Устройство для измерения массы протекающей среды

 

Устройство (1) имеет простирающийся в осевом направлении измерительный канал (33), в котором находится термочувствительный измерительный элемент (20). Измерительный канал (33) простирается от впускного отверстия (36) до обходного канала (34), из которого через выпускное отверстие (46) протекающая среда вытекает без осевого расстояния до впускного отверстия (36) и радиально под ним. Изобретение предназначено для измерения массы протекающей среды, в частности, для измерения массы впускного воздуха в двигателях внутреннего сгорания и позволяет уменьшить погрешности измерения в пульсирующем потоке среды, 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройству для измерения массы протекающей среды согласно главному пункту формулы изобретения.

Уже известно устройство (EP 0547595 A2), которое имеет кольцеобразный внутренний корпус и кольцеобразный наружный корпус, причем термочувствительный измерительный элемент расположен в центральном, простирающемся в осевом направлении внутреннего корпуса открытом измерительном канале внутреннего корпуса для того, чтобы определять массу протекающей среды, в частности массу выпускного воздуха в двигателе внутреннего сгорания. Это устройство выполнено в виде монтируемого промежуточного узла, например в воздухозаборнике, посредством которого двигатель внутреннего сгорания может через воздушный фильтр засасывать воздух из окружающей среды. Кольцеобразный внутренний корпус, соединенный несколькими ребрами с наружным корпусом, имеет далее выходящий из внутреннего корпуса расположенный соосно с измерительным каналом перепускной канал, который в виде кольцевой щели охватывает измерительный канал на небольшой осевой длине. Часть потока среды, протекающего в наружном корпусе, втекает из впускного отверстия, расположенного соосно с наружным корпусом, сначала в измерительный канал, обтекая термочувствительный измерительный элемент, находящийся в зоне его заднего по ходу потока конца, после чего протекающая среда втекает из измерительного канала в пропускной канала с изненением направления потока на обратный. Среда, протекающая в перепускном канале вверх по ходу потока, покидает его через пазовое выпускное отверстие, расположенное на периферии внутреннего корпуса сравнительно далеко против течения от впускного отверстия и снова смешивается со средой, протекающей между внутренним и наружным корпусами. Однако размещение устройства в виде монтируемого промежуточного узла с внутренним и наружным корпусами приводит к заметному увеличению габаритов, вследствие чего такое устройство лишь иногда пригодно для тесной компоновки, особенно в автомобильном двигателе.

В двигателе внутреннего сгорания вследствие открывания и запирания впускных клапанов отдельных цилиндров возникают значительные колебания или пульсации потока, интенсивность которых зависит от частоты впуска отдельных поршней или от частоты вращения двигателя. Пульсации потока распространяются из впускных клапанов через воздухозаборник до измерительного элемента во внутреннем корпусе и дальше. Эти пульсации приводят к тому, что в зависимости от их интенсивности из-за термической инерции измерительного элемента и его нечувствительности к направлению он дает результат измерения, который существенно отличается от скорости потока, преобладающей в среднем в измерительном канале, что сказывается и на вычисляемой отсюда массе впускного воздуха в двигателе внутреннего сгорания.

Преимущества изобретения.

Устройство для измерения массы протекающей среды согласно отличительным признакам главного пункта формулы изобретения имеет то преимущество, что почти независимо от колеблющегося или пульсирующего потока достигается устойчиво точный результат измерения.

Благодаря мероприятиям, указанным в дополнительных пунктах формулы изобретения, возможны целесообразные дальнейшие формы и усовершенствования устройства, указанного в главном пункте формулы. Особенно важно то, что устройство отличается компактной конструкцией и малыми габаритами и поэтому занимает небольшое монтажное пространство. Поэтому данное устройство, в частности, в виде вставного узла, пригодно для применения в тесных условиях компоновки, например в автомобильных двигателях.

На чертежах показан в упрощенном виде пример исполнения данного изобретения, подробнее объясненный в помещенном ниже описании. На фиг. 1 в частичном разрезе показан вид сбоку на устройство, выполненное согласно изобретению; на фиг. 2 - разрез вдоль линии II-II на фиг. 1.

Описание примера исполнения.

На фиг. 1 в частичном разрезе показан вид сбоку на обозначенное цифрой 1 устройство, которое служит для измерения массы протекающей среды, в частности массы впускного воздуха в двигателях внутреннего сгорания. Устройство 1, которому целесообразно придать стройную форму прямоугольного параллелепипеда, простирающуюся в направлении продольной оси 10, вставлено, например, в отверстие 6, сделанное в стенке 5 воздухозаборника 7. Устройство 1 уплотнено в стенке 5 посредством уплотнительного кольца 3 и прикреплено к ней например при помощи подробнее не показанных винтов. Заштрихованная стенка 5 является частью, например, имеющего цилиндрическую форму воздухозаборника 7, через который двигатель внутреннего сгорания может через не показанный подробнее воздушный фильтр засасывать воздух из окружающей среды. Стенка 5 воздухозаборника 7 ограничивает поперечное сечение потока, которое в случае цилиндрической формы воздухозаборника 7 имеет круглую форму, в центре которой в осевом направлении параллельно стенке 5 проходит средняя ось 11, которая перпендикулярна продольной оси 10. Устройство 1 выступает в протекающую среду своей частью 17, которая в дальнейшем будет именоваться измерительной, причем эта измерительная часть 17 разделена, например, примерно в середине воздухозаборника 7 симметрично по отношению к средней оси 11, чтобы помещенный в измерительную часть 17 термочувствительный измерительный элемент 20 мог находиться под действием потока среды по возможности без искажающего краевого влияния стенки 5. В примере исполнения согласно фиг. 1 и 2 среда течет справа налево, направление потока указано соответствующими стрелками 30.

Устройство 1 состоит из выполненных за одно целое измерительной части 17, несущего корпуса 18 и крепежного фланца 19 и изготовлено, например, из пластмассы методом литья под давлением. Измерительный элемент 20 выполнен, например, в виде пластинчатого керамического субстрата и имеет, как это соответствует современному уровню техники, например патенту DE-OS 3844354, одно или несколько термочувствительных сопротивлений, которые в виде слоев, так называемых горячепленочных сопротивлений, нанесены на пластинчатый керамический субстрат. Можно также, как, например, предложено в немецкой патентной заявке P 4338891, выполнить измерительный элемент 20 в виде микромеханической детали, которая имеет диэлектрическую мембрану. Отдельные слои сопротивлений в измерительном элементе 20 электрически соединены посредством соединительных приводов 21, находящихся внутри устройства, 1, с электронной вычислительной схемой 22, показанной на фиг.1 штриховыми линиями, и содержащей, например, измерительную схему в виде моста сопротивлений. Вычислительная схема 22 помещена, например, в несущем корпусе 18 в крепежный фланец 19 устройства 1. Посредством разъемного контактного соединения 24, предусмотренного на фланце 19, электрические сигналы, выдаваемые вычислительной схемой 22, могут быть подведены в еще один электронный управляющий аппарат для расшифровки, который помимо всего прочего управляет функциями электронного управления на холостом ходу или управления мощностью двигателя внутреннего сгорания. Подробное описание функции и конструкции термочувствительного измерительного элемента опускается, поскольку специалист может выяснить его на основании существующего уровня техники.

Как показано на фиг. 2, представляющем собой разрез вдоль линии II-II из фиг. 1, измерительная часть 17 устройства 1 имеет прямоугольную форму и содержит измерительный канал 33, простирающийся в измерительной части 17 в осевом направлении, и обходной канал 34, имеющий S- образную форму. Измерительный канал 33 простирается в осевом направлении в измерительную часть 17 из впускного отверстия 36, имеющего, например, прямоугольное поперечное сечение, до отверстия 35 и ограничен более удаленной от средней оси 11 верхней поверхности 38 и более близкой к средней оси 11 нижней поверхностью 37 и двумя боковыми поверхностями 39, 40, причем в примере исполнения согласно фиг. 1 измерительный канал 33 расположен эксцентрично относительно средней оси 11. Можно также расположить измерительный канал 33 соосно или в зоне средней оси 11 воздухозаборника 7. Пластинчатый измерительный элемент 20 ориентирован в измерительном канале своим наибольшим размером вдоль продольной оси 10 и разделяется ею симметрично. Измерительный элемент 20 своим узким концом удерживается в несущем корпусе 18 на поверхности 38 так, что он своими боковыми поверхностями 23 омывается проходящей средой примерно параллельно средней оси 11. Как показано на фиг.2, боковые стороны 39, 40 измерительного канала 33 наклонены по отношению к плоскости 14, проходящей через среднюю ось 11 и продольную ось 10, образуя с ней острый угол, вследствие чего измерительный канал 33 сужается в осевом направлении 30 потока, выходя в отверстие 35 обходного канала 34 своим наименьшим поперечным сечением. Сужение измерительного канала 35 приводит к тому, что в зоне измерительного элемента 20 имеет место по возможности неискаженный равномерный параллельный поток. Для того чтобы избежать срывов потока в зоне впускного отверстия 36, оно имеет скругленные кромочные поверхности 41. Обходный канал 34 имеет прямоугольное поперечное сечение, которое примерно соответствует площади поперечного сечения впускного отверстия 36 измерительного канала 33, благодаря чему в отверстии 35 между измерительным каналом 33 и обходным каналом 34 поперечное сечение потока внезапно увеличивается. Протекающая в осевом направлении среда попадает из измерительного канала 33 в обходной канал 34, имеющий примерно S-образную форму и вытекает из выпускного отверстия 46 радиально в направлении показанной на фиг.1 стрелки 31, чтобы затем смешаться со средой, протекающей вокруг устройства 1. Выпускное отверстие 46, как и обходной канал 34, имеет, например, прямоугольное поперечное сечение и находится на нижней наружной поверхности 45 измерительной части 17, ориентированной параллельно средней оси 11. Справа от прямоугольного выпускного отверстия 46 на фиг.1 показана примыкающая поперек нижней наружной поверхности 45 передняя поверхность 50 измерительной части 17, противостоящая потоку 30, которая в направлении против хода потока из впускного отверстия имеет округленную форму от нижней наружной поверхности 45 к нижней поверхности 37 измерительного канала 33 вплоть до впускного отверстия 36.

Согласно данному изобретению впускное отверстие 36 измерительного канала 33 и выпускное отверстие 46 обходного канала 34 расположено радиально одно под другим, вследствие чего показанное на фиг. 1 и 2 осевое расстояние "a" лишь весьма невелико или даже полностью отсутствует. Осевое расстояние "a" определяется от входной плоскости 55, проведенной через впускное отверстие 36, до плоскости центра тяжести поверхности 56, проведенной параллельно входной плоскости 55 через центр тяжести поверхности S выпускного отверстия 46. Центр тяжести поверхности S располагается, например, при прямоугольной поверхности поперечного сечения выпускного отверстия 46 в точке пересечения медиан. Как известно, термочувствительный элемент 20 нагревается с перегревом по отношению к протекающей среде, отдавая главным образом путем конвекции тепло протекающей среде, причем это количество тепла зависит от имеющей место в измерительном канале 33 скорости потока, вследствие чего, например, необходимое для сохранения температуры перегрева нагревательное напряжение или нагревательный ток является критерием скорости потока в измерительном канале 33 и вычисляемой в связи с этим массы впускного воздуха в воздухозаборник 7. Из-за конвективной теплоотдачи, обусловленной нелинейными физическими закономерностями, измерительный элемент 20 имеет нелинейную характеристику, вследствие чего результат измерения при пульсирующем потоке и пульсирующей теплоотдаче к протекающей среде не соответствует фактической, усредненной по времени скорости потока в измерительном канале 33, а в зависимости от интенсивности пульсаций заметно отличается от нее вследствие термической инертности измерительного элемента 20. Если выпускное отверстие 46 расположено без осевого расстояния "a" или с малым таким расстоянием, радиально под впускным отверстием 36, то изменения давления, возникающие при пульсирующем потоке как во впускном отверстии 36, так и в выпускном отверстии 46 можно взаимно погасить по их воздействию на обходный канал 34, благодаря чему в обходном канале 34 имеет место не зависящая от этих изменений давления равномерная скорость. Этот эффект протекающего с почти постоянной скоростью столба воздуха в обходном канале 33 приводит к тому, что и измерительный элемент 20 в измерительном канале 33 независимо от изменений давления и от их интенсивности омывается с постоянной скоростью и может быть получен точный замер. Однако этот эффект возникает только в том случае, если выпускное отверстие находится радиально под впускным отверстием 36 с минимальным осевым расстоянием "a". Расстояние "а" со своей стороны зависит от выбора площади поперечного сечения измерительного канала 33 и должно составлять не более 50% наименьшего размера "b" впускного отверстия 36. Наименьший размер "b" впускного отверстия 36 в примере исполнения согласно фиг. 1 показан соответствующим образом, представляя собой радиальное расстояние поверхности 38 несущего корпуса 18 от нижней поверхности 37 измерительного канала 33. Если, например, применен цилиндрический измерительный канал 33 круглого поперечного сечения, то наименьшее расстояние "b" соответствует диаметру круглого измерительного канала 33 во впускном отверстии 36.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения массы текущей среды, в частности массы воздуха, поступающего в двигатель внутреннего сгорания, содержащее омываемый протекающей средой термочувствительный измерительный элемент, который установлен в измерительном канале устройства, расположенном в осевом направлении от впускного отверстия измерительного канала к обходному каналу, в который текущая среда поступает из измерительного канала и вытекает из выпускного отверстия обходного канала, отличающееся тем, что выпускное отверстие (46) по отношению к выпускному отверстию (36) расположено таким образом, что продолжение плоскости (55) впускного отверстия (36) пересекает выпускное отверстие (46) обходного канала (34) по меньшей мере вблизи геометрического центра выпускного отверстия (46) обводного канала (34).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отклонение входной плоскости (55) впускного отверстия (36) от положения геометрического центра выпускного отверстия (46) составляет не более 50% от наименьшего размера поперечного сечения впускного отверстия.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено измерительной частью (17), имеющей форму прямоугольного параллелепипеда.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что впускное отверстие (36) измерительного канала (33) имеет прямоугольное поперечное сечение.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что измерительный канал (33) имеет прямоугольное поперечное сечение, уменьшающееся в осевом направлении.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выпускное отверстие (46) обходного канала (34) имеет поперечное сечение прямоугольной формы.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что впускное отверстие (36) измерительного канала (33) имеет округленные кромочные поверхности (41).

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительный элемент (20) выполнен в виде микромеханической детали, которая имеет диэлектрическую мембрану и отдельные слои сопротивлений.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство (1) выполнено в виде вставного узла, предназначенного для размещения в стенке (5) воздухозаборника (7).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2