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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Abgasmassenstroms mit einem Gehäuse, in dem ein Abgaskanal ausgebildet ist, durch den das Abgas strömt, einem Abgasmassenstromsensor, der einen Messabschnitt aufweist und einem relativ zum Messabschnitt bewegbaren Abschirmelement sowie ein Verfahren zur Steuerung einer derartigen Vorrichtung.
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Derartige Vorrichtungen 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. Dieses Prinzip beruht darauf, dass Heizwiderstände des Sensors erhitzt werden, wobei durch Konvektion die erzeugte Wärme dieser Heizwiderstände auf das strömende Medium abgegeben wird. Die daraus resultierende Temperaturänderung des Heizwiderstandes oder die zusätzliche Leistungsaufnahme zum Erhalt der Heizwiderstandstemperatur bilden ein Maß für den vorhandenen Massenstrom.
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Derartige Sensoren reagieren jedoch mit Verfälschungen des Messergebnisses, wenn Partikel oder Flüssigkeiten im Gasstrom mitgeführt werden und auf den Messabschnitt prallen. Des Weiteren besteht eine Empfindlichkeit gegenüber wachsenden Ablagerungen auf ihrem Messabschnitt durch Kondensate oder andere feste Ablagerungen, wodurch ebenfalls kontinuierlich eine Verschlechterung der Messergebnisse folgt.
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Um zu verhindern, dass Partikel oder Flüssigkeiten im Gasstrom bei zu hohen auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten zu solchen Fehlmessungen führen, wird in der
DE 10 2004 008 184 A1 vorgeschlagen, am Sensor ein bewegliches Abschirmelement mit einem Segel anzuordnen, dass in eine Schutzposition für den Messabschnitt schwenkt, sobald die Strömungsgeschwindigkeit des Gases einen definierten Wert übersteigt und somit beginnt das Abschirmelement vor den Messabschnitt zu schwenken. Die Stellung des Abschirmelementes im Kanal dient dann zur Bestimmung oder zumindest zur Plausibilisierung der Luftmasse.
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Des Weiteren ist aus der
EP 1 283 411 A1 eine Schutzeinrichtung für einen Luftmassensensor bekannt, bei dem in Abstand zum Luftmassensensor ein Strömungshindernis im Kanal angeordnet wird, welches die Wassertropfen und Partikel an der Sensoroberfläche vorbeilenkt.
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Des Weiteren ist aus der
DE 43 08 877 C1 eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung bekannt, bei der als Messsonde ein temperaturabhängiger Widerstand dient, der in einer Öffnung der Vorrichtung angeordnet ist. Die Vorrichtung ist zylindrisch und wird zur Messung mit ihrer Öffnung in einen Strom geschoben und zur Richtungsbestimmung von Hand gedreht. Nach der Messung und Entfernung der Öffnung aus dem zu vermessenden Strom kann eine hohlzylindrische Hülse zum Schutz vor Beschädigungen über die Öffnung des Messsondenteil geschoben werden.
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Zusätzlich wird in der
US 2008/0294356 A1 ein sich selbst ausrichtender Strömungsmesser offenbart, der in den Schichten der Atmosphäre zur Windrichtungserkennung und Strömungsmessung genutzt wird. Auch bei diesem Strömungsmesser kann eine zylindrische Hülse über den Messbereich gefahren werden.
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In den letzten Jahren werden derartige Sensoren auch zunehmend zur Bestimmung eines Abgasmassenstroms genutzt. Durch Rußpartikel und andere durch den Verbrennungsprozess entstehende chemische Verbindungen, setzt sich auf dem Messabschnitt des Sensors ein Belag ab. Um diesen Belag zu entfernen wird in der
DE 10 2005 061 548 B4 vorgeschlagen, den Abgasmassenstromsensor in einem Normalbetriebsmodus und einem Reinigungsmodus zu fahren, wobei im Reinigungsmodus die Temperatur der Messdrähte so weit erhöht wird, dass die Ablagerungen abgebrannt werden.
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Neben dem Problem der auftretenden Verschmutzung bei der Verwendung im Abgasstrang durch Rußpartikel und sonstige Verschmutzungen aufgrund des Verbrennungsprozesses, tritt jedoch verstärkt beim Abstellen des Motors eine ungewollte Kondensatbildung auf dem Messabschnitt auf, die teilweise nicht abgebrannt werden kann. Des Weiteren besteht das Problem, die Messdrähte bei hohen auftretenden Strömungsgeschwindigkeiten auf eine ausreichend hohe Temperatur aufzuheizen, so dass zur Minderung der Strömungsgeschwindigkeit üblicherweise in den Abbrennphasen das Abgasrückführventil geschlossen wird.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Abgasmassenstroms sowie ein Verfahren zum Steuern einer derartigen Vorrichtung zu schaffen, mit welcher sowohl eine Belagbildung auf dem Messabschnitt durch nach dem Abstellen des Motors auftretende Kondensate verhindert werden kann, als auch ein Abbrennen von Ablagerungen bei hohen Abgasströmungsgeschwindigkeiten ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Abgasmassenstroms mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass das Abschirmelement derart relativ zum Messabschnitt bewegbar ist, dass das Abschirmelement in einer ersten Position den Messabschnitt im Abgaskanal freigibt und in einer zweiten Position der Messabschnitt vom Abschirmelement umschlossen ist, wobei das Abschirmelement einen Boden aufweist, in dem eine Öffnung ausgebildet ist, durch die der Messabschnitt in der ersten Position in den Abgaskanal ragt, kann der Messabschnitt, falls gewünscht, vollständig dem Einfluss des Abgasstroms entzogen werden oder zur Messung des Abgasmassenstroms diesem ausgesetzt werden, ohne dass eine Störung des Abgasmassenstroms erfolgt. Der Boden verschließt den Messabschnitt somit auch von der unteren Seite des Abgasmassenstromsensors, so dass auch von hier beinahe kein Kondensat eindringen kann. Die Öffnung ermöglicht das Ein- und Ausfahren des Abschirmelementes über den Messabschnitt.
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Entsprechend wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem im Normalbetrieb das Abschirmelement in eine erste Position gefahren wird, in der der Messabschnitt im Abgaskanal freigegeben wird und im Freibrennbetrieb und/oder, wenn der Verbrennungsmotor abgestellt wird, das Abschirmelement in eine zweite Position gefahren wird, in der der Messabschnitt vom Abschirmelement umgeben wird. Durch die Abschirmung des Messabschnitts kann somit ohne ein Schließen des Abgasrückführventils die Strömungsgeschwindigkeit und damit der Wärmetransport vom Messabschnitt in den Abgasstrom drastisch reduziert beziehungsweise verhindert werden. Somit können hohe Abbrenntemperaturen mit einem relativ geringen Energieeintrag erreicht werden. Auch kann das Abschirmelement jeweils beim Abstellen über den Messabschnitt gestülpt werden, so dass Kondensate aus dem durchströmten Abgaskanal nicht zum Messabschnitt gelangen. Dies reduziert die Belagbildung beträchtlich.
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Vorzugsweise ist das Abschirmelement eine Hülse, deren Seitenwände ein Außengehäuse des Abgasmassenstromsensors in der ersten Position radial umschließen und in der zweiten Position den Messabschnitt radial umschließen. Über die Hülse wird auf einfache Weise mit nur einem Bauteil ein Umschließen von allen Seitenflächen des Messabschnitts sichergestellt.
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Dabei ist die Öffnung vorteilhafterweise schlitzförmig ausgebildet, wodurch eine minimal notwendige Öffnungsweise realisiert wird.
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Um keine zusätzlichen Bauteile verwenden zu müssen, ist es vorteilhaft, wenn das Abschirmelement über das Außengehäuse des Abgasmassenstromsensors gelagert ist, so dass eine einfache Führung besteht.
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Vorzugsweise ist am Abschirmelement ein Schutz- und/oder Leitgitter mit Durchtrittsfenstern befestigt, welche insbesondere einen Schutz des Messabschnitts beim Transport darstellt. Durch die Anbringung am Abschirmelement kann dennoch die Öffnungsweite am Boden des Abschirmelementes minimiert werden.
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In einer weiterführenden Ausführung ist das Abschirmelement über einen Aktor über den Messabschnitt verfahrbar. Durch eine entsprechende Steuerung kann so aktiv das Abschirmelement in den entsprechenden Betriebsphasen oder auch außerhalb des Betriebs in die zweite, den Messabschnitt umschließende Position gefahren werden.
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In einer hierzu alternativen Ausführungsform ist der Abgasmassenstromsensor über das Abschirmelement am Gehäuse des Abgaskanals befestigt und über einen Aktor der Messabschnitt des Abgasmassenstromsensors aus dem Abgaskanal heraus bewegbar. Auch auf diese Weise wird der Messabschnitt vor dem Abgasmassenstrom oder den Kondensaten im Abgaskanal abgeschirmt.
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Der Aktor kann dabei sowohl als pneumatischer als auch als elektrischer oder elektromagnetischer Aktor ausgebildet sein, über den auf einfache Weise die beiden erforderlichen Positionen angefahren werden können.
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Es wird somit eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstromes sowie ein Verfahren zur Steuerung einer derartigen Vorrichtung geschaffen, mit welcher langzeitstabile korrekte Messwerte eines Abgasmassenstroms erreicht werden, indem der Messabschnitt zuverlässig vor auftretenden Kondensaten geschützt wird und ohne hohe Energieeinträge auf sichere Weise auf die notwendige Abbrenntemperatur erhitzt werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend ebenso wie das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer Anwendung des Abgasmassenstromsensors in einem Abgaskanal einer Verbrennungskraftmaschine beschrieben.
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Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms in teilweise geschnittener Darstellung.
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Die 2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Abgasmassenstromsensors mit Abschirmelement in einer ersten Position.
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Die 3 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des Abgasmassenstromsensors mit Abschirmelement in einer zweiten Position.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms weist einen Abgaskanal 10 auf, der durch ein Strömungsgehäuse 12 gebildet wird, welches den Abgaskanal 10 radial begrenzende Wände 14 sowie eine senkrecht zur Kanalachse verlaufende hohlzylindrische Öffnung 16 aufweist, die von einem Flansch 18 axial begrenzt wird.
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In die Öffnung 16 ist ein Abgasmassenstromsensor 20 eingesteckt, der in bekannter Weise nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeitet und entsprechend zwei nebeneinander angeordnete Messelemente 22, 24 in Form von Heizwiderständen aufweist. Die Messelemente 22, 24 bilden einen Messabschnitt 26, der aus einem zylindrischen Abschnitt 28 eines Außengehäuses 30 des Abgasmassenstromsensors 20 ragt und am zum Messabschnitt 26 entgegengesetzten Ende in einen dünnen Kragen 32 des Außengehäuses 30 mündet. Am anderen Ende dieses Kragens 32 befindet sich ein zylindrischer Abschnitt 34 eines Elektronikgehäuses 36 des Abgasmassenstromsensors 20, der einen größeren Durchmesser als der zylindrische Abschnitt 28 aufweist, so dass der Kragen 32 gegen diesen Abschnitt 34 anliegt. Das Elektronikgehäuse 36 weist eine Stufe auf, so dass ein weiterer zylindrischer Abschnitt 38 größeren Durchmessers dem zylindrischen Abschnitt 34 vorhanden folgt. Gegen diesen Abschnitt 38 liegt radial ein O-Ring 40 an, dessen Außenumfang gegen die Innenwand der Öffnung 16 anliegt, so dass der Abgasmassenstromsensor 20 nach außen abgedichtet wird. An seiner anderen Seite verhindert der Kragen 32 ein Abstreifen des O-Rings 40.
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An den radial erweiterten Abschnitt 38 schließt sich ein Befestigungsflansch 42 mit zwei nicht sichtbaren Bohrungen an, in welche Schrauben zur Befestigung am Flansch 18 des Gehäuses 12 des Abgaskanals 10 gesteckt werden. An der zum Abgaskanal 10 entgegengesetzten Seite befindet sich in einem Raum im Elektronikgehäuse 36 die Elektronik des Abgasmassenstromsensors 20, wobei der Raum durch einen Deckel 44 verschlossen wird. Aus dem Deckel 44 sind elektrische Anschlussleitungen 46 zur Kontaktierung eines nicht dargestellten Motorsteuergerätes sowie zur Spannungsversorgung nach außen geführt.
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Die Messelemente 22, 24 sind von einem Schutzgitter 48 mit Durchtrittsfenstern 50 umgeben, welches an einem Abschirmelement 52 befestigt ist.
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Das Abschirmelement 52 ist erfindungsgemäß relativ zum Abgasmassenstromsensor 20 bewegbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt die Position des Außengehäuses 30 des Abgasmassenstromsensors 20 fest, während das als hohlzylindrische Hülse ausgeführte Abschirmelement 52 in Richtung des Messabschnitts 26 axial entlang der Mittelachse des Außengehäuses 30 bewegbar ist, welches als Lagerung bei der Führung der Hülse dient.
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Die Hülse 52 weist an ihrem Ende einen Boden 54 auf, in dem eine schlitzförmige Öffnung 56 ausgebildet ist, durch die in einer ersten Position der Hülse 52, wie sie in 2 dargestellt ist, der Messabschnitt 26 in den Abgaskanal 10 ragt und an dem das Schutzgitter 48 befestigt ist.
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Die Bewegung wird über einen lediglich schematisch in 1 dargestellten Aktor 58 erzeugt, der bei Bestromung eine Welle 60 antreibt, auf der ein Hebel 62 angeordnet ist, an dessen entgegengesetzten Ende ein Bolzen 64 befestigt ist, der in einer Kulisse 66 gelagert ist, die in einem am Abschirmelement 52 befestigten Übertragungselement 68 ausgebildet ist. Um eine Drehung des Abschirmelementes 52 bei der axialen Bewegung zu verhindern, weist das Abschirmelement 52 eine Nut auf, in die ein entsprechender Vorsprung des Außengehäuses 30 des Abgasmassenstromsensors 20 greift.
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Im Normalbetrieb befindet sich das Abschirmelement 52, wie bereits beschrieben, in einer ersten Position, in der der Boden 54 des Abschirmelementes 52 an einem Boden 70 des Außengehäuses 30 des Abgasmassenstromsensors 20 anliegt. In dieser ersten Position befinden sich die Messelemente 22, 24 des Messabschnitts 26 in der Abgasströmung im Abgaskanal 10, so dass in bekannter Weise die zur Aufrechterhaltung einer definierten Übertemperatur an den Messelementen 22, 24 benötigte Leistungsaufnahme, welche abhängig ist vom Wärmeverlust durch den vorbeiströmenden Abgasmassenstrom als Maß zur exakten Bestimmung des Abgasmassenstroms genutzt werden kann.
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Wird im Folgenden festgestellt, dass der Belag durch Verrußung oder sonstige Ablagerungen auf den Messelementen 22, 24 zu groß wird oder nach einem vordefinierten Zeitintervall, wird vom Normalbetrieb auf Freibrennbetrieb umgestellt. Hierzu wird der Aktor 58 betätigt, wodurch die Welle 60 gedreht wird und der Bolzen 64 in der Kulisse 66 bewegt wird, so dass das Übertragungselement 68 das Abschirmelement 52 axial nach unten in Richtung des Messabschnitts 26 bewegt bis Seitenwände 72 der hohlzylindrischen Hülse 52 den Messabschnitt 26 allseitig umgeben. In dieser ausgefahrenen zweiten Position des Abschirmelementes 52 wird die Temperatur der Messelemente 22, 24 so weit erhöht, dass die Ablagerungen auf dem Messabschnitt 26 weggebrannt werden.
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Ist dieses Freibrennen abgeschlossen, wird wieder auf Normalbetrieb umgestellt und durch Betätigung des Aktors 58 die Hülse 52 zur Freigabe des Messabschnitts 26 wieder angehoben, bis die erste Position wieder erreicht ist.
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Zusätzlich wird jeweils bei Abschalten der Verbrennungskraftmaschine die zweite Position des Abschirmelementes 52 angefahren. Hierdurch wird verhindert, dass das beim Abkühlen des Abgasstrangs kondensierende Wasser sowie weitere im Abgas gelöste schädliche Bestandteile auf den Messabschnitt 26 gelangen und sich dort ablagern können. Selbstverständlich kann auch jeweils mit dem Abschalten des Motors zunächst in dieser zweiten Position zunächst auf Freibrennbetrieb umgestellt werden.
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Eine Wärmeabfuhr während des Freibrennens durch einen auf den Messabschnitt wirkende Abgasstrom wird zuverlässig vermieden, so dass mit geringem Energieeintrag eine hohe Abbrenntemperatur erreicht wird. So kann durch das Ausfahren des Abschirmelementes beim Freibrennen und nach Abstellen des Motors die Lebensdauer des Abgasmassenstromsensors deutlich erhöht werden und dessen Messgenauigkeit über einen langen Zeitraum sicher gestellt werden. Hierdurch werden eine deutlich verbesserte Motorsteuerung und damit die Reduzierung von Abgasemissionen ermöglicht.
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Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Andere konstruktive Gestaltungen beispielsweise des Antriebs des Abschirmelementes oder andere Formen des Abschirmelementes sind ebenso denkbar wie eine Nutzung des Abschirmelementes nur beim Abstellen des Motors oder nur zum Freibrennen des Messabschnitts.
