JP2010501787A - 排気ターボチャージャのためのウェストゲートアクチュエータ - Google Patents

Abstract

本発明は、排気ターボチャージャ（１）のためのウェストゲートアクチュエータ（１４）であって、アクチュエータハウジング（１８）およびアクチュエータカバー（１９）を備え、ウェストゲートアクチュエータ（１４）内に、ウェストゲート弁を操作する部材と、ウェストゲート弁を操作する部材を制御する電子構成部品（２３）とが配置されている形式のものに関する。回転する部分（タービンホイール（４）、コンプレッサホイール（９）、ターボシャフト（５））の回転数を簡単かつ安価に、かつ既存の排気ターボチャージャ（１）の構造に本質的に手を加えることなく検出することができる、排気ターボチャージャ（１）における回転数測定のためのシステムを提供するために、アクチュエータハウジング（１８）またはアクチュエータカバー（１９）に、ランナの回転により惹起される磁界の変化を検出するセンサ（１５）が配置されているようにした。

Description

本発明は、排気ターボチャージャのためのウェストゲートアクチュエータであって、アクチュエータハウジングおよびアクチュエータカバーを備え、ウェストゲートアクチュエータ内に、ウェストゲート弁を操作する部材と、ウェストゲート弁を操作する部材を制御する電子構成部品とが配置されている形式のものに関する。

内燃機関により発生される出力は、内燃機関に供給され得る空気質量および燃料量に依存している。内燃機関の出力を高めようとすれば、より多くの燃焼空気および燃料を供給する必要がある。この出力向上は、自然吸気エンジン（Ｓａｕｇｍｏｔｏｒ）の場合、行程容積拡大または回転数上昇により達成される。しかし、行程容積拡大は基本的に、内燃機関の寸法の困難な拡大、ひいてはコストの問題に至る。回転数上昇は、特に比較的大きな内燃機関において、かなりの問題と欠点を必然的に伴う。

内燃機関の出力を高めるために多く利用される技術的解決策は、過給である。過給とは、排気ターボチャージャ、またはエンジンにより機械式に駆動される圧縮機により燃焼空気を予圧縮することをいう。排気ターボチャージャは主として圧縮機とタービンとからなり、圧縮機およびタービンは１つの共通の軸により結合されており、同じ回転数で回転する。タービンは、通常は利用されることなく排出される排ガスのエネルギを回転エネルギに変換し、圧縮機を駆動する。この関連でコンプレッサとも呼ばれる圧縮機は、新鮮空気を吸入し、予圧縮された空気をエンジンの個々のシリンダに圧送する。シリンダ内のより大きな空気量には、より多くの燃料量が供給され得る。これにより、内燃機関はより大きな出力を放出する。加えて燃焼過程に対して有利な影響を及ぼすので、内燃機関はよりよい総合効率を達成する。さらに、ターボチャージャにより過給された内燃機関のトルク経過は、最適に構成され得る。

車両メーカにある量産自然吸気エンジンは、排気ターボチャージャの使用により、内燃機関に大きな構造上の介入をすることなく、大幅に最適化され得る。過給式の内燃機関は一般に、より低い燃料消費率と、より低い有害物質エミッションを有する。さらにターボエンジンは、一般に、排気ターボチャージャ自体が付加的な消音器のように働くので、同じ出力の自然吸気エンジンに比べて静粛である。

大きな運転回転数領域を有する内燃機関、例えば乗用車の内燃機関では、低いエンジン回転数で既に、高い過給圧が要求される。このために、このターボチャージャでは、過給圧調整弁、いわゆる「ウェストゲート弁」が導入される。適当にタービンハウジングを選択することにより、低いエンジン回転数で既に、迅速に高い過給圧が形成される。ウェストゲート弁は、エンジン回転数の上昇時、過給圧を一定の値に制限する。

排ガス量が増えると、排気ターボチャージャのランナ（Ｌａｕｆｚｅｕｇ）とも呼ばれる、タービンホイール、コンプレッサホイールおよびターボシャフトからなる組み合わせの最大で許容可能な回転数を超過してしまう場合がある。ランナの回転数の許容できない超過時、ランナは破損しかねず、ランナの破損は、ターボチャージャの全損に等しい。明らかに小さな直径のタービンホイールおよびコンプレッサホイールを備え、かなり小さな質量慣性モーメントにより改善された回転加速度特性を有する最新の小型のターボチャージャは、許容可能な最大回転数の超過の問題に見舞われる。ターボチャージャの設計次第では、回転数限界を約５％超過しただけで、ターボチャージャの完全な破損に至る。

回転数制限のために、背景技術では、発生された過給圧から得られる信号により制御されるウェストゲート弁が実証されている。過給圧が所定の閾値を超えると、ウェストゲート弁が開き、一部の排ガス質量流量をタービンから逃がす。タービンは、質量流量が減じられたために、僅かなパワーを受容し、コンプレッサ出力は、同程度後退する。過給圧、およびタービンホイールおよびコンプレッサホイールの回転数は減じられる。しかし、この制御は比較的鈍重である。それというのも、ランナの回転数超過時の増圧は、タイムラグを伴って行われるからである。それゆえ、高動的な領域（負荷変動）での、過給圧監視によるターボチャージャのための回転数制御は、相応に早期の過給圧減少により介入されなければならず、このことは効率損失に至る。

出願時には未公開の、１０２００４０５２６９５．８の出願書類番号を有する独国特許出願は、ターボシャフトの回転数を直接測定するための、ターボシャフトのコンプレッサ側端部に設けられたセンサを備える排気ターボチャージャを開示している。センサは上記刊行物ではコンプレッサハウジングを貫いて案内され、磁界を変化させる部材に向けられている。コンプレッサハウジングへのセンサの統合の際に、排気ターボチャージャの高い熱負荷に基づいて、排気ターボチャージャの構造形式への手間のかかる介入をもってしてのみ解決され得るシールの問題が生じる。

それゆえ本発明の課題は、回転する部分（タービンホイール、コンプレッサホイール、ターボシャフト）の回転数を簡単かつ安価に、かつ既存の排気ターボチャージャの構造に本質的に手を加えることなく検出することができる、排気ターボチャージャにおける回転数測定のためのシステムを提供することである。

上記課題は本発明により、請求項１に記載の特徴、すなわち、アクチュエータハウジングまたはアクチュエータカバーに、ランナの回転により惹起される磁界の変化を検出するセンサが配置されていることにより解決される。

アクチュエータハウジングまたはアクチュエータカバーに、要するに、アクチュエータハウジング内にまたはこれに接してまたはアクチュエータカバー内にまたはこれに接して、ランナの回転により惹起される磁界の変化を検出するセンサが配置されていると、アクチュエータによりランナの回転数も検出され得る。別個の回転数センサは不要である。これにより、電力およびハウジング部品は節減される。アクチュエータハウジングまたはアクチュエータカバーに配置されるセンサは、その信号を直接アクチュエータに伝送する。この場合、アクチュエータには、外部から放射される電磁パルスによる信号の妨害は発生し得ない。センサにより発生される信号によって、ランナの過回転を回避するために、極めて迅速かつ精緻にウェストゲート弁が制御され得る。これにより、排気ターボチャージャは、常にその回転数限界の至近で運転されることができ、最適な効率を達成する。

有利な形態では、アクチュエータハウジング内に、プリント配線板が配置されており、該プリント配線板上に、ウェストゲート弁を操作する部材を制御する電子構成部品と、センサ信号を評価する電子構成部品とが配置されている。唯一のプリント配線板上に、ウェストゲート弁を操作する部材を制御する電子構成部品も、センサ信号を評価する電子構成部品も配置されていると、センサ信号は直接ウェストゲート弁を制御するために使用され得る。システム全体は、電気的な導体、はんだ付け箇所およびコネクタが省略され、電磁波に対するアクチュエータハウジングによる電子構成部品の遮蔽により、システムが電磁波障害から保護されているので、妨害に強い。短い信号経路も、システムの確実な機能を保証する。

別の有利な形態では、センサが、ホールセンサ素子を有する。ホールセンサ素子は、磁界の変化を検出するために極めて良好に適しており、それゆえ、極めて良好に回転数検出のために使用され得る。ホールセンサ素子は極めて安価に商用入手可能であり、約１６０℃までの温度でも使用可能である。

これに対して択一的には、センサ素子が、磁気抵抗効果を利用したセンサ素子（ＭＲセンサ素子）として形成されている。ＭＲセンサ素子自体は、磁界の変化を検出するために良好に適しており、安価に商用入手可能である。

さらに択一的には、センサが、誘導型のセンサ素子を有する。誘導型のセンサ素子も、磁界の変化を検出するために最良に適しており、比較的高い温度で使用可能である。

さらに別の有利な形態では、アクチュエータハウジングおよび／またはアクチュエータカバーがアルミニウムからなる。アルミニウムは丈夫で軽く、しかも電磁波を良好に遮蔽する。さらにアルミニウムは、磁界を良好に通すので、磁界を変化させる部材により発生させられる磁界の変化は、たとえセンサがアクチュエータハウジングまたはアクチュエータカバー内に配置されていても良好に検出され得る。

これに対して択一的には、アクチュエータハウジングおよび／またはアクチュエータカバーがプラスチックからなる。プラスチックは極めて安価であり、その安定性および軽量性に関して有利に使用可能である。プラスチックからなるアクチュエータハウジングおよび／またはプラスチックからなるアクチュエータカバーは、外部の電磁的な影響に対する遮蔽作用を達成するために、金属で上張りされてもよい。磁界に関して、金属で上張されたプラスチックハウジングおよび金属で上張されたプラスチックカバーも良好に透過性である。金属被覆は、例えばプラスチックの蒸着により行われ得る。外部の電磁的な影響に対する遮蔽作用を達成するために、製造時に金属粒子をプラスチックに添加することも考えられる。

本発明の実施の形態を図面に例示する。

一般的な排気ターボチャージャを示す図である。 コンプレッサの部分断面図である。 ウェストゲートアクチュエータを備える排気ターボチャージャを示す図である。 アクチュエータハウジングおよびアクチュエータカバーを備えるウェストゲートアクチュエータを示す図である。 再度ウェストゲートアクチュエータを示す図である。 図５から周知のウェストゲートアクチュエータを示す図である。 再度ウェストゲートアクチュエータを示す図である。 アクチュエータハウジングの内部を示す図である。 センサの構造例を示す図である。 センサの別の実施の形態を示す図である。 プリント配線板を備える開放されたアクチュエータハウジングを示す図である。

図１は、タービン２およびコンプレッサ３を備える通常の排気ターボチャージャ１を示す。コンプレッサ３内にコンプレッサホイール９が回転可能に支承されており、ターボシャフト５に結合されている。ターボシャフト５も回転可能に支承されており、その他端でタービンホイール４に結合されている。コンプレッサホイール９、ターボシャフト５およびタービンホイール４からなる組み合わせは、ランナとも呼ばれる。タービン入口７を介して、ここでは図示しない内燃機関の高温の排気がタービン２に供給され、タービンホイール４を回転させる。排気流はタービン出口８を通してタービン２から流出する。ターボシャフト５を介して、タービンホイール４はコンプレッサホイール９に結合されている。これにより、タービン２はコンプレッサ３を駆動する。コンプレッサ３内には、空気が空気入口１７を通して吸入され、コンプレッサ３内で圧縮され、空気出口６を介して内燃機関に供給される。

図２は、コンプレッサ３の一部を断面した図である。断面したコンプレッサハウジング２１内には、コンプレッサホイール９が見て取れる。コンプレッサホイール９は、ターボシャフト５上に固定部材１１により固定されている。固定部材１１は、例えば袋ナットであり、コンプレッサホイール９をターボシャフト５の鍔にこれを用いて締め付けるために、ターボシャフト５に切られたねじ山に螺合される。固定部材１１とコンプレッサホイール９との間には、磁界を変化させる部材１２が存在する。この実施の形態では、磁界を変化させる部材１２は、磁石１３と枠１４とから構成されている。磁界を変化させる部材１２は、固定部材１１によりコンプレッサホイール９に圧着され、ターボシャフト５の回転時、ターボシャフト５の回転軸線を中心に回転する。その際、磁界を変化させる部材１２は、磁界強度もしくは磁界勾配の変化をセンサ素子１６内に発生させる。センサ素子１６はセンサ１５内に統合されている。センサ１５は後続の図面により詳細に示されている。磁界もしくは磁界勾配の変化はセンサ素子１６内に、ターボシャフト５の回転数に比例した電子処理可能な信号を発生させる。

図３は、排気ターボチャージャ１のコンプレッサ３を示す。コンプレッサ３の空気入口１７内には、磁界を変化させる部材を備えるターボシャフト５が見て取れる。磁界を変化させる部材１２は、例えばターボシャフト５に配置された棒磁石１３である。しかし、ターボシャフト５に、磁界を周期的に集中、拡散させる部材を配置することも考えられる。この集中と拡散は、ターボシャフト５の回転により惹起される。この場合、磁界の発生は、センサ１５内に配置されている棒磁石により行われる。センサ１５はこの実施の形態では、ウェストゲートアクチュエータ１４のハウジング１８に配置されている。ウェストゲートアクチュエータ１４は、センサ１５によりターボシャフト５、ひいてはランナ全体（タービンホイール４、ターボシャフト５およびコンプレッサホイール９）の過剰に高い回転数が確認されると、ウェストゲート弁を開放する。十分に強い磁石３を使用すれば、コンプレッサハウジング２１がアルミニウムまたはプラスチックから製作されていても、磁界はコンプレッサハウジング２１を透過し得る。磁石１３により発生された磁界は、センサ１５、およびセンサ１５内に含まれるセンサ素子１６により検出され、やはりウェストゲートアクチュエータ１４内に統合された評価電子回路に提供される。さらに図３には、コンプレッサ３の空気出口６が見て取れる。

図４は、アクチュエータハウジング１８とアクチュエータカバー１９とを備えるウェストゲートアクチュエータ１４を示す。アクチュエータハウジング１８にも、アクチュエータカバー１９にも、ランナの回転により惹起される磁界の変化を検出するセンサ１５が配置されていることができる。

図５も、アクチュエータカバー１９とアクチュエータハウジング１８とを備えるウェストゲートアクチュエータ１４を示す。この実施の形態では、ランナの回転数を検出するセンサ１５は、アクチュエータハウジング１８に配置されている。

図６は、図５から周知のウェストゲートアクチュエータ１４を示す。この実施の形態では、ランナの回転を検出するセンサ１５は、アクチュエータカバー１９に配置されている。

図７にも、ウェストゲートアクチュエータ１４が示されている。図７には、例えばアクチュエータカバー１９に、ウェストゲートアクチュエータ１４の電動モータ１０のための収容部が見て取れる。電動モータ１０はウェストゲート弁を駆動する。図７では、ランナの回転数を検出するセンサ１５は、アクチュエータハウジング１８に配置されている。

図８は、アクチュエータハウジング１８の内部を示す。電子構成部品２３が装着されているプリント配線板２０が見て取れる。これらの電子構成部品２３はウェストゲート弁を制御するために役立つ。さらにプリント配線板２０上には、センサ素子１６の信号を評価するために必要な電子構成部品２３を受容するために役立つ領域２２が形成されている。これにより、プリント配線板２０上には、ウェストゲート弁を制御するための電子構成部品２３も、センサ素子１６により発生される信号を評価するための電子構成部品２３も集積されている。両機能のための電子構成部品の空間的に密な集積は、特に障害に強いシステムを実現する。

図９には、センサ１５の構造の一例が見て取れる。センサ１５はウェストゲートアクチュエータ１４に接して配置されており、Ｎ極およびＳ極を有する永久磁石１３と、例えばホールセンサまたは磁気抵抗効果を利用したセンサとして形成されていることができるセンサ素子１６とを含む。センサ素子１６は電気的な導体２４により、図８に示す電子構成部品２３に接続されている。

図１０も、ウェストゲートアクチュエータ１４に接して取り付けられているセンサ１５を示す。図１０に示すセンサ１５内には、誘導型のセンサ素子として形成されているセンサ素子１６が配置されている。誘導型のセンサ素子は一般に、鉄心、ならびに鉄心上に配置されるコイルを有する。図１０にも、センサ素子１６を電子構成部品２３に接続する電気的な導体２４が見て取れる。

図１１は、ウェストゲートアクチュエータのための電子構成部品２３を受容するとともに、領域２２にセンサ１５のための電子構成部品を受容するプリント配線板２０を備えるアクチュエータハウジング１８を開放状態で示す。図１１では、センサ素子１６がアクチュエータハウジング１８の内部に配置されている。この場合、アクチュエータハウジング１８は、磁束線を遮蔽しない材料からなる。この材料は、例えばアルミニウムまたはプラスチックである。ターボチャージャの回転数を検出するセンサ１５をウェストゲートアクチュエータ１４に統合することは、センサ１５をターボチャージャ１に別個に配置した場合に対して一連の利点をもたらす。ウェストゲートアクチュエータ１４へのセンサ１５の統合により、材料節減が達成され、システム全体は、より機能信頼性となる。それというのも、プリント配線板２０上での電子構成部品の統合も行われ、回路全体およびセンサ素子１６が１つのハウジング内に格納されることができ、これにより、外的な電磁障害がシステムに対して影響を及ぼし得なくなるからである。

センサ１５をアクチュエータハウジング１８内にまたはこれに接してまたはアクチュエータカバー１９内にまたはこれに接して配置する別の利点として、この領域に支配する温度が挙げられる。排気ターボチャージャ１は熱的に高負荷される部品であり、生じる温度は１０００℃にまで達する。公知のセンサ素子１９、例えばホールセンサまたは磁気抵抗効果を利用したセンサは、このような温度では計測不能である。アクチュエータハウジング１８またはアクチュエータカバーにおいては、明らかに低い温度負荷が生じる。それでいて、磁界は、ランナの回転数の測定を維持するに十分である。アクチュエータハウジング１８またはアクチュエータカバー１９の低温の領域での上記配置が行われるので、安価に商用入手可能なセンサ素子１６が使用され得る。比較的低い温度負荷に基づいて、センサ素子１６に対して、その温度安定性に関する著しく高い要求が課されずに済む。

Claims (7)

1. 排気ターボチャージャ（１）のためのウェストゲートアクチュエータ（１４）であって、アクチュエータハウジング（１８）およびアクチュエータカバー（１９）を備え、ウェストゲートアクチュエータ（１４）内に、ウェストゲート弁を操作する部材と、ウェストゲート弁を操作する部材を制御する電子構成部品（２３）とが配置されている形式のものにおいて、アクチュエータハウジング（１８）またはアクチュエータカバー（１９）に、ランナの回転により惹起される磁界の変化を検出するセンサ（１５）が配置されていることを特徴とする、排気ターボチャージャのためのウェストゲートアクチュエータ。
2. アクチュエータハウジング（１８）内に、プリント配線板（２０）が配置されており、該プリント配線板（２０）上に、ウェストゲート弁を操作する部材を制御する電子構成部品（２３）と、センサ信号を評価する電子構成部品（２３）とが配置されている、請求項１記載の排気ターボチャージャのためのウェストゲートアクチュエータ。
3. センサ（１５）が、磁気抵抗効果を利用したセンサ素子（１６）を有する、請求項１または２記載の排気ターボチャージャのためのウェストゲートアクチュエータ。
4. センサ（１５）が、ホールセンサ素子（１６）を有する、請求項１または２記載の排気ターボチャージャのためのウェストゲートアクチュエータ。
5. センサ（１５）が、誘導型のセンサ素子（１６）を有する、請求項１または２記載の排気ターボチャージャのためのウェストゲートアクチュエータ。
6. アクチュエータハウジング（１８）および／またはアクチュエータカバー（１９）がアルミニウムからなる、請求項１から５までのいずれか１項記載の排気ターボチャージャのためのウェストゲートアクチュエータ。
7. アクチュエータハウジング（１８）および／またはアクチュエータカバー（１９）がプラスチックからなる、請求項１から６までのいずれか１項記載の排気ターボチャージャのためのウェストゲートアクチュエータ。

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