DE102004045618A1

DE102004045618A1 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE102004045618A1
Application number: DE102004045618A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Ante; Markus Gilch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-04-13
Also published as: KR20070047842A; WO2006029965A1; US20080118377A1; CN101023362A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kompressor und einer Turbine, wobei in dem Kompressor ein Kompressorrad drehbar gelagert ist und in der Turbine ein Turbinenrad drehbar gelagert ist und das Kompressorrad mittels einer drehbar gelagerten Turbowelle mit dem Turbinenrad mechanisch verbunden ist und wobei der Abgasturbolader eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl der Turbowelle aufweist. Bei einem Abgasturbolader, bei dem die Drehzahl der rotierenden Teile (Turbinenrad, Kompressorrad, Turbowelle) einfach und kostengünstig sowie ohne wesentliche bauliche Eingriffe in die Bauweise bestehender Turbolader erfasst werden soll, weist die Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl an der und/oder in der Turbowelle im Bereich zwischen dem Kompressorrad und dem Turbinenrad ein Element zur Variation eines Magnetfeldes auf, wobei die Variation des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Drehung der Turbowelle erfogt und wobei in der Nähe des Elementes zur Variation des Magnetfeldes ein Sensorelement angeordnet ist, das die Variation des Magnetfeldes erfasst und in elektrisch auswertbare Signale umwandelt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kompressor und einer Turbine, wobei in dem Kompressor eine Kompressorrad drehbar gelagert ist und in der Turbine ein Turbinenrad drehbar gelagert ist und das Kompressorrad mittels einer drehbar gelagerten Turbowelle mit dem Turbinenrad mechanisch verbunden ist und wobei der Abgasturbolader eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl der Turbowelle aufweist.
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. Will man die Leistung der Brennkraftmaschine steigern, muss mehr Verbrennungsluft und mehr Kraftstoff zugeführt werden. 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 Brennkraftmaschinen erhebliche Probleme und Nachteile mit sich und ist aus technischen Gründen begrenzt.

Eine viel genutzte technische Lösung zur Steigerung der Leistung einer Brennkraftmaschine ist die Aufladung. Damit bezeichnet 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 und einer Turbine, die mit einer gemeinsamen Welle verbunden sind und mit der gleichen Drehzahl rotieren. Die Turbine setzt die sonst nutzlos verpuffende Energie des Abgases in Rotationsenergie um und treibt den Verdichter an. Der Verdichter saugt Frischluft an und fördert die vorverdichtete Luft 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 Gesamtwirkungsgrad 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 Brennkraftmaschine wesentlich optimiert werden. Aufgeladene Brennkraftmaschinen haben in der Regel einen geringeren spezifischen Kraftstoffverbrauch und weisen eine geringere Schadstoffemission 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 Ladedruckregelventil, ein so genanntes Waste-Gate-Ventil, eingeführt. Durch die Wahl eines entsprechenden Turbinengehäuses wird schon bei niedrigen Motordrehzahlen schnell ein hoher Ladedruck 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 Drehzahl 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 Totalschaden des Turboladers gleichkommt. Gerade moderne und kleine Turbolader mit deutlich kleineren Turbinen- und Kompressorraddurchmessern, die durch ein erheblich kleineres Massenträgheitsmoment 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 nach dem Stand der Technik von einem aus dem erzeugten Ladedruck resultierenden 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 Turbinenrades und des Kompressorrades werden verringert. Diese Regelung ist jedoch relativ träge, da der Druckaufbau bei einer Drehzahlüberschreitung des Laufzeuges mit einem zeitlichen Versatz erfolgt. Deshalb muss die Drehzahlregelung für den Turbolader mit der Ladedrucküberwachung im hochdynamischen Bereich (Lastwechsel) durch entsprechend frühzeitige Ladedruckreduzierung erfolgen, was zu einem Verlust des optimalen Wirkungsgrades führt.

Eine direkte Messung der Drehzahl am Kompressorrad oder am Turbinenrad gestaltet sich schwierig, da zum Beispiel das Turbinenrad thermisch extrem belastet ist (bis zu 1000 °C), was eine Drehzahlmessung mit herkömmlichen Methoden am Turbinenrad verhindert. In einer Veröffentlichung der acam-Messelektronic GmbH vom April 2001 wird vorgeschlagen, die Kompressorschaufelimpulse im Wirbelstromprinzip zu messen und auf diese Art die Drehzahl des Kompressorrades zu bestimmen. Dieses Verfahren ist aufwendig und teuer, da zumindest ein Wirbelstromsensor im Gehäuse des Kompressors integriert werden müsste, was wegen der hohen Präzision, mit der Bauteile eines Turboladers gefertigt sind, äußerst schwierig sein dürfte. Neben der präzisen Integration des Wirbelstromsensors im Kompressorgehäuse entstehen Abdichtungsprobleme, die auf Grund der hohen thermischen Belastung eines Turboladers nur mit aufwendigen Eingriffen in die Bauweise des Turboladers zu bewältigen sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine anzugeben, bei dem die Drehzahl der rotierenden Teile (Turbinenrad, Kompressorrad, Turbowelle) einfach und kostengünstig sowie ohne wesentliche bauliche Eingriffe in die Bauweise bestehender Turbolader erfasst werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl an der und/oder in der Turbowelle im Bereich zwischen dem Kompressorrad und dem Turbinenrad ein Element zur Variation eines Magnetfeldes aufweist, wobei die Variation des Magnetfeldes in Abhängigkeit von der Drehung des Turbowelle erfolgt und wobei in der Nähe des Elementes zur Variation des Magnetfeldes ein Sensorelement angeordnet ist, das die Variation des Magnetfeldes erfasst und in elektrisch auswertbare Signale umwandelt.

Vorteilhaft bei der Anordnung des Elementes zur Variation des Magnetfeldes an der und/oder in der Turbowelle im Bereich zwischen dem Kompressorrad und dem Turbinenrad ist, dass dieser Bereich des Turboladers thermisch relativ wenig belastet ist, da er vom heißen Abgasstrom entfernt liegt und in der Regel durch eine Ölschmierung gekühlt wird. Darüber hinaus ist der Bereich der Turbowelle zwischen dem Kompressorrad und dem Turbinenrad gut zugänglich, wodurch hier mit nur geringen Eingriffen in die Bauweise bestehender Turbolader kommerziell verfügbare Sensorelemente, wie zum Beispiel Hall-Sensorelemente, magnetoresistive Sensorelemente oder induktive Sensorelemente, platziert werden können, was eine kostengünstige Drehzahlmessung im oder am Turbolader ermöglicht. Mit dem vom Sensorelement erzeugten Signal kann sehr schnell und präzise das Ladedruckregelventil angesteuert werden oder die Turbinengeometrie von VTG Ladern verändert werden, um eine Drehzahlüberschreitung des Laufzeuges zu vermeiden. Der Turbolader kann somit immer sehr nahe an seiner Drehzahlgrenze betrieben werden, wodurch er seinen maximalen Wirkungsgrad erreicht. Ein relativ großer Sicherheitsabstand zur maximalen Drehzahlgrenze, wie er bei druckgesteuerten Turboladern üblich ist, wird nicht benötigt.

Bei einer ersten Weiterbildung ist das Sensorelement als Hall-Sensorelement ausgebildet. Hall-Sensorelemente eignen sich sehr gut zur Erfassung der Variation eines Magnetfeldes und sind daher sehr gut zur Drehzahlerfassung zu verwenden. Hall-Sensorelemente sind sehr kostengünstig.

Alternativ dazu ist das Sensorelement als magnetoresitives (MR)Sensorelement ausgebildet. MR Sensorelemente sind ihrerseits gut zur Erfassung der Variation eines Magnetfeldes ge eignet, kostengünstig kommerziell erwerbbar und bei Temperaturen bis etwa 270 °C einsetzbar.

Bei einer nächsten alternativen Ausgestaltung ist das Sensorelement als induktives Sensorelement ausgebildet. Auch induktive Sensorelemente eigenen sich bestens zur Erfassung der Variation eines Magnetfeldes und sind auch bei hohen Temperaturen einsetzbar.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist das Sensorelement auf die Außenwand des Turboladergehäuses im Bereich zwischen dem Kompressor und der Turbine aufsetzbar. Diese Ausführungsform erfordert keinerlei Eingriff in das Gehäuse des Turboladers. Ein starker Magnet zum Beispiel, der im Bereich der Turbowelle zwischen dem Kompressorrad und dem Turbinenrad angeordnet ist, erzeugt bei der Drehung der Turbowelle im auf der Außenwand des Turboladergehäuses angeordneten Sensorelement eine ausreichend starke Variation des Magnetfeldes, so dass in diesem Sensor ein der Drehzahl der Turbowelle entsprechendes elektrisches Signal erzeugt werden kann. Das Gehäuse des Turboladers besteht hierzu in diesem Bereich aus einem magnetisch nicht abschirmenden Material.

Bei einer nächsten Ausgestaltung ist das Element zur Variation eines Magnetfeldes als Stabmagnet ausgebildet. Ein mit der Turbowelle rotierender, diametral polarisierter Stabmagnet erzeugt in seiner Umgebung eine gut messbare Variation des Magnetfeldes, womit die Drehzahl der Turbowelle, des Kompressorrades und des Turbinenrades gut erfassbar ist.

Alternativ dazu ist das Element zur Variation eines Magnetfeldes in Form zweier magnetischer Dipole ausgebildet, wobei der Nordpol des ersten Dipols dem Südpol des zweiten Dipols zugewandt ist. Zwei magnetische Dipole erfüllen die gleiche Funktion wie ein Stabmagnet, sie sind jedoch leichter als ein Stabmagnet, was sehr vorteilhaft ist.

Bei einer nächsten Ausgestaltung der Erfindung ist das Element zur Variation eines Magnetfeldes als Schlitz in dem Bereich der Turbowelle zwischen dem Kompressorrad und dem Turbinenrad ausgebildet. Mit einem Schlitz in einem ferromagnetischen Material kann ein von außen angelegtes Magnetfeld gut variiert werden. Der magnetische Fluss wird entsprechend der sich im Feld drehenden Schlitzung geleitet. Diese einfache und kostengünstige Maßnahme führt zu einer gut messbaren Variation des magnetischen Feldes im Sensorelement.

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

1: einen Abgasturbolader,

2: das Turbinenrad, die Turbowelle und das Kompressorrad.

1 zeigt einen Abgasturbolader 1 mit einer Turbine 2 und einem Kompressor 3. Im Kompressor 3 ist das Kompressorrad 9 drehbar gelagert und mit der Turbowelle 5 verbunden. Auch die Turbowelle 5 ist drehbar gelagert und an ihrem anderen Ende mit dem Turbinenrad 4 verbunden. Über den Turbineneinlass 7 wird heißes Abgas von einer hier nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine in die Turbine 2 eingelassen, wobei das Turbinenrad 4 in Drehung versetzt wird. Der Abgasstrom verlässt die Turbine 2 durch den Turbinenauslass 8. Über die Turbowelle 5 ist das Turbinenrad 4 mit dem Kompressorrad 9 verbunden. Damit treibt die Turbine 2 den Kompressor 3 an. In den Kompressor 3 wird Luft durch den Lufteinlass 24 eingesaugt und dann verdichtet und über den Luftauslass 6 der Verbrennungskraftmaschine zugeführt.
2 zeigt das Turbinenrad 4, die Turbowelle 5 und das Kompressorrad 9. Das Turbinenrad 4 besteht in der Regel aus einer hochwarmfesten austenitischen Nickelverbindung, die auch für die hohen Temperaturen beim Einsatz des Turboladers zur Aufladung von Ottomotoren geeignet ist. Es wird im Feingussverfahren hergestellt und ist mit der Turbowelle 5, die in der Regel aus hochvergütetem Stahl besteht, zum Beispiel durch Reibschweißung verbunden. Das Bauteil aus Turbinenrad 4 und Turbowelle 5 wird auch als Läufer oder Laufzeug bezeichnet. Das Kompressorrad 9 wird zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung ebenfalls in einem Feingussverfahren hergestellt. Das Kompressorrad 9 wird an dem kompressorseitigen Ende der Turbowelle 5 in der Regel mit einem Befestigungselement befestigt. Dieses Befestigungselement kann zum Beispiel eine Hutmutter sein, die das Turbinenrad mit einer Dichtbuchse, einem Lagerbund und einer Distanzbuchse gegen den Turbowellenbund fest verspannt. So bildet das Laufzeug eine feste Einheit mit dem Kompressorrad 9. Da das Kompressorrad 9 in der Regel aus einer Aluminiumlegierung besteht, ist es problematisch, hier mit einer auf einer Magnetfeldänderung basierende Messung die Drehzahl des Kompressorrades zu bestimmen.
Auf und/oder in der Turbowelle 5 in dem Bereich der Turbowelle 5 zwischen dem Kompressorrad 9 und dem Turbinenrad 4 ist ein Element 13 zu Variation des Magnetfeldes ausgebildet. In diesem Beispiel ist das Element 13 zu Variation des Magnetfeldes als Dipolmagnet in oder an der Turbowelle 5 angelegt. Der magnetische Dipol hat einen Nordpol N und einen Südpol S. Dankbar ist auch die Ausbildung des Elementes 13 als magneti scher Multipol höherer Ordnung oder als Veränderung im ferromagnetischen Material der Turbowelle 5. Wird das Magnetfeld beispielsweise durch einen außerhalb der Turbowelle 5 angeordneten Magnet erzeugt, kann durch einen Schlitz in dem ferromagnetischen Material der Turbowelle 5 eine drehzahlabhängige Variation des Magnetfeldes im Sensorelement 10 erzeugt werden.
Das Element 13 zu Variation des Magnetfeldes bewegt sich mit der Turbowelle mit, wodurch mit den in der Nähe angeordneten Sensorelement 10 eine drehzahlabhängige Variation des Magnetfeldes gemessen werden kann. In diesem Zusammenhang wird ein Sensorelement 10 als in der Nähe des Elementes 13 zur Variation des Magnetfeldes angeordnet bezeichnet, wenn durch das Element 13 zur Variation des Magnetfeldes eine zur Drehzahlmessung ausreichend starke, gut messbare Magnetfeldvariation im Sensorelement 10 erzeugt wird.
Als großer Vorteil der Messung der Drehzahl der Turbowelle 5 in dem Bereich der Turbowelle 5 zwischen dem Kompressorrad 9 und dem Turbinenrad 4 ist die hier herrschende Temperatur zu nennen. Abgasturbolader 1 sind thermisch hoch belastete Bauteile, in denen Temperaturen bis 1000 °C entstehen. Mit bekannten Sensorelementen 10, wie zum Beispiel Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren, kann bei Temperaturen von etwa 1000 °C nicht gemessen werden, da diese thermisch zerstört werden. In dem Bereich der Turbowelle 5 zwischen dem Kompressorrad 9 und dem Turbinenrad 4 ergeben sich wesentlich geringere Temperaturbelastungen für die Sensorelemente, weil dieser Bereich abseits vom heißen Abgasstrom liegt und in der Regel durch die Ölschmierung der Turbowelle 5 gekühlt wird.
Die vom Sensorelement 10 erzeugten elektrischen Signale werden über elektrisches Leiter 11 einer Auswerteelektronik 12 zugeführt, die dann zum Beispiel das hier nicht dargestellte Wast-Gate-Ventiel, oder die variablen Turbinenschaufeln ansteuert.

Claims

Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine, mit einem Kompressor (3) und einer Turbine (2), wobei in dem Kompressor (3) eine Kompressorrad (9) drehbar gelagert ist und in der Turbine (2) ein Turbinenrad (4) drehbar gelagert ist und das Kompressorrad (9) mittels einer drehbar gelagerten Turbowelle (5) mit dem Turbinenrad (4) mechanisch verbunden ist und wobei der Abgasturbolader (1) eine Einrichtung (26) zur Erfassung der Drehzahl der Turbowelle (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (26) zur Erfassung der Drehzahl an der und/oder in der Turbowelle (5) im Bereich zwischen dem Kompressorrad (9) und dem Turbinenrad (4) ein Element (13) zur Variation eines Magnetfeldes aufweist, wobei die Variation des Magnetfeldes (25) in Abhängigkeit von der Drehung des Turbowelle (5) erfolgt und wobei in der Nähe des Elementes (13) zur Variation des Magnetfeldes ein Sensorelement (10) angeordnet ist, das die Variation des Magnetfeldes erfasst und in elektrisch auswertbare Signale umwandelt.
Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) als Hall-Sensorelement ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) als magnetoresitives Sensorelement ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) als induktives Sensorelement ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) auf der Außenwand des Turboladergehäuses im Bereich zwischen der Turbine (2) und dem Kompressor (3)angeordnet ist.
Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (13) zur Variation eines Magnetfeldes als Stabmagnet ausgebildet ist.
Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (13) zur Variation eines Magnetfeldes in Form zweier magnetischer Dipole ausgebildet ist, wobei der Nordpol (N) des ersten Dipols dem Südpol (S) des zweiten Dipols zugewandt ist.
Abgasturbolader (1) für eine Brennkraftmaschine nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Variation eines Magnetfeldes als Schlitz in dem Bereich der Turbowelle zwischen dem Kompressorrad und dem Turbinenrad ausgebildet ist.