DE19964193B4

DE19964193B4 - Luftmassenmesser zum Bestimmen des Umgebungsdruckes bei einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19964193B4
Application number: DE19964193A
Authority: DE
Inventors: Ronald Dr. Henzinger; Harald Leiderer; Hermann Leiderer; Andreas Dr. Wildgen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2009-04-23
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: DE19964193A1; US6505505B1

Abstract

Luftmassenmesser mit einem in einen Ansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1) ragenden Luftmassensensor (11), der an einem am Ansaugtrakt (2) befestigbaren Gehäuse (14–16) angebracht ist, in welchem sich ein Absolutdrucksensor (12) zum Erfassen eines Luftdrucks im Ansaugtrakt (2) befindet, wobei ein Kanal (18) das Gehäuse (14–16) mit dem Ansaugtrakt (2) zum Druckausgleich verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutdrucksensor (12) auf einer Platine (13) angeordnet ist, die durch eine Schicht (20) abgedeckt ist, die den Luftdruck auf den Absolutdrucksensor (12) überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser zum Bestimmen des Umgebungsdruckes bei einer Brennkraftmaschine.
Bei der Betriebssteuerung einer Brennkraftmaschine wird von einigen Steuerungssystemen der Umgebungsluftdruck ausgewertet. Dazu befindet sich oftmals in einem Steuergerät ein entsprechender Umgebungsdrucksensor.
Der Umgebungsdruck kann beispielsweise dazu verwendet werden, den Beladungsgrad eines dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine vorgeschalteten Luftfilters zu bestimmen. Mißt man den Absolutdruck im Saugrohr stromab des Luftfilters vor einer Drosselklappe, so kann man, wenn die Druckdifferenz zwischen diesem Absolutdruck und dem Umgebungsdruck einen betriebsparameterabhängigen Schwellwert überschreitet, auf einen zu starken Druckabfall am Luftfilter schließen.
Der Umgebungsdruck kann auch bei der Bestimmung der Einspritzzeiten Berücksichtigung finden.
Nach dem Stand der Technik ist ein Umgebungsdruckaufnehmer nötig, um den Umgebungsdruck konstant zu messen. So sieht beispielsweise die DE 44 26 272 A1 eine Druckmeßdose im Ansaugtrakt sowie einen separaten Umgebungsdruckaufnehmer vor, die beide ihre Meßwerte an ein Steuergerät liefern, das zusätzlich noch an einen im Ansaugtrakt liegenden Temperaturfühler angeschlossen ist.
Die DE 39 14 784 A1 verzichtet auf die Möglichkeit der konstanten Messung und setzt einen Absolutdruckaufnehmer stromab einer Drosselklappe im Ansaugtrakt ein, dessen Wert nur ober halb eines Mindestöffnungswinkels der Drosselklappe ausgelesen wird.
Die DE 197 50 496 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten Luft, wobei die Luftmasse von einem Luftmassenmesser erfasst wird, wobei simultan zur Erfassung der Luftmasse die Luftfeuchtigkeit durch einen Luftfeuchtesensor erfasst wird und in einer Auswerteschaltung ausgewertet wird.
Die US 5,913,250 offenbart einen in einem Rohr angeordneten Luftmassenmesser mit einem Referenzelement, einem aktiven thermischen Sensorelement und einem Druckmessfühler. Eine dazugehörige Recheneinheit verändert den Messwert der Fließgeschwindigkeit durch einen einfachen Vergleich des Messwertes des thermischen Sensors mit dem Messwert des Drucksensors.
Aus der DE 43 17 312 A1 ist ein Drucksensor in einem Kunststoffgehäuse bekannt, wobei eine Verbindung zwischen einem externen Druckanschluss und dem Drucksensor so ausgebildet ist, dass ein Anschlussrohr unter Bildung eines Spaltes einen Sensorrohrstutzen umfasst. Hier wird für eine einfache Montage und spannungsfreie Verbindung zur Spaltabdichtung ein Kleber verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Luftmassenmesser zum Bestimmen des Umgebungsdrucks bei einer Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, so daß eine konstante Messung ohne Umgebungsdruckaufnehmer möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Druckabfall zwischen einem Luftfilter und einem Drosselglied im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eine Funktion des Druckverlustbeiwertes im Ansaugtrakt sowie des Luftmassenstromes, der Lufttemperatur und des Umgebungsdruckes ist. Addition des Druckabfalles mit dem Absolutdruck im Ansaugtrakt liefert den Umgebungsdruck. Es bieten sich deshalb zwei Varianten, den Umgebungsdruck zu bestimmen. Zum einen kann man die aus dieser Addition ableitbare Gleichung geeignet umformen, so daß der Umgebungsdruck sich als Funktion des Luftmassenstromes, der Lufttemperatur und des Druckverlustbeiwertes im Ansaugtrakt sowie des Absolutdruckes im Ansaugtrakt ergibt. Zum anderen kann man ein rekursives Verfahren anwenden, bei dem ausgehend von einem Startwert für den Umgebungsdruck zuerst der Druckabfall berechnet und daraus zusammen mit dem Absolutdruck im Ansaugtrakt ein neuer Wert für den Umgebungsdruck erhalten wird. Man kann also rekursiv den Umgebungsdruck ermitteln. Der Startwert kann beispielsweise durch Messung des Absolutdruckes im Ansaugtrakt bei stehender Brennkraftmaschine oder im Leerlaufbetrieb erzeugt werden, da in diesen Fällen der Absolutdruck im Ansaugtrakt im wesentlichen dem Umgebungsdruck gleicht.
Erfindungsgemäß ist deshalb ein Luftmassenmesser zum Einbau zwischen einem Luftfilter und einem Drosselglied im Ansaugtrakt vorgesehen, der einen darin befindlichen Absolutdruck aufnehmer und einen Lufttemperaturfühler hat, so daß es ohne Rückgriff auf ein Umgebungsdrucksignal möglich ist, den Umgebungsdruck zu ermitteln.
Der erfindungsgemäße Luftmassenmesser weist in einem Gehäuse den Luftmassensensor und einen Absolutdrucksensor auf, so daß die wesentlichen Bestandteile der Vorrichtung in einem kompakten, einfachen und kostengünstig herzustellenden Bauteil verwirklicht sind. Dieser Luftmassenmesser hat darüber hinaus noch den Vorteil, daß Verkabelung und Steckverbindungen, die relativ kostenträchtige Bestandteile sind, vereinfacht sind.
Die Erfindung hat somit den Vorteil, daß zum Bestimmen des Umgebungsdruckes auf einen separaten Umgebungsdruckaufnehmer verzichtet werden kann. Weiter ist es möglich, den Beladungsgrad des Luftfilters zu ermitteln und damit dessen Austauschbedürftigkeit festzustellen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum Bestimmen des Umgebungsdruckes,
2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Luftmassenmesser und
3 und 4 Flußdiagramme für zwei verschiedene Verfahren zum Bestimmen des Umgebungsdruckes.
1 zeigt schematisch eine Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum Bestimmen des Umgebungsdruckes. Dabei sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Bestandteile eingezeichnet. Die Brennkraftmaschine 1 hat einen Ansaugtrakt 2, dem ein Luftfilter 3 vorgeschaltet ist. Im Ansaugtrakt 2 befindet sich ein Temperaturfühler 4, der die Temperatur der angesaugten Luft mißt. Der Temperaturfühler 4 liefert sein Signal über eine nicht näher bezeichnete Leitung an ein Steuergerät 5, das beispielsweise den gesamten Betrieb der Brennkraftmaschine 1 steuern kann. Alternativ kann der Temperaturfühler 4 auch die Luft außerhalb des Ansaugtraktes 2 messen, wobei dann dafür Sorge zu tragen ist, daß durch die während des Betriebs sich erwärmende Brennkraftmaschine 1 keine verfälschte Messung erfolgt. Weiter ist im Ansaugtrakt 4 ein Luftmassenmesser 10 angeordnet, der sowohl angesaugten Luftmassenstrom Q als auch den Absolutdruck p_s im Ansaugtrakt 2 erfaßt. Über nicht näher bezeichnete Leitungen liefert der Luftmassenmesser 10 seine Meßwerte an das Steuergerät 5. Alternativ kann der Temperaturfühler 4 auch in den Luftmassenmesser 10 integriert sein.
Das Steuergerät führt durch bzw. veranlaßt die noch zu beschreibenden Verfahren.
Der Luftmassenmesser 10 ist in einer bevorzugten Ausbildung in 2 in einer schematischen Schnittdarstellung näher dargestellt. Der Luftmassenmesser 10 hat ein Rohrstück 14, das in den Ansaugtrakt 2 eingesetzt ist. Im Rohrstück 14 befindet sich ein Luftmassensensor 11. Dieser kann beispielsweise ein Hitzdraht- oder Hitzfoliensensor sein. Am Rohrstück 14 ist ein Elektrogehäuse befestigt, das aus einem Gehäuseunterteil 15 mit Gehäusedeckel 16 besteht. Der Luftmassensensor 11 ist am Gehäuseunterteil 15 angebracht. Durch einen Kanal 18, der beispielsweise als Bohrung ausgeführt sein kann, ist das Innere des Elektrogehäuses mit dem Inneren des Rohrstückes 14 verbunden. Im Gehäuseunterteil 15 liegt eine Platine 13 auf, an die auch der Luftmassensensor 11 angeschlossen ist. Auf der Platine 13 befindet sich die Schaltung zum Ansteuern und Auslesen des Luftmassensensors 11. Weiter befindet sich auf der Platine 13 ein Absolutdrucksensor 12 sowie die dafür nötige Schaltung. Die Platine 13 ist an einen Ste cker 17 angeschlossen, über den die Leitungen zum Steuergerät 5 laufen. Die Platine 13 mit dem Absolutdrucksensor 12 ist von einer Schicht 20 abgedeckt, bei dem es sich beispielsweise um Silicagel handelt. Die Schicht 20 wird flüssig aufgebracht und dann ausgehärtet. Damit diese Schicht 20 dabei nicht durch den Kanal 18 treten kann, ist ein geeigneter Stutzen 19 am Kanal 18 vorgesehen. Die Schicht 20 dient dazu, die Platine 13 und den Absolutdrucksensor 12 sowie die Leitungen zum Stecker 17 vor schädlichen Einflüssen der durch das Rohrstück 14 strömenden Ansaugluft zu schützen. Zugleich ist die Schicht 20 so ausgebildet, daß sie den Druck im Inneren des Elektrogehäuses, der über den Kanal 18 an den Druck des Rohrstückes 14 angekoppelt ist, überträgt. Da der Absolutdrucksensor 12 unter der Schicht 20 direkt, d. h. ohne Membran o. ä., an das im Ansaugtrakt 2 eingebaute Rohrstück 14 angeschlossen ist, kann der Absolutdrucksensor 12 exakt den absoluten Luftdruck im Ansaugtrakt 2 erfassen. Natürlich ist auch eine bekannte Membran im Kanal 18 möglich. Damit eingetretene oder kondensierte Flüssigkeiten aus dem Gehäuse 15, 16 wieder ablaufen können, ist der Luftmassenmesser 10 in geeigneter Lage eingebaut. Diese ist gegenüber der Darstellung der 2 um etwa 90° nach rechts gedreht.
Stromab des Luftmassenmessers 10 befindet sich im Ansaugtrakt 2 der Brennkraftmaschine 1 ein (in 1 nicht dargestelltes) Drosselglied. Je nach Stellung dieses Drosselglieds, dabei kann es sich beispielsweise um eine Drosselklappe handeln, – jedoch ist auch eine Einstellung über einen variablen Einlaßventilhub der Brennkraftmaschine 1 möglich, – fließt ein unterschiedlich großer Luftmassenstrom Q durch den Luftmassenmesser 10. Bei einer Brennkraftmaschine ohne Drosselung, beispielsweise bei einer direkt einspritzenden Magerbrennkraftmaschine, ist der Luftmassenstrom Q durch die Betriebsparameter der Brennkraftmaschine 1 bestimmt. Auf die Art der Drosselung kommt es also insoweit nicht an.
Der sich dabei im Ansaugtrakt 2 einstellende Druckabfall kann nach folgender Gleichung ermittelt werden: dp = CF·rho/(2v2) (1)
Dabei ist dp der Druckabfall, CF ein Druckverlustfaktor, der die Ansaugtraktgeometrie wiedergibt, rho die Dichte der angesaugten Luft und v deren Strömungsgeschwindigkeit. Die Dichte rho kann durch folgende Gleichung ersetzt werden: rho = pu/(R·T) (2)
Dabei ist R die allgemeine Gaskonstante (287 J/kgK), T die Lufttemperatur und p_u der Umgebungsdruck. Weiter ist die Geschwindigkeit v durch den Luftmassenstrom wie folgt gegeben: v = Q/(rho·A) (3)
Dabei ist Q der Luftmassenstrom und A die Querschnittsfläche des Luftmassenmessers 10. Setzt man die Gleichungen (3) und (2) in Gleichung (1) ein, erhält man mit C_b = C_F·R/(2·A²): dp = Cb·T·Q2/pu (4)
Aus diesem Druckabfall läßt sich aus dem Absolutdruck p_s im Ansaugtrakt 2 durch Addition der Umgebungsdruck p_u bestimmen: pu = ps + dp (5)
Diese Gleichung bietet nun zwei Varianten, den Umgebungsdruck zu ermitteln, die nun anhand der Flußdiagramme der 3 und 4 erläutert werden.

1. Vor Beginn einer Rekursion nach 3 wird in Schritt S1 ein Startwert für den Umgebungsdruck p_u errechnet. Dieser Startwert kann beispielsweise dadurch gewonnen werden, daß man bei Stillstand oder Leerlauf der Brennkraftmaschine den Absolutdruck p_s im Ansaugtrakt 2 erfaßt. Aufgrund des dabei verschwindenden oder sehr geringen Luftmassenstroms Q sieht man aus Gleichung (5) bzw. (4) unmittelbar, daß der Absolutdruck im Ansaugtrakt p_s dann im wesentlichen gleich dem Umgebungsdruck p_u ist. In Schritt S2 wird der Luftmassenstrom Q und die Lufttemperatur T gemessen. In Schritt S3 wird gemäß Gleichung (4) der Druckabfall dp berechnet, wobei der aus Schritt S1 erhaltene Startwert für den Umgebungsdruck in die Berechnung eingeht. Für den Druckverlustbeiwert Cb kann ein in einem Speicher des Steuergerätes abgelegter Wert verwendet werden. Auf den Druckverlustbeiwert Cb wird später noch näher eingegangen werden. In Schritt S4 wird der Absolutdruck p_s im Ansaugtrakt 4 gemessen. In Schritt S5 wird nach Gleichung (5) aus dem Druckabfall dp und dem Absolutdruck p_s ein neuer Wert für den Umgebungsdruck p_u berechnet. Dieser Wert wird für den nächsten Rekursionsschritt verwendet, für den zu Schritt S2 zurückgesprungen wird. Diese Variante der Umgebungsdruckbestimmung hat den Vorteil, daß nur einfache Rechenoperationen (Additionen, Multiplikationen und Divisionen) durchgeführt werden müssen.
2. Anstelle des obigen Rekursivverfahrens kann der Umgebungsdruck auch durch das im Blockschaltbild der 4 wiedergegebene Verfahren bestimmt werden. Dazu wird in Schritt S6 zuerst der Druckverlustbeiwert Cb aus dem Speicher entnommen. Auf den Druckverlustbeiwert Cb wird später noch näher eingegangen werden. Als nächstes werden in Schritt S7 der Luftmassenstrom Q und die Lufttemperatur T sowie der Absolutdruck p_s im Ansaugtrakt gemessen. Dann wird in Schritt S8 der Umgebungsdruck p_u nach einer umgeformten Version der Gleichung (5) berechnet:

pu = 1/2 ps + 1/2 √p 2s – Q 2 T·Cb (6)

Bei beiden Varianten der Bestimmung des Umgebungsdruckes p_u geht der Druckverlustbeiwert Cb in die verwendete Gleichung ein. Da der Druckverlustbeiwert Cb wesentlich durch den Druckverlust am Luftfilter 3 bestimmt wird, welcher vom sich nur langsam ändernden Beladungsgrad des Luftfilters 3 abhängt, kann man davon ausgehen, daß der Druckverlustbeiwert Cb sich gegenüber dem Umgebungsdruck p_u nur sehr langsam ändern wird. Um den aktuell vorliegenden Druckverlustbeiwert Cb bestimmen zu können, wird der Umgebungsdruck p_u im Leerlauf oder bei Stillstand der Brennkraftmaschine bestimmt, da dann der Absolutdruck p_s im Ansaugtrakt 2 im wesentlichen gleich dem Umgebungsdruck p_u ist. Man kann dann durch Vergleich des errechneten mit dem gemessenen Umgebungsdruck p_u den aktuellen Wert für den Druckverlustbeiwert Cb bestimmen.
Überschreitet dieser Wert einen Schwellwert, kann man auf einen übermäßig verschmutzten Luftfilter 3 schließen.
Theoretisch ist der Druckverlustbeiwert Cb unabhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine 1. Falls in praxi solche Abhängigkeiten nicht auszuschließen sind, beispielweise durch Übergänge zwischen laminaren und turbulenten Strömungsvorgängen, kann man vor Start der Brennkraftmaschine 1 den dem Umgebungsdruck p_u gleichenden Absolutdruck p_s im An saugtrakt 2 messen. Beim direkt darauffolgenden Start der Brennkraftmaschine 1 kann mit p_u – p_a = dp und Gleichung (4) dann Cb, als Funktion von Betriebsparametern, z. B. des Luftmassenstroms Q, durch fortlaufende Messung von p_s bestimmt und in einem Kennfeld abgelegt werden. Diese Kennfeldwerte für Cb kann man dann bei der Bestimmung des Umgebungsdruckes p_u nach einer der obigen Varianten verwenden.
Schließlich läßt sich mittels des so gewonnenen Wertes für Cb oder aus dem vor Start gemessenen Wert für p_u auch der Druckverlust dp im Leerlauf exakt ermitteln, so daß damit eine Änderung des Druckverlustbeiwertes Cb in Leerlaufphasen detektierbar ist.
Weiter geht bei allen Berechnungen die Lufttemperatur T ein. Es ist deshalb erforderlich, daß die Lufttemperatur T mit der gleichen Dynamik gemessen werden kann wie der Luftmassenstrom Q. Dies ist aber mit manchen gängigen Temperaturfühlern nicht möglich. Vorzugsweise sollte das Verfahren zur Bestimmung des Umgebungsdrucks deshalb in solchen Betriebsphasen kurzzeitig ausgesetzt werden, in denen erfahrungsgemäß eine schnelle Temperaturänderung vorliegt. Dies ist beispielsweise bei Wiederanfahrt nach einem Heißleerlauf der Fall, wenn die Brennkraftmaschine nach Phasen hoher Last eine zeitlang bei geringer Kühlung (Stillstand eines Kraftfahrzeuges) betrieben wurde und dann die Kühlleistung wieder ansteigt (Kraftfahrzeug wird wieder in Bewegung gesetzt). Darüber hinaus ist aufgrund der sich nur langsam ändernden Luftfilterbeladung eine gewisse Filterung dahingehend möglich, daß sprunghafte Änderungen des Druckverlustbeiwertes Cb verworfen werden können. Im allgemeinen reicht eine Zeitkonstante von mehreren Tagen bei der Bestimmung. Solche sprunghaften Änderungen des Druckverlustbeiwertes Cb können sich beispielsweise bei Betrieb einer ein Kraftfahrzeug antreibende Brennkraftmaschine 1 unter starkem Regen ergeben, wenn beispielsweise bei einer Autofahrt der Luftfilter feucht wird, wodurch der von ihm verursachte Druckabfall stark erhöht wird. Solche Änderungen sollten in der Filterung verworfen werden.

Claims

Luftmassenmesser mit einem in einen Ansaugtrakt (2) einer Brennkraftmaschine (1) ragenden Luftmassensensor (11), der an einem am Ansaugtrakt (2) befestigbaren Gehäuse (14–16) angebracht ist, in welchem sich ein Absolutdrucksensor (12) zum Erfassen eines Luftdrucks im Ansaugtrakt (2) befindet, wobei ein Kanal (18) das Gehäuse (14–16) mit dem Ansaugtrakt (2) zum Druckausgleich verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutdrucksensor (12) auf einer Platine (13) angeordnet ist, die durch eine Schicht (20) abgedeckt ist, die den Luftdruck auf den Absolutdrucksensor (12) überträgt.
Luftmassenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (14–16) ein Elektrogehäuse (15, 16) aufweist, in dem der Absolutdrucksensor (12) angeordnet ist und an dem ein Stecker (17) angebracht ist, über den sowohl der Luftmassensensor (11) als auch der Absolutdrucksensor (12) elektrisch kontaktierbar sind.
Luftmassenmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein Rohrstück (14) aufweist, das in den Ansaugtrakt (2) einsetzbar ist, in dem der Luftmassensensor (11) angeordnet ist, und das mit dem Elektrogehäuse (15, 16) verbunden ist, wobei der Kanal (18) das Elektrogehäuse (15, 16) mit dem Rohrstück (14) verbindet.
Luftmassenmesser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Luftmassensensor (11) an die Platine (13) angeschlossen ist, die an einem Boden des Elektrogehäuses (15, 16) angeordnet ist, und dass die Schicht (20) flüssig aufgebracht und ausgehärtet ist und zum Schutz von Platine (13), Absolutdrucksensor (12) und Anschlussdrähten über der Platine (13) und dem Absolutdrucksensor (12) angeordnet ist, wobei ein Stutzen (19) am Kanal (18) verhindert, dass die Schicht (20) vor dem Aushärten in den Kanal (18) gelangen kann.