DE102018214815B3

DE102018214815B3 - Anordnung zur Bestimmung der Abgasströmung in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102018214815B3
Application number: DE102018214815.5A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Reetz
Original assignee: I2S Intelligente Sensorsysteme Dresden GmbH
Current assignee: I2S Intelligente Sensorsysteme Dresden GmbH
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2019-12-24
Anticipated expiration: 2038-09-01

Abstract

Bei der Anordnung zur Bestimmung der Abgasströmung in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine ist mindestens ein Hochtemperaturströmungssensor (2) mittels eines Gehäuses (1) in ein rohrförmiges Element der jeweiligen Abgasanlage so einsetzbar, dass der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor (2) im Abgasstrom angeordnet ist. Am Gehäuse (1) ist/sind ober - und unterhalb des Hochtemperaturströmungssensors (2) jeweils mindestens ein plattenförmiges Strahlungsschutzelement (3) oder mindestens ein U-förmig ausgebildetes Element, zwischen dessen beiden Schenkeln der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor (2) angeordnet und n einem Abstand zum Hochtemperaturströmungssensor 2 befestigt. Die plattenförmigen Strahlungsschutzelemente (3) oder die Schenkel des U-förmig ausgebildeten Elements sind parallel zur Abgasströmung ausgerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Bestimmung der Abgasströmung in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine. Dabei soll insbesondere der Abgasmassenstrom bestimmt werden können.
Solche Sensoren werden üblicherweise direkt im Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet und werden daher durch die dort herrschenden Bedingungen beeinflusst, was insbesondere auf den thermischen Einfluss zutrifft. Je nach Anordnung im Abgasstrang herrschen unterschiedlich hohe Temperaturen, die bis maximal 900 °C betragen können. Je nach Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine wechseln die Temperaturen bei auftretenden Lastwechseln der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine.
Eine Beeinflussung der eingesetzten Hochtemperaturströmungssensoren erfolgt aber auch durch das Gehäuse, das in das jeweilige Abgasrohr eingesetzt ist und mit dem ein Hochtemperaturströmungssensor im zu detektierenden Abgasstrom fixiert ist. Dabei wirken sich Wärmestrahlungseffekte und thermische Leitfähigkeit auf die erreichbare Messgenauigkeit aus.
Als eine wesentliche Ursache für diese Effekte lässt sich der Wärmeübertragungsprozess im Übergang vom Volllast- zum Teillastbereich identifizieren. Bei Abkühlung des Abgases strahlt das erhitzte Gehäuse Wärme auf den Sensor und verfälscht insbesondere das für eine korrekte Abgasmassenstrommesssung notwendige Abgastemperatursignal.
In der Vergangenheit wurden Abgasmassenstromsensoren, die basierend auf der Heißfilmanemometrie detektieren, bereits eingesetzt. Auch bei diesem Sensortyp wirken sich wechselnde Temperaturen und auch eine Verfälschung der tatsächlichen Abgastemperatur durch andere Einflüsse nachteilig aus.
So ist aus US 2004/0060354 A1 eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer Strömungsmenge bekannt.
DE 10 2011009 754 A1 betrifft Strömungssensoren.
Ein thermischer Massenstrommesser ist in US 4 685 331 A beschrieben.
DE 10 2012 006 129 A1 offenbart ein Gehäuse für einen Drucksensor.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Erhöhung der Messgenauigkeit bei der Bestimmung von Parametern der Abgasströmung an Verbrennungskraftmaschinen anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestimmung der Abgasströmung in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine ist mindestens ein Hochtemperaturströmungssensor mittels eines Gehäuses in ein rohrförmiges Element der jeweiligen Abgasanlage so einsetzbar, dass der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor bevorzugt mittig im Abgasstrom angeordnet ist.
Am Gehäuse sind in einer Alternative ober - und unterhalb des Hochtemperaturströmungssensors jeweils mindestens ein plattenförmiges Strahlungsschutzelement oder in einer weiteren Alternative ist mindestens ein U-förmig ausgebildetes Element, zwischen dessen beiden Schenkeln der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor angeordnet ist, jeweils in einem Abstand zu dem mindestens einen Hochtemperaturströmungssensor befestigt. Dabei sind die plattenförmigen Strahlungsschutzelemente oder die Schenkel des U-förmig ausgebildeten Elements parallel zur Abgasströmung ausgerichtet.
Die plattenförmigen Elemente bzw. die Schenkel haben also keinen direkten berührenden Kontakt zum mindestens einen Hochtemperaturströmungssensor können jedoch das Hochtemperaturströmungssensorgehäuse berühren.
Die plattenförmigen Strahlungsschutzelemente oder die Schenkel des U-förmigen Elementes weisen in Abgasströmungsrichtung eine größere Breite als die Breite des mindestens einen Hochtemperaturströmungssensors auf.
Am Gehäuse kann ein Sensorgehäuse angeflanscht sein, durch das der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor in das rohrförmige Element der jeweiligen Abgasanlage einführbar ist. Durch das Sensorgehäuse bzw. in diesen hinein können auch die elektrischen Anschlussleitungen für den Betrieb mindestens eines Hochtemperaturströmungssensors und/oder der Weiterleitung der damit erfassten Messsignale geführt sein.
Mit den plattenförmigen Elementen bzw. den Schenkeln eines U-förmig ausgebildeten Elements kann ein Schutz vor Wärmestrahlung des Hochtemperaturströmungssensors, die insbesondere von der Innenwand des Gehäuses emittiert wird, erreicht werden. Dadurch wirkt sich dieser Einfluss in erheblich geringerem Maß negativ auf die mit dem Hochtempertaturströmungssensor detektierbaren Messsignale aus, als dies ohne diesen Schutz der Fall wäre. Die im Bereich des Hochtemperaturströmungssensors momentan jeweils auftretenden Temperaturen liegen weitaus näher an der tatsächlichen Abgastemperatur, als dies ohne diesen Schutz möglich wäre.
Dieser Effekt wird verbessert, indem die plattenförmigen Elemente oder das U-förmig ausgebildet Element mit einer thermische Strahlung aus dem Spektrum des Infrarotlichts reflektierenden Material gebildet oder an mindestens einer Oberfläche mit einer diese Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen ist/sind.
Am Gehäuse kann eine Sensoraufnahmeplatte, die bevorzugt senkrecht zur Ebene, in der die plattenförmigen Elemente oder das U-förmig ausgebildete Element platziert ist/sind angeordnet sein.
Die Sensoraufnahmeplatte kann auf einem ersten bevorzugt thermisch isolierenden Element angeordnet sein.
Eine elektrische Kontaktierung des Hochtemperaturströmungssensors kann mittels mindestens einer Kontaktfeder fixiert in einer Kontaktfederkassette so angeordnet sein, dass die mindestens eine Kontaktfeder den Hochtemperaturströmungssensor in größtmöglicher Entfernung zum Gehäuse kontaktiert.
Die plattenförmigen Elemente oder die Schenkel des U-förmig ausgebildeten Elements sollten eine Dicke senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases aufweisen, die kleiner als 1,0 mm ist. Dadurch wirkt sich ihr Einfluss auf die Abgasströmung nur geringfügig aus und die thermisch ausgleichende Funktion wird sichergestellt.
Um den Einfluss thermischer Leitung ausgehend vom Gehäuse oder der Umgebung des Gehäuses zu reduzieren kann am Gehäuse an der Seite von der der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor in den Abgasstrom eingeführt ist, mindestens ein erstes thermisch isolierendes Element, das bevorzugt senkrecht zur Ebene, in der die plattenförmigen Elemente oder das U-förmig ausgebildete Element ausgerichtet sind/ist, zwischen dem Gehäuse und einer Sensoraufnahmeplatte angeordnet sein.
Die Reduzierung des thermischen Einflusses kann weiter verbessert werden, indem am Gehäuse an der Seite von der der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor in den Abgasstrom eingeführt ist, ein zweites thermisch isolierendes Element, das bevorzugt parallel zu und in einem Abstand zum ersten thermisch isolierenden Element zwischen der Sensoraufnahmeplatte und dem Sensorgehäuse angeordnet ist/sind.
Eine Verbesserung kann auch dadurch erreicht werden, wenn am Gehäuse an der dem ersten thermisch isolierenden Element diametral gegenüberliegenden Seite ein drittes thermisch isolierendes Element, das bevorzugt senkrecht zur Ebene, in der die plattenförmigen Elemente oder das U-förmig ausgebildete Element ausgerichtet ist, angeordnet ist und der thermischen Entkopplung des Strahlungsschutzes dient.
Die thermisch isolierenden Elemente können beispielsweise aus bzw. mit einem keramischen Werkstoff oder einem Mineralfaserverbundwerkstoff gebildet sein. Sie können mit Durchbrechungen ausgebildet sein, die für eine Verbindung mit dem Gehäuse, dem Sensorgehäuse oder auch einem Zwischenflansch genutzt werden können. Durchbrechungen können beispielsweise für Schraubverbindungen und für die Einführung des Hochtemperaturströmungssensors in das Innere des Gehäuses genutzt werden.
Thermisch isolierende Elemente können aber auch durch Klebverbindungen fixiert werden.
Wie bereits zum Ausdruck gebracht, kann der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor zur Bestimmung des Abgasmassenstroms und bevorzugt als ein nach dem heißfilmanemometrischen Prinzip detektierender Sensor ausgebildet sein.
Ein Bereich des Sensorgehäuses oder ein am Sensorgehäuse befestigtes Teil kann in das Gehäuse hineinragen und vom Abgas umströmt werden. Dabei sollte dieser Bereich oder dieses Teil innen hohl sein, so dass ein Trägerelement für den mindestens einen Hochtemperatursensor keinen direkten berührenden Kontakt zu dessen Innenwand aufweist.
Durch die nicht direkt berührende Ausbildung kann ebenfalls die thermische Leitung vom bzw. zum Hochtemperaturströmungssensor reduziert werden.
Den in das Innere des Gehäuses hineinragenden Bereich oder das am Sensorgehäuse befestigte Teil kann man auch zur Abstützung und Fixierung plattenförmiger Elemente oder der Schenkel eines U-förmig ausgebildeten Elements nutzen, in dem die plattenförmigen Elemente oder Schenkel an der äußeren Oberfläche des Bereichs oder Teils anliegen bzw. dort daran sogar befestigt sein können.
Vorteilhaft können an der nach außen weisenden Oberfläche des Gehäuses die Oberfläche vergrößernde Strukturelemente vorhanden sein, mit denen eine verbesserte Kühlwirkung erreicht werden kann. Strukturelemente können dabei Erhebungen, insbesondere Kühlrippen sein.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Einzelne technische Merkmale können auch unabhängig vom nachfolgend konkret beschriebenen Beispiel miteinander kombiniert werden.
Dabei zeigt:

1 in schematischer Form eine Ansicht eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel einer Anordnung in einer Schnittdarstellung ist ein Gehäuse 1 ringförmig mit zwei miteinander verbundenen Hälften gebildet das mit einem nicht dargestellten rohrförmigen Element einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine verbunden werden kann, so dass ein Hochtemperaturströmungssensor 2, der auf einem Trägerelement angeordnet ist, mittig im Abgasstrom platziert wird.
An einer Seite des Gehäuses 1 ist ein Flansch vorhanden, der zur Befestigung des Sensorgehäuses 9 genutzt werden kann. Am Flansch sind bei diesem Beispiel ein erstes thermisch isolierendes Element 6 und in einem Abstand dazu ein zweites thermisch isolierendes Element 8 in einem Abstand zueinander angeordnet. Zwischen dem ersten und dem zweiten thermisch isolierenden Element 6 und 8 ist eine Sensoraufnahmeplatte 7 angeordnet.
An der diesem Flansch diametral gegenüberliegend angeordneten Seite des Gehäuses 1 ist ein weiterer Flansch ausgebildet, an dem ein drittes thermisch isolierendes Element 4 angeordnet ist, das zur thermischen Entkopplung einer Basisplatte 5 dient.
Zur Reduzierung der Beeinflussung der Temperatur am Hochtemperaturströmungssensor 2 infolge Wärmestrahlung sind bei diesem Beispiel zwei plattenförmige Elemente 3 ober- und unterhalb des Hochtemperaturströmungssensors 2 angeordnet und an der Basisplatte 5 fixiert. Mit ihnen kann ein Schutzschild gegen Wärmestrahlung, die von der Innenwand des Gehäuses 1 in Richtung Hochtemperaturströmungssensor 2 emittiert wird, erreicht werden.
Die plattenförmigen Elemente 3 können auch an der in das Gehäuse 1 weisenden Oberfläche des Sensorgehäuses 9 anliegen und so daran fixiert sein.
Eine solche Art der Fixierung eignet sich auch für Schenkel eines U-förmig ausgebildeten Elements. Dabei kann der Bereich Sensorgehäuses 9 der in das Gehäuse 1 hineinragt, in die durchbrochene Stirnseite eines U-förmig ausgebildeten Elements eingeführt sein.
Die plattenförmigen Elemente 3 sind bei diesem Beispiel aus einem hochtemperaturfestem Edelstahl hergestellt und weisen eine Dicke von 0,5 mm auf. Sie sind parallel zur Strömungsrichtung des Abgasstromes ausgerichtet, was auch auf den Hochtemperaturströmungssensor 2 und ggf. sein Trägerelement zutrifft.
Die plattenförmigen Elemente 3 oder Schenkel haben einen Mindestabstand zum Hochtemperaturströmungssensor 2 von mindestens 2 mm.
Die thermisch isolierenden Elemente 4, 6 und 8 sind bei diesem Beispiel plattenförmig mit einer Dicke von 2 mm ausgebildet und bestehen aus einem speziellen Hochtemperaturdichtungsmaterial in Form eines Verbundwerkstoffes auf keramischer Basis.
Mit den thermisch isolierenden Elementen 4, 6 und 8 kann eine Veränderung bzw. Beeinflussung der Temperatur am Hochtemperatursensor 2 und seinem Trägerelement infolge thermischer Leitung entgegen gewirkt werden.
Bei diesem Beispiel ist der Hohlraum im Inneren des Sensorgehäuses 9 zumindest teilweise mit einem formbaren und isolierendem Material 12 ausgefüllt, mit dem der Hochtemperaturströmungssensor 2 über sein Trägerelement fixiert werden kann. Das Material 12 kann beispielsweise eine thermisch isolierende Mineralwolle sein. Die Fixierung kann aber auch durch die partielle Verklebung im Bereich des in das Gehäuse 1 hineinragenden Teils vorgenommen werden. Hierzu wird ein hochtemperaturfester Kleber geringer Wärmeleitfähigkeit auf keramischer Basis verwendet.
Bei diesem Beispiel ist ein weiterer Hohlraum im Sensorgehäuse 9 vorhanden in dem eine Kontaktfederkassette 11 angeordnet ist die ihrerseits eine Kontaktfeder 10 aufnimmt. Mit der Kontaktfeder 10 können Steckkontakte für Verbindungsleitungen, die zu einer elektronischen Auswerteeinheit und ggf. zu einer elektrischen Energiequelle geführt sind, lösbar verbunden werden. Die Kontaktfeder 10 ist fixiert in der Federkassette 11 und stellt die elektrische Kontaktierung zum Hochtemperaturströmungssensors 2 her.
Bei dem Beispiel nach 1 ist im Sensorgehäuse 9 auch ein weiterer Hohlraum vorhanden, mit dem erreicht werden kann, dass ein Trägerelement für einen Hochtemperaturströmungssensor 2 zumindest in diesem Bereich keinen direkten oder einen reduzierten Kontakt mit dem Sensorgehäuse 9 hat, wodurch die thermische Leitung ebenfalls gemindert wird.
Die im Beispiel aufgezeigten Maßnahmen wie etwa die Ausbildung eines Wärmeschutzschildes, die zweifache thermische Entkopplung des Sensorgehäuses durch Verwendung einer beidseitig thermisch isolierten Sensoraufnahmeplatte und die thermisch isolierende Fixierung des Sensorträgers reduzieren in erheblichem Maße die Thermischen Störeinflüsse und führen somit zu einer wesentlichen Verbesserung der Bestimmung des Abgasmassenstromes.

Claims

Anordnung zur Bestimmung der Abgasströmung in einer Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine, bei der mindestens ein Hochtemperaturströmungssensor (2) mittels eines Gehäuses (1) in ein rohrförmiges Element der jeweiligen Abgasanlage so einsetzbar ist, dass der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor (2) im Abgasstrom angeordnet ist und am Gehäuse (1) ober- und unterhalb des Hochtemperaturströmungssensors (2) jeweils mindestens ein plattenförmiges Strahlungsschutzelement (3) oder mindestens ein U-förmig ausgebildetes Element, zwischen dessen beiden Schenkeln der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor (2) angeordnet sind/ist, in einem Abstand zum Hochtemperaturströmungssensor 2 befestigt ist und die plattenförmigen Strahlungsschutzelemente (3) oder die Schenkel des U-förmig ausgebildeten Elements parallel zur Abgasströmung ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Strahlungsschutzelemente (3) oder die Schenkel des U-förmigen Elementes in Abgasströmungsrichtung eine größere Breite als die Breite des mindestens einen Hochtemperaturströmungssensors (2) aufweisen und die plattenförmigen Elemente (3) oder die U-förmig ausgebildeten Elemente mit einem thermische Strahlung aus dem Spektrum des Infrarotlichts reflektierenden Material gebildet oder an mindestens den äußeren zum Gehäuse (1) gerichteten Oberflächen mit einer diese Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (1) eine Sensoraufnahmeplatte (7), bevorzugt senkrecht zur Ebene, in der die plattenförmigen Elemente (3) oder das U-förmig ausgebildete Element platziert sind, angeordnet ist.
Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoraufnahmeplatte (7) auf einem ersten isolierenden Element (6) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kontaktierung des Hochtemperaturströmungssensors (2) mittels mindestens einer Kontaktfeder (10) fixiert in einer Kontaktfederkassette (11) so angeordnet ist, dass die mindestens eine Kontaktfeder (10) den Hochtemperaturströmungssensor (2) in größtmöglicher Entfernung zum Gehäuse (1) kontaktiert.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Elemente (3) oder die Schenkel des U-förmig ausgebildeten Elements eine Dicke senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases aufweisen, die kleiner als 1 mm ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (1) an der Seite von der der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor (2) in den Abgasstrom eingeführt ist, mindestens ein erstes thermisch isolierendes Element (6), das bevorzugt senkrecht zur Ebene, in der die plattenförmigen Elemente (3) oder das U-förmig ausgebildete Element ausgerichtet ist, zwischen dem Hochtemperaturströmungssensor (2), den plattenförmigen Elementen (3) oder den U-förmig ausgebildeten Element und einem Sensorgehäuse (9) angeordnet ist.
Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (1) an der Seite von der der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor (2) in den Abgasstrom eingeführt ist, ein zweites thermisch isolierendes Element (8), das bevorzugt parallel zu und in einem Abstand zum ersten thermisch isolierenden Element (6) angeordnet ist, zwischen der Sensoraufnahmeplatte (7), den plattenförmigen Elementen (3) oder dem U-förmig ausgebildeten Element und einem Sensorgehäuse (9) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (1) an der dem ersten thermisch isolierenden Element (6) diametral gegenüberliegenden Seite ein drittes thermisch isolierendes Element (4), das bevorzugt senkrecht zur Ebene, in der die plattenförmigen Elemente (3) oder das U-förmig ausgebildete Element ausgerichtet ist, angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Hochtemperaturströmungssensor zur Bestimmung des Abgasmassenstroms und bevorzugt als ein nach dem heißfilmanemometrischen Prinzip detektierender Sensor ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich eines Sensorgehäuses (9) oder ein an einem Sensorgehäuse (9) befestigtes Teil in das Gehäuse (1) hineinragt und vom Abgas umströmt ist, wobei dieser Bereich oder dieses Teil innen hohl ist, so dass ein Trägerelement für den mindestens einen Hochtemperatursensor (2) keinen direkten berührenden Kontakt zu dessen Innenwand aufweist.