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Die
Erfindung betrifft einen Heißfilmluftmassenmesser
zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms.
Derartige Heißfilmluftmassenmesser
werden insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine
eingesetzt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung
eines Luftmassenstroms.
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Stand
der Technik
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Bei
vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik,
der Chemie oder des Maschinenbaus, muss definiert eine Gasmasse, insbesondere
eine Luftmasse, zugeführt
werden. Hierzu zählen
insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen
ablaufen. Ein wichtiges Beispiel ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff
in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere
mit anschließender
katalytischer Abgasreinigung. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes
werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt.
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Ein
aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte
Heißfilmluftmassenmesser
(HFM), welcher beispielsweise in
DE 196 01 791 A1 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 Memb ran 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.
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Eine
beispielsweise aus
DE
101 11 840 C2 bekannte Problematik dieses Typs von Sensor
besteht darin, dass häufig
Kontaminationen des Sensortyps auftreten können, beispielsweise Kontaminationen
durch Öl,
andere Flüssigkeiten
oder 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 Öl auf dem
Sensorchip und dabei insbesondere auf der Sensormembran niederschlagen. Dieser Ölniederschlag
kann zu einer unerwünschten Messsignalbeeinflussung
des Sensorchips führen, insbesondere
da ein Ölfilm
auf der Oberfläche
des Sensorchips auf die Wärmeleitfähigkeit
der Oberfläche
einwirkt, was zur Verfälschung
der Messsignale führt.
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Die Ölkontamination
kann weiterhin auch beim oder kurz nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine,
beispielsweise eines Dieselmotors, auftreten. Dies ist insbesondere
dann der Fall, wenn sich nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine
ein in einem Kurbelgehäuse
vorhandener Überdruck über eine
Kurbelgehäuseentlüftung in
den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine (und damit zum Beispiel
auch in den Bypasskanal des Heißfilmluftmassenmessers)
abbaut. Dabei wird häufig Öldampf beziehungsweise Ölnebel mitgeführt. Dieser Ölnebel schlägt sich
zumindest teilweise auf dem Sensorchip als Kontaminationsfilm nieder
und verursacht somit insbesondere beim erneuten Anschalten der Verbrennungskraftmaschine
eine erhebliche Messsignalbeeinflussung.
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Die
DE 101 11 840 C2 schlägt ein Verfahren zur
Vermeidung von Verschmutzungen auf einem Sensorchip unter Verwendung
eines Zusatzheizers vor. Der Sensorchip weist einen Sensorbereich
auf sowie einen außerhalb
des Sensorbereichs angeordneten Zusatzheizer. Dieser Zusatzheizer
wird elektrisch so erhitzt, dass im Bereich des Zusatzheizers Thermogradientenwirbel
auftreten, welche zu Niederschlägen
der Verschmutzungen des strömenden Mediums
im Bereich des Zusatzheizers abseits des Bereichs des Sensorbereichs
führen.
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Die
in der
DE 101 11 840
C2 offenbarte Anordnung und das offenbarte Verfahren sind
jedoch nur bedingt geeignet, das Kontaminationsproblem, welches,
wie beschrieben, auf mehreren Effekten beruht, zu lösen. Insbesondere
besteht das Problem, dass die Ölniederschläge zwar
nunmehr überwiegend
abseits des Sensorbereiches auftreten, aber immer noch auf dem Sensorchip
selbst. Sammeln sich größere Mengen
der Verunreinigung an, so können
diese, beispielsweise durch Luftverwirbelungen, auf den Sensorbereich
getrieben werden. Weiterhin löst
die in der
DE 101
11 840 C2 beschriebene Anordnung auch nicht das oben dargestellte
Problem, dass sich Kontaminationen insbesondere nach Abschalten der
Verbrennungskraftmaschine ausbilden.
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Vorteile
der Erfindung
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Es
wird daher ein Heißfilmluftmassenmesser zur
Messung eines Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt einer
Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen, welcher die Nachteile
der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen vermeidet.
Der Heißfilmluftmassenmesser
ist universell einsetzbar, ist jedoch insbesondere optimiert zur
Messung eines Luftmassenstroms mit einer Strömungsgeschwindigkeit zwischen
0 und 60 m/s. Weiterhin wird ein Verfahren zum Betrieb eines Heißfilmluftmassenmessers
gemäß der Erfindung
vorgeschlagen.
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Der
Heißfilmluftmassenmesser
kann prinzipiell alle dem Fachmann bekannten Techniken und Varianten
von Heißfilmluftmassenmessern
einschließen.
Beispielsweise kann der Heißfilmluftmassenmesser
einen Sensorchip, beispielsweise einen Sensorchip mit einer Sensormembran,
umfassen, wie er in
DE
196 01 791 A1 beschrieben ist. Es sind jedoch auch andere
Ausführungsformen
von Heißfilmluftmassenmessern
möglich.
Der Heißfilmluftmassenmesser
weist eine vom Luftmassenstrom überströmbare Sensoroberfläche auf.
Beispielsweise kann es sich dabei, wie oben beschrieben, um die
Oberfläche einer
Sensormembran handeln.
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Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, Ölablagerungen
und sonstige Kontaminationen auf der Sensoroberfläche zu vermeiden,
indem elektrische Effekte eingesetzt werden. Zu diesem Zweck weist
der Heißfilmluftmassenmesser
eine Felderzeugungsvorrichtung auf, welche ausgestaltet ist, um
ein homogenes elektrisches Feld durch den Luftmassenstrom zu erzeugen,
welches vorzugsweise zumindest teilweise homogen ist.
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Dieses
elektrische Feld kann auf unterschiedliche Weise Einfluss auf die Ölkontamination der
Sensoroberfläche
nehmen. Dabei ist zu beachten, dass der Luftmassenstrom üblicherweise
einen Ölnebel
(Aerosol) mit kleinsten Öltröpfchen enthält, welche
mit dem Luftmassenstrom mitgetragen werden. Dieser Effekt kann sowohl
im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine als auch, wie oben beschrieben,
nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine auftreten. Diese Öltröpfchen sind
in vielen Fällen
elektrisch aufgeladen. Diese elektrische Aufladung erfolgt beispielsweise
durch molekulare Reibung, Wandstöße mit beispielsweise
der Wand eines Strömungskanals,
durch Umgebungsstrahlung oder auch durch Wechselwirkung mit anderen Öltröpfchen.
Zusätzlich
kann die Aufladung der Öltröpfchen durch
ein elektrisches Feld noch verstärkt
werden, da in diesem Fall bereits aufgeladene Öltröpfchen beschleunigt werden,
mit anderen Tröpfchen
zusammenstoßen
und so in einer Art „Lawineneffekt" neue Ladungen erzeugen.
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Die
derart geladenen Ölpartikel
werden im elektrischen Feld entsprechend ihrer Polarität abgelenkt.
Auf diese Weise können
die Öltröpfchen durch elektrische
Ablenkung von der Sensoroberfläche ferngehalten
werden.
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Ein
weiterer Effekt kann darin bestehen, dass Öltröpfchen im elektrischen Feld
polarisiert werden, ohne dass eine Nettoaufladung erfolgt. Auf diese
Weise wird aus den Öl tröpfchen jeweils
ein elektrischer Dipol. Da sich jeweils der positiv geladene Teil eines
ersten Öltröpfchens
und der negative Teil eines zweiten Öltröpfchens gegenseitig anziehen,
können zwei
derartig polarisierte Öltröpfchen leicht
miteinander verschmelzen (koagulieren). Auf diese Weise bilden sich
aus den kleinsten Öltröpfchen,
welche vom Luftmassenstrom mitgeführt werden, große, schwere Tropfen,
welche dann aufgrund der auf sie wirkenden Schwerkraft ausfallen.
Auch auf diese Weise kann der Ölnebel
von der Sensoroberfläche
ferngehalten werden, insbesondere wenn die Sensoroberfläche im Betrieb
des Heißfilmluftmassenmessers
vertikal angeordnet ist.
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Die
Felderzeugungsvorrichtung kann einen oder mehrere Kondensatoren
aufweisen, insbesondere einen Plattenkondensator, wobei jedoch die Platten
des Plattenkondensators nicht notwendigerweise parallel sein müssen. Dabei
ist es bevorzugt, wenn die Elektroden des mindestens einen Kondensators
zumindest näherungsweise
flächengleich sind.
Dabei können
Abweichungen von 50 %, vorzugsweise nicht mehr als 10 % und besonders
bevorzugt von nicht mehr als 5 % toleriert werden, um ein vorzugsweise
zumindest teilweise homogenes elektrisches Feld zu generieren. Weist
der Heißfilmluftmassenmesser
einen Strömungskanal,
insbesondere einen Bypasskanal, auf, so können die Elektroden des Kondensators
in den Strömungskanal
eingebracht werden. Dabei kann es sich um separate Elektroden handeln,
beispielsweise in Form von in den Strömungskanal eingebrachten Metallschichten.
Alternativ können
auch die Wände
des Strömungskanals
selbst mit einer Metallisierung versehen werden, oder der Strömungskanal
selbst kann einen metallischen Bestandteil, insbesondere einen zumindest teilweise
metallischen Deckel- und/oder Bodenteil, aufweisen. Auch können mehrere
Kondensatoren in Reihe angeordnet werden, beispielsweise ein Kondensator
vor dem Sensorchip, ein Kondensator nach dem Sensorchip.
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In
vielen Fällen
wird der Luftmassenstrom mit einer Hauptströmungsrichtung strömen. Wird
dabei ein Strömungskanal
eingesetzt, beispielsweise ein Bypasskanal, so ist der Begriff „Hauptströmungsrichtung" jeweils lokal zu
verstehen, wobei unter dem Begriff „Hauptströmungsrichtung" jeweils die Haupttransportrichtung
des Luftmassenstroms am jeweiligen Ort im Strömungskanal zu verstehen sei.
Lokale Verwirbelungen sollen dabei vernachlässigt werden. Besonders bevorzugt
ist es, wenn das elektrische Feld den Luftmassenstrom im Wesentlichen
senkrecht zur Hauptströmungsrichtung
durchdringt. Auf diese Weise wird der oben beschriebene Ablenkungseffekt
besonders gut ausgenutzt. Vorzugsweise verläuft das elektrische Feld im
eingebauten Zustand des Heißfilmluftmassenmessers,
beispielsweise im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine bei
horizontal stehender Verbrennungskraftmaschine, selbst horizontal.
Auf diese Weise kann das Ausfällen
koagulierter Tröpfchen
verstärkt
werden.
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Um
die oben beschriebenen Effekte der Ablenkung und Ausfällung (neben
denen noch weitere elektrische Effekte wirken können) zu unterstützen, ist
es bevorzugt, wenn der Luftmassenstrom vor Erreichen der Sensoroberfläche eine
Driftstrecke von mindestens 1 mm, insbesondere mindestens 3 mm und
besonders bevorzugt mindestens 5 mm im elektrischen Feld zurücklegt.
Dies kann beispielsweise durch entsprechende Dimensionierung des
beschriebenen Kondensators erfolgen. Insbesondere kann beispielsweise,
wenn ein Strömungskanal
(beispielsweise ein Bypasskanal) eingesetzt wird, die gesamte Strecke
des Bypasskanals mit einem Kondensator versehen werden, beispielsweise
indem jeweils Deckel und Boden des Bypasskanals metallisiert werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das vorzugsweise zumindest teilweise
homogene elektrische Feld zumindest in einem Teilbereich eine Feldstärke in einem
Bereich von 1 kV/m bis 5 MV/m, insbesondere 10 kV/m bis 2,5 MV/m
und besonders bevorzugt bei näherungsweise
0,4 MV/m aufweist. Diese Feldstärken
haben sich in Praxistests als besonders wirksam und dennoch technisch
gut realisierbar und handhabbar erwiesen.
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Wie
oben beschrieben, tritt der Kontaminationseffekt insbesondere nach
Abschalten der Verbrennungskraftmaschine auf, wenn sich mit Ölnebel versetzte
Luft im Kurbelgehäuse
entspannt und durch eine Kurbelgehäuseentlüftungsöffnung in den Ansaugtrakt diffundiert.
Dementsprechend kann auch der erfindungsgemäße Heißfilmluftmassenmesser unterschiedlich
betrieben werden. Zum einen kann die Felderzeugungsvorrichtung während des gesamten
Betriebs oder auch nur während
Teilphasen des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine ein elektrisches
Feld erzeugen und auf diese Weise unter Ausnutzung der beschriebenen
Effekte eine Kontamination der Sensoroberfläche konti nuierlich verhindern.
Weiterhin ist es jedoch alternativ oder zusätzlich auch bevorzugt, die
Felderzeugungsvorrichtung nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine
einzusetzen. Dementsprechend wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei
welchem die Felderzeugungsvorrichtung nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine
für eine
vorgegebene Nachlaufdauer ein elektrisches Feld erzeugt. Grundsätzlich kann
dabei eine beliebige Nachlaufdauer eingesetzt werden. Insbesondere
haben sich Nachlaufdauern zwischen 3 sec und 10 min, vorzugsweise
zwischen 5 sec und 5 min und besonders bevorzugt zwischen 10 sec
und 3 min bewährt.
Auf diese Weise kann eine durch Diffusion von Ölnebel hervorgerufene Kontamination
der Sensoroberfläche
beim Stillstand der Verbrennungskraftmaschine vermieden oder stark
verringert werden. Es sei noch darauf hingewiesen, dass der oben
verwendete Begriff einer „Hauptströmungsrichtung" im Falle des Stillstands
der Verbrennungskraftmaschine weit zu fassen ist, da in diesem Fall Szenarien
auftreten können,
in denen Ölnebel „aus beiden
Richtungen" zur
Sensoroberfläche
strömen. Daher
kann die oben beschriebene Driftstrecke beispielsweise „vor" und/oder „nach" der Sensoroberfläche angeordnet
sein, also unter Bezugnahme auf die Hauptströmungsrichtung im Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine stromaufwärts bzw. auch stromabwärts von
der Sensoroberfläche.
Es können
auch unterschiedliche elektrische Felder vorgesehen sein, beispielsweise
ein elektrisches Feld „stromabwärts" der Sensoroberfläche, welches
erst nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine zugeschaltet
wird, um eine Rückdiffusion
von Ölnebel
entgegen der Hauptströmungsrichtung
im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine
zu verhindern bzw. die Effekte der Kontamination durch diese Rückdiffusion
zu vermindern.
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Im
Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen
zur Verringerung bzw. Vermeidung von Ölkontaminationen auf der Sensoroberfläche zeichnet
sich der erfindungsgemäße Heißfilmluftmassenmesser
und das beschriebene Verfahren zur Betrieb desselben durch zahlreiche Vorteile
aus. Ein Vorteil besteht beispielsweise darin, dass Ölablagerungen
insgesamt auf der Sensoroberfläche
vermieden werden, indem Öl
vor Erreichen der Sensoroberfläche
ausgefällt
und/oder von der Sensoroberfläche
ferngehalten wird. Es treten somit auch keine Ansammlungen von Öl in der
Nähe der Sensoroberfläche auf,
welche anschließend
durch Luftverwirbelungen auf die Sensoroberfläche getragen werden könnten. Das
System zeichnet sich somit durch eine erhöhte Robustheit und Störungsunanfälligkeit
aus.
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Weiterhin
ist der beschriebene Heißfilmluftmassenmesser
vergleichsweise einfach aufgebaut. Es sind keine zusätzlichen
Regelungsmechanismen erforderlich, um beispielsweise bestimmte Temperaturbereiche
auf der Sensoroberfläche
aufrechtzuerhalten, wie dies beispielsweise bei der
DE 101 11 840 C1 der Fall
ist. Weiterhin sind keine mikrosystemtechnischen Veränderungen
der Sensoroberfläche selbst
erforderlich, also beispielsweise zusätzliche Mikrostrukturen auf
einem Sensorchip. Bereits vorhandene Sensorchips können somit
durch einfaches Ergänzen
um eine Felderzeugungsvorrichtung weiter genutzt werden. Eine Veränderung
der lithographischen Prozesse bzw. des Layouts von Sensorchips ist
in der Regel nicht erforderlich.
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Die
Felderzeugungsvorrichtung lässt
sich durch einfaches Einbringen von Elektroden in einen Strömungskanal
realisieren. Wie oben beschrieben, können dabei beispielsweise Metallfolien
eingesetzt werden, oder es können
auch Wände
eines Strömungskanals
metallisiert werden. Dazu lassen sich dem Fachmann bekannte, kostengünstige und
zuverlässige
Großserienverfahren
einsetzen, beispielsweise Spritzgussverfahren zur Herstellung eines Strömungskanals,
gefolgt von Standard-Metallisierungsverfahren. Beispielsweise existieren
zahlreiche Techniken, um spritzgegossene Bauteile nachträglich zu
metallisieren, insbesondere unter Zuhilfenahme von metallisierbaren
Kunststoffen und/oder einer nachträglichen Metallisierbarmachung
der Kunststoffe durch Auftragen beispielsweise von Metallkeimen und
anschließende
Metallisierung beispielsweise in einem chemischen Metallisierungsbad.
Derartige Techniken sind dem Fachmann bekannt. Auch lassen sich
strukturierte Metallisierungen auf Kunststoffe aufbringen, wobei
beispielsweise die aus der Technik der spritzgegossenen Leiterplatten
(molded interconnect devices, MID) bekannten Verfahren (z.B. Heißprägen, Laserstrukturieren
etc.) eingesetzt werden können.
Auf diese Weise lässt
sich der beschriebene Heißfilmluftmassenmesser
unter geringer Modifikation bereits bekannter Heißfilmluftmassenmessertypen
durch ein kostengünstiges
und zuverlässiges
Herstellungsverfahren herstellen.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 einen
in einem Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzten
Heißfilmluftmassenmesser;
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2 einen
Schnitt durch einen Bypasskanal eines Heißfilmluftmassenmessers mit
einem in den Bypasskanal hineinragenden Chipträger;
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3 einen
Schnitt durch den Bypasskanal eines Ausführungsbeispiels eines Heißfilmluftmassenmessers
mit Schnittebene senkrecht zur Schnittebene gemäß 2; und
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4 ein
Deckelteil eines Heißfilmluftmassenmessers
zum Aufsetzen auf den Bypasskanal gemäß 2.
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Beispiel eines Heißfilmluftmassenmessers 110 dargestellt,
welcher im Ansaugtrakt 112 einer Verbrennungskraftmaschine
eingesetzt ist. Derartige Heißfilmluftmassenmesser 110 sind
kommerziell erhältlich
und Stand der Technik. Der Heißfilmluftmassenmesser 110 ist
ausgestaltet, um die Strömungsrichtung
eines Abgasstroms bei pulsierender Strömung zu erkennen und ist für eine Lasterfassung
bei Verbrennungskraftmaschinen mit Benzin- oder Dieselkraftstoffeinspritzung
konzipiert. Der Einbau des Heißfilmluftmassenmessers 110 erfolgt üblicherweise
zwischen einem Luftfilter und einer Drosselvorrichtung und erfolgt
in der Regel als vormontierte Baugruppe in Form eines Steckfühlers, welcher
ein Messgehäuse 114 aufweist.
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In
den 2 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers 110 dargestellt,
bei welchem ein Plattenkondensator 116 als Felderzeugungsvorrichtung 118 eingesetzt
wird. Dabei zeigt 2 den Heißfilmluftmassenmesser 110 mit
geöffnetem
Messgehäuse 114,
wobei der Bypasskanal 120 sichtbar ist. Das Messgehäuse 114 umfasst
somit einen Elektronikbereich 122, in welchem die (in 2 nicht
dargestellte) Ansteuer- und Auswerteelektronik des Heißfilmluftmassenmessers 110 untergebracht
ist, sowie einen Strömungsbereich 124,
in welchem der Bypasskanal 120 aufgenommen ist. Wie in 1 dargestellt,
ragt der Strömungsbereich 124 in
den Ansaugtrakt 112 der Verbrennungskraftmaschine. Vom
Elektronikbereich 122 aus ragt ein Chipträger 126 mit
einem darin eingesetzten Sensorchip 128 in den Bypasskanal 120.
Der Chipträger 126 kann
beispielsweise ein metallischer Chipträger 126 sein, beispielsweise
in Form eines Blechteils. In einer anderen Ausführungsform kann der Chipträger 126 auch
ein Kunststoffteil sein, beispielsweise eine an eine im Elektronikbereich 122 aufgenommene
Leiterplatte angespritzte Sensornase, welche in den Bypasskanal 120 hineinragt.
In eine Vertiefung des Chipträgers 126 ist
der Sensorchip 128 eingelassen, so dass seine Sensoroberfläche 130 vom
durch den Bypasskanal 120 tretenden Luftmassenstrom überströmt wird.
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Mit
Bezugsziffer 132 sind in 2 Diffusionswege
des Ölnebels
im Luftmassenstrom gezeichnet. Diese Diffusionswege 132 sind
die Wege, welche die Ölnebel
aus dem Ansaugtrakt 112 hin zum Sensorchip 128 zurücklegen,
wenn die Verbrennungskraftmaschine abgeschaltet wird. Im Betrieb der
Verbrennungskraftmaschine strömt
der Luftmassenstrom jedoch im Bereich des Sensorchips 128 mit einer
Hauptströmungsrichtung
durch den Bypasskanal 120, wobei die Hauptströmungsrichtung
in 2 symbolisch mit dem Pfeil 134 bezeichnet
ist. Um das Überströmen der
Sensoroberfläche 130 zu
gewährleisten,
ist der Chipträger 126 stromaufwärts mit
einer Anströmkante 136 ausgestattet.
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Das
Messgehäuse 114 ist
in der perspektivischen Darstellung gemäß 2 mit Blickrichtung von
oben in geöffnetem
Zustand dargestellt. In 4 ist ein Deckelteil 138 perspektivisch
dargestellt, welches nach Klappen um eine vertikale Achse auf das Messgehäuse 114 in 2 aufgesetzt
werden kann, um den Bypasskanal 120 zu schließen. Das
Deckelteil 138 bildet dann einen integralen Bestandteil des
Messgehäuses 114.
Deutlich sind im Deckelteil die Begrenzungsstrukturen 140 des
Bypasskanals 120 zu erkennen. Weiterhin ist zu erkennen,
dass die Wände
des Bypasskanals 120 nicht in allen Bereichen parallel
verlaufen, sondern dass eine Strömungsführung durch
lokales Verengen oder Erweitern des Bypasskanals 120 erfolgen
kann. So ist beispielsweise in dem Bereich des Bypasskanals 120,
in welchen der Chipträger 126 hineinragt,
eine Konvergenzrampe 142 ausgebildet, so dass in diesem
Bereich der Strömungsquerschnitt
verengt ist.
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In 3 ist
ein Schnitt durch den Bereich des Bypasskanals 120 im Bereich
der Konvergenzrampe 142 dargestellt. Die Schnittlinie verläuft in 2 waagerecht
durch den Chipträger 126,
und die Blickrichtung ist in 2 von unten,
parallel zur Zeichenebene. In dieser Darstellung wird auch die Ausgestaltung
der Felderzeugungsvorrichtung 118 besonders deutlich. Es
ist zu erkennen, dass diese Felderzeugungsvorrichtung 118 sich
in diesem Ausführungsbeispiel
zusammensetzt durch eine erste Elektrode 144 auf dem Deckelteil 138 und
eine zweite Elektrode 146 auf einem Bodenteil 148 des
Messgehäuses 114.
Werden die beiden Elektroden 144, 146 unterschiedlich
aufgeladen, so bildet sich zwischen diesen ein elektrisches Feld 150 aus,
welches in 3 symbolisch dargestellt ist.
Das elektrische Feld ist in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen
homogen und weicht nur in den Randbereichen von der Homogenität ab. Bei
typischen Kanalbreiten zwischen 2 und 10 mm wurden in Versuchen
Spannungen bis ca. 5 kV verwendet. Bei Verwendung von nicht-metallischen
Chipträgern 126,
beispielsweise in Form von Spritzgussbauteilen, werden die Feldlinien im
Bereich des Chipträgers 126 nur
unwesentlich beeinflusst. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen
möglich,
insbesondere Ausgestaltungen mit metallischen Chipträgern 126.
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Die
beiden Elektroden 144, 146 sind in diesem Ausführungsbeispiel
durch einfaches Aufbringen von Leitlack auf die Kanalwände des
Bypasskanals 120 erzeugt. Dies ist durch Zusammenschau
der 2 und 4 erkennbar. In 2 ist
dabei die zweite Elektrode 146, welche auf das Bodenteil 148 des
Messgehäuses 114 aufgebracht
ist, sichtbar. In der perspektivischen Darstellung gemäß 2 ist diese
zweite Elektrode 146 teilweise durch den Chipträger 126 verdeckt.
In 4 ist die erste Elektrode 144, welche
auf das Deckelteil 138 aufgebracht ist, erkennbar. Durch
Aufeinanderklappen des Deckelteils 138 auf das Messgehäuse 114 bilden
die erste Elektrode 144 und die zweite Elektrode 146 die in 3 dargestellte
Kondensatorstruktur.
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Wie
aus 3 ersichtlich, beginnt das elektrische Feld 150 nicht
unmittelbar an der Anströmkante 136 des
Chipträgers 126,
sondern die Elektroden 144, 146 sind derart ausgestaltet,
dass der Luftmassenstrom bereits eine Driftstrecke 152 durch
das elektrische Feld 150 zurückgelegt hat, bevor diese die
Sensoroberfläche 130 erreicht.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die oben beschriebenen
Effekte der Ausfällung
koagulierter Öltröpfchen bzw.
der Ablenkung geladener Öltröpfchen genügend wirken können, bevor
der Luftmassenstrom die Sensoroberfläche 130 erreicht.
Die Ausfällung
von Öltröpfchen erfolgt
in dieser Darstellung gemäß 3,
welche die Blickrichtung von unten zeigt, senkrecht aus der Zeichenebene
heraus. Das elektrische Feld 150 ist in diesem Fall näherungsweise
horizontal, wobei jedoch auch Abweichungen von der Horizontalen
(vorzugsweise um nicht mehr als 20°) toleriert werden können.
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Weiterhin
ist in 3 zu erkennen, dass das elektrische Feld 150 auch
nicht unmittelbar nach der Sensoroberfläche 130 endet, sondern
erst um eine Nachdriftstrecke 154 hinter der Sensoroberfläche 130.
Beispielsweise kann diese Nachdriftstrecke 154 näherungsweise
so lang sein wie die Driftstrecke 152. Durch diese Nachdriftstrecke 154 wird
gewährleistet,
dass auch nach Abschalten der Verbrennungskraftmaschine entgegen
der Hauptströmungsrichtung 134 strömende Öldämpfe (siehe
die Diffusionswege 132 in 2), welche
in 3 von rechts anströmen, den Sensorchip nicht oder
nur noch unwesentlich kontaminieren können. In dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 2 bis 4 ist
die Driftstrecke 152 länger
gewählt
als die Nachdriftstrecke 154. Typische Längen der
Driftstrecken 152, 154 liegen im Bereich von einem
bis fünfzig
Millimetern.
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Das
in den 2 bis 4 beschriebene Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Heißfilmluftmassenmessers 110 stellt
nur eine von mehreren Möglichkeiten
zur Reali sierung des erfindungsgemäßen Prinzips dar. Die Elektroden 144, 146 können auf
einfach Weise, beispielsweise durch auf das Messgehäuse 114 aufgebrachte
Leiterbahnen, elektrisch kontaktiert und mit einer entsprechenden Spannungsquelle
verbunden werden. Alternativ ist auch eine vollständige Metallisierung
der Wände
des Bypasskanals 120 möglich,
so dass in diesem Fall die Driftstrecke 152 bzw. die Nachdriftstrecke 154 den
gesamten Bypasskanal 120 umfasst. Weiterhin können auch
separate, vom Deckelteil 138 und Bodenteil 148 getrennte
Elektroden in den Bypasskanal 140 eingebracht werden, so
dass beispielsweise das elektrische Feld 150 sich nicht über die
gesamte Breite des Bypasskanals 120 erstreckt. Auf diese
Weise kann mit geringeren Spannungen gearbeitet werden. Weiterhin
ist es auch denkbar, andere Elektrodengeometrien zu verwenden, beispielsweise
andere geometrische Formen der Elektroden 144, 146.
Auch kann der Chipträger 126,
welcher, wie oben beschrieben, auch metallisch sein kann, selbst
mit als Elektrode genutzt werden.
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Besonders
bevorzugt ist es, wie oben beschrieben, wenn der erfindungsgemäße Heißfilmluftmassenmesser 110 nach
Abschalten der Verbrennungskraftmaschine noch für eine bestimmte Nachlaufdauer
weiter betrieben wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass über die
Diffusionswege 132 zum Sensorchip 128 gelangende Ölnebel diesen
im Stillstand der Verbrennungskraftmaschine kontaminieren können. Dadurch
wird insbesondere gewährleistet, dass
auch nach erneutem Anschalten der Verbrennungskraftmaschine der
Heißfilmluftmassenmesser 110 nahezu
unmittelbar wieder für
entsprechende Messungen und somit zur Motorsteuerung zur Verfügung steht.