KNITTEL, Thorsten (Hoppestr. 17, Regensburg, 93049, DE)
PESAHL, Stefan (Peter-Konrad-Str. 27, Saal A.D.Donau, 93342, DE)
STEUBER, Frank (Benzstr. 5, Bad Abbach, 93077, DE)
BIERL, Rudolf (Brunnensteg 37, Regensburg, 93055, DE)
KNITTEL, Thorsten (Hoppestr. 17, Regensburg, 93049, DE)
PESAHL, Stefan (Peter-Konrad-Str. 27, Saal A.D.Donau, 93342, DE)
STEUBER, Frank (Benzstr. 5, Bad Abbach, 93077, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zur Luftmassenmessung in einem Ansaugrohr an einer Verbrennungskraftmaschine, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens zwei oder mehr Heißfilm-Anemometer als Messelemente (3, 4, 5, 6) in einer Querschnittsebene in dem Ansaugrohr (2) derart angeordnet verwendet werden, dass die Strömung in unterschiedlichen Bereichen des Querschnitts unter quasi punktueller Erfassung der Strömungsverhältnisse messtechnisch erfasst und ausgewertet wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Messelemente (3, 4, 5, 6) mikromechanische Sensorelemente in der Bauform sog. Single Chip-Lösungen verwendet werden, in denen sowohl die Aufgaben einer Messbrücke als auch eine Sensorsignalauswertung durchgeführt werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messelemente (3, 4, 5, 6) in einer Art von Master/Slave- Konfiguration betrieben werden, so dass Ausgangssignale mehrere Sensoren als Teilergebnisse einem als Zentraleinheit (ECU) wirkenden Messelement zugeführt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messelemente (3, 4, 5, 6) über eine mechanische Halterung
(7) in dem Ansaugrohr (2) angeordnet und elektrische versorgt werden.
5. Luftmassensensor mit einem Messelement auf Heißfilm- Anemometer-Basis, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwei oder mehr gleichartige Messelemente in einem Ansaugtrakt in einer Querschnittsebene derart angeordnet sind, dass die Messelemente in unterschiedlichen Bereichen des Querschnitts zur quasi punktuellen Erfassung der Strömungsverhältnisse vorgesehen sind.
6. Luftmassensensor nach dem vorhergehenden Anspruch, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens eines der Messelemente als sog. Single Chip-Lösung ausgebildet ist und sowohl die Messbrücke als auch die Auswerteelektronik beinhaltet.
7. Luftmassensensor nach dem vorhergehenden Anspruch, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jedes der Messelemente (3, 4, 5, 6) in einem eigenen Gehäuse (9) angeordnet, das einen Einlass (11) , einen Führungsbzw. Luftleitkanal (10) sowie einen Auslass (12) um- fasst, wobei ein Messelement (3, 4, 5, 6) geschützt im Bereich des Auslasses (12) angeordnet ist.
8. Luftmassensensor nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Messelement als Zentraleinheit (ECU) in einer Art von Mas- ter/Slave-Konfiguration geschaltet ist und weitere Messelemente als Satteliten.
9. Luftmassensensor nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein verbindendes Leitungssystem, das insbesondere in Form eines Leadframe ausgeführt ist, zur übermittlung der Ausgangssignale jedes einzelnen Messelements ausgebildet ist.
10. Luftmassensensor nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System (6) in einem Bereich der Rohrmittenachse (M) ange- ordnet ist, |
Bezeichnung
Verfahren zur Luftmassenmessung und Luftmassensensor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftmassenmessung und einen Luftmassensensor.
In bekannter Weise wird in Verbrennungskraftmaschinen ein Luft-Treibstoffgemisch unter Verdichtung zur Verbrennung gebracht. Die Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine hängt vom Verhältnis von Treibstoffmasse zu Luftmasse ab. Die Messung einer jeweiligen Luftmasse wird mit einem Luftmassensensor durchgeführt, der im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine sitzt. Aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung des Kraftfahrzeugbereiches wird nachfolgend ohne Beschränkung der Verwendung erfindungsgemäßer und allgemein einsetzbarer Strömungssensoren nur auf die Anwendung zur Bestimmung einer angesaugten oder in sonstiger Weise einer Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luftmasse eingegangen.
Zahlreiche moderne Verbrennungskraftmaschinen sind heute mit einem Abgas-Turbolader ausgestattet, welcher eine Vorverdichtung der Luftmasse bewirkt. Wurde bereits zu Beginn der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen der Versuch einer Vorkompression der einer Verbrennungskraftmaschine zuzuführenden Luft mit dem Ziel einer Erhöhung der Motorleistung durch Erhöhung des Luftmengen- und Kraftstoffdurchsatzes pro Arbeitstakt durchgeführt, so wird heute die Aufladung von Otto-Verbrennungskraftmaschinen nicht mehr primär unter dem Leistungsaspekt gesehen, sondern als Möglichkeit zur Einsparung von Kraftstoff und zur Minderung von Schadstoffen. Dabei wird in bekannter Weise einem jeweiligen Abgasstrom Energie zur Vorverdichtung des Luftmassenstromes durch eine im Abgasstrom laufende Turbine mit daran mechanisch gekoppeltem Frischluft-Verdichter entzogen, so dass beispielsweise ein Dieselmotor nun nicht mehr als Saugmotor, sondern als aufgeladener Motor mit Ladeluftdrücken von bis zu 1,5 bar oder gar
2,5 bar bei deutlicher Leistungssteigerung und reduziertem Schadstoffausstoß arbeitet. Hierzu ist selbstverständlich einer jeweiligen Treibstoffmasse eine Luftmasse in einem vorgegebenen Verhältnis zuzugeben, so dass einem Luftmassensensor eine wesentliche Bedeutung bei der Wirtschaftlichkeit und Schadstoffreduktion einer Verbrennungskraftmaschine zukommt.
Da es bei dem chemischen Vorgang der Verbrennung in jedem Betriebszustand einer Verbrennungskraftmaschine auf die Massenverhältnisse von Kraftstoff und Luft ankommt, ist der Massen- durchfluss der Ansaug-/Ladeluft auch fortlaufend möglichst genau zu messen. Der maximal zu messende Luftmassenstrom liegt je nach Motorleistung der Verbrennungskraftmaschine im Bereich von 400 bis ca. 1000 kg/h. Aufgrund des niedrigen Leerlaufbedarfes moderner Verbrennungskraftmaschinen beträgt das Verhältnis eines minimalen zu einem maximalen Luftdurchsatz zwischen 1 : 90 bis etwa 1 : 100.
Ein Luftmassensensor kann als Massenstromsensor nach einem thermischen Prinzip arbeiten, wobei eine Abgabe von Wärmeleistung eines durch den Fluss elektrischen Stroms erhitzten Sensormessdrahtes im Vergleich zu einem thermisch isolierten baugleichen Sensordraht über eine Widerstandbrückenschaltung als Maß für eine jeweilige Durchflussmenge ausgewertet wird. Derartige Vorrichtungen sind auch unter der Bezeichnung Heißfilm-Anemometer bekannt.
Um die Luftströmung möglichst wenig zu beeinflussen und auch den Bauraum gegenüber anderen bekannten Anordnungen zu minimieren, werden derartige Vorrichtungen als sehr klein bauende Einheiten ausgebildet und u. a. auch in Schutz- und Messkanalanordnungen eingesetzt, wie sie z.B. aus der WO 03/089884 Al bekannt sind. In der Regel erfassen derartige Luftmassenmesser prinzipiell nur einen Teilbereich der Querschnittverteilung der Strömung innerhalb des Ansaugtraktes einer Verbrennungskraftmaschine. Durch Applikation oder Erstellung einer für die spezifischen Verhältnisse charakteristischen
Kennlinie wird die Grundcharakteristik; des Sensors, die Ergebnis einer Kalibrierung ist, an eine jeweilige Einsatz- Umgebung angepasst. Mithin wird in bekannten Vorrichtungen zur Umsetzung entsprechender Messverfahren eine mittlere Luftfilterkennlinie gebildet, d. h. für die spezifischen Strömungsverhältnisse innerhalb eines bestimmten Ansaugtraktes charakteristische Kennlinie des Sensors. Bei einem solchen "2. Abgleich" können allerdings weder Einzelteilstreuungen der verwendeten Komponenten des Ansaugtraktes berücksichtigt werden, noch werden änderungen der Strömungsverhältnisse erfasst, wie sie z. B. durch ungleiche Verschmutzung einer Luftfiltermatte in der Praxis auftreten. Auch können Alterungseffekte und sämtliche änderungen der Kennlinie über die Sensor-Lebensdauer sowie Einzelteilstreuung auch der Ansaugtrakte selber in dieser Form nicht berücksichtigt werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein preiswertes sowie zuverlässig arbeitendes Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchflussmessung auch auf Heißfilm-Anemometer-Basis zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein wesentlicher Nachteil bekannter Lösungen in einer nur quasi punktuellen Erfassung der Strömungsverhältnisse ist und damit eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung über den gesamten Rohrquerschnitt unberücksichtigt bleibt. In einem erfindungsgemäß aufgebauten Luftmassensensor finden mehr als zwei Messelemente Verwendung, die sehr klein bauen. Zwei oder mehr derartige Messelemente sind in einem Ansaugtrakt in einer Querschnittsebene derart angeordnet, dass unterschiedliche Bereiche des Querschnitts erfasst werden. Eine sich verändernde Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten über den Querschnitt bei konstantem Mittelwert führen zu einer wesent-
lieh kleineren Fehlmessung als dieselbe Veränderung bei nur punktueller Messung mit einem Messelement. Eine Anordnung mehrerer Messelemente hat somit eine integrierende Wirkung über die Querschnittsfläche.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden mikromechanisch hergestellte Messelemente verwendet, die als sog. Single Chip-Lösungen sowohl die Messbrücke als auch die Auswerteelektronik beinhalten. Mikromechanische Sensorelemente sind wegen ihrer Kleinheit besonders günstig. Single Chip- Lösungen benötigen keine weitere Auswerteelektronik, die ebenfalls viel Raum im Messrohr einnehmen würde.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Single Chip-Messelemente derart aufgebaut, dass ein Messelement als Zentraleinheit bzw. ECU in einer Art von Mas- ter/Slave-Konfiguration geschaltet ist und weitere Messelemente als Satteliten. Die Signale, die in jedem einzelnen Messelement generiert werden, werden dann über ein verbindendes Leitungssystem, das insbesondere in Form eines Leadframe ausgebildet ist, an die Zentraleinheit übermittelt.
In einer derartigen Zentraleinheit wird je nach Ausführungsform entweder ein gemittelter, eventuell alternativ oder zusätzlich auch unterschiedlich gewichteter Messwert erzeugt und an die Zentraleinheit ausgegeben und auf einer Datenleitung oder über einen Datenbus die Messsignale aller Messelemente zur weiteren Verrechnung in der ECU ausgegeben, oder aber die Daten werden auf getrennten Leitungen zur weiteren Verrechnung in der ECU ausgegeben. In diesen Ausführungsformen der Erfindung werden jeweils kompakte Sensor-Bauformen mit nahezu identisch kurzen Signalleitungen realisiert.
Aufgrund der Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Rohres lassen sich grob zwei Strömungsbereiche unterscheiden: Eine Randströmung, die begrenzt auf dem Bereich der Rohrwand ist, und eine Mittenströmung, die den Bereich eines Rohrquer-
Schnitts füllt. Von der Rohrwand mit der Grenzflächenbedingung v = 0 steigt die Strömungsgeschwindigkeit im Randbereich stark an. Am stärksten und fast überall gleich groß ist die Strömungsgeschwindigkeit in der Mittenströmung. Durch die vorstehend beschriebene Anordnung ist eine Mittelung der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung über den gesamten Rohrquerschnitt nicht möglich. Um die Zuverlässigkeit der Messergebnisse zu steigern, wird in einer Ausführungsform der Erfindung eine rechnerische Kompensation über Kennwertfelder und/oder Eichung verwendet.
In jedem Fall sorgt der integrierende Effekt durch Mittelung von punktuellen Einzelergebnissen für eine höhere Genauigkeit, geringere Empfindlichkeit gegen Strömungsänderung und Redundanz beim Ausfall eines einzelnen Messelements. Der gesamte Sensor behält auch dann seine fast volle Funktionalität, es muss daher kein Notlauf aktiviert werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter Darstellung:
Figur Ia und Ib:
Querschnitte durch ein Ansaugrohr mit vier bzw. zwei in einer Ebene angeordneten und über eine mechanische Halterungen miteinander verbundener Messelemente;
Figur 2: eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur Ia alternative Anordnung von vier Messelementen in Form eines Zentralkreuzes;
Figuren 3a und 3b: eine Draufsicht und eine perspektivische Darstellung einer alternativen Bauform eines Messelementes in einem Gehäuse mit einer Bypass-Lösung und
Figuren 4a und 4b:
Signalflussbilder der Ausführungsformen gemäß Figur Ia und 2 in einer Querschnittsebene des Ansaugrohrs .
über die verschiedenen Abbildungen von Ausführungsbeispielen hinweg werden nachfolgend einheitlich gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Funktions- bzw. Baugruppen und Verfahrensschritte verwendet.
Die Abbildung von Figur Ia zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch eine Vorrichtung 1 mit einem Ansaugrohr 2, in dem vier Messelemente 3, 4, 5, 6 in Form von Heißfilm- Anemometern in einer ungefähr sternförmigen Anordnung vorgesehen sind. Dazu sind die Messelemente 3, 4, 5, 6 über eine jeweilige Strömungszuführung 7 zu dem eigentlichen Messelement mechanische Halterung 8 miteinander verbunden, durch die auch eine Fixierung innerhalb des Ansaugrohrs 2 bewirkt wird. Ferner übernimmt die Halterung 8 auch die Aufgaben einer e- lektrischen Versorgung und Ableitung der Sensorausgangssignale, wie nachfolgend noch im Detail ausgeführt wird.
Die Messelemente 3, 4, 5, 6 sind als mikromechanisch hergestellte Messelemente ausgebildet. In der besonderen Bauform als sog. Single Chip-Lösungen beinhalten sie sowohl eine Messbrücke als auch eine erforderliche Auswerteelektronik in einem sehr kompakten Bauteil. Auf eine separate Darstellung von Messbrücke und Auswerteelektronik ist aus Gründen der übersichtlichkeit in der Zeichnung verzichtet worden. Mikromechanische Sensorelemente sind wegen ihrer Kleinheit besonders günstig, da sie quasi punktuelle Messungen durchführen und die Strömungsbedingungen in vertretbar geringem Maße beeinflussen. Damit werden durch die Messelemente 3, 4, 5, 6 unterschiedliche Bereiche des Querschnitts erfasst werden. Eine sich verändernde Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten über den Querschnitt bei konstantem Mittelwert führen bei der hier dargestellten Mittelung über die Messergebnisse von
vier Messelementen 3, 4, 5, 6 zu einer wesentlich kleineren Fehlmessung als dieselbe Veränderung bei nur punktueller Messung mit einem Messelement. Eine Anordnung mehrerer Messelemente hat somit eine integrierende Wirkung über die Querschnittsfläche .
Figur Ib zeigt analog der Darstellung von Figur Ia einen Querschnitt durch ein Ansaugrohr 2 mit nur zwei in einer Ebene angeordneten und über eine angepasste mechanische Halte- rung 8 miteinander verbundene Messelemente 3, 4. Auch hier wird durch Mittelung eine Verbesserung der Ausgangssignalgenauigkeit erreicht. Zudem wird Redundanz geschaffen, so dass bereits bei diesem einfachen Ausführungsbeispiel schon der Ausfall eines der Messelemente 3, 4 nicht den Ausfall der kompletten Vorrichtung 1 und mithin eine Rückstufung einer angeschlossenen Verbrennungskraftmaschine in einen Notlauf- Zustand bedeutet.
Figur 2 zeigt eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur Ia alternative Anordnung von vier Messelementen 3, 4, 5, 6, bei denen die Strömungszuführungen 7 jeweils als eigene Gehäuse 9 mit einer Zuführung einer Teilströmung in Form eines Luftleitkanals 10 ausgebildet sind. Er ergibt sich so in dem Ansaugrohr 2 eine Anordnung von gehausten Messelementen
3, 4, 5, 6 in Form eines Zentralkreuzes 11, die nur noch über eine mechanische Halterung 8 in Form eines kurzes Steges angebunden ist.
In den Figuren 3a und 3b ist eine Draufsicht und eine perspektivische Darstellung der alternativen Bauform eines Messelementes 3 in einem Gehäuse 9 mit einer Bypass-Lösung dargestellt, wie sie in dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 verwendet worden ist. Demnach ist jedes der vier Messelemente 3,
4, 5, 6 in einem eigenen Gehäuse 9 angeordnet, das einen Ein- lass 12 , einen Führungs- bzw. Luftleitkanal 10 sowie einen Auslass 13 umfasst. Jedes der Messelemente 3, 4, 5, 6 ist dabei geschützt im Bereich des Auslasses 12 angeordnet, wie in
Figur 3a dargestellt. Ein zugehöriger Strömungsverlauf ist in der perspektivischen Darstellung dieser alternativen Bauform in Figur 3b angedeutet.
Die Figuren 4a und 4b stellen Signalflussbilder der spiegel- oder punktsymmetrisch ausgebildeten Ausführungsformen gemäß Figur Ia und 2 in einer Querschnittsebene des Ansaugrohrs dar. Anhand dieser Abbildungen werden zwei unterschiedliche Formen der Signalaufbereitung und Verarbeitung im Bereich der Vorrichtung 1 verdeutlicht: In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4a werden Ausgangssignale der Satteliten in Messelement 3 als Zentralelement ECU zusammen mit dem Signal des Messelement 3 verrechnet und über eine Datenleitung ausgegeben. Nach dem Ausführungsbeispiel von Figur 4b werden die Signale der Satteliten-Messelemente 4, 5, 6 und Signal des Zentralelements ECU über getrennte Datenleitungen ausgegeben. In beiden Fällen dienst die mechanische Halterung 8 auch als Träger für die elektrischen Leitungen.