DE2935891A1

DE2935891A1 - Massenstromsensor

Info

Publication number: DE2935891A1
Application number: DE19792935891
Authority: DE
Inventors: Toru Kita; Hatsuo Nagaishi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1978-09-08
Filing date: 1979-09-05
Publication date: 1980-03-20
Also published as: US4297894A; DE2935891C2; JPS5537907A; GB2031591B; GB2031591A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Massenstromsensor und insbesondere eine Durchflußmengenmeßeinrichtung, die beispielsweise dazu bestimmt ist, einen Ansaugluftstrom einer Brennkraftmaschine zuzumessen.

Bei einer Brennkraftmaschine mit einer elektronisch gesteuerten Brennstoffeinspritzung wird die Menge der Ansaugluft der Brennkraftmaschine ermittelt und eine einzuspritzende Brennstoffmenge wird mit Hilfe des erfaßten Ansaugluftstromes so gesteuert, daß sich ein gewünschtes Gemischverhältnis ergibt.

Das spezifische Gewicht der Ansaugluft ändert sich in Abhängigkeit von den Druck- und Temperaturwerten der Umgebung wesentlich stärker als der einzuspritzende Brennstoff. Wenn somit der Brennkraftmaschine eine Brennstoffmenge zugeführt wird, die nur nach Maßgabe des gemessenen Volumenstromes bzw. der Durchflußmenge der Ansaugluft bestimmt ist, weicht das tatsächliche Gemischverhältnis von einem vorbestimmten oder Sollwert ab, so daß die Abgabeleistung der Brennkraftmaschine abnimmt und die Zusammensetzung des Abgases nicht die gewünschten Werte hat.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeit ist bereits vorgeschlagen worden, die gemessene Durchflußmenge unter Berücksich- . tigung der Druck- und Temperaturwerte der Umgebung zu korrigieren, um die Fehler der Durchflußmenge kleiner zu machen. Wenn man jedoch zwei Kompensationseinrichtungen vorsieht, wird das gesamte Gerät sehr kompliziert und teuer.

Ein Strömungssensor für die Ansaugluft ist bereits vorgeschlagen worden, der eine schräge Platte hat, mit der ein freier Durchtrittsquerschnitt in Abhängigkeit von einer Durchflußmenge verändert wird. Die Neigungswinkel werden mit

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Hilfe eines Potentiometers gemessen. Ein derartiger Sensor hat eine mangelnde Betriebszuverlässigkeit und ist ungenau, da viele bewegliche Teile in dem Sensor vorgesehen sind.

Die Erfindung zielt darauf ab, einen Massenstromsensor zu schaffen, mit dem die zuvor beschriebenen Nachteile überwunden werden können.

Vorzugsweise soll erfindungsgemäß ein Massenstromsensor so ausgelegt sein, daß er einen nach dem Karman¹sehen Wirbelstraßenprinzip arbeitenden Strömungsdetektor, der die Volumenströme eines Fluids digital erfaßt, und einen Luftdichtendetektor hat, mit dem der Ausgang des Strömungsdetektors kompensiert wird, um einen Massenstrom des Fluids mit hoher Genauigkeit zu messen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Figur 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Massenstromsensors nach der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Ansicht einer abstandsmäßigen Zuordnung von Luftstromdetektor und Wirbelerzeugungseinrichtung des Sensors in Figur 1,

Figur 3 eine Schnittansicht eines Luftstromdetektors in Figur 1,

Figur 4 ein Schaubild zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen der Luftdichte und des Atmosphärendrucks und der Atmosphärentemperatur,

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Figur 5 ein scnematiscb.es Diagramm zur Verdeutlichung der Ausgangskennlinie des Dichtendetektors des Sensors nach der Erfindung,

Figur 6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines Dichtendetektors des Sensors nach der Erfindung,

Figur 7 ein schematisches Diagramm einer allgemein üblichen Kennlinie eines Strömungsdetektors, bei dem die Strömungswerte/Frequenz über der Durchflußmenge aufgetragen sind, und

Figur 8 ein Diagramm zur Verdeutlichung einer Kennlinie eines Strömungsdetektors nach der Erfindung, bei dem die Strömungswerte/Frequenz über der Durchflußmenge aufgetragen sind.

Anhand den Figuren 1 und 2 wird eine erste Ausführungsform nach der Erfindung, bei der als Anwendungsgebiet der Ansaugluftstrom einer Brennkraftmaschine gemessen wird, gezeigt. Hierzu ist ein Sensor nach der Erfindung zwischen einem Luftreiniger 1a und einer Drosselklappe 1b in einem Luftansaugkanal 1 einer Brennkraftmaschine angeordnet.

Ein Luftstromdetektor 3 des Sensors ist in dem Luftansaugkanal 1 stromaufwärts und ein Luftdichtendetektor 4 stromabwärts angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist der Luftstromdetektor 3 ein Strömungsvolumen- bzw. Durchflußmengensensor, der nach dem Karman'sehen Wirbelstraßenprinzip arbeitet. Der Luftstromdetektor umfaßt eine Wirbelerzeugungseinrichtung 5» die etwa senkrecht zum Strömungsverlauf des Luftansaugkanals 1 angeordnet ist.

Die Wirbelerzeugungseinrichtung 5 umfaßt eine Verbindungsöffnung 6, die an ihren Seiten im allgemeinen rechtwinklig

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zum Strömungsverlauf offen ist, und in der sich ein Wirbeldetektor 7 mit einem Heizdraht mit einem kleinen Durchmesser befindet, der mit einem konstanten elektrischen Strom versorgbar ist, um eine Wirbelerzeugungsperiode zu erfassen.

Die Fluidströmung löst sich abwechselnd von den Seiten der Wirbelerzeugungseinrichtung 5 proportional zur Strömungsgeschwindigkeit ab, so daß sich in regelmäßigen Abständen Reihen mit Wirbeln stromab des Ansaugluftkanals 1, sogenannte Karman'sche Wirbelstraßenreihen, bilden und periodische Druckdifferenzen an den offenen Enden der Verbindungsöffnung 6 infolge des Druckabfalls bei der Strömungsablösung auftreten. Die Druckdifferenzen ihrerseits bewirken wechselnde Fluidströmungen in der Verbindungsöffnung 6, die den Heizdraht kühlen, wobei sich sein Widerstandswert ändert, was zu einer periodischen Änderung des Spannungswertes führt.

Somit wird eine Frequenz der Spannungsänderung ermittelt, um eine Periode zu ermitteln, während der die Reihen von Karman-Wirbeln auftreten. Ausgehend hiervon wird eine Strömungsgeschwindigkeit und eine Durchflußmenge (ein Volumenstrom) in Verbindung mit der freien Durchtrittsfläche des Luftansaugkanals ermittelt. Diese so ermittelte Durchflußmenge wird mit einer Luftdichte kompensiert bzw. durch einen Luftdichtenwert korrigiert, um einen Massenstrom des Fluidstromes zu bestimmen. Hierzu weist nach Figur 3 der Luftdichtendetektor 4- ein zylindrisches Gehäuse 10 mit einer Membrane 11 auf, die das Gehäuse in Querrichtung durchzieht, und eine Bezugsdruckkammer 12, in der ein unter Normalbedingungen stehendes Gas eingeschlossen ist und eine Vergleichsdruckkammer 14- begrenzt, in die die Luft in dem Ansaugluftkanal 1 über einen Verbindungsdurchgang 13 eingeleitet wird.

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Mit der Membrane 11 ist ein stabförmiges Element 15 verbunden, das in einem Lager 10a des Gehäuses 10 abgestützt ist und das sich in Abhängigkeit von der Verschiebebewegung der Membrane 11 gleitend bewegen kann. Das stabförmige Element 15 ist mit beweglichen Kontakten 17 versehen, die derart beschaffen sind, daß sie unter Gleitberührung mit Widerständen 16 zusammenarbeiten, die parallel zu dem stabförmigen Element 15 angeordnet und fest mit den Teilen des Gehäuses 10 unter Zwischenschaltung von Isolationsstoffen derart verbunden sind, daß die Kontakte 17 immer gleitend in elektrischem Kontakt mit einem Ausgabeanschluß 18 stehen, so daß sich ein Stellungsdetektor bildet. Durch diese Anordnung wird eine bestimmte Spannung an die Enden der Widerstände 16 angelegt, um an dem Ausgabeanschluß 18 eine Ausgangsspannung zu haben, die proportional zu der Verschiebung der beweglichen Kontakte 17 ist.

Das in der Bezugsdruckkammer 12 eingeschlossene, unter Normalbedingungen stehende Gas bewirkt, daß sich die Membrane bezogen auf die Druck- und Temperaturwerte der Umgebung in Abhängigkeit von den Druck- und Temperaturwerten des in die Vergleichsdruckkammer 14- eingeleiteten Luftstromes verschiebt, so daß sich die Ausgangsspannungskennlinie des Ausgabeanschlusses 18 entsprechend zum spezifischen Gewicht des Luftstromes verschiebt (vgl. Figur 5)·

In Figur 4- sind Werte der Luftdichte in Abhängigkeit von den Temperatur- und Druckwerten der Umgebung eingetragen.

Die Membrane 11 bewegt sich in Richtung der Bezugsdruckkammer 12 nach innen, wenn der Atmosphärendruck ansteigt und bewegt sich in Richtung der Vergleichsdruckkammer 14, wenn der Atmosphärendruck proportional ansteigt, so daß sich die Ausgangsspannung des Sensors wie zuvor beschrieben entsprechend ändert.

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In Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform eines Luftdichtendetektors 4 gezeigt. Der Luftdichtendetektor 4 weist einen Balg 20 auf, in den ein unter Normalbedingungen stehendes Gas eingeschlossen ist. Dieser Balg 20 mit dem eingeschlossenen Gas wird als ein druckempfindliches Element anstelle der Membrane 11 verwendet.

Der Vorteil der Ausführungsform nach Figur 3 ist darin zu sehen, daß die Membrane 11 derart arbeitet, daß sie versucht, den Druck des unter Normalbedingungen eingeschlossenen Gases im wesentlichen zum Umgebungsdruck auszugleichen, so daß der Luftdichtendetektor eine lineare Kennlinie mit relativ enger oder geringer Streuung der Meßwerte hat. Bei der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform jedoch hat der Balg 20 eine kleine Federkonstante, so daß der Luftdichtendetektor eine schwache Hysteresekennlinie hat und gegen Schwingungen unempfindlich ist.

Der Ausgang des Strömungsdetektors 3 wird mit Hilfe einer Kompensationsschaltung 30 unter Bezugnahme auf einen Ausgang des Luftdichtendetektors 4- kompensiert, der den zuvor beschriebenen Aufbau hat, um korrekte Mengenstromwerte des durchströmenden Fluids in Abhängigkeit von den Druck- und Temperaturwerten der Umgebung zu diesem Zeitpunkt zu bestimmen.

Wenn der Ausgang des Strömungsdetektors 3 in digitaler Form (oder in Form einer Impulsfolge als Signal) vorliegt, wird er mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers in ein analoges Signal umgewandelt und direkt zu einem Ausgang des Luftdichtendetektors 4· addiert, um unmittelbar einen Wert des Massenstromes zu bestimmen.

Bei der dargestellten Ausführungsform wird das Strömungssignal in eine Steuerschaltung 31 eingegeben, die die Brennstoffversorgung der Brennkraftmaschine steuert, so daß eine

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optimale Brennstoffmenge in Verbindung mit anderen Signalen ermittelt werden kann, die gleichzeitig in die Steuerschaltung eingegeben werden. Diese Signale geben Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel ihre Drehzahl, den Ansaugunterdruck, die Kühlwassertemperatur oder dergleichen, wieder. Das in Impulsform vorliegende Steuersignal ist repräsentativ für eine äußerst günstige Brennstoffmenge, die über ein Brennstoffeinspritzventil 32 zugeführt wird, das in dem Luftansaugkanal 1 vorgesehen ist.

Die Frequenzfolge der Entstehung der Wirbel im Verhältnis zu dem Luftstrom am Detektor 3 streut innerhalb eines vorgegebenen Bereiches geringfügig, was auf Fehler infolge von Abstandsänderungen der Wirbel in Abhängigkeit von dem Luftstrom zurückzuführen ist (vgl. Figur 7)· Diese Änderungen resultieren aus Strömungszustandsänderungen in dem Luftansaugkanal, die von der Durchflußmenge oder der Durchflußgeschwindigkeit (eine Störung der Strömung bewirkt eine veränderte Entstehung der Wirbel) und den Abweichungen der linearen oder unmittelbar proportionalen Kennlinie abhängig ist, die von ihrem linearen Verlauf durch Änderungen der Reynolds-Zahl abweicht.

Um diese Veränderungen der Kennlinie, des Detektors zu unterdrücken, wird der Abstand zwischen der Wirbelerzeugungseinrichtung 5 und dem Gehäuse 10 des Luftdichtendetektors 4· derart bestimmt, daß er sich auf ein geradzahliges Vielfaches des Abstandes der Wirbel beläuft, der üblicherweise durch eine wirksame Breite der Wirbelerzeugungseinrichtung 5 bestimmt ist. Hierdurch können Änderungen der Kennlinie des Detektors durch die Synchronisierung des Abstandes der Wirbel in Verbindung mit dem zuvor beschriebenen Abstand unterdrückt werden und die Wirbelerzeugung und Wirbelbildung werden unterstützt.

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Die Wirbelerzeugungseinrichtung kann im Querschnitt zylindrisch oder rechteckig sein, wobei die den Strömungsdurchgang unterbrechende Breite als wirksame Breite bezeichnet wird.

Die Karman-Wirbel treten proportional zu den Geschwindigkeiten eines Fluidstromes auf. Wenn die Geschwindigkeit des Fluidstromes größer wird, werden auch die Frequenzen der entstandenen Wirbel höher. Der Abstand der Wirbel ist nur durch die wirksame Breite oder den Durchmesser der Wirbelerzeugungseinrichtung bestimmt und steht in keinem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit 'des Fluidstromes.

Das Gehäuse 10 ist derart ausgelegt, daß es denselben Durchmesser wie die Wirbelerzeugungseinrichtung 5 hat, der den Abstand der Wirbel bestimmt, so daß die Wirbel auf dem zuvor beschriebenen Abstand synchron auftreten, wobei die Wirbel auf der stromabwärtigen Seite jene auf der stromaufwärtigen Seite beeinflussen, um eine stabile Wirbelbildung sicherzustellen. Durch diese Auslegung wird erreicht, daß die Wirbel stabil auftreten und entstehen, deren Kennlinie von Strömungswert zu Frequenz bei allen Strömungsgeschwindigkeitswerten linear ist (vgl. Figur 8).

Wenn das Gehäuse 10 des Luftdichtendetektors 4- im gleichen Abstand wie die zuvor beschriebene und stromaufwärts liegende Wirbelerzeugungseinrichtung 5 angeordnet ist, kann derselbe Effekt wie zuvor beschrieben erreicht werden."

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, kann der Sensor nach der Erfindung Volumenströme in Massenströme mit hoher Genauigkeit umwandeln und er hat einen einfachen Aufbau. Die Kennlinie des Sensors sind langfristig stabil, da nur wenig bewegliche Teile vorgesehen sind.

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Ferner ist bei der Erfindung der Luftdichtendetektor derart angeordnet, daß er die Erzeugung der Wirbel unterstützt, so daß selbst bei irgendwelchen Störungen der Strömungsverhältnisse eine stabile lineare proportionale Kennlinie innerhalb großer Durchflußmengenbereiche sichergestellt ist. Hierdurch kann die Durchflußmenge mit höherer Genauigkeit gemessen werden.

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Leerseite

Claims

P,ATfc£.NYA.siWALTE A. GRÜNECKER

H. KINKEUDEY

OR-INQ

W. STOCKMAIR

OA-ING - A«£ (CAi-TEOI

K. SCHUMANN

DR fCft NAT OWLPMYS

P. H. JAKOB

OVLXi

G. BEZOLD

DR RBlNAT Om.-OCM

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE «3

P 14 247

5. Sept. 1979

NISSAN MOOX)R CO., TJTD.

2, Takara-Cho, Kanagawa-Ku, Yokohama City, Japan

Massenstromsensor

Patentansprüche

1. Massenstromsensor, gekennzeichnet

durch einen nach dem Karman¹sehen Wirbelstraßenprinzip arbeitender Strömungsdetektor (3), der in einem Fluiddurchgang (1) angeordnet ist und eine Wirbelerzeugungseinrichtung (5) und einen Wirbeldetektor (7) umfaßt, der die Perioden der erzeugten Wirbel ermittelt, und durch einen Luftdichtendetektor (4) mit einer druckempfindlichen Einrichtung (20, 11) mit einem unter Normalbedingung stehenden eingeschlossenen Gas und einer Ermittlungseinrichtung (15» 16, 17)ι deren Ausgang sich proportional zu den Druck- und Temperaturwerten des einer Vergleichsseite (14) der druckempfindlichen Einrichtung (20, 11) zugeführten Fluids ändert, um einen Volumenstrom zur Umwandlung in einen

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Massenstrom in Abhängigkeit von der Fluiddichte anzupassen.

2. Massenstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckempfindliche Einrichtung eine Membrane (11) ist (Figur 3).

3· Massenstromsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (11) in einem Gehäuse (10) jeweils eine Bezugsdruckkammer (12), in der ein unter Normalbedingungen stehendes Gas eingeschlossen ist und eine Vergleichsdruckkammer (14) begrenzt, in die das durch den Durchgang (1) gehende Fluid eingeleitet wird, und daß mit der Membrane (11) ein stabförmiges Element (15) verbunden ist, das sich in Abhängigkeit von den Bewegungen der Membrane (11) bewegt und bewegliche Kontakte (16, 17) trägt, die im Grundzustand mit einem Ausgangsanschluß (18) elektrisch verbunden sind, Aim eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die proportional zu der Bewegung der Membrane (11) ist.

4. Massenstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckempfindliche Einrichtung ein Balg (20) ist (Figur 6).

5. Massenstromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (20) eine Bezugsdruckkammer (12), in der ein unter Normalbedingungen stehendes Gas eingeschlossen ist, und eine Vergleichsdruckkammer (14) außerhalb des Balgs (20) begrenzt, in die ein durch den Durchgang (1) gehendes Fluid eingeleitet wird, und daß mit dem Balg (20) ein stabförmiges Element (15) verbunden ist, das sich in Abhängigkeit von den Bewegungen des Balgs (20) bewegt und bewegliche Kontakte (16, 1?) trägt, die im Grundzustand eine elektrische Verbindung mit einem Ausgabeanschluß (18) bilden, um eine Ausgangs-

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spannung zu erzeugen, die proportional zu der Bewegung des Balgs (20) ist.

6. Massenstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (10) des Luftdichtendetektors (A) dieselbe Breite wie der Strömungsdetektor (3) hat, und auf Geraden bezüglich der Wirbelerzeugungseinrichtung (5) in einem Abstand angeordnet ist, der ein geradzahliges Vielfaches eines Abstandes der Karman-Wirbel beträgt.

7· Massenstromsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdichtendetektor (A) stromaufwärts der Wirbelerzeugungseinrichtung (5) in dem Durchgang (1) angeordnet ist.

8. Massenstromsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdichtendetektor (A) stromabwärts der Wirbelerzeugungseinrichtung (5) in dem Durchgang (1) angeordnet ist.

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