JP2814523B2 - 熱式流量センサの信号処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、流体の流量を検出する熱式流量センサに
関するもので、特に、流量変化に対する応答性を改善す
る信号処理方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の熱式流量センサとしては、内燃機関の吸入空気
流量を検出する熱式空気流量センサがよく知られてお
り、代表的なものとして吸気通路内に配設された白金線
の温度が一定となるように白金線への通電電流を抑制
し、この電流値に対応して空気流量信号を得るホットワ
イヤ式空気流量センサが公知である。又、該白金線の代
りにアルミナ基板やフィルムに白金を蒸着した熱式空気
流量センサがホットワイヤ式空気流量センサの廉価版と
して最近注目されてきている。

ところで、これらの熱式空気流量センサにおいては、
定温度に制御された温度依存抵抗への通電電流を検知し
て空気流量を計測するものであるため、該温度依存抵抗
ならびにその保持部材への熱伝導及び蓄熱により計測す
べき空気流量が変化した時出力応答が遅れ、検出特性に
誤差を生じることが知られている。

第６図は（ａ）はこの種の熱式空気流量センサ（１）
を示すもので、（11）は空気が流れる通路を兼ねる管状
のハウジングであり、空気の流れる方向を矢印で示して
いる。R_Hは空気流量を検出する為の温度依存抵抗で、第
６図（ｂ）に示すようにアルミナ基板（14）の上に白金
を印刷あるいは蒸着した後トリミングして形成されたも
ので、他の抵抗R_K,R_Mとともに空気通路内に配設されて
いる。R_H,R_M,R_K,R₁,R₂は周知のブリッジ回路構成で抵抗
値検出装置を形成し、差動増巾器（12）とによって閉ル
ープを形成してR_Hの温度又は抵抗値が一定となるよう制
御される。このため、空気流量に対応してR_Hの通電電流
が決定され、該電流値とR_Mの抵抗値の積から出力電圧
（13）を得ることができる。

次に、このような熱式空気流量センサ（１）の空気流
量変化時の応答遅れについて説明する。第７図は空気流
量をステップ状に変化させた時の熱式空気流量センサの
応答を示す図であり、その特性はＡ点を節とする折れ線
に略等しい応答を示す。ここで横軸はステップ変化後の
経過時間、縦軸は空気流量変化率を示す。Ａ点までの時
間遅れは、白金抵抗R_Hの熱応答及び回路の応答遅れが主
として起因し、Ａ点での目標値と偏差及びＡ点から目標
へ収れんするまでの時間は主として白金抵抗R_Hの保持部
材であるアルミナ基板（14）への熱伝導，蓄熱により生
じるものである。第８図は上記動作を説明するための図
であり、アルミナ基板（14）に対し白金抵抗R_Hの位置を
基準に距離を横軸にとった時のアルミナ基板（14）上の
温度分布を示す。白金抵抗R_H部付近の温度は前述の回路
により空気温度に対し十分高い一定の温度に制御されて
いる。ここで、白金抵抗R_Hにおいて発生した熱は空気中
へ放出されるとともに白金抵抗R_H部からアルミナ基板
（14）へ伝熱・蓄熱されることになる。該閉ループ回路
はこの熱損失を補って白金抵抗R_Hへの電流を制限する。
従って、所定の空気流量に対する熱式空気流量センサ
（１）の出力はアルミナ基板（14）への伝熱蓄熱分を含
んだものとなるが、アルミナ基板（14）上の熱の平衡が
とれた状態での特性即ち定常状態では正確な流量特性が
得られる。ところが、空気流量が変化する場合は上記熱
平衡がとれない為流量特性に誤差を生ずることになる。
第８図のl₁は空気流量が少ない時の温度分布であり、l₂
は空気流量が多い時を示す。ここで、l₂がl₁の下方にな
るのは流れる空気流量によってアルミナ基板（14）の冷
却効果が異なる為である。小流量から大流量へ空気流量
をステップ変化させた時は最終的には温度分布がl₂にな
るが、初期はl₂に対応する空気流量であるのにl₁の温度
分布となり白金抵抗R_Hへの供給電力、即ち、熱式空気流
量センサ（１）の出力は本来の出力より少なくなる。即
ち、空気流量の変化があった時は変化前の空気流量に対
応する温度分布と変化後の空気流量に対応する温度分布
の差に対応した初期流量誤差を生じ、温度分布が変化後
の空気流量に対する定常状態になるまでの時間誤差が暫
減しながら継続することになる。この度合いは第６図に
示す熱式空気流量センサ（１）では、保持部材であるア
ルミナ基板（14）の伝熱・蓄熱の影響が大きく、内燃機
関の燃料噴射装置で実用化可能な程度の応答性・耐久性
をもつセンサとすべく白金抵抗R_Hの面積、アルミナ基板
（14）の厚みなどを考慮して製作したものでも初期流量
偏差が最大30％、偏差の継続時間が500ms程度となり、
このような応答遅れは内燃機関の燃料制御上許容し難い
ものである。

このような欠点を改善する方法として例えば特開昭61
−26823号公報に示されるような温度依存抵抗を用いる
ものが提案されている。第９図はこの温度依存抵抗を示
すもので、円環状アルミナ基体（14）の外表面に白金薄
膜を蒸着し、レーザートリミングによりアルミナ基体
（14）の全体に白金抵抗R_Hを形成するとともに白金線よ
りなるリード線（15）をアルミナ基体（14）の両端開口
部より挿入し、導電ペースト（16）で固着することによ
り構成されている。このようにアルミナ基体に対する白
金抵抗R_Hの面積を大きくすることによって流量が変化し
たときの保持部材の温度特性への影響を小さくすること
が可能となり、応答性を向上することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の熱式空気流量センサ
においては、センサ自体の構造が複雑化して製造が困難
なものとなり、あるいは価格が高くなるなどの問題があ
った。

この発明は上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、構造が簡単で廉価な熱式流量センサを用
い、信号処理によって応答性を改善するようにした信号
処理方法を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、温度依存抵抗と該抵抗を支持する保持部
材とからなる熱式流量センサを備えたものにおいて、流
量が定常状態を維持した平衡状態にあるときの流体の流
量に対応した補正係数である第１の演算値を予じめ設定
しておき、熱式流量センサの出力から求めた流量値から
第１の演算値を求めるとともに、流体の流量が変動した
ときの上記第１の演算値の変化に追従する補正係数であ
って、かつ、流量変化量に応じて変化する補正割合い値
を用いて追従の速さが決められる第２の演算値を求め、
これら第１、第２の演算値の差により流量センサの出力
を補正するようにしたものである。

〔作用〕 この発明における信号処理方法は、平衡状態にあると
きの流体の流量に対応して設定された補正係数である第
１の演算値と流体の流量が変化したときの第１の演算値
の変化に追従する補正係数である第２の演算値との差に
より流量センサの出力を補正するように構成されたもの
で、温度依存抵抗及び抵抗保持部材の温度特性に伴なう
応答遅れを解消させることが可能となる。

〔実施例〕

以下、この発明を一実施例である熱式空気流量センサ
を用いた燃料噴射装置について説明する。第１図におい
て、（１）は第６図に示された形式の熱式空気流量セン
サ、（２）は該空気流量センサ（１）を収容する吸気通
路、（３）は吸入空気量を調整するスロットルバルブ、
（４）はサージタンク、（５）はインテークマニホール
ド、（６）はエンジン、（７）はエンジン（６）におけ
る気筒毎のインテークマニホールドに取付けられたイン
ジェクタ、（８）はエンジン（６）のカムシャフト軸に
取付けられたディストリービュータ内に設けられ、クラ
ンク軸の回転位置を検出するクランク角センサ、（９）
は空気流量センサ（１）からの空気流量信号及びクラン
ク角センサ（８）からのエンジン回転数信号を主に図示
しない各種センサなどによる補正演算を行ないインジェ
クタ（７）の噴射パルス巾を制御する信号処理器で、第
２図に示すように熱式空気流量センサ（１）の出力電圧
信号をディジタル変換するA/D変換器（91）とクランク
角センサ（８）の出力信号を波形整形するディジタルイ
ンタフェース（92）と、これらの出力を受けて演算処理
を行なう中央処理装置（CPU）（93）と、プログラムお
よびデータなどが記憶されたROM（94）と、データを一
時記憶するRAM（95）と、出力信号を発生する駆動回路
（96）とから構成されている。基本の演算処理方法とし
ては、空気流量センサのA/D値、クランク角センサから
の回転数信号などを用い後述する空気流量の補正演算を
行ない、これらの信号、演算値により周知の方法で燃料
噴射パルス巾を計算して駆動回路（96）によりインジェ
クタ（７）を制御することになる。

ところで、このような燃料噴射装置に用いられる熱式
空気流量センサ（１）は上述したようにアルミナ基板
（14）の伝熱・蓄熱特性により応答遅れが避けられない
ものであり、本発明による応答性改善処理が必要とな
る。

以下、この発明の一実施例である信号処理方法を第３
図、第４図、第５図を用いて説明する。まず、第３図
（ａ）のステップ101において信号処理器（９）は所定
の時間間隔で空気流量センサ（１）の出力電圧をA/D変
換した値により、予め測定された流量特性に基づき上記
A/D変換値に相当する流量Q_mを求めておき、クランク角
センサ（８）による割込み信号（４気筒エンジンの場
合、1000rpmの回転時は30msec毎）が入力されると、こ
れらの時間における測定空気流量Q_mの積算値と積算回数
ｎとから回転信号間の平均空気流量Q_aを演算し、RAM（9
5）に書き込む。

以下は上記割込み信号とは別の一定時間間隔の割込み
による繰返し処理ルーチンを第３図（ｃ）を用いて説明
する。ステップ301で、第３図（ａ）の処理ルーチンで
演算された平均空気流量Q_aをRAM（95）より読み出す。
空気流量センサがステップ302で熱的に平衡状態に対応
して予め求めておいた平均空気流量Q_aに対する第１の補
正演算値データC_Qmaxをテーブルを参照して求める。こ
のテーブルは、内燃機関に用いられる実用空気流量計測
域が数g/秒〜100g/秒程度の場合、第３図（ｂ）に示す
ように最低流量で0.3、中流量以上で０となり、しか
も、低流量域で空気流量Q_aの増加に伴って減少する値を
持つように構成されている。

この第１の演算値C_Qmaxは空気流量Ｑに対して変化す
るアルミナ基板（14）の温度特性を表すものである。

次に、ステップ303において、第３図（ｃ）に示され
た繰返し処理ルーチンの前回の計算により演算された第
２の演算値C_QをRAM（95）より読み出す。その後、ステ
ップ304において前回の繰返し計算による平均空気流量Q
_aに対する変化分を算出し、これを単位時間あたりの流
量変化量ΔQ_aとして一時記憶する。次にステップ305に
おいて流量変化量ΔQ_aの大きさを参照して決める補正割
合値ΔＣを求め、さらにステップ306においてC_QmaxとC_Q
が等しいか否かを判別し、両者が一致する場合は平衡状
態にあるものとしてその値C_Qmaxを第２の演算値C_Qとし
て保持する。

また、両者が不一致である場合、ステップ307におい
てC_QがC_Qmaxよりも大きい場合はC_Qから予め設定したΔ
Ｃだけ減算し、大小関係が反対の場合は加算する。この
ようにして一定時間毎に第２の演算値C_Qを第１の演算値
C_Qmaxに近づけて追従させるように演算処理を行う。こ
こで補正割合値ΔＣを平均空気流量Q_aの単位時間当たり
の変化量ΔQ_aから求めることにより、保持部材温度の単
位時間当たりの変化量を反映した補正値とすることが可
能となる。

次にステップ310において補正係数Ｃを演算し、ステ
ップ311で平均空気流量Q_aと補正係数Ｃを掛け合わせる
ことで補正された空気流量Q_a ^＊が求められる。

第４図は、このような空気流量センサ（１）を用い空
気流量が急激に増減した場合のタイムチャートを示すも
ので、時間t₀にスロットルバルブ（３）を急激に開放し
たその開度状態（大流量状態）を維持し、その後、t₃時
にスロットルバルブ（３）を急激に閉鎖状態に復帰させ
た場合を示している。ここで、第４図（ａ）の実線は実
際の吸入空気流量Ｑの変化を示し、点線は空気流量セン
サ（１）により示される平均空気流量Q_aの変化を示して
いる。すなわち、空気流量センサ（１）の出力Q_aはセン
サ自体の応答特性により変化した後、Ａ点（t₁時）にお
いて、第７図に示すようなアルミナ基板（14）の温度特
性に伴なって応答性が低下し、実際の空気流量を示す信
号が得られるt₂時までの時間遅れが生じる。このt₁〜t₂
時の時間は数100m秒〜１秒とt₁〜t₂時の50m秒に比して
無視できないものである。一方、空気流量センサ（１）
の出力Q_aに伴なって第１の演算値C_Qmaxは第４図（ｂ）
に点線で示すように変化し、また、第２の演算値C_Qも第
３図（ｃ）に示す演算に伴なって実線で示すように変化
する。したがって、補正係数Ｃは第４図（ｃ）に示すよ
うに第1,第２の演算値C_Qmax,C_Qの偏差に応じて変動する
ことになり、この補正係数Ｃを空気流量センサ（１）の
出力Q_aに乗算することによって実際の吸入空気流量Ｑに
近似した吸入空気流量を表わす信号Q_a ^＊を得ることがで
きる。

また、第５図は空気流量が徐々に変化した場合のタイ
ムチャートを示すもので、第４図に示すステップ状の流
量変化に比べて単位時間当りの流量変化量ΔQ_aが小さい
ため、これに応じて補正割合い値ΔＣを小さくし、第２
の演算値C_Qが第１の演算値C_Qmaxに徐々に追従すること
が可能となり、この結果、補正後の空気流量Q_a ^＊を実際
の空気流量Ｑに近い値とすることができる。

このように、本発明においては、空気流量センサ
（１）の出力に対してこの出力が平衡状態において発生
する第１の演算値C_Qmaxを予じめ記憶させておき、この
第１の演算値C_Qmaxの変化及び第１の演算値C_Qmaxとの大
小関係に応じ、かつ、流量変化量ΔQ_aに応じて変化する
補正割合い値ΔＣを用いて第２の演算値C_Qを形成させる
とともにこれらの演算値によって補正係数Ｃを算出さ
せ、空気流量センサ（１）の出力に補正係数Ｃを乗算さ
せて補正させるように構成したため、温度依存抵抗を支
持する保持部材による熱的影響を解消することができ、
空気流量を検出する際の応答特性を改善することが可能
となる。

なお、上述の実施例においては、第１の演算値を空気
流量センサ（１）の出力に応じて予じめ設定するように
構成したが、この第１の演算値は空気流量に対応した値
にすぎないものであり、内燃機関において空気流量を表
わすパラメータとして用いられているブースト値と回転
数あるいはスロットル開度と回転数とによって第１の演
算値を求めるように構成してもよい。又、熱式流量セン
サとして内燃機関の空気流量センサについて説明した
が、温度依存抵抗及びその保持部材の温度又は温度分布
が流体の流量変化に対して流量に対する平衡値からずれ
を生じ、流量特性に誤差を生じる熱式流量センサであれ
ばよく、例えば、内燃機関のEGRガス流量センサにも適
用することができる。

さらに、信号処理方法として、実施例では熱式空気流
量センサの流量値を補正するように構成したが、流量セ
ンサの出力値又はこの出力値をA/D変換した値を用いる
ようにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば熱式流量センサにお
ける温度依存抵抗及びその保持部材の熱応答遅れを信号
処理により補正することが可能となり、しかも、流量変
化量に応じて変化する補正割合い値を用いて演算するよ
うに構成したため、構造が簡単で安価な熱式流量センサ
を用いて応答性の良好な流量測定を可能とすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例である内燃機関の燃料噴射
装置を示す基本構成図、第２図は第１図における燃料噴
射装置の信号処理器を示すブロック図、第３図は本発明
の信号処理方法を示すフローチャートおよび特性図、第
４図および第５図はタイムチャートを示す図、第６図は
内燃機関の熱式空気流量センサを示すブロック図、第７
図は空気流量をステップ変化させた時の該センサの空気
流量変化率を示す図、第８図はセンサの熱応答遅れを説
明する図、第９図は従来の温度依存抵抗を示す概要図で
ある。 図中、（１）は空気流量センサ、（３）はスロットルバ
ルブ、（６）はエンジン、（７）はインジェクタ、
（８）はクランク角センサ、（９）は信号処理器、R_Hは
温度依存抵抗、（14）は保持部材であるアルミナ基板、
C_Qmaxは第１の演算値、C_Qは第２の演算値、ΔＣは補正
割合い値を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】温度に依存して抵抗値が変動する温度依存
   抵抗とこの温度依存抵抗を支持する保持部材とを有し、
   上記温度依存抵抗を介して形成される出力信号に基づ
   き、流体の流量を検出する熱式流量センサを備えたもの
   において、上記流体の流量が定常状態を維持した平衡状
   態にあるときの上記流体の流量に対応した補正係数であ
   る第１の演算値を予じめ設定しておき、上記熱式流量セ
   ンサの出力から求めた流量値から上記第１の演算値を求
   めるとともに、上記流体の流量が変動したときの上記第
   １の演算値の変化に追従する補正係数であって、かつ、
   単位時間当りの流量変化量に応じて変化する補正割合い
   値を用いて上記追従の速さが決められる第２の演算値を
   求め、これら第１、第２の演算値の差により上記流量セ
   ンサの出力を補正するようにしたことを特徴とする熱式
   流量センサの信号処理方法。