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Die Erfindung betrifft eine Luftzuführung einer Brennkraftmaschine mit einem Luftkanal, durch den Ansaugluft der Brennkraftmaschine zuleitbar ist, wobei in dem Luftkanal ein Leitelement und ein Luftmassensensor in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind und mit dem Luftleitelement ein den Kanal durchströmender Luftstrom in wenigstens zwei Teilströme auftrennbar ist und mit dem Luftmassensensor auf der Grundlage eines erfassten Luftmassenstroms ein Signal generierbar und einer Motorsteuerung zur Steuerung der Brennkraftmaschine zuleitbar ist.
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Für die Regelung moderner Brennkraftmaschinen, insbesondere von Fahrzeugverbrennungsmotoren, ist es erforderlich, zu jedem Zeitpunkt die angesaugte Luftmenge zu kennen. Die Menge der jeweils der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehenden Ansaugluft ist unter anderem für die Rückführrate innerhalb einer Abgasrückführung und somit letztendlich für den Verbrauch und die verursachten Emissionen entscheidend. Aus diesem Grund werden bei modernen Brennkraftmaschinen sogenannte Luftmassenmesser (HFM bzw. Heißfilm-Luftmassenmesser) eingesetzt. Der eigentliche Luftmassenmesser ist innerhalb des Strömungskanals derart angeordnet, dass zumindest der Massenstrom eines Teilstroms des durch den Strömungskanal strömenden Luftstroms ermittelt wird. Rückströmungen oder Pulsationen, die durch das Öffnen oder Schließen der Ein- und Auslassventile entstehen können, werden in der Regel ebenfalls berücksichtigt.
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Der Luftmassensensor ragt mit seinem Gehäuse und der darin befindlichen Messelektronik sowie der Sensormesszelle in den Strömungskanal hinein. Der Luftmassensensor verfügt üblicherweise über ein Messrohr, das an seinem Lufteinlass selbst mit einem wabenähnlichen Gitter versehen ist, um eine homogene Luftströmung zu erreichen und gleichzeitig Luftverwirbelungen zu vermeiden. Die Luftströmung wird auf diese Weise unmittelbar vor dem Luftmassensensor gleichmäßig in mehrere kleinere Teilströmungen verteilt, die im besten Fall gleiche Strömungsgeschwindigkeiten aufweisen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der Gesamtluftmassenstrom des Querschnitts des Rohres genau einem Vielfachen eines definierten Teilausschnittes entspricht und somit eine repräsentative Messung erfolgt.
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Die eigentliche Sensormessfläche ist oftmals beheizt und hat eine mikromechanische Sensormembran, die durch die Beheizung auf konstanter Temperatur gehalten wird. Die Messung beruht letztendlich darauf, dass die Temperaturdifferenz zwischen zwei Messpunkten, die durch die vorbeiströmende Luft verursacht wird, gemessen wird. Hieraus wird die Masse des strömenden Luftstroms ermittelt.
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Fehlerhafte Messungen eines Luftmassensensors treten immer dann auf, wenn die Strömungsführung innerhalb des Messrohres nicht gleichmäßig ist. Die Zuführung des Luftmassenstromes zum Luftmassensensor, gleichgültig, ob dieser über ein vorgeschaltetes Gitter verfügt oder nicht, ist oftmals problematisch. Dies ist unter anderem darauf zurückzuführen, dass der Bauraum zwischen einem Luftfilter und dem Luftmassensensor oftmals keine optimale Strömungsführung zulässt. Bei einer Vielzahl von Betriebszuständen ist die Strömung vor dem Luftmassensensor erheblich verdrallt, wobei das Strömungsbild stark vom jeweiligen Luftmassendurchsatz abhängt. In vielen Fällen entstehen starke Turbulenzen, die auch von einem am Eingang des Messrohres angeordneten Gitter nicht aufgelöst werden können, so dass keine gleichmäßige Strömung im Messrohr vorhanden ist. Derartige Turbulenzen im Bereich vor einem Luftmassensensor führen in der Regel zu einem HFM-Signal geringer Qualität und somit zu Falschmessungen. Weiterhin verursachen Turbulenzen einen vergleichsweise hohen Druckverlust innerhalb des Luftansaugkanals, was letztendlich einen negativen Einfluss auf den Verbrauch und die Leistung der Brennkraftmaschine hat.
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Um das zuvor geschilderte Problem nicht aufkommen zu lassen, insbesondere die Turbulenzbildung vor dem Lufteinlass des Messrohres eines Luftmassensensors zu verhindern, sind aus dem Stand der Technik sogenannte Strömungsleitrippen bekannt, die in das Gehäuse der Ansaugluftzuführung integriert werden. In diesem Zusammenhang kommen vor allem Einlegeteile zum Einsatz, die als grobe Strömungsrichter innerhalb der Luftansaugung dienen. Hierbei ist vor allem zu beachten, dass der Strömungsquerschnitt des Luftansaugkanals durch derartige Einbauten nicht zu stark verkleinert wird.
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Aus der
DE 10 2007 023 119 A1 ist ein Strömungsführungselement zur Führung einer Luftströmung im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine bekannt, das eine geeignete Umlenkung der Luftströmung innerhalb eines Rohrbogens im Luftansaugtrakt bewirken soll.
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Das Strömungsleitelement verfügt hierbei über eine gekrümmte Leitfläche, die wenigstens einen Durchbruch aufweist, so dass der Gesamtluftstrom einerseits in zwei Teilströme entlang des Strömungsführungselementes aufgeteilt wird und andererseits ein gewisser Leckstrom durch die Durchbrüche auf die Leeseite des Strömungsführungselementes strömen kann. Durch die beschriebenen Durchbrüche und die daraus resultierenden Leckströme soll eine Ablösung der Strömung entlang des Strömungsführungselementes, die letztendlich zu einer Erhöhung der Strömungswiderstände führen würde, weitgehend vermieden werden.
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Ausgehend vom bekannten Stand der Technik und den daraus resultierenden Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Strömungsführung im Bereich vor einem Luftmassensensor einer Brennkraftmaschine derart zu verbessern, dass eine annähernd laminare, weitgehend drallfreie Umströmung des eigentlichen Messsensors gewährleistet wird. Gleichzeitig soll die anzugebende technische Lösung mit verhältnismäßig einfachen konstruktiven Mitteln realisierbar sein und nur zu geringen Druckverlusten innerhalb des Luftansaugkanals führen. Mit einer entsprechenden technischen Lösung soll vor allem gewährleistet werden, dass auch bei variierenden Betriebsbedingungen, insbesondere unabhängig von der Größe des Luftmassenstroms, stets ein HFM-Signal mit hoher Güte erzeugbar ist.
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Die zuvor beschriebene Aufgabe wird mit einer Luftzuführung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschreibung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.
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Erfindungsgemäß ist eine Luftzuführung einer Brennkraftmaschine mit einem Luftkanal, durch den Ansaugluft der Brennkraftmaschine zuleitbar ist und in dem ein Leitelement und ein Luftmassensensor in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei mit dem Luftleitelement ein den Luftkanal durchströmender Luftstrom in wenigstens zwei Teilströme auftrennbar ist und mit dem Luftmassensensor auf der Grundlage eines erfassten Luftmassenstroms ein Signal generierbar und einer Motorsteuerung zur Steuerung der Brennkraftmaschine zuleitbar ist, derart weitergebildet worden, dass das Luftleitelement in Strömungsrichtung vor dem Luftmassensensor angeordnet ist und wenigstens zwei an einer Schnittkante aufeinanderstoßende Leitflächen aufweist, die wenigstens zwei Teilstromkanäle für die Teilströme an zwei Seiten begrenzen und die Teilströme räumlich trennen.
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Vorzugsweise verfügt das Luftleitelement über wenigstens zwei Leitrippen, die jeweils auf zwei gegenüber liegenden Seiten Leitflächen aufweisen, im Luftkanal, die sich in Strömungsrichtung des Luftmassenstroms erstrecken und in Querschnittsrichtung des Luftkanals diesen sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung unterteilen. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist hierbei eine Leitrippe im Bereich einer Mittenlängsachse des Luftkanals vorgesehen und In Form einer Trennwand ausgeführt, die zu beiden Seiten Luftleitflächen aufweist und den Luftkanal in Strömungsrichtung in einen rechten und einen linken Bereich teilt. Weiterhin sind auf bevorzugte Weise sowohl im linken als auch im rechten Bereich gekrümmte Leitrippen vorgesehen, die an den jeweiligen Seitenflächen der Trennwand befestigt sind und sowohl im linken als auch rechten Bereich den Luftstrom in Teilströme auftrennen.
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Eine spezielle Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Leitrippen mit ihren Leitflächen derart gekrümmt sind, dass die Teilströme im linken und rechten Bereich in Strömungsrichtung um zumindest annähernd 90° umgelenkt werden. Bevorzugt ist es denkbar, dass der Luftstrom wenigstens nahezu vertikal von oben in die Kanäle des Luftleitelements einströmt und die einzelnen Teilströme schließlich in horizontaler Richtung aus dem Luftleitelement ausströmen. Sämtliche Leitrippen sind auf geeignete Weise derart ausgeführt, dass die das Luftleitelement verlassenden Teilströme drallfrei und nahezu laminar strömen.
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Das erfindungsgemäß ausgeführte Leitelement wird vorzugsweise als Einlegeteil ausgeführt und im Luftkanal zwischen einem Luftfilter und einem dem Luftmassensensor vorgeschalteten Gitter angeordnet.
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Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 Luftansaugtrakt eines Verbrennungsmotors mit Luftfilter und Luftmassensensor;
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2 Luftleitelement;
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3 Luftansaugtrakt eines Verbrennungsmotors mit Luftfilter, Luftleitelement und Luftmassensensor;
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In 1 ist der Luftansaugtrakt 1 eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors dargestellt. Die für die Verbrennung benötigte Ansaugluft wird über einen Ansaugstutzen (nicht dargestellt) angesaugt und strömt durch den linken Teil des Luftkanals 2 in den Luftfilter 3 ein. Hier wird die Luftströmung in einer nahezu horizontalen Ebene um 90° umgelenkt und verlässt den Luftfilter 3 über einen Auslass auf der rechten Seite. Von dem Auslass gelangt die aus dem Luftfilter 3 strömende Ansaugluft in die Fortführung des Luftkanals 2.
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An dem Luftfiltergehäuse 4 ist ein rohrförmiger Teil des Luftkanals 2 befestigt, in den ein Luftmassenmesser oder Luftmassensensor 5 hineinragt. Bei dem Luftmassenmesser 5 handelt es sich um einen Durchflussmesser, der die Masse der durch den Luftkanal 2 strömenden Luft pro Zeiteinheit, den sogenannten Luftmassenstrom, erfasst. Die auf der Grundlage des ermittelten Luftmassestroms gewonnene Messgröße wird insbesondere zur Regelung der Abgasrückfuhrmenge verwendet, um einerseits den Kraftstoffverbrauch zu minimieren und andererseits eine Optimierung der Schadstoffemissionen erreichen zu können.
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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Luftmassensensor 5 um einen sogenannten Heißfilm-Luftmassenmesser (HFM-Luftmassenmesser). Auf einem Sensorelement ist mittig ein Heizbereich mit Heizung angeordnet, links und rechts davon Temperaturfühler. Der Heizbereich wird abhängig von der Temperatur der anströmenden Luft auf eine Übertemperatur geregelt. Die Temperaturfühler zeigen eine Temperaturdifferenz an, die in Betrag und Richtung von der Strömung abhängt. Eine Elektronik rechnet schließlich die ermittelten Werte unter Berücksichtigung der Lufttemperatur über ein Kennfeld in einen Luftmassenstrom um.
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Am Einlass des Messrohres 6 ist ein Gitter vorgesehen, das eine möglichst homogene Geschwindigkeitsverteilung im Messrohr 6 sicherstellen soll. Die Luftströmung innerhalb des Luftkanals 2 wird auf diese Weise unmittelbar vor dem Luftmassensensor 5 gleichmäßig in mehrere kleinere Teilströmungen aufgeteilt, die im besten Fall gleiche Strömungsgeschwindigkeiten aufweisen. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Gesamtluftmassenstrom des Querschnitts des Messrohres 6 eine repräsentative Messung erlaubt.
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Dennoch kann auch durch den Einsatz des zuvor beschriebenen Gitters nicht gänzlich ausgeschlossen werden, dass die Luftströmung im Bereich des Luftmassensensors 5 einen Drall und/oder Turbulenzen aufweist, was letztendlich zu Falschmessungen führen kann. Ein derartiges Strömungsverhalten, das von der Größe des angesaugten Luftmassenstroms abhängt, ist unter anderem auf die Umlenkung der Strömung sowie den sich ändernden Strömungsquerschnitt innerhalb des Luftkanals zurückzuführen, was vor allem durch den begrenzten zur Verfügung stehenden Bauraum bedingt ist.
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Anhand einer beispielsweise mittels einer Simulation ermittelten Geschwindigkeitsverteilung im Bereich des Luftmassenmessers 5 der zuvor erläuterten Ausführung des Luftkanals kann die Wirbelbildung an verschiedenen Querschnitten dargestellt werden. In einer solchen Darstellung ist beispielsweise die Wirbelbildung in einem Bereich umso stärker, je dunkler dieser Bereich dargestellt ist.
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Mittels derartiger Geschwindigkeitsverteilungen bzw. Geschwindigkeitsprofilen in Bezug auf unterschiedliche Querschnitte, die beispielsweise in einem bestimmten Abstand vor und/oder hinter dem Gitter liegen, kann erkannt werden, dass beispielsweise 5 mm vor dem Gitter vor allem im äußeren Umfangsbereich des Luftkanals 2 ein sehr großer Wirbel erzeugt wird. Weiterhin kann erkannt werden, dass in einem Querschnittsbereich 5 mm hinter dem Gitter eine sehr ungleichmäßige Strömung herrscht, die allerdings keinen Drall aufweist. Das Hauptströmungsgebiet liegt hierbei im unteren Bereich des Luftkanals 2. In der Mitte des Luftkanals 2 befindet sich ein Totstromgebiet, in dem die Strömung nahezu zum Erliegen kommt. Der HFM-Luftmassenmesser misst die Geschwindigkeit genau in diesem Gebiet, so dass kein zuverlässiges Messsignal von der Motorsteuerung verarbeitet werden kann.
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Anhand eines Strömungsbilds eines Querschnitts durch den Luftkanal 2, der sich etwa 2 mm hinter dem Gitter befindet, kann erkannt werden, dass dieses Strömungsbild im Wesentlichen dem Strömungsbild des Querschnitts gleicht, welcher sich 5 mm hinter dem Gitter befindet. Lediglich die Grenzen zwischen den einzelnen unterschiedliche Eigenschaften aufweisenden Strömungsgebieten sind deutlich voneinander abgegrenzt. Eine gemeinsame Betrachtung der Strömungsbilder der Querschnitte 5 mm hinter und 20 mm hinter dem Gitter macht deutlich, dass auch die zusätzliche Distanz von 15 mm zwischen den Querschnitten nicht ausreicht, um eine zufriedenstellende Vergleichmäßigung der Luftströmung im Luftkanal 2 zu erzielen.
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Weitere, derartige Strömungsbilder, die die Turbulenzeigenschaften eines Luftstroms im Luftkanal 2 in Bezug auf Querschnitte, die in unterschiedlicher Distanz vor und/oder hinter dem Gitter angeordnet sind, repräsentieren, lassen erkennen, dass beispielsweise in einem Querschnitt 5 mm vor dem Gitter ein starker Wirbel ausgebildet ist. Die turbulente kinetische Energie des Luftstroms ist hierbei relativ hoch. Auch 5 mm hinter dem Gitter werden im Luftkanal noch hohe Werte für die turbulente kinetische Energie des Luftstroms ermittelt. Dagegen sind die Werte für die turbulente kinetische Energie für den Luftstrom 20 mm hinter dem Gitter geringer.
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In 2 ist in einer Einzeldarstellung ein in einem Luftkanal 2 eines Ansaugtrakts 1 eines Verbrennungsmotors einsetzbares Luftleitelement 8 abgebildet. Das Luftleitelement 8 verfügt über eine in Einbaulage im Wesentlichen vertikal angeordnete Trennwand 9, die beidseitig Leitflächen aufweist, an denen jeweils gekrümmte Leitrippen 10 befestigt sind, die sowohl auf ihrer Ober- als auch auf ihrer Unterseite jeweils ebenfalls über Leitflächen zur Führung der Luftströmung verfügen. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die vertikale Trennwand 9 und die Leitrippen 10 einstückig aus einem Kunststoff hergestellt. Die vertikale Trennwand 9 und die gekrümmten Leitrippen 10 begrenzen jeweils räumlich beabstandete Teilstromkanäle, durch die jeweils Teilströme des Gesamtluftstroms strömen können. Wesentlich ist hierbei, dass die Strömung sehr eng geführt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die einzelnen Leitrippen 10 bzw. deren Leitflächen nur einen geringen Abstand aufweisen.
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In Einbaulage des in 2 dargestellten Luftleitelements 8 gelangt der Luftstrom in nahezu vertikaler Richtung von oben in die Einlässe der Teilstromkanäle. Anschließend werden die Teilluftströme zumindest annähernd um 90° umgelenkt, so dass diese in horizontaler Richtung aus den Auslässen 12 der Teilstromkanäle austreten. Am äußeren Umfang verfügt das Luftleitelement 8 zumindest abschnittsweise über Anschlagflächen 13 die nach abgeschlossenem Einbau des Luftleitelements 8 in den Ansaugtrakt 1 des Verbrennungsmotors an der Innenwand wenigstens eines Gehäuseteils des Ansaugtraktes 1 anliegen. Ferner verfügt das Luftleitelement 8 über wenigstens ein Befestigungselement 14, vorzugsweise als Rastelement ausgeführt, über das das Luftleitelement 8 am Luftfiltergehäuse befestigbar ist.
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Ergänzend zu 2 wird in 3 der Abschnitt des Ansaugtrakts 1 eines Verbrennungsmotors mit integriertem Luftleitelement 8 dargestellt. Der gezeigte Ansaugtrakt 1 mit Luftkanal 2, Luftfilter 3, Luftfiltergehäuse 4 und Luftmassenmesser 5 entspricht dem Aufbau des im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Systems. Zusätzlich ist allerdings ein als Einlegeelement ausgeführtes Luftleitelement 8 vorgesehen, das zwischen dem Luftfilter 3 und dem am Einlass des Luftmassenmessers 5 angebrachten Gitter angeordnet ist. Das Luftleitelement 8 wird bei der Montage des Ansaugtrakts in den Luftkanal 2 eingelegt und schließlich mittels geeigneter Befestigungsmittel 14 am Luftfiltergehäuse 4 oder einer anderen Komponente des Ansaugtrakts 1 befestigt. Das Befestigungselement ist als Rastelement ausgebildet, das an einer entsprechend ausgebildeten Gegenkontur lösbar fest befestigt wird.
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Die aus dem Luftfilter ausströmende Luft gelangt über die Einlässe 11 in die Teilstromkanäle des Luftleitelements 8, die von zwei Seiten von den Leitflächen der Leitrippen 8 und jeweils von einer Seite durch die Trennwand 9 sowie die Gehäusewand des Ansaugtrakts 1 begrenzt werden. Das Luftleitelement 8 mit seiner Trennwand und den Leitrippen ist derart ausgeführt, dass die Strömung drallfrei und zumindest annähernd laminar strömend aus dem Luftleitelement austritt. Dieser drallfrei und zumindest nahezu laminar strömende Luftstrom tritt schließlich durch das HFM-Gitter in das Messrohr des Luftmassenmessers 1 und umströmt gleichmäßig das Sensorelement.
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Durch die über den Querschnitt des Luftkanals 2 bzw. des Messrohres sehr gleichmäßige Luftströmung wird ein qualitativ hochwertiges Ausgangssignal des Luftmassenmessers 5 gewährleistet. Die Signalgüte wird somit erheblich verbessert, insbesondere das Signalrauschen wird deutlich reduziert und die Signalreproduzierbarkeit optimiert. Gleichzeitig wird trotz des zusätzlich vorgesehenen Luftleitelements 8 im Luftkanal 2 eine deutliche Reduzierung der Druckverluste gegenüber einer verdrallten und turbulenzbehafteten Strömung erzielt.
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Anhand von repräsentativen Messungen bei einem durchschnittlichen Luftmassenstrom, bei welchen Druckverluste an unterschiedlichen Bauteilen des Ansaugtrakts 1 gemessen werden und wobei diese Druckverluste zum einen ohne Luftleitelement 8 und zum anderen mit einem als Einlegeteil ausgebildet Luftleitelement 8 durchgeführt werden, lässt sich erkennen, dass trotz des Einbaus des zusätzlich als Einlegeteil ausgebildeten Luftleitelements 8 der Druckverlust reduziert werden kann.
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Es können nun wiederum Strömungsbilder an drei unterschiedlichen Querschnitten des Luftkanals 2 ermittelt dargestellt und untersucht werden, wobei anhand dieser Strömungsbilder die Geschwindigkeitsverteilung und die Turbulenzverteilung dargestellt wird, und wobei diese Strömungsbilder sich auf den Luftkanal 2 beziehen, in welchen ein Luftleitelement 8, wie es in Zusammenhang mit den 2 und 3 erläutert worden ist, eingebaut ist. Anhand dieser Strömungsbilder lässt sich erkennen, dass beispielsweise an einem Querschnitt 5 mm vor dem Gitter die Strömung drallfrei und die Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über die Querschnitte sehr gleichmäßig ist, so dass das Vorhandensein von Turbulenzen nahezu ausgeschlossen werden kann.
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Derartige Strömungsbilder, die die Turbulenzverteilung in den entsprechenden Querschnitten zeigen, machen deutlich, dass in dem Querschnitt bzw. in einem Bereich des Querschnitts 5 mm vor dem Gitter nur punktuell erhöhte Werte für die turbulente kinetische Energie auftreten, die auf Turbulenzen hindeuten. Ferner kann erkannt werden, dass in einem Abstand von 5 mm hinter dem Gitter über den Querschnitt des Luftkanals 2 ebenfalls geringe Werte für die turbulente kinetische Energie zu ermitteln sind. Die turbulente kinetische Energie der Strömung beträgt in diesem Bereich relativ geringe Werte. An einer weiteren Messstelle in einem Abstand von 20 mm hinter dem Gitter, können sehr gute Werte für die turbulente kinetische Energie erreicht werden, die noch geringer sind.
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Zusammenfassend kann somit festgehalten werden, dass der Einbau eines erfindungsgemäß ausgebildeten Luftleitelements zu einer erheblichen Vergleichmäßigung der Luftströmung und somit sowohl zu einer Reduzierung der Druckverluste im Ansaugtrakt als auch zu einer Verbesserung der Signalgüte des Luftmassenmessers führt. Dies wirkt sich insgesamt positiv auf den Betrieb einer mit dem entsprechenden Luftleitelement ausgerüsteten Brennkraftmaschine aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007023119 A1 [0007]
