DE102005057575A1 - Luftmassenmesser mit elektrischer Ölabscheidung - Google Patents

Luftmassenmesser mit elektrischer Ölabscheidung

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DE102005057575A1
DE102005057575A1 DE200510057575 DE102005057575A DE102005057575A1 DE 102005057575 A1 DE102005057575 A1 DE 102005057575A1 DE 200510057575 DE200510057575 DE 200510057575 DE 102005057575 A DE102005057575 A DE 102005057575A DE 102005057575 A1 DE102005057575 A1 DE 102005057575A1
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Axel-Werner Haag
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Hans Hecht
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Abstract

Es wird ein Heißfilmluftmassenmesser (110) zur Messung eines Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt (112) einer Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen. Der Heißfilmluftmassenmesser (110) weist eine vom Luftmassenstrom überströmbare Sensoroberfläche (130) auf. Weiterhin weist der Heißfilmluftmassenmesser (110) eine Felderzeugungsvorrichtung (118) auf, welche ausgestaltet ist, um ein vorzugsweise zumindest teilweise homogenes elektrisches Feld (150) zu erzeugen, welches den Luftmassenstrom durchsetzt. Beispielsweise kann die Felderzeugungsvorrichtung (118) einen Kondensator, insbesondere einen Plattenkondensator (116), aufweisen. Durch elektrische Effekte, insbesondere eine Ablenkung und/oder Ausfällung koagulierter Tröpfchen, kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers (110) eine Kontamination der Sensoroberfläche (130) durch Öltröpfchen stark vermindert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms. Derartige Heißfilmluftmassenmesser werden insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung eines Luftmassenstroms.
  • Stand der Technik
  • Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, muss definiert eine Gasmasse, insbesondere eine Luftmasse, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen. Ein wichtiges Beispiel ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt.
  • Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte Heißfilmluftmassenmesser (HFM), welcher beispielsweise in DE 196 01 791 A1 in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine dünne Sensormembran aufweist, beispielsweise ein Silicium-Sensorchip. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern) umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Memb ran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann und mittels einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung ausgewertet werden kann. So kann, zum Beispiel aus einer Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Eine beispielsweise aus DE 101 11 840 C2 bekannte Problematik dieses Typs von Sensor besteht darin, dass häufig Kontaminationen des Sensortyps auftreten können, beispielsweise Kontaminationen durch Öl, andere Flüssigkeiten oder andere Arten von Verunreinigungen. Der Sensorchip wird üblicherweise direkt im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypass zum Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Dabei kann sich im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Öl auf dem Sensorchip und dabei insbesondere auf der Sensormembran niederschlagen. Dieser Ölniederschlag kann zu einer unerwünschten Messsignalbeeinflussung des Sensorchips führen, insbesondere da ein Ölfilm auf der Oberfläche des Sensorchips auf die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche einwirkt, was zur Verfälschung der Messsignale führt.
  • Die Ölkontamination kann weiterhin auch beim oder kurz nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors, auftreten. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine ein in einem Kurbelgehäuse vorhandener Überdruck über eine Kurbelgehäuseentlüftung in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine (und damit zum Beispiel auch in den Bypasskanal des Heißfilmluftmassenmessers) abbaut. Dabei wird häufig Öldampf beziehungsweise Ölnebel mitgeführt. Dieser Ölnebel schlägt sich zumindest teilweise auf dem Sensorchip als Kontaminationsfilm nieder und verursacht somit insbesondere beim erneuten Anschalten der Verbrennungskraftmaschine eine erhebliche Messsignalbeeinflussung.
  • Die DE 101 11 840 C2 schlägt ein Verfahren zur Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip unter Verwendung eines Zusatzheizers vor. Der Sensorchip weist einen Sensorbereich auf sowie einen außerhalb des Sensorbereichs angeordneten Zusatzheizer. Dieser Zusatzheizer wird elektrisch so erhitzt, dass im Bereich des Zusatzheizers Thermogradientenwirbel auftreten, welche zu Niederschlägen der Verschmutzungen des strömenden Mediums im Bereich des Zusatzheizers abseits des Bereichs des Sensorbereichs führen.
  • Die in der DE 101 11 840 C2 offenbarte Anordnung und das offenbarte Verfahren sind jedoch nur bedingt geeignet, das Kontaminationsproblem, welches, wie beschrieben, auf mehreren Effekten beruht, zu lösen. Insbesondere besteht das Problem, dass die Ölniederschläge zwar nunmehr überwiegend abseits des Sensorbereiches auftreten, aber immer noch auf dem Sensorchip selbst. Sammeln sich größere Mengen der Verunreinigung an, so können diese, beispielsweise durch Luftverwirbelungen, auf den Sensorbereich getrieben werden. Weiterhin löst die in der DE 101 11 840 C2 beschriebene Anordnung auch nicht das oben dargestellte Problem, dass sich Kontaminationen insbesondere nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine ausbilden.
  • Vorteile der Erfindung
  • Es wird daher ein Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen, welcher die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen vermeidet. Der Heißfilmluftmassenmesser ist universell einsetzbar, ist jedoch insbesondere optimiert zur Messung eines Luftmassenstroms mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0 und 60 m/s. Weiterhin wird ein Verfahren zum Betrieb eines Heißfilmluftmassenmessers gemäß der Erfindung vorgeschlagen.
  • Der Heißfilmluftmassenmesser kann prinzipiell alle dem Fachmann bekannten Techniken und Varianten von Heißfilmluftmassenmessern einschließen. Beispielsweise kann der Heißfilmluftmassenmesser einen Sensorchip, beispielsweise einen Sensorchip mit einer Sensormembran, umfassen, wie er in DE 196 01 791 A1 beschrieben ist. Es sind jedoch auch andere Ausführungsformen von Heißfilmluftmassenmessern möglich. Der Heißfilmluftmassenmesser weist eine vom Luftmassenstrom überströmbare Sensoroberfläche auf. Beispielsweise kann es sich dabei, wie oben beschrieben, um die Oberfläche einer Sensormembran handeln.
  • Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, Ölablagerungen und sonstige Kontaminationen auf der Sensoroberfläche zu vermeiden, indem elektrische Effekte eingesetzt werden. Zu diesem Zweck weist der Heißfilmluftmassenmesser eine Felderzeugungsvorrichtung auf, welche ausgestaltet ist, um ein homogenes elektrisches Feld durch den Luftmassenstrom zu erzeugen, welches vorzugsweise zumindest teilweise homogen ist.
  • Dieses elektrische Feld kann auf unterschiedliche Weise Einfluss auf die Ölkontamination der Sensoroberfläche nehmen. Dabei ist zu beachten, dass der Luftmassenstrom üblicherweise einen Ölnebel (Aerosol) mit kleinsten Öltröpfchen enthält, welche mit dem Luftmassenstrom mitgetragen werden. Dieser Effekt kann sowohl im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine als auch, wie oben beschrieben, nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine auftreten. Diese Öltröpfchen sind in vielen Fällen elektrisch aufgeladen. Diese elektrische Aufladung erfolgt beispielsweise durch molekulare Reibung, Wandstöße mit beispielsweise der Wand eines Strömungskanals, durch Umgebungsstrahlung oder auch durch Wechselwirkung mit anderen Öltröpfchen. Zusätzlich kann die Aufladung der Öltröpfchen durch ein elektrisches Feld noch verstärkt werden, da in diesem Fall bereits aufgeladene Öltröpfchen beschleunigt werden, mit anderen Tröpfchen zusammenstoßen und so in einer Art „Lawineneffekt" neue Ladungen erzeugen.
  • Die derart geladenen Ölpartikel werden im elektrischen Feld entsprechend ihrer Polarität abgelenkt. Auf diese Weise können die Öltröpfchen durch elektrische Ablenkung von der Sensoroberfläche ferngehalten werden.
  • Ein weiterer Effekt kann darin bestehen, dass Öltröpfchen im elektrischen Feld polarisiert werden, ohne dass eine Nettoaufladung erfolgt. Auf diese Weise wird aus den Öl tröpfchen jeweils ein elektrischer Dipol. Da sich jeweils der positiv geladene Teil eines ersten Öltröpfchens und der negative Teil eines zweiten Öltröpfchens gegenseitig anziehen, können zwei derartig polarisierte Öltröpfchen leicht miteinander verschmelzen (koagulieren). Auf diese Weise bilden sich aus den kleinsten Öltröpfchen, welche vom Luftmassenstrom mitgeführt werden, große, schwere Tropfen, welche dann aufgrund der auf sie wirkenden Schwerkraft ausfallen. Auch auf diese Weise kann der Ölnebel von der Sensoroberfläche ferngehalten werden, insbesondere wenn die Sensoroberfläche im Betrieb des Heißfilmluftmassenmessers vertikal angeordnet ist.
  • Die Felderzeugungsvorrichtung kann einen oder mehrere Kondensatoren aufweisen, insbesondere einen Plattenkondensator, wobei jedoch die Platten des Plattenkondensators nicht notwendigerweise parallel sein müssen. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Elektroden des mindestens einen Kondensators zumindest näherungsweise flächengleich sind. Dabei können Abweichungen von 50 %, vorzugsweise nicht mehr als 10 % und besonders bevorzugt von nicht mehr als 5 % toleriert werden, um ein vorzugsweise zumindest teilweise homogenes elektrisches Feld zu generieren. Weist der Heißfilmluftmassenmesser einen Strömungskanal, insbesondere einen Bypasskanal, auf, so können die Elektroden des Kondensators in den Strömungskanal eingebracht werden. Dabei kann es sich um separate Elektroden handeln, beispielsweise in Form von in den Strömungskanal eingebrachten Metallschichten. Alternativ können auch die Wände des Strömungskanals selbst mit einer Metallisierung versehen werden, oder der Strömungskanal selbst kann einen metallischen Bestandteil, insbesondere einen zumindest teilweise metallischen Deckel- und/oder Bodenteil, aufweisen. Auch können mehrere Kondensatoren in Reihe angeordnet werden, beispielsweise ein Kondensator vor dem Sensorchip, ein Kondensator nach dem Sensorchip.
  • In vielen Fällen wird der Luftmassenstrom mit einer Hauptströmungsrichtung strömen. Wird dabei ein Strömungskanal eingesetzt, beispielsweise ein Bypasskanal, so ist der Begriff „Hauptströmungsrichtung" jeweils lokal zu verstehen, wobei unter dem Begriff „Hauptströmungsrichtung" jeweils die Haupttransportrichtung des Luftmassenstroms am jeweiligen Ort im Strömungskanal zu verstehen sei. Lokale Verwirbelungen sollen dabei vernachlässigt werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn das elektrische Feld den Luftmassenstrom im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung durchdringt. Auf diese Weise wird der oben beschriebene Ablenkungseffekt besonders gut ausgenutzt. Vorzugsweise verläuft das elektrische Feld im eingebauten Zustand des Heißfilmluftmassenmessers, beispielsweise im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine bei horizontal stehender Verbrennungskraftmaschine, selbst horizontal. Auf diese Weise kann das Ausfällen koagulierter Tröpfchen verstärkt werden.
  • Um die oben beschriebenen Effekte der Ablenkung und Ausfällung (neben denen noch weitere elektrische Effekte wirken können) zu unterstützen, ist es bevorzugt, wenn der Luftmassenstrom vor Erreichen der Sensoroberfläche eine Driftstrecke von mindestens 1 mm, insbesondere mindestens 3 mm und besonders bevorzugt mindestens 5 mm im elektrischen Feld zurücklegt. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Dimensionierung des beschriebenen Kondensators erfolgen. Insbesondere kann beispielsweise, wenn ein Strömungskanal (beispielsweise ein Bypasskanal) eingesetzt wird, die gesamte Strecke des Bypasskanals mit einem Kondensator versehen werden, beispielsweise indem jeweils Deckel und Boden des Bypasskanals metallisiert werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn das vorzugsweise zumindest teilweise homogene elektrische Feld zumindest in einem Teilbereich eine Feldstärke in einem Bereich von 1 kV/m bis 5 MV/m, insbesondere 10 kV/m bis 2,5 MV/m und besonders bevorzugt bei näherungsweise 0,4 MV/m aufweist. Diese Feldstärken haben sich in Praxistests als besonders wirksam und dennoch technisch gut realisierbar und handhabbar erwiesen.
  • Wie oben beschrieben, tritt der Kontaminationseffekt insbesondere nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine auf, wenn sich mit Ölnebel versetzte Luft im Kurbelgehäuse entspannt und durch eine Kurbelgehäuseentlüftungsöffnung in den Ansaugtrakt diffundiert. Dementsprechend kann auch der erfindungsgemäße Heißfilmluftmassenmesser unterschiedlich betrieben werden. Zum einen kann die Felderzeugungsvorrichtung während des gesamten Betriebs oder auch nur während Teilphasen des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine ein elektrisches Feld erzeugen und auf diese Weise unter Ausnutzung der beschriebenen Effekte eine Kontamination der Sensoroberfläche konti nuierlich verhindern. Weiterhin ist es jedoch alternativ oder zusätzlich auch bevorzugt, die Felderzeugungsvorrichtung nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine einzusetzen. Dementsprechend wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem die Felderzeugungsvorrichtung nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine für eine vorgegebene Nachlaufdauer ein elektrisches Feld erzeugt. Grundsätzlich kann dabei eine beliebige Nachlaufdauer eingesetzt werden. Insbesondere haben sich Nachlaufdauern zwischen 3 sec und 10 min, vorzugsweise zwischen 5 sec und 5 min und besonders bevorzugt zwischen 10 sec und 3 min bewährt. Auf diese Weise kann eine durch Diffusion von Ölnebel hervorgerufene Kontamination der Sensoroberfläche beim Stillstand der Verbrennungskraftmaschine vermieden oder stark verringert werden. Es sei noch darauf hingewiesen, dass der oben verwendete Begriff einer „Hauptströmungsrichtung" im Falle des Stillstands der Verbrennungskraftmaschine weit zu fassen ist, da in diesem Fall Szenarien auftreten können, in denen Ölnebel „aus beiden Richtungen" zur Sensoroberfläche strömen. Daher kann die oben beschriebene Driftstrecke beispielsweise „vor" und/oder „nach" der Sensoroberfläche angeordnet sein, also unter Bezugnahme auf die Hauptströmungsrichtung im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine stromaufwärts bzw. auch stromabwärts von der Sensoroberfläche. Es können auch unterschiedliche elektrische Felder vorgesehen sein, beispielsweise ein elektrisches Feld „stromabwärts" der Sensoroberfläche, welches erst nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine zugeschaltet wird, um eine Rückdiffusion von Ölnebel entgegen der Hauptströmungsrichtung im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine zu verhindern bzw. die Effekte der Kontamination durch diese Rückdiffusion zu vermindern.
  • Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Verringerung bzw. Vermeidung von Ölkontaminationen auf der Sensoroberfläche zeichnet sich der erfindungsgemäße Heißfilmluftmassenmesser und das beschriebene Verfahren zur Betrieb desselben durch zahlreiche Vorteile aus. Ein Vorteil besteht beispielsweise darin, dass Ölablagerungen insgesamt auf der Sensoroberfläche vermieden werden, indem Öl vor Erreichen der Sensoroberfläche ausgefällt und/oder von der Sensoroberfläche ferngehalten wird. Es treten somit auch keine Ansammlungen von Öl in der Nähe der Sensoroberfläche auf, welche anschließend durch Luftverwirbelungen auf die Sensoroberfläche getragen werden könnten. Das System zeichnet sich somit durch eine erhöhte Robustheit und Störungsunanfälligkeit aus.
  • Weiterhin ist der beschriebene Heißfilmluftmassenmesser vergleichsweise einfach aufgebaut. Es sind keine zusätzlichen Regelungsmechanismen erforderlich, um beispielsweise bestimmte Temperaturbereiche auf der Sensoroberfläche aufrechtzuerhalten, wie dies beispielsweise bei der DE 101 11 840 C1 der Fall ist. Weiterhin sind keine mikrosystemtechnischen Veränderungen der Sensoroberfläche selbst erforderlich, also beispielsweise zusätzliche Mikrostrukturen auf einem Sensorchip. Bereits vorhandene Sensorchips können somit durch einfaches Ergänzen um eine Felderzeugungsvorrichtung weiter genutzt werden. Eine Veränderung der lithographischen Prozesse bzw. des Layouts von Sensorchips ist in der Regel nicht erforderlich.
  • Die Felderzeugungsvorrichtung lässt sich durch einfaches Einbringen von Elektroden in einen Strömungskanal realisieren. Wie oben beschrieben, können dabei beispielsweise Metallfolien eingesetzt werden, oder es können auch Wände eines Strömungskanals metallisiert werden. Dazu lassen sich dem Fachmann bekannte, kostengünstige und zuverlässige Großserienverfahren einsetzen, beispielsweise Spritzgussverfahren zur Herstellung eines Strömungskanals, gefolgt von Standard-Metallisierungsverfahren. Beispielsweise existieren zahlreiche Techniken, um spritzgegossene Bauteile nachträglich zu metallisieren, insbesondere unter Zuhilfenahme von metallisierbaren Kunststoffen und/oder einer nachträglichen Metallisierbarmachung der Kunststoffe durch Auftragen beispielsweise von Metallkeimen und anschließende Metallisierung beispielsweise in einem chemischen Metallisierungsbad. Derartige Techniken sind dem Fachmann bekannt. Auch lassen sich strukturierte Metallisierungen auf Kunststoffe aufbringen, wobei beispielsweise die aus der Technik der spritzgegossenen Leiterplatten (molded interconnect devices, MID) bekannten Verfahren (z.B. Heißprägen, Laserstrukturieren etc.) eingesetzt werden können. Auf diese Weise lässt sich der beschriebene Heißfilmluftmassenmesser unter geringer Modifikation bereits bekannter Heißfilmluftmassenmessertypen durch ein kostengünstiges und zuverlässiges Herstellungsverfahren herstellen.
  • Zeichnung
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 einen in einem Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzten Heißfilmluftmassenmesser;
  • 2 einen Schnitt durch einen Bypasskanal eines Heißfilmluftmassenmessers mit einem in den Bypasskanal hineinragenden Chipträger;
  • 3 einen Schnitt durch den Bypasskanal eines Ausführungsbeispiels eines Heißfilmluftmassenmessers mit Schnittebene senkrecht zur Schnittebene gemäß 2; und
  • 4 ein Deckelteil eines Heißfilmluftmassenmessers zum Aufsetzen auf den Bypasskanal gemäß 2.
  • Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist ein Beispiel eines Heißfilmluftmassenmessers 110 dargestellt, welcher im Ansaugtrakt 112 einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt ist. Derartige Heißfilmluftmassenmesser 110 sind kommerziell erhältlich und Stand der Technik. Der Heißfilmluftmassenmesser 110 ist ausgestaltet, um die Strömungsrichtung eines Abgasstroms bei pulsierender Strömung zu erkennen und ist für eine Lasterfassung bei Verbrennungskraftmaschinen mit Benzin- oder Dieselkraftstoffeinspritzung konzipiert. Der Einbau des Heißfilmluftmassenmessers 110 erfolgt üblicherweise zwischen einem Luftfilter und einer Drosselvorrichtung und erfolgt in der Regel als vormontierte Baugruppe in Form eines Steckfühlers, welcher ein Messgehäuse 114 aufweist.
  • In den 2 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers 110 dargestellt, bei welchem ein Plattenkondensator 116 als Felderzeugungsvorrichtung 118 eingesetzt wird. Dabei zeigt 2 den Heißfilmluftmassenmesser 110 mit geöffnetem Messgehäuse 114, wobei der Bypasskanal 120 sichtbar ist. Das Messgehäuse 114 umfasst somit einen Elektronikbereich 122, in welchem die (in 2 nicht dargestellte) Ansteuer- und Auswerteelektronik des Heißfilmluftmassenmessers 110 untergebracht ist, sowie einen Strömungsbereich 124, in welchem der Bypasskanal 120 aufgenommen ist. Wie in 1 dargestellt, ragt der Strömungsbereich 124 in den Ansaugtrakt 112 der Verbrennungskraftmaschine. Vom Elektronikbereich 122 aus ragt ein Chipträger 126 mit einem darin eingesetzten Sensorchip 128 in den Bypasskanal 120. Der Chipträger 126 kann beispielsweise ein metallischer Chipträger 126 sein, beispielsweise in Form eines Blechteils. In einer anderen Ausführungsform kann der Chipträger 126 auch ein Kunststoffteil sein, beispielsweise eine an eine im Elektronikbereich 122 aufgenommene Leiterplatte angespritzte Sensornase, welche in den Bypasskanal 120 hineinragt. In eine Vertiefung des Chipträgers 126 ist der Sensorchip 128 eingelassen, so dass seine Sensoroberfläche 130 vom durch den Bypasskanal 120 tretenden Luftmassenstrom überströmt wird.
  • Mit Bezugsziffer 132 sind in 2 Diffusionswege des Ölnebels im Luftmassenstrom gezeichnet. Diese Diffusionswege 132 sind die Wege, welche die Ölnebel aus dem Ansaugtrakt 112 hin zum Sensorchip 128 zurücklegen, wenn die Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet wird. Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine strömt der Luftmassenstrom jedoch im Bereich des Sensorchips 128 mit einer Hauptströmungsrichtung durch den Bypasskanal 120, wobei die Hauptströmungsrichtung in 2 symbolisch mit dem Pfeil 134 bezeichnet ist. Um das Überströmen der Sensoroberfläche 130 zu gewährleisten, ist der Chipträger 126 stromaufwärts mit einer Anströmkante 136 ausgestattet.
  • Das Messgehäuse 114 ist in der perspektivischen Darstellung gemäß 2 mit Blickrichtung von oben in geöffnetem Zustand dargestellt. In 4 ist ein Deckelteil 138 perspektivisch dargestellt, welches nach Klappen um eine vertikale Achse auf das Messgehäuse 114 in 2 aufgesetzt werden kann, um den Bypasskanal 120 zu schließen. Das Deckelteil 138 bildet dann einen integralen Bestandteil des Messgehäuses 114. Deutlich sind im Deckelteil die Begrenzungsstrukturen 140 des Bypasskanals 120 zu erkennen. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Wände des Bypasskanals 120 nicht in allen Bereichen parallel verlaufen, sondern dass eine Strömungsführung durch lokales Verengen oder Erweitern des Bypasskanals 120 erfolgen kann. So ist beispielsweise in dem Bereich des Bypasskanals 120, in welchen der Chipträger 126 hineinragt, eine Konvergenzrampe 142 ausgebildet, so dass in diesem Bereich der Strömungsquerschnitt verengt ist.
  • In 3 ist ein Schnitt durch den Bereich des Bypasskanals 120 im Bereich der Konvergenzrampe 142 dargestellt. Die Schnittlinie verläuft in 2 waagerecht durch den Chipträger 126, und die Blickrichtung ist in 2 von unten, parallel zur Zeichenebene. In dieser Darstellung wird auch die Ausgestaltung der Felderzeugungsvorrichtung 118 besonders deutlich. Es ist zu erkennen, dass diese Felderzeugungsvorrichtung 118 sich in diesem Ausführungsbeispiel zusammensetzt durch eine erste Elektrode 144 auf dem Deckelteil 138 und eine zweite Elektrode 146 auf einem Bodenteil 148 des Messgehäuses 114. Werden die beiden Elektroden 144, 146 unterschiedlich aufgeladen, so bildet sich zwischen diesen ein elektrisches Feld 150 aus, welches in 3 symbolisch dargestellt ist. Das elektrische Feld ist in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen homogen und weicht nur in den Randbereichen von der Homogenität ab. Bei typischen Kanalbreiten zwischen 2 und 10 mm wurden in Versuchen Spannungen bis ca. 5 kV verwendet. Bei Verwendung von nicht-metallischen Chipträgern 126, beispielsweise in Form von Spritzgussbauteilen, werden die Feldlinien im Bereich des Chipträgers 126 nur unwesentlich beeinflusst. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich, insbesondere Ausgestaltungen mit metallischen Chipträgern 126.
  • Die beiden Elektroden 144, 146 sind in diesem Ausführungsbeispiel durch einfaches Aufbringen von Leitlack auf die Kanalwände des Bypasskanals 120 erzeugt. Dies ist durch Zusammenschau der 2 und 4 erkennbar. In 2 ist dabei die zweite Elektrode 146, welche auf das Bodenteil 148 des Messgehäuses 114 aufgebracht ist, sichtbar. In der perspektivischen Darstellung gemäß 2 ist diese zweite Elektrode 146 teilweise durch den Chipträger 126 verdeckt. In 4 ist die erste Elektrode 144, welche auf das Deckelteil 138 aufgebracht ist, erkennbar. Durch Aufeinanderklappen des Deckelteils 138 auf das Messgehäuse 114 bilden die erste Elektrode 144 und die zweite Elektrode 146 die in 3 dargestellte Kondensatorstruktur.
  • Wie aus 3 ersichtlich, beginnt das elektrische Feld 150 nicht unmittelbar an der Anströmkante 136 des Chipträgers 126, sondern die Elektroden 144, 146 sind derart ausgestaltet, dass der Luftmassenstrom bereits eine Driftstrecke 152 durch das elektrische Feld 150 zurückgelegt hat, bevor diese die Sensoroberfläche 130 erreicht. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die oben beschriebenen Effekte der Ausfällung koagulierter Öltröpfchen bzw. der Ablenkung geladener Öltröpfchen genügend wirken können, bevor der Luftmassenstrom die Sensoroberfläche 130 erreicht. Die Ausfällung von Öltröpfchen erfolgt in dieser Darstellung gemäß 3, welche die Blickrichtung von unten zeigt, senkrecht aus der Zeichenebene heraus. Das elektrische Feld 150 ist in diesem Fall näherungsweise horizontal, wobei jedoch auch Abweichungen von der Horizontalen (vorzugsweise um nicht mehr als 20°) toleriert werden können.
  • Weiterhin ist in 3 zu erkennen, dass das elektrische Feld 150 auch nicht unmittelbar nach der Sensoroberfläche 130 endet, sondern erst um eine Nachdriftstrecke 154 hinter der Sensoroberfläche 130. Beispielsweise kann diese Nachdriftstrecke 154 näherungsweise so lang sein wie die Driftstrecke 152. Durch diese Nachdriftstrecke 154 wird gewährleistet, dass auch nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine entgegen der Hauptströmungsrichtung 134 strömende Öldämpfe (siehe die Diffusionswege 132 in 2), welche in 3 von rechts anströmen, den Sensorchip nicht oder nur noch unwesentlich kontaminieren können. In dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2 bis 4 ist die Driftstrecke 152 länger gewählt als die Nachdriftstrecke 154. Typische Längen der Driftstrecken 152, 154 liegen im Bereich von einem bis fünfzig Millimetern.
  • Das in den 2 bis 4 beschriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers 110 stellt nur eine von mehreren Möglichkeiten zur Reali sierung des erfindungsgemäßen Prinzips dar. Die Elektroden 144, 146 können auf einfach Weise, beispielsweise durch auf das Messgehäuse 114 aufgebrachte Leiterbahnen, elektrisch kontaktiert und mit einer entsprechenden Spannungsquelle verbunden werden. Alternativ ist auch eine vollständige Metallisierung der Wände des Bypasskanals 120 möglich, so dass in diesem Fall die Driftstrecke 152 bzw. die Nachdriftstrecke 154 den gesamten Bypasskanal 120 umfasst. Weiterhin können auch separate, vom Deckelteil 138 und Bodenteil 148 getrennte Elektroden in den Bypasskanal 140 eingebracht werden, so dass beispielsweise das elektrische Feld 150 sich nicht über die gesamte Breite des Bypasskanals 120 erstreckt. Auf diese Weise kann mit geringeren Spannungen gearbeitet werden. Weiterhin ist es auch denkbar, andere Elektrodengeometrien zu verwenden, beispielsweise andere geometrische Formen der Elektroden 144, 146. Auch kann der Chipträger 126, welcher, wie oben beschrieben, auch metallisch sein kann, selbst mit als Elektrode genutzt werden.
  • Besonders bevorzugt ist es, wie oben beschrieben, wenn der erfindungsgemäße Heißfilmluftmassenmesser 110 nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine noch für eine bestimmte Nachlaufdauer weiter betrieben wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass über die Diffusionswege 132 zum Sensorchip 128 gelangende Ölnebel diesen im Stillstand der Verbrennungskraftmaschine kontaminieren können. Dadurch wird insbesondere gewährleistet, dass auch nach erneutem Anschalten der Verbrennungskraftmaschine der Heißfilmluftmassenmesser 110 nahezu unmittelbar wieder für entsprechende Messungen und somit zur Motorsteuerung zur Verfügung steht.

Claims (9)

  1. Heißfilmluftmassenmesser (110) zur Messung eines Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt (112) einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heißfilmluftmassenmesser (110) eine vom Luftmassenstrom überströmbare Sensoroberfläche (130) aufweist, gekennzeichnet durch eine Felderzeugungsvorrichtung (118), welche ausgestaltet ist, um ein vorzugsweise zumindest teilweise homogenes elektrisches Feld (150) durch den Luftmassenstrom zu erzeugen.
  2. Heißfilmluftmassenmesser (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Felderzeugungsvorrichtung (118) einen Kondensator aufweist, insbesondere einen Plattenkondensator (116), wobei die Elektroden (144, 146) des Kondensators zumindest näherungsweise flächengleich sind.
  3. Heißfilmluftmassenmesser (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch mindestens einen Strömungskanal, insbesondere einen Bypasskanal (120), wobei die Elektroden (144, 146) eine in den Strömungskanal eingebrachte Metallschicht und/oder eine auf Wände des Strömungskanals aufgebrachte Metallisierung und/oder einen metallischen Bestandteil des Strömungskanals, insbesondere einen metallischen Bestandteil eines Deckelteils (138) und/oder eines Bodenteils (148) des Strömungskanals, umfassen.
  4. Heißfilmluftmassenmesser (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom mit einer Hauptströmungsrichtung (134) strömt, wobei das elektrische Feld (150) den Luftmassenstrom im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (134) durchdringt.
  5. Heißfilmluftmassenmesser (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld (150) im eingebauten Zustand des Heißfilmluftmassenmessers (110) im Wesentlichen horizontal verläuft.
  6. Heißfilmluftmassenmesser (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld (150) derart ausgestaltet ist, dass der Luftmassenstrom vor Erreichen der Sensoroberfläche (130) eine Driftstrecke (152) von mindestens 1 mm, insbesondere von mindestens 3 mm und besonders bevorzugt von mindestens 5 mm im elektrischen Feld (150) zurücklegt.
  7. Heißfilmluftmassenmesser (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vorzugsweise mindestens teilweise homogene elektrische Feld (150) zumindest in einem Teilbereich eine Feldstärke in einem Bereich von 1 kV/m bis 5 MV/m, insbesondere 10 kV/m bis 2,5 MV/m und besonders bevorzugt bei näherungsweise 0,4 MV/m aufweist.
  8. Verfahren zur Messung eines Luftmassenstroms einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine, unter Verwendung eines Heißfilmluftmassenmesser (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Felderzeugungsvorrichtung (118) nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine für eine vorgegebene Nachlaufdauer ein elektrisches Feld (150) erzeugt.
  9. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachlaufdauer zwischen 3 sec und 10 min, insbesondere zwischen 5 sec und 5 min und besonders bevorzugt zwischen 10 sec und 3 min beträgt.
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