DE102008054839A1

DE102008054839A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose eines Turboladers, insbesondere für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102008054839A1
Application number: DE102008054839A
Authority: DE
Inventors: Jochen Laubender
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-07-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Kompressors (1), insbesondere eines Turboladers, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen (S1) eines elektromagnetischen Messsignals, insbesondere eines Lichtsignals, und/oder eines akustischen Messsignals, das auf ein Verdichterrad (3) des Kompressors (1) gerichtet ist, so dass das Messsignal an umlaufenden Schaufelblättern (9) des Verdichterrades (3) reflektiert wird; - Erfassen (S2) des von einem oder mehreren Schaufelblättern (9) reflektierten Messsignals; - Bestimmen (S3) einer Auswerteinformation abhängig von dem reflektierten Messsignal; - Durchführen (S4) der Diagnose abhängig von der Auswerteinformation.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft Turbolader für Verbrennungsmotoren, insbesondere Verfahren und Vorrichtungen, mit denen Fehler und kritische Zustände eines Verdichterrades eines Turboladers detektiert und ausgewertet werden können.
Stand der Technik
Kompressoren, wie z. B. Turbolader, werden in Kraftfahrzeugen zur Aufladung von Verbrennungsmotoren genutzt, um die Leistung zu steigern. Turbolader weisen dazu ein schnell drehendes Verdichterrad mit Schaufeln auf, mit dem Luft aus der Umgebung angesaugt, und unter höherem Druck in einem Luftsystem des Verbrennungsmotors bereitgestellt wird.
Das Verdichterrad und weitere schnell laufende Bauteile des Turboladers unterliegen einer hohen Verschleißanfälligkeit und Materialermüdung, so dass die Lebensdauer des Turboladers in erheblichem Maße von seinen Betriebsbedingungen abhängt.
Es sind bereits Verfahren bekannt, die im Prinzip auf einer Detektion einer Drehgeschwindigkeit des Verdichterrades durch Messung der Frequenz des Vorbeilaufens von Schaufeln des Verdichterrades an einem Sensorelement beruhen. Das Sensorelement detektiert das Vorbeilaufen der Schaufeln durch Erfassen einer induktiven Änderung eines Widerstands bzw. eines Stromflusses als Reakti on auf die Störung eines Magnetfeldes eines Permanentmagneten beim Vorbeilaufen der Schaufel des Turboladers.
Wird der Turbolader nahe der Pumpgrenze oder im Pumpzustand betrieben, werden die Schaufeln des Verdichterrades zu mechanischen Schwingungen angeregt, die bei zu hoher Belastung oder bei Dauerbelastung zur Zerstörung des Verdichterrades und damit des gesamten Turboladers führen können. Die Schwingungen der Schaufeln führen zu einer schnelleren Materialermüdung und schließlich zu Ermüdungsbrüchen, wodurch die Lebensdauer des Turboladers erheblich beeinträchtigt ist. Auch ein häufiges Betreiben des Turboladers mit einer Überdrehzahl, bei der die äußeren Enden der Verdichterschaufeln sehr hohe Bahngeschwindigkeiten erreichen können, führt zu einer deutlich erhöhten Materialermüdung und damit zu einer reduzierten Lebensdauer.
Gerade beim Fahrzeugtuning zur Leistungssteigerung führen Manipulationen am Motorsystem dazu, dass der Turbolader häufig in der Überdrehzahl betrieben wird. Dies stellt einen Missbrauch des Turboladers dar, da dessen Lebensdauer deutlich verkürzt wird. Ist der Turbolader defekt, entstehen dem Hersteller des Turboladers hohe Kosten, wobei der Nachweis, dass ein Missbrauch vorliegt, schwierig zu führen ist.
Weiterhin treten beim Betrieb des Turboladers Verschleißerscheinungen in den Lagern des Turboladers auf, die zu einer sich über die Lebensdauer des Turboladers ändernden Drehungsungleichförmigkeit führt. Auch die Geschwindigkeit, mit der einzelne Bauteile des Turboladers verschleißen, hängt von den Betriebszuständen während der Betriebszeit des Turboladers ab. Der Grad des Verschleißens bestimmt die Restlebensdauer erheblich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Diagnose eines Kompressors zur Verfügung zu stellen, mit dem es möglich ist, Zustände, die zu einer schnelleren Materialermüdung führen, sowie den Grad des Verschleißes des Turboladers zu bestimmen und daraus eine Schätzung einer Restlebensdauer durchzuführen. Weiterhin soll es möglich sein festzustellen, ob ein Missbrauch des Kompressors vorliegt, z. B. wenn der Turbolader in einer Überdrehzahl betrieben worden ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Diagnose eines Kompressors nach Anspruch 1 sowie durch die Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Diagnose eines Kompressors, insbesondere eines Turboladers, vorgesehen. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

– Bereitstellen eines elektromagnetischen und/oder akustischen Messsignals, das auf ein Verdichterrad des Kompressors gerichtet ist, so dass das Messsignal an umlaufenden Schaufelblättern des Verdichterrades reflektiert wird;
– Erfassen des von einem oder mehreren Schaufelblättern reflektierten Messsignals;
– Bestimmen einer Auswerteinformation abhängig von dem reflektierten Messsignal;
– Durchführen der Diagnose abhängig von der Auswerteinformation.

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, mithilfe eines elektromagnetischen oder akustischen Messsignals, insbesondere eines Lichtsignals oder eines Schallsignals, ein von einem Vorbeilaufen eines Schaufelblattes des Verdichterrades des Kompressors abhängiges reflektiertes Messsignal zu erhalten, wobei mithilfe des reflektierten Messsignals eine Auswerteinformation ermittelt werden kann, die Rückschlüsse auf das Drehverhalten des Verdichterrades enthält. Dabei kann die Auswerteinformation eine zeitliche Drehungleichförmigkeit des Verdichterrades beschreiben, die beim ungleichmäßigen Drehen des Verdichterrades auftritt, wie z. B. bei einem exzentrischen Drehen, bei Rotationsbewegungen und dgl.. Eine solche Drehungleichförmigkeit kann ein Zeichen für eine fortgeschrittene Alterung des Kompressors, wie z. B. Defekte in der Lagerung des Verdichterrades, sein. Durch die Ermittlung der Auswerteinformation kann somit der Grad der Alterung frühzeitig erkannt werden. Schleichenden Verschleißerscheinungen und einer daraus folgenden Beschädigung oder Zerstörung des Turboladers bzw. anderer Komponenten kann damit begegnet werden.
Zusätzlich kann durch das Erkennen einer Drehungleichförmigkeit ein Pumpzustand, d. h. ein Rückströmen der verdichteten Luft von der Hoch- auf die Niederdruckseite über das Verdichterrad, erfasst werden. Im Pumpzustand werden hohe Druckschwingungen und hohe mechanische Momente auf das Verdichterrad ausgeübt, die zu dessen Zerstörung führen können. Durch die Erfassung der Drehungleichförmigkeit des Verdichterrades kann weiterhin eine Pumpgrenze des Turboladers im Verdichterkennfeld bei kleinen Massenströmen und hohen Druckverhältnissen jeweils betriebspunktabhängig bestimmt werden. Es ist dadurch möglich, den Turbolader nahe an der Pumpgrenze zu betreiben und damit einen besseren Wirkungsgrad zu erhalten.
Insbesondere kann sich als reflektiertes Messsignal eine Folge von Signalimpulsen ergeben, wobei die Auswerteinformation umfasst:

– eine Angabe über eine Amplitude eines oder mehrerer der Signalimpulse; und/oder
– eine Angabe über eine zeitliche Breite eines oder mehrerer der Signalimpulse; und/oder
– eine Angabe über eine Differenz eines Parameters des Messsignals und des entsprechenden Parameters des reflektierten Messsignals;
– eine Angabe zu einem Abstand eines der Signalimpulse zu einem weiteren Signalimpuls.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Messsignal gepulst bereitgestellt werden, wobei eine Pulsfrequenz von Messsignalpulsen des Messsignals an eine Drehzahl des Verdichterrades angepasst wird, so dass auf eine definierte Position jedes vorbeilaufenden Schaufelblattes ein Impuls des Messsignals auftrifft.
Weiterhin kann die Auswerteinformation umfassen:

– eine Angabe über eine Amplitude eines oder mehrerer der reflektierten Messsignalpulse; und/oder
– eine Angabe über eine zeitliche Breite eines oder mehrerer der reflektierten Messsignalpulse; und/oder
– eine Angabe eines Abstandes eines der reflektierten Messsignalpulse zu einem weiteren der reflektierten Messsignalpulse.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können als Messsignal mehrere Messsignalteile bereitgestellt werden, die auf mehrere definierte Positionen des Verdichterrades gerichtet sind, wobei reflektierte Messsignalteile ein Interferenzbild durch Überlagerung der reflektierten Messsignalteile ergeben, wobei als Auswerteinformation eine oder mehrere charakterisierende Angaben des Interferenzbildes erfasst werden.
Weiterhin kann die charakterisierende Angabe des Interferenzbildes eine oder mehrere der folgenden Angaben umfassen:

– eine Angabe zu einer Position eines oder mehrerer Interferenzmaxima;
– eine Angabe zu einer Position eines oder mehrerer Interferenzminima;
– eine Angabe über eine Intensität des Interferenzbildes an einer definierten Position.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Drehzahl des Verdichterrades mithilfe eines Dopplereffektes bestimmt werden, wobei die Drehzahl aus der bekannten Wellenfrequenz des Messsignals und einer gemessenen Wellenfrequenz des reflektierten Messsignals ermittelt wird. Insbesondere kann eine Fehlerinformation bereitgestellt werden, wenn die Drehzahl des Verdichterrades einen Drehzahlschwellenwert übersteigt.
Es kann vorgesehen sein, eine der Art der Auswerteinformation entsprechende Referenzinformation für einen ordnungsgemäßen Kompressor bereitzustellen, wobei die Diagnose abhängig von der Referenzinformation durchgeführt wird.
Es kann ein Schwellwertvergleich mit den Auswerteinformationen durchgeführt werden, wobei abhängig von dem Ergebnis des Schwellwertvergleichs eine Fehlerinformation gespeichert und/oder ausgegeben wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zur Diagnose eines Kompressors, insbesondere eines Turboladers, vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst:

– eine Signalquelle zum Bereitstellen eines elektromagnetischen und/oder akustischen Messsignals, das auf ein Verdichterrad des Kompressors gerichtet ist, so dass das Messsignal an umlaufenden Schaufelblättern des Verdichterrades reflektiert wird;
– ein Sensorelement zum Erfassen des von einem oder mehreren Schaufelblättern reflektierten Messsignals;
– eine Steuereinheit zum Bestimmen einer Auswerteinformation abhängig von dem reflektierten Messsignal und zum Durchführen einer Diagnose abhängig von der Auswerteinformation.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren ausführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a und 1b Schnittansichten durch einen Turbolader in axialer Richtung bzw. entlang der Schnittlinie S-S;
2a und 2b Ausgangssignale eines akustischen Sensor bei nichtschwingenden Verdichterschaufeln bzw. bei schwingenden Verdichterschaufeln;
3a und 3b eine Darstellung eines Messsignalpulses und eines reflektierten Messsignalpulses und des Laufzeitunterschieds bei einem ordnungsgemäßen Lauf des Verdichterrades bzw. bei einem verschleißbehafteten Verdichterrad;
4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Diagnose des Turboladers; und
5 ein schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Diagnose eines Kompressors.
Beschreibung von Ausführungsformen
Folgende Ausführungsformen werden anhand eines Turboladers für automotive Anwendungen beschrieben. Die folgende Beschreibung lässt sich jedoch auf jede Art von Kompressor übertragen, bei dem ein Medium durch ein Verdichterrad mit Schaufeln angesaugt und zu einem höheren Druck verdichtet wird.
1a zeigt eine Querschnittsdarstellung durch einen Turbolader 1 senkrecht zu einer Achsrichtung einer Welle 2, die in einem Turboladegehäuse drehbar gelagert ist. In 1b ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie S-S der 1a in Pfeilrichtung dargestellt.
Der Turbolader 1 weist ein Verdichterrad 3 mit Schaufeln 4 auf, das an der Welle 2 angeordnet ist. In dem Turbolader 1 wird durch eine Drehung des Verdichterrades 3 Luft über eine Ansaugöffnung 5 in axialer Richtung der Welle 2 angesaugt, durch die Schaufeln 4 des Verdichterrades 3 verdichtet und über einen Auslasskanal 7, der spiralförmig um das Verdichterrad 3 angeordnet ist, ausgestoßen.
Das Verdichterrad 3 weist für jede der Schaufeln 4 einen Schaufelsteg 8 auf, der ein Schaufelblatt 9 trägt, das in axialer Richtung von dem Schaufelsteg 8 absteht und zusätzlich in Richtung der bevorzugten Drehrichtung des Verdichterrades 3 gekrümmt ist.
In dem Turbolader 1 ist eine Messvorrichtung 10 angeordnet, die zur berührungslosen Erfassung eines Vorbeilaufens einer äußeren Kante der Schaufelblätter 9 möglichst nahe an den Schaufelenden (Blattspitzen) positioniert ist.
Die Messvorrichtung 10 umfasst eine Signalquelle 11 zum Aussenden eines elektromagnetischen Messsignals (wie z. B. monochromatisches Laserlicht) oder akustischen Signals, d. h. eines Schallsignals, in Richtung der Schaufelblätter 9. Das Messsignal ist so beschaffen, dass es von einer oder mehreren Positionen der Schaufelenden der Schaufelblätter 9 reflektiert werden kann.
Die Messvorrichtung 10 umfasst weiterhin ein Sensorelement 12, um die von den Schaufelenden der Schaufelblätter 9 reflektierten Messsignale zu erfassen. Das Sensorelement 12 ist entsprechend an die von der Signalquelle 11 ausgesendete Art des Messsignals angepasst. D. h. wenn die Signalquelle 11 ein akustisches Signal aussendet, entspricht das Sensorelement 12 einem akustischen Sensor, d. h. einem Schallsensor, und wenn die Signalquelle 11 ein elektromagnetisches Signal, wie z. B. ein Lichtsignal, aussendet, entspricht das Sensorelement 12 einem optischen Sensor.
Im Falle einer akustischen Signalquelle kann beispielsweise ein Hohlraum-Oszillator, Gunn-Oszillator und dergleichen verwendet werden, womit Mikroschallwellen, Ultraschallwellen oder auch akustische Wellen anderer Art erzeugt werden können. Im Falle einer elektromagnetischen Signalquelle kann ein oder mehrere Laser oder eine sonstige Lichtquelle verwendet werden. Vorzugsweise sollte das Messsignal nur eine Wellenfrequenz aufweisen, also einem monochromatischen Lichtsignal oder einem sinusförmigen Schallsignal entsprechen.
Die Messvorrichtung 10 wird von einer Steuereinheit 15 angesteuert. Die Steuereinheit 15 empfängt auch ein die reflektierten Messsignale repräsentierendes Signal von dem Sensorelement 12 und führt eine Auswertung der reflektierten Messsignale durch.
Die Steuereinheit 15 steuert die Signalquelle 11 so an, dass die Messsignale – je nach Art der verwendeten Signalquelle 11 – in Form von elektromagnetischen oder akustischen Wellen gepulst ausgegeben werden.
Das Sensorelement 12 liefert eine entsprechende elektrische Größe, wie z. B. ein Spannungssignal oder ein Stromsignal als elektrisches Messsignal, wenn die von der Signalquelle ausgesendeten Messsignalpulse an dem Schaufelende reflektiert werden und von dem Sensorelement 12 empfangen werden.
Die zeitlichen Abstände T der Messsignalpulse sind an eine Drehzahl n des Verdichterrades 3 angepasst, so dass – gleiche Abstände der Verdichterradschaufeln 9 vorausgesetzt – die Impulse des Messsignals mit der Drehbewegung des Verdichterrades 3 synchronisiert sind, d. h. ein Impuls des Messsignals immer auf die gleiche definierte Position der Verdichterradschaufeln 9, vorzugsweise auf eine definierte Position an den Schaufelenden (Blattspitzen) auftrifft und von dort als reflektiertes Messsignal auf das Sensorelement 12 zurückgeworfen wird.
Die zeitlichen Abstände T zwischen den von der Signalquelle 11 ausgegebenen Messsignalpulsen entsprechen: T = N2πω wobei N die Anzahl der Schaufelblätter des Verdichterrades und ω der Winkelgeschwindigkeit des Verdichterrades 3 entsprechen.
Um die Winkelgeschwindigkeit ω des Verdichterrades 3 zu bestimmen, kann zum einen die Drehzahl n mit Hilfe eines Drehzahlsensors und dergleichen, der am Verdichterrad 3 angeordnet ist, gemessen werden.
Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Drehzahl des Verdichterrades 3 besteht darin, die ausgesandten Signalimpulse zu verwenden und die Geschwindigkeit der Schaufelenden, auf die das Sensorsignal gerichtet ist, mithilfe des Dopplereffektes zu bestimmen. Dazu erfasst die Steuereinheit 15 mithilfe des Sensorelements 12 die Wellenfrequenz der durch das Sensorelement 12 empfangenen Messsignalpulse und kann damit weiterhin bei Kenntnis der Wellenfrequenz der ausgesandten Messsignalpulse mithilfe des Dopplereffekts und obiger Formel die Frequenzverschiebung und somit die Geschwindigkeit des Verdichterrades 3 ermitteln. Daraus ergibt sich der zeitliche Abstand zwischen den Messsignalpulsen, die von dem Sensorelement 11 ausgegeben werden sollen. Die Wellenfrequenz wird bei akustischen Messsignalen unmittelbar in der Steuereinheit 15, z. B. durch eine Fourieranalyse, und bei optischen Messsignalen mithilfe eines die Wellenfrequenz repräsentierenden Parameters des durch das Sensorelement 12 in eine elektrische Sensorgröße umgewandelten reflektierten Messsignals ermittelt, z. B. die Amplitude der elektrischen Sensorgröße, wenn das Sensorelement wellenlängenspezifisch ist.
Im Allgemeinen gilt
Über die Geschwindigkeit v der Schaufelenden kann die Winkelgeschwindigkeit des Verdichterrades 3 ermittelt werden: n = ν2πr wobei f' der Frequenz des reflektierten Impulses des Messsignals, f der Frequenz des ausgesandten Messsignals, r dem Abstand zwischen der Position, an der das Messsignal auf das Schaufelblatt auftrifft, und der Drehachse, v der Geschwindigkeit des Schaufelendes und c der Schallgeschwindigkeit bei akustischen Signalen bzw. der Lichtgeschwindigkeit bei elektromagnetischen Signalen entsprechen. Das negative Vorzeichen vor der Geschwindigkeit des Schaufelen des bedeutet, dass positive Geschwindigkeiten Bewegungen der Schaufelenden in Richtung auf das Sensorelement 12 entsprechen.
Ein Aspekt des Diagnoseverfahrens zielt darauf ab, eine Überdrehzahl des Verdichterrades 3 des Turboladers 1 zu erkennen und eine entsprechende Information darüber zu speichern. Dazu können entweder die über den Dopplereffekt ermittelte Geschwindigkeit des Verdichterrades 3 oder die Abstände der von der Signalquelle 11 ausgesendeten Messsignalpulse, die durch die Dopplerfrequenz (Wellenfrequenz des empfangenen reflektierten Messsignals) geregelt werden können, herangezogen werden. Überschreitet die Drehzahl n des Verdichterrades 3 des Turboladers 1 einen vorgegebenen Drehzahlschwellwert für eine maximale Drehzahl, so kann dies in geeigneter Weise aufgezeichnet, ausgegeben oder in einer Speichereinheit 16 zum späteren Abrufen gespeichert werden.
Das Sensorelement 12 liefert bei konstanter Drehzahl n des Verdichterrades 3 und bei Messsignalpulsen, die zu der Drehzahl n des Verdichterrades 3 synchronisiert sind, im Idealfall als reflektiertes Messsignal ein Signal mit Impulsen, die zueinander einen äquidistanten zeitlichen Abstand aufweisen, wie es in 2a gezeigt ist. Die einzelnen Impulse weisen bei einem ordnungsgemäßen Verdichterrad 3 die gleiche Amplitude und die gleiche Phase bezüglich des ausgesandten Messsignals auf.
Die Diagnose der Funktionsweise bzw. der Alterung des Turboladers 1 beruht allgemein darauf, die Unperiodizitäten von Eigenschaften des empfangenen reflektierten Messsignals auszuwerten. Dazu wird z. B., wenn bekannt ist, dass die Signalquelle 11 zeitlich äquidistante Messsignalpulse aussendet, der zeitliche Abstand zwischen den an den Schaufelenden des Schaufelblattes 9 reflektierten Messsignalpulsen als Maß für eine Auslenkung des Schaufelblattes 9 von einer ursprünglichen bzw. idealen Position an dem Verdichterrad 3 verwendet. Der zeitliche Abstand zwischen den empfangenen reflektierten Messsignalpulsen ändert sich, wenn sich der Abstand zwischen der Signalquelle 11 und dem sich an der Messvorrichtung vorbeibewegenden Schaufelblatt 9 ändert, da die Laufzeiten der Messsignalpulse zwischen dem Zeitpunkt des Aussendens und dem Zeitpunkt des Empfangens von dem Abstand zwischen der Signalquelle 11 und der Messvorrichtung 10 abhängt.
Eine Auslenkung des Schaufelblattes 9 von ihrer Ausgangsposition kann beispielsweise auftreten, wenn das Schaufelblatt 9 schwingt, z. B. bei einem so genannten Verdichterpumpen. Weiterhin kann sich eine Verschiebung der Position des Schaufelblattes 9 und damit des Abstandes ergeben, wenn aufgrund von Verschleiß in den Lagern des Turboladers 1 eine Drehungleichförmigkeit des Verdichterrades 3 bewirkt wird. Dieser Effekt tritt in der Regel zunehmend beim Altern des Turboladers 1 auf, sodass sich im Laufe der Zeit die Periodizität des reflektierten Messsignals beim Vorbeilaufen der Schaufelblätter 9 des Verdichterrades 3 zunehmend ändert. Aus einer im Idealfall konzentrischen Drehbewegung des Verdichterrades 3 wird durch Zunahme des Radiallagerspiels der Lager, die die Welle 2, an der das Verdichterrad 3 angebracht ist, halten, das Verdichterrad 3 mit einer elliptischen, zykloidischen, trochoidschen oder anders gearteten Drehbewegung bewegt. Eine Angabe über das Spiel des Lagers quer zur Achsrichtung kann man beispielsweise aus der Streuung der zeitlichen Abstände zwischen den reflektierten Messsignalen ableiten, wie es in 2b gezeigt ist. Bewegen sich die Schaufelblätter 9 des Verdichterrades 3 auf einer solchen nicht kreisförmigen Bahn, streichen die ansonsten geometrisch äquidistanten Schaufelblätter 9 bei konstanter Drehzahl des Turboladers 1 in unterschiedlichen Zeitabständen an der Messvorrichtung 10 vorbei. Die Unterschiede der zeitlichen Abstände der Impulse des empfangenen Messsignals werden dabei durch die Laufzeitunterschiede des Messsignals aufgrund der durch die Drehungleichförmigkeit bewirkten unterschiedlichen Abstände der Schaufelblätter von der Messvorrichtung bewirkt. Dies ist in den 3a und 3b dargestellt.
Unterschiedliche Amplituden der reflektierten Messsignalpulse können z. B. dadurch entstehen, dass sich die Neigungsrichtung an der Position des Schaufelblattes 9 aufgrund der Verschiebung der Position durch einen Versatz des Schaufelblattes 9 ändert, so dass der Anteil des reflektierten Messsignals, der auf das Sensorelement 12 fällt, variiert.
Die Streuung der zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Impulsen des Messsignals kann durch die Steuereinheit 15 während der gesamten Lebensdauer des Turboladers 1 erfasst und protokolliert werden, zum Beispiel durch permanentes oder regelmäßiges Speichern der Einzelwerte der zeitlichen Abstände oder durch permanentes oder regelmäßiges Speichern von die Streuung charakterisierenden Werten in der Speichereinheit 16. Durch Durchführen eines Schwellwertvergleichs bezüglich der gespeicherten Werte, z. B. durch Vergleich der Streuung mit einem Streuungsschwellenwert, kann ein Fehler des Turboladers 1 erkannt werden, sobald die Streuung ein bestimmtes Maß übersteigt. Abhängig von der Streuung kann auch die Restlebensdauer des Turboladers 1 abgeschätzt werden, z. B. anhand einer in der Steuereinheit 15 implementierten Funktion, die eine Restlebensdauer bezüglich einem Maß für die Streuung der zeitlichen Abstände zwischen den Messsignalpulsen definiert.
Eine Ausführungsform des Diagnoseverfahrens ist in dem Flussdiagramm der 4 dargestellt. Das Diagnoseverfahren kann in der Steuereinheit 15 durchgeführt werden und kann allgemein darauf beruhen, dass durch den Vergleich eines oder mehrerer Parameter bzw. Eigenschaften des reflektierten Messsignals mit einem oder mehreren Referenzwerten eines Referenzzustandes für den aktuellen Betriebspunkt (bestimmt durch Drehzahl, Druckdifferenz und dergleichen) der momentane Zustand des Turboladers 1 diagnostiziert wird. Als mögliche Vergleiche kommen ein Vergleich von Messsignalmustern, ein Vergleich der Signalpegel, ein Vergleich von Häufigkeiten von Abfolgen bestimmter Impulse und andere in Betracht. Parameter können die Laufzeiten der Messsignale, die Dauer der Messsignalpulse, die Amplitude und die Streuung der o. a. Parameter sein.
Dazu wird in einem Schritt S1 zunächst das Messsignal generiert und auf eine Schaufelblattposition gerichtet. In der Folge wird das reflektierte Messsignal erfasst (Schritt S2) und in Schritt S3 eine Auswerteinformation generiert, mit deren Hilfe in Schritt S4 eine Diagnose des Turboladers 1 durchgeführt wird.
Der Referenzzustand bildet dabei eine Parameterschar eines Neuzustandes bzw. eines Idealzustandes des Turboladers 1. Diese Parameter können z. B. in Kennfeldern, Kennlinien, Wertetabellen, Speichereinheiten eines neuronalen Netzes oder in anderen Speichereinheiten abhängig von dem Betriebspunkt (Drehzahl, Druck usw.) abgelegt sein. Eine weitere Parameterschar, die den momentanen Ist-Zustand wiedergibt, kann mit den Parametern des Neuzustandes des Turboladers 1 verglichen werden und die so ermittelten Abweichungen der Parameter können dazu verwendet werden, Kriterien über den Alterungszustand des Turboladers 1 abzuleiten. Erreichen die Abweichungen eines oder mehrerer der Parameter zwischen dem Ist- und dem Neuzustand einen definierten Grenzwert, wird dies allen Benutzern akustisch und/oder visuell angezeigt und/oder zusätzlich ein Eintrag in den Speicher 16 vorgenommen, so dass die Abweichung durch späteres Auslesen des Speichers 16 erkannt werden kann.
Die Steuereinheit 15 kann in einer weiteren Ausführungsform ausgebildet sein, so dass ein Messsignal permanent auf das Verdichterrad 3 ausgesendet wird. Durch das Vorbeilaufen der Schaufelblätter 9 wird das ausgesandte Sensorsignal moduliert, da die Schaufelenden der Schaufelblätter 9 nur an einer bestimmten Position, die in ihren Neigungswinkeln an das Sensorelement 12 angepasst sein muss, reflektieren, und das ausgesandte Messsignal nur in zeitlichen Abständen gepulst auf das Sensorelement 12 zurückreflektiert. Das Sensorelement 12 wandelt das empfangene reflektierte Messsignal in ein elektrisches Signal, vorzugsweise in ein Spannungs- oder Stromsignal, um und leitet dieses an eine Steuereinheit 15 weiter. Bei einer Drehung des Verdichterrades 3 ergibt sich so ein Messsignal mit Signalimpulsen entsprechend dem Vorbeilaufen der Schaufelblätter 9 an der Messvorrichtung 10. Aus dem zeitlichen Abstand zwischen den Signalpulsen kann die Drehzahl n des Verdichterrades 3 abgeleitet werden. Durch Schwankungen der zeitlichen Abstände der Signalpulse des Messsignals können ein Verschleiß in den Lagerungen des Turboladers 1 oder allgemein eine Information über den Zustand des Turboladers 1 abgeleitet werden. Zudem kann eine maximale Drehzahl festgelegt werden, z. B. in Form eines minimalen Abstandes zwischen den empfangenen Messsignalpulsen, so dass eine entsprechende Information in einem Speicher 16 gespeichert werden kann, die angibt, dass der Turbolader in einer Überdrehzahl betrieben worden ist.
In einem darauf basierenden Diagnoseverfahren, das von der Steuereinheit 15 ausgeführt werden kann, kann die Wärmeausdehnung der Schaufelblätter 9 bestimmt werden. Der Wärmeeintrag in den Turbolader 1 erfolgt dabei über die Turbine im Abgasstrang (bei automotiven Anwendungen). Im Allgemeinen weisen die Schaufelblätter 9 eine zunehmende Profildicke über die Länge des Schaufelblattes 9 gemessen von der Eintrittskante des Verdichterrades 3 bis zum Verdichterradboden auf. Zeigen das Material des Verdichterrades 3, der Welle und der Turbine eine messbare Wärmeausdehnung, so ändert sich lokal an der Messvorrichtung 10 die Querschnittsdicke des vorbeilaufenden Schaufelblattes 9 und damit auch der zeitliche Abstand T zwischen den Messsignalpulsen. Auch die Dauer des Messsignalpakets verändert sich entsprechend, was durch eine Zeitmessung in der Steuereinheit 15 ermittelt werden kann. Die zeitliche Dauer eines Messsignalpulses kann somit als Maß für den Wärmeeintrag und damit indirekt für eine Abschätzung der Abgastemperatur verwendet werden. Aus einer Kalibrierung der gemessenen zeitlichen Abstände der durch die Drehung der Schaufelblätter 9 bewirkten Messsignale mit gemessenen Abgastemperaturen kann ein Kennfeld ermittelt werden, mit dessen Hilfe sich aus Messungen der zeitlichen Dauer der Messsignalpulse und durch Auslesen der entsprechenden, in dem Kennfeld abgelegten Werte eine Angabe zu der Abgastemperatur ermitteln lässt. Dadurch kann ein weiteres Diagnoseverfahren für den Bauteilschutz zur Verfügung gestellt werden, mit dem z. B. zu hohe Abgastemperaturen erkannt und vermieden werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die in 5 schematisch dargestellt ist, arbeitet die Messvorrichtung 10 mithilfe des Effekts einer optischen bzw. akustischen Interferenz und wertet die konstruktive bzw. destruktive Überlagerung zweier oder mehrerer kohärenter optischer bzw. akustischer Messsignale aus. Im Folgenden wird diese Ausführungsform unter Verwendung einer optischen Interferenz beschrieben.
Die Signalquelle 12 sendet dabei mehrere Messsignalteile an verschiedene Positionen des Verdichterblattes 9 des Verdichterrades 3 aus. Jedes der Messsignalteile entspricht einem Messsignal, das Messsignalpulse aufweist, die wie oben beschrieben mit der Drehzahl n des Verdichterrades 3 synchronisiert sind, so dass die Signalpakete bei konstanter Drehzahl n des Verdichterrades stets an der gleichen Position eines Schaufelblattes 9 auftreffen. Diese Positionen auf den Schaufelblättern 9 sind mit einem bestimmten Abstand voneinander gewählt und stellen somit punktuelle Einzellichtquellen für das reflektierte Messsignal dar. Die Einzellichtquellen senden entsprechende Messsignale aus, die konstruktiv bzw. destruktiv interferieren können. Zur Generierung der mehreren Messsignalteile können ein Strahlteiler 21, der einen Lichtstrahl aus einer optischen Signalquelle 11, aufteilt, oder mehrere Einzellichtquellen verwendet werden.
Das Sensorelement 12 der Messvorrichtung 10 ist dabei ausgebildet, um die reflektierten Messsignale der Einzellichtquellen an verschiedenen zueinander versetzten örtlichen Positionen aufzunehmen, an denen sich die von den Einzellichtquellen ausgesandten Messsignale jeweils in definierter (in einer bei einem idealen Verdichterrad 3 bekannten Weise) überlagern. Diese Überlagerungen werden durch das Sensorelement 12, das vorzugsweise eine Sensoranordnung 22 aus mehreren Sensoren, wie z. B. ein CCD-Array oder dergleichen, aufweist, detektiert.
Aus der Modulation der Lichtintensität an den Orten der Sensorelemente 12 aufgrund konstruktiver oder destruktiver Interferenz oder auch aus dem Erkennen von örtlichen Verschiebungen der Lage der Interferenzzentren können schließlich Aussagen über die Bewegung (Biegungen, Schwingungen und dergleichen) in den Schaufelblättern 9 des Verdichterrades 3 vorgenommen werden.
Das Sensorelement 12 liefert bei konstanter Drehzahl n des Verdichterrades 3 als Resultat ein örtlich konstantes Interferenzbild für eine bestimmte Position eines Schaufelblattes 9 des Verdichterrades 3. Um das Interferenzbild auswertbar zu machen, ist dazu, wie oben beschrieben, die Pulsfrequenz der ausgesandten Messsignalpulse mit der Drehzahl n des Verdichterrades 3 abgestimmt (synchronisiert), so dass ein stehendes Interferenzbild entsteht. Die Drehzahl n des Verdichterrades 3 wird entweder mithilfe des oben beschriebenen Dopplereffekts oder mithilfe eines Drehzahlsensors und dergleichen ermittelt und die Pulsfrequenz und die Phase der Impulse des ausgesandten Messsignals permanent angepasst.
Über die Lebensdauer des Turboladers 1 ändert sich die Drehgleichförmigkeit aufgrund von z. B. Verschleiß in den Lagerungen des Turboladers 1, so dass sich das Interferenzbild der reflektierten Messsignalteile zunehmend ändert. Durch das Sensorelement 12 wird das Interferenzbild an charakteristischen Positionen bzw. im Gesamten erfasst, zum Beispiel durch eine Sensoranordnung mit einem Sensorfeld. Aus einer im Idealfall konzentrischen Drehbewegung des Verdichterrades 3 wird wie oben beschrieben der Läufer z. B. durch Zunahme des Radiallagerspiels auf so genannte Wellenbahnen gezwungen, die eine elektrische, zykloidische, trochoidische oder auch anders geartete Drehbewegung ergeben können. Bewegt sich das Verdichterrad 3 auf einer solchen Bahn, streichen die ansonsten gleichmäßig beabstandeten Schaufelblätter 9 mit konstanter Drehzahl in unterschiedlichen Zeitabständen an der Messvorrichtung 10 vorbei, so dass sich die Positionen der Einzellichtquellen, d. h. der Positionen, an denen die Messsignalteile auf das betreffende Schaufelblatt 9 auftreffen, ändern. Dies führt zu einer Änderung des resultierenden Interferenzbildes.
Die Änderung des resultierenden Interferenzbildes kann über die Lebensdauer des Turboladers 1 von einem Neuzustand bzw. einem Idealzustand ausgehend bewertet, beobachtet bzw. aufintegriert werden und durch den oben beschriebenen Parametervergleich Aussagen über den momentanen Ist-Zustand des Turboladers 1 abgeleitet werden.
Die Parameter, anhand derer die Betriebszeit, die Restlebensdauer und/oder der Verschleiß des Turboladers 1 ermittelt werden kann, können beispielsweise einer oder mehreren Korrekturgrößen entsprechen, mit denen die Änderung des resultierenden Interferenzbildes ausgeglichen wird, um das resultierende Interferenzbild an das ursprüngliche (Referenz-)Interferenzbild anzupassen. Eine solche Korrekturgröße kann dabei einer Änderung von Spannungen, Widerständen, Leistungen, Stromstärken bzw. Stromrichtungen entsprechen. Die Korrekturgröße kann die Position der von der Signalquelle 11 auf die Schaufelblätter ausgesandten Messsignalteile, den zeitlichen Abstand zwischen den Messsignalpulsen und die Wellenfrequenz der Messsignale beeinflussen. Dadurch kann die Korrekturgröße Einfluss auf das Interferenzbild nehmen und so das Interferenzbild an das Interferenzbild des Neuzustands bzw. des Idealzustands des Turboladers 1 anpassen. Eine solche Korrekturgröße kann dann als Parameter für eine Ungleichmäßigkeit des Verdichterrades 3 im Turbolader 1 angenommen werden.
Ändert sich z. B. durch Verschleißerscheinungen in den Lagerungen des Verdichterrades 3 oder bei einem aufgetretenen Verdichterpumpen die Drehbewegung des Verdichterrades 3, so wirkt sich dies unmittelbar auf das reflektierte Messsignal bzw. das Korrektursignal aus. Insbesondere bei einem Verdichterpumpen, bei dem die Blattspitzen der Schaufelblätter 9 zu Schwingungen angeregt werden, wird das Interferenzbild des Ausgangssignals deutlich von dem Referenz-Interferenzbild abweichen. Dadurch ist eine kurz-, mittel- und langfristige Diagnose des Zustandes des Turboladers 1 möglich.
Ein Vergleich zwischen dem ermittelten Interferenzbild und dem Referenz-Interferenzbild kann die Parameter des Differenzmusters als Differenz zwischen den Interferenzbildern, des Messsignalpegels des empfangenen Messsignals und dergleichen umfassen.

Claims

Verfahren zur Diagnose eines Kompressors (1), insbesondere eines Turboladers, mit folgenden Schritten: – Bereitstellen (S1) eines elektromagnetischen Messsignals, insbesondere eines Lichtsignals, und/oder eines akustischen Messsignals, das auf ein Verdichterrad (3) des Kompressors (1) gerichtet ist, so dass das Messsignal an umlaufenden Schaufelblättern (9) des Verdichterrades (3) reflektiert wird; – Erfassen (S2) des von einem oder mehreren Schaufelblättern (9) reflektierten Messsignals; – Bestimmen (S3) einer Auswerteinformation abhängig von dem reflektierten Messsignal; – Durchführen (S4) der Diagnose abhängig von der Auswerteinformation.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich als reflektiertes Messsignal eine Folge von Signalimpulsen ergibt, wobei die Auswerteinformation umfasst: – eine Angabe über eine Amplitude eines oder mehrerer der Signalimpulse; und/oder – eine Angabe über eine zeitliche Breite eines oder mehrerer der Signalimpulse; und/oder – eine Angabe über eine Differenz eines Parameters des Messsignals und des entsprechenden Parameters des reflektierten Messsignals; – eine Angabe zu einem zeitlichen Abstand eines der Signalimpulse zu einem weiteren Signalimpuls.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messsignal gepulst bereitgestellt wird, wobei eine Pulsfrequenz der Messsignalpulse des Messsignals an eine Drehzahl des Verdichterrades angepasst wird, so dass auf eine definierte Position jedes vorbeilaufenden Schaufelblattes ein Impuls des Messsignals auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Auswerteinformation umfasst: – eine Angabe über eine Amplitude eines oder mehrerer der reflektierten Messsignalpulse; und/oder – eine Angabe über eine zeitliche Breite eines oder mehrerer der reflektierten Messsignalpulse; und/oder – eine Angabe eines zeitlichen Abstandes eines der reflektierten Messsignalpulse zu einem weiteren der reflektierten Messsignalpulse.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei als Messsignal mehrere Messsignalteile bereitgestellt werden, die auf mehrere definierte Positionen des Verdichterrades gerichtet sind, wobei reflektierte Messsignalteile ein Interferenzbild durch Überlagerung der reflektierten Messsignalteile ergeben, wobei als Auswerteinformation eine oder mehrere charakterisierende Angaben über das Interferenzbild erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die charakterisierende Angabe über das Interferenzbild eine oder mehrere der folgenden Angaben umfasst: – eine Angabe zu einer Position eines oder mehrerer Interferenzmaxima; – eine Angabe zu einer Position eines oder mehrerer Interferenzminima; – eine Angabe über eine Intensität des Interferenzbildes an einer definierten Position.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Drehzahl des Verdichterrades mithilfe eines Dopplereffektes bestimmt wird, wobei die Drehzahl aus der bekannten Wellenfrequenz des Messsignals und einer gemessenen Wellenfrequenz des reflektierten Messsignals ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Fehlerinformation bereitgestellt wird, wenn die Drehzahl des Verdichterrades einen Drehzahlschwellenwert übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine der Art der Auswerteinformation entsprechende Referenzinformation für einen ordnungsgemäßen Kompressor (1) bereitgestellt wird, wobei die Diagnose abhängig von der Referenzinformation durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein Schwellwertvergleich mit den Auswerteinformationen durchgeführt wird, wobei abhängig von dem Ergebnis des Schwellwertvergleichs eine Fehlerinformation gespeichert und/oder ausgegeben wird.
Vorrichtung zur Diagnose eines Kompressors (1), insbesondere eines Turboladers, umfassend: – eine Signalquelle (11) zum Bereitstellen eines elektromagnetischen und/oder akustischen Messsignals, das auf ein Verdichterrad (3) des Kompressors (1) gerichtet ist, so dass das Messsignal an umlaufenden Schaufelblättern (9) des Verdichterrades (3) reflektiert wird; – ein Sensorelement (12) zum Erfassen des von einem oder mehreren Schaufelblättern (9) reflektierten Messsignals; – eine Steuereinheit zum Bestimmen einer Auswerteinformation abhängig von dem reflektierten Messsignal und zum Durchführen der Diagnose abhängig von der Auswerteinformation.
Computerprogramm, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ausführt.