DE112013001966T5

DE112013001966T5 - Abgasturbolader

Info

Publication number: DE112013001966T5
Application number: DE201311001966
Authority: DE
Inventors: Ralf Christmann
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2013-04-29
Publication date: 2015-01-15
Also published as: US20150110650A1; WO2013169508A1; JP2015516056A; IN2014DN09986A; CN104334849A; KR20150013598A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader (1), umfassend ein Gehäuse (2), eine im Gehäuse (2) gelagerte Welle (3), ein auf der Welle (3) angeordnetes Verdichterrad (5) mit mehreren Schaufeln (6), und ein auf der Welle (3) angeordnetes Turbinenrad (4) mit mehren Schaufeln (6), gekennzeichnet durch eine Drehmessanordnung mit einem Drucksensor (8), wobei der Drucksensor (8) zum Erfassen von Druckschwankungen (10) im Gas am Verdichterrad (5) oder Turbinenrad (4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasturbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Üblicherweise umfasst ein Abgasturbolader ein Gehäuse, in dem eine Welle gelagert ist. Auf der Welle sind ein Turbinenrad und ein Verdichterrad rotationsfest angeordnet. Das Turbinenrad wird mittels Abgas in Rotation versetzt. Mit dem Turbinenrad rotiert die Welle und das Verdichterrad. Dadurch wird Ladeluft im Aufnahmeraum des Verdichterrades verdichtet. Bei Abgasturboladern ist es teilweise notwendig, die Drehgeschwindigkeit oder die Drehzahl zu ermitteln.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Abgasturbolader anzugeben, der bei kostengünstiger Herstellung und wartungsarmem Betrieb eine exakte Messung der Drehzahl und/oder der Drehgeschwindigkeit ermöglicht. Des Weiteren ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zur Drehzahl oder Drehgeschwindigkeitsmessung im Abgasturbolader anzugeben.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.
Erfindungsgemäß wird ein Drucksensor im Abgasturbolader verwendet. Mit diesem Drucksensor werden kleinste Druckschwankungen gemessen. Diese Druckschwankungen entstehen dadurch, dass die Schaufeln des Verdichterrades oder des Turbinenrades an dem Drucksensor vorbeistreichen. Besonders bevorzugt wird der Drucksensor am Verdichterrad angesetzt und somit die Druckschwankungen am Verdichterrad gemessen. Alternativ dazu kann auch am Turbinenrad die Druckschwankung mit dem Drucksensor gemessen werden. Aus der Druckschwankung, die abhängig ist von der Anzahl der Schaufeln, kann die Drehzahl und somit auch die Drehgeschwindigkeit ermittelt werden.
Streichen die Schaufeln des Verdichterrades oder des Turbinenrades am Drucksensor vorbei, so erzeugen sie abwechselnd einen Druckanstieg (auch: Druckberg) und einen darauffolgenden Druckabfall (auch: Drucktal). Überschreitet ein Druckanstieg einen bestimmten Druckschwellwert, so kann damit eindeutig eine Schaufel detektiert werden. Mit Hilfe der Schaufelanzahl gelingt somit die Ermittlung der Drehzahl und/oder der Drehgeschwindigkeit. Dabei ist sowohl die Drehzahl als auch die Drehgeschwindigkeit der Welle, des Verdichterrades und des Turbinenrades stets gleich.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine vereinfachte, schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß dem Ausführungsbeispiel,
2 einen Ausschnitt des erfindungsgemäßen Abgasturboladers gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
3 einen abgewickelten Schnitt aus 2 und einem zugehörigen Druckverlauf.
Anhand der 1 bis 3 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abgasturboladers 1 im Detail erläutert.
1 zeigt in einer vereinfachten, schematischen Ansicht die Grundbestandteile des Abgasturboladers 1. Der Abgasturbolader 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem eine Welle 3 gelagert ist. An den Enden der Welle 3 sitzt ein Turbinenrad 4 und ein Verdichterrad 5. Das Turbinenrad 4 und das Verdichterrad 5 sind rotationsfest mit der Welle 3 verbunden. Sowohl das Turbinenrad 4 als auch das Verdichterrad 5 weisen Schaufeln 6 auf. Die Welle 3 erstreckt sich entlang einer Achse 7.
2 zeigt einen Detailausschnitt des Abgasturboladers 1. Dargestellt ist ein Teil des Gehäuses 2 mit einem Aufnahmeraum 9 für das Verdichterrad 5.
Im Gehäuse 2 ist ein Drucksensor 8 angeordnet. Der druckempfindliche Teil des Drucksensors 8 misst den Druck im Aufnahmeraum 9 des Verdichterrades. Der Drucksensor 8 ist hierbei senkrecht zu den einzelnen Schaufeln 6 der Verdichterrades 5 angeordnet.
In 2 ist ein Schnitt A-A gekennzeichnet. Die obere Darstellung in 3 zeigt diesen Schnitt A-A in einer vereinfachten, abgewickelten Darstellung. Die in 3 dargestellte horizontale Achse deutet die Abwicklung des Verdichterrades 5 an. Infolgedessen ist dort der gesamte Umfang des Verdichterrades 5 von 0° bis 360° dargestellt. Über der horizontalen Achse sind die einzelnen Schaufeln 6 dargestellt. Unter der horizontalen Achse befindet sich das Gehäuse 2 mit dem integrierten Drucksensor 8.
Im unteren Teil der 3 ist ein Druckverlauf bzw. eine Druckschwankung 10 eingezeichnet, wie sie vom Drucksensor 8 gemessen wird. Die Druckschwankung 10 setzt sich zusammen aus einer Aneinanderreihung von Druckanstiegen 12 und Druckabfällen 13. Alle Werte, die über einem Druckschwellenwert 11 liegen, werden als Druckanstieg 12 bzw. als Druckberg definiert. Bevorzugt ist es auch möglich, nur Werte, die signifikant über dem Druckschwellenwert 11 liegen, als Druckanstieg 12 zu identifizieren.
Wie der 3 zu entnehmen ist, entsteht durch jede Schaufel 6, die am Drucksensor 8 vorbeistreicht, ein Druckanstieg 12. Da selbstverständlich die Anzahl der Schaufeln 6 bekannt ist, kann, basierend auf dem Verlauf der Druckschwankung 10, die Drehzahl und die Drehgeschwindigkeit der Welle 3, des Turbinenrades 4 und des Verdichterrades 5 ermittelt werden.
Stellt man sich einen imaginären Beobachter auf einem beliebigen Punkt entlang der Kontur senkrecht zu den Schaufeln 6 vor, so sieht der Beobachter einen Druckanstieg 12 bzw. Druckberg mit der sich nähernden Schaufel 6 auf sich zukommen. Dieser Druckanstieg 12 erreicht sein Maximum, wenn die Schaufel 6 dem Beobachter gegenüber steht. Anstelle dieses imaginären Beobachters wird der Drucksensor 8 positioniert. Der Druckanstieg 12 nimmt wieder ab, bis die nächste Schaufel 6 sich nähert. Somit ist über eine sehr schnelle und präzise Druckmessung eine Ermittlung der Drehzahl möglich. Der Drucksensor funktioniert, im Gegensatz zu herkömmlichen Wirbelstromsensoren, unabhängig vom Material des Verdichterrades 5 oder des Turbinenrades 4 immer gleich gut. Das Messprinzip bezieht sich nämlich nur auf strömungstechnische Vorgänge. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Drehmessung nicht so empfindlich gegenüber dem Abstand zu den Schaufeln 5, wie das bei Wirbelstromsensoren der Fall ist.
Neben der vorstehenden schriftlichen Beschreibung der Erfindung wird zu deren ergänzender Offenbarung hiermit explizit auf die zeichnerische Darstellung der Erfindung in den 1 bis 3 Bezug genommen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasturbolader
2: Gehäuse
3: Welle
4: Turbinenrad
5: Verdichterrad
6: Schaufeln
7: Achse
8: Drucksensor
9: Verdichterradaufnahmeraum
10: Druckschwankungen
11: Druckschwellwert
12: Druckanstieg (Druckberg)
13: Druckabfall (Drucktal)

Claims

Abgasturbolader (1) umfassend: – ein Gehäuse (2), – eine im Gehäuse (2) gelagerte Welle (3), – ein auf der Welle (3) angeordnetes Verdichterrad (5) mit mehreren Schaufeln (6), und – ein auf der Welle (3) angeordnetes Turbinenrad (4) mit mehren Schaufeln (6), gekennzeichnet durch – eine Drehmessanordnung mit einem Drucksensor (8), wobei der Drucksensor (8) angeordnet ist zum Erfassen von Druckschwankungen (10) im Gas am Verdichterrad (5) oder Turbinenrad (4).
Abgasturbolader nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede am Drucksensor (8) vorbeistreichende Schaufel (6) einen Druckanstieg (12) mit anschließendem Druckabfall (13) erzeugt, und der Drucksensor (8) zum Erfassen der einzelnen Druckanstiege (12) und Druckabfälle (13) ausgebildet ist.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Recheneinheit zum Berechnen der Drehzahl oder Drehgeschwindigkeit der Welle (3), des Verdichterrades (5) oder des Turbinenrades (4) aus den Druckschwankungen (10) und der Anzahl der Schaufeln (6).
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (8) im Gehäuse (2) beabstandet von allen rotierenden Bauteilen angeordnet ist.
Abgasturbolader nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (8) senkrecht zu den Schaufeln (6) angeordnet ist.
Verfahren zur Bestimmung einer Drehzahl oder Drehgeschwindigkeit in einem Abgasturbolader (1), umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Abgasturboladers (1) umfassend ein Verdichterrad (5) mit mehreren Schaufeln (6) und ein Turbinenrad (4) mit mehren Schaufeln (6), – Erfassen von Druckschwankungen im Gas am Verdichterrad (5) oder Turbinenrad (4), und – Berechnen der Drehzahl oder Drehgeschwindigkeit des Verdichterrades (5) oder Turbinenrades (4) aus den Druckschwankungen (10) und der Anzahl der Schaufeln (6).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede an einem Messpunkt vorbeistreichende Schaufel (6) einen Druckanstieg (12) mit anschließendem Druckabfall (13) erzeugt, und die einzelnen Druckanstiege (12) und Druckabfälle (13) erfasst werden.