DE102006027420B4

DE102006027420B4 - Heißfilm-Anemometer mit in einem Strömungskörper eingebetteten Sensorelementen

Info

Publication number: DE102006027420B4
Application number: DE200610027420
Authority: DE
Inventors: Roland Achhammer; Rudolf Dr. Bierl; Thorsten Knittel; Martin Lesser; Stefan Pesahl; Stephen Setescak; Frank Dr. Steuber
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2026-06-14
Also published as: DE102006027420A1

Abstract

Heißfilm-Anemometer zur Luftmassenmessung eines Luftstromes (S) in einer Brennkraftmaschine, mit einem als Temperaturfühler dienenden Sensorelement (2) und einem als Heizelement dienenden Sensorelement (4), von denen mindestens ein Sensorelement (2; 4) stabförmig und der Strömungskörper (6; 6a; 6b; 6c) derart ausgebildet ist, dass das mindestens eine Sensorelement (2; 4) in einer länglichen Nut (8; 10) angeordnet ist und mit seinen beiden Enden jeweils an einem elektrischen Kontakt (12) gehalten wird, der sich durch den Strömungskörper (6; 6a; 6b; 6c) hindurch erstreckt, so dass mindestens die der Strömungsrichtung des Luftstromes (S) entgegen gerichtete Seite des Sensorelementes (2; 4) gegen eine Verschmutzung durch den Luftstrom (S) geschützt ist und mindestens eine andere Seite des Sensorelementes (2; 4) dem Luftstrom (S) ausgesetzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heißfilm-Anemometer zur Luftmassenmessung eines Luftstroms in einer Brennkraftmaschine.
Heißfilm-Anemometer als Luftmassen-Durchflussmesser für den Ansaugluftstrom in Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise ein als Temperaturfühler dienendes Sensorelement und ein als Heizelement dienendes Sensorelement auf. Da die Sensorelemente dem angesaugten Luftstrom unmittelbar ausgesetzt sind, verschmutzen die Sensorelemente an ihren Vorderkanten. Diese Verschmutzung kann das Ausgangssignal der Sensorelemente verändern und somit zu Signaldriften führen.
Die EP 0 670 034 B1 offenbart ein Heizelement und einen Temperatursensor, die in ein Substrat eingelassen sind. Das mindestens eine Sensorelement bildet somit einen festen Bestandteil des Substrats, das man auch als Leiterplatte ausführen könnte. Da die Sensorelemente in dieses Substrat eingeformt sind, sind sie aufgrund dieses Einformens auch daran befestigt.
Aus der GB 1 515 611 A ist ein Heißfilm-Anemometer mit einem als Temperaturfühler dienenden Sensorelement und einem als Heizelement dienenden Sensorelement bekannt, die in einem Strömungskörper eingebettet sind, so dass eine der Strömungsrichtung entgegengerichtete Seite des Sensorelementes gegen eine Verschmutzung geschützt ist und eine andere Seite des Sensorelementes dem Luftstrom ausgesetzt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heißfilm-Anemometer zur Luftmassenmessung eines Luftstroms in einer Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem eine Verschmut zung der Sensorelemente durch den Luftstrom so weitgehend wie möglich vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 definierte Heißfilm-Anemometer gelöst.
Erfindungsgemäß sind mindestens ein Sensorelement und vorzugsweise beide Sensorelemente in einem Strömungskörper so eingebettet, dass mindestens die der Strömungsrichtung des Luftstroms entgegen gesetzte Seite gegen eine Verschmutzung durch den Luftstrom geschützt ist und mindestens eine andere Seite dem Luftstrom ausgesetzt ist, um ein Sensorsignal zu erhalten.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Einbettung des Sensorelementes bzw. der Sensorelemente werden Schmutzablagerungen an den Sensorelementen weitestgehend vermieden, was zu einer entsprechenden Verringerung einer durch Schmutzablagerung verursachten Signaldrift führt.
Die Sensorelemente können in den Strömungskörper so eingebettet werden, dass sie nur auf einer Seite oder auf gegenüberliegenden Seiten dem Luftstrom ausgesetzt sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den Sensorelementen und dem Strömungskörper eine thermische Entkopplung vorgesehen, die vorzugsweise aus einem Luftspalt besteht.
Die Sensorelemente werden innerhalb des Strömungskörpers vorzugsweise dadurch gehalten, dass sie an ihren entgegen gesetzten Enden mit elektrischen Kontakten verbunden werden, die sich durch den Strömungskörper hindurch erstrecken. Hierbei kann jedes Sensorelement nur mit seinem einen Ende an dem elektrischen Kontakt angelötet sein, während das andere Ende auf andere Weise mit dem zugehörigen elektrischen Kontakt verbunden wird, so dass thermisch bedingte mechanische Spannungen in den Sensorelementen vermieden werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Draufsicht auf einen Strömungskörper mit darin eingebetteten Sensorelementen eines Heißfilm-Anemometers;
2 eine Schnittdarstellung längs der Linie A-A in 1;
3 eine Schnittdarstellung längs der Linien B-B in 1;
4 eine der 2 entsprechende Schnittdarstellung eines modifizierten Ausführungsbeispiels;
5 eine der 1 entsprechende Draufsicht eines anderen Ausführungsbeispieles;
6 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels der 5 von unten;
7 eine Schnittansicht längs der Linie A-A in 5;
8 eine Schnittansicht längs der Linien B-B in 5;
9 eine der 7 entsprechende Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels
10 eine der 1 entsprechende Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel;
11 eine der 2 entsprechende Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der 10;
12 eine der 11 entsprechende Schnittdarstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels;
13 eine der 10 entsprechende Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
14 eine der 11 entsprechende Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels von 13; und
15 eine der 14 entsprechende Schnittdarstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels.
Zur Luftmassenmessung des angesaugten Luftstroms in Brennkraftmaschinen werden heutzutage überwiegend Heißfilm-Anemometer eingesetzt, vgl. beispielsweise „Handbuch Verbrennungsmotor", Richard van Basshuysen/Fred Schäfer; 3. Auflage, S. 659, 660. Da somit ihr grundsätzlicher Aufbau bekannt ist, wird hierauf nur insoweit eingegangen, als er zum Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
Das Heißfilm-Anemometer umfasst üblicherweise ein als Temperaturfühler dienendes Sensorelement 2 und ein als Heizelement dienendes Sensorelement 4, die in herkömmlichen Anemometern dem angesaugten Luftstrom ausgesetzt sind, um ein entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen. Die Sensorelemente 2, 4 sind, wie üblich, stabförmig ausgebildet. Wie bereits eingangs erwähnt, könnte es zu einer durch den Luftstrom hervorgerufenen Verschmutzung der Sensorelemente insbesondere an ihren Vorderkanten kommen.
Erfindungsgemäß werden daher die Sensorelemente in einem Strömungskörper so eingebettet, dass sie gegen eine entsprechende Verschmutzung geschützt sind.
Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Strömungskörper 6 aus einer relativ dünnen rechteckigen Platte, die innerhalb eines im Übrigen nicht dargestellten Sensormoduls des Anemometers so angeordnet wird, dass ihre Oberseiten parallel zur Strömungsrichtung des angesaugten Luftstromes S verlaufen, siehe 1 und 2. Der Strömungskörper 6 ist, wie in den 1 bis 3 zu sehen ist, an seiner Oberseite mit zwei quer zur Strömungsrichtung verlaufenden Nuten 8, 10 versehen, deren Form im Wesentlichen derjenigen der Sensorelemente 2 und 4 entspricht. Die Sensorelemente 2, 4 werden von den Nuten 8, 10 so aufgenommen, dass sie jeweils auf der der Strömungsrichtung entgegen gerichteten Seite sowie zwei weiteren Seiten gegen den Luftstrom S und damit gegen Verschmutzung durch den Luftstrom geschützt sind, während sie lediglich auf ihrer parallel zur Oberfläche des Strömungskörpers 6 und somit parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Seite dem Luftstrom S ausgesetzt sind.
Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, sind die Sensorelemente 2, 4 in Strömungsrichtung mit vorgegebenem Abstand zueinander angeordnet, wobei das als Temperaturfühler dienende Sensorelement 2 stromauf des als Heizelement dienenden Sensorelementes 4 angeordnet ist.
Die Nuten 8, 10 sind relativ zu den Sensorelementen 2, 4 so dimensioniert, dass zwischen den Sensorelementen 2, 4 einerseits und dem Strömungskörper 6 andererseits ein Luftspalt L vorhanden ist, der möglichst klein, jedoch ausreichend groß ist, um als thermische Entkopplung dienen zu können. Der Strömungskörper 6 besteht aus einem hitzebeständigen Material, das vorzugsweise sowohl elektrisch wie auch thermisch nicht leitend ist.
Die Sensorelemente 2, 4 werden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in den Nuten 8, 10 dadurch gehalten, dass sie an ihren gegenüberliegenden Enden (siehe 3) an elektrischen Kontakten 12 abgestützt sind, die sich durch den Strömungskörper 6 hindurch erstrecken. Die elektrischen Kontakte 12 sind über als Stromzuführungen dienende Beinchen 14 mit der (nicht dargestellten) Elektronik E des Anemometers verbunden.
Die Sensorelemente 2, 4 können mit den elektrischen Kontakten 12 an beiden Enden verlötet werden. Vorzugsweise wird jedoch das jeweilige Sensorelement 2 bzw. 4 nur an einem Ende mit dem zugehörigen elektrischen Kontakt 12 verlötet, während das andere Ende mit dem zugehörigen elektrischen Kontakt 12 so verbunden wird, dass eine Relativbewegung zwischen diesem Ende und dem elektrischen Kontakt möglich ist. Auf diese Weise werden thermisch bedingte mechanische Spannungen innerhalb der Sensorelemente 2, 4 vermieden, was die Bruchgefahr entsprechend verringert.
Grundsätzlich können die Sensorelemente 2, 4 auch auf andere Weise an dem Strömungskörper 6 befestigt werden. Beispielsweise ist zur Verbindung zwischen den Sensorelemente 2, 4 und dem Strömungskörper 6 ein hitzebeständiger Kleber einsetzbar, der statt oder zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Befestigung vorgesehen werden kann.
Bei dem in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Strömungskörper 6 aus einer quaderförmigen Platte, die an ihrer quer verlaufenden, ebenen Vorderkante von dem Luftstrom S angeströmt wird. Zur Verbesserung der laminaren Strömungseigenschaften, insbesondere zur Verringerung des Strömungswiderstandes, kann der Strömungskörper 6 an seiner vom Luftstrom S angeströmten Vorderkante mit einer Abrundung 16 (Profilkörper) versehen werden, wie dies in 4 dargestellt ist. Die Ausführungsform der 4 entspricht im Übrigen derjenigen der 1 bis 3.
Das Ausführungsbeispiel der 5 bis 8 entspricht weitgehend demjenigen der 1 bis 3. Unterschiedlich ist lediglich, dass die die Sensorelemente 2, 4 aufnehmenden Nuten 8a, 10a des Strömungskörpers 6a quer zur Strömungsrichtung durchgehend ausgebildet sind, so dass die Sensorelemente 8a, 10a auf gegenüberliegenden Seiten dem Luftstrom S ausgesetzt sind. Hierdurch lässt sich die Empfindlichkeit der Sensorelemente entsprechend erhöhen.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente 2, 4 an ihren beiden Enden mit elektrischen Kontakten 12 verbunden, die ihrerseits über die Beinchen 14 mit der Elektronik E verbunden sind, wie insbesondere aus 8 hervorgeht.
9 zeigt, ähnlich wie 4, eine Abrundung 16 an der angeströmten Vorderkante des Strömungskörpers 6a.
Das Ausführungsbeispiel der 10 und 11 entspricht weitgehend demjenigen der 5 bis 7. Unterschiedlich ist lediglich, dass das als Heizelement dienende Sensorelement 4 und die zugehörige Nut 10b an der stromabwärtig angeordneten Hinterkante des Strömungskörpers 6b so angeordnet sind, dass lediglich die der Strömungsrichtung entgegen gerichtete Seite des Sensorelementes 4 gegen den Luftstrom S geschützt ist, während die drei übrigen Seiten des Sensorelementes 4 dem Luftstrom S ausgesetzt sind. Diese Maßnahme dient der Erhöhung der Sensorempfindlichkeit des als Heizelement dienenden Sensorelementes 4.
Das Ausführungsbeispiel der 12 unterscheidet sich von demjenigen der 10, 11 lediglich durch die Abrundung 16 an der angeströmten Vorderkante des Strömungskörpers 6b.
Das Ausführungsbeispiel der 13, 14 entspricht weitgehend demjenigen der 1 bis 3. Unterschiedlich ist lediglich, dass das als Heizelement dienende Sensorelement 4 und die zugehörige Nut 10c, ähnlich wie in den 10 bis 12, an der Hinterkante des Strömungskörpers 6c so angeordnet sind, dass auch die in Strömungsrichtung zeigende Seite des Sensorelementes 4 dem Luftstrom S ausgesetzt ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 15, das demjenigen der 13, 14 entspricht, ist wiederum eine Abrundung 16 an der Vorderkante des Strömungskörpers 6c vorgesehen.

2, 4: Sensorelemente
6: Strömungskörper
8, 10: Nuten
12: elektrischer Kontakt
14: Beinchen
16: Abrundung
E: Elektronik
L: Luftspalt
S: Luftstrom

Claims

Heißfilm-Anemometer zur Luftmassenmessung eines Luftstromes (S) in einer Brennkraftmaschine, mit einem als Temperaturfühler dienenden Sensorelement (2) und einem als Heizelement dienenden Sensorelement (4), von denen mindestens ein Sensorelement (2; 4) stabförmig und der Strömungskörper (6; 6a; 6b; 6c) derart ausgebildet ist, dass das mindestens eine Sensorelement (2; 4) in einer länglichen Nut (8; 10) angeordnet ist und mit seinen beiden Enden jeweils an einem elektrischen Kontakt (12) gehalten wird, der sich durch den Strömungskörper (6; 6a; 6b; 6c) hindurch erstreckt, so dass mindestens die der Strömungsrichtung des Luftstromes (S) entgegen gerichtete Seite des Sensorelementes (2; 4) gegen eine Verschmutzung durch den Luftstrom (S) geschützt ist und mindestens eine andere Seite des Sensorelementes (2; 4) dem Luftstrom (S) ausgesetzt ist.
Heißfilm-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (2; 4) nur auf einer Seite, die parallel zur Strömungsrichtung verläuft, dem Luftstrom (S) ausgesetzt ist.
Heißfilm-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (2; 4) auf gegenüberliegenden Seiten, die parallel zur Strömungsrichtung verlaufen, dem Luftstrom (S) ausgesetzt ist.
Heißfilm-Anemometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (4) ferner auf einer in Strömungsrichtung zeigenden Seite dem Luftstrom (S) ausgesetzt ist.
Heißfilm-Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einen Sensorelement (2; 4) und dem Strömungskörper (6; 6a; 6b; 6c) eine thermische Entkopplung in Form eines Luftspaltes (L) vorgesehen ist.
Heißfilm-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die längliche Nut (8; 10) an ihren beiden Enden geschlossen ausgebildet ist.
Heißfilm-Anemometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (2; 4) mit seinem einen Ende an dem zugehörigen elektrischen Kontakt (12) angelötet ist und mit seinem anderen Ende an dem zugehörigen elektrischen Kontakt (12) gleitend verschiebbar gehalten wird.
Heißfilm-Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Sensorelement (2; 4) in der länglichen Nut (8; 10) zusätzlich durch einen hitzebeständigen Kleber gehalten wird.
Heißfilm-Anemometer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der als Platte ausgebildete Strömungskörper (6; 6a; 6b; 6c) an seiner vom Luftstrom (S) angeströmten Vorderkante mit einer Abrundung (16) versehen ist.
Heißfilm-Anemometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Sensorelemente (2; 4) in einem gemeinsamen Strömungskörper (6; 6a; 6b; 6c) eingebettet sind.
Heißfilm-Anemometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das als Heizelement dienende Sensorelement (4) stromab des als Temperaturfühler dienenden Sensorelementes (2) angeordnet ist.