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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Signalaufbereitung von Sensorausgangssignalen bei der induktiven
Messung einer Turboladerdrehzahl an einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine.
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Es
ist bekannt, dass für
die Drehzahlmessung an Abgasturboladern überwiegend wirbelstrombasiert
arbeitende Sensoren eingesetzt werden, bei denen eine in einem Sensorgehäuse eingegossene Spule
von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen wird. Das so
entstehende elektromagnetische Feld wird bei Annäherung jeder Turboladerschaufel
gedämpft,
so dass jede Schaufel des Turboladers einen Impuls erzeugt. Ein
zugehöriger
Controller ermittelt unter Berücksichtigung
einer jeweiligen Schaufelanzahl des betreffenden Turboladers, die
in der Regel zwischen zwei bis siebzehn Schaufeln liegt, eine jeweilige
Drehzahl. Ein derartiger Drehzahlsensor arbeitet also berührungsfrei
und ist als Wirbelstrom-Messsystem verschleißfrei sowie resistent gegen
die im Motorraum üblichen
Verunreinigungen durch Öl
und Schmutz. Über
eine einfache Bohrung am Gehäuse
des Verdichters wird der Sensor so positioniert, dass er eine Schaufelspitzenbewegung
des Turboladerrades messen kann.
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Das
Verdichtergehäuse
wird in der Regel aus Aluminium gefertigt, wohingegen die Schaufeln
der Turbolader aus Aluminium oder Titan bzw. Titanlegierungen mit
je nach Hersteller schwankender Größe und geänderter Schaufelanzahl gefertigt
werden. Diese Umgebungsbedingungen ermöglichen den vorteilhaften Einsatz
von Hall-Sensoren oder Induktiv-Sensoren, wobei die Feldlinien eines
auf oder in dem Turboladerrad mitrotierenden, kräftigen Magneten von magnetfeldempfindlichen
Sensoren auch durch eine Aluminiumwand im Bereich eines Luft einlasses
hindurch gemessen werden können.
Ein wesentlicher Vorteil dieser Messmethode gegenüber der
erstgenannten besteht darin, dass ein einfaches Anbringen ohne jeden
Gehäusedurchbruch
sowie eine Platzierung im Bereich eines Lufteinlasses bei wesentlich
geringerer Temperaturbelastung des eigentlichen Sensors möglich ist.
Mit induktiven Sensoren erzielt man in diesem zweitgenannten Messverfahren
selbst bei mehreren Millimetern Wandstärke eine große Reichweitensteigerung
im Vergleich zu Hall-Sensor basierten Messsystemen. Dabei erzeugt der
rotierende Magnet im Spulensensor eine Spannung, die einen sinusförmigen Verlauf über eine
geschlossene Umdrehung aufweist. Übliche Spannungsamplituden
betragen 80 mV bis 200 mV, es können
jedoch Amplituden von bis zu ca. 20 mV noch sicher ausgewertet werden.
Unter diesem Wert liegende Amplituden sind auf Grund von Störungen und/oder
Rauschen nicht mehr sicher auswertbar.
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Für die Auswertung
von Sensorsignalen magnetischer Sensoren gibt es insbesondere an
einer Motorsteuerung reservierte und vorzugsweise auch standardisierte
Eingänge.
Diese Eingänge
sind jeweils auf bestimmte Drehzahlsensoren abgestimmt und für Motor-
und/oder Getriebedrehzahlmessungen reserviert. Turbodrehzahlsensoren
werden jedoch von vielen unterschiedlichen Herstellern in verschiedenen
Bauformen geliefert und im Einsatz mit diversen Motorsteuerungen
kombiniert. Aus diesem Grund ist die vorstehend genannte normierte
Signalschnittstelle mit stabilem Ausgangssignal erforderlich.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch ein Verfahren
und eine Vorrichtung eine Schnittstelle für eine störungsfreie Kombination von verschiedenartigen
Sensoren und Motorsteuerungen miteinander zu schaffen, die als Baugruppen
i.d.R. voneinander räumlich
weit getrennt angeordnet sind.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zeichnet sich dadurch aus, dass ein in einem Sensor erzeugtes Ausgangssignal
zunächst
mit einem Tiefpass gefiltert wird, um nur noch die für eine Drehzahlbestimmung
relevanten Anteile einer Frequenz von unter ca. 6 kHz zu enthalten.
Damit werden bekannte Störungen
herausgefiltert. Die Amplitudenschwankungen dieses gefilterten Sinussignals
bzw. Signalgemisches werden in ein definiertes Rechtecksignal gewandelt,
vorzugsweise unter Verwendung einer Komparatorschaltung. Dementsprechend
weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Aufbau einer Schnittstelle einen Tiefpass mit einer Grenzfrequenz bei
ungefähr
6 kHz auf, dessen Ausgang an einen Sinus-Rechteck-Umformer angeschlossen
ist. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird als Sinus-Rechteck-Umformer ein Schmitt-Trigger verwendet.
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Die
vorstehend beschriebene Lösung
ermöglicht
es, dass Sensoren unabhängig
von einer jeweils eingesetzten Motorsteuerung ausgewählt und eingesetzt
werden können.
Primärstörungen eines quasi
sinusförmigen
Ausgangssignals eines beliebigen Sensors werden durch die Vorfilterung
beseitigt. Damit liefern auch semiaktive Sensoren eine von magnetischen
und mechanischen Toleranzen weitgehend unabhängige Drehzahlinformation in
ihrem Ausgangssignal. Damit können
also auch passive Drehzahlsensoren mit Hilfe einer semiaktiven Auswerteschaltung
betrieben werden. Ein Angleich der Signalpegel zum Ausgleich mechanischer,
magnetischer und/oder elektrischer Toleranzen und Abweichungen des
Sensorsystems wird automatisch hergestellt. Zudem wird ein Angleichen
der Signalpegel zur Adaptierung an eine Vielzahl von Motorsteuerungen
diverser unterschiedlicher Hersteller bewirkt.
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Die
Ausblendung höherfrequenter
Störungen
bei gleichzeitiger Verstärkung
des Sensorausgangssignals erweitert den Einsatzbereich zu Anwendungen
mit niedrigeren Ausgangssignalpegeln von Sensoren hin. Auch in diesem
Bereich wird die Zuverlässigkeit
der Messergebnisse erhöht.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel
anhand der Zeichnung näher
beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1:
ein Blockschaltdiagramm eines prinzipiellen Aufbaus eines induktiven
Sensorsystems zur Turboladerdrehzahlmessung mit beispielhaften Ausgabesignalen;
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2:
eine vergrößerte Darstellung
des Signalausgabesche mas von 1 zur Darstellung
von Fehlereinflüssen
und Störungen
und
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3:
eine Beispielschaltung als Vorrichtung zum Umsetzen eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Schaffung einer normierten Schnittstelle.
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Über die
verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend stets gleiche
Bezeichnungen und Bezugszeichen für gleiche Elemente und Verfahrensschritte
gewählt.
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1 zeigt
als Blockschaltdiagramm eine induktive Sensoranordnung 1.
In dieser Sensoranordnung 1 sensiert ein induktiver Sensor 2 ein
Magnetfeld 3 eines in einem Turboladerlaufrad 4 starr
fixierten Magneten 5 bzw. dessen Änderung. Ein quasi sinusförmiges Signalgemisch
wird aus dem Sensor 2 über
eine Zuleitung bzw. pig tail 6 an eine nachfolgende Auswerteelektronik 7 über eine
Strecke l von ca. 200 bis über
300 mm Länge
weitergeleitet.
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Ein
Kopf 8 des Sensors 2 weist einen Durchmesser von
sechs bis acht Millimeter auf und ist in einem Abstand d von 15
bis 30 mm von dem Magneten 5 bzw. dessen Mittelpunkt entfernt
angeordnet. Mit einer derartigen Anordnung 1 können Turboladerdrehzahlen
n von minimal 8.000 Umdrehungen, entsprechend einer Grundfrequenz
von 100 Hz, bis zu maximalen Drehzahlen von 360.000 Umdrehungen,
entsprechend einer Grundfrequenz von 6.000 Hz bzw. 6 kHz, detektiert
werden.
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Die
maximal zulässigen
Temperaturen von ca. 230 °C
beim Sensorgehäuse
und 180 °C
bei der Spule des Sensors 2 einerseits und 125 °C der Auswerteelektronik 7 bzw.
150 °C des
zugehörigen
Gehäuses
machen einer räumliche
Trennung diese Komponenten erforderlich. Die maximale kurzzeitige Temperaturbelastung
für die
Wicklung des Sensors 2 beträgt im vorliegenden Fall ca.
230 °C und
ca. 150 °C
für die
Auswerteelektronik 7. Dieses aus thermischen Gesichtspunkten
abgeleitete Erfordernis spiegelt sich in der Größe der Länge l von ca. 200 bis über 300
mm als Distanz zwischen dem Sensor 2 und der Auswerteelektronik 7 wieder.
Bei der i.d.R. sehr starken elektromagnetischen Belastung eines Raumes
um eine Verbrennungskraftmaschine herum, in deren Nähe ein Turbolader
zur Nutzung eines maximalen Abgasdrucks regelmäßig angeordnet ist, führt auch
zu Einkopplungen von Störgrößen unterschiedlichster
Frequenz und Intensität
in die Zuleitung 6. Diese Einkopplungen verfälschen das
Ausgangssignal des Sensors 2, das am Eingang der Auswerteelektronik 7 nun
als Signal IN anliegt.
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung
des Signalausgabeschemas von 1 mit dem
Signal IN zur Darstellung von Fehlereinflüssen S1, S2, S3, die aufgrund
ihres unterschiedlichen zeitlichen Auftretens Störungen in der Signalauswertung
der Auswerteelektronik 7 bewirken könnten. Bei reiner Auswertung
eines sinusförmigen
Signals würde
durch die Störungen
S2 und S3 eine fehlerhafte Frequenz erkannt und damit eine zu hohe
Turbolader-Drehzahl n ausgegeben werden. Durch die Umformung in
ein Rechtecksignal OUT wird in der Auswerteelektronik 7 nun
aber zuverlässig
ein korrektes Ergebnis geliefert.
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3 zeigt
ein Blockschaltbild einer Beispielschaltung als Vorrichtung zum
Umsetzen eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
durch die eine normierte Schnittstelle geschaffen wird. Das Eingangssignal
IN als Ausgangssignal des Sensors 2 wird über übliche elektrische
Beschaltung einem Operationsverstärker OP zugeführt, aus
dem das verstärkte
Signal über
einen Verpolschutz einem Tiefpass TP zugeführt wird. Als normiertes und
im Wesentlichen rechteckförmiges
Ausgangssignal OUT steht dann ein Signal der in 2 skizzierten
Form zur Bestimmung einer Drehzahl n des Turbolader-Rads 4 zur Verfügung.
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- 1
- Sensoranordnung
- 2
- Induktiver
Sensor
- 3
- Magnetfeld
- 4
- Laufrad
des Turboladers
- 5
- Permanentmagnet
- 6
- Zuleitung/pig
tail
- 7
- Auswerteelektronik
- 8
- Kopf
des Sensors 2
- S1
- Störung
- S2
- Störung
- S3
- Störung
- d
- Abstand
- l
- Strecke/Länge
- OP
- Operationsverstärker
- IN
- Eingangssignal
bei der Auswerteelektronik 7
- OUT
- Ausgangssignal
der Auswerteelektronik 7
- n
- Turboladerdrehzahl