CN101506500A - 用于废气涡轮增压机的排气泄压阀执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于废气涡轮增压机(1)的排气泄压阀执行器(14)，其具有执行器壳体和执行器盖(19)，其中，在排气泄压阀执行器(14)中设置有一个用于操纵排气泄压阀的部件以及用于控制该用于操纵排气泄压阀的部件的电子组件。在执行器壳体(18)上或内部或者在执行器盖(19)上或内部设置有一个用于检测由于涡轮盘的旋转而引起的磁场变化的传感器(15)，以提供一个用于测量涡轮增压机(1)的转速的系统，利用该系统可以简单且价廉地以及在不实质性地改变现有的涡轮增压机(1)的结构的情况下检测旋转部件(涡轮(4)，压缩机叶轮(9)，涡轮轴(5))的转速。

Description

用于废气涡轮增压机的排气泄压阀执行器
技术领域
本发明涉及一种用于废气涡轮增压机的排气泄压阀执行器，其具有执行器壳体和执行器盖，其中，在排气泄压阀执行器中设置有一个用于操纵排气泄压阀的部件以及用于控制该用于操纵排气泄压阀的部件的电子组件。
背景技术
内燃机的效率取决于能够提供给该内燃机的空气量和燃料量。为了提高内燃机的效率，必须供应更多的燃烧用空气和燃料。在无增压发动机中，这种效率的提高通过增大气缸工作容积或通过提高转速来达到。然而，原则上增大气缸工作容积导致内燃机重量更重、尺寸更大并因此更加昂贵。对较大的内燃机来说，提高转速尤其带来了很大的问题和缺陷。
增压是一种常被用于提高内燃机的效率的技术方案。因此通过废气涡轮增压机或者也借助于由发动机机械地驱动的压缩机来对燃烧用空气进行预压缩。废气涡轮增压机主要由压缩机和涡轮机组成，它们与同一个轴连接且以同样的转速旋转。涡轮机将废气的、通常无用的爆燃的能量转化为旋转能量并驱动压缩机。压缩机，在这种情况下也称为空气压缩机，抽吸新鲜空气并将经过预压缩的空气输送至发动机的各个气缸。较大的空气量可以被提供给增加了的燃料量，以提高内燃发动机效率。此外，燃烧过程被有利地影响，从而使内燃发动机达到更好的总效率。此外，可以特别有利地设计利用涡轮增压机增压的内燃机的转矩曲线。
对汽车制造者来说，通过应用废气涡轮增压机能够在不明显改变内燃机的结构的情况下显著地优化现有的串联式无增压发动机。通常增压的内燃机具有较少的单位燃料消耗以及较少的有害物质排放。此外，涡轮发动机通常比同功率的无增压发动机声音小，因为废气涡轮增压机本身起到了类似于附加的消声器的作用。
在具有大的工作转速范围的内燃机中，例如在用于轿车的内燃机中，在较低的发动机转速下就已经要求高的增压压力。为此在这些涡轮增压机中引入了增压控制阀，即所谓的排气泄压阀。在发动机转速低的情况下，通过选择相应的涡轮机壳体就快速地形成了高的增压压力。然后，在提高发动机转速时，排气泄压阀将增压压力限制在一个保持不变的值。
在废气量增加时，可能超过涡轮、压缩机叶轮和涡轮轴的组合(也称为废气涡轮增压机的涡轮盘)的最大允许的转速。在涡轮盘超过不允许的转速时，涡轮盘将会被损坏，这相当于损坏整个涡轮增压机。具有明显较小的涡轮一和压缩机叶轮直径的恰好现代的和较小的涡轮增压机由于明显较小的惯性矩而具有改善的旋转加速性能，因此遇到了超过允许的最高转速的问题。根据涡轮增压机的配置，超过转速限制大约5％就会导致整个涡轮增压机损坏。
排气泄压阀被证明对于限制转速是有效的，根据现有技术，该排气泄压阀通过由产生的增压压力而产生的信号来控制。如果增压压力超过了预定的阈值，那么排气泄压阀被开其并将一部分废气流量从涡轮机旁边导出。由于质量流量减小，涡轮增压机会获取少量功率，并且压缩机功率以同样的比例降低。增压压力以及涡轮和压缩机叶轮的转速被减小。然而，这种调节相对缓慢，因为在涡轮盘的转速超速时，压力的形成伴随着时间的偏移实现。因此，具有增压压力监控装置的涡轮增压机在高动态范围(负荷变换)内的转速调节必须通过相应地提早减小增压压力来起作用，这会导致效率损失。
申请号为10 2004052 695.8的未公开的德国专利申请公开了一种具有传感器的废气涡轮增压机，该传感器位于涡轮轴的压缩机侧的端部并且用于直接测量涡轮轴的转速。在此，该传感器穿过压缩机壳体导向且与用于改变磁场的部件对准。在将传感器集成到压缩机壳体中时出现了密封问题，由于废气涡轮增压机的高的热负荷，该问题只有借助于成本过高的、对废气涡轮增压机的结构进行发在的修改来克服。
发明内容
因此本发明的目的在于提出一种用于测量废气涡轮增压机的转速的系统，利用该系统可以简单且价廉地以及在不实质性地改变现有的废气涡轮增压机的结构的情况下检测旋转部件(涡轮，压缩机叶轮，涡轮轴)的转速。
根据本发明，该目的通过独立权利要求1的特征来实现。
当在执行器壳体内部或上面或者在执行器盖的内部或上面设置有一个用于检测由于涡轮盘的旋转而引起的磁场变化的传感器时，通过该执行器也能够检测到涡轮盘的转速。不需要单独的转速传感器，由此节约了电线和壳体部件。设置在执行器壳体内部或上面或者在执行器盖的内部或上面的传感器将其信号直接传送给执行器，其中该信号在执行器中不会受到从外部发射进来的电磁脉冲的干扰。借助于由传感器产生的信号可以非常迅速且精确地控制排气泄压阀，以避免涡轮盘的转速超速。因此，废气涡轮增压机能够一直在非常接近其转速极限的情况下运行，从而达到其最优的效率。
在一个改进方案中，在执行器壳体中设置有印制电路板，其上设置有用于控制用于操纵排气泄压阀的部件的电子组件以及用于评估传感器信号的电子组件。如果在单个的印制电路板上既设置有用于控制用于操纵排气泄压阀的部件的电子组件又设置有用于评估传感器信号的电子组件，那么传感器信号能够直接用于控制排气泄压阀。整个系统因为取消了电导线、焊点和插头而变得很少受影响，并且借助于执行器壳体为电子组件提供的对电磁波的屏蔽使该系统不受电磁辐射的干扰。短的信号渡越时间也使得系统的功能可靠。
在下一个改进方案中，传感器具有霍尔传感器元件。霍尔传感器元件非常适合用于检测磁场变化，并且因此很好地用于转速检测。霍尔传感器元件在商业上能够非常价廉地获得，并且在温度达到约160℃时也可以应用。
此外，传感器元件可选地设计为磁阻(MR)传感器元件。MR传感器元件非常适合于检测磁场变化且在商业上能够非常价廉地获得。
在下一个可选的设计方案中，传感器具有感应式传感器元件。感应式传感器元件也最适合于检测磁场变化，并且在相对高的温度下也可以应用。
在另一个设计方案中，执行器壳体和/或执行器盖由铝制成。铝坚固且轻，并且能够很好地屏蔽电磁波。此外，磁场可以很好地穿过铝，因此即使传感器设置在执行器壳体中或执行器盖中，也能够很好地检测由用于引起磁场变化的部件而引起的磁场变化。
可选地，执行器壳体和/或执行器盖由塑料制成。塑料非常廉价而且鉴于其稳定性和较轻的质量可以有利地投入使用。由塑料制成的执行器壳体和/或由塑料制成的执行器盖可以用金属覆盖，以达到对外部的电磁影响进行屏蔽的效果。用金属覆盖的塑料壳体和用金属覆盖的塑料盖对磁场来说也是可以很好地穿过的。例如，金属涂层可以通过对塑料进行气相喷镀来实现。为了对外部的电磁影响进行屏蔽，对塑料来说，在制造时加入金属颗粒也是可能的。
附图说明
在附图中示例性地描述了本发明的实施例。附图示出了：
图1示出了传统的废气涡轮增压机；
图2示出了压缩机的局部截面；
图3示出了的具有排气泄压阀执行器的废气涡轮增压机；
图4示出了具有执行器壳体和执行器盖的排气泄压阀执行器；
图5再次示出了排气泄压阀执行器；
图6示出了由图5已知的排气泄压阀执行器；
图7再次示出了排气泄压阀执行器；
图8是执行器壳体内部的视图；
图9示例性地示出了传感器的结构；
图10示出了传感器的另一个实施例，以及
图11示出了具有印制电路板的打开的执行器壳体。
具体实施方式
图1示出了一个常规的废气涡轮增压机1，其具有涡轮机2和压缩机3。在压缩机3中可旋转地安置有压缩机叶轮9，其与涡轮轴5连接。涡轮轴5也是可旋转地安置且在其另一端与涡轮4连接。压缩机叶轮9、涡轮轴5和涡轮4的组合也称为涡轮盘。热废气通过涡轮机入口7从未在此示出的内燃机进入到涡轮机2中，其中涡轮4被旋转。废气流通过涡轮机出口8离开涡轮机2。涡轮4通过涡轮轴5与压缩机叶轮9连接。借此，涡轮机2驱动压缩机3。空气通过空气入口17抽吸到压缩机3中，然后在压缩机3中对空气进行压缩且通过空气出口6输送给内燃机。
图2示出了压缩机3的局部截面。在剖开的压缩机壳体21中可以看到压缩机叶轮9。该压缩机叶轮9通过紧固件11固定在涡轮轴5上。例如，紧固件11可以是盖螺母，其旋拧到设置在涡轮轴5上的螺纹上，从而借助于盖螺母使压缩机叶轮9相对于涡轮轴5的轴环夹紧。用于改变磁场的部件12位于紧固件11和压缩机叶轮9之间。在此，用于改变磁场的部件12由磁体13和夹持部件14组成。用于改变磁场的部件12通过紧固件11相对于压缩机叶轮9压紧，并且在涡轮轴5旋转时，用于改变磁场的部件12围绕涡轮轴5的旋转轴线旋转。因此用于改变磁场的部件12引起了传感器元件16中的磁场强度或者磁场梯度的变化。传感器元件16集成在传感器15中，其中在接下来的附图中进一步详细描述传感器15。磁场强度或者磁场梯度的变化在传感器元件16中引起电子的可加工的信号，其与涡轮轴5的转速成比例。
图3示出了废气涡轮增压机1的压缩机3。在压缩机3的空气入口17中可以看到具有用于改变磁场的部件的涡轮轴5。例如，用于改变磁场的部件12可以是设置在涡轮轴5上的条形磁铁13。然而，在涡轮轴5上设置一个周期性地聚集和分散磁场的部件也是可能的，其中磁场的聚集和分散通过涡轮轴5的旋转来引起。然后，例如磁场的产生通过设置在传感器15中的条形磁铁来实现。这里的传感器15设置在排气泄压阀执行器14的壳体18上。当通过传感器15确定出涡轮轴5的转速过高并且因此确定出整个涡轮盘(涡轮4、涡轮轴5和压缩机叶轮9)的转速过高时，排气泄压阀执行器14开启排气泄压阀。例如，当压缩机壳体由铝或者塑料制成时，在使用了足够强的磁铁13的情况下，磁场能够穿过压缩机壳体21。由磁铁13产生的磁场由传感器15及其内部包含的传感器元件16来检测，并且被提供给同样集成在排气泄压阀执行器14中的评估电子设备使用。此外，在图3中可以看到压缩机3的空气出口6。
图4示出了具有执行器壳体18和执行器盖19的排气泄压阀执行器14。不管在执行器壳体18上还是在执行器盖19上都可以设置传感器15，其用于检测通过涡轮盘的旋转而引起的磁场变化。
图5也示出了具有执行器盖19和执行器壳体18的排气泄压阀执行器14。在此用于检测涡轮盘转速的传感器15设置在执行器壳体18上。
图6示出了由图5已知的排气泄压阀执行器14，其中，在此用于检测涡轮盘的旋转的传感器15设置在执行器盖19上。
图7也示出了排气泄压阀执行器14。例如，在此可以在执行器盖19中看到用于排气泄压阀执行器14的电动机10的容纳部，该电动机驱动排气泄压阀。在图7中，用于检测涡轮盘的转速的传感器15再次设置在执行器壳体18上。
图8示出了执行器壳体内部的视图。其中可以看到印制电路板20，其装配有电子组件23。这些电子组件23用于控制排气泄压阀。此外，在印制电路板20上设计有一个区域22，其用于容纳对于评估传感器元件16的信号来说必须的电子组件23。因此，在印制电路板20上既集成了用于控制排气泄压阀的电子组件23，又集成了用于评估由传感器元件16产生的信号的电子组件23。两种功能的电子组件的这种空间紧凑的集成提供了一种尤其较少故障的系统。
图9示例性地示出了传感器15的结构。该传感器15设置在排气泄压阀14上，且包括具有北极N和南极S的永磁体13以及传感器元件16，该传感器元件例如可以设计为霍尔传感器或者磁阻传感器。传感器元件16借助于电导线24与图8中示出的电子组件23连接。
图10也示出了传感器15，其设置在排气泄压阀执行器14上。在根据图10的传感器15中，设置有设计为感应式传感器元件的传感器元件16。感应式传感器元件通常包括铁心以及设置在铁心上的线圈。在此可以再次看到电导线24，其将传感器元件16与电子组件23连接
图11示出了具有印制电路板20的打开的执行器壳体18，该印制电路板既容纳了用于排气泄压阀执行器的电子组件23，又在区域22中容纳了用于传感器15的电子组件。在此，传感器元件16设置在执行器壳体18中，其中执行器壳体18由不屏蔽磁力线的材料制成。这种材料可以例如是铝或者塑料。相对于传感器15在涡轮增压机1上的分开的设置，用于检测涡轮增压机的转速的传感器15在排气泄压阀执行器14中的集成带来了一系列的优点。通过传感器15在排气泄压阀执行器14中的集成节省了材料，而且由于电子组件也可以集成在印制电路板20上且整个电路以及传感器元件16能够安置在壳体中，由此外部的电磁干扰不会该系统产生影响，所以整个系统的功能变得更加可靠。
将传感器15设置在执行器壳体18的内部或上面或者设置在执行器盖19的内部或上面的另一个优点是在这些位置中主导的温度。废气涡轮增压机1是高热负荷的部件，其中的温度最高达到1000℃。利用已知的传感器元件19，例如霍尔传感器或者磁阻传感器在这种温度下是无法进行测量的。在执行器壳体18的内部或上面或者在执行器盖的内部或上面的温度负荷明显较小。然而磁场足以支持对涡轮盘的转速的测量。由于所描述的布置在执行器壳体18的内部或上面或者设置在执行器盖19的内部或上面的冷的区域中实现，所以能够使用廉价的且商业上可以获取的传感器元件16。基于相对低的温度负荷，不必对传感器元件16的温度稳定性提出特别高的要求。

Claims (7)

1.一种用于废气涡轮增压机(1)的排气泄压阀执行器(14)，其具有执行器壳体(18)和执行器盖(19)，其中，在所述排气泄压阀执行器(14)中设置有用于操纵排气泄压阀的部件以及用于控制所述用于操纵排气泄压阀的部件的电子组件(23)，其特征在于，在所述执行器壳体(18)内部或上面或者在所述执行器盖(19)内部或上面设置有传感器(15)，用于检测由于涡轮盘的旋转而引起的磁场变化。
2.根据权利要求1所述的用于废气涡轮增压机(1)的排气泄压阀执行器(14)，其特征在于，在所述执行器壳体(18)中设置有印制电路板(20)，在所述印制电路板上设置有用于控制所述用于操纵排气泄压阀的部件的所述电子组件(23)以及用于评估传感器信号的所述电子组件(23)。
3.根据权利要求1或2所述的用于废气涡轮增压机(1)的排气泄压阀执行器(14)，其特征在于，所述传感器(15)具有磁阻传感器元件(16)。
4.根据权利要求1或2所述的用于废气涡轮增压机(1)的排气泄压阀执行器(14)，其特征在于，所述传感器(15)具有霍尔传感器元件(16)。
5.根据权利要求1或2所述的用于废气涡轮增压机(1)的排气泄压阀执行器(14)，其特征在于，所述传感器(15)具有感应式传感器元件(16)。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的用于废气涡轮增压机(1)的排气泄压阀执行器(14)，其特征在于，所述执行器壳体(18)和/或所述执行器盖(19)由铝制成。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的用于废气涡轮增压机(1)的排气泄压阀执行器(14)，其特征在于，所述执行器壳体(18)和/或所述执行器盖(19)由塑料制成。
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