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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Rotationskompressoren
und insbesondere auf ein Verfahren und ein System zur Bestimmung der
Lebensdauer eines Turboladers.
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Hintergrund
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Ingenieure
haben schon lange gewusst, dass Turbolader Spannungen unterworfen
sind, die die Lebensdauer des Turboladers begrenzen. Insbesondere
ist die Lebensdauer eines Turboladers sowohl durch eine Ermüdung im
niedrigen Zyklus als auch durch Kriechen an einem Kompressorrad
und einem Turbinenrad des Turboladers begrenzt. Eine Ermüdung im
niedrigen Zyklus kommt durch die Beschleunigung des Turboladers
während
Lastveränderungen.
Wenn die Drehzahl des Turboladers ansteigt, können die Zentrifugalkräfte, die
auf das Material wirken, das die Rotoren des Turboladerkompressorrades
und des Turboladerturbinenrades bildet, bewirken, dass sich das
Material ausdehnt. Wenn jedoch die Turboladerdrehzahl abnimmt, kann
sich das gleiche Material zusammenziehen. Das wiederholte Ausdehnen
und Zusammenziehen des Materials, welches die Kompressor- und Turbinenradrotoren
bildet, wird Ermüdung
verursachen, was schließlich
zu einem Versagen des Turboladers führen kann.
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Weiterhin
ist die Lebensdauer eines Turboladers durch Kriechen begrenzt. Kriechen
ist die langsame Bewegung des Materials, welches die Kompressor-
und Turbinenräder
bildet, und zwar unter den hohen Spannungen der hohen Turboladerdrehzahlen
und der hohen Temperatur der Einlassluft oder des Abgases. Das Material
wird sich verformen und Festigkeit mit gesteigerter Rate verlieren,
wenn die Spannung und die Temperatur ansteigen. Die Anfangstemperatur
des Kriechens weicht zwischen Materialien ab. Obwohl das Turbinenrad
und das Kompressorrad aus unterschiedlichen Materialien bestehen
können
und auf unterschiedlichen Temperaturen arbeiten, kann Kriechen schließlich bewirken,
dass sowohl das Kompressorrad als auch das Turbinenrad versagen.
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Darüber hinaus
kann die Widerstandsfähigkeit
eines Turboladers gegen Kriechen und Ermüdung durch Materialverschlechterung
der Kompressor- und
Turbinenräder
verringert werden. Die Materialeigenschaften können sich aufgrund von metallurgischen
Veränderungen
verschlechtern, wie beispielsweise Oxidation oder Korrosion, wenn
sie hohen Temperaturen für
eine Zeitperiode unterworfen sind. Obwohl das Turbinenrad und das
Kompressorrad aus unterschiedlichen Materialien bestehen können und
bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten können, kann eine Materialverschlechterung
zu Versagen beitragen, das durch Ermüdung und Kriechvorgänge sowohl
bei dem Kompressorrad als auch bei dem Turbinenrad verursacht wird.
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Weil
Ermüdung
und Kriechen des Turboladers durch die Betriebsbedingungen des Turboladers verursacht
werden, ist die Lebensdauer des Turboladers direkt in Beziehung
damit, wie der Turbolader verwendet wird, was oft als "Arbeitszyklus" des Turboladers
bezeichnet wird. Turbolader werden bei einer Vielzahl von Fahrzeuganwendungen
und stationären
Anwendungen verwendet, die von Verbrennungsmotoren angetrieben werden.
Weiterhin können
Turbolader, die ähnliche
Anwendungen haben, auch unterschiedlichen Turboladerbetriebsbedingungen
ausgesetzt sein, und zwar abhängig
vom Arbeitszyklus des Turboladers. Weil es viele unterschiedliche
Anwendungen und Arbeitszyklen der Turbolader gibt, kann somit die
Lebensdauer eines speziellen Turboladers wesentlich von der durchschnittlichen
Lebensdauer von ähnlichen
Turboladern abweichen.
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Weil
Ermüdung
und Kriechvorgänge
schließlich
bewirken werden, dass der Turbolader versagt, muss der Turbolader
vor dem Versagen ersetzt oder instand gehalten werden. Somit muss
es eine Bestimmung geben, wann der Turbolader versagen wird. Oft
wird ein repräsentativer
Arbeitszyklus verwendet, um abzuschätzen, wann der Turbolader ersetzt
werden sollte. Der re präsentative
Arbeitszyklus bezieht sich auf die Lebensdauer eines Turboladers, der
in durchschnittlicher Weise verwendet wird. Weil jedoch Turbolader
unterschiedliche Anwendungen haben, führt die Verwendung eines repräsentativen Lastzyklus
zur Vorhersage der Lebensdauer von verschiedenen Turboladern zu
einer Überschätzung der Lebensdauer
von einigen Turboladern und zu einer Unterschätzung der Lebensdauer von anderen
Turboladern. Wenn der repräsentative
Arbeitszyklus die Lebensdauer des Turboladers überschätzt, wird der Turbolader versagen,
bevor er ersetzt wird, was teure Reparaturen und Unbequemlichkeiten
für den
Kunden zur Folge hat. Wenn der repräsentative Arbeitszyklus die
Lebensdauer des Turboladers unterschätzt, wird der Turbolader unnötigerweise
ersetzt, was unnötige
Kosten und Unbequemlichkeit zur Folge hat.
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Somit
ist ein anderes Verfahren zur Bestimmung der Lebensdauer eines Turboladers
gewesen, direkt die Drehzahl des Turboladers und die Turbinenradeinlasstemperatur
zu überwachen.
Beispielsweise weist die Überwachungsvorrichtung
für die Turboladerermüdungslebensdauer,
die im US-Patent 6
209 390 B1, ausgegeben an LaRue und andere am 03. April 2001, gezeigt
ist, mindestens einen Sensor auf, der die tatsächliche Betriebsbedingung des
Turboladers misst, d.h. die Drehzahl des Turboladers. Eine zentrale
Verarbeitungseinheit kann den tatsächlichen Betriebszustand des
Turboladers mit vorbestimmten Daten vergleichen, um zu bestimmen, wann
ein Service für
den Turbolader benötigt
wird.
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Obwohl
das Verfahren der Überwachung
des tatsächlichen
Betriebszustandes die Überlegungen bezüglich einer Überschätzung und
einer Unterschätzung
verringert, gibt es zusätzliche
Kosten, die mit der direkten Überwachung
der Betriebsbedingung des Turboladers verbunden sind. Beispielsweise
gibt es Kosten, die mit der Montage und der Instandhaltung der Turboladerdrehzahlsensoren
assoziiert sind, und mit den Verbindungen zwischen dem Computerprozessor
und den Sensoren. Insbesondere kann die Konstruktion der Turboladerwelle
eine Veränderung
erfordern, um die Messung ihrer Drehzahl zu gestatten. Darüber hinaus überwacht
die Überwachungsvorrichtung
für die
Ermüdungslebensdauer
von LaRue nur vorrichtung für
die Ermüdungslebensdauer
von LaRue nur eine abgeschätzte
Ermüdungslebensdauer
des Turbinen- und Kompressorrades und überwacht nicht die Kriechlebensdauer der
Räder.
Abhängig
vom Arbeitszyklus des Turboladers kann die Turboladerlebensdauer
durch Kriechen und nicht durch Ermüdung eingeschränkt sein.
In ähnlicher
Weise betrachtet die Überwachungsvorrichtung
für die
Ermüdungslebensdauer
von LaRue nicht den Effekt einer möglichen Materialverschlechterung,
wenn die Ermüdungslebensdauer
der Turbinen- und Kompressorräder
bestimmt wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der
oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt weist ein System zur Bestimmung der Turboladerlebensdauer
einen Turbolader auf, mindestens einen Kompressoreinlassdrucksensor,
mindestens einen Kompressorauslassdrucksensor und ein elektronisches
Steuermodul, welches einen Algorithmus zur Bestimmung einer Turboladerlebensdauer
aufweist. Der Kompressoreinlassdrucksensor und der Kompressorauslassdrucksensor
sind in Verbindung mit dem elektronischen Steuermodul. Der Algorithmus
zur Bestimmung einer Turboladerlebensdauer ist dahingehend wirksam,
dass er die Lebensdauer des Turboladers bestimmt, und zwar zumindest
teilweise basierend auf einer Beziehung zwischen dem abgefühlten Kompressoreinlassdruck
und dem abgefühlten
Kompressorauslassdruck.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Artikel bzw.
eine Vorrichtung ein computerlesbares Datenspeichermedium auf, welches
einen Algorithmus zur Bestimmung einer Turboladerlebensdauer aufweist.
Der Algorithmus zur Bestimmung einer Turboladerlebensdauer ist dahingehend
wirksam, dass er die Lebensdauer des Turboladers teilweise basierend
auf einer Beziehung zwischen einem abgefühlten Kompressoreinlassdruck
und einem abgefühlten
Kompressorauslassdruck bestimmt.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zur
Bestimmung einer Lebensdauer eines Turboladers einen Schritt auf,
eine Ermüdung
und/oder einen Kriechvorgang an mindestens einer Komponente des
Turboladers zu überwachen,
und zwar zumindest teilweise durch Abfühlen von mindestens einem Parameter, der
mit einer abgeschätzten
Turboladerdrehzahl in Beziehung steht. Die überwachte Ermüdung und
das überwachte
Kriechen wird mit einem vorbestimmten Ermüdungskriterium bzw. einem vorbestimmten Kriechkriterium
verglichen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Systems zur Bestimmung einer
Turboladerlebensdauer gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
eine Matrize bzw. Tabelle, die gespeicherte Daten veranschaulicht,
die in einem Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen sind; und
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3 ist
eine Matrize bzw. Tabelle, die gespeicherte Daten veranschaulicht,
die in einem Kriechüberwachungsalgorithmus
gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen sind.
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Detaillierte
Beschreibung
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Mit
Bezug auf 1 ist eine schematische Darstellung
eines Systems zur Bestimmung einer Turboladerlebensdauer gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Das System 10 zur Bestimmung einer Turboladerlebensdauer
weist einen Turbolader 11 auf, der in einem Turboladergehäuse 12 montiert ist.
Der Turbolader 11 weist ein Kompressorrad 13 und
ein Turbinenrad 14 auf, die in herkömmlicher Weise durch eine Welle 15 verbunden
sind. Luft wird durch den Turbolader 11 und einen Motor 16 über eine
Luftleitung 17 zirkuliert. Das Turboladergehäuse 12 definiert
einen Kompressoreinlass 18, einen Kompressorauslass 19,
einen Turbineneinlass 20 und einen Turbinenauslass 21.
Ein Kompressoreinlassdrucksensor 22 ist derart veranschaulicht, dass
er an dem Gehäuse 12 angebracht
ist, obwohl der Kompressoreinlassdrucksensor 22 an verschiedenen Punkten
innerhalb der Einlassluftleitung stromaufwärts vom Kompressoreinlass 18 positioniert
sein könnte.
Obwohl der Kompressorauslassdrucksensor 23 derart veranschaulicht
ist, dass er an dem Turboladergehäuse 12 angebracht
ist, sei bemerkt, dass der Kompressorauslassdrucksensor 23 an
verschiedenen Punkten innerhalb der Luftleitung 17 zwischen dem
Kompressorauslass 19 und dem Einlass des Motors 16 positioniert
sein könnte,
oder am Einlass des Motors 16 positioniert sein könnte. Vorzugsweise ist
ein Kompressortemperatursensor 24 an dem Gehäuse 12 an
dem Kompressoreinlass 18 angebracht, weiter ist ein Drehzahlsensor 25 in
dem Motor 16 in herkömmlicher
Weise positioniert, um die Motordrehzahl zu bestimmen, und ein Turbineneinlasstemperatursensor 33 ist
am Gehäuse 12 nahe
dem Turbineneinlass 20 positioniert. Der Kompressoreinlassdrucksensor 22,
der Kompressorauslassdrucksensor 23, der Kompressoreinlasstemperatursensor 24,
der Motordrehzahlsensor 25 und der Turbinentemperatursensor 33 sind
in Verbindung mit einem elektronischen Steuermodul 26 über die
Einlassdruckkommunikationsleitung 27, die Auslassdruckkommunikationsleitung 28,
die Kompressortemperaturkommunikationsleitung 29, die Motordrehzahlkommunikationsleitung 30 bzw.
die Turbinentemperaturkommunikationsleitung 34. Das elektronische
Steuermodul 26 ist vorzugsweise in Verbindung mit einer
Turboladerlebensdaueranzeige 31 über eine Anzeigekommunikationsleitung 32.
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Das
elektronische Steuermodul 26 weist vorzugsweise einen Algorithmus
zur Bestimmung einer Turboladerlebensdauer auf, der dahingehend
wirksam ist, dass er die Lebensdauer des Turboladers 11 abschätzt, und
zwar teilweise basierend auf einer Beziehung zwischen einem abgefühlten Kompressoreinlassdruck
und einem abgefühlten
Kompressorauslassdruck. Die Beziehung kann als ein Verhältnis des
abgefühlten
Kompressoreinlassdruckes und des abgefühlten Kompressorauslassdruckes
veranschaulicht sein, der mit der Turboladerdrehzahl in Beziehung
steht. Es sei bemerkt, dass die abgefühlten Drücke absolute Drücke sind.
Das abgefühlte
Verhältnis
von Kompressorein lassdruck zu Kompressorauslassdruck wird im folgenden
als das berechnete Druckverhältnis
bezeichnet.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass ein Druckdifferenzsensor zwischen dem
Kompressoreinlass 18 und dem Kompressorauslass 19 für mindestens
einen der Drucksensoren 22 und 23 eingesetzt werden
könnte.
Obwohl der Algorithmus zur Bestimmung einer Turboladerlebensdauer
in dem elektronischen Steuermodul 26 vorgesehen ist, zieht
die vorliegende Erfindung in Betracht, dass der Algorithmus zur
Bestimmung der Turboladerlebensdauer innerhalb irgendeines Artikels
bzw. einer Vorrichtung vorgesehen ist, die ein computerlesbares
Datenspeichermedium aufweist. Der Algorithmus zur Bestimmung einer
Turboladerlebensdauer weist vorzugsweise einen Ermüdungsüberwachungsalgorithmus und
einen Kriechüberwachungsalgorithmus
auf. Der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
ist dahingehend wirksam, dass er die Ermüdung von mindestens einer der
Turboladerkomponenten überwacht. Gemäß der vorliegenden
Erfindung überwacht
der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
die Ermüdung im
Kompressorrad 13 und im Turbinenrad 14, obwohl bemerkt
sei, dass die Ermüdung
in nur einem der Räder 13 oder 14 überwacht
werden könnte.
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Ein
Bereich von berechneten Druckverhältnissen für den gesamten Betriebsbereich
des Turboladers 11 wird in mehrere Ermüdungsuntersatzbereiche von
berechneten Druckverhältnissen
aufgeteilt. Der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
weist die Ermüdungsuntersatzbereiche
des berechneten Druckverhältnisses
auf. Obwohl die Anzahl der Ermüdungsuntersatzbereiche
zwischen Turboladern variieren kann, ist die vorliegende Erfindung
derart veranschaulicht, dass sie Ermüdungsuntersatzbereiche 1 bis 10 aufweist,
wobei der Ermüdungsuntersatzbereich 1 das
kleinste Druckverhältnis über den gesamten
Betriebsbereich des Turboladers 11 aufweist. Der Fachmann
wird erkennen, dass eine vergrößerte Anzahl
von Ermüdungsuntersatzbereichen einen
genaueren Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
zur Folge haben wird.
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Es
sei jedoch auch bemerkt, dass die Anzahl der Ermüdungsuntersatzbereiche durch
die Speicherkapazität
des elektronischen Steuermoduls 26 eingeschränkt ist.
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Jedes
Druckverhältnis
steht in Beziehung mit einer Turboladerdrehzahl. Die Beziehung zwischen dem
Druckverhältnis
und der Turboladerdrehzahl ist in der Technik bekannt. Im allgemeinen
gilt, je größer das
Druckverhältnis,
desto größer ist
die Turboladerdrehzahl. Obwohl das Druckverhältnis der bevorzugte abgefühlte Parameter
ist, der in Beziehung mit der Turboladerdrehzahl ist, gibt es andere
Parameter, die ein Verhältnis
der Kompressoreinlasstemperatur zur Kompressorauslasstemperatur,
ein Verhältnis
der Turbineneinlasstemperatur zur Turbinenauslasstemperatur und
die Motordrehzahl in Verbindung mit der Luftflussgeschwindigkeit
zu dem Kompressorrad und/oder von diesem weg aufweisen, die ebenfalls
in Beziehung mit der Turboladerdrehzahl sind, wobei die Verhältnisse
jedoch nicht darauf eingeschränkt sind.
Obwohl andere Parameter mit Beziehung zur Turboladerdrehzahl anstelle
dem oder zusätzlich
zu dem berechneten Verhältnis
von Kompressoreinlassdruck und Kompressorauslassdruck verwendet
werden können,
ist herausgefunden worden, dass das Druckverhältnis eine genaue Abschätzung der
Turboladerdrehzahl liefert und nicht den Einbau von zusätzlichen
Sensoren erfordern könnte.
Die Kompressoreinlass- und -auslassdrucksensoren 22 und 23 sind
oft in existierenden Steuersystemen vorgesehen.
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Weil
jedes Druckverhältnis
in Beziehung mit einer Turboladerdrehzahl steht, steht jeder Ermüdungsuntersatzbereich
von berechneten Druckverhältnissen
in Beziehung mit einem Bereich von Turboladerdrehzahlen. Obwohl
die Ermüdungsuntersatzbereiche
alleine aufgrund von Druckverhältnissen
eingerichtet werden können;
werden die Ermüdungsuntersatzbereiche
vorzugsweise basierend auf zusätzlichen
abgefühlten
Parametern eingerichtet, um genauer die Turboladerdrehzahl wider
zu spiegeln. Bei der vorliegenden Erfindung basiert die Einrichtung
der Ermüdungsuntersatzbereiche
vorzugsweise ebenfalls auf abgefühlten
Kompressoreinlasstemperaturen und abge fühlten Motordrehzahlen. Die Beziehungen
zwischen der Turboladerdrehzahl und der Motordrehzahl und der Kompressoreinlasstemperatur
sind in der Technik bekannt. Es ist beispielsweise bekannt, dass
ein Druckverhältnis
mit einer niedrigeren Kompressoreinlasstemperatur in Beziehung mit
einer langsameren Turboladerdrehzahl sein kann als das gleiche Druckverhältnis bei
einer wärmeren
Temperatur wäre.
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Obwohl
die Beziehung zwischen der Turboladerdrehzahl und den abgemessenen
Parametern, d.h. das Druckverhältnis,
die Motordrehzahl und die Kompressoreinlasstemperatur, vorzugsweise
in dem Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
von Ingenieuren vorgesehen ist, die die Untersatzbereiche einrichten,
bevor sie in das elektronische Steuermodul 26 heruntergeladen
werden, zieht die vorliegende Erfindung in Betracht, dass die Beziehung
zwischen der Turboladerdrehzahl und den abgefühlten Parametern in dem Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
durch einen zusätzlichen
Schritt vorgesehen wird, der in dem elektronischen Steuermodul 26 ausgeführt wird. Beispielsweise
könnte
der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
das berechnete Druckverhältnis bei
der abgefühlten
Einlasstemperatur und der Motordrehzahl in die Turboladerdrehzahl
umwandeln. Die Turboladerdrehzahl könnte in Untersatzbereiche von
Drehzahlen aufgeteilt werden. Weiterhin zieht die vorliegende Erfindung
in Betracht, dass andere abgefühlte
Parameter zusätzlich
zu dem Druckverhältnis,
der Motordrehzahl und dem Kompressoreinlassdruck überwacht
werden könnten,
um noch weiter die Genauigkeit der Turboladerdrehzahlabschätzung zu verbessern.
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Der
Ermüdungsüberwachungsalgorithmus ist
dahingehend wirksam, dass er die Übergangszyklen zwischen den
Ermüdungsuntersatzbereichen
des Turboladers 11 überwacht.
Für die
Zwecke der vorliegenden Erfindung ist ein Übergangszyklus eine überwachte
Steigerung des berechneten Ermüdungsdruckverhältnisses
zwischen den Ermüdungsuntersatzbereichen.
Es sei jedoch bemerkt, dass der Übergangszyklus
eine überwachte
Steigerung oder Verringerung von irgendeinem Parameter sein könnte, der
mit der Turboladerdrehzahl in Beziehung steht. Ein Übergangszyklus
beginnt, wenn das be rechnete Druckverhältnis von einem Ermüdungsuntersatzbereich
zu dem benachbarten höheren
Ermüdungsuntersatzbereich
ansteigt. Das berechnete Druckverhältnis kann nicht einen benachbarten
Ermüdungsuntersatzbereich überspringen.
Für die Zwecke
dieser Beschreibung wird der niedrigste Ermüdungsuntersatzbereich eines Übergangszyklus als
der Start-Ermüdungsuntersatzbereich
bezeichnet (FPR1, in 2 gezeigt).
So lange das Druckverhältnis
innerhalb des gleichen Ermüdungsuntersatzbereiches
bleibt oder in den Ermüdungsuntersatzbereichen
steigt, geht der Übergangszyklus
weiter. Der Übergangszyklus
endet, wenn das berechnete Druckverhältnis in den Ermüdungsuntersatzbereichen
fällt.
Für die
Zwecke dieser Beschreibung wird der höchste Ermüdungsuntersatzbereich als der End-Ermüdungsuntersatzbereich
(FPR2, in 2 gezeigt)
bezeichnet. Ein neuer Übergangszyklus
beginnt, wenn das Druckverhältnis
wieder steigt. Wenn beispielsweise das überwachte Druckverhältnis von dem
Ermüdungsuntersatzbereich 1 in
den Ermüdungsuntersatzbereich 2 ansteigt,
beginnt der Übergangszyklus.
Wenn das Druckverhältnis
dann weiter von dem Ermüdungsuntersatzbereich 2 zum
Ermüdungsuntersatzbereich 8 ansteigt,
geht der Ermüdungszyklus
weiter. Wenn jedoch das Druckverhältnis vom Ermüdungsuntersatzbereich 8 zurück zum Ermüdungsuntersatzbereich 7 abfällt, wird
der Übergangszyklus
vollendet.
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Mit
Bezug auf 2 ist eine Matrix gezeigt, die
die gespeicherten Daten veranschaulicht, die in dem Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen sind. Die möglichen
Start-Ermüdungsuntersatzbereiche (FPR1 (1)–(10)) und die möglichen
End-Ermüdungsuntersatzbereiche
FPR2 (1)–(10))
sind auf der vertikalen bzw. auf der horizontalen Achse aufgelistet.
Jede Box wird als ein Start-Ermüdungsuntersatzbereich
(FPR1) und als ein End-Ermüdungsuntersatzbereich
(FPR2) definiert, und stellt somit einen Übergangszyklus
von spezieller Größe dar.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
gibt es eine Möglichkeit
von 54 unterschiedlichen Größen von Übergangszyklen,
und somit gibt es 54 offene Boxen oder Speicherpunkte. Der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
wird die Anzahl der Übergangszyklen
in jeder Box zählen. Jede
der 45 Größen von Übergangszyklen
weist eine spezielle vorbestimmte Ermüdungsgröße auf. Die Ermüdungsgröße des Übergangszyklus
hängt von
der Größe des Übergangs
zwischen den Ermüdungsuntersatzbereichen
und den Druckverhältnissen
ab, bei denen der Übergangszyklus
auftritt. Beispielsweise wird ein Übergangszyklus von dem Ermüdungsuntersatzbereich 1 (FPR1 (1)) bis 8 (FPR2 (8)) eine höhere Ermüdungsgröße haben
als ein Übergangszyklus
von einem Ermüdungsuntersatzbereich 1 (FPR1 (1)) bis 4 (FPR2 (4)). Jedoch wird
ein Übergangszyklus
von dem Ermüdungsuntersatzbereich 7 (FPR1 (7)) bis zum Ermüdungsuntersatzbereich 9 (FPR2 (9)) eine höhere Ermüdungsgröße aufweiser
als es der Übergangszyklus
vom Ermüdungsuntersatzbereich 5 (FPR1 (5)) auf dem Ermüdungsuntersatzbereich 7 (FPR2 (7)) aufweisen wird.
Das Produkt der Ermüdungsgröße und der Anzahl
der Übergangszyklen
innerhalb der jeweiligen Box hat einen Ermüdungsspannungsschaden (FSa-tt) zur Folge und zwar bewirkt durch diese
spezielle Größe der Übergangszyklen.
Die Ermüdungsspannungsschäden (FSa-tt) werden gespeichert und aktualisiert.
Die Summe des Ermüdungsspannungsschadens
für jeden
speziellen Übergangszyklus
wird die überwachte
Ermüdung
des Turboladers 11 zur Folge haben.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass ein Spannungsschaden, der durch den Übergangszyklus verursacht
wird, auch ein Faktor der Zeit sein kann, während der der Übergangszyklus
auftritt. Je schneller die Beschleunigung des Turboladers 11 ist,
desto mehr Spannung, insbesondere durch Temperaturgradienten eingeleitete
Spannung kann von dem Übergangszyklus
bewirkt werden. Obwohl die vorliegende Erfindung in Betracht zieht,
dass die Zeit in dem Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
eines elektronischen Steuermoduls mit ausreichenden Verarbeitungs-
und Speicherfähigkeiten
eingeschlossen wird, ist die vorliegende Erfindung derart veranschaulicht,
dass sie nicht die Zeit als Faktor berücksichtigt, und zwar deswegen,
weil die Beschleunigungsgeschwindigkeit ein weniger signifikanter
Faktor ist als die Beschleunigungsgröße, insbesondere wenn man das
Kriechen in dem Kompressorrad 13 überwacht.
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Der
Algorithmus zur Bestimmung der Turboladerlebensdauer weist auch
einen Kriechüberwachungsalgorithmus
auf, der dahingehend wirksam ist, dass er das Kriechen in mindestens
einer Komponente des Turboladers 11 überwacht. In ähnlicher Weise
wie der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus überwacht
die vorliegende Erfindung das Kriechen in dem Kompressorrad 13 und
im Turbinenrad 14, obwohl sie das Kriechen nur in einem
der Räder 13 und 14 überwachen
könnte.
Der Kriechüberwachungsalgorithmus überwacht
das Kriechen durch Überwachung
der Zeitdauer, während
der der Turbolader 11 mit unterschiedlichen Kombinationen
von berechnetem Druckverhältnis
und abgefühlter
Kompressor- und Turboladereinlasstemperatur arbeitet. Ähnlich wie
bei dem Ermüdungsalgorithmus
werden die berechneten Druckverhältnisse
vorzugsweise durch die abgefühlte
Motordrehzahl und die abgefühlte
Kompressoreinlasstemperatur eingestellt. Der Kriechüberwachungsalgorithmus
wird vorzugsweise auch die Kompressoreinlasstemperatur und die Turbineneinlasstemperatur überwachen.
Weil es eine in der Technik bekannte Beziehung zwischen der Kompressoreinlasstemperatur,
der Kompressorauslasstemperatur und dem Kompressordruckverhältnis gibt, kann
der Kriechüberwachungsalgorithmus
die Kompressorauslasstemperatur durch Überwachung des Druckverhältnisses
und der Kompressoreinlasstemperatur überwachen. Weiterhin kann die
Turbineneinlasstemperatur von dem abgefühlten Auslassdruck, der aus
dem Motor 16 austritt, von der Motorbrennstoffrate oder
der Motorbelastung und dem Sammelleitungsdruck abgeleitet werden.
Der Fachmann wird erkennen, dass viele Steuersysteme Auslassdrucksensoren
aufweisen werden. Es ist jedoch bevorzugt, dass das System 10 zur
Bestimmung der Turboladerlebensdauer den Kompressoreinlasstemperatursensor 24 aufweist,
der direkt die Kompressoreinlasstemperatur abfühlt und diese zum elektronischen Steuermodul 26 übermittelt.
Zusätzlich
wird bevorzugt, dass das System 10 zur Bestimmung der Turboladerlebensdauer
den Turbineneinlasstemperatursensor 24 aufweist, der direkt
die Turbineneinlasstemperatur abfühlen kann und dies an das elektronische
Steuermodul 26 übermitteln
kann.
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In ähnlicher
Weise wie bei dem Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
weist der Kriechüberwachungsalgorithmus
mehrere Kriechdruckverhältnisuntersatzbereiche
auf. Jedoch weist der Kriechüberwachungsalgorithmus
auch mehrere Kompressoreinlasstemperaturuntersatzbereiche und mehrere Turbineneinlasstemperaturuntersatzbereiche
auf. Obwohl die vorliegende Erfindung derart veranschaulicht ist,
dass sie vier Kriechdruckverhältnisuntersatzbereiche,
vier Kompressoreinlasstemperaturuntersatzbereiche und vier Turbineneinlasstemperaturuntersatzbereiche
aufweist, sei bemerkt, dass es irgend eine Anzahl von Untersatzbereichen
geben könnte.
Die Kriechdruckverhältnisuntersatzbereiche werden
in ähnlicher
Weise wie die Ermüdungsuntersatzbereiche
eingerichtet. Weil jedoch das Kriechen in erster Linie bei relativ
hohen Druckverhältnissen auftritt,
weist der niedrigste Kriechuntersatzbereich, der Untersatzbereich 1,
alle Druckverhältnisse
auf, in denen das Kriechen im allgemeinen nicht auftritt. Weil zusätzlich das
Kriechen meistens bei relativ hohen Temperaturen auftritt, werden
die niedrigsten Kompressor- und
Turbineneinlasstemperaturuntersatzbereiche, die Kompressoreinlass- und Turbineneinlasstemperaturen
aufweisen, bei denen ein Kriechen im allgemeinen nicht auftritt.
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Obwohl
die Druckverhältnisse,
bei denen Kriechen auftritt, unter Turboladern variieren können, tritt
das Einsetzen des Kriechens im allgemeinen bei einem berechneten
Druckverhältnis
von ungefähr 70%
des maximal möglichen
Druckverhältnisses
auf. Obwohl die Einlasstemperaturen, bei denen das Kriechen auftritt,
unter Turboladern variieren können, tritt
das Einsetzen des Kriechens im allgemeinen in dem Kompressorrad 13 bei
ungefähr
20°C und
darüber
auf, und tritt im allgemeinen im Turbinenrad 14 bei ungefähr 400°C und darüber auf.
Somit kann der Kriechdruckverhältnisuntersatzbereich
Nr. 1 Druckverhältnisse
zwischen 0 und 70% des maximalen Druckverhältnisses aufweisen, der Kompressoreinlasstemperaturuntersatzbereich 1 kann
Temperaturen unter 20°C
aufweisen, und der Turbineneinlasstemperaturuntersatzbereich kann
Temperaturen unter 400°C
aufweisen. Die restlichen Druckverhältnisse und Temperaturen über den
Turboladerbetriebsbereich können
in gleicher Weise in den jeweiligen Untersatzbereichen 2 bis 3 aufge teilt
sein. Beispielsweise gibt es 4 Kriechuntersatzbereiche. Der erste wird
die Druckverhältnisse
von 0 bis 70% des maximalen Druckverhältnisses aufweisen. Der zweite Kriechuntersatzbereich
wird Druckverhältnisse
aufweisen, die zwischen 71 und 80% des maximalen Druckverhältnisses
liegen, und der dritte wird Druckverhältnisse aufweisen, die zwischen
81 und 90% des maximalen Druckverhältnisses sind, und der vierte
wird Druckverhältnisse
aufweisen, die zwischen 91 und 100% liegen.
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Mit
Bezug auf 3 ist eine Matrix gezeigt, die
die gespeicherten Daten veranschaulicht, die in dem Kriechüberwachungsalgorithmus
gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen sind. Die Kriechuntersatzbereiche (CPR(1)-CPR(4)) und die Kriechkompressoreinlasstemperaturuntersatzbereiche
(CT(1)-CT(4)) sind entlang der horizontalen bzw. der
vertikalen Achse veranschaulicht. Für die Zwecke dieser Besprechung
wird die 3 für das Kompressorrad 12 besprochen.
Es sei jedoch bemerkt, dass eine Berechnungstabelle, die das Kriechen
des Turbinenrades 13 veranschaulicht, ähnlich der 3 sein
würde,
außer
dass sie die Turbineneinlasstemperatur und den Turbinenkriechspannungsschaden aufweisen
würde und
nicht die Kompressoreinlasstemperatur und den Kompressorkriechspannungsschaden.
Jede Box in 3 wird durch eine Kompressoreinlasstemperatur
(CPR(1)-(4)) und einem Kriechuntersatzbereich
(CPR(1)-(4)) definiert. Somit ist jede Box
ein Speicherpunkt für
eine Kombination aus einem Kompressoreinlasstemperaturuntersatzbereich und
einem Kriechuntersatzbereich. Es gibt 16 unterschiedliche Kombinationen,
bei denen der veranschaulichte Kompressor 13 arbeiten kann.
Der Kriechüberwachungsalgorithmus
wird die Kombination bestimmen, bei der der Kompressor 13 arbeitet, und
wird die Zeitdauer überwachen,
während
der der Turbolader 11 bei dieser speziellen Kombination
des Kompressoreinlasstemperaturuntersatzbereiches CT und des Kriechuntersatzbereiches
(CPR) arbeitet. Jede Box oder jede Kombination weist ein Nenn-Kriechen bzw. eine
Kriechgröße auf,
und zwar verursacht durch das Verhältnis von Temperatur und berechnetem
Druck. Das Nenn-Kriechen bzw. die Kriechgröße stellt die Spannung in dem
Kompressorrad 13 dar, die durch diese spezielle Kombination verursacht
wird, und kann durch in der Technik bekannte Verfahren bestimmt
werden. Je höher
die Kompressoreinlasstemperatur und das Druckverhältnis sind,
desto größer ist
die (Nenn-)Größe. Das
Produkt der Zeit, die auf eine spezielle Kombination verwandt wurde,
und des Nenn-Kriechens bzw. der Kriechgröße wird einen Kriechspannungsschaden (CSa-q) zur Folge haben, der von dem Turbolader 11 verursacht
wird, der bei dieser speziellen Kombination arbeitet. Die Summe
der Kriechspannungsschäden
(CSa-q) ist die überwachte Kriechgröße für das Kompressorrad 3.
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Vorzugsweise
weisen sowohl der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
als auch der Kriechüberwachungsalgorithmus
einen Materialverschlechterungsalgorithmus auf, der wirksam ist,
um die Materialverschlechterung bzw. Materialzersetzung von sowohl
dem Kompressorrad 13 als auch dem Turbinenrad 14 zu überwachen.
Es sei jedoch bemerkt, dass die vorliegende Erfindung den Ermüdungs- und
Kriechüberwachungsalgorithmus
ohne den Materialverschlechterungsalgorithmus in Betracht zieht,
oder einen Ermüdungs-
und Kriechüberwachungsalgorithmus,
bei dem der Materialverschlechterungsalgorithmus nur die Materialverschlechterung
an einem der Räder 13 und 14 überwacht.
Vorzugsweise überwacht
der Materialverschlechterungsalgorithmus die Materialverschlechterung
innerhalb des Kompressorrades 13 und des Turbinenrades 14 durch Überwachung
der Zeitdauer, während
der jedes Rad 13 und 14 bei den abgefühlten Kompressoreinlass-
und Turbineneinlasstemperaturen arbeitet. Obwohl die vorliegende
Erfindung verschiedene Verfahren zur Überwachung der Zeitdauer in
Betracht zieht, während
der jede Komponente 13 und 14 bei unterschiedlichen
Einlasstemperaturen arbeitet, sei bemerkt, dass der Materialverschlechtärungsalgorithmus
die Materialverschlechterung bzw. Materialzersetzung durch die Anwendung von
Verschlechterungstemperaturuntersatzbereichen überwachen kann. Der Materialverschlechterungsalgorithmus
kann irgendeine Anzahl von Kompressoreinlass- und Turbineneinlasstemperaturuntersatzbereichen
aufweisen. Je größer die
Verarbeitungs- und Speicherfähigkeiten
des elektronischen Steuermoduls 26 ist, desto mehr Untersatzbereiche sind
möglich,
und desto genauer ist der Materialverschlechterungsalgorithmus.
Jeder Temperaturuntersatz bereich wird eine Nenn-Materialverschlechterung
bzw. Materialverschlechterungsgröße aufweisen.
Der Fachmann wird erkennen, dass die Nenn-Materialverschlechterung bzw. Materialverschlechterungsgröße bei höheren Temperaturuntersatzbereichen
größer sein
wird. Weiterhin sei bemerkt, dass die Materialverschlechterungsnenngrößen für das Kompressorrad 13 und
das Turbinenrad 14 unterschiedlich sein werden, und zwar
deswegen, weil die Räder 13 und 14 aus
unterschiedlichen Materialien gemacht sind. Das Produkt der Zeit,
während
der die spezielle Turboladerkomponente 13 oder 14 innerhalb
des speziellen Verschlechterungstemperaturuntersatzbereiches arbeitet,
und die Materialverschlechterungsnenngröße werden gleich der Materialverschlechterung
sein, die bei der speziellen Komponente 13 oder 14 verursacht
wird. Die Summe der Materialverschlechterung innerhalb des Verschlechterungstemperaturuntersatzbereiches
für das
Kompressorrad 13 ist die überwachte Materialverschlechterung
des Kompressorrades 13. In ähnlicher Weise ist die Summe
der Materialverschlechterung innerhalb jedes Temperaturuntersatzbereiches für das Turbinenrad 14 die überwachte
Materialverschlechterung des Turbinenrades 14. Die überwachte
Materialverschlechterung von jeder Komponente 13 und 14 kann
kontinuierlich aktualisiert werden.
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Die überwachte
Materialverschlechterung für jedes
Rad 13 und 14 ist vorzugsweise in überwachtem
Kriechen und in der überwachten
Ermüdung
von jedem Rad 13 und 14 verkörpert. Wenn die überwachte
Materialverschlechterung von jedem Rad 13 und 14 zunimmt,
kann der Widerstand gegen Kriechen und Ermüdung des Materials verringert
werden, welches jedes Rad 13 und 14 aufweist.
Daher kann ein Versagen der Kompressor- und Turbinenräder 13 und 14 aufgrund
von Kriechen und/oder Ermüdung wahrscheinlicher
aufgrund von Materialverschlechterung innerhalb der Kompressor-
und Turbinenräder 13 und 14 sein.
Obwohl es verschiedene Verfahren gibt, eine Materialverschlechterung
in der Bestimmung der Turboladerlebensdauer vorzusehen, ist ein mögliches
Verfahren, die überwachte
Materialverschlechterung in dem Kriechspannungsschaden (CSa-m) für
jede Kombination des Temperatur- und Druckverhältnisses und im Ermüdungsspannungsschaden
(FSa-tt) für jeden Übergangszyklus einzubeziehen.
Insbesondere nachdem der Kriechüberwachungsalgorithmus
den Kriechspannungsschaden bestimmt, der von der Zeit verursacht
wird, während der
das Kompressorrad mit einer speziellen Kombination von Einlasstemperatur
und Druckverhältnis betrieben
wird, kann der Materialverschlechterungsalgorithmus den neu bestimmten
Kriechspannungsschaden für
diese spezielle Kombination der überwachten
Materialverschlechterung des Kompressorrades einstellen. Nachdem
der neu überwachte Kriechspannungsschaden
eingestellt ist, so dass er die überwachte
Materialverschlechterung aufweist, kann der gespeicherte Kriechspannungsschaden (CS)
für die
spezielle Kombination mit dem neu überwachten und eingestellten
Kriechspannungsschaden aktualisiert werden. Es sei bemerkt, dass
die Beziehung zwischen der Materialverschlechterung und dem Spannungsschaden,
der durch Kriechen und Ermüdung
verursacht wird, in der Technik bekannt ist.
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Der
Algorithmus zur Bestimmung der Turboladerlebensdauer weist vorzugsweise
einen Vergleichsalgorithmus auf, der dahingehend wirksam ist, dass
er die überwachte
Ermüdung
und das überwachte
Kriechen mit einem vorbestimmten Ermüdungskriterium bzw. einem vorbestimmten
Kriechkriterium vergleicht. Die vorliegende Erfindung ist derart veranschaulicht,
dass sie vier Sätze
von vorbestimmten Kriterien aufweist, wobei dies ein Ermüdungskriterium
und ein Kriechkriterium für
jedes Rad 13 und 14 sind. Jedoch sei bemerkt,
dass es acht Sätze
von vorbestimmten Kriterien geben könnte. Zusätzlich zu den vorbestimmten
Ermüdungs-
und Kriechkriterien könnte
der Algorithmus zur Bestimmung einer Turboladerlebensdauer ein vorbestimmtes
Materialverschlechterungskriterium und ein kombiniertes vorbestimmtes
Kriech- und Ermüdungskriterium
aufweisen. Das vorbestimmte Materialverschlechterungskriterium ist
die vorbestimmte Materialverschlechterung, der jedes der Räder 13 und 14 ohne
wahrscheinliches Versagen widerstehen kann. Das vorbestimmte Ermüdungskriterium
weist einen vorbestimmten Spannungsschaden auf, der durch die Übergangszyklen
verursacht wird, dem die spezielle Turboladerkomponente 13 oder 14 ohne
wahrscheinliches Versagen widerstehen kann. Das vorbestimmte Kriechkriterium
weist einen vorbestimmten Spannungsschaden auf, der durch die Druckverhältnisse und
Einlasstemperaturen verursacht wird, denen die spezielle Komponente 13 oder 14 des
Turboladers 11 ohne ein wahrscheinliches Versagen widerstehen kann.
Es muss unterschiedliche vorbestimmte Kriech- und Ermüdungskriterien
für das
Kompressorrad 13 und das Turbinenrad 14 geben,
und zwar aufgrund der unterschiedlichen Betriebsbedingungen von
jedem Rad 13 und 14 und aufgrund der unterschiedlichen
Materialien, die jedes Rad 13 und 14 aufweist.
Das Kompressorrad 13 besteht vorzugsweise aus Aluminium,
obwohl es aus verschiedenen anderen Materialien bestehen könnte, die
Titan und Stahl aufweisen könnten,
jedoch nicht darauf eingeschränkt
sind. Das Turbinenrad 14 ist vorzugsweise aus einer Legierung
mit viel Nickel hergestellt, könnte jedoch
irgendein geeignetes Material sein, das Keramik oder Titan-Aluminit
aufweist, jedoch nicht darauf eingeschränkt ist. Weiterhin arbeitet
das Turbinenrad 14 im allgemeinen bei einer wesentlich
wärmeren Temperatur
als das Kompressorrad 13. Es sei jedoch bemerkt, dass ein
kombinierter Spannungsschaden aufgrund von Ermüdung und Kriechen auch für jede Komponente 13 und 14 durch
in der Technik bekannte Berechnungsverfahren bewertet bzw. aufgestellt werden
könnte,
einschließlich
einer linearen Schadensakkumulation, wobei dies jedoch nicht darauf eingeschränkt ist.
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Die
vorbestimmten Kriterien sind vorzugsweise innerhalb des computerlesbaren
Speichermediums des elektronischen Steuermoduls 26 vorgesehen.
Wenn die abgefühlte
Ermüdung
von irgendeinem der Räder 13 und/oder 14 die
vorbestimmten Ermüdungskriterien
des jeweiligen Rades 13 und/oder 14 überschreitet,
wird das elektronische Steuermodul 26 der Turboladerlebensdaueranzeige 31 über die Anzeigenkommunikationsleitung 32 ein
Signal senden. Die Turboladerlebensdaueranzeige 31 kann entweder
einen sichtbaren oder hörbaren
Hinweis aufweisen und ist vorzugsweise an einem Punkt positioniert,
wo der Bediener leicht den Hinweis sehen oder hören kann, wie beispielsweise
auf einer Anzeigetafel des Bedieners. Die Anzeige 31 zeigt
vorzugsweise welche Komponente 13 oder 14 welches
vorbestimmte Kriterium überschritten
hat, entweder das Ermüdungskriterium
oder das Kriechkri terium. Jedoch zieht die vorliegende Erfindung
in Betracht, dass das vorbestimmte Ermüdungs- und Kriechkriterium
in einem Servicewerkzeug vorgesehen ist, welches die überwachte
Ermüdung
und das überwachte Kriechen
des Algorithmus zur Bestimmung der Turboladerlebensdauer auslesen
kann. Das Servicewerkzeug könnte
die überwachte
Ermüdung
und das überwachte
Kriechen mit der vorbestimmten Ermüdung und dem vorbestimmten
Kriechen vergleichen. Ungeachtet dessen, ob die überwachte Ermüdung und
das überwachte
Kriechen mit der vorbestimmten Ermüdung und dem vorbestimmten
Kriechen in dem elektronischen Steuermodul 26 oder im Servicewerkzeug
verglichen wird, zieht die vorliegende Erfindung in Betracht, dass
das elektronische Steuermodul 26 und das Servicewerkzeug
die Lebensdauer des Turboladers 11 anzeigen, falls vorhanden.
Weiterhin könnte
die überwachte
Ermüdung
und das überwachte
Kriechen von dem Servicewerkzeug heruntergeladen werden, und der
Techniker oder Mechaniker könnte
die überwachte
Ermüdung
und das überwachte
Kriechen mit dem vorbestimmten Ermüdungskriterium und dem vorbestimmten
Kriechkriterium vergleichen.
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Sobald
der Turbolader 11 ersetzt worden ist, sind der kumulative
und individuelle Spannungsschaden an den Turbinen- und Kompressorrädern 14 und 13 wichtig
für die
Bestimmung, ob die Komponenten 13 und 14 erneut
in einem aufbereiteten Turbolader verwendet werden könnten. Somit
ist es nötig,
den kumulativen Ermüdungsschaden
und Kriechschaden von jeder Komponente aufzuzeichnen. Es gibt verschiedene
Verfahren zur Aufzeichnung der Turboladerlebensdauerinformation,
die ein manuelles Aufschreiben oder "Ausstanzen" der Ermüdungs-, Kriech- und Kumulationswerte
für jede
Komponente 13 und 14 des Turboladers 11 aufweist,
weiter die Übertragung
der Werte in einen Speicherchip, der am Turbolader 11 gelegen
ist, oder das Speichern der Werte in einem Servicewerkzeug für darauf
folgendes nachforschen, jedoch ist das Verfahren nicht darauf eingeschränkt.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Mit
Bezug auf 1 wird die vorliegende Erfindung
für den
Betrieb des Turboladers 11 innerhalb eines Fahrzeugs beschrieben,
welches einen Verbrennungsmotor aufweist, obwohl bemerkt sei, dass der
Betrieb des Turboladers 11 bei irgendeiner Anwendung ähnlich sein
würde.
Weiterhin wird die vorliegende Erfindung für einen Motor beschrieben,
der einen Turbolader aufweist, obwohl bemerkt sei, dass die vorliegende
Erfindung auf einen Motor angewandt werden könnte, der mehrere Turbolader
aufweist. Um die Lebensdauer von jedem Turbolader zu überwachen,
kann jeder Turbolader in dem elektronischen Steuermodul durch seine
Identifikationsmerkmale identifiziert werden, die die Lage des Turboladers
im Motor, die Seriennummer und das Herstellungsdatum aufweisen,
jedoch nicht darauf eingeschränkt
sind. Vorzugsweise werden die Lage des Turboladers, die Seriennummer
und das Datum innerhalb des elektronischen Steuermoduls gespeichert,
um dagegen zu schützen,
dass der Turbolader ersetzt wird, ohne dass der Algorithmus zur Überwachung
der Turboladerlebensdauer zurückgesetzt wird.
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Wenn
der Turbolader 11 arbeitet, werden der Kompressoreinlassdrucksensor 22 und
der Kompressorauslassdrucksensor 23 periodisch den Druck der
Luft abfühlen,
die in den Kompressoreinlass 18 fließt, bzw. den Druck der Luft,
die aus dem Kompressorauslass 19 fließt. Die Drücke werden zu dem elektronischen
Steuermodul 26 über
die Einlassdrucksensorkommunikationsleitung 27 und die
Auslassdrucksensorkommunikationsleitung 28 übermittelt. Weiterhin
werden der Kompressoreinlasstemperatursensor 24, der Turbineneinlasstemperatursensor 33 und
der Motordrehzahlsensor 25 periodisch die Temperatur der
Luft abfühlen,
die in den Kompressoreinlass 18 und in den Turbineneinlass 20 fließt, und auch
die Drehzahl des Motors 16. Obwohl das Zeitintervall zu
dem die Drucksensoren 22, 23, 24, 25 und 33 ihre
jeweiligen Parameter abfühlen
und diese an das elektronische Steuermodul 26 übermitteln,
variieren können,
sei bemerkt, dass das Zeitintervall ausreichend kurz sein sollte,
so dass die Übergänge in den
abgefühlten
Parametern detektiert werden können,
um genau die Übergänge bei
der abgeschätzten Turboladerdrehzahl
zu berechnen. Beispielsweise ist in dem veranschaulichten Beispiel
das Zeitintervall ungefähr
0,01–0,05
Sekunden.
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Die
abgefühlten
Temperaturen und die abgefühlte
Motordrehzahl werden an das elektronische Steuermodul 26 über die
Kompressortemperaturkommunikationsleitung 29, die Turbinentemperaturkommunikationsleitung 34 bzw.
die Motordrehzahlkommunikationsleitung 30 übermittelt.
Weil andere Überwachungs-
und Steuersysteme innerhalb des Fahrzeugs oder der Arbeitsmaschine
Daten bezüglich
der Motordrehzahl und der Drücke
und Temperaturen in der gesamten Luftleitung 17 erfordern,
sind im allgemeinen der Motordrehzahlsensor 25, die Drucksensoren 22 und 23 und
die Temperatursensoren 24 und 33 in den meisten
Fahrzeugen und Arbeitsmaschinen vorhanden, oder die abgefühlten Parameter
können
aus existierenden Sensoren abgeleitet werden. Beispielsweise könnte die
Turbineneinlasstemperatur von der Brennstoffrate und dem Kompressorauslassdruck
abgeleitet werden. Somit könnte
der Einbau von neuen Sensoren und Kommunikationsleitungen nicht
erforderlich sein.
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Wenn
das elektronische Steuermodul 26 die abgefühlten Parameter
aufnimmt, überwacht
der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
für den
Algorithmus zur Bestimmung der Turboladerlebensdauer die Daten in
den zehn Ermüdungsuntersatzbereichen, die
mit zehn Bereichen der abgeschätzten
Turboladerdrehzahl in Beziehung stehen. Der Algorithmus zur Bestimmung
der Turboladerlebensdauer wird bestimmen, in welchen Ermüdungsuntersatzbereich das
berechnete Verhältnis
von Kompressoreinlass- zu -auslassdruck bei der abgefühlten Kompressoreinlasstemperatur
und der abgefühlten
Motordrehzahl fällt.
Die vorliegende Erfindung zieht in Betracht, dass der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
das berechnete Druckverhältnis
durch die Motordrehzahl und die Kompressoreinlasstemperatur einstellt,
um genauer die Turboladerdrehzahl durch verschiedene in der Technik
bekannte Prozesse widerzuspiegeln. Weiterhin zieht die vorliegende
Erfindung in Betracht, dass bei Anwendungen, bei denen die Speicherkapazität des elektronischen
Steuermoduls 26 dies gestattet, das Druckverhältnis sogar
noch durch zusätzliche
abgefühlte
Parameter eingestellt werden kann, was eine genauere Abschätzung der
Turboladerdrehzahl zur Folge haben kann. Bei einer einfachen Version
zieht die vorliegende Erfindung auch in Betracht, dass das Druckverhältnis der
einzige abgefühlte
Parameter ist.
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Ebenfalls
mit Bezug auf 2 wird der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
fortfahren, die abgefühlten
Parameter zu überwachen
und die Übergangszyklen
zählen,
die in jeden der 45 Speicherpunkte oder in jede der Speicherboxen
fällt.
Jeder Übergangszyklus
ist die überwachte
Steigerung zwischen den Ermüdungsuntersatzbereichen.
Wenn das berechnete Druckverhältnis
in einen größeren Ermüdungsuntersatzbereich
ansteigt, wie beispielsweise von dem Ermüdungsuntersatzbereich 4 (FPR1 (4)) auf den Ermüdungsuntersatzbereich 5 (FPR1 (5)), wird der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
beginnen, den Übergangszyklus
zu überwachen.
So lange das berechnete Druckverhältnis innerhalb des gleichen
Ermüdungsuntersatzbereiches oder
in einem größeren Ermüdungsuntersatzbereich bleibt,
wird der Übergangszyklus
fortfahren. Wenn somit das Druckverhältnis in dem Ermüdungsuntersatzbereich 5 bleiben
würde und
dann auf den Ermüdungsuntersatzbereich 9 ansteigen
würde,
würde der Übergangszyklus
fortfahren. Wenn das berechnete Druckverhältnis, eingestellt durch die
abgefühlte
Motordrehzahl und die abgefühlte
Einlasstemperatur, in einen kleineren Ermüdungsuntersatzbereich fällt als der
Ermüdungsuntersatzbereich,
in dem das zuvor abgefühlte
Druckverhältnis überwacht
würde,
wird der Übergangszyklus
vollendet. Wenn daher das berechnete Druckverhältnis in den Ermüdungsuntersatzbereich 8 fällt, dann
wird der Übergangszyklus beendet,
und der Ermüdungsuntersatzbereich 9 (FPR2 (9)) ist der End-Ermüdungsuntersatzbereich. Somit
wird der Übergangszyklus
innerhalb des Speicherpunktes gezählt, der von dem Start-Ermüdungsuntersatzbereich 4 (FPR1 (4)) und dem End-Ermüdungsuntersatzbereich 9 (FPR2 (9)) definiert wird,
und dem Ermüdungsspannungsschaden
(FSdd) aufweisen. Der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
wird die Anzahl der vollendeten Übergangszyklen
in jeder der 45 Boxen oder Speicherpunkten zählen, und wird die Anzahl in
den Ermüdungsspannungsschaden (FS)
für den
jeweiligen Speicherpunkt umwandeln, und zwar durch Multiplikation
der Anzahl von Übergangszyklen
mit dem Ermüdungsnennwert
des Speicherpunktes. Es gibt vorzugsweise einen anderen Ermüdungsnennwert
für jede
der 45 Größen von Übergangszyklen
entsprechend den 45 Speicherpunkten. Der Ermüdungsüberwachungsalgorithmus wird
weiter kontinuierlich die Übergangszyklen überwachen
und den Ermüdungsspannungsschaden (FS)
speichern und aktualisieren, der von jedem der vollendeten Übergangszyklen
verursacht wird. Bevor der Ermüdungsspannungsschaden
(FS) aktualisiert wird, wird der Materialverschlechterungsalgorithmus vorzugsweise
die überwachte
Materialverschlechterung in dem neu überwachten Ermüdungsspannungsschaden
mit einbeziehen. Somit wird der aktualisierte Ermüdungsspannungsschaden
(FS) genauer die Lebensdauer der Turboladerkomponente 13 oder 14 widerspiegeln.
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Ebenfalls
mit Bezug auf 3 überwacht der Kriechüberwachungsalgorithmus
das Kriechen innerhalb der Kompressor- und Turbinenräder 13 und 14, zumindest
teilweise durch Überwachung
der abgefühlten
Parameter, die in Beziehung mit der Turbinendrehzahl, der Kompressoreinlasstemperatur
und der Turbineneinlasstemperatur stehen. Ähnlich wie bei dem Ermüdungsüberwachungsalgorithmus
wird, wenn das elektronische Steuermodul 26 den abgefühlten Kompressoreinlassdruck,
den abgefühlten Kompressorauslassdruck,
die abgefühlte
Motordrehzahl und die abgefühlte
Kompressoreinlasstemperatur aufnimmt, der Kriechüberwachungsalgorithmus das
berechnete Druckverhältnis
bestimmen. Der Kriechüberwachungsalgorithmus
wird dann den Kriechdruckverhältnisuntersatzbereich
(CPR) überwachen.
Wenn das elektronische Steuermodul 26 die abgefühlte Kompressoreinlasstemperatur
und die abgefühlte
Turbineneinlasstemperatur aufnimmt, wird der Kriechüberwachungsalgorithmus
den Kompressoreinlasstemperaturuntersatzbereich und den Turbineneinlasstemperaturuntersatzbereich überwachen.
Somit kann der Kriechüberwachungsalgorithmus
die Kombination des Kompressoreinlasstemperaturuntersatzbereiches
(CT) und des Kriechuntersatzbereiches (CPR) bestimmen, in dem der Turbolader 11 arbeitet,
um das Kriechen des Kompressorrades 13 zu bestimmen, und
wird die Kombination der (nicht gezeigten) Turbineneinlasstemperatur
und des (nicht gezeigten) Turbinenuntersatzbereiches überwachen,
bei dem der Turbolader 11 arbeitet, um das Kriechen des
Turbinenrades 14 zu bestimmen.
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Der
Kriechüberwachungsalgorithmus
wird dann die Zeitdauer überwachen,
für die
das Kompressorrad 13 weiter innerhalb der gleichen Kombination
des Kriechdruckverhältnisuntersatzbereiches (CPR)
und des Kompressoreinlasstemperaturuntersatzbereiches (CT) arbeitet.
Obwohl dies in 3 nicht veranschaulicht ist,
wird der Kriechüberwachungsalgorithmus
auch die Zeitdauer überwachen, während der
das Turbinenrad 14 weiter innerhalb der gleichen Kombination
des Kriechdruckverhältnisuntersatzbereiches
und des Turbineneinlasstemperaturuntersatzbereiches arbeitet. Die
Zeitdauer innerhalb einer gewissen Kombination wird mit dem Kriechnennwert
für diese
spezielle Kombination multipliziert, um den Kriechspannungsschaden
(CS) zu bestimmen, der bei dieser speziellen Kombination auf dem
speziellen Rad 13 und 14 aufgebracht wird. Für jede der
16 möglichen
Kombinationen entsprechend den 16 Boxen oder Speicherpunkten wird
es vorzugsweise einen unterschiedlichen Kriechnennwert geben. Der
Kriechüberwachungsalgorithmus
kann somit die Menge der Spannung speichern und aktualisieren, die
auf jedem Rad 13 und 14 aufgrund jeder abgefühlten Kombination
aufgebracht wird. Bevor jedoch der Kriechspannungsschaden (CS) aktualisiert wird,
wird der Materialverschlechterungsalgorithmus vorzugsweise die überwachte
Materialverschlechterung der speziellen Komponente 13 oder 14 in
dem neu überwachten
Kriechspannungsschaden mit einbeziehen. Somit wird der aktualisierte
Kriechspannungsschaden (CS) genauer die Lebensdauer der Komponenten 13 oder 14 widerspiegeln.
Die Summe der Spannungen auf dem Kompressorrad 13 und die Summe
der Spannungen auf dem Turbinenrad 14, die durch die Kombinationen
verursacht werden, werden kontinuierlich aktualisiert, wenn der
Turbolader 11 weiter arbeitet.
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Wenn
die Ermüdung
und das Kriechen überwacht
werden wird vorzugsweise der Algorithmus zur Bestimmung der Turboladerlebensdauer
periodisch die überwachte
Ermüdung
und das überwachte
Kriechen mit den vorbestimmten Ermüdungskriterien und vorbestimmten
Kriechkriterien der jeweiligen Turboladerkomponente vergleichen.
Die überwachte
Ermüdung
und das überwachte
Kriechen werden mit vier Kriterien verglichen: (1) dem Kompressor radermüdungskriterium;
(2) dem Kompressorradkriechkriterium; (3) dem Turbinenradermüdungskriterium;
und (4) dem Turbinenradkriechkriterium. Es sei bemerkt, dass die überwachte
Materialverschlechterung und das berechnete kombinierte Kriechen
und die Ermüdung
auch mit der vorbestimmten Materialverschlechterung und dem vorbestimmten
kombinierten Kriechen und der Ermüdung von jedem Rad 13 bzw. 14 verglichen
werden könnte.
Weiter sei bemerkt, dass der Vergleich bei irgend einem Zeitintervall
auftreten könnte,
welches ausreichend Warnung vorsehen könnte, um ein Versagen des Turboladers
zu verhindern. Obwohl der Vergleich durch den Servicetechniker oder
durch ein Servicewerkzeug während einer
Routineinstandhaltung ausgeführt
werden könnte,
weist der Turbolader vorzugsweise den Vergleichsalgorithmus auf,
der dahingehend wirksam ist, dass er den Vergleich ausführt.
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Die
Kombination der Anzahl von Übergangszyklen
und der Spannungsschaden, der durch die Übergangszyklen verursacht wird,
wird die überwachte
Ermüdung
zur Folge haben. Wenn der Turbolader 11 innerhalb eines
kleinen Bereiches von Turboladerdrehzahlen betrieben worden ist,
wird es weniger Spannung geben und somit weniger Ermüdung an
den Komponenten, und zwar für
die gleiche Zeitperiode, während
der ein Turbolader 11 Beschleunigungen und Abbremsungen über einen
größeren Betriebsbereich
unterworfen war. Weiterhin wird der Turbolader 11, der
Beschleunigungen und Abbremsungen zwischen relativ hohen Drehzahlen
und Temperaturen ausführt,
unter mehr Spannungsschaden leiden als der Turbolader, der bei niedrigeren
Drehzahlen und Temperaturen arbeitet. Zusätzlich wird die Summe der Spannung
bzw. Beanspruchung, die durch die Zeitdauer verursacht wird, während der
der Turbolader bei jeder Kombination des Kompressoreinlasstemperaturuntersatzbereiches und
des Kriechuntersatzbereiches arbeitet, das überwachte Kriechen für das Kompressorrad
zur Folge haben. In ähnlicher
Weise wird die Summe der Spannung bzw. Beanspruchung, die durch
die Zeitdauer verursacht wird, während
der der Turbolader bei jeder Kombination von einem Turbineneinlasstemperaturunterbereich
und einem Kriechuntersatzbereich arbeitet, das überwachte Kriechen für das Turbinenrad
zur Folge haben. Je höher
die Einlasstemperatur und je höher
das Druckverhältnis
ist, desto größer ist der
Spannungsschaden.
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Wenn
der Vergleichsalgorithmus bestimmt, dass die überwachte Ermüdung und/oder
das überwachte
Kriechen gleich dem vorbestimmten Ermüdungskriterium oder dem vorbestimmten
Kriechkriterium für
entweder das Kompressorrad 13 oder das Turbinenrad 14 ist,
wird das elektronische Steuermodul 26 dies an die Turboladerlebensdaueranzeige 31 über die
Anzeigekommunikationsleitung 32 übermitteln. Die Turboladerlebensdaueranzeige 31 wird sichtbar
oder hörbar
dem Bediener anzeigen, dass der Turbolader 11 eine Instandhaltung
benötigt.
Weil das vorbestimmte Kriechen oder die vorbestimmte Ermüdung in
nur einem der Räder 13 oder 14 ein
Versagen des Turboladers 11 zur Folge haben könnte, wird
die Anzeige 31 aktiviert, wenn nur eines der vier Kriterien
erreicht wurde, und wird vorzugsweise dem Bediener bezüglich des
Grundes für
das Versagen alarmieren, und bezüglich
dessen, welche Komponente 13 oder 14 eine Instandhaltung
benötigt.
Es sei bemerkt, dass auch wenn das überwachte Kriechen und die überwachte
Ermüdung
nicht das vorbestimmte Kriechen und die vorbestimmte Ermüdung überschreiten,
das elektronische Steuermodul 26 an die Turboladerlebensdaueranzeige 31 die
restliche Lebensdauer des Turboladers 11 übermitteln
könnte. Darüber hinaus
kann ein Servicewerkzeug verwendet werden, um die restliche Lebensdauer
des Turboladers 11 zu lesen. Die vorliegende Erfindung
ist vorteilhaft, weil sie eine Anzeige liefert, wann der Turbolader 11 eine
Instandhaltung benötigt,
und zwar basierend auf dem tatsächlichen
Lastzyklus des speziellen Turboladers 11, und zwar ohne
den Aufwand, direkt die Betriebsbedingungen des Turboladers 11 zu überwachen,
d.h. die Drehzahl des Turboladers. Die vorliegende Erfindung berücksichtigt
den tatsächlichen
Arbeitszyklus oder die Anwendung des Turboladers 11 durch
indirekte Überwachung
der Betriebsbedingungen des Turboladers 11 mit existierenden
Sensoren. Beispielsweise weisen die meisten Fahrzeuge schon einen
Motordrehzahlsensor, Drucksensoren und Temperatursensoren auf. Somit gibt
es durch indirekte Überwachung
des Turboladerbetriebszustandes über
die existierenden Sensoren eine Verringerung oder Eliminierung der Kosten
und der Zeit, die mit der Montage von zusätzlichen Sensoren, der Modifikation
der Turboladerwelle, um einen Drehzahlsensor vorzusehen, und der
Verdrahtung der zusätzlichen
Sensoren, einschließlich
des Turboladerdrehzahlsensors, mit dem elektronischen Steuermodul
assoziiert sind. Weil die vorliegende Erfindung nicht die Turboladerlebensdauer
basierend auf einem repräsentativen
oder durchschnittlichen Lastzyklus vorhersagt, werden zusätzlich die
Kosten und Unbequemlichkeiten verringert, die mit einer Unterschätzung oder Überschätzung der
Turboladerlebensdauer assoziiert sind.
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Weiterhin
ist die vorliegende Erfindung dahingehend vorteilhaft, dass sie
sowohl die Ermüdung als
auch das Kriechen von sowohl dem Kompressorrad als auch dem Turbinenrad 13 und 14 überwacht. Ermüdung und
Kriechen sind zwei unterschiedliche Phänomene, die die Lebensdauer
der Turboladerkomponenten beeinflussen. Das Kriechen wird durch hohe
Drehzahlen verursacht, insbesondere bei hohen Einlasstemperaturen,
und die Ermüdung
wird durch Beschleunigung und Abbremsung der Turboladerdrehzahlen
verursacht. Somit wird, ob der Turbolader aufgrund von Kriechen
oder Ermüdung
versagen wird, vom Lastzyklus des Turboladers abhängen, und
es ist vorteilhaft, beide zu überwachen.
Zusätzlich
kann eine komplizierte Version der vorliegenden Erfindung den Effekt
der Materialverschlechterung berücksichtigen,
der durch hohe Temperaturen und den Fortschritt von Ermüdung und
Kriechen bewirkt werden kann. Darüber hinaus können Daten
von dem Algorithmus zur Bestimmung der Lebensdauer heruntergeladen
werden und in einem Servicewerkzeug oder in einem Computer gespeichert
werden. Die heruntergeladenen Daten von einem offensichtlich kaputten
Turbolader können
analysiert werden und verwendet werden, um die Ermüdungs- und
Kriechkriterien und das Wissen über
das Leben von Turboladern zu aktualisieren. Weiterhin können die
Druckverhältnisübergangszyklusdaten,
die aus dem System zur Bestimmung der Lebensdauer eines Turboladers empfangen
werden, verwendet werden, um die Lebensdauer von anderen Motorkomponenten
zu bestimmen, wie beispielsweise von den Zylinderköpfen, von
den Kopf-Block-Verbindungen bzw. Zylinderschrauben, von den Auslassventilen,
von den Kolben, von den Zylinderhülsen und Brennstoffeinspritzvorrich tungen,
die durch Verbrennungstemperaturen, Zylinderdruck und Abgastemperatur
beeinflusst werden.
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Es
sei bemerkt, dass die obige Beschreibung nur zu Veranschaulichungszwecken
vorgesehen ist und nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner
Weise einschränken
soll. Somit wird der Fachmann erkennen, dass andere Aspekte, Ziele und
Vorteile der Erfindung aus einem Studium der Zeichnungen, der Offenbarung
und der beigefügten Ansprüche erhalten
werden können.