WO2003027615A1 - Luftmassendurchflussmesser mit kontrolierter strömungsablösungsposition - Google Patents

Luftmassendurchflussmesser mit kontrolierter strömungsablösungsposition Download PDF

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WO2003027615A1
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Stefan Pesahl
Frank Steuber
Andreas Wildgen
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01F5/00—Measuring a proportion of the volume flow

Definitions

  • the invention relates to an air flow meter for measuring an air mass drawn in by the internal combustion engine.
  • Air mass flow meters in the intake and loading tract of the internal combustion engine are known. They are used to measure the mass flow of the intake / charge air in order to be able to determine and control the mass ratios accordingly in the chemical process of combustion.
  • an air mass flow meter which thermally eats the air flow.
  • the air mass flow meter is arranged with one end in a main air flow of the intake tract to the internal combustion engine. A certain proportion of the main air flow is branched off into a first duct, which leads to an air mass sensor. The air mass sensor thermally determines the air mass flowing past it. The air flow is then diverted and returned to the main air flow for combustion.
  • a disadvantage of the known air mass sensor is that the air flow is detached from the inner wall of the duct. Such a detachment causes the measurement signals of the air mass sensor located downstream to be disturbed. It has been shown that even with strong currents, the position of the separation point from the inner wall of the canal can vary considerably. Small disturbances in the flow conditions already lead to large shifts in the position of the separation point. The changing detachment point from the inside of the channel, however, causes areas with detached flow of different sizes and locations.
  • the invention has for its object to provide an air mass sensor in which adulteration and interference flow of the sensed air mass is avoided by detaching the air flow from the inner wall of the duct.
  • the air mass flow meter has a sensor unit which is arranged in the flow path of the air and which senses the air mass flowing past.
  • the air mass is led from a first duct section via a deflection area into a second duct section.
  • At least one flow element is provided in the deflection area and protrudes in the deflection area in such a way that the air flow is detached from the inner wall of the duct.
  • the flow element forms a defined separation point or a defined separation edge for the air flow.
  • Attaching a flow element to a deflection area that deflects the air flow by approximately 90 ° has proven to be particularly effective.
  • the solution here is on the inside of the deflection area, that is to say on the side facing the center of curvature of the deflection area.
  • the side walls of the first and second duct sections meet directly or in their extension in the deflection area.
  • the right angle of the deflection area is preferably on the side facing the center of curvature of the deflection area.
  • the side of the deflection area facing the center of curvature is referred to as the inside of the deflection area.
  • the flow element preferably has an element projecting into the deflection area, which is held on the inside on the side wall of one of the channel sections.
  • a plate-shaped insert part is preferably provided as an element, which, held on the side wall of the preferably downstream channel section, projects into the deflection area and forms a tear-off edge for the air flow with its free end.
  • the plate-shaped insert preferably extends over the entire side wall on which it is held.
  • the insert part is preferably a metal holder for the sensor unit.
  • the flow element has an inflow surface which is inclined with respect to the flow direction in the first channel section and which meets an downstream wall of the element at an acute angle, forming a tear-off edge.
  • the element can be rod-shaped with a triangular cross-section.
  • the element is preferably made of a plastic material.
  • its downstream wall is flush with the side wall of the downstream channel section.
  • the element can also be designed as a shape of the channel wall projecting into the deflection area.
  • FIG. 1 shows an air mass flow meter according to the invention with a metal insert as a flow element in cross section
  • FIG. 2 shows an air mass flow meter according to the invention with a triangular inflow part in cross section
  • FIG. 5 shows a schematic view of the deflection area from FIG. 1 with an insert part
  • FIG. 6 shows a plan view of the deflection area from FIG. 5,
  • FIG. 1 shows an air mass flow meter 10 according to the invention.
  • the air mass flow meter 10 can be positioned with its end 12 in an intake pipe.
  • the seal 14 seals the intake pipe from the environment.
  • the part of the air mass flow sensor 12 arranged in the intake pipe has an inlet opening 16, into which a portion of the main air flow flows.
  • a first channel section 18 runs in a funnel shape.
  • At the first sewer cut 18 is followed by a deflection area 20. Downstream of the deflection area 20 there is an ascending channel section 22.
  • the measuring devices 24, 26 for the air flowing past.
  • the measurement signals can be evaluated, for example, according to the principle of constant temperature hot film anemometry.
  • the air flow from the duct section 22 exits via the falling duct section 28 at the opening 30 and re-enters the main air flow in the intake pipe.
  • the opening 30 is shielded from the direct main air flow by the tapering first channel section, so that the main air flow creates a suction at the opening 30 for the emerging air flow.
  • FIGS. 3 and 4 show an air flow in a deflection area in a downstream channel section 32.
  • the air flow separates at point 34 from the wall of the deflection area which is located at the bend.
  • a recirculation area 36 has formed downstream of the separation point.
  • the velocity profile of the air flow along the line AA is entered as an example in the channel section 32. It can be clearly seen that the speed in the recirculation area 36 quickly drops to zero.
  • FIG. 4 shows a recirculation area 38, the separation point 40 of which is further downstream compared to the separation point 34.
  • the recirculation area 38 has a smaller area.
  • the proportion of the speed profile along the line BB in which the flow rate is zero or almost zero is also significantly smaller.
  • FIG. 1 shows an insert plate 42 which projects into the deflection area 20.
  • the insert plate 42 subsequently extends further along the inside of the ascending channel section 22.
  • the plate 42 can preferably also be provided as a support for the measuring unit 24, 26, thereby ensuring the installation and positioning of the flow element relative to the measuring unit.
  • the insert 42 is flowed to during operation as shown in FIGS. 5 and 6.
  • a recirculation area is formed downstream of the insert 42 depending on the average flow speed. Since the air flow is cut off at the defined flow edge 44, the recirculation area is not susceptible to faults.
  • the recirculation area which is formed in FIG. 6 with a corresponding mean flow velocity is not shown for a better overview.
  • Figure 2 shows an alternative inflow element 46.
  • the flow element 46 has a triangular contour in the cross section shown in Figure 2. As can be seen from the drawing, the right-angled triangle is arranged so that the hypotenuse faces the entrance opening 16 and one of the cathets is flush with the inner wall of the ascending channel 22.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment of the triangular inflow element 48, which is provided as a shape on the inner wall of the first channel section 18.
  • the Flow element 48 has a tear-off edge 50 which acts similarly to tear-off edge 44 from FIG. 6.
  • the inflow element can extend over the entire depth of the flow channel. However, it is also conceivable that the flow element extends only over part of the flow channel.
  • the tear-off edge can also have a curved course over part or the entire depth of the flow channel.
  • FIG. 8 shows a tear-off edge 52 which projects less far into the deflection region 20 towards the ends, so that the tear-off edge 52 has an arcuate course.

Abstract

Wird bei Luftmassensensoren die Luftströmung in einem Kanal um ungefähr 90 DEG umgelenkt, so kann es zu Strömungsablösungen kommen. Die ausserhalb des Ablöse/Rezirkulationsgebiet liegende Querschnittsfläche in dem Kanal wird verringert und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Die Grösse und Lage der Rezirkulationsgebiete ist empfindlich gegenüber Störungen. Um definierte Strömungsbedingungen für eine Messeinrichtung zu erzielen, wird in dem Umlenkbereich ein Strömungselement vorgesehen, das in den Umlenkbereich vorsteht und eine Ablösung der Luftströmung von der Kanalinnenwand bewirkt.

Description

LUFTMASSENDURCHFLÜSSMESSER MIT KONTROLIERTER STROMU GSAB OSUNGSPOSITION
Die Erfindung betrifft einen Luft assendurchflussmesser zur Messung einer von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse .
Luftmassendurchflussmesser im Ansaug- bzw. Ladetrakt der Brennkraftmaschine sind bekannt. Sie dienen dazu, den Massen- durchfluss der Ansaug-/Ladeluft zu messen, um bei dem chemischen Vorgang der Verbrennung die Massenverhältnisse entsprechend bestimmen und steuern zu können.
Aus EP 0 908 704 AI ist ein Luftmassendurchflussmesser bekannt, der thermisch den Luftstrom isst. Der Luftmassendurchflussmesser wird mit einem Ende in einem Hauptluftstrom des Ansaugtrakts zu der Brennkraftmaschine angeordnet. Ein bestimmter Anteil des Hauptluftstroms wird in einen ersten Kanal abgezweigt, der zu einem Luftmassensensor führt. Der Luftmassensensor ermittelt thermisch die an ihm vorbeiströmende Luftmasse. Nachfolgend wird der Luftstrom umgelenkt und wieder in den Hauptluftstrom geleitet, um der Verbrennung zugeführt zu werden. Nachteilig an dem bekannten Luftmassensen- sor ist, dass eine Ablösung der Luftströmung von der Kanalinnenwand auftritt. Eine solche Ablösung bewirkt, dass die Messsignale des stromabwärts liegenden Luftmassensensors gestört werden. Es hat sich gezeigt, dass selbst bei starken Strömungen die Position des Ablösepunktes von der Kanalinnen- wand erheblich variieren kann. Kleine Störungen der Strömungsverhältnisse führen bereits zu großen Verschiebungen der Position des Ablösepunktes. Der wechselnde Ablösepunkt von der Kanalinnenseite bewirkt jedoch Gebiete mit abgelöster Strömung von unterschiedlicher Größe und Lage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Luftmassensensor bereitzustellen, bei dem eine Verfälschung und Beein- flussung der gefühlten Luftmasse durch das Ablösen der Luftströmung von der Kanalinnenwand vermieden wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Luftmassendurchflussmesser mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst .
Der erfindungsgemäße Luftmassendurchflussmesser besitzt eine in dem Strömungsweg der Luft angeordnete Sensoreinheit, die die vorbeiströmende Luftmasse fühlt. Die Luftmasse wird aus einem ersten Kanalabschnitt über einen Umlenkbereich in einen zweiten Kanalabschnitt geführt. In dem Umlenkbereich ist mindestens ein Strömungselement vorgesehen, das in dem Umlenkbereich vorsteht derart, dass eine Ablösung der Luftströmung von der Kanalinnenwandung erfolgt. Das Strömungselement bildet einen definierten Ablösepunkt bzw. eine definierte Ablösekante für die Luftströmung. Dieser Lösung ein Strömungselement einzusetzen liegt die Überlegung zugrunde, dass ein Gebiet mit abgelöster Strömung nicht vermieden werden soll, sondern vielmehr eine kontrollierte Ablösung an dem Strömungselement mit einer definierten Position erfolgen soll, die bei der Kalibrierung der Sensoreinheit berücksichtigt werden kann. Strömungselement und Sensoreinheit sind dabei so voneinander beabstandet, dass das Strömungselement weitgehend definierte Strömungsverhältnisse für die Sensoreinheit schafft .
Als besonders wirkungsvoll erweist sich das Anbringen eines Strömungselements bei einem Umlenkbereich, der die Luftströ- mung um ungefähr 90° umlenkt. Gerade bei einer solchen Umlen- kung kommt es dazu, dass die vorbeiströmende Luft sich im Bereich des Umlenkknicks von der Kanalwandung ablöst. Die Anlö- sung erfolgt hierbei an der Innenseite des Umlenkbereichs, also an der zum Krümmungsmittelpunkt des Umlenkungsbereichs weisenden Seite. In einer möglichen Ausgestaltung des Luftmassendurchflussmes- sers treffen die Seitenwände von erstem und zweitem Kanalabschnitt unmittelbar oder in ihrer Verlängerung im Umlenkbereich aufeinander. Bevorzugt liegt der rechte Winkel des Um- lenkbereichs an der zum Krümmungsmittelpunkt des Umlenkbereichs weisenden Seite. Nachfolgend wird die zum Krümmungsmittelpunkt weisende Seite des Umlenkbereichs als Innenseite des Umlenkbereichs bezeichnet.
Bevorzugt besitzt das Strömungselement ein in den Umlenkbereich vorstehendes Element, das auf der Innenseite an der Seitenwand eines der Kanalabschnitte gehalten ist. Hierbei ist vorzugsweise ein plattenförmiges Einlegeteil als Element vorgesehen, das an der Seitenwand des vorzugsweise stromab- wärts liegenden Kanalabschnitts gehalten in den Umlenkbereich vorsteht und mit seinem freien Ende eine Abrisskante für die Luftströmung bildet. Das plattenförmige Einlegeteil erstreckt sich bevorzugt über die gesamte Seitenwand, an der es gehalten ist. '
Bei dem Einlegeteil handelt es sich bevorzugt um einen Metallhalter für die Sensoreinheit.
In einer alternativen Ausgestaltung besitzt das Strömungsele- ment eine gegenüber der Strömungsrichtung in dem ersten Kanalabschnitt geneigte Anströmfläche, die unter einem spitzen Winkel auf eine stromabwärts liegende Wand des Elements trifft, unter Bildung einer Abrisskante. Das Element kann stangenförmig mit einer im Querschnitt dreieckigen Kontur ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Element aus einem Kunst- stoffmaterial hergestellt. Bei einer bevorzugten Anordnung des Strömungselements in dem Umlenkbereich schließt seine stromabwärts liegende Wand mit der Seitenwand des stromabwärts liegenden Kanalabschnitts bündig ab. Alternativ hierzu kann das Element auch als eine in den Umlenkbereich vorstehende Ausformung der Kanalwand ausgebildet sein. Bevorzugte Ausführungen des erfindungsgemäßen Luftmassen- durchflussmessers werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Luftmassendurchflussmesser mit einem Metalleinlegeteil als Strömungselement im Querschnitt,
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Luftmassendurchflussmesser mit einem dreieckförmigen Anströmteil im Querschnitt,
Fig. 3 einen Umlenkbereich mit einem Ablösepunkt im Umlenkbereich und
Fig. 4 den Umlenkbereich aus Fig. 3 mit dem Ablösepunkt weiter stromabwärts,
Fig. 5 eine schematische Ansicht des Umlenkbereichs aus Fig. 1 mit Einlegeteil,
Fig. 6 eine Draufsicht auf den Umlenkbereich aus Fig. 5,
Fig. 7 einen Umlenkbereich mit einem dreieckförmigen Strö- mungselement als Vorsprung der Kanalwandung im
Querschnitt und
Fig. 8 eine bogenförmige Abrisskante im Umlenkbereich.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Luftmassendurchflussmesser 10. Der Luftmassendurchflussmesser 10 kann mit seinem Ende 12 in einem Ansaugrohr positioniert sein. Die Dichtung 14 dichtet hierbei das Ansaugrohr gegenüber der Umgebung ab. Der in dem Ansaugrohr angeordnete Teil des Luftmassendurch- flusssensors 12 besitzt eine Eingangsöffnung 16, in die ein Anteil des Hauptluftstroms einströmt. Ein erster Kanalabschnitt 18 läuft trichterförmig zu. An den ersten Kanalab- schnitt 18 schließt sich ein Umlenkbereich 20 an. Stromabwarts von dem Umlenkbereich 20 liegt ein aufsteigender Kanalabschnitt 22. In dem aufsteigenden Kanalabschnitt 22 befinden sich die Messeinrichtungen 24, 26 für die vorbeistromende Luft. Die Auswertung der Messsignale kann beispielsweise nach dem Prinzip der Konstanttemperatur-Heißfilmanemometrie erfolgen.
Die Luftströmung aus dem Kanalabschnitt 22 tritt über den fallenden Kanalabschnitt 28 an der Öffnung 30 aus und wieder in den Hauptluftstrom in dem Ansaugrohr ein. Die Öffnung 30 ist durch den sich verjungenden ersten Kanalabschnitt vor dem direkten Hauptluftstrom abgeschirmt, so dass die Hauptluft- stromung einen Sog an der Öffnung 30 für den austretenden Luftstrom erzeugt.
Figuren 3 und 4 zeigen eine Luftströmung in einem Umlenkbereich in einem stromabwärts liegenden Kanalabschnitt 32. Die Luftströmung lost sich im Punkt 34 von der bei der Krümmung mnenliegenden Wand des Umlenkbereichs. Stromabwarts von dem Ablosepunkt hat sich ein Rezirkulationsgebiet 36 gebildet. In dem Kanalabschnitt 32 beispielhaft eingetragen ist das Geschwindigkeitsprofil der Luftströmung entlang der Linie A-A. Deutlich zu erkennen ist, dass die Geschwindigkeit in dem Re- Zirkulationsgebiet 36 schnell auf Null fallt. Im Vergleich hierzu zeigt Fig. 4 ein Rezirkulationsgebiet 38, dessen Ablosepunkt 40 im Vergleich zu dem Ablosepunkt 34 weiter stromabwärts liegt. Das Rezirkulationsgebiet 38 besitzt eine kleinere Flache. Auch der Anteil des Geschwindigkeitsprofils ent- lang der Linie B-B, in dem die Stromungsgeschwindigkeit Null oder annähernd Null betragt, ist deutlich kleiner. Da die Stromungsgeschwindigkeit m den Rezirkulationsgebieten nahezu Null betragt, ist die effektive Querschnittsflache für die Strömung verkleinert. Die verringerte Querschnittsflache fuhrt dabei zu einer erhöhten Stromungsgeschwindigkeit in dieser Querschnittsflache. Im Gebrauch eines Luftmassendurchflussmessers treten immer wieder Störungen in der Luftströmung auf. Störungen bewirken eine Verschiebung des Ablösepunktes 34, 40, die bereits bei geringen Verschiebungen der Position zu deutlichen Änderungen des Rezirkulationsgebietes führen. Diese Änderungen bewirken jedoch eine Änderung der Messsignale, so dass die gefühlten Werte gestört werden.
Figur 1 zeigt eine Einlegeplatte 42, die in den Umlenkbereich 20 vorsteht. Die Einlegeplatte 42 erstreckt sich nachfolgend weiter entlang der Innenseite des aufsteigenden Kanalabschnitts 22. Bevorzugt kann die Platte 42 auch als Träger für die Messeinheit 24, 26 vorgesehen sein, hierdurch wird der Einbau und die Positionierung des Strömungselements relativ zu der Messeinheit sichergestellt.
Das Einlegeteil 42 wird im Betrieb wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt angeströmt. Stromabwärts von dem Einlegeteil 42 bildet sich abhängig von der mittleren Strömungsgeschwindig- keit ein Rezirkulationsgebiet aus. Da der Abriss der Luftströmung hierbei an der definierten Strömungskante 44 erfolgt, ist das Rezirkulationsgebiet für Störungen nicht anfällig. Das sich in Figur 6 bei entsprechender mittlere Strömungsgeschwindigkeit ausbildende Rezirkulationsgebiet ist zur besseren Übersicht nicht dargestellt.
Figur 2 zeigt ein alternatives Anströmelement 46. Das Strömungselement 46 besitzt in dem in Figur 2 dargestellten Querschnitt eine dreieckförmige Kontur. Wie aus der Zeichnung er- sichtlich, ist das rechtwinklige Dreieck angeordnet, so dass die Hypotenuse zur Eingangsöffnung 16 weist und eine der Katheten bündig an der Innenwand des aufsteigenden Kanals 22 abschließt .
Figur 7 zeigt eine alternative Ausgestaltung des dreieckförmigen Anströmelements 48, das als eine Ausformung an der Innenwand des ersten Kanalabschnitts 18 vorgesehen ist. Das Strömungselement 48 besitzt eine Abrisskante 50, die ähnlich wie die Abrisskante 44 aus Figur 6 wirkt.
Wie aus Figur 5 ersichtlich kann das Anströmelement sich über die gesamte Tiefe des Strömungskanals erstrecken. Es ist aber auch denkbar, dass das Strömungselement sich nur über einen Teil des Strömungskanals erstreckt. Auch kann die Abrisskante über einen Teil oder die gesamte Tiefe des Strömungskanals einen kurvigen Verlauf besitzen. In Figur 8 ist eine Abriss- kante 52 dargestellt, die zu den Enden hin weniger weit in den Umlenkbereich 20 vorsteht, so dass die Abrisskante 52 einen bogenförmigen Verlauf besitzt.

Claims

Patentansprüche
1. Luftmassendurchflussmesser (10) zur Messung einer von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse, mit
einer Sensoreinheit (24, 26) , die die vorbeiströmende Luftmasse fühlt, einem ersten und einem zweiten Kanalabschnitt (18, 22) , die einen Luftstrom aus dem ersten Kanalab- schnitt (18) an der Sensoreinheit (24, 26) vorbeiführen, wenigstens einem Umlenkbereich (20) , der den ersten und den zweiten Kanalabschnitt (18, 22) miteinander verbindet, und - mindestens einem in dem Umlenkbereich (20) angeordneten Strömungselement (42, 46), das in den Umlenkbereich vorsteht derart, dass eine Ablösung der Luftströmung von einer Innenwand eines der Kanalabschnitte stromaufwärts von der Sensoreinheit er- folgt.
2. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Kanalabschnitt (18, 20) ungefähr in einem 90° Winkel zueinander stehen.
3. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände vom ersten und zweiten Kanalabschnitt unmittelbar oder in ihrer Verlängerung einen rechten Winkel miteinander einschließen.
4. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement an der zum Krümmungsmittelpunkt des Umlenkbereichs weisenden Seite an einer Seitenwand eines der Kanalabschnitte angeord- net ist.
5. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement sich vollständig entlang der Seitenwand erstreckt, an der es gehalten ist.
6. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement entlang seinem in den Umlenkbereich vorstehenden Ende unterschiedlich weit vorsteht.
7. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement an den Seiten weniger weit in den Umlenkbereich vorsteht, als in seinem Zentrum, wobei das vorstehende Ende bevorzugt einen bogenförmigen Verlauf (52) besitzt.
8. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Strömungselement ein plattenförmiges Einlegeteil (42) vorgesehen ist, das an der Seitenwand eines der Kanalabschnitte gehalten ist und mit seinem freien Ende eine Abrisskante (44) für die Luftströmung bildet .
9. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil aus Metall hergestellt ist.
10. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlegeteil die Sensoreinheit hält.
11. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (46) eine gegenüber der Strömungsrichtung im ersten Kanalabschnitt geneigte Anströmfläche besitzt, die unter einem spitzen Win- kel auf eine stromabwärts liegende Wand des Strömungselements trifft und eine Abrisskante (50) für die Luftströmung bildet.
12. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (46) stangenförmig mit einer dreieckigen Kontur in Querschnitt ausgebildet ist.
13. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement aus einem Kunststoff- material hergestellt ist.
14. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Strömungselement in dem Umlenkbereich bündig mit der Seitenwand des stromabwärts liegenden Kanalabschnitts abschließt.
15. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement durch eine in den Umlenkbereich vorstehende Ausformung (48) der Kanalwandung gebildet ist.
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