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Stand der Technik
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Aus
verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften, der Technik und
der Medizin sind Sensoranordnungen zur Bestimmung von Parametern strömender
fluider Medien bekannt. Bei diesen Parametern kann es sich beispielsweise
um physikalische und/oder chemische Eigenschaften des fluiden Mediums
handeln. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere beschrieben
unter Bezugnahme auf Sensoranordnungen zur Bestimmung eines Flusses
des strömenden fluiden Mediums, also eines Massen- und/oder
eines Volumenflusses des Mediums. Es sind jedoch auch Sensoranordnungen
realisierbar, welche, alternativ oder zusätzlich, andere
Arten von Parametern des strömenden fluiden Mediums qualitativ
und/oder quantitativ erfassen.
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Insbesondere
sind aus dem Stand der Technik Durchflussmesser in Form so genannter
Heißfilmluftmassenmesser bekannt. Derartige Heißfilmluftmassenmesser
sind beispielsweise in
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug,
Ausgabe 2007, Seiten 140 bis 142 beschrieben. Die dort
dargestellten Sensoranordnungen sind auch im Rahmen der vorliegenden
Erfindung erfindungsgemäß modifizierbar. Bei Heißfilmluftmassenmessern
kommt einer Strömungsführung des strömenden
fluiden Mediums eine besondere Bedeutung zu. So sind aus dem Stand
der Technik Heißfilmluftmassenmesser bekannt, welche zur
Strömungsführung besondere Elemente aufweisen.
Beispielsweise sind aus
DE 102004035893 A1 und aus
DE 10 2007 026 673 A1 Vorrichtungen
zur Bestimmung mindestens eines Parameters eines in einer Leitung
strömenden fluiden Mediums bekannt, welche in einem Leitungsdurchgang
einen Vorsprung aufweisen. In der durch die
DE 10 2007 026 673 A1 offenbarten
Konstruktion ist der Vorsprung ausgestaltet, um Längswirbel
in dem Medium zu erzeugen.
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Eine
Problematik bei bekannten Vorrichtungen zur Strömungsführung
besteht jedoch in vielen Fällen darin, dass diese einseitig
auf eine Strömung in Hauptströmungsrichtung ausgelegt
sind. Beispielsweise im Ansaugtrakt von Brennkraftmaschinen, in
welchen Heißfilmluftmassenmesser eingesetzt werden können,
kann es jedoch zu Rückstrombedingungen kommen. Zwar ist
der in Heißfilmluftmassenmessern eingesetzte Sensorchip
grundsätzlich geeignet, auch Strömungen, welche
temporär entgegen der Hauptströmungsrichtung verlaufen,
zu erfassen. Aufgrund der besonderen Strömungsführungen
ist es jedoch in der Regel mit bekannten Heißfilmluftmassenmessern
nicht möglich, den Luftmassenstrom nach Betrag und Richtung
zuverlässig zu detektieren und damit die volle Funktionalität
des Sensorelements auszuschöpfen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher eine Sensoranordnung zur Bestimmung mindestens eines
Parameters eines strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen.
Bei dem fluiden Medium kann es sich insbesondere um ein Gas handeln,
insbesondere um eine Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine. Auch
andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.
Bei dem mindestens einen Parameter kann es sich insbesondere um
einen Strömungsparameter handeln, beispielsweise einen
Massenstrom und/oder einen Volumenstrom des fluiden Mediums. Auch
andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich alternativ oder
zusätzlich möglich. Im Folgenden wird die Erfindung
ohne Beschränkung auf weitere mögliche Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf Heißfilmluftmassenmesser beschrieben.
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Die
Sensoranordnung weist mindestens einen Strömungsrohrabschnitt
auf. Dieser Strömungsrohrabschnitt kann beispielsweise
ein Rohrsegment umfassen und/oder einen Teil einer kontinuierlichen Strömungsrohrleitung.
Das Strömungsrohrsegment kann beispielsweise mit einem
oder mehreren Befestigungsmitteln versehen sein, um dieses in ein
größeres Rohrleitungssystem, beispielsweise einen
Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, zu integrieren.
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Weiterhin
weist die Sensoranordnung mindestens einen in den Strömungsrohrabschnitt
einbringbaren Steckfühler auf. Unter einem Steckfühler ist
dabei eine Vorrichtung zu verstehen, welche in einen Strömungsquerschnitt
des fluiden Mediums hineinragt, beispielsweise von einer Rohrwand
des Strömungsrohrabschnittes aus. Insbesondere kann der Steckfühler
fingerförmig ausgestaltet sein. Bezüglich der
möglichen Ausgestaltungen der Geometrie des Steckfühlers
kann beispielsweise auf den oben beschriebenen Stand der Technik
verwiesen werden. Der Steckfühler kann fest in dem Strömungsrohrabschnitt
montiert sein oder kann auch austauschbar in dem Strömungs rohrabschnitt
eingebracht sein, beispielsweise in den Strömungsrohrabschnitt,
insbesondere ein Strömungsrohrsegment. Beispielsweise kann
der Steckfühler in den Strömungsrohrabschnitt einsteckbar
sein. Der Steckfühler kann auch Verbindungselemente aufweisen,
um diesen mit dem Strömungsrohrabschnitt zu verbinden.
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In
dem Steckfühler, beispielsweise in einem Gehäuse
des Steckfühlers, ist mindestens ein Strömungskanal
vorgesehen, welcher mindestens eine Einlassöffnung und
mindestens eine Auslassöffnung aufweist. Die Einlassöffnung
kann insbesondere einer Hauptströmungsrichtung des fluiden
Mediums entgegenweisen. Unter einer Hauptströmungsrichtung
ist dabei eine Vorzugsrichtung des fluiden Mediums zu verstehen,
in welche das fluide Medium üblicherweise strömt.
Die Einlassöffnung kann dementsprechend insbesondere an
einer der Hauptströmungsrichtung entgegenweisenden Stirnseite
des Steckfühlers vorgesehen sein.
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In
dem Strömungskanal ist mindestens ein Sensorelement zur
Erfassung des Parameters aufgenommen. Beispielsweise kann es sich
bei diesem Sensorelement um einen Sensorchip handeln, welcher in
den Strömungskanal hineinragt und/oder in diesen ganz oder
teilweise integriert ist. Insbesondere kann es sich bei diesem Sensorelement
um einen Halbleiterchip handeln, beispielsweise einen auf Silizium
basierenden Halbleiterchip. Beispielsweise kann es sich bei dem
Sensorelement um ein Heißfilmluftmassenmesser-Sensorelement
handeln, also ein Sensorelement mit mindestens einem Heizelement
und mindestens zwei Temperaturfühlern. Alternativ oder
zusätzlich können jedoch auch andere Arten von
Sensorelementen vorgesehen sein, zur Erfassung desselben und/oder
eines anderen Parameters. Das Sensorelement kann vorzugsweise bidirektional
ausgestaltet sein, also derart, dass der mindestens eine Parameter
nicht nur nach Betrag sondern nach Vorzeichen erfasst werden kann,
wobei das Vorzeichen die Strömungsrichtung des fluiden
Mediums in dem Strömungskanal widerspiegeln kann. Alternativ
oder zusätzlich können jedoch in dem Strömungskanal
auch mehrere Sensorelemente vorgesehen sein, welche den mindestens
einen Parameter jeweils für unterschiedliche Strömungsrichtungen
erfassen können.
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Die
Sensoranordnung ist asymmetrisch ausgestaltet, derart, dass bei
einer Rückströmung des fluiden Mediums entgegen
der Hauptströmungsrichtung das den Steckfühler
umströmende fluide Medium eine Geschwindigkeitskomponente
in Richtung der Auslassöffnung erhält, welche
größer ist als bei einer Strömung in
Hauptströmungsrichtung. Bei einer Strömung in
Hauptströmungsrichtung kann das fluide Medium ebenfalls
eine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Auslassöffnung
erhalten, welche jedoch in diesem Fall kleiner ausgestaltet ist
als bei einer Rückströmung. Alternativ kann das
fluide Medium bei Strömung in Hauptströmungsrichtung
auch keine Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Auslassöffnung
erhalten oder sogar eine Geschwindigkeitskomponente in entgegengesetzter
Richtung.
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Der
Strömungskanal kann insbesondere mehrteilig ausgestaltet
sein, wie dies beispielsweise bei üblichen Steckfühlern
und/oder üblichen Heißfilmluftmassenmessern der
Fall ist. So kann der Strömungskanal beispielsweise mindestens
einen die Einlassöffnung mit einem Hauptstromauslass verbindenden
Hauptstromkanal sowie mindestens einen von den Hauptstromkanal abzweigenden
Bypasskanal aufweisen, wobei das Sensorelement beispielsweise ganz
oder teilweise in dem Bypasskanal angeordnet sein kann. Der Bypasskanal
kann in einen Bypassauslass münden. Die oben beschriebene
Asymmetrie bezüglich der Hauptströmungsrichtung
und der Rückströmung sollte in diesem Fall derart
ausgestaltet sein, dass die Geschwindigkeitskomponente bei der Rückströmung
des fluiden Mediums in Richtung des Bypassauslasses gerichtet ist.
In anderen Worten soll das oben bezüglich der Asymmetrie
Gesagte vorzugsweise insbesondere bezüglich des Bypassauslasses
gelten. Bezüglich des Hauptstromauslasses müssen
hingegen die oben beschriebenen Bedingungen nicht notwendigerweise erfüllt
sein. Der Bypassauslass kann vorzugsweise an einem in die Strömung
des fluiden Mediums hineinragenden Ende und/oder einer Seitenwand
des Steckfühlers quer zur Hauptströmungsrichtung
angeordnet sein. In diesem Fall kann die genannte Asymmetrie, beispielsweise
wie unten näher beschrieben wird, beispielsweise durch
eine entsprechende Verengung des Strömungsquerschnitts
im Bereich des Bypassauslasses erzielt werden, beispielsweise durch
eine Erhebung und/oder einen Vorsprung in einer Wand des Strömungsrohrabschnitts
im Bereich des Bypassauslasses.
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So
kann die asymmetrische Ausgestaltung insbesondere eine Verengung
in einem Strömungsquerschnitt durch den Strömungskanal
umfassen, welche bezüglich der Hauptströmungsrichtung
asymmetrisch ausgestaltet ist. Diese Verengung kann beispielsweise
von einer Wand des Strömungsrohrabschnitts ausgehen, beispielsweise
in Form des unten noch näher beschriebenen mindestens einen
Vorsprungs und/oder der mindestens einen Erhebung. Unter einer asymmetrischen
Ausgestaltung einer Verengung ist dabei eine Verengung zu verstehen, deren
Grad bei Strömung in Hautströmungsrichtung in
anderer Weise zunimmt als bei einer Rückströmung,
also einer Strömung entgegen der Hauptströmungsrichtung.
Insbesondere kann der Grad der Verengung bei einer Rückströmung
zunächst stärker ansteigen als bei einer Strömung
in Hauptströmungsrichtung.
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Die
Verengung kann eine maximale Verengung aufweisen, also mindestens
einen Punkt, mindestens eine Linie oder mindestens einen Bereich,
in welchem der Strömungsquerschnitt durch die Verengung
maximal verengt ist. Beispielsweise kann es sich dabei um eine maximale
Erhebung und/oder einen maximalen Vorsprung handeln, beispielsweise einen
Scheitelpunkt der Erhebung und/oder einen Scheitelpunkt des Vorsprungs.
Besonders bevorzugt ist es, wenn diese maximalle Verengung im Bereich der
Auslassöffnung, insbesondere im Bereich des Bypassauslasses,
angeordnet ist. Unter „im Bereich” kann dabei
insbesondere eine Anordnung verstanden werden, welche genau in der
Mitte der Auslassöffnung liegt oder welche in Hauptströmungsrichtung lediglich
um wenige Öffnungsweiten der Auslassöffnung von
der Mitte der Auslassöffnung abweicht. So kann die Auslassöffnung
beispielsweise eine Öffnungsweite B aufweisen, wobei die
maximalle Verengung in einem Bereich zwischen 5·B stromaufwärts der
Mitte der Auslassöffnung, insbesondere der Mitte des Bypassauslasses,
und 5·B stromabwärts der Mitte der Auslassöffnung
angeordnet ist. Die Begriffe „stromaufwärts” und „stromabwärts” sind
dabei auf die Hauptströmungsrichtung der Strömung
des fluiden Mediums durch den Strömungsrohrabschnitt bezogen.
Vorzugsweise ist die maximalle Verengung in einem Bereich zwischen
3·B stromaufwärts der Mitte der Auslassöffnung
und 1·B stromabwärts der Mitte der Auslassöffnung
angeordnet und besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 2·B
stromaufwärts der Mitte der Auslassöffnung und
der Mitte der Auslassöffnung.
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Die
Verengung kann, wie oben mehrfach erwähnt, mindestens eine
Erhebung und/oder mindestens einen Vorsprung in einer Wand des Strömungsrohrabschnitts
umfassen. Beispielsweise kann die Wand ansonsten im Wesentlichen
zylindrisch ausgestaltet sein, beispielsweise mit kreisförmigem,
rundem oder auch polygonalem, beispielsweise quadratischem, Querschnitt.
Als Abweichung von dieser ansonsten vorzugsweise im Wesentlichen
regelmäßigen Ausgestaltung des Strömungsrohrabschnitts
mit vorzugsweise im Wesentlichen konstanten Querschnitt erhebt sich
von dieser Wand die mindestens eine Erhebung und/oder der mindestens
eine Vorsprung. Diese Erhebung und/oder dieser Vorsprung können
insbesondere in einer Schnittebene parallel zur Hauptströmungsrichtung
ein asymmetrisches Profil aufweisen. Das Profil kann insbesondere
eines oder mehrere der folgenden Profile aufweisen: ein Dreiecksprofil,
insbesondere ein Profil eines nicht-gleichseitigen Dreiecks und/oder
eines nicht-gleichschenkligen Dreiecks; ein Wellenprofil, insbesondere
ein Wellenprofil einer in Hauptströmungsrichtung überhängenden
Welle; ein abgerundetes Profil; eine Stufe. Unter einer in Hauptströmungsrichtung überhängenden
Welle ist dabei eine Welle zu verstehen, deren Spitze ihn stromabwärtiger
Richtung überhängt, so dass eine Tangente an eine
stromabwärtige Flanke des Wellenprofils in Hauptströmungsrichtung
weist. Beispiele werden unten näher ausgeführt.
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Die
Erhebung und/oder der Vorsprung können mindestens einen
Scheitelpunkt aufweisen, an welchem die Erhebung und/oder der Vorsprung
maximal in den Strömungsrohrabschnitt hineinragen. Dabei
kann es sich um ein lokales oder auch globales Maximum handeln.
In diesem Fall sollte ein Profil der Erhebung und/oder des Vorsprungs
in einer Schnittebene parallel zur Hauptströmungsrichtung
an dem Scheitelpunkt vorzugsweise einem Radius von weniger als 5
mm, vorzugsweise von weniger als 2 mm aufweisen. In anderen Worten
sollte der Scheitelpunkt scharfkantig ausgestaltet sein. Wie oben
dargestellt sollte der Scheitelpunkt insbesondere im Bereich der
Auslassöffnung angeordnet sein, vorzugsweise im Bereich
des Bypassauslasses. Bezüglich der bevorzugten Anordnungen
des Scheitelpunkts kann insbesondere auf die bevorzugte Anordnung der
maximallen Verengung gemäß der obigen Beschreibung
verwiesen werden, so dass der Scheitelpunkt insbesondere den Punkt
der maximalen Verengung darstellen kann. Die Erhebung und/oder der Vorsprung
können insbesondere eine Längserstreckung in Hauptströmungsrichtung
aufweisen, welche zwischen 5 mm und 50 mm, vorzugsweise zwischen 20
mm und 35 mm, beträgt. Besonders bevorzugt ist es, wenn
die Erhegung und/oder der Vorsprung um 3 mm bis 20 mm, vorzugsweise
um 6 mm bis 12 mm, in den Strömungsrohrabschnitt hineinragen.
Die Erhebung und/oder der Vorsprung können auf einer stromaufwärtigen
Flanke eine geringere Steigung aufweisen als auf einer stromabwärtigen
Flanke. Beispielsweise kann es sich dabei eine durchschnittliche Steigung
und/oder eine maximale Steigung handeln. Auf diese Weise kann ebenfalls
die genannte Asymmetrie erzeugt werden.
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Die
Sensoranordnungen gemäß einer oder mehreren der
oben dargestellten Ausführungsvarianten weisen gegenüber
herkömmlichen Sensoranordnungen der beschriebenen Art zahlreiche
Vorteile auf. Insbesondere kann durch die beschriebene Verbesserung
im Hinblick auf periodisch wiederkehrende Rückstrombedingungen,
bei welchen die Strömung temporär entgegen der
Hauptströmungsrichtung erfolgt, die Fähigkeit
eines bidirektionalen Sensorelements in vollem Umfang genutzt werden.
Dementsprechend ist es besonders bevorzugt, wenn das Sensorelement
ausgestaltet ist, um den mindestens einen Parameter in beiden Strömungsrichtungen
in dem Strömungskanal zu messen. Es kann sich allgemein
bei dem mindestens einen Parameter also insbesondere um einen richtungsabhängigen
Parameter handeln, welcher von der Strömungsrichtung in dem
Strömungskanal abhängig ist, wobei das Sensorelement beispielsweise
eingerichtet sein kann, um nicht nur einen Betrag dieses Parameters
sondern beispielsweise auch ein Vorzeichen zu erfassen. Auf diese
Weise können auch Betriebszustände erfasst werden,
bei denen Rückstrombedingungen länger anhalten
als beispielsweise typischerweise kurzzeitige Rückströme
beim Auftreten von Pulsationen in einem Ansaugtrakt.
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Um
den vielfältigen Anforderungen an Sensoranordnungen gerecht
zu werden, insbesondere an Heißfilmluftmassenmessern, können
in vielen Fällen die Auslassöffnungen, beispielsweise
der Bypassauslass, nicht immer derart gewählt werden, dass stationäre
Rückströmungen im Ansaugtrakt auch zu einer stationären
Rückströmung im Bypasskanal führen. Bei
herkömmlichen Heißfilmluftmassenmessern können
beispielsweise in vielen Fällen die Druckverhältnisse
um den Steckfühler derart sein, dass auch bei Rückströmung
durch den Strömungsrohrabschnitt eine Vorwärtsströmung
im Bypasskanal auftritt oder dass die Strömungsverhältnisse
insgesamt nicht hinreichend stabil sind. Durch die beschriebene Sensoranordnung
in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen kann
dies vermieden werden, so dass beispielsweise eine Vorwärtsströmung
im Strömungsrohrabschnitt auch zu einer Vorwärtsströmung
im Strömungskanal, insbesondere im Bypasskanal, führt,
und eine Rückströmung im Strömungsrohrabschnitt
zu einer Rückströmung, also einer Strömung
in entgegengesetzter Richtung, in dem Strömungskanal, insbesondere
im Bypasskanal. Durch die beschriebenen Zusatzmaßnahmen, welche
auch in bereits bestehende Heißfilmluftmassenmesseranordnungen
leicht integrierbar sind, ist es möglich, insbesondere
einen Luftmassenstrom nach Betrag und Richtung zu detektieren und
somit die volle Funktionalität des Sensorelements auszuschöpfen.
Insbesondere können stationäre Rückwärtsströmungen
in Form einer stetigen und/oder glatten, stabilen Kennlinie erfasst
werden, mit deren Hilfe in der Motorsteuerung beispielsweise eine
Nettobilanz der tatsächlich in den Motor geströmten
Luftmasse gebildet werden kann. Bei anderen Anwendungen lassen sich
entsprechende Vorteile verzeichnen.
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Durch
einfach darstellbare, geometrische Veränderungen, beispielsweise
in einer Zylindergehäusewandung des Strömungsrohrabschnitts, und/oder
durch Realisierung entsprechender Maßnahmen im Ansaugtrakt
können stabile Rückstrombedingungen im Bereich
eines Sensorelements, insbesondere eines bidirektionalen Sensorelements, geschaffen
werden. Dies kann insbesondere durch die beschriebene Querschnittsverengung
erzeugt werden, welche beispielsweise durch eine Erhebung und/oder
einen Vorsprung, insbesondere eine Ausbeulung in einer Rohrwandung,
gegenüber und/oder leicht stromaufwärts des Auslasses,
insbesondere des Bypassauslasses, realisiert werden kann. Diese Querschnittsverengung
kann bei Rückströmung für einen Staudruck
im Bereich der Auslassöffnung, insbesondere im Bereich
des Bypassauslasses, sorgen und kann für einen verminderten
Druck im Bereich der Einlassöffnung sorgen, wodurch beispielsweise eine
Rückströmung im Strömungskanal, insbesondere
im Bypasskanal, hervorgerufen werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1A bis 1D verschiedene
Ausführungsbeispiele von Steckfühlern;
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2A bis 2C Strömungsverhältnisse um
einen Steckfühler bei Strömung in Hauptströmungsrichtung
(2A) und Rückströmungen (2B und 2C);
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3 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung; und
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4A bis 4D verschiedene
Ausführungsbeispiele von Profilen erfindungsgemäß einsetzbarer
Vorsprünge.
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Ausführungsbeispiele
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Die
Erfindung wird im Folgenden am Beispiel einer Sensoranordnung 110 beschrieben,
welche zur Heißfilmluftmassenmessung eingesetzt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung 110 ist in 3 dargestellt. Die
Sensoranordnung umfasst einen Strömungsrohrabschnitt 112 und
einen Steckfühler 114. Beispiele verschiedener,
aus dem Stand der Technik bekannter Steckfühler 114,
welche auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich
einsetzbar sind, sind in den 1A bis 1D erläutert.
Die Steckfühler 114 weisen ein in den Strömungsrohrabschnitt 112 hineinragendes
Gehäuse 116 auf, in welchem üblicherweise
ein Elektronikmodul 118 aufgenommen ist (in den 1A bis 1D gestrichelt
dargestellt). Weiterhin ist in dem Gehäuse ein Strömungskanal 120 aufgenommen,
wel cher in der halbtransparenten, perspektivischen Darstellung der
Steckfühler 114 gemäß den 1A bis 1D ebenfalls
erkennbar ist. Dieser Strömungskanal 120 weist
eine Einlassöffnung 122 auf einer Stirnseite 124 des
Gehäuses 116 auf, welche bei in die Sensoranordnung 110 eingesetztem
Steckfühler 114 einer Hauptströmungsrichtung 126 des
fluiden Mediums entgegenweist. Weiterhin weist der Strömungskanal 120 einen
ersten Kanalabschnitt in Form eines Hauptstromkanals 128 auf,
welcher von der Einlassöffnung 122 zu einem Hauptstromauslass 130 verläuft.
Dieser Hauptstromauslass 130 kann beispielsweise an einer
am weitesten in den Strömungsrohrabschnitt 112 hineinragenden
Stirnfläche 132 angeordnet sein, wie in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1B, also
in einem Ende 134 des Steckfühlers 114.
Alternativ kann dieser Hauptstromauslass 130 jedoch auch
in Seitenwänden 136 oder 138 des Steckfühlers 114 angeordnet
sein, wie dies in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1A und 1C der
Fall ist. Weiterhin kann der Hauptstromauslass 130, wie
in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1D,
auf einer stromabwärtigen Rückwand 139 des
Steckfühlers 114 angeordnet sein.
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Von
dem Hauptstromkanal 128 zweigt ein zweiter Kanalabschnitt
des Strömungskanals 120 in Form eines Bypasskanals 140 ab.
In diesem Bypasskanal 140 ist ein Sensorelement 142,
beispielsweise in Form eines Sensorchips, angeordnet. Der Bypasskanal 140 mündet
in einen Bypassauslass 144. Auch bezüglich der
Lage dieses Bypassauslasses 144 unterscheiden sich die
Ausführungsbeispiele gemäß den 1A bis 1D.
Während bei den Ausführungsbeispielen in den 1B bis 1D der
Bypassauslass 144 auf einer der Seitewände 136, 138 des
Steckfühlers 114 angeordnet ist, ist dieser bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß 1A in
der Stirnfläche 132, also an dem in die Strömung
des fluiden Mediums hineinragenden Ende 134 des Steckfühlers 114 angeordnet.
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Die
Steckfühler 114 verfügen somit über
einen Bypasskanal 140, in welchem das vorzugsweise bidirektional
messende Sensorelement 142 angeordnet sein kann, welches
in der Lage ist, den Luftmassenstrom nach Betrag und Richtung zu
erfassen. Die Auslegung des Strömungskanals 120 erfolgt
unter anderem nach dem Grundsatz, einen maximallen Partikelschutz
und optimale Anströmbedingungen für das Sensorelement 142 bei
vorwiegender Strömung in Hauptströmungsrichtung 126 zu
gewährleisten. Ziel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung 110 ist es jedoch, auch für dynamische
Strömungszustände, die auch zeitweilig auftretende
Strömungsanteile entgegen der Hauptströmungsrichtung 126 einschließen,
den Bypasskanal 140 im Hinblick auf periodische Strömungsschwankungen,
insbesondere Pulsationen, zu verbessern. Dem entsprechend soll insbesondere
der Mittelwert der angezeigten Luftmassen dem tatsächlich
auftretenden mittleren Massenstrom des Luftstroms entsprechen. Beispielsweise
kann es sich bei den Pulsationen um durch das Ventilspiel des Motors
erzwungene Schwingungen in der Luftsäule im Ansaugtrakt
handeln.
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Die
dem Stand der Technik entsprechenden Steckfühler 114 gemäß den 1A bis 1D,
welche auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden
können, sind durch die Ausgestaltung ihres Strömungskanals 120 derart
optimiert, dass die überwiegende Zahl der mitgeführten
Partikel durch Fliehkraftabscheidung ausgesondert werden und mit
einem Luftstrom durch den Hauptstromkanal 128 getragen
werden. Die Einlassöffnung 122 liegt typischerweise
auf der Stirnseite 124 des Steckfühlers 114 und
weist damit der Hauptströmungsrichtung 126 entgegen,
wohingegen die Auslässe 130, 144 in der
Stirnfläche 132, in den Seitenwänden 136, 138 oder
in der Rückwand 139 angeordnet sein können.
Der Bypasskanal 140 kann auch wieder zurück in
den ersten Kanalabschnitt in Form des Hautstromkanals 128 münden.
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Für
die erfindungsgemäße Sensoranordnung sind, wie
oben dargestellt, grundsätzlich alle Arten von Steckfühlern 114 einsetzbar,
beispielsweise gemäß den 1A bis 1D.
Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn eine Konfiguration gewählt wird,
bei welcher der Bypassauslass 144 in der Stirnfläche 132 oder
in einer der Seitenwände 136, 138, nicht
jedoch in der Rückwand 139, angeordnet ist. Diese
Anordnung bietet jedoch in der Regel weniger Schutz vor Ölkontamination
des Sensorelements 142, beispielsweise bei einem Motorstillstand.
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Wie
oben aufgeführt, wird durch eine Optimierung im Hinblick
auf periodisch wiederkehrende Rückstrombedingungen, also
bei einer Strömung temporär entgegen der Hauptströmungsrichtung 126,
die Fähigkeit des bidirektionalen Sensorelements 142 nicht
in vollem Umfang genutzt. Dies soll anhand der 2A bis 2C verdeutlicht
werden, welche exemplarisch einen Steckfühler 114 gemäß dem
in 1A dargestellten Typ sowie dessen Umströmung
in verschieden Richtungen zeigen. Dabei bezeichnet der mit der Bezugsziffer 126 gekennzeichnete
Pfeil wiederum die Hauptströmungsrichtung. Der entgegengesetzt
gerichtete und mit der Bezugsziffer 146 gekennzeichnete
Pfeil bezeichnet hingegen eine Rückströmung. Symbolisch
sind in diesen Figuren weiterhin Strömungen in Form von
Strömungslinien angegeben. Dabei bezeichnen die mit den
Bezugsziffern 148 gekennzeichneten Strömungslinien
eine Strömung in Vorwärtsrichtung, also in Richtung
der Hauptströmungsrichtung 126, wohingegen die
mit den Bezugsziffern 150 gekennzeichneten Strömungslinien
eine Strömung in Rück wärtsrichtung, also
in entgegengesetzter Richtung kennzeichnen. Bezüglich der
Ausgestaltung des Strömungskanals 120 und der
sonstigen möglichen Eigenschaften des Steckfühlers 114 kann
exemplarisch auf die Beschreibung der 1A verwiesen
werden. 2A zeigt einen Fall, in welchem
ein reiner Fluss in Vorwärtsrichtung stattfindet, welcher
auch in einer Strömung in Vorwärtsrichtung 148 an
dem Sensorelement 142 resultiert.
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2B zeigt
einen Fall einer Rückströmung, bei welchem der
Steckfühler 114 mit einer Geschwindigkeitskomponente
hin zu der Stirnfläche 132 angeströmt
wird. Luft kann dann am Bypassauslass 144 in den Bypasskanal 140 eintreten
und bewirkt dort eine Strömung 150 in Rückwärtsrichtung,
welche vom Sensorelement 142 somit auch korrekt als Rückströmung
identifiziert wird. In den Figuren ist symbolisch eine Achse 152,
bei welcher es sich beispielsweise um eine Achse parallel zur Hauptströmungsrichtung 126 handeln
kann und/oder eine Rohrachse des Strömungsrohrabschnitts 112,
mit der Bezugsziffer 152 bezeichnet.
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In 2C ist
hingegen ein Strömungsbeispiel dargestellt, in welchem
ebenfalls eine Rückströmung auftritt, diesmal
allerdings mit einer Geschwindigkeitskomponente, welche von der
Stirnfläche 132 des Steckfühlers weg
weist. In diesem Ausführungsbeispiel kann es durch die
Rückströmungen zu Unterdrücken im Bereich
des Bypassauslasses 144 kommen, diese können im
Bypasskanal 140 und somit im Bereich des Sensorelements 142 eine
Strömung 148 in Vorwärtsrichtung hervorrufen.
Es kommt dann zu einer Fehlanzeige durch das Sensorelement 142 nach
Richtung und Betrag. Diese Überlegungen zeigen, dass es
günstig ist, im Bereich des Bypassauslasses 144 bei
einer Rückströmung Strömungsverhältnisse
zu erzeugen, welche eine Geschwindigkeitskomponente hin zu dem Bypassauslass 144 aufweisen.
Günstig ist es also Strömungsbedingungen zu schaffen,
bei welchen der Bypassauslass 144, welcher sich beispielsweise
auf einer Stirnfläche 132 und/oder einem Ende 134 des
Steckfühlers 114 befinden kann und/oder in einer
Seitenwand 136, 138 des Steckfühlers 114,
besser angeströmt wird.
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Dies
kann beispielsweise durch eine Verengung des Strömungsquerschnitts
des Strömungsrohrabschnitts 112 im Bereich insbesondere
des Bypassauslasses 144 erzeugt werden. Ein Beispiel einer
derartigen Ausgestaltung ist in 3 dargestellt. Dabei
zeigt 3 exemplarisch einen Steckfühler 114,
welcher beispielsweise gemäß dem in 1A gezeigten
Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein kann. Dementsprechend
kann auf die obige Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels
des Steckfühlers 114 verwiesen werden. Auch andere
Ausgestaltungen des Steckfühlers 114 sind jedoch
grundsätzlich möglich, beispielsweise gemäß den 1B bis 1D.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, in dem Strömungsrohrabschnitt 112 im
Bereich eines der Auslässe 130, 144,
insbesondere im Bereich des Bypassauslasses 144, eine Asymmetrie
vorzusehen, welche die oben beschriebenen Anströmbedingungen
mit einer Geschwindigkeitskomponente hin zum Bypassauslass 144 bei
einer Rückströmung, beispielsweise einer temporären
Rückströmung 146, schafft. Dies wird
im dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Vorsprung 154 in
einer Wand 156 des Strömungsrohrabschnitts 112 realisiert.
Dieser Vorsprung 154, welcher beispielsweise als „Beule” in der
Rohrwand ausgestaltet sein kann, weist einen Scheitelpunkt 158 mit
einer maximalen Erhebung auf, welche im Wesentlichen hinsichtlich
der Hauptströmungsrichtung 126 beziehungsweise
einer parallel zu dieser verlaufenden Koordinate auf der Höhe des
Bypassauslasses 144 angeordnet ist. Der Scheitelpunkt 158 kann
auch beispielsweise leicht stromaufwärts, betrachtet in
Hauptströmungsrichtung 126, bezüglich
der Mitte des Bypassauslasses 144 angeordnet sein. Beispielsweise
kann dieser Scheitelpunkt 158 in einem Bereich zwischen
exakt der Höhe der Mitte des Bypassauslasses 144 bis
hin zu einer Entfernung um das 2-fache des Durchmessers des Bypassauslasses 144 stromaufwärts
der Mitte des Bypassauslasses 144 angeordnet sein. Der
Vorsprung 154 hat an seiner stromaufwärtigen Seite,
auf einer stromaufwärtigen Flanke 160, eine geringere Steigung
als auf seiner Abströmseite, also seiner stromabwärtigen
Flanke 162. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich
möglich.
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In
einer Schnittebene parallel zur Hauptströmungsrichtung 126 kann
der Vorsprung 154 verschiedene Profile aufweisen. Beispiele
derartiger Profile sind in den 4A bis 4D dargestellt. Aufgetragen
ist dabei jeweils der Verlauf des Profils in einer Richtung x parallel
zur Hauptströmungsrichtung 126. Die im Folgenden
auch als Sollposition 164 bezeichnete gestrichelte Linie
sollte auf Höhe der Mitte des Bypassauslasses 144 oder
des Hauptstromauslasses 130 angeordnet sein, vorzugsweise der
Mitte des Bypassauslasses 144, oder leicht stromaufwärts
dieser Mitte, beispielsweise um nicht mehr als das 2-fache des Durchmessers
des Bypassauslasses 144 stromaufwärts dieser Mitte.
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4A zeigt
dabei ein Wellenprofil mit einer in Hauptströmungsrichtung 126 überhängenden
Welle. Die Ausführungsbeispiele in den 4B und 4C zeigen
Dreiecksprofile mit asymmetrischen Schenkeln, wobei die stromabwärtige
Flanke 162 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4C erheblich stärker
abfällt als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4B.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Spitze im Bereich des Scheitelpunkts 158 scharfkantig
ausgestaltet ist und vorzugsweise einen Radius von weniger als 2
Millimetern aufweist. 4D zeigt ein abgerundetes Ausführungsbeispiel,
bei welchem ebenfalls die Steigung auf der stromabwärtigen
Flanke 162 betragsmäßig erheblich größer
ausgestaltet ist als auf der stromaufwärtigen Flanke 160.
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Die
in den 4A bis 4D dargestellten Beispiele
stellen lediglich mögliche Ausführungsformen des
Vorsprungs 154 dar. Auch andere Ausgestaltungen, die zur
Realisierung der oben beschriebenen Anströmasymmetrie sind
möglich. Weiterhin können die Ausgestaltung und/oder
Anordnung des Vorsprungs 154 auch auf die Ausgestaltung
des Steckfühlers 114 angepasst sein. Bei anderen
Arten von Steckfühlern 114, beispielsweise bei
Steckfühlern 114, bei welchen die Auslässe 130, 144 auf
Seitenwänden 136, 138 angeordnet sind,
kann der Vorsprung 154 beispielsweise seitlich neben dem
Steckfühler in die Wand des Strömungsrohrabschnitts 112 eingebracht
werden. Die Querschnittsverengung kann, wie in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel in 3, auf einen
kleinen Abschnitt des Umfangs des Strömungsrohrabschnitts 112 beschränkt
werden. Alternativ kann jedoch auch ein größerer
Umfangsabschnitt der Wand 156 erfindungsgemäß ausgestaltet
werden.
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Je
nach Höhe des Vorsprungs 154, welcher beispielsweise
als Stufe und/oder Beule ausgestaltet sein kann, können
die Rückstrombedingungen im Bereich des Sensorelements 142 verstärkt
oder abgeschwächt werden. Die Geometrie kann somit an die
Größenordnung der zu erwartenden rückströmenden
Massenflüsse und/oder Volumenflüsse angepasst
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004035893
A1 [0002]
- - DE 102007026673 A1 [0002, 0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Robert Bosch
GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 140 bis 142 [0002]