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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit einem Kanal, durch den das Gas strömt, einem Massenstromsensor, der in den Kanal ragt und einem Strömungsgleichrichter.
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Derartige Vorrichtungen sind vor allem aus dem Bereich der Ansaugluftmassenmessung in Verbrennungskraftmaschinen bekannt. Besonders gute Ergebnisse werden dabei mit Luftmassenmessern erzielt, welche nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeiten. Dies bedeutet, dass Heizwiderstände des Sensors erhitzt werden, wobei durch Konvektion die erzeugte Wärme dieser Heizwiderstände auf das strömende Medium abgegeben wird. Die daraus resultierende Temperaturänderung des Heizwiderstandes oder die zusätzliche Leistungsaufnahme zum Erhalt der Heizwiderstandstemperatur sind ein Maß für den vorhandenen Massenstrom.
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Derartige Sensoren werden in den letzten Jahren auch zur Messung des Abgasmassenstroms genutzt, wie beispielsweise aus der
DE 10 2005 061 533 B4 hervorgeht. Neben dem Problem der auftretenden Verschmutzung bei der Verwendung im Abgasstrang besteht das Problem repräsentative Messergebnisse bei auftretenden Pulsationen und Turbulenzen zu erhalten, wie sie verstärkt im Abgasstrang auftreten.
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Für die Verwendung in Luftansaugkanälen sind Vorrichtungen zur Beeinflussung der Strömung zur Verbesserung der Messergebnisse bekannt geworden, welche aus einem im Kanal vor dem Massenstromsensor angeordneten Strömungsgleichrichter bestehen. So wird in der
DE 198 27 375 A1 eine Vorrichtung beschrieben, bei der stromaufwärts des Sensors ein Strömungsgleichrichter mit durch Wänden voneinander getrennten Strömungsöffnungen und ein Drahtgitter angeordnet sind, welche über Fixierelemente im Kanal befestigt sind.
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Eine ähnliche Vorrichtung zur Luftmassenmessung wird in der
EP 0 458 998 A1 beschrieben. Hier ist hinter einem Wabenkörper, der dazu dient eine laminare Strömung zu erzeugen, ein Gitter zur Erzeugung von Mikrowirbeln angeordnet. Stromabwärts dieses Gitters befindet sich der Luftmassenmesser. Stromabwärts des Sensors ist ein Schutzgitter angeordnet, welches den Luftstrom nicht beeinflusst.
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Auch ist aus der
DE 30 09 382 A1 eine Vorrichtung zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten bekannt, bei der stromabwärts eines Schutzschildes ein Wabenkörper angeordnet ist, der sich vor und hinter den Messelementen erstreckt. Wie dieser montiert werden kann, wird nicht offenbart.
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Des Weiteren ist aus der
DE 43 40 882 A1 eine Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums bekannt, bei der hinter einem Schutzgitter ein den Querschnitt des Kanals verengendes Rohr eingesetzt ist, wodurch Pulsationen verringert werden sollen. Auch hier wird die Montage des strömungsbeeinflussenden Rohres und des Sensors nicht offenbart.
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Zuletzt ist aus der
DE 10 2009 018 525 A1 ein Abgasrückführsystem bekannt, bei dem ein Abgasmassenstromsensor stromabwärts eines Strömungsberuhigungselementes angeordnet ist. Wie die Befestigung erfolgt wird nicht offenbart.
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Diese bekannten Vorrichtungen zur Gasmassenstrombestimmung weisen mit Ausnahme der letztgenannten Schrift das Problem auf, dass die Gitter oder Schutzschilde bei der Verwendung im Abgaskanal verstopfen würden und einen relativ hohen Strömungswiderstand aufweisen. Des Weiteren entstehen durch die Pulsationen im Abgasstrang zusätzliche Wirbel stromabwärts des Gleichrichters, welche erneut die Messergebnisse verfälschen. Die Montage der bekannten Strömungsgleichrichter ist aufwendig und entsprechend kostspielig. Die Messelemente der Sensoren sind durch Sicherheitsgitter zu schützen, um Beschädigungen zu vermeiden.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms zu schaffen, welche in einem Abgaskanal zur Bestimmung des Abgasmassenstroms genutzt werden kann und mit der möglichst exakte Messergebnisse erzielt werden können, ohne den Strömungswiderstand deutlich zu erhöhen. Gleichzeitig soll diese Vorrichtung eine hohe Lebensdauer aufweisen, einfach zu montieren sein und eine möglichst geringe Anzahl an Bauteilen aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass der Kanal ein Abgaskanal ist, in den ein Abgasmassenstromsensor ragt, dessen Messelemente im Abgaskanal von einem Strömungsgleichrichter umgeben sind, welcher sich vom stromaufwärtigen Bereich der Messelemente des Abgasmassenstromsensors zum stromabwärtigen Bereich der Messelemente des Abgasmassenstromsensors erstreckt, wobei der Strömungsgleichrichter mit dem Abgasmassenstromsensor über eine Öffnung in ein Gehäuse des Abgaskanals in den Abgaskanal einsteckbar ist und einen ersten Abschnitt mit die Strömung beeinflussenden Wänden aufweist, in dem die Messelemente des Abgasmassenstromsensors angeordnet sind und einen zweiten offenen hohlzylindrischen Abschnitt, in dem ein zylindrischer Abschnitt des Abgasmassenstromsensor angeordnet ist, wird erreicht, dass direkt an den Messstellen eine gerichtete Strömung vorliegt, die unabhängig von Pulsationen besteht. Wirbel im Nachlauf des Sensors, die zu einer Rückströmung hinter einem Strömungsgleichrichter führen, werden vermieden, beziehungsweise in einen stromabwärtigen Bereich verlegt, der keinen Einfluss auf die Messergebnisse des Sensors hat. Zusätzlich werden die Messelemente bei der Montage allseitig geschützt, so dass auf ein gesondertes Schutzgitter verzichtet werden kann. Eine besonders einfache Montage ergibt sich dadurch, dass der Strömungsgleichrichter über eine Öffnung in einem Gehäuse des Abgaskanals in den Abgaskanal einsteckbar ist. So wird der Platzbedarf reduziert und eine Befestigung des Strömungsgleichrichters ohne weitere Befestigungsmittel im Kanal ermöglicht.
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So ist der Strömungsgleichrichter mit dem Abgasmassenstromsensor in einem Montageschritt beim Befestigen des Abgasmassenstromsensors montierbar. Dies reduziert den Montageaufwand erheblich, vor allem da der Strömungsgleichrichter den zweiten offenen hohlzylindrischen Abschnitt aufweist, in dem ein zylindrischer Abschnitt des Abgasmassenstromsensor angeordnet ist, da der Strömungsgleichrichter das Gehäuse des Abgasmassenstromsensors hierdurch abschnittsweise umgibt, so dass sich die Montage auf ein Ineinanderschieben der beiden Bauteile beschränkt.
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Vorzugsweise sind die die Strömung beeinflussenden Wänden parallel zueinander angeordnet. So entsteht eine einheitlich gerichtete laminare Strömung, in der gemessen wird.
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In einer bevorzugten Ausführung verlaufen die die Strömung beeinflussenden Wände parallel zu einer Ebene, die durch die beiden Messelemente des Abgasmassenstromsensors aufgespannt ist. So entsteht eine Strömung die parallel zur Erstreckung der Trägerplatte des Sensors ist, so dass eine senkrechte Anströmung, die zu starken Verschmutzungen führt, vermieden wird. Dies erhöht die zeitlichen Abstände zwischen den Regenerationsläufen des Sensors.
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In einer weiterführenden Ausführung verlaufen die die Strömung beeinflussenden Wände parallel zur Mittelachse des Abgaskanals. So wird eine gerichtete Strömung in Hauptströmungsrichtung erreicht, wodurch der Druckverlust durch die Strömungselemente gering gehalten wird.
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In einer hierzu alternativen Ausbildung der Erfindung sind die Wände derart zueinander angeordnet, dass die durch die Wände begrenzten Strömungspfade eine Venturidüse bilden, in deren engsten Querschnitt die Messelemente angeordnet sind. Somit erhöht sich die Geschwindigkeit des Abgasstroms in den Kanälen, wodurch die Belagbildung auf dem Sensor deutlich reduziert und dennoch eine gerichtete Strömung ohne Wirbel und Turbulenzen erzielt wird.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der erste Abschnitt des Strömungsgleichrichters eine Gitterstruktur aufweist. Diese eignet sich sehr gut zur Gleichrichtung der Strömung und ist einfach herstellbar.
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In einer besonders günstigen Ausführungsform sind die Wände des ersten Abschnitts des Strömungsgleichrichters beabstandet zu den Wänden des Abgaskanals angeordnet, wodurch der durch den Gleichrichter auftretende Druckverlust im Vergleich zu Strömungsgleichrichtern, die sich über den gesamten Kanalquerschnitt erstrecken, deutlich reduziert wird.
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Eine besonders einfache Montage ergibt sich, wenn der Strömungsgleichrichter an einem Gehäuse des Abgasmassenstromsensors angeordnet ist. So wird der Platzbedarf reduziert und eine Befestigung des Strömungsgleichrichters am Abgasmassenstromsensor gegebenenfalls ohne weitere Befestigungsmittel im Kanal ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführung weist der zweite Abschnitt am zum ersten Abschnitt entgegengesetzten Ende eine ringförmige Erweiterung auf, mit welcher der Strömungsgleichrichter gegen einen Absatz in der Öffnung am Gehäuse des Abgaskanals anliegt. Dies bedeutet, dass die Befestigung des Gleichrichters am Gehäuse des Abgasmassenstromsensors durch die Befestigung des Abgasmassenstromsensors am Abgaskanalgehäuse erfolgt, da die ringförmige Erweiterung zwischen den Absatz und einen Flansch des Abgasmassenstromsensors geklemmt wird.
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Vorzugsweise sind zwischen der ersten ringförmigen Erweiterung und dem ersten Abschnitt am Außenumfang des zweiten Abschnitts zwei weitere ringförmige Erweiterungen geringeren Durchmessers ausgebildet, welche gegen das umgebende Gehäuse der Öffnung des Abgaskanals anliegen. Dies erhöht den Strömungswiderstand entlang des Außenumfangs des zweiten Abschnitts des Strömungsgleichrichters und somit ein Ausdringen von Abgas aus dem Kanal, da die Erweiterungen ähnlich einer Labyrinthdichtung wirken. Auch entsteht auf diese Weise eine feste Positionierung des Strömungsgleichrichters im Kanal.
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Zur weiteren Verbesserung der Dichtigkeit bei einfacher Montage ist zwischen der ersten ringförmigen Erweiterung und einem Befestigungsflansch des Abgasmassenstromsensors ein O-Ring angeordnet.
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Es wird somit eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstromes geschaffen, welche im von Partikeln und Pulsationen belasteten Abgasbereich einsetzbar ist und sehr genaue Messergebnisse liefert. Durch die geringe Bauteileanzahl werden eine einfache Montage und eine kostengünstige Herstellung erreicht. Im Abgaskanal entsteht lediglich ein geringer Druckverlust. Auf zusätzliche Schutzgitter kann verzichtet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms.
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2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der Vorrichtung aus der 1 in gesprengter Darstellung ohne das umgebende Kanalgehäuse.
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3 zeigt eine alternative Ausführung eines Strömungsgleichrichters in Frontansicht.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms weist einen Abgaskanal 10 auf, der durch ein Gehäuse 12 gebildet wird, welches den Abgaskanal 10 radial begrenzende Wände 14 sowie eine senkrecht zur Kanalachse verlaufende hohlzylindrische Öffnung 16 aufweist, die von einem Flansch 18 umgeben ist.
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In die Öffnung 16 ist ein Abgasmassenstromsensor 20 eingesteckt, der in bekannter Weise nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeitet und entsprechend zwei nebeneinander angeordnete Messelemente 22, 24 in Form von Heizwiderständen aufweist. Die Messelemente 22, 24 ragen aus einem zylindrischen Abschnitt 26 einer Sensorhülle des Abgasmassenstromsensors 20, der am zu den Messelementen 22, 24 entgegengesetzten Ende in einen dünnen Kragen 28 der Sensorhülle mündet. Am anderen Ende dieses Kragens 28 befindet sich ein zylindrischer Abschnitt 30 eines Gehäuses 32 des Abgasmassenstromsensors 20, der einen größeren Durchmesser als der zylindrische Abschnitt 26 der Sensorhülle aufweist, so dass der Kragen 28 gegen diesen Abschnitt 30 anliegt. Das Gehäuse 32 weist eine Stufe auf, so dass ein weiterer zylindrischer Abschnitt 34 größeren Durchmessers am zum Kragen 28 entgegengesetzten Ende des zylindrischen Abschnitts 30 vorhanden ist. Gegen diesen Abschnitt 34 liegt radial ein O-Ring 36 an, dessen Außenumfang gegen die Innenwand der Öffnung 16 anliegt, so dass der Abgasmassenstromsensor 20 nach außen abgedichtet wird. An seiner anderen Seite verhindert der Kragen 28 ein Abstreifen des O-Rings 36.
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An den radial erweiterten Abschnitt 34 schließt sich ein Befestigungsflansch 38 mit zwei Bohrungen 40 an, in welche Schrauben zur Befestigung am Flansch 18 des Gehäuses 12 des Abgaskanals 10 gesteckt werden. An der zum Abgaskanal 10 entgegengesetzten Seite befindet sich in einem Raum im Gehäuse 32 die Elektronik des Abgasmassenstromsensors 20, wobei der Raum durch einen Deckel 42 verschlossen wird. Aus dem Deckel 42 sind elektrische Anschlussleitungen 44 zur Kontaktierung eines nicht dargestellten Motorsteuergerätes sowie zur Spannungsversorgung nach außen geführt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Messelemente 22, 24 von einem Schutzgitter 46 umgeben, wie insbesondere in 2 zu erkennen ist. In dieser Figur ist auch ein erfindungsgemäß ausgeführter Strömungsgleichrichter 48 besonders gut zu erkennen. Dieser Strömungsgleichrichter besteht aus zwei axialen Abschnitten 50, 52. Der erste Abschnitt 50 weist eine wabenförmige Gitterstruktur mit 53 begrenzenden Wänden 54 auf und ist im durchströmten Abgaskanal 10 angeordnet. Die Wände 54 sind entweder parallel zueinander und zum Abgaskanal angeordnet oder weisen die Form einer Venturidüse auf, wobei in diesem Fall die beiden Messelemente 22, 24 im engsten Querschnitt der Düse angeordnet sind. Eine Verbindungslinie der beiden Messelemente 22, 24 ist jeweils parallel zu den begrenzenden Wänden 54 im ersten Abschnitt 50 des Strömungsgleichrichters 48 beziehungsweise parallel zu einer Kanalmittelachse durch die Venturidüsen angeordnet. Wichtig ist, dass sich die Wände 54 von der stromaufwärtigen Seite der Messelemente 22, 24 bis zur stromabwärtigen Seite der Messelemente 22, 24 erstrecken.
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Während bei der Ausführung gemäß der 2 der erste Abschnitt durch gerade Seitenwände 56 begrenzt wird, sind derartige Seitenwände 56 in der Version gemäß 3 nicht vorhanden. Dort bilden die Wände 54 der Wabenstruktur gleichzeitig die radial begrenzenden Seitenwände des ersten Abschnitts 50, wodurch zu kleine Durchströmungsquerschnitte, die sich bei der Verwendung im Abgasstrom zusetzen könnten verhindert werden. In beiden Ausführungen bleibt jedoch ein Abstand zu den umgebenden Wänden 14 des Abgaskanals 10 erhalten.
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Der zweite Abschnitt 52 des Strömungsgleichrichters 48 ist im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet, umgibt im montierten Zustand den zylindrischen Abschnitt 26 der Sensorhülle und weist drei ringförmige Erweiterungen 58, 60, 62 auf, von denen im eingebauten Zustand die erste Erweiterung 58 mit ihrem ersten axialen Ende gegen den Kragen 28 anliegt und mit ihrem anderen axialen Ende gegen einen Absatz 64 im Gehäuse 12 in der Öffnung 16 des Abgaskanals 10 anliegt, wenn der Flansch 18 mit dem Flansch 38 verschraubt ist, wodurch der Strömungsgleichrichter 48 beim Befestigen des Abgasmassenstromsensors 20 in der Öffnung 16 am Abgaskanal 10 ebenfalls befestigt wird.
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Die zweite ringförmige Erweiterung ist am entgegengesetzten axialen Ende des hohlzylindrischen Abschnitts 52 ausgebildet und weist einen Durchmesser auf, der im Wesentlichen dem Durchmesser der Öffnung 16 entspricht, so dass der Kanal 10 durch diese Erweiterung 58 im Bereich um den Abgasmassenstromsensor 20 radial begrenzt wird. Die dritte ringförmige Erweiterung 62 befindet sich zwischen den Erweiterungen 58, 60 und dient ebenfalls einer zusätzlichen Abdichtung nach außen, so dass die hintereinanderliegenden Erweiterungen als eine Art Labyrinthdichtung funktionieren. Das Einschieben ist jedoch im Vergleich zu einer zylindrischen Außenwand, welche eine Passung zur Öffnung 16 aufweist deutlich leichter.
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Ein im Abgaskanal 10 vorhandener Abgasstrom wird durch die Gitter entlang der Wände 56 geleitet und auf diese Weise gerichtet, so dass eine laminare Strömung parallel zur Mittelachse des Abgaskanals 10 ohne Wirbel und Turbulenzen trotz auftretender Abgaspulsationen entsteht. Auch eine Wirbelbildung hinter dem Strömungsgleichrichter 48 und deren Rückströmung wird so zuverlässig vermieden. Dennoch bleibt der Strömungswiderstand im Vergleich zu bekannten Strömungsgleichrichtern 48 gering, da nicht im gesamten Querschnitt des Abgaskanals 10 die Zwangsführung des Abgases vorgenommen wird. Durch die Parallelität des Trägerkörpers beziehungsweise der Messelemente 22, 24 zu den Wänden 54 wird der Trägerkörper auch nicht angeströmt sondern lediglich überströmt, was Ablagerungen auf dem Trägerkörper deutlich reduziert. Die Montage kann wie sonst auch über ein einfaches Einstecken in die Öffnung 16 des Abgaskanals 10 und anschließendes Verschrauben erfolgen. Bei einer vorherigen Montage des Strömungsgleichrichters 48 oder eine einstückige Ausbildung mit dem Gehäuse 32 des Abgasmassenstromsensors 20 kann auf das Schutzgitter 46 vollständig verzichtet werden.
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Neben der dargestellten Wabenstruktur sind verschiedene Gitterstrukturen ausführbar. Auch bei der Verwendung der Düsen können diese zur weiteren Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit unterschiedlich stark einschnürend ausgebildet werden. Wie groß der Strömungsgleichrichter im Vergleich zum Abgaskanal ausgeführt wird, ist von den vorhandenen Durchmessern und Abgasströmen abhängig. Selbstverständlich ist ein solcher Aufbau auch für Abgasmassenstromsensoren geeignet, die nicht. nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeiten oder anderweitig anders als beschrieben, konstruiert sind. Auch eine andere Befestigung des Strömungsgleichrichters am Abgasmassenstromsensor wäre denkbar.
