DE4342481A1 - Massendurchflußmesser für strömende Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Massendurchflußmesser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet derartiger Massendurchflußmes­ ser ist die Messung der von einer Brennkraftmaschine ange­ saugten Luftmasse. Diese Messung ist insbesondere wichtig, um den Verbrennungsvorgang der Brennkraftmaschine so steuern zu können, daß der Schadstoffausstoß bei der Verbrennung mög­ lichst gering ist.

Bei Brennkraftmaschinen treten bekanntlich Betriebszustände auf, die zu Pulsationen im Ansaugtrakt führen. Dies kann zu Rückströmungen der angesaugten Luft führen, die auf das Meßergebnis die gleiche Wirkung wie die angesaugte Luftmasse hat, da diese zur angesaugten Luftmasse addiert wird anstatt davon subtrahiert zu werden. Damit wird das Meßergebnis verfälscht, wenn nicht besondere Maßnahmen getroffen werden.

Es ist bekannt, den Meßfehler des Luftmassenmessers mit einem adaptierbaren Pulsationskennfeld zu korrigieren. Ein solches Kennfeld ersetzt den Luftmassenmesser jedoch in nachteiliger Weise im ganzen Vollastbereich der Brennkraftmaschine sowie in den Bereichen, wo auch keine Rückströmung auftritt und daher eine Korrektur nicht erforderlich wäre. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß eine Lieferung bzw. ein Einsatz von Luftmassenmessern für fremde Systeme extrem erschwert wird, weil dazu eine besondere Korrektursoftware installiert und appliziert werden muß.

Es ist Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung eines Pulsa­ tionskennfeldes einen Massendurchflußmesser so aufzubauen, daß im gesamten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine die Rückströmung keinen bzw. vernachlässigbar kleinen das Meßer­ gebnis des Massendurchflußmessers verfälschenden Einfluß hat.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprü­ chen gekennzeichnet.

Durch die Zuschaltung eines Zusatzelements kann bei bestimm­ ten Strömungszuständen des zu messenden Mediums eine aufgrund einer Rückströmung des Mediums auftretende Verfälschung des Meßergebnisses vermieden werden. Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Zusatzelement auf eine Temperatur aufheizbar ist, die über der Temperatur des Meßfühlers liegt, so daß im Falle einer Rückströmung das durch das Zusatzelement aufgeheizte Medium gewissermaßen über den Meßfühler geschoben wird und dadurch einen Meßfehler kompensiert.

Die Erfindung ist für bekannte Massendurchflußmesser anwend­ bar, die als Massendurchflußmesser eine Sonde verwenden, die in das zu messende Medium hineinragt. Sie ist jedoch auch auf Massendurchflußmesser anwendbar, bei dem die Sonde durch einen Sensorheizwiderstand gebildet ist, der in einer bekann­ ten Brückenschaltung angeordnet ist.

Zusätzlich zum Sensorheizwiderstand, der in bekannter Weise durch eine Regeleinrichtung auf einer konstanten Übertempera­ tur gehalten wird, kann nun ein zusätzlicher Heizwiderstand als Zusatzelement vorgesehen sein, der stromabwärts zum Sensorheizwiderstand angeordnet ist und der auf eine Tempera­ tur aufheizbar ist, die über der Temperatur des Sensorheizwi­ derstandes liegt.

Wenn nun bei einem aufgeheizten Zusatzheizwiderstand eine Rückströmung auftritt, wird die vom Zusatzheizwiderstand aufgeheizte rückströmende Luft gewissermaßen über den Sensor­ heizwiderstand geschoben, so daß sich der Sensorheizwider­ stand durch die rückströmende Luft nicht abkühlen kann, was natürlich sofort wieder durch die Regeleinrichtung ausgegli­ chen werden würde und zu einem falschen Meßergebnis führen würde. Die aufgeheizte rückströmende Luft heizt demnach den Sensorheizwiderstand auf einen Wert auf, bei dem die Brücke den durch den Sensorheizwiderstand fließenden Strom fast vollständig zurücknimmt, so daß die Rückströmung das Meßer­ gebnis nicht verfälscht, da ein Massenstrom, der keinen elektrischen Strom fließen läßt bzw. der ein Nullsignal ausgibt, bei der Messung nicht erfaßt wird.

Zweckmäßigerweise ist der Zusatzheizwiderstand im Leerlauf- und Teillastbereich abgeschaltet, da in diesen Bereichen eine Rückströmung nicht auftritt. Durch diese Maßnahme wird in vorteilhafter Weise die Bordspannung beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug nicht zusätzlich belastet und es können spezi­ elle Kühlelemente entfallen.

Die Zuschaltung des Zusatzheizwiderstandes wird zweckmäßiger­ weise dann vorgenommen, wenn das Stellgrößensignal der Regel­ einrichtung für die Brücke beginnt, unruhig zu werden, was auf eine beginnende Rückströmung schließen läßt. Dieser Zustand kann durch geeignete Schaltungsmaßnahmen detektiert werden.

Die Wirkung des Zusatzheizwiderstandes ist umso größer, je größer seine Temperatur ist. Ordnet man diesen so an, daß die Luftmasse parallel zum Zusatzheizwiderstand und dem Sensor­ heizwiderstand verläuft, so läßt sich eine größtmögliche Beeinflussung des Sensorheizwiderstandes erzielen. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn der Zusatzheizwiderstand und der Sensorheizwiderstand auf einem gemeinsamen Träger ange­ ordnet sind, derart, daß der Zusatzheizwiderstand und der Sensorheizwiderstand praktisch gegenseitig zueinander im Windschatten liegen.

Wenn die Brennkraftmaschine bei Vollast bei höheren Drehzah­ len betrieben wird, tritt praktisch keine Rückströmung mehr auf. Es kommt dann zu einer starken Verwirbelung der ange­ saugten Luft, die zu einem vermehrten Wärmeübergang führt, der das Meßergebnis verfälscht. Der aufgeheizte Zusatzheizwi­ derstand tritt diesem Effekt entgegen, da nun ein gewisser Wärmeübergang vom Zusatzheizwiderstand auf den Sensorheizwi­ derstand erfolgt, der den das Meßergebnis verfälschenden Wärmeübergang zumindest teilweise kompensiert.

Die Erfindung wird nun anhand von fünf Figuren näher erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Schaltungsanordnung eines Massendurch­ flußmessers mit einem erfindungsgemäßen Zusatzheizwiderstand; und

Fig. 2 bis Fig. 5 graphische schematische Darstellungen der Anordnung eines Temperaturfühlerwiderstandes, eines Sensor­ heizwiderstandes und eines Zusatzheizwiderstandes, wobei

Fig. 2 den Zustand im Teillastbereich zeigt,

Fig. 3 den Zustand bei Vollast ohne Rückströmung zeigt,

Fig. 4 den Zustand bei Vollast mit Rückströmung zeigt, und

Fig. 5 den Zustand bei Vollast und hohen Drehzahlen zeigt.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung, die im wesentlichen aus einer Meßbrücke mit einem ersten und zweiten Brückenzweig sowie aus einem Differenzverstärker mit zugehörigen Schal­ tungsmitteln besteht. Im ersten Brückenzweig befindet sich ein temperaturabhängiger Sensorheizwiderstand, wie ein Heiß­ schichtwiderstand Rh, sowie ein damit in Reihe liegender Widerstand R3. Im zweiten Brückenzweig befinden sich ein temperaturabhängiger hochohmiger Widerstand Rt, der als schnell ansprechender Temperaturfühler dient und der Tempera­ tur der Ansaugluft entspricht und diese mißt. In Reihe damit ist ein Widerstand R1 und R2 geschaltet. Der Sensorheizwider­ stand Rh und der Widerstand Rt sind in einem Ansaugtrakt AN (nur teilweise gezeigt) einer Brennkraftmaschine angeordnet. Die Brücke wird von einer Spannungsquelle Ub über einen ersten Transistor T1 am Punkt D mit Spannung versorgt. Der Punkt E der Brücke ist an Masse gelegt. Die Brückendiagonale der Brücke wird durch einen Abgriffspunkt C zwischen dem Widerstand R1 und R2 und zwischen Rh und R3 gebildet. Diese beiden Abgriffspunkte A und C sind an die Eingangsanschlüsse eines Differenzverstärkers OP1 geführt, dessen Ausgang über einen Widerstand an die Basis eines weiteren Transistors T2 geführt ist, dessen Kollektor-Emitterstrecke einerseits an der Basis des ersten Transistors T1 und andererseits an Masse liegt. Die Größe der Widerstände Rt, R1 und R2 wird dabei so gewählt, daß die Verlustleistung des temperaturabhängigen Widerstandes Rt, die durch den ihn durchfließenden Brücken­ zweigstrom erzeugt wird, so gering ist, daß sich die Tempera­ tur dieses Widerstandes Rt praktisch nicht mit den Änderungen der Brückenspannung verändert, sondern stets der Temperatur der vorbeiströmenden Ansaugluft entspricht. Die Brücke soll sich im abgeglichenen Zustand befinden bei einer Temperatur, die in etwa der mittleren Lufttemperatur entspricht. Über die Spannungsquelle Ub wird dabei der temperaturabhängige Sensor­ heizwiderstand Rh bis zu einem Wert aufgeheizt, bei dem die Brückendiagonalspannung U_AC zu Null wird oder einen vorgege­ benen Wert annimmt. Aus dem Ausgang des Differenzverstärkers OP1 fließt dabei ein bestimmter Strom in die Brückenschal­ tung. Verändert sich infolge von Mengenänderungen der ange­ saugten Luft die Temperatur des Sensorheizwiderstandes Rh, so verändert sich die Spannung U_AC an der Brückendiagonale und der Differenzverstärker OP1 regelt den Brückenspeisestrom über T1, T2 auf einen Wert, für den die Brücke wieder abgeglichen oder in vorgegebener Weise verstimmt ist. Die Ausgangsgröße des Differenzverstärkers OP1 bzw. der Strom durch R3 ist dann ein Maß für die angesaugte Luftmenge.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun im Bereich des Sensorheizwiderstandes Rh stromabwärts - die strömende ange­ saugte Luft ist durch einen Pfeil P angedeutet - ein Zusatz­ heizwiderstand Rz vorgesehen, der mit einer Steuereinrichtung SE in Verbindung steht. Die Steuereinrichtung SE vorsorgt den Zusatzheizwiderstand Rz im Bedarfsfall mit einem Strom, der den Zusatzheizwiderstand auf einen Wert aufheizen kann, der über der Temperatur des Sensorheizwiderstandes liegt.

Anhand der Fig. 2 bis 5 wird nun die Wirkungsweise des Zusatzheizwiderstandes erklärt. Dabei sind gleiche Teile, die mit den Teilen von Fig. 1 übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Wie man sofort aus den Figuren er­ kennt, sind der Temperaturfühlerwiderstand Rt, der Sensor­ heizwiderstand Rh und der Zusatzheizwiderstand nacheinander in Richtung der angesaugten Luft (Pfeil P) im Ansaugtrakt A der Brennkraftmaschine angeordnet. Im Leerlauf und bei Teil­ last (Fig. 2) wird die von der Brennkraftmaschine ausgehende Pulsation durch die Drosselklappe (nicht gezeigt) soweit gedämpft, daß die angesaugte Luft annähernd gleichmäßig strömt. Dabei ist die Temperaturgrenzschicht der angesaugten Luft mit LV bezeichnet, die gemäß Fig. 2 über den Sensor­ heizwiderstand und den Zusatzheizwiderstand strömt. Der Zusatzheizwiderstand ist in diesem Betriebszustand ausge­ schaltet.

Fig. 3 zeigt den Betriebszustand bei Vollast bzw. beginnen­ der Vollast. Die Strömung pulsiert stark, strömt aber immer vorwärts. Dieses Indiz wird zur Einschaltung des Zusatzheiz­ widerstandes verwendet. Der Sensorheizwiderstand arbeitet normal und bemerkt den eingeschalteten Zusatzheizwiderstand nicht.

Fig. 4 zeigt den Betrieb bei Vollast mit einer auftretenden Rückströmung. Die zurückströmende Luft ist mit LR bezeichnet. Der Zusatzheizwiderstand ist weiter in Betrieb. Die zurück­ strömende Luft LR wird über den Zusatzheizwiderstand gelei­ tet, der diese aufheizt, worauf die zurückströmende aufge­ heizte Luft weiter über den Sensorheizwiderstand geschoben wird. Dies hat zur Folge, daß der Strom durch den Sensor­ heizwiderstand fast vollständig zurückgenommen wird, so daß die in Vorwärtsrichtung zuviel gemessene Luft kompensiert wird.

In Fig. 5 ist der Betrieb bei Vollast bei hohen Drehzahlen dargestellt. Die Strömungsgeschwindigkeit ist dabei so hoch, daß keine Rückströmung möglich ist. Es entsteht dabei jedoch eine starke Verwirbelung der angesaugten Luft, die zu einem vermehrten Wärmeübergang führt, wodurch ein zu hoher Wert für die angesaugte Luftmasse gemessen werden würde. Der einge­ schaltete, aufgeheizte Zusatzheizwiderstand gleicht die Verluste durch den Wärmeübergang zumindest so weit aus, daß der vermehrte Wärmeübergang größtenteils kompensiert wird.

Claims (10)

1. Massendurchflußmesser für strömende Medien, insbesondere Luftmassenmesser zum Messen der angesaugten Luftmasse im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine, der zumindest einen Meßfühler aufweist, der in das zu messende Medium hineinragt, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts zum Meß­ fühler ein den Meßfühler beeinflußbares Zusatzelement ange­ ordnet ist, das in Abhängigkeit von bestimmten Strömungszu­ ständen des zu messenden Mediums wahlweise zuschaltbar ist.

2. Massendurchflußmesser nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Zusatzelement auf eine Temperatur aufheizbar ist, die über der Temperatur des Meßfühlers liegt.

3. Massendurchflußmesser nach Anspruch 1 und 2, mit einem in einem ersten Brückenzweig einer Brückenschaltung angeordneten temperaturabhängigen Sensorheizwiderstand (Rh) und einem in einem zweiten Brückenzweig angeordneten Tempera­ turfühlerwiderstand (Rt), wobei die Temperatur des Sensor­ heizwiderstandes in Abhängigkeit von der strömenden Masse auf einen vorgegebenen Wert über eine Regelschaltung geregelt wird und wobei das Stellgrößensignal ein Maß für die strö­ mende Luftmasse ist, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts des tem­ peraturabhängigen Sensorheizwiderstandes (Rh) als Zusatzele­ ment ein Zusatzheizwiderstand (Rz) angeordnet ist, der in Abhängigkeit von bestimmten Betriebszuständen der Brennkraft­ maschine wahlweise zuschaltbar und auf eine Temperatur auf­ heizbar ist, die über der Temperatur des Sensorheizwiderstan­ des (Rh) liegt.

4. Massendurchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Stromzufuhr für den Zusatzheizwi­ derstand (Rz) erst oberhalb des Leerlauf-Luftmassenstroms eingeschaltet wird.

5. Massendurchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei beginnender Unruhe des Stellgrö­ ßensignals der Regelschaltung der Zusatzheizwiderstand (Rz) zugeschaltet und aufgeheizt wird.

6. Massendurchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Überschreiten eines bestimmten Luftstroms der Zusatzheizwiderstand eingeschaltet wird.

7. Massendurchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zusatzheizwiderstand (Rz) in bezug auf den Sensorheizwiderstand (Rh) örtlich so angeordnet ist, daß die strömende Luftmasse parallel zu diesen Wider­ ständen (Rh, Rz) verläuft.

8. Massendurchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Zusatzwiderstand (Rz) und der Sensorheizwiderstand (Rh) auf einem einstückigen Träger dicht nebeneinander angeordnet sind.

9. Massendurchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Temperatur des Zusatzheizwider­ standes (Rz) auf einen konstanten Wert eingeregelt wird.

10. Massendurchflußmesser nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Temperatur des Zusatzheizwider­ standes (Rz) auf einen variablen Wert in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine eingeregelt wird.