Stand der Technik
[0001] DE 102 02 322 A1 bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und ein Verfahren
zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst einen
Abgasturbolader, der einen Verdichter und eine Turbine aufweist. Deren Geometrie ist
veränderbar, ferner ist ein die Turbine überbrückender Bypass vorgesehen, in welchem
ein Wastegate-Ventil den Durchfluss steuert. Es ist ein Drucksensor vorgesehen, der
den Druck in oder stromaufwärts der Turbine bestimmt und einem elektronischen Steuergerät
übermittelt. Dieses steuert bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für den
Druck die Turbinengeometrie derart, dass eine Schädigung der Turbine ausgeschlossen
ist. Der Drucksensor ist innerhalb eines Turbinengehäuses stromaufwärts eines Turbinenrades
der Turbine vorgesehen. Der Drucksensor kann auch in einer Abgasleitung zwischen Turbine
und Brennkraftmaschine eingebaut sein.
[0002] DE 10 2005 056 517 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl eines Verdichters, insbesondere
eines Turboladers. Gemäß dieser Lösung wird ein Verfahren zur Bestimmung der Drehzahl
eines Verdichters, insbesondere eines Turboladers einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen,
bei dem der Druck in einem Bereich stromabwärts von dem Verdichter erfasst und ein
entsprechendes Drucksignal bereitgestellt wird. Die Drehzahl des Verdichters wird
aus einer periodischen Schwankung mindestens eines Anteils des Drucksignals gewonnen.
Mit diesem Verfahren wird der Druck unmittelbar stromabwärts von dem Verdichter erfasst.
Das Prinzip beruht darauf, die Druckschwankungen nachzuweisen, die durch die einzelnen
Schaufeln des Verdichterlaufrades hervorgerufen werden.
[0003] Bei der Drehzahlerfassung mittels eines Drucksensors ergibt sich zwischen dem eingesetzten
Messprinzip und den Eigenschaften typischer Drucksensortypen, die zum Beispiel als
piezoresistive Aufnehmer ausgebildet sein können, ein Konflikt. Einerseits ist eine
Positionierung nahe am Innenvolumen des Verdichters notwendig, um die Druckpulsationen
möglichst ungedämpft erfassen zu können. Auf der anderen Seite können dort in bestimmten
Betriebspunkten Gastemperaturen von typischerweise bis zu 200 °C auftreten, welche
das Sensorelement zerstören würden.
Offenbarung der Erfindung
[0004] Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Druckmesseinrichtung, insbesondere einen
Drucksensor, zurückversetzt zu montieren und mit einem Kanal mit einem Verdichtervolumen,
insbesondere des Verdichterteiles eines Abgasturboladers, zu verbinden. Diese Lösung
kann zum Beispiel dadurch realisiert werden, dass der Kanal zylindrisch ausgelegt
wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform und um sicherzustellen, dass das Pulsationssignal
zur Druckmesseinrichtung mit möglichst geringer Dämpfung übertragen werden kann, wird
vorgeschlagen, diesen Kanal in einer sich verjüngenden Form auszuführen. Die Geometrie
dieses Kanals ist an die jeweilige Einbausituation angepasst und wird üblicherweise
derart ausgelegt, dass die am jeweils zu überwachenden Verdichterteil eines Abgasturboladers
zu erwartenden Frequenzbereiche für die Pulsationen berücksichtigt sind, die mit der
Druckmesseinrichtung erfasst werden sollen. Der Kanal kann in einer einfachen Ausführungsform
zum Beispiel als Trichter gestaltet werden. Eine verbesserte Ausführungsform liegt
in einem Kanal, dessen Wände eine Kontur haben, die dem Verlauf der Exponentialfunktion
entspricht.
[0005] Der der Erfindung zugrunde liegende Kerngedanke liegt darin, die Druckmesseinrichtung,
insbesondere den Drucksensor, zurückversetzt in Bezug auf eine Begrenzungswand anzuordnen.
Darunter ist zu verstehen, dass die Druckmesseinrichtung, welche insbesondere als
Drucksensor ausgebildet ist, in Bezug auf das Verdichtergehäuse, welches zum Beispiel
als Spiralgehäuse ausgebildet ist, in Bezug auf dessen Begrenzungswand in das Gehäuse
zurückversetzt angeordnet ist. Aufgrund der zurückversetzten Anordnung der Druckmesseinrichtung
kann der eingangs erwähnte Kanal zum Beispiel als zylindrischer Verbindungskanal beschaffen
sein, der Kanal kann als trichterförmiger Verbindungskanal ausgebildet sein, ferner
kann eine Ausnehmung, in der die Druckmesseinrichtung, insbesondere ausgestaltet als
Drucksensor, im Verdichtergehäuse (Spiralgehäuse) des Verdichterteils des Abgasturboladers
angeordnet ist, mit einem zusätzlichen Kühlkörper versehen sein, oder die Druckmesseinrichtung
selbst einen zusätzlichen Kühlkörper aufweisen.
[0006] In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante ist die Druckmesseinrichtung,
welche insbesondere als Drucksensor ausgestaltet ist, zurückversetzt in Bezug auf
die Gehäusewand des Verdichtergehäuses (Spiralgehäuse) des Verdichterteiles angeordnet
und steht über einen sich stetig verjüngenden Verbindungskanal mit dem Gasvolumen,
dessen Pulsationen zu messen sind, in Verbindung. Besonders bevorzugt sind die den
Verbindungskanal begrenzenden Wände nach einer Exponentialfunktion gekrümmt ausgebildet.
Mit einem derart beschaffenen Verbindungskanal zwischen dem Gasvolumen, dessen Dynamik
zu messen ist, und der Druckmesseinrichtung werden beste, da weitgehend ungedämpfte
und daher tatsächlich vorliegende Signale gemessen.
[0007] Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann einerseits erreicht werden,
dass die Temperatur, welcher die Druckmesseinrichtung, insbesondere als Drucksensor
ausgebildet, ausgesetzt ist, erheblich unter dem Temperaturniveau in der Größenordnung
von 200 °C liegt, bei welchem Beschädigungen auftreten könnten. Des Weiteren kann
durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass das Pulsationssignal
des Gasvolumens mit möglichst geringer Dämpfung an das Sensorelement, insbesondere
den Drucksensor, übertragen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0008] Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
[0009]
- Figur 1
- die Darstellung eines Verdichtergehäuses eines Verdichterteiles einer Aufladeeinrichtung,
- Figur 2
- eine Anordnung einer bisher eingesetzten Druckmesseinrichtung,
- Figur 3
- eine zurückversetzt angeordnete Druckmesseinrichtung mit einem zylindrisch ausgebildeten
Verbindungskanal zum zu sensierenden Gasvolumen,
- Figur 4
- eine weitere Ausführungsform einer zurückversetzt angeordneten Druckmesseinrichtung
mit trichterförmigem Verbindungskanal,
- Figur 5
- einen Kühlkörper zur Kühlung der zurückversetzt angeordneten Druckmesseinrichtung
gemäß der Darstellung in Figur 4, und
- Figur 6
- eine zurückversetzt angeordnete Druckmesseinrichtung mit einem sich verjüngenden Strömungsquerschnitt
mit gerundeten Kanalwänden.
Ausführungsformen
[0010] Der Darstellung in Figur 1 ist ein Verdichterteil einer als Abgasturbolader ausgebildeten
Aufladeeinrichtung zu entnehmen.
[0011] Wie aus der stark vereinfachten schematischen Wiedergabe in Figur 1 hervorgeht, umfasst
eine Aufladeeinrichtung 10, die insbesondere als Abgasturbolader ausgeführt ist, einen
Verdichterteil 12. Der Verdichterteil 12 seinerseits umfasst ein Verdichterlaufrad
19, welches um seine Achse rotiert und über eine in Figur 1 nicht dargestellte Welle
von einem Turbinenteil der bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildeten Aufladeeinrichtung
10 angetrieben ist. Das Verdichterlaufrad 19 rotiert um die Achse und verdichtet einströmende
Luft 18 von einem Eintrittsdruck p
1 auf einen Austrittsdruck p
2. Bei der Verdichtung der einströmenden Luft 18 erwärmt sich die Luft auf eine Temperatur
bei Austritt aus dem Verdichterlaufrad 19, die in der Größenordnung von 200 °C liegt.
Mit dem Austrittsdruck p
2 und der eben erwähnten Austrittstemperatur tritt die verdichtete Luft in ein Volumen
22 des Verdichterteiles 12 ein. Abströmseitig in Bezug auf das Verdichterlaufrad 19
ist ein Diffusorkanal 20 ausgeführt, der in ein Spiralgehäuse 14, als welches das
Verdichtergehäuse bevorzugt ausgeführt ist, mündet. Eine Wandung 16, die einerseits
das Verdichtergehäuse 14 in Spiralform darstellt und andererseits das Volumen 22 begrenzt,
ist in der schematischen Darstellung gemäß Figur 1 durch Bezugszeichen 16 identifiziert.
[0012] Wie Figur 1 des Weiteren zeigt, ist in die Wand 16, welche das Verdichtergehäuse
14 im Bereich des Volumens 22 von verdichteter Luft begrenzt, eine Druckmesseinrichtung
24 eingelassen. Diese umfasst mindestens eine Signalleitung 26, über welche ein gemäß
der Darstellung in Figur 1 nur schematisch angedeutetes Sensorelement 25 mit einer
Auswerteelektronik oder einem Motorsteuergerät oder dergleichen in Verbindung steht.
[0013] Figur 2 zeigt die Einbauverhältnisse des Drucksensors in das Verdichtergehäuse der
Aufladeeinrichtung in einem vergrößerten Maßstab.
[0014] Wie der schematischen Darstellung in Figur 2 entnehmbar ist, ist in die Wand 16,
die das Volumen 22 begrenzt, die Druckmesseinrichtung 24 eingesetzt. Die Druckmesseinrichtung
24 umfasst eine innerhalb des Gehäuses verlaufende Signalleitung 26, über welche das
Sensorelement 25 kontaktiert ist. Aus Figur 2 geht hervor, dass das Sensorelement
25 in etwa in der Ebene der Wand 16 liegt, die das Volumen 22 umschließt. Das Volumen
22 ist - wie in Figur 1 bereits beschrieben - die verdichtete Frischluft, die mit
dem Zustand p
2, ϑ
2 aus dem Verdichterlaufrad 19 des Verdichterteiles 12 austritt. Dies bedeutet, dass
das in Figur 2 dargestellte Sensorelement 25 der Druckmesseinrichtung 24 im Bereich
der Wand 16 dem Volumen 22 und damit dem in diesem herrschenden Druck p
2 und dessen Temperatur ϑ
2, die in der Größenordnung von etwa 200 °C liegt, unmittelbar ausgesetzt ist. Während
mit der Anordnung gemäß Figur 2 zwar eine ungedämpfte Sensierung der Gasdynamik innerhalb
des Volumens 22 möglich ist, verkürzt die Temperatur des Volumens 22, die in der Größenordnung
von etwa 200 °C liegt, die Lebensdauer des in Figur 2 dargestellten Sensorelementes
25 der Druckmesseinrichtung 24 erheblich.
[0015] Der Darstellung gemäß Figur 3 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Lösung zu entnehmen.
[0016] In Gegenüberstellung der zuvor beschriebenen Figur 2 ist in der ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung gemäß Figur 3 die Druckmesseinrichtung
als zurückversetztes Sensorelement 34 in Bezug auf die das Volumen 22 begrenzende
Wand 16 ausgeführt. Dies bedeutet, dass zwischen der Mündungsstelle des Kanals 36
in der Wand 16 und der Position des zurückversetzt angeordneten Sensorelementes 34
ein Abstand 44 - angedeutet durch den Doppelpfeil in Figur 3 - herrscht. Damit ist
das zurückversetzt von der Mündung des Kanals 36 angeordnete Sensorelement 34 dem
Volumen (p
2, ϑ
2, wie vorstehend beschrieben) nicht mehr unmittelbar ausgesetzt, sondern durch den
Kanal 36 insbesondere vor der erhöhten Temperatur des Volumens 22 geschützt. Der in
Figur 3 dargestellte Kanal 36, der das Volumen 22 und die als zurückversetztes Sensorelement
34 ausgeführte Druckmesseinrichtung verbindet, ist zylindrisch ausgebildet. Wenngleich
in Figur 3 nicht näher dargestellt, wird die Mündung des zylindrisch ausgebildeten
Kanals 36 in der Wand 16 bevorzugt mit einem gerundeten Einlauf versehen, um die Strömung
möglichst ungedämpft und ungefiltert auf die als zurückversetztes Sensorelement 34
ausgeführte Druckmesseinrichtung zu leiten. Das Gehäuse der Druckmesseinrichtung 24
weist eine Ausnehmung 30 auf, in die die Elektronik der Druckmesseinrichtung untergebracht
ist. Bezugszeichen 38 bezeichnet die Zylinderform des Kanals 36 zur Beaufschlagung
des zurückversetzt angeordneten Sensorelementes 34 mit dem Volumen 22, dessen Gasdynamik
zu sensieren ist.
[0017] Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung.
[0018] Wie Figur 4 zu entnehmen ist, ist die als zurückversetztes Sensorelement 34 ausgeführte
Druckmesseinrichtung mit dem Volumen 22, dessen Gasdynamik sensiert werden soll, ebenfalls
über den Kanal 36 verbunden, der eine Trichterform 40 aufweist. Dies bedeutet, dass
Kanalwände 42 des Kanals 36 in Trichterform 40 einen Kegelwinkel in Bezug aufeinander
einschließen. Der Kanal 36 in Trichterform 40 kann einen kreisrunden Querschnitt aufweisen,
der sich ausgehend von der Mündungsstelle des Kanals 36 in der Wand 16 in Richtung
auf das zurückversetzt angeordnete Sensorelement 34 der Druckmesseinrichtung 24 kontinuierlich
verjüngt. Der Abstand, in welchem die als zurückversetzt angeordnetes Sensorelement
34 ausgeführte Druckmesseinrichtung in Bezug auf die Mündungsstelle des Kanals 36
mit Trichterform 40 in der Wand 16 angeordnet ist, ist durch Bezugszeichen 44 bezeichnet.
[0019] Der Darstellung gemäß Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Druckmesseinrichtung zu entnehmen.
[0020] Figur 5 zeigt, dass die als zurückversetzt angeordnetes Sensorelement 34 ausgeführte
Druckmesseinrichtung ebenfalls in einem Abstand 44 in Bezug auf die Mündung des Kanals
36 in Trichterform 40 angeordnet ist. Der Kanal 36, der sich durch die Wand 16 des
Verdichtergehäuses 14 des Verdichterteiles 12 in Richtung auf die Ausnehmung 30 der
Druckmesseinrichtung 24 erstreckt, weist einen sich kontinuierlich verjüngenden Querschnitt
auf. Wie Figur 5 des Weiteren zu entnehmen ist, wird die Druckmesseinrichtung 24 durch
eine Anzahl von Kühlrippen 46 gekühlt. Anstelle der Kühlrippen 46 kann auch mindestens
ein Kühlkörper in einer anderen Geometrie als der Rippenform der Druckmesseinrichtung
24 zugeordnet sein. Eine Anordnung eines Kühlkörpers 46 beziehungsweise von Kühlrippen
46 bietet die Möglichkeit, das Temperaturniveau, welchem die als zurückversetztes
Sensorelement 34 ausgeführte Druckmesseinrichtung ausgesetzt ist, noch weiter abzusenken.
Die in den Figuren 4 und 5 dargestellte Trichterform 40 kann beispielsweise in einem
Kegelwinkel von 15, 20 oder mehr Winkelgraden an zueinander angeordneten Kanalwänden
42 ausgeführt sein und ermöglicht in vorteilhafter Weise die Übertragung eines Pulsationssignales
mit möglichst geringer Dämpfung aus dem Volumen 22 an das zurückversetzt am Ende des
Kanals 36 in Trichterform 40 angeordneten Sensorelementes 34. Die Geometriedaten des
Kanals 36 in Trichterform 40 werden so gewählt, dass diese den am jeweiligen Verdichterteil
12 der Aufladeeinrichtung 10 üblicherweise zu erwartenden Frequenzbereich für die
Pulsationen berücksichtigen, die mit der als zurückversetztes Sensorelement 34 ausgebildeten
Druckmesseinrichtung erfasst werden.
[0021] Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Druckmesseinrichtung
mit einem Verbindungskanal in Exponentialform.
[0022] Wie der Darstellung gemäß Figur 6 zu entnehmen ist, verläuft zwischen der das Volumen
22 begrenzenden Wand 16 des Verdichtergehäuses 14 und der als zurückversetzt angeordnetes
Sensorelement 34 ausgeführten Druckmesseinrichtung der Kanal 36, der einerseits, bezogen
auf seine Mündungsstelle in der Wand 16, in Richtung auf das zurückversetzt angeordnete
Sensorelement 34 eine kontinuierliche Querschnittsverjüngung 48 aufweist und andererseits
in entsprechender Exponentialform 52 gerundete Wände 50 umfasst. Über die gerundeten
Wände 50, welche den Exponential-Kanal 52, der symmetrisch zu seiner Symmetrieachse
54 ausgebildet ist, begrenzen, erfolgt ein besonders dämpfungsarmes Übertragen der
Pulsationen des Volumens 22 in den gemäß der Exponentialform 52 gerundete Wände 50
aufweisenden Kanal 36. In Bezug auf die in Zusammenhang mit den Figuren 4 und 5 erläuterte
Trichterform 40 des Verbindungskanals 36 zwischen dem Volumen 22 und der als zurückversetzt
angeordnetes Sensorelement 34 ausgeführten Druckmesseinrichtung stellt die in Figur
6 dargestellte Ausführungsform des Verbindungskanals die ideale Auslegung dar. Der
"Exponential-Kanal" stellt eine Auslegungsform des Kanals 36 dar, der ebenfalls einen
sich zum zurückversetzt angeordneten Sensorelement 34 kontinuierlich verjüngenden
Querschnitt 48 aufweist.
[0023] Dieser ist symmetrisch zur Symmetrieachse 54 ausgeführt und ermöglicht ebenfalls,
die als zurückversetzt angeordnetes Sensorelement 34 ausgeführte Druckmesseinrichtung
in einem Abstand 44 von der Mündungsstelle der Wand 16 anzuordnen. Der Abstand 44,
um den die als zurückversetztes Sensorelement 34 ausgeführte Druckmesseinrichtung
angeordnet ist, bezieht sich auf die Seite der Wand 16, die dem Volumen 22 zuweist.
Aufgrund der gerundeten Wände 50 kann eine nahezu ungedämpfte Übertragung der Gasdynamik
beziehungsweise von Pulsationen innerhalb des Volumens 22 im Wesentlichen verlustfrei
an das zurückversetzt angeordnete Sensorelement 34 übertragen werden, welches eine
bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Druckmesseinrichtung
darstellt. Der Exponential-Kanal ist durch Bezugszeichen 52 gekennzeichnet und durch
die einer Exponentialfunktion folgenden gerundeten Wände 50 einerseits und durch den
sich kontinuierlich verjüngenden Querschnitt 48 andererseits maßgeblich charakterisiert.
[0024] Es besteht auch die Möglichkeit, einen Kühlkörper 46 mit einem Kanal 52 zu kombinieren,
dessen Wände eine der Exponentialfunktion folgende Rundung aufweisen. Der Kühlkörper
46 kann dabei in Rippenform ausgebildet sein oder aber durch das Gehäuse oder Teilen
von diesem gebildet werden, um eine zusätzliche Temperaturabsenkung erreichen zu können.
Bevorzugt wird die als zurückversetzt angeordnetes Sensorelement 34 ausgebildete,
erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung in einem Kanal untergebracht, dessen Dämpfung
durch die Kanalgeometrie minimiert ist. Neben der bereits mehrfach erwähnten Exponentialfunktion,
welche die Rundung der den Kanal begrenzenden Wände charakterisiert, kann, wie vorstehend
ebenfalls bereits angeklungen, auch eine Trichterform 40 mit kreisrunder Querschnittsverjüngung
48 in Richtung auf das in einem Abstand 44 von der Wand 16 angeordnete Sensorelement
34 der Druckmesseinrichtung 24 erreicht werden.
1. Druckmesseinrichtung (24, 34) für eine Aufladeeinrichtung (10), insbesondere einen
Abgasturbolader, zur Erfassung eines Druckes p2 eines gasförmigen Mediums (18) in einem Volumen (22) des gasförmigen Mediums (18)
eines Verdichterteiles (12) der Aufladeeinrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (24) ein Sensorelement (34) aufweist, welches in einem Abstand
(44) von einer das Volumen (22) begrenzenden Wand (16) angeordnet ist.
2. Druckmesseinrichtung (24, 34) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (34) innerhalb eines Kanals (36, 38, 40, 52) angeordnet ist, der
in die das Volumen (22) begrenzende Wand (16) mündet.
3. Druckmesseinrichtung (24, 34) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (36) in Zylinderform (38) ausgeführt ist.
4. Druckmesseinrichtung (24, 34) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (36) in Trichterform (40) ausgeführt ist.
5. Druckmesseinrichtung (24, 34) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (36, 52) einen sich kontinuierlich verjüngenden Querschnitt (48) in Richtung
auf ein zurückversetzt angeordnetes Sensorelement (34) aufweist.
6. Druckmesseinrichtung (24, 34) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (36, 38, 40, 52) gerundete Wände (50) nach Art der Exponentialfunktion
(52) aufweist.
7. Druckmesseinrichtung (24, 34) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (24, 34) über einen Kühlkörper (46), Kühlrippen oder das
Gehäuse gekühlt ist.
8. Druckmesseinrichtung (24, 34) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (36, 38, 40, 52) insbesondere einen gerundeten Einlauf (50) aufweist.
9. Druckmesseinrichtung (24, 34) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zurückversetzte Sensorelement (34) koaxial zur Symmetrieachse (54) des Kanals
(36, 52) angeordnet ist und in einem Abstand (44) zum Kanal (36, 52) angeordnet ist,
bezogen auf eine dem Volumen (22) des gasförmigen Mediums (18) zuweisende Seite einer
Wand (16) des Verdichtergehäuses (14).
10. Druckmesseinrichtung (24, 34) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (36, 38, 40, 52) symmetrisch zu einer Achse (54) ausgeführt ist.
11. Druckmesseinrichtung (24, 34) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein bezogen auf eine Wand (16) zurückversetzt angeordnetes Sensorelement (34)
umfasst, das in einem sich kontinuierlich verjüngenden Kanal (40, 42, 52) aufgenommen
ist und einen Kühlkörper (46) aufweist oder über ein Gehäuseteil gekühlt ist.