JP3200005B2 - 発熱抵抗式空気流量測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の吸入空
気流量を測定する空気流量計に係わり、特に、脈動流下
で逆流を伴うような条件下における空気流量を測定する
のに適する発熱抵抗体式空気流量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関においては吸気バルブの連続し
た開閉により空気の流れが脈動する。また、吸気ダクト
の気柱振動等もからみ脈動が増幅されエンジン回転数や
スロットルバルブ開度等の特定条件下においては吸気管
内の空気の流れが逆流となる。この逆流は発熱抵抗体式
空気流量測定装置にとって様々な悪影響を及ぼす。この
ため、脈動流下で逆流を伴うような条件下における発熱
抵抗体式空気流量測定装置の計測精度の向上を図る手段
としては、特開平1−206223 号公報に示すようなＩ字形
（あるいはＬ字形）の副空気通路を持つ通路構造が公知
として知られている。即ち、逆方向の流れに対して壁を
設けることにより、発熱抵抗体に直接逆流が当たらない
様な通路構造としたものである。

【０００３】また、更なる逆流影響の低減策として、従
来技術としては特開昭62−812 号公報に記載のものが有
る。これは本発明と同様に二つの発熱抵抗体の熱的な干
渉を用いて空気の流れの方向を検知して、順流時には順
流用の発熱抵抗体の出力電圧を使い、また逆流時には逆
流用の発熱抵抗体の出力電圧を使うように、空気の流れ
の方向によって発熱抵抗体の出力電圧を切り換えて出力
するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般的に一つの発熱抵
抗体では流れの方向を区別して測定する事は困難であ
る。このため、例えば図１０に示すように回転数を一定
に保ちスロットルバルブを徐々に開けてブースト圧を変
えて発熱抵抗体式空気流量計の平均出力をプロットする
と、本来であれば吸入負圧に対して直線的に増加する
が、あるブースト圧以降で実際の出力に対して持ち上が
ってしまう現象が発生する（跳ね上がり現象と呼ぶ）。
これは、スロットルバルブがあまり開いていない状態で
は発熱抵抗体式空気流量測定装置配置部での脈動は小さ
いが、スロットルバルブを徐々に開いていくと脈動振幅
もそれにともない増加し、ある角度（概略３０〜４５
゜）以上になると逆流を伴う脈動振幅になる（図１０内
Ａ点以降）。逆流が発生すると前記した通り発熱抵抗体
は流れの方向を判別できないため順流でも逆流でも同様
に検出してしまうため平均出力が増加してしまうのであ
る。

【０００５】このため、前記した従来技術の一つである
逆方向の流れに対して壁を設けることにより、発熱抵抗
体に直接逆流が当たらないような通路構造とすることで
逆流による誤差は低減可能ではある。しかし、その低減
量は半分でしかない。これは逆流が生じる場合にはその
分順流も増加するためである。よって、逆流による誤差
低減のためには順流のみの計測だけではなく、逆流時に
順流の出力値を減らすか、あるいは順流分から逆流分を
差し引かなければならない。このため、前記したもう一
方の従来技術に示した二つの発熱抵抗体を用いて、二つ
の発熱抵抗体の出力の大小を比較して方向を検出し逆流
が生じた場合に、逆流を検知して逆流分にはマイナスの
符号を付けて差し引くことが考案されている。しかし、
この方式にも課題がある。その一つとしてマイコンへの
データ供給時の分解能の低下があげられる。一般の多く
の自動車用マイコンの取り扱えるＤＣ電圧は０〜５.１
２（Ｖ）である。しかし、この方式のように順流と逆流
とが同様に空気流量対出力電圧の関係を持つと順流の分
解能が低下してしまう。これを極端な例として中間電圧
の２.５６（Ｖ）で区切ると、２.５６（Ｖ）以下は逆流
時の出力電圧の使用範囲、それ以上は順流時の出力電圧
の使用範囲となってしまい、通常大部分を使用する順流
時の出力電圧の分解能が半分となってしまうのである。
順流と逆流の敷居値を本例のように２.５６(Ｖ）とする
のは多少極端な使用例ではあるが少なくとも１（Ｖ）な
いし２（Ｖ）付近に置かなければ逆流は精度良く計測で
きないため、その分順流の分解能が低下してしまうので
ある。

【０００６】更に、発熱抵抗体式自身に熱的な応答遅れ
があると、前記した出力の大小比較の際の特に逆流の出
始めに検出遅れが生じ、この検出遅れが計測精度に影響
を及ぼすことになる。これは図１１に示すように逆流が
出始めたとき（図示Ｂ点）に逆流出力が順流出力を越え
ないため逆流と判断せず、ある程度逆流が生じて図示Ｃ
点付近まできてはじめて逆流と判断するためその分遅れ
るのである。

【０００７】また、従来技術においては順逆出力を空気
の流れに対応して出力の切り換えをおこなうためのスイ
ッチ回路を有しており、信頼性及びコストの面からの課
題が有る。

【０００８】本発明は、前記した発熱抵抗体式空気流量
測定装置の最大の課題の一つである実車装着時の逆流を
伴うような脈動流下における計測精度の向上を図る事を
目的としており、更に、取扱い性，信頼性，コスト的に
も優れた発熱抵抗体式空気流量測定装置を提供すること
を目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、特許請求の
範囲の欄に記載の発明によって達成される。 例えば、上
記、課題に対応するため、二つの発熱抵抗体を空気の流
れに対して熱的に干渉する位置に配置すると共に、順流
時には順逆の出力がほぼ同一となるように回路的な出力
調整をおこない、逆流時には二つの出力に大きな差が出
るようにし、更に、二つの発熱抵抗体の出力の差分を一
方の出力に補正し、逆流時には順流用発熱抵抗体の出力
値を下げることで出力の平均値を下げて補正をおこなう
こととした。これは、逆流時のみに生じる順逆出力の差
を補正値として利用したものである。これによりスイッ
チ回路を利用した順流と逆流の出力の切り換えが不要と
なる。また、順流と逆流の敷居値が不要となり発熱抵抗
体式空気流量測定装置の出力電圧は０〜５.１２(Ｖ）を
使用でき順流時における出力の分解能も確保できる。ま
た、発熱抵抗体に多少の熱的な応答遅れが有っても逆流
時には順流用発熱抵抗体と逆流用発熱抵抗体の出力値に
必ず差が生じるため逆流の検出判断を高精度におこなう
ことが可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１〜図
１２を使い説明する。

【００１１】図１は本発明の一実施例を示す発熱抵抗式
空気流量計の構成を示すブロック図である。エンジンの
吸入空気ダクト内に空気流量計測のための発熱抵抗体が
二本備えられている。図示、吸入空気ダクトの左側はエ
アクリーナ側で右側はエンジン側である。よって、吸入
空気ダクト内を流れる空気の流れの内エアクリーナ側か
らエンジン側に流れる空気の流れが順方向の空気流れ４
であり、その逆が逆方向の空気の流れ５である。

【００１２】吸入空気ダクト内には二つの発熱抵抗体が
配置されそれぞれは独立な駆動回路により駆動される。
理論的には一つの駆動回路でも二つの発熱抵抗体を駆動
することは可能であるが、熱的な応答性に遅れが生じて
しまいエンジンに用いた場合の周波数が約２０〜２００
Ｈｚの周波数応答に追従出来なくなり、方向検出が出来
なくなってしまう。この駆動回路は別に設けられた吸入
空気温度を計測するための感温抵抗体と常にある一定温
度差を保つように発熱抵抗体に加熱電流を流すようにフ
ィードバック制御される。また、二つの発熱抵抗体は空
気の流れに対して熱的に干渉するように上下流となる位
置に配置されている。つまり、順流が流れたときは順流
用発熱抵抗体１の熱が下流にある逆流用発熱抵抗体２を
温めようとし、逆流が流れたときには逆流用発熱抵抗体
２の熱が順流用発熱抵抗体１を温めようとする。これに
より、例えば順流時には逆流用発熱抵抗体２は順流用発
熱抵抗体より熱を受けるため前記した感温抵抗体との一
定の温度差を保つように流す加熱電流は順流用発熱抵抗
体１と比べて少なくてすむ。即ちこの加熱電流の大小を
比較すれば空気の流れ方向及びその流量を計測すること
が可能である。

【００１３】また、順・逆方向に空気を流したときのそ
れぞれの発熱抵抗体の出力値を横軸に空気流量にとると
図２に示す特性となる。基本的には前記した発熱抵抗体
への加熱電流に対応した値となるので、順流時には順流
用発熱抵抗体の出力が常に高く逆流用発熱抵抗体の出力
は低くなる。しかし、加熱電流は常に上記した関係にあ
るが、出力電圧での関係は駆動回路と共に構成されるゼ
ロスパン回路による出力調整でいかようにでも変えるこ
とが可能である。

【００１４】本発明の発熱抵抗体式空気流量測定装置に
用いる二本の発熱抵抗体の出力特性の一例を図３に示
す。本発明では順流時には順流用発熱抵抗体の出力と逆
流用発熱抵抗体の出力特性をほぼ同一に出力を調整した
ものである。これにより順流時には二本の発熱抵抗体の
出力値は同じになるが逆流時には図２に示した二つの出
力値の差よりも大きな差が生じる。もちろん加熱電流自
体は図２に示したものと同じ値であるが、順流時に順流
用発熱抵抗体から熱を与えられて、本来であれば低い出
力値であるにもかかわらずゼロスパン回路で出力の傾斜
を変えて逆流用発熱抵抗体の空気の流れに対する見た目
の感度を上げているために図２のように逆流時の逆流用
発熱抵抗体の出力値が大きくなり二つの出力値に大きな
差が出るのである。この特性を使って下記する式１の式
により逆流時の出力補正が可能となる。

【００１５】 Ｖout＝Ｖｆ−ｋ×（Ｖｒ−Ｖｆ）＋Ｖoffset …式１ ただし Ｖout：逆流補正後の発熱抵抗体式空気流量測
定装置の出力値 Ｖｆ：順流用発熱抵抗体出力値 Ｖｒ：逆流用発熱抵抗体出力値 ｋ：任意の定数 Ｖoffset：出力のオフセット値（必要に応じて設ける。
必要なければ不要） 上記のようにｋ×（Ｖｒ−Ｖｆ）の項が逆流時の補正項
となる。つまり、順流時には前記したとおり二つの発熱
抵抗体の出力は同じであるため補正項は０（ゼロ）とな
り順流用発熱抵抗体の出力値をそのまま出力する。これ
に対して、逆流時には逆流用発熱抵抗体の出力が高くな
るため逆流分の補正が可能となる。更に、その差分に定
数ｋを任意に与えることにより汎用性の有る補正が可能
となる。また、出力のオフセット値であるＶoffsetは必
要に応じて設定する。

【００１６】図４は式１を基にした具体的な回路構成の
一例を示した図である。本回路はオペアンプを３つ使用
し構成している。オペアンプそれぞれの役割は、まずＯ
Ｐ１からの出力Ｖ１は、順，逆流用発熱抵抗体の差分を
出力するために用いている（式１におけるＶｒ−Ｖ
ｆ）。ＯＰ２からの出力Ｖ２は前記ＯＰ１にて出力され
た差分にＲ１とＲ２の抵抗比により任意に定めた定数ｋ
を掛ける役割を果たす（式１におけるｋ×（Ｖｒ−Ｖ
ｆ））。更に、ＯＰ３からの最終的な出力ＶoutはＯＰ
２と順流用発熱抵抗体の出力及び出力のオフセット値を
加える役割を果たし、その出力は最終的に式１の形とな
る。図中点線四角形で囲ったのは出力のノイズを除去す
ると共に脈動振幅に対応した出力の平均値に近い値をサ
ンプリングタイミング（周期）によらずコントロールユ
ニットに読み込みを可能とする事を目的とした回路（Ｒ
Ｃ）フィルタである。これは発熱抵抗体式空気流量測定
装置の回路の中でも、エンジンコントロールユニットの
信号入力部に配置してもかまわない。これらの回路構成
は基本的には３つのオペアンプから構成されるが式１を
展開することによりオペアンプを２個にまですることは
可能である（回路構成については省略）。

【００１７】図５は図１及び図４の回路構成で、図３に
示す出力特性とした本発明品の発熱抵抗体式空気流量測
定装置を組み上げて実際のエンジンに装着して逆流を伴
う脈動領域での脈動波形の観測をおこなった結果であ
る。図示下２本の波形がそれぞれ順流・逆流のそれぞれ
の発熱抵抗体の出力値を示し、図示上に示す実線が本発
明の発熱抵抗体式空気流量測定装置の出力値である。本
発熱抵抗体式空気流量測定装置は式１に示す形で最終的
に出力されたものである。参考のため順流用発熱抵抗体
の出力値に対してオフセットのみを加えた出力を図示上
に点線で示す。まず順逆の発熱抵抗体の出力をみると順
流時には順・逆流用発熱抵抗体の出力値はほぼ同じであ
るが、逆流時には逆流用発熱抵抗体の出力が順流用発熱
抵抗体の出力値を大きく上回る値となる。これらは図３
に示した出力特性に準じた出力を示している。さらに、
最終的な出力値をみると点線で示した順流用発熱抵抗体
の出力値にオフセットのみを加えた出力値と比較して
も、順流時にはほぼ同じ出力値であるにもかかわらず逆
流時には順流用発熱抵抗体の出力値よりも小さい出力を
示しており逆流時には出力の平均値を下げることが可能
であり、本発明が当初の目的である逆流を検出し、逆流
時に順流用発熱抵抗体の出力値を減らす効果が原理的に
も実験的にも正しいといえる。

【００１８】図６は本発明品の他の実施例を示す発熱抵
抗体式空気流量測定装置のブロック図である。基本構造
は図１とほぼ同じであるが、図１との違いは二つの発熱
抵抗体の間にヒータを配置し、熱の干渉をお互いの発熱
抵抗体同士でおこなわずにそれぞれの発熱抵抗体と前記
ヒータとの間でおこなうことにした構造としたことであ
る。これは、発熱抵抗体同士があまり近接しすぎると、
一方向のみの空気の流れにおいてもお互いの熱の授受で
最終的な出力が乱れてしまい結果的に発熱抵抗体式空気
流量測定装置の出力ノイズに影響がでるためである。当
然のことではあるがあまり発熱抵抗体同士を離しすぎる
と熱干渉がうまくおこなえないため、流れの方向検出が
できなくなる。

【００１９】図７は本発明品の更なる他の実施例を示す
発熱抵抗体式空気流量測定装置とその出力信号を処理す
る処理装置のブロック図である。基本構造は図１とほぼ
同じである。図１との違いは発熱抵抗体式空気流量測定
装置の回路構成は二つの発熱抵抗体とその出力値のゼロ
スパン回路部のみにより構成され、信号処理装置に出力
信号を順・逆流信号の二本を送り、方向検出を含めて出
力信号の補正を信号処理装置で行うこととしたものであ
る。本構造では様々な信号処理をおこなう信号処理装置
の一部分に発熱抵抗体式空気流量測定装置の信号処理機
能を持たせることにより、発熱抵抗体式空気流量測定装
置自身の回路構成が簡略化できるメリットがある。

【００２０】図８は本発明品の具体的な発熱抵抗体式空
気流量測定装置の構造を示した図である。前記した駆動
回路，ゼロスパン回路，信号処理回路部が集約された回
路基板８、それらを保護するためのハウジング部材９，
カバー部材１０等の保護部材，発熱抵抗体，感温抵抗体
のセンサー部材、センサー部材と回路基板を電気的に接
続する導電性部材１１とそれらを保持する保持材１２、
発熱抵抗体が備えられる副空気通路及び外部との入出力
部となるコネクタ部１４等、これら全てを一つのモジュ
ールとして構成される。更に内燃機関の吸入空気通路の
主空気通路を構成する空気の乱れを低減するために設け
た整流格子１７等を配置したボディ部材１５の貫通穴１
６にモジュールのセンサー部及び副空気通路等を挿入し
てモジュールとボディとをネジ等により固定され発熱抵
抗体式空気流量測定装置が構成される。

【００２１】図９は図８に対して吸入空気通路の主空気
通路を構成するボディ部材を発熱抵抗体式空気流量測定
装置の部品としてではなく、内燃機関の吸入空気通路構
成ダクトを利用して使用したものである。本実施例にお
いてはエンジンに吸入される空気内の塵を除去するため
に用いられるエアクリーナの構成部材に用いた例であ
る。エアクリーナエレメント２２より空気の流れに対し
て下流側に設け、発熱抵抗体式空気流量測定装置の主空
気通路となるダクト２３を一体成形したエアクリーナハ
ウジング構成部材に発熱抵抗体式空気流量測定装置のエ
レメント部が挿入される貫通穴１６を設けてネジなどで
発熱抵抗体式空気流量測定装置とエアクリーナハウジン
グ構成部材とを一体化する。これにより既存の部品を利
用することによりボディを廃止した低価格な発熱抵抗体
式空気流量測定装置を供給することが可能となる。

【００２２】最後に、図１７を使い電子燃料噴射方式の
内燃機関に本発明品を適用した一実施例を示す。

【００２３】エアクリーナ２４から吸入された吸入空気
３７は、発熱抵抗式空気流量測定装置１のボディ，吸入
ダクト２５，スロットルボディ２８及び燃料が供給され
るインジェクタ３０を備えた吸気マニホールド２９を経
て、エンジンシリンダ３２に吸入される。一方、エンジ
ンシリンダで発生したガス３３は排気マニホールド３４
を経て排出される。

【００２４】発熱抵抗式空気流量測定装置の回路モジュ
ールから出力される空気流量信号，スロットル角度セン
サ２７から出力されるスロットルバルブ角度信号，排気
マニホールド３４に設けられた酸素濃度計３５から出力
される酸素濃度信号及び、エンジンの回転速度計３１か
ら出力されるエンジン回転速度信号等、これらを入力す
るコントロールユニット３６はこれらの信号を逐次演算
して最適な燃料噴射量とアイドルエアコントロールバル
ブ開度を求め、その値を使って前記インジェクタ３０及
びアイドルコントロールバルブ２６を制御する。

【００２５】

【発明の効果】逆流に伴う条件下で発生する発熱抵抗体
式空気流量測定装置の跳ね上がり現象を計測時の計測精
度を落とさずに（順流出力の分解能低下をおさえて）低
減することが可能である。これに伴いカーメーカ等にお
ける新規開発エンジン（車種）の開発時におけるシステ
ムマッチング工数の低減を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す発熱抵抗体式空気流量
測定装置のブロック図。

【図２】二つの発熱抵抗体の熱干渉を用いた場合の流れ
の方向を変えた場合におけるそれぞれの発熱抵抗体の出
力を示す図。

【図３】本発明品の一実施例を示す流れの方向を変えた
場合におけるそれぞれの発熱抵抗体の出力を示す図。

【図４】本発明の一実施例を示す発熱抵抗体式空気流量
測定装置の出力補正部の回路図。

【図５】本発明の一実施例の発熱抵抗体式空気流量測定
装置を用いて実験をおこなった脈動流下における発熱抵
抗体の脈動波形。

【図６】本発明の他の実施例を示す発熱抵抗体式空気流
量測定装置のブロック図。

【図７】本発明の他の実施例を示す信号処理装置に発熱
抵抗体式空気流量測定装置の信号処理機能を持たせたシ
ステムブロック図。

【図８】本発明品の具体的な発熱抵抗体式空気流量測定
装置の構造の一例を示した図。

【図９】本発明品の他の具体的な発熱抵抗体式空気流量
測定装置の構造の例を示した図。

【図１０】エンジン回転数を一定に保ちスロットルを徐
々に開けて吸入負圧を変えた場合の発熱抵抗体の跳ね上
がり現象を表す図。

【図１１】応答遅れの有る発熱抵抗体を使用した場合の
出力切換方式を用いた場合の各スロットル開度における
各発熱抵抗体の出力値。

【図１２】本発明の発熱抵抗体式空気流量測定装置を利
用してエンジン制御をおこなう内燃機関のシステム制御
図。

【符号の説明】

１…発熱抵抗体式空気流量測定装置、２ａ…順流用発熱
抵抗体、２ｂ…逆流用発熱抵抗体、３ａ…順流用感温抵
抗体、３ｂ…逆流用感温抵抗体、４…順方向空気流れ、
５…逆方向空気流れ、６…ヒータ、７…エンジンコント
ロールユニット、８…回路基板、９…ハウジング部材、
１０…カバー部材、１１…導電性部材、１２…保持材、
１３…副空気通路構成部材、１４…コネクタ部、１５…
ボディ部材、１６…貫通穴、１７…整流格子、１８…吸
気ダクト、２０…エアクリーナハウジング構成部材Ａ、
２１…エアクリーナハウジング構成部材Ｂ、２２…エア
クリーナエレメント、２３，２５…ダクト、２４…エア
クリーナ、２６…アイドルエアコントロールバルブ、２
７…スロットル角度センサ、２８…スロットルボディ、
２９…吸気マニホールド、３０…インジェクタ、３１…
回転速度計、３２…エンジンシリンダ、３３…ガス、３
４…排気マニホールド、３５…酸素濃度計、３６…コン
トロールユニット、３７…吸入空気、３８…回路フィル
タ。

フロントページの続き (72)発明者 赤松 培雄 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所 自動車機器事業 部内 (72)発明者 五十嵐 信弥 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式 会社 日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 渡辺 泉 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式 会社 日立カーエンジニアリング内 (72)発明者 内山 薫 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所 自動車機器事業 部内 (72)発明者 磯野 忠 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式 会社 日立カーエンジニアリング内 (56)参考文献 特開 平８−43163（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−43159（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】空気通路内に設けられた第１の発熱抵抗体
   と第２の発熱抵抗体と、 前記第１の発熱抵抗体の出力特性と前記第２の発熱抵抗
   体の出力特性とを調整する調整手段と、 を備えた発熱抵抗式空気流量測定装置において、 調整された前記第１の発熱抵抗体の出力信号と調整され
   た前記第２の発熱抵抗体の出力信号との差に基づいて、
   前記第１の発熱抵抗体の出力信号を補正する補正手段を
   備え、 前記空気通路が逆流の場合の前記差が、前記空気通路が
   順流の場合の前記差よりも大きくなるように前記調整手
   段が予め設定されていることを特徴とする発熱抵抗式空
   気流量測定装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記空気通路が順流の場合の前記差が、ほぼ零になるよ
   うに前記調整手段が予め設定されていることを特徴とす
   る発熱抵抗式空気流量測定装置。