(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス流量センサ（１０）の合成全流量を求める方法であって、
・アネモメータ方式にしたがって動作し、流れ方向において相前後して配置されている２つのセンサエレメント（１５，１６）を備えた排気ガス流量センサ（１０）で比熱出力を求めるステップと、
・格納されている第１の特性マップ（２９）から、流量絶対値の和
【数１】
0005479654.tif 000015
を求め、ここで、
【数２】
0005479654.tif 000016
は定められた流れ方向における流量であり、
【数３】
0005479654.tif 000017
は前記定められた流れ方向に対して反対向きの流量であり、前記比熱出力は前記流量絶対値の関数である、ステップと、
・正規化された温度勾配を求め、ここで、前記温度勾配は、第２のセンサエレメント（１６）の第２の温度センサおよび第１の温度センサ（１８，１７）の各温度測定値間の温度差の、前記第２のセンサエレメント（１６）の複数の温度測定値から求められた温度値と第１のセンサエレメント（１５）の１つの温度測定値との温度差に対する比として定義されている、ステップと、
・格納されている第２の特性マップ（３０）から、逆流比率
【数４】
0005479654.tif 000018
を求め、ここで、前記逆流比率は前記正規化された温度勾配に依存する前記比熱出力の関数であるステップと、
・式
【数５】
0005479654.tif 000019
にしたがって合成全流量を求めるステップと
を含む
ことを特徴とする排気ガス流量センサでの合成全流量を求める方法。
【請求項２】
比熱出力を求めるために、前記第１のセンサエレメント（１５）により排気ガス温度を求め、前記第１のセンサエレメントの後方に配置されている前記第２のセンサエレメント（１６）を、通流する排気ガスの温度に比べて高い温度まで加熱し、これにより、前記第２のセンサエレメント（１６）を通流する排気ガスによって熱損失を生じさせ、前記比熱出力を、前記第２のセンサエレメント（１６）から放出される出力と、前記第２のセンサエレメント（１６）および前記第１のセンサエレメント（１５）間の温度差との比として定める、請求項１記載の排気ガス流量センサでの合成全流量を求める方法。
【請求項３】
前記第２のセンサエレメント（１６）での温度値を、第１の温度センサ（１７）および第２の温度センサ（１８）の各温度測定値の算術平均値から形成する、請求項１または２記載の排気ガス流量センサでの合成全流量を求める方法。
【請求項４】
定められた逆流比率ごとに前記温度勾配に依存した比熱出力を実験によって求めることにより、前記第２の特性マップ（３０）を求める、請求項１から３までのいずれか１項記載の排気ガス流量センサでの合成全流量を求める方法。
【請求項５】
定められた流量の和から比熱出力を実験によって求めることにより、前記第１の特性マップ（２９）を求める、請求項１から４までのいずれか１項記載の排気ガス流量センサでの合成全流量を求める方法。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項記載の排気ガス流量センサでの合成全流量を求める方法を実行する排気ガス流量センサ（１０）であって、
流れ方向において相前後して配置されている２つのセンサエレメント（１５，１６）と、
第１の特性マップ（２９）および第２の特性マップ（３０）を格納した評価ユニット（２８）と
から形成されており、
第２のセンサエレメントは流れ方向において相前後して配置されている少なくとも２つの温度センサ（１７，１８）を備えている
ことを特徴とする排気ガス流量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ガス流量センサでの合成全流量を求める方法、および、この方法を実行するための排気ガス流量センサに関する。
【０００２】
自動車分野における新たな排気ガス基準のますます厳しくなる要求に適合するよう、排気ガス後処理システムなどの機関内部の一連の手段が現在および将来の自動車コンセプトの固定的要素となってきている。ただし、こうした手段、例えば排気ガス冷却再循環システムの全能力は、導入される排気ガス流がそのつどの機関動作状態に対して厳密に適合化されていないかぎり、充分に活用できない。したがって、機関制御および特にこの制御に用いられるセンサシステムへの要求が高まっている。
【０００３】
高温の排気ガスが通流する管において流量を求めるには、アネモメータ方式にしたがって動作する排気ガス流量センサが使用されることが多い。
【０００４】
ここで、重要な要求の１つとして、主に内燃機関内の負荷変化過程に起因する排気ガス流の脈流の識別、および、排気ガス流の正確な方向識別を前提とした正確な平衡化が挙げられる。
【０００５】
従来技術から、排気ガス流量センサを用いて、流れ方向または流れ方向の変化に応じて排気ガス流を測定することが公知である。
【０００６】
こうした排気ガス流量センサは独国出願第１０２００６０３０７８６号から公知である。ここに示されている排気ガス流量センサは、直列に配置された２つのセンサエレメントを有しており、第２のセンサエレメントが直列に配置された２つの温度センサから成っている。流れ方向の前方に配置された第１のセンサエレメントは、白金薄膜抵抗の形態で実現された温度測定エレメントである。この第１のセンサエレメントは排気ガス温度を測定する。流れ方向で見た後方に配置された第２のセンサエレメントは、同様に白金薄膜抵抗の形態で実現されたヒータエレメントである。この第２のセンサエレメントが電気的加熱によって高温へ加熱されることにより、主として対流によって排気ガス流への熱放出が起こる。温度変化を測定することにより、または、第２のセンサエレメントの温度を一定に保つのに必要な電力消費量を測定することにより、適切なアルゴリズムを用いて、排気ガス流量を求めることができる。第２のセンサエレメント上に２つの個別の温度センサが配置されるため、排気ガス流の方向を識別することができる。
【０００７】
しかし、従来技術には、こうした排気ガス流量センサによる流れ方向識別、特に、排気ガスに脈流が発生した場合の合成全流量を取得するための計算法は示されていない。
【０００８】
排気ガス流量センサは典型的には熱に対して不活性のセンサであり、つまり、抵抗エレメントの材料強度を利用したセンサであって、排気ガス温度、特に脈流を起こした排気ガスの温度を機関の脈動周波数よりも緩慢に求めることができる。逆流成分をともなう脈流が生じると、機関の排気ガスの脈流に起因する流量の変動が識別されないのに、第２のセンサエレメントの平均加熱エネルギが著しく高まる。したがって、排気ガスセンサから誤った排気ガス流量値が出力される。また、所定の時間領域にわたって抵抗エレメントに発生する温度が逆流成分ごとに異なってくる。
【０００９】
したがって、本発明の課題は、排気ガス流量センサでの合成全流量を求める方法を提供し、排気ガスに脈流が生じる場合にも排気ガス流量を正確に求めることができるようにすることである。また、本発明は、こうした方法を実行する排気ガス流量センサを提供することも目的とする。
【００１０】
この課題は、請求項１記載の方法、ならびに、この方法を実行する請求項６記載の排気ガス流量センサにより解決される。
【００１１】
本発明の排気ガス流量センサでの合成全流量を求める方法によれば、最初のステップで、アネモメータ方式にしたがって動作し、流れ方向において相前後して配置されている２つのセンサエレメントを備えた排気ガス流量センサで、比熱出力が求められる。次のステップでは、格納されている第１の特性マップから、流量絶対値の和
【数１】
0005479654.tif 000002
が求められ、ここで、
【数２】
0005479654.tif 000003
は定められた排気ガスの流れ方向における流量であり、
【数３】
0005479654.tif 000004
は定められた排気ガスの流れ方向に対して反対向きの流量である。第１の特性マップでは、比熱出力は、流量絶対値の関数である。続くステップでは、正規化された温度勾配が求められる。ここで、温度勾配は、第２のセンサエレメントの第２の温度センサおよび第１の温度センサの各温度測定値間の温度差の、第２のセンサエレメントの複数の温度測定値から求められた温度値と第１のセンサエレメントの１つの温度測定値との温度差に対する比として定義されている。さらなるステップでは、格納されている第２の特性マップから、逆流比率
【数４】
0005479654.tif 000005
が求められる。ここで、逆流比率は比熱出力と正規化された温度勾配との関数である。最後のステップで、式
【数５】
0005479654.tif 000006
にしたがって排気ガス流量センサでの合成全流量が求められる。
【００１２】
こうした方法により、排気ガスに脈流が生じても排気ガス流量を高い信頼性をもって正確に求めることができる。
【００１３】
また、上記課題は、上記方法を実行する排気ガス流量センサであって、流れ方向において相前後して配置されている２つのセンサエレメントと、第１の特性マップおよび第２の特性マップを格納した評価ユニットとから形成されており、第２のセンサエレメントが流れ方向において相前後して配置されている少なくとも２つの温度センサを備えていることを特徴とする排気ガス流量センサにより、解決される。
【００１４】
第２のセンサエレメント上に温度センサを２重に設けることで、温度分布の検出が可能となり、これにより、機関の排気ガスの脈流に起因する排気ガス流量の変動を識別することができる。排気ガス流量センサの評価ユニットに格納されている特性マップによって、排気ガス流量値の逆流成分に依存した測定値補正が可能となるので、いっそう正確な排気ガス流量値を求めることができる。さらに、排気ガス流量センサの評価ユニットにより求められたパラメータを、機関の状態量、例えば空気過剰率λまたはガス圧とともに利用して、最適な機関制御を保証することができる。
【００１５】
本発明の方法の有利な実施形態では、比熱出力を求めるために、第１のセンサエレメントにより排気ガス温度が求められ、第１のセンサエレメントの後方に配置されている第２のセンサエレメントが通流する排気ガスの温度に比べて高い温度まで加熱され、これにより、第２のセンサエレメントを通流する排気ガスによって熱損失が生じる。ここで、比熱出力は、第２のセンサエレメントから放出される出力と、第２のセンサエレメントおよび第１のセンサエレメント間の温度差との比として、定められている。このようなアネモメータ方式にしたがって構成される排気ガス流量センサでは、適切なアルゴリズムを用いることで、排気ガス流量を求めることができる。
【００１６】
有利には、第２のセンサエレメントでの温度値が、第１の温度センサおよび第２の温度センサの各温度測定値の算術平均値から形成される。第２のセンサエレメント上で２つの温度センサが対称に構成されている場合、このことは物理的に有利である。
【００１７】
有利には、定められた流量の和から比熱出力を実験によって求めることにより、第１の特性マップが求められる。このために、装置内の排気ガス流は、測定すべき排気ガスが逆流成分を含まない状態で、つまり純粋な順流のみが存在する状態で、装置を通るように調整される。実験で定められる種々の排気ガス流量により、比熱出力と流量の和との依存関係を求めることができる。したがって、流量の和とは順流成分の絶対値と逆流成分の絶対値とを合わせた値である。
【００１８】
有利には、定められた逆流比率ごとに温度勾配に依存した比熱出力を実験によって求めることにより、第２の特性マップが求められる。ここでは、純粋な脈流が発生した場合、つまり合成全流量がゼロとなった場合に、第２のセンサエレメント上の２つの温度センサ間に温度勾配が生じず、ゆえに温度差ゼロであって、このため、逆流比率が値１を有するケースが相当する。これに対して、純粋な順流が発生している場合、つまり、逆流比率がほぼゼロである場合には、温度勾配は最大となり、温度差はゼロより大きい。合成全流量がゼロより大きくなる全ての状況が相応の装置によってあらかじめ定められている。これは、排気ガス流量において逆流比率を形成し、２つの温度センサ間の温度差と比熱出力との依存関係を求めることによって行われる。
【００１９】
以下に、本発明の方法を実行するのに適した排気ガス流量センサの実施例を、図を参照しながら説明する。また、本発明の方法の主要な動作を示すグラフも参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】排気ガス流量センサの概略図である。
【図２】逆流成分を含む排気ガス流量の時間特性を示すグラフである。
【図３】第１の特性マップの関数を示す図である。
【図４】第２の特性マップの関数を示す図である。
【００２１】
図１には、本発明の方法を実行する排気ガス流量センサ１０が示されている。排気ガス流量センサ１０は排気管１２に配置されたセンサヘッド１４に流れ方向（矢印１１の方向）で見て前後に配置された２つのセンサエレメント１５，１６を有する。
【００２２】
第１のセンサエレメント１５は排気ガス温度を求める純粋な温度測定エレメントである。第２のセンサエレメント１６は，主として、流れ方向において前後に配置された２つの温度センサ１７，１８から成っており、これら２つの温度センサ１７，１８により、温度変化分が測定されるかまたは必要な電力消費量が求められる。
【００２３】
２つのセンサエレメント１５，１６は電気線路２０，２１を介して制御ユニット２２に接続されており、この制御ユニット２２は、電気線路２４を介して、自動車に搭載された（図示されていない）電子システムに接続されている。制御ユニット２２により電気線路２０を介して第１のセンサエレメント１５の温度測定が行われる。同時に、電気線路２１を介して、第２のセンサエレメント１６またはその２つの温度センサ１７，１８の加熱も行われる。第２のセンサエレメント１６から出力される温度値は、２つの温度センサ１７，１８のそのつどの温度測定値の算術平均値から形成される。
【００２４】
評価ユニット２８は電気線路２６を介して制御ユニット２２に接続されており、評価ユニット２８に特性マップ２９，３０が格納されている。第１の特性マップ２９の例は図３に示されている。
【００２５】
ここには、比熱出力［ｍＷ／Ｋ］が、流量の和
【数６】
0005479654.tif 000007
［ｋｇ／ｈ］に依存して表示されている。評価ユニット２８に格納されている第２の特性マップ３０の例は図４に示されている。第２の特性マップ３０には、逆流比率
【数７】
0005479654.tif 000008
が、正規化された温度勾配ｇ＝（ＴＴＳ２−ＴＴＳ１）／（ＴＳＥ２−ＴＳＥ１）に応じた比熱出力ｍＷ／Ｋに依存して表されている。
【００２６】
図２には、順流成分３２および逆流成分３４を含む排気ガス流量ｍｓ［ｋｇ／ｈ］の時間特性の例が示されている。
【００２７】
次に、本発明の方法を９５℃の排気ガス温度の例に則して説明する。
【００２８】
排気ガスは排気管１２を通って矢印１１の向きに流れる。まず、純粋な温度測定エレメントである第１のセンサエレメント１５で、例えば排気ガス温度ＴＳＥ１＝９５℃が測定される。次のステップで、後方に配置された第２のセンサエレメント１６が、通流している排気ガス温度ＴＳＥ１＝９５℃よりも高い平均温度ＴＳＥ２＝２４０°へ加熱され、これにより、第２のセンサエレメント１６を通流する排気ガスが熱損失を生じさせる。第２のセンサエレメント１６から放出されたエネルギは例えばＰ＝２．６１６Ｗである。ここから、比熱出力ＰＳｐｅｚ＝Ｐ／（ＴＳＥ２−ＴＳＥ１）＝１８．０４１ｍＷ／Ｋが得られる。格納されている第１の特性マップ２９から、図３に示されているように、流量絶対値の和
【数８】
0005479654.tif 000009
が求められる。ここで、
【数９】
0005479654.tif 000010
が得られる。さらに、正規化された温度勾配が求められる。この温度勾配は、第２のセンサエレメント１６の２つの温度センサ１７，１８の各温度測定値間の温度差の、第２のセンサエレメント１６の複数の温度測定値から求められた温度値と第１のセンサエレメント１５の温度測定値との温度差に対する比として定義されている。つまり温度勾配はｇ＝（ＴＴＳ２−ＴＴＳ１）／（ＴＳＥ２−ＴＳＥ１）＝（２５３−２２７）／（２４０−９５）＝０．１８となり、これは図４の曲線３６上に存在する。格納されている第２の特性マップ３０から、図４に示されているように、逆流比率
【数１０】
0005479654.tif 000011
が求められる。この場合、逆流比率は
【数１１】
0005479654.tif 000012
である。最後のステップで、合成全流量が、式
【数１２】
0005479654.tif 000013
にしたがって求められる。これは、
【数１３】
0005479654.tif 000014
となる。
【図１】
0005479654.tif 000020
【図２】
0005479654.tif 000021
【図３】
0005479654.tif 000022
【図４】
0005479654.tif 000023