JP2012112716A - 空気流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】脈動する吸気量を測定する空気流量測定装置において、脈動の高調波を考慮した補正を可能とする。
【解決手段】空気流量測定装置は、吸気量の高調波を分析する高調波分析部８と、高調波分析部８による分析結果に応じて、検出値に対する補正量を算出する補正量算出部１０と、補正量算出部１０により得られた補正量を利用して検出値を補正する補正部１１とを備える。また、高調波分析部８は、高調波の周波数、振幅および位相を求め、補正量算出部１０は、基本波の振幅、２次波の振幅および位相を利用して補正係数を算出する。そして、補正部１１は、補正係数を検出値に乗じたり、足したりすることで検出値を補正する。これにより、吸気量の脈動波形を、基本波に高調波が重畳したものとみなして高調波を考慮した補正を行うことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、内燃機関に吸入される吸入空気の流量としての吸気量を測定する空気流量測定装置に関する。

従来から、吸気量の測定には、流量として質量流量を直接的に測定できる利点から、例えば、吸入空気との間に伝熱現象を発生させて質量流量相当の検出値を発生する熱式の空気流量測定装置が広く利用されている。
そして、空気流量測定装置の測定対象たる吸気量は、バルブの開閉等の内燃機関の動作状態に応じて経時的に脈動する。このため、より高精度に吸気量を測定するには、脈動の影響を考慮した測定方法が必要となる。

例えば、特許文献１には、脈動補正手段を備える装置が開示されており、この脈動補正手段は、センサ信号の解析および平均値の算出を行って解析結果を特性マップに格納し、この特性マップに基づいて脈動に関する補正を行う。また、特性マップには、脈動の振幅および周波数、ならびに内燃機関の回転数に係わる情報が格納される。

また、特許文献２には、吸気量が脈動等によりマイナス側に振れた場合にも吸気量をプラス側に変換することで吸気量の絶対値を出力し続ける吸入空気流量計測装置において、センサからの出力波形からクランク角周波数よりも高い周波数に分布するスペクトル強度を求め、このスペクトル強度から逆流比を算出するとともに、算出した逆流比を用いて出力を補正する手段が開示されている。

ところで、特許文献１、２の脈動に対する補正は、吸気量の脈動波形の内、基本波に対するものであって、高調波に対する考慮はなされていない。このため、さらなる吸気量測定の高精度化を達成するためには、高調波の影響も含めて脈動に対する補正を行う必要がある。

特表２００３−５０５６７３号公報 特許第３６２７５６４号公報

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、脈動する吸気量を測定する空気流量測定装置において、脈動の高調波を考慮した補正を可能とすることにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１の手段によれば、空気流量測定装置は、内燃機関に吸入される吸入空気の流量としての吸気量を測定し、吸気量が内燃機関の動作状態に応じて経時的に脈動するものである。また、空気流量測定装置は、吸気量を検出する検出手段と、検出手段により得られる検出値を利用して、吸気量の高調波を分析する高調波分析手段と、高調波分析手段による分析結果に応じて、検出値に対する補正量を算出する補正量算出手段と、補正量算出手段により得られた補正量を利用して検出値を補正する補正手段とを備える。

そして、高調波分析手段は、高調波の周波数、振幅および位相の少なくとも１つを求め、補正量算出手段は、高調波分析手段により求めた高調波の周波数、振幅および位相の少なくとも１つを利用して補正量を算出する。
これにより、吸気量の脈動波形を、基本波に高調波が重畳したものとみなして高調波を考慮した補正を行うことができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２の手段によれば、空気流量測定装置は、検出値の時間的な平均値を算出する平均処理手段を備え、平均処理手段により求めた平均値を、高調波分析手段、補正量算出手段、および補正手段の少なくとも１つで利用する。
これにより、離散的に得られる個々の検出値を利用するのではなく、時間的に平均化された平均値としての検出値を利用することで、高調波に対する補正を高精度に行うことができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３の手段によれば、高調波分析手段は、内燃機関の回転数を利用して高調波を分析する。
これにより、内燃機関の回転数に基づき基本波の周波数を把握した上で高調波を分析することができる。このため、高調波の分析を簡便かつ高精度に行うことができる。

〔請求項４の手段〕
請求項４の手段によれば、平均処理手段は、内燃機関の回転数を利用して平均値を算出する。
これにより、平均値の算出に利用すべき検出値の時系列に含まれるサンプル数を内燃機関の回転数に応じて増減することで、例えば、サンプルが脈動中心値の片側に偏るのを解消することができる。このため、平均値の精度を高めることができる。

〔請求項５の手段〕
請求項５の手段によれば、高調波分析手段は、吸気量の高速フーリエ変換により高調波の周波数、振幅および位相を求める。
これにより、高調波の周波数、振幅および位相を迅速かつ高精度に求めることができるので、補正を高速に処理することができる。

〔請求項６の手段〕
請求項６の手段によれば、高調波分析手段は、吸気量の基本波および高調波を正弦関数で表記するとともに、正弦関数で表記した基本波および高調波の和によりモデル化したモデル関数で吸気量を近似し、モデル関数で吸気量を近似することで高調波の周波数、振幅および位相を求める。
これにより、吸気量の脈動波形を正弦波の組合せに分解して解析することができるので、脈動波形の合成再現を容易化することができる。なお、モデル関数への近似は、最小二乗法等を利用することで高速に処理することができる。

〔請求項７の手段〕
請求項７の手段によれば、補正量算出手段は、基本波と２次波との振幅比をＡｒ、２次波の位相をθで表記し、α、βおよびγを定数とした場合、下記の数式により補正係数Ｃを算出する。そして、補正手段は、補正係数Ｃを検出値に乗じたり、足したりすることで検出値を補正する。
Ｃ＝α・Ａｒ・ｓｉｎ（θ＋β）＋γ
この手段は、補正係数の一態様を示すものである。

〔請求項８の手段〕
請求項８の手段によれば、補正量算出手段は、少なくとも、基本波の周波数および振幅、吸気量の平均値、基本波と２次波との振幅比、ならびに２次波の位相を説明変数とする重回帰モデルの目的変数を補正係数として算出する。そして、補正手段は、補正係数を検出値に乗じたり、足したりすることで検出値を補正する。
この手段は、補正係数の一態様を示すものである。

空気流量測定装置の構成を示す構成図である（実施例１）。 （ａ）は基本波、２次波および重畳波を示す説明図であり、（ｂ）は２次波の重畳による検出誤差を示す説明図である（実施例１）。 マイコンの機能を示すブロック図である（実施例１）。 高調波分析部を示す説明図である（実施例２）。 補正量算出部を示す説明図である（実施例２）。

実施形態１の空気流量測定装置は、内燃機関に吸入される吸入空気の流量としての吸気量を測定し、吸気量が内燃機関の動作状態に応じて経時的に脈動するものである。また、空気流量測定装置は、吸気量を検出する検出手段と、検出手段により得られる検出値を利用して、吸気量の高調波を分析する高調波分析手段と、高調波分析手段による分析結果に応じて、検出値に対する補正量を算出する補正量算出手段と、補正量算出手段により得られた補正量を利用して検出値を補正する補正手段とを備える。

そして、高調波分析手段は、高調波の周波数、振幅および位相の少なくとも１つを求め、補正量算出手段は、高調波分析手段により求めた高調波の周波数、振幅および位相の少なくとも１つを利用して補正量を算出する。
また、空気流量測定装置は、検出値の時間的な平均値を算出する平均処理手段を備え、平均処理手段により求めた平均値を、高調波分析手段、補正量算出手段、および補正手段の少なくとも１つで利用する。

また、高調波分析手段は、内燃機関の回転数を利用して高調波を分析し、平均処理手段は、内燃機関の回転数を利用して平均値を算出する。

さらに、高調波分析手段は、吸気量の高速フーリエ変換により高調波の周波数、振幅および位相を求める。
そして、補正量算出手段は、基本波と２次波との振幅比をＡｒ、２次波の位相をθで表記し、α、βおよびγを定数とした場合、下記の数式により補正係数Ｃを算出する。そして、補正手段は、補正係数Ｃを検出値に乗じたり、足したりすることで検出値を補正する。
Ｃ＝α・Ａｒ・ｓｉｎ（θ＋β）＋γ

実施形態２の空気流量測定装置によれば、高調波分析手段は、吸気量の基本波および高調波を正弦関数で表記するとともに、正弦関数で表記した基本波および高調波の和によりモデル化したモデル関数で吸気量を近似し、モデル関数で吸気量を近似することで高調波の周波数、振幅および位相を求める。

また、補正量算出手段は、少なくとも、基本波の周波数および振幅、吸気量の平均値、基本波と２次波との振幅比、ならびに２次波の位相を説明変数とする重回帰モデルの目的変数を補正係数として算出する。そして、補正手段は、補正係数を検出値に乗じたり、足したりすることで検出値を補正する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の空気流量測定装置１は、例えば、図１に示すように、吸気量を検出する吸気量検出器２、および、吸気量検出器２とは別に設けられたマイコン３を備える。
吸気量検出器２は、内燃機関４への吸気路５に突出するように配されて吸入空気との間に伝熱現象を発生させることで吸気量としての質量流量を直接的に検出することができる周知の熱式流量検出器である。そして、吸気量検出器２は、吸気量の検出値を表す信号を合成してマイコン３に出力する。

マイコン３は、吸気量検出器２から吸気量の検出値を示す信号の入力を受けて検出値に対する補正等を行うものであり、マイコン３にて補正された検出値は、内燃機関４における燃料の噴射量等を制御する電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ６とする。）に出力され、各種の制御処理に利用される。なお、マイコン３は、ＣＰＵや、各種の記憶装置、入力装置および出力装置等を備える周知の構造を有する。

次に、マイコン３による吸気量の検出値の補正を、図２および図３を用いて説明する。
ここで、検出値の補正は、バルブの開閉等の内燃機関４の動作状態に応じて発生する吸気量の経時的な脈動の影響を検出値に反映させるために行われる。

例えば、図２（ａ）に示すように、正弦波を示す基本波に対して、周波数が基本波の２倍であって振幅が１／２である２次波が重畳すると、基本波は、重畳波のように正弦波から歪む。そして、この歪みは、例えば、２次波の振幅が大きくなるのに伴って大きくなるので、結果的に、重畳波に基づく検出値は、図２（ｂ）に示すように、２次波の振幅が大きくなるのに伴い、基本波のみに基づく検出値に対する乖離が大きくなり、検出誤差が大きくなってしまう。

そこで、マイコン３による検出値の補正では、吸気量の脈動波形を、正弦関数で表される基本波に正弦波としての高調波が重畳したものとみなし、高調波の影響を数値的に求めて検出値に反映させる。これにより、検出誤差の抑制を図っている。
以下、検出値の補正を、図３に示すマイコン３の機能としての高調波分析部８、平均処理部９、補正量算出部１０および補正部１１を中心に説明する。

まず、吸気量検出器２からマイコン３に入力された信号（吸気量信号）は、Ａ／Ｄ変換部１３にてデジタル化されて検出値として数値化され、数値化された検出値は、高調波分析部８および平均処理部９に入力される。

高調波分析部８は、検出値を利用して吸気量の高調波を分析するものであり、例えば、検出値の高速フーリエ変換（以下、ＦＦＴと呼ぶ。）により高調波の周波数、振幅および位相を求める。ここで、高調波分析部８は、内燃機関４の回転数を利用して高調波を分析する。つまり、内燃機関４の回転数は基本波の周波数に相当するので、高調波分析部８は、例えば、内燃機関４の回転数から高調波の周波数を推定しておき、ＦＦＴにより求めた周波数の妥当性を判断する。

ここで、内燃機関４の回転数は、周知のクランク角センサ１４からＥＣＵ６に入力される信号に基づき、ＥＣＵ６にて把握されており、マイコン３はＥＣＵ６から内燃機関４の回転数の入力を受けて内燃機関４の回転数を把握する。

平均処理部９は、検出値の時間的な平均値を算出するものであり、例えば、検出値の時系列データを平滑化する移動平均により平均値を算出する。また、平均処理部９は、内燃機関４の回転数を利用して平均値を算出する。具体的に、平均処理部９は、移動平均する時系列の範囲（平均値の算出に利用すべき検出値のサンプル数）を内燃機関４の回転数に応じて増減することで、例えば、時系列に含まれる検出値が脈動中心値の片側に偏るのを解消することができる。

補正量算出部１０は、高調波分析部８により求められた高調波の振幅、位相等を利用して検出値に対する補正量を算出するものであり、例えば、以下に示す補正係数Ｃを算出する。
補正係数Ｃは、下記の数式１により求められるものである。
〔数式１〕Ｃ＝α・Ａｒ・ｓｉｎ（θ＋β）＋γ
数式１において、Ａｒは基本波と２次波との振幅比であり、θは２次波の位相である。また、α、βおよびγは定数である。

補正部１１は、補正量算出部１０により得られた補正係数Ｃを利用して検出値を補正するものであり、例えば、補正係数Ｃを検出値に乗じたり、足したりすることで検出値を補正する。そして、補正された検出値が、吸気量の検出値としてＥＣＵ６に出力される。
また、補正係数Ｃによる乗算または加算の対象となる数値には、離散的な検出値そのものではなく、平均処理部９により求められた平均値が用いられる。つまり、平均値に補正係数Ｃを乗じたり、足したりしたものが吸気量の検出値としてＥＣＵ６に出力される。

〔実施例１の効果〕
実施例１の空気流量測定装置１は、吸気量を検出する吸気量検出器２と、吸気量検出器２により得られる検出値を利用して、吸気量の高調波を分析する高調波分析部８と、高調波分析部８による分析結果に応じて、検出値に対する補正量を算出する補正量算出部１０と、補正量算出部１０により得られた補正量を利用して検出値を補正する補正部１１とを備える。

また、高調波分析部８は、高調波の周波数、振幅および位相を求め、補正量算出部１０は、基本波の振幅、２次波の振幅および位相等を数式１に当てはめて補正係数Ｃを算出する。そして、補正部１１は、補正係数Ｃを検出値に乗じたり、足したりすることで検出値を補正する。
これにより、吸気量の脈動波形を、基本波に高調波が重畳したものとみなして高調波を考慮した補正を行うことができる。

また、空気流量測定装置１は、検出値の時間的な平均値を算出する平均処理部９を備える。そして、補正部１１は、平均処理部９により求めた平均値に補正係数Ｃを乗じたり、足したりすることで検出値を補正する。
これにより、離散的に得られる個々の検出値を利用するのではなく、時間的に平均化された平均値としての検出値を利用することで、高調波に対する補正を高精度に行うことができる。

また、高調波分析部８は、内燃機関４の回転数を利用して高調波を分析する。
これにより、内燃機関４の回転数に基づき基本波の周波数を把握した上で高調波を分析することができる。このため、高調波の分析を簡便かつ高精度に行うことができる。

また、平均処理部９は、内燃機関４の回転数を利用して平均値を算出する。
これにより、平均値の算出に利用すべき検出値のサンプル数を内燃機関４の回転数に応じて増減することで、例えば、検出値のサンプルが脈動中心値の片側に偏るのを解消することができる。このため、平均値の精度を高めることができる。

また、高調波分析部８は、検出値の高速フーリエ変換により高調波の周波数、振幅および位相を求める。
これにより、高調波の周波数、振幅および位相を迅速かつ高精度に求めることができるので、補正を高速に処理することができる。

〔実施例２〕
実施例２の空気流量測定装置１によれば、高調波分析部８は、吸気量の基本波および高調波を正弦関数で表記するとともに、正弦関数で表記した基本波および高調波の和によりモデル化したモデル関数（図４参照）で吸気量を近似し、モデル関数で吸気量を近似することで高調波の周波数、振幅および位相を求める。また、モデル関数における基本波および高調波の周波数、位相および振幅は、例えば、最小二乗法により求める。
ここで、モデル関数には平均流量が含まれているので、平均流量には平均処理部９にて求められた検出値の平均値が利用される。

これにより、吸気量の脈動波形を正弦波の組合せに分解して解析することができるので、脈動波形の合成再現を容易化することができる。なお、モデル関数への近似は、最小二乗法等を利用することで高速に処理することができる。

また、補正量算出部１０は、図５に示す変数を説明変数とする重回帰モデルの目的変数を補正係数Ｃとして算出する。そして、補正部１１は、補正係数Ｃを検出値に乗じたり、足したりすることで検出値を補正する。なお、図５における説明変数の定数ａｉは、最小二乗法により算出することができる。

〔変形例〕
空気流量測定装置１の態様は、実施例に限定されず種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例の空気流量測定装置１は、吸気量検出器２、および、吸気量検出器２とは別に設けられたマイコン３等からなるものであったが、吸気量検出器２に演算機能等を具備する回路を設けて吸気量検出器２自身により検出値の補正を行うようにしてもよく、吸気量検出器２からＥＣＵ６に検出値を示す信号を入力させ、ＥＣＵ６にて検出値の補正を行うようにしてもよい。

また、実施例の空気流量測定装置１によれば、内燃機関４の回転数はＥＣＵ６を経てマイコン３に入力されていたが、クランク角センサ１４からマイコン３に信号を直接入力してマイコン３にて内燃機関４の回転数を求めてもよい。
また、実施例２によれば、補正係数Ｃの算出に利用される説明変数には、基本波および２次波の周波数や位相等が利用されていたが、３次以上の高調波の周波数や位相等を説明変数に加えてもよい。また、例えば、周波数の２乗や３乗等のような高次の変数を説明変数に加えてもよい。

１ 空気流量測定装置
２ 吸気量検出器（検出手段）
４ 内燃機関
８ 高調波分析部（高調波分析手段）
９ 平均処理部（平均処理手段）
１０ 補正量算出部（補正量算出手段）
１１ 補正部（補正手段）

Claims (8)

1. 内燃機関に吸入される吸入空気の流量としての吸気量を測定し、この吸気量が前記内燃機関の動作状態に応じて経時的に脈動する空気流量測定装置において、
   前記吸気量を検出する検出手段と、
   この検出手段により得られる検出値を利用して、前記吸気量の高調波を分析する高調波分析手段と、
   この高調波分析手段による分析結果に応じて、前記検出値に対する補正量を算出する補正量算出手段と、
   この補正量算出手段により得られた前記補正量を利用して前記検出値を補正する補正手段とを備え、
   前記高調波分析手段は、前記高調波の周波数、振幅および位相の少なくとも１つを求め、前記補正量算出手段は、前記高調波分析手段により求めた前記高調波の周波数、振幅および位相の少なくとも１つを利用して前記補正量を算出することを特徴とする空気流量測定装置。
2. 請求項１に記載の空気流量測定装置において、
   前記検出値の時間的な平均値を算出する平均処理手段を備え、
   この平均処理手段により求めた前記平均値を、前記高調波分析手段、前記補正量算出手段、および前記補正手段の少なくとも１つで利用することを特徴とする空気流量測定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の空気流量測定装置において、
   前記高調波分析手段は、前記内燃機関の回転数を利用して前記高調波を分析することを特徴とする空気流量測定装置。
4. 請求項２に記載の空気流量測定装置において、
   前記平均処理手段は、前記内燃機関の回転数を利用して前記平均値を算出することを特徴とする空気流量測定装置。
5. 請求項１ないし請求項４の内のいずれか１つに記載の空気流量測定装置において、
   前記高調波分析手段は、前記吸気量の高速フーリエ変換により前記高調波の周波数、振幅および位相を求めることを特徴とする空気流量測定装置。
6. 請求項１ないし請求項４の内のいずれか１つに記載の空気流量測定装置において、
   前記高調波分析手段は、
   前記吸気量の基本波および前記高調波を正弦関数で表記するとともに、正弦関数で表記した前記基本波および前記高調波の和によりモデル化したモデル関数で前記吸気量を近似し、
   このモデル関数で前記吸気量を近似することで前記高調波の周波数、振幅および位相を求めることを特徴とする空気流量測定装置。
7. 請求項１ないし請求項６の内のいずれか１つに記載の空気流量測定装置において、
   前記補正量算出手段は、基本波と２次波との振幅比をＡｒ、２次波の位相をθで表記し、α、βおよびγを定数とした場合、下記の数式により補正係数Ｃを算出し、
   前記補正手段は、この補正係数Ｃを前記検出値に乗じたり、足したりすることで前記検出値を補正することを特徴とする空気流量測定装置。
   Ｃ＝α・Ａｒ・ｓｉｎ（θ＋β）＋γ
8. 請求項１ないし請求項６の内のいずれか１つに記載の空気流量測定装置において、
   前記補正量算出手段は、少なくとも、基本波の周波数および振幅、前記吸気量の平均値、基本波と２次波との振幅比、ならびに２次波の位相を説明変数とする重回帰モデルの目的変数を補正係数として算出し、
   前記補正手段は、この補正係数を前記検出値に乗じたり、足したりすることで前記検出値を補正することを特徴とする空気流量測定装置。

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