DE102005054736A1

DE102005054736A1 - Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005054736A1
Application number: DE200510054736
Authority: DE
Inventors: Uwe Konzelmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-05-24

Abstract

Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dessen Hilfe die Drehzahl eines Abgasturboladers auf einfache und kostengünstige Weise ermittelt werden kann. Dabei nutzt das Verfahren den Effekt aus, dass Abgasturbolader im Betrieb Pfeiftöne erzeugen, deren Frequenz direkt mit der Drehzahl des Abgasturboladers zusammenhängt.

Description

Stand der Technik

Die Bestimmung der Drehzahl von rotierenden Bauteilen erfolgt üblicherweise induktiv, indem die Impulse eines Geberrades gezählt werden.

Unter anderem wegen der extrem hohen Drehzahlen von weit über 100.000/min, die beim Betrieb eines Abgasturboladers auftreten, und wegen der hohen Betriebstemperaturen sind die herkömmlichen induktiven Sensoren nicht zum Einsatz in einem Abgasturbolader geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe die Drehzahl eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine auf einfache und dennoch zuverlässige Weise mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einem Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine, bei dem an dem Abgasturbolader ein Körperschallsensor angeordnet ist, bei dem der Körperschallsensor ein Signal liefert und bei dem eine oder mehrere Eigenschaften des Signals zur Bestimmung der Drehzahl des Abgasturboladers ausgewertet werden.

Vorteile der Erfindung

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auf einfache Weise möglich, trotz der extrem hohen Drehzahlen und der hohen Betriebstemperaturen eines Abgasturboladers, dessen Drehzahl in ausreichender Genauigkeit zu bestimmen.

Wegen seiner Einfachheit ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr kostengünstig durchführbar und kann deshalb auch in Serienfahrzeugen zum Einsatz kommen. Aufgrund der mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnenen Informationen über die Drehzahl des Abgasturboladers kann die Steuerung der Brennkraftmaschine optimiert werden und somit Wirkungsgrad und Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine verbessert werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Signal des Körperschallsensors im Frequenzbereich ausgewertet wird. Dies kann besonders vorteilhaft dadurch erfolgen, dass das Signal des Körperschallsensors durch eine Fourier-Transformation oder eine Fast-Fourier-Transformation ausgewertet wird, und dass durch den Vergleich des Ergebnisses der Fourier-Transformation mit vorgegebenen Referenzwerten, welche vorab für bestimmte Drehzahlen des Abgasturboladers ermittelt wurden, die aktuelle Drehzahl des Abgasturboladers bestimmt wird.

Die Fourier-Transformation und die Fast-Fourier-Transformation sind seit langem als hilfreiche und leistungsfähige Werkzeuge zur Frequenzganganalyse bekannt und es kann auf eine Vielzahl von fertigen Softwarelösungen zurückgegriffen werden, die eine Fourier-Transformation oder eine Fast-Fourier-Transformation auf einfache Weise ermöglichen.

Alternativ ist es auch möglich, das Signal des Körperschallsensors im Zeitbereich auszuwerten. Dies kann beispielsweise mit Hilfe mehrerer Bandpassfilter erfolgen, welche das Signal des Körperschallsensors in verschiedene Frequenzbereiche zerlegen. Durch den Vergleich der Ausgangssignale der Bandpassfilter mit vorgegebenen Referenzwerten, welche vorab für bestimmte Drehzahlen des Abgasturboladers ermittelt wurden, können anschließend die Drehzahl des Abgasturboladers bestimmt werden.

Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das Signal des Körperschallsensors mit Hilfe der Bandpassfilter in einen ersten Frequenzbereich von 0,5 kHz bis 5 kHz, in einen zweiten Frequenzbereich von 5 kHz bis 10 kHz, in einen dritten Frequenzbereich von 10 kHz bis 15 kHz und/oder in einen vierten Frequenzbereich von 15 kHz bis 20 kHz zerlegt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt den Einsatz herkömmlicher, aus dem Automobilbau bekannter und bereits millionenfach bewährter Klopfsensoren. Dadurch ergeben sich weitere Kosteneinsparpotenziale, welche die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung der Steuerung der Brennkraftmaschine noch attraktiver machen.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen beschriebenen Vorteile und Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader,
2 ein Flussdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
3 ein Flussdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine in einem nicht dargestellten Fahrzeug eingesetzte Brennkraftmaschine trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. In 1 sind nur einige wesentliche Komponenten der Brennkraftmaschine 10 dargestellt, welche im Zusammenhang mit der Erfindung von besonderer Bedeutung sind.
Die Brennkraftmaschine 10 weist vier Zylinder 12a bis 12d auf. An der Auslassseite der Zylinder 12a bis 12d ist ein Sammler 22 vorgesehen, welcher das aus den Brennräumen der Zylinder 12a bis 12d ausströmende Abgas einem Abgasturbolader 24 zuführt.
Der Abgasturbolader 24 ist mit seinem Turbinengehäuse 26 an den Sammler 22 angeschlossen. Auf der in 1 linken Seite des Turboladers 24 befindet sich ein Verdichtergehäuse 28, welches die angesaugte Verbrennungsluft verdichtet. Das Verdichtergehäuse 28 mit dem nicht dargestellten Verdichterrad stellt die so genannte Laderseite des Turboladers 24 dar.
An dem Verdichtergehäuse 28 ist ein Klopfsensor 30 angebracht, der über eine Signalleitung mit einem Steuergerät 32 verbunden ist. Auch die Injektoren 14 und 16 sind über Signalleitungen (ohne Bezugszeichen) mit dem Steuergerät 32 verbunden und werden von diesem angesteuert.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass zwischen der Drehzahl eines Turboladers und der Frequenz der beim Betrieb des Abgasturboladers 24 entstehenden Pfeiftönen ein direkter Zusammenhang besteht. Wegen dieses Zusammenhangs können die Pfeiftöne zu einer indirekten Bestimmung der Drehzahl des Abgasturboladers genutzt werden. Die Frequenz dieser Pfeiftöne liegen in dem Bereich, den ein menschliches Ohr gut wahrnehmen kann, nämlich zwischen 500 Hz–20 kHz. Dieses Pfeifen ist beispielsweise gut hörbar, wenn ein mit einem Abgasturbolader ausgestattetes Kraftfahrzeug beschleunigt.
In einem Blockschaltbild gemäß 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
Das Verfahren beginnt in einem Startblock 34. In einem Block 36 wird der Körperschall des Abgasturboladers 24 mit Hilfe eines Körperschallsensors in ein elektrisches Signal umgewandelt. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Drehzahl eines Abgasturboladers 24 wird das Signal des Körperschallsensors 30 im Frequenzbereich ausgewertet. Dies erfolgt in einem Block 38, in dem beispielsweise eine Fourier-Transformation oder eine Fast-Fourier-Transformation des Signals des Körperschallsensors 30 vorgenommen wird. Das Ergebnis ist ein Ist-Fourier-Spektrum, das mit zuvor an einem Abgasturbolader 24 gleicher Bauart ermittelten Referenz-Fourier-Spektren verglichen wird.
Dies bedeutet, dass vor der Durchführung des Verfahrens zunächst für die wichtigen Drehzahlbereiche des Abgasturboladers Referenz-Fourier-Spektren ermittelt werden müssen. Gleichzeitig muss die Drehzahl des Abgasturboladers gemessen werden. Dadurch ist es möglich, einem Referenz-Fourier-Spektrum eine Drehzahl beziehungsweise einen Drehzahlbereich zuzuordnen.
Wenn nun in dem Block 40 das durch die Messung mit dem Körperschallsensor 30 und die anschließende Fourier-Transformation erhaltene Ist-Fourier-Spektrum mit den zuvor ermittelten Referenz-Spektren verglichen wird, kann die aktuelle Drehzahl des Abgasturboladers bestimmt werden.
Wenn beispielsweise das Ist-Fourier-Spektrum große Übereinstimmungen mit einem Referenz-Fourier-Spektrum aufweist, das bei einer Abgasturbolader-Drehzahl von 50.000/min erhalten wurde, kann die aktuelle Ist-Drehzahl des Abgasturboladers gleich 50.000/min gesetzt werden.
Auf diese Weise ist es mit Hilfe hinlänglich bekannter mathematischer Verfahren, wie der Fourier-Transformation möglich, mit Hilfe herkömmlicher Körperschallsensoren, die auch in großen Stückzahlen und zu geringen Kosten als Klopfsensoren in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, die Drehzahlen von Abgasturboladern 24 auf einfache Weise und mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Gleiche Verfahrensschritte werden mit dem gleichen Bezugszeichen wie in 2 versehen und es gilt das bezüglich 2 Gesagte entsprechend.
Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 2 findet die Auswertung des Signals des Körperschallsensors 30 nicht im Frequenzbereich, sondern im so genannten "Zeitbereich" statt.
Dies bedeutet, dass das elektrische Ausgangssignal des Körperschallsensors, das nach dem Schritt 36 zur Verfügung steht, mit Hilfe von Bandpassfiltern in verschiedene Frequenzbereiche aufgeteilt wird. Die Zerlegung des Signals des Körperschallsensors 30 in verschiedene Frequenzbereiche erfolgt in einem Block 42. Ein mögliches Ergebnis einer solchen Zerlegung ist in 4 schematisch dargestellt. Dort sind vier Frequenzbereiche, nämlich ein erster Frequenzbereich zwischen 0,5 und 5 kHz, ein zweiter Frequenzbereich zwischen 5 und 10 kHz, ein dritter Frequenzbereich zwischen 10 und 15 kHz sowie ein vierter Frequenzbereich zwischen 15 und 20 kHz auf der X-Achse aufgetragen.
Auf der Y-Achse wird eine normierte Amplitude des Ausgangssignals der verschiedenen Bandpassfilter aufgetragen. Bei dem exemplarischen Beispiel gemäß 4 ist die Intensität und die Amplitude am Ausgang des Bandpassfilters, welcher Frequenzen zwischen 10 kHz und 15 kHz passieren lässt, verglichen mit den Amplituden der Ausgangssignale in den anderen Frequenzbändern deutlich erhöht. Aus der Größe der Amplitude im dritten Frequenzband zwischen 10 kHz und 15 kHz kann, insbesondere durch einen Vergleich der Intensitäten der Ausgangssignale in den anderen Frequenzbereichen, auf die Drehzahl des Abgasturboladers geschlossen werden.
Beispielsweise ist es möglich, dass für einen Abgasturbolader bei verschiedenen vorher bekannten Drehzahlen das Körperschallsignal mit Hilfe eines Körperschallsensors 30 erfasst wurde und dieses Signal des Körperschallsensors 30 mit Hilfe von Bandpassfiltern in verschiedene Frequenzbereiche und Frequenzanteile zerlegt wurde. Dadurch erhält man Referenzwerte, die bestimmten Drehzahlen oder Drehzahlbereichen des Abgasturboladers eindeutig zugeordnet werden kann. Durch Vergleich der Referenzergebnisse mit den Ergebnissen der Zerlegung des Ausgangssignals des Körperschallsensors 30 in verschiedene Frequenzbereiche, wie er im Block 42 durchgeführt wird, kann wiederum auf die Drehzahl des Abgasturboladers 24 geschlossen werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine (10) bei dem an dem Abgasturbolader (24) ein Körperschallsensor (30) angeordnet ist, bei dem der Körperschallsensor (30) ein Signal liefert und bei dem eine oder mehrere Eigenschaften des Signals zur Bestimmung der Drehzahl des Abgasturboladers ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal eines Körperschallsensors (30) im Frequenzbereich (38, 40) ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal eines Körperschallsensors (30) durch eine Fourier-Transformation (38) oder eine Fast-Fourier-Transformation für bestimmte Frequenzen ausgewertet, und dass durch den Vergleich des Ergebnisses der (Fast)-Fourier-Transformation mit vorgegebenen Referenzwerten, welche vorab für bestimmte Drehzahlen des Abgasturboladers (24) ermittelt wurden, die Drehzahl des Abgasturboladers (24) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Körperschallsensors (30) im Zeitbereich (42) ausgewertet wird
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Körperschallsensors (30) mit Hilfe mehrere Bandpassfilter in verschiedene Frequenzbereiche zerlegt wird, und dass durch den Vergleich der Ausgangssignale (42) der Bandpassfilter mit vorgegebenen Referenzwerten, welche vorab für bestimmte Drehzahlen des Abgasturboladers (24) ermittelt wurden, die Drehzahl des Abgasturboladers (24) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Körperschallsensors (30) mit Hilfe der Bandpassfilter in einen ersten Frequenzbereich von 0,5 kHz bis 5 kHz, in einen zweiten Frequenzbereich von 5 kHz bis 10 kHz, in einen dritten Frequenzbereich von 10 kHz bis 15 kHz und in einen vierten Frequenzbereich von 15 kHz bis 20 kHz zerlegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Signals des Körperschallsensors (30) durch einen Vergleich mit Referenzwerten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Körperschallsensor (30) ein Klopfsensor eingesetzt wird.
Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche programmiert ist.
Elektrisches Speichermedium für eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (32) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 abgespeichert ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (32) für eine Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist.
Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung (32), welche zur Anwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 programmiert ist.