DE102005045457A1 - Method for monitoring the speed of a turbo shaft - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle, die in einem Abgasturbolader drehbar gelagert ist, wobei an der Turbowelle ein ein Magnetfeld variierendes Element ausgebildet ist, welches das Magnetfeld proportional zu der Turbowellendrehzahl variiert, und ein Sensor vorgesehen ist, der die Variation des Magnetfeldes erfasst und in ein elektronisches Drehzahlsignal umwandelt. DOLLAR A Um ein Verfahren zur Drehzahlsteuerung einer Turbowelle anzugeben, mit dem der Abgasturbolader sicher vor einer Beschädigung durch eine Drehzahl über der zulässigen Höchstgrenze geschützt ist, wird zu der Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals das Tastverhältnis des Drehzahlsignals ausgewertet und beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals wird die Drehzahl der Turbowelle so weit reduziert, dass eine Zerstörung des Abgasturboladers durch eine Überschreitung seiner Höchstdrehzahl ausgeschlossen ist.The invention relates to a method for monitoring the speed of a turbo shaft, which is rotatably mounted in an exhaust gas turbocharger, a magnetic field varying element is formed on the turbo shaft, which varies the magnetic field proportionally to the turbo shaft speed, and a sensor is provided that the variation of the magnetic field recorded and converted into an electronic speed signal. DOLLAR A In order to specify a method for speed control of a turbo shaft with which the exhaust gas turbocharger is safely protected from damage by a speed above the maximum permissible limit, the duty cycle of the speed signal is evaluated for the detection of an incorrect speed signal and, if an incorrect speed signal is present, the speed is the turbo shaft is reduced to such an extent that the exhaust gas turbocharger cannot be destroyed by exceeding its maximum speed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle, die in einem Abgasturbolader drehbar gelagert ist, wobei an der Turbowelle ein ein Magnetfeld variierendes Element ausgebildet ist, welches das Magnetfeld proportional zu der Turbowellendrehzahl variiert, und ein Sensor vorgesehen ist, der die Variation des Magnetfeldes erfasst und in ein elektronisches Drehzahlsignal umwandelt.The The invention relates to a method for monitoring the speed of a turbo shaft, which is rotatably mounted in an exhaust gas turbocharger, wherein at the Turbowelle a magnetic field varying element is formed, which varies the magnetic field in proportion to the turbo shaft speed, and a sensor is provided which detects the variation of the magnetic field and converted into an electronic speed signal.
Die von einer Brennkraftmaschine erzeugte Leistung hängt von der Luftmasse und der entsprechenden Kraftstoffmenge ab, die der Maschine zur Verbrennung zur Verfügung gestellt werden kann. Zur Leistungssteigerung einer Brennkraftmaschine ist es notwendig der Maschine eine größere Menge Verbrennungsluft und Kraftstoff zuzuführen. Diese Leistungssteigerung wird bei einem Saugmotor durch eine Hubraumvergrößerung oder durch die Erhöhung der Drehzahl erreicht. Eine Hubraumvergrößerung führt aber grundsätzlich zu schwereren in den Abmessungen größeren und damit teureren Brennkraftmaschinen. Die Steigerung der Drehzahl bringt besonders bei größeren Brennkraftmaschinen erhebliche Probleme und Nachteile mit sich und ist aus technischen Gründen begrenzt.The Power generated by an internal combustion engine depends on the air mass and the corresponding amount of fuel from the machine for combustion to disposal can be made. To increase the performance of an internal combustion engine is It requires the machine a larger amount of combustion air and to supply fuel. This increase in performance is in a naturally aspirated engine by a displacement increase or through the increase the speed reached. An increase in displacement but basically leads to heavier in size and larger thus more expensive internal combustion engines. The increase of the speed brings especially with larger internal combustion engines significant problems and disadvantages with it and is technical establish limited.
Eine viel genutzte technische Lösung zur Steigerung der Leistung einer Brennkraftmaschine ist die Aufladung. Damit bezeichnet man die Vorverdichtung der Verbrennungsluft durch einen Abgasturbolader oder auch mittels eines vom Motor mechanisch angetriebenen Verdichters. Ein Abgasturbolader besteht im Wesentlichen aus einem Strömungsverdichter, der auch als Kompressor bezeichnet wird und einer Turbine, die mit einer gemeinsamen Welle verbunden sind und mit der gleichen Drehzahl rotieren. Die Turbine setzt die normalerweise nutzlos verpuffende Energie des Abgases in Rotationsenergie um und treibt den Kompressor an. Der Kompressor saugt Frischluft an und fördert die vorverdichtete Ladeluft zu den einzelnen Zylindern des Motors. Der größeren Luftmenge in den Zylindern kann eine erhöhte Kraftstoffmenge zugeführt werden, wodurch die Verbrennungskraftmaschine mehr Leistung abgibt. Der Verbrennungsvorgang wird zudem günstig beeinflusst, so dass die Verbrennungskraftmaschine einen besseren Gesamtwirkungsgrad erzielt. Darüber hinaus kann der Drehmomentverlauf einer mit einem Turbolader aufgeladenen Brennkraftmaschine äußerst günstig gestaltet werden. Bei Fahrzeugherstellern vorhandene Seriensaugmotoren können durch den Einsatz eines Abgasturboladers ohne große konstruktive Eingriffe an der Brennkraftmaschine wesentlich optimiert werden. Aufgeladene Brennkraftmaschinen haben in der Regel einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch und weisen eine geringere Schadstoffemission auf. Darüber hinaus sind Turbomotoren in der Regel leiser als Saugmotoren gleicher Leistung, da der Abgasturbolader selbst wie ein zusätzlicher Schalldämpfer wirkt. Bei Brennkraftmaschinen mit einem großen Betriebsdrehzahlbereich, zum Beispiel bei Brennkraftmaschinen für Personenkraftwagen, wird schon bei niedrigen Motordrehzahlen ein hoher Ladedruck gefordert. Dafür wird bei diesen Turboladern ein Ladedruckregelventil, ein so genanntes Waste-Gate-Ventil, eingeführt. Durch die Wahl eines entsprechenden Turbinengehäuses wird schon bei niedrigen Motordrehzahlen schnell ein hoher Ladedruck aufgebaut. Das Ladedruckregelventil (Waste-Gate-Ventil) begrenzt dann bei steigender Motordrehzahl den Ladedruck auf einen gleich bleibenden Wert. Alternativ kommen Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) zum Einsatz.A much used technical solution to increase the performance of an internal combustion engine is the charge. This designates the pre-compression of the combustion air an exhaust gas turbocharger or by means of a mechanically driven by the engine Compressor. An exhaust gas turbocharger consists essentially of one Flow compressor, which is also referred to as a compressor and a turbine with connected to a common shaft and at the same speed rotate. The turbine sets the normally useless fugitive Energy of the exhaust gas into rotational energy and drives the compressor at. The compressor draws in fresh air and promotes the pre-compressed charge air the individual cylinders of the engine. The larger amount of air in the cylinders can be an increased Fuel supplied become, whereby the internal combustion engine gives more power. The combustion process is also favorably influenced, so that the internal combustion engine has a better overall efficiency achieved. About that In addition, the torque curve of a charged with a turbocharger Internal combustion engine designed extremely low become. OEM suction engines available from vehicle manufacturers can by the use of an exhaust gas turbocharger without major constructive interference the internal combustion engine can be significantly optimized. charged Internal combustion engines usually have a lower specific Fuel consumption and have a lower pollutant emission on. About that In addition, turbo engines are generally quieter than naturally aspirated engines Performance, because the exhaust gas turbocharger itself as an additional silencer acts. In internal combustion engines with a large operating speed range, For example, in internal combustion engines for passenger cars, is even at low engine speeds, a high boost pressure required. For that will be in these turbochargers, a wastegate, a so-called Waste gate valve, introduced. By the choice of a corresponding turbine housing is already at low Engine speeds quickly built up a high boost pressure. The wastegate (Waste gate valve) then limits the engine speed as the engine speed increases Boost pressure to a constant value. Alternatively come turbocharger with variable turbine geometry (VTG) is used.
Bei zunehmender Abgasmenge kann die maximal zulässige Drehzahl der Kombination aus Turbinenrad und Turbowelle, die auch als Laufzeug des Turboladers bezeichnet wird, überschritten werden. Bei einer unzulässigen Überschreitung der Drehzahl des Laufzeuges würde dieses zerstört werden, was einem Totalschaden des Turboladers gleichkommt. Gerade moderne und kleine Turbolader mit deutlich kleineren Turbinen- und Kompressorraddurchmessern, die durch ein erheblich kleineres Massen trägheitsmoment ein verbessertes Drehbeschleunigungsverhalten aufweisen, werden vom Problem des Überschreitens der zulässigen Höchstdrehzahl betroffen. Je nach Auslegung des Turboladers führt schon eine Überschreitung der Drehzahlgrenze um etwa 5 % zur kompletten Zerstörung des Turboladers.at increasing exhaust gas quantity can be the maximum permissible speed of the combination from turbine wheel and turbo shaft, which also serves as the turbocharger's running gear is exceeded become. In case of an impermissible overrun the speed of the power tool would this destroyed which amounts to a total loss of the turbocharger. Just modern and small turbochargers with significantly smaller turbine and Kompressorraddurchmessern, by a much smaller mass moment of inertia have an improved spin behavior, be from the problem of passing the permissible Maximum speed affected. Depending on the design of the turbocharger already leads an excess the speed limit by about 5% to complete destruction of the Turbocharger.
Zur Drehzahlbegrenzung haben sich die Ladedruckregelventile bewährt, die von einem drehzahlabhängigen Signal angesteuert werden. Überschreitet der Ladedruck einen vorgegebenen Schwellwert, so öffnet das Ladedruckregelventil und leitet einen Teil des Abgasmassenstroms an der Turbine vorbei. Diese nimmt wegen des verringerten Massenstroms weniger Leistung auf, und die Kompressorleistung geht in gleichem Maße zurück. Der Ladedruck und die Drehzahl des Laufzeuges werden verringert.to Speed limitation, the waste gate valves have proven, the from a speed-dependent Signal to be controlled. exceeds the boost pressure a predetermined threshold, it opens Boost pressure control valve and passes a portion of the exhaust gas mass flow past the turbine. This decreases because of the reduced mass flow less power, and the compressor power goes in the same Dimensions back. The boost pressure and the speed of the rotor tool are reduced.
Aus der noch nicht veröffentlichten Deutschen Patentanmeldung mit dem Prioritätsaktenzeichen 10 2004 034 512.0 ist eine Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine bekannt, der eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl der Turbowelle aufweist. Hierzu ist in dem kompressorseitigen Ende der Turbowelle ein Element zur Variation eines Magnetfeldes vorhanden, wobei die Variation des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Drehung der Turbowelle erfolgt, und wobei in der Nähe des Elementes zur Variation des Magnetfeldes ein Sensorelement angeordnet ist, das die Variation des Magnetfeldes erfasst und in elektrische auswertbare Signale umwandelt.From the not yet published German patent application with the priority file 10 2004 034 512.0 an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine is known which has a device for detecting the rotational speed of the turbo shaft. For this purpose, an element for varying a magnetic field is present in the compressor-side end of the turbo shaft, wherein the variation of the magnetic field in dependence on the rotation of the turbo shaft takes place, and wherein in the vicinity of the element to the Va Riation of the magnetic field, a sensor element is arranged, which detects the variation of the magnetic field and converts it into electrical evaluable signals.
Dabei ist es jedoch möglich, dass das Drehzahlsignal zum Beispiel durch äußere Einflüsse, wie etwa ein von außen eingestreutes Magnetfeld, gestört und verfälscht wird und die tatsächliche Drehzahl der Turbowelle höher ist, als die aus dem Drehzahlsignal erkennbare. Bei einem solchen fehlerhaften Drehzahlsignal könnte es zu einer Überschreitung der Höchstdrehzahl der Turbowelle kommen, was zur vollständigen Zerstörung des Turboladers führen kann.there however, it is possible that the speed signal, for example, by external influences, such as an externally interspersed Magnetic field, disturbed and falsified will and the actual Speed of turbo shaft higher is than the recognizable from the speed signal. In such a faulty speed signal could it overshoots the maximum speed the turbo shaft come, causing the complete destruction of the Turbocharger lead can.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Drehzahlsteuerung einer Turbowelle anzugeben, mit dem der Abgasturbolader sicher vor einer Beschädigung durch ein Drehzahl über der zulässigen Höchstgrenze geschützt ist.The Object of the present invention is therefore to provide a method for Specify speed control of a turbo shaft, with the turbocharger safely from damage through a speed over the permissible upper limit protected is.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zu der Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals das Tastverhältnis des Drehzahlsignals ausgewertet wird und beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals die Drehzahl der Turbowelle so weit reduziert wird, dass eine Zerstörung des Abgasturboladers durch eine Überschreitung seiner Höchstdrehzahl ausgeschlossen ist.These Task is inventively characterized solved, that the detection of a faulty speed signal, the duty cycle of Speed signal is evaluated and in the presence of a faulty Speed signal the speed of the turbo shaft is reduced so far that a destruction the exhaust gas turbocharger by exceeding its maximum speed is excluded.
Vorteilhaft dabei ist, dass das Tastverhältnis leicht elektronisch auswertbar ist und so schnell und eindeutig auf das Vorliegen einer Signalstörung geschlossen werden kann.Advantageous it is that the duty cycle is easy is electronically evaluable and so quickly and clearly on the Presence of a signal fault can be closed.
Alternativ wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Drehzahlsignal als fehlerhaft eingestuft wird, wenn in der Pulsfolge einzelne Signalpulse ausbleiben und beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals die Drehzahl der Turbowelle so weit reduziert wird, dass eine Zerstörung des Abgasturboladers durch eine Überschreitung seiner Höchstdrehzahl ausgeschlossen ist.alternative the task is solved by that the speed signal is classified as faulty if in the pulse train single signal pulses fail and in the presence of a faulty Speed signal the speed of the turbo shaft is reduced so far that a destruction the exhaust gas turbocharger by exceeding its maximum speed is excluded.
Dabei ist es vorteilhaft, dass das Drehzahlsignal ein streng periodisches Signal ist, wobei ausbleibende Signalpulse die Periodizität durchbrechen, was leicht elektronisch festgestellt werden kann. Hierzu kann zum Beispiel einfach die Zeit zwischen den Signalflanken vermessen werden und wenn diese Zeit signifikant von den zuvor gemessenen Zeiten abweicht, wird das Signal als fehlerhaft eingestuft.there it is advantageous that the speed signal is strictly periodic Signal is, with missing signal pulses break the periodicity, what easily detected electronically. For this purpose, for example simply the time between the signal edges can be measured and if this time deviates significantly from the previously measured times, the signal is classified as faulty.
Bei einer ersten Weiterbildung ist der Sensor als Hall-Sensor ausgebildet. Hall-Sensoren eignen sich sehr gut zur Erfassung der Variation eines Magnetfeldes und sind daher sehr gut zur Drehzahlerfassung zu verwenden. Hall-Sensoren sind sehr kos tengünstig kommerziell zu erwerben und sie sind auch bei Temperaturen bis etwa 160°C einsetzbar.at In a first development, the sensor is designed as a Hall sensor. Hall sensors are very suitable for detecting the variation of a Magnetic field and are therefore very good to use for speed detection. Hall sensors are very cost-effective commercially available and they are also at temperatures up to about 160 ° C can be used.
Alternativ dazu ist der Sensor als magnetoresitiver (MR) Sensor ausgebildet. MR Sensoren sind ihrerseits gut zur Erfassung der Variation eines Magnetfeldes geeignet und kostengünstig kommerziell erwerbbar.alternative For this purpose, the sensor is designed as a magnetoresistive (MR) sensor. MR sensors are in turn good for detecting the variation of a Magnetic field suitable and economically commercially available.
Bei einer nächsten alternativen Ausgestaltung ist der Sensor als induktiver Sensor ausgebildet. Auch induktive Sensoren eigenen sich hervorragend zur Erfassung der Variation eines Magnetfeldes und sie sind auch bei hohen Temperaturen verwendbar.at one next alternative embodiment, the sensor is an inductive sensor educated. Inductive sensors are also ideal for Detecting the variation of a magnetic field and they are also at suitable for high temperatures.
Bei einer Weiterbildung öffnet beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals das Steuergerät das Waste-Gate-Ventil so weit, dass der verbleibende Abgasstrom das Turbinenrad nur bis zur Höchstdrehzahl des Abgasturboladers beschleunigen kann. Da man den maximalen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine kennt, ist es leicht Möglich für den Signalfehlerfall den Anteil des Abgasstroms zu berechen, der für den Turbolader unschädlich ist. Nur der unschädliche Abgasstrom erreicht dann den Abgasturbolader, wenn ein fehlerhaftes Drehzahlsignal erkannt wurde.at a further education opens in the presence of a faulty speed signal, the controller the wastegate valve so far that the remaining exhaust gas flow turbine wheel only until to the maximum speed of the exhaust gas turbocharger can accelerate. Because you have the maximum exhaust gas flow an internal combustion engine knows, it is easily possible for the signal error case the Calculate the proportion of exhaust gas flow that is harmless to the turbocharger. Only harmless Exhaust gas then reaches the exhaust gas turbocharger when a faulty Speed signal was detected.
Es ist aber auch denkbar, dass beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals das Steuergerät die Geometrie der Turbinenblätter so einstellt, dass der maximale Abgasstrom das Turbinenrad nur bis zur Höchstdrehzahl des Abgasturboladers beschleunigen kann. Auch hier kann unter Kenntnis des maximalen Abgasstroms der Brennkraftmaschine eine Turbinengeometrie vorbestimmt werden, mit der der maximale Abgasstrom unschädlich für den Turbolader bleibt.It But it is also conceivable that in the presence of a faulty speed signal the control unit the geometry of the turbine blades so sets that the maximum exhaust gas flow turbine wheel only until to the maximum speed of the exhaust gas turbocharger can accelerate. Again, under note the maximum exhaust gas flow of the internal combustion engine, a turbine geometry be predetermined, with the maximum exhaust flow harmless to the turbocharger remains.
Bei einer Weiterbildung wird das Drehzahlsignal dann als fehlerfrei eingestuft wird, wenn sich das Tastverhältnis in einem vorher festgelegten Bereich befindet. Als Bereich für ein fehlerfreies Drehzahlsignal wäre zum Beispiel ein Tastver hältnis von 25 bis 75% denkbar. Tastverhältnisse über 75% und unter 25% würden dann zur Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals führen.at a further development, the speed signal is then as error-free is classified as the duty cycle in a predetermined one Area is located. As area for an error-free speed signal would be, for example, a duty cycle of 25 to 75% conceivable. Duty cycle over 75% and under 25% would then lead to the detection of a faulty speed signal.
Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es zeigen:embodiments The invention is illustrated by way of example in the figures. It demonstrate:
Da
nach
In
Eine
weitere Form der Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals
- 11
- Abgasturboladerturbocharger
- 22
- Turbineturbine
- 33
- Kompressorcompressor
- 44
- Abgasexhaust
- 55
- Ladeluftcharge air
- 66
- DrehzahlsensorSpeed sensor
- 77
- Verbrennungsmotorinternal combustion engine
- 88th
- Turbowelleturboshaft
- 99
- Steuergerätcontrol unit
- 1010
- Magnetmagnet
- 1111
- DrehzahlsignalSpeed signal
- 1212
- Waste-Gate-VentilWaste gate valve
- 1313
- Signalpulssignal pulse
- 1414
- ausbleibender Pulsabsence of Pulse
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