DE10230430A1 - Ansaugluftführung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ansaugluftführung einer Brennkraftmaschine mit einem Luftfilter, einem Luftführungsrohr und einer Luftmassenmesseinheit, bestehend aus einem Luftmassenmesser in einer Messstrecke mit einem davor angeordneten Vorschaltgitter, wobei die Luftmassenmesseinheit im Luftführungsrohr von wenigstens einem Teilstrom der Ansaugluft durchströmbar ist und der Luftmassenmesseinheit ein Abschirmelement zugeordnet ist, das stromauf der Luftmassenmesseinheitt in einer Reinluftkammer des Luftfilters angeordnet ist. Das Abschirmelement kann als Einlaufrohr ausgebildet sein.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Ansaugluftführung einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
• Aus der DE 42 30 218 A1 ist eine Ansaugluftführung bekannt, bei der ein Luftmassenmesser innerhalb der Reinluftkammer eines Platten-Luftfilters angeordnet ist. Bei dieser Anordnung strömt die gesamte Ansaugluft durch den Luftmassenmesser.
• Des weiteren ist beispielhaft für derzeit angewandte Luftmassenmesseinheiten im Vortrag von H. Brüggemann anlässlich des 23. Internationalen Wiener Motorensymposium am 25./26. April 2002 : „Dieselmotoren für die neue E-Klasse (W211)", veröffentlicht VDI-Verlag, Düsseldorf 2002, eine Ansaugluftführung mit einem Luftfilter mit runder Filterpatrone und einer daran anschließenden Luftmassenmesseinheit gezeigt, bestehend aus einem Luftmassenmesser in einer Messstrecke mit einem davor angeordneten Vorschaltgitter. Bei dieser ausgeführten Anordnung wird die Luftmassenmesseinheit im Luftführungsrohr nur von einem Teilstrom der Ansaugluft durchströmt, der Hauptteil der Luftmenge strömt mit wenig Strömungswiderstand außen um die Luftmassenmesseinheit. Bei dieser ausgeführten luftverdichtenden Brennkraftmaschine wird das Messergebnis der Luftmassenmessung bei der Festlegung der Abgasrückführrate einer Abgasrückführeinrichtung verwendet. Da die Luftmassenmesseinheit einen höheren Strömungswiderstand aufweist als ein einfaches Rohr, wird nur ein definierter Teilstrom durch die Luftmassenmesseinheit geleitet und gemessen. Aus der gemessenen Luftmasse des Teilstroms wird aufgrund des durch Versuche bekannten Verhältnisses von Teilstrom zu Gesamtstrom die von der Brennkraftmaschine angesaugte Gesamtluftmasse ermittelt. Das Vorschaltgitter dient zur Abweisung von Partikeln, wie Wassertropfen, Schmutzpartikel oder Salzkristalle, die die Messergebnisse des Luftmassenmessers beeinträchtigen könnten. Eine direkte Anbindung der Luftmassenmesseinheit an das Luftfilter ist aufgrund der dadurch ermöglichten platzsparenden Bauweise einer Lösung mit Rohrstücken zwischen Luftfilter und Luftmassenmesseinheit vorzuziehen, jedoch besteht die Gefahr einer unterschiedlichen Anströmung des Vorschaltgitters, bzw. der Luftmassenmesseinheit bei unterschiedlichen Beladungszuständen des Luftfilter mit Schmutz.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ansaugluftführung mit einem Luftmassenmesser in platzsparender Bauweise zur Verfügung zu stellen, bei der durch unterschiedliche Beladungszustände des Luftfilters keine nennenswerte Unterschiede im Messergebnis des Luftmassenmessers auftreten.
• Diese Aufgabe wird durch eine Ansaugluftführung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
• Die erfindungsgemäße Ansaugluftführung zeichnet sich durch ein Abschirmelement aus, das einer Luftmassenmesseinheit zugeordnet ist und stromauf derselben in einer Reinluftkammer eines Luftfilters angeordnet ist. Bei einer platzsparenden Anordnung der Luftmassenmesseinheit unmittelbar am Strömungsausgang des Luftfilters ist es vorteilhaft durch eine Strömungsleiteinrichtung in Form eines Abschirmelementes unmittelbar stromauf der Luftmassenmesseinheit die Einströmbedingungen für verschiedene Beladungszustände des Luftfilters mit Schmutz zu vergleichmäßigen. Durch ein Abschirmelement wird der Strom der Ansaugluft vor Eintritt in die Luftmassenmesseinheit über eine gewisse Länge geführt und beruhigt. Ohne Abschirmelement strömt die Ansaugluft auf dem widerstandsärmsten Wege durch den Luftfilter über das Vorschaltgitter in die Luftmassenmesseinheit. Schmutzpartikel werden im Luftfilter zuerst an den Stellen abgelagert die auf dem widerstandsärmsten Wege liegen. Mit zunehmender Beladung mit Schmutzpartikel ändert sich der Weg der Ansaugluft durch den Luftfilter, d.h. die Anströmrichtung auf das Vorschaltgitter ändert sich ebenfalls, was seinerseits eine Änderung der Ansströmung zum Luftmassenmesser in der Luftmassenmesseinheit ergibt. Durch ein Abschirmelement wird diese ungewollte Änderung der Aasströmung verringert bzw. ganz vermieden, d.h. auch bei Beladung des Luftfilters mit Schmutz wird die Luftmassenmesseinheit und damit das Vorschaltgitter und der Luftmassenmesser wie im unbeladenem Zustand angeströmt. Eine Änderung der Aasströmung bei verschiedenen Luftmassenströmen, wie z.B. Leerlauf – Volllast, wird durch Kalibrierung des Luftmassenmessers auf elektronischem Wege in einem Steuergerät ausgeglichen. Das Abschirmelement kann zum Beispiel als zylindrische Blende über eine Teilumfang oder den Gesamtumfang der Luftmassenmesseinheit ausgebildet sein. Die Luftmassenmesseinheit ist im Allgemeinen ein zylindrischer Körper als Messstrecke mit dem Luftmassenmesser ungefähr in der Mitte der Messstrecke. Die einströmseitige Abschlussfläche der Luftmassenmesseinheit wird im Allgemeinen durch ein Vorschaltgitter gebildet, das die Strömung in der Messstrecke richtet und zur Partikelabscheidung dient. Das Abschirmelement ist in seiner einfachsten Form ein zylindrisches Bauteil das in seiner Form die zylindrische Luftmassenmesseinheit entgegen der Strömungsrichtung in die Reinluftkammer des Luftfilters verlängert, wobei das Abschirmelement nicht notwendigerweise gleichförmig über den gesamten Umfang des gedachten Zylinders geführt sein muss.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschirmelement als ein Einlaufrohr ausgebildet. Durch ein Einlaufrohr wird auf einfachste Weise eine kostengünstige und wirkungsvolle Vorrichtung zum Vergleichmäßigen der Strömung durch das Vorschaltgitter in die Luftmassenmesseinheit erreicht. Ein Einlaufrohr ist einfach herzustellen, weist keinen besonders hohen Strömungswiderstand auf und bewirkt gleichmäßige Anströmbedingungen auf das Vorschaltgitter unabhängig von der Einströmrichtung in das Einlaufrohr.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Abschirmelement und der Luftmassenmesseinheit ein Abstand vorgesehen. Durch einen Abstand, der am einfachsten in Form eines Ringspaltes zu erreichen ist, lassen sich Partikel oder Wassertropfen, die sich im Bereich des Abschirmelementes ansammeln, abscheiden, damit sie den Eingang zum Luftmassenmesser in Form des Vorschaltgitters nicht beschädigen oder verstopfen. Da aufgrund eines leichten Staudruckes vor dem Abschirmelement ein geringer Überdruck gegenüber dem Druck im Teilstrom außerhalb der Abschirmung und der Luftmassenmesseinheit, reißt die Luft, die durch den Ringspalt nach außen strömt, abgelagerte Partikel mit.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Abschirmelement seitliche Öffnungen auf. Die seitlichen Öffnungen des Abschirmelementes, bzw. des Einlaufrohres können als Löcher, Schlitze oder andere beliebige geometrische Formen ausgebildet sein, die ebenfalls wie der Ringspalt zwischen Abschirmelement und Luftmassenmesseinheit dazu dienen Partikel oder Wassertropfen aus der Ansaugluft abzuscheiden. Die Lage der seitlichen Öffnungen wird am einfachsten durch Strömungsversuche festgelegt.
• In einer weiteren förderlichen Ausgestaltung weist das Abschirmblech Strömungsleitelemente auf. Diese Strömungsleitelemente dienen zur Beruhigung der Strömung der Ansaugluft, aber auch durch Umlenken der Strömung zu besseren Abscheidung von Partikel oder Wasser aus der Ansaugluft. Wenn die Ansaugluftströmung umgelenkt wird bewegen sich die spezifisch schwereren Schmutz- und Wasserpartikel auf einer nahezu geraden Flugbahn weiter und sammeln sich an einer wand des Abschirmbleches oder einem Strömungsleitelement. Von dort werden die Partikel gegebenenfalls von der Strömung mitgerissen und durch die erfindungsgemäßen Öffnungen in der Ansaugluftstrom außerhalb des Abschirmbleches und der Luftmassenmesseinheit abgegeben. Die Größe und Lage der Strömungsleitelemente wird ebenfalls wie die seitliche Öffnungen in Verbindung mit denselben durch Versuche festgelegt.
• In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Abschirmelement an seiner Einströmseite trichterförmig ausgebildet. Durch einen Einlauftrichter wird die Strömung in das Abschirmelement, bzw. das Einlaufrohr verbessert, d.h. der Strömungswiderstand der Einströmung wird verringert.
• In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Länge des Abschirmelements mindestens so groß wie ungefähr ein Viertel eines Durchmessers einer kreisförmig gedachten Querschnittsfläche. Da das Abschirmelement nicht zwingend kreisförmig ausgeführt sein muss, ist es vorteilhaft vom hydraulischen Querschnitt am Abschirmelement auszugehen, und von diesem hydraulischen Querschnitt als gedachte Kreisfläche den Durchmesser des gedachten Kreises als Maß für die davon abhängige Längenfestlegung des Abschirmelements heranzuziehen. Die Länge des Abschirmelementes, z.B. die Länge des Einlaufrohres inklusive eines Einlauftrichters, sollte ein Maß von einem Viertel des Durchmessers eines Kreises mit demselben hydraulischen Querschnitt nicht unterschreiten. Eine größere Länge des Abschirmelementes ist nicht schädlich, sofern sie nicht wesentlich größer als der 1,5- bis 2-facher Durchmesser ist. Bei größeren Längen überwiegen die Nachteile durch Wandreibung und zu große Umlenkung der Strömung vor dem Einlauf in das Abschirmelement.
• In einer weiteren Ausführung ist das Abschirmelement so angeordnet, dass es bei verschiedenen Betriebszuständen, d.h. Luftmassenströmen, jeweils den Bereich des größten Luftmassenstromes erfasst. Die Ansaugluft strömt in der Reinluftkammer des Luftfilters vor allem in einem mittleren Bereich. Zur Wand, bzw. zum Filtereinsatz hin wird die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Massenstrom geringer. Für eine gleichbleibende Messqualität des Luftmassenmessers ist es von Vorteil, wenn bei verschiedenen Zuständen des Luftfilters, wie zum Beispiel ein neues oder mit Schmutzpartikel beladenes Luftfilter, möglichst gleiche Massenströme bei gleichen sonstigen Bedingungen (Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine, Luftdruck und Temperatur der Umgebung und sonstige Betriebsparameter) gemessen werden. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft die Einströmöffnung des Abschirmelementes in einen Bereich zu legen, der bei allen Betriebsbereichen mit einem starken Luftmassenstrom beaufschlagt wird. Der Bereich mit einem starken Luftmassenstrom kann durch Versuche ermittelt werden.
• Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie der Zeichnung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur: Eine Ansaugluftführung 1 einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine besteht aus einem Luftfilter 2, bestehend aus einer Rohluftkammer 3, einem Filterelement 4 und einer Reinluftkammer 5, und einem Luftführungsrohr 6. Am Strömungsausgang 7 der Reinluftkammer 5 zum Luftführungsrohr 6 ist eine Luftmassenmesseinheit 8 angeordnet. Die Luftmassenmesseinheit 8 besteht aus einer Messstrecke 9, in der ein Luftmassenmesser 10 befestigt ist, und einem Vorschaltgitter 11. In Strömungsrichtung gesehen vor der Luftmassenmesseinheit 8 ist ein Einlaufrohr 12 angeordnet, an dessen Ende die Luftmassenmesseinheit auf der Innenseite und Halteelemente 13 auf der Außenseite angebracht sind. Die Halteelemente 13 stützen das Einlaufrohr 12 und die Luftmassenmesseinheit 8 im Luftführungsrohr 6 bzw. am Strömungsausgang 7 der Reinluftkammer 5 ab.
• Die Ansaugluft strömt von einer Rohluftzuleitung 14 in die Rohluftkammer 3 und über das Filterelement 4 in die Reinluftkammer 5. Aus der Reinluftkammer 5 tritt ein Teilstrom der Ansaugluft in das Einlaufrohr 12, durchströmt das Vorschaltgitter 11 und die Messstrecke 9 der Luftmassenmesseinheit 8 mit dem Luftmassenmesser 10, wo der Luftmassenstrom des Teilstromes gemessen wird. Der Hauptstrom der Ansaugluft strömt außerhalb des Einlaufrohres 12 und der Luftmassenmesseinheit 8 in das Luftführungsrohr 6 und vereinigt sich mit dem Luftstrom durch die Luftmassenmesseinheit B. Aus dem durch Versuche bekannten und im Steuergerät gespeicherten Verhältnis von. gemessenem Teilstrom zum Gesamtstrom der Luftmasse und dem Messwert aus dem Luftmassenmesser wird die gesamte Luftmasse bestimmt.
• Die Ansaugluft nimmt auf ihrem Weg von der Rohluftzuleitung 14 zum Luftführungsrohr 6 den kürzesten Weg, bzw. den weg mit dem geringsten Strömungswiderstand. Im Bereich des Filterelementes 4 ist die Strömung nicht über die gesamte Fläche des Filterelementes gleichmäßig verteilt, vor allem aufgrund der nahezu punktförmigen Zuströmung aus der Rohluftzuleitung 14. Diese Ungleichmäßigkeit in der Verteilung der Luftströmung bewirkt eine Ungleichmäßigkeit der Verteilung der Schmutzablagerung im Filterelement 4. D.h. der Durchflusswiderstand des Filterelements 4 wird sich aufgrund des abgelagerten Schmutzes an den bevorzugt angeströmten Stellen lokal vergrößern und die Strömung wird ausweichen und andere Wege durch das Filterelement bevorzugen. Mit zunehmender Beladung des Filterelementes 4 tritt die Ansaugluft an anderen Stellen in die Reinluftkammer 5.
• Bei einer Ausführung ohne Einlaufrohr 12 bedeutet dies eine wechselnde Anströmrichtung auf das Vorschaltgitter 11 und damit eine wechselnde Anströmung auf den Luftmassenmesser 10, was Fehlmessungen zur Folge hat, weil das Vorschaltgitter zur besseren Partikelabsonderung meist schräggestellte Lamellen 15 aufweist, die auf eine Änderung der Anströmrichtung empfindlich reagieren. Die Lamellen 15 sind deshalb schräggestellt, damit die Ansaugluft schräg in die Messstrecke 9 einströmt und bei einer anschließenden Ausrichtung in Richtung der gedachten Längsachse der Luftmassenmesseinheit 8 aufgrund des schnellen Richtungswechsels, den spezifisch schwerere Schmutz- oder Wasserpartikel nur verzögert ausführen können, die Schmutzpartikel am Rande der Messstrecke abgesondert werden.
• Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung mit Einlaufrohr 12 strömt die Ansaugluft unabhängig von örtlicher Verschmutzung aus einer beliebigen Richtung in das Einlaufrohr und von dort immer aus der gleichen Richtung auf das Vorschaltgitter 11. Auf diese Art wird ein Messfehler der Luftmassenmessung durch verschmutzte Abschnitte des Filterelement 4 bei Verwendung einer luftfilternahen Luftmassenmesseinheit 8 zuverlässig und auf einfache Weise verhindert. Durch eine standardmäßige Kalibrierung der Luftmassenmesseinheit 8 vor ihrem Einbau oder vor Erstinbetriebnahme können Verschiebungen des Messpunktes aufgrund eines evtl. vorhandenen geringen Strömungswiderstandes des Einlaufrohres 12 eliminiert werden.

Claims (8)

1. Asaugluftführung (1) einer Brennkraftmaschine mit einem Luftfilter (2), einem Luftführungsrohr (6) und einer Luftmassenmesseinheit (8), bestehend aus einem Luftmassenmesser (10) in einer Messstrecke (9) mit einem davor angeordneten Vorschaltgitter (11), wobei die Luftmassenmesseinheit im Luftführungsrohr von wenigstens einem Teilstrom der Ansaugluft durchströmbar ist dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenmesseinheit ein Abschirmelement zugeordnet ist, das stromauf der Luftmassenmesseinheit in einer Reinluftkammer (5) des Luftfilters angeordnet ist.
2. Ansaugluftführung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Abschirmelement als ein Einlaufrohr (12) ausgebildet ist.
3. Ansaugluftführung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass zwischen Abschirmelement und Luftmassenmesseinheit (8) ein Abstand, insbesondere ein Ringspalt, vorgesehen ist.
4. Ansaugluftführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement seitliche Öffnungen aufweist.
5. Ansaugluftführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement Strömungsleitelemente aufweist.
6. Ansaugluftführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement am einströmseitigen Ende trichterförmig ausgebildet ist.
7. Ansaugluftführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge des Abschirmelements mindestens so groß ist wie ungefähr ein Viertel eines Durchmessers einer kreisförmig Bedachter Querschnittsfläche des Abschirmelements.
8. Ansaugluftführung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmelement im Bereich größten Luftmassenströmung angeordnet ist.