JPS61283825A - 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、例えば自動車用のエンジン等の制御に効果
的に利用されるもので、吸入空気量等を測定する熱式の
空気流量測定装置に関する。

［背景技術］ 例えば自動車用のエンジンにあっては、その燃料噴射量
、点火時期等はマイクロコンピュータ等を用いて構成さ
れるエンジン制御ユニット（ＥＣＬＪ）によって制御さ
れるようになっている。、　　　ｉこのような制御ユニ
ットにあっては、エンジンの運転状態を監視するセンサ
類からの検出信号が供給設定されているもので、例えば
エンジンの回転数信号、冷却水温度検出信号、スロット
ル開度信号、空燃比検出信号、バッテリ電圧信号等が供
給設定されている。そして、エンジンの運転状態に最も
関連するものとして、吸入空気量の測定検出信号も上記
制御ユニットに対して供給されるようになっている。

このようなエンジン１１１１１１用に用いられる吸入空
気流量測定装置としては、種々のものが知られているも
のであるが、例えば熱式の空気流量測定装置が知られて
いる。

この熱式の空気流量測定装置にあっては、吸気管の中に
加熱電力によって発熱制御される温度−抵抗特性を有す
る感温素子を設定し、この加熱電力が供給されている状
態での温度上昇速度状態を観測するようにしているもの
である。すなわち、感温素子は、吸入空気流中に設定さ
れているものであるため、吸入空気流速に対応した放熱
特性が設定されるものであり、したがって例えば吸入空
気量の大きい状態では感温素子の温度上昇速度が遍くな
る。また、感温素子を同じ温度状態に保つためには、空
気量の大きい程大きな加熱電力を必要とするようになる
ものである。

このような測定装置にあっては、感温素子の温度変化状
態は空気温度によって変化するようになる。すなわち、
空気流速が同じ状態であっても、その空気温度によって
感温素子の放熱特性が変化するようになるものであり、
空気温度によって測定出力信号が変化して、測定出力に
温度特性が存在するようになる。例えば、−２０℃とな
るような寒冷状態では、正確な吸入空気量を測定するこ
とは困難となり、その測定信号によって例えばエンジン
の燃料噴射量を演算制御しようとすると、その燃料量は
エンジンの運転状態に適合しないものとなる。

［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鑑みなされたもので、充分
なダイナミックレンジが設定され、ディジタル的な制御
ユニットにおいて効果的に利用されるような測定出力信
号が得られるようにすると共に、特に測定すべき空気温
度によって影響されることな（、常に正確な空気流量測
定信号が得られ、例えば自動車用のエンジン糾御装置に
おいて効果的に使用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、加
熱電力が供給され発熱制御される温度−抵抗特性を有す
る感温素子、および同じく温度−抵抗特性を有する空気
温度測定素子を、測定すべき空気流中に設定すると共に
、上記感温素子および空気温度測定素子にそれぞれ第１
および第２の抵抗素子を接続し、これら素子によってブ
リッジ回路を構成するものであり、このブリッジ回路に
対して周期的に発生されるスタート信号によって立上が
り制御される加熱電力を供給する。そして、上記感温素
子と第１の抵抗素子との接続点、および空気温度測定素
子と第２の抵抗との接続点の電位をコンパレータで比較
するようにするもので、このコンパレータからの出力信
号によって上記加熱電力を遮断するように制御する。そ
して、この加熱電力の供給時間幅に対応した測定出力信
号を発生させる。この場合、上記感温素子と第１の抵抗
素子との接続点の電位を、基準電源電圧によって特定さ
れる電圧状態に制御するようにしているものである。

［作用］ このように構成される空気流量測定装置にあっては、感
温素子に対してスタート信号に基づき加熱電力が供給さ
れる状態となると、この感温素子が発熱制御され、その
抵抗値が上昇するものであるが、この感温素子に流れる
電流値は、この感温素子と第１の抵抗素子との接続点電
位が定電圧制御されるものであるため、特定される値に
設定される。したがって、空気温度測定素子に流れる電
流が感温素子の温度変化に対応して変、化するようにな
り、感温素子の温度が空気温度に対して特定される温度
差が設定されるまで上昇するような状態となると、コン
パレータから出力信号が発生され、空気流量に対応した
時間幅の表現された出力信号が得られるようになる。こ
の場合、空気温度測定素子の抵抗値は、測定すべき空気
温度によって設定されているものであるため、上記測定
出力信号は空気温度による補償要素を含むようになり、
温度特性の良好な空気流量測定信号が得られるようにな
るものである。

［発明の実施例］ 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図はこの空気流量測定装置を、エンジンの吸入空気
流量を測定する場合を想定して示しているもので、エン
ジンの吸気管１１の中に、この吸気管１１に流れる空気
流にさらされるように感温素子１２が取付は設定されて
いる。この感温素子１２は例えば白金等の温度−抵抗特
性を有する抵抗素子によって構成されているもので、発
熱電力が供給されると発熱する。また、この吸気管１１
の中には、上記感温素子１２と同様な特性を有する空気
温度測定素子１３が設定されているもので、この感温素
子１２および空気温度測定素子１３には、それぞれブリ
ッジ回路１４を構成するための固定の第１および第２の
抵抗素子１５および１６が接続されている。

ここで、上記空気温度測定素子１３に対しては、温度特
性をリニアに補償する抵抗１７が接続されている。そし
て、このブリッジ回路１４に対しては、開閉素子となる
トランジスタ１８を介して加熱電力が供給制御されるも
のである。

上記ブリッジ回路１４の出力端子となる感温素子１２と
第１の抵抗素子との接続点Ｇ１および第２の抵抗素、子
１６と抵抗素子１１との接続点Ｇは、それぞれコンパレ
ータ１９に接続するものであり、点Ｇの電圧が点Ｈの電
圧より高くなる状態でこのコンパレータ１９からの出力
信号が立上がるように設定されている。そして、このコ
ンパレータ１９からの出力信号は、フリップフロップ回
路２０をリセット制御する。

フリップフロップ回路２０は、例えばエンジンの回転に
同期する状態で発生されるパルス状のスタート信号Ｔｉ
ｎによってセット制御される。そして、このフリップフ
ロップ回路２０からのセット時の出力信号は、上記トラ
ンジスタ１８のベース回路に供給するもので、フリツプ
フロツプ回路２０のセット状態でトランジスタ１８がオ
ン制御され、ブリッジ回路１４に対して加熱電力が供給
されるようになっている。また、このフリップフロップ
回路２０のセット時出力信号は、バッファ２１を介して
出力回路２２に導かれ、空気流量測定出力信号Ｔｏｕｔ
として取出されるようにする。

上記加熱電力を制御するトランジスタ１８のベース回路
には、さらにＯＰアンプ２３からの制御信号が供給され
ている。このＯＰアンプ２３に対しては、基準電圧電源
２４からの基準電圧信号と共に、上記点Ｈの電圧信号を
供給設定するもので、点Ｈの電圧が基準電圧電源２４で
設定される基準電圧状態に定電圧制御されるようにして
いる。

すなわち、このように構成される測定装置にあって、第
２図（Ａ）に示すように周期的に発生されるスタート信
号Ｔｉｎが立上がると、フリップフロップ回路２０がセ
ットされ、その出力信号によってトランジスタ１８がオ
ン状態に制御される。そして、感温素子１２を含むブリ
ッジ回路１４に対して供給される加熱電力が第２図（Ｂ
）に示すように立上がるようになり、感温素子１２が発
熱される。この場合、感温素子１２側の点Ｈは基準電圧
電源２４に　　　　・よって設定される定電圧状態に制
御されるように　　　　：なるものであり、第１の抵抗
１５には温度依存性が　　　　□存在しないものである
ため、この抵抗１５には一定の電流が流れるようになり
、したがって上記感温素子１２には、その抵抗値が変化
しても一定の電流が流れるようになる。

このようにして、感温素子１２に対して加熱電力が供給
されるようになると、この感温素子１２は発熱し、その
抵抗値が上昇するようになるものであり、したがってこ
のブリッジ回路１４に対して供給される加熱電力の電圧
ｖｂが上昇するようになる。

ここで、点Ｇの電位は点Ｈの電位に比較して、通常の加
熱電力の供給されていない状態では低い状態に設定され
ているものであるが、点Ｈが定電圧状態に設定された状
態で電圧ｖｂが上昇するようになると点Ｇの電位は上昇
するようになり、感温素子１２の温度が空気温度に対し
て、第２図ｆｃ）に示すように特定される温度差ΔＴｈ
ｏが設定される状態まで上昇したときに、点Ｇの電位が
点Ｈの電位を越えて上昇するようになる。そして、この
ときにコンパレータ１９からの出力信号が第２図（Ｄ）
に示すように立上がり、フリツプフロツプ回路２０をリ
セット制御する。したがって、上記トランジスタ１８が
オフ制御され、ブリッジ回路１４に対する加熱電力が遮
断されるようになる。

すなわち、スタート信号Ｔｉｎが発生してから、感温素
子１２の温度が空気温度に対して特定される温度差が設
定されるまで上昇するまでの閣、トランジスタ１Ｂがオ
ン状態に制御される。この場合、感温素子１２は吸気管
１１に流れる吸入空気流にさらされ、その放熱特性が吸
入空気流によって定められるようになっているものであ
るため、加熱電力による温度上昇速度は吸入空気流量に
対応する関係にある。したがって、上記感温素子１２に
対す−る加熱電力の供給時間幅は、吸気管１１に流れる
空気の流量に対応するようになり、フリツプフロツプ回
２０からのパルス状の出力信号は、パルス時間幅により
、て空気流量測定値を表現した測定出力信号ＴＯｕｔと
なるものである。

第２図において、Δ“ｒｈｏは感温素子１２の平均温度
差、ｔＮはスタート信号発生周期、ｔｏは出力信号パル
ス幅となる。

このような熱式の空気流量測定装置の動作について考察
してみると、吸気管１１に流れる空気流量が等しい状態
であっても、その空気温度によって感温素子１２の放熱
効果に差異が存在するものであり、したがってその差異
が測定誤差として現れるようになる。このような誤差を
補償するために、感温素子と空気温度測定素子とによっ
てブリッジ回路を構成し、空気温度測定素子に対して補
償用の抵抗素子を挿入してリニアに温度補償することが
考えられる。すなわち、第３図にＡで示すような特性に
設定するものであるが、実際の空気温度に対応する特性
は同図にＢで示すようになるものであり、したがって上
記補償用抵抗素子によって例えば２０℃と８０℃で温度
補正ずれを「０」に設定したとしても、例えば寒冷地の
温度に相当する一２０℃では大きな補正ずれが存在する
ようになる。これは、吸入空気流量を実際より小さく測
定する結果となり、この測定値に基づいてエンジンに対
する燃料噴射量等を演算したのでは、エンジンが円滑に
動作しないようになる。

上記実施例ではこのような点を考慮しているもので、以
下その温度に対応する補正原理について説明する。ここ
で、感温素子１２は加熱電力によって発熱制御されるヒ
ータとして考えるもので、第４図で示すようにｍはこの
ヒータ１２のヒータマス、Ｃｐはヒータ比熱、Ｔｈはヒ
ータ温度、Ｔａは空気温度、μρは空気の質量流量、■
はヒータ中点電位、Ｒｈはヒータ抵抗値であり、このヒ
ータに流れる電流ｉは「ｖ／Ｒ■Ｊ　（Ｒ■は第１の抵
抗素子１５の抵抗値）となる。

その他、以下の説明のために、Ｒｈｏは０℃でのヒータ
の抵抗値、Ｋはヒータおよび空気温度測定素子１３の温
度係数、Ａはヒータ放熱面積と仮定するもので、ヒータ
の伝熱係数は「α＋βＣＴ７」とされ・る。

すなわち、感温素子１２（ヒータ）の微少時間Δｔでの
熱バランス式は （ヒータ蓄熱量）−（発熱量）−（放熱量）・・・・・
・（１） 但し、（ヒータ蓄熱量＞−ｍｃｐΔ７ｈΔｔ（発熱量’
）−（Ｖ／Ｒ１）！　ＲｈΔｔ（放熱量）−（α＋β−
ｎｒ万）ＡΔＴｈΔｔこの（１）式を１周期について積
分すると、この式の左辺はＯであるから となる。

ここで、ヒータ温度差ΔＴｈは平均温度差ΔＴｈを一定
と考え、またヒータ抵抗値Ｒｈは平均温度差ΔＴｈで決
まる平均抵抗値でＲｈ一定と考える。

尚、平均湿度差ΔＴｈはヒータ温度Ｔｈの変化する温度
変化幅の中央値と空気温度Ｔａとの温度差である。

上記（２）式を積分すると、 したがって、平均温度差ΔＴｈは、ヒータの放熱時定数
丁とエンジンの回転に同期するスタート信号の周期ｔＮ
の関数として表現されるようになる。

尚、放熱時定数Ｔとは、空気温度Ｔａとブリッジ回路１
４の平衡状態での感温素子１２のヒータＩ！度Ｔｈとの
温度差ΔＴｈｏに対して、ヒータ温度Ｔｈが平衡状態の
温度から冷却されて ｒ　（１／ｅ）・ΔＴ　ｈｏ　Ｊに達するまでの時間と
して定義される。

から次式が得られる。

定常動作時、ｔｏはｔＮに比べて充分小さく、またＴに
対しても充分小さいので近似して次の式で表現される。

放熱時定数Ｔは、 Ｔ−（ｍＣｐ　）／　（（Ｚ＋βｒｔｒｉｙ＞・・・・
・・・・・（５） 平均抵抗値Ｒｈは、 Ｒｈ−Ｒｈｏ（１＋ＫＴａ　＋にΔＴｈ）４Ｒｈｏ（１
＋ＫＴａ　＋にΔＴ　ｈｏ　−（１−０，３１５ＸｔＮ
／Ｔ）） ・・・・−（６） 上記（４）（５）（６）式より、 となり、この（７）式は次のように変形できる。

ここでａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは変数である。

また、抵抗素子１７および１６のそれぞれの抵抗値をＲ
１およびＲ２とし、ブリッジバランスによフて Ｒｈｏ＋　（１＋ＫＴｈ）Ｒ，−Ｒｍ（Ｒｈｏ（１＋Ｋ
Ｔａ　）＋Ｒ１）が得られる。そして、これを変形する
と次のようになる。

ここでＴａは１次項であるから Ｔｈ　−ｆ　Ｔａ　　＋　ａ　　　−−−−−・−・・
・−−−−−−−（１０）ここで、ｆおよびＱは定数で
ある。そして、この（１０）式を前記（８）式に代入す
ると、次のようになる。

伝熱係数「α＋β（’ＴＴＪは、リニアな特性を持つも
のと仮定できる。上記（１１）式の分母の変数ａ、ｂ、
ｃ、ｆ、ｇを適当に選定すると、伝熱係数とキャンセル
し合うようになる。また、（１１）式の残りの分子のＴ
ａの係数 ［ｄ＋ｅ−ｆＪはｒＯＪにすることが可能である。

したがって、出力Ｗ＃間幅ｔｏは吸気温度Ｔａの係数を
持たないものであるため、吸気温度依存性を有しない状
態となる。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明に係る熱式の空気流量測定装置に
よれば、充分に簡単な構成で例えば吸気管に流れる空気
流量を効果的に測定できるようになるものであり、しか
も測定すべき吸気管に流れる空気の温度が変化するよう
になっても、測定出力信号と空気流量の関係は一定に保
たれるようになる。すなわち、空気温度依存性の無い空
気流量測定装置が得られるようになり、例えば自動車用
のエンジンの吸気量を測定するために効果的に使用でき
、エンジン制御のための精度の高い吸入空気量の測定が
実行されｉうになるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例に係る空気流量測定装置を
説明する回路構成図、第２図は上記測定装置の動作状態
を説明する信号波形図、第３図は熱式の空気流量測定装
置における温度特性を説明する曲線図、第４図は上記実
施例に使用される感温素子（ヒータ）の状態を説明する
図である。 １１・・・吸気管、１２・・・感温素子（ヒータ）、１
３・・・空気温度測定素子、１４・・・ブリッジ回路、
１５〜１７・・・抵抗素子、１８・・・トランジスタ（
加熱電力開閉用）、１９・・・コンパレータ、２０・・
・フリツプフロツプ回路、２３・・・ＯＰアンプ、２４
・・・基準電圧電源。 出願人代理人　弁理士　鈴　江　武　要部１図 第３図　　　　第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　測定すべき空気流中に設定された加熱電力によって発
   熱制御される温度−抵抗特性を有する感温素子と、 上記測定空気流中に設定され温度−抵抗特性を有する抵
   抗素子によって構成した空気温度測定素子と、 上記感温素子および空気温度測定素子に対してそれぞれ
   接続設定され、上記感温素子および空気温度測定素子と
   共にブリッジ回路を構成する第１および第２の抵抗素子
   と、 周期的に発生されるスタート信号によって上記ブリッジ
   回路の入力端子部分に加熱電力を立上がり制御する開閉
   素子と、 上記ブリッジ回路の出力点となる感温素子と第１の抵抗
   素子との接続点Ｈ、および空気温度測定素子と第２の抵
   抗素子との接続点Ｔの電圧を比較し、点Ｔの電位が点Ｈ
   の電位より高くなる状態で出力信号を発生するコンパレ
   ータと、 このコンパレータの出力信号によって上記加熱電力を遮
   断制御する手段と、 上記感温素子と第１の抵抗素子との接続点Ｈの電位が一
   定の基準電位に設定されるように上記加熱電力の電圧を
   制御する手段とを具備し、上記加熱電力の供給時間幅に
   より測定空気流量を表現した測定出力信号を取り出すよ
   うにしたことを特徴とする熱式空気流量測定装置。