JPH0843163A - 吸入空気流量計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】エンジンの絞り弁全開時のように、空気流が逆
流を伴った脈動流である場合にも、平均空気流量を高精
度に測定すること。 【構成】熱式空気流量計，該熱式空気流量計からの信号
の応答遅れを補正する手段，空気流の向きを検出する手
段からなり、該熱線式空気流量計から求めた空気流量，
応答遅れ補正手段と空気流の向き検出手段を用いて求め
た逆流空気流量をそれぞれ求め、吸気行程間で該空気流
量は加算し逆流空気流量はその２倍を減算することによ
り、真に機関に吸入された空気量を求める。 【効果】逆流を伴った脈動流の平均空気流量を正確に求
めることができる。その結果、流量検出部の機械的強度
が優れる実用的なエンジン制御用の空気流量計を提供で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】内燃機関の吸入空気流量を測定す
る空気流量計に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の電子制御燃料噴射装置の空気流
量計として、熱線式流速計の原理を用いた流量計は、小
形で応答性が良く、質量流量が直接測定できる等の長所
があり広く用いられてきた。しかし、熱線式空気流量計
は流れの方向を検出できない欠点があり、しぼり弁全開
時のように、空気流が逆流を伴った脈動流である場合に
大きな誤差を生じる課題がある。この課題に対して、従
来は特公昭62−14705 号等に示すように、該熱線式空気
流量計の信号に補正係数をかける方法を用いていた。し
かし、この方法は、対症療法的で精度が悪くかつ補正係
数を実験により求めるのでシステムの開発に時間がかか
る欠点があった。また特開平1−185416 号には１枚の電
気絶縁体上に２ケの発熱抵抗体を設けて、該２ケの発熱
抵抗体を用いた熱線式空気流量計の信号の差から空気流
の方向を検知する方法が開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】空気流が逆流を伴った
脈動流である場合、空気流の向き検出手段を付加して、
逆流の時は流量計の信号にマイナス符号を付け、順流の
時は流量計の信号にプラス符号を付け積算して平均流量
を求める方法が考えられる。この時の流量計信号の波形
を図１９に示す。通常の応答遅れをもつ熱線式流量計で
は、応答遅れのため信号の脈動振幅が小さくなり逆流部
分の流量信号が真の逆流流量に比べ大幅に大きくなって
しまう。その結果、単に空気流の向き検出手段を付加し
ただけでは、通常の応答遅れをもつ熱線式流量計では、
測定平均空気流量が真値より小さくなる課題が生じる。

【０００４】本発明の目的は逆流を含む脈動流の平均空
気流量を高精度に測定できる吸入空気流量計測装置を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】熱線式空気流量計，該熱
線式空気流量計信号の応答遅れを補正する手段，空気流
の向きを検出する手段からなり、該熱線式空気流量計か
ら求めた空気流量，応答遅れ補正手段と空気流の向き検
出手段を用いて求めた逆流空気流量をそれぞれ求め、吸
気行程間で該空気流量は加算し逆流空気流量はその２倍
を減算することにより、真にエンジンに吸入された空気
量を求める。

【０００６】

【作用】逆流を含む脈動流の測定時には、図２０に示す
ように通常の熱線式空気流量計の信号は空気流の向きを
検知できず、かつ応答遅れを伴う。しかしその平均値は
逆流を順流とした時の平均値にほぼ一致する。一方、応
答遅れを持つ通常の熱線式流量計の信号波形は応答遅れ
補正手段により真の空気流波形に近づけ、さらに流れの
向き検出手段を用いて逆流時の該補正空気流を積算して
真の逆流空気量を求めることができる。従って、前者の
逆流を順流とした時の平均値から後者の真の逆流空気量
の２倍を減算すると、逆流を伴った脈動流の平均空気流
量を得ることができる。なお、後者の逆流空気量は、補
正計算で求めた近似値であり誤差を伴うが、エンジンの
吸入空気流では逆流空気量は順流空気量に比べかなり小
さいので平均空気量に及ぼす該誤差の影響は小さく、精
度良く平均空気流量を得ることができる。

【０００７】

【実施例】図１は本発明の空気流量計測装置である。熱
線式空気流量計１，流れの向き検出手段２の信号はエン
ジン制御回路３に入力される。該エンジン制御回路で
は、熱線式空気流量計１の信号の応答遅れ補正，熱線式
空気流量計１，流れの向き検出手段２の信号を用いた平
均空気量の算出，燃料量，点火時期の算出等のエンジン
制御の演算を行う。

【０００８】図２は図１の熱線式空気流量計１の詳細で
ある。空気通路４内に整流部材５，９，内筒６が設けら
れ、さらに、内筒６内に流れの向き検出機能をもつ流量
検出部７，空気温度検出部８が設置されている。１０は
熱線式空気流量計の電子回路である。順流時、空気流は
整流部材５，内筒６で均一流れに整流され流量検出部
７，空気温度検出部８で空気流量を測定する。逆流時、
空気流は整流部材９，内筒６で均一流れに整流され同様
に流量検出部７，空気温度検出部８で空気流量を測定す
る。空気通路４の入口，出口に整流部材５，９を設置す
ることにより、順流，逆流を高精度に測定できる効果が
ある。

【０００９】図３は図１の熱線式空気流量計の電子回路
の詳細である。２ケの熱線式空気流量計からなり、両者
の信号の大小の比較から空気流の向きを求め、両者の信
号の和を空気流量信号とするもので、該空気流量信号と
該空気流の向き信号を組み合わせた信号を出力するもの
である。流量検出部は薄い電気絶縁板１１上に２ケの発
熱抵抗体１２，１３を設けた構造である。発熱抵抗体１
２，温度補償抵抗体１６，抵抗２１，３２，３１からな
るホイートストンブリッジ、差動増幅器３３，トランジ
スタ３４で１ケの熱線式空気流量計を構成し、他方の熱
線式空気流量計は発熱抵抗体１３，温度補償抵抗体１
７，抵抗２２，３５，３６からなるホイートストンブリ
ッジ，差動増幅器３７，トランジスタ３８で構成する。
該２ケの熱線式空気流量計の流量信号である発熱抵抗１
２，１３の下端の電位をコンパレータ３０で比較して空
気流の方向信号を得、これをアナログスイッチ４１の制
御信号として用いる。空気流に対して上流側の発熱抵抗
体の信号が下流側のそれより大きくなることから、流れ
の向き信号が得られる。流量信号は、発熱抵抗１２，１
３の下端の電位の和を差動増幅器３９，４０で空気流量
と信号の関係を調整し、流れの向き信号でアナログスイ
ッチ４１を動作して、図４に示すように、順流時には信
号は空気流量と共に増加する特性、逆流時には信号は空
気流量と共に減少する特性とした。この信号は、エンジ
ン制御回路３に入力される。流れの向き信号とアナログ
スイッチ４１を用いて、信号と空気流量の関係を図４の
ようにすることにより、１本の信号線で、流れの向きを
含む流量信号をエンジン制御回路３に送ることができ
る。

【００１０】図５は図３の変形例である。２ケの熱線式
空気流量計からなり、両者の信号の差を空気流量信号と
する。なお図５において図３と同じ番号をつけた部分は
同じ機能をもつ。流量信号は、両発熱抵抗１２，１３の
下端電位の差を差動増幅器４６で信号と空気流量の関係
を調整して、エンジン制御回路３に入力する。信号と空
気流量の関係は図４のようになり、１本の信号線で、流
れの向きを含む流量信号をエンジン制御回路３に送るこ
とができる特長がある。

【００１１】図６は図３の変形例である。流れの向き信
号と空気流量信号を別々に２本の電線でエンジン制御回
路３に入力する例である。流れの向き信号と空気流量信
号が別なので、空気流量信号を精度良く読める効果があ
る。なお図６において図３と同じ番号をつけた部分は同
じ機能をもつ。流量信号は、両発熱抵抗１２，１３の下
端電位の和を差動増幅器４２で信号と空気流量の関係を
調整して、エンジン制御回路３に入力する。流れの向き
信号は発熱抵抗１２，１３の下端の電位をコンパレータ
３０で比較して求め、エンジン制御回路３に入力する。
図７，図８に、エンジン制御回路３に入力される流れの
向き信号と流量信号の例を示す。

【００１２】図９は発熱抵抗体１２，１３の詳細であ
る。発熱抵抗体１２，１３は特開昭56−106159号，USP4
517837で開示された構造で、円筒型のアルミナボビンの
外周に細い白金線を巻くか、あるいは白金薄膜を形成し
その上をガラス被覆したものである。発熱抵抗体１２，
１３は０.１から１.５mm程度離して該空気流に直角にか
つ該空気流に対して上下流の関係になるように、支柱１
４，１５を用いて固定壁１８に支持固定されている。な
お、支柱１４は、支柱１５に比べ細くすることにより、
発熱抵抗体から固定壁への熱伝導量を小さくして空気流
量の測定精度の改善を図っている。

【００１３】図１０は図９の変形例である。１枚の電気
絶縁板（セラミックス，プラスチック，シリコン等）１
１上に２ケの発熱抵抗体１２，１３を設け、該２ケの発
熱抵抗体１２，１３の間にスリット１９を設けて発熱抵
抗体１２，１３間の熱伝導を遮断する構造である。電気
絶縁板１１は、熱容量と機械的強度の両立の点から厚さ
は０.０５から０.１mmが最適であり、セラミックス板２
０にガラス等で接着される。セラミックス板２０上に
は、抵抗２１,２２があり、発熱抵抗体１２,１３との接
続はアルミ線等を用いたワイヤボンディングによる。こ
の構造は、図９に比べ、空気流に対して発熱抵抗体１２
と１３の位置関係がばらつきにくい効果がある。

【００１４】図９，図１０に示した発熱抵抗体１２，１
３の構造は、自動車用としての耐久性にはすぐれている
が熱容量がやや大きく、図２０に示したように空気流量
の変化に対して応答遅れがある。

【００１５】図１１は、エンジン制御回路３の詳細であ
る。アナログスイッチ４１，差動増幅器４２の出力は、
マルチプレクサ１０１に入力され、時分割的にセレクト
されてＡＤコンバータ１０２に送られデジタル信号とな
る。なお、コンパレータ３０の出力，クランク角，キー
スイッチ等のパルス信号は、Ｉ／Ｏ１０３に入力され
る。CPU104はデジタル演算を行い、ROM105は制御プログ
ラム及びデータを格納する記憶素子、RAM106は読みだし
書き込み可能な記憶素子である。Ｉ／Ｏ１０３は、入力
信号をCPU104に送ったり、CPU104の出力信号を燃料噴射
弁，点火コイルヘ送る機能を持つ。

【００１６】図１２は、エンジン制御回路３内の平均空
気量算出のフローチャートである。流量信号を図４また
は図８に示すテーブルを用いて空気流量に換算して逐一
加算する。同時に、該流量信号に応答遅れ補正の演算を
行い遅れのない流量信号を得、これを図４または図８に
示すテーブルを用いて空気流量に換算し、流れの向き検
出手段を用いて逆流流量を求め、該加算空気流量から逆
流流量を減算して平均空気流量を求める演算手順であ
る。

【００１７】ステップ７０で初期値をゼロとし、ステッ
プ７１で熱線式空気流量計の信号を定時間毎または定ク
ランク角毎にとりこみ、ステップ７２で図４，図８に示
すテーブルを用いて空気流量ｑｉに換算する。ステップ
７３で熱線式空気流量計の応答モデルの逆演算を行い遅
れのない流量信号を得る。ステップ７４で図４，図８に
示すテーブルを用いて該遅れのない流量信号を空気流量
ｑｔｉに換算する。ステップ７５，７６で流れの向き信
号から順流であるか逆流であるかを判断する。順流の時
は、ステップ７８で、応答遅れ補正後の空気流量をゼロ
として、逆流の時は、ステップ７７で、応答遅れ補正後
の空気流量を２倍してマイナス符号を付ける。ステップ
７９において、ステップ７２で求めたｑｉとステップ７
７，７８で求めたｑｔｉを積算すると共に、積算回数Ｎ
をカウントする。ステップ８０で１吸気行程の積算が終
了したかを判断する。終了の場合はステップ８１に進
み、終了してない場合はステップ７１に戻りステップ７
９の積算を繰り返す。なお１吸気行程の積算は、図７の
クランク角信号の立上りから立上りまで（４気筒エンジ
ンでは、クランク角で１８０度毎）行う。従って終了の
判断は、クランク角信号が立上りか否かで判断する。ス
テップ８１で、該空気流量の加算値Ｑを積算回数Ｎで割
って平均流量を求め，ステップ８２で、供給燃料量，点
火時期を計算する。

【００１８】図１３は図１２のフローチャートの説明図
である。該熱線式空気流量計から求めた空気流量，応答
遅れ補正手段と空気流の向き検出手段を用いて求めた逆
流空気流量をそれぞれ求め、吸気行程間で該空気流量は
加算し逆流空気流量はその２倍を減算することにより、
真に機関に吸入された空気量を求めるという手順であ
る。換言すれば、熱線式空気流量計１から求めた吸気行
程の積算空気量，応答遅れ補正手段と空気流の向き検出
手段を用いて求めた逆流空気量をそれぞれ求め、該積算
空気量から該逆流空気量の２倍を減算することになる。
但し、逆流時は空気通路４内の流速分布が一様にはなり
にくく、実用上、該２倍は１倍から２倍の間の適切な値
にするのが良い。

【００１９】図１４，図１５，図１６を用いて、図１２
のステップ７３の詳細を説明する。空気流量がステップ
的に変化した時の熱線流量計の信号変化を図１４に示
す。特開昭59−176450号で説明されているように、熱線
流量計の信号のステップ応答は２ケの時定数の和で表さ
れ、第１の時定数は熱線式の電子回路の定数で決まり、
第２の時定数は流量検出部の熱容量で決まる。ステップ
７３は熱線式空気流量計１からの信号Ｖｉをこの応答モ
デルを用いて逆変換して応答遅れがない空気流量信号Ｖ
ｔｉを得る計算手順であり、詳細を図１５に示す。ステ
ップ８３で信号Ｖｉをこの応答モデルを用いて逆変換す
る。時定数Ｔ１，Ｔ２の２ケの１次遅れを差分式で解い
て、応答遅れがない流量信号Ｖｔｉを得る。ステップ８
４では、前ステップで得た流量信号Ｖｔｉから図１６の
テーブルを用いて該１次遅れの定数Ａ，Ｔ１，Ｔ２の値
を求める。これらの定数の値は空気流量に強く依存する
ので、ステップ８３で流量信号Ｖｔｉを得る毎に更新す
る必要がある。なお図１６（ａ）はＡの値、図１６
（ｂ）は時定数Ｔ１、図１６（ｃ）は時定数Ｔ２等と空
気流量の関係を表すテーブルである。

【００２０】図１７，図１８，図１９により本発明の変
形例を説明する。図１７は図３の変形で、図３と同じ番
号を付けた部分は同じ機能をもつ。空気流の上流下流に
設けた２ケの熱線流量計の信号をゼロスパン調整回路４
３，４４で空気流量との関係を調整してエンジン制御回
路３に入力する。エンジン制御回路３内では、コンパレ
ータ４５で該２ケの熱線流量計の信号の大きさを比較し
て空気流の方向信号を得、かつ該２ケの信号はマルチプ
レクサ１０１を介してＡＤコンバータでデジタル信号に
変換する。

【００２１】図１８はエンジン制御回路３内の信号処理
の説明図である。コンパレータ４５から得た空気流の方
向信号を基に、順流時は上流側の熱線式流量計の信号を
空気流量に換算して、逆流時は下流側の熱線式流量計の
信号を図１５と同じ方法で応答遅れ補正をしてその信号
を空気流量に換算してマイナス符号を付けて積算平均す
る方法である。この方法によれば、逆流時は応答遅れ補
正をした下流側の熱線式流量計の信号から逆流量を正確
に測定でき、一方、順流時は空気流量が高く図１６に示
したように応答遅れは小さいので、応答遅れの補正なし
に上流側の熱線式流量計の信号から順流流量を正確に測
定できる。その結果、順流流量から逆流量を減算して、
平均空気流量を精度良く測定できる。

【００２２】図１９は、図１８の説明図のフローチャー
トである。図１２と同じ番号を付けたステップは同じ機
能をもつ。ステップ７０で初期値をゼロとし、ステップ
７１で２ケの熱線式空気流量計の信号Ｖｕ，Ｖｄを定時
間毎または定クランク角毎にとりこみ、ステップ７２で
上流側熱線式空気流量計の信号Ｖｕを図８のテーブルを
用いて空気流量ｑｕに換算する。ステップ７３で熱線式
空気流量計の応答モデルの逆演算を行い下流側熱線式空
気流量計の信号Ｖｄから遅れのない流量信号Ｖｔを得
る。ステップ７４で図８に示すテーブルを用いて該遅れ
のない流量信号Ｖｔを空気流量ｑｔに換算する。ステッ
プ７５，７６で流れの向き信号（コンパレータ４５の出
力信号）から順流であるか逆流であるかを判断する。順
流時は、ステップ８４，８５で、上流側の熱線流量計信
号Ｖｕの空気流量換算値ｑｕを積算、逆流時は応答遅れ
補正後の空気流量ｑｔに定数ｃをかけてマイナス符号を
付け積算する。ステップ８０で１吸気行程の積算が終了
したかを判断する。終了の場合はステップ８１に進み、
終了してない場合はステップ７１に戻りステップ８５の
積算を繰り返す。ステップ８１で、該空気流量の加算値
Ｑを積算回数Ｎで割って平均流量を求め、ステップ８２
で、供給燃料量，点火時期を計算する。

【００２３】図２１は、図１２の熱線式空気流量計の応
答モデルの逆演算（ステップ７３）の変形例である。図
１２と同じ番号を付けたステップは同じ機能をもつ。空
気流量ｑｉ，エンジン回転数Ｎｅから図２２または図２
３を用いて補正係数を求め、空気流量ｑｉに該補正係数
をかけて真の空気流量を求める方式である。

【００２４】具体的には、ステップ７０で初期値をゼロ
とし、ステップ７１で定時間または定クランク角毎に熱
線式空気流量計の信号Ｖｉ，エンジン回転数Ｎｅを読み
込み、ステップ７２で図８のテーブルを用いて熱線式空
気流量計の信号Ｖｉを空気流量ｑｉに換算する。ステッ
プ７５，７６で流れの向き信号（コンパレータ３０の出
力信号）をよみこみ順流であるか逆流であるかを判断す
る。順流時は、ステップ９２で、逆流期間の空気流量ｑ
ｔｉをゼロ（ｑｔｉ＝０）とする。逆流時はステップ９
０，９１で、空気流量ｑｉ，エンジン回転数Ｎｅから図
２２を用いて補正係数を求め、空気流量ｑｉに該補正係
数をかけて真の逆流空気流量を求め、さらに２倍してマ
イナス符号を付ける。ステップ７９において、ステップ
７２で求めたｑｉとステップ９１，９２で求めた逆流空
気流量ｑｔｉを積算すると共に、積算回数Ｎをカウント
する。ステップ８０で１吸気行程の積算が終了したかを
判断する。終了の場合はステップ８１に進み、終了して
ない場合はステップ７１に戻りステップ７９の積算を繰
り返す。ステップ８１で、該空気流量の加算値Ｑを積算
回数Ｎで割って平均流量を求め、ステップ８２で、供給
燃料量，点火時期を計算する。なお、逆流の程度が小さ
い時または逆流時の要求精度が低い時は、図２２に示す
ように、該補正係数はエンジン回転数のみで決まる値と
する。さらに、流れの向き検出は図３，図６で示した方
法以外に、特公平5−10612号，特公平5−54890 号で開
示されたソフトウエアによる方法でも良い。

【００２５】この方法によれば、図２１，図２２に示し
たテーブルを予め実験的に求める必要があるものの、図
１２のステップ７３の（詳細は図１５）の微分演算は補
正係数の掛け算となり、空気流量信号Ｖｉにノイズを含
む時も高精度に真の空気流量を得ることができる効果が
ある。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、やや応答遅れをもった
熱線式空気流量計で逆流を伴った脈動流の平均空気流量
を正確に求めることができる。その結果、流量検出部の
機械的強度が優れる実用的なエンジン制御用空気流量計
を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の空気流量計測装置である。

【図２】図１の熱線式空気流量計の詳細である。

【図３】図１の熱線式空気流量計の電子回路の詳細であ
る。

【図４】流れの向きを含めた空気流量と信号の関係であ
る。

【図５】図３の変形例である。

【図６】図３の変形例である。

【図７】流れの向き信号と流量信号の例である。

【図８】流量信号から空気流量を求めるテーブルの例で
ある。

【図９】発熱抵抗体１２，１３の詳細である。

【図１０】図９の変形例である。

【図１１】エンジン制御回路３の詳細である。

【図１２】平均空気量算出のフローチャートである。

【図１３】図１２のフローチャートの説明図である。

【図１４】空気流量がステップ的に変化した時の熱線流
量計の信号変化である。

【図１５】ステップ７３の詳細である。

【図１６】流量計の応答遅れの定数Ａ，Ｔ１，Ｔ２のテ
ーブルの例である。

【図１７】図３の変形例である。

【図１８】エンジン制御回路３内の信号処理の説明図で
ある。

【図１９】図１８の説明図のフローチャートである。

【図２０】熱式空気流量計の信号を示した図である。

【図２１】図１２の熱式空気流量計の応答モデルの逆演
算の変形例である。

【図２２】補正係数を求めるためのマップを示す図であ
る。

【図２３】エンジン回転数と補正係数との関係を示す図
である。

【符号の説明】

１…熱線式空気流量計、２…流れの向き検出手段、３…
エンジン制御回路、４…空気通路、５，９…整流部材、
６…内筒、７…流量検出部、８…空気温度検出部、１０
…電子回路、１２，１３…発熱抵抗体、１４，１５…支
柱、１６，１７…温度補償抵抗体、１９…スリット、２
０…セラッミクス基板、２１，２２…抵抗、３０，４５
…コンパレータ、３３，３７，３９，４０，４２，４６
…差動増幅器、３４，３８…トランジスタ、４１…アナ
ログスイッチ、４３，４４…ゼロスパン調整回路。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の吸気通路内に設置された熱式空気流
   量計と，該熱式空気流量計によって検出された空気流量
   に対応した信号の応答遅れを補正する手段と，該吸気通
   路内の空気流の向きを検出する手段とからなることを特
   徴とする吸入空気流量計測装置。
2. 【請求項２】熱式空気流量計から求めた特定クランク間
   に流れた空気量検出手段と，該線式空気流量計と応答遅
   れ補正手段及び空気流の向き検出手段とを用いて該特定
   クランク間の逆流空気量を求める逆流空気量検出手段
   と，該空気量から該逆流空気量の定数倍を減算する手段
   とからなることを特徴とする吸入空気流量計測装置。
3. 【請求項３】請求項１ないし２のいずれかにおいて、空
   気通路の入口，出口に整流部材を設置したことを特徴と
   する吸入空気流量計測装置。
4. 【請求項４】請求項１ないし２のいずれかにおいて、空
   気流の上流と下流に２ケの発熱抵抗体を設ける熱線式空
   気流量計のそれぞれの信号の和を流量信号とし、かつ、
   該両信号の大小関係から流れの向き信号を得ることを特
   徴とする吸入空気流量計測装置。
5. 【請求項５】請求項１ないし２のいずれかにおいて、流
   れの向き信号でアナログスイッチ４１を動作して、順流
   時に流量信号は空気流量と共に増加する特性，逆流時に
   流量信号は空気流量と共に減少する特性としたことを特
   徴とする吸入空気流量計測装置。
6. 【請求項６】空気流の上流と下流に２ケの発熱抵抗体を
   設ける熱式空気流量計において、空気流の方向信号を基
   に、順流時は上流側の熱線式流量計の信号を空気流量に
   換算して、逆流時は下流側の熱線式流量計の信号に応答
   遅れ補正を加えてその信号を空気流量に換算してマイナ
   ス符号を付けて積算平均することを特徴とする吸入空気
   流量計測装置。