DE10144327C1 - Luftmassendurchflussmesser mit Strömungselementen - Google Patents

Abstract

Der in den Ansaugkanal eingesteckte Luftmassendurchflussmesser wird von der angesaugten Luft umströmt. Für eine genaue Messung der angesaugten Luftmasse sind konstante Strömungsverhältnisse im Bereich der Einlass-und Auslassöffnung erforderlich. Hierzu werden mindestens zwei Strömungselemente im Bereich der Einlassöffnung vorgesehen, von denen jeweils eines auf jeder Seite der Einlassöffnung vorgesehen ist und seitlich von dem Einsteckbereich jeweils einen Strömungskanal bildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftmassendurchflussmesser zur Messung einer von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luft­ masse, mit einem Einsteckbereich, der eine Einlassöffnung für einen angesaugten Luftstrom und eine Auslassöffnung für den Luftstrom besitzt.

Der Strom tritt durch die Einlassöffnung in den Luftmassen­ durchflussmesser ein, wird an einer Messeinrichtung vorbeige­ führt und tritt durch die Auslassöffnung wieder aus. Der Ein­ steckbereich des Luftmassendurchflussmessers wird dabei von der nicht durch den Luftmassendurchflussmesser geleiteten Luftmasse umströmt.

Luftmassendurchflussmesser im Ansaug- bzw. Ladetrakt der Brennkraftmaschine sind bekannt. Sie dienen dazu, den Massen­ durchfluss der Ansaug-/Ladeluft für eine Motorsteuerung zu messen, da es bei dem chemischen Vorgang der Verbrennung in dem Zylinder auf die Massenverhältnisse ankommt.

Aus DE 195 47 915 ist ein Einsteck-Luftmassensensor bekannt, dessen Messkanal mit seiner Hauptaufnahmerichtung gegenüber der Strömungsrichtung um einen kleinen Winkel gedreht ist. Gegenüber der parallelen Einbaulage des Messkanals besitzt der gedrehte Einbau den Vorteil, dass die aufgrund von Ein­ bautoleranz sich ergebenen Streuungen der Kennlinien deutlich reduziert sind.

Aus DE 196 23 334 A1 ist ein Einsteck-Luftmassensensor be­ kannt, bei dem der Messkanal in einem Umlenkbereich mit einer gegenüber der Strömungsrichtung geneigten Randfläche versehen ist, die Strömungsschwankungen im Messkanal unterdrücken soll.

Aus EP 0 908 704 A1 ist ein Luftmassensensor bekannt, der thermisch den Luftstrom misst. Der Luftmassensensor wird mit seinem Einsteckbereich in einem Ansaugtrakt zu der Brenn­ kraftmaschine angeordnet. Ein Teil der Luft tritt in den Ein­ steckbereich ein und wird an einer Messeinrichtung vorbeige­ führt, bevor er wieder austritt. Der bekannte Luftmassensen­ sor besitzt eine kreisförmige Öffnung, die nach Art einer Venturidüse wirkt. Senkrecht zu der Hauptluftströmung der an­ gesaugten Luftmasse wird über einen aufsteigenden und einen fallenden Luftkanal ein Luftstrom als Teil der Hauptluftströ­ mung an einer Messeinrichtung vorbeigeführt.

Bei dem aus EP 0 908 704 A1 bekannten Luftmassensensor sowie weiteren Luftmassendurchflusssensoren treten Schwierigkeiten mit der den Einsteckbereich umströmenden Luftmasse auf. Ins­ besondere in dem stromabwärts liegenden Bereich des Luftmas­ sensensors kommt es zu Verwirbelungen. Die Verwirbelungen führen zu einer zeitlich nicht konstanten Strömung im Bereich Ein- und Auslassöffnung, wodurch Schwankungen in dem durch den Einsteckbereich geleiteten Luftstrom auftreten. Erhöht o­ der vermindert sich die durch den Einsteckbereich strömende Luft aufgrund von Wirbelfeldern stromabwärts des Einsteckbe­ reichs, werden die gefühlten Werte für die angesaugte Luft­ masse verfälscht. Als besonders problematisch erweist sich der Umschlag der Strömung von laminar nach turbulent. In dem Umschlaggebiet ist die Strömung und der Druck nicht konstant, und die Messergebnisse können verfälscht werden. Ein weiteres Problem liegt in der Bildung von Karman-Wirbeln, die mit al­ ternierender Drehrichtung ebenfalls zu einem zeitlich nicht konstanten Strömungsfeld stromabwärts von der Auslassöffnung führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Luftmassen­ durchflussmesser bereitzustellen, der mit einfachen Mitteln, eine Störung der Messwerte verhindert.

Die Aufgabe wird durch einen Luftmassendurchflussmesser mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.

Der Luftmassendurchflussmesser besitzt einen Einsteckbereich, der eine Einlassöffnung für einen angesaugten Luftstrom und eine Auslassöffnung für den Luftstrom besitzt. Erfindungsge­ mäss sind mindestens zwei Strömungselemente im Bereich der Einlassöffnung vorgesehen, von denen jeweils mindestens eins auf jeder Seite der Einlassöffnung vorgesehen ist. Bezogen auf die Einlassöffnung des Einsteckbereichs ist also jeweils mindestens ein Strömungselement in Strömungsrichtung seitlich von der Einlassöffnung vorgesehen. Das Strömungselement wirkt mit der angesaugten Luftströmung zusammen derart, dass die seitlich um den Luftbereich strömende Luft in ihrem Strö­ mungsverhalten stabilisiert wird. Die Stabilisierung der Strömung heißt, dass eine im Wesentlichen stets gleiche Strö­ mung stromabwärts der Strömungselemente vorliegt, so dass ei­ ne Störung der Messsignale unterbleibt. Hierzu sind die Strö­ mungselemente so ausgerichtet, dass sie einen seitlichen Strömungskanal für die vorbestimmte Luft bilden. Die Strö­ mungskanäle werden durch die Strömungselemente und den Ein­ steckbereich begrenzt. Die Strömungskanäle bewirken einen schnelleren Aufbau der Strömungsverhältnisse. Dies ist insbe­ sondere bei Pulsationswellen von besonderem Vorteil, da nach einem Richtungswechsel der Strömung diese sich besonders schnell stabilisieren. Bevorzugt werden die seitlichen Strö­ mungen beschleunigt aufeinander zugeführt. Ferner erreichen die seitlich angeordneten Strömungselemente, dass weitgehend unabhängig von der mittleren Strömungsgeschwindigkeit ein de­ finierter Umschlagspunkt von laminarer in turbulente Strömung vorliegt. Als eine weitere Wirkung hat sich herausgestellt, dass ebenfalls in einem gewissen Bereich eine Richtungsunab­ hängigkeit für die Strömung erzielt wird. Ein Anströmen der Einlassöffnung aus unterschiedlichen Richtungen führt nicht zu unterschiedlichen Messergebnisses, da die Strömung im Be­ reich der Einlassöffnung stabilisiert wird.

Bevorzugt handelt es sich bei den Strömungselementen um im wesentlichen plattenförmige Flügelelemente(vgl. Anspruch 2). Die Flügelelemente besitzen eine Flachseite, die von der an­ gesaugten Luft in der Hauptströmung umspült wird. Das Flügel­ element besitzt einerseits eine richtende Wirkung, indem es die Luftströmung umlenkt. Andererseits besitzt das Strömungs­ element auch unmittelbar eine stabilisierende Wirkung, indem es aufgrund der Reibung der vorbeiströmenden Luft an den Sei­ tenflächen die Luftströmung homogenisiert.

Um eine besonders wirkungsvolle Ausrichtung der Luftströmung mit den Flügelelementen zu erzielen, ist eine entgegen der Hauptströmungsrichtung weisende Kante von jedem Flügelelement stromaufwärts von der Einlassöffnung angeordnet (vgl. An­ spruch 2). Das Flügelelement besitzt mithin bereits eine richtende Wirkung auf die Luftströmung bevor diese in die Einlassöffnung eintritt. Die stromaufwärts weisenden Kanten der Flügelelemente können beispielsweise abgerundet sein.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Luftmassen­ durchflussmessers sind genau zwei Flügelelemente seitlich zu der Einlassöffnung angeordnet (vgl. Anspruch 4). Die Flügel­ elemente sind hierbei bevorzugt symmetrisch zur Hauptströ­ mungsrichtung ausgebildet, dies insbesondere wenn auch der Einsteckbereich symmetrisch mit Bezug auf die Hauptströmungs­ richtung ausgebildet ist (vgl. Anspruch 5).

Bevorzugt sind die Flügelelemente an dem Einsteckbereich gehalten (vgl. Anspruch 6), so dass diese bereits vor der Montage relativ zu dem Einsteckbereich ausgerichtet werden können. Der Einbau der Flügelelemente erfolgt dann gemeinsam mit dem Einbau des Luftmassendurchflussmessers.

Bevorzugt ist jedes Flügelelement so mit dem Einsteckbereich ausgerichtet, dass jeweils ein Durchgangskanal durch eine Au­ ßenwand des Einsteckbereichs und eine Flächenseite des Flü­ gelelements definiert ist (vgl. Anspruch 7). Dieser Strö­ mungskanal verjüngt sich bevorzugt stromabwärts (vgl. An­ spruch 8). Die an dem Einsteckbereich vorbeiströmende Luft wird also seitlich jeweils durch einen Durchgangskanal gelei­ tet, an dessen durch die Außenwand des Einsteckbereichs und einer Seitenfläche des Flügelelements gebildeten Innenwandung die Luft entlang strömt. Durch die Verjüngung des Quer­ schnitts im Strömungskanal wird eine Erhöhung der Strömungs­ geschwindigkeit erzielt. Der Strömungskanal kann in seinem zu den Seiten benachbarten Wänden offen sein, so dass der Strö­ mungskanal beispielsweise nur an drei Seiten geschlossen ist.

Bevorzugt erstrecken sich die Flügelelemente mit ihrer von der Strömungsrichtung abgewandten Kante nicht über ein Ein­ steckbereich hinaus. In einer bevorzugten Ausgestaltung wei­ sen die Flügelelemente eine im wesentlichen rechteckige Form auf, wobei die Längsseite des Rechtecks in Längsrichtung des Einsteckbereichs verläuft. Die Flügelelemente können in Ein­ steckrichtung entweder oberhalb oder auf Höhe der Einlassöff­ nung oder weiter unterhalb gehalten sein (vgl. Anspruch 9 bzw. 10).

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Luftmassen­ durchflussmessers wird nachfolgend anhand der Zeichnungen nä­ her beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Luftmassendurchflussmesser mit einem Flügel­ element in der Seitenansicht,

Fig. 2 eine Ansicht auf den Einsteckbereich des Luftmas­ sendurchflusssensors aus Fig. 1 in Einsteckrichtung von unten,

Fig. 3 eine schematische Ansicht des Luftmassendurchfluss­ sensors in Strömungsrichtung von vorne und

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines Luftmassendurch­ flussmessers in Strömungsrichtung von vorne.

Fig. 1 zeigt einen Luftmassendurchflussmesser 10 in einer schematischen Ansicht von der Seite. Der Luftmassendurch­ flusssensor 10 wird mit seinem Bereich 12 in einem Ansaugka­ nal angeordnet. Die angesaugte Luft tritt über die Einlass­ öffnung 14 in den Einsteckbereich ein. In diesem (nicht dar­ gestellt) wird die eingetretene Luft an der Messeinrichtung vorbeigeleitet, die beispielsweise nach der Methode der Kon­ stanttemperatur-Heißfilmanemometrie die Menge der vorbeiströ­ menden Luft erfasst. An der Öffnung 16 tritt der Luftstrom wieder aus. Der ausgetretene Luftstrom vereinigt sich mit dem Hauptluftstrom der angesaugten Luft. Der durch den Einsteck­ bereich 12 strömende Luftstrom hängt nicht nur von der insge­ samt angesaugten Luftmasse ab, sondern ganz wesentlich auch von deren Druck- und Strömungsverhältnissen im Bereich der Einlassöffnung 14 und der Auslassöffnung 16.

Flügelelemente 18 sind im Bezug auf die Hauptströmungsrich­ tung A seitlich angeordnet. In Fig. 1 dargestellt ist ein Flügelelement 18, das im wesentlichen die Form eines längli­ chen Rechtecks besitzt und entgegen der Strömungsrichtung A 5 über den Einsteckbereich 12 hinaussteht. Das Flügelelement 18 endet in Einsteckrichtung zwischen der Einlassöffnung 14 und dem freien Ende des Einsteckbereichs. In Strömungsrichtung A erstreckt sich das Flügelelement bis vor die Hälfte des Ein­ steckbereichs. Das Flügelelement 18 begrenzt jeweils einen seitlichen Strömungskanal 19.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht von unten auf die Austrittsöffnung von 16 sowie die Einlassöffnung 14 in dem Einsteckbereich 12. Deutlich sichtbar ist, dass die Flügel­ elemente 18 als plattenförmige Elemente seitlich von dem Ein­ steckbereich 12 angeordnet und symmetrisch im Bezug auf die Hauptströmungsrichtung A ausgerichtet sind. Es ist ebenfalls denkbar, dass die Flügelelemente 18 nicht ebene Flächen be­ sitzen, sondern eine Krümmung aufweisen.

Fig. 3 zeigt die schematische Ansicht des Luftmassendurch­ flussmessers von vorne. Der Einsteckbereich 12 verjüngt sich zu der Einlassöffnung 14 hin. Die Einlassöffnung besitzt eine viereckige Form. Die Flügelelemente 18 sind mit einem Ab­ schnitt 20 an dem Einsteckbereich 12 gehalten.

Wie in Fig. 2 dargestellt, wird die unmittelbar an dem Ein­ steckbereich 12 vorbeiziehende Strömung durch die Flügelele­ mente auf den Einsteckbereich hin zugelenkt. Der Abstand zwi­ schen Innenwand 22 des Flügelelements 18 und Außenwand 24 des Einsteckbereichs 12 nimmt dabei mit der Strömungsrichtung A ab. Auf diese Weise wird die an dem Einsteckbereich 12 vor­ beifließende Strömung beschleunigt. Durch die Beschleunigung wird erreicht, dass in dem stromabwärts von dem Einsteckbe­ reich liegenden Bereich definierte Strömungsverhältnisse vor allem für den Umschlag von laminarer in turbulente Strömung vorliegen.

In Fig. 4 ist eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Luftmassendurchflussmessers 26 dargestellt. Der Luftmassen­ durchflussmesser 26 besitzt einen Einsteckbereich 28, der im wesentlichen dem Einsteckbereich 12 aus Fig. 3 entspricht. Das freie Ende des Einsteckbereichs 28 besitzt eine Einlass­ öffnung 30. Seitlich von dem Einsteckbereich sind zwei Flü­ gelelemente 32 angeordnet, die einen Strömungskanal 34 für die an dem Einsteckbereich 28 vorbeiströmende Luft bilden. Die Flügelelemente 32 sind an dem in Einsteckrichtung liegen­ den Ende des Einsteckbereichs 28 in einem Bereich 36 gehal­ ten. In dem in Fig. 4 dargestellten Beispiel sind die Strö­ mungselemente 32 in der Ansicht von vorne gebogen darge­ stellt. Alternativ hierzu können die Flügelelemente 32 auch aus geraden Abschnitten bestehen, die gegeneinander geknickt sind.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Einsteckbe­ reich 12 mit einem rechteckigen Querschnitt dargestellt, e­ benso sind Ein- und Auslassöffnung im wesentlichen quadra­ tisch gezeigt. Diese Formen sind keineswegs notwendig, son­ dern lediglich beispielhaft gewählt. So kann der Querschnitt des Einsteckbereichs beispielsweise auch an seiner stromab­ wärts liegenden Seite abgerundet sein, auch können Ein- und Auslassöffnungen in anderen Positionen in dem Einsteckbereich mit einer anderen Form vorgesehen sein.

Claims (10)

1. Luftmassendurchflussmesser (10) zur Messung einer von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse, mit einem Ein­ steckbereich (12), der eine Einlassöffnung (16) für einen an­ gesaugten Luftstrom und eine Auslassöffnung für den Luftstrom besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Strö­ mungselemente (18) im Bereich der Einlassöffnung (14) vorge­ sehen sind, von denen jeweils mindestens eins auf jeder Seite der Einlassöffnung angeordnet ist und seitlich von dem Ein­ steckbereich (12) jeweils einen Strömungskanal (19, 34) be­ grenzt.

2. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass jedes der Strömungselemente als ein im we­ sentlichen plattenförmiges Flügelelement (18) ausgebildet ist.

3. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass jedes Flügelelement mit seiner in Strö­ mungsrichtung (A) weisenden Kante stromaufwärts von der Ein­ lassöffnung (14) liegt.

4. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, dass zwei Flügelelemente vorgesehen sind.

5. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Flügelelemente symmetrisch zur Strö­ mungsrichtung (A) ausgerichtet sind.

6. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelelemente an dem Einsteckbereich gehalten sind.

7. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelelemente mit dem Einsteckbereich jeweils einen Durchgangskanal bilden, der durch die Außenwand (24) des Einsteckbereichs (12) und eine Flachseite (22) des Flügelelements (18) begrenzt ist.

8. Luftmassendurchflussmesser nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Außenwand (24) des Einsteckbereichs und der Flachseite (12) des Flügelele­ ments in dem Durchgangskanal stromabwärts abnimmt.

9. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelelemente in Einsteckrichtung oberhalb von der Einlassöffnung gehalten sind.

10. Luftmassendurchflussmesser nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelelemente in Einsteckrichtung auf Höhe der Einlassöffnungen oder weiter unterhalb gehalten sind.