DE102013200344A1

DE102013200344A1 - Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums

Info

Publication number: DE102013200344A1
Application number: DE201310200344
Authority: DE
Inventors: Achim Briese
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-07-17
Also published as: CN103925956A; ES2534704A2; FR3001033A1; FR3001033B1; ES2534704R1; ES2534704B1; CN103925956B

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung (100) zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft eines mit einer Hauptströmungsrichtung (18) strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, vorgeschlagen. Die Sensoranordnung (100) weist einen in einem Strömungsrohr (50) angeordneten Steckfühler (12), der einen Sensor (32) zur Bestimmung der Strömungseigenschaft des fluiden Mediums und mindestens eine der Hauptströmungsrichtung (18) entgegenweisende Einlassöffnung (16) aufweist, und mindestens ein in der Hauptströmungsrichtung (18) stromaufwärts des Steckfühlers (12) angeordnetes Flügelgitter (74) auf. Das Flügelgitter (74) weist zum Umlenken des fluiden Mediums in die am Steckfühler (12) herrschende Hauptströmungsrichtung (18) mehrere Flügel (75) und Stege (76) auf. Die Flügel (75) sind zumindest abschnittsweise kreisförmig, elliptisch oder mit variablem Radius angeordnet. Die Flügel (75) sind so angeordnet, dass sie zur Reduzierung von Strömungsschwankungen sowie zur Erzeugung von homogenen, hohen Strömungsgeschwindigkeiten am Steckfühler (12) einen Anstellwinkel (α) von 0° bis 90°, bevorzugt von 0° bis 20° und besonders bevorzugt von 0° bis 10° aufweisen.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung 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, S. 146–148 beschrieben sind. Derartige Heißfilmluftmassenmesser basieren in der Regel auf einem Sensorchip, insbesondere einem Silicium-Sensorchip, mit einer Messoberfläche, 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.
Damit der Heißfilmluftmassenmesser ein möglichst störungsarmes Luftmassensignal liefern kann, ist eine möglichst gleichmäßige Zuströmung zu dem Steckfühler und durch den Bypasskanal in diesem und insbesondere über die Messoberfläche des Sensorchips wichtig. Der Bypasskanal stellt dabei den Messkanal dar, in welchem wiederum ein Sensorträger mit dem Sensorchip eingebracht ist. Der Sensorchip trägt die Membran und die Temperaturfühler.
Üblicherweise befindet sich bei Brennkraftmaschinen das Strömungsrohr an einem Luftfilterauslass. Daher entspricht der Auslass des Luftfilters dem Einlass des Strömungsrohrs. Bei der Durchströmung von der Rohluftseite durch den Luftfilter zu dem Strömungsrohr mit dem Heißfilmluftmassenmesser treten häufig starke Umlenkungen auf. Insbesondere im Bereich des Eintritts in das Strömungsrohr existieren in der Nähe der Strömungsrohrwand Gebiete mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Entsprechend sind die Stromlinien stark umgelenkt und verlaufen in der Nähe der Strömungsrohrwand nicht parallel zu seiner Achse. In den wandnahen Gebieten kann es dabei Gebiete mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit oder sogar zu Strömungsablösungen mit Rückströmungsbereichen kommen. Derartige Veränderungen des Geschwindigkeitsfeldes wirken sich bis zu dem Kernbereich der Strömung aus und können insbesondere bei unterschiedlichen Luftmassenströmen recht sprunghaft auftreten. Außerdem führen insbesondere Ablösungen zu zeitlich veränderlichen Geschwindigkeitsfeldern. Aufgrund der Veränderungen des Strömungsfeldes in der Nähe des Einlasses und des Auslasses des Heißfilmluftmassenmessers ergibt sich damit eine schlechtere Reproduzierbarkeit des Signals und ein erhöhtes Signalrauschen. Ferner erhöht sich durch solche Strömungsablösungen der Druckabfall.
In 1 ist eine herkömmliche Sensoranordnung 10 zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft eines mit einer Hauptströmungsrichtung 18 strömenden fluiden Mediums gezeigt. Die Sensoranordnung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Heißfilmluftmassenmesser ausgestaltet und umfasst einen Steckfühler 12, welcher beispielsweise in ein Strömungsrohr, insbesondere einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, eingesteckt werden kann. In dem Steckfühler 12 ist eine Kanalstruktur 14 aufgenommen, welche über eine Einlassöffnung 16, die im eingesetzten Zustand einer Hauptströmungsrichtung 18 des fluiden Mediums entgegenweist, eine repräsentative Menge des fluiden Mediums strömen kann. Die Kanalstruktur 14 weist einen Hauptkanal 20 auf, welcher in einen Hauptstromauslass 22 auf der Unterseite bezogen auf die Darstellung in 1 des Steckfühlers 12 mündet, sowie einen von dem Hauptkanal 20 abzweigenden Bypass- bzw. Messkanal 24, welcher in einen ebenfalls auf der Unterseite bezogen auf die Darstellung in 1 des Steckfühlers 12 angeordneten Bypass- oder Messkanalauslass 26 mündet. In den Messkanal 24 ragt ein Sensorträger 28 mit üblicherweise annähernd rechteckigem Querschnitt und abgerundeter Vorderkante, die dem in Messkanal 24 strömenden fluiden Medium gewöhnlich, d.h. außer bei Rückströmungen, entgegenweist. 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. Die Sensormembran 32 bildet den eigentlichen Sensor, d.h. sie ist das Bauteil, das die zu erfassenden Parameter erfasst bzw. ermittelt. Der Sensorträger 28 mit dem Sensorchip 30 ist Bestandteil eines Elektronikmoduls 34. Dieses Elektronikmodul 34 weist ein gebogenes Bodenblech 36 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 30 ist mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung 40 über elektrische Verbindungen 42, welche hier als Draht-Bonds ausgestaltet sind, elektrisch verbunden. Das derart entstandene Elektronikmodul 34 wird in einen Elektronikraum 44 in ein Gehäuse 46 des Steckfühlers 12, in welchem auch die Kanalstruktur 14 in Verbindung mit den die Kanalstrukturmitausbildenden Merkmalen des Deckels 48 ausgebildet ist, eingebracht, wie beispielsweise eingeklebt. Dies erfolgt derart, dass der Sensorträger 28 dabei in die Messkanal 24 hineinragt. Anschließend werden der Elektronikraum 44 und die Kanalstruktur 14 durch Deckel 48 verschlossen.
2 zeigt die Anordnung des Steckfühlers 12 in einem Strömungsrohr 50 und deren Montageposition an einem Luftfilter 52 in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine. Insbesondere sind durch Pfeile die verschiedenen Bereiche der Strömung der Ansaugluft und deren Umlenkungen zwischen einem Luftfilterelement 54 und einem Einlassbereich 56 in das Strömungsrohr 50 bzw. der Sensoranordnung 10 gezeigt. Aus der Zeichnung ergibt sich, dass es Bereiche 58 der Strömung der Ansaugluft gibt, die eine scharfe Umlenkung von bis zu ungefähr 180° erfahren. Wie der Darstellung der 3A zu entnehmen ist, die das Ergebnis einer Strömungssimulation im Bereich des Auslasses eines Reinluftrohres bzw. der Reinluftseite eines Luftfilters, der bzw. die sich rechts in 3A befindet, und im Bereich des Eintritts 56 in das Strömungsrohr 50, der sich links in 3A befindet, zeigt, existieren im Bereich des Eintritts in das Strömungsrohr 50 daher in der Nähe der Innenseite der Wand 60 des Strömungsrohrs 50 Gebiete 62 mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit und die Stromlinien verlaufen insbesondere in der Nähe der Wand 60 nicht parallel zur Achse des Strömungsrohrs 50. Im Bereich des Auslasses des Reinluftrohres ist die Strömungsgeschwindigkeit mit ungefähr 2 m/s bis 4 m/s vergleichsweise niedrig und nimmt dann in Richtung zu dem Strömungsrohr 50 hin zu. In der Mitte des Strömungsrohrs herrschen beispielsweise Strömungsgeschwindigkeiten von 18 m/s bis 20 m/s. Die Werte der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten sind dabei nicht als allgemein gültige Werte zu verstehen, die für alle Sensoranordnungen gelten, sondern sollen nur die relativen Unterschiede der Strömungsgeschwindigkeiten verdeutlichen. Entsprechend sind für die beschreibenen Effekte nur hohe und niedrige Strömungsgeschwindigkeiten als relativ zueinander von Bedeutung und die Absolutwerte können sich von Sensoranordnung zu Sensoranordnung unterscheiden.
3B zeigt ein Geschwindigkeitsprofil der Sensoranordnung gemäß 1 am Auslass des Luftfilters 52 bzw. am Einlass 56 in das Strömungsrohr 50. Das Geschwindigkeitsprofil weist daher eine deutliche Asymmetrie auf. Dort verlassen die wandnahen Stromlinien die unmittelbare Nähe der Wand 60 und ein Bereich mit negativen, also entgegen der Hauptströmung gerichteten Geschwindigkeiten, entsteht. Das Geschwindigkeitsprofil entsteht für den Fall in Strömungsrichtung ansteigenden Druckes. Der Geschwindigkeitsgradient an der Wand 60 ist zunächst noch am Einlass 56 positiv. Weiter stromab allerdings wird der Geschwindigkeitsgradient zu Null und die Grenzschichtströmung löst in diesem Bereich 64 ab. Stromab des Ablösebereichs 64 entsteht ein Rückströmungsbereich. Dort sind negative Geschwindigkeitsgradienten an der Wand 60 und negative, entgegen der Hauptströmung gerichtete Geschwindigkeiten, vorhanden. Grundsätzlich nimmt die Geschwindigkeit von der Wand 60 in Richtung zu der Mitte des Strömungsrohrs 50 zu.
Solch eine Strömungstopologie ist zeitlich nicht stabil. Die Ausdehnung in radialer und in Hauptströmungsrichtung 18 variiert mit der Zeit. Diese Änderungen wirken sich bis zu einem Kernbereich 65 der Strömung aus. Aufgrund der Veränderungen des Strömungsfeldes bzw. der Außenströmung um den als Steckfühler ausgebildeten Sensor, die auch in der Nähe des Einlasses und der Auslässe der verzweigten Kanalstruktur 14 auftreten, verändert sich auch die Durchströmung der Kanalstruktur mit Hauptkanal 20 und Bypass- bzw. Messkanal 24. Dadurch ergibt sich damit eine schlechte Reproduzierbarkeit der Kennlinie und erhöhtes Signalrauschen. Des Weiteren erhöht sich durch solche Strömungsablösungen der Druckabfall.
Zur Reduzierung solch instabiler Strömungssituationen und zur Vergleichmäßigung der Strömung am Auslass des Luftfilters bzw. im Bereich des Einlasses des Strömungsrohres zu erzielen, also zur Steigerung der aerodynamischen Qualität der Strömung im Bereich der Sensoranordnung 10 durch kann eine Strategie der Kombination von Maßnahmen verfolgt werden. Dabei werden unterschiedlich große Elemente zur Strömungsführung bzw. -umlenkung sowie Vergleichmäßigung des Geschwindigkeitsprofiles und Reduzierung des Signalrauschens verfolgt werden. Der Eingriff durch eine dieser Maßnahmen oder eine Kombination dieser Maßnahmen sollte aber mit einem aktzeptablen Druckabfall an den entsprechenden Elementen einhergehen. Ein Strömungsgitter sorgt für einen Impulstransfer quer zur Hauptströmungsrichtung 18 und führt auch wandnahen Bereichen der Strömung schnelles, wandfernes Fluid zu. Zusätzlich wird als Folge des Gitternachlaufes eine kleinskalige Turbulenz auch in der Nähe der Wand erzeugt, wodurch sich die Ablöseneigung sowohl an der Wand Strömungsrohrs als auch am Steckfühler verringert. Dadurch wird eine Stabilisierung des gesamten Geschwindigkeitsprofiles erreicht, die auch das Fluidvolumen beruhigt, welches durch den Bypasskanal und schließlich über die Sensormembran strömt. Ein derartiges Gitter ist beispielsweise in der DE 10 2007 060 046 A1 beschrieben.
So beschreibt beispielsweise die DE 10 2007 055 193 A1 ein Gitter in einem Strömungsrohr, das an der Innenwand des Strömungsrohrs einen kreisringförmigen Gitterbereich aufweist, in dem die Gitterstreben unter einem Anstellwinkel von 5° bis 60° zur Hauptströmungsrichtung und einer radialen Ausrichtung gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Vergleichmäßigen der Strömung beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So beinhaltet die Strategie mit dem Gitter beispielsweise die Herausforderung, dass es zwar an den einzelnen Elementen des Gitters zu Strömungsumlenkungen kommt, diese aber von einem unerwünschten Druckabfall begleitet werden. Dies ist insbesondere kritisch, falls sich die Strömung an den einzelnen Gitterstegen aufgrund lokaler, hoher Anstellwinkel ablöst. Stromabwärts des Gitters erfolgt dabei in den Geschwindigkeits-Scherschichten eine Durchmischung. Dies führt zwar zu einer Gleichrichtung und einer Reduktion in der Wirbelgröße und damit zu einer gewissen Vergleichmäßigung der Strömung, allerdings ist diese mit einem größeren Druckabfall verbunden. Die turbulenten Längenskalen, d.h. die Wirbelabmessungen liegen dabei noch in der Größenordnung charakteristischer Außenabmessungen des Steckfühlers.
Durch ein stromabwärts folgendes Drahtsieb kann eine noch kleinskaligere Durchmischung, also eine weitere Reduktion der Wirbelgrößen und damit noch weitere Vergleichmäßigung der Strömung, allerdings verbunden mit einem noch größeren Druckabfall erreicht werden.
Design- bzw. Gestaltungsmaßnahmen auf der Reinluftseite des Luftfilters, insbesondere der Einbau einer oder mehrerer Leitschaufeln, können dabei einen erheblichen Beitrag zur Umlenkung der Strömung und Reduzierung der Ablöseneigung in der Nähe der Wand des Zylindergehäuses des Heißfilmluftmassenmessers leisten. Durch diese Vorarbeit lassen sich ebenfalls die lokalen Anstellwinkel an den einzelnen Gitterstegen des Strömungsgitters stromauf des Heißfilmluftmassenmessers deutlich verringern, was zu einer Reduzierung des Druckabfalls führt. Auch im wandnahen Übergangsbereich vom gekrümmten Rohrsegment des Luftfilters zum Strömungsrohr muss die Strömung umgelenkt werden. Wie in 4 gezeigt ist, entstehen allerdings im Nachlauf einer solchen Umlenkung und auch im Nachlauf der erwähnten relativ groben Leitschaufel-Geometrien Wirbelschleppen 66, die in den messtechnisch relevanten Strömungsbereich des Steckfühlers schwimmen und starke Schwankungen im Messsignal durch instabile Sekundärströmungskomponenten verursachen können. Kostenaspekte und Toleranzprobleme bei der Fertigung begrenzen teilweise die Umsetzbarkeit von Designmaßnahmen auf der Reinluftseite des Luftfilters. Selbst bei gerader Zuströmung ohne Luftfilter können starke Schwankungen der Geschwindigkeit und des Anstellwinkels am Heißfilmluftmassenmessersteckfühler, d.h. der lokalen Richtung der Geschwindigkeit bezüglich einer gedachten Steckfühlerlängsachse, entstehen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher eine verbesserte Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Strategien zumindest weitgehend vermeiden bzw. die strömungsmechanischen Maßnahmen in positiver Entwicklungshinsicht ergänzen kann und bei der eine aerodynamisch effektive Strömungsumlenkung und störungsarme Zuströmung zur Sensoranordnung bei gleichzeitig möglichst geringem Druckverlust erzielt werden kann.
Insbesondere kann daher eine Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, angegeben werden. Die Sensoranordnung weist einen in einem Strömungsrohr angeordneten Steckfühler mit einem Sensor zur Bestimmung der Strömungseigenschaft des fluiden Mediums und mindestens ein in der Hauptströmungsrichtung stromaufwärts des Steckfühlers angeordnetes Flügelgitter auf. Dabei kann das Flügelgitter in Hauptströmungsrichtung gesehen unterschiedliche Abstände zum Steckfühler aufweisen. Das Flügelgitter weist zum Umlenken des fluiden Mediums in die Hauptströmungsrichtung mehrere Flügel und Stege auf. Die Flügel können zumindest abschnittsweise kreisförmig, elliptisch oder mit variablem Radius angeordnet sein. Die Flügel sind so angeordnet, dass sie zur Reduzierung von Srömungsschwankungen und zur Erzeugung von homogenen, hohen Strömungsgeschwindigkeiten am Steckfühler einen Anstellwinkel von 0° bis 90°, bevorzugt von 0° bis 20° und besonders bevorzugt von 0° bis 10° aufweisen.
Die Flügel können beispielsweise so kreisförmig angeordnet sein, dass sie mindestens einen Mittelpunkt eines Kreises bzw. der kreisförmigen Anordnung definieren. Kreisförmige Anordnungen begünstigen dabei einen Einbau, bei dem die strömungsmechanischen Größen nur geringfügig vom Einbauwinkel des Strömungsrohres mit dem Steckfühler bezogen auf den Luftfilter abhängen. Der Anstellwinkel der Flügel kann von außen in Richtung zu dem Mittelpunkt kleiner werden.
Das Flügelgitter kann zumindest teilweise an der Innenseite der Wand des Strömungsrohrs anliegen oder spritzgusstechnisch in das Strömungsrohr integriert werden. Die Flügel können über die Stege miteinander verbunden sein.
Die Flügel können in der Hauptströmungsrichtung gesehen zumindest abschnittsweise gewölbt ausgebildet sein. Beispielsweise sind die Flügel tragflächenförmig ausgebildet. Insbesondere können die Flügel und/oder die Stege Flügelquerschnitte und Stegquerschnitte aufweisen, die als Flügelprofile ausgebildet sind.
Die Flügelprofile können in der Hauptströmungsrichtung gesehen eine ungleichmäßige Dicke und Wölbung bzw. Krümmung aufweisen. Die Dicken- und Wölbungsverteilungen können insbesondere aus dem Bereich der Luftfahrt bekannten Flügelprofilen entsprechen.
Die Flügel können so angeordnet sein, dass sie konvergente Kanäle, konvergent-divergente oder divergente Kanäle zwischen sich bilden.
Eine Länge der Flügel kann in der Hauptströmungsrichtung variieren. Beispielsweise kann jeder Flügel eine andere Länge in der Hauptströmungsrichtung aufweisen. Bei gleicher Länge können die Flügel in Hauptströmungsrichtung gegeneinander versetzt sein. Die Stege können dabei die Länge der Flügel oder davon abweichende geringere oder größere Längen in der Hauptströmungsrichtung aufweisen. Eine derartige Ausbildung ist insbesondere bei stark drallbehafteten Strömungen bevorzugt.
Die Flügel können an einem in der Hauptströmungsrichtung gesehen vorderen und hinteren Endbereich zumindest teilweise Aussparungen aufweisen, beispielsweise in Umfangsrichtung bzw. radial verlaufende, aufmodulierte Sinuswellen-förmige oder rechteckige oder abgerundete Aussparungen.
Das Flügelgitter mit seinen Flügeln und Stegen kann insbesondere durch einen einzigen Spritzgussprozess zusammen mit dem Strömungsrohr hergestellt werden, so dass nur ein Teil entsteht und Fügevorgänge von Flügelgitter und Strömungsrohr entfallen. Die Stege eines als Einzelteil hergestellten Flügelgitters können alternativ durch Verstemmen, Verrasten, Einkleben oder Laserschweißen mit der Innenseite der Wand des Strömungsrohrs verbunden sein. Die Stege können in der Hauptströmungsrichtung gesehen insbesondere eine Dickenverteilung aufweisen. Eine Wölbung auch der Stege ist ebenfalls denkbar. Das Flügelgitter kann bezüglich der dem Strömungsrohr entsprechenden Außenkontur beispielsweise als Kreisring oder Ellipse ausgebildet sein. Andere Konturen sind denkbar, wie beispielsweise eckig, insbesondere mehreckig, ein durch Ecken angenäherter Kreisring oder eine durch Ecken angenäherte Ellipse. Das Flügelgitter kann sich in einem Einlassbereich des Strömungsrohrs oder in einem Abstand von dem Einlassbereich des Strömungsrohrs stromaufwärts des Steckfühlers befinden. Die Flügel und /oder die Stege des Flügelgitters können eine Dicke von 0,2 mm bis 10 mm, und bevorzugt von 0,4 mm bis 4 mm, aufweisen. Die Flügel und Stege des Flügelgitters können eine Dickenverteilung aufweisen, d.h. eine Aufdickung in einem in Strömungsrichtung gesehen vorderem und/oder hinterem Endbereich oder in der Mitte oder über eine gesamte Länge bzw. Tiefe der Flügel, welche von 3 bis 50 mm, bevorzugt von 5 bis 20 mm variieren kann, beispielsweise als kontinuierlich verlaufende Variation der Dicke. Die Konturen der Flügel und Stege des Flügelgitters können gekrümmt sein und bevorzugt einen Krümmungsradius von 0,1 mm bis 5000 mm aufweisen, mehrere aneinander angeschlossene, unterschiedliche Krümmungsradien oder kontinuierlich veränderliche Radien oder können ungleichmäßig gekrümmt sein oder mindestens einen Knick aufweisen.
Im bezogen auf den in Hauptströmungsrichtung stromauf liegenden Bereich, also im Bereich der Vorderkante insbesondere auf der stärker gekrümmten Saugseite der Flügel und/oder der Stege kann eine zusätzliche, lokal stark begrenzte Profilierung in Form einer Aufdickung realisiert werden. Unterschiedliche Querschnitte und Verläufe quer zur Hauptströmungsrichtung, auch unterbrochene Varianten sind denkbar.
Die für den Spritzguss-Prozess erforderlichen Formtrennungen können bevorzugt im Bereich der Stege realisiert werden. Stufen und Übergänge können dabei sowohl in Hauptströmungsrichtung als auch in radialer Richtung und Umfangsrichtung auftreten.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist, in Bereichen starker Strömungsumlenkung, hoher Instationarität bzw. Schwanken der Strömungsgrößen, hoher Inhomogenität bezüglich der zeitlich gemittelten Strömungsgrößen und Neigung zur Strömungsablösung an einem Einlass eines einen Sensor umgebenden Bauteils, wie beispielsweise eines Steckfühlers einer Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums durch Einbau bzw. Integration eines Flügelgitters für eine aerodynamisch effektive Strömungsumlenkung, eine Reduzierung von zeitlichen Strömungsschwankungen und eine homogene Verteilung der Strömungsgrößen, eine Reduzierung bzgl. der Anströmempfindlichkeit sowie ein hohe Strömungsgeschwindigkeit am Sensor bei gleichzeitig möglichst geringem Druckabfall zu sorgen. Das Flügelgitter besteht insbesondere aus flügel- und stegförmigen, miteinander verbundenen Profil-Elementen. Die Erfindung schlägt daher einen Kompromiss bezüglich Umlenkung, Gleichrichtung, Stabilisierung der wandnahen Rohrströmung, Reduzierung von Strömungsschwankungen und Anströmempfindlichkeit und Druckabfall mit möglichen Realisierungsformen auf der Seite der Sensoranordnung, wie beispielsweise eines Heißfilmluftmassenmessers, im Gegensatz zu einer eventuellen Realisierung auf der Seite des Luftfilters vor.
Dadurch soll die Strömung insbesondere im messtechnisch relevanten Strömungsvolumen um den Steckfühler in den oben aufgeführten Kategorien konditioniert werden. Auch eine in der Regel zeitlich bzw. räumlich instabile Strömungsablösung an der Wand des Einlasses durch Einbringen eines Fluids mit hohem Impuls und kleinskaligen Turbulenzanteilen aus der Kernströmung verhindert bzw. reduziert werden. Insbesondere sollen von dem Einlass des Strömungsrohres und aus dem Luftfilterkasten abschwimmende Längswirbel mit für den Sensor der Sensoranordnung ungünstigen Sekundärgeschwindigkeitskomponenten verhindert bzw. reduziert werden. Auch für den Fall einer Luftfilter-Verschmutzung und damit verbundenen Änderungen der Steckfühler-Zuströmung soll ein gleichmäßiges, fülliges und möglichst schwankungsarmes (große Skalen) Geschwindigkeitsprofil in der Sensoranordnung, insbesondere um einen Steckfühler herum und insbesondere stabile Strömungsbedingungen an den Ein- und Auslässen der oben erläuterten Kanalstruktur sichergestellt werden. Zusammenfassend sollen also durch Umlenkung, Gleichrichtung, Stabilisierung der wandnahen Rohrströmung, Reduzierung von Strömungsschwankungen, Anströmempfindlichkeit und Druckabfall zeitlich variierende Geschwindigkeitsprofile in der Sensoranordnung verhindert bzw. reduziert werden und damit für eine verbesserte Kennlinien-Reproduzierbarkeit, geringere Anströmempfindlichkeit sowie verringertes Signalrauschen sorgen. Ferner soll der Einfluss von fertigungsbedingten Geometrieabweichungen im Bereich des Luftfilters und am Einlass des Strömungsrohres durch die erfindungsgemäße Maßnahme reduziert und die Verwendung derselben Sensor-Kennlinie bei verschiedenen Luftfilter-Systemen ohne erneute Applikation begünstigt werden. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung und insbesondere das erfindungsgemäße Flügelgitter sollen eine möglichst kostengünstige und fertigungstechnisch umsetzbare Anwendung direkt am Eintritt des Sensors ohne weitere zusätzliche Teile ermöglichen und eine Lücke bezüglich möglicher, insbesondere strömungsmechanischer, Eingriffsmöglichkeiten, wie beispielsweise Luftfilter-Leitschaufel-System, Strömungsrohr-Kunststoffgitter und Strömungsrohr-Drahtsieb entsprechend dem Stand der Technik, schließen. Die erfindungsgemäße Anordnung soll damit für bestimmte Anwendungsfälle die zu starken bzw. mit ungünstigen Nebeneffekten verbundenen Eingriffsmöglichkeiten aus dem Stand der Technik ersetzen bzw. zweckmäßig ergänzen.
Durch die Erfindung sollen bestimmte wesentliche Funktionen erfüllt werden. Eine erste Funktion betrifft beispielsweise eine gezielte Strömungsumlenkung. So kann die erfindungsgemäße Sensoranordnung beispielsweise in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine stromabwärts eines Luftfilters angeordnet werden. Dabei wird eine Strömungsumlenkung von der Reinluftseite des Luftfilters, d.h. stromabwärts des Luftfilters, zu dem Steckfühler in Form einer Design-Mittel-Kombination auf der Seite des Steckfühlers – im Gegensatz zu Maßnahmen auf der Seite des Luffilters – angestrebt. Diese erste Funktion wird beispielsweise durch mehrere gewölbte bzw. gekrümmte Flügel oder Schaufeln ausreichender Länge zur Verteilung der aerodynamischen Last insbesondere auf den Unterdruckseiten der Flügel beeinflusst. Dies ist insbesondere bei hohen Luftmassenströmen bzw. Impulsen relevant. Weitere Einflussparameter sind eine tragflächenförmige Dickenverteilung entlang jedes Flügels zur strömungsmechanisch möglichst druckverlustarmen Umlenkung. Des Weiteren trägt zu der ersten Funktion eine unterschiedliche Dickenverteilung auf jedem Flügel und unterschiedliche Anstellwinkel jedes Flügels zur Einströmung bei. Dadurch werden eine optimierte Strömungsführung und geringe Druckverluste erreicht. Schließlich trägt eine kreisringartige oder segmentweise annähernd kreisringartige Ausgestaltung des Flügelgitters zur Einbau-Rotations-Invarianz und zum Ausgleich bestimmter Effekte über die Lebensdauer bei. Außerdem kann eine drallbehaftete Strömung im Bereich zwischen Luftfilter-Auslass und Steckfühler durch gemäß der oben genannten Designmittel gestaltete Stege konditioniert werden. Dabei sind asymmetrische und symmetrische Stege denkbar.
Eine zweite Funktion betrifft beispielsweise eine Reduzierung von Strömungsschwankungen am Steckfühler. Dazu tragen beispielsweise konvergente oder konvergent-divergente Kanäle mit moderater Querschnittserhöhung zwischen den Flügeln in Form von gegenüberliegenden Dickenverteilungen bei. Dadurch lassen sich beispielsweise eine Beschleunigung, Wirbelstreckung und Schwankungsreduzierung erreichen. Ferner tragen dazu geringer werdende Anstellwinkel von außen nach innen und eine angepasste Dickenverteilung bei. Dadurch lassen sich Ablösungen an den Vorderkanten der Flügel reduzieren. Aussparungen, die beispielsweise auch rechteckig oder sinusförmig ausgebildet werden können, an den Vorder- und / oder Hinterkanten der einzelnen Flügel sowie unterschiedliche Tiefen in der Hauptströmungsrichtung gesehen der einzelnen Flügel sorgen für eine bessere Durchmischung und Reduzierung gemeinsamer Schwingungsmoden. Außerdem trägt auch zu der zweiten Funktion die Orientierung des Flügelgitters bzw. zumindest der inneren kreisförmigen Anordnung bzw. Anordnungen an kritischen Einlässen und Auslässen des Steckfühlers bei. Schließlich kann bezogen auf den in Hauptströmungsrichtung stromauf liegenden Bereich, also im Bereich der Vorderkante insbesondere auf der stärker gekrümmten Saugseite der Flügel und/oder der Stege eine zusätzliche, lokal stark begrenzte Profilierung in Form einer Aufdickung realisiert werden. Unterschiedliche Querschnitte und Verläufe quer zur Hauptströmungsrichtung, auch unterbrochene Varianten sind denkbar. Dadurch kann der Umschlag der Strömung vom laminaren zum turbulenten Strömungszustand (Transition) erreicht werden, der mit einer Reduzierung von Ablösungen auf der stärker gekrümmten Saugseite der Flügel und/oder Stege einhergeht. Die Reduktion dieser Ablösungen führt wiederum zu einer Reduktion der Strömungsschwankungen im Nachlauf der Flügel und / oder Stege des Flügelgitters und in den kritischen Bereichen des Steckfühlers.
Eine dritte Funktion betrifft eine homogene, hohe Strömungsgeschwindigkeit am Steckfühler. Dazu trägt beispielsweise die Orientierung des Flügelgitters bzw. zumindest der inneren kreisförmigen Anordnung bzw. Anordnungen an kritischen Einlässen und Auslässen des Steckfühlers bei. Damit werden nachlaufende Steg-Scherschichten in den kritischen Bereichen vermieden. Dazu tragen weiterhin beispielsweise konvergente Kanäle zwischen den Flügeln in Form von gegenüberliegenden Dickenverteilungen sowie geringer werdende Anstellwinkel von außen nach innen bei. Beispielsweise kann die Konvergenz so ausgestaltet werden, dass diese von außen nach innen zunimmt. Aussparungen an den Hinterkanten der einzelnen Flügel sorgen für eine bessere Durchmischung und Reduzierung gemeinsamer Schwingungsmoden.
Bezüglich der mindestens einen zu erfassenden Strömungseigenschaft, welche qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden kann, kann beispielsweise auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden. Insbesondere kann es sich bei dieser Strömungseigenschaft um eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom des fluiden Mediums handeln. Bei dem fluiden Medium kann es sich insbesondere um ein Gas, vorzugsweise um Luft handeln. Die Sensoranordnung ist insbesondere einsetzbar in der Kraftfahrzeugtechnik, beispielsweise im Ansaugtrakt einer Verbrennungsmaschine. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich möglich.
Die Sensoranordnung umfasst mindestens einen Steckfühler. Unter einem Steckfühler ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einteilige oder auch mehrteilige Vorrichtung zu verstehen, welche den Sensorchip mit dem eigentlichen Sensor, wie beispielsweise eine Sensormembran enthält und diese Sensoranordnung nach außen zumindest weitgehend abschließt und zumindest weitgehend schützt gegenüber mechanischen Einwirkungen und vorzugsweise auch anderen Arten von Einwirkungen, beispielsweise chemischen Einwirkungen, Verschmutzungen und/oder Feuchteeinwirkungen. Der Steckfühler ist in das strömende fluide Medium einbringbar, wobei eine austauschbare oder auch eine permanente Einbringung denkbar ist. Der Steckfühler kann beispielsweise in ein Strömungsrohr des strömenden fluiden Mediums hineinragen, wobei das Strömungsrohr selbst Bestandteil der Sensoranordnung sein kann oder auch als separates Teil vorgesehen werden kann, beispielsweise mit einer Öffnung, in welche der Steckfühler einbringbar ist. Der Steckfühler kann insbesondere zumindest teilweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein, beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens.
In dem Steckfühler ist mindestens ein Elektronikmodul mit mindestens einem Strömungssensor zur Erfassung der Strömungseigenschaft aufgenommen. Unter einer Aufnahme in dem Steckfühler ist dabei zu verstehen, dass das Elektronikmodul zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, von dem Steckfühler umschlossen sein soll. Das Elektronikmodul ist zumindest teilweise in mindestens einem Elektronikraum des Steckfühlers angeordnet. Unter einem Elektronikraum wird dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein teilweise oder vollständig abgeschlossener Raum innerhalb des Steckfühlers verstanden, welcher in zumindest einer Richtung durch den Steckfühler abgeschlossen ist. Vorzugsweise umfasst der Elektronikraum mindestens eine von einer Oberfläche des Steckfühlers aus zugängliche Vertiefung in dem Steckfühler, beispielsweise eine quaderförmige Vertiefung. Der Elektronikraum kann, wie unten noch näher ausgeführt wird, beispielsweise für eine Bestückung zugänglich sein, beispielsweise von der Oberfläche her, und kann durch mindestens ein Verschlusselement, beispielsweise mindestens einen Elektronikraumdeckel, permanent oder reversibel verschließbar sein.
Unter einem Strömungssensor ist dabei grundsätzlich ein beliebiges Sensorelement zu verstehen, welches zur Erfassung der mindestens einen Strömungseigenschaft ausgestaltet ist. Insbesondere kann der Strömungssensor, insbesondere eine mikromechanische Sensormembran, in einen Sensorchip eingelassen sein, beispielsweise einen Sensorchip der oben beschriebenen Art. Insbesondere kann dieser Sensorchip mindestens eine als mikromechanische Sensormembran ausgebildete Messoberfläche umfassen, welche von dem strömenden fluiden Medium überströmbar ist. Auf dieser Sensoroberfläche können sich beispielsweise mindestens ein Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühler befinden, wobei, wie oben beschrieben, aus einer Asymmetrie des mittels der Temperaturfühler gemessenen Temperaturprofils auf die mindestens eine Strömungseigenschaft schließbar sein kann. Der mindestens eine Strömungssensor kann beispielsweise auf einem Sensorträger des Elektronikmoduls angeordnet sein, welcher in das strömende fluide Medium hineinragt. Das Elektronikmodul kann insbesondere einteilig ausgestaltet sein und kann insbesondere eine Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung tragen, welche eingerichtet ist, um den Strömungssensor anzusteuern und/oder Signale des Strömungssensors aufzunehmen.
Dementsprechend kann das Elektronikmodul beispielsweise mindestens einen Schaltungsträger aufweisen. Weiterhin kann das Elektronikmodul insbesondere den mindestens einen Sensorträger aufweisen, welcher mit dem Schaltungsträger vorzugsweise mechanisch verbunden ist. Beispielsweise kann der Schaltungsträger in einem Elektronikraum des Steckfühlers angeordnet sein, und der Sensorträger kann aus diesem Elektronikraum heraus in das fluide Medium hineinragen. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Steckfühler mindestens einen von dem fluiden Medium durchströmbaren Kanal aufweist, wobei der Sensorträger des Elektronikmoduls, welcher den Strömungssensor trägt, aus dem Elektronikraum in den mindestens einen von dem fluiden Medium durchströmbaren Kanal in dem Steckfühler ragt. Dieser mindestens eine Kanal kann insbesondere einteilig ausgestaltet sein, kann jedoch auch mindestens einen Hauptkanal und mindestens einen von diesem Hauptkanal abzweigenden Bypasskanal aufweisen, wobei der Sensorträger vorzugsweise in den Bypasskanal hineinragt, wie dies grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Schaltungsträger des Elektronikmoduls kann insbesondere eine Leiterplatte umfassen, welche in Alleinstellung verwendet wird oder welche beispielsweise auch auf einem mechanischen Träger montiert ist, beispielsweise einem Stanz-Biege-Teil, beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff. Der Sensorträger kann mit dem Schaltungsträger unmittelbar verbunden sein oder auch mit dem Trägerteil, beispielsweise dem Stanz-Biege-Teil, beispielsweise indem der Sensorträger an dieses Stanz-Biege-Teil angespritzt ist. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. So ist beispielsweise denkbar, das Elektronikmodul aus einem Leiterplattenmaterial herzustellen, wobei sowohl der Schaltungsträger als auch der Sensorträger aus dem Leiterplattenmaterial hergestellt sind, vorzugsweise aus einem Stück des Leiterplattenmaterials. Wiederum alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, aus dem Stand der Technik bekannte spritzgegossene Leiterplatten als Elektronikmodul zu verwenden, beispielsweise spritzgegossene Leiterplatten in einer oder mehreren so genannten MID-Techniken (MID: molded interconnect device). Verschiedene Ausgestaltungen sind denkbar. Das Elektronikmodul kann insbesondere eine Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung für den mindestens einen Strömungssensor umfassen. Das Elektronikmodul kann insbesondere einen Sensorträger umfassen, wobei der Sensorträger den Strömungssensor trägt und aus dem Elektronikraum in mindestens einen von dem fluiden Medium durchströmbaren Kanal in dem Steckfühler ragt. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Beispielsweise kann in einer Wand des Elektronikraums ein Durchbruch vorgesehen sein, welcher den Elektronikraum mit dem mindestens einen Kanal verbindet, wobei der Sensorträger durch den Durchbruch in den mindestens einen Kanal ragt. Der Elektronikraum und der Sensorraum können von derselben Seite des Steckfühlers aus zugänglich sein oder auch von einander gegenüberliegenden Seiten des Steckfühlers, beispielsweise für eine Bestückung. Beispielsweise kann der Steckfühler in einer Ebene senkrecht zur Einsteckrichtung einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen, mit einer der Strömung entgegenweisenden Stirnseite und einer der Strömung abweisenden Rückseite, wobei die Seiten im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung angeordnet sein können. Insbesondere kann es sich bei diesen Seiten um die Längsseiten eines Rechtecks handeln. Der Elektronikraum und der Sensorraum können insbesondere jeweils unabhängig voneinander durch Verschlusselemente, insbesondere mindestens einen Elektronikraumdeckel und/oder mindestens einen Sensorraumdeckel, verschließbar sein. Diese Deckel können beispielsweise mit dem Steckfühler verrastbar sein oder auf andere Weise verschließbar sein. Alternativ oder zusätzlich zu einer Deckelkonstruktion sind auch andere Arten von Verschlusselementen denkbar.
Die Einlassöffnung kann insbesondere derartig ausgestaltet sein, dass das fluide Medium ungehindert durch die Einlassöffnung in den Sensorraum eindringen kann. Alternativ kann die mindestens eine Einlassöffnung jedoch auch ganz oder teilweise verschlossen ausgestaltet sein, beispielsweise durch mindestens eine Membran, insbesondere mindestens eine für Feuchtigkeit zumindest teilweise durchlässige Membran, insbesondere eine semipermeable Membran. Die mindestens eine Einlassöffnung kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen rechteckigen und/oder runden und/oder polygonalen Querschnitt. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. Die mindestens eine Einlassöffnung kann insbesondere in einem Sensorraumdeckel des Steckfühlers vorgesehen sein, wobei mittels des Sensorraumdeckels der Sensorraum zumindest teilweise verschließbar ist.
Die Sensoranordnung kann darüber hinaus auch ein oder mehrere weitere Sensorelemente zur Erfassung mindestens einer weiteren physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des fluiden Mediums umfassen.
Die Sensoranordnung weist ferner mindestens ein in der Hauptströmungsrichtung stromaufwärts des Strömungssensors angeordnetes Flügelgitter auf, dessen Flügel und Stege beidseitig, d.h. in und entgegen der Hauptströmungsrichtung, einen Anstellwinkel von 0° bis 90°, bevorzugt im Bereich von 0° bis 20° und besonders bevorzugt im Bereich von 0° bis 10° aufweisen können. Insbesondere kann das Flügelgitter abschnittsweise ringförmig ausgebildet und von der Innenseite der Wand des Strömungsrohrs beabstandet angeordnet sein.
Unter der Hauptströmungsrichtung ist dabei die über den Strömungsquerschnitt des Strömungsrohrs gemittelte Strömungsgeschwindigkeit an einer bestimmten Position entlang des Strömungsweges zu verstehen, wobei beispielsweise lokale Unregelmäßigkeiten wie zum Beispiel an Bauteilen wie dem Steckfühler oder Turbulenzen unberücksichtigt bleiben können. Die Hauptströmungsrichtung kann sich von lokalen, zeitlich gemittelten Strömungsrichtungen unterscheiden. Der Mittelungszeitraum für die Ermittlung der Hauptströmungsrichtung ist deutlich größer als turbulente Zeitskalen.
Unter dem Anstellwinkel ist der Winkel zwischen dem anströmenden Medium, beispielsweise der Ansaugluft, und der Profilsehne oder Profiltiefe eines Flügels oder Steges des Flügelgitters zu verstehen. Die Profilsehne ist dabei die gedachte Linie des Profilbauteils von einem in Strömungsrichtung gesehen vorderen mittigen Endpunkt bis zu einem in Strömungsrichtung gesehen hinteren mittigen Endpunkt.
Die Erfindung ist angesiedelt zwischen strömungstechnisch relativ groben Maßnahmen auf der Luftfilter-Reinluft-Seite, wie beispielsweise Leitschaufeln, und kleinskaligeren Maßnahmen wie Luftmassensensor-Kunststoffgittern oder Luftmassensensor-Drahtsieben. Hinsichtlich des Erfüllungsgrades bezüglich der Erhöhung der Kennlinien-Stabilität bzw. -Reproduzierbarkeit verglichen mit aerodynamisch groben oder gar keinen Maßnahmen auf Luftfilter-Reinluft- oder Sensor-Einlass-Seite, der Verringerung der Anströmempfindlichkeit, insbesondere bei Luftfilter-Partikel-Verschmutzung über die Lebensdauer und unterschiedlichen geometrischen Konfigurationen des Luftfilters und der Luftführung, geometrischen Toleranzen der Vorderkante des Strömungsrohrs, geometrischen Toleranzen des Flanschbereiches Sensor-Einlass / Luftfilter-Auslass, geometrischen Toleranzen von strömungsführenden Elementen im Bereich der Luftfilter-Reinluftleitung zum Sensor, stellt die Erfindung einen Zwischenschritt bzw. Kompromiss zu bislang bekannten und eingesetzten Maßnahmen dar. Dies gilt auch hinsichtlich des Erfüllungsgrades bezüglich der Reduzierung des Signalrauschens, eines möglichst geringen zusätzlichen Druckabfalls, insbesondere eines geringeren zusätzlichen Druckabfalls verglichen mit Kunststoffgittern oder gar Drahtsieben sowie einer möglichst kostengünstigen und fertigungstechnisch umsetzbaren Realisierung im Kontext des Gesamtsystems umfassend Luftfilter, Luftführung und Sensor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine herkömmliche Sensoranordnung zur Erfassung mindestens einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums;
2 eine Sensoranordnung zur Erfassung mindestens einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums in an einem Luftfilter herkömmlich montierter Position;
3A das Ergebnis einer Strömungssimulation bei der herkömmlichen Sensoranordnung im Bereich eines Strömungsrohrs;
3B ein Geschwindigkeitsfeld in dem Strömungsrohr der herkömmlichen Sensoranordnung in einer Ebene senkrecht zu dem Strömungsrohr;
4 eine Querschnittsdarstellung des Strömungsrohrs mit gezeigtem Steckfühler der herkömmlichen Sensoranordnung und Wirbelschleppen;
5 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Erfassung mindestens einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums in Hauptströmungsrichtung gesehen;
6 eine perspektivische Schnittansicht der Sensoranordnung zur Erfassung mindestens einer Strömungseigenschaft eines fluiden Mediums entlang der Linie A-A der 5;
7A und 7B verschiedene Positionen eines erfindungsgemäßen Flügelgitters in einem Strömungsrohr in einer Schnittansicht gemäß einem Teil der Linie B-B in 5;
8 eine Schnittansicht gemäß Linie C-C in 5;
9A bis 9I mögliche alternative Ausgestaltungsformen der Flügel des Flügelprofiles;
10 eine Querschnittsansicht eines Flügelgitters gemäß einer weiteren Ausführungsform;
11 eine perspektivische Ansicht eines Flügelgitters gemäß einer weiteren Ausführungsform;
12 eine perspektivische Ansicht eines Flügelgitters gemäß einer weiteren Ausführungsform;
13 eine perspektivische Ansicht eines Flügelgitters gemäß einer weiteren Ausführungsform;
14 eine Querschnittansicht eines Flügels eines Flügelgitters gemäß einer weiteren Ausführungsform;
15A bis 15E Draufsichten auf den Flügel der 14 gemäß möglichen alternativen Modifikationen an dem Flügel; und
16 eine Querschnittansicht eines Flügels zur Erläuterung der verwendeten Begriffe.
Ausführungsformen der Erfindung
In 5 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 100 zum Bestimmen wenigstens einer Strömungseigenschaft eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, gezeigt. Bauteile, die mit den Bauteilen der herkömmlichen Sensoranordnung identisch sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Sensoranordnung 100 umfasst einen Heißfilmluftmassenmesser in Form eines Steckfühlers 12 in einem Strömungsrohr 50 aus einem Kunststoff-Spritzguss, das Teil eines Ansaugtrakts einer Brennkraftmaschine stromabwärts eines nicht gezeigten Luftfilters ist. Andere Arten von Strömungssensoren sind aber ebenfalls denkbar. Der Heißfilmluftmassenmesser entspricht einem kommerziell erhältlichen Luftmassensensor vom Typ HFM7 der Robert Bosch GmbH, Deutschland. Der Steckfühler 12 ragt in dem Strömungsrohr 50 in das fluide Medium hinein.
Obwohl es nicht explizit gezeigt ist, sind wie bei der herkömmlichen Sensoranordnung 10 innerhalb des Steckfühlers 12 ein Kanalbereich mit mindestens einem von dem fluiden Medium durchströmbaren Kanal und ein Elektronikbereich mit einem in das Steckfühler 12 eingelassenen Elektronikraum aufgenommen. Der Kanal weist seinerseits einen Hauptkanal und einen Bypasskanal auf. In dem Elektronikraum ist ein Elektronikmodul aufgenommen, welches einen Schaltungsträger mit einer Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung umfasst, der beispielsweise auf einem Bodenblech aufgenommen sein kann. Weiterhin umfasst das Elektronikmodul einen Sensorträger in Form eines an das Bodenblech angespritzten Flügels, welcher in den Bypasskanal hineinragt. In den Sensorträger ist ein Strömungssensor in Form eines Heißfilmluftmassenmesserchips eingelassen. Weiterhin kann der Steckfühler 12 eine Kühlöffnung umfassen, die sich in den Elektronikraum hinein erstreckt.
Bei der kommerziell erhältlichen Ausgestaltung der Sensoranordnung 100 gemäß 5 bilden der Sensorträger und das Bodenblech somit eine Einheit, welche als Elektronikmodul bezeichnet wird und welche beispielsweise in diesem oder auch in anderen Ausführungsbeispielen eine Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung beinhalten kann, zur Ansteuerung und/oder Auswertung des Strömungssensors. Zusätzlich zum Strömungssensor wird noch die Elektronik des Schaltungsträgers und der Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung auf das Bodenblech aufgeklebt. Der Strömungssensor und die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung werden in der Regel durch Bondverbindungen miteinander verbunden. Das so entstandene Elektronikmodul wird beispielsweise in den Elektronikraum eingeklebt, und der gesamte Steckfühler wird durch Deckel verschlossen. In dem Steckfühler 12 befindet sich der Sensorchip.
Wie beschrieben befindet sich der Steckfühler 12 mit dem Heißfilmluftmassenmesser in einem Strömungsrohr 50 eines Ansaugtrakts der Brennkraftmaschine, wobei ein Steckerbereich 68, der für die elektrischen Anschlüsse vorgesehen ist, außerhalb des Strömungsrohres 50 angeordnet ist. An der Außenseite der Wand 60 des Strömungsrohrs 50 befindet sich in dem, in der Hauptströmungsrichtung 18 betrachteten, Einlassbereich 56 ein Flansch 70 mit zwei Bohrlöchern 72. Der Flansch 70 dient zum Befestigen des Strömungsrohrs 50 an einem Luftfilter 52. Dabei kann dieser mit einem entsprechenden Flansch im Bereich des Auslasses des Luftfilters beispielsweise verschraubt werden, indem Schrauben durch die Bohrlöcher 72 gesteckt werden und mit einer Kontermutter fixiert werden.
Stromaufwärts des Steckfühlers 12 befindet sich ein Flügelgitter 74. Das Flügelgitter 74 weist mehrere Flügel 75 und Stege 76 auf. Die Flügel 75 können zumindest abschnittsweise kreisförmig angeordnet sein. Das Flügelgitter 74 liegt an der Innenseite der Wand 60 des Strömungsrohrs 50 an. Beispielsweise erstreckt sich für den Fall einer getrennten Herstellung von Strömungsrohr 50 und Flügelgitter 74 ein äußerers Verbindungselement 77 vollständig in einer Umfangsrichtung parallel zu der Innenseite der Wand 60 des Strömungsrohrs 50 und liegt an dieser an und ist mit dieser verbunden. Die Verbindung kann durch Schweißen, Verstemmen, Verrasten, Verkleben oder dergleichen erfolgen. Alternativ ist das Flügelgitter 74 zusammen mit dem Strömungsrohr 50 als ein Bauteil gespritzt. Die einzelnen Flügel 75 und die Stege 76 sind voneinander beabstandet, wobei die Flügel 75 über die Stege 76 miteinander verbunden sind. Das Flügelgitter 74 kann sich in Abhängigkeit von der jeweiligen besonderen Anwendung der Sensoranordnung 100 in einem Abstand von Einlassbereich 56 befinden wie in 7A gezeigt ist, d.h. in der Hauptströmungsrichtung 18 gesehen stromabwärts des Einlassbereichs 56 angeordnet sein. Beispielsweise ist stromaufwärts des Flügelgitters 74 ein Stahleinsatz 50a angeordnet, so dass der Radius der Vorderkante des Einlassbereichs 56 scharfkantiger ausgebildet wird als bei einem serienmäßigen Kunststoff-Spritzguss. Besonders bei starken Umlenkungen und nicht vorhandenem zylindrischen Vorlauf vor dem Strömungsrohr 50 bewirkt der Unterschied beim Vorderkanten-Radius eine veränderte Topologie der Ablösung an der Vorderkante, die wiederum einen Einfluss auf das resultierende Strömungsprofil im Rohr hat. Alternativ kann das Flügelgitter 74 unmittelbar im Einlassbereich 56 des Strömungsrohrs 50 angeordnet sein wie in 7B gezeigt ist. Die Details des Flügelgitters 74 und der Stege 76 werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
Die 7A und 7B zeigen einen Ausschnitt des Schnitts entlang der Linie B-B der 5 und 8 zeigt einen Ausschnitt des Schnitts entlang der Linie C-C der 5. Gemäß der Darstellung der 5 verläuft der Schnitt insbesondere durch die Stege 76.
Die Stege 76 weisen ein gleichmäßig gewölbtes Profil auf, das sich in der Hauptströmungsrichtung 18 des Luftmassenstroms zu dem Steckfühler 12 hin verjüngt. Die Stege 76 gehen in das Flügelgitter 74 über und können mit dem Flügelgitter 74 integral ausgebildet sein.
Das Flügelgitter 74 weist zum Umlenken des fluiden Mediums in die Hauptströmungsrichtung 18 die Flügel 75 auf. Mit anderen Worten soll das fluide Medium, das von dem Luftfilter 52 in Richtung zu dem Flügelgitter 74 strömt und eine von der Hauptströmungsrichtung 18 am Ort des Steckfühlers 12 abweichende Strömungsrichtung aufweisen kann, mittels der Flügel 75 des Flügelgitters 74 in die Hauptströmungsrichtung 18 umgelenkt werden. Dabei findet eine Art Strömungsgleichrichtung statt. Die Flügel 75 können sind zumindest abschnittsweise kreisförmig, elliptisch oder gemäß einer anderen Form, wie beispielsweise mit variablem Radius, angeordnet sein. Mit anderen Worten erstrecken sich die Flügel 75 nicht notwendigerweise jeweils als vollständiger Kreis oder andere in Umfangsrichtung vervollständigte Form, sondern die Flügel sind als Kreis- bzw. Formsegmente in einer Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 ausgebildet. Die Segmente können dabei unterschiedliche Längen in der Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 aufweisen. Beispielsweise sind die Flügel 75 als Kreissegmente mit einer Länge in der Ebene senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 von einem Vierteilkreis, einem Halbkreis, einem Dreiviertelkreis oder Längen dazwischen ausgebildet. Die Kreissegmente müssen dabei nicht in einer Umfangsrichtung aneinander angrenzen, sondern können zumindest teilweise versetzt zueinander angeordnet sein. Die einzelnen Flügel 75 sind ebenfalls über die Stege 76 miteinander verbunden. Ein innerster Flügel 78 kann beispielsweise als vollständiger Kreis ausgebildet sein. Der innerste Flügel 78 muss mit seiner Kreisform nicht in der radialen Mitte des Strömungsrohrs 50 angeordnet sein. Insbesondere kann sich eine gedachte Linie 79 in der Hauptströmungsrichtung 18 durch den Mittelpunkt 80 des Kreises des innersten Flügels 78 und die Einlassöffnung 16 des Steckfühlers 12 oder versetzt dazu erstrecken. Die Flügel 75 können folglich beispielsweise so kreisförmig angeordnet sein, dass sie mindestens einen Mittelpunkt 80 des Kreises bzw. der kreisförmigen Anordnung definieren. Die einzelnen Flügel 75 können unterschiedliche bzw. mehrere Radien aufweisen. Die Mittelpunkte der durch diese Radien beschriebenen Kreise der Flügel 75 können in der Verbindungslinie 79 mit einem Punkt der Einlassöffnung 16, auf der Rotationsachse des Strömungsrohres 50 oder dazu verschoben liegen. Beispielsweise wird durch radial innere und radial weiter außenliegende Flügel 75 mehrere Mittelpunkte 80a, 80b usw. gebildet, die zueinander versetzt sind. Aufgrund von Verdrängseffekten insbesondere je nach Ausführung des Steckfühlers 12 und Ausführung des innersten Flügels 78 oder der speziellen Art der Anwendung am Luftfilter 52 kann der oben beschriebene Abstand des Mittelpunkts 80 von einem Mittelpunkt des Strömungsrohrs 50 vorgesehen werden, so dass ein Bezug nicht durch rein geometrische Projektion beispielsweise auf das Zentrum des Einlassbereiches des Steckfühlers zustande kommt. Ferner weisen die Flügel 75 einen Anstellwinkel von 0° bis 90°, bevorzugt von 0° bis 20° und besonders bevorzugt von 0° bis 10° zur Hauptströmungsrichtung 18 am Eintritt des Flügelgitters auf.
Zur Erläuterung der im Zusammenhang mit einem Flügel 75 verwendeten Begriffe wird nun auf 16 Bezug genommen. 16 zeigt eine Querschnittsansicht eines beispielhaften tragflächenförmigen Flügels 75. Wie in 16 gezeigt, lassen sich an einem tragflächenförmigen Flügel 75 zumindest folgende geometrischen Profildaten definieren. Eine Profilsehne oder Profiltiefe 75a ist die längste Linie von einer Profilnase 75b bis zu einer Profilhinterkante 75c. Eine Skelettlinie 75d besteht aus den Mittelpunkten zwischen der Oberseite 75e und der Unterseite 75f senkrecht zur Profilsehne 75a. Eine Profilwölbung 75g ist die größte Abweichung der Skelettlinie 75d von der Profilsehne 75a. Eine Profildicke 75h ist der größtmögliche Kreisdurchmesser auf der Skelettlinie 75d. Ein Anstellwinkel α ist der Winkel zwischen dem anströmenden Medium, wie beispielsweise der Ansaugluft, das durch den Pfeil 75i angedeutet ist, und der Profilsehne 75a.
Beispielsweise sind die Flügel 75 so angeordnet, dass zur Reduzierung von Strömungsschwankungen ein Anstellwinkel α der Flügel 75 von außen in Richtung zu dem Mittelpunkt 80 des Kreises des innersten Flügels 78 kleiner wird, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird.
6 zeigt eine perspektivische Schnittansicht entlang der Linie A-A in 5. Die Flügel 75 bilden zwischen sich Kanäle 81. Die Kanäle 81 können in der Hauptströmungsrichtung 18 konvergent ausgebildet sein. Dabei nimmt also der Abstand der Flügel 75 in einer Richtung senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 mit zunehmender Position in der Hauptströmungsrichtung 18 gesehen ab. Beispielseise nimmt die Konvergenz zur Erzeugung einer homogenen, hohen Strömungsgeschwindigkeit von außen nach innen hin zu. Insbesondere können also radial äußere Kanäle 81a eine geringere Konvergenz als radial innere Kanäle 81b aufweisen.
Gemäß der Darstellung der 8 weist das Flügelgitter 74 bzw. die Flügel 75 ein gewölbtes Profil mit konstanter Dicke mit Ausnahme der Profilnase 75b und der Profilhinterkante 75c auf. Die Flügel 75 können alternativ eine ungleichmäßige Dicke aufweisen, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Ausgezeichnete geometrische Größen sind bei den Flügeln 75 und bei den Stegen 76 auch der Profilnasen-Radius und die Hinterkanten-Dicke.
Beispielsweise sind die Flügel 75 tragflächenförmig ausgebildet. Der in Hauptströmungsrichtung 18 des Luftmassenstroms gesehen vordere 82 und hintere 83 Endbereich weist jeweils Abrundungen 84 auf. Ein Anstellwinkel α liegt zwischen 0° und 90°. Bevorzugt liegt er im Bereich von 0° bis 20° und besonders bevorzugt im Bereich von 0° bis 10°. Der Winkel hängt von der besonderen Anwendung der Sensoranordnung 100 ab und kann je nach Einbaulage, wie beispielsweise im Bereich eines Ansaugtrakts der Brennkraftmaschine, variieren. Für den Fall einer geraden Zuströmung beispielsweise beim Abgleichprozess nach der Serienfertigung sind zu große Anstellwinkel α zumindest der inneren Flügel 75 des Flügelgitters 74 aus verschiedenen Gründen ungünstig. Grundsätzlich gilt, dass bei zu großen Anstellwinkeln α die Strömung auf der Saugseite oder Oberseite 75e der Flügel 75 ablösen kann, was eine Reduzierung des Umlenkwinkels und eine Erhöhung des Druckabfalls mit sich bringt. Die Flügel 75 können eine ungleichmäßige Dicke von ca. 0,2 mm bis 10 mm aufweisen. Der Radius der Wölbung der Flügel 75 kann im Bereich von 0,1 mm bis 5000 mm liegen. Durch die besondere Form der Flügel 75 erzeugen die resultierenden Scherschichten des Luftmassenstroms stromabwärts des Flügelgitters 74 eine Durchmischung bei einem geringen Druckabfall, so dass der Heißfilmluftmassenmesser und dessen Sensorelement mit einer gleichmäßigen Strömung beaufschlagt werden.
Je nach Einbaulage und Anwendung kann die Form der Flügel 75 des Flügelgitters 74 modifiziert werden, wie in den 9A bis 9I gezeigt ist. Die möglichen Ausgestaltungsformen der Flügel 75 sind nicht abschließend in ihrer Anzahl aufgeführt. Insbesondere ist eine Wölbung, wie sie in 9B gezeigt ist, nicht zwingend erforderlich, stattdessen ist ein geradliniger Verlauf in der Hauptströmungsrichtung 18 ebenfalls denkbar, wie in 9A gezeigt ist. Die Flügel 75 können in einem Anstellwinkel α von 0° bis 90° aufweisen. Beispielsweise weisen radial äußere Flügel 85 einen größeren Anstellwinkel α von beispielsweise 20° auf, wohingegen radial innere Flügel 86 einen kleineren Anstellwinkel α von beispielsweise 5° aufweisen. Bei zu großen Anstellwinkeln α löst die Strömung auf der Saugseite oder Oberseite 75e der Flügel 75 ab, was eine Reduzierung des Umlenkwinkels und eine Erhöhung des Druckverlustes mit sich bringt. Flügelprofile mit Wölbung sind ungewölbten Profilen in aller Regel überlegen, eventuell aber fertigungstechnisch oder kostenmäßig nicht realisierbar bzw. vorzuziehen. Für die überwiegend radial orientierten Stege 76 werden aus Symmetriegründen zur breiten Verwendbarkeit in verschiedenen Applikationsfällen bzw. zur Verwendung bei drallbehafteten Strömungen meist symmetrische, also ungewölbte Profile zum Einsatz kommen.
Auch sind Flügel 75 ohne Abrundungen 84 an den Enden denkbar. Insbesondere sind parallelogrammförmige Flügel 75 denkbar wie in 9C gezeigt ist oder gewölbte Flügel 75 ohne Abrundungen 84 wie in 9D gezeigt ist. Auch sind Verdickungen 87 entlang der Profilsehnen 75a im Bereich des in der Hauptströmungsrichtung 18 gesehen vorderen 82 und/oder hinteren 83 Endbereichs denkbar wie in den 9E und 9F gezeigt ist. So entspricht eine Verdickung 87 in dem vorderen 82 und/oder hinteren 83 Endbereich effektiv einer Querschnittsverringerung des Strömungsrohrs 50, die zu einer Beschleunigung der Strömung führen kann. Dadurch lässt sich eine Strömungsablösung vermeiden oder verringern. Eine beispielsweise scharfkantige Verdickung 87 in dem hinteren Endbereich 83 kann zu einer gezielten Strömungsablösung führen. Dadurch kann sich eine breite, starke Durchmischung der Strömung stromabwärts des Flügelgitters 74 und eine Homogenisierung des Geschwindigkeitsprofiles ergeben.
Die Flügel 75 können einen unstetigen Verlauf in ihrer Erstreckungsrichtung in der Hauptströmungsrichtung 18 aufweisen. Ein derartiger Verlauf kann beispielsweise in der Form eines Knicks 88 realisiert sein. Solche Varianten kommen eventuell aus spritzgusstechnischen Gründen in Betracht. Die Flügeltiefe, also die Lauflänge entlang des Flügelgitters ist bei allen Varianten ebenfalls ein Parameter. So können die Flügel 75 unterschiedliche Tiefen bzw. Längen in der Hauptströmungsrichtung 18 aufweisen. Beispielsweise sind die radial äußeren Flügel 85 länger als die radial inneren Flügel 86. Einer derartige Ausbildung der Flügel 75 mit unterschiedlichen Tiefen bzw. Längen sorgt für eine bessere Durchmischung und Reduzierung gemeinsamer Schwingungsmoden. In Abhängigkeit der geforderten Umlenkung und unter Berücksichtigung der Nebenbedingung einer am Flügelgitter 74 anliegenden Strömung können dabei Flügel 75 mit großen Krümmungsradien und großen Profiltiefen resultieren, wobei sowohl die Profiltiefe von 3 mm bis 50 mm als auch der Radius in der Größenordnung von 0,1 Millimeter bis mehrere 1000 Millimeter liegen kann.
Wie in der 9H und 9I gezeigt ist, können sich im Bereich des in der Hauptströmungsrichtung 18 gesehen hinteren Endes 83 der Flügel 75 Aussparungen 90 oder Schlitze verschiedener Tiefe befinden, die zu einer stärkeren Durchmischung der Scherschicht stromabwärts des Flügelgitters 74 und zu kleinskaligen, relativ ortsstabilen Wirbeln in der Hauptströmungsrichtung 18 führen. Bei einer entsprechenden Auslegung stabilisieren diese Wirbel die Strömung. Ebenfalls können auch mehrere Flügelgitter 74 vorgesehen sein, deren Abstand zueinander und zu den anderen Bauteilen beliebig wählbar ist. Insbesondere kann das Flügelgitter 74 aus Metall, Metallverbindungen und deren Legierungen oder Kunststoff, beispielsweise auch Glasfaser-verstärktem Kunststoff ausgebildet sein, so dass es kostengünstig herstellbar ist. Die Form des Flügelgitters 74 kann ebenfalls dem Querschnitt des Strömungsrohrs 50 angepasst werden und daher beispielsweise quadratisch, rechteckig oder elliptisch sein. Eine Strömungsbeeinflussung ist auch durch die Wahl des Radius der Vorderkante im Einlassbereich 56 des Strömungsrohrs 50 möglich und kann bei Metallrohren scharfkantiger als bei Kunststoffrohren ausgeführt sein.
Grundsätzlich können die Oberseite 75e und die Unterseite 75f, also die gegenüberliegenden Flächen eines Flügels 75, unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen.
Entsprechende Formen lassen sich auch für die Stege 76 angeben, die stromlinienförmig, symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet sein können und einen Anstellwinkel α zu der Hauptströmungsrichtung 18 aufweisen können. Die Wahl eines entsprechenden Anstellwinkel αs kann dabei zur Drallerzeugung oder Drallbeeinflussung in dem Luftmassenstrom dienen. Insbesondere eine Variation der Dicke entlang der Hauptströmungsrichtung kann vorgesehen werden. Ebenfalls ist die Anzahl der Stege 76 frei wählbar.
Die resultierenden Scherschichten stromab der Stege 76 erzeugen dementsprechend weniger bzw. mehr Durchmischung, aber evtl. auch weniger bzw. mehr Druckabfall. Der Druckabfall enthält dabei druck- und reibungsbasierte Komponenten, was beim Design des Flügelgitters im Sinne einer Optimierung berücksichtigt werden kann.
10 zeigt eine Querschnittsansicht eines Flügelgitters 74 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile weisen gleiche Bezugszeichen auf.
Die Flügel 75 können in der Hauptströmugnsrichtung 18 gesehen eine ungleichmäßige Dicke und Wölbung oder Krümmung aufweisen. Die Dickenverteilung, also die Dicke in Abhängigkeit von der jeweiligen Position entlang der Länge der Flügel 75, kann in Verbindung mit der Wölbungsverteilung bzw. der Verteilung der Krümmungen auf der Oberseite 75e und der Unterseite 75f einem Flügelprofil entsprechen. Ferner bilden die Flügel 75 zwischen sich und den Stegen 76 Kanäle 81. Die Kanäle 81 können in der Hauptströmungsrichtung 18 konvergent oder divergent, insbesondere aber konvergent-divergent ausgebildet sein. Dabei nimmt also der Abstand der Flügel 75 in einer Richtung senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung 18 mit zunehmender Position in der Hauptströmungsrichtung 18 gesehen ab bzw. zu bzw. insbesondere ab und danach wieder zu. Beispielseise ist der radial innerste Kanal 81b konvergent ausgebildet. Bis auf den radial innersten Kanal 81b sind die übrigen Kanäle 81 beispielsweise konvergent-divergent ausgebildet. Als möglicher Extremfall, insbesondere bei ebener oder parallel zu der Hauptströmungsrichtung 18 ausgebildetem Verbindungselement 77, kann der radial äußere Kanal 81a zwischen den äußeren Flügeln 75 und dem Verbindungselement 77 oder bei einstückiger Ausbildung der Wand 60 des Strömungsrohrs 50 divergent ausgebildet sein.
11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Flügelgitters 74 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile weisen gleiche Bezugszeichen auf. Eine Länge der Flügel kann in der Hauptströmungsrichtung variieren. Beispielsweise kann jeder Flügel eine andere Länge in der Hauptströmungsrichtung aufweisen. Bei gleicher Länge können die Flügel 75 in der Hauptströmungsrichtung 18 gegeneinander versetzt sein. Die Stege 76 können dabei die Länge der Flügel 76 oder davon abweichende geringere oder größere Längen in der Hauptströmungsrichtung 18 aufweisen.
Bei dem Flügelgitter 74 der 11 weisen die Flügel 75 und die Stege 76 somit unterschiedliche Längen in der Hauptströmungsrichtung 18 auf. Beispielsweise weisen die äußeren Flügel 77 eine kürzere Länge als Flügel 75, die sich daran in radialer Richtung anschließen. Beispielsweise sind die Flügel 75 des Flügelgitters 74 der 11 als fünf konzentrische Ringe angeordnet, wobei von außen nach innen gesehen, die Flügel 75 des ersten Rings, der von dem äußeren Flügeln 77 gebildet wird, des dritten Rings und des fünften Rings, der von den inneren Flügeln 78 gebildet wird, eine kleinere Länge als ein zweiter und vierter Ring aufweisen. Wie in 11 zu erkennen, weisen die Stege 76 sprunghafte Änderungen ihrer Länge auf. In radialer Richtung kann der Sprung der Länge der Stege 76 beispielsweise mittig zwischen einem inneren und einem radial weiter außen liegenden Flügel 75 positioniert sein. Dabei bestitzt ein Steg 76 beispielsweise bis zu dieser Sprungposition 91 die Länge eines inneren Flügels 75 und ab dieser Sprungposition 91 die Länge eines äußeren Flügels 75. Die relative radiale Position zwischen den Flügeln 75 kann dabei variieren. Ebenso kann eine kontinuierliche Änderung der Steglänge stattfinden.
12 zeigt eine weitere Variante eines Flügelgitters 74. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile weisen gleiche Bezugszeichen auf. Wie aus 12 zu erkennen ist, können die für den Spritzguss-Prozess erforderlichen Formtrennungen bevorzugt im Bereich der Stege 76 realisiert werden. Stufen 92 und Übergänge 94 können dabei sowohl in Hauptströmungsrichtung 18 als auch in radialer Richtung und Umfangsrichtung auftreten.
13 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Flügelgitters 74 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile weisen gleiche Bezugszeichen auf. Die Flügel 75 können an einem in der Hauptströmungsrichtung 18 gesehen vorderen und hinteren Endbereich zumindest teilweise Aussparungen 96 aufweisen. Beispielsweise weisen die Flügel 75 in Umfangsrichtung bzw. radial verlaufende, aufmodulierte Sinuswellen-förmige Aussparungen 96 auf. Die Aussparungen 96 können alternativ rechteckig oder abgerundet ausgbildet sein. Die Anzahl und die Amplitude dieser aufmodulierten Aussparungen kann dabei insbesondere von Flügel 75 zu Flügel 75 variieren, um gemeinsame Schwingungsmoden im Nachlauf des Flügelgitters 74 zu reduzieren bzw. zu vermeiden.
14 zeigt eine Querschnittansicht eines Flügels 75 eines Flügelgitters 74 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Schnitt verläuft dabei in der Hauptströmungsrichtung 18. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile weisen gleiche Bezugszeichen auf. Im bezogen auf den in Hauptströmungsrichtung 18 stromaufwärst liegenden Bereich, also im Bereich der Vorderkante des Flügels 75 und insbesondere auf der stärker gekrümmten Saugseite der Flügel 75 und/oder der Stege 76 kann eine zusätzliche, lokal stark begrenzte Profilierung 98 in Form einer Aufdickung realisiert werden, wie nachstehend ausführlicher unter Bezugnahme auf die 15A bis 15E erläutert wird.
Die 15A bis 15E zeigen Draufsichten auf den Flügel der 14 in der Ansicht der Pfeile D gemäß möglichen alternativen Modifikationen an dem Flügel 75. Die Profilierung 98 kann in Form eines dünnes Balkens ausgebildet sein, wie in 15A gezeigt. Die Profilierung 98 kann in Form eines gezackten Balkens ausgebildet sein, wie in 15B gezeigt. Die Profilierung 98 kann in Form eines geschwungenen Balkens ausgebildet sein, wie in 15C gezeigt. Unterschiedliche Querschnitte und Verläufe quer zur Hauptströmungsrichtung 18 sind folglich für die Profilierung 98 möglich. Alternativ sind auch unterbrochene Varianten realisierbar. Beispielsweise kann die Profilierung 98 in Form von balkenförmigen Segmenten 102 ausgebildet sein, wie in 15D gezeigt. Alternativ kann die Profilierung 98 als dreieckige Segmente 102 ausgebildet sein, wie in 15E gezeigt. Alle beschriebenen Profilierungen 98 bewirken eine Provozierung des Umschlags von laminarer zu trubulenter Strömung mit einer Verringerung von Ablösungen und Reduzierung des Druckverlustes. Zusammenfassend können die Flügel 75 eine zusätzliche, lokal stark begrenzte Profilierung 98 in Form einer Aufdickung unterschiedlicher Querschnitte und Verläufe quer zur Hauptströmungsrichtung 18 inklusive unterbrochener Ausgestaltungen aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007060046 A1 [0009]
DE 102007055193 A1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 146–148 [0002]

Claims

Sensoranordnung (100) zur Bestimmung wenigstens einer Strömungseigenschaft eines mit einer Hauptströmungsrichtung (18) strömenden fluiden Mediums, insbesondere einer Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, wobei die Sensoranordnung (100) einen in einem Strömungsrohr (50) angeordneten Steckfühler (12), der einen Sensor (32) zur Bestimmung der Strömungseigenschaft des fluiden Mediums und mindestens eine der Hauptströmungsrichtung (18) entgegenweisende Einlassöffnung (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (100) weiter mindestens ein in der Hauptströmungsrichtung (18) stromaufwärts des Steckfühlers (12) angeordnetes Flügelgitter (74) aufweist, wobei das Flügelgitter (74) zum Umlenken des fluiden Mediums in die am Steckfühler (12) herrschende Hauptströmungsrichtung (18) mehrere Flügel (75) und Stege (76) aufweist, wobei die Flügel (75) zumindest abschnittsweise kreisförmig, elliptisch oder mit variablem Radius angeordnet sind, wobei die Flügel (75) so angeordnet sind, dass sie zur Reduzierung von Strömungsschwankungen sowie zur Erzeugung von homogenen, hohen Strömungsgeschwindigkeiten am Steckfühler (12) einen Anstellwinkel (α) von 0° bis 90°, bevorzugt von 0° bis 20° und besonders bevorzugt von 0° bis 10° aufweisen.
Sensoranordnung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Flügel (75) tragflächenförmig sind, wobei der Anstellwinkel α der tragflächenförmigen Flügel (75) von außen nach innen bezüglich des Flügelgitters (74) kleiner wird.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flügel (75) in der Hauptströmungsrichtung (18) gesehen zumindest abschnittsweise gewölbt ausgebildet sind.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flügel (75) und Stege (76) in der Hauptströmungsrichtung (18) gesehen eine ungleichmäßige Dicke aufweisen.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flügel (75) so angeordnet und bezüglich ihrer Dicken- und Wölbungsverteilung so gestaltet sind, dass sie zumindest abschnittsweise konvergente oder konvergent-divergente Kanäle (81) zwischen sich und den angrenzenden Stegen (76) bilden.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Länge der Flügel (75) in der Hauptströmungsrichtung (18) von außen in Richtung zu dem Mittelpunkt (80) variiert.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stege (76) in der Hauptströmungsrichtung eine gleiche Länge oder eine andere Länge wie die Flügel (75) aufweisen.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flügel (75) und / oder Stege (76) an einem in der Hauptströmungsrichtung (18) gesehen vorderen Endbereich (82) und / oder hinteren Endbereich (83) zumindest teilweise Aussparungen (90), insbesondere in Form von Rechtecken oder aufmodulierten Sinuswellen, aufweisen.
Sensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flügel (75) und / oder Stege (76) in der Hauptströmungsrichtung (18) gesehen im vorderen Endbereich (82), insbesondere auf einer stärker gekrümmten Oberseite (75e) der Flügel (75) und / oder der Stege (76), eine Profilierung (98) aufweisen.
Sensoranordnung (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Profilierung (98) in Form einer Aufdickung quer zur Hauptströmungsrichtung (18) ausgebildet ist.