JPH0342523A - 熱式流量センサの信号処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、流体の流量を検出する熱式流量センサに関
するもので、特に、流ｊｉｉｔ変化に対する応答性を改
善する信号処理方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の熱式流量センサとしては、内燃機関の吸入空気流
量を検出する熱式空気流量センサがよく知られてかり、
代表的なものとして吸気通路内に配設された白金線の温
度が一定となるよう白金線への通電電流を制御し、この
ｔＦ？Ｇ値に対応して空気流量信号金得るホットワイヤ
式空気流量センサが公知である。又、該白金線の代りに
アルミナ基板やフィルムに白金を蒸着した熱式空気流量
センサがホットワイヤ式空気流量センサの廉価版として
最近注目されてきている。

ところで、これらの熱式空気流量センサにふ・いてぽ、
定温度に制御された温度依存抵抗への通電電流を検知し
て空気流量を計測するものであるため、該温度依存抵抗
ならびＶＣその保持部材への熱伝導及び蓄壌により計測
すべき空気流量が変化した時出力応答が遅れて検出特性
に誤差を生じることが知られている。例えば、白金線を
吸気通路中に張架したホットワイヤ式空気流量センサの
場合、保持部材の影響は比較的小さいが、白金線をセラ
ミックのボビンに巻きつけたホットワイヤ式空気流量セ
ンサや、前述のアルミナ基板やフィルムに白金を蒸着し
た熱式空気流量センサなとは保持部材であるセラミック
やフィルムへの熱伝導や蓄熱が無袂できない程度になる
。

このような欠点を改善する方法として例えば特開昭６３
−１３４９１９号公報に示されるように熱式空気流量セ
ンサの構造を工夫して空気流量変化に対する応答特性を
改善するものが知られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の熱式空気流量センサに
２いては、センサ自体で応答性を改善しているため、構
造が複雑化して製造が困難なものとなり、あるいは価格
が高くなるなどの問題があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、構造が調率で廉価な熱式流量センサを用い、
信号処理によって応答性を改善するようにした信号処理
方法金提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、温度依存抵抗と該抵抗を支持する保持部材
とからなる熱式流量センサを備えたものにおいて、上記
保持部材の代表点の温度オブザーバヲ設けて、該オブザ
ーバにより演算で求めふれる代表点の温度と、熱式流量
センサから得た現在の流量に対応する平衡状態時におけ
る温度および流量とから熱式流量センサの出力を補正す
るように構成したものである。

〔作用〕

この発明における信号処理方法は、保持部材の代表点の
温度を演算により求めるとともに、現在の流量に対応す
る流量平衡状態時における温度および上記流量とから流
量センサ出力を補正することにより、過渡状態における
流量センサの熱応答遅れに起因する計測誤差を解消する
ことが可能となる。

〔発明の実施例〕

以下、この発明を一実施例である熱式空気流量センサを
用いた燃料噴射装置について説明する。

第１図にかいて、（１１は熱式空気流量センサ、１２）
は該空気流量センサ（１）を収容する吸気通路、（３）
は吸入空気ｍｔ副調整るスロットルバルブ、（４１はサ
ージタンク、＋５１Ｈインテークマニホールドｉ６１［
エンジン、ｌ？ｌｆｌエンジン（６）における気筒毎の
インテークマニホールドに取付けられたインジェクタ、
（８）はエンジン１Ｂ）のカムシャフト軸に取付けられ
たディストリビュータ内に設けられ、クランク軸の回転
位置を検出するクランク角センサ、（９）は空気流量セ
ンサ１１１からの空気流量信号及びクランク角センサ（
８）からのエンジン回転＆信号を主に園示しない各種セ
ンサなどによる補正演算を行ないインジェクタ（７）の
噴射パルス巾を制御する信号処理器で、第２図に示すよ
うに熱式空気流量センサ１１１の出力電圧信号をディジ
タル交換する〜句変換器（２）と、クランク角センサ（
８）の出力信号を波形整形するディジタルインタフェー
ス（至）と、これらの出力を受けて演算処理を行なう中
央処理装置（ＣＰＵ）　ＩＥＩと、プログラムおよびデ
ータなどが記憶されたＲＯＭ（至）と、データを一時記
憶するＲＡＭ（至）と、出力信号を発生する駆動回路（
至）とから構成されている。

基本の演算処理方法としては、空気流量センサのＡ／ｋ
）値、クランク角センサからの回転数信号などを用い後
述する空気流量の補正演算を行ない、これらの信号、演
算値により周知の方法で燃料噴射パルス巾を計算して駆
動回路（至）によジインジエクタ（７）を制御すること
になる。第３図はこのような燃料噴射装置に用いられる
熱式空気流量センサ（１１を示すもので、（１１１は空
気が流れる通Ｗ＆を兼ねる管状のハウジングであシ、空
気の流れる方向を矢印で示している。ＲＨは空気流量を
検出するための温度依存抵抗で、第３図（ｂ）に示すよ
うにアルミナ基板−の上に白金をミアンダ状に蒸着した
もので、他の抵抗”ＫＩＲＭとともに空気通路内に配設
されている。ＲＨ，ＲＭ、　ＲＫ、　ＲＡ、　ＲＢは周
知のブリッジ回路構成で抵抗値検出装置を形成し、差動
増巾器（Ｉ２１とによって閉ループを形成しｓ　ＲＨの
温度又は抵抗値が一定となるよう制御される。このため
、空気流量に対応してＲＨの通電電流が決定され、該電
流値とＲＭの抵抗値の積から出力電圧（１３１を得るこ
とができる。

次に、このような熱式空気流量センサ（１）の空気流量
変化時の応答遅れについて説明する。第４図は空気流量
をステップ状に変化させた時の熱式空気流量センサの応
答を示す区であり、その特性はＡ点を節とする折れ線に
略等しい応答を示す。ここで横軸はステップ変化後の経
過時間、縦軸は空気流ｉ変化率を示す。Ａ点渣での時間
遅れは、主として白金抵抗ＲＨの熱応答及び回路の応答
遅れによジ生じ、Ａ点での目標値との偏差設びＡ点から
目標値へ収れんするまでの時間は主として白金抵抗Ｒｕ
の保持部材であるアルミナ基板α船への熱伝導、蓄熱に
よシ生じるものである。第５図は上記動作を説明するた
めの図であり、アルミナ基板０４１に対し白金抵抗ＲＨ
の位置を基準に距離を横軸にとった時のアルミナ基板Ｑ
４）上の温度分布を示す。

白金抵抗Ｒ１（部付近の温度は前述の回路により空気温
度に対し十分高い一定の温度に制御されている。アルミ
ナ基板α４）は熱伝導率が空気に対し十分大きく白金抵
抗ＲＨ部からアルミナ基板α４）への伝熱−蓄熱が行な
われる。該回路はこの熱損失を補って白金抵抗ＲＨへの
電流を制御する。従って、所定の空気流量に対する熱式
空気流量センサ（１）の出力はアルミナ基板Ｑ４）への
伝熱蓄熱分を含んだものとなるが、アルミナ基板ｍ上の
熱の平衡がとれた状態での特性即ち定常状態では正確な
流量特性が得られる。ところが、空気流量が変化する場
合は上記熱平伽がとれないため流量特性に誤差を生ずる
ことになる。第５図のＬｌは空気流量が少ない時の温度
分布であジ、Ｌｌは空気流波が大きい時を示す。ここで
、１２が１１の下方になるのは流れる空気流量によって
アルミナ基板（１４）の冷却効果が異なるためである。

ＬｌからＬｌへ空気流返金ステップ変化させた時は最終
的には温度分布が１２になるが、初期は１２に対応する
空気流量であるのに１１の温度分布となり白金抵抗ＲＨ
への供給電流、即ち、熱式空気流量センサ１１；出力ぽ
本来の出力より少なくなる。即ち、空気流量の変化があ
った時は変化前の空気流量に対応する温度分布と変化後
の空気流量に対応する温度分布の差に対応した初期流量
誤差を生じ、温度分布が変化後の空気流量に対する定常
状態になる１での時間誤差が漸減しながら継続すること
になる。この度合いは第３図に示す熱式空気流量センサ
ー１１では、保持部材であるアルミナ基板ｍの伝熱、蓄
熱の影響が太きく、内燃機関の燃料噴射装置で実用化可
能な程度の応答性、耐久性をもつセンサとすべく白金抵
抗ＲＨの面積、アルミナ基板（１４）の厚みなどを考慮
して製作したものでも初期流量偏差が最大３０％、偏差
の継続時間が５００ｍｑ程度となる。この応答遅れは同
装置では許容しがたいものであり、本発明による応答性
改善処理が必要となる。

次に、この発明の一災施例である信号処理方法にりいて
説明する。

第６図は、第３−に示すようなアルミナ基板α→に白金
（ＲＨ）を蒸着してなる熱式空気派遣センサを示すもの
で、第６図（、）（ｂ）にしいて、ｔはアルミナ基板α
船の厚さ、ｌはアルミナ基板の幅、ＬＨはヒータ部（Ｒ
Ｈ）の長さ、−Ｌｓはサポート部（保持部）の長さを示
している。！た、ヒータ部（ＲＨ）　’ｄ　ａ　ｂｃｄ
で示す部分で、アルミナ基板（１４の片面に白金を蒸着
して形成されている。なか、白金の厚さはアルミナ基板
α船に比し十分小さいので無視する。

一方、サポート部ｔｃｄｅｆで示す部分とし、ヒータ部
、サポート部の代表点として各々の中心点Ａ、Ｂｆｔと
る。第６図（ｃ）はこのような熱式空気流量センサｔｍ
回路で示したものであり、ヒータ部代表点Ａは一定温度
Ｔ１に制御されているので、これを電池で表わす。又、
ヒータ部の抵抗Ｒ１１Ｊヒ一タ部から空気への熱伝達を
示す熱抵抗であり、空気流量によシ抵抗値が変化するも
のである。さらに、抵抗Ｒ２はヒータ部からサポート部
への熱伝導を示す熱抵抗、抵抗Ｒ３Ｈサポート部から空
気への熱伝達を示す熱抵抗であり、熱抵抗Ｒ１と同様、
空気流波に依存して抵抗値が変化するものである。加え
て容量Ｃはサポート部の熱容量であυ、サポート部の代
表点Ｂの温度ｉＴ２とする。

このような熱回路に訟ける各部の諸元はそれぞれ次のと
シシ表わすことができる。

＋！Ｂ＋Ｊｇ ＮＩＪ！ヌセルト敗 ｐｒ＝プラントル数　、 Ｒｅ＋ レイノルズ数 ＝空気流量センサの通路断面積〔ｍ２１である。

なか、平板の層流境界面については、　ｐｏｈｌｂａｕ
ｓｅｎの解が知られてかり、ヌセルＩ’１ｋＮＯは次式
で表わされる。

Ｎｏ−０，６６４・Ｐ　ｒ’　　−Ｃ０，、−ｔｅ＋こ
こで、ＰＴは空気のプラントル数で常温で約０．７１％
Ｒｅはレイノルズ数であシ、流速Ｕ、生空気動粘性係数
ν、熱式流量センサの代表寸法Ｘにより下式で表わされ
る。又、ｗＩＪａ図に示す熱式流量センサの通路断面積
Ｓと空気密度ρ８とによシ該センサの出力により定壕る
質量流ｆｊｔＱに換算できる。

式（１） （４） （６１ 、（７）から熱抵抗Ｒ１゜ Ｒ３は ただし、 同様に ただし となる。

次に、 第６図（ｃ）の熱回路でＡ点から Ｂ点への熱 流は、 又、 全体の熱流Ｐ、は と表わせる。

次に、マイクロプロセッサの演算のために式（１２１ｔ
−差分方程式にａｔきかえる。即ち、Δτ毎のサンプリ
ング処理とすると、式Ｑ′！Ｊは 整理して 式［１Ｇ＋を代入して となる。

この式舖は保持部材の形状・寸法・材質などにより決定
される定数と空気流量Ｑを変数とするアルミナ基板の代
表点Ｂの温度オブザーバである。

ここで、空気流ｆｆ１Ｑに対して温度が平衡状態となっ
た時の温度Ｔ２ｓｔ−求める。

このとき、 Ｔ２（ｉ）−Ｔ２　（ｉ−１）＝Ｔ２ｇから１ 次に式０講で空気流量Ｑに対し温度が平衡状態になった
ときの熱流をｐＨ８ とすると 式（８） 、Ｑａを代入して 現在のＰ舊 と平衡状態のＰＲ との差をΔＰ。

とすると、 Δｐａ Ｐ。

Ｉｌｓ ・・・翰 入 となる。

ここで、 ΔＱは現在の熱式空気流量センサの出 力に対応する質量流量Ｑ と真ｍ（熱平衡状態にな つたときの該センサの出力に対応する質量流量）との差
である。

弐Ｊ３） １　（１９）　　＊副 、Ｑｌ）から となる。

補正後の流量をＱｌとするど Ｑ”−Ｑ＋△Ｑ で表わされ、式ｕｆｏ、０７）＋Ｃ２’５’ｚｉとめて
７２　（１）−Ｆ（Ｑ）　（Ｔ２　（＋−］）＋ｓ＜）
Ｔ２Ｓ　−Ｇ　（Ｑ） ΔＱ　＝　Ｈ（Ｑ）（Ｔ２ｓ　−７２Ｃｉ）１となる。

ただし、 ・・・（２３） ・・・シ４） ・・・０司 ・・・ｃ２６１ このように、　Ｆ（■、　Ｇ（Ｑ）　、　）Ｉ（■を流
量９分引数とするテーブルとして予め設定し、所定時間
（ΔＴ）毎に式（財）を演算して温度オブザーバＴ２０
）の値を求め、内燃機関の回転数割込処理にて弐四、（
ホ）を演算してΔＱを求め、式□□□により空気流量の
補正演算を行なわせることになる。

次に、上記空気流量の補正演ｎｆ第７図のフロー千ヤー
ドで説明する。

１ず、信号処理器（９）は所定の時間間隔で空気流量セ
ンサ（１）の出力電圧をＡ／ｂ　ｖ換した値により予め
測定された流量特性に基づき相当する流量を求めてかき
、ステップ１０１にしいてクランク角センサ（８）によ
る割込み信号（４気筒エンジンの場合１０００　ｒ　ｐ
ｍの回転時Ｉｒｅ　３０ｍ秒毎）が入力されると、これ
らの時間における流量の積算値と積算回数とから回転信
号間の平均空気流量Ｑａを演算する。

次に、ステップ１０２にかいて、空気流量センサ（１）
が定常状態、すなわち熱的に平衡状態にあるときの保持
部の代表点の温度Ｔ２．を演算で求める。該演算は前述
の式翰に基づくＱを引数とするテーブル演算でＱ−Ｑａ
としてｃ（ｑａ）　を求める。次に、ステップ１０３に
かいて、後述の定時間割込処理で得られる現在の保持部
の代表点の温度Ｔ２′Ｊｔ読み白子Ｏ 次に、ステップ１０４で補正流量ΔＱａ　ｋ式（至）、
　（３０１に基づき同様にＱ””Ｑ　ａとして求める。

最後に、ステップ１０５で平均空気流量Ｑ８に補正流樋
ΔＱａを加算して補正された実質空気流量Ｑａ＊を得る
ことになる。

なか、保持部の代表点における温度を求める定時間割込
処理は、前述のΔＴ毎に行なう処理であり、式慟）でΔ
τ毎の時刻に警けるＱＪＩ　′ｆｆ−Ｑ−Ｑａとして代
入演算する。これにより漸化式で表わされる温度オブザ
ーバの＠ＴＯ）がΔＴ＠に得られる。ここで、空気流量
の補正演算を定時間毎の処理ではなく回転に同期した処
理を行なう理由は、燃料噴射装置では、回転に同期して
各気筒に吸入される空気′ｔ＃量に対応した噴射処理を
行ｆＪうごとで精度・応答性ともに良好な空燃比制御を
行なうことができるためである。

このように、本発明にかいては、空気流量センサ（りの
出力に対して、該センサの温度依存抵抗を支持する保持
部材の代表点の温度オブザーバを設けて、該出力に対応
して求められる保持部材の代表点の温度に対応する値と
上記出力が定常状態を維持した平衡状態にあるときの代
表点の温度に対応する値ｐよび出力とにより、流量セン
サの出力を補正するように構成したため、温度依存抵抗
を支持する保持部材による熱的影響を解消することがで
き、空気流！＃を検出する際の応答性を改善することが
可能となる。

なし、上述の実施例にかいては、熱式流量センサとして
内燃機関の空気流量センサについて説明したが、温度依
存抵抗及びその保持部材の温度又は温度分布が流体の流
量変化に対してｆｒｒ量に対する平衡値からずれを生じ
、１１７ｆＦ量特性に誤差を生じる熱式流量センサであ
ればよく、例えば、内燃機関のＥＧＲガス流量センサに
も適用することができるＯ さらに、信号処理方法として、実施例では熱式空気流量
センサの流量値を補正するように構成したが、流量セン
サの出力値又はこの出力値をＡ／１）変換したｆｌ［を
用いるようにしてもよいう〔発明の効果〕 以上のように、この発明によれば熱式流量センサにおけ
る温度依存抵抗及びその保持部材の熱応答遅れを信号処
理により補正することが可能となり、このため、構造が
簡単で安価な熱式流量センサを用いて応答性の良好な流
量測定を可能とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である内燃機関の燃料噴射
装置を示す基本構成図、第２図は第１図にふ・ける燃料
噴射装置の信号処理方法示すブロック図、第３図は内燃
機関の熱式空気流量センサを示すブロック図、第４図は
空気流量をステップ変化させた時の該センサの空気流量
変化率を示す図、第５園はセンサの熱応答遅れを説明す
る図、第６図は本発明の信号処理方法を説明するための
概念図、第７園、第８園は本発明の一実施例である信号
処理方法を示すフローチャートである。 回申、（ｌ）は空気流量センサ、（３１はスロットルバ
ルブ、＋６１Ｈエンジン、（７）はインジェクタ、１ｇ
＋ｆｌクランク角センサ、（９）は信号処理器、ＲＨは
温度依存抵抗、（１４は保持部材であるアルミナ基板を
示す。 な訃、図中、同一符号は同一あるいは相当する部分を示
すものとする。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）温度に依存して抵抗値が変動する温度依存抵抗と
   この温度依存抵抗を支持する保持部材とを有し、上記温
   度依存抵抗を介して形成される出力信号に基づき、流体
   の流量を検出する熱式流量センサを備えたものにおいて
   、上記保持部材における代表点の温度オブザーバを設け
   、該温度オブザーバにより上記流体の流量に対応して求
   められる上記保持部材の代表点における温度に対応する
   値と、上記流体の流量が定常状態を維持した平衡状態に
   あるときの上記代表点の温度に対応した値および流量と
   により上記流量センサの出力を補正するようにしたこと
   を特徴とする熱式流量センサの信号処理方法。