DE102006027422A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Abgasturboladers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Abgasturboladers Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Abgasturboladers einer Verbrennungskraftmaschine. Um ein preiswertes sowie zuverlässig arbeitendes Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Überwachung eines Abgasturboladers zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass ein zur Aufnahme eines drehzahlabhängigen Turbolader-Betriebsgeräusches ausgebildeter Schallwandler (5, 11) vorgesehen ist, der mit einer Elektronik (10) zur Frequenzanalyse zur Ausgabe eines Turbolader-Drehzahlsignals verbunden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Abgasturboladers einer Verbrennungskraftmaschine.
  • In bekannter Weise wird in Verbrennungskraftmaschinen ein Luft-Treibstoffgemisch unter Verdichtung zur Verbrennung gebracht. Die Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine hängt vom Verhältnis von Treibstoffmasse zu Luftmasse ab. Die Messung einer jeweiligen Luftmasse wird mit einem Luftmassensensor durchgeführt, der im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine sitzt. Zahlreiche moderne Verbrennungskraftmaschinen sind heute mit einem Abgas-Turbolader ausgestattet, welcher eine Vorverdichtung der Luftmasse bewirkt. Wurde bereits zu Beginn der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen der Versuch einer Vorkompression der einer Verbrennungskraftmaschine zuzuführenden Luft mit dem Ziel einer Erhöhung der Motorleistung durch Erhöhung des Luftmengen- und Kraftstoffdurchsatzes pro Arbeitstakt durchgeführt, so wird heute die Aufladung von Otto-Verbrennungskraftmaschinen nicht mehr primär unter dem Leistungsaspekt gesehen, sondern als Möglichkeit zur Einsparung von Kraftstoff und zur Minderung von Schadstoffen. Dabei wird in bekannter Weise einem jeweiligen Abgasstrom Energie zur Vorverdichtung des Luftmassenstromes durch eine im Abgasstrom laufende Turbine mit daran mechanisch gekoppeltem Frischluft-Verdichter entzogen, so dass beispielsweise ein Dieselmotor nun nicht mehr als Saugmotor, sondern als aufgeladener Motor mit Ladeluftdrücken von bis zu 1,5 bzw. 2,5 bar bei deutlicher Leistungssteigerung und reduziertem Schadstoffausstoß arbeitet.
  • Durch den Einsatz eines Turboladers erhöht sich einerseits das Drehmoment einer Verbrennungskraftmaschine, andererseits aber auch die thermische Belastung des Verbrennungsmotors, weswegen Motorblock, Zylinderköpfe, Zylinderkopfdichtungen, Lager, Zylinder, Pleuel, Ventile, Kolben und sonstige Motorkomponenten sowie der nachfolgende Antriebsstrang für diese zusätzliche Beanspruchung entsprechend ausgelegt sein müssen. Die höhere Leistung erfordert auch ein entsprechend größer dimensioniertes Kühlsystem zur Kühlung des Motors und der Ladeluft. Dabei ist bei aufgeladenen Otto-Motoren dennoch häufig zu beobachten, dass Abgasturbinen nach Fahrten unter hoher Last sogar rotglühend heiß werden. Eine derartig starke thermische und mechanische Beanspruchung eines Bauteils, das Drehzahlen von bis zu 200.000 Umdrehungen pro Minute erreichen kann, macht eine separate Überwachung erforderlich. Denn mit Einsatz von Turboladern wird in modernen Kraftfahrzeugen immer noch ein erheblicher Regungsaufwand ausgelöst, durch den eine Schadensdiagnose verkompliziert wird. Moderne vollelektronische Diagnosesysteme wirken hier durch Auswertung der Drehzahl eines Turboladers zu dessen Funktionsüberwachung unterstützend. Zur Ermittlung einer Turbolader-Drehzahl ist jedoch ein extra entwickelter Sensor vorzusehen. Dieser Sensor muss extrem widrigen Bedingungen, also insbesondere hohen Temperaturen und hohen Drücken, standhalten und dabei die Schaufeln des Turboladerrades zuverlässig detektieren und mit einer nachgeschalteten Elektronik das Drehzahlsignal berechnen. Dazu muss dieser Sensor direkt am Turbolader angebracht werden.
  • Bei allen Vorteilen ist als ein Nachteil eines Turboladers bekannt, dass in einem Anfahr-/Beschleunigungsvorgang als einem transienten Betriebszustand ein Turbolader einen nicht ausreichenden Ladedruck für die Frischluft erzeugen kann, so dass im Ansaugsystem ein kurzzeitiger Unterdruck entsteht. Bei einer Beschleunigung aus niedrigen Drehzahlen heraus fehlt zunächst die richtige Abgasmenge, um den gewünschten Ladedruck zu erzeugen. Erst bei steigender Drehzahl wird ein ausreichend starker Abgasstrom zur Verfügung gestellt, um eine Aufladung zu einem erforderlichen Grade zu bewirken.
  • Diesen Leistungsmangel bei niedrigen Drehzahlen bezeichnet man gemeinhin als "Turboloch". Demnach setzt die Aufladung des Frischluftstroms durch den Turbolader bei plötzlichem Gasgeben verzögert ein, da sich erst ein ausreichender Abgasstrom einstellen muss. Diese Eigenheit hat man in der Vergangenheit durch entsprechende Regelsysteme und durch Einsatz kleinerer Turbolader zu einem Teil kompensieren können. Im Rahmen eines neuen Konstruktionsansatzes unter Verwendung des in Planung befindlichen 42 V-Bordnetzes könnte es auch eine kombinierte Aufladung durch Abgasturbolader und elektrischen Antrieb geben. Hierdurch würde das Ansprechverhalten zusätzlich positiv verändert werden. Aber auch dieser Ansatz setzt für eine Regelung in Echtzeit eine relativ genaue Kenntnis einer aktuellen Turbolader-Drehzahl voraus. Damit können auch zukünftige Regelungsaufgaben nur unter Verwendung einer Überwachung des Abgasturboladers vorgenommen werden, die eine Turboladerdrehzahl als Ausgangssignal liefert.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein preiswertes sowie zuverlässig arbeitendes Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Überwachung eines Abgasturboladers zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß zeichnet sich eine Vorrichtung zur Überwachung eines Abgasturboladers dadurch aus, dass sie einen zur Aufnahme eines drehzahlabhängigen Turbolader-Betriebsgeräusches ausgebildeten Schallwandler umfasst, der mit einer Elektronik zur Frequenzanalyse zur Ausgabe eines Turbolader-Drehzahlsignals verbunden ist. Der Erfindung liegt mithin die Erkenntnis zugrunde, dass bei Betriebsdrehzahlen von 200.000 bis zu ca. 400.000 Umdrehungen pro Minute jeder mit bis zu 17 Turbinenschaufeln ausgestattete Turbolader in seinem normalen Betriebs-Drehzahlbereich ein sehr hochfrequentes Betriebsgeräusch emittiert. Dieses Betriebsgeräusch wird daher umgangssprachlich auch als Turbolader-Pfeifen bezeichnet. Aus einer oder mehreren dominanten Frequenzen innerhalb eines durch einen Turbolader emittierten Schallspektrums ist eine jeweils aktuelle Turbolader-Drehzahl ermittelbar. Dies erfolgt beispielsweise in einer Elektronik zur Frequenzanalyse, die dann ein Turbolader-Drehzahlsignal ausgibt.
  • Ein Geräuschpegel eines im Normbetrieb befindlichen Turboladers verglichen zu sonstigen Umgebungsgeräuschen innerhalb eines Kraftfahrzeuges ist vergleichsweise hoch. Da sich der am Turbolader entstehende Schall über weite Strecken insbesondere im Ansaugtrakt ohne wesentliche Dämpfung fortpflanzt, muss der erfindungsgemäß vorzusehende Schallwandler selber vorteilhafterweise nicht direkt am Turbolader angebracht sein. Damit ist ein entsprechender Schallwandler auch nicht den bekannt hohen Temperaturen und Drücken im Bereich des Turboladers ausgesetzt. Damit sind erfindungsgemäß auch weniger widerstandsfähige und damit preiswertere Schallwandler mit geringerem Betriebstemperaturbereich etc. einsetzbar.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Schallwandler ein Ultraschallwandler verwendet. Es ist herausgefunden worden, dass sich die Frequenzen eines durch einen Turbolader emittierten Schallspektrums oberhalb der menschlichen Hörschwelle von ca. 16 kHz im Ultraschallbereich ab 20 kHz befinden, aus denen eine jeweils aktuelle Turbolader-Drehzahl ermittelbar ist.
  • Eine dem Schallwandler nachgeordnete Elektronik umfasst eine Frequenzanalyseeinheit. Diese Frequenzanalyseeinheit identifiziert vorzugsweise auf Basis einer Fast-Fourrier Transformation bzw. FFT mit nachfolgender Bandpassfilterung ein Frequenzband eines Turbolader-Betriebsgeräusches und ermittelt daraus eine jeweils aktuelle Turbolader-Drehzahl.
  • Eine erfindungsgemäße Turbolader-Drehzahlbestimmung wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf Basis einer Schallauswertung zusammen mit einem Luftmassensensor im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Ein Luftmassensensor kann als Massenstromsensor nach einem thermischen Prinzip arbeiten, wobei eine Abgabe von Wärmeleistung eines erhitzten Sensormessdrahtes im Vergleich zu einem thermisch isolierten baugleichen Sensordraht über eine Widerstandbrückenschaltung als Maß für eine jeweilige Durchflussmenge ausgewertet wird. Ein alternativer und elektrische Energie einsparender Ansatz ist allgemein in dem Aufsatz "Durchflussmesstechnik – Eine Obersicht", in der Fachzeitschrift "Technisches Messen tm", 1979, Heft 4, Seiten 145–149 beschrieben worden. Dazu ist es bekannt, einen sendenden und einen empfangenden Ultraschallmesskopf für eine Durchflussmessung zu verwenden. Die beiden Ultraschallmessköpfe dienen dabei einer als Sender und einer als Empfänger und benötigen eine Sende-/Empfangseinrichtung. Hierauf aufbauend ist beispielsweise in der EP 0 535 364 A1 ein Verfahren zur hochauflösenden Strömungsgeschwindigkeitsmessung mittels Ultraschall offenbart worden, bei dem ein Ultraschallsender und ein Ultraschallempfänger Schallimpulse durch ein Messrohr unter einem Schrägstellungswinkel zur Bestimmung einer von einer aktuellen Strömungsgeschwindigkeit abhängigen Phasendifferenz hindurchleiten. Zur Luftmassenmessung werden also im Ansaugtrakt bereits zwei Ultraschallwandler verwendet, und diese Anordnung wird in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Zufügung eines dritten Ultraschallwandler ergänzt, wobei dieser dritte Ultraschallwandler hinsichtlich seiner Betriebsfrequenz speziell auf die zu erwartenden Frequenzen des sich in Betrieb befindlichen Turboladers abgestimmt ist. Alternativ hierzu kann auch eine Vorrichtung mit nur zwei Ultraschallwandlern vorgesehen sein, wobei der empfangende Ultraschallwandler nun so breitbandig ausgeführt ist, dass eine Luftmassenmessung bei wesentlich höherer Frequenz als die Turboladerdrehzahl-Messung durchgeführt wird. Eine Bandpassfilterung trennt das Ausgangssignal des empfangenden Ultraschallwandlers, um die Signalanteile jeweils gezielt einer Luftmassenmessung und einer Drehzahlbestimmung in getrennten Nachfolgeschaltungen zuzuführen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen:
  • 1: ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Drehzahlmessung eines Turboladers unter Verwendung von zwei Standard-Ultraschallwandlern eines Ultraschall- Luftmassensensors und
  • 2: ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform zur Drehzahlmessung eines Turboladers sowie eines Ultraschall-Luftmassensensors bei Verwendung eines zusätzlichen Ultraschallwandlers mit nachfolgender Auswerteelektronik als Blockschaltdiagramm in einer Darstellung analog der von 1.
  • Über die verschiedenen Ausführungsbeispiele und Abbildungen hinweg werden einheitlich gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Funktions- bzw. Baugruppen und Verfahrensschritte verwendet.
  • Die Abbildung von 1 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Vorrichtung 1 zur Drehzahlmessung eines nur symbolisch wiedergegebenen Abgas-Turboladers 2. Diese Vorrichtung 1 ist in einem Lufteinlasskanal 3 einer nicht weiter dargestellten Verbrennungskraftmaschine angeordnet und arbeitet unter Verwendung von zwei standardisierten Schallwandlern 4,5 eines Ultraschall-Luftmassensensors 6.
  • Der Ultraschall-Luftmassensensor 6 arbeitet im vorliegenden Ausführungsbeispiel nach einem in der EP 0 535 364 A1 veröffentlichten Verfahren zur Bestimmung einer Luftmasse bei ho hen Strömungsgeschwindigkeiten. Hierzu werden Schallwellen 7 im Ultraschallbereich von dem ersten Wandler 4 unter Ansteuerung durch eine Elektronik 8 ausgesandt. Sie durchlaufen den von einem starken Luftstrom durchströmten Lufteinlasskanal 3 auf einer Bahn, die zur Vergrößerung der Wegstrecke und damit zur Verbesserung der Messgenauigkeit unter einem Winkel α gegenüber der Querschnittsebene des Lufteinlasskanals 3 geneigt ist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Lufteinlasskanals 3 treffen die Schallwellen 7 auf den zweiten Schallwandler 5, der als Ultraschalldetektor die empfangenen Schallwellen 7 in ein elektrisches Ausgangssignal a1 wandelt. Dieses elektrische Signal a1 wird an die Elektronik 8 zur Luftmassenmessung zurückgeführt. Für die Durchführung des Verfahrens im Detail, die Auswertung der Messergebnisse und die damit verbundenen Verfahren wird vollumfänglich auf die Lehre der EP 0 535 364 A1 verwiesen.
  • Der empfangende Schallwandler 5 ist im Ultraschallbereich sehr breitbandig ausgelegt. Damit kann der Schallwandler 5 neben den von dem Schallwandler 4 ausgesandten Schallwellen 7 auf die wesentlich niederfrequenteren und dennoch im Ultraschallbereich befindlichen Schallwellen 9 detektieren und wandeln, wobei diese Schallwellen 9 durch den Betrieb des Turboladers 2 erzeugt werden und in ihrer Frequenz charakteristisch für eine jeweilig aktuelle Turbolader-Drehzahl sind. Dementsprechend wird ein jeweiliges Messergebnis des zweiten Schallwandlers 5 nachfolgend in zweifacher Weise ausgewertet, wie auch zeichnerisch angedeutet: Ein Ausgangssignal des empfangenden Schallwandlers 5 wird in einen höherfrequenten Anteil a1 und einen niederfrequenten Anteil a2 aufgeteilt. Diese Anteile a1, a2 werden separaten Einheiten zur elektrischen Weiterverarbeitung zugeführt. Zum einen wird also ein wesentlich höher frequenter Anteil, der in vorbestimmter Frequenz durch den ersten Wandler 4 ausgesandt worden ist, zu der Auswertelektronik 8 zur Ermittlung einer Luftmasse weitergeleitet. Ein vergleichsweise niederfrequenter und von dem Turbolader 2 her stammender Ultraschall-Frequenzanteil wird in dem Signal-Anteil a2 zur Frequenzanalyse an eine Elektronik 10 weitergeleitet. Aus dem aufgenommenen Frequenzspektrum wird eine aktuelle Turboladerdrehzahl durch geeignete Filtermethoden und mathematische Algorithmen bestimmt, wobei im vorliegenden Fall auf eine Bandpassfilterung eine Fast-Fourrier-Transformation zur Ermittlung einer charakteristischen Frequenz der Turboladerdrehzahl angewendet wird. Die dem Schallwandler 5 nachgeordnete Elektronik 10 umfasst mithin eine Frequenzanalyseeinheit zum Identifizieren eines Frequenzbandes eines Turbolader-Betriebsgeräusches und zum darauf aufbauenden Ermitteln einer jeweils aktuellen Turbolader-Drehzahl als Ausgangssignal A.
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform zur Drehzahlmessung eines Turboladers sowie eines Ultraschall-Luftmassensensors. Diese Vorrichtung arbeitet unter Verwendung eines zusätzlichen Ultraschallwandlers 11 mit nachfolgender Auswertelektronik und ist als Blockschaltdiagramm in einer Darstellung analog der von 1 abgebildet. In der Ausführungsform von 2 ist der zur Aufnahme eines drehzahlabhängigen Turbolader-Betriebsgeräusches ausgebildete Schallwandler 11 als separates Bauteil in dem Lufteinlasskanal 3 vorgesehen. Auch hierbei handelt es sich um einen Ultraschallwandler auf Basis eines piezo-elektrischen Materials. Dieser Schallwandler 11 ist gegenüber dem Schallwandler 5 des Ausführungsbeispiels gemäß 1 jedoch vergleichsweise schmalbandig in seiner Betriebsfrequenz auf die zu erwartenden Frequenzen abgestimmt, die durch die jeweiligen Betriebsdrehzahlen des Turboladers 2 hervorgerufen werden. Zur Abschätzung eines möglichen Frequenzbereiches kann von Drehzahlen unterhalb von 100.000 bis ca. 450.000 Umdrehungen pro Minute und von mehr als 5 bis zu 17 Turbo-Schaufeln ausgegangen werden. Damit sind überschlägig Frequenzen der Grundschwingungen ab 8 kHz bis mehr als 113 kHz und gut messbare Harmonische z.B. bei der dritten Oberschwingung bzw. dreifachen Frequenz von 24 kHz bis 0,35 MHz zu erwarten. Da ein Nenn-Drehzahlbereich und die Zahl der Turbo-Schaufeln bereits Auslegungsgrößen eines jeden Turboladers sind, kann in dem genannten unteren Ultraschallbereich je nach Applikation ein mehr oder weniger schmalbandiger Bereich für die Betriebsfrequenz des Schallwandlers 5 gewählt werden.
  • Gegenüber der ersten Ausführungsform ergibt sich daraus gemäß 2 bei einem gewissen apparativen Mehraufwand durch das Vorsehen eines weiteren separaten Schallwandlers 11 in dem Lufteinlasskanal 3 jedoch eine insgesamt einfachere Auswertung der elektrischen Messsignale, da insbesondere keine Frequenzaufspaltung eines Ausgangssignals in zwei Anteile a1, a2 vorzusehen ist. Weiter müssen die beiden Ultraschallwandler 3, 4 für die Luftmassenmessung eine Betriebsfrequenz aufweisen, die deutlich über der Betriebsfrequenz und damit beispielsweise auch einer Mittenfrequenz des Ultraschallwandlers 11 liegt, der für die Turboladerdrehzahl-Messung vorgesehen ist.
  • Da der Geräuschpegel des Turboladers 2 verglichen zum jeweiligen Umgebungsgeräusch sehr hoch und insbesondere im Ultraschallbereich relativ dominant ist und sich der entstehende Schall zudem über weite Strecken im Ausaugtrakt 3 ohne wesentliche Dämpfung fortpflanzt, muss der Ultraschall-Luftmassen-sensor 6 mit seinen Schallwandlern 4, 5 sowie der in der zweiten Ausführungsform vorgesehene separate Schallwandler 11 nicht direkt am Turbolader 3 angebracht werden. Damit kann auch eine Turbolader-Drehzahlsensierung an jene Position eingebaut werden, an der nach gängiger Bauweise bekannte Luftmassensensoren eingebaut werden. Dabei weisen die Ultraschall-Sensoren 4, 5, 11 generell den Vorteil auf, dass sie z.B. in Bauformen von Quarz-Wandeln gegen Temperatur, Schmutz und Druck vergleichsweise unempfindlich sind. Zudem sind derartige Sensoren wesentlich kostengünstiger herzustellen oder als Standard-Komponenten erhältlich, als dies bei einem nun einzusparenden Turboladerdrehzahl-Sensor bekannter Bauart der Fall wäre.
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Abgas-Turbolader
    3
    Lufteinlasskanal
    4
    Schallwandler
    5
    Schallwandler
    6
    Ultraschall-Luftmassensensor
    7
    Schallwellen innerhalb von 6
    8
    Elektronik
    9
    Schallwellen von 2
    10
    Elektronik
    11
    Schallwandler (schmalbandiger)

Claims (8)

  1. Vorrichtung zum Überwachen eines Abgasturboladers einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Aufnahme eines drehzahlabhängigen Turbolader-Betriebsgeräusches ausgebildeter Schallwandler (5, 11) vorgesehen ist, der mit einer Elektronik (10) zur Frequenzanalyse zur Ausgabe eines Turbolader-Drehzahlsignals verbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (5, 11) zur Ermittlung einer Turbolader-Drehzahl als Ultraschallwandler ausgebildet ist
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gkennzeichnet, dass eine dem Schallwandler (5, 11) nachgeordnete Elektronik (10) eine Frequenzanalyseeinheit zum Identifizieren eines Frequenzbandes eines Turbolader-Betriebsgeräusches und Ermitteln einer jeweils aktuellen Turbolader-Drehzahl umfasst.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (11) speziell auf das Frequenzband eines zu erwartenden Turbolader-Betriebsgeräusches abgestimmt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (4, 5, 11) der Vorrichtung (1) in einem Lufteinlasskanal (3) der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist.
  6. Verfahren zum Überwachen eines Abgas-Turboladers (2) einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein drehzahlabhängiges Betriebsgeräusch des Turboladers (2) durch einen Schallwandler (5, 11) aufgenommen und in einer Elektronik (10) ausgewertet wird.
  7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwandler (5, 11) parallel auch als Bestandteil eines Luftmassensensors verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal eines empfangenden Schallwandlers (5) in einen höherfrequenten Anteil (a1) und einen niederfrequenten Anteil (a2) aufgeteilt wird und diese Anteile separaten Einheiten zur elektrischen Weiterverarbeitung zugeführt werden.
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