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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Luftmassenmessers zur Ermittlung eines einer Brennkraftmaschine zugeführten Luftmasse, wobei der Luftmassenmesser ein in mikroelektromechanischer Bauweise ausgebildetes Sensorelement aufweist.
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Luftmassenmesser werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur Ermittlung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luftmasse verwendet. Auf der Basis einer möglichst zuverlässigen Information über eine angesaugte Luftmasse kann eine Verbrennung durch eine elektronische Steuerung der Brennkraftmaschine dahingehend optimiert werden, dass eine genau auf die Luftmasse abgestimmte Kraftstoffmenge den jeweiligen Brennräumen zugeführt wird. Im Ergebnis wird dadurch eine bessere Energieausnutzung bei verringertem Schadstoffausstoß erzielt.
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Aus der
DE 44 07 209 A1 ist ein Luftmassenmesser bekannt, der in einen Ansaugkanal zur Bestimmung einer Luftmasse eingesteckt wird, wobei ein definierter Anteil der Gesamtströmung den Luftmassensensor durchströmt. Hierzu ist dieser als Einsteckkanal-Luftmassenmesser ausgebildet. Der Luftmassenmesser umfasst ein in einem Messkanal angeordnetes Sensorelement, eine in einem Gehäuse angeordnete Elektronik zur Auswertung und/oder Erfassung der Messwerte des Sensorelementes, sowie einen Auslasskanal jenseits des Sensorelements. Für eine platzsparende Anordnung werden die genannten Kanäle bzw. Luftführungswege U-, S- oder C-förmig ausgebildet, so dass eine insgesamt kompakte, als Einsteckelement ausgebildete, Vorrichtung gebildet wird.
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Ein gemäß der Lehre der
WO 03/089884 A1 ausgebildeter Luftmassenmesser, der als Heißfilmanemometer ausgebildet ist, hat sich prinzipiell bewährt.
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Bei der Entwicklung moderner Luftmassenmesser, die auf der Grundlage von Sensorelementen arbeiten, die als mikroelektromechanische Systeme (MEMS) ausgebildet sind, hat sich herausgestellt, dass die Messergebnisse der Sensorelemente besonders von Verschmutzungen nachteilig beeinflusst werden. Durch Verschmutzungen, die zum Beispiel von Öltröpfchen im Luftmassenstrom hervorgerufen werden, entsteht im Sensorelement über die Zeit eine Signaldrift, die zu falschen Messwerten für den Luftmassenstrom führen kann. Als mikroelektromechanische Systeme ausgebildete Sensorelemente besitzen jedoch eine Vielzahl von Vorteilen, auf die nicht verzichtet werden soll, und daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, die Verfälschung der Messergebnisse durch die Verschmutzung des Sensorelementes zu beseitigen oder zumindest in engen Grenzen zu halten.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß werden zur Lösung der Aufgabe die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt:
- A: Ermittlung eines ersten Messwertes des Luftmassenmessers mit dem Sensorelement bei einem Nullmassenstrom,
- B: Ablegen des ersten Messwertes des Luftmassenmessers in einem elektronischen Speicher,
- C: Betreiben der Brennkraftmaschine und Ermittlung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmassenstromes mit dem Luftmassenmesser,
- D: Ermittlung eines zweiten Messwertes des Luftmassenmessers nach dem Betreiben der Brennkraftmaschine bei einem Nullmassenstrom,
- E: Vergleichen des ersten Messwertes mit dem zweiten Messwert,
- F: Korrektur des Offsets der Kennlinie des Sensorelementes bei einer Feststellung einer Abweichung zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert.
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Durch die Ermittlung eines ersten Messwertes des Luftmassenmessers mit dem Sensorelement bei einem Nullmassenstrom erhält man eine zuverlässige Bezugsgröße, mit der die Erkennung einer verschmutzungsbedingten Signaldrift möglich ist. Dieser Messwert wird in einem elektronischen Speicher abgelegt. Der elektronische Speicher kann ein Bestandteil des Luftmassenmessers selber sein oder in einem externen Steuergerät ausgebildet sein. Beim Betreiben der Brennkraftmaschine und der Ermittlung des der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmassenstromes mit dem Luftmassenmesser kann es zu Verschmutzungen auf dem Sensorelement kommen, die zu einer Signaldrift führen. Mit der Signaldrift verfälschen sich die Messwerte, die vom Luftmassenmessers für den der Brennkraftmaschine zugeführten Luftmassenstrom ermittelt werden. Um dies zu erkennen, erfolgt die Ermittlung eines zweiten Messwertes des Luftmassenmessers mit dem in dem Betreiben der Brennkraftmaschine eventuell verschmutzten Sensorelement bei einem Nullmassenstrom. Durch den Vergleich des ersten Messwertes mit dem zweiten Messwert kann eine verschmutzungsbedingte Signaldrift des Sensorelementes erkannt werden. Bei der Feststellung einer Abweichung zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert erfolgt eine Korrektur des Offsets der Kennlinie des Sensorelementes. Auf diese Art lässt sich eine verschmutzungsbedingte Offsetdrift des in mikroelektromechanischer Bauweise ausgebildetes Sensorelementes ständig korrigieren, was zu sehr genauen Messergebnissen des Luftmassenmessers über seine gesamte Lebenszeit führt.
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Bei einer Ausgestaltung des erfinderischen Verfahrens wird der Nullmassenstrom ermittelt, wenn die Brennkraftmaschine zum Stillstand gekommen ist. In diese Situation wird keine Luftmasse zu der Brennkraftmaschine gefördert, womit gut reproduzierbare Verhältnisse bestehen, um den Nullmassenstrom zu messen.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird der Nullmassenstrom ermittelt, wenn die Brennkraftmaschine ausgekühlt ist. Damit wird sichergestellt, dass Kamineffekte, die bei heißen Brennkraftmaschinen im Ansaugtrakt zu Luftströmungen auch bei ausgeschalteter Brennkraftmaschine führen können, ausgeschlossen werden.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Stillstand der Brennkraftmaschine vom Luftmassenmesser selber erkannt. Dies kann durch einen eine elektronische Schaltung erfolgen, die im Luftmassenmesser angeordnet ist und die anhand von Parametern Selbständig erkennt, ob die Brennkraftmaschine zum Stillstand gekommen ist.
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Ein solcher Parameter kann die Pulsation des Luftmassenstroms sein. Der Luftmassenmesser erkennt den Stillstand der Brennkraftmaschine, wenn keine Pulsation im Messsignal des Luftmassenstromsensors vorliegt. Pulsationen sind zyklische Erhöhungen und Verringerungen des Luftmassenstromes im Ansaugkanal der Brennkraftmaschine. Die Verringerungen können bis hin zur Umkehr des Luftmassenstromes gehen, bei der sich die Luftmasse von der Brennkraftmaschine weg bewegt. Pulsationen der Luftmasse treten besonders ausgeprägt bei Brennkraftmaschinen mit vier Zylindern auf. Das in mikroelektromechanischer Bauweise ausgebildetes Sensorelement kann Pulsationen besonders gut erkennen, weil es sehr schnell auf Änderungen im Luftmassenstrom reagieren kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden nachfolgend gleiche Begriffe und Bezugszeichen für gleiche Bauelemente verwendet werden. Dabei zeigt:
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1 einen Luftmassenmesser,
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2 ein als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildetes Sensorelement,
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3 ein als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildetes Sensorelement, das in einem Hilfsrohr des Luftmassenmessers angeordnet ist,
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4 eine Situation, bei der der Luftmassenstrom durch die Einlassöffnung in das Hilfsrohr des Luftmassenmessers einströmt,
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5 das als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildete Sensorelement in einem Luftmassenmesser, der als Einsteckfinger in einem Ansaugrohr integriert ist,
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6 das Sensorelement mit dem ersten Temperatursensorelement und dem zweiten Temperatursensorelement,
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7 ein Ablaufdiagramm.
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1 zeigt einen Massenstromsensor der hier als Luftmassenmesser 2 ausgebildet ist. Der Luftmassenmesser 2 ist in diesem Beispiel als Einsteckfinger gezeigt, der in ein Ansaugrohr 1 eingesteckt wird und mit dem Ansaugrohr 1 fest verbunden ist. Das Ansaugrohr 1 führt einen Massenstrom, der hier ein Luftmassenstrom 10 ist, hin zu den Zylindern einer Brennkraftmaschine. Zur effizienten Verbrennung des Treibstoffes in den Zylindern einer Brennkraftmaschine ist es notwendig, eine genaue Information über die zur Verfügung stehende Luftmasse zu erhalten. Anhand der zur Verfügung stehenden Luftmasse kann auf den verfügbaren Sauerstoff geschlossen werden, der zur Verbrennung des in die Zylinder eingespritzten Kraftstoffes notwendig ist. Darüber hinaus zeigt der Luftmassenmesser 2 in 1 ein erstes Temperatursensorelement 7 und ein zweites Temperatursensorelement 8. Das erste Temperatursensorelement 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 sind an unterschiedlichen Orten an- geordnet. Die Temperatursensorelemente 7, 8 werden in der Regel aus Widerständen oder Thermopiles gebildet, die entsprechend der am Temperatursensorelement herrschenden Temperatur unterschiedliche Widerstandswerte annehmen. Zwischen dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 ist ein Heizelement 12 ausgebildet. Der Luftmassenstrom 10, der durch die Einlassöffnung 4 in das Gehäuse 3 des Luftmassenmessers 2 eintritt, überströmt zunächst das erste Temperatursensorelement 7 und dann das Heizelement 12, wonach der Luftmassenstrom 10 das zweite Temperatursensorelement 8 erreicht und entlang des Hilfsrohres 5 zur Auslassöffnung 6 des Luftmassenmessers 2 geleitet wird. Der Luftmassenstrom 10 erreicht das erste Temperatursensorelement 7 mit einer bestimmten Temperatur. Diese Temperatur wird vom ersten Temperatursensorelement 7 erfasst. Danach überstreicht der Luftmassenstrom 10 das Heizelement 12, wobei der Luftmassenstrom 10 je nach vorbeiströmender Masse mehr oder weniger aufgeheizt wird. Wenn der aufgeheizte Luftmassenstrom 10 das zweite Temperatursensorelement 8 erreicht, wird die nun vorliegende Temperatur des Luftmassenstroms 10 mit dem zweiten Temperatursensorelement 8 bestimmt. Aus der Differenz der vom ersten Temperatursensorelement 7 und vom zweiten Temperatursensorelement 8 gemessenen Temperaturen kann die vorbeigeströmte Luftmasse bestimmt werden. Dazu kann der Luftmassenmesser 2 selber eine Auswerteelektronik 13 enthalten, die die Messsignale des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 auswertet. Die so gewonnene Information über den Luftmassenstrom 10 wird an eine hier nicht dargestellte Motorsteuerung weitergeleitet.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung beispielhaft anhand eines Luftmassenmessers beschrieben wird, was jedoch keine Einschränkung des Verfahrens zum Betreiben eines Massenstromsensors auf die Messung von Luftmassenströmen bedeutet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch andere Massenströme vorteilhaft erfasst und vermessen werden.
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2 zeigt ein Sensorelement 15 für einen Luftmassenmesser 1. Das Sensorelement 15 ist als mikroelektromechanisches System (MEMS) auf einem einzigen Silizium-Chip ausgebildet. Das Sensorelement 15 arbeitet nach dem Differenztemperaturverfahren, womit die Masse der vorbeiströmenden Luftmenge 10 bestimmt wird. Hierzu sind auf einer dünnen Membran 17 ein erstes Temperatursensorelement 7 und ein zweites Temperatursensorelement 8 ausgebildet. Das erste und das zweite Temperatursensorelement 7, 8 befinden sich an unterschiedlichen Orten auf der Oberfläche 16 der Membran 17. Zwischen dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 ist ein Heizelement 12 angeordnet. Auf dem als mikroelektromechanisches System aufgebauten Sensorelement 15 ist zudem eine Auswerteelektronik 13 integriert, die die Messsignale der Temperatursensorelemente 7, 8 sofort auswerten und in ein Signal, das proportional zum Luftmassenstrom 10 ist, umwandeln kann. Die Auswerteelektronik 13 kann jedoch ebenso gut in einem nachgeschalteten elektronischen Gerät integriert sein. Die Informationen über den Luftmassenstrom 10 werden dann über Anschlusspads 19 und Anschlussdrähte 18 an eine hier nicht dargestellte nachfolgende elektronische Motorsteuerung weitergeleitet.
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In 3 wird ein als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildetes Sensorelement 15 für einen Luftmassenmesser 2 gezeigt, das auf einem einzigen Substrat ausgebildet ist, wobei das Substrat in einem Hilfsrohr 5 des Luftmassenmessers 2 angeordnet ist. In 3 strömt durch die Einlassöffnung 4 kein Luftmassenstrom 10, was zum Beispiel bei ausgestellter Brenn- kraftmaschine der Fall sein wird. Dieser Zustand wird im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als Nullmassenstrom bezeichnet. Wenn das Heizelement 12 auf dem Sensorelement 15 mit elektrischer Energie versorgt wird, entsteht um das Heizelement 12 die hier dargestellte symmetrische Temperaturverteilung 20. Damit misst das erste Temperatursensorelement 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 die gleiche Temperatur und nach der Differenzbildung der Temperaturmesssignale der Temperatursensorelemente 7, 8 wird von der Auswerteelektronik 13 erkannt, dass kein Luftmassenstrom 10 im Hilfsrohr 5 des Luftmassenmessers 2 vorliegt. Diese ideale Gleichheit der Temperaturmesssignale bei einem Nullmassenstrom kann jedoch zum Beispiel durch Verunreinigungen auf dem Sensorelement 15 gestört werden.
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4 zeigt eine Situation, bei der ein Luftmassenstrom 10 durch die Einlassöffnung 4 in das Hilfsrohr 5 des Luftmassenmessers 2 einströmt. Die Temperaturverteilung 20 um das Heizelement 12 wird nun deutlich sichtbar in Richtung des zweiten Temperatursensorelementes 8 verschoben. Damit misst das zweite Temperatur- sensorelement 8 eine deutlich höhere Temperatur als das erste Temperatursensorelement 7. Durch die Feststellung der Differenztemperatur der beiden Temperatursensorelemente 7, 8 mit der Auswerteelektronik 13 lässt sich nun der Luftmassenstrom 10 be- stimmen. Jedoch wären die Einflüsse von Verschmutzungen auf dem Sensorelement nach wie vor wirksam und sie würden die Messergebnisse überlagern. Die Summe der Temperaturen reagiert ebenfalls auf den Massenstrom 10. Darüber hinaus reagiert jedoch die Summe der Temperaturen auch auf die thermischen Eigenschaften der Luftmasse, wie zum Beispiel die Wärmekapazität und/oder die thermische Leitfähigkeit des vorbeiströmenden Luftmassenstromes 10. Erhöht sich zum Beispiel bei gleichem Luftmassenstrom 10 die thermische Leitfähigkeit der Luftmasse, so kühlt das System ab und die Summe der Temperaturen wird deutlich geringer. Die Differenztemperatur des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 bleibt jedoch in erster Näherung unverändert. Somit kann durch das Summensignal des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweiten Temperatursensorelementes 8 eine Änderung der thermischen Eigenschaften, wie zum Beispiel der Wärmekapazität, oder der thermischen Leitfähigkeit der Luftmasse gemessen werden. Verrechnet man nun das Differenztemperatursignal mit dem Summentemperatursignal, kann auf die veränderte thermische Leitfähigkeit und/oder die veränderte Wärmekapazität der vorbeiströmenden Luftmasse geschlossen werden.
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5 zeigt das Sensorelement 15 des Luftmassenmessers 2, das als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet ist, in einem Luftmassenmesser 2, der als Einsteckfinger in einem Ansaugrohr 1 integriert ist. Der Luftmassenstrom 10 erreicht auch hier die Einlassöffnung 4 und tritt in das Hilfsrohr 5 ein. Auf der Oberfläche 16 der Membran 17 sind das erste Temperatursensorelement 7 und das zweite Temperatursensorelement 8 zu erkennen. Zwischen dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 ist das Heizelement 12 angeordnet. Der Luftmassenstrom 10 erreicht zunächst das erste Temperatursensorelement 7, überströmt dann das Heizelement 12, um danach das zweite Temperatursensorelement 8 zu erreichen.
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In 5 ist zu erkennen, dass der Luftmassenstrom 10 auch Verschmutzungen 9 beinhaltet. Mit dem Luftmassenstrom 10 werden zum Beispiel Wassertröpfchen 6, Öltröpfchen 11 und/oder Staubteilchen 14 hin zum Luftmassenmesser 2 transportiert. Diese Verschmutzungen 9 gelangen durch die Einlassöffnung 4 des Luftmassenmessers 2 bis zum Sensorelement 15. Wenn sich die Verschmutzungen 9 im Bereich des ersten Temperatursensorelementes 7 und des zweite Temperatursensorelementes 8 ablagern, kann es mit der Zeit zu einer massiven Verfälschung des Messwertes für den Luftmassenstrom 10 kommen. Da sich diese Verfälschung durch die Akkumulation der Verschmutzung auf dem Sensorelement 15 über einem langen Zeitraum immer weiter aufbaut, spricht man in diesem Zusammenhang auch von einer Singaldrift des Luftmassenmessers 2. Dieser Signaldrift ist unerwünscht und sie sollte unterdrückt und/oder kompensiert werden.
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6 zeigt das Sensorelement 15 mit dem ersten Temperatursensorelement 7 und dem zweiten Temperatursensorelement 8 sowie dem zwischen den Temperatursensorelementen 7 und 8 angeordneten Heizelement 12. Mit dem Pfeil ist die Richtung des Luftmassenstromes 10 dargestellt. Damit befindet sich in der Strömungsrichtung des Luftmassenstromes 10 das erste Temperatursensorelement 7 vor dem Heizelement 12 und das zweite Temperatursensorelement 8 hinter dem Heizelement 12. Sowohl das erste Temperatursensorelement 7 als auch das zweite Temperatursensorelement 8 setzen sich in diesem Beispiel als elektrische Reihenschaltungen aus einem Messwiderstand 22 und mindestens zwei Vergleichswiderständen 21 zusammen. Es ist zu erkennen, dass die Messwiderstände 22 im inneren Bereich der dünnen Membran angeordnet sind, und die Vergleichswiderstände 21 im Randbereich der Membran 17 angeordnet sind.
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Weiterhin zeigt die 6, dass Verschmutzungen 9, und hierbei vornehmlich Öltröpfchen 11, mit dem Massenstrom 10 zu dem Sensorelement 15 transportiert werden. Insbesondere die Öl- tröpfchen 11 lagern sich auf dem Sensorelement 15 ab. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Ablagerung der Öltröpfchen 11 auf dem Sensorelement 15 besonders stark im Bereich der Widerstände erfolgt, die in Strömungsrichtung des Luftmassenstromes 10 dem Heizelement 12 nachgelagert sind. Diese unsymmetrische Ablagerung von Öltröpfchen 11 auf dem Sensorelement 15 führt zu einer Signaldrift, die letztlich zur Verfälschung der vom Sensorelement 15 erfassten Messwerte für den Luftmassenstrom 10 führt. Darüber hinaus erfolgt die Ablagerung der Verschmutzungen bevorzugt im Randbereich der Membran 17. Die unsymmetrische Ablagerung der Öltröpfchen 11 hat physikalische Gründe, die ihren Ursprung insbesondere in der höheren Temperatur im Bereich des zweiten Sensorelementes 8 und im Temperaturgradienten im Randbereich der Membran 17 finden.
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7 zeigt ein Ablaufdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Luftmassenmessers näher darstellt. Dieses erfindungsgemäße Verfahren kann besonders erfolgreich bei Luftmassenmessern eingesetzt werden, die Sensorelemente aufweisen, die als mikroelektromechanische Systeme gefertigt wurden. Die Anfälligkeit dieser mikroelektromechanischen Systeme gegenüber Verschmutzungen und die daraus resultierende Signaldrift dieser Sensorelemente wurde bereits im Vorgenannten erläutert. Zur Vermeidung der Signaldrift bzw. zur Kompensation dieser Signaldrift erfolgt in einem ersten Schritt A die Ermittlung eines Messwertes des Luftmassenmessers mit dem Sensorelement bei einem Nullmassenstrom. Dieser bei einem Nullmassenstrom ermittelter Messwert stellt einen Referenzwert dar, der in einem Schritt B in einem elektronischen Speicher abgelegt wird. Der im elektronischen Speicher abgelegte erste Messwert bleibt im elektronischen Speicher mindestens so lange erhalten, bis nach dem Betrieb der Brennkraftmaschine und der Ermittlung des der Brennkraftmaschine zugefügten Luftmassenstromes mit dem Luftmassenmesser eine Ermittlung eines zweiten Messwertes des Luftmassenmessers erfolgt, der ebenfalls bei einem Nullmassenstrom gemessen wird, jedoch nach einer gewissen Betriebszeit des Sensorelementes und der damit verbundenen möglichen Verschmutzung des Sensorelementes durch z. B. Öltröpfchen. Dazu kann die Brennkraftmaschine zum Beispiel abgestellt sein. Der erste Messwert für den Nullmassenstrom wird dann mit dem zweiten Messwert für den Nullmassenstrom im Verfahrensschritt E verglichen und es wird in dem Verfahrensschritt F festgestellt, ob eine Abweichung zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert besteht. Sollte keine Abweichung zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert bestehen, kann das Verfahren bei Schritt A erneut gestartet werden, wobei die Ermittlung eines weiteren ersten Messwertes des Luftmassenmessers mit dem Sensorelement bei einem Nullmassenstrom erfolgt. Besteht jedoch eine Abweichung zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert des Luftmassenmessers bei Nullmassenströmen, dann erfolgt eine Korrektur des Offsets der Kennlinie des Sensorelementes. Diese Offset-Korrektur der Sensorkennlinie muss in diesem Fall nicht vollständig erfolgen, um z. B. bei fehlerhaften ersten und zweiten Messwerten für einen Nullmassenstrom nicht zu einer zu starken Fehlkorrektur des Offsets der Kennlinie zu gelangen. Es ist denkbar bei einer Abweichung zwischen dem ersten Messwert und dem zweiten Messwert des Luftmassenmessers für einen Nullmassenstrom, nur eine geringe Offset-Korrektur der Kennlinie des Sensorelementes einzuleiten und dann das erfindungsgemäße Verfahren erneu bei Punkt A zu starten, um sich interativ an die durch die Verschmutzung verursachte Offset-Drift des Sensorelementes heranzuarbeiten und diese in mehreren Durchläufen des Verfahrens schrittweise zu korrigieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4407209 A1 [0003]
- WO 03089884 A1 [0004]
