WO1988000686A1 - Apparatus for measuring the amount of the air intaken by the engine - Google Patents

Description

明 細 書 '

エ ン ジ ンの吸気量測定装置

技術分野

こ の発明は、 カルマ ン渦流量セ ンサ、 すなわち、 導管 内を流れる被測定流体中に渦発生体を設け、 その下流に 発生したカ ルマ ン渦列の発生渦周波数を超音波で検出し て流量を測定するセ ンサ、 によ り 吸入空気量を測定する エ ン ジ ンの吸気量測定装置に関する も のであ る。

背景技術

導管内に渦発生体を設け、 その下流に発生したカ ルマ ン渦の発生周波数よ り 流体の流量を測定する方法は従来 よ り種々の も のが提案されており 、 たとえば、 実開昭 5

4 一 4 1 6 6 5号公報や実開昭 5 7 - 1 6 0 6 2 5号公報など かあ る。

実開昭 5 4— 4 1 6 6 5 号公報は、 流路を介して送受波 される超音波信号波が流体中に発生するカ ルマ ン渦によ り位相変調される こ とを利用した も のであ り 、 また、 実 開昭 5 7— 1 6 0 6 2 5号公報は、 流路内に配設され、 定電 流加熱されたサー ミ ス タ の抵抗値がカルマ ン渦に応動し て変化するこ とを利用した ものである。

こ のいずれの従来冽において も 、 その出力される電気 信号はカ ルマ ン渦に応動して変化する.アナ ログ信号であ るが、 これをたとえばエ ン ジ ンの燃料噴射制御の吸気量 セ ンサ と して使用する場合、 その用途か ら通常 2値化さ れカ ルマ ン漏パル ス に変換して使用される。 こ のノ、。ル ス に変換する具体的方法の従来冽と しては、 たとえば特公 昭 5 8— 7 0 1 3 1 号公報などがある。

と ころで、 こ の カ ルマ ン渦流量セ ンサをエ ン ジ ンの吸 気量セ ンサ として使用した場合—、 上記待公昭 5 8 — 7 0 1 3 1 号公報にも一部述べられているよ う に、 次のよ う な 問題を生じる。

すなわち、 ス ロ ッ ト ル弁が高開度に位置する とき、 ェ ン ジ ンの吸気動作による空気の脈動が吸気通路におよび、 こ の脈動に応動して流量セ ンサの出力レベルが大き く変 動する。

また、 ス ロ ッ ト ル弁が低開度に位置する と きは、 吸気 が高速にて弁を通過するこ とによ り所謂 「風切音」 が発 生し、 これが吸気通路内のカ ルマ ン渦セ ンサにも影響し、 出力には高周波ノ ィ ズが重畳された形とな つて現われる。

このよ う な出力信号を、 たとえば上記特公昭 5 8— 7 0 1 3 1 号公報にて示されているよ う に、 電圧比較器にて 所定の電圧と比較する ことによ り 2値化して、 カ ルマ ン 渦パルスを得た場合、 ス ロ ッ ト ル弁の高開度時にはパル スの所謂 「歯抜け」 を生じ、 また、 低開度時には、 重畳 された高周波ノ ィ ズをそのままパルス化して出力するこ と となる。

この発明は、 かかる問題を解决するためになされた も ので、 エ ン ジ ンの動作状態によ らず、 常に真値の力.ルマ ン渦パルスを出力する エ ン ジ ンの吸気量測定装置を得る こ と を 目的とする。

と こ ろで、 近年のディ ジタ ル回路技術の発展に伴ない、 それに関連したデバイ ス、 た と えばマ イ ク ロ プロ セ ッ サ、 ゲー ト ア レ イ 、 メ モ リ などはその価格が従来に比べ大幅 に低減され、 かつ機能は向上している。

こ のよ う な状況に鑑み、 カルマ ン渦流量計に関して も 、 その信号処理回路部を ディ ジタ ル化する こ と によ り 、 価 格の低减、 機能の向上およ び小形軽量化を計る こ とが望 まれる。

しかし、 上記従来咧にて提案されている方式、 手段は いずれ も ディ ジタ ル化するには甚だ不向 き な も のである。 た と えば、 従来例における位相偏位回路は、 処理回路の 主要部をなすも のであるが、 これをディ ジ タ ル回路にて 構成しょ う とする と、 非常に多数の ビ ッ ト か ら なる レ ジ スタ を必要とする とい う 問題を生じ る。

この発明は、 かかる問題点を も解決するためになさ れ た も ので、 ディ ジタ ル化に適した信号処理方式によ る吸 気量測定装置を得る こ と も 目的と している。

発明の開示 - この発明に係る エ ン ジ ンの吸気量測定装置は、 カルマ ン-渦流量セ ンサよ り 出力 される連続的に変化する信号を 2 値化する 2 値化回路と、 この 2 値化回路の動作定数を エ ン ジ ンのス ロ ッ ト ル開度などのエ ン ジ ンの動作状態に 応じて可変設定する手段とを設けたも のである。

この発明においては、 エ ンジ ンの動作状態に応じて 2 値化回路の動作定数を可変設定し、 この動作定数に基づ き 2値化回路はカ ルマ ン渦流量セ ンサか ら出力される連 続的に変化する信号を 2値化回路で 2値化する も ので、 常に直値のカ ルマ ン錕パルスを発生でき る ものである。

また、 カ ルマ ン渦によ り位相変調された受信波を波形 整形して得たパルスのタ イ ミ ングでカ ウ ンタ の内容をラ ツ チ して位相復調し、 その位 を 2値化するよ う にした ので、 信号処理部の大半をディ ジタ ル信号レベルで処理 でき、 ディ ジタ ル I C化が容易に行え、 安価にして小形 軽量な吸気量測定装置が得られる という効果を達成する も のであ る。 '·

図面の簡単な説明

第 1図はこ の発明のェ ンジ ンの吸気量測定装置の実施 例を示すブロ ッ ク図、 第 2 図および第 3図はそれぞれ同 上エン ジ ンの吸気量測定装置の各部の信号を示すタ イ ミ ングチ ャ ー ト 、 第 4図はこの発明の流量測定装置の一実 施洌を示すブロ ッ ク図、 第 5図ないし第 8 図は第 4図の 流量測定装置の各部の信号を示すタ ィ ミ ングチ ャー トで め な o

発明を実施するた の最良の形態

以下、 こ の発明のェ ンジンの吸気量測定装置の実施例 を図について説明す—る。 第 1 図はこの発明の一実施冽を 示す も ので、 燃料噴射制御に用いた場合の例を示すプロ ッ ク図であ る。

こ の第 1 図において、 1 はエ ン ジ ンの吸気通路、 2 は この吸気通路 1 内に配設さ れたカ ルマ ン渦流量セ ンサで あ る。 このカルマ ン渦流量セ ンサ 2 の出力 a は 2 値化回 路 3 で 2 値化して、 カ ルマ ン渦パルス d を得る よ う にな つ ている。.

この 2 値化回路 3 は カ ルマ ン渦流量セ ンサ ² の出力 a の内、 高周波雑音成分を除去するための第 1 の低域通過 フ ィ ル タ 31 、 こ の低域通過フ ィ ル タ 31 の出力 b を平均化 する ための第 2 の低域通過フ ィ ル タ 32およびこの第 1 の 低域通過フ ィ ルタ 31、 第 2 の低域通過フ ィ ル タ ^{3 2}の出力 b , c 'の大小を比較する ヒ ス テ リ シス特性を持 っ た コ ン パ レータ 33力 > ら成 っ てお り 、 この第 1 の低域通過フ ィ ル タ 31、 第 2 の低域通過フ ィ ルタ 32の時定数、 およ びコ ン ノヽ。 レータ 33の ヒ ス テ リ シス幅は コ ン ピュ ー タ ュニ ッ ト 8 か ら可変設定し得る よ う に構成さ れている。

また、 吸気通路 1 内には、 ス ロ ッ ト ル弁 6 が設け られ てお り 、 こ のス ロ ッ ト ル弁 6 の開度は開度セ ンサ 7 で検 出する よ う にな っ てい るつ 開度セ ンサ 7 の出力は コ ン ビ ユ ータ ュニ ッ ト 8 に送出 さ れる よ う にな っ てい る。

コ ン ピュ ータ ュニ ッ ト 8 には、 上述のカ ルマ ン牆ノ、°ル ス d も 入力されるよ う にな っ ている。 こ の カルマ ン渦パ ルス d と開度セ ンサ 7 の出力およ びエ ン ジ ンの回転数な どに応じて噴射弁 5 を介して燃料室を制御 るよ う にな つてお り 、 この噴射弁 5 はエ ン ジンの シ リ ンダ 4 の近傍 に配設さ れてい る。

また、 コ ン ピ ュ ータ ユニッ ト 8 は第 1 の低域通過フ ィ ルタ 31の可変抵抗 V R 1 と第 2 の低域通過フ ィ ルタ 32の 可変抵抗 V R 2 およびコ ンパレータ 33 の入出力端間の可 変抵抗 V R 3 を可変するよ う になつており 、 これによ つ て、 ンジ ンの状態に応じて 2値化回路 3 の動作定数を 可変設定でき るよ う にな っ ている。

次に動作について説明する。 第 2図および第 3 図は前 記 2値化回路 3 の各部の信号の様子を示したタ イ ミ ング チ ヤ 一 トであ って、 第 2図はスロ ッ トル弁 6 が低開度に 位置しぺ 前述したよ う にカルマ ン渦流量セ ンサ 2 の出力 a に高周波ノ イ ズが重畳した場合を示し、 第 3 図は、 ス ロ ッ トル弁 6 が高開度に位置し、 カルマ ン渦流量セ ンサ 2 の出力 aが前記脈動の影響を受けてそのレベルが大き く 変動した場合を示している。

第 1 図において、 カルマ ン渦流量セ ンサ 2 よ り 出力さ れた信号 aはその高周波雑音成分を除去するこ とを目的 と した第 1 の β域通過フィルタ 31を経た後、 第 2 の低域 通過フ ィ ルタ 32に よ り その平均値がと られる。

した力 っ て、 この第 1 の低域通過フ ィ ルタ 31、 第 2 の . 低域通過フ ィ ルタ 32の出力 b ， c を コ ンパ レータ 33にて 大小比較する こ と によ り 、 2値化が行なわれ、 カ ルマ ン 渦パル ス d が得 られる。 '

コ ン ピ ュ ー タ ュ ニ ッ 卜 8 は、 こ の カ ルマ ン渦ノ、⁰ル ス d を受け、 これよ り エ ン ジ ンの吸気量を算出 し、 その結果 に対応して燃料噴射量を決定する。

いま、 ス ロ ッ ト ル弁 6 が低開度に位置する と き 、 コ ン ビュ ータ ユニッ ト 8 は開度セ ンサ 7 によ り 、 そのこ と を 検出 し、 2 値化回路 3 に対し、 第 1 およ び第 2 の低域通 過フ ィ ル タ 31， 32 の時定数が長く な る よ う に、 ま た、 コ ンノ、 ° レ一タ 33の ヒ ステ リ シ ス幅が大き く なる よ う に設定 信号 （ 第 1 図の e ， f ， g ) を発生する。

こ の よ う に設定する と 、 ス ロ ッ ト ル低開度時に発生す る高周波ノ イ ズ （ 第 ² 図の a ) は、 箅 ² 図の b ， 'c に示 すよ う に、 第 1 の低域通過フ ィ ルタ 31に よ り そ の'ノ イ ズ レベルが大き く 低減さ れ、 ヒ ス テ リ シ ス幅が大き く 設定 さ れた コ ンパ レータ 33を経た後は、 その ノ イ ズの影響は 完全に除去される。 - 次に、 ス ロ ッ ト ル弁 6 が高開度に位置する と き、 コ ン ピュ ータ ュニ ッ ト 8 は 2 値化回路 3 1に対し、 第 1 およ び 第 2 の低域通過フ ィ ル タ 3 1， 32の 時定数が短 く なる よ う に、 ま た、 コ ンノ、。 レータ 33の ヒ ステ リ シ ス幅が小さ く な る よ う に設定信号 e ， f , g を発生する。

このよ う に設定する と、 平均値を と るた めの第 2 の低 域通過フ ィ ル タ 32の出力 C は、 第 3 図の b ， c に示すよ う に、 その入力 b の前記脈動によ る レ ベル変動に十分追 従して変化する。 - こ の と き、 こ の追従性を上げるべく 、 第 2 の低域通過 フ ィ ルタ 32の時定数を短 く する と 、 コ ンパ レータ 33に入 力される二つの信号 b ， c の差が小さ く なるが、 この コ ン ノ、。 レータ 33の ヒステ リ シス幅も合せて小さ く 設定され ているので、 適正な 2 値化が行なわれる。

と こ ろで、 第 1 図に示した冽においては、 説明を容易 にするため、 2 値化回路 3 の搆成をア ナ ロ グ回路的に表 現しているが、 これをディ ジタ ル回路にて構成して も 同 様の機能が実現で き る。 すなわち、 第 1 、 第 2 の低域通 過フ ィ ルタ 31， 32 を低域通過ディ ジタ ノレフ ィ ルタ にて搆 成し、 コ ンノヽ⁰ レ一タ 33をマ グニチ ュ 一 ド コ ン ノ レータ に て搆成すれば容易に実現し得る。· そして、 前記コ ン ビュ ータ ュニ ッ ト 8 〖ま、 多 く の場合、 マ イ ク ロ プロ セ ッ サに て搆成されているのであ るが、 2値化回路 3 を このよ う にディ ジタ ル回路にて構成する と、 このマ イ ク ロ プロ セ ッ サによ る前記フ ィ ルタ 時定数の設定、 およびコ ンパレ ータ の ヒ ス テ リ シ ス幅の設定が容易に行なえるつ

次にこの 2値化回路をディ ジタル回路にて構成した実 施冽について詳細に説明する。

第 4 図はその一実施洌を示すブロ ッ ク図であ る。 この 第 4 図において、 1 は吸気通路であ'つ て、 被測定流体の 流路であ る。 こ の流路 1 に渦発生体 21が配置されてお り、 この渦発生体 21の下流側において、 流路 1 には超音波送 波用振動子 22と超音波受波用振動子 23が相対向して配設 されている。

こ の超音波送波用振動子 22はカ ウ ン タ 9 の出力を駆動 回路 1 0を通して励振されるよ う にな ってお り 、 こ の超音 波送波用振動子 22がその共振点にて励振されているか否 かを共振点検出回路 1 1で検出するよ う に し ている。

こ の共振点検出回珞 11の出力によ り 、 電圧制御発振器 12を制御する よ う に し てお り 、 こ の電圧制御発振器 1 2の 出,力は カ ウ ン タ 9 でカ ウ ン ト し て分周する よ う にな っ て いる。

こ のカ ウ ンタ 9 で分周されたパルスによ り 、 駆動回路 1.0を駆動するよ う にな つている。

一方、 超音波受波用振動子 23の出力は波形整形回路 13 に送出し、 そこで波形整形してパルスを発生するよ う に な っている。 こ のパルス の立ち上カ り のタ イ ミ ングでラ ツ チ回路 14 はカウン タ 9 の カ ウ ン ト内容を取り 込んでラ ツ チする よ う にな っ てい る。

こ のラ ッ チ回路 14の出力は第 1 の低域通過ディ ジタ ル フ ィ ルタ 31に送出するよ う にし ている。 第 1 の低域通過 ディ ジ タ ル フ イ ソレタ 3 1は ラ ッ チ回路 1 4の出力の う ち、 高 周波変動分を除去する も ので、 その出力は第 2 の低域通 過ディ ジ タ ルフ ィ ルタ 32に送出する よ う に してい る。 第 2 の低域通過デ ィ ジタ ル フ ィ ルタ 32は第 1 の ί氐域通過デ ィ ジ タ ソレ フ ィ ルタ 3 1の出力を平均化する も のであ る。 第 1 , 第 2 の低域通過デ ィ ジタ ルフ ィ ルタ 31， 32 の出 力の大小はマグニチュー ドコ ンパ レータ 33で比較するよ う にな つてお り 、 このマ グニチ ュ 一 ド コ ンノヽ⁰レ一タ 33の 出力はバッ フ ァ 15に送出するよ うになって'いる。

次に動作について説明する。 第 5図および第 6 図は、 前記第 4図の各部信号の様子を示したタ イ ミ ングチ ヤ 一 トであって、 第 5図はカ ウ ンタ 9 によるパルス計数およ びラ ッ チ回路 14による位相復調の様子を示しており 、 第 6 図はマグニチュー ドコ ンパ レータ ³³によ る復調された 位相 e の 2値化の様子を示している。

なお、 第 5図と第 6 図との関係は、 第 6 図における位 柜復調信号 eを微視的に見たものが、 第 5図における復 調信号 e とな っている。

第 4図において、 電圧制御発振器 12はたとえば約 2 0 M Hzにて発振してお り、 その周波数は共振点検出回路 11 によ り、 超音波送波用振動子 22がその共振点にて励振さ れるよ う制御されている。

こ の電圧制御発振器 12の出力パルス （第 5 図の a ) は、 た とえば 9 ビッ トからなるバイナ リア ッ プカウ ンタ によ るカウ.ンタ 9 によ り第 5 図の b に示すごと く 循環的に計 数される。 - いま、' このカ ウ ン .タ 9 の最上位ビッ ト に着目する と 、 それは電圧制御発振器 12の出力パルス a を 5 1 2分の 1 に 分周したパルスすなわち約 4 0 MHz のパルス （ 第 5 図の c ) と な っ ている。

超音波送波用振動子 22は駆動回路 10を介して、 このパ ルス c にて励振される。 こ の超音波送波用振動子 22よ り 発せられた超音波は流路 1 内にてカルマ ン渦によ り 位相 変調された後、 超音波受波用振動子 23に伝わる。 この超 音波受波用振動子 23の出力を波形整形回路 13によ り整形 すると、 位相変調されたパルス （ 第 5 図の d ) が得られ る o

このノ、。ル ス d のた と えば立ち上力 > ' り タ イ ミ ン グにて力 ゥ ンタ 9 の内容を ラ ッ チ回路 I ⁴にて取り 込むと 、 その出 力 （ 第 5 図の e ) は位相復調信号とな っ ている。

すなわち、 カ ウ ンタ 9 は分周器と して作用する と と も に、 送信波 の 1 周期の位相 3 6 0度を 5 1 2分割して計数 する位相カ ウ ンタ と して も作用しているので、 受信波 d のタ イ ミ ングにてそのカ ウ ンタ内容を取 り 込めば、 その 出力は自ずと位相復調信号とな つ ている。

次に、 この位相復調信号 e は第 1 の低域通過ディ ジタ ル ³1によ り その雑音成分が除される （ 第 5 図の f ) 。

つま り 、 超音波の位相を変調する も の と しては、 前述 したカルマ ン渦のみではなく 、 たとえば流路外の音源な どがあ り 、 これは復調信号の雑音とな って現われるので、 これをフ ィ ルタ によ り 除去す'る必要がある。 '

このよ う に して雑音が除去された復調信号 f は次に第 2 の低域通過ディ ジタルフ ィ ルタによ り平均化される （ 第 6 図の g ) 。

以上:のよ う にして得られた二つの信号 f ， g をマ グニ キユ ー ドコ ンパ レータ 33によ り大小比較する と、 2値化 されたパルス信号 h が得られる。 このパルス h の周波数 は力 ルマン渦周波数に対応している。

なお、 以上説明した処理回路の内、 第 4図中破線で示 した枠内の部分は、 すべてディ ジタル信号レベルにて処 理さ れてお り 、 したがっ て、 この部分はた とえばゲー ト ア レイ な _:どの手法によ り 容易かつ安価にディ ジ タル I C 化し得る も のである。

と こ ろで、 以上述べたこの発明の実施冽においては、 従来なされていた位相偏位回路-によ る送受閭の位相差の 平均値の固定とい う こ とが行なわれてい-ないので、' 送受 波の位相がた と えば第 7 図のよ う な闋係になる こと も あ り得る。

すなわち、 第 7 図ではカ ウ ンタ値 b がその最大計数値 の 5 1 1か ら最小計数値の 0 へ変化する前後にて受信波パ ルス d の立ち上がり タ ィ ミ ングが変動するよ う な位相変 調がなされている。

このと き、 位相復調信号 e は第 8 図に示すよ う にカ ウ ンタ の最大値 5 1 1力 >ら最小値 0 への飛びを生じ るのであ るが、 マ グニチ ュー ドコ ンパ レータ 13 itて大小比較を行 な う 際に、 カ ウ ンタの計数は循環的であ り 、 最大値 5 1 1 と最小値 0 とは連続している と して判定すれば、 第 8 図 の f ， g , h にて示すよ う に第 ⁶ 図の場合 と 同様に ² 値 化が行なえる。

また、 このよ う な判定はディ ジタ ル処理と しては容易 なこ とである。 すなわ ち、 こ の発明の実施例においては、 従来の処理回路の主要部であ る位相扁位回路を必要と し ない。

Claims

請 求 の 範 囲

1. エン ジ ンの吸気通路内に配設されたカルマ ン渦流量 セ ンサと 、 この カ ルマ ン？咼流量セ ンサの出力を 2値化 してカルマ ン渦パルスを得る 2値化回路と、 上記ェ ン ジンの少なく と も ス ロ ッ トル開度を含む動作状態に応 じて上記 2値化回路の動作定数を可変設定する手段と を備えたこ とを特徴とするエ ン ジンの吸気量測定装置。

2： 2値化回路が、 カ ルマ ン渦流量セ ンサの出力のう ち、 高周波雑音成分を除去するための第 1 の低域通過フィ ルタ 、 この第 1 の低減通過フ ィ ルタ 出力を平均化す る ための第 2 の低域通過フィ ルタ 、 および上記第 1 の ノ 低域通過フ ィ ルダの出力と上記第 2 の低域通過フ ィ ル タ 出力との大小を比較するコ ンパ レータ を備えてい るこ とを特徴とする請求の範囲第 1項記載のエ ン ジ ン の吸気量測定装置，

3. 第 1 の低域通過フ ィ ルタ と第 2 の低域通過フ ィ ルタ とがそれぞれ低域通過ディ ジタ ルフ ィ ルタ にて構成し、 コ ンパレータ をマグニチ ュ ー ドコ ンパレ一タにて構成 したこ とを特徴とする請求の範囲第 2項記載のヱンジ ンの吸気量測定装置。

4. エ ン ジンの吸気通路の被測定流体中に挿入された渦 発 '生体の後流側に上記吸気通路を介して対設した超-音 波送波甩振動子および超音波受波甩振動子と、 この超 音波送波用振動子の共振点にて励振されているか否か を検出する共振点検出回路と、 この共振点検出回路に よ り 制御される電圧制御発振器と、 この電圧制御発振 器の出力パル スを計数するこ とによ り このパ ル スを分 周するカ ウ ン タ と 、 こ の カ ウ ンタ で分周されたパ ルス にて上記超音波送波用振動子を励振する駆動回路と、 上記超音波受波用振動子の出力を波形整形して得られ るノ、。 ソレスのタ イ ミ ン グにて上記カ ウ ン タ の内容を取り 込むラ ッ チ回路と、 こ の ラ ッ チ回路の出力の増減を判 定する 2値化手段とか らなるこ と を特徴とするェ ン ジ ンの吸気量測定装置。