DE10337824A1 - Massenstrommesser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Massenstrommesser (1), der in einen Hauptkanal (2) eingesetzt ist, durch den ein Medium strömt. Der Massenstrommesser (1) weist einen Hilfskanal auf, in welchem Sensorelemente (10 und 11) angeordnet sind. Um einen positiven Massenstrommessfehler infolge von Verwirbelungen hinter dem Massenstrommesser (1) zu vermeiden, ist erfindungsgemäß eine Leitvorrichtung (13) in der Nähe des Massenstrommessers im Hauptkanal (2) ausgebildet.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Massenstrommesser in einem Hauptkanal, in dem ein Massenstrom in eine Hauptströmungsrichtung strömt.
• Ein derartiger Massenstrommesser ist z.B. in der WO 02/25223 offenbart.
• Der Massenstrommesser weist ein Gehäuse auf, in welchem ein Hilfskanal ausgebildet ist, durch den ein Teil des Massenstromes strömt.
• Innerhalb des Hilfskanales sind Sensorelemente auf Basis der Heißfilmanemometrie ausgebildet, welche den Massendurchfluss erfassen.
• Luftmassensensoren auf der Basis der Heißfilmanemometrie sind jedoch nicht richtungssensitiv. Dadurch werden Rückflussanteile bei pulsierenden Massenströmen additiv erfasst, wodurch der mittlere Massendurchfluss bei Modulationsgraden von über 100% falsch wiedergegeben wird.
• Ein weiteres Problem bei Massenstrommessern sind die Verwirbelungen, die durch die Luft- bzw. Mediumverdrängungen des Massenstrommessers bzw. Sensormoduls im Hauptkanal hervorgerufen werden.
• Häufig werden z.B. Massenstrommesser im Ansaugtrakt von Verbrennungsmotoren eingesetzt.
• Sind die Rohrdurchmesser klein, z.B. kleiner als 87 mm, verursacht der Massenstrommesser im Luftansaugrohr eine erhebliche Querschnittsverengung, was zu einer wesentlichen Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Sensorbereich verursacht.
• Bei dieser Konstellation können positive Massenstromfehler bei Modulationsgraden von < 100% auftreten.
• Diese fehlerhafte Erfassung des Luftmassenstromes vermittelt dem Verbrennungsmotor, bzw. der Elektronik, dass mehr Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung steht, als tatsächlich vorhanden ist.
• Infolge können die weiteren Parameter z.B. Menge der Kraftstoffeinspritzung nicht exakt abgestimmt werden, was zu einem nicht optimalen Betrieb des Verbrennungsmotors führt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung aufzuzeigen, wie auch bei pulsierenden Masseströmungen der exakte Massendurchfluss ermittelt werden kann.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass am oder in der Nähe des Massenstrommessers im Hauptkanal eine Leitvorrichtung angeordnet ist.
• Die Leitvorrichtung hat den großen Vorteil, dass das Rezirkulationsgebiet im Nachlauf des Massenstrommessers in mehrere Gebiete unterteilt wird und somit keine oder wesentlich kleinere Verwirbelungen auftreten.
• Somit werden durch die Leiteinrichtungen die Verwirbelungen hinter dem Massenstrommesser vermieden oder gedämpft und der durch die Verwirbelungen hervorgerufene Messfehler im Massenstrommesser beseitigt.
• Die Leitvorrichtungen werden hierzu günstigerweise entweder direkt auf der gleichen Höhe mit dem Massenstrommesser im Hauptkanal angeordnet oder im Rezirkulationsgebiet des Massenstrommessers ausgebildet.
• Beide Positionen bewirken eine Unterteilung des Rezirkulationsgebietes in mehrere kleine Gebiete und die Verhinderung bzw. Dämpfung der Verwirbelungen.
• Weist der Massenstrommesser einen Hilfskanal mit Ein- und Auslassöffnung auf, so ist es günstig, die Leitvorrichtungen in Höhe der Auslassöffnung bzw. am Rand der Auslassöffnung, die zum Massenstrommesser hinweist, anzuordnen.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen insbesondere der Leitvorrichtung sind in den Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden Figurenbeschreibung offenbart.
• Anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen
• 1 einen Massenstrommesser eingesetzt in einem Strömungskanal in Schnittansicht,
• 2a und 2b schematisch die Ansicht gemäß 1 mit eingezeichneter Strömung im Längs- und Querschnitt,
• 3a und 3b die Darstellung gemäß 2a und 2b mit Leitvorrichtung,
• 4 die Darstellung gemäß 2a bei umgekehrter Strömungsrichtung,
• 5 die Darstellung gemäß 3a bei umgekehrter Strömungsrichtung,
• 6a bis 6e jeweils einen schematischen Querschnitt durch den Massenstrommesser im Strömungskanal mit unterschiedlich ausgebildeten Leitvorrichtungen und
• 6f die Darstellung gemäß 3a mit im Winkel angestellter Leitvorrichtung.
• 1 zeigt einen Massenstrommesser, wie er in der WO 02/25223 beschrieben ist.
• Zum Verständnis der Funktionsweise wird der Aufbau nachfolgend nochmals kurz erläutert.
• Der Massenstrommesser 1 ist in eine Ausnehmung eines Hauptkanals 2 eingesteckt. Der Hauptkanal 2 kann z.B. der Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors sein. In dem Hauptkanal befindet sich ein strömendes Medium, bei einem Verbrennungsmotor in der Regel Luft, das in der mit dem Pfeil 3 gekennzeichneten Hauptströmungsrichtung durch den Hauptkanal 2 strömt.
• Der Massenstrommesser 1 hat ein Gehäuse 4, in dem ein umgekehrt u-förmiger Hilfskanal ausgebildet ist. Der Hilfskanal hat eine Einlassöffnung 5, einen ersten Kanalabschnitt 6, einen zweiten Kanalabschnitt 7, einen dritten Kanalabschnitt 8 sowie eine Auslassöffnung 9. In dem ersten Kanalabschnitt sind ein erstes und ein zweites Sensorelement 10, 11 angeordnet, aus deren Messsignalen der Massenstrom im Hauptkanal 2 abgeleitet wird.
• Verwirbelungen treten je nach Querschnitt des Hauptkanals 2 und der Strömungsgeschwindigkeit in unterschiedlicher Stärke auf.
• 2a zeigt schematisch den Massenstrommesser 1 mit einer Strömung in Hauptströmungsrichtung 3 sowie ein hinter dem Massenstrommesser 1 auftretendes Rezirkulationsgebiet 12.
• 2b zeigt lediglich den Massenstrommesser 1 im Hauptkanal 2 im Querschnitt.
• Um das Rezirkulationsgebiet 12 bzw. die Verwirbelung hinter dem Massenstrommesser zu vermeiden oder zu dämpfen, ist erfindungsgemäß wie in den 3a bis 6f dargestellt, hin ter dem Massenstrommesser bzw. auf gleicher Höhe eine Leitvorrichtung 13 vorgesehen.
• In der 3a ist die Leitvorrichtung 13 hinter dem Massenstrommesser 1 zwischen Wandung des Hauptkanals 2 und der Auslassöffnung 9 (siehe 1) angeordnet.
• Die Leitvorrichtung 13 weist im Querschnitt die Geometrie eines langgezogenen Tropfens bzw. einer nicht gewölbten Tragfläche auf.
• Wie aus der 3b zu ersehen ist, erstreckt sich die Leitvorrichtung 13 über die gesamte Breite des Hauptkanals 2 und ist an den Wandungen des Hauptkanals 2 festgelegt. Dieser kann z.B. aus Kunststoff hergestellt sein, so dass die Leitvorrichtung 13 einstückig mit dem Hauptkanal 2 hergestellt werden kann.
• Die 4 zeigt den Massenstrommesser 1 im Hauptkanal 2 bei umgekehrter Strömungsrichtung, d.h. entgegen der Hauptströmungsrichtung 3 (siehe 2a). Diese Strömungsrichtung kann auftreten bei stark pulsierenden Strömungen, d.h. dass die Strömung kurzzeitig rückwärts strömt. Ohne Leitvorrichtung 13 ergibt sich wieder hinter dem Massenstrommesser 1 ein Rezirkulationsgebiet 12.
• 5 zeigt den Strömungsverlauf bei umgekehrter Strömungsrichtung mit eingesetzter Leitvorrichtung 13.
• Die Leitvorrichtung 13 kann somit auch vor dem Massenstrommesser 1 angeordnet sein. Die günstigsten Werte werden jedoch bei der Anordnung der Leitvorrichtung auf gleicher Höhe bzw. hinter dem Massenstrommesser 1 in Hauptströmungsrichtung betrachtet erzielt, da hier in der Regel nahezu konstant ein Rezirkulationsgebiet 12 entsteht und dieses mit der Anordnung der Leitvorrichtung 13 im Rezirkulationsgebiet 12 zuverlässig verhindert bzw. gedämpft wird.
• Der stromabwärts des Massenstrommessers 1 generierte Rezirkulationswirbel wird durch die Leitvorrichtung 13 zumindest derart gedämpft, dass die Strömungsgeschwindigkeit im Hilfskanal verringert und dadurch die Signalabsenkung bei pulsierenden Strömungen den positiven Massenstromfehler verringert. Neben der Verminderung der räumlichen Ausdehnung sowie der Wirbelstärke des Rezirkulationsgebietes 12 besteht die Wirkungsweise der Leitvorrichtung 13 darin, im Falle von Rückwärtsströmungen wie oben zu 4 und 5 beschrieben, bei pulsierenden Rohrströmungen eine hinsichtlich der Strömungsrichtung definierte Anströmung des Massenstrommessers zu gewährleisten.
• Die 6a bis 6f zeigen weitere Ausgestaltungen der Leitvorrichtung 13.
• Gemäß 6a ist die Leitvorrichtung 13 als Leitplatte in Höhe bzw. zwischen Auslassöffnung 9 des Hilfskanals und der Wandung des Hauptkanals 2, jedoch unmittelbar neben der Auslassöffnung 9 angeordnet.
• Die Anordnung der Leitvorrichtungen stromabwärts des Massenstrommessers hat den Vorteil, dass die Signalstabilität nicht negativ beeinflusst wird. Außerdem erhöht sie bei der Positionierung im Nachlauf des Massenstrommessers den Druckverlust der Gesamtanordnung nur geringfügig.
• 6b zeigt die Leitvorrichtung 13 als geknickte Platte mit zusätzlicher Abstützung.
• 6c zeigt die Ausbildung der Leitvorrichtung mit u-förmig abgeknickter Platte, so dass die Anbindung der Leitvorrichtung an die Seite des Hauptkanals 2, in der der Massenstrommesser 1 eingesteckt ist, erfolgen kann.
• 6d zeigt die periodische bzw. mehrmalige Ausführung der Leitvorrichtung jeweils als Platte, 6e die Ausführung der Leitvorrichtung 13 als gewölbte Platte und 6f die Ausbildung gemäß 3a, wobei durch eine Optimierung des Anstellwinkels gegenüber der Achse des Hauptkanals die Wirkungsweise der Leitvorrichtung 13 optimal einstellbar ist.
• Durch eine einfach zu realisierende mechanische Maßnahme wird mir der erfindungsgemäßen Leitvorrichtung ein positiver Massenstromfehler vermieden.

Claims (13)

1. Massenstrommesser (1) in einem Hauptkanal, in dem ein Massenstrom in einer Hauptströmungsrichtung (3) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass am oder in der Nähe des Massenstrommessers eine Leitvorrichtung im Hauptkanal (2) vorgesehen ist.
2. Massenstrommesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung im Rezirkulationsgebiet (12) des Massenstrommessers (1) bei Strömung eines Massenstroms in Hauptströmungsrichtung (3) angeordnet ist.
3. Massenstrommesser mit einem Gehäuse (1), in dem ein Hilfskanal ausgebildet ist, der eine Einlassöffnung (5) und eine Auslassöffnung (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (13) in Höhe bzw. am Rand der Auslassöffnung zum Massenstrommesser hin angeordnet ist.
4. Massenstrommesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (13) so ausgebildet ist, dass sie bei einer Rückwärtsströmung eine definierte Anströmung des Massenstrommessers (1) gewährleistet.
5. Massenstrommesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (13) als horizontale Leitplatte ausgebildet ist.
6. Massenstrommesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (13) als Leitplatte mit im Querschnitt ungewölbten Tragflächenprofilen ausgebildet ist, dessen dickeres Ende zum Massenstrommesser (1) hin weist.
7. Massenstrommesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (13) als abgeknickte Platte mit zusätzlicher Abstützung ausgebildet ist.
8. Massenstrommesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (13) als konkav vom Massenstrommesser (1) weggebogene Platte ausgebildet ist.
9. Massenstrommesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (13) einen Anstellwinkel bezüglich der Hauptachse des Hauptströmungskanals (2) aufweist.
10. Massenstrommesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (13) an der Wandung des Hauptkanals (2) festgelegt ist.
11. Massenstrommesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitvorrichtung (13) einstückig mit dem Hauptkanal (2) aus Kunststoff hergestellt ist.
12. Massenstrommesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkanal (2) als Rohr mit einem Durchmesser von kleiner als 87 mm ausgebildet ist.
13. Massenstrommesser nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkanal (2) das Luftansaugrohr eines Verbrennungsmotors ist.