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Die
Erfindung betrifft einen Abgasmassenstromsensor sowie ein Verfahren
zum Betreiben eines Abgasmassenstromsensors. Insbesondere wird der
Abgasmassenstromsensor sowie das Verfahren bei Kraftfahrzeugen eingesetzt.
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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.
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US 4,833,912 beschreibt
eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Abgasstroms einer Brennkraftmaschine,
wobei zusätzlich
zu einem ersten Heizelement ein zweites Heizelement vorgesehen ist, das
dazu dient, Ablagerungen auf einem Substrat zu verbrennen. Die Steuerung
des zweiten Heizelements erfolgt aufgrund von Parametern, wie beispielsweise
einem möglichen
Absterben des Motors oder einer durch einen Sensor erfassten Kühlmitteltemperatur.
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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.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Abgasmassenstromsensor
gemäß Anspruch
1, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Abgasmassenstromsensors
gemäß Anspruch 7.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
ist das Sekundär-Heizelement zwischen
dem Haupt-Heizelement und dem Halteelement angeordnet.
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Zur
Bestimmung des Massenstroms wird das Haupt-Heizelement vorzugsweise
zusätzlich
als Temperatursensor betrieben. Dies hat den Vorteil, dass kein
zusätzlicher
Temperatursensor erforderlich ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
beiden vorstehend beschriebenen Verfahren sind, insbesondere wie
anhand des Abgasmassenstromsensors beschrieben, vorzugsweise weiter
gebildet.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
eine schematische Seitenansicht eines Abgasmassenstromsensors und
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2:
Diagramme unterschiedlicher Temperaturverläufe.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ferner
kann das Sekundär-Heizelement
zur Temperaturmessung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
genutzt werden.
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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.
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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.
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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.
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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 TG überschreitet. Dies hat zur
Folge, dass nicht im gesamten Messbereich 18 ein Abbrennen
der Verunreinigungen erfolgt.
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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 TG erwärmt
wird, so dass der gesamte Messbereich durch Abbrennen gereinigt
werden kann.
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Der
gestrichelt dargestellte Temperaturverlauf 38 stellt den
Temperaturverlauf des Temperaturfühlers da, der in Anströmrichtung 14 dem
Abgasmassenstromsensor vorgeschaltet ist.
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Entsprechend
stellt der gestrichelt dargestellte Temperaturverlauf 40 den
Abheizbetrieb eines dem Abgasmassenstromsensor vorgeschalteten Temperaturfühlers da,
der entsprechend dem Abgasmassenstromsensor aufgebaut ist.