JP5955420B2 - 気体質量流量測定装置及び該装置の再較正方法 - Google Patents

Description

本発明は、気体質量流量測定装置に関する。この装置には、少なくとも１つの第１温度測定素子及び第１加熱素子を含む第１センサユニットと、第２温度測定素子及び第２加熱素子を含む第２センサユニットと、制御ユニットとが設けられており、該制御ユニットにより、少なくとも１つの加熱素子を、制御された超過温度となるよう調整可能である。さらに本発明は、気体質量流量測定装置の再較正方法に関する。この場合、第１センサユニットの第１加熱素子が、制御された超過温度となるよう調整され、ついで、前記温度測定素子の温度に依存して、前記第１センサユニットの少なくとも１つの加熱素子の放熱から、質量流量を計算する。

気体の質量流量を測定する装置は、内燃機関における吸入空気質量測定の分野において特に知られている。この場合、ホットフィルムを用い測風学の原理に従って動作する空気質量測定装置によって、極めて良好な結果が得られる。つまりこの場合、センサの加熱素子が加熱され、その加熱素子において発生した熱が、対流により流動媒体に向けて放出される。その結果として生じた温度変化が、或いは加熱温度を維持するために余分に生じた電力消費が、目下の質量流量に対する尺度を成す。

近年、排気ガス質量流量測定のためにも、例えばDE 10 2006 058 425 A1に記載されているような、変形された質量流量センサが用いられている。この質量流量測定装置は、互いに分離されている２つのセンサユニットを有しており、それらのうち第１のセンサユニットは、損失電力を求めることで質量流量計算に用いられ、第２のセンサユニットは、排気ガス流の温度測定に用いられる。このような構成において第１のセンサユニットの加熱素子は、温度測定素子に対し一定の差を有する高めの温度ないしは超過温度となるよう調整され、或いは一定の高めの温度ないしは超過温度となるよう調整される。このために必要とされる付加的な電力消費に基づき、排気ガス質量流を推定することができる。ただし、測定結果を誤らせる汚染を防がなければならず、そのために温度測定素子は、特に基体の上の煤の堆積を焼き払うことのできる加熱素子も有している。排気管内での使用にあたり発生する汚染の問題のほか、排気管内で強く現れる脈動及び乱流が発生したときにも相応の測定結果を維持する、という課題がある。この目的でDE 10 2006 058 425 A1において提案されているのは、２つの温度測定素子を前後に配置するということであり、この構成によって、生じた熱はそのつど上流から下流の領域へと伝導することから、方向の識別が可能となり、これを排気ガス質量流量の計算に関与させることができる。

しかしながら、このように方向もしくは脈動の識別及び堆積物の燃焼除去が可能であるにもかかわらず、動作期間がかなり長くなってくると、センサに対する外部からの影響例えば付着物形成などによって、測定値に偏差が生じてしまう。

したがって本発明の課題は、気体質量流量測定装置及びこの種の装置の再較正方法において、最小限の測定値偏差で気体質量流量測定を行えるようにすることである。

この課題は、請求項１の特徴を備えた気体質量流量測定装置、並びに請求項５の特徴を備えた、気体質量流量測定装置の再較正方法によって解決される。

第２センサユニットの加熱素子も制御された超過温度となるよう調整可能であるように、制御装置がこの加熱素子と接続されていることによって、両方のセンサユニットの機能を逆にすることができるようになる。したがって、制御された定常的なエンジン状態を検出したときに、求められた気体質量流量を記憶し、ついで制御ユニットを切り替えて、第２センサユニットの加熱素子が制御された超過温度となるよう調整し、第１センサユニットの温度測定素子の温度に依存して、第２センサユニットの少なくとも１つの加熱素子の放熱から質量流量を計算し、その後、気体質量流量の両方の値を互いに比較し、制御ユニットに格納されている補正テーブルに従い、第１センサユニットを再較正する。測定値を変化させる堆積物は、測定を逆にしたときには存在しない。したがって、逆にして実施した測定の結果は、エラーが十分に除かれていることになる。なぜならば、第２センサユニットは動作中は加熱されないからである。このようにして、事前に適正に求められた特性マップと、既知の定常的なエンジン状態とによって、適正な基準値を推定することができ、このことによって、動作中、適正な排気ガス質量流量を求めるために、第１センサユニットを再較正することができる。

本発明による装置の１つの有利な実施形態によれば、加熱素子は基板の上にメアンダ状又はΩ状に配置されている。このようにすることによって、基板上で均一な一定の温度分布が得られるようになり、これによって、不均一な温度分布に起因して基板上の複数の加熱素子において求められた複数の値の間に測定誤差が生じるのが回避される。

１つの有利な実施形態によれば、第１センサユニットは２つの温度測定素子を有しており、それらの温度測定素子は制御ユニットと接続されている。この場合、第１センサユニットにおけるこれら両方の温度測定素子において測定された温度の差が、流動方向識別に利用される。このような装置並びに既述の方法によって、脈動の発生つまりは一時的な流動方向の反転を検出できるようになり、そのようにしてそれらを相応に計算の際に考慮できるようになる。このために、そのつど下流側に位置する温度測定素子に向かって熱の放出が生じる、ということが利用される。

本発明による装置の１つの有利な実施形態によれば、第２センサユニットは、制御ユニットと接続された２つの温度測定素子を有している。このようにすることで、測定された２つの温度を比較することにより、再較正の際にも脈動を考慮することができ、個々の測定素子のエラーを推定することができる。

質量流量センサを再較正するための方法の１つの実施形態によれば、後続のステップにおいて制御ユニットが再び切り替えられて、第１センサユニットの加熱素子が、制御された超過温度となるよう調整される。このようにすれば、再較正後、自動的に再び通常動作状態が生じるようになる。

再較正時のエラーを回避する目的で、再較正前に第２センサユニットが第２加熱素子によって焼き払われてクリーンにされ、そのようにすることでセンサユニットの実際の測定値が再較正時の基礎を成すようになる。

以上のとおり、本発明によって実現される気体質量流量測定装置並びにこのような装置の再較正方法によれば、センサユニットの機能を逆転すること、並びに第１センサユニットを常に新たに較正することによって、センサの寿命全体にわたり、発生した堆積物に左右されることなく、つまり適正に、排気ガス質量流量を計算できるようになる。

図面には、本発明による質量流量測定装置の実施例が示されており、この装置並びに本発明による再較正方法について以下で説明する。

ダクトに配置された本発明による質量流量測定装置の側面図 質量流量測定装置の第１センサユニットを上から見た平面図 質量流量測定装置の第２センサユニットを上から見た平面図

本発明による質量流量測定装置は、壁１２によって区切られたダクト１０に配置されており、このダクト１０中を排気ガスが貫流する。壁１２には、ダクト軸１４に対し垂直に延在する開口部１６が形成されており、この開口部１６を通って、排気ガス質量流量測定装置のハウジング１８がダクト１０に向かって延在している。

ハウジング１８からダクト１０中へ、第１センサユニット２０と第２センサユニット２２が突入しており、これらのセンサユニットは通例、多層のセラミック基板２４，２６によって形成され、それらの基板上に周知の手法で白金薄膜抵抗と導体路２８が配置されている。

この場合、センサユニット２０，２２は一般に、互いに平行に且つ排気ガスの主流動方向で前後に位置するように配置されており、その際、各センサユニット２０，２２の主延在方向も、ダクト１０中で主流動方向に対し平行に位置している。排気ガスの主流動方向に対しセンサユニット２０，２２を平行にすることによって、これらのセンサユニットに流れが正面から当たるのではなく、それらの上を流れるだけになり、このことで支持基体上への堆積が著しく低減される。

この装置は、公知の手法でホットフィルムを用いて測風学の原理に従い動作し、これら両方のセンサユニット２０，２２のほか、ハウジング１８においてこれらのセンサユニット２０，２２とは反対側の端部に、プラグ部材３０を有しており、このプラグ部材を介してセンサユニット２０，２２が接続ケーブル３２によって接続されている。この場合、制御ユニット５２は概略的にしか描かれておらず、択一的にハウジング１８内に配置してもよいし、或いはエンジン制御ユニット内に配置してもよい。これに応じて接続ケーブル３２は、電圧供給及びデータ伝送のために用いられる。ハウジング１８の固定は、フランジ結合部３４を介して行われる。

上流側の第２センサユニット２２は温度センサを成しており、これによってそのつど排気ガス温度が測定される。これは温度測定素子３６を介して行われ、この素子を例えば、抵抗値がそれぞれ異なる２つの白金薄膜抵抗によって構成することができる。温度測定素子３６は、導体路２８及びコンタクトタブ３８を介して、制御ユニット５２と電気的に接続されている。センサユニット２２は通常動作中、測定すべき気体流の温度を測定する役割を果たす。さらに基板２４上には、Ωの形状を有する加熱素子５０が配置されており、これによって基板２４上に均質な温度分布を生じさせることができる。

この実施例では下流側の第１センサユニット２０は、基板２６上に２つの温度測定素子４０，４２を有しており、これら双方の温度測定素子は互いに独立して、導体路２８及びコンタクトタブ３８を介して、制御ユニット５２と接続されている。加熱素子４４は動作中、一定の超過温度になるまで加熱され、或いは第２センサユニットの温度測定素子３６に対し一定の温度差になるまで加熱される。流れが存在することにより加熱素子４４の冷却が発生し、この冷却によって、制御されている超過温度を維持するために恒常的に電力消費が必要とされるようになる。この電力消費もしくは放熱を、制御ユニット５２においてそこに格納されている特性マップを介して、センサユニット２２により測定された目下の排気ガス温度の関数として、排気ガス質量流量に換算することができる。この場合、第１センサユニット２０の加熱により主排気ガス流方向での熱伝導を介して温度センサ即ち第２センサユニット２２に及ぼされる影響をなくすために、第１センサユニット２０は第２センサユニット２２の下流に配置される。

基板２６上で２つの温度測定素子４０，４２を用いる理由は、排気ガスの脈動つまり排気ガス流の一時的な方向転換を検出して考慮するためである。このような排気ガス脈動は、ピストン往復エンジンの排気ガス領域において、吸気及び排出運動に起因して予期されるものである。ここで前提とするのは、上流側の温度測定素子４０の熱が排気ガス流によって下流側の温度測定素子４２の方向へ伝達されることから、それぞれ下流側の温度測定素子４２は、上流側の温度素子４０よりも高い温度を測定する、ということである。流動方向が逆になると、それに応じて熱伝達方向も逆になる。したがって、そのつど上流側の温度測定素子４０が相応の方向で流れる排気ガス流を表す、ということを前提とするか、又は特性曲線を格納しておき、その際、種々の流動状態と両方の温度測定素子４０，４２の電力消費とについて、得られた２つの電力消費に基づく排気ガス質量流量を格納する。

第１センサユニット２０の加熱素子４４も、基板２６を均質に加熱できるよう、Ω状に形成されている。

センサユニット２０，２２表面を焼き払ってクリーンにすることができるにもかかわらず、特に煤を焼き払って除去可能であるにしても、動作時間数が増すにつれて測定時にエラーが発生する。このエラーは第１センサユニット２０上の堆積物に起因するものであり、それらの堆積物は、熱負荷が持続した状態において排気ガスの化学的不純物から発生し、それらは第１センサユニット２０を超過温度に達するまで加熱しても回避できない。このようにして、様々な化合物から成るほとんど除去不可能な堆積物の層が形成されてしまい、それによって正常な測定動作に支障をきたす。温度が高められていない状態で作動される温度センサの場合、このような堆積物は発生しない。

そこで本発明によれば、第２センサユニット２２及び特に加熱素子５０が制御ユニット５２と接続されていて、この第２センサユニット２２を第１センサユニット２０と同じように動作制御できるように構成されている。つまりこの場合、定常的なエンジン負荷状態のとき、両方のセンサユニット２０，２２の機能が交換され、そのとき加熱素子５０が排気ガス温度よりも高められた超過温度まで加熱される。この場合も、超過温度を維持するために必要とされる付加的な電力消費が、目下の排気ガス質量流量に対する尺度を成している。

このようにして排気ガス質量流量について求められた値が、第１センサユニット２０により求められた排気ガス質量流量の値と比較され、制御ユニット５２内に格納された特性マップもしくは補正テーブルを用いることで、その偏差に応じて第１センサユニット２０の新たな較正が行われる。

補正テーブルは、両方のセンサユニット２０，２２の機能を逆にしたときの既知の動作状態を用いた試験により求められる。

このような新たな較正を実施する前に、煤堆積物による測定誤差を避けるため、センサユニット２０，２２のそれぞれ両方の加熱素子４４，５０が、表面を焼き払ってクリーンにするために加熱される。

実施された新たな較正状態は、以降の診断のために記憶しておくのがよい。

既述の装置及び既述の方法によれば、センサユニット表面上の堆積物を焼き払って除去することができなくても、長い動作持続時間にわたり適正な排気ガス質量流量の測定結果を得ることができ、このことは有害排出物の低減及び消費削減のための最適なエンジン制御に必要である。

なお、ここで明示しておくと、独立請求項の保護範囲は既述の実施例に限定されるものではない。当然ながら、排気ガス質量流量センサにおける制御ユニットの機能を、エンジン制御装置が担うこともできる。さらに構造的に同じ２つのセンサユニットを使用することもでき、そのようにすることで再較正のときも第２センサユニットにおける損失電力を測定することにより、流動方向を考慮することができる。同様に、個々の基板上にただ１つの測定素子もしくは温度測定素子しか設けられていない実施形態も考えられる。

Claims (8)

1. 気体質量流量測定装置であって、
   少なくとも１つの第１温度測定素子（４０；４２）及び第１加熱素子（４４）を含む第１センサユニット（２０）と、
   第２温度測定素子（３６）及び第２加熱素子（５０）を含む第２センサユニット（２２）と、
   制御ユニット（５２）とが設けられており、該制御ユニットにより、前記第２温度測定素子（３６）の温度に依存して、前記第１センサユニット（２０）の前記第１加熱素子（４４）の放熱から、質量流量が計算可能であるように、少なくとも１つの前記第１加熱素子（４４）を、制御された超過温度となるよう調整可能である、
   気体質量流量測定装置において、
   前記制御ユニット（５２）は、前記第２センサユニット（２２）の前記第２加熱素子（５０）が制御された超過温度となるよう調整可能であるように、該第２加熱素子（５０）と接続されていることにより、前記第１センサユニット（２０）の前記第１温度測定素子（４０；４２）の温度に依存して、前記第２センサユニット（２２）の前記第２加熱素子（５０）の放熱から、質量流量を計算可能であることを特徴とする、気体質量流量測定装置。
2. 前記第１加熱素子（４４）及び／又は第２加熱素子（５０）は基板（２４，２６）上に、メアンダ状又はΩ状に配置されている、請求項１記載の気体質量流量測定装置。
3. 前記第１センサユニット（２０）は、前記制御ユニット（５２）と接続された２つの前記第１温度測定素子（４０，４２）を有している、請求項１又は２記載の気体質量流量測定装置。
4. 前記第２センサユニット（２２）は、前記制御ユニット（５２）と接続された２つの温度測定素子（３６）を有している、請求項１から３のいずれか１項記載の気体質量流量測定装置。
5. 少なくとも１つの第１温度測定素子（４０；４２）及び第１加熱素子（４４）を含む第１センサユニット（２０）と、第２温度測定素子（３６）及び第２加熱素子（５０）を含む第２センサユニット（２２）とを備えた気体質量流量測定装置の再較正方法であって、
   前記第１センサユニット（２０）の前記第１加熱素子（４４）を、制御された超過温度となるよう調整し、ついで、前記第２温度測定素子（３６）の温度に依存して、前記第１センサユニット（２０）の前記第１加熱素子（４４）の放熱から、質量流量を計算する、
   気体質量流量測定装置の再較正方法において、
   制御された定常的なエンジン状態が検出されたときに、求められた気体質量流量を記憶し、
   ついで制御ユニット（５２）を切り替えて、第２センサユニット（２２）の前記第２加熱素子（５０）を、制御された超過温度となるよう調整し、前記第１センサユニット（２０）の前記第１温度測定素子（４０；４２）の温度に依存して、前記第２センサユニット（２２）の前記第２加熱素子（５０）の放熱から、質量流量を計算し、
   その後、前記気体質量流量の２つの値を互いに比較し、前記制御ユニット（５２）内に格納されている補正テーブルに従い、前記第１センサユニット（２０）を再較正する
   ことを特徴とする、気体質量流量装置の再較正方法。
6. 後続のステップにおいて、前記制御ユニット（５２）を再び切り替えて、前記第１センサユニット（２０）の前記第１加熱素子（４４）を、制御された超過温度となるよう調整する、請求項５記載の気体質量流量測定装置の再較正方法。
7. 前記第１センサユニット（２０）における２つの前記第１温度測定素子（４０，４２）の、必要とされる電力消費又は超過温度の差を、流動方向識別に用いる、請求項５又は６記載の気体質量流量測定装置の再較正方法。
8. 再較正前に、前記第２センサユニット（２２）を前記第２加熱素子（５０）により焼き払ってクリーンにする、請求項５から７のいずれか１項記載の気体質量流量測定装置の再較正方法。

Images