DE4106842A1 - Hitzdrahtsensor zur gasvolumenstrommessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Messen eines Einlaßgasvolumen­ stroms, insbesondere einen gasgekühlten Hitzdrahtsensor zur Gasvolumenstrommessung, der in einer Einlaßpassage montiert ist und eine Änderung des elektrischen Wider­ stands eines heißen elektrischen Widerstandmediums, er­ faßt, welches durch Einlaßgas gekühlt wird.

In gewöhnlichen Kraftfahrzeugen liegt der minimale Einlaß­ gasmassenstrom bei Qi = 10 bis 15 kg/h im Leerlaufzustand des Motors und der maximale Einlaßgasmassenstrom bei Qm =500 bis 600 kg/h für kritische Motordrehzahlen, bei einem Motorhubraum von 4000 cm³. Für einen Motorhubraum von 2000 cm³ liegt der minimale Einlaßgasmassenstrom bei Qi = 5 bis 10 kg/h im Leerlaufzustand des Motors und der maximale Einlaßgasmassenstrom bei Qm = 300 bis 400 kg/h für kriti­ sche Motordrehzahlen. Daher liegt das Verhältnis zwischen dem maximalen Massenstrom und dem minimalen Massenstrom (Dynamikbereich) Qm/Qi bei 60 bis 80. In Zukunft wird der maximale Massenstrom durch eine Erhöhung der Motordrehzahl und der Ausgangsleistung von Kraftfahrzeugmotoren anstei­ gen, während der minimale Massenstrom auf dem gegenwärti­ gen Niveau bleiben wird, so daß der Dynamikbereich etwa 150 erreichen wird.

Die Strömungsgeschwindigkeit von Einlaßluft in der Einlaß­ passage und damit die Strömungsgeschwindigkeit an einem gasgekühlten Hitzdrahtsensor zur Gasvolumenstrommessung, hängt u. a. von der Querschnittsfläche des Hauptströmungs­ kanals (Durchmesser der Einlaßpassage) ab und liegt der­ zeit zwischen 0,5 m/s bis 50 m/s. Eine weitere Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit wird vermieden, da mit einer höheren Fließgeschwindigkeit von Einlaßluft eine Ver­ schlechterung der Meßgenauigkeit (Änderung der Charakte­ ristika) einhergeht, und zwar durch feine Staubpartikel, die nicht durch einen Luftfilter gefiltert werden können. Diese Staubpartikel bleiben mit der Zeit an dem gasgekühl­ ten Hitzdrahtsensor haften, wie auf Seite 26 und Fig. 15 im SAE-Paper 8 40 137, 1984 beschrieben ist. Ein Ansteigen des Dynamikbereichs und damit ein Ansteigen des maximalen Volumenstroms verursacht ein Ansteigen der maximalen Fließgeschwindigkeit und beschleunigt das Anhaften von Staub an dem gasgekühlen Hitzdrahtsensor.

Ein bekannter Hitzdrahtsensor zur Gasvolumenstrommessung ist in der japanischen Patentanmeldung JP 54-76 182 be­ schrieben. Dort wird die Temperatur des Hitzdrahts über die normale Betriebstemperatur erhöht, so daß der Staub, der sich auf dem Hitzdraht befindet, abgebrannt wird, wobei die Sauberkeit des Hitzdrahts erhalten bleibt. Ent­ hält jedoch der Staub Kalzium, so haftet dieser fest auf dem Hitzdraht und verschlechtert dadurch die Charakteri­ stika des Hitzdrahts.

Ein weiterer Hitzdrahtsensor zur Gasvolumenstrommessung ist aus der JP 59-1 90 624 bekannt. Dort ist in Strömungs­ richtung überhalb dem Hitzdraht ein Hindernis angeordnet, so daß der Staub an diesem haftet und dadurch vor dem An­ haften an dem Hitzdraht gehindert wird. Durch das Hinder­ nis wird jedoch die Strömungsgeschwindigkeit am Hitzdraht vermindert, so daß die Sensitivität des Hitzdrahts vermin­ dert wird, wenn der Einlaßluftvolumenstrom niedrig ist. Da das Hindernis Luftwirbel der Einlaßluft verursacht, wird das Rauschen des Hitzdrahtausgangs erhöht.

Ein weiterer Hitzdrahtsensor zur Gasvolumenstrommessung ist in der JP 55-66 716 offenbart. Diese Schrift beschreibt ein den Hitzdraht aufnehmendes gerades Rohr, das in einem Hauptströmungskanal angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist die Strömungsgeschwindigkeit in dem Rohr (an dem Hitz­ draht) im wesentlichen gleich der Strömungsgeschwindigkeit in dem Hauptströmungskanal. Um nun die maximale Strömungs­ geschwindigkeit in einem bestimmten Bereich zu halten, wenn der maximale Einlaßluftvolumenstrom erhöht wird, muß die Querschnittsfläche (Durchmesser des Kanals) erhöht werden, wodurch der Platzbedarf des Leitungssystems erhöht wird. Da in diesem Fall der minimale Einlaßluftvolumen­ strom nicht erhöht wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit unter einen gewünschten Wert gesenkt, so daß die Sensiti­ vität des Hitzdrahts vermindert und ein Rauschschutz nötig wird.

Die JP 56-18 721 beschreibt des weiteren einen Bypasskanal, der unabhängig von dem Hauptströmungskanal ausgebildet ist. Durch ein Einstellen (Erhöhen) des Strömungswider­ standes des Bypasskanals wird die Strömungsgeschwindigkeit der Einlaßluft in der Bypasspassage unterschiedlich zur Strömungsgeschwindigkeit des Hauptströmungskanals. Dadurch kann die maximale Fließgeschwindigkeit in dem Bypasskanal unter einen gewünschten Wert gehalten werden, wenn der maximale Volumenstrom erhöht wird, ohne die Strömungs­ kanäle zu vergrößern. Da die Strömungsgeschwindigkeit in dem Bypasskanal proportional zur Strömungsgeschwindigkeit in dem Hauptströmungskanal ist, wird dadurch jedoch die Strömungsgeschwindigkeit in dem Bypasskanal unter einen gewünschten Wert gesenkt, wenn die Strömungsgeschwindig­ keit in dem Hauptströmungskanal absinkt, so daß die Sensi­ tivität des Hitzdrahts vermindert wird und Schwankungen des Volumenstroms (Wirbelbildung) im Vergleich zu einem Strömungsrohr ohne Hindernis vergrößert werden.

Ein weiterer bekannter Hitzdrahtsensor zur Gasvolumen­ strommessung ist aus der JP 55-1 45 321 bekannt, in der eine Ventilvorrichtung beschrieben ist, die in einem Bypass­ kanal zur Steuerung des Strömungswiderstands des Bypass­ kanals angeordnet ist, so daß dadurch der Einlaßluftvolu­ menstrom geändert werden kann. Die Querschnittsfläche des Bypasskanals wird hier erhöht, um den Strömungswiderstand zu senken, so daß die Strömungsgeschwindigkeit am Sensor (Hitzdraht) ansteigt, wenn der Volumenstrom ansteigt, was im Gegensatz zur Vorgehensweise der Erfindung steht. Des weiteren wird eine Änderung der Sensorausgangsspannung auf die Strömungsgeschwindigkeit am Sensor angeglichen, da die Sensorausgangsspannung proportional zur Quadratwurzel des Volumenstroms am Sensor ist. Das Verhältnis der Sensoraus­ gangsspannung zur Strömungsgeschwindigkeit am Sensor wird daher mit einem größer werdenden Volumenstrom kleiner.

In den bekannten Hitzdrahtsensoren zur Gasvolumenstrommes­ sung kann eine Verschlechterung der Meßgenauigkeit des Hitzdrahts nicht verhindert werden, wenn der zu messende Einlaßluftvolumenstrom groß ist, wobei gleichzeitig eine geeignete Strömungsgeschwindigkeit zur Verhinderung einer Sensitivitätsverminderung des Hitzdrahts bei einem minima­ len Volumenstrom nicht erreicht werden kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gas­ gekühlten Hitzdrahtsensor zur Gasvolumenstrommessung zu schaffen, bei dem eine Verschlechterung der Meßgenauigkeit eines gasgekühlten, heißen elektrischen Widerstandmediums bei einem maximalen Volumenstrom und ein Absinken der Sen­ sitivität bei einem minimalen Volumenstrom verhindert und dadurch ein großer Dynamikbereich (Meßbereich des Volumen­ stroms) erreicht wird.

Weiterhin soll eine Brennkraftmaschine geschaffen werden, die mit hohen Drehzahlen und mit einer hohen Last betrie­ ben wird, und in der ein optimales Verhältnis zwischen der Einlaßluftmenge und der Kraftstoffmenge im Leerlauf­ zustand des Motors und für eine maximale Leistung dessel­ ben realisiert wird.

Die Aufgabe wird durch einen Hitzdrahtsensor zur Gasvolu­ menstrommessung gelöst, der umfaßt: einen Hauptströmungs­ kanal, durch den ein Hauptteil des Einlaßgases strömt, einen ersten Zusatzströmungskanal, durch den ein Teil des Einlaßgases strömt, einen Hitzdraht in dem ersten Zusatz­ strömungskanal, mit dem ein Einlaßgasvolumenstrom dadurch gemessen wird, daß eine Änderung des elektrischen Wider­ standes des Hitzdrahts, der durch den Teil des Einlaßgases gekühlt wird, erfaßt wird, und Mittel zum Ändern des Strö­ mungswiderstandes des ersten Zusatzströmungskanals in Ab­ hängigkeit des Einlaßgasvolumenstroms, so daß mit einem größer werdenden Einlaßgasvolumenstroms der Strömungs­ widerstand des ersten Zusatzströmungskanals größer wird.

Weiterhin umfaßt die Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung einen gasgekühlten Hitzdrahtsensor, eine Dreh­ zahlmeßeinrichtung zum Messen der Motordrehzahl, eine Ein­ spritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in das Einlaßgas, und Steuermittel zum Berechnen einer vom Ein­ spritzventil eingespritzten Kraftstoffmenge in Abhängig­ keit von der gemessenen Motordrehzahl und dem gemessenen Einlaßgasvolumenstrom und zum Steuern der Einspritzvor­ richtung, so daß eine geeignete Kraftstoffmenge einge­ spritzt werden kann.

Da der Hitzdrahtsensor zur Gasvolumenstrommessung gemäß der vorliegenden Erfindung Mittel zum Ändern des Strö­ mungswiderstands des erstenZusatzströmungskanals enthält, in Abhängigkeit des Einlaßgasvolumenstroms, wird mit einem Größerwerden des Einlaßgasvolumenstroms der Strömungswi­ derstand des ersten ersten Zusatzströmungskanals größer. Der Einlaßgasvolumenstrom des Zusatzströmungskanals ist abhängig vom Einlaßgasvolumenstrom des Hauptströmungs­ kanals und der Dynamikbereich des Einlaßgases des Zusatz­ strömungskanals ist kleiner als der des Einlaßgases im Hauptströmungskanal. Darum wird der Einlaßgasvolumenstrom im ersten Zusatzströmungskanal klein gehalten, sogar wenn der Einlaßgasvolumenstrom des ersten Strömungskanals groß ist. Dadurch wird eine Verschlechterung der Meßgenauigkeit des Hitzdrahts verhindert, wobei der Einlaßgasvolumenstrom des ersten Zusatzströmungskanals für einen kleinen Einlaß­ gasvolumenstrom im Hauptströmungskanal groß sein kann, so daß die Sensitivität des Hitzdrahts bezüglich einer Verän­ derung des elektrischen Widerstands zum Erhalten einer ge­ eigneten Genauigkeit des Volumenstromsensors ausreichend groß ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand von Zeichnungen näher beschrieben; es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt einer Brennkraftmaschine mit einem Hitzdrahtsensor zur Gasvolumenstrommessung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt einer Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung;

Fig. 3 einen Querschnitt entlang III-III in Fig. 2;

Fig. 4 einen Querschnitt entlang IV-IV in Fig. 2;

Fig. 5 einen Querschnitt entlang V-V in Fig. 2;

Fig. 6 einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbei­ spiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 einen Querschnitt entlang VII-VII in Fig. 6;

Fig. 8 einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbei­ spiels der vorliegenden Erfindung für einen klei­ nen Volumenstrom;

Fig. 9 einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels von Fig. 8 für einen großen Volumenstrom;

Fig. 10 einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbei­ spiels der vorliegenden Erfindung für einen klei­ nen Volumenstrom;

Fig. 11 einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels von Fig. 10 für einen großen Volumenstrom;

Fig. 12 einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbei­ spiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13 einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbei­ spiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 14 und 15 Querschnitte weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung;

Fig. 16 und 17 einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 18 ein Diagramm, das das Verhältnis der Strömungsge­ schwindigkeit am Meßelement zum gemessenen Volu­ menströmen zeigt, und zwar für den Stand der Technik und die Erfindung.

Es folgt die Erläuterung der Erfindung anhand der Zeich­ nungen.

Fig. 1 zeigt eine Brennkraftmaschine mit einer elektro­ nisch gesteuerten Einspritzvorrichtung und einem Hitz­ drahtsensor zur Gasvolumenstrommessung gemäß der vorlie­ genden Erfindung.

Durch den Luftfilter 53, die Einlaßleitung 54, den Volu­ menstromsensor (der gasgekühlte Hitzdrahtsensor zur Gasvolumenstrommessung) 1 und den Ansaugkrümmer 51 wird der Brennkraftmaschine (Zylinder) 50 Einlaßluft 52 zuge­ führt. Der Volumenstromsensor 1 enthält einen Hauptströ­ mungskanal 21, einen ersten Zusatzströmungskanal 31 und einen zweiten Zusatzströmungskanal 35. Der Hauptteil der Einlaßluft 52 fließt durch den Hauptströmungskanal 21, der andere Teil der Einlaßluft 52 fließt durch den ersten Zusatzströmungskanal 31 und den zweiten Zusatzströmungska­ nal 35. Der erste Zusatzströmungskanal 31 enthält einen mit der Schaltungseinheit 2 verbundenen elektrischen Wi­ derstand 2A und eine Vorrichtung 2B zur Kompensation von Temperaturschwankungen. Der elektrische Widerstand 2A mißt die Strömungsgeschwindigkeit, zur Erzeugung, durch die Schaltungseinheit 2, eines Ausgangssignals, entsprechend des gesamten Volumenstroms an Einlaßluft 52. In Strömungs­ richtung unterhalb des elektrischen Widerstands 2A des Vo­ lumenstromsensors 1 ist eine Drosselklappe 3 angeordnet, die mit einem Gaspedal verbunden ist. zur Steuerung des Volumenstroms an Einlaßluft 52. Des weiteren ist dort ein Leerlaufsteuerventil (ISC) 8 zum Steuern des Volumenstroms an Einlaßluft 52 angeordnet, wenn die Drosselklappe 3 ge­ schlossen ist und einen Volumenstrom an Einlaßluft 52 durch dieselbe verhindert (Leerlauf).

Der Kraftstoff F wird durch eine Pumpe 56 aus einem Kraft­ stofftank 55 und ein Einspritzventil 57 in den Ansaugkrüm­ mer 51 eingespritzt, so daß der Kraftstoff F der Brenn­ kraftmaschine 50 mit der Einlaßluft zugeführt wird. Das Abgas E wird, wie durch den Pfeil angezeigt, abgeleitet. Die Steuervorrichtung 60 berechnet eine Kraftstoffein­ spritzmenge und einen Öffnungsgrad des Leerlaufsteuerven­ tils 8, basierend auf einem Ausgangssignal der Schaltungs­ einheit 2, einem Stellwinkel der Drosselklappe 3, einem Ausgangssignal eines Sauerstoffsensors 58, der in den Abgaskrümmer 57 montiert ist, und einem Ausgangssignal des Motordrehzahlsensors 59. Die Steuervorrichtung 60 steuert das Einspritzventil 57 und das Leerlaufsteuerventil 8, ba­ sierend auf diesen Berechnungen.

Die Fig. 2 bis 5 zeigen ein Gehäuse 20, das ein Volumen­ stromsensorgehäuse 20A, ein Drosselklappengehäuse 20B und ein Leerlaufsteuerventilgehäuse 20C enthält. Am Einlaß des Volumenstromsensorgehäuses 20A ist ein Gitter (zellenar­ tige Struktur) 40 zum Regulieren des Volumenstroms ange­ ordnet. Der Körper (Brücke) 30 enthält den ersten Zusatz­ strömungskanal 31 und den zweiten Zusatzströmungskanal 35 und erstreckt sich von dem Volumenstromsensorgehäuse 20A in den ersten Strömungskanal 21, in Strömungsrichtung un­ terhalb des Gitters 40. Der erste Zusatzströmungskanal 31 enthält einen axialen Strömungskanal 31B, der sich im we­ sentlichen parallel zu dem Hauptströmungskanal 21 er­ streckt. Die Sensorschaltungseinheit 2 ist an das Volumen­ stromsensorgehäuse 20A durch Schrauben 41A und 41B befe­ stigt, wobei sich ein Formteil 2C von der Sensorschal­ tungseinheit 2 in den axialen Strömungskanal 31B er­ streckt. Das Formteil 2C besitzt eine Bohrung, deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser des axialen Strömungskanals 31B ist. Das Formteil 2C bildet einen Teil des axialen Strömungskanals 31B und enthält den elektrischen Widerstand 2A und die Vorrichtung 2B zur Kom­ pensation von Temperaturschwankungen.

Der Drosselklappengehäuse 20B enthält die Drosselklappe 3 zum Steuern des Einlaßluftvolumenstroms und eine Drossel­ klappenachse 4, die sich durch das Drosselklappengehäuse 20B erstreckt. Ein Hebelmechanismus 5 zum Antreiben der Drosselklappenachse 4, eine Feder 6 und ein Drosselklap­ penstellungssensor 7 zur Messung des Drehwinkels der Drosselklappenachse 4, sind außerhalb des Drosselklappen­ gehäuses 20B an die Drosselklappenachse 4 befestigt. In dem Leerlaufsteuerventilgehäuse 20C sind das Leerlauf­ steuerventil 8 zum Steuern des Einlaßluftvolumenstroms, wenn die Drosselklappe 3 im Leerlaufzustand geschlossen ist, und die Luftströmungskanäle 23, 24 und 25 für das Leerlaufsteuerventil 8 angeordnet. Die Enden der Strö­ mungskanäle 23 und 25 sind durch Pfropfen 26 und 27 ver­ schlossen, so daß die Strömungskanäle 23 und 25 nicht mit der Außenseite des Leerlaufsteuerventilgehäuses 20C in Verbindung stehen.

Der erste Zusatzströmungskanal 31 enthält den axialen Strömungskanal 31B, dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Innendurchmesser des Hauptströmungskanals 21 und der einen runden Querschnitt besitzt. Der radiale Strö­ mungskanal 31C erstreckt sich senkrecht zu und in Strö­ mungsrichtung unterhalb des axialen Strömungskanals 31B und besitzt einen vierkantförmigen Querschnitt. Der ra­ diale Strömungskanal 31C ist durch eine in Strömungsrich­ tung unterhalb des Körpers 30 angeordnete Nut und eine Abdeckung 32, die durch Schrauben 33 an den Körper 30 be­ festigt ist, gebildet. Das untere Abschlußstück 32A der Abdeckung 32 besitzt eine geringere Breite als die Nut des radialen Strömungskanals 31C und erstreckt sich über dem Ausströmabschnitt 31D des ersten Zusatzströmungskanals 31. Der Strömungswiderstand des Zusatzströmungskanals 31, ge­ bildet durch die L-Form und die Reibung des Strömungs­ kanals, ist größer als der Strömungswiderstand des Haupt­ strömungskanals 21. Da fast die gesamte Außenwand des Kör­ pers 30 durch den Hauptvolumenstrom der Einlaßluft gekühlt wird, ist die Temperatur der Strömungskanalwand des axia­ len Strömungskanals 31B im wesentlichen gleich der der Einlaßluft, so daß von außen kommende Hitze durch die Ein­ laßluft zur Erhaltung der Meßgenauigkeit des Sensors abgeführt wird. Da sich das untere Abschlußstück 32A der Abdeckung 32 über den Ausströmabschnitt 31D erstreckt, wird eine Rückströmung in den radialen Strömungskanal 31C verhindert, z. B. durch einen Flammenrückschlag der Brenn­ kraftmaschine, so daß die Hitzdrahtvorrichtung 2A ge­ schützt wird. Weiterhin wird das Ausgangssignal der Hitz­ drahtvorrichtung 2A dadurch stabilisiert, daß der Strö­ mungswiderstand oszillierende Schwankungen des Einlaßluft­ volumenstroms absorbiert.

Durch die Kante 30A, die sich um die Einlaßöffnung 31A herum erstreckt, wobei sich die Einlaßöffnung 31A an der in Strömungsrichtung vorderen Seite des ersten Zusatzströ­ mungskanals 31 befindet, ist eine elliptische Ausnehmung 34 gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einlaß­ öffnung 31A des ersten Zusatzströmungskanals 31 am Boden der Ausnehmung 34 und an der oberen Seite von Fig. 2 ge­ öffnet, d. h. dort, wo die Sensoreinheit 2 angeordnet ist. Der Seitenabschnitt der Ausnehmung 34 (nicht die Einlaß­ öffnung 31A) erstreckt sich im wesentlichen parallel zum Hauptströmungskanal 21. Durch die Ausnehmung 34 werden oszillierende Schwankungen des Volumenstroms, die durch den in Strömungsrichtung überhalb des Strömungskanals 31 angeordneten Luftfilter 53 und den gekrümmten Einlaßkanal verursacht werden, absorbiert, so daß ein Teil des Volu­ menstroms, der in den ersten Zusatzströmungskanal 31 strömt, stabilisiert wird.

Mindestens ein zweiter Zusatzströmungskanal 35 mit einem kleinen Durchmesser besitzt eine Einlaßöffnung 35A, die radial am Boden der Ausnehmung 34 des Hauptströmungskanals 21 angeordnet ist, und die sich im wesentlichen parallel zum axialen Strömungskanal 31B des ersten Zusatzströmungs­ kanal 31 erstreckt. Die Auslaßöffnung 35B des zweiten Zusatzströmungskanals 35 ist im radialen Strömungskanal 31C des ersten Zusatzströmungskanals 31 angeordnet. Die Volumenströme des ersten Zusatzströmungskanals 31 und des zweiten Zusatzströmungskanals 35 ändern sich in Abhängig­ keit des Einlaßgasvolumenstroms. Da sich der Volumenstrom des zweiten Zusatzströmungskanals 35 zum Volumenstrom des ersten Zusatzströmungskanals 31C addiert, wird die effek­ tive Fläche für den Volumenstrom im ersten Zusatzströ­ mungskanal 31 gesenkt, so daß der Strömungswiderstand in Verbindung mit einem Ansteigen des gesamten Einlaßgas­ volumenstroms ansteigt. Dadurch ist die Steigerungsrate des Volumenstroms in dem ersten Zusatzströmungskanal 31 geringer als die des Gesamtvolumenstroms.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 und 7 nimmt der Ab­ schnitt 230 des Gehäuses 220 den ersten Zusatzströmungs­ kanal 231 auf. Der erste Zusatzströmungskanal 231 enthält einen axialen Strömungskanal 231B, der sich parallel zu dem Hauptströmungskanal 221 erstreckt, und einen gebogenen Strömungskanal 231C, der den ersten Strömungskanal 221 an dessen äußeren Umfang im Bypass umgeht. Die Auslaßöffnung 231B des ersten Zusatzströmungskanals 231 ist in Richtung einer Innenwand des Hauptströmungskanals 221 geöffnet. Der rohrförmige Körper 225 ist mit dem Gehäuse 220 durch die Dichtung 224 an einer stromabwärts liegenden Seite befe­ stigt. Eine stromaufwärts liegende Endfläche des Ab­ schnitts 230 des Gehäuses 220 bildet eine ebene Fläche 230A, die sich senkrecht zum Volumenstrom erstreckt. Die Einlaßöffnung 231A des ersten Zusatzströmungskanals 231 ist in Richtung der ebenen Fläche 230A geöffnet. Die sich stromaufwärts erstreckende bogenförmige Strömungskante 232 ist zwischen der Einlaßöffnung 231A und dem Hauptströ­ mungskanal 221 angeordnet. Die Strömungskante 232 verhin­ dert, daß das Einlaßgas, das auf der ebenen Fläche 230A verbleibt, in den ersten Strömungskanal 221 ausfließt, so daß der statische Druck der Einlaßöffnung 231A stabili­ siert wird. Dadurch wird der Teilvolumenstroms im ersten Zusatzströmungskanal 231 gegen eine stromaufwärts befind­ liche Volumenstromschwankung stabilisiert.

Mindestens ein zweiter Zusatzströmungskanal 233 erstreckt sich im wesentlichen parallel zu dem axialen Strömungska­ nal 231B des ersten Zusatzströmungskanals 231. Die Einlaß­ öffnung 233A des zweiten Zusatzströmungskanals 233 ist an der ebenen Fläche 230A angeordnet. Die Auslaßöffnung 233B ist innerhalb des gebogenen Strömungskanals (dieser Kanal erstreckt sich derart, daß er eine Längsachse des ersten Strömungskanals schneidet) 231C des ersten Zusatzströ­ mungskanals 231 angeordnet. Der zweite Zusatzströmungs­ kanal 233 wirkt daher wie der obenerwähnte zweite Zusatz­ strömungskanal 35. Dadurch ist die Steigerungsrate des Volumenstroms des ersten Zusatzströmungskanals 231 kleiner als die des Gesamtvolumenstroms.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 8 und 9 ist eine Modifi­ kation der in Fig. 2 bis 5 gezeigten Ausführung. Hier er­ streckt sich zumindest ein zweiter Zusatzströmungskanal 80 im wesentlichen parallel zum axialen Strömungskanal 31B des ersten Zusatzströmungskanals 31. Eine Einlaßöffnung 80A des zweiten Zusatzströmungskanals 80 ist an der Aus­ nehmung 34 angeordnet. Die Auslaßöffnung 80B ist im radi­ alen Strömungskanal 31C des ersten Zusatzströmungskanals 31 angeordnet. An der Auslaßöffnung 80B ist zumindest eine flexible Platte oder eine Federplatte 81 angeordnet, so daß die Auslaßöffnung 80B geschlossen wird, wenn der Volu­ menstrom im zweiten Zusatzströmungskanal 80 klein ist. Die flexible Platte 80 ist an einem ihrer Enden befestigt und verformt sich innerhalb des radialen Strömungskanals 31C, wie in Fig. 9 gezeigt, wenn die Druckdifferenz zwischen der stromaufwärts und der stromabwärts liegenden Seite des zweiten Zusatzströmungskanals 80 groß ist, d. h. wenn der Volumenstrom groß ist. Die Querschnittsfläche des radialen Strömungskanals 31C wird durch die flexible Platte 81 ver­ kleinert, wobei sich dadurch die effektive für den Volu­ menstrom zur Verfügung stehende Fläche des radialen Strö­ mungskanals 31C verkleinert, und zwar durch den Volumen­ stromzusatz des zweiten Zusatzströmungskanals 80 zum ersten Zusatzströmungskanal 31. Dadurch wird der Strö­ mungswiderstand des ersten Zusatzströmungskanals 31 er­ höht, wobei die Steigerungsrate des Volumenstroms in dem ersten Zusatzströmungskanal 31 kleiner ist als die des Ge­ samtvolumenstroms.

Die in den Fig. 10 und 11 gezeigte Ausführungsform stellt eine Modifikation der Ausführungsform, die in den Fig. 2 bis 5 gezeigt ist, dar. Mindestens eine stufenförmige Boh­ rung 93 erstreckt sich im wesentlichen parallel zu dem axialen Strömungskanal 31B und enthält mindestens einen stufenförmigen Kolben 90. Dieser stufenförmige Kolben 90 besitzt ein stromaufwärts liegendes axiales Ende, das durch die Druckdifferenz zwischen diesem stromaufwärts liegenden Ende und dem stromabwärts liegenden Ende strom­ abwärts gedrückt wird. Der Kolben 90 enthält weiterhin mindestens eine Feder 91, die den Kolben 90 stromaufwärts drückt. Das stromaufwärts liegende Ende des stufenförmigen Bohrung 93 ist an dessen Einlaß zur Aussparung 34 hin ge­ öffnet. Der Anschlagring 92 ist bei der Einlaßöffnung 90A angeordnet und verhindert, daß sich der Kolben 90 aus der stufenförmigen Bohrung 93 herausbewegt. Das stromabwärts liegende Ende der stufenförmigen Bohrung 93 öffnet sich in Richtung der Innenseite des radialen Strömungskanals 31C, so daß sich das andere axiale Ende des Kolbens 90 in Richtung des radialen Strömungskanals 31C bewegen kann. Der Kolben 90 wird durch die Druckdifferenz zwischen der axial stromaufwärts und der axial stromabwärts liegenden Seite gegen die Federkraft der Feder 9 bewegt. Dadurch kann sich das axiale Ende des Kolbens 90 in den radialen Strömungskanal 31C hinein bewegen, so daß die Quer­ schnittsfläche des radialen Strömungskanals 31C, wie in Fig. 11 gezeigt, verkleinert wird, für einen großen Volu­ menstrom. Um so größer der Volumenstrom wird, um so weiter erstreckt sich der Kolben 90 in den radialen Strömungs­ kanal 31C, so daß mit größer werdendem Volumenstrom der Strömungswiderstand des ersten Zusatzströmungskanals 31 größer wird.

Das in Fig. 12 gezeigte Ausführungsbeispiel enthält ein Gehäuse 101, das einen Teil der Einlaßluftströmung auf­ nimmt, eine Sensoreinheit 102 und ein Rohrteil 103, das den ersten Zusatzströmungskanal 105 enthält, der im we­ sentlichen in einem zentralen Abschnitt des Hauptströ­ mungskanals 104 angeordnet ist. Die Hitzdrahtvorrichtung 102A und die Vorrichtung zur Kompensation von Temperatur­ schwankungen 102B sind im ersten Zusatzströmungskanal 105 angeordnet. Von der konischen Einlaßfläche 103A erstrecken sich mehrere Auslaßöffnungen 106A und 106B des ersten Zu­ satzströmungskanals 105 radial. Der Kolben 107 besitzt ebenso eine konische Fläche 107A und ist an der Einlaßflä­ che 103A angeordnet und steht mit Federn 108 und 109 in Eingriff. Ein stromabwärts liegendes Ende 110 des Kolbens 107 begrenzt dessen Bewegung. Wenn der Volumenstrom oder die Strömungsgeschwindigkeit in dem Zusatzströmungskanal 105 groß ist, erfährt das stromaufwärts liegende Ende des Kolbens 107 eine große Druckkraft, die durch das Einlaß­ gas, das auf das stromaufwärts liegende Ende in dem Zu­ satzströmungskanal 105 mit einer großen Geschwindigkeit aufströmt, verursacht wird, so daß der Kolben 107 strom­ abwärts bewegt wird und dadurch den Spalt H zwischen den konischen Flächen reduziert, um dadurch den Strömungswi­ derstand in dem ersten Zusatzströmungskanal 105 zu erhö­ hen. Wenn der Volumenstrom in dem ersten Zusatzströmungs­ kanal 105 klein ist, bewegt sich der Kolben durch die Fe­ derkraft stromaufwärts, so daß der Strömungswiderstand in dem ersten Zusatzströmungskanal 105 vermindert wird.

In dem in Fig. 13 gezeigten Ausführungsbeispiel erstreckt sich eine Brücke 118 quer in den Hauptströmungskanal 112, der in dem Gehäuse 111 gebildet ist, und enthält den ersten Zusatzströmungskanal 113 mit dem axialen Strömungs­ kanal 113B und dem radialen Strömungskanal 113C. Der Kol­ ben 115 wird von dem rippenförmigen Teil 114 gehalten, das einstückig mit dem Gehäuse 111 ausgeführt und stromauf­ wärts des Einlaßabschnitts des ersten Zusatzströmungs­ kanals 113 angeordnet ist. Die Feder 116 ist zwischen dem rippenförmigen Teil 114 und dem Stopper 117 des Kolbens 115 angeordnet. Die Einlaßöffnung 113A des Zusatzströ­ mungskanals 113 ist konisch ausgeführt. Die Bewegung des Kolbens 115 ändert den Spalt H zwischen der Einlaßöffnung 113A und dem Kolben 115. Wenn der Volumenstrom oder die Strömungsgeschwindigkeit in dem ersten Zusatzströmungs­ kanal 113 groß ist, wird die stromaufwärts liegende End­ fläche des Stoppers 117 des Kolbens 115 einer großen Druckkraft ausgesetzt, die durch das auf die stromaufwärts liegende Endfläche des ersten Zusatzströmungskanals 113 mit einer großen Strömungsgeschwindigkeit aufströmende Einlaßgas erzeugt wird, so daß sich der Kolben 115 strom­ abwärts bewegt und den Spalt H verkleinert, und damit den Strömungswiderstand des ersten Zusatzströmungskanals 113 erhöht. Für einen kleinen Volumenstrom in dem ersten Zusatzströ­ mungskanal 113 bewegt sich der Kolben 115 durch die Feder­ kraft stromaufwärts, so daß der Strömungswiderstand in dem ersten Zusatzströmungskanal 113 verkleinert wird.

Die in den Fig. 14 und 15 gezeigte Ausführungsform stellt eine Modifikation der in den Fig. 2 bis 5 ge­ zeigten Ausführungsform dar, und zwar derart, daß der zweite Zusatzströmungskanal nicht mehr ausgebildet ist. Ein thermosensitives Verformteil 120, z. B. ein Bimetall oder eine Formspeicherlegierung, ist auf der Oberfläche des Körpers 30 im radialen Strömungskanal 31C angeordnet. Das thermosensitive Verformteil 120 verformt sich in Ab­ hängigkeit mit dessen Temperatur, wobei dem thermosensi­ tiven Verformteil 120 zu dessen Erhitzung ein konstanter elektrischer Strom zugeführt wird. Wenn der Volumenstrom in dem radialen Strömungskanal 31C klein und die Kühlung des thermosensitiven Verformteils 120 schwach ist, be­ hält das thermosensitive Verformteil 120 eine flache, ebene Form, so daß der Strömungswiderstand des ersten Zusatz­ strömungskanals 31 klein ist. Wenn der Volumenstrom des radialen Strömungskanals 31C groß und die Kühlung des thermosensitiven Verformteiles 120 stark ist, so daß die Temperatur des thermosensitiven Verformteils 120 stark gesenkt wird, verformt sich das thermosensitive Verform­ teil 120 derart, daß die Querschnittsfläche des radialen Strömungskanals 31C, wie in Fig. 15 gezeigt ist, vermin­ dert wird, so daß der Strömungswiderstand des ersten Zu­ satzströmungskanals 31 groß wird.

Das in den Fig. 16 und 17 gezeigte Ausführungsbeispiel ist eine Modifikation des in den Fig. 2 bis 5 gezeig­ ten Ausführungsbeispiels, wobei der zweite Zusatzströ­ mungskanal nicht mehr ausgebildet ist. Mindestens ein thermosensitiver Verformring 130, z. B. aus einer Formspei­ cherlegierung, ist stromabwärts zur Hitzdrahtvorrichtung 2A und der Vorrichtung zur Kompensation von Temperatur­ schwankungen 2B in dem axialen Strömungskanal 31B angeord­ net. Der Innendurchmesser der Bohrung des thermosensi­ tiven Verformrings 130 ändert sich in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen, wobei dem thermosensitiven Ver­ formring 130 zu dessen Erhitzung ein konstanter elektri­ scher Strom zugeführt wird. Wenn der Volumenstrom in dem axialen Strömungskanal 31B klein und die Kühlung des thermosensitiven Verformteils 130 schwach ist, behält der thermosensitive Verformring 130 einen Durchgangslochdurch­ messer, der gleich dem Durchmesser des axialen Strömungs­ kanals 31B ist, so daß der Strömungswiderstand des Zusatz­ strömungskanals 31 klein ist. Wenn der Volumenstrom des axialen Strömungskanals 31B groß und die Kühlung des ther­ mosensitiven Verformrings 130 stark ist, so daß die Tempe­ ratur des thermosensitiven Verformrings 130 stark sinkt, verformt sich der thermosensitive Verformring 130, so daß der Durchmesser seines Durchgangslochs, wie in Fig. 17 ge­ zeigt, kleiner wird, so daß der Strömungswiderstand des ersten Zusatzströmungskanals 31 groß wird.

In den Ausführungsbeispielen, die die thermosensitiven Verformteile 120 oder 130 verwenden, kann der elektrische Strom zur Steuerung der Bewegung der thermosensitiven Ver­ formteile 120 oder 130 geändert werden, in Abhängigkeit vom Volumenstrom des ersten Zusatzströmungskanals, so daß mit einem größer werdenden Volumenstrom des ersten Zusatz­ strömungskanals der Strömungswiderstand des ersten Zusatz­ strömungskanals größer wird.

Jedes der bisher erwähnten Ausführungsbeispiele kann für eine Brennkraftmaschine oder für ein Kraftstoffeinspritz­ ventil einer Brennkraftmaschine angewandt werden, wie in Fig. 1 gezeigt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 18 gezeigt, liegt der Meßbereich für den Massenstrom von Einlaß­ gas über dem des Standes der Technik, bezogen auf gleiche Strömunggeschwindigkeiten an der Hitzdrahtvorrichtung. Die logarithmische Koordinate X stellt den gesamten Massen­ strom Q und die logarithmische Koordinate Y stellt die Strömungsgeschwindigkeit an der Hitzdrahtvorrichtung dar. Die gestrichelte Linie zeigt das Verhalten des Standes der Technik, die durchgezogene Linie zeigt das Verhalten gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Dynamikbereich gemäß dem Stand der Technik beträgt 60 bis 80, der Dynamikbereich gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt 120 bis 150.

Claims (13)

1. Sensor (1) zur Gasvolumenstrommessung, umfassend:

• - ein Gehäuse (20, 220, 101, 111),
• - einen Hauptströmungskanal (21, 104, 112, 221),
• - einen ersten Zusatzströmungskanal (31, 231, 105, 113),
• - einen Hitzdraht (2A), der in dem ersten Zusatzströ­ mungskanal (31) angeordnet ist, und
• - Mittel (35, 81, 90, 107, 115, 120, 130, 233) zum Ändern des Strömungswiderstandes des ersten Zusatz­ strömungskanals (31), die den Strömungswiderstand des ersten Zusatzströmungskanals (31) in Abhängigkeit von einer Steigerung des Gesamtvolumenstroms erhöhen (Fig. 1-17).

2. Sensor (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Zusatzströmungskanal (35, 80, 233) zur Änderung des Strömungswiderstands des ersten Zusatz­ strömungskanals (31), wobei der zweite Zusatzströmungs­ kanal (35) von einem Teil des Gesamtvolumenstroms durchströmt wird und wobei ein Ende des zweiten Zusatz­ strömungskanals in den ersten Zusatzströmungskanal (31) mündet (Fig. 1-9).

3. Sensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein bewegbares Teil (81, 90, 107, 115, 120, 130), zur Änderung des Strömungswiderstandes im ersten Zu­ satzströmungskanal (31), wobei sich das bewegbare Teil (81, 90, 107, 115, 120, 130) in Abhängigkeit von Volu­ menstromschwankungen derart bewegt, daß der Strömungs­ widerstand des ersten Zusatzströmungskanals (31) mit einem steigenden Gesamtvolumenstrom ansteigt (Fig. 8-17).

4. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Teil (81) als elastische Platte (81) aus­ gebildet ist, wobei ein Ende befestigt und das andere Ende einer Kraft durch eine dynamische Druckdifferenz ausgesetzt ist, so daß es sich elastisch bewegt (Fig. 8, 9).

5. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Teil (90, 107, 115) ein Kolben (90, 107, 115) ist, der durch die Kraft einer dynamischen Druck­ differenz bewegt wird und durch eine elastische Ein­ richtung (91, 109, 116) gegen die Strömung gehalten wird (Fig. 10-13).

6. Sensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Einrichtung (91, 109, 116) eine Feder ist.

7. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Teil (120, 130) ein thermosensitives Ver­ formteil (120, 130) ist, wobei sich das thermosensitive Verformteil (120, 130) in Abhängigkeit von einer Tempe­ raturänderung verformt, so daß sich der Strömungswider­ stand des ersten Zusatzströmungskanals (31) mit einer Erhöhung des Volumenstroms erhöht (Fig. 14-17).

8. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zusatzströmungskanal (31) einen axialen Strömungskanal (31B) enthält, der sich in Richtung des ersten Strömungskanals (21) erstreckt und einen radi­ alen Strömungskanal (31C) enthält, der sich radial zu dem ersten Strömungskanal (21) erstreckt (Fig. 1-5, 8-11, 13-17).

9. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zweite Zusatzströmungskanal (35, 80, 233), im wesentlichen parallel zu dem axialen Strömungskanal (31B) erstreckt und mit dem radialen Strömungskanal (31C) in Verbindung steht (Fig. 1-9).

10. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Platte (81) an einer Auslaßöffnung des zweiten Zusatzströmungskanals (80) angeordnet ist, wo­ bei die flexible Platte (81) die Querschnittsfläche des radialen Strömungskanals (31C) in Abhängigkeit der dynamischen Druckdifferenz zwischen dem Auslaß des zweiten Zusatzströmungskanals (80) und dem ersten Zu­ satzströmungskanal (31) ändert (Fig. 8, 9).

11. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zusatzströmungskanal (231) einen axialen Strömungskanal (231B) enthält, der sich in axialer Richtung zum Hauptströmungskanal (221) erstreckt, und einen bogenförmigen Strömungskanal (231C), der strom­ abwärts zum axialen Strömungskanal (231A) angeordnet ist und sich entlang einer inneren Umfangsfläche des Gehäuses (220) erstreckt (Fig. 6, 7).

12. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß eine bogenförmige Strömungskante (232) zwischen einer Einlaßöffnung (231A) und dem Hauptströmungskanal (221) ausgebildet ist, zur Stabilisierung des Drucks der Einlaßöffnung (231A).

13. Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (115) stromaufwärts zur Einlaßöffnung (113A) angeordnet ist und einen einem Anströmdruck ausgesetzten Stopper (117) aufweist, wobei das Ein­ strömverhalten des Zusatzströmungskanals (113) geän­ dert wird, wenn sich der Kolben (115) bewegt.