DE3738925A1 - Segmentblendschieber zur durchflusssteuerung und durchflussmessung eines pulsierenden ansaugluftstromes an einer brennkraftmaschine - Google Patents

Segmentblendschieber zur durchflusssteuerung und durchflussmessung eines pulsierenden ansaugluftstromes an einer brennkraftmaschine

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Description

Anstelle der sonst üblichen Drosselklappe zur Ansaugluft- Mengensteuerung im Fahrbetrieb, wird ein Segmentblendenschieber besonderer Bauart nach Anspruch 1 eingesetzt. Es entstehen somit keine zusätzlichen Ansaugwiderstände für die Durchflußmessung, wie sie bei anderen Meßsystemen gegeben sind.
Für die im Strömungsbereich der Ansaugluft liegende Segmentblende gelten die Richtlinien für die Durchflußmessung mit Drosselgeräten nach DIN 1 952 Ausgabe Juli 1982 und besonders die VDI/VDE Richtlinie 2041 Ausgabe August 1975 Abschnitt 2 Segmentblenden.
Auf dieser Grundlage besteht ein umfangreiches mathematisches Programm, mit dessen Hilfe die durchflußabhängigen Differenzdrücke, die von einem Differenzdrucksensor nach Anspruch 4 gemessen werden, vorausberechnet werden können.
Das Maß "s" der Segmentblendenschieberplatte (Bild 1) ist bei dem Segmentblendenschieber, nach Anspruch 7, gleich oder kleiner 0,02 × D ausgeführt (VDI/VDE 2041, Abschnitt 2.4.1). Bei dieser Ausführung ist eine Durchflußmessung in zwei Strömungsrichtungen (Vor- und Rückströmung) möglich.
Das in Strömungsrichtung von der Segmentblende entstehende Drucksignal ist höher, es wird mit "+" bezeichnet. Das nach der Segmentblende ist niedriger, es wird mit "-" bezeichnet. Die Drucksignale werden an den Druckentnahmeöffnungen Pos. 3, Bild 1 entnommen.
Da sich die Wirkdrücke und damit auch die Differenzdrücke bei Rückströmung umkehren, wird auch das elektrische Sensorsignal negativ (siehe Bild 2).
Über auftretende Fehler bei der Durchflußmessung pulsierender Strömung mit Drosselgeräten gibt die VDI-Richtlinie 2040, Blatt 1, Auskunft. Nach Abschnitt 4.4.6.2.1 sind die Frequenzen der Kolbenmaschinen mit Verdrängerwirkung im allgemeinen so niedrig bzw. die Wellenlängen so groß, daß Änderungen der Durchflußzahlen vernachlässigt werden können.
Ob dies in allen Fällen der hier auftretenden pulsierenden Strömung der Fall sein wird, muß mit einer Kalibrierung der Durchflußmessung geprüft werden.
In den VDI/VDE Richtlinien 2041 sind die Berechnungsgrundlagen nur für Rohrdurchmesser "D " gleich oder größer 50 mm und für ein maximales Öffnungsverhältnis von "m = 0,5" erforscht. Für die Ansaugluftmessung an Brennkraftmaschinen in Verbindung mit einem Segmentblendenschieber müssen für kleinere Rohrdurchmesser und größere Öffnungsverhältnisse die möglicherweise abweichenden Berechnungs­ grundlagen durch Kalibrierung der Durchflußwerte bestimmt werden.
Stand der Technik
Es sind bereits mehrere Durchflußmeßmethoden für die Ansaugluft- Mengenmessung bzw. -Massenmessung an einer Brennkraftmaschine bekannt.
Die nachfolgenden 5 Ausführungen werden bereits in Serien-Fahrzeugen mit Otto-Motoren eingesetzt
  • - Stauklappen-Luftmengenmesser
  • - Drosselklappenwinkel/Drehzahl-Verfahren, (a/n)-Verfahren
  • - Hitzdrahtluftmassenmesser
  • - Saugrohrdruck/Lufttemperatur/Drehzahl-Verfahren, (p/T/n)-Verfahren
  • - Vortex (Wirbelzähler)-Durchflußmesser.
Weitere Alternativlösungen sind in der Entwicklung
  • - Dralldurchflußmesser
  • - Ionenstrom-Luftmassenmesser
  • - Ultraschall-Durchflußmesser.
Alle bisher in der Kraftfahrzeug-Serienfertigung eingesetzten Meßverfahren werden für Einspritzsysteme angewendet. Insbesondere für die elektronischen kennfeldgesteuerten Gemischbilder, die aufgrund der möglichen sehr genauen Kraftstoffmessung eine immer exaktere Erfassung der aktuellen Motordaten erforderlich machen.
Noch nicht zufriedenstellend arbeiten für die Motorenbauer alle bisher eingesetzten Meßverfahren, so daß immer noch an neuen Meßmethoden gearbeitet wird.
Besondere Schwierigkeiten bereiten dabei, die in gewissen Betriebs­ bereichen der Brennkraftmaschine sehr stark auftretenden Pulsationen der Ansaugluft, die bei den meisten Meßsystemen zu einer Verfälschung des Meßsignals führen. Diese Verfälschungen beruhen darauf, daß es in diesen Betriebsbereichen zu Strömungsumkehrunen kommt, die von den meisten eingesetzten Meßverfahren nicht erkannt und somit auch im Meßergebnis nicht berücksichtigt werden.
Eine Ausnahme besteht für das Verfahren der Anmeldung DE 32 30 829 A1 vom 19. 08. 82 der Robert Bosch GmbH. Hier wird eine Hitzdraht-Luftmassen-Durchflußmessung durch ein besonders gesteuertes Integrationsverfahren um den Rückströmungs­ anteil korrigiert.
Nachteilig ist aber bei allen Hitzdraht-Meßverfahren, daß die sich im Fahrbetrieb einstellenden Hitzdrahtverschmutzungen zu einer Veränderung der Meßergebnisse führen. Bei abgestelltem Motor sorgt ein selbsttätig ablaufender Hitzdraht-Nachheizvorgang für eine Reduzierung dieses Einflusses.
Die in bestimmten Betriebsbereichen sehr stark auftretenden Pulsationen der Ansaugluft mit einer Vor- und Rückströmung sind in ihrem Verlauf ähnlich Bild 2 dargestellt.
Bei einer Integration der Durchflußwerte "q m = kg/s" über die Zeit "t " werden die negativen Durchflußwerte der Rückströmung automatisch von dem positiven Integrationswert der Ansaugluft "Q " abgezogen. Somit wird als Ergebnis der wahre Ansaugluftwert "Q " gemessen.
Das Öffnungsverhältnis "m" errechnet sich aus der Gleichung
Für den Wert "arc cos" ist das Bogenmaß einzusetzen.
A h = Öffnungsquerschnittsfläche m² A D = Rohrquerschnittsfläche m² D = wahrer Durchmesser des Einlaufrohres (Bild 1) h = Abstand der geraden Segmentblendenkante von der Rohrwand (Bild 1)
Für die Beziehung zwischen dem Massendurchfluß "q m " und dem Wirkdruck "Δ p" gilt die Gleichung
q m = Massendurchfluß kg/sm= Öffnungsverhältnis 1Δ p= Wirkdruck Paρ₁= Dichte der Ansaugluft kg/m³ (Betriebszustand) e= Expansionszahl 1 D= innerer Rohrdurchmesser m
Veränderung der Grundgleichung durch veränderte Einheiten und durch die Einführung eines Zahlenwertes
D= innerer Rohrdurchmesser mmp= Wirkdruck mbarK= ZahlenwertπB:4 · √ · 10-5 = 1.1107 · 10-5
Bestimmung der Dichte im Betriebszustand
Abweichungen der Dichte im Betriebszustand machen sich wie beim Wirkdruck etwa mit dem halben prozentualen Betrag im Ergebnis der Durchflußmessung bemerkbar. Die Dichte muß deshalb mit der gleichen Sorgfalt wie der Wirkdruck durch den Einsatz von Temperatur-, Druck- und Feuchte-Sensoren ermittelt werden.
Berechnung der Ansaugluft-Dichte im Betriebszustand
ρ₁= Dichte im Betriebszustand "kg/m³" ρ n · tr= Dichte im Normalzustand 0°C, 760 mmHg oder 1,0336 bar p₁= Druck im Betriebszustand p amb + p e "bar" p amb = Atmosphärendruck "bar" p e = Überdruck "bar" p n = Druck im Normzustand 1,0336 bar p s = Sättigungsdruck des Wasserdampfes "bar" d= relative Feuchte "%" T₁= thermodynamische Temperatur, T₁ = Betr. Temp. t C⁰+273,15 "⁰K" T n = absolute Temperatur "⁰K" Z n = Realgasfaktor im Normzustand 0,9994 für die Ansaugluft Z₁= Realgasfaktor im Betriebszustand p₁ "bar"
LOW-COST-Sensoren
Das hier vorgeschlagene Meßverfahren macht den Einsatz von LOW-COST-Sensoren erforderlich, die zur Zeit noch nicht in der gewünschten Preislage verfügbar sin. Es ist aber in Kürze mit entsprechenden Ausführungen auf dem Markt zu rechnen.
Es werden folgende Sensoren benötigt:
Δ p, h, t, p₁ und p.

Claims (7)

1. Segmentblendenschieber zur Durchflußsteuerung und Durchflußmessung eines pulsierenden Ansaugluftstromes an einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Segmentblendenschieber anstelle der sonst üblichen Drosselklappe als Durchflußstellglied eingesetzt wird, bei dem die bauliche Ausführung für die Segmentblende weitgehendst nach den VDI/VDE-Richtlinien 2041 (Abschnitt 2, Segmentblenden) ausgeführt wird. Die Segmentblende gewährleistet die zusätzliche Durchflußmessung in beiden Strömungsrichtungen.
2. Segmentblendenschieber zur Durchflußsteuerung und Durchflußmessung eines pulsierenden Ansaugluftstromes an einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Segmentblendenschieber nach Anspruch 1 mit einem Drehantrieb ausgeführt wird, der aus zwei drehbar auf einer Antriebsachse befestigten Antriebshebeln besteht, die parallel bewegt, die an ihrem Ende befestigte Segmentblendenschieber-Platte in einer beiderseitigen Dichtung führen und damit einen veränderlichen Strömungsquerschnitt freigeben.
3. Segmentblendenschieber zur Durchflußsteuerung und Durchflußmessung eines pulsierenden Ansaugluftstromes an einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß ein Segmentblendenschieber nach Anspruch 1 anstelle des Drehantriebes mit einem Linearantrieb ausgerüstet wird, der die an seinem Ende befestigte Segment­ blendenschieber-Platte in einer beiderseitigen Dichtung führt und damit im gleichen Sinne einen veränderlichen Strömungs­ querschnitt freigibt.
4. Der Segmentblendenschieber nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß an den beiderseitigen Druckentnahmen ein Differenzdrucksensor zur Differenzdruckmessung angeschlossen wird.
5. Der Segmentblendenschieber nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Stellung der Segmentblenden­ schieber-Platte durch einen analogen oder digitalen Wegaufnehmer genau definiert wird.
6. Der Segmentblendenschieber nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß in dem zugehörigen Einlaufrohr und möglicherweise auch in dem Ablaufrohr zur Verkürzung der ungestörten Meßstrecke ein Strömungsgleichrichter eingesetzt wird.
7. Der Segmentblendenschieber nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Segmentblendenschieber- Platte gleich oder kleiner 0,02 × Einlaufrohrdurchmesser ausgeführt wird (VDI/VDE Richtlinie, Abschnitt 2.4). Bei dieser Ausführung ist eine Messung mit einer Segmentblende in zwei Strömungsrichtungen (Vor- und Rückströmung) möglich.
DE19873738925 1987-11-17 1987-11-17 Segmentblendschieber zur durchflusssteuerung und durchflussmessung eines pulsierenden ansaugluftstromes an einer brennkraftmaschine Withdrawn DE3738925A1 (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0565485A1 (de) * 1992-04-08 1993-10-13 EMILE EGGER & CO. AG Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Durchflussmenge eines Mediums und Anwendung des Verfahrens
FR2756376A1 (fr) * 1996-11-25 1998-05-29 Bosch Gmbh Robert Procede pour determiner le debit a travers une vanne de regeneration d'une installation de ventilation de reservoir d'automobile
DE19831748B4 (de) * 1998-07-15 2009-07-02 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

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FR2756376A1 (fr) * 1996-11-25 1998-05-29 Bosch Gmbh Robert Procede pour determiner le debit a travers une vanne de regeneration d'une installation de ventilation de reservoir d'automobile
DE19831748B4 (de) * 1998-07-15 2009-07-02 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung einer Brennkraftmaschine

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