Beschreibung

Titel

Strömungsdynamisch verbesserter Steckfühler

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von Vorrichtungen zur Messung wenigstens eines Parameters eines strömenden fluiden Mediums, insbesondere eines durch ein Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums, wie sie aus verschiedenen Bereichen der Technik bekannt sind. So müssen bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, definiert fluide Medien, insbesondere Gasmassen (z. B. eine Luftmasse) mit bestimmten Eigenschaften (beispielsweise Temperatur, Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Massenstrom etc.) zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen.

Ein wichtiges Anwendungsbeispiel ist die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungs- kraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung, bei denen geregelt eine bestimmte Luftmasse pro Zeiteinheit (Luftmassenstrom) zugeführt werden muss. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte Heißfilmluftmassenmesser (HFM), welcher beispielsweise in DE 196 01 791 Al in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen

Heißfilmluftmassenmessern wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher eine dünne Sensormembran aufweist, beispielsweise ein Silicium-Sensorchip. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern) umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann und mittels einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung ausgewertet werden kann. So kann, zum Beispiel aus einer Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Eine beispielsweise aus DE 101 11 840 C2 bekannte Problematik dieses Typs von Sensor besteht darin, dass häufig Kontaminationen des Sensorelementes auftreten können, beispielsweise Kontaminationen durch Wasser, öl oder andere Flüssigkeiten bzw. andere Arten von Verunreinigungen. Der Sensorchip wird üblicherweise direkt im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine oder in einem Bypass zum Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Dabei kann sich im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine Wasser oder öl auf dem Sensorchip und dabei insbesondere auf der Sensormembran niederschlagen. Dieser Verunreinigungsniederschlag kann zu einer unerwünschten Messsignalbeeinflussung des Sensors führen, insbesondere da ein Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche des Sensors auf die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche einwirkt, was zur Verfälschung der Messsignale führt. ähnliche Probleme treten neben Heißfilmluftmassenmessern auch bei anderen Arten von Sensoren auf, welche zur Messung von Fluidparametern in einer Fluidströmung eingesetzt werden.

Zur Lösung dieser Verunreinigungsproblematik, insbesondere um zu verhindern, dass Wasser oder öl auf den Sensorchip gelangen, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt. Ein Ansatz, welcher beispielsweise in DE 10 2004 022 271 Al beschreiben wird, ist die Verwendung eines so genannten „Bypass". Hierbei wird ein Steckfühler verwendet, welcher mit einem Steckerteil in ein Ansaugrohr eingesteckt wird, wobei anströmseitig in den Steckerteil eine Einlassöffnung vorgesehen ist. Im Steckfühler ist ein Hauptströmungskanal vorgesehen, durch welchen ein wesentlicher Teil der Strömung von der Einlassöffnung zu einer Ausscheidungsöffnung strömt. Vom Hauptkanal zweigt an einer scharfen Kante, welche auch als „Nase" bezeichnet wird, ein Bypasskanal ab, in welchem ein Sensorchip angeordnet ist. Der Bypasskanal mündest schließlich in eine Auslassöffnung an der Unterseite des Steck- fühlers. Die scharfe Kante an der Abzweigung des Bypasskanals bewirkt dabei, dass Wassertröpfchen aufgrund Ihrer Massenträgheit nur erschwert in den Bypasskanal eindringen können und überwiegend im Hauptkanal verbleiben.

Nachteilig an den aus dem Stand der Technik beschriebenen Steckfühlerkonstruktionen ist jedoch, dass die beschriebenen Steckfühler mit ihrer aerodynamisch ungünstigen Gestalt in vielen Fällen im Ansaugtrakt Probleme bezüglich eines Strömungswiderstand-bedingten Druckabfalls verursachen. Hinzu kommt, dass die Signalreproduzierbarkeit der Signale derartiger Sensoren vergleichsweise gering ist. DE 10 2004 022 271 Al schlägt daher eine Konstruktion vor, bei welcher im Strömungsrohr fest installiert ein Strömungsableitteil als separa-

tes Bauteil vorgesehen ist. Alternativ wird auch eine einstückige Ausgestaltung des Strömungsableitteils mit dem Steckfühler vorgeschlagen. Weiterhin ist im Strömungsrohr eine Strömungsleitwand fest installiert, welche eine Beruhigung der Strömung hinter dem Steckfühler bewirken soll.

Diese aus DE 10 2004 022 271 Al bekannte Konstruktion ist jedoch in der Praxis mit verschiedenen Nachteilen verbunden. So besteht ein Nachteil darin, dass das Strömungsableitteil in der Regel fest in einem Abschnitt des Strömungsrohrs installiert ist. Diese feste Installation verursacht zusätzliche Kosten bei der Herstellung dieses Rohrabschnitts, ebenso wie das Vor- sehen der zusätzlichen Strömungsleitwand. Bei einstückiger Ausführung ist die Einbaulänge zudem für viele Anwendungen zu lang. Außerdem ist die in DE 10 2004 022 271 Al offenbarte Konstruktion weiter hinsichtlich des Druckabfalls am Steckfühler optimierbar.

Offenbarung der Erfindung

Es wir daher ein Steckfühler zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welcher die oben beschriebenen Nachteile bekannter Konstruktionen ganz oder teilweise vermeidet. Bei dem fluiden Medium kann es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln, und bei dem wenigstens einen Parameter beispielsweise um einen Druck, eine Temperatur, eine Geschwindigkeit, einen Luftmassendurchsatz oder ähnliches. Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung des Steckfühlers als Heißfilmluftmassenmesser zur Messung einer durch ein Strömungsrohr strömenden Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht dabei darin, den Steckfühler kompakt und universell einsetzbar auszugestalten, so dass auf eine aufwändige Konstruktion des Strömungsrohres verzichtet werden kann. Der Weg zu dieser kompakten Ausgestaltung bei geringem Druckabfall und guter Signalreproduzierbarkeit ohne weitere Hilfsmittel im Strömungsrohr führt erfindungsgemäß über eine wohl definierte Außenströmung um den Steckfühler herum, welche unempfindlich ist gegenüber Störungen und unterschiedlichen Zuströmzuständen des strömenden fluiden Mediums. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß auf Erkenntnisse aus dem Flugzeugbau (Hydrodynamik, Aerodynamik) zurückgegriffen.

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Der erfindungsgemäße Steckfühler weist ein Steckerteil auf, welches in vorgegebener Ausrichtung zur Hauptströmungsrichtung in das strömende fluide Medium, welches insbesondere in dem Strömungsrohr strömt, einbringbar ist. In dem Steckerteil ist mindestens ein Strömungskanal mit mindestens einer Einlassöffnung und mindestens einer Auslassöffnung vor- gesehen, wobei in den mindestens einen Strömungskanal mindestens ein Sensor zur Bestimmung des mindestens einen Parameters aufgenommen ist. Vorzugsweise handelt es sich, wie oben beschrieben, bei dem mindestens einen Sensor um einen Heißfilmluftmassenmesser- Sensorchip. Weiterhin weist das Steckerteil eine abgerundete Anströmseite auf, ähnlich zu DE 10 2004 022 271 Al, wobei die abgerundete Anströmseite in das Steckerteil integriert ist, so dass keine zusätzlichen Ausgestaltungen des Strömungsrohres erforderlich sind. Die abgerundete Anströmkante weist der Hauptströmungsrichtung entgegen. Mindestens eine Einlassöffnung des mindestens einen Strömungskanals ist im Bereich der abgerundeten Anströmseite, der Hauptströmungsrichtung entgegengesetzt, angeordnet.

Die Besonderheit des vorgeschlagenen Steckfühlers besteht darin, dass das Steckerteil zumindest teilweise ein Trägflächenprofil aufweist, welches derart ausgestaltet ist, dass sich bei in das strömende fluide Medium eingebrachtem Steckerteil eine asymmetrische Strömung des fluiden Mediums einstellt. Dabei lassen sich grundsätzlich verschiedene Ausgestaltungen von Tragflächenprofilen einsetzen, welche beispielsweise aus dem Flugzeugbau bekannt sind. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht darin, dass sich durch die Asymmetrieeffekte gezielt Strömungsgeschwindigkeiten auf einer Seite des Steckerteils erhöhen und auf der anderen Seite erniedrigen lassen. Auf diese Weise können in Bereichen, wo dies für den Betrieb des Steckfühlers besonders günstig ist, Erhöhungen der Geschwindigkeit im strömenden fluiden Medium herbeigeführt werden. So kann beispielsweise, wie dies in einer bevor- zugten Ausgestaltung der Erfindung der Fall ist, die mindestens eine Auslassöffnung (das heißt eine oder alle Auslassöffnungen der mindestens einen Auslassöffnung) seitlich auf dem mindestens einen Tragflächenprofil angeordnet sein. Vorzugsweise weist das Tragflächenprofil eine Auslassseite mit mindestens einer Auslassöffnung auf und eine Gegenseite ohne Auslassöffnung. In diesem Fall ist das Tragflächenprofil vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sich bei in das strömende fluide Medium eingebrachtem Steckerteil ein Strömungsprofil im fluiden Medium einstellt, bei welchem die Geschwindigkeit des strömenden fluiden Mediums auf der Auslassseite höher ist als auf der Gegenseite. Durch diese Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der mindestens einen Auslassöffnung kann aufgrund des hydrodynamischen Saugeffektes der Durchsatz durch den mindestens einen Strömungskanal

namischen Saugeffektes der Durchsatz durch den mindestens einen Strömungskanal erhöht und dadurch die Funktionalität des Steckfühlers verbessert werden.

Der mindestens eine Strömungskanal kann beispielsweise ausgestaltet sein, wie dies in DE 10 2204 022 271 Al beschrieben ist (siehe auch die obige Beschreibung des Standes der Technik). So kann der mindestens eine Strömungskanal mindestens einen Hauptkanal und mindestens einen Bypasskanal aufweisen, wobei der mindestens eine Hauptkanal mindestens einen Hauptstromauslass aufweist und wobei der mindestens eine Bypasskanal mindestens einen Bypassauslass aufweist. Vorzugsweise ist dann zumindest der mindestens eine Bypassauslass seitlich auf dem mindestens einen Tragflächenprofü angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann auch der mindestens eine Hauptstromauslass seitlich auf dem mindestens einen Tragflächenprofü angeordnet sein.

Das Tragflächenprofil kann, wie oben beschrieben, auf verschiedene Weisen ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Tragflächenprofü auf der bei in das strömende Medium eingebrachtem Steckfühler strömungsabgewandten Seite ein im Wesentlichen gerades, zur Hauptströmungsrichtung im Wesentlichen senkrecht stehendes Heck aufweist. Diese Ausgestaltung ist ähnlich zur in DE 10 2004 022 271 Al beschriebenen Ausgestaltung, wobei durch das senkrecht stehende Heck die Bildung eines Ablösebereiches abströmseitig des Stecker- teils begünstigt wird.

Die Asymmetrie im Strömungspro fil um das Tragflächenprofü herum kann auf verschiedene Weisen bewerkstelligt werden. Eine bevorzugte Möglichkeit besteht darin, das Steckerteil unter einem Anstellwinkel zur Hauptströmungsrichtung in die Strömung des fluiden Mediums einzubringen. Unter einem Anstellwinkel wird dabei, wie im Flugzeugbau üblich, ein Winkel zwischen einer Profilmittellinie der Tragfläche und der Hauptströmungsrichtung bezeichnet. Vorzugsweise liegt erfmdungsgemäß dieser Anstellwinkel zwischen 0 und 7°, besonders bevorzugt zwischen 2° und 5°, wobei sich ein Winkel von 4° als besonders günstig erwiesen hat. Der optimale Anstellwinkel ist dabei abhängig von der verwendeten Profilierung bzw. dem verwendeten Querschnitt des Tragflächenprofüs.

Eine weitere, alternative oder zusätzliche Möglichkeit zur Herbeiführung einer Asymmetrie im Strömungsprofil um das Tragflächenprofü herum besteht darin, eine Profilwölbung des Tragflächenprofüs vorzusehen. Unter einer Profilwölbung versteht man dabei, wie in der

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Tragflächenkonstruktion üblich, eine Krümmung der Skelettlinie der Tragfläche. Die Skelettlinie ist dabei die Verbindungslinie aller in das Tragflächenprofil eingeschriebener maximalen Kreise. Die Profilwölbung wird üblicherweise in Prozent angegeben, wobei die Prozentzahl der Profilwölbung auf die so genannte Profiltiefe, also die Länge der Profilmittellinie, bezo- gen ist. Vorzugsweise liegt erfindungsgemäß die Profilwölbung für einen optimalen Betrieb des Steckfühlers im Bereich zwischen 0 und 10 %, vorzugsweise zwischen 2 % und 7 % und besonders bevorzugt bei ca. 5 %.

Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung besteht in der besonderen Ausgestaltung asymmet- rischer Strömungsprofile unter Berücksichtigung der aus der Tragflächentechnik bekannten Strömungsablösung des fluiden Mediums vom Tragflächenprofil. So hat es sich gezeigt, dass im Betrieb üblicher Steckfühler, insbesondere bei Lastwechseln (jedoch auch im stationären Betrieb) Oszillationen in der Strömung, insbesondere der Ablösung der Strömungsgrenzschichten von der Oberfläche des Steckfühlers, auftreten können. Diese Oszillationen führen zu Druckschwankungen, welche die Signalqualität des Steckfühlers nachteilig beeinflussen.

Eine erfindungsgemäße Idee liegt nun, alternativ oder zusätzlich zur Nutzung des asymmetrischen Strömungsprofils zur Erhöhung des Durchsatzes durch den mindestens einen Strömungskanal, darin, ein Ablöseelement auf einer Seite des Tragflächenprofils (vorzugsweise auf genau einer Seite) vorzusehen, welches ebenfalls für eine asymmetrische Strömung sorgt, welches jedoch dazu beiträgt, die Strömungsablösung vom Steckerteil zu stabilisieren. Diese Stabilisierung erfolgt derart, dass die Ablösung ohne größere Schwankungen oder Oszillationen stets in einem vorgegebenen Ablösebereich auf dem Tragflächenprofil erfolgt. Zu diesem Zweck ist das mindestens eine Ablöseelement vorzugsweise ausgestaltet, um bei in das strö- mende fluide Medium eingebrachtem Steckerteil ein zumindest lokales Druckminimum auf dieser Seite des Tragflächenprofils zu bewirken. Je ausgeprägter dieses fixierte Druckminimum und der anschließende Druckanstieg sind, desto stabiler ist die Ablösung des strömenden fluiden Mediums vom Steckerteil in diesem Ablösebereich.

Aus der Tragflächenkonstruktion sind wiederum verschiedene Beispiele derartiger Ablösebereiche bekannt, welche eingesetzt werden können, um dieses lokale Druckminimum (das heißt ein lokales Geschwindigkeitsmaximum) in der Strömung zu bewirken. Eine bevorzugte Möglichkeit besteht darin, auf einer Seite des Tragflächenprofils ein Rnickprofü vorzusehen. Im Bereich dieses Knickes weist das Tragflächenprofil eine Steigungsunstetigkeit auf, in wel-

eher die Steigung des Tragflächenprofils sich unstetig ändert. Der Begriff „Steigung" des Tragflächenprofils wird dabei, wie auch im Folgenden als Steigung relativ zur Hauptströmungsrichtung bei verschwindendem Anstellwinkel verstanden. Dieses Knickprofil kann beispielsweise dadurch ausgestaltet sein, dass das Tragflächenprofil anströmseitig vor dem Knickprofil gekrümmt mit positiver Steigung verläuft und abströmseitig hinter dem Knick- profil mit negativer Steigung, vorzugsweise gerade, vorzugsweise in einem Winkel zu einer Profilmittellinie des Tragflächenprofils zwischen 5° und 80°, besonders bevorzugt zwischen 20° und 70°. In anderen Worten sieht diese bevorzugte Ausgestaltung des Rnickprofüs eine Abschrägung des Steckerteils auf der Abströmseite vor, wobei die Abschrägung zur Profil- mittellinie hin gerichtet ist. Dieses Knickprofil hat sich in der Praxis als zuverlässiges Ablöseelement erwiesen, an welchem ein Druckminimum auftritt und an welchem sich Strömungsgrenzschichten vom Tragflächenprofil ablösen. Schwankungen des Ablösebereichs lassen sich dadurch zuverlässig vermeiden, wodurch die Signalqualität auch bei wechselnden Lastzuständen erheblich verbessert werden kann. Das Tragflächenprofil weist insgesamt ei- nen geringen Widerstand auf, und der Druckabfall am Steckerteil ist gering. Mittels derartiger Ausgestaltungen kann in der Regel auch auf heute üblicherweise eingesetzte Beruhigungsgitter zum Beruhigen der Strömung im Strömungsrohr verzichtet werden.

Eine weitere, alternative oder zusätzliche Möglichkeit, das Ablöseelement zu gestalten, be- steht darin, ein Stufenprofil vorzusehen. Unter einem Stufenprofil soll dabei eine Stufe im Tragflächenprofil verstanden werden, also umgangssprachlich zunächst ein „Knick in eine Richtung" und anschließend ein „Knick in die entgegengesetzte Richtung". Vorzugsweise, insbesondere aufgrund der vereinfachten Konstruktion, ist dieses Stufenprofil rechteckig ausgestaltet. Auch andere Stufenprofile sind jedoch denkbar, beispielsweise mit überhängenden, spitzen Stufen, um eine noch zuverlässigere Ablösung von Strömungsgrenzschichten in diesem Bereich zu bewirken.

Eine dritte, alternative oder zusätzliche Möglichkeit, das mindestens eine Ablöseelement auszugestalten, besteht darin, ein so genanntes „Hügelprofil" vorzusehen. Unter einem „Hügel- profil" ist dabei ein Profil zu verstehen, in welchem die Steigung des Tragflächenprofils von der Anströmseite des fluiden Mediums bis hin zur Abströmseite einen Wechsel (unter stetigem Verlauf) von einer positiven Steigung hin zu einer negativen Steigung durchführt. Vorzugsweise ist dabei die Krümmung im Bereich der negativen Steigung stärker als im Bereich der positiven Steigung, wobei unter „Steigung" die erste Ableitung des Tragflächenprofils,

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Die beiden oben beschriebenen Effekte, nämlich eine Unterstützung des Fluiddurchsatzes durch den mindestens einen Strömungskanal durch ein asymmetrisches Strömungsprofil und die Fixierung des Ablösebereichs lassen sich auf vorteilhafte Weise dadurch kombinieren, dass mindestens eine der mindestens einen Auslassöffnung im Bereich des zumindest lokalen Druckminimums angeordnet ist. Insbesondere kann zumindest ein Bypassauslass ganz oder teilweise im Bereich des mindestens einen Ablöseelements und/oder abströmseitig des mindestens einen Ablöseelements angeordnet sein. Auch eine derartige Anordnung des mindestens einen Hauptstromauslasses ist, alternativ oder zusätzlich, von Vorteil. Diese besondere Ausgestaltung der Anordnung der mindestens einen Auslassöffnung kombiniert die beiden oben beschriebenen erfindungsgemäßen Effekte auf besonders vorteilhafte Weise. Der Luft- austritt aus der mindestens einen Auslassöffnung verursacht ansonsten an nahezu jeder anderen Stelle am Steckfühler Störungen in der Strömung des Mediums. Diese Störungen sind im Bereich der Strömungsablösung am geringsten, was einen weiteren positiven Nebeneffekt dieser Anordnung darstellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Figur IA einen im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eingesetzten Heißfilmluftmas- senmesser;

Figur IB einen geöffneten Heißfilmluftmassenmesser in Draufsicht; Figur 2 eine Prinzipdarstellung eines Tragflächenprofils;

Figur 3 eine erstes Ausführungsbeispiel eines Tragflächenprofils eines erfmdungsgemä- ßen Steckfühlers mit einer Abschrägung;

Figur 4 ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Steckfühlers mit einer

Abschrägung und einer Stufe; Figur 5A ein Druckprofil über einem dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen

Steckfühlers;

Figur 5B ein Druckprofil über einem vierten Ausführungsbeispiel eines Steckfühlers; Figur 5C ein Druckprofil über einem fünften Ausführungsbeispiel eines Steckfühlers; Figur 6A eine Seitenansicht eines Steckfühlers mit zwei Auslassöffnungen im Bereich eines

Ablöseelements; und Figur 6B ein zu Figur 6A alternatives Ausführungsbeispiel eines Steckfühlers, bei welchem lediglich eine Auslassöffnung im Bereich eines Ablöseelements angeordnet ist.

In Figur IA ist ein dem Stand der Technik entsprechendes Ausführungsbeispiel eines Steckfühlers 110 dargestellt, welcher in diesem Fall als Heißfilmluftmassenmesser 112 ausgebildet ist. Der Heißfilmluftmassenmesser 112 ist in einen Ansaugtrakt 114 einer Brennkraftmaschine eingesetzt, welche in Figur IA nicht dargestellt ist. Derartige Heißfilmluftmassenmesser 112 sind kommerziell erhältlich. Der Heißfilmluftmassenmesser 112 ist ausgestaltet, um die Strömungsrichtung eines Ansaugstromes zu erkennen und ist für eine Lasterfassung bei Brennkraftmaschinen mit Benzin- oder Dieselkraftstoffeinspritzung konzipiert. Der Einbau des Heißfilmluftmassenmessers 112 erfolgt üblicherweise zwischen einem Luftfilter und einer Drosselvorrichtung und erfolgt in der Regel als vormontierte Baugruppe. Dementsprechend weist der Steckfühler 110 ein Steckerteil 116 auf, welches in Figur IB in geöffnetem Zustand in Seitenansicht dargestellt ist und welche in Figur IA in den Ansaugtrakt 114 hineinragt. In Figur IB ist erkennbar, dass in diesem Ausführungsbeispiel des Heißfilmluftmassenmessers 112 ein Messgehäuse 118 des Heißfilmluftmassenmessers 112 unterteilt ist in einen Strömungsbereich 120 und einen Elektronikbereich 122. Im Strömungsbereich 120 ist ein Strömungskanal 124 aufgenommen, welcher in diesem, dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel ausgestaltet ist wie in DE 10 2004 022 271Al beschrieben. Der Steckfühler 110 wird von Luft in einer Hauptströmungsrichtung 126 angeströmt. Die Luft strömt durch eine Einlassöffnung 128 in den Strömungskanal 124 ein. Der Strömungskanal 124 weist einen Hauptkanal 130 auf, welcher sich im Wesentlichen gerade, entlang der Hauptströmungsrichtung 126 von der Einlassöffnung 128 zu einem Hauptstromauslass 132 befindet. Der Hauptstromauslass 132 befindet sich hierbei seitlich in einer Wand des Steckerteils 116. Vom Hauptkanal 130 zweigt an einer Abzweigung 134 ein Bypasskanl 136 ab, welcher sich im Wesentlichen mit gekrümmtem Verlauf um den Hauptstromauslass 132 herum bis zu einem an der Unterseite des Steckerteils 116 gelegenen Bypassauslass 138 erstreckt. In einem geraden Abschnitt 140 ragt aus dem Elektronikbereich 122 ein Chipträger 142 mit einem darin eingelassenen Sensorchip 144 in den Bypasskanal 136. Der Chipträger 142 ist üblicherwei-

se an einer im Elektronikbereich 122 aufgenommenen, in Figur IB nicht dargestellten Elektronikplatine befestigt (beispielsweise angespritzt), wobei die Elektronikplatine eine Auswerte- und Ansteuerschaltung des Heißfilmluftmassenmessers 112 umfassen kann.

Um Verunreinigungen wie beispielsweise flüssige Verunreinigungen (zum Beispiel Wasser, öl) oder feste Verunreinigungen von dem Sensorchip 144 fernzuhalten, ist an der Abzweigung 134 des Bypasskanals 136 eine scharfkantige Nase 146 vorgesehen. An dieser Nase wird der Hauptstrom vom durch den Bypasskanal 136 strömenden Teil der Luft getrennt, derart, dass Wassertröpfchen und andere Verunreinigungen geradeaus weiter durch den Haupt- kanal 130 strömen und im Wesentlichen nicht zum Sensorchip 144 gelangen können.

Eine Problematik des dem Stand der Technik entsprechenden Heißfilmluftmassenmessers 112 besteht in der Ausgestaltung des Steckerteils 116 mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt in einer Schnittebene senkrecht zur Zeichenebene in Figur IB. Dementsprechend weist das Steckerteil 116 eine Anströmseite 148 mit einer im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 126 ausgestalteten Fläche auf. Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Anströmseite 148 als abgerundete Anströmseite auszugestalten, wobei die Abrundung bereits im Steckerteil 116 und somit im Steckfühler 110 integriert ist. Insgesamt weist das Steckerteil 116 in einer Schnittebene senkrecht zur Zeichenebene in Figur IB, zumindest im Bereich der Einlassöffnung 128, ein Tragflächenprofil 210 auf, welches beispielhaft in Figur 2 dargestellt ist. Anhand der Prinzipdarstellung in Figur 2 sollen die grundlegenden Begriffe des Tragflächenprofils 210 erläutert werden.

Das Tragflächenprofil 210 weist erfindungsgemäß eine abgerundete Anströmseite 148 auf, welche im Wesentlichen der Hauptströmungsrichtung 126 entgegengesetzt orientiert ist, wenn das Steckerteil 116 im Ansaugtrakt 114 der Brennkraftmaschine montiert ist. Die Anströmseite 148 wird dabei bei Tragflächen häufig auch als Staupunkt bezeichnet.

Die Strömung der Luft um das Tragflächenprofil 210 herum ist in Figur 2 symbolisch durch die Stromlinien 212 dargestellt. Dabei wird deutlich, dass die Strömung um das Tragflächenprofil 210 erfindungsgemäß aus zweierlei Gründen asymmetrisch ist. Zum Einen ist die Profilmittellinie 214 auf eine gedachte Linie zwischen Scheitelpunkt der Anströmseite 148 und der fiktiven Hinterkante 216 des Tragflächenprofils gegenüber der Hauptströmungsrichtung 126 um einen Winkel α verkippt. Dadurch steigt die Strömungsgeschwindigkeit über dem

Tragflächenprofil 210 an, und unter dem Tragflächenprofil 210 sinkt diese ab. Dementsprechend steigt der Druck unter dem Tragflächenprofil 210 an und sinkt über dem Tragflächenprofil 210 ab. Dies bewirkt den bekannten Auftriebseffekt von Tragflächen.

Eine Besonderheit des Tragflächenprofils 210 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 2 besteht darin, dass das Tragflächenprofil 210 eher ein „abgeschnittenes" Heck 218 aufweist. Dies bedeutet, dass das Heck im Wesentlichen senkrecht zur Profilmittellinie 214 steht, bzw., bei verschwindendem Anstellwinkel α, senkrecht zur Hauptströmungsrichtung 126. Alternativ zur in Figur 2 eingezeichneten Definition der Profilmittellinie 214 ließe sich diese auch dadurch definieren, dass sich diese vom Scheitelpunkt der Anströmseite 148 zum Mittelpunkt des Hecks 218 erstreckt.

Neben der oben aufgeführten Asymmetrie der Strömung durch den Anstellwinkel α relativ zur Hauptströmungsrichtung 126 wird in dem Ausführungsbeispiel des Tragflächenpro- fils 210 gemäß Figur 2 eine weitere Asymmetrie dadurch herbeigeführt, dass dieses eine Profilwölbung aufweist. So ist in Figur 2 die so genannte Skelettlinie 220 eingezeichnet, welche geometrisch dadurch erhalten wird, dass dem Tragflächenprofil 210 Innenkreise 222 eingeschrieben werden. Die Gesamtheit der Mittelpunkte dieser Innenkreise 222 bildet die Skelettlinie 220. Eine Profilwölbung bedeutet, dass diese Skelettlinie 220, welche bei perfekt sym- metrischem Tragflächenprofil 210 auf der Profilmittellinie 214 zu liegen käme, nunmehr von dieser Profilmittellinie 214 abweicht. Die maximale Abweichung f der Skelettlinie 220 von der Profilmittellinie 214 wird als Profilwölbung bezeichnet. Häufig wird diese auf die Gesamtlänge L des Tragflächenprofils 210 bezogen und in Prozent angegeben. Dabei kann die Gesamtlänge L, wie in Figur 2 eingezeichnet, vom Scheitelpunkt der Anströmseite 148 bis zur fiktiven Hinterkante 216 gemessen werden, oder es kann (wie bei den obigen Zahlenangaben der bevorzugten Profilwölbung) ein Bezug auf die Länge L' genommen werden, welche zwischen dem Scheitpunkt der Anströmseite 148 und dem Heck 218 gemessen wird. Somit ergibt sich als Profilwölbung in Prozent das Verhältnis f/L'. Durch die Profilwölbung wird eine zusätzliche Asymmetrie herbeigeführt, welche die Verdichtungen der Stromlinien 212 oberhalb des Tragflächenprofils 210 noch verstärkt und somit den beschriebenen Effekt der Erhöhung der Geschwindigkeit in diesem Bereich.

Der Verlauf der Stromlinien 212 in Figur 2 ist idealisiert dargestellt und ist bei üblichen Trag- flächenprofilen 210 in dieser Weise häufig nicht zu finden. Tatsächlich tritt in der Regel an jeweils einem oder mehreren Separationspunkten auf der Oberseite und zum Teil auch auf der Unterseite des Tragflächenprofils 210 eine Strömungsablösung auf. Dabei lösen sich in der Regel eine oder mehrere Grenzschichten, welche bis dahin das Tragflächenprofil 210 umgeben haben, von diesem ab und bilden eine oder mehrere Ablösungszonen. Diese Ablösepunk- te 224 und die abgelösten Grenzschichten 226 sind in Figur 2 symbolisch angedeutet, wobei ebenfalls angedeutet ist, dass bei angestelltem Tragflächenprofil 210 der obere Ablösepunkt 224 in der Regel weiter anströmseitig gelegen ist als der untere Ablösepunkt 224. Anstelle eines wohldefinierten Ablösepunktes 224, welcher ohnehin keinen Punkt, sondern eine Linie senkrecht zur Zeichenebene darstellt, können unter den Ablösepunkten 224 auch Bereiche oder Zonen mit einer endlichen Ausdehnung verstanden werden.

Eine Problematik, aufweiche oben bereits eingegangen wurde, besteht darin, dass diese Ab- lösepunkte 224, an welchem sich abgelöste Grenzschichten 226 bilden, in vielen Fällen instabil sind und sogar oszillieren können. Die Lage der abgelösten Grenzschichten 226 relativ zu der Lage des Hauptstromauslasses 132 und des Bypassauslasses 138 wirkt sich jedoch empfindlich auf das Strömungs verhalten im Strömungskanal 124 und somit auf die Signaleigenschaften des Heißfilmluftmassenmessers 112 aus. Gemäß einer weiteren Idee der Erfindung lässt sich daher mindestens ein Ablöseelement 310 vorsehen, welches die Lage des Ablösepunkts 224 auf mindestens einer Seite des Tragflächenprofils 210, vorzugsweise auf der Oberseite (das heißt auf der Seite mit erhöhter Strömungsgeschwindigkeit) stabilisiert und vorzugsweise fixiert. In den Figuren 3, 4 und 5 A bis 5 C sind verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger Ablöseelemente 310 dargestellt.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Tragflächenprofils 210 ist ein Knickprofil 312 vorgesehen. Wie aus Figur 3 erkennbar, ist dieses Knickprofil 312 auf der Oberseite des Tragflächenprofils 210 ungefähr in der Mitte zwischen Anströmseite 148 und Heck 218 angeordnet, bzw. leicht hinter dieser Mitte. Das Tragflächenprofil 210 ist dabei derart ausgestaltet, dass dieses vor dem Rnickprofü 312, das heißt anströmseitig, gekrümmt ist und im gekrümmten Bereich 314 mit positiver Steigung verläuft. Hinter dem Knickprofil 312, das heißt abströmseitig vom Rnickprofü 312, ist das Tragflächenprofil 210 in einem Ab- flachungsb ereich 316 abgeflacht und verläuft dort mit negativer Steigung eben zur Profümit- tellinie 214 hin. Anschließend ist wiederum ein abgeschnittenes Heck 218 vorgesehen.

Diese Ausgestaltung des Tragflächenprofils 210 mit dem Ablöseelement 310 bewirkt, dass der obere Ablösepunkt 224 im Wesentlichen im Ablöseelement 310 fixiert wird. Auf der Unterseite des Tragflächenprofils 210 wird sich der Ablösepunkt 224 üblicherweise an der Ecke zum senkrechten Heck 218 einstellen. Die abgelösten Grenzschichten sind in Figur 3 wiederum mit der Bezugsziffer 226 bezeichnet und symbolisch angedeutet. Um den vorderen Teil des Tragflächenprofils 210 herum wird die Strömung auf beiden Seiten bis zu den Ablöse- punkten 224 gleichmäßig beschleunigt, was zu einer sehr stabilen, unempfindlichen Strö- mungstopologie führt. Die entstehenden abgelösten Grenzschichten 226 sind in ihrer Ausdeh- nung klein, sind stationär und stören somit die Reproduzierbarkeit der Messung nicht oder nur geringfügig. Wäre das Tragflächenprofil 210 symmetrisch mit anliegender, beschleunigter Strömung auf beiden Seiten, ergäbe sich eine wesentlich größere Gesamtdicke des Steckerteils 116 und damit ein größerer Materialbedarf und ein größerer Druckabfall am Steckfühler 110.

In Figur 4 ist ein zu Figur 3 alternatives Ausführungsbeispiel eines Tragflächenprofils 210 mit einem Ablöseelement 310 dargestellt. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Figur 3 ist hier kein Knickprofil 312 vorgesehen, sondern ein Stufenprofil 410, an welches sich wiederum, analog zu Figur 3, abströmseitig ein Abflachungsbereich 316 anschließt. Das Stufenprofil 410 ist in diesem Fall als rechteckige Stufe ausgestaltet, mit einer ersten Stufenfläche 412 senkrecht zur Profilmittellinie 214 und einer zweiten Stufenfläche 414 parallel zur Profilmittellinie 214. Die Stufenhöhe h beträgt vorteilhafterweise mindestens 0,5 mm, wobei jedoch auch andere Stufenhöhen praktikabel sind. Insbesondere werden Stufenhöhen h im Bereich zwischen 1% und 20% der gesamten Profildicke des Tragflächenprofils 210 bevorzugt. Die zweite Stufenfläche 414 hat typischerweise eine Länge zwischen 1,0 und 7,0 mm, wobei insgesamt Längen zwischen 1% und 20% der Profiltiefe bevorzugt sind. Die Strömung kann an dieser Stufe dem scharfen Knick nicht folgen und löst sich von der Oberfläche des Tragflächenprofils 210 ab. Die abgelösten Grenzschichten 226 erhalten somit nahezu stets die gleiche Größe und Form und bleiben stabil, auch wenn sich die Anströmverhältnisse ändern. Die stabile Strömungstopologie vermindert Rückwirkungen der Strömung auf das Signal des Heißfilmluftmassenmessers 112 und führt zu besserer Reproduzierbarkeit des Messsignals.

Auch andere Ausgestaltungen des Stufenprofils 410 sind denkbar. So könnte beispielsweise die erste Stufenfläche 412 unter einem von 90° abweichenden Winkel zur Profilmittellinie

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214 angeordnet sein, so dass die Stufe einen leichten, zur Abströmseite geneigten überhang aufweist, mit einer scharfen Kante (spitzer Winkel) an der Oberseite. Hierdurch kann die Fixierung des Ablösepunkts 224 weiter verbessert werden.

In den Figuren 5 A bis 5 B sind schematisch weitere Ausführungsbeispiele von Tragflächenpro filen 210 dargestellt, welche ebenfalls Ablöseelemente 310 aufweisen. Im Gegensatz zu den Ausführungsbeispielen in den Figuren 3 und 4 weisen diese Ablöseelemente 310 jedoch keine scharfen Kanten mit Unstetigkeiten in der Steigung (Knicken) auf, sondern Ablöseelemente 310 mit einem stetigen Verlauf der Steigung des Tragflächenprofils 210. Dabei zeigen die Figuren 5 A und 5 C Ausführungsbeispiele von Hügelpro filen 510 mit einem zusätzlichen Wendepunkt 512, wohingegen Figur 5B ein Ausführungsbeispiel eines Hügelprofils 510 ohne Wendepunkt zeigt. Bei den Hügelprofilen 510 gemäß den Figuren 5 A und 5 C ist jeweils ein Maximum 514 zu erkennen, also ein Punkt, an welchem die Steigung des Tragflächenprofils 210 ein stetigen Wechsel von einer positiven Steigung hin zu einer negativen Steigung durch- führt (von der Anström- zur Abströmseite).

Die Ablöseelemente 310 mit stetigem Verlauf der Steigung weisen gegenüber Knicken den Vorteil auf, dass geringere Störungen in der Strömung des fluiden Mediums verursacht werden. Dadurch ist der gesamte Druckabfall an dem Tragflächenprofil 210 geringer. Außerdem weisen Ablöseelemente 310 mit stetigem Verlauf der Steigung insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten eine geringere Gefahr eines Wiederanlegens der abgelösten Strömungen auf.

über den Tragflächenprofilen 210 sind in den Figuren 5 A bis 5 C jeweils ein Druckprofil 516 auf der Unterseite des Tragflächenprofils 210 und ein Druckprofil 518 auf der Oberseite des Tragflächenprofils 210 aufgetragen, welches mit Simulationsrechnungen berechnet wurde. Dabei ist der so genannte Druckbeiwert c _p aufgetragen, also das dimensionslose Verhältnis zwischen dem Druck und dem Staudruck, als Funktion der Position entlang der Profilmittellinie 214 (welche in diesen Figuren nicht dargestellt ist). Dabei ist zu beachten, dass die Achse des Druckbeiwerts c _p hier invertiert ist, so dass nach oben hin negative Werte aufgetragen sind.

Wie sich aus den Auftragungen der Druckbeiwerte erkennen lässt, weist das Druckprofil 516 auf der Unterseite des Tragflächenprofils 210 jeweils einen gleichförmigen Verlauf auf, wäh-

rend das Druckpro fil 518 auf der Oberseite des Tragflächenprofϊls 210 jeweils eine Abnorma- lität 520 aufweist. Diese Abnormalität 520 ist als Minimum 522 im Druck ausgestaltet. Entsprechend tritt in diesem Bereich der Abnormalität 520 ein Maximum in der Strömungsgeschwindigkeit der Luft auf. Es hat sich gezeigt, dass diese Abnormalität 520, welche durch die beschriebene Kontur des Tragflächenprofils 210 mit dem Ablöseelement 310 räumlich am Tragflächenpro fil 210 festgelegt ist, gut geeignet ist, um den Ablösepunkt 224 auf der Oberseite des Tragflächenprofils 210 zu fixieren, so dass die Strömungsablösung definiert und ohne größere Schwankungen im Betrieb erfolgt.

Ein weiterer positiver Nebeneffekt der in den Figuren 5 A bis 5 C dargestellten Beispiele von Tragflächenprofilen 210 liegt darin, dass, wie die Druckprofile 516 auf der Unterseite zeigen, eine stärkere Beschleunigung der Strömung auf dieser Unterseite des Tragflächenprofils auftritt. Damit werden in der Regel alle Tendenzen der Strömung, sich in diesem Bereich abzulösen, zuverlässig unterbunden.

In den Figuren 6A und 6B sind zwei verschiedene Ausführungsbeispiele von Steckerteilen 116 eines Heißfilmluftmassenmessers 112 perspektivisch dargestellt, bei denen Auslassöffnungen 610 entlang des Tragflächenprofils 210 unterschiedlich positioniert sind. Dabei entspricht das Tragflächenprofil 210, wie in Figur 6B durch die gestrichelte Linie dargestellt, dem Tragflächenprofil gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 4, das heißt es ist ein Ablöseelement 310 mit einem Stufenprofil 410 vorgesehen. Analog könnte jedoch auch jede beliebige andere Ausgestaltung des Ablöseelements 310 verwendet werden, beispielsweise die Ausgestaltung in Figur 3 oder in den Figuren 5 A bis 5C.

Wiederum ist die Anströmseite 148 des Steckerteils 116 abgerundet ausgestaltet, wobei in diesem Ausführungsbeispiel in der Anströmseite 148 mehrere Schlitze 612 ausgebildet sind. Die Funktion dieser Schlitze liegt in einer Turbulenz-Stabilisierung der Grenzschicht und ist in DE 10 2004 022 271 Al beschrieben.

Die beiden Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 6A und 6B unterscheiden sich dabei in der Lage der Auslassöffnungen 610. In beiden Fällen ist ein Strömungskanal 124 im Inneren des Steckerteils 116 angeordnet, welcher lediglich in Figur 6A gestrichelt angedeutet ist und welcher in Figur 6B nicht zu erkennen ist. Wiederum ist dabei der Strömungskanal 124 mit einem Hauptkanal 130 und einem Bypasskanal 136 ausgestaltet, wobei im Bypasskanal 136

- - der Sensorchip 144 (in Figur 6A nicht dargestellt) angeordnet ist. Somit entspricht die Anordnung im Wesentlichen dem dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungsbeispiel gemäß Figur IB in Ausgestaltung und Funktion.

In diesem Satz zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur IB sind jedoch bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6A beide Auslassöffnungen 610 in der Seitenwand des Steckerteils 116 vorgesehen, insbesondere der Bypassauslass 138, welcher im Ausführungsbeispiel gemäß Figur IB auf der Unterseite des Steckerteils 116 angeordnet ist. Die Seitenwand, in der beiden Auslassöffnungen 610 vorgesehen sind, ist in Figur 6A symbolisch mit der Bezugsziffer 614 bezeichnet, die Gegenseite (siehe Figur 6B) mit 616. Dabei ist zu erkennen, dass der Bypassauslass 138 derart angeordnet ist, dass dieser auf dem als Stufenpro fil 410 ausgebildeten Ablöseelement 310 zu liegen kommt. Diese Ausgestaltung, welche auch in dem Beispiel gemäß Figur 6B zu finden ist, bietet gegenüber dem Stand der Technik gemäß Figur IB den Vorteil, dass der Bypassauslass 138 nunmehr im Bereich des Druckmi- nimums bzw. des Geschwindigkeitsmaximums angeordnet ist. Dementsprechend wird die Saugwirkung verstärkt, und der Luftmassendurchsatz durch den Bypasskanal 136 wird erhöht. Dadurch wird der Signalhub des Heißfilmluftmassenmessers 112 deutlich erhöht, und das Signal-zu-Rauschverhältnis wird stark verbessert.

Wie ein Vergleich der Figuren 6A und 6B ergibt, kann der Hauptstromauslass 132 im Bereich des Hecks 218 angeordnet sein (Figur 6B) oder dieser Hauptstromauslass 132 kann ebenfalls im Bereich des Ablöseelements 310 platziert werden (Figur 6A). Letztere Ausgestaltung bietet einen ähnlichen Vorteil wie beim Bypassauslass 138, nämlich dass eine Anordnung im Bereich eines Geschwindigkeitsmaximums zu einem optimalen Luftmassendurchsatz durch den Heißfilmluftmassenmesser 112 führt. Auch hierdurch wird die Signalqualität, wie oben beschrieben, verbessert.