DE10145195B4

DE10145195B4 - Vorrichtung zum Messen der Luftmasse in einem Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10145195B4
Application number: DE2001145195
Authority: DE
Inventors: Stefan Pesahl; Frank Dr. Steuber; Andreas Dr. Wildgen
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: DE10145195A1

Abstract

Vorrichtung zum Messen der Luftmasse in einem Ansaugkanal (10) einer Brennkraftmaschine, mit
einem Luftmassensensor (20; 34) mit einer Einlassöffnung (22), der im eingebauten Zustand in den Ansaugkanal (10) vorsteht und eine vorbeiströmende Luftmasse fühlt,
und einem Strömungsgleichrichter (12; 26; 32; 42; 44), der im eingebauten Zustand in dem Ansaugkanal (10) angeordnet ist und eine oder mehrere Leitflächen für eine zur Brennkraftmaschine strömende Hauptströmung besitzt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die stromaufwärts weisende Seite des Strömungsgleichrichters (12; 26; 32; 42; 44) in der Richtung der Haupströmung im wesentlichen auf gleicher Höhe mit der Einlassöffnung (22) des Luftmassensensors (20; 34) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Luftmasse in einem Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine.
Aus EP 0 458 998 A1 ist bekannt, einen Strömungswandler für einen Luftmassenmesser in einem Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine einzusetzen. Der Strömungswandler besteht aus einem Strömungsgleichrichter und einem Gitter, durch das die Strömung in sogenannte Mikrowirbel gewandelt wird, und ist stromaufwärts von dem Luftmassenmesser in dem Ansaugkanal angeordnet. Die Wirkungsweise des bekannten Strömungswandlers beruht auf einer richtungsgebenden Funktion des Strömungsgleichrichters sowie der Auflösung der Strömung in ein Feld von Mikrowirbel durch das nachgeschaltete Metallgitter. Beide Elemente erzeugen darüber hinaus einen Druckabfall, wodurch eine Homogenisierung der Strömungsgeschwindigkeiten über den Rohrquerschnitt erzielt wird. Gleichzeitig ist der Druckabfall in dem Ansaugrohr jedoch von Nachteil, da hierdurch weniger Luft angesaugt wird und letztlich eine Leistungsminderung der Brennkraftmaschine erfolgt. Ferner ist der Einbau umständlich und erfordert einen gut zugänglichen Ansaugtrakt.
Die EP 0 342 612 A1 offenbart einen Luftmassensensor mit einem ersten Element, welches die Strömungsluft beheizt, und einem zweiten Element, welches aus wabenförmigen Zellen besteht und die an die Luft abgegebene Wärme misst. Das zweite Element erfüllt also sowohl die Funktion eines Strömungsgleichrichters, als auch die eines Luftmassensensors.
Aus der DE 30 09 382 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung der Strömungsgeschwindigkeiten von Gasen und Flüssigkeiten bekannt, bei der ein Luftmassensensor in einer Aussparung eines als Strömungsgleichrichter dienenden Wabenkörpers angeordnet ist.
Die ältere Anmeldung DE 100 09 153 A1 ist auf eine Vorrichtung zum Messen der Luftmasse in einem Ansaugkanal gerichtet, bei der ein Strömungsgleichrichter stromabwärts von einem Luftmassensensor angeordnet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen der Luftmasse bereit zu stellen, die möglichst genau und gegenüber Störungen unanfällig die vorbeiströmende Luftmasse fühlt und platzsparend in den Ansaugkanal einbaubar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Messen der Luftmasse mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Luftmasse in einem Ansaugkanal einer Brennkraftmaschine besitzt einen Luftmassensensor und einen Strömungsgleichrichter. Der Luftmassensensor steht in seinem eingebauten Zustand in den Ansaugkanal vor und fühlt eine vorbeiströmende Luftmasse. Hierbei kann es sich bevorzugt um einen Einsteck-Kanal-Luftmassensensor (EKL) handeln. Der Strömungsgleichrichter für die strömende Luft ist in seinem eingebauten Zustand in dem Ansaugkanal plaziert und besitzt eine oder mehrere Leitflächen für die vorbeiströmende Luft, die zu einer Gleichrichtung der durch den Strömungsgleichrichter tretenden Strömung führen. Der Strömungsgleichrichter ist in der Hauptströmungsrichtung der zu der Brennkraftmaschine strömenden Luftmasse im wesentlichen auf gleicher Höhe mit einer Einlassöffnung des Luftmassensensors angeordnet. Anders als im Stand der Technik befindet sich also bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Strömungsgleichrichter nicht stromaufwärts von dem Luftmassensensor. Der vorgeschlagenen Position des Strömungsgleichrichters liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine betragsmäßige Homogenisierung der Strömungsgeschwindigkeit über den Rohrquerschnitt durch den von den Elementen hervorgerufenen Druckabfall erreicht wird. Bei der betragsmäßig homogenisierten Strömung ist das Geschwindigkeitsprofil geglättet, auch sind Unregelmäßigkeiten in dem Strömungsprofil ausgeglichen. Die erfindungsgemäße Anordnung schafft darüber hinaus eine erhebliche Platzersparnis, so dass kein zusätzlicher Platz in dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine für den Einbau vorgesehen werden muss.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzt der Strömungsgleichrichter einen wabenförmigen Aufbau von Leitflächen, die eine Vielzahl von in Hauptströmungsrichtung ausgerichteten Durchgangskanälen besitzen. Die durch den Strömungsgleichrichter strömende Luft wird parallel durch die Durchgangskanäle geleitet und in eine nach Betrag und Richtung homogenisierte Strömung umgewandelt. Im Ergebnis führt dies dazu, dass auch stromaufwärts von dem Strömungsgleichrichter die Luftströmung homogenisiert wird. An der Einlaßöffnung für den Luftmassensensor liegen somit vorbestimmte Strömungsverhältnisse vor, die ein zuverlässige Messung der vorbeiströmenden Luftmasse gestatten.
In einer bevorzugten Weiterbildung besitzt der Strömungsgleichrichter eine Ausnehmung, die dem in dem Ansaugkanal vorstehenden Abschnitt des Luftmassensensors entspricht. Sind Strömungsgleichrichter und Luftmassensensor gemeinsam in dem Ansaugkanal angeordnet, so umschließt der Strömungsgleichrichter den Luftmassensensor ganz oder teilweise in seinem in den Ansaugkanal hineinragenden Abschnitt.
Bevorzugt bedeckt der Strömungsgleichrichter den verbleibenden Querschnitt des Ansaugkanals vollständig. Bei dieser Ausgestaltung ist dann der gesamte Ansaugkanal in seinem Querschnitt durch den Luftmassensensor bzw. den Gleichrichter bedeckt.
Alternativ zu der vollständigen Bedeckung des Ansaugkanals ist es auch möglich, dass der Strömungsgleichrichter lediglich einen Bereich des Querschnitts um den Luftmassensensor bedeckt. Dieser Bereich kann abhängig von Strömungshindernissen stromaufwärts in dem Ansaugkanal angeordnet sein.
In einer anderen, ebenfalls vorteilhaften, Ausgestaltung besitzt der Strömungsgleichrichter eine oder mehrere Strömungselemente, die an ihrer Flachseite umströmt werden. Das Geschwindigkeitsprofil der Luftströmung in dem Ansaugkanal hängt von der stromaufwärts liegenden Gestaltung und etwaigen Strömungshindernissen ab, um hier gezielt eine Homogenisierung der Strömung herbeizuführen.
Eine für den Einbau, insbesondere unter den beengten räumlichen Verhältnissen im Motorraum, besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist der sogenannte Kassetten-MAF. Bei dem Kassetten-MAF sind Luftmassensensor und Strömungsgleichrichter miteinander verbunden und werden gemeinsam über einen Schlitz in den Ansaugkanal eingesteckt. Hierdurch wird der Einbau des Luftmassensensors deutlich vereinfacht und es ist im wesentlichen nur ein Arbeitsschritt erforderlich.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Messvorrichtung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines Abschnitts des Ansaugkanals mit Strömungsgleichrichter und Einsteck-Kanal-Luftmassensensor,
2 den Ansaugkanalabschnitt aus 1 mit herausgezogenem Einsteck-Kanal-Luftmassensensor,
3 eine schematische Ansicht des Ansaugrohrs mit Einsteck-Kanal-Luftmassensensor, der mit einem Strömungsgleichrichter verbunden ist,
4 den Einsteck-Kanal-Luftmassensensor aus 3 in herausgezogener Position,
5 eine schematische Ansicht des Ansaugrohrs mit einem Kassetten-MAF im eingesetzten Zustand,
6 die in 5 dargestellte Kassette aus Einsteck-Kanal-Luftmassensensor und Strömungsgleichrichter in einer herausgezogenen Position,
7 einen Strömungsgleichrichter bestehend aus T-förmigen Leitflächen,
8 eine schematische Ansicht eines Strömungsgleichrichters mit einer wabenförmigen Struktur, die nur einen Teil des Querschnitts bedeckt,
9 eine schematische Ansicht der Geschwindigkeitsprofile des Strömungsgleichrichters aus 8 und
10 eine schematische Ansicht eines Strömungsgleichrichters aus dem Stand der Technik.
1 zeigt eine schematisch Ansicht eines zylinderförmigen Rohrabschnitts 10 im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine. Der Rohrabschnitt ist gestrichelt dargestellt. In dem Rohrabschnitt angeordnet ist ein im wesentlichen kreisförmiger Gleichrichter 12. Der Gleichrichter 12 besitzt eine Vielzahl von parallel zueinander ausgerichteten quadratischen Durchgangskanälen 14. Die Durchgangskanäle 14 werden durch Trennwände 16 gebildet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus 1 besitzen die Trennwände 16 eine konstante Dicke. Je nach mittlerer Strömungsgeschwindigkeit und Geometrie des Ansaugrohres kann auch eine anders geformte Trennwand vorgesehen sein. Ferner können bei dem Strömungsgleichrichter 12 die stromaufwärts weisenden Kanten der Trennwände 16 eine abgerundete Kante aufweisen. Der Strömungsgleichrichter 12 ist mit einer Ausnehmung 18 versehen, in der der Einsteck-Kanal-Luftmassensensor (EKL) 20 angeordnet werden kann. Der EKL 20 besitzt eine Einlaßöffnung 22, die stromaufwärts weist. Die in die Einlaßöffnung 22 eintretende Luft wird über Beipasskanäle umgelenkt und tritt stromabwärts von der Einlaßöffnung wieder in den Hauptstrom ein. Die durch den EKL umgelenkte Strömung fließt bei der in 1 gezeigten Anordnung von EKL und Strömungsgleichrichter nicht durch den Strömungsgleichrichter.
Der EKL 20 wird in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Öffnung 24 in den Ansaugkanal 10 eingesetzt.
3 und 4 zeigen einen EKL 20 mit einem Strömungsgleichrichter 26. Der Strömungsgleichrichter 26 ist im Bereich der Einlaßöffnung 22 des EKL mit diesem verbunden. Zur Verbindung kann der Strömungsgleichrichter 26 auf den EKL geklemmt oder in sonstiger Weise mit dem Einsteckbereich verbunden sein.
Der Strömungsgleichrichter 26 besitzt einen wabenförmigen Aufbau mit quadratischen Durchgangskanälen 28. Der Strömungsgleichrichter ist symmetrisch seitlich und unterhalb der Einlaßöffnung 22 angeordnet.
Im Gegensatz zu dem in den 1 und 2 dargestellten Gleichrichter 12 kann der Gleichrichter 26 gemeinsam mit dem EKL 20 in den Abschnitt des Ansaugrohres 10 eingesetzt werden. Hierzu ist eine Öffnung 24 in dem Ansaugrohr 10 dargestellt.
5 und 6 zeigen einen sogenannten Kassetten-MAF 30, MAF steht für Mass Airflow Sensor. Der Kassetten-MAF 30 besitzt einen Strömungsgleichrichter 32, einen EKL 34 und Rahmenelemente 36 und 38. Eingebaut wird der Kassetten-MAF über einen Schlitz 40 in den Abschnitt des Ansaugkanals. Die kompakte Bauweise des Kassetten-MAF erlaubt einen einfachen Ein- und Ausbau auch in schlecht zugänglichen Bereichen im Ansaugtrakt.
Aus 7 ist ein Strömungsgleichrichter 42 ersichtlich, der aus drei im wesentlichen T-förmigen Elementen besteht. Die T-förmigen Elemente sind symmetrisch seitlich und unterhalb des EKL 20 angeordnet. Die Strömungsverhältnisse im Bereich des EKL 20 werden durch den stromaufwärtigen Verlauf des Ansaugtraktes 10 beeinflußt, insbesondere erfolgt eine Beeinflus sung durch einen Luftfilter sowie etwaige Rohrkrümmungen. Bei einem geeigneten Strömungsprofil in dem Ansaugrohr 10 können die T-förmigen Elemente, die in dem Rohrabschnitt 10 gehalten sind, bereits eine ausreichende Gleichrichtung und Homogenisierung der Strömung für die Einlaßöffnung 22 erreichen.
8 zeigt einen Strömungsgleichrichter 44, der nicht symmetrisch in Bezug auf den EKL angeordnet ist. Wie in 9 dargestellt, wirkt der asymmetrisch ausgebildete Strömungsgleichrichter 44 mit einer entsprechend asymmetrischen Geschwindigkeitsverteilung 46 in dem Ansaugrohr 10 zusammen, so dass die resultierende Strömung hinter dem Strömungsgleichrichter 44 ein symmetrisches Geschwindigkeitsprofil 48 besitzt. Die Verteilung des Strömungswiderstandes aufgrund des Strömungsgleichrichters 44 ist dabei so gewählt, dass im Bereich höherer Strömungsgeschwindigkeit 50 ein größerer Widerstand durch den Strömungsgleichrichter 40 und die Strömung somit abgebremst wird. Der frei gesparte Bereich des Strömungsgleichrichters 44 bewirkt hingegen eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, so dass bei geeigneter Dimensionierung des Strömungsgleichrichters 44 ein symmetrisches Strömungsprofil 48 an dem Strömungsgleichrichter entsteht.
10 zeigt das herkömmliche Konzept eines stromaufwärts von dem EKL 20 angeordneten Strömungsgleichrichters 52. Der Strömungsgleichrichter 52 besitzt auf seiner Rückseite (nicht dargestellt) ein Mikrogitter, wodurch sich die Einlaßöffnung 22 des EKL 20 im Bereich von Mikrowirbeln befindet. Deutlich erkennbar an 10 ist, dass ein erheblich größerer Aufwand für den Einbau und mehr Platz in dem Einsaugrohr 10 verbraucht wird.

Claims

Vorrichtung zum Messen der Luftmasse in einem Ansaugkanal (10) einer Brennkraftmaschine, mit einem Luftmassensensor (20; 34) mit einer Einlassöffnung (22), der im eingebauten Zustand in den Ansaugkanal (10) vorsteht und eine vorbeiströmende Luftmasse fühlt, und einem Strömungsgleichrichter (12; 26; 32; 42; 44), der im eingebauten Zustand in dem Ansaugkanal (10) angeordnet ist und eine oder mehrere Leitflächen für eine zur Brennkraftmaschine strömende Hauptströmung besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die stromaufwärts weisende Seite des Strömungsgleichrichters (12; 26; 32; 42; 44) in der Richtung der Haupströmung im wesentlichen auf gleicher Höhe mit der Einlassöffnung (22) des Luftmassensensors (20; 34) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgleichrichter (12; 26; 32; 42; 44) eine Ausnehmung (18) besitzt, deren Form dem in den Ansaugkanal (10) vorstehenden Abschnitt des Luftmassensensors (20; 34) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgleichrichter (12; 32) den verbleibenden Querschnitt des Ansaugkanals (10) vollständig bedeckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgleichrichter (12; 26; 32; 44) einen wabenförmigen Aufbau von Leitflächen besitzt, die eine Vielzahl von in der Hauptströmungsrichtung ausgerichteten Durchgangskanäle (14) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangskanäle (14) einen im wesentlichen quadratischen Querschnitt besitzen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgleichrichter ein oder mehrere flache Strömungselemente besitzt, die an ihrer Flachseite umströmt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Luftmassensensor (20; 34) ein Einsteck-Kanal-Luftmassensensor (EKL) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassensensor und Strömungsgleichrichter miteinander verbunden sind und gemeinsam über einen Schlitz (40) in dem Ansaugkanal (10) angeordnet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsgleichrichter entsprechend dem Strömungsprofil in dem Ansaugkanal mit Leitflächen versehen ist, um ein vorbestimmtes, vorzugsweise ein symmetrisches Strömungsprofil der angesaugten Hauptströmung an der Einlassöffnung (22) des Luftmassensensors (20; 34) zu erzeugen.