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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten 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 Brennkraftmaschinen 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.
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Bei
derartigen Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise
ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine dünne Sensormembran
aufweist, beispielsweise ein Silizium-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, beispielsweise Sensoren, die nicht
mit Membranen, sondern mit porösen Sensorchips arbeiten.
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Heißfilmluftmassenmesser
sind insbesondere in Form von Steckfühlern im Einsatz,
welche ein Bypassteil umfassen, welches in eine Leitung einsteckbar
ist. Eine besondere Bedeutung kommt bei dieser Form des Heißfilmluftmassenmessers
sowie auch bei anderen, nicht als Steckfühler ausgebildeten
Vorrichtungen dieser oder ähnlicher Art, der Strömungsführung
zu.
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Hierbei
sind zahlreiche Strömungsaspekte zu berücksichtigen,
welche sich auf die Signalqualität der Vorrichtungen auswirken
können.
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So
ist bei Heißfilmluftmassenmessern, welche einen Bypasskanal
mit darin aufgenommenem Sensorchip aufweisen, insbesondere ein hoher
Luftmassendurchsatz von Bedeutung, da dieser den Signalhub und damit
das Signal-zu-Rausch-Verhältnis maßgeblich bestimmt.
Auf der anderen Seite ist darauf zu achten, dass an der Vorrichtung
in der Leitung ein möglichst geringer Druckabfall auftritt,
damit die Strömung des Mediums möglichst wenig
beeinflusst wird. Ein weiterer Aspekt liegt darin, dass die Strömung
möglichst gleichmäßig und ohne Schwankungen
(zum Beispiel strömungsbedingte Pulsationen) durch die
Leitung und/oder den Bypasskanal strömen sollte, da derartige
kurzfristige Schwankungen die Signalqualität ebenfalls
beeinflussen können.
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Aus
dem Stand der Technik sind dementsprechend verschiedene Vorrichtungen
bekannt, über welche eine Strömungsführung
des Mediums in der Leitung im Bereich der Vorrichtung positiv beeinflusst
werden kann. Ein Aspekt besteht beispielsweise darin, einen Bypassteil
der Vorrichtung, welche in die Strömung hineinragt, mit
einer strömungstechnisch günstigen abgerundeten
Anströmkante auszustatten. Dabei sind Vorrichtungen bekannt,
bei welchen diese abgerundete Anströmkante Bestandteil des
Steckerteils bzw. Bypassteils ist, oder Vorrichtungen, bei welchen
diese abgerundete Anströmkante einen Bestandteil der Leitung
bildet.
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Ein
Beispiel einer Vorrichtung der letztgenannten Art ist in
DE 10 2004 035 893
A1 gezeigt. Hier umfasst die Leitung ein Leitungsteil,
in welche ein Bypassteil eines Heißfilmluftmassenmessers
einsteckbar ist. Als fester Bestand des Leitungsteils ist dabei
im Leitungsteil eine der Hauptströmungsrichtung des strömenden
Mediums entgegenweisende abgerundete Anströmkante vorgesehen,
hinter welcher das eigentliche Steckerteil in das Leitungsteil eingebracht
wird.
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Weiterhin
offenbart die
DE
10 2004 035 893 A1 , dass das Leitungsteil im Bereich des
Bypassteils einen zu dem Bypassteil hin abstehenden Vorsprung aufweist.
Durch diesen Vorsprung wird der Strömungsquerschnitt im
Bereich des Bypassteils verengt und damit die Strömung
beschleunigt. Durch diesen Vorsprung wird bewirkt, dass sich die
beschleunigte Strömung an eine dem Bypassteil stromabwärts
angeordnete Strömungsleitwand rascher wieder anlegt, wodurch
Ablösegebiete vorteilhaft verkleinert werden können.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsführungselemente
lassen jedoch, wie die Praxis gezeigt hat, Raum für weitere
Verbesserungen. Eine Schwierigkeit besteht darin, dass an Strömungsführungselementen
verschiedener Art, wie beispielsweise dem in
DE 10 2004 035 893 A1 bekannten
Strömungsführungselement, unter bestimmten Strömungsbedingungen
Instabilitäten auftreten können. Diese Instabilitäten
sind insbesondere dadurch bedingt, dass sich in der Strömung
hinter den Strömungsführungselementen Strömungsablösegebiete
einstellen, wie beispielsweise hinter dem aus
DE 10 2004 035 893 A1 bekannten
Vorsprung. Die Größe und das Ausmaß dieser
Ablösegebiete können jedoch, selbst bei ansonsten
gleichen Strömungsbedingungen, Instabilitäten
unterworfen sein, wie beispielsweise Pulsationen hinsichtlich der
Größe und der lateralen oder der longitudinalen
Erstreckung dieser Ablösegebiete. Diese Pulsationen können
sich unter Umständen negativ auf die Signalqualität,
insbesondere das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, auswirken
oder können Artefakte im Messsignal erzeugen, welche schlimmstenfalls
wiederum dazu führen können, dass eine Motorsteuerung
der Brennkraftmaschine mit nur teilweise zuverlässigen
Signalen beaufschlagt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird dementsprechend eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens
eines Parameters eines in einer Leitung in einer Hauptströmungsrichtung strömenden
Mediums vorgeschlagen, welche im Wesentlichen ausgestaltet sein
kann wie die eingangs beschriebenen Vorrichtungen. Insbesondere
kann die Vorrichtung einen Heißfilmluftmassenmesser umfassen.
Die Vorrichtung kann insbesondere zur Bestimmung eines Luftmassenstroms
im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden.
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Die
Vorrichtung umfasst ein einen Leitungsdurchgang bildendes Leitungsteil,
beispielsweise einen Rohrabschnitt eines Ansaugtraktes einer Brennkraftmaschine.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung mit einem
in den Leitungsdurchgang ragenden Bypassteil (im Folgenden auch Steckfühler
genannt, wobei jedoch auch fest installierte Bypassteile möglich
sind). Beispielsweise kann das Leitungsteil eine entsprechende Öffnung
umfassen, welche ein Einstecken des Bypassteils ermöglicht,
wobei jedoch auch fest in dem Leitungsteil installierte Bypassteile
denkbar sind.
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In
dem Bypassteil ist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, eine
Kanalstruktur mit mindestens einem Sensorelement zur Messung des
mindestens einen Parameters angeordnet. Beispielsweise kann diese
Kanalstruktur einen Hauptstromeinlass und einen Hauptstromauslass
umfassen. Verschiedene Anordnungen dieser Ein- und Auslasse sind
bekannt, beispielsweise die aus
DE 10 2004 035 893 A1 bekannte Anordnung,
bei welcher der Hauptstromeinlass auf einer der Hauptströmungsrichtung
des fluiden Mediums entgegenweisenden Seite des Bypassteils angeordnet
ist und bei welcher der Hauptstromauslass seitlich auf einer Seitenwand
des Bypassteils angeordnet ist.
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Weiterhin
kann die Kanalstruktur auch, wie ebenfalls aus
DE 10 2004 035 893 A1 bekannt,
einen Hauptkanal und einen von diesem Hauptkanal abzweigenden Bypasskanal
aufweisen, was insbesondere der Vermeidung von Verschmutzungen auf
dem Sensorelement dient.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist weiterhin derart
ausgestaltet, dass bei dieser wiederum das Leitungsteil im Bereich
des Bypassteils mindestens einen den Querschnitt des Leitungsdurchgangs zumindest
teilweise verengenden Vorsprung aufweist. Dieser Vorsprung sorgt
wiederum für eine Beschleunigung der Strömung
im Bereich des Bypassteils, wie dies ebenfalls aus
DE 10 2004 035 893 A1 bekannt
ist. Insbesondere kann dieser Vorsprung im Bereich eines Hauptstromauslasses
und/oder im Bereich anderer Öffnungen der Kanalstruktur
des Bypassteils angeordnet sein, so dass insbesondere in diesen
Bereichen die Strömung beschleunigt wird. Dies hat den
Vorteil, dass beispielsweise im Bereich einer Auslassöffnung
gezielt ein verringerter Druck erzeugt werden kann, so dass ein
Durchsatz durch die Kanalstruktur, insbesondere einen Hauptkanal der
Kanalstruktur, erhöht werden kann. Dadurch wird der Signalhub
der Vorrichtung und damit auch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis
verbessert. Dies macht sich insbesondere für Baugrößen
der Leitung bemerkbar, bei welchen das Leitungsteil einen Querschnitt
von mindestens 70 mm, vorzugsweise größer, aufweist.
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Um
die oben beschriebenen Probleme einer Instabilität in der
Strömung im Bereich des oder hinter dem Vorsprung zu vermeiden,
besteht ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung darin, den Vorsprung
mit mindestens einem Wirbelelement auszustatten. Dieses Wirbelelement
soll derart ausgestaltet sein, dass dieses Längswirbel
in dem strömenden Medium ausbildet. Derartige Wirbelelemente
bzw. deren Ausgestaltung sind dem Fachmann im Wesentlichen bekannt.
Diese Wirbelelemente dienen dem Zweck, durch die Erzeugung von Turbulenzen bzw.
Längswirbeln zur Strömungsstabilisierung beizutragen.
Die Längswirbel vermischen wandfernes, schnelles Fluid
und wandnahes, langsames Fluid. Dadurch werden Strömungsablösungen
hinter dem Vorsprung vermieden, und die Strömungsstabilität wird
erheblich erhöht. Durch diese Stabilisierung der Strömung
wird auch die Kennlinienreproduzierbarkeit der Vorrichtung erheblich
verbessert, und das Signalrauschen wird deutlich verringert.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist das mindestens eine Wirbelelement
des mindestens einen Vorsprungs mindestens einen im Wesentlichen parallel
zur Hauptströmungsrichtung angeordneten, in dem Vorsprung
ausgebildeten Schlitz auf. Unter „im Wesentlichen parallel"
sind dabei auch leichte Abweichungen von einer Parallelität
zu subsumieren, vorzugsweise Abweichungen um nicht mehr als 20°, besonders
bevorzugt um nicht mehr als 5°.
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Der
Schlitz kann insbesondere scharfkantig ausgebildet sein, so dass
sich an den Kanten dieses Schlitzes besonders leicht Wirbel ausbilden
können. Dabei können insbesondere Kantenwinkel
vorgesehen sein, welche um nicht mehr als 30° von einem rechten
Winkel abweichen.
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Der
Schlitz kann dabei verschiedene Gestalten aufweisen, beispielsweise
einen rechteckigen, dreieckförmigen oder trapezförmigen
Querschnitt. Auch Kombinationen dieser Gestaltung sind möglich. Bezüglich
der Schlitztiefe kann der Schlitz derart ausgestaltet sein, dass
dieser sich über die gesamte Höhe des Vorsprungs
erstreckt, so dass das Leitungsteil im Bereich der Schlitze wieder
den ursprünglichen Querschnitt ohne den Vorsprung aufweist.
Auch andere Schlitztiefen sind jedoch denkbar.
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Insbesondere
kann die Vorrichtung bzw. der Vorsprung derart ausgestaltet sein,
dass dieser Vorsprung eine Mehrzahl von im Wesentlichen parallel zur
Strömungsrichtung ausgebildeten Rippen aufweist. Zwischen
diesen Rippen können der bzw. die oben beschriebenen Schritte
angeordnet sein. Entsprechend können auch diese Rippen
beispielsweise einen rechteckigen, dreieckförmigen oder
trapezförmigen Querschnitt aufweisen, oder einen anderen Querschnitt
oder eine Kombination der genannten Querschnitte. Auch diese Rippen
können sich im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung
erstrecken, wobei unter „im Wesentlichen parallel" wiederum
die oben genannten Abweichungen tolerierbar sind.
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Analog
zur
DE 10 2004
035 893 A1 kann auch in diesem Fall, in welchem der Vorsprung
einen oder mehrere Schlitze aufweist, der Vorsprung mit einer in
den Leitungsdurchgang ragenden Oberfläche ausgestaltet
sein, welche gekrümmt, vorzugsweise stetig gekrümmt,
ist. Insbesondere kann die Oberfläche wiederum einen der
Hauptströmungsrichtung entgegenweisenden ersten Bereich
und einen stromabwärts des ersten Bereichs gelegenen zweiten
Bereich aufweisen, wobei der erste Bereich eine stärkere
Krümmung der Oberfläche aufweist als der zweite Bereich.
Diese Gestalt der Oberfläche, welche näherungsweise
an eine Tragflächen-Oberfläche bzw. Tragflächen-Oberseite
erinnert, hat sich in der Praxis als besonders günstig
erwiesen, um ohne stärkere Beeinflussungen der Strömung
und ohne größere, instabile Ablösegebiete
zu erzeugen, eine lokale Verengung des Strömungsquerschnitts
zu bewirken.
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Insbesondere
hat es sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn der Vorsprung um
maximal 1 bis 10 mm, vorzugsweise um 3 bis 8 mm, in den Leitungsdurchgang
hineinragt. Diese Größen haben sich insbesondere
im Zusammenhang mit den oben genannten Leitungsquerschnitten von
mehr als 70 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 70 und 100 mm,
als vorteilhaft erwiesen.
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Der
Vorsprung kann einen Bereich aufweisen, in welchem der Querschnitt
des Leitungsdurchgangs maximal verengt ist. Dieser Bereich, welcher auch
als „Scheitel" des Vorsprungs bezeichnet werden kann, ist
vorzugsweise vom stromaufwärtigen Ende des Vorsprungs in
einem Abstand angeordnet, welcher dem 0,1- bis 0,4-fachen der Länge
l des Vorsprungs ent spricht. Diese Länge l, also die Längserstreckung
des Vorsprungs in Hauptströmungsrichtung, beträgt
vorzugsweise zwischen 20 und 80 mm, insbesondere zwischen 40 und
60 mm. Auch diese Weiterbildung der Erfindung hat sich insbesondere im
Zusammenhang mit den oben beschriebenen Leitungsquerschnitten von
70 mm und mehr, insbesondere zwischen 70 und 100 mm, als vorteilhaft
erwiesen.
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Bezüglich
der übrigen möglichen Ausgestaltungen in der Vorrichtung
kann weitgehend auf den Stand der Technik verwiesen werden. So macht
sich wiederum, auch im Fall des Vorsprungs mit dem Wirbelelement,
die Verwendung einer Strömungsleitwand positiv bemerkbar.
Insbesondere kann hierbei auf die Ausgestaltung gemäß
DE 10 2004 035 893 A1 verwiesen
werden, so dass insbesondere die Strömungsleitwand hinter
einer Auslassöffnung der Kanalstruktur angeordnet sein
kann. Insbesondere kann es sich dabei um einen Hauptstromauslass handeln,
also eine Auslassöffnung eines Hauptkanals der Kanalstruktur.
Wiederum kann diese Strömungsleitwand vorzugsweise im Wesentlichen
parallel (bezüglich der Definition von „im Wesentlichen
parallel" kann wieder auf das oben Gesagte verwiesen werden) zu
einer Wand des Bypassteils ausgestaltet sein, in welche diese Auslassöffnung
angeordnet ist.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann weiterhin das Bypassteil
wiederum selbst eine abgerundete Anströmnase aufweisen,
oder die Anströmnase kann vorzugsweise, da ohnehin ein
Leitungsteil mit entsprechenden Strömungsführungselementen vorgesehen
ist, auch fest in dem Leitungsteil installiert sein, wie dies in
DE 10 2004 035 893
A1 beschrieben ist.
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Die
beschriebene Vorrichtung weist neben den bereits genannten Vorteilen
gegenüber bekannten Vorrichtungen zahlreiche weitere Vorteile
auf. Neben der deutlich verbesserten Signalqualitt, welche sich
durch die verbesserte Strömungsführung und den
verbesserten Durchsatz ergibt, bietet der Vorsprung mit dem Wirbelelement,
insbesondere einem schlitzförmigen Wirbelelement, auch
den Vorteil, dass das Leitungsteil produktionstechnisch einfacher realisierbar
ist. Insbesondere eine Herstellung durch ein Spritzgießverfahren
(beispielsweise aus einem glasfasergefüllten PBT-Werkstoff,
Polybutylenterephthalat) lässt sich durch die Verwendung
von Vorsprüngen mit darin eingebrachten Schlitzen verbessern,
da die Schlitze die Entformbarkeit des Leitungsteils mit dem Vorsprung
deutlich verbessern. Ein weiterer Vorteil der Wirbelbildung und
der Strömungsstabilisierung besteht darin, dass insgesamt
der Druckabfall in der Leitung, insbesondere in einem Ansaugtrakt
einer Brennkraftmaschine, zum ei nen reduziert werden kann, da durch
die Wirbelbildung und die damit verbundene Durchmischung die Ablösegebiete
in der Strömung verkleinert werden können. Zudem
bewirkt die Stabilisierung der Ablösegebiete, dass der Ansaug-Luftstrom
in dem Ansaugtrakt stabilisiert wird, was sich auf das Betriebsverhalten
der Brennkraftmaschine ebenfalls positiv auswirken kann.
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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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1 eine
dem Stand der Technik entsprechende Vorrichtung mit einem Leitungsteil
mit einem Vorsprung, in Schnittdarstellung parallel zur Hauptströmungsrichtung;
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2A und 2B perspektivische
Darstellungen einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung
einer Vorrichtung
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3 eine
Schnittdarstellung eines Vorsprungs von der Seite; und
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4A und 4B verschiedene
Ausgestaltungen von Rippen eines Vorsprungs in Schnittdarstellung
senkrecht zur Hauptströmungsrichtung.
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Ausführungsformen
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In
1 ist
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung
110 dargestellt, welches der in
DE 10 2004 035 893 A1 gezeigten
Vorrichtung entspricht. Die Vorrichtung
110 kann insbesondere
als Heißfilmluftmassenmesser zur Messung eines Ansaug-Luftstroms
im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine ausgebildet sein.
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Die
Vorrichtung 110, welche in 1 in Schnittdarstellung
parallel zu einer Hauptströmungsrichtung 112 eines
durch eine Leitung strömenden fluiden Mediums (zum Beispiel
Luft) dargestellt ist, umfasst als Bestandteil einer Leitung ein
Leitungsteil 114. Dieses Lei tungsteil 114 weist
eine in etwa zylindermantelförmige Wand 116 auf,
welche einen Leitungsdurchgang 118 umgibt. In dem Leitungsdurchgang 118 strömt
das Medium in der Hauptströmungsrichtung 112.
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Das
Leitungsteil 114 weist eine im Wesentlichen zylindrische
Innenwandung 120 auf.
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Die
Hauptströmungsrichtung 112 ist definiert als die
Richtung, in welcher das Medium ausgehend vom Eingang des Leitungsteils 114 bis
zu dessen Ausgang in der Hauptachse durch den Leitungsdurchgang
strömt, auch wenn lokale Wirbelbildungen und lokal vorhandene
Ablösegebiete der Strömung lokale Abweichungen
der Strömung von der Hauptströmungsrichtung aufweisen
oder temporäre Richtungsänderungen auftreten.
Die Hauptströmung verläuft hier parallel zur Mittelachse 122 der
zylinderförmigen Wand 116 des Leitungsteils 114.
Das Leitungsteil 114 kann beispielsweise in eine Saugrohrleitung
einer Brennkraftmaschine eingesetzt sein.
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Eine
Sensoreinrichtung 124, welche in diesem Ausführungsbeispiel
als Steckfühler ausgebildet ist, ist an dem Leitungsteil 114 derart
angeordnet, dass ein mit einer Kanalstruktur 126 (in 1 lediglich
angedeutet) versehenes Bypassteil 128 der Sensoreinrichtung 124 in
den Leitungsdurchgang 118 fingerartig hineinragt und dort
dem strömenden Medium mit einer bestimmten Ausrichtung
ausgesetzt ist. Die Schnittdarstellung in 1 ist dabei
senkrecht zur Einsteckrichtung, also senkrecht zur Längserstreckung
des Bypassteils 128 gewählt, so dass dieses Bypassteil 128 im
Querschnitt zu erkennen ist.
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Beim
Einbau des Bypassteils
28 in das Leitungsteil
114 ist
sichergestellt, dass das Bypassteil
128 in Bezug auf die
Hauptströmungsrichtung
112 des Mediums eine vorbestimmte
Ausrichtung aufweist. Die Sensoreinrichtung
124 umfasst
weiterhin innerhalb der Kanalstruktur
126 ein Sensorelement (in
1 nicht
dargestellt), bei welchem es sich beispielsweise um ein Heißfilmluftmassenmesser-Sensorelement
handeln kann. Für die weitere Ausgestaltung der Sensoreinrichtung
124 und
des Sensorelements kann beispielsweise auf die
DE 10 2004 035 893 A1 und
die dortige Beschreibung verwiesen werden.
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Das
Bypassteil 128 weist ein Gehäuse mit einer beispielsweise
quaderförmigen Struktur auf, mit einer in der Einbauposition
der Hauptströmungsrichtung 112 des Mediums zugewandten Frontwand 130, einer
davon abgewandten Rückwand 132, einer ersten Seitenwand 134 und
einer dazu parallelen zweiten Seitenwand 136. Ein drittes
Ende, das Kopfende des Bypassteils 128 in Einsteckrichtung
(senkrecht zur Zeichenebene in 1), bildet
eine weitere Wand des Bypassteils 128, welche beispielsweise ebenfalls
wiederum im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung 112 verlaufen
kann.
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Die
Kanalstruktur 126 im Inneren des Bypassteils 128 weist
eine (in 1 nicht dargestellte) Einlassöffnung
im Bereich der Frontwand 130 auf. Weiterhin weist die Kanalstruktur 125 einen
Hauptstromauslass 128 auf, welcher an der zweiten Seitenwand 136 angeordnet
ist. Von einem dem an der Frontwand 130 angeordneten Einlass
und dem Hauptstromauslass 138 verbindenden Hauptkanal zweigt
ein Bypasskanal (in 1 ebenfalls nicht dargestellt)
ab, in welchem das Sensorelement angeordnet ist und welcher in einer
Auslassöffnung an der Unterseite des Bypassteils 128 mündet.
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Weiterhin
weist die Vorrichtung 110 gemäß dem Beispiel
in 1 eine in dem Leitungsteil 114 fest installierte
Anströmnase 140 auf. Diese Anströmnase 140 verbleibt
bei diesem Ausführungsbeispiel nach Herausziehen des Bypassteils 128 aus
dem Leitungsteil 114 im Leitungsteil, und die Anströmnase 140 ist
abgerundet und weist (in Figur nicht dargestellt) Strömungsrillen
auf.
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Weiterhin
ist in dem Leitungsteil 114 in der Hauptströmungsrichtung 112 gesehen
vorzugsweise direkt oder nahezu direkt hinter der Rückwand 132 des
Bypassteils 128 eine im Wesentlichen parallel zu der mit
dem Hauptstromauslass 138 versehenen Seitenwand 136 des
Bypassteils 128 verlaufende Strömungsleitwand 142 angeordnet.
Es ist auch möglich, die Strömungsleitwand 142 hinter
der Auslassöffnung 138 anzuordnen und nicht erst
hinter der Rückwand 132 des Bypassteils 128.
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Die
Kontur der Strömungsleitwand 142 kann unterschiedlich
ausgestaltet werden. Vorteilhaft ist die dargestellte aerodynamisch
günstige flossenartige Kontur.
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Das
Leitungsteil 114 weist im Bereich des Bypassteils 128 ein
von der Innenwandung 120 des Leitungsteils 114 zu
dem Bypassteil 128 hin abstehenden Vorsprung 144 auf.
Durch den Vorsprung 144 wird der Strömungsquerschnitt
im Bereich des Bypassteils 128 verengt und damit die Strömung
beschleunigt. Die beschleunigte Strömung legt sich rascher
an die Strömungsleitwand 142 an, wodurch das Ablösegebiet
vorteilhaft verkleinert werden kann.
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In 1 ist
mit der gestrichelten Linie 146 der Verlauf der abgelösten
Strömung ohne den Vorsprung 144 und mit der durchgezogenen
Linie 148 der Verlauf der Strömung mit dem Vorsprung 144 für eine
relativ kurze Strömungsleitwand dargestellt. Es ist zu
erkennen, dass sich im Fall der durch den Vorsprung 144 beschleunigten
Strömung das Ablösegebiet schneller an die Strömungsleitwand 142 anlegt als
in dem Fall ohne Vorsprung. Durch den Vorsprung 144 kann
daher auch bei Verwendung einer relativ kurzen Strömungsleitwand
ein Druckverlust vermieden werden und die Reproduzierbarkeit des
Messergebnisses gesteigert werden. Ein weiterer Vorteil des Vorsprungs 144,
welcher auch ohne Verwendung der Strömungsleitwand 142 realisiert
werden kann, besteht darin, dass durch die Strömungsverengung
im Bereich der Auslassöffnung (Hauptstromauslass 138)
ein Unterdruck bzw. ein verringerter Druck in der Strömung
in diesem Bereich ausgebildet wird, so dass ein Durchsatz durch
die Kanalstruktur 126 erhöht wird.
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Der
Vorsprung 144 weist eine gekrümmte Oberfläche
mit einem ersten, stromaufwärts gelegenen Abschnitt 150 und
einem zweiten, stromabwärts des ersten Abschnitts 150 gelegenen
zweiten Abschnitt 152 auf. Die Oberfläche des
Vorsprungs 144 ist stetig gekrümmt und weist im
Bereich des ersten Abschnitts 150 eine stärkere
Krümmung als im Bereich des zweiten Abschnitts 152 auf.
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Insofern
entspricht die in
1 dargestellte Vorrichtung
110 im
Wesentlichen in ihrem Aufbau der in
DE 10 2004 035 893 A1 dargestellten
Vorrichtungen. Für weitere Details möglicher und
bevorzugter Ausführungsformen kann daher auf diese Druckschrift
verwiesen werden, insbesondere bezüglich der bevorzugten
Dimensionen und Ausgestaltungen der Anströmnase
140,
des Bypassteils
128, der Strömungsleitwand
142 und
des Vorsprungs
144 sowie der relativen Anordnung dieser
Elemente zueinander.
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In
den 2A bis 4B ist
eine erfindungsgemäße Weiterentwicklung der in 1 gezeigten
Vorrichtung 110 in verschiedenen Darstellungen gezeigt.
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So
zeigen die 2A und 2B die
erfindungsgemäße Vorrichtung 110 in perspektivischer Darstellung,
wohingegen die 3, 4A und 4B verschiedene
Schnittdarstellungen eines erfindungsgemäßen Vorsprungs 144 zeigen.
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Die
perspektivischen Darstellungen in den 2A und 2B zeigen
das Leitungsteil 114 in Ansicht schräg von vorne,
das heißt schräg auf die Anströmungsnase 140 des
Bypassteils 128 (2A) bzw.
in Blickrichtung in Hauptströmungsrichtung 112 (2B).
In beiden Darstellungen ist die Einlassöffnung 154 des
Bypassteils 128, welche in der Anströmnase 140 angeordnet
ist und welche der Hauptströmungsrichtung 112 entgegenweist,
zu erkennen. Diese Einlassöffnung 154 geht, wie
oben beschrieben, in die Kanalstruktur 126 des Bypassteils 128 über.
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Weiterhin
ist insbesondere in der Ansicht mit Blickrichtung in Hauptströmungsrichtung
gemäß der 2B die
Strömungsleitungswand 142 zu erkennen, welche
in Hauptströmungsrichtung 112 hinter dem Bypassteil 128 angeordnet
ist.
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Zudem
ist hinter den
2A und
2B zu erkennen,
dass der Vorsprung
144 erfindungsgemäß nicht
als durchgehender Vorsprung ausgebildet ist, wie dies in
DE 10 2004 035 893
A1 der Fall ist. Stattdessen weist der Vorsprung
144 eine
Vielzahl von (in diesem Fall fünf) Rippen
156 auf,
zwischen denen jeweils Schlitze
158 als Wirbelelemente
160 fungieren.
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Für
die Ausgestaltung der Rippen 156 und Schlitze 158 kann
auf die Detaildarstellungen in den 3, 4A und 4B verwiesen
werden.
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So
ist in 3 ein Längsschnitt durch den Vorsprung 144 im
Bereich einer Rippe 156 dargestellt. Wiederum weist der
Vorsprung einen ersten Abschnitt 150 mit einer starken
Krümmung und einen zweiten, stromabwärts gelegenen
Abschnitt 152 mit einer schwächeren Krümmung
auf. Die Rippe 156 weist insgesamt eine Länge
l auf, welche vorzugsweise (bei einem Rohrquerschnitt des Leitungsteils 114 von
mehr als 70 mm) zwischen 40 und 70 mm aufweist. Die Rippe 156 weist
an ihrem Scheitelpunkt 162 (Übergang vom ersten
Abschnitt 150 zum zweiten Abschnitt 152) eine
Höhe e zwischen 3 und 8 mm auf. Der Scheitelpunkt 162 ist
vom Anfangspunkt 164 der Rippe 156 um einen Abstand
f stromabwärts gelegen, wo bei der Abstand f vorzugsweise
zwischen 10 und 40 Prozent der Länge l liegt. Insgesamt
weist die Rippe 156 einen stetig gekrümmten Oberflächenverlauf
auf.
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In
den 4A und 4B sind
Schnittdarstellungen verschiedener erfindungsgemäß ausgestalteter
Vorsprünge 144 dargestellt, wobei die Schnittebene
senkrecht zur Mittelachse 122 der Vorrichtung 110 gewählt
ist (siehe 1).
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Die
in den 4A und 4B gezeigten Ausführungsbeispiele
der Wirbelelemente 160 und der Rippen 156 unterscheiden
sich im Wesentlichen im Querschnitt der Rippen 156. Dabei
zeigt 4A ein Ausführungsbeispiel,
bei welchem die Rippen 156 einen im Wesentlichen rechteckigen
Querschnitt aufweisen. Die Rechtecke weisen eine Breite g auf, welche
vorzugsweise zwischen 3 und 6 mm liegt. Auch die dazwischen liegenden,
ebenfalls mit rechteckigem Querschnitt ausgestalteten Schlitze 158 weisen
eine Breite auf, welche in diesem Bereich zwischen 3 und 6 mm liegt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel in 4B hingegen
werden im Wesentlichen trapezförmige Rippen 156 und
Schlitze 158 verwendet. Dabei sind die Trapeze derart ausgestaltet,
dass deren Winkel um ca. 20° vom rechten Winkel abweichen.
Bezüglich der Breiten der Schlitze 158 und der
Rippen 156 h bzw. g können die gleichen Werte
wie im Ausführungsbeispiel gemäß der 4A verwendet
werden.
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Die
Ausgestaltung des Vorsprungs 144 durch mehrere, vorzugsweise
mindestens drei, Rippen 156, welche radial von der Wandung 120 des Leitungsteils 114 abstehen,
wird eine Verdrängungswirkung des strömenden Mediums
erzielt, welche im Wesentlichen die gleiche Wirkung wie die Verdrängung
durch einen glatten Vorsprung 144 gemäß der 1 erzielt.
Zusätzlich entstehen jedoch durch die Schlitze 158,
welche als Wirbelelemente 160 fungieren, Querströmungen
in den Schlitzen 158 und Längswirbel. Diese Längswirbel
bewirken, dass ein wandfernes, schnelles Fluid und ein wandnahes, langsames
Fluid sich besser vermischen. Auf diese Weise werden Strömungsablösungen
hinter dem Vorsprung 144 weitgehend vermieden, und die
Strömungsstabilität wird erheblich erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19601791
A1 [0002]
- - DE 102004035893 A1 [0008, 0009, 0010, 0010, 0013, 0014, 0015, 0021, 0024, 0025, 0032, 0037, 0046, 0051]