温状况。同样，期望地，如果传感器被定位更准确的数据被开发，从而避免了潜在临界振动模式的转子振动节点。
各种其它实施例可以采用不同类型的传感器。包括的可能的传感器类型可为巨磁阻(GMR)传感器、异向磁阻(AMR)传感器、可变磁阻(VR)传感器以及电涡流传感器。另外，其它实施例可被提供有指向转子一部分而不是压缩机叶轮(例如涡轮叶轮或者轴)的传感器。
容易理解，本发明包括设计和生产相应轴承监测系统的装置和方法，以及轴承监测系统本身的装置和方法。另外，本发明的各种实施例可预见包括包括有本轴承监测系统部分的涡轮增压器、包括有涡轮增压器和本轴承监测系统的内燃发动机、以及包括有该内燃发动机的车辆。这些实施例的其它变化可包括包括轴承监测系统的涡轮相关设备的其它类型。简而言之，在本发明保护范围内，上述揭示特征可以多种配置进行组合。
本发明的特定形式已经被图示和描述了，在不背离本发明的实质精神和保护范围下，可以对本发明作出各种修改。因此，虽然本发明仅参考优选实施例进行了详细描述，但是本领域的一般技术人员在不背离本发明的保护范围下可以作出各种修改和改进。相应地，本发明不应当限制于上述描述，而是通过权利要求对其保护范围进行描述。

Claims (10)

1.一种涡轮增压器监测器，其与具有转子和机架的涡轮增压器一起使用，所述转子被配置为相对于所述机架围绕转动轴线在轴承上旋转，所述涡轮增压器监测器包括：
传感器(251)，其适配于所述机架并且相对于所述机架被定位用以感测转子运动信息，转子运动信息既包括转子转动信息又包括转子位移信息，其中转子转动信息与围绕转动轴线(103)的转动有关，转子位移信息与距转动轴线的位移有关；以及
控制器，其被配置用于接收来自传感器(251)的转子运动信息，并被进一步地配置根据转子运动信息建立转子转动速度和轴承状况的指示。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器监测器，其中控制器被配置用于基于感测到的转子位移信息和先前建立的基准转子位移信息做比较，以建立轴承状况的指示。
3.如权利要求2所述的涡轮增压器监测器，其中控制器被配置为在轴承磨损最小时的时间点测量和储存先前建立的基准转子位移信息。
4.如权利要求1所述的涡轮增压器监测器，其中控制器被配置为当轴承状况指示超过轴承磨损阈值时发送信号。
5.如权利要求1所述的涡轮增压器监测器，其中控制器被进一步地配置为当轴承状况指示超过第一轴承磨损阈值时点亮报警灯，并且当轴承状况指示超过第二轴承磨损阈值时降低转子转动速率。
6.一种涡轮增压器，其包括：
涡轮机架(105)，容纳排气驱动式涡轮；
压缩机机架(107)，容纳压缩机叶轮(113)，其被配置为由涡轮驱动而相对于压缩机外壳转动，压缩机叶轮包括多个压缩机叶片(201)；以及
权利要求1所述的涡轮增压器监测器，被配置用于检测来自压缩机叶轮的叶片近端信息。
7.一种内燃发动机，包括：
权利要求6所述的涡轮增压器；
界定出用于燃烧燃料的燃烧室的缸体；
进气歧管(139)，适用于从涡轮增压器压缩机接收压缩空气，以与燃料混合并在燃烧室内燃烧；以及
排气歧管(123)，适用于利用燃烧室排放出的燃烧气体来驱动涡轮增压器涡轮。
8.如权利要求7所述的内燃发动机，其进一步包括发动机控制单元(151)，所述发动机控制单元(151)适用于作为所述控制器，其中该控制器从传感器接收未调节的信号。
9.如权利要求8所述的内燃发动机，其中所述控制器被进一步地配置为当叶片距离变化超过第一阈值时点亮报警灯，并且当叶片距离变化超过第二阈值时，至少采取下述措施之一：限制燃料流入到燃料室，和降低压缩机叶轮转动速度。
10.如权利要求7所述的内燃发动机，其进一步包括：
发动机控制单元(151)，适用于作为所述控制器；以及
电传动装置，被配置用于控制涡轮增压器的运行，并与发动机控制单元进行数字通信；
其中电传动装置被配置为从传感器以模拟格式接收叶片近端信息；以及
其中电传动装置被配置为将叶片近端信息以数字格式提供给发动机控制单元。
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