EP2825855A1 - Vorrichtung zur bestimmung eines gasmassenstroms sowie verfahren zur rekalibrierung einer derartigen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung eines gasmassenstroms sowie verfahren zur rekalibrierung einer derartigen vorrichtung

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EP2825855A1
EP2825855A1 EP13701603.6A EP13701603A EP2825855A1 EP 2825855 A1 EP2825855 A1 EP 2825855A1 EP 13701603 A EP13701603 A EP 13701603A EP 2825855 A1 EP2825855 A1 EP 2825855A1
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EP
European Patent Office
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mass flow
sensor unit
heating element
gas mass
temperature
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13701603.6A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Karl WÜBBEKE
Lars Baumeister
Dirk Kamarys
Manfred Schrammek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Publication of EP2825855A1 publication Critical patent/EP2825855A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
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    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
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    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements
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    • G01F25/10—Testing or calibration of apparatus for measuring volume, volume flow or liquid level or for metering by volume of flowmeters

Definitions

  • the invention relates to a device for determining a gas mass flow with a first sensor unit having at least a first temperature measuring element and a first heating element, a second sensor unit having a second temperature measuring element and a second heating element and a control unit, by means of which the at least one temperature measuring element controlled Overtemperaturen is controllable and a method for recalibration of a device for determining a gas mass flow, in which the first heating element of the first sensor unit is controlled to a controlled excess temperature and then calculates a mass flow of the heat dissipation of the at least one heating element of the first sensor unit in dependence of the temperature of the temperature measuring element becomes.
  • Devices for gas mass flow measurement are mainly known from the field of intake air mass measurement in internal combustion engines. Particularly good results are achieved with air mass meters, which operate on the principle of hot film manometry. This means that a heating element of the sensor is heated, wherein the generated heat of this heating element is delivered to the flowing medium by convection. The resulting temperature change or the additional power consumption to obtain the heating element temperature form a measure of the existing mass flow.
  • Modified mass flow sensors are also used in recent years for measuring the exhaust gas mass flow, as described for example in DE 10 2006 058 425 AI. This device for determining the mass flow has two separate sensor units, of which a first is used for mass flow calculation by determining a power loss and the second is used to determine the temperature of the exhaust gas flow.
  • the heating element of the first sensor unit is then either regulated to an excess temperature, which has a constant difference to the temperature measuring element or regulated to a constant excess temperature. From the additional power required for this purpose can be concluded that the exhaust gas mass flow. However, soiling must be avoided, which falsify the measurement result, which is why the temperature measuring element has a heating element with which, in particular, soot deposits on the substrate can be burned off. In addition to the problem of pollution occurring when used in the exhaust system, the problem is to obtain representative measurement results with occurring pulsations and turbulences, as they increasingly occur in the exhaust system. For this purpose, it is proposed in DE 10 2006 058 425 AI to arrange two temperature measuring elements in succession, whereby a direction detection due to the existing heat transfer from the upstream to downstream region is possible, which can be included in the calculation of the exhaust gas mass flow.
  • This object is achieved by a device for determining a gas mass flow with the features of claim 1 and by a method for recalibrating a device for determining a gas mass flow with the features of claim 5.
  • control unit is connected to the heating element of the second sensor unit such that the heating element can likewise be regulated to a controlled excess temperature
  • the control unit switches and the heating element of the second sensor unit is controlled to a controlled excess temperature and a mass flow of the heat dissipation of the at least one heating element of the second sensor unit depending on the temperature of the temperature measuring element first calculated and finally the two values of the gas mass flow are compared with each other and recalibrated according to a stored in the control unit correction table, the first sensor unit.
  • the coverings which change the measured value are not present in the reverse measurement.
  • the heating elements are arranged meandering or omega-shaped on the substrates.
  • a uniform, constant temperature distribution on the substrate can be achieved, whereby measuring errors between the determined values of the measuring elements on a substrate are avoided by an inhomogeneous temperature distribution.
  • the first sensor unit has two temperature measuring elements which are connected to the control unit. The difference of the measured temperature of the two temperature measuring elements on the first sensor unit is then used for flow direction detection.
  • Such an arrangement and the method described enables the detection of occurring pulsations and thus temporary flow reversals, which can then be taken into account correspondingly. For this purpose, one makes use of the fact that a heat radiation to the respective downstream temperature measuring element is present.
  • the second sensor unit has two temperature measuring elements, which are connected to the control unit. Accordingly, by comparing the two measured temperatures, pulsations can also be taken into account during the recalibration and errors in the individual measuring elements can be inferred.
  • the control unit switches in a following step again, so that the heating element of the first sensor unit is controlled to the controlled excess temperature. Thus, the normal operating state is automatically restored after the recalibration.
  • the second sensor unit is burned free before recalibration by means of the second heating element, so that the actual measured values of the sensor units are used in the recalibration.
  • Figure 1 shows a side view of an inventive device for determining a mass flow in a channel in a schematic representation.
  • Figure 2 shows a schematic plan view of the first sensor unit of the device for determining a mass flow.
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of the second sensor unit of the apparatus for determining a mass flow.
  • the inventive device for determining a mass flow is arranged in a channel 10, which is traversed by exhaust gas and is limited by walls 12.
  • a perpendicular to a channel axis 14 extending opening 16 is formed, through which a housing 18 of a device for determining an exhaust gas mass flow extends into the channel 10.
  • first sensor unit 20 and a second sensor unit 22 in the channel 10 which are formed by mostly multilayer ceramic substrates 24, 26, on which platinum thin-film resistors and conductor tracks 28 are arranged in a known manner.
  • the sensor units 20, 22 are usually arranged parallel to each other in the main flow direction of the exhaust gas lying one behind the other, wherein the main extension direction of each sensor unit 20, 22 is also parallel to the main flow direction in the channel 10. Due to the parallelism of the connecting line of the sensor units 20, 22 to the main flow direction of the exhaust gas, these are not frontal flows but only flows over, which significantly reduces deposits on the support body.
  • the device operates in a known manner according to the principle of H adoptedfllmanemometrie and has, in addition to the two sensor units 20, 22 on the sensor units 20, 22 opposite end of the housing 18, a plug part 30, via which the sensor units 20, 22 by means of a connecting cable 32 with a Control unit 52 are connected, which is shown only schematically and can be arranged alternatively either in the housing 18 or in the engine control unit.
  • the connecting cable 32 is used accordingly Power supply and data transmission.
  • the upstream second sensor unit 22 forms a temperature sensor, by means of which the respective exhaust gas temperature is measured. This is done via a temperature measuring element 36, which may for example consist of two platinum thin-film resistors with different resistance.
  • the temperature measuring element 36 is electrically connected to the control unit 52 via the conductor tracks 28 and contact lugs 38. This sensor unit 22 is used in normal operation for measuring the temperature of the gas stream to be measured.
  • a heating element 50 is arranged on the substrate 24, which has the shape of an omega, in order to produce a uniform temperature distribution on the substrate 24 can.
  • the downstream first sensor unit 20 has two temperature measuring elements 40, 42 on the substrate 26, which are both connected to the control unit 52 independently of one another via conductor tracks 28 and contact lugs 38.
  • a heating element 44 is either heated to a constant excess temperature during operation or heated to a constant temperature difference to the temperature measuring element 36 of the second sensor unit. Due to the existing flow, a cooling of the heating element 44 takes place, so that this requires a constant power consumption in order to obtain the controlled excess temperature.
  • This power consumption or the heat dissipation can be converted in the control unit 52 via a stored map into an exhaust gas mass flow as a function of the exhaust gas temperature which is present and measured via the sensor unit 22. So that an influence of the temperature sensor so the second Sensor unit 22 is eliminated by the heating of the first sensor unit 20 via heat transfer in the direction of the main exhaust gas flow, the first sensor unit 20 downstream of the second sensor unit 22 is arranged.
  • the use of two temperature measuring elements 40, 42 on the substrate 26 serves the determination and consideration of occurring exhaust gas pulsations thus a temporary reversal of the exhaust gas flow, as expected in the exhaust region of a reciprocating engine due to the intake and Ausschubamba.
  • the respectively downstream temperature measuring element 42 measures a higher temperature than the upstream temperature measuring element 40, since the heat transfer of the upstream temperature measuring element 40 is transported by the exhaust gas flow in the direction of the downstream temperature measuring element 42.
  • the respective upstream temperature measuring element 40 is representative of the exhaust gas flow flowing in the corresponding direction or if a characteristic map is stored in which different flow states and power consumption of the two temperature measuring elements 40 , 42 an exhaust gas mass flow from both available power consumption is deposited.
  • the heating element 44 of the first sensor unit 20 is omega-shaped to allow uniform heating of the substrate 26.
  • the second sensor unit 22 and in particular the heating element 50 are connected to the control unit 52 in such a way that this second sensor unit 22 is connected in the same way. This means that in a stationary engine load state, the functions of the two sensor units 20, 22 are exchanged and now the heating element 50 alshe increased to a temperature of the exhaust gas flow upper temperature
  • the necessary additional power consumption for maintaining the excess temperature is a measure of the existing exhaust gas mass flow.
  • the value determined in this way for the exhaust gas mass flow is compared with the value determined by the first sensor unit 20 for the exhaust gas mass flow, and a new calibration of the first sensor unit 20 is carried out according to the deviation by means of a characteristic field stored in the control unit 52 or a correction table.
  • the correction table is previously determined by tests with known operating states upon reversal of the mode of operation of the two sensor units 20, 22. Before this routine is carried out for recirculation, in each case both heating elements 44, 50 of the sensor units 20, 22 should be heated to burn off the surfaces in order to avoid measurement errors due to soot deposits.

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Abstract

Es sind Vorrichtungen zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit zwei Sensoreinheiten mit einer ersten Sensoreinheit (20), die mindestens ein erstes Temperaturmesselement (40; 42) und ein erstes Heizelement (44) aufweist, einer zweiten Sensoreinheit (22), die ein zweites Temperaturmesselement (36) und ein zweites Heizelement (50) aufweist und einer Steuereinheit (52), mittels derer das zumindest eine Temperaturmesselement (40; 42) auf gesteuerte Übertemperaturen regelbar ist, bekannt. Um trotz auftretender nicht abbrennbarer Beläge korrekte Messwerte ermitteln zu können, wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit (52) derart mit dem Heizelement (50) verbunden ist, dass das Heizelement (50) der zweiten Sensoreinheit (22) auf eine gesteuerte Übertemperatur regelbar ist.

Description

B E S C H R E I B U N G Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms sowie Verfahren zur Rekalibrierung einer derartigen Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit einer ersten Sensoreinheit, die mindestens ein erstes Temperaturmesselement und ein erstes Heizelement aufweist, einer zweiten Sensoreinheit, die ein zweites Temperaturmesselement und ein zweites Heizelement aufweist und einer Steuereinheit, mittels derer das zumindest eine Temperaturmesselement auf gesteuerte Übertemperaturen regelbar ist sowie ein Verfahren zur Rekalibrierung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms, bei dem das erste Heizelement der ersten Sensoreinheit auf eine gesteuerte Übertemperatur geregelt wird und daraufhin ein Massenstrom aus der Wärmeabfuhr des zumindest einen Heizelementes der ersten Sensoreinheit In Abhängigkeit der Temperatur des Temperaturmesselementes berechnet wird.
Vorrichtungen zur Gasmassenstrommessung sind vor allem aus dem Bereich der Ansaugluftmassenmessung in Verbrennungskraftmaschinen bekannt. Besonders gute Ergebnisse werden dabei mit Luftmassenmessern erzielt, welche nach dem Prinzip der Heißfilmanemometrie arbeiten. Dies bedeutet, dass ein Heizelement des Sensors erhitzt wird, wobei durch Konvektion die erzeugte Wärme dieses Heizelementes auf das strömende Medium abgegeben wird. Die daraus resultierende Temperaturänderung oder die zusätzliche Leistungsaufnahme zum Erhalt der Heizelementtemperatur bilden ein Maß für den vorhandenen Massenstrom. Modifizierte Massenstromsensoren werden in den letzten Jahren auch zur Messung des Abgasmassenstroms genutzt, wie dies beispielsweise in der DE 10 2006 058 425 AI beschrieben wird. Diese Vorrichtung zur Bestimmung des Massenstroms weist zwei voneinander getrennte Sensoreinheiten auf, wovon eine erste zur Massenstromberechnung durch Bestimmung einer Verlustleistung dient und die zweite zur Temperaturbestimmung des Abgasstroms dient. Das Heizelement der ersten Sensoreinheit wird dann entweder auf eine Übertemperatur geregelt, die eine konstante Differenz zum Temperaturmesselement aufweist oder auf eine konstante Übertemperatur geregelt. Aus der hierzu notwendigen zusätzlichen Leistungsaufnahme kann auf den Abgasmassenstrom geschlossen werden. Allerdings sind Verschmutzungen zu vermeiden, die das Messergebnis verfälschen, weswegen auch das Temperaturmesselement ein Heizelement aufweist, mit dem insbesondere Rußablagerungen auf dem Substrat abgebrannt werden können. Neben dem Problem der auftretenden Verschmutzung bei der Verwendung im Abgasstrang besteht das Problem repräsentative Messergebnisse bei auftretenden Pulsationen und Turbulenzen zu erhalten, wie sie verstärkt im Abgasstrang auftreten. Hierzu wird in der DE 10 2006 058 425 AI vorgeschlagen, zwei Temperaturmesselemente hintereinander anzuordnen, wodurch eine Richtungserkennung aufgrund des vorhandenen Wärmeübergangs vom jeweils stromaufwärtigen zum stromabwärtigen Bereich möglich wird, die in die Berechnung des Abgasmassenstroms mit einbezogen werden kann.
Trotz dieser Möglichkeiten der Richtungs- beziehungsweise Pulsationserkennung und des Abbrennens von Ablagerungen ergeben sich jedoch nach längerer Betriebsdauer Messwertabweichungen durch äußere Einflüsse auf den Sensor wie beispielsweise durch Belagbildung. Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms sowie ein Verfahren zur Rekalibrierung einer derartigen Vorrichtung zu schaffen, mit welchen eine Abgasmassenstrommessung mit minierten Messwertabweichungen möglich wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Rekalibrierung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.
Dadurch, dass die Steuereinheit derart mit dem Heizelement der zweiten Sensoreinheit verbunden ist, dass das Heizelement ebenfalls auf eine gesteuerte Übertemperatur regelbar ist, wird es möglich, die Funktion der beiden Sensoreinheiten umzukehren. Entsprechend wird bei Erkennen eines gesteuerten stationären Motorzustandes der ermittelte Gasmassenstrom gespeichert, anschließend schaltet die Steuereinheit um und das Heizelement der zweiten Sensoreinheit wird auf eine gesteuerte Übertemperatur geregelt und ein Massenstrom aus der Wärmeabfuhr des zumindest einen Heizelementes der zweiten Sensoreinheit in Abhängigkeit der Temperatur des Temperaturmesselementes der ersten Sensoreinheit berechnet und abschließend werden die beiden Werte des Gasmassenstroms miteinander verglichen und entsprechend einer in der Steuereinheit hinterlegten Korrekturtabelle die erste Sensoreinheit rekalibriert. Die den Messwert verändernden Beläge sind bei der umgekehrten Messung nicht vorhanden. So wird das Ergebnis der umgekehrten Messung weitestgehend frei von Fehlern sein, da die zweite Sensoreinheit im Betrieb nicht beheizt wird. Somit kann bei zuvor korrekt ermitteltem Kennfeld und bekanntem stationärem Motorzustand auf einen korrekten Referenzwert geschlossen werden, wodurch die erste Sensoreinheit zur Ermittlung korrekter Abgasmassenströme im Betrieb rekalibriert werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung sind die Heizelemente mäander- oder omegaförmig auf den Substraten angeordnet. Hierdurch kann eine gleichmäßige konstante Temperaturverteilung auf dem Substrat erreicht werden, wodurch Messfehler zwischen den ermittelten Werten der Messelemente auf einem Substrat durch eine inhomogerne Temperaturverteilung vermieden werden.
In einer bevorzugten Ausführung weist die erste Sensoreinheit zwei Temperaturmesselemente auf, die mit der Steuereinheit verbunden sind. Die Differenz der gemessenen Temperatur der beiden Temperaturmesselemente auf der ersten Sensoreinheit wird dann zur Strömungsrichtungserkennung genutzt. Eine derartige Anordnung und das beschriebene Verfahren ermöglicht die Detektion von auftretenden Pulsationen und somit vorübergehender Strömungsumkehrungen, die dann entsprechend rechnerisch berücksichtigt werden können. Hierzu macht man sich zunutze, dass eine Wärmeabstrahlung zum jeweiligen stromabwärtigen Temperaturmesselement vorhanden ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist die zweite Sensoreinheit zwei Temperaturmesselemente auf, welche mit der Steuereinheit verbunden sind. Entsprechend können durch einen Vergleich der beiden gemessenen Temperaturen auch bei der Rekalibrierung Pulsationen berücksichtigt werden und auf Fehler der einzelnen Messelemente geschlossen werden. In einer Weiterführung des Verfahrens zur Rekalibrierung eines Massenstromsensors schaltet in einem folgenden Schritt die Steuereinheit wieder um, so dass das Heizelement der ersten Sensoreinheit auf die gesteuerte Übertemperatur geregelt wird. Somit wird automatisch nach der Rekalibrierung wieder der Normalbetriebszustand hergestellt. Um Fehler bei der Rekalibrierung zu vermeiden, wird vor der Rekalibrierung die zweite Sensoreinheit mittels des zweiten Heizelementes freigebrannt, so dass die tatsächlichen Messwerte der Sensoreinheiten bei der Rekalibrierung zugrunde gelegt werden. Es wird somit eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms sowie ein Verfahren zur Rekalibrierung einer derartigen Vorrichtung geschaffen, mit welcher über die gesamte Lebensdauer des Sensors eine von auftretenden Belägen unabhängige und somit korrekte Berechnung des Abgasmassenstroms ermöglicht wird, indem ein Funktionsumkehr der Sensoreinheiten und eine immer neue Kalibrierung der ersten Sensoreinheit durchgeführt wird.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend ebenso wie das erfindungsgemäße Verfahren zur Rekalibrierung beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms in einem Kanal in schematischer Darstellung.
Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die erste Sensoreinheit der Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms. Figur 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die zweite Sensoreinheit der Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung eines Massenstroms ist in einem Kanal 10 angeordnet, der von Abgas durchströmt wird und durch Wände 12 begrenzt wird. In der Wand 12 ist eine senkrecht zu einer Kanalachse 14 verlaufende Öffnung 16 ausgebildet, durch die sich ein Gehäuse 18 einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Abgasmassenstroms in den Kanal 10 erstreckt.
Aus dem Gehäuse 18 ragen eine erste Sensoreinheit 20 und eine zweite Sensoreinheit 22 in den Kanal 10, welche durch zumeist mehrschichtige Keramiksubstrate 24, 26 gebildet werden, auf denen in bekannter Weise Platin-Dünnfilmwiderstände und Leiterbahnen 28 angeordnet sind.
Die Sensoreinheiten 20, 22 sind dabei üblicherweise parallel zueinander in Hauptströmungsrichtung des Abgases hintereinander liegend angeordnet, wobei die Haupterstreckungsrichtung jeder Sensoreinheit 20, 22 ebenfalls parallel zur Hauptströmungsrichtung im Kanal 10 liegt. Durch die Parallelität der Verbindungslinie der Sensoreinheiten 20, 22 zur Hauptströmungsrichtung des Abgases werden diese auch nicht frontal angeströmt sondern lediglich überströmt, was Ablagerungen auf dem Trägerkörper deutlich reduziert.
Die Vorrichtung arbeitet in bekannter Weise nach dem Prinzip der Heißfllmanemometrie und weist neben den beiden Sensoreinheiten 20, 22 am zu den Sensoreinheiten 20, 22 entgegengesetzten Ende des Gehäuses 18 ein Steckerteil 30 auf, über welches die Sensoreinheiten 20, 22 mittels eines Anschlusskabels 32 mit einer Steuereinheit 52 verbunden sind, die lediglich schematisch dargestellt ist und alternativ entweder im Gehäuse 18 oder in der Motorsteuereinheit angeordnet werden kann. Das Anschlusskabel 32 dient entsprechend zur Spannungsversorgung und Datenübertragung. Die Befestigung des Gehäuses 18 erfolgt über eine Flanschverbindung 34.
Die stromaufwärtige zweite Sensoreinheit 22 bildet einen Temperatursensor, mittels dessen die jeweilige Abgastemperatur gemessen wird. Dies erfolgt über ein Temperaturmesselement 36, welches beispielsweise aus zwei Platin-Dünnfilmwiderständen mit unterschiedlichem Widerstand bestehen kann. Das Temperaturmesselement 36 ist über die Leiterbahnen 28 und Kontaktfahnen 38 elektrisch mit der Steuereinheit 52 verbunden. Diese Sensoreinheit 22 dient im Normalbetrieb zur Messung der Temperatur des zu messenden Gasstroms. Des Weiteren ist auf dem Substrat 24 ein Heizelement 50 angeordnet, das die Form eines Omegas aufweist, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf dem Substrat 24 herstellen zu können.
Die stromabwärtige erste Sensoreinheit 20 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Temperaturmesselemente 40, 42 auf dem Substrat 26 auf, die beide unabhängig voneinander über Leiterbahnen 28 und Kontaktfahnen 38 mit der Steuereinheit 52 verbunden sind. Ein Heizelement 44 wird im Betrieb entweder auf eine konstante Übertemperatur aufgeheizt oder auf eine konstante Temperaturdifferenz zum Temperaturmesselement 36 der zweiten Sensoreinheit aufgeheizt. Durch die vorhandene Strömung erfolgt eine Abkühlung des Heizelementes 44, so dass dieses eine ständige Leistungsaufnahme benötigt, um die gesteuerte Übertemperatur zu erhalten. Diese Leistungsaufnahme beziehungsweise die Wärmeabfuhr kann in der Steuereinheit 52 über ein hinterlegtes Kennfeld in einen Abgasmassenstrom in Abhängigkeit der vorhandenen und über die Sensoreinheit 22 gemessene Abgastemperatur umgerechnet werden. Damit eine Beeinflussung des Temperatursensors also der zweiten Sensoreinheit 22 durch das Aufheizen der ersten Sensoreinheit 20 über Wärmeübergang in Richtung des Hauptabgasstromes entfällt, wird die erste Sensoreinheit 20 stromabwärtig zur zweiten Sensoreinheit 22 angeordnet.
Die Verwendung von zwei Temperaturmesselementen 40, 42 auf dem Substrat 26 dient der Ermittlung und Berücksichtigung von auftretenden Abgaspulsationen also einer vorübergehenden Richtungsumkehr der Abgasströmung, wie sie im Abgasbereich eines Hubkolbenmotors aufgrund der Ansaug- und Ausschubbewegungen zu erwarten ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass das jeweils stromabwärtige Temperaturmesselement 42 eine höhere Temperatur misst als das stromaufwärtige Temperaturmesselement 40, da der Wärmeübergang des stromaufwärtigen Temperaturmesselementes 40 durch den Abgasstrom in Richtung des stromabwärtigen Temperaturmesselementes 42 transportiert wird. Bei Strömungsumkehr entsteht entsprechend ein Wärmetransport in umgekehrter Richtung, so dass entweder davon ausgegangen wird, dass das jeweils stromaufwärtige Temperaturmesselement 40 repräsentativ für den in der entsprechenden Richtung strömenden Abgasstrom ist oder ein Kennfeld hinterlegt wird, in dem für verschiedene Strömungszustände und Leistungsaufnahmen der beiden Temperaturmesselemente 40, 42 ein Abgasmassenstrom aus beiden zur Verfügung stehenden Leistungsaufnahmen hinterlegt wird. Auch das Heizelement 44 der ersten Sensoreinheit 20 ist omegaförmig ausgebildet, um eine gleichmäßige Erhitzung des Substrates 26 zu ermöglichen.
Trotz der Möglichkeit des Freibrennens der Oberflächen der Sensoreinheiten 20, 22 insbesondere von Ruß entstehen jedoch mit steigender Anzahl an Betriebsstunden auch die Fehler bei der Messung. Dieser Fehler (st auf Beläge auf der ersten Sensoreinheit 20 zurückzuführen, die unter anhaltender thermischer Belastung aus chemischen Verunreinigungen des Abgases entstehen, wie sie durch das Aufheizen der ersten Sensoreinheit 20 zum Erreichen der Übertemperatur nicht zu vermeiden ist. Es bilden sich beinah unlösliche Ablagerungsschichten aus verschiedenen Verbindungen, die den normalen Messbetrieb stören. Beim nicht bei erhöhter Temperatur betriebenen Temperatursensor sind diese Ablagerungen nicht vorhanden. Es wird daher erfindungsgemäß die zweite Sensoreinheit 22 und insbesondere das Heizelement 50 derart mit der Steuereinheit 52 verbunden, dass diese zweite Sensoreinheit 22 in gleicher Weise angesteuert werden kann wie die erste Sensoreinheit 20. Dies bedeutet, dass in einem stationären Motorlastzustand die Funktionen der beiden Sensoreinheiten 20, 22 getauscht werden und nunmehr das Heizelement 50 auf eine zur Temperatur des Abgasstroms erhöhten Obertemperatur aufgeheizt wird. Auch hier bildet die notwendige zusätzliche Leistungsaufnahme zum Halten der Übertemperatur ein Maß für den vorhandenen Abgasmassenstrom.
Der auf diese Weise für den Abgasmassenstrom ermittelte Wert wird mit dem von der ersten Sensoreinheit 20 ermittelten Wert für den Abgasmassenstrom verglichen und entsprechend der Abweichung mittels eines in der Steuereinheit 52 hinterlegten Kennfeldes beziehungsweise einer Korrekturtabelle eine neue Kalibrierung der ersten Sensoreinheit 20 vorgenommen.
Die Korrekturtabelle wird zuvor durch Versuche mit bekannten Betriebszuständen bei Umkehr der Funktionsweise der beiden Sensoreinheiten 20, 22 ermittelt. Bevor diese Routine zur Rekalfbrferung durchgeführt wird, sollten jeweils beide Heizelemente 44, 50 der Sensoreinheiten 20, 22 zum Freibrennen der Oberflächen aufgeheizt werden, um Messfehler durch Rußablagerungen zu vermeiden.
Die durchgeführten Rekalibrierungen sollten für spätere Diagnosen gespeichert werden.
Mit der beschriebenen Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, auch bei nicht abbrennbaren Ablagerungen auf der Oberfläche einer Sensoreinheit dennoch über eine lange Betriebsdauer korrekte Messergebnisse zum Abgasmassenstrom zu erhalten, die zu einer optimalen Motorsteuerung zur Verringerung schädlicher Emissionen und zur Verbrauchsreduzierung notwendig sind.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Die Funktion der Steuereinheit des Abgasmassenstromsensors kann selbstverständlich auch von der Motorsteuerung wahrgenommen werden. Auch können zwei baugliche Sensoreinheiten genutzt werden, so dass auch bei der Rekalibrierung durch Messung der Verlustleistung an der zweiten Sensoreinheit die Strömungsrichtung berücksichtigt werden kann. Ebenfalls denkbar wäre eine Version mit nur einem Messelement beziehungsweise Temperaturmesselement auf dem jeweiligen Substrat.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms mit
einer ersten Sensoreinheit (20), die mindestens ein erstes
Temperaturmesselement (40; 42) und ein erstes Heizelement (44) aufweist,
einer zweiten Sensoreinheit (22), die ein zweites Temperaturmesselement (36) und ein zweites Heizelement (50) aufweist und
einer Steuereinheit (52), mittels derer das zumindest eine erste Heizelement (44) auf gesteuerte Übertemperaturen regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (52) derart mit dem Heizelement (50) der zweiten Sensoreinheit (22) verbunden ist, dass das zweite Heizelement (50) auf eine gesteuerte Übertemperatur regelbar Ist.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
dfe Heizelemente (40, 55) mäander- oder omegaförmig auf den Substraten (24, 26) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Sensoreinheit (20) zwei Temperaturmesselemente (40, 42) aufweist, die mit der Steuereinheit (52) verbunden sind. Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Sensoreinheit (22) zwei Temperaturmesselemente (36) aufweist, die mit der Steuereinheit (52) verbunden sind.
Verfahren zur Rekalibrierung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms, bei dem das Heizelement (44) der ersten Sensoreinheit (20) auf eine gesteuerte Übertemperatur geregelt wird und daraufhin ein Massenstrom aus der Wärmeabfuhr des zumindest einen Heizelementes (44) der ersten Sensoreinheit (20) in Abhängigkeit der Temperatur des Temperaturmesselementes (36) berechnet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei Erkennen eines gesteuerten stationären Motorzustandes der ermittelte Gasmassenstrom gespeichert wird,
anschließend die Steuereinheit (52) umschaltet und das Heizelement (50) der zweiten Sensoreinheit (22) auf eine gesteuerte Übertemperatur geregelt und ein Massenstrom aus der Wärmeabfuhr des zumindest einen Heizelementes (50) der zweiten Sensoreinheit (22) in Abhängigkeit der Temperatur des Temperaturmesselementes (40; 42) der ersten Sensoreinheit (20) berechnet wird,
abschließend die beiden Werte des Gasmassenstroms miteinander verglichen werden und entsprechend einer in der Steuereinheit (52) hinterlegten Korrekturtabelle die erste Sensoreinheit (20) rekalibriert wird.
Verfahren zur Rekalibrierung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem folgenden Schritt die Steuereinheit (52) wieder umschaltet, so dass das Heizelement (44) der ersten Sensoreinheit (20) auf die gesteuerte Übertemperatur geregelt wird.
Verfahren zur Rekalibrlerung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
die Differenz der notwendigen Leistungsaufnahme oder der Obertemperatur der beiden Temperaturmesselemente (40, 42) auf der ersten Sensoreinheit (20) zur Strömungsrfchtungserkennung genutzt wird.
Verfahren zur Rekalibrlerung einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Gasmassenstroms nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
vor der Rekalibrlerung die zweite Sensoreinheiten (22) mittels des zweiten Heizelementes (50) freigebrannt wird.
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