DE3802422A1 - Verfahren und einrichtung zum bestimmen des luftmassenstroms - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Luftmassen­ stroms gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine zum Durchfüh­ ren dieses Verfahrens dienende Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 4.

Im Kraftfahrzeugwesen hat das genaue Erfassen des für die Gemisch­ bildung dienenden Luftmassenstroms eine maßgebliche Bedeutung für die Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgaswerte. Das Ver­ fahren und die Einrichtung der genannten Art haben den Nachteil, daß ein relativ großer Versorgungsspannungsbedarf besteht, der häufig im Anlaßbereich und im Tieftemperaturbereich nicht vollends gedeckt ist. Sofern in kritischen Betriebsbereichen die Versor­ gungsspannungsreserve nicht ausreicht, um einen vollständigen Brük­ kenabgleich zu erzielen, ergeben sich hinsichtlich des wahren Luft­ massenstroms Meßfehler, die zu einem ungünstigen Betriebsverhalten führen. Bisher wurden solche fehlerhaften Meßergebnisse in Kauf genommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der genannten Art mit relativ ein­ fachen Maßnahmen so zu gestalten, daß sich der Luftmassenstrom auch in kritischen Grenzbereichen, in denen keine ausreichende Versorgungsspannungsreserve vorliegt, mit hinreichender Genauig­ keit bestimmen läßt.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Verfahren der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen dieses Anspruchs aufgeführten Merkmale aus. Demnach ist es ohne weiteres möglich, unter Weiterverwendung des bisherigen Verfahrens in kritischen Grenzbereichen, also immer dann, wenn die Brücke infolge zu geringer Versorgungsspannungsre­ serve nicht mehr abgleichbar ist, durch Änderung der Auswerteme­ thode dennoch eine genaue Bestimmung des Luftmassenstroms durch­ zuführen. Zu diesem Zweck wird das Erreichen des Grenzbereichs, also der Zwangszustand eines mangelnden Brückenabgleichs infolge nicht ausreichender Spannungsreserve der Brückenversorgungsspan­ nung, erfaßt und zum Anlaß genommen, eine Auswerteumschaltung vorzunehmen. Das bedeutet, daß das endgültige Meßresultat aus dem erfaßten Meßwert unterhalb und oberhalb des Schwellwerts nach un­ terschiedlichen Kriterien bestimmt wird, wobei im ersten Fall nur die Brückenversorgungsspannung und im zweiten Fall außerdem die Lufttemperatur berücksichtigt werden. Dieses Verfahren erweitert somit den Anwendungsbereich auch bis in die Bereiche, bei denen teilweise oder auch grundsätzlich eine nur unzureichende Versor­ gungsspannung zur Verfügung steht, was inbesondere für Tieftempe­ ratur-Startvorgänge zutrifft.

Gemäß der Weiterbildung von Anspruch 2 kann zusätzlich die Brük­ kendifferenzspannung herangezogen werden, um einen korrigierten, das heißt angenäherten, Meßwert zu erhalten, aus dem der genaue Luftstrom in der genannten Weise bestimmt wird. Während bei dem Verfahren ohne eine derartige Summenbildung die Auswertung nach unterschiedlichen Betriebsarten erfolgt, ergibt sich durch die Summenbildung ein Näherungswert, der in Abhängigkeit von der Un­ terschreitung oder Übersteigung des Schwellwerts unterschiedlich bewertet wird.

Gemäß der Weiterbildung von Anspruch 3 erfolgt der Meßvorgang vorzugsweise in einem Zeitraster, dessen Taktfrequenz den jewei­ ligen Betriebserfordernissen angepaßt werden kann.

Zum Durchführen dieses Verfahrens zeichnet sich eine Einrichtung der im Oberbegriff von Anspruch 4 genannten Art erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen dieses Anspruchs aufgeführten Merkmale aus. Demnach vergleicht der Komparator die Brückendifferenzspan­ nung mit einem Spannungsschwellwert, der beispielsweise etwa dem Spannungswert Null entsprechen kann. Der Umschalter ermöglicht einen betriebsabhängigen Übergang zwischen einer Normalauswertung bei Brückenabgleich und einer Ersatzauswertung bei Brückenver­ stimmung, also bei mangelnder Reserve der Brückenversorgungsspan­ nung. Immer dann, wenn ein Brückenabgleichversuch nicht zum Erfolg führt, sorgt der Umschalter bei Überschreitung des Schwellwerts für ein beispielsweise vorübergehendes Umschalten auf die alter­ native Auswertung. Für die Einrichtung können preiswerte handels­ übliche Glieder verwendet werden, so daß die bekannte Einrichtung schnell und einfach nachgerüstet werden kann, damit ein Arbeiten im erfindungsgemäßen Sinne möglich ist.

Die Weiterbildung von Anspruch 5 ermöglicht die Bildung eines Nä­ herungswertes in Form eines korrigierten Meßwertes, der dann zum Erzeugen eines genauen Luftstromsignals entsprechend ausgewertet bzw. bewertet wird.

Gemäß der Weiterbildung von Anspruch 6 können für verschiedene Teile der Einrichtung einfache Differenzverstärker eingesetzt wer­ den, die preiswert sind und zuverlässig arbeiten.

Die Weiterbildung von Anspruch 7 ist zweckmäßig, da für jeden Meß­ vorgang zunächst ein Brückenabgleichversuch erfolgen muß, nach Ab­ lauf dessen festzulegen ist, nach welcher Auswertemethode das ge­ naue Luftstromsignal zu bestimmen ist.

Gemäß der Weiterbildung von Anspruch 8 werden die einzelnen Luft­ stromsignale gespeichert, damit auch während der einzelnen Meßvor­ gänge an der Einrichtung ein Ausgangssignal zur Verfügung steht.

Die Weiterbildung von Anspruch 9 ermöglicht eine vielfältige Aus­ bildung der Auswerteschaltungen, mittels derer die Meßwerte bzw. korrigierten Meßwerte in Abhängigkeit von der Brückendifferenz­ spannung in bezug auf den Schwellwert ausgewertet werden. Dabei sind Kennlinien- oder Kennfeld-Auswerteschaltungen besonders be­ vorzugt, weil hierbei ein sehr schnelles Ablesen des Luftmassen­ stroms, gegebenenfalls in Verbindung mit einer linearen Interpola­ tion zwischen zwei Kennlinien- bzw. Kennfelddaten, möglich ist. Alternativ können jedoch auch Rechner verwendet werden, die den Luftmassenstrom unter Berücksichtigung der eingangsseitigen Be­ triebsparameter exakt berechnen.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform und

Fig. 2 eine Einrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 besteht eine elektrische Meßbrücke 10 aus zwei Brük­ kenzweigen, von denen der eine in Reihe einen umströmten Luft­ strom-Meßwiderstand R _L sowie einen Festwiderstand R ₁ und der an­ dere in Reihe einen die Lufttemperatur erfassenden Temperatur-Kom­ pensationswiderstand R _T , dem ein Korrekturwiderstand R _K nachge­ schaltet ist, sowie einen Festwiderstand R ₂ enthalten. Bei den Widerständen R _L und R _T handelt es sich vorzugsweise um gleichar­ tige PTC-Widerstände, deren reines Temperaturverhalten überein­ stimmt. Die Größe der einzelnen Brückenwiderstände wird vorzugs­ weise so gewählt, daß die an den Festwiderständen abfallenden Spannungen U ₁ und U ₂ normalerweise etwa der halben Brückenversor­ gungsspannung U ₀ entsprechen, weil die Brücke dann besonders ge­ nau abstimmbar bzw. bezüglich der Brückenverstimnung genau ables­ bar ist.

Im vorliegenden Fall wird die Brückendifferenzspannung im Brücken­ nullzweig, das heißt die Spannungsdifferenz zwischen den Spannun­ gen U ₁ und U ₂, mit Hilfe eines Differenzverstärkers 12 als Brük­ kendifferenzspannung U ₃ erfaßt. Diese gelangt unter anderem zum Eingang einer steuerbaren Versorgungsquelle 14, die im vorliegen­ den Fall eine von der Brückendifferenzspannung U ₃ abhängige Gleichspannung als Brückenversorgungsspannung U ₀ liefert. Dabei wird die Versorgungsquelle 14 von der Brückendifferenzspannung U ₃ so beeinflußt, daß sich die Brückenversorgungsspannung U ₀ in Rich­ tung der Erzielung eines neuen Brückengleichgewichts verändert.

Zunächst wird die Meßbrücke bei fehlendem Luftmassenstrom abgegli­ chen, so daß die Brückendifferenzspannung U ₃ zumindest annähernd verschwindet. Dabei liegt an der Meßbrücke 10 eine bestimmte Brük­ kenversorgungsspannung U ₀ an. Durch Temperaturänderungen erfolgt keine Brückenverstimmung, weil die Widerstände R _L und R _T gleiche Temperaturgänge haben. Wenn nun ein Luftmassenstrom auftritt, er­ folgt in Abhängigkeit hiervon eine Kühlung des umströmten Meßwi­ derstands R _L , so daß dessen Widerstandswert im Falle eines PTC- Verhaltens abnimmt. Dieses führt zu einer Verstimmung der Meßbrük­ ke 10, weil die Spannung U ₁ und damit auch die Brückendifferenz­ spannung U ₃ ansteigen. Daraufhin vergrößert die Versorgungsquelle 14 die Brückenversorgungsspannung U ₀ so lange, bis der Meßwider­ stand R _L durch erhöhte Aufheizung wieder ausreichend angestiegen ist, also bis erneut Brückenabgleich vorliegt. Dieser den Meßwi­ derstand R _L durchfließende vergrößerte Strom wird durch das Erfas­ sen des Spannungsabfalls U ₁ an dem Festwiderstand R ₁ berücksich­ tigt und in noch näher zu beschreibender Weise ausgewertet.

Wenn insbesondere bei Anlaßvorgängen und Tieftemperaturstarts von Kraftfahrzeugen die Versorgungsquelle 14 nicht ausreicht, um eine für die Brückenabstimmung ausreichend große Brückenversorgungs­ spannung U ₀ zur Verfügung zu stellen, ist das Meßergebnis stark fehlerbehaftet, und zwar um so mehr, je größer die Brückenverstim­ mung ist. Für diesen Fall muß eine abgewandelte Auswertung vorge­ nommen werden.

Der Grenzbereich einer nicht mehr erzielbaren Abstimmung wird da­ durch erfaßt, daß die Differenzspannung U ₃ außerdem einem Kompa­ ratur 16, im vorliegenden Fall einem Differenzverstärker, zuge­ führt wird, und zwar zusammen mit einer Referenzspannung U _ref , die beispielsweise etwa bei dem Spannungswert Null liegen kann. Sobald diese Differenzspannung U ₃ den Schwellwert übersteigt, wird mit einem am Ausgang des Komparators 16 erscheinenden Umschaltsignal U ₄ signalisiert, daß keine ausreichende Brückenabstimmung mehr er­ zielbar ist. Das Umschaltsignal wird einem Umschalter 18 zugelei­ tet, der zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist. Im Normalfall, also bei Brückenabgleich und ohne Schwellwertüberschreitung, ist der Ausgang des Umschalters 18 mit seinem ersten Eingang verbun­ den, und das Umschalten auf den zweiten Eingang erfolgt nur bei Schwellwertüberschreitung.

Die Brückenspannung U ₁, die dem durch den Meßwiderstand R _L flies­ senden Strom proportional ist, stellt den eigentlichen Meßwert dar, der gemäß Fig. 1 als Signal U ₅ den Eingängen zweier Auswer­ teschaltungen 20, 22 zugeführt wird. Die Auswerteschaltung 20 ist eine Kennlinien-Auswerteschaltung, mit der aus dem Signal U ₅ und der Brückenversorgungsspannung U ₀ ein für den erfolgten Brücken­ abgleich gültiges genaues Luftstromsignal bestimmt und dem ersten Eingang des Umschalters 18 zugeführt wird. Die Auswerteschaltung 22 ist eine Kennfeld-Auswerteschaltung, mit der aus dem Signal U ₅, der Brückenversorgungsspannung U ₀ und der Lufttemperatur T _L ein für den Zustand ohne Brückenabgleich gültiges genaues Luftstrom­ signal erzeugt und dem zweiten Eingang des Umschalters 18 zuge­ führt wird. Die Auswerteschaltung 22 berücksichtigt die bei Über­ schreitung des Schwellwertes vorliegende Auswertung bei konstan­ ter Brückenversorgungsspannung U ₀. Am Ausgang des Umschalters 18 entsteht somit ein genaues Luftstromsignal U ₆, das in Abhängig­ keit des jeweiligen Betriebszustandes aus dem Signal U ₁ bzw. U ₅ über die Auswerteschaltung 20 oder die Auswerteschaltung 22 ermit­ telt wurde.

Die Ausführungsform aus Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen aus Fig. 1 im wesentlichen nur durch eine Summierschaltung 24, mittels derer aus der Brückenspannung U ₁, also dem Meßwert gemäß der Ausführungsform aus Fig. 1, und der Brückendifferenzspannung U ₃ ein korrigierter Meßwert U ₅ erzeugt wird, der den Eingängen der Auswerteschaltungen 20 und 22 zugeleitet wird. Diese unter­ scheiden sich von denjenigen aus Fig. 1 allenfalls durch unter­ schiedliche Kennlinien bzw. Kennfelder. Im übrigen entspricht die Ausführungsform aus Fig. 2 derjenigen aus Fig. 1. Der Unter­ schied liegt darin, daß bei der Ausführungsform aus Fig. 2 über die Summierschaltung 24, die im vorliegenden Fall ebenfalls als Differenzverstärker ausgebildet ist, ein Näherungswert gebildet wird, der in den Auswerteschaltungen 20, 22 in Abhängigkeit von einer Unterschreitung oder Übersteigung des Schwellwertes unter­ schiedlich ausgewertet bzw. bewertet oder nachkorrigiert wird.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht in relativ einfacher Weise ein Bestimmen des Luftmassenstroms auch in ungünstigen Be­ triebsbereichen, bei denen mangels ausreichender Spannungsreserve keine Brückenabstimmung mehr erzielbar ist und bei denen bisher Meß- bzw. Betriebsfehler bewußt in Kauf genommen wurden. Diese lassen sich nunmehr ohne großen Zusatzaufwand sicher vermeiden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Bestimmen des Luftmassenstroms mit Hilfe einer Meßbrücke, die in einem Brückenzweig einen vom Luftstrom küh­ lend umströmbaren Meßwiderstand, wie einen Hitzdraht- oder Heißfilm-Meßwiderstand, und im anderen Brückenzweig einen die Lufttemperatur meßtechnisch kompensierenden Kompensationswi­ derstand aufweist, wobei die für den stationären Zustand ohne Luftmassenstrom abgeglichene und dann durch einen Luftmassen­ strom verstimmte Meßbrücke durch entsprechendes Vergrößern der Brückenversorgungsspannung gegenüber dem stationären Zustand abgeglichen wird und der dann durch den Meßwiderstand fließen­ de Strom als Meßwert direkt oder indirekt bei der Bestimmung des Luftmassenstroms ausgewertet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Brückendifferenzspannung zum Bestimmen der Auswerteart des Meßwertes mit einem kleinen Schwellwert verglichen wird, daß bei Unterschreitung des Schwellwerts, also wenn die Brückenversorgungsspannung auf­ grund ausreichender Spannungsreserve zumindest annähernd bis zum Brückengleichgewicht vergrößerbar ist, der genaue Luft­ strom nach einem ersten Zusammenhang zwischen dem Meßwert und der Brückenversorgungsspannung bestimmt wird, und daß bei Über­ schreitung des Schwellwerts, also wenn die Brückenversorgungs­ spannung aufgrund mangelnder Spannungsreserve nicht bis zum Brückengleichgewicht vergrößerbar ist, der genaue Luftstrom nach einem zweiten Zusammenhang zwischen dem Meßwert und der Brückenversorgungsspannung sowie der erfaßten Lufttemperatur bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Meßwert und der Brückendifferenzsspannung durch Summenbildung ein korrigierter Meßwert gebildet und unter Berücksichtigung der die Auswerteart bestimmenden Brückendifferenzspannung aus­ gewertet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenabgleichversuche in einem bestimmten Zeitraster durchgeführt werden und jeweils nach Ablauf einer bestimmten Abgleichzeit die Auswertung in Abhängigkeit von der dann vor­ liegenden Unter- oder Überschreitung des Schwellwerts erfolgt.

4. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Meßbrücke (10), einem Luftstrom-Meßwiderstand (R _L ) in einem sowie einem Kompensa­ tionswiderstand (R _T ) für die Temperatur des Luftstroms im ande­ ren Brückenzweig, mit einem Glied (12) zum Erfassen der Brük­ kendifferenzspannung (U ₃) im Brückennullzweig, mit einer in Ab­ hängigkeit von der Brückendifferenzspannung beeinflußbaren Ver­ sorgungsquelle (14) zum Erzeugen einer im Sinne eines Brücken­ abgleichs vergrößerbaren Brückenversorgungsspannung (U ₀) und mit einem Mittel zum direkten oder indirekten Erfassen sowie Auswerten des den Meßwiderstand durchfließenden Stroms bzw. Meßwerts (U ₁) als Maß für den Luftmassenstrom, gekenn­ zeichnet durch einen mit der Brückendifferenzspannung (U ₃) sowie einem Spannungsschwellwert (U _ref ) beaufschlagten Komparator (16), durch einen vom Komparator (16) gesteuerten Umschalter (18) mit ersten sowie zweiten Eingängen und einem Ausgang, der bei Unterschreitung bzw. Überschreitung des Schwellwerts mit dem ersten bzw. zweiten Eingang verbunden ist, durch eine eingangsseitig mit dem Meßwert (U ₁; U ₅) sowie der Brückenversorgungsspannung (U ₀) beaufschlagte und ausgangssei­ tig an den ersten Eingang des Umschalters (18) angeschlossene erste Auswerteschaltung (20) zum Bestimmen eines genauen Luft­ massenstromsignals bei Brückenabgleich und durch eine eingangs­ seitig mit dem Meßwert (U ₁; U ₅), der Brückenversorgungsspannung (U ₀) sowie der Lufttemperatur (T _L ) beaufschlagte und ausgangs­ seitig an den zweiten Eingang des Umschalters (18) angeschlos­ sene zweite Auswerteschaltung (22) zum Bestimmen eines genauen Luftstromsignals ohne Brückenabgleich.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine aus­ gangsseitig an die Auswerteschaltungen (20, 22) angeschlossene Summierschaltung (24) zum Bilden eines korrigierten Meßwertes (U ₅) in Form der Summe des Meßwertes (U ₁) sowie der Brückendif­ ferenzspannung (U ₃).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Summierschaltung (24) und/oder der Komparator (16) einen Dif­ ferenzverstärker aufweist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Umschalter (24) bei jedem Meßvorgang vom er­ sten auf den zweiten Eingang umschaltet, wenn nach Ablauf einer bestimmten Brückenabgleichzeit der Schwellwert überschritten ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, gekennzeichnet durch Speicher zum Halten des jeweiligen Luftstromsignals bis zum Vorliegen eines neuen Luftstromsigmals oder bis zum Errei­ chen eines neuen Takts innerhalb eines bestimmten Zeittakt­ rasters.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteschaltungen (20, 22) als Kennlinien­ oder Kennfeld-Auswerteschaltungen und/oder als Rechner ausge­ bildet sind.