DE19814972C2

DE19814972C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer in einem Strömungskanal zu einer Maschine oder von einer Maschine strömenden Fluidströmung

Info

Publication number: DE19814972C2
Application number: DE19814972A
Authority: DE
Inventors: Willem Van Marion; Sebastien Mafrica; Tom Ritz
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2018-04-04
Also published as: DE19814972A1; US6381548B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer in einem Strömungskanal zu einer Maschine oder von einer Maschine strömenden Fluidströmung, insbesondere einer Luftströmung, mittels eines mit einer Auswerteinrichtung verbundenen Fluidmassenmessers. Verfahren und Vorrichtungen dieser Art dienen beispielsweise beim Betrieb eines Verbrennungsmotors zum Messen der momentan vom Motor angesaugten Luft.

Zur Steuerung moderner Verbrennungsmotoren, insbesondere solchen, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, werden Steuereinrichtungen eingesetzt, die einen möglichst optimalen Betrieb des Motors in Abhängigkeit von den wechselnden Anforderungen des Fahrzeugführers ermöglichen. Die Steuereinrichtungen erfassen zu diesem Zweck alle wesentlichen Betriebsgrößen des Motors und geben in Abhängigkeit von den Vorgaben des Fahrzeugführers und unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Motors Steuerbefehle an diesen und die zugehörigen Versorgungsaggregate ab, welche an den jeweiligen Betriebszustand angepaßt sind. Ein Ziel dieses sogenannten "Motormanagments" besteht dabei darin, bei geringem Kraftstoffverbrauch und geringem Schadstoffausstoß in jeder Betriebssituation eine optimale Leistung bereitzustellen.

Der Kraftstoffverbrauch und der Schadstoffausstoß werden bei einem Verbrennungsmotor wesentlich durch das Verhältnis bestimmt, in dem die Luftmasse und die Brennstoffmasse stehen, welche von dem Motor angesaugt werden. Dabei wird die zum Motor strömende Luftmasse direkt durch den Fahrzeugführer beeinflußt, welcher eine Verstellung der Drosselklappe im Luftansaugkanal bewirkt. Ist die Drosselklappe geschlossen, so strömt nur eine geringe Luftmasse durch den Ansaugkanal. Bei voll geöffneter Drosselklappe steht dagegen annähernd der volle Kanalquerschnitt für die Luftströmung zur Verfügung.

Um eine der jeweiligen Anforderung des Fahrzeugführers entsprechende Leistung bereitzustellen, muß in den jeweils aktiven Verbrennungsraum des Motors eine der zum Motor strömenden Luftmasse entsprechende Brennstoffmasse gegeben werden. Zu diesem Zweck wird die durch den Ansaugkanal strömende Luftmasse erfaßt und mittels der Motorsteuereinrichtung die Brennstoffmasse bestimmt, die für eine abgasarme Verbrennung ausreicht. Die Genauigkeit, mit der dabei das optimale Verhältnis der zur Verbrennung gebrachten Brennstoffmasse zur angesaugten Luftmasse eingehalten wird, ist unmittelbar abhängig von der Exaktheit, mit welcher der Luftmassenstrom gemessen wird. Es ist festgestellt worden, daß schon geringe Abweichungen des Meßergebnisses von der tatsächlich zugeführten Luftmasse zu einer Vervielfachung des Anteils bestimmter schädlicher Bestandteile der Verbrennungsgase führen. Im Hinblick auf die immer strenger werdenden gesetzlichen Auflagen zur Reduzierung von Schadstoffemissionen werden daher immer höhere Anforderungen an die Meßgenauigkeit von Vorrichtungen gestellt, mit denen der Luftstrom im Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors erfaßt wird.

Ein grundsätzliches Problem bei der Messung eines Fluidstroms, der von einer Maschine angesaugt wird bzw. von dieser abgegeben wird, besteht darin, daß der Verlauf der Strömung nicht konstant ist. Dies wird unter anderem dadurch verursacht, daß in der Regel das Ansaugen oder Fördern des Fluids durch die Maschine nicht in einem kontinuierlichen Arbeitsgang erfolgt. Statt dessen wird dieser Vorgang zumeist pulsierend durchgeführt. Dies hat zur Folge, daß die Strömung des Fluids nicht konstant ist. Hinzu kommt, daß die Resonanzeigenschaften der Kanäle, durch welche das Fluid strömt, zu Rückströmungen des Fluids führen.

Besonders problematisch ist das Strömungsverhalten eines Luftstroms, der über einen für die Verbrennungsräume eines Verbrennungsmotors gemeinsamen Ansaugkanal angesaugt wird. Da an diesen Strömungskanal nicht nur jeweils der mit Luft und Brennstoff zu versorgende, bezogen auf die Luftansaugung aktive Verbrennungsraum, sondern auch die jeweils anderen Verbrennungsräume angeschlossen sind, kommt es beispielsweise durch die Bewegung der den Zutritt zu den Verbrennungsräumen regelnden Einlaßventile, durch Bewegungen der Zylinder in den Verbrennungsräumen, durch die Abgasrückführung etc. zu Druckstößen, die eine pulsierende, der Ansaugrichtung entgegengesetzte Luftströmung auslösen. Dabei liegt die größte Pulsation bei maximaler Drosselklappenöffnung oder maximaler Abgasrückführung vor. Die unter anderem durch diese Störung verursachte Ungleichförmigkeit des Strömungsverlaufs führt beispielsweise zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Genauigkeit der Meßergebnisse bei der Luftmassenmessung.

Es ist versucht worden, die voranstehend erläuterten Probleme bei der Messung eines Fluidstroms dadurch zu lösen, daß die Pulsation durch eine entsprechende bauliche Anordnung der Meßfühler kompensiert wird. So ist aus der Praxis für die Messung eines von einem Kraftfahrzeugverbrennungsmotors angesaugten Luftmassenstroms beispielsweise ein sogenannter "bidirektionaler Luftmassenmesser (BDAM)" bekannt, bei dem in Strömungsrichtung vor und hinter einem Heizelement jeweils ein Temperatursensor angeordnet ist. Das Heizelement wird bei konstanter Temperatur gehalten. Ist keine Luftströmung vorhanden, so liegt an beiden Temperatursensoren die gleiche Temperatur vor. Erfolgt die Anströmung dagegen aus einer bestimmten Strömungsrichtung, so ergibt sich eine Temperaturdifferenz zwischen den Sensoren. Diese Temperaturdifferenz liefert nicht nur eine Information über den Massenstrom der Luft, sondern auch über dessen Strömungsrichtung.

Mit dem voranstehend erläuterten Fluidmassenmesser läßt sich zwar eine Verbesserung der Qualität des Meßergebnisses im Vergleich zu einem konventionellen Heißdraht- oder Heißfilm-Luftmassenmesser erreichen. In der Praxis zeigt sich jedoch, daß diese Verbesserung nicht ausreicht, um den immer strenger werdenden Anforderungen gerecht zu werden.

Aus DE 35 09 118 C2 ist ein Verfahren zur Auswertung der Signalform des Signals eines Luftmassensensors bekannt. Das bekannte Verfahren ermöglicht es, das Auftreten von Rückpulsationen durch relative Maxima oder durch Änderung der Steigung der Flanken des Signals zu erkennen.

Der DE 32 18 931 C2 ist zu entnehmen, daß ein durch eine Rückströmung des Luftstroms verursachter Meßfehler des Luftmassensensors korrigiert werden kann, indem die Zeit aufgenommen wird, in der das Meßsignal größer als ein zu erwartender maximaler mittlerer Durchflußwert ist. In der Regel wird erwartet, daß sich bei Resonanzpulsationen an den Zeitabschnitt, in dem das Signal größer als der maximale mittlere Durchflußwert ist, ein Zeitabschnitt anschließt, in dem das Signal kleiner als ein minimaler Durchflußwert ist, also einer Rückströmung entspricht. Da das Vorzeichen der Strömung durch den Luftmassensensor nicht bestimmt werden kann, wird gemäß DE 32 18 931 C2 das Vorzeichen des Meßsignals für die gleiche Zeit, in der die Strömung den maximalen mittleren Durchflußwert überschritten hat, umgekehrt, wenn die Strömung anschließend den minimalen Durchflußwert unterschreitet.

Aus der DE 196 33 680 A1 ist es bekannt, zur Korrektur der Meßfehler eines Luftmassensensors ein Korrekturkennfeld, das über dem Drosselklappenwinkel und der Drehzahl aufgespannt ist, zu verwenden. Dabei können Änderungen der Ansaugtemperatur berücksichtigt werden, indem die Drehzahlstützstellen des Kennfelds als temperaturabhängige Kennlinien abgelegt werden.

Die DE 44 33 044 A1 befaßt sich mit der Korrektur von Meßfehlern eines Luftmassensensors für einen Verbrennungsmotor. Ursache der Fehler sind Pulsationen des durch den Luftmassensensor strömenden Luftstroms, die durch die wechselweise geöffneten und geschlossenen Einlaßventile der einzelnen Verbrennungskammern zustande kommen. Zur Korrektur dieser Fehler sieht der aus der DE 44 33 044 A1 bekannte Stand der Technik ein Korrekturkennfeld vor, in dem in Abhängigkeit von Drosselklappenwinkel und Drehzahl Korrekturfaktoren abgelegt sind. Diese Korrekturfaktoren dienen dazu, das Meßergebnis des Luftmassensensors in Abhängigkeit des Betriebszustands des Verbrennungsmotors, gegeben durch Drosselklappenwinkel und Drehzahl, zu korrigieren.

Zur Erfassung von Pulsationen eines Luftmassenstroms in einem Luftmassensensor werden gemäß der EP 0 575 635 A1 schließlich während des ganzen oder eines Teils des Saughubes eines Zylinders der Brennkraftmaschine der minimale und maximale Extremwert der vom Luftmassensensor gelieferten Meßwerte ermittelt. Aus diesen beiden Extremwerten wird ein Differenzwert gebildet. Überschreitet der Differenzwert einen vorgegebenen Schwellenwert, wird die Pulsation als so groß angesehen, daß die Meßwerte zur Steuerung der Gemischaufbereitung nicht mehr direkt verwendbar sind. Statt dieser Meßwerte erhält die Gemischaufbereitung Ersatzwerte aus einem Ersatzkennfeld in Abhängigkeit von Drosselklappenwinkel und der Drehzahl des Motors.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine ausreichend genaue Messung eines durch einen Kanal strömenden Fluidstroms ermöglichen.

In bezug auf das Verfahren wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem in einem regelmäßig durchgeführten Zyklus

- eine den Betriebszustand der Maschine kennzeichnende Betriebskenngröße erfaßt wird,
- die von dem Fluidmassenmesser gelieferten Meßwerte erfaßt werden, aus den seit dem Beginn eines Zeitintervalls erfaßten Meßwerten mindestens ein Extremwert bestimmt wird,
- aus den erfaßten Meßwerten ein Mittelwert bestimmt wird,
- eine Pulsationsamplitude bestimmt wird, indem der Extremwert durch den Mittelwert dividiert wird, und
- der Mittelwert korrigiert wird, indem er mit einem Korrekturfaktor multipliziert wird, welcher in Abhängigkeit von der Betriebskenngröße und der Pulsationsamplitude aus einer Vielzahl von in einem Speicher der Auswerteinrichtung abgespeicherten Korrekturfaktoren ausgewählt wird, die für den Fluidmassenmessertyp in Verbindung mit dem Maschinentyp in einem Betriebsversuch ermittelt worden sind.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Fehler bei der Messung einer Massenströmung eines Fluides dadurch zu reduzieren, daß zunächst aus den innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls erfaßten Meßwerten ein Mittelwert gebildet wird und daß anschließend in Abhängigkeit bestimmter den jeweiligen Betriebszustand der Maschine, die Eigenschaften des Luftmassenmessers und das Verhalten der gemessenen Fluidströmung während des Meßintervalls kennzeichnender Parameter eine Korrektur dieses nach wie vor fehlerbehafteten Mittelwerts durchgeführt wird. Der so korrigierte Mittelwert steht als Ergebnis der Fluidmassenstrommessung für eine Weiterverarbeitung zur Verfügung. Auf diese Weise liefert das erfindungsgemäße Verfahren ohne aufwendige bauliche Veränderungen des Strömungskanals, des Fluidmassenmessers, der Auswerteinrichtung oder anderer die Messung beeinflussender Bauteile ein beispielsweise für die Steuerung einer Maschine verwendbares Meßergebnis, welches innerhalb der geforderten engen Fehlertoleranzgrenzen liegt.

Zur Vorbereitung der Korrektur des zuvor ermittelten Mittelwerts wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Extremwert festgehalten. Dieser Extremwert wird über den Mittelwert normiert. Auf diese Weise steht gemäß der Erfindung eine als "Pulsationsamplitude" bezeichnete Größe zur Verfügung, die eine Aussage über das Verhalten der Fluidströmung während der Erfassung der Meßwerte, insbesondere über die periodisch auftretenden Schwankungen der Geschwindigkeit und Fließrichtung der Fluidströmung, darstellt. Die Berechnung der Pulsationsamplitude erlaubt bei Berücksichtigung der ebenfalls erfaßten Maschinenkenngröße darüber hinaus eine Voraussage des Fehlers, welchen der Fluidmassenmesser typischerweise bei dem betreffenden Betriebszustand der Maschine und bei dem betreffenden Verhalten der Fluidströmung liefert.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß sich auf Grundlage der Pulsationsamplitude eine Korrektur der Mittelwerte auch dann zuverlässig durchführen läßt, wenn sich die äußeren Bedingungen, wie Umgebungstemperatur, -druck und Luftfeuchte ändern, durch welche das Strömungs- und Pulsationsverhalten des Fluids verändert wird.

Das für den jeweils eingesetzten Fluidmassenmesser in Verbindung mit der jeweils eingesetzten Maschine typische Meßverhalten wird erfindungsgemäß in einem Betriebsversuch ermittelt, bei dem ein Prototyp des Fluidmassenmessers in Verbindung mit einem Prototypen der Maschine untersucht wird. Sowohl der Prototyp des Fluidmassenmessers als auch der Prototyp der Maschine sind dabei repräsentativ für den in Serie eingesetzten Fluidmassenmesser- und Maschienentyp.

Im Zuge des Betriebsversuchs werden die Korrekturfaktoren bestimmt, mit denen das jeweils einer bestimmten Maschinenkenngröße und einer bestimmten Pulsationsamplitude zugeordnete fehlerbehaftete Meßergebnis typischerweise so korrigiert werden kann, daß es innerhalb der zulässigen Toleranz liegt. Es ist festgestellt worden, daß das derart für den Fluidmassenmessertyp in Verbindung mit dem Maschinentyp ermittelte Meßverhalten und die entsprechend ermittelten Korrekturfaktoren für alle anderen Fluidmassenmesser dieses Typs gilt, welche an Maschinen des betreffenden Maschinentyps eingesetzt werden. Dies gilt selbst dann, wenn Veränderungen am Strömungskanal vorgenommen werden, wobei es selbstverständlich ist, daß die Wirksamkeit der anhand der Korrekturfaktoren durchgeführten Korrektur vor dem endgültigen Einsatz des veränderten Strömungskanals überprüft wird. Die Erfindung ermöglicht es so, die für die Entwicklung des Luftwegs bzw. die Abstimmung des Motormanagement beispielsweise eines Verbrennungsmotors benötigte Zeit beträchtlich zu verkürzen. Anders als bei bekannten Methoden zur Bestimmung des Luftmassenstroms, ist es nun nicht mehr erforderlich, die Meßeinrichtung als solche an jede Änderung der Parameter des Motormanagments bzw. des Strömungskanals erneut anzupassen.

Die in dem Betriebsversuch gewonnenen Korrekturfaktoren werden in einem Speicher der Auswerteinrichtung gespeichert, wobei der Zugriff auf jeweils einen bestimmten Korrekturfaktor in Abhängigkeit von der ihm jeweils zugeordneten Pulsationsamplitude und der jeweils zugeordneten Maschinenkennzahl erfolgt. Eine Veränderung der so abgespeicherten Korrekturfaktoren während des Einsatzes der Maschine wird in der Regel nicht vorgesehen sein. Es ist im Rahmen der Erfindung jedoch ebenfalls möglich, eine Veränderung der Korrekturdaten im Sinne eines selbstlernenden Systems dann vorzunehmen, wenn durch geeignete Kontrollinstanzen festgestellt wird, daß die an einem Mittelwert jeweils vorgenommene Korrektur nicht ausreichend ist.

Als Zeitintervall kann grundsätzlich jede Zeitspanne gewählt werden, innerhalb der eine für eine verläßliche Mittelwertbildung ausreichende Anzahl von Meßwerten erfaßt werden kann. In solchen Fällen, in denen die Maschine periodisch sich wiederholende Betriebsabläufe aufweist, ist es jedoch günstig, das Zeitintervall in Beziehung zu der Zeit zu setzen, innerhalb der die betreffende Periode von der Maschine durchlaufen wird. Bei Verbrennungsmotoren hat es sich in diesem Zusammenhang beispielsweise als vorteilhaft erwiesen, wenn das Zeitintervall einem Bruchteil, insbesondere der Hälfte, der für einen Kurbelwellenumlauf benötigten Zeit entspricht.

Insbesondere dann, wenn es sich bei der Maschine um einen Verbrennungsmotor handelt, welcher zudem vorzugsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, ist es auch vorteilhaft, wenn als Betriebskenngröße die Drehzahl und/oder die Kurbewellenwinkelstellung der Maschine erfaßt wird.

Eine digitalisierte Verarbeitung der Meßwerte kann dadurch vereinfacht werden, daß die vom Fluidmassenmesser abgegebenen Meßwerte taktweise erfaßt werden. Vorzugsweise erfolgt dabei die taktweise Erfassung mit einer Abtastfrequenz, welche mindestens 1 kHz beträgt.

Insbesondere bei der taktweisen Erfassung der Messwerte ist es günstig, wenn am Ende jedes Zeitintervalls stets ein Meßwert erfaßt wird. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß auch dann der für die Mittelwertbildung in vielen Fällen wichtige Meßpunkt am Ende des Zeitintervalls erfaßt wird, wenn die Länge des Zeitintervalls keinem ganzen Vielfachen der Taktzeit entspricht.

Grundsätzlich kann zur Ermittlung des Mittelwerts der Meßwerte eines Meßintervalls jede dazu geeignete numerische Methode verwendet werden. Im Hinblick auf die praktische Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich in diesem Zusammenhang als günstig erwiesen, wenn der Mittelwert das trapezförmige Mittel der Meßwerte ist.

Der zur Ermittlung der Pulsationsamplitude herangezogene Extremwert wird in Abhängigkeit von der Charakteristik des jeweiligen aus Maschine, Strömungskanal und Fluidmassenmesser gebildeten Systems bestimmt. Überwiegen bei einem solchen System beispielsweise positive bzw. negative Meßwertabweichungen, so kann es vorteilhaft sein, wenn der Extremwert der größten positiven bzw. negativen Abweichung der Meßwerte vom Mittelwert entspricht. In anderen Fällen, bei denen beispielsweise eine im Positiven und Negativen relativ ausgeglichene Verteilung der Abweichungen vorliegt, kann es vorteilhaft sein, den positiven und den negativen Extremwert der Meßwerte zu erfassen und zur Berechnung der Pulsationsamplitude das Mittel der Beträge dieser beiden Extremwerte durch den Mittelwert der Meßwerte zu dividieren.

Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren bei der Messung eines von einem Kraftfahrzeug- Verbrennungsmotor angesaugten Luftstroms einsetzen. Die von der Auswerteinrichtung dem Motormanagement zur Verfügung gestellten korrigierten Meßdaten erfüllen selbst strengste Anforderungen der Automobilindustrie. Dies gilt insbesondere dann, wenn entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren der vom Motor angesaugte Luftmassenstrom gemessen wird.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die voranstehend genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Messen einer in einem Strömungskanal zu einer Maschine oder von einer Maschine strömenden Fluidströmung, insbesondere einer Luftströmung, mit einer Auswerteinrichtung und einem mit der Auswerteinrichtung verbundenen Fluidmassenmesser gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß

- die Auswerteinrichtung eine Meßwerterfassungseinrichtung, welche die von dem Fluidmassenmesser gelieferten Meßwerte erfaßt,
- eine Einrichtung zum Erfassen eines Betriebskennwertes der Maschine,
- einen Zeitgeber, welcher den Beginn und das Ende eines Meßintervalls angibt,
- einen Speicher, welcher die vom Fluidmassenmesser gelieferten Meßwerte speichert,
- einen Speicher, in welchem Korrekturfaktoren derart abgespeichert sind, daß ein Zugriff auf einen bestimmten dieser Korrekturfaktoren in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebskennwert und einer jeweiligen Pulsationsamplitude möglich ist, und
- eine Recheneinheit aufweist,
- welche aus den während eines Zeitintervalls erfaßten Meßwerten einen Extremwert bestimmt,
- welche aus den Meßwerten einen Mittelwert bestimmt und in einem Speicher ablegt,
- welche eine Pulsationsamplitude bestimmt, indem sie den Extremwert durch den Mittelwert dividiert, und
- welche eine Korrektur des von ihr ermittelten Mittelwerts vornimmt, indem sie ihn mit dem in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebskenngröße und der jeweiligen Pulsationsamplitude aus dem Speicher gelesenen Korrekturfaktor multipliziert.

Vorzugsweise wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Fluidmassenmesser ein in dem Strömungskanal angeordneter bidirektionaler Fluidmassenmesser verwende, bei dem in Strömungsrichtung vor und hinter einer Heizeinrichtung jeweils ein Temperatursensor angeordnet ist. Ein derartiger Fluidmassenmesser wird in der Regel zum Messen des von einer Maschine, insbesondere einem Verbrennungsmotor, angesaugten Luftstroms eingesetzt. Er liefert aufgrund seiner besonderen Bauart bei kurzen Ansprechzeiten Meßergebnisse, die mit einem relativ geringen Meßfehler belastet sind. Auch dieser Meßfehler wird jedoch in Abhängigkeit von der Pulsationsamplitude größer.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidmassenmesser und die Auswerteinrichtung eine Baueinheit bilden. Dies ermöglicht es einem Zulieferbetrieb, insbesondere bei einer Massenproduktion, wie sie im Automobilbau die Regel ist, dem weiterverarbeitenden Betrieb eine fertig konfektionierte Baueinheit zur Verfügung zu stellen, die an einer Schnittstelle ein zuverlässiges, problemlos weiterzuverarbeitendes Meßsignal zur Verfügung stellt. Auch in dieser Ausführungsvariante kann die Auswerteinrichtung applikationsspezifisch in der Produktion abgestimmt werden.

Nach einer, je nach Anwendungsfall ebenfalls vorteilhaften, anderen Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet die Auswerteinrichtung einen Teil eines zur Steuerung des jeweiligen Motors eingesetzen Steuergeräts.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung und anhand von Diagrammen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine an einem Verbrennungsmotor eingesetzte Vorrichtung zum Messen des von dem Verbrennungsmotor angesaugten Luftmassenstroms in einer schematischen Darstellung;

Fig. 2 einen bidirektionalen Luftmassenmesser in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 3 den Sensor des Luftmassenmessers in vergrößerter Draufsicht;

Diagramm 1 über die Pulsationsamplitude aufgetragene Mittelwertfehler vor der Fehlerkorrektur bei bestimmten Betriebspunkten;

Diagramm 2 die über die Pulsationsamplitude aufgetragenen, in Diagramm 1 dargestellten Mittelwertfehler nach der Fehlerkorrektur für die in Diagramm 1 angegebenen Betriebspunkten;

Diagramm 3 über die Erfassungstakte aufgetragen den Verlauf der von dem bidirektionalen Fluidmassenmesser gelieferten Meßwerte;

Diagramm 4 das Speicherschema, nach dem die Korrekturfaktoren im Speicher einer die Meßergebnisse des bidirektionalen Fluidmassenmessers verarbeitenden Auswerteinrichtung gespeichert sind.

Die Vorrichtung 1 zum Messen des von einem Verbrennungsmotor VM angesaugten Luftmassenstroms L weist eine Auswerteinrichtung 2 und einen als bidirektionalen Luftmassenmesser ausgebildeten Luftmassenmesser 3 auf, der an den ersten Signaleingang 4 der Auswerteinrichtung 2 angeschlossen ist. Der Luftmassenmesser 3 ist im Bereich des Eingangs einer Verteilerkammer V an einem Verbindungsrohr R positioniert, durch welches die Verteilkammer V mit einem Luftfilter F verbunden ist. An die Verteilerkammer V sind zusätzlich die Ansaugkanäle S1, S2, S3, S4 der Verbrennungsräume des Motors VM angeschlossen. Der Luftfilter F, das Verbindungsrohr R und die Verteilerkammer V bilden den Strömungskanal, durch welchen der Verbrennungsmotor VM den Luftmassenstrom L saugt. Die Funktion des Verbrennungsmotors M, insbesondere die Menge des in die Brennkammern des Motors eingespritzten Brennstoffs, wird über eine Einspritz-Steuereinrichtung G gesteuert, die über eine Signalleitung 5 mit dem Ausgang 6 der Auswerteinrichtung 2 verbunden ist. Die Steuereinheit G und die Auswerteinrichtung 2 können gemeinsam Teil eines weiter nicht dargestellten Motorsteuergeräts sein.

An einem zweiten Signaleingang 7 der Auswerteinrichtung 2 liegt das Signal eines Drehzahlmessers Z an, über den die Drehzahl und die Kurbelwellenwinkelstellung des Verbrennungsmotors VM der Auswerteinrichtung 3 zur Verfügung steht. Neben anderen hier nicht erläuterten Elementen, die üblicherweise für den Betrieb derartiger Einrichtungen benötigt werden, ist die Auswerteinrichtung 2 mit einer Meßwerterfassungseinrichtung 8, einer Recheneinheit 9, einem Zeitgeber 10 einem ersten Speicher 11 und einem zweiten Speicher 12 ausgestattet.

Der Zeitgeber 10 der Auswerteinrichtung 2 gibt in Abhängigkeit von der Kurbewellenwinkelstellung den Anfang t_s und das Ende t_e jeweils aufeinander folgender Zeitintervalle t₁, t₂, . . ., t_n an, innerhalb derer taktweise die von dem Luftmassenmesser 3 gelieferten Meßwerte M₁, M₂, . . ., M_n von der Meßwerterfassungseinrichtung 8 erfaßt werden. Die so erfaßten Meßwerte M₁, M₂, . . ., M_n werden im ersten Speicher 11 der Auswerteinrichtung 2 zeitweilig gespeichert. Die Länge der von dem Zeitgeber 10 angegebenen Zeitintervalle t₁, t₂, . . ., t_n entspricht dabei jeweils der Zeitspanne, welche die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors VM für eine halbe Umdrehung benötigt. Zusätzlich erfaßt die Meßwerterfassungseinrichtung 8 die jeweilige Drehzahl D₁, D₂, . . ., D_n des Verbrennungsmotors VM im jeweiligen Zeitintervall t₁, t₂, . . ., t_n.

In dem zweiten Speicher 12 der Auswerteinrichtung 2 sind Korrekturfaktoren K₁₁, K₁₂, . . ., K_mn (n, m aus der Menge der natürlichen Zahlen) nach dem in Diagramm 4 dargestellten Schema gespeichert. Dabei ist jedem Korrekturfaktor K₁₁, K₁₂, . . ., K_mn jeweils eine bestimmte Drehzahl D₁, D₂, . . ., D_n und eine bestimmte Pulsationsamplitude P₁, P₂, . . ., P_m zugeordnet. Auf diese Weise kann die Recheneinheit 9, nachdem eine bestimmte Drehzahl D₁, D₂, . . ., D_n festgestellt worden ist und nachdem sie eine bestimmte Pulsationsamplitude P₁, P₂, . . ., P_m ermittelt hat, direkt auf den jeweils zugehörigen Korrekturfaktor K₁₁, K₁₂, . . ., K_mn zugreifen. Liegt im Zeitintervall t₁ beispielsweise die Drehzahl D₃ vor und ist gleichzeitig die Pulsationsamplitude P₂ ermittelt worden, so greift die Recheneinheit auf den Korrekturfaktor K₂₃ zu. Dieser wird dann, wie weiter unten im einzelnen erläutert, mit dem Mittelwert W_ma der im Zeitintervall t₁ erfaßten Meßwerte M₁, M₂, . . ., M_n multipliziert, um einen korrigierten Mittelwert W_kma der Einspritz-Steuereinsrichtung G zur Verfügung zu stellen.

Der Luftmassenmesser 3 weist ein Gehäuse 20 auf, an dessen in das Verbindungsrohr R ragender Stirnwand 21 eine senkrecht von der Stirnwand 21 in das Verbindungsrohr R vorstehende Keramikträger 22 befestigt ist. Der Keramikträger 22 trägt einen Sensor 23, der aus einem Heizelement 24, welches sich im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung LR der Luftmassenströmung L erstreckt, und jeweils in Strömungsrichtung LR vor und hinter dem Heizelement 24 achsparallel und beabstandet zu dem Heizelement 24 sich erstreckende Temperatursensoren 25, 26 gebildet ist. Oberhalb des Keramikträgers 23 ist ein stiftförmiger Vorsprung 27 an die Stirnwand 21 angeformt.

Sobald der Zeitgeber 10 in Abhängigkeit von der Kurbelwellenwinkelstellung (Diagramm 3) den Beginn t_s eines Zeitintervalls t₁, t₂, . . ., t_n angezeigt hat, werden die vom Luftmassenmesser 3 gelieferten Meßwerte M₁, M₂, . . ., M_n taktweise mit einer Abtastfrequenz von 1 kHz von der Auswerteinrichtung 2 erfaßt und im ersten Speicher 11 abgelegt. Gleichzeitig wird der positive Extremwert E_p und als Betriebskenngröße die momentane Drehzahl D_a festgehalten.

Nach einer ersten Variante der Erfindung werden die Meßwerte M₁, M₂, . . ., M_n mindestens für die Dauer des jeweiligen Zeitintervalls t₁, t₂, . . ., t_n in dem ersten Speicher 11 gespeichert. Die Recheneinheit 9 ermittelt in diesem Fall nach dem Ende des jeweiligen Zeitintervalls t₁, t₂, . . ., t_n aus den Meßwerten M₁, M₂, . . ., M_n einen Mittelwert W_ma.

Alternativ ist es möglich, daß die Recheneinheit 9 schon während der Erfassung der Meßwerte M₁, M₂, . . ., M_n auf Grundlage des jeweils aktuell erfaßten Meßwerts M₁, M₂, . . ., M_n einen (Zwischen)Mittelwert bildet und diesen in dem Speicher 11 ablegt. Dieser Mittelwert wird mit jedem neu erfaßten Meßwert M₁, M₂, . . ., M_n aktualisiert, so daß er am Ende des jeweiligen Zeitintervalls t₁, t₂, . . ., t_n dem gesuchten Mittelwert W_ma aller während dieses Zeitintervalls t₁, t₂, . . ., t_n erfaßten Meßwerte M₁, M₂, . . ., M_n entspricht. Bei dieser Ausführungsvariante ist es lediglich erforderlich, jeweils den (Zwischen)Mittelwert und beispielsweise die Anzahl der erfaßten Meßpunkte oder den vorletzten Meßpunkt für die Mittelwertbildung in dem ersten Speicher 11 zu speichern. Der Speicher 11 kann in diesem Fall sehr viel kleiner sein als bei der ersten Ausführungsvariante.

Anschließend wird die Pulsationsamplitude P_b bestimmt, indem der positive Extremwert E_p durch den ermittelten Mittelwert W_ma geteilt wird. Dann wird der der Drehzahl D_a und dem Pulsationswert P_b entsprechende Korrekturfaktor K_ba aus dem Speicher 12 der Auswerteinrichtung 3 gelesen und mit dem Mittelwert W_ma multipliziert. Der entsprechend korrigierte Mittelwert W_kma wird der Steuereinrichtung G bzw. dem nicht dargestellten Motorsteuergerät zur Weiterverarbeitung zur Verfügung gestellt.

Der voranstehend erläuterte Verfahrensablauf wird wiederholt, solange der Verbrennungsmotor in Betrieb ist.

In Diagramm 1 sind beispielhaft für eine Vielzahl von Pulsationsamplituden P₁, P₂, . . ., P_n die Fehler der zugehörigen unkorrigierten Mittelwerte dargestellt, die aus den von dem Luftmassenmesser 3 bei bestimmten Drehzahlen D₁, D₂, D₃, D₄, D₅ erfaßten Meßwerten ermittelt worden sind. Es ist deutlich erkennbar, daß bei diesem Typ von Luftmassenmesser in Verbindung mit dem Maschinentyp bei bestimmten Drehzahlen typischerweise Fehler von mehr als 25% auftreten, wobei die häufigsten Abweichungen zwischen -10% und -20% liegen. Bemerkenswert ist, daß der Fehler in den weitaus meisten Fällen mit zunehmender Pulsationsamplitude P₁. . . P₁₆ zunimmt.

Im Diagramm 2 sind die korrigierten Mittelwerte entsprechend der Darstellung in Diagramm 1 aufgetragen.

Es ist ersichtlich, daß die Abweichungen der durch die Korrekturfaktoren K₁₁, K₁₂, . . ., K_mn korrigierten Mittelwerte vom Referenzwert der Luftmasse L zum weitaus überwiegenden Teil in einem Bereich von +/-5% liegen. Sie genügen damit selbst strengsten Anforderungen.

Die Korrekturfaktoren K₁₁, K₁₂, . . ., K_nm sind in einem Betriebsversuch ermittelt worden, bei dem das Meßverhalten eines zum Typ des jeweils eingesetzten Luftmassenmessers 2 gehörender Luftmassenmessers untersucht worden ist, welcher in Verbindung mit einem zum Typ des jeweils eingesetzten Verbrennungsmotors VM gehörenden Verbrennungsmotor betrieben worden ist. Bei diesem Betriebsversuch wurde bei einer Vielzahl jeweils festgelegter Drehzahlen durch einen Referenz- Luftmassenmesser, der von den Störungen der Luftströmung durch eine entsprechende Ausbildung des Strömungskanals in seinem Bereich unbeeinflußt war, die tatsächliche Luftmasse (Referenzluftmassenwert) bestimmt, die von dem Verbrennungsmotor angesaugt wurde. Gleichzeitig wurden die Meßergebnisse des Luftmassenmessers erfaßt, dessen Position der Position des Luftmassenmessers im praktischen Einsatz entspricht. Aus den auf diese Weise innerhalb eines Zeitintervalls bei vorgegebener Drehzahl erfaßten Meßwerten wurde dann ein Mittelwert gebildet. Dieser Mittelwert wurde mit dem von dem Referenz- Luftmassenmesser gemessenen Referenzluftmassenwert verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs lieferte den Korrekturfaktor, mit welchem multipliziert der fehlerbehaftete Meßwert in Übereinstimmung mit dem Referenzluftmassenwert gebracht werden kann. Schließlich wurde entsprechend der voranstehend erläuterten Vorgehensweise aus den Meßwerten des Luftmassenmessers eine zugehörige Pulsationsamplitude bestimmt, um eine Zuordnung des jeweiligen Korrekturfaktors zum jeweiligen Betriebszustand des Verbrennungsmotors (Drehzahl) und dem jeweiligen Zustand der Luftströmung (Pulsationsamplitude) zu ermöglichen.

Durch die erfindungsgemäße Art der Korrektur in Abhängigkeit von der Pulsationsamplitude ist man unabhängig von Resonanzveränderungen im Ansaugrohr, die abhängig vom Umgebungszustand, wie der Temperatur, dem Druck oder der Luftfeuchtigkeit, sind.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung zum Messen des von einem Verbrennungsmotor angesaugten Luftstroms

2

Auswerteinrichtung

3

Luftmassenmesser

4

Signaleingang

5

Signalleitung

6

Ausgang der Auswerteinrichtung

7

zweiter Signaleingang

8

Meßwerterfassungseinrichtung

9

Recheneinheit

10

Zeitgeber

11

erster Speicher

12

zweiter Speicher

20

Gehäuse

21

Stirnwand

22

Keramikträger

23

Sensor

24

Heizelement

25

,

26

Temperatursensoren

27

Vorsprung
D1, . . ., Dn Drehzahlen
D_a

;momentane Drehzahl
S1, S2, S3, S4 Ansaugkanäle
E_p

, E_n

;Positiver bzw. negativer Extremwert
F Luftfilter
G Einspritz-Steuereinrichtung
K₁₁

, . . ., K_nm

;Korrekturfaktoren
K_ba

;momentaner Korrekturfaktor
L Luftstrom
LR Strömungsrichtung
M₁

, M₂

, M₃

, . . ., M_n

;Meßwerte
P₁

, . . ., P_m

;Pulsationsamplitude
P_b

;Momentane Pulsationsamplitude
R Verbindungsrohr
t₁

, t₂

, . . ., t_n

;Zeitintervalle
t_s

;Anfang der Zeitintervalle
t_e

;Ende der Zeitintervalle
V Verteilerkammer
VM Verbrennungsmotor
W_ma

;unkorrigierter Mittelwert
W_kma

;korrigierter Mittelwert
Z Drehzahlmesser

Claims

1. Verfahren zum Messen einer in einem Strömungskanal zu einer Maschine (VM) oder von einer Maschine (VM) strömenden Fluidströmung, insbesondere einer Luftströmung (L), mittels eines mit einer Auswerteinrichtung (2) verbundenen Fluidmassenmessers (3), bei dem in einem regelmäßig durchgeführten Zyklus

- eine den Betriebszustand der Maschine (VM) kennzeichnende Betriebskenngröße (D₁, D₂, . . ., D_m) erfaßt wird,
- die von dem Fluidmassenmesser (3) gelieferten Meßwerte (M₁, M₂, . . ., M_n) erfaßt werden,
- aus den seit dem Beginn eines Zeitintervalls (t₁, t₂, . . ., t_n) erfaßten Meßwerten (M₁, M₂, . . ., M_n) mindestens ein Extremwert (E_p, E_n) bestimmt wird,
- aus den erfaßten Meßwerten (M₁, M₂, . . ., M_n) ein Mittelwert (W_ma) bestimmt wird,
- eine Pulsationsamplitude (P₁, P₂, . . ., P_m) bestimmt wird, indem der Extremwert (E_p) durch den Mittelwert (W_ma) dividiert wird, und
- der Mittelwert (W_ma) korrigiert wird, indem er mit einem Korrekturfaktor (K₁₁, K₁₂, . . ., K_mn) multipliziert wird, welcher in Abhängigkeit von der Betriebskenngröße (D₁, D₂, . . ., D_n) und der Pulsationsamplitude (P₁, P₂, . . ., P_m) aus einer Vielzahl von in einem Speicher (12) der Auswerteinrichtung (2) abgespeicherten Korrekturfaktoren (K₁₁, K₁₂, . . ., K_mn) ausgewählt wird, die für den Fluidmassenmessertyp in Verbindung mit dem Maschinentyp in einem Betriebsversuch ermittelt worden sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitintervall (t₁, t₂, . . ., t_n) einem Bruchteil der Zeit entspricht, welche die Maschine (VM) zum Durchlauf eines sich periodisch wiederholenden Betriebsablaufs benötigt.

3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebskenngröße die Drehzahl (D₁, D₂, . . ., D_m) und/oder die Stellung des Kurbelwellenwinkels der Maschine (VM) erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Fluidmassenmesser (3) abgegebenen Meßwerte (M₁, M₂, . . ., M_n) taktweise erfaßt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die taktweise Erfassung mit einer Abtastfrequenz erfolgt, welche mindestens 1 kHz beträgt.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende jedes Zeitintervalls (t₁, t₂, . . ., t_n) stets ein Meßwert erfaßt wird.

7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Extremwert der größten positiven Abweichung (E_p) der Meßwerte (M₁, M₂, . . ., M_n) vom Mittelwert (W_ma) entspricht und daß zur Berechnung der Pulsationsamplitude der Extremwerte (E_p) durch den Mittelwert (W_ma) der Meßwerte (M₁, M₂, . . ., M_n) dividiert wird.

8. Verfahren nach einem Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der positive und der negative Extremwert (E_p, E_n) der Meßwerte (M₁, M₂, ..., M_n) erfaßt wird und daß zur Berechnung der Pulsationsamplitude das Mittel der Beträge dieser beiden Extremwerte (E_p, E_n) durch den Mittelwert (W_ma) der Meßwerte (M₁, M₂, . . ., M_n) dividiert wird.

9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert (W_ma) das trapezförmige Mittel der Meßwerte (M₁, M₂, . . ., M_n) ist.

10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ein Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor (VM) ist.

11. Vorrichtung zum Messen einer in einem Strömungskanal zu einer Maschine (VM) oder von einer Maschine (VM) strömenden Fluidströmung, insbesondere einer Luftströmung (L), mit einer Auswerteinrichtung (2) und einem mit der Auswerteinrichtung (2) verbundenen Fluidmassenmesser (3), dadurch gekennzeichnet, daß

- die Auswerteinrichtung (2) eine Meßwerterfassungseinrichtung (1), welche die von dem Fluidmassenmesser (3) gelieferten Meßwerte (M₁, M₂, . . ., M_n) erfaßt,
- eine Einrichtung zum Erfassen eines Betriebskennwertes (D₁, D₂, . . ., D_n) der Maschine (VM),
- einen Zeitgeber (10), welcher den Beginn (t_a) und das Ende (t_e) eines Meßintervalls (t₁, t₂, . . ., t_n) angibt,
- einen Speicher (11), welcher die vom Fluidmassenmesser (3) gelieferten Meßwerte (M₁, M₂, . . ., M_n) speichert,
- einen Speicher (12), in welchem Korrekturfaktoren (K₁₁, K₁₂, . . ., K_mn) derart abgespeichert sind, daß ein Zugriff auf einen bestimmten dieser Korrekturfaktoren (K_ba) in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebskennwert (D_a) und einer jeweiligen Pulsationsamplitude (_Pb) möglich ist, und
- eine Recheneinheit (9) aufweist,
- welche aus den während eines Zeitintervalls (t₁, t₂, . . ., t_n) erfaßten Meßwerten (M₁, M₂, . . ., M_n) einen Extremwert (E_p, E_n) bestimmt und in einen weiteren Speicher ablegt,
- welche aus den Meßwerten (M₁, M₂, . . ., M_n) einen Mittelwert (W_ma) bestimmt und in einem Speicher ablegt,
- welche eine Pulsationsamplitude (P₁, P₂, . . ., P_m) bestimmt, indem sie den Extremwert (E_p) durch den Mittelwert (W_ma) dividiert, und
- welche eine Korrektur des von ihr ermittelten Mittelwerts (W_ma) vornimmt, indem sie ihn mit dem in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebskenngröße (D_a) und der jeweiligen Pulsationsamplitude (_Pb) aus dem Speicher (12) gelesenen Korrekturfaktor (K_ba) multipliziert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidmassenmesser (3) und die Auswerteinrichtung (2) eine Baueinheit bilden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinheit (2) Teil eines Motorsteuergeräts ist, welches die jeweilige Betriebsweise des Motors steuert.