渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置的製作方法
2023-04-24 05:41:16
專利名稱：渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及渦輪增壓器和用以監測渦輪增壓器疲勞壽命的裝置/方法，具體涉及基於渦輪增壓器的動態或實際運轉參數(如渦輪速度與溫度)來監測渦輪增壓器疲勞壽命的裝置/方法。
為降低或最大限度地減少給特定應用的效率帶來負面影響的、與渦輪增壓器相關聯的故障發生的可能性，理想的方式是在損壞之前就把渦輪增壓器卸下進行修理或更換。在本技術領域中周知的用以指示這種維修期限(service interval)的裝置與方法，包括一些用來測量渦輪增壓器使用期限的以裡程或小時計量的裝置與方法。這種周知的裝置是根據預定的持續時間來提供一個是否需要維修渦輪增壓器的指示。這種渦輪增壓器維修監測裝置的缺點是，它們被用來預測特定渦輪增壓器的使用期限，而不涉及渦輪增壓器的實際運轉或性能狀態。此外，用以預測這樣的使用期限的預置持續時間有意選擇得較為保守，以儘量減少使用中的渦輪增壓器發生故障的可能性。因此，如果它們的工作條件相對較為優越，這些周知的渦輪增壓器監測裝置可能造成一些渦輪增壓器在實際需要任何維修之前就被更換或修理；如果它們的工作條件較為惡劣，就會有一些渦輪增壓器在工作過程中發生故障。低估渦輪增壓器的實際使用壽命是不合適的，因為過早更換渦輪增壓器會引起一些不必要的費用，並使渦輪增壓應用系統過早地退役。高估渦輪增壓器的實際使用壽命也不可取，顯然這會造成渦輪增壓器在使用過程中發生故障，其結果會使渦輪增壓應用系統非預期地退出使用，而且還會造成其他發動機系統的損壞。
因此，最好構造這樣的渦輪增壓器監測裝置/方法，該裝置/方法能基於實際的渦輪增壓器工作條件指示推薦的或所需的渦輪增壓器，從而可以延長那些在優越條件下工作的渦輪增壓器的使用限期，縮短那些在惡劣條件下工作的渦輪增壓器的使用限期，使渦輪增壓器的使用得以優化。
所述裝置包括用以接收來自傳感器的信息並處理該信息的設備，該設備利用程序和預定的渦輪增器信息(如存儲在一個或多個與處理設備通信的存儲器中的渦輪增壓器材料與壓力數據)來提供實際的渦輪增壓器故障概率。上述處理設備將計算獲得的渦輪增壓器故障概率與存儲在存儲器中的、預先規定的渦輪增壓器故障概率進行比較，以確定是否需要維修渦輪增壓器。當實際的渦輪增壓器故障概率超過規定的渦輪增壓器故障概率時，處理設備發出信號讓信號器提示所推薦的或必需的渦輪增壓器維修。上述處理和存儲器可設置為現有渦輪增壓應用系統的組成部分，如車輛渦輪增壓應用系統的發動機控制模塊。詳細說明本發明的渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置用來提供關於需要維修渦輪增壓器的指示，該指示基於被監測渦輪增壓器的實際工作條件。在本發明一實施例中，基於對渦輪增壓器壓氣機葉輪疲勞壽命的監測，提供維修渦輪增壓器的指示。在本發明又一實施例中，基於對渦輪增壓器渦輪疲勞壽命的監測，提供渦輪增壓器維修指示。在本發明再一實施例中，渦輪增壓器維修指示的依據，來自對渦輪增壓器壓氣機葉輪和渦輪二者的疲勞壽命的監測。本發明的上述各實施例均依據一個使用機載中央處理器的電腦程式，通過處理實際的渦輪增壓器工作條件數據(如渦輪機的軸速和/或渦輪機的入口溫度)來提供渦輪增壓器維修指示。
圖1是顯示依據本發明的原理構造的渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置10各部件的方框圖。儘管圖1用來說明同時測量壓氣機葉輪和渦輪工作條件的渦輪增壓器監測裝置的部件，不難理解，圖1也可用來說明單獨測量壓氣機葉輪或者渦輪工作條件的其它渦輪增壓器監測裝置的實施例。因此，本發明說明書中的各實施例均可以圖1作為參照。
參照圖1，本發明渦輪增壓器監測裝置的第一實施例是為提供關於需要維修渦輪增壓器指示而設計的，該指示所依據的是對布置在渦輪增壓器殼體(未示出)內的渦輪增壓器壓氣機葉輪12疲勞壽命的監測結果。軸14為壓氣機葉輪12和渦輪16所共用，並安裝在渦輪增壓器殼體內。該軸上有一個平面部分18，它位於接近軸端的兩個軸承面之間。該平面部分18用來在渦輪增壓器中測量軸14的轉速。因為該軸裝在壓氣機葉輪12和渦輪16上，軸轉速的測值即指示了壓氣機葉輪和渦輪的速度。
在渦輪增壓器上裝有一個速度傳感器20，它可獲取平面部分18傳遞的信息。速度傳感器20可採用基於機械、磁學或光學原理工作的傳統設計。在一個示範性實施例中，採用的是這樣一種速度傳感器，它通過測量傳感器探頭靠近被測軸上旋轉中的圓形平面部分的程度來測量軸的轉速。速度傳感器20由電源22供電，經由相應的電連接24供給AC或DC電源，由具體的渦輪增壓器應用系統確定。例如，當渦輪增壓器應用於車輛時，電源22可以是12V DC蓄電池。在圖示的實施例中，速度傳感器20提供一個模擬輸出信號，它經由適當的電連接28到達模數(AC)轉換器26。模數轉換器26可採用傳統設計。在移動(例如車輛渦輪增壓器)渦輪增壓器應用系統的場合，模數轉換器26被裝在車上。模數轉換器26由適當的電源供電。在一示範性實施例中，模數轉換器使用與速度傳感器相同的電源22經由適當的電連接30供電。
模數轉換器26將來自速度傳感器20的模擬輸出信號轉換成數位訊號，該信號經由適當的電連接32到達處理設備34。在一示範性實施例中，採用中央處理器(CPU)作為處理設備。該CPU用來接收來自模數轉換器26的數位訊號，用以根據預編程數據進行處理來評價壓氣機葉輪的疲勞程度。該CPU由適當的電源供電。在一示範性實施例中，所述CPU跟速度傳感器20和模數轉換器使用同一個電源，經由適當的電連接36供電。在移動的渦輪增壓器應用場合，例如在採用渦輪增壓器的車輛上，所述CPU就裝在車上。在另一些可選用的實施例中，所述速度傳感器是一種直接給CPU提供數位訊號的數字式傳感器。
如果需要，可將其他輸入信號接至CPU供監測和/或處理。在一示範性實施例中，疲勞監測裝置被用於車輛渦輪增壓器應用場合，所述CPU可被設置來接收用以提供發動機速度(或RPMs每分鐘轉數)的輸入。也可讓所述CPU接收這樣一個附加的輸入，以儘可能確定當發動機正在運轉時該渦輪增壓器軸是否在旋轉，以發出了一個關於速度傳感器或渦輪增壓器自身中存在故障的信號，中繼給操作員。
CPU 34以某個適用的周期計算算法(如rainflow方法、range-means pairs方法等算法)對由模數轉換器26提供的數位訊號加以處理，形成一個疲勞負載周期。在一實施例中，該疲勞負載周期由CPU採用存儲在第一存儲器38中的rainflow算法來提供。在一實施例中，該第一存儲器為只讀存儲器(ROM)晶片。經設置，所述CPU可利用連續的速度傳感器輸入來連續地更新疲勞負載周期。一經請求，來自ROM晶片38的輸出即經由適當的電連接40向CPU 34提供。電連接可採用導線連接與焊接等形式。
可將專有的渦輪增壓器壽命計算程序存儲在第二存儲器中。但是，在一實施例中，第二存儲器與第一存儲器38相同，均為ROM晶片。所述CPU訪問存儲在所述ROM晶片中的渦輪增壓器壽命計算程序，用以結合疲勞負載周期計算渦輪增壓器壓氣機葉輪故障的實際概率。
第三存儲器42用來存儲如壓氣機葉輪的具體應力數據和/或材料數據等信息。在一實施例中，第三存儲器採用可擦可編程只讀存儲器(EPROM)晶片。該EPROM晶片42也存有預編程的關於渦輪增壓器壓氣機葉輪的規定故障概率，用它來確定計算得到的實際渦輪增壓器壓氣機葉輪的故障概率是否超過規定故障概率。如果實際故障概率超過規定故障概率，則CPU 34就可用來提供一個輸出信號44給適當的信號器，如發聲和/或可視的信號器。在疲勞壽命監測裝置發運給用戶前，可在晶片製造過程中或是通過外部埠48用上述的信息對EPROM編程。CPU 34提供的疲勞負載周期信息經由適當的電連接52送至一個採用隨機存取存儲器(RAM)的存儲器50。所存儲的疲勞負載周期信息由CPU經常訪問並連續地更新，以計算實際的渦輪增壓器故障概率並將該概率與規定的故障概率進行比較。在另一些實施例中，RAM存儲器50為閃速存儲器或別的非易失性存儲器(如EPROM晶片)所取代，它們也可在存儲器製造期間或在存儲器製造、安裝之後經由外部埠48用具體的數據或信息編程。
RAM存儲器50中已存儲的數據也可以經由外部埠48下載到適當的設備上，以加以存儲和/或進一步的數據處理。下載可在特定的渦輪增壓應用系統停機維修時進行，所下載的數據可用於跟蹤上述渦輪增壓器的性能檔案。這樣的數據對於弄清渦輪增壓器的工作條件非常有用，以實現滿足特定應用系統所需的工程目的。
按此方式設置，關於渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置第一實施例可用於(1)測量壓氣機葉輪速度；(2)提供一個連續的疲勞壽命負載周期；(3)基於實際的壓氣機葉輪運轉狀態(即轉速)以及特定的壓氣機葉輪應力與材料數據，提供渦輪增壓器壓氣機葉輪的故障概率；(4)將實際的壓氣機葉輪故障概率與規定的故障概率相比較；(5)基於實際概率是否超過規定概率的比較，提供渦輪增壓器是否需要維修的指示。
參照圖1，關於渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置的第二實施例的目的在於基於對於布置在渦輪增壓器殼體(未示出)內的渦輪增壓器渦輪16疲勞壽命的監測，來提供渦輪增壓器需要維修的指示。除了上述第一實施例述及的那些部件外，監測裝置的第二實施例包括溫度傳感器56，它裝在渦輪增壓器殼體上接近渦輪機入口的地方，用來測量渦輪機入口處的氣體溫度。來自該溫度傳感器的輸出信號經由適當的電連接58送至CPU 34，以由CPU進行處理。
在監測裝置的第二實施例中，EPROM晶片42用來存儲專門用於渦輪增壓器渦輪的疲勞壽命程序(含溫度和疲勞負載周期數據)以及渦輪的應力與材料數據。在監測裝置的第二實施例中，CPU 34被用來處理渦輪的速度、溫度、應力與材料數據，以提供渦輪增壓器渦輪的實際故障概率，將它與存入EPROM晶片42的渦輪的規定故障概率進行比較。如以上監測裝置第一實施例的說明中所述，當渦輪增壓器渦輪的實際故障概率超過預先編程存入的規定故障概率時，CPU 34通過信號器45發出有聲和/或可視信號。
參照圖1，關於渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置的第三實施例的目的在於基於對布置在渦輪增壓器殼體(未示出)內的渦輪增壓器壓氣機葉輪14和渦輪16的疲勞壽命的監測結果，提供需要維修渦輪增壓器的指示。第三實施例的監測裝置的構成部件跟上述第二實施例監測裝置相同，該監測裝置同樣用來提供軸速和渦輪機入口溫度數據。EPROM晶片42用來存儲專用於渦輪增壓器壓氣機葉輪與渦輪的疲勞壽命程序，其中包括速度、溫度與疲勞負載周期數據，以及壓氣機葉輪與渦輪的應力與材料數據。在監測裝置第二實施例中，CPU 34用來處理上述的速度、溫度、應力與材料數據，以提供渦輪增壓器渦輪的實際故障概率和渦輪增壓器壓氣機葉輪的實際故障概率。所述CPU將實際的故障概率與編入EPROM晶片42的壓氣機葉輪和渦輪的規定故障概率進行比較。正如以上就第一和第二監測裝置實施例所作的說明，CPU 34用來在任一種渦輪增壓器的實際故障概率超過其相應的規定故障概率時，經由信號器45發出有聲和/或可視信號。
本發明的渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置的部件可與其它特定應用的渦輪增壓器的部件分開單獨裝配，也可作為其它渦輪增壓器部件的一部分來裝配。例如，在車輛渦輪增壓應用裝置中，渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置的一個或多個部件可以作為發動機控制模塊(ECM)的一部分來裝配，該模塊用來監測和/或控制該車上發動機的工作參數。在一些示範實施例中，疲勞壽命監測裝置的一個或多個部件、CPU、ROM、EPROM、RAM與外部埠被作為ECM的一部分來裝配，以方便在車內安裝，可以不佔用額外的空間，也不用另外再設置已一體化裝入ECM的一個或多個部件的功能。
本發明的渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置提供了一些超過現有疲勞壽命監測裝置的優點它們基於據渦輪增壓器自身實際的工作條件提供需要維修渦輪增壓器的指示，而不是以預先編程設置的時間限期或裡程限定作為判據，這樣的判據與渦輪增壓器的實際工作條件無關。使用本發明的渦輪增壓器監測裝置能更精確地確定渦輪增壓器的維修限期，從而使在極端工作條件下的渦輪增壓器的故障潛在因素減至最小(否則，會在任何預先編程確定的時間限期或裡程限定之前就出現故障)；並且可消除了因過早維修在減輕的工作條件下功能完好的渦輪增壓器所造成的不必要的費用和麻煩(否則，會在任何這樣的必要維修之前早就按預先編程確定的時間限期或裡程限定來維修)。
以上按專利法規就本發明作了詳細說明，本領域技術人員將能辨識對本說明書中公開的這些特定實施例所作的修改方案與替代方案。這樣的修改方案並未逾越本發明的範圍與意圖。
權利要求
1.一種渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置，包括用以測量渦輪增壓器軸的轉速的傳感器；用以接收來自所述傳感器轉速信息，處理該信息以提供渦輪增壓器的實際故障概率，並將所述渦輪增壓器的實際故障概率跟預定的渦輪增壓器規定故障概率進行比較的設備；用以提供關於所述渦輪增壓器的實際故障概率超過所述渦輪增壓器規定故障概率的指示的設備，該指示設備由所述存取與處理設備操作。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於進一步包括用以測量渦輪增壓器渦輪機入口溫度的傳感器，其中所述接收與處理設備還另外接收來自所述傳感器的溫度信息以提供渦輪增壓器實際故障概率。
3.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於進一步包括用以將轉速信息轉換成由所述接收與處理設備訪問的疲勞負載周期的程序。
4.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於所述轉換程序被存儲在只讀存儲器中。
5.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於進一步包括用以根據由所述接收與處理設備訪問的疲勞負載周期計算渦輪增壓器疲勞壽命的程序。
6.如權利要求5所述的裝置，其特徵在於所述計算程序被存儲在只讀存儲器中。
7.如權利要求5所述的裝置，其特徵在於進一步包括用以存儲預定的渦輪增壓器材料與應力信息的設備，以供所述接收與處理設備訪問。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於所述存儲設備是可擦除可編程只讀存儲器。
9.一種渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置，包括裝在渦輪增壓器殼體上用以測量渦輪增壓器軸的轉速的傳感器；一個或多個存儲設備，該等設備存儲將轉速信息轉換成疲勞壽命負載周期的計算程序、預定的渦輪增壓器材料與應力信息、預定的渦輪增壓器規定故障概率以及將所述疲勞壽命負載周期與預定的渦輪增壓器信息轉換成渦輪增壓器實際故障概率的程序；處理設備，該設備與所述傳感器和所述一個或多個存儲設備通信，接收來自所述傳感器的轉速信息和所述一個或多個存儲設備中的信息，以提供渦輪增壓器的實際故障概率並將所述渦輪增壓器的實際故障概率與預定的渦輪增壓器規定故障概率進行比較。用以指示所述渦輪增壓器實際故障概率超出所述渦輪增壓器規定故障概率的設備，所述指示設備由所述處理設備操作。
10.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於進一步包括裝在渦輪增壓器殼體上用以測量所述渦輪機入口溫度的傳感器，其中所述處理設備還另外處理所述溫度信息，以提供渦輪增壓器實際故障概率。
全文摘要
一種渦輪增壓器疲勞壽命監測裝置,它至少包括一個用以測量如渦輪機轉速或渦輪機入口溫度等渦輪增壓器實際工作條件的傳感器。該裝置包括一個中央處理器,用以接收來自各傳感器的信息並進行信息處理,其信息處理中利用了一些程序與預定的渦輪增壓器信息,例如存儲在一個或多個與中央處理器通信的存儲器中的渦輪增壓器材料與應力數據,以提供渦輪增壓器實際故障概率。所述中央處理器將計算得到的渦輪增壓器故障概率跟存入存儲器中的預定的渦輪增壓器規定故障概率進行比較,以確定是否需要對渦輪增壓器進行維修。當渦輪增壓器實際故障概率超過渦輪增壓器規定故障概率時,所述中央處理器發出信號來驅動信號器,用以指示推薦的或必要的渦輪增壓器維修。所述中央處理器與存儲器可以單獨設置或作為現有的渦輪增壓應用系統的構成部分,如車輛渦輪增壓應用場合的發動機控制模塊。
文檔編號F02B39/00GK1360714SQ00810084
公開日2002年7月24日 申請日期2000年5月15日 優先權日1999年5月14日
發明者G·D·拉呂, D·E·巴克 申請人:聯合訊號公司