DE19927818A1 - Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums - Google Patents
Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden MediumsInfo
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Abstract
Die Übereinstimmung mit einer Meßkennlinie einer Vorrichtung zur Luftmassenmessung wird durch Pulsationen, Verschmutzung und schlechtes Strömungsverhalten gestört. Eine Verbesserung des Meßverhaltens der Vorrichtung (1) wird durch aufeinander abgestimmte Maßnahmen zur Reduzierung dieser Störeinflüsse erreicht, indem sich der Strömungsquerschnitt eines Einlaßkanals (13) in einer Strömungsrichtung (25) im Einlaßkanal (13) hin zu einem Umlenkkanal (15) verjüngt und eine Randfläche (20) eines ersten Teilstücks (16) des Umlenkkanals (15) geneigt ausgebildet ist und zumindest eine Außenfläche eines Sensorträgers (9) mit einer einem Auslaßkanal (19) näheren Randfläche (27) des Einlaßkanals (13) einen bündigen Übergang bildet.
Description
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung der
Masse eines strömenden Mediums nach der Gattung des Anspruchs 1.
Es ist schon eine Vorrichtung mit einem Meßkanal bekannt (DE 197 35 891 A1),
in dem ein Meßelement untergebracht ist, das dort
von dem einströmenden Medium umströmt wird. Das strömende Medium
strömt von einem Einlaßkanal zunächst in einen Umlenkkanal, der
einen größeren Strömungsquerschnitt als der Einlaßkanal und ein
rechtwinkliges Eck aufweist, so daß ein abrupter
Strömungsübergang in Form einer Stufe zum Einlaßkanal vorhanden
ist. Anschließend gelangt das Medium vom Umlenkkanal von der
Ecke umgelenkt entlang der Randfläche des Umlenkkanals in einen
sich quer anschließenden Auslaßkanal und verläßt diesen aus
einer Auslaßöffnung, um sich mit dem um die Vorrichtung
vorbeiströmenden Medium wieder zu vermischen.
Eine Einlaß- und Auslaßkanal-Längsachse sind um einen
vorgegebenen Winkel gegenüber der Leitungs-Längsachse geneigt,
so daß der Einlaßkanal einen von einer Hauptströmungsrichtung
abgeschatteten Bereich aufweist. Das Meßelement ist in dem
abgeschatteten Bereich des Meßkanals angeordnet, um
Verschmutzung und entstehende Defekte des Meßelementes zu
vermeiden.
Schmutzpartikel, die mit dem strömenden Medium in den
Einlaßkanal gelangen, können das Meßelement zerstören, wenn die
Schmutzpartikel mit dem Meßelement kollidieren. Insbesondere
wenn mikromechanische Bauteile, wie sie beispielsweise in der DE
43 38 891 A1 beschrieben sind, als Meßelemente Verwendung
finden, können die Schmutzpartikel auf einer relativ dünn
ausgebildeten Membran auftreffen und diese nachhaltig schädigen.
Daher kann es zu einem erhöhtem Verschleiß des Meßelementes und
zu einem vorzeitigem Ausfall kommen. Ferner können sich Öl- oder
fetthaltige Schmutzpartikel auf dem Meßelement, insbesondere auf
dessen Membran niederschlagen, die als Haftvermittler für
Festkörperpartikel, z. B. Staub, dienen und das Meßelement
nachhaltig verschmutzen. Durch die Verschmutzung ist die
Wärmekopplung zwischen dem Meßelement und dem strömenden Medium
gestört, so daß sich eine Verschiebung einer Meßkennlinie
ergibt, was zwangsläufig zu Meßfehlern und damit zu einer
fehlerhaften Ansteuerung der Brennstoffeinspritzventile führt.
Aus der DE 196 23 334 A1 ist bekannt, daß der Einlaßkanal einer
solchen Vorrichtung einen rechteckförmigen Querschnitt hat,
wobei zwei dem plättchenförmigen Meßelement zugewandte
Seitenflächen schräg verlaufend ausgebildet sind, so daß sich in
Strömungsrichtung des Mediums im Einlaßkanal eine Verjüngung des
Einlaßkanals ergibt. Eine quer zu den Seitenflächen verlaufende
Oberfläche des Einlaßkanals, aus der das Meßelement herausragt
und eine der Oberfläche gegenüberliegende Unterfläche des
Einlaßkanals verlaufen dabei plan bzw. parallel mit
gleichbleibendem Abstand zueinander. Eine mit einem derartigen
Einlaßkanal ausgestattete Vorrichtung ist auch aus dem SAE-Paper
950433 (International Congress and Exposition Detroit, Michigan,
February 27 - March 2, 1995, reprinted from: Electronic Engine
Controls 1995 (SP-1082)) bekannt. Wie der Schnittdarstellung auf
Seite 108 in Fig. 7 oberes Bild entnehmbar ist, wird der
Einlaßkanal und der Umlenk-/Auslaßkanal im wesentlichen aus zwei
Teilen gebildet, wobei ein im folgenden als Bodenteil
bezeichnetes Teil mit dem Meßelement eine Seitenfläche, eine
Oberfläche und eine Unterfläche des Meßkanals enthält. Ein
anderes Teil besitzt nur die zweite Seitenfläche vom Meßkanal
und bildet somit ein Deckelteil. Der Bodenteil und der
Deckelteil sind aus Kunststoff in Kunststoffspritzgußtechnik
hergestellt. Bedingt durch die verjüngende Gestaltung der
Seitenflächen des Einlaßkanals ergibt sich eine zunehmende
Wanddicke in Strömungsrichtung.
Bei einer Brennkraftmaschine treten durch ein Öffnen und ein
Schließen der Einlaßventile der einzelnen Zylinder erhebliche
Schwankungen beziehungsweise Pulsationen der Strömung auf, deren
Stärke abhängig von der Ansaugfrequenz der einzelnen Kolben
beziehungsweise von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ist. Die
Pulsationen der Strömung pflanzen sich von den Einlaßventilen
über die Ansaugleitung bis zum Meßelement im Einlaßkanal und
darüber hinaus fort. Die Pulsationen bewirken, daß abhängig von
der Stärke der Pulsationen durch eine thermische Trägheit und
Richtungsunempfindlichkeit des Meßelements dieses ein
Meßergebnis bereitstellt, das erheblich von der im Mittel im
Einlaßkanal herrschenden Strömungsgeschwindigkeit und der daraus
errechenbaren Ansaugluftmasse der Brennkraftmaschine abweichen
kann. Der Einlaßkanal und der Umlenk-/Auslaßkanal sind in ihren
Abmessungen derart aufeinander abgestimmt, daß bei pulsierender
Strömung in der Ansaugleitung die aufgrund der
Strömungsschwankungen auftretende Fehlanzeige des Meßelements
minimal ist. Dennoch kann es bei hohen Pulsationsfrequenzen und
signifikanter Pulsationsamplitude aufgrund von
strömungsakustischen Vorgängen im Umlenkkanal zu einer
Fehlanzeige der Ansaugluftmasse kommen. Diese Fehlanzeige
entsteht insbesondere dadurch, daß bei pulsierender Strömung
stromabwärts des Meßelements an der Stufe zwischen dem Ausgang
des Einlaßkanals und der Ecke am ersten Teilstück des
Umlenkkanals eine Druckwelle auftreten kann, welche an der
Randfläche des Umlenkkanals am Eck reflektiert wird, so daß
durch einen Rückkopplungseffekt ein Meßsignal des Meßelements
gestört wird.
Aus der DE 197 41 031 A1 ist eine Meßvorrichtung mit einem
Einlaßkanal bekannt, in der durch Gestaltung zweier Wände des
Einlaßkanals weiterhin eine Beschleunigung der Strömung im
Einlaßkanal beibehalten werden kann, die bekanntermaßen zu einer
Stabilisierung der Strömung des Mediums im Einlaßkanal,
insbesondere am Einlaß, führt.
Die bekannten Vorrichtungen haben jedoch mindestens zwei der
folgenden Nachteile:
sie bieten keinen ausreichenden Schutz des Meßelementes vor Schmutz,
eine Umströmung des Sensorträgers und eine schlechte Stabilisierung der Strömung im Einlaßkanal führen zu Streuungen im Meßsignal,
Verjüngung des Einlaßkanals in nur einer Richtung, d. h. an zwei gegenüberliegenden Seitenwänden,
verbesserungsfähiges bzw. keine Maßnahmen zum verbesserten Pulsatsionverhalten,
produktionstechnische Nachteile: die gesamte Meßvorrichtung müßte für einen verbesserten Schutz vor Schmutz gekippt werden, mit den daraus resultierenden Änderungen im Meßstutzen, in den die Meßvorrichtung eingesteckt wird,
aufgrund der zunehmenden Wanddicke des Kunststoffes kommt es zu unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten und Materialanhäufungen, die insbesondere zu Einsenkungen an den Seitenflächen des Meßkanals führen können und bei einer vorgesehenen Massenherstellung der Vorrichtung zur Folge hätten, daß mehr oder weniger starke Streuungen der erzielbaren Meßgenauigkeit der Vorrichtungen auftreten.
sie bieten keinen ausreichenden Schutz des Meßelementes vor Schmutz,
eine Umströmung des Sensorträgers und eine schlechte Stabilisierung der Strömung im Einlaßkanal führen zu Streuungen im Meßsignal,
Verjüngung des Einlaßkanals in nur einer Richtung, d. h. an zwei gegenüberliegenden Seitenwänden,
verbesserungsfähiges bzw. keine Maßnahmen zum verbesserten Pulsatsionverhalten,
produktionstechnische Nachteile: die gesamte Meßvorrichtung müßte für einen verbesserten Schutz vor Schmutz gekippt werden, mit den daraus resultierenden Änderungen im Meßstutzen, in den die Meßvorrichtung eingesteckt wird,
aufgrund der zunehmenden Wanddicke des Kunststoffes kommt es zu unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten und Materialanhäufungen, die insbesondere zu Einsenkungen an den Seitenflächen des Meßkanals führen können und bei einer vorgesehenen Massenherstellung der Vorrichtung zur Folge hätten, daß mehr oder weniger starke Streuungen der erzielbaren Meßgenauigkeit der Vorrichtungen auftreten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß auf
einfache Art und Weise das Meßverhalten durch Reduzierung
systematischer und statischer Fehler, wie Pulsation der
Strömung, verringerte Verschmutzung und verbessertes
Strömungsverhalten des Mediums, verbessert wird.
Durch die in den Ansprüchen 2-23 aufgeführten Maßnahmen sind
vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 beschriebenen Vorrichtung möglich.
Die Merkmale der Ansprüche 2 bis 7, 21 haben den Vorteil, daß
sie die Stabilisierung der Strömung im Meßkanal verbessern,
während die Merkmale der Ansprüche 8 bis 11, 22 und 23 den
Schutz vor Schmutzpartikeln verbessern, und
die Merkmale der Ansprüche 12 bis 18 eine Verbesserung des
Pulsationsverhalten bewirken.
Die Abdichtung des Sensorträgers am Bypass-Deckel, die
Verjüngung, die stromlinienförmige Ausbildung aller 4
Randflächen des Einlaßkanals und die S-förmige Ausbildung des
Meßkanals stabilisieren die Strömung im Meßkanal.
Durch die schrägen Vorderkanten des Sensorträgers und durch die
Neigung des Einlaßkanals hervorgerufene Querströmungskomponente
tangential zur jeweiligen Kante des Sensorträgers werden
flüssige und feste Verunreinigungen während des Betriebes
abgetragen. Der abgeschattete Bereich verhindert eine weitere
Anhäufung von Schmutzpartikeln. Eine geeignete Ausbildung einer
Kante des Bug des Meßgehäuses und einer Seitenwand der
Einlaßöffnung tragen dazu bei, daß Schmutzpartikel von der
Einlaßöffnung weg reflektiert werden.
Fehlanzeigen bei hohen Pulsationsfrequenzen werden dadurch
reduziert, daß in einem Umgebungsbereich der Auslaßöffnung eine
Erhebung vorgesehen ist und eine Randfläche eines ersten
Teilstücks des Umlenkkanals zur Strömungsrichtung im Meßkanal
hin geneigt ausgebildet ist. Eine im Umlenkkanal vorgesehene
Strömungsverbindung zur Außenströmung in der Ansaugleitung in
Form einer Öffnung, reduziert eine eventuell im Umlenkkanal noch
vorhandene Reststörung der Druckwelle.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung
von Luftmassen im eingebauten Zustand,
Fig. 2 den Einlaß-, Umlenk- und Auslaßkanal im Meßgehäuse,
Fig. 3 einen bündigen Übergang von Sensorträger und Meßkanal,
Fig. 4, 5 jeweils einen Schnitt von Fig. 1,
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse
an der strömungsaufwärtigen Stirnseite des Sensorträgers,
Fig. 7, 8 weitere Ausführungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
und Fig. 9 verschiedene Anordnungen von Sensorträger und
Meßelement.
In Fig. 1 ist schematisch gezeigt, wie eine erfindungsgemäße
Vorrichtung 1 in einer Leitung 2, in dem das zu messende Medium
strömt, eingebaut ist.
Die Vorrichtung 1 zur Luftmassenmessung besteht aus einem
Meßgehäuse 6, gekennzeichnet durch ein unteres gestrichelt
gezeichnetes Rechteck, und einem Trägerteil 7, gekennzeichnet
durch ein oberes gestrichelt gezeichnetes Rechteck, in dem z. B.
die Auswerteelektronik untergebracht ist. Das Meßgehäuse 6 und
das Trägerteil 7 haben eine gemeinsame Längsachse 8, die z. B.
auch die Mittelachse sein kann. Die Vorrichtung 1 ist in eine
Wandung 5 der Leitung 2 beispielsweise steckbar eingeführt. Die
Wandung 5 begrenzt einen Strömungsquerschnitt in dessen Mitte
sich in Richtung des strömenden Mediums, parallel zur Wandung 5
eine Mittelachse 4 erstreckt. Die Richtung des strömenden
Mediums, im folgenden als Hauptströmungsrichtung bezeichnet, ist
durch entsprechende Pfeile 3 gekennzeichnet und verläuft dort
von links nach rechts.
Fig. 2 zeigt das Meßgehäuse 6 mit einem Meßkanal 40 und das
Trägerteil 7 ohne einen den Meßkanal 40 schließenden Deckel 49.
Der Meßkanal 40 wird durch ein Bodenteil 42 und einen Deckel 49
(Fig. 3) gebildet. Die Hauptströmungsrichtung 3 des Mediums ist
durch Pfeile gekennzeichnet. Der Meßkanal besteht aus einem
Einlaßkanal 13, einem Umlenkkanal 15, der sich wiederum in einen
ersten Teil 16 und zweiten Teil 17 aufteilt, und einem
Auslaßkanal 19. Die Strömungsrichtung 25, 26 im Einlaß- 13 und
Auslaßkanal 19 sind ebenfalls durch Pfeile gekennzeichnet. Die
Einlaßkanalmittellinie 23 ist hier gekrümmt, da die Randflächen
35 des Einlaßkanals 13 stromlinienförmig ausgebildet sind. Die
Auslaßkanalmittellinie 22 ist hier eine Gerade.
Im vorderen Bereich 39 des Meßkanals 40 vor einer Einlaßöffnung
11, durch die das Medium einströmt, ist ein Strömungshindernis
24 vorgesehen, das eine meßkanalwirksame, definierte
Strömungsablösung bewirkt. Dies ist in der DE 44 41 874 A1 näher
erläutert und soll Teil dieser Offenbarung sein.
Ein Bug 69 des Meßgehäuses 6 ist so geformt, daß feste oder
flüssige Teilchen von der Einlaßöffnung 11 weg reflektiert
werden. Hierfür ist der Bug 69 zum Trägerteil 7
entgegengerichtet geneigt.
Eine gestrichelt gezeichnete Fläche 34, die parallel zur
Hauptströmungsrichtung 3 verläuft, bildet mit der dem Trägerteil
7 zugewandten Randfläche des Einlaßkanals einen abgeschatteten
Bereich 33, in den nur wenige oder keine Schmutzpartikel oder
Flüssigkeiten gelangen.
Im ersten Teil 16 des Umlenkkanals 15 ist eine Randfläche 20 um
einen Winkel δ entgegen der Hauptströmungsrichtung 3 geneigt.
Der Winkel δ kann im Bereich von etwa 30 bis 60 Grad liegen,
idealerweise bei etwa 45 Grad. Der Einfluß dieser Ausbildung ist
in DE 196 23 334 A1 näher beschrieben und soll Teil dieser
Offenbarung sein. Die Randfläche 20 hat eine Tiefe tr (Fig. 4)
und eine senkrecht dazu verlaufende Breite br, die zumindest 2/3
der Breite b der Einlaßöffnung 11 des Einlaßkanals 13
entspricht. Die Randfläche 20 besitzt senkrecht zur Breite br
eine Tiefe tr, die vorzugsweise etwa der Tiefe t des Meßkanals
13 senkrecht zu seiner Breite b an der Einlaßöffnung 11
entspricht. Es ist aber auch möglich, die Randfläche 20 mit
einer Tiefe tr auszubilden, die etwas geringer ist als die Tiefe
t der Einlaßöffnung 1 des Einlaßkanals 13. Anschließend an die
Randfläche 20 verläuft die Wandung des ersten Teilstücks 16 etwa
in Richtung der Längsachse 8.
Im zweiten Teilstück 17 des Umlenkkanals 15 ist eine Öffnung 18
vorgesehen, die eine Verbindung zu einem die Vorrichtung 1
umströmenden Medium herstellt. Es können auch mehrere Öffnungen
sein. Die Öffnung bzw. Öffnungen können sich auch im ersten oder
im ersten Teil 16 und zweiten Teil 17 des Umlenkkanals 15
befinden. Die Öffnung/Öffnungen kann/können sich an den
Seitenwänden 41 befinden und/oder zu einer unteren Außenfläche
21 des den Meßkanal 40 aufweisenden Meßgehäuses 6 der
Vorrichtung 1 führen, um die Verbindung zur Leitung 2
herzustellen. Am Ende des Auslaßkanals 19 befindet sich die
Auslaßöffnung 12, deren Fläche einen Winkel χ mit der
Hauptströmungsrichtung 3 bildet, durch die das Medium den
Meßkanal wieder verläßt. Die Auslaßöffnung 12 hat einen größeren
Querschnitt als der Auslaßkanal 19, wodurch das
Pulsationsverhalten verbessert wird.
Der Sensorträger 9 ragt in den Einlaßkanal 13 und in diesem
Beispiel zum Teil in eine Aussparung 38, die in der dem
Auslaßkanal 19 näheren Randfläche 27 des Einlaßkanals 13
vorgesehen ist, hinein. Eine sich an einem den Einlaß 13-,
Umlenk 15- und Auslaßkanal 19 schließenden Deckel 49 (Fig. 3)
befindliche Schottwand 52 bildet einen bündigen Übergang 50 mit
einem Teil einer dem Deckel 49 zugewandten eine Außenfläche
bildenden Seite des Sensorträgers 9 und greift so in die
Aussparung 38 ein, daß sie die Randfläche 27 im Bereich der
Aussparung 38 fortsetzt, damit dort keine Umströmung des
Sensorträgers 9 stattfindet.
Das Meßelement 10 ist in dem Sensorträger 9 untergebracht und
liegt sinnvollerweise im abgeschatteten Bereich 33. Der Aufbau
eines derartigen Meßelements 10 ist dem Fachmann zum Beispiel
aus der DE 195 24 634 A1 hinreichend bekannt, deren Offenbarung
Bestandteil der hier vorliegenden Patentanmeldung sein soll.
Im Bodenteil 42 des Meßgehäuses sind in einigen Bereichen
zwischen Wänden des Meßkanals 40 und Außenflächen des
Meßgehäuses 6 Vertiefungen 53 vorgesehen, die eine z. T.
konstante bzw. eine Reduzierung der Wandstärke der Randflächen
des Meßkanals 40 bewirken.
Fig. 3 zeigt zwei Beispiele wie ein bündiger Übergang 50
zwischen einer Außenfläche des Sensorträgers 9 und einer
Randfläche 54 des Einlaßkanals 13 erzielt wird. Die Darstellung
ergibt sich durch einen Schnitt entlang der Längsachse 8. Im
ersten Beispiel, Fig. 3a), ist keine Aussparung in der
Randfläche 54 des Einlaßkanals 13 vorhanden. Zwischen einer
Stirnseite 47 des Sensorträgers 9 und einer dem Auslaßkanal 19
näheren Randfläche 54 des Einlaßkanals 13 befindet sich ein
Abdichtmittel 48, das den eventuell durch Toleranzen vorhandenen
Spalt 56 füllt und so den bündigen Übergang 50 bildet, so daß
dort keine Unterströmung stattfindet. Alternativ kann man das
Abdichtmittel 48 auch um den Sensorträger 9 auf Höhe der
Stirnseite 47, also um den durch Toleranzen vorhandenen Spalt
56, herum aufbringen. Der Spalt 56 ist damit verschlossen und
bildet so den bündigen Übergang 50, so daß dort keine
Unterströmung stattfindet.
In Fig. 3b) ist eine Aussparung 38 in der dem Auslaßkanal 19
näheren Randfläche 54 des Einlaßkanals 13 vorhanden, in die der
Sensorträger 9 mit seiner Stirnseite 47 hineinragt. Die sich an
dem den Einlaß 13-, Umlenk 15- und Auslaßkanal 19 schließenden
Deckel 49 befindliche Schottwand 52 greift so in die Aussparung
38 ein, daß sie die stromlinienförmige Randfläche 35 des
Einlaßkanals 13 im Bereich 27 der Aussparung 38 fortsetzt.
Zwischen einer Stirnseite der Schottwand 52 und einer dem Deckel
49 zugewandten Außenfläche bildenden Seite des Sensorträgers 9
befindet sich ein Abdichtmittel 48, das den eventuell durch
Toleranzen vorhandenen Spalt 56 füllt und so den bündigen
Übergang 50 bildet. Alternativ kann man das Abdichtmittel 48
auch um den Sensorträger 9 auf Höhe der Randfläche 54, also um
den durch Toleranzen vorhandenen Spalt 56, herum aufbringen. Der
Spalt 56 ist damit verschlossen und bildet so den bündigen
Übergang 50, so daß dort keine Unterströmung stattfindet.
Nicht notwendigerweise befindet zwischen Sensorträger 9 und
einer dem Meßelement 10 entfernteren Randfläche in der
Aussparung 38 des Einlaßkanals 13 ebenfalls ein Abdichtmittel
48.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie IV-IV angegeben
in der Fig. 2 mit Deckel 49 die durch den abgeschatteten Bereich
33 verläuft.
Der Einlaßkanal 13 der Vorrichtung 1 besitzt eine quaderförmige
Gestalt und verläuft entlang einer mittig im Einlaßkanal 13
verlaufenden Einlaßkanalmittellinie 23 von einer zum Beispiel
einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisenden Einlaßöffnung 11
zu einer beispielsweise ebenfalls einen rechteckförmigen
Querschnitt aufweisenden Ausströmöffnung 14. Die Vorrichtung 1
ist in der Leitung 2 vorzugsweise so eingebaut, daß eine
senkrechte Projektion der Einlaßkanalmittellinie 23 in Richtung
der Mittellinie 4 auf eine zur Längsachse 8 senkrecht stehende
Ebene parallel zur Mittellinie 4 verläuft. Es ist aber auch
möglich, wie in der Fig. 4 durch eine gestrichelt
eingezeichnete Linie 55 gekennzeichnet, die Vorrichtung 1 mit
um die Längsachse 8 gedrehter Einbaulage einzubauen, so daß die
Linie 55 mit der Mittellinie 4 einen Winkel γ von wenigen Grad
einschließt.
Eine Aufnahme 57 für das Meßelement 10 ist einseitig im
Sensorträger 9 ausgespart. Das Meßelement 10 und die beiden in
etwa parallel zur Meßkanalmittellinie 23 verlaufenden
Seitenflächen 58 des Sensorträgers 9 werden somit vom Medium
umströmt.
Die Seitenflächen 73, 74 des Meßkanals 40 verlaufen schräg zu
einer von der Meßkanalmittellinie 23 und der Längsachse 8
aufgespannten Ebene 75 und schließen mit dieser einen spitzen
Winkel ein, so daß sich der Einlaßkanal 13 in
Hauptströmungsrichtung 3 gesehen, axial verjüngt, um mit einem
kleinsten Querschnitt an der Ausströmöffnung 14 in ein erstes
Teilstück 16 des Umlenkkanals 15 zu münden.
Die Verjüngung bewirkt, daß im Bereich des Meßelements 10 eine
möglichst ungestörte, gleichmäßige Parallelströmung herrschen
kann. Um Strömungsablösungen im Bereich der Einlaßöffnung 11 zu
vermeiden, besitzt die Einlaßöffnung 11 des Einlaßkanals 13 eine
in Fig. 5 dargestellte, abgerundete Kante 78.
Das Meßelement 10 ist dabei in der Aufnahme 57 strömungsabwärts
an der engsten Stelle des Einlaßkanals 13 beziehungsweise
stromaufwärts der Ausströmöffnung 14 im Einlaßkanal 13
angeordnet.
Der aus erstem Teilstück 16 und zweitem Teilstück 17
zusammengesetzte Umlenkkanal 15 hat vorzugsweise einen
rechteckförmigen Querschnitt, der in etwa der Querschnittsfläche
der Einlaßöffnung 11 des Einlaßkanals 13 entspricht, so daß sich
an der Ausströmöffnung 14 zwischen dem Einlaßkanal 13 und dem
Umlenkkanal 15 der Strömungsquerschnitt an einer Stufe 76 abrupt
vergrößert.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie V-V in Fig. 2,
jedoch ohne Sensorträger 9, mit einem vorderen Bereich 39, der
sich vor der Einlaßöffnung 11 befindet. Eine Seitenwand 77 des
Einlaßkanals 13 besitzt im vorderen Bereich 39 eine Kante 78.
Diese Kante ist so angeschrägt, daß anströmende Teilchen, wie
z. B. Schmutz oder Flüssigkeiten, von der Einlaßöffnung 11 weg
reflektiert werden. Zu erkennen ist auch die Verjüngung des
Einlaßkanals 13 durch die Seitenfläche 73. Die gegenüberliegende
Seitenfläche der Seitenfläche 73 wird von dem Deckel 49 (Fig. 3)
gebildet. In der dem Auslaßkanal 19 näheren Randfläche des
Einlaßkanals 13 befindet sich die Aussparung 38. Die Stufe 76
hat bspw. eine Höhe von 1 mm und konnte durch die Verjüngung
aller Randflächen des Einlaßkanals 13 gegenüber dem
Vorgängermodell der Vorrichtung 1 reduziert werden, um dickere
Wandstärken und die damit verbundenen Herstellungsprobleme zu
vermeiden.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung der
Strömungsverhältnisse an einer strömungsaufwärtigen Stirnseite
81 des Sensorträgers 9, der dort durch zumindest eine
schneidartige Querseite 81 abgeschrägt ist, mit den
Strömungskomponenten 51, die in der Schrägfläche 81 liegt, und
59 der Strömungsrichtung 25 im Einlaßkanal 13. Die
Querströmungskomponente 51 übt auf an der Schrägfläche 81
anhaftende Schmutzpartikel eine in Fig. 6 nach oben gerichtete
Kraft aus. Dieser Effekt ist dem Fachmann aus DE 197 35 891 A1
bekannt und soll Teil dieser Offenbarung sein.
Die Fig. 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Bereits beschriebene Elemente
sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Eine
Abrißkante 62 in Fig. 7 kann scharfkantig oder einen sehr
kleinen Krümmungsradius aufweisen. In beiden Fällen überragt
eine Erhebung 60 jeweils ein bezüglich der
Hauptströmungsrichtung 3 strömungsaufwärtiges Ende 63 der
Auslaßöffnung 12. Anders ausgedrückt schneidet eine die
Abrißkante berührende, sich senkrecht zu der
Hauptströmungsrichtung 3 der Leitung 2 erstreckende Ebene 64 die
Auslaßöffnung 12. Vorzugsweise weist die Erhebung 60 eine im
wesentlichen dreieckförmige Querschnittskontur auf, wobei eine
Ecke der dreieckförmigen Querschnittskontur die Abrißkante 62
bildet und eine weitere Ecke der dreieckförmigen
Querschnittskontur mit dem bezüglich der Hauptströmungsrichtung
3 strömungsaufwärtigen Ende 63 der Auslaßöffnung 12
zusammenfällt.
In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gezeigt, wobei die Erhebung 60
in einem der Hauptströmungsrichtung 3 abgewandten
Umgebungsbereich 68 der Auslaßöffnung 12 angeordnet ist. Dabei
ist die Erhebung 60 wellenförmig ausgeformt und ist in einem der
Hauptströmungsrichtung 3 zugewandten Stirnbereich 66
abgerundet. Die Erhebung 60 ist stetig gekrümmt und geht im
bezüglich der Hauptströmungsrichtung 3 strömungsabwärtigen
Bereich 65 ohne Kantenbildung in eine Ebene 21 über.
Beim Anbringen der Erhebung strömungsaufwärtig der Auslaßöffnung
wird der Pulsationsfehler in Richtung einer Minderanzeige
verschoben und der als systematischer Meßfehler auftretender
Pulsationsfehler wird kompensiert. Umgekehrt wird bei der
Anordnung der Erhebung in Hauptströmungsrichtung 3
strömungsabwärts der Auslaßöffnung 12 der Pulsationsfehler in
Richtung einer Mehranzeige verschoben. Es kommt dabei im Bereich
der Erhebung zu einer relativ geringen Verwirbelung der Strömung
und die Erhebung setzt der Hauptströmung der Leitung 2 einen
relativ geringen Strömungswiderstand entgegen.
In dem Stirnbereich 66 der Erhebung 60 wird ein Staudruck
aufgebaut, welcher die Durchströmung des Meßkanals 40 erschwert.
Im Fall einer Rückströmung in der Leitung 2 entgegen der
Hauptströmungsrichtung 3 wird einer Durchströmung des Meßkanals
40 in Rückströmungsrichtung entgegengewirkt.
Fig. 9 zeigt verschiedene Anordnungen von Sensorträger 9 und
Meßelement 10 innerhalb des Meßgehäuses 6, das gestrichelt
gezeichnet angedeutet ist. In Fig. 9a) ist der Sensorträger 9
z. B. wie in Fig. 2 angeordnet: Eine Längsachse 8 des
Sensorträgers 9 steht senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 3
und eine Längsachse 45 des Meßelementes 10 verläuft parallel zur
Längsachse 8. In der Fig. 9a) ist das Meßelement 10 mit seiner
Längsachse 45 in dem Sensorträger 9 jedoch um einen Winkel ϕ von
der Längsachse 8 geneigt angeordnet.
In Fig. 9b) ist die Längsachse 46 des Sensorträgers 9 um einen
Winkel ε von der Längsachse 8 geneigt angeordnet. Eine
Längsachse des Meßelementes 10 verläuft parallel zur Längsachse
8. Mit diesen Anordnungen kann das Anström- und
Umströmungsverhalten des Meßelementes 10 und des Sensorträgers 9
weiter verbessert werden.
Claims (23)
1. Vorrichtung (1) zum Messen der Masse eines in einer Leitung
(2) entlang einer Hauptströmungsrichtung (3) strömenden Mediums,
insbesondere der Luftmasse für eine Brennkraftmaschine,
mit einem in der Leitung (2) vorgesehenen Meßgehäuse (6), das
mit einem Trägerteil (7) verbunden ist, deren gemeinsame
Längsachse (8) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (3)
verläuft,
mit einem Meßkanal (40) im Meßgehäuse (6), der sich von einer Einlaßöffnung (11) und einem Einlaßkanal (13), an den sich ein erstes Teilstück (16) eines Umlenkkanals (15) anschließt, in welches das Medium vom Einlaßkanal (13) strömt und von einer Randfläche (20) des ersten Teilstücks (16) in ein zweites Teilstück (17) des Umlenkkanals (15) umgelenkt wird, über einen Auslaßkanal (19) zu einer an einer Außenfläche (21) des Meßgehäuses (6) in die Leitung (2) ausmündenden Auslaßöffnung (12) erstreckt, wobei zumindest ein Teil der Einlaßkanalmittellinie (23) und zumindest ein Teil der Auslaßkanalmittellinie (22) geneigt gegenüber der Hauptströmungsrichtung (3) des Mediums verlaufen, und mit einem in dem Meßkanal (40) befindlichen an einem Sensorträger (9) angeordneten vom strömenden Medium umströmten Meßelement (10),
dadurch gekennzeichnet, daß
sich der Strömungsquerschnitt des Einlaßkanals (13) in Hauptströmungsrichtung (3) hin zum Umlenkkanal (15) verjüngt, und
die Randfläche (20) des ersten Teilstücks (16) des Umlenkkanals (15) in der Projektion einer Ausströmöffnung (14) des Einlaßkanals (13) in Strömungsrichtung (25) im Einlaßkanal (13) auf die gegenüberliegende Wandung des ersten Teilstücks (16) liegt und der Strömungsrichtung (25) im Einlaßkanal (13) entgegen geneigt ausgebildet ist, und
zumindest eine Außenfläche des Sensorträgers (9) mit einer dem Auslaßkanal (19) näheren Randfläche (27) des Einlaßkanals (13) einen bündigen Übergang (50) bildet, damit dort keine Umströmung des Sensorträgers (9) stattfindet.
mit einem Meßkanal (40) im Meßgehäuse (6), der sich von einer Einlaßöffnung (11) und einem Einlaßkanal (13), an den sich ein erstes Teilstück (16) eines Umlenkkanals (15) anschließt, in welches das Medium vom Einlaßkanal (13) strömt und von einer Randfläche (20) des ersten Teilstücks (16) in ein zweites Teilstück (17) des Umlenkkanals (15) umgelenkt wird, über einen Auslaßkanal (19) zu einer an einer Außenfläche (21) des Meßgehäuses (6) in die Leitung (2) ausmündenden Auslaßöffnung (12) erstreckt, wobei zumindest ein Teil der Einlaßkanalmittellinie (23) und zumindest ein Teil der Auslaßkanalmittellinie (22) geneigt gegenüber der Hauptströmungsrichtung (3) des Mediums verlaufen, und mit einem in dem Meßkanal (40) befindlichen an einem Sensorträger (9) angeordneten vom strömenden Medium umströmten Meßelement (10),
dadurch gekennzeichnet, daß
sich der Strömungsquerschnitt des Einlaßkanals (13) in Hauptströmungsrichtung (3) hin zum Umlenkkanal (15) verjüngt, und
die Randfläche (20) des ersten Teilstücks (16) des Umlenkkanals (15) in der Projektion einer Ausströmöffnung (14) des Einlaßkanals (13) in Strömungsrichtung (25) im Einlaßkanal (13) auf die gegenüberliegende Wandung des ersten Teilstücks (16) liegt und der Strömungsrichtung (25) im Einlaßkanal (13) entgegen geneigt ausgebildet ist, und
zumindest eine Außenfläche des Sensorträgers (9) mit einer dem Auslaßkanal (19) näheren Randfläche (27) des Einlaßkanals (13) einen bündigen Übergang (50) bildet, damit dort keine Umströmung des Sensorträgers (9) stattfindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Stirnseite (47) des Sensorträgers (9) als eine
Außenfläche bündig mit der dem Auslaßkanal (19) näheren
Randfläche (27) des Einlaßkanals (13) abschließt, damit dort
keine Umströmung des Sensorträgers (9) stattfindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß
eine Aussparung (38) in der dem Auslaßkanal (19) näheren
Randfläche (27) des Einlaßkanals (13) vorgesehen ist, in die der
Sensorträger (9) teilweise hineinragt, und eine sich an einem
den Einlaß (13)-, Umlenk (15)- und Auslaßkanal (19)
schließenden Deckel (49) befindliche Schottwand (52) einen
bündigen Übergang (50) mit einem Teil einer dem Deckel (49)
zugewandten eine Außenfläche bildenden Seite des Sensorträgers
(9) bildet, und so in die Aussparung (38) eingreift, daß sie die
Randfläche (27) im Bereich der Aussparung (38) fortsetzt, damit
dort keine Umströmung des Sensorträgers (9) stattfindet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
um den Sensorträger (9) auf Höhe der Stirnseite (47) des
Sensorträgers (9) herum oder zwischen der Stirnseite (47) des
Sensorträgers (9) und der dem Auslaßkanal (19) näheren
Randfläche (27) des Einlaßkanals (13), also in einen Spalt (56);
bzw. um die Schottwand (52) auf Höhe einer Randfläche (54) des
Einlaßkanals (13) herum oder zwischen der Stirnseite der
Schottwand (52) und dem der Stirnseite der Schottwand (52)
gegenüberliegenden Teil des Sensorträgers (9), also in einen
Spalt (56), ein Abdichtmittel (48) aufgebracht ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Stirnseite (47) des Sensorträgers (9) als eine Außenfläche
mit der dem Auslaßkanal (19) näheren Randfläche (27) des
Einlaßkanals (13) durch z. B. einen Laser oder Ultraschall
verschweißt wird, damit dort keine Umströmung des Sensorträgers
(9) stattfindet.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine oder mehrere der den Einlaßkanal (13) und/oder Umlenkkanal
(15) und/oder den Auslaßkanal (19) umschließenden Oberflächen
(35) stromlinienförmig ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das erste Teilstück (16) des Umlenkkanals (15) derart
ausgebildet ist, daß der Strömungsquerschnitt des Meßkanals (40)
stromabwärts der Ausströmöffnung (14) zwischen Einlaß (13)- und
Umlenkkanal (15) sich abrupt vergrößert und eine Stufe (76)
bildet.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein abgeschatteter Bereich (33) durch eine dem Auslaßkanal (19)
entferntere Randfläche (27) des Einlaßkanals (13) und eine
imaginäre Bodenfläche (34) begrenzt wird, auf der die Längsachse
(8) des Trägerteils (7) senkrecht steht, und die parallel zur
Hauptströmungsrichtung (3) verlaufend im Einlaßkanal (13) oder
einem Bereich davor einen oder mehrere Punkte der dem
Auslaßkanal (19) entfernteren Randfläche des Einlaßkanals (13)
tangiert, der den größten Abstand zur gegenüberliegenden
Randfläche hat, und das Meßelement (10) in dem abgeschatteten
Bereich (33) liegt.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittellinie (4) der Leitung (2), die parallel zur
Hauptströmungsrichtung (3) verläuft, im Einlaßkanal (13) oder
einem Bereich davor einen oder mehrere Punkte der dem
Auslaßkanal (19) entfernteren Randfläche des Einlaßkanals
tangiert, der den größten Abstand zur gegenüberliegenden
Randfläche hat.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine strömungsaufwärtige Stirnseite (36) und eine Querseite (81)
des Sensorträgers (9) aerodynamisch geformt sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die strömungsaufwärtige Querseite (81) des Sensorträgers (9) so
ausgerichtet ist, daß das Medium auf der strömungsaufwärtigen
Querseite (81) mit einer Querströmungskomponente (51) an der
Querseite (81) auftrifft, die in der Ebene der aerodynamisch
geformten Querseite (81) des Sensorträgers (9) liegt.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Randfläche (20) des ersten Teilstücks (16) des Umlenkkanals
(15) entgegen der Strömungsrichtung (25) im Einlaßkanal (13) um
einen von der Randfläche (20) und der Hauptströmungsrichtung (3)
eingeschlossenen Winkel δ geneigt ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine die Auslaßöffnung (12) aufweisende Außenfläche (21) des
Meßgehäuses (7) um einen Winkel χ geneigt gegenüber der
Hauptströmungsrichtung (3) des Mediums verläuft.
14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Auslaßöffnung (12) gegenüber dem Auslaßkanal (19) eine
Querschnittsvergrößerung aufweist.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
an der die Auslaßöffnung (12) aufweisenden Außenfläche (21) des
Meßgehäuses (7) zumindest eine Erhebung (60) in einem der
Hauptströmungsrichtung (3) zugewandten Umgebungsbereich (61) der
Auslaßöffnung (12) und/oder einem der Hauptströmungsrichtung (3)
abgewandten Umgebungsbereich (65) der Auslaßöffnung (12)
angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, daß
daß die Erhebung (60) im der Hauptströmungsrichtung (3)
zugewandten Umgebungsbereich (61) der Auslaßöffnung (12)
angeordnet ist und eine Abrißkante (62) aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine die Abrißkante (62) berührende, sich senkrecht zu der
Hauptströmungsrichtung (3) der Leitung (2) erstreckende Ebene
(64) die Auslaßöffnung (12) schneidet.
18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
sich in Strömungsrichtung (25) an das erste Teilstück (16) des
Umlenkkanals (15) ein zweites Teilstück (17) anschließt und im
ersten Teilstück (16) oder im zweiten Teilstück (17) zumindest
eine Öffnung (18) vorgesehen ist, die eine Verbindung zu dem die
Vorrichtung (1) umströmenden Medium herstellt.
19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Längsachse (46) des Sensorträgers (9) um einen Winkel ε
und/oder eine Längsachse (45) des Meßelements (10) um einen
Winkel ϕ gegenüber der Längsachse (8) des Trägerteils (7)
geneigt verläuft.
20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Einlaßkanal (13) einen rechteckförmigen Querschnitt
aufweist.
21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Bereich des Umlenkkanals (15) und Auslaßkanals (19) S-
förmig ausgebildet sind.
22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Kante (70) eines Bug (69) des Meßgehäuses (6) zum
Trägerteil. (7) hin leicht erhöht ausgebildet ist, damit
anströmende Teilchen von der Einlaßöffnung (11) weg reflektiert
werden.
23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Seitenwand (77) der Einlaßöffnung (11) so angeschrägt ist,
daß sie eine abgeschrägte Fläche (79) bildet, die in einer Kante
(78) endet, wobei die abgeschrägte Fläche (79) an einer Außen
fläche des Meßgehäuses (6) ausgebildet ist, so daß anströmende
Teilchen von der Einlaßöffnung (11) weg reflektiert werden.
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