DE102005061533A1

DE102005061533A1 - Abgasmassenstromsensor sowie Verfahren zum Betreiben eines Abgasmassenstromsensors

Info

Publication number: DE102005061533A1
Application number: DE200510061533
Authority: DE
Inventors: Andres Tönnesmann; Karsten Grimm; Sven Nigrin
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: DE102005061533B4

Abstract

Ein Abgasmassenstromsensor für Kraftfahrzeuge weist ein mit einem Trägerkörper (10) verbundenes Haupt-Heizelement (16) auf. Ferner ist ein Sekundär-Heizelement (28) vorgesehen. Durch das Vorsehen des Sekundär-Heizelements (28) ist es möglich, einen Messbereich (18) des Trägerkörpers (10) zum Reinigen von Ablagerungen auf Abbrenntemperatur zu erhitzen. Hierbei ist sichergestellt, dass der gesamte Messbereich (18) gereinigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgasmassenstromsensor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasmassenstromsensors. Insbesondere wird der Abgasmassenstromsensor sowie das Verfahren bei Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Abgasmassenstromsensoren werden in Abgaskanälen von Kraftfahrzeugen zur Bestimmung des Massenstroms eingesetzt. Hierzu wird ein Heizelement, das innerhalb des Abgasstroms angeordnet ist, beheizt. In Abhängigkeit des vorbeiströmenden Mediums erfolgt, im Wesentlichen durch Konvektion, ein Temperaturübergang von dem Heizelement auf das Medium. Zur Bestimmung des Abgasmassenstroms wird beispielsweise die Temperaturänderung gemessen, und mit Hilfe eines Algorithmus der Massenstrom bestimmt. Ebenso kann die Leistungsaufnahme des Heizelements gemessen werden, die erforderlich ist, um eine Temperatur konstant zu halten. Ggf. wird zusätzlich in Strömungsrichtung vor dem Abgasmassenstromsensor ein Temperatursensor angeordnet, der die Temperatur des Abgases misst, die sodann bei der Berechnung des Abgasmassenstroms berücksichtig wird. Das Heizelement ist beispielsweise in Form einer Leiterbahn auf der Oberfläche eines Trägerkörpers angeordnet. Auf Grund der Verunreinigungen durch das Abgas entstehen Ablagerungen auf dem Trägerkörper, insbesondere in dem Messbereich des Trägerkörpers, in dem die Temperatur des Heizelements gemessen wird. Durch die Ablagerungen wird die Genauigkeit des Abgasmassenstromsensors beeinträchtigt. Zum Entfernern der Ablagerungen ist es bekannt, diese abzubrennen. Dies erfolgt durch Erhöhen der Temperatur des Heizelements. Auf Grund der verwendeten Materialien kann die Temperatur des Heizelements nur bis zu einem Grenzwert erhöht werden. Auf Grund des starken Temperaturgefälles in Richtung eines Halteelements, das zum Befestigen des Trägerkörpers in dem Abgaskanal dient, kann der Messbereich durch Erhöhen der Temperatur des Heizelements nicht vollständig abgebrannt werden. Dies hat zur Folge, dass ein Entfernen der Ablagerungen nicht vollständig durch Abbrennen möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Abgasmassenstromsensor, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasmassenstromsensors zu schaffen, mit dem bzw. durch das die Messgenauigkeit verbessert werden kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Abgasmassenstromsensor gemäß Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasmassenstromsensors gemäß Anspruch 8.

Der erfindungsgemäße Abgasmassenstromsensor weist neben einem mit einem Trägerkörper verbundenen Haupt-Heizelement ein Sekundär-Heizelement auf. Mit Hilfe des Sekundär-Heizelements ist es möglich, den Trägerkörper im gesamten Messbereich auf Abbrenntemperatur zu erwärmen. Dies hat zur Folge, dass es mit Hilfe des erfindungsgemäßen Abgasmassenstromsensors möglich ist, abbrennbare Ablagerungen vollständig abzubrennen, so dass die Genauigkeit der Messungen erheblich verbessert ist. Somit kann auch eine exaktere Bestimmung des Massenstroms erfolgen.

Zu berücksichtigen ist hierbei insbesondere, dass ein Vergrößern des Haupt-Heizelements, um einen entsprechenden größeren Bereich des Trägerkörpers erwärmen zu können, nicht beliebig möglich ist, da das Haupt-Heizelement gegenüber dem Abgaskanal oder einem Halteelement, das den Trägerkörper trägt und im Abgaskanal befestigt ist, einen ausreichenden Abstand aufweisen muss, da ansonsten eine zu große Wärmeabfuhr erfolgt, die eine Bestimmung des Massenstroms in der geforderten Genauigkeit nicht mehr zulässt. Auf Grund des erfindungsgemäßen Vorsehens eines Sekundär-Heizelements ist es somit möglich, zusätzliche Heizleistung zum Abbrennen des Messbereichs einzubringen.

Das Haupt-Heizelement, sowie das Sekundär-Heizelement können einteilig oder auch mehrteilig ausgebildet sein. Insbesondere können die Heizelemente aus mehreren ggf. getrennt ansteuerbaren Heizspiralen bzw. als Heizspiralen dienende Leiterbahnen, aufgebaut sein. Besonders bevorzugt ist es, dass das Haupt-Heizelement und/oder das Sekundär-Heizelement auf einer Oberfläche des Trägerkörpers, insbesondere als Leiterbahnen, aufgebracht sind. Hierbei weist der Trägerkörper, beispielsweise Metall oder Keramik auf. Die zur Ausbildung der Heizelemente vorgesehenen Leiterbahnen sind vorzugsweise auf den Trägerkörper aufgebracht und weisen vorzugsweise Platin auf.

Der Trägerkörper ist vorzugsweise mittels eines Halteelements, das Teil des Trägerkörpers sein kann, zur Befestigung in einem Abgaskanal verbunden. Hierbei ist der Trägerkörper vorzugsweise quaderförmig ausgebildet, wobei vorzugsweise die schmale Seite des Trägerkörpers vom Abgas angeströmt wird. Die breitere Seite des Trägerkörpers ist somit im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet, so dass die Abgase an dieser Seite entlang strömen. Auf dieser breiten Oberfläche des Trägerkörpers ist vorzugsweise das Haupt-Heizelement, sowie auch das Sekundär-Heizelement angeordnet, insbesondere als Leiterbahn aufgebracht. Hierbei weist das Haupt-Heizelement zu dem Haltelement einen relativ großen Abstand auf. Dies liegt darin begründet, dass ein Teil der von dem Haupt-Heizelement erzeugten Wärme über den Trägerkörper und das Haltelement an den Abgaskanal, bei dem es sich üblicherweise um ein Metallrohr handelt, abgeführt wird. Die an den Abgaskanal abgeführte Wärmemenge muss hierbei möglichst gering gehalten werden, um eine exakte Messung durchführen zu können.

Vorzugsweise ist das Sekundär-Heizelement zwischen dem Haupt-Heizelement und dem Halteelement angeordnet.

Zur Bestimmung des Massenstroms wird das Haupt-Heizelement vorzugsweise zusätzlich als Temperatursensor betrieben. Dies hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Temperatursensor erforderlich ist.

Zusätzlich kann dem Abgasmassenstromsensor ein weiterer Temperaturfühler, der die Temperatur des Abgases misst, zugeordnet sein. Insbesondere ist der Temperaturfühler in Strömungsrichtung vor dem Abgasmassenstromsensor angeordnet, wobei der Temperaturfühler als gesondertes Bauteil vorgesehen sein kann oder Bestandteil des Abgasmassenstromsensors ist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Temperaturfühler ebenfalls als eine auf einem Trägerkörper angeordnete Leiterbahn ausgebildet. Hierbei kann ein identischer Trägerkörper, wie bei dem Abgasmassensensor, verwendet werden, auf den eine dem Haupt-Heizelement entsprechende Leiterbahn aufgebracht ist, die jedoch nicht als Heizelement, sondern als Temperaturfühler genutzt wird. Besonders bevorzugt ist es auch, ein Sekundär-Heizelement auf diesem Trägerkörper vorzusehen, so dass der Abgasmassenstromsensor und der in Strömungsrichtung vorgelagerte Temperaturfühler identisch ausgelagert sind. Hierdurch können die Produktionskosten erheblich reduziert werden. Ferner ist es möglich, den Temperaturfühler für das Haupt-Heizelement und/oder das Sekundär-Heizelement derart zu erwärmen, dass auch ein Reinigen des Temperaturfühlers durch Abbrennen möglich ist. Das Haupt-Heizelement weist somit auch hier die Doppelfunktion eines Temperaturfühlers und eines Heizelements auf. Hierbei ist es zum Abbrennen des Temperaturfühler-Trägerelements nicht unbedingt erforderlich, auch den Sekundärheizer zu erhitzen, da die Temperaturfühler-Leiterbahn nicht selbst aktiv erwärmt werden muss.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasmassenstromsensors, insbesondere des vorstehend beschriebenen Abgasmassenstromsensors. Erfindungsgemäß erfolgt ein Aktivieren des Haupt-Heizelements sowie des Sekundär-Heizelements in einer Reinigungsphase. Reinigungsphasen, in denen eine Abbrennen von Ablagerungen erfolgt, werden vorzugsweise nach einem Motorstart, insbesondere einem Motor-Kaltstart, durchgeführt. Während der Reinigungsphase werden die Heizelemente bestromt, um den Trägerkörper, bzw. den Abgasmassenstromsensor auf Abbrenntemperatur zu erwärmen. Hierbei ist es, wie vorstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasmassenstromsensors erläutert, ausreichend, wenn ein Messbereich auf Abbrenntemperatur erwärmt wird, so dass ein vollständiges Reinigen des Bereichs gewährleistet ist.

Vorzugsweise wird der Abgasmassenstromsensor nach einer vorgegebenen Reinigungszeit auf Normalbetrieb umgeschaltet. Im Standardfall des Normalbetriebs wird das Sekundär-Heizelement ausgeschaltet und das Haupt-Heizelement nach bekannten Messverfahren betrieben.

Anstelle oder zusätzlich zum Durchführen der Reinigungsphase für eine vorgegebene Reinigungszeit kann auch ein Überprüfungsschritt durchgeführt werden. In dem Überprüfungsschritt wird überprüft, ob die Ablagerungen vollständig abgebrannt sind, bzw. einen vorgegebenen Grenzwert unterschritten haben. Der Überprüfungsschritt kann beispielsweise dadurch vorgenommen werden, dass ein Erwärmen des Heizelements, insbesondere des Haupt-Heizelements erfolgt und die Dauer bis zum Erreichen einer vorgegebenen Temperatur gemessen wird. Diese Zeitspanne wird bei Vorhandensein von Ablagerungen beeinflusst. Vorzugsweise wird somit ein Temperaturgradient ermittelt, wobei aus dem Temperaturgradienten, insbesondere anhand von Vergleichsmessungen oder im Vergleich zu hinterlegten Daten, bestimmt werden kann, ob die Reinigung abgeschlossen ist.

Die Beeinflussung der Aufheizzeit auf Grund von Ablagerungen kann auf Grund der Erhöhung der thermischen Masse zu einer Verlängerung der Aufheizzeit führen. Die Ablagerung kann jedoch auch thermisch isolierend wirken, so dass hierdurch eine Verkürzung der Aufheizzeit erwirkt wird. Dies ist beispielsweise bei Ruß der Fall. Auch kann während des Betriebs ein spontanes Abbrennen der Ablagerungen erfolgen. Die dadurch entstehende Wärme bewirkt eine Verkürzung der Aufheizzeit. Insgesamt ist somit die Veränderung der Aufheizzeit von der Art der auftretenden Ablagerungen sowie der Zieltemperatur des Abgasmassenstromsensors abhängig.

Vorzugsweise ist es möglich, während des Normalbetriebs mittels des Sekundär-Heizelements eine Temperaturmessung durchzuführen. Hierdurch kann die Wärmemenge bestimmt werden, die während des Normalbetriebs über den Trägerkörper abgeführt wird. Die Wärmeabfuhr erfolgt insbesondere an ein Halteelement und von diesem üblicherweise an die Rohrwand des Abgaskanals. Je nach Größe der abgeführten Wärmemenge wird die Berechnung des Massenstroms mehr oder weniger stark beeinflusst. Mit Hilfe der Temperaturmessung durch das Sekundär-Heizelement kann bei der Berechnung des Massenstroms die über den Trägerkörper, bzw. das Halteelement abgeführte Wärmemenge berücksichtigt werden. Ferner ist es möglich, durch beispielsweise kurzfristiges oder entsprechend geregeltes bzw. gesteuertes Aktivieren des Sekundär-Heizelements Wärme zuzuführen, um die abgeführte Wärme zu kompensieren.

Ein Verfahren, bei dem im Normalbetrieb die Temperatur eines Trägerkörpers, eines Halteelements oder dergleichen außerhalb des Messbereichs gemessen wird, stellt eine selbstständige Erfindung dar. Hierbei kann die Messung mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Sekundär-Heizelements erfolgen, wobei es auch möglich ist, ein gesonderten Temperaturfühler vorzusehen. Wird ein gesonderter Temperaturfühler vorgesehen, so kann auf Grund der gemessenen Temperatur und der mit dieser in Relation stehenden, über den Trägerkörper bzw. das Halteelement, abgeführten Wärmemenge eine Korrektur bei der Berechnung des Massenstroms erfolgen.

Die beiden vorstehend beschriebenen Verfahren sind, insbesondere wie anhand des Abgasmassenstromsensors beschrieben, vorzugsweise weiter gebildet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1: eine schematische Seitenansicht eines Abgasmassenstromsensors und
2: Diagramme unterschiedlicher Temperaturverläufe.
Ein Abgasmassenstromsensor weist einen Trägerkörper 10 auf, bei dem es sich um ein im Wesentlichen quaderförmiges Element aus Keramik oder Metall handelt. Das quaderförmige Element weist eine in 1 sichtbare Oberfläche 12 auf. Diese weist eine Breite von ca. 4 bis 5 mm auf. Der Trägerkörper 10 weist, senkrecht zur Zeichenebene eine Dicke von 0,1 bis 0,5 mm auf. Die senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Schmalseite des Trägerkörpers 10 wird durch den Abgasstrom in Richtung eines Pfeils 14 angeströmt, so dass der Abgasstrom an der Oberfläche 12 entlang strömt.
Auf der Oberfläche 12 des Trägerkörpers 10 ist ein Haupt-Heizelement 16 in Form eine Leiterbahn angeordnet. Die Leiterbahnen des Haupt-Heizelements 16 befinden sich in einem Messbereich 18 des Trägerkörpers. Der Messbereich 18 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel rechteckig, weist die durch das Bezugszeichen 18 gekennzeichnete Höhe auf und erstreckt sich über die gesamte Breite des Trägerkörpers 10. Über Leitungen 20 ist das Haupt-Heizelement 16 mit einer Energiequelle, sowie einem Steuergerät verbunden.
Der Trägerkörper 10 ist mit einem Halteelement 22 verbunden, bzw. von dem Halteelement 22 getragen. Das Halteelement 22 ist an einer Innenseite 24 eines Abgaskanals 26 befestigt. Von dem Abgaskanal 26 ist in 1 lediglich ein Teil einer Innenwand dargestellt. Es handelt sich bei dem Abgaskanal 26 beispielsweise um ein zylindrisches Rohr, wobei der Abgasmassenstromsensor innerhalb des Rohrs, bzw. des Abgaskanals angeordnet, ist.
Zwischen dem Haupt-Heizelement 16 und dem Halteelement 22 ist ein Sekundär-Heizelement 28 auf der Oberfläche 12 des Trägerkörpers 10 angeordnet. Das Sekundär-Heizelement 28 ist über Leitungen 30 mit einer Energiequelle, sowie einer Steuereinrichtung verbunden.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Reinigung des Messbereichs wird das Haupt-Heizelement 16, sowie das Sekundär-Heizelement 28 auf Abbrenntemperatur erhitzt. Es handelt sich hierbei um Temperaturen von ca. 450 bis 550 °C. Durch das Vorsehen des Sekundär-Heizelements 28 ist sichergestellt, dass der gesamte Messbereich 18 während der Reinigungsphase gereinigt wird.
Ferner kann das Sekundär-Heizelement zur Temperaturmessung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden.
Um die Temperatur des den Abgasmassenstromsensors anströmendenden Abgases zu messen, ist in Strömungsrichtung vor dem Abgasmassenstromsensor ein Temperaturfühler angeordnet. In bevorzugter Ausführungsform ist der Temperaturfühler identisch wie der Abgasmassenstromsensor aufgebaut. Hierdurch ist es möglich, den Temperaturfühler ebenfalls durch Abbrennen zu reinigen. Die Messung der Temperatur erfolgt hierbei insbesondere über das Haupt-Heizelement. Hierbei muss der Temperaturfühler nicht identisch ausgebildet sein. Vielmehr ist auch durch einen ähnlichen Aufbau des Temperaturfühlers eine Kostensenkung erzielbar. Insbesondere kann die Hauptleiterbahn bei dem Temperaturfühler aus einem Material mit einem elektrisch anderen Wiederstand und/oder anderer Geometrie ausgebildet sein, da der Hauptleiter beim Temperaturfühler keine Heizfunktion erfüllen muss.
Aus 2 sind mehrere Temperaturverläufe ersichtlich, wobei die Funktion der Temperatur T (y) über dem Weg y dargestellt ist. Der Weg y verläuft, wie aus 2 ersichtlich, ausgehend von dem Halteelement 22 entlang der Oberfläche 12 des Trägerkörpers 10.
Bei der Temperaturkurve 32 handelt es sich um den Temperaturverlauf im Normalbetrieb. Hieraus ist ersichtlich, dass die Temperatur im Messbereich 18 in Richtung des Halteelements 22 (Koordinatenursprung) stark abnimmt.
Die Kurve 34 stellt den Temperaturverlauf in der Reinigungsphase, d. h. beim Abheizen da, wobei die Kurve 34 den Abheizbetrieb ohne Vorsehen eines Sekundär-Heizelements 28 darstellt. Aus der Kurve ist ersichtlich, dass die Temperatur nicht im gesamten Messbereich 18 die Grenztemperatur T_G überschreitet. Dies hat zur Folge, dass nicht im gesamten Messbereich 18 ein Abbrennen der Verunreinigungen erfolgt.
Die Temperaturkurve 36 stellt den Temperaturverlauf in der Reinigungsphase bei Verwenden des erfindungsgemäßen Abgasmassenstromsensors mit einem Haupt-Heizelement 16, sowie einem Sekundär-Heizelement 28 da. Aus dem Kurvenverlauf ist ersichtlich, dass die Oberfläche 12 des Trägerkörpers 10 im gesamten Messbereich 18 über die Grenztemperatur T_G erwärmt wird, so dass der gesamte Messbereich durch Abbrennen gereinigt werden kann.
Der gestrichelt dargestellte Temperaturverlauf 38 stellt den Temperaturverlauf des Temperaturfühlers da, der in Anströmrichtung 14 dem Abgasmassenstromsensor vorgeschaltet ist.
Entsprechend stellt der gestrichelt dargestellte Temperaturverlauf 40 den Abheizbetrieb eines dem Abgasmassenstromsensor vorgeschalteten Temperaturfühlers da, der entsprechend dem Abgasmassenstromsensor aufgebaut ist.

Claims

Abgasmassenstromsensor, insbesondere für Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen, mit einem mit einem Trägerkörper (10) verbundenen Heizelement (16) und einem Sekundär-Heizelement (28) zum Erwärmen eines Messbereichs (18) des Trägerkörpers (10) auf Abbrenntemperatur.
Abgasmassenstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Haupt-Heizelement (16) und/oder das Sekundär-Heizelement (28) auf einer Oberfläche (12) des Trägerkörpers (10), insbesondere als Leiterbahn, angebracht ist.
Abgasmassenstromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper (10) mit einem Haltelement (22) zur Befestigung in einem Abgaskanal (26) verbunden ist.
Abgasmassenstromsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundär-Heizelement (28) zwischen dem Haupt-Heizelement (16) und dem Haltelement (22) angeordnet ist.
Abgasmassenstromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Haupt-Heizelement (16) zusätzlich als Temperatur-Fühler dient.
Abgasmassenstromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen, insbesondere in Anströmrichtung (14) vorgelagerten, Temperatur-Fühler.
Abgasmassenstromsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler eine mit einem Trägerkörper (10) verbundene Temperaturfühler-Leiterbahn (16) und ein Sekundär-Heizelement (28) aufweist, welches zum Erwärmen des Temperaturmessbereichs (18) des Trägerkörpers (10) auf Abbrenntemperatur dient.
Abgasmassenstromsensor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Fühler mit dem Abgasmassenstromsensor gemäß Anspruch 1 bis 6 baugleich ist.
Verfahren zum Betreiben eines Abgasmassensensors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem in einer Reinigungsphase der Messbereich (18) des Trägerkörpers (10) durch Aktivieren des Sekundär-Heizelements (26) und ggf. zusätzlich Haupt-Heizelements (16) auf eine Abbrenntemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem der Abgasmassenstromsensor nach einer vorgegebenen Reinigungszeit oder nach einem Überprüfungsschritt auf Normalbetrieb umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem im Normalbetrieb mittels des Sekundär-Heizelements (28) eine Temperatur-Messung zur Bestimmung der über den Trägerkörper (10), insbesondere an ein Halteelement (22), abgegebenen Wärme erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei welchem im Normalbetrieb das Sekundär-Heizelement (28) zum Ausgleich eines Temperatur-Gefälles, insbesondere temporär, aktiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei welchem die vom Sekundär-Heizelement (28) gemessene Temperatur bei der Bestimmung des Massenstroms berücksichtig wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem im Normalbetrieb das Sekundär-Heizelement (28) ausgeschaltet wird.