專利名稱：廢氣渦輪增壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器，其具有壓縮機(jī)及渦輪機(jī)，其中，在壓縮機(jī)中可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置壓縮機(jī)葉輪以及在渦輪機(jī)中可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置渦輪機(jī)葉輪，并且壓縮機(jī)葉輪通過可旋轉(zhuǎn)設(shè)置的渦輪軸與渦輪機(jī)葉輪機(jī)械連接，其中廢氣渦輪增壓器具有用于檢測(cè)渦輪軸轉(zhuǎn)速的裝置。
背景技術(shù)：
由內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的功率取決于空氣質(zhì)量流量以及相應(yīng)的燃料量，空氣質(zhì)量流量以及相應(yīng)的燃料量能夠供內(nèi)燃機(jī)的燃燒使用。如果想提高內(nèi)燃機(jī)的功率，則必須供應(yīng)更多的助燃空氣及更多的燃料。功率的提高在自吸式發(fā)動(dòng)機(jī)中通過增大氣缸工作容積或提高轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。但是，增大氣缸工作容積基本上導(dǎo)致較重的、大尺寸的并且較昂貴的內(nèi)燃機(jī)。特別是在較大的內(nèi)燃機(jī)時(shí)，轉(zhuǎn)速的提高帶來相當(dāng)大的問題和缺點(diǎn)，并且轉(zhuǎn)速的提高出于技術(shù)的原因而受到限制。
用于提高內(nèi)燃機(jī)的功率的常用解決辦法是增壓。該增壓是指通過廢氣渦輪增壓器或借助于由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)來預(yù)壓縮助燃空氣。廢氣渦輪增壓器基本包括流體壓縮機(jī)和渦輪機(jī)，它們利用共用的軸連接并且以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。渦輪機(jī)將廢氣的通常無用的散失的能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動(dòng)能并驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)抽吸新鮮空氣并且向發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)氣缸輸送預(yù)壓縮的空氣。增加的燃料量能夠供給氣缸中的較大的空氣量，借此，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)輸出更大的功率。此外，燃燒過程受到有利的影響，從而使內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的總的效率更高。另外，利用渦輪增壓器來增壓的內(nèi)燃機(jī)的轉(zhuǎn)矩曲線可以非常有利地設(shè)計(jì)。在機(jī)動(dòng)車制造商手中的現(xiàn)有系列自吸式發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過安裝廢氣渦輪增壓器顯著優(yōu)化，而無需對(duì)內(nèi)燃機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的調(diào)整。通常，增壓的內(nèi)燃機(jī)燃具有更低的單位燃料消耗量，并且有害物質(zhì)排放量很少。另外，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)通常比相同功率的自吸式發(fā)動(dòng)機(jī)更安靜，因?yàn)閺U氣渦輪增壓器本身起到如附加的消聲器的作用。在工作轉(zhuǎn)速范圍較大的內(nèi)燃機(jī)中，例如用于客車的內(nèi)燃機(jī)中，在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)需要較高的增壓壓力。為此，在該渦輪增壓器中引入增壓壓力調(diào)節(jié)閥，即所謂的排氣泄壓閥。通過選擇相應(yīng)的渦輪機(jī)殼體，在低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)快速地形成高的增壓壓力。然后，增壓壓力調(diào)節(jié)閥(排氣泄壓閥)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)將增壓壓力限定為恒定值?？蛇x地，使用具有可變截面渦輪(VTG)的渦輪增壓器。
在廢氣量增加時(shí)，可以超出由渦輪機(jī)葉輪和渦輪軸構(gòu)成的聯(lián)合體的最大允許轉(zhuǎn)速，該聯(lián)合體也可稱為渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子(Laufzeug)。如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超出該允許轉(zhuǎn)速，那么該轉(zhuǎn)子也許會(huì)損壞，這等于是完全地?fù)p毀渦輪增壓器。具有明顯較小的渦輪機(jī)葉輪直徑及壓縮機(jī)葉輪直徑的特別現(xiàn)代的和小的渦輪增壓器會(huì)遇到超出允許的最高轉(zhuǎn)速的問題，由于極小的慣性矩使該渦輪增壓器具有更好的角加速度特性?；跍u輪增壓器的設(shè)計(jì)，超出轉(zhuǎn)速邊界值約5％就會(huì)導(dǎo)致完全損毀壞渦輪增壓器。
增壓壓力調(diào)節(jié)閥被證明對(duì)于限制轉(zhuǎn)速是有效的，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，該增壓壓力調(diào)節(jié)閥由產(chǎn)生的增壓壓力生成信號(hào)來控制。如果增壓壓力超出預(yù)設(shè)的閾值，那么增壓壓力調(diào)節(jié)閥將打開，從而使一部分的廢氣質(zhì)量流繞開渦輪機(jī)。由于質(zhì)量流的減少，該渦輪機(jī)接收了較少的功率，并且壓縮機(jī)功率也相應(yīng)降低。增壓壓力以及渦輪機(jī)葉輪和壓縮機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速都被降低。然而，這樣的調(diào)節(jié)相對(duì)而言太遲鈍，因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超出時(shí)，壓力形成會(huì)延時(shí)出現(xiàn)。因此，用于渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)必須利用在高的動(dòng)力變化區(qū)域(負(fù)荷變換)中的增壓壓力監(jiān)測(cè)通過相應(yīng)提前減低增壓壓力來實(shí)現(xiàn)，這導(dǎo)致了最佳效率的損失。
在壓縮機(jī)葉輪或渦輪機(jī)葉輪上對(duì)轉(zhuǎn)速的直接檢測(cè)很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?，例如渦輪機(jī)葉輪會(huì)承受極高的熱負(fù)荷(高達(dá)1000℃)，這妨礙了以傳統(tǒng)的方法在渦輪機(jī)葉輪上進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。在2001年4月由acam-Messelektronic GmbH的公開文獻(xiàn)中提出，以渦流原理來測(cè)量壓縮機(jī)葉片脈沖，并且以這種方式來確定壓縮機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速。該方法既復(fù)雜又昂貴，因?yàn)橹辽僖粋€(gè)渦流傳感器要集成到壓縮機(jī)的殼體中，而由于高精確度的原因這也許是相當(dāng)困難的，因?yàn)闇u輪增壓器的部件以高精度制造。此外，渦流傳感器在壓縮機(jī)殼體中的精確的集成產(chǎn)生了密封問題，由于渦輪增壓器的高熱負(fù)荷，該問題僅僅可以通過對(duì)渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)的復(fù)雜的調(diào)整來克服。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于，提出一種用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器，在該廢氣渦輪增壓器中能夠簡(jiǎn)單、廉價(jià)并且不對(duì)現(xiàn)有渦輪增壓器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的較大改動(dòng)來檢測(cè)旋轉(zhuǎn)部件(渦輪機(jī)葉輪、壓縮機(jī)葉輪、渦輪軸)的轉(zhuǎn)速。
該目的根據(jù)本發(fā)明這樣來實(shí)現(xiàn)，即用于檢測(cè)轉(zhuǎn)速的裝置在壓縮機(jī)葉輪和渦輪機(jī)葉輪之間的區(qū)域中的渦輪軸上和/或渦輪軸中具有用于改變磁場(chǎng)的元件，其中，磁場(chǎng)根據(jù)渦輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來進(jìn)行變化，在用于改變磁場(chǎng)的元件附近設(shè)置有傳感器元件，該傳感器元件檢測(cè)磁場(chǎng)的變化，并將其轉(zhuǎn)化為可評(píng)估的電信號(hào)。
在壓縮機(jī)葉輪和渦輪機(jī)葉輪之間的區(qū)域中，在渦輪軸上和/或渦輪軸中設(shè)置用于改變磁場(chǎng)的元件是有利的，即渦輪增壓器的這個(gè)區(qū)域熱負(fù)荷相對(duì)較少，因?yàn)樵搮^(qū)域遠(yuǎn)離熱的廢氣流并且通常能通過潤(rùn)滑油來冷卻。此外，壓縮機(jī)葉輪和渦輪機(jī)葉輪之間的渦輪軸的區(qū)域便于接近，因此，這里可以僅對(duì)現(xiàn)有壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行極小的調(diào)整來安置市售傳感器元件，如霍爾傳感器元件、磁阻傳感器元件或感應(yīng)式傳感器元件，這在渦輪增壓器中或渦輪增壓器上實(shí)現(xiàn)了廉價(jià)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)。通過傳感器元件產(chǎn)生的信號(hào)能非常快速及準(zhǔn)確地控制增壓壓力調(diào)節(jié)閥，或者改變VTG渦輪增壓器的渦輪截面(幾何尺寸)，以避免轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速超出。因此，渦輪增壓器一直能夠以非常接近于其轉(zhuǎn)速邊界值的速度運(yùn)行，由此，該渦輪增壓器達(dá)到其最大效率。如在由壓力控制的渦輪增壓器中的相對(duì)于最大轉(zhuǎn)速邊界值的安全差值是不必要的。
在第一個(gè)改進(jìn)方案中，傳感器元件設(shè)計(jì)為霍爾傳感器元件?；魻杺鞲衅髟浅：玫剡m合于檢測(cè)磁場(chǎng)的變化，因此可以很好地用于檢測(cè)轉(zhuǎn)速?；魻杺鞲衅髟欠浅Ａ畠r(jià)的。
可選地，傳感器元件設(shè)計(jì)為磁阻(MR)傳感器元件。MR傳感器元件本身很好地適合于檢測(cè)磁場(chǎng)的變化，并且可以廉價(jià)地從市場(chǎng)上購買且可以在大約270℃的溫度中使用。
在另一個(gè)可選的設(shè)計(jì)方案中，傳感器元件設(shè)計(jì)為感應(yīng)式傳感器元件。感應(yīng)式傳感器元件也非常適合于檢測(cè)磁場(chǎng)的變化并且也可以在高溫中使用。
根據(jù)一個(gè)可選的實(shí)施例，該傳感器元件可以設(shè)置在壓縮機(jī)和渦輪機(jī)之間的區(qū)域中的渦輪增壓器殼體的外壁上。在該實(shí)施例中，根本不必調(diào)整渦輪增壓器的殼體。例如，在渦輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在壓縮機(jī)葉輪和渦輪機(jī)葉輪之間的渦輪軸區(qū)域中設(shè)置的較強(qiáng)磁鐵在設(shè)置于渦輪增壓器殼體的外壁上的傳感器元件中產(chǎn)生足夠強(qiáng)烈的磁場(chǎng)變化，從而在該傳感器中可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于渦輪軸轉(zhuǎn)速的電信號(hào)。在此，渦輪增壓器的殼體在該區(qū)域中將由無法屏蔽磁場(chǎng)的材料構(gòu)成。
在另一個(gè)設(shè)計(jì)方案中，用于改變磁場(chǎng)的元件設(shè)計(jì)為棒形磁鐵。與渦輪軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)的、極化(具有雙極)的棒形磁鐵在其周圍產(chǎn)生可很好測(cè)量的磁場(chǎng)變化，借此，渦輪軸的轉(zhuǎn)速、壓縮機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速及渦輪機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速都可以很好地檢測(cè)。
可選地，用于改變磁場(chǎng)的元件設(shè)計(jì)為兩個(gè)磁偶極子的形式，其中第一偶極子的北極朝向第二偶極子的南極。兩個(gè)磁偶極子實(shí)現(xiàn)了與棒形磁鐵相同的功能，然而其要輕于棒形磁鐵，這一點(diǎn)也是十分有利的。
在本發(fā)明的另一個(gè)設(shè)計(jì)方案中，用于改變磁場(chǎng)的元件設(shè)計(jì)為在壓縮機(jī)葉輪和渦輪機(jī)葉輪之間的渦輪軸的區(qū)域中的槽。通過鐵磁材料中的槽能夠很好地改變由外部施加的磁場(chǎng)。磁通量根據(jù)在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)的槽而傳遞。這種簡(jiǎn)單及廉價(jià)的措施便于很好地測(cè)量傳感器元件中磁場(chǎng)的變化。


本發(fā)明的實(shí)施例將在附圖中示意性地示出。圖中示出圖1廢氣渦輪增壓器，圖2渦輪機(jī)葉輪、渦輪軸以及壓縮機(jī)葉輪。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了具有渦輪機(jī)2和壓縮機(jī)3的渦輪增壓器1。壓縮機(jī)葉輪9可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在壓縮機(jī)3中并與渦輪軸5連接。渦輪軸5也可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置并且以其另一端與渦輪機(jī)葉輪4連接。來自內(nèi)燃機(jī)的熱廢氣(未示出)通過渦輪機(jī)進(jìn)氣口7進(jìn)入到渦輪機(jī)2中，這樣渦輪機(jī)葉輪4被旋轉(zhuǎn)。廢氣流通過渦輪機(jī)排氣口8從渦輪機(jī)2排出。渦輪機(jī)葉輪4通過渦輪軸5與壓縮機(jī)葉輪9連接。渦輪機(jī)2借此驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)3?？諝馔ㄟ^進(jìn)氣口24吸入在壓縮機(jī)3中并壓縮，并且通過排氣口6輸送到內(nèi)燃機(jī)。
圖2示出了渦輪機(jī)葉輪4、渦輪軸5以及壓縮機(jī)葉輪9。渦輪機(jī)葉輪4通常由耐高溫的奧氏體鎳化合物構(gòu)成，當(dāng)應(yīng)用渦輪增壓器為汽油機(jī)增壓時(shí)，這種耐高溫的奧氏體鎳化合物即使在高溫下也是適用的。渦輪機(jī)葉輪4以精密鑄造法制造并且例如通過摩擦焊接法與渦輪軸5連接，該渦輪軸通常由高溫調(diào)質(zhì)鋼(或者說高溫回火鋼)構(gòu)成。由渦輪機(jī)葉輪4和渦輪軸5構(gòu)成的組件也稱作轉(zhuǎn)子。壓縮機(jī)葉輪9例如同樣以精密鑄造法由鋁合金來制成。壓縮機(jī)葉輪9通常利用固定部件固定到渦輪軸5的壓縮機(jī)側(cè)的端部上。該固定部件可以例如是蓋形螺母，其將壓縮機(jī)葉輪和密封套、軸承環(huán)和間隔襯套牢牢地壓緊到渦輪軸軸肩上。從而，轉(zhuǎn)子與壓縮機(jī)葉輪9形成固定單元。由于壓縮機(jī)葉輪9通常由鋁合金構(gòu)成，因此，在這里通過基于磁場(chǎng)改變的測(cè)量來確定壓縮機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速是有問題的。
在壓縮機(jī)葉輪9和渦輪機(jī)葉輪4之間的渦輪軸5區(qū)域中的渦輪軸5上和/或該渦輪軸5中設(shè)置用于改變磁場(chǎng)的元件13。在該實(shí)施例中，用于改變磁場(chǎng)的元件13作為偶極子磁鐵安置在渦輪軸5中或該渦輪軸上。磁性的偶極子具有北極N和南極S。也可以考慮將元件13設(shè)計(jì)為更多級(jí)的多極磁鐵，或設(shè)計(jì)為在渦輪軸5的鐵磁材料的改變。例如，如果磁場(chǎng)由設(shè)置在渦輪軸5外部的磁鐵產(chǎn)生，傳感器元件10中的與轉(zhuǎn)速相關(guān)的磁場(chǎng)變化可以通過渦輪軸5的鐵磁材料中的槽來產(chǎn)生。
用于改變磁場(chǎng)的元件13隨著渦輪軸而運(yùn)動(dòng)，因此，通過設(shè)置在附近的傳感器元件10可以測(cè)量與速度相關(guān)的磁場(chǎng)變化。此處，當(dāng)通過用于改變磁場(chǎng)的元件13而在傳感器元件10中產(chǎn)生用于轉(zhuǎn)速測(cè)量的足夠強(qiáng)的、很好檢測(cè)的磁場(chǎng)變化時(shí)，傳感器元件10設(shè)置在用于改變磁場(chǎng)的元件13的附近。
檢測(cè)在壓縮機(jī)葉輪9和渦輪機(jī)葉輪4之間的渦輪軸5區(qū)域中的渦輪軸5轉(zhuǎn)速的巨大的優(yōu)點(diǎn)在于此處的溫度。廢氣渦輪增壓器1是熱負(fù)載較高的部件，在該部件中的溫度會(huì)達(dá)到1000℃。在1000℃的溫度下不能利用已知的傳感器元件10例如霍爾傳感器或磁阻傳感器進(jìn)行測(cè)量，這是因?yàn)閭鞲衅髟?huì)被高溫?fù)p壞。在壓縮機(jī)葉輪9和渦輪機(jī)葉輪4之間的渦輪軸5的區(qū)域中產(chǎn)生了對(duì)于傳感器元件的極低的熱負(fù)荷。因?yàn)樵搮^(qū)域遠(yuǎn)離熱的廢氣流，并且通?？赏ㄟ^渦輪軸5的潤(rùn)滑油來冷卻。
由傳感器10產(chǎn)生的電信號(hào)將通過電導(dǎo)線11傳送給評(píng)估電子儀器12，該評(píng)估電子儀器隨后將控制例如排氣瀉壓閥(未示出)或可變的渦輪葉片。
權(quán)利要求
1.一種用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器(1)，包括壓縮機(jī)(3)及渦輪機(jī)(2)，其中，在所述壓縮機(jī)(3)中可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置壓縮機(jī)葉輪(9)，并且在所述渦輪機(jī)(2)中可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置渦輪機(jī)葉輪(4)，所述壓縮機(jī)葉輪(9)通過可旋轉(zhuǎn)設(shè)置的渦輪軸(5)與所述渦輪機(jī)葉輪(4)機(jī)械連接，其中所述廢氣渦輪增壓器(1)具有用于檢測(cè)所述渦輪軸(5)的轉(zhuǎn)速的裝置(26)，其特征在于，用于檢測(cè)轉(zhuǎn)速的所述裝置(26)在所述壓縮機(jī)葉輪(9)和所述渦輪機(jī)葉輪(4)之間的區(qū)域中的所述渦輪軸(5)上和/或所述渦輪軸(5)中具有用于改變磁場(chǎng)的元件(13)，其中，磁場(chǎng)(25)根據(jù)所述渦輪軸(5)的轉(zhuǎn)動(dòng)來進(jìn)行變化，以及，在用于改變所述磁場(chǎng)的所述元件(13)的附近設(shè)置有傳感器元件(10)，所述傳感器元件檢測(cè)磁場(chǎng)的變化并將其轉(zhuǎn)化為可評(píng)估的電信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器(1)，其特征在于，所述傳感器元件(10)設(shè)計(jì)為霍爾傳感器元件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器(1)，其特征在于，所述傳感器元件(10)設(shè)計(jì)為磁阻傳感器元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器(1)，其特征在于，所述傳感器元件(10)設(shè)計(jì)為感應(yīng)式傳感器元件。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器(1)，其特征在于，所述傳感器元件(10)設(shè)置在所述渦輪機(jī)(2)和所述壓縮機(jī)(3)之間的區(qū)域中的渦輪增壓器殼體的外壁上。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器(1)，其特征在于，用于改變磁場(chǎng)的元件(13)設(shè)計(jì)為棒形磁鐵。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器(1)，其特征在于，用于改變磁場(chǎng)的元件(13)設(shè)計(jì)為兩個(gè)磁偶極子的形式，其中第一偶極子的北極(N)朝向第二偶極子的南極(S)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項(xiàng)所述的用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器(1)，其特征在于，用于改變磁場(chǎng)的元件設(shè)計(jì)為在所述壓縮機(jī)葉輪和所述渦輪機(jī)葉輪之間的所述渦輪軸的區(qū)域中的槽。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于內(nèi)燃機(jī)的廢氣渦輪增壓器，其具有壓縮機(jī)及渦輪機(jī)，其中，在壓縮機(jī)中可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置壓縮機(jī)葉輪，并且在渦輪機(jī)中可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置渦輪機(jī)葉輪，壓縮機(jī)葉輪通過可旋轉(zhuǎn)設(shè)置的渦輪軸與渦輪機(jī)葉輪機(jī)械連接，其中廢氣渦輪增壓器具有用于檢測(cè)渦輪軸轉(zhuǎn)速的裝置，該裝置在壓縮機(jī)葉輪和渦輪機(jī)葉輪之間的區(qū)域中的渦輪軸上和/或渦輪軸中具有用于改變磁場(chǎng)的元件，磁場(chǎng)根據(jù)渦輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)來變化，其中，在用于改變磁場(chǎng)的元件的附近設(shè)置有傳感器元件，該傳感器元件檢測(cè)磁場(chǎng)的變化并將其轉(zhuǎn)化為可評(píng)估的電信號(hào)。
文檔編號(hào)F02B37/12GK101023362SQ200580031269
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月17日
發(fā)明者約翰內(nèi)斯·安特, 馬庫斯·吉爾希 申請(qǐng)人:西門子公司