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Die
Erfindung betrifft einen Durchflusssensor für eine Brennkraftmaschine,
mit mindestens einem elektrischen Heizwiderstand und mit mindestens
einem Regler zur Temperaturregelung des Heizwiderstands.
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Bei
Durchflusssensoren für
Brennkraftmaschinen, die als Heißfilm-Luftmassenmesser oder
als Hitzdraht-Luftmassenmesser
ausgeführt
sein können,
wird ein Heizwiderstand auf eine bestimmte Temperatur erhitzt. Dies
erfolgt durch Anlegen einer elektrischen Spannung, die so bemessen
ist, dass sich eine vorgegebene Temperatur des Heizwiderstands einstellt.
In der Regel wird die Temperatur des Heizwiderstands in Abhängigkeit
der Umgebungstemperatur festgelegt. Die Temperaturregelung wird bislang
durch eine elektronische Schaltung realisiert, welche die am Heizwiderstand
anliegende Spannung regelt. Nachteilig an dieser Schaltung ist,
dass die am Bordnetz der Brennkraftmaschine oder des Kraftfahrzeugs
vorhandene Bordspannung um einen Betrag Draht ΔU reduziert werden muss, um
die gewünschte Spannung
am Heizwiderstand zu erhalten. Die Differenzspannung ΔU fällt in der
Steuerungselektronik an und verursacht eine Verlustleistung PVerlust = ΔU·IH, wobei mit IH der
durch den Heizwiderstand fließende Strom
bezeichnet wird.
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Die
Verlustleistung führt
zu einer Erwärmung der
elektronischen Schaltung, Die Erwärmung der elektronischen Schaltung
verursacht ein thermisches Driften, was sich negativ auf die Signalqualität des Durchflusssensors
auswirkt. Außerdem
kann die Lebensdauer der Steuerungselektronik durch die Wärmeentwicklung
verkürzt
werden.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei
einem erfindungsgemäßen Durchflusssensor
für eine
Brennkraftmaschine mit mindestens einem elektrischen Heizwiderstand,
mit mindestens einem Temperatursensor und mit einer Temperaturregelung
des Heizwiderstands wird die Temperaturregelung des Heizwiderstands
durch eine Pulsweitenmodulation der Heizspannung UH vorgenommen.
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Dabei
ist die Heizspannung UH gleich oder geringfügig kleiner
als die Bordspannung der Brennkraftmaschine beziehungsweise des
Kraftfahrzeugs. Der Spannungsabfall in der Steuerungselektronik
ist damit deutlich reduziert. Die Leistungsregelung wird nun dadurch
vorgenommen, dass ein steuerbarer Schalter der Leistungselektronik
die elektrische Verbindung zwischen dem Heizwiderstand und dem Bordnetz
für kurze
Zeit schließt
und anschließend wieder öffnet. Durch
das Verhältnis
der Zeiten, in denen die elektrische Verbindung geschlossen ist,
zu den Zeiten, in denen die elektrische Verbindung unterbrochen
ist, kann eine Leistungsregelung des Heizwiderstands erfolgen. Diese
Art der Leistungsregelung wird als Pulsweitenmodulation bezeichnet und
ist aus anderen Anwendungsgebieten bekannt.
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Wenn
der Schalter der Steuerelektronik geöffnet ist, liegt zwar am Schalter
die gesamte Bordspannung an, allerdings fließt während dieser Zeit kein Strom,
so dass in diesem Schaltzustand keine Verlustleistung in der Steuerelektronik
erzeugt wird. Wenn der Schalter der Steuerelektronik geschlossen ist,
fällt am
Schalter nahezu keine Spannung ab, so dass auch in diesem Schaltzustand
keine Verlustleistung in der Steuerelektronik anfällt.
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Infolgedessen
entsteht bei der erfindungsgemäßen Temperaturregelung
nahezu keine Erwärmung
der Steuerelektronik, so dass das unerwünschte thermische Driften der
Steuerelektronik beinahe vollständig
eliminiert wird. Infolgedessen verbessert sich die Signalqualität des Durchflusssensors,
ebenso wie die Lebensdauer der Steuerelektronik. Das erfindungsgemäße Regelungskonzept
ist auch unter Kostengesichtspunkten vorteilhaft.
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Es
hat sich bei einer erfindungsgemäßen Variante
des Durchflusssensors als vorteilhaft erwiesen, wenn die Temperaturregelung
des Heizwiderstands einen steuerbaren Schalter umfasst, insbesondere
einen Transistor, der in Abhängigkeit
der Temperatur des Heizwiderstands geschlossen und geöffnet wird.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn die Taktzeit des Schalters sehr
viel kürzer
als die thermische Zeitkonstante des Heizwiderstands einschließlich dessen
Trägermaterial
(z. B. eine Membran) ist, da durch diese Maßnahme eine zeitlich konstante Temperatur
des Heizwiderstands erreicht wird, obwohl die Zufuhr der elektrischen
Energie nicht konstant ist, sondern die elektrische Energie in kurzen Zeitabschnitten
mit hoher Leistung übertragen
wird, die von annähernd
gleich kurzen Zeitabschnitten ohne Leistungsübertragung gefolgt werden.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines Heißfilm-Luftmassenmessers;
und
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2 eine vereinfachte Darstellung
einer erfindungsgemäßen Temperaturregelung
des Heizwiderstands.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 wird ein Heißfilm-Luftmassenmesser 1 schematisch
dargestellt. Der Heißfilm-Luftmassenmesser 1 besteht
aus einem Siliziumchip 3, der im Bereich eines Heizwiderstandes
RH eine Ausnehmung aufweist. In unmittelbarer
Nähe des
Heizwiderstandes RH befinden sich Heiztemperatursensoren SH mit deren Hilfe die Temperatur des Heizwiderstands
RH gemessen wird. Auf dem Siliziumchip 3 ist ein
Lufttemperatursensor SL vorhanden. Mit Hilfe
der von den Heiztemperatursensoren SH und
dem Lufttemperatursensor SL gemessenen Werte
wird die Temperatur des Heizwiderstands RH auf
eine konstante Übertemperatur
zu der Lufttemperatur geregelt. Diese Temperaturregelung erfolgt
durch eine Regelung der dem Heizwiderstand RH zugeführten elektrischen
Leistung.
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Ausgangsgröße des in 1 dargestellten Heißfilm-Luftmassensensors
ist die von zwei Temperatursensoren S1 und
S2 festgestellte Temperatur der über dem
Heißfilm-Luftmassensensor 1 befindlichen Luft.
Der Luftstrom ist in 1 durch
den mit QLM bezeichneten Pfeil angedeutet.
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Unterhalb
des Heißfilm-Luftmassenmessers 1 ist
der Temperaturverlauf bei ruhender Luft (QLM = 0)
und bei strömender
Luft (QLM > 0)
dargestellt. Dabei zeigt sich, dass bei ruhender Luft die Temperaturdifferenz
zwischen den Temperatursensoren S1 und S2 = 0 ist. Bei strömender Luft ermittelt der in
Strömungsrichtung
stromaufwärts
liegende Temperatursensor S1 eine niedrigere
Lufttemperatur als der stromabwärts
des Heizwiderstands RH gelegene Temperatursensor
S2. Das Maß der Temperaturdifferenz zwischen
den Temperatursensoren S1 und S2 ist ein
Maß die über den
Durchflusssensor strömenden Luftmassenstrom
QLM.
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Die
Erfindung ist nicht auf Heißfilm-Luftmassenmesser 1 gemäß 1 beschränkt, sondern kann beispielsweise
auch bei Luftmassenmessern ohne Temperatursensoren, die nach dem
Doppelheizer-Prinzip arbeiten, eingesetzt werden.
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Anhand
der 2 wird die erfindungsgemäße Leistungsregelung
des Heizwiderstands RH erläutert. Die
Leistungsregelung ist auf einem Mikrochip untergebracht. Mit dem
Mikrochip wird die elektrische Verbindung zwischen der Bordspannung
UB Und dem Heizwiderstand RH gesteuert.
Erfindungsgemäß sieht
die Temperaturregelung des Heizwiderstands RH vor,
dass durch einen steuerbaren Schalter 5 die elektrische
Verbindung zwischen der Bordspannung UB und
dem Heizwiderstand RH in kurzen Zeitabständen geöffnet und
geschlossen wird. Durch das Verhältnis
der Zeiten, in denen die elektrische Verbindung zwischen Bordspannung
UB und Heizwiderstand RH besteht,
und den Zeiten, in denen diese elektrische Verbindung unterbrochen
ist, erfolgt eine Leistungsregelung des Heizwiderstands RH. Diese Art der Leistungsregelung wird als
Pulsweitenmodulation bezeichnet. In 2 ist
diese Art der Leistungsregelung durch eine Linie 7 veranschaulicht worden.
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Wenn
der Schalter 5 geöffnet
ist, liegt nahezu die gesamte Bordspannung am Schalter 5 an.
Da jedoch durch den Schalter 5 kein Strom fließt, entsteht
während
dieses Schaltzustands keine Verlustleistung am Schalter 5.
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Wenn
der Schalter 5 geschlossen ist, liegt am Heizwiderstand
RH die volle Bordspannung UB an und
es fließt
ein entsprechender Strom durch den Heizwiderstand RH,
was zu dessen Erwärmung
führt. Die
Verlustleistung des Schalters 5 in geschlossenem Zustand
ist sehr gering im Verhältnis
zu der elektrischen Leistung des Heizwiderstands, so dass die Verlustleistung
des Schalters 5 nahezu keine Erwärmung der elektronischen Steuerung
verursacht. Infolgedessen entsteht nahezu keine Temperaturdrift der
elektronischen Schaltung, so dass das Ausgangssignal des erfindungsgemäßen Durchflusssensors
durch die erfindungsgemäße Leistungssteuerung
des Heizwiderstands RH verbessert wird.