KR100398492B1 - 공기유량계및공기유량검출방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공기유량 검출기가 발열감온저항체와 공기통로에 열을 발생시키는 2차 가열저항체를 구비하고 있는 공기유량계와 공기유량 검출방법에 관한 것이다. 분리된 전류원이 주위온도보다 더 높은 적정범위에서 공기유량 검출기의 동작온도를 유지하기 위해 2차가열 저항체에 가열전류를 공급한다.

Description

공기유량계 및 공기유량 검출방법
본 발명은 공기유량계에 관한 것으로, 특히 자동차의 엔진제어에 이용되는 열식 공기유량계에 관한 것이다.
자연환경의 보호 및 자원절감을 위해서, 자동차엔진의 유해배기가스 방출을 줄이고, 연료효율성을 향상하는 것이 가장 중요하다. 이를 위해, 엔진으로의 연료공급과 점화의 정밀제어가 필요하다. 이것을 실현시키기 위해서, 전자연료분사장치가 가장 흔히 이용되고 있다. 이 장치에서는 엔진으로 흡입되는 공기유량에 관한 정보의 정밀도가 특히 중요하다. 열식 공기유량계가 흔히 이 요구를 만족시켜 주지만 이 전자시스템에 의한 자동차의 전력시스템에 대한 요구가 그 동작에 역효과를 줄 수 있다. 그래서, 가능한한 이 시스템의 전체전력 요구량을 감소시키는 것이 중요하다. 특히 높은 동작 전압을 요하는 열식공기유량계에 있어서는 그 동작전압의 저전압화가 하나의 과제가 되고 있다.
공기유량이 없을 때 발열저항체를 가열하는 전력(전원전압)을 얼마나 낮게 하는가가 열식 공기유량계의 동작전압의 저전압화에 있어서 중요하다. 그렇기 때문에 1988년 개시된 일본국 특개소 63-134919호에 기재된 바와 같이 열변 저항체의 가열에 이용되는 가열저항체를 설치한 간접 가열형으로 하는 구조도 실용화되고 있다.
종래의 기술에 나타난 간접 가열형은 동작전원전압의 저압화는 실현할 수 있지만, 가열저항체에서 신호를 인출하기 때문에, 특히 저항체로부터 가열저항체로의 열전달에 필요한 시간만큼 공기에 대한 응답성이 지연된다고 하는 문제점이 있었다. 또, 출력신호가 전압신호이기 때문에, 외부장치와 접속하는 커넥터부의 접촉저항으로 입력장치에 공기유량 검출오차를 발생시킨다고 하는 문제가 있었다. 이것은 간접적으로 동작전원전압이 높다는 것을 의미한다.
전술한 것에 비추어, 본 발명의 목적은 낮은 동작전압에서도 높은 정밀도로 공기유량을 검출할 수 있는 공기유량계 및 공기 유량검출방법을 제공하는데 있다.
요약하면, 상기 목적은 공기유량 검출기가 발열 저항체와 그 내부에서 열을 발생시키는 2차 가열저항체로 구성되는 것을 특징으로 하는 공기유량계와 공기유량 검출방법으로 성취된다. 분리된 전류원은 주위온도보다 높은 적당한 범위로 공기유량 검출기의 동작온도를 유지하기 위해 가열전류를 2차 가열저항체에 공급한다.
발열감온저항체는 공기온도 검출저항체를 갖춘 브리지회로를 형성하여 공기유량에 대하여 발열저항체의 온도가 일정치가 되도록 발열전류를 피이드백 한다. 이렇게 함으로써 공기유량계가 저전압원에서 동작이 가능해진다. 또한 발열저항체가 전류를 출력함에 따라 응답성도 더욱 빠르게 된다.
공기유량 Q를 나타내는 발열저항체의 전류치를 전류미러 회로를 통해 출력하도록 하였다. 그리고, 주위온도변화에 응하여, 가열저항체의 외부로부터 통전하는 전류 및 전류미러 회로의 특성을 조정가능하도록 한다. 이것은 공기유량에 대해 센서가 원하는 출력 전류 특성을 얻을 수 있게 한다. 이와 동시에, 공기유량검출부의 온도변화를 보상하여 이것으로 인한 출력신호의 드리프트(drift)를 방지할 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 이점 및 새로운 특성은 첨부한 도면에 관하여 고려하면 본 발명의 다음 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
제1도에서 공기유량 검출부(1)는 공기통로(10)내에 배치되어, 발열감온저항체(12)(소위 "뜨거운 선" 검출기)와 2차 가열저항체(그 기능은 후술)를 구비한다.제어유닛(3)은 발열저항체(12)를 통하는 발열전류(Ih)를 제어하여 공기통로의 온도를 감지 및 제어한다. 저항체(2)는 발열전류(Ih)를 검출하도록 제공되어, 이것은 센서(1)를 지나는 공기유량을 측정한다.
제1도는 또한 2차 가열저항체(11)에 전류를 인가하는 전류회로기(4)를 나타내고 있다. 전류회로(4)는 그 전류치를 조정하는 회로(5)와 이 전류치에 온도의존성을 부가하는 온도보상회로(6)가 접속되어 있다.
제3도에서 더 상세히 나타내고 있듯이, 제어회로(3)는 공기유량검출기(1)를 갖춘 공기유로(10)에 설치된 감온저항체(Rc)("차가운 선"센서로 통칭)를 구비하여, 측정되는 공기유량의 온도를 검출한다. 발열저항체(12), 저항(2)(저항값 R1), 감온저항체(Rc) 그리고 저항체(R7)와 (R8)가 브리지회로를 형성하고, 브리지회로에 연결된 연산증폭기(OP1)는 트랜지스터(Tr1)를 통해 발열전류(Ih)를 이 브리지회로에 공급한다. 이와 같은 구성으로, 발열저항체(12) 양단에 공기유량이 증가하면, 그 온도(이로써 그 저항)가 감소하여, 브리지회로의 불균형을 야기한다. 이것은 발열저항체(12)의 온도가 그 이전레벨로 증가될 때까지 연산증폭기(OP1)가 발열전류(Ih)를 증가시키게 한다. 따라서, 발열전류(Ih)의 값은 검출기를 통전하는 공기유량 값이다.
발열전류(Ih)는 전류미러회로(7)에 의해 출력전류(Io)로 변환된다. 즉, 제3도에서 연산증폭기(OP4), 트랜지스터(Tr3)에 의하여 (1)식에 나타낸 전류출력이 얻어진다.
단, Rx는 저항(R71)(R72)(R74), 서미스터(Rth)의 합성저항치이다. 합성저항 Rx은 전류미러회로(7)의 증폭율과 온도응답을 조절할 수 있다. 즉 증폭도 설정회로(8)의 가변저항(제1저항)(R74)은 전류미러회로의 증폭을(R1/Rx)을 설정하고 온도보상회로(9)의 서미스터(소자)(Rth)의 저항치는 그 온도응답을 조정할 수가 있다.
이상이 본 발명 실시예의 구성과 기본 동작이다. 다음으로 전압특성과 응답성에 대하여 설명한다.
가열저항체와 발열저항체를 단일의 저항체로 한 직접가열형의 열식 공기유량계에 있어서, 가열전력과 열선으로부터 빼앗기는 열량은 (2),(3)식의 관계에 있다.
여기서 Ih는 가열전류이고, Rh는 발열감온 저항체의 저항치이고, Th는 발열감온 저항체의 온도이고, Ta는 공기온도이고, Q는 공기유량이다.
식(3)에 따라 연산된 공기유량(Q)의 함수로서 가열전류(Ih)를 도면에 나타내면 제2도의 곡선(1)과 같이 된다. 적당한 작동모드로 공기유량검출기를 유지하는데 필요한 가열전류(이로써 전압)는 두 성분으로 이루어지는데, 상수 A에 의한고정분(이 고정분은 공기온도에만 의존)과, 공기유량에 따라 변하는 변동분(곡선 1)으로 이루어진다. 따라서, 공기유량이 0일 때, 가열전류 Iha = √ {A/Rh x (Th-Ta)} 가 Th와 Ta의 차로 인해, 제3도에 브리지회로를 동작시키는데 필요하다.
즉, 공기유량이 0일 때의 직접가열저항체의 가열전류 Iha = √ {A/Rh (Th-Ta)}가 최저의 동작전압 Iha x Rh를 결정하게 된다.
본 발명에 따른 공기유량 검출기에서, 위에 기술된 것과 같이 브리지회로를 동작시키는데 필요한 전체 전압은 고정된 가열전류성분에 분리교류원(4)을 제공하여 감소되어, 제어회로(3)의 브리지동작전압은 식(3)에서 *에 의해서만 결정된다. 즉, 적당한 동작 온도범위로 공기유량검출기를 유지하는데 필요한 열이 분리된 2차가열 저항체 Rp에 의해 제공되고, 이 저항체에는 분리회로(4)에 의해 전류가 제공된다. 따라서 브리지 동작전압은 제2도의 곡선(2)와 같이 낮은 전압이 된다.
식(3)의 열상수 A와 B는 열분산을 반영하며, 온도에 따라 변동한다. 본 발명에서 열상수는 전류 조정회로(5)와 온도보상회로(6)에 의해 주위온도에서의 것으로 조정될 수 있어 공기유량 검출신호는 넓은 범위의 온도에 대해 고정밀도로 성취될 수 있다.
제3도에서 나타내듯이, 전류회로(4)의 제너다이오드 D22는 제너전압 V2를 설정한다. 연산증폭기(OP2)와 트랜지스터(Tr2)은 전류 V2/R44가 전류 조정회로(5)의 가변저항체(R44)에 흐르게 한다. 전류 미러회로(OP3)는 (V2/R44) x (R41/R42)의 가열전류를 가열저항체(11)에 공급한다. 제너다이오드(D22)의 제너전류가 저항체(R45)로 조정되어 온도에 따라 제너전압 V2를 변경시키는 방식으로써 가열전류의 온도응답이 변경될 수 있다. 다시 말해, 가열전류의 온도변화는 온도보상회로(6)의 저항체(R45)를 조정하여 원하는 비율로 설정될 수 있다.
제4A도 및 4B도에 나타낸 공기유량검출부의 구조에 대하여 설명한다. 기판(101)은 세라믹 또는 유리이고, 그 표면에 막저항체로 형성된 발열감온저항체(12)와 2차가열저항체(11)를 구비한다. 온도계수가 큰 재료(예를 들면 백금, 니켈 등)막으로 2차가열저항체(11), 발열저항체(12)를 형성하고 있다. 기판(101)은 열전도가 나쁜 재료(예를 들면 유리)인 기판(102)에 접착제(108)로 고정되어 있다. 기판(102)은 단자(104)∼(106)에 붙은 홀더(103)에 접착 고정되고, 단자(104)∼ (106)는 선 결합(107)에 의하여 저항체에 전기적으로 접속되어 있다. 홀더(103)는 공기통로(10)(비도시)에 고정되어 있다.
이 구조에서는 제5도에 나타낸 응답파형이 된다. 이 파형에서 볼 수있는 바와 같이, 2차가열저항체(11)와 발열저항체(12)사이의 단면적이 크기 때문에 공기유량이 증가함에 따라 제어회로(3)는 발열저항체에 급속한 발열전류가 공급하여 어느정도 시간까지는 빠른 응답을 나타낸다. 그러나, 그후에는 2차 가열저항체(11)와 발열저항체(12) 사이에 대량의 열이 비교적 늦게 열이동하기 때문에 그후는 늦은 동작의 파형이 된다.
공기유량검출기(1)의 개선된 실시예가 제6도이다. 제6도에서는 기판(101)의 지지체인 기판(102)의 종단에 2차 가열저항체(11)가 형성되고, 그 대향종단에 발열저항체(12)가 장착된다. 이렇게 함으로써 가열저항체와 발열저항체 사이의 단면적이 작아져, 열센서 동작동안 2차 가열저항체(11)와 발열저항체(12) 사이의 열이동이 적어진다. (2),(3)식에 나타낸 정수 A는 기판(102)으로 전도하는 열 상수로, 2차가열저항체(11)에 의하여 가열되기 때문에 발열저항체(12)로부터 지지기판(102)으로 직접 이동하는 열은 적어진다. 그렇기 때문에 제7도에 나타낸 빠른 응답을 얻을 수가 있다.
제8도는 기판(101)의 지지구조가 다른 별개의 실시예이다. 제8A, B 및 C도는 각각 정면도, 측면도 및 저면도이다. 이 실시예에서는 발열저항체(12)는 기판(101)의 양측으로 분할되어 설치되어 있고, 2차 가열저항체(11)는 중간에 설치된다. 발열저항체(11)는 얇은 판상의 리드(lead)(110),(104),(105) 및 (106)에 의하여 제어회로(3) 같은 외부회로와 전기적으로 접속된다. 홀더(103)는 공기통로(10)에 부착된다. 이와 같은 구조로 함으로써, 리드(110),(104),(105) 및 (106)의 길이를 변화시켜 공기통로(10)내의 원하는 위치에 공기유량 검출부를 설정할 수 있고, 동시에 응답이 빠른 신호를 얻을 수가 있다.
제9도는 보빈(bobbin)을 사용하여 공기유량 검출부를 형성한 또다른 실시예이다. 111은 세라믹 혹은 유리로 형성된 중공보빈으로서, 접착제(113)에 의해 발열감도저항체(12)가 보빈(111)의 양단측에 위치하도록 보빈의 중공부에 고정되어 있다. 이 저항체(12)는 리드부(105)및 (106)가 그 단자로부터 연장되어 있다. 2차 가열저항체(11)는 일단을 리드부(105)와 용접한 후 중공보빈(111)의 중앙부에 감고, 타단을 리드(104)에 접속한 백금선으로 형성하고 있다. 유리층(114)은 2차 가열저항체(11)를 고정한다. 이 구조에 의하면 상술한 바와 같은 고속응답의 효과를 얻을 수가 있다.
제10도는 본 발명의 입력장치 실시예이다. 기준저항체(RL)는 공기유량신호(Io)을 전압으로 변환시키고, A/D 변환기(201)에 의해 RL으로 검출된 전압은 디지탈신호로 변환되고 마이크로프로세서(202)에 입력된다. 이 입력장치에 있어서, 공기유량신호 검출의 정밀도 저하의 최대원인은 기준저항(RL)의 제조허용 오차에 의한 변형에 의한 것이다. 본 발명에서는 입력장치 제조시에 외부로부터 기준전류(Is)를 기준저항(RL)애 통전하여 그때 출력과 표준치와의 차이를 ROM(203)에 입력하여 놓는다. 그리고 통상의 공기유량검출 때에, 마이크로프로세서(202)는 ROM(203)에 저장된 정보에 근거하여 이 차이를 보상하여 기준저항(RL)의 허용오차효과를 방지한다. 이와 같이 하여 전류출력의 신호를 고정밀도로 판독할 수 있다. 도면에 나타낸 스위치(205)는 알기 쉽게 설명하기 위하여 기재한 것으로 본질적으로는 발명과는 관계가 없다.
제11도는 이상의 공기유량계 및 입력장치를 구비한 엔진제어 시스템을 나타낸 것이다.
본 발명의 공기유량계(300)와 엔진의 회전수를 검출하는 회전센서(301)의, 출력은 제10도에서 나타낸 형태의 입력장치를 구비하는 동시에 마이크로컴퓨터를 포함한 제어유닛(302)에 입력된다. 303은 엔진에 직접 연료를 분사하는 분사기, 304는 점화 플러그이다. 제어유닛(302)은 공기유량신호(Qa)와 엔진 회전신호(N)에의해 계산된 최적연료량(q), 최적점화 타이밍(A)을 연료분사기(303)와 점화플러그(304)에 지령하여 엔진제어를 실행하도록 한 것이다. 이렇게 함으로써 고정밀도의 엔진제어 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면 동작전압이 낮고 공기유량의 변화에 신속히 응답하면서 특성조정, 온도보정으로 넓은 온도에 걸쳐 검출정밀도가 높고 접속단자의 접촉저항 영향을 받지 않는 공기유량계를 실현시킬 수가 있다. 또한, 본 발명은 시스템의 기준저항의 열분산에도 불구하고 고정밀도를 유지할 수 있다.
본 발명이 상세히 기술되었지만, 이것은 예시를 들어 설명한 것이지 한계를 둔 것은 아니다. 본 발명의 사상 및 영역은 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.
제1도는 본 발명의 블럭도,
제2도는 열식 공기유량계의 특성도,
제3도는 본 발명에 따른 공기유량계의 상세한 회로도,
제4A도 및 4B도는 본 발명에 따른 공기유량검출기의 평면도 및 단면도,
제5도는 제4도의 공기유량검출기의 응답파형도,
제6도는 본 발명에 따른 공기유량검출부의 개선구조도,
제7도는 제6도의 공기유량검출기의 응답파형도,
제8A, 8B 및 8C도는 본 발명에 따른 공기유량검출기의 다른 실시예도,
제9도는 본 발명에 따른 공기유량검출부의 또다른 실시예도,
제10도는 본 발명의 입력장치 실시예의 블럭도,
제11도는 엔진제어 시스템의 블럭도.

Claims (12)

  1. 공기유로내에 설치된 공기유량검출부를 가지는 공기 유량계에 있어서,
    상기 공기유량검출부는, 공기온도에 따른 일정전류가 인가되는 2차 가열저항체(11)와 공기유량에 따른 전류가 인가되는 발열저항체(12)를 포함하고 있고,
    상기 공기유량검출부를 일정한 동작온도범위로 유지하기 위하여, 상기 2차 가열저항체에 전류를 인가하는 전류회로(4); 및
    상기 공기유량에 따라 상기 발열저항체의 발열량을 조정하는 제어회로(3)를 가지는 것을 특징으로 하는 공기 유량계.
  2. 공기유로 내에 설치된 공기 유량검출부를 가지는 공기 유량계에 있어서,
    상기 공기유량검출부를 가열저항체(Rp)와 발열하는 감온저항체(Rh)로 구성하고, 상기 가열저항체(Rp)와 상기 감온저항체(Rh)가 소정의 온도가 되도록 상기 감온저항체(Rh)를 발열시키는 발열전류(Ih)를 제어하는 수단(3)을 설치한 것을 특징으로 하는 공기 유량계.
  3. 공기유로내에 설치된 공기유량검출부를 가지는 공기 유량계에 있어서,
    상기 공기유량검출부는, 공기온도에 따른 일정전류가 인가되는 2차 가열저항체(11)와 공기유량에 따른 전류가 인가되는 발열저항체(12)를 포함하고 있고;
    상기 공기유량검출부를 일정한 동작온도범위로 유지하기 위하여, 상기 2차가열저항체에 전류를 인가하는 전류회로(4); 및
    상기 공기유량에 따라 상기 발열저항체의 발열량을 조정하는 제어회로(3)를 가지며,
    상기 발열저항체로부터 측정공기로 열전달되는 열량을 전기적으로 검출함으로써 공기유량을 측정하는 것을 특징으로 하는 공기 유량계.
  4. 공기유로내에 설치된 공기유량검출부를 가지는 공기 유량계에 있어서,
    상기 공기유량검출부는, 공기온도에 따른 일정전류가 인가되는 2차 가열저항체(11)와 공기유량에 따른 전류가 인가되는 발열저항체(12)를 포함하고 있고;
    상기 공기유량검출부를 일정한 동작온도범위로 유지하기 위하여, 상기 2차 가열저항체에 전류를 인가하는 전류회로(4); 및
    상기 공기유량에 따라 상기 발열저항체의 발열량을 조정하는 제어회로(3)를 가지며,
    상기 발열저항체에 흐르는 발열전류로부터 공기유량을 측정하는 것을 특징으로 하는 공기 유량계.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 발열전류를 다른 전류신호로 변환하는 변환수단을 설치한 것을 특징으로 하는 공기 유량계.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 전류의 변환수단은 피드백부에 증폭기능(Tr3)을 가지는 오퍼레이셔널 앰플리파이어(OP4)의 한쪽의 입력에 발열전류(Ih)를 검출하는 저항(R1)의 한쪽의 단자 전압을, 오퍼레이셔널 앰플리파이어(OP4)의 다른 쪽의 입력에 저항(R1)의 다른 쪽의 단자전압을 저항회로(Rx)를 거쳐 접속하고, 증폭기능(Tr3)을 출력단자로 하는 전류미러회로인 것을 특징으로 하는 공기 유량계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전류미러회로는 저항회로(Rx)에 설치한 제1저항(R74)과 주위온도를 검출하는 소자(Rth)를 포함하는 제2저항회로망인 온도보상회로를 가지고, 제1저항회로에 의하여 전류변환 증폭도 조정을 제2저항회로에 의하여 온도조정기능을 가지는 것을 특징으로 하는 공기 유량계.
  8. 제 1항 및 제 2항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열저항체와 상기 발열저항체를 단일의 기판에 형성한 것을 특징으로 하는 공기 유량계.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 가열저항체를 상기 기판의 지지측으로 배치한 것을 특징으로 하는 공기유량계.
  10. 제 1항 및 제 2항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열저항체와 상기 발열저항체를 중공보빈으로 형성하고, 그 중공부에 발열저항체를, 상기 보빈의 표면에 가열저항체를 설치한 것을 특징으로 하는 공기 유량계.
  11. 제 1항 및 제 2항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열저항체와 상기 감온저항체와는 별도로 공기온도를 측정하는 감온저항체를 설치한 것을 특징으로 하는 공기 유량계.
  12. 가열저항체(Rp) 및 감온저항체(Rh)에 의하여 형성된 공기유량검출부를 사용하여 공기유량을 검출하는 공기유량검출방법에 있어서,
    상기 가열저항체(Rp)와 상기 감온저항체(Rh)가 소정의 온도가 되도록 상기 감온저항체(Rh)를 발열시키고, 그 발열시킨 전류(Ih)의 신호로부터 공기유량을 검출하는 것을 특징으로 하는 공기유량검출방법.
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