DE19620435C1 - Verfahren zur Kompensation eines Meßfehlers eines einen Luftmassenstrom repräsentierenden Meßsignals - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation eines Meßfehlers eines einen Luftmassenstrom repräsentierenden Meß­ signals.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet eines derartigen Verfahrens ist das Messen eines Luftmassenstroms in dem Ansaugtrakt ei­ ner Brennkraftmaschine. Diese Messung ist insbesondere wich­ tig, um den Verbrennungsvorgang einer Brennkraftmaschine so steuern zu können, daß der Schadstoffausstoß möglichst gering ist.

Die Erfindung basiert auf einer bekannten Sensoreinrichtung (DE 43 42 481 A1) die einen Aufnehmer aufweist, der in einer Brückenschaltung angeordnet ist. Von dem Aufnehmer wird ein Meßsignal erzeugt, das den Luftmassenstrom repräsentiert. Das Meßsignal ist beispielsweise eine Spannung, die an einem Wi­ derstand abfällt, der in demselben Brückenzweig wie der Auf­ nehmer angeordnet ist. Der Aufnehmer ist beispielsweise als Heißfilmwiderstand ausgebildet und auf einem Substrat ange­ ordnet. In einem zweiten Brückenzweig ist ein temperaturab­ hängiger hochohmiger Widerstand angeordnet, wodurch das Meß­ signal von der Umgebungstemperatur unabhängig wird.

In der bekannten Sensoreinrichtung ist ein Heizwiderstand stromabwärts einer Hauptströmungsrichtung der Luft in einem Saugstutzen angeordnet. Der Heizwiderstand wird aufgeheizt, wenn Rückströmungen der Luft in dem Saugstutzen auftreten. Die rückströmende Luft wird erhitzt, so daß sie keine Wärme an dem Aufnehmer aufnimmt und damit das Meßsignal nicht ver­ fälscht.

Es ist bekannt für das Substrat des Heißfilmwiderstandes Glas zu verwenden. Dies hat den Vorteil, daß Glas ein Wärmeisola­ tor ist und demnach keine Wärmekopplung zu einem Träger bzw. zu einer Masse mit einer großen Wärmekapazität vorhanden ist. So wirken sich Änderungen des Luftmassenstroms mit einer äu­ ßerst geringen Verzögerung auf das Meßsignal aus. Desweiteren können die Kontakte zu dem Heißfilmwiderstand durch einfaches Löten statt durch Bonden hergestellt werden. Die mechanische Beanspruchung des Glases ist auch geringer als z. B. die von Keramik.

Im Saugstutzen treten Pulsationen auf, die bedingt sind durch die Geometrie des Ansaugtraktes einer Brennkraftmaschine und abhängen von der Anzahl der Zylinder. Pulsationen sind peri­ odische Schwankungen der Luftströmung, die nicht notwendiger­ weise zu einer Umkehr der Strömungsrichtung führen müssen. Pulsationen sind besonders ausgeprägt bei Brennkraftmaschinen mit bis zu vier Zylindern.

Der Nachteil der Arbeitsweise der bekannten Sensoreinrichtung ist, daß das Meßsignal einen Meßfehler aufweist, der durch die Schwankungen der Luftströmungen - also durch Pulsationen - verursacht wird. Dieser Fehler ist besonders ausgeprägt, wenn für das Substrat Glas verwendet wird. Er kann dann bis zu 20% des korrekten Wertes des Meßsignals betragen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, durch das ein Meßfehler eines Meßsignals bei Pulsationen des Luftmassenstroms kompensiert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst.

Der Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Pulsationen ei­ nes Luftmassenstroms zu einem Meßfehler führen und daß der Betrag dieses Meßfehlers abhängt von der Amplitude der Pulsation des Luftmassenstroms. Diese ist proportional zu der Amplitude einer Schwingung des Meßsignals oder eines Aus­ gangssignals.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Sensoreinrichtung zum Durchführen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Brennkraftmaschine mit der Sensoreinrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Aufnehmer und eine Steuerschaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Korrekturschaltung gemäß Fig. 1,

Fig. 5a einen Signalverlauf einer Meßspannung U_M und einer Soll-Meßspannung U_SOllM aufgetragen über die Zeit t,

Fig. 5b einen Signalverlauf einer Spannung U_A1 aufgetragen über die Zeit t,

Fig. 5c einen Signalverlauf einer Spannung U_A2 aufgetragen über die Zeit t,

Fig. 5d einen Signalverlauf einer Spannung U_A3 aufgetragen über die Zeit t,

Fig. 6 ein Schaltbild der Anpassungsschaltung,

Fig. 7 ein Schaltbild der Korrekturschaltung.

Gleiche Elemente werden figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Eine Sensoreinrichtung 1 weist einen Aufnehmer 11 auf, der mit einer Steuerschaltung 12 elektrisch leitend verbunden ist. Der Aufnehmer 11 ist beispielsweise als Heißfilm- Widerstand ausgebildet, der auf einem Substrat aus Glas ange­ ordnet ist. Von dem Aufnehmer 11 wird ein Meßsignal S_M er­ zeugt, das einen Luftmassenstrom repräsentiert, der an dem Aufnehmer vorbei strömt.

Der Aufnehmer 11 ist mit einer Anpassungsschaltung 14 derart elektrisch leitend verbunden, daß dieser das Meßsignal S_M als Eingangsgröße zugeführt wird. In der Korrekturschaltung 13 wird ein Korrektursignal S_K erzeugt, das abhängig ist von der Amplitude einer Schwingung des Ausgangssignals S_A, die verur­ sacht wird durch die Pulsationen des Luftmassenstroms.

Die Korrekturschaltung 13 ist elektrisch leitend mit der An­ passungsschaltung 14 verbunden, so daß das Korrektursignal S_K der Anpassungsschaltung 14 als Eingangsgröße zugeführt wird. Von der Anpassungsschaltung 14 wird ein Ausgangssignal S_A er­ zeugt. Dazu sind geeignete Schaltungsmittel vorgesehen, durch die das Ausgangssignal S_A durch ein Beeinflussen des Meßsi­ gnals S_M durch das Korrektursignal S_K erzeugt wird. So kann das Korrektursignal S_K in vorteilhafter Weise additiv dem Meßsignal S_M überlagert und das mit dem Korrektursignal S_K überlagerte Meßsignal S_M verstärkt werden, wodurch das Aus­ gangssignal S_A erzeugt wird.

Die Amplitude der Schwingung des Meßsignals S_M und die Ampli­ tude der Schwingung des Ausgangssignals S_A stehen in einem durch die Verstärkung in der Anpassungsschaltung vorgegebenen Verhältnis. Der Vorteil des Ausgangssignals S_A als Eingangs­ größe für die Korrekturschaltung 13 ist, daß die Amplitude der Schwingung des Ausgangssignals S_A groß ist. Dadurch kann das Korrektursignal S_K genauer ermittelt werden.

Fig. 2 zeigt eine Brennkraftmaschine mit der Sensoreinrich­ tung 1, die in einem Saugstutzen 2 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Drosselklappe 3 stromabwärts der Sensoreinrichtung 1 in dem Saugstutzen angeordnet. Demnach wird die Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prinzip betrieben. Für die Erfindung ist es jedoch unwesentlich, ob es sich um eine Brennkraftmaschine nach dem Otto-Prinzip oder dem Die­ sel-Prinzip handelt.

Der Saugstutzen 2 mündet in einen Sammler 4 von dem je ein Saugrohr 5 zu einem Zylinder 6 abgeht. Das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung 1 ist eine Eingangsgröße für eine Motor­ steuerung 7. Das Ausgangssignal S_A dient in der Motorsteue­ rung als Lastgröße und wird zum Berechnen der Einspritzzeit und Einspritzdauer für ein Einspritzventil verwendet. Zur ge­ nauen Berechnung der Luft, die in den Zylinder 6 strömt, kann desweiteren ein Strömungsmodell des Sammlers und des Saugroh­ es in der Motorsteuerung gespeichert sein. Ein derartiges Strömungsmodell ist an sich bekannt und für die Erfindung nicht wesentlich. In Abhängigkeit von dem Ausgangssignal S_A wird mit Hilfe eines derartigen Strömungsmodells der tatsäch­ liche Luftmassenstrom in dem Zylinder 6 ermittelt. Insbeson­ dere bei instationären Betriebszuständen der Brennkraftma­ schine - also bei Lastwechselvorgängen - muß dazu ein verläß­ liches Ausgangssignal S_A vorliegen. Das Ausgangssignal S_A kann aber ebenso anderen Steuereinrichtungen zugeführt wer­ den.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung mit dem Aufnehmer 11 und der Steuerschaltung 12. Die Schaltungsanordnung umfaßt eine Meßbrücke mit einem ersten und einem zweiten Brücken­ zweig sowie einen ersten Differenzverstärker 122 und einen Regler 123. In dem ersten Brückenzweig ist der Aufnehmer 11 und ein mit diesem in Reihe liegender Widerstand R3 angeord­ net. Der Aufnehmer 11 ist beispielsweise als Heißfilmwider­ stand ausgebildet und auf einen Substrat aus Glas angeordnet. In dem zweiten Brückenzweig ist ein Temperaturfühler 121 an­ geordnet, der als temperaturabhängiger hochohmiger Widerstand ausgebildet ist. In Reihe mit dem Temperaturfühler 121 sind Widerstände R1 und R2 angeordnet. Der Aufnehmer 11 und der Temperaturfühler 121 sind in dem Saugstutzen 2 angeordnet.

Die Meßbrücke wird von dem Regler 123 am Punkt A mit Spannung versorgt. Der Punkt B der Meßbrücke ist an Masse gelegt. Der Operationsverstärker 122 ist an seinem nicht invertierenden Ausgang mit einem Abgriffspunkt c verbunden, der zwischen dem Aufnehmer 11 und dem Widerstand R3 angeordnet ist. Der erste Operationsverstärker ist an seinem invertierenden Eingang mit einem Abgriffspunkt D der Meßbrücke verbunden, der zwischen dem Widerstand R1 und dem Widerstand R2 angeordnet ist. In dem ersten Differenzverstärker 122 wird demnach die Poten­ tialdifferenz zwischen den Abgriffspunkten C und D verstärkt und dem Regler 123 als Regelgröße zugeführt. Von dem Regler 123 wird im Punkt A der Meßbrücke ein derartiger Strom einge­ prägt, so daß die Potentialdifferenz zwischen den Abgriffs­ punkten C und D gegen Null geht. Der Temperaturfühler 121 und die Widerstände R1 und R2 sind 50 dimensioniert, daß die Ver­ lustleistung des Temperaturfühlers 121 so gering ist, daß sich die Temperatur des Temperaturfühlers 121 praktisch nicht mit den Änderungen des Stroms im Punkt A verändert, sondern stets der Temperatur des Luftmassenstroms entspricht. Verän­ dert sich infolge von Mengenänderungen der Luftmassenströmung die Temperatur des Aufnehmers 11, so verändert sich die Po­ tentialdifferenz zwischen den Punkten C und D und der Regler 123 regelt den Strom Punkt A entsprechend, bis er einen Wert erreicht, an dem die Potentialdifferenz zwischen den Ab­ griffspunkten C und D wieder gegen Null geht. Eine Meßspan­ nung U_M am Abgriffspunkt C ist das Meßsignal S_M, das den Luftmassenstrom repräsentiert.

In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild der Korrekturschaltung 13 dargestellt. Die Funktion der einzelnen Elemente der Korrek­ turschaltung 13 wird anhand der Fig. 5a bis d erläutert, in denen Signalverläufe über die Zeit t aufgetragen sind, wo­ bei zur Erläuterung ihr Eingangssignal U zunächst dem Aus­ gangssignal der Anpassungsschaltung 14 ohne Einwirkung der Korrekturschaltung 13 entsprechen soll.

Die Korrekturschaltung 13 weist eine Filtereinheit auf, die als Hochpaß 131 ausgebildet ist, dem als Eingangsgröße die Spannung U zugeführt wird.

In Fig. 5a ist ein Signalverlauf der Spannung U dargestellt, wenn Pulsationen des Luftmassenstroms auftreten. Ebenso ist in der Fig. 5a der Signalverlauf einer Soll-Spannung U_SOLL aufgetragen, die statt U zu erwarten wäre, wenn keine Meßfeh­ ler aufträten. Von einem Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2 steigt die Last und demnach der Luftmassenstrom an. Die Amplitude der Schwingung der Spannung U nimmt zu. Aus der Fig. 5a ist klar ersichtlich, daß die Spannung U einen Meßfeh­ ler im Vergleich zu der Soll-Spannung U_Soll aufweist. Der Meß­ fehler ist annähernd proportional zu der Amplitude der Schwingung der Spannung U.

Der Hochpaß 131 ist so dimensioniert, daß Schwingungen der Spannung U mit Frequenzen durchgelassen werden, die in dem Frequenzbereich von Pulsationen des Luftmassenstroms liegen. Bei einer Brennkraftmaschine mit vier Zylindern ist dieser Frequenzbereich in etwa 23 bis 100 Hz.

Die Spannung U_A1 am Ausgang des Hochpasses 131 weist dann nur noch die Schwingung der Spannung U auf, die durch die Pulsa­ tion verursacht ist (vgl. Fig. 5b).

Die Spannung U_A1 wird dann einem Gleichrichter 132 zugeführt, der entweder als Einweggleichrichter oder als Zweiweggleich­ richter ausgebildet ist. In Fig. 5c ist der Signalverlauf der Spannung U_A2 am Ausgang des Gleichrichters über die Zeit dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Gleich­ richter als Einweggleichrichter ausgebildet, somit weist die Spannung U_A2 nur je eine Halbwelle der Spannung U_A1 auf - hier die positive Halbwelle. Die Spannung U_A2 ist an den Eingang eines Tiefpasses 133 geführt, durch den die Spannung U_A2 ge­ glättet wird. Am Ausgang des Tiefpasses 133 liegt dann die Spannung U_A3 an, die die geglättete Spannung U_A2 ist. Die Spannung U_A3 ist demnach direkt proportional zu der Amplitude der Schwingung der Spannung U, die durch Pulsationen des Luftmassenstroms hervorgerufen wird. Die Korrekturschaltung 13 umfaßt des weiteren eine Anpassungseinheit, die als span­ nungsgesteuerte Stromquelle 134 ausgebildet ist, in der ein Korrekturstrom I_K erzeugt wird, der direkt proportional zu der Spannung U_A3 ist.

Die Stromsteilheit S der spannungsgesteuerten Stromquelle 134 ist so vorgegeben, daß die Ausgangsspannung U_A der Sensorein­ richtung durch den Korrekturstrom I_K bei Einwirkung der Kor­ rektur auf die Anpassungsschaltung derart angehoben wird, daß sie der entsprechend der Verstärkung der Anpassungsschaltung 14 verstärkten Soll-Spannung U_SOLL entspricht.

In Fig. 6 ist ein Schaltbild der Anpassungsschaltung 14 dar­ gestellt. Die Schaltung weist einen nicht-invertierenden Ver­ stärker auf, der aus einem zweiten Differenzverstärker 141 einem Widerstand R4 und einem Widerstand R5 besteht. Parallel zu seinem Rückkopplungszweig ist die Korrekturschaltung 13 angeordnet. Durch die Korrekturschaltung 13 wird ein Korrek­ turstrom I_K in der eingezeichneten Richtung eingeprägt. Die­ ser Korrekturstrom führt zu einem zusätzlichen Spannungsab­ fall an dem Widerstand R4, so daß die Spannung U_A angehoben wird. Die Spannung U_A ergibt sich aus der folgenden Beziehung in Abhängigkeit von der Meßspannung U_M und dem Korrekturstrom I_K:

Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, wird der Korrekturschaltung 13 die Ausgangsspannung U_A als Eingangsgröße zugeführt. Wird die Ausgangsspannung U_A als Eingangsgröße in die Korrektur­ schaltung verwendet, so hat dies den Vorteil, daß die Schwin­ gung eine große Amplitude hat und demnach einfachere Bauele­ mente für die Korrekturschaltung verwendet werden können.

In Fig. 7 ist ein detailliertes Ausführungsbeispiel der Kor­ rekturschaltung gemäß Fig. 4 dargestellt. Die Widerstände R6 und R7 und der Kondensator C1 bilden den Hochpaß 131. Die Wi­ derstände R8 und R9, ein dritter Differenzverstärker 1321 und der Tiefpaß 131 bilden den Gleichrichter 132. Ein Widerstand R10 und ein Kondensator C2 bilden den Tiefpaß 133. Ein vier­ ter Operationsverstärker, ein Transistor 1342 und ein Wider­ stand R11 bilden die spannungsgesteuerte Stromquelle 134.

Der Transistor 1342 und der Widerstand R11 sind derart dimen­ sioniert, daß der Spannung U_A3 derartige Werte des Korrektur­ stroms I_K zugeordnet sind, daß der Korrekturstrom I_K jeweils die Ausgangsspannung U_A so anhebt, daß der Fehler der Meß­ spannung U_M kompensiert wird.

Die Widerstände R9 und R10 weisen in etwa gleiche Wider­ standswerte auf (z. B. 300 K Ohm). Der Widerstand R6 weist einen geringfügig höheren Widerstandswert auf als der Wider­ stand R8 (z. B. R6=102 K Ohm und R8 100 K Ohm). So wirkt sich ein Rauschen der Meßspannung U_M nicht auf die Spannung U_A2 aus.

Die Ausführungsformen der Erfindung beschränken sich nicht auf die hier dargestellten Schaltungsbeispiele. Sie eignen sich beispielsweise auch für die Realisierung auf einem an­ wenderspezifischen IC (ASIC).

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Sensoreinrichtung eine Verarbeitungseinheit 14A auf, in der die Ausgangsspannung U_A jeweils über eine Pulsationsperiode gemittelt wird. Die so gemittelte Ausgangsspannung U_A ist dann ein Maß für den mittleren Luftmassenstrom pro Pulsation­ speriode.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Fil­ tereinheit als Bandpaß ausgebildet. Das hat den Vorteil, daß ein hochfrequentes Rauschen des Meßsignals S_M sich nicht auf das Korrektursignal S_K auswirkt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Fil­ tereinheit derart ausgebildet, daß eine Lastwechselsfrequenz z. B. 1-5 Hz), die das Meßsignal (S_M) oder das Ausgangs­ signal (S_A) bei einem Lastwechselvorgang in einer Brennkraft­ maschine aufweist, in ihrem Durchlaßbereich liegt. Ein Last­ wechselvorgang findet statt, wenn der Öffnungswinkel einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine verändert wird (vgl. Fig. 5a-5d Zeitpunkt t1 bis t2). Bei einem Vergrößern des Öffnungswinkels muß zuerst der Luftdruckunterschied stromauf­ wärts und stromabwärts der Drosselklappe ausgeglichen werden. Dabei weist der Luftmassenstrom ein periodisches Einschwing­ verhalten auf. Wird das Ausgangssignal S_A als Eingangsgröße für ein oben genanntes Strömungsmodell verwendet, so ist es von Vorteil, wenn die Signalanteile des Meßsignals S_M die im Bereich der Lastwechselfrequenz liegen das Korrektursignal beeinflussen. Durch die Wahl der Grenzfrequenz des Tiefpasses 133 kann das Ausgangssignal S_A aperiodisches bis hin zu peri­ odisches Einschwingverhalten bei einem Lastwechselvorgang aufweisen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Kompensation eines Meßfehlers eines einen Luftmassenstrom repräsentierenden Meßsignals eines Aufneh­ mers bei einer Pulsation des Luftmassenstroms, bei dem

• - das Meßsignal (S_M) durch ein Korrektursignal (S_K) beein­ flußt wird und so ein Ausgangssignal (S_A) erzeugt wird, und
• - das Korrektursignal (S_K) erzeugt wird abhängig von der Amplitude einer Schwingung des Ausgangssignals (S_A) mit ei­ ner Frequenz im Frequenzbereich der Pulsation.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Korrektursignal S_K) durch ein Gleichrichten eines Wechselanteils des Aus­ gangssignals (S_A). erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Korrektursi­ gnal (S_K) geglättet und verstärkt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Ausgangssignal (S_A) aus der Addition des Korrektursignals (S_K) und des Meßsignals (S_M) hervorgeht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Ausgangssignal (S_A) jeweils über eine Pulsationsperiode gemittelt wird.