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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von Vorrichtungen zur Messung wenigstens eines
Parameters eines strömenden
fluiden Mediums, insbesondere eines durch ein Strömungsrohr
strömenden
fluiden Mediums, wie sie aus verschiedenen Bereichen der Technik
bekannt sind. So müssen
bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik,
der Chemie oder des Maschinenbaus, definiert fluide Medien, insbesondere
Gasmassen (z.B. eine Luftmasse) mit bestimmten Eigenschaften (beispielsweise
Temperatur, Druck, Strömungsgeschwindigkeit,
Massenstrom etc.) zugeführt
werden. Hierzu zählen
insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen
ablaufen.
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Ein
wichtiges Anwendungsbeispiel ist die Verbrennung von Kraftstoff
in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere
mit anschließender
katalytischer Abgasreinigung, bei denen geregelt eine bestimmte
Luftmasse pro Zeiteinheit (Luftmassenstrom) zugeführt werden
muss. 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 Membran 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.
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Nachteilig
an den aus dem Stand der Technik beschriebenen Steckfühlerkonstruktionen
ist jedoch, dass die beschriebenen Steckfühler mit ihrer aerodynamisch
ungünstigen
Gestalt in vielen Fällen
im Ansaugtrakt Probleme bezüglich
eines Strömungswiderstand-bedingten
Druckabfalls verursachen. Hinzu kommt, dass die Signalreproduzierbarkeit
der Signale derartiger Sensoren stellenweise vergleichsweise gering
ist. In
DE 10
2004 022 271 A1 wird daher eine Konstruktion vorgeschlagen,
bei welcher im Strömungsrohr
fest installiert ein Strömungsableitteil
als separates Bauteil vorgesehen ist. Alternativ wird auch eine
einstückige
Ausgestaltung des Strömungsableitteils
mit dem Steckfühler
vorgeschlagen. Weiterhin ist im Strömungsrohr eine Strömungsleitwand
fest installiert, welche eine Beruhigung der Strömung hinter dem Steckfühler bewirken
soll.
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Diese
aus
DE 10 2004
022 271 A1 bekannte Konstruktion ist jedoch in der Praxis
mit verschiedenen Nachteilen verbunden. So besteht ein Nachteil darin,
dass das Strömungsableitteil
in der Regel fest in einem Abschnitt des Strömungsrohrs installiert ist. Diese
feste Installation verursacht zusätzliche Kosten bei der Herstellung
dieses Rohrabschnitts, ebenso wie das Vorsehen der zusätzlichen
Strömungsleitwand.
Zusätzlich,
und dies gilt auch für
die Ausbildung eines einstückigen,
also mit einem integrierten Strömungsableitteil
versehenen Steckfühler,
hat sich die offenbarte Konstruktion, wie auch andere vorbekannte
Konstruktionen, stellenweise als ungünstig hinsichtlich ihres Strömungswiderstandes
erwiesen, da nach wie vor hohe Druckabfälle und somit schlechte Signalreproduzierbarkeiten
auftreten.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher ein Steckfühler
zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines mit einer Hauptströmungsrichtung
strömenden
fluiden Mediums vorgeschlagen, welcher die oben beschriebenen Nachteile
bekannter Konstruktionen ganz oder teilweise vermeidet. Bei dem
fluiden Medium kann es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln,
und bei dem wenigstens einen Parameter beispielsweise um einen Druck,
eine Temperatur, eine Geschwindigkeit, einen Luftmassendurchsatz
oder ähnliches.
Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung des Steckfühlers als
Heißfilmluftmassenmesser
zur Messung einer durch ein Strömungsrohr
strömenden
Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine.
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Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht dabei darin, den
Steckfühler
kompakt und universell einsetzbar auszugestalten, so dass auf eine
aufwändige
Konstruktion des Strömungsrohres
verzichtet werden kann. Der Weg zu dieser kompakten Ausgestaltung
bei geringem Druckabfall und guter Signalreproduzierbarkeit ohne
weitere Hilfsmittel im Strömungsrohr
führt erfindungsgemäß über eine
wohl definierte Außenströmung um
den Steckfühler
herum, welche unempfindlich ist gegenüber Störungen und unterschiedlichen
Zuströmzuständen des
strömenden
fluiden Mediums. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß auf Erkenntnisse
aus dem Flugzeugbau (Hydrodynamik, Aerodynamik) zurückgegriffen.
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Der
erfindungsgemäße Steckfühler weist
ein Steckerteil auf, welches in vorgegebener Ausrichtung zur Hauptströmungsrichtung
in das strömende
fluide Medium, welches insbesondere in dem Strömungsrohr strömt, einbringbar
ist. In dem Steckerteil ist mindestens ein Strömungskanal mit mindestens einem Sensor
zur Bestimmung des mindestens einen Parameters aufgenommen. Vorzugsweise
handelt es sich, wie oben beschrieben, bei dem mindestens einen
Sensor um einen Heißfilmluftmassenmesser-Sensorchip.
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Eine
Besonderheit des vorgeschlagenen Steckfühlers besteht darin, dass das
Steckerteil zumindest teilweise ein Trägflächenprofil aufweist, welches
derart ausgestaltet ist, dass sich bei in das strömende fluide
Medium eingebrachtem Steckerteil ein asymmetrisches Strömungsprofil
des fluiden Mediums einstellt. Dabei lassen sich grundsätzlich ver schiedene
Ausgestaltungen von Tragflächenprofilen einsetzen,
welche beispielsweise aus dem Flugzeugbau bekannt sind. Der Vorteil
der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
besteht darin, dass sich durch die Asymmetrieeffekte gezielt Strömungsgeschwindigkeiten
auf einer Seite des Steckerteils (Niederdruckseite) erhöhen und
auf der anderen Seite (Hochdruckseite) verringern lassen. Auf diese
Weise können
in Bereichen, wo dies für
den Betrieb des Steckfühlers
besonders günstig
ist, Erhöhungen
der Geschwindigkeit im strömenden
fluiden Medium herbeigeführt
werden. So kann beispielsweise, wie dies in einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung der Fall ist, mindestens eine Auslassöffnung (das
heißt eine,
mehrere oder alle Auslassöffnungen)
des mindestens einen Strömungskanals
seitlich auf dem mindestens einen Tragflächenprofil angeordnet sein.
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Eine
aus dem Flugzeugbau bekannte Grundproblematik der Verwendung von
Tragflächenprofilen in
den Strömungen
besteht jedoch darin, dass diese zwar in einer reinen zweidimensionalen
Betrachtung (Querschnitt des Tragflächenprofils) aerodynamisch günstig ausgestaltet
sind. Bei einer vollständigen, dreidimensionalen
Betrachtung ist jedoch zu beachten, dass die Tragfläche, also
im vorliegenden Fall das Steckerteil, eine endliche Längserstreckung
in das strömende
Medium hinein aufweist. Gerade an dem in das strömende Medium ragenden Ende
einer Tragfläche
treten jedoch Effekte auf, welche mit einem Druckausgleich zwischen
der Hochdruckseite und der Niederdruckseite zusammenhängen. So
bilden sich infolge der dort auftretenden Druckdifferenz Druckausgleichsströmungen,
welche in der Regel eine Bildung von Randwirbeln im Bereich dieses
Endes des Steckerteils verursachen. Dies hat zur Folge, dass das
Steckerteil, so wie es bislang obenstehend beschrieben wurde, einen
vergleichsweise hohen Strömungswiderstand
aufweist und dementsprechend einen hohen Druckabfall im strömenden Medium.
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Zur
Lösung
dieser Problematik wird wiederum auf Techniken aus dem Flugzeugbau
zurückgegriffen.
Dementsprechend besteht eine weitere erfindungsgemäße Idee
darin, das Steckerteil an seinem in das strömende Medium ragenden Ende
mit mindestens einem Winglet zu versehen. Ein derartiges Winglet
ist ein Element, welches eine Umströmung des Endes des Steckerteils
von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite erschwert, in dem ein
aus der Tragfläche
herausragendes Teil vorgesehen ist, welches seit lich in die Strömung ragt.
Bei üblichen
Tragflächen
wird dies beispielsweise dadurch erzeugt, dass ein Flügel an seinem äußeren Ende
nach oben gebogen wird. Dementsprechend könnte auch hier das Steckerteil
beispielsweise an seinem äußeren Ende
umgebogen werden, oder es könnte
eine Strömungsnase
auf der Hochdruck- oder Niederdruckseite vorgesehen sein, welche
eine derartige Umströmung
an dem in die Strömung
ragenden Ende und somit einen Druckausgleich verhindert.
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Das
erfindungsgemäße Winglet
verhindert somit wirkungsvoll einen Druckausgleich am in die Strömung ragenden
Sensorende und verhindert, dass sich an diesem Sensorende Randwirbel
bilden, die einen zusätzlichen
Strömungswiderstand
und damit einen zusätzlichen
Druckabfall in der Strömung des
fluiden Mediums verursachen. Die Stärke der Randwirbel wird verringert,
und die Randwirbel werden nach außen, weg vom eigentlichen Steckerteil, verlagert.
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Beispielsweise
kann das mindestens eine Winglet mindestens eine in einem Winkel,
vorzugsweise einem Winkel zwischen 30° und 100°, angeordnete Wingletfläche umfassen.
Besonders bevorzugt sind dabei Winkel von ca. 90°, so dass die Wingletfläche sich
näherungsweise
senkrecht von der Haupterstreckungsrichtung des Steckerteils weg
in das strömende
Medium hinein erstreckt. Vorzugsweise erstreckt sich das Winglet
dabei hin zur Niederdruckseite des Tragflächenprofils, da auf diese Weise
Randwirbel besonders wirksam vermieden werden. Diese Erstreckung
zur Niederdruckseite hin beträgt
vorzugsweise zwischen 2 und 10 mm.
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Vorzugsweise
weist der mindestens eine Strömungskanal
mindestens eine Auslassöffnung auf.
Diese Auslassöffnung
ist vorzugsweise seitlich auf dem mindestens einen Tragflächenprofil
auf der Niederdruckseite angeordnet. Diese Anordnung bewirkt einen
besonders günstigen
Fluiddurchsatz durch den mindestens einen Strömungskanal, da der geringe
Druck auf der Niederdruckseite eine Art „Saugwirkung" im mindestens einen
Strömungskanal bewirken
kann. Vorzugsweise ist dann das mindestens eine Winglet am in die
Strömung
ragenden Ende des Steckfühlers
derart angebracht, dass dieses zumindest den Bereich abdeckt (d.h.
in Strömungsrichtung),
in welchem die mindestens eine Auslassöffnung angeordnet ist. Auf
diese Weise kann durch Anordnen des Winglets insbesondere vermieden
werden, dass Wirbel im Bereich der mindestens einen Auslassöffnung auftreten,
welche die Strömung durch
den mindestens einen Strömungskanal
negativ beeinflussen könnten.
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Das
mindestens eine Winglet kann beispielsweise mindestens eine Wingletscheibe
umfassen, welche an dem in das strömende Medium ragenden Ende
des Steckerteils angeordnet ist. Beispielsweise kann es sich dabei
um ein ebenes, plattenförmiges Element
handeln. Vorzugsweise ist diese mindestens eine Wingletscheibe derart
gestaltet, dass diese eine schräg
auf das Steckerteil zulaufende Kante umfasst, welche der Hauptströmungsrichtung
des strömenden Mediums
entgegenweist. Auf diese Weise ist auch die Wingletscheibe aerodynamisch
günstig
ausgeführt,
was eine zusätzliche
Verringerung des Druckabfalls am Steckerteil bewirkt. Diese schräg zulaufende
Kante kann beispielsweise mit der Hauptströmungsrichtung einen Winkel
zwischen 10° und
90° (d.h.
auch eine senkrechte Kante ist möglich),
vorzugsweise zwischen 20° und
70°, und
besonders bevorzugt bei ca. 45° aufweisen.
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Die
Wingletscheibe ist vorzugsweise derart ausgestaltet (was beispielsweise
durch die Ausgestaltung als ebene Platte erfolgen kann), dass diese auf
der in das strömende
Medium ragenden Seite eine Auflagefläche, vorzugsweise eine ebene
Auflagefläche,
aufweist. Diese Auflagefläche
steht wiederum vorzugsweise im näherungsweise
senkrechten Winkel (wobei Abweichungen von ca. ± 5° toleriert werden können) zur
Längserstreckung
des Steckfühlers.
Diese konstruktiv besonders günstige
Ausgestaltung macht sich bei der Herstellung des Steckfühlers insofern
günstig
bemerkbar, als diese Auflagefläche
als zusätzliche
Auflagefläche
des Steckfühlers auf
einem Werkstückträger genutzt
werden kann.
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Insgesamt
lässt sich
mittels der vorgeschlagenen Steckfühlerkonstruktion ein kleiner,
kompakter Steckfühler
realisieren, welcher lediglich einen geringen Druckabfall in einem
Strömungsrohr
(beispielsweise einem Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine) verursacht
und welcher auch ohne zusätzliche
Strömungselemente
eingesetzt werden kann. So kann beispielsweise auf zusätzliche
Strömungsberuhigungsgitter
oder zusätzliche
Leitflügel
im Strömungsrohr
verzichtet werden, so dass lediglich beispielsweise eine Öffnung für den Steckfühler vorgesehen werden
muss. Dadurch lassen sich Kosten und konstruktiver Aufwand sowie
auch das Gewicht derartiger Steckfühler drastisch reduzieren.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen
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1A einen
im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eingesetzten Heißfilmluftmassenmesser;
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1B einen
geöffneten
Heißfilmluftmassenmesser
in Draufsicht;
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2 eine
Prinzipdarstellung eines Tragflächenprofils;
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3 ein
Ausführungsbeispiel
eines Steckfühlers
mit einem Tragflächenprofil
mit einer Abschrägung;
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4A eine
Ansicht eines Steckfühlers
in Strömungsrichtung
ohne Winglet;
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4B eine
Ansicht eines Steckfühlers
in Strömungsrichtung
mit Winglet;
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5A Tragflächenprofile
von Steckfühlern mit
verschiedenen Ausführungs- bis 5C beispielen
von Winglets; und
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6 eine
perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Steckfühlers mit Winglet.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
1A ist
ein dem Stand der Technik entsprechendes Ausführungsbeispiel eines Steckfühlers
110 dargestellt,
welcher in diesem Fall als Heißfilmluftmassenmesser
112 ausgebildet
ist. Der Heißfilmluftmassenmesser
112 ist
in einen Ansaugtrakt
114 einer Brennkraftmaschine eingesetzt,
welche in
1A nicht dargestellt ist. Derartige
Heißfilmluftmassenmesser
112 sind
kommerziell erhältlich.
Der Heißfilmluftmassenmesser
112 ist
ausgestaltet, um die Strömungsrichtung
eines Ansaugstromes zu erkennen und ist für eine Lasterfassung bei Brennkraftmaschinen
mit Benzin- oder Dieselkraftstoff einspritzung konzipiert. Der Einbau
des Heißfilmluftmassenmessers
112 erfolgt üblicherweise
zwischen einem Luftfilter und einer Drosselvorrichtung und erfolgt
in der Regel als vormontierte Baugruppe. Dementsprechend weist der
Steckfühler
110 ein
Steckerteil
116 auf, welches in
1B in
geöffnetem
Zustand in Seitenansicht dargestellt ist und welche in
1A in
den Ansaugtrakt
114 hineinragt. In
1B ist
erkennbar, dass in diesem Ausführungsbeispiel
des Heißfilmluftmassenmessers
112 ein
Messgehäuse
118 des Heißfilmluftmassenmessers
112 unterteilt
ist in einen Strömungsbereich
120 und
einen Elektronikbereich
122. Im Strömungsbereich
120 ist
ein Strömungskanal
124 aufgenommen,
welcher in diesem, dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel
ausgestaltet ist wie in
DE 10 2004 022 271 A1 beschrieben. Der Steckfühler
110 wird
von Luft in einer Hauptströmungsrichtung
126 angeströmt. Die Luft
strömt
durch eine Einlassöffnung
128 in
den Strömungskanal
124 ein.
Der Strömungskanal
124 weist
einen Hauptkanal
130 auf, welcher sich im Wesentlichen
gerade, entlang der Hauptströmungsrichtung
126 von
der Einlassöffnung
128 zu
einem Hauptstromauslass
132 befindet. Der Hauptstromauslass
132 befindet
sich hierbei seitlich in einer Wand des Steckerteils
116.
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Vom
Hauptkanal 130 zweigt an einer Abzweigung 134 ein
Bypasskanal 136 ab, welcher sich im Wesentlichen mit gekrümmtem Verlauf
um den Hauptstromauslass 132 herum bis zu einem an der Unterseite
des Steckerteils 116 gelegenen Bypassauslass 138 erstreckt.
In einem geraden Abschnitt 140 ragt aus dem Elektronikbereich 122 ein
Chipträger 142 mit
einem darin eingelassenen Sensorchip 144 in den Bypasskanal 136.
Der Chipträger 142 ist üblicherweise
an einer im Elektronikbereich 122 aufgenommenen, in 1B nicht
dargestellten Elektronikplatine befestigt (beispielsweise angespritzt),
wobei die Elektronikplatine eine Auswerte- und Ansteuerschaltung
des Heißfilmluftmassenmessers 112 umfassen
kann.
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Um
Verunreinigungen wie beispielsweise flüssige Verunreinigungen (zum
Beispiel Wasser, Öl) oder
feste Verunreinigungen von dem Sensorchip 144 fernzuhalten,
ist an der Abzweigung 134 des Bypasskanals 136 eine
scharfkantige Nase 146 vorgesehen. An dieser Nase wird
der Hauptstrom vom durch den Bypasskanal 136 strömenden Teil
der Luft getrennt, derart, dass Wassertröpfchen und andere Verunreinigungen
geradeaus weiter durch den Hauptkanal 130 strömen und
im Wesentlichen nicht zum Sensorchip 144 gelangen können.
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Eine
Problematik des dem Stand der Technik entsprechenden Heißfilmluftmassenmessers 112 besteht
in der Ausgestaltung des Steckerteils 116 mit im Wesentlichen
rechteckigem Querschnitt in einer Schnittebene senkrecht zur Zeichenebene
in 1B. Dementsprechend weist das Steckerteil 116 eine
Anströmseite 148 mit
einer im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 126 ausgestalteten
Fläche
auf. Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Anströmseite 148 als
abgerundete Anströmseite
auszugestalten, wobei die Abrundung bereits im Steckerteil 116 und
somit im Steckfühler 110 integriert
ist. Insgesamt weist das Steckerteil 116 in einer Schnittebene
senkrecht zur Zeichenebene in 1B, zumindest
im Bereich der Einlassöffnung 128,
ein Tragflächenprofil 210 auf, welches
beispielhaft in 2 dargestellt ist. Anhand der
Prinzipdarstellung in 2 sollen die grundlegenden Begriffe
des Tragflächenprofils 210 erläutert werden.
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Das
Tragflächenprofil 210 weist
erfindungsgemäß eine abgerundete
Anströmseite 148 auf,
welche im Wesentlichen der Hauptströmungsrichtung 126 entgegengesetzt
orientiert ist, wenn das Steckerteil 116 im Ansaugtrakt 114 der
Brennkraftmaschine montiert ist. Die Anströmseite 148 wird dabei
bei Tragflächen
häufig
auch als Staupunkt bezeichnet.
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Die
Strömung
der Luft um das Tragflächenprofil 210 herum
ist in 2 symbolisch durch die Strömungslinien 212 dargestellt.
Dabei wird deutlich, dass die Strömung um das Tragflächenprofil 210 erfindungsgemäß aus zweierlei
Gründen
asymmetrisch ist. Zum Einen ist die Profilmittellinie 214 auf eine
gedachte Linie zwischen Scheitelpunkt der Anströmseite 148 und der
fiktiven Hinterkante 216 des Tragflächenprofils gegenüber der
Hauptströmungsrichtung 126 um
einen Anstellwinkel α verkippt.
Vorzugsweise liegt dieser Anstellwinkel zwischen 0° und 7°, besonders
bevorzugt zwischen 2° und
5°, wobei sich
ein Winkel von 4° als
besonders günstig
erwiesen hat. Dadurch werden die Strömungslinien 212 im Bereich
oberhalb des Tragflächenprofils 210 verdichtet
und unterhalb des Tragflächenprofils 210 ausgedünnt, so
dass die Strömungsgeschwindig keit über dem
Tragflächenprofil 210 ansteigt
und unter dem Tragflächenprofil 210 absinkt.
Dementsprechend steigt der Druck unter dem Tragflächenprofil 210 an und
sinkt über
dem Tragflächenprofil 210 ab.
Dies bewirkt den bekannten Auftriebseffekt von Tragflächen.
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Eine
Besonderheit des Tragflächenprofils 210 gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 2 besteht darin, dass das Tragflächenprofil 210 eher
ein „abgeschnittenes" Heck 218 aufweist.
Dies bedeutet, dass das Heck im Wesentlichen senkrecht zur Profilmittellinie 214 steht,
bzw., bei verschwindendem Anstellwinkel α, senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 126.
Alternativ zur in 2 eingezeichneten Definition
der Profilmittellinie 214 ließe sich diese auch dadurch
definieren, dass sich diese vom Scheitelpunkt der Anströmseite 148 zum
Mittelpunkt des Hecks 218 erstreckt. Aufgrund der lediglich
geringen Abweichungen des Tragflächenprofils 210 von
einer Symmetrie sind diese Definitionen jedoch im Wesentlichen gleichbedeutend.
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Neben
der oben aufgeführten
Asymmetrie der Strömung
durch den Anstellwinkel α relativ
zur Hauptströmungsrichtung 126 wird
in dem Ausführungsbeispiel
des Tragflächenprofils 210 gemäß 2 eine
weitere Asymmetrie dadurch herbeigeführt, dass dieses eine Profilwölbung aufweist.
So ist in 2 die so genannte Skelettlinie 220 eingezeichnet,
welche geometrisch dadurch erhalten wird, dass dem Tragflächenprofil 210 Innenkreise 222 eingeschrieben
werden. Die Gesamtheit der Mittelpunkte dieser Innenkreise 222 bildet
die Skelettlinie 220. Eine Profilwölbung bedeutet, dass diese
Skelettlinie 220, welche bei perfekt symmetrischem Tragflächenprofil 210 auf
der Profilmittellinie 214 zu liegen käme, nunmehr von dieser Profilmittellinie 214 abweicht. Die
maximale Abweichung f der Skelettlinie 220 von der Profilmittellinie 214 wird
als Profilwölbung
bezeichnet. Häufig
wird diese auf die Gesamtlänge
L des Tragflächenprofils 210 bezogen
und in Prozent angegeben. Dabei kann die Gesamtlänge L, wie in 2 eingezeichnet,
vom Scheitelpunkt der Anströmseite 148 bis
zur fiktiven Hinterkante 216 gemessen werden, oder es kann
(wie bei den obigen Zahlenangaben der bevorzugten Profilwölbung) ein Bezug
auf die Länge
L' genommen werden,
welche zwischen dem Scheitpunkt der Anströmseite 148 und dem
Heck 218 gemessen wird. Somit ergibt sich als Profilwölbung in
Prozent das Verhältnis
f/L'. Vorzugsweise
liegt die Profilwölbung für einen
optimalen Betrieb des Steckfühlers 110 im
Bereich zwischen 0 und 10 %, vorzugsweise zwischen 2 % und 7 % und
besonders bevorzugt bei ca. 5 %. Durch die Profilwölbung wird
eine zusätzliche
Asymmetrie herbeigeführt,
welche die Verdichtungen der Strömungslinien 212 oberhalb
des Tragflächenprofils 210 noch
verstärkt
und somit den beschriebenen Effekt der Erhöhung der Geschwindigkeit in
diesem Bereich.
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Der
Verlauf der Strömungslinien 212 in 2 ist
idealisiert dargestellt und ist bei üblichen Tragflächenprofilen 210 in
dieser Weise in der Regel nicht zu finden. Tatsächlich tritt in der Regel an
jeweils einem oder mehreren Ablösepunkten
auf der Oberseite und zum Teil auch auf der Unterseite des Tragflächenprofils 210 eine
Strömungsablösung auf.
Dabei lösen sich
in der Regel eine oder mehrere Grenzschichten, welche bis dahin
das Tragflächenprofil 210 umgeben haben,
von diesem ab und bilden eine oder mehrere Ablösungszonen. Diese Ablösepunkte 224 und
die abgelösten
Grenzschichten 226 sind in 2 symbolisch
angedeutet, wobei ebenfalls angedeutet ist, dass bei angestelltem
Tragflächenprofil 210 der
obere Ablösepunkt 224 in
der Regel weiter anströmseitig gelegen
ist als der untere Ablösepunkt 224.
Anstelle eines wohldefinierten Ablösepunktes 224, welcher ohnehin
keinen Punkt, sondern eine Linie senkrecht zur Zeichenebene darstellt,
können
unter den Ablösepunkten 224 auch
Bereiche mit einer endlichen Ausdehnung verstanden werden.
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Eine
Problematik, auf welche oben bereits eingegangen wurde, besteht
darin, dass diese Ablösepunkte 224,
an welchem sich abgelöste
Grenzschichten 226 bilden, in vielen Fällen instabil sind und sogar
oszillieren können.
Die Lage der abgelösten Grenzschichten 226 relativ
zu der Lage des Hauptstromauslasses 132 und des Bypassauslasses 138 wirkt
sich jedoch, neben der beschriebenen Verdichtung der Strömungslinien 212 im
Bereich dieser Auslassöffnungen 132, 138 empfindlich
auf das Strömungsverhalten
im Strömungskanal 124 und
somit auf die Signaleigenschaften des Heißfilmluftmassenmessers 112 aus.
Gemäß einer
weiteren Idee der Erfindung lässt
sich daher mindestens ein Ablöseelement 310 vorsehen,
welches die Lage des Ablösepunkts 224 auf
mindestens einer Seite des Tragflächenprofils 210, vorzugsweise
auf der Oberseite (das heißt
auf der Seite mit erhöhter
Strömungsgeschwindigkeit)
stabilisiert und vorzugsweise fixiert. In den
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3, 4 und 5A bis 5C sind
verschiedene Ausführungsbeispiele
derartiger Ablöseelemente 310 dargestellt.
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Bei
dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Tragflächenprofils 210 ist
ein Knickprofil 312 vorgesehen. Wie aus 3 erkennbar,
ist dieses Knickprofil 312 auf der Oberseite des Tragflächenprofils 210 ungefähr in der
Mitte zwischen Anströmseite 148 und
Heck 218 angeordnet, bzw. leicht hinter dieser Mitte. Das
Tragflächenprofil 210 ist
dabei derart ausgestaltet, dass dieses vor dem Knickprofil 312,
das heißt
anströmseitig,
gekrümmt
ist und im gekrümmten
Bereich 314 mit positiver Steigung verläuft. Hinter dem Knickprofil 312,
das heißt
abströmseitig
vom Knickprofil 312, ist das Tragflächenprofil 210 in
einem Abflachungsbereich 316 abgeflacht und verläuft dort
mit negativer Steigung eben zur Profilmittellinie 214 hin.
Anschließend
ist wiederum ein abgeschnittenes Heck 218 vorgesehen.
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Diese
Ausgestaltung des Tragflächenprofils 210 mit
dem Ablöseelement 310 bewirkt,
dass der obere Ablösepunkt 224 im
Wesentlichen im Ablöseelement 310 fixiert
wird. Auf der Unterseite des Tragflächenprofils 210 wird
sich der Ablösepunkt 224 üblicherweise
an der Ecke zum senkrechten Heck 218 einstellen. Die abgelösten Grenzschichten
sind in 3 wiederum mit der Bezugsziffer 226 bezeichnet und
symbolisch angedeutet. Um den vorderen Teil des Tragflächenprofils 210 herum
wird die Strömung auf
beiden Seiten bis zu den Ablösepunkten 224 gleichmäßig beschleunigt,
was zu einer sehr stabilen, unempfindlichen Strömungstopologie führt. Die entstehenden
abgelösten
Grenzschichten 226 sind in ihrer Ausdehnung klein, sind
stationär
und stören
somit die Reproduzierbarkeit der Messung nicht oder nur geringfügig. Wäre das Tragflächenprofil 210 symmetrisch
mit anliegender, beschleunigter Strömung auf beiden Seiten, ergäbe sich
eine wesentlich größere Gesamtdicke
des Steckerteils 116 und damit ein größerer Materialbedarf und ein
größerer Druckabfall am
Steckfühler 110.
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In
den 4A und 4B sind
Steckerteile 116 eines als Heißfilmluftmassenmesser 112 ausgebildeten
Steckfühlers 110 dargestellt.
Die Darstellung zeigt dabei jeweils das Steckerteil 116 mit
Blickrichtung in Hauptströmungsrichtung 126 (vgl.
z.B. 3). Das fluide Medium strömt also beispielsweise in den 4A und 4B senkrecht
in die Zeichenebene hinein, in welchem Falle die Darstellung gemäß 3 eine
Ansicht von unten darstellen würde.
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Die 4A und 4B verdeutlichen
die am in das strömende
Medium hineinragenden Ende 410 des Steckerteils 116 auftretende
Wirbelproblematik. Das Steckerteil 116 ist im Wesentlichen
gerade ausgestaltet und erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel
gerade, senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 126 in
das strömende
Medium. An seinem Ende 410 ist das Steckerteil 116 abgeflacht. Aufgrund
der Asymmetrie des Tragflächenprofils 210 (z.B.
aufgrund einer entsprechenden Wölbung,
eines Anstellwinkels etc. siehe oben) umströmt das fluide Medium, im Falle
des Heißfilmluftmassenmessers 112 also
die Luft im Ansaugtrakt 114, den Steckfühler 110 asymmetrisch,
so dass sich eine Hochdruckseite 412 (in 3 die
untere Seite des Tragflächenprofils 210)
und eine Niederdruckseite 414 (in 3 die obere
Seite des Tragflächenprofils 210)
ausbilden.
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Bei
dem konventionellen, dem Stand der Technik entsprechenden Steckerteil 116 gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 4A zeigt sich dabei, dass am Ende 410 des
Steckerteils 116 ein Druckausgleich von der Hochdruckseite 412 zur
Niederdruckseite 414 auftritt. Dieser Druckausgleich hat
zur Folge, dass sich am Ende 410 Randwirbel 416 bilden. Diese
Randwirbel erhöhen
den Widerstand, welchen das Steckerteil 116 der Strömung des
fluiden Mediums entgegensetzt, deutlich und bewirken somit einen
Druckabfall am Steckfühler 110.
Eine weitere Problematik besteht darin, dass naturgemäß in den meisten
Fällen
Einlassöffnungen 128 und
die Auslassöffnungen 132, 138 (vgl. 1B)
ganz oder teilweise im Bereich des Ende 410 des Steckerteils 116 angeordnet
sind. Dementsprechend wird die Strömung durch den Strömungskanal 124 des
Heißfilmluftmassenmessers 112 durch
die Randwirbel 416 besonders stark beeinflusst, stärker als
wenn die Einlass- und Auslassöffnungen
weiter vom Ende 410 entfernt angeordnet wären. Eine
weiter entfernte Anordnung ist jedoch ungünstig, da in diesem Fall Volumen
des Steckfühlers 110 „verschenkt" würde.
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In 4B ist
demgegenüber
ein erfindungsgemäß ausgestaltetes
Steckerteil 116 eines Heißfilmluftmassenmessers 112 dargestellt,
welches ein Winglet 418 aufweist. Dieses Winglet weist
eine Wingletscheibe 420 auf, welche sich um eine Erstreckung
d von vorzugsweise 2 bis 10 mm (die Breite b des Steckerteils 116 beträgt typischerweise
zwischen 8 und 14 mm) zur Niederdruckseite 414 hin erstreckt. Die
Wingletscheibe 420 weist eine Wingletfläche 422 auf, welche
in diesem Ausführungsbeispiel
ungefähr senkrecht
zur Längserstreckung 424 des
Steckerteils 116 steht.
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Wie
in der schematischen Darstellung in 4B zu
erkennen ist, bewirkt das Winglet 418 zwei Effekte: zum
einen werden die Randwirbel 416 von dem Tragflächenprofil 210 weg
nach außen,
in Richtung der Niederdruckseite verlagert. Diese Verlagerung der
Randwirbel bewirkt eine Verringerung des Druckabfalls am Steckerteil 116.
Weiterhin wird durch die Verlagerung der Randwirbel 416 durch
das Winglet 422 das Strömungsverhalten
im Strömungskanal 124 stark
verbessert, da nunmehr die Randwirbel 416 auch von den
Einlass- und Auslassöffnungen 128, 132 und 138 entfernt
angeordnet sind und insgesamt abgeschwächt sind.
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In
den 5A bis 5C sind
verschiedene Ausführungsbeispiele
von Tragflächenprofilen 210 mit
Winglets 418 dargestellt. Die Darstellung entspricht dabei
der Darstellung gemäß 3.
Anstelle eines Knickprofils 312 ist dabei ebenfalls wieder
ein Ablöseelement 310 vorgesehen,
welches in diesem Fall jedoch einen stetigen Krümmungsverlauf des Tragflächenprofils 210 anstelle
eines Knicks aufweist. Auch durch eine derartige Ausgestaltung des Tragflächenprofils 210 lässt sich
ein lokalisiertes Druckminimum im Strömungsverlauf erzeugen, wodurch
sich die Ablösepunkte 224 weitgehend „fixieren" lassen.
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In
allen Ausführungsbeispielen
weist die Wingletscheibe 420 im vorderen, der Hauptströmungsrichtung 126 entgegenweisenden
Bereich eine Kante 510 auf, welche mit der Rückströmungsrichtung 126 einen
spitzen Winkel bildet. Dieser spitze Winkel liegt in allen Ausführungsbeispielen
gemäß den 5A bis 5C näherungsweise
bei 45°.
Auch andere Ausführungen
sind möglich.
Die Ausführungsbeispiele
gemäß den 5A bis 5C unterscheiden
sich im Wesentlichen in der Heckkante 512. Während die
Heckkanten 512 in den Ausführungsbeispielen gemäß den 5A und 5B im
Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 126 stehen,
weist die Kante 512 im Ausführungsbeispiel gemäß 5C ebenfalls
einen Winkel (gemeint ist hierbei der spitze Winkel) zur Hauptströmungsrichtung 126 auf,
welcher kleiner ist als 90°.
Vorzugsweise liegt auch dieser Winkel wieder, wie der Winkel der
Kante 510, im Bereich von ca. 45°. Dadurch lässt sich der Luftwiderstand
des Winglets 418 zusätzlich
erniedrigen.
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Ein
weiterer Unterschied zwischen den verschiedenen Ausführungsbeispielen
gemäß 5A bis 5C besteht
in der Ausdehnung des Winglets 418 in Hauptströmungsrichtung 126.
Während
in den Ausführungsbeispielen
gemäß den 5A und 5C das
Winglet 418 sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des
Steckerteils 116 erstreckt, ist die Kante 510 bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5B zurückgesetzt
von der Anströmseite 148 angeordnet.
In allen Ausführungsbeispielen
ist das Winglet 418 jedoch derart angeordnet, dass das
Ablöseelement 310 zumindest
teilweise vom Winglet 418 abgedeckt wird. Auch andere Gestaltungen
sind jedoch denkbar. Besonders bevorzugt ist es, wenn auch auf der
Niederdruckseite 414 angeordnete Auslassöffnungen
(z.B. Hauptstromauslass 132 und/oder Bypassauslass 138)
vom Winglet 418 abgedeckt werden.
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In 6 ist
schließlich
ein Ausführungsbeispiel
eines als Heißfilmluftmassenmesser 112 ausgebildeten
Steckfühlers 110 gemäß der Erfindung
in perspektivischer Darstellung gezeigt. Dabei ist zu erkennen,
dass der Steckfühler 110 einen
Elektronikanschluss 610 und einen Flansch 612 aufweist,
mit welchem der Heißfilmluftmassenmesser 112 am
Ansaugtrakt 114 befestigt werden kann. An den Flansch 612 schließt sich
das eigentliche Steckerteil 116 an. Der Heißfilmluftmassenmesser 112 ist
dabei in 6 perspektivisch derart dargestellt,
dass die Niederdruckseite 414 zu erkennen ist.
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Wiederum
ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß
6 ein
Tragflächenprofil
420 mit
einem Abflachungsbereich
316 und einem Knickprofil
312 dargestellt, ähnlich zur
Ausführung
gemäß
3.
Weiterhin sind auf den Seitenflächen
des Steckerteils
116 im Bereich des Knickprofils
312 zusätzlich keilförmige Turbulatoren
614 angeordnet,
welche Längswirbel
erzeugen und dadurch die Ablösung
der Grenzschichten in diesem Bereich zusätzlich fixieren. An der abgerundeten
Anströmseite
148 des
Steckerteils
116 sind Strömungsrillen
616 angeordnet, welche
ebenfalls Längswirbel
erzeugen sollen. Diese Strömungsrillen
616 sind
beispielsweise in
DE
10 2004 022 271 A1 beschrieben. Weiterhin sind zusätzliche
Leitelemente
618 zur Stabilisierung der Strömung vorgesehen.
An der Anströmseite
148 ist
in der Nähe
des Endes
410 des Steckerteils
116 die Einlassöffnung
128 angeordnet.
Weiterhin sind in dem Ausführungsbeispiel
gemäß
6 sowohl
Hauptstromauslass
132 als auch Bypassauslass
138 auf der
Niederdruckseite
414 des Steckerteils
116 angeordnet.
Dabei ist der Bypassauslass
138 unmittelbar vor den Ablösepunkten
224 angeordnet,
wohingegen der Hauptstromauslass
132 unmittelbar im Bereich der
Ablösepunkte
224 angeordnet
ist. An beide Auslassöffnungen
132,
138 schließt sich
in Hauptströmungsrichtung
126 ein
Abflachungsbereich
620 an, welcher eine geringstmögliche Störung der
Strömung des
fluiden Mediums durch aus den Auslassöffnungen
132,
138 ausströmende Strömungen bewirken sollen.
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Wiederum
ist in 6 erfindungsgemäß ein Winglet 418 am
Ende 410 des Steckerteils 116 angeordnet, welches
sich auf die Niederdruckseite 414 hin erstreckt. Die Ausgestaltung
des Winglets 418 entspricht dabei der Ausgestaltung gemäß 5A,
d.h. es ist eine schräg
auf die Anströmseite 148 hin
zulaufende Kante 510 vorgesehen sowie eine sich senkrecht
zur Hauptströmungsrichtung 126 erstreckende Heckkante 512.
Das Winglet 418 ist dabei so ausgestaltet, dass dieses
auf seiner der Niederdruckseite 414 zugewandten Seite eine
Auflagefläche 620 (bzw. eine
Auflagekante) aufweist, welche sich im Ausführungsbeispiel gemäß 6 im
Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung 126 und
senkrecht zur Längserstreckung 424 des
Steckerteils 116 erstreckt. Diese Auflagefläche 620 dient
bei der Fertigung des Steckerteils 116, gemeinsam mit Auflageelementen 622 im
Bereich des Flansches 612 zur Auflage und erleichtert somit
die Fertigung des Heißfilmluftmassenmessers 112 erheblich.