CN101310094B - 用于废气涡轮增压器的压缩机壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以注塑法制造的用于废气涡轮增压器的压缩机壳体，该废气涡轮增压器具有涡轮轴，该涡轮轴与压缩机叶轮和涡轮机叶轮机械地连接；并且本发明还涉及一种用于制造该压缩机壳体的方法。为了廉价、可靠以及精确地检测该废气涡轮增压器的旋转部件(涡轮机叶轮、压缩机叶轮、涡轮轴)的转速，利用注塑将用于检测涡轮轴转速的传感器嵌入到压缩机壳体中，对此该传感器设计为自身集成到压缩机壳体中的构件。

Description

用于废气涡轮增压器的压缩机壳体
技术领域
本发明涉及一种以注塑法制造的用于废气涡轮增压器的压缩机壳体，该废气涡轮增压器具有涡轮轴，该涡轮轴与压缩机叶轮和涡轮机叶轮/涡轮机械地连接；并且本发明还涉及一种用于制造该压缩机壳体的方法。
背景技术
由内燃机产生的功率取决于空气质量以及相应的燃料量，空气质量以及相应的燃料量能够供内燃机的燃烧使用。为了提高内燃机的功率，必须提高助燃空气及燃料的供应量。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中，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，它们利用共用的涡轮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爆燃的能量转化为旋转动能并驱动压缩机。压缩机(在这种情况下也称为压气机)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\扭矩变化过程可以非常有利地设计。在机动车制造商手中的现有系列的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自身起到如附加的消声器的作用。
对于工作转速范围较大的内燃机，例如对于客车的内燃机中，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，使用具有可变几何尺寸的涡轮(VTG)的涡轮增压器。在这种涡轮增压器中，通过改变涡轮的涡轮截面来调整增压压力。
在废气量增加时，可以超出由涡轮机叶轮、压缩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/工作轮(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过涡轮机。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，这导致了效率的损失。
发明内容
因此，本发明的目的在于，廉价、可靠并且精确地来检测废气涡轮增压器的旋转部件(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，利用注塑将用于检测涡轮轴转速的传感器嵌入到压缩机壳体中，对此该传感器设计为自身集成到压缩机壳体中的部件。
其优点在于，为了安置转速传感器，不必将通孔或者凹槽安装到压缩机壳体中。该转速传感器是集成到压缩机壳体中的部件，该部件无需使用各种密封材料或者固定材料。这显著地简化了涡轮轴的制造，降低了制造费用，并且明显有助于改善耐久性。因为该传感器被完全嵌入到压缩机壳体的材料中，完全避免了在转速传感器和压缩机壳体之间的热偏压。
在第一设计方案中，压缩机壳体由塑料制成。现代塑料毫无问题经受得住在涡轮增压器的压缩机中温度、该现代材料是轻且成本低廉的，并且可以以注塑法加工。因为该现代塑料明显适合于包裹传感器部件。该塑料使传感器免受外界影响并且使该传感器保持在相对于涡轮轴稳定的位置中。
可选择地，该压缩机壳体由铝制成。铝也可以以注塑法有效地加工。术语注塑在此应该被理解为方法，如压力铸造或者金属的精密铸造。金属(如铝)的温度是非常稳定的并且形状也是非常稳定的。当传感器由绝缘材料(如例如塑料)围绕时，该传感器可以毫无问题嵌入由铝制成的压缩机壳体中。
当压缩机壳体由至少一个第一部分和一个第二部分组成时，可以有利地对材料进行选择，其中可以分别选择具有最好的特性的材料用于不同的部分。在此，例如压缩机壳体的第一部分由铝或者塑料制成。压缩机壳体的第二部分可选择地也可以由铝或者塑料制成。相应于特殊的需求，可以最佳化地使用不同的材料。也可以考虑，在多部分的压缩机壳体中使用多种不同的金属材料和塑料材料。
在下一个设计方案中，传感器包括传感器元件和/或信号处理电子装置和/或磁体。因为该信号处理电子装置非常近地位于传感器元件，所以该信号处理电子装置可以有利地处理传感器元件的原始信号，由此受到外部电磁干扰的影响会较小。在该信号处理电子装置中，原始信号可以被放大，并且可以转变为数字信号。在传感器中的模拟-数字-转换可以直接提供标准化信号，从而具有在压缩机壳体中集成的传感器的压缩机壳体可以在不同的机动车中使用，只要机动车符合这个标准。对此，可以使用在传感器中的磁体以产生磁场，其变化可以被检测到。磁场变化通过用于磁场变化的元件来实现，该元件优选地设置在涡轮轴的压缩机侧的端部上。
在改进方案中，传感器元件设计为霍尔传感器。该霍尔传感器非常有效地适合于检测磁场变化，并且由此非常有效地适合于检测转速。该霍尔传感器可以非常廉价地获得，并且该霍尔传感器可以在直到160℃的温度下使用。
可选择地，该传感器元件对此设计为磁阻(MR)传感器元件。在这方面，MR传感器元件有效地适合用于检测磁场的变化并且可以廉价地获得。
在下一个可选的设计方案中，传感器元件设计为感应(induktive)传感器。该感应传感器最好地适合用于检测磁场的变化。
在一个实施例中，传感器设计为具有在引线框上的传感器元件和/或信号处理电子装置和/或保护电路和/或抗干扰电路的微模块。因为具有在引线框上设置的电子部件的引线框可以被直接喷塑，所以该实施例是非常经济的。因为压缩机壳体也构成传感器壳体，所以可以完全省略传感器壳体。如果压缩机壳体由塑料构成，因为通过压缩机壳体的塑料实现了传感器的电绝缘，所以该微模块同样不需要单独的电绝缘。此外，传感器可以根据该实施例特别小、特别紧凑、特别廉价地制造。例如在检测机动车的车轮转速、在发动机中的凸轮轴的转速或者传动轴的转速时，设计为微模块的传感器还可以安装在用于检测转速的其他组件中。在此，微模块仅仅喷塑到相应的壳体中。
当引线框构成连接引线时，可以简单地截取由传感器产生的信号。
在一个改进方案中设置联接电缆，该联接电缆在端部上与传感器电连接并且部分地喷塑到压缩机壳体中。所喷塑的联接电缆可以将传感器的信号输送至机动车中的处理电子装置，以至于可以有利地符合在涡轮增压器的区域中的通常不合理的位置情况。此外，塑料外壳可以以突出的防水及防污染物的方式喷塑到压缩机壳体中。
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是废气涡轮增压器，
图2是根据现有技术具有用于检测涡轮轴转速的传感器的废气涡轮增压器，
图3是根据本发明的压缩机壳体的实施例，
图4是根据本发明的压缩机壳体的另一个实施例，
图5是设计为微模块的传感器，
图6是具有集成到压缩机壳体中的联接电缆的传感器。
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10吸入在压缩机3中，该空气在压缩机3中被压缩，并且通过排气口6输送到内燃机(这里未示出)。
根据现有技术，图2示出了涡轮增压器1的压缩机3，涡轮增压器具有用于检测涡轮轴5的转速的传感器12。涡轮增压器1包括涡轮轴5，在该涡轮轴上设置压缩机叶轮9。磁体15处于涡轮轴5的压缩机一侧的端部中，该磁体具有北极N和南极S。利用涡轮轴5的旋转实现了磁体15的旋转，对此由北极和南极产生的磁场根据传感器12改变。根据现有技术，传感器12作为单独部件设置在压缩机壳体11的凹槽中。在此设置密封件27，该密封件在传感器12的区域中密封压缩机壳体11。因为压缩机壳体11是相对高的热承载的部件，并且由于不同的热膨胀系数可以在压缩机壳体11和传感器12之间产生了机械偏压，所以将传感器12安装在压缩机壳体11中是相对费事的。此外，将传感器安装到压缩机壳体11中是在制造废气涡轮增压器1时的额外的工作步骤，该步骤使安装不必要地变得昂贵。
图3示出了根据本发明的压缩机壳体11的实施例。涡轮增压器1的压缩机3还包括压缩机壳体11、涡轮轴5以及在其上设置的压缩机叶轮9。在涡轮轴5的压缩机一侧的端部上，磁体设置在进气口10中。当涡轮轴5旋转时北极N和南极S随着涡轮轴5旋转。由此产生的在传感器12上磁场变化由传感器元件检测。该传感器12在此由传感器元件13和信号处理电子装置14组成，该信号处理电子装置14与传感器元件13一起设置在引线框20上。如此形成的传感器12完全地嵌入到压缩机壳体11的材料中。明显可以看出，该传感器12不必随后安装到压缩机壳体11，而是在制造压缩机壳体11时以注塑法嵌入压缩机壳体11，其中传感器12自身设计为压缩机壳体11的集成构件。该压缩机壳体11可以以注塑法例如由塑料制成。现代塑料可以保持在持续稳定的温度范围内，该塑料适合作为涡轮增压器1的压缩机壳体11来使用。此外，压缩机壳体11可以由铝以注塑法(还以压力铸造和精密铸造)制成。为了在铝压缩机壳体11中集成传感器12，可以考虑，传感器元件13事先电绝缘于信号处理电子装置14和引线框20，以便避免组件对于由铝制成压缩机壳体11的电接触。
图4示出了根据本发明的以注塑法制造的压缩机壳体11的另一个实施例，该压缩机壳体具有检测涡轮轴5的转速的传感器12。在此，压缩机壳体11两部分地构成。压缩机壳体11的第一部分17容纳作为集成构件的传感器12。在此，该传感器12包括传感器元件13、信号处理电子装置14和磁体15。在此，信号处理电子装置14和传感器元件13设置在引线框20上。此外，磁体15也可以设置在引线框20上。此外，该引线框20形成连接引线23(Anschlusspin)，该连接引线从压缩机壳体11伸出，其中在连接引线23的区域中，为了使连接引线23与后面电子装置连接，设计插头外壳26。压缩机壳体11两部分的构成的优点在于，不仅对于压缩机壳体11的第一部分17而且对于压缩机壳体11的第二部分18都可以选择最适合的材料。例如可以考虑，压缩机壳体11的第一部分17由塑料制成，而压缩机壳体11的第二部分18由铝以注塑法制成。另一方面，传感器12形成为压缩机壳体11的集成构件。
在该实施例中，在传感器12中设置具有北极N和南极S的磁体15。由磁体15产生的磁场流经传感器12并且到达用于改变磁场的元件16。用于改变磁场的元件16可以设计为磁导体，该磁导体通过涡轮轴5来旋转并且如此会形成，即该磁导体在一个位置中积聚磁场并且在另一个位置中驱散磁场。因为用于改变磁场的元件16通过涡轮轴5来旋转，所以磁场的变化与涡轮轴的转速成比例。磁场的改变由传感器元件13检测，该传感器元件将转速比例信号发送到信号处理电子装置14。
图5示出了设计为微模块19的传感器12。在此，该传感器12安装在引线框20上，其中给引线框20配备传感器元件13、保护电路21、抗干扰电路22和信号处理电子装置14。该引线框20是冲压板材部分，该冲压板材部分给上述组件以机械地支撑，并且该组件彼此电连接。此外，引线框20还形成了连接引线23。为了保护例如与压缩机壳体11的铝注塑件的电连接，该完全的微模块19可以利用绝缘体压力注塑包封。
例如可注塑的聚合体可以考虑作为绝缘体。如此设计的微模块19可以插入注塑工具，该注塑工具应用于制造压缩机壳体11。对此，设计为微模块19的传感器12直接注塑到压缩机壳体11中并且作为压缩机壳体11的集成构件。
图6又示出了具有在压缩机中设置的涡轮轴5和压缩机叶轮9的压缩机3。在涡轮轴5中设计磁体15，该磁体相应于涡轮轴5的转速在传感器元件13中产生变化的磁场。带有传感器元件13、抗干扰电路22和信号处理电子装置14的传感器12安装在引线框20上。在此，联接电缆24集成到压缩机壳体11中，该联接电缆与传感器12电连接并且将其信号输送给随后的机动车电子装置。该联接电缆24以其一个端部喷塑到压缩机壳体11中。此外可以看到去张力释放部件(zugentlastung)25，该去张力释放部件也可以设计为铰接支座。在集成的联接电缆24的另一个端部上可以看到插头外壳26。
涡轮增压器通常在构造空间非常有限的情况下安装在机动车中，因此具有联接电缆24的设计方案是非常有利的，因为由传感器12产生的信号可以毫无问题地被输送至随后的电子装置。该联接电缆24可以相应于这种情况最佳化地被安装。应该注意，由传感器元件13产生的原始信号已经通过信号处理电子装置14被预放大地继续传输，并且最终转换为数字评估的信号形式，由此该信号基本上未受外部施加的干扰的影响。因此，信号处理电子装置14可以使传感器元件的原始信号通过在机动车内舱中的长的距离被输送，而没有危害信号的质量。由此，具有联接电缆24的实施方案(在图6中示出)并非优选地在具有信号处理电子装置14的组合中应用。
通过将传感器20集成到压缩机壳体11中可以实现重要的固定技术和构造优点以及关于在此应用的传感器12的优点，该传感器用于检测涡轮轴5的转速。通过压缩机壳体11的材料完全地保护在此喷塑的传感器12而免受环境影响，例如在寒冷的条件下的街道上的喷水或者盐雾。该传感器12最佳化地被密封，其中在压缩机壳体11和传感器12之间完全无需密封件、配合间隙、螺旋-或者固定点。因为微模块19为组件不仅可以应用到转速传感器在增压器1中，而且还可以安装在其他的设备中，所以该组件由此可以大量地制造，从而节省了成本。此外，构造空间的节省是有利的，在现代机动车的发动机舱的有限空间区域中，该构造空间的节省是意义重大的。

Claims (14)

1.一种以注塑法制造的压缩机壳体(11)，所述压缩机壳体用于废气涡轮增压器(1)，所述废气涡轮增压器具有涡轮轴(5)，所述涡轮轴与压缩机叶轮(9)和涡轮机叶轮(4)机械连接，其特征在于，利用注塑使用于检测所述涡轮轴(5)的转速的传感器(12)嵌入到所述压缩机壳体(11)中，对此所述传感器(12)设计为自身集成到所述压缩机壳体(11)中的构件。
2.根据权利要求1所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，其特征在于，所述压缩机壳体(11)由塑料制成。
3.根据权利要求1所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，其特征在于，所述压缩机壳体(11)由铝制成。
4.根据权利要求1所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，其特征在于，所述压缩机壳体(11)至少由第一部分(17)和第二部分(18)组成。
5.根据权利要求4所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，其特征在于，所述压缩机壳体(11)的第一部分(17)由铝或者塑料制成。
6.根据权利要求4所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，其特征在于，所述压缩机壳体(11)的第二部分(18)由铝或者塑料制成。
7.根据权利要求1所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，其特征在于，所述传感器(12)包括传感器元件(13)和/或信号处理电子装置(14)和/或磁体(15)。
8.根据权利要求7所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，其特征在于，所述传感器元件(13)设计为霍尔传感器元件。
9.根据权利要求7所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，其特征在于，所述传感器元件(13)设计为磁阻传感器元件。
10.根据权利要求7所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，其特征在于，所述传感器元件(13)设计为感应传感器元件。
11.根据权利要求7所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，其特征在于，所述传感器(12)设计为具有在引线框(20)上的所述传感器元件(13)和/或所述信号处理电子装置(14)和/或保护电路(21)和/或抗干扰电路(22)的微模块(19)。
12.根据权利要求11所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，所述引线框(20)也构成连接引线(23)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的以注塑法制造的压缩机壳体(11)，其特征在于，设置有联接电缆(24)，所述联接电缆在端部上与所述传感器(12)电连接并且部分地注入到压缩机壳体中。
14.一种用于制造压缩机壳体(11)的方法，所述压缩机壳体用于废气涡轮增压器(1)，所述废气涡轮增压器具有涡轮轴(5)，所述涡轮轴与压缩机叶轮(9)和涡轮机叶轮(4)机械地连接，其中，用于检测所述涡轮轴(5)的转速的传感器(12)被置入用于所述压缩机壳体(11)的注塑工具中，接下来形成所述压缩机壳体(11)的材料被注入所述注塑工具中，其中用于检测所述涡轮轴(5)的转速的传感器(12)被已注入的材料包围，由此所述传感器设计为自身集成到所述压缩机壳体(11)中的构件。
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