專利名稱：有源傳感器元件和用于測定有源傳感器元件的溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的有源傳感器 元件，以及一種用于測定有源傳感器元件的溫度的方法。
背景技術(shù)：
由內(nèi)燃才幾產(chǎn)生的功率耳又決于空氣量和相應(yīng)的能夠^是供給內(nèi)燃才幾 以供燃燒的燃料量。為了提高內(nèi)燃機的功率，必須給內(nèi)燃機提供更 大量的燃燒用空氣和燃料。這種功率的提高在自然進(jìn)氣發(fā)動機中通 過增大氣缸工作容積或通過提高轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。但是基本上增大氣缸 工作容積導(dǎo)致內(nèi)燃才幾重量更重、尺寸更大且因此更昂貴。
一個經(jīng)常被使用以提高內(nèi)燃機效率的技術(shù)方案是增壓。因此， 人們經(jīng)常將其描述為通過廢氣渦輪增壓器或者也通過用發(fā)動枳4幾械
地驅(qū)動的壓縮機來對燃燒用空氣進(jìn)4亍預(yù)壓縮。廢氣渦4侖增壓器主要 由壓縮機和渦輪機組成，它們與 一個共同的軸連接且以相同的轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)。渦輪機將在其它情況下無用的、需排^:掉的廢氣的能量轉(zhuǎn)化 為轉(zhuǎn)動能量且驅(qū)動壓縮才幾。壓縮才幾吸入并壓縮新鮮空氣，并一夸一皮壓 縮的空氣輸送至發(fā)動機的各個汽缸中。在汽缸中的變大的空氣量可 以被供應(yīng)給增多的燃料量，從而使內(nèi)燃機的功率得到明顯的提高。
此外有利地影響了燃燒過程，從而使內(nèi)燃發(fā)動機獲得了更好的 總效率。此外，可以非常有利地形成利用渦4侖增壓器來增壓的內(nèi)燃才幾的轉(zhuǎn)矩曲線。在不對內(nèi)燃沖幾的結(jié)構(gòu)進(jìn)4亍大的改造的情況下可以通 過使用廢氣渦輪增壓器來顯著地優(yōu)化汽車制造商現(xiàn)有批量生產(chǎn)的自 然進(jìn)氣發(fā)動機。通常增壓過的內(nèi)燃機具有較低的特殊燃料消耗并排 放較少的污染物質(zhì)。此外，渦輪增壓發(fā)動機比相同功率的自然進(jìn)氣 發(fā)動機更為安靜，這是因為廢氣渦輪增壓器自身起到了如附加的消 聲器的作用。
具有大的工作轉(zhuǎn)速范圍的內(nèi)燃機，例如用于轎車的內(nèi)燃機，在 低發(fā)動機轉(zhuǎn)速時就已經(jīng)需要高的增壓壓力。因此在這些渦輪增壓器 (概念渦輪增壓器和廢氣渦輪增壓器在這里作為同義詞使用)中引
入了增壓壓力調(diào)節(jié)閥，即所謂的放氣閥(Waste-Gate-Ventil )。即4吏 在發(fā)動機轉(zhuǎn)速低時，通過選擇相應(yīng)的渦輪機外殼也能迅速地形成高 的增壓壓力。然后增壓壓力調(diào)節(jié)閥(Waste-Gate-Ventil)在發(fā)動才幾轉(zhuǎn) 速增加時將增壓壓力限制在一個相同的固定^f直。同時，可選;也4吏用 具有可變渦輪截面(VTG)的渦輪增壓器。對這種渦輪增壓器來說 通過改變渦專侖截面來調(diào)節(jié)增壓壓力。
隨著廢氣量的增加，渦輪、壓縮機輪和渦輪軸的組合的最大允 許的轉(zhuǎn)速可能被超出，該組合也被稱為渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)機構(gòu)。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)速超過許可時，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)將損壞，這相當(dāng)于渦輪增 壓器完全損壞。具有顯著4交d 、的渦4侖和壓縮枳4侖直徑的新式的和d 、 型的渦輪增壓器恰恰會涉及到允許的最高轉(zhuǎn)速被超過的問題，該渦 輪增壓器由于顯著較小的慣性矩而具有更好的旋轉(zhuǎn)加速性能。才艮據(jù) 渦輪增壓器的設(shè)計，大約超過轉(zhuǎn)速限制的5%就會導(dǎo)致渦輪增壓器 完全損壞。
根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，由轉(zhuǎn)速傳感器控制的增壓壓力調(diào)節(jié)閥被證明是 有效的。如果增壓壓力超過了預(yù)定的閾^f直，那么增壓壓力調(diào)節(jié)閥打 開并且從渦輪才幾旁邊排導(dǎo)出 一部分廢氣質(zhì)流量。由于質(zhì)流量減小， 這消井€更少的功率，且壓縮才幾功率也同才羊;也下降。增壓壓力以及渦輪和壓縮機輪的轉(zhuǎn)速降低。WO2006/005662A1中乂>開了使用有源傳 感器，例如霍爾傳感器或磁阻傳感器，以用于測量渦輪軸的轉(zhuǎn)速和 控制增壓壓力調(diào)節(jié)閥。當(dāng)然對這些有源傳感器來說，渦輪增壓器內(nèi) 部及其上的溫度為臨界值。在半導(dǎo)體基底上制造的傳感器可以在溫 度達(dá)到最高170攝氏度時使用。如果半導(dǎo)體內(nèi)部的溫度超過這個值， 就可能導(dǎo)致傳感器遭受不能修復(fù)的損壞，從而可能再次產(chǎn)生錯誤的 轉(zhuǎn)速信號，最后可能導(dǎo)致葉輪的轉(zhuǎn)速過高從而損壞渦輪增壓器。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提出一種用于測量渦輪增壓器上的溫 度，尤其是測量渦輪增壓器上有源傳感器的范圍內(nèi)的溫度的裝置和 方法。上述方法和裝置應(yīng)該能夠一皮盡可能成本^f氏廉地構(gòu)成。
鑒于根據(jù)本發(fā)明的裝置，該目的被這樣的實現(xiàn)，即利用二極管 的電流-電壓特性曲線來確定傳感器元件內(nèi)的溫度。這樣啦支的優(yōu)點 是，本來存在于有源傳感器元件的保護(hù)電路內(nèi)部的二極管也用于傳 感器元件內(nèi)的溫度控制。通過該措施，以很小的花費就能獲得對廢 氣渦輪增壓器的運行來說很重要的溫度測量值。這樣的話可以這樣 把傳感器元件安裝在渦輪增壓器上，即在傳感器元件的安裝位置測 量渦輪增壓器的溫度。然而，當(dāng)在高溫位置(超過170攝氏度)進(jìn) 行轉(zhuǎn)速測量時，傳感器元件也可以與渦輪增壓器熱退耦。此外，借
渦輪增壓器上的溫度。
如果信號引腳和電源電壓引腳之間形成有一個開關(guān)，可根據(jù)需 求測得相應(yīng)的信號(轉(zhuǎn)速或溫度)，該開關(guān)或者將電源電壓引腳連接 至電源電壓以獲得廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速，或者將信號51腳連接至 電源以獲得溫度。在這種情況下，當(dāng)該開關(guān)^皮設(shè)計成凄t字開關(guān)時是 有利的。在本發(fā)明的一個改進(jìn)方案中，二極管上的下降的電壓^皮用作傳 感器內(nèi)溫度的標(biāo)準(zhǔn)。在二極管上的下降的電壓的范圍內(nèi)測量電壓只 需要很少的技術(shù)花費而且可成本低廉地實現(xiàn)。由此二才及管上的電壓 降可以數(shù)字或才莫擬地測定。
在一個有利的改進(jìn)方案中，用于獲得傳感器元件的溫度的電路
至少部分地形成在傳感器芯片的ASIC上。這樣做的優(yōu)點是不需 要用于傳感器元件的溫度信號的外部的計算電路。通常根據(jù)客戶的 需求來制造ASIC,并且將其它的電子元件，如開關(guān)和電壓測量裝置， 集成在同 一個ASIC上只是一筆很小的附加費用。
根據(jù)一個有利的實施例，可將有源傳感器元件放置在進(jìn)氣口的 范圍內(nèi)的壓縮才幾外殼的外壁上。在該實施例中，不必對壓縮才幾外殼 或在渦輪增壓器的進(jìn)氣口內(nèi)進(jìn)行任何改造。進(jìn)氣口的橫截面完全保 持不變，并且不會通過傳感器元件或傳感器在壓縮枳4侖前面的氣流 中造成不良的影響。例如布置在渦輪軸的壓縮機側(cè)的末端的強》茲體 在渦輪軸旋轉(zhuǎn)時在布置在壓縮機外殼的外壁上的傳感器元件內(nèi)產(chǎn)生 足夠強的》茲場變〗匕，/人而可以在傳感器內(nèi)產(chǎn)生一個與渦4侖軸的4爭速 相對應(yīng)的電信號。
鑒于所述方法，該目的通過一個有源傳感器實現(xiàn)，該有源傳感 器用于檢測廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速而且包括一個傳感器芯片和一個 帶有至少一個二極管的保護(hù)電路，其中
a) 首先，開關(guān)切斷傳感器芯片的電源電壓(Vcc)并且將 二才及管與電源連4妾起來，
b) 然后，電壓測量裝置測量二才及管上的電壓降，以及C) 最后，在已知輸入電流的情況下由測得的電壓降推導(dǎo)出
傳感器元件內(nèi)的溫度。


在附圖中對本發(fā)明的實施例進(jìn)4亍示例性的描述。圖中示出了
圖1是廢氣渦輪增壓器；
圖2是廢氣渦輪增壓器的壓縮機；
圖3是有源傳感器元件；
圖4a是在轉(zhuǎn)速測量的^^式中的、具有擴展線^^的圖3中示出的 結(jié)構(gòu)；
圖4b是在溫度測量的模式中的圖4a中示出的結(jié)構(gòu)； 圖5是取決于溫度的二極管的電流-電壓特性曲線； 圖6是有源傳感器元件在渦輪增壓器上的另一種布置形式。
具體實施例方式
圖1示出了具有渦輪機13和壓縮機14的廢氣渦輪增壓器12。 壓縮機輪15可旋轉(zhuǎn)地安置在壓縮機14中且與渦輪軸16連接。渦輪 軸16也一皮可S走轉(zhuǎn)地安置且其另 一端與渦l侖17連4妄。熱廢氣通過渦 輪進(jìn)口 18由未在此示出的內(nèi)燃機進(jìn)入渦輪機13 ，借此使渦輪17旋 轉(zhuǎn)。廢氣流通過渦壽侖出口 19離開渦4侖機13。渦輪17通過渦輪軸與 壓縮4侖15連4妄。因此渦專侖機13驅(qū)動壓縮才幾14?？諝馔ㄟ^進(jìn)氣口 21吸入壓縮才幾14，然后在壓縮才幾14中凈皮壓縮并且通過排氣口 20|命送 纟會內(nèi)燃才幾。
圖2示出具有渦4侖軸16和壓縮枳4侖15的廢氣渦4侖增壓器12 的壓縮機14。壓縮機輪15可以例如采用精密鑄造法由鋁合金制成。 壓縮機4侖15通常由固定件23固定在渦4侖軸16的壓縮機側(cè)的末端 22。該固定件23可以例如是一個固定螺母，其借助于密封軸套、軸 承環(huán)和間隔套將壓縮機輪15牢固地抵靠著渦^"軸環(huán)撐住。此外，在 渦輪軸16的壓縮才幾側(cè)的末端22可以i殳計有螺紋。
在固定件23和渦4侖軸16之間在渦4侖軸16的壓縮才幾側(cè)的末端 22 i殳計有磁體24。該磁體24用于在渦輪軸16旋轉(zhuǎn)時改變未在此示 出的》茲場。^磁場的這種變化由有源傳感器元件1測定。為此，在有 源傳感器元件1中設(shè)計有傳感器芯片2，其例如可以為霍爾元件或 磁阻元件。此外，圖2示出了有源傳感器元件1上的三個電連接引 腳，其中Vs是電源電壓引腳，Sig是信號引腳而GND表示接地引 腳。通常這三個引腳對驅(qū)動有源傳感器元件1是必要的。圖3示出 了傳感器芯片2的電子電^各，乂人該電子電^各的方面看，該電子電3各 布置在傳感器外殼3中。
圖3示出了有源傳感器元件1。有源傳感器元件1的一個重要 的組成部分是傳感器芯片2,傳感器芯片通常設(shè)計為霍爾元件或》茲 阻元件。為了評估由傳感器芯片2產(chǎn)生的信號，在傳感器外殼3中 設(shè)計有晶體管4。此處晶體管4描述為場效應(yīng)晶體管。但在另外的 實施例中例如也可為雙極晶體管。為了保護(hù)傳感器芯片2和晶體管 4,有源傳感器元件1具有保護(hù)電路5。這里描述的保護(hù)電路5由二 極管6和電容7組成。二極管6也可稱為自振蕩二極管。在本實施 例中電容7與二極管6并聯(lián)連接。通常，所述電子的組成部分共同形成在一個硅-ASIC上。 一個 包括保護(hù)二極管6的這樣的電子電路幾乎在每個有源傳感器元件1 中都用于轉(zhuǎn)速測量。現(xiàn)在通過電源8可向二才及管6l命送恒定的電流。 恒定電流導(dǎo)致在二才及管上出現(xiàn)電壓P爭UD。該電壓降UD可由電壓測 量裝置9測量。在電流lD恒定時，二極管6上的電壓降Uo是溫度 T的函數(shù)。因此可借助利用電壓測量裝置9測得的電壓UD來推導(dǎo)出 二極管6上的溫度T。由于二極管6和傳感器芯片2共同形成在ASIC 上，所以可以同時獲得傳感器芯片2上的溫度T。這是非常有^H直 的信息，可以用于阻止由于超過溫度而導(dǎo)致的有源傳感器1的損壞。 當(dāng)借助于二極管6的電流電壓特性曲線識別出超過溫度時，可采用 相應(yīng)的措施以冷卻有源傳感器元件1和渦輪增壓器12。為此，例如 可以i殳想增強增壓空氣的冷卻或者加強發(fā)動4幾冷卻?？傊趦?nèi)燃才幾 和渦輪增壓器承受很高的負(fù)荷之后，例如通過一段高速公路快速行 駛，渦輪增壓器內(nèi)部會達(dá)到極高的溫度。如果現(xiàn)在中斷行駛并關(guān)掉 內(nèi)燃機，會導(dǎo)致渦輪增壓器12內(nèi)的溫度堆積，從而使渦輪增壓器 12和傳感器元件1中的溫度T急劇升高。這例如會通過潤滑劑在渦 輪軸16上燒焦而導(dǎo)致渦輪增壓器12的損壞。通過借助有源傳感器 元件1的二極管6的電流電壓特性曲線測定渦輪增壓器12上的溫度 T，可以實施對渦輪增壓器12的冷卻，從而避免所述的損壞。
這里描述的用于測定有源傳感器元件1上的溫度T的方法是非 常地成本低廉且高效的，因為有源傳感器元件1本來包括用于測量 溫度的二極管6。僅僅使用來自電源8的電流I，電源8在每臺汽車 里都存在。此外必須引入可成本非常低廉地實現(xiàn)的電壓測量裝置9。 然后在圖3中示出的由電源8和電壓測量裝置9構(gòu)成的電路可在信 號引腳Sig和接地可I腳GND之間切換。這里示出的基本電if各為了驅(qū) 動作為轉(zhuǎn)速傳感器的有源傳感器元件1還圍繞圖4中示出的開關(guān)11 擴展。該開關(guān)ll通常為電子開關(guān)且實現(xiàn)了有源傳感器元件1的轉(zhuǎn)速測量操作(轉(zhuǎn)速模式)和有源傳感器元件1的溫度測量操作(溫度 模式)之間的切換。
圖4a原則上示出了由圖3已知的結(jié)構(gòu)，其中再次在有源傳感器 元件1的傳感器外殼3中布置了傳感器芯片2。該傳感器芯片2檢 測到磁場的變化并因此檢測到渦輪軸16的轉(zhuǎn)速。測量信號由晶體管 4處理且保護(hù)電路5保護(hù)傳感器芯片2和晶體管4。為了測量轉(zhuǎn)速通 過開關(guān)11將傳感器芯片2與電源電壓Vcc連接起來。這種連4妄通 過電源電壓引腳Vs來實現(xiàn)。有源傳感器元件l的4妄地引腳GND與 接地10連接。有源傳感器元件1在示出的開關(guān)11的開關(guān)安置處傳 輸示意性地圖示為矩形信號的轉(zhuǎn)速信號25。在開關(guān)安置處不進(jìn)^f亍溫 度測量。
然而如果改裝電子開關(guān)11,如圖4b所示，那么切斷傳感器芯 片2的電源電壓Vcc,且通過連4妄電源8和二才及管6以及恒定的電 流ID流過二才及管6可以實現(xiàn)溫度的測量。按照ASIC上和同時二才及 管6上的溫度T在二才及管6上下降特定的電壓UD。該電壓Uo或者 用^t字電壓測量器9a或者用才莫擬電壓測量器9b測得。在4妻上恒定 的電流Io時，由在二極管6上下降的電壓Uo可推導(dǎo)出二極管6上 的溫度T。該溫度特性在圖5中示出。
圖5示出了取決于溫度的二極管6的電流電壓特性曲線。明顯 可以看出，在選擇的電流強度Io恒定時，在二極管6上下降的電壓 Ud是溫度T的函lt。例如如果二才及管6上下降相對小的電壓UD
),二極管6上存在一個高的溫度Ti。當(dāng)下降中等的電壓UD(T2) 時，二極管6上存在一個中等的溫度T2，以及當(dāng)下降相對高的電壓 U。(T3)時，二極管6上存在一個低的溫度T3。因此可借助于二極 管6的電流-電壓特性曲線直接推出存在于二極管之上的溫度。如果 把二極管6的電流-電壓特性曲線存儲在一個電子存儲器中，可通過 每個電流-電壓測量來推出二極管6和ASIC上的溫度T。因此當(dāng)測得流過二極管6的電流I時，恒定的電源也許是不必要的。因此電 流強度I是取決于溫度的電壓UD的函數(shù)I ~ UD ( T )。
圖6示出用于轉(zhuǎn)速測量的有源傳感器元件1在渦4侖增壓器12 上的溫度的另一種布置形式。這里有源傳感器元件1布置在壓縮才幾 輪15的葉片的高度上。磁體24位于有源傳感器元件1的傳感器外 殼3內(nèi)。才艮據(jù)渦流法來測量轉(zhuǎn)速，其中溫度測量類似于圖4b中描述 的那樣進(jìn)行。通常對根據(jù)本發(fā)明的測量原則來說，有源傳感器元件 1布置在渦4侖增壓器12的哪個位置是不重要的。才艮據(jù)二才及管6的電 流電壓特性曲線的評〗介原則，溫度測量可在渦4侖增壓器12的任4可位 置進(jìn)行。通過本發(fā)明公開了一種成本非常低且高效的方法用于監(jiān)控 渦輪增壓器12上的溫度情況，基于其對渦輪增壓器12和內(nèi)燃機的 保護(hù)作用，該方法具有不可^f氐估的經(jīng)濟意義。
權(quán)利要求
1. 一種用于檢測廢氣渦輪增壓器(12)的轉(zhuǎn)速的有源傳感器元件(1)，具有帶有至少一個二極管(6)的保護(hù)電路(5)，其特征在于，所述二極管(6)的所述電流電壓特性曲線被評估以確定所述傳感器元件(1)內(nèi)部的溫度(T)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有源傳感器元件(1 )，其特征在于，所 述傳感器元件(1)這樣安裝在所述渦輪增壓器上，即在所述 傳感器元件(1)的安裝位置測量所述渦輪增壓器(12)的溫 度(T)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的有源傳感器元件(1 )，其特征在于， 在信號引腳(Sig)和電源電壓引腳(Vs)之間形成有一個開 關(guān)(11),所述開關(guān)或者將電源電壓引腳(Vs)連接至電源電 壓(Vcc)以檢測所述廢氣渦輪增壓器(12)的轉(zhuǎn)速，或者將 信號引腳(Sig)連接至電源(8)以4企測溫度(T)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中至少一項所述的有源傳感器元件(1 ), 其特征在于，所述二極管(6)上的電壓降(Ud)被用作橫梁 所述傳感器元件(1)中溫度(T)的標(biāo)準(zhǔn)。
5. 根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項所述的有源傳感器元件(1 )，其 特征在于，所述二極管(6)上的電壓降(Uo)可以數(shù)字地(9a)檢測。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項所述的有源傳感器元件(1 )，其 特征在于，所述二極管(6 )上的電壓降(UD )可以模擬地(9b )檢測。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的有源傳感器元件(1 )，其特征在于，所 述開關(guān)(11 )設(shè)計為數(shù)字開關(guān)。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項所述的有源傳感器元件(1 ),其 特征在于，用于檢測所述傳感器元件(1 )的溫度(T)的電路 至少部分地形成在傳感器芯片(2)的ASIC上。
9. 才艮據(jù)前述權(quán)利要求中至少一項所述的有源傳感器元件(1 )，其 特征在于，所述有源傳感器元件(1)可以設(shè)置在進(jìn)氣口 (21) 的范圍內(nèi)的壓縮才幾外殼的外壁上。
10. —種用于測定有源傳感器(1 )的溫度(T)的方法，所述有源 傳感器(1)用于檢測廢氣渦輪增壓器(12)的轉(zhuǎn)速而且包括 一個傳感器芯片(2)和一個帶有至少一個二極管(6)的保護(hù) 電路(5)，其中a) 首先，開關(guān)(11 )切斷所述傳感器芯片(2)的電源電 壓(Vcc )并且將所述二極管(6 )與電源(8 )連接起來；b) 然后，電壓測量裝置(9)測量所述二極管(6)上的電 壓降(UD),以及 c) 最后，在已知輸入電流的情況下由測得的電壓降(UD) 推導(dǎo)出所述傳感器元件(1)內(nèi)的溫度(T)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種有源傳感器元件，其用于檢測廢氣渦輪增壓器的轉(zhuǎn)速，具有帶有至少一個二極管的保護(hù)電路。為了詳細(xì)說明一種用于測量渦輪增壓器上的溫度和尤其是有源傳感器的范圍內(nèi)的渦輪增壓器上的溫度的裝置，對二極管的電流-電壓特性曲線進(jìn)行評估以確定傳感器元件內(nèi)的溫度。
文檔編號F01D17/06GK101438030SQ200780016291
公開日2009年5月20日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月5日
發(fā)明者塞爾久·穆雷尚, 斯特凡·海因里希, 約翰內(nèi)斯·安特, 馬庫斯·吉爾希 申請人:大陸汽車有限責(zé)任公司