DE10047603A1 - Massenstrommesser - Google Patents

Abstract

Ein Massenstrommesser hat einen Kanal (1, 12), in dem ein Sensorelement (2) angeordnet ist und in dem mindestens ein Zusatzkörper (5 bis 10, 13 bis 20) stromaufwärts des Sensorelements (2) angeordnet ist, der so ausgebildet und in Bezug auf das Sensorelement (2) angeordnet ist, dass durch den Zusatzkörper (5 bis 10, 13 bis 20) erzeugte Strömungswirbel abhängig von dem Pulsationsgrad der Strömung mehr oder weniger auf das Sensorelement (2) einwirken.

Description

Die Erfindung betrifft einen Massenstrommesser, der insbesondere geeignet ist zum Erfassen eines Luftmassenstroms in einem Ansaugtrakt einer Brenn­ kraftmaschine.

Derartige Massenstrommesser haben in ihrem Gehäuse einen Kanal ausgebil­ det, der entweder identisch ist mit einem Hauptkanal, in dem das gesamte strömende Medium strömt, oder ein Hilfskanal ist, in dem nur ein Teil des im Hauptkanal strömenden Mediums strömt. In dem Kanal ist mindestens ein Sensorelement angeordnet, dass beispielsweise als sogenannter Heißfilmwi­ derstand ausgebildet ist, dessen Widerstand temperaturabhängig ist.

Beim Einsatz derartiger Massenstrommesser in dem Ansaugtrakt einer Brenn­ kraftmaschine treten bei bestimmten Betriebszuständen der Brennkraftma­ schine Pulsationen der strömenden Luft auf. Die Pulsationen sind bedingt durch die Geometrie des Ansaugtraktes der Brennkraftmaschine und hängen auch ab von der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine. Pulsationen sind periodische Schwankungen der Luftströmung, die bis zu einem Pulsati­ onsgrad unter 100% nicht zu einer Umkehr der Strömungsrichtung führen, sondern lediglich zu periodischen Schwankungen der Strömungsgeschwindig­ keit und die bei einem Pulsationsgrad von über 100% zeitweise zu einer Strömungsumkehr der Strömung führen. Pulsationen sind besonders ausge­ prägt bei Brennkraftmaschinen mit bis zu vier Zylindern.

Massenstrommesser mit als Heißfilmwiderstand ausgebildeten Sensorelemen­ ten erfassen die Strömung ohne die Richtung der Strömung zu unterschei­ den. Dadurch werden Rückflussanteile der Strömung bei Pulsationsgraden von über 100% additiv erfasst, was zu einem Messfehler führt. Darüber hinaus weist das Messsignal des Sensorelements einen negativen Messfehler auf, der durch die Schwankungen der Luftströmungen - also durch Pulsatio­ nen - verursacht wird. Dieser negative Messfehler wird verursacht auf­ grund der Ansprechzeiten des Sensorelements und Nichtlinearitäten seiner Kennlinie. Der negative Messfehler ist besonders ausgeprägt, wenn als Substrat für das Sensorelement Glas verwendet wird. Er kann dann bis zu 20% des korrekten Wertes des Messsignals betragen.

Aus der DE 196 20 435 A1 ist ein Massenstrommesser bekannt mit einem Ka­ nal, in dem ein Sensorelement angeordnet ist, und mit einer Korrektur­ schaltung zur Korrektur des negativen Messfehlers bei Pulsationen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es einen weiteren Massenstrommesser so aus­ zubilden, dass ein negativer Messfehler eines Messsignals bei Pulsationen des Massenstroms kompensiert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des unabhängi­ gen Patentanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, dass durch gezielt erzeugte Wir­ bel, die abhängig von dem Pulsationsgrad der Strömung mehr oder weniger auf das Sensorelement einwirken, der negative Fehler stark reduziert wird. Dazu ist mindestens ein Zusatzkörper stromaufwärts des Sensorele­ ments angeordnet, der so ausgebildet und in Bezug auf das Sensorelement angeordnet ist, dass durch den Zusatzkörper erzeugte Strömungswirbel ab­ hängig von dem Pulsationsgrad der Strömung mehr oder weniger auf das Sen­ sorelement einwirken. Die Wirbel bilden sich stromabwärts der Zusatzkör­ per aus. Sie werden während der Beschleunigungsphase der pulsierenden Strömung gebildet und wirken dann während der Verzögerungsphase auf das Sensorelement ein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1a ein erstes Ausführungsbeispiel des Massenstrommes­ sers in einem Betriebszustand ohne Pulsationen der Strömung,

Fig. 1b das erste Ausführungsbeispiel des Massenstrommes­ sers in einem Betriebszustand mit Pulsationen,

Fig. 2a ein zweites Ausführungsbeispiel des Massenstrom­ messers in einem Betriebszustand ohne Pulsation,

Fig. 2b das zweite Ausführungsbeispiel des Massenstrom- Messers in einem Betriebszustand mit Pulsation,

Fig. 3a, 3b, 3c, 3d ein drittes, viertes, fünftes und sechstes Ausführungsbeispiel des Massenstrommes­ sers,

Fig. 4a ein siebtes Ausführungsbeispiel des Massenstrom­ messers in einem Betriebszustand ohne Pulsation,

Fig. 4b das siebte Ausführungsbeispiel des Massenstrommes­ sers in einem Betriebszustand mit Pulsationen,

Fig. 5a, 5b, 5c ein siebtes, achtes und neuntes Ausfüh­ rungsbeispiel des Massenstrommessers,

Fig. 6 den Messfehler des Messsignals eines Massenstrom­ messers herkömmlicher Art verglichen mit dem Messfehler des Luftmassenmessers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.

Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Ein Massenstrommesser (Fig. 1a) hat einen Kanal, der als Hauptkanal 1 ausgebildet ist. Der Kanal ist in einem Gehäuse des Massenstrommessers ausgebildet und ist als Rohrstück in den Ansaugtrakt einer Brennkraftma­ schine eingesetzt. In dem Kanal ist ein Sensorelement 2 angeordnet, dass auf dem Prinzip des Heißfilm-Anemometers basiert, also vorzugsweise als Heißfilm-Widerstand ausgebildet ist. Dabei ist das Messsignal des Sensor­ elements 2 abhängig von der pro Zeiteinheit an das strömende Medium abge­ gebenen Wärme. Das Medium strömt im wesentlichen gleichförmig in der mit dem Pfeil 3 gekennzeichneten Hauptströmungsrichtung. Stromaufwärts in Hauptströmungsrichtung 3 des Sensorelements 2 und versetzt in Richtung zur Wand des Hauptkanals 1 ist ein Zusatzkörper 5 angeordnet. Der Zusatz­ körper hat einen dreieckförmigen Querschnitt und ist so in dem Hauptkanal 1 angeordnet, das die Strömung des Massenstroms in der Hauptströmungs­ richtung 3 nahezu senkrecht auf eine seiner Seiten trifft. Durch diese Formgebung des Zusatzkörpers 5 entstehen stromabwärts des Zusatzkörpers 5 Wirbel, die in Fig. 1a durch entsprechende Strömungslinien eingezeichnet sind.

In Fig. 1a ist ein Betriebszustand dargestellt, in dem keine Pulsationen der Strömung auftreten. Der Pulsationsgrad ist hier somit nahezu Null. Stromabwärts des Zusatzkörpers 5 entstehen die Wirbel, die jedoch nicht auf das Sensorelement 2 einwirken. In Fig. 1b ist der Massenstrommesser gemäß Fig. 1a in einem Betriebszustand mit Pulsationen dargestellt. Der Pulsationsgrad beträgt in dem Betriebszustand gemäß Fig. 1b 100%. Somit weist hier die Luftströmung Pulsationen auf, die periodisch zu einem Stillstand der Strömung in dem Hauptkanal 4 führen. Die Strömung wird so­ mit beschleunigt und dann wieder verzögert bis sie zum Stillstand kommt und dies in periodischer Weise. Während der Beschleunigungsphasen bilden sich Wirbel stromabwärts in Hauptströmungsrichtung 3 des Zusatzkörpers 5, die dann mit zunehmender Verzögerung der Strömung in Hauptströmungsrich­ tung 3 in dem Hauptkanal 1 immer stärker auf das Sensorelement 2 einwir­ ken. In der in der Fig. 1b dargestellten Momentaufnahme beim momentanen Stillstand der Strömung in Hauptströmungsrichtung 3 ist im Bereich des Sensorelementes 2 weiterhin eine Strömung vorhanden, die durch Luftwirbel bedingt ist. Dadurch wird das als Heißfilmwiderstand ausgebildete Sensor­ element weiterhin von Massenstrom umströmt und gibt somit Wärme ab. Da­ durch wird das Messsignal erhöht, was zu einer Kompensation des sonst auftretenden negativen Messfehlers führt. Die Geometrie des Zusatzkörpers 5 und die Anordnung in Bezug zu dem Sensorelement 2 ist dabei durch Ver­ suche so bestimmt, dass der negative Fehler über einen vorgegebenen Be­ triebsbereich innerhalb vorgegebener Pulsationsgrade minimiert ist. Bei derartigen Versuchen wird vorzugsweise zusätzlich ein Referenz- Massenstrommmesser eingesetzt, dessen Messsignal nicht durch Pulsationen des Massenstroms beeinflusst wird.

Ein zweites Ausführungsbeispiel des Massenstrommessers ist in Fig. 2a dargestellt. Der Zusatzkörper 6 ist hier direkt an der Wandung des Haupt­ kanals 1 angeordnet. In Fig. 2b ist das zweite Ausführungsbeispiel des Massenstrommessers dargestellt in einem Betriebszustand mit starken Pul­ sationen.

Ein drittes Ausführungsbeispiel des Massenstrommessers ist in Fig. 3a gezeigt. Der Zusatzkörper 7 hat eine dreiecksförmige Grundfläche und er­ streckt sich längs seiner Längsachse über einen weiten Bereich des Haupt­ kanals 1. Die Längsachse des Zusatzkörpers 7 ist im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Sensorelements 2. Der Zusatzkörper 7 ist in der Hauptströmungsrichtung 3 versetzt zu dem Sensorelement 2 angeordnet.

Bei einem vierten Ausführungsbeispiel des Massenstrommessers (Fig. 3b) sind zwei Zusatzkörper 7, 8 stromaufwärts in der Hauptströmungsrichtung 3 in dem Hauptkanal 1 in Bezug zum Sensorelement 2 angeordnet. Die Zusatz­ körper 7 und 8 sind dabei einmal rechts und das andere mal links versetzt zu dem Sensorelement 2 angeordnet. Dadurch wirken, abhängig von dem Pul­ sationsgrad der Strömung, die Wirbel beidseitig auf das Sensorelement 2 ein. Dadurch erfolgt eine verbesserte Kompensation über einen breiteren Betriebsbereich des negativen Messfehlers.

In einem fünften Ausführungsbeispiel des Massenstrommessers (Fig. 3c) ist der Zusatzkörper 9 als Sehne eines Kreisausschnitts der Wand des Hauptkanal 1 ausgebildet. In einem sechsten Ausführungsbeispiel ist der Zusatzkörper 10 in einem vorgegebenen Winkelbereich entlang der Wand des Hauptkanals 1 ausgebildet. Der Winkelbereich ist vorzugsweise zwischen 30 Grad und 360 Grad.

Fig. 4a zeigt einen Hilfskanal 12 eines Massenstrommessers. Der Hilfska­ nal ist in dem Gehäuse des Massenstrommessers ausgebildet. In diesem Fall ist der Massenstrommesser über eine Ausnehmung des Hauptkanals 1 in einem Ansaugtrakt einsteckbar. Ein Massenstrommesser mit einem Hilfskanal ist beispielsweise aus der US 5,892,146 bekannt, deren Offenbarung diesbezüg­ lich miteinbezogen ist.

In dem Hilfskanal 12 ist stromaufwärts einer Hauptströmungsrichtung (mit dem Pfeil 15 gekennzeichnet) des Sensorelements 2 ein erster Zusatzkörper 13 und ein zweiter Zusatzkörper 14 an der Wand des Hilfskanals 12 ange­ ordnet. In Fig. 4a ist der Massenstrommesser in einem Betriebszustand mit geringen Pulsationsgrad dargestellt. In Fig. 4b ist der Massenstrom­ messer dargestellt für einen Pulsationsgrad größer oder gleich 100% und zwar in dem Zeitpunkt des Strömungsstillstands der Strömung in Bezug auf die Gesamtströmung in der Hauptströmungsrichtung 15. In diesem Zeitpunkt sind die in der vorangegangenen Beschleunigungsphase der Strömung durch die Zusatzkörper 13 und 14 erzeugten Wirbel stark ausgeprägt und wirken strömungsmäßig auf das Sensorelement 2 ein.

In den Fig. 5a, 5b, 5c sind weitere Ausführungsbeispiele des Massen­ strommessers mit einem Hilfskanal 12 und Zusatzkörpern 15, 16, 17, 18, 19, 20 dargestellt.

In Fig. 6 sind die prozentualen Messfehler bezogen auf einen wahren Wert des Massenstrommessers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel (Dreiecke) und eines Massenstrommessers ohne Zusatzkörper zur Kompensation des nega­ tiven Messfehlers (Vierecke) dargestellt. Es ist klar ersichtlich, dass bei dem Massenstrommmesser gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der nega­ tive Messfehler in dem Bereich, in dem der negative Messfehler eine star­ ke Auswirkung auf die Güte des Messsignals hat - das ist von einem Pulsa­ tionsgrad etwa 80% bis 140% -, nahezu eliminiert ist.

Claims (6)

1. Massenstrommesser mit einem Kanal (1, 12), in dem ein Sensorelement (2) angeordnet ist und in dem mindestens ein Zusatzkörper (5-10, 13-20) stromaufwärts des Sensorelements (2) angeordnet ist, der so ausgebildet und in Bezug auf das Sensorelement (2) angeordnet ist, dass durch den Zu­ satzkörper (5-10, 13-20) erzeugte Strömungswirbel abhängig von dem Pulsa­ tionsgrad der Strömung mehr oder weniger auf das Sensorelement (2) ein­ wirken.

2. Massenstrommesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkörper (5-10, 13-20) einen dreiecksförmigen Querschnitt hat und dass sich der Zusatzkörper (5-10, 13-20) in Richtung der Strömung hin verbreitert.

3. Massenstrommesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Zusatzkörper (5-10, 13-20) bündig mit einer Wand des Kanals (1, 12) angeordnet ist.

4. Massenstrommesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zwei Zusatzkörper (5-10, 13-20) in dem Kanal (1, 12) angeordnet sind.

5. Massenstrommesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zwei Zusatzkörper (5-10, 13-20) in dem Kanal (1, 12) symmetrisch zu dem Sensorelement (2) angeordnet sind.

6. Massenstrommesser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Kanal ein Zusatzkanal (12) zu einem Hauptkanal (1) ist, in den der Massenstrommesser einsteckbar ist.