JP3840379B2

JP3840379B2 - 内燃機関の吸気量計測装置

Info

Publication number: JP3840379B2
Application number: JP2001019388A
Authority: JP
Inventors: 俊宏青野; 武彦小渡; 信弥五十嵐
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: US20030204334A1; JP2002221072A; US6697743B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸入空気流量を検出する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の吸入空気流量を計測する方式としては、熱線式空気流量計が広く用いられてきた。これは、吸気通路中に配置されて、熱線の温度が一定となるように電流を流し、その供給電流により熱線が配置された断面を通過する空気流量を計測するものである。この熱線式空気流量計は、空気流量の絶対値は検出できるが、空気の流れの方向は判別できない。
【０００３】
内燃機関においては、ピストンの上下運動に起因する脈動が発生するため、熱線が配置された断面における空気流量は周期的な関数となる。スロットルの開度が大きくなると、脈動の振幅が大きくなり、空気流量が負の領域に入ることもある。この現象は逆流と呼ばれる。
【０００４】
さらに、熱線式空気流量計には、自分自身の熱容量に起因する応答遅れがある。また、空気流量と熱線式空気流量計の出力の間には非線型の対応関係がある。
【０００５】
内燃機関の制御においては、熱線式空気流量計の脈動を平均して空気流量として用いる。熱線式空気流量計が検知する空気流量や、応答遅れや非線型性の影響を受けた熱線式空気流量計の出力をそのまま積分すると、逆流の分だけ余分に内燃機関内に空気が取込まれたことになってしまう。
【０００６】
この問題を解決するために、これまでいくつかの方法が提案されてきた。
【０００７】
特開平１０−３００５４４号公報には、熱線式空気流量計から得られる検出信号の最大値と最小値に基いてしきい値を設定し、このしきい値と検出信号の位置関係に基いて逆流区間を判定する。そして、判定した逆流区間に応じて検出信号を補正している。
【０００８】
特開平７−１６７６９７号公報には、熱線式空気流量計から得られる検出信号の極大点、極小点を検出し、極大点から極小点までの経過時間を演算し、この経過時間に基いて逆流を判定している。そして、判定した逆流区間に応じて検出信号を補正している。
【０００９】
特公昭６１−２１３７２８号公報には、熱線からの検出信号の前後の差分値と所与の閾値を比較することで流れの方向変化時点を求めて、流れの方向の変化があった時点を考慮して逆流を検出して信号を補正している。
【００１０】
特開２０００−２６５８９８号公報では、検出信号の周波数強度を抽出し、予め記憶しておいた周波数強度と逆流率の関係から逆流の割合を推定し、逆流の補正を行っている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−３００５４４号公報のように、しきい値と検出信号の交差を見る方式では、検出信号のノイズのために交差が観測されない場合がある。そのため、実用に際しての安定性に問題がある。
【００１２】
特開平７−１６７６９７号公報では、極大・極小を検出しているが、これも信号にノイズが乗ると、本来極大・極小が検出されるべきところ以外にも極大・極小が出現してしまうことがあり、実用に際しての安定性に問題がある。
【００１３】
特公昭６１−２１３７２８号公報では、波形の差分と閾値の大小を見ているが、これも閾値の設定のし方にいろいろな場合があり、これを全て網羅し尽くして全ての場合に対応可能な逆流検知を実現するのは容易なことではない。
【００１４】
特開２０００−２６５８９８号公報は、上記３つのものとは異なり、逆流区間の判別は行わない。ある区間の波形全体から周波数強度等の特徴量を抽出するので、ノイズに強く、場合分けが煩雑にならないといったメリットがある。しかし、周波数強度を抽出するためには、クランクの回転数を入力するか、あるいは、波形から推定しなくてはならない。クランクの回転数を入力するには、入力部のコストがかかり、波形から推定するには計算量が多くなる。
【００１５】
本発明では、しきい値や極値を用いて逆流の判定をすることなしに、しかも少ない計算量で安定して逆流を補正できる、内燃機関への吸入空気流量の計測装置を実現することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、熱抵抗体による流量検出手段の出力を用いて内燃機関に取込まれる空気量を計測する場合に、流量検出手段の電気信号を流量に換算する流量換算手段と、流量検出手段の出力する電気信号に基づき逆流の有無を判別する逆流判別手段と、逆流が有ると判別した場合に流量検出手段の波形から電気信号の分布の尖度を計算する尖度計算手段と、尖度が増加すると逆流比が増加する関係に関数を当てはめて事前に求めておいた関数に尖度計算手段で求めた尖度を代入して逆流比を計算する逆流比計算手段と、流量換算手段により信号から換算された流量の瞬時値を積分し、逆流比で補正することで真の流量を計算する流量計算手段とを備える構成とした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図３は熱式流量計の内燃機関における配置を示す図である。
【００１８】
流量検出手段である熱式流量計とは、熱線、熱フィルム、シリコンエレメント等の、熱の変化を電気信号に変換する熱抵抗体を用いた流量計である。内燃機関は、吸気管２を通して外気を気筒内に取り込む。吸気管２内を通過する空気は熱式流量計１の熱抵抗体から熱を奪い、この奪われた熱量が電気信号に変換されることで吸気管２を通過し気筒３に取り込まれる空気量は計測される。この際に、吸気管内あるいは気筒内に配置された燃料噴射装置４により燃料の供給を受ける。供給される燃料の量は、熱式流量計にて計測された空気量を所定の空燃比で割った値である。気筒内に取り込まれた空気と燃料の混合気体は圧縮されたのち着火され爆発し、トルクを発生する。発生するトルクの大きさは、気筒に取り込まれた空気の量と燃料の量に依存する。このように、熱式流量計は、内燃機関の発生するトルクと空燃比を制御するのに必須な気筒に取り込まれる空気量を計測するための手段である。
【００１９】
図１に熱線式流量計を用いた時の空気流と出力波形の関係を示す。また、図２は逆流が発生した際の空気流量の一例で、正の流量が順流、負が逆流を表す。
【００２０】
吸気管を通過する空気は、ピストンの上下運動に起因する脈動が発生するため、熱線が配置された断面における空気流量のグラフは図１の左図のように周期的な関数となる。スロットルの開度が大きくなると、脈動の振幅が大きくなり、図２の左図のように空気流量のグラフが負の領域に入ることもある。この現象は逆流と呼ばれる。熱線式空気流量計が流量の絶対値しか検出できないことを考慮すれば、逆流が発生したときの熱線式空気流量計が検知する空気流量は図２の中図のようになる。
【００２１】
さらに、熱線式空気流量計には、自分自身の熱容量に起因する応答遅れがある。また、空気流量と熱線式空気流量計の出力の間には非線型の対応関係がある。この遅れと非線型性を考慮すれば、熱線式空気流量計の出力は図１または図２の右図のようになる。
【００２２】
吸気管の制御においては、熱線式空気流量計の脈動を平均して空気流量として用いる、図１の中図に示すような熱線式空気流量計が検知する空気流量や、さらに、図２の右図に示すような、応答遅れや非線型性の影響を受けた熱線式空気流量計の出力をそのまま積分してしまうと、逆流の分だけ余分に吸気管内に空気が取込まれたことになってしまう。
【００２３】
前述のように、吸気管を通過する空気の脈動の振幅が大きくなると、吸気管を流れる空気の向きは気筒に向かう方向だけでなく、気筒から出て行く方向に逆流することもある。熱式流量計は空気流量の絶対値しか計測できないので、順流分から逆流分を引いたものが気筒に取り込まれた真の流量であるが、熱式流量計の出力する信号を単純に積分すると、順流分に逆流分を足した値が出力されてしまい、逆流量の２倍の大きさの誤差が生じる。本発明は、順流量と逆流量の比率を求め、この比率によって熱式流量計の出力の積分値を補正することで気筒に取り込まれた真の空気量を求めようというものである。
【００２４】
図３に示すように、流量検出手段１は、熱抵抗体と電気回路からなり、流れる空気が熱抵抗体にぶつかる際に熱抵抗体から奪う熱量を電気信号に変換する。この流量検出手段１が出力する電気信号は、流量換算手段６にて予め求めておいた流量と電気信号の関係式から流量に換算される。一方で、逆流判別手段７は、流量検出手段１の電気信号から、例えば、平均や分散を求めて、これに基づいて逆流が生じているか否かを判別する（詳細は後述する）。逆流が生じている場合、尖度算出手段８で流量検出手段１の電気信号の分布の尖度を計算する（詳細は後述する）。逆流が生じていない場合は流量換算手段の出力をそのまま流量算出に用いる。求められた尖度に基づいて逆流比算出手段９にて逆流比を計算する。流量計算手段１０では、流量換算手段６により信号から換算された流量の瞬時値を積分し、逆流比で補正することで真の流量を求める。こうすることで、逆流による誤差を補正して、気筒３に流入した真の空気量を計算することができる。
【００２５】
また、本発明の構成から図３の点線で囲んだ流量換算手段６を省いてもよい。この場合は、流量計算手段１０は電気信号そのものを積分し、逆流分を補正して出力する。このため、この出力を受け取る側で電気信号を流量に換算しなくてはならない。
【００２６】
図４は流量と流量検出手段１が出力する電気信号の関係の一例である。この関係は事前に調べておいて、電気信号から流量に変換する関数、あるいは、電気信号と流量の関係のマップ等の形で保持しておく。保持された関数に基づいて、流量換算手段６では電気信号から流量に換算する。
【００２７】
逆流判別手段７にて逆流を判別する方法は、例えば、流量検出手段１の電気信号の平均値と分散を計算し、この平均値と分散の組合せが、逆流マップの有逆流域にあるのか、無逆流域にあるのかを調べることである。逆流マップの一例を図５に示す。流量検出手段１の電気信号の平均値が一定であるとすると、電気信号の分散が一定の値以下であると逆流は起こらない。しかし、一定の値を超えると逆流が発生する。従って、図５に示すような逆流マップを２つの領域に分けて、平均値と分散の組がどちらに属すかを調べることで逆流の有無が判別できる。
【００２８】
逆流を判別する方法の別の例としては、過去一定時間に流量検出手段１が出力した電気信号の最大値、最小値、平均値を用いる方法もある。図６の左図に示す逆流がない場合の電気信号では、波形が上下対称、あるいは、それに近い形になるので，電気信号の平均値と（電気信号の最大値＋最小値）／２の差が０に近い値になる。図６の右図に示す逆流がある場合の電気信号では、逆流の分だけ波形が歪み、電気信号の平均値が下にシフトする。従って、電気信号の平均値のシフトの割合は、
【００２９】
【数１】

を計算し、この割合が閾値を下回ったら逆流有りと判別することもできる。
【００３０】
また、逆流判別を行う際に、流量検出手段１の電気信号から平均と分散を求めたり、最大値と最小値を求めたりする代りに、流量換算手段６によって電気信号から流量に換算された流量を用いて平均と分散を求めたり、あるいは最大と最小を求め、これに０基づき逆流判別を行ってもよい。
【００３１】
尖度計算手段８の動作を説明する前に、尖度について説明する。
【００３２】
尖度とは、分布が平均値の近くに集まっているのか、それとも平均値から遠いところに分散しているのかを表す指標である。例えば、図７に示すような２つの分布で考えた場合、（ａ）は平均値の周りに分布が集まっていて、（ｂ）は平均値から離れた場所に分布のピークがあるので、尖度は（ａ）のほうが大きい値をとる。尖度は、統計学では
【００３３】
【数２】

にて定義される。ここで、指数ｎは４以外でも、６でも８でもよく、また４．１や６．０５等の値でも実用上は構わない。言い換えれば、ｎは４以上の偶数およびその付近の値ということになる。
【００３４】
次に、尖度と逆流の関係について説明する。逆流がある場合と、ない場合の流量検出手段１の電気信号の例を図８に示し、それぞれの電気信号の分布を図９に示す。逆流がない場合は、最大値と最小値の付近で電気信号の傾きが小さくなるので、電気信号の分布は最大最小付近にピークができる。一方で、逆流がある場合は、最大最小点付近に加えてその間にも傾きが小さくなる部分があ。このため、電気信号の分布は最大最小付近に加えて、その中間にもピークができる。このため、逆流がある場合はない場合に比べて平均値付近の分布が増加する。すなわち、逆流があると尖度が増加する。逆流の割合と尖度の関係を調べると、図１０のようになる。これをみると、逆流比は必ずしも尖度の一価関数ではない。そのため、尖度を求める前に逆流があるかないかの判定を行う必要が有る。逆流がない部分を除けば、逆流比は図１０（ｂ）のように尖度の１価関数となる。
【００３５】
このような事実に基づき、尖度計算手段８では、流量検出手段１の出力する電気信号の分布の尖度を数２に基づいて計算する。または、流量検出手段１の電気信号から直接尖度を求める代りに、流量換算手段６にて流量に変換してから尖度を求めてもよい。
【００３６】
逆流比計算手段９では、この尖度を逆流比計算関数に代入して逆流比を求める。逆流比計算関数は、事前に図１０（ｂ）の尖度と逆流比の関係に関数を当てはめて求めておいたものである。
【００３７】
こうして逆流比が計算されたら、流量換算手段６にて電気信号から換算された流量の瞬時値を、流量計算手段１０では積分ないしは平均処理し、その積分値あるいは平均値を逆流比Ｒを用いて、
【００３８】
【数３】

によって補正することで逆流を補正した流量を計算する。
【００３９】
このように、逆流の有無を判別した上で、逆流があるなら尖度を計算し、尖度に基づいて逆流比を求めて逆流を補正することで、精度良く内燃機関の気筒３への吸気量を求めることが出きる。
【００４０】
【発明の効果】
流量検出手段の出力する電気信号の分布の尖度に基づき逆流比を計算することで、本吸気量計測装置が取りつけられる内燃機関の吸気管や気筒の形状に依存せずに逆流を補正できる。また、本発明では、クランク角の角速度情報を用いずに、波形から分布の形を表わす尖度を求めるので、計算量が低減できる。あるいは、クランク角の入力手段が不要であるといった効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱式流量計における空気流と出力波形の関係の一例を示す図である。
【図２】熱式流量計における空気流と出力波形の関係の一例を示す図である。
【図３】本発明の吸気量計測装置の内燃機関における配置ならびに構成の一例を示す図である。
【図４】流量と流量検出手段が出力する電気信号の関係の一例を示す図である。
【図５】逆流マップの一例を示す図である。
【図６】逆流マップの一例を示す図である。
【図７】尖度を説明するための分布の例である。
【図８】逆流がある場合とない場合の流量検出手段の出力波形の例である。
【図９】逆流がある場合とない場合の流量検出手段の出力の分布の例である。
【図１０】尖度と逆流比の関係の一例である。
【符号の説明】
１…流量検出手段、２…吸気管、３…気筒、４…燃料噴射装置、５…クランク、６…流量換算手段、７…逆流判別手段、８…尖度計算手段、９…逆流比計算手段、１０…流量計算手段、１１…スロットル。

Claims

熱抵抗体による流量検出手段の出力を用いて内燃機関に取込まれる空気量を計測する吸気量計測装置において、
前記流量検出手段の電気信号を流量に換算する流量換算手段と、前記流量検出手段の電気信号に基づき逆流の有無を判別する逆流判別手段と、逆流が有る場合に前記流量検出手段の電気信号の波形から電気信号の分布の尖度を求める尖度計算手段と、尖度が増加すると逆流比が増加する関係に関数を当てはめて事前に求めておいた関数に前記尖度計算手段で求めた尖度を代入して逆流比を求める逆流比算出手段と、前記流量換算手段により信号から換算された流量の瞬時値を積分あるいは平均し、逆流比で補正することで真の流量を求める流量計算手段とを備えることを特徴とする吸気量計測装置。
熱抵抗体による流量検出手段の出力を用いて内燃機関に取込まれる空気量を計測する吸気量計測装置において、
流量検出手段の電気信号に基づき逆流の有無を判別する逆流判別手段と、逆流が有る場合に前記流量検出手段の波形から電気信号の分布の尖度を計算する尖度計算手段と、尖度が増加すると逆流比が増加する関係に関数を当てはめて事前に求めておいた関数に前記尖度計算手段で求めた尖度を代入して逆流比を計算する逆流比計算手段と、前記流量検出手段が出力する電気信号を積分あるいは平均し、逆流比で補正することで真の流量を計算する流量計算手段とを備えることを特徴とする吸気量計測装置。
請求項１記載の吸気量計測装置において、
前記逆流判別手段は前記流量換算手段で換算した流量の平均と分散に基づき逆流を判別することを特徴とした吸気量計測装置。
請求項２記載の吸気量計測装置において、
前記逆流判別手段は前記流量検出手段の電気信号の波形の平均と分散に基づき逆流を判別することを特徴とした吸気量計測装置。
請求項１記載の吸気量計測装置において、
前記逆流判別手段は前記流量換算手段で換算した流量の最大値、最小値と平均値に基づき逆流を判別することを特徴とした吸気量計測装置。
請求項２記載の吸気量計測装置において、
逆流判別手段は流量検出手段の電気信号の波形の最大値、最小値と平均値に基づき逆流を判別することを特徴とした吸気量計測装置。