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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. Da
Luftmassenmesser im offenen Luftstrom des Ansaugtraktes eines Verbrennungsmotors
angeordnet sind, wird als eine wesentliche Ursache für
derartige Sensorausfälle die Tatsache angesehen, dass sich
in angesaugter Luft neben Wasser und Salzen auch Schmutz- und/oder
Russpartikel befinden können. Trotz der allgemein verwendeten
Luftfilter können Schmutzpartikel in den Strömungskanal
des Luftmassenmessers gelangen und dort zu Fehlmessungen führen,
oder das Sensorelement gar 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. In bekannten
Luftmassensensorkanälen wird ferner die Luft auch über
Kurvenbahnen auf den Sensor geführt, siehe z. B.
WO 01/79790 A1 mit
Umkehrkanal und Wasserabscheider,
WO 99/53274 A1 mit gekrümmtem Umgehungskanal
oder
EP 1 568 999 A2 mit
integriertem Zyklon. Die Menge des Schmutzes, die auf das Sensorelement
trifft, kann nur in engen Grenzen über die Anströmung
verändert werden.
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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:
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.
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Neben
den leichten Partikeln können nach Passieren von Luftfiltern
aber auch schwere Partikel mit Durchmessern von ca. 15 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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Erfindungsgemäß ist
das Sensorelement des Luftmassenmessers von einem Gehäuse
umgeben, das einen geometrisch besonders ausgeformten Leitkanal
aufweist. Nach einem erfindungsgemäßen Ansatz
ist ein Einlassbereich des Sensorkanals derart ausgebildet, dass
die Strömung auf eine Wand hin fokussiert wird, die in
einem Aufprallpunkt der Strömung durchbrochen ist, so dass
Partikel hindurchtreten können. Gerade schwere Schmutzpartikel,
die sich in der Luft befinden, fliegen auf Grund ihrer Trägheit
weiter durch den Durchbruch und gelangen somit nicht zum Sensorelement.
Durch eine geeignete Strömungsführung erreicht
man in einem Bereich vor dem Durchbruch einen Überdruck,
der die Luft in den zusätzlichen Leitkanal leitet, in dem
ein Sensorelement angeordnet ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist der Leitkanal des
Gehäuses dazu eine besondere Geometrie auf, deren erster
Abschnitt zu einer Hauptströmungsrichtung der Luft teilweise
entgegengesetzt verläuft. Danach anschließend
wird die Luftströmung U-förmig geführt,
wobei ein Sensorelement vorzugsweise im Bereich eines Innenradius
an eine Biegung anschließend angeordnet ist.
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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
des Leitkanals 5 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.
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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 geführt. 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 Auf bau 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 2. 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 auch Schmutzpartikel
enthaltende Teilstrom 11 strömt sodann von der
Einlassöffnung 4 durch das Gehäuse 3 zu
der Auslassöffnung 6, wobei er auf eine Wand 12 hin
fokussiert wird, die in einem Aufprallpunkt 13 der Strömung 11 durchbrochen
ist. Durch eine in 1 nur skizziert dargestellte,
geeignete Strömungsführung erreicht man in einem
Bereich vor dem Durchbruch im Aufprallpunkt 13 im einen Überdruck,
der einen Teilluftstrom 14 in den weiteren Strömungskanal leitet,
den Bypass 5. Dabei strömt die Luft des Teilluftstroms 14 entlang
eines Strömungsweges 12 direkt vor Durchlaufen
eines Umlenkungsabschnitts 15 an dem Sensorelement 7 vorbei.
Dabei verjüngt sich ein freier Querschnitt im Bypass 5 bis
zum Sensorelement 7 stetig. An der Auslassöffnung 6 vereinigen sich
dann der Teilluftstrom 14 und der Teilstrom 11 der
angesaugten Luft wieder.
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In
einer nur angedeuteten alternativen Ausführungsform der
Erfindung ist das Sensorelement 7 im Umlenkungsabschnitt 15 vorgesehen.
Hier ist die stärkste Verjüngung des freien Querschnitts
im Bypass 5 erreicht.
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Ein
schwerer Schmutzpartikel 16, der sich in der Luft bzw.
dem Teilstrom 11 befindet, fliegt auf Grund seiner Trägheit
weiter durch den Durchbruch im Aufprallpunkt 13 stetig
entlang seiner Bahn 17 und gelangt somit nicht zu dem Sensorelement 7.
Es ist aber auch nicht erforderlich, Schmutzpartikel 16 aus der
angesaugten Frischluft herauszufiltern. Es kann somit in diesem
Fall schon prinzipiell gar nicht zu einer Kollision mit dem Sensor 7 kommen,
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/Luftmassenmesser
- 3
- Gehäuse
- 4
- Einlassöffnung
- 5
- Hilfsrohr/Bypass/Leitkanal
- 6
- Auslassöffnung
- 7
- Sensorelement
- 8
- Heizelement/beheiztes
Sensorelement
- 9
- Elektronik
- 10
- Pfeil/Hauptflussrichtung
der Luftströmung
- 11
- Teilstrom
- 12
- Wand
- 13
- Aufprallpunkt
- 14
- Teilluftstrom
- 15
- Umlenkungsabschnitt
- 16
- schwerer
Schmutzpartikel
- 17
- Flugbahn
von 16
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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]
- - WO 01/79790 A1 [0006]
- - WO 99/53274 A1 [0006]
- - EP 1568999 A2 [0006]
- - DE 10135819 A1 [0019]