DE19738337C2 - Luftmassensensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser zum Messen der Ansaugluftmasse eines Fahrzeug-Verbrennungsmotors.

Aus der JP 2-1518-A ist ein Hitzdraht-Luftmassenmesser für Verbrennungsmotoren bekannt, dessen Luftmassenleitung ein L- förmiges Erfassungsrohr aufweist, um bei pulsierendem Massen­ strom die Meßgenauigkeit zu verbessern. Die Luftmassenleitung enthält eine Wand, die im Rückwärtsmassenstrom angeordnet ist, so daß der Rückwärtsmassenstrom nicht direkt auf den Heizwiderstand trifft. Obwohl bei dieser Konstruktion einer Luftmassenleitung der Rückwärtsmassenstrom nicht unterdrückt werden kann, kann ein sogenanntes Zweiwert-Phänomen, d. h. ein Absinken des Erfassungswerts des Hitzdraht-Luftmassenmes­ sers, das bei einem Anstieg der Pulsationsamplitude des Luft­ massen-stroms verursacht wird, abgeschwächt werden.

Ferner ist aus der JP 1-110220-A eine Luftmassenleitung mit einer Blende bekannt. Bei dieser Konstruktion ist der Hitz­ draht direkt stromabseitig von einer Blende innerhalb eines Erfassungsrohrs angeordnet, welches nahezu geradlinig und kurz ist und parallel zur Hauptmassenstromrichtung orientiert ist.

In dem obenbeschriebenen Stand der Technik ist es nicht mög­ lich, die Durchflußgeschwindigkeit durch Identifizieren der Richtung des Massenstroms zu messen. Wenn daher die Ausgangs­ signale des Luftmassenmessers aufgezeichnet werden, wenn der Ladedruck durch allmähliches Öffnen der Drosselklappe bei konstant gehaltener Motordrehzahl verändert wird, nimmt das durchschnittliche Ausgangssignal allmählich zu, es steigt je­ doch sprunghaft an, wenn der Ladedruck einen bestimmten Punkt übersteigt, was einen positiven Meßfehler für die Ist-Durch­ flußgeschwindigkeit (den Ist-Massenstrom) bedeutet, wie in Fig. 12 gezeigt ist. Dieses Phänomen wird dadurch verursacht, daß die Pulsationsamplitude des Luftmassenmessers allmählich zunimmt, wenn der Öffnungsgrad der Drosselklappe erhöht wird, wobei schließlich bei einem Öffnungsgrad der Drosselklappe oberhalb eines Punkts B ein Rückwärtsmassenstrom auftritt, wie in Fig. 12B gezeigt ist. Das Luftmassenmesser kann jedoch die Richtung des Massenstroms nicht ermitteln. Wenn daher ein Rückwärtsmassenstrom auftritt, nimmt das durchschnittliche Ausgangssignal zu, weil die Durchflußgeschwindigkeit glei­ chermaßen sowohl für einen Vorwärtsmassenstrom als auch für einen Rückwärtsmassenstrom erfaßt wird. Es ist bekannt, daß dieses Phänomen insbesondere bei Motoren mit nicht mehr als vier Zylindern in einem vergleichsweise niedrigen Drehzahl­ bereich von 1000 bis 2000 min^-1 auftritt und bei einem Motor mit mehr als vier Zylindern kaum auftritt.

Es ist möglich, den durch den Rückwärtsmassenstrom verursach­ ten Fehler zu reduzieren, indem die obenbeschriebene Technik verwendet wird, bei der in der Luftmassenleitung eine dem Rückwärtsmassenstrom entgegenwirkende Wand vorgesehen ist, so daß der Rückwärtsmassenstrom nicht direkt auf den Heizwider­ stand trifft. Der Fehler kann jedoch nur um die Hälfte redu­ ziert werden. Der Grund hierfür besteht darin, daß bei Auf­ treten eines Rückwärtsmassenstroms der Vorwärtsmassenstrom um den Betrag zunimmt, der dem Rückwärtsmassenstrom zu diesem Zeitpunkt entspricht.

Ferner kann das Auftreten eines Rückwärtsmassenstroms in ei­ ner Luftansaugleitung aufgrund der Strukturen des Motors und der Luftansaugleitung nur schwer verhindert werden. Um daher den durch den Rückwärtsmassenstrom verursachten Fehler zu re­ duzieren, muß ein kompliziertes Verfahren verwendet werden, indem etwa der Betrag des Rückwärtsmassenstroms vom Betrag des Vorwärtsmassenstroms subtrahiert wird oder indem der Vor­ wärtsmassenstrom und der Rückwärtsmassenstrom getrennt gemes­ sen werden.

Die US 5 083 455 zeigt ein Beispiel eines Luftmassenmessers mit einer Hauptluftleitung und einen Messluftkanal. Der Mess­ luftkanal ist L-förmig ausgebildet, wobei die Einlaßfläche des Messluftkanals im wesentlichen senkrecht zum Hauptluft­ strom ist und eine Auslaßfläche des Messluftkanals zur Haupt­ stromrichtung im wesentlichen parallel ist.

Die DE 195 22 648 A1 zeigt weiterhin ein Strömungsmeßgerät mit einer Hauptluftleitung, die sich stromab eines Meßmoduls erweitert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünsti­ gen und einfach handzuhabenden Luftmassenmesser für Kraft­ fahrzeuge zu schaffen, bei dem die Meßgenauigkeit einschließ­ lich der Abweichungsgenauigkeit bei Vorhandensein eines einen Rückwärtsmassenstrom begleitenden pulsierenden Massenstroms verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Luft­ massenmesser, der die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale be­ sitzt. Die abhängigen Ansprüche sind auf zweckmäßige Ausfüh­ rungsformen der Erfindung gerichtet.

Da gemäß der Erfindung aufgrund der Erhöhung der Durchflußge­ schwindigkeit in der durch die Blende gebildeten Durchflußzo­ ne die Wirkung des Rückwärtsmassenstroms reduziert ist, der in dem Messluftkanal vorhanden ist, deren beide Öffnungsab­ schnitte innerhalb der Durchflußzone angeordnet sind, kann die Meßgenauigkeit verbessert werden:

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausfüh­ rungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht im Querschnitt einer Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Luftmassenmes­ sers;

Fig. 2 eine Vorderansicht des Luftmassenmessers nach Fig. 1 bei Betrachtung in Strömungsrichtung;

Fig. 3 einen Schaltplan des Luftmassenmessers nach Fig. 1;

Fig. 4A, 4B Darstellungen zur Erläuterung des Mechanismus, mit dem ein fehlerhafter sprunghafter Anstieg mittels einer Blende gemäß der Erfindung redu­ ziert werden kann;

Fig. 5A, 5B Darstellungen zur Erläuterung des Mechanismus, mit dem ein Zweiwert-Phänomen mittels einer Blen­ de gemäß der Erfindung reduziert werden kann;

Fig. 6 einen Graphen, der die Beziehung zwischen den Abmessungen der Blende und einem fehlerhaften sprunghaften Anstieg zeigt;

Fig. 7 einen Graphen, der die Beziehung zwischen der Po­ sition einer Blende relativ zu den Einlaß- und Auslaßabschnitten eines Messluftkanals und einem Ausgangssignalrauschen zeigt;

Fig. 8, 9 Querschnittsansichten weiterer zweckmäßiger Aus­ führungsformen des Luftmassenmessers gemäß der Erfindung;

Fig. 10 eine vergrößerte Ansicht eines Verbindungsab­ schnitts im Luftmassenmesser nach Fig. 9;

Fig. 11 eine Teilansicht einer Ausführungsform eines Ver­ brennungsmotors mit elektronischer Kraftstoffein­ spritzsteuerung, die einen Luftmassenmesser gemäß der Erfindung umfaßt;

Fig. 12A, B die bereits erwähnten Darstellungen zur Erläute­ rung eines fehlerhaften sprunghaften Anstiegs des Ausgangssignals eines Luftmassenmessers bei pul­ sierendem Massenstrom; und

Fig. 13 eine Darstellung zur Erläuterung des Zweiwert- Phänomens in einem Luftmassenmesser bei pulsie­ rendem Massenstrom.

Fig. 1 ist eine Seitenansicht im Querschnitt einer zweckmäßi­ gen Ausführungsform eines Luftmassenmessers gemäß der Erfin­ dung. Fig. 2 ist eine Vorderansicht, die das Luftmassenmesser nach Fig. 1 bei Betrachtung in Strömungsrichtung zeigt. Die folgende Beschreibung nimmt auf Fig. 1 und auf Fig. 2 Bezug.

Der Luftmassenmesser enthält ein Meßmodul 52 zum Messen des Luftmassenstroms und einen Körper 53, der seinerseits eine Hauptluftleitung 20 bzw. eines die Hauptluftleitung 20 bil­ denden Körpers sowie Teile zum Befestigen des Körpers 53 am Meßmodul 52 wie etwa Schrauben 54a, eine Dichtung 54b und dergleichen enthält und einen Hauptluftkanal 22 bildet.

In einer Wand der Hauptluftleitung 20 des den Hauptluftkanal 22 bildenden Körpers 53 ist ein Loch 25 vorhanden, in das das Meßmodul 52 einer Messluftleitung 10 bzw. eines die Messluft­ leitung 10 bildenden Körpers eingesetzt ist und an der Haupt­ luftleitung 20 unter Verwendung der Schrauben 54a befestigt ist, um so eine mechanische Festigkeit zwischen der Paßfläche der Hauptluftleitung 20 und der Paßfläche des Modulgehäuses 1 sicherzustellen. Die Dichtung 54b ist zwischen das Meßmodul 52 und den Körper 53 der Hauptluftleitung 20 eingefügt, um die Verbindung luftdicht zu machen.

Das Meßmodul 52 umfaßt im wesentlichen das Gehäuse 1, das ei­ ne Leiterplatte 2 für die Anbringung einer später beschriebe­ nen Treiberschaltung enthält, und die Messluftleitung 10, die aus nichtleitendem Material hergestellt ist. In der Messluft­ leitung 10 sind ein Heizwiderstand 3 für die Erfassung des Luftmassenstroms und ein Temperaturerfassungswiderstand für die Kompensation der Ansauglufttemperatur so angebracht, daß sie mit der Leiterplatte 2 über einen aus leitendem Material hergestellten Haltekörper 5 elektrisch verbunden sind. Somit sind das Gehäuse 1, die Leiterplatte 2, der Heizwiderstand 3, der Temperaturerfassungswiderstand 4, die Messluftleitung 10 und dergleichen zu einer Einheit zusammengefaßt, die das Meß­ modul 52 bildet.

Zunächst wird zur Erläuterung des Funktionsprinzips der Luft­ massenmessung in dem obenbeschriebenen Luftmassenmesser die Konstruktion der elektrischen Schaltung beschrieben. Fig. 3 ist ein Schaltplan zur Erläuterung der Konstruktion des Luft­ massenmessers nach Fig. 1. Die auf der Leiterplatte 2 des Luftmassenmessers angeordnete Treiberschaltung umfaßt grob eine Brückenschaltung und eine Rückkopplungsschaltung. Die Brückenschaltung ist aus dem Heizwiderstand 3(RH) zum Messen der Ansaugluftmassenstroms, aus dem Temperaturerfassungswi­ derstand 4(RC) zum Kompensieren der Ansauglufttemperatur so­ wie aus Widerständen R10 und R11 aufgebaut, wobei an den Heizwiderstand 3RH ein Heizstrom Ih geschickt wird, der mit­ tels eines Operationsverstärkers OP1 in der Weise rückkopp­ lungsgesteuert wird, daß zwischen dem Heizwiderstand RH und dem Temperaturerfassungswiderstand RC eine konstante Tempera­ turdifferenz aufrechterhalten wird und ein dem Luftmassen­ strom entsprechendes Ausgangssignal V2 ausgegeben wird. Wenn die Luftdurchflußgeschwindigkeit hoch ist, ist der Heizstrom Ih hoch, da die vom Heizwiderstand RH abgeführte Wärmemenge hoch ist. Wenn andererseits die Luftdurchflußgeschwindigkeit niedrig ist, ist der Heizstrom klein, da die vom Heizwider­ stand RH abgeführte Wärmemenge niedrig ist. Da die vom Heiz­ widerstand RH abgeführte Wärmemenge von der Massenstromrich­ tung unabhängig ist, d. h. unabhängig davon ist, ob es sich um einen Vorwärtsmassenstrom oder um einen Rückwärtsmassen­ strom handelt, fließt der Heizstrom Ih selbst dann, wenn die Luft in Rückwärtsrichtung strömt, mit dem Ergebnis, daß im Luftmassenmesser das Phänomen eines sprunghaften Anstiegs auftritt.

Nun wird unter erneuter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 die die Erfindung kennzeichnende Struktur beschrieben. Die Mess­ luftleitung 10 enthält einen im wesentlichen L-förmigen Mess­ luftkanal 13 (einen longitudinalen Leitungsabschnitt 13a und einen transversalen Leitungsabschnitt 13b), der aufgebaut ist aus einem Einlaßöffnungsabschnitt 11, dessen Einlaßfläche zur Hauptstromrichtung der in Vorwärtsrichtung 23 strömenden Luft im wesentlichen senkrecht ist, aus dem longitudinalen Lei­ tungsabschnitt 13a, der sich vom Einlaßöffnungsabschnitt 11 im wesentlichen parallel zur Hauptstromrichtung erstreckt, aus dem transversalen Leitungsabschnitt 13b, der mit dem lon­ gitudinalen Leitungsabschnitt 13a in Verbindung steht, im we­ sentlichen rechtwinklig gebogen ist und sich zur Hauptstrom­ richtung 23 im wesentlichen senkrecht erstreckt, sowie aus einem Auslaßöffnungsabschnitt 12, der sich am hinteren (unte­ ren) Ende des transversalen Leitungsabschnitts 13b befindet und dessen Auslaßfläche zur Hauptstromrichtung im wesentli­ chen parallel ist. Im allgemeinen sind die Widerstände wie etwa der Heizwiderstand 3 und der Temperaturerfassungswider­ stand 4 in einem Abschnitt innerhalb des longitudinalen Lei­ tungsabschnitts 13a angeordnet.

Die Hauptluftleitung 20 des Körpers 53 enthält eine Blende 21, die an der Umfangsfläche seiner inneren Seitenwand strom­ aufseitig der eingesetzten Messluftleitung 10 ausgebildet ist. Die beiden Mündungsflächen, d. h. der Einlaßöffnungsab­ schnitt 11 der Messluftleitung 10 und der Auslaßöffnungsab­ schnitt 12 befinden sich innerhalb einer Durchflußzone D, die durch imaginäre Verlängerung des Vorwärtsmassenstroms 23 der zu messenden Luft von der Oberkante der Blende 21 in einer zur Hauptstromrichtung parallelen Richtung gebildet wird. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die Zone durch die Strömungslinien G1, G2 begrenzt, die sich von der Oberkante der Blende 21 parallel zur Hauptstromrichtung erstrecken; die Durchflußzone entspricht beispielsweise einem Zylinder mit Innendurch­ messer D, wenn die Hauptluftleitung 20 zylindrisch ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Form der Hauptluftleitung 20, in die die Messluftleitung 10 eingesetzt werden soll, im wesentlichen zylindrisch (kreisförmiges Rohr), wobei in der effektiven Querschnittsfläche, die durch den Durchfluß der zu messenden Luftmasse definiert ist, welche durch den durch die Hauptluftleitung 10 gebildeten Hauptluftkanal 22 strömt, die Einlaß- und Auslaßflächen (der Einlaßöffnungsabschnitt 11 und der Auslaßöffnungsabschnitt 12) der Messluftleitung 10 be­ rücksichtigt sind.

Die Blende 21 ist an der Umfangsfläche der inneren Seitenwand der Hauptluftleitung 20 stromaufseitig der eingesetzten Mess­ luftleitung 10 angeordnet. Der Querschnitt der Blende 21 be­ sitzt die Form eines Venturi-Rohrs, dessen Mittelachse mit derjenigen des Hauptluftkanals 22 im wesentlichen zusammen­ fällt, wobei die Eintrittsseite der Blende 21 bogenförmig ist und die auslaßseitige Wandfläche der Blende 21 zur Richtung des Vorwärtsluftmassenstroms 23 im wesentlichen senkrecht orientiert ist. Was die Anordnung der Blende und der Einlaß- und Auslaßabschnitte der Messluftleitung 10 betrifft, so lie­ gen diese Abschnitte 11 bzw. 12 bei Betrachtung von vorn (wie in Fig. 2) innerhalb des Blendendurchmessers D (d. h. der Durchflußzone D in den Fig. 1 und 2). Der Einlaßöffnungsab­ schnitt 11 ist zweckmäßig nahe der Wandseite der Leitung in der Nähe der Stromlinie G1 (Fig. 1) angeordnet, während der Auslaßöffnungsabschnitt 12 zweckmäßig nahe der Wandseite der Leitung in der Nähe der Stromlinie G2 (Fig. 1) angeordnet ist.

Der Grund, weshalb die stromaufseitige Hälfte der Blende 21 bogenförmig (trompetenförmig) geformt ist, besteht darin, daß die Luftströmung in der Nähe der Mitte der Luftmassenleitung stromabseitig von der Blende 21 nicht zerstört werden soll. Der Grund, weshalb die Wandfläche der stromabseitigen Hälfte zur Hauptstromrichtung angenähert senkrecht orientiert ist, besteht darin, daß im Vorwärtsluftmassenstrom 23 stromabsei­ tig von der Blende 21 leicht eine Strömungstrennung auftreten kann. Dadurch ist es möglich, die Durchflußgeschwindigkeit des Vorwärtsmassenstroms bei pulsierendem Massenstrom strom­ abseitig von und innerhalb des Durchmessers der Blende 21 zu erhöhen, ohne die Strömung zu zerstören.

Der erfindungsgemäße Luftmassenmesser enthält einen Haupt­ luftleitungskörper, der eine Hauptluftleitung bildet, durch die zu messende Luft strömen kann, und ein Meßmodul, das ei­ nen Heizwiderstand zum Messen einer Luftmasse aufweist und in den Hauptluftleitungskörper eingesetzt ist, wobei der Heizwi­ derstand des Meßmoduls in einem Messluftleitungskörper vorge­ sehen ist, der eine L-förmige Messluftleitung bildet, die ei­ nen Einlaßöffnungsabschnitt, dessen Einlaßfläche zum Haupt­ luftstrom im wesentlichen senkrecht ist, sowie einen Auslaß­ öffnungsabschnitt, dessen Auslaßfläche zum Hauptluftstrom im wesentlichen parallel ist, enthält, der Hauptluftleitungskör­ per an der inneren Umfangswand stromaufseitig vom Messluft­ leitungskörper eine Blende aufweist, und sowohl der Einlaß­ öffnungsabschnitt als auch der Auslaßöffnungsabschnitt inner­ halb einer Durchflußzone angeordnet sind, die durch eine an der Oberkante der Blende beginnenden und parallel zum Haupt­ luftstrom verlaufenden imaginären Fläche gebildet ist.

Im folgenden wird der Mechanismus beschrieben, mit dem der fehlerhafte sprunghafte Anstieg und das Zweiwert-Phänomen, die durch die Wirkung des Rückwärtsmassenstroms verursacht werden, reduziert werden können, indem stromaufseitig von dem L-förmigen Messluftleitungskörper 10 eine Blende vorgesehen ist, die ein wesentliches Merkmal der Erfindung darstellt. Zunächst werden die Wirkungen bei Vorhandensein und Fehlen der Blende anhand der Fig. 4A, 4B sowie 5A, 5B miteinander verglichen.

Die Fig. 4A und 4B sind Darstellungen zur Erläuterung des Me­ chanismus zum Reduzieren eines fehlerhaften sprunghaften An­ stiegs mittels einer Blende gemäß der Erfindung. Die Fig. 5A und 5B sind Ansichten, die den Mechanismus zum Reduzieren des Zweiwert-Phänomens mittels einer Blende gemäß der Erfindung veranschaulichen.

In den Fig. 4A und 4B sind Signalformen für den Fall mit Blende bzw. für den Fall ohne Blende gezeigt. Wenn bei einem herkömmlichen Luftmassenmesser ohne Blende in der Hauptluft­ leitung ein Rückwärtsmassenstrom auftritt, wie durch die Si­ gnalform in Fig. 4A gezeigt ist, ist die Signalform eines tatsächlich erfaßten Signals an einer Linie in der Umgebung einer Null-Durchflußgeschwindigkeit umgeklappt, wie in der Figur schraffiert gezeigt ist, da die Stromrichtung lediglich mit dem Heizwiderstand nicht erfaßt werden kann. Durch Ver­ wenden der obenbeschriebenen L-förmigen Messluftleitung kann verhindert werden, daß der Rückwärtsmassenstrom in die Mess­ luftleitung eindringt, was durch die Signalform von Fig. 4A gezeigt ist, die die Wirkung der Messluftleitung zeigt.

Wenn die Amplitude der Durchflußgeschwindigkeit hoch genug ist, um bei einer durchschnittlichen Durchflußgeschwindigkeit U1 im Fall ohne Blende einen Rückwärtsmassenstrom hervorzuru­ fen, kann ein Eindringen des Rückwärtsmassenstroms in die Messluftleitung dennoch verhindert werden. Ein Durchschnitts­ wert der Signalform, die die Ansprechzeitverzögerung des Heizwiderstands berücksichtigt, wird jedoch um ΔU1 erhöht, da der dem Rückwärtsmassenstrom entsprechende Betrag vom Durch­ schnittswert nicht subtrahiert wird, weshalb der Vorwärts­ massenstrom um den entsprechenden Betrag erhöht wird. Der Wert ΔU1 ist ein Erfassungsfehler aufgrund des Rückwärts­ massenstroms.

Wenn jedoch stromaufseitig von der L-förmigen Messluftleitung eine Blende angeordnet ist, wird die effektive Querschnitts­ fläche der Hauptluftleitung verkleinert, da stromabseitig von der Blende Strömungstrennungswirbel erzeugt werden, so daß die durchschnittliche Durchflußgeschwindigkeit U2 höher als U1 wird und außerdem die Pulsationsamplitude in dem Ab­ schnitt, in dem die Messluftleitung angeordnet ist, erhöht ist. Da jedoch in dem Abschnitt der Messluftleitung keine Einrichtung für die Reduzierung der effektiven Querschnitts­ fläche für den Rückwärtsmassenstrom vorhanden ist (da die Blende stromaufseitig von der Messluftleitung im wesentlichen keine Auswirkung auf den Rückwärtsmassenstrom hat), werden die Werte ΔU1 und ΔU2 in Folge des Rückwärtsmassenstroms im wesentlichen gleich. Daher kann die durchschnittliche Durch­ flußgeschwindigkeit ohne Änderung des Rückwärtsmassenstroms erhöht werden, indem stromaufseitig von der Messluftleitung die Blende angeordnet wird.

Daher ist wegen der obigen Beziehungen, d. h. U1 < U2, ΔU1 = ΔU2, die Beziehung (ΔU1/U1) < (ΔU2/U2) erfüllt, wes­ halb der Meßfehler (fehlerhafter sprunghafter Anstieg) des Luftmassenmessers aufgrund des Rückwärtsmassenstroms durch Vorsehen der Blende stromaufseitig von der Messluftleitung im Vergleich zu dem Meßfehler in dem Fall, in dem keine Blende vorgesehen ist, reduziert werden kann.

Die Blende stromaufseitig von der Messluftleitung hat die weitere Wirkung, daß das sogenannte Zweiwert-Phänomen abge­ schwächt werden kann, d. h., daß ein erfaßter Wert des Luft­ massenmessers, der erzeugt wird, wenn selbst ohne Rückwärts­ massenstrom eine Pulsationsamplitude des Luftmassenstroms an­ steigt, abgesenkt werden kann. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, besteht das Zweiwert-Phänomen in einer Abnahme des Ausgangs­ signals, die hervorgerufen wird, wenn der Ansauggegendruck durch allmähliches Öffnen der Drosselklappe bei konstant ge­ haltener Motordrehzahl verändert wird. Der Grund für die Ent­ stehung dieses Phänomens besteht darin, daß die Ausgangskenn­ linie des Heizwiderstands zu dem Luftmassenstrom (Durchfluß­ geschwindigkeit) in keiner linearen Beziehung steht.

Wenn dieses Phänomen auftritt, kann ein Steuersystem des Mo­ tors eine genaue Kraftstoffsteuerung nicht ausführen, weil für denselben Wert des Massenstroms zwei unterschiedliche Be­ triebsbedingungen vorliegen können. Wie oben in Verbindung mit dem Stand der Technik beschrieben worden ist, kann dieses Phänomen in bestimmtem Maß vermieden werden, wenn der Heizwi­ derstand in der L-förmigen Messluftleitung ohne Blende ange­ ordnet ist. Um jedoch das Zweiwert-Phänomen für sämtliche Ar­ ten von Motoren abzuschwächen, muß die Form der Messluftleit­ lung für sämtliche Motortypen optimiert werden. Andererseits bewirkt die Blende, die erfindungsgemäß stromaufseitig von der Messluftleitung vorgesehen ist, eine Abschwächung des Zweiwert-Phänomens für sämtliche Motortypen. Das Zweiwert- Phänomen wird im folgenden mit Bezug auf die Fig. 5A und 5B beschrieben, in denen Durchflußgeschwindigkeitsverteilungen für Fälle mit Blende bzw. ohne Blende gezeigt sind.

Wie in den Fig. 5A und 5B gezeigt ist, ist die Durchflußge­ schwindigkeitsverteilung eines Luftstroms in einer Rohrlei­ tung in einem stationären Zustand im allgemeinen parabolisch. Bei einer pulsierenden Strömung wechselt jedoch das Vertei­ lungsprofil von einer parabolischen Durchflußgeschwindig­ keitsverteilung zu einer flachen Geschwindigkeitsverteilung, wenn die Amplitude der Durchflußgeschwindigkeit allmählich ansteigt. Wenn die Durchflußgeschwindigkeitsverteilungen für die Fälle, in denen eine Blende vorhanden ist bzw. fehlt, verglichen werden, wird die Verteilung ohne Blende diejenige von Fig. 5A, während die Verteilung mit Blende diejenige von Fig. 5B wird.

Wie in Fig. 5B gezeigt ist, kann bei Vorhandensein der Blende 21 die Luft nur schwer in der Nähe der Wandfläche des Haupt­ luftkanals 22 strömen, da die Umgebung der Wand durch die Blende 21 abgeschattet ist. Daher wird die Durchflußgeschwin­ digkeit der Luft in dem verbleibenden Abschnitt, d. h. in der Zone D stromabseitig von der Blende 21 (beispielsweise in dem zylindrischen Abschnitt mit dem Innendurchmesser D), äu­ ßerst stark erhöht. Ferner ist der Erhöhungsbetrag der Durch­ flußgeschwindigkeit im Abschnitt stromabseitig von der Blende 21 nahe der Wand der Leitung, d. h. in einem Abstand von der Mittellinie der Leitung, größer als in der Mitte dieses Lei­ tungsabschnitts. Dies ist der Grund dafür, daß der Einlaßöff­ nungsabschnitt 11 an einer Position in der Nähe der Wand der Leitung und in der Nähe der Stromlinie G1 angeordnet ist und daß der Hilfs-Luftmassenleitungs-Auslaßöffnungsabschnitt 12 an einer Position in der Nähe der Wand der Leitung und in der Nähe der Stromlinie G2 angeordnet ist.

Wie oben beschrieben worden ist, besteht zwischen dem Erhö­ hungsbetrag der Durchflußgeschwindigkeit ΔU1' an einer Posi­ tion an der Wand der Leitung wie in Fig. 5A gezeigt und dem Erhöhungsbetrag der Durchflußgeschwindigkeit ΔU2' an einer Position an der Wand der Leitung wie in Fig. 5B gezeigt die Beziehung ΔU1' < ΔU2'. Daher wird durch Anordnen der Einlaß­ abschnitt und der Auslaßabschnitt des Messluftkanals stromab­ seitig von der Blende 21 und innerhalb der Zone D die Durch­ flußgeschwindigkeit der Luft, die durch die Messluftleitung strömt, ebenfalls erhöht, wenn die Pulsationsamplitude an­ steigt. Selbst wenn daher ein Ausgangssignal des Heizwider­ stands aufgrund der Nichtlinearität abnimmt, kann durch den Erhöhungsbetrag der Durchflußgeschwindigkeit, um den die Durchflußgeschwindigkeit durch den Messluftkanal zunimmt, der entsprechenden Abnahmebetrag ausgeglichen werden.

Wenn jedoch die Abmessung (Innendurchmesser D) der Blende auf einen zu kleinen Wert reduziert ist, wird der Erhöhungsbetrag der Durchflußgeschwindigkeit übermäßig groß, weshalb das Phä­ nomen auftritt, daß das Ausgangssignal des Heizwiderstands unabhängig vom Fehlen oder Vorhandensein eines Rückwärts­ massenstroms ansteigt. Unter Berücksichtigung der Abnahme der Wirkung des Rückwärtsmassenstroms und der Reduzierung des Zweiwert-Phänomens sollte daher das Verhältnis der effektiven Querschnittsfläche A1 der Hauptluftleitung 20 zur effektiven Querschnittsfläche A2 der Blende 21 (effektive Querschnitts­ fläche der Zone D) auf einen optimalen Wert gesetzt werden, der später angegeben wird.

Da die obenbeschriebene Wirkung der Erhöhung der Durchflußge­ schwindigkeit in einem Abschnitt mit hoher Durchflußgeschwin­ digkeit groß ist, ist es wichtig, daß der Einlaßabschnitt und der Auslaßabschnitt des Messluftkanals in einem Abschnitt stromabseitig von der Blende 21 innerhalb der Zone D (bei­ spielsweise innerhalb des zylindrischen Abschnitts mit dem Durchmesser D) angeordnet sind. Das bedeutet, daß der Einlaß­ öffnungsabschnitt 11 des Messluftkanals, dessen Einlaßfläche zur Richtung der Hauptströmungslinie der Luftströmung im we­ sentlichen senkrecht ist, in der Weise angeordnet sein soll­ te, daß der Staudruck direkt auf den Einlaßöffnungsabschnitt 11 wirkt, während der Auslaßöffnungsabschnitt 12 des Mess­ luftkanals, dessen Auslaßfläche zur Richtung der Hauptströ­ mungslinie der Luftströmung im wesentlichen parallel ist, in der Weise angeordnet werden sollte, daß die Saugwirkung am Auslaßabschnitt erhöht ist, da der Staudruck stromaufseitig vom Auslaßabschnitt hoch ist und Strömungstrennungswirbel er­ zeugt werden.

Da die Auslaßfläche des Auslaßöffnungsabschnitts 12 des Mess­ luftkanals zur Richtung des Hauptluftmassenstroms im wesent­ lichen parallel ist, muß ein Energieverlust aufgrund der Kol­ lision der Luftmasse mit der Wandfläche der Hauptluftleitung 20 unterdrückt werden. Daher sollte der Auslaßöffnungsab­ schnitt 12 des Messluftkanals in einem geeigneten Abstand von der Wandfläche angeordnet sein.

Im folgenden werden mit Bezug auf die Fig. 6 und 7 die Ergeb­ nisse von experimentellen Untersuchungen der obenerwähnten Blendenabmessungen in einem wirklichen Fahrzeug beschrieben.

Fig. 6 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen den Abmes­ sungen der Blende und einem fehlerhaften sprunghaften Anstieg zeigt. Fig. 7 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Position einer Blende relativ zu den Einlaß- und Auslaßab­ schnitten eines Messluftkanals und dem Ausgangssignalrauschen zeigt.

An einem auf einem Prüfstand angebrachten Motor wurde eine Prüfung in der gleichen Weise wie in den Fig. 12A und 12B vorgenommen, indem die Drosselklappe allmählich geöffnet wur­ de und dabei die Motordrehzahl konstant gehalten wurde, wobei der Erfassungsfehler des Heizwiderstands bei vollständig ge­ öffneter Drosselklappe für unterschiedliche Abmessungen (Innendurchmesser D) der Blende aufgetragen wurde. Anhand der Prüfung konnte in bezug auf die Abmessungen der Blende wie in Fig. 5B und in Fig. 6 gezeigt eine Reduzierungswirkung des fehlerhaften sprunghaften Anstiegs aufgrund der Rück-Strömung im Bereich eines Verengungsverhältnisses R = (A2/A1) ≧ 70% erhalten werden, wobei A1 die effektive Querschnittsfläche der Hauptluftkanal ist, in der sich die Messluftkanal befin­ det, und A2 die effektive Querschnittsfläche der Blende mit Innendurchmesser D ist.

Wenn andererseits das Verengungsverhältnis R kleiner als 70% war, fand eine Zunahme des Ausgangssignals statt. Der Grund hierfür besteht darin, daß die erfaßte Durchflußgeschwindig­ keit ihrerseits stromabseitig von der Blende 21 zunimmt, wenn die Amplitude des Pulsationsmassenstroms zunimmt, wie oben beschrieben worden ist. Ein Prüfergebnis bei einer Motordreh­ zahl, bei der kein Rückwärtsmassenstrom auftritt, ist in der Figur zu Referenzzwecken ebenfalls gezeigt. Es konnte bestä­ tigt werden, daß das Ausgangssignal im Bereich des Veren­ gungsverhältnisses R < 70% schnell ansteigt.

Daher sollte das Verhältnis der Querschnittsfläche A2 der Blende zur Querschnittsfläche A1 des Messluftkanals, in dem sich die Messluftleitung befindet, zweckmäßig die Beziehung R = (A2/A1) ≧ 70% erfüllen. Wenn jedoch ein Verengungsver­ hältnis R von 100% (das der herkömmlichen Technologie ent­ spricht) betrachtet wird, kann gesagt werden, daß der Bereich 90% ≧ R ≧ 70% zweckmäßig ist. Um insbesondere den Fehler auf die Hälfte zu reduzieren, ist der Bereich 80% ≧ R ≧ 70% zweckmäßig. Ferner konnte anhand des Prüfergebnisses bestä­ tigt werden, daß die Wirkung der Reduzierung des fehlerhaften sprunghaften Anstiegs im Bereich 90% ≧ R ≧ 70% gut ist und der Abstand L von der Blende 21 zum Einlaßöffnungsabschnitt 11 wie in Fig. 1 gezeigt in der Umgebung eines Wertes liegt, der die Beziehung L = 0,7D erfüllt.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 7 die Beziehung zwischen dem räumlichen Verhältnis der Blende zu den Einlaß- und Auslaßab­ schnitten des Messluftkanals einerseits und dem Ausgangs­ signalrauschen des Luftmassenmessers andererseits für den stationären Zustand beschrieben. In Fig. 7 ist auf der Ordi­ nate das Ausgangssignalrauschen aufgetragen, während auf der Abszisse das Verengungsverhältnis R nach Fig. 6 aufgetragen ist.

Die Abmessungen der als Probe in dieser Prüfung verwendeten Blende ergaben ein Verengungsverhältnis R von ungefähr 60%. Daher hat ein Verengungsverhältnis R in einem Bereich von we­ niger als 60% die Bedeutung, daß sowohl die Position des Einlaßabschnitts als auch die Position des Auslaßabschnitts des Messluftkanals innerhalb einer Zone liegen, die von der Blende 21 abgeschattet ist (innerhalb einer Wandzone außer­ halb der von den in Fig. 1 gezeigten Hauptstromlinien G1 und G2 umgebenen Zone).

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, nimmt innerhalb des Bereichs des Verengungsverhältnisses R von 100% bis 60% das Ausgangs­ signalrauschen bei abnehmendem Verengungsverhältnis R ab. In einem Bereich des Verengungsverhältnisses unterhalb von 60% nimmt jedoch das Ausgangssignalrauschen deutlich zu. Das be­ deutet, wenn sowohl die Position des Einlaßabschnitts als auch die Position des Auslaßabschnitts des Messluftkanals in­ nerhalb der Zone D liegen (innerhalb der Zone, die in Fig. 1 von den Hauptstromlinien G1 und G2 umgeben ist), ist das Aus­ gangssignalrauschen gering. Es hat sich gezeigt, daß das Aus­ gangssignalrauschen grundsätzlich durch Erhöhen des Veren­ gungsverhältnisses R, d. h. durch Reduzieren der Abmessungen der Blende, um die Durchflußgeschwindigkeit der Luft zu erhö­ hen, reduziert werden kann. Weiterhin hat sich gezeigt, daß die Strömung in dem Hauptluftkanal gestört wird und daher das Ausgangssignalrauschen zunimmt, wenn die Blende stromaufsei­ tig vorhanden ist und stromabseitig eine Strömungstrennung stattfindet, d. h. wenn sowohl die Position des Einlaßab­ schnitts als auch die Position des Auslaßabschnitts des Mess­ luftkanals innerhalb der durch die Blende 21 abgeschatteten Zone (d. h. außerhalb der Zone D) liegen.

Daraus ergibt sich, daß sowohl der Einlaßabschnitt als auch der Auslaßabschnitt erfordern, daß die stromaufseitige Strö­ mung nicht gestört wird, da der Wert der Durchflußgeschwin­ digkeit in dem Messluftkanal durch eine Druckdifferenz zwi­ schen dem Einlaßabschnitt und dem Auslaßabschnitt bestimmt ist. Daher ist es in dem Fall, in dem eine Blende oder der­ gleichen stromaufseitig von dem Messluftkanal angeordnet ist, notwendig, die relativen Positionen des Einlaßabschnitts und des Auslaßabschnitts des Messluftkanals sowie die Abmessungen der Blende für die Erzielung eines niedrigen Ausgangssignal­ rauschens wie oben beschrieben zu optimieren.

Aus den Ergebnissen der Fig. 6 und 7 geht hervor, das für ei­ ne Reduzierung des fehlerhaften sprunghaften Anstiegs und des Ausgangssignalrauschens ein Bereich für das Verengungsver­ hältnis von 90% ≧ R ≧ 70% zweckmäßig ist.

Nun werden mit Bezug auf die Fig. 8 bis 10 weitere Ausfüh­ rungsformen beschrieben.

Fig. 8 ist eine Querschnittsseitenansicht einer weiteren Aus­ führungsform des Luftmassenmessers gemäß der Erfindung. In dem Luftmassenmesser ist ein geradliniges Rohr 41a mit Blen­ de, das einen Hauptluftkanal bildet, in den Nachfilterab­ schnitt (den stromabseitigen Abschnitt) 41 eines Ansaugluft­ filters 68 integriert. In Fig. 8 ist der Ansaugluftfilter 68 eines der das Ansaugsystem bildenden Ansaugrohrelemente aus dem Nachfilterabschnitt 41, in den das geradlinige Rohr 41a mit Blende der Hauptluftleitung 20 als Einheit integriert ist, und aus einem Vorfilterabschnitt (einem stromaufseitigen Abschnitt) 42 des Ansaugluftfilters 68 sowie aus einem Filte­ relement 43 aufgebaut.

In dieser Ausführungsform ist die Blende 21 in einem Ansaug­ luftauslaßabschnitt des Nachfilterabschnitts 41 des Ansaug­ luftfilters 68 (in einer Rohrleitung stromabseitig vom Luft­ filterelement 43) vorgesehen, wobei das als Luftmassenmesser dienende geradlinige Rohr 41a stromabseitig von der Blende einteilig angeschlossen ist und das Meßmodul 52 der in Fig. 1 gezeigten Messluftleitung 10 in eine Bohrung 25 einge­ setzt ist, die in einer Wandfläche des geradlinigen Rohrs 41a mit Blende vorhanden ist. Da in dieser Ausführungsform der Ansaugluftfilter 68 eines vorhandenen Ansaugrohrelements als Hauptluftleitung 20 mit Blende 21 und Bohrung 25 dient, ist eine besondere Luftmassenleitung nicht erforderlich, so daß die Systemkosten bei einer kundenspezifischen Fertigung redu­ ziert werden können.

Fig. 9 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausfüh­ rungsform des Luftmassenmessers gemäß der Erfindung. In dem Luftmassenmesser von Fig. 9 ist in dem Nachfilterabschnitt 41 eines Luftansaugfilters eine Blende 21 vorgesehen, ferner ist mit diesem Nachfilterabschnitt 41 des Luftansaugfilters eine Hauptluftleitung 20 verbunden. Fig. 10 ist eine vergrö­ ßerte Ansicht des Verbindungsabschnitts von Fig. 9. Fig. 10 zeigt Einzelheiten der Verbindung eines Lötabschnitts 47 und eines Verbindungsabschnitts 48.

Diese Ausführungsform ist grundsätzlich der Ausführungsform von Fig. 8 ähnlich, der Auslaßöffnungsabschnitt des Ansaug­ luftauslaßabschnitts des Luftansaugfilters 68 ist jedoch mit einer trompetenförmigen Blende 21 ausgebildet, wobei ein Kör­ per 53 der Hauptluftleitung 20 des Luftmassenmessers mit dem stromabseitigen Abschnitt mechanisch verbunden ist, indem er im Lötabschnitt 47 und im Verbindungsabschnitt 48 durch Kle­ ben oder Verschrauben befestigt wird. Das heißt, daß die Blende der Hauptluftleitung von der Hauptluftleitung selbst getrennt ist, da die Blende im Ansaugluftauslaßabschnitt des Ansaugrohrelements, das mit dem Hauptluftkanal verbunden ist, vorhanden ist. Da in dieser Ausführungsform ein Abschnitt des vorhandenen Ansaugrohrelements als Blende 21 dient, ist eine spezielle Luftmassenleitung nicht erforderlich. Ferner kann ein Luftmassenmesser ohne Blende verwendet werden. Daher kön­ nen die Systemkosten für eine kundenspezifische Fertigung re­ duziert werden.

Fig. 11 ist eine Ansicht einer Ausführungsform eines Verbren­ nungsmotors mit elektronischer Kraftstoffeinspritzsteuerung, die einen Luftmassenmesser gemäß der Erfindung enthält. Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform eines Kraftstoffsteuersy­ stems eines Verbrennungsmotors zum Steuern der Kraftstoffzu­ fuhrmenge unter Verwendung eines Luftmassensignals, das vom Luftmassenmesser gemäß der Erfindung erhalten wird.

Wie in Fig. 11 gezeigt ist, kann Ansaugluft 67 in einen Mo­ torzylinder 62 über ein Ansaugsystem angesaugt werden, das aus einem Luftreiniger 68, einem Körper 53 des Luftmassenmes­ sers, einer Rohrleitung 55, einem Drosselklappenkörper 58, einem Ansaugkrümmer 59 mit einer Einspritzeinrichtung 60, der Kraftstoff zugeführt wird, usw. aufgebaut ist. Anderer­ seits wird das im Motorzylinder 62 erzeugte Abgas durch einen Abgaskrümmer 64 ausgestoßen.

Eine Steuereinheit 66 empfängt ein von einem Meßmodul 52 des Luftmassenmessers ausgegebenes Luftmassensignal, ein Drossel­ klappenwinkelsignal, das von einem Drosselklappenwinkel- Sensor 57 ausgegeben wird, ein Sauerstoffkonzentrations­ signal, das von einem im Abgaskrümmer 64 vorgesehenen Sauer­ stoffkonzentrationsmesser 65 ausgegeben wird, ein Motordreh­ zahlsignal, das von einem Motordrehzahlsensor 61 ausgegeben wird, usw. Die Steuereinheit 66 verarbeitet diese Signale, um eine optimale Kraftstoffeinspritzmenge und einen Optimalen Leerlaufluft-Steuerventilöffnungsgrad zu erhalten, und steu­ ert die Einspritzeinrichtung 60 und das Leerlaufluft- Steuerventil 56 unter Verwendung dieser erhaltenen Werte, um eine an die Ansaugluftmasse angepaßte Kraftstoffmenge zu lie­ fern.

Da die Ansaugluftmasse im Verbrennungsmotor mit elektroni­ scher Kraftstoffeinspritzsteuerung, die den Luftmassenmesser gemäß der Erfindung enthält, geeignet gemessen werden kann, kann die elektronische Kraftstoffeinspritzsteuerung korrekt ausgeführt werden, so daß die Menge unverbrannter Kraftstoff­ gase im Abgas reduziert werden kann.

Wenn dieser Luftmassenmesser in einem Fahrzeug angebracht ist, reduziert erfindungsgemäß ein Anstieg der Durchflußge­ schwindigkeit in der durch die Blende mit einfacher Struktur gebildeten Durchflußzone bei pulsierendem Massenstrom, der einen Rückwärtsmassenstrom begleitet, einen fehlerhaften sprunghaften Anstieg des Ausgangssignals des Luftmassenmes­ sers. Außerdem wird die nachteilige Wirkung des Zweiwert- Phänomens abgeschwächt, so daß ein kostengünstiger und hoch­ genauer Luftmassenmesser geschaffen werden kann.

Weiterhin kann eine geeignete Kraftstoffsteuerung ausgeführt werden, wenn ein Fahrer das Gaspedal niederdrückt, was sich günstig auf die Abgasreinigung des Verbrennungsmotors mit elektronischer Kraftstoffeinspritzung auswirkt.

Claims (4)

1. Luftmassenmesser, mit einer Hauptluftleitung (20), die einen Hauptluftkanal (22) umschließt, durch den die zu messende Luft strömt, und mit einem Meßmodul (52), das einen Heizwiderstand (3) zum Messen einer Luftmasse aufweist und das in die Hauptluftleitung (20) einge­ setzt ist,
wobei der Heizwiderstand (3) des Meßmoduls (52) in einer Messluftleitung (10) vorgesehen ist, die einen Messluftkanal (13) umschließt, der einen Einlaßöff­ nungsabschnitt (11), dessen Einlaßfläche zum Hauptluft­ strom (23, 24) im wesentlichen senkrecht ist, sowie ei­ nen Auslaßöffnungsabschnitt (12), dessen Auslaßfläche zum Hauptluftstrom (23, 24) im wesentlichen parallel ist, besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß
die Hauptluftleitung (20) an der inneren Umfangswand stromauf von der Messluftleitung (10) eine Blende (21) aufweist, und
sowohl der Einlaßöffnungsabschnitt (11) als auch der Auslaßöffnungsabschnitt (12) innerhalb einer Durch­ flußzone (D) liegen, die sich, seitlich durch den Innen­ umfang der Blende (21) begrenzt, parallel zum Haupt­ luftstrom (23, 24) erstreckt.

2. Luftmassenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmes­ sungen der Blende (21) so gesetzt sind, daß das Ver­ hältnis der Querschnittsfläche der Blendenöffnung zur Querschnittsfläche des Hauptluftkanals (22) am Ort der Blende (21) in einem Bereich von 70 bis 90% liegt.

3. Luftmassenmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (21) so geformt ist, daß ihre stromaufseitige Randkante abgerundet und ihre stromabseitige Randkante rechteckig ist.

4. Verwendung eines Luftmassenmessers nach Anspruch 1 in einem Kraftstoffsteuersystem für Verbrennungsmotoren unter Verwendung eines von dem Luftmassensensor ausge­ gebenen Luftmassensignals.