CN101023362A - 废气涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的废气涡轮增压器，其具有压缩机及涡轮机，其中，在压缩机中可旋转地设置压缩机叶轮，并且在涡轮机中可旋转地设置涡轮机叶轮，压缩机叶轮通过可旋转设置的涡轮轴与涡轮机叶轮机械连接，其中废气涡轮增压器具有用于检测涡轮轴转速的装置，该装置在压缩机叶轮和涡轮机叶轮之间的区域中的涡轮轴上和/或涡轮轴中具有用于改变磁场的元件，磁场根据涡轮轴的转动来变化，其中，在用于改变磁场的元件的附近设置有传感器元件，该传感器元件检测磁场的变化并将其转化为可评估的电信号。

Description

废气涡轮增压器
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的废气涡轮增压器，其具有压缩机及涡轮机，其中，在压缩机中可旋转地设置压缩机叶轮以及在涡轮机中可旋转地设置涡轮机叶轮，并且压缩机叶轮通过可旋转设置的涡轮轴与涡轮机叶轮机械连接，其中废气涡轮增压器具有用于检测涡轮轴转速的装置。
背景技术
由内燃机产生的功率取决于空气质量流量以及相应的燃料量，空气质量流量以及相应的燃料量能够供内燃机的燃烧使用。如果想提高内燃机的功率，则必须供应更多的助燃空气及更多的燃料。功率的提高在自吸式发动机中通过增大气缸工作容积或提高转速来实现。但是，增大气缸工作容积基本上导致较重的、大尺寸的并且较昂贵的内燃机。特别是在较大的内燃机时，转速的提高带来相当大的问题和缺点，并且转速的提高出于技术的原因而受到限制。
用于提高内燃机的功率的常用解决办法是增压。该增压是指通过废气涡轮增压器或借助于由发动机机械驱动的压缩机来预压缩助燃空气。废气涡轮增压器基本包括流体压缩机和涡轮机，它们利用共用的轴连接并且以相同的转速旋转。涡轮机将废气的通常无用的散失的能量转化为旋转动能并驱动压缩机。压缩机抽吸新鲜空气并且向发动机的各个气缸输送预压缩的空气。增加的燃料量能够供给气缸中的较大的空气量，借此，内燃发动机输出更大的功率。此外，燃烧过程受到有利的影响，从而使内燃发动机的总的效率更高。另外，利用涡轮增压器来增压的内燃机的转矩曲线可以非常有利地设计。在机动车制造商手中的现有系列自吸式发动机可以通过安装废气涡轮增压器显著优化，而无需对内燃机的结构进行大的调整。通常，增压的内燃机燃具有更低的单位燃料消耗量，并且有害物质排放量很少。另外，涡轮发动机通常比相同功率的自吸式发动机更安静，因为废气涡轮增压器本身起到如附加的消声器的作用。在工作转速范围较大的内燃机中，例如用于客车的内燃机中，在低发动机转速时需要较高的增压压力。为此，在该涡轮增压器中引入增压压力调节阀，即所谓的排气泄压阀。通过选择相应的涡轮机壳体，在低发动机转速时快速地形成高的增压压力。然后，增压压力调节阀(排气泄压阀)在发动机转速提高时将增压压力限定为恒定值。可选地，使用具有可变截面涡轮(VTG)的涡轮增压器。
在废气量增加时，可以超出由涡轮机叶轮和涡轮轴构成的联合体的最大允许转速，该联合体也可称为涡轮增压器的转子(Laufzeug)。如果转子的转速超出该允许转速，那么该转子也许会损坏，这等于是完全地损毁涡轮增压器。具有明显较小的涡轮机叶轮直径及压缩机叶轮直径的特别现代的和小的涡轮增压器会遇到超出允许的最高转速的问题，由于极小的惯性矩使该涡轮增压器具有更好的角加速度特性。基于涡轮增压器的设计，超出转速边界值约5％就会导致完全损毁坏涡轮增压器。
增压压力调节阀被证明对于限制转速是有效的，根据现有技术，该增压压力调节阀由产生的增压压力生成信号来控制。如果增压压力超出预设的阈值，那么增压压力调节阀将打开，从而使一部分的废气质量流绕开涡轮机。由于质量流的减少，该涡轮机接收了较少的功率，并且压缩机功率也相应降低。增压压力以及涡轮机叶轮和压缩机叶轮的转速都被降低。然而，这样的调节相对而言太迟钝，因为在转子的转速超出时，压力形成会延时出现。因此，用于涡轮增压器的转速调节必须利用在高的动力变化区域(负荷变换)中的增压压力监测通过相应提前减低增压压力来实现，这导致了最佳效率的损失。
在压缩机叶轮或涡轮机叶轮上对转速的直接检测很难实现，因为，例如涡轮机叶轮会承受极高的热负荷(高达1000℃)，这妨碍了以传统的方法在涡轮机叶轮上进行转速测量。在2001年4月由acam-Messelektronic GmbH的公开文献中提出，以涡流原理来测量压缩机叶片脉冲，并且以这种方式来确定压缩机叶轮的转速。该方法既复杂又昂贵，因为至少一个涡流传感器要集成到压缩机的壳体中，而由于高精确度的原因这也许是相当困难的，因为涡轮增压器的部件以高精度制造。此外，涡流传感器在压缩机壳体中的精确的集成产生了密封问题，由于涡轮增压器的高热负荷，该问题仅仅可以通过对涡轮增压器的结构的复杂的调整来克服。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种用于内燃机的废气涡轮增压器，在该废气涡轮增压器中能够简单、廉价并且不对现有涡轮增压器进行结构上的较大改动来检测旋转部件(涡轮机叶轮、压缩机叶轮、涡轮轴)的转速。
该目的根据本发明这样来实现，即用于检测转速的装置在压缩机叶轮和涡轮机叶轮之间的区域中的涡轮轴上和/或涡轮轴中具有用于改变磁场的元件，其中，磁场根据涡轮轴的转动来进行变化，在用于改变磁场的元件附近设置有传感器元件，该传感器元件检测磁场的变化，并将其转化为可评估的电信号。
在压缩机叶轮和涡轮机叶轮之间的区域中，在涡轮轴上和/或涡轮轴中设置用于改变磁场的元件是有利的，即涡轮增压器的这个区域热负荷相对较少，因为该区域远离热的废气流并且通常能通过润滑油来冷却。此外，压缩机叶轮和涡轮机叶轮之间的涡轮轴的区域便于接近，因此，这里可以仅对现有压缩机的结构进行极小的调整来安置市售传感器元件，如霍尔传感器元件、磁阻传感器元件或感应式传感器元件，这在涡轮增压器中或涡轮增压器上实现了廉价的转速检测。通过传感器元件产生的信号能非常快速及准确地控制增压压力调节阀，或者改变VTG涡轮增压器的涡轮截面(几何尺寸)，以避免转子的转速超出。因此，涡轮增压器一直能够以非常接近于其转速边界值的速度运行，由此，该涡轮增压器达到其最大效率。如在由压力控制的涡轮增压器中的相对于最大转速边界值的安全差值是不必要的。
在第一个改进方案中，传感器元件设计为霍尔传感器元件。霍尔传感器元件非常好地适合于检测磁场的变化，因此可以很好地用于检测转速。霍尔传感器元件是非常廉价的。
可选地，传感器元件设计为磁阻(MR)传感器元件。MR传感器元件本身很好地适合于检测磁场的变化，并且可以廉价地从市场上购买且可以在大约270℃的温度中使用。
在另一个可选的设计方案中，传感器元件设计为感应式传感器元件。感应式传感器元件也非常适合于检测磁场的变化并且也可以在高温中使用。
根据一个可选的实施例，该传感器元件可以设置在压缩机和涡轮机之间的区域中的涡轮增压器壳体的外壁上。在该实施例中，根本不必调整涡轮增压器的壳体。例如，在涡轮轴转动时，在压缩机叶轮和涡轮机叶轮之间的涡轮轴区域中设置的较强磁铁在设置于涡轮增压器壳体的外壁上的传感器元件中产生足够强烈的磁场变化，从而在该传感器中可以产生对应于涡轮轴转速的电信号。在此，涡轮增压器的壳体在该区域中将由无法屏蔽磁场的材料构成。
在另一个设计方案中，用于改变磁场的元件设计为棒形磁铁。与涡轮轴一同转动的、极化(具有双极)的棒形磁铁在其周围产生可很好测量的磁场变化，借此，涡轮轴的转速、压缩机叶轮的转速及涡轮机叶轮的转速都可以很好地检测。
可选地，用于改变磁场的元件设计为两个磁偶极子的形式，其中第一偶极子的北极朝向第二偶极子的南极。两个磁偶极子实现了与棒形磁铁相同的功能，然而其要轻于棒形磁铁，这一点也是十分有利的。
在本发明的另一个设计方案中，用于改变磁场的元件设计为在压缩机叶轮和涡轮机叶轮之间的涡轮轴的区域中的槽。通过铁磁材料中的槽能够很好地改变由外部施加的磁场。磁通量根据在磁场中旋转的槽而传递。这种简单及廉价的措施便于很好地测量传感器元件中磁场的变化。
附图说明
本发明的实施例将在附图中示意性地示出。图中示出：
图1：废气涡轮增压器，
图2：涡轮机叶轮、涡轮轴以及压缩机叶轮。
具体实施方式
图1示出了具有涡轮机2和压缩机3的涡轮增压器1。压缩机叶轮9可转动地设置在压缩机3中并与涡轮轴5连接。涡轮轴5也可转动地设置并且以其另一端与涡轮机叶轮4连接。来自内燃机的热废气(未示出)通过涡轮机进气口7进入到涡轮机2中，这样涡轮机叶轮4被旋转。废气流通过涡轮机排气口8从涡轮机2排出。涡轮机叶轮4通过涡轮轴5与压缩机叶轮9连接。涡轮机2借此驱动压缩机3。空气通过进气口24吸入在压缩机3中并压缩，并且通过排气口6输送到内燃机。
图2示出了涡轮机叶轮4、涡轮轴5以及压缩机叶轮9。涡轮机叶轮4通常由耐高温的奥氏体镍化合物构成，当应用涡轮增压器为汽油机增压时，这种耐高温的奥氏体镍化合物即使在高温下也是适用的。涡轮机叶轮4以精密铸造法制造并且例如通过摩擦焊接法与涡轮轴5连接，该涡轮轴通常由高温调质钢(或者说高温回火钢)构成。由涡轮机叶轮4和涡轮轴5构成的组件也称作转子。压缩机叶轮9例如同样以精密铸造法由铝合金来制成。压缩机叶轮9通常利用固定部件固定到涡轮轴5的压缩机侧的端部上。该固定部件可以例如是盖形螺母，其将压缩机叶轮和密封套、轴承环和间隔衬套牢牢地压紧到涡轮轴轴肩上。从而，转子与压缩机叶轮9形成固定单元。由于压缩机叶轮9通常由铝合金构成，因此，在这里通过基于磁场改变的测量来确定压缩机叶轮的转速是有问题的。
在压缩机叶轮9和涡轮机叶轮4之间的涡轮轴5区域中的涡轮轴5上和/或该涡轮轴5中设置用于改变磁场的元件13。在该实施例中，用于改变磁场的元件13作为偶极子磁铁安置在涡轮轴5中或该涡轮轴上。磁性的偶极子具有北极N和南极S。也可以考虑将元件13设计为更多级的多极磁铁，或设计为在涡轮轴5的铁磁材料的改变。例如，如果磁场由设置在涡轮轴5外部的磁铁产生，传感器元件10中的与转速相关的磁场变化可以通过涡轮轴5的铁磁材料中的槽来产生。
用于改变磁场的元件13随着涡轮轴而运动，因此，通过设置在附近的传感器元件10可以测量与速度相关的磁场变化。此处，当通过用于改变磁场的元件13而在传感器元件10中产生用于转速测量的足够强的、很好检测的磁场变化时，传感器元件10设置在用于改变磁场的元件13的附近。
检测在压缩机叶轮9和涡轮机叶轮4之间的涡轮轴5区域中的涡轮轴5转速的巨大的优点在于此处的温度。废气涡轮增压器1是热负载较高的部件，在该部件中的温度会达到1000℃。在1000℃的温度下不能利用已知的传感器元件10例如霍尔传感器或磁阻传感器进行测量，这是因为传感器元件会被高温损坏。在压缩机叶轮9和涡轮机叶轮4之间的涡轮轴5的区域中产生了对于传感器元件的极低的热负荷。因为该区域远离热的废气流，并且通常可通过涡轮轴5的润滑油来冷却。
由传感器10产生的电信号将通过电导线11传送给评估电子仪器12，该评估电子仪器随后将控制例如排气泻压阀(未示出)或可变的涡轮叶片。

Claims (8)

1.一种用于内燃机的废气涡轮增压器(1)，包括压缩机(3)及涡轮机(2)，其中，在所述压缩机(3)中可旋转地设置压缩机叶轮(9)，并且在所述涡轮机(2)中可旋转地设置涡轮机叶轮(4)，所述压缩机叶轮(9)通过可旋转设置的涡轮轴(5)与所述涡轮机叶轮(4)机械连接，其中所述废气涡轮增压器(1)具有用于检测所述涡轮轴(5)的转速的装置(26)，其特征在于，用于检测转速的所述装置(26)在所述压缩机叶轮(9)和所述涡轮机叶轮(4)之间的区域中的所述涡轮轴(5)上和/或所述涡轮轴(5)中具有用于改变磁场的元件(13)，其中，磁场(25)根据所述涡轮轴(5)的转动来进行变化，以及，在用于改变所述磁场的所述元件(13)的附近设置有传感器元件(10)，所述传感器元件检测磁场的变化并将其转化为可评估的电信号。
2.根据权利要求1所述的用于内燃机的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，所述传感器元件(10)设计为霍尔传感器元件。
3.根据权利要求1所述的用于内燃机的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，所述传感器元件(10)设计为磁阻传感器元件。
4.根据权利要求1所述的用于内燃机的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，所述传感器元件(10)设计为感应式传感器元件。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的用于内燃机的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，所述传感器元件(10)设置在所述涡轮机(2)和所述压缩机(3)之间的区域中的涡轮增压器壳体的外壁上。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的用于内燃机的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，用于改变磁场的元件(13)设计为棒形磁铁。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的用于内燃机的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，用于改变磁场的元件(13)设计为两个磁偶极子的形式，其中第一偶极子的北极(N)朝向第二偶极子的南极(S)。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的用于内燃机的废气涡轮增压器(1)，其特征在于，用于改变磁场的元件设计为在所述压缩机叶轮和所述涡轮机叶轮之间的所述涡轮轴的区域中的槽。
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