DE102012102094A1

DE102012102094A1 - Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms sowie Verfahren zur Rekalibrierung einer derartigen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102012102094A1
Application number: DE102012102094A
Authority: DE
Inventors: Dirk Kamarys; Lars Bauermeister; Dr. Wübbeke Karl; Manfred Schrammek
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2013-09-19
Also published as: WO2013135405A1; JP5955420B2; CN104136894A; EP2825855A1; US20150020570A1; JP2015510132A

Abstract

Es sind Vorrichtungen zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit zwei Sensoreinheiten mit einer ersten Sensorenheit (20), die mindestens ein erstes Temperaturmesselement (40; 42) und ein erstes Heizelement (44) aufweist, einer zweiten Sensoreinheit (22), die ein zweites Temperaturmesselement (36) und ein zweites Heizelement (50) aufweist und einer Steuereinheit (52), mittels derer das zumindest eine Temperaturmesselement (40; 42) auf gesteuerte Übertemperaturen regelbar ist, bekannt. Um trotz auftretender nicht abbrennbarer Beläge korrekte Messwerte ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit (52) derart mit dem Heizelement (50) verbunden ist, dass das Heizelement (50) der zweiten Sensoreinheit (22) auf eine gesteuerte Übertemperatur regelbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit einer ersten Sensoreinheit, die mindestens ein erstes Temperaturmesselement und ein erstes Heizelement aufweist, einer zweiten Sensoreinheit, die ein zweites Temperaturmesselement und ein zweites Heizelement aufweist und einer Steuereinheit, mittels derer das zumindest eine Temperaturmesselement auf gesteuerte Übertemperaturen regelbar ist sowie ein Verfahren zur Rekalibrierung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms, bei dem das erste Heizelement der ersten Sensoreinheit auf eine gesteuerte Übertemperatur geregelt wird und daraufhin ein Massenstrom aus der Wärmeabfuhr des zumindest einen Heizelementes der ersten Sensoreinheit in Abhängigkeit der Temperatur des Temperaturmesselementes berechnet wird.
Vorrichtungen zur Gasmassenstrommessung sind vor allem aus dem Bereich der Ansaugluftmassenmessung in Verbrennungskraftmaschinen bekannt. Besonders gute Ergebnisse werden dabei mit Luftmassenmessern erzielt, welche nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeiten. Dies bedeutet, dass ein Heizelement des Sensors erhitzt wird, wobei durch Konvektion die erzeugte Wärme dieses Heizelementes auf das strömende Medium abgegeben wird. Die daraus resultierende Temperaturänderung oder die zusätzliche Leistungsaufnahme zum Erhalt der Heizelementtemperatur bilden ein Maß für den vorhandenen Massenstrom.
Modifizierte Massenstromsensoren werden in den letzten Jahren auch zur Messung des Abgasmassenstroms genutzt, wie dies beispielsweise in der DE 10 2006 058 425 A1 beschrieben wird. Diese Vorrichtung zur Bestimmung des Massenstroms weist zwei voneinander getrennte Sensoreinheiten auf, wovon eine erste zur Massenstromberechnung durch Bestimmung einer Verlustleistung dient und die zweite zur Temperaturbestimmung des Abgasstroms dient. Das Heizelement der ersten Sensoreinheit wird dann entweder auf eine Übertemperatur geregelt, die eine konstante Differenz zum Temperaturmesselement aufweist oder auf eine konstante Übertemperatur geregelt. Aus der hierzu notwendigen zusätzlichen Leistungsaufnahme kann auf den Abgasmassenstrom geschlossen werden. Allerdings sind Verschmutzungen zu vermeiden, die das Messergebnis verfälschen, weswegen auch das Temperaturmesselement ein Heizelement aufweist, mit dem insbesondere Rußablagerungen auf dem Substrat abgebrannt werden können. Neben dem Problem der auftretenden Verschmutzung bei der Verwendung im Abgasstrang besteht das Problem repräsentative Messergebnisse bei auftretenden Pulsationen und Turbulenzen zu erhalten, wie sie verstärkt im Abgasstrang auftreten, Hierzu wird in der DE 10 2006 058 425 A1 vorgeschlagen, zwei Temperaturmesselemente hintereinander anzuordnen, wodurch eine Richtungserkennung aufgrund des vorhandenen Wärmeübergangs vom jeweils stromaufwärtigen zum stromabwärtigen Bereich möglich wird, die in die Berechnung des Abgasmassenstroms mit einbezogen werden kann.
Trotz dieser Möglichkeiten der Richtungs- beziehungsweise Pulsationserkennung und des Abbrennens von Ablagerungen ergeben sich jedoch nach längerer Betriebsdauer Messwertabweichungen durch äußere Einflüsse auf den Sensor wie beispielsweise durch Belagbildung.
Es steht sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms sowie ein Verfahren zur Rekalibrierung einer derartigen Vorrichtung zu schaffen, mit welchen eine Abgasmassenstrommessung mit minierten Messwertabweichungen möglich wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Rekalibrierung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Dadurch, dass die Steuereinheit derart mit dem Heizelement der zweiten Sensoreinheit verbunden ist, dass das Heizelement ebenfalls auf eine gesteuerte Übertemperatur regelbar Ist, wird es möglich, die Funktion der beiden Sensoreinheiten umzukehren. Entsprechend wird bei Erkennen eines gesteuerten stationären Motorzustandes der ermittelte Gasmassenstrom gespeichert, anschließend schaltet die Steuereinheit um und das Heizelement der zweiten Sensoreinheit wird auf eine gesteuerte Übertemperatur geregelt und ein Massenstrom aus der Wärmeabfuhr des zumindest einen Heizelementes der zweiten Sensoreinheit in Abhängigkeit der Temperatur des Temperaturmesselementes der ersten Sensoreinheit berechnet und abschließend werden die beiden Werte des Gasmassenstroms miteinander verglichen und entsprechend einer in der Steuereinheit hinterlegten Korrekturtabelle die erste Sensoreinheit rekalibriert. Die den Messwert verändernden Beläge sind bei der umgekehrten Messung nicht vorhanden. So wird das Ergebnis der umgekehrten Messung weitestgehend frei von Fehlern sein, da die zweite Sensoreinheit im Betrieb nicht beheizt wird. Somit kann bei zuvor korrekt ermitteltem Kennfeld und bekanntem stationärem Motorzustand auf einen korrekten Referenzwert geschlossen werden, wodurch die erste Sensoreinheit zur Ermittlung korrekter Abgasmassenströme im Betrieb rekalibriert werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung sind die Heizelemente mäander- oder omegaförmig auf den Substraten angeordnet. Hierdurch kann eine gleichmäßige konstante Temperaturverteilung auf dem Substrat erreicht werden, wodurch Messfehler zwischen den ermittelten Werten der Messelemente auf einem Substrat durch eine inhomogerne Temperaturverteilung vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführung weist die erste Sensoreinheit zwei Temperaturmesselemente auf, die mit der Steuereinheit verbunden sind. Die Differenz der gemessenen Temperatur der beiden Temperaturmesselemente auf der ersten Sensoreinheit wird dann zur Strömungsrichtungserkennung genutzt. Eine derartige Anordnung und das beschriebene Verfahren ermöglicht die Detektion von auftretenden Pulsationen und somit vorübergehender Strömungsumkehrungen, die dann entsprechend rechnerisch berücksichtigt werden können. Hierzu macht man sich zunutze, dass eine Wärmeabstrahlung zum jeweiligen stromabwärtigen Temperaturmesselement vorhanden ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist die zweite Sensoreinheit zwei Temperaturmesselemente auf, welche mit der Steuereinheit verbunden sind. Entsprechend können durch einen Vergleich der beiden gemessenen Temperaturen auch bei der Rekalibrierung Pulsationen berücksichtigt werden und auf Fehler der einzelnen Messelemente geschlossen werden.
In einer Weiterführung des Verfahrens zur Rekalibrierung eines Massenstromsensors schaltet in einem folgenden Schritt die Steuereinheit wieder um, so dass das Heizelement der ersten Sensoreinheit auf die gesteuerte Übertemperatur geregelt wird. Somit wird automatisch nach der Rekalibrierung wieder der Normalbetriebszustand hergestellt.
Um Fehler bei der Rekalibrierung zu vermeiden, wird vor der Rekalibrierung die zweite Sensoreinheit mittels des zweiten Heizelementes freigebrannt, so dass die tatsächlichen Messwerte der Sensoreinheiten bei der Rekalibrierung zugrunde gelegt werden.
Es wird somit eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms sowie ein Verfahren zur Rekalibrierung einer derartigen Vorrichtung geschaffen, mit welcher über die gesamte Lebensdauer des Sensors eine von auftretenden Belägen unabhängige und somit korrekte Berechnung des Abgasmassenstroms ermöglicht wird, indem ein Funktionsumkehr der Sensoreinheiten und eine immer neue Kalibrierung der ersten Sensoreinheit durchgeführt wird.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend ebenso wie das erfindungsgemäße Verfahren zur Rekalibrierung beschrieben.
1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms in einem Kanal in schematischer Darstellung.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die erste Sensoreinheit der Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms.
3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die zweite Sensoreinheit der Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms ist in einem Kanal 10 angeordnet, der von Abgas durchströmt wird und durch Wände 12 begrenzt wird. In der Wand 12 ist eine senkrecht zu einer Kanalachse 14 verlaufende Öffnung 16 ausgebildet, durch die sich ein Gehäuse 18 einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Abgasmassenstroms in den Kanal 10 erstreckt.
Aus dem Gehäuse 18 ragen eine erste Sensoreinheit 20 und eine zweite Sensoreinheit 22 in den Kanal 10, welche durch zumeist mehrschichtige Keramiksubstrate 24, 26 gebildet werden, auf denen in bekannter Weise Platin-Dünnfilmwiderstände und Leiterbahnen 28 angeordnet sind.
Die Sensoreinheiten 20, 22 sind dabei üblicherweise parallel zueinander in Hauptströmungsrichtung des Abgases hintereinander liegend angeordnet, wobei die Haupterstreckungsrichtung jeder Sensoreinheit 20, 22 ebenfalls parallel zur Hauptströmungsrichtung im Kanal 10 liegt. Durch die Parallelität der Verbindungslinie der Sensoreinheiten 20, 22 zur Hauptströmungsrichtung des Abgases werden diese auch nicht frontal angeströmt sondern lediglich überströmt, was Ablagerungen auf dem Trägerkörper deutlich reduziert.
Die Vorrichtung arbeitet in bekannter Weise nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie und weist neben den beiden Sensoreinheiten 20, 22 am zu den Sensoreinheiten 20, 22 entgegengesetzten Ende des Gehäuses 18 ein Steckerteil 30 auf, über welches die Sensoreinheiten 20, 22 mittels eines Anschlusskabels 32 mit einer Steuereinheit 52 verbunden sind, die lediglich schematisch dargestellt ist und alternativ entweder im Gehäuse 18 oder in der Motorsteuereinheit angeordnet werden kann. Das Anschlusskabel 32 dient entsprechend zur Spannungsversorgung und Datenübertragung. Die Befestigung des Gehäuses 18 erfolgt über eine Flanschverbindung 34.
Die stromaufwärtige zweite Sensoreinheit 22 bildet einen Temperatursensor, mittels dessen die jeweilige Abgastemperatur gemessen wird. Dies erfolgt über ein Temperaturmesselement 36, welches beispielsweise aus zwei Platin-Dünnfilmwiderständen mit unterschiedlichem Widerstand bestehen kann. Das Temperaturmesselement 36 ist über die Leiterbahnen 28 und Kontaktfahnen 38 elektrisch mit der Steuereinheit 52 verbunden. Diese Sensoreinheit 22 dient im Normalbetrieb zur Messung der Temperatur des zu messenden Gasstroms. Des Weiteren ist auf dem Substrat 24 ein Heizelement 50 angeordnet, das die Form eines Omegas aufweist, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf dem Substrat 24 herstellen zu können.
Die stromabwärtige erste Sensoreinheit 20 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Temperaturmesselemente 40, 42 auf dem Substrat 26 auf, die beide unabhängig voneinander über Leiterbahnen 28 und Kontaktfahnen 38 mit der Steuereinheit 52 verbunden sind. Ein Heizelement 44 wird im Betrieb entweder auf eine konstante Übertemperatur aufgeheizt oder auf eine konstante Temperaturdifferenz zum Temperaturmesselement 36 der zweiten Sensoreinheit aufgeheizt, Durch die vorhandene Strömung erfolgt eine Abkühlung des Heizelementes 44, so dass dieses eine ständige Leistungsaufnahme benötigt, um die gesteuerte Übertemperatur zu erhalten. Diese Leistungsaufnahme beziehungsweise die Wärmeabfuhr kann in der Steuereinheit 52 über ein hinterlegtes Kennfeld in einen Abgasmassenstrom in Abhängigkeit der vorhandenen und über die Sensoreinheit 22 gemessene Abgastemperatur umgerechnet werden. Damit eine Beeinflussung des Temperatursensors also der zweiten Sensoreinheit 22 durch das Aufheizen der ersten Sensoreinheit 20 über Wärmeübergang in Richtung des Hauptabgasstromes entfällt, wird die erste Sensoreinheit 20 stromabwärtig zur zweiten Sensoreinheit 22 angeordnet.
Die Verwendung von zwei Temperaturmesselementen 40, 42 auf dem Substrat 26 dient der Ermittlung und Berücksichtigung von auftretenden Abgaspulsationen also einer vorübergehenden Richtungsumkehr der Abgasströmung, wie sie im Abgasbereich eines Hubkolbenmotors aufgrund der Ansaug- und Ausschubbewegungen zu erwarten ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass das jeweils stromabwärtige Temperaturmesselement 42 eine höhere Temperatur misst als das stromaufwärtige Temperaturmesselement 40, da der Wärmeübergang des stromaufwärtigen Temperaturmesselementes 40 durch den Abgasstrom in Richtung des stromabwärtigen Temperaturmesselementes 42 transportiert wird. Bei Strömungsumkehr entsteht entsprechend ein Wärmetransport in umgekehrter Richtung, so dass entweder davon ausgegangen wird, dass das jeweils stromaufwärtige Temperaturmesselement 40 repräsentativ für den in der entsprechenden Richtung strömenden Abgasstrom ist oder ein Kennfeld hinterlegt wird, in dem für verschiedene Strömungszustände und Leistungsaufnahmen der beiden Temperaturmesselemente 40, 42 ein Abgasmassenstrom aus beiden zur Verfügung stehenden Leistungsaufnahmen hinterlegt wird.
Auch das Heizelement 44 der ersten Sensoreinheit 20 ist omegaförmig ausgebildet, um eine gleichmäßige Erhitzung des Substrates 26 zu ermöglichen.
Trotz der Möglichkeit des Freibrennens der Oberflächen der Sensoreinheiten 20, 22 insbesondere von Ruß entstehen jedoch mit steigender Anzahl an Betriebsstunden auch die Fehler bei der Messung.
Dieser Fehler ist auf Beläge auf der ersten Sensoreinheit 20 zurückzuführen, die unter anhaltender thermischer Belastung aus chemischen Verunreinigungen des Abgases entstehen, wie sie durch das Aufheizen der ersten Sensoreinheit 20 zum Erreichen der Übertemperatur nicht zu vermeiden ist. Es bilden sich beinah unlösliche Ablagerungsschichten aus verschiedenen Verbindungen, die den normalen Messbetrieb stören. Beim nicht bei erhöhter Temperatur betriebenen Temperatursensor sind diese Ablagerungen nicht vorhanden.
Es wird daher erfindungsgemäß die zweite Sensoreinheit 22 und insbesondere das Heizelement 50 derart mit der Steuereinheit 52 verbunden, dass diese zweite Sensoreinheit 22 in gleicher Weise angesteuert werden kann wie die erste Sensoreinheit 20. Dies bedeutet, dass in einem stationären Motorlastzustand die Funktionen der beiden Sensoreinheiten 20, 22 getauscht werden und nunmehr das Heizelement 50 auf eine zur Temperatur des Abgasstroms erhöhten Übertemperatur aufgeheizt wird. Auch hier bildet die notwendige zusätzliche Leistungsaufnahme zum Halten der Übertemperatur ein Maß für den vorhandenen Abgasmassenstrom.
Der auf diese Weise für den Abgasmassenstrom ermittelte Wert wird mit dem von der ersten Sensoreinheit 20 ermittelten Wert für den Abgasmassenstrom verglichen und entsprechend der Abweichung mittels eines in der Steuereinheit 52 hinterlegten Kennfeldes beziehungsweise einer Korrekturtabelle eine neue Kalibrierung der ersten Sensoreinheit 20 vorgenommen.
Die Korrekturtabelle wird zuvor durch Versuche mit bekannten Betriebszuständen bei Umkehr der Funktionsweise der beiden Sensoreinheiten 20, 22 ermittelt.
Bevor diese Routine zur Rekalibrierung durchgeführt wird, sollten jeweils beide Heizelemente 44, 50 der Sensoreinheiten 20, 22 zum Freibrennen der Oberflächen aufgeheizt werden, um Messfehler durch Rußablagerungen zu vermeiden.
Die durchgeführten Rekalibrierungen sollten für spätere Diagnosen gespeichert werden.
Mit der beschriebenen Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, auch bei nicht abbrennbaren Ablagerungen auf der Oberfläche einer Sensoreinheit dennoch über eine lange Betriebsdauer korrekte Messergebnisse zum Abgasmassenstrom zu erhalten, die zu einer optimalen Motorsteuerung zur Verringerung schädlicher Emissionen und zur Verbrauchsreduzierung notwendig sind.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Die Funktion der Steuereinheit des Abgasmassenstromsensors kann selbstverständlich auch von der Motorsteuerung wahrgenommen werden. Auch können zwei baugliche Sensoreinheiten genutzt werden, so dass auch bei der Rekalibrierung durch Messung der Verlustleistung an der zweiten Sensoreinheit die Strömungsrichtung berücksichtigt werden kann. Ebenfalls denkbar wäre eine Version mit nur einem Messelement beziehungsweise Temperaturmesselement auf dem jeweiligen Substrat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006058425 A1 [0003, 0003]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit einer ersten Sensoreinheit (20), die mindestens ein erstes Temperaturmesselement (40; 42) und ein erstes Heizelement (44) aufweist, einer zweiten Sensoreinheit (22), die ein zweites Temperaturmesselement (36) und ein zweites Heizelement (50) aufweist und einer Steuereinheit (52), mittels derer das zumindest eine erste Heizelement (44) auf gesteuerte Übertemperaturen regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (52) derart mit dem Heizelement (50) der zweiten Sensoreinheit (22) verbunden ist, dass das zweite Heizelement (50) auf eine gesteuerte Übertemperatur regelbar ist.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (40, 55) mäander- oder omegaförmig auf den Substraten (24, 26) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinheit (20) zwei Temperaturmesselemente (40, 42) aufweist, die mit der Steuereinheit (52) verbunden sind.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinheit (22) zwei Temperaturmesselemente (36) aufweist, die mit der Steuereinheit (52) verbunden sind.
Verfahren zur Rekalibrierung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms, bei dem das Heizelement (44) der ersten Sensoreinheit (20) auf eine gesteuerte Übertemperatur geregelt wird und daraufhin ein Massenstrom aus der Wärmeabfuhr des zumindest einen Heizelementes (44) der ersten Sensoreinheit (20) in Abhängigkeit der Temperatur des Temperaturmesselementes (36) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennen eines gesteuerten stationären Motorzustandes der ermittelte Gasmassenstrom gespeichert wird, anschließend die Steuereinheit (52) umschaltet und das Heizelement (50) der zweiten Sensoreinheit (22) auf eine gesteuerte Übertemperatur- geregelt und ein Massenstrom aus der Wärmeabfuhr des zumindest einen Heizelementes (50) der zweiten Sensoreinheit (22) in Abhängigkeit der Temperatur des Temperaturmesselementes (40; 42) der ersten Sensoreinheit (20) berechnet wird, abschließend die beiden Werte des Gasmassenstroms miteinander verglichen werden und entsprechend einer in der Steuereinheit (52) hinterlegten Korrekturtabelle die erste Sensoreinheit (20) rekalibriert wird.
Verfahren zur Rekalibrierung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem folgenden Schritt die Steuereinheit (52) wieder umschaltet, so dass das Heizelement (44) der ersten Sensoreinheit (20) auf die gesteuerte Übertemperatur geregelt wird.
Verfahren zur Rekalibrierung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz der notwendigen Leistungsaufnahme oder der Übertemperatur der beiden Temperaturmesselemente (40, 42) auf der ersten Sensoreinheit (20) zur Strömungsrichtungserkennung genutzt wird.
Verfahren zur Rekalibrierung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Rekalibrierung die zweite Sensoreinheiten (22) mittels des zweiten Heizelementes (50) freigebrannt wird.