(57)【要約】  本発明は、内燃機関の排気ガスターボチャージャの監視用装置に関する。排気ガスターボチャージャの監視のために、低価格並びに高い信頼度で作動する方法、並びに、相応の装置を提供するために、回転数依存のターボチャージャ作動ノイズの検出用に構成された音響変換器（５，１１）が設けられており、該音響変換器（５，１１）は、ターボチャージャ回転数信号の出力のため周波数解析用の電子回路（１０）と接続されている（図１）。
2009540207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気ガスターボチャージャの監視用装置において、
回転数依存のターボチャージャ作動ノイズの検出用に構成された音響変換器（５，１１）が設けられており、該音響変換器（５，１１）は、ターボチャージャ回転数信号の出力のため周波数解析用の電子回路（１０）と接続されていることを特徴とする監視用装置。
【請求項２】
ターボチャージャ回転数を求めるために、音響変換器（５，１１）は、超音波変換器として構成されている請求項１記載の監視用装置。
【請求項３】
音響変換器（５，１１）の後ろ側に設けられた電子回路（１０）は、ターボチャージャ作動ノイズの周波数帯域の識別のため、及び、各々の実際のターボチャージャ回転数の検出のために周波数解析ユニットを有する請求項１又は２記載の監視用装置。
【請求項４】
音響変換器（１１）は、特に、監視すべきターボチャージャ作動ノイズの周波数帯域に同調されている請求項１から３迄の何れか１記載の監視用装置。
【請求項５】
装置（１）の音響変換器（４，５，１１）は、内燃機関の空気吸入管路（３）内に設けられている請求項１から４迄の何れか１記載の監視用装置。
【請求項６】
内燃機関の排気ガスターボチャージャ（２）の監視方法において、ターボチャージャ（２）の回転数依存の作動ノイズを、音響変換器（５，１１）によって検出して、電子回路（１０）で評価することを特徴とする監視方法。
【請求項７】
音響変換器（５，１１）を、パラレルに空気量センサの構成部品としても用いる請求項１から６迄の何れか１記載の方法。
【請求項８】
受信側の音響変換器（５）の出力信号を、高周波成分（a1）と低周波成分(a2)とに分割し、前記高周波成分（a1）と前記低周波成分(a2)を電気後続処理用の別個の各ユニットに供給する請求項６又は７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気ガスターボチャージャの監視用装置及び監視方法に関する。
【０００２】
公知のように、内燃機関では、圧縮した空気燃料混合気が燃焼のために用いられる。内燃機関の出力送出は、燃料量と空気量との比に依存している。各々の空気量は、内燃機関の吸入管路内に装着されている空気量センサを用いて測定される。多数の最新式の内燃機関には、昨今、空気量を予備圧縮する排気ガスターボチャージャが装着されている。内燃機関の開発の始めに既に、作動サイクル毎に空気量と燃料のスループットを高めることによってエンジン出力を高める目的で、内燃機関に供給すべき空気を予備圧縮する試みが実行されたが、今日では、オットー内燃機関のチャージは、出力の観点で最重要とは見なされず、燃料を節約するため、及び、有害物質を低減するための手段と見なされている。その際、公知のように、排気ガス流内で作動するタービンに、該タービンに機械的に結合されたフレッシュエアコンプレッサを備えることによって、各々の排気ガス流から、空気量流を予備圧縮するためのエネルギが取り出され、その結果、例えば、ディーゼルエンジンは、もはや吸気エンジンとして作動するのではなく、１．５〜２．５バールのチャージ空気圧にチャージされたエンジンとして、出力が明らかに上昇し、且つ、有害物質の放出が低減した状態で作動する。
【０００３】
ターボチャージャを使用することによって、一方では、内燃機関のトルクが上昇し、他方では、内燃機関の熱負荷が上昇し、そのために、エンジンブロック、各シリンダヘッド、各シリンダヘッドのパッキン、チャージャ、シリンダ、ピストンの連接棒、バルブ、ピストン及びそれ以外のエンジンの各コンポーネント並びに後続のドライブチェーンを、これらの付加的な要求のために相応に構成する必要がある。比較的高い出力にするには、エンジン及びチャージエアの冷却のために、相応に大きな寸法の冷却システムも必要となる。その際、チャージされたオットーエンジンでは、高い負荷で走行した後、排気ガスタービンが赤熱して熱くなるのが観測されることが屡々ある。毎分２００,０００回転迄もの回転数に達することがある構成部品の、そのように強い熱及び機械的な負荷により、個別に監視する必要がある。と言うのは、ターボチャージャの使用により、最近の自動車では、依然として著しい制御コスト（Regungsaufwand）が生じ、それにより、損傷の診断（Schadensdiagnose）が複雑となる。最近のフルエレクトロニクスの診断システムは、ここでは、ターボチャージャの機能監視のためにターボチャージャの回転数を評価することによって支援されて作動する。しかし、ターボチャージャの回転数を求めるために、別個に特別に開発されたセンサを設けなければならない。このセンサは、極端に不利な各条件、つまり、殊に高い温度及び高い圧力に耐えなければならず、その際、ターボチャージャホイールの羽根車を高い信頼度で検出して（delektieren）、後ろに接続された電子回路を用いて回転数信号を算出しなければならない。そのために、このセンサは、直接ターボチャージャに取り付ける必要がある。
【０００４】
あらゆる利点で、ターボチャージャの欠点として、走行過程／加速過程で、過度的な作動状態として、ターボチャージャが、フレッシュエア用に充分でないチャージ圧を生じ、その結果、吸気システム内に短時間負圧が生じることがあることが知られている。低い回転数からの加速時に、当初、所望のチャージ圧を形成するために、正確な排気ガス量が検出できない。回転数が上昇して初めて、必要な程度にチャージするために、充分に強い排気ガス流を利用することができる。
【０００５】
このような、低い回転数での出力不足は、一般に「ターボロッホ」（Turboloch）とも呼ばれる。それ故、フレッシュエア流のチャージ(Aufladung)は、ターボチャージャによって突然のガソリン送出時に遅延する。と言うのは、最初、充分な排気ガス流を調整する必要があるからである。このような特異性は、過去において、相応の調整システムによって、及び、小さなターボチャージャを用いることによって部分的に補償することができた。計画段階である４２Ｖの車両搭載電源を用いる新式の構成を用いる領域内で、排気ガスターボチャージャと電気作動部を組み合わせてチャージすることもできるかもしれない。これにより、応動特性を付加的に積極的に変えることができるかもしれない。しかし、この場合でも、リアルタイムに制御するために、実際のターボチャージャ回転数を比較的正確に検出することが前提となる。従って、これからの調整の課題でも、ターボチャージャ回転数を出力信号として供給する排気ガスターボチャージャの監視を用いてのみ制御を行うことができるようにすることが課題となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の課題は、排気ガスターボチャージャの監視のために、低価格並びに高い信頼度で作動する方法、並びに、相応の装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題は独立請求項に記載されている特徴によって解決される。従属請求項には有利な実施形態が示されている。
【０００８】
本発明によると、排気ガスターボチャージャの監視用装置は、回転数依存のターボチャージャ作動ノイズの検出用に構成された音響変換器が設けられており、該音響変換器は、ターボチャージャ回転数信号の出力用の周波数解析用の電子回路と接続されていることによって特徴付けられる。従って、本発明は、各々５〜１７個以上のターボの羽根車を備えたターボチャージャの通常の作動回転数領域内の毎分２００,０００〜約４００,０００回転の作動回転数で、非常に高い周波数の作動ノイズが生じるという認識に基づいている。この作動ノイズは、従って、言い換えると、「ターボチャージャパイプ(Turbolader-Pfeifen)」とも呼ばれる。ターボチャージャによって生じる音響スペクトル内の１つ又は複数の支配的な周波数から、各々実際のターボチャージャ回転数を求めることができる。これは、例えば、その際ターボチャージャ回転数信号を送出する周波数解析用の電子回路で行われる。
【発明の効果】
【０００９】
通常作動中のターボチャージャのノイズレベルは、自動車内の、その他の環境ノイズに較べて、比較的高い。ターボチャージャで生じる音は、広い区間に亘って殊に吸入管路内であまり減衰されずに伝搬するので、本発明により設けられる音響変換器自体は、有利には、ターボチャージャに直接取り付ける必要はない。従って、相応の音響変換器は、ターボチャージャの領域内の既知の高い温度及び圧力にもさらされない。従って、本発明によると、抵抗力の小さな、従って、比較的僅かな作動温度領域の比較的高価な音響変換器等を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】超音波空気量センサの２つの標準超音波変換器を用いて、ターボチャージャの回転数を測定するための装置のブロック図
【図２】付加的な超音波変換器を、後続の評価電子回路に用いた場合のターボチャージャ並びに超音波空気量センサの回転数測定用の別の実施例のブロック図を、図１のブロック接続図と同様に図示したブロック接続図として示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の特に有利な実施例では、音響変換器として超音波変換器が用いられる。ターボチャージャによって放射された音響スペクトルの周波数は、約１６ｋＨｚの人間の可聴波の上側の２０ｋＨｚからの超音波領域内にあることが分かり、この超音波領域内にあることから、各々の実際のターボチャージャの回転数を求めることができる。音響変換器の後ろ側に設けられた電子回路は、周波数解析ユニットを有している。この周波数解析ユニットは、有利には、ファーストフーリエ変換乃至ＦＦＴに基づいて、後続のバンドパスフィルタリングを用いて、ターボチャージャの作動ノイズの周波数帯域を識別し、そのことから、各々の実際のターボチャージャの回転数を求める。
【００１２】
本発明のターボチャージャの回転数測定部は、音響の評価に基づく、本発明の特に有利な実施例では、内燃機関の吸入管路内の空気量センサと一緒に設けられる。空気量センサは、マスフローセンサとして熱方式により作動することができ、その際、加熱されたセンサ測定線の熱出力の送出は、熱が絶縁された、構成が同じセンサワイヤと比較して、抵抗ブリッジ回路を介して各々の流量の尺度として評価される。択一的且つ電力節約のやり方は、一般的に、論文"Durchflussmesstechnik - Eine Uebersicht"、専門雑誌"Technisches Messen tm"、１９７９年、第４号、１４５−１４９ページに記載されている。そのために、送信及び受信型の超音波測定ヘッドを流量測定に用いることが公知である。その際、両超音波測定ヘッドは、その一方が送信器及びその他方が受信器として使われ、且つ、送受信装置を必要とする。これに基づいて、例えば、EP 0 535 364 A1には、超音波を用いた高分解能の流速測定用の方法が開示されており、この方法では、超音波送信器及び超音波受信器が、実際の流速に依存する位相差を測定するために、測定管を斜めの角度で通るように音響パルスを案内する。つまり、空気量測定のために、吸入管路内で、２つの超音波変換器が使われ、この配置構成は、本発明の実施例では、第３の超音波変換器を付加することによって補完され、その際、この第３の超音波変換器は、その作動周波数に関して、特に、作動中のターボチャージャの予期される周波数に同調される。このために択一的に、２つの超音波変換器を備えた装置を設けてもよく、その際、受信超音波変換器は、ターボチャージャの回転数測定の場合よりもかなり高い周波数で、空気量を測定するように広帯域に構成されている。各々所期の空気量測定の信号成分と回転数測定の信号成分とを別個の後続回路で実行するために、バンドパスフィルタリングにより、受信超音波変換器の出力信号が分離される。
【実施例】
【００１３】
本発明の別の特徴及び利点について、以下、図示の２つの実施例を用いて説明する。
【００１４】
図面：
図１は、超音波空気量センサの２つの標準超音波変換器を用いて、ターボチャージャの回転数を測定するための装置のブロック図、
図２は、付加的な超音波変換器を、後続の評価電子回路に用いた場合のターボチャージャ並びに超音波空気量センサの回転数測定用の別の実施例のブロック図を、図１のブロック接続図と同様に図示したブロック接続図として示す図である。
【００１５】
種々の実施例及び図面で、同じ機能乃至構成群並びに方法ステップには、同じ参照番号及び参照記号を統一して用いている。
【００１６】
図１には、シンボリックに図示した排気ガスターボチャージャ２の回転数測定用装置１の簡単なブロック図を示す。この装置１は、更に図示していない内燃機関の空気吸入管路３内に設けられており、超音波空気量センサ６の標準化された２つの音響変換器４，５を用いて作動する。
【００１７】
超音波空気量センサ６は、この実施例では、ＥＰ０５３５３６１Ａ１に開示された、高い流速で空気量を測定するための方法に従って作動する。このために、音波７は、超音波領域内で、第1のコンバータ４によって、電気回路８の制御の下で送出される。超音波は、強い空気流によって貫流される、経路上の空気吸入管路３を通過し、この超音波は、路長を増大するため、及び、それにより測定精度を改善するために、空気吸入管路３の横断面に対して所定の角度αで傾けられている。空気吸入管路３の対向面上で、超音波７は、第2の音響変換器５に入射し、この第2の音響変換器５は、超音波検出器として、受信音波７を電気出力信号ａ１に変換する。この電気信号ａ１は、空気量測定用の電子回路８に供給される。この方法を実行するために、詳細には、測定結果の評価、及び、当該評価と関連した方法は、全ての範囲がEP0535364A1に指示されている。
【００１８】
受信音響変換器５は、超音波領域内で非常に広帯域に構成されている。従って、音響変換器５は、音響変換器４により送出された音波７以外に、もっとかなり低周波の音波９、つまり、超音波領域内の音波９を検出且つ変換し、その際、この音波９は、ターボチャージャ２の作動によって形成され、当該ターボチャージャ２の周波数は、各々の実際のターボチャージャ回転数にとって特徴的である。それに相応して、第２の音響変換器５の各々の測定結果は、後続して２重に評価される（図にも示されているように）：受信側の音響変換器５の出力信号は、もっと高い周波数成分ａ１及びもっと低い周波数成分ａ２に分割される。これらの各成分ａ１及びａ２は、電気的な後続処理のために別個のユニットに供給される。つまり、一方では、所定の周波数で第１のコンバータ４によって送出されたかなり高い周波数成分が、空気量の検出のために評価電子回路８に転送される。比較的低い周波数の、ターボチャージャ２から生じた超音波周波数成分は、信号成分ａ２で、周波数解析のために電子回路１０に転送される。受け取られた周波数スペクトルから、実際のターボチャージャ回転数が、適切なフィルタ方式及び数学的なアルゴリズムによって特定され、その際、この実施例では、バンドパスフィルタリングで、ファーストフーリエ変換が、ターボチャージャ回転数の特徴的な周波数を求めるために用いられる。従って、音響変換器５の後ろ側に設けられた電子回路１０は、周波数解析ユニットを有しており、それにより、ターボチャージャの作動ノイズの周波数帯域を識別し、それに基づいて、各々実際のターボチャージャ回転数を出力信号Ａとして求める。
【００１９】
図２は、ターボチャージャ並びに超音波空気量センサの回転数測定用の別の実施例のブロック図を示す。この装置は、付加的な超音波変換器１１及び後続の評価電子回路を用いて作動し、図１の装置と同様にブロック接続図として示されている。図２の実施例では、回転数依存のターボチャージャ作動ノイズの受信のために構成された音響変換器１１は、別個の構成部品として空気吸入管路３内に設けられている。この場合でも、圧電材料ベースの超音波変換器が用いられる。しかし、この音響変換器１１は、図１の実施例の音響変換器５とは異なり、作動周波数が比較的狭帯域で、ターボチャージャ２の各々の作動回転数によって生起されると予期される周波数に同調されている。可能な周波数領域の評価のために、毎分１０００００〜約４５００００回転より下側の回転数で、５〜１７個以上のターボの羽根車にするとよい。従って、おおよそ、８ｋＨｚ〜１１３ｋＨｚ以上の基本振動の周波数であり、良好に測定可能な調波、例えば、第３倍音乃至２４ｋＨｚ〜０．３５ＭＨｚの３倍の周波数が予期される。定格回転数領域及びターボの羽根車の個数は、既に各ターボチャージャの設計量であるので、前述の下側の超音波領域内では、各々のアプリケーション毎に音響変換器５の作動周波数のために多少狭帯域の領域を選定するとよい。
【００２０】
しかし、第１の実施例とは異なり、空気吸入管路３内に更に別個の音響変換器１１を設けるので、装置に所定の多くのコストがかかる図２の実施例では、電気測定信号を、総体的に比較的簡単に評価することができる。と言うのは、殊に、出力信号を、２つの成分ａ１，ａ２に周波数分割しなくてよいからである。更に、空気量測定用の超音波変換器３，４は、作動周波数より明らかに上側であって、従って、例えば、ターボチャージャ回転数測定用に設けられた超音波変換器１１の中間周波数にも位置している作動周波数を有していなければならない。
【００２１】
ターボチャージャ２のノイズレベルが、各々の環境ノイズと比較して非常に高くて、殊に、超音波領域内で比較的優勢であり、且つ、生じた音が更に広い区間を介して吸入管路(Aussaugtrakt)３に対して減衰されずに伝わるので、超音波空気量センサ６は、その音波変換器４，５並びに第２の実施例に設けられている別個の音波変換器１１と共に直接ターボチャージャ３に取り付ける必要はない。従って、ターボチャージャの回転数のセンシング部も、通常の構成で公知の空気量センサが取り付けられている位置に取り付けるとよい。その際、超音波センサ４，５，１１は、一般的に、例えば、クォーツコンバータの構成で、温度、汚濁及び圧力に対して比較的影響を受けないという利点を有している。しかも、そのようなセンサは、コスト削減すべき、公知構成のターボチャージャ回転数センサの場合よりも、著しくコスト上有利に製造することができ、又は、標準コンポーネントとして入手可能である。
【図１】
2009540207.tif 000003
【図２】
2009540207.tif 000004
【国際調査報告】
2009540207.tif 000005
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