JP2000146651A - 熱式空気流量計 - Google Patents
熱式空気流量計Info
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- G01F1/698—Feedback or rebalancing circuits, e.g. self heated constant temperature flowmeters
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Abstract
場合には、従来の熱線式空気流量計では熱線プローブの
応答遅れと逆流により測定誤差が大きくなる。また、温
度差を検出する方式では、測定範囲が小さくなり、汚れ
に弱いという課題がある。 【解決手段】内燃機関の吸気通路内を流れる吸入空気の
流れの方向に応じた空気流量を計測する手段として、発
熱抵抗体と温度補償抵抗により定温度駆動回路を構成す
る第1のブリッジ回路手段、分割された発熱抵抗体の放
散熱量の温度差を検出する第2のブリッジ回路手段、2
つのブリッジ回路の出力の位相を調整する手段を設け
る。
Description
に係り、特に内燃機関の吸気量検出に好適な熱式の空気
流量測定装置に関する。
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
量装置として、熱線式のものが質量空気量を直接検知で
きることから多数使われている。ここで、4気筒以下の
エンジンの低回転数,重負荷時のように、吸入空気量の
脈動振幅が大きく一部逆流を伴う脈動流の場合、従来の
空気流量装置では精度が低下するため、特開昭62−821
号公報に記載のもの等が考案されている。
流の方向を検知せずに補正する方式が特公昭59−17371
号等に記載され、空気流量の交流分を検出し波形全体に
補正、二値を無くすとされている。また、ソフトウェア
による補正手段として空気流量を電圧として検出し、リ
ニアライズ(単位変換)した後、進み処理を施して逆流
状態を検出,補正するやり方が特開平9−88711号等に記
載されている。
の上流,下流の両側に温度検出部を設け、定温度駆動の
際の温度差から流速を検出し、流れの向きに応じた出力
を直接得る方法が記載されている。また、温度差の出力
から得られる流速信号と、発熱部に供給される加熱電流
から得られる流速信号とを加算して流速を検出するやり
方も記載されている。この様な場合でも、それぞれの流
速信号に位相差が発生し、位相ずれにより誤差が発生し
易いといった課題がある。
配置し、平均値した値を用いて加熱電流を制御し、流量
出力を得る方法が記載されている。この様な場合、平均
値化することにより平均値化した値が、流れの向きに応
じた瞬時的に流量と必ずしも等しくならず流れの向きに
応じた流量値の検出が正確さを欠くといった課題が生じ
ている。
時に逆流と呼ばれる吸気弁がオーバーラップしていると
きはピストン上昇に伴って排気弁側から正圧で吸気弁側
に戻る空気の吹き返し現象を、従来の熱線式空気流量計
で測定すると、その信号は順流,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
って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。このときの測定誤差は30〜100%に達するとい
う問題があった。
ングの式と呼ばれる次式によって表される。
表面温度、Taは空気の温度、Qは空気流量、C1,C
2は熱線で決まる定数である。センサの出力は、熱線電
流値Ihを抵抗で電圧値として検出するのが一般的であ
り、エンジンコントロールユニットでは、式1の関係か
らセンサの出力電圧値を流量値に変換してエンジン制御
に用いている。
ブは、信頼性を確保するために太い線やある程度の熱容
量を有するセンサが用いられる場合が多い。その場合、
脈動時の動的な流量変動に対して応答遅れを有し、エン
ジンの脈動時に正確な波形を計測できず誤差を含みやす
いといった問題があった。
シリコン基盤上にヒータを構成した場合、ヒータの上
流,下流側に感温抵抗体を配置し温度差を検知すること
で流れの向きに応じた出力を得ることができるが、温度
差検出のための感温抵抗体へ汚れが付着した場合、感度
が変化して出力への影響を受けやすかったり、流量の測
定範囲を大きくすることが困難であった。同時に、大き
な感度を得るには、ヒータ部の抵抗発熱体や温度センサ
部の感温抵抗体の温度依存性を大きくする必要があり、
白金やニッケル等の比較的大きな温度依存性を有する物
質で膜を作成する必要があるため、製造プロセスが複雑
となり安価に作るのが困難であった。
測定誤差の少ない熱式空気流量計を提供することにあ
る。
中に設けられた2つの抵抗体と、前記2つの抵抗体の電
位差を制御するブリッジ回路とを備えた熱式空気流量計
において、前記吸入空気中に設けられ、前記ブリッジ回
路とは独立に設けられた第3の抵抗体を備え、前記2つ
の抵抗体のうちの1つは、第1の抵抗体と、前記第1の
抵抗体よりも前記吸入空気流の下流側に設けられ前記ブ
リッジ回路中で前記第1の抵抗体に直列に接続された第
2の抵抗体とからなり、前記第1の抵抗体の電位差と、
前記第2の抵抗体の電位差と、前記第3の抵抗体の電位
差とに基づいて、前記ブリッジ回路から出力される空気
流量信号を補正することによって達成される。
吸入空気流中に設けられた2つの抵抗体と、前記2つの
抵抗体の電位差を制御するブリッジ回路とを備えた熱式
空気流量計において、前記2つの抵抗体のうちの1つ
は、第1の抵抗体と、前記第1の抵抗体よりも前記吸入
空気流の下流側に設けられ前記ブリッジ回路中で前記第
1の抵抗体に直列に接続された第2の抵抗体とからな
り、前記第1の抵抗体の電位差と前記第2の抵抗体の電
位差に基づいて、前記ブリッジ回路から出力される空気
流量信号を補正することによって達成される。
応じた空気流量を得ることができ、測定精度を高めるこ
とができると同時に測定範囲が広くなる。
として、空気流量の測定装置20の構成について説明す
る。センサ回路210は電源21に接続され、発熱抵抗
体211を一定温度で加熱し、流速に応じて生じる熱の
やり取りにより、発熱抵抗体211に流れる空気流量を
測定する、熱線式空気流量計のセンシング部分を構成し
ている。マイクロコンピュータ220により構成された
誤差補正装置では、センサ回路210の出力信号Vin
を受けてアナログ・ディジタル変換器(A/D変換器)
221によりディジタル値に変換し、書き換え可能メモ
リ223上に用意された補正データにより演算回路22
2で誤差補正を施し、ディジタル・アナログ変換器(D
/A変換器)224によりセンサ回路210の出力と同
等の電圧値でエンジンコントロールユニットに出力する
ものである。センサ回路210,マイクロコンピュータ
220により構成された誤差補正装置は、基準電圧を発
生する電源回路23と含めて空気流量の測定装置20を
構成している。
的なハードウェア構成を説明する。センサ回路210は
電源21に接続され空気流量に応じた出力する。センサ
回路210は発熱抵抗体211a,211b,温度補償
抵抗211c,抵抗213,214からなるホイースト
ンブリッジ回路により、ブリッジ中点の電位差がゼロに
なるように差動増幅器215,トランジスタ216によ
って発熱抵抗体211a,211bに流れる電流を調整する
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211a,211b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211a,211bによる空気流速に対
応する信号をゼロスパン回路2120に入力する。ゼロ
スパン回路2120は差動増幅器2121,抵抗212
2,2123,2124,2125,2126,212
7から構成される。
きに対して、並列に配置することで、発熱抵抗体211
a,211bと、抵抗212a,212bによりブリッ
ジ回路を構成し、差動増幅器2131,2141と抵抗
2132,2133,2134,2135,2136,2
142,2143,2144により構成された方向検知
回路2130により、空気の流れの方向に応じた方向検
知信号Vbiを得ることができる。
例えば板型のガラスやセラミック,シリコンなどの基盤
上に、発熱体として白金やニッケル,タングステン等の
金属化合物、又はポリシリコン抵抗体等の薄膜や厚膜が
形成されたものである。
換時の熱的な遅れにより、方向検知信号器224を用い
て2つの反転した位相の電圧値Vr,Vfを出力するも
のである。
1には、温度補償抵抗211cの両端を入力するなどし
て吸気通路内の温度を計算し、電圧出力Vinの温度補
正や、温度変化による位相差の変動の調整に用いてもよ
い。同様に、電圧出力Vinを空気流量に変換して、空
気流量や脈動周波数に応じて位相差を可変とすることも
可能であり、位相差が変動する場合でも、容易に位相差
による出力誤差の影響を低減できる。
rは、流れの方向に応じた方向信号Vswにより、スイ
ッチ回路2170で信号を切り替えることにより、流れ
の方向に応じた信号Voutを得ることができる。ここ
では、ディジタル・アナログ変換器224を用いて2つ
の反転した位相の電圧値Vr,Vfを出力する方法を示
したが、ディジタル・アナログ変換器224の出力を1
つとし、演算増幅器等で反転信号を得るような構成にし
ても構わない。また、スイッチ回路2170で信号を切
り替えずに、流量の出力値と、方向信号Vswの2つの
信号を、エンジンコントロール側に送る構成としても構
わない。
気量(1)が逆流と呼ぶエンジンからの逆方向の流れを
含んだ脈動波形とすると、方向検知信号Vbi(2)は熱
的な応答遅れにより、位相差を持った信号となる。こ
の、方向検知信号Vbi(2)を、一定のレベルVofで
判定することで、方向信号(3)を得ることができる。
方向検知信号Vbi(2)は、もともとの感度が低いた
め、先の方向検知回路2130で大きな増幅度を必要とし、
演算増幅器等のドリフトの影響を受けやすい。そこで、
流量感度が大きく、ダイナミックレンジの広いゼロスパ
ン回路2120の出力を用いるのが望ましいが、先に述
べたようにそのままでは、方向検知信号Vbi(2)に対
し応答遅れの少ない流量信号(4)となる。また、流れ
の方向を検知できないため、逆流時も正側に出力する波
形となる。そこで、マイクロコンピュータ220の内部
処理として、温度や、空気流量や脈動周波数に応じて遅
延処理をし、順流,逆流の流量信号の基準となるオフセ
ット電圧を基準とした、2つの反転した位相の流量信号
Vf,Vr(5)(6)を発生させる。最後に、流れの方
向に応じた方向信号Vsw(3)に応じて、流量信号
(5)(6)の出力を切り替えることで、正確な波形合成
後の流量(6)を得ることができる。
化等に応じて変えることが可能なため、位相ずれによる
流量の検出誤差を低減できるといった効果がある。
3により説明する。センサ回路210は電源21に接続さ
れ空気流量に応じた出力をする。センサ回路210は発
熱抵抗体211a,211b,温度補償抵抗211c,
抵抗213,214からなるホイーストンブリッジ回路
により、ブリッジ中点の電位差がゼロになるように差動
増幅器215,トランジスタ216によって発熱抵抗体
211a,211bに流れる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211a,211b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211a,211bによる空気流速に対応する信号を
ゼロスパン回路2120に入力する。ゼロスパン回路2
120は差動増幅器2121,抵抗2122,212
3,2124,2125,2126,2127から構成
される。
きに対して、並列に配置することで、発熱抵抗体211
a,211bと、抵抗212a,212bによりブリッ
ジ回路を構成し、差動増幅器2141と抵抗2142,
2143,2144により構成された回路により、空気
の流れの方向に応じた方向検知信号Vbi1を得ること
ができる。
に配置された発熱抵抗体211a,211bの両側に温
度検出用の抵抗体212d,212e,212f,21
2gを配置している。具体的な構造を図14に示す。温
度検出用の抵抗体は左右対称なパターン構成となる。特
に、ポリシリコン抵抗体を用いる場合には、抵抗体を構
成する際の不純物ドーピング濃度を変えることで、温度
係数の大きな温度検知に適した高抵抗の製造が容易であ
る。1つのパターン上に、違う温度係数の抵抗体が作成
できるため、発熱抵抗体211a,211bと、温度検
出用の抵抗体212d,212e,212f,212g
の温度係数や抵抗率を変えてもパターン面積が不用意に
大きくならずに、コスト上有利である。また、エッチン
グ面積も、白金等を用いて同一の抵抗体を配置するのに
比較して低減することができ、信頼性の向上が図れる。
e,212f,212gをブリッジ構成とし、電圧回路
23の定電圧出力Vccを用いて駆動することで、流れ
の向きに応じた信号を先の方向検知信号Vbi1と同様
に、差動増幅器2132と抵抗2132,2133,2
134,2135,2136,2137により構成され
た回路により、空気の流れの方向に応じた方向検知信号
Vbi2を得ることができる。
2e,212f,212gは温度係数を大きくし易いた
め、流れに対して感度が大きく、差動増幅器2132の
増幅度を下げることが可能で、信号そのものを流量信号
とすることも可能である。しかし、感度が大きくなると
高流量域の出力が飽和し易くなるので、先の発熱抵抗体
211a,211bによる空気流速に対応するゼロスパ
ン回路2120の出力と併用して、最適な流量を得るも
のである。その際、直接加熱された発熱抵抗体211
a,211bの信号と、発熱抵抗体211a,211b
の温度変化に対して間接的に変化する温度検出用の抵抗
体212d,212e,212f,212gの信号とで
は、位相差が生じ誤差要因となる。本発明では、位相調
整用に例えば、抵抗2151,コンデンサ2152を用
いた位相遅れ回路2150を付加することで、位相ずれ
を補正した電圧出力Vinを得ることができる。位相ず
れを補正した信号をマイクロコンピュータ220に取り
込むことで、低流量から、高流量まで、最適な3つの信
号値の組み合わせにより、精度向上が図れる。位相調整
要素は、マイクロコンピュータ220に内蔵するアナロ
グ・ディジタル変換器221を高速にサンプリングする
場合は、ソフトウェアで遅れ要素を持たせて実現するこ
とも可能である。
度検出用の抵抗体212d,212e,212f,212g
を用いた方向検知信号Vbi2を主とし、高流量域で
は、発熱抵抗体211a,211bの信号より得た方向
検知信号Vbi1と、発熱抵抗体211a,211bの
直接の信号を位相ずれを補正した電圧出力Vinと組み
合わせることで実現できる。
信号より得た方向検知信号Vbi1を使用せずに、低流
量域を温度検出用の抵抗体212d,212e,212
f,212gを用いた方向検知信号Vbi2を主とし、
高流量域では、温度検出用の抵抗体212d,212
e,212f,212gを用いた方向検知信号Vbi2
と、発熱抵抗体211a,211bの直接の信号を位相
ずれを補正した電圧出力Vinと組み合わせることで実
現できる。高流量域で飽和し易い、温度検出用の抵抗体
212d,212e,212f,212gを用いた方向
検知信号Vbi2を高流量側では方向信号の判別のみに
用いれば可能となる。
で2重にするため、一部の抵抗の汚れ等による劣化があ
っても、最適な信号を選択して出力することも可能とな
る。本実施例においては、特に複数の方向検出可能な流
量検知手段を用いることで、広範囲での流量検出が高精
度に実現でき、また、方向検出可能な流量検知手段を簡
単なセンサ構造で実現することで、信頼性が向上すると
いった効果がある。
向検出と、流量検出を行うことで、ヒータ部の構造が簡
単になり、またポリシリコン抵抗体のような温度依存性
の少ない抵抗体でも流れの方向を含めた流量検出が可能
となるため、プロセスを含めた製造コストが低減できる
といった効果がある。また、ヒータ部の構造が簡単なこ
とと、1つのヒータで温度差検知と、直接熱量の検出を
併用することで、汚れ等に強く信頼性が向上するといっ
た効果がある。
の回路図。
図。
説明図。
の回路図。
図。
説明図。
置の回路図。
置の回路図。
ン図。
路、210…センサ回路、212…温度補償抵抗、21
3,214…抵抗、216…トランジスタ、220…マ
イクロコンピュータ、221,631…アナログ・ディ
ジタル変換器、222…演算回路、223…書き換え可
能メモリ、224…ディジタル・アナログ変換器、22
6…発振器、225,632…入出力ポート、212
1,2131,2141…差動増幅器、2120…ゼロスパ
ン回路、2130…方向検知回路、2170…スイッチ
回路。
Claims (9)
- 【請求項1】内燃機関の吸入空気流中に設けられた2つ
の抵抗体と、 前記2つの抵抗体の電位差を制御するブリッジ回路とを
備えた熱式空気流量計において、 前記2つの抵抗体のうちの1つは、第1の抵抗体と、前
記第1の抵抗体よりも前記吸入空気流の下流側に設けら
れ前記ブリッジ回路中で前記第1の抵抗体に直列に接続
された第2の抵抗体とからなり、 前記第1の抵抗体の電位差と前記第2の抵抗体の電位差
に基づいて、前記ブリッジ回路から出力される空気流量
信号を補正することを特徴とする熱式空気流量計。 - 【請求項2】内燃機関の吸入空気流中に設けられた2つ
の抵抗体と、 前記2つの抵抗体の電位差を制御するブリッジ回路とを
備えた熱式空気流量計において、 前記吸入空気中に設けられ、前記ブリッジ回路とは独立
に設けられた第3の抵抗体を備え、 前記2つの抵抗体のうちの1つは、第1の抵抗体と、前
記第1の抵抗体よりも前記吸入空気流の下流側に設けら
れ前記ブリッジ回路中で前記第1の抵抗体に直列に接続
された第2の抵抗体とからなり、 前記第1の抵抗体の電位差と、前記第2の抵抗体の電位
差と、前記第3の抵抗体の電位差とに基づいて、前記ブ
リッジ回路から出力される空気流量信号を補正すること
を特徴とする熱式空気流量計。 - 【請求項3】請求項1または2において、 前記空気流量信号は位相を調整されてから前記補正され
ることを特徴とする熱式空気流量計。 - 【請求項4】請求項1または2において、 前記第1の抵抗体と前記第2の抵抗体とは連続する材料
で構成されることを特徴とする熱式空気流量計。 - 【請求項5】請求項1または2において、 前記空気流量信号は、空気流量の大きさに応じて位相を
調整されてから前記補正されることを特徴とする熱式空
気流量計。 - 【請求項6】請求項2において、 前記第1の電位差と、前記第2の電位差とに基づいて、
前記ブリッジ回路から出力される空気流量を補正し、流
量域に応じて補正量を変えたことを特徴とする熱式空気
流量計。 - 【請求項7】請求項1または2において、 前記吸入空気の流れの方向に応じた信号、吸入空気に応
じた前記検出電圧値の少なくとも一方が、ディジタル値
に変換され位相差が設けられたことを特徴とする熱式空
気流量計。 - 【請求項8】請求項1または2において、 前記2つの抵抗体をバイパス通路内に配置し、バイパス
通路による応答性の変化分を、前記発熱抵抗体の流量に
対する応答性の遅れを回復する手段を用いて回復した信
号を用いることを特徴とする熱式空気流量計。 - 【請求項9】請求項1または2において、 前記2つの抵抗体が、シリコン基盤上に形成されたポリ
シリコン抵抗体であることを特徴とする熱式空気流量
計。
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EP99122022A EP1004856A3 (en) | 1998-11-17 | 1999-11-12 | Thermal air flow meter |
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