DE10316450A1 - Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einer Leitung strömenden Mediums - Google Patents
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einer Leitung in einer Hauptströmungsrichtung strömenden Mediums, welche ein Teil aufweist, das mit einer vorgebbaren Ausrichtung in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung in die Leitung derart einbringbar ist, dass ein Teilstrom des in der Leitung strömenden Mediums in einen Eingangsbereich einer in dem Teil ausgebildeten Kanalstruktur gelangt, wobei von dem Eingangsbereich ein mit einem Messelement zur Bestimmung des wenigstens einen Parameters versehener Messkanal abzweigt und der Eingangsbereich eine von dem Messkanal getrennte Ausscheidungszone mit wenigstens einer Ausscheidungsöffnung aufweist, welche Ausscheidungsöffnung sich an einer im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Seitenwand des Teils in die Leitung hinein öffnet, weist das Teil vorteilhaft wenigstens einen in Richtung der Hauptströmungsrichtung, stromabwärts hinter der wenigstens einen Ausscheidungsöffnung angeordneten und von der mit der Ausscheidungsöffnung versehenen Seitenwand abstehenden Windschild auf.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einer Leitung strömenden Mediums mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.
- Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 101 35 142 A1 bekannt und wird beispielsweise im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eingesetzt, um den der Brennkraftmaschine durch eine Leitung zugeführten Luftmassenstrom zu bestimmen. Die bekannte Vorrichtung weist eine Kanalstruktur mit einem Einlassbereich auf, von dem ein mit dem Messelement versehener Messkanal abzweigt. Der Einlassbereich weist eine Ausscheidungszone mit wenigstens einer Ausscheidungsöffnung auf, die sich an einer Seitenwand des in die Leitung eingeführten Teils der Vorrichtung befindet. Die Ausscheidungszone dient zur Ausscheidung von Flüssigkeits- und/oder Festkörperpartikeln aus der Kanalstruktur, die so davon abgehalten werden, in den mit dem Messelement versehenen Messkanal einzudringen und das Messelement zu verunreinigen. - Die Kanten, welche durch die der Hauptströmungsrichtung zugewandte Stirnseite und die Seitenwände des in die Leitung eingeführten Teils der Vorrichtung gebildet werden, sind als Anströmkanten anzusehen, an denen sich beim Einsatz der Vorrichtung in der durchströmten Leitung große Gebiete abgelöster Strömung ausbilden, die einerseits große Druckverluste und andererseits ein nicht beabsichtigtes Pulsieren der Strömung bewirken können, infolgedessen Druckschwankungen von der Ausscheidungsöffnung aus durch die Ausscheidungszone auf den Einlassbereich und von dort aus auch auf den von dem Einlassbereich abzweigenden Messkanal übertragen werden. Durch die Druckschwankungen im Messkanal kann das Ausgangssignal des Messelementes erheblich verfälscht werden.
- Vorteile der Erfindung
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einer Leitung strömenden Mediums mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass bei weitgehender Beibehaltung des konstruktiven Aufbaus der bekannten Vorrichtung und damit bei Beibehaltung der Robustheit und Unempfindlichkeit gegen Staub und Wasser durch eine relativ einfache und kostengünstige Maßnahme erreicht wird, dass Einflüsse der pulsierenden Strömung vom Messelement ferngehalten werden. Vorteilhaft kann dadurch die Qualität und Reproduzierbarkeit des Messsignals deutlich verbessert werden. Dabei wird durch wenigstens einen in Richtung der Hauptströmungsrichtung, stromabwärts hinter der wenigstens einen Ausscheidungsöffnung angeordneten und von der mit der Ausscheidungsöffnung versehenen Seitenwand abstehenden Windschild vorteilhaft erreicht, dass die Strömung an der Seitenwand beschleunigt wird und sich die Strömung in der Nähe der Ausscheidungsöffnung stärker an die Seitenwand annähert, wodurch Druckschwankungen reduziert werden, die sich ansonsten durch die Ausscheidungsöffnung auf das Messelement übertragen könnten.
- Vorteilhafte Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
- Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Windschild in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung und parallel zur Seitenwand des Teils eine Längsausdehnung besitzt, die einem Vielfachen des Durchmessers der Ausscheidungsöffnung entspricht und die sich optimaler Weise in dieser Richtung in etwa über die gesamte Länge des mit der Kanalstruktur versehene Teils erstreckt.
- Als vorteilhaft haben sich Windschilde erwiesen, bei denen der Windschild eine der Hauptströmungsrichtung zugewandte ebene Fläche aufweist, die mit der mit der Ausscheidungsöffnung versehenen Seitenwand einen Winkel bildet, der größer oder gleich 90° und kleiner als 160° ist. Der Abstand des von der Seitenwand abstehenden Endes des Windschildes von der mit der Ausscheidungsöffnung versehenen Seitenwand beträgt vorteilhaft etwa 0,5 bis 5 Millimeter.
- Bei einem besonders vorteilhaft Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Windschild Aussparungen aufweist, die kerbenartig in den Windschild eingebracht sind. Vorteilhaft wird der Windschild durch eine kammartige Struktur aus nebeneinander aufgereihten Zacken gebildet. Beim Einsatz der Vorrichtung in einer durchströmten Leitung entwickeln sich ausgehend von den Kerben starke Längswirbel. Die Längswirbel bewirken einen Impulsaustausch zwischen dem langsamen Mediumstrom im Totwassergebiet und dem schnellen Mediumstrom außerhalb des Totwassergebietes, wodurch das Totwassergebiet vorteilhaft verkleinert wird und die Strömung in diesem Bereich stabilisiert wird.
- Zeichnungen
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
-
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Einbaulage an einer Leitung, -
2 eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Windschild und eine Darstellung der Strömungsverhältnisse in der Leitung, -
3a ,3b ,3c weitere Ausführungsbeispiele für den Windschild, -
4 eine vergrößerte Detailansicht aus2 , -
5 eine vergrößerte für ein weiteres Ausführungsbeispiel - und
6 eine Draufsicht auf die Stirnseite der Vorrichtung mit einem Windschild wie in5 dargestellt. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt eine Leitung3 in der ein Medium in einer Hauptströmungsrichtung strömt. Die Hauptströmungsrichtung ist durch einen entsprechende Pfeil18 in1 gekennzeichnet und verläuft dort von rechts nach links. Die Hauptströmungsrichtung ist dabei definiert als die Richtung, in welche das Medium in der Leitung ausgehend vom Eingang der Leitung bis zum Ausgang der Leitung in der Hauptsache in dieser Richtung durch die Leitung strömt, auch wenn lokale Wirbelbildungen und lokal vorhandene Ablösegebiete der Strömung eine lokalen Abweichung der Strömung von der Hauptströmungsrichtung aufweisen. Die Leitung kann beispielsweise ein Saugrohr einer Brennkraftmaschine sein. Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um die in dem Saugrohr strömende Luft. - Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
1 ist an der Leitung3 derart angeordnet, dass ein Teil6 der Vorrichtung in die Lei tung3 fingerartig hineinragt und dem dort strömenden Medium mit einer vorbestimmten Ausrichtung ausgesetzt ist. Beim Einbau des Teils6 in die Leitung3 ist sichergestellt, dass das Teil6 in bezug auf die Hauptströmungsrichtung18 des Mediums eine vorbestimmte Ausrichtung aufweist. Die Vorrichtung1 zur Bestimmung zumindest eines Parameters des Mediums umfasst außer dem als Messgehäuse ausgebildeten Teil6 noch ein nicht näher dargestelltes Trägerteil mit einem elektrischen Anschluss, in welchem Trägerteil z.B. eine Auswerteelektronik untergebracht sein kann. Die Vorrichtung1 kann beispielsweise mit dem Teil6 durch eine Einstecköffnung einer Wandung15 der Leitung3 eingeführt werden, welche Wandung15 einen Strömungsquerschnitt der Leitung3 begrenzt. Die Auswerteelektronik kann innerhalb und/oder außerhalb des Strömungsquerschnitts der Leitung3 angeordnet werden. - Beispielsweise wird in der Vorrichtung
1 ein Messelement9 auf einem Messelementträger10 verwendet, dessen Messdaten mit der Auswerteelektronik ausgewertet werden können. Mittels des Messelementes9 wird beispielsweise als Parameter der Volumenstrom oder der Massenstrom des strömenden Mediums, insbesondere der Luftmassenstrom bestimmt. Weitere Parameter, die gemessen werden können, sind beispielsweise Druck, Temperatur, Konzentration eines Mediumbestandteils oder Strömungsgeschwindigkeit, die mittels geeigneter Sensorelemente bestimmt werden. - Das Teil
6 hat ein Gehäuse mit einer beispielsweise quaderförmigen Struktur mit einer in der Einbauposition der Hauptströmungsrichtung18 des Mediums zugewandten Stirnwand13 und einer davon abgewandten Rückwand14 , einer ersten Seitenwand17 und einer dazu parallelen zweiten Seitenwand18 (2 ) und einer beispielsweise parallel zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden, an dem in die Leitung eingeführten Ende angeordneten dritten Wand19 . Weiterhin weist das Teil6 eine darin angeordnete Kanalstruktur mit einem Eingangsbereich27 und einem von dem Eingangsbereich27 abzweigenden Messkanal40 auf. Durch die Anordnung der Vorrichtung1 relativ zur Leitung3 ist gewährleistet, dass das in der Hauptströmungsrichtung18 strömende Medium in einer vorbestimmten Richtung auf das Teil6 trifft und ein Teilstrom des Mediums in dieser Richtung durch eine Öffnung21 an der Stirnseite13 in den Eingangsbereich27 der Kanalstruktur gelangt. Die Öffnung21 kann beispielsweise senkrecht zur Hauptströmungsrichtung18 ausgerichtet sein, aber auch eine andere Orientierung der Öffnung21 zur Hauptströmungsrichtung18 ist denkbar. Eine Ablenkwand26 ist in der Öffnung21 angeordnet. Von dem Eingangsbereich27 aus gelangt das Medium teilweise in den mit dem Messelement9 versehenen Messkanal30 und teilweise strömt es weiter in eine hinter der Abzweigungsstelle für den Messkanal liegende Ausscheidungszone28 , welche sich über wenigstens eine in der ersten Seitenwand17 und/oder der zweiten Seitenwand18 und/oder der Wand19 angeordneten Ausscheidungsöffnung33 in die Leitung3 öffnet. Die Hauptströmungsrichtung18 verläuft bei dem in1 gezeigten Ausführungsbeispiel in einer Ebene, in der auch die Ausscheidungsöffnung33 angeordnet ist. Ein erster Teilstrom des in den Eingangsbereich27 eingetreten Mediums strömt vollständig in den Messkanal30 und verlässt diesen durch den Ausgang49 an der Wand19 des Teils6 , während ein zweiter Teilstrom vollständig durch die eine Ausscheidungsöffnung33 in die Leitung3 zurückströmt. In dem strömenden Medium sind beispielsweise Flüssigkeits- und/oder Festkörperpartikel vorhanden, wie Öl- oder Wasserpartikel, die das Messelement9 verschmutzen oder beschädigen können. Durch die Ausscheidungsöffnung33 und den geometrischen Aufbau der Kanalstruktur im Eingangsbereich wird erreicht, dass die Flüssigkeits- und Festkörperpartikel nicht in den Messkanal gelangen, sondern wieder in die Leitung3 zurückströmen. Die genaue Wirkungsweise der Ausscheidungszone ist beispielsweise in derDE 101 35 142 A1 beschrieben. -
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Teil6 . Dargestellt ist die Hauptströmungsrichtung18 und die lokalen Strömungsverhältnisse des Mediums in der Umgebung des Teils3 . Dargestellt sind Strömunglinien60 des Mediumstromes in der Nähe des Teils6 . In der Querschnittsdarstellung der2 ist erkennbar, dass das Teil6 einen in Richtung der Hauptströmungsrichtung18 , stromabwärts hinter der wenigstens einen Ausscheidungsöffnung33 angeordneten und von der mit der Ausscheidungsöffnung versehenen Seitenwand16 abstehenden Windschild50 aufweist. Der Windschild ist so an dem Teil6 angeordnet, dass die in2 dargestellte Schnittebene sowohl die Ausscheidungsöffnung als auch den Windschild schneidet. Eine vergrößerte Detaildarstellung ist in4 gezeigt. Der als Windleitblech ausgebildete Windschild ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Endabschnitt52 an der von der Hauptströmung abgewandten Rückwand14 des Teils6 befestigt. Ein zweiter Endabschnitt55 ragt über die Seitenwand16 hinaus in die Strömung. Der Abstand h des von der Seitenwand16 abstehenden Endes56 des Windschildes50 von der mit der Ausscheidungsöffnung33 versehenen Seitenwand16 beträgt etwa 0,5 bis 5 Millimeter. Der Abstand h wird definiert durch die kürzeste Entfernung des abstehenden Endes56 des Windschildes50 vom Lotfußpunkt57 der in4 gestrichelt gezeichneten Abstandslinie auf einer durch die Seitenwand16 verlaufenden Ebene. Der von der Seitenwand16 in die Strömung abstehende Endabschnitt55 weist eine der Hauptströmungsrichtung18 zugewandte ebene Fläche51 auf. Die ebene Fläche51 bildet mit der mit der Ausscheidungsöffnung33 versehenen Seitenwand16 einen stumpfen Winkel α, der größer oder gleich 90° und kleiner als 160° ist. In2 und4 ist die Längsausdehnung des Windschildes50 nicht zu erkennen. Dies ist jedoch für ein weiter unten dargestelltes zweites Ausführungsbeispiel in6 gezeigt. Auch bei dem in2 und4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Windschild50 in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung18 und parallel zur Seitenwand16 mit einer Längsausdehnung L, die einem Vielfachen des Durchmessers der Ausscheidungsöffnung33 entspricht und die sich vorzugsweise in dieser Richtung in etwa über die gesamte Länge des mit der Kanalstruktur versehenen Teils6 erstreckt. Der Windschild50 kann aber auch kürzer sein. - Im folgenden wird die Funktionswiese des Windschildes erläutert. In
2 sind die Strömungslinien des Mediumstromes in der Leitung3 in der Umgebung des Teils6 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Strömung auf die Stirnwand13 des Teils6 auftrifft und dass sich an den durch die Stirnwand13 und die beiden voneinander abgewandten Seitenwände16 und17 gebildeten Kanten Ablösegebiete bilden, welche durch die gestrichelten Linien61 und62 dargestellt sind. An der nicht mit dem Windschild50 versehenen Seitenwand17 kann sich die Strömung (Linie62 ) je nach Strömungsgeschwindigkeit sehr stark von der Seitenwand ablösen und sich nicht wieder anlegen. In den Ablösegebieten ist die Strömung nicht stationär, sondern pulsiert und erzeugt Druckschwankungen, was durch die Wirbel63 in2 angedeutet ist. Wie nun weiterhin zu erkennen ist, bewirkt der Windschild50 an der anderen Seitenwand16 ein verändertes Strömungsverhalten. Das modifizierte, kleinere Totwassergebiet ist dargestellt durch die gestrichelte Linie61 . Durch den Windschild50 am stromabwärtigen Ende der Seitenwand16 wird die Strömung in der Nähe der Seitenwand16 beschleunigt und legt sich im Bereich der Ausscheidungsöffnung33 wieder an die Seitenwand an. Dadurch werden Druckschwankungen im Ablösegebiet nicht durch die Ausscheidungsöffnung33 auf die Kanalstruktur im Inneren des Teils6 übertragen. - Für den Windschild sind verschiedene Ausführungsbeispiele möglich.
3a zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Windschild30 , der senkrecht von der Seitenwand16 absteht.3a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Windschild durch einen Vorsprung an der Seitenwand16 ausgebildet wird, der vorzugsweise einstöckig mit dem Teil6 ausgebildet ist und nicht notwendiger Weise am stromabwärtigen Ende der Seitenwand16 angeordnet sein muss.3c zeigt einen Windschild mit einer der Hauptströmungsrichtung zugewandten gekrümmten und daher nicht ebenen Fläche. Natürlich sind weitere Ausführungsformen des Windschildes denkbar, die hier nicht dargestellt sind. Wichtig ist, dass der Windschild stromabwärts der Ausscheidungsöffnung von der Seitenwand in die Strömung absteht. Insbesondere können bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Ausscheidungsöffnungen an den beiden voneinander abgewandten Seitenwänden16 ,17 vorgesehen sind, auch zwei Windschilde von den beiden Seitenwänden abstehen. Falls die Ausscheidungsöffnung an der unteren Seitenwand19 angeordnet ist kann der Windschild auch stromabwärts der Ausscheidungsöffnung von der unteren Seitenwand19 des Teils6 abstehen. - Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in
5 und6 dargestellt, welche eine Weiterentwicklung des in2 dargestellten Windschildes zeigt. Durch den Windschild in2 wird die Strömung in stromabwärtiger Richtung gesehen hinter dem Teil6 relativ stark abgelenkt, so dass hinter dem Teil6 ein großes Totwassergebiet entsteht, in dem die Strömung pulsiert und Druckschwankungen vorherrschen. Unter Totwassergebiet ist das Strömungsgebiet in Hauptströmungsrichtung hinter der Ablöselinie zu verstehen, in dem neben einer stark verzögerten Grundströmung eine wirbelige Strömungsform vorhanden ist. - Um zu verhindern, dass sich Druckschwankungen des Totwassergebietes wohlmöglich doch bis zur Ausscheidungsöffnung
33 fortpflanzen, ist es vorteilhaft, den Windschild mit Aussparungen53 zu versehen, wie dies in6 dargestellt ist. Die Aussparungen53 können kerbenartig in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen in den Windschild50 eingebracht sein. Der in6 dargestellte Windschild weist mehrere V- förmige Kerben auf, so dass der Windschild50 durch eine kammartige Struktur aus nebeneinander aufgereihten Zacken54 gebildet wird, wobei die Breite eines Zackens größer als der durch die Kerben53 gebildete Abstand zweier benachbarter Zacken ist. Wie in der vergrößerten Detailansicht von5 dargestellt ist, entwickeln sich ausgehend von den Kerben53 starke Längewirbel70 , deren Achse in der Hauptströmungsrichtung18 verlaufen. Die Längswirbel bewirken einen Impulsaustausch zwischen dem langsamen Mediumstrom im Totwassergebiet und dem schnellen Mediumstrom außerhalb des Totwassergebietes, wodurch das Totwassergebiet vorteilhaft verkleinert wird und die Strömung in diesem Bereich stabilisiert wird. Eine Übertragung von Druckschwankungen auf die Ausscheidungsöffnung wird so noch zuverlässiger vermieden.
Claims (9)
- Vorrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines in einer Leitung (
3 ) in einer Hauptströmungsrichtung (18 ) strömenden Mediums, insbesondere zur Bestimmung des Luftmassenstromes im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, mit einem Teil (6 ), das mit einer vorgebbaren Ausrichtung in bezug auf die Hauptströmungsrichtung (18 ) in die Leitung (3 ) derart einbringbar ist, dass ein Teilstrom des in der Leitung strömenden Mediums in einen Eingangsbereich (27 ) einer in dem Teil ausgebildeten Kanalstruktur gelangt, wobei von dem Eingangsbereich (27 ) ein mit einem Messelement (9 ) zur Bestimmung des wenigstens einen Parameters versehener Messkanal (40 ) abzweigt und der Eingangsbereich (27 ) eine von dem Messkanal getrennte Ausscheidungszone (28 ) mit wenigstens einer Ausscheidungsöffnung (33 ) aufweist, welche Ausscheidungsöffnung sich an einer im wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung (18 ) verlaufenden Seitenwand (16 ) des Teils in die Leitung hinein öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil (6 ) wenigstens einen in Richtung der Hauptströmungsrichtung, stromabwärts hinter der wenigstens einen Ausscheidungsöffnung (33 ) angeordneten und von der mit der Ausscheidungsöffnung versehenen Seitenwand (16 ) abstehenden Windschild (50 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Windschild (
50 ) in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (18 ) und parallel zur Seitenwand (16 ) des Teils eine Längsausdehnung (L) besitzt, die einem Vielfachen des Durchmessers der Ausscheidungsöffnung (33 ) entspricht und die sich vorzugsweise in dieser Richtung in etwa über die gesamte Länge des mit der Kanalstruktur versehenen Teils (6 ) erstreckt. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Windschild (
50 ) eine der Hauptströmungsrichtung zugewandte ebene Fläche (51 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene Fläche (
51 ) mit der mit der Ausscheidungsöffnung (33 ) versehenen Seitenwand (16 ) einen Winkel (α) bildet, der größer oder gleich 90° und kleiner als 160° ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (h) des von der Seitenwand (
16 ) abstehenden Endes des Windschildes (50 ) von der mit der Ausscheidungsöffnung (33 ) versehenen Seitenwand (16 ) etwa 0,5 bis 5 Millimeter beträgt. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Windschild (
50 ) mit Aussparungen (53 ) versehen ist. - Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (
53 ) kerbenartig in den Windschild (50 ) eingebracht sind. - Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Windschild (
50 ) eine kammartige Struktur aus nebeneinander aufgereihten Zacken (54 ) aufweist, wobei die Breite eines Zackens größer als der Abstand zweier benachbarter Zacken ist. - Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Windschild (
51 ) an dem in Hauptströmungsrichtung (18 ) gesehen, stromabwärtigen Ende der Seitenwand (16 ) angeordnet ist.
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