专利名称：有源传感器元件和用于测定有源传感器元件的温度的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的有源传感器 元件，以及一种用于测定有源传感器元件的温度的方法。
背景技术：
由内燃才几产生的功率耳又决于空气量和相应的能够^是供给内燃才几 以供燃烧的燃料量。为了提高内燃机的功率，必须给内燃机提供更 大量的燃烧用空气和燃料。这种功率的提高在自然进气发动机中通 过增大气缸工作容积或通过提高转速来实现。但是基本上增大气缸 工作容积导致内燃才几重量更重、尺寸更大且因此更昂贵。
一个经常被使用以提高内燃机效率的技术方案是增压。因此， 人们经常将其描述为通过废气涡轮增压器或者也通过用发动枳4几械
地驱动的压缩机来对燃烧用空气进4亍预压缩。废气涡4仑增压器主要 由压缩机和涡轮机组成，它们与 一个共同的轴连接且以相同的转速 旋转。涡轮机将在其它情况下无用的、需排^:掉的废气的能量转化 为转动能量且驱动压缩才几。压缩才几吸入并压缩新鲜空气，并一夸一皮压 缩的空气输送至发动机的各个汽缸中。在汽缸中的变大的空气量可 以被供应给增多的燃料量，从而使内燃机的功率得到明显的提高。
此外有利地影响了燃烧过程，从而使内燃发动机获得了更好的 总效率。此外，可以非常有利地形成利用涡4仑增压器来增压的内燃才几的转矩曲线。在不对内燃冲几的结构进4亍大的改造的情况下可以通 过使用废气涡轮增压器来显著地优化汽车制造商现有批量生产的自 然进气发动机。通常增压过的内燃机具有较低的特殊燃料消耗并排 放较少的污染物质。此外，涡轮增压发动机比相同功率的自然进气 发动机更为安静，这是因为废气涡轮增压器自身起到了如附加的消 声器的作用。
具有大的工作转速范围的内燃机，例如用于轿车的内燃机，在 低发动机转速时就已经需要高的增压压力。因此在这些涡轮增压器 (概念涡轮增压器和废气涡轮增压器在这里作为同义词使用)中引
入了增压压力调节阀，即所谓的放气阀(Waste-Gate-Ventil )。即4吏 在发动机转速低时，通过选择相应的涡轮机外壳也能迅速地形成高 的增压压力。然后增压压力调节阀(Waste-Gate-Ventil)在发动才几转 速增加时将增压压力限制在一个相同的固定^f直。同时，可选;也4吏用 具有可变涡轮截面(VTG)的涡轮增压器。对这种涡轮增压器来说 通过改变涡專仑截面来调节增压压力。
随着废气量的增加，涡轮、压缩机轮和涡轮轴的组合的最大允 许的转速可能被超出，该组合也被称为涡轮增压器的旋转转机构。 当旋转机构的转速超过许可时，旋转机构将损坏，这相当于涡轮增 压器完全损坏。具有显著4交d 、的涡4仑和压缩枳4仑直径的新式的和d 、 型的涡轮增压器恰恰会涉及到允许的最高转速被超过的问题，该涡 轮增压器由于显著较小的惯性矩而具有更好的旋转加速性能。才艮据 涡轮增压器的设计，大约超过转速限制的5%就会导致涡轮增压器 完全损坏。
根据现有技术，由转速传感器控制的增压压力调节阀被证明是 有效的。如果增压压力超过了预定的阈^f直，那么增压压力调节阀打 开并且从涡轮才几旁边排导出 一部分废气质流量。由于质流量减小， 这消井€更少的功率，且压缩才几功率也同才羊;也下降。增压压力以及涡轮和压缩机轮的转速降低。WO2006/005662A1中乂>开了使用有源传 感器，例如霍尔传感器或磁阻传感器，以用于测量涡轮轴的转速和 控制增压压力调节阀。当然对这些有源传感器来说，涡轮增压器内 部及其上的温度为临界值。在半导体基底上制造的传感器可以在温 度达到最高170摄氏度时使用。如果半导体内部的温度超过这个值， 就可能导致传感器遭受不能修复的损坏，从而可能再次产生错误的 转速信号，最后可能导致叶轮的转速过高从而损坏涡轮增压器。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出一种用于测量涡轮增压器上的温 度，尤其是测量涡轮增压器上有源传感器的范围内的温度的装置和 方法。上述方法和装置应该能够一皮尽可能成本^f氏廉地构成。
鉴于根据本发明的装置，该目的被这样的实现，即利用二极管 的电流-电压特性曲线来确定传感器元件内的温度。这样啦支的优点 是，本来存在于有源传感器元件的保护电路内部的二极管也用于传 感器元件内的温度控制。通过该措施，以很小的花费就能获得对废 气涡轮增压器的运行来说很重要的温度测量值。这样的话可以这样 把传感器元件安装在涡轮增压器上，即在传感器元件的安装位置测 量涡轮增压器的温度。然而，当在高温位置(超过170摄氏度)进 行转速测量时，传感器元件也可以与涡轮增压器热退耦。此外，借
涡轮增压器上的温度。
如果信号引脚和电源电压引脚之间形成有一个开关，可根据需 求测得相应的信号(转速或温度)，该开关或者将电源电压引脚连接 至电源电压以获得废气涡轮增压器的转速，或者将信号51脚连接至 电源以获得温度。在这种情况下，当该开关^皮设计成凄t字开关时是 有利的。在本发明的一个改进方案中，二极管上的下降的电压^皮用作传 感器内温度的标准。在二极管上的下降的电压的范围内测量电压只 需要很少的技术花费而且可成本低廉地实现。由此二才及管上的电压 降可以数字或才莫拟地测定。
在一个有利的改进方案中，用于获得传感器元件的温度的电路
至少部分地形成在传感器芯片的ASIC上。这样做的优点是不需 要用于传感器元件的温度信号的外部的计算电路。通常根据客户的 需求来制造ASIC,并且将其它的电子元件，如开关和电压测量装置， 集成在同 一个ASIC上只是一笔很小的附加费用。
根据一个有利的实施例，可将有源传感器元件放置在进气口的 范围内的压缩才几外壳的外壁上。在该实施例中，不必对压缩才几外壳 或在涡轮增压器的进气口内进行任何改造。进气口的横截面完全保 持不变，并且不会通过传感器元件或传感器在压缩枳4仑前面的气流 中造成不良的影响。例如布置在涡轮轴的压缩机侧的末端的强》兹体 在涡轮轴旋转时在布置在压缩机外壳的外壁上的传感器元件内产生 足够强的》兹场变〗匕，/人而可以在传感器内产生一个与涡4仑轴的4争速 相对应的电信号。
鉴于所述方法，该目的通过一个有源传感器实现，该有源传感 器用于检测废气涡轮增压器的转速而且包括一个传感器芯片和一个 带有至少一个二极管的保护电路，其中
a) 首先，开关切断传感器芯片的电源电压(Vcc)并且将 二才及管与电源连4妾起来，
b) 然后，电压测量装置测量二才及管上的电压降，以及C) 最后，在已知输入电流的情况下由测得的电压降推导出
传感器元件内的温度。
在附图中对本发明的实施例进4亍示例性的描述。图中示出了
图1是废气涡轮增压器；
图2是废气涡轮增压器的压缩机；
图3是有源传感器元件；
图4a是在转速测量的^^式中的、具有扩展线^^的图3中示出的 结构；
图4b是在温度测量的模式中的图4a中示出的结构； 图5是取决于温度的二极管的电流-电压特性曲线； 图6是有源传感器元件在涡轮增压器上的另一种布置形式。
具体实施例方式
图1示出了具有涡轮机13和压缩机14的废气涡轮增压器12。 压缩机轮15可旋转地安置在压缩机14中且与涡轮轴16连接。涡轮 轴16也一皮可S走转地安置且其另 一端与涡l仑17连4妄。热废气通过涡 轮进口 18由未在此示出的内燃机进入涡轮机13 ，借此使涡轮17旋 转。废气流通过涡寿仑出口 19离开涡4仑机13。涡轮17通过涡轮轴与 压缩4仑15连4妄。因此涡專仑机13驱动压缩才几14。空气通过进气口 21吸入压缩才几14，然后在压缩才几14中净皮压缩并且通过排气口 20|命送 纟会内燃才几。
图2示出具有涡4仑轴16和压缩枳4仑15的废气涡4仑增压器12 的压缩机14。压缩机轮15可以例如采用精密铸造法由铝合金制成。 压缩机4仑15通常由固定件23固定在涡4仑轴16的压缩机侧的末端 22。该固定件23可以例如是一个固定螺母，其借助于密封轴套、轴 承环和间隔套将压缩机轮15牢固地抵靠着涡^"轴环撑住。此外，在 涡轮轴16的压缩才几侧的末端22可以i殳计有螺紋。
在固定件23和涡4仑轴16之间在涡4仑轴16的压缩才几侧的末端 22 i殳计有磁体24。该磁体24用于在涡轮轴16旋转时改变未在此示 出的》兹场。^磁场的这种变化由有源传感器元件1测定。为此，在有 源传感器元件1中设计有传感器芯片2，其例如可以为霍尔元件或 磁阻元件。此外，图2示出了有源传感器元件1上的三个电连接引 脚，其中Vs是电源电压引脚，Sig是信号引脚而GND表示接地引 脚。通常这三个引脚对驱动有源传感器元件1是必要的。图3示出 了传感器芯片2的电子电^各，乂人该电子电^各的方面看，该电子电3各 布置在传感器外壳3中。
图3示出了有源传感器元件1。有源传感器元件1的一个重要 的组成部分是传感器芯片2,传感器芯片通常设计为霍尔元件或》兹 阻元件。为了评估由传感器芯片2产生的信号，在传感器外壳3中 设计有晶体管4。此处晶体管4描述为场效应晶体管。但在另外的 实施例中例如也可为双极晶体管。为了保护传感器芯片2和晶体管 4,有源传感器元件1具有保护电路5。这里描述的保护电路5由二 极管6和电容7组成。二极管6也可称为自振荡二极管。在本实施 例中电容7与二极管6并联连接。通常，所述电子的组成部分共同形成在一个硅-ASIC上。 一个 包括保护二极管6的这样的电子电路几乎在每个有源传感器元件1 中都用于转速测量。现在通过电源8可向二才及管6l命送恒定的电流。 恒定电流导致在二才及管上出现电压P争UD。该电压降UD可由电压测 量装置9测量。在电流lD恒定时，二极管6上的电压降Uo是温度 T的函数。因此可借助利用电压测量装置9测得的电压UD来推导出 二极管6上的温度T。由于二极管6和传感器芯片2共同形成在ASIC 上，所以可以同时获得传感器芯片2上的温度T。这是非常有^H直 的信息，可以用于阻止由于超过温度而导致的有源传感器1的损坏。 当借助于二极管6的电流电压特性曲线识别出超过温度时，可采用 相应的措施以冷却有源传感器元件1和涡轮增压器12。为此，例如 可以i殳想增强增压空气的冷却或者加强发动4几冷却。总之在内燃才几 和涡轮增压器承受很高的负荷之后，例如通过一段高速公路快速行 驶，涡轮增压器内部会达到极高的温度。如果现在中断行驶并关掉 内燃机，会导致涡轮增压器12内的温度堆积，从而使涡轮增压器 12和传感器元件1中的温度T急剧升高。这例如会通过润滑剂在涡 轮轴16上烧焦而导致涡轮增压器12的损坏。通过借助有源传感器 元件1的二极管6的电流电压特性曲线测定涡轮增压器12上的温度 T，可以实施对涡轮增压器12的冷却，从而避免所述的损坏。
这里描述的用于测定有源传感器元件1上的温度T的方法是非 常地成本低廉且高效的，因为有源传感器元件1本来包括用于测量 温度的二极管6。仅仅使用来自电源8的电流I，电源8在每台汽车 里都存在。此外必须引入可成本非常低廉地实现的电压测量装置9。 然后在图3中示出的由电源8和电压测量装置9构成的电路可在信 号引脚Sig和接地可I脚GND之间切换。这里示出的基本电if各为了驱 动作为转速传感器的有源传感器元件1还围绕图4中示出的开关11 扩展。该开关ll通常为电子开关且实现了有源传感器元件1的转速测量操作(转速模式)和有源传感器元件1的温度测量操作(温度 模式)之间的切换。
图4a原则上示出了由图3已知的结构，其中再次在有源传感器 元件1的传感器外壳3中布置了传感器芯片2。该传感器芯片2检 测到磁场的变化并因此检测到涡轮轴16的转速。测量信号由晶体管 4处理且保护电路5保护传感器芯片2和晶体管4。为了测量转速通 过开关11将传感器芯片2与电源电压Vcc连接起来。这种连4妄通 过电源电压引脚Vs来实现。有源传感器元件l的4妄地引脚GND与 接地10连接。有源传感器元件1在示出的开关11的开关安置处传 输示意性地图示为矩形信号的转速信号25。在开关安置处不进^f亍温 度测量。
然而如果改装电子开关11,如图4b所示，那么切断传感器芯 片2的电源电压Vcc,且通过连4妄电源8和二才及管6以及恒定的电 流ID流过二才及管6可以实现温度的测量。按照ASIC上和同时二才及 管6上的温度T在二才及管6上下降特定的电压UD。该电压Uo或者 用^t字电压测量器9a或者用才莫拟电压测量器9b测得。在4妻上恒定 的电流Io时，由在二极管6上下降的电压Uo可推导出二极管6上 的温度T。该温度特性在图5中示出。
图5示出了取决于温度的二极管6的电流电压特性曲线。明显 可以看出，在选择的电流强度Io恒定时，在二极管6上下降的电压 Ud是温度T的函lt。例如如果二才及管6上下降相对小的电压UD
),二极管6上存在一个高的温度Ti。当下降中等的电压UD(T2) 时，二极管6上存在一个中等的温度T2，以及当下降相对高的电压 U。(T3)时，二极管6上存在一个低的温度T3。因此可借助于二极 管6的电流-电压特性曲线直接推出存在于二极管之上的温度。如果 把二极管6的电流-电压特性曲线存储在一个电子存储器中，可通过 每个电流-电压测量来推出二极管6和ASIC上的温度T。因此当测得流过二极管6的电流I时，恒定的电源也许是不必要的。因此电 流强度I是取决于温度的电压UD的函数I ~ UD ( T )。
图6示出用于转速测量的有源传感器元件1在涡4仑增压器12 上的温度的另一种布置形式。这里有源传感器元件1布置在压缩才几 轮15的叶片的高度上。磁体24位于有源传感器元件1的传感器外 壳3内。才艮据涡流法来测量转速，其中温度测量类似于图4b中描述 的那样进行。通常对根据本发明的测量原则来说，有源传感器元件 1布置在涡4仑增压器12的哪个位置是不重要的。才艮据二才及管6的电 流电压特性曲线的评〗介原则，温度测量可在涡4仑增压器12的任4可位 置进行。通过本发明公开了一种成本非常低且高效的方法用于监控 涡轮增压器12上的温度情况，基于其对涡轮增压器12和内燃机的 保护作用，该方法具有不可^f氐估的经济意义。
权利要求
1. 一种用于检测废气涡轮增压器(12)的转速的有源传感器元件(1)，具有带有至少一个二极管(6)的保护电路(5)，其特征在于，所述二极管(6)的所述电流电压特性曲线被评估以确定所述传感器元件(1)内部的温度(T)。
2. 根据权利要求1所述的有源传感器元件(1 )，其特征在于，所 述传感器元件(1)这样安装在所述涡轮增压器上，即在所述 传感器元件(1)的安装位置测量所述涡轮增压器(12)的温 度(T)。
3. 根据权利要求1或2所述的有源传感器元件(1 )，其特征在于， 在信号引脚(Sig)和电源电压引脚(Vs)之间形成有一个开 关(11),所述开关或者将电源电压引脚(Vs)连接至电源电 压(Vcc)以检测所述废气涡轮增压器(12)的转速，或者将 信号引脚(Sig)连接至电源(8)以4企测温度(T)。
4. 根据权利要求1至3中至少一项所述的有源传感器元件(1 ), 其特征在于，所述二极管(6)上的电压降(Ud)被用作横梁 所述传感器元件(1)中温度(T)的标准。
5. 根据前述权利要求中至少一项所述的有源传感器元件(1 )，其 特征在于，所述二极管(6)上的电压降(Uo)可以数字地(9a)检测。
6. 根据前述权利要求中至少一项所述的有源传感器元件(1 )，其 特征在于，所述二极管(6 )上的电压降(UD )可以模拟地(9b )检测。
7. 根据权利要求3所述的有源传感器元件(1 )，其特征在于，所 述开关(11 )设计为数字开关。
8. 根据前述权利要求中至少一项所述的有源传感器元件(1 ),其 特征在于，用于检测所述传感器元件(1 )的温度(T)的电路 至少部分地形成在传感器芯片(2)的ASIC上。
9. 才艮据前述权利要求中至少一项所述的有源传感器元件(1 )，其 特征在于，所述有源传感器元件(1)可以设置在进气口 (21) 的范围内的压缩才几外壳的外壁上。
10. —种用于测定有源传感器(1 )的温度(T)的方法，所述有源 传感器(1)用于检测废气涡轮增压器(12)的转速而且包括 一个传感器芯片(2)和一个带有至少一个二极管(6)的保护 电路(5)，其中a) 首先，开关(11 )切断所述传感器芯片(2)的电源电 压(Vcc )并且将所述二极管(6 )与电源(8 )连接起来；b) 然后，电压测量装置(9)测量所述二极管(6)上的电 压降(UD),以及 c) 最后，在已知输入电流的情况下由测得的电压降(UD) 推导出所述传感器元件(1)内的温度(T)。
全文摘要
本发明涉及一种有源传感器元件，其用于检测废气涡轮增压器的转速，具有带有至少一个二极管的保护电路。为了详细说明一种用于测量涡轮增压器上的温度和尤其是有源传感器的范围内的涡轮增压器上的温度的装置，对二极管的电流-电压特性曲线进行评估以确定传感器元件内的温度。
文档编号F01D17/06GK101438030SQ200780016291
公开日2009年5月20日 申请日期2007年3月16日 优先权日2006年5月5日
发明者塞尔久·穆雷尚, 斯特凡·海因里希, 约翰内斯·安特, 马库斯·吉尔希 申请人:大陆汽车有限责任公司