Verfahren und Vorrichtung zum Steuern eines Heizelements zum Beheizen eines Sensorelements eines Luftmassensensors für ein Fahrzeug und

Luftmassensensorsystem für ein Fahrzeug

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.

Ein Luftmassenmesser kann einem Luftfilter in einem Luftsystem eines

Fahrzeugs nachgeschaltet sein, um eine genaue Bestimmung eines

Luftmassenstroms vorzunehmen. Als Messelemente werden üblicherweise mikromechanische, siliziumbasierte Sensorelemente verwendet. In bestimmten Betriebszuständen kann es dazu kommen, dass sich Tau auf dem

Sensorelement bildet, was zu Fehlmessungen führen kann.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Steuern eines Heizelements zum Beheizen eines Sensorelements eines Luftmassensensors für ein Fahrzeug, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, ein Luftmassensensorsystem für ein Fahrzeug sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den

Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.

Es wird ein Verfahren zum Steuern eines Heizelements zum Beheizen eines Sensorelements eines Luftmassensensors für ein Fahrzeug vorgestellt, wobei der Luftmassensensor einen Temperaturfühler zum Messen einer Temperatur des Sensorelements aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

Auswerten eines unter Verwendung des Temperaturfühlers während eines Betriebs des Fahrzeugs aufgenommenen Temperaturverlaufs, um eine

Taubildung auf dem Sensorelement zu erkennen; und

Erzeugen eines Einschaltsignals zum Einschalten des Heizelements

ansprechend auf das Erkennen der Taubildung.

Unter einem Heizelement kann beispielsweise eine Chipheizung, beispielsweise in Form einer Widerstandsheizung, verstanden werden. Unter einem

Sensorelement kann beispielsweise ein mikromechanisches Sensorelement zum Messen eines Luftmassenstroms verstanden werden. Unter einem

Luftmassensensor kann beispielsweise ein im Ansaugsystem eines Diesel- oder Ottomotors des Fahrzeugs platzierter Heißfilm- oder Hitzdrahtluftmassenmesser verstanden werden. Bei dem Temperaturverlauf kann es sich um eine

Temperaturkurve zur zeitabhängigen Darstellung einer Temperaturänderung des Sensorelements handeln. Beispielsweise kann der Temperaturverlauf von dem Temperaturfühler bei Inbetriebnahme des Fahrzeugs, insbesondere beim Starten des Motors des Fahrzeugs, aufgenommen werden. Insbesondere kann der Temperaturverlauf während des Einsaugens von Luft in ein Luftsystem des Fahrzeugs aufgenommen worden sein. Unter einer Taubildung kann ein

Niederschlag von Kondensat an einer Oberfläche des Sensorelements, etwa infolge von Schwankungen einer Umgebungstemperatur, verstanden werden. Beispielsweise kann der Verlauf der Steigung des Temperaturverlaufs beim Auswerten mit zumindest einem geeigneten Auswerteparameter wie etwa einem Referenzverlauf, einem Temperaturschwellenwert oder einem absoluten

Temperaturwert verglichen werden, um die Taubildung abhängig von einem Ergebnis dieses Vergleichs zu erkennen.

Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass eine Chipheizung zum Beheizen eines Sensorelements eines Luftmassensensors anhand eines während eines Messbetriebs ermittelten Temperaturverlaufs des Sensorelements derart angesteuert werden kann, dass eine Taubildung auf dem Sensorelement durch rechtzeitiges Erwärmen des Sensorelements verhindert werden kann. Durch einen derartigen algorithmusbasierten Kondensationsschutz können Fehlmessungen wirksam vermieden werden.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Auswertens eine Steigun des Temperaturverlaufs ermittelt werden, um die Taubildung anhand der

Steigung zu erkennen. Dadurch kann die Taubildung zuverlässig erkannt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Auswertens der Steigung des Temperaturverlauf mit zumindest einem Schwellenwert, zumindest einem eine absolute Temperatur repräsentierenden Absolutwert, zumindest einem Referenzverlauf oder mit einer Kombination aus zumindest zwei der genannten Auswerteparameter verglichen werden, um die Taubildung zu erkennen. Unter einem Referenzverlauf kann beispielsweise ein

Temperatursprung des Sensorelements bei ansteigender

Umgebungstemperatur, jedoch ohne Taubildung auf dem Sensorelement verstanden werden. Dadurch kann die Taubildung mit verhältnismäßig geringem Rechenaufwand ausreichend genau erkannt werden.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn im Schritt des Auswertens die Taubildung erkannt wird, wenn der Temperaturverlauf in einem vorgegebenen Auswertezeitraum eine größere Steigung als der Referenzverlauf aufweist. Dadurch kann die Taubildung besonders einfach und zuverlässig erkannt werden.

Zudem kann im Schritt des Auswertens ein unter Verwendung des

Temperaturfühlers ansprechend auf ein Starten eines Motors des Fahrzeugs oder im Betrieb aufgenommener Temperaturverlauf ausgewertet werden.

Dadurch kann die Taubildung beim Starten des Motors erkannt werden und somit eine nachfolgende Fehlfunktion des Sensorelements frühzeitig verhindert werden.

Es kann im Schritt des Erzeugens das Einschaltsignal erzeugt werden, um das Heizelement während des Betriebs des Fahrzeugs einzuschalten. Dadurch kann die Taubildung während des Betriebs des Fahrzeugs, d. h. bei laufendem Motor, verhindert werden. Das Verfahren kann einen Schritt des Aufnehmens des Temperaturverlaufs durch Filtern eines von dem Temperaturfühler während des Betriebs des Fahrzeugs erzeugten und die Temperatur des Sensorelements

repräsentierenden Temperatursignals umfassen. Insbesondere kann das Temperatursignal dabei tiefpassgefiltert werden. Dadurch können

Messungenauigkeiten verringert werden.

Des Weiteren kann im Schritt des Erzeugens ein Abschaltsignal zum Abschalten des Heizelements nach Ablauf einer vorgegebenen Einschaltdauer, während der das Heizelement eingeschaltet ist, erzeugt werden. Dadurch kann eine übermäßige thermische Belastung des Sensorelements verhindert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann in einem Schritt des Bestimmens die Einschaltdauer abhängig von einem von dem Sensorelement gemessenen Luftmassenstrom, von einer von dem Temperaturfühler gemessenen

Anfangstemperatur des Sensorelements, von einer von dem Temperaturfühler gemessenen aktuellen Temperatur des Sensorelements oder von einer

Kombination aus zumindest zwei der genannten Messgrößen bestimmt werden. Durch diese Ausführungsform können die Genauigkeit des Verfahrens sowie die Robustheit des Verfahrens gegenüber Umgebungseinflüssen deutlich gesteigert werden.

Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware, beispielsweise in einem Steuergerät, implementiert sein.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in

entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.

Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine

Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine

magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.

Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch die Vorrichtung eine Steuerung des Fahrzeugs. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise auf Sensorsignale wie Beschleunigungs-, Druck-, Lenkwinkel- oder Umfeldsensorsignale zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie Brems- oder Lenkaktoren oder ein Motorsteuergerät des Fahrzeugs.

Darüber hinaus schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Luftmassensensorsystem für ein Fahrzeug, wobei das Luftmassensensorsystem folgende Merkmale aufweist: einen Luftmassensensor mit einem Sensorelement zum Messen eines

Luftmassenstroms, einem Temperaturfühler zum Messen einer Temperatur des Sensorelements und einem Heizelement zum Beheizen des Sensorelements; und eine Vorrichtung gemäß einer vorstehenden Ausführungsform.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend

beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugluftsystems mit einem

Luftmassensensor gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Luftmassensensors aus Fig. 1; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Sensorelements aus Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem

Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung von Temperaturverläufen zur Auswertung mittels einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem

Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren

dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche

Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugluftsystems 100 mit einem Luftmassensensor 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das

Fahrzeugluftsystem 100 umfasst einen Luftfilter 104, durch den Luft in das Fahrzeugluftsystem 100 eingesaugt wird. Der Luftmassensensor 102, hier beispielhaft als Heißfilmluftmassenmesser realisiert, ist dem Luftfilter 104 nachgeschaltet und ausgebildet, um einen über den Luftfilter 104 eingesaugten Luftmassenstrom zu erfassen. Der Luftmassenstrom wird über einen Verdichter eines Variable-Turbinengeometrie-Laders 106 verdichtet und gelangt von dort in einen Ladeluftluftkühler 108. Der Ladeluftluftkühler 108 ist ausgangsseitig mit einem Lufteinlass eines Motors 110 des Fahrzeugs verbunden. Eine

Drosselklappe 112 ist ausgebildet, um den aus dem Ladeluftluftkühler 108 ausströmenden Luftmassenstrom zu steuern. Ein Luftauslass des Motors 110 ist über einen Abgasrückführungskühler 114 mit nachgeschaltetem

Abgasrückführungsventil 116 mit dem Lufteinlass koppelbar. Die vom Motor 110 ausgestoßenen Abgase gelangen zurück zum Variable-Turbinengeometrie- Laders 106, wo sie eine Turbine antreiben, die auf der gleichen Welle wie der Verdichter sitzt und diesen somit antreibt. Ein weiterer Abgasrückführungskühler 118 mit nachgeschaltetem weiterem Abgasrückführungsventil 120 dient zur

Abgasrückführung zwischen einer Turbinenseite und einer Verdichterseite des Variable-Turbinengeometrie-Laders 106. Ein nicht rückgeführter Anteil der Abgase gelangt über eine Abgasklappe 122 in eine Auspuffanlage 124 des Fahrzeugs.

Der Luftmassensensor 102 ist Teil eines Luftmassensensorsystems 126 mit einer Vorrichtung 128, die mit dem Luftmassensensor 102 gekoppelt ist, um ein vom Luftmassensensor 102 während eines Betriebs des Fahrzeugs aufgenommenes Temperatursignal 130, das einen Verlauf einer Temperatur eines

Sensorelements des Luftmassensensors 102 repräsentiert, auszuwerten und abhängig von der Auswertung eine Chipheizung zum Beheizen des

Sensorelements anzusteuern. Zum Einschalten der Chipheizung stellt die Vorrichtung 128 ein entsprechendes Einschaltsignal 132 bereit. Durch eine derartige Ansteuerung der Chipheizung kann eine Taubildung auf dem

Sensorelement zuverlässig verhindert werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 128 ausgebildet, um die Chipheizung bei abgestelltem Fahrzeug zu aktivieren. Somit wird verhindert, dass sich Ölkondensat auf dem Sensorelement niederschlägt. In diesem Fall wird also kein den Luftmassenstrom repräsentierendes Luftmassensignal an ein

Steuergerät des Fahrzeugs geliefert. Insbesondere dient die Vorrichtung 128 jedoch vorrangig zur Aktivierung der Chipheizung während eines Normalbetriebs, um das Sensorelement während des Normalbetriebs in geeigneter Weise zu erwärmen. Dies hat zwei Auswirkungen: Zum einen wird dadurch eine

Taupunkttemperatur am Sensorelement schneller überschritten, was die

Taubildung am Sensorelement verhindert; zum anderen wird dadurch erreicht, dass der größte Teil der Taubildung auf den umliegenden Flächen des

Sensorelements, die kälter als das Sensorelement sind, stattfindet.

Eine Betauung setzt in der Regel dann ein, wenn die Oberfläche des

Sensorelements, das beispielsweise als Steckfühler realisiert ist, kälter als die durchströmende Luft ist und der Taupunkt der Oberfläche unterhalb des

Taupunkts der umströmenden Luft liegt. Dies tritt beispielsweise auf, wenn ein Umgebungswechsel von einer kühlen in eine warme, feuchte Umgebung stattfindet. Sobald am Sensorelement Taubildung einsetzt, wird durch den Phasenübergang des Wassers von gasförmig zu flüssig sehr viel Energie frei. Diese Energie führt dazu, dass sich ein auf dem Sensorelement angebrachter

Temperaturfühler wesentlich schneller erwärmt, als wenn keine Taubildung auftritt. Über eine geeignete Auswertung eines Temperaturgradienten mittels der Vorrichtung 128 kann nun der Zustand der Taubildung sicher vom Zustand eines reinen Temperatursprungs unterschieden werden. Ein dabei verwendeter Algorithmus sollte schnell genug sein, um die Chipheizung so schnell zu aktivieren, dass noch keine nennenswerten Messfehler aufgrund von Taubildung auftreten.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Erkennungsalgorithmus folgenden Ablauf auf.

1. Die Temperatur des Sensorelements wird kontinuierlich gemessen.

2. Optional erfolgt eine Filterung, etwa eine Tiefpassfilterung, des

Temperatursignals 130.

3. Auf Basis des Temperatursignals 130 wird ein Gradient berechnet.

4. Der Gradient wird bewertet, beispielsweise über einen definierbaren

Schwellenwert oder eine Kombination aus mehreren geeigneten Parametern wie beispielsweise aus Schwellenwert und absoluter Temperatur. 5. Die Chipheizung wird abhängig von der Bewertung des Gradienten

eingeschaltet.

6. Schließlich wird die Chipheizung nach einer definierten Einschaltdauer wieder abgeschaltet. Das Abschalten der Chipheizung erfolgt beispielsweise durch

Vorgabe einer festen Zeit über eine reine Zeitsteuerung oder auch über eine Zeitsteuerung, in der die Einschaltdauer aus verschiedenen Parametern bestimmt wird, wie etwa aktuelle Luftmasse, Anfangstemperatur des

Sensorelements, aktuelle Temperatur des Sensorelements oder eine

Kombination aus zumindest zwei der genannten Größen.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Luftmassensensors 102 aus Fig. 1. Der Luftmassensensor 102 ist als Einsteckfühler realisiert und umfasst ein Sensorgehäuse 200 mit einem Bypasskanal 202 zum Leiten von Luft zu einem mikromechanischen Sensorelement 204 zum Erfassen des Luftmassenstroms und ein elektronisches Modul 206 zur Signalverarbeitung.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorelements 204 eines Luftmassensensors aus Fig. 2. Gezeigt sind ein mit dem Sensorelement 204 thermisch gekoppeltes Heizelement 300, das als Chipheizung zum Beheizen des

Sensorelements 204 fungiert, etwa um Olkondensat auf dem Sensorelement 204 zu verhindern, ein Temperaturfühler 302 zum Erfassen der Temperatur des Sensorelements 204 sowie eine Sensormembran 304 des Sensorelements 204. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 128 gemäß einem

Ausführungsbeispiel, etwa einer vorangehend anhand der Figuren 1 bis 3 beschriebenen Vorrichtung. Die Vorrichtung 128 umfasst eine Auswerteeinheit 410 zum Auswerten des unter Verwendung des Temperaturfühlers während des Betriebs des Fahrzeugs aufgenommenen Temperaturverlaufs anhand des Temperatursignals 130. Eine Erzeugungseinheit 420 ist ausgebildet, um unter

Verwendung eines von der Auswerteeinheit 410 erzeugten Ergebniswerts 412 das Einschaltsignal 132 zum Einschalten des Heizelements zu erzeugen.

Beispielsweise erzeugt die Erzeugungseinheit 420 das Einschaltsignal 132, wenn der Ergebniswert 412 eine erkannte beginnende oder bevorstehende Taubildung am Sensorelement repräsentiert. Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Darstellung von Temperaturverläufen zur

Auswertung mittels einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa einer vorangehend anhand der Figuren 1 bis 4 beschriebenen Vorrichtung.

Gezeigt sind beispielhaft eine erste Kurve 500, die einen Temperaturverlauf des Sensorelements bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 Prozent repräsentiert, eine zweite Kurve 502, die einen Temperaturverlauf des Sensorelements bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 80 Prozent repräsentiert, sowie eine Mehrzahl weiterer Kurven 504, die einen bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 15, 20, 25, 30 und 40 Prozent erfassten Temperaturverlauf des Sensorelements

repräsentieren. Alle Kurven 500, 502, 504 haben eine Umgebungstemperatur von 20 Grad Celsius zum Ausgangspunkt. Dieser Ausgangspunkt repräsentiert beispielsweise einen Zeitpunkt, zu dem der Motor des Fahrzeugs gestartet wird.

Die Kurven 500, 502 weisen im Vergleich zu den Kurven 504 innerhalb einer Auswertedauer 506, während der die Temperaturverläufe von der Vorrichtung ausgewertet werden, jeweils eine deutlich höhere Steigung auf. Anhand dieser deutlich höheren Steigung kann auf eine beginnende Taubildung am

Sensorelement geschlossen werden. Die Kurven 504 fungieren in diesem Sinne als Referenzverläufe zur Erkennung der Taubildung anhand der jeweiligen Steigung der Temperaturverläufe.

Die Auswertedauer 506 beträgt beispielsweise zwischen 20 und 100 Sekunden.

Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 gemäß einem

Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 600 zum Steuern eines Heizelements zum

Beheizen eines Sensorelements eines Luftmassensensors für ein Fahrzeug kann beispielsweise von einer vorangehend anhand der Figuren 1 bis 5 beschriebenen Vorrichtung ausgeführt werden. Dabei wird in einem Schritt 610 der unter Verwendung des Temperaturfühlers während des Betriebs des Fahrzeugs aufgenommene Temperaturverlauf des Sensorelements ausgewertet, um die

Taubildung auf dem Sensorelement zu erkennen. In einem weiteren Schritt 620 wird ansprechend auf das Erkennen der Taubildung das Einschaltsignal zum Einschalten des Heizelements erzeugt.

Die Schritte 610, 620 können fortlaufend ausgeführt werden, insbesond während eines Betriebs des Fahrzeugs bei laufendem Motor. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"- Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.