DE3722385A1 - Luftmassenmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser, insbesondere zur Be­ stimmung der einer Brennkraftmaschine zugeführten Ansaugluftmenge.

Für die Gestaltung von Luftmassenmessern haben Heißelement-Anemometer Verwendung gefunden, bei denen zwei Fühler, von denen einer die Tempe­ ratur der angesaugten Luft erfaßt und der andere auf eine bestimmte Temperatur über der Umgebungstemperatur aufgeheizt wird, in verschiedenen Zweigen einer Brückenschaltung liegen, die durch weitere Widerstände ergänzt ist und durch eine Verstärkerschaltung im abgeglichenen Zustand gehalten wird. Der als Meßsonde dienende aufgeheizte Fühler wird durch den Luftstrom abhängig von dessen Geschwindigkeit und Temperatur unterschiedlich abgekühlt. Der zum Brückenabgleich erforderliche zusätzliche Energiebetrag ist dann ein Maß für die durchgesetzte Luftmasse.

Luftmassenmesser nach diesem Prinzip arbeiten zufriedenstellend bei nur geringen Schwankungen der Temperatur der angesaugten Verbrennungs­ luft, bei größeren Abweichungen von einer Bezugstemperatur, im allge­ meinen 20°C, entstehen jedoch Meßfehler, vor allem durch die sich mit der Temperatur ändernde thermische Leitfähigkeit der Luft.

Es ist bereits bekannt, zum Ausgleich dieser Temperaturfehler parallel zu den beiden Brückenzweigen mit dem als Meßsonde wirkenden, über die Umgebungstemperatur aufgeheizten ersten Fühler und dem als Temperatur­ messer wirkenden ungeheizten zweiten Fühler, die jeweils in Reihe mit einer Konstantstromquelle liegen, einen von einer dritten Konstant­ stromquelle gespeisten ersten veränderlichen Widerstand und in die Verbindung zwischen einem Diagonalpunkt der Brückenschaltung - und zwar in dem Zweig, in dem der Temperaturfühler liegt - und dem Verbin­ dungspunkt zwischen dem ersten veränderlichen Widerstand und der drit­ ten Konstantstromquelle einen zweiten veränderlichen Widerstand vor­ zusehen. Mit diesen beiden veränderlichen Widerständen läßt sich die Steilheit der Temperaturkompensation im gewünschten Sinn beeinflussen. Nachteilig bei der bekannten Luftströmungs-Mengenfühlerschaltung ist, daß drei getrennte Konstantstromquellen erforderlich sind und die Ge­ samtschaltung erst nach einem individuellen Eichvorgang funktionsfähig ist.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Luft­ massenmesser anzugeben, der bei einfachem Aufbau einen verbesserten Temperaturgang aufweist. Ferner soll der Abgleichvorgang vereinfacht und das Gerät kostengünstiger gestaltet sein.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen.

Der erfindungsgemäße Luftmassenmesser hat den Vorteil, daß die An­ sprechzeit der Gesamtanordnung auf schnelle Durchsatzänderungen der Ansaugluftmasse kurz ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dabei ist vorteilhaft, daß die Kennlinie und die Abgleichvorschriften gegenüber Geräten nach dem Stand der Technik weitgehend erhalten bleiben. Dadurch sind Nachrüstungen in vorteilhafter Weise möglich. Weiter ist vorteilhaft, daß die Herstellungskosten der Schaltung gering sind. Weiter ist vorteilhaft, daß eine gerechnete digitale Nachkorrektur des Signals entfallen kann. Weiter ist als vorteilhaft anzusehen, daß keine zusätzliche Auswerteschaltung erforderich ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn alle in der Schaltung verwendeten Sensoren in einem einzigen geeigneten Fer­ tigungsvorgang in geeigneter Technik einstückig hergestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des Luftmassenmessers,

Fig. 2 ein Fehlerdiagramm ohne Anwendung der Erfindung mit den an der Signalspannung anzubringenden relativen Korrekturen als Funktion des Luftstroms Q.

Bei der Schaltung nach Fig. 1 ist an eine positive Betriebsspannung­ quelle plus UB der Emitter eines npn-Transistors 2 angeschlossen. Mit dem Kollektor dieses Transistors 2 ist einer aus 4 Widerständen 3, 4, 5, 6 bestehende Brückenschaltung 7 verbunden. Dabei bildet die aus dem temperaturabhängigen Widerstand 3 und dem Abgleichwiderstand 4 bestehende Reihenschaltung einen Zweig, die aus dem temperaturabhängig­ en Widerstand 5 und dem Abgleichwiderstand 6 bestehende Reihenschaltun­ gen anderen Zweig der Brückenschaltung. Die temperaturabhängigen Wi­ derstände 3, 5 sind als Sensoren im Luftstrom angeordnet und die Widerstandswerte der Widerstände 3 und 4 sind so gewählt, daß bei abgeglichener Brücke der in diesem Brückenzweig fließende Strom den Widerstand 3 auf eine konstante Temperaturdifferenz über der Temperatur der durchströmenden Luft aufheizt. Diese Temperatur wird von dem Widerstand 5 erfaßt, dessen Widerstandswert so hoch ist, daß seine Erwärmung durch den durch diesen Brückenzweig fließenden Strom unbeachtlich ist.

Die beiden Brückendiagonalen sind mit den beiden Eingängen eines Dif­ ferenzverstärkers 8 verbunden, dessen Ausgang an die Basis des Tran­ sistors 2 angeschlossen ist. Der dem Transistor 2 gegenüberliegende Speisepunkt 11 der Brückenschaltung 7 ist über einen abgleichbaren temperaturabhängigen Widerstand 9 mit festem Potential, im allge­ meinen mit Masse, verbunden. Der temperaturabhängige Widerstand 9 weist bei positiven Temperaturkoeffizienten der Widerstände 3 und 5 ebenfalls einen positiven Temperaturkoeffizienten auf (PTC-Widerstand) und liegt ebenso wie die temperaturabhängige Widerstände 3, 5 im zu messenden Luftraum, jedoch an einer Stelle relativ kleiner Luftgeschwindigkeit.

Die durch den Luftstrom hervorgerufene Abkühlung des aufgeheizten Wi­ derstandes 3 verändert das Gleichgewicht der Brückenschaltung 7. Das entstandene Ungleichgewicht wird durch den Differenzverstärker 8 über den Transistor 2 ausgeregelt, indem die Spannung des mit dem Kollek­ tor des Transistors 2 verbundenen Speisepunkt 10 der Brückenschaltung verändert wird. Die über die Widerstände 4, 9 abfallende Spannung U zwischen der Brückendiagonalen des Brückenzweiges, in dem der Sen­ sor 3 angeordnet ist,und festem Potential ist damit ein Maß für die Abkühlung des Widerstandes 3 und für die durchströmende Luftmasse bei gekanntem Strömungsquerschnitt. Der als Temperaturfühler wirkende tem­ peraturabhängige Widerstand 5 bewirkt, daß die Temperaturdifferenz des Widerstandes 3 zur strömenden Luft annähernd konstant bleibt.

Die bei Luftmassenmesser mit einer einzigen Stromquelle nach dem Stand der Technik auftretenden Meßfehler werden in erster Linie durch die Änderungen der thermischen Leitfähigkeit der Luft mit der Temperatur verursacht. Zur Erläuterung der Wirkung des zusätzlichen temperatur­ empfindlichen Widerstandes 9 in der Schaltung nach Fig. 1 seien ei­ nige Betrachtungen über die Art des Fehlers vorangestellt. Der Ar­ beitsbereich von Luftmassenmessern für Brennkraftmaschinen erstreckt sich im allgemeinen über Temperaturen von -40°C bis +120°C und Massen­ durchsätze von annähernd einer Dekade. Bei einer Bezugstemperatur von 20°C ergibt sich für Lufttemperaturen unterhalb dieser Bezugstem­ peratur ein Meßfehler, der von einem negativen Wert unterhalb eines Mindestdurchsatzes zu einem positiven Wert oberhalb dieses Mindest­ durchsatzes und für Lufttemperaturen oberhalb der Bezugstemperatur von einem positiven Wert zu einem negativen Wert wechselt. Oberhalb des Mindestdurchsatzes liegen also bei Lufttemperaturen über der Bezugstemperatur von 20°C Minusfehler, bei Lufttemperaturen unter­ halb der Bezugstemperatur dagegen Plusfehler vor. Wählt man jedoch die tiefste zu berücksichtigende Lufttemperatur als Bezugtemperatur, so liegen in dem interessierenden Durchsatzbereich oberhalb des Mindest­ durchsatzes immer Minusfehler vor.

Die somit an der Signalspannung anzubringenden Korrekturen sind in Fig. 2 dargestellt.

In diesem Fall ist der vom gesamten Brückenstrom durchflossene tempe­ raturabhängige, einstellbare Widerstand 9 in der Lage, durch Erhöhung des Gesamtwiderstandes diese Fehler temperaturabhängig zu eliminie­ ren.

Aufgrund des durchflußabhängig ansteigenden Stroms durch die Wider­ stände 3, 4 und damit auch durch den Widerstand 9 wird der Wider­ standswert durch die Stromheizung wegen des positiven Temperaturkoef­ fizienten des temperaturabhängigen Widerstandes 9 größer. Damit wird bei größeren Durchflüssen die Signalspannung U größer. Das führt bei geeigneter Auslegung des Grundwiderstandswertes des Widerstands 9 und dessen Temperaturkoeffizienten zu einer Korrektur der temperaturab­ hängigen Fehler auf einen Bruchteil des ursprünglichen Wertes. Dabei erfolgt die Wärmeübertragung des Widerstandes 9 auf die Umgebung weit­ gehend durch Strahlung und freie Konvektion und nur unwesentlich durch die langsam vorbeiströmende Luft. Wegen des geringen korrigierenden Einflusses des Widerstands 9 wird die Ansprechzeit der Luftmassenmes­ seranordnung auf schnelle Durchsatzänderungen der Luft praktisch nicht geändert.

Die Sensoren 3, 5, die in der vorstehenden Beschreibung als Widerstän­ de mit positiven Temperaturkoeffizienten beschrieben sind, können selbstverständlich in jeder gängigen Technik als Draht-, Dünnschicht- oder Dickschichtwiderstände oder als temperaturempfindliche Halbleiter ausgeführt sein.

Claims (5)

1. Luftmassenmesser, insbesondere zur Bestimmung der Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, mit zwei im Ansaugluftstrom angeordneten temperaturabhängigen Sensoren, die von einer gemeinsamen Spannungsquelle gespeist sind und von denen einer mittels einer Heizeinrichtung auf einen festen Temperaturbetrag oberhalb der Temperatur der angesaugten Luft aufgeheizt ist und deren Spannungsabfälle zur Bestimmung der Luftmassendurchsatzes herausgezogen werden, mit einem Widerstandsnetzwerk zum Ausgleich der durch die Änderung der thermischen Leitfähigkeit der Luft mit der Temperatur hervorgerufenen Widerstandsänderungen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sensoren (3, 5) in verschiedenen Zweigen einer Brückenschaltung liegen, deren Diagonalspannung durch Änderung der Brückenspannung ausgeregelt wird und daß ein dritter Sensor (9) vorgesehen ist, der vom Brückenstrom durchflossen ist.

2. Luftmassenmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Sensor (9) ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC- Widerstand) ist.

3. Luftmassenmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Sensor (9) in einem Bereich geringer Strömungsgeschwindigkeit der angesaugten Luft angeordnet ist.

4. Luftmassenmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich geringer Luftgeschwindigkeit ein Bypass-Kanal ist.

5. Luftmassenmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strombegrenzung dem Sensor (9) eine Z-Diode (12) parallel geschaltet ist.