DE4132050A1

DE4132050A1 - Luftmessvorrichtung

Info

Publication number: DE4132050A1
Application number: DE4132050A
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter Stiefel; Thomas Dipl Ing Schwegel; Bernd Dipl Ing Osswald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1991-09-26
Publication date: 1993-04-01
Also published as: US5301547A; JPH05223615A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Luftmeßvorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums der im Oberbegriff des Haupt anspruches definierten Gattung.

Aus der US-PS 45 27 423 ist eine Luftmeßvorrichtung zur Bestimmung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine, bekannt, die aus einem venturiförmigen Ab schnitt eines Hauptstromkanals und einem Luftbypasskanal, der in den Hauptstromkanal in Strömungsrichtung in einem engsten Querschnitt des venturiförmigen Abschnittes mündet. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß das Ausgangssignal eines in dem Luftbypasskanal ange ordneten temperaturabhängigen Meßwiderstandes nicht in jedem Be triebszustand der Brennkraftmaschine der in Wirklichkeit von der Brennkraftmaschine angesaugten Masse der Luft entspricht. Abweichun gen des von dem Meßwiderstand erzeugten Ausgangssignals zu dem der Luftmasse entsprechenden Wert werden von Pulsationen der Luftströ mung bei vollständig geöffnetem Drosselorgan sowie von unter be stimmten Lastzuständen auftretenden Rückströmeffekten des durch den Luftbypasskanal strömenden Teils der Ansaugluft verursacht. Zur Ver meidung dieser Meßfehler wird ein Luftbypasskanal vorgeschlagen, dessen Strömungslänge im Verhältnis drei zu eins zur Strömungslänge des Hauptstromkanals steht.

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung zur Bestimmung der Masse der Ansaugluft, bei der ebenso ein temperaturempfindlicher Meßwiderstand in einem Luftbypasskanal angeordnet ist, hat sich gezeigt, daß die Kennlinie des Meßwiderstandes einen in einigen Bereichen ungünstigen Verlauf aufweist, deren Krümmung sich nicht gleichmäßig mit zuneh mendem Massenstrom des Mediums ändert. Bereiche konstanter Steigung wechseln mit solchen veränderlicher Steigung. Hervorgerufen wird diese Charakteristik durch eine sich stromabwärts direkt hinter dem Meßwiderstand ausbildende Ablösungszone, durch die die Umströmung des Meßwiderstandes gestört wird. Dieses Ablösungsgebiet, in dem instationäre, durch periodische Wirbelablösungen an einer stromab wärtigen Abströmkante des Meßwiderstands gekennzeichnete Strömungs verhältnisse herrschen, wird allgemein als Karmansche Wirbelstraße bezeichnet. Durch den in den Wirbeln herrschenden Unterdruck ent steht eine quer zur Hauptströmung oszillierende Strömung in Richtung der Unterdruckgebiete, die zu der erwähnten Verfälschung der Kenn linie führt.

Die zu der Verfälschung der Kennlinie führenden oben genannten Stö rungen der Umströmung des Meßwiderstandes treten nicht bei jedem Be triebzustand der Brennkraftmaschine in gleicher Weise auf, so daß die Reproduzierbarkeit der Kennlinie des Meßwiderstandes einge schränkt ist. Ferner wird die Qualität des Ausgangssignals des Meß widerstandes durch ein dem Ausgangssignal überlagertes Signalrau schen gemindert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Luftmeßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß der durch den Luftbypasskanal strömende Teil der Ansaugluft beschleunigt wird. Der mit der Beschleunigung der Luftströmung einhergehende Druckabfall vermindert die Gefahr von Strömungablösungen. Strömungs ablösungen, die sich dennoch in Form einer Karmanschen Wirbelstraße stromabwärts eines Meßwiderstandes bilden, werden durch die be schleunigte Luftströmung schneller von diesem entfernt, wodurch die Auswirkungen der Wirbel von dem Meßwiderstand ferngehalten werden. Die Kennlinie des Meßwiderstandes weist dadurch eine konstant ver änderliche Krümmung bei zunehmenden Luftmassenstrom auf. Eine geo metrische Ausbildung des Luftbypasskanales nach den angegebenen Maß verhältnissen ergibt eine besonders störungsfreie Umströmung des Meßwiderstandes.

Die beschleunigte Strömung im Bereich des Meßwiderstandes bewirkt ein Anlegen der Strömung an dessen Oberfläche, wodurch die Umströ mung des Meßwiderstandes verbessert wird, was sich in einer wesent lich verminderten Stärke des dem Ausgangssignal überlagerten Signal rauschens zeigt. Desweiteren wird durch eine Verminderung der die Strömung im Bereich des Meßwiderstandes störenden Effekte die Repro duzierbarkeit der Meßwiderstandskennlinie verbessert.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung verein facht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläu tert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Gehäuse für einen Luftmassenmesser mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Luftbypass kanal, Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäß ausgebildeten Luftbypass kanal in einer vergrößerten Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispieles

Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein Gehäuse für einen Luftmassenmes ser, beispielsweise für Brennstoffeinspritzanlagen gemischverdich tender fremdgezündeter Brennkraftmaschinen, das ein Gehäuseoberteil 2 und ein mit diesem in nicht näher gezeigter Weise verbundenes Ge häuseunterteil 3 aufweist. Das Gehäuseoberteil 2 weist einen konver gierenden, düsenartigen Abschnitt 4 auf, an den sich stromabwärts ein divergierender, düsenartiger Abschnitt 5 in dem Gehäuseunterteil 3 anschließt, der zusammen mit dem konvergierenden Abschnitt 4 einen venturiförmigen Hauptströmungskanal 6 bildet. Die Verbindung des konvergierenden Abschnittes 4 des Gehäuseoberteils 2 mit dem diver gierenden Abschnitt 5 des Gehäuseunterteils 3 wird durch eine an ei ner Berührfläche 9 der beiden Teile umlaufende Feder-Nut-Verbindung 10 hergestellt.

Ein stromaufwärts des konvergierenden Abschnittes 4 gelegener, einen Abschnitt einer Ringwand 11 bildender Einlaßquerschnitt 12 des Ge häuseoberteils 2, durch den die gesamte, mittels eines nicht gezeig ten Luftfilters gefilterte Luft strömt, teilt sich in einen Teilein laßquerschnitt 16 des konvergierenden Abschnittes 4 und einen Teil einlaßquerschnitt 15 eines Luftbypasskanals 17 und ist von einem Strömungsvergleichmäßiger 18 vollständig bedeckt.

Der vom Teileinlaßquerschnitt 15 ausgehende Luftbypasskanal 17 wird beispielsweise durch einen in einer Ausnehmung 21 zwischen dem kon vergierenden Abschnitt 4 und der Ringwand 11 angeordneten Strömungs kanaleinsatz 22 gebildet, der sich parallel zu einer Strömungskanal achse 23 des Gehäuses 2, 3 erstreckt. In Strömungsrichtung der An saugluft an den Strömungskanalkörper 22 anschließend befindet sich ein Ringkanal 24, der durch eine Innenwand 27 der Ringwand 11, eine Außenwand 28 des konvergierenden Abschnittes 4 und eine dem Gehäuse oberteil 2 zugewandte Fläche 29 eines sich radial erstreckenden Flansches 30 des Gehäuseunterteiles 9 begrenzt wird und beispiels weise in Form einer teilweise umlaufenden Ausströmöffnung 31 in den venturiförmigen Hauptströmungskanal 6, z. B. in seinen engsten Quer schnitt, mündet. Ein temperaturabhängiger Meßwiderstand 33, z. B. ein Heißfilmluftmassenmesser, mir einem länglichen, flachen Substrat ist in dem Luftbypasskanal 17 bzw. dem Strömungskanaleinsatz 22 angeord net.

Der Strömungskanaleinsatz 22 weist in Strömungsrichtung der Luft einen ersten Abschnitt 38 mit konstantem Strömungsquerschnitt auf, dem sich ein konvergenter Abschnitt 39 anschließt, der in einen zweiten Abschnitt 40 mit wiederum konstantem Querschnitt übergeht, wobei der Meßwiderstand 33 im Bereich des konvergenten Abschnittes 39 beispielsweise in der Mitte des Strömungsquerschnittes angeordnet ist. Sehr gute Ergebnisse, bei denen die auf den Meßwiderstand wir kenden Störungen der Umströmung minimiert sind, werden mit einem Strömungskanaleinsatzes 22 erzielt, der den folgenden geometrischen Beziehungen genügt: l₁/l_s < 3.8, l₁/l₂ < 1.5, l₁/l₃ < 2.0, l₁/l₄ < 9.0, l₅/l_s < 1.5, l₅/l₆ = 1.7 bis 1.9, b₁/b_s < 40.0, b₁/b₂ < 2.0, l₁/b₁ < 3.5, l₅/b₃ = 5.5 bis 6, wobei l₁ die Gesamtlänge des Strömungskanaleinsatzes 22, l₂ die Länge von einem stromauf wärtigen Eintrittsquerschnitt 46 des Strömungskanaleinsatzes 22 bis zum Mittelpunkt des Meßwiderstandes 33, l₃ die Länge des ersten Abschnittes 38, l₄ die Länge des zweiten Abschnittes 40, l₅ die Länge des konvergenten Abschnittes 39, l₆ die Länge von der Mitte des Meßwiderstandes 33 bis einem stromabwärtigen Ende des konvergen ten Abschnittes 39, l_s die Länge des Meßelementes 33, b_s die Breite des Meßwiderstandes 33, b₁ die Breite des ersten Abschnit tes 38, b₂ die Breite des zweiten Abschnittes 40 und b₃ die halbe Differenz zwischen der Breite des ersten Abschnittes 38 und des zweiten Abschnittes 40 ist. Die Bedeutung der einzelnen Maße geht aus Fig. 2 der Zeichnung hervor. Ferner soll für den Luft bypasskanal 17 im Bereich eines Luftmassenstroms von 50 bis 150 kg/h eine Reynolds-Zahl von etwa Re = 4000 bezogen auf die Meßwider standslänge l_s gelten.

Der Meßwiderstand 33 stellt für den im Luftbypasskanal 17 strömenden Teil der Ansaugluft ein Hindernis dar, das zu einer Störung der Luftströmung und insbesondere der Umströmung des Meßwiderstands 33 führt. Besonders die Auswirkungen des sich in stromabwärtiger Rich tung des Meßwiderstandes 33 ausbildenden Ablösungsgebietes, in dem durch periodische Wirbelablösungen gekennzeichnete instationäre Strömungsverhältnisse herrschen, führen zu einem der Masse des Luft stroms nicht entsprechenden Ausgangssignal. Die Wirbel, in denen der Druck auf Grund der höheren kinetischen Energie unter dem Niveau der ungestörten Strömung liegt, lösen sich an Kanten 41, 42 einer strom abwärtigen Abströmfläche 43 des Meßwiderstandes 33 ab und schwimmen mit der Luftströmung in Richtung des zweiten Abschnittes 40 ab. In Richtung der Unterdruckgebiete bildet sich eine quer zur Hauptströ mung oszillierende Teilströmung aus.

Die von einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine angesaugte Luft wird von einem nicht näher dargestellten Filterelement gereinigt und strömt durch den Einlaßquerschnitt 12 in das Gehäuse 2, 3. Ein der gesamten angesaugten Luftmasse entsprechender Teil der Luftmasse strömt durch den Teileinlaßquerschnitt 15 in den Luftbypasskanal 17, wo er zuerst durch den einen konstanten Strömungsquerschnitt aufwei senden ersten Abschnitt 38 des Strömungskanaleinsatzes 22 strömt. In dem stromabwärts folgenden konvergenten Abschnitt 39 wird der Luft massenteilstrom entsprechend dem Verhältnis der Strömungsquer schnittsflächen am Eintritt und am Austritt des konvergenten Ab schnitts 39 beschleunigt und strömt dann durch den zweiten Abschnitt 40 in den Ringkanal 24, von dem aus er durch die Austrittsöffnung 31 in den venturiförmigen Hauptströmungskanal 6 strömt.

Durch die Beschleunigung der Strömung im konvergenten Abschnitt 39 des Strömungskanalkörpers 22 sinkt der statische Druck entlang des konvergenten Abschnitt 39 und die Strömung wird unempfindlicher ge gen Ablösungserscheinungen an der Oberfläche des Meßwiderstandes 33. Die dennoch bei der Ablösung der Strömung an den Kanten 41, 42 des Meßwiderstandes 33 auftretenden Wirbel, die nach ihrer Ablösung in der Luftströmung mitschwimmen, entfernen sich mit ungefähr der Strö mungsgeschwindigkeit der Luft von dem Meßwiderstand 33. Wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in diesem Abschnitt erhöht, sinkt die Verweildauer der Wirbel in dem meßwiderstandsnahen Bereich, wo durch der Einfluß der durch sie hervorgerufenen Querströmung auf den Meßwiderstand 33 vermindert wird.

Eine exakte Bestimmung der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse ist Voraussetzung für eine der Ansaugluftmasse entspre chende Zumessung des Brennstoffs, der zur Bildung einer unter den Gesichtspunkten der Laufruhe und der Abgasemissionen optimalen Ge mischbildung notwendig ist. Die erfindungsgemäße Luftmeßvorrichtung gestattet durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Luftbypasskanals eine sehr genaue Messung der Masse der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luft und eignet sich somit insbesondere für den Einsatz in Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezün deten sowie von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraft maschinen.

Claims

1. Luftmeßvorrichtung, insbesondere zur Messung einer von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse, mit einem einen venturi förmigen Strömungsabschnitt aufweisenden Hauptströmungskanal und mit einem Luftbypasskanal, der einen ersten Strömungsabschnitt mit kon stantem Strömungsquerschnitt hat und in den Hauptströmungskanal in Strömungsrichtung im Bereich des engsten Querschnittes des venturi förmigen Strömungsabschnittes oder stromabwärts dessen mündet, und mit einem in dem Luftbypasskanal angeordneten temperaturanhängigen Meßwiderstand, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftbypasskanal (17) in Strömungsrichtung anschließend an den ersten Abschnitt (38) einen konvergenten Abschnitt (39) aufweist, in dem der Meßwiderstand (33) angeordnet ist, und sich an den konvergenten Abschnitt (39) ein zweiter Abschnitt (40) mit konstantem Strömungsquerschnitt an schließt, wobei sich die Geometrie des Luftbypasskanals (17) ent sprechend den Verhältnissen l₁/l₅ < 3.8, l₁/l₂ < 1.5, l₁/l₃ < 2.0, l₁/l₄ < 9.0, l₅/l_s < 1.5, l₅/l₆ = 1.7 bis 1.9, b₁/b_s < 40.0, b₁/b₂ < 2.0, l₁/b₁ < 3.5 und l₅/b₃ < 5.5 bis 6 verhält, mit l₁ als der Gesamtlänge des Strömungskanaleinsatzes (22), l₂ der Länge von ei nem stromaufwärtigen Eintrittsquerschnitt (46) des Strömungskanal einsatzes (22) bis zum Mittelpunkt des Meßwiderstandes (33), l₃ der Länge des ersten Abschnittes (38), l₄ der Länge des zweiten Abschnittes (40), l₅ der Längen des konvergenten Abschnittes (39), l₆ der Länge von der Mitte des Meßwiderstandes (33) bis einem stromabwärtigen Ende des konvergenten Abschnittes (39), l_s der Länge des Meßelementes (33), b_s der Breite des Meßwiderstandes (33), b₁ der Breite des ersten Abschnittes (38), b₂ der Breite des zweiten Abschnittes (40) und b₃ der halbe Differenz zwischen der Breite des ersten Abschnittes (38) und des zweiten Abschnittes (40).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Länge l_s des Meßwiderstandes (33) und einen Luftmassen durchsatz von 50 bis 150 kg/h für den Luftbypasskanal (17) eine Reynolds-Zahl von etwa Re = 4000 gilt.