DE4340882A1 - Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums - Google Patents
Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden MediumsInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Messung der Masse
eines strömenden Mediums nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist
schon eine Vorrichtung (EP-PS 0 087 621) bekannt, bei der zur
Messung der Masse eines strömenden Mediums, insbesondere der An
saugluftmasse einer Brennkraftmaschine, in einem versetzt zu einem
Hauptansaugkanal ausgebildeten Bypasskanal ein Meßelement, zum Bei
spiel in Form eines Hitzdrahtes, eingebracht ist. Durch das Öffnen
und Schließen der Einlaßventile der einzelnen Zylinder der Brenn
kraftmaschine treten erhebliche Schwankungen, beziehungsweise Pul
sationen der Strömungsgeschwindigkeit im Bypasskanal auf, deren
Stärke abhängig von der Ansaugfrequenz der einzelnen Kolben, be
ziehungsweise von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ist. Diese
Strömungsschwankungen verfälschen das Meßergebnis, nämlich die im
Mittel im Bypasskanal herrschende Strömungsgeschwindigkeit und die
daraus errechenbare Ansaugluftmasse der Brennkraftmaschine erheb
lich, und zwar derart, daß abhängig von der Stärke der Pulsationen
der Strömungsgeschwindigkeit, beispielsweise im Teillastbereich der
Brennkraftmaschine eine Minderanzeige der mittleren Strömungsge
schwindigkeit und bei vollgeöffneter Drosselklappe eine Mehranzeige
feststellbar ist. Um diesen nur bei pulsierender Strömung auf
tretenden Meßfehler zu verringern, werden bei der eingangs erwähnten
Vorrichtung bestimmte, durch Rechnungen und durch zahlreiche
Messungen ermittelte Längenverhältnisse und Querschnittsverhältnisse
von Hauptansaugkanal und Bypasskanal ausgewählt, wobei die Lage des
Meßelements im Bypasskanal vorgeschrieben ist. Dies beschränkt
einerseits die konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten und Einbau
möglichkeiten der Vorrichtung erheblich und andererseits erfordert
die Ausbildung der Vorrichtung mit einem Bypasskanal einen großen
Bauraum, so daß ein Einbau der Vorrichtung bei engen Einbauverhält
nissen, insbesondere im Ansaugbereich der Brennkraftmaschine, nur
beschränkt möglich ist.
Bei einer aus der DE-PS 28 45 661 bekannten Vorrichtung ist als
temperaturabhängiges Meßelement ein Hitzdraht vorgesehen, der
mittels einer Befestigungshülse in einen Meßkanal in ein zu
messendes Medium eingebracht ist. Die Befestigungshülse ist er
forderlich, um den Hitzdraht mittels Stutzhaken an der Innenwandung
der Befestigungshülse aufzuspannen. Die Befestigungshülse besitzt
einen relativ kleinen Innendurchmesser, damit einerseits die
Strömung ohne Einfluß der Befestigungshülse zwischen einer Außen
fläche der Befestigungshülse und einer Innenwandung des Meßkanals
nahezu ungehindert vorbeiströmt und andererseits eine möglichst
parallel ausgerichtete Strömung im Inneren der Befestigungshülse den
Hitzdraht umströmt, wobei sich bei einer pulsierenden Strömung die
eingangs geschilderte Abweichung des Meßwerts einstellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Masse eines
strömenden Mediums mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptan
spruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß nahezu unabhängig von
einer schwankenden Strömung ein gleichbleibend präzises Meßergebnis
erzielbar ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Vorrichtung möglich.
Besonders vorteilhaft ist, daß sich die Vorrichtung durch eine
kompakte Bauweise auszeichnet und nur einen geringen Bauraum be
nötigt, so daß sich diese für enge Einbauverhältnisse besonders
eignet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 in teilweiser Schnittdarstellung eine erfindungs
gemäß ausgebildete Vorrichtung eines ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 in
teilweiser Schnittdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung, Fig. 4 einen Schnitt
entlang der Linie IV-IV in Fig. 3 des zweiten Ausführungsbeispiels.
Die in der Fig. 1 in teilweiser Schnittdarstellung gezeigte Vor
richtung 1 dient zur Messung der Masse eines strömenden Mediums,
insbesondere der Ansaugluftmasse von Brennkraftmaschinen. Die Vor
richtung 1 hat eine rohrförmige Gestalt und ist beispielsweise
mittels an den Enden vorgesehener Anschlußflansche 4 als montier
bares Zwischenstück in einer Verbindungsleitung eingebaut, durch
welche die Brennkraftmaschine von einem nicht näher dargestellten
Luftfilter Luft aus der Umgebung ansaugt, die in der Verbindungs
leitung in die Vorrichtung 1 zur Messung der Ansaugluftmasse ein
strömt, um von dieser in einen nicht näher dargestellten Drossel
klappenstutzen, der zur Steuerung der Ansaugluftmasse vorgesehen
ist, in einen Brennraum der Brennkraftmaschine zu gelangen. Die Vor
richtung 1 hat einen beispielsweise zylindrisch ausgestalteten Meß
kanal 2, der sich mittig zu einer Längsachse 10 durch die Vorrich
tung 1 hindurch erstreckt. Etwa in der Mitte der axialen Erstreckung
des Meßkanals 2 ist ein Meßelement 5 zur Messung der Ansaugluftmasse
in den Meßkanal 2 eingebracht. Die Längsachse 10 zeigt in der Fig.
1 in die Zeichenebene der Fig. 1 hinein. Das Meßelement 5 ist bei
spielsweise als plattenförmiges Keramiksubstrat ausgebildet und be
sitzt, wie dem Stand der Technik, beispielsweise nach der
DE-OS 38 44 354 zu entnehmen ist, einen oder mehrere temperaturab
hängige Widerstände, die in Form von Widerstandsschichten, soge
nannten Heißfilmwiderständen auf dem plattenförmigen Keramiksubstrat
aufgebracht sind. Die einzelnen Widerstandsschichten des Meßelements
5 sind mittels aus dem Meßkanal 2 herausgeführter Anschlußleitungen
mit einer Auswerteschaltung, beispielsweise mit einer brückenähn
lichen Widerstandsmeßschaltung elektrisch verbunden, die zum Bei
spiel außerhalb des Meßkanals 2 in einem kastenförmig an einer
Außenwandung 16 der Vorrichtung 1 angeformten Gehäuseteil 20 unter
gebracht ist. Mittels einer am Gehäuseteil 20 vorgesehenen Steckver
bindung 21 werden die von der Auswerteschaltung bereitgestellten
elektrischen Signale beispielsweise einem elektronischen Steuergerät
zur Auswertung zugeführt, das zur elektronischen Leerlaufsteuerung
oder Motorleistungssteuerung der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.
Auf eine ausführliche Beschreibung der Funktion und des Aufbaus
temperaturabhängiger Meßelemente wird verzichtet, da dies der Fach
mann dem Stand der Technik entnehmen kann.
Zur Halterung des Meßelements 5 ist ein Trägerkörper 6 vorgesehen,
der beispielsweise schlank und zylindrisch ausgebildet ist und in
Richtung einer quer zur Längsachse 10 orientierten Querachse 11
mittig in den Meßkanal 2 in das strömende Medium ragt. Wie in der
Fig. 1 dargestellt ist, wird das plattenförmige Meßelement 5 bei
spielsweise innerhalb eines aus dem Trägerkörper 6 ausgenommenen
Trägerdurchbruchs 7 des Trägerkörpers 6 einseitig an einem schmalen
Ende am Trägerkörper 6 gehalten, so daß das Meßelement 5, wie in der
Fig. 2 dargestellt ist, etwa in der Mitte der axialen Erstreckung
des Meßkanals 2 angeordnet ist und mit seinen beiden Seitenflächen
27 in etwa parallel zur Längsachse 10 vom strömenden Medium umströmt
wird. Es ist auch möglich, das Meßelement 5 ohne eine vom Träger
körper 6 gebildete, äußere Umrandung 8, quasi freistehend und an dem
schmalen Ende des Meßelements 5 befestigt, in den Meßkanal 2 einzu
bringen. In der Fig. 2 einer Schnittdarstellung entlang einer Linie
II-II in Fig. 1 und in der Fig. 4 einer Schnittdarstellung entlang
einer Linie IV-IV in Fig. 3 ist die Strömungsrichtung durch ent
sprechende Pfeile 9 gekennzeichnet. Der Trägerkörper 6 ist zum Bei
spiel als steckbares Bauteil ausgebildet und in einer durch eine
Innenwandung 15 des Meßkanals 2 und der Außenwandung 16 der Vor
richtung 1 hindurchgehenden Durchgangsöffnung steckbar eingeführt
und beispielsweise im Bereich des kastenförmigen Gehäuseteils 20 an
der Außenfläche 16 der Vorrichtung 1 gehalten. Zum Schutz des Meß
elements 5 gegen Verunreinigungen durch das strömende Medium und
insbesondere zum Schutz gegen Rückzündungen der Brennkraftmaschine
sind zwei Schutzgitter 25, zum Beispiel im Einströmbereich und Aus
strömbereich des Meßkanals 2 vorgesehen, durch die hindurch das
strömende Medium nahezu ungehindert strömen kann.
Die Vorrichtung 1 besitzt erfindungsgemäß gestaltete, insbesondere
stromaufwärts des Meßelements 5 vorgesehene Mittel 30 zur Strömungs
beeinflussung, die Reibflächen 31 aufweisen, um bei einer durch
Strömungsschwankungen charakterisierten, pulsierenden Strömung einen
insbesondere bei thermisch trägen Meßelementen 5, beispielsweise
Heißfilmwiderständen, auftretenden Meßfehler zu kompensieren. Die
Pulsationen der Strömungsgeschwindigkeit werden vom Öffnen und
Schließen der Einlaßventile der einzelnen Zylinder der Brennkraft
maschine verursacht, wobei die Pulsationsstärke von der Ansaug
frequenz der einzelnen Kolben, beziehungsweise der Drehzahl der
Brennkraftmaschine und von der in den Meßkanal 2 einströmenden An
saugluftmasse abhängt. Bekannterweise ist das temperaturempfindliche
Meßelement 5 auf einer gegenüber dem strömenden Medium erhöhten
Übertemperatur aufgeheizt und gibt hauptsächlich aufgrund von Kon
vektion Wärme an das strömende Medium ab, wobei die Wärmemenge von
der im Meßkanal 2 herrschenden Strömungsgeschwindigkeit abhängt, so
daß zur Aufrechterhaltung der Übertemperatur beispielsweise die er
forderliche Heizspannung oder der Heizstrom ein Maß für die
Strömungsgeschwindigkeit im Meßkanal 2 und der daraus errechenbaren
Ansaugluftmasse ist. Aufgrund der, auf nichtlinearen physikalischen
Gesetzmäßigkeiten beruhenden, konvektiven Wärmeabgabe weist das Meß
element 5 eine nichtlineare Kennlinie auf, was dazu führt, daß das
Meßergebnis bei einer pulsierenden Strömung und pulsierender Wärme
abgabe an das strömende Medium nicht der tatsächlichen, zeitlich ge
mittelten Strömungsgeschwindigkeit im Meßkanal 2 entspricht, sondern
abhängig von der Stärke der Pulsationen durch eine thermische Träg
heit des Meßelements 5 erheblich davon abweicht. Dabei ist im Teil
lastbereich der Brennkraftmaschine bei geringer Ansaugluftmasse eine
besonders gravierende Minderanzeige und bei zunehmender Pulsations
stärke im Bereich der Vollast und teilweiser Rückströmung des strö
menden Mediums eine Mehranzeige des Meßwerts feststellbar. Zur Ver
besserung der Meßgenauigkeit, beziehungsweise zur Kompensation des
Meßfehlers für einen weiten Meßbereich der Strömungsgeschwindigkeit
der Vorrichtung 1 dienen die erfindungsgemäßen, insbesondere strom
aufwärts des Meßelements 5 in den Meßkanal 2 eingebrachten Mittel
30, die einen von der Pulsationsstärke der Strömung veränderlichen
Strömungswiderstand im Bereich der Innenwandung 15 des Meßkanals 2
bewirken, so daß die von den Strömungsschwankungen verursachte Ab
weichung des Meßwerts, insbesondere der Minderanzeige bei kleinen
Pulsationsamplituden durch eine Erhöhung des Strömungswiderstands
kompensiert wird. Durch den nur bei pulsierender Strömung im Bereich
der Innenwandung 15 erhöhten Strömungswiderstand wird die Strömungs
geschwindigkeit im Bereich des Meßelements 5 vergrößert, so daß eine
erhöhte Wärmeabfuhr an das strömende Medium die Folge ist, um eine
Minderanzeige des Meßelements 5 zu kompensieren. Durch den veränder
lichen Strömungswiderstand ist es möglich, daß nahezu unabhängig von
der Pulsationsstärke einer schwankenden Strömung für einen weiten
Meßbereich ein gleichbleibend präzises Meßergebnis erzielt werden
kann.
Im ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 ist als Mittel 30
eine Innenhülse 34 vorgesehen, die mit einer Innenfläche 38 und
einer Außenfläche 39 Reibflächen 31 bildet, an denen bei pulsieren
der Strömung beim Entlangströmen durch auftretende Strömungseffekte,
wie beispielsweise an den Reibflächen 31 induzierte Wirbel oder
durch den Druckabfall zur Innenwandung 15 auftretende Ablösungen,
die Strömung mehr oder weniger behindert wird, so daß im Bereich der
Innenwandung 15 ein von der Pulsationsstärke abhängiger, veränder
licher Strömungswiderstand vorhanden ist, um insbesondere bei einer
Minderanzeige durch einen erhöhten Strömungswiderstand im Bereich
der Innenwandung 15 die Strömung in den Innenbereich des Meßkanals 2
mit dem Meßelement 5 zu verdrängen, so daß gegenüber einer nicht
pulsierenden Strömung eine im Innenbereich des Meßkanals 2 erhöhte
Strömungsgeschwindigkeit herrscht, um damit die Wärmeabgabe des Meß
elements 5 zu erhöhen, so daß die im zeitlichen Mittel gemessene
Strömungsgeschwindigkeit der tatsächlichen, mittleren Strömungs
geschwindigkeit nahezu entspricht.
Die Innenhülse 34 ist in axialer Richtung mittig zum Meßelement 5
angeordnet, so daß insbesondere stromaufwärts und stromabwärts des
Meßelements 5 Reibflächen 31 vorhanden sind, die in etwa parallel
zur Strömungsrichtung 9 gerichtet sind, wobei die axiale Erstreckung
der Innenhülse 34 der zu erwartenden Pulsationsstärke anzupassen
ist. Für den zu messenden Ansaugluftmassenstrom einer Brennkraft
maschine hat sich herausgestellt, daß die axiale Erstreckung der
Innenhülse 34 etwa das Ein- bis Zweifache des Innendurchmessers des
Meßkanals 2 betragen soll, wobei die Innenhülse 34 mit möglichst
geringer Wandstärke auszubilden und mit der Innenfläche 38 und der
Außenfläche 39 in der Nähe der Innenwandung 15 des Meßkanals 2 vor
zusehen ist. Dabei darf ein von der Innenwandung 15 zur Außenfläche
39 der Innenhülse 34 gemessener, radialer Abstand höchstenfalls etwa
ein Siebtel des Innendurchmessers des Meßkanals 2 betragen.
Zur Befestigung der Innenhülse 34 besitzt diese beispielsweise vier
von der Außenfläche 39 sich in radialer Richtung erstreckende Ver
bindungsstege 37, die in Umfangsrichtung zum Beispiel mit einem
Winkelabstand von etwa 90 Grad bis etwa 120 Grad angeordnet sind, um
anliegend an der Innenwandung 15 des Meßkanals 2 die Innenhülse 34
beispielsweise durch Verklemmen zu halten. Es ist auch möglich, die
Verbindungsstege 37 mit der Innenwandung 15 fest zu verbinden.
Die Fig. 3 und die Fig. 4 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Messung der Masse eines
strömenden Mediums, wobei alle gleichen oder gleichwirkenden Teile
mit den gleichen Bezugszeichen des ersten Ausführungsbeispiels der
Fig. 1 und 2 gekennzeichnet sind. Die Fig. 3 zeigt in teilweiser
Schnittdarstellung die erfindungsgemäß ausgeführte Vorrichtung 1,
bei der abweichend zum ersten Ausführungsbeispiel anstelle der
Innenhülse 34 einzelne Lamellen 45 als Mittel 30 zur Strömungsbeein
flussung ausgebildet sind, die wenigstens stromaufwärts des Meßele
ments 5 vorgesehen sind und sich von der Innenwandung 15 des Meß
kanals 2 radial nach innen erstrecken, wobei die radiale Erstreckung
der Lamellen 45 höchstenfalls etwa ein Viertel des Innendurchmessers
des Meßkanals 2 betragen darf. Die einzelnen Lamellen 45 sind insbe
sondere stromaufwärts und stromabwärts des Meßelements 5 an der
Innenwandung 15 vorgesehen und besitzen jeweils eine radial in etwa
parallel zur Längsachse 10 gerichtete Außenfläche 46, um mit den
einzelnen Außenflächen 46 der Lamellen 45 Reibflächen 31 zu er
halten, die den Strömungswiderstand im Bereich der Innenwandung 15
des Meßkanals 2 nur, wie im ersten Ausführungsbeispiel beschrieben
ist, bei pulsierender Strömung beeinflussen. Zur Messung der Ansaug
luftmasse von Brennkraftmaschinen besitzen die einzelnen Lamellen 45
vorteilhafterweise eine axiale Erstreckung, die etwa das Ein- bis
Zweifache des Innendurchmessers des Meßkanals 2 beträgt. Die Anzahl
der Lamellen 45 ist der Pulsationsstärke der Strömung und dem ge
wünschten Meßbereich der Strömungsgeschwindigkeit entsprechend ange
paßt. Für den Meßbereich einer Brennkraftmaschine eignen sich bei
spielsweise Lamellen 45, die mit einem Winkelabstand von etwa 10 bis
20 Grad am Umfang der Innenwandung 15 angeordnet sind. Die Lamellen
45 können beispielsweise aus Kunststoff ausgebildet und in Kunst
stoffspritzgußtechnik hergestellt werden. Beispielsweise können die
Lamellen 45 an einer Innenwandung einer zusätzlichen Kunststoffhülse
48 vorgesehen werden, wobei die Kunststoffhülse 48 in eine radiale
Aussparung der Innenwandung 15 des Meßkanals 2 beispielsweise steck
bar eingebracht werden kann. Die Lamellen 45 können auch direkt an
die Innenwandung 15 des Meßkanals 2 angespritzt werden.
Claims (10)
1. Vorrichtung zur Messung der Masse eines strömenden Mediums, ins
besondere der Ansaugluftmasse von Brennkraftmaschinen, mit einem
Trägerkörper, der ein Meßelement haltert, das in einem Meßkanal von
der Strömung umströmt zur Messung der Masse des strömenden Mediums
dient, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens stromaufwärts des Meß
elements (5) Mittel (30) in den Meßkanal (2) eingebracht sind, die
im Bereich einer Innenwandung (15) des Meßkanals (2) angeströmte
Reibflächen (31) aufweisen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Mittel (30) stromaufwärts und stromabwärts des Meßelements (5) vor
gesehen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als
Mittel (30) eine Innenhülse (34) ausgebildet ist, die mit einer
Innenfläche (38) und einer Außenfläche (39) Reibflächen (31) besitzt
und mit radialem Abstand zur Innenwandung (15) des Meßkanals (2) an
geordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Innenhülse (34) eine axiale Erstreckung aufweist, die etwa das Ein-
bis Zweifache eines Innendurchmessers des Meßkanals (2) beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein von
der Innenwandung (15) des Meßkanals (2) zu der Außenfläche (39) der
Innenhülse (34) gemessener, radialer Abstand höchstenfalls etwa ein
Siebtel des Innendurchmessers des Meßkanals (2) betragen darf.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Innenhülse (34) Verbindungsstege (37) besitzt, die von der Außen
fläche (39) der Innenhülse (34) zur Innenwandung (15) des Meßkanals
(2) führen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als
Mittel (30) einzelne Lamellen (45) ausgebildet sind, die Reibflächen
(31) besitzen und sich von einer Innenwandung (15) des Meßkanals (2)
radial nach innen erstrecken.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lamellen (45) in Umfangsrichtung mit einen Winkelabstand von etwa 10
bis 20 Grad angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lamellen (45) eine axiale Erstreckung besitzen, die etwa das Ein-
bis Zweifache eines Innendurchmessers des Meßkanals (2) betragen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
radiale Erstreckung der Lamellen (45) höchstenfalls etwa ein Viertel
des Innendurchmessers des Meßkanals (2) betragen darf.
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