JPS61126423A - 熱式空気流量測定装置 - 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、例えばエンジンを電子的に空燃比制御する
場合に、そのエンジンの運転状態を検出するためのセン
サ機構として効果的に使用されるように、吸気管に流れ
る吸入空気量を検出する熱式の空気流量測定装置に関す
る。

［背景技術］ 電子的にエンジンの空燃比制御を実行する場合、このエ
ンジンの運転状態を常時監視して、その運転状態に対応
した信号を検出して、この検出信号に基づき例えば上記
エンジンに対する燃料噴射量、点火時期等を演算し、こ
の演算結果に基づいて燃料噴射制御、さらに点火時期制
御を実行するものである。

このようなエンジンの運転状態の監視手段としては、エ
ンジンの回転速度検出センサ、エンジンの冷却水温セン
サ、排気温度センサ、スロットル開度センサ等が存在す
るものであるが、エンジンの運転状態に直接的に関連す
るものとして、吸入空気量を検出測定する空気流量測定
装置が存在する。

このようなエンジンの制御装置において効果的に使用さ
れ、特に電気的な流量測定信号が直接的に取出されるも
のとして、例えば特開昭５５−１０４５３８号公報に示
されるような、温度によって抵抗値の変化する抵抗体に
よって構成され、加熱電力によって加熱制御される感温
抵抗体を使用することが考えられている。

このような感温抵抗体を用いるような熱式の空気流量測
定装置にあっては、上記感温抵抗体を例えば測定すべき
空気の通路である吸気管の中に設定し、加熱制御される
上記感温抵抗体の温度変化状態を、上記抵抗体の抵抗値
変化状態を観測することによって検出するものである。

すなわち、上記感温抵抗体は空気流による放熱効果によ
って温度状態が変化されるものであり、加熱電流の供給
される感温抵抗体の温度変化状態を観測することによっ
て、上記空気流量が測定されるようになるものである。

しかし、このような熱式の空気流量測定装置にあっては
、感温抵抗体の温度特性も関連して、その出力特性に温
度特性が存在する状態となる。この出力温度特性は、伝
熱係数ＴＣが温度に依存するものであることから生ずる
ものである。

この伝熱係数はｒＴｃ−α十βＦアア」で表現されるも
ので、その定数αおよびβが温度によって変化すること
によって、出力においても温度依存性誤差を有するよう
になる。ここで、μρは測定空気の質量流速であり、α
およびβはそれぞれ空気粘度および比熱の熱伝導度の関
数であって、このα、βは空気温度が変化することによ
ってわずかに変化し、これに伴って伝熱係数も変化する
ようになるものである。

このような感温抵抗体の温度状態、すなわち抵抗値の状
態を観測するためには、上記感温抵抗体を含む状態でブ
リッジ回路を構成すればよい。そして、このようなブリ
ッジ回路で上記のような温度依存性誤差を補償するため
には、上記ブリッジ回路の感温抵抗体を含まない１つの
枝部弁を、大きな温度係数を有する抵抗と温度係数零の
抵抗とによって構成し、このブリッジ回路出力の温度特
性を調整するようにすることによって、リニアな補正を
行うことが考えられる。

しかし、この出力誤差を発生させる伝熱係数Ｔｏは、上
記式からも明らかなように２次の温度依存項を有するも
のであり、したがって上記のような手段では完全な温度
依存性誤差の補償を期待することはできない。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は上記のような点に１みなされたもので、伝熱
係数に関係して発生する出力の温度依存性誤差を、上記
伝熱係数の２次の温度依存項が確実に補正されるように
補償し、温度依存性のない安定した空気流量測定信号が
得られるようにして、例えばエンジンの電子的な制御が
確実に正確な状態で実行されるようにする熱式の空気流
量測定装置を提供しようとするものである。

［問題点を解決するための手段］ すなわち、この発明に係る熱式空気流量測定装置は、温
度によって抵抗値の変化する温度特性を有する抵抗素子
によって構成した感温素子を測定すべき空気流中に設定
し、この感温素子に対して周期的に立上がる加熱電力を
供給すると共に、上記感温素子の温度状態が空気温度に
対して特定される温度状態まで上昇した時点で上記加熱
電力を遮断制御するように構成し、上記加熱電流時間幅
で空気流量測定信号が得られるようにするものであり、
この場合上記加熱電力の電圧値を設定する基準電圧設定
手段において、その発生基準電圧値を温度特性を有する
ように設定制御するものである。具体的には、通常は一
定電圧信号を発生する基準電圧設定手段からの出力電圧
信号を、通常の温度状態で高く、それより高いおよび低
い温度状態でそれぞれ低くなるように制御する温度特性
が設定されるような例えばバンドギャップ型電源で構成
するものであり、上記加熱電力の電圧制御用に用いるよ
うにしたものである。

［作用］ したがって、上記のように構成される熱式の空気流量測
定装置にあっては、感温素子に対して供給される加熱電
力において温度特性が存在するように設定されているも
のであるため、特に上記加熱電力の温度特性、すなわち
感温素子の加熱特性がその出力特性を補償する方向に設
定されるようになるものであるため、上記感温素子によ
る空気流量測定出力信号の誤差の発生要素が消去される
ようになり、空気流量に対応した出力信号が、温度に関
与されることなく確実に発生されるようになる。

［実施例］ 以下、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する。

第１図はその構成を示すもので、この空気流量測定装置
が例えばエンジンの電子的制御ユニットに対する、エン
ジンの運転状態検出手段の１つとして使用される場合を
例にして示している。

このような空気流量測定装置がエンジンの制御用に用い
られる場合、この測定装置は上記エンジンに対する吸入
空気量を測定するために使用されるもので、このエンジ
ンの吸気管１１の内部に、測定検出素子となる感温素子
１２が設定される。この感温素子は、例えば白金線等の
温度抵抗特性を有する抵抗発熱線によって構成されるも
ので、吸気管１１の中に流れる空気流によって放熱制御
される状態に設定されている。また、上記吸気管１１の
中には、上記感温素子１２と同様に温度抵抗特性を有す
る抵抗線からなる補助感温素子１３が設置されているも
ので、この補助感温素子１３は吸気管１１に流れる空気
の温度計測用に用いられる。

そして、上記感温素子１２および補助感温素子１３は、
それぞれ固定の抵抗素子１４および１５と直列的に接続
し、この各直列回路の一端に電源を供給し他端を接地す
るようにして、上記各直列回路を１つの枝とするブリッ
ジ回路が構成されるようにする。そして、このブリッジ
回路に対しては、例えば自動車用バッテリ等による電源
を、端子１６から制御スイッチ素子となるトランジスタ
１７を介して供給設定するものである。

上記ブリッジ回路からの出力信号は、コンパレータ１８
によって検出されるようになっているもので、感温素子
１２の温度が、補助感温素子１３で測定される空気温度
；こ対して特定される温度状態まで上昇した時に、上記
コンパレータ１８からの出力信号が立上がるように構成
されている。そして、上記コンパレータ１８からの出力
信号は、フリップフロップ回路１９に対してリセット指
令信号として供給されている。このフリップフロップ回
路１９に対しては、図では示されていないエンジンの回
転に同期する状態で立上がる、トリガ状態の通電開始信
号が制御端子２０からセット指令信号として供給されて
いる。

上記フリップフロップ回路１９からのセット状態で立上
がる出力信号は、適宜増幅器を介して出力端子２１から
出力信号として取出されるものであり、また前記トラン
ジスタ１１のベースに対して制御信号として供給する。

すなわち、トランジスタ１７はフリップフロップ回路１
９のセット状態の時に導通制御され、感温素子１２を含
むブリッジ回路に対して電力を供給するようになるもの
で、この電力によって感温素子１２が発熱制御されるよ
うになる。

ここで、上記出力信号は、フリツプフロツプ回路１９の
セットおよびリセット動作に対応する時間幅の制御され
たパルス状信号でなるもので、そのパルス状信号のパル
ス幅すなわち時間幅が、空気流量測定情報となるもので
ある。

また、上記加熱電力を開閉制御するトランジスタ１７０
回路部分には、加熱電力の電圧を制御する基準電圧設定
回路２２が設定されている。この回路２２は例えば感温
素子１２に対する加熱電力の基準電圧が発生されるよう
になっているもので、その電圧出力信号は差動増幅器２
４の非反転入力端子に対して供給されている。また、こ
の差動増幅器２４の反転入力端子に対しては、上記感温
素子１２に対する加熱電力の電圧信号が結合されており
、この差動増幅器２４の出力信号で上記トランジスタ１
７のペースを制御するように構成する。

上記のように構成される空気流量測定装置は、通常法の
ようにして流量測定動作が実行される。

すなわち、例えばエンジンの回転に同期する状態で発生
される通電開始信号は第２図の（Ａ＞に示−１〇− す状態で発生されるものとすると、この信号の発生に対
応してフリツプフロツプ回路１９がセット制御される。

したがって、このフリツプフロツプ回路１９からの出力
信号は、同図の（Ｂ）に示すように立上がり、このフリ
ツプフロツプ回路１９からの信号の立上がりに対応して
、トランジスタ１７が導通制御される。トランジスタ１
７が導通設定されると、感温素子１２に対して加熱電流
が供給され、この感温素子１２は発熱してその温度が同
図の（Ｃ）に示すように上昇するようになる。

感温素子１２の温度が上昇すると、この感温素子１２の
抵抗値がその温度に対応して上昇するようになり、この
感温素子１２の抵抗値に対応してコンパレータ１８に供
給される電圧信号が下降する状態となる。この場合、補
助感温素子１．３は吸気管１１に流れる空気温度に対応
した抵抗値の状態に設定され″　　　ているもので、感
温素子１２の温度が空気温度に対して特定される温度以
上に高い状態となると、上記コンパレータ１８の出力信
号が第２図の（Ｄ）に示すように立上がるようになり、
このコンパレータ１８からの出力信号によって、上記フ
リップフロップ回路１９がリセット制御される。すなわ
ち、このフリップフロップ回路１９からの出力信号は、
通電開始信号で立上がり、コンパレータ１７の出力信号
で立下がるようになり、そのセット状態における時間幅
は、上記（Ｃ）図に示す感温素子１２の温度上昇状態に
対応するようになる。

この感温素子１２の加熱電流の供給された時の温度上昇
状態は、吸気管１１に流れる空気流の速度、すなわち感
温素子１２に作用する放熱効果によって定まるようにな
るものである。したがって、上記フリツプフロツプ回路
１９のセット時の時間幅は、吸気管１１の空気流量に対
応するようになり、出力端子２１からのフリツプフロツ
プ回路１９からの出力信号に対応するパルス状信号のパ
ルス時間幅は、測定空気流量に対応する状態となる。こ
の出力信号は、測定空気流量が時間幅として表現されて
いるものであるため、例えばマイクロコンピュータ等に
入力させる場合には、上記時間幅がクロック信号で計数
されるディジタルデータとしてそのまま使用できるよう
になるものである。

このような熱式の空気流量測定装置にあっては、その出
力特性が通常前述したような伝熱係数ＴＣの温度依存性
に対応する温度特性を有する。したがって、上記装置の
通電開始信号の１回の発生に対応する出力信号の時間幅
ｔｏ、すなわち感温素子１２に対する加熱時間幅につい
て考察してみると、以下のようになる。

（Ｖ２／Ｒｏ　）ｔｏ　＝　（（Ｘ＋Ｂ　Ｆアア）ＸＡ
・ΔＴＨ−１Ｎ・・・・・・（１） 但し、■　＝感温素子１２の印加電圧 ＲＨ：感温素子１２の抵抗値 ｔＯ：加熱時間幅 Ａ　：感温素子１２の放熱面積 ΔＴＨ：感温素子１２の空気に対する 温度差 ｔＮ二通電開始信号周期 ここで、感温素子１２に対する加熱電力の電圧値Ｖを一
定となるように制御すると、上記時間幅ｔｏは路次のよ
うに表現されるようになる。

ｔｏ　ｃｃ　（０１＋β（Ｅ’７　）　／　Ｎ−・−・
・−・・（２）但し、上記通電開始信号がエンジンの回
転に同期して発生されるものとした場合のエンジン回転
数をＮとするもので、ｔＮ■１／Ｎの関係がある。

したがって、上記ｔＯはエンジン１回転当りの平均空気
流量の関数となるもので、このｔｏによって吸気管１１
内の空気流量が計測されるものである。

上記時間幅ｔｏを表現する式に含まれる伝熱係数Ｔｃ（
＝α＋βｒＦ７ｆ）は、温度に関係する関数αおよびβ
によって定まるもので、この伝熱係数ＴＣは空気温度の
変化に対応して変化するようになる。第３図は、上記伝
熱係数の状態を空気温度２０℃を基準にして示している
もので、温度２０℃部分でふくらむ２次曲線となる。し
たがって、感温素子１２に対して供給設定される加熱電
力の電圧値を一定状態に基準設定したような場合には、
第４図にＡで示すように一定の空気流量の場合であっで
も、温度変化によって時間幅ｔｏが変化するようになる
。すなわち、空気流量測定出力信号に温度特性が存在す
るようになり、その検出精度が不安定な状態となる。

このような状態を補正する手段として、前述したように
補助感温素子１３の回路部分に温度特性をもたせること
が考えられる。例えば補助感温素子１３を正の温度特性
を有する素子によって構成することによって、コンパレ
ータ１８の入力電圧信号間の温度特性、すなわちΔＴ　
Ｈを空気温度に対して負の温度特性を有するように補正
するようにするものであるが、このΔＴ＋（は空気温度
に対してリニアな特性しか得られない。したがって、こ
の空気流量測定装置の出力特性は、第４図にＢで示すよ
うになり、２次の温度特性項を補償することはできない
。

したがって、上記の装置にあっては、感温素子１２に対
する加熱電力の電圧値を基準設定させる基準電圧設定回
路２２の出力電圧特性を、温度変化に対応して可変制御
させるように構成する。すなわち、第５図に示すように
出力誤差が負の方向に発生する（出力パルス時間幅が短
い方向に誤差がでる）低温状態および高温状態では基準
電源電圧が低く制御され、正の方向に誤差が発生する（
出力パルス時間幅が長くなる方向に誤差がでる）状態と
なる常温状態にあっては、基準電源電圧が高い状態に設
定されるようにするものである。

第６図は上記のような出力電圧に温度特性を設定するた
めの基準電圧設定回路２２の具体的構成例を示すもので
、この回路はバンドギャップ型電源回路によって構成さ
れる。この第６図に示す回路の出力電圧特性ｖｏｕｔは
、次の式で表現される。

Ｖｏｕｔ　　＝Ｖ！ＪＯ＋（ｍ−１）　　ｋＴ／ｇ但し
、Ｖｏｏ：ｔ−ランジスタを構成するシリコンのＯ’　
Ｋの時のエネルギーバンド ギャップ ｑ；電荷 に；ボルツマン定数 Ｔ；温度 すなわち、温度補正後にあってもトランジスタのベース
・エミッタ間電圧の非直線性に起因する微少な温度依存
性 （ｍ−１）ｋＴ／。

の項を含んでいる。この非直線成分は、このバンドギャ
ップ定電圧源を構成するトランジスタのベース・エミッ
タ間の電圧、抵抗の温度特性等を調整することによって
調節設定できる。すなわち、このバンドギャップ型電源
回路の温度特性を第５図に示すような状態に設定するこ
とによって、上記空気流量測定装置の温度に依存する誤
差成分がキャンセルされるようになるものである。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る熱式空気流量測定装置にあ
っては、空気流量をパルス状信号の時間幅として表現し
て、例えばマイクロコンピュータ等によって構成される
エンジンの制御装置に対して効果的に使用できるディジ
タル的な信号として出力させることができるものである
ばかりか、温度特性による出力の誤差成分を効果的にキ
ャンセルすることができるものである。特に２次的な温
度特性による誤差が効果的に補償できるものであり、温
度条件の激しいエンジン部分に対して効果的に取付は使
用でき、精度の高いエンジン制御が可能となるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る熱式空気流量測定装
置を説明する構成図、第２図は上記装置の動作状態を説
明する信号波形図、第３図は上記のような装置の空気温
度に対する伝熱係数の状態を示す図、第４図は測定素子
部分の出力の状態を説明する図、第５図は上記装置にお
いて必要とされる電圧補正の状態を説明する図、第６図
は上記実施例における基準電圧設定回路の例を示す回路
図である。 １１・・・吸気管、１２・・・感温素子、１３・・・補
助感温素子、１７・・・トランジスタ（加熱電力制御用
）、１８・・・コンパレータ、１９・・・フリップフロ
ップ回路、２２・・・基準電圧設定回路、２４・・・差
動増幅器。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 −１’（Ａ−

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定すべき空気流中に設定された温度抵抗特性を
   有する感温素子と、特定される周期に対応して上記感温
   素子に対して供給される加熱電力を立上がり制御する手
   段と、上記感温素子の温度が上記空気の温度に対して特
   定される温度状態まで上昇した状態で上記加熱電力を遮
   断制御する手段と、上記感温素子に対して供給される加
   熱電力の電圧値を特定状態に設定制御する基準電圧信号
   を発生する基準電圧設定手段とを具備し、この基準電圧
   設定手段は、上記空気の通常温度付近で高い状態に、ま
   たそれより温度が低い方向および高い方向で低くなるよ
   うに温度特性を有するように設定したことを特徴とする
   熱式空気流量測定装置。
2. （２）上記基準電圧設定手段は、バンドギャップ型電源
   で構成するようにした特許請求の範囲第１項記載の熱式
   空気流量測定装置。