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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Abgasmassenstrombestimmung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Gehäuse, einem Kanal mit einer stetigen Umlenkung und einem Massenstromsensor.
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In modernen Verbrennungsmotoren wird Abgas in den Verbrennungsprozess zurückgeführt, um den Ausstoß von Schadstoffen zu verringern. Um eine genaue Dosierung des rückzuführenden Abgases zu gewährleisten, ist es wichtig, in jedem Betriebszustand eine möglichst exakte Messung des Abgasmassenstroms zu erreichen. Durch die immer kompakteren Bauformen moderner Verbrennungsmotoren ist es sehr schwierig, Bereiche zu erhalten, in denen eine gleichgerichtete Strömung gegeben ist, ohne die eine exakte Messung des Abgasmassenstroms nicht möglich ist. Turbulenzen, die durch verschlungene Kanalführungen und Pulsationen des Motors, insbesondere bei Lastwechseln, auftreten, verhindern eine aussagekräftige Messung des Abgasmassenstroms.
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Aus der
WO 2011 128 194 A1 ist ein Abgaskühlmodul bekannt, in dessen Verlauf eine Anordnung zur Bestimmung des Abgasmassenstroms hinter dem Abgaskühlmodul angeordnet ist. Um die Menge des rückgeführten Abgases exakt bestimmen zu können, ist stromabwärts der Umlenkung hinter dem Abgaskühlmodul in der Abgasrückführleitung ein Abgasmassenstromsensor in einem gewissen Abstand angeordnet. Dadurch hat der Abgasstrom eine gewisse Wegstrecke, auf der sich die Verwirbelungen auflösen können. Das aber steht dem Ziel einer kompakten Bauform entgegen.
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Die
DE 10 2010 045 985 A1 offenbart eine kompakte Luftzuführung einer Brennkraftmaschine, die einen sehr verschlungenen Strömungsverlauf aufweist. Um dennoch eine aussagekräftige Messung des Abgasmassenstroms zu erreichen, ist im Luftkanal ein Luftleitelement angeordnet das den Abgasstrom in mehrere Teilströme aufteilt und dadurch den für die Ausbildung von Verwirbelungen verantwortlichen, großen Durchströmungsquerschnitt verkleinert. Der Abgasmassenstromsensor ist stromabwärts des Luftleitelements hinter einer der Leitflächen mittig im Luftkanal angeordnet. Somit wird zwar der Luftstrom entlang der Umlenkung geführt und eine Ausbildung von Wirbeln vermindert, aber durch die unvermeidbaren Verwirbelungen durch die stromabwärtigen Enden der Leitflächen, insbesondere durch die Leitfläche, in deren Verlängerung der Abgasmassenstromsensor angeordnet ist, treten neue Verwirbelungen auf, die das Meßergebnis verfälschen.
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Des Weiteren ist aus der
DE 10 2006 058 425 A1 ein Abgasmassenstromsensor bekannt, der in einer Abgasrückführleitung angeordnet ist. Um die Sensorelemente ist ein kleineres düsenförmiges Strömungsrohr angeordnet, welches als Luftleitelement am Sensor dient. Eine Möglichkeit zur Aufteilung und Vergleichmäßigung des Abgasstroms stromaufwärts des Sensors wird nicht offenbart.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Anordnung zur Abgasmassenstrombestimmung für eine Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, mit der eine sehr exakte Messung des Abgasmassenstroms in jedem Betriebszustand bei zugleich geringen Abmessungen, minimalem Druckverlust und geringer Anfälligkeit gegen Verrußung und niedrigen Produktionskosten realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass sich im Kanal stromaufwärts des Massenstromsensors in Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen entlang der Umlenkung ein Anströmkanal erstreckt, wobei der Massenstromsensor in einer zur Erstreckungsebene des Sensorelements senkrechten Richtung mittig in Verlängerung des Anströmkanals angeordnet ist. Der durch die Abgrenzung eines Teilstroms in einem Anströmkanal geführte Teil des Abgasstrom trifft auf einem geradlinigen Abschnitt des Kanals stromabwärts des Anströmkanals auf den Massenstromsensor. Durch die mittige Anordnung des Sensorfeldes wird die Verfälschung der Messergebnisse durch Verwirbelungen, die durch die stromabwärtigen Enden der Wände des Anströmkanals unvermeidbar sind, minimiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anströmkanal stetig ausgebildet. Dadurch werden neue Verwirbelungen vermieden und der Druckverlust wird minimiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Anströmkanal durch zueinander senkrecht angeordnete erste und zweite Trennwände gebildet, wobei sich zumindest eine erste Trennwand entlang der Umlenkung und zwei zweite Trennwände senkrecht dazu erstrecken. Diese Ausführungsform ist besonders einfach zu realisieren und minimiert dabei die Anzahl der benötigten Trennwände.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist am stromaufwärtigen Ende des Kanals ein Rückschlagventil mit mindestens einem Klappenelement angeordnet. Durch das Rückschlagventil werden Rückströmungen durch Druckunterschiede, die hauptsächlich durch Pulsationen entstehen, unterbunden.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform weist der Kanal eine Einschnürung auf, stromabwärts derer sich zwei zweite Trennwände parallel zur Hauptströmungsrichtung erstrecken. Durch die Einschnürung und die dadurch bedingten geringen Abständen zwischen den Blattfederelementen und den den jeweiligen Blattfederelementen gegenüberliegenden Wandabschnitten des Kanals, wird der Raum, in dem und durch den Verwirbelungen entstehen können, minimiert. Zudem hat die Einschnürung den Effekt einer Düse, wodurch zusätzlich ein Rückströmen vermindert wird. Durch die zwei zweiten Trennwände wird ein Bereich annähernd konstanten Durchströmungsquerschnitts zwischen den Trennwänden von den stark verwirbelten Bereichen zwischen den Trennwänden und den jeweils gegenüberliegenden Flächen der Wand des Kanals getrennt.
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In einer vorteilhaften bevorzugten Ausführungsform sind die zweiten Trennwände so angeordnet, dass deren Abstand im Wesentlichen dem geringsten Abstand der den Kanal begrenzenden Wände an der Einschnürung entspricht. Diese Ausführungsform ist strömungstechnisch besonders sinnvoll und minimiert Verwirbelungen an den stromaufwärtigen Enden der zweiten Trennwände.
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In einer alternativen Ausführungsform sind die zweiten Trennwände in Hauptströmungsrichtung in Verlängerung zweier maximal geöffneter Klappenelemente des Rückschlagventils angeordnet. Somit wird eine optimale Anströmung auch bei maximal geöffnetem Rückschlagventil erreicht.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die mittlere Ausdehnung der Trennwände in Längsrichtung des Kanals größer als der maximale Durchmesser des Kanals stromabwärts der Umlenkung und stromaufwärts des Massenstromsensor. Somit wird verhindert, dass die Teilströme wieder zusammenfließen bevor jeder Teilstrom eine ausreichende Gleichrichtung erreicht hat.
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Vorteilhafterweise teilt die erste Trennwand an ihrem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Ende den Kanal in Teilkanäle mit annähernd gleichen Durchströmungsquerschnitten auf. Dadurch wird eine Teilung des Hauptstroms in zwei annähernd gleich große Teilströme unterstützt. Zusätzlich werden Druckunterschiede in den Teilkanälen minimiert.
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Vorzugsweise ist ein stromaufwärtiges Ende der ersten Trennwand im Ausströmbereich und parallel zum Austrittsquerschnitt des Rückschlagventils angeordnet. Dadurch wird eine frühzeitige und gleichmäßige Trennung der Teilströme erreicht. Der Teilstrom zweier zueinander trapezförmig angeordneten Klappenelemente wird vom benachbarten Teilstrom der zwei anderen zueinander trapezförmig angeordneten Klappenelemente nicht mehr verwirbelt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die stromabwärtigen Enden der zweiten Trennwände stromaufwärts des stromabwärtigen Endes der ersten Trennwand angeordnet. Dadurch werden die Teilströme in zwei Stufen zusammengeführt, so dass die unvermeidbar auftretenden Verwirbelungen nicht zugleich, sondern nacheinander auftreten.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die stromabwärtigen Enden der Trennwände senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordnet, wodurch die unvermeidlichen Verwirbelungen minimert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Trennwände als Blecheinlegeteil ausgebildet. Blecheinlegeteile sind einfach und kostengünstig herzustellen und können an bestehende Gehäuse angepasst und einfach nachgerüstet werden.
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In einer alternativen Ausführung sind die Trennwände als Spritz-, Sand- oder Druckgussteil ausgebildet. Dadurch kann die Form der Trennwände freier gestaltet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Trennwände zumindest teilweise einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet, wodurch die Anzahl der Teile verringert wird, was den Zusammenbau vereinfacht.
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Vorzugsweise ist der Massenstromsensor ein Abgasmassenstromsensor, der nach dem Prinzip der Heißfilm-Anemometrie arbeitet. Durch die Heißfilm-Anemometrie ist es möglich, sehr genaue Messwerte zu bestimmen.
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Somit wird eine Anordnung zur Abgasmassenstrombestimmung geschaffen, die unanfällig gegen Pulsationen ist und eine exakte Bestimmung des Abgasmassenstroms bei zugleich kompakten Abmessungen ermöglicht und dadurch kostengünstige Bauformen erlaubt. Durch die geringe Anzahl von Trennwänden und den Verzicht auf zusätzliche strömungsgleichrichtende Bauelemente wird eine Verfälschung der Messwerte durch fortschreitende Verschmutzung der abgasumströmten Bauteile dauerhaft vermieden.
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Weitere wesentliche Merkmale und eine bevorzugte Ausführungsform werden im Folgenden anhand der Figur beschrieben.
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1 zeigt eine geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Abgasmassenstrombestimmung.
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2 zeigt eine um 90° Grad gedrehte Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung zur Abgasmassenstrombestimmung in geschnittener Darstellung entlang der Schnittlinie II-II der 1.
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3 zeigt eine um 90° Grad gedrehte Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung zur Abgasmassenstrombestimmung in geschnittener Darstellung entlang der Schnittlinie III-III der 1.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung zur Abgasmassenstrombestimmung 10 dargestellt, die ein Gehäuse 12 mit einem Kanal 20 mit einer stetigen Umlenkung aufweist, an dessen stromaufwärtigen Ende ein Rückschlagventil 14 angeordnet ist. Stromabwärts davon sind zueinander senkrechte Trennwände 26, 28 angeordnet, die den Kanal 20 in sechs Teilkanäle 23 aufteilen.
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Stromabwärts der ersten Trennwand 26 und der zwei zweiten Trennwände 28 ist eine zur Wand 30 des Kanals 20 senkrechte Bohrung angeordnet. In dieser Bohrung ist ein Massenstromsensor 24 angeordnet, dessen Sensorfeld 38 in den Kanal 20 hineinragt und mittig in Verlängerung eines Anströmkanals 22 angeordnet ist. Dabei ist es für eine exakte Bestimmung des Abgasmassenstroms, insbesondere bei der Verwendung eines Sensors der nach dem Prinzip der Heißfilm-Anemometrie arbeitet, wichtig, dass die Meßsensoren des Sensorfeld 38 in Hauptströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
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Das Rückschlagventil 14 ist als vierflutiges Klappenventil ausgebildet, wobei jedes der vier Klappenelemente 16 eine Durchtrittsöffnung, ein die Durchtrittsöffnung im unbelasteten Zustand verschließendes Blattfederelement und eines auf dem Blattfederelement mittels Schrauben 40 befestigten, die maximale Öffnung des Blattfederelements begrenzenden Gegenhalter 34 aufweist. Dabei sind je zwei Klappenelemente 16 trapezförmig zueinander und nebeneinander angeordnet. Das Rückschlagventil 14 ist im Gehäuse 12 mit nicht dargestellten Befestigungsmitteln fixiert, wobei ein Teil des Rückschlagventils 14 als Dichtfläche 36 zum Gehäuse 12 ausgebildet ist. Stromabwärts des Rückschlagventil 14 sind zueinander senkrecht angeordnete erste und zweite Trennwände 26, 28 ausgebildet die den Kanal 20 in Teilkanäle 23 aufteilen.
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Dabei erstreckt sich die erste Trennwand 26 von einem Ausströmbereich des Rückschlagventils 14 in Hauptströmungsrichtung entlang und bis hinter die Umlenkung.
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Ein stromaufwärtiges Ende 46 der ersten Trennwand 26 ist parallel zum Austrittsquerschnitt des Rückschlagventils 14 und zwischen zwei je trapezförmig angeordneten Klappenelementpaaren ausgebildet. Dabei ist das stromaufwärtige Ende 46 der ersten Trennwand 26 stromabwärts der durch Schrauben 40 mit einem Ventilkörper verbundenen Seite der Blattfederelemente und Gegenhalter 34 und stromaufwärts der dieser entgegengesetzten Seite der Blattfederelemente und Gegenhalter 34 angeordnet, wodurch ein Verwirbeln der zwei Teilströme im Ausströmbereich verhindert wird. Ein stromabwärtiges Ende 48 der ersten Trennwand 26 ist senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ausgebildet und stromabwärts zweier ebenso senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ausgebildeten stromabwärtigen Enden 44 der zweiten Trennwände 28 angeordnet.
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Die beiden zweiten Trennwände 28 sind so angeordnet, dass sie den zuvor schon durch die erste Trennwand 26 halbierten Kanal 20, in sechs Teilkanäle 23 aufteilt. Dabei sind die beiden zweiten Trennwände 28 so angeordnet, dass ihr Abstand zueinander dem Abstand zweier maximal geöffneter Blattfederelemente zweier trapezförmig zueinander angeordneter Klappenelemente 16 entspricht, wobei die Abstände zwischen voneinander weg weisenden Flächen der zweiten Trennwände 28 und gegenüberliegenden Abschnitten der Wand 30 gleich groß sind, die Trennwände also symmetrisch zur Kanalachse angeordnet sind. Stromabwärts des stromabwärtigen Endes 48 der ersten Trennwand 26 ist der Massenstromsensor 24 angeordnet. Wie in 3 besonders gut zu erkennen ist, ist der Massenstromsensor 24 so angeordnet, dass ein Sensorfeld 38 zur Bestimmung des Abgasmassenstroms, das an der Spitze des in den Kanal 20 ragenden Endes des Massenstromsensors 24 angeordnet ist, mittig in Verlängerung des Anströmkanals 22 angeordnet ist.
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Das rückgeführte Abgas strömt durch die in den Klappenelementen 16 ausgebildeten Durchtrittsöffnungen sobald ein ausreichender Druck vorhanden ist, der die Blattfederelemente der Klappenelemente 16 öffnet. Dabei ist die Anströmung des Rückschlagventils 14 in Abhängigkeit des Motorlastpunktes unterschiedlich und nur bedingt berechenbar. Hinter den und durch die Klappenelemente 16 treten Verwirbelungen auf. Durch die erste Trennwand 26 wird der Abgasstrom so früh wie möglich in zwei Teilströme getrennt und der Kanal 20 in zwei annähernd gleich große Anteile aufgeteilt. Dabei wird durch die Kontur der den Blattfederelementen entgegengesetzten Flächen der Wand 30 der nicht genutzte Raum, in dem Wirbel entstehen können, möglichst minimiert. Ein Ineinanderströmen der Teilströme und dadurch ausgelöste Verwirbelungen werden verhindert.
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Stromabwärts des stromaufwärtigen Endes der ersten Trennwand 46 und der maximalen Einschnürung vergrößert sich der Durchströmungsquerschnitt stetig, bis er einen maximalen Durchströmungsquerschnitt erreicht hat. Stromabwärts der Einschnürung und bedingt durch die stetige Vergrößerung des Durchströmungsquerschnittes und den dadurch bedingten Druckverlust treten an den Wänden 30 neue Verwirbelungen auf. Die zwei zweiten Trennwände 28 teilen den Abgasstrom in nun sechs Teilkanäle 23 auf, wobei der Abstand der zweiten Trennwände 28 zueinander so gewählt ist, dass der mittlere, weitgehend gleichgerichtete Teil des Abgasstroms in den Anströmkanal 22 strömt. Die zweiten Trennwände 28 sind parallel zueinander und die der Umlenkung folgende erste Trennwand 26 ist in annähernd konstantem Abstand zum, der ersten Trennwand 26 gegenüberliegenden Abschnitt der Wand 30 angeordnet, so dass der Durchströmungsquerschnitt des Anströmkanals 22 über seine gesamte Länge ohne Querschnittsprünge ist. In dem Anströmkanal 22 können sich dadurch nur noch kleinere Verwirbelungen ausbilden, welche sich nach einer erheblich kürzeren Strecke soweit homogenisiert haben, dass eine ausreichend gleichgerichtete Strömung entsteht. Nachdem der Abgasstrom zuerst die stromabwärtigen Enden 44 der zweiten Trennwände 28 und darauf das stromabwärtige Ende 48 der ersten Trennwand 26 passiert hat, trifft der Teil des Abgasstrom, der durch den Anströmkanal 22 geflossen ist, auf das Sensorfeld 38 des Abgasmassenstromsensors, wodurch eine für den gesamten Abgasmassenstrom aussagekräftige Messung des Teilabgasmassenstroms ermöglicht wird.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
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Denkbar wären auch andere, abweichende Bauformen des Gehäuses und der Trennwände die mit Hilfe von Strömungssimulationen errechnet werden. Auch sind Ausführungen mit vier, acht oder mehr Klappenelementen und der entsprechenden Anzahl von Unterkanälen vorstellbar.
