DE112012004549B4

DE112012004549B4 - Diagnoseverfahren und -systeme für einen Turbolader

Info

Publication number: DE112012004549B4
Application number: DE112012004549.1T
Authority: DE
Inventors: Paul Lloyd Flynn; Bret Dwayne Worden; Matthew John MALONE; Milan Karunaratne
Original assignee: GE Global Sourcing LLC
Current assignee: Transportation IP Holdings LLC
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: CN104024611B; JP5923615B2; AU2012333047A1; EA029933B1; DE112012004549T5; WO2013066529A1; JP2014530996A; AU2016202396A1; CN104024611A; EA201490687A1; AU2016202396B2

Abstract

Verfahren, umfassend:Empfangen eines Signals, das einen überwachten Druck einer Druckölzufuhr eines Turboladers oder einer anderen Turbomaschine anzeigt;Bestimmen, ob eine Hochfrequenzkomponente des Signals eines oder mehrere vorgegebene Kriterien erfüllt;und Erzeugen eines ersten Steuersignals, wenn die Hochfrequenzkomponente des Signals das eine oder die mehreren vorgegebenen Kriterien erfüllt;gekennzeichnet dadurch, dassdas Steuersignal eine Warnung an einen Betreiber in Bezug auf eine prognostizierte Funktionstüchtigkeit des Turboladers anzeigt.

Description

GEBIET
Ausführungsformen des vorliegenden Gegenstands betreffen Verbrennungsmotorsysteme. Andere Ausführungsformen betreffen Turbolader.
STAND DER TECHNIK
Turbolader können in einem Motorsystem verwendet werden, um den Druck von Luft zu erhöhen, die zur Verbrennung zu einem Motor geliefert wird. In einem Beispiel weist der Turbolader eine Turbine auf, die in einer Abgasleitung des Motors angeordnet ist, der über eine Welle einen Kompressor zumindest teilweise antreibt, um einen Ansaugluftdruck zu erhöhen. In vielen Turboladern werden Gleitlager verwendet, um die rotierende Welle zu lagern. Diese Lager werden mit einer Druckölzufuhr geschmiert, die unter Verwendung eines Regelventils oder einer Blende auf einen relativ konstanten Druck geregelt wird. Häufig wird der stabile Öldruck mit einem Druckwandler und einem Steuer- bzw. Regelsystem überwacht, um sicherzustellen, dass die Maschine ausreichend geschmiert und gekühlt wird.
Im Laufe der Zeit können die Welle und/oder die Gleitlager oder damit in Beziehung stehende Komponenten verschleißen. Schließlich kann es beispielsweise passieren, dass die Gleitlager den Anforderungen nicht mehr genügen bzw. versagen. Deswegen ist die Lebensdauer des Turboladers häufig kürzer als die der übrigen Teile des Motors. Wegen der großen Menge an Energie, die im Turbolader gespeichert wird, bedeutet dessen Versagen in der Regel einen Totalausfall. Dies führt zum unerwarteten Abschalten des Motors, was für eine Person, die das System bedient bzw. betreibt, gefährlich und teuer werden kann.
DE 100 47 405 A1 offenbart einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren, mit dem die Drehzahl und Funktion des Turboladers überwacht werden kann.
Es wird mit einem Öldrucksensor der Öldruck in einer Ölzulaufleitung überwacht, die die Gleitlager des Turboladers mit Schmieröl versorgen.
Mit Hilfe einer Druckmodulationseinrichtung wird das Öldrucksignal derart moduliert, dass durch Druckschwankungen bzw. -pulsationen des Öldrucksignals die Umdrehungsdrehzahl der Turboladerwelle bestimmt wird. Durch die Drehzahl wird bestimmt, ob die Drehzahl des Turboladers (und damit die Hochfrequenzkomponente des Signals) ein Kriterium erfüllt, beispielsweise ob das Betriebsverhalten des Laders in Ordnung ist oder ob die Welle einer Gleichgewichtskorrektur unterzogen werden muss.
Auf Basis des Öldrucksignals werden anschließend von einer Regel- und Steuereinheit Stellsignale erzeugt, mit denen der Turbolader angesteuert wird.
DE 20 2009 006 490 U1 offenbart einen Abgasturbolader mit einer Lagerverschleiß-Überwachungseinrichtung, die folgendes aufweist:

• eine erste Erfassungseinrichtung zur Ermittlung der Drehzahl des Abgasturboladers,
• eine zweite Erfassungseinrichtung und
• ein Steuergerät, das mit der ersten und der zweiten Erfassungseinrichtung zur Aufnahme der von diesen ermittelten Messwerten in Verbindung steht, wobei die zweite Erfassungseinrichtung den Öldruck der Ölversorgungseinrichtung ermittelt und das Steuergerät nach Übertragung der ermittelten Drehzahl- und Öldruckwerte diese zur Bestimmung eines beginnenden Lagerverschleißes auswertet.

EP 1 561 916 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen des Ölmangels in einem Verbrennungsmotor, umfassend ein Bestimmen des Öldrucks aus dem Signal eines Öldrucksensors und ein Bestimmen eines charakteristischen Werts für die Motordrehzahl, ein Bestimmen eines niedrigsten Öldrucks bei den tatsächlichen Motorbetriebsbedingungen abhängig von den Werten für Drehzahl und Motoröltemperatur und Anzeige des Ölzustands, wenn der gemessene Öldruck den niedrigsten Öldruck unterschreitet. Ein unabhängiger Anspruch ist auch für eine Anordnung zur Bestimmung des Ölmangels in einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs enthalten. Bevorzugte Merkmale: Der niedrigste Öldruckwert wird in einem Tabellenspeicher gespeichert.
AUFGABE
Die vorliegende Erfindung wurde vor dem Hintergrund des vorstehend beschriebenen Stands der Technik gemacht, wobei es Aufgabe der vorliegenden Erfindung war, drohendes Versagen der Welle und/oder Gleitlager eines Turboladers rechtzeitig vor Eintreten des Versagens durch eine Warnung an den Betreiber zu signalisieren. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG
So beinhaltet in einer Ausführungsform ein Verfahren das Empfangen eines Signals, das einen überwachten Druck einer Druckölzufuhr eines Turboladers oder einer anderen Turbomaschine anzeigt. Das Verfahren beinhaltet ferner eine Bestimmung, ob eine Hochfrequenzkomponente des Signals eines oder mehrere vorgegebene Kriterien erfüllt. Wenn die Hochfrequenzkomponente des Druckes das eine oder die mehreren vorgegebenen Kriterien erfüllt, wird ein erstes Steuersignal erzeugt, das eine Warnung an einen Betreiber in Bezug auf eine prognostizierte Funktionstüchtigkeit (oder einen anderen Betriebszustand) initiiert.
Eine Prognose der Funktionstüchtigkeit des Turboladers kann eine Funktionsverschlechterung des Turboladers anzeigen. Wenn beispielsweise ein Lagerspiel der Turboladerwelle verschleißbedingt größer wird, kann es passieren, dass die Turboladerwelle unwuchtig wird, wodurch eine Frequenz der Hochfrequenzkomponente des Signals erzeugt oder verstärkt wird. Durch Überwachen der Hochfrequenzkomponente des Signals kann die Funktionstüchtigkeit eines Lagers überwacht werden, und es können geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um den Betrieb des Turboladers anzupassen und/oder den Turbolader einer Wartung zuzuführen, um beispielsweise ein unerwartetes Versagen zu vermeiden.
Man beachte, dass die obige kurze Beschreibung als vereinfachte Einführung einer Auswahl von Konzepten gedacht ist, die in der ausführlichen Beschreibung näher beschrieben sind. Sie ist nicht dazu gedacht, alle wichtigen oder essentiellen Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu nennen, dessen Bereich einzig und allein von den Ansprüchen definiert wird, die auf die ausführliche Beschreibung folgen. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die Nachteile beseitigen, die oben oder in irgendeinem Teil der Offenbarung angegeben sind.
Figurenliste
Die folgende Beschreibung nicht-beschränkender Ausführungsformen, die auf die begleitende Zeichnung Bezug nimmt, soll die vorliegende Erfindung weiter erläutern, wobei nachstehend:

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit einem Turbolader ist.
2 eine Querschnittsdarstellung eines Turboladerabschnitts ist.
3 ein Ablaufschema ist, das ein Verfahren zur Untersuchung eines Turboladers auf Basis von Druckmessungen darstellt.
4 ein Ablaufschema ist, das ein Diagnoseverfahren für einen Turbolader unter Verwendung eines Frequenzinhalts eines Drucksignals darstellt.
5 einen Graphen eines Frequenzinhalts eines Drucksignals zeigt.
6 ein Ablaufschema zeigt, das ein Diagnoseverfahren für einen Turbolader auf Basis einer Druckmessung darstellt.
7 eine Querschnittsdarstellung eines Turboladerabschnitts ist.
8 einen Graphen einer Druck-Zeit-Signalanalyse zeigt.
9 ein Ablaufschema zeigt, das ein Diagnoseverfahren für einen Turbolader auf Basis einer Druckmessung in einem Ölzufuhr-Hohlraum des Turboladers darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung betrifft verschiedene Ausführungsformen von Diagnoseverfahren und -systemen für einen Turbolader. Ein Beispielsverfahren beinhaltet das Empfangen eines Signals, das einen überwachten Druck einer Druckölzufuhr eines Turboladers oder einer anderen Turbomaschine anzeigt. Das Verfahren beinhaltet ferner das Bestimmen, ob eine Hochfrequenzkomponente des Signals eines oder mehrere vorgegebene Kriterien erfüllt, und das Erzeugen eines ersten Steuersignals, wenn die Hochfrequenzkomponente des Druckes das eine oder die mehreren vorgegebenen Kriterien erfüllt. In manchen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren ferner das Bestimmen, ob ein Umfang einer Änderung in einer Basislinienkomponente des Signals über einem Schwellenbetrag liegt. Wenn die Basislinienkomponente sich um mehr als den Schwellenbetrag ändert, wird ein zweites Steuersignal erzeugt. Die ersten und zweiten Steuersignale können eine Funktionsverschlechterung des Turboladers anzeigen. Zum Beispiel kann das Lagerspiel verschleißbedingt größer werden, und die Turboladerwelle kann unwuchtig werden. Somit kann beispielsweise die Hochfrequenzkomponente des Signals zunehmen, und die Basislinienkomponente des Signals kann abnehmen. Durch Überwachen der Hochfrequenz- und Basislinienkomponenten des Drucksignals kann eine Funktionsverschlechterung des Turboladers bestimmt werden, wie nachstehend in größerer Einzelheit beschrieben wird.
In einer Ausführungsform kann der Turbolader mit einem Motor in einem Fahrzeug verbunden sein. Es wird ein Lokomotivensystem als ein Beispiel für Fahrzeugtypen beschrieben, die einen Motor aufweisen, an dem ein Turbolader oder mehrere Turbolader angebracht sind. Andere Fahrzeugtypen können für die Straße ausgelegte Fahrzeuge und andere nicht für die Straße ausgelegte Fahrzeuge, wie Bergbauausrüstung und Wasserfahrzeuge, beinhalten. Andere Ausführungsformen der Erfindung können für Turbolader verwendet werden, die mit stationären Motoren verbunden sind. Der Motor kann ein Dieselmotor sein, oder er kann einen anderen Kraftstoff oder eine Kombination von Kraftstoffen verbrennen. Solche anderen Kraftstoffe können Benzin, Kerosin, Biodiesel, Erdgas und Ethanol beinhalten. In geeigneten Motoren kann eine Kompressionszündung oder eine Fremdzündung verwendet werden.
1 ist ein Blockschema eines Ausführungsbeispiels für ein Fahrzeugsystem 100, hier als Schienenfahrzeug 106 dargestellt (z. B. eine Lokomotive), das dafür ausgelegt ist, über eine Mehrzahl von Rädern 112 auf einer Schiene 102 zu fahren. Wie dargestellt, weist das Schienenfahrzeug 106 ein Motorsystem mit einem Motor 104, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, auf.
Der Motor 104 empfängt angesaugte Luft zur Verbrennung von einer Ansaugleitung 114. Die Ansaugleitung 114 empfängt Luft aus der Umgebung von einem (nicht dargestellten) Luftfilter, der Luft aus der Umgebung des Schienenfahrzeugs 106 filtert. Abgas, das aus der Verbrennung im Motor 104 entsteht, wird einer Abgasleitung 116 zugeführt. Abgas strömt durch die Abgasleitung 116 und aus einem Abgaskamin des Schienenfahrzeugs 106.
Das Motorsystem weist einen Turbolader 120 („TURBO“) auf, der zwischen der Ansaugleitung 114 und der Abgasleitung 116 angeordnet ist. Der Turbolader 120 erhöht die Luftbeladung mit Außenluft, die in die Ansaugleitung 114 gesaugt wird, um eine größere Ladungsdichte während der Verbrennung bereitzustellen, um die Leistungsausgabe und/oder den Wirkungsgrad des Motorbetriebs zu erhöhen. Der Turbolader 120 kann einen (in 1 nicht dargestellten) Kompressor aufweisen, der zumindest teilweise durch eine (in 1 nicht dargestellte) Turbine angetrieben wird. Obwohl in diesem Fall ein einzelner Turbolader dargestellt ist, kann das System auch mehrere Turbinen- und/oder Kompressorstufen aufweisen. Der Turbolader wird nachstehend ausführlicher mit Bezug auf 2 beschrieben.
In manchen Ausführungsformen kann das Fahrzeugsystem 100 ferner ein Abgasbehandlungssystem aufweisen, das in der Abgasleitung stromaufwärts und stromabwärts vom Turbolader 120 angeschlossen ist. In einer Ausführungsform kann das Abgasbehandlungssystem einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) und ein Dieselpartikelfilter (DPF) aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann das Abgasbehandlungssystem zusätzlich oder alternativ dazu eine oder mehrere Emissionssteuervorrichtungen aufweisen. Solche Emissionssteuervorrichtungen können einen selektiven katalytischen Reduktions-(SCR-)Katalysator, einen Dreiwegekatalysator, eine NOx-Falle oder verschiedene andere Vorrichtungen oder Systeme beinhalten.
Das Fahrzeug 106 weist ferner eine Regler- bzw. Steuereinrichtung 148 auf, um verschiedene Komponenten in Bezug auf das Fahrzeugsystem 100 zu regeln bzw. zu steuern. In einem Beispiel weist die Regler- bzw. Steuereinrichtung 148 ein Computer-Steuersystem auf. Die Regler- bzw. Steuereinrichtung 148 weist ferner (nicht dargestellte) computerlesbare Speichermedien auf, die Code enthalten, um eine On-Board-Überwachung und -Regelung des Betriebs des Schienenfahrzeugs zu ermöglichen. Die Regler- bzw. Steuereinrichtung 148 leitet zwar die Regelung und Steuerung des Fahrzeugsystems 100, kann aber auch so gestaltet sein, dass sie Signale von einer Reihe von Motorsensoren 150 empfängt, wie hierin näher ausgeführt wird, um Betriebsparameter und Betriebsbedingungen zu bestimmen, und um dementsprechend verschiedene Motorstellglieder 152 zu steuern, um den Betrieb des Schienenfahrzeugs 106 zu regeln. Zum Beispiel kann die Regler- bzw. Steuereinrichtung 148 Signale von verschiedenen Motorsensoren 150 empfangen, zu denen unter anderem eine Motordrehzahl, eine Motorlast, ein Ladedruck, ein Abgasdruck, ein Umgebungsdruck, eine Abgastemperatur, ein Luftdruck in einem Ansaugkrümmer 154 (MAP) usw. gehören. Dementsprechend kann die Regler- bzw. Steuereinrichtung 148 das Fahrzeugsystem 100 dadurch steuern, dass sie Befehle an verschiedene Komponenten, wie Fahrmotoren, Wechselstromgeneratoren, Zylinderventile, Drosselklappen usw., ausgibt. In einem Beispiel kann die Regler- bzw. Steuereinrichtung 148 den Motor als Reaktion darauf abschalten, dass ein Druck in einem Kurbelgehäuse des Motors über einen Schwellendruck steigt.
In einer Ausführungsform kann die Regler- bzw. Steuereinrichtung 148, wie nachstehend mit Bezug auf 3 beschrieben, so gestaltet sein, dass sie Signale, die Druck anzeigen, von einer Mehrzahl von Drucksensoren empfängt, die an verschiedenen Stellen innerhalb des Turboladers angeordnet sind, z. B. an ersten und zweiten, voneinander verschiedenen Stellen. Als Beispiel kann ein erster Drucksensor, der ein erstes Drucksignal ausgibt, in einem Dichtungshohlraum des Turboladers angeordnet sein, und ein zweiter Drucksensor, der ein zweites Drucksignal ausgibt, kann in einem Ölhohlraum des Turboladers angeordnet sein. Die Regler- bzw. Steuereinrichtung kann als Reaktion darauf, dass ein Unterschied zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck größer ist als ein Schwellenunterschied, eine Funktionsverschlechterung erkennen.
2 zeigt eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Turboladers 200, der mit einem Motor verbunden sein kann, beispielsweise des Turboladers 120, der oben mit Bezug auf 1 beschrieben wurde. Die in 2 gezeigte Darstellung ist eine Querschnittsdarstellung eines Abschnitts des Turboladers 200. In einem Beispiel kann der Turbolader 200 mit dem Motor verbolzt sein. In einem anderen Beispiel kann der Turbolader 200 zwischen der Abgasleitung und der Ansaugleitung des Motors angeschlossen sein. In anderen Beispielen kann der Turbolader auf eine andere geeignete Weise mit dem Motor verbunden sein.
Der Turbolader 200 weist eine Turbine 202 und einen Kompressor 204 auf. Abgase aus dem Motor strömen durch die Turbine 202, und Energie aus den Abgasen wird in rotationskinetische Energie umgewandelt, um eine Welle 206 rotieren zu lassen, die ihrerseits den Kompressor 204 antreibt. Angesaugte Außenluft wird verdichtet (z. B. wird der Druck der Luft erhöht), wenn sie durch den rotierenden Kompressor 204 gesaugt wird, so dass eine größere Luftmasse zu den Zylindern des Motors geliefert wird.
In manchen Ausführungsformen können die Turbine 202 und der Kompressor 204 separate Gehäuse aufweisen, die miteinander verbolzt sind, so dass eine Einheit (z. B. ein Turbolader 200) gebildet wird. In einem Beispiel kann die Turbine ein Gehäuse aufweisen, das aus Gusseisen besteht, und der Kompressor kann ein Gehäuse aufweisen, das aus einer Aluminiumlegierung besteht. In anderen Beispielen können die Gehäuse der Turbine und des Kompressors aus dem gleichen Material bestehen. Es sei klargestellt, dass das Turbinengehäuse und das Kompressorgehäuse aus beliebigen geeigneten Materialien hergestellt werden können.
Wie in 2 dargestellt ist, ist ein erster Drucksensor 232 an einem Diffusor 228 im Kompressorgehäuse angeordnet, um einen Druck im Kompressorgehäuse zu messen. Der Diffusor 228 ist beispielsweise ein sich erweiternder Kanal im Kompressorgehäuse, der Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie umwandelt. Der Drucksensor 232 kann beispielsweise ein Messwandler sein, der ein Signal als Funktion des angelegten Druckes erzeugt. Der Druck am Diffusor 228 kann dem Luftdruck im Ansaugkrümmer (MAP) im Wesentlichen gleich sein. Zum Beispiel kann auf Fahrstufe acht mancher Motorsysteme der erste Drucksensor 232 einen Druck von ungefähr 45 psig (~3 bar) messen.
Der Turbolader 200 weist ferner Lager 208 auf, um die Welle 206 so zu lagern, dass sich die Welle mit hoher Geschwindigkeit und mit verringerter Reibung drehen kann. Der Turbolader kann ferner ein Schmiersystem aufweisen, um die Funktionsverschlechterung der Lager zu verringern und um eine Temperatur der Lager aufrechtzuerhalten (z. B. die Lager kühl zu halten). Während der Motor in Betrieb ist, kann beispielsweise ein konstanter Strom von Motoröl oder Motorkühlmittel durch den Turbolader strömen. In einem Beispiel kann unter Druck stehendes Motoröl über einen (nicht dargestellten) Öleinlass in den Turbolader eintreten. Überschüssiges Öl kann sich in einem Ölhohlraum 212 sammeln, und das Öl verlässt den Turbolader 200 durch einen (nicht dargestellten) Auslass, der mit dem Ölhohlraum 212 in Fluidverbindung steht. Wie in 2 dargestellt ist, ist ein Ölhohlraum-Drucksensor 230 im Ölhohlraum 212 angeordnet, um einen Druck im Ölhohlraum zu messen. Der Ölhohlraum-Drucksensor 230 kann eine Zugabe zum ersten Drucksensor 232 sein oder kann eine Alternative zu diesem sein. Der Ölhohlraum-Drucksensor 230 kann beispielsweise ein Messwandler sein, der ein Signal als Funktion des angelegten Druckes erzeugt.
Wie in 2 dargestellt ist, weist der Turbolader 200 ferner zwei berührungslose Dichtungen (z. B. Labyrinthdichtungen) auf, eine Turbinen-Labyrinthdichtung 216, die zwischen dem Ölhohlraum 212 und der Turbine 202 angeordnet ist, und eine Kompressor-Labyrinthdichtung 218, die zwischen dem Ölhohlraum 212 und dem Kompressor 204 angeordnet ist. Wie hierin verwendet, bezieht sich Labyrinthdichtung auf eine Art mechanische Dichtung, die einen gewundenen oder geschlängelten Weg bereitstellt, um dazu beizutragen, ein Lecken zu verhindern. (Beispielsweise im Gegensatz zu einem O-Ring oder einer ähnlichen kreisförmigen Dichtung.) In einer Ausführungsform kann die Labyrinthdichtung aus vielen Kerben oder Gängen bestehen, die fest gegen eine andere Komponente gepresst sind. Hierin wird die Labyrinthdichtung auf ein rotierendes Wellensystem angewendet, mit einem geringen Abstand zwischen den vorderen Enden der Labyrinthgänge und der Lauffläche. Auf diese Weise stellt die Labyrinthdichtung durch Drosseln des Fluiddurchflusses eine berührungslose Dichtwirkung bereit. Die Labyrinthdichtungen 216 und 218 können somit beispielsweise das Austreten des zum Schmieren der Lager 208 verwendeten Motoröls in die Turbine 202 und den Kompressor 204 verhindern, indem sie einen gewundenen, gekrümmten Weg bereitstellen. Da die Labyrinthdichtungen 216 und 218 berührungslose Dichtungen sind, kann die Reibung um die Lager 208 und die Welle 206 verringert werden, während gleichzeitig ein Ölaustritt verringert ist. In einem Beispiel können die Labyrinthdichtungen 216 und 218 einen vorgegebenen Abstand zu den Lagern 208 aufweisen. Geeignete vorgegebene Abstände können mit Bezug auf anwendungsspezifische Parameter bestimmt werden, beispielsweise in einem Bereich von weniger als 1/4000 von einem Inch (~6 × 10<-4> cm).
Der Turbolader 200 weist ferner einen Dichtungshohlraum 234 auf, der sich von der Rückseite des Kompressors 204 nahe der Kompressor-Labyrinthdichtung 218 bis zu einem Bereich nahe der Turbinen-Labyrinthdichtung 216 erstreckt. Der Dichtungshohlraum 234 ist ein Luftkanal im Gehäuse des Turboladers 200. Wie in 2 dargestellt ist, weist der Dichtungshohlraum 234 eine Blende 236 auf. Die Blende ist so gestaltet, dass sie einen gedrosselten Luftstrom erzeugt. Bei einer solchen Gestaltung kann der gedrosselte Luftstrom stromabwärts einen größeren Druckunterschied erzeugen, was zu einer besseren Erfassung des Druckunterschieds zwischen verschiedenen Stellen im Turbolader 200 führt. Der Dichtungshohlraum 234 weist ferner einen zweiten Drucksensor 238 auf, um einen Druck im Dichtungshohlraum 234 zu messen. Wie in 2 dargestellt ist, ist der zweite Drucksensor 238 an einem Zugang zum Dichtungshohlraum 234 angeordnet. Der zweite Drucksensor 238 kann beispielsweise ein Messwandler sein, der ein Signal als Funktion des angelegten Druckes erzeugt. Der Druck im Dichtungshohlraum 234 kann beispielsweise höher sein als der Druck im Ölhohlraum 212, so dass Öl im Ölhohlraum zurückgehalten werden kann. Zum Beispiel kann auf Stufe acht bestimmter Motorsysteme der Drucksensor 238 einen Druck von ungefähr 27 psig (~2 bar) messen.
An jeder Stelle, wo sich ein Drucksensor befindet, kann ein anderer Druck herrschen. Zum Beispiel kann der Druck am Diffusor 228 im Kompressorgehäuse höher sein als der Druck im Dichtungshohlraum 234, und der Druck im Dichtungshohlraum 234 kann höher sein als der Druck im Ölhohlraum 212. Ferner können sich die Unterschiede zwischen den einzelnen Drücken mit Betriebsbedingungen ändern, beispielsweise mit einer Turbinen- oder Kompressordrehzahl, einer Fahrstufeneinstellung des Motors, einer Umgebungstemperatur und/oder einem Umgebungsdruck und dergleichen. Wenn die Welle 206 wegen einer Unwucht eines Rotors oder wegen axialer Verschiebungen an den Dichtungen scheuert und es aus diesem Grund zu einer Funktionsverschlechterung der Turbinen-Labyrinthdichtung 216 und/oder der Kompressor-Labyrinthdichtung kommt, dann kann es sein, dass der Druck im Dichtungshohlraum sinkt, während der Druck am Diffusor 228 im Kompressorgehäuse im Wesentlichen gleich bleibt. Somit kann die Funktionsverschlechterung der Labyrinthdichtungen 216 und 218 aufgrund dessen diagnostiziert werden, dass ein Druckunterschied zwischen einem Druck, der im Dichtungshohlraum 234 gemessen wird, und einem Druck, der am Diffusor 228 im Kompressorgehäuse gemessen wird, größer ist als entsprechende Schwellenunterschiede.
In einer Ausführungsform beinhaltet ein System einen Turbolader mit einem Kompressor und einer Turbine, einen ersten Drucksensor, der ein erstes Signal erzeugt, und einen zweiten Drucksensor, der ein zweites Signal erzeugt. Der erste Drucksensor ist in einem Ölhohlraum des Turboladers angeordnet, und der zweite Drucksensor ist in einem Dichtungshohlraum des Turboladers angeordnet. Das System weist ferner eine Regler- bzw. Steuereinrichtung auf, die so gestaltet ist, dass sie einen ersten Druck aus dem ersten Signal und einen zweiten Druck aus dem zweiten Signal erkennt und eine Funktionsverschlechterung des Turboladers erkennt, wenn ein Unterschied zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck größer ist als ein erster Schwellenunterschied. Das Erkennen der Funktionsverschlechterung des Turboladers beinhaltet das Ausgeben eines Steuersignals, z. B. um einen Alarm oder eine Warnung zu initiieren oder um ein Fahrzeugsystem zu steuern.
In manchen Ausführungsformen kann ein Upgrade-Kit, das in einem Schienenfahrzeug oder einem anderen Fahrzeug installiert sein kann, ein nicht-flüchtiges computerlesbares Medium beinhalten, das Befehle beinhaltet zur Bestimmung einer Funktionsverschlechterung eines Turboladers auf Basis von Druckwerten, die innerhalb des Turboladers gemessen werden wie oben beschrieben. Das Upgrade-Kit kann ferner eine Mehrzahl von Drucksensoren oder andere mechanische Elemente beinhalten, die im Turboladersystem installiert sein können.
3, 4 und 6 zeigen Flussdiagramme, die Beispiele für Verfahren darstellen, die in einem Fahrzeugsystem ausgeführt werden können, das einen mit einem Motor verbundenen Turbolader aufweist. 3 zeigt ein Verfahren zur Diagnostizierung einer Funktionsverschlechterung von berührungslosen Dichtungen, die um die Turboladerwelle herum angeordnet sind, auf Basis von gemessenen Druckunterschieden innerhalb des Turboladers. 4 zeigt ein Verfahren zur Diagnostizierung einer Funktionsverschlechterung der Turbine oder des Kompressors des Turboladers auf Basis eines Frequenzinhalts eines gemessenen Druckes innerhalb des Turboladers. 6 zeigt ein Verfahren zur Diagnostizierung einer Funktionsverschlechterung von berührungslosen Dichtungen, die um die Turboladerwelle herum angeordnet sind, auf Basis von gemessenen Drücken innerhalb des Turboladers. Die mit Bezug auf 3, 4 und 6 beschriebenen Verfahren können beispielsweise von ein und derselben Regler- bzw. Steuereinrichtung und gleichzeitig durchgeführt werden. Zum Beispiel kann ein zweiter Druck gemessen werden, um ihn mit einem ersten Druck zu vergleichen, der Frequenzinhalt des zweiten Druckes kann ebenfalls bestimmt werden, und die ersten und/oder zweiten Drücke können mit entsprechenden Schwellendrücken verglichen werden. Ferner werden die Verfahren, die mit Bezug auf 3, 4 und 6 beschrieben werden, ausgeführt, während ein Motor, mit dem der Turbolader verbunden ist, in Betrieb ist (z. B. während eine Verbrennung stattfindet), und können ausgeführt werden, während ein Fahrzeug, in dem der Turbolader angeordnet ist, fährt.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet ein Verfahren das Bestimmen eines ersten Druckes an einer ersten Stelle in einem Turbolader, das Bestimmen eines zweiten Druckes an einer zweiten Stelle in einem Turbolader und das Bestimmen eines Frequenzinhalts des zweiten Drucks. Das Verfahren beinhaltet das Diagnostizieren eines Zustands des Turboladers auf Basis eines Unterschieds zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck und des Frequenzinhalts des zweiten Drucks.
In 3 ist ein Verfahren 300 zur Diagnostizierung eines Zustands bzw. einer Gegebenheit in einem Turbolader, wie dem oben mit Bezug auf 2 beschriebenen Turbolader 200, dargestellt. Genauer beinhaltet das Verfahren das Messen eines Druckes über Drucksensoren, die an verschiedenen Stellen innerhalb des Turboladers angeordnet sind, und das Vergleichen der gemessenen Druckwerte. Zum Beispiel wird ein erster Druck, der an einer ersten Stelle gemessen wird, mit einem zweiten Druck verglichen, der an einer zweiten Stelle gemessen wird. Eine Funktionsverschlechterung des Turboladers wird auf Basis des Unterschieds zwischen den gemessenen Druckwerten bestimmt. Wie oben beschrieben, wird das Verfahren ausgeführt, während ein Motor, mit dem der Turbolader verbunden ist, in Betrieb ist, und kann durchgeführt werden, während ein Fahrzeug, beispielsweise ein Schienenfahrzeug, in dem der Turbolader angeordnet ist, fährt. Auf diese Weise können Unterschiede zwischen den verschiedenen Hohlräumen des Turboladers groß genug sein, um gemessen werden zu können.
Bei Schritt 302 werden Betriebsbedingungen des Systems bestimmt. Die Betriebsbedingungen können den Ladedruck, den Umgebungsdruck, die Umgebungstemperatur, die Fahrstufeneinstellung des Motors und dergleichen beinhalten.
Sobald die Betriebsbedingungen bestimmt worden sind, schreitet das Verfahren zu Schritt 304 fort, wo ein erster Druck an einer ersten Stelle gemessen wird. Wie oben beschrieben, kann der Turbolader eine Mehrzahl von Drucksensoren aufweisen, die an verschiedenen Stellen innerhalb des Turboladers angeordnet sind. Somit kann der erste Druck von einem ersten, im Ölhohlraum angeordneten Drucksensor, von einem am Diffusor im Kompressorgehäuse angeordneten Drucksensor oder von einem im Dichtungshohlraum angeordneten Drucksensor gemessen werden.
In anderen Ausführungsformen kann der erste Druck an einer anderen geeigneten Stelle innerhalb des Turboladers gemessen werden.
Bei Schritt 306 wird ein zweiter Druck an einer zweiten Stelle gemessen. Die zweite Stelle kann eine andere Stelle sein als die erste Stelle. Zum Beispiel kann der erste Druck vom ersten Drucksensor im Ölhohlraum gemessen werden, und der zweite Druck kann vom zweiten Drucksensor im Dichtungshohlraum gemessen werden. Als weiteres Beispiel kann der erste Druck vom ersten Drucksensor am Diffusor im Kompressorgehäuse gemessen werden, und der zweite Druck kann vom zweiten Drucksensor im Dichtungshohlraum gemessen werden. In anderen Ausführungsformen kann der zweite Druck an einer anderen geeigneten Stelle innerhalb des Turboladers gemessen werden.
Sobald der erste Druck und der zweite Druck bestimmt worden sind, wird bei Schritt 308 bestimmt, ob ein Unterschied zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck größer ist als ein Schwellenunterschied. Der jeweilige Schwellenunterschied, in Bezug auf den die ersten und zweiten Drücke bewertet werden, kann davon abhängen, an welchen Stellen im Turbolader die ersten und zweiten Drücke sensorisch erfasst werden. Zum Beispiel kann der Schwellenunterschied zwischen dem Druck im Dichtungshohlraum und dem Druck im Ölhohlraum (falls die ersten und zweiten Drücke an diesen Stellen gemessen werden) ein erster Schwellenunterschied sein, und der Schwellenunterschied zwischen dem Druck im Dichtungshohlraum und dem Druck am Diffusor im Kompressorgehäuse (falls die ersten und zweiten Drücke an diesen Stellen gemessen werden) kann ein zweiter Schwellenunterschied sein. Der erste Schwellenunterschied kann ein anderer Wert sein als der zweite Schwellenunterschied, da die gemessenen Drücke unter normalen Betriebsbedingungen jeweils einen anderen Wert haben können. Zum Beispiel kann unter normalen Betriebsbedingungen, wenn der Turbolader funktionstüchtig ist (z. B. keine Funktionsverschlechterung zeigt), der erste Druck im Ölhohlraum einen bestimmten Wert aufweisen, und der Druck im Dichtungshohlraum kann einen höheren Wert aufweisen, so dass der Ölhohlraum Öl zurückhält. Ferner kann sich der Druck, der im Dichtungshohlraum gemessen wird, mit den Betriebsbedingungen ändern, beispielsweise mit der Fahrstufe des Motors, der Motordrehzahl, der Umgebungstemperatur, dem Umgebungsdruck, der Motorkühlmitteltemperatur, dem Kraftstoffeinspritzungs-Voreilwinkel, dem Ladeluftdruck, der Turboladerdrehzahl und/oder der Ladelufttemperatur. Zum Beispiel kann der Dichtungshohlraum bei einer höheren Fahrstufe des Motors einen höheren Druck aufweisen (z. B. bei einer Fahrstufe acht im Vergleich zu einer Fahrstufe vier). Ebenso kann sich der Schwellenunterschied auf Basis von Betriebsbedingungen wie der Kompressordrehzahl, der Motorlast, der Fahrstufe des Motors und dergleichen ändern. Wenn die Drehzahl des Motors abnimmt, kann beispielsweise auch der Druck im Dichtungshohlraum abnehmen, was zu einem verminderten Druckunterschied zwischen dem Dichtungshohlraum und dem Ölhohlraum führt. Somit kann ein Schwellenunterschied zwischen dem Dichtungshohlraum und dem Ölhohlraum, anhand dessen die Drücke an diesen Stellen im Hinblick auf eine mögliche Funktionsverschlechterung des Turboladers bewertet werden, dementsprechend kleiner werden, so dass eine Funktionsverschlechterung des Turboladers nicht falsch erkannt wird.
Als weiteres Beispiel kann unter normalen Betriebsbedingungen, wenn der Turbolader funktionstüchtig ist, der erste Druck am Diffusor im Kompressorgehäuse einen Wert aufweisen, der dem Luftdruck im Krümmer ähnelt, und der zweite Druck, der im Dichtungshohlraum gemessen wird, kann einen niedrigeren Wert aufweisen. Die Drücke, die am Diffusor im Kompressorgehäuse und im Dichtungshohlraum gemessen werden, können sich den Betriebsbedingungen entsprechend ändern, beispielsweise entsprechend der Fahrstufeneinstellung des Motors und der Drehzahl des Turboladers. Zum Beispiel kann der Druck, der am Diffusor im Dichtungshohlraum gemessen wird, mit der Fahrstufeneinstellung des Motors zunehmen (z. B. ist der Druck bei einer Fahrstufe sieben höher als bei einer Fahrstufe sechs).
Der Unterschied zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck unter verschiedenen Betriebsbedingungen kann beispielsweise in einer Verweistabelle gespeichert werden. Wenn der absolute Wert des Druckunterschieds zwischen dem ersten und dem zweiten Druck einen Schwellenwert überschreitet, wird in Schritt 310 eine Funktionsverschlechterung des Turboladers angezeigt. Wenn in einem Beispiel der Unterschied zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck größer ist als ein Schwellenwert, kann eine Funktionsverschlechterung einer berührungslosen Dichtung, beispielsweise der Labyrinthdichtungen der Turbine oder des Kompressors, diagnostiziert werden. (Um eine Diagnose dieser Art zu ermöglichen, könnten Sensoren an verschiedenen Stellen innerhalb des Turboladers angeordnet werden, beispielsweise im Ölhohlraum, im Dichtungshohlraum, am Diffusor des Kompressorgehäuses oder dergleichen). Zum Beispiel kann die Rotorwelle des Turboladers wegen einer Unwucht des Rotors oder aufgrund von axialen Verschiebungen an den berührungslosen Labyrinthdichtungen scheuern, wodurch ein Abstand um die berührungslosen Labyrinthdichtungen herum erzeugt wird und der Luftstrom zum Kurbelgehäuse verstärkt wird, was zu einem Überdruck im Kurbelgehäuse und einer Senkung des Druckes im Dichtungshohlraum führt. Wenn der Druck im Dichtungshohlraum abnimmt, ändert sich der Unterschied zwischen dem Druck im Dichtungshohlraum und dem Druck im Ölhohlraum und es ändert sich der Unterschied zwischen dem Druck im Dichtungshohlraum und dem Druck am Diffusor im Kompressorgehäuse.
Im Falle einer Verweistabelle würde die Verweistabelle eine Liste von vorgegebenen Betriebsbedingungen (einer Klasse, einer Art oder einer Gestaltung von Motoren, Fahrzeugen oder anderen Systemen) und für jede Betriebsbedingung einen assoziierten Schwellenwert für einen Druckunterschied, der beispielsweise empirisch bestimmt worden ist, enthalten. Im Betrieb würde der aktuelle Betriebsmodus (des jeweiligen Motors oder Fahrzeugs oder anderen Systems) mit der entsprechenden Betriebsbedingung der Tabelle in Beziehung gesetzt werden, um den assoziierten Schwellenwert abzurufen. Der Druckunterschied (der Unterschied zwischen ersten und zweiten sensorisch erfassten Drücken im Turbolader) würde dann mit dem abgerufenen Schwellenwert verglichen werden, um die Funktionstüchtigkeit des Turboladers zu beurteilen.
Die Regler- bzw. Steuereinrichtung kann so gestaltet sein, dass sie eine Person, die das Fahrzeug (oder andere System), in dem der Motor angeordnet ist, bedient bzw. betreibt, von der Diagnose in Kenntnis setzt, beispielsweise durch Senden eines Diagnosecodes, um ein Fehlfunktion-Anzeigelämpchen (MIL) leuchten zu lassen, das über eine Bedienerkonsole angezeigt wird, durch Senden eines Diagnosecodes zu einem zentralen Leitstand oder dergleichen. Als Reaktion auf den Empfang des Diagnosesignals kann beispielsweise der Turboladerbetrieb ausgesetzt werden, so dass es nicht zu einer weiteren Funktionsverschlechterung des Motorsystems und/oder des Turboladersystems kommt. Sobald der Motor abgeschaltet worden ist, kann der Turbolader aus dem Fahrzeug entfernt und repariert oder ersetzt werden. In anderen Beispielen können der Motorbetrieb und/oder der Turboladerbetrieb angepasst werden, um die Funktionsverschlechterung des Turboladers auszugleichen, bis der Motor abgestellt wird. In noch anderen Beispielen kann der Motor abgestellt werden, sobald der Diagnosecode empfangen wird, der anzeigt, dass es zu einer Funktionsverschlechterung des Turboladers gekommen ist, so dass eine weitere Funktionsverschlechterung des Turboladersystems und/oder des Motorsystems verringert werden kann.
Wenn dagegen der Unterschied zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck kleiner ist als der Schwellenunterschied, geht das Verfahren zu Schritt 312 weiter, wo angezeigt wird, dass es nicht zu einer Funktionsverschlechterung des Turboladers gekommen ist (oder, in manchen Ausführungsformen, wird keine Maßnahme durchgeführt).
Auf diese Weise kann eine gegebene Funktionsverschlechterung des Turboladers diagnostiziert werden, während der Turbolader in Betrieb ist. Zum Beispiel kann die Funktionsverschlechterung des Turboladers aufgrund von Undichtigkeiten in einer oder mehreren berührungslosen Dichtungen, wie den Labyrinthdichtungen des Kompressors und der Turbine, aufgrund dessen erkannt werden, dass ein Druckunterschied zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck größer ist als ein Schwellenunterschied. Wenn der Unterschied nicht größer ist als der Schwellenunterschied, kann angezeigt werden, dass ein Überdruckereignis in einem Kurbelgehäuse des Motors auf einen Zustand bzw. eine Gegebenheit zurückgeht, bei der es nicht um eine Funktionsverschlechterung des Turboladers, sondern beispielsweise um eine Funktionsverschlechterung von Kolbenringen oder eine andere Ursache handelt.
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 400 zur Diagnostizierung eines Zustands eines Turboladers, wie des oben mit Bezug auf 2 beschriebenen Turboladers 200, auf Basis eines Frequenzinhalts eines Drucksignals darstellt. Genauer beinhaltet das Verfahren das Bestimmen des Frequenzinhalts aus einem Druck, der an einer Stelle innerhalb des Turboladers gemessen wird. Aufgrund des Frequenzinhalts wird die Funktionsverschlechterung der Turbine oder des Kompressors erkannt. Wie oben beschrieben, wird das Verfahren ausgeführt, während ein Motor, mit dem der Turbolader verbunden ist, und kann durchgeführt werden, während ein Fahrzeug, beispielsweise ein Schienenfahrzeug, in dem der Turbolader angeordnet ist, fährt. Da beispielsweise der Frequenzinhalt, der anhand des Verfahrens bestimmt wird, auf einer Drehung des Turbinenlaufrads oder des Kompressorlaufrads basiert, liefert der Turbolader einen Druck an den Motor, während der Motor in Betrieb ist.
Bei Schritt 402 werden Betriebsbedingungen des Systems gemessen. Die Betriebsbedingungen können den Ladedruck, die Drehzahl der Turbine und/oder des Kompressors des Turboladers, den Umgebungsdruck, die Umgebungstemperatur und dergleichen beinhalten.
Bei Schritt 404 wird der Druck an einer Stelle innerhalb des Turboladers gemessen. Wie oben beschrieben, können Drucksensoren an einer Mehrzahl von Stellen innerhalb des Turboladers angeordnet sein, und somit kann der Druck in einem Dichtungshohlraum, in einem Ölhohlraum, an einem Diffusor im Kompressorgehäuse und/oder an einer anderen geeigneten Stelle im Turbolader gemessen werden.
Sobald der Druck (oder die Drücke) gemessen wird, wird bei Schritt 406 der Frequenzinhalt des Drucksignals bestimmt. Da sich beispielsweise die Funktionsverschlechterung der Turbinen- oder Kompressorschaufeln am deutlichsten beim Druck im Ölhohlraum zeigt, kann der Frequenzinhalt des Druckes, der im Dichtungshohlraum gemessen wird, bestimmt werden. Beim Frequenzinhalt des Druckes handelt es sich um die relativen absoluten Werte der Frequenzkomponenten eines Frequenzdomänen-Drucksignals und/oder um einen gemessenen Frequenzinhalt, der mit einem Bandpassfilter erzeugt wird. In einem Beispiel kann der Frequenzinhalt durch Filtern des Signals, Abtasten des Signals, Transformieren des Signals und Anlegen eines Korrelationsalgorithmus an das Signal bestimmt werden.
In einer Ausführungsform kann das Drucksignal durch einen Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz, die etwas größer ist als eine Frequenz erster Ordnung, gefiltert werden. Zum Beispiel kann die Grenzfrequenz zehn bis zwanzig Prozent größer sein als die Frequenz erster Ordnung. Somit kann die Grenzfrequenz anhand einer Drehzahl der Turbine oder des Kompressors bestimmt werden. Die Frequenzkomponente erster Ordnung kann auf das Umlaufen des Turbinen- oder Kompressorlaufrads zurückgeführt werden. Zum Beispiel können pro Umdrehung des Kompressorlaufrads acht Laufradschaufeln an einem bestimmten Punkt vorbeilaufen. Somit kann das Umlaufen des Kompressorlaufrads eine Druckwelle innerhalb des Kurbelgehäuses erzeugen, mit einer Frequenz, die der Anzahl der Laufradschaufeln und der Umdrehungsfrequenz des Laufrads entspricht.
Ferner kann der Druck mit einer Frequenz abgetastet werden, die über oder bei einer Nyquist-Rate liegt. In einer Ausführungsform kann das Drucksignal mit einer Frequenz abgetastet werden, die höher ist als das Zweifache der Frequenz erster Ordnung der Turbine oder des Kompressors. In einer Ausführungsform kann das Drucksignal mit einer Frequenz abgetastet werden, die höher ist als das Zweifache der maximalen Frequenz der Turbine oder des Kompressors. Somit ist es möglich, durch Tiefpassfiltern und Abtasten mit einer Frequenz, die über oder bei der Nyquist-Rate liegt, einen unverfälschten Frequenzinhalt der Generatordaten zu erhalten. Nachdem der Druck abgetastet worden ist, kann der Druck transformiert werden. Zum Beispiel kann der abgetastete Druck transformiert werden, um ein Frequenzdomänen-Drucksignal zu erzeugen. In einem Beispiel kann eine Fast-FourierTransformation angewendet werden, um das Frequenzdomänen-Drucksignal zu erzeugen. Dann kann ein Korrelationsalgorithmus angewendet werden. In einem Beispiel kann ein Korrelationsalgorithmus angewendet werden, um das Frequenzdomänen-Drucksignal, z. B. den Frequenzinhalt des Drucks, mit einer Signatur für einen Zustand des Motors zu vergleichen. Zum Beispiel kann die Signatur für einen funktionstüchtigen Turbolader einen Frequenzinhalt bei der Frequenz erster Ordnung beinhalten.
Bei Schritt 408 werden Mittel-/Durchschnittswerte der Frequenz bestimmt. Der Durchschnittswert kann mit dem Frequenzinhalt verwendet werden, um eine Funktionsverschlechterung des Turboladers zu diagnostizieren. Zum Beispiel kann das Vorhandensein eines Druckimpulses oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts sowohl im Durchschnittswert als auch im Frequenzinhalt, der im Ölhohlraum gemessen wird, ein Versagen von Lagern und berührungslosen Dichtungen anzeigen, das dazu führen kann, dass Ladeluft zum Kurbelgehäuse strömt, was dazu führt, dass es im Kurbelgehäuse zu einem Überdruck kommt.
Sobald der Frequenzinhalt bestimmt worden ist, wird bei Schritt 410 bestimmt, ob eine Störung erfasst wird. Zum Beispiel kann der Druck auch einen Frequenzinhalt bei anderen Harmonischen der Frequenz erster Ordnung beinhalten, beispielsweise einer Frequenz zweiter Ordnung (der doppelten Frequenz), einer Frequenz dritter Ordnung (der dreifachen Frequenz) usw. Ebenso kann der Kurbelgehäusedruck Frequenzinhalt bei Frequenzen enthalten, die kleiner sind als die Frequenz erster Ordnung, beispielsweise bei einer Frequenz halber Ordnung (der halben Frequenz). Eine Störung kann durch eine Harmonische der Frequenz erster Ordnung angezeigt werden, beispielsweise kann eine Frequenz halber Ordnung, die größer ist als ein Schwellenwert, eine defekte Laufradschaufel anzeigen. Falls eine Störung erfasst wird, geht das Verfahren somit zu Schritt 412 weiter, wo eine Funktionsverschlechterung des Turboladers angezeigt wird. Wenn eine Funktionsverschlechterung erkannt wird, kann die Regler- bzw. Steuereinrichtung, wie oben beschrieben, einen Diagnosecode aussenden, um ein über eine Bedienerkonsole angezeigtes Fehlfunktions-Anzeigelämpchen (MIL) leuchten zu lassen, einen Diagnosecode an einen zentralen Leitstand aussenden oder dergleichen.
Wenn bei Schritt 408 kein Versagen erfasst wird, geht das Verfahren dagegen zu Schritt 414 weiter, und es wird angezeigt, dass der Turbolader nicht verschlechtert ist (oder, in manchen Ausführungsformen, wird keine Maßnahme ergriffen).
5 zeigt einen Graphen 500, der ein Beispiel für einen Frequenzinhalt eines Drucksignals zeigt. Die Frequenz erster Ordnung ist bei 502 unter einem Schwellenwert 504 dargestellt. Wie oben beschrieben, kann die Frequenzkomponente erster Ordnung auf ein Rotieren des Turbinen- oder Kompressorlaufrads zurückgeführt werden. Falls die Frequenz erster Ordnung unter dem Schwellenwert 504 liegt, kann dies ein ausgewuchtetes oder funktionstüchtiges Turbinen- oder Kompressorlaufrad anzeigen. Wenn die Turbine oder der Kompressor unwuchtig ist, beispielsweise weil eine Laufradschaufel defekt ist, kann ein absoluter Wert der Frequenz erster Ordnung größer werden, so dass er über den Schwellenwert 504 steigt. Der Schwellenwert 504 kann sich auf Basis verschiedener Betriebsbedingungen ändern, beispielsweise aufgrund der Laufraddrehzahl, der Motorlast, der Fahrstufeneinstellung des Motors, der Umgebungstemperatur, des Umgebungsdrucks, der Motoröltemperatur, der Motorkühlmitteltemperatur, des Kraftstoffeinspritzungs-Voreilwinkels, des Ladeluftdrucks, der Turboladerdrehzahl, der Ladelufttemperatur und dergleichen. Zum Beispiel kann eine höhere Laufraddrehzahl (z. B. ein schnelleres Rotieren des Laufrads) eine Frequenz erster Ordnung mit einem größeren absoluten Wert aufweisen. Somit kann der Schwellenwert 504 mit der Laufraddrehzahl größer werden. Auf diese Weise kann eine Funktionsverschlechterung des Kompressor- oder Turboladerlaufrads erkannt werden.
So kann ein Frequenzinhalt des gemessenen Drucksignals bestimmt werden. Durch Analysieren des Frequenzinhalts des Drucksignals kann ein Zustand bzw. eine Gegebenheit wie ein Kompressor oder eine Turbine, der bzw. die eine Funktionsverschlechterung zeigt, beispielsweise wegen eines beschädigten Laufradschaufel, diagnostiziert werden. Somit kann eine genauere Diagnose der Funktionsverschlechterung des Turboladers gestellt werden.
6 zeigt ein Verfahren 600 zur Diagnostizierung eines Zustands bzw. einer Gegebenheit in einem Turbolader, wie dem oben mit Bezug auf 2 beschriebenen Turbolader 200. Genauer beinhaltet das Verfahren das Messen von Drücken unter Verwendung von Drucksensoren, die an verschiedenen Stellen innerhalb des Turboladers angeordnet sind, und das Vergleichen des gemessenen Druckwerts/der gemessenen Druckwerte mit einem bzw. mehreren entsprechenden Schwellenwerten. Zum Beispiel wird ein erster Druck, der an einer ersten Stelle gemessen wird, mit einem ersten Schwellendruck verglichen. Eine Funktionsverschlechterung des Turboladers wird auf Basis dessen bestimmt, dass der erste Druck unter den ersten Schwellendruck fällt. Wie oben beschrieben, wird das Verfahren ausgeführt, während ein Motor, mit dem der Turbolader verbunden ist, in Betrieb ist, und (möglicherweise) während ein Fahrzeug, beispielsweise ein Schienenfahrzeug, in dem der Turbolader angeordnet ist, fährt.
Bei Schritt 602 werden Betriebsbedingungen des Systems bestimmt. Die Betriebsbedingungen können den Ladedruck, den Umgebungsdruck, die Umgebungstemperatur, die Fahrstufeneinstellung des Motors und dergleichen beinhalten.
Bei Schritt 604 wird der Druck an einer Stelle innerhalb des Turboladers gemessen. Wie oben beschrieben, können Drucksensoren an verschiedenen Stellen innerhalb des Turboladers angeordnet sein, beispielsweise an einem Diffusor im Kompressorgehäuse, in einem Dichtungshohlraum, in einem Ölhohlraum oder dergleichen. In manchen Beispielen kann der Druck an einer Stelle wie beispielsweise in einem Ansaugkrümmer des Motors bestimmt werden. In manchen Beispielen kann der Druck an mehr als einer Stelle gemessen werden. Zum Beispiel kann der Druck im Ölhohlraum und im Dichtungshohlraum gemessen werden, oder der Druck kann im Ölhohlraum und/oder im Dichtungshohlraum gemessen werden.
Nachdem der Druck gemessen worden ist, wird bei Schritt 606 bestimmt, ob der gemessene Druck einen Schwellendruck überschritten hat. Wenn beispielsweise die berührungslose Labyrinthdichtung des Kompressors und/oder die berührungslose Labyrinthdichtung der Turbine eine Funktionsverschlechterung zeigt, kann ein Druck im Ölhohlraum steigen, und der Druck kann den Schwellendruck überschreiten. Als anderes Beispiel kann ein Druck im Dichtungshohlraum abnehmen, und der Druck kann unter den Schwellendruck sinken, wenn eine oder beide von den berührungslosen Dichtungen eine Funktionsverschlechterung zeigt. In manchen Beispielen kann der Druck an mehreren Stellen gemessen und mit entsprechenden Schwellenwerten verglichen werden. Zum Beispiel kann ein erster Druck an einer ersten Stelle im Ölhohlraum gemessen werden, und ein zweiter Druck kann an einer zweiten Stelle im Kompressorgehäuse gemessen werden. Der erste Druck wird mit einem ersten Schwellenwert verglichen, der einem Schwellendruck für den Ölhohlraum entspricht, und der zweite Druck wird mit einem zweiten Schwellendruck verglichen, der einem Schwellendruck für den Diffusor entspricht. Wenn sowohl der erste als auch der zweite Druck ihre jeweiligen Schwellenwerte überschreiten, kann eine Funktionsverschlechterung angezeigt werden. Man beachte, dass der Schwellendruck auf Basis von Motorbetriebsbedingungen variieren kann. Zum Beispiel kann sich der Schwellendruck, ebenso wie der gemessene Druck, mit der Motordrehzahl, der Motorlast, der Umgebungstemperatur, dem Umgebungsdruck, der Motoröltemperatur, der Motorkühlmitteltemperatur, dem Kraftstoffeinspritzungs-Voreilwinkel, dem Ladeluftdruck, der Turboladerdrehzahl, der Ladelufttemperatur und dergleichen ändern.
Wenn bestimmt wird, dass der gemessene Druck den Schwellendruck nicht überschritten hat, wird bei Schritt 610 angezeigt, dass der Turbolader keine Funktionsverschlechterung zeigt. Alternativ dazu wird in bestimmten Ausführungsformen keine Maßnahme durchgeführt. Wenn dagegen bestimmt wird, dass der gemessene Druck den Schwellendruck überschritten hat, wird bei Schritt 608 angezeigt, dass der Turbolader eine Funktionsverschlechterung zeigt. Wenn eine Funktionsverschlechterung erkannt wird, kann die Regler- bzw. Steuereinrichtung, wie oben beschrieben, einen Diagnosecode aussenden, um ein über eine Bedienerkonsole angezeigtes Fehlfunktions-Anzeigelämpchen (MIL) leuchten zu lassen, einen Diagnosecode an einen zentralen Leitstand aussenden oder dergleichen.
Auf diese Weise kann eine gegebene Funktionsverschlechterung des Turboladers diagnostiziert werden, während der Turbolader in Betrieb ist. Zum Beispiel kann die Funktionsverschlechterung des Turboladers aufgrund von Undichtigkeiten in einer oder mehreren berührungslosen Dichtungen, wie den Labyrinthdichtungen des Kompressors und der Turbine, erkannt werden, wenn einer oder mehrere Drücke innerhalb des Turboladers ihre jeweiligen Schwellendrücke überschreiten. Wenn der gemessene Druck den Schwellendruck nicht überschritten hat, kann angezeigt werden, dass ein Überdruckereignis in einem Kurbelgehäuse des Motors nicht auf einen Turbolader, der eine Funktionsverschlechterung zeigt, sondern auf eine andere Gegebenheit, beispielsweise auf Kolbenringe, die eine Funktionsverschlechterung zeigen, oder eine andere Ursache zurückzuführen ist.
In manchen Ausführungsformen kann die Funktionsverschlechterung des Turboladers auf einem gemessenen Druckunterschied innerhalb des Turboladers, auf dem Frequenzinhalt von einem der Drucksignale und auf einem Vergleich des gemessenen Druckes mit einem Schwellendruck basieren. Zum Beispiel kann es sein, dass der Frequenzinhalt nur dann bestimmt wird, wenn der Druckunterschied größer ist als ein Schwellenunterschied, und dass der Druckunterschied nur dann bestimmt wird, wenn der gemessene Druck einen Schwellenwert überschritten hat.
In Ausführungsformen werden Parameter (z. B. Druckschwellenwerte) für die Bewertung der Funktionstüchtigkeit oder des Zustands des Turboladers empirisch als Funktion eines Motor-/Systembetriebsmodus bestimmt. Bei einem gegebenen Motor/System werden Drücke in einem Turbolader des Systems für verschiedene Betriebsmodi dann gemessen, wenn man weiß, dass der Motor/das System optimal arbeitet. Zum Beispiel kann der Motor/das System ein Testmodell, ein neues Modell, ein kürzlich gewartetes Modell usw. sein. (Stellen, an denen die Drücke gemessen werden können, sind an anderer Stelle in der vorliegenden Beschreibung beschrieben.) Die Druckwerte werden dann gespeichert und verwendet, um die Funktionstüchtigkeit des Turboladers im einem Motor/in Systemen des gleichen oder eines ähnlichen Typs zu beurteilen. In einer anderen Ausführungsform werden Druckwerte in verschiedenen Einheiten eines Motors/Systems des gleichen Typs (von denen man weiß, dass sie optimal arbeiten) gemessen und gemittelt oder anderweitig verarbeitet, um einen Satz von Gesamtwerten zu bestimmen, die bei der Bewertung des Motors/der Systeme der gleichen oder einer ähnlichen Art verwendet werden sollen. In einer anderen Ausführungsform werden Druckwerte in einem Motor/System gemessen, der bzw. das im Feld normal und fortgesetzt verwendet worden ist, jedoch zu einer Zeit, zu der der Motor/das System neu gewesen ist und/oder zu der man aus anderen Gründen annehmen konnte, dass das System optimal arbeitet. Die Druckwerte werden gespeichert und während der fortgesetzten Verwendung des Motors/Systems als Bezugswerte für künftige Bewertungen der Funktionstüchtigkeit des Turboladers verwendet. In einer anderen Version einer solchen Ausführungsform werden zu Anfang (in einem neuen, in Gebrauch befindlichen Motor/System) erfasste Druckwerte nur dann für künftige Bewertungen verwendet, wenn sie unter einem Fehlerschwellenwert von Testwerten für einen Motor/ein System des gleichen oder eines ähnlichen Typs liegen. Wenn die zu Anfang erfassten Werte auf Basis eines vorgegebenen Fehlerschwellenwerts oder anderweitig (relativ) weit weg sind von erwarteten Werten, wird somit eine Warnung oder ein Alarm erzeugt, um einen Betreiber darüber zu informieren, dass etwas nicht in Ordnung ist, oder es wird eine ähnliche Hilfsmaßnahme ergriffen. „Motor/System“ bedeutet einen Motor, ein Motorsystem, ein Fahrzeug oder ein anderes System mit einem Motorsystem oder dergleichen.
Eine andere Ausführungsform betrifft ein Verfahren, das einen Schritt des Bestimmens eines ersten Druckes an einer ersten Stelle innerhalb eines Turboladers und einen Schritt des Bestimmens eines zweiten Druckes an einer zweiten Stelle innerhalb des Turboladers beinhaltet. Das Verfahren beinhaltet ferner einen Schritt des Ausgebens eines Steuersignals, das einen Zustand des Turboladers anzeigt, oder das eine Reaktion auf einen solchen Zustand ist, basierend auf dem ersten Druck und dem zweiten Druck.
In einer anderen Ausführungsform eines Verfahrens beinhaltet das Verfahren das Bestimmen eines ersten Druckes an einer ersten Stelle in einem Turbolader, das Bestimmen eines zweiten Druckes an einer zweiten Stelle in einem Turbolader und das Bestimmen eines Frequenzinhalts des ersten zweiten Druckes. Das Verfahren beinhaltet ferner das Ausgeben eines Steuersignals, das einen Zustand des Turboladers anzeigt oder eine Reaktion darauf ist, basierend auf dem ersten Druck, dem zweiten Druck und dem Frequenzinhalt des zweiten Drucks.
Eine andere Ausführungsform betrifft ein System, das einen Turbolader mit einem Kompressor und einer Turbine aufweist. Der Turbolader ist mit einem Motor in einem Fahrzeug verbunden. Das System weist ferner einen ersten Drucksensor, einen zweiten Drucksensor und eine Regler- bzw. Steuereinrichtung auf. Der erste Drucksensor ist in einem Ölhohlraum des Turboladers angeordnet und so gestaltet, dass er ein erstes Signal erzeugt. Der zweite Drucksensor ist in einem Dichtungshohlraum des Turboladers angeordnet und so gestaltet, dass er ein zweites Signal erzeugt. Die Regler- bzw. Steuereinrichtung ist so gestaltet, dass sie einen ersten Druck aus dem ersten Signal und einen zweiten Druck aus dem zweiten Signal erkennt und einen Zustand des Turboladers auf Basis der ersten und zweiten Drücke bestimmt. Zum Beispiel kann die Regler- bzw. Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie eine Funktionstüchtigkeit des Turboladers auf Basis der ersten und zweiten Drücke bestimmt. Die Funktionstüchtigkeit des Turboladers kann beispielsweise Abstände zwischen notwendigen Wartungseingriffen und/oder zwischen Auswechselungen wiedergeben. So können die Abstände zwischen notwendigen Wartungseingriffen umso kürzer sein, je schlechter die Funktionstüchtigkeit des Turboladers ist, während die Abstände zwischen notwendigen Wartungseingriffen umso länger sein können, je besser die Funktionstüchtigkeit des Turboladers ist. In einem anderen Beispiel kann die Regler- bzw. Steuereinrichtung so gestaltet sein, dass sie auf Basis eines Unterschieds zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck, beispielsweise aufgrund dessen, dass der Unterschied größer ist als ein vorgegebener Schwellenunterschied, bestimmt, ob der Turbolader eine Funktionsverschlechterung zeigt (z. B. so weit, dass eine Wartung erforderlich ist).
Eine andere Ausführungsform betrifft ein System, das ein Steuermodul aufweist, das so gestaltet ist, dass es ein erstes Drucksignal von einem ersten Drucksensor empfängt, der an einer ersten Stelle eines Turboladers angeordnet ist. Das Steuermodul ist ferner so gestaltet, dass es ein zweites Drucksignal von einem zweiten Drucksensor an einer zweiten Stelle des Turboladers empfängt. (Die ersten und zweiten Stellen können an anderer Stelle der vorliegenden Beschreibung beschrieben sein.) Das Steuermodul ist ferner so gestaltet, dass es ein Steuersignal auf Basis des ersten Drucksignals und des zweiten Drucksignals ausgibt. Zum Beispiel kann das Steuermodul so gestaltet sein, dass es eine mögliche Funktionsverschlechterung des Turboladers auf Basis der ersten und zweiten Drucksignale bewertet und das Steuersignal als Reaktion auf die Bestimmung einer Funktionsverschlechterung des Turboladers ausgibt. Das Steuersignal kann so formatiert oder konfiguriert sein, dass es ein System (z. B. eine Bedienerschnittstelle, einen Alarm) steuert, um die Funktionsverschlechterung anzuzeigen, oder das Steuersignal kann verwendet werden, um ein Fahrzeugantriebssystem unter Berücksichtigung der Funktionsverschlechterung zu steuern. Das Steuermodul kann ein Hardware- und/oder Software-Modul sein, das heißt, es kann folgendes beinhalten: miteinander verbundene elektronische Komponenten, die so gestaltet sind, dass sie eine oder mehrere vorgegebene Funktionen ausführen (z. B. Eingangssignale empfangen und Ausgangs-/Steuersignale auf Basis der Eingangssignale erzeugen); und/oder Software, das heißt, einen oder mehrere Sätze von elektronisch lesbaren Befehlen, die in nicht-flüchtigen Medien/einem nicht-flüchtigen Medium gespeichert sind und die, wenn sie von einer elektronischen Vorrichtung (einer Gruppe von untereinander verbundenen elektronischen Komponenten) gelesen und ausgeführt werden, bewirken, dass die elektronische Vorrichtung eine oder mehrere Funktionen gemäß dem Inhalt der Befehle ausführt.
In einer anderen Ausführungsform ist das Steuermodul so gestaltet, dass es einen Druckunterschied auf Basis des ersten Drucksignals und des zweiten Drucksignals bestimmt und bestimmt, ob der Druckunterschied eines oder mehrere vorgegebene Kriterien erfüllt. Das Steuermodul ist so gestaltet, dass es, wenn der Druckunterschied das eine oder die mehreren vorgegebenen Kriterien erfüllt, ein Steuersignal ausgibt, das eine gegebene Funktionsverschlechterung des Turboladers anzeigt oder damit in Beziehung steht. Das eine oder die mehreren vorgegebenen Kriterien werden als Funktion der Stellen, an denen die Drücke gemessen werden, vorbestimmt und zeigen eine gegebene Funktionsverschlechterung des Turboladers an. Zum Beispiel kann ein funktionstüchtiger Turbolader normalerweise einen ersten Druckunterschied zwischen zwei Punkten als Funktion eines Betriebsmodus aufweisen. Das mindestens eine Kriterium umfasst eine Abweichung vom ersten Druckunterschied (einen entweder kleineren oder größeren Druckunterschied) um mehr als einen Schwellenwert. Als weiteres Beispiel kann das mindestens eine Kriterium eine Abweichung vom ersten Druckunterschied um mehr als einen Schwellenwert beinhalten, die nur einen großen Druckunterschied oder nur einen kleineren Druckunterschied wiedergibt. Das heißt, wenn der Druckunterschied normalerweise „X“ ist, werden die Kriterien in einer Ausführungsform nur dann erfüllt, wenn X um einen Schwellenwert überschritten wird, und in einer anderen Ausführungsform werden die Kriterien nur dann erfüllt, wenn der erfasste Druckunterschied um einen Schwellenwert kleiner ist als X. Die ausgewählten Kriterien hängen vom jeweiligen Turbolader und den Stellen ab, wo der Druck gemessen wird.
In einer anderen Ausführungsform ist das Steuermodul so gestaltet, dass es eine Frequenzanalyse von einem oder von beiden von den ersten und zweiten Drucksignalen durchführt und das Steuersignal (zumindest zum Teil) auf Basis der Frequenzanalyse ausgibt.
In einer Ausführungsform kann die Regler- bzw. Steuereinrichtung 148 (oben mit Bezug auf 1 beschrieben), wie nachstehend mit Bezug auf 7-9 beschrieben, so gestaltet sein, dass sie Signale, die einen Turboladeröldruck anzeigen, von einem Öldrucksensor, beispielsweise einem Messwandler, der mit einem Turbolader assoziiert ist, empfängt und das Versagen eines Lagers aus dem Frequenzinhalt und/oder dem Basislinieninhalt des Drucksignals bestimmt. Wie oben mit Bezug auf 4 beschrieben ist, kann eine Funktionsverschlechterung eines Lagers und/oder einer berührungslosen Dichtung auf Basis eines Frequenzinhalts eines Drucksignals, beispielsweise verschiedener Harmonischer des Drucksignals, gemessen an verschiedenen Stellen innerhalb des Turboladers, bestimmt werden. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben ist, kann ein anderes Verfahren zur Erkennung einer Funktionsverschlechterung von Turboladerlagern auf Basis von Frequenzinhalt auf einer Hochfrequenzkomponente des Drucksignals und/oder einer Basislinienkomponente des Drucksignals basieren, wenn der Druck in einer Druckölzufuhr des Turboladers gemessen wird.
7 zeigt eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Turboladers 700, der mit einem Motor verbunden sein kann, beispielsweise des Turboladers 120, der oben mit Bezug auf 1 beschrieben wurde. Die in 7 gezeigte Darstellung ist eine Querschnittsdarstellung eines Abschnitts des Turboladers 700. In einem Beispiel kann der Turbolader 700 mit dem Motor verbolzt sein. In einem anderen Beispiel kann der Turbolader 700 zwischen der Abgasleitung und der Ansaugleitung des Motors angeschlossen sein. In anderen Beispielen kann der Turbolader auf eine andere geeignete Weise mit dem Motor verbunden sein.
Der Turbolader 700 weist eine Turbine 702 und einen Kompressor 704 auf. Abgase aus dem Motor strömen durch die Turbine 702, und Energie aus den Abgasen wird in rotationskinetische Energie umgewandelt, um eine Welle 206 rotieren zu lassen, die ihrerseits den Kompressor 704 antreibt. Angesaugte Außenluft wird verdichtet (z. B. wird der Druck der Luft erhöht), wenn sie durch den rotierenden Kompressor 704 gesaugt wird, so dass eine größere Luftmasse zu den Zylindern des Motors geliefert werden kann.
In manchen Ausführungsformen können die Turbine 702 und der Kompressor 704 separate Gehäuse aufweisen, die miteinander verbolzt sind, so dass eine Einheit (z. B. ein Turbolader 700) gebildet wird. Zum Beispiel kann die Turbine ein Gehäuse aufweisen, das aus Gusseisen besteht, und der Kompressor kann ein Gehäuse aufweisen, das aus einer Aluminiumlegierung besteht. In anderen Beispielen können Gehäuse der Turbine und des Kompressors aus dem gleichen Material bestehen. Es sei klargestellt, dass das Turbinengehäuse und das Kompressorgehäuse aus beliebigen geeigneten Materialien hergestellt werden können.
Der Turbolader 700 weist ferner Gleitlager 708, 710 auf, um die Welle 706 so zu lagern, dass sich die Welle mit hoher Geschwindigkeit und verringerter Reibung drehen kann. Ein Kompressorlager ist bei 708 angegeben, und ein Turbinenlager ist bei 710 angegeben. Der Turbolader kann ferner ein Schmiersystem aufweisen, um die Funktionsverschlechterung der Lager zu verringern und um eine Temperatur der Lager aufrechtzuerhalten (z. B. die Lager kühl zu halten). Während der Motor in Betrieb ist, kann beispielsweise ein konstanter Strom von Motoröl oder Motorkühlmittel durch den Turbolader strömen. In einem Beispiel kann unter Druck stehendes Motoröl über einen Öleinlass 712 in den Turbolader eintreten. Ein Öldrucksensor 714 (z. B. ein Messwandler) steht mit dem Öleinlass in Wirkverbindung. Zum Beispiel kann der Öldrucksensor 714 in einer Druckölzufuhr angeordnet sein. Im Betrieb erzeugt der Öldrucksensor 714 ein Signal 716, das den Öldruck im Zusammenhang mit den Gleitlagern anzeigt. Das Signal 716 kann beispielsweise an die Regler- bzw. Steuereinrichtung 148 geschickt werden.
Während des Turboladerbetriebs wird Öl von der Motorölzufuhr über eine Ölpumpe oder dergleichen zum Turbolader geliefert. Nach dem Starten des Motors erreicht der Lieferdruck im stabilen Zustand einen Wert 800, wie in 8 dargestellt ist. Der Druck von Öl, das zum Turbolader geliefert wird, ist etwas niedriger, erreicht nach dem Motorstart jedoch auch einen Basisliniendruck 802. („Basislinie“ bezeichnet einen Druck in einem stabilen Zustand, der z. B. nur relativ geringe Niederfrequenzänderungen zeigt, und/oder einen Turboladeröldruck nach dem Motorstart, der mit einem neuen Turbolader oder einem Turbolader, von dem man anderweitig weiß, dass er ordnungsgemäß arbeitet, assoziiert ist.)
In Ausführungsformen der Erfindung wird der Hochfrequenzinhalt des Ölzufuhrdrucks überwacht, um destruktive Wellenbewegungen und ein progressives Versagen des Lagers prognostizieren zu können. Für diesen Zweck kann auch der Basislinienöldruck des Turboladers überwacht werden. Wenn die Welle gewuchtet ist und das Lager normal arbeitet, ist der Öldruck im Turbolader konstant und vorhersehbar. Wenn die Welle wegen einer Unwucht oder eines Lagerverschleißes schwingt, werden vom Druckmesswandler höherfrequente Drucksignale erfasst. Zusammen können der Basisliniendruck und die hochfrequenten Signale die Funktionstüchtigkeit der Welle und des Lagers prognostizieren. Durch diesen Funktionstüchtigkeitsstatus kann der Betreiber über die sichere Lebensdauer (Safe-Life) des Turboladers informiert werden, um geeignete Schritte unternehmen zu können.
Zur Erläuterung: wenn ein ordnungsgemäß konstruiertes Gleitlager eines Turboladers auf normale Weise arbeitet, überschreiten die Kräfte der Unwucht und des Taumelns des Lagers (whirl) nicht die Schwerkraft, die auf die Turbolader wirkt. Aufgrund der hohen Drehzahl (UpM) und der relativ leichten Lasten im Zusammenhang mit Turboladerwellen sind die Lager so konstruiert, dass sie die Welle in vereinzelten Bereichen, den sogenannten Lagersegmenten, lagern. Die Welle läuft in den Lagersegmenten stabil. In diesem stabilen Lagerbetrieb werden keinerlei hochfrequente Druckwellen zurück zum Druckmesswandler übertragen. Wenn die Unwuchtkräfte der Rotorwelle groß genug sind, um die Welle aus der stabilen Position zu verdrängen, taumelt die Welle im Lager, was schnelle Änderungen des Lagerspiels bewirkt. Die Welle schlägt gegen das Lager und bewirkt hochfrequente Druckwellen. Die Druckwellen aus diesen destruktiven Bewegungen werden entlang der Ölzufuhrbohrung nach oben übertragen und können vom Öldrucksensor erfasst werden. Lässt man die destruktiven Bewegungen über einige Zeit andauern, kommt es zu Verschleiß und Verformung im Lager, was zu einem zu großen Lagerspiel führen kann. Das vergrößerte Lagerspiel kann den Basisliniendruck verringern, der vom Öldruckmesswandler erfasst wird. Die Vergrößerung des Lagerspiels verstärkt die Lagerbewegung noch, was zu einem Versagen des Lagers führt.
In einer Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren mit Bezug auf 7 und 8 das Empfangen eines Signals 716, das einen überwachten Druck einer Druckölzufuhr eines Turboladers 700 oder einer anderen Turbomaschine anzeigt. Das Verfahren beinhaltet ferner das Bestimmen, ob eine Hochfrequenzkomponente 804 des Signals eines oder mehrere vorgegebene Kriterien erfüllt. Wenn die Hochfrequenzkomponente des Druckes das eine oder die mehreren vorgegebenen Kriterien erfüllt, wird ein erstes Steuersignal 806 erzeugt, das eine Warnung an einen Betreiber in Bezug auf eine prognostizierte Funktionstüchtigkeit (oder einen anderen Betriebszustand) initiiert.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren ferner das Überwachen der Basislinienkomponente 802 des Signals. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erzeugen eines zweiten Steuersignals 808, wenn ein absoluter Wert der Änderung der Basislinienkomponente über einem Schwellenbetrag liegt. In einem speziellen Beispiel kann das Verfahren bestimmen, ob der absolute Wert der Änderung größer ist als ein Schwellenwert, wenn dieser beim Erzeugen des zweiten Steuersignals nach unten tendiert, während das Verfahren in einem noch weiteren Beispiel bestimmen kann, ob der absolute Wert der Änderung größer ist als ein Schwellenwert, wenn dieser beim Erzeugen des zweiten Steuersignals nach oben tendiert.
In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Verfahren das Empfangen eines Signals 716, das einen überwachten Druck einer Druckölzufuhr eines Turboladers 700 oder einer anderen Turbomaschine anzeigt. Das Verfahren beinhaltet ferner das Durchführen einer ersten Bewertung einer hochfrequenten Komponente 804 des Signals und das Durchführen einer zweiten Bewertung einer Basislinienkomponente 802 des Signals. Auf Basis der ersten und zweiten Bewertungen wird ein Steuersignal erzeugt, das einen prognostizierten Betriebszustand des Turboladers anzeigt. Die erste Bewertung beinhaltet eine Bestimmung, ob die Hochfrequenzkomponente des Signals eines oder mehrere vorgegebene Kriterien erfüllt, und die zweite Bewertung beinhaltet eine Bestimmung, ob ein absoluter Wert der Änderung der Basislinienkomponente des Signals über einem Schwellenwert liegt (und nach oben oder nach unten tendiert).
Die Bestimmung, ob der absolute Wert einer Änderung der Basislinienkomponente 802 über dem Schwellenwert liegt (das heißt, ob die Basislinienkomponente nach unten oder nach oben tendiert), kann beinhalten: Speichern von Daten der Basislinienkomponente im Zeitverlauf; und Vergleichen von früheren Werten der Basislinienkomponente mit einem aktuellen Wert (oder mit mehreren folgenden Werten, die nach den früheren Werten aufgezeichnet worden sind). Wenn in einem Beispiel der aktuelle Wert (oder die folgenden Werte) kleiner ist als die früheren Werte (z. B. um mindestens einen Schwellenbetrag niedriger ist), dann kann bestimmt werden, dass die Basislinienkomponente nach unten tendiert. Wenn in einem anderen Beispiel der aktuelle Wert (oder die folgenden Werte) größer ist als die früheren Werte (z. B. um mindestens einen Schwellenbetrag höher ist), dann kann bestimmt werden, dass die Basislinienkomponente nach oben tendiert. In jedem Fall kann der absolute Wert der Basislinienkomponente größer sein als der Schwellenbetrag.
Die Bestimmung, ob die Hochfrequenzkomponente des Signals eines oder mehrere vorgegebene Kriterien erfüllt, kann die Verarbeitung des Signals unter Verwendung eines Signalprozessors oder dergleichen beinhalten. In einer Ausführungsform beinhaltet das Kriterium, dass überhaupt eine Hochfrequenzkomponente vorhanden ist. Das heißt, sobald eine Hochfrequenzkomponente vorhanden ist, wird entschieden, dass das Kriterium erfüllt ist. Andere Kriterien können die Frequenz und den absoluten Wert der Hochfrequenzkomponente betreffen. „Hoch“-frequenzkomponente bedeutet: eine Frequenz, die um mindestens einen Schwellenwert höher ist als die Basislinienkomponente; und/oder einen Frequenzbereich, von dem auf Basis von experimentellen Analysen empirisch bestimmt worden ist, dass er auf einen Lagerverschleiß hinweist; und/oder eine Frequenz, die proportional ist zur Drehzahl (UpM) der Turboladerwelle. Das Signal 716 kann im Hinblick auf seine Hochfrequenzkomponente (falls vorhanden) anhand von Standard-Signalverarbeitungstechniken bewertet werden.
9 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 900 zur Untersuchung eines Turboladers, beispielsweise des oben mit Bezug auf 7 beschriebenen Turboladers 700, darstellt. Genauer stellt das Verfahren eine prognostizierte Funktionstüchtigkeit der Lager und der Welle des Turboladers auf Basis einer Druckmessung in einem Ölzufuhr-Hohlraum des Turboladers fest. Der prognostizierte Funktionstüchtigkeitsstatus des Turboladers kann auch eine Voraussage über die sichere Lebensdauer (Safe-Life) des Turboladers beinhalten. Somit kann dies beispielsweise Abstände zwischen notwendigen Wartungseingriffen wiedergeben. Wenn der prognostizierte Funktionstüchtigkeitsstatus des Turboladers schlechter wird (das heißt, wenn seine erwartete sichere Lebensdauer kürzer wird), werden die Abstände zwischen den notwendigen Wartungseingriffen kleiner. Wenn der prognostizierte Funktionstüchtigkeitsstatus des Turboladers besser wird (das heißt, wenn seine erwartete sichere Lebensdauer länger wird), werden die Abstände zwischen den notwendigen Wartungseingriffen größer.
Bei Schritt 902 des Verfahrens werden Betriebsbedingungen des Systems bestimmt. Die Betriebsbedingungen können den Ladedruck, die Turbinendrehzahl, den Umgebungsdruck, die Umgebungstemperatur, die Fahrstufeneinstellung des Motors und dergleichen beinhalten.
Nachdem die Betriebsbedingungen bestimmt worden sind, schreitet das Verfahren zu Schritt 904 fort, wo der Druck in der Ölzufuhr gemessen wird. Zum Beispiel kann der Druck von einem Drucksensor überwacht werden, beispielsweise einem Druckmesswandler oder einer anderen geeigneten Druckmessvorrichtung.
Bei Schritt 906 wird eine erste Bewertung durchgeführt, um eine Hochfrequenzkomponente des Drucksignals zu bestimmen. Wie oben beschrieben, kann die Hochfrequenzkomponente des Drucksignals eine Frequenz sein, die um mindestens einen Schwellenwert höher ist als eine Basislinienkomponente des Signals. In anderen Beispielen kann die Hochfrequenzkomponente ein Frequenzbereich sein, von dem auf Basis von experimentellen Analysen empirisch bestimmt worden ist, dass er einen Lagerverschleiß anzeigt. Als anderes Beispiel kann die Hochfrequenzkomponente eine Frequenz sein, die der Drehzahl der Turboladerwelle entspricht. Zum Beispiel kann die Hochfrequenzkomponente eine Harmonische der Turbinendrehzahl sein.
Sobald die erste Bewertung durchgeführt worden ist, geht das Verfahren zu Schritt 908 weiter, wo bestimmt wird, ob die Hochfrequenzkomponente eines oder mehrere vorgegebene Kriterien erfüllt. Als ein Beispiel kann das vorgegebene Kriterium beinhalten, dass die Hochfrequenzkomponente des Signals eine Schwellenfrequenz erreicht oder übertrifft.
Wenn bestimmt wird, dass das Hochfrequenzsignal das vorgegebene Kriterium erfüllt, geht das Verfahren zu Schritt 916 weiter, wo ein erstes Steuersignal erzeugt wird, das eine Warnung an einen Betreiber in Bezug auf eine prognostizierte Funktionstüchtigkeit des Turboladers anzeigt. Zum Beispiel kann das Steuersignal so formatiert sein, dass ein System als Reaktion auf das Steuersignal eine Warnung an den Betreiber erzeugt. Als Beispiel kann die prognostizierte Funktionstüchtigkeit eine destruktive Bewegung des Turboladers und ein progressives Versagen des Lagers beinhalten. Somit kann das erste Steuersignal so formatiert sein, dass es eine Funktionsverschlechterung des Turboladers anzeigt.
Wenn dagegen bestimmt wird, dass die Hochfrequenzkomponente das vorgegebene Kriterium nicht erfüllt hat, geht das Verfahren zu Schritt 910 weiter, wo eine zweite Bewertung durchgeführt wird, um eine Basislinienkomponente des Drucksignals zu bestimmen. Wie oben beschrieben, kann die Basislinienkomponente ein Druck im stabilen Zustand sein, der nur relativ geringe Frequenzänderungen aufweist. In einem Beispiel kann die Basislinienkomponente ein Öldruck des Turboladers nach einem Starten eines Motors sein, der mit einem neuen Turbolader oder mit einem Turbolader assoziiert ist, von dem man aus anderen Gründen weiß, dass er normal arbeitet. In einem Beispiel kann die Basislinienkomponente des Drucksignals im Zeitverlauf gespeichert werden. In einem solchen Beispiel kann eine Basislinienkomponente eines aktuellen Werts mit den gespeicherten Daten verglichen werden.
Sobald die zweite Bewertung durchgeführt wird, schreitet das Verfahren somit zu Schritt 912 weiter, wo bestimmt wird, ob ein absoluter Wert der Änderung der Basislinienkomponente des Drucksignals über einem Schwellenbetrag liegt. Das heißt, es kann ein absoluter Wert der Verschiebung gegenüber oder der Änderung im Vergleich zu dem Basisliniendruckimpuls eines Schmierölkreislaufs bestimmt werden. Somit kann die Änderung eine Verkleinerung oder Vergrößerung der Basislinienkomponente des Drucksignals beinhalten. In einem Beispiel kann die Basislinienkomponente kleiner werden, und es kann bestimmt werden, dass die Basislinienkomponente nach unten tendiert, wenn der aktuelle Wert der Basislinienkomponente um mindestens den Schwellenbetrag kleiner ist als die gespeicherten Daten. Als Beispiel tendiert die Signatur der Basislinienkomponente nach unten, sobald das Lagerspiel größer wird. In einem alternativen Beispiel kann die Basislinienkomponente größer werden, und es kann bestimmt werden, dass die Basislinienkomponente nach oben tendiert, wenn der aktuelle Wert der Basislinienkomponente um mindestens den Schwellenbetrag größer ist als die gespeicherten Daten. Wenn beispielsweise die gesamte dynamische Reaktion des Systems pro Umdrehung betrachtet wird (aufgrund einer Unwucht), kann die Signatur der Basislinienkomponente nach oben tendieren. Wenn bestimmt wird, dass sich die Basislinienkomponente nicht um mehr als den Schwellenbetrag ändert (das heißt, nicht nach unten oder nach oben tendiert), geht das Verfahren zu Schritt 918 weiter, und der aktuelle Systembetrieb wird fortgesetzt. Wenn dagegen bestimmt wird, dass der absolute Wert der Änderung der Basislinienkomponente größer ist als der Schwellenbetrag (wenn z. B. die Basislinienkomponente nach unten oder nach oben tendiert), geht das Verfahren zu Schritt 914 weiter, wo ein zweites Steuersignal erzeugt wird. Ähnlich wie beim ersten Steuersignal, kann das zweite Steuersignal einen prognostizierten Betriebszustand des Turboladers anzeigen. Zum Beispiel kann das zweite Steuersignal eine Funktionsverschlechterung des Turboladers anzeigen, beispielsweise eine destruktive Bewegung der Turboladerwelle und ein progressives Versagen des Lagers. Als weiteres Beispiel kann das Signal anzeigen, dass die prognostizierte Funktionstüchtigkeit verschlechtert ist und/oder dass sich die erwartete sichere Lebensdauer des Turboladers verkürzt hat. Dadurch, dass eine Angabe der prognostizierten Funktionstüchtigkeit und der sicheren Lebensdauer gemacht wird, können Wartungsmaßnahmen auf angemessene Weise und rechtzeitig geplant werden.
Aufgrund der destruktiven Bewegung der Lagerwelle, die aus einem Versagen des Lagers resultiert, kann die Hochfrequenzkomponente des Signals erfasst werden, oder die Hochfrequenzkomponente kann größer sein als eine Schwellenfrequenz.
Ferner kann die Basislinienkomponente des Drucksignals aufgrund eines Versagens des Lagers nach unten tendieren. Durch Überwachen der Hochfrequenz- und/oder Basislinienkomponenten des Druckes in einer Druckölzufuhr des Turboladers kann somit eine Funktionsverschlechterung des Turboladers diagnostiziert werden. Auf diese Weise können geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um den Betrieb des Turboladers anzupassen und/oder den Turbolader einer Wartung zuzuführen, um beispielsweise ein unerwartetes Versagen zu vermeiden.
Wie hierin verwendet, ist ein Element oder ein Schritt, der im Singular genannt ist und dem ein Wort „ein, eine“ vorangestellt ist, nicht so aufzufassen, als würde damit der Plural der Elemente oder Schritte ausgeschlossen, es sei denn, ein solcher Ausschluss wird ausdrücklich angegeben. Ferner sind Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“ der vorliegenden Erfindung nicht so zu interpretieren, als würden sie das Vorhandensein zusätzlicher Ausführungsformen ausschließen, welche die genannten Merkmale ebenfalls verkörpern. Solange nicht ausdrücklich das Gegenteil angegeben ist, können Ausführungsformen, die ein Element oder eine Mehrzahl von Elementen mit einer bestimmten Eigenschaft „umfassen“, „beinhalten“ oder „aufweisen“ zusätzliche derartige Elemente beinhalten, die diese Eigenschaft nicht haben. Die Begriffe „including“ und „in which“ [im englischen Ausgangstext] werden als die allgemeinsprachlichen Entsprechungen der jeweiligen Begriffe „comprising“ und „wherein“ verwendet. Darüber hinaus werden die Begriffe „erster, erste, erstes“, „zweiter, zweites, zweites“ und „dritter, dritte, drittes“ usw. nur als Kennzeichnungen verwendet und sollen keine numerischen Notwendigkeiten oder eine bestimmte lagemäßige Reihenfolge ihrer Objekte vorgeben.
Diese Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich des besten Modus, zu beschreiben und um den Durchschnittsfachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu auch die Herstellung und Verwendung von Vorrichtungen und Systemen und die Ausführung enthaltener Verfahren gehört. Der schutzwürdige Bereich der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele einschließen, die für den Durchschnittsfachmann naheliegend sein mögen. Diese anderen Beispiele sollen im Bereich der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie gleichwertige strukturelle Elemente aufweisen, die sich vom Wortlaut der Ansprüche nur unerheblich unterscheiden.

Claims

Verfahren, umfassend: Empfangen eines Signals, das einen überwachten Druck einer Druckölzufuhr eines Turboladers oder einer anderen Turbomaschine anzeigt; Bestimmen, ob eine Hochfrequenzkomponente des Signals eines oder mehrere vorgegebene Kriterien erfüllt; und Erzeugen eines ersten Steuersignals, wenn die Hochfrequenzkomponente des Signals das eine oder die mehreren vorgegebenen Kriterien erfüllt; gekennzeichnet dadurch, dass das Steuersignal eine Warnung an einen Betreiber in Bezug auf eine prognostizierte Funktionstüchtigkeit des Turboladers anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die prognostizierte Funktionstüchtigkeit eine destruktive Bewegung einer Turboladerwelle und ein progressives Versagen eines Lagers anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die prognostizierte Funktionstüchtigkeit eine erwartete sichere Lebensdauer des Turboladers beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Überwachen einer Basislinienkomponente des Signals; und Erzeugen eines zweiten Steuersignals, wenn ein absoluter Wert einer Änderung der Basislinienkomponente über einem Schwellenbetrag liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Basislinienkomponente des Signals ein Druck der Druckölzufuhr in einem stabilen Zustand ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das zweite Steuersignal eine Funktionsverschlechterung des Turboladers anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hochfrequenzkomponente Frequenzen in einem Bereich anzeigt, der einen Lagerverschleiß anzeigt.
Verfahren, umfassend: Empfangen eines Signals, das einen überwachten Druck einer Druckölzufuhr eines Turboladers oder einer anderen Turbomaschine anzeigt; Durchführen einer ersten Bewertung einer Hochfrequenzkomponente des Signals; Durchführen einer zweiten Bewertung einer Basislinienkomponente des Signals; und Erzeugen eines Steuersignals, das einen prognostizierten Betriebszustand des Turboladers anzeigt, auf Basis der ersten und zweiten Bewertungen; gekennzeichnet dadurch, dass die erste Bewertung eine Bestimmung beinhaltet, ob die Hochfrequenzkomponente des Signals eines oder mehrere vorgegebene Kriterien erfüllt, und die zweite Bewertung eine Bestimmung beinhaltet, ob ein absoluter Wert der Änderung der Basislinienkomponente des Signals über einem Schwellenbetrag liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner das Anzeigen einer Funktionsverschlechterung des Turboladers umfassend, wenn der absolute Wert der Basislinienkomponente des Signals um mehr als den Schwellenbetrag steigt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das vorgegebene Kriterium beinhaltet, dass die Hochfrequenzkomponente des Signals über einer Schwellenfrequenz liegt.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner das Anzeigen einer Funktionsverschlechterung des Turboladers umfassend, wenn die Hochfrequenzkomponente des Signals höher ist als die Schwellenfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner das Speichern von Daten der Basislinienkomponente des Signals im Zeitverlauf umfassend, und wobei das Durchführen der zweiten Bewertung das Vergleichen eines aktuellen Wertes der Basislinienkomponente mit den gespeicherten Daten beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Hochfrequenzkomponente eine Frequenz aufweist, die um mindestens einen Schwellenwert höher ist als die Basislinie.
System, aufweisend: einen Turbolader mit einem Kompressor und einer Turbine, wobei der Turbolader mit einem Motor in einem Fahrzeug verbunden ist; einen Drucksensor, der so gestaltet ist, dass er ein Signal erzeugt, das einen überwachten Druck anzeigt, der eine Frequenzkomponente und eine Basislinienkomponente beinhaltet, wobei der Drucksensor in einer Druckölzufuhr des Turboladers angeordnet ist; und ein Steuermodul, das so gestaltet ist, dass es das Signal vom Drucksensor empfängt, eine erste Bewertung der Frequenzkomponente durchführt, eine zweite Bewertung der Basislinienkomponente durchführt und auf Basis der ersten und zweiten Bewertungen ein Steuersignal ausgibt; gekennzeichnet dadurch, dass das Steuersignal einen prognostizierten Betriebszustand des Turboladers anzeigt; wobei die Turbine und der Kompressor über eine Welle verbunden sind, und wobei ferner der prognostizierte Betriebszustand eine destruktive Bewegung der Turboladerwelle beinhaltet.
System nach Anspruch 14, wobei das Steuermodul ferner so gestaltet ist, dass es Daten der Basislinienkomponente des Signals im Zeitverlauf speichert.
System nach Anspruch 15, wobei das Steuermodul ferner so gestaltet ist, dass es während der zweiten Bewertung einen aktuellen Wert der Basislinienkomponente mit den gespeicherten Daten vergleicht und eine Funktionsverschlechterung des Turboladers anzeigt, wenn der aktuelle Wert um mindestens einen Schwellenwert kleiner ist als die gespeicherten Daten.