JPH0250406B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関用吸気量検出装置に関し、特
に、自動車用内燃機関の吸気通路に逆流が生じた
場合でもこれを補正することにより実際に吸入さ
れた空気量を正確に検出し得る内燃機関用の熱線
式吸気量検出装置を提供するものである。

自動車の内燃機関における吸気量を計量する方
法としては、従来数多くの方法が提案されており
公知例も多い。特に実用化されている方法として
は、吸入した空気流の動圧を可動ベーンで受け該
ベーンの傾き角度に見合つた電気信号を得て吸気
量を検出する可動ベーン方式、カルマン渦の周波
数で吸気量を検出するカルマン渦方式、スワラー
で吸気量を検出するスワール式流量計、並びに、
熱線の抵抗値変化を利用した熱線式空気流量検出
器等がある。

これらの各方式は、エンジンの定常走行時及び
巡行走行時の吸気量検出に対しては正確に作動し
満足な機能を有しているが、気筒数が少ない（特
に４気筒以下）エンジンの低回転出力ゾーン等吸
気中の脈動が大きくなる場合の真の空気量検出法
としてはいまだ多くの問題を残している。

すなわち、第１図に示す如く、４気筒エンジン
の低回転出力ゾーンにおいては、エンジンに吸引
される空気量は時間的に脈動を伴つており、エン
ジンの吸排気弁がオーバーラツプしている場合と
吸気弁のみが開いている場合とで空気流の動きが
異なる。すなわち、吸排気弁がオーバーラツプし
ている時はピストン上昇に伴う排気弁側から正圧
で空気が吸気弁側に逆流せしめられ、空気の吹返
し現象が生じる。また、吸気弁のみが開いている
場合は、前記吹返しされた空気量を含んだ空気量
を吸引することになる。この様な現象は、エンジ
ンの燃焼室形状、吸排気管形状およびエアクリー
ナの形状などによつて異なつた形態を示すが、特
に、エンジンの低回転（600〜3000rpm）および
吸入負圧100mmHg以下の状態すなわち低回転出力
ゾーンの領域において多く現われる。該１図中、
脈動波形のうち斜線をほどこした部分は吸排気弁
がオーバーラツプしている時に生ずる逆流を示
し、零以上の波形部分は吸気弁のみが開いている
時の正流状態を示す。

このような現象下においては、前述の各種方式
による空気量検出装置では真の空気量を検出する
ことはできない。特に低コストでかつ高応答性能
を主眼として開発された従来の熱線式吸気量検出
装置においては、前述の脈動気流中の逆流を検出
する方策がなかつた。すなわち、第２図に示す如
く、空気流量信号は順（正）逆方向に関係なく一
方向の信号しか取り出せない。したがつて、この
熱線式吸気量検出装置においては、逆流方向の流
量Q₁と順方向の流量Q₂との和が吸気量として検
出されることになり、逆流方向の流量Q₁の２倍
に相当する流量の検出誤差が生じることになる。

なお、空気流量センサの検出精度の経時変化を
補償し、一定の検出精度を維持するようにした公
知例として、特開昭55−139939号公報が挙げられ
る。

本発明の目的は、この様な従来の熱線式吸気流
量検出装置の欠点を解消し、脈動時に生じる空気
流の逆流による検出誤差をなくすことができ正確
な吸気量検出を行なうことができる内燃機関用空
気量検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の内燃機関
用吸気量検出装置は、吸気通路内に設置され、吸
気上流側および吸気下流側にそれぞれ配置された
発熱抵抗体の出力の大小を比較して、吸気の流れ
方向を検知する方向検知手段と、前記発熱抵抗体
の電気出力から正方向吸気量および逆方向吸気量
を時々刻々と算出する吸気量算出手段と、クラン
クが少なくとも180度回転する間に、時々刻々と
算出された前記正方向吸気量を全て加算するとと
もに、その加算値から前記逆方向吸気量の全てを
減算し、その結果から真の吸気量の平均値を算出
する平均吸気量算出手段と、を具備するものであ
る。

第２図からも明らかな如く、逆方向の吸気量を
Q₁、正方向の吸気量をQ₂とすると、真の吸気量
Ｑは、 Ｑ＝Q₂−Q₁ ……(1) によつて求められる。本発明は、この原理を用い
て正しい吸気量を検出するようにしたものであ
る。

すなわち、方向検知手段によつて吸気の流れ方
向を検知し、この方向検知手段からの電気出力に
より、吸気量算出手段が正方向吸気量および逆方
向吸気量を時々刻々と算出する。その算出結果は
平均吸気量算出手段へ送られ、平均吸気量算出手
段では、クランクが少なくとも180度回転する間
に、時々刻々と算出された正方向吸気量の全てを
加算するとともに、その加算値から逆方向吸気量
の全てを減算し、その計算結果からクランクが少
なくとも180度回転する間の真の吸気量の平均値
を求める。

以下第３図〜第８図を参照して本発明の実施例
を説明する。

第３図および第４図は、本発明の内燃機関用吸
気量検出装置に使用する熱線プローブを例示する
図である。第３図および第４図において、セラミ
ツクなどの熱伝導の良い材質で作られた円筒状あ
るいは中空円筒状のボビン４にフイルム状の発熱
抵抗体１，２が両面から張り付けられている。一
方の発熱抵抗体１は吸気上流側に対応する位置に
張り付けられ、他方のフイルム状の発熱抵抗体２
は吸気下流側に対応する位置に張り付けられてい
る。これらの発熱抵抗体を張り付けた後その外周
面は薄膜３によりコーテイングされている。この
ような構造の熱線プローブは方向検知熱線プロー
ブと称される。

一般に、発熱抵抗体による流量測定は ｑ＝Ａ＋Ｂ√ ……(2) ここで、 ｑ；熱線プローブからの放散熱量 Ａ、Ｂ；流体の成分に依存する定数 ｕ；空気流速 なるキングの式によりｑを測定し、これからｕを
求めることができる。

これに対し、第３図および第４図に示した方向
検知熱線プローブでは、以下に説明する手順を追
つて真の吸気量を検出することができる。

まず、第４図中の矢印Ａ方向に空気が流速ｕで
流れていたとすると、吸気上流側の発熱抵抗体１
では、 q₁＝Ａ＋Ｂ√₁ ……(3) ここで、 q₁；発熱抵抗体１の放散熱量 u₁；発熱抵抗体１周囲の等価流速 なる式が成立する。発熱抵抗体２では、 q₂＝Ａ＋Ｂ√₂ ……(4) ここで、 q₂；発熱抵抗体２の放散熱量 u₂；発熱抵抗体２周囲の等価流速 なる式が成立する。ここで、理想的には円柱体の
背面には空気の流れが生じないものとすると、(4)
式のu₂は零となり、q₂＝Ａとなり、q₁≫q₂とな
る。このため、両方の発熱抵抗体１，２の放散熱
量の差により吸気の流れ向きを検知することがで
きる。

なお、円柱体背面に空気の流れが生じている場
合でも、u₁＞u₂なる関係は確実に成立するので、
q₁＞q₂なる関係も必らず成立し、吸気の流れ方向
を検知することができる。

同様にして、流れ方向が第４図中のＢの場合に
は、u₁＜u₂となるのでq₁＜q₂となり、流れ方向を
検知することができる。

次に第３図および第４図に示した方向検知型の
熱線プロープにより真の流速ｕを求める方法につ
いて説明する。

このためには、 q₁＋K²q₂＝Ａ＋Ｂ√ ……(5) ここで、 Ｋ；２つの発熱抵抗体をマツチングするための修
正係数であり、この(5)式の関係を用いる必要が
ある。

また、第４図中の方向Ｂの真の流速ｕを求める
場合には、 K²q₁＋q₂＝Ａ＋Ｂ√ ……(6) なる関係式を用いる必要がある。

本発明は、以上の原理を用いて上述した逆流の
生じる運転領域いわゆる吹き返しの生ずる運転領
域においても正確に吸気量を検出することができ
る内燃機関用吸気量検出装置を提供するものであ
る。

第５図は本発明による内燃機関用吸気量検出装
置の出力信号の処理手順を例示したブロツク図で
ある。

第４図の発熱抵抗体１の放散熱量をq₁、発熱抵
抗体２放散熱量をq₂とすると、第４図中の方向Ａ
が正方向の流れとなるようにこれら発熱抵抗体を
配置した場合には次の処理手順によつて吸気量を
検出することができる。

まず正流時には、q₁≧q₂となり、これをブロツ
ク３で検出し、その後ブロツク４で(5)式によりｕ
を求める。この場合ｕは正方向であるのでその＋
−の符号はそのままとしブロツク５における符号
転換は行なわず次のブロツク６に進む。このブロ
ツク６で前記ｕに通路断面積Ｓを乗じてその時の
空気流量Qxを求める。ついでブロツク10に進み、
ここで前回までの空気流量Ｑと今回の空気流量
Qx（微小期間の空気流量）とをたして新しい合計
流量Ｑを求める。ついでブロツク11に進み、ここ
でクランク角信号が入力されたかどうかを判定す
る。このクランク角信号は所定の設定期間例えば
４サイクル４気筒エンジンの場合第１図および第
２図に示した如くクランク角180度ごとに入力さ
れる。すなわちこの場合はクランク角180度が各
期間ごとの空気流量Qxを積分して平均吸気量を
求める設定期間に相当する。すなわち、設定期間
（クランク角180度）中のトータル流量Ｑを求めこ
れをこの設定期間で除すことにより平均流量を求
めることができる。

このようにしてクランク角180度ごとに生ずる
信号、例えば、点火信号、あるいはクランク角
180度ごとに生ずるようにしたクランク角信号な
どで所定期間が経過したことをブロツク11にて判
定することができる。具体的には、上記クランク
信号が入力された場合、信号がHighレベルとな
りＦ＝１となる。それ以外ではＦ＝０である。こ
のようにすると、Ｆ＝０の間は前述のブロツク10
で求めたＱはさらにブロツク３から10までの計算
を繰返してこれにQxを加算することにより新し
いＱを次々に積算してゆく。

このような積算過程で吹き返しが生じ逆流現象
が生じると、q₁≦q₂となり、この場合はこのq₁と
q₂の大小関係をブロツク３で判定し次のブロツク
７へ進む。このブロツク７では前述の(6)式により
逆流流速ｕを求める。この流速は逆流であるので
ブロツク８で負の流速に変換され、次のブロツク
９で吹き返し空気流量（逆流空気流量）Qxを求
める。この空気流量には負の符号がついているの
で、ブロツク10ではこれまでに積算した積算空気
流量ＱからこのQx（絶対値）分の量を減算するこ
とになる。

このような繰返し計算は、ブロツク11の信号Ｆ
が１になるまでの所定期間にわたつて繰り返し計
算される。Ｆが１に到達すると、一方ではブロツ
ク１のSTARTに戻り、ブロツク２において再
び、Ｑ＝０にRESETし、前述のブロツク３から
ブロツク11までの間の繰り返し計算を行なう。他
方では、前述の如く積算されたＱを時間で除算し
てその間の平均空気流量を演算する。この平均空
気流量の演算はブロツク12において行なう。

以上のような処理手順によれば、第２図に示し
たエンジンに吸入される空気量Q₂と吹き返され
た空気量Q₁とを判別するとともに、エンジンに
実際に吸入された空気量（吸気量）ＱをＱ＝Q₂
−Q₁なる形で演算処理することができる。

第６図は第３図および第４図について説明した
前述の方向検知型の熱線プローブ１３を絞り弁１
０とともに、給気筒１１のベンチユリ１２の近傍
に接着した構造例を示す図である。熱線プローブ
１３は、温度補償用プローブ１４とともに断熱円
柱体１５に固定されている。この断熱円柱体１５
は、給気筒１１に圧入され固定されている。この
両方のプローブ１３，１４は熱線駆動回路１６に
よつて駆動され、その出力信号は、熱線信号処理
回路１７によつて演算処理される。すなわち、こ
の熱線信号処理回路１７は、第５図のフローチヤ
ートに示した吸気量の演算処理を行なうものであ
り、通常マイコンによつて構成されている。な
お、この処理回路１７は、アナログ演算回路ある
いはデイジタル演算回路（マイクロコンピユー
タ）のいずれでも構成することができる。

第７図は前記熱線プローブ１３の装着部の拡大
図である。方向検知型の熱線プローブ１３の上面
（吸気上流側）には発熱抵抗体１が張り付けられ、
該プローブ１３の下面（吸気下流側）には発熱抵
抗体２が張り付けられている。これら両方の発熱
抵抗体１，２はそれぞれの支持棒２３，２４によ
つて支持されている。また、これら両者からの出
力信号は例えば、第８図に示す回路によつて、上
述した放散熱量ｑに対応した吸気量電気信号に変
換される。

第８図の回路は、流速測定用抵抗体７、温度補
償用抵抗体８、抵抗器１７，１８，１９の各抵抗
体で、ホイートストンブリツジを構成し、その中
点の電位差をオペアンプ２０を用いた差動増幅回
路で検出するようになつている。このオペアンプ
２０からの信号をトランジスタ２１のベースに入
力し、ブリツジ中点の電位が常に等しくなるよう
に閉ループ制御している。

ブリツジの平衡条件より、流速測定用抵抗体７
の抵抗値Rwは次式で表わされる。

Rw＝R₁／R₂（Rt＋R₃） ……(7) ここで、 R₁；抵抗器１７の抵抗値 R₂；抵抗器１８の抵抗値 R₃；抵抗器１９の抵抗値 Rt；温度補償用抵抗体８の抵抗値 である。実際にはRw＞Rtとなつており、流速測
定用抵抗体７は加熱された状態となり温度補償用
抵抗体８は、僅かに加熱されるがほとんど大気温
度に等しい。したがつて、空気温度が上昇したと
きはRtもそれにつれて抵抗値が増加し、空気温
度の上昇による影響を補償している。また、空気
温度が一定ならばRtは一定となり、Rwは空気流
量の如何にかかわらず一定値となるようにオペア
ンプ２０が作動してブリツジに流す電流を制御す
る。すなわち、空気路（吸気通路）を流れる空気
流速信号はこのブリツジの中点の電位又はトラン
ジスタ２１のエミツタの電位によつて知ることが
でき、したがつて空気路の空気流量（内燃機関の
吸気量）が求められる。

前述の発熱抵抗体１，２のそれぞれは、第８図
の如き回路に接続されており、それぞれの放散熱
量q₁，q₂に対応した電気量信号が発生される。し
たがつて、電圧レベルで検出すると、q₁，q₂に比
例した電圧が発生することになる。この場合、前
述の(5)式および(6)式は、それぞれ V² ₁＋K²V² ₂＝Ａ＋Ｂ√ ……(8) K²V² ₁＋V² ₂＝Ａ＋Ｂ√ ……(9) なる形に変換される。したがつて、第５図のフロ
ーチヤートのブロツク３，４，７をそれぞれ上記
した如く変換することにより第５図と同様の機能
を達成することができる。このフローチヤートの
演算はマイクロコンピユータで演算することが好
適である。

なお、上記の実施例では、熱線プローブ１３は
方向検知手段に相当し、熱線信号処理回路１７に
は吸気量算出手段と平均吸気量算出手段が含まれ
ている。

以上説明した実施例によれば、特に低回転出力
ゾーンの運転領域において生じやすい逆流を伴う
脈動吸気状態においても、その逆流成分を精密に
補正することにより実際にエンジン内へ吸入され
た吸気量を正確に検出することができる。これと
同時に、その他の一般の運転領域においても正確
な吸気流量を検出機能を達成することができる。

以上の説明から明らかな如く、本発明によれ
ば、吸気脈動状態においても正確な吸気量を検出
することができる内燃機関用吸気量検出装置が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は吸気脈動状態時の吸入空気流量のクラ
ンク角に対する変化の状態を例示するグラフ、第
２図は第１図の脈動状態におけるクランク角に対
する空気流量信号を例示するグラフ、第３図は本
発明の内燃機関用吸気量検出装置に使用される熱
線プローブの１例を例示する斜視図、第４図は第
３図中の線−に沿つた断面図、第５図は、本
発明の内燃機関用吸気量検出装置の１実施例にお
ける吸気量演算処理手順を例示するフローチヤー
ト、第６図は本発明の内燃機関用吸気量検出装置
の構造例を示す説明図、第７図は本発明の検出装
置の熱線プローブ支持構造を例示する斜視図、第
８図は熱線プローブの各発熱抵抗体からの信号を
放散熱量に対応した電気信号に変換するための回
路構成を例示する回路図である。 １……吸気上流側の発熱抵抗体、２……吸気下
流側の発熱抵抗体、３……薄膜コーテイング、４
……ボビン（円柱体又は中空円筒体）、１０……
絞り弁、１１……給気筒（吸気通路）、１２……
ベンチユリ、１３……方向検知型熱線プローブ、
１４……温度補償用プローブ、１５……断熱円柱
体、１６……熱線駆動回路、１７……熱線信号処
理回路、Ａ……正（順）方向の吸気流れ、Ｂ……
逆流方向、Q₁……逆流時の空気流量信号、Q₂…
…正方向吸気流の空気流量信号、ｕ……空気流
速、q₁，q₂……発熱抵抗体の放散熱量。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 吸気通路内に設置され、吸気上流側および吸
   気下流側にそれぞれ配置された発熱抵抗体の出力
   の大小を比較して、吸気の流れ方向を検知する方
   向検知手段と； 前記発熱抵抗体の電気出力から正方向吸気量お
   よび逆方向吸気量を時々刻々と算出する吸気量算
   出手段と； クランクが少なくとも180度回転する間に、
   時々刻々と算出された前記正方向吸気量を全て加
   算するとともに、その加算値から前記逆方向吸気
   量の全てを減算し、その結果から真の吸気量の平
   均値を算出する平均吸気量算出手段と； を具備する内燃機関用吸気量検出装置。