Beschreibung

Luftmassenmesser

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser mit mindestens einem Sensorelement, das zur Bestimmung einer vor- beistromenden Luftmasse ausgebildet ist.

Ein derartiger Luftmassenmesser wird beispielsweise in Kraft- fahrzeugen zur Ermittlung der von einer Verbrennungskraftmaschine angesaugten Luft verwendet. Auf Basis einer möglichst zuverlässigen Information über eine angesaugte Luftmasse kann eine Verbrennung durch eine Motorsteuerung dahingehend optimiert werden, dass eine auf die Luftmasse abgestimmte Kraft- stoffmenge den jeweiligen Brennraumen zugeführt wird. Im Ergebnis wird dadurch eine bessere Energieausnutzung bei verringertem Schadstoffausstoß erzielt.

Aus der DE 44 07 209 ist ein Luftmassenmesser bekannt, der in einen Ansaugkanal zur Bestimmung einer Luftmasse eingesteckt wird, wobei ein definierter Anteil der Gesamtstromung den Luftmassensensor durchströmt. Hierzu ist dieser als Einsteck- kanal-Luftmassenmessvorrichtung ausgebildet und umfasst einen in einem Messkanal angeordneten mikromechanischen Sensor, ei- ne in einem Gehäuse angeordnete Elektronik für diesen Sensor, sowie einen Auslasskanal jenseits des Sensorelements. Für ei ^¬ ne platzsparende Anordnung werden die genannten Kanäle bzw. Luftfuhrungswege U-, S- oder C-formig ausgebildet, so dass eine insgesamt kompakt als Einsteckelement bauende Vorrich- tung gebildet wird.

Eine gemäß der Lehre der WO 03/089884 Al ausgebildete Luft- massenmessvorrichtung unter Verwendung eines als Heißfilm- Anemometer ausgebildeten Sensors hat sich prinzipiell be- wahrt. Hierin umgibt ein Gehäuse mit Bypass- bzw. Stromungs ^¬ kanal den Sensor in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer zugeordneten Auswertungselektronik, so dass der Einfluss insbe-

sondere von elektro-magnetischen Störgrößen und sonstigen negativen Umwelteinflüssen minimiert wird.

Es hat sich jedoch bei Sensoren jeder bekannten Art herausge- stellt, dass sie unter bestimmten Umstanden vorzeitig versa ^¬ gen und aufgrund eines Komplettausfalls ausgetauscht werden müssen. Da Luftmassenmesser im offenen Luftstrom des Ansaugtraktes eines Verbrennungsmotors angeordnet sind, wird als eine wesentliche Ursache für derartige Sensorausfalle die Tatsache angesehen, dass sich in angesaugter Luft neben Wasser und Salzen auch Schmutz- und/oder Russpartikel befinden können. Trotz der allgemein verwendeten Luftfilter können Schmutzpartikel in den Stromungskanal des Luftmassenmessers gelangen und dort zu Fehlmessungen fuhren, oder das Sensor- element gar beschädigen. Gerade bei mikromechanischen Sensorelementen ist die Gefahr eines Sensorausfalls durch eine Be ^¬ schädigung des Sensors sehr groß.

Aus dem Stand der Technik sind Ansätze bekannt, den Einfluss von Verschmutzungen zu mildern. Bisher wird durch ein geeignetes Kanaldesign mittels Bypass verhindert, dass Partikel aus dem Hauptkanal in den Bypass als eigentlichen Messkanal gelangen und dort Schaden anrichten. Dieser Aufbau ist jedoch recht aufwandig und damit auch in einer Massenfertigung ver- gleichsweise teuer. In bekannten Luftmassensensorkanalen wird ferner die Luft auch über Kurvenbahnen auf den Sensor gefuhrt, siehe z.B. WO 01/79790 Al mit Umkehrkanal und Wasser ^¬ abscheider, WO 99/53274 Al mit gekrümmtem Umgehungskanal oder EP 1 568 999 A2 mit integriertem Zyklon. Die Menge des Schmutzes, die auf das Sensorelement trifft, kann nur in en ^¬ gen Grenzen über die Anstromung verändert werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Luftmassensensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine ver- besserte Zuverlässigkeit und Langlebigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen An ^¬ spruchs gelost. Vorteilhafte Ausfuhrungsformen sind Gegen ^¬ stand der abhangigen Ansprüche.

Wesentlich für eine erfinderische Losung ist der Ansatz, wonach in zwei Arten von Verschmutzung in einem Sensorkanal unterschieden wird:

Leichte Partikel, die der Strömung folgen und maßgeblich vom Stromungsprofil im Kanal abhangen. Diese fuhren i.d.R. zu ei ^¬ ner Verschmutzung. Mit verschiedenen Kanalvariationen kann der Einfluss derartiger Ablagerungen über die Lebensdauer eines Luftmassenmessers bis zu einem zulassigen Maß gemindert werden .

Neben den leichten Partikeln können nach Passieren von Luftfiltern aber auch schwere Partikel mit Durchmessern von ca. 15 μm auftreten, die sich aufgrund ihrer Masse wie Geschosse verhalten. Derartige schwere Partikel bewegen sich von einer umgebenden Luftströmung weitgehend unbeeindruckt. Diese schweren Partikel waren bei bekannten Sensorsystemen alterer Bauart wegen deren Robustheit unkritisch. Im Zeitalter der Mikromechanik stellen sie aber eine große Bedrohung für die empfindlichen Messelemente dar. Dementsprechend müssen nun für die Sensorelemente Schutzmaßnahmen vorgesehen werden. Die wohl gangigste Methode besteht darin, die Luft durch einen Hauptkanal zu fuhren, der an einer Verengung über einen Bypass verfugt. Durch den Druckanstieg an der Verengung wird der Bypass mit Luft versorgt. Die schweren Partikel fliegen zu einem hohen Grad am Bypass vorbei und können dem Sensor damit nicht gefahrlich werden.

Erfindungsgemaß ist das Sensorelement des Luftmassenmessers von einem Gehäuse umgeben, das einen geometrisch besonders ausgeformten Leitkanal aufweist. Nach einem erfindungsgemaßen Ansatz ist ein Einlassbereich des Sensorkanals derart ausge ^¬ bildet, dass die Strömung auf eine Wand hin fokussiert wird,

die in einem Aufprallpunkt der Strömung durchbrochen ist, so dass Partikel hindurchtreten können. Gerade schwere Schmutzpartikel, die sich in der Luft befinden, fliegen auf Grund ihrer Trägheit weiter durch den Durchbruch und gelangen somit nicht zum Sensorelement. Durch eine geeignete Stromungsfuh- rung erreicht man in einem Bereich vor dem Durchbruch einen überdruck, der die Luft in den zusatzlichen Leitkanal leitet, in dem ein Sensorelement angeordnet ist.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform weist der Leitkanal des Gehäuses dazu eine besondere Geometrie auf, deren erster Ab ^¬ schnitt zu einer Hauptstromungsrichtung der Luft teilweise entgegengesetzt verlauft. Danach anschließend wird die Luft ^¬ strömung U-formig gefuhrt, wobei ein Sensorelement vorzugs- weise im Bereich eines Innenradius an eine Biegung anschlie ^¬ ßend angeordnet ist.

Eine Geometrie einer jeweiligen Losung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Luftströmung ohne Wirbel oder Ablösungen etc. leitet; d.h. keine Aufweitung des Stromungskanals er ^¬ laubt. Vorzugsweise verringert die Stromungsfuhrung des Leit ^¬ kanals 5 ihren Querschnitt zum Sensor hin stetig.

Durch eine der vorstehend genannten Maßnahmen gelangen bei vergleichsweise einfachem Aufbau deutlich weniger Partikel zu einem Sensorelement. Dadurch kann die Lebensdauer des betref ^¬ fenden Sensors bei einfachem Aufbau ohne weitere Schutzmaß ^¬ nahmen wesentlich erhöht werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfol ^¬ gend unter Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels mit Bezug ^¬ nahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter Darstellung:

Figur 1: einen Längsschnitt durch ein Gehäuse eines erfin- dungsgemaßen Luftmassenmessers und

Figur 2: einen Längsschnitt durch einen bekannten Luftmassenmesser bestehend aus einem Rohrstuck mit eingesetztem Sensorgehause .

über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend gleiche Begriffe und Bezugszeichen für gleiche Bauelemente verwendet werden.

Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Luftmassenmesser bestehend aus einem Rohrstuck 1 mit einem darin eingesetzten und fixierten Sensor 2 gemäß der Lehre der DE 101 35 819 Al in einem Gehäuse 3 gemäß der WO 03/089884 Al. Dieses Rohrstuck 1 kann z. B. als Ansaugrohr in einem Personenkraftwagen im Motorraum die Luft von einem hier nicht dargestellten

Luftfilter und/oder Ladeluftkuhler zu einer ebenfalls nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine fuhren.

Aus dem Ansaugrohr 1 wird ein Teil der angesaugten Luft durch das in das Ansaugrohr 1 hineinragende Gehäuse 3 abgezweigt und durch eine Einlassoffnung 4 in den Luftmassenmesser 2 gefuhrt. Die Luft strömt dann in dem Gehäuse 3 von der Einlass- offnung 4 über ein Hilfsrohr bzw. einen Leitkanal 5 zu einer Auslassoffnung 6. Dabei strömt die Luft an einem Sensorele- ment 7 und einem Sensorelement 8 vorbei. Derartige Sensorele ^¬ mente 7, 8 sind als temperaturabhangige Widerstände ausgebil ^¬ det, die in der Regel in Form einer Wheatstone ' sehen Brücke miteinander verschaltet sind. Mit Sensorelement 7 wird die Temperatur der einströmenden Luftmasse bestimmt. Die vorbei- stromende Luft kühlt das beheizte Sensorelement 8 ab, wobei ein Messsignal erzeugt wird, das repräsentativ für den Luft ^¬ massenstrom ist, der an den Sensorelementen 7, 8 vorbei- stromt .

Der Luftmassenmesser 2 weist zudem in dem Gehäuse 3 Ausnehmungen auf, in denen unter anderem auch eine hier nur angedeutete Elektronik 9 integriert ist. Unter Schaffung sehr

kurzer Signalwege wird den Sensorausgangssignalen mittels der Auswerteelektronik 9 des Massenstrommessers ein entsprechender Massenstromwert unter Berücksichtigung der Tatsache zuge ^¬ ordnet, dass von dem in der mit dem Pfeil 10 dargestellten Hauptstromungsrichtung stromenden Luftmassenstrom nur ein

Teilstrom 11 innerhalb des Sensorgehauses 3 ausgewertet wird. Die Zuordnung der Sensorsignale zu den Massenstromwerten erfolgt über eine Kennlinie und kann analog oder digital erfol ^¬ gen.

In einer Vorrichtung 1 gemäß Figur 2 findet ein Luftmassensensor auf der Grundlage eines Heißfilmanemometers Einsatz. Ein derartiges Heißfilmanemometer 2 besteht aus einem in Form eines Wafers gefertigten und nachfolgend vereinzelten Schichtaufbaus. Als solcher umfasst ein Sensorelement ein dünnes Tragermaterial aus ca. 150 μm dickem Glas, auf dem ei ^¬ ne temperaturabhangige Widerstandsschicht auf einer Molybdän- Basis mit einer Mächtigkeit von etwa 0,8 bis 1 μm aufgetragen ist. Diese Widerstandsschicht wird durch eine nur ca. 350 nm starke Passivierungsschicht überdeckt, die eine durch Oxida- tionsprozesse hervorgerufene Widerstandsdrift verhindert. Da sich in der Ansaugluft jedoch neben Sauerstoff auch Schmutzpartikel, Salze und Feuchtigkeit selbst in Tropfenform befin ^¬ den, muss auf den vorstehend beschriebenen Schichtaufbau eine weitere Schicht zum Schutz vor Feuchtigkeit und Verschmut ^¬ zung, die zu Kurzschlüssen an der Widerstandsschicht fuhren können, aufgetragen werden. Als Schutz wird derzeit z.B. eine ca. 5 μm starke Polyimid-Schutzschicht aufgetragen.

Damit liegt ein Sensorelement von seinem Durchmesser her im

Bereich der Durchmesser schwerer Schmutzpartikel. Derart dünne oder gar noch dünnere Schichtmächtigkeiten sind für diese Art Sensoren zur Minimierung der thermischen Trägheit des Sensors notwendig. Bei Betrachtung der verwendeten Materia- lien und deren Sprodigkeit ist leicht erkennbar, wie gefähr ^¬ det hinsichtlich Abplatzungen oder Bruch ein derartiger Auf-

bau beim Auftreffen schwerer Schmutzpartikel mit entsprechend hoher Auftreffgeschwindigkeit ist.

Figur 1 zeigt nun einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch ein Gehäuse eines erfindungsgemaßen Luft ^¬ massenmessers 2. Der Teilstrom 11 der angesaugten Luft wird durch das in das Ansaugrohr 1 analog Figur 2 hineinragende Gehäuse 3 abgezweigt und durch die Einlassoffnung 4 in den Luftmassenmesser 2 gefuhrt. Der auch Schmutzpartikel enthal- tende Teilstrom 11 strömt sodann von der Einlassoffnung 4 durch das Gehäuse 3 zu der Auslassoffnung 6, wobei er auf ei ^¬ ne Wand 12 hin fokussiert wird, die in einem Aufprallpunkt 13 der Strömung 11 durchbrochen ist. Durch eine in Figur 1 nur skizziert dargestellte, geeignete Stromungsfuhrung erreicht man in einem Bereich vor dem Durchbruch im Aufprallpunkt 13 im einen überdruck, der einen Teilluftstrom 14 in den weiteren Stromungskanal leitet, den Bypass 5. Dabei strömt die Luft des Teilluftstroms 14 entlang eines Stromungsweges 12 direkt vor Durchlaufen eines Umlenkungsabschnitts 15 an dem Sensorelement 7 vorbei. Dabei verjungt sich ein freier Quer ^¬ schnitt im Bypass 5 bis zum Sensorelement 7 stetig. An der Auslassoffnung 6 vereinigen sich dann der Teilluftstrom 14 und der Teilstrom 11 der angesaugten Luft wieder.

In einer nur angedeuteten alternativen Ausfuhrungsform der Erfindung ist das Sensorelement 7 im Umlenkungsabschnitt 15 vorgesehen. Hier ist die stärkste Verjüngung des freien Querschnitts im Bypass 5 erreicht.

Ein schwerer Schmutzpartikel 16, der sich in der Luft bzw. dem Teilstrom 11 befindet, fliegt auf Grund seiner Trägheit weiter durch den Durchbruch im Aufprallpunkt 13 stetig entlang seiner Bahn 17 und gelangt somit nicht zu dem Sensorele ^¬ ment 7. Es ist aber auch nicht erforderlich, Schmutzpartikel 16 aus der angesaugten Frischluft herauszufiltern. Es kann somit in diesem Fall schon prinzipiell gar nicht zu einer Kollision mit dem Sensor 7 kommen, so dass sich die Lebens-

und Einsatzdauer eines Sensors 7 in einer vorstehend be ^¬ schriebenen Vorrichtung gegenüber aktuell üblichen Anordnungen bei geringem Mehraufwand deutlich verlängert.