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Die
Erfindung betrifft einen Massenstromsensor, insbesondere einen Luftmassenstromsensor, der
einen Luftmassenstrom in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine
erfasst.
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Es
sind Massenstromsensoen bekannt, die ein Sensorelement aufweisen,
dessen Messsignal repräsentativ
ist für
einen Massenstrom in einem Hauptkanal, zum Beispiel in einem Ansaugstutzen
eines Ansaugtrakts einer Brennkraftmaschine. Derartige Sensorelemente
sind bevorzugt als temperaturabhängige
Widerstände
ausgebildet. Die benötigte Heizleistung
des Sensorelements ist dann ein Maß für den Massenstrom, der erfasst
werden soll. Das Messsignal derartiger Sensorelemente ist zwar repräsentativ
für den
Massenstrom in dem Hauptkanal, es berücksichtigt jedoch nicht die
Strömungsrichtung des
an dem Sensorelement vorbeiströmenden
Massenstroms.
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In
dem Ansaugtrakt von Brennkraftmaschinen treten bei bestimmten Lastzuständen, insbesondere
bei bestimmten Drehzahlen Pulsationen des Luftmassenstroms auf.
Der Modulationsgrad der Luftströmung
in dem Ansaugtrakt in dem Bereich des Massenstromsensors kann beispielsweise
bis zu 300 % betragen. Unter dem Modulationsgrad wird in diesem
Zusammenhang das Verhältnis
der Schwingungsamplitude des Massenstroms zu dem mittleren Massenstrom
ausgedrückt
in Prozent betrachtet. So strömt
der Massenstrom bei einem Modulationsgrad von kleiner 100 % lediglich
entlang einer Hauptströmungsrichtunq,
das heißt
hin zu den Zylindern der Brennkraftmaschine. Lediglich die Geschwindigkeit der
Strömung
unterliegt gewissen Schwan kungen. Bei einem Modulationsgrad von
100 % kommt der Massenstrom jeweils bei seiner geringsten Geschwindigkeit
zum Stehen. Es erfolgt jedoch noch keine Umkehr der Strömungsrichtung.
Bei einem Modulationsgrad von größer 100
% kehrt sich jeweils für eine
vorgegebene Zeitdauer die Strömungsrichtung um,
das heißt
der Massenstrom strömt
dann entgegen der Hauptströmungsrichtung.
Wenn der Modulationsgrad deutlich über 100 % liegt und mit dann
zunehmendem Modulationsgrad nimmt ein positiver Messfehler des Messsignals
des Sensorsignals stark zu. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das Sensorelement
den Massenstrom sowohl erfasst, wenn er in Hauptströmungsrichtung
strömt,
als auch, wenn er wieder zurückströmt, und
somit werden Teile des Massenstroms doppelt erfasst.
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Ein
präzises
Erfassen des Luftmassenstroms, der in einem Sammler des Ansaugtraktes
der Brennkraftmaschine oder auch in die Zylinder der Brennkraftmaschine
strömt
ist jedoch Voraussetzung zum präzisen
Einstellen eines gewünschten Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
in den jeweiligen Zylindern der Brennkraftmaschine.
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Aus
der WO 02/103301 ist ein Massenstromsensor bekannt mit einem Heizwiderstand,
dessen Messsignal repräsentativ
ist für
einen Massenstrom in einem Hauptkanal, in dem der Massenstromsensor
angeordnet ist. Der Heizwiderstand ist in einem ersten Hilfskanal
angeordnet. In einem zweiten Hilfskanal ist ein temperaturabhängiger Widerstand
angeordnet. In dem zweiten Hilfskanal sind Strömungsleitelemente so angeordnet,
dass der temperaturabhängige
Widerstand in einer Hauptströmungsrichtung
des Massenstroms im Hauptkanal in deren Windschatten liegt und eine
Strömung
entgegen der Hauptströmungsrichtung
eine Strömung
im Bereich des temperaturabhängigen
Widerstands hervorruft.
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Aus
der
JP 07209051 A ist
ein Massenstrommesser bekannt mit zwei temperaturabhängigen Widerständen zum
Erfassen eines Massenstroms in einem Hauptkanal. Der Massenstrommesser
umfasst ferner einen Rückströmungs-Erkennungs-Widerstand,
der in einem Rückström-Bypass
angeordnet ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Massenstromsensor zu schaffen,
welcher ein präzises Erfassen
des Massenstroms ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch einen Massenstromsensor mit einem
Sensorelement, dessen Messsignal repräsentativ ist für einen
Massenstrom in einem Hauptkanal und zwar ohne die Strömungsrichtung
des an dem Sensorelement vorbeiströmenden Massenstroms zu berücksichtigen.
Dem Massenstromsensor ist ein weiteres Sensorelement zugeordnet,
das in einer Ausnehmung eines Körpers angeordnet
ist, die über
ein Koppelelement mit dem Hauptkanal gekoppelt ist, wobei das Koppelelement so
ausgebildet ist, dass die Ausnehmung im Windschatten der Hauptströmungsrichtung
des Massenstroms in dem Hauptkanal liegt und eine Strömung entgegen
der Hauptströmungsrichtung
eine Strömung
in der Ausnehmung hervorruft. Ein derartiger Massenstromsensor ist
einfach dazu geeignet, dass das Messsignal des Sensorelements abhängig von dem
Messsignal des weiteren Sensorelements korrigiert wird und so Messfehler
des Messsignals des Sensorelements aufgrund von auftretenden Rückströmungen des
Massenstroms korrigiert werden können.
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Die
Ausnehmung ist eine Elektronik-Ausnehmung des Körpers, in der eine Signalverarbeitungselektronik
angeordnet ist. Dadurch kann das Sensorelement sehr kostengünstig zusammen
mit der Signalverarbeitungselektronik angeordnet sein und es ist keine
zusätzliche
Ausnehmung in dem Körper
notwendig.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Koppelelement
ein Kanal, der entgegen der Hauptströmungsrichtung in den Hauptkanal mündet. So
kann einfach gewährleistet
werden, dass bei einer Strömungsumkehr,
das heißt
wenn der Massenstrom entgegen der Hauptströmungsrichtung durch den Hauptkanal
strömt,
ein Teil dieser Rückströmung in
die Ausnehmung gelangt und somit zu einer Veränderung des Messsignals des
weiteren Sensorelements führt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst
das Koppelelement ein Strömungsschutzschild,
das eine Strömung
des Massenstroms in dem Hauptkanal in der Hauptströmungsrichtung
von dem Einströmen
in die Ausnehmung abhält
und das Einströmen
des Massenstroms entgegen der Hauptströmungsrichtung begünstigt.
Dadurch kann bei entsprechender Ausbildung des Strömungsschutzschildes
einfach eine sehr hohe Signalgüte
des Messsignals des weiteren Sensorelements erreicht werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Sensorelement in einem Hilfskanal angeordnet, der über eine
Einlassöffnung
und eine Auslassöffnung
mit dem Hauptkanal kommuniziert. Ferner ist das Koppelelement so
ausgebildet, dass es die Ausnehmung des Körpers mit dem Hilfskanal koppelt.
Dies hat den Vorteil, dass einfach gewährleistet werden kann, dass
sich nur die Rückströmungsanteile
des Massenstroms auf das Messsignal des weiteren Sensorelements
auswirken, die sich auch auf das Messsignal des Sensorelements in
dem Hilfskanal auswirken. Dadurch kann somit in einem derartigen
Massenstromsensor ein äußerst präzises Erfassen
des Massenstroms erfolgen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Massenstromsensor 1 eingesetzt in einen Hauptkanal 4,
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2 einen
Schnitt durch einen Teilbereich einer weiteren Ausbildungsform des
Massenstromsensor 1,
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3 einen
weiteren Schnitt durch einen Teilbereich noch einer weiteren Ausführungsform
des Massenstromsensors 1 und
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4 ein
Ablaufdiagramm eines Programms zum Betreiben des Massenstromsensors 1.
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Ein
Massenstromsensor 1 (1), der
insbesondere geeignet ist zum Einsetzen in einen Hauptkanal 4,
hat ein Gehäuse 2,
in dem ein U-förmiger
Hilfskanal ausgebildet ist, der von einer trichterförmigen Einlassöffnung 6 über einen
ersten Kanalabschnitt 8 weiter einen zweiten Kanalabschnitt 10 und
schließlich
hin zu einem dritten Kanalabschnitt 12 geführt ist
und schließlich
im Bereich einer Auslassöffnung 14 wieder
in den Hauptkanal mündet.
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Mit
einem Pfeil 16 ist die Hauptströmungsrichtung des Massenstroms
bezeichnet. Strömungslinien 18 sind
strichliert eingezeichnet. Die Hauptströmungsrichtung ist die Strömungsrichtung
des Massenstroms in dem Hauptkanal 4, in die der Massenstrom
bevorzugt strömt.
Wenn der Hauptkanal 4 als Ansaugstutzen eines Ansaugtrakts
einer Brennkraftmaschine ausgebildet ist, so ist die Hauptströmungsrichtung
die Strömungsrichtung
des Massenstroms hin zu den Zylindern der Brennkraftmaschine.
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Der
Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine umfasst neben dem Ansaugstutzen
einen Sammler und von diesem hin zu Einlässen der Zylinder der Brennkraftmaschine
geführte
Saugrohre. Bei bestimmten Lastzuständen der Brennkraftmaschine, insbesondere
bei vorgegebenen Drehzahlen, die abhängig von der Geometrie des
Ansaugtraktes, insbesondere der Saugrohre sind treten mehr oder
weniger starke Schwingungen der Massenstromsäule auf. Wenn der Modulationsgrad
des Massenstrom größer 100
beträgt,
so strömt
ein Teil des Massenstroms auch wieder entgegen der Hauptströmungsrichtung
zurück
durch den Hauptkanal 4. Messungen haben ergeben, dass ein
Teil dieser Rückströmung auch
durch die Auslassöffnung 14 entgegen
der mit dem Pfeil 20 bezeichneten Ausströmungsrichtung aus
dem Hilfskanal im Falle der Strömung
in Richtung der Hauptströmungsrichtung
in den Hilfskanal strömt.
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In
dem Hauptkanal 4 sind ein erstes und ein zweites Sensorelement 22, 24 angeordnet.
Das erste und zweite Sensorelement 22, 24 sind
vorzugsweise temperaturabhängige
Widerstände,
deren Wärmeübergang
durch den vorbeiströmenden
Massenstrom beeinflusst wird. Das erste Sensorelement 22 ist
bevorzugt hochohmig ausgebildet und dient zur Temperaturkompensation
der Temperatur des an ihm vorbeiströmenden Massenstroms. Das zweite
Sensorelement ist bevorzugt niederohmig ausgebildet. Seine Heizleistung
ist dann ein Maß für den durch
den Hilfskanal strömenden
Massenstrom und dementsprechend auch für den durch den Hauptkanal 4 strömenden Massenstrom.
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Bevorzugt
ist das erste Sensorelement 22 in einem ersten Brückenzweig
einer Wheatstone Messbrücke
angeordnet, während
das zweite Sensorelement 24 in einem zweiten Brückenzweig
der Wheatstone Messbrücke
angeordnet ist. Das Messsignal, mittels dessen der Massenstrom ermittelt
wird, ist dann bevorzugt die der Wheatstone Messbrücke zugeführte Leistung
oder die an ihr abfallende Spannung oder auch der durch sie fließende Strom.
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Das
zweite Sensorelement 24 hat die Eigenschaft, dass die durch
es abgegebene Heizleistung unabhängig
ist von der Strömungsrichtung
des an ihm vorbeiströmenden
Massenstroms. Dies hat zur Folge, dass ein hin- und dann wieder
zurückströmender Massenstrom
doppelt erfasst wird.
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Der
Massenstromsensor 1 umfasst ferner eine Signalverarbeitungselektronik,
die beispielsweise auf einer Platine untergebracht sein kann und
mit der das erste und zweite Sensorelement 22, 24 elektrisch
leitend verbunden ist. Die Signalverarbeitungselektronik 26 ist
in einer Elektronik-Ausnehmung 28 des Massenstromsensors 1 angeordnet.
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Ferner
ist ein drittes Sensorelement 34 vorgesehen, welches so
angeordnet ist, dass sein Messsignal ein Maß ist für eine gegebenenfalls auftretende
Rückströmung des
Massenstroms, das heißt
eine Strömung
des Massenstroms in dem Hauptkanal 4 entgegen der Hauptströmungsrichtung.
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Das
dritte Sensorelement 34 ist in einer Ausnehmung angeordnet,
die über
ein Koppelelement mit dem Hauptkanal 4 gekoppelt ist, wobei
das Koppelelement so ausgebildet ist, dass die Ausnehmung im Windschatten
der Hauptströmungsrichtung 4 des Massenstroms
in dem Hauptkanal 4 liegt und eine Strömung entgegen der Hauptströmungsrichtung eine
Strömung
in der Ausnehmung hervorruft.
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Die
Ausnehmung ist beispielsweise als erste Ausnehmung 30 ausgebildet,
bei der das Koppelelement als ein Kanal 32 ausgebildet
ist, der entgegen der Hauptströmungsrichtung
in den Hauptkanal 4 mündet.
Wenn nun in dem Hauptkanal 4 Strömungen entgegen der Hauptströmungsrichtung
auftreten, so kommt es in der ersten Ausnehmung 30 zu Strömungen,
zumindest treten dort Turbulenzen auf, wodurch das Messsignal des
dritten Sensorelements 34 sich ändert. Das dritte Sensorelement 34 ist
bevorzugt ein kostengünstig
ausgebildetes Sensorelement, das bevorzugt ein temperaturabhängiger Widerstand
ist, so zum Beispiel ein einfacher Hitzdraht oder auch ein Heißfilmwiderstand.
Durch das Auftreten einer Strömung
in der ersten Ausnehmung 30 ändert sich der Wärmeübergang
an dem dritten Sensorelement 34. Dieser physikalische Effekt
wirkt sich in einer Änderung
seines Messsignals aus und kann geeignet in der Signalverarbeitungselektronik
verarbeitet werden. Bei einer Strömung des Massenstroms in Richtung
der Hauptströmungsrichtung
durch den Hauptkanal 4 ergibt sich keine nennenswerte Bewegung der
Gasmasse, die sich in der ersten Ausnehmung 30 befindet.
Maßgeblich
für die
Ausbildung der Ausnehmung, das heißt beispielsweise der ersten
Ausnehmung 30 und des Koppelelements, das heißt beispielsweise
des Kanals 32, ist, dass anhand des Messsignals des dritten
Sensorelements 34 auf den Grad der Rückströmung des Massenstroms geschlossen
werden kann. 2 zeigt eine derartige Ausbildung
der ersten Ausnehmung 30 und des Kanal 32.
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Besonders
einfach kann das dritte Sensorelement 34 auch in der Elektronik-Ausnehmung 28 und
dort bevorzugt zusammen mit der Signalverarbeitungselektronik 26 angeordnet
sein. Dies hat den Vorteil, dass in dem Gehäuse 2 keine zusätzliche Ausnehmung
ausgebildet sein muss. Als Koppelelement kann dann beispielsweise
ein dem Kanal 32 entsprechender Kanal 32a vorgesehen
sein, der einerseits in die Elektronik-Ausnehmung 28 mündet und
andererseits entgegen der Hauptströmungsrichtung in den Hauptkanal 4 mündet.
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Das
dritte Sensorelement 34 kann alternativ auch in einer zweiten
Ausnehmung 35 angeordnet sein, bei welcher beispiels weise
das Koppelelement ein Strömungsschutzschild 38 (3)
umfasst, das eine Strömung
des Massenstroms in dem Hauptkanal 4 in der Hauptströmungsrichtung
von einem Einströmen
in die zweite Ausnehmung 35 abhält und das ein Einströmen des
Massenstroms entgegen der Hauptströmungsrichtung begünstigt.
Auf diese Weise kann das Koppelelement auch ausgebildet sein, wenn
das dritte Sensorelement 34 in der ersten Ausnehmung 30 oder
in der Elektronik-Ausnehmung 28 angeordnet ist.
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Alternativ
kann das Koppelelement auch als ein Kanal 40 ausgebildet
sein, über
den die erste Ausnehmung 30 mit dem Hilfskanal kommuniziert.
In diesem Fall ist dann der ersten Ausnehmung 30 nicht der
Kanal 32 zugeordnet.
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Ein
Programm zum Betreiben des Massenstromsensors 1 wird in
einem Schritt S1 gestartet. Das Programm kann beispielsweise in
einem Mikroprozessor der Signalverarbeitungselektronik 26 abgearbeitet
werden. Alternativ kann es gegebenenfalls jedoch auch durch entsprechende
Schaltungsmittel der Signalverarbeitungselektronik 26 realisiert
sein. In einem Schritt S2 wird anschließend der Massenstrom, bevorzugt
der Luftmassenstrom MAF, abhängig
vom Messsignal MS1 des ersten Sensorelements 22 und abhängig von
dem Messsignal MS2 des zweiten Sensorelements 24 ermittelt.
Alternativ kann jedoch auch nur ein das Verhalten beider Sensorelemente 22, 24 beschreibendes
Messsignal zu diesem Zweck herangezogen werden, wie beispielsweise
die der Wheatstone Messbrücke
zugeführte
elektrische Leistung.
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In
einem Schritt S4 wird anschließend
ein Korrekturwert KOR abhängig
von einem dritten Messsignal MS3, des dritten Sensorelements 34 ermittelt.
Dies erfolgt bevorzugt mittels ei ner Kennlinie, die vorab durch
Versuche mit dem Massenstromsensor 1 ermittelt wurde.
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In
einem Schritt S6 wird anschließend
ein korrigierter Massenstrom MAF_KOR abhängig von dem erfassten Massenstrom
und dem ermittelten Korrekturwert ermittelt. Anschließend verharrt
das Programm für
eine vorgegebene Wartezeitdauer T_W in einem Schritt S8 bevor es
erneut in dem Schritt S2 fortgesetzt wird.
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- 1
- Massenstromsensor
- 4
- Hauptkanal
- 2
- Gehäuse
- 6
- Einlassöffnung
- 8
- erster
Kanalabschnitt
- 10
- zweiter
Kanalabschnitt
- 12
- dritter
Kanalabschnitt
- 14
- Auslassöffnung
- 16
- Pfeil
(Hauptströmungsrichtung)
- 18
- Strömungslinien
- 20
- Pfeil
(Ausströmungsrichtung
aus Hilfskanal)
- 22
- erstes
Sensorelement
- 24
- zweites
Sensorelement
- 26
- Signalverarbeitungselektronik
- 28
- Elektronik-Ausnehmung
- 30
- Ausnehmung
-
- Koppelelement
- 32
- Kanal
- 34
- drittes
Sensorelement
- 36
- seitlicher
Einlass
- 38
- Strömungsschutzschild
- MAF
- Massenstrom
- KOR
- Korrekturwert
- MS1–3
- erstes,
zweites, drittes Messsignal
- MAF_KOR
- korrigierter
Massenstrom
- T_W
- Wartezeitdauer