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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser mit mindestens
einem Sensorelement, das zur Bestimmung einer vorbeiströmenden Luftmasse
ausgebildet ist.
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Ein
derartiger Luftmassenmesser wird beispielsweise in Kraftfahrzeugen
zur Ermittlung der von einer Verbrennungskraftmaschine angesaugten
Luft verwendet. Auf Basis einer möglichst zuverlässigen Information über
eine angesaugte Luftmasse kann eine Verbrennung durch eine Motorsteuerung
dahingehend optimiert werden, dass eine auf die Luftmasse abgestimmte
Kraftstoffmenge den jeweiligen Brennräumen zugeführt
wird. Im Ergebnis wird dadurch eine bessere Energieausnutzung bei
verringertem Schadstoffausstoß erzielt.
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Aus
der
DE 44 07 209 ist
ein Luftmassenmesser bekannt, der in einen Ansaugkanal zur Bestimmung
einer Luftmasse eingesteckt wird, wobei ein definierter Anteil der
Gesamtströmung den Luftmassensensor durchströmt.
Hierzu ist dieser als Einsteckkanal-Luftmassenmessvorrichtung ausgebildet und
umfasst einen in einem Messkanal angeordneten mikromechanischen
Sensor, eine in einem Gehäuse angeordnete Elektronik für
diesen Sensor, sowie einen Auslasskanal jenseits des Sensorelements.
Für eine platzsparende Anordnung werden die genannten Kanäle
bzw. Luftführungswege U-, S- oder C-förmig ausgebildet,
so dass eine insgesamt kompakt als Einsteckelement bauende Vorrichtung gebildet
wird.
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Eine
gemäß der Lehre der
WO 03/089884 A1 ausgebildete
Luftmassenmessvorrichtung unter Verwendung eines als Heißfilm-Anemometer
ausgebildeten Sensors hat sich prinzipiell bewährt. Hierin umgibt
ein Gehäuse mit Bypass- bzw. Strömungskanal den
Sensor in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer zugeordneten Auswertungselektronik,
so dass der Einfluss insbe sondere von elektro-magnetischen Störgrößen
und sonstigen negativen Umwelteinflüssen minimiert wird.
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Es
hat sich jedoch bei Sensoren jeder bekannten Art herausgestellt,
dass sie unter bestimmten Umständen vorzeitig versagen
und aufgrund eines Komplettausfalls ausgetauscht werden müssen. Als
Ursache für derartige Sensorausfälle ist die Tatsache
angesehen, dass sich in angesaugter Luft neben Wasser und Salzen
auch Schmutz- und/oder Russpartikeln befinden können. Schmutzpartikel können
in den Strömungskanal des Luftmassenmessers gelangen und
dort das Sensorelement beschädigen. Gerade bei mikromechanischen
Sensorelementen ist die Gefahr eines Sensorausfalls durch eine Beschädigung
des Sensors sehr groß.
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Aus
dem Stand der Technik sind Ansätze bekannt, den Einfluss
von Verschmutzungen zu mildern. Bisher wird durch ein geeignetes
Kanaldesign mittels Bypass verhindert, dass Partikel aus dem Hauptkanal
in den Bypass als eigentlichen Messkanal gelangen und dort Schaden
anrichten. Dieser Aufbau ist jedoch recht aufwändig und
damit auch in einer Massenfertigung vergleichsweise teuer.
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Nicht
zuletzt muss darauf hingewiesen werden, dass zum Schutz der sensornah
untergebrachten Elektronik regelmäßig eine Abdeckung
mit Silgel als Korrosionsschutz vorgesehen ist. Ein derartiger Korrosionsschutz
kann jedoch bei zu häufigen Erschütterungen, insbesondere
von Beschleunigungen mit mehrfacher Erdbeschleunigung, zu einer
Zerstörung von leitenden Kontakten führen, die
im Bereich der Elektronik regelmäßig nur in Form
von sehr dünnen Bonddrähten ausgeführt
sind.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Luftmassensensor der
eingangs genannten Art zu schaffen, der eine verbesserte Zuverlässigkeit
und Langlebigkeit aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand
der abhängigen Ansprüche.
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Wesentlich
für eine erfinderische Lösung ist der Ansatz,
wonach in zwei Arten von Verschmutzung in einem Sensorkanal unterschieden
wird:
- 1. Leichte Partikel, die der Strömung
folgen und maßgeblich vom Strömungsprofil im Kanal
abhängen. Diese führen i. d. R. zu einer Verschmutzung. Mit
verschiedenen Kanalvariationen kann der Einfluss derartiger Ablagerungen über
die Lebensdauer eines Luftmassenmessers bis zu einem zulässigen
Maß gemindert werden.
- 2. Neben den leichten Partikeln können aber auch schwere
Partikel mit Durchmessern von ca. 150 μm auftreten, die
sich aufgrund ihrer Masse wie Geschosse verhalten. Derartige schwere
Partikel bewegen sich von einer umgebenden Luftströmung
weitgehend unbeeindruckt. Diese schweren Partikel waren bei bekannten
Sensorsystemen älterer Bauart wegen deren Robustheit unkritisch.
Im Zeitalter der Mikromechanik stellen sie aber eine große
Bedrohung für die empfindlichen Messelemente dar. Dementsprechend
müssen nun für die Sensorelemente Schutzmaßnahmen vorgesehen
werden. Die wohl gängigste Methode besteht darin, die Luft
durch einen Hauptkanal zu führen, der an einer Verengung über
einen Bypass verfügt. Durch den Druckanstieg an der Verengung
wird der Bypass mit Luft versorgt. Die schweren Partikel fliegen
zu einem hohen Grad am Bypass vorbei und können dem Sensor
damit nicht gefährlich werden.
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Nach
einem erfindungsgemäßen Ansatz sind schwere Partikel
mit Billardkugeln vergleichbar, die sich streng nach Reflektionsgesetzen
bewegen, wie sie aus der klassischen Optik her bekannt sind. Erfindungsgemäß ist
das Sensorelement des Luftmassenmessers von einem Gehäuse
umgeben, das einen geometrisch derart ausgeformten Leitkanal aufweist,
dass schwere Partikel zuverlässig von einem Sensorelement
hinweg reflektiert oder mindestens vor Erreichen des Sensorelements
wesentlich abgebremst werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist der Leitkanal des
Gehäuses dazu eine besondere Geometrie auf, die in Abstimmung
mit einer jeweiligen Position eines Sensorelementes steht. Demnach wird
die Luftströmung gegen eine im Wesentlichen senkrechte
Wand geführt. Auf der Oberfläche dieses Bereiches
befindet sich eine Schicht aus rechtwinkligen Pyramiden. Diese Schicht
dieses Bereiches hat, ähnlich dem sog. Katzenauge und ähnlich
wirkenden flächenhaften Rückstrahlern bzw. Retro-Reflektoren nach
dem Prinzip von Tripelspiegel-Arrays aus dem Bereich der Optik,
die Eigenschaft eintreffende Partikel, die kleiner als die Pyramiden
sind, wieder im selben Winkel zurückzuwerfen. Hierzu sind
die Pyramiden größer als ein größter,
vernünftigerweise zu erwartender Durchmesser eines Schmutzpartikels.
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Eine
Geometrie einer jeweiligen Lösung zeichnet sich dadurch
aus, dass sie eine Luftströmung ohne Wirbel oder Ablösungen
etc. leitet; d. h. keine Aufweitung des Strömungskanals
erlaubt. Vorzugsweise verringert die Strömungsführung
ihren Querschnitt zum Sensor hin stetig.
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Durch
eine der vorstehend genannten Maßnahmen gelangen bei vergleichsweise
einfachem Aufbau deutlich weniger Partikel zu einem Sensorelement.
Dadurch kann die Lebensdauer des betreffenden Sensors bei einfachem
Aufbau ohne weitere Schutzmaßnahmen wesentlich erhöht
werden. Eventuell wäre es sogar möglich, unter
Verwendung des aufgezeigten Prinzips ganz auf ei nen Leitkanal bzw. einen
Mess-Bypass in einem Sensorgehäuse zu verzichten. In einer
Ausführungsform der Erfindung wird unter Realisierung einer
vorstehend beschriebenen Geometrie dementsprechende in dem Hauptkanal bzw.
Ansaugrohr direkt dort gemessen, wo vergleichsweise günstigere
Strömungsverhältnisse existieren.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Abbildungen
der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter
Darstellung:
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1:
einen Längsschnitt durch ein Gehäuse eines erfindungsgemäßen
Luftmassenmessers und
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2:
einen Längsschnitt durch einen bekannten Luftmassenmesser
bestehend aus einem Rohrstück mit eingesetztem Sensorgehäuse.
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Über
die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend gleiche
Begriffe und Bezugszeichen für gleiche Bauelemente verwendet
werden.
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2 zeigt
einen Längsschnitt durch einen Luftmassenmesser bestehend
aus einem Rohrstück
1 mit einem darin eingesetzten
und fixierten Sensor
2 gemäß der Lehre
der
DE 101 35 819
A1 in einem Gehäuse
3 gemäß der
WO 03/089884 A1 .
Dieses Rohrstück
1 kann z. B. als Ansaugrohr in
einem Personenkraftwagen im Motorraum die Luft von einem hier nicht
dargestellten Luftfilter und/oder Ladeluftkühler zu einer
ebenfalls nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine führen.
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Aus
dem Ansaugrohr 1 wird ein Teil der angesaugten Luft durch
das in das Ansaugrohr 1 hineinragende Gehäuse 3 abgezweigt
und durch eine Einlassöffnung 4 in den Luftmassenmesser 2 ge führt. Die
Luft strömt dann in dem Gehäuse 3 von
der Einlassöffnung 4 über ein Hilfsrohr
bzw. einen Leitkanal 5 zu einer Auslassöffnung 6.
Dabei strömt die Luft an einem Sensorelement 7 und
einem Sensorelement 8 vorbei. Derartige Sensorelemente 7, 8 sind
als temperaturabhängige Widerstände ausgebildet,
die in der Regel in Form einer Wheatstone'schen Brücke miteinander
verschaltet sind. Mit Sensorelement 7 wird die Temperatur
der einströmenden Luftmasse bestimmt. Die vorbeiströmende
Luft kühlt das beheizte Sensorelement 8 ab, wobei
ein Messsignal erzeugt wird, das repräsentativ für
den Luftmassenstrom ist, der an den Sensorelementen 7, 8 vorbeiströmt.
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Der
Luftmassenmesser 2 weist zudem in dem Gehäuse 3 Ausnehmungen
auf, in denen unter anderem auch eine hier nur angedeutete Elektronik 9 integriert
ist. Unter Schaffung sehr kurzer Signalwege wird den Sensorausgangssignalen
mittels der Auswerteelektronik 9 des Massenstrommessers
ein entsprechender Massenstromwert unter Berücksichtigung
der Tatsache zugeordnet, dass von dem in der mit dem Pfeil 10 dargestellten
Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstrom
nur ein Teilstrom 11 innerhalb des Sensorgehäuses 3 ausgewertet wird.
Die Zuordnung der Sensorsignale zu den Massenstromwerten erfolgt über
eine Kennlinie und kann analog oder digital erfolgen.
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In
einer Vorrichtung 1 gemäß 2 findet
ein Luftmassensensor auf der Grundlage eines Heißfilmanemometers
Einsatz. Ein derartiges Heißfilmanemometer 2 besteht
aus einem in Form eines Wafers gefertigten und nachfolgend vereinzelten
Schichtaufbaus. Als solcher umfasst ein Sensorelement ein dünnes
Trägermaterial aus ca. 150 μm dickem Glas, auf
dem eine temperaturabhängige Widerstandsschicht auf einer
Molybdän-Basis mit einer Mächtigkeit von etwa
0,8 bis 1 μm aufgetragen ist. Diese Widerstandsschicht
wird durch eine nur ca. 350 nm starke Passivierungsschicht überdeckt,
die eine durch Oxidationsprozesse hervorgerufene Widerstandsdrift verhindert.
Da sich in der Ansaugluft jedoch neben Sauerstoff auch Schmutzpartikel,
Salze und Feuchtigkeit selbst in Tropfenform befinden, muss auf
den vorstehend beschriebenen Schichtaufbau eine weitere Schicht
zum Schutz vor Feuchtigkeit und Verschmutzung, die zu Kurzschlüssen
an der Widerstandsschicht führen können, aufgetragen
werden. Als Schutz wird derzeit z. B. eine ca. 5 μm starke
Polyimid-Schutzschicht aufgetragen.
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Damit
liegt ein Sensorelement von seinem Durchmesser her im Bereich der
Durchmesser schwerer Schmutzpartikel. Derart dünne oder
gar noch dünnere Schichtmächtigkeiten sind für
diese Art Sensoren zur Minimierung der thermischen Trägheit des
Sensors notwendig. Bei Betrachtung der verwendeten Materialien und
deren Sprödigkeit ist leicht erkennbar, wie gefährdet
hinsichtlich Abplatzungen oder Bruch ein derartiger Aufbau beim
Auftreffen schwerer Schmutzpartikel mit entsprechend hoher Auftreffgeschwindigkeit
ist.
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1 zeigt
nun einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Längsschnitt
durch ein Gehäuse eines erfindungsgemäßen
Luftmassenmessers. Der Teilstrom 11 der angesaugten Luft
wird durch das in das Ansaugrohr 1 analog 2 hineinragende
Gehäuse 3 abgezweigt und durch die Einlassöffnung 4 in
den Luftmassenmesser 2 geführt. Der Teilstrom 11 strömt
also weiterhin in dem Gehäuse 3 von der Einlassöffnung 4 durch
das Hilfsrohr bzw. den Bypass 5 zu der Auslassöffnung 6.
Dabei strömt die Luft entlang eines Strömungsweges 12 erst
nach Durchlaufen eines Umlenkungsabschnitts 13 an dem Sensorelement 7 vorbei.
In dem Umlenkungsabschnitt 13 ist ein Bereich 14 vorgesehen,
auf deren Oberfläche sich eine Schicht aus Pyramiden 15 befindet.
Die Pyramiden 15 weisen Außenseiten aus rechtwinkligen Dreiecken
und eine quadratische Grundseite auf. Diese Schicht hat die Eigenschaft,
eintreffende Partikel, die kleiner als die Pyramiden 15 sind,
wieder im selben Winkel zurückzuwerfen. Dieser Effekt ist ähnlich
dem des sog. Katzenauges aus dem Bereich der klassischen Optik:
Ein retroreflektierender Rückstrahler bzw. ein flächiges
"Katzenauge" umfasst viele kleine Winkelreflektoren. Dabei werden
verspiegelte Vertiefungen in Form einer beispielsweise dreiseitigen
Pyramide bzw. einer Würfel-Ecke in einem flächigen
Array angeordnet. Da im vorliegenden Fall Stoßvorgänge
im Tragen kommen, kann hier eine Verspiegelung entfallen.
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Anhand
eines schweren Partikels bzw. Schmutzpartikels 16 wird
nachfolgend skizziert, wie sich ein solcher Störkörper
entlang einer Bahn 17 mit einer Anfangsgeschwindigkeit
v1 durch das Hilfsrohr 5 bewegt:
Der Schmutzpartikel 16 trifft nach Durchlaufen eines an
die Einlassöffnung 4 anschließenden ersten
Rohrabschnitts in dem Umlenkungsabschnitt 13 auf den Bereich 14,
wo er durch Stoßvorgänge an den Außenflächen
zweier benachbarter Pyramiden 15 umgelenkt wird. Schwere
bzw. massereiche Schmutzpartikel 16, die sich wie Geschosse
und in guter Näherung vergleichbar mit Billardkugeln verhalten,
bewegen sich streng nach Reflektionsregeln. Sie bleiben also in
ihrer Bewegungsbahn auch von der Luftströmung 11 weitgehend
unbeeindruckt. Nach einem Verlust von kinetischer Energie, hervorgerufen
durch zwei Stoßvorgänge in dem Bereich 14, verlässt
der Schmutzpartikel 16 in diesem Beispielszenario damit
das Hilfsrohr 5 des Gehäuses 3 durch die
Einlassöffnung 4 mit einer Endgeschwindigkeit
v2 unter nur marginalem Parallelversatz
wieder in die Richtung, aus der er ursprünglich gekommen
war. Es kann somit in diesem Fall schon prinzipiell gar nicht zu
einer Kollision mit dem Sensor 7 kommen. Unter anderen,
hier nicht dargestellten Einfallswinkeln treffen massereichere Schmutzpartikel 16 erst
nach einer ganzen Anzahl von abbremsenden Stößen
im Umlenkungsabschnitt 13 auf den Sensor 7. Auch
in diesem Fall können derartige Schmutzpartikel 16 keine
schwerwiegenden Beschädigungen mehr an dem Sensor 7 hervorrufen,
so dass sich die Lebens- und Einsatzdauer eines Sensors 7 in
einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung gegenüber aktuell üblichen
Anordnungen bei geringem Mehraufwand deutlich verlängert.
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- 1
- Rohrstück
- 2
- Sensor
- 3
- Gehäuse
- 4
- Einlassöffnung
- 5
- Hilfsrohr
- 6
- Auslassöffnung
- 7
- Sensorelement
- 8
- Heizelement
- 9
- Elektronik
- 10
- Pfeil/Hauptflussrichtung
der Luftströmung
- 11
- Teilstrom
- 12
- Strömungsweg
- 13
- Umlenkungsabschnitt
- 14
- Bereich
- 15
- rechtwinklige
Pyramide
- 16
- Schmutzpartikel
- 17
- Bahn
des Schmutzpartikels 16
- v1
- Anfangsgeschwindigkeit
- v2
- Endgeschwindigkeit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4407209 [0003]
- - WO 03/089884 A1 [0004, 0019]
- - DE 10135819 A1 [0019]