DE102011016489A1

DE102011016489A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines Turboverdichters und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011016489A1
Application number: DE201110016489
Authority: DE
Inventors: Willibald Reitmeier; Bernd Siewert; Manfred Weigl; Dr. Wildgen Andreas
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2012-10-11
Also published as: WO2012136749A1; US20140053642A1; EP2694984A1; CN103460056A; KR20140012735A; CN103460056B; US9121862B2

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines Turboverdichters, insbesondere eines Turboladers eines Kraftfahrzeuges, beschrieben. Mit Hilfe einer Drucksensorik wird die Frequenz der von den Schaufeln oder der Welle des Turboverdichters im Medium erzeugten Druckimpulse gemessen, und aus der gemessenen Druckimpulsfrequenz wird die Turboverdichterdrehzahl ermittelt. Ferner wird ein Kraftfahrzeug beschrieben, das eine derartige Vorrichtung zum Messen der Drehzahl des Turboverdichters eines Turboladers aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines Turboverdichters, insbesondere eines Turboladers eines Kraftfahrzeuges. Die Erfindung ist ferner auf ein Kraftfahrzeug gerichtet, das eine derartige Vorrichtung aufweist.
Eine Vielzahl von Kraftfahrzeugen ist heutzutage mit Turboladern versehen, die die Ansaugluft der Brennkraftmaschine komprimieren. Solche Turbolader laufen im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine ohne Überwachung der Drehzahl und/oder anderer spezifischer Parameter, wie Stopfgrenze, Strömungsabriss und Schädigungen des Laders. Infolge dieser mangelnden Überwachung können daher Fehlfunktionen nicht sofort festgestellt werden.
Es gibt erste Lösungen, in Bezug auf dieses Problem Abhilfe zu schaffen, indem man Sensoren verwendet, die auf magnetischen Wirkprinzipien beruhen (Hall, MR u. ä.). Nachteilig ist hierbei, dass sich sowohl das eigentliche Messelement (Sensorelement) als auch eine mögliche Auswerteelektronik im „heißen” Bereich des Turboladers befinden müssen, so dass die entsprechenden Komponenten hohen Temperaturen ausgesetzt sind, die zu Messfehlern führen und die Lebensdauer der Komponenten verringern. Darüber hinaus werden teilweise vormagnetisierte Bauteile benötigt, was sowohl vom Aufwand als auch von der Lebensdauer der Komponenten her ein Problem darstellt. Ferner wirken diese magnetisierten Teile im negativen Sinn als Metallpartikelsammler.
Es finden jedoch heutzutage in Verbindung mit Turboladern Drucksensoren Verwendung, um den vom Turbolader erzeugten Druck zu überwachen. Hierzu finden üblicherweise piezoresistive oder kapazitive Sensoren Verwendung. Die Sensoren befinden sich im Luftansaugtrakt der Brennkraftmaschine und messen den Druck der vom Lader komprimierten Luft. Um bei dieser Druckmessung bestimmte Vorteile im Bereich der Datenverarbeitung und der Signalgüte zu erzielen, findet hierbei eine Signalfilterung Anwendung, wobei die Sensoren beispielsweise mittels Tiefpass bei ca. 2–10 kHz abgeschnitten werden. Es werden daher nur Signale unterhalb dieser Grenzfrequenz für die Druckmessung verwendet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Drehzahl eines Turboverdichters, insbesondere eines Turboladers eines Kraftfahrzeuges, zu schaffen, das bei hoher Messgenauigkeit besonders kostengünstig realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mit Hilfe einer Drucksensorik die Frequenz der von den Schaufeln oder der Welle des Turboverdichters im Medium erzeugten Druckimpulse gemessen und aus der gemessenen Druckimpulsfrequenz die Turboladerdrehzahl ermittelt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren findet eine Drucksensorik Verwendung, die in der Lage ist, die von den Schaufeln oder der Welle des Turboverdichters im Medium erzeugten Druckimpulse zu messen. Hierbei handelt es sich um sehr hohe Frequenzen, die bis 100 kHz betragen und auch über diesem Wert liegen können. Es wird daher erfindungsgemäß vorzugsweise mit einer Drucksensorik ohne Tiefpassfunktion gearbeitet.
Aus der gemessenen Druckimpulsfrequenz des Mediums (der komprimierten Luft) wird dann die Turboverdichterdrehzahl ermittelt. Dies kann beispielsweise mit einfachen Rechenoperationen erfolgen, da die Anzahl der Schaufeln des Turboverdichters bekannt ist. So besitzen übliche Turbolader verdichterseitig neun bis zwölf Schaufeln.
Vorzugsweise findet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der Auswertung eine Frequenzauswertung, beispielsweise FFT, DFT, Anwendung.
über eine einfache elektronische Filterung (Bandpass, Hochpass, Tiefpass) und Komparatorfunktion kann man auch eine einfache Grenzfrequenzauswertung betreiben. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn man nicht nur die obere Drehzahlgrenze ermittelt, sondern auch Drehzahlen im Hochlauf des Laders (kombinierte Anwendung von verschiedenen Filtern im Zeitbereich). Diese gemessene(n) Frequenz(en) kann (können) als Stützpunkt(e) zur Ermittlung der Verdichterparameter benutzt werden. Auch die anderen Größen des Verdichters können auf diese Weise ermittelt werden, wie Stopfgrenze, Strömungsabriss oder eine Schädigung des Verdichters.
Es versteht sich, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Drucksensorik Verwendung finden kann, deren Drucksensor eine geeignete Auswerteeinheit für die zu messende Druckimpulsfrequenz besitzt.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat eine Reihe von Vorteilen. Für die Anordnung der Drucksensoren können vorhandene Messstellen für die reine Druckmessung mit verwendet werden. Die Messung mit der eingesetzten Drucksensorik muss nicht unbedingt im unmittelbaren Bereich des Verdichters stattfinden, sondern kann im Abstand von diesem, d. h. im gekühlten Bereich, durchgeführt werden. Es können relativ preiswerte Komponenten verwendet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mit Hilfe derselben Drucksensorik der vom Turboverdichter erzeugte Druck und die Drehzahl des Turboverdichters ermittelt. Hierbei werden ein Hochfrequenzsignal und ein Konstantanteilfrequenzsignal (Niederfrequenzsignal) gemessen und aus dem Hochfrequenzsignal über einen ersten Auswertepfad die Turboverdichterdrehzahl sowie aus dem Konstantanteilfrequenzsignal über einen zweiten Auswertepfad der vom Turboverdichter erzeugte Druck ermittelt. Die Vorteile dieser Lösung sind augenscheinlich.
Erfindungsgemäß wird somit eine Drehzahlmessung ohne eigenes Sensorelement durchgeführt, die unter Verwendung von Logikbausteinen, wie Tiefpass, Bandpass, Hochpass und/oder Komparator, realisiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines Turboverdichters, insbesondere eines Turboladers eines Kraftfahrzeuges, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Drucksensorik zum Messen der Frequenz der von den Schaufeln oder der Welle des Turboverdichters erzeugten Druckimpulse und eine Einrichtung zum Ermitteln der Turboverdichterdrehzahl aus der gemessenen Druckimpulsfrequenz aufweist. Es versteht sich, dass die verwendete Drucksensorik zur Aufnahme bzw. zum Messen der entsprechenden Hochfrequenzen geeignet ist (bis zu 100 kHz und darüber), insbesondere eine Drucksensorik ohne Tiefpassfunktion Anwendung findet. Vorzugsweise dient die Drucksensorik sowohl zur Ermittlung des vom Turboverdichter erzeugten Drucks als auch der Drehzahl des Turboverdichters, wobei die Drucksensorik ein Hochfrequenzsignal und ein Konstantanteilfrequenzsignal (Niederfrequenzsignal) misst und die Ermittlungseinrichtung aus dem Hochfrequenzsignal über einen ersten Auswertepfad die Turboverdichterdrehzahl sowie aus dem Konstantanteilfrequenzsignal über einen zweiten Auswertepfad den vom Turboverdichter erzeugten Druck ermittelt.
Die Drucksensorik ist vorzugsweise in der Lage, Druckimpulsfrequenzen bis zu 100 kHz und darüber zu messen.
In der Drucksensorik kann ein Drucksensor Verwendung finden, der direkt mit einer Auswerteeinheit für die zu messende Frequenz versehen ist. Vorzugsweise findet in der Drucksensorik ein Drucksensor Verwendung, der mit einer austauschbaren Auswerteeinheit für Druck, Frequenz oder beide Parameter versehen ist. Hier kann beispielsweise eine Zwei-Chip-Lösung Anwendung finden, bei der mit einer Gehäuseapplikation durch einfachen Austausch der Auswerteeinheit Druck, Frequenz oder beide Parameter ermittelt werden können.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem im Luftansaugtrakt derselben angeordneten Turboverdichter eines Turboladers, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es eine Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art aufweist. Die Drucksensorik besitzt hierbei vorzugsweise einen im Luftansaugtrakt nach dem Turboverdichter angeordneten Drucksensor zur Druckimpulsfrequenzmessung. Bei einer anderen Ausführungsform weist die Drucksensorik einen im Luftansaugtrakt nach Turboverdichter und einem Ladeluftkühler angeordneten Drucksensor zur Druckimpulsfrequenzmessung auf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Drucksensor im gekühlten Bereich des Luftansaugtraktes angeordnet ist. Die Erfindung schließt nicht aus, dass ein Drucksensor zur Druckimpulsfrequenzmessung auch vor dem Verdichter des Turboladers im Luftansaugtrakt angeordnet sein kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Luftansaugtraktes einer Brennkraftmaschine mit Drucksensor zur Messung der Druckimpulsfrequenz.
Die Figur zeigt schematisch den Luftansaugtrakt 1 einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine, in dem die Luft in der Figur von links nach rechts gefördert wird, wie durch die Pfeile angedeutet. Im Luftansaugtrakt 1 befindet sich der Turboverdichter 2 eines Turboladers, der nur schematisch dargestellt ist. Der Turboverdichter 2 besitzt acht schematisch gezeigte Verdichterschaufeln 3. Dem Verdichter 2 nachgeordnet ist ein Ladeluftkühler 4, mit dem die vom Verdichter 2 abgegebene heiße komprimierte Luft abgekühlt wird.
Zum Messen der Drehzahl des Turboverdichters 2 ist diesem ein Drucksensor 5 zugeordnet, der Teil einer Drucksensorik zum Messen der Frequenz der von den Schaufeln 3 des Turboverdichters 2 erzeugten Druckimpulse ist. Der Drucksensor 5 steht mit einer Einrichtung zum Ermitteln der Turboverdichterdrehzahl aus der gemessenen Druckimpulsfrequenz in Verbindung, wobei diese Einrichtung beispielsweise als Auswerteeinheit direkt am Drucksensor oder von diesem getrennt angeordnet sein kann. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise nur die Turboverdichterdrehzahl aber auch die Turboverdichterdrehzahl und den Turboverdichterdruck ermitteln.
Der Drucksensor 5 ist in der Figur an drei möglichen Anordnungsstellen dargestellt. Er kann in Luftförderrichtung vor dem Verdichter 2, nach dem Verdichter 2 und vor dem Ladeluftkühler 4 aber auch nach dem Ladeluftkühler 4 im Luftansaugtrakt 1 in Kontakt mit dem geförderten Medium (Luft) angeordnet sein. Die Anordnung nach dem Ladeluftkühler 4 hat den Vorteil, dass hier ein gekühlter Bereich vorliegt.
Im Betrieb wird die Frequenz der von den Schaufeln 3 des Turboverdichters 2 erzeugten Druckimpulse gemessen, und aus diesem Frequenzwert wird die Turboverdichterdrehzahl ermittelt. Dies kann in bestimmten Zeitabständen aber auch kontinuierlich als Überwachungsmaßnahme durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zum Messen der Drehzahl eines Turboverdichters, insbesondere eines Turboladers eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Drucksensorik die Frequenz der von den Schaufeln oder der Welle des Turboverdichters im Medium erzeugten Druckimpulse gemessen und aus der gemessenen Druckimpulsfrequenz die Turboverdichterdrehzahl ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Drucksensorik ohne Tiefpassfunktion gearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe derselben Drucksensorik der vom Turboverdichter erzeugte Druck und die Drehzahl des Turboverdichters ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochfrequenzsignal und ein Konstantanteilfrequenzsignal (Niederfrequenzsignal) gemessen werden und aus dem Hochfrequenzsignal über einen ersten Auswertepfad die Turboverdichterdrehzahl sowie aus dem Konstantanteilfrequenzsignal über einen zweiten Auswertepfad der vom Turboverdichter erzeugte Druck ermittelt werden.
Vorrichtung zum Messen der Drehzahl eines Turboverdichters, insbesondere eines Turboladers eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Drucksensorik zum Messen der Frequenz der von den Schaufeln (3) oder der Welle des Turboverdichters (2) erzeugten Druckimpulse und eine Einrichtung zum Ermitteln der Turboverdichterdrehzahl aus der gemessenen Druckimpulsfrequenz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Drucksensorik ohne Tiefpassfunktion aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensorik sowohl zur Ermittlung des vom Turboverdichter (2) erzeugten Drucks als auch der Drehzahl des Turboverdichters (2) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensorik ein Hochfrequenzsignal und ein Konstantanteilfrequenzsignal (Niederfrequenzsignal) misst und dass die Ermittlungseinrichtung aus dem Hochfrequenzsignal über einen ersten Auswertepfad die Turboverdichterdrehzahl sowie aus dem Konstantanteilfrequenzsignal über einen zweiten Auswertepfad den vom Turboverdichter (2) erzeugten Druck ermittelt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Drucksensorik aufweist, die in der Lage ist, Druckimpulsfrequenzen bis zu 100 kHz und darüber aufzunehmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Drucksensorik ein Drucksensor (5) Verwendung findet, der mit einer austauschbaren Auswerteeinheit für Druck, Frequenz oder beide Parameter versehen ist.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine und einem im Luftansaugtrakt derselben angeordneten Turboverdichter eines Turboladers, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10 aufweist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensorik einen im Luftansaugtrakt (1) nach dem Turboverdichter (2) des Turboladers angeordneten Drucksensor (5) zur Druckimpulsfrequenzmessung aufweist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensorik einen im Luftansaugtrakt (1) nach dem Turboverdichter (2) des Turboladers und nach einem Ladeluftkühler (4) angeordneten Drucksensor (5) zur Druckimpulsfrequenzmessung aufweist.