DE19858656A1

DE19858656A1 - Luftmassenmeßvorrichtung

Info

Publication number: DE19858656A1
Application number: DE19858656A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Itsuji; Hiroshi Hirayama
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-18
Publication date: 1999-07-01
Also published as: US6327905B1; JPH11183221A

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizwiderstand-Luftmassenmeß vorrichtung (oftmals auch Hitzdraht-Luftmassenmeßvorrich tung genannt) zum Messen einer Luftmasse unter Verwendung der Wärmemenge, die durch die Luft von einem in der Luftströmung angeordneten Widerstand abgeführt wird, und insbesondere eine Luftmassenmeßvorrichtung, die für die Messung der Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge geeignet ist.

Da eine Heizwiderstand-Luftmassenmeßvorrichtung die Vorteile hat, daß sie keine beweglichen Teile aufweist, die Luftmasse direkt erfassen kann und ihre Abmessungen sowie ihr Gewicht reduziert werden können, ist sie für die Motorsteuerung von Kraftfahrzeugen in Gebrauch gekom men.

Kürzlich sind verschiedene Arten von verbesserten Kunst stoffelementen entwickelt worden. Deshalb werden einige Komponenten des Motors oder des Kraftfahrzeugs statt aus herkömmlichen Metallkomponenten aus Kunststoffkomponenten hergestellt. In den letzten Jahren sind dadurch die Herstellungskosten und das Produktgewicht äußerst stark reduziert worden.

Im Zuge dieser technischen Entwicklung ist auch der Körper des Luftmassenmessers anstatt aus Metall aus Kunststoff hergestellt worden. Dies hat jedoch zur Folge, daß die elektromagnetische Störung zu einem Problem geworden ist. Da nämlich die Luftmassenmeßschaltung mit verhältnismäßig niedrigen Spannungen arbeitet, ist sie gegenüber einem elektromagnetischen Rauschen sehr emp findlich. Daher besteht die große Gefahr einer Fehlfunk tion.

Andererseits ist im Motorraum eines Kraftfahrzeugs die Intensität des elektromagnetischen Rauschens verhältnis mäßig hoch, weshalb die Luftmassenmeßschaltung einem elektromagnetischen Rauschen unterliegt.

Falls der Körper eines Hauptluftdurchlasses aus Metall hergestellt ist, ist die elektromagnetische Abschirmungs wirkung aufgrund der Leitfähigkeit des Körpers hoch. Die elektromagnetische Störung wird dadurch reduziert. Wenn der Körper jedoch aus Kunststoff hergestellt ist, tritt das Problem der elektromagnetischen Störung auf, da die elektromagnetische Abschirmungswirkung gering ist.

Aus JP 8-5425-A (1996) ist eine Technik bekannt, mit der eine elektromagnetische Störung verhindert wird, indem eine Schaltung verwendet wird, die zwischen einem Heizwi derstand und einem temperaturempfindlichen Widerstand ein Tiefpaßfilter und außerdem eine Luftmassenerfassungs schaltung enthält.

Im Stand der Technik, in dem ein Tiefpaßfilter verwendet wird, wird die Wirkung des Kondensators des Kilters nicht berücksichtigt. Es tritt jedoch ein durch den Kondensator fließender Rauschstrom auf, wenn ein durch das Zündrau schen hervorgerufener großer Stoßstrom fließt. Dadurch kann die Luftmassenmeßschaltung fehlerhaft arbeiten.

Die Fehlfunktion aufgrund eines normalen Funkfrequenzfel des wird nämlich durch Rauschen verursacht, das haupt sächlich im Heizwiderstand und im temperaturempfindlichen Widerstand induziert wird. Für diese Fehlfunktion ist es möglich, die Luftmassenmeßvorrichtung mit einer erforder lichen Beständigkeit gegenüber elektromagnetischen Stö rungen zu versehen, indem ein Tiefpaßfilter wie oben beschrieben vorgesehen wird. Wenn aber durch das Zündrau schen ein großer Stoßstrom erzeugt wird, fließt durch den Kondensator des Tiefpaßfilters ein großer Rauschstrom, wodurch die Fehlfunktion induziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbes serte Heizwiderstand-Luftmassenmeßvorrichtung zu schaf fen, die selbst dann korrekt arbeiten kann, wenn das Rauschen durch einen hohen Stoßstrom erzeugt wird, d. h. selbst dann, wenn der Körper der Luftmassenmeßvorrichtung aus einem Kunststoffelement hergestellt ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Heizwiderstand- Luftmassenmeßvorrichtung nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angege ben.

Die verbesserte Luftmassenmeßvorrichtung enthält einen Widerstand, der in der Luftströmung angeordnet ist, deren Masse gemessen wird, sowie eine Steuerschaltung zum Steuern des durch den Widerstand fließenden Stroms, wobei die Vorrichtung die Luftmasse anhand der Größe des Stroms erfaßt. Ferner enthält die Luftmassenmeßvorrichtung beiderseits des Widerstandes vorgesehene Induktivitäten.

Zweckmäßig enthält in der Luftmassenmeßvorrichtung der Erfindung die Steuerschaltung einen Operationsverstärker, wobei zwischen dem Operationsverstärker und dem Wider stand eine Induktivität vorgesehen ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deut lich beim Lesen der folgenden Beschreibung zweckmäßiger Ausführungen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltplan einer Ausführung einer Heizwiderstand-Luftmassenmeßvorrichtung der Erfindung;

Fig. 2, 3 Graphen zur Erläuterung der Beständigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen, die durch eine Ausführung der Erfindung erhalten werden;

Fig. 4 einen Schaltplan einer weiteren Ausführung einer Heizwiderstand-Luftmassenmeßvorrichtung der Erfindung;

Fig. 5 eine Vorderansicht einer beispielhaften Konstruktion einer herkömmlichen Heizwider stand-Luftmassenmeßvorrichtung; und

Fig. 6 eine Schnittansicht einer beispielhaften Konstruktion einer herkömmlichen Heizwider stand-Luftmassenmeßvorrichtung.

Vor der Erläuterung der Erfindung wird mit Bezug auf die Fig. 5 und 6 der Aufbau einer herkömmlichen Luftmassen meßvorrichtung beschrieben. Die Fig. 5 und 6 zeigen ein Beispiel einer herkömmlichen Heizwiderstand-Luftmassen meßvorrichtung, wovon Fig. 5 eine Vorderansicht und Fig. 6 eine Seitenansicht ist.

In den Fig. 5 und 6 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Heizwiderstand, das Bezugszeichen 2 einen wärmeempfindli chen Widerstand, das Bezugszeichen 30 einen Körper der Luftmassenmeßvorrichtung, das Bezugszeichen 31 einen Hauptluftdurchlaß, das Bezugszeichen 32 eine Meßeinheit, das Bezugszeichen 33 einen Neben- oder Hilfsluftdurchlaß, das Bezugszeichen 34 einen Einlaß des Nebenluftdurchlas ses, das Bezugszeichen 35 einen Auslaß des Nebenluft durchlasses, das Bezugszeichen 40 ein Sensormodul und die Bezugszeichen 41 und 42 Unterstützungselemente.

Der Körper 30 ist ein angenähert zylindrisches Element. Er bildet den Hauptluftdurchlaß 31, der ein Abschnitt einer Luftansaugleitung eines Motors ist, und stellt einen Körper der Luftmassenmeßvorrichtung dar.

Die Meßeinheit 32 bildet den Nebenluftdurchlaß, in dem der Heizwiderstand 1 und der wärmeempfindliche Widerstand 2 durch die Unterstützungselemente 41, 42 gehalten wer den, wobei die beiden Widerstände 1 und 2 jeweils aus einem elektrisch leitenden Draht hergestellt sind.

Der Einlaß 34 des Nebenluftdurchlasses 33 besitzt seine Öffnung vor dem Hauptluftdurchlaß 31. Ein Teil der Luft masse, die aus der durch den Pfeil angezeigten Richtung eintritt, strömt in die Öffnung und verläßt den Neben luftdurchlaß 33 durch den Auslaß 35, dessen Öffnung in seitlicher Richtung angeordnet ist, um sich wieder mit dem Hauptluftstrom zu vereinigen. Dadurch sind der Heizwiderstand 1 und der wärmeempfindliche Widerstand 2 vor Druckänderungswirkungen geschützt, die auf der Aus laßseite der Luftmassenmeßvorrichtung aufgrund von Fehl zündungen des Motors auftreten.

Das Sensormodul 40 enthält eine Leiterplatte, auf der die Luftmassenmeßschaltung angebracht ist. Das Sensormodul 40 ist in die Meßeinheit 32 integriert, ferner sind der Heizwiderstand 1 und der wärmeempfindliche Widerstand 2 mit der an der Leiterplatte angebrachten Luftmassenmeß schaltung über die Unterstützungselemente 41, 42 verbun den. Die Meßeinheit 32 ist durch die Seitenfläche einge setzt und am Körper 30 befestigt.

Wenn die Luft in den Hauptluftdurchlaß 31 strömt, strömt ein Teil dieser Luft in den Nebenluftdurchlaß 33. Dadurch wird durch die Luftströmung Wärme vom Heizwiderstand 1 abgeführt. Die Temperaturänderung des Heizwiderstandes 1 wird als Änderung des Widerstandswertes erfaßt, so daß ein die Luftmasse angebendes Signal von der an der Lei terplatte des Sensormoduls 40 angebrachten Luftmassenmeß schaltung erfaßt werden kann.

Nun werden mit Bezug auf die Fig. 1 bis 4 Ausführungen einer Heizwiderstand-Luftmassenmeßvorrichtung gemäß der Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung der Erfindung, in der das Bezugszeichen 50 eine Luftmassenmeßschaltung (Temperatur steuerschaltung) bezeichnet und das Bezugszeichen 100 eine Ausgangsschaltung bezeichnet. In dieser Ausführung bezeichnen die übrigen Bezugszeichen die gleichen Komponenten wie in den Fig. 5 und 6, die bereits beschrieben worden sind.

Die Luftmassenmeßschaltung 50 und die Ausgabeschaltung 100 sind auf einer Leiterplatte eines Sensormoduls 40, das in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist, angebracht.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, enthält die Luftmassenmeß schaltung 50 einen Transistor 3 und feste Widerstände 4 bis 7, 10, Operationsverstärker 8, 9 sowie Induktivitäten 21 bis 24.

Die Luftmassenmeßschaltung 50 ist mit einem Heizwider stand 1 und mit einem temperaturempfindlichen Widerstand 2 verbunden, die über Unterstützungselemente 41 und 42, die jeweils aus einem elektrisch leitenden Draht gebildet sind, in einem Nebenluftdurchlaß 33 (siehe Fig. 5 und 6) vorgesehen sind.

Es wird angemerkt, daß der Heizwiderstand 1 und der temperaturempfindliche Widerstand 2 auch im Hauptluft durchlaß 31 und nicht im Nebenluftdurchlaß 33 vorgesehen sein könnten.

Der Heizwiderstand 1 und der temperaturempfindliche Widerstand 2 bilden zusammen mit einem Referenzwiderstand 4, Widerständen 5, 6, 7 und 10 und einem Operationsver stärker 8 eine Brückenschaltung. Der Gleichgewichtszu stand der Brückenschaltung wird durch den Operationsver stärker erfaßt. Im Ergebnis wird ein durch den Heizwider stand 1 und den Referenzwiderstand 4 über den Transistor 3 fließender elektrischer Strom oder Heizstrom I_h des Heizwiderstandes 1 in der Weise gesteuert, daß die Diffe renz zwischen den Temperaturen des Heizwiderstandes 1 und des temperaturempfindlichen Widerstandes 2 auf einem konstanten Wert gehalten wird.

Der Wert des Heizwiderstandes I_h ist als Funktion der Geschwindigkeit und der Dichte des Fluids (z. B. der Luft), die Wärme vom Heizwiderstand 1 abführt, gegeben. Er ist durch die Spannung V₀ über dem Referenzwiderstand 4 gegeben. Daher wird durch Aufnehmen der Spannung V₀ über dem Referenzwiderstand 4 unter Verwendung einer Ausgangsschaltung 100 an einem Ausgangsanschluß out ein Signal erhalten, das die Luftmasse angibt.

Die Ausgangsschaltung 100 arbeitet als Pufferverstärker für die Aufnahme der Spannung V₀ über dem Widerstand 4 und als Umsetzer zum Umsetzen des Spannungssignals der Luftmasse in ein Frequenzsignal.

Die Induktivitäten 21 bis 24 sind Spulen, die zwischen die Unterstützungselemente 41, 42 und entsprechende Schaltungselemente der Luftmassenmeßschaltung 50, die angeschlossen werden soll, geschaltet sind. Im Ergebnis kann ein Eindringen eines Funkfrequenzrauschens in die Luftmassenmeßschaltung 50 selbst dann verhindert werden, wenn im Heizwiderstand 1, im temperaturempfindlichen Widerstand 2 und in den Unterstützungselementen 41, 42 aufgrund elektromagnetischer Wellen, einer elektrostati schen Induktion, einer elektromagnetischen Induktion oder dergleichen ein Funkfrequenzrauschen induziert wird.

Da die Unterstützungselemente 41 und 42, die den Heizwi derstand 1, den temperaturempfindlichen Widerstand 2 sowie den Leitungsdraht tragen, von der Luftmassenmeß schaltung 50 beabstandet sind und sich in den Hauptluft durchlaß 31 des Körpers 30 oder in den Nebenluftdurchlaß erstrecken, wird ein vielfältiges Funkfrequenzrauschen induziert, wenn der Körper 30 nicht als elektromagneti sches Abschirmungselement wirkt.

Gemäß dieser Ausführung können die Rauschspannungen, die durch die Unterstützungselemente 41, 42 in den Innenraum einzudringen versuchen, aufgrund der Impedanz der Induk tivitäten 21 bis 24 äußerst stark gedämpft werden, da zwischen den jeweiligen Schaltungselementen der Luft massenmeßschaltung 50 und den Unterstützungselementen 41, 42 Induktivitäten 21 bis 24 vorhanden sind. Dadurch kann die Wirkung des Funkfrequenzrauschens unterdrückt werden.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 kann die Luftmassenmeß schaltung selbst dann geeignet betrieben werden, wenn der Körper der Luftmassenmeßvorrichtung aus einem Kunststoff element hergestellt ist.

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse einer vergleichenden Auswer tung der Beständigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen unter Verwendung des Verfahrens zum Einleiten eines großen Stroms (= BCI-Verfahren = Bulk Current Injection Method) für die Heizwiderstand-Luftmassenmeß vorrichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung und für einen herkömmlichen Luftmassenmesser.

In Fig. 2 bezeichnet die dicke Linie A die Beständigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen gemäß einer Ausführung der Erfindung, während die dünne Linie B die Beständigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen des Standes der Technik zeigt. Wie aus Fig. 2 deutlich her vorgeht, kann in der Ausführung der Erfindung die Bestän digkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen um maxi mal ungefähr 15 dBµA verbessert werden.

Obwohl die Beständigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen der Erfindung im Frequenzbereich von 2 MHz bis 3 MHz schlechter als im Stand der Technik ist, besteht hier kein praktisches Problem, da die Stärke des elektri schen Feldes mehr als 96 dBµA beträgt. Da die Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik im Funkfrequenzband eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber elektromagne tischen Störungen besitzt, kann gesagt werden, daß die Erfindung nützlicher als der Stand der Technik ist.

Fig. 3 zeigt die Ergebnisse einer vergleichenden Bewer tung der Stärke der elektrischen Felder, die gemessen wird, wenn der Motor aufgrund einer Fehlfunktion der Luftmassenmeßvorrichtung angehalten wird, für die Heizwi derstand-Luftmassenmeßvorrichtung einer Ausführung der Erfindung und für den herkömmlichen Luftmassenmesser, die jeweils in einem Kraftfahrzeug in einer realistischen Umgebung eingesetzt wurden, wobei von einer Antenne, die in einem Abstand von 1 m vor dem Kraftfahrzeug befestigt war, eine elektromagnetische Welle abgestrahlt wurde.

Auch in Fig. 3 bezeichnet die dicke Linie A die Bestän digkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen gemäß einer Ausführung der Erfindung, während die dünne Linie B die Beständigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen des Standes der Technik zeigt. Der Körper der Luftmassen meßvorrichtung war aus Kunststoff hergestellt. Die Kapa zitätsgrenze bezüglich der Stärke des von einer Anlage zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen erzeugten elektrischen Feldes betrug 200 V/M.

Wie aus dem in Fig. 3 gezeigten Kennliniendiagramm deut lich hervorgeht, wird der Motor in der Heizwiderstand- Luftmassenmeßvorrichtung des Standes der Technik bei mindestens 40 V/M angehalten. In der Ausführung der Erfindung hält der Motor jedoch selbst bei 200 V/M nicht an. Das heißt, daß die Erfindung eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen besitzt.

Gemäß der Erfindung ist es stets möglich, den Luftmassen messer geeignet zu betreiben, selbst denn der Körper der Luftmassenmeßvorrichtung aus einem Kunststoffelement ohne elektromagnetische Abschirmungswirkung hergestellt ist. Daher ist es möglich, die Herstellungskosten und das Gewicht zu reduzieren.

Nun wird mit Bezug auf Fig. 4 eine weitere Ausführung der Erfindung erläutert.

In dieser Ausführung ist durch den Heizwiderstand 1 und den Referenzwiderstand 4, den temperaturempfindlichen Widerstand 2 und die Widerstände 5, 6 eine Brückenschal tung gebildet. Der Gleichgewichtszustand der Brücken schaltung wird durch den Differenzverstärker erfaßt. Im Ergebnis wird der durch den Heizwiderstand 1 über den Transistor 3 fließende Heizstrom I_h durch einen Ausgang des Differenzverstärkers 9 gesteuert. Der übrige Aufbau ist der gleiche wie in der Ausführung von Fig. 1.

Auch gemäß dieser Ausführung wird die Spannung V₀ über dem Referenzwiderstand 4 erhalten, wobei ein die Luftmas se angebendes Signal vom Ausgangsanschluß out der Aus gangsschaltung 100 erhalten wird.

Da die Induktivitäten 21 bis 23 wie oben beschrieben vorgesehen sind, kann die Luftmassenmeßvorrichtung selbst dann geeignet arbeiten, wenn der Körper der Luftmassen meßvorrichtung aus einem Kunststoffelement hergestellt ist. Im Ergebnis wird es möglich, die Herstellungskosten und das Gewicht zu reduzieren.

Die Brückenschaltung von Fig. 4 unterscheidet sich hin sichtlich ihres Aufbaus von derjenigen von Fig. 1. In Fig. 4 sind eines der Unterstützungselemente 41 und eines der Unterstützungselemente 42 miteinander verbunden und erstrecken sich in die Luftmassenmeßschaltung 50, wobei eine der Induktivitäten 24 der vier in Fig. 1 gezeigten Induktivitäten in der Ausführung von Fig. 4 weggelassen werden kann. Dadurch können die Kosten des Produkts weiter reduziert werden.

In den oben beschriebenen Ausführungen ist ein Anschluß des Heizwiderstandes 1 nur mit einem Emitter des Transi stors 3 verbunden. Daher ist die Wirkung des Rauschens vernachlässigbar, selbst wenn das Rauschen auf diesen Abschnitt einwirkt. Mit anderen Worten, die Verschlechte rung der Beständigkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen ist selbst dann sehr gering, wenn die Indukti vität 21, die mit den Unterstützungselementen 41 des Heizwiderstandes 1 verbunden ist, weggelassen ist.

Je nach Arbeitsumgebung der Luftmassenmeßvorrichtung kann daher die Induktivität 21 weggelassen werden, so daß die Kosten der Heizwiderstand-Luftmassenmeßvorrichtung weiter reduziert werden können.

Claims

1. Heizwiderstand-Luftmassenmeßvorrichtung, mit einem Widerstand (1, 2), der in dem Luftstrom angeordnet ist, dessen Luftmasse gemessen wird, und einer Steuer schaltung (3 bis 9; 40; 50) zum Steuern des durch den Widerstand (1, 2) fließenden elektrischen Stroms, wobei die Luftmasse anhand der Größe dieses elektrischen Stroms gemessen wird,
gekennzeichnet durch
Induktivitäten (21 bis 24), die beiderseits des Widerstandes (1, 2) vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß
der Widerstand ein Heizwiderstand (1) und/oder ein wärmeempfindlicher Widerstand (2) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß
in jeder der Drahtverbindungen zwischen dem Widerstand (1, 2) und der Steuerschaltung (3 bis 9; 40; 50) wenigstens eine Induktivität (21 bis 24) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß
die Steuerschaltung einen Operationsverstärker (8, 9) enthält und
zwischen dem Operationsverstärker (8, 9) und dem Widerstand (1, 2) wenigstens eine Induktivität (22, 24) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß
der Widerstand ein Heizwiderstand (1) und/oder ein wärmeempfindlicher Widerstand (2) ist.