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Die
Erfindung betrifft einen induktiven Drehzahlsensor für
einen Abgasturbolader, mit einem Kern aus einem Metall, das ein
von einem Magneten erzeugtes Magnetfeld leitet und einer Spule,
die zumindest um Teile des Kerns gewunden ist, wobei der induktive
Drehzahlsensor im Bereich des Lufteinlasses eines Kompressorgehäuses
des Abgasturboladers angeordnet ist.
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Die
von einer Brennkraftmaschine erzeugte Leistung hängt von
der Luftmasse und der Kraftstoffmenge ab, die der Brennkraftmaschine
zugeführt werden kann. Zur Leistungssteigerung ist es notwendig
der Brennkraftmaschine mehr Verbrennungsluft und Kraftstoff zuzuführen.
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.
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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 Verdichter
und einer Turbine, die mit einer gemeinsamen Welle verbunden sind
und mit der gleichen Drehzahl rotieren. Die Turbine setzt die normalerweise
nutzlos verpuffende Energie des Abgases in Rotationsenergie um und
treibt den Verdichter an. Der Verdichter, der in diesem Zusammenhang
auch als Kompressor bezeichnet wird, 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.
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Bei
zunehmender Abgasmenge kann die maximal zulässige Drehzahl
der Kombination aus dem Turbinenrad, dem Kompressorrad und der Turbowelle,
die auch als Laufzeug des Abgasturboladers bezeichnet wird, überschritten
werden. Bei einer unzulässigen Überschreitung
der Drehzahl des Laufzeuges würde dieses zerstört
werden, was einem Totalschaden des Turboladers gleichkäme.
Gerade moderne und kleine Turbolader mit deutlich kleineren Turbinen-
und Kompressorraddurchmessern, die durch ein erheblich kleineres
Massenträgheitsmoment ein verbessertes Drehbeschleunigungsverhalten
aufweisen, werden vom Problem der Überschreitung der zulässigen
Höchstdrehzahl betroffen. Je nach Auslegung des Turboladers
führt schon eine Überschreitung der Drehzahlgrenze
um etwa 5 zur kompletten Zerstörung des Turboladers.
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Die
DE 38 01 171 C1 offenbart
eine Einrichtung zur Erfassung der Drehzahl der Welle eines Abgasturboladers.
Ein ferromagnetisches Bauteil ist in einem Gehäuseabschnitt
des Abgasturboladers gehalten. Das ferromagnetische Bauteil weist
zwei Schenkel auf, die jeweils in den Strömungsraum des Abgasturboladers
hinein ragen. Teile der Schenkel werden von Induktionsspulen umschlossen.
Ein Permanentmagnet auf der Turbowelle erzeugt ein veränderliches
Magnetfeld, dass über die Schenkel zu den Spulen geleitet
wird. Die in den Strömungsraum hinein ragenden Schenkel
beeinflussen den Luftstrom zum Kompressor nachhaltig, was einen
geringeren Wirkungsgrad des Abgasturboladers zur Folge hat. Darüber
hinaus ist die Montage des Drehzahlsensors nach der
DE 38 01 171 C1 aufwendig,
da das Gehäuse des Kompressors durchbrochen werden muss, um
den Drehzahlsensor einzusetzen. Weil der Abgasturbolader ein thermisch
extrem belastetes Bauteil ist, ist eine Durchbrechung des Kompressorgehäuses
sehr nachteilig. Die unterschiedlichen Materialien des Kompressorgehäuses
und des Drehzahlsensors weisen unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten
auf, wodurch sich die Abdichtung der Durchbrechungen sehr schwierig
gestaltet. Eine suffiziente Abdichtung der Durchbrechungen verursacht
unerwünscht hohe Kosten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen induktiven
Drehzahlsensor für einen Abgasturbolader anzugeben, der
keine aerodynamischen Störungen im Lufteinlass des Kompressors verursacht
und der einfach und kostengünstig am Kompressorgehäuse
montierbar ist und der dennoch ein qualitativ hochwertiges Drehzahlsignal
liefert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale
des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass der Kern des induktiven Drehzahlsensors den Lufteinlass zumindest
teilweise an der Außenseite umfasst, wodurch das Magnetfeld
zu der Spule hin geführt wird, wird der Luftstrom im Lufteinlass
des Kompressors nicht gestört. Dennoch ist es möglich
das magnetische Feld zu sammeln und eine Änderung des magnetischen
Feldes mit hoher Effizienz zu der Spule zu leiten, womit eine gute
Signalqualität erreicht wird. Das Signal des Drehzahlsensors
wird als gut eingestuft, wenn das vom veränderlichen Magnetfeld
in der Spule erzeugte Signal deutlich das elektronische Rauschen
und Störsignale von außen übersteigt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des induktiven
Drehzahlsensors kann auf eine Durchbrechung des Kompressorgehäuses
völlig verzichtet werden. Dies ist für den Hersteller
von Abgasturboladern besonders vorteilhaft, weil sich durch die
Anwendung des erfindungsgemäßen Drehzahlsensors
keinerlei konstruktive Einschränkungen ergeben und auch
schon vorhandene Serienabgasturbolader mit dem erfindungsgemäßen
Drehzahlsensor ausrüstbar sind.
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Bei
einer Ausgestaltung ist der Kern des Drehzahlsensors als Schlauchschelle
ausgebildet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein Luftschlauch mit
der Schlauchschelle an dem Lufteinlass befestigt ist. Ist nun der
Kern des Drehzahlsensors als Schlauchschelle ausgebildet, so erfüllt
die Schlauchschelle eine Vielzahl von Funktionen. Zunächst
sichert sie die Lage des Luftschlauchs am Lufteinlass, dann dient
sie zur Sammlung des von Magneten erzeugten Magnetfeldes und sie
leitet das Feld zu der Induktionsspule und darüber hinaus
trägt und fixiert die Schlauchschelle den gesamten induktiven
Drehzahlsensor. Eine solche Multifunktionalität dieses einzelnen
Merkmals führt zu einem kostengünstigen und insgesamt
relativ leichten Drehzahlsensor, verglichen mit einer Realisierung
der genannten Eigenschaften auf der Basis separater Bauteile.
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Bei
einer Weiterbildung ist die Schlauchschelle mit einem nicht magnetischen
Spannelement gespannt. Mit einem derartigen Spannelement lässt sich
die Schlauschelle sehr schnell und einfach um den Luftschlauch zu
spannen.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es
zeigt:
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1:
einen Abgasturbolader mit einer Turbine und einem Kompressor,
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2:
den Kompressor in einer Schnittdarstellung,
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3:
den Kompressor mit einem induktiven Drehzahlsensor nach dem Stand
der Technik,
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4:
den Lufteinlass des Kompressors mit einem erfindungsgemäßen
induktiven Drehzahlsensor.
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1 zeigt
einen Abgasturbolader 1 mit einer Turbine 2 und
einem Kompressor 3. In dem 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. Die Kombination
aus Kompressorrad 9, Turbowelle 5 und Turbinenrad 4 wird
auch als Laufzeug bezeichnet. 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 16 eingesaugt,
die dann im Kompressor 3 verdichtet und über den
Luftauslass 6 der Verbrennungskraftmaschine zugeführt
wird.
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2 zeigt
den Kompressor 3 in einer Schnittdarstellung. In dem Kompressorgehäuse
ist das Kompressorrad 9 zu erkennen. Das Kompressorrad 9 ist
auf der Turbowelle 5 mit dem Magnetfeld erzeugenden Element 17 befestigt.
Das Magnetfeld erzeugende Element 17 befindet sich damit
im Lufteinlass 16 des Kompressors 3. Das Magnetfeld
erzeugende Element 17 kann zum Beispiel als magnetisierte
Mutter ausgebildet sein, die auf ein auf der Turbowelle 5 aufgebrachtes
Gewinde aufgeschraubt wird, um das Kompressorrad 9 gegen
einen Bund der Turbowelle 5 mit dieser fest zu verspannen.
In dem Magnetfeld erzeugenden Element 17 befindet sich
z. B. ein ringförmiger Permanentmagnet 13. Der
Magnet 13 dreht sich bei der Rotation der Turbowelle 5 mit
dieser um die Rotationsachse der Turbowelle 5. Dabei erzeugt
der Magnet 13 eine Änderung der magnetischen Feldstärke
bzw. des magnetischen Feldgradienten in dem Sensor 15.
Diese Änderung des Magnetfeldes bzw. des Feldgradienten
erzeugt im Sensor 15 ein elektronisch verarbeitbares Signal, das
proportional zur Drehzahl der Turbowelle 5 ist.
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3 zeigt
den Kompressor 3 mit einem induktiven Drehzahlsensor 15 nach
dem Stand der Technik. Zu erkennen ist das Kompressorgehäuse mit
dem Luftauslass 6 und dem Lufteinlass 16. Im Lufteinlass 16 ist
die Turbowelle 5 zu erkennen, auf der das Magnetfeld erzeugende
Element 17 angeordnet ist. In diesem Beispiel ist das Magnetfeld
erzeugende Element 17 als Mutter mit integriertem Permanentmagnet
ausgebildet. Das Magnetfeld erzeugende Element 17 erzeugt
das Magnetfeld 18, welches sich bei der Drehung der Turbowelle 5 mit
dieser dreht und im Sensor 15 ein veränderliches
magnetisches Feld 18 hervorruft. Der Sensor 15 ist
als induktiver Sensor ausgebildet mit einer Spule 10, die sich
um einen Kern 11 windet. Zur besseren Erfassung des Magnetfeldes 18 erstreckt
sich der Kern 11 in den Lufteinlass 16 des Kompressors 3.
Der Kern 11 ist aus einem Metall gefertigt, dass das Magnetfeld 18 gut
leitet, womit in der Induktionsspule 10 ein elektrisches
Signal hervorrufen wird. Nachteilig bei der Anordnung nach dem Stand
der Technik ist, dass der Kern 11 in den Lufteinlass 16 des
Kompressors 3 hineinragt. Dadurch wird die Luftströmung
im Lufteinlass 16 gestört, was den Wirkungsgrad
des Kompressors 3 und damit des gesamten Abgasturboladers 1 herabsetzt.
Darüber hinaus ist zu erkennen, dass das Gehäuse
des Kompressors 3 seitlich durchbrochen werden muss, um
den Kern 11 des Sensors 15 in den Lufteinlass 16 einführen
zu können. Im Bereich der Durchbrechung entstehen erhebliche
Abdichtungsprobleme, da das Material des Kompressors 3 einen anderen
Wärmedehnungskoeffizient als der Kern 11 des Sensors 15 besitzt,
womit es bei der erheblichen thermischen Belastung des Turboladers
zu signifikanten temperaturabhängigen Dehnungsunterschieden
zwischen dem Material des Kompressors 3 und dem des Kerns 11 kommen
kann.
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Zur
Vermeidung dieser Nachteile wird ein in 4 dargestellter
induktiver Drehzahlsensor 4 vorgeschlagen. 4 zeigt
den Lufteinlass 16 des Kompressors 3 mit einem
erfindungsgemäßen induktiven Drehzahlsensor 15.
Im Lufteinlass 16 des Kompressors 3 ist wiederum
das Magnetfeld erzeugende Element 17 zu erkennen, das auf
der Turbowelle 5 angeordnet ist. Der im Magnetfeld erzeugende
Element 17 integrierte Permanentmagnet 13 besitzt
einen Nordpol N und einen Südpol S. Zwischen dem Nordpol
N und dem Südpol S bildet sich das Mag netfeld 18 aus. Das
Magnetfeld 18 rotiert mit der Turbowelle 5 bei
deren Drehung. Damit erzeugt das rotierende Magnetfeld ein der Drehzahl
proportionales elektronische Signal im Sensor 15, das über
die Anschlusskabel 14 abgegriffen werden kann.
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Der
erfindungsgemäße induktive Drehzahlsensor 15 weist
wiederum eine Spule 10 auf, die sich um einen Kern 11 windet.
Der Kern 11 des erfindungsgemäßen Drehzahlsensors 15 umfasst
zumindest teilweise den Lufteinlass 16 an dessen Außenseite 21.
Dadurch wird das Magnetfeld 18 sehr effektiv gesammelt
und zu der Spule 10 hin geleitet. Dies hat den Vorteil,
dass ein sehr gut messbares Signal in der Spule 10 erzeugt
wird, wobei der Kern 11 des Drehzahlsensors 15 nicht
in den Lufteinlass 16 des Kompressors 3 hineinragt.
Eine Durchbrechung des Gehäuses des Kompressors 3 ist
bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Drehzahlsensors 15 nicht
notwendig.
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Darüber
hinaus kann der Kern 11 des erfindungsgemäßen
Drehzahlsensors 15 als Schlauchschelle 19 ausgebildet
sein, die den Luftschlauch 12 am Lufteinlass 6 des
Kompressors 3 sicher fixiert. Die Schlauchschelle 19 kann
z. B. mit einem Spannelement 20 gegen den Luftschlauch 12 verspannt werden.
Damit bietet sich eine sehr einfache und effektive Befestigungsmethode
für den Luftschlauch am Lufteinlass 16 des Kompressors 3.
Darüber hinaus bildet der als Schlauchschelle 19 ausgebildete Kern 11 ein
tragendes Element für den erfindungsgemäßen
Drehzahlsensor 15. Der erfindungsgemäße induktive
Drehzahlsensor 15 erfüllt damit eine Vielzahl
von Funktionen, die nach dem Stand der Technik in einzelnen Elementen
realisiert werden müssen. Diese Multifunktionalität
des erfindungsgemäßen induktiven Drehzahlsensors 15 ergibt
ein sehr kostengünstiges und damit effektives Bauelement.
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- 1
- Abgasturbolader
- 2
- Turbine
- 3
- Kompressor
- 4
- Turbinenrad
- 5
- Turbowelle
- 6
- Luftauslass
- 7
- Turbineneinlass
- 8
- Turbinenauslass
- 9
- Kompressorrad
- 10
- Spule
- 11
- Kern
- 12
- Luftschlauch
- 13
- Magnet
- 14
- Anschlusskabel
- 15
- Sensor
- 16
- Lufteinlass
- 17
- Magnetfeld
erzeugendes Element
- 18
- Magnetfeld
- 19
- Schlauchschelle
- 20
- Spannelement
- 21
- Außenseite
- N
- Nord
- S
- Süd
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3801171
C1 [0005, 0005]