DE102010033175B3

DE102010033175B3 - Verfahren zur Bestimmung eines resultierenden Gesamtmassenstroms an einem Abgasmassenstromsensor

Info

Publication number: DE102010033175B3
Application number: DE102010033175A
Authority: DE
Inventors: Dr. Tönnesmann Andres; Dr. Grimm Karsten; Sven Nigrin
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2010-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2030-08-04
Also published as: CN103003674B; EP2601486A1; US20130132003A1; CN103003674A; KR101434808B1; JP2013532831A; JP5479654B2; KR20130055634A; WO2012016775A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines resultierenden Gesamtmassenstroms an einem Abgasmassenstromsensor (10), mit den Verfahrensschritten: – Ermitteln einer spezifischen Heizleistung an einem nach dem anemometrischen Prinzip arbeitenden Abgasmassenstromsensor (10) mit zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Sensorelementen (15, 16), – Ermitteln eines Betrages eines summierten Massenstroms M. Sum = |M. vor| + |M. rück| aus einem hinterlegten ersten Kennfeld (29), wobei M. vor der Massenstrom in der definierten Strömungsrichtung ist und M. rück der Massenstrom entgegengesetzt zur definierten Strömungsrichtung ist, wobei die spezifische Heizleistung eine Funktion dieses Betrages ist, – Ermitteln eines normierten Temperaturgradienten, wobei der Temperaturgradient als das Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen einem Temperaturmesswert eines zweiten und eines ersten Temperatursensors (18, 17) des zweiten Sensorelements (16) zu der Temperaturdifferenz zwischen einem aus den Temperaturmesswerten der Temperatursensoren (18, 17) des zweiten Sensorelements (16) ermittelten Temperaturwert und einem Temperaturmesswert des ersten Sensorelements (15) definiert ist, – Ermitteln eines Rückstromanteilsaus einem hinterlegten zweiten Kennfeld (30), wobei...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines resultierenden Gesamtmassenstroms an einem Abgasmassenstromsensor und einen Abgasmassenstromsensor zur Durchführung dieses Verfahrens.
Um den ständig steigenden Anforderungen neuer Abgasnormen im Bereich von Kraftfahrzeugen gerecht zu werden, sind eine Reihe innermotorischer Maßnahmen, wie beispielsweise Abgasnachbehandlungssysteme, feste Bestandteile aktueller und zukünftiger Motorkonzepte geworden. Das volle Potenzial solcher Maßnahmen, wie beispielsweise der gekühlten Abgasrückführung, kann jedoch nur ausgeschöpft werden, wenn eine entsprechend genaue Abstimmung des eingeführten Abgasmassenstroms auf die jeweiligen Motorbetriebszustände erfolgt. Damit werden erhöhte Anforderungen an die Motorregelung und insbesondere an die hierzu verwendete Sensorik gestellt.
Zur Bestimmung des Massenstroms in einem von heißem Abgas durchströmten Rohr werden häufig Abgasmassenstromsensoren, die nach dem anemometrischen Prinzip arbeiten, verwendet.
Eine der wesentlichen Herausforderungen ist hierbei die Erkennung von Abgaspulsationen des Abgasmassenstroms, die im Wesentlichen durch die Ladungswechselvorgänge im Verbrennungsmotor verursacht werden sowie die richtige Bilanzierung des Abgasmassenstroms hieraus, die eine korrekte Richtungserkennung voraussetzt.
Aus dem Stand der Technik sind Abgasmassenstromsensoren bekannt, mittels derer ein Abgasmassenstrom in Abhängigkeit der Strömungsrichtung bzw. Strömungsrichtungsänderungen gemessen werden soll.
Ein derartiger Abgasmassenstromsensor ist aus DE 10 2006 030 786 A1 bekannt. Der hierin offenbarte Abgasmassenstromsensor weist zwei Sensorelemente auf, die in einer Reihe angeordnet sind, wobei das zweite Sensorelement wiederum aus zwei in Reihe angeordneten Temperatursensoren besteht. Das in Strömungsrichtung angeordnete erste Sensorelement ist ein Temperaturmesselement, welches in Form eines Platin-Dünnfilm-Widerstands realisiert ist. Dieses erste Sensorelement misst die Temperatur des Abgases. Das in Strömungsrichtung dahinter angeordnete zweite Sensorelement ist ein Heizelement, welches ebenfalls in Form eines Platin-Dünnfilm-Widerstands realisiert ist. Dieses zweite Sensorelement wird mittels elektrischer Beheizung auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizt, so dass im Wesentlichen durch Konvektion eine Wärmeabgabe an den Abgasmassenstrom erfolgt. Durch Messung der Temperaturänderung oder der Messung der erforderlichen Leistungsaufnahme um die Temperatur des zweiten Sensorelements konstant zu halten, kann mit Hilfe geeigneter Algorithmen ein Abgasmassenstrom ermittelt werden. Durch eine Anordnung von zwei separaten Temperatursensoren auf dem zweiten Sensorelement wird eine Richtungserkennung des Abgasmassenstroms ermöglicht.
Des Weiteren ist aus der DE 198 19 855 A1 ein Luftmassensensor mit zwei Temperatursensoren und zwei Heizsensoren bekannt, die zu zwei getrennt wirkenden Brücken verschaltet sind. Über einen Mikroprozessor werden Messungenauigkeiten mittels Korrekturdaten korrigiert. Die Signalauswertung erfolgt, indem die beiden Brückensignale gemessen und dem Mikroprozessor zugeführt werden. Dabei wird durch Differenzbildung die Strömungsrichtung bestimmt und eine Luftmasse über ein hinterlegtes Kennfeld bestimmt und unter vorgegebenen Bedingungen einer weiteren Korrektur unterzogen.
Aus der DE 195 23 701 A1 ist ein Luftmassenmesser bekannt, der zwei in Luftströmungsrichtung hintereinander angeordnete Massenstromsensoren sowie zwei auf einem weiteren Trägerelement angeordnete Temperatursensoren, die jeweils in einem Brückenzweig der Massenstromsensoren angeordnet sind, aufweist. Hierdurch soll der Messfehler aufgrund von Rückströmungen korrigiert werden.
Im Stand der Technik wird jedoch nicht offenbart, wie eine derartige Richtungserkennung mittels eines derartigen Abgasmassenstromsensors erfolgt, insbesondere wird nicht offenbart wie eine Bestimmung durchgeführt wird, um einen resultierenden Gesamtmassenstrom bei auftretenden Abgaspulsationen zu erhalten.
Abgasmassenstromsensoren sind typischerweise thermisch träge Sensoren, d. h. aufgrund der verwendeten Materialstärke der Widerstandselemente ist die Bestimmung der Temperatur des Abgases, insbesondere der Temperatur des Abgases mit Abgaspulsationen langsamer als die Pulsationsfrequenz des Motors. Bei Abgaspulsationen mit einem Rückstromanteil wird somit die gemittelte Heizleistung des zweiten Sensorelements deutlich erhöht, ohne dass eine Detektion der durch die Abgaspulsationen des Motors verursachten Schwankungen des Massenstroms erfolgt. Folglich wird vom Abgasmassenstromsensor ein falscher Abgasmassenstromwert ausgegeben. Zudem unterscheiden sich die sich über einen Zeitbereich einstellenden Temperaturen an den Widerstandselementen je nach Rückstromanteil.
Deshalb ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung eines resultierenden Gesamtmassenstroms an einem Abgasmassenstromsensor zu schaffen, durch das eine genauere Bestimmung des Abgasmassenstromes bei auftretenden Abgaspulsationen ermöglicht wird, sowie einen Abgasmassenstromsensor zur Durchführung eines derartigen Verfahrens zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch einen Abgasmassenstromsensor zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß Anspruch 6 gelöst.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines resultierenden Gesamtmassenstroms an einem Abgasmassenstromsensor wird in einem ersten Verfahrensschritt die Bestimmung der spezifischen Heizleistung an einem nach dem anemometrischen Prinzip arbeitenden Abgasmassenstromsensor mit zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Sensorelementen durchgeführt. Aus einem hinterlegten ersten Kennfeld wird ein Betrag eines summierten Massenstroms M ._Sum = |M ._vor| + |M ._rück| ermittelt, wobei M ._vor der Massenstrom in der definierten Strömungsrichtung des Abgases ist und M ._rück der Massenstrom entgegengesetzt zur definierten Strömungsrichtung des Abgases ist. In diesem ersten Kennfeld ist die spezifische Heizleistung als eine Funktion dieses Betrages definiert. In einem nächsten Verfahrensschritt wird ein normierter Temperaturgradient ermittelt, wobei der Temperaturgradient als das Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen einem Temperaturmesswert eines zweiten und eines ersten Temperatursensors des zweiten Sensorelements zu der Temperaturdifferenz zwischen einem aus den Temperaturmesswerten der Temperatursensoren des zweiten Sensorelements ermittelten Temperaturwert und einem Temperaturmesswert des ersten Sensorelement definiert ist. Aus einem hinterlegten zweiten Kennfeld wird ein Rückstromanteil
ermittelt. Der Rückstromanteil γ ist eine Funktion der spezifischen Heizleistung und ist zudem abhängig von dem normierten Temperaturgradienten. Gemäß der Formel M ._resGes = M ._Sum × (1 – γ) / (1 + γ) kann in einem letzten Verfahrensschritt der resultierende Gesamtmassenstrom M ._resGes des Abgasmassenstromsensors ermittelt werden.
Das Verfahren ermöglicht bei auftretenden Abgaspulsationen eine genauere und zuverlässige Bestimmung des Abgasmassenstroms.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch einen Abgasmassenstromsensor zur Durchführung des Verfahrens gelöst, der aus zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Sensorelementen besteht, wobei das zweite Sensorelement wiederrum zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Temperatursensoren aufweist, und der Abgasmassenstromsensor zudem eine Auswerteeinheit aufweist, in der ein erstes Kennfeld hinterlegt ist, in dem die spezifische Heizleistung in mW/K in Abhängigkeit von dem summierten Massenstrom M ._Sum = |M ._vor| + |M ._rück| in kg/h dargestellt ist und ein zweites Kennfeld hinterlegt ist, in dem der Rückstromanteil γ als Funktion der spezifischen Heizleistung P_Spez in Abhängigkeit des normierten Temperaturgradienten g dargestellt ist.
Durch die zweifache Anordnung der Temperatursensoren auf dem zweiten Sensorelement wird eine Bestimmung der Temperaturverteilung ermöglicht, so dass die durch die Abgaspulsationen des Motors verursachten Schwankungen des Abgasmassenstroms detektiert werden können. Mit dem in der Auswerteeinheit des Abgasmassenstromsensors hinterlegten Kennfeld, kann eine Messwertkorrektur in Abhängigkeit des Rückstromanteils des Abgasmassenstromwertes erfolgen, so dass ein genauerer Abgasmassenstromwert ermittelt werden kann. Ferner können mit der Auswerteeinheit des Abgasmassenstromsensors die ermittelten Größen gemeinsam mit Zustandsgrößen des Motors, wie beispielsweise das Luftverhältnis Lambda oder der Gasdruck, genutzt werden, um eine optimierte Motorsteuerung zu gewährleisten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ermittelt zur Bestimmung der spezifischen Heizleistung das erste Sensorelement die Temperatur eines Abgases, und das dahinter angeordnete zweite Sensorelement wird, bezogen auf die Temperatur des vorbeiströmenden Abgases, auf eine erhöhte Temperatur erhitzt, so dass das an diesem zweiten Sensorelement vorbeiströmende Abgas einen Wärmeverlust herbeiführt. Die spezifische Heizleistung ist dabei definiert als das Verhältnis von einer vom zweiten Sensorelement abgegebenen Leistung zu der Temperaturdifferenz zwischen dem zweiten und dem ersten Sensorelement. Mit diesem nach dem anemometrischen Prinzip aufgebauten Abgasmassenstromsensor kann mit Hilfe geeigneter Algorithmen ein Abgasmassenstrom bestimmt werden.
Vorzugsweise wird der Temperaturwert am zweiten Sensorelement aus einem arithmetischen Mittelwert der jeweiligen Temperaturmesswerte des ersten und des zweiten Temperatursensors gebildet. Dies ist physikalisch sinnvoll, wenn die beiden Temperatursensoren am zweiten Sensorelement symmetrisch ausgeführt sind. Vorzugsweise wird das erste Kennfeld ermittelt, indem aus einem definierten summierten Massenstrom die spezifische Heizleistung experimentell ermittelt wird. Hierzu wird der Abgasmassenstrom in einer Vorrichtung so eingestellt, dass das zu messende Abgas ohne Rückstromanteil, d. h. es existiert eine reine Vorströmung, durch die Vorrichtung fließt. Durch die im Versuch vorgegebenen unterschiedlichen Abgasmassenströme kann sodann die Abhängigkeit der spezifischen Heizleistung von dem summierten Massenstrom ermittelt werden. Der summierte Massenstrom ist daher ein Betrag des Vorstromanteils und des Rückstromanteils.
Vorzugsweise wird das zweite Kennfeld ermittelt, indem für einen definierten Rückstromanteil die spezifische Heizleistung in Abhängigkeit des Temperaturgradienten experimentell ermittelt wird. Hierbei gilt, dass bei einer reinen Pulsationsströmung, d. h. der resultierende Gesamtmassenstrom ist null, kein Temperaturgradient zwischen den beiden Temperatursensoren am zweiten Sensorelement vorliegt, d. h. die Differenz ist null, so dass der Rückstromanteil den Wert eins aufweist. Bei einer reinen Vorströmung hingegen, d. h. der Rückstromanteil ist nahe null, wird der Temperaturgradient maximal, d. h. dieser wird größer null. Alle Zustände bei denen der resultierende Gesamtmassenstrom größer null ist, können durch eine entsprechende Vorrichtung vorgegeben werden, indem im Abgasmassenstrom der Rückstromanteil eingestellt wird, so dass über die erhaltene Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperatursensoren und der erhaltenen spezifischen Heizleistung die besagte Abhängigkeit ermittelt werden kann.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines Abgasmassenstromsensors anhand einer Zeichnung dargestellt, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Ferner sind Diagramme dargestellt, die wesentliche Funktionen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzeigen.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Abgasmassenstromsensors.
2 zeigt eine Auftragung eines Abgasmassenstroms mit Rückstromanteil in Abhängigkeit der Zeit.
3 zeigt eine Funktion eines ersten Kennfelds.
4 zeigt eine Funktion eines zweiten Kennfelds.
In 1 ist ein Abgasmassenstromsensor 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Der Abgasmassenstromsensor 10 weist an seinem in einem Abgaskanal 12 angeordneten Sensorkopf 14 zwei in Strömungsrichtung, d. h. entsprechend dem Pfeil 11, hintereinander angeordnete Sensorelemente 15, 16 auf.
Das erste Sensorelement 15 ist ein reines Temperaturmesselement, mit dem die Temperatur des Abgases bestimmt wird. Das zweite Sensorelement 16 besteht im Wesentlichen aus zwei separaten in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Temperatursensoren 17, 18, über die die Messung der Temperaturänderung bzw. die Ermittlung der erforderlichen Leistungsaufnahme erfolgt.
Beide Sensorelemente 15, 16 sind jeweils über eine elektrische Verbindung 20, 21 mit einer Steuereinheit 22 verbunden, die wiederum über eine elektrische Verbindung 24 mit einer Bordelektronik (nicht dargestellt) verbunden sein kann. Mit Hilfe der Steuereinheit 22 erfolgt über die elektrische Verbindung 20 eine Temperaturmessung des ersten Sensorelements 15. Gleichzeitig erfolgt über die elektrische Verbindung 21 ein Heizen des zweiten Sensorelements 16 bzw. der zwei Temperatursensoren 17, 18. Der vom zweiten Sensorelement 16 ausgegebene Temperaturwert wird hierbei aus einem arithmetischen Mittelwert der jeweiligen Temperaturmesswerte des ersten und des zweiten Temperatursensors 17, 18 gebildet.
Mit der Steuereinheit 22 ist ebenfalls eine Auswerteeinheit 28 über eine elektrische Verbindung 26 verbunden, wobei in der Auswerteeinheit 28 Kennfelder 29, 30 hinterlegt sind. Das erste Kennfeld 29 ist beispielhaft in 3 dargestellt.
Hierbei ist die spezifische Heizleistung in mW/K in Abhängigkeit von dem summierten Massenstrom M ._Sum = |M ._vor| + |M ._rück| in kg/h dargestellt. Das zweite Kennfeld 30, welches in der Auswerteeinheit 28 hinterlegt ist, ist beispielhaft in 4 dargestellt. In diesem zweiten Kennfeld 30 ist der Rückstromanteil
in Abhängigkeit von der spezifischen Heizleistung in mW/K in Abhängigkeit des normierten Temperaturgradienten
dargestellt.
2 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf in ms eines Abgasmassenstroms in kg/h mit einem Vorstromanteil 32 und einem Rückstromanteil 34.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft an einer Temperatur des Abgases von 95°C aufgezeigt.
Das Abgas strömt durch den Abgaskanal 12 entsprechend dem Pfeil 11. An dem ersten Sensorelement 15, der ein reines Temperaturmesselement ist, wird beispielsweise die Temperatur des Abgases T_SE1 = 95°C ermittelt. In einem nächsten Schritt wird das dahinter angeordnete zweite Sensorelement 16 auf eine, bezogen auf die Temperatur des vorbeiströmenden Abgases T_SE1 = 95°C, erhöhte mittlere Temperatur T_SE2 = 240°C erhitzt, so dass das an diesem zweiten Sensorelement 16 vorbeiströmende Abgas einen Wärmeverlust herbeiführt. Die von dem zweiten Sensorelement 16 abgegebene Leistung ist beispielsweise P = 2,616 W. Daraus ergibt sich die spezifische Heizleistung
Aus einem hinterlegten ersten Kennfeld 29, siehe 3, kann der Betrag des summierten Massenstroms M ._Sum = |M ._vor| + |M ._rück| ermittelt werden. Dieser ergibt sich zu M ._Sum = 33 kg/h. Ferner wird der normierte Temperaturgradient ermittelt, wobei der Temperaturgradient als das Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen einem Temperaturmesswert eines zweiten und eines ersten Temperatursensors 18, 17 des zweiten Sensorelements 16 zu der Temperaturdifferenz zwischen einem aus den Temperaturmesswerten des zweiten Sensorelements 16 ermittelten Temperaturwert und einem Temperaturmesswert des ersten Sensorelements 15 definiert ist. Dieser ist
und liegt auf der Linie 36 in 4. Aus dem hinterlegten zweiten Kennfeld 30, siehe 4, wird der Rückstromanteil
ermittelt. Dieser ist sodann
In einem letzten Schritt kann somit der resultierende Gesamtmassenstroms gemäß der Formel M ._resGes = M ._Sum· (1 – γ) / (1 + γ) ermittelt werden. Dieser ist M ._resGes = 33· (1 – 0) / (1 + 0) = 33 kg/h .

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines resultierenden Gesamtmassenstroms an einem Abgasmassenstromsensor (10), mit den Verfahrensschritten: – Ermitteln einer spezifischen Heizleistung an einem nach dem anemometrischen Prinzip arbeitenden Abgasmassenstromsensor (10) mit zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Sensorelementen (15, 16), – Ermitteln eines Betrages eines summierten Massenstroms M ._Sum = |M ._vor| + |M ._rück| aus einem hinterlegten ersten Kennfeld (29), wobei M ._vor der Massenstrom in der definierten Strömungsrichtung ist und M ._rück der Massenstrom entgegengesetzt zur definierten Strömungsrichtung ist, wobei die spezifische Heizleistung eine Funktion dieses Betrages ist, – Ermitteln eines normierten Temperaturgradienten, wobei der Temperaturgradient als das Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen einem Temperaturmesswert eines zweiten und eines ersten Temperatursensors (18, 17) des zweiten Sensorelements (16) zu der Temperaturdifferenz zwischen einem aus den Temperaturmesswerten der Temperatursensoren (18, 17) des zweiten Sensorelements (16) ermittelten Temperaturwert und einem Temperaturmesswert des ersten Sensorelements (15) definiert ist, – Ermitteln eines Rückstromanteils
aus einem hinterlegten zweiten Kennfeld (30), wobei der Rückstromanteil γ eine Funktion der spezifischen Heizleistung in Abhängigkeit des normierten Temperaturgradienten ist, und – Ermitteln des resultierenden Gesamtmassenstroms M ._resGes gemäß der Formel M ._resGes = M .Sum· (1 – γ) / (1 + γ).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Bestimmung der spezifischen Heizleistung das erste Sensorelement (15) die Temperatur eines Abgases ermittelt, und das dahinter angeordnete zweite Sensorelement (16) auf eine, bezogen auf die Temperatur des vorbeiströmenden Abgases, erhöhte Temperatur erhitzt wird, so dass das an diesem zweiten Sensorelement (16) vorbeiströmende Abgas einen Wärmeverlust herbeiführt, wobei die spezifische Heizleistung als das Verhältnis von einer vom zweiten Sensorelement (16) abgegebenen Leistung zu der Temperaturdifferenz zwischen dem zweiten und dem ersten Sensorelement (16, 15) definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Temperaturwert am zweiten Sensorelement (16) aus einem arithmetischen Mittelwert der jeweiligen Temperaturmesswerte des ersten und des zweiten Temperatursensors (17, 18) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das zweite Kennfeld (30) ermittelt wird, indem für einen definierten Rückstromanteil die spezifische Heizleistung in Abhängigkeit des Temperaturgradienten experimentell bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das erste Kennfeld (29) ermittelt wird, indem aus einem definierten summierten Massenstrom die spezifische Heizleistung experimentell ermittelt wird.
Abgasmassenstromsensor (10) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bestehend aus – zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Sensorelementen (15, 16), wobei das zweite Sensorelement mindestens zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Temperatursensoren (17, 18) aufweist, und – einer Auswerteeinheit (28), in der ein erstes Kennfeld (29) hinterlegt ist, in dem die spezifische Heizleistung in mW/K in Abhängigkeit von dem summierten Massenstrom M ._Sum = |M ._vor| + |M ._rück| in kg/h dargestellt ist und ein zweites Kennfeld (30) hinterlegt ist, in dem der Rückstromanteil γ als Funktion der spezifischen Heizleistung in Abhängigkeit des normierten Temperaturgradienten g dargestellt ist.