JP2015535571A - 圧縮機ホイールの回転を監視する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機ホイール（１２）の、特に排ガスターボチャージャの圧縮機ホイール（１２）の回転を監視する方法、ならびにこの方法を実施する装置（１０）が提案される。【解決手段】 本発明の方法では、圧縮機ホイール（１２）は円周側に複数個ｎのブレード（１４）を有していることが意図され、圧縮機ホイール（１２）の少なくとも１つの回転特性、特に速度ないし回転数を検出するためのセンサ（１６）が設けられており、センサ（１６）は誘導式のセンサ（１６）であり、センサ（１６）はブレード（１４）の通過により生成される渦電流に依存して少なくとも１つの出力信号（２０）を生成し、出力信号（２０）の基本周波数から圧縮機ホイール（１２）の回転特性が、特に回転数が推定され、さらに出力信号（２０）の少なくとも１つの変調から、特に振幅変調から、前記圧縮機ホイール（１２）の障害に関する情報を読み取り可能である。特に、圧縮機ホイールのアンバランスを認識することができる。【選択図】 図１

Description

乗用車ならびに商用車の用途では、エンジン出力の効率向上のために排ガスターボチャージャが採用されることが増えている。現在の段階で、すでに商用車の約３０％が排ガスターボチャージャを有しており、ますます増えていく傾向にある。周知のとおり、このような排ガスターボチャージャの適用は信頼性の確保と向上のためであり、ならびに、システム限界のより良い活用の目的のために利用される。排ガスターボチャージャを監視するために、通常、たとえば排ガスターボチャージャで回転するタービンホイールや圧縮機ホイールの回転を監視するセンサが用いられる。バイターボシステムすなわち２ステージターボでは、排ガスシステムを制御するために、および／またはターボチャージャを均等調整するためにもセンサが必要である。

従来技術より、たとえば圧縮機ホイールまたは排ガスターボチャージャの圧縮機ホイールのような回転部材の少なくとも１つの回転特性を検出する数多くのセンサが知られている。ここで回転特性とは一般に、回転部材の回転を少なくとも部分的に表現する特性であると理解される。これはたとえば角速度、回転数、角加速度、回転角、角度位置、またはその他の特性であってよく、これらは回転部材の連続的または不連続的な、均一または不均一な回転もしくは回動を特徴づけることができる。このような種類のセンサの例は、非特許文献１に記載されている。本発明の１つの特別な重点は、ただし本発明は原則としてこれに限定されるわけではないが、回転数検出にある。

たとえばターボチャージャ回転数を検出するために、ターボチャージャの圧縮機ホイールの回転数を、個々の可動の圧縮機ブレードの検知を通じて判定することができる。そのために、たとえば受動誘導式の測定原理に準拠するセンサを適用することができる。この測定原理では、回転運動に従う圧縮機ブレードが定常的な一次磁界を通るように案内され、それにより周知の仕方で、特に軽金属から製作される圧縮機ブレードで渦電流が引き起こされ、これが固有のいわゆる二次磁界をさらに生起する。二次磁界により、通常はセンサ素子としてコイルを有するセンサの領域で、圧縮機ブレードの回転とともに周期的に時間的に変化する誘導電流が生成され、これをセンサにより、たとえば圧縮機ホイールの回転数を計算するための出力信号として利用することができる。センサヘッドのコイルで誘導される交流電流は、通常、たとえば通過する圧縮機ブレードの速度、圧縮機ブレードの材料固有の渦磁界の強さ、圧縮機ブレード相互の間隔、あるいはセンサヘッドに対する圧縮機ブレードの間隔などに依存して決まる。

特に商用車の分野では、車両の機能に関して高い信頼性要求が課せられる。特に排ガスターボチャージャの失陥に基づく故障は、多くの場合、時間コストのかかる修理や、これと同様に時間コストのかかる車両の使用不能と結びついているからである。そうした使用不能は、通常の車両の商業利用において、マイナスの経済的帰結をもたらす。

したがって、ターボチャージャの現在の機能有用性の監視と確保の必要性があるばかりでなく、むしろ、さらには故障確率の予測ならびにこれを踏まえたターボチャージャの故障前の早期の保守整備が必要である。

Ｋｏｎｒａｄ Ｒｅｉｆ著「Ｓｅｎｓｏｒｅｎ ｉｍ Ｋｒａｆｔｆａｈｒｚｅｕｇ」（自動車のセンサ）、２０１０年第１版、６３から７３ページ、および１２０から１２９ページ

したがって、公知の方法および装置に比べて、回転の障害の確率に関する情報や予測が可能になるという利点を有する、圧縮機ホイールの、特に排ガスターボチャージャの圧縮機ホイールの回転を監視する方法、ならびにこの方法を実施する装置が提案される。

提案される方法は、排ガスターボチャージャの圧縮機ホイールの回転を監視する役目を果たす。圧縮機ホイールは、事前設定された複数個ｎの円周側に配置されたブレードを有しており、ｎは整数である。さらに本発明の方法では、圧縮機ホイールの少なくとも１つの回転特性を検出するためのセンサが用いられる。このセンサは、従来技術に基づき、たとえば圧縮機ホイールのブレードの場所で磁界を生成するための磁界発生器と、たとえばコイルの形態の磁気センサとを含むことができる誘導式のセンサであるのが好ましい。本発明の方法によるとセンサは、ブレードの通過により生成される渦電流に依存して、少なくとも１つの出力信号を生成する。センサの出力信号は、交流電流信号および／または交流電圧信号であってよいのが好ましい。

さらに、提案される方法では、出力信号の基本周波数から回転特性が推定され、特に圧縮機ホイールの回転数が推定される。センサの根本にある誘導式の測定方法に基づき、圧縮機ホイールの各々のブレードがセンサのそばを通過することに依存して出力信号の正の振れまたは負の振れを生起する、正弦波形の交流電流信号もしくは交流電圧信号が生成されるのが好ましい。それに応じて、このようにして生成される出力信号は、圧縮機ホイールのブレードの個数ｎと、圧縮機ホイールの現在の回転数とを乗算した積に相当する周波数をもつ、いわゆる基本振動を有している。この基本周波数は増分周波数であると理解することができ、すなわち、検出された磁気的な事象の周波数であると理解することができる。

さらに本発明による方法は、出力信号の少なくとも１つの変調から、特に加算振幅変調から、圧縮機ホイールの障害に関する情報が読み取られることをさらに意図している。これは特に出力信号が、基本周波数に依存して生起される正弦波振動に加えて、基本周波数とは異なる周波数をもつ別の部分信号によって加算的に重ねあわされることであると理解される。それに応じて、周知の復調方法および／またはフィルタ方法を適用することで、変調された信号を出力信号から抽出し、および／またはこれを基本振動から分離して、抽出された信号から圧縮機ホイールの障害に関する情報を読み取れるようにすることが提案される。

本発明で提案される方法により、特に、回転の障害の確率に関する情報または予測を下すことができる可能性が提供されるという利点がある。それは特に、センサの出力信号の同時の評価をすることで、場合により生じている障害を早期に認識することができ、障害状態の悪化を回避するために相応の次のステップを導入できるからである。センサの出力信号の同時の評価は、たとえば回転数を得るための評価と同様に、すでに知られている信号処理と信号加工の方式を援用することができる。提案される方法の別の実施形態では、圧縮機ホイールの障害に関して読み取られる情報は、障害の種類に関する情報、あるいは障害の程度に関する情報であってよいのが好ましい。障害の種類および／または程度に関する情報は、さらに好ましい形態においては、圧縮機ホイールおよび／またはターボチャージャの一時的および／または最終的な故障という観点から、まだ発生中である損傷や障害、あるいはすでに生じている障害を正確に見積もるために利用することができる。

本方法のさらに別の実施形態では、障害が圧縮機ホイールのアンバランスであるとき、回転する圧縮機ホイールがアンバランスに基づいて回転対称の質量分布を有さなくなり、半径方向に振動する運動を行うという別の利点がもたらされる。このような圧縮機ホイールの回転軸に対して半径方向に振動する運動に基づき、これに比例して、ブレードないし圧縮機ホイールの外側輪郭と誘導式のセンサとの間隔が変化する。すでに冒頭で述べたとおり、受動誘導式の測定原理では、測定量として利用される誘導電流ないし誘導電圧は、磁気的な渦磁界の強さに直接依存して決まり、すなわち周知のとおり、特にブレードと、圧縮機ホイールの方向を向いているセンサのヘッド端部との間隔に依存して決まる。したがって、こうした圧縮機ホイールの１つまたは複数のブレードのセンサへの周期的な接近と離反は、基本的に、それぞれのブレードに対応するたとえば誘導電流の振れの振幅に影響を及ぼす。こうした誘導電流のそのつどの信号の振れの振幅に関する変化ないし変動を簡単な仕方で検知することができ、それにより、障害の認識、特に圧縮機ホイールのアンバランスの認識が可能になるという利点がある。

提案される方法のさらに別の実施形態では、基本周波数が圧縮機ホイールの回転数のｎ倍に相当していると特に好ましい場合がある。このことは特に、圧縮機ホイールが個数ｎのブレードを有していることによって促進される。さらにこの場合、センサの出力信号が、特に基本周波数のｎ番目の部分の１倍または２倍を有する周波数の領域で、出力信号の変調に関して検査されるのが好ましい。特に基本周波数に対する変調された信号部分の周波数の比率から、障害の種類および／または程度を推定することができる。

これに加えて、提案される方法のさらに別の実施形態では、出力信号の振幅の現在値および／または変化に依存して、障害の種類および／または程度が判定されると特別に好ましい場合がある。このとき出力信号の曲線の最大値と最小値の変化の推移が、障害の種類および／または程度の判定のために援用されるのが好ましい。

さらに、提案される方法が実施されたときに判定された障害の種類および／または程度に依存して、回転部材の回転数が低減および／または制限されることが意図されていてよい。それにより、障害の悪化さらにはターボチャージャの全面失陥を回避する可能性が提供されるという利点がある。

その場合の代替または追加として、たとえば自動車の運転者にとって知覚可能な光学的および／または音響的な警告信号が生起され、障害に関して運転者に早期に知らせることができることが意図されていてよい。それにより自動車の運転者にとって、たとえば修理工場へ適時に寄って、障害ならびに場合により障害の原因を取り除いてもらうことが可能となる。

さらに、上に説明した方法を実施するための本発明の装置が記載、提案される。

圧縮機ホイールの回転を監視するために本発明に基づいて提案される装置は、圧縮機ホイールの少なくとも１つの回転特性を検出するための少なくとも１つのセンサを有しており、センサは誘導式のセンサである。このときセンサは、センサのそばでのブレードの通過によって生成される渦電流に依存して、少なくとも１つの出力信号を生成する。さらに、本発明に基づいて提案される装置は、出力信号を評価するための少なくとも１つの評価ユニットをさらに含んでいる。さらに提案される装置は、上に説明した方法を実施するためにセットアップされており、特に、出力信号の少なくとも１つの変調から、特に振幅変調から、圧縮機ホイールの障害に関する情報を読み取るためにセットアップされている。

それにより、上に説明した本発明による方法と同じ利点がもたらされる。

本装置の別の実施形態では、特に、評価ユニットは復調器、特に包絡線復調器を有しており、復調器は、出力信号から復調された信号を生起し、復調された信号から圧縮機ホイールの障害に関する情報を読み取るためにセットアップされていることが意図されていてよい。復調により、特に包絡線検波により、圧縮機ホイールの障害により引き起こされる信号を生起することができ、この信号はセンサで、たとえば信号の加算振幅変調と、障害のない測定信号とから生起される。さらに包絡線復調器または包絡線検波器は、特に、それを評価ユニットで、相応の電気回路を設けることによって特別に簡単な仕方で具体化できるという利点を提供する。

さらに、本装置および／または評価ユニットは特に相応の電気回線を介してエンジン制御部と接続されており、さらに本装置は、障害の種類および／または程度に依存して警告信号を生成するためにセットアップされていることが意図されていてよい。その補足として、警告信号がアナログ式またはデジタル式の警告信号であり、本装置および／または評価ユニットからエンジン制御部に警告信号が伝送されるとさらに有利であり得る。

さらに、本装置の考えられる１つの実施形態では、評価ユニットがエラー記憶装置を含んでおり、またはエンジン制御部のエラー記憶装置と接続されており、これに加えて本装置は、障害に関する登録をエラー記憶装置で行うためにセットアップされていることが意図されていてよい。それにより特に、場合により継続する障害に関する登録を、エラー記憶装置で特定の時間インターバルで繰り返し行うことができるという利点を得ることができる。さらにそこから、好ましい形態においては、たとえば自動車技術者がエラー記憶装置を電子式に読み出すことができ、そのようにして障害の種類および／または程度に関する詳しい情報を取得して、これをできる限り時間節約的に、かつそれに伴ってコスト節約的に取り除けるようにするという可能性が提供される。その代替または補足として、好ましい形態においては、さらに本装置は、障害の種類および／または程度に依存して圧縮機ホイールの回転数を低減および／または制限するためにセットアップされていてよい。それにより、基本的に障害の程度に依存して圧縮機ホイールの回転数の低減を行い、特に圧縮機ホイールの破損や全面失陥を防止し、場合により圧縮機ホイールの回転数のさらなる制限が行われることで障害状態のいっそうの悪化を防止する、本装置への直接的な介入が可能となる。本装置が障害に基づいて圧縮機ホイールの回転数を低減し、場合により時間的に継続して制限するケースでは、それに応じて、場合により本装置により行われる圧縮機ホイールの回転数の継続的な制限が、圧縮機ホイールの保守および／または修理が完了した後で初めて、特に自動車技術者による障害の除去の後で初めて、同じく自動車技術者によって制限をリセットないし解除しなければならないことが意図されていてよい。

次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。

本発明に基づいて提案される装置の１つの実施形態の模式的な構造を示す図である。 強いアンバランスを有するターボチャージャの検出された出力信号の信号推移をグラフで示す図である。

図１の図面には、圧縮機ホイール１２の、特にターボチャージャの圧縮機ホイール１２の回転を監視するため、および本発明に基づいて提案される方法を実施するための装置１０の考えられる１つの実施形態を見て取ることができ、圧縮機ホイール１２は円周側に複数個ｎのブレード１４を有している。さらに装置１０は、圧縮機ホイール１２の少なくとも１つの回転特性を検出するための少なくとも１つのセンサ１６、好ましくは誘導式のセンサ１６を含んでいる。圧縮機ホイール１２は、そのために回転軸１８を中心として回転するのが好ましい。

センサ１４は、ブレード１４の通過によって生成される渦電流に依存して少なくとも１つの出力信号２０を生起し、さらに装置１０は出力信号２０を評価するための少なくとも１つの評価ユニット２２を有している。出力信号２０の評価では出力信号２０の基本周波数から圧縮機ホイール１２の回転特性を、特に回転数を推定することができる。評価ユニット２２は、特に、出力信号２０の少なくとも１つの変調から、特に振幅変調から、圧縮機ホイール１２の障害に関する情報を読み取るためにセットアップされている。

さらに装置１０は、圧縮機ハウジング２４の中に配置されているのがさらに好ましい。図１の図面には、特に、圧縮機ホイール１２に配置されたブレード１４が、回転軸１８を中心として一緒に運動したときに、圧縮機ハウジング２４のハウジング区域２６の領域で、センサ１６の端面のそばを通過する様子が見て取れる。このとき特に、センサ１６の磁界発生器２８により生成される磁界が、好ましくは軽金属からなるブレード１４によって捕捉される。磁極ピン３０を通って磁界発生器２８へと案内される磁束は、磁界の向きに対して実質的に垂直方向への運動に基づいて影響を受け、それにより、磁極ピン３０内部での磁束の変動が、磁極ピン３０を取り囲むコイル３２で電流を誘導する。コイル３２で生成されるこの誘導電流をセンサ１６によって検出し、選択的に、センサ１６の出力信号２０として直接利用するか、または、相応の出力信号２０を生成するために利用することができる。

図１の図面に同じく見て取れるように、装置１０の評価ユニット２２は、特に回線３４によってセンサ１６と接続されている。回線３４を介して、センサ１６の出力信号２０が評価ユニット２２へと伝送される。同じく図１に示すように、装置１０は特にエンジン制御部３６と接続されており、場合により、エンジン制御部３６の図示しないエラー記憶装置に登録を行うことができる。換言するとエンジン制御部３６は、評価された出力信号２０を評価ユニット２２から読み出して、障害が検出された場合にはエンジン制御部３６のエラー記憶装置で相応の登録を行うためにセットアップされていてよい。

図２の図面には、圧縮機ホイール１２の少なくとも１つの回転特性を検出するためのセンサ１６の測定された出力信号２０の相応の曲線推移が示されている。測定された出力信号２０は、ここでは増分周波数に相当する周波数、特に基本周波数を有している。増分周波数は、圧縮機ホイール１２のブレード１４の通過により生起される個々の磁気的な事象をどれだけの数だけ検出できたかを表すにすぎない。したがって、基本周波数は圧縮機ホイール１２の回転数のｎ倍に相当するのが好ましく、ｎは圧縮機ホイール１２のブレード１４の一定の個数である。さらに、好ましくはセンサ１６の根底にある誘導式の測定原理に基づき、出力信号２０の振れのピーク値３８と、圧縮機ホイール１２のそのつど通過するブレード１４からセンサ１６それ自体までの距離との間には、特に、場合によりセンサ１６のヘッド領域に配置される磁極ピン３０および／または好ましいコイル３２までの距離との間には、一義的な比例の依存性が成立する。

さらに図２の図面から見て取ることができるように、個々の振れはピーク値３８に関して相違している。そこから、センサ１６と通過するブレード１４との間の変化する間隔を推定することができる。図２にさらに示すように、出力信号２０の曲線の下方には、変調された信号４０に相当する別の曲線が図示されている。それと同時に、変調された信号４０は出力信号２０のいわゆる包絡曲線に相当している。変調された信号４０は、ここでは特に圧縮機ホイール１２の回転数の領域にある周波数を有している。換言すると、変調された信号４０は、特に出力信号２０の基本周波数のｎ番目の部分の領域にある周波数を有している。これは特に、特にアンバランスなどの障害がたとえば圧縮機ホイール１２の質量重心の変位によって生じたときであり、それが単一の損傷によって引き起こされているか、それとも複数の損傷によって引き起こされているかには左右されない。

本発明による方法の考えられる実施形態において、特に、変調された信号４０のピーク・ピーク値４２から、センサ１６と通過するブレード１４との間の間隔の変化が推定され、そこからさらに障害の強さ、特にアンバランスの強さ、あるいは質量重心の変位の強さが推定されることが意図されていてよい。

１０ 装置
１２ 圧縮機ホイール
１４ ブレード
１６ センサ
２０ 出力信号
２２ 評価ユニット
３６ エンジン制御部

Claims (10)

1. 圧縮機ホイール（１２）の、特に排ガスターボチャージャの圧縮機ホイール（１２）の回転を監視する方法であって、前記圧縮機ホイール（１２）は円周側に複数個ｎのブレード（１４）を有しており、前記圧縮機ホイール（１２）の少なくとも１つの回転特性を検出するためのセンサ（１６）が設けられており、前記センサ（１６）は誘導式のセンサ（１６）であり、前記センサ（１６）は前記ブレード（１４）の通過により生成される渦電流に依存して少なくとも１つの出力信号（２０）を生成し、前記出力信号（２０）の基本周波数から前記圧縮機ホイール（１２）の回転特性が、特に回転数が推定される、そのような方法において、
   さらに前記出力信号（２０）の少なくとも１つの変調から、特に振幅変調から、前記圧縮機ホイール（１２）の障害に関する情報を読み取り可能であることを特徴とする方法。
2. 障害に関する情報は特に障害の種類および／または程度に関する情報を含んでいる、先行請求項に記載の方法。
3. 障害は前記圧縮機ホイール（１２）のアンバランスである、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
4. 基本周波数は前記圧縮機ホイール（１２）の回転数のｎ倍である、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
5. 前記出力信号（２０）の振幅の現在値および／または変化に依存して障害の種類および／または程度が判定される、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
6. 判定された障害の種類および／または程度に依存して回転部材の回転数が低減および／または制限される、先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法。
7. 圧縮機ホイール（１２）の回転を監視する装置（１０）において、前記装置（１０）は前記圧縮機ホイール（１２）の少なくとも１つの回転特性を検出するための少なくとも１つのセンサ（１６）を有しており、前記センサ（１６）は誘導式のセンサ（１６）であり、前記センサ（１６）はブレード（１４）の通過によって生成される渦電流に依存して少なくとも１つの出力信号（２０）を生成し、さらに前記装置（１０）は前記出力信号（２０）を評価するための少なくとも１つの評価ユニット（２２）を有しており、前記装置（１０）は先行請求項のうちいずれか１項に記載の方法を実施するためにセットアップされている装置。
8. 前記評価ユニット（２２）は復調器、特に包絡線復調器を有しており、前記復調器は前記出力信号（２０）から復調された信号（４０）を生成し、復調された前記信号（４０）から前記圧縮機ホイール（１２）の障害に関する情報を読み取るためにセットアップされている、先行請求項に記載の装置（１０）。
9. 前記評価ユニット（２２）はエンジン制御部（３６）と接続されており、前記装置（１０）は障害の種類および／または程度に依存して警告信号を生成するためにセットアップされている、先行する装置請求項のうちいずれか１項に記載の装置（１０）。
10. 前記評価ユニット（２２）はエラー記憶装置を含んでおり、またはエンジン制御部（３６）のエラー記憶装置と接続されており、前記装置（２０）は障害に関する登録を前記エラー記憶装置で行うためにセットアップされている、先行する装置請求項のうちいずれか１項に記載の装置（１０）。

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