DE4106842A1 - Hitzdrahtsensor zur gasvolumenstrommessung - Google Patents
Hitzdrahtsensor zur gasvolumenstrommessungInfo
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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.
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