DE10234492B4

DE10234492B4 - Verfahren zur Ermittlung eines Luftmassenstroms

Info

Publication number: DE10234492B4
Application number: DE10234492A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Frie; Christoph Haberer; Harald Leiderer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: DE10234492A1; KR20040012503A; US6999882B2; JP2004061506A; FR2842904A1; US20040204871A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung eines Luftmassenstroms in einem Luftkanal (2) unter Verwendung eines Luftmassenstromsensors (4); mittels dessen Signale, die jeweils einem Betrag eines Wertes des Luftmassenstroms entsprechen, erfassbar sind, bei dem Sensorsignale erfasst und daraus mittels einer Kennlinie Werte des Luftmassenstroms ermittelt werden, und eine Zeitreihe von Signalen, die mehrere bereits erfasste Signale umfasst, einer Schwingungsanalyse unterzogen wird, wobei eine Grundschwingung und wenigstens eine vorgegebene Oberschwingung der Grundschwingung ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter der Grundschwingung und der vorgegebenen Oberschwingung miteinander verglichen werden, und dass ein Vorliegen einer Rückströmung entgegen einem mittleren Luftmassenstrom auf Grund von Pulsationen festgestellt wird, wenn das Verhältnis der Parameter der Oberschwingung zu der Grundschwingung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung eines Luftmassenstroms in einem Luftkanal unter Verwendung eines Luftmassenstromsensors, mittels dessen Signale, die jeweils einem Betrag eines Wertes des Luftmassenstroms entsprechend, erfassbar sind, bei dem Sensorsignale erfasst und daraus mittels einer Kennlinie Werte des Luftmassenstroms ermittelt werden und eine Zeitreihe von Signalen, die mehrere bereits erfassten Signale umfasst, einer Schwingungsanalyse unterzogen wird, wobei eine Grundschwingung und wenigstens eine vorgegebene Oberschwingung der Grundschwingung ermittelt werden. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine entsprechende Luftmassenstromsensoreinheit mit einem Luftmassenstromsensor, mit dem ein einer Größe eines Luftmassenstroms in einem Luftkanal entsprechendes Signal bildbar ist.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet derartiger Verfahren und Luftmassenstromsensoren ist die Messung von Luftmassenströmen im Ansaugluftkanal moderner Brennkraftmaschinen. Zur genauen Steuerung der Verbrennung in solchen Brennkraftmaschinen ist es nämlich notwendig, die über den Ansaugluftkanal angesaugte Luftmenge genau zu messen, um das Kraftstoff-Luftverhältnis bei der Verbrennung optimal zu halten.

Zur Messung eines solchen Luftmassenstroms werden vielfach Hitzdraht- oder Heißfilm-Luftmassenstrommesser verwendet. Die Arbeitsweise dieser Sensoren fußt darauf, dass ein Luftmassenstrom einen erhitzten Körper entsprechend der Größe des Luftmassenstroms um den Körper abkühlt. Daher wird ein Heiz widerstand durch Regelung eines den Heizwiderstand durchfließenden Stroms auf einer konstanten Temperatur oberhalb der Temperatur des Luftmassenstroms gehalten. Der hierzu erforderliche Heizstrom bildet ein sehr genaues, allerdings nichtlineares Maß für den Luftmassenstrom.

Strömt die Luft in einem Ansaugkanal immer nur in einer Richtung, arbeiten diese Sensoren mit hinreichender Genauigkeit. Bei Brennkraftmaschinen treten jedoch Betriebszustände auf, in denen Pulsationen der Luft im Ansaugluftkanal der Brennkraftmaschine auftreten können. Diese Pulsationen können so stark werden, dass ein Rückstrom von Luft entgegen der normalen Ansaugrichtung auftritt. Die oben beschriebenen Messprinzipien unter Verwendung von Hitzdraht- oder Heißfilm-Luftmassenstrommessern erlauben jedoch nur die Bestimmung der Größe, nicht aber der Richtung eines Luftmassenstroms. Im Falle von Pulsationen kann dies dazu führen, dass ein Rückstrom als Zustrom von Ansaugluft gemessen wird, was die Steuerung der Brennkraftmaschine wesentlich erschwert.

Eine Möglichkeit, solche Rückströme zu erkennen, besteht darin, zwei in Strömungsrichtung voneinander beabstandete Sensoren oder einen Sensor mit zwei in Strömungsrichtung voneinander beabstandeten Sensorelementen zu verwenden, um durch Vergleich der Werte auf das Vorhandensein eines Rückstroms schließen zu können. Solche Anordnungen weisen jedoch einen vergleichsweise komplizierten Aufbau auf und erfordern eine aufwendige Montage in einem Ansaugluftkanal.

Aus DE 43 42 481 C2 ist ein Verfahren zum Messen der angesaugten Luftmasse einer Brennkraftmaschine mit einem in deren Ansaugtrakt angeordneten temperaturempfindlichen Messfühler eines Massendurchflussmessers beschrieben, bei dem von mitt leren Lastzuständen der Brennkraftmaschine an ein im Ansaugtrakt in Ansaugrichtung stromabwärts zu dem Messfühler angeordnetes beheizbares Zusatzheizelement zur fehlerkompensierenden Wirkung auf den Messfühler aufgeheizt wird. Bei diesem Verfahren muss das Zusatzheizelement zusätzlich in den Ansaugtrakt eingebaut werden, was die Fertigungskosten erhöht.

In DE 199 52 294 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung einer Strömungsmenge von in eine Brennkraftmaschine aufgenommener Ansaugluft unter Verwendung eines Luftstrommessers mit elektrothermischem Widerstand beschrieben. Die Vorrichtung umfasst einen Teil zur Korrektur einer Verzögerung/Nichtlinearität zum Ausführen einer Korrektur eines Ausgangssignals des Luftstrommessers hinsichtlich einer Reaktionsverzögerung und einer Nichtlinearität des Luftstrommessers, einen Teil zur Extraktion von Merkmalswerten einer Schwingungsform eines von dem Luftstrommesser gesendeten und von dem Teil zur Korrektur der Verzögerung/Nichtlinearität hinsichtlich der Reaktionsverzögerung und der Nichtlinearität korrigierten Ausgangssignals, einen Teil zur Berechnung eines Rückstromverhältnisses zum Ermitteln eines Rückstromverhältnisses auf der Grundlage der extrahierten Merkmalswerte der Schwingungsform und einen Teil zur Berechnung der Strömungsmenge zum Ermitteln der korrekten Strömungsmenge von Ansaugluft auf der Grundlage eines Ausgangssignals des Teils zur Korrektur der Verzögerung/Nichtlinearität und eines Ausgangssignals des Teils zur Berechnung des Rückströmungsverhältnisses. Bei dem Verfahren werden Ausgangssignale des Luftstrommessers bezüglich der Verzögerung/Nichtlinearität des Luftstrommessers korrigiert. Nach Ermittlung einer Kurbelwinkelgeschwindigkeit werden Vielfache bzw. Harmonische dieser Frequenz gebildet und bei diesen Harmonischen Fourieramplituden berechnet. Mittels einer durch Anpassung an CAD-Daten für ei ne Vielzahl von Brennkraftmaschinen und Lufteinlasssystemen erhaltenen Formel für das Rückstromverhältnis, d. h. das Verhältnis aus Rückwärtsstrom und Vorwärtsstrom, die ein Polynom der Fourieramplituden der Harmonischen und Polynome von Quotienten der Fourieramplituden der Harmonischen enthält, wird ein Wert für das Rückstromverhältnis ermittelt, das zur Berechnung der Strömungsmenge der Ansaugluft verwendet wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung eines Luftmassenstroms und einen entsprechenden Luftmassenstromsensor derart weiterzubilden, dass ein durch Pulsationen verursachter Rückstrom von Ansaugluft zuverlässig erkennbar ist.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine Zeitreihe von Signalen, die mehrere von bereits erfasste Signalen umfasst, einer Schwingungsanalyse unterzogen wird, wobei eine Grundschwingung und wenigstens eine vorgegebene Oberschwingung der Grundschwingung ermittelt und Parameter der Grundschwingung und der vorgegebenen Oberschwingung miteinander verglichen werden, und dass ein Vorliegen einer Rückströmung entgegen einem mittleren Luftmassenstrom auf Grund von Pulsationen festgestellt wird, wenn das Verhältnis der Parameter der Oberschwingung zu der Grundschwingung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann für beliebige Luft- oder Gasmassenstromsensoren verwendet werden, deren Ausgangssignale nur die Größe, unter der im Rahmen der Erfindung ein nicht negativer Wert verstanden wird, nicht aber die Richtung eines zu erfassenden Luftmassenstroms wiedergeben. Insbesondere kann es sich dabei um Hitzdraht- oder Heißfilmsensoren handeln.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt gerade die Eigenschaft der Luftmassenstromsensoren, die zu den Problemen bei der Erkennung von Rückströmen führt, nämlich, dass nur der Betrag des Luftmassenstroms, nicht aber dessen Richtung bestimmt werden, aus, um Rückströmungen zu erkennen.

Zum einfacheren Verständnis kann man den Luftmassenstrom als eine Überlagerung eines mittleren Luftmassenstroms und einer Schwingung mit einer bestimmten Pulsationsfrequenz, einem bestimmten Modulationsgrad, der die auf die Größe des mittleren Luftmassenstroms bezogenen Amplitude der Schwingung des Luftmassenstroms um den mittleren Luftmassenstrom angibt, und mit einem verschwindenden Mittelwert bei Mittelung über eine Periode auffassen. Beispielsweise kann bei einer harmonischen Pulsationsschwingung der Luftmassenstrom Q als Funktion der Zeit t, der Pulsationsfrequenz ω, des Modulationsgrades m und des mittleren Luftmassenstroms Q_av folgendermaßen ausgedrückt werden: Q = Qav·(1 + m·cos(ωt)).

Ist der Modulationsgrad kleiner als 100, tritt keine Rückströmung auf, da die Amplitude der Schwingung immer kleiner als der Mittelwert des Luftmassenstroms bleibt und der resultierende momentane Luftmassenstrom immer positiv bleibt. Die Sensorsignale entsprechen dann durchgehend dem tatsächlichen Luftmassenstrom, also einer Überlagerung einer Konstanten und einer Schwingung. Eine Schwingungsanalyse führt daher zur Erkennung des mittleren Luftmassenstroms und der überlagerten Komponente bei der Pulsationsfrequenz.

Ist der Modulationsgrad größer als 100, tritt jedoch eine Rückströmung während der Zeiträume auf, in denen die augenblicklichen Luftmassenstromwerte negativ werden. Dies ist der Fall, wenn die momentane Auslenkung der Schwingung negativ und deren Betrag größer als der negative mittlere Luftmassenstrom ist. Das Sensorsignal hat dann jedoch nicht mehr die Form einer Konstanten und einer dieser überlagerten Schwingung, da während der Zeiten, in denen die Rückströmung auftritt, statt eines negativen Luftmassenstroms ein positiver Luftmassenstrom gleichen Betrages erfasst wird, dessen Größe dem der Rückströmung entspricht. Bei der Schwingungsanalyse der Sensorsignale treten daher zusätzlich zu der der Pulsationsfrequenz entsprechenden Grundschwingung Oberschwingungen auf, die vom Modulationsgrad des pulsierenden Luftmassenstroms abhängen.

Zur Bestimmung einer Rückströmung wird daher für ein aktuelles Sensorsignal eine Zeitreihe, die eine vorgegebene Anzahl von vor dem aktuellen Signal erfassten Signalen umfasst, einer Schwingungsanalyse unterzogen. Vorzugsweise wird bei der Anwendung an Brennkraftmaschinen ein Vielfaches eines Segmen tes verwendet, bei dem man die Grundschwingungsmoden kennt. Günstigerweise erfolgt die Schwingungsanalyse in einer Steuereinheit einer Brennkraftmaschine, so dass über die Drehzahl die Grundfrequenz bekannt ist. Es müssen dann nur noch die Oberschwingungen bestimmt werden.

Da die Pulsationsschwingung bzw. der entsprechende Verlauf des Sensorsignals nicht unbedingt sinus- oder cosinusförmig sein muss, können selbst bei Modulationsgraden unterhalb 100 bei der Schwingungsanalyse Oberschwingungen feststellbar sein, deren Stärke jedoch wesentlich geringer ist als die Stärke von Oberschwingungen, die durch Rückflüsse verursacht werden. Daher wird zur Erkennung des Einsetzens eines Rückstromes die Oberschwingung mit der Grundschwingung anhand eines geeigneten Parameters verglichen. Überschreitet in diesem Vergleich die Oberschwingung zur Grundschwingung einen vorgegebenen Schwellwert, wird eine Rückströmung erkannt. Der Schwellwert wird im allgemeinen von der funktionalen Form des der Schwingungsanalyse zugrundeliegenden, zeitabhängigen Signals abhängen. Er kann beispielsweise durch Versuche oder, wenn beispielsweise die Pulsationen mit hinreichender Genauigkeit simuliert werden können, unter Verwendung entsprechender Simulationsergebnisse festgestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, auf einfache Weise ohne eine Veränderung des Luftmassenstromsensors einen durch Pulsationen verursachten Rückstrom von Luft zu erkennen. Insbesondere ist die Verwendung von zwei Luftmassenstromsensoren oder eines Luftmassenstromsensors mit zwei in Stromrichtung voneinander beabstandeten Sensorelementen oder einem zusätzliches Heizelement nicht mehr notwendig.

Um die Signale eines Luftmassenstromsensors auch bei Feststellung eines Rückstromes verwenden zu können, ist es bevorzugt, dass ein einem aktuellen Signal entsprechender Wert des Luftmassenstroms in Bezug auf das Auftreten von Rückflüssen in dem Luftkanal korrigiert wird, wenn das Vorliegen einer Rückströmung festgestellt wird. Hierzu kann beispielsweise der Signalwert des Luftmassenstromsensors oder der anhand der Kennlinie ermittelte Luftmassenstromwert durch den entsprechenden Wert vor Einsetzen der Pulsation oder durch Werte aus einem vorgegebenen Korrekturkennfeld ersetzt werden. Letzteres kann beispielsweise als unabhängige Variable den mittleren Massenstrom und das Größenverhältnis des Parameters der Oberschwingung zu der Grundschwingung umfassen. Möglicherweise kann als Luftmassenstrom auch nur der über die Pulsation gemittelte Luftmassenstrom verwendet und ein weiteres Signal, dass das Vorliegen von Pulsationen anzeigt, ausgegeben werden.

Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem Verhältnis der Parameter der Grundschwingung und der Oberschwingung ein Wert für den Modulationsgrad der Pulsation ermittelt und zur Korrektur verwendet. Insbesondere kann dann ein Modell für den Luftmassenstrom verwendet werden, um aus dem mittleren Luftmassenstrom und dem Modulationsgrad den tatsächlichen Luftmassenstrom näherungsweise, gegebenenfalls bereits für ein ganzes vorgegebenes Zeitintervall zu bestimmen.

Grundsätzlich kann die Schwingungsanalyse, z.B. in Form einer Fourieranalyse oder Analyse der Harmonischen, für jedes erfasste Sensorsignal als aktuelles Signal durchgeführt werden. Das letzte Signal der Zeitreihe kann dabei einen vorgegebenen zeitlichen Abstand von dem aktuellen Signal aufweisen, der so gewählt ist, dass die Information der Schwingungsanalyse noch zu Korrektur des aktuellen Signals anwendbar ist. Der zeitliche Abstand kann dabei insbesondere in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit, mit der Pulsationen, die einen Rückstrom bewirken, typischerweise einsetzen oder abklingen, von der Geschwindigkeit, mit der die Schwingungsanalyse durchführbar ist und, falls eine Korrektur durchgeführt wird, von der Art der Korrektur gewählt werden. Die Zeitreihe kann aber auch neben der vorgegeben Anzahl von vor dem aktuellen Signalen erfassten Signalen zusätzlich noch den aktuellen Signalwert enthalten, der dann den letzten Signalwert bildet, so dass der zeitliche Abstand Null ist.

Die Schwingungsanalyse erfordert je nach der Arbeitsgeschwindigkeit der zur Durchführung verwendeten Mittel jedoch gegebenenfalls eine längere Zeit als bis zur Erfassung eines nächstens Signalwertes zur Verfügung steht. Darüber hinaus setzen die Pulsationen, die einen Rückstrom bewirken, bedingt durch die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von Luftwellen und in Abhängigkeit von den Gegebenheiten der Brennkraftmaschine schnellstens mit einer entsprechenden, vorgegebenen maximalen Geschwindigkeit ein und klingen ebenfalls schnellstens mit einer entsprechenden maximalen Geschwindigkeit ab. Es ist daher bevorzugt, dass die Schwingungsanalyse in vorgegebenen zeitlichen Abständen durchgeführt wird, die größer sind als die zeitlichen Abstände aufeinanderfolgender Erfassungen von Sensorsignalwerten. Das Vorliegen bzw. Nichtvorliegen einer Rückströmung kann dann über den Zeitraum zwischen aufeinanderfolgenden Schwingungsanalysen extrapoliert werden. Der zeitliche Abstand, in dem Schwingungsanalysen durchgeführt werden, kann dabei insbesondere in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit mit der Pulsationen, die einen Rückstrom bewirken, typischerweise einsetzen oder abklingen, und/oder von der Geschwindigkeit, mit der die Schwingungsanalyse durchführbar ist, abhängen. Vorzugsweise werden Signale bei einer Brennkraftmaschine segmentweise verarbeitet.

Bei der soeben beschriebenen Ausführungsform ist es besonders bevorzugt, dass eine Korrektur von Werten des Luftmassenstroms auf der Basis der jeweils letzten Schwingungsanalyse erfolgt. Der Abstand, in dem Schwingungsanalysen durchgeführt werden, kann dann insbesondere auch von der Art der Korrektur, insbesondere eines Extrapolationsfehlers bei Verwendung eines Modells für Pulsationen, abhängen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann allgemein zur Bestimmung von Luftmassenströmen in Luftkanälen verwendet werden, insbesondere in Ansaugluftkanälen von Brennkraftmaschinen. Obwohl Pulsationen grundsätzlich bei allen Drehzahlen einer Brennkraftmaschine auftreten können, verursachen sie nur in bestimmten Betriebszuständen eine Rückströmung von Ansaugluft. Es ist daher bevorzugt, dass als Luftkanal ein Ansaugluftkanal einer Brennkraftmaschine verwendet wird, dass wenigstens ein Betriebsparameter der Brennkraftmaschine erfasst wird, und dass die Schwingungsanalyse nur durchgeführt wird, wenn der erfasste Betriebsparameter in einem vorgegebenen Bereich liegt, in dem Pulsationen einer vorgegebenen Mindeststärke erwartet werden. Der vorgegebene Bereich kann dabei insbesondere von der Bauweise der Brennkraftmaschine und des Ansaugluftkanals bzw. dessen Resonanzfrequenzen für Luftschwingungen und dem Lastzustand abhängen. Bei dem Betriebsparameter kann es sich insbesondere um die Drehzahl und, bei Ottobrennkraftmaschinen, den Drosselklappenwinkel, der unter anderem den Lastzustand mitbestimmt, handeln. Dieses Vorgehen reduziert den Aufwand zur Bestimmung einer Rückströmung beträchtlich, was insbesondere in dem Fall, dass die Schwingungsanalyse in einem Steuergerät der Brennkraftmaschine durchgeführt wird, zu einer bedeutenden Entlastung eines darin vorhandenen Prozessors führen kann.

Zur Durchführung der Schwingungsanalyse werden die Signale des Luftmassenstromsensors, soweit sie nicht bereits digitalisiert sind, zweckmäßigerweise zum Beispiel unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers mit einer für die Zwecke der Schwingungsanalyse ausreichend hohen Abtastfrequenz digitalisiert. Die Schwingungsanalyse kann auf der Basis dieser digitalisierten Signalwerte erfolgen, wobei eine eventuelle Korrektur der Werte des Luftmassenstroms durch eine Korrektur der Signalwerte bewirkt wird, die dann entsprechend der Kennlinie in Luftmassenstromwerte umgesetzt werden. Häufig ist die Kennlinie des Luftmassenstromsensors jedoch nichtlinear, wodurch die Schwingungsanalyse erschwert wird, da die der Grund- und Oberschwingung entsprechenden Spitzen verbreitert sind. Es ist daher bevorzugt, dass aus den Signalen unter Verwendung der Kennlinie des Luftmassenstromsensors Werte einer Luftmassenstromvariablen ermittelt werden und die Schwingungsanalyse auf der Basis einer Zeitreihe von Luftmassenstromvariablenwerten, die der Zeitreihe der Signale entspricht, erfolgt. Liegt keine Rückströmung vor, entsprechen die Werte der Luftmassenstromvariablen den Luftmassenstromwerten. Andernfalls kann eine eventuell Korrektur der Werte der Luftmassenstromvariablen zu Luftmassenstromwerten dann auf der Ebene der Luftmassenströme erfolgen und damit wesentlich einfacher sein, da eine Nichtlinearität der Kennlinie des Luftmassenstromsensors nicht berücksichtigt zu werden braucht.

Die Bestimmung der Parameter der Grund- und Oberschwingung kann beispielsweise mittels Laplace-Transformationen oder mittels Wavelet-Analysen erfolgen. Wegen der Einfachheit und insbesondere auch Ausführungsgeschwindigkeit ist es jedoch bevorzugt, dass die Schwingungsanalyse mit einer Fourieranalye erfolgt. Besonders bevorzugt wird eine schnelle Fourier-Transformation verwendet.

Die Parameter der Grund- und Oberschwingung kann auf verschiedene Art und Weise definiert sein. Bevorzugt können Stärken der Grundschwingung und der Oberschwingung in Form der Amplituden dieser Schwingungen verwendet werden, die sich direkt bei der Schwingungsanalyse ergeben.

Wenn bei der Schwingungsanalyse die Phasen- und/oder die Amplitudeninformation verwendet werden, ergibt sich eine besonders genaue Korrektur. Besonders rechensparsam verläuft das Verfahren, wenn die Phasenlage zwischen 1. und 2. Harmonischer ausgewertet wird.

Sind die Spitzen in der Grund- und Oberschwingung bei der Schwingungsanalyse breit bzw. eher glockenförmig, ist die entsprechende Frequenz der Spitze und damit die Amplitude oft schwer zu bestimmen. Es ist dann bevorzugt, dass Stärken der Grundschwingung und der Oberschwingung verwendet und an Hand eines Leistungsspektrums ermittelt werden. Insbesondere kann die Fläche unter den Schwingungen entsprechenden Spitzen als Maß für die Stärke verwendet werden, wodurch sich eine sehr genaue Bestimmung der Stärke der entsprechenden Schwingung ergibt. Dies kann besonders bei Vorliegen von nichtharmonischen Schwingungen ein Vorteil sein.

Die Frequenz der Grundschwingung kann grundsätzlich anhand der Schwingungsanalyse bestimmt werden, wozu allerdings gegebenenfalls eine aufwendige Suche notwendig ist. Um die Suche nach der Pulsation entsprechenden Grundschwingung bei Brennkraftmaschinen zu beschleunigen, ist es bevorzugt, dass als Luftkanal ein Ansaugluftkanal einer Brennkraftmaschine verwendet wird, dass eine Drehzahl der Brennkraftmaschine ermittelt wird, und dass zur Bestimmung der Grundschwingung eine Drehzahl der Brennkraftmaschine ausgewertet wird. Bei einer Brennkraftmaschine ist die Pulsationsfrequenz näherungsweise hauptsächlich durch das Produkt aus Drehzahl der Brennkraftmaschine und deren Zylinderzahl dividiert durch die Anzahl der Arbeitstakte pro Umdrehung der Kurbelwelle bestimmt. Innerhalb eines vorgegebenen Bereichs um diese näherungsweise bestimmte Pulsationsfrequenz kann dann nach der tatsächlichen Pulsationsfrequenz gesucht werden, wodurch der Aufwand für die Suche wesentlich reduziert werden kann.

Um möglichst genaue Daten zur Oberschwingung zu erhalten, ist es bevorzugt, dass als Oberschwingung die erste harmonische Oberschwingung verwendet wird. Diese weist häufig eine größere Stärke auf als höhere Harmonische, so dass Rauschen nur geringere relative Fehler bei der Bestimmung der Stärke der Oberschwingung und des Verhältnisses der Stärke der Oberschwingung zu der der Grundschwingung hervorruft als bei der Verwendung höherer Oberschwingungen. Wird nur die erste harmonische Oberschwingung verwendet, kann zusätzlich die Ab tastfrequenz, mit der Signale des Luftmassenstromsensors erfasst werden, kleiner gewählt werden, als bei Verwendung höherer Oberschwingungen.

Um eine zuverlässigere Feststellung einer Rückströmung bzw. Korrektur des Luftmassenstromwertes zu ermöglichen, ist es bevorzugt, dass Parameter von wenigstens einer weiteren Oberschwingung ermittelt und zusätzlich das Verhältnis der Grundschwingung zu der weiteren Oberschwingung und/oder das Verhältnis der Oberschwingung zu der weiteren Oberschwingung zur Feststellung einer Rückströmung und/oder Korrektur verwendet wird. Die Verwendung weiterer Oberschwingungen kann insbesondere eine bessere Abschätzung des Modulationsgrades und damit der Größe eines Rückstromes zulassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit einem Steuergerät, das die Brennkraftmaschine steuert, ausgeführt werden, wenn dieses einen entsprechend programmierten Prozessor aufweist. Auch kann eine entsprechende Einheit direkt in einen Luftmassensensor integriert werden, wodurch Verkabelungsaufwand vermieden wird.

Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Luftmassenstromsensoreinheit mit einem Luftmassenstromsensor, mit dem ein einer Größe eines Luftmassenstroms in einem Luftkanal entsprechendes Signal bildbar ist, die eine mit dem Luftmassenstromsensor verbundene Auswerteeinrichtung aufweist, die zur Umsetzung des Signals des Luftmassenstromsensors in einen Wert einer Ausgabevariable entsprechend einer Kennlinie des Luftmassenstromsensors, die einen Zusammenhang zwischen dem Signal des Luftmassenstromsensors und entsprechenden Größen des Luftmassenstroms wiedergibt, und zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.

Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung einen Speicher und einen mit dem Speicher verbundenen digitalen Signalprozessor aufweisen, der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens programmiert ist.

Eine erfindungsgemäße Luftmassenstromsensoreinheit kann im Luftmassensensor oder im Steuergerät einer Brennkraftmaschine realisiert werden, um das Verfahren durchzuführen. Sie kann insbesondere als Modul gefertigt und für sehr unterschiedliche Steuergeräte verwendet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ottomotors mit einem Steuergerät und einem Ansaugluftkanal mit einem Hitzdraht-Luftmassenstromsensor und
2 eine Darstellung einer Kennlinie des Luftmassensensors in 1, und
3 vier Diagramme, die ein simuliertes Frequenzspektrum von Pulsationen bei jeweils verschiedenen Modulationsgraden veranschaulichen.
In 1 ist ein Ottomotor 1 mit einem Ansaugluftkanal 2 verbunden, über den dem Ottomotor 1 Ansaugluft zur Verbrennung zugeführt wird. Ein Steuergerät 3 ist mit dem Ottomotor 1 zu dessen Steuerung verbunden. In bzw. an dem Ansaugluftkanal 2 ist ein Hitzdraht-Luftmassenstromsensor 4 angeordnet, der mit dem Steuergerät 3 verbunden ist.
Der Ottomotor 1 ist in bekannter Weise als 4-Takt-Motor aufgebaut und umfasst in der schematischen Darstellung in 1 die dort nicht ausdrücklich gezeigten Einrichtungen einer Luftzufuhr, einer Kraftstoffförderanlage und einer Abgasbehandlungseinrichtung. Insbesondere weist er in 1 nicht gezeigte Aktoren zur Steuerung von Betriebsparametern wie zum Beispiel Ansaugluftmenge sowie Zeitpunkte und Mengen von zu geführtem Kraftstoff, sowie Sensoren zur Erfassung von Werten von Betriebsparametern auf, von denen in 1 nur ein Drehzahlsensor 5 gezeigt ist.
Der Drehzahlsensor 5, der einen Differential-Feldplattensensor und ein mit der Kurbelwelle des Ottomotors 1 verbundenes Zahnrad umfasst, erfasst in bekannter Weise eine Drehzahl des Ottomotors 1 und gibt entsprechende Drehzahlsignale an das Steuergerät 3 aus.
Der nur schematisch dargestellte, an sich bekannte Hitzdraht-Luftmassenstromsensor 4 umfasst eine Brückenschaltung mit einem ersten und einem zweiten Brückenzweig sowie eine Regeleinrichtung 6 mit einem Differenzverstärker.
Der erste Brückenzweig weist eine Reihenschaltung eines temperaturabhängigen Widerstands R_T und einen weiteren Widerstand R₁ auf. Der zweite Brückenzweig umfasst einen temperaturabhängigen Sensorheizwiderstand R_H sowie eine damit in Reihe geschalteten Widerstand R₂.
Der Widerstand R_T und der Sensorheizwiderstand R_H sind in dem Ansaugluftkanal 2 so angeordnet, dass bei normaler Luftströmung in dem Ansaugluftkanal 2 der Widerstand R_T stromaufwärts des Sensorheizwiderstands R_H angeordnet ist.
Die Regeleinrichtung 6 ist über ihren Eingang mit den Abgriffspunkten zwischen den Widerständen R_T und R₁ bzw. zwischen dem Sensorheizwiderstand R_H und dem Widerstand R₂ verbunden und versorgt über ihren Ausgang die Brückenschaltung mit Strom.
Der Widerstand R_T dient als Temperaturfühler für die Temperatur der Ansaugluft. Der Sensorheizwiderstand R_H dient der Messung des Luftmassenstroms, wobei ausgenutzt wird, dass der Sensorheizwiderstand R_H durch einen Luftmassenstrom, der eine geringere Temperatur aufweist als der Sensorheizwiderstand R_H, entsprechend der Größe des Luftmassenstroms abkühlt wird, was wiederum zu einer entsprechenden Änderung seines Widerstandswertes führt.
Die Regeleinrichtung 6 regelt in Abhängigkeit von der Differenz der zwischen den Widerständen R_T und R₁ abgegriffenen Spannung einerseits und der zwischen dem Sensorheizwiderstand R_H und dem Widerstand R₂ abgegriffenen Spannung andererseits den Strom durch die Brückenzweige und insbesondere durch den Sensorheizwiderstand R_H so, dass der Sensorheizwiderstand R_H auf einer vorgegebenen festen Temperaturdifferenz relativ zu der durch den Widerstand R_T gemessenen Temperatur der Ansaugluft gehalten wird.
Dazu wird der Strom so verändert, dass die durch den Luftmassenstrom verursachte Abkühlung des Sensorheizwiderstands R_H durch eine entsprechende Änderung des Stroms durch die Brücke und damit den Sensorheizwiderstand R_H kompensiert und so die Spannungsdifferenz am Eingang der Regeleinrichtung 6 konstant gehalten wird.
Eine an dem Widerstand R₂ abgegriffene, zu dem Strom durch die Brückenschaltung proportionale und damit dem Luftmassenstrom entsprechende Spannung bildet ein Sensorausgangssignal des Luftmassenstromsensors 4, das dem Steuergerät 3 zugeführt wird. Das Sensorausgangssignal des Luftmassenstromsensors 4 entspricht dabei entsprechend einer in 2 gezeigten Kennlinie einem Luftmassenstrom, wobei die Kennlinie von dem Durchmesser des Ansaugluftkanals 2 abhängt. Da die Abkühlung des Sensorheizwiderstands R_H nur von der Größe des Luftmassenstroms abhängt, ist mit dem Heißdraht-Luftmassenstromsensor 3 nicht die Richtung des Luftmassenstroms ermittelbar.
Das Steuergerät 3 umfasst Erfassungseinrichtungen für Signale der mit dem Steuergerät verbundenen Sensoren, von denen in 1 nur ein mit dem Luftmassenstromsensor 4 verbundener A nalog-Digital-Wandler 7 gezeigt ist, Ausgabeeinrichtungen zur Ansteuerung der Aktoren des Ottomotors 1, einen mit den Erfassungseinrichtungen und den Ausgabeeinrichtungen verbundenen Prozessor 8 sowie eine mit dem Prozessor 8 verbundene Speichereinrichtung 9 zur Speicherung wenigstens eines auf dem Prozessor 8 auszuführenden Programms, bei der Ausführung des Programms anfallender Daten sowie zur permanenten Speicherung der Kennliniendaten.
Der Prozessor 8 steuert unter anderem mittels eines entsprechenden Steuerprogramms in Abhängigkeit der von den Sensoren erfassten Werte, insbesondere auch des erfassten Luftmassenstroms in dem Ansaugluftkanal 2, die Aktoren des Ottomotors 1. Weiterhin dient der Prozessor 8 der Bestimmung des Luftmassenstroms aus den Sensorausgangssignalen des Luftmassenstromsensors 4, wozu er ein entsprechendes Programm, das auch ein Teil des Steuerprogramms sein kann, ausführt.
Zur Erfassung des Luftmassenstroms wird das analoge Signal des Luftmassenstromsensors 4 in dem Analog-Digital-Wandler 7 mit einer vorgegebenen Abtastfrequenz abgetastet und in ein entsprechendes Digitalsignal umgesetzt, das dem Prozessor 8 bzw. der Speichereinrichtung 9 zugeführt und in der Speichereinrichtung 9 gespeichert wird. Um wenigstens die erste Oberschwingung einer Pulsationsschwingung in dem Sensorausgangssignal des Luftmassenstromsensors 4 erfassen zu können, ist die Abtastfrequenz dabei größer als das Vierfache der höchsten zu berücksichtigenden Pulsationsfrequenz, bei der Rückströmungen auftreten könnten und die im wesentlichen durch das Produkt aus einer entsprechenden Motordrehzahl und Zylinderzahl dividiert durch die Anzahl der Arbeitstakte pro Umdrehung der Kurbelwelle gegeben ist.
In der Speichereinrichtung 9 wird dabei nur eine vorgegebene Anzahl N von unmittelbar aufeinanderfolgenden Werten des digitalisierten Sensorausgangssignals des Luftmassenstromsensors 4 entsprechend der zeitlichen Reihenfolge ihrer Erfas sung gespeichert, so dass bei Speicherung eines neu erfassten Sensorsignalwertes der älteste der N Werte gelöscht oder überschrieben wird.
Die aus den gespeicherten N Werten bestehende Zeitreihe wird dann zur Durchführung einer Schwingungsanalyse einer schnellen Fourier-Transformation (FFT) oder einem anderen Analyseverfahren unterworfen, und die Ergebnisse werden in der Speichereinrichtung 9 abgespeichert.
Resultierende Spektren, deren Punkte zur besseren Darstellung durch eine glatte Kurve verbunden sind, sind beispielhaft in den Diagrammen A bis D in 3 für Modulationsgrade von 20% (d.h. 0,2), 100 (d.h. 1,0), 150% (d.h. 1,5), bzw. 300 (d.h. 3,0), bei jeweils gleicher Pulsationsfrequenz und Abtastfrequenz gezeigt. Die Ordinaten sind dabei die Werte der Fourier-Transformierten in dB bezogen auf einen vorgegebenen Normierungswert. Da es nur auf die Verhältnisse der Werte der Fourier-Transformierten bzw. die entsprechenden Differenzen des Logarithmus der Verhältnisse ankommt, spielt die Größe des Normierungswerts keine Rolle und ist willkürlich gewählt.
Die Spektren zeigen Spitzen 10, 10', 10'' und 10''' für eine Grundschwingung bei der Pulsationsfrequenz. Weiterhin treten unter anderem Spitzen 11, 11', 11'' und 11''' für erste Oberschwingungen bei der doppelten Pulsationsfrequenz und Spitzen 12, 12', 12'' und 12''' für zweite Oberschwingungen bei der dreifachen Pulsationsfrequenz auf. Die Verhältnisse der Amplituden der Oberschwingungen zu denen der Grundschwingungen hängen dabei offensichtlich vom Modulationsgrad ab: Bei einem Modulationsgrad von 20% beträgt der Unterschied zwischen den Amplituden der Grundschwingung und der ersten Oberschwingung etwa 40 dB (vgl. Diagramm A) und steigt dann bei Erreichen eines Modulationsgrades von 100, bei dem eine Rückströmung einzusetzen beginnt, auf eine Differenz von 20 dB (vgl. Diagramm B), die etwa der bei einem Modulationsgrad von 150% entspricht (vgl. Diagramm C), um bei einem Modulationsgrad von 300 etwa 5 dB zu erreichen (vgl. Diagramm D).
Während die Amplituden der ersten und der zweite Oberschwingung bei einem Modulationsgrad von 100% sich noch um etwa 10 dB unterscheiden, sind sie bei einem Modulationsgrad von 150 etwa gleich groß.
In dem resultierenden Spektrum wird zur Ermittlung der Lage der Spitzen zunächst nach einer Grundschwingung im Bereich der zu erwartenden Pulsationsfrequenz, gegeben durch das Produkt aus einer von dem Drehzahlsensor 5 erfassten Motordrehzahl und der Anzahl der Zylinder dividiert durch die Anzahl der Arbeitstakte pro Umdrehung der Kurbelwelle gesucht, indem ein entsprechendes Maximum in dem Spektrum ermittelt wird.
Wird ein solches Maximum gefunden, wird der Wert der Fourier-Tranformierten ermittelt und zusammen mit der entsprechenden Pulsationsfrequenz gespeichert.
Danach wird der Wert der Fourier-Transformierten bei der doppelten und dreifachen Pulsationsfrequenz bestimmt.
Übersteigt das Verhältnis der Amplitude der erster Oberschwingung und der der Grundschwingung einen Schwellwert, der –20 dB entspricht und somit etwa 0,01 beträgt, wird das Einsetzen einer Rückströmung festgestellt.
Bei Feststellung einer Rückströmung werden die Maxima der abgetasteten, zeitabhängigen digitalisierten Sensorausgangssignalwerte des Luftmassenstromsensors 4 dazu verwendet, korrigierte Sensorausgangssignalwerte zu ermitteln. Dazu wird ausgenutzt, dass das digitalisierte Sensorausgangssignal dem Betrag des Luftmassenstroms entspricht, der nun während einer Periode der Pulsationsschwingung teilweise positiv, d.h. in Richtung auf den Ottomotor 1 zu, und teilweise negativ, d.h. in entgegengesetzter Richtung weisend, ist. Das Maximum mit dem geringeren Wert entspricht dabei gerade dem Minimum des tatsächlichen Luftmassenstroms.
Danach wird aus dem je nach Wert des Modulationsgrades korrigierten oder unkorrigierten Sensorausgangssignalwert anhand der Kennlinie des Luftmassenstromsensors 4, die in der Speichereinrichtung 9 des Steuergeräts 3 gespeichert ist, der Luftmassenstrom ermittelt, der dann gegebenenfalls zwischengespeichert und weiter zur Steuerung des Ottomotors 1 verwendet wird.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel findet vor der Durchführung der Schwingungsanalyse eine Umsetzung der digitalisierten Sensorausgangssignalwerte in Luftmassenstromwerte statt, die dann die Grundlage der Schwingungsanalyse bilden.
Dazu werden die digitalisierten Sensorausgangssignalwerte vor einer Speicherung mittels der in der Speichereinrichtung 9 gespeicherten Kennlinie des Luftmassenstromsensors 4 zunächst in Werte einer Luftmassenstromvariablen, die unkorrigierten Luftmassenstromwerten entsprechen, umgesetzt, die dann wie die digitalisierten Sensorausgangssignalwerte im ersten Ausführungsbeispiel abgespeichert werden.
Die Schwingungsanalyse erfolgt daraufhin auf der Basis der resultierenden, der Zeitreihe im ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Zeitreihe von Werten der Luftmassenstromvariablen.
Das resultierende Spektrum zeigt ebenfalls Spitzen für eine der Pulsationsschwingung entsprechende Grundschwingung und Oberschwingungen. Bedingt durch die Beseitigung der Nichtlinearität aufgrund der nichtlinearen Kennlinie ergeben sich jedoch klarere Unterschiede in den Amplituden der entsprechenden Spitzen. Der Schwellwert für das Verhältnis der Amplitude der ersten Oberschwingung und der Grundschwingung muss dabei auf einen entsprechenden, anderen Wert gesetzt werden.
Liegt keine Rückströmung vor, entsprechen die Werte der Luftmassenstromvariablen der tatsächlichen Größe des Luftmassenstroms und werden entsprechend verwendet. Andernfalls erfolgt ein eventuell notwendige Korrektur der Werte der Luftmassenstromvariablen zu tatsächlichen Luftmassenstromwerten auf der Ebene der Luftmassenstromwerte in einer dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Form und ist so einfacher und genauer durchführbar.
Die ermittelten Luftmassenstromwerte können dann, gegebenenfalls nach Zwischenspeicherung, weiter zur Motorsteuerung weiterverwendet werden.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel sind dem Analog-Digital-Wandler 7, dem Prozessor 8 und der Speichereinrichtung 9 entsprechende Komponenten zusammen mit einem dem Luftmassenstromsensor 4 entsprechenden Luftmassenstromsensor zu einer Luftmassenstromsensoreinheit zusammengefasst, die von dem Prozessor ermittelte Luftmassenstromwerte an ein Steuergerät ausgibt.

Claims

Verfahren zur Ermittlung eines Luftmassenstroms in einem Luftkanal (2) unter Verwendung eines Luftmassenstromsensors (4); mittels dessen Signale, die jeweils einem Betrag eines Wertes des Luftmassenstroms entsprechen, erfassbar sind, bei dem Sensorsignale erfasst und daraus mittels einer Kennlinie Werte des Luftmassenstroms ermittelt werden, und eine Zeitreihe von Signalen, die mehrere bereits erfasste Signale umfasst, einer Schwingungsanalyse unterzogen wird, wobei eine Grundschwingung und wenigstens eine vorgegebene Oberschwingung der Grundschwingung ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter der Grundschwingung und der vorgegebenen Oberschwingung miteinander verglichen werden, und dass ein Vorliegen einer Rückströmung entgegen einem mittleren Luftmassenstrom auf Grund von Pulsationen festgestellt wird, wenn das Verhältnis der Parameter der Oberschwingung zu der Grundschwingung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter die Amplitude und/oder Phasenlage verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein einem aktuellen Signal entsprechender Wert des Luftmassenstroms in Bezug auf das Auftreten von Rückflüssen in dem Luftkanal (2) korrigiert wird, wenn das Vorliegen einer Rückströmung festgestellt wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verhältnis der Parameter der Grundschwingung und der Oberschwingung ein Wert für den Modulationsgrad der Pulsation ermittelt und zur Korrektur verwendet wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsanalyse in vorgegebenen zeitlichen Abständen durchgeführt wird, die größer sind als die zeitlichen Abstände aufeinanderfolgender Erfassungen von Sensorsignalwerten.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur von Werten des Luftmassenstroms auf der Basis einer der letzten Schwingungsanalysen erfolgt.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Luftkanal ein Ansaugluftkanal (2) einer Brennkraftmaschine (1) verwendet wird, dass wenigstens ein Betriebsparameter der Brennkraftmaschine (1) erfasst wird, und dass die Schwingungsanalyse nur durchgeführt wird, wenn der erfasste Betriebsparameter in einem vorgegebenen Bereich liegt, in dem Pulsationen einer vorgegebenen Mindeststärke erwartet werden.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Signalen unter Verwendung der Kennlinie des Luftmassenstromsensors (4) Werte einer Luftmassenstromvariablen ermittelt werden und die Schwingungsanalyse auf der Basis einer Zeitreihe von Luftmassenstromvariablenwerten, die der Zeitreihe der Signale entspricht, erfolgt.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsanalyse mittels einer Fourieranalyse erfolgt.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der Grundschwingung und der Oberschwingung an Hand eines Leistungsspektrums ermittelt werden.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Luftkanal ein Ansaugluftkanal (2) einer Brennkraftmaschine (1) verwendet wird, dass eine Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) ermittelt wird, und dass zur Bestimmung der Grundschwingung die Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Oberschwingung die erste harmonische Oberschwingung verwendet wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter von wenigstens einer weiteren Oberschwingung ermittelt und zusätzlich das Verhältnis der Parameter der Grundschwingung zu der weiteren Oberschwingung und/oder das Verhältnis der Parameter der Oberschwingung zu der weiteren Oberschwingung zur Feststellung einer Rückströmung und/oder Korrektur verwendet wird.
Luftmassenstromsensoreinheit mit einem Luftmassenstromsensor (4), mit dem ein einer Größe eines Luftmassenstroms in einem Luftkanal (2) entsprechendes Signal bildbar ist, gekennzeichnet durch eine mit dem Luftmassenstromsensor (4) verbundene Auswerteeinrichtung (6, 7, 8), die Signale des Luftmassenstromsensor (4) in Werte des Luftmassenstroms umsetzt und dabei ein Verfahren nach einem der obigen Ansprüche ausführt.