CN1360714A - 涡轮增压器疲劳寿命监测装置 - Google Patents

Abstract

一种涡轮增压器疲劳寿命监测装置,它至少包括一个用以测量如涡轮机转速或涡轮机入口温度等涡轮增压器实际工作条件的传感器。该装置包括一个中央处理器,用以接收来自各传感器的信息并进行信息处理,其信息处理中利用了一些程序与预定的涡轮增压器信息,例如存储在一个或多个与中央处理器通信的存储器中的涡轮增压器材料与应力数据,以提供涡轮增压器实际故障概率。所述中央处理器将计算得到的涡轮增压器故障概率跟存入存储器中的预定的涡轮增压器规定故障概率进行比较,以确定是否需要对涡轮增压器进行维修。当涡轮增压器实际故障概率超过涡轮增压器规定故障概率时,所述中央处理器发出信号来驱动信号器,用以指示推荐的或必要的涡轮增压器维修。所述中央处理器与存储器可以单独设置或作为现有的涡轮增压应用系统的构成部分,如车辆涡轮增压应用场合的发动机控制模块。

Description

涡轮增压器疲劳寿命监测装置

技术领域

本发明涉及涡轮增压器和用以监测涡轮增压器疲劳寿命的装置/方法，具体涉及基于涡轮增压器的动态或实际运转参数(如涡轮速度与温度)来监测涡轮增压器疲劳寿命的装置/方法。

发明背景

涡轮增压器被用于汽油和柴油内燃发动机提供动力的各种车辆与固定应用系统。在各种不同的动态或实际应用系统使用的涡轮增压器要承受不同的涡轮增压器工作条件，例如，不同的运转速度、温度和持续工作时间。此外，专门制造并用于某个特定应用系统(例如柴油动力车辆)的涡轮增压器，也会面临不同的涡轮增压器工作条件，这是由于该项特定应用的具体工作状况会有不同。因此，为用于如柴油动力载重车等特定应用系统设计的涡轮压增器，可能要承受各种不同的工作条件，如不同的工作温度、运转速度与持续运行时间等，它们都会影响涡轮压增器的使用寿命。

为降低或最大限度地减少给特定应用的效率带来负面影响的、与涡轮增压器相关联的故障发生的可能性，理想的方式是在损坏之前就把涡轮增压器卸下进行修理或更换。在本技术领域中周知的用以指示这种维修期限(service interval)的装置与方法，包括一些用来测量涡轮增压器使用期限的以里程或小时计量的装置与方法。这种周知的装置是根据预定的持续时间来提供一个是否需要维修涡轮增压器的指示。这种涡轮增压器维修监测装置的缺点是，它们被用来预测特定涡轮增压器的使用期限，而不涉及涡轮增压器的实际运转或性能状态。此外，用以预测这样的使用期限的预置持续时间有意选择得较为保守，以尽量减少使用中的涡轮增压器发生故障的可能性。因此，如果它们的工作条件相对较为优越，这些周知的涡轮增压器监测装置可能造成一些涡轮增压器在实际需要任何维修之前就被更换或修理；如果它们的工作条件较为恶劣，就会有一些涡轮增压器在工作过程中发生故障。低估涡轮增压器的实际使用寿命是不合适的，因为过早更换涡轮增压器会引起一些不必要的费用，并使涡轮增压应用系统过早地退役。高估涡轮增压器的实际使用寿命也不可取，显然这会造成涡轮增压器在使用过程中发生故障，其结果会使涡轮增压应用系统非预期地退出使用，而且还会造成其他发动机系统的损坏。

因此，最好构造这样的涡轮增压器监测装置/方法，该装置/方法能基于实际的涡轮增压器工作条件指示推荐的或所需的涡轮增压器，从而可以延长那些在优越条件下工作的涡轮增压器的使用限期，缩短那些在恶劣条件下工作的涡轮增压器的使用限期，使涡轮增压器的使用得以优化。

发明概述

按照本发明原理构造的涡轮增压器疲劳寿命监测装置，用来基于被监测的涡轮增压器的实际工作条件指示推荐的/所需的涡轮增压器维修，形成对比的是，其他的涡轮增压器监测装置只是基于预设的时间或里程参数来指示涡轮增压器的维修，而不考虑涡轮增压器的实际工作条件，如涡轮机的转速与温度等。本发明的涡轮增压器疲劳寿命监测装置，至少包括一个用以测量涡轮增压器实际工作条件(例如涡轮机转速或涡轮机入口温度)的传感器。如果只需要监测涡轮增压器压气机叶轮，可以采用速度传感器。如果对工作特性有要求，需要监测涡轮增压器涡轮和/或增压器叶轮，则可将速度传感器与涡轮机入口温度传感器都用上。

所述装置包括用以接收来自传感器的信息并处理该信息的设备，该设备利用程序和预定的涡轮增器信息(如存储在一个或多个与处理设备通信的存储器中的涡轮增压器材料与压力数据)来提供实际的涡轮增压器故障概率。上述处理设备将计算获得的涡轮增压器故障概率与存储在存储器中的、预先规定的涡轮增压器故障概率进行比较，以确定是否需要维修涡轮增压器。当实际的涡轮增压器故障概率超过规定的涡轮增压器故障概率时，处理设备发出信号让信号器提示所推荐的或必需的涡轮增压器维修。上述处理和存储器可设置为现有涡轮增压应用系统的组成部分，如车辆涡轮增压应用系统的发动机控制模块。详细说明

本发明的涡轮增压器疲劳寿命监测装置用来提供关于需要维修涡轮增压器的指示，该指示基于被监测涡轮增压器的实际工作条件。在本发明一实施例中，基于对涡轮增压器压气机叶轮疲劳寿命的监测，提供维修涡轮增压器的指示。在本发明又一实施例中，基于对涡轮增压器涡轮疲劳寿命的监测，提供涡轮增压器维修指示。在本发明再一实施例中，涡轮增压器维修指示的依据，来自对涡轮增压器压气机叶轮和涡轮二者的疲劳寿命的监测。本发明的上述各实施例均依据一个使用机载中央处理器的计算机程序，通过处理实际的涡轮增压器工作条件数据(如涡轮机的轴速和/或涡轮机的入口温度)来提供涡轮增压器维修指示。

图1是显示依据本发明的原理构造的涡轮增压器疲劳寿命监测装置10各部件的方框图。尽管图1用来说明同时测量压气机叶轮和涡轮工作条件的涡轮增压器监测装置的部件，不难理解，图1也可用来说明单独测量压气机叶轮或者涡轮工作条件的其它涡轮增压器监测装置的实施例。因此，本发明说明书中的各实施例均可以图1作为参照。

参照图1，本发明涡轮增压器监测装置的第一实施例是为提供关于需要维修涡轮增压器指示而设计的，该指示所依据的是对布置在涡轮增压器壳体(未示出)内的涡轮增压器压气机叶轮12疲劳寿命的监测结果。轴14为压气机叶轮12和涡轮16所共用，并安装在涡轮增压器壳体内。该轴上有一个平面部分18，它位于接近轴端的两个轴承面之间。该平面部分18用来在涡轮增压器中测量轴14的转速。因为该轴装在压气机叶轮12和涡轮16上，轴转速的测值即指示了压气机叶轮和涡轮的速度。

在涡轮增压器上装有一个速度传感器20，它可获取平面部分18传递的信息。速度传感器20可采用基于机械、磁学或光学原理工作的传统设计。在一个示范性实施例中，采用的是这样一种速度传感器，它通过测量传感器探头靠近被测轴上旋转中的圆形平面部分的程度来测量轴的转速。速度传感器20由电源22供电，经由相应的电连接24供给AC或DC电源，由具体的涡轮增压器应用系统确定。例如，当涡轮增压器应用于车辆时，电源22可以是12V DC蓄电池。在图示的实施例中，速度传感器20提供一个模拟输出信号，它经由适当的电连接28到达模数(AC)转换器26。模数转换器26可采用传统设计。在移动(例如车辆涡轮增压器)涡轮增压器应用系统的场合，模数转换器26被装在车上。模数转换器26由适当的电源供电。在一示范性实施例中，模数转换器使用与速度传感器相同的电源22经由适当的电连接30供电。

模数转换器26将来自速度传感器20的模拟输出信号转换成数字信号，该信号经由适当的电连接32到达处理设备34。在一示范性实施例中，采用中央处理器(CPU)作为处理设备。该CPU用来接收来自模数转换器26的数字信号，用以根据预编程数据进行处理来评价压气机叶轮的疲劳程度。该CPU由适当的电源供电。在一示范性实施例中，所述CPU跟速度传感器20和模数转换器使用同一个电源，经由适当的电连接36供电。在移动的涡轮增压器应用场合，例如在采用涡轮增压器的车辆上，所述CPU就装在车上。在另一些可选用的实施例中，所述速度传感器是一种直接给CPU提供数字信号的数字式传感器。

如果需要，可将其他输入信号接至CPU供监测和/或处理。在一示范性实施例中，疲劳监测装置被用于车辆涡轮增压器应用场合，所述CPU可被设置来接收用以提供发动机速度(或RPMs：每分钟转数)的输入。也可让所述CPU接收这样一个附加的输入，以尽可能确定当发动机正在运转时该涡轮增压器轴是否在旋转，以发出了一个关于速度传感器或涡轮增压器自身中存在故障的信号，中继给操作员。

CPU 34以某个适用的周期计算算法(如rainflow方法、range-means pairs方法等算法)对由模数转换器26提供的数字信号加以处理，形成一个疲劳负载周期。在一实施例中，该疲劳负载周期由CPU采用存储在第一存储器38中的rainflow算法来提供。在一实施例中，该第一存储器为只读存储器(ROM)芯片。经设置，所述CPU可利用连续的速度传感器输入来连续地更新疲劳负载周期。一经请求，来自ROM芯片38的输出即经由适当的电连接40向CPU 34提供。电连接可采用导线连接与焊接等形式。

可将专有的涡轮增压器寿命计算程序存储在第二存储器中。但是，在一实施例中，第二存储器与第一存储器38相同，均为ROM芯片。所述CPU访问存储在所述ROM芯片中的涡轮增压器寿命计算程序，用以结合疲劳负载周期计算涡轮增压器压气机叶轮故障的实际概率。

第三存储器42用来存储如压气机叶轮的具体应力数据和/或材料数据等信息。在一实施例中，第三存储器采用可擦可编程只读存储器(EPROM)芯片。该EPROM芯片42也存有预编程的关于涡轮增压器压气机叶轮的规定故障概率，用它来确定计算得到的实际涡轮增压器压气机叶轮的故障概率是否超过规定故障概率。如果实际故障概率超过规定故障概率，则CPU 34就可用来提供一个输出信号44给适当的信号器，如发声和/或可视的信号器。在疲劳寿命监测装置发运给用户前，可在芯片制造过程中或是通过外部端口48用上述的信息对EPROM编程。CPU 34提供的疲劳负载周期信息经由适当的电连接52送至一个采用随机存取存储器(RAM)的存储器50。所存储的疲劳负载周期信息由CPU经常访问并连续地更新，以计算实际的涡轮增压器故障概率并将该概率与规定的故障概率进行比较。在另一些实施例中，RAM存储器50为闪速存储器或别的非易失性存储器(如EPROM芯片)所取代，它们也可在存储器制造期间或在存储器制造、安装之后经由外部端口48用具体的数据或信息编程。

RAM存储器50中已存储的数据也可以经由外部端口48下载到适当的设备上，以加以存储和/或进一步的数据处理。下载可在特定的涡轮增压应用系统停机维修时进行，所下载的数据可用于跟踪上述涡轮增压器的性能档案。这样的数据对于弄清涡轮增压器的工作条件非常有用，以实现满足特定应用系统所需的工程目的。

按此方式设置，关于涡轮增压器疲劳寿命监测装置第一实施例可用于：(1)测量压气机叶轮速度；(2)提供一个连续的疲劳寿命负载周期；(3)基于实际的压气机叶轮运转状态(即转速)以及特定的压气机叶轮应力与材料数据，提供涡轮增压器压气机叶轮的故障概率；(4)将实际的压气机叶轮故障概率与规定的故障概率相比较；(5)基于实际概率是否超过规定概率的比较，提供涡轮增压器是否需要维修的指示。

参照图1，关于涡轮增压器疲劳寿命监测装置的第二实施例的目的在于：基于对于布置在涡轮增压器壳体(未示出)内的涡轮增压器涡轮16疲劳寿命的监测，来提供涡轮增压器需要维修的指示。除了上述第一实施例述及的那些部件外，监测装置的第二实施例包括温度传感器56，它装在涡轮增压器壳体上接近涡轮机入口的地方，用来测量涡轮机入口处的气体温度。来自该温度传感器的输出信号经由适当的电连接58送至CPU 34，以由CPU进行处理。

在监测装置的第二实施例中，EPROM芯片42用来存储专门用于涡轮增压器涡轮的疲劳寿命程序(含温度和疲劳负载周期数据)以及涡轮的应力与材料数据。在监测装置的第二实施例中，CPU 34被用来处理涡轮的速度、温度、应力与材料数据，以提供涡轮增压器涡轮的实际故障概率，将它与存入EPROM芯片42的涡轮的规定故障概率进行比较。如以上监测装置第一实施例的说明中所述，当涡轮增压器涡轮的实际故障概率超过预先编程存入的规定故障概率时，CPU 34通过信号器45发出有声和/或可视信号。

参照图1，关于涡轮增压器疲劳寿命监测装置的第三实施例的目的在于：基于对布置在涡轮增压器壳体(未示出)内的涡轮增压器压气机叶轮14和涡轮16的疲劳寿命的监测结果，提供需要维修涡轮增压器的指示。第三实施例的监测装置的构成部件跟上述第二实施例监测装置相同，该监测装置同样用来提供轴速和涡轮机入口温度数据。EPROM芯片42用来存储专用于涡轮增压器压气机叶轮与涡轮的疲劳寿命程序，其中包括速度、温度与疲劳负载周期数据，以及压气机叶轮与涡轮的应力与材料数据。在监测装置第二实施例中，CPU 34用来处理上述的速度、温度、应力与材料数据，以提供涡轮增压器涡轮的实际故障概率和涡轮增压器压气机叶轮的实际故障概率。所述CPU将实际的故障概率与编入EPROM芯片42的压气机叶轮和涡轮的规定故障概率进行比较。正如以上就第一和第二监测装置实施例所作的说明，CPU 34用来在任一种涡轮增压器的实际故障概率超过其相应的规定故障概率时，经由信号器45发出有声和/或可视信号。

本发明的涡轮增压器疲劳寿命监测装置的部件可与其它特定应用的涡轮增压器的部件分开单独装配，也可作为其它涡轮增压器部件的一部分来装配。例如，在车辆涡轮增压应用装置中，涡轮增压器疲劳寿命监测装置的一个或多个部件可以作为发动机控制模块(ECM)的一部分来装配，该模块用来监测和/或控制该车上发动机的工作参数。在一些示范实施例中，疲劳寿命监测装置的一个或多个部件、CPU、ROM、EPROM、RAM与外部端口被作为ECM的一部分来装配，以方便在车内安装，可以不占用额外的空间，也不用另外再设置已一体化装入ECM的一个或多个部件的功能。

本发明的涡轮增压器疲劳寿命监测装置提供了一些超过现有疲劳寿命监测装置的优点：它们基于据涡轮增压器自身实际的工作条件提供需要维修涡轮增压器的指示，而不是以预先编程设置的时间限期或里程限定作为判据，这样的判据与涡轮增压器的实际工作条件无关。使用本发明的涡轮增压器监测装置能更精确地确定涡轮增压器的维修限期，从而使在极端工作条件下的涡轮增压器的故障潜在因素减至最小(否则，会在任何预先编程确定的时间限期或里程限定之前就出现故障)；并且可消除了因过早维修在减轻的工作条件下功能完好的涡轮增压器所造成的不必要的费用和麻烦(否则，会在任何这样的必要维修之前早就按预先编程确定的时间限期或里程限定来维修)。

以上按专利法规就本发明作了详细说明，本领域技术人员将能辨识对本说明书中公开的这些特定实施例所作的修改方案与替代方案。这样的修改方案并未逾越本发明的范围与意图。

Claims (10)

1.一种涡轮增压器疲劳寿命监测装置，包括：

用以测量涡轮增压器轴的转速的传感器；

用以接收来自所述传感器转速信息，处理该信息以提供涡轮增压器的实际故障概率，并将所述涡轮增压器的实际故障概率跟预定的涡轮增压器规定故障概率进行比较的设备；

用以提供关于所述涡轮增压器的实际故障概率超过所述涡轮增压器规定故障概率的指示的设备，该指示设备由所述存取与处理设备操作。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于进一步包括用以测量涡轮增压器涡轮机入口温度的传感器，其中所述接收与处理设备还另外接收来自所述传感器的温度信息以提供涡轮增压器实际故障概率。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于进一步包括用以将转速信息转换成由所述接收与处理设备访问的疲劳负载周期的程序。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述转换程序被存储在只读存储器中。

5.如权利要求3所述的装置，其特征在于进一步包括用以根据由所述接收与处理设备访问的疲劳负载周期计算涡轮增压器疲劳寿命的程序。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于所述计算程序被存储在只读存储器中。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于进一步包括用以存储预定的涡轮增压器材料与应力信息的设备，以供所述接收与处理设备访问。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于所述存储设备是可擦除可编程只读存储器。

9.一种涡轮增压器疲劳寿命监测装置，包括：

装在涡轮增压器壳体上用以测量涡轮增压器轴的转速的传感器；

一个或多个存储设备，该等设备存储将转速信息转换成疲劳寿命负载周期的计算程序、预定的涡轮增压器材料与应力信息、预定的涡轮增压器规定故障概率以及将所述疲劳寿命负载周期与预定的涡轮增压器信息转换成涡轮增压器实际故障概率的程序；

处理设备，该设备与所述传感器和所述一个或多个存储设备通信，接收来自所述传感器的转速信息和所述一个或多个存储设备中的信息，以提供涡轮增压器的实际故障概率并将所述涡轮增压器的实际故障概率与预定的涡轮增压器规定故障概率进行比较。

用以指示所述涡轮增压器实际故障概率超出所述涡轮增压器规定故障概率的设备，所述指示设备由所述处理设备操作。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于进一步包括装在涡轮增压器壳体上用以测量所述涡轮机入口温度的传感器，其中所述处理设备还另外处理所述温度信息，以提供涡轮增压器实际故障概率。

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