Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heißfilm-Anemometer zur
Luftmassenmessung eines Luftstroms in einer Brennkraftmaschine.
Heißfilm-Anemometer als Luftmassen-Durchflussmesser für
den Ansaugluftstrom in Brennkraftmaschinen weisen üblicherweise ein als Temperaturfühler
dienendes Sensorelement und ein als Heizelement dienendes Sensorelement auf. Da
die Sensorelemente dem angesaugten Luftstrom unmittelbar ausgesetzt sind, verschmutzen
die Sensorelemente an ihren Vorderkanten. Diese Verschmutzung kann das Ausgangssignal
der Sensorelemente verändern und somit zu Signaldriften führen.
Die EP 0 670 034 B1
offenbart ein Heizelement und einen Temperatursensor, die in ein Substrat eingelassen
sind. Das mindestens eine Sensorelement bildet somit einen festen Bestandteil des
Substrats, das man auch als Leiterplatte ausführen könnte. Da die Sensorelemente
in dieses Substrat eingeformt sind, sind sie aufgrund dieses Einformens auch daran
befestigt.
Aus der GB 1 515 611 A
ist ein Heißfilm-Anemometer mit einem als Temperaturfühler dienenden Sensorelement
und einem als Heizelement dienenden Sensorelement bekannt, die in einem Strömungskörper
eingebettet sind, so dass eine der Strömungsrichtung entgegengerichtete Seite
des Sensorelementes gegen eine Verschmutzung geschützt ist und eine andere
Seite des Sensorelementes dem Luftstrom ausgesetzt ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heißfilm-Anemometer
zur Luftmassenmessung eines Luftstroms in einer Brennkraftmaschine zu schaffen,
bei dem eine Verschmutzung der Sensorelemente durch den Luftstrom so weitgehend
wie möglich vermieden wird.
Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 definierte Heißfilm-Anemometer
gelöst.
Erfindungsgemäß sind mindestens ein Sensorelement und vorzugsweise
beide Sensorelemente in einem Strömungskörper so eingebettet, dass mindestens
die der Strömungsrichtung des Luftstroms entgegen gesetzte Seite gegen eine
Verschmutzung durch den Luftstrom geschützt ist und mindestens eine andere
Seite dem Luftstrom ausgesetzt ist, um ein Sensorsignal zu erhalten.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Einbettung des Sensorelementes
bzw. der Sensorelemente werden Schmutzablagerungen an den Sensorelementen weitestgehend
vermieden, was zu einer entsprechenden Verringerung einer durch Schmutzablagerung
verursachten Signaldrift führt.
Die Sensorelemente können in den Strömungskörper so
eingebettet werden, dass sie nur auf einer Seite oder auf gegenüberliegenden
Seiten dem Luftstrom ausgesetzt sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den Sensorelementen
und dem Strömungskörper eine thermische Entkopplung vorgesehen, die vorzugsweise
aus einem Luftspalt besteht.
Die Sensorelemente werden innerhalb des Strömungskörpers
vorzugsweise dadurch gehalten, dass sie an ihren entgegen gesetzten Enden mit elektrischen
Kontakten verbunden werden, die sich durch den Strömungskörper hindurch
erstrecken. Hierbei kann jedes Sensorelement nur mit seinem einen Ende an dem elektrischen
Kontakt angelötet sein, während das andere Ende auf andere Weise mit dem
zugehörigen elektrischen Kontakt verbunden wird, so dass thermisch bedingte
mechanische Spannungen in den Sensorelementen vermieden werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
definiert.
Anhand der Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Draufsicht auf einen Strömungskörper
mit darin eingebetteten Sensorelementen eines Heißfilm-Anemometers;
2 eine Schnittdarstellung längs der Linie A-A
in 1;
3 eine Schnittdarstellung längs der Linien B-B
in 1;
4 eine der 2 entsprechende
Schnittdarstellung eines modifizierten Ausführungsbeispiels;
5 eine der 1 entsprechende
Draufsicht eines anderen Ausführungsbeispieles;
6 eine Ansicht des Ausführungsbeispiels der
5 von unten;
7 eine Schnittansicht längs der Linie A-A in
5;
8 eine Schnittansicht längs der Linien B-B in
5;
9 eine der 7 entsprechende
Ansicht eines abgewandelten Ausführungsbeispiels
10 eine der 1 entsprechende
Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel;
11 eine der 2 entsprechende
Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der 10;
12 eine der 11 entsprechende
Schnittdarstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels;
13 eine der 10 entsprechende
Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
14 eine der 11 entsprechende
Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels von 13;
und
15 eine der 14 entsprechende
Schnittdarstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels.
Zur Luftmassenmessung des angesaugten Luftstroms in Brennkraftmaschinen
werden heutzutage überwiegend Heißfilm-Anemometer eingesetzt, vgl. beispielsweise
„Handbuch Verbrennungsmotor", Richard van Basshuysen/Fred Schäfer; 3.
Auflage, S. 659, 660. Da somit ihr grundsätzlicher Aufbau bekannt ist, wird
hierauf nur insoweit eingegangen, als er zum Verständnis der vorliegenden Erfindung
erforderlich ist.
Das Heißfilm-Anemometer umfasst üblicherweise ein als Temperaturfühler
dienendes Sensorelement 2 und ein als Heizelement dienendes Sensorelement
4, die in herkömmlichen Anemometern dem angesaugten Luftstrom ausgesetzt
sind, um ein entsprechendes Ausgangssignal zu erzeugen. Die Sensorelemente
2, 4 sind, wie üblich, stabförmig ausgebildet. Wie bereits
eingangs erwähnt, könnte es zu einer durch den Luftstrom hervorgerufenen
Verschmutzung der Sensorelemente insbesondere an ihren Vorderkanten kommen.
Erfindungsgemäß werden daher die Sensorelemente in einem
Strömungskörper so eingebettet, dass sie gegen eine entsprechende Verschmutzung
geschützt sind.
Bei dem in den 1 bis 3
dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Strömungskörper
6 aus einer relativ dünnen rechteckigen Platte, die innerhalb eines
im Übrigen nicht dargestellten Sensormoduls des Anemometers so angeordnet wird,
dass ihre Oberseiten parallel zur Strömungsrichtung des angesaugten Luftstromes
S verlaufen, siehe 1 und 2.
Der Strömungskörper 6 ist, wie in den 1
bis 3 zu sehen ist, an seiner Oberseite mit zwei quer
zur Strömungsrichtung verlaufenden Nuten 8, 10 versehen,
deren Form im Wesentlichen derjenigen der Sensorelemente 2 und
4 entspricht. Die Sensorelemente 2, 4 werden von den
Nuten 8, 10 so aufgenommen, dass sie jeweils auf der der Strömungsrichtung
entgegen gerichteten Seite sowie zwei weiteren Seiten gegen den Luftstrom S und
damit gegen Verschmutzung durch den Luftstrom geschützt sind, während
sie lediglich auf ihrer parallel zur Oberfläche des Strömungskörpers
6 und somit parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden Seite dem
Luftstrom S ausgesetzt sind.
Wie aus den 1 und 2
hervorgeht, sind die Sensorelemente 2, 4 in Strömungsrichtung
mit vorgegebenem Abstand zueinander angeordnet, wobei das als Temperaturfühler
dienende Sensorelement 2 stromauf des als Heizelement dienenden Sensorelementes
4 angeordnet ist.
Die Nuten 8, 10 sind relativ zu den Sensorelementen
2, 4 so dimensioniert, dass zwischen den Sensorelementen
2, 4 einerseits und dem Strömungskörper 6 andererseits
ein Luftspalt L vorhanden ist, der möglichst klein, jedoch ausreichend groß
ist, um als thermische Entkopplung dienen zu können. Der Strömungskörper
6 besteht aus einem hitzebeständigen Material, das vorzugsweise sowohl
elektrisch wie auch thermisch nicht leitend ist.
Die Sensorelemente 2, 4 werden bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel in den Nuten 8, 10 dadurch gehalten,
dass sie an ihren gegenüberliegenden Enden (siehe 3)
an elektrischen Kontakten 12 abgestützt sind, die sich durch den Strömungskörper
6 hindurch erstrecken. Die elektrischen Kontakte 12 sind über
als Stromzuführungen dienende Beinchen 14 mit der (nicht dargestellten)
Elektronik E des Anemometers verbunden.
Die Sensorelemente 2, 4 können mit den elektrischen
Kontakten 12 an beiden Enden verlötet werden. Vorzugsweise wird jedoch
das jeweilige Sensorelement 2 bzw. 4 nur an einem Ende mit dem
zugehörigen elektrischen Kontakt 12 verlötet, während das
andere Ende mit dem zugehörigen elektrischen Kontakt 12 so verbunden
wird, dass eine Relativbewegung zwischen diesem Ende und dem elektrischen Kontakt
möglich ist. Auf diese Weise werden thermisch bedingte mechanische Spannungen
innerhalb der Sensorelemente 2, 4 vermieden, was die Bruchgefahr
entsprechend verringert.
Grundsätzlich können die Sensorelemente 2,
4 auch auf andere Weise an dem Strömungskörper 6 befestigt
werden. Beispielsweise ist zur Verbindung zwischen den Sensorelemente
2, 4 und dem Strömungskörper 6 ein hitzebeständiger
Kleber einsetzbar, der statt oder zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen
Befestigung vorgesehen werden kann.
Bei dem in den 1 bis 3
dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Strömungskörper
6 aus einer quaderförmigen Platte, die an ihrer quer verlaufenden,
ebenen Vorderkante von dem Luftstrom S angeströmt wird. Zur Verbesserung der
laminaren Strömungseigenschaften, insbesondere zur Verringerung des Strömungswiderstandes,
kann der Strömungskörper 6 an seiner vom Luftstrom S angeströmten
Vorderkante mit einer Abrundung 16 (Profilkörper) versehen werden,
wie dies in 4 dargestellt ist. Die Ausführungsform
der 4 entspricht im Übrigen derjenigen der
1 bis 3.
Das Ausführungsbeispiel der 5 bis
8 entspricht weitgehend demjenigen der 1
bis 3. Unterschiedlich ist lediglich, dass die die
Sensorelemente 2, 4 aufnehmenden Nuten 8a,
10a des Strömungskörpers 6a quer zur Strömungsrichtung
durchgehend ausgebildet sind, so dass die Sensorelemente 8a,
10a auf gegenüberliegenden Seiten dem Luftstrom S ausgesetzt sind.
Hierdurch lässt sich die Empfindlichkeit der Sensorelemente entsprechend erhöhen.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente
2, 4 an ihren beiden Enden mit elektrischen Kontakten
12 verbunden, die ihrerseits über die Beinchen 14 mit der
Elektronik E verbunden sind, wie insbesondere aus 8
hervorgeht.
9 zeigt, ähnlich wie 4,
eine Abrundung 16 an der angeströmten Vorderkante des Strömungskörpers
6a.
Das Ausführungsbeispiel der 10 und
11 entspricht weitgehend demjenigen der 5
bis 7. Unterschiedlich ist lediglich, dass das als
Heizelement dienende Sensorelement 4 und die zugehörige Nut
10b an der stromabwärtig angeordneten Hinterkante des Strömungskörpers
6b so angeordnet sind, dass lediglich die der Strömungsrichtung entgegen
gerichtete Seite des Sensorelementes 4 gegen den Luftstrom S geschützt
ist, während die drei übrigen Seiten des Sensorelementes 4 dem
Luftstrom S ausgesetzt sind. Diese Maßnahme dient der Erhöhung der Sensorempfindlichkeit
des als Heizelement dienenden Sensorelementes 4.
Das Ausführungsbeispiel der 12 unterscheidet
sich von demjenigen der 10, 11
lediglich durch die Abrundung 16 an der angeströmten Vorderkante des
Strömungskörpers 6b.
Das Ausführungsbeispiel der 13,
14 entspricht weitgehend demjenigen der 1
bis 3. Unterschiedlich ist lediglich, dass das als
Heizelement dienende Sensorelement 4 und die zugehörige Nut
10c, ähnlich wie in den 10 bis
12, an der Hinterkante des Strömungskörpers
6c so angeordnet sind, dass auch die in Strömungsrichtung zeigende
Seite des Sensorelementes 4 dem Luftstrom S ausgesetzt ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 15,
das demjenigen der 13, 14
entspricht, ist wiederum eine Abrundung 16 an der Vorderkante des Strömungskörpers
6c vorgesehen.
- 2, 4
- Sensorelemente
- 6
- Strömungskörper
- 8, 10
- Nuten
- 12
- elektrischer Kontakt
- 14
- Beinchen
- 16
- Abrundung
- E
- Elektronik
- L
- Luftspalt
- S
- Luftstrom
