JPH0356410B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、内燃機関の吸入空気流量測定装置に
係り、特に、発熱抵抗体とこれを保持する保持体
とからなり内燃機関の吸入空気通路に配置される
検知素子を備え、空気流量の変化に応じて検知素
子から奪われる熱量の変化を供給電流の変化とし
て検出し、その電流変化に基づいて空気流量を検
出する方式の内燃機関の吸入空気流量測定装置に
関するものである。

〔発明の背景〕

例えば、外径0.5mm、内径0.3mm、長さ２mmのア
ルミナパイプを保持部材とし、その両端に直径
0.2mmのリード線を接着し、前記アルミナパイプ
上に発熱抵抗体として直径20μｍの白金線を巻い
た検知素子と、温度補償用抵抗体すなわち補償素
子とを、空気通路に併設したバイパス通路に配置
することが、特開昭56−108907号等に記載されて
いる。

これら素子により空気流量を測定する基本回路
を第１図により説明する。図において、検知素子
１は、バイパス通路３３内に配置されて空気流量
を測定するのであるが、同じバイパス通路３３内
に置かれた補償素子１３、それから他の抵抗１１
および１２とともにブリツジ回路を形成してい
る。このブリツジ回路の差電圧を、アンプ１４に
より差動増幅し、前記ブリツジ回路への給電を制
御しているパワートランジスタ１５のベースに供
給することによりフイードバツク回路を構成して
ある。

この回路の検知素子１の温度は、吸入空気温度
との差が常に一定値になるように、アンプ１４と
パワートランジスタ１５とからなる検知素子駆動
回路により閉ループ制御される。ここで空気流量
が増加した場合、瞬時に検知素子温度が低下しよ
うとするが、駆動回路の閉ループ動作により検知
素子１に流れる電流が増加し、この温度は元に戻
る。逆に流量が減少した場合は、電流が減少して
検知素子１と吸入空気温度との差が常に一定に保
たれる。

このように内燃機関の吸入空気流量に対応して
制御された検知素子１に流れる電流を測定すれ
ば、吸入空気流量そのものの測定ができる。この
吸入空気流量信号と内燃機関の回転数信号とを、
マイクロコンピユータに取り込み、時々刻々に対
応した適正な燃料噴射量を決定し、燃料噴射制御
を行なうシステムが実用化されている。

しかし、吸入空気流量計の検知素子の応答時間
が長く、しかも立上りと立下りの応答時間の差が
大きいために、内燃機関のスロツトルバルブ全開
域で検知信号出力が単調増加すべきところ一部低
下傾向を示し、いわゆる２値をとる現象がみられ
吸入の脈動流に追従しながら吸入空気流量を高精
度には検知できない欠点があつた。なお、本明細
書で、「応答時間」とは「空気量の変化に対する
電流の変化の応答時間」を意味し、その時定数を
τで表すものとする。

次にこのような欠点の生ずる原因を更に詳しく
分析してみる。吸入空気流量が瞬時に増加した場
合、検知素子１は冷やされて、これに内蔵した発
熱体の温度が低下し、それにつれて抵抗値も下が
るために、ブリツジバランスが不平衡になる。そ
こでパワートランジスタ１５からの電流が増加
し、検知素子１の自己加熱により空気流との温度
差を一定値に保持しようとする。加熱によつて抵
抗値が元に戻ると、ブリツジのバランスが保たれ
る。ここまでが第一段目の応答であり、その特性
は、主に発熱体の熱容量と検知素子駆動回路の閉
ループゲインによつて定まる。応答時間も短く、
通常５〜20ｍｓである。

検知素子に内蔵された発熱体が所定温度に達し
た後は、発熱体からアルミナパイプ、リード接着
剤、ガラスコート、リード線などの部材への熱伝
導により熱が移動する。検知素子内部の温度分布
がそれぞれの個所で最終温度に達し、検知素子へ
の加熱エネルギーと放熱エネルギーとが平衡にな
るまで、駆動回路により加熱電流が単調増加的に
供給され、検知素子自体の温度を一定に保ちなが
ら加熱し、やがて飽和に達する。ここまでが第二
段目の応答である。第２段目の応答特性は、主に
検知素子の発熱抵抗体を除く他の構成部材の熱容
量の大小で決まる熱伝達特性によつて左右され、
第一段目の特性に比べて、応答時間が著しく長く
なる。

これに対し、立下りは、加熱電流が急激に減少
すると、検知素子から流出空気への熱伝達とター
ミナルへの熱伝導により、比較的速い応答を示
し、検知素子の発熱体等の大小の影響は比較的少
ない。

具体的数値で比較すると、応答時間は3τ値でみ
て、立上りが1.5〜1.7秒、立下りが0.1秒程度で、
立上りが極端に遅いことになる。

ここで応答時間を短縮することを主眼に検知素
子の構造の改良を考えた場合に、アルミナパイプ
を省略し、例えば白金の細線だけで構成すること
が良策である。しかし、このように白金細線を張
りめぐらした検知素子は、機械的強度が不足す
る。すなわち、バツクフアイヤにより断線するこ
と、土砂やオイル又は排気ガスやブローバイガス
などの塵埃の影響を受け流量検知精度が低下する
こと、感度が高過ぎマイクロコンピユータでの処
理がしにくいこと、広い取り付けスペースが必要
なことなどの欠点を併せ持つていた。

〔発明の目的〕

本発明は、吸入空気流量計の検知素子の立上り
と立下りの応答時間を実用上同じにして、内燃機
関のスロツトルバルブ全開域でも検知信号出力が
単調増加しいわゆる２値をとらずに、吸入空気の
脈動流に追従しながら吸入空気流量を高精度に検
出可能な吸入空気流量測定装置を提供することを
目的とする。

〔発明の概要〕

本発明は、立上りの応答時間を短縮して立下り
の応答時間に近づけるには、立上りの第二段目の
応答時間を短くすることが最も効果的であること
に着目し、その解決手段として、検知素子のリー
ド線部分を除いたパイプ長さの範囲にある部材の
全熱容量q_Tに対する発熱体の熱容量q₁の割合q₁／
q_Tを大きくすることにより、応答時間を短縮した
ものである。

すなわち、本発明は、上記目的を達成するため
に、少なくとも発熱抵抗体とこの発熱抵抗体を保
持する保持体とからなり内燃機関の吸入空気通路
に配置される検知素子を備え、空気流量の変化に
応じて検知素子から奪われる熱量の変化を供給電
流の変化として検出し、その電流変化に基づいて
空気流量を検出する内燃機関の吸入空気流量測定
装置において、検知素子の全熱容量に対する発熱
抵抗体の熱容量の割合を検知素子の立上り応答時
間が立下がり応答時間の約２倍以内になる程度に
大きくした内燃機関の吸入空気流量測定装置を提
案するものである。

より具体的には、吸入空気通路にバイパスを併
設し、このバイパスに前記検知素子を配置すると
ともに、発熱抵抗体を保持体に巻いた抵抗線で形
成し、その熱容量を検知素子の全熱容量の５％以
上にする。

発熱抵抗体は、スパツタ法等により着膜した後
にスパイラル状にカツトした抵抗膜で形成しても
よく、この場合は、その熱容量を検知素子の全熱
容量の１％以上にする。

〔発明の実施例〕

以下、第２図から第６図までを参照して、本発
明の一実施例につき詳しく説明する。第２図は、
検知素子のリード線部分を除いたパイプ長さの範
囲にある部材の全熱容量q_Tに対する発熱体の熱容
量q₁の割合q₁／q_Tを変化させたときの、応答時間
3τの減少の状況を示す図である。既に述べた如
く、立下り時間を示す曲線Ｂはほとんど変化しな
い。これに対し、立上り時間を示す曲線Ａは、q₁
の増加に伴い急激に右下りとなり、曲線Ｂに近づ
く。すなわち、立上り時間が劇的に改良されるの
である。

先に述べた白金細線のみの検知素子の応答時間
3τは、立上り、立下りともに0.003〜0.010秒程度
である。しかし、内燃機関全体の応答から考えれ
ば、そのように速い必要はなく、0.1秒前後の応
答時間で、立上り、立下り時間がほぼ近似値をと
つていればよい。

第３図は、以上の諸条件を考慮して形成した本
発明の検知素子を示す部分断面図である。検知素
子１は、アルミナパイプ２の両端に白金リード線
３をガラス４により接着固定し、パイプ２の上に
白金細線５を巻いて両リード線に接続するととも
に、白金細線５を固定するためにガラスのオーバ
ーコート６を施して構成されている。

この検知素子１と同様の構造の補償素子１３と
を空気通路に実装した状態を示すのが、第４図で
ある。検知素子１と補償素子１３とは共にバイパ
ス通路３３に配置されている。検知素子１の温度
は、補償素子１３で検知される流入空気の温度と
の差が170℃〜200℃間で一定になるように制御さ
れる。駆動回路はハウジング２０に収納し、検知
素子１および補償素子１３を支持するターミナル
２１，２２，２３，２４を挿入した４端子ホルダ
ー２５と一体にして、流体通路を形成するチヤン
バに組み付ける。空気はチヤンバの流入口３０か
ら流入し、主通路３１を通り、吐出口３６から図
示しないダクト、スロツトルチヤンバを中継にし
て吸気管へ向う。検知素子１と補償素子１３と
は、バイパス通路３３の中央直管部３４にあり、
バイパスの入口３２は静圧取込口となつているか
ら、塵埃の侵入を慣性効果により防止できる構造
である。バイパス通路３３を通つた空気は、主通
路３１の外周を所定距離進んで、主通路３１のベ
ンチユリ部３５で合流する。

第５図は、外径0.42mm、内径0.23mm、長さ６mm
のアルミナパイプ２の両端に直径0.15mmの白金リ
ード線３をガラス４により接着し、直径30μの白
金細線５を61μのピツチで99ターン巻いたものに
ガラスのオーバーコート６を施したサンプルにつ
いて、その立上りと立下りの特性を示した図であ
る。ここでは、検出素子の全熱容量q_T＝0.545×
10^-3cal／℃に対し発熱体の熱容量q₁＝0.0690×
10^-3cal／℃であるから、q₁／q_T＝12.7％となり、
前述の第２図において、Ａ，Ｂ両曲線が接近して
いる部分に該当する。従つて、立下り時間25ｍｓ
に対して立上り時間は28ｍｓだからほぼ理想的な
特性といえる。

この空気流量計を多点燃料噴射システムに組み
込み、内燃機関を運転したときの様子を示したの
が、第６図である。各回転数で空気流量計の出力
は単調に増加しており、スロツトルバルブ全開域
でもその動作は正常であるから、内燃機関も極め
て正常に作動する。

これまで述べたことは、理想的な形状の空気流
量計の場合である。しかし、実際には、検知素子
を配置するバイパス通路径が小さく、検知素子の
大きさが制限される場合や、検知素子に供給する
電力に制限がある場合に、設計上、検知素子が所
要の形状を確保できず、即ち検知素子の全熱容量
q_Tに対する発熱体の熱容量q₁の割合を小さくして
使用せざるを得ず、２値対策が必要となることも
ある。その手段としては、バイパス通路の長さを
長くしてバイパス通路を通る空気に慣性をもたせ
て遅らせ、立上り立下りの応答をほぼ同一にし
て、脈動流の平均値を高精度に測定する方法をと
る。バイパス長が長くなり過ぎてチヤンバが大き
くなり高価となるのを避けながら、本発明の検知
素子の効果を発揮できる素子の形状を求めてみる
と、q₁／q_Tは５％となつた。従つて上記実験例と
比較して、かなりq₁の割合が低くてもよいことに
なる。

本発明のこの実施例によれば、検知素子の全熱
容量q_Tに対する発熱体の熱容量q₁を５％以上にす
ることにより応答性を改善し、いわゆる２値に対
する対策が充分になされるとともに、空気流の脈
動によく追従して吸入空気流量を精度よく検知で
きる上に、検知素子と補償素子とを静圧取込形式
のバイパス通路に配置することによりバツクフア
イヤや塵埃が測定に及ぼす影響を軽減できる。

次に、先の実施例の白金細線５に替えて、パイ
プ上にスパツタ法等により着けた白金薄膜をスパ
イラル状にトリミングして形成された検知素子と
補償素子を用いる他の実施例につき説明する。

この種素子の代表的な従来例は、外径0.5mm内
径0.3mm長さ２mmのアルミナパイプの両端に直径
0.2mmのリード線を接着し、パイプ上にスパツタ
法により1μの白金薄膜を着膜してこれをスパイ
ラル状にトリミングしたものであつた。この従来
例についても、白金細線の従来例と同様に、応答
が遅く、２値問題があるなどの欠点があつた。

そこで、第２図と同様に、薄膜についても実験
を行ない、立上りについては第７図の曲線Ｃを立
下りについては曲線Ｄを得た。

これに基づき作成したスパイラル膜の検知素子
の具体例を示したのが第８図で、外径は0.42mm、
内径0.23mm、長さ６mmのアルミナパイプ２の両端
に直径0.15mmの白金リード３を白金接着剤４によ
り固定し、膜厚10μの白金膜７をスパツタにより
形成したのを75μピツチで75ターンにレザーカツ
トして、ガラスのオーバーコート６でカバーした
ものを示している。

第９図は、この検知素子の立上り、立下り特性
を示し、立下り54ｍｓに対し立上り56ｍｓである
から理想的特性となつている。この場合、検知素
子の全熱容量q_T＝0.4×10^-3cal／℃に対して発熱
体の熱容量q₂＝0.0255×10^-3cal／℃であるから、
q₂／q_T＝6.4％となり、第７図上、曲線Ｃと曲線
Ｄとがかなり接近している部分に該当する。

この検知素子を用いた空気流量計を多点燃料噴
射システムに組み込み、内燃機関を運転したとき
の様子を示したのが、第１０図である。各回転数
で空気流量計の出力は単調に増加しており、スロ
ツトルバルブ全開域でもその動作は正常であるか
ら、内燃機関も極めて正常に作動する。

第一実施例について述べたように、種々の制約
からq₂／q_Tを理想状態に近いところまで大きくで
きない場合について検討してみると、スパイラル
膜を用いた本実施例においては、q₂／q_Tは１％と
なつた。従つて上記の理想的な実施例と比較し
て、かなりq₂の割合が低くてもよいことになる。

第１実施例の巻線の場合の５％に比べて、１％
と低いのは、薄膜がパイプに密着しており、小熱
容量でも応答特性の改善が可能だからである。

なお、白金膜の形成方法には、スパツタの他に
蒸着法、厚膜法、メツキ法などがある。スパツタ
や蒸着は真空中で単位時間当りの付着量を定量的
にコントロールして着膜できるため膜厚の精度は
比較的良く着膜材料の純度も高い。しかし、数量
が少ないと高価になる。一方、厚膜法やメツキ法
は比較的簡単な装置を用いて短時間内に多量の物
に着膜できるので安価である。しかし、小さい物
に着膜するのは支持構造が細かくなりむずかしい
エツジ部分に多量に付きやすく膜厚のばらつきが
大きいなどの欠点もある。いずれにしても、サン
プルの大きさ、膜厚、コストなどを考慮して、適
宜手段を決定すればよい。

本発明のこの第二実施例によれば、検知素子の
全熱容量q_Tに対するスパイラル膜発熱体の熱容量
q₂を１％以上にすることにより応答特性を改善
し、いわゆる２値に対する対策が充分になされる
とともに、空気流の脈動によく追従して吸入空気
流量を精度よく検知できる上に、検知素子と補償
素子とを静圧取込形式のバイパス通路に配置する
ことによりバツクフアイヤや塵埃が測定に及ぼす
影響を軽減できる。

因に、前記ふたつの実施例では、パイプにアル
ミナを、発熱体に白金を用いるとして説明した
が、パイプにはアルミナの他に、ジルコニア、マ
グネシアなどのセラミツク材料を、また発熱体に
は白金の他に、銅、鉄、アルミニウム、ニツケ
ル、又はこれら材料の合金を用いても、同様の効
果が得られることは、いうまでもない。

〔発明の効果〕

本発明では、発熱感温抵抗体の全熱容量に対す
る発熱体の熱容量の割合を大きくすることによ
り、立上りと立下りの時間を近似させ応答特性を
改善したので、いわゆる２値に対する対策が充分
になされるとともに、空気流の脈動によく追従し
て吸入空気流量を精度よく検知できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は空気流量測定回路の回路図、第２図は
巻線発熱体の応答時間を示す特性図、第３図は本
発明第一実施例の検知素子の部分断面図、第４図
は空気流量計の構造を示す部分断面図、第５図は
第一実施例の応答を示す特性図、第６図は内燃機
関に実装した場合の第一実施例の特性図、第７図
はスパイラル膜発熱体の応答時間を示す特性図、
第８図は第二実施例の検知素子の部分断面図、第
９図は第二実施例の応答を示す特性図、第１０図
は内燃機関に実装した場合の第二実施例の特性図
である。 １……検知素子、２……パイプ、３……リード
線、４……接着剤、５……白金巻線、６……ガラ
スのコート、７……スパイラル膜、１１，１２…
…抵抗、１３……補償素子、１４……アンプ、１
５……パワートランジスタ、２０……ハウジン
グ、２１，２２，２３，２４……ターミナル、２
５……４端子ホルダー、３０……流入口、３１…
…主通路、３２……バイパス入口（静圧取込口）、
３３……バイパス通路、３４……中央直管部、３
５……ベンチユリ部、３６……吐出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも発熱抵抗体と当該発熱抵抗体を保
   持する保持体とからなり内燃機関の吸入空気通路
   に配置される検知素子を備え、空気流量の変化に
   応じて前記検知素子から奪われる熱量の変化を供
   給電流の変化として検出し、当該電流変化に基づ
   いて前記空気流量を検出する内燃機関の吸入空気
   流量測定装置において、 前記検知素子の全熱容量に対する前記発熱抵抗
   体の熱容量の割合を前記検知素子の立上り応答時
   間が立下がり応答時間の約２倍以内になる程度に
   大きくしたことを特徴とする内燃機関の吸入空気
   流量測定装置。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の内燃機関の吸
   入空気流量測定装置において、 前記吸入空気通路にバイパスを併設し、当該バ
   イパスに前記検知素子を配置するとともに、前記
   発熱抵抗体を保持体に巻いた抵抗線で形成し、そ
   の熱容量を前記検知素子の全熱容量の５％以上と
   したことを特徴とする内燃機関の吸入空気流量測
   定装置。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の内燃機関の吸
   入空気流量測定装置において、 前記吸入空気通路にバイパスを併設し、当該バ
   イパスに前記検知素子を配置するとともに、前記
   発熱抵抗体をスパツタ法等により着膜した後にス
   パイラル状にカツトした抵抗膜で形成し、その熱
   容量を前記検知素子の全熱容量の１％以上とした
   ことを特徴とする内燃機関の吸入空気流量測定装
   置。