JPS62812A - 熱線式空気流量計 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は熱線式空気流量計に係り、特に内燃機関の吸気
量検出用の熱線式空気流量計に関する。

〔発明の背景〕

自動車などの内燃料機関の電子制御燃料噴射装置に設け
られ吸入空気量を測定する空気流量計としては、従来か
ら可動ベーン式、カルマン渦式。

スワール式、熱線式などが実用化されているが。

特に熱線式は燃焼に直接関与する質量空気流量を直接検
知できることから、今後吸入空気量測定用の空気流量計
の主流をなすと昂なされており、ＳＡＥ　　ｐ’ａｐｅ
ｒ８００４６８、特願昭５７−０１７５１１号などで開
示されているものが実用化されている。しかし、これら
の実用化されている従来の熱線式空気流量計によると、
エンジンの巡行走行時のような軽負荷時には精度の高い
空気流量信号を出力するが、気筒数が少い、特に４気筒
以下のエンジンの低回転数、重負荷時のように、吸込空
気流が、脈動振幅が大きく一部逆流を伴った脈動流とな
る急激に精度が低下する。

すなわち第１８図に示すように、４気筒エンジンの低回
転数１重負荷域においては、エンジンに吸引される空気
量は時間的に脈動を伴っており。

エンジンの吸排気弁がオーバーラツプしている場合と吸
気弁のみが開いている場合とで空気流の動きが異なる。

すなわち、吸排気弁がオーバラップしているときはピス
トン上昇に伴って排気弁側から正圧で空気が吸気弁側に
逆流させられ、空気の吹返し現象が生じる。また、吸気
弁のみが開いている場合は、前記吹返しされた空気量を
含んだ空気量を吸引することになる。このような現象は
、エンジンの燃焼室形状、吸排気管形状およびエアーク
リーナ形状などによって異なった形態を示す。

この逆流を伴った脈動流を前述した熱線式空気流量計を
用いて測定すると、その信号は第１９図に示すようにな
る。すなわち従来の熱線空気流量計は、順流、逆流の流
れの方向に関係なく流速の絶対値に対応した正の信号を
出力する。従がってこの場合は逆流時にあたかも順流の
ような信号となるので、真の平均空気流量よりも大きい
信号を出力することになる。このときの空気流量測定誤
差は３０〜１００％に達する０通常よく用いられる４気
筒以下のエンジンでは、重負荷時には必ず逆流を伴った
脈動流となるので、このような場合にも高精度に吸入空
気流量を測定できる熱線式流量計の開発が望まれていた
。

この問題を解決するため、順流逆流を判別してかつ流速
を計測できる熱線空気流速計として、特公昭４９−３８
７１号、特公昭４９−３７０５号で開示されたものがあ
り、その内容を第２０図及び第２１図に示す。すなわち
、電気絶縁物質よりなる円柱状のボビン１の表面に、空
気流に対して上流部Ａ及び下流部已に薄膜状の発熱抵抗
体２゜３を設け、その表面を被覆材４で被覆している。

この流速計により空気の流速を測定する方法としては、
いわゆる定電流型流速計の原理と同様に、第２１図に示
すように面発熱抵抗体２，３をホイートストーンブリッ
ジの両辺に組み込み、ブリッジ上端に定電圧を負荷した
ときのブリッジ中点の電位差をメータＭで読み、このメ
ータＭの読みを流速信号とするものである。すなわち、
流体の冷却作用による発熱抵抗体２，３の温度変化を発
熱抵抗体２，３の抵抗値変化として検出するもので。

流れの流速が高くなるほど流体の冷却効果は増して、発
熱抵抗体２，３の温度より低下する。この温度低下が流
速信号となっている。ところで、流体の冷却効果は主に
流体の流速に依存するが、発熱抵抗体の温度にも厳密に
は依存する。従がって流体の流速を精密に測定するには
、発熱抵抗体の温度が流体流速に依存しない定温変形熱
線流速計の方が望ましい、さらに定温度型熱線流速計で
は、発熱抵抗体２，３の温度が一定であり抵抗値が一定
であるので、発熱抵抗体２，３の発熱量Ｉ”Ｒは、発熱
抵抗体への供給電流のみ測定すればよい。

ここでＩは電流、Ｒは抵抗値である。−力走電流型熱線
流量計では、発熱抵抗体２，３の抵抗値は流速によって
変化するので１発熱量は発熱抵抗体２．３の抵抗値Ｒと
供給電流工を同時に測定して発熱量Ｉ”Ｒを求める必要
があり、煩雑であり、自動車エンジンの吸入空気流量計
としては、定温度型熱線流量計の方が有利である。しか
しながら。

この種の熱線流量計で自動車エンジンの吸入空気量を精
密に測定できるものは従来提案されていなかった。

〔発明の目的〕

本発明は上述した点に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、逆流を伴った脈動空気流の平均空気流
量を高精度に測定できる熱線式空気流量計を提供するに
ある。

〔発明の概要〕

本発明は内燃料機関の吸気通路内に設けられ。

吸入空気流量を計測する熱線式空気流量計の、吸気上流
側及び吸気下流側にそれぞれ発熱抵抗体を設け、これら
の発熱抵抗体の放散熱量の差を電気的に判別して吸気の
流れ方向を検知するとともに、前記放散熱量の差を空気
流量に対応した信号として出力することにより、所期の
目的を達成するようになしたものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明に係る熱線式空気流量計の一実施例を図面
を参照して説明する。

第１図〜第６図に本発明の一実施例を示す。本実施例に
使用する熱線プローグ１０は、第１図に示すように第１
５図に示した従来例と同様に、セラミックなどの熱伝導
性の良い絶縁材料で作られた円柱状または円筒状のボビ
ン１の表面に、フィルム状の発熱抵抗体２，３が薄膜ま
たは厚膜技術により形成されており、これらの発熱抵抗
体２゜３のうち発熱抵抗体２は吸気上流側Ａに、発熱抵
抗体３は吸気下流側Ｂにそれぞれ設けられており、かつ
その表面が被覆材４で被覆されている。これらの発熱抵
抗体２，３は白金、タングステンなどからなり、前記ボ
ビン１の円周表面に半周ずつ対称的に形成されており、
前記被覆材４は抵抗体２゜３の酸化や腐食を防止するた
めのガラス、セラミックなどからなっている。

このように構成された熱線プローブ１０の両端近くには
、第２図〜第４図に示すようにそれぞれ発熱抵抗体２．
３に接続するリード線５が取り付けられている。これら
４本のリード線５は第５図に示すように、■断熱性のあ
る電気絶縁材からなるホルダ６に固定されており、この
ホルダ６には温度プローブ１１がリード線７，８を介し
て固定されている。さらにこの熱線プローブｌＯ及び温
度プローブ１１が固定されたホルダ６は、第６図に示す
ように吸気筒９に形成されたベンチュリ９ａの最狭部に
挿入されており、この吸気筒９の外部において熱線駆動
回路１２と一体になっている。また前記ベンチュリ９ａ
の下流側の吸気筒９内には、絞り弁１３が設けられてい
る。

上述したように構成された本実施例につき、以下にその
動作を説明する０本実施例による熱線プローブ１０を用
いて、通常の定温度型熱線流量計と同様に１発熱抵抗体
２，３の温度は、空気温度との差が空気流速に関係なく
一定値になるように熱線駆動回路１２により電気加熱さ
れる。まず、第１図の矢印Ａの方向に空気が流れるとき
は、発熱抵抗体２は３に比べて空気流による冷却が大で
あるので、熱線駆動回路１２からの供給電流は発熱抵抗
体２の方が３より大となる。一方第１図の矢印Ｂの方向
に空気が流れるときは、空気流による冷却は前と逆に発
熱抵抗体３の方が大となり、熱線駆動回路１２からの供
給電流は発熱抵抗体３の方が２より大となる。従がって
発熱抵抗体２゜３への供給電流の大小の差により、空気
流の方向を検知することができる。

前記熱線駆動回路１２の第１の実施例を第７図に示す。

発熱抵抗体２．温度プローブｌｌａ、、抵抗１４．１５
によってホイートストンブリッジを構成し、このブリッ
ジの中点の電位差がゼロになるように差動増幅器１６及
びトランジスタ１７により、発熱抵抗体２に流す電流を
調整するように構成されている。この構成により空気流
速によらず発熱抵抗体２の抵抗値は一定に、すなわち温
度が一定値になるように制御される。このとき、発熱抵
抗体２による空気流速に対応する信号は、図中Ｃ点の電
位である。また発熱抵抗体３は前記発熱抵抗体２と同様
に、温度プローブｌｌｂ、抵抗１８．１９とともにホイ
ートストンブリッジを構成し、ブリッジ中点の電位差が
ゼロになるように。

差動増幅器２０、トランジスタ２１によって発熱抵抗体
３を流れる電流を調整するように構成されている。従が
って発熱抵抗体３による空気流速に対応する信号は、図
中り点の電位である。さらにこれらの０点とＤ点の電位
の差を差動増幅器２２により求めれば、この差動増幅器
２２の出力が第１図に示した熱線プローブ１０を用いた
熱線式空気流量計９償号である。

空気流量、ゼロのときの差動増幅器２２の出力信号がゼ
ロになるように抵抗１５．１９を調整すると、空気流量
と前記信号との関係は第８図に示すようになる。すなわ
ち第１図に示す熱線プローブにおいて空気流が矢印Ａで
示す順流の場合は、信号は空気流量に対応した（＋）の
電位に、矢印Ｂで示す逆流の場合には信号は空気流量に
対応した（−）の電位になる。従がって逆流を伴なった
脈動流の平均空気流量を求めるには、脈動流の一周期の
間の信号を遂次コンピュータにとりこみ、第８図に示す
特性曲線に従がって流量に変換し、これらの流量の１周
期分を加算して平均すれば、平均空気流量を求めること
ができる。なお逆流時には信号は（−）の電位となるの
で、空気流量に換算後差し引くことにより正確な平均流
量を求めることができる。

第９図は前記熱線駆動回路１２の第２の実施例を示す回
路図である。第７図に示す第１の回路実施例では、信号
として（−）符号の電位の信号も出力するので、差動増
幅器２２は（＋）　、　　（−）の電源で動作させる必
要がある。一方自転者のバッテリの電源は通常（＋）の
みの単電源である。そこで第９図に示すように、発熱抵
抗体１，２による熱線空気流速計のそれぞれの信号Ｃ，
Ｄの電位のうち電位の高い方を信号として出力し、かつ
どちらかが大きいかを判定する信号Ｅを出力させるよう
にした。すなわち、電位Ｃ及びＤをコンパレータ２３に
入力して電位Ｃが電位りより高い場合、すなわち第１図
において空気流が順流の場合には電位Ｅは高レベルとな
り、かつ電子スイッチ２４をＯＮにして電位Ｃが出力信
号として出力される。

逆に電位りが電位Ｃより高い場合、すなわち第１図にお
いて逆流の場合には、電位Ｅは低レベルとなり、かつ電
子スイッチ２４が０ＦＦＬ電子スイツチ２５がＯＮして
、出力信号として電位りが出力される。なお２６はＮＯ
Ｔ素子である。

上述したような第２の回路実施例によれば、第１図に示
す熱線プ°ローブ１０において空気流が順流の場合には
、電位Ｅが高レベルとなり、かつ発熱抵抗体２で構成す
る熱線流量計の信号が出力され、逆流の場合には電位Ｅ
はレベルとなり、かつ発熱抵抗体３で構成する熱線空気
流量計の信号が出力される。そして第１０図に示すよう
な空気流量と信号との関係を示す特性曲線を、それぞれ
発熱抵抗体２，３で構成する熱線流量計についてコンピ
ュータ内にテーブルとして入力しておき、熱線空気流量
計からこのコンピュータに入力する信号を空気流量に換
算することにより流量測定をする。

第１１図は前記熱線駆動回路１２の第３の実施例を示す
回路図である。前述した第１及び第２の回路実施例にお
いては、発熱抵抗体２，３で構成する熱線流量計にはそ
れぞれ温度プローブｌｌａ。

１１ｂと合計２個の温度プローブが必要であるが、第１
１図に示す第３の回路実施例では２つの熱線流量計で温
度プローブを共有する構成とし、温度プローブを１個と
したものである。この熱線駆動回路は特願昭５６−２０
８８号で開示されたものを第１図に示す熱線プローブ１
０のように２個の発熱抵抗体を設けたものに用いた場合
であり、かつ温度プローブを１個とするように変形した
ものである。空気流量の変化に対応した発熱抵抗体２゜
３の抵抗値変化によって生じる電圧変化をサンプルホー
ルドして増幅した値と、温度プローブ端子電圧とを比較
してその差を積分し、この積分値の電圧によってのこぎ
り波発生装置からの出力電圧とを比較して、熱線の温度
と温度補償用の抵抗によって検出される周囲温度との差
を一定に保つように時比率を変化させるようにし、この
時比率を空気流量信号とするものである。すなわち第１
１図において、一端が接地されている定電流源３１Ａ、
３１Ｂの他端には、それぞれスイッチ３２Ａ、３２Ｂを
介して発熱抵抗体２，３が接続されている。この定電流
源３１Ａ、３１Ｂは一定電流１．をスイッチ３２Ａ、３
２Ｂを介して発熱抵抗体２，３に供給するものである。

また、発熱抵抗体２，３と同じ管路に設けられており一
端が接地されている温度プローブ１１には一定電流Ｉ　
を供給する定電流源３５が接続されている。

発熱抵抗体２，３にはスイッチ３６Ａ、３６Ｂを介して
抵抗３７Ａ、３７Ｂが接続されており、抵抗３７Ａ、３
７Ｂの他端には積分回路３８Ａ。

３８Ｂの負入力端子が接続されている。この積分回路３
８Ａ、３８Ｂは発熱抵抗体２，３の端子電圧と温度補償
抵抗の端子電圧の差を積分するものであり、その出力は
比較回路４０Ａ、４０Ｂの負入力端子に入力するように
構成されている。前記スイッチ３６Ａ、３６Ｂと抵抗３
７Ａ、３７Ｂとの接続点にはバッファ４５Ａ、４５Ｂを
介してコンデンサ４２Ａ、４２Ｂが接続されており、コ
ンデンサ４２Ａ、４２Ｂの他端は接地されている。

また、比較回路４０Ａ、４０Ｂの正入力端子に１士のこ
ぎり波発生装置１４３Ａ、４３Ｂが接続されており、一
定の周期をもったのこぎり波が比較回路４０Ａ、４０Ｂ
の正入力端子に入力されるように構成されている。この
比較回路は前記積分回路３８Ａ、３８Ｂから出力される
出力電圧とのこぎり波発生装置４３Ａ、４３Ｂから出力
される出力電圧とを比較するもので、両出力電圧の交点
によりパルス信号を出力するのである。

このように構成された熱線駆動回路において。

スイッチ３２Ａ、３２ＢをＯＮすると発熱抵抗体１．２
にパルス的な定電流を加える。このスイッチ３２Ａ、３
２Ｂとスイッチ３６Ａ、３６Ｂとは連動して作動するた
め、スイッチ３２Ａ、３２ＢがＯＮＬ、ているときはス
イッチ３６Ａ、３６ＢもＯＮＬ、ており、バッファ４５
Ａ、４５Ｂを介してコンデンサ４２Ａ、４２Ｂに発熱抵
抗体２，３の抵抗による電圧降下を生じた電圧がサンプ
ルホールドされる。このサンプル値とＩＫという定電流
に対する温度プローブ１１の端子電圧を比較積分して電
圧を得る。この電圧が積分回路３８Ａ。

３８Ｂから出力されてのこぎり波発生器４３Ａ。

４３Ｂから出力されるのこぎり波電圧と比較して時比率
が決まる。この時比率によって前記スイッチ３２Ａ、３
２Ｂ、３６Ａ、３６ＢがＯＮ。

ＯＦＦされる。

この熱ＩＩＡ駆動回路において、いま、空気流量が増加
し、発熱抵抗体２．３は冷却される結果、抵抗が減少し
発熱抵抗体２，３の電圧降下は温度プローブ１１のそれ
を下まわる。このとき積分回路３８Ａ、３８Ｂの出力電
圧はそれまでの安定点より降下する結果、比較器４０Ａ
、４０Ｂの出力パルス幅は増大し、■Ｈの流通時間が増
大する。かくして熱線の供給熱量は増大し、熱線の温度
の低下は防止され、一定温度に保持される。

このときのパルス幅Ｔ１と、のこぎり波発生装置１４３
Ａ、４３Ｂののこぎり波の周期Ｔとの比Ｔ　ｚ　／　Ｔ
が時比率であり、この時比率が空気流量に対応した信号
となる。従って、第９１に示す場合と同様に１発熱抵抗
体２で構成する熱線流速計と発熱抵抗体３で構成する熱
線流速計の信号のうち、放熱が大きい方、すなわち時比
率Ｔ□／Ｔが大きい方を出力信号として出力させ、がっ
、どちらかが大きいかを判定する信号Ｆを出力させる。

具体的には、第１１図に示すように、積分回路３８Ａの
出力信号の電位が積分回路３８Ｂの出力ケ号の電位より
低い場合、すなわち第１図における順流の場合、比較器
４５の出力は低レベルとなり、電子スイッチ４８は０Ｆ
ＦＬ、ＮＯＴ素子４６を介して電子スイッチ４７はＯＮ
となり、出力信号には発熱抵抗体２で構成する熱線流速
計の信号、すなわち比較器４０Ａの出力が出され、その
ときの信号Ｆは高レベルとなる。逆に積分回路３８Ａの
出力電位が積分回路３８Ｂの出力電位より高い場合、す
なわち第１図における逆流の場合。

比較器４５の出力は高レベルとなり、電子スイッチ４８
はＯＮとなり電子スイッチ４７はＯＦＦとなり、出力信
号には発熱抵抗体・３で構成する熱線流速計の信号、す
なわち比較４１％４０Ｂの出力が出され、そのときの信
号Ｆは低レベルとなる。

上述したように本実施例によれば、内燃機関の低回転全
負荷において生じる逆流を伴った脈動吸気状態において
も、その逆流成分を精密に補正することにより、実際に
エンジン内に吸入された空気流量を正確に検出すること
ができる。同時にその他の一般の運転領域においても、
正確な吸入空気流量を検出することができる。

さらに、熱線駆動回路として定温度差型熱線流速計の原
理を採用することにより、空気温度が変化したときも高
精度に質量空気流量を測定することができる。なお吸気
筒９に形成されたベンーチュリ９ａは、熱線プローブ１
０を通過する空気流を整流する効果をもつ。

上述した実施例においては、熱線プローブ１０の両端を
直接リード線５で支持した場合について説明したが、第
１２図に示すように、熱線プローブ１０の軸方向に平行
に４本のり−ドａＳを設け。

このリード線５とほぼ直角にこのリード線５より直径の
大きいリード線５ａをリード線５に取付け、このリード
線５ａをホルダ６に固定してもよい。

また第１３図は特願昭５７−１７５１１号で開示された
吸気筒９０に熱線プローブ１０及び温度プローブ１１を
装着した場合を示し、篤６図に示した実施例と同様に熱
線プローブ１ｏ及び温度プローブ１１はホルダ６により
一体化され、さらに熱線駆動回路１２と一体にして吸気
筒９０に形成されたバイパス通路１３に挿入される。こ
のときバイパス通路１３の空気流はバイパス通路出口１
３ａで主流通路の空気流と合流する。

第１４図及び第１５図は本発明の構造の他の実施例を示
すそれぞれ平面図及び断面図である。吸気筒９の外周面
には熱線駆動回路１２が固定されており、ブロック６を
介して吸気筒９内に内筒５０を固定している。この内筒
５０内には、ニッケル、白金などの箔をポリイミドなど
の耐熱樹脂で被覆した板状の発熱抵抗体２，３が、吸気
の上流側及び下流側にそれぞれ並べて設けられており、
これらの発熱抵抗体２，３はマウント５１で挟持固定さ
れ、このマウント５１を介して内筒５０に固定されてい
る。図の矢印の方向に空気が流れる場合は発熱抵抗体２
の放熱量が発熱抵抗体３の放熱量より大きくなり、矢印
と逆の空気流の場合′には放熱量の大小は逆となり、流
れの方向を検知できる。なお発熱抵抗体２，３の表面の
空気流を整流するために、内筒５０は図中矢印の方向に
向って流路面積が小さくなる構造にしである。

第１６図及び第１７図に本発明による熱線プローブの構
造の他の実施例を示す、２個の円筒柱１の表面にそれぞ
れ発熱抵抗体２，３を形成し、これらの発熱抵抗体２，
３を被覆材４により接合したものである。図中矢印の方
向の空気流を発熱抵抗体２が強く検知し、逆の方向の空
気流を発熱抵抗体３が強く検知することは、前述の実施
例と同様である。

〔発明の効果〕

上述したように、本発明によれば、熱線式空気流量計の
吸気上流側及び吸気下流側にそれぞれ発熱抵抗体を設け
、これらの発熱抵抗体の放散熱量の差を電気的に判別し
て、吸気の流れ方向と空気流量をい検知するようにした
ものであるから、逆流を伴った脈動空気流の平均空気流
量を高精度に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る熱線式空気流量計の一実施例に用
いる熱線プローブを示す断面図、第２図、第３図及び第
４図は第１図に示す熱線プローブのそれぞれ側面図、正
面図及び平面図、第５図は同じく熱線プローブの支持構
造を示す斜視図、第６図は本実施例によるエンジン用吸
入空気流量計゛測装置の構造を示す断面図、第７図は本
発明の一実施例による熱線駆動回路を示す回路図、第８
図は第７図に示す熱線駆動回路を用いたときの空気流量
と信号の関係を示すグラフ、第９図及び第１１図は本発
明の熱線駆動回路の他の実施例を示す回路図、第１０図
は空気流量と信号との関係を示すグラフ、第１２図は本
発明の熱線プローグの支持構造の他の実施例を示す斜視
図、第１３図、第１４図及び第１５図は本発明のエンジ
ン用吸入空気流量計測装置の構造の他の実施例を示すそ
れぞれ断面図、平面図及び断面図、第１６１ｉＡ及び第
１７図は本発明の熱線プローブの他の実施例を示すそれ
ぞれの平面図及び断面図、第１８図及び第１９図は吸入
空気流が逆流を伴った脈動流となっている場合の空気流
量と時間との関係を示すグラフ、第２０図及び第２１図
は従来の熱線プローブ及び熱線流速計駆動回路を示すそ
れぞれ断面図及び回路図である。 ２．３・・・発熱抵抗体、１０・・・熱線プローブ、１
１・・・温度プローブ、１２・・・熱線駆動回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃料機関の吸気通路内に設けられ、吸込空気流量
   を計測する熱線式空気流量計において、吸気上流側及び
   吸気下流側にそれぞれ発熱抵抗体を設け、これらの発熱
   抵抗体の放散熱量の差を電気的に判別して吸気の流れ方
   向を検知するとともに、前記放散熱量の差を空気流量に
   対応した信号として出力することを特徴とした熱線式空
   気流量計。 ２、前記２個の発熱抵抗体に対応して設けられた温度プ
   ローチは、両者で共有させて１個としたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の熱線式空気流量計。