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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Strömungsführungselementen,
wie sie in verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften und der
Technik eingesetzt werden. Diese Strömungsführungselemente
werden als Teil von Strömungsführungssystemen
eingesetzt, welche genutzt werden, um strömende fluide
Medien, insbesondere Gase oder Flüssigkeiten, über
eine vorgegebene Strecke zu leiten, beispielsweise um Gase einem
Prozess zuzuführen oder Abgase von diesem Prozess abzuleiten.
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Ein
wesentliches Anwendungsgebiet der Strömungsführung
ist die Kraftfahrzeugtechnik, und hierbei insbesondere der Bereich
der Führung von gasförmigen Medien. Ein erstes
wesentliches Beispiel im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik ist der
Bereich der Luftführung im Zusammenhang mit Luftfiltern
im Ansaugtrakt von Brennkraftmaschinen. Die angesaugte Luft muss
hier, unter Verwendung mehrerer, teilweise gerader, teilweise gekrümmter
Rohrleitungsstücke vom Luftfilter zur Brennkraftmaschine geführt
werden.
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Ein
zweites Beispiel, bei welchem Strömungsführungselemente
eine Rolle spielen, sind Luftmassenmesser, wie sie ebenfalls beispielsweise im
Ansaugtrakt von Brennkraftmaschi nen eingesetzt werden können.
Ein wichtiges Messprinzip ist der so genannte Heißfilmluftmassenmesser,
wie er beispielsweise in
DE
102 53 970 A1 beschrieben ist. Bei der derartigen Vorrichtungen,
welche beispielsweise als Steckfühler in den Ansaugtrakt
eingesteckt werden können, wird ein Teil der Luft durch
einen so genannten Bypasskanal, welcher mehrfach gekrümmt ist,
zu einem Sensorchip geführt, auf welchem mittels Heizelementen
und Temperaturfühlern der Luftmassendurchsatz bestimmt
werden kann. Für die Funktionsweise derartiger Heißfilmluftmassenmesser
kann beispielsweise auf die
DE 102 53 970 A1 verwiesen werden.
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Je
nach Anwendungsgebiet sind derartige Strömungsführungselemente
bzw. Systeme, welche sich aus diesen Elementen zusammensetzen, verschiedenen
Anforderungen unterworfen. So ist im Ansaugtrakt, insbesondere im
Bereich der Luftfilter, neben einer zeitlich stabilen und möglichst
schwankungsfreien Ansaugluftmenge insbesondere ein hoher Luftmassendurchsatz
von entscheidender Bedeutung. In anderen Systemen hingegen, wie
beispielsweise den genannten Heißfilmluftmassenmessem,
liegt die Betonung der Anforderungen (neben einem möglichst
hohen Durchsatz, welcher den Signalhub bedingt) insbesondere auf
einer hohen Stabilität der Strömung des fluiden
Mediums.
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Um
diesen Anforderungen gerecht zu werden, werden bereits heute in
vielen Strömungssystemen, insbesondere in Luftführungssystemen,
Leitschaufeln eingesetzt, um die Strömungen möglichst verlustfrei
und ohne Strömungsablösungen umzulenken. Derartige
Leitschaufeln werden mit verschiedenen Bezeichnungen geführt
und werden beispielsweise auch als Hilfsflügel oder Umlenkbleche
bezeichnet.
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Ein
Beispiel derartiger Leitschaufeln ist in
DE 102 53 970 A1 offenbart.
In der dort vorgeschlagenen Anordnung wird zur Verbesserung der
Strömungsverhältnisse im Bypasskanal des Heißfilmluftmassenmessers
eine Leitschaufel vorgeschlagen (dort mit Bezugsziffer
50 bezeichnet),
welche die Strömung leitet und einer Ablösung
der Strömung des Medienteilstroms von Kanalwänden
des Messkanals entgegenwirkt. Andere Beispiele finden sich in den Konstruktionen
vieler aktueller Pkw-Luftfilter.
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Ein
wesentlicher Nachteil dieser Lösung der Verwendung von
Leitschaufeln liegt darin, dass die Geometrie und Position der Leitschaufeln
sehr sorgfältig angepasst werden muss, um wirksam zu sein. Diese
Anpassung ist jedoch konstruktiv nicht immer möglich, da
sich die Strömungstopologie in Luftführungssystemen
häufig mit der Strömungsgeschwindigkeit stark ändert.
In diesem Fall kann es vorkommen, dass die Leitschaufeln bzw. Leitbleche
selbst zusätzliche Ablösungen und Störungen
verursachen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher ein Strömungsführungselement zur Führung
einer Strömung eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welches
die oben beschriebenen Nachteile bekannter Strömungsführungselemente
weitgehend vermeidet. Das Strömungsführungselement
ist insbesondere für den Einsatz im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine
geeignet, kann jedoch auch bei anderen Arten von Strömungsführungselementen
im Bereich der Naturwissenschaften und Technik, insbesondere im
Bereich der Verfahrenstechnik und/oder des Automobilbaus, eingesetzt werden.
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Das
vorgeschlagene Strömungsführungselement umfasst
ein Strömungsrohr (wobei jedoch sinngemäß auch
mehrere Strömungsrohre umfasst sein können), mit
einem Rohrbogen zur Umlenkung der Strömung. Unter einem „Rohrbogen"
ist dabei ein grundsätzlich beliebig geformtes Element
zu verstehen, welches ausgestaltet ist, um die Hauptströmungsrichtung
des fluiden Mediums zu ändern. Auch das Strömungsrohr
kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen,
wobei jedoch runde Querschnitte und/oder vieleckige Querschnitte
aus konstruktiven Gründen bevorzugt sind.
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Dabei
ist im Bereich des Rohrbogens mindestens ein Strömungsleitelement
mit mindestens einer Leitfläche angeordnet. Unter einem „Strömungsleitelement"
sind dabei grundsätzlich beliebig geformte Elemente zu
verstehen, welche in der Strömung angeordnet sind, das
heißt innerhalb des Strömungsquerschnitts des
Strömungsrohrs, und welche durch ihre Leitflächen
eingerichtet sind, um die Umlenkung der Strömung zu begünstigen.
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Insoweit
entspricht das vorgeschlagene Strömungsführungselement
beispielsweise den oben beschriebenen, in
DE 102 53 970 A1 beschriebenen Leitschaufeln
im Bypass eines Heißfilmluftmassenmessers. Im Unterschied
zu bekannten Strömungsführungselementen ist das
vorgeschlagene Strömungsführungselement jedoch
derart ausgestaltet, dass die Leitfläche in mindestens
einem Bereich einen das Strömungsleitelement durchsetzenden Durchbruch
aufweist.
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Unter
einem „Durchbruch" ist dabei eine Öffnung zu verstehen,
welche das Strömungsführungselement quer durchsetzt.
Insbesondere ist es bevorzugt, wenn diese Öffnung nähe rungsweise
senkrecht zur lokalen Strömungsrichtung des fluiden Mediums angeordnet
ist, vorzugsweise mit einer Abweichung vom rechten Winkel von nicht
mehr als 20°.
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Der
Grundgedanke des vorgeschlagenen Strömungsführungselements
unter Verwendung der Durchbrüche besteht darin, Strömungsablösungen im
Bereich der Strömungsleitelemente durch gezielte Einbringung
von Längswirbeln zu vermeiden. Unter einem Längswirbel
ist dabei ein Wirbel zu verstehen mit einer Wirbelachse, die im
Wesentlichen in Hauptströmungsrichtung (bzw. in die lokale
Hauptströmungsrichtung) des fluiden Mediums gerichtet ist.
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Die
Luft bzw. das fluide Medium durchströmt aufgrund von Druckunterschieden
zwischen der Anströmseite (im Folgenden auch Luvseite genannt) und
der der Strömung abgewandten Seite (im Folgenden auch Leeseite
genannt) und erzeugt auf der Leeseite kräftige Längswirbel.
Diese Längswirbel sorgen für einen verstärkten
Impulsaustausch zwischen schnellem Fluid (Außenströmung)
und langsamem Fluid (Fluid im Ablösebereich) und verkleinern oder
vermeiden auf diese Weise Ablösungen auf der Rückseite
des Strömungsleitelements.
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Durch
die zumindest teilweise Durchlässigkeit des Strömungsleitelements
wird für eine „weiche" Wirkung gesorgt. Der Umlenkeffekt
kann durch die teilweise Perforierung lokal abgeschwächt
werden. Dadurch wird das Strömungsleitelement relativ unempfindlich
gegenüber einer Positionierung und der Geometrie desselben.
Durch den mit steigender Strömungsgeschwindigkeit zunehmenden
Druckabfall der Strömung durch die Strömungsleitelemente bzw.
Leitschaufeln nimmt die Umlenkwirkung mit steigender Strömungsgeschwindigkeit
zu. Dieser Effekt korreliert mit der physikalischen Tatsache, dass
mit steigender Strömungsgeschwindigkeit und steigenden
Reynoldszahlen die Ablöseneigung generell abnimmt.
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Besonders
bevorzugt ist dabei, wenn das Strömungsleitelement, wie
oben beschrieben, ein Strömungsleitblech umfasst. Der Ausdruck „Blech" ist
dabei jedoch nicht notwendigerweise auf das Material eines Metalls
einzuschränken, wobei jedoch bevorzugt Metalle bzw. Metallbleche
eingesetzt werden. Insbesondere lassen sich dabei kommerziell erhältliche,
perforierte Lochbleche einsetzen. Insbesondere kann das Leitblech
eine rechteckige Gestalt aufweisen, beispielsweise mit einer ersten
Rechteckseite, welche im Wesentlichen einem Durchmesser und/oder
einer Sehne des Strömungsrohres entspricht und einer zweiten
Seite, der Längsseite, welche der Längserstreckung
des Leitblechs im Strömungsrohr entspricht.
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Dabei
ist bei dem Leitblech vorzugsweise die Dicke des Leitblechs konstant
und vorzugsweise um mindestens eine Größenordnung
kleiner als die Erstreckung des Leitblechs in lateraler Richtung.
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Anstelle
von Leitblechen mit konstanter Dicke, welche vorzugsweise aus verformbarem
Material bestehen, lassen sich jedoch auch andere Arten von Strömungsleitelementen
einsetzen, beispielsweise, wie oben beschrieben, Leitschaufeln,
Leitflügel oder ähnliche Formen, beispielsweise
mit einem Tragflächenquerschnitt.
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Vorzugsweise
weist der Durchbruch eine runde Form, insbesondere eine kreisförmige
oder eine ovale Form, und/oder eine vieleckige Form, insbesondere
eine rechteckige Form, und/oder eine Schlitzform auf.
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Dabei
können beispielsweise eine Vielzahl von Durchbrüchen
matrixförmig angeordnet sein, wobei unter einer „Matrix"
eine gleichmäßige geometrische Anordnung in einer
Ebene zu verstehen ist. Dabei ist jedoch nicht notwendigerweise
eine reine Reihen- und Spaltenanordnung erforderlich, sondern es können
auch beispielsweise jede zweite Reihe um eine halben Spaltenbreite
versetzt gegenüber den übrigen Reihen angeordnet
sein.
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Auch
kann die „Dichte" der Verteilung der Durchbrüche
variabel ausgestaltet sein und entsprechend beispielsweise der Druckverhältnisse
an der Leitfläche variieren. Ein Beispiel, welches diesen
Gedanken einfach umsetzt, besteht darin, dass das Strömungsleitelement
mindestens einen ersten, mit Durchbrüchen versehen Bereich
umfasst und mindestens einen zweiten, nicht mit Durchbrüchen
versehenen Bereich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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 die
Problematik der Bildung von Ablösegebieten im Bereich von
Rohrbögen;
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1B die
Verminderung der Problematik durch Verwendung von Leitblechen;
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2A die
Problematik der Bildung von Ablösegebieten auf der Leeseite
von Leitblechen;
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2B die
Vermeidung dieser Problematik durch die erfindungsgemäße
Verwendung perforierter Leitbleche;
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3 ein
Ausführungsbeispiel eines durchgehend perforierten Lochblechs
zur Verwendung als Leitblech;
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4 eine
stilisierte perspektivische Darstellung der Wirbelbildung an einem
teilweisen perforierten Leitblech;
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5A bis 5C alternative
Ausführungsformen perforierter Leitbleche;
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6A eine
halbtransparente perspektivische Darstellung der Strömung
in einem Rohrbogen eines Luftfilters; und
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6B der
Luftfilter gemäß 6A mit
Leitblech.
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In
den 1A und 1B ist
die bekannte Problematik der Bildung von Ablösegebieten 110 im Bereich
von Rohrbögen 112 von Strömungsrohren 114 dargestellt.
Dabei strömt das fluide Medium mit einer (lokalen) Hauptströmungsrichtung 116 durch das
Strömungsrohr 114. Unmittelbar hinter der Umlenkung
im Bereich des Rohrbogens 112 bildet sich bei der Ausgestaltung
ohne Strömungsleitelemente in 1A das
Ablösegebiet 110 aus, in welchem sehr langsame
Strömung und zum Teil Rückströmung vorherrscht.
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In
diesem Bereich wird die Strömung, welche in den 1A und 1B symbolisch
durch die Stromlinien 118 verdeutlicht ist, zusammengedrängt, und
der Strömungsquerschnitt verengt sich. Dadurch wird der
Durchsatz an strömendem fluidem Medium durch das Strömungsrohr 114 verringert.
Eine weitere Problematik besteht darin, dass die Ablösegebiete 110 seitlich
instabil sein können, wodurch Schwankungen im Durchsatz
auftreten können.
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In 1B ist
die Anordnung der 1A dargestellt, wobei jedoch
in diesem Fall zwei Strömungsleitbleche 120 in
dem Inneren des Strömungsrohrs 114 aufgenommen
sind. Diese Strömungsleitbleche 120 weisen Leitflächen 122 auf.
Wie aus der stilisierten Darstellung in 1B hervorgeht,
tragen diese Leitbleche 120 dazu bei, dass die Ausbildung
des Ablösegebiets 110 zumindest weitgehend vermieden wird.
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In 2A ist
jedoch eine Problematik dargestellt, welche in der Praxis häufig
beobachtet wird. Dabei bildet sich auf der Leeseite 124 des
Strömungsleitblechs 120 ein Ablösegebiet 110 aus.
Somit trägt das Leitblech 120 nicht unmittelbar
zur Lösung der oben beschriebenen Problematik der Ausbildung
von Ablösegebieten 110 bei, sondern kann, unter
ungünstigen Bedingungen der Strömung, diese Problematik
sogar noch verstärken oder nur teilweise lösen.
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In 2B ist
hingegen eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines
Strömungsleitblechs 120 dargestellt. In diesem
Fall weist das Strömungsleitblech 120 an seinem
stromaufwärts gelegenen Ende mehrere Durchbrüche 130 auf.
Aufgrund der Druckunterschiede zwischen der Luvseite 128 und
der Leeseite 124 des Strömungsleitblechs 120 bilden
sich leeseitig hinter diesen Durchbrüchen 130 Längswirbel 132 aus.
Diese Längswirbel 132 sorgen für eine Durchmischung
der Strömung auf der Leeseite 124 der Leitschaufel 120 und
verhindern somit die Bildung des Ablösegebiets 110 weitgehend.
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Anstelle
lediglich eines Strömungsleitblechs 120, wie in 2B dargestellt,
sind jedoch auch Ausführungsbeispiele möglich,
bei welchen mehrere derartiger Strömungsleitbleche 120 eingesetzt
werden können. So kann beispielsweise auch das Ausführungsbeispiel
in 1B derart modifiziert werden, dass beide Strömungsleitbleche 120 derartige Durchbrüche 130 aufweisen.
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In
den 3 bis 5C sind verschiedene Ausführungsbeispiele
von Strömungsleitblechen 120 mit Durchbrüchen 130 dargestellt,
wie sie beispielsweise in Luftfiltern eingesetzt werden können
(siehe unten). So zeigt 3 eine Draufsicht auf ein vollständig
mit Durchbrüchen 130 durchsetztes Leitblech 120.
Das Leitblech 120 ist somit in diesem Ausführungsbeispiel
vollständig als Lochblech ausgestaltet, welches beispielsweise
aus Aluminium hergestellt ist.
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Die
Durchbrüche 130 sind in diesem Ausführungsbeispiel
kreisförmig und sind matrixartig angeordnet, wobei jede
zweite Zeile um einen halben Spaltenabstand versetzt ist. Das Blech
hat beispielsweise eine Dicke von 0,7 mm, die Löcher einen Durchmesser
von 1 mm, und das Blech hat vorzugsweise eine rechteckige Gestalt
mit einer Kantenlänge von 20 bis 25 mm und einer Länge
von ca. 80 mm. Die genauen Maße der Durchbrüche 130 hängen üblicherweise
stark von der Einbausituation ab.
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In 4 ist
in einer perspektivischen Darstellung die Anströmung eines
Leitbleches 120 dargestellt. Dabei ist die Blickrichtung
auf die Leeseite 124 des Leitblechs 120 gewählt.
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Im
Gegensatz zur Ausgestaltung in 3 weist
das Strömungsleitblech 120 in der Darstellung gemäß 4 einen
ersten Bereich 134 auf, welcher mit Durchbrüchen 130 versehen
ist, sowie einen zweiten Bereich 136, in welchem keine
Durchbrüche 130 angeordnet sind. Das Leitblech 120 ist
dabei entlang seiner Längserstreckung unterschiedlich gekrümmt
und weist im ersten Bereich 134 die stärkste Krümmung
auf. Dieses Beispiels in 4 ist ein Beispiel dafür,
dass die Verteilung und Dichte der Durchbrüche 130 optimiert
werden kann, um einerseits eine optimale Strömungsführungswirkung
zu erzielen, und andererseits die Bildung der Ablösegebiete 110 wirksam
zu vermeiden.
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In
den 5A bis 5C sind
verschiedene, zur 4 alternative Beispiele von
Leitblechen 120 dargestellt. So zeigt 5A eine
Anordnung, bei welcher, ähnlich zu 4, in einem
ersten Bereich 134, welcher anströmseitig angeordnet
ist, rechteckige Durchbrüche 130 angeordnet sind.
Diese Rechtecke sind länglich ausgebildet, mit einer längeren
Seite entlang der Hauptströmungsrichtung, und einer schmalen
Seite senkrecht dazu. An diesen ersten Bereich 134 schließt
sich abströmseitig wiederum ein zweiter Bereich 136 an,
welcher nicht perforiert ist.
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In 5B ist
hingegen ein Ausführungsbeispiel eines Leitblechs 120 dargestellt,
bei welchem die Durchbrüche 130 nicht in der Mitte
des Leitblechs 120 angeordnet sind, sondern an dessen Rand.
Dabei ist das Leitblech 120 in einem in das Strömungsrohr 114 eingefügten
Zustand abgebildet. Die Durchbrüche 130 sind hierbei
Aussparungen in Form von Rechtecken im Rand des Strömungsleitblechs 120.
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In 5C hingegen
sind die Durchbrüche 130 als Lochreihe ausgebildet,
welche sich am unteren Rand des Strömungsleitblechs 120 entlang
dessen längerer Kante erstreckt.
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Die
Beispiele in den 5B und 5C zeigen,
dass die „Dichte" der Durchbrüche 130 nicht
nur, wie in den Beispielen 4 und 5A,
in Strömungsrichtung variiert werden kann, sondern auch senkrecht
zu dieser Strömungsrichtung. Auf diese Weise kann, beispielsweise
mittels kommerziell erhältlicher CFD-Simulationssoftware
(CFD: Computational Fluid Dynamics), die Ausgestaltung und Verteilung
der Durchbrüche 130 in den Strömungsleitblechen 120 leicht
optimiert werden.
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Wie
oben beschrieben, kann das erfindungsgemäße Strömungsführungselement
auf verschiedene Weise in der Technik eingesetzt werden, insbesondere
im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik. Ein (im Folgenden nicht dargestelltes)
Beispiel einer derartigen Anwendung besteht darin, das oben beschriebene
Strömungsleitelement (Bezugsziffer
50) der
DE 102 53 970 A1 derart
zu modifizieren, dass dieses zusätzlich Durchbrüche
130 aufweist.
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Ein
weiteres, in den 6A und 6B dargestelltes
Beispiel besteht darin, die Luftführung in einem Luftfilter 138 entsprechend
auszugestalten. Dabei zeigt 6A eine
halbtransparente perspektivische Darstellung eines herkömmlichen
Luftfilters 138, wobei mittels einer CFD-Simulation im
Strömungsrohr 114 die Stromlinien 118 berechnet
wurden. 6B zeigt hingegen ein erfindungsgemäß ausgestaltetes
Luftfilter 138, bei welchem ein Strömungsleitblech 120 mit
Durchbrüchen 130 eingefügt wurde.
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Das
Luftfilter 138 weist eine Filtereinheit 140, ein
sich daran anschließendes Strömungsrohr 114 sowie
einen Anschlussstutzen 142 auf. Dabei ist im Strömungsrohr 114,
unmittelbar vor dem Anschlussstutzen 142, ein Heißfilmluftmassenmesser 144 (im Folgenden
abgekürzt HFM) angeordnet.
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Aus
der Darstellung der Stromlinien 118 in 6A geht
hervor, dass bei dieser Ausgestaltung des Luftfilters 138 im
Bereich des Rohrbogens 112 bzw. unmittelbar hinter diesem
ein großes Ablösegebiet 110 ausgebildet
ist. Dieses Ablösegebiet 110 begrenzt nicht nur
den Durchsatz und damit die insgesamt angesaugte Luftmenge, sonder
stellt aufgrund der unmittelbaren räumlichen Nähe
zum HFM 144 und der üblicherweise auftretenden
Instabilitä ten des Ablösegebiets 110 auch
eine Quelle von Unzuverlässigkeiten der Messungen des Heißfilmluftmassenmessers 144 dar.
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Bei
der Ausgestaltung des Luftfilters 138 gemäß 6B ist
hingegen (in 6B lediglich symbolisch angedeutet)
ein Strömungsleitblech 120 gemäß der
in 4 dargestellten Ausgestaltung in das Strömungsrohr 114 im
Bereich des Rohrbogens 112 eingebracht. Dabei sind die
Durchbrüche 130 anströmseitig angeordnet.
Wie aus 6B zu erkennen ist, erstreckt
sich dabei das Strömungsleitblech 120 abströmseitig
bis in die Nähe des Heißfilmluftmassenmessers 144.
Mittels dieses Strömungsleitblechs 120 lässt
sich das Ablösegebiet 110 erheblich verkleinern,
und die Strömungsqualität kann erheblich verbessert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10253970
A1 [0003, 0003, 0006, 0011, 0046]