DE102005045457B4 - Method for monitoring the speed of a turbo shaft - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle (8), die in einem Abgasturbolader (1) drehbar gelagert ist, wobei an der Turbowelle (8) ein ein Magnetfeld variierendes Element (10) ausgebildet ist, welches das Magnetfeld proportional zu der Turbowellendrehzahl variiert, und ein Sensor (6) vorhanden ist, der die Variation des Magnetfeldes erfasst und in ein elektronisches Drehzahlsignal (11) umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals (11) das Tastverhältnis des Drehzahlsignals (11) ausgewertet wird, dass das Drehzahlsignal (11) dann als fehlerfrei eingestuft wird, wenn sich das Tastverhältnis in einem vorher festgelegten Bereich befindet, und dass beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals (11) die Drehzahl der Turbowelle (8) so weit reduziert wird, dass eine Zerstörung des Abgasturboladers (1) durch eine Überschreitung seiner Höchstdrehzahl ausgeschlossen ist, wobei beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals (11) ein Steuergerät (9) ein Waste-Gate-Ventil (12) so weit öffnet, dass der verbleibende Abgasstrom (4) das Turbinenrad nur bis zur Höchstdrehzahl des Abgasturboladers beschleunigen kann, oder beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals (11) das Steuergerät (9) die Geometrie der Turbinenblätter so einstellt, dass der maximale Abgasstrom (4) das Turbinenrad nur bis zur Höchstdrehzahl des Abgasturboladers beschleunigen kann.Method for monitoring the speed of a turbo shaft (8) which is rotatably mounted in an exhaust gas turbocharger (1), a magnetic field varying element (10) being formed on the turbo shaft (8), which varies the magnetic field proportionally to the turbo shaft speed, and a sensor (6) is present, which detects the variation of the magnetic field and converts it into an electronic speed signal (11), characterized in that the pulse duty factor of the speed signal (11) is evaluated for the detection of an incorrect speed signal (11) that the speed signal (11 ) is classified as error-free when the pulse duty factor is in a previously defined range, and that when an incorrect speed signal (11) is present, the speed of the turbo shaft (8) is reduced to such an extent that the exhaust gas turbocharger (1) is destroyed by a Exceeding its maximum speed is excluded, with the presence of an incorrect speed signal (11) a Ste uergerät (9) a waste gate valve (12) opens so far that the remaining exhaust gas flow (4) can accelerate the turbine wheel only up to the maximum speed of the exhaust gas turbocharger, or if there is an incorrect speed signal (11) the control unit (9) the Adjusts the geometry of the turbine blades so that the maximum exhaust gas flow (4) can only accelerate the turbine wheel up to the maximum speed of the exhaust gas turbocharger.

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 invention relates to a method for monitoring the speed of a turbo shaft, which is rotatably mounted in an exhaust gas turbocharger, wherein on the turbo shaft, a magnetic field varying element is formed, which varies the magnetic field proportional to the turbo shaft speed, and a sensor is provided, the variation of the magnetic field recorded 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 that can be provided to the engine for combustion. To increase the performance of an internal combustion engine, it is necessary to supply the engine with a larger amount of combustion air and fuel. This increase in performance is achieved in a naturally aspirated engine by increasing the displacement or by increasing the speed. An increase in displacement, however, generally leads to heavier in size larger and therefore more expensive internal combustion engines. The increase in the speed brings significant problems and disadvantages, especially for larger internal combustion engines and is limited for technical reasons.

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 fordert 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 for increasing the performance of an internal combustion engine is the charging. This refers to the pre-compression of the combustion air through an exhaust gas turbocharger or by means of a mechanically driven by the engine compressor. An exhaust gas turbocharger essentially consists of a flow compressor, which is also referred to as a compressor and a turbine, which are connected to a common shaft and rotate at the same speed. The turbine converts the normally useless exhausting energy of the exhaust into rotational energy and drives the compressor. The compressor draws in fresh air and demands the pre-compressed charge air to the individual cylinders of the engine. The larger amount of air in the cylinders can be fed an increased amount of fuel, whereby the internal combustion engine gives more power. The combustion process is also favorably influenced, so that the internal combustion engine achieves a better overall efficiency. In addition, the torque curve of a charged with a turbocharger internal combustion engine can be made extremely low. Series suction engines existing at vehicle manufacturers can be substantially optimized by the use of an exhaust gas turbocharger without major constructive modifications to the internal combustion engine. Charged internal combustion engines usually have a lower specific fuel consumption and have a lower pollutant emission. In addition, turbo engines are usually quieter than naturally aspirated engines of the same power, since the turbocharger itself acts as an additional silencer. In internal combustion engines with a large operating speed range, for example in internal combustion engines for passenger cars, a high charge pressure is required even at low engine speeds. For this purpose, a wastegate valve, a so-called waste gate valve, is introduced in these turbochargers. By choosing a suitable turbine housing, a high charge pressure is quickly built up even at low engine speeds. The wastegate valve (waste gate valve) then limits the boost pressure to a constant value as the engine speed increases. Alternatively, turbochargers with variable turbine geometry (VTG) are 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 Massenträgheitsmoment 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.As the amount of exhaust gas increases, the maximum permissible speed of the combination of turbine wheel and turbo shaft, which is also referred to as a turbocharger running tool, can be exceeded. In an inadmissible exceeding the speed of the running gear this would be destroyed, which amounts to a total loss of the turbocharger. Especially modern and small turbochargers with significantly smaller turbine and Kompressorraddurchmessern, which have a significantly lower moment of inertia improved spin performance, are affected by the problem of exceeding the maximum permissible speed. Depending on the design of the turbocharger, exceeding the speed limit by approximately 5% already leads 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 limit the speed, the wastegate valves have proven themselves, which are controlled by a speed-dependent signal. If the boost pressure exceeds a predetermined threshold value, then the wastegate valve opens and directs a portion of the exhaust gas mass flow past the turbine. This consumes less power due to the reduced mass flow, and the compressor performance decreases to the same extent. The boost pressure and the speed of the rotor are reduced.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2005 010 921 A1 ist ein 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 pre-published DE 10 2005 010 921 A1 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 response to the rotation of the turbo shaft, and wherein in the vicinity of the element for varying the magnetic field, a sensor element is arranged, which is the variation of Magnetic field detected and converted 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. However, it is possible that the speed signal is disturbed and falsified by, for example, external influences, such as an externally interspersed magnetic field, and the actual speed of the turbo shaft is higher than that which can be recognized from the speed signal. In such a faulty speed signal, it could lead to exceeding the maximum speed of the turbo shaft, which can lead to complete destruction of the turbocharger.

Druckschrift US 2005 0155349A1 beschreibt einen Geschwindigkeitssensor für einen Turbolader, wobei ein Sensorelement über einen Luftspalt die Rotation der Kompressorblätter des Turboladers erfasst.pamphlet US 2005 0155349A1 describes a speed sensor for a turbocharger, wherein a sensor element detects the rotation of the compressor blades of the turbocharger via an air gap.

In Dokument US 4 604 701 A wird ein Turbolader-Regelungssystem vorgeschlagen, das eine Fehlertestschaltung umfasst, welche verschiedene Betriebsparameter des Turboladers erfasst und automatisch mit definierten Werten dieser Parameter vergleicht.In document US 4 604 701 A For example, a turbocharger control system is proposed that includes an error test circuit that detects various operating parameters of the turbocharger and automatically compares them to defined values of these parameters.

Druckschrift DE 38 32 541 A1 schlägt ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern bei einem entsprechend der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges oder eines sich drehenden Gegenstandes veränderlichen Signal vor. Dabei wird ein Bereich der Fahrzeuggeschwindigkeit von null bis zu einer vorgebbaren, oberen Geschwindigkeit in mindestens zwei Arbeitsbereiche eingeteilt, denen jeweils ein für den Arbeitsbereich charakteristischer fester Grenzwert einer aus dem zeitlichen Verlauf des Signals bestimmbaren Größe zugeordnet wird, wobei die Größe fortlaufend oder intermittierend aus dem Signal bestimmt und mit mindestens einem Grenzwert des niedrigeren Geschwindigkeiten zugeordneten Arbeitsbereiches verglichen wird und wobei bei Unterschreitung des Grenzwerts eine Fehlerreaktion ausgelöst wird.pamphlet DE 38 32 541 A1 proposes a method for detecting errors at a signal that varies according to the speed of a vehicle or a rotating object. In this case, a range of the vehicle speed is divided from zero to a predetermined, upper speed in at least two working areas, each associated with a characteristic of the work area fixed limit of a determinable from the time course of the signal size, the size continuously or intermittently from the Signal is determined and compared with at least one limit of the lower speeds associated work area and wherein below the limit value, an error response is triggered.

In Dokument EP 0 458 121 A1 ist ein Verfahren zur Fehlererkennung offenbart, wobei Fehler in den Ausgangssignalen von Drehzahlsensoranordnungen festgestellt werden, indem eine Änderungsrate der Drehzahl überwacht und ausgewertet wird.In document EP 0 458 121 A1 discloses a method of error detection wherein errors in the output signals of speed sensor arrays are detected by monitoring and evaluating a rate of change of the speed.

Druckschrift DE 101 40 121 A1 schlägt ein Verfahren zur Diagnose eines Abgasturboladers für eine Brennkraftmaschine vor, bei dem mindestens ein die Belastung des Abgasturboladers kennzeichnender Wert ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen wird, wobei im Falle eines Überschreitens des Referenzwerts ein Ereignissignal erzeugt wird, wobei eine die Wechselbelastung des Abgasturboladers charakterisierende Verschleißkennzahl durch Addition von Belastungssignalen gebildet wird, wobei jeweils ein Belastungssignal für den Fall erzeugt wird, dass die Laderdrehzahl des Abgasturboladers ein Laderdrehzahlmaximum überschreitet.pamphlet DE 101 40 121 A1 proposes a method for the diagnosis of an exhaust gas turbocharger for an internal combustion engine, wherein at least one of the load of the exhaust gas turbocharger characteristic value is determined and compared with a reference value, wherein in case of exceeding the reference value, an event signal is generated, wherein the alternating load characterizing the exhaust gas turbocharger wear indicator is formed by addition of load signals, wherein in each case a load signal is generated in the event that the supercharger speed of the exhaust gas turbocharger exceeds a supercharger speed maximum.

Dokument DE 10 2004 046 798 A1 beschreibt ein Verfahren zum Messen eines Näherungswerts des barometrischen Drucks zur Verwendung in einer Steuerlogik für einen Verbrennungsmotor, welcher eine Abgasrückführung und einen Turbolader mit veränderlicher geometrischer Gestaltung (VGT) aufweist, um einen Ladedruck bei einem Motorlufteinlass zu erzeugen, wobei der VGT einen Ladedrucksensor aufweist. Außerdem wird ein fehlerhaftes Drehzahlsignal erkannt und bei Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals die Drehzahl der Turbowelle soweit reduziert, dass eine Zerstörung des Abgasturboladers ausgeschlossen ist. Hierfür wird mit einem Steuergerät entweder die Geometrie der Turbinenblätter oder ein Waste-Gate-Ventil so eingestellt, dass der Abgasstrom das Turbinenrad nur bis zur Höchstdrehzahl des Abgasturboladers beschleunigen kann.document DE 10 2004 046 798 A1 describes a method for measuring a barometric pressure approximation for use in control logic for an internal combustion engine having an exhaust gas recirculation and a variable geometry turbocharger (VGT) to create a boost pressure at an engine air intake, the VGT having a boost pressure sensor. In addition, a faulty speed signal is detected and reduced in the presence of a faulty speed signal, the speed of the turbo shaft so far that destruction of the exhaust gas turbocharger is excluded. For this purpose, either the geometry of the turbine blades or a wastegate valve is set with a control unit so that the exhaust gas flow can accelerate the turbine wheel only up to the maximum speed of the exhaust gas turbocharger.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Drehzahlsteuerung einer Turbowelle anzugeben, mit dem der Abgasturbolader sicher vor einer Beschädigung durch eine Drehzahl über der zulässigen Höchstgrenze geschützt ist.The object of the present invention is therefore to provide a method for controlling the speed of a turbo shaft, with which the turbocharger is safely protected from damage by a speed above the maximum permissible limit.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.This object is achieved by a method according to claim 1.

Beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals öffnet ein Steuergerät ein 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 berechnen, der für den Turbolader unschädlich ist. Nur der unschädliche Abgasstrom erreicht dann den Abgasturbolader, wenn ein fehlerhaftes Drehzahlsignal erkannt wurde.In the presence of a faulty speed signal, a control unit opens a waste gate valve so far that the remaining exhaust gas flow can accelerate the turbine wheel only up to the maximum speed of the exhaust gas turbocharger. Since one knows the maximum exhaust gas flow of an internal combustion engine, it is easily possible for the signal error case to calculate the fraction of the exhaust gas flow which is harmless for the turbocharger. Only the harmless exhaust gas flow then reaches the exhaust gas turbocharger, if a faulty speed signal was detected.

Alternativ stellt beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals das Steuergerät die Geometrie der Turbinenblätter so ein, 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.Alternatively, in the presence of a faulty speed signal, the controller sets the geometry of the turbine blades so that the maximum flow of exhaust gas can accelerate the turbine wheel only to the maximum speed of the exhaust gas turbocharger. Here, too, with knowledge of the maximum exhaust gas flow of the internal combustion engine, a turbine geometry can be predetermined with which the maximum exhaust gas flow remains harmless for the turbocharger.

Das Drehzahlsignal wird dann als fehlerfrei eingestuft, wenn sich das Tastverhältnis in einem vorher festgelegten Bereich befindet. Als Bereich für ein fehlerfreies Drehzahlsignal wäre zum Beispiel ein Tastverhältnis von 25 bis 75% denkbar. Tastverhältnisse über 75% und unter 25% würden dann zur Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals führen.The speed signal is considered error-free when the duty cycle is within a predetermined range. As a range for a fault-free speed signal, for example, a duty cycle of 25 to 75% would be conceivable. Duty ratios above 75% and below 25% would then lead to the detection of a faulty speed signal.

Vorteilhaft dabei ist, dass das Tastverhältnis leicht elektronisch auswertbar ist und so schnell und eindeutig auf das Vorliegen einer Signalstörung geschlossen werden kann.The advantage here is that the duty cycle is easily evaluated electronically and so fast and can be clearly concluded on the presence of a signal disturbance.

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.It is advantageous that the speed signal is a strictly periodic signal, with no signal pulses break the periodicity, which can be easily determined 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 kostengünstig kommerziell zu erwerben und sie sind auch bei Temperaturen bis etwa 160°C einsetzbar. 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.In a first development, the sensor is designed as a Hall sensor. Hall sensors are very good for detecting the variation of a magnetic field and are therefore very good to use for speed detection. Hall sensors are very inexpensive to buy commercially and they can also be used at temperatures up to about 160 ° C. Alternatively, the sensor is designed as a magnetoresistive (MR) sensor. For their part, MR sensors are well suited for detecting the variation of a magnetic field and are commercially available at low cost.

Bei einer nächsten alternativen Ausgestaltung ist der Sensor als induktiver Sensor ausgebildet. Auch induktive Sensoren eignen sich hervorragend zur Erfassung der Variation eines Magnetfeldes und sie sind auch bei hohen Temperaturen verwendbar.In a next alternative embodiment, the sensor is designed as an inductive sensor. Inductive sensors are also ideal for detecting the variation of a magnetic field and they can also be used at high temperatures.

Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es zeigen:Embodiments of the invention are exemplified in the figures. Show it:

1: einen Abgasturbolader mit einem Kompressor und einer Turbine, 1 : an exhaust gas turbocharger with a compressor and a turbine,

2: das aus dem Drehzahlsignal abgeleitete Spannungssignal in Abhängigkeit von der Zeit, 2 the voltage signal derived from the speed signal as a function of time,

3: ein etwas verschlechtertes Tastverhältnis, 3 : a slightly deteriorated duty cycle,

4: ein ebenfalls verschlechtertes Tastverhältnis, 4 a likewise deteriorated duty cycle,

5: ein wesentlich verschlechtertes Tastverhältnis, 5 a significantly deteriorated duty cycle,

6: ein ebenfalls wesentlich verschlechtertes Tastverhältnis, 6 : a likewise significantly deteriorated duty cycle,

7: weitere Form der Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals. 7 : further form of detection of a faulty speed signal.

1 zeigt schematisch einen Abgasturbolader 1 mit einem Kompressor 3 und einer Turbine 2. Die Turbine 2 ist mit dem Kompressor 3 durch die Turbowelle 8 mechanisch verbunden. Die Kombination aus Turbine 2, Kompressor 3 und Turbowelle 8 ist drehbar im hier nicht vollständig dargestellten Abgasturbolader 1 gelagert. Der von einer Brennkraftmaschine 7 erzeugte Abgasstrom 4 wird der Turbine 2 zugeleitet. Der Abgasstrom 4 treibt die Turbine an, die ihre Drehbewegung auf die Turbowelle 8 und den Kompressor 3 überträgt. Bei zunehmendem Abgasstrom 4 wird die Kombination aus Turbowelle 8, Turbine 2 und Kompressor 3, die auch als Laufzeug bezeichnet wird, immer schneller. Moderne Turbolader haben eine Drehzahlgrenze bei ungefähr 300000 Umdrehungen pro Minute. Diese Drehzahlgrenze darf nicht überschritten werden, da sonst eine komplette Zerstörung des Turboladers erfolgen kann. Um die Drehzahl des Turboladers festzustellen, ist in der Turbowelle 8 ein Element 10 zur Variation eines Magnetfeldes ausgebildet. In diesem Beispiel ist das Element 10 zur Variation des Magnetfeldes als Permanentmagnet ausgebildet. Mit der Drehung der Turbowelle 8 wird des Magnetfeld am Drehzahlsensor 6 variiert. Als Drehzahlsensor 6 kommt zum Beispiel ein Hall-Element, Eine spule zur Erfassung des Magnetfeldes oder ein magnetoritives (MR) Element in Frage. Der Drehzahlsensor 6 erzeugt aus dem erfassten Magnetfeld ein Drehzahlsignal 11, des an ein Steuergerät 9 weitergeleitet wird. Erkennt das Steuergerät 9 das Erreichen der oberen Drehzahlgrenze des Turboladers 1, so steuert es ein so genanntes Waste-Gate-Ventil 12 an, das sich öffnet und den Abgasstrom 4 an der Turbine 2 vorbei lenkt, wodurch eine weitere Beschleunigung des Laufzeuges verhindert wird. Es ist denkbar, dass des Drehzahlsignal 11 durch äußere Einflüsse, wie zum Beispiel überlagerte äußere Magnetfelder oder elektromagnetisch eingestreute Impulse verfälscht wird. Insbesondere ist es kritisch, wenn das Drehzahlsignal 11 eine geringere Drehzahl der Turbowelle 8 darstellt, als die tatsächlich vorhandene Drehzahl der Turbowelle 8. Hierdurch könnte es zur totalen Zerstörung des Turboladers 1 kommen, da das Steuergerät 9 keinen Impuls zur Öffnung des Waste-Gate-Ventils aussendet, wodurch bei ausreichendem Abgasstrom 4 das Laufzeug weiter beschleunigt wird. Um dies zu verhindern, wird des Drehzahlsignal nach seinem Tastverhältnis ausgewertet. 1 schematically shows an exhaust gas turbocharger 1 with a compressor 3 and a turbine 2 , The turbine 2 is with the compressor 3 through the turbo shaft 8th mechanically connected. The combination of turbine 2 , Compressor 3 and turbo shaft 8th is rotatable in the exhaust gas turbocharger not shown here 1 stored. The one from an internal combustion engine 7 generated exhaust stream 4 becomes the turbine 2 fed. The exhaust gas flow 4 drives the turbine, which rotates on the turbo shaft 8th and the compressor 3 transfers. With increasing exhaust gas flow 4 becomes the combination of turbo shaft 8th , Turbine 2 and compressor 3 , which is also referred to as a running tool, faster and faster. Modern turbochargers have a speed limit at about 300,000 revolutions per minute. This speed limit must not be exceeded, otherwise a complete destruction of the turbocharger can occur. To determine the speed of the turbocharger is in the turbo shaft 8th an element 10 designed to vary a magnetic field. In this example, the element is 10 designed to vary the magnetic field as a permanent magnet. With the rotation of the turbo shaft 8th becomes the magnetic field at the speed sensor 6 varied. As a speed sensor 6 For example, a Hall element, a coil for detecting the magnetic field or a magnetoritive (MR) element in question. The speed sensor 6 generates a speed signal from the detected magnetic field 11 , to a control unit 9 is forwarded. Detects the controller 9 reaching the upper speed limit of the turbocharger 1 so it controls a so-called waste gate valve 12 which opens and the exhaust stream 4 at the turbine 2 steers past, whereby a further acceleration of the power tool is prevented. It is conceivable that the speed signal 11 is falsified by external influences, such as superimposed external magnetic fields or electromagnetically interspersed pulses. In particular, it is critical when the speed signal 11 a lower speed of the turbo shaft 8th represents, as the actual existing speed of the turbo shaft 8th , This could lead to the complete destruction of the turbocharger 1 come, because the controller 9 does not emit a pulse to open the wastegate valve, thereby providing sufficient exhaust flow 4 the tool is further accelerated. To prevent this, the speed signal is evaluated according to its duty cycle.

2 bis 7 zeigen des aus dem Drehzahlsignal 11 abgeleitete Spannungssignal U in Abhängigkeit von der Zeit t. Anstelle der Spannung U kann durchaus auch die Stromstärke dargestellt sein. Beim Drehzahlsignal 11 nach 2 befinden sich im zeitlichen Mittel genauso viele Pulse unterhalb eines konstanten Spannungswertes C wie oberhalb dieses konstanten Spannungswertes C. Das Tastverhältnis ist die Zeit in Prozent angeben, in der sich ein Signal oberhalb eines Schwellwertes befindet. 2 to 7 show the from the speed signal 11 derived voltage signal U as a function of time t. Instead of the voltage U, the current strength may well be represented. At the speed signal 11 to 2 In the time average, there are just as many pulses below a constant voltage value C as above this constant voltage value C. The duty cycle is the time in percent in which a signal is above a threshold value.

Da nach 2 die Signalpulse 13 im zeitlichen Mittel genauso oft unterhalb dieses Schwellwertes C wie oberhalb des Schwellwertes C zu finden sind, liegt hier ein Tastverhältnis von 50% vor. Dies ist ein ideales Tastverhältnis und ein Drehzahlsignal 11 mit diesem Tastverhältnis wird als fehlerfrei bewertet. In 3 hat sich das Tastverhältnis etwas verschoben, was zum Beispiel durch ein störendes äußeres Magnetfeld am Drehzahlsensor 6 verursacht werden kann. Das Tastverhältnis hat sich verschlechtert, so dass nur etwa 25% der gemessenen Zeit die Signalpulse 13 oberhalb des Schwellwertes C zu finden sind. In 4 stellt sich die umgekehrte Situation da, hier befinden sich die Signalpulse 13 zu etwa 75% der Zeit oberhalb der Konstanten C. Diese beiden Signale könnten noch als fehlerfrei bewertet werden.After that 2 the signal pulses 13 in the time average as often below this threshold C as to be found above the threshold C, here is a duty cycle of 50% before. This is an ideal duty cycle and a speed signal 11 with this duty cycle is rated as error-free. In 3 the duty cycle has shifted slightly, for example due to a disturbing external magnetic field on the speed sensor 6 can be caused. The duty cycle has deteriorated so that only about 25% of the measured time is the signal pulses 13 above the threshold value C can be found. In 4 If the opposite situation arises, here are the signal pulses 13 about 75% of the time above the constant C. These two signals could still be rated as error-free.

In 5 und 6 hat sich die Situation jedoch soweit verschoben, dass das Tastverhältnis in 5 etwa bei 10% liegt und in 6 etwa bei 90%. Diese beiden Signale würden als fehlerhaft bewertet werden, worauf hin die Drehzahl des Laufzeuges soweit reduziert werden würde, dass eine Zerstörung des Turboladers 1 ausgeschlossen ist. Dazu steuert das Steuergerät 9 das Waste-Gate-Ventil 12 soweit auf, dass auch bei maximalem Abgasstrom 4 das Laufzeug die Drehzahlobergrenze nicht überschreitet. Alternativ kann bei VTG Ladern auch die Geometrie des Turbinenrades vom Steuergerät 9 derart verändert werden, dass der maximale Abgasstrom 4 das Laufzeug nicht über die Drehzahlgrenze des Turboladers 1 beschleunigen kann.In 5 and 6 However, the situation has shifted so far that the duty cycle in 5 is about 10% and in 6 around 90%. These two signals would be rated as faulty, whereupon the speed of the power tool would be reduced so much that a destruction of the turbocharger 1 is excluded. The control unit controls this 9 the waste gate valve 12 so far on that even at maximum exhaust flow 4 the power tool does not exceed the upper speed limit. Alternatively, with VTG loaders, the geometry of the turbine wheel can also be determined by the control unit 9 be changed so that the maximum exhaust gas flow 4 the power tool does not exceed the speed limit of the turbocharger 1 can accelerate.

Eine weitere Form der Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals 11 ist im Diagramm der 7 dargestellt. Die Signalpulse 13 des Drehzahlsignals 11 sind zeitlich streng periodisch, womit des Ausbleiben eines Pulses 14 leicht festgestellt werden kann. Dazu ist eine Zeitmessung erforderlich, die an die Pulsfolge des Drehzahlsignals 11 gekoppelt ist und die das Ausbleiben eines Pulses 14 feststellt. Auch mit diesem Verfahren zur Auswertung des Drehzahlsignals 11 kann das Steuergerät 9 ein fehlerhaftes Drehzahlsignal 11 erkennen und durch das Ansteuern des Waste-Gate-Ventils 12 ein Überdrehen des Laufzeuges verhindern.Another form of detection of a faulty speed signal 11 is in the diagram of 7 shown. The signal pulses 13 the speed signal 11 are periodically strictly periodic, which means the absence of a pulse 14 can be easily determined. For this purpose, a time measurement is required, which corresponds to the pulse train of the speed signal 11 is coupled and the absence of a pulse 14 finds. Also with this method for evaluation of the speed signal 11 can the controller 9 a faulty speed signal 11 and by driving the waste gate valve 12 prevent over-rotation of the tool.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

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 Pulsmissed pulse

Claims (7)

Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle (8), die in einem Abgasturbolader (1) drehbar gelagert ist, wobei an der Turbowelle (8) ein ein Magnetfeld variierendes Element (10) ausgebildet ist, welches das Magnetfeld proportional zu der Turbowellendrehzahl variiert, und ein Sensor (6) vorhanden ist, der die Variation des Magnetfeldes erfasst und in ein elektronisches Drehzahlsignal (11) umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass zu der Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals (11) das Tastverhältnis des Drehzahlsignals (11) ausgewertet wird, dass das Drehzahlsignal (11) dann als fehlerfrei eingestuft wird, wenn sich das Tastverhältnis in einem vorher festgelegten Bereich befindet, und dass beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals (11) die Drehzahl der Turbowelle (8) so weit reduziert wird, dass eine Zerstörung des Abgasturboladers (1) durch eine Überschreitung seiner Höchstdrehzahl ausgeschlossen ist, wobei beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals (11) ein Steuergerät (9) ein Waste-Gate-Ventil (12) so weit öffnet, dass der verbleibende Abgasstrom (4) das Turbinenrad nur bis zur Höchstdrehzahl des Abgasturboladers beschleunigen kann, oder beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals (11) das Steuergerät (9) die Geometrie der Turbinenblätter so einstellt, dass der maximale Abgasstrom (4) das Turbinenrad nur bis zur Höchstdrehzahl des Abgasturboladers beschleunigen kann.Method for monitoring the speed of a turbo shaft ( 8th ), which in an exhaust gas turbocharger ( 1 ) is rotatably mounted, wherein at the turbo shaft ( 8th ) a magnetic field varying element ( 10 ), which varies the magnetic field in proportion to the turbo shaft speed, and a sensor ( 6 ) is detected, which detects the variation of the magnetic field and in an electronic speed signal ( 11 ), characterized in that to the detection of a faulty speed signal ( 11 ) the duty cycle of the speed signal ( 11 ) is evaluated that the speed signal ( 11 ) is classified as error-free when the duty cycle is within a predetermined range, and that when a faulty speed signal is present ( 11 ) the speed of the turbo shaft ( 8th ) is reduced so that destruction of the exhaust gas turbocharger ( 1 ) is excluded by exceeding its maximum speed, wherein in the presence of a faulty speed signal ( 11 ) a control device ( 9 ) a waste gate valve ( 12 ) opens so far that the remaining exhaust gas flow ( 4 ) can accelerate the turbine wheel only up to the maximum speed of the exhaust gas turbocharger, or in the presence of a faulty speed signal ( 11 ) the control unit ( 9 ) sets the geometry of the turbine blades so that the maximum exhaust gas flow ( 4 ) can only accelerate the turbine wheel up to the maximum speed of the exhaust gas turbocharger. Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) als Hall-Sensor ausgebildet ist.Method for monitoring the speed of a turbo shaft ( 8th ) according to claim 1, characterized in that the sensor ( 6 ) is designed as a Hall sensor. Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) als magnetoresistiver Sensor ausgebildet ist.Method for monitoring the speed of a turbo shaft ( 8th ) according to claim 1, characterized in that the sensor ( 6 ) is designed as a magnetoresistive sensor. Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) als induktiver Sensor ausgebildet ist.Method for monitoring the speed of a turbo shaft ( 8th ) according to claim 1, characterized in that the sensor ( 6 ) is designed as an inductive sensor. Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle (8) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) als Hall-Sensor mit festgelegtem Signalnullpunkt ausgebildet ist.Method for monitoring the speed of a turbo shaft ( 8th ) according to claim 2, characterized in that the sensor ( 6 ) is designed as a Hall sensor with a fixed signal zero point. Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle (8) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) als Hall-Sensor mit fließendem Signalnullpunkt ausgebildet ist.Method for monitoring the speed of a turbo shaft ( 8th ) according to claim 2, characterized characterized in that the sensor ( 6 ) is designed as a Hall sensor with flowing signal zero point. Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle (8) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (6) als Differenz-Hall-Sensor ausgebildet ist.Method for monitoring the speed of a turbo shaft ( 8th ) according to claim 2, characterized in that the sensor ( 6 ) is designed as a differential Hall sensor.
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