DE102011078004A1

DE102011078004A1 - Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums

Info

Publication number: DE102011078004A1
Application number: DE102011078004A
Authority: DE
Inventors: Achim Briese
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-12-27
Also published as: CN102879047B; US20120324990A1; US9217655B2; CN102879047A

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung (10) zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal (14, 20, 24) strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, vorgeschlagen. Die Sensoranordnung (10) weist mindestens einen in dem Kanal (14, 20, 24) angeordneten Sensorchip (30) zur Bestimmung des Parameters) in einem in den Kanal (14, 20, 24) ragenden Sensorträger (28) aufgenommen ist. Der Sensorträger (28) weist eine quer zur Strömung des fluiden Mediums angeordnete Anströmkante (50) auf, wobei wenigstens im Bereich der Anströmkante (50) mindestens ein Wirbelgenerator (58) vorgesehen ist, der zum Ausbilden von von Sekundärströmungen, insbesondere in Form von Wirbeln (55), in dem strömenden fluiden Medium im Bereich des Sensorträgers (28), insbesondere im Bereich des Sensorchips (30), bevorzugt in unmittelbarer Nähe eines Sensorbereichs (32), insbesondere einer mikromechanischen Sensormembran, zur Vermeidung bzw. Reduzierung des Partikeleintrages eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärströmungen in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung (18) des fluiden Mediums, bevorzugt von dem Sensorbereich (32) wegweisend, verlaufen.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft fluider Medien, also von Flüssigkeiten und/oder Gasen, bekannt. Bei den Strömungseigenschaften kann es sich dabei um grundsätzlich beliebige physikalisch und/oder chemisch messbare Eigenschaften handeln, welche eine Strömung des fluiden Mediums qualifizieren oder quantifizieren. Insbesondere kann es sich dabei um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom handeln.
Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere beschrieben unter Bezugnahme auf so genannte Heißfilmluftmassenmesser, wie sie beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146148 beschrieben sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Silicium-Sensorchip, mit einer Sensormembran als Messoberfläche oder Sensorbereich, welche von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Der Sensorchip umfasst in der Regel mindestens ein Heizelement sowie mindestens zwei Temperaturfühler, welche beispielsweise auf der Messoberfläche des Sensorchips angeordnet sind. Aus einer Asymmetrie des von den Temperaturfühlern erfassten Temperaturprofils, welches durch die Strömung des fluiden Mediums beeinflusst wird, kann auf einen Massenstrom und/oder Volumenstrom des fluiden Mediums geschlossen werden. Heißfilmluftmassenmesser sind üblicherweise als Steckfühler ausgestaltet, welcher fest oder austauschbar in ein Strömungsrohr einbringbar ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Strömungsrohr um einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine handeln.
Dabei durchströmt ein Teilstrom des Mediums wenigstens einen in dem Heißfilmluftmassenmesser vorgesehenen Hauptkanal. Zwischen dem Einlass und dem Auslass des Hauptkanals ist ein Bypasskanal ausgebildet. Insbesondere ist der Bypasskanal derart ausgebildet, dass er einen gekrümmten Abschnitt zur Umlenkung des durch den Einlass des Hauptkanals eingetretenen Teilstroms des Mediums aufweist, wobei der gekrümmte Abschnitt im weiteren Verlauf in einen Abschnitt übergeht, in welchem der Sensorchip angeordnet ist. Der zuletzt genannte Abschnitt stellt den eigentlichen Messkanal dar, in dem der Sensorchip angeordnet ist. Dabei ist in dem Bypasskanal ein Mittel vorgesehen, welches die Strömung leitet und einer Ablösung der Strömung des Medienteilstroms von den Kanalwänden des Messkanals entgegenwirkt. Weiterhin ist der Einlassbereich des Hauptkanals im Bereich seiner Öffnung, welche der Hauptströmungsrichtung entgegenweist, mit schrägen oder gekrümmten Flächen versehen, welche so gestaltet sind, dass in den Einlassbereich einströmendes Medium von dem Teil des Hauptkanals, welcher zu dem Sensorchip führt, weggelenkt wird. Dies bewirkt, dass im Medium enthaltene Flüssigkeits- oder Festkörperteilchen aufgrund ihrer Massenträgheit nicht zu dem Sensorchip gelangen und diesen verschmutzen können.
Derartige Heißfilmluftmassenmesser müssen in der Praxis einer Vielzahl von Anforderungen und Randbedingungen genügen. Neben dem Ziel, einen Druckabfall an dem Heißfilmluftmassenmesser insgesamt durch geeignete strömungstechnische Ausgestaltungen zu verringern, besteht eine der hauptsächlichen Herausforderungen darin, die Signalqualität sowie die Robustheit derartiger Vorrichtungen gegenüber Kontamination durch Öl- und Wassertröpfchen sowie Ruß-, Staub- und sonstige Festkörper-Partikel weiter zu verbessern. Diese Signalqualität bezieht sich beispielsweise auf einen Massenstrom des Mediums durch den zu dem Sensorchip führenden Messkanal sowie gegebenenfalls auf die Verminderung einer Signaldrift und die Verbesserung des Signal-zu-Rauschen-Verhältnisses. Die Signaldrift bezieht sich dabei auf die Abweichung beispielsweise des Massenstromes des Mediums im Sinne einer Veränderung der Kennlinien-Beziehung zwischen dem tatsächlich auftretenden Massenstrom und dem im Rahmen der Kalibrierung bei der Fertigung ermittelten auszugebenden Signales. Bei der Ermittlung des Signal-Rausch-Verhältnisses werden die in schneller zeitlicher Folge ausgegebenen Sensorsignale betrachtet, wohingegen sich die Kennlinien- oder Signaldrift auf eine Veränderung des Mittelwertes bezieht.
Bei üblichen Heißfilmluftmassenmessern der beschriebenen Art ragt in der Regel ein Sensorträger mit einem darauf angebrachten oder eingebrachten Sensorchip in den Messkanal hinein. Beispielsweise kann der Sensorchip in den Sensorträger eingeklebt oder auf diesen aufgeklebt sein. Der Sensorträger kann beispielsweise mit einem Bodenblech aus Metall, auf welchem auch eine Elektronik, eine Ansteuer- und Auswerteschaltung in Form einer Leiterplatte aufgeklebt sein kann, eine Einheit bilden. Beispielsweise kann der Sensorträger als angespritztes Kunststoffteil eines Elektronikmoduls ausgestaltet sein. Der Sensorchip und die Ansteuer- und Auswerteschaltung können beispielsweise durch Bondverbindungen miteinander verbunden werden. Das derart entstandene Elektronikmodul kann beispielsweise in ein Sensorgehäuse eingeklebt werden und der gesamte Steckfühler kann mit Deckeln verschlossen werden.
Damit der Heißfilmluftmassenmesser ein möglichst störungsarmes Luftmassensignal liefern kann, ist eine möglichst gleichmäßige Zuströmung zu dem Steckfühler und durch den Messkanal in diesem und insbesondere über die Messoberfläche des Sensorchips wichtig. Dabei hat es sich gezeigt, dass die Kontur der Anströmkante des Sensorträgers, welche in den Messkanal hineinragt, von entscheidender Bedeutung für die Signalqualität der Sensoranordnung ist. So wird beispielsweise in der DE 103 455 084 A1 vorgeschlagen, die Anströmkante des Sensorträgers abgerundet auszugestalten, um die Strömungsqualität am Sensorträger und am Sensorchip zu verbessern und um pulsierende, instationäre Ablösungen an der Oberfläche des Sensorchips zu vermeiden.
Die DE 10 2008 042 155 A1 offenbart eine Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine. Die Sensoranordnung weist mindestens einen in dem Kanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums auf. Der Sensorchip ist in einem in den Kanal ragenden Sensorträger aufgenommen. Der Sensorträger weist eine quer zur Strömung des fluiden Mediums angeordnete Anströmkante auf, welche ihrerseits mindestens einen Wirbelgenerator aufweist, der eingerichtet ist, um Längswirbel in dem strömenden fluiden Medium im Bereich des Sensorträgers auszubilden. Diese Längswirbel bedingen eine verbesserte Durchmischung zwischen schnellem, wandfernerem Fluid und langsamerem, ablösegefährdetem, wandnahem Fluid im Bereich des Sensorträgers. Diese Durchmischung fördert eine Vermeidung von Ablösungen. Diese erforderlichen Längswirbel werden durch den Wirbelgenerator an der Anströmkante des Sensorträgers erzeugt. Hierdurch verringert sich die Strömungsfluktuation im Bereich des Sensorträgers, woraus sich ein verringertes Signalrauschen und eine bessere Reproduzierbarkeit des Signals ergeben.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Verringern des Signalrauschens beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial bezüglich anderer funktionaler Aspekte. So gelangen aufgrund der oben beschriebenen Umlenkung nur leichtere Partikel, wie beispielsweise Staub, Ruß, Wasser- und/oder Öltröpfchen, in den Bypasskanal und in den Messkanal. Schwerere Partikel verlassen den Heißfilmluftmassenmesser aufgrund ihrer Massenträgheit durch den Hauptkanal oder prallen gegen die umgebenden Wände. Die Kontamination des Sensorchips und dessen Sensorbereichs durch die genannten leichteren Partikel, insbesondere Öl und Staub, führt zu einer unerwünschten Kennliniendrift. Da der Wärmeübergang im Bereich des Sensorbereichs entscheidend sowohl von der Grenzschichtströmung auf der Sensorchipseite des Sensorträgers als auch in gewissem Maße von dem im Sinne der strömungsmechanischen Definition einer Grenzschicht wandfernen Schicht bestimmt wird, müssen diese Strömungsbereiche topologisch so stabil wie möglich überströmt werden. Die Kontamination durch Partikel sorgt langfristig unter Umständen für eine veränderte Topologie, d.h. eine Veränderung der die Strömung definierenden Struktur mit ausgezeichneten Punkten, wie beispielsweise Staubpunkten, Wirbelfoki, Ablöselinien und dergleichen, oder für eine quantitative Änderung der Strömungsgrößen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher eine Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Strategien zumindest weitgehend vermeiden kann und bei der ein zeitlich, insbesondere hinsichtlich der Partikelkontamination, langfristig stabiles Geschwindigkeitsfeld, insbesondere auf der Sensorchipseite des Sensorträgers, hergestellt werden kann.
Die Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, weist mindestens einen in dem Kanal angeordneten Sensorchip zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums auf, wobei der Sensorchip in einem in den Kanal ragenden Sensorträger aufgenommen ist, der Sensorträger eine quer zur Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums angeordnete Anströmkante aufweist, wobei wenigstens im Bereich der Anströmkante mindestens ein Wirbelgenerator vorgesehen ist, der zum Ausbilden von Sekundärströmungen, insbesondere in Form von Wirbeln, in dem strömenden fluiden Medium im Bereich des Sensorträgers, insbesondere im Bereich des Sensorchips, bevorzugt in unmittelbarer Nähe eines Sensorbereichs, insbesondere einer mikromechanischen Sensormembran, eingerichtet ist, wobei die Sekundärströmungen in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums verlaufen. Bei Ausbildung der Sekundärströmung als Wirbel verläuft dann die Wirbelachse parallel zu der Hauptströmungsrichtung.
Der Sensorträger kann im Wesentlichen eine Ebene in der Hauptströmungsrichtung definieren und der mindestens eine Wirbelgenerator kann in Form mindestens eines Vorsprungs, wie beispielsweise eines Steges oder einer Rampe, ausgebildet sein, der aus der Ebene des Sensorträgers vorsteht. Der mindestens eine Wirbelgenerator kann mindestens bereichsweise entlang der Anströmkante und/oder entlang einer in der Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums gesehen hinteren Kante des Sensorträgers ausgebildet sein. Der mindestens eine Turbulator kann quer zu der Hauptströmungsrichtung angeordnet sein. Der mindestens eine Wirbelgenerator kann sich mindestens bereichsweise von der Anströmkante bis zu einer in der Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums gesehen hinteren Kante des Sensorträgers erstrecken. Der mindestens eine Wirbelgenerator kann im Wesentlichen halbkreisförmig oder rechteckig ausgebildet sein. Andere Querschnittsformen sind auch denkbar. Der Sensorchip kann mindestens einen Sensorbereich aufweisen und mindestens zwei Wirbelgeneratoren können derart angeordnet sein, dass sich zumindest der Sensorbereich, in eine Ebene senkrecht zu der Strömung des fluiden Mediums projiziert, zwischen den Wirbelgeneratoren befindet. Die mindestens zwei Wirbelgeneratoren können derart ausgebildet sein, dass zumindest im Bereich des Sensorbereichs die Sekundärströmungen aufgrund mehrerer Wirbel mit der jeweiligen Wirbelachse parallel zu der Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums und in zueinander entgegengesetzter Drehrichtung, d.h. mit gegenläufigen Wirbelachsen, ausgebildet werden. Mehrere Wirbelgeneratoren können in der Hauptströmungsrichtung verlaufend und parallel zueinander angeordnet sein. Zumindest ein Wirbelgenerator kann als Vertiefung in dem Sensorträger bevorzugt an der Vorderkante des Sensorträges, ausgebildet sein, die in der Hauptströmungsrichtung verläuft. Zumindest eine Vertiefung in dem Sensorträger kann in der Hauptströmungsrichtung verlaufen und, projiziert in die Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung, seitlich neben dem Sensorbereich liegen.
Unter der Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die lokale Strömungsrichtung des fluiden Mediums am Ort des Sensors bzw. der Sensoranordnung zu verstehen, wobei beispielsweise lokale Unregelmäßigkeiten wie zum Beispiel Turbulenzen unberücksichtigt bleiben können. Insbesondere kann unter der Hauptströmungsrichtung somit die lokale gemittelte Transportrichtung des strömenden fluiden Mediums verstanden werden.
Unter quer zur Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht, beispielsweise mit einer Ausrichtung, welche um nicht mehr als 10° von der Senkrechten abweicht, zur lokalen Hauptströmungsrichtung zu verstehen. Unter „im Wesentlichen“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Ausrichtung zu verstehen, welche um nicht mehr als 20°, vorzugsweise um nicht mehr als 10° und besonders bevorzugt um nicht mehr als 5°, und/oder um nicht mehr als 20 %, insbesondere nicht mehr als 10 % und besonders bevorzugt von nicht mehr als 5 % von der jeweiligen angegebenen Bezugsrichtung, Bezugsebene oder Bezugsform abweicht. So ist beispielsweise eine „im Wesentlichen parallele“ Ausrichtung eine Ausrichtung, welche um nicht mehr als die genannten Toleranzen von der Parallelität abweicht
Unter Sekundärströmung ist im Rahmen der Erfindung entsprechend der Strömungslehre eine zu der Hauptströmung zusätzliche Strömung vergleichsweise geringer Geschwindigkeit, d.h. der Sekundärgeschwindigkeit, in einer Ebene im Wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung zu verstehen.
Unter einem Wirbel ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung gemäß der Strömungslehre eine vollständige oder teilweise Kreisströmung bzw. näherungsweise kreisförmige Strömung eines Fluids zu verstehen. Unter der Wirbelachse ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung diejenige Achse zu verstehen, um die die Kreisströmung verläuft. Diese kann beispielsweise parallel zu einem Wirbelvektor der Wirbel verlaufen. Zur Erzeugung der Wirbel der genannten Art, die im Folgenden auch als Querwirbel bezeichnet werden, da sich die genannte Wirbelachse der Wirbel im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung des Fluids erstreckt und die Sekundärströmungen des Wirbels als Kreisströmung bzw. näherungsweise kreisförmige Strömung um die Wirbelachse herum bilden, kann der Wirbelgenerator auf verschiedene Weisen ausgestaltet sein. So kann der Wirbelgenerator beispielsweise derart eingerichtet sein, dass in mindestens einer Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung mindestens zwei nebeneinander liegende Bereiche mit unterschiedlichem statischem Druck existieren. Dies kann beispielsweise derart realisiert werden, dass der Wirbelgenerator eingerichtet ist, um mindestens zwei nebeneinander liegende Bereiche mit unterschiedlichem Strömungsquerschnitt zu erzeugen, beispielsweise durch unterschiedliche Verengungen eines durchströmbaren Bereichs, so dass nach der Bernoulli-Gleichung diese Bereiche mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durchströmt werden und dass sich in diesen Bereichen ein unterschiedlicher Druck ausbildet. Die Bildung der Sekundärströmungen kann dann ein Resultat eines Ausgleichs dieser unterschiedlichen Drücke sein. Beispielsweise kann der Wirbelgenerator derart ausgebildet sein, dass mindestens zwei Abschnitte mit einem unterschiedlichen Abstand zwischen der Anströmkante und einer Wand des Kanals existieren, also Abschnitte mit unterschiedlichem Strömungsquerschnitt.
Derartige Querwirbel können beispielsweise mittels numerischer strömungsmechanischer Simulationen sichtbar gemacht werden, um deren Existenz zu veranschaulichen. Alternativ können die Wirbel beispielsweise mittels Rauch und/oder mittels einer so genannten Rauchdraht-Visualisierung sichtbar gemacht werden, beispielsweise mit einer Kamera, welche Rauchverwirbelungen in der Strömung an und/oder hinter dem Wirbelgenerator aufnimmt. Bei der Rauchdraht-Visualisierung wird ein Draht erhitzt, der mit einer beispielsweise ölhaltigen Substanz versehen ist. Bei der Erhitzung des Drahtes verdampft die Substanz, die beim Ablösen von dem Draht in der Umgebung sofort kondensiert, und die einzelnen kondensierenden Teilchen werden sichtbar. Die aus diesen Teilchen bestehenden Stromlinien sind dann einzeln erkennbar, weshalb der Verlauf von Strömungen gut beobachtet werden kann. Eine andere Methode zum Visualisieren des Strömungsverlaufs ist die sogenannte particle image velocimetry (PIV). Die Strömungsvisualisierung mittels PIV beruht auf der Korrelation zweier zeitlich versetzter Digitalaufnahmen einer Partikelwolke im Lichtschnitt. Das Ergebnis der Korrelation ist ein zweidimensionales Vektorfeld. Auf Basis dessen kann eine Aussage über den Strömungsverlauf und die Strömungsgeschwindigkeit getroffen werden.
Unter bereichsweise ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zu verstehen, die sich nicht vollständig entlang oder über die jeweilige angegebene Länge oder Erstreckung des Bezugsbauteils oder der Richtung erstreckt, sondern lediglich abschnittsweise oder teilweise ausgebildet ist. Insbesondere kann die Anordnung selbst Unterbrechungen oder Aussparungen aufweisen, so dass sie segmentiert ausgebildet ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der Sensorträger ganz oder teilweise als Leiterplatte ausgestaltet sein oder Teil einer Leiterplatte sein. Beispielsweise kann die Leiterplatte einen Fortsatz aufweisen, welcher den Sensorträger bildet und welcher in den Kanal, beispielsweise den Messkanal eines Heißfilmluftmassenmessers, hineinragt. Der übrige Teil der Leiterplatte kann beispielsweise in einem Elektronikraum, in einem Gehäuse der Sensoranordnung oder eines Steckfühlers der Sensoranordnung untergebracht sein.
Unter einer Leiterplatte ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein im Wesentlichen plattenförmiges Element zu verstehen, welches auch als Träger elektronischer Strukturen, wie beispielsweise Leiterbahnen, Anschlusskontakte oder Ähnliches, genutzt werden kann und vorzugsweise auch eine oder mehrere derartiger Strukturen aufweist. Grundsätzlich kommen dabei auch zumindest leichte Abweichungen von der Plattenform in Betracht und sollen begrifflich mit erfasst sein. Die Leiterplatte kann beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial und/oder einem Keramikmaterial hergestellt sein, beispielsweise einem Epoxidharz, insbesondere einem faserverstärkten Epoxidharz. Insbesondere kann die Leiterplatte beispielsweise als Leiterplatte mit Leiterbahnen, insbesondere aufgedruckten Leiterbahnen (printed circuit board, PCB), ausgestaltet sein.
Auf diese Weise lässt sich das Elektronikmodul der Sensoranordnung stark vereinfachen und es lässt sich beispielsweise auf ein Bodenblech und einen separaten Sensorträger verzichten. Bodenblech und Sensorträger können durch eine einzige Leiterplatte ersetzt werden, auf welcher beispielsweise auch eine Ansteuer- und Auswerteschaltung der Sensoranordnung ganz oder teilweise angeordnet sein kann. Diese Ansteuer- und Auswerteschaltung der Sensoranordnung dient der Ansteuerung des mindestens einen Sensorchips und/oder der Auswertung der von diesem Sensorchip generierten Signale. Auf diese Weise lässt sich durch Zusammenfassung der genannten Elemente der Herstellaufwand der Sensoranordnung erheblich vermindern und der Bauraumbedarf für das Elektronikmodul stark verringern.
Die Sensoranordnung kann insbesondere mindestens ein Gehäuse aufweisen, wobei der Kanal in dem Gehäuse ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Kanal einen Hauptkanal und einen Bypasskanal bzw. Messkanal umfassen, wobei der Sensorträger und der Sensorchip beispielsweise in dem Bypass- bzw. Messkanal angeordnet sein können. Weiterhin kann das Gehäuse einen von dem Bypasskanal getrennten Elektronikraum aufweisen, wobei das Elektronikmodul oder die Leiterplatte im Wesentlichen in dem Elektronikraum aufgenommen ist. Der Sensorträger kann dann als ein in den Kanal hineinragender Fortsatz der Leiterplatte ausgebildet sein. Diese Anordnung ist technisch vergleichsweise einfach zu realisieren, im Gegensatz zu den aufwändigen Elektronikmodulen, welche aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Insbesondere in dem Fall, in welchem eine Leiterplatte als Sensorträger verwendet wird, jedoch auch in anderen Fällen und/oder unter Verwendung anderer Medien als Sensorträger, kann der Sensorträger zumindest teilweise als mehrschichtiger Sensorträger ausgestaltet sein. So kann der Sensorträger in einer so genannten Multilager-Technik ausgestaltet sein und zwei oder mehrere miteinander verbundene Trägerschichten aufweisen. Beispielsweise können diese Trägerschichten wiederum aus einem Metall, einem Kunststoff oder einem Keramikmaterial oder einem Verbundmaterial hergestellt sein und durch Verbindungstechniken, wie z.B. Kleben, miteinander verbunden sein.
In diesem Fall, in welchem eine Multilager-Technik verwendet wird mit mehreren Sensorschichten des Sensorträgers, kann die Anströmkante durch eine unterschiedliche Dimensionierung der Trägerschichten entgegen der Hauptströmungsrichtung des fluiden Mediums zumindest teilweise gestuft ausgeführt sein. Auf diese Weise lassen sich die Profile zumindest gestuft angenähert realisieren. Beispielsweise lassen sich auf diese Weise rechteckig geformte oder – angenähert durch eine Stufenform –, zumindest näherungsweise rund-, abgerundete oder keilförmig geformte Profile in einer Schnittebene senkrecht zur Erstreckungsebene des Sensorträgers ausbilden. Der Sensorchip kann auf bzw. in dem Sensorträger derart angeordnet sein, dass dieser senkrecht zur lokalen Hauptströmungsrichtung ausgerichtet ist. Beispielsweise kann der Sensorchip rechteckig ausgestaltet sein, wobei eine Seite dieses Rechtecks senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht, beispielsweise mit einer Ausrichtung, welche um nicht mehr als 10 Grad von der Senkrechten abweicht, zur lokalen Hauptströmungsrichtung angeordnet ist.
Der Sensorchip kann über mindestens eine elektrische Verbindung elektrisch kontaktiert werden. Beispielsweise kann der Sensorträger, insbesondere eine den Sensorträger bildende Leiterplatte oder ein Fortsatz dieser Leiterplatte, einen oder mehrere Leiterbahnen und/oder Kontaktpads aufweisen, welche mit entsprechenden Kontakten auf dem Sensorchip beispielsweise durch ein Bondingverfahren verbunden sind. In diesem Fall kann die elektrische Verbindung durch mindestens eine Abdeckung geschützt und von dem fluiden Medium getrennt werden. Diese Abdeckung kann insbesondere als so genannter Glob-Top ausgestaltet sein, beispielsweise als Kunststofftropfen und/oder Klebstofftropfen, welcher die elektrische Verbindung, beispielsweise die Bond-Drähte abdeckt. Auf diese Weise lassen sich insbesondere auch Beeinflussungen der Strömung durch die elektrische Verbindung vermindern, da der Glob-Top eine glatte Oberfläche aufweist. Ferner kann der Sensorchip mindestens einen Sensorbereich aufweisen. Dieser Sensorbereich kann beispielsweise eine Sensoroberfläche aus beispielsweise einem porösen, keramischen Material und/oder insbesondere eine Sensormembran sein.
Durch die Erfindung werden Veränderungen des Geschwindigkeitsfeldes, verglichen mit einem Neu- oder Anfangszustand der Sensoranordnung, reduziert, insbesondere werden aber Bereiche niedriger Geschwindigkeit im Partikeleinzugsbereich des Sensorbereichs vermieden oder reduziert. Solche Bereiche niedriger Geschwindigkeit dienen während der Lebensdauer der Sensoranordnung als Sammelpunkt für mehr und mehr Partikel. Da die Partikel die Kontaminationsneigung und den Wärmetransfer in die Luft verändern, werden insbesondere die folgenden Effekte durch einzelne Maßnahmen oder durch eine Kombination von Maßnahmen erreicht. Das durch Kontamination verursachte Anwachsen der Grenzschicht wird vermieden oder zumindest reduziert, denn dadurch entsteht effektiv eine Reduzierung des Strömungsimpulses in der Nähe des Sensorbereichs. Die sich ausbildenden Wirbelfoki, Staub- oder Sammelpunkte im Bereich um den Sensorbereich werden vermieden oder zumindest reduziert. Ablösungen sowohl auf der Sensorchip zugewandten als auch auf der Sensorchip abgewandten Seite des Sensorträgers werden vermieden oder zumindest reduziert. Ferner sollen durch sonstige Ursachen entstehende Bereiche niedriger Geschwindigkeit vermieden oder zumindest reduziert werden. Zudem sind die Maßnahmen auch für instationäre Rückwärtsströmungszustände, d.h. Pulsation im Ansaugtrakt, geeignet. Entsprechende Ausführungen an der Vorder- und/oder an der Hinterkante des Sensorträgers sollten idealerweise für die Bandbreite der Geschwindigkeitsfelder bei Vorwärts- und Rückwärtsströmung zueinander passen. Als Nebeneffekt stellen sich durch die stabilisierenden Maßnahmen geringere Geschwindigkeitsschwankungen zum momentan gemessenen Mittelwert im Bereich des Sensorbereichs ein, woraus sich ein geringeres Signalrauschen und eine bessere Reproduzierbarkeit ergibt.
Durch die Erfindung lassen sich auf und in unmittelbarer Nähe des Sensorbereichs, insbesondere der mikromechanischen Sensormembran, zur Reduzierung der Partikelkontaminationsneigung Sekundärgeschwindigkeiten erzeugen bzw. in die Hauptströmung induzieren und/oder Bereiche niedriger Geschwindigkeiten vermeiden.
Ferner wird eine topologisch schärfere Definition des Strömungsfeldes inklusive der Grenzrichtströmung in unmittelbarer Nähe des Sensorbereichs, insbesondere der Sensormembran, möglich, also eine Vermeidung von mit dem Massenstrom oder Anströmungszuständen wechselnden Ausprägungen der die Strömung definierenden Strukturen, wie beispielsweise Stau- und Sattelpunkte, Ablöselinien, Wirbelfoki, Verlauf der Wandschubspannung und dergleichen. Sowohl die Vermeidung bzw. Reduzierung der Partikelanlagerung als auch die Vergleichmäßigung der Sensorbereich-Überströmung werden mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Sensoranordnung;
2 eine Ansicht eines Sensorträgers mit Sensorchip in einem Kanal in Hauptströmungsrichtung gesehen;
3 eine Draufsicht eines Sensorträgers mit Sensorchip (rückseitig) in einem Kanal;
4 eine vergrößerte Draufsicht auf ein unverschlossenes Sensorgehäuse mit der Kanalstruktur, auf den Sensorträger mit dem Sensorchip sowie eine schematische Darstellung der Durchströmung des Kanals;
5 eine vergrößerte Darstellung eines Elektronikmoduls der Sensoranordnung mit dem Sensorträger und montiertem Sensorchip
6A eine perspektivische Ansicht eines Rampenpaares zur Erzeugung einer Sekundärströmung in einem Rechteckkanal;
6B eine Draufsicht des Rampenpaares in dem Rechteckkanal sowie schematische Darstellung der Verteilung des statischen Druckes;
7A eine perspektivische Ansicht eines Sekundärströmungsfeldes stromabwärts des Rampenpaares in dem Rechteckkanal;
7B eine Ansicht des Sekundärströmungsfeldes stromabwärts des Rampenpaares in dem Rechteckkanal in Hauptströmungsrichtung gesehen;
7C eine andere perspektivische Ansicht des Rampenpaares mit Darstellung der Geschwindigkeiten und Stromlinien;
7D einen vergrößerten Ausschnitt des Sekundärströmungsfeldes im Bereich des Übergangs zwischen den Rampen;
8A eine Draufsicht auf Sensorchips zweier verschiedener Sensorträger und die Darstellung einer Temperaturverteilung in der Hauptströmungsrichtung ohne Chipheizung;
8B eine Draufsicht auf Sensorchips zweier verschiedener Sensorträger und die Darstellung von zwei Temperaturverteilungen in der Hauptströmungsrichtung mit Chipheizung;
9A eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Sensorträgers;
9B eine Ansicht des Sensorträgers der ersten Ausführungsform in Hauptströmungsrichtung gesehen;
10 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Sensorträgers;
11 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines Sensorträgers;
12 eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform eines Sensorträgers;
13 eine Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform eines Sensorträgers;
14 eine Ansicht einer sechsten Ausführungsform eines Sensorträgers in Hauptströmungsrichtung gesehen;
15 eine Ansicht einer siebten Ausführungsform eines Sensorträgers in Hauptströmungsrichtung gesehen;
16 eine perspektivische Ansicht einer achten Ausführungsform eines Sensorträgers;
17 eine Ansicht einer neunten Ausführungsform eines Sensorträgers in Hauptströmungsrichtung gesehen;
18A zwei Ergebnisse einer Strömungssimulation mit unterschiedlichen Luftmassenströmen ohne eine erfindungsgemäße Sensoranordnung, bei denen das Geschwindigketisfeld in einem Sensorbereich, die Wandschubspannung auf dem Sensorträger, die Isofläche der Wirbelstärke und Wandstromlinien eingezeichnet sind; und
18B vergrößerte Darstellungen der Geschwindigkeitsfelder der 18A, in Hauptströmungsrichtung gesehen.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Sensoranordnung 10 zur Bestimmung eines Parameters eines fluiden Mediums. Die Sensoranordnung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und umfasst ein Steckerteil 12, welches beispielsweise in ein Strömungsrohr, insbesondere einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, eingesteckt werden kann. In dem Steckerteil 12 ist eine Kanalstruktur 14 aufgenommen, welche in 1 oder 4 erkennbar ist und durch welche über eine Einlassöffnung 16, die im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung 18 des fluiden Mediums entgegenweist, eine repräsentative Menge des fluiden Mediums strömen kann.
4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Steckerteils 12 im Bereich der Kanalstruktur. Die Kanalstruktur 14 weist einen Hauptkanal 20 auf, welcher in einen Hauptstromauslass 22 auf der Unterseite bezogen auf die Darstellung in 1 des Steckerteils 12 mündet, sowie einen von dem Hauptkanal 20 abzweigenden Bypass- bzw. oder Messkanal 24, welcher in einen ebenfalls auf der Unterseite bezogen auf die Darstellung in 1 des Steckerteils 12 angeordneten Bypass- oder Messkanalauslass 26 mündet, wie der 4 zu entnehmen ist.
In den Messkanal 24 ragt ein Sensorträger 28 in Form eines Flügels, wie beispielsweise in 1 und 2 dargestellt. 2 zeigt die Ansicht des Sensorträgers 28 im Messkanal 24 in Hauptströmungsrichtung. 3 zeigt eine Draufsicht der Anordnung des Sensorträgers 28 im Messkanal 24. In diesen Sensorträger 28 ist ein Sensorchip 30 derart eingelassen, dass eine als Sensorbereich des Sensorchips 30 ausgebildete Sensormembran 32 von dem fluiden Medium überströmt wird. Wie insbesondere in 5 erkennbar, ist der Sensorträger 28 mit dem Sensorchip 30 Bestandteil eines Elektronikmoduls 34, das vergrößert dargestellt ist. Dieses Elektronikmodul 34 weist ein gebogenes Bodenblech 36 als Sensorträger sowie eine darauf angebrachte, beispielsweise aufgeklebte Leiterplatte 38 mit einer Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 auf. Der Sensorträger 28 kann beispielsweise als Kunststoffbauteil an das Bodenblech 36 angespritzt sein.
Der Sensorchip ist mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 über elektrische Verbindungen 42, welche hier als Draht-Bonding ausgestaltet sind, elektrisch verbunden, wie insbesondere 5 zu entnehmen ist. Das derart entstandene Elektronikmodul 34 wird in einen Elektronikraum 44 in ein Gehäuse 46 des Steckerteils 12, in welchem auch die Kanalstruktur 14 ausgebildet ist, eingebracht, wie beispielsweise eingeklebt, wie in 1 erkennbar ist. Dies erfolgt derart, dass der Sensorträger 28 dabei in die Kanalstruktur 14 hineinragt. Anschließend werden der Elektronikraum 44 und die Kanalstruktur 14 durch Deckel 48 verschlossen.
Der Sensorträger 28, welcher beispielsweise als Spritzgießbauteil an das Bodenblech 36 angespritzt ist oder mit dem Bodenblech 36 oder der Leiterplatte 38 integral ausgebildet sein kann, ist mit einer Anströmkante 50 versehen, welche abgerundet ausgestaltet sein kann, wie beispielsweise 2 entnehmbar ist. Beispielsweise kann diese Anströmkante 50 ähnlich einer Tragflächenform bei stetiger Kontur realisiert werden. Weiter unten werden die erfindungsgemäßen Ausführungsformen des Sensorträgers 28 ausführlicher beschrieben. Zunächst sollen jedoch die strömungsmechanischen Zusammenhänge von Querschnittsveränderungen in einem Kanal, wie beispielsweise dem Messkanal 24, durch Wirbelgeneratoren, wie beispielsweise Rampen, Stufen oder Blöcke verdeutlicht werden, um den hinter der Erfindung stehenden gedanklichen Ansatz der verschiedenen Ausführungsformen des Sensorträgers zu verdeutlichen. Insbesondere soll durch die beispielhafte Erläuterung das Prinzip des Ausnutzens von Querschnittsveränderungen bestimmter Abschnitte oder Bereiche in einem Kanal zur gewollten Bildung von Sekundärströmungen, wie beispielsweise Längswirbeln veranschaulicht werden.
Beispielhaft zeigen 6A und 6B ein Rampenpaar 52, 54 unterschiedlicher Höhe in einem Rechteckkanal 56, wobei 6A eine von links angeströmte Anordnung in perspektivischer Ansicht und 6B eine entsprechende Draufsicht mit einer schematischen Darstellung der Verteilung des statischen Druckes darstellt. Die Hauptströmungsrichtung 18 ist also parallel zu der Längsachse des Rechteckkanals 56 von links nach rechts gemäß den Darstellungen der 6A und 6B. Gemäß der Bernoulli-Gleichung verringert sich im Bereich einer auf höhere Geschwindigkeit beschleunigten Strömung der statische Druck. Die Strömung wird im Bereich der höheren Rampe 52 stärker als im Bereich der niedrigeren Rampe 54 beschleunigt. Dementsprechend wird der statische Druck im Bereich der höheren Rampe 52 stärker abgesenkt. Bei relativer Betrachtung ist der statische Druck im Bereich der niedrigeren Rampe 54 größer als derjenige im Bereich der höheren Rampe 52. Dies ist in 6B mit den Symbolen „+“ und „-“ angedeutet. Als Folge der Rampengeometrien und der unterschiedlichen hohen statischen Drücke ergeben sich Geschwindigkeitskomponenten in der Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 18, die auch als Sekundärgeschwindigkeitskomponenten bezeichnet werden, und es bilden sich Wirbel 55A, 55B stromabwärts der Rampen 52, 54, wie beispielsweise 7A oder 7B entnehmbar ist, um einen Ausgleich der Drücke zu bewirken. Insbesondere verläuft die Wirbelachse der Wirbel 55A, 55B im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung 18. Insbesondere entstehen bei dieser Anordnung zwei Wirbel 55A, 55B, wobei ein größerer Wirbel 55A mit Drehrichtung im Uhrzeigersinn, der im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Kanals 56 verläuft, und ein kleinerer Wirbel 55B in einem Bereich stromabwärts der größeren Rampe 52 mit Drehrichtung entgegen des Uhrzeigersinnes, dessen flächenmäßiger Verlauf oder Ausbreitungsgröße im Wesentlichen mit der Querschnittsfläche der höheren Rampe 52 identisch ist.
7A zeigt eine perspektivische Ansicht eines derartigen Geschwindigkeitsfeldes der Wirbel 55A, 55B in einer Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18, und 7B zeigt eine Draufsicht auf diese projizierte Geschwindigkeitsfeldebene dieser Wirbel 55A, 55B stromabwärts des Rampenpaares 52, 54 als Ergebnis einer numerischen Strömungssimulation. Die Bereiche der jeweiligen Geschwindigkeitsfelder sind dabei von dünnen Linien zu ihrer besseren Unterscheidbarkeit bzw. Abgrenzbarkeit umgeben. Die Längen der Vektoren des Geschwindigkeitsfeldes symbolisieren dabei den jeweiligen Betrag der in die Ebene projizierten Geschwindigkeit, wobei eine größere Länge eines Vektors eine höhere Geschwindigkeit symbolisiert.
Mehrere Effekte lassen sich dabei entsprechend feststellen. Unmittelbar hinter solchen Vorsprüngen, wie beispielsweise Stufen, Rampen und dergleichen, befinden sich Gebiete geringer Strömungsgeschwindigkeit. Die Komponente in Hauptströmungsrichtung 18 ist deutlich geringer als im Kernströmungsbereich und es existieren so genannte Totwassergebiete mit geringen Geschwindigkeitskomponenten, die unter Umständen sogar entgegen der Hauptströmung zeigen, also Rückströmung in negativer Hauptströmungsrichtung 18, wie beispielsweise in 7C gezeigt ist. 7C zeigt die Geschwindigkeiten und die Stromlinien in einer perspektivischen Seitenansicht auf Höhe der jeweiligen Rampe, wobei die unterschiedlich punktierten Bereiche der Stromlinien dabei den jeweiligen Betrag der Geschwindigkeit symbolisieren. Ferner ist in der Darstellung der 7C ein Koordinatensystem angegeben, wobei die Hauptströmungsrichtung 18 auf der mit X bezeichneten Achse angedeutet ist und die mit Y und Z bezeichneten Achsen eine Ebene senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 18 aufspannen. Eine Orientierung quer zur Hauptströmungsrichtung 18 gemäß der obigen Definition befindet sich daher in der Y-Z-Ebene. Auch die Sekundärgeschwindigkeiten in der genannten Ebene senkrecht zu der Hauptströmung, d.h. in der Y-Z-Ebene der 7C, sind gering. Die Anlagerung von Partikeln in solchen Bereichen niedriger Geschwindigkeit ist daher mit einer höheren Wahrscheinlichkeit verbunden. Die Anordnung der mikromechanischen Sensormembran 32 würde daher höchstwahrscheinlich eine erhöhte Kontamination und Kennliniendrift mit sich bringen. Stromabwärts oder hinter der größeren Rampe 52 entstehen ferner die oben genannten Wirbel 55A, 55B mit einer Wirbelachse im Wesentlichen parallel zu der Hauptströmungsrichtung. Am Übergang zu der niedrigeren Rampe 54 existiert eine zu der größeren Rampe 52 sowie aufwärts gerichtete Sekundärströmung des größeren Wirbels 55A, die in diesem Bereich teilweise von der Sekundärströmung des kleineren Wirbels 55B überlappt oder mit dieser vermischt ist und die gleiche Richtung aufweist, oder in noch weiterem Abstand zu der Wand eine starke Sekundärströmung aufwärts, d.h. in der Richtung der Erhebung der Rampen 52, 54, und von der niedrigeren Rampe 54 wegweisend, wie in 7D gezeigt ist.
7D zeigt schematisch einen Ausschnitt des Übergangs von einem solchen höheren Vorsprung zu einem niedrigeren Vorsprung in die genannte Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 projiziert und eine mögliche Anordnung einer mikromechanischen Sensormembran 32 im Bereich der Sekundärgeschwindigkeiten des größeren Wirbels 55A. Im Bereich der Sensormembran 32 sollten sich aufgrund der auch bei geringen Geschwindigkeiten vorhandenen Sekundärströmung keine Partikel anlagern, sondern bedingt durch den erzeugten Wirbel 55A von der Sensormembran 32 weggetrieben werden. Im gesamten Rechteckkanal 56 entsteht also zumindest eine ausgeprägte Sekundärströmung in der Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 aufgrund der zu den Kanalabmessungen relativ großen Rampen 52, 54. Eine solche gemäß der Darstellung der 7D im Uhrzeigersinn laufende Sekundärströmung des größeren Wirbels 55A wird sich angesichts der Größenverhältnisse in dem Bypasskanal des Heißfilmluftmassenmessers nicht überall über den Sensorträger verteilt ausbilden, sondern nur lokal im Bereich der mikromechanischen Sensormembran 32, da die Abmessungen der entsprechenden Störkörper lediglich in der Größenordnung des Sensorträgers 28, unter Umständen sogar nur in der Größenordnung des Sensorchips 30 oder der mikromechanischen Sensormembran 32, liegen werden. Daher sind die entstehenden Sekundärströmungen nicht mit turbulenten, zusätzlichen Geschwindigkeitsschwankungen zu verwechseln, die sich, auch quer zu der Hauptströmungsrichtung, über den gesamten Sensorträger bilden können, aber verglichen mit den oben beschriebenen Sekundärströmungen wesentlich kleinere Geschwindigkeitsbeträge aufweisen. Die Erfindung sollte daher auf die Bahnbeeinflussung der leichten Partikel abzielen, die nicht durch die Fliehkraftumlenkung oder durch Anhaften an den Bypasskanalwänden herausgefiltert werden oder durch Abprallen von den Bypasskanalwänden Extremabweichungen von der Hauptströmungsrichtung 18 aufweisen. Solche Partikel sollen durch die geometrisch induzierten Sekundärgeschwindigkeiten von der Sensormembran 32 ferngehalten werden.
Die Reduzierung der Kontaminationsneigung aufgrund des erläuterten Prinzips und der weiter unten dargestellten Ausführungsformen des Sensorträgers 28 erfordert eine gewisse Strömungsgeschwindigkeit. Eine Kontamination durch Öldampf bei sehr geringen Geschwindigkeiten, die beispielsweise durch die Kurbelgehäuse-Entlüftung im Fall eines Abstellens eines Kraftfahrzeugs auftritt, lässt sich durch die weiter unten dargestellten Maßnahmen nur sehr bedingt verhindern. Für diesen Fall kann eine so genannte Chipheizung vorgesehen werden. 8A zeigt zwei Draufsichten auf jeweils einen Sensorchip 30 zweier verschiedener Sensorträger 28 ohne Chipheizung, wobei die Hauptströmungsrichtung 18 durch einen Pfeil angedeutet ist, und eine Temperaturverteilung über die Hauptströmungsrichtung 18, die auf der mit X bezeichneten Achse aufgetragen ist. Die Draufsichten auf die Sensorchips 30 zeigen deutlich die Anlagerungen von Öltropfen, insbesondere im Bereich um die Sensormembran 32, wobei bei der unteren Darstellung die Öltropfen im Vergleich zu der oberen Darstellung kleiner sind oder feiner verteilt sind. 8B zeigt zwei Draufsichten auf jeweils einen Sensorchip 30 zweier verschiedener Sensorträger 28 mit Chipheizung, wobei die Hauptströmungsrichtung 18 durch einen Pfeil angedeutet ist, und zwei zugehörige Temperaturverteilungen bedingt durch verschiedene Heizmodi über die Hauptströmungsrichtung 18, die auf der mit X bezeichneten Achse aufgetragen ist. Bei eingeschalteter Chipheizung ist eine Reduzierung des Öleintrages deutlich erkennbar, wie beispielsweise der 8B zu entnehmen ist. Im Normalbetrieb einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, haften vor allem Staub- und Rußpartikel auf den Öltröpfchen und führen zu einem veränderten Wärmetransport und damit zu einer Kennliniendrift. Ziel dieser Erfindung ist nicht die Vermeidung der Ölanlagerung im Abstellfall bei Kurbelgehäuse-Entlüftung, sondern die darauf folgende Anlagerung von Partikeln. Anzumerken ist allerdings, dass aerodynamische Kräfte schon bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten den Mechanismen der Ölkontamination im Abstellfall entgegenwirken. Die genannte Möglichkeit der Reduzierung des Öleintrages durch eine Chipheizung sei nur als optionale, zusätzliche Möglichkeit zum Verringern der Partikelanlagerung erwähnt.
Im Folgenden sollen die einzelnen Ausführungsformen des Sensorträgers 28 detailliert beschrieben werden, bei denen das Prinzip der gezielten Strömungsveränderung durch bauliche Maßnahmen angewendet wird. Die Anwendung der geometrischen Veränderung ist dabei sowohl für die Zuströmseite, wichtig bei Normalbetrieb, als auch für die Abströmseite, wichtig bei pulsierender Strömung, denkbar.
9A zeigt eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorträgers 28 und 9B zeigt eine Seitenansicht in der Hauptströmungsrichtung 18 gesehen. Gemäß der ersten Ausführungsform sind zwei Wirbelgeneratoren 58, die eingerichtet sind, Sekundärströmungen zu erzeugen oder in die Hauptströmungsrichtung zu induzieren und daher auch als Sekundärströmungsgeneratoren bezeichnet werden können, vorgesehen, die als quaderförmige und/oder stegförmige Vorsprünge im Wesentlichen senkrecht aus der Ebene des Sensorträgers 28 vorstehen. Insbesondere sind die Wirbelgeneratoren 58 derart im Bereich der Anströmkante 50 auf dem Sensorträger 28 angeordnet, dass die Sensormembran 32, in die Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 projiziert, zwischen den Wirbelgeneratoren 58 angeordnet ist, wie der Darstellung der 9B zu entnehmen ist. Gemäß der projizierten Darstellung der 9B befindet sich daher ein Wirbelgenerator 58 links von der Sensormembran 32 und der andere Wirbelgenerator 58 befindet sich rechts von der Sensormembran 32. Bei der in 9A gezeigten Darstellung weisen die Wirbelgeneratoren 58 eine relativ geringe Tiefe auf, d.h. ihre Abmessung in der Hauptströmungsrichtung 18 gesehen ist relativ gering ausgeprägt im Vergleich zu ihren übrigen Abmessungen. Unmittelbar in der Hauptströmungsrichtung 18 gesehen hinter diesen Wirbelgeneratoren 58 entstehen auf dem Sensorträger 28 Bereiche niedriger Geschwindigkeiten 59, die durch zwei Ellipsen angedeutet sind. Die Wirbelgeneratoren 58 erzeugen aufgrund der Aufdickung der Grenzschichten in ihren Nachläufen links und rechts der Sensormembran 32 und daher etwas weiter stromabwärts als die durch die Ellipsen angedeuteten Bereiche, Bereiche höherer Geschwindigkeit und niedrigeren Druckes, so dass der Strömungsbereich vor und über der Sensormembran 32 von dem Zentrum der Sensormembran 32 ausgehend nach auswärts gerichtete Sekundärgeschwindigkeiten aufweist. Ferner ergeben sich links und rechts der Sensormembran 32 gegenläufig drehende Wirbel 55, deren Wirbelachsen im Wesentlichen parallel zu der Hauptströmungsrichtung verlaufen und die Partikel von der Sensormembran 32 jeweils nach außen und nach oben, also in die schnellere Hauptströmung treiben. Sowohl die Höhe als auch die Breite, die Ausdehnung in Hauptströmungsrichtung 18 oder die Position der inneren Kante der Wirbelgeneratoren bezogen auf die Lage der Sensormembran 32 können variieren.
10 zeigt eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform, die der Darstellung der 9A entspricht. Die zweite Ausführungsform stellt eine Modifikation der ersten Ausführungsform dar. Nachstehend werden nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Vergleich zu der ersten Ausführungsform weisen die Wirbelgeneratoren 58 in der Hauptströmungsrichtung 18 eine größere Tiefe auf. Die Wirbelgeneratoren 58 der zweiten Ausführungsform bewirken ähnliche Effekte wie bezüglich der ersten Ausführungsform beschrieben. Die Stärke der Sekundärströmung sollte verglichen mit der ersten Ausführungsform zunehmen.
Eine dritte Ausführungsform ist in 11 als Draufsicht gezeigt. Nachstehend werden nur die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der dritten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Wirbelgeneratoren 58 vorgesehen, die parallel zueinander in Hauptströmungsrichtung 18 auf dem Sensorträger 28 angeordnet sind und im Wesentlichen senkrecht aus der Ebene des Sensorträgers 28 vorstehen. Die Wirbelgeneratoren 58 sind beispielsweise als quaderförmige und/oder stegförmige Vorsprünge ausgebildet. Ferner weisen diejenigen Wirbelgeneratoren 58, die sich in einer Richtung quer zur Hauptströmungsrichtung 18 in oder parallel zu der Ebene des Sensorträgers 28 gesehen im Bereich des Sensorchips 30 befinden, jeweils eine Unterbrechung oder Aussparung auf, innerhalb der der Sensorchip 30 angeordnet ist. Insbesondere schließen diejenigen Wirbelgeneratoren 58, die eine Unterbrechung oder Aussparung aufweisen, mit dem Sensorchip 30 nicht bündig ab, sondern weisen einen kleinen Abstand zu dem Sensorchip 30 in und entgegen der Hauptströmungsrichtung 18 auf. In den übrigen Bereichen des Sensorträgers 28 sind die Wirbelgeneratoren 58 durchgängig von der Anströmkante 50 bis zu der in Hauptströmungsrichtung 18 gesehen hinteren Kante des Sensorträgers 28 ausgebildet. Eine ein- oder mehrfache Unterbrechung ist denkbar. Bei der dritten Ausführungsform weisen die Wirbelgeneratoren 58 eine relativ geringe Breite auf, d.h. ihre Abmessung quer zur Hauptströmungsrichtung 18 in oder parallel zu der Ebene des Sensorträgers ist relativ gering ausgeprägt im Vergleich zu ihren übrigen Abmessungen. Alternativ oder zusätzlich können auch Rillen und/oder vorspringende Stufen vorgesehen sein, die aufgrund ihrer Durchgängigkeit die Strömung führen und insbesondere im Pulsationsfall unkontrollierte seitliche Einträge von Partikeln verhindern sollen. Gleichzeitig dienen derartige Rillen als Ablauf für eventuell trotz Chipheizung niedergeschlagenes Öl. Die Höhe der vorspringenden Stufen kann dabei konstant sein oder auch bogenförmig mit der Hauptströmungsrichtung 18 zunehmen oder unter Umständen insbesondere in der Nähe der Sensormembran 32 andere geeignete Verläufe annehmen.
12 zeigt eine Darstellung einer vierten Ausführungsform, die der Darstellung der 11 entspricht. Die vierte Ausführungsform stellt eine Modifikation der dritten Ausführungsform dar. Nachstehend werden nur die Unterschiede zu der dritten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Vergleich zu der dritten Ausführungsform weisen die Wirbelgeneratoren 58 eine größere Breite auf. Ferner schließen die Wirbelgeneratoren 58, die eine Unterbrechung oder Aussparung aufweisen, mit dem Sensorchip 30 bündig ab. Die Wirbelgeneratoren 58 der vierten Ausführungsform bewirken ähnliche Effekte wie bezüglich der dritten Ausführungsform beschrieben.
Eine fünfte Ausführungsform ist in 13 als Draufsicht gezeigt. Nachstehend werden nur die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der fünften Ausführungsform befinden sich im Bereich der Anströmkante 50 zwei Wirbelgeneratoren 58, die als voneinander beabstandete, in einer Draufsicht beispielsweise rechteckige, halbkreisförmige oder quadratische Fräsungen oder Ausnehmungen in dem Sensorträger 28 ausgebildet sind. Insbesondere sind die Wirbelgeneratoren 58 derart im Bereich der Anströmkante 50 auf dem Sensorträger 28 angeordnet, dass die Sensormembran 32, in eine Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 projiziert, zwischen den Wirbelgeneratoren 58 angeordnet ist.
Die fünfte Ausführungsform erzeugt stromab der Fräsungen 58 an der Anströmkante aufgrund der Staupunktwirkung der Fräsungen 58 verglichen mit der Strömungsführung außerhalb der Fräsungen 58 an der Anströmkante 50, die ähnlich einem Tragflächenprofil abgerundet ist, eine dickere Grenzschicht in den Nachläufen der Fräsungen 58 und wirkt damit wie eine tatsächlich vorhandene Stufengeometrie gemäß der oben beschriebenen Ausführungsformen. Es bilden sich wie oben beschrieben ebenfalls Sekundärgeschwindigkeiten und gegenläufig rotierende Wirbel 55 mit jeweils einer Wirbelachse parallel zu der Hauptströmungsrichtung 18.
Eine sechste Ausführungsform ist in 14 als Ansicht in der Hauptströmungsrichtung gezeigt. Nachstehend werden nur die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der sechsten Ausführungsform sind ähnlich der vierten Ausführungsform zwei Wirbelgeneratoren 58 vorgesehen, die parallel zueinander in Hauptströmungsrichtung 18 auf dem Sensorträger 28 angeordnet sind und im Wesentlichen senkrecht aus der Ebene des Sensorträgers 28 vorstehen. Die Wirbelgeneratoren 58 sind beispielsweise als quaderförmige und/oder stegförmige Vorsprünge ausgebildet. Insbesondere sind die Wirbelgeneratoren 58 derart auf dem Sensorträger 28 angeordnet, dass die Sensormembran 32, in eine Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 projiziert, zwischen den Wirbelgeneratoren 58 angeordnet ist. Bei der sechsten Ausführungsform sind die Wirbelgeneratoren 58 vergleichsweise hoch und breit ausgebildet. Bei der in 14 gezeigten sechsten Ausführungsform sind Variationen nicht nur in der Position und in der Anzahl, sondern auch asymmetrische Anordnungen aufgrund der Zuströmung denkbar, die die Breite, die Höhe oder den Höhenverlauf betreffen. Auch in der Formgebung quer zur Hauptströmungsrichtung 18 sind andere Formgebungen denkbar. Beispielsweise können die als Vorsprünge gezeigten Wirbelgeneratoren 58 auch halbkreisförmig oder mit Radien an den beiden Kanten versehen sein.
15 zeigt eine Darstellung einer siebten Ausführungsform, die der Darstellung der 14 entspricht. Die siebte Ausführungsform stellt eine Modifikation der sechsten Ausführungsform dar. Nachstehend werden nur die Unterschiede zu der sechsten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Vergleich zu der sechsten Ausführungsform weisen die Wirbelgeneratoren 58 eine geringere Breite und Höhe auf. Die Wirbelgeneratoren 58 der siebten Ausführungsform bewirken ähnliche Effekte wie bezüglich der sechsten Ausführungsform beschrieben und können ebenfalls die dort beschriebenen bautechnischen Alternativen aufweisen.
16 zeigt eine Darstellung einer achten Ausführungsform in einer perspektivischen Draufsicht. Die achte Ausführungsform stellt eine Modifikation der sechsten oder siebten Ausführungsform dar. Nachstehend werden nur die Unterschiede zu der sechsten oder siebten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Vergleich zu der sechsten oder siebten Ausführungsform sind die zwei Wirbelgeneratoren 58 in der Hauptströmungsrichtung 18 bogenförmig ausgebildet, d.h. ihre Höhe nimmt in Hauptströmungsrichtung 18 gesehen von der Anströmkante 50 bis zu dem Sensorchip 30 hin zu und stromabwärts des Sensorchips 30 nimmt die Höhe in Hauptströmungsrichtung 18 zu der Hinterkante hin ab. Insbesondere ist ein Wirbelgenerator 58 durchgängig ausgebildet und derjenige Wirbelgenerator 58, der sich in einer Richtung quer zur Hauptströmungsrichtung 18 in oder parallel zu der Ebene des Sensorträgers 28 gesehen im Bereich des Sensorchips 30 befindet, weist eine Unterbrechung oder Aussparung auf, innerhalb der der Sensorchip 30 angeordnet ist. Die Wirbelgeneratoren 58 der achten Ausführungsform bewirken ähnliche Effekte wie bezüglich der sechsten Ausführungsform beschrieben und können ebenfalls die dort beschriebenen bautechnischen Alternativen aufweisen.
Eine neunte Ausführungsform ist in 17 als Seitenansicht in der Hauptströmungsrichtung 18 gezeigt. Die neunte Ausführungsform stellt eine Modifikation der sechsten oder siebten Ausführungsform dar. Nachstehend werden nur die Unterschiede zu der sechsten oder siebten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der neunten Ausführungsform sind zusätzlich zu den zwei Wirbelgeneratoren 58 zwei Rillen 60 vorgesehen, die sich in dem Sensorträger zwischen den Wirbelgeneratoren 58 derart von der Anströmkante 50 bis zu der in Hauptströmungsrichtung 18 gesehen Hinterkante des Sensorträgers 28 erstrecken, dass sich die Sensormembran 32 zwischen den Rillen 60 befindet. Dies trägt dem Umstand Rechnung, dass Ölansammlungen stromauf- und stromabwärts der Sensormembran 32 die Grenzschicht in unmittelbarer Umgebung der Sensormembran 32 verändern. Veränderungen im Wärmetransport von der Sensormembran 32 in die Luft sind daher zu erwarten. Bei richtiger Auslegung sollten die Rillen 60 in unverschmutztem Zustand für die Grenzschicht keine Rolle spielen, da sie lediglich impulsarmes Fluid enthalten. Im Kontaminationsfall allerdings sollten die Rillen 60 Öltröpfchen aufnehmen und eine tatsächliche lokale Aufdickung der effektiven Strömungskontur vor oder stromaufwärts der Sensormembran 32 vermeiden.
Die erfindungsgemäßen Ausbildungen der Sensorträger 28 können entsprechende weitere Modifikationen oder bautechnische Alternativen aufweisen. Insbesondere wird explizit betont, dass auch Kombinationen der beschriebenen Geometrien an Wirbelgeneratoren 58 möglich sind.
Die 18A zeigt zwei Ergebnisse einer Strömungssimulation mit unterschiedlichen Luftmassenströmen, wobei keine der erfindungsgemäßen Ausbildungen Verwendung gefunden hat. Die geometrische Konfiguration zeigt also die Strömungssituation ohne erfindungsgemäß induzierte Sekundärströmungen. Insbesondere sind bei den Simulationsergebnissen das jeweilige Geschwindigkeitsfeld in einem Sensorbereich 32, die Wandschubspannung auf dem Sensorträger 28, die Isofläche der Wirbelstärke 64 und Wandstromlinien 66 eingezeichnet. Insbesondere zeigt die linke Darstellung der 18A einen Sensorträger 28, der von einem Luftmassenstrom von 90 kg/h angeströmt wird, und die rechte Darstellung zeigt einen Sensorträger 28, der von einem Luftmassenstrom von 200 kg/h angeströmt wird. Die Hauptströmungsrichtung 18 verläuft dabei in einer Richtung der negativen Richtung der gezeigten Z-Achse und die Oberfläche des Sensorträgers 28 liegt in einer Ebene, die von der Y-Achse und der Z-Achse aufgespannt wird. Ferner ist das jeweilige Geschwindigkeitsfeld in unmittelbarer Nähe eines Sensorbereichs, wie beispielsweise einer Sensormembran 32, in der Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 gezeigt. Die jeweiligen Geschwindigkeitsfelder sind in 18B vergrößert dargestellt. Die unterschiedlich punktierten Bereiche geben dabei die unterschiedlichen Geschwindigkeiten an, wobei eine stärker punktierte Darstellung einer höheren Geschwindigkeit entspricht. Die Strömungen zeigen zeigen deutlich unterschiedliche Geschwindigkeitsfelder in Höhe der Sensormembran 32, deutlich unterschiedliche Wandschubspannungen 62 auf dem Sensorträger, deutliche Unterschiede in den Isoflächen der Wirbelstärke 64 und Abweichungen im Verlauf der Wandstromlinien 66 als Ergebnis numerischer Strömungssimulationen für die beiden Fälle 90 kg/h und 200 kg/h. Beispielsweise verlaufen die Wandschubspannungen 62 in dem mit 90 kg/h angeströmten Beispiel in der positiven Richtung der X-Achse stromaufwärts des Sensorbereichs 32 relativ gerade und sind als heller Streifen erkennbar, wohingegen die Wandschubspannungen 62 in dem mit 200 kg/h angeströmten Beispiel in der genannten Richtung einen annähernd sinusförmigen Verlauf einnehmen. Die erfindungsgemäßen Ausbildungen sollen für eine Reduzierung der Strömungsunterschiede bei unterschiedlichen Luftmassenströmen sorgen. Beispielsweise sollen die Abweichungen bezüglich der Ausbildung der Wandschubspannungen 62 und des in 18B gezeigten Geschwindigkeitsprofiles zwischen dem Strömungsfall mit 90 kg/h und dem Fall mit 200 kg/h reduziert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 103455084 A1 [0006]
DE 102008042155 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 146148 [0002]

Claims

Sensoranordnung (10) zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines durch einen Kanal (14, 20, 24) strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, wobei die Sensoranordnung (10) mindestens einen in dem Kanal (14, 20, 24) angeordneten Sensorchip (30) zur Bestimmung des Parameters des fluiden Mediums aufweist, wobei der Sensorchip (30) in einem in den Kanal (14, 20, 24) ragenden Sensorträger (28) aufgenommen ist, der Sensorträger (28) eine quer zur Strömung des fluiden Mediums angeordnete Anströmkante (50) aufweist, wobei wenigstens im Bereich der Anströmkante (50) mindestens ein Wirbelgenerator (58) vorgesehen ist, der zum Ausbilden von Sekundärströmungen, insbesondere in Form von Wirbeln (55), in dem strömenden fluiden Medium im Bereich des Sensorträgers (28), insbesondere im Bereich des Sensorchips (30), bevorzugt in unmittelbarer Nähe eines Sensorbereichs (32), insbesondere einer mikromechanischen Sensormembran, eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärströmungen in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung (18) des fluiden Mediums verlaufen.
Sensoranordnung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Sensorträger (28) im Wesentlichen eine Ebene in der Hauptströmungsrichtung (18) definiert und der mindestens eine Wirbelgenerator (58) in Form mindestens eines Vorsprungs ausgebildet ist, der aus der Ebene des Sensorträgers (28) vorsteht.
Sensoranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Wirbelgenerator (58) mindestens bereichsweise entlang der Anströmkante (50) und/oder entlang einer in der Hauptströmungsrichtung (18) des fluiden Mediums gesehen hinteren Kante des Sensorträgers (28) ausgebildet ist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Wirbelgenerator (58) quer zu der Hauptströmungsrichtung (18) angeordnet ist.
Sensoranordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich der mindestens eine Wirbelgenerator (58) mindestens bereichsweise von der Anströmkante (50) bis zu einer in der Hauptströmungsrichtung (18) des fluiden Mediums gesehen hinteren Kante des Sensorträgers (28) erstreckt.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Wirbelgenerator (58) im Wesentlichen halbkreisförmig ausgebildet ist.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorchip (30) mindestens einen Sensorbereich (32) aufweist und mindestens zwei Wirbelgeneratoren (58) derart angeordnet sind, dass sich zumindest der Sensorbereich (32), in eine Ebene senkrecht zu der Strömung des fluiden Mediums projiziert, zwischen den Wirbelgeneratoren (58) befindet.
Sensoranordnung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die mindestens zwei Wirbelgeneratoren (58) derart ausgebildet sind, dass die Sekundärströmungen zumindest im Bereich des Sensorbereichs (32) aufgrund mehrerer Wirbel (55) mit der jeweiligen Wirbelachse parallel zu der Hauptströmungsrichtung (18) des fluiden Mediums und in zueinander entgegengesetzter Drehrichtung ausgebildet werden.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Wirbelgeneratoren (58) in der Hauptströmungsrichtung (18) verlaufend und parallel zueinander angeordnet sind.
Sensoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Wirbelgenerator (58) als Vertiefung in dem Sensorträger (28), bevorzugt an der Vorderkante des Sensorträges (28) ausgebildet ist, die in der Hauptströmungsrichtung (18) verläuft.