DE4112601A1 - Vorrichtung zur messung eines gasstroms - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung eines Gasstroms, insbesondere einen Luftmengensensor für Brenn­ kraftmaschinen mit Kraftstoffeinspritzung, mit einem ther­ mosensitiven Dünnschichtwiderstand.

In JP-1988/13 419 und US-49 11 008 sind Luftmengensensoren mit thermosensitiven Dünnschichtwiderständen beschrieben. Bei diesen Luftmengensensoren bilden die Luftmengenmeßein­ heit und die Versorgungsstromsteuerschaltung getrennte Bauteile.

Bei der Auslegung der Luftmengensensoren werden im oben genannten Stand der Technik die Herstellungskosten bei der Auslegung nicht berücksichtigt. Weiterhin wird der Ver­ schlechterung der Meßgenauigkeit aufgrund von in der Luft enthaltenem an dem Sensor anhaftenden Staub nicht berück­ sichtigt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine sehr zuverlässige Vorrichtung zur Messung eines Gasstroms, insbesondere einen Luftmengensensor für Brennkraftmaschinen mit Kraft­ stoffeinspritzung, zu schaffen, die geringe Herstellungs­ kosten mit einer hohen Meßgenauigkeit verbindet und da­ durch einen geringen Kraftstoffverbrauch und gute Abgas­ emissionswerte realisiert.

Die Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Erfassungselement und eine dazugehörige Steuerschaltung auf einem gemeinsamen Trägermaterial bei Anwendung der gleichen Fertigungstechnologie gebildet sind. Zur Erzielung einer höheren Zuverlässigkeit wird das Erfassungselement darüber hinaus derart angeordnet, daß die Anhaftung von Staub erschwert wird. Dies erfolgt durch ein bestimmtes relatives Stellungsverhältnis zwischen dem Erfassungselement und der Luftströmungsrichtung. Weiterhin ist das Erfassungselement in einem Bypass-Kanal angeord­ net, der einen Teilluftstrom der zu erfassenden Luftströ­ mung führt.

Der als Luftmengenmeßelement verwendete thermosensitive Dünnschichtwiderstand und die dazugehörige Steuerschaltung sind, wie oben beschrieben, auf einem einzelnen gemeinsa­ men Trägermaterial durch die gleiche Fertigungstechnologie gebildet, wodurch das Herstellungsverfahren einfach wird, so daß der Luftmengensensor sehr preisgünstig hergestellt werden kann.

Da der thermosensitive Dünnschichtwiderstand und der zu erfassende Luftstrom gleich ausgerichtet sind, wird eine geringere Anhaftung von Staub an den Luftmengensensor er­ reicht. Durch die Anordnung des Luftmengensensors in dem Bypass-Kanal wird weiterhin erreicht, daß die mit dem Luftmengensensor in Berührung kommende Staubmenge ausrei­ chend vermindert wird.

Das Trägermaterial, auf dem der thermosensitive Dünn­ schichtwiderstand gebildet ist, dient weiterhin zur Strö­ mungsgleichrichtung der zu erfassenden Luftströmung, wo­ durch das Ausgangssignal des Luftmengensensors stabili­ siert und geglättet wird.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung an­ hand der Zeichnungen näher beschrieben, es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Luftmengensensors,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der in Fig. 1 darge­ stellten Schnittlinie II-II,

Fig. 3 eine Detailseitenansicht eines Halteabschnitts des Halteteils und des Trägermaterials,

Fig. 4 eine Detaildraufsicht einer Ausführungsform des thermosensitiven Dünnschichtwiderstands,

Fig. 5 eine Detailquerschnittsansicht der in Fig. 4 ge­ zeigten Ausführungsform des thermosensitiven Dünn­ schichtwiderstands,

Fig. 6 ein Schaltbild der Luftmengenmeßschaltung mit dem erfindungsgemäßen Luftmengensensor,

Fig. 7 eine Querschnittsansicht des Luftmengensensors mit daran anhaftendem Staub,

Fig. 8 eine Draufsicht eines einheitlich justierten ther­ mosensitiven Dünnschichtwiderstands gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine Draufsicht einer Ausführungsform des thermo­ sensitiven Dünnschichtwiderstands mit einer be­ stimmten thermischen Verteilung,

Fig. 10 eine Draufsicht einer Ausführungsform der Erfin­ dung mit einem Luftmengensensor zur Mehrpunkt­ strömungserfassung,

Fig. 11 bis 13 eine Teildraufsicht, einen Seitenaufriß und eine Ansicht von unten einer in einem Bypass-Kanal angeordneten Ausführungsform des Luftmengensen­ sors, und

Fig. 14 eine schematische Querschnittsansicht einer Aus­ führungsform des Motorsteuersystems mit einem er­ findungsgemäßen Luftmengensensor.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

In den Fig. 1 und 2 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein elektrisch isoliertes Trägermaterial aus Keramik, Glas oder dergleichen. Durch ein die Drucktechnik verwendendes Dickfilm-Schaltungsherstellungsverfahren oder ein Dünn­ film-Schaltungsherstellungsverfahren, das die Sputter- Technologie verwendet, werden auf dem Trägermaterial 1 thermosensitive Widerstände 11 und 12 aus Platin, Wider­ stände 13 und 14 und Leiterbahnen gebildet, wobei jedes dieser Bauteile eine elektronische Schaltung oder ein Element einer elektronischen Schaltung darstellt. Durch Löttechnik werden ein Transistor 117, ein IC 112 und An­ schlußflächen 113a bis 113e zur Vervollständigung der Schaltungsfunktion hinzugefügt. Ein Halteteil 2 ist z. B. durch ein Preßteil aus Harz gebildet. In dieses Halteteil 2 sind elektrische Anschlußstifte 21a bis 21c zur Verbin­ dung des Luftmengensensors mit weiteren Geräten einge­ setzt.

Das Trägermaterial 1 und das Halteteil 2 sind über einen Abschnitt 22 miteinander in Berührung, wobei sie über ei­ nen Abschnitt 23 durch ein Haftmittel, z. B. einen Kleber, miteinander verbunden sind. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird der mittlere Abschnitt des Trägermaterials 1 zwischen der thermosensitiven Widerstandseinheit und der Schaltungsein­ heit durch einen vorstehenden Abschnitt 24 gehalten, der in dem Halteteil 2 gebildet ist. Der vorstehende Abschnitt 24 und das Halteteil 2 sind durch ein geschäumtes Haftmit­ tel 25 mit guten Wärmeisoliereigenschaften (z. B. ein Sili­ konhaftmittel) verbunden, so daß Wärmesenken verhindert werden. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Luftkanal, durch den die zu erfassende Luft strömt. In dem Luftkanal 3 ist teilweise ein Bypass-Kanal 31 gebildet. Ein Ab­ schnitt des Halteteils 2 ist durch Schrauben 311 an den Luftkanal 3 montiert, und zwar derart, daß der Abschnitt des Trägermaterials 1, auf dem die thermosensitiven Wider­ stände 11 und 12 gebildet sind, in dem Bypass-Kanal 31 an­ geordnet sind.

Die Widerstandselemente 11a bis 11d können in derselben Richtung wie die zu erfassende Luftströmung angeordnet werden, vgl. Fig. 4, wobei die jeweils benachbarten Wider­ standselemente 11a-11d miteinander durch einen Leiter 111 verbunden sind. Zur schnellen Luftmengenänderungser­ fassung ist es nötig, daß die thermosensitive Widerstands­ einheit eine geringe Wärmekapazität und eine verringerte Wärmeleitung zum Trägermaterial aufweist. Aus diesem Grund besitzt die in den Fig. 1 und 2 gezeigte thermosensiti­ ve Widerstandseinheit einen Abschnitt 115 mit einer klei­ nen Querschnittsfläche, zur Erhöhung des Wärmewiderstands, und einen Abschnitt 116, in dem das Trägermaterial 1 zur Verminderung der Wärmekapazität dünner ausgebildet ist.

Zur weiteren Reduzierung der Wärmeleitung zum Trägermate­ rial 1 kann ein elektrisch isolierendes Material 118 mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit (z. B. Glas) zwischen dem Trägermaterial 1 und dem thermosensitiven Widerstand 11 angeordnet werden. Die Bezugsziffer 113 bezeichnet ei­ nen Schutzmantel (z. B. Glas), durch den die Schaltungs­ einheit geschützt ist, zusätzlich zum elektrisch isolie­ renden Material 118.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Luftmengensensors unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben.

Aus den thermosensitiven Widerständen 11 und 12 und den Widerständen 13 und 14 ist eine Brückenschaltung aufge­ baut. Durch einen Differentialverstärker 112a, der in dem IC 112 gebildet ist, wird die der Brückenschaltung zuge­ führte elektrische Leistung derart gesteuert, daß der Spannungsunterschied zwischen den beiden Abgreifpunkten (midpoints) der Brücke auf einen konstanten Betrag gesetzt wird (ca. 0 V). In diesem Aufbau werden die thermosensi­ tiven Widerstände 11 und 12 zur Erfassung der Lufttempe­ ratur verwendet. Wenn die Widerstandswerte der thermosen­ sitiven Widerstände 11 und 12 und der Widerstände 13 und 14 in einem Zustand eingestellt werden, in dem z. B. der thermosensitive Widerstand 11 über die Temperatur der Luft geheizt wird, während z. B. der thermosensitive Widerstand 12 nicht geheizt wird, ist es möglich, einen Heizstrom Ih derart zuzuführen, daß die Temperatur z. B. des thermosen­ sitiven Widerstands 11 um einen bestimmten Betrag größer ist als die der Luft. Infolgedessen kann der Heizstrom Ih als eine Funktion des Luftmassenstroms Q ausgedrückt wer­ den. Anschließend wird der Heizstrom Ih über den Wider­ stand 14 geleitet. Die an diesem Widerstand 14 abfallende Spannung wird anschließend durch den in dem IC 112 befind­ lichen Differentialverstärker 112b verstärkt, wodurch ein Spannungssignal Vo zur Zufuhr zu externen Geräten erhalten wird.

In der oben beschriebenen Ausführungsform dient jeder der thermosensitiven Widerstände als Luftmengenerfassungsele­ ment, wobei die Steuerschaltung auf einem einzelnen Trä­ germaterial 1 im gleichen Prozeß gebildet werden kann. Dadurch kann ein billiger Luftmengensensor hergestellt werden.

Unter Bezug auf Fig. 7 wird der Einfluß von anhaftendem Staub auf die Zuverlässigkeit des Sensors beschrieben. Der in der Luft enthaltene Staub haftet, wie in Fig. 7 ge­ zeigt, an der oberen Seite des Trägermaterials 1 und an das senkrecht zum Luftstrom angeordnete quer verlaufende Leitungsmuster. Der an der oberen Seite des Trägermate­ rials 1 anhaftende Staub beeinflußt die Wärmeübertragung nicht direkt. Der an dem quer verlaufenden Leitungsmuster anhaftende Staub beeinflußt die Wärmeübertragung, wenn das Muster eine Heizeinheit bildet. Wenn jedoch, wie in dieser Ausführungsform, das Muster aus einem Leiter besteht, ist ein solcher Einfluß auf die Wärmeübertragung im wesentli­ chen vernachlässigbar. Im folgenden wird eine Ausführungs­ form zum Erreichen einer höheren Genauigkeit beschrieben.

In Fig. 8 ist eine Ausführungsform des thermosensitiven Widerstands gezeigt, in der die Widerstandswerte angegli­ chen sind. Die Heiztemperatur des thermosensitiven Wider­ stands wird durch Änderungen des Widerstandswertes beein­ flußt. Das heißt, es ist zum Erreichen einer hohen Genau­ igkeit wichtig, die Widerstandswerte (in nicht beheiztem Zustand) anzugleichen. Daher wird eine Widerstandsjustie­ rung durchgeführt. Wenn die Widerstände der Widerstands­ elemente 11a bis 11d nicht gleichmäßig justiert sind, tritt eine Temperaturunregelmäßigkeit zwischen den Wi­ derstandselementen 11a bis 11d auf, so daß der Ausgang des Luftmengensensors geändert wird. In dieser Ausführungsform wird zuerst vor der Justierung ein Widerstandswert Ra ge­ messen und nach der Justierung eine Abweichung (Rf-Ra) zwischen einem Sollwert Rf und dem Widerstandswert Ra be­ rechnet. Anschließend wird die Abweichung (Rf-Ra) durch die Anzahl der Widerstände N (N=4 in dieser Ausführungs­ form) geteilt, wonach anschließend die Widerstandsjustie­ rung wie folgt durchgeführt wird. Zuerst wird das Wider­ standselement 11a auf den Wert (Rf-Ra)×1/N und dann das Widerstandselement 11b auf (Rf-Ra)×2/N einjustiert. Ein gleichmäßiges Justieren kann daher für alle Widerstände erfolgen.

Durch diese Ausführungsform ist es möglich einen sehr genauen Sensorausgang zu erhalten, wobei die Temperatur­ verteilung in dem thermosensitiven Widerstand während der Aufrechterhaltung einer bestimmten Heiztemperatur stabil ist.

In Fig. 9 ist eine Ausführungsform des thermosensitiven Widerstands mit einer festgelegten thermischen Verteilung des thermosensitiven Widerstands gezeigt. Ein Verfahren zum Erhalten eines sehr genauen Luftmengensensorausgangs ist es, die Temperatur der Heizeinheit gleichmäßig ein­ zustellen. Oben wurde eine gleichmäßige Einstellung der Temperaturverteilung in einer zur Luftströmung senkrech­ ten Richtung beschrieben. Wie in Fig. 9 dargestellt, kann ein gleichmäßiges Einstellen der Temperaturverteilung in Richtung der Luftströmung durch eine Änderung der Wider­ standsverteilung, von einem bezüglich des Luftstroms stromauf liegenden Abschnitt zu einem stromab liegenden Abschnitt, erreicht werden. Da die Wärmeübertragungsrate zwischen dem Trägermaterial 1 und der Luft an der strom­ auf liegenden Seite groß ist, während diese auf der strom­ ab liegenden Seite klein ist, werden die Widerstandswerte der thermosensitiven Widerstandselemente 11a bis 11d auf der stromauf liegenden Seite groß, während die auf der stromab liegenden Seite klein werden. Dadurch wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung in Richtung des Luft­ stroms hergestellt. Dadurch wird ein sehr genauer Luft­ mengensensorausgang erhalten.

In Fig. 10 ist eine Ausführungsform des Luftmengensensors zur Mehrpunkt-Strömungserfassung dargestellt. Die Kanal­ strömung der durch den Luftkanal 3 strömenden Luft stellt sich im allgemeinen durch die Form des Luftkanals oder ähnliches ein. Durch eine Mehrpunkt-Strömungserfassung der Luftströmung wird daher der Einfluß der Kanalströmung auf die Erfassung wirksam reduziert. In Fig. 10 sind die ther­ mosensitiven Widerstände 11 an drei Stellen hintereinander angeordnet.

Durch eine derartige Anordnung ist es möglich, wie oben beschrieben, einen sehr genauen Luftmengensensor zu er­ halten.

Im folgenden wird eine Ausführungsform beschrieben, in der der Bypass-Kanal 31 des Luftkanals 3 einstückig mit dem Halteteil 2 ausgeführt ist. Fig. 11 zeigt einen Teilquer­ schnitt dieser Ausführungsform von unten, Fig. 12 einen seitlichen Querschnitt und Fig. 13 eine Teilansicht von unten. Der Bypass-Kanal 31 ist mit z. B. Harz und dem Hal­ teteil 2 in ein einteiliges Bauteil eingeformt. In dem dadurch gebildeten Bypass-Kanal 31 sind die thermosensi­ tiven Widerstände 11 und 12 angeordnet. Die Bezugsziffer 4 bezeichnet in Fig. 12 eine Platte, die mit einem Haftmit­ tel 41, z. B. einem Kleber, an die stromab liegende Seite des Bypass-Kanals 31 befestigt ist. In diesem Aufbau strömt die zu erfassende Luft durch den Einlaß Pi in den Bypass-Kanal 31 ein, strömt dann an den thermosensitiven Widerständen 11 und 12 vorbei und strömt anschließend wie­ der durch den Auslaß Po in den Hauptkanal. In dieser Aus­ führungsform strömt die zu messende Luft axial in den By­ pass-Kanal 31 ein, radial weiter und axial am Rand des Hauptkanals wieder aus. Durch diesen "L-förmigen" Strö­ mungskanal wird der Luftmengensensor vor Flammenrückschlag und Druckstößen geschützt.

Bei dieser Ausführungsform ist die Strömungsgeschwindig­ keit der durch den Bypass-Kanal 31 strömenden Luft kleiner als die im Hauptkanal. Dadurch ist die an den thermosensi­ tiven Widerständen vorbeiströmende Staubmenge notwendiger­ weise ebenfalls kleiner, wobei dadurch der Vorteil er­ reicht wird, daß eine Änderung des Luftmengensensoraus­ gangs aufgrund von Staubanhaftungen ausreichend vermieden werden kann.

Fig. 14 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform eines Motorsteuersystems, für das eine der oben genannten Ausführungsformen des Luftmengensensors angewandt werden kann. Zuerst wird der Aufbau des Motorsteuersystems be­ schrieben. Das Bezugssymbol AC bezeichnet einen Luftrei­ niger, durch den Luft für die Brennkraftmaschine angesaugt wird. In diesem Luftreiniger ist ein Luftfilter F angeord­ net. Das Bezugssymbol AF bezeichnet den oben genannten Luftmengensensor, der in einem eine Drosselklappe TV ent­ haltenden Kanal angeordnet ist. Das Bezugssymbol INJ be­ zeichnet ein Einspritzventil zur direkten Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine. Das Bezugssymbol C bezeichnet eine Steuereinheit, die das Ausgangssignal Q des Luftmengensen­ sors AF und die Motordrehzahl N als Eingang besitzt. In der Steuereinheit C kann dann durch einen Mikrocomputer die der Brennkraftmaschine zuzuführende Kraftstoffmenge und das Einspriztventil INJ gemäß einer resultierenden Kraftstoffzufuhrmenge gesteuert werden.

Da der Ausgang des Luftmengensensors AF eine hohe Meßgenau­ igkeit besitzt, ist es möglich, ein sehr genaues Motor­ steuersystem zu erhalten (wobei dadurch ein geringer Kraftstoffverbrauch und eine Verbesserung der Abgasemis­ sionen erreicht wird).

In Fig. 14 ist ein Beispiel gezeigt, in dem eine Mehrzy­ linderbrennkraftmaschine durch einen einzelnen Luftmengen­ sensor AF gesteuert wird. Wie schon in den Fig. 11 bis 13 gezeigt, kann jedoch der Luftmengensensor in den Ein­ laßkrümmer eines jeden Zylinders montiert werden, da der Luftmengensensor gemäß der Erfindung sehr klein ausgeführt werden kann. Dadurch kann ein Kraftfahrzeug mit einem ge­ ringeren Kraftstoffverbrauch und einem saubereren Abgas erhalten werden.

Wie oben ausgeführt, wird durch die Erfindung ein sehr zu­ verlässiger Luftmengensensor realisiert, der billig ist, eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit bezüglich der Meß­ genauigkeit der erfaßten Luftmenge besitzt und bei dem keine Änderung der Meßgenauigkeit aufgrund von in der Luft befindlichem anhaftenden Staub auftritt.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Messung eines Gasstroms, insbesondere ein Luftmengensensor für Brennkraftmaschinen mit Kraft­ stoffeinspritzung, mit mindestens einem thermosensiti­ ven Dünnschichtwiderstand (11, 12) und einer Steuer­ schaltung zum Steuern des Speisestroms für den Dünn­ schichtwiderstand (11, 12), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der thermosensitiven Dünnschichtwider­ stände (11, 12) und die Steuerschaltung auf einem in einem Luftkanal (3) angeordneten einzelnen gemeinsamen Trägermaterial (1) ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial (1) eine elektrisch isolierte strö­ mungsgleichrichtende Platte ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der thermosensitive Dünnschichtwiderstand (11, 12) in einem Bypass-Kanal (31) angeordnet ist, durch den eine Teilluftmenge der durch den Luftkanal (3) strömenden Luft strömt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der thermosensitive Dünnschichtwiderstand (11, 12) und die Steuerschaltung mit einem Schutzmantel (113) umge­ ben sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass-Kanal (31) einteilig mit einem Halteteil (2) zum Halten des Trägermaterials (1) oder der strömungs­ gleichrichtenden Platte (1) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeisoliermaterial (112) zwischen dem Trägerma­ terial (1) und dem thermosensitiven Dünnschichtwider­ stand (11, 12) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der thermosensitive Widerstand (11, 12) in Richtung des Luftstroms angeordnet ist und der stromauf liegende Abschnitt schmäler ist als der stromab liegende.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des im Bypass-Kanal (31) liegen­ den Abschnitts (115, 116) des Trägermaterials ungleich ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei thermosensitive Dünnschichtwiderstände (11, 12) auf dem gemeinsamen Trägermaterial (1) in dem Bypass-Kanal (31) angeordnet sind.