DE102005028140B4 - Method for cleaning the measuring range of a hot-film air mass meter - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung (120) strömenden Luftmassenstroms (142) mittels eines Heißfilmluftmassenmessers (110), insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Heißfilmluftmassenmesser (110) einen Sensorchip (130) mit einer Messoberfläche (132) aufweist, wobei die Messoberfläche (132) mit mindestens einem Heizelement (144, 146, 148) beheizbar ist und während einer Startphase des Heißfilmluftmassenmessers (110) die Messoberfläche (132) asymmetrisch beheizt wird, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Betriebsphase, wobei die Betriebsphase der Startphase zeitlich nachgeordnet ist und wobei die Messoberfläche (132) in der Betriebsphase im Wesentlichen symmetrisch beheizt wird.Method for measuring an air mass flow (142) flowing with a main flow direction (120) by means of a hot film air mass meter (110), in particular in the intake tract of an internal combustion engine, wherein the hot film air mass meter (110) has a sensor chip (130) with a measurement surface (132), wherein the measurement surface (132) with at least one heating element (144, 146, 148) is heated and during a start phase of the Heißfileinuftmassenmessers (110), the measuring surface (132) is heated asymmetrically, characterized by an additional phase of operation, wherein the operating phase of the starting phase is temporally downstream and wherein the measuring surface (132) is heated substantially symmetrically in the operating phase.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung eines Luftmassenstroms, insbesondere im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Heißfilmluftmassenmessers, welcher einen Sensorchip mit einer Messoberfläche aufweist.The invention relates to a method for measuring an air mass flow, in particular in the intake tract of an internal combustion engine. In particular, the invention relates to a method for operating a Heißfileinuftmassenmessers having a sensor chip with a measuring surface.
Stand der TechnikState of the art
Bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, muss definiert eine Gasmasse, insbesondere eine Luftmasse, zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen. Ein wichtiges Beispiel ist dabei die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei verschiedene Typen von Sensoren eingesetzt.In many processes, for example in the field of process engineering, chemistry or mechanical engineering, defined gas mass, in particular an air mass, must be supplied. These include, in particular, combustion processes which take place under controlled conditions. An important example is the combustion of fuel in internal combustion engines of motor vehicles, in particular with subsequent catalytic emission control. Various types of sensors are used to measure the air mass flow rate.
Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte Heißfilmluftmassenmesser (HFM), welcher beispielsweise in
Eine beispielsweise aus
Diese Ölkontamination tritt insbesondere beim oder kurz nach dem Abschalten der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors, auf. Nach Abstellen der Verbrennungskraftmaschine baut sich ein in einem Kurbelgehäuse vorhandener Überdruck typischerweise über eine Kurbelgehäuseentlüftung in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine ab. Dabei wird häufig öldampf bzw. Ölnebel mitgeführt, welcher sich im Ansaugtrakt und damit auch am dort angeordneten (oder in einem entsprechenden Bypass angeordneten) Luftmassenmesser als Ölfilm niederschlagen kann.This oil contamination occurs in particular during or shortly after switching off the internal combustion engine, for example a diesel engine. After switching off the internal combustion engine, an overpressure present in a crankcase typically builds up in the intake tract of the internal combustion engine via a crankcase ventilation. In this case, oil vapor or oil mist is often entrained, which can be reflected in the intake tract and thus also arranged there (or arranged in a corresponding bypass) air mass meter as an oil film.
Die Problematik der Verschmutzung der Membran bzw. der Sensoroberfläche wird weiterhin durch thermodynamische Effekte verschärft. So ist es bekannt, dass Flüssigkeitstropfen, welche einen Gradienten in ihrer Oberflächenspannung aufweisen, eine Kraft in Richtung der höheren Oberflächenspannung erfahren. Dies führt zu einer Bewegung des Tropfens von niedriger zu hoher Oberflächenspannung. Insbesondere kann dieser Gradient durch einen Temperaturgradienten auf einer Oberfläche, auf welche der Flüssigkeitstropfen aufgebracht ist, hervorgerufen werden. Der Tropfen wird durch den Temperaturgradienten und die daraus resultierende Kraft üblicherweise von einem wärmeren Bereich der Oberfläche in einen kälteren Bereich der Oberfläche bewegt. Dieser Effekt ist beispielsweise in V.G. Levich, „Physicochemical Hydrodynamics“, Prentice-Hall, N.J., 1962, S. 384, beschrieben. Dieser Temperaturgradienteneffekt macht sich auch beim Einschalten eines Heißfilmluftmassenmessers negativ bemerkbar. Im ausgeschalteten Zustand des Heißfilmluftmassenmessers sammelt sich üblicherweise ein Flüssigkeitsfilm, beispielsweise ein Ölfilm, auf der Oberfläche des Sensorchips, insbesondere auf der Sensormembran, an. Wird der Heißfilmluftmassenmesser eingeschaltet, so wird das üblicherweise mittig auf der Sensormembran angeordnete Heizelement beheizt, wodurch aufgrund des oben beschriebenen Effekts der auf der Membran angesammelte Ölfilm stromaufwärts und stromabwärts von der Sensormembran verdrängt wird. Dadurch bildet sich häufig an der Grenzlinie zwischen Membran und umgebendem Festland des Sensorchips eine Ansammlung eines Ölfilms (Flüssigkeitswall). Dieser Flüssigkeitswall kann vom Luftmassenstrom wiederum auf die Oberfläche der Sensormembran transportiert werden und diese im Betrieb erneut verunreinigen. Dadurch wird eine Drift des Messsignals des Heißfilmluftmassenmessers im Betrieb hervorgerufen.The problem of contamination of the membrane or the sensor surface is further exacerbated by thermodynamic effects. Thus, it is known that drops of liquid which have a gradient in their surface tension experience a force in the direction of the higher surface tension. This leads to a movement of the drop from low to high surface tension. In particular, this gradient may be caused by a temperature gradient on a surface to which the liquid droplet is applied. The drop is usually moved by the temperature gradient and the resulting force from a warmer area of the surface to a colder area of the surface. This effect is for example in V.G. Levich, "Physicochemical Hydrodynamics", Prentice-Hall, N.J., 1962, p. 384. This temperature gradient effect is also negatively noticeable when switching on a hot-film air mass meter. In the switched-off state of the hot-film air-mass meter, a liquid film, for example an oil film, usually collects on the surface of the sensor chip, in particular on the sensor membrane. When the hot-film air mass meter is turned on, the heating element usually arranged centrally on the sensor membrane is heated, whereby due to the effect described above, the oil film accumulated on the membrane is displaced upstream and downstream from the sensor membrane. As a result, an accumulation of an oil film (liquid wall) often forms on the boundary line between the membrane and the surrounding mainland of the sensor chip. This liquid wall can in turn be transported by the air mass flow to the surface of the sensor membrane and contaminate it again during operation. As a result, a drift of the measurement signal of the Heißfileinuftmassenmessers is caused during operation.
Aus der
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Es wird dementsprechend ein Verfahren zur Messung eines mit einer Hauptströmungsrichtung strömenden Luftmassenstroms mittels eines Heißfilmluftmassenmessers, insbesondere zum Einsatz im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen, welches die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vermeidet. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht in der Erkenntnis, dass der oben beschriebene Flüssigkeitswall an der stromabwärts gelegenen Grenzlinie und somit am stromabwärts gelegenen Übergang zwischen heißer und kalter Oberfläche, vom Luftmassenstrom mitgeführt und abtransportiert wird. Dieser Flüssigkeitswall beeinflusst daher das Messsignal nicht mehr dauerhaft. Der stromaufwärts an der Grenzlinie gelegene Flüssigkeitswall hingegen beeinflusst das Messsignal aufgrund einer veränderten thermischen Masse und eventuell veränderter Strömung. Weiterhin kann dieser Flüssigkeitswall durch den Luftmassenstrom, insbesondere beim Ausschalten des Heißfilmluftmassenmessers, zurück auf die Messoberfläche des Sensorchips gelangen und somit zu einer Drift des Messsignals führen.Accordingly, a method is proposed for measuring an air mass flow flowing with a main flow direction by means of a hot film air mass meter, in particular for use in the intake tract of an internal combustion engine, which avoids the disadvantages of the methods known from the prior art. A basic idea of the present invention is the recognition that the above-described liquid wall at the downstream boundary line and thus at the downstream transition between hot and cold surface, is carried along by the air mass flow and transported away. This liquid wall therefore no longer influences the measuring signal permanently. The liquid wall located upstream on the boundary line, on the other hand, influences the measuring signal due to a changed thermal mass and possibly changed flow. Furthermore, due to the air mass flow, in particular when switching off the hot film air mass meter, this liquid wall can reach the measuring surface of the sensor chip and thus lead to a drift of the measuring signal.
Somit besteht eine Grundidee des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, während des Einschaltens des Heißfilmluftmassenmessers die Beheizung des Luftmassenmessers gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zu verändern, so dass angesammelte Flüssigkeit nahezu vollständig stromabwärts transportiert werden kann. Somit wird der stromaufwärts gelegene Flüssigkeitswall in einer Startphase des Heißfilmluftmassenmessers abgebaut. Die Drift des Sensorsignals des Heißfilmluftmassenmessers wird dadurch deutlich verringert, und die Zuverlässigkeit des Messsignals des Heißfilmluftmassenmessers erheblich erhöht. Ein Kerngedanke besteht darin, in einer Betriebsphase, welche einer Startphase des Heißfilmluftmassenmessers, in der die Messoberlfäche asymmetrisch beheizt wird, nachgelagert ist, die Messoberfläche im Wesentlichen symmetrisch zu beheizen.Thus, a basic idea of the method according to the invention is to change the heating of the air mass meter during the switching on of the hot film air mass meter in relation to methods known from the prior art, so that accumulated liquid can be transported almost completely downstream. Thus, the upstream liquid wall is degraded in a startup phase of the hot film air mass meter. The drift of the sensor signal of the Heißfileinuftmassenmessers is thereby significantly reduced, and significantly increases the reliability of the measurement signal of the Heißfileinuftmassenmessers. A key idea is to heat the measuring surface substantially symmetrically in an operating phase, which is downstream of a start phase of the hot-film air mass meter, in which the measuring surface is heated asymmetrically.
Der Heißfilmluftmassenmesser soll, wie oben erwähnt, einen Sensorchip mit einer Messoberfläche aufweisen. Die Messoberfläche kann beispielsweise die Oberfläche einer Sensormembran sein, wobei der Luftmassenstrom im Wesentlichen parallel über diese Oberfläche strömt. Neben der Ausgestaltung als Sensormembran sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich. Ein wesentlicher Punkt besteht dabei darin, dass der Sensorchip im Bereich der Messoberfläche eine erheblich verringerte transversale thermische Leitfähigkeit aufweist als im die Messoberfläche umgebenden Festland des Sensorchips. Beispielsweise kann die transversale thermische Leitfähigkeit im Bereich der Messoberfläche um mindestens eine Größenordnung geringer sein als im umgebenden Festland. Neben der Ausgestaltung als Sensormembran, beispielsweise einer Siliciummembran, welche in
Durch die geringe thermische Leitfähigkeit der Messoberfläche wird bewirkt, dass sich beim Aufheizen des mindestens einen Heizelements an einer Grenzlinie zwischen der Messobertläche und dem umgebenden Festland ein starker Temperaturgradient ausbildet. Erfindungsgemäß wird durch das mindestens eine Heizelement die Messoberfläche asymmetrisch beheizt. Diese asymmetrische Beheizung findet vorteilhafterweise ausschließlich in einer Startphase des Heißfilmluftmassenmessers, also beispielsweise unmittelbar nach Einschalten der Verbrennungskraftmaschine, statt. Zusätzlich kann jedoch auch in einer späteren Phase, beispielsweise einer Betriebsphase, eine asymmetrische Heizung der Messoberfläche erfolgen.Due to the low thermal conductivity of the measuring surface causes a strong temperature gradient forms when heating the at least one heating element at a boundary line between the Meßobertläche and the surrounding mainland. According to the invention, the measuring surface is heated asymmetrically by the at least one heating element. This asymmetric heating advantageously takes place exclusively in a starting phase of the hot-film air mass meter, that is, for example, immediately after switching on the internal combustion engine. In addition, however, an asymmetrical heating of the measuring surface can also take place in a later phase, for example an operating phase.
Vorteilhafterweise ist das asymmetrische Beheizen der Messoberfläche während der Startphase so ausgestaltet, dass bezüglich der Hauptströmungsrichtung des Luftmassenstroms stromaufwärts gelegene Bereiche der Messoberfläche stärker beheizt werden als stromabwärts gelegene Bereiche der Messoberfläche. Beispielsweise kann die Messoberfläche eine Anströmseite und eine Abströmseite aufweisen, wobei die Messoberfläche derart beheizt wird, dass ein Temperaturmaximum der Temperatur der Messoberfläche näher zur Anströmseite als zur Abströmseite angeordnet ist. Es sind jedoch auch andere Temperaturverteilungen denkbar, beispielsweise Temperaturverteilungen, bei denen anstelle eines Maximums in der Temperaturverteilung ein Schwerpunkt der Temperaturverteilung (beispielsweise ein Integral) näher zur Anströmseite angeordnet ist als zur Abströmseite.Advantageously, the asymmetrical heating of the measurement surface during the start-up phase is configured in such a way that regions of the measurement surface upstream of the main flow direction of the air mass flow are heated to a greater extent than regions of the measurement surface located downstream. For example, the measurement surface may have an inflow side and an outflow side, wherein the measurement surface is heated such that a temperature maximum of the temperature of the measurement surface is arranged closer to the inflow side than to the outflow side. However, other temperature distributions are conceivable, for example temperature distributions, in which, instead of a maximum in the temperature distribution, a center of gravity of the temperature distribution (for example an integral) is arranged closer to the inflow side than to the outflow side.
Durch diese erfindungsgemäße asymmetrische Ausgestaltung der Beheizung der Messoberfläche wird eine thermokapillar induzierte Flüssigkeitsverdrängung von heiß nach kalt so gesteuert, dass Flüssigkeit größtenteils in für die Funktion des Heißfilmluftmassenmessers unkritische Bereiche abgedrängt wird. Dies steht im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, bei welchen üblicherweise Flüssigkeit zu annähernd gleichen Teilen in kritische und unkritische Bereiche gedrängt wird. Erfindungsgemäß erfolgt hingegen nahe des stromaufwärts gelegenen Bereichs der Grenzlinie in der Startphase eine erhöhte Aufheizung. Der dabei entstehende Temperaturgradient verdrängt den Flüssigkeitsfilm über die stromabwärts gerichtete Grenzlinie. Nach diesem Verdrängungsvorgang in der Startphase kann der Sensor anschließend normal weiterbetrieben werden, beispielsweise symmetrisch, wie aus dem Stand der Technik bekannt Alternativ kann durch eine weitere örtliche und zeitliche Staffelung von Aufheizvorgängen ein schnellerer und gezielterer Transportmechanismus weg von der Messoberfläche realisiert werden. Dieses Prinzip wird z. B. im Bereich der Mikroreaktorik eingesetzt, wie beispielsweise in
Die Messoberfläche kann beispielsweise mindestens zwei Temperaturfühler aufweisen, wobei die mindestens zwei Temperaturfühler auch als zusätzliche Heizelemente zusätzlich zu einem Hauptheizelement eingesetzt werden können. Dies entspricht dem üblichen Aufbau eines Sensorchips, bei welchem ein Hauptheizelement symmetrisch zur Strömungsrichtung von zwei derartigen Temperaturfühlern umgeben ist. Üblicherweise sind sowohl Hauptheizelement als auch Temperaturfühler als Leiterbahnen auf einer Oberfläche des Sensorchips ausgestaltet. Erfindungsgemäß können auch diese Temperaturfühler als zusätzliche Heizelemente eingesetzt werden. Dabei kann beispielsweise in der Startphase ein erster Temperaturfühler, welcher stromaufwärts angeordnet ist, stärker beheizt werden als mindestens ein zweiter Temperaturfühler, welcher stromabwärts angeordnet ist. Insbesondere kann der stromabwärts gelegene mindestens eine zweite Temperaturfühler während der Startphase unbeheizt bleiben.The measuring surface may, for example, have at least two temperature sensors, wherein the at least two temperature sensors may also be used as additional heating elements in addition to a main heating element. This corresponds to the usual structure of a sensor chip, in which a main heating element is surrounded symmetrically to the flow direction of two such temperature sensors. Usually, both the main heating element and the temperature sensor are designed as strip conductors on a surface of the sensor chip. According to the invention, these temperature sensors can also be used as additional heating elements. In this case, for example, in the starting phase, a first temperature sensor, which is arranged upstream, are heated more strongly than at least one second temperature sensor, which is arranged downstream. In particular, the downstream at least one second temperature sensor may remain unheated during the starting phase.
Wie oben beschrieben, kann die Startphase auch in mehrere Einzelphasen unterteilt werden, in welchen die Messoberfläche des Sensorchips unterschiedlich beheizt wird. So können beispielsweise die Heizleistung und die Temperaturverteilung auf der Messoberfläche während der Startphase zeitlich gestaffelt werden. Beispielsweise kann die Heizleistung in den mindestens zwei Einzelphasen zeitlich gestaffelt verringert werden. Somit kann beispielsweise auch ein gezielt einstellbares zeitliches und räumliches „Wandern“ eines Temperaturmaximums auf der Messoberfläche realisiert werden.As described above, the starting phase can also be subdivided into a plurality of individual phases, in which the measuring surface of the sensor chip is heated differently. For example, the heating power and the temperature distribution on the measuring surface can be staggered during the starting phase. For example, the heating power in the at least two individual phases can be reduced in stages over time. Thus, for example, a specifically adjustable temporal and spatial "walking" of a temperature maximum on the measuring surface can be realized.
Neben einer zeitlichen Staffelung kann auch eine räumliche Staffelung vorgenommen werden. Vorteilhafterweise findet diese räumliche Staffelung derart statt, dass in Hauptströmungsrichtung die Messoberfläche mit abnehmender Heizleistung beheizt wird. Zu diesem Zweck kann die Messoberfläche beispielsweise mindestens drei Heizelemente aufweisen, welche gestaffelt in Richtung der Hauptströmungsrichtung mit jeweils verringerter Heizleistung beheizt werden.In addition to a temporal graduation, a spatial graduation can be made. Advantageously, this spatial staggering takes place such that in the main flow direction, the measuring surface is heated with decreasing heating power. For this purpose, the measuring surface can have, for example, at least three heating elements, which are heated in a staggered manner in the direction of the main flow direction, each with reduced heating power.
Insgesamt führt das erfindungsgemäße Verfahren dazu, dass eine Signaldrift der Signale des Heißfilmluftmassenmessers durch Verunreinigungen mit Öl, anderen Flüssigkeiten oder durch Schmutzablagerungen, welche insbesondere durch Öl als Haftvermittler gefördert werden, stark vermindert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise an handelsüblichen, dem Stand der Technik entsprechenden Heißfilmluftmassenmessern umgesetzt werden. Bauliche Veränderungen sind somit nicht notwendigerweise erforderlich, was das Verfahren unmittelbar einsetzbar macht Somit kann die Zuverlässigkeit bereits im Einsatz befindlicher Heißfilmluftmassenmesser deutlich verbessert werden.Overall, the inventive method leads to a signal drift of the signals of the Heißfileinuftmassenmessers by impurities with oil, other liquids or by dirt deposits, which are promoted in particular by oil as a primer, is greatly reduced. The method according to the invention can be implemented, for example, on commercially available hot-film air-mass meters corresponding to the state of the art. Structural changes are thus not necessarily required, which makes the method directly usable Thus, the reliability of already in use hot-film air mass meter can be significantly improved.
Figurenlistelist of figures
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.Reference to the drawings, the invention will be explained in more detail below.
Es zeigt:
-
1 eine perspektivische Teildarstellung eines Heißfilmluftmassenmessers zum Einsatz im Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine; -
2A einen Ausschnitt eines bekannten Sensorchips mit einer Sensormembran, welche von Öltröpfchen benetzt ist; -
2B die Sensormembran des Sensorchips gemäß2A bei herkömmlichem Betrieb; und -
3 die Sensormembran des Sensorchips gemäß2A bei Betrieb mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a partial perspective view of a hot film air mass meter for use in the intake of an internal combustion engine; -
2A a section of a known sensor chip with a sensor membrane, which is wetted by oil droplets; -
2 B the sensor membrane of the sensor chip according to2A in conventional operation; and -
3 the sensor membrane of the sensor chip according to2A when operating with an embodiment of the method according to the invention.
In
Nicht dargestellt in
In
Der Zustand in
In
Bei diesem in
Wie im oberen Bereich der
Mit der Temperatur T0 ist in der Darstellung gemäß
Weiterhin ist in
In
Wie in
Die in
Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens gemäß
Alternativ oder zusätzlich können auch weitere Heizelemente auf der Messoberfläche
Weiterhin kann das Verfahren auch zeitlich gestaffelt ausgestaltet sein, beispielsweise indem die in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 110110
- HeißfilmluftmassenmesserHot film air mass meter
- 112112
- Gehäusecasing
- 114114
- Elektronikbereichelectronics sector
- 116116
- Bypassbereichbypass area
- 118118
- Bypasskanalbypass channel
- 120120
- HauptströmungsrichtungMain flow direction
- 122122
- Trägerelementsupport element
- 124124
- Sensornasesensor nose
- 126126
- Öffnungopening
- 128128
- Vertiefungdeepening
- 130130
- Sensorchipsensor chip
- 132132
- Messoberflächemeasuring surface
- 134134
- Anströmkanteleading edge
- 136136
- Grenzlinieboundary line
- 138138
- FestlandMainland
- 140140
- Leiterbahnenconductor tracks
- 142142
- LuftmassenstromAir mass flow
- 144144
- Hauptheizelementmain heating
- 146146
- stromaufwärts gelegene Leiterbahnschleifeupstream track loop
- 148148
- stromabwärts gelegene Leiterbahnschleifedownstream trace loop
- 150150
- Öltröpfchenoil droplets
- 152152
- vordere Grenzliniefront boundary line
- 154154
- hintere Grenzlinierear boundary line
- 156156
- Flüssigkeitswall, stromaufwärtsFluid wall, upstream
- 158158
- Flüssigkeitswall, stromabwärtsFluid wall, downstream
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- 2005-06-17 DE DE102005028140.0A patent/DE102005028140B4/en not_active Expired - Fee Related
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