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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer Unwucht einer
in einem Abgasturbolader rotierenden Turbowelle, wobei ein Magnet
auf der Turbowelle angeordnet ist und mit dieser mitrotiert und
wobei ein Sensor die von dem rotierenden Magnet im Sensor erzeugte
zeitliche Änderung
eines Magnetfeldes erfasst und in ein periodisches elektrisches
Signal umwandelt.
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Eine
viel genutzte technische Lösung
zur Steigerung der Leistung einer Brennkraftmaschine ist die Aufladung.
Damit bezeichnet man die Vorverdichtung der Verbrennungsluft durch
einen Abgasturbolader oder auch mittels eines vom Motor mechanisch angetriebenen
Verdichters. Ein Abgasturbolader besteht im Wesentlichen aus einem
Verdichter und einer Turbine, die mit einer gemeinsamen Welle verbunden
sind und mit der gleichen Drehzahl rotieren. Die Turbine setzt die
normalerweise nutzlos verpuffende Energie des Abgases in Rotationsenergie
um und treibt den Verdichter an. Der Verdichter, der in diesem Zusammenhang
auch als Kompressor bezeichnet wird, saugt Frischluft an und fördert die
vorverdichtete Luft zu den einzelnen Zylindern des Motors. Der größeren Luftmenge
in den Zylindern kann eine erhöhte
Kraftstoffmenge zugeführt
werden, wodurch die Verbrennungskraftmaschine mehr Leistung abgibt.
Der Verbrennungsvorgang wird zudem günstig beeinflusst, so dass
die Verbrennungskraftmaschine einen besseren Gesamtwirkungsgrad
erzielt. Darüber
hinaus kann der Drehmomentverlauf einer mit einem Turbolader aufgeladenen
Brennkraftmaschine äußerst günstig gestaltet
werden.
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Der
Sensor wird hier durch das Kompressorgehäuse geführt und auf ein Element zur
Variation eines Magnetfeldes gerichtet. Das Element zur Variation
des Magnetfeldes ist als Permanentmagnet ausgebildet.
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Eine
Turbowelle rotiert mit einer Drehzahl von bis zu 270.000 Umdrehungen
pro Minute. Bei derartig hohen Drehzahlen ist es äußerst wichtig, dass
die Turbowelle und die mit ihr rotierenden Teile möglichst
gut ausgewuchtet sind. Jede sich einstellende Unwucht erzeugt enorme
mechanische Belastungen an der Turbowelle, die bis zur völligen Zerstörung des
Turboladers führen
können.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben,
mit dem während
des Betriebes des Turboladers im Kraftfahrzeug eine Unwucht an der
Turbowelle sicher und kostengünstig
erkannt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das
Verfahren nach dem unabhängigen
Anspruch 1 gelöst.
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Dadurch,
dass zur Erkennung der Unwucht das Auftreten eines Offsets und/oder
das Auftreten einer Modulation innerhalb des periodischen elektrischen
Signals ausgewertet wird, steht eine aussagekräftige Information über die
Massenverteilung im Bezug auf die Rotationsachse der Turbowelle
zur Verfügung.
Der Magnet und der Sensor, die ohnehin zur Drehzahlmessung am Turbolader
verwendet werden, können
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch zur Messung von Unwuchten auf der Turbowelle verwendet werden.
Das Drehzahlsignal vom Sensor wird dazu lediglich entsprechend ausgewertet.
Diese Auswertung kann mit der zur Drehzahlerfassung schon vorhandenen
Auswerteelektronik erfolgen. Damit stellt das erfindungsgemäße Verfahren eine äußerst kostengünstige Lösung dar.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es zeigt:
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1:
einen Abgasturbolader mit einer Turbine und einem Kompressor,
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2:
den Kompressor in einer Schnittdarstellung,
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3:
eine schematisierte Darstellung des Kompressors,
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4:
den ausgewuchteten Zustand des Systems aus der Turbowelle und dem
Magnet,
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5:
den Fall einer Unwucht,
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6:
einen weiteren Unwuchtfall,
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7:
die resultierenden elektrischen Signale.
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1 zeigt
einen Abgasturbolader 1 mit einer Turbine 2 und
einem Kompressor 3. In dem Kompressor 3 ist das
Kompressorrad 9 drehbar gelagert und mit der Turbowelle 5 verbunden.
Auch die Turbowelle 5 ist drehbar gelagert und an ihrem
anderen Ende mit dem Turbinenrad 4 verbunden. Die Kombination
aus Kompressorrad 9, Turbowelle 5 und Turbinenrad 4 wird
auch als Laufzeug bezeichnet. Über den
Turbineneinlass 7 wird heißes Abgas von einer hier nicht
dargestellten Verbrennungskraftmaschine in die Turbine 2 eingelassen,
wobei das Turbinenrad 4 in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom
verlässt die
Turbine 2 durch den Turbinenauslass 8. Über die Turbowelle 5 ist
das Turbinenrad 4 mit dem Kompressorrad 9 verbunden.
Damit treibt die Turbine 2 den Kompressor 3 an.
In den Kompressor 3 wird Luft durch den Lufteinlass 16 eingesaugt,
die dann im Kompressor 3 verdichtet und über den
Luftauslass 6 der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.
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2 zeigt
den Kompressor 3 in einer Schnittdarstellung. In dem Kompressorgehäuse 21 ist
das Kompressorrad 9 zu erkennen. Das Kompressorrad 9,
die Turbowelle 5 und das Turbinen rad rotieren um die Rotationsachse 14.
Das Kompressorrad 9 ist auf der Turbowelle 5 mit
dem Befestigungselement 11 befestigt. Das Befestigungselement 11 kann zum
Beispiel eine Hutmutter sein, die auf ein auf der Turbowelle 5 aufgebrachtes
Gewinde aufgeschraubt wird, um das Kompressorrad 9 gegen
einen Bund der Turbowelle 5 mit dieser fest zu verspannen.
Zwischen dem Befestigungselement 11 und dem Kompressorrad 9 befindet
sich ein Element zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Hier ist das
Element zur Erzeugung des Magnetfeldes aus einem Permanentmagnet 13 und
einer Einfassung 14 aufgebaut. Der Magnet 13 hat
einen Nordpol N und einen Südpol
S. Der Magnet 13 dreht sich bei der Rotation der Turbowelle 5 mit
dieser um die Rotationsachse 14 der Turbowelle 5.
Dabei erzeugt der Magnet 13 eine zeitliche Änderung
der magnetischen Feldstärke
bzw. des magnetischen Feldgradienten in dem Sensor 15. Diese Änderung
des Magnetfeldes 20 bzw. des Feldgradienten erzeugt im
Sensor 15 ein elektrisches Signal 17, das proportional
zur Drehzahl der Turbowelle 5 ist. Dieses elektrische Signal 17 wird über eine elektrische
Leitung 22 zu einem Steuergerät 23 geführt, wo
es ausgewertet wird. Der Sensor 15 zur Erfassung der Änderung
des Magnetfeldes 20 bzw. des Feldgradienten kann zum Beispiel
ein Hallelement, ein magnetoresistives Element oder eine Spule enthalten.
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Als
Draufsicht zeigt 3 eine schematisierte Darstellung
des Kompressors 3. Im Lufteinlass 16 des Kompressors 3 ist
der Magnet 13 zu erkennen, der auf der Turbowelle 5 angeordnet
ist und mit dieser um die Rotationsachse 14 rotiert. Der
Magnet 13 besitzt einen Nordpol N und einen Südpol S und
er erzeugt ein Magnetfeld 20, das seinerseits mit dem Magnet 13 und
der Turbowelle 5 um die Rotationsachse 14 rotiert.
Dabei entsteht am Ort des Sensors 15 eine zeitliche Variation
des Magnetfeldes 20, die vom Sensor 15 erfasst
wird und die proportional zur Drehzahl der Turbowelle 5 ist.
Die zeitliche Variation des Magnetfeldes 20 am Ort des
Sensors 15 wird in diesem in ein elektrisches Signal 17 umgewandelt. Dieses
elektrische Signal 17 kann z. B. ein Sinussignal sein.
Das periodische elektrische Signal 17 wird über die
elektrische Leitung 22 einer nachfolgenden Auswerteelektronik 23 zugeführt.
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Im
Idealfall ist der Magnet 13 und die Turbowelle 5 vollständig ausgewuchtet
im Bezug auf die Rotationsachse 14. In diesem Idealfall
bewegt sich der Nordpol N im gleichen Abstand wie der Südpol S am
Sensor 15 vorbei. Damit ergibt sich ein zur Nulllinie 24 symmetrisches
Sinussignal, was in 7 näher dargestellt ist.
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4 zeigt
den ausgewuchteten Zustand des Systems aus der Turbowelle 5 und
dem Magnet 13 bei seiner Rotation um die Rotationsachse 14.
Der Nordpol N des Magneten 13 hat den Abstand d1 zur Rotationsachse 14 und
der Südpol
S des Magneten 13 hat den Abstand d2 zur Rotationsachse 14.
In diesem Fall ist d1 = d2, womit sich bei einer Rotation des Magnets 13 um
die Rotationsachse 14 der Nordpol N und der Südpol S in
gleichem Abstand am Sensor 15 vorbei bewegen. Das resultierende
elektrische Signal 17 zeigt eine strenge Symmetrie zur
Nulllinie 24, was in 7 dargestellt
ist.
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In 5 ist
der Fall einer Unwucht dargstellt. Der Nordpol N des Magneten 13 hat
den Abstand d1 zur Rotationsachse 14 und der Südpol S des
Magneten 13 hat den Abstand d2 zur Rotationsachse 14.
Da der Sensor 15 einen unveränderlichen Abstand zur Rotationsachse 14 aufweist,
wird im Fall einer Unwucht, wie in 5 dargestellt,
der Nordpol N näher am
Sensor 15 vorbeirotieren als der Südpol S. In dieser Situation
ist d1 > d2. Das vom
Nordpol N im Sensor 15 induzierte Signal wird wegen der
aus der größeren Nähe resultierenden
höheren
Magnetfeldstärke
größer sein
als das vom Südpol
S im Sensor 15 induzierte Signal. Damit ergibt sich ein
Offset 21 für
das resultierende elektrische Signal 18, was in 7 näher dargestellt
ist.
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6 zeigt
auch einen Unwuchtfall, jedoch ist hier d2 > d1. Damit rotiert der Südpol S näher am Sensor 15 vorbei
als der Nordpol N. Auch aus dieser Situation ergibt sich ein Offset,
bei dem das resultierende Signal 19 gegenüber dem
unwuchtfreien Signal 17 nach unten verschoben ist, was
in 7 dargestellt ist.
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7 zeigt
die resultierenden elektrischen Signale 17, 18, 19 der
aus 4, 5 und 6 bekannten
Situationen. Im unwuchtfreien Fall nach 4 ist das
resultierende elektrische Signal 17 symmetrisch um die
Nulllinie 24 verteilt und als Sinusfunktion ohne additive
Konstante ausgebildet. Es wird durch eine Funktion vom Typ: f(t) = sin(t)beschrieben. Mit t wird hier
die Zeit bezeichnet.
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Nach
der in 5 dargestellten Situation ergibt sich ein elektrisches
Signal 18, das ein Offset 21 gegenüber dem
Signal nach der 4 aufweist. Diese Sinusfunktion
besitzt einen additiven Anteil und ist vom Typ: f(t)
= sin(t) + a.
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Nach
dem aus 6 bekannten Fall ergibt sich
ein resultierendes elektrisches Signal 19, das auch ein
Offset 21 aufweist und gegenüber dem Signal aus der unwuchtfreien
Situation nach unten verschoben ist. Das elektrische Signal 19 nach 6 ist eine
Sinusfunktion mit negativer additiver Konstante. Diese Sinusfunktion
ist vom Typ: f(t) = sin(t) – b.
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Aus
der additiven Konstante an der Sinusfunktion, die mit dem Offset 21 des
elektrischen Signals 18, 19 gleichwertig ist,
kann auf einer Unwucht im System aus Magnet 13, Turbowelle 5,
Turbinenrad 4 und Kompressorrad 9 geschlossen
werden.
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Auch
eine Modulation des Sinussignals vom Sensor 15 kann zur
Unterscheidung zwischen einem ausgewuchteten und einem unausgewuchteten
Zustand der Turbowelle 5 verwendet werden.
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Damit
ist es möglich,
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine permanente Überwachung der
Massenverteilung auf der Rotationsachse 14 des Abgasturboladers 1 durchzuführen. Wird
im Turbolader 1 eine Unwucht beobachtet, kann z. B. über das Waste-Gate-Ventil
die Drehzahl der Turbowelle 5 reduziert werden, womit sich
die Unwucht weniger negativ auswirkt. Es ist auch denkbar, dass
im Turbolader 1 auf Grund einer Unwucht das System aus
Turbowelle 5, Kompressorrad 9 und Turbinenrad 4 in eine
Resonanz fährt,
was zur katastrophalen Zerstörung
des gesamten Turboladers 1 führen kann. Einem solchen Resonanzband
kann mit der erfindungsgemäßen Überwachung
der Massenverhältnisse
auf der Turbowelle 5 ausgewichen werden. Damit stellt das
erfindungsgemäße Verfahren
einen wesentlichen Beitrag zur Langlebigkeit und zur Betriebsicherheit
von Abgasturboladern 1 dar.
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- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Turbine
- 3
- Kompressor
- 4
- Turbinenrad
- 5
- Turbowelle
- 6
- Luftauslass
- 7
- Turbineneinlass
- 8
- Turbinenauslass
- 9
- Kompressorrad
- 10
- Einfassung
- 11
- Befestigungselement
- 12
- Punktschweißung
- 13
- Magnet
- 14
- Rotationsachse
- 15
- Sensor
- 16
- Lufteinlass
- 17
- elektrisches
Signal nach den Situationen aus 4
- 18
- elektrisches
Signal nach den Situationen aus 5
- 19
- elektrisches
Signal nach den Situationen aus 6
- 20
- Magnetfeld
- 21
- Offset
- 22
- elektrische
Leitung
- 23
- Auswerteeinheit
- 24
- Nulllinie
- N
- Nord
- S
- Süd