DE3402981C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Luftmassenmeßeinrichtung für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Anspruchs 1. Eine derartige Luftmassenmeßeinrichtung ist aus DE 30 03 671 A1 bekannt. Zur Steuerung neuzeitlicher Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, seien sie nun vom Einspritzertyp oder vom Vergasertyp, werden in zunehmendem Maß elektronische Steuergeräte verwendet. Diese Steuergeräte bemessen die zugeführte Kraftstoffmenge und gegebenenfalls auch die zugeführte Luftmenge nach einer Reihe von Parametern, zu denen beispielsweise die augenblickliche Geschwindigkeit, die momentane Belastung, die Fahrbahnverhältnisse und vieles andere mehr gehören können. Der Brennkraftmaschine wird die zur Verbrennung benötigte Luft durch das Ansaugrohr zugeführt. Die zugeführte Luftmasse wird daher üblicherweise im Ansaugrohr gemessen. Als Sensor dafür hat sich eine Hitzdrahtmeßvorrichtung als einfaches und betriebssicheres Instrument als zweckmäßig eingeführt.

Beim Betrieb der Brennkraftmaschine wird durch den Hitzdraht ein elektrischer Strom geschickt. Der Hitzdraht erwärmt sich im Ruhezustand auf eine bestimmte Temperatur. Läuft die Brennkraftmaschine nun und saugt sie Luft an, so kühlt die durch das Ansaugrohr strömende Luft den im Ansaugrohr angeordneten Hitzdraht ab. Dies gilt unter der Voraussetzung, daß der Strom durch den Hitzdraht konstant gehalten wird. Durch die Abkühlung sinkt auch der Widerstand des Hitzdrahts. Es ist üblich, daraufhin den Strom durch den Hitzdraht so lange zu erhöhen, bis der Hitzdraht wieder die Temperatur annimmt, die er in ruhender Luft hatte. Damit weist der Hitzdraht im übrigen auch wieder die gleiche Temperatur wie zuvor auf.

Um den Hitzdraht auf die gleiche Temperatur wie zuvor zu steuern, wird er in einer elektrischen Schaltung als ein Zweig einer Widerstandsbrücke angeordnet. In Reihe mit dem Hitzdraht liegt dazu ein Festwiderstand, parallel zu dieser Reihenschaltung sind zwei weitere Widerstände angeordnet, von denen der eine beispielsweise ein Heißleiter oder ein Filmwiderstand ist und die Umgebungstemperatur berücksichtigt und kompensiert, der andere dagegen ein einstellbarer Widerstand zum Abgleich der Brücke ist. Die Spannung in der Brückendiagonale wird gemessen. Im Ruhezustand ist diese Spannung Null. Wird der Hitzdraht durch eine Luftströmung abgekühlt, kommt die Brücke aus dem Gleichgewicht. Die Diagonalspannung ist dann von Null verschieden. Über einen Verstärker wird dann ein Stellglied betätigt, das den Strom durch die gesamte Brücke so lange erhöht, bis durch die Verringerung des Widerstands des Hitzdrahts die Brücke wieder im Gleichgewicht und die Diagonalspannung Null ist. Das Maß der Stromerhöhung ist ein Maß für die durchströmende Luftmasse.

In der geschilderten bekannten Anordnung wird zum Erreichen der Stabilität des Regelkreises eine Brückenverstimmung durch eine Zusatzspannung angewandt. Diese Verstimmung hat aber eine luftmassenabhängige Veränderung der Hitzdrahtübertemperatur zur Folge; bei konstanter Zusatzspannung ist der Widerstand des Hitzdrahts stark vom Speisestrom abhängig.

Aus DE 30 37 340 A1 ist weiter eine Luftmassenmeßeinrichtung mit zwei Schaltungsästen bekannt, wobei der eine Schaltungsast ein luftmassenempfindliches Widerstandsmittel zur Erzeugung eines Istwertes aufweist, der andere Schaltungsast zur Erzeugung eines Sollwertes dient und in beiden Schaltungsästen eine Stromquelle angeordnet ist. Darüber hinaus kann in die Schaltungsäste bedarfsweise ein zusätzlicher Widerstand eingeschaltet sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit vergleichsweise wenigen Bauelementen realisierbare Luftmassenmeßeinrichtung anzugeben, mit der dennoch eine höhere Genauigkeit als bei bekannten Schaltungen erreicht wird und bei der die Abhängigkeit des Hitzdrahtwiderstandes von dem Speisestrom der Luftmassenmeßeinrichtung reduziert ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene Einrichtung gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen Meßeinrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß die erfindungsgemäße Stromquellenschaltung die Abhängigkeit des Hitzdrahtwiderstands von dem Speisestrom der Luftmassenmeßeinrichtung wesentlich heruntergedrückt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt das übliche Prinzip einer Luftmassenmeßeinrichtung mit einer Widerstandsbrücke, Fig. 2 das Prinzip der Luftmassenmeßeinrichtung nach Anspruch 1 und die Fig. 3 und 4 Ausführungsbeispiele. Es sind jeweils die Stromlaufpläne angegeben.

In Fig. 1 ist eine bekannte Brückenschaltung zu sehen, die aus einem temperaturabhängigen Widerstand (Hitzdraht) 11 und einem Festwiderstand 12, der auch Meßwiderstand genannt wird, auf der einen Seite und einem Kompensationswiderstand 13, der einen temperaturabhängigen Widerstandswert aufweist, und einem Einstellwiderstand 14, der zum Abgleich der Brücke dient, besteht. Die Brücke liegt auf der einen Seite an Masse, auf der anderen Seite ist sie über ein Stellglied 15 an die Betriebsspannung 16, beispielsweise die Batteriespannung in einem Kraftfahrzeug, angeschlossen. Der Spannungsabfall über dem Meßwiderstand 12 wird als Meßspannung 17 bezeichnet. Der Kompensationswiderstand 13 und der Einstellwiderstand 14 bilden zusammen die Sollwertgeberseite der Brücke. Der Sollwert ist am Verbindungspunkt 18 der Widerstände 13, 14 abnehmbar. Die Diagonalspannung zwischen den Punkten 18 und 17 wird von einem Verstärker 19 abgegriffen, der das Stellglied 15 steuert.

Kühlt nun, wie eingangs beschrieben, der Hitzdraht 11 ab und erniedrigt somit seinem Widerstandswert, so gerät die Brücke aus dem Gleichgewicht. Über die Diagonalspannung 17-18 steuert der Verstärker 19 das Stellglied 15 solange auf höheren Strom, bis die Diagonalspannung 17-18 wieder Null und damit die Brücke wieder im Gleichgewicht ist. Dafür gilt die Beziehung

Für den Widerstand des Hitzdrahts 11 läßt sich damit angeben

Das Stellglied 15, das die Stellgröße für den Heizstrom durch den Hitzdraht 19 liefert, schickt nun aber gleichzeitig einen Strom durch die Sollwertgeberseite mit den Widerständen 13 und 14. Dies bringt die Brücke wieder ins Gleichgewicht.

Führt man in die Leitung zwischen dem Punkt 18 und dem zugehörigen Anschluß des Verstärkers 19 eine Zusatzspannung U₂₀ ein und läßt durch den Hitzdraht 11 einen Speisestrom I₁₁ fließen, so ergibt sich für den Widerstand R₁₁ des Hitzdrahtes 11 die folgende Beziehung:

Bei konstanter Zusatzspannung U₂₀ sieht man aus dem Anteil (1+R₁₃/R₁₄) · U₂₀/I₁₁, daß der Widerstand R₁₁ des Hitzdrahts 11 stark vom Speisestrom I₁₁ abhängig ist.

Die Meßeinrichtung, deren Prinzip in Fig. 2 dargestellt ist, verwendet demgegenüber keine Brückenschaltung und auch keine Teilerstufe, sondern das Regelprinzip beruht auf der Anwendung einer Stromspiegelschaltung. Es werden dazu gesteuerte Stromquellen angewandt.

In Fig. 2 sind diejenigen Widerstände, die im wesentlichen eine den Widerständen in Fig. 1 entsprechende Funktion haben, mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Neu hinzu kommt eine Stromquelle 21, die zwischen den Hitzdraht 11 und den Festwiderstand 12 geschaltet ist, und eine Stromquelle 22, die zwischen den Kompensationswiderstand 13 und den Einstellwiderstand 14 geschaltet ist. Weiter sind eine erste Vergleichsstufe 23 und eine zweite Vergleichsstufe 24 vorgesehen. Der erste Eingang der ersten Vergleichsstufe 23 ist an den Verbindungspunkt zwischen dem Kompensationswiderstand 13 und der ersten Stromquelle 22 angeschlossen. Der Ausgang der ersten Vergleichsstufe liegt am Steuereingang der zweiten Stromquelle 21. Der erste Eingang der zweiten Vergleichsstufe 24 ist an den Verbindungspunkt zwischen dem Einstellwiderstand 14 und der ersten Stromquelle 22 und der zweite Eingang der zweiten Vergleichsstufe 24 an den Verbindungspunkt zwischen dem Festwiderstand 12 und der zweiten Stromquelle 21 angeschlossen; der Ausgang der zweiten Vergleichsstufe 24 liegt am Steuereingang der ersten Stromquelle 22.

Die beiden Vergleichseinrichtungen 23 und 24 steuern die Stromquellen 21 und 22 derart, daß die Spannungsdifferenz an ihren jeweiligen Eingängen immer zu Null wird. Es gelten dann die folgenden Verhältnisse:

U₁₃ = U₁₁ und U₁₄ = U₁₂.

Hieraus folgt für die Ströme

I₁₃ · R₁₃ = I₁₁ · R₁₁
I₁₃ · R₁₄ = I₁₁ · R₁₂

Daraus kann man die Beziehung errechnen

Dies ist die gleiche Beziehung, die auch für die Brückenschaltung gilt. Elektrisch gesehen ist also die Stromspiegelschaltung der üblichen Brückenschaltung gleichwertig, die beiden Schaltungen sind kompatibel.

Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit der Realisierung einer Luftmassenmeßeinrichtung nach diesem Prinzip. Auch hier sind wieder gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen benannt. Die zweite Stromquelle 21 ist mit Hilfe eines Darlington-Transistors verwirklicht, die erste Stromquelle 22 mit Hilfe eines einfachen Transistors. Als Vergleichsstufen 23 und 24 sind Operationsverstärker verwendet. Für die Bauelemente 21-23 und 22-24 können auch gleichartige Teile verwendet werden, die einzeln oder gemeinsam oder mit anderen Bauteilen zusammen auf einem Chip integriert sein können.

Auch für diese Schaltung gelten wieder die Gleichungen, wie sie zum Prinzip nach Fig. 2 angegeben sind. Es folgt daraus die Beziehung

daraus ergibt sich durch entsprechende Umrechnung

Die Regeleinrichtung regelt den Hitzdraht 11 also ebenso wie die üblichen genannten Schaltungen auf einen konstanten Widerstand und damit auf eine konstante Übertemperatur.

Führt man bei dieser Schaltung nach Fig. 3 wieder eine Zusatzspannung U₂₀ zwischen dem Anschlußpunkt 17 und dem zugehörigen Eingang des Verstärkers 24 ein, so ergibt sich für den Widerstand R₁₁ des Hitzdrahts 11 die folgende Beziehung:

Dieses bedeutet, daß die Abhängigkeit des Hitzdrahtwiderstands 11 von dem Speisestrom I₁₁ nur (R₁₃/R₁₄) · (U₂₀/I₁₁) ist. Bei einer in einem Ausführungsbeispiel vorgenommenen Dimensionierung der erfindungsgemäßen Stromquellenschaltung wurde die Abhängigkeit des Hitzdrahtwiderstands vom Speisestrom auf ein Drittel der Abhängigkeit der üblichen Brückenschaltungen herabgedrückt.

Eine Regelschaltung, die das Prinzip der Erfindung mit einem denkbar geringen Aufwand verwirklicht, ist in Fig. 4 dargestellt. Es werden dazu nur zwei Transistoren und die üblichen vier Brückenwiderstände benötigt. In Fig. 4 sind die Bauelemente mit den entsprechenden gleichen Bezugszeichen wie in den vorangegangenen Figuren bezeichnet.

Für die Abhängigkeit des Hitzdrahtwiderstands R₁₁ ergibt sich hier die folgende Beziehung:

Diese einfache Schaltung ist nur dort anwendbar, wo es nicht auf große Genauigkeit ankommt. Der geringe Aufwand kann die Anwendung jedoch rechtfertigen.

Claims (4)

1. Luftmassenmeßeinrichtung für Brennkraftmaschinen, mit einem in die durchströmende Luftmasse führenden Ansaugrohr liegenden temperaturabhängigen Widerstand (11), der mit elektrischem Strom beheizt wird, einem ersten Spannungsteiler (13, 14) zur Erzeugung eines Teilerspannungs-Sollwertes, bei dem der Widerstandswert des einen Spannungsteilerzweiges (13) von der Temperatur der Umgebungsluft abhängt und der Widerstandswert des anderen Spannungsteilerzweiges (14) einstellbar ist, einem zweiten Spannungsteiler (11, 12) zur Ermittlung eines Teilerspannungs-Istwertes, bei dem der eine Spannungsteilerzweig von dem temperaturabhängigen Widerstand (11) und der andere Spannungsteilerzweig von einem Festwiderstand (12) gebildet werden, und mit einer Stellvorrichtung zum Stellen des elektrischen Stroms in den Spannungsteilern, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellvorrichtung aus einer ersten Stromquelle (22) im ersten Spannungsteiler (13, 14) und einer zweiten Stromquelle (21) im zweiten Spannungsteiler (11, 12) besteht, wobei die Stromquellen (21, 22) jeweils in Serie mit der Reihenschaltung des einen und des anderen Spannungsteilerzweiges des entsprechenden Spannungsteilers liegen, und die erste Stromquelle (22) von der Teilerspannung des zweiten Spannungsteilers (11, 12) und die zweite Stromquelle (21) von der Teilerspannung des ersten Spannungsteilers (13, 14) ansteuerbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste Vergleichsvorrichtung (23), deren erster Eingang mit dem Verbindungspunkt zwischen dem temperaturabhängigen Widerstand (11) und dem Festwiderstand (12) in dem zweiten Spannungsteiler, deren zweiter Eingang mit dem Verbindungspunkt der Spannungsteilerzweige des ersten Spannungsteilers (13, 14) und deren Ausgang mit einem Steuereingang der zweiten Stromquelle (21) verbunden sind, sowie eine zweite Vergleichsvorrichtung (24), deren erster Eingang mit dem masseabgewandten Ende des einstellbaren Widerstands (14) des ersten Spannungsteilers (13, 14), deren zweiter Eingang mit dem masseabgewandten Ende des Festwiderstandes (12) des zweiten Spannungsteilers (11, 12) und deren Ausgang mit einem Steuereingang der ersten Stromquelle (22) verbunden sind.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Stromquellen (21, 22) jeweils von der Teilerspannung des anderen Spannungsteilers beeinflußt werden.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Stromquellen (21, 22) von dem Ausgangssignal jeweils einer der Vergleichsvorrichtungen (23, 24) angesteuert werden.