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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft allgemein Luftmassenstromsensoren und insbesondere
einen Mehrfachpfad-Luftmassenstromsensor mit verbesserter Messgenauigkeit.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER
TECHNIK
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Moderne
Verbrennungsmotoren, die typischerweise bei Personenkraftfahrzeugen
und Lastkraftwägen
verwendet werden sollen, verwenden ausgiebig Betriebssensoren und
Mikroprozessoren zum Steuern eines Motorbetriebs, zum Verbessern einer
Leistungsfähigkeit
und einer Kraftstoffökonomie
und zum Reduzieren von Emissionen. Tatsächlich wären die großen Verbesserungen in Bezug
auf diese oft einander widersprechenden Betriebsparameter in den
vergangenen mehreren Jahrzehnten ohne die Verwendung dieser Systeme
einfach nicht möglich
gewesen.
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Einer
der am häufigsten
verwendeten Sensoren bei einem Verbrennungsmotor und einem elektronischen
Controller ist ein Luftmassenstromsensor. Typischerweise enthält ein Luftmassenstromsensor ein
Widerstandselement, das in einem Lufteinlasskanal angeordnet ist,
und zwar oft direkt hinter dem Luftfilter und bevor der Kanal in
die Zweige des Ansaugrohrs oder einer anderen Struktur unterteilt
wird. So angeordnet ist der Luft massenstromsensor dem momentanen
Luftstrom zum Motor ausgesetzt. Daten vom Sensor werden durch den
Motorcontroller zum Berechnen des momentanen Luftmassenstromes verwendet,
der beispielsweise zum Einstellen der Luft-Kraftstoff-Mischung und
zum Optimieren der Leistungsfähigkeit
des Motors gemäß vorbestimmter Parameter
verwendet wird.
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Idealerweise
wird der Luftmassenstromsensor in einem Einlasskanal angeordnet
sein, um sicherzustellen, dass die Luft, die auf ihn auftrifft,
den gesamten Luftstrom darstellt, so dass die Ausgabe des Sensors
die gesamte momentane Luftmasse genau wiedergibt, die durch den
Kanal strömt.
Dies kann eine Herausforderung sein, weil der oft gewundene Kanal
und variierende Luftgeschwindigkeiten komplexe Strömungsmuster
erzeugen können,
was eine genaue Strömungsmessung
schwierig macht. Dieses Problem ist insbesondere bei niedrigen Strömungsraten
akut, die unter den Gesichtspunkten von Emissionen und Kraftstoffökonomie
den kritischsten Motorbetriebszustand darstellen. Obwohl es so zu sein
scheint, dass ein Reduzieren der Größe des Einlasskanals eine Lösung für dieses
Problem wäre,
reduziert deshalb, weil die Größe des Einlasskanals durch
die Luftstromerfordernisse des Motors bei voller Last vorgeschrieben
ist, ein Reduzieren seiner Größe an der
Sensorstelle zum Verbessern einer Messgenauigkeit das zum Motor
gelieferte Luftvolumen, erhöht
es einen Strömungswiderstand
und wird somit ein Erreichen einer maximalen Motorleistungsausgabe
behindern. Eine größerer Einlasskanal
reduziert jedoch die Strömungsgeschwindigkeit
und macht, wie es angegeben ist, eine Luftmassenstrommessung schwieriger,
insbesondere unter Bedingungen einer geringen Strömung – genau
denjenigen Bedingungen, die für
einen optimalen Motorbetrieb am kritischsten sind.
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Die
vorangehende Diskussion legt nahe, dass Verbesserungen bezüglich des
Aufbaus von Luftmassenstromsensoranordnungen erwünscht sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Mehrfachpfad-Luftmassenstromsensoranordnung für einen Verbrennungsmotor enthält einen
Einlasskanal, der in wenigstens zwei separate Kanäle aufgeteilt
ist. Ein erster Kanal hat einen Luftmassenstromsensor, der auf herkömmliche
Weise darin angeordnet ist. Der zweite Kanal enthält eine Luftklappe
oder ein Ventil, die oder das selektiv teilweise oder vollständig geöffnet sein
kann. Bei niedrigen Luftströmungsraten
wird die Luftklappe geschlossen, was die gesamte Luft durch den
ersten Kanal zwingt. Wenn sich eine Motordrehzahl erhöht und sich
die Luftströmungsrate
erhöht, öffnet sich
die Luftklappe entweder vollständig
bei einer vorbestimmten Strömungsrate
oder proportional über
einem vorbestimmten Bereich, um eine größere Luftmenge durch den Einlasskanal
zuzulassen. Ein Verarbeiten des Signals vom Luftmassenstromsensor durch
den Motorcontroller oder einen anderen Prozessor wird vorgenommen,
um die (Umgehungs-)Luft zu kompensieren, die durch den zweiten Kanal
strömt.
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Eine
Luftmassenstromsensoranordnung mit einer passiven, mittels Feder
vorgespannten Luftklappe ist auch offenbart. Hier wird die Luftklappe durch
einen größer gewordenen
Luftstrom geöffnet und
ein Sensor liefert ein Signal, das anzeigt, dass die Luftklappe
offen ist, zu dem Motorcontroller oder einem anderen Prozessor,
der den Luftmassenstrom basierend auf der offenen Luftklappe und
dem resultierenden Strom von Umgehungsluft neu berechnet.
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Die
Luftmassenstromsensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt eine verbesserte Messgenauigkeit bei niedrigen Strömungsraten,
weil der Sensor in einem Kanal angeordnet ist, der kleiner als diejenigen
ist, die gegenwärtig
bei einem vergleichbaren Motor verwendet werden, wäh rend sie
einen reduzierten Strömungswiderstand
und einen verbesserten Luftstrom eines großen Ausmaßes zur Verfügung stellt.
Sowohl parallele als auch nicht parallele Kanäle, die parallele und nicht
parallele Strömungspfade
definieren, sowie mehrfache, gestufte oder sequentielle Umgehungskanäle und Kanäle mit unterschiedlichen
Umfängen
oder Strömungsraten
liegen auch innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung.
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Somit
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luftmassenstromsensoranordnung mit
verbesserter Messgenauigkeit bei niedriger Strömungsrate zur Verfügung zu
stellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luftmassenstromsensoranordnung mit
verbesserter Tauglichkeit bei hoher Strömungsrate zur Verfügung zu
stellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luftmassenstromsensoranordnung
mit verbesserter Messgenauigkeit bei niedriger Strömungsrate
und verbesserter Belastbarkeit bei hoher Strömungsrate zur Verfügung zu
stellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luftmassenstromsensoranordnung
mit einer Luftklappe zur Verfügung
zu stellen, die in einem Kanal parallel zu einem Kanal angeordnet
ist, der den Luftmassenstromsensor enthält.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Luftmassenstromsensoranordnung
mit einer passiven, mittels Feder vorgespannten Luftklappe und einem
Positionssensor, die in einem Kanal parallel zu einem Kanal mit
einem Luftmassenstromsensor angeordnet sind, zur Verfügung zu
stellen.
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme
auf die folgende Beschreibung und die beigefügte Zeichnung offensichtlich
werden, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf das gleiche Bauteil,
Element oder Merkmal beziehen.
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ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Luftmassenstromsensoranordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung, das zu einem Lufteinlasssystem eines Verbrennungsmotors
gehört;
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2 ist
eine schematische Ansicht des ersten Ausführungsbeispiels einer Luftmassenstromsensoranordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit der offenen Umgehungsluftklappe;
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3 ist
eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Luftmassenstromsensoranordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4 ist
eine Kurve, die zwei Beziehungen zwischen einem Luftstrom durch
einen Einlasskanal eines Verbrennungsmotors und einer Luftklappenöffnung einer
Luftmassenstromsensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Nimmt
man nun Bezug auf 1, ist eine Einlass- oder Ansaugkanalsanordnung
für einen
Verbrennungsmotor dargestellt und mit dem Bezugs zeichen 10 bezeichnet.
Die Ansaugkanalsanordnung 10 enthält eine Luftfilteranordnung 12,
die Umgebungsluft anzieht und ein Luftfiltrierelement 14 enthält. Die Luftfilteranordnung 12 steht
in Verbindung mit einem Lufteinlass- oder -ansaugkanal 16,
der Verbrennungsluft zu einem Verbrennungsmotor 18 liefert.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel
einer Luftmassenstromsensoranordnung 20 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der Lufteinlass- oder -ansaugkanal 16 durch einen Teiler
oder eine Trennwand 26 in einen ersten Erfassungskanal 22 und
einen zweiten Umgehungskanal 24 getrennt. Während sie
parallel dargestellt sind, sollte es verstanden werden, dass der
erste Erfassungskanal 22 und der zweite Umgehungskanal 24 beispielsweise
separat, nicht parallel und bogenförmig oder gewunden sein können, um
in einen verfügbaren
Raum unter der Motorhaube zu passen oder zu Lufteinlass- und Motorkomponenten
zu passen und sich mit diesen zu verbinden.
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Innerhalb
der ersten Erfassungskanals 22 ist ein herkömmlicher
Luftmassenstromsensor 30 angeordnet. Der Luftmassenstromsensor 30 ist
konfiguriert und angeordnet, um eine genaue Anzeige des momentanen
Luftmassenstromes durch den ersten Erfassungskanal 22 zur
Verfügung
zu stellen. Typischerweise kann der Luftmassenstromsensor 30 ein Widerstandselement
enthalten, wie beispielsweise einen Kohle- oder mittels Draht gewickelten
Widerstand. Der Luftmassenstromsensor 30 enthält auch einen
Ausgangsleiter oder ein Ausgangskabel 32, der oder das
das Datensignal vom Luftmassenstromsensor 30 zu einem Mikroprozessor,
wie beispielsweise einem Motorcontroller oder einem Motor-Steuermodul 36,
trägt.
Der Einlasskanal 16 erstreckt sich zu einem beispielhaften
Ansaugrohr 40 und enthält dieses.
Obwohl es nicht dargestellt ist, kann die Einlasskanalsanordnung 10 auch
einen Turbolader oder einen Auflader enthalten, wenn es erwünscht ist.
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Innerhalb
des zweiten Umgehungskanals 24 ist eine kalibrierte Öffnung 42 mit
einer bekannten oder definierten Querschnittsfläche angeordnet. Die kalibrierte Öffnung 42 verbessert
die Genauigkeit von Luftmassenstromberechnungen, die durch das Motor-Steuermodul 36 vorgenommen
werden, wie es nachfolgend vollständiger beschrieben werden wird. Der
zweite Umgehungskanal 24 enthält auch eine Luftklappe, eine
Klappe, eine Trennwand oder ein Ventil 44, die oder das
bewegbar ist. Die Luftklappe oder das Ventil 44 ist derart
bemessen, dass sie oder es den zweiten Umgehungskanal 24 vollständig verschließt, wenn
sie oder es, senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu den Wänden des
Umgehungskanals 24 und der Richtung eines Luftstromes, in
ihrer oder seiner geschlossenen Position ist, wie es in 1 dargestellt
ist. Somit ist dann, wenn der zweite Umgehungskanal 24 beispielsweise
quadratisch oder rechteckig im Querschnitt ist, die Luftklappe oder
das Ventil 44 entsprechend geformt. Um den Umfang der Öffnung in
dem zweiten Umgehungskanal 24 und benachbart zu der Luftklappe
oder dem Ventil 44 kann eine Dichtlippe, ein Wulst oder
ein Flansch 46 angeordnet sein, die oder der beim Beibehalten
einer dichten Abdichtung zwischen der Luftklappe oder dem Ventil 44 und
den Wänden
des zweiten Umgehungskanals 22 hilft, wenn die Luftklappe
oder das Ventil 44 in ihrer oder seiner geschlossenen Position
ist, wie es in 1 dargestellt ist.
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Wie
es in den 1 und 2 dargestellt ist,
wird die Luftklappe oder das Ventil 44 aus ihrer oder seiner
geschlossenen Position, die in 1 dargestellt
ist, durch ein elektrisches, elektronisches oder pneumatisches Stellglied 48 über Zwischenpositionen
zu einer vollständig
offenen Position, die in 2 dargestellt ist, bewegt. Das
Stellglied 48 empfängt
Signale vom Motor-Steuermodul 36 durch einen Leiter oder
ein Kabel 52, die es zu einer vollständig geschlossenen, einer vollständig offenen
oder einer Zwischenposition befehlen.
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3 stellt
ein weiteres Ausführungsbeispiel 20' der vorliegenden
Erfindung dar, wobei die Mehrheit von Bauteilen gleich ist, aber
das Luftklappenstellglied 48 durch eine Anordnung 54 ersetzt
worden ist, die einen Schalter mit zwei Positionen oder einen Drehwandler 56 aufweist,
der Daten in Bezug auf die Position der Luftklappe oder des Ventils 44 über einen
Leiter oder ein Kabel 58 zum Motor-Steuermodul 36 liefert.
Wie es durch den Pfeil angezeigt ist, enthält die Anordnung 54 eine
Eigenschaft einer Vorspannung mittels Feder, die die Luftklappe
oder das Ventil 44 gegen den abdichtenden Wulst oder Flansch 46 in Richtung
zur geschlossenen Position zwingt. Wenn sich das Luftvolumen in
dem Einlasskanal 16 erhöht, erhöht sich
ein Druck gegen die Luftklappe oder das Ventil 44, was
den Widerstand der Feder überwindet, und
bewegt sich die Luftklappe oder das Ventil 44 in Richtung
zu einer offenen Position, wie es in 3 dargestellt
ist. Wenn sich die Luftklappe oder das Ventil 44 dreht
und öffnet, ändert der
Schalter oder der Wandler 56 einen Zustand oder liefert
ein kontinuierliches Signal, das dem Motor-Steuermodul 36 die
Position der Luftklappe oder des Ventils 44 anzeigt.
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4 ist
eine Kurve, die zwei beispielhafte Betriebsbeziehungen zwischen
dem gesamten momentanen Luftmassenstrom in dem Lufteinlasskanal 16 und
dem Prozentsatz einer Öffnung
der Luftklappe oder des Ventils 44 in Bezug auf das Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das in den 1 und 2 dargestellt
ist, zeigt. Die untere Linie, die mit "A" bezeichnet
ist, stellt denjenigen Betriebsmodus dar, in welchem dem Stellglied 48 durch
das Motor-Steuermodul 36 befohlen wird, die Luftklappe
oder das Ventil 44 aus ihrer oder seiner vollständig geschlossenen Position
(ohne irgendeine (irgendwelche) Zwischenposition(en)) zu ihrer oder
seiner vollständig
geöffneten
Position zu bewegen, wenn ein Luftmassenstrom in dem Einlasskanal 16 eine
gewisse vorbestimmte Rate erreicht oder diese übersteigt. Etwas anders angegeben
wird dann, wenn ein gesamter momentaner Luftmassenstrom unterhalb
der Linie "A" ist, die Luftklappe
oder das Ventil 44 geschlossen werden; wenn er oberhalb
der Linie "A" ist, wird die Luftklappe
oder das Ventil 44 offen sein. Dieser Schwellenwert kann beispielsweise
durch entweder die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung des Verbrennungsmotors 18 oder
Daten vom Luftmassenstromsensor 30 bestimmt werden.
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Eine
zweite Linie "B" in 4 zeigt
einen alternativen Betriebsmodus, in welchem ein erhöhter Luftmassenstrom
oberhalb einer gewissen vorbestimmten Schwelle eine entsprechende
oder proportionale Öffnung
der Luftklappe oder des Ventils 44 verursacht, wenn der
Luftmassenstrom kontinuierlich größer wird. Es wird erkannt werden,
dass die proportionale Beziehung zwischen dem Luftmassenstrom und
dem Prozentsatz einer Öffnung
der Luftklappe oder des Ventils 44, wie sie durch die Linie "B" gezeigt ist, während sie bei 0 Prozent beginnt,
effektiv nicht mehr proportional ist, nachdem die Luftklappe oder
das Ventil 44 signifikant offen ist. Dies ist das Ergebnis
einer wohlverstandenen Eigenschaft einer Steuerung von Luftklappen
und Ventilen, wobei eine geringfügige
oder keine proportionale Steuerung des gesteuerten Fluids erreicht
wird, nachdem das Ventil oder die Luftklappe etwa zu zwei Dritteln
offen ist. Es sollte jedoch erkannt werden, dass der Wert von 75 Prozent
nur beispielhaft ist und dass dieser Wert in Abhängigkeit von bestimmten Anwendungen
und Betriebszuständen
höher oder
niedriger sein kann.
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Wenn
die Luftklappe oder das Ventil 44 teilweise oder vollständig offen
ist, ist es nötig,
dass das Motor-Steuermodul 36 seine Berechnung des momentanen
Luftmassenstromes durch den Lufteinlasskanal 16 (von seiner
Erfassung und seinen Berechnungen, die vorgenommen werden, wenn
die Luftklappe oder das Ventil 44 vollständig geschlossen
ist) korrigiert oder neu kalibriert, da nicht mehr die gesamte Luft,
die durch den Einlasskanal 16 gelangt, durch den ersten
Erfassungskanal 22 gelangt. Diese Korrektur oder erneute
Kalibrierung kann im Motor-Steuermodul 36 elektronisch
vorgenommen werden, oder dann, wenn die Sensoranordnung 10 eine
allein stehende Vorrichtung ist, innerhalb eines eigenständigen Mikroprozessors
(der nicht dargestellt ist). Im Fall eines Betriebs gemäß der Linie "A" erfordert die Korrektur einfach ein
Multiplizieren des erfassten Luftmassenstromes mit dem Kehrwert
des Verhältnisses
von Luft, die durch den ersten Erfassungskanal 22 und den
Einlasskanal 16 läuft,
wenn die Luftklappe oder das Ventil 44 vollständig offen
ist. Im Fall eines Betriebs gemäß der Linie "B" muss zuerst die Beziehung zwischen
dem Prozentsatz einer Öffnung
des Ventils oder der Luftklappe 44 und dem tatsächlichen
Strom durch den zweiten Umgehungskanal 24 bekannt oder
gebildet sein, und diese Beziehung wird dazu verwendet, die nötige Korrektur
gemäß dem inversen
Verhältnis
eines erfassten Luftmassenstromes und eines gesamten Luftmassenstromes,
was direkt zuvor beschrieben ist, durchzuführen.
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In
Bezug auf das Ausführungsbeispiel 20' der Erfindung,
das in 3 dargestellt ist, müssen gleiche betriebsmäßige Überlegungen,
insbesondere ein Korrigieren oder ein neues Kalibrieren des durch den
Luftmassenstromsensor 30 erfassten Luftmassenstromwerts,
basierend auf der Strömungsrate durch
den zweiten Umgehungskanal 24 zum Wiedergeben des tatsächlichen
gesamten Luftmassenstromes vorgenommen werden. Hier liefert jedoch
der Schalter mit zwei Positionen oder der Wandler 56 Daten
zu dem Motor-Steuermodul 36 in Bezug auf die gegenwärtige Position
der Luftklappe oder des Ventils 44 resultierend aus der
Kraft der sich bewegenden Luft an der Luftklappe oder dem Ventil 44.
Das Motor-Steuermodul 36 (oder ein anderer Prozessor) berechnet
dann den tatsächlichen,
momentanen Luftmassenstrom, der durch den Einlasskanal 16 läuft, ge mäß bekannter
Beziehungen zwischen der Position der Luftklappe oder des Ventils 44 und
dem durch den Luftmassenstromsensor 30 in dem ersten Erfassungskanal 22 erfassten
Luftmassenstrom.
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Während sich
die vorangehende Beschreibung auf eine Luftmassenstromsensoranordnung 20 mit
zwei Pfaden oder Kanälen
konzentriert hat, nämlich
einen ersten Haupt- oder Erfassungspfad oder -kanal und einen zweiten
Hilfs- oder Umgehungspfad oder -kanal, sollte erkannt werden, dass
die Erfindung und ihre Arbeitsprinzipien einen Mehrfachpfad-Luftmassenstromsensor
umfasst, der zwei, drei, vier oder mehr Umgehungskanäle betriebsmäßig parallel
zu einem einzigen Erfassungskanal hat. In jeder solchen Mehrfachpfad-
oder -kanalsensoranordnung ist der Erfassungskanal immer offen und
sind ein, zwei oder mehr Umgehungskanäle in Reaktion auf höhere Motorgeschwindigkeiten
bzw. -drehzahlen und -lasten geöffnet.
Da die Umgehungskanäle
sequentiell und kumulativ geöffnet
werden, korrigiert das Motor-Steuermodul 36 oder ein anderer
Controller die Ausgabe des Luftmassenstromsensors 30 oder
kalibriert diese neu, um den reduzierten Luftmassenstrom durch den
Erfassungskanal und einen erhöhten
Strom durch die Umgehungskanäle
zu kompensieren. Wenn die Anordnung beispielsweise drei Kanäle mit gleicher
Strömungsrate
enthält,
d. h. einen Erfassungskanal und zwei Umgehungskanäle, und
alle drei Kanäle
offen sind, würde
die Ausgabe des Luftmassenstromsensors verdreifacht werden, um die
Tatsache zu kompensieren, dass sie nur ein Drittel des gesamten
Luftmassenstromes erfasst, der durch den Einlasskanal 16 gelangt.
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Zusätzlich sollte
es verstanden werden, dass, während
sich die vorangehende Beschreibung auf eine Luftmassenstromsensoranordnung 20 mit zwei
Kanälen
gleicher Strömungsraten
konzentriert hat, eine Luftmassenstromsensoranordnung mit zwei oder
mehreren Kanälen
von bekannten, aber ungleichen, Strömungsraten oder Durchflussquerschnitt auch
innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung ist. Beispielsweise
kann ein Haupterfassungskanal 22 eine Strömungsrate
oder einen Durchflussquerschnitten von einer Einheit haben, während ein
Umgehungskanal 24 und seine kalibrierte Öffnung 42 eine
Strömungsrate
oder einen Durchflussquerschnitt von zwei Einheiten oder drei Einheiten
haben kann. Wenn ein solcher Umgehungskanal 24 geöffnet wird,
ist das Motor-Steuermodul 36 oder ein
anderer Controller auf die Korrektur oder neue Kalibrierung eines
geeigneten Verhältnisses
für die Ausgabe
des Luftmassenstromsensors 30 programmiert und wendet diese
an. Wenn das Haupt-zu-Umgehungs-Strömungsverhältnis 1:2
ist, so dass nur ein Drittel des gesamten Luftmassenstromes durch
den Erfassungskanal 22 gelangt, wenn der Umgehungskanal
vollständig
offen ist, verdreifacht das Motor-Steuermodul 36 den erfassten
Wert des Luftmassenstromsensors 30; wenn das Haupt-zu-Umgehungs-Strömungsverhältnis 1:3
ist, multipliziert das Motor-Steuermodul 36 den erfassten
Wert mit Vier, wenn der Umgehungskanal vollständig offen ist.
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Die
vorangehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist lediglich
beispielhaft bezüglich der
Art, und Variationen, die nicht vom Sinngehalt der Erfindung abweichen,
sollen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung sein und sind auch
darin. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Sinngehalt
und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung anzusehen.