JP4565065B2

JP4565065B2 - エンジンの吸入空気流量計測装置

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Publication number: JP4565065B2
Application number: JP2005503027A
Authority: JP
Inventors: 典孝松尾
Original assignee: 典孝松尾
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2024-03-01
Also published as: WO2004079305A1; US20060173607A1; US7204134B2; JPWO2004079305A1

Description

本発明はエンジンの吸入空気流量計測装置に係わり、吸気管内の圧力計測から空気の質量流量を求める計測装置である。

最近自動車用エンジンでは排ガスや燃費の低減のために空燃比を精度良く制御する必要があり燃料噴射を行うものが主流である。燃料噴射エンジンでは吸入空気量と目標空燃比とから噴射量を決定するので吸入空気量計測には高い精度が要求され、特に多気筒エンジンでは各気筒毎の吸入空気量を応答良く計測することが求められる。自動車用エンジンに過去採用されたか現在採用されている主な空気流量計にはベーン式、熱線式、カルマン渦式がある。
ベーン式は原理的には質量流量を計測できるがベーンフラップは吸気抵抗を増加させまたベーンの慣性質量のため応答が悪いので現在はほとんど採用されていない。
熱線式流量計は質量流量を直接計測することが可能であり応答性もよく脈動流計測が可能であるという利点がある一方順逆両方向の流れが発生する流れ場で使用する場合には何らかの方法により方向を検知する必要があることや熱線の表面が汚損されると計測誤差を生じるという問題がある。図１７は熱線式流量計を使用する多気筒吸気管独立噴射エンジンの例を示す。図１７において１９はシリンダ、１３は吸気弁、１７は排気弁、１２は吸気管、２８は排気集合管、１４は空気溜まり、１５は絞り弁、２７は燃料噴射器、４２は熱線式流量計を表す。吸入空気は熱線式流量計４２で計測されたあと絞り弁１５を通り空気溜まり１４に溜められたあと吸気管１２を通ってシリンダ１９に吸入される。各気筒毎の吸入空気量を応答良く計測するため熱線式流量計４２の取り付け位置は各気筒の吸気管１２内とするのが望ましいのであるが吸気管１２内はシリンダからの吹き返しガス中の固体微粒子や燃料噴射器２７によって噴射された燃料粒子が浮遊ししかも順逆両方向の流れが発生しやすいので実際の取り付け位置はほとんどの場合吸気管１２上流に設けられた空気溜り１４よりさらに上流となる。したがって各気筒毎の吸入空気量のばらつきや過渡時の吸気量変化を応答良く計測することは難しい。
カルマン渦式は応答性がよく汚損にも強いという利点がある一方原理的に空気の体積流量を計測するので温度や圧力を別途計測して質量流量に換算する必要があること、また熱線式と同様順流、逆流の方向検知はできず何らかの方法により方向を検知する必要があること、さらにセンサー出力と流量の関係が管通路内に設置するカルマン渦発生用円錐体の位置と大きさおよび円錐体周りの管通路形状によって決まることから吸気管に取り付ける場合吸気管形状の自由度が制限されるなどの問題がある。したがってカルマン渦式流量計も前記熱線式流量計と同様の位置に取り付けられることが多く、したがって各気筒毎の吸入空気量のばらつきや過渡時の吸気量変化を応答良く計測することは難しい。
一方エンジン台上試験において吸入空気量計測に用いられる流量計に絞り流量計や層流式などの差圧式流量計がある。圧力センサは安価で応答性が良く汚損による性能劣化も少ないという利点があるが前記差圧式流量計はいずれも原理的に流れの抵抗を発生させるのでエンジン性能を低下させること、また絞り流量計は出力が流量の２乗に比例し、層流式は流量変化に対する出力変化が位相遅れをもつなどいずれも脈動計測には適していないことから自動車に搭載された状態（オンボード）でのエンジンの吸入空気流量計としては採用されていない。
また差圧を用いて脈動を伴う流れの質量流量を計測する手段として特開平１０−１１１１５９［湧き出し式質量流量計］の例もあるがこの場合は主流に対し脈動する湧き出し流を発生させるための発生器が必要であり構造が複雑となりコストも高くなる。
従って本発明はエンジン吸入空気流量計測用の流量計に要求される項目は第１に計測された流量値を空燃比制御に用いることから質量流量を計測できること、第２は吸気の順流逆流を含む脈動流を高応答で計測できること、第３は流量計自体が吸気流の抵抗とならないこと、第４は大気やＥＧＲガス中に含まれる塵や微粒子などによる汚損に強いこと、そして第５は各気筒毎の吸入空気量を高応答で計測するため各気筒の吸気管に取り付けることが可能なことなどが挙げられるが従来の流量計にはいずれもこれらの要求すべてを満足するものはない。

本発明は圧力センサを用いてエンジン吸気管内の２点の圧力差と１点の圧力を検知しこれらの圧力データに基づいて空気の質量流量を算出することを特徴としエンジン各気筒の吸入空気量を吸気抵抗を増加させることなく応答良く計測することができしかも汚損による性能劣化の少ないエンジンの吸入空気量計測装置を実現するものである。

原理と作用

本発明の吸入空気量計測装置は圧力計測から質量流量を求める質量流量計である。以降の説明において流量とは空気の瞬間の質量流量、流量微分値とは該質量流量の時間微分値、流量積分値とは該質量流量の時間積分値を意味し流量はＦ，流量微分値はＦ’，流量積分値はＭの各符号を用いて表す。基本原理は第１に吸気管内２点の圧力差から該２点の中間点における空気の流量微分値を求めること、第２は該流量微分値を積分して流量を求めること、第３に該流量を積分して流量積分値を求めること、そして第４に管内任意点の圧力の時間微分値から該中間点において流量がゼロである瞬間を検知し、該検知の度に前記流量および前記流量積分値を補正することである。
まず圧力差から空気の流量微分値Ｆ’を求める原理を図１３を用いて説明する。図１３の点１，２は断面積Ｓ，管径ｄが一定の管の距離ΔＸだけ離れた２つの点とし点３は点１と２の中間点とする。点１，２での圧力を各Ｐ１，Ｐ２とし圧力差（Ｐ１−Ｐ２）をΔＰ、空気密度をρ、管摩擦係数をλとすると点３における流量微分値Ｆ’は数式１で求められることがわかっている。

２点間の差圧ΔＰは距離ΔＸが大きい程大きくなるので圧力計測上はΔＸが大きい方が望ましいが（ΔＰ／ΔＸ）は点３における厳密な圧力勾配（∂Ｐ／∂Ｘ）の近似値でありΔＸが大きくなると近似精度が悪くなる。例えば数式１が厳密計算に比べ９９％以上の精度を有するためにはΔＸは音速をａ，脈動の角速度をωとすると数式２が成立する必要がある。

該ωを長さＬの吸気管内空気の自由振動における１次共振成分の角速度とすると概ねΔＸは数式３で与えられる範囲内とする必要がある。

数式１の右辺第２項の粘性摩擦項が右辺第１項の圧力勾配項に比べて小さければＦ’は２点間の圧力勾配ΔＰ／ΔＸに完全に比例する。実際に吸気流は数百Ｈｚの周波数で急加速、急減速を繰り返す変動流でありΔＸ≒ｄとしブラジウスの実験式による管摩擦係数λを用いて計算すると前記粘性摩擦項は前期圧力勾配項に対し平均で概略１％以下でありほぼ無視し得る。したがって近似的に数式４が成立する。

数式４でＳ，ΔＸは幾何学寸法であるのでΔＰを計測すればＦ’が求まる。
一方図１４は管断面積が変化する管における圧力から空気の流量微分値を求める原理を示す。図１４において点４，５は断面積が変化する管の距離ΔＸだけ離れた２つの点とし点６は点４と点５の中間点とし、点４における管径、管断面積を各ｄ１，Ｓ１，点５における管径、管断面積を各ｄ２，Ｓ２とする。点４，５での圧力を各Ｐ１，Ｐ２とし圧力差（Ｐ１−Ｐ２）をΔＰ、空気密度をρ、管摩擦係数をλとすると点６における流量微分値Ｆ’は前記粘性摩擦項を無視すると数式５が成立する。

数式５から判るように断面積が変化する管では流量微分値Ｆ’を求めるために圧力差ΔＰのほか空気密度ρの値が必要となる。したがって圧力差ΔＰ計測のための２点は管断面積Ｓが一定の区間に取ることが望ましい。またもし管断面積Ｓが一定の区間に２点を取ることができない場合は空気温度Ｔａを別途計測しＰ１またはＰ２とＴａから密度ρを求める。
次に流量Ｆは数式６によって求めることができる。

つまり流量微分値Ｆ’の時間積分値に積分開始時点ｔｓの流量Ｆ０を加えることで求められる。したがって流量Ｆがゼロである瞬間ｔｓを別途何らかの方法で検知できればその瞬間から積分を開始すればＦ’の積分値そのものが流量Ｆに等しくなる。
本発明は流量Ｆがゼロである瞬間を吸気管内圧力データから検知することに特徴がある。該検知の原理を図１５を用いて説明する。図１５（ａ）は吸気管内の４点Ｍ０，Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３、Ｍ４を示す。図１５（ｂ）はＭ０，Ｍ１、Ｍ３，Ｍ４における圧力Ｐ０，Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４を示す。図１５（ｂ）からわかるとおり吸気管内圧力Ｐ０，Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４はいずれも吸気弁が開き吸気が行われている期間は複雑な変化をするが吸気弁が閉じると自由振動に推移する。自由振動時の圧力はいくつかの共振成分が重畳したものとなるがそのうち１次共振成分を基本振動という。実験やコンピュータ解析によると基本振動の振動数ｆｂは音速をａ、吸気管長をＬとすると数式７で求められ吸気管位置やエンジンの運転速度にはほとんど影響されない。

詳細は略すが吸気管圧力の自由振動時には管内位置によらず振動成分のほとんどが基本振動であり吸気管開口端に近い側の位置においてｆｂの３倍の振動数をもつ２次共振成分が少し重畳する程度で３次以上の共振成分はごくわずかである。そこで高域遮断フィルタをとおしてｆｂの概ね２倍以上の高周波数成分を除去すると吸気管位置によらず圧力振動は基本振動のみとなり正弦波状の圧力波形が得られる。図１５（ｃ）は前記圧力振動において前記基本振動数ｆｂの２倍以上の高周波数成分を除去したあとの圧力の時間微分値、図１５（ｄ）はＭ０，Ｍ２、Ｍ４における流量Ｆ０、Ｆ２，Ｆ４を示す。図１５（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）からわかるとおり吸気弁が閉じている期間は前記圧力の時間微分値がゼロになる瞬間に流量Ｆ０、Ｆ２，Ｆ４がいずれもゼロになることがわかる。これは吸気弁が閉じている期間においては管内任意点の圧力の時間微分値がゼロになる瞬間をもって管内任意点における流量Ｆがゼロになる瞬間を検知できることを意味する。なお以降前記高周波数成分を除去したあとの圧力の時間微分値を圧力微分値と表現する。
また前記圧力微分値がゼロになる瞬間とは例えばアナログ微分器を備える場合は該微分器出力が正から負または負から正に転じた時点、また微分器を備えていない場合はサンプルした圧力値の時系列変化を知る手段により圧力値が増加から減少または減少から増加に転じたと判定された時点など計測した圧力の変化率がゼロに達したと判定された時点を意味する。
本発明では以上の原理に基づき流量微分値Ｆ’の積分を開始すべき瞬間（流量計測点で流量Ｆがゼロとなる瞬間）を検知するために管軸方向の任意点の圧力を計測し吸気弁が閉じている期間において該圧力の微分値がゼロとなった瞬間を積分開始点ｔｓとし次に同じく吸気弁が閉じている期間において圧力微分値がゼロとなった瞬間を積分終了点ｔｅとするとともに該積分終了点ｔｅを新たな積分開始点ｔｓとし流量Ｆの初期値Ｆ０をゼロとして新たに積分を開始するという手順で流量Ｆを求める。勿論前記任意点とは差圧計測のための２点のいずれか一方でもよい。
次に求めた流量Ｆを積分して流量積分値Ｍを求める。ただし一般に圧力を計測するための圧力センサは受圧面の熱ひずみや感圧素子の温度特性等が原因でゼロ点移動が生じる。特にエンジン吸気管に取り付けられた圧力センサは最低−３０℃から最高＋８０℃レベルの温度範囲で使用されるのでたとえ電気的にゼロ点補償がなされたセンサであってゼロ点移動を完全になくすことは難しい。したがってＦを積分して求めたＭには誤差が含まれ、Ｆ、Ｍを補正することなく積分を続けると誤差が蓄積していくおそれがある。
そこで前記積分終了点ｔｅにおいて積分区間Ｔ（前記積分開始点ｔｓから前記積分終了点ｔｅまでの時間）のＭの値を補正する。該補正の原理を図１６を用いて説明する。図１６（ａ）は圧力計測点における圧力微分値を示す。図１６（ｂ）でＦｉは流量微分値Ｆ’を積分して求めた補正前の流量、Ｆｃは補正後の流量、ｔｓは積分開始点、ｔｅは積分終了点、Ｔは積分区間の長さ（積分開始点ｔｓから積分終了点ｔｅまでの時間）、ｔはｔｓからの経過時間、Ｅは積分終了点ｔｅでのＦｉの値を示す。もし計測が正しく行われていればＥの値はゼロになるはずでありもしゼロでない場合、Ｅの値は積分区間の計測誤差の集積の結果となっている。圧力変動を応答良く計測できる圧力センサを用いる限り誤差の要因のほとんどは前記ゼロ点移動であり該移動の主な原因は圧力センサ周辺の温度変化であることから例えばエンジン１サイクル程度の短時間スパンでは前記ゼロ点移動量は一定であると考えられる。そこで長くともエンジン１サイクル程度の時間毎に補正を行えば前期ゼロ点移動による誤差を修正することができる。積分区間の任意時間ｔにおけるＦの誤差ΔＦは数式８で表される。

よって積分区間ＴにおけるＭの誤差はΔＭは数式９で求められる。

したがって積分区間ＴにおけるＭの補正値は数式１０で求められる。

ゼロ点移動量が一定でない場合でも該移動量が既知の関数で与えられるならば同様にして積分終了点でのＦの値と積分区間長さＴを用いてＭの値を補正できる。

多気筒エンジンにおいて吸気管内で各気筒毎の吸入空気の流量を計測するという目的をコストが安く汚損にも強い圧力センサを用いて実現した。

吸入空気量計測装置の実施方法を示した説明図である。（第１の実施例）第１の実施例を適用した多気筒エンジンの平面図である。第１の実施例における圧力センサの取り付け方法を示した説明図である。データ処理方法を示す説明図である。データ処理方法を示す説明図である。データ処理方法を示す説明図である。吸入空気量計測装置の実施方法を示した説明図である。（第２の実施例）吸入空気量計測装置の実施方法を示した説明図である。（第３の実施例）吸入空気量計測装置の実施方法を示した説明図である。（第４の実施例）吸入空気量計測装置の実施方法を示した説明図である。（第５の実施例）データ処理方法を示す説明図である。データ処理方法を示す説明図である。計測原理を示す説明図である。計測原理を示す説明図である。計測原理を示す説明図である。計測原理を示す説明図である。熱線式流量計の取り付け位置を示す説明図である。

符号の説明

１差圧センサ２圧力センサ３増幅器
４高域遮断フィルタ５微分演算器６積分演算器
７Ａ−Ｄ変換器８クランク角信号処理部９１回積分演算部
１０２回積分演算部１１出力部１２吸気管
１３吸気弁１４空気溜まり１５絞り弁
１６カム１７排気弁１８シリンダヘッド
１９シリンダ２０ピストン２１コンロッド
２２クランク２３吸気ポート２４クランク角センサ
２５圧縮上死点センサ２６多気筒エンジンの内の１気筒
２７燃料噴射器２８排気集合管２９、３１導圧孔
３０，３２受圧室３３ダイアフラム３４，３５電極
３６，３７圧力センサ３８差圧演算器３９エアクリーナ
４０エアフィルタ４１温度センサ４２熱線式流量計
Δｔ：サンプル時間間隔 ΔＣ：クランク角パルスの角度間隔
ｎ：クランク角パルスカウント数ＣＡ：圧縮上死点基準のクランク角
ＴＩＯ：吸気開始時のクランク角ＴＩＣ：吸気終了時のクランク角
Ｖｆ：Ａ−Ｄ変換器でデジタル化された差圧値
Ｖｐ：Ａ−Ｄ変換器でデジタル化された圧力値
Ｖｄ：Ａ−Ｄ変換器でデジタル化された圧力微分値
Ｔａ：温度（絶対温度）Ｓ：Ｖｆ・Δｔの値の積算値
ＳＳ：Ｓ・Δｔの積算値ｔ：積分値補正を最後に行ってからの経過時間
ｆ（Ｓ，Ｔ）：ＳおよびＴに関する関数 ΔＳＳ：ＳＳの補正値
Ｔ：積分区間の長さＲＳＴ：補正判定変数
ＲＯ：空気密度Ｎ：Ｎ回目のサンプル
Ｎ−１：Ｎ−１回目のサンプルＫ１，Ｋ２，Ｋｒ，Ｋｓ：比例定数

図１〜１２はこの発明によるエンジンの吸入空気量計測装置の実施例を示すものである。図において１は差圧センサ、２は圧力センサ、３は増幅器、４は高域遮断フィルタ、５は微分演算器、６は積分演算器、７はＡ−Ｄ変換器、８はクランク角信号処理部、９は１回積分演算部、１０は２回積分演算部、１１は出力部、１２は吸気管、１３は吸気弁、１４は空気溜まり、１５は絞り弁、１６はカム、１７は排気弁、１８はシリンダヘッド、１９はシリンダ、２０はピストン、２１はコンロッド、２２はクランク、２３は吸気ポート、２４はクランク角センサ、２５は圧縮上死点センサ、２６は多気筒エンジンの内の１気筒、２７は燃料噴射器、２８は排気集合管、２９，３１は導圧孔、３０，３２は受圧室、３３はダイアフラム、３４，３５は電極、３６，３７は圧力センサ、３８は差圧演算器、３９はエアクリーナ、４０はエアフィルタ、４１は温度センサを示す。またΔｔはサンプル時間間隔、ΔＣはクランク角パルスの角度間隔、ｎはクランク角パルスカウント数、ＣＡは圧縮上死点基準のクランク角、ＴＩＯは吸気開始時のクランク角、ＴＩＣは吸気終了時のクランク角、ＶｆはＡ−Ｄ変換器でデジタル化された差圧値、Ｖｐはデジタル化された圧力値（添え字数字は圧力センサ符号を示す。）、Ｖｄはデジタル化された圧力微分値（添え字ＮはＮ回目のサンプル、Ｎ−１はＮ−１回目のサンプルを意味する。）、Ｔａは温度（絶対温度）、Ｋ１，Ｋ２，Ｋｒ，Ｋｓは比例定数、ＳはＶｆ・Δｔの値の積算値、ＳＳはＳ・Δｔの積算値、ｔは積分値補正を最後に行ってからの経過時間を意味する積分時間、ｆ（Ｓ，Ｔ）はＳＳの値を補正するためのＳおよびＴに関する関数、ΔＳＳはｆ（Ｓ，Ｔ）により計算したＳＳの補正値、Ｔは積分区間の長さ、ＲＳＴは補正判定変数、ＲＯは空気密度、Ｎｅはエンジン回転数、Ｎｃは圧力センサ切り替え回転数を示す。
図１は本発明の第１の実施例を示す断面図である。（同図は図２のＡ−Ａ‘断面図に相当する。）図１は多気筒エンジンの１気筒分の詳細構造を示すもので同図に示すエンジン構造は基本的にすべての気筒に関し共通である。図１においてシリンダ１９は吸気ポート２３、吸気管１２、吸気溜まり１４、絞り弁１５および図には示さないエアクリーナから形成される吸気系と連通しており該吸気系とシリンダ１９はカム１６によって決められた揚程にしたがい往復運動を行う吸気弁１３によって間欠的に開閉される。また吸気管１２には各気筒毎に計測された吸入空気量と目標空燃比を基に演算された量の燃料を噴射するための燃料噴射器２７が取り付けられている。また吸気管１２には管路断面積一定の区間があり該区間には差圧センサ１と圧力センサ２が設置されている。差圧センサ１および圧力センサ２は半導体ゲージ型、圧電型や静電容量型などの中から変動圧計測用として十分高い固有振動数、応答性をもつものを用いる。
次に第１の実施例における差圧センサ１と圧力センサ２から得られた圧力データから流量を求める手順について述べる。なお本発明の主体はデータ処理の手順にあるので以下の説明文中にある演算器や演算部の回路構成や構造に関する詳細説明は省略する。
まず差圧センサ１と圧力センサ２の出力信号を増幅器３で増幅する。出力信号には管通路断面内で局部的にしか存在しない流れの乱れや渦など高周波成分が含まれておりしかも流量計測においては該高周波成分はノイズとして作用するので増幅器３の出力は高域遮断フィルタ４を通して前記基本振動数ｆｂの概ね５倍以上の高周波成分を除去する。高域遮断フィルタ４を通ったあと差圧センサ１の出力信号は積分演算器６に入力される。
積分演算器６はデジタル方式でもアナログ方式でもよいがここではデジタル方式について述べる。積分演算器６にはＡ−Ｄ変換器７、クランク角信号処理部８、１回積分演算部９、２回積分演算部１０および出力部１１がある。
Ａ−Ｄ変換器７は高域遮断フィルタ４を通った差圧センサ１および微分演算器５のアナログ出力信号をデジタル値に変換する。以降デジタル化された差圧センサ出力信号を差圧値Ｖｆ、圧力センサ出力信号を圧力値Ｖｐ、微分演算器出力信号を圧力微分値Ｖｄと表現する。クランク角信号処理部８はカム角度センサ２５から出力された圧縮上死点パルスとクランク角センサ２４から出力されたクランク角パルスを入力し圧縮上死点からのクランク角パルス数ｎをカウントする。
１回積分演算部９はＡ−Ｄ変換器７から出力された差圧値を与えられたプログラムにより１回積分する部分、２回積分演算部１０は該１回積分値をさらに積分し２回積分値を求める部分、出力部１１は前記１回積分値および２回積分値を各流量および流量積分値に換算し演算結果を出力する部分である。
一方圧力センサ２の出力信号は増幅器３で増幅し高域遮断フィルタ４で前記基本振動数ｆｂの概ね２倍以上の高周波成分を除去したあと微分演算器５に入力する。
図４、図５、図６を用いて積分演算器６のデータ処理手順について説明する。図４は積分演算器６の処理の基本フローを示す。エンジン運転中、Ａ−Ｄ変換器７出力とクランク角演算部８出力は時間Δｔ毎にサンプルされ１回積分演算部９、２回積分演算部１０で演算処理され出力部１１に出力されるループを繰り返す。
図５は１回積分演算部９、２回積分演算部１０および出力部１１でのデータ処理の詳細フローチャートを示す。
１回積分演算部９ではクランク角パルスの角度間隔ΔＣにクランク角パルスカウント数ｎを乗じて求めた現時点のクランク角ＣＡが吸気開ＴＩＯと吸気閉ＴＩＣの間にあるか否かおよび圧力微分値Ｖｄがゼロか否かという条件判断を行い積分演算および補正演算のどちらかの演算を実行する。前記積分演算とは積分値ＳにＶｆ・Δｔを加算するとともに補正判定変数ＲＳＴ＝０とすることを意味し、前記補正演算とは積分値Ｓを０（ゼロ）にリセットするとともに補正判定変数ＲＳＴ＝１とすることを意味する。
前記出力Ｖｄがゼロか否かの判定方法を図６に示す。現時点のサンプルをＮ回目としＶｄの値をＶｄＮ、Ｎ−１回目の値をＶｄＮ−１としＶｄＮ・ＶｄＮ−１の積をＸとするとＸ＝０またはＸ＜０となった場合に現時点でのＶｄ＝０と判定する。
１回積分演算部９ではクランク角ＣＡが吸気開ＴＩＯと吸気閉ＴＩＣの間にある場合は積分演算を行い２回積分演算部１０に飛び越す。一方クランク角ＣＡが吸気開ＴＩＯと吸気閉ＴＩＣの間にない場合はＶｄ＝０ならば前記補正演算を行い、Ｖｄ＝０でないならば前記積分演算をおこない２回積分演算部１０に進む。
２回積分演算部１０では補正判定変数ＲＳＴの値がゼロか否かの条件判断を行い２回積分演算および積分補正演算のどちらかの演算を実行する。前記２回積分演算とは積分値ＳＳにＳ・Δｔを加算するとともに積分時間ＴにΔｔを加算することを意味し、前記積分補正演算とはＳの値とＴの値を用いて与えられた関数ｆ（Ｓ，Ｔ）によりＳＳの推定誤差ΔＳＳを求めＳＳからΔＳＳを減算することによりＳＳの値を補正するとともに積分時間Ｔを０（ゼロ）にリセットすることを意味する。２回積分演算部ではＲＳＴ＝０の場合は前記２回積分演算を行い、ＲＳＴ＝１の場合は前記積分補正演算を行い出力部１１に進む。
出力部１１はＳ、ＳＳの値に係数Ｋ１、Ｋ２を乗じることにより各流量および流量積分値に換算して出力する。Ｋ１，Ｋ２は圧力センサ感度や増幅器の利得から決められる比例係数である。
なおデジタル式の前記積分演算器６は積分回路とスイッチング回路を組み合わせた回路構成をもつアナログ積分器で代替することができる。
図２は第１の実施例による多気筒吸気管独立燃料噴射エンジンの形態例を示す平面図である。同図は４気筒エンジンの例を示しており該エンジンは気筒毎に独立した吸気管１２と集合排気管２８と前記吸気管に吸気を等分配するための空気溜まり１４と該空気溜まり上流に吸気量を制御するための絞り弁１５を有しており各吸気管には燃料噴射器２７、差圧センサ１と圧力センサ２が設けられている。
図３は第１の実施例における差圧センサ１および圧力センサ２の取り付け部の断面図（管中心軸方向の断面）を示す。同図の差圧センサ１は静電容量型の例を示すものであり吸気管１２と導圧孔２９によって連通する受圧室３０と吸気管１２と導圧孔３１によって連通する受圧室３２をもち受圧室３０、３２の両受圧室は可撓性を持つダイアフラム３３により仕切られておりダイアフラム３３は両受圧室側からの圧力荷重差によって撓むよう取り付けられており、該撓み量をダイアフラム３３上および受圧室３２を挟んで対面する平面上に設けた電極３４、３５間の静電容量変化を計測し差圧を検知する構造となっている。同図に示す静電容量型を含めいずれの形式の差圧センサにおいても導圧孔２９，３１、受圧室３０，３２およびダイアフラム３３をもつ基本構造は同じであり導圧孔２９，３１の長さが長く受圧室３０，３２の容積が大きくなると吸気管１２の導圧孔２９，３１の入り口部の圧力変化に対し受圧室内３０，３２の圧力変化の応答性が低下するので導圧孔２９，３１の長さは極力短く、受圧室３０，３２の容積は極力小さくする。また吸気流の動圧を受けないよう導圧孔２９，３１の開口部は管中心軸に直交する向きに設ける。
圧力変動計測用の圧力センサ２は吸気管１２の管内壁と同一面をなすよう取り付け（フラッシュマウント）また吸気流の動圧を受けないよう管中心軸に対し受圧面が平行になるように取り付ける。
図７に本発明の第２の実施例の断面図を示す。第２の実施例は差圧計測に差圧センサを使用せず替わりに対圧力感度の等しい２つの圧力センサ３６，３７を用い該２つの圧力センサの出力から圧力差を求めいずれか一方の圧力センサの出力から圧力微分値を求めることを特徴とし第１の実施例のように吸気管内２点の差圧計測のために差圧センサ１を使用すると吸気管１２の形状や差圧センサ１のサイズなどの制約により導圧通路２９，３１が長くならざるを得ず差圧計測の応答性が低下する場合などに適用する。図７に示すとおり圧力センサ３６の出力信号は増幅器３および高域遮断フィルタ４を通ったあと差圧演算器３８に入力され圧力センサ３７の出力信号は増幅器３および高域遮断フィルタ４を通ったあと２経路に別れ一方は微分演算器５に、残りの一方は差圧演算器３８に入力される。
図８に本発明の第３の実施例の断面図を示す。第３の実施例は対圧力感度の等しい３つ以上の圧力センサを備え差圧計測のために用いる２つのセンサの組み合わせをエンジン運転条件により選択的に切り替えることを特徴とする。例えばエンジンの低速運転時は吸気脈動の平均周波数は低く管軸方向の圧力勾配は小さいので取り付け位置間距離の長いセンサの組み合わせとし逆に高速運転時は平均周波数は高く管軸方向の圧力勾配は大きいので取り付け位置間距離の短いセンサの組み合わせとする。図８は３つの圧力センサ２，３６，３７を備える例であり該３つの圧力センサの出力信号は増幅器３、高域遮断フィルタ４をとおりＡ−Ｄ変換器７で各デジタル値Ｖｄ２、Ｖｄ３６，Ｖｄ３７に変換されたあと差圧演算器３８に入力される。差圧演算器３８内では図１２に示すとおりエンジン運転回転数Ｎｅが切り替え回転数Ｎｃ以下の場合はＶｆ＝Ｖｄ３６−Ｖｄ３７，Ｎｃより大きい場合はＶｆ＝Ｖｄ３６−Ｖｄ２として差圧値Ｖｆを演算する。また圧力センサ２の出力信号は高域遮断フィルタ４を通ったあと前記差圧演算器８に入力される経路と微分演算器５に入力される経路にわかれ、微分演算器５に入力された信号は実施例１と同じ方法で処理される。
図９に本発明の第４の実施例の断面図を示す。第４の実施例は例えばオートバイ、レースカーやスポーツカーのエンジンなどに見られるように絞り弁１５が各吸気管１２に配されているエンジンに適用する場合の実施例であり圧力差計測のための２点の位置をともに絞り弁１５の上流または下流とするところに特徴がある。図９は圧力差を差圧センサを用いて計測する場合の例を示しており差圧センサ１の導圧孔２９，３１の開口部をともに絞り弁１５の上流に設けている。圧力差計測のための２点を該位置とする理由は絞り弁１５を挟んだ２点の圧力差は流量微分値Ｆ’に比例しないからである。第２、第３の実施例のように差圧センサを使用せずに圧力センサを２つもしくは３つ用いる場合も圧力差計測に用いる圧力センサはともに絞り弁１５の上流または下流に設ける。
図１０に本発明の第５の実施例の断面図を示す。第５の実施例は例えば体積効率向上のため吸気動的効果の利用を図った結果吸気管１２の最適形状が管吸入口端に向けて一方的に拡大するものとなり吸気管１２に管断面積一定の区間を設けることができない場合、つまり圧力差計測のための２点を管通路断面積が変化する区間に設けた場合に適用する。圧力センサ２に近接した管壁に設けた温度センサ４１により空気温度を計測する。温度センサ４１の出力は積分演算器６のＡ−Ｄ変換器７に入力される。また圧力センサ２の出力信号は増幅器３、高域遮断フィルタ４を通ったあと２つの経路に分かれ一方は微分演算器５に、残りの一方は積分演算器６のＡ−Ｄ変換器７に入力される。次に図１１に第５の実施例における積分演算器６の１回積分部９でのデータ処理フローを示す。第１の実施例と異なるのは１回積分部９において前記積分演算に際し先にＶｐとＴａを用いて空気密度ＲＯを求め該ＲＯを用いて積分演算を行う点である。

以上説明したように本発明のエンジンの吸入空気流量計測装置は圧力センサを用いてエンジンの気筒毎の吸入空気量を計測するので自動車用をはじめとする多気筒エンジンにおいて熱線式やカルマン渦式の流量計を使用するシステムに比べ高精度でコストも安く性能劣化の少ない空燃比制御システムが実現できる。またエンジンの吸入空気量計測用のみならず塵や微粒子が浮遊する劣悪な計測環境にある流れ場においても脈動流量を計測できる質量流量計にも応用できる。

Claims

エンジン吸気管内の２点の圧力差と１点の圧力を検知しこれらの圧力データに基づいて空気の質量流量を算出するという方法を用いるものであり吸気管の管長さ方向に離れた位置関係にある２点の圧力差を検知する手段と該２点のいずれかの１点または該２点とは異なる第３の点の圧力を検知する手段と前記圧力差の積分値および該積分値をさらに積分して２回積分値を求める手段を備え、前記圧力の時間微分値に基づいて流量がゼロになる時点を知り該時点において前記積分値と前記２回積分値を補正し該補正後の前期積分値から瞬時の質量流量を算出し前記２回積分値から積算流量を算出することを特徴とするエンジンの吸入空気流量計測装置。
請求項１において前記流量がゼロとなる時点を吸気弁が閉じている期間に前記圧力の時間微分値がゼロになる時点とすることを特徴とするエンジンの吸入空気流量計測装置。