DE4425434A1 - Vorrichtung zur Messung der Strömung fluider Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Strömung bzw. der Strömungsmenge oder Masse eines fluiden Mediums, insbesondere auch einen Luftmassenmesser.

Ziel ist die Schaffung einer Vorrichtung, die bei kleinen Baugröße oder aufwendigen Konstruktion ein Messen der Strömung eines fluiden Mediums mit hoher Genauigkeit und hohen Auflösungsvermögen ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Vorrichtung entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 ausgebildet.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine dynamische, aber auch statische Messung mit hoher Genauigkeit und mit hohem Auflösungsvermögen möglich.

Die beiliegenden Fig. 1 und 2 zeigen als mögliche Ausfüh­ rungsform einen Luftmassenmesser zur Verwendung bei Ver­ brennungsmotoren im Längsschnitt (Fig. 1) sowie in einem Schnitt entsprechend der Linie I-I der Fig. 1 (Fig. 2).

In den Figuren ist 1 ein Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors, im welchen (Ansaugrohr) der Luftmassenmesser vorgesehen ist. Dieser besteht aus einem geschlossenen Gehäuse 2, welches mit einem Flansch 3 an einer Öffnung 4 des Ansaugrohres befestigt ist.

In der die Öffnung 4 verschließenden Wandung des Gehäuses 2 ist eine Öffnung bzw. ein Durchbruch 5 vorgesehen, durch welchen ein segel-, fahnen- oder paddelartiges Sensor- oder Meßelement 6 hindurchgeführt ist, und zwar derart, daß dieses Meßelement 6 mit einer größeren Teillänge 6′ von der Öffnung 5 in den Innenraum des Ansaugrohres 1 vorsteht und sich mit einer kürzeren Teillänge 6′′ im Innenraum 7 des Gehäuses 2 befindet. Im Bereich des Durchbruches 5 ist das Meßelement 6 mittels einer Torsionsfeder oder einer anderen Federein­ richtung um eine gedachte, senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 und damit senkrecht zur Längsachse L des Ansaugrohres verlaufende Achse 8 schwenkbar vorgesehen, und zwar bei einer Luftströmung in Richtung des Pfeiles A aus der Ausgangslage im Gegenuhrzeigersinn (Pfeil a) oder bei einer Luftströmung in Richtung des Pfeiles B aus der Ausgangslage im Uhrzeiger­ sinn (Pfeil b). Im Bereich des Durchbruches 5 ist eine Dichtung 9 vorgesehen, die die Durchführung des Meßelementes 6 dort abdichtet. Die Dichtung 9 kann gleichzeitig das Feder­ element bilden.

Auf der Teillänge 6′ ist das Meßelement zumindest teilweise segel- oder paddelartig ausgebildet und weist dort bei­ spielsweise zwei Paddel 10 und 11 auf, die mit ihren Flächen senkrecht zur Längsachse L angeordnet und mit einem Bimetall­ streifen 12 derart verbunden sind, daß die beiden, in Längsrichtung L hintereinander angeordneten Paddel 10 und 11 eine in ihrer wirksamen Größe von der Temperatur der Luft abhängige Fläche bilden.

In dem Innenraum 7 befindlichen Ende ist das Meßelement 6 bzw. die dortige Teillänge 6′′ mit einem Spiegel 13 versehen, der bei der dargestellten Ausführungsform konkav gewölbt ist und dessen Mittel- bzw. Spiegelachse SP achsgleich mit der Mittelachse des Meßelementes 6 liegt. Beidseitig von der Spiegelachse SP sind im Innenraum 7 die Enden 14 und 15 zweier Lichtleiter 16 und 17 vorgesehen, die zusammen mit dem Spiegel 13 Bestandteil eines opto-elektrischen Sensors sind. Die beiden Lichtleiter 16 und 17 führen zu einer opto-elek­ trischen Einheit 18, die unter anderen eine Lichtquelle 19, über die dem Lichtleiter 16 Licht zugeführt wird und einen Lichtdetektor 20 aufweist, der ein der über den Lichtleiter 17 rückgeführten Lichtmenge entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Bevorzugt sind der Lichtleiter 17 und der Lichtdetektor 20 zweifach vorgesehen, wobei die beiden Enden 15 dieser Lichtleiter unmittelbar nebeneinander und in Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 hinter­ einander vorgesehen sind. Zur Vermeidung von Meßfehlern und zur Erhöhung der Genauigkeit werden dann die Signale beider Lichtdetektoren 20 entsprechend ausgewertet.

Wie dargestellt, wird von der Teillänge 6′ bzw. dem dortigen Paddeln 10 und 11 des Meßelementes 6 nur ein Teilquerschnitt des Ansaugrohres 1 eingenommen.

Die Anordnung der Enden 14 und 15 sowie die Anordnung und Ausbildung des Spiegels 13 sind so getroffen, daß die über den Lichtleiter 17 rückgeführte Lichtmenge und damit das am Lichtdetektor 20 erzeugte elektrische Signal eine Funktion sowohl der Richtung, als auch der Intensität bzw. Menge bzw. Masse der das Ansaugrohr 1 durchströmenden Luft ist.

Eine Besonderheit besteht darin, daß der aus dem Ende 14 auf dem Spiegel 13 aus tretende und der vom Spiegel 13 auf das Ende 15 reflektierte Lichtstrahl jeweils radial bzw. in etwa radial zur Achse 8 verlaufen, also die Lichtwege dieser Lichtstrecke radial oder etwa radial zur Achse 8 angeordnet sind und damit die Schwenkbewegung des Meßelementes 6 erfaßt wird. Hierdurch ist es möglich, trotz kleiner Abmessungen insbesondere der Teillänge 6′′ sowie der zwischen den Enden 14 und 15 und dem Spiegel 13 gebildeten Lichtstrecke und damit trotz kleiner Baugröße eine hohe Auflösung und Meß­ genauigkeit zu erzielen.

Die beiden Enden 14 und 15 sind beidseitig von einer Mittel­ achse der Lichtstrecke angeordnet, die (Mittelachse) bei in der Ausgangsstellung befindlichem Meßelement 6 mit der Spiegelachse SP zusammenfällt.

Das Meßelement 6 ist bezüglich seiner Massen so ausgeglichen, daß sich der Massenschwerpunkt auf der Achse 8 befindet, so daß Verzögerungen oder Beschleunigungen, der die Vorrichtung bei in einem Kraftfahrzeug eingebautem Zustand unterworfen ist, nicht zu einem Schwenken des Meßelementes 6 um die Achse 8 und damit nicht zu einem Signal am Lichtdetektor 20 führen.

Abweichend von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist es auch möglich, die Lichtquelle 19 und den Lichtdetektor 20 direkt im Innenraum 7 vorzusehen, und zwar etwa dort, wo sich die Enden 14 und 15 befinden.

Die Fig. 3 zeigt in einer Darstellung ähnlich Fig. 1 eine weitere Ausführungsform des Luftmassenmessers, der sich von der Ausführung der Fig. 1 und 2 im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß anstelle des Meßelementes 6 ein Meßelement 6a vorgesehen ist, welches stabförmig ausgebildet ist und nur mit einer kurzen Länge in das Ansaugrohr 1 hineinreicht. Das Meßelement 6a ist mittels eines Torsionsstabes 20 schwenkbar im Bereich der Öffnung 5 des Gehäuses 2 vorgesehen, wobei mit diesem Torsionsstab 20 gleichzeitig die Schwenkachse und die Rückstellkraft für das Meßelement 6a realisiert ist.

Der Torsionsstab kann auch Bestandteil des Meßelementes 6a sein. An dem im Innenraum des Gehäuses 2 angeordneten Ende trägt das Meßelement 6a einen konkaven Spiegel 21, dessen Spiegelachse SP achsgleich mit der Achse des Meßelementes 6a oder parallel zu dieser Achse angeordnet ist. Dem Spiegel 21 gegenüberliegend sind an der Wandung des Gehäuses 2 eine Lichtquelle 22 und mehrere Lichtdetektoren 23 vorgesehen, welch letztere auf einem Kreisbogen um die Achse des Tor­ sionsstabes 20 oder in einer Achsrichtung tangential zu diesem Kreisbogen gegeneinander versetzt sind, und zwar derart, daß die Lichtdetektoren 23 unmittelbar aneinander anschließen. Die Anordnung der Lichtquellen 22 und Licht­ detektoren 23 sowie die Justierung des Spiegels 21 sind weiterhin so getroffen, daß in der Ruhestellung des Meßele­ mentes 6a der von der Lichtquelle 22 ausgehende und am Spiegel 21 reflektierte Lichtstrahl jeweils zur Hälfte auf beide Lichtdetektoren 23 trifft, wie dies in der Fig. 4 mit dem den Querschnitt des Lichtstrahles 24 repräsentierenden Kreis 24′ angedeutet ist. Erfolgt aufgrund der Luftströmung im Ansaugrohr 1 eine Auslenkung des Meßelementes 6, so wird entsprechend der Richtung dieser Auslenkung und damit der Richtung der Luftströmung der Anteil des auf die Licht­ detektoren 23 auftreffenden Lichtes unterschiedlich, so daß aus dem von den Lichtdetektoren gelieferten Differenzsignal ein von Schwankungen der Lichtquelle 22 unabhängiges, die Größe und Richtung des Luftstromes im Ansaugrohr 1 bestim­ mendes Signal gewonnen werden kann.

Die Lichtdetektoren 23 sind beispielsweise diskrete Bau­ elemente. Die Lichtdetektoren 23 können aber auch von einer Mehr-Quadranten-Fotodiode, beispielsweise von einer Vier- Quadranten-Fotodiode gebildet sein, bei der dann für die spezielle, in den Fig. 3 und 4 dargestellte Ausführungsform nur zwei Quadranten genutzt oder jeweils zwei Quadranten parallel geschaltet sind.

Um insbesondere auch bei geringen Luftmassen, d. h. bei­ spielsweise im unteren Leistungs- und/oder Drehzahlbereich eine vibrations-unabhängige Messung mit hoher Auflösung und Genauigkeit, insbesondere auch eine dynamische Messung mit hoher Grenzfrequenz zu erreichen, weist das Meßelement 6a mit Spiegel 21 eine extrem niedrige Masse auf und ist wiederum derart in der Masse ausgeglichen, daß die Achse des Torsions­ stabes 21, d. h. die Schwenkachse des Meßelementes 6a den Massenschwerpunkt des Meßelementes 6a zzgl. Spiegel 21 schneidet. Durch die Differenzmessung der von den Lich­ tdetektoren 23 gelieferten Signale wird eine hochgenaue, von Schwankungen, Halterungserscheinungen usw. der Lichtquelle unabhängige Messung erreicht.

Grundsätzlich ist es auch bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Luftmassenmesser wiederum möglich beim Zuführen bzw. Abführen des Lichtes Lichtleiter vorzusehen, und zwar ein Lichtleiter zum Zuführen des Lichtes und zwei Licht­ leiter, die mit ihren Enden entsprechend den Detektoren 23 angeordnet sind, zum Abführen des Lichtes. Die Lichtleiter bilden dann eine Lichtleiteranordnung, die den Luftmassen­ messer mit einer von diesen räumlich entfernt angeordneten Steuereinrichtung verbindet.

Die Fig. 5 zeigt in sehr vereinfachter Darstellung einen Verbrennungsmotor 25 mit insgesamt sechs Zylindern in V-Anordnung und dementsprechend auch mit sechs an diese Zylinder führenden Ansaugrohren 1.

An jedem Ansaugrohr ist ein gesonderter und in der Fig. 5 allgemein mit 26 bezeichneter Luftmassenmesser 26 vorgesehen, der beispielsweise gleich oder ähnlich den in den Fig. 1 und 2 bzw. 3 und 4 dargestellten Luftmassenmesser ausgebildet ist, auf jeden Fall aber wenigstens ein Meßelement aufweist, welches in Abhängigkeit von der Größe, bevorzugt auch in Abhängigkeit von der Richtung des Luftstromes in dem je­ weiligen Ansaugrohr 1 eine Bewegung aus einer Ausgangs­ stellung ausführt, wobei diese Bewegung zur Änderung der Lichtmenge in wenigstens einem Lichtleiter in einer Licht­ leiteranordnung 27 führt, die (Lichtmenge) über diesen Lichtleiter an eine räumlich vom Motor 25 getrennte Steuer­ einrichtung 28 zurückgeführt wird. Diese Steuereinrichtung 28 weist wenigstens eine Lichtquelle sowie für jeden Luftmassen­ messer 26 wenigstens einen Lichtdetektor, vorzugsweise jedoch wenigstens zwei Lichtdetektoren auf.

Der besondere Vorteil des in der Fig. 5 dargestellten Systems besteht darin, daß eine von Störeinflüssen (beispielsweise von Zündspannungen, Zündströmen, unterschiedlichen Motor­ temperaturen, Motorvibrationen) unabhängige Messung der Luftmasse für jeden einzelnen Zylinder des Motors 25 und damit auch eine optimale Steuerung der Kraftstoffzufuhr an jeden Zylinder möglich ist.

Durch die geringe Masse des Meßelementes 6a werden auf dieses Element wirkende Beschleunigungskräfte extrem niedrig gehalten.

Bezugszeichenliste

1 Ansaugrohr
2 Gehäuse
3 Flansch
4 Öffnung
5 Durchbruch
6, 6a Meßelement
6′, 6′′ Teillänge
7 Innenraum
8 Achse
9 Dichtung
10, 11 Paddel
12 Bimetallstreifen
13 Spiegel
14, 15 Ende
16, 17 Lichtleiter
18 optoelektrische Einheit
19 Lichtquelle
20 Lichtdetektor
21 Torsionsstab
22 Lichtquelle
23 Lichtdetektor
24 Lichtstrahl
24′ Lichtstrahlquerschnitt
25 Motor
26 Luftmassenmesser
27 Lichtleiteranordnung
28 Steuereinrichtung.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Messung der Strömung fluider Medien, insbesondere zur Messung der Strömung von Luft oder Gasen, gekennzeichnet durch ein Sensor- oder Meßelement (6), welches mit einer ersten Teillänge (6′′) sich im Inneren eines geschlosse­ nen Gehäuses (2) befindet und mit einer zweiten Teillänge (6′) aus dem Gehäuse (2) nach außen vorsteht,
wobei das Meßelement an der zweiten Teillänge wenigstens eine Fläche (10, 11) bildet, auf die die Strömung des fluiden Mediums einwirkt,
durch eine Gelenkanordnung zwischen den beiden Enden des Meßelementes, für eine Schwenkbewegung dieses Meßele­ mentes um eine Achse (8) quer bzw. senkrecht zur Strömung (A, B) des fluiden Mediums,
durch einen Massenausgleich des Meßelementes (6) in bezug auf die Achse (8),
durch eine Rückstelleinrichtung zum Rückführen des Meßelementes (6) in eine Ausgangslage,
durch eine an der ersten Teillänge des Meßelementes (6) im Inneren (7) des Gehäuses (2) vorgesehenen Spiegel (13), sowie
durch wenigstens eine Lichtquelle (19) und wenigstens einen Lichtdetektor (20), wobei das Licht der Lichtquelle in einer im Inneren (7) des Gehäuses (2) gebildeten Lichtstrecke an den Spiegel (13) und das vom Spiegel (13) reflektierte Licht an den Lichtdetektor (20) gelangt und wobei die an den Lichtdetektor rückgeführte Lichtmenge eine Funktion der Schwenkstellung des Elementes (6) um die Achse (8) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle und/oder der Lichtdetektor (20) unmittel­ bar im Inneren des Gehäuses (2) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Lichtleiter (16, 17), die mit Enden (14, 15) dem Spiegel gegenüber liegend im Innenraum (7) des Gehäuses (2) angeordnet sind, von denen ein Lichtleiter zum Zuführen des Lichtes der Lichtquelle (19) an den Spiegel (13) und der andere Lichtleiter (17) zum Rück­ führen des am Spiegel (13) reflektierten Lichtes an den Lichtdetektor (20) dient, wobei die rückgeführte Licht­ menge eine Funktion der Schwenkstellung des Elementes (6) um die Achse (8) ist und die Enden (14, 15) der Licht­ leiter sowie der Spiegel (13) die Lichtstrecke bilden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelachse (SP) und/oder die Mittelachse der Lichtstrecke (13, 14, 15) radial oder in etwa radial zur Schwenkachse liegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Spiegel (13) konkav gewölbt ist.

6. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) einen Durchbruch (5) aufweist, durch den das Meßelement (6) hindurchgeführt ist, und daß im Bereich des Durchbruches (5) eine diese Durchführung abdichtende Dichtung (9) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) an einer Öffnung (4) eines vom fluidem Medium durchströmten Rohres (1) befestigt ist, und zwar derart, daß das Meßelement (6) mit seiner zweiten Teillänge (6′) in den Innenraum des Rohres (1) hineinreicht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Fläche der zweiten Teillänge (6′) des Meßelementes (6) temperaturabhängig ist.

9. Vorrichtung nach eine der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Luftmassenmesser für Ver­ brennungsmotore.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Lichtdetektoren (23) oder wenigstens zwei Enden zweier Lichtleiter zum Rückführen des Lichtes unmittelbar nebeneinander vorge­ sehen sind, und daß der am Spiegel (13a) reflektierte Lichtstrahl derart eingestellt oder fokussiert ist, daß in einer Ausgangsstellung des Sensor- oder Meßelementes (6, 6a) der auf die Lichtdetektoren oder die Enden der Lichtleiter auftreffende Lichtmenge eine vorgegebene Verteilung aufweist, und daß sich diese Verteilung in Abhängigkeit von der Richtung und/oder Größe der Strömung des fluiden Mediums ändert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdetektoren von einer Mehrfach-Foto-Diode, beispielsweise von einer Vierquadranten-Diode gebildet sind.

12. System zur Messung der Luftmenge an die Zylinder eines mehrere Zylinder aufweisenden Verbrennungsmotors (25), dadurch gekennzeichnet, daß in jedem an einen Zylinder führenden Ansaugrohr (1) oder in jedem an einen Zylinder des Verbrennungsmotors (25) führenden Abschnitt eines Ansaugrohres jeweils wenigstens ein Luftmassenmesser (26) vorgesehen ist, daß jeder Luftmassenmesser aus einem Sensorelement (6, 6a) besteht, welches zumindest mit einer Teillänge eine Fläche bildet, auf die die Strömung der das Ansaugrohr oder den Abschnitt durchströmenden Luft einwirkt, und daß das Sensor- oder Meßelement (6, 6a), welches der Größe und/oder Richtung des Luftstromes entsprechend aus einer Ausgangsstellung bewegbar ist, Bestandteil eines Lichtsensors ist, und zwar derart, daß über wenigstens einen Lichtleiter eine von der Bewegung und/oder Stellung des Sensorelementes (6, 6a) abhängige Lichtmenge von dem Luftmassenmesser (26) an eine wenigstens einen Lichtdetektor (20, 23) aufweisende Steuerein­ richtung (28) übertragen wird.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (28) für sämtliche Luftmassenmesser (26) gemeinsam vorgesehen ist.

14. System nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (28) wenigstens eine Licht­ quelle aufweist, und daß jeder Luftmassenmesser (26) über einen weiteren Lichtleiter zum Zuführen des Lichtes mit der Steuereinrichtung (28) verbunden ist.

15. System nach einem der Ansprüche 12-14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Luftmassenmesser (26) eine Vorrichtung entsprechend einem der Ansprüche 1-11 ist.