DE19818124C2 - Vorrichtung zur Drehzahlerfassung von Turboladern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahlerfassung von Turboladern an Brennkraftmaschinen mittels eines piezoelek­ trischen Beschleunigungsaufnehmers.

Eine einfache und zuverlässige Erfassung der Turboladerdrehzahl unter allen Betriebsbedingungen (Last und Drehzahl) ist die grundlegende Voraussetzung für den effizienten Betrieb einer modernen Brennkraftmaschine mit Turbolader. Die erfaßte Dreh­ zahl kann dann als Steuergröße für die Regelung des Turboladers und des gesamten Kennfeldes im Laderbetrieb des Motors verwen­ det werden. Aufgrund der Erfassung der Drehzahl ist es möglich, den Turbolader an seiner maximalen Drehzahlgrenze zu betreiben und eine eventuelle Zerstörung durch Überdrehzahl zu verhin­ dern. Regelungstechnische Eingriffe in die gesamte Motorsteue­ rung werden dadurch möglich.

Bekannte Anordnungen zur Erfassung der Turboladerdrehzahl beru­ hen auf optischen und induktiven Verfahren, die einen erhebli­ chen Aufwand bei der Implementierung verlangen. So werden be­ kannterweise die Laderschaufeln oder zusätzlich angebrachte Impulsräder auf der Turboladerwelle fotoelektrisch oder induktiv abgetastet und in einer nachgeschalteten hochwertigen Auswerte­ elektronik ausgewertet.

Aus der WO 94/17420 A1 ist die Verwendung eines Mikrofons zur Drehzahlerfassung von Turboladern bekannt. Auch in der EP 07 01 134 A1 und der DE 296 15 274 U1 sind Mikrofone bzw. Körperschallgeber zur Erfassung der Drehzahl von Kraftfahrzeug­ motoren beschrieben. Derartige Mikrofone sind jedoch für die Massenfertigung wenig geeignet, wobei auch bezüglich der Halt­ barkeit und Lebensdauer Probleme bestehen.

Weiterhin ist in der DE 40 11 938 A1 ein Klopfsensor zur Erfas­ sung von Vibrationswellen einer Brennkraftmaschine beschrieben, der jedoch lediglich zur Klopferfassung bzw. Klopfregelung ver­ wendet wird.

Aus der DD 257 126 A1 und der DD 269 683 A1 ist es bekannt, piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer am Gehäuse von rotie­ renden Maschinen anzubringen, um auf diese Weise die Drehzahl zu erfassen. Zur Auswertung des im Beschleunigungsaufnehmer er­ faßten und aufbereiteten Signals wird das Frequenz-Amplituden- Spektrum des Signals in einem nachgeschalteten Signalanalysator bestimmt, wobei aus einer der drehzahlabhängigen Resonanzen bzw. aus den höchsten auftretenden Peaks und durch mathemati­ sche Umformung die Drehzahl bestimmt wird. Hierdurch ist zwar eine sehr exakte Erfassung der Drehzahl möglich, jedoch eignet sich eine derartige aufwendige Elektronik bezüglich Platzbedarf und Kosten nicht für die Serienanwendung im Kraftfahrzeug.

Aus der US 4,864,859 ist es bekannt, piezoelektrische Beschleu­ nigungsaufnehmer an Gehäusen von Turboladern anzubringen. Diese bekannte Anordnung dient jedoch nicht zur Drehzahlerfassung sondern zur Bestimmung und Beseitigung von Unwuchten des rotie­ renden Systems.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige, für die Massenfertigung geeignete Anordnung zur Erfassung der Drehzahl von Turboladern zu schaf­ fen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den wesentlichen Vorteil, daß die Bauart des Turboladers für die Drehzahlerfassung keine Rolle spielt, wobei der piezoelektrische Beschleunigungsaufneh­ mer auch noch nachträglich in einfacher Weise am Turbolader an­ gebracht werden kann, ohne das dieser geöffnet oder umkonstru­ iert werden müßte. Dabei kann die Turboladerdrehzahl auf sehr einfache und kostengünstige Weise erfaßt werden. In Verbindung mit einem erzielten robusten Aufbau bei einfacher Montage eig­ net sich somit diese Vorrichtung für eine kostengünstige Mas­ senfertigung und für den rauhen Betrieb im Kraftfahrzeug, wobei auch in einfacher und kostengünstiger Weise Messungen von Tur­ boladerdrehzahlen durchgeführt werden können. Da der Turbolader durch die Drehzahlerfassung an seiner maximalen Drehzahlgrenze betrieben werden kann und eine Zerstörung durch Überdrehzahl kaum noch ein Problem darstellt, können kostengünstigere klei­ nere Turbolader eingesetzt werden. Die Anfahrschwäche von Fahr­ zeugen verringert sich, die Höhenanpassung wird unproblematisch und es kann ein besserer Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftma­ schine im Alltagsbetrieb erreicht werden. Der piezoelektrische Beschleunigungsaufnehmer ist vorteilhafterweise ein handelsüb­ licher Klopfsensor, der als Massenprodukt für die Klopfregelung von Brennkraftmaschinen fertig entwickelt vorliegt und auch für die Drehzahlerfassung von Turboladern kostengünstig, eingesetzt werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.

Der wenigstens eine Beschleunigungsaufnehmer wird zweckmäßiger­ weise am Verdichtergehäuse des Turboladers angeordnet, wo die Schwingungssignale am deutlichsten sind und die besten Voraus­ setzungen für eine mechanische Befestigung gegeben sind.

Zur Synchronisation einer aus zwei Turboladern bestehenden Tur­ boladeranordnung (z. B. Bi-Turbo) an einer Brennkraftmaschine ist zweckmäßigerweise jeder dieser Turbolader mit einem Be­ schleunigungsaufnehmer und einer entsprechenden Auswerteschal­ tung verbunden. Dabei sind in der Auswerteschaltung oder im elektronischen Steuergerät Mittel zur Bildung eines Differenz­ drehzahlsignals oder einer Differenzspannung vorgesehen, durch die diese Synchronisation durchführbar ist.

Die Filteranordnung ist im einfachsten Falle als Bandpaßfilter ausgebildet.

Um beispielsweise einen Schutz gegen Überspannungen zu reali­ sieren, kann dem Beschleunigungsaufnehmer in vorteilhafter Weise eine entsprechende Schutzbeschaltung unmittelbar nachge­ schaltet werden.

Bei einer technisch aufwendigeren, jedoch exakteren Realisie­ rung der Auswerteschaltung kann der Filteranordnung ein Kompa­ rator, insbesondere ein Komparator mit Hysterese nachgeschaltet werden. Für den Fall, daß das elektronische Steuergerät als Drehzahlsignal ein analoges Spannungssignal benötigt, ist dem hierfür vorgesehenen Frequenz-Spannungswandler ein Tiefpaßfil­ ter nachgeschaltet, um noch etwa verbliebene höherfrequente An­ teile auszufiltern.

Der Beschleunigungsaufnehmer ist zweckmäßigerweise über ein Verbindungskabel mit einem Eingang des elektronischen Steuerge­ räts oder für Messzwecke dem Meß- und/oder Anzeigegerät verbun­ den, um diesem die Meßsignale zuführen zu können. Die Auswerte­ schaltung ist in einer ersten vorteilhaften konstruktiven Aus­ gestaltung im Gehäuse des Beschleunigungsaufnehmer integriert, und der Eingang des elektronischen Steuergeräts oder des Meß- und/oder Anzeigegerätes ist als Frequenzeingang oder Analogein­ gang ausgebildet, je nachdem, ob ein Frequenz-Spannungswandler vorgesehen ist oder nicht.

In einer alternativen vorteilhaften konstruktiven Ausgestal­ tung ist die Auswerteschaltung in einem Stecker des Verbin­ dungskabels oder im Verbindungskabel selbst integriert, wobei auch dann wiederum der Eingang des elektronischen Steuergeräts oder des Meß- und/oder Anzeigegeräts als Frequenzeingang oder Analogeingang ausgebildet ist.

Als dritte vorteilhafte Möglichkeit der konstruktiven Ausge­ staltung kann die Auswerteschaltung auch im elektronischen Steuergerät oder im Meß- und/oder Anzeigegerät angeordnet sein, wobei dann der Eingang des elektronischen Steuergeräts oder des Meß- und/oder Steuergeräts als Eingang der Auswerteschaltung ausgebildet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: ein Blockschaltbild einer mit einem piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmer verbundenen Auswerteschal­ tung,

Fig. 2: eine Anordnung, bei der die Auswerteschaltung im Ge­ häuse des Beschleunigungsaufnehmers integriert ist und

Fig. 3: eine Anordnung, bei der die Auswerteschaltung in einem Stecker eines Verbindungskabels zwischen dem Beschleu­ nigungsaufnehmer und dem elektronischen Steuergerät integriert ist.

Zur Erfassung der Turboladerdrehzahl eines nicht dargestellten Turboladers ist ein insbesondere als handelsüblicher Klopfsen­ sor ausgebildeter piezoelektrischer Beschleunigungsaufnehmer 10 am Gehäuse dieses Turboladers fixiert, beispielsweise am Ver­ dichtergehäuse dieses Turboladers. Das vom Beschleunigungsauf­ nehmer 10 erfaßte Signal ist proportional der auf dem Gehäuse des Turboladers gemessenen Beschleunigung und diese wiederum proportional der durch die rotierende Turboladerwelle erzeugten Unwucht. Da diese Unwuchtsignale synchron zur Umdrehung auftre­ ten, ist das vom Beschleunigungsaufnehmer 10 erfaßte Signal proportional zur Drehzahl, selbstverständlich überlagert durch Störimpulse und andere Einflüsse.

Zur Auswertung und Aufbereitung des vom Beschleunigungsaufneh­ mer 10 abgegebenen Signals ist eine Auswerteschaltung 11 nach­ geschaltet. Diese besteht aus der Reihenschaltung einer Schutz­ beschaltung 12 mit einem Bandpaßfilter 13, einem Komparator 14 einem Frequenz-Spannungs-Wandler 15 und einem Tiefpaßfilter 16. Das Ausgangssignal der Auswerteschaltung 11 wird in Form eines Analogsignals einem elektronischen Steuergerät 17 zur Steuerung von Funktionen einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine zu­ geführt. Ein solches Steuergerät dient in üblicher Weise bei­ spielsweise zur Steuerung der Kraftstoffzuführung und/oder der Zündung und/oder der Getriebesteuerung oder dergleichen. Dabei wird im vorliegenden Falle auch der Turbolader gesteuert, bei­ spielsweise durch eine Leitschaufelverstellung und/oder über die Steuerung eines Waste-Gates.

Die Meßsignale des Beschleunigungsaufnehmers 10 werden über die beispielsweise zum Schutz gegen Überspannungen dienende Schutz­ beschaltung 12 geführt und dann im Bandpaßfilter 13 mit geeigneten Eckfrequenzen gefiltert. Dadurch werden die störenden An­ teile herausgefiltert, so daß sich das Nutzsignal deutlich vom restlichen Signal abhebt. Dieses Nutzsignal repräsentiert die erste Lader-Ordnung, daß heißt, die Drehzahl der Turboladerwel­ le. Die Restunwucht des Turboladers sorgt immer für eine die Lagerung anregende Massenkraft, die mit der Drehzahl der Lader­ welle umläuft und mit dem Quadrat der Drehzahl ansteigt. Durch die Ermittlung der Zeit von einem Nulldurchgang zum nächsten des ein Schwingungssignal darstellenden Nutzsignals kann man die Zeit bestimmen, die die Laderwelle für eine Umdrehung benö­ tigt.

Falls eine Verstärkung des Signals nötig oder wünschenswert ist, kann der Schutzbeschaltung 12 eine entsprechende, nicht dargestellte Verstärkeranordnung nachgeschaltet sein. Der Ver­ stärkungsfaktor kann dabei automatisch einstellbar sein (so­ genannte Automatic Gain Control). Weiterhin kann der Bandpaß­ filter 13 als durchstimmbarer Filter ausgeführt sein, das heißt, mit sich automatisch einstellenden Eckfrequenzen.

Durch den nachgeschalteten Komparator 14 mit Hysterese wird das Nutzsignal in ein Rechtecksignal umgewandelt, das dann im nach­ folgenden Frequenz-Spannungs-Wandler 15 in einer dieser Fre­ quenz, also der Drehzahl proportionale analoge Spannung umge­ setzt wird. Durch die anschließende Tiefpaßfilterung im Tief­ paßfilter 16 erfolgt dann noch eine Glättung bzw. Mittelung des analogen Spannungssignals, das als Ist-Größe der Turbolader­ drehzahl dem elektronischen Steuergerät 17 zugeführt wird.

In Abwandlung des dargestellten Ausführungsbespiels kann in ei­ ner einfacheren Version auch der Komparator 14 entfallen, daß heißt, das im Bandpaßfilter 13 gefilterte Nutzsignal wird di­ rekt im Frequenz-Spannungs-Wandler 15 in eine drehzahlpropor­ tionale Spannung umgewandelt.

Für manche Anwendungen benötigt das elektronische Steuergerät 17 als Turbolader-Drehzahlsignal nicht eine analoge Spannung sondern ein Frequenzsignal. Für diesen Fall kann der Frequenz- Spannungs-Wandler 15 sowie der Tiefpaßfilter 16 entfallen. Dies bedeutet, daß die Auswerteschaltung 11 im einfachsten Falle le­ diglich aus einem Bandpaßfilter 13 besteht.

Für den Fall, daß an einer Brennkraftmaschine zwei Turbolader (Bi-Turbo) vorgesehen sind, wird an jedem Turbolader ein Be­ schleunigungsaufnehmer 10 bzw. ein Klopfsensor angebracht, der jeweils mit einer entsprechenden Auswerteschaltung 11 zu verse­ hen ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit der Synchronisation dieser beider Turbolader, wozu ein Differenzdrehzahlsignal bzw. ein Differenzspannungssignal aus den drehzahlproportionalen Ausgangssignalen gebildet wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten konstruktiven Ausgestaltung ist die Auswerteschaltung 10 im Gehäuse des als Klopfsensor ausgebildeten piezoelektrischen Beschleunigungsaufnehmers 10 integriert. Das Ausgangssignal dieser Auswerteschaltung 11 wird über ein Verbindungskabel 18, das an seinem vom Beschleunigungsaufnehmer 10 entfernten Ende mit einem Stecker 19 versehen ist, dem elektronischen Steuergerät 17 zugeführt, das mit einer entsprechenden Steckbuchse versehen ist, die je nach Ausführung als Frequenzeingang oder Analogeingang ausgebildet ist. Bei der in Fig. 3 dargestellten alternativen Ausgestaltung ist ein Verbindungskabel 20 mit zwei endseitigen Steckern 21, 22 darge­ stellt. Der eine Stecker 21 wird in eine entsprechende Steck­ buchse des Gehäuse des Beschleunigungsaufnehmers 10 einge­ steckt, während der zweite Stecker 22 in die entsprechende Steckbuchse des elektronischen Steuergeräts 17 eingesteckt wird. Die Auswerteschaltung 11 ist im Stecker 22 integriert. Alternativ hierzu kann sie selbstverständlich auch im Stecker 21 oder an einer Zwischenposition im Kabel integriert sein. Bei einer dritten, nicht dargestellten Variante kann die Aus­ werteschaltung 11 auch im elektronischen Steuergerät 17 ange­ ordnet sein. Das Verbindungskabel 18 bzw. 20 wird dann mittels eines Steckers in eine Eingangsbuchse dieser Auswerteschaltung 11 eingesteckt.

Die Auswerteschaltung 11 kann insgesamt in einem IC-Baustein integriert sein, so daß die Unterbringung im Gehäuse des Be­ schleunigungsaufnehmers 10 oder in einem Stecker 21, 22 oder im Verbindungskabel 20 kein Problem darstellt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehzahlerfassung kann auch zu reinen Meßzwecken im Labor oder am Kraftfahrzeug einge­ setzt werden. In diesem Falle ist die Auswerteschaltung nicht mit dem elektronischen Steuergerät 17, sondern mit einem nicht dargestellten Meß- und/oder Anzeigegerät verbunden, um die Drehzahl zu erfassen und anzeigen zu können. Der Beschleuni­ gungsaufnehmer 10 kann auch hier über ein entsprechendes Kabel 18 bzw. 20 mit diesem Meß- und/oder Anzeigegerät verbunden sein, wobei die Auswerteschaltung 11 auch hier im Meß- und/oder Anzeigegerät integriert sein kann.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Drehzahlerfassung von Turboladern an Brenn­ kraftmaschinen, mit wenigstens einem am Turbolader fixierten als Klopfsensor ausgebildeten piezoelektronischen Beschleuni­ gungsaufnehmer (10) und mit einer eine analoge Filteranordnung (13) zur Filterung der Ausgangssignale des Beschleunigungsauf­ nehmers (10) aufweisenden Auswerteschaltung (11), wobei die Ausgangssignale der Filteranordnung (13) über einen Frequenz- Spannungs-Wandler (15) in Form einer analogen Spannung oder di­ rekt in Form von Frequenzsignalen als Eingangssignale für ein elektronisches Steuergerät (17) der Brennkraftmaschine oder für ein Meß- und/oder Anzeigegerät vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Beschleunigungsaufnehmer (10) am Verdichterge­ häuse des Turboladers angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronisation einer aus zwei Turboladern bestehenden Turboladeranordnung an einer Brennkraftmaschine jeder dieser Turbolader mit einem Beschleunigungsaufnehmer (10) versehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung (11) oder im elektronischen Steuergerät (17) Mittel zur Bildung eines Differenzdrehzahlsignals oder ei­ ner Differenzspannung vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung (13) als Bandpaßfilter ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Beschleunigungsaufnehmer (10) eine Schutzbeschaltung (12) unmittelbar nachgeschaltet oder zugeord­ net ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung (11) der Filteran­ ordnung (13) ein Komparator (14), insbesondere ein Komparator (14) mit Hysterese, nachgeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung (11) der Frequenz- Spannungs-Wandler (15) dem Komparator (14) oder der Filteran­ ordnung (13) nachgeschaltet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung (11) dem Frequenz- Spannungs-Wandler (15) ein Tiefpaßfilter (16) nachgeschaltet ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsaufnehmer (10) ü­ ber ein Verbindungskabel (18, 20) mit einem Eingang des elekt­ ronischen Steuergerätes (17) oder des Meß- und/oder Anzeigege­ räts verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (11) im Gehäuse des Beschleunigungsauf­ nehmers (10) integriert ist, und daß der Eingang des elektroni­ schen Steuergeräts (17) oder des Meß- und/oder Anzeigegeräts als Frequenzeingang oder als Analogeingang ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (11) in einem Stecker (22) des Verbin­ dungskabels (20) oder im Verbindungskabel integriert ist, und daß der Eingang des elektronischen Steuergeräts (17) oder des Meß- und/oder Anzeigegeräts als Frequenzeingang oder Analogein­ gang ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (11) im elektronischen Steuergerät (17) oder im Meß- und/oder Anzeigegerät angeordnet ist, und daß der Eingang des elektronischen Steuergeräts (17) oder des Meß- und/oder Anzeigegeräts als Eingang der Auswerteschaltung (11) ausgebildet ist.