DE10141909A1 - Luftmassendurchflussmesser - Google Patents

Abstract

Wird bei Luftmassensensoren die Luftströmung in einem Kanal um ungefähr 90 DEG umgelenkt, so kann es zu Strömungsablösungen kommen. Die außerhalb des Ablöse/Rezirkulationsgebiet liegende Querschnittsfläche in dem Kanal wird verringert und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Die Größe und Lage der Rezirkulationsgebiete ist empfindlich gegenüber Störungen. Um definierte Strömungsbedingungen für eine Messeinrichtung zu erzielen, wird in dem Umlenkbereich ein Strömungselement vorgesehen, das in den Umlenkbereich vorsteht und eine Ablösung der Luftströmung von der Kanalinnenwand bewirkt.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Luftmassendurchflussmesser zur Messung einer von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse.
• Luftmassendurchflussmesser im Ansaug- bzw. Ladetrakt der Brennkraftmaschine sind bekannt. Sie dienen dazu, den Massendurchfluss der Ansaug-/Ladeluft zu messen, um bei dem chemischen Vorgang der Verbrennung die Massenverhältnisse entsprechend bestimmen und steuern zu können.
• Aus EP 0 908 704 A1 ist ein Luftmassendurchflussmesser bekannt, der thermisch den Luftstrom misst. Der Luftmassendurchflussmesser wird mit einem Ende in einem Hauptluftstrom des Ansaugtrakts zu der Brennkraftmaschine angeordnet. Ein bestimmter Anteil des Hauptluftstroms wird in einen ersten Kanal abgezweigt, der zu einem Luftmassensensor führt. Der Luftmassensensor ermittelt thermisch die an ihm vorbeiströmende Luftmasse. Nachfolgend wird der Luftstrom umgelenkt und wieder in den Hauptluftstrom geleitet, um der Verbrennung zugeführt zu werden. Nachteilig an dem bekannten Luftmassensensor ist, dass eine Ablösung der Luftströmung von der Kanalinnenwand auftritt. Eine solche Ablösung bewirkt, dass die Messsignale des stromabwärts liegenden Luftmassensensors gestört werden. Es hat sich gezeigt, dass selbst bei starken Strömungen die Position des Ablösepunktes von der Kanalinnenwand erheblich variieren kann. Kleine Störungen der Strömungsverhältnisse führen bereits zu großen Verschiebungen der Position des Ablösepunktes. Der wechselnde Ablösepunkt von der Kanalinnenseite bewirkt jedoch Gebiete mit abgelöster Strömung von unterschiedlicher Größe und Lage.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Luftmassensensor bereitzustellen, bei dem eine Verfälschung und Beeinflussung der gefühlten Luftmasse durch das Ablösen der Luftströmung von der Kanalinnenwand vermieden wird.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Luftmassendurchflussmesser mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.
• Der erfindungsgemäße Luftmassendurchflussmesser besitzt eine in dem Strömungsweg der Luft angeordnete Sensoreinheit, die die vorbeiströmende Luftmasse fühlt. Die Luftmasse wird aus einem ersten Kanalabschnitt über einen Umlenkbereich in einen zweiten Kanalabschnitt geführt. In dem Umlenkbereich ist mindestens ein Strömungselement vorgesehen, das in dem Umlenkbereich vorsteht derart, dass eine Ablösung der Luftströmung von der Kanalinnenwandung erfolgt. Das Strömungselement bildet einen definierten Ablösepunkt bzw. eine definierte Ablösekante für die Luftströmung. Dieser Lösung ein Strömungselement einzusetzen liegt die Überlegung zugrunde, dass ein Gebiet mit abgelöster Strömung nicht vermieden werden soll, sondern vielmehr eine kontrollierte Ablösung an dem Strömungselement mit einer definierten Position erfolgen soll, die bei der Kalibrierung der Sensoreinheit berücksichtigt werden kann. Strömungselement und Sensoreinheit sind dabei so voneinander beabstandet, dass das Strömungselement weitgehend definierte Strömungsverhältnisse für die Sensoreinheit schafft.
• Als besonders wirkungsvoll erweist sich das Anbringen eines Strömungselements bei einem Umlenkbereich, der die Luftströmung um ungefähr 90° umlenkt. Gerade bei einer solchen Umlenkung kommt es dazu, dass die vorbeiströmende Luft sich im Bereich des Umlenkknicks von der Kanalwandung ablöst. Die Anlösung erfolgt hierbei an der Innenseite des Umlenkbereichs, also an der zum Krümmungsmittelpunkt des Umlenkungsbereichs weisenden Seite.
• In einer möglichen Ausgestaltung des Luftmassendurchflussmessers treffen die Seitenwände von erstem und zweitem Kanalabschnitt unmittelbar oder in ihrer Verlängerung im Umlenkbereich aufeinander. Bevorzugt liegt der rechte Winkel des Umlenkbereichs an der zum Krümmungsmittelpunkt des Umlenkbereichs weisenden Seite. Nachfolgend wird die zum Krümmungsmittelpunkt weisende Seite des Umlenkbereichs als Innenseite des Umlenkbereichs bezeichnet.
• Bevorzugt besitzt das Strömungselement ein in den Umlenkbereich vorstehendes Element, das auf der Innenseite an der Seitenwand eines der Kanalabschnitte gehalten ist. Hierbei ist vorzugsweise ein plattenförmiges Einlegeteil als Element vorgesehen, das an der Seitenwand des vorzugsweise stromabwärts liegenden Kanalabschnitts gehalten in den Umlenkbereich vorsteht und mit seinem freien Ende eine Abrisskante für die Luftströmung bildet. Das plattenförmige Einlegeteil erstreckt sich bevorzugt über die gesamte Seitenwand, an der es gehalten ist.
• Bei dem Einlegeteil handelt es sich bevorzugt um einen Metallhalter für die Sensoreinheit.
• In einer alternativen Ausgestaltung besitzt das Strömungselement eine gegenüber der Strömungsrichtung in dem ersten Kanalabschnitt geneigte Anströmfläche, die unter einem spitzen Winkel auf eine stromabwärts liegende Wand des Elements trifft, unter Bildung einer Abrisskante. Das Element kann stangenförmig mit einer im Querschnitt dreieckigen Kontur ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Element aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Bei einer bevorzugten Anordnung des Strömungselements in dem Umlenkbereich schließt seine stromabwärts liegende Wand mit der Seitenwand des stromabwärts liegenden Kanalabschnitts bündig ab. Alternativ hierzu kann das Element auch als eine in den Umlenkbereich vorstehende Ausformung der Kanalwand ausgebildet sein.
• Bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Luftmassendurchflussmessers werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
• Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Luftmassendurchflussmesser mit einem Metalleinlegeteil als Strömungselement im Querschnitt,
• Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Luftmassendurchflussmesser mit einem dreieckförmigen Anströmteil im Querschnitt,
• Fig. 3 einen Umlenkbereich mit einem Ablösepunkt im Umlenkbereich und
• Fig. 4 den Umlenkbereich aus Fig. 3 mit dem Ablösepunkt weiter stromabwärts,
• Fig. 5 eine schematische Ansicht des Umlenkbereichs aus Fig. 1 mit Einlegeteil,
• Fig. 6 eine Draufsicht auf den Umlenkbereich aus Fig. 5,
• Fig. 7 einen Umlenkbereich mit einem dreieckförmigen Strömungselement als Vorsprung der Kanalwandung im Querschnitt und
• Fig. 8 eine bogenförmige Abrisskante im Umlenkbereich.
• Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Luftmassendurchflussmesser 10. Der Luftmassendurchflussmesser 10 kann mit seinem Ende 12 in einem Ansaugrohr positioniert sein. Die Dichtung 14 dichtet hierbei das Ansaugrohr gegenüber der Umgebung ab. Der in dem Ansaugrohr angeordnete Teil des Luftmassendurchflusssensors 12 besitzt eine Eingangsöffnung 16, in die ein Anteil des Hauptluftstroms einströmt. Ein erster Kanalabschnitt 18 läuft trichterförmig zu. An den ersten Kanalabschnitt 18 schließt sich ein Umlenkbereich 20 an. Strömabwärts von dem Umlenkbereich 20 liegt ein aufsteigender Kanalabschnitt 22. In dem aufsteigenden Kanalabschnitt 22 befinden sich die Messeinrichtungen 24, 26 für die vorbeiströmende Luft. Die Auswertung der Messsignale kann beispielsweise nach dem Prinzip der Konstanttemperatur-Heißfilmanemometrie erfolgen.
• Die Luftströmung aus dem Kanalabschnitt 22 tritt über den fallenden Kanalabschnitt 28 an der Öffnung 30 aus und wieder in den Hauptluftstrom in dem Ansaugrohr ein. Die Öffnung 30 ist durch den sich verjüngenden ersten Kanalabschnitt vor dem direkten Hauptluftstrom abgeschirmt, so dass die Hauptluftströmung einen Sog an der Öffnung 30 für den austretenden Luftstrom erzeugt.
• Fig. 3 und 4 zeigen eine Luftströmung in einem Umlenkbereich in einem stromabwärts liegenden Kanalabschnitt 32. Die Luftströmung löst sich im Punkt 34 von der bei der Krümmung innenliegenden Wand des Umlenkbereichs. Stromabwärts von dem Ablösepunkt hat sich ein Rezirkulationsgebiet 36 gebildet. In dem Kanalabschnitt 32 beispielhaft eingetragen ist das Geschwindigkeitsprofil der Luftströmung entlang der Linie A-A. Deutlich zu erkennen ist, dass die Geschwindigkeit in dem Rezirkulationsgebiet 36 schnell auf Null fällt. Im Vergleich hierzu zeigt Fig. 4 ein Rezirkulationsgebiet 38, dessen Ablösepunkt 40 im Vergleich zu dem Ablösepunkt 34 weiter stromabwärts liegt. Das Rezirkulationsgebiet 38 besitzt eine kleinere Fläche. Auch der Anteil des Geschwindigkeitsprofils entlang der Linie B-B, in dem die Strömungsgeschwindigkeit Null oder annähernd Null beträgt, ist deutlich kleiner. Da die Strömungsgeschwindigkeit in den Rezirkulationsgebieten nahezu Null beträgt, ist die effektive Querschnittsfläche für die Strömung verkleinert. Die verringerte Querschnittsfläche führt dabei zu einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit in dieser Querschnittsfläche.
• Im Gebrauch eines Luftmassendurchflussmessers treten immer wieder Störungen in der Luftströmung auf. Störungen bewirken eine Verschiebung des Ablösepunktes 34, 40, die bereits bei geringen Verschiebungen der Position zu deutlichen Änderungen des Rezirkulationsgebietes führen. Diese Änderungen bewirken jedoch eine Änderung der Messsignale, so dass die gefühlten Werte gestört werden.
• Fig. 1 zeigt eine Einlegeplatte 42, die in den Umlenkbereich 20 vorsteht. Die Einlegeplatte 42 erstreckt sich nachfolgend weiter entlang der Innenseite des aufsteigenden Kanalabschnitts 22. Bevorzugt kann die Platte 42 auch als Träger für die Messeinheit 24, 26 vorgesehen sein, hierdurch wird der Einbau und die Positionierung des Strömungselements relativ zu der Messeinheit sichergestellt.
• Das Einlegeteil 42 wird im Betrieb wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt angeströmt. Stromabwärts von dem Einlegeteil 42 bildet sich abhängig von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ein Rezirkulationsgebiet aus. Da der Abriss der Luftströmung hierbei an der definierten Strömungskante 44 erfolgt, ist das Rezirkulationsgebiet für Störungen nicht anfällig. Das sich in Fig. 6 bei entsprechender mittlere Strömungsgeschwindigkeit ausbildende Rezirkulationsgebiet ist zur besseren Übersicht nicht dargestellt.
• Fig. 2 zeigt ein alternatives Anströmelement 46. Das Strömungselement 46 besitzt in dem in Fig. 2 dargestellten Querschnitt eine dreieckförmige Kontur. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist das rechtwinklige Dreieck angeordnet, so dass die Hypotenuse zur Eingangsöffnung 16 weist und eine der Katheten bündig an der Innenwand des aufsteigenden Kanals 22 abschließt.
• Fig. 7 zeigt eine alternative Ausgestaltung des dreieckförmigen Anströmelements 48, das als eine Ausformung an der Innenwand des ersten Kanalabschnitts 18 vorgesehen ist. Das Strömungselement 48 besitzt eine Abrisskante 50, die ähnlich wie die Abrisskante 44 aus Fig. 6 wirkt.
• Wie aus Fig. 5 ersichtlich kann das Anströmelement sich über die gesamte Tiefe des Strömungskanals erstrecken. Es ist aber auch denkbar, dass das Strömungselement sich nur über einen Teil des Strömungskanals erstreckt. Auch kann die Abrisskante über einen Teil oder die gesamte Tiefe des Strömungskanals einen kurvigen Verlauf besitzen. In Fig. 8 ist eine Abrisskante 52 dargestellt, die zu den Enden hin weniger weit in den Umlenkbereich 20 vorsteht, so dass die Abrisskante 52 einen bogenförmigen Verlauf besitzt.

Claims (15)

1. Luftmassendurchflussmesser (10) zur Messung einer von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse, mit
einer Sensoreinheit (24, 26), die die vorbeiströmende Luftmasse fühlt,
einem ersten und einem zweiten Kanalabschnitt (18, 22), die einen Luftstrom aus dem ersten Kanalabschnitt (18) an der Sensoreinheit (24, 26) vorbeiführen,
wenigstens einem Umlenkbereich (20), der den ersten und den zweiten Kanalabschnitt (18, 22) miteinander verbindet, und
mindestens einem in dem Umlenkbereich (20) angeordneten Strömungselement (42, 46), das in den Umlenkbereich vorsteht derart, dass eine Ablösung der Luftströmung von einer Innenwand eines der Kanalabschnitte stromaufwärts von der Sensoreinheit erfolgt.

2. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Kanalabschnitt (18, 20) ungefähr in einem 90° Winkel zueinander stehen.

3. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände vom ersten und zweiten Kanalabschnitt unmittelbar oder in ihrer Verlängerung einen rechten Winkel miteinander einschließen.

4. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement an der zum Krümmungsmittelpunkt des Umlenkbereichs weisenden Seite an einer Seitenwand eines der Kanalabschnitte angeordnet ist.

5. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement sich vollständig entlang der Seitenwand erstreckt, an der es gehalten ist.

6. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement entlang seinem in den Umlenkbereich vorstehenden Ende unterschiedlich weit vorsteht.

7. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement an den Seiten weniger weit in den Umlenkbereich vorsteht, als in seinem Zentrum, wobei das vorstehende Ende bevorzugt einen bogenförmigen Verlauf (52) besitzt.

8. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungselement ein plattenförmiges Einlegeteil (42) vorgesehen ist, das an der Seitenwand eines der Kanalabschnitte gehalten ist und mit seinem freien Ende eine Abrisskante (44) für die Luftströmung bildet.

9. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil aus Metall hergestellt ist.

10. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil die Sensoreinheit hält.

11. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (46) eine gegenüber der Strömungsrichtung im ersten Kanalabschnitt geneigte Anströmfläche besitzt, die unter einem spitzen Winkel auf eine stromabwärts liegende Wand des Strömungselements trifft und eine Abrisskante (50) für die Luftströmung bildet.

12. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (46) stangenförmig mit einer dreieckigen Kontur in Querschnitt ausgebildet ist.

13. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist.

14. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement in dem Umlenkbereich bündig mit der Seitenwand des stromabwärts liegenden Kanalabschnitts abschließt.

15. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement durch eine in den Umlenkbereich vorstehende Ausformung (48) der Kanalwandung gebildet ist.