WO2011124609A1 - Luftmassen-durchfluss-sensor - Google Patents

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WO2011124609A1
WO2011124609A1 PCT/EP2011/055352 EP2011055352W WO2011124609A1 WO 2011124609 A1 WO2011124609 A1 WO 2011124609A1 EP 2011055352 W EP2011055352 W EP 2011055352W WO 2011124609 A1 WO2011124609 A1 WO 2011124609A1
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WO
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air mass
sensor element
signal
signal characteristic
mass flow
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PCT/EP2011/055352
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Stephan Schürer
Thorsten Knittel
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Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • 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
    • G01F1/696—Circuits therefor, e.g. constant-current flow meters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/18—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow
    • F02D41/182—Circuit arrangements for generating control signals by measuring intake air flow for the control of a fuel injection device
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1401—Introducing closed-loop corrections characterised by the control or regulation method
    • F02D2041/1413—Controller structures or design
    • F02D2041/1432—Controller structures or design the system including a filter, e.g. a low pass or high pass filter

Definitions

  • Air mass flow rate - SENSOR The invention relates to an air-mass meter with a sensor element for detecting an air mass flow and He generation ⁇ one signal, and with an electronic circuit for processing the signal from the sensor element, the sensor element generates a non-linear signal characteristic. Furthermore, the invention relates to a method for processing signals of an air mass meter, wherein the air mass ⁇ meter has a sensor element for detecting an air mass flow and for generating a signal and an electronic ⁇ cal circuit for processing the signal from the sensor element, wherein the sensor element is a generated non-linear signal ⁇ characteristic.
  • Air mass meters are suitable for detecting a mass flow of a fluid (air mass flow) in a flow channel.
  • a flow channel may be, for example, an air intake pipe of an internal combustion engine.
  • both diagnoses for example, the operation of the internal combustion ⁇ machine can be carried out as also take control of the internal combustion engine.
  • a reliable and precise as possible detection of the actual mass flow is important even under different operating conditions.
  • DE 197 24 659 A1 discloses a mass flow sensor device comprising a sensor element.
  • the sensor element is arranged on ei ⁇ nem own chip and integrated.
  • a transmitter is disclosed, which is formed separately, but is electrically coupled to the sensor unit.
  • Modern mass air flow sensors built in, for example, microsystem (MEMS) technology are very fast and capture almost any Change in air mass flow. In addition, they can distinguish between air flowing in the air intake pipe to the internal combustion engine and air flowing back from the internal combustion engine. Also pulsations in the air intake pipe, which are caused by the cyclical operation of reciprocating internal combustion engines, are detected by high-speed air mass meters and converted by the sensor element into a signal. However, it is precisely these pulsations that can lead to a significant falsification of the measured value for the average air mass flow.
  • MEMS microsystem
  • the invention has for its object to provide a fast air mass meter, which has the lowest possible error in the processing of the signal.
  • the invention has the object to provide a method for processing signals of an air mass meter, in which the lowest possible processing error occurs.
  • the electronic circuit initially having a linearization ⁇ element for converting the non-linear signal characteristic from the sensor element in a linear signal characteristic ⁇ the error in the formation of the mean value for the air mass senstrom in the filter elements is substantially reduced.
  • the Fil ⁇ terelement performs the integration for averaging in the mass air space and not in the signal space, which leads through the non-linear signal response to a defective means ⁇ value formation.
  • These highly accurate signals are sent to the engine controller.
  • a particularly accurate Luftmassenmes ⁇ ser that allows the combustion of motor ⁇ material into the cylinders of an internal combustion engine can be made perfectly one. This is a contribution to the conservation of fossil fuel reserves and the environment.
  • the advantages just mentioned apply.
  • the sensor element and the elekt ⁇ tronic circuit are formed on a single semiconductor element from ⁇ . This has the advantage that the component can be constructed ponderegüns ⁇ tig and more error-free.
  • the sensor element and the electronic circuit can be produced in microsystem technology.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine
  • FIG. 2 shows an air mass meter according to the invention with a sensor element
  • FIG. 4 a shows the air mass flow pulsating in the air intake pipe as a function of time
  • FIG. 4c shows a non-linearized time-dependent signal
  • FIG. 5a shows the air mass flow pulsating in the air intake tube as a function of time
  • 5b shows the non-linear signal characteristic of the Sensorele ⁇ mentes
  • FIG. 5d shows a linearized time-dependent signal.
  • FIG. 1 shows an internal combustion engine 11.
  • This internal combustion engine 11 can be either an internal combustion engine 11 driven by gasoline or an internal combustion engine 11 driven by diesel fuel. It is also conceivable that the internal combustion engine 11 is driven by gas.
  • This determination of the air mass flow Q er ⁇ follows with the air mass meter 6, which transmits its signal S to the engine controller 8.
  • the engine control unit 8 controls, for example, the injection pump 13 and the injection nozzles 12 in response to the signal S supplied by the air mass meter 6
  • Internal combustion engine 11 according to the intake air mass Q a precisely metered amount of fuel supplied via the injection nozzles 12.
  • the precise knowledge of the air mass flow Q toward the cylinders 16 enables optimum combustion of the fuel supplied via the injection pump 13 and the injection nozzles 12 to the internal combustion engine 11. This allows optimum efficiency of the internal combustion engine 11 and thus an economical consumption of fuels and a relief of the environment.
  • the known internal combustion engines 11 are cyclical internal combustion engines in which the cylinder 16 alternately with Fresh air are filled, after which it comes to the combustion of the injected fuel, and whereupon the exhaust gases are removed from the cylinders 16, the air mass flow Q is not continuous to the engine, but it is coupled with a so-called pulsations.
  • the pulsations arise because each cylinder 16 per combustion process only a certain discrete amount of fresh air is ⁇ leads. After the supply of the fresh air into the cylinder 16, the air inlet valve of the cylinder 16 is closed, and the air mass flow Q is abruptly interrupted.
  • Pulsations are evident in the signal S of a fast and modern air-mass meter 6.
  • the motor controller 8 can not handle a rapidly pulsating signal S of the Lucasmassenmes ⁇ sers. 6
  • modern micromechanical air mass sensors 6 absorb this pulsation almost completely and convert it into an output signal S.
  • Only the average air mass flow Q is of interest for the engine control unit 8, and only this value can be processed by the engine control unit 8 in order, for example, to control the injection pump 13 and the injection nozzles 12 accordingly.
  • ⁇ controls which consists of digital single pulses
  • the time interval between the digital single pulses is considered as a measure of the air mass flow Q.
  • the time between the edge is a start ⁇ signal and the edge of a stop signal with a certain resolution determined. Whether the rising or falling edge is used depends on the electronics used in the motor control.
  • FIG 2 an air mass meter 6 with a sensor element 1 for detecting an air mass flow Q and for generating a signal S.
  • the sensor element is a fast Sensorele ⁇ ment, which, for example, in micro-system (MEMS) -Technology is built.
  • the air mass meter 6 has an electronic circuit 7 for processing the signal from the sensor element 1.
  • the sensor element 1 shows a non-linear signal characteristic.
  • the signal characteristic 9 corresponds to all signals S which can be generated by the sensor element 1 to the corresponding air mass flows Q.
  • the non-linear relationship between the air mass flow Q and the signals S sensor element 1 is shown later in Figure 3 in the QS diagram of the sensor element 1.
  • the electronic circuit 7 shown in FIG. 2 initially contains a linearization element 2 for converting the nonlinear signal characteristic 9 from the sensor element 1 into a linear signal characteristic line 10.
  • the linear signal S thus generated is then forwarded to a filter element 3.
  • This filter element 3 is integrated via the signal S received by the linearization element 2. This integration takes place over the time t.
  • the function Integ ⁇ ral S (t) to dt (j S ⁇ t) dt) is formed in the filter element 3.
  • the signal S is here as well as the air mass flow Q dependent on the time t function.
  • S (t) dt corresponds to the mean air mass flow Q, wherein now the pulsations have been filtered out by the filter element 3.
  • the thus the filter element 3 ⁇ he testified signal S is then fed to a conversion element 4 to the order ⁇ conversion of the linear characteristic signal 10 in a non-linear signal characteristic.
  • the now nonlinear signal is then passed to a relay element 5 for relaying the signals detected by the sensor element 1 and by the linearization signal. element 2, the filter element 3 and the conversion element 4 processed signal S supplied.
  • the relay element 5 a digital time signal AES to the engine controller 8 ge ⁇ sends.
  • the time interval between two single pulses DIE ses digital time signal AES then corresponds to the value measured by air ⁇ mass meter 6 to the sensor element 1 and processed with the electronic circuit 7, in particular averaged signal value S for the air mass flow Q.
  • the mass air flow sensor 6 shown in Figure 2 can be operated with the inventive method for processing signals.
  • the air mass meter 6 has a sensor element for detecting an air mass flow Q and for generating a signal S.
  • the conversion of the non-linear signal 9 characteristic from the sensor element 1 in a linear signal characteristic occurs initially 10.
  • the filtering of the linear signal characteristic curve 10 for example in a Integ ⁇ ration of the function
  • FIG. 1 shows schematically the components of the erfindungsge ⁇ MAESSEN air mass meter 6 with their functions.
  • the sensor element 1 can be seen, which is usually constructed in MEMS technology (microsystem technology) and detects the air mass flow Q.
  • the sensor element 1 and the elec- tronic circuit 7 are formed on a single Halbleiterele ⁇ ment.
  • the fast sensor element 1 produces a nonlinear Sig ⁇ nalkennline 9, in the corresponding air mass flow Q - S is shown signal diagram.
  • This non-linear signal 9 ⁇ characteristic is linearized by linearization element 2 electronically, whereby we generated from the sensor element 1
  • the ge besides the linearization element 2 ⁇ showed diagram of the air mass flow Q and the signal S has a linear characteristic.
  • the filter element 3 can integrate electronically and form the integral IS (t) dt, whereby a mean air mass flow Q is determined and the existing in the air intake pipe 14 pulsations are filtered out.
  • the element 4 for generating a non-linear signal characteristic 9 can be seen.
  • the non-linear signal characteristic 9 is in turn generated electronically by the element 4 for generating a non-linear signal characteristic 9.
  • the relay element 5 Based on this non-linear signal characteristic 9, the relay element 5 generates an electronic time signal A S, which is supplied to the motor control 8.
  • the time signal ⁇ S can be seen, which is generated by the relay ⁇ element 5.
  • the upper function shows the ideal signal characteristic from which a sharp time signal AES could be transmitted to the engine control unit 8.
  • the time signals are always electronically noisy, as shown in the lower time signal A s.
  • the electronic noise adds an error of + - ⁇ to the time signal A S, which error is passed on to the motor controller 8.
  • the problem of error propagation when is the individual signals S and AES at the time signal explained later.
  • FIG. 4 a shows the air mass flow Q pulsing in the air intake pipe 14 as a function of the time t.
  • ⁇ way of example here is an ideal sinusoidal pulsation ge shows ⁇ .
  • the real air mass flow Q thus moves here in the air intake pipe 14 between a maximum value Q max and a minimum value 0, which occurs when all Lufteinlassventi- le of the engine 11 are closed, and the air ⁇ mass flow Q in the air intake pipe 14 comes to a standstill.
  • the engine control unit 8 only the average air mass flow Q is of interest.
  • the integral must disappear via the function Q (t), ie equal to zero.
  • the non-linear signal characteristic 9 shown in FIG. 5b is used for the conversion of the real air mass flow Q by means of the sensor element 1 into a signal S, as already known from FIG. 4b.
  • this non-linear signal characteristic 9 is then set by an environmentally Li ⁇ near Deutschenselement 2 in a linear signal characteristic 10th
  • the transition from the nonlinear signal characteristic 9 to the linear signal characteristic 10 can be adapted for each air mass flow Q lying in the measuring range of the sensor element 1 and any pipe cross-section lying in the measuring range, according to the requirements of the users of the air mass meter using a characteristic map.
  • This characteristic map can be stored in an electronic memory in the linearization element 2.
  • nonlinear signal characteristic 10 are particularly well suited to a time-dependent signal that suction pipe is proportional to the mass air flow Q in the air connections 14 to pass to the motor controller 8 without producing a big mistake ⁇ in the time signal AS.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser mit einem Sensorelement zur Erfassung eines Luftmassenstroms und zur Erzeugung eins Signals und mit einer elektronischen Schaltung zur Verarbeitung des Signals vom Sensorelement, wobei das Sensorelement eine nichtlineare Signalkennlinie erzeugt. Um einen schnellen Luftmassenmesser anzugeben, der einen möglichst geringen Fehler bei der Verarbeitung des Signals aufweist, weist die elektronische Schaltung zunächst ein Linearisierungselement zur Umwandlung der nichtlinearen Signalkennlinie vom Sensorelement in eine lineare Signalkennlinie auf, dann weist die Schaltung ein Filterelement auf, dann weist die Schaltung ein Umwandlungselement zur Umwandlung der linearen Signalkennlinie in eine nichtlineare Signalkennlinie auf, und dann weist die Schaltung ein Weitergabeelement zur Weitergabe der vom Sensorelement erfassten und durch das Linearisierungselement, das Filterelement und das Umwandlungselement verarbeiteten Signale auf.

Description

Beschreibung
LUFTMASSEN- DURCHFLUSS - SENSOR Die Erfindung betrifft einen Luftmassenmesser mit einem Sensorelement zur Erfassung eines Luftmassenstroms und zur Er¬ zeugung eins Signals und mit einer elektronischen Schaltung zur Verarbeitung des Signals vom Sensorelement, wobei das Sensorelement eine nichtlineare Signalkennlinie erzeugt. Wei- terhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung von Signalen eines Luftmassenmessers, wobei der Luftmassen¬ messer ein Sensorelement zur Erfassung eines Luftmassenstroms und zur Erzeugung eines Signals aufweist und eine elektroni¬ sche Schaltung zur Verarbeitung des Signals vom Sensorelement aufweist, wobei das Sensorelement eine nichtlineare Signal¬ kennlinie erzeugt.
Luftmassenmesser sind geeignet zum Erfassen eines Massenstroms eines Fluids (Luftmassenstroms) in einem Strömungska- nal . Ein derartiger Strömungskanal kann beispielsweise ein Luftansaugrohr einer Brennkraftmaschine sein. Abhängig von dem durch den Luftmassenmesser erfassten Massenstrom können sowohl Diagnosen beispielsweise des Betriebs der Brennkraft¬ maschine durchgeführt werden als auch eine Steuerung der Brennkraftmaschine erfolgen. Zu diesen Zwecken ist ein auch unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen zuverlässiges und möglichst präzises Erfassen des tatsächlichen Massenstroms wichtig . DE 197 24 659 AI offenbart eine Massenstromsensorvorrichtung, die ein Sensorelement umfasst. Das Sensorelement ist auf ei¬ nem eigenen Chip angeordnet und integriert. Ferner ist eine Auswerteelektronik offenbart, die separat ausgebildet ist, aber mit der Sensoreinheit elektrisch gekoppelt ist.
Moderne in zum Beispiel Mikrosystem (MEMS ) -Technik gebaute Luftmassenmesser sind sehr schnell und erfassen nahezu jede Änderung im Luftmassenstrom. Zudem können sie zwischen im Luftansaugrohr zur Brennkraftmaschine strömender Luft und von der Brennkraftmaschine zurück strömender Luft unterscheide. Auch Pulsationen im Luftansaugrohr, die durch die zyklische Arbeitsweise von Kolbenbrennkraftmaschinen entstehen, werden von schnellen Luftmassenmessern erfasst und vom Sensorelement in ein Signal umgewandelt. Gerade diese Pulsationen können jedoch zur erheblichen Verfälschung des Messwertes für den mittleren Luftmassenstrom führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen schnellen Luftmassenmesser anzugeben, der einen möglichst geringen Fehler bei der Verarbeitung des Signals aufweist. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Verarbeitung von Signalen eines Luftmassenmessers anzugeben, bei dem ein möglichst geringer Verarbeitungsfehler auftritt.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst
Da die elektronische Schaltung zunächst ein Linearisierungs¬ element zur Umwandlung der nichtlinearen Signalkennlinie vom Sensorelement in eine lineare Signalkennlinie aufweist, wer¬ den Fehler bei der Bildung des Mittelwertes für den Luftmas- senstrom in dem Filterelemente wesentlich reduziert. Das Fil¬ terelement führt die Integration zur Mittelwertbildung im Luftmassenraum aus und nicht im Signalraum, der durch die nichtlineare Signalkennlinie zu einer fehlerhaften Mittel¬ wertbildung führt. Durch ein Umwandlungselement zur Umwand- lung der linearen Signalkennlinie in eine nichtlineare Sig¬ nalkennlinie aufweist, lassen sich fehlerhafte Signalweiter¬ verarbeitungen, die besonders bei geringen Massenströmen auftreten, effektiv vermeiden. Die vom Weitergabeelement zur Weitergabe der vom Sensorelement erfassten und durch das Li- nearisierungselement , das Filterelement und das Umwandlungs¬ element verarbeiteten Signale, stellen damit besonders genau¬ es Signale dar, die den Luftmassenstrom im Luftmassenmesser abbilden. Diese hochgenauen Signale werden an die Motorsteuerung gesendet. Damit ist ein besonders genauer Luftmassenmes¬ ser offenbart, mit dessen Hilfe die Verbrennung von Kraft¬ stoff in den Zylindern einer Brennkraftmaschine optimal ein- gestellt werden kann. Dies ist ein Beitrag zur Schonung von fossilen Brennstoffreserven und der Umwelt. Auch für das Verfahren zur Verarbeitung von Signalen eines Luftmassenmessers gelten die soeben genannten Vorteile. Bei einer Weiterbildung sind das Sensorelement und die elekt¬ ronische Schaltung auf einem einzigen Halbleiterelement aus¬ gebildet. Dies hat den Vorteil, dass das Bauteil kostengüns¬ tig und besonders fehlerfrei aufgebaut werden kann. Dazu kann das Sensorelement und die elektronische Schaltung in Mikro- system-Technologie hergestellt sein.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Verbrennungsmotor,
Figur 2 einen erfindungemäßen Luftmassenmesser mit einem Sensorelement,
Figur 3 schematisch die Bestandteile des erfindungsge¬ mäßen Luftmassenmessers,
Figur 4a den im Luftansaugrohr pulsierende Luftmassenstrom in Abhängigkeit von der Zeit,
Figur 4b die nichtlineare Signalkennlinie des Sensorele¬ mentes,
Figur 4c ein nicht linearisiertes zeitabhängiges Signal,
Figur 5a den im Luftansaugrohr pulsierende Luftmassenstrom in Abhängigkeit von der Zeit, Figur 5b die nichtlineare Signalkennlinie des Sensorele¬ mentes,
Figur 5c die linearisierte Signalkennlinie des Sensor¬ elementes,
Figur 5d ein linearisiertes zeitabhängiges Signal.
Figur 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 11. Bei diesem Verbren- nungsmotor 11 kann es sich sowohl um einen mit Benzin angetriebenen Verbrennungsmotor 11 als auch um einen mit Dieselkraftstoff angetriebenen Verbrennungsmotor 11 handeln. Denkbar ist auch, dass der Verbrennungsmotor 11 mit Gas angetrieben wird. Am Verbrennungsmotor 11 ist ein Ansaugrohr 14 zu erkennen, das mit einem Luftfilter 15 verbunden ist. Durch den Luftfilter 15 wird Außenluft in das Luftansaugrohr 14 gesaugt und zu dem Verbrennungsmotor 11 transportiert. Für eine optimale Verbrennung des Kraftstoffes ist es notwendig, den im Luftansaugrohr 14 transportierten Luftmassenstrom Q genau zu bestimmen. Diese Bestimmung des Luftmassenstromes Q er¬ folgt mit dem Luftmassenmesser 6, der sein Signal S an die Motorsteuerung 8 weitergibt. Die Motorsteuerung 8 steuert in Abhängigkeit von dem vom Luftmassenmesser 6 gelieferten Signal S zum Beispiel die Einspritzpumpe 13 und die Einspritzdü- sen 12. Auf diese Art und Weise wird jedem Zylinder 16 des
Verbrennungsmotors 11 entsprechend der angesaugten Luftmasse Q eine genau dosierte Kraftstoffmenge über die Einspritzdüsen 12 zugeführt. Die genaue Kenntnis des Luftmassenstromes Q hin zu den Zylindern 16 ermöglicht eine optimale Verbrennung des über die Einspritzpumpe 13 und die Einspritzdüsen 12 zu dem Verbrennungsmotor 11 zugeführten Kraftstoffes. Dies ermöglicht einen optimalen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 11 und damit einen sparsamen Verbrauch von Kraftstoffen und eine Entlastung der Umwelt.
Da die bekannten Verbrennungsmotoren 11 zyklische Brennkraftmaschinen sind, bei denen die Zylinder 16 abwechselnd mit Frischluft befüllt werden, wonach es zur Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffes kommt, und woraufhin die Abgase aus den Zylindern 16 entfernt werden, erfolgt der Luftmassenstrom Q hin zu dem Verbrennungsmotor nicht kontinuierlich, sondern er ist mit einer sogenannten Pulsationen gekoppelt. Die Pulsationen entstehen, weil jedem Zylinder 16 pro Verbrennungsvorgang nur eine bestimmte diskrete Menge Frischluft zuge¬ führt wird. Nach der Zuführung der Frischluft in den Zylinder 16 wird das Lufteinlassventil des Zylinders 16 geschlossen, und der Luftmassenstrom Q wird abrupt unterbrochen. Diese
Pulsationen zeigen sich deutlich im Signal S eines schnellen und modernen Luftmassenmessers 6. Die Motorsteuerung 8 kann jedoch ein schnell pulsierendes Signal S des Luftmassenmes¬ sers 6 nicht verarbeiten. Moderne mikromechanisch aufgebaute Luftmassenmesser 6 nehmen diese Pulsation jedoch fast vollständig auf und wandeln sie in ein Ausgangssignal S um. Für die Motorsteuerung 8 ist lediglich der mittlere Luftmassenstrom Q von Interesse, und auch nur diesen Wert kann die Motorsteuerung 8 verarbeiten, um zum Beispiel die Einspritzpum- pe 13 und die Einspritzdüsen 12 entsprechend zu steuern. Zu¬ dem werden moderne Motorsteuergeräte mit einem Signal ange¬ steuert, das aus digitalen Einzelpulsen besteht, wobei der zeitliche Abstand zwischen den digitalen Einzelpulsen als Maß für den Luftmassenstrom Q gewertet wird. Bei dieser Zeitdif- ferenzmessung wird die Zeit zwischen der Flanke eines Start¬ signals und der Flanke eines Stoppsignals mit einer gewissen Auflösung bestimmt. Ob die steigende oder die fallende Flanke benutzt wird, hängt von der verwendeten Elektronik in der Motorsteuerung ab.
Sowohl die Pulsation im Luftmassenstrom Q als auch die Übertragung des Zeitsignals ÄS an die Motorsteuerung 8 beinhal¬ ten Fehlerquellen, sowohl aus elektronischen Rauschsignalen als auch aus den Kennlinien, die modernen mikromechanischen Luftmassenmessern 6 zu eigen sind. Diese Fehlerquellen verschlechtern zum Beispiel die Auflösung bei der Zeitdifferenz- messung während der Übertragung des Zeitsignals ÄS an die Motorsteuerung 8.
Um dieser Problematik zu begegnen zeigt Figur 2 einen Luft- massenmesser 6 mit einem Sensorelement 1 zur Erfassung eines Luftmassenstromes Q und zur Erzeugung eines Signals S. Bei dem Sensorelement handelt es sich um ein schnelles Sensorele¬ ment, das zum Beispiel in Mikrosystem (MEMS ) -Technik gebaut ist. Der Luftmassenmesser 6 weist eine elektronische Schal- tung 7 zur Verarbeitung des Signals vom Sensorelement 1 auf. Das Sensorelement 1 zeigt eine nichtlineare Signalkennlinie. Die Signalkennlinie 9 entspricht allen Signalen S, die zu den entsprechenden Luftmassenströmen Q vom Sensorelement 1 erzeugt werden können. Der nichtlineare Zusammenhang zwischen dem Luftmassenstrom Q und den Signalen S Sensorelements 1 wird spätem in Figur 3 in dem Q-S-Diagramm des Sensorelementes 1 dargestellt.
Die in Figur 2 gezeigte elektronische Schaltung 7 beinhaltet zunächst ein Linearisierungselement 2 zur Umwandlung der nichtlinearen Signalkennlinie 9 vom Sensorelement 1 in eine lineare Signalkennlinie 10. Das so erzeugte lineare Signal S wird dann an ein Filterelement 3 weitergegeben. Dieses Filterelement 3 integriert über das von dem Linearisierungsele- ment 2 empfangene Signal S. Diese Integration erfolgt über die Zeit t. Damit wird im Filterelement 3 die Funktion Integ¬ ral S (t) nach dt ( j S{t)dt ) gebildet. Das Signal S ist hierbei genauso wie der Luftmassenstrom Q eine von der Zeit t abhängige Funktion. Das Integral | S(t)dt entspricht dem mittleren Luftmassenstrom Q, wobei nun die Pulsationen vom Filterelement 3 herausgefiltert wurden. Das so vom Filterelement 3 er¬ zeugte Signal S wird dann einem Umwandlungselement 4 zur Um¬ wandlung der linearen Signalkennlinie 10 in eine nichtlineare Signalkennlinie 9 zugeleitet. Das nun wieder nichtlineare Signal wird dann einem Weitergabeelement 5 zur Weitergabe der vom Sensorelement 1 erfassten und durch das Linearisierungs- element 2, das Filterelement 3 und das Umwandlungselement 4 verarbeiteten Signal S zugeleitet. Vom Weitergabeelement 5 wird ein digitales Zeitsignal ÄS an die Motorsteuerung 8 ge¬ sendet. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Einzelpulsen die- ses digitalen Zeitsignals ÄS entspricht dann dem vom Luft¬ massenmesser 6 mit dem Sensorelement 1 gemessenen und mit der elektronischen Schaltung 7 weiterverarbeiteten, insbesondere gemittelten, Signalwertes S für den Luftmassenstrom Q. Der in Figur 2 gezeigte Luftmassenmesser 6 kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verarbeitung von Signalen betrieben werden. Dabei weist der Luftmassenmesser 6 ein Sensorelement zur Erfassung eines Luftmassenstromes Q und zur Erzeugung eines Signals S auf. Weiterhin weist der Luftmas- senmesser 6 eine elektronische Schaltung 7 zur Verarbeitung des Signals S vom Sensorelement 1 auf, wobei das Sensorele¬ ment 1 eine nichtlineare Signalkennlinie 9 erzeugt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt zunächst die Umwandlung der nichtlinearen Signalkennlinie 9 vom Sensorelement 1 in eine lineare Signalkennlinie 10. Dann erfolgt die Filterung der linearen Signalkennlinie 10 zum Beispiel in einer Integ¬ ration über die Funktion | S(t)dt , wobei der mittlere Luftmas¬ senstrom Q ermittelt wird. Dann erfolgt eine Umwandlung der gefilterten linearen Signalkennlinie 10 in eine nichtlineare Signalkennlinie 9, wonach eine Weitergabe der von dem Sensor¬ element 1 erfassten und durch das Linearisierungselement 2, das Filterelement 3 und das Umwandlungselement 4 verarbeite¬ ten Signale erfolgt. Figur 3 zeigt schematisch die Bestandteile des erfindungsge¬ mäßen Luftmassenmessers 6 mit ihren Funktionen. Zunächst ist das Sensorelement 1 zu erkennen, das in der Regel in MEMS- Technologie (Mikrosystem-Technologie) aufgebaut ist und den Luftmassenstrom Q erfasst. Das Sensorelement 1 und die elekt- ronische Schaltung 7 sind auf einem einzigen Halbleiterele¬ ment ausgebildet. Das schnelle Sensorelement 1 erzeugt eine nichtlineare Sig¬ nalkennlinie 9, die im dazugehörigen Luftmassenstrom Q - Signal S -Diagramm dargestellt ist. Diese nichtlineare Signal¬ kennlinie 9 wird vom Linearisierungselement 2 elektronisch linearisiert , wobei wir den vom Sensorelement 1 erzeugten
Signalraum verlassen und uns zurück in den realen Luftmassen- stromraum begeben. Das neben dem Linearisierungselement 2 ge¬ zeigte Diagramm des Luftmassenstromes Q und des Signals S zeigt eine lineare Kennlinie. Auf dieser linearen Kennlinie kann das Filterelement 3 elektronisch integrieren und das Integral I S(t)dt bilden, womit ein mittlerer Luftmassenstrom Q ermittelt wird und die im Luftansaugrohr 14 vorhandenen Pulsationen heraus gefiltert werden. Nach dem Filterelement 3 ist das Element 4 zur Erzeugung einer nichtlinearen Signal- kennlinie 9 zu erkennen. Die nichtlineare Signalkennlinie 9 wird wiederum elektronisch vom Element 4 zur Erzeugung einer nichtlinearen Signalkennlinie 9 erzeugt. Ausgehend von dieser nichtlinearen Signalkennlinie 9 erzeugt das Weitergabeelement 5 ein elektronisches Zeitsignal ÄS, das der Motorsteuerung 8 zugeführt wird. Neben dem elektronischen Weitergabeelement 5 ist das Zeitsignal ÄS zu erkennen, das von dem Weitergabe¬ element 5 erzeugt wird. Die obere Funktion zeigt die ideale Signalkennlinie, aus der ein scharfes Zeitsignal ÄS an die Motorsteuerung 8 übermittelt werden könnte. Leider sind die Zeitsignale in der Realität immer elektronisch verrauscht, was in dem unteren Zeitsignal ÄS dargestellt ist. Durch das elektronische Rauschen wird dem Zeitsignal ÄS ein Fehler von +- ΔΤ hinzugefügt, der an die Motorsteuerung 8 weitergegeben wird. Um diesen Fehler ΔΤ möglichst gering zu halten, er- folgte die Umwandlung der linearen Signalkennlinie 10 in eine nichtlineare Signalkennlinie 9 mit dem Element 4 zur Erzeu¬ gung der nichtlinearen Signalkennlinie 9. Die Problematik der Fehlerfortpflanzung beim den einzelnen Signalen S und beim Zeitsignal ÄS wird später erläutert.
In der Figurenfolge 4 und 5 soll die Problematik näher erläu¬ tert werden, die entsteht, wenn schnelle, in MEMS-Technologie gefertigte, Sensorelemente 1 einen im Luftansaugrohr 14 pul¬ sierenden Luftmassenstrom Q messtechnisch erfassen.
In Figur 4a ist der im Luftansaugrohr 14 pulsierende Luftmas- senstrom Q in Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Bei¬ spielhaft ist hier eine ideale sinusförmige Pulsation ge¬ zeigt. Der reale Luftmassenstrom Q bewegt sich hier also im Luftansaugrohr 14 zwischen einem Maximalwert Qmax und einem Minimalwert 0, der dann eintritt, wenn alle Lufteinlassventi- le des Verbrennungsmotors 11 geschlossen sind, und der Luft¬ massenstrom Q im Luftansaugrohr 14 zum Stillstand kommt. Für die Motorsteuerung 8 ist jedoch nur der gemittelte Luftmassenstrom Q von Interesse. Um den Mittelwert des Luftmassenstromes Q zu bilden, muss das Integral über die Funktion Q(t) verschwinden, also gleich Null werden. Dies ist in Figur 4a dargestellt, indem die schraffierten Flächen zwischen ti und t2 mit entgegengesetztem Vorzeichen gleich groß sind. Diese Integration kann aber nicht direkt am Luftmassenstrom Q(t) vorgenommen werden, sondern nur an dem vom Sensorelement 1 erzeugten Signal S (t) . Die typische Signalkennlinie eines schnellen in MEMS-Technologie gefertigten Sensorelementes 1 ist in Figur 4b dargestellt. Im Luftmassenstrom-Q-Signal-S- Diagramm ist die nichtlineare Signalkennlinie 9 deutlich zu erkennen. Nach der Umsetzung des in Figur 4a dargestellten Luftmassenstromes Q(t) mit dem nichtlinearen Sensorelement 1 nach der in Figur 4b dargestellten Signalkennlinie 9 erhält man das in Figur 4c dargestellte zeitabhängige Signal S (t) . Durch die nichtlineare Signalkennlinie 9 weicht die Funktion S (t) nun deutlich von der idealen Sinusform ab. Dies wird in Figur 4c dargestellt. Auch hier ist dargestellt, dass die Flächen unter den zwei Halbwellen des periodischen Signals mit entgegengesetztem Vorzeichen gleich groß sein sollen, um den Mittelwert über das periodische Signal zu bilden. Die In¬ tegration von ti bis t2 über j S{t)dt ist demnach Null. Dies ist in der durchgehenden horizontalen Linie in Figur 4c dargestellt. Weiterhin ist zu erkennen, dass diese Mittelwertli¬ nie nun gegenüber dem realen Mittelwert durch die nichtlinea- re Signalkennlinie 9 um den Wert 5S angehoben wurde. 5S stellt den Fehler dar, der sich aus der Nichtlinearität des schnellen, in MEMS-Technologie gefertigten, Sensorelementes 1 ergibt. Diesen Fehler gilt es zu vermeiden. Dazu ist in Figur 5a wiederum die ideale, sinusförmige Funktion Q(t) für den von der Zeit abhängigen Luftmassenstrom Q im Luftansaugrohr 14 dargestellt. Für die Mittelwertbildung im Luftmassenraum gilt wiederum, dass das Integral tl bis t2 | Q(t)dt gleich
Null werden muss. Zur Umsetzung des realen Luftmassenstromes Q mithilfe des Sensorelementes 1 in ein Signal S wird, wie schon aus Figur 4b bekannt, die in Figur 5b dargestellte nichtlineare Signalkennlinie 9 eingesetzt. Erfindungsgemäß wird diese nichtlineare Signalkennlinie 9 dann von einem Li¬ nearisierungselement 2 in eine lineare Signalkennlinie 10 um- gesetzt. Den Übergang von der nichtlinearen Signalkennlinie 9 zur linearen Signalkennlinie 10 kann für jeden im Messbereich des Sensorelementes 1 liegenden Luftmassenstrom Q und jeden im Messbereich liegenden Rohrquerschnitt, entsprechend der Anforderungen der Nutzer des Luftmassenmessers mithilfe eines Kennfeldes angepasst werden. Dieses Kennfeld kann in einem elektronischen Speicher im Linearisierungselement 2 abgelegt sein. Wenn man nun nach der Linearisierung des nichtlinearen Signals S mithilfe des Filterelementes 3 eine elektronische Integration | S(t)dt über die Signalfunktion S (t) vornimmt er- hält man keinerlei Abweichung des Mittelwertes von dem im re¬ alen Luftmassenraum vorliegenden Mittelwert für den Luftmassenstrom Q. Der durch die nichtlineare Sensorkennlinie 9 des Sensorelementes 1 entstehende Integrationsfehler wurde durch die Linearisierung des Signals mit dem Linearisierungselement 2 ausgemerzt. Der so ermittelte Messwert für den mittleren Luftmassenstrom Q muss jedoch in Form eines Zeitsignals an die Motorsteuerung 8 weitergegeben werden. Da sich das elektronische Rauschen im Zeitsignal besonders bei kleinen Signal¬ werten für den Luftmassenstrom Q deutlich bemerkbar macht, ist die Umwandlung der linearen Signalkennlinie nach Figur 5c nach der Ausführung der Integration durch das Filterelement 3 durch das Element 4 zur Erzeugung einer nichtlinearen Signalkennlinie 10 notwendig. Diese nun wieder nichtlineare Signal¬ kennlinie eignen sich besonders gut, um ein zeitabhängiges Signal, das proportional zum Luftmassenstrom Q in dem Luftan- saugrohr 14 ist, an die Motorsteuerung 8 weiterzugeben, ohne einen großen Fehler ΔΤ im Zeitsignal AS zu erzeugen.

Claims

Luftmassenmesser (6) mit einem Sensorelement (1) zur Er fassung eines Luftmassenstroms (Q) und zur Erzeugung eins Signals (S) und mit einer elektronischen Schaltung (7) zur Verarbeitung des Signals (S) vom Sensorelement (1), wobei das Sensorelement (1) eine nichtlineare Sig¬ nalkennlinie (9) erzeugt, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , dass die elektronische Schaltung (7) zunächst ein Linearisierungselement (2) zur Umwandlung der nichtlinearen Signalkennlinie (9) vom Sensorelement (1) in eine lineare Signalkennlinie (10) aufweist, dann ein Filterelement (3) aufweist,
dann ein Umwandlungselement (4) zur Umwandlung der line aren Signalkennlinie (10) in eine nichtlineare Signal¬ kennlinie (9) aufweist und
dann ein Weitergabeelement (5) zur Weitergabe der vom Sensorelement (1) erfassten und durch das Linearisie¬ rungselement (2), das Filterelement (3) und das Umwand¬ lungselement (4) verarbeiteten Signale (S) aufweist.
Luftmassenmesser (6) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Sensorelement (1) und die elektronische Schaltung (7) auf einem einzigen Halbleiterelement ausgebildet sind.
Luftmassenmesser (6) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Sensorele ment (1) und die elektronische Schaltung (7) in Mikro- system-Technologie hergestellt sind.
Verfahren zur Verarbeitung von Signalen (S) eines Luftmassenmessers (6), wobei der Luftmassenmesser (6) ein Sensorelement (1) zur Erfassung eines Luftmassenstroms (Q) und zur Erzeugung eines Signals (S) aufweist und ei ne elektronische Schaltung (7) zur Verarbeitung des Sig nals (S) vom Sensorelement (1) aufweist, wobei das Sen- sorelement (1) eine nichtlineare Signalkennlinie (9) er¬ zeugt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zunächst die Umwandlung der nichtlinearen Signalkennlinie (9) vom Sensorelement (1) in eine lineare Signal- kennlinie (10) erfolgt,
dann eine Filterung der linearen Signalkennlinie (10) erfolgt,
dann eine Umwandlung der gefilterten linearen Signalkennlinie (10) in eine nichtlineare Signalkennlinie (9) erfolgt und
dann eine Weitergabe der von dem Sensorelement (1) er- fassten und durch das Linearisierungselement (2), das Filterelement (3) und das Umwandlungselement (4) verar¬ beiteten Signale (S) erfolgt.
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