JP5594231B2 - 内燃機関の吸入空気量検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸入空気量検出装置に関する。

従来より、吸入空気量検出装置として、内燃機関の吸気通路に配され、吸入空気流量に応じて信号を出力する検出部と、検出部から出力される信号を処理する回路部とを有する熱式エアフロメータ（以下、ＡＦＭと呼ぶ）を備えるものが知られている。

ＡＦＭは、検出部において放熱が遅れる等の理由により、ＡＦＭからの出力信号に応答遅れが生じる。そこで、正確な吸入空気流量を検出するために、ＡＦＭの応答遅れを補償する技術が公知である。

例えば、特許文献１には、スロットル開度等を用いて推定した吸入空気流量に対して、ＡＦＭの応答遅れ分の遅れ処理をして、この遅れ処理を施した吸入空気流量を用いて、ＡＦＭの応答遅れを補償する技術が開示されている。つまり、図７に示すように、スロットル開度等に基づいて吸入空気流量Ｇを算出し（Ｓ１０１）、この吸入空気流量を放熱量に変換し（Ｓ１０２）、放熱量に対して一次遅れ要素によりセンサ部の応答遅れ分の遅れ処理を施し（Ｓ１０３）、放熱量を流量に変換する（Ｓ１０４）ことによって、ＡＦＭ相当の応答遅れを含んだ吸入空気流量Ｇｚを得ている（Ｓ１０５）。

しかし、特許文献１では、ＡＦＭの回路部でデジタル演算を行う場合、回路部での演算処理に起因する応答遅れが生じることについては、一切考慮されておらず、回路部において生じる応答遅れを補償する手段については一切開示されていない。

特開２００２−９７９９４号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、ＡＦＭの回路部において生じる応答遅れを補償することができる内燃機関の吸入空気量検出装置を提供することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の吸入空気量検出装置は、内燃機関の吸気通路に配され、吸入空気流量に応じて信号を出力する検出部と、検出部から出力される信号を処理する回路部とを有するＡＦＭと、ＡＦＭの応答遅れを補償する応答遅れ補償手段とを備える。

応答遅れ補償手段は、検出部において生じる応答遅れを補償する第１補償手段と、検出部において生じる応答遅れの補償とは別に回路部において生じる応答遅れを補償する第２補償手段とを備える。

これによれば、検出部において生じる応答遅れだけではなく、回路部において生じる応答遅れを補償することができるため、高精度にＡＦＭの応答遅れを補償することができる。なお、検出部において生じる応答遅れには、放熱による遅れや流路に起因する遅れがあるため、例えば、放熱による遅れは、流量に応じた放熱量を算出し、この放熱量に基づいて、１次遅れ要素を用いることにより補償することができる。また、回路部において生じる応答遅れには、回路部において生じる遅れ要素を用いる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の吸入空気量検出装置によれば、第２補償手段は、回路部での演算処理時間に基づいて設定されたディレイ時間を用いて、回路部において生じる応答遅れを補償する。
回路部において生じる遅れ要素として、演算処理時間に基づく所定のディレイ時間分だけ遅れるムダ時間要素がある。
そこで、本手段を採用することで、回路部において生じる応答遅れの補償を高精度に行うことができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の吸入空気量検出装置によれば、第２補償手段は、移動平均処理によって回路部において生じる応答遅れを補償する。すなわち、回路部において生じる応答遅れ要素として、移動平均による遅れを用いる。

ＡＦＭでは、回路部において移動平均処理を行うことがあるため、移動平均による遅れを用いることによって、より高精度にＡＦＭの応答遅れを補償することができる。

ＡＦＭを搭載する内燃機関及びその周辺装置を表す概略図である（実施例１）。 ＡＦＭの構成を示す断面図である（実施例１）。 ＡＦＭの応答遅れを考慮した吸入空気流量の演算処理の流れを説明する図である（実施例１）。 吸入空気量検出装置での演算処理の流れを説明する図である（実施例１）。 スロットル開度等を用いて推定した吸入空気流量Ｇに対して施す応答遅れ処理を説明する図である（実施例１）。 スロットル開度等を用いて推定した吸入空気流量Ｇに対して施す応答遅れ処理を説明する図である（実施例２）。 ＡＦＭの応答遅れを考慮した吸入空気流量の算出処理の流れを説明する図である（従来例）。

実施形態の吸入空気量検出装置は、内燃機関の吸気通路に配され、吸入空気流量に応じて信号を出力する検出部と、検出部から出力される信号を処理する回路部とを有するＡＦＭと、ＡＦＭの応答遅れを補償する応答遅れ補償手段とを備える。
そして、応答遅れ補償手段は、検出部において生じる応答遅れを補償する第１補償手段と、回路部において生じる応答遅れを補償する第２補償手段とを備える。

〔実施例１〕
実施例１の吸入空気量検出装置（以下、検出装置と呼ぶ）は、例えば、車両に搭載されるエンジン１（内燃機関）の吸入空気流量を検出するものである。
図１に示すように、エンジン１は、各気筒の燃焼室２に空気を導入するための吸気通路３を有しており、吸気通路３には、上流側から順に、エアクリーナ５、ＡＦＭ６、スロットルバルブ７、インジェクタ８が設けられている。

スロットルバルブ７は、吸気通路３を開閉することによって吸入空気流量を調節するものである。スロットルバルブ７には、開度を検出するスロットル開度センサ（図示せず）が接続されている。

ＡＦＭ６は、吸気通路３を通過する吸入空気流量を検出するものであり、詳しい構成は後に説明する。

また、エンジン１のシリンダヘッドには、先端部が各気筒の燃焼室２内の混合気に着火するための点火プラグ１１が取り付けられている。

また、エンジン１のシリンダブロックには、エンジン１のクランクシャフトの回転角度を検出するクランク角度センサ１２が搭載されている。このクランク角度センサ１２からの出力信号に基づいて、エンジン回転数が検出される。

ＡＦＭ６、スロットル開度センサ、クランク角度センサ１２、インジェクタ８はＥＣＵ１３に接続され、各種センサからの信号に基づいてインジェクタ８の駆動が制御されている。
ＥＣＵ１３は、制御処理および演算処理を行うＣＰＵ、各種プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶手段、入力回路、出力回路等により構成される周知構造のコンピュータとして構成されている。
また、ＥＣＵ１３は、後述するＡＦＭ６の応答遅れを補償する応答遅れ補償手段としても機能する。

〔ＡＦＭ６の構成〕
次に、ＡＦＭ６の構成を図２を用いて説明する。
ＡＦＭ６は、いわゆる、熱式エアフロメータであり、吸気通路３を形成するダクト１５に取り付けられ、吸気通路３を流れる吸入空気（主流）の一部を取り込んでバイパス流路を形成するハウジング１７と、バイパス流路に置かれてバイパス流路を流れる吸入空気流量に応じて信号を出力する検出部１８と、検出部１８から出力される信号を処理する回路部１９とを備える。

ハウジング１７は、吸気通路３を流れる吸入空気の一部を取り込む流入口２０と、流入口２０から主流方向に直進して流出口２１へ到る第１流路２２と、主流方向に略直交して第１流路２２から分岐してダクト１５の外径方向に向かった後にダクト１５の内径方向に向かうようにＵターンして流出口２４へ到る第２流路２５とを有する。そして、第２流路２５が検出部１８の配されるバイパス流路をなしている。
なお、第１流路２２は、吸入空気に含まれるダストを主流方向に直進させて、第２流路２５へのダスト侵入を防止する役目をしている。

検出部１８は、例えば、半導体基板に設けられたメンブレン上に、薄膜抵抗体で形成された発熱素子と、発熱素子の上下流のそれぞれに設けられる測温抵抗体とを有するセンサチップとして形成された薄膜タイプのものである。検出部１８は、第２流路２５のＵターンする部分に配置され、バイパス流路の流量に応じて電圧信号を出力する。

回路部１９は、発熱素子を設定温度に制御するための発熱体制御回路と、検出部１８から出力される信号を演算及び増幅して出力する演算処理回路等を有する回路チップとして形成されている。すなわち、回路部１９は、発熱素子および測温抵抗体に接続され、発熱抵抗体の発熱温度を制御すると共に、測温抵抗体の抵抗値を基に、空気の流量と流れ方向に応じたセンサ信号を出力する。なお、演算処理回路は、アナログ／デジタル変換部と、デジタル演算部を有しており、流量電圧信号のデジタルデータを用いて演算処理を行う回路である。

〔ＡＦＭ６の遅れ補償について〕
次に、ＡＦＭ６の遅れ補償について説明する。
エンジン回転数とアクセル開度に基づいて算出した吸入空気流量（推定空気量）から噴射量を求める場合、推定空気量とＡＦＭ６で出力される吸入空気流量（検出空気量）との誤差を補正する必要がある。
しかし、このＡＦＭ６には応答遅れがあるため、ＡＦＭ６の応答遅れを補償する必要がある。本実施例では、推定空気量をＡＦＭ６の応答遅れ相当分を遅らせて遅れ補償をした上で、推定空気量と検出空気量との誤差を用いて、推定空気量の誤差補正をし、誤差補正された空気量に基づいて噴射量を求めている。

本実施例では、ＡＦＭ６の応答遅れを補償する応答遅れ補償手段として、検出部１８において生じる応答遅れを補償する第１補償手段と、回路部１９において生じる応答遅れを補償する第２補償手段とをＥＣＵ１３内に備える。
以下、図３〜図５を用いて、推定空気量をＡＦＭ６の応答遅れ相当分を遅らせる演算処理の流れ、すなわち、ＡＦＭ６の応答遅れを考慮した吸入空気流量の演算処理の流れについて説明する。

まず、クランク角度センサ１２及びスロットル開度センサの出力から得られるエンジン回転数とアクセル開度に基づいて算出された推定空気量である吸入空気流量Ｇに対して、物理量変換マップを用いて、流量から放熱量に変換する（図３のＳ１〜Ｓ２、図４のＡ部）。つまり、吸入空気流量Ｇに応じた応答遅れを含まない放熱量Ｗを求める。

次に、第１補償手段によって、放熱量Ｗに対して検出部１８において生じる応答遅れ分の遅れ処理を施し、応答遅れを含む放熱量ｗを得る（図３のＳ３）。なお、検出部１８において生じる応答遅れは、主に、放熱の遅れによるため、検出部１８において放熱される放熱量に関する１次遅れ要素を用いて応答遅れを補償する。
すなわち、ＡＦＭ６の出力に応じて時定数τを求め、時定数τを用いて放熱量Ｗに対して１次遅れ処理を施す。

本実施例では、図４のＢ部に示すように、時定数τが、
τ＝ｕ（２）*ｌｏｇ（ｕ（１））＋ｕ（３）
との数式によって求められている。ここで、ｕ（１）は、ＡＦＭ６の出力電圧Ｖｇを変換して得られる流量ｇａであり、ｕ（２）は定数α、ｕ（３）は定数βである。

そして、図４のＡ部で、応答遅れを含む放熱量ｗ_ｉが、
ｗ_ｉ＝（Ｗ_ｉ−ｗ_ｉ−１）*｛１−ｅｘｐ（−（Δｔ／τ））｝＋ｗ_ｉ−１
との数式によって求められている。
ここで、添え字ｉは今回値、添え字ｉ−１は前回値を表す。Δｔは演算周期である。
なお、図４のＣ部中、Ｃ１部では、１−ｅｘｐ（−ｕ（１））との計算がなされているが、このｕ（１）はΔｔ／τである。

次に、物理量変換マップを用いて、放熱量から流量に変換する（図３のＳ４、図４のＣ部）。これにより、図５に示すように、吸入空気流量Ｇに対して検出部１８において生じる応答遅れ相当分だけ遅れた吸入空気流量Ｇ１が得られる。

そして、第２補償手段によって、吸入空気流量Ｇ１に対して、回路部１９において生じる応答遅れを補償する。すなわち、吸入空気流量Ｇ１に対して回路部１９において生じる応答遅れ分の遅れ処理を施し、吸入空気流量Ｇ２を得る（図３のＳ５〜Ｓ６、図４のＤ部）。
本実施例では、回路部１９での演算処理時間に基づいて設定されたディレイ時間Δｔｄを用いて、ムダ時間要素遅れ処理を施す。すなわち、図５に示すように、吸入空気流量Ｇ１に対して、波形形状はそのままに、ディレイ時間Δｔｄ分遅らせる処理を施して、吸入空気流量Ｇ２を得ている。

これにより、吸入空気流量Ｇ２は、エンジン回転数とアクセル開度に基づいて算出された応答遅れを含まない吸入空気流量Ｇに対して、検出部１８での遅れに加えて回路部１９での遅れを加えたＡＦＭ６の応答遅れ相当分の遅れ処理を施したものとなる。
そして、吸入空気流量Ｇ２を用いて、検出空気量との誤差を補正し、誤差補正された空気量に基づいて噴射量を求める。

〔実施例１の作用効果〕
本実施例では、ＡＦＭ６の応答遅れを補償する応答遅れ補償手段として、検出部１８において生じる応答遅れを補償する第１補償手段と、回路部１９において生じる応答遅れを補償する第２補償手段とをＥＣＵ１３内に備える。
すなわち、エンジン回転数とアクセル開度に基づいて算出された応答遅れを含まない吸入空気流量Ｇに対して、検出部１８での遅れに加えて回路部１９での遅れを加えたＡＦＭ６の応答遅れ相当分の遅れ処理を施した吸入空気流量Ｇ２を算出している。
これによれば、検出部１８において生じる応答遅れだけではなく、回路部１９において生じる応答遅れを補償することができるため、高精度にＡＦＭ６の応答遅れを補償することができる。

〔実施例２〕
本実施例の第２補償手段は、ディレイ時間Δｔｄを用いたムダ時間要素に加えて、応答遅れ要素として移動平均による遅れを用いる。
すなわち、図６に示すように、吸入空気流量Ｇ１に対して、波形形状はそのままに、ディレイ時間Δｔｄ分遅らせる処理を施し、さらに、移動平均処理を施すことにより、吸入空気流量Ｇ２を得ている。
なお、得られた吸入空気流量Ｇ２の波形は、移動平均処理が施されたものであるため、実施例１のようにディレイ時間Δｔｄを用いたムダ時間要素によって遅らせた波形（図６の破線で示す波形）よりも波形形状がなまる。

ＡＦＭ６では、回路部１９において移動平均処理を行うことが一般的であるため、吸入空気流量Ｇ１に対して、ディレイ時間Δｔｄ分遅らせ、さらに、移動平均処理を施すことによって、よりＡＦＭ６からの出力特性に近い特性を吸入空気流量Ｇ２として得ることができ、吸入空気流量Ｇ２を用いた誤差補正の精度を向上することができる。つまり、より高精度にＡＦＭ６の応答遅れを補償することができる。

〔変形例〕
実施例では、検出部１８として薄膜タイプが用いられていたが、発熱素子及び測温抵抗体としてそれぞれボビン状抵抗体を用いるタイプであってもよい。
また、実施例２では、第２補償手段が、ディレイ時間Δｔｄを用いたムダ時間要素に加えて、移動平均処理によって回路部１９において生じる応答遅れを補償していたが、移動平均処理のみによって回路部１９において生じる応答遅れを補償してもよい。
また、実施例では、第１補償手段において、流量に応じた放熱量を算出し、この放熱量に基づいて、１次遅れ要素を用いて、検出部１８の放熱の遅れに起因する応答遅れを補償していたが、これに加えて、流路に起因する遅れ（主流の流量変化に対するバイパス流の流量変化の遅れ等）を補償してもよい（特開２００６−２５８１号公報参照）。

１ エンジン（内燃機関）
３ 吸気通路
６ ＡＦＭ（熱式エアフロメータ）
１３ ＥＣＵ（応答遅れ補償手段（第１、２補償手段））
１８ 検出部
１９ 回路部

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気通路に配され、吸入空気流量に応じて信号を出力する検出部と、該検出部から出力される信号を処理する回路部とを有する熱式エアフロメータと、
   前記熱式エアフロメータの応答遅れを補償する応答遅れ補償手段とを備える内燃機関の吸入空気量検出装置であって、
   前記応答遅れ補償手段は、
   前記検出部において生じる応答遅れを補償する第１補償手段と、
   前記検出部において生じる応答遅れの補償とは別に前記回路部において生じる応答遅れを補償する第２補償手段とを備えることを特徴とする内燃機関の吸入空気量検出装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の吸入空気量検出装置において、
   前記第２補償手段は、前記回路部での演算処理時間に基づいて設定されたディレイ時間を用いて、前記回路部において生じる応答遅れを補償することを特徴とする内燃機関の吸入空気量検出装置。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関の吸入空気量検出装置において、
   前記第２補償手段は、移動平均処理によって前記回路部において生じる応答遅れを補償することを特徴とする内燃機関の吸入空気量検出装置。

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