CN101473122A - 用于监控废气涡轮增压器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监控内燃机的废气涡轮增压器的方法和装置。为了提供用于监控废气涡轮增压器的一种价廉的以及可靠工作的方法以及一种相应的装置，提出了，即设置声波变换器(5，11)，其设计为用于接收取决于转速的涡轮增压器的运行噪声，该声波变换器与用于频率分析的电子系统(10)连接以输出涡轮增压器转速信号。

Description

用于监控废气涡轮增压器的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于监控内燃机的废气涡轮增压器的方法和装置。
背景技术
在已知的方法中，在内燃机中在压缩状态下燃烧空气动力燃料混合物。这种内燃机的输出功率取决于动力燃料质量与空气质量的比例关系。利用空气质量传感器进行对各自空气质量的测量，其位于内燃机的吸入部分中。在今天，很多现代的内燃机装备有废气涡轮增压器，其对空气质量进行预压缩。在内燃机的研发的开始阶段就已经以通过提高每个工作冲程的空气量-和燃料的流量为目标而进行对于输送到内燃机中的空气的预压缩的尝试，因此在今天，汽油-内燃机的增压从功率的角度不再被视为是首要的，而是视为用于节约燃料和降低污染物的可能的手段。在已知的方法中，用于对空气质量流进行预压缩的能量通过在废气流中运转的、具有与其机械耦合连接的新鲜空气压缩机的涡轮从废气流中取出，以致于例如柴油发动机现在不再作为自吸式发动机，而是作为具有在1.5或2.5巴之内的增压空气压力的增压发动机，在功率明显提升和污染物排放降低的情况下工作。
通过使用涡轮增压器，一方面提高了内燃机的扭矩，但另一方面也提高了内燃机的热负荷，因此必须相应地设计发动机缸体、气缸盖、气缸盖密封件、轴承、气缸、连杆、阀门、活塞和其它的发动机部件，以及后续的用于这些附加的负荷的传动系。更高的功率也要求相应的更大尺寸的冷却系统以用于冷却发动机和增压空气。但是在增压的汽油-发动机中经常能够观察到，即废气涡轮在高负载下运行后甚至是热的发红的。部件的这种类型的强烈的热负荷和机械负荷，即在转速可达到每分钟200000转，则需要单独的监控。因为在现代的机动车上使用涡轮增压器引起了越来越巨大的控制投入，所以通过这种投入使得故障诊断复杂化。现代的全电子的诊断系统在此通过对涡轮增压器的转速的分析而对其功能监控起到支持的作用。然而为了确定涡轮增压器-转速，预计要特别研发传感器。这种传感器必须经受住极端不利的条件，也就是特别高的温度和压力，和必须可靠地探测到涡轮增压器轮的叶片，和利用后接的电子设备计算转速信号。为此必须将该传感器直接安装在涡轮增压器上。
在所有的优点中，作为涡轮增压器的一个缺点是已知的，即涡轮增压器在起动-/加速过程中作为瞬时的工作状态对于新鲜空气不能产生充分的增压压力，以致于在吸入系统中存在短时间的负压。在从低转速中加速的情况下首先缺少产生所期望的增压压力的合适的废气量。直到转速提高时才具有足够的强烈的废气流量，以使得增压达到所必需的程度。在低转速情况下的这种功率缺陷通常被称为“涡轮孔”。因为首先必须出现足够的废气流量，所以相应地，在突然供气的情况下通过涡轮增压器的新鲜空气流的增压延迟地进行。在过去，通过相应的控制系统和通过使用更小的涡轮增压器可以部分补偿这种特性。在新的设计方式中也可能应用在设计中存在的42V-机动车电网通过废气涡轮增压器和电驱动装置来提供复合式的增压。因此，可能额外正面地改变了这种响应特性。但是这种方式也是以最新的涡轮增压器转速的比较准确的知识为前提来实时控制的。因此，未来的控制任务也可能仅仅在应用废气涡轮增压器的监控的情况下进行，这个监控提供了涡轮增压器转速作为输出信号。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种用于监控废气涡轮增压器的物美价廉的以及可靠工作的方法以及一种相应的装置。
该目的通过独立权利要求中所述的特征实现。有利的改进方案是各个从属权利要求的主题。
根据本发明，用于监控废气涡轮增压器的装置的特征在于，即其具有设计用于接收取决于转速的涡轮增压器运行噪声的声波变换器，该声波变换器与用于频率分析的电子系统连接以用于输出涡轮增压器-转速信号。本发明因此基于下述认识，即在每分钟从200000转至大约400000转的工作转速的情况下，每个装备有达17个涡轮叶片的涡轮增压器在其正常的运行-转速范围内发出频率非常高的运行噪声。这种运行噪声因此也通俗地被称为涡轮增压器-振鸣(Turboladerpfeifen)。从一个或多个主频率中，在通过涡轮增压器所发出的声波谱之内可以测定各自当前的涡轮增压器转速。这例如在用于频率分析的电子系统中进行，随后该电子系统输出涡轮增压器转速信号。
处于正常运行状态中的涡轮增压器的噪声水平与在机动车内部的其它的环境噪声相比是相对高的。因为在涡轮增压器上所产生的声波通过长的路径特别是在吸气部分没有明显衰减地传播，所以根据本发明设置的声波变换器本身有利地不必直接安装在涡轮增压器上。因此相应的声波变换器也不会经受涡轮增压器范围中的已知的高温和高压。因此根据本发明也可以使用低抵抗能力和因此而更便宜的具有更小工作温度范围等等的声波变换器。
在本发明的一个特别优选的实施方式中，应用超声波变换器作为声波变换器。已经查明的是，即通过涡轮增压器所发出的声波谱的频率处于在大约16kHz的人类的听觉阈之上自20kHz开始的超声波范围内，由此可以确定各自当前的涡轮增压器-转速。
后置于声波变换器的电子系统包括频率分析单元。该频率分析单元优选地在快速傅里叶变换或者说FFT的基础上利用后续的带通滤波识别涡轮增压器-运行噪声的频带，并由此确定各自当前的涡轮增压器-转速。
在本发明的一个特别优选的实施方式中，基于对声波的分析而将根据本发明的涡轮增压器-转速测定与在内燃机的吸气部分中的空气质量传感器一起设置。空气质量传感器可以按照热原理作为质量流量传感器来工作，其中与隔热的同样结构的传感器线相对比的被加热的传感器测量线的热功率的输出，通过电阻桥接电路，作为用于各自流量的衡量标准来分析。一种可替换的和节约电量的方式已经公开地在文章“流量测量技术-概况(Durchflussmesstechnik-Eine)”，在专业杂志“Technisches Messen tm”，1979，第4期，第145-149页中进行了描述。对此已知的是，应用用于流量测量的发射的和接收的超声波测量头。这两个超声波测量头中，其中之一用作发射器，另一个用作接收器，并且需要发射/接收装置。基于此例如在EP 0 535 364 A1中公开了一种借助于超声波用于高解析地进行流体速度测量的方法，其中，为了测定取决于当前的流体速度的相位差，超声波发射器和超声波接收器引导声波脉冲以倾斜角度穿过测量管。为了测量空气质量，由此在吸气部分中已经应用了两个超声波变换器，并且这种设置在本发明的一个实施例中通过附加第三个超声波变换器而得到补充，其中该第三个超声波变换器鉴于其工作频率专门地与处于正在运行状态的涡轮增压器的所预期的频率相匹配。此外以可替换的方式也可以设置具有仅仅两个超声波变换器的装置，那么其中接收超声波变换器以这样一个宽带方式实施，即在明显更高频率的情况下，空气质量测量而非涡轮增压器转速-测量被执行。带通滤波将接收的超声波变换器的输出信号分离，以便将信号分量分别有针对性地向独立的后续电路中的空气量测量装置和转速测定装置输送。
附图说明
本发明的其它的特征和优点在下文中通过对于两个实施例的描述并参照附图图样给出。附图所示为：
图1：用于测量涡轮增压器转速的装置的方框图，该装置应用了超声波空气质量传感器的两个标准超声波变换器，和
图2：用于对涡轮增压器进行转速测量的另一个实施方式以及超声波-空气质量传感器方框图，其应用了具有后续的分析处理电子系统的附加的超声波变换器，其图示与图1类似。
具体实施方式
在不同的实施例和附图中，应用统一相同的标号和标记以对应于同样的功能组件或构件以及方法步骤。
图1的图样示出装置1的简化方框图，该装置用于对仅以符号显示的废气-涡轮增压器2进行转速测量。该装置1设置在未进一步示出的内燃机的空气进气通道3中，并在应用超声波-空气流量传感器6的两个标准声波变换器的情况下工作。
在本实施例中，该超声波空气量传感器6按照一种在EP 0 535364 A1中所公开的、用于在高流速的情况下测定空气质量的方法而工作。为此，在超声波范围中的声波7由第一个变换器4通过电子系统8的控制而发射。这些声波在一条线路上穿过由强烈的气流所流过的空气进气通道3，该线路以角α相对于空气进气通道3的横截面平面而倾斜，以放大这个路段，和因此提高了测量的准确性。在空气进气通道3的对面上，声波7射入到第二个声波变换器5，其作为超声波检测器将所接收到的声波7转换成电输出信号a1。这个电信号a1被导回至电子系统8，以进行空气质量的测量。关于详细地实施该方法、对测量结果进行分析处理，以及与之相关联的方法，应参阅EP 0 535 364 A1的整体教导。
接收声波变换器5在超声波范围中设计成是非常宽频的。因此该声波变换器5除了可以探测到和转换由声波变换器4所发射的声波7外，还可以探测到和转换明显的更低频率的还是在超声波范围中存在的声波9，其中这些声波9通过涡轮增压器2的运行而产生，并以其频率中反映了或者说表征了各自当前的涡轮增压器-转速。相应地，对第二个声波变换器5的每次的测量结果随后以双重的方式进行分析处理，也如图中所示：接收声波变换器5的输出信号分为较高频率分量a1和较低频率分量a2。分量a1，a2被输送到独立的单元以进行进一步的电信号处理。其中明显较高频率的分量，其已经以预设的频率通过第一个变换器4而发射，并传输到分析处理电子系统8以确定空气质量。相比较地较低频率的并且来自于涡轮增压器2的超声波频率分量以信号分量a2向电子系统10传输，以分析频率。从所接收的频谱中，通过合适的过滤方法和数学的算法确定当前的涡轮增压器转速，其中在这种情况下，快速傅里叶变换被应用到带通滤波，以确定涡轮增压器转速的表征频率。设置在声波变换器5后面的电子系统10必然地包括频率分析单元，用于识别涡轮增压器运行噪声的频带，和在此基础上所确定的作为输出信号A的各个当前的涡轮增压器转速。
图2示出用于对涡轮增压器进行转速测量的另一个实施方式以及超声波空气质量传感器的方框图。该装置在应用附加的超声波变换器11的情况下利用后续的分析处理电子系统工作，并且图示为在与图1类似的图中的方框连接图。在图2的实施方式中，设计为用于接受取决于转速的涡轮增压器运行噪声的声波变换器11作为单独的部件设置在空气进气通道3里。这里也涉及到基于压电材料的超声波变换器。然而该声波变换器11相对于根据图1的实施例的声波变换器5在其工作频率上相对较窄带地与所预期的频率匹配，这些频率通过涡轮增压器2的各个工作转速产生。为了评估可能的频率范围，可以输出在从每分钟100000转至大约450000转之下的转速以及高于5至17涡轮叶片的转速。因此近似地可以预期的是，基波的频率从8kHz起直至高于113kHz，以及可以良好地测量的谐波，例如在从24kHz至0.35MHz的三次谐波或者说三倍频率。因为额定转速范围和涡轮叶片的数量已经是每个涡轮增压器的设计值，所以可以在所述的低超声波范围中根据适用性选择用于声波变换器5的工作频率的或多或少的窄频带的范围。
与第一个实施例相比，根据图2在设备方面的一定程度上更多费用的情况下，通过在空气进气通道3里设置另外独立的声波变换器11可给出总体上更简单的对电子测量信号的分析，因为特别是没有设置将输出信号分成两个分量a1，a2。此外为了测量空气质量，两个超声波变换器3，4必须具有一个工作频率，该工作频率明显地在超声波变换器11的工作频率之上，以及因此例如也在其中心频率之上，而该超声波变换器是为了涡轮增压器转速测量而设置的。
因为涡轮增压器2的噪声水平与各自的环境噪声相比较非常高和特别是在超声波范围里相对地处于主导地位，和此外所产生的声波在吸气部分3中通过长的路径没有明显衰减地传播，所以具有声波变换器4，5的超声波空气量传感器6以及这在第二个实施方式中所设置的独立的声波变换器11不必直接安装在涡轮增压器3上。因此也可以在按照常用的结构类型安装已知的空气量传感器的那些位置上安装涡轮增压器转速传感器。声波变换器4，5，11通常具有下述优点，即它们例如在石英变换的情况下对于温度、灰尘和压力相比较地是不敏感的。此外，当在已知的结构型式的节省的涡轮增压器转速传感器的情况下，这种类型的传感器基本上可以用更低廉的成本制造或者是作为标准部件而可以购买到的。

Claims (8)

1.一种用于监控内燃机的废气涡轮增压器的装置，其特征在于，设置有设计为用于接收取决于转速的涡轮增压器运行噪声的声波变换器(5，11)，所述声波变换器与用于频率分析的电子系统(10)连接以用于输出涡轮增压器的转速信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述声波变换器(5，11)设计为用于确定涡轮增压器转速的超声波变换器。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，后置于所述声波变换器(5，11)的所述电子系统(10)具有频率分析单元，用于识别涡轮增压器运行噪声的频带和确定各自当前的涡轮增压器转速。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述声波变换器(11)专门地与所预期的涡轮增压器运行噪声的频带相匹配。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置(1)的所述声波变换器(4，5，11)设置在内燃机的空气进气通道(3)中。
6.一种用于监控内燃机的废气涡轮增压器(2)的方法，其特征在于，所述涡轮增压器(2)的取决于转速的运行噪声通过声波变换器(5，11)接收并在电子系统(10)中分析处理。
7.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述声波变换器(5，11)并行地也作为空气质量传感器的组成部分应用。
8.根据前述权利要求6或7中任一项所述的方法，其特征在于，接收声波变换器(5)的输出信号分为较高频率分量(a1)和较低频率分量(a2)以及这些分量被输送到独立的单元以进行进一步的电子处理。
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