Beschreibung

Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehzahlüberwachung einer Turbowelle, die in einem Abgasturbolader drehbar gelagert ist, wobei an der Turbowelle ein ein Magnetfeld variie ^¬ rendes Element ausgebildet ist, welches das Magnetfeld pro ^¬ portional zu der Turbowellendrehzahl variiert, und ein Sensor vorgesehen ist, der die Variation des Magnetfeldes erfasst und in ein elektronisches Drehzahlsignal umwandelt.

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 Brennkraftma ^¬ schinen erhebliche Probleme und Nachteile mit sich und ist aus technischen Gründen begrenzt.

Eine viel genutzte technische Lösung zur Steigerung der Leis ^¬ tung einer Brennkraftmaschine ist die Aufladung. Damit be ^¬ zeichnet 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 ei ^¬ ner gemeinsamen Welle verbunden sind und mit der gleichen Drehzahl rotieren. Die Turbine setzt die normalerweise nutz ^¬ los 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 Gesamtwirkungs ^¬ grad 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 Brennkraftma ^¬ schine wesentlich optimiert werden. Aufgeladene Brennkraftma ^¬ schinen haben in der Regel einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch und weisen eine geringere Schadstoffemis- sion 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 Ladedruckre ^¬ gelventil, ein so genanntes Waste-Gate-Ventil, eingeführt. Durch die Wahl eines entsprechenden Turbinengehäuses wird schon bei niedrigen Motordrehzahlen schnell ein hoher Lade- druck 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.

Bei zunehmender Abgasmenge kann die maximal zulässige Dreh ^¬ zahl 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 Total- schaden des Turboladers gleichkommt. Gerade moderne und klei ^¬ ne 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.

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 verrin- gert .

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 E- lementes zur Variation des Magnetfeldes ein Sensorelement an ^¬ geordnet ist, das die Variation des Magnetfeldes erfasst und in elektrische auswertbare Signale umwandelt.

Dabei ist es jedoch möglich, dass das Drehzahlsignal zum Bei- spiel durch äußere Einflüsse, wie etwa ein von außen einge ^¬ streutes Magnetfeld, gestört und verfälscht wird und die tat ^¬ sächliche Drehzahl der Turbowelle höher ist, als die aus dem Drehzahlsignal erkennbare. Bei einem solchen fehlerhaften Drehzahlsignal könnte es zu einer überschreitung der Höchst- drehzahl der Turbowelle kommen, was zur vollständigen Zerstörung des Turboladers führen kann.

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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zu der Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals das Tastverhältnis des Drehzahlsignals ausgewertet wird und beim Vorlie ^¬ gen eines fehlerhaften Drehzahlsignals die Drehzahl der Tur- bowelle so weit reduziert wird, dass eine Zerstörung des Ab ^¬ gasturboladers durch eine überschreitung seiner Höchstdrehzahl ausgeschlossen ist.

Vorteilhaft dabei ist, dass das Tastverhältnis leicht elekt- ronisch auswertbar ist und so schnell und eindeutig auf das Vorliegen einer Signalstörung geschlossen werden kann.

Alternativ wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Dreh ^¬ zahlsignal als fehlerhaft eingestuft wird, wenn in der PuIs- folge einzelne Signalpulse ausbleiben und beim Vorliegen ei ^¬ nes fehlerhaften Drehzahlsignals die Drehzahl der Turbowelle so weit reduziert wird, dass eine Zerstörung des Abgasturbo ^¬ laders durch eine überschreitung seiner Höchstdrehzahl ausgeschlossen ist.

Dabei ist es vorteilhaft, dass das Drehzahlsignal ein streng periodisches Signal ist, wobei ausbleibende Signalpulse die Periodizität durchbrechen, was leicht elektronisch festge ^¬ stellt 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.

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 Tem ^¬ peraturen bis etwa 160 ⁰ C einsetzbar.

Alternativ dazu ist der Sensor als magnetoresitiver (MR) Sensor ausgebildet. MR Sensoren sind ihrerseits gut zur Erfas- sung der Variation eines Magnetfeldes geeignet und kosten ^¬ günstig kommerziell erwerbbar.

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 ver ^¬ wendbar .

Bei einer Weiterbildung öffnet beim Vorliegen eines fehler- haften 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.

Es ist aber auch denkbar, dass beim Vorliegen eines fehlerhaften Drehzahlsignals das Steuergerät die Geometrie der Tur ^¬ binenblätter so einstellt, dass der maximale Abgasstrom das Turbinenrad nur bis zur Höchstdrehzahl des Abgasturboladers beschleunigen kann. Auch hier kann unter Kenntnis des maxima- len Abgasstroms der Brennkraftmaschine eine Turbinengeometrie vorbestimmt werden, mit der der maximale Abgasstrom unschäd ^¬ lich für den Turbolader bleibt .

Bei einer Weiterbildung wird das Drehzahlsignal dann als feh- lerfrei eingestuft wird, wenn sich das Tastverhältnis in ei ^¬ nem 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.

Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es zeigen:

Figur 1: einen Abgasturbolader mit einem Kompressor und einer Turbine,

Figur 2: das aus dem Drehzahlsignal abgeleitete Spannungs ^¬ signal in Abhängigkeit von der Zeit,

Figur 3: ein etwas verschlechtertes Tastverhältnis,

Figur 4: ein ebenfalls verschlechtertes Tastverhältnis,

Figur 5: ein wesentlich verschlechtertes Tastverhältnis,

Figur 6: ein ebenfalls wesentlich verschlechtertes Tastver ^¬ hältnis,

Figur 7: weitere Form der Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals .

Figur 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 Abgasturbola ^¬ der 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 Turbo ^¬ welle 8 und den Kompressor 3 überträgt. Bei zunehmendem Ab ^¬ gasstrom 4 wird die Kombination aus Turbowelle 8, Turbine 2 und Kompressor 3, die auch als Laufzeug bezeichnet wird, im ^¬ mer 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 Mag ^¬ netfeldes als Permanentmagnet ausgebildet. Mit der Drehung der Turbowelle 8 wird das Magnetfeld am Drehzahlsensor 6 va ^¬ riiert. Als Drehzahlsensor 6 kommt zum Beispiel ein HaIl- 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, das 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 das Drehzahlsignal 11 durch äußere Einflüsse, wie zum Beispiel überlagerte äußere Magnetfelder oder elektromagnetisch eingestreute Impulse verfälscht wird. Insbesondere ist es kri ^¬ tisch, wenn das Drehzahlsignal 11 eine geringere Drehzahl der Turbowelle 8 darstellt, als die tatsächlich vorhandene Dreh ^¬ zahl der Turbowelle 8. Hierdurch könnte es zur totalen Zer- Störung 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 das Drehzahlsignal nach seinem Tastverhältnis ausgewertet.

Figur 2 bis 7 zeigen das aus dem Drehzahlsignal 11 abgeleite ^¬ te Spannungssignal U in Abhängigkeit von der Zeit t. Anstelle der Spannung U kann durchaus auch die Stromstärke dargestellt sein. Beim Drehzahlsignal 11 nach Figur 2 befinden sich im zeitlichen Mittel genauso viele Pulse unterhalb eines kon ^¬ stanten 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 .

Da nach Figur 2 die Signalpulse 13 im zeitlichen Mittel ge- nauso 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 fehler ^¬ frei bewertet . In Figur 3 hat sich das Tastverhältnis etwas verschoben, was zum Beispiel durch ein störendes äußeres Mag ^¬ netfeld 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 Figur 4 stellt sich die umgekehrte Situ- ation 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.

In Figur 5 und 6 hat sich die Situation jedoch soweit ver- schoben, dass das Tastverhältnis in Figur 5 etwa bei 10 % liegt und in Figur 6 etwa bei 90 %. Diese beiden Signale wür ^¬ den als fehlerhaft bewertet werden, worauf hin die Drehzahl des Laufzeuges soweit reduziert werden würde, dass eine Zer ^¬ störung 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 La ^¬ dern 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 be ^¬ schleunigen kann.

Eine weitere Form der Erkennung eines fehlerhaften Drehzahlsignals 11 ist im Diagramm der Figur 7 dargestellt. Die Sig- nalpulse 13 des Drehzahlsignals 11 sind zeitlich streng peri ^¬ odisch, womit das Ausbleiben eines Pulses 14 leicht festge ^¬ stellt 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 die ^¬ sem 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.