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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Luftfiltersystem eines Kraftfahrzeuges mit
den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Brennkraftmaschinen
eines Kraftfahrzeuges weisen eine elektronische Steuerung insbesondere für die Bemessung
der einzuspritzenden Kraftstoffmenge auf. Diese Steuerung greift
auf verschiedene Sensoren zur Bestimmung der Betriebsparameter zurück. Ein
wesentlicher Sensor ist dabei der Luftmassenstromsensor, der insbesondere
als Heissfilm-Luftmassensensor
(HFM) ausgebildet ist. Der Luftmassenstromsensor ist im Ansaugluftkanal
angeordnet und versorgt die Motorsteuerung mit Daten über den
aktuell angesaugten Luftmassenstrom. Ein bevorzugter Anbringungsort
für den
Luftmassenstromsensor ist die Reinluftseite des Luftfiltergehäuses, wo
der empfindliche Luftmassenstromsensor einem gereinigten Ansaugluftstrom
ausgesetzt ist. Bekannt HFM-Sensoren sind jedoch nicht nur gegen Verschmutzung
empfindlich, sondern brauchen auch für ein präzises Messergebnis eine laminare,
turbulenzfreie Strömung,
die zudem auch noch in ihrem geometrischen Verlauf präzise definiert
sein muss.
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Für ein gutes
Messergebnis sind Bauformen des HFM-Sensors mit einem eigenen Gehäuse bekannt,
welches in das Luftfiltergehäuse
eingeführt wird.
Diese Bauform ist jedoch mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden.
Außerdem
bringt die Schnittstelle des HFM-Gehäuses zum Luftfiltergehäuse eine
Verringerung des freien Strömungsquerschnittes
mit sich, wodurch sich ein unerwünscht
erhöhter
Druckverlust im Ansaugluftstrom einstellt.
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Zur
Vermeidung der obigen Nachteile ist als alternative Bauform bekannt,
dass ein insbesondere reinseitiges Gehäuseteil des Luftfiltergehäuses einen einteilig
und materialeinheitlich angeformten Luftkanalabschnitt aufweist,
wobei in diesem Luftkanalabschnitt der Luftmassenstromsensor angeordnet
und durch die Kanalwand des Luftkanalabschnittes hindurchgeführt ist.
Solche auch als Steck-HFM-Sensoren bezeichneten Luftmassenstromsensoren
weisen kein eigenes Gehäuse
auf. Es tritt kein Querschnittsverlust durch die Schnittstelle zum
Luftfiltergehäuse ein,
wodurch der Druckverlust im Ansaugluftstrom verringert ist. Auch
die Kosten der Anordnung sind verringert.
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Allerdings
ist hierbei eine Reihe von Schwierigkeiten zu überwinden: Das Luftfiltergehäuse einschließlich des
einteilig und materialeinheitlich daran angeformten Luftkanalabschnittes
wird typischerweise aus einem Kunststoff wie Polyamid oder dergleichen
hergestellt. Hierbei treten neben den unvermeidlichen thermisch
bedingten Maßänderungen auch
feuchtigkeitsbedingte Maßänderungen
auf, da Polyamid als feuchtigkeitsempfindlicher Kunststoff zur Feuchtigkeitsaufnahme
neigt. Die feuchtigkeitsbedingten Maßänderungen des den Luftmassenstromsensor
tragenden Luftkanalabschnittes können nicht
ohne weiteres kompensiert werden. In der Folge führen feuchtigkeitsbedingte
Maßänderungen
des Luftkanalabschnittes zu einer Beeinflussung des geometrischen
Strömungsverlaufes
und damit zu Messfehlern bzw. Messungenauigkeiten. Ein ggf. erforderliches
Strömungsleitgitter,
welches zur Beruhigung bzw. zum laminaren Verlauf der Ansaugluftströmung und
damit zur Messgenauigkeit beiträgt,
muss als separates Bauteil gefertigt und montiert werden, was nicht
kostenoptimal ist und außerdem
zusätzliche
Maßtoleranzen
erzeugt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Luftfiltersystem
der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, dass eine
erhöhte Messgenauigkeit
des Luftmassenstromsensors erzielt ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Luftfiltersystem mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird ein Luftfiltersystem eines Kraftfahrzeugsystems vorgeschlagen,
welches ein Luftfiltergehäuse
mit einem Gehäuseteil
aus feuchtigkeitsempfindlichem Kunststoff, insbesondere aus Polyamid
und einen Luftkanalabschnitt mit einer umlaufenden Kanalwand umfasst.
Die Kanalwand des Luftkanalabschnittes ist einteilig und materialeinheitlich
am Gehäuseteil
des Luftfiltergehäuses
angeformt, wobei im Luftkanalabschnitt ein Luftmassenstromsensor angeordnet
ist. Die Kanalwand des Luftkanalabschnittes ist innenseitig mittels
eines Kunststoffeinsatzes aus feuchtigkeitsunempfindlichem Kunststoff ausgekleidet.
Der feuchtigkeitsunempfindliche Kunststoff besteht vorteilhaft zumindest überwiegend aus
Polybutylentherephthalat (PBT) und ist bevorzugt ein glasfaserverstärktes PBT,
insbesondere ein PBT-GF30.
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Abweichend
von der vorbekannten Bauform mit einem Gehäuse-HFM-Sensor folgt aus der einteiligen und
materialeinheitlichen Anformung der den Luftkanalabschnitt bildenden
umlaufenden Kanalwand am Gehäuseteil
des Luftfiltergehäuses,
dass keine Querschnittsverluste durch eine ansonsten vorhandene
Schnittstelle zum Luftfiltergehäuse
entstehen, wodurch der gewünschte
geringe Druckverlust im Ansaugluftstrom erreicht wird. Aber auch
die Nachteile der vorbekannten Bauform mit einem Steck-HFM-Sensor
ohne ein eigenes Gehäuse
werden beseitigt: Das Gehäuseteil
des Luftfiltergehäuses
kann nach wie vor aus einem geeigneten Kunststoff wie Polyamid (PA)
gefertigt werden. Die hierbei beobachtete Feuchtigkeitsempfindlichkeit
des Kunststoffes in Form einer Wasseraufnahme und einer damit einhergehenden
Maßänderung
hat keinen nachteiligen Einfluss mehr auf die Messgenauigkeit des im
Luftkanalabschnitt angeordneten Luftmassenstromsensors. Vielmehr
wird durch die innenseitige Auskleidung der Kanalwand des Luftkanalabschnittes
mittels des Kunststoffeinsatzes aus feuchtigkeitsunempfindlichem
Kunststoff eine Maßhaltigkeit des
Kanalquerschnittes und damit des geometrischen Strömungsverlaufes
erreicht, die von der Feuchtigkeit der Umgebungsluft und des Ansaugluftstromes
zumindest näherungsweise
unabhängig
ist. Feuchtigkeitseinflüsse
auf den Strömungsverlauf
des Ansaugluftstromes und damit auf das Messergebnis des Luftmassenstromsensors
sind nahezu ausgeschlossen. Im Vergleich zu einem stanzgenieteten Blechteil
als Einsatz kann eine glatte, aerodynamisch geformte und störungsfreie
Oberfläche
durch das Fehlen von Nieten, Stoßkanten oder dergleichen erzeugt
werden, die eine laminare Umströmung
des Luftmassenstromsensors begünstigt
und damit zur Messgenauigkeit beiträgt. Insgesamt entsteht eine deutlich
erhöhte
Messgenauigkeit, die einer präzisen Motorsteuerung
zugute kommt.
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Die
bevorzugte Materialpaarung von PA für das Gehäuseteil des Luftfiltergehäuses und
PBT für den
Kunststoffeinsatz beruht auf der guten Materialverträglichkeit
beider Kunststoffe, da PA und PBT einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen. Die sehr geringe Wasseraufnahme des PBT führt jedoch
dazu, dass der Feuchtigkeitseinfluss auf Maßänderungen des Kanalquerschnittes
und damit auf den geometrischen Strömungsverlauf des Ansaugluftstromes
zumindest näherungsweise
eliminiert ist.
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Es
kann zweckmäßig sein,
den Kunststoffeinsatz beispielsweise im Zweikomponenten-Spritzgussverfahren
in den Luftkanalabschnitt einzubringen. In bevorzugter Weiterbildung
ist der Kunststoffeinsatz in den Luftkanalabschnitt eingesteckt
und insbesondere mit diesem verrastet. Fertigungs- und Montageaufwand
sind minimiert. Das Einstecken und auch die Verrastung bringen einerseits
eine genaue Lagefixierung des Kunststoffeinsatzes mit sich, während andererseits
kein inniger Materialverbund zwischen beiden Bauteilen besteht.
Feuchtigkeitsbedingte Maßänderungen
der Kanalwand des Luftkanalabschnittes werden dem Kunststoffeinsatz
nicht aufgezwungen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein Luftleitgitter einteilig mit dem Kunststoffeinsatz ausgebildet.
Insbesondere ist der Kunststoffeinsatz spritzgegossen. Die einteilige
Ausbildung des Luftleitgitters mit dem Kunststoffeinsatz erzeugt
nicht nur eine Verringerung der Einzelteile und damit eine Verringerung
des Montageaufwandes. Vielmehr werden auch die Lagetoleranzen der
einzelnen Bauteile zueinander verbessert, so dass die Messgenauigkeit gesteigert
ist. Die Herstellung des Kunststoffeinsatzes im Spritzgussverfahren
erhöht
neben einer im Vergleich beispielsweise zu einem metallischen Bauteil
erhöhten
Maßgenauigkeit
auch die Freiheitsgrade in der Formgebung. So kann beispielsweise
ein aerodynamisch gerundeter Einlaufbereich angeformt werden, der
auf einer laminaren Strömungsausbildung
und damit der Messgenauigkeit des Luftmassenstromsensors zugute
kommt.
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In
zweckmäßiger Weiterbildung
der Erfindung ist der Luftmassenstromsensor in den Kunststoffeinsatz
zu einer Baueinheit integriert. Der Luftmassenstromsensor wird im
integrierten Zustand, also gemeinsam mit dem Kunststoffeinsatz kalibriert. Montage-
und Fertigungstoleranzen können
bei der Kalibrierung messtechnisch eliminiert werden. Es entsteht
eine erhöhte
Messgenauigkeit, die nach der Montage der integrierten Baueinheit
im Luftfilter-Gesamtsystem erhalten bleibt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 in
einer perspektivischen Detaildarstellung ein Luftfiltergehäuse mit
einem angeformten elliptischen Luftkanalabschnitt, einem radial
eingesteckten Luftmassenstromsensor, und mit einem in den Luftkanalabschnitt
eingesteckten Kunststoffeinsatz aus PBT,
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2 in
perspektivischer Explosionsdarstellung die Anordnung nach 1 mit
Einzelheiten des ein Luftleitgitter und Rastnasen umfassenden Kunststoffeinsatzes,
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3 in
perspektivischer Ansicht eine Variante der Anordnung nach den 1 und 2 mit
in den Kunststoffeinsatz integriertem Luftmassenstromsensor,
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4 die
Anordnung nach 3 im montierten Zustand.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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1 zeigt
in perspektivischer Ausschnittsdarstellung einen Teil eines Luftfiltersystems
eines Kraftfahrzeug-Antriebsmotors. Das Luftfiltersystem ist für die Versorgung
des Antriebsmotors mit Verbrennungsluft vorgesehen und umfasst ein
Luftfiltergehäuse 1,
in dem ein zeichnerisch nicht dargestellter Luftfilter zur Filtrierung
des Verbrennungsluftstromes angeordnet ist. Auf seiner Reinluftseite
umfasst das Luftfiltergehäuse 1 ein
Gehäuseteil 2,
welches aus feuchtigkeitsempfindlichem Kunststoff, hier Polyamid
(PA) spritzgegossen ist. Aus dem Luftfiltergehäuse 1 führt auf
dessen Reinseite ein Luftkanalabschnitt 3 des Ansaugluftkanals
heraus, wobei eine umlaufende, die Strömungsführung erzeugende Kanalwand 5 des
Luftkanalabschnittes 3 einteilig und materialeinheitlich
am Gehäuseteil 2 des
Luftfiltergehäuses 1 angeformt
ist. Die umlaufende Kanalwand 5 und das Gehäuseteil 2 bestehen
demnach e aus dem gleichen Kunststoff, hier PA.
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Im
Inneren des Luftkanalabschnittes 3 sind ein Luftleitgitter 7 und
stromab davon ein Luftmassenstromsensor 4 angeordnet, wobei
der Luftmassenstromsensor 4 im gezeigten Ausführungsbeispiel als
Heissfilmluftmassen-(HFM-)Sensor ausgebildet ist. Es können aber
auch andere Bauformen des Luftmassenstromsensors 4 zweckmäßig sein.
Der Strömungsquerschnitt
des Luftkanalabschnittes 3 ist elliptisch ausgeführt und
bleibt bezogen auf die durch einen Pfeil 17 angegebene
Strömungsrichtung
im Bereich des Luftmassenstromsensors 4 konstant. Es kann
aber auch ein in Strömungsrichtung
sich verengender Querschnittsverlauf zweckmäßig sein, was im Bereich des
Luftmassenstromsensors 4 zu einer Beschleunigung und damit
zu einer verbesserten laminaren Ausbildung der Umströmung führt. Auch
das Luftleitgitter 7 trägt
zu einer laminaren Strömungsausbildung
und damit zur Messgenauigkeit des stromab davon angeordneten Luftmassenstromsensors 4 bei.
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Die
Kanalwand 5 des Luftkanalabschnittes 3 ist im
Bereich des Luftmassenstromsensors 4 innenseitig mittels
eines Kunststoffeinsatzes 6 aus feuchtigkeitsunempfindlichem
Kunststoff ausgekleidet. Der feuchtigkeitsunempfindliche Kunststoff
des Kunststoffeinsatzes 6 besteht bevorzugt zumindest überwiegend
aus Polybutylentherephthalat (PBT) und ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
ein glaserfaserverstärktes
PBT, hier PBT-GF30 mit 30% Glasfaseranteil. Eine Umfangswand 13 des
Kunststoffeinsatzes 6 liegt flächig innenseitig an der Kanalwand 5 an
und erstreckt sich bezogen auf die durch den Pfeil 17 angegebene
Strömungsrichtung
von einem Ort stromauf des Luftmassenstromsensors 4 bis
zu einem Ort stromab des Luftmassenstromsensors 4. Der
Luftmassenstromsensor 4 liegt damit bezogen auf die Durchströmungsrichtung
in einem Bereich des Luftkanalabschnittes 3, dessen Kanalwand 5 vollständig durch
die Umfangswand 13 des Kunststoffeinsatzes 6 ausgekleidet
ist. In diesen Bereich ist die Innenseite der Umfangswand 13 aerodynamisch
glatt ohne Stöße, Kanten
oder dergleichen ausgeführt,
so dass der von ihr ringsum begrenzte Ansaugluftstrom frei von Verwirbelungen
oder anderen Störungen
ist. Der Strömungsverlauf
im Luftkanalabschnitt 3 ist demnach durch die einhüllende,
den Strömungsquerschnitt
umschließende
Umfangswand 13 des Kunststoffeinsatzes 6 vorbestimmt.
Infolge der praktisch vernachlässigbaren
Wasseraufnahme des für
den Kunststoffeinsatz 6 gewählten feuchtigkeitsunempfindlichen
Kunststoffes erfährt
der Kunststoffeinsatz 6 keine feuchtigkeitsbedingten Maßänderungen,
womit auch der geometrische Strömungsverlauf
im Luftkanalabschnitt 3 im Wesentlichen frei von feuchtigkeitsbedingten
Einflüssen
ist. In der Folge ist auch das Messergebnis des Luftmassenstromsensors 4 von feuchtigkeitsbedingten
Maßänderungen
im Wesentlichen unbeeinflusst.
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2 zeigt
in perspektivischer Explosionsdarstellung die Anordnung nach 1 mit
Einzelheiten zur Ausgestaltung des Kunststoffeinsatzes 6 und der
Montage des Luftmassenstromsensors 4. Der Kunststoffeinsatz 6 umfasst
die den elliptischen Strömungsquerschnitt
umschließende
Umfangswand 13, an deren Außenseite axial verlaufende
Rippen 24 angeformt sind. Am eingangsseitigen Ende der
Umfangswand 13 ist das den freien Strömungsquerschnitt überspannende
Luftleitgitter 7 einteilig und materialeinheitlich angeformt.
Am gegenüberliegenden
axialen Ende sind auf der Außenseite
der Umfangswand 13 einige Rastnasen 16 angeformt.
Im Übrigen
ist die Umfangswand 13 in axialer Richtung mittig mit einem
Durchbruch 14 versehen, der im Bereich der großen Halbachse
der elliptischen Querschnittskontur angeordnet ist. Die gesamte
Baueinheit des Kunststoffeinsatzes 6 mit den vorstehend beschriebenen
Merkmalen ist einteilig und materialeinheitlich spritzgegossen.
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Zur
Montage wird der Kunststoffeinsatz 6 axial in Richtung
eines Pfeiles 25 in den Luftkanalabschnitt 3 eingeschoben
bzw. eingesteckt, wobei die Rippen 24 den Vorgang des Einsteckens
erleichtern und eine spielfreie Anordnung des Kunststoffeinsatzes 6 im
Luftkanalabschnitt 3 gewährleisten. Am zugeordneten
freien Ende der Kanalwand 5 sind für jede Rastnase 16 des
Kunststoffeinsatzes 6 je eine Rastöffnung 15 vorgesehen,
wobei die Rastnasen 16 beim Einstecken des Kunststoffeinsatzes 6 in
die Rastöffnungen 15 einschnappen
und damit den Kunststoffeinsatz 6 im Luftkanalabschnitt 3 axial
fixieren. Eine Ausrichtung des Kunststoffeinsatzes 6 gegenüber dem
Luftkanalabschnitt 3 in Drehrichtung ist durch die elliptische
Querschnittsform beider Bauteile vorgegeben. Es kann aber auch eine
abweichende Querschnittsform zweckmäßig sein.
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Radial
außenseitig
im Bereich der großen Halbachse
der elliptischen Querschnittsform ist die Kanalwand 5 des
Luftkanalabschnittes 3 mit einem Befestigungsstutzen 8 für den Luftmassenstromsensor 4 versehen,
wobei der Befestigungsstutzen 8 eine die Kanalwand 5 durchdringende Öffnung 9 umschließt. Im eingesteckten
Zustand des Kunststoffeinsatzes 6 liegt dessen Durchbruch 14 in Überdeckung
mit der Öffnung 9.
In diesem Zustand wird der Luftmassenstromsensor 4 radial
von außen
durch die Öffnung 9 und
den Durchbruch 14 hindurch in den freien Strömungsquerschnitt
des Luftkanalabschnittes 3 eingesteckt, wobei das freie
Ende des Luftmassenstromsensors 4 entsprechend der Darstellung nach 1 etwa
mittig im freien Strömungsquerschnitt
zu liegen kommt. Zur Fixierung des Luftmassenstromsensors 4 weist
dieser einen äußeren Flansch 11 auf,
der auf der Stirnfläche
des Befestigungsstutzens 8 aufliegt. Eine Befestigung erfolgt durch
zwei Schrauben 12, die durch den Flansch 11 hindurch
in Schraubaufnahmen 10 des Befestigungsstutzens 8 eingedreht
werden. Im montierten Zustand entsprechend der Darstellung nach 1 liegt dabei
der Flansch 11 auf der Außenseite der Kanalwand 5 und
trägt dort
einen Steckkontakt 18 zur Aufnahme eines in den 3 und 4 dargestellten Steckers 19 für die elektrische
bzw. messtechnische Anbindung des Luftmassenstromsensors 4 an
die Motorsteuerung.
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3 zeigt
in perspektivischer Ansicht eine Variante des Kunststoffeinsatzes 6 nach
den 1 und 2, wobei der Kunststoffeinsatz 6 nach 3 im
montierten Zustand in der perspektivischen Darstellung nach 4 gezeigt
ist. Die Anordnung nach den 3 und 4 stimmt
in ihren Merkmalen und Bezugszeichen, sofern nachfolgend nicht abweichend
beschrieben, mit derjenigen nach den 1 und 2 überein.
In den 3 und 4 ist zu erkennen, dass der
freie Strömungsquerschnitt
des Luftkanalabschnittes 3 einen kreisrunden Querschnitt
aufweist, weshalb die Kanalwand 5 des Luftkanalabschnittes 3 und
die Umfangswand 13 des Kunststoffeinsatzes 6 zylindrisch
ausgeführt
sind. Es kann aber auch eine in Strömungsrichtung sich verengende,
beispielsweise konische Bauform zweckmäßig sein. Für eine in Drehrichtung lagerichtige Montage
des Kunststoffeinsatzes 6 trägt dieser auf der Außenseite
seiner Umfangwand 13 zusätzlich zu den Rastnasen 16 eine
Nase 22, der eine Nut 23 in der Kanalwand 5 (4)
zugeordnet ist. Im montierten Zustand nach 4 liegt
die Nase 22 in der Nut 23, wodurch eine Drehwinkelausrichtung
des Durchbruches 14 (3) mit der
in 4 nicht dargestellten Öffnung 9 (vergleichbar
mit der Ausführung
nach 2).
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Aus
der Zusammenschau der 3 und 4 ergibt
sich, dass der Luftmassenstromsensor 4 abweichend von der
Bauform nach den 1 und 2 nicht
radial von außen
durch die Kanalwand 5 durchgesteckt, sondern vollständig im
Kunststoffeinsatz 6 zu einer Baueinheit integriert ist.
Der Durchbruch 14 in der Umfangswand 13 gibt den
Zugang zum Steckkontakt 18 des Luftmassenstromsensors 4 frei,
ohne dass der Steckkontakt 18 radial über die Umfangswand 13 hervorsteht.
Hierdurch kann die gesamte, vorab eigenständig kalibrierte Baueinheit des Kunststoffeinsatzes 6 mit
dem Luftmassenstromsensor 4 axial in den Luftkanalabschnitt 3 eingesteckt werden.
Ein Stecker 19 mit einem Kabel 21 zur elektrischen
bzw. messtechnischen Anbindung des Luftmassenstromsensors 4 an
die Motorsteuerung wird radial von außen durch die Öffnung 9 (2)
hindurchgeführt
und auf den Steckkontakt 18 aufgesteckt. Eine Abdichtung
des Steckers 19 gegenüber der
Kanalwand 5 bzw. der Umfangswand 13 erfolgt mittels
eines umlaufenden Dichtringes 20, der hier als O-Ring ausgeführt ist.