WO2008125442A1 - Method for air mass measurement and air mass sensor - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a method for air mass measurement and an air mass sensor.
- an air-fuel mixture is brought under compression to combustion in internal combustion engines.
- the power output of the internal combustion engine depends on the ratio of fuel mass to air mass.
- the measurement of a respective air mass is carried out with an air mass sensor, which sits in the intake tract of the internal combustion engine. Due to the high economic importance of the motor vehicle sector is discussed below without limiting the use of inventive and generally applicable flow sensors only to the application for determining a sucked or otherwise supplied to an internal combustion engine air mass.
- a respective exhaust gas flow energy for pre-compression of the air mass flow through a turbine running in the exhaust gas stream with mechanically coupled fresh air compressor so that, for example, a diesel engine no longer as a naturally aspirated engine, but as a supercharged engine with charge air pressures of up to 1 5 bar or even 2.5 bar with significant increase in output and reduced emissions.
- a diesel engine no longer as a naturally aspirated engine, but as a supercharged engine with charge air pressures of up to 1 5 bar or even 2.5 bar with significant increase in output and reduced emissions.
- an air mass in a predetermined ratio to admit a particular fuel mass so that an air mass sensor plays a significant role in the economy and emission reduction of an internal combustion engine.
- the mass flow of the intake / charge air is also continuously as accurately as possible to measure.
- the maximum air mass flow to be measured is in the range of 400 to approx. 1000 kg / h. Due to the low idle demand of modern internal combustion engines, the ratio of a minimum to a maximum air flow rate is between 1:90 to about 1: 100.
- An air mass sensor can operate as a mass flow sensor according to a thermal principle, wherein a release of heat output of a heated by the flow of electric current sensor wire compared to a thermally insulated sensor wire is evaluated via a resistance bridge circuit as a measure of a respective flow rate.
- Such devices are also known as hot film anemometers.
- such devices are designed as very small units and, inter alia, used in protective and measuring channel arrangements, as they are known for example from WO 03/089884 Al.
- air mass sensors in principle only capture a portion of the cross-sectional distribution of the flow within the intake tract of an internal combustion engine.
- Characteristic becomes the basic characteristic; of the sensor, which is the result of a calibration, adapted to a particular operating environment. Consequently, a mean air filter characteristic curve is formed in known devices for implementing corresponding measuring methods, ie for the specific flow conditions within a specific intake tract characteristic curve of the sensor.
- the present invention is based on the finding that a significant disadvantage of known solutions is in an only quasi-point-specific detection of the flow conditions and thus a flow velocity distribution over the entire pipe cross-section remains unconsidered.
- more than two measuring elements are used which are very small in construction. Two or more such measuring elements are arranged in an intake tract in a cross-sectional plane such that different regions of the cross section are detected. A changing distribution of the flow velocities across the cross-section at constant mean value leads to a substantial lesser error measurement than the same change with only one point measurement with one measurement element. An arrangement of a plurality of measuring elements thus has an integrating effect over the cross-sectional area.
- micromechanically produced measuring elements which contain as so-called single-chip solutions both the measuring bridge and the evaluation electronics.
- Micromechanical sensor elements are particularly favorable because of their small size.
- Single-chip solutions require no further evaluation electronics, which would also occupy a lot of space in the measuring tube.
- the single-chip measuring elements are constructed such that a measuring element is connected as a central unit or ECU in a type of master / slave configuration and other measuring elements as satellites.
- the signals that are generated in each individual measuring element are then transmitted to the central unit via a connecting line system, which is designed in particular in the form of a leadframe.
- either an averaged, possibly alternatively or additionally also differently weighted measured value is generated and output to the central unit and output on a data line or via a data bus, the measurement signals of all measuring elements for further billing in the ECU, or the data are issued on separate lines for further billing in the ECU.
- compact sensor designs with almost identically short signal lines are realized in each case.
- the integrating effect of averaging single point results provides greater accuracy, less susceptibility to flow change, and redundancy in the failure of a single sensing element.
- the entire sensor retains its almost full functionality, so no emergency operation must be activated.
- FIGS. 1a and 1b are identical to FIGS. 1a and 1b:
- FIG. 2 an arrangement of four measuring elements in the form of a central cross, which arrangement is alternative to the exemplary embodiment according to FIG.
- FIGS. 3a and 3b a plan view and a perspective view of an alternative design of a measuring element in a housing with a bypass solution
- FIGS. 4a and 4b a plan view and a perspective view of an alternative design of a measuring element in a housing with a bypass solution
- FIG. Ia shows a simplified cross section through a device 1 with an intake pipe 2, in which four measuring elements 3, 4, 5, 6 are provided in the form of hot-film anemometers in an approximately star-shaped arrangement.
- the measuring elements 3, 4, 5, 6 via a respective flow inlet 7 to the actual measuring element mechanical support 8 are connected to each other, through which a fixation within the intake pipe 2 is effected.
- the holder 8 also assumes the tasks of an electrical supply and derivation of the sensor output signals, as will be explained in more detail below.
- the measuring elements 3, 4, 5, 6 are designed as micromechanically produced measuring elements. In the special design as so-called single-chip solutions, they include both a measuring bridge and a required evaluation electronics in a very compact component. On a separate display of bridge and transmitter has been omitted for reasons of clarity in the drawing. Micromechanical sensor elements are particularly favorable because of their small size, since they perform quasi-point measurements and influence the flow conditions in a reasonably small extent. This will be detected by the measuring elements 3, 4, 5, 6 different areas of the cross section. A changing distribution of the flow velocities over the cross section at a constant average result in the averaging shown here on the measurement results of four measuring elements 3, 4, 5, 6 to a much smaller incorrect measurement than the same change in only punctual measurement with a measuring element. An arrangement of a plurality of measuring elements thus has an integrating effect over the cross-sectional area.
- FIG. 1b shows a cross section through an intake pipe 2 with only two measuring elements 3, 4 arranged in a plane and interconnected via an adapted mechanical support 8.
- an improvement of the output signal precision is achieved by averaging.
- redundancy is created, so that already in this simple embodiment, the failure of one of the measuring elements 3, 4 does not mean the failure of the entire device 1 and thus a downgrading of a connected internal combustion engine in a Noterton- state.
- FIG. 2 shows an arrangement of four measuring elements 3, 4, 5, 6 which is alternative to the exemplary embodiment according to FIG. 1 a, in which the flow feeders 7 are each designed as separate housings 9 with a feed of a partial flow in the form of an air guide channel 10. It thus results in the intake pipe 2 an arrangement of gehausten measuring elements
- FIG. 3a and 3b is a plan view and a perspective view of the alternative design of a measuring element 3 in a housing 9 is shown with a bypass solution, as has been used in the embodiment of Figure 2. Accordingly, each of the four measuring elements 3,
- FIGS. 4a and 4b illustrate signal flow patterns of the mirror-symmetric or point-symmetrical embodiments according to FIGS. 1a and 2 in a cross-sectional plane of the intake manifold.
- two different forms of signal processing and processing in the region of the device 1 are illustrated:
- output signals of the satellites in the measuring element 3 are calculated as the central element ECU together with the signal of the measuring element 3 and output via a data line.
- the signals of the satellite measuring elements 4, 5, 6 and signal of the central element ECU are output via separate data lines.
- the mechanical holder 8 also serves as a carrier for the electrical lines.
Abstract
The present invention relates to a method for air mass measurement and to an air mass sensor. In order to create an inexpensive and reliable method and a corresponding device for flow measurement based on a hot film anemometer, it is proposed to use two or more hot film anemometers as measuring elements (3, 4, 5, 6) that are disposed in a cross-sectional plane in the intake pipe (2) such that the flow in different regions of the cross-section is detected by measuring and evaluated, using quasi punctiform detection of the flow conditions.
Description
Bezeichnungdescription
Verfahren zur Luftmassenmessung und LuftmassensensorMethod for air mass measurement and air mass sensor
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftmassenmessung und einen Luftmassensensor.The present invention relates to a method for air mass measurement and an air mass sensor.
In bekannter Weise wird in Verbrennungskraftmaschinen ein Luft-Treibstoffgemisch unter Verdichtung zur Verbrennung gebracht. Die Leistungsabgabe der Verbrennungskraftmaschine hängt vom Verhältnis von Treibstoffmasse zu Luftmasse ab. Die Messung einer jeweiligen Luftmasse wird mit einem Luftmassensensor durchgeführt, der im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine sitzt. Aufgrund der hohen wirtschaftlichen Bedeutung des Kraftfahrzeugbereiches wird nachfolgend ohne Beschränkung der Verwendung erfindungsgemäßer und allgemein einsetzbarer Strömungssensoren nur auf die Anwendung zur Bestimmung einer angesaugten oder in sonstiger Weise einer Verbrennungskraftmaschine zugeführten Luftmasse eingegangen.In a known manner, an air-fuel mixture is brought under compression to combustion in internal combustion engines. The power output of the internal combustion engine depends on the ratio of fuel mass to air mass. The measurement of a respective air mass is carried out with an air mass sensor, which sits in the intake tract of the internal combustion engine. Due to the high economic importance of the motor vehicle sector is discussed below without limiting the use of inventive and generally applicable flow sensors only to the application for determining a sucked or otherwise supplied to an internal combustion engine air mass.
Zahlreiche moderne Verbrennungskraftmaschinen sind heute mit einem Abgas-Turbolader ausgestattet, welcher eine Vorverdichtung der Luftmasse bewirkt. Wurde bereits zu Beginn der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen der Versuch einer Vorkompression der einer Verbrennungskraftmaschine zuzuführenden Luft mit dem Ziel einer Erhöhung der Motorleistung durch Erhöhung des Luftmengen- und Kraftstoffdurchsatzes pro Arbeitstakt durchgeführt, so wird heute die Aufladung von Otto-Verbrennungskraftmaschinen nicht mehr primär unter dem Leistungsaspekt gesehen, sondern als Möglichkeit zur Einsparung von Kraftstoff und zur Minderung von Schadstoffen. Dabei wird in bekannter Weise einem jeweiligen Abgasstrom Energie zur Vorverdichtung des Luftmassenstromes durch eine im Abgasstrom laufende Turbine mit daran mechanisch gekoppeltem Frischluft-Verdichter entzogen, so dass beispielsweise ein Dieselmotor nun nicht mehr als Saugmotor, sondern als aufgeladener Motor mit Ladeluftdrücken von bis zu 1,5 bar oder gar
2,5 bar bei deutlicher Leistungssteigerung und reduziertem Schadstoffausstoß arbeitet. Hierzu ist selbstverständlich einer jeweiligen Treibstoffmasse eine Luftmasse in einem vorgegebenen Verhältnis zuzugeben, so dass einem Luftmassensensor eine wesentliche Bedeutung bei der Wirtschaftlichkeit und Schadstoffreduktion einer Verbrennungskraftmaschine zukommt.Numerous modern internal combustion engines are today equipped with an exhaust gas turbocharger, which causes a pre-compression of the air mass. Was already at the beginning of the development of internal combustion engines, the attempt of precompression of an internal combustion engine air supplied with the aim of increasing the engine power by increasing the air flow and fuel flow per stroke performed, so today the charging of gasoline internal combustion engines is no longer primarily under the performance aspect but as a way to save fuel and reduce pollutants. In this case, in a known manner, a respective exhaust gas flow energy for pre-compression of the air mass flow through a turbine running in the exhaust gas stream with mechanically coupled fresh air compressor, so that, for example, a diesel engine no longer as a naturally aspirated engine, but as a supercharged engine with charge air pressures of up to 1 5 bar or even 2.5 bar with significant increase in output and reduced emissions. For this purpose, of course, an air mass in a predetermined ratio to admit a particular fuel mass, so that an air mass sensor plays a significant role in the economy and emission reduction of an internal combustion engine.
Da es bei dem chemischen Vorgang der Verbrennung in jedem Betriebszustand einer Verbrennungskraftmaschine auf die Massenverhältnisse von Kraftstoff und Luft ankommt, ist der Massen- durchfluss der Ansaug-/Ladeluft auch fortlaufend möglichst genau zu messen. Der maximal zu messende Luftmassenstrom liegt je nach Motorleistung der Verbrennungskraftmaschine im Bereich von 400 bis ca. 1000 kg/h. Aufgrund des niedrigen Leerlaufbedarfes moderner Verbrennungskraftmaschinen beträgt das Verhältnis eines minimalen zu einem maximalen Luftdurchsatz zwischen 1 : 90 bis etwa 1 : 100.Since it depends on the mass ratios of fuel and air in the chemical process of combustion in any operating condition of an internal combustion engine, the mass flow of the intake / charge air is also continuously as accurately as possible to measure. Depending on the engine power of the internal combustion engine, the maximum air mass flow to be measured is in the range of 400 to approx. 1000 kg / h. Due to the low idle demand of modern internal combustion engines, the ratio of a minimum to a maximum air flow rate is between 1:90 to about 1: 100.
Ein Luftmassensensor kann als Massenstromsensor nach einem thermischen Prinzip arbeiten, wobei eine Abgabe von Wärmeleistung eines durch den Fluss elektrischen Stroms erhitzten Sensormessdrahtes im Vergleich zu einem thermisch isolierten baugleichen Sensordraht über eine Widerstandbrückenschaltung als Maß für eine jeweilige Durchflussmenge ausgewertet wird. Derartige Vorrichtungen sind auch unter der Bezeichnung Heißfilm-Anemometer bekannt.An air mass sensor can operate as a mass flow sensor according to a thermal principle, wherein a release of heat output of a heated by the flow of electric current sensor wire compared to a thermally insulated sensor wire is evaluated via a resistance bridge circuit as a measure of a respective flow rate. Such devices are also known as hot film anemometers.
Um die Luftströmung möglichst wenig zu beeinflussen und auch den Bauraum gegenüber anderen bekannten Anordnungen zu minimieren, werden derartige Vorrichtungen als sehr klein bauende Einheiten ausgebildet und u. a. auch in Schutz- und Messkanalanordnungen eingesetzt, wie sie z.B. aus der WO 03/089884 Al bekannt sind. In der Regel erfassen derartige Luftmassenmesser prinzipiell nur einen Teilbereich der Querschnittverteilung der Strömung innerhalb des Ansaugtraktes einer Verbrennungskraftmaschine. Durch Applikation oder Erstellung einer für die spezifischen Verhältnisse charakteristischen
Kennlinie wird die Grundcharakteristik; des Sensors, die Ergebnis einer Kalibrierung ist, an eine jeweilige Einsatz- Umgebung angepasst. Mithin wird in bekannten Vorrichtungen zur Umsetzung entsprechender Messverfahren eine mittlere Luftfilterkennlinie gebildet, d. h. für die spezifischen Strömungsverhältnisse innerhalb eines bestimmten Ansaugtraktes charakteristische Kennlinie des Sensors. Bei einem solchen "2. Abgleich" können allerdings weder Einzelteilstreuungen der verwendeten Komponenten des Ansaugtraktes berücksichtigt werden, noch werden Änderungen der Strömungsverhältnisse erfasst, wie sie z. B. durch ungleiche Verschmutzung einer Luftfiltermatte in der Praxis auftreten. Auch können Alterungseffekte und sämtliche Änderungen der Kennlinie über die Sensor-Lebensdauer sowie Einzelteilstreuung auch der Ansaugtrakte selber in dieser Form nicht berücksichtigt werden.In order to influence the air flow as little as possible and to minimize the space compared to other known arrangements, such devices are designed as very small units and, inter alia, used in protective and measuring channel arrangements, as they are known for example from WO 03/089884 Al. As a rule, such air mass sensors in principle only capture a portion of the cross-sectional distribution of the flow within the intake tract of an internal combustion engine. By application or creation of a characteristic for the specific circumstances Characteristic becomes the basic characteristic; of the sensor, which is the result of a calibration, adapted to a particular operating environment. Consequently, a mean air filter characteristic curve is formed in known devices for implementing corresponding measuring methods, ie for the specific flow conditions within a specific intake tract characteristic curve of the sensor. In such a "second adjustment", however, neither individual component scattering of the components used in the intake tract can be taken into account, nor are changes in the flow conditions detected, as described for. B. occur due to unequal contamination of an air filter mat in practice. Also, aging effects and all changes in the characteristic curve over the sensor lifetime as well as component scattering of the intake tract itself can not be taken into account in this form.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein preiswertes sowie zuverlässig arbeitendes Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Durchflussmessung auch auf Heißfilm-Anemometer-Basis zu schaffen.It is the object of the present invention to provide an inexpensive and reliable method and a corresponding device for flow measurement on a hot-film anemometer basis.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.This object is solved by the features of the independent claims. Advantageous developments are the subject of the respective subclaims.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein wesentlicher Nachteil bekannter Lösungen in einer nur quasi punktuellen Erfassung der Strömungsverhältnisse ist und damit eine Strömungsgeschwindigkeitsverteilung über den gesamten Rohrquerschnitt unberücksichtigt bleibt. In einem erfindungsgemäß aufgebauten Luftmassensensor finden mehr als zwei Messelemente Verwendung, die sehr klein bauen. Zwei oder mehr derartige Messelemente sind in einem Ansaugtrakt in einer Querschnittsebene derart angeordnet, dass unterschiedliche Bereiche des Querschnitts erfasst werden. Eine sich verändernde Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten über den Querschnitt bei konstantem Mittelwert führen zu einer wesent-
lieh kleineren Fehlmessung als dieselbe Veränderung bei nur punktueller Messung mit einem Messelement. Eine Anordnung mehrerer Messelemente hat somit eine integrierende Wirkung über die Querschnittsfläche.The present invention is based on the finding that a significant disadvantage of known solutions is in an only quasi-point-specific detection of the flow conditions and thus a flow velocity distribution over the entire pipe cross-section remains unconsidered. In an air mass sensor constructed according to the invention, more than two measuring elements are used which are very small in construction. Two or more such measuring elements are arranged in an intake tract in a cross-sectional plane such that different regions of the cross section are detected. A changing distribution of the flow velocities across the cross-section at constant mean value leads to a substantial lesser error measurement than the same change with only one point measurement with one measurement element. An arrangement of a plurality of measuring elements thus has an integrating effect over the cross-sectional area.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden mikromechanisch hergestellte Messelemente verwendet, die als sog. Single Chip-Lösungen sowohl die Messbrücke als auch die Auswerteelektronik beinhalten. Mikromechanische Sensorelemente sind wegen ihrer Kleinheit besonders günstig. Single Chip- Lösungen benötigen keine weitere Auswerteelektronik, die ebenfalls viel Raum im Messrohr einnehmen würde.In an advantageous embodiment of the invention, micromechanically produced measuring elements are used which contain as so-called single-chip solutions both the measuring bridge and the evaluation electronics. Micromechanical sensor elements are particularly favorable because of their small size. Single-chip solutions require no further evaluation electronics, which would also occupy a lot of space in the measuring tube.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Single Chip-Messelemente derart aufgebaut, dass ein Messelement als Zentraleinheit bzw. ECU in einer Art von Mas- ter/Slave-Konfiguration geschaltet ist und weitere Messelemente als Satteliten. Die Signale, die in jedem einzelnen Messelement generiert werden, werden dann über ein verbindendes Leitungssystem, das insbesondere in Form eines Leadframe ausgebildet ist, an die Zentraleinheit übermittelt.In a preferred embodiment of the invention, the single-chip measuring elements are constructed such that a measuring element is connected as a central unit or ECU in a type of master / slave configuration and other measuring elements as satellites. The signals that are generated in each individual measuring element are then transmitted to the central unit via a connecting line system, which is designed in particular in the form of a leadframe.
In einer derartigen Zentraleinheit wird je nach Ausführungsform entweder ein gemittelter, eventuell alternativ oder zusätzlich auch unterschiedlich gewichteter Messwert erzeugt und an die Zentraleinheit ausgegeben und auf einer Datenleitung oder über einen Datenbus die Messsignale aller Messelemente zur weiteren Verrechnung in der ECU ausgegeben, oder aber die Daten werden auf getrennten Leitungen zur weiteren Verrechnung in der ECU ausgegeben. In diesen Ausführungsformen der Erfindung werden jeweils kompakte Sensor-Bauformen mit nahezu identisch kurzen Signalleitungen realisiert.In such a central unit, depending on the embodiment, either an averaged, possibly alternatively or additionally also differently weighted measured value is generated and output to the central unit and output on a data line or via a data bus, the measurement signals of all measuring elements for further billing in the ECU, or the data are issued on separate lines for further billing in the ECU. In these embodiments of the invention, compact sensor designs with almost identically short signal lines are realized in each case.
Aufgrund der Geschwindigkeitsverteilung innerhalb des Rohres lassen sich grob zwei Strömungsbereiche unterscheiden: Eine Randströmung, die begrenzt auf dem Bereich der Rohrwand ist, und eine Mittenströmung, die den Bereich eines Rohrquer-
Schnitts füllt. Von der Rohrwand mit der Grenzflächenbedingung v = 0 steigt die Strömungsgeschwindigkeit im Randbereich stark an. Am stärksten und fast überall gleich groß ist die Strömungsgeschwindigkeit in der Mittenströmung. Durch die vorstehend beschriebene Anordnung ist eine Mittelung der Strömungsgeschwindigkeitsverteilung über den gesamten Rohrquerschnitt nicht möglich. Um die Zuverlässigkeit der Messergebnisse zu steigern, wird in einer Ausführungsform der Erfindung eine rechnerische Kompensation über Kennwertfelder und/oder Eichung verwendet.Due to the velocity distribution within the tube, roughly two flow regions can be distinguished: an edge flow which is limited to the region of the tube wall and a center flow which is the region of a tube cross section. Schnitt fills. From the pipe wall with the interface condition v = 0, the flow velocity in the edge region increases sharply. The flow velocity in the middle flow is the strongest and almost the same everywhere. By the arrangement described above, an average of the flow velocity distribution over the entire pipe cross-section is not possible. In order to increase the reliability of the measurement results, in one embodiment of the invention a computational compensation via characteristic fields and / or calibration is used.
In jedem Fall sorgt der integrierende Effekt durch Mittelung von punktuellen Einzelergebnissen für eine höhere Genauigkeit, geringere Empfindlichkeit gegen Strömungsänderung und Redundanz beim Ausfall eines einzelnen Messelements. Der gesamte Sensor behält auch dann seine fast volle Funktionalität, es muss daher kein Notlauf aktiviert werden.In any case, the integrating effect of averaging single point results provides greater accuracy, less susceptibility to flow change, and redundancy in the failure of a single sensing element. The entire sensor retains its almost full functionality, so no emergency operation must be activated.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend unter Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Abbildungen der Zeichnung angegeben. In der Zeichnung zeigen in schematisierter Darstellung:Further features and advantages of the invention are given below with description of embodiments with reference to the figures of the drawing. In the drawing show in a schematic representation:
Figur Ia und Ib:FIGS. 1a and 1b:
Querschnitte durch ein Ansaugrohr mit vier bzw. zwei in einer Ebene angeordneten und über eine mechanische Halterungen miteinander verbundener Messelemente;Cross sections through an intake pipe with four or two arranged in a plane and via a mechanical mounts interconnected measuring elements;
Figur 2: eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur Ia alternative Anordnung von vier Messelementen in Form eines Zentralkreuzes;FIG. 2: an arrangement of four measuring elements in the form of a central cross, which arrangement is alternative to the exemplary embodiment according to FIG.
Figuren 3a und 3b: eine Draufsicht und eine perspektivische Darstellung einer alternativen Bauform eines Messelementes in einem Gehäuse mit einer Bypass-Lösung und
Figuren 4a und 4b:Figures 3a and 3b: a plan view and a perspective view of an alternative design of a measuring element in a housing with a bypass solution and FIGS. 4a and 4b:
Signalflussbilder der Ausführungsformen gemäß Figur Ia und 2 in einer Querschnittsebene des Ansaugrohrs .Signal flow patterns of the embodiments according to FIGS. 1a and 2 in a cross-sectional plane of the intake pipe.
Über die verschiedenen Abbildungen von Ausführungsbeispielen hinweg werden nachfolgend einheitlich gleiche Bezugsziffern und Bezeichnungen für gleiche Funktions- bzw. Baugruppen und Verfahrensschritte verwendet.Throughout the various illustrations of exemplary embodiments, the same reference numerals and designations are used below for the same functional or assembly groups and method steps.
Die Abbildung von Figur Ia zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch eine Vorrichtung 1 mit einem Ansaugrohr 2, in dem vier Messelemente 3, 4, 5, 6 in Form von Heißfilm- Anemometern in einer ungefähr sternförmigen Anordnung vorgesehen sind. Dazu sind die Messelemente 3, 4, 5, 6 über eine jeweilige Strömungszuführung 7 zu dem eigentlichen Messelement mechanische Halterung 8 miteinander verbunden, durch die auch eine Fixierung innerhalb des Ansaugrohrs 2 bewirkt wird. Ferner übernimmt die Halterung 8 auch die Aufgaben einer e- lektrischen Versorgung und Ableitung der Sensorausgangssignale, wie nachfolgend noch im Detail ausgeführt wird.The figure of Figure Ia shows a simplified cross section through a device 1 with an intake pipe 2, in which four measuring elements 3, 4, 5, 6 are provided in the form of hot-film anemometers in an approximately star-shaped arrangement. For this purpose, the measuring elements 3, 4, 5, 6 via a respective flow inlet 7 to the actual measuring element mechanical support 8 are connected to each other, through which a fixation within the intake pipe 2 is effected. Furthermore, the holder 8 also assumes the tasks of an electrical supply and derivation of the sensor output signals, as will be explained in more detail below.
Die Messelemente 3, 4, 5, 6 sind als mikromechanisch hergestellte Messelemente ausgebildet. In der besonderen Bauform als sog. Single Chip-Lösungen beinhalten sie sowohl eine Messbrücke als auch eine erforderliche Auswerteelektronik in einem sehr kompakten Bauteil. Auf eine separate Darstellung von Messbrücke und Auswerteelektronik ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung verzichtet worden. Mikromechanische Sensorelemente sind wegen ihrer Kleinheit besonders günstig, da sie quasi punktuelle Messungen durchführen und die Strömungsbedingungen in vertretbar geringem Maße beeinflussen. Damit werden durch die Messelemente 3, 4, 5, 6 unterschiedliche Bereiche des Querschnitts erfasst werden. Eine sich verändernde Verteilung der Strömungsgeschwindigkeiten über den Querschnitt bei konstantem Mittelwert führen bei der hier dargestellten Mittelung über die Messergebnisse von
vier Messelementen 3, 4, 5, 6 zu einer wesentlich kleineren Fehlmessung als dieselbe Veränderung bei nur punktueller Messung mit einem Messelement. Eine Anordnung mehrerer Messelemente hat somit eine integrierende Wirkung über die Querschnittsfläche .The measuring elements 3, 4, 5, 6 are designed as micromechanically produced measuring elements. In the special design as so-called single-chip solutions, they include both a measuring bridge and a required evaluation electronics in a very compact component. On a separate display of bridge and transmitter has been omitted for reasons of clarity in the drawing. Micromechanical sensor elements are particularly favorable because of their small size, since they perform quasi-point measurements and influence the flow conditions in a reasonably small extent. This will be detected by the measuring elements 3, 4, 5, 6 different areas of the cross section. A changing distribution of the flow velocities over the cross section at a constant average result in the averaging shown here on the measurement results of four measuring elements 3, 4, 5, 6 to a much smaller incorrect measurement than the same change in only punctual measurement with a measuring element. An arrangement of a plurality of measuring elements thus has an integrating effect over the cross-sectional area.
Figur Ib zeigt analog der Darstellung von Figur Ia einen Querschnitt durch ein Ansaugrohr 2 mit nur zwei in einer Ebene angeordneten und über eine angepasste mechanische Halte- rung 8 miteinander verbundene Messelemente 3, 4. Auch hier wird durch Mittelung eine Verbesserung der Ausgangssignalgenauigkeit erreicht. Zudem wird Redundanz geschaffen, so dass bereits bei diesem einfachen Ausführungsbeispiel schon der Ausfall eines der Messelemente 3, 4 nicht den Ausfall der kompletten Vorrichtung 1 und mithin eine Rückstufung einer angeschlossenen Verbrennungskraftmaschine in einen Notlauf- Zustand bedeutet.Analogously to the representation of FIG. 1a, FIG. 1b shows a cross section through an intake pipe 2 with only two measuring elements 3, 4 arranged in a plane and interconnected via an adapted mechanical support 8. Here, too, an improvement of the output signal precision is achieved by averaging. In addition, redundancy is created, so that already in this simple embodiment, the failure of one of the measuring elements 3, 4 does not mean the failure of the entire device 1 and thus a downgrading of a connected internal combustion engine in a Notlauf- state.
Figur 2 zeigt eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur Ia alternative Anordnung von vier Messelementen 3, 4, 5, 6, bei denen die Strömungszuführungen 7 jeweils als eigene Gehäuse 9 mit einer Zuführung einer Teilströmung in Form eines Luftleitkanals 10 ausgebildet sind. Er ergibt sich so in dem Ansaugrohr 2 eine Anordnung von gehausten MesselementenFIG. 2 shows an arrangement of four measuring elements 3, 4, 5, 6 which is alternative to the exemplary embodiment according to FIG. 1 a, in which the flow feeders 7 are each designed as separate housings 9 with a feed of a partial flow in the form of an air guide channel 10. It thus results in the intake pipe 2 an arrangement of gehausten measuring elements
3, 4, 5, 6 in Form eines Zentralkreuzes 11, die nur noch über eine mechanische Halterung 8 in Form eines kurzes Steges angebunden ist.3, 4, 5, 6 in the form of a central cross 11, which is connected only via a mechanical support 8 in the form of a short web.
In den Figuren 3a und 3b ist eine Draufsicht und eine perspektivische Darstellung der alternativen Bauform eines Messelementes 3 in einem Gehäuse 9 mit einer Bypass-Lösung dargestellt, wie sie in dem Ausführungsbeispiel von Figur 2 verwendet worden ist. Demnach ist jedes der vier Messelemente 3,In the figures 3a and 3b is a plan view and a perspective view of the alternative design of a measuring element 3 in a housing 9 is shown with a bypass solution, as has been used in the embodiment of Figure 2. Accordingly, each of the four measuring elements 3,
4, 5, 6 in einem eigenen Gehäuse 9 angeordnet, das einen Ein- lass 12 , einen Führungs- bzw. Luftleitkanal 10 sowie einen Auslass 13 umfasst. Jedes der Messelemente 3, 4, 5, 6 ist dabei geschützt im Bereich des Auslasses 12 angeordnet, wie in
Figur 3a dargestellt. Ein zugehöriger Strömungsverlauf ist in der perspektivischen Darstellung dieser alternativen Bauform in Figur 3b angedeutet.4, 5, 6 arranged in a separate housing 9, which comprises an inlet 12, a guide or air duct 10 and an outlet 13. Each of the measuring elements 3, 4, 5, 6 is arranged protected in the region of the outlet 12, as in Figure 3a shown. An associated flow profile is indicated in the perspective view of this alternative design in Figure 3b.
Die Figuren 4a und 4b stellen Signalflussbilder der spiegel- oder punktsymmetrisch ausgebildeten Ausführungsformen gemäß Figur Ia und 2 in einer Querschnittsebene des Ansaugrohrs dar. Anhand dieser Abbildungen werden zwei unterschiedliche Formen der Signalaufbereitung und Verarbeitung im Bereich der Vorrichtung 1 verdeutlicht: In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4a werden Ausgangssignale der Satteliten in Messelement 3 als Zentralelement ECU zusammen mit dem Signal des Messelement 3 verrechnet und über eine Datenleitung ausgegeben. Nach dem Ausführungsbeispiel von Figur 4b werden die Signale der Satteliten-Messelemente 4, 5, 6 und Signal des Zentralelements ECU über getrennte Datenleitungen ausgegeben. In beiden Fällen dienst die mechanische Halterung 8 auch als Träger für die elektrischen Leitungen.
FIGS. 4a and 4b illustrate signal flow patterns of the mirror-symmetric or point-symmetrical embodiments according to FIGS. 1a and 2 in a cross-sectional plane of the intake manifold. On the basis of these figures, two different forms of signal processing and processing in the region of the device 1 are illustrated: In the exemplary embodiment according to FIG output signals of the satellites in the measuring element 3 are calculated as the central element ECU together with the signal of the measuring element 3 and output via a data line. According to the embodiment of Figure 4b, the signals of the satellite measuring elements 4, 5, 6 and signal of the central element ECU are output via separate data lines. In both cases, the mechanical holder 8 also serves as a carrier for the electrical lines.
Claims
1. Verfahren zur Luftmassenmessung in einem Ansaugrohr an einer Verbrennungskraftmaschine, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens zwei oder mehr Heißfilm-Anemometer als Messelemente (3, 4, 5, 6) in einer Querschnittsebene in dem Ansaugrohr (2) derart angeordnet verwendet werden, dass die Strömung in unterschiedlichen Bereichen des Querschnitts unter quasi punktueller Erfassung der Strömungsverhältnisse messtechnisch erfasst und ausgewertet wird.1. A method for air mass measurement in an intake manifold to an internal combustion engine, characterized in that at least two or more hot-film anemometer as measuring elements (3, 4, 5, 6) are arranged in a cross-sectional plane in the intake pipe (2) arranged such that the flow in different areas of the cross-section under quasi-selective detection of flow conditions is metrologically recorded and evaluated.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Messelemente (3, 4, 5, 6) mikromechanische Sensorelemente in der Bauform sog. Single Chip-Lösungen verwendet werden, in denen sowohl die Aufgaben einer Messbrücke als auch eine Sensorsignalauswertung durchgeführt werden.2. Method according to the preceding claim, characterized in that as measuring elements (3, 4, 5, 6) micromechanical sensor elements in the design of so-called single-chip solutions are used, in which both the tasks of a measuring bridge and a sensor signal evaluation are carried out.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messelemente (3, 4, 5, 6) in einer Art von Master/Slave- Konfiguration betrieben werden, so dass Ausgangssignale mehrere Sensoren als Teilergebnisse einem als Zentraleinheit (ECU) wirkenden Messelement zugeführt werden.3. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the measuring elements (3, 4, 5, 6) are operated in a kind of master / slave configuration, so that output signals a plurality of sensors acting as a central unit (ECU) measuring element be supplied.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messelemente (3, 4, 5, 6) über eine mechanische Halterung4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring elements (3, 4, 5, 6) via a mechanical support
(7) in dem Ansaugrohr (2) angeordnet und elektrische versorgt werden.(7) are arranged in the intake pipe (2) and are supplied with electrical power.
5. Luftmassensensor mit einem Messelement auf Heißfilm- Anemometer-Basis, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwei oder mehr gleichartige Messelemente in einem Ansaugtrakt in einer Querschnittsebene derart angeordnet sind, dass die Messelemente in unterschiedlichen Bereichen des Querschnitts zur quasi punktuellen Erfassung der Strömungsverhältnisse vorgesehen sind.5. Air mass sensor with a measuring element on a hot-film anemometer base, characterized in that two or more similar measuring elements arranged in an intake tract in a cross-sectional plane such are that the measuring elements are provided in different areas of the cross section for quasi-point detection of the flow conditions.
6. Luftmassensensor nach dem vorhergehenden Anspruch, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mindestens eines der Messelemente als sog. Single Chip-Lösung ausgebildet ist und sowohl die Messbrücke als auch die Auswerteelektronik beinhaltet.6. Air mass sensor according to the preceding claim, in that at least one of the measuring elements is designed as a so-called single-chip solution and includes both the measuring bridge and the evaluation electronics.
7. Luftmassensensor nach dem vorhergehenden Anspruch, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass jedes der Messelemente (3, 4, 5, 6) in einem eigenen Gehäuse (9) angeordnet, das einen Einlass (11) , einen Führungsbzw. Luftleitkanal (10) sowie einen Auslass (12) um- fasst, wobei ein Messelement (3, 4, 5, 6) geschützt im Bereich des Auslasses (12) angeordnet ist.7. Air mass sensor according to the preceding claim, in that each of the measuring elements (3, 4, 5, 6) arranged in a separate housing (9) having an inlet (11), a Führungsbzw. Air duct (10) and an outlet (12) comprises, wherein a measuring element (3, 4, 5, 6) is arranged protected in the region of the outlet (12).
8. Luftmassensensor nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Messelement als Zentraleinheit (ECU) in einer Art von Mas- ter/Slave-Konfiguration geschaltet ist und weitere Messelemente als Satteliten.8. Air mass sensor according to one of the three preceding claims, d a d u r c h e c e n e c e s in that a measuring element is connected as a central unit (ECU) in a type of master / slave configuration and other measuring elements as satellites.
9. Luftmassensensor nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein verbindendes Leitungssystem, das insbesondere in Form eines Leadframe ausgeführt ist, zur Übermittlung der Ausgangssignale jedes einzelnen Messelements ausgebildet ist.9. Air mass sensor according to one of the four preceding claims, in that a connecting line system, which is embodied in particular in the form of a leadframe, for transmitting the output signals of each individual measuring element is formed.
10. Luftmassensensor nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das System (6) in einem Bereich der Rohrmittenachse (M) ange- ordnet ist, 10. Air mass sensor according to one of the four preceding claims, characterized in that the system (6) in an area of the tube center axis (M) ange- is,
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