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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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Aus der
DE 103 16 450 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einer Leitung strömenden Mediums bekannt, wobei ein Teil der Vorrichtung in die Leitung fingerartig hineinragt und dem dort strömenden Medium mit einer vorbestimmten Ausrichtung ausgesetzt ist, wobei das Teil einen von einer Seitenwand abstehenden Windschild aufweist, der sich in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung und parallel zu der Seitenwand erstreckt.
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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 Au-ßenströmung 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 Tragflächenprofil mit einer der Hauptströmungsrichtung entgegenweisenden abgerundeten Anströmseite aufweist, wobei das Tragflächenprofil derart ausgestaltet ist, dass sich bei in das strömende fluide Medium eingebrachtem Steckerteil ein asymmetrisches Strömungsprofil des fluiden Mediums auf beiden Seiten des Steckerteils einstellt, und wobei das Steckerteil an seinem in das strömende fluide Medium ragenden Ende mindestens ein Winglet aufweist, wobei das mindestens eine Winglet mindestens eine in einem Winkel zwischen 30° und 100° zur Längserstreckung des Steckerteils angeordnete Wingletfläche umfasst. Dabei lassen sich grundsätzlich verschiedene 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 seitlich 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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Das mindestens eine Winglet umfasst mindestens eine in einem Winkel, vorzugsweise einem Winkel zwischen 30° und 100°, angeordnete Wingletfläche. 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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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1A einen im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eingesetzten Heißfilmluftmassenmesser;
- 1B einen geöffneten Heißfilmluftmassenmesser in Draufsicht;
- 2 eine Prinzipdarstellung eines Tragflächenprofils,
- 3 ein Ausführungsbeispiel eines Steckfühlers mit einem Tragflächenprofil mit einer Abschrägung;
- 4A eine Ansicht eines Steckfühlers in Strömungsrichtung ohne Winglet;
- 4B eine Ansicht eines Steckfühlers in Strömungsrichtung mit Winglet;
- 5A Tragflächenprofile von Steckfühlern mit verschiedenen Ausführungsbis 5C beispielen von Winglets; und
- 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 Dieselkraftstoffeinspritzung 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 271A1 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.
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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 Strömungsgeschwindigkeit 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 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 erniedngen.
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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.
