DE3509118C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Durchsatzes eines ein Rohr durchströmenden Mediums - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Messung des Durchsatzes eines ein Rohr durchströmenden Mediums nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der DE 33 04 710 A1 ist bereits ein derartiges Verfahren zur Messung des Luftdurchsatzes im Ansaug­ rohr einer Brennkraftmaschine mit einem richtungsun­ empfindlichen Strömungsmeßorgan bekannt. Um auch bei einem Wechsel der Strömungsrichtung, wie er bei Pulsa­ tionen im Saugrohr auftreten kann, weiterhin exakte Meßwerte der von der Brennkraftmaschine angesaugten Luft­ menge zu erhalten, sind in dieser Offenlegungsschrift verschiedene Verfahren zum Feststellen der Zeit­ punkte des Strömungsrichtungswechsels angegeben. Der Erfassung dieser Umkehrpunkte liegen bestimmte physi­ kalische Zusammenhänge zwischen Strömungsmeßsignal, Differenzdrücken, dem Auftreten von Extremwerten im Strömungsmeßsignal sowie dem Gradienten des Strömungs­ meßsignals zugrunde.

Es hat sich aber gezeigt, daß diese Verfahren nicht für jeden beliebigen Typ von Brennkraftmaschinen optimale Ergebnisse und durch dem Meßwert­ geber-Ausgangssignal überlagerte Störungen sogar falsche Er­ gebnisse liefern.

Sie sind nur auf eine ganz spezielle Charakteristik des Ausgangssignals des Luftmassenmessers anwendbar und die dem Ausgangs­ signal des Luftmassenmessers überlagerten Störspannungen, wie sie im praktischen Betrieb auftreten, werden von den bekannten Verfahren nicht als solche erkannt und häufig fälschlicherweise als Pulsationen interpretiert.

Ein weiteres Verfahren zur Messung des Durchflusses eines pulsierenden Mediums mit Rückströmung ist aus der DE 32 30 829 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird jeweils bei einem Nulldurchgang des Meßwerts ein Integrator gestartet, der das Signal bis zum nächsten Nulldurchgang aufintegriert. Der so erhaltene Integralwert wird vom Gesamtsignal abgezogen. Dadurch wird sichergestellt, daß die während der Rückströmung ermittelte Luftmasse von der tatsächlich angesaugten Luftmasse abgezogen wird.

Aus der DE 32 18 931 A1 ist ein Verfahren zur Messung der von einer Brennkraftmaschine angesaugten pulsierenden Luftmasse bekannt, bei dem ein drehzahlabhängiger Referenzwert festgelegt wird, bei dessen Überschreiten eine Rückströmung erkannt wird. Nach dem Überschreiten des Referenzwertes wird die Zeit gemessen, bis das Luftmassensignal den Referenzwert wieder unterschreitet. Der insgesamt ermittelte Wert wird in Abhängigkeit von der gemessenen Zeitdauer korrigiert, so daß die tatsächlich angesaugte Luftmasse ermittelt wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit dem eine Erkennung der Umkehrpunkte der Strömungsrichtung zuverlässig möglich ist, ohne daß eine Beeinträchtigung durch möglicherweise auftretende Störungen erfolgt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit dem Merkmalen des Anspruchs 20.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß durch eine verbesserte Erfassung der Um­ kehrpunkte der Strömungsrichtung eine erhöhte Genauig­ keit des Meßsystems gewährleistet ist. Darüber hinaus hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß das Meßsystem in hohem Maße unempfindlich auf Störimpulse reagiert, die dem Ausgangssignal des Durchsatzmeßwert­ gebers überlagert sind.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, nur einen bestimmten Amplitudenbereich der Ausgangssignale des Durchsatzmeß­ wertgebers auf derartige Umkehrpunkte zu untersuchen und diesen Bereich beispielsweise zeitabhängig oder drehzahlabhängig zu variieren, wodurch die Genauigkeit des Meßsystems weiter erhöht wird.

Diese gesteigerte Genauigkeit der Erfassung von Strö­ mungsumkehrpunkten erlaubt darüber hinaus eine Weiter­ verarbeitung des Summensignals der diskreten Zahlenwerte mit einer erhöhten Auflösung.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbei­ spiels in Verbindung mit der Zeichnung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 Ausgangssignale des Durchsatzmeßwert­ gebers, Fig. 2 das dem Verfahren zugrundeliegende Prinzip der Erkennung einer Strömungsrichtungsänderung, Fig. 3 und 4 eine anschauliche Darstellung der Vor­ gehensweise zur Korrektur der Meßwerte, Fig. 5 ein detailliertes Flußdiagramm zur Auswertung der Meßwerte, Fig. 6 verschiedene Zeitdiagramme des Verlaufs der Parameter des Flußdiagramms 5 für beispielhafte Signal­ formen des Durchsatzmeßwertgebers, Fig. 7 ein Aus­ führungsbeispiel der Vorrichtung nach dem Patentanspruch 20 und Fig. 8 ein weiteres, gegenüber der Fig. 5 modi­ fiziertes Flußdiagramm zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens.

Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Kraft­ stoffzumeßsignals für eine Brennkraftmaschine. Als Lastfühler ist ein Konstant-Temperaturanemometer im Ansaugkanal der Brennkraftmaschine vorgesehen. Der­ artige Einrichtungen sind schon seit langem Stand der Technik und beispielsweise in der US-PS 42 75 605 be­ schrieben, die, wie auch die DE 33 04 710 A1, als Referenz herangezogen werden kann. Im weiteren wird daher nur auf die für die Erfindung spezifischen Merkmale des Verfahrens und der Vorrichtung näher eingegangen.

Kraftstoffzumeßsysteme benötigen zur korrekten Zumessung eine möglichst genaue Information über die jeweils vom Motor angesaugte Luftmasse. Eine besonders bevorzugte Methode der Luftmassenbestimmung besteht in der Verwen­ dung eines Hitzdraht- oder Heißfilm-Anemometers im Kon­ stanttemperaturbetrieb. Durch die hohe Ansprechgeschwin­ digkeit in der Größenordnung von einer Millisekunde folgt das Ausgangssignal des Luftmassenmessers jeder Pulsation im Luftstrom. Auch rückströmende Luftmassen, wie sie vor allem im Vollastbereich der Brennkraftmaschine als Pul­ sationen im Ansaugrohr auftreten, werden - allerdings mit falschem Vorzeichen - erfaßt. Ohne Korrektormaßnah­ men ergibt sich daher aufgrund der Pulsationen ein zu hoher Meßwert für die angesaugte Luftmasse und damit auch ein Fehler in der Kraftstoffzumessung.

In Fig. 1 sind verschiedene charakteristische Verläufe des Ausgangssignals eines Luftmassenmessers bei vorlie­ gen von Rückpulsationen dargestellt. Gemäß Fig. 1a weist der Signalverlauf zusätzlich zur Pulsationsgrund­ welle Oberwellen auf, wobei die Oberwellen gerader Ord­ nung stark ausgeprägt sind. Das Signal zeigt daher ein mehr oder weniger stark ausgebildetes zusätzliches re­ latives Maximum (Pfeil).

Es sind jedoch auch Signalverläufe bekannt, bei denen die Phasenverschiebung zwischen Grund- und Oberwelle der­ artige Werte annimmt, daß kein zusätzliches relatives Maximum auftritt. Diese Signalverläufe sind in Fig. 1b und 1c dargestellt. Dort machen sich die Rückpulsationen nur noch durch eine Änderung der Steigung der abfallenden oder ansteigenden Flanke des Signals (Pfeile) bemerkbar. Das Problem besteht nun darin, in jedem der Fälle der Fig. 1 das Auftreten von Rückpulsationen sicher zu erkennen. Zur Erfassung von Rückpulsationen aufgrund der spezifischen Signalform wird eine geeignete Schwelle 1 (Fig. 2) für die Steigung, d. h. die zeitliche Ableitung des Ausgangssignals U_H des Luftmassenmessers vorgegeben. Die für Rückpulsationen, bzw. im allgemeinen für Umkehrungen der Strömungsrichtung charakteristischen Punkte des Aus­ gangssignals werden über eine Periode des Luftmassen­ signals U_H entweder durch zwei Minima oder ein Minimum sowie eine Verringerung der Steigung der Signalflanken definiert.

Im Spezialfall der Fig. 2a ist der Schwellwert für die Steigung durch die dünn eingezeichneten Tangenten dargestellt, wobei im unteren Teil der Figur das Über- und Unterschrittensein dieses Schwellwertes durch die zeitliche Änderung dU_H/dt der Ausgangsspannung als Stufenfunktion auf­ getragen ist. Die für mögliche Rückpulsationen charak­ teristischen Punkte sind durch den Signalwechsels des in Fig. 2a unten aufgetragenen Signals von logisch 0 auf logisch 1 charakterisiert. Um eventuell vorhandene, dem Luftmassensignal U_H überlagerte Störspannungen aus­ zufiltern, wird weiterhin die Bedingung gestellt, daß ein charakteristischer Punkt nur dann vorliegt, wenn die Differenz zwischen der Istwertsteigung und der Schwelle 1 über eine vorgebbare Zeitdauer sowohl vor als auch nach dem Unterschreiten der Schwelle 1 konstantes Vorzeichen aufweist. Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine Hysterese bei der Steigungs­ abfrage einzuführen. Da das Rückpulsationssignal sich auch abhängig von der Motordrehzahl ändern kann, hat es sich in verschiedenen Anwendungsfällen als notwen­ dig erwiesen, die Schwelle 1 drehzahl- oder lastab­ hängig zu verändern. Insbesondere bei Rückpulsations­ signalen der Fig. 1b und 1c hat es sich, wie Untersuchungen zeigten, als vorteilhaft herausgestellt, während einer Periode zur Ermittlung des ersten und zweiten charak­ teristischen Punktes unterschiedliche Schwellwerte für die Schwelle 1 zu wählen, wie es in Fig. 2b schematisch dargestellt ist. Auch diese verschiedenen Schwellwerte der Schwelle 1 können darüber hinaus noch drehzahlabhängig verändert werden.

Nach der Erfassung der charakteristischen Punkte des Aus­ gangssignals des Luftmassenmessers wird nur dann auf Rückpulsation erkannt, wenn während einer Periodendauer mehr als ein charakteristischer Punkt erfaßt wurde. Im allgemeinen treten beim Vorliegen von Rückpulsationen zwei charakteristische Punkte während einer Signalperiode auf, wobei die zu den charakteristischen Punkten ge­ hörigen Signalamplituden in der Regel unterhalb des Signalgleichanteils des Ausgangssignals des Luft­ massenmessers liegen.

Die mit dem Rückpulsationsfehler behafteten Luftmassen­ messungen lassen sich gemäß Fig. 3 dadurch korrigieren, daß während der Zeitabschnitte, die während einer Perioden­ dauer durch die charakteristischen Punkte begrenzt werden, die gemessenen Luftmassenwerte mit einem Faktor F-F negativ bewertet werden. Der Faktor F nimmt Werte größer 1 an, da die Empfindlichkeit des Durchsatzmeßwertgebers für Vor- und Rückströmung unterschiedlich hoch ist. In der Praxis haben sich für F Werte im Bereich 1,10 ≲ |F| ≲ 1,30 als geeignet erwiesen.

Die Rückpulsationskorrektur läuft im Prinzip folgender­ maßen ab: Sobald mindestens zwei charakteristische Punkte während einer Signalperiode erkannt wurden, liegt Rückpulsation vor. Eine Korrektur erfolgt während der ersten Rückpulsationsperiode noch nicht. (Es sind keine Speicher zur Zwischenspeicherung vorge­ sehen). Wie in Fig. 4a dargestellt, wird erst während der folgenden Perioden eine Korrektur der gemessenen Luftmassenwerte während der Zeitabschnitte, die durch die charakteristischen Punkte begrenzt werden vorge­ nommen. Endet die Rückpulsation, so wird systembedingt während der Zeitdauer zwischen der Erfassung des ersten charakteristischen Punktes (der immer erfaßt wird) und dem Zeitpunkt, zu dem erkannt wird, daß kein zweiter charakteristischer Punkt vorhanden ist, fälschlicherweise korrigiert. Um diesen systembedingten Fehler nach Ende der Rückpulsation zu minimieren, ist eine Schwelle 2 mit einem Schwellwert vorgesehen, der Werte in der Größenordnung des Mittelwerts der Ausgangssignalspannung des Luft­ massenmessers annimmt. Diese zweite Schwelle 2 begrenzt den Signalbereich der Ausgangssignale, der auf charak­ teristische Punkte überprüft werden soll. Nur für Werte des Ausgangssignals unterhalb dieser zweiten Schwelle 2 wird eine Erfassung von charakteristischen Punkten vorgenommen. Durch die Einführung dieser zweiten Schwelle 2 wird der systembedingte Fehler der fälschlichen Korrektur von den Ausgangssignalwerten zeitlich auf circa ¼ der Periodendauer des Ausgangssignals eingeschränkt.

Eine weitere, in Fig. 4b dargestellte Möglichkeit be­ steht in einer Begrenzung der Signalabschnitte auf Über­ prüfung nach charakteristischen Punkten mittels einer zweiten Schwelle 2, die ausgehend vom Spitzenwert des Ausgangssignals des Durchflußmessers über eine Periode zeitlich abgeregelt wird. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, diese zweite Schwelle 2 drehzahl- oder auch last­ abhängig abzuregeln. Hierdurch ist eine weitere Ver­ ringerung des systembedingten Fehlers nach Ende der Rück­ pulsationen möglich.

Eine dritte Ausführungsform basiert auf der Einführung einer drehzahlabhängigen, zeitlichen Begrenzung der Über­ prüfung der Signalform auf charakteristische Punkte. Ausgehend vom Spitzenwert des Signals wird ein Zeit­ fenster gesetzt, dessen Breite wiederum drehzahl- oder aber lastabhängig einstellbar ist, wobei nur innerhalb dieses Zeitfensters während jeder Signalperiode eine Erfassung von charakteristischen Punkten möglich ist. Auch durch diese Maßnahme ist eine Verringerung des system­ bedingten Fehlers möglich.

Die vorhergehenden Erläuterungen wie auch die nachfol­ gende detaillierte Darstellung eines Ausführungsbeispiels sind nicht auf Ausgangssignale des Durchflußmengen­ messers gemäß Fig. 1a beschränkt, sondern lassen sich auch ohne weiteres auf die Signalform der Fig. 1b und 1c übertragen. Maßgebend hierfür ist alleine die spezielle Wahl der Schwellwerte der ersten Schwelle 1, wie es in Fig. 2a und 2b veranschaulicht ist. Die Erläute­ rungen wurden alleine aus Gründen einer einfacheren Dar­ stellungsweise auf die Signalform der Fig. 1a beschränkt.

In Fig. 5 ist ein Flußdia­ gramm zur Durchführung einer Durchsatzmessung dargestellt. Die Ausgangssignale des Durchflußmengen­ messers werden mittels eines Analog/Digital-Wandlers mit einer einstellbaren Abtastrate in digitalen Zah­ lenwerte gewandelt, so daß je nach Abtastrate in einem Abstand von ca. 1 Millisekunde ein aktueller, digitali­ sierter Wert U_H (K) mit t_K-t_K-1 ≅ 1 Millisekunde vorliegt.

Zusammenfassend seien zunächst die wesentlichen Schritte des Verfahrens aufgelistet. Ein charakteristischer Punkt wird dann erkannt, wenn

• a) die Steigung von U_H während mindestens zwei aufein­ anderfolgender Abtastzeitpunkte innerhalb einer Periodendauer von U_H geringer als die vorgebbare Schwelle 1 ist, und
• b) anschließend die Steigung von U_H während mindestens zwei aufeinanderfolgender Abtastzeitpunkte oberhalb der vorgebbaren Schwelle 1 liegt (durch diese Maß­ nahmen werden eventuell vorhandene, dem Ausgangs­ signal des Durchflußmengenmessers überlagerte Stör­ spitzen ausgeblendet).

Falls mehr als zwei charakteristische Punkte wäh­ rend einer Periode erkannt werden, bestimmen die ersten beiden charakteristischen Punkte den An­ fangs- und Endpunkt des Zeitintervalls, während dem die Meßwerte mit dem Faktor -F bewertet wer­ den.

Die Schwelle 2, über die der Signalabschnitt be­ stimmt wird, welcher auf charakteristische Punkte zu überprüfen ist, wird durch den Signalmittelwert des Ausgangssignals des Durchflußmengenmessers plus einen einstellbaren Offset gebildet.

Die im Diagramm der Fig. 5 verwendeten Variablen haben folgende Bedeutung:

Steig: Flag 1, wenn die Steigung von U_H den Schwellwert 1 überschreitet, 0 sonst.

Salt: Salt ist identisch mit dem um eine Abtastperiode verschobenen Signal Steig.

Wende: Flag 1 während der ersten beiden charakteristischen Punkte einer Periode, falls solche vorhanden, 0 sonst.

Erk: Dieses Steuerflag bewirkt, daß Störspitzen aus­ geblendet werden.

Ende: Flag 1, wenn während einer Periode zwei charakteri­ stische Punkte erkannt wurden, 0 sonst (durch diese Variable wird verhindert, daß weitere, eventuell vorhandenen charakteris­ tische Punkte während dieser Periode berück­ sichtigt werden).

Rück: Flag 1 wenn Rückpulsation erkannte 0 sonst.

K: Laufindex.

Nach der Initialisierung des Programmteils werden den im Programm verwendeten Variablen die gemäß Block 50 der Fig. 5 definierte Werte zugewiesen. In Block 51 wird die Variable SALT definiert, und im Block 52 der Ver­ gleich der Steigung des Ausgangssignals U_H mit dem Schwellwert 1 durchgeführt. Entsprechend den Resultaten dieses Vergleichs wird die Variable Steig auf 0 bzw. 1 gesetzt. Über die Abfrage in Block 53 werden die Signal­ abschnitte ausgewählt, welche auf charakteristische Punkte zu überprüfen sind. Handelt es sich um Werte von U_H (k) oberhalb des Schwellwerts 2, so wird im Block 63 geprüft, ob die Variable WENDE den Wert 1 besitzt, was der negativen Halbperiode nur beim erstmaligen Überschrei­ ten des Schwellwertes 2 der Fall sein kann. Wenn WENDE = 1 erfüllt ist, wurde während der vorangehenden Halb­ periode nicht der charakteristische Verlauf einer Rück­ pulsation erkannt, sondern nur ein charakteristischer Punkt. Im Block 64 wird-die Rückpulsationsvariable RUECK deshalb auf den Wert 0 gesetzt (falls zuvor Rückpulsation erkannt wurde erfolgt hiermit ein Abbruch) und der Vari­ ablen WENDE wird als Startwert für die folgende negative Halbperiode der Wert Null zugewiesen. Wird im Block 63 erkannt, daß WENDE den Wert Null besitzt, so erfolgt für die Rückpulsationsvariable RUECK keine Änderung.

Im Block 65 wird als Startwert der Variablen ENDE für die folgende Halbperiode der Wert Null zugewiesen. Die nach­ folgende Luftmassenbewertung erfolgt im Block 66 mit dem Faktor Eins (kein Zeitintervall mit Rückpulsation).

Liegt U_H(k) im Block 53 jedoch unterhalb des Schwellwertes 2 und wurden während des Signalverlaufes unterhalb des Schwellwertes 2 nicht bereits 2 charakteristische Punkte erkannt (Block 54, ENDE = 0), so wird in den Blöcken 55, 56 und 57 geprüft, ob während Schritt (k) und Schritt (k-1) steigender Signalverlauf vorliegt bzw. vorlag (STEIG = 1 und SALT = 1) und während Schritt (k-2) und Schritt (k-3) der Signalverlauf fallend war (im Zweig 57 wurde ERK auf Null gesetzt, falls während und vor dem (k-2)-ten Schritt fallender Signalverlauf erkannt wurde).

Sind diese Bedingungen erfüllt, so liegt ein charakteris­ tischer Punkt vor. Nachfolgend muß geprüft werden, ob es sich um den ersten oder bereits den zweiten charakteris­ tischen Punkt unterhalb des Schwellwertes 2 handelt. Dies erfolgt im folgenden, nachdem im Block 67 der Variablen ERK der Startwert Eins zugewiesen wurde (Verriegelung des Pfades zwischen Block 58 und 67 bei weiter steigendem Sig­ nal). Besitzt bei der Abfrage in Block 68 die Variable WENDE den Wert Null, so liegt der erste charakteristische Punkt unterhalb der Schwelle 2 vor und es erfolgt im Block 69 die Zuweisung WENDE = 1. Wird bei der Abfrage in Block 68 WENDE = 1 erkannt, so liegt der zweite charakteristische Punkt vor und somit ist ein charakteristischer Rückpulsationsver­ lauf erkannt worden. Im Block 70 wird deshalb RUECK = 1 ge­ setzt (Rückpulsation erkannt), WENDE wird gleich Null ge­ setzt (2. charakteristische Punkt erkannt). Zur Verriegelung wird - falls weitere charakteristische Punkte unterhalb der Schwelle 2 vorliegen sollten (Rückpulsationen nur zwischen den ersten beiden charakteristischen Punkten) - im Hin­ blick auf die Abfrage im Schritt (k + 1) im Block 54 ENDE = 1 gesetzt.

Falls die Bedingungen für die Pfade zu Block 59 erfüllt sind und im (k-1)-ten Schritt Rückpulsation erkannt wurde (RUECK = 1), so wird nach der Abfrage in den Blöcken 59 und 60 (bei WENDE = 1) U_H(k) mit dem Faktor - F bewertet. Daran anschließend erfolgt in Block 62 eine Erhöhung des Laufindex um 1 und es erfolgt beginnend bei Block 51 die zyklische Wiederholung des Programmablaufs.

Zum besseren Verständnis des Funktionsablaufes ist in Fig. 6 anhand einiger beispielhafter Signalverläufe das Zeitverhalten der im Programmteil der Fig. 5 angesprochenen Variablen detailliert dargestellt. Die Diagramme sprechen für sich, so daß nur einige wesentliche Punkte herausgehoben werden sollen. Im Spezialfall Fig. 6 wurde der Schwellwert der Schwelle 2 exakt als Mittel­ wert des Ausgangssignals U_H definiert. Die Abtastzeit­ dauer Δt zwischen zwei Abtastungen des Signals U_H er­ gibt sich aus dem Zeitintervall Δt, um das der Kurven­ verlauf Steig zu verschieben ist, damit die Kurvenver­ läufe von Steig und Salt zur Deckung kommen. Die Diagramme der Fig. 6b, c sind derart zu verstehen, daß zur Zeit t = 0 die Variablen die Werte annehmen, die zum Zeitpunkt t = 0 im Diagramm 6a vorliegen. Eine Rückpulsationskorrektur ist, wie durch die schraffierten Zeitintervalle angedeutet, immer dann vorgesehen, wenn die Variablen Wende und Rück gleichzeitig den Wert logisch 1 annehmen. Es ist zu er­ kennen, daß nach dem Auftreten einer Rückpulsation wäh­ rend einer Periode des Signals U_H in der nächsten Periode Rückpulsationskorrekturen vorgesehen werden. Anderer­ seits werden, wie aus dem Diagramm der Fig. 6c hervor­ geht, Störspitzen erfolgreich ausgeblendet, so daß diese nicht eine Rückpulsationskorrektur auslösen. Liegen mehr als zwei charakteristische Punkte pro Periode des Signals vor (Fig. 6b), so werden die Korrekturen nur während des Zeitintervalls zwischen den ersten beiden charakteris­ tischen Punkten durchgeführt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens soll anhand des Flußdiagramms der Fig. 8 im folgenden erläutert werden: Die in der Zeichnung und dem Text verwendeten Abkürzungen sind in Fig. 8a, die im wesentlichen die Grundstruktur des Programmes zeigt, näher erklärt. Die Grundstruktur des Programmes gemäß Fig. 8a ist durch die Beschriftung und die bereits erfolgten Er­ läuterungen im vorhergehenden Beschreibungsteil verständ­ lich. Der in Fig. 8b dargestellte, detaillierte Aufbau des Flußdiagramms gliedert sich in folgende Unterfunktion auf:

Die abgetasteten Spannungswerte der Signalspannung des Anemometers werden zunächst einer Spitzenwertbildungsfunktion unterworfen, wobei im vorliegenden Spezialfall eine Ab­ regelung des Spitzenwertes zwischen den einzelnen Perioden des Meßsignals gemäß Fig. 4b, das heißt insbesondere also eine drehzahlabhängige Abreglung erfolgt. Die Abregelzeit­ konstante ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in einer 16-byte Tabelle abgelegt. Danach werden die Abtastwerte für die Meßspannung (MLHD) eine Linearisierungsfunktion f (MLHD) unterworfen, wobei diese Linearisierungsfunktion in an sich bekannter Weise über eine Nachschlagtabelle realisiert werden kann. Im Anschluß an diese Linearisierung werden Steigungsbits STALT und STNEU gebildet. Durch Um­ schalten der Grenzsteigung STOFF abhängig von der Vorge­ schichte (STALT), wird die Entstörung für sehr kleine Steigungen (< STOFF) nahe der Horizontalen aufgehoben. Das erhöht die Treffsicherheit der Rückstromerkennung bei "kleinen schnellen Buckeln".

Der Algorithmus zur Rückströmerkennung wird erst dann durch­ laufen, wenn die Amplitude der MLHD-Schwingung einen Mindestwert DLTMLH überschreitet. Bewegt sich das Sig­ nal MLHD in der Nähe des Spitzenwertes MLHX, so werden im allgemeinen alle relevanten Steuerflags zu 0 gesetzt (RUECK, WENDE, ENDE, STEIG). Nur bei zwei erkannten Minima (Rückströmung!) bleibt das Bit RUECK erhalten. Bewegt sich das Signal MLHD länger als eine vorgegebene Zeitdauer, im vorliegenden Spezialfall 15 Millisekunden, in dieser Zone, so kann Rückströmung nicht vorhanden sein (RUECK: = 0). Bei größeren Amplituden von MLHD wird der Rückström­ algorithmus durchlaufen. Zunächst wird eine entstörte Steigungsrichtung gebildet (STEIG). Bei Durchschreiten eines Signalminimums (STEIG 0→1) wird mit dem Bit WENDE das Rückströmfenster gebildet. Das Flag ENDE erlaubt­ eine Rückströmerkennung auch bei einem auftretenden von mehr als zwei Minima. Abschließend erfolgt mittels der Integrationsfunktion eine vorzeichenbehaftete Integration des Anemometers-Meßsignals.

Insgesamt erweist sich das Verfahren gemäß den Ausführungsbeispielen der Fig. 5 und 8 als sehr gut geeignet, die Nachteile bekannter Verfahren zu vermeiden und damit eine hohe Genauigkeit in der Meßwert­ verarbeitung zu gewährleisten, wobei sich andererseits der Programmaufwand und die Rechenzeit zur Durchführung des Verfahrens in Grenzen hält.

In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens darge­ stellt. Die Ausgangssignale des Durchflußmengenmessers sind symbolisch durch eine Spannungsquelle 20, die die Signal U_H liefert dargestellt. Die Signale der Spannungs- Quelle 20 werden dem Eingang eines Differenzverstärkers 21 zugeführt, dessen anderer Eingang über einen Spannungs­ teiler, bestehend aus den Widerständen 22 und 23 mit einer Referenzspannung 24 beaufschlagt ist. Die Ausgangssignale des Differenzverstärkers 21 werden von einem Analog/Digi­ tal-Wandler 25 digitalisiert, wobei die Referenzspannung 24 ebenfalls an den Analog/Digital-Wandler 25 angeschlossen ist. Ein Taktgenerator 26 erzeugt eine Taktfrequenz, die variabel einstellbar ist und die Abtastrate des Analog/Digital-Wandlers 25 bestimmt. Die digitalen Ausgangssignale des Analog/Digital-Wandlers 25 durchlau­ fen eine Linearisierungseinheit 27, die beispielsweise als Kennfeldtabelle (look up table) ausgebildet ist. Der Linearisierungseinheit 27 folgt eine Bewertungseinheit 28, die die digitalen Signale entweder ungeändert oder mit einem Faktor (-F) multiplikativ gewichtet passieren läßt. Angesteuert wird diese Bewertungseinheit 28 von einer Rückpulsationserkennungseinheit 29, die ebenfalls mit den Signalen der Linearisierungseinheit 27 beaufschlagt ist und nach dem beschriebenen Verfahren zur Erkennung einer Strömungsrichtungsänderung arbeitet. In einer Summationsstufe 30 wird eine bestimmte Mindestanzahl von linearisierten und bewerteten Abtast­ werten aufsummiert und in einem Schrittzähler 31 die Anzahl der Summationsschritte gespeichert. Zur Ablauf­ steuerung ist der Schrittzähler 31, die Summationsstufe 30, die Rückpulsationserkennungseinheit 29 sowie die Linearisierungsfunktion 27 ebenfalls mit den Ausgangs­ signalen des Taktfrequenzgenerators 26 verbunden. Der Ausgang des Schrittzählers 31 ist an einem Komparator 32 sowie einem Speicher 33 angeschlossen. Der Komparator 32 vergleicht den Inhalt des Schrittzählers mit einem beispielsweise von der Drehzahl oder der Drehzahländerung abhängigen Schwellwert. Nach Erreichen einer durch den Schwellwert bestimmten Mindestanzahl von Summationsschritten wird bei Eintreffen des nächsten OT-Impulses (der beispielsweise von einem Bezugsmarkengeber abgeleitet wird) über die Ausgangssignale einer UND-Funk­ tion der Summationsvorgang in der Summationsstufe 30 ab­ gebrochen. Gleichzeitig steuern die Ausgangssignale der UND-Funktion 34 ein Umladen des Inhalts des Schrittzäh­ lers 31 in den Speicher 33 ebenso wie ein Umladen des Inhalts der Summationsstufe 30 in einen weiteren Speicher 35. Nach diesem Umladevorgang werden die Inhalte der Summa­ tionsstufe 30 und des Schrittzählers 31 auf Null gesetzt, so daß ein neuer Summationsvorgang beginnen kann.

Es hat sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, während großer dynamischer Änderungen des Ausgangssignals des Luftdurchsatzmengenmessers, die im Fall einer Brennkraft­ maschine beispielsweise über Drehzahländerungen erkannt werden können, die durch den Schwellwert des Komparators 32 bestimmte Mindestanzahl der Summationsschritte auf kleinere Werte (beispielsweise von 32 Werten auf 8 Werte) herabzusetzen. Auf diese Weise kann die Messung in Über­ gangsbereichen schnell sein, ohne daß im stationären Be­ trieb die Genauigkeit verringert wird.

Das in dem weiteren Speicher 35 abgespeicherte Summations­ ergebnis wird schließlich durch die im Speicher 33 abge­ legte Anzahl der Summationsschritte in einer Divisions­ stufe 36 dividiert. Als Endergebnis liegt somit ein über eine durch den Schwellwert des Komparators 32 festgelegte Zeitdauer integrierter Massenfluß pro Zeiteinheit vor. Dieses Signal kann dann wie üblich zur Berechnung der Einspritzzeit t_L verwendet werden.

Da aufgrund der Integration des Ausgangssignals des Luft­ mengendurchsatzmessers ein Großteil der dem Ausgangssignal überlagerten statistischen Schwankungen weggemittelt wird, besteht die Möglichkeit, das integrierte Signal mit einer höheren Auflösung als der des Analog/Digital-Wandlers weiterzuverarbeiten. Wird beispielsweise ein 8-Bit-Analog/ Digital-Wandler eingesetzt, so weist dieser eine Auflösung von ca. 4 Promille auf, während aufgrund des Mittlungs­ vorganges eine Weiterverarbeitung des integrierten Sig­ nals als 11-Bit-Zahl mit einer Auflösung von ca. 0,5 Promille möglich ist. Programmtechnisch läßt sich dies einfach dadurch erreichen, daß der Inhalt des Speichers 35 nur durch einen Bruchteil des in Speicher 33 abgelegten Wertes dividiert und den Ziffern der resultierenden Zahl ein anderer Stellenwert zugeordnet wird.

Weiterhin läßt sich durch diese Vorrichtung auch eine wirksame Antiruckelschaltung durch eine Bedämpfung des Luftmassensignals realisieren, da die Information über den Luftdurchsatz pro Zeiteinheit explizit vorliegt und nicht mit anderen Größen, beispielsweise der Motorlast vermischt ist.

Claims (20)

1. Verfahren zur Messung eines zeitlich periodisch variierenden Durchsatzes eines ein Rohr durchströmenden Mediums, insbesondere des Luftdurchsatzes im Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine, mit einem auf die Strömungsrichtung des Mediums unempfindlichen Durchsatzmeßwertgeber mit analogen Ausgangssignalen, die mit einer einstellbaren Abtastrate in eine Folge diskreter Zahlenwerte gewandelt werden, bei dem der periodische Verlauf des Ausgangssignals des Durchsatzmeßwertgebers zur Erfassung von Zeitpunkten des Auftretens von Änderungen der Strömungsrichtung ausgewertet und die Zeitdauer geänderter Strömungsrichtung über Korrekturfaktoren bei der Ermittlung des Durchsatzwertes berücksichtig wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitpunkte des Auftretens von Änderungen der Strömungsrichtung nach folgenden Schritten ermittelt werden:

• a) Bilden von Differenzwerten aufeinanderfolgender Zahlenwerte der Zahlenfolge als Maß für die jeweilige Änderung des Ausgangssignals des Durchsatzmeßwertgebers,
• b) Vergleichen der Differenzwerte mit einem ersten Schwellwert,
• c) Bestimmen von charakteristischen Zeitpunkten, zu denen die Differenzwerte den ersten Schwellwert entweder jeweils überschreiten oder jeweils unterschreiten,
• d) Erkennen auf Änderung der Strömungsrichtung beim Vorliegen von zwei oder mehr als zwei charakteristischen Zeitpunkten pro Periode des Ausgangssignals des Durchsatzmeßwertgebers und Bestimmen der Zeitpunkte des Auftretens von Änderungen der Strömungsrichtung unter den charakteristischen Zeitpunkten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Über/Unterschreiten des ersten Schwellwertes durch einen Differenzwert nur dann berücksichtigt wird, wenn wenig­ stens zwei vorhergehenden Differenzwerte den ersten Schwellwert unter/überschritten haben.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Über/Unterschreiten des ersten Schwell­ wertes durch einen Differenzwert nur dann berücksichtigt wird, wenn der darauffolgende Differenzwert ebenfalls den ersten Schwellwert über/unterschreitet.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwellwert von der Abtastrate abhängig ist oder innerhalb einer Periodenzeitdauer des Ausgangssignales des Durchsatzmeßwertgebers wenigstens in Abhängigkeit von der Periodenzeitdauer änderbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schwellwert innerhalb einer Periodenzeitdauer des Ausgangssignals zwei unterschiedliche Werte annimmt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Schwellwert vor­ gesehen ist, wobei für Ausgangssignale des Durchsatz­ meßwertgebers oberhalb dieses zweiten Schwellwertes nicht auf ein Vorliegen einer Änderung der Strömungsrichtung erkannt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schwellwert wenigstens in Abhängigkeit vom Mittelwert des Ausgangssignals des Durchsatzmeßwertgebers bestimmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schwellwert durch den Mittelwert des Ausgangs­ signals und einen additiven Zusatzwert gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schwellwert in Abhängigkeit vom Spitzenwert des Ausgangssignals des Durchsatzmeßwertgebers ermittelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schwellwert in Abhängigkeit von der Perio­ denzeitdauer des Ausgangssignals abgeregelt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer Erkennung auf Strömungsrichtungsänderung das Zeitintervall zwischen dem ersten und dem zweiten charakteristischen Zeitpunkt als Dauer der Strömungsrichtungsänderung definiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge der diskreten Zahlenwerte während dieses Zeitintervalls mit einem negativem Korrekturfaktor (-F) bewertet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturfaktor F Werte F < 1, vorzugsweise Werte 1,10 ≲ |F| ≲ 1,30 annimmt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastrate in Abhängig­ keit von der Periodenzeitdauer oder dem Gradienten des Ausgangssignals des Durchgangsmeßwertgebers einstellbar ist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge diskreter Zahlen­ werte über eine vorgegebene Zeitdauer aufsummiert wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgegebene Zeitdauer in Abhängigkeit von der Periodenzeitdauer oder dem Gradienten des Ausgangssignals des Durchgangsmeßwertgebers einstellbar ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Summenwert der aufsummierten Zah­ lenwerte mit einer gegenüber der Auflösung der einzelnen Zahlenwerte erhöhten Auflösung weiter verarbeitet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung in Schritten 2ⁿ, n = 1, 2, 3, . . . er­ höht wird.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Konstanttemperatur-Anemometer mit Hitzdraht oder Heißfilm als Durchsatzmeßwertgeber ist.

20. Vorrichtung zur Messung eines zeitlich periodisch variierenden Durchsatzes eines ein Rohr durchströmenden Mediums mit einem auf die Strömungsrichtung des Mediums unempfindlichen Durchsatzmeßwertgeber, mit einem Analog/Digital-Wandler und einem Taktgenerator zur Wandlung der Ausgangssignale des Durchsatzmeßwertgebers in eine Folge diskreter Zahlenwerte sowie mit einer Auswerteanordnung, die Mittel zur Linearisierung zur Erkennung von Änderungen der Strömungsrichtung und zur Summation umfaßt, mit einem Komparator zum Vergleich von Zahlenwerten und wenigstens einem Speicher, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (29) zur Erkennung von Änderungen der Strömungsrichtung Differenzwerte aufeinanderfolgender Zahlenwerte der Zahlenfolge bilden, die Differenzwerte mit einem ersten Schwellwert vergleichen, charakteristische Zeitpunkte ermitteln, zu denen die Differenzwerte den ersten Schwellwert entweder jeweils überschreiten oder jeweils unterschreiten, und mittels der charakteristischen Zeitpunkte auf Änderung der Strömungsrichtung erkennen und daß die Mittel (30) zur Summation die vom Analog/Digital-Wandler (26) erzeugten diskreten Zahlen nach erkannter Änderung der Strömungsrichtung mit einem negativen Faktor bewerten.