JP4904024B2 - 導管内を流動する媒体の少なくとも１つのパラメータを測定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、導管内を主流動方向で流動する媒体の少なくとも１つのパラメータを測定する、特に内燃機関の吸気管内の空気質量流量を測定するための装置であって、導管流路を形成する導管部分と、バイパス部分を有するセンサ装置とが設けられており、該バイパス部分が前記導管部分内に以下のように、すなわち、導管部分内を流動する媒体の部分流が、バイパス部分内に形成された通路構造の入口領域内に達するように配置されており、該入口領域が少なくとも１つの排出開口を有しており、該排出開口がバイパス部分の側壁で導管流路に開口している形式のものに関する。

この種の装置は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３５１４２号明細書から公知であり、例えば内燃機関の吸気管内に、内燃機関に導管を通して供給される空気質量流量を測定するために挿入される。センサ装置の、バイパス部分を備えた区分は、差込開口を通して導管部分内に挿入されている。バイパス部分は入口領域を備えた通路構造を有している。入口領域から、測定エレメントを備えた測定通路が分岐している。さらに、入口領域は、少なくとも１つの排出開口を備えた排出ゾーンを有している。排出開口はバイパス部分の少なくとも一方の側壁で導管流路に開口している。排出ゾーンは通路構造から液体粒子および／または固体粒子を排出するために役立つ。このことにより、液体粒子および／または固体粒子が、測定エレメントを備えた測定通路内に進入して、測定エレメントを汚損することが防止される。

導管内に導入されるバイパス部分の、主流動方向に面した前壁と側壁とにより形成される稜は公知の装置では流入縁を形成する。この流入縁において、はく離した流動の領域が発生し、一方では、大きな圧力損失を生ぜしめ、他方では、流動の、意図せざる脈動を生ぜしめることができる。その結果、圧力変動が排出開口を通して、入口領域から分岐した測定通路に伝達されてしまう。測定通路内の圧力変動により、測定エレメントの出力信号に、かなりの誤謬が生じる恐れがある。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３５１４２号明細書

したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の、導管内を流動する媒体の少なくとも１つのパラメータを測定するための装置を改良して、バイパス部分の側壁における流動はく離を回避し、上記公知の装置の欠点を取り除くことである。

上記課題を解決するために本発明の構成では、導管部分内に、主流動方向で見て排出開口の後方に、バイパス部分の、排出開口を備えた側壁に対して少なくともほぼ平行に延びる流動案内壁が配置されており、かつ導管部分の、バイパス部分の領域に、導管部分の内壁からバイパス部分に向かって張り出した少なくとも１つの突出部が設けられているようにした。

主流動方向で見て排出開口の後方に配置された流動案内壁により、バイパス部分の側壁におけるはく離した流動の領域は縮小されることができる。このことは、流動が流動案内壁により主流動方向で見て、排出開口を備えた側壁により早く再付着することに起因する。これにより、排出開口を備えた側壁の領域における圧力損失は減じられ、流動の、望ましくない脈動は回避される。主流動方向での流動案内壁の長手方向長さは過度に短くてはならない。それというのも、さもなければ所望される作用がまったく得られなくなるか、または十分に得られなくなってしまうからである。

ただし、内燃機関の吸気管における導管部分の組み付け条件に依存して、導管部分は幾つかの事例ではより短く構成されねばならず、それゆえ、流動案内壁は相応に短縮されねばならない。相対的に短い流動案内壁によっても、流動の迅速な再付着を達成するために、導管部分には、バイパス部分の領域に、導管部分の内壁からバイパス部分に向かって張り出した少なくとも１つの突出部が設けられている。この突出部により、バイパス部分の領域における流動横断面は狭窄され、流動は加速される。加速された流動はより迅速に側壁および／または流動案内壁に再付着する。これにより、はく離域は有利には縮小されることができる。このようにして、相対的に短い流動案内壁によっても、圧力損失が回避され、測定結果の再現性が向上されることができる。

本発明の有利な構成および改良は、従属請求項に記載された特徴により可能である。

本発明の有利な構成では、突出部が、導管部分の、稜なしに湾曲させられた内壁区分により形成される。突出部は導管部分の製作時に例えば射出成形部分として容易に一体成形されることができる。突出部が不連続部および稜を有していないことにより、突出部に、意図せざる流動はく離域が形成されることが回避される。

流動の加速およびはく離の回避は特に、バイパス部分の側壁に対して垂直な平面内に、第１の曲率半径を有する第１の面区分と、該第１の面区分に接続する、平坦な面として形成されているか、または前記第１の曲率半径よりも大きな第２の曲率半径を有する下流側の第２の面区分とを有する突出部により達成される。これにより、バイパス部分の領域における流動の効果的な流動加速が達成される。

本発明の別の有利な構成では、唯一の流動案内壁が設けられており、該流動案内壁が、導管部分の中心軸線に関して、排出開口を備えた側壁と同じ側に配置されている。これにより、排出開口の後方での、非対称的な構造が生じる。

流動案内壁は主流動方向で見てバイパス部分の背壁の直後に配置されており、かつ空気力学的に有利な輪郭を有していることができる。

さらに、流動案内壁および突出部が、導管部分内に主流動方向で見てバイパス部分の前方に配置された流動誘導部分と組み合わされると有利である。流動誘導部分は、主流動方向に面した少なくとも１つの誘導面を有しており、該誘導面は、バイパス部分から間隔を置いた頂点線を起点として両側で両側壁に向かって均等に、誘導面の、頂点線とは反対側の端部が側壁に整合するように湾曲させられている。バイパス部分の後方の流動案内壁を、バイパス部分の前方の流動誘導部分と突出部とに組み合わせることにより、バイパス部分の、排出開口を備えた側壁における流動はく離は、さらに確実に回避される。

以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。

図１には導管部分３が示されている。導管部分３はほぼ円筒状の外周を備えた壁１５を有している。壁１５は導管流路１２を包囲する。導管流路１２内を、媒体は主流動方向で流動する。導管部分１５は円筒状の内壁５を有している。主流動方向は相応の矢印１８により図１に示されており、そこでは左から右に延びている。主流動方向は、局所的な渦形成および局所的に存在する流動のはく離域が、主流動方向からの流動の局所的なずれを有していたり、一時的な方向転換が発生したりするにしても、媒体が導管部分３の入口を起点としてその出口まで主に導管流路を通流する方向として定義されている。主流動方向はここでは、導管部分３の、円筒状の外周を備えた壁１５の中心軸線４１に対して平行に延びている。導管部分３は例えば内燃機関の吸気管路内に挿入されていることができる。媒体は例えば内燃機関に向かって流動する空気である。

センサ装置１は導管部分３に、センサ装置の、通路構造を備えたバイパス部分６が導管流路１２内にフィンガ状に突入し、そこで流動する媒体に予め決められた方位で曝されているように配置されている。バイパス部分６の、導管部分３内への組み付け時、バイパス部分６が媒体の主流動方向１８に関して予め決められた方位を有していることが保証されている。さらに、センサ装置１は電気的な接続部１１と、この接続部１１に接続された担体部分８のための収容部とを有している。担体部分８には例えば評価エレクトロニクスが配置されている。センサ装置はバイパス部分６でもって、導管部分３の壁１５の、フランジ３１により包囲された差込開口を通して導管流路１２内に導入されることができる。評価エレクトロニクスを備えた担体部分８は導管流路１２の内側かつ／または外側に配置されることができる。

センサ装置１は、測定通路４０内の測定エレメント担体上に配置された測定エレメント９、例えば１つのヒータ抵抗と２つの温度依存性の抵抗とを有するセンサダイヤフラムを備えた薄膜測定エレメントを有している。その測定データは評価エレクトロニクスにより評価されることができる。測定エレメント９により、例えばパラメータとして、流動する媒体の体積流量または質量流量、特に空気質量流量が測定される。測定され得る別のパラメータは例えば圧力、温度、媒体成分の濃度または流速であり、これらのパラメータは適当なセンサエレメントにより測定されることができる。

バイパス部分６は例えば直方体状の構造を有するハウジングを有している。ハウジングは、組み付け位置で媒体の主流動方向１８に面した前壁１３と、前壁１３とは反対側の背壁１４と、第１の側壁１７と、第１の側壁１７に対して平行な第２の側壁１６と、例えば主流動方向に対して平行に延びていて、導管内に導入される端部に配置されている第３の壁１９とを有している。さらに、バイパス部分６は、入口領域２７と、入口領域２７から分岐する測定通路４０とを備えた、その内部に配置された通路構造を有している。主流動方向１８で流動する媒体の部分流は、バイパス部分６の端面、すなわち前壁１３に設けられた開口２１を通して通路構造の入口領域２７内に達する。入口領域２７から、媒体の一部は、測定エレメント９を備えた測定通路４０内に達し、別の一部はさらに、測定通路のための分岐箇所の後方に位置する排出ゾーン２８内に流入する。排出ゾーン２８は、第１の側壁１６および／または第２の側壁１７に配置された少なくとも１つの排出開口３３を介して導管流路１２に開口する。排出開口３３は、図１に示した実施例では、主流動方向１８に対して平行に配置されている。入口領域２７内に進入した媒体の第１の部分流は完全に測定通路４０内に流入し、測定通路４０を、壁１９に設けられた出口３９を通して後にする。第２の部分流は完全に排出開口３３を通して導管部分３に流れ戻る。流動する媒体内には、例えばオイル粒子または水粒子のような液体粒子および／または固体粒子が存在している。これらの粒子は測定エレメント９を汚損または損傷しかねない。排出開口３３と、入口領域における通路構造の幾何学的な構造とにより、液体粒子および固体粒子は測定通路内に達することなく、再び導管流路１２に流れ戻る。

図１〜図３に見て取れるように、導管部分３内には、主流動方向１８で見て有利にはバイパス部分６の背壁１４の直後またはほぼ直後（極めて小さな間隔）に、バイパス部分６の、排出開口３３を備えた側壁１６に対して実質的に平行に延びる流動案内壁４が配置されている。流動案内壁４を図２で見てバイパス部分６の背壁１４の後からではなく、排出開口３３の後から配置することも可能である。流動案内壁４の輪郭は種々異なる形式で構成されることができる。有利なのは、図２に示した空気力学的に有利なフィン状の輪郭である。これに関連して、側壁１６に対して実質的に平行な流動案内壁４が必ずしも２つの平らな外面を有している必要がないことについて言及しておく。外面の輪郭は図２に示されているように軽微に湾曲させられていてもよい。ただし、流動案内壁４の中心線４６が側壁１６に対して平行に延びており、導管部分３の中心軸線４１から間隔ｃを有していることが見て取れる。流動案内壁の中心線は側壁に対して＋／−１５°よりも小さな角度の下で延びていてもよい。それゆえ、側壁に対して少なくともほぼ平行に延びる流動案内壁とは、本願の文脈では、その中心線が図２の断面図で見て側壁１６に対して、ひいては（主流動方向１８が側壁１６に対して平行であるために）主流動方向１８に対して平行か、または１５°よりも小さな角度の下で延びる流動案内壁と解されるべきである。主流動方向１８で見た流動案内壁４の長手方向長さｂは排出開口３３と背壁１４との間の間隔ａに等しいか、またはこれよりも大きい。例えば間隔ａは１０ｍｍであり、長手方向長さｂは２０ｍｍ〜５０ｍｍである。長手方向長さｂは大きければ大きいほどよい。しかしながら、流動案内壁の長手方向長さｂは導管部分３の長さによる制約を受ける。

流動案内壁の、相対的に短い長手方向長さによっても、流動の、迅速な再付着（Ｗｉｄｅｒａｎｌａｇｅｎ）を達成するために、導管部分３には、バイパス部分の領域に、導管部分３の内壁５からバイパス部分６に向かって張り出した少なくとも１つの突出部６０が、図２および図３に示されているような形で設けられている。突出部６０により、流動横断面はバイパス部分６の領域で狭窄され、これにより、流動は加速される。加速された流動はより迅速に流動案内壁４に再付着、すなわち再接触する。これにより、はく離域は有利には縮小されることができる。図２には、破線４７により、突出部が設けられていない場合の、はく離した流動の経過が示されており、実線４５により、相対的に短い流動案内壁（ｂ＝２５ｍｍ）のための突出部６０が設けられている場合の流動の経過が示されている。突出部６０により加速される流動の場合、はく離域は、突出部が設けられていない場合に比べて早く流動案内壁４に付着することが見て取れる。それゆえ、突出部６０により、相対的に短い流動案内壁の使用時にも圧力損失が回避され、かつ測定結果の再現性が向上されることができる。

導管部分３の内壁５は実質的に円筒状に形成されている。突出部６０は、図２に示した実施例では、導管部分３の、稜（エッジ）なしに湾曲させられた内壁区分６５により形成され、有利には導管部分の製作時に同時に一緒に形成されることができる。突出部６０と円筒状の内壁５との間の間隔ｅは例えば５ｍｍであることができる。図２の平面内に、突出部６０は、曲率半径Ｒ１を有する第１の面区分６１と、この第１の面区分６１に接続する、第２の曲率半径Ｒ２を有する下流側の第２の面区分６２とを有している。第１の曲率半径Ｒ１は例えば１９ｍｍであり、第２の曲率半径Ｒ２は例えば８１ｍｍであることができる。図３に示されているように、突出部６０を形成する内壁区分６５は図３の平面内でバイパス部分６の側壁１６に対して平行に延びている。

さらに、図２に見て取れるように、流動案内壁４の中心線４６と導管部分３の中心軸線４１との間の間隔ｃは、バイパス部分６の、排出開口３３を備えた側壁１６と中心軸線４１との間の間隔ｄより大きくてもよい。これにより、ギャップ４２が生じる。ギャップ４２を通して、媒体流４３はバイパス部分６の後方の死水域４４内に達することができる。流動案内壁４と中心軸線４１との間の間隔ｃと、排出開口３３を備えた側壁１６と中心軸線４１との間の間隔ｄとの差は有利には１０ｍｍよりも小さく、有利には５ｍｍよりも小さくかつ１ｍｍよりも大きいように形成されている。ただし、差ｃ−ｄはゼロであってもよい。このことは図４、図５および図６の実施例に示されている。これらの実施例では、流動案内壁４が、排出開口３３を備えた側壁１６と共通の平面内に配置されている。この場合、側壁１６と流動案内壁４との間にギャップが存在しない。ただし、特に有利なのは、図２に示した、ギャップを備えた流動案内壁４の配置である。

図２に見て取れるように、導管部分３の中心軸線４１に関して、排出開口３３を備えた側壁１６と同じ側に配置されている１つの流動案内壁４だけが設けられている。側壁１６，１７に沿って流動する空気は、背壁１４および側壁１７により形成される稜においてはく離する。その結果、図２に示した死水域４４が生じる。側壁１６，１７の領域における圧力関係に対する、死水域内の負圧により、側壁１７に対向して位置する側壁１６で、空気の一部が、流動案内壁４と背壁１４との間に形成されるギャップ４２を通して死水域内に吸い込まれる（符号４３）。これにより、排出開口３３を備えた側壁１６におけるはく離域は有利には縮小する。図４、図５および図６の実施例では、図２に示した実施例の場合ほど強くないにしても、側壁１６におけるはく離域は少なくとも、流動案内壁４への、はく離した流動のより早期の再付着によりやはり縮小される。

さらに、図１および図２に示されているように、すべての実施例で、付加的に１つの流動誘導部分２が導管部分３内に配置されていることができる。流動誘導部分２は主流動方向１８で見てバイパス部分６の直前に配置されている。流動誘導部分２は別個の構成部分として製作されている。ただし、流動誘導部分２はセンサ装置１と一体的に結合されていてもよい。流動誘導部分は、主流動方向１８に面した誘導面２０を有している。図２に最もよく見て取れるように、誘導面２０は、バイパス部分６から主流動方向とは逆向きに張り出した頂点を結ぶ線（頂点線）２５を起点として両側に両側壁１６，１７に向かって均等に、誘導面２０の、頂点線とは反対側の端部３８が側壁１６，１７に整合して形成されているように湾曲させられている（すなわち、端部３８は連続的に、稜を形成することなく側壁１６，１７に移行する。）。ここに示した有利な実施例では、誘導面２０が楕円形に湾曲させられている。さらに、流動誘導部分２は流路開口２６を有している。流路開口２６は通路構造の入口領域２７の開口２１に整合する。その結果、媒体流の部分流は主流動方向１８で流路開口２６と開口２１とを通して入口領域２７内に達する。

さらに、図１および図２に示されているように、乱流を発生させる構造２３が設けられていることができる。乱流を発生させる構造は不連続性および／または非平坦性（例えば小さな段、稜、リブ等）により、流動誘導部分の、均等に湾曲させられた誘導面に、または少なくともその直接的な近傍に形成されることができる。その結果、乱流が流動の境界層に発生する。図１に示した実施例では、乱流を発生させる構造が、誘導面２０に刻み込まれた複数のスリット２３により形成される。スリット２３は、バイパス部分６の側壁１６，１７に対して垂直に、かつ主流動方向１８に対して平行に延びるその都度１つの平面内に配置されている。誘導面２０に衝突する媒体流の一部は誘導面２０に沿って側壁１６，１７に向かって迂回させられ、またその一部はスリット２３内に進入し、スリット２３を主流動方向１８に対して斜行して後にする。これにより、力強い縦渦が発生する。この渦は側壁１６，１７に沿った境界層流内に乱流を発生させる。その結果、境界層はいずれにしても乱れて、はく離しづらくなる。

バイパス部分の前方に配置された流動誘導部分２を、バイパス部分の後方に配置された流動案内壁４と突出部６０とに組み合わせることにより、バイパス部分の、排出開口３３を備えた側壁１６におけるはく離域が特に確実に縮小される。

流動案内壁の外面における流動はく離を回避するために、流動案内壁の、互いに離反した２つの外面に、乱流を発生させる構造が設けられていることができる。この乱流を発生させる構造は例えば、一列の、有利には周期的に一本の線に沿って配置された、流動案内壁４の外面から０．２ｍｍ〜２ｍｍ、有利には約１ｍｍ張り出した突出部により形成される。

本発明による装置の実施例の横断面図である。 図１の横断面図である。 図１に示した実施例の平面図である。 本発明の別の実施例のためのセンサ装置および流動案内壁の横断面図である。 本発明のさらに別の実施例のためのセンサ装置および流動案内壁の横断面図である。 本発明のさらに別の実施例のためのセンサ装置および流動案内壁の横断面図である。

符号の説明

１ センサ装置、 ２ 流動誘導部分、 ３ 導管部分、 ４ 流動案内壁、 ５ 内壁、 ６ バイパス部分、 ８ 担体部分、 ９ 測定エレメント、 １１ 接続部、 １２ 導管流路、 １３ 前壁、 １４ 背壁、 １５ 壁、 １６ 第２の側壁、 １７ 第１の側壁、 １８ 矢印（主流動方向）、 １９ 第３の壁、 ２０ 誘導面、 ２１ 開口、 ２３ 乱流を発生させる構造、 ２５ 頂点線、 ２６ 流路開口、 ２７ 入口領域、 ２８ 排出ゾーン、 ３１ フランジ、 ３３ 排出開口、 ３８ 端部、 ３９ 出口、 ４０ 測定通路、 ４１ 中心軸線、 ４２ ギャップ、 ４３ 媒体流、 ４４ 死水域、 ４５ 線、 ４６ 中心線、 ４７ 線、 ６０ 突出部、 ６１ 第１の面区分、 ６２ 第２の面区分、 ６５ 内壁区分、 ａ 間隔、 ｂ 長手方向長さ、 ｃ 間隔、 ｄ 間隔、 ｅ 間隔、 Ｒ１ 第１の曲率半径、 Ｒ２ 第２の曲率半径

Claims (9)

1. 導管内を主流動方向（１８）で流動する媒体の少なくとも１つのパラメータを測定するための装置であって、導管流路（１２）を形成する導管部分（３）と、バイパス部分（６）を有するセンサ装置（１）とが設けられており、該バイパス部分（６）が前記導管部分（３）内に以下のように、すなわち、導管部分内を流動する媒体の部分流が、バイパス部分内に形成された通路構造の入口領域（２７）内に達するように配置されており、該入口領域（２７）が少なくとも１つの排出開口（３３）を有しており、該排出開口（３３）がバイパス部分（６）の側壁（１６，１７）で導管流路（１２）に開口している形式のものにおいて、導管部分（３）内に、主流動方向（１８）で見て排出開口（３３）の後方に、バイパス部分（６）の、排出開口（３３）を備えた側壁（１６）に対して少なくともほぼ平行に延びる流動案内壁（４）が配置されており、かつ導管部分（３）が、導管流路（１２）に沿って延びる中心軸線（４１）を有しており、流動案内壁（４）と導管部分（３）の中心軸線との間の間隔（ｃ）が、バイパス部分（６）の、排出開口を備えた側壁（１６）と中心軸線（４１）との間の間隔（ｄ）よりも大きく、側壁（１６）と流動案内壁（４）との間にギャップ（４２）が形成されており、該ギャップ（４２）を通して媒体流（４３）がバイパス部分（６）後方の死水域（４４）に流入するようになっており、かつ導管部分（３）の、バイパス部分（６）の領域に、導管部分の内壁（５）からバイパス部分（６）に向かって張り出した、導管部分（３）の、稜なしに湾曲させられた内壁区分（６５）により形成される少なくとも１つの突出部（６０）が設けられていることを特徴とする、導管内を流動する媒体の少なくとも１つのパラメータを測定するための装置。
2. 導管部分（３）の内壁（５）が実質的に円筒状に形成されている、請求項１記載の装置。
3. 突出部が、側壁（１６，１７）に対して垂直な平面内に、第１の曲率半径（Ｒ１）を有する第１の面区分（６１）と、該第１の面区分（６１）に接続する、平坦な面として形成されているか、または前記第１の曲率半径（Ｒ１）よりも大きな第２の曲率半径（Ｒ２）を有する下流側の第２の面区分（６２）とを有している、請求項１または２記載の装置。
4. 排出開口（３３）が、バイパス部分の、主流動方向で見て下流側の背壁（１４）から間隔（ａ）を有しており、主流動方向（１８）で見た流動案内壁の長手方向長さ（ｂ）が、排出開口（３３）と背壁（１４）との間の間隔（ａ）に等しいか、またはそれよりも大きい、請求項１記載の装置。
5. 唯一の流動案内壁（４）が設けられており、該流動案内壁（４）が、導管部分（３）の中心軸線（４１）に関して、排出開口（３３）を備えた側壁（１６）と同じ側に配置されている（図２）、請求項１記載の装置。
6. 流動案内壁が主流動方向（１８）で見てバイパス部分（６）の直後またはほぼ直後に配置されている、請求項１記載の装置。
7. 流動案内壁（４）が、空気力学的に有利な輪郭を有している、請求項１記載の装置。
8. 導管部分（３）に、主流動方向（１８）で見てバイパス部分（６）の前方に、流動誘導部分（２）が配置されており、該流動誘導部分（２）が、主流動方向（１８）に面した少なくとも１つの誘導面（２０）を有しており、該誘導面（２０）が、バイパス部分（６）から間隔を置いた頂点線（２５）を起点として両側で両側壁（１６，１７）に向かって均等に湾曲させられており、誘導面（２０）の、頂点線とは反対側の端部（３８）が側壁（１６，１７）に整合するようになっている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記導管内を主流動方向（１８）で流動する媒体の少なくとも１つのパラメータを測定するための装置が、内燃機関の吸気管内の空気質量流量を測定するための装置である、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。

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