JPH0654250B2

JPH0654250B2 - 熱線式空気流量計

Info

Publication number: JPH0654250B2
Application number: JP63170017A
Authority: JP
Inventors: 豊西村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-07-09
Filing date: 1988-07-09
Publication date: 1994-07-20
Anticipated expiration: 2009-07-20
Also published as: JPH0221217A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野）本発明は、ガソリンエンジンなどの内燃機関の吸入空気
流量計測用の熱線式空気流量計に係り、特に、自動車用
ガソリンエンジンに好適な熱線式空気流量計に関する。

［従来の技術］自動車の高性能化と排ガス規制への充分な対応のため、
吸入空気流量を検出し、その検出結果に基づいてエンジ
ン制御を行なう方式のシステムが広く実用化されてお
り、これに応じて、種々の方式の空気流量計についての
提案がされており、それぞれ実際に使用されているが、
その一種に熱線式空気流量計、いわゆるホットワイヤエ
アフローセンサがある。

ところで、自動車用の電子制御装置は、そのほとんどが
マイクロコンピユータで構成されているため、その入力
信号を発生する機器となる空気流量計なども、その検出
信号はデジタル化して制御装置に取込む必要があり、そ
のため、自動車用の空気流量計としは、その出力信号が
直接、デジタル化に好ましい形で得られるものが望まし
く、このため、例えば、特開昭６２−１１０１２３号公
報に開示されているように、エンジンの回転に同期し
て、熱線に供給する電流を断続させ、このときでの、熱
線の温度が所定値に達するまでの時間が空気流量の所定
の関数になつていることを利用して、直接、流量をパル
ス幅に変換して出力するようにした、いわばパルス幅変
調空気流量計とでも言うべきものが開示されており、以
下、この従来例について第２図及び第３図により説明す
ると、第２図において、１は熱線（熱線プローブのこ
と）でホツトワイヤなどと呼ばれるもの、２は温度補償
用の抵抗線（温度プローブのこと）でコールドワイヤな
どと呼ばれるもの、３はコンパレータ、４はフリツプ・
フロツプ、５はスイツチ、６は定電流源である。

フリツプ・フロツプ４のセツト端子には、エンジンが回
転するごとに、その所定回転角ごとに発生する、いわゆ
るクランク角信号が入力されるようになつており、この
信号が入力されると、フリツプ・フロツプ４の出力Ｑ端
子はＨＩＧＨレベルとなり、この結果、スイツチ５がオ
ンとなつて定電流源６から熱線１に電流が供給される。
そこで、熱線１の温度が上昇して、その抵抗値が増加す
る。熱線１が所定の温度に達すると、コンパレータ３の
出力がＨＩＧＨレベルとなり、この信号が、フリツプ・
フロツプ４のリセツト端子に入力され、フリツプ・フロ
ツプ４の出力Ｑ端子はＬＯＷレベルとなる。これにより
スイツチ５はオフされ、熱線への電流供給が遮断され
る。この熱線１への電流供給の遮断は、フリツプ・フロ
ツプのセツト端子に、次のクランク信号が入力されるま
で継続され、この間、熱線１は、吸気空気流により冷却
される。

そこで、空気流量が多い場合には、上述の加熱電流遮断
期間中での熱線１が冷却される度合いが強くなり、次に
熱線１を所定の温度まで加熱するのに必要な電流供給時
間が長くなる。

従つて、空気流量Ｑ_ａは、第３図に示すように、電流供
給時間Ｔとクランク角信号の周期Ｔ_０（エンジン回転速
度Ｎの逆数に対応）との関数として求めることができる
のである。

［発明が解決しようとする課題］ところで、自動車用エンジの吸入空気流量計測用として
は、機器差や経年変化などを考慮した上で、なおかつ、
所定のかなり高い精度が要求される。

しかしながら、上記した従来技術は、エンジンの回転数
が比較的低速で、かつ比較的負荷が重い状態にあるとき
での、吸入空気脈動の影響や、熱線プローブの熱容量の
影響について配慮がされておらず、充分な精度の保持の
点で問題があつた。

ここで、このような空気流量計に使用されている熱線プ
ローブについて説明すると、このような熱線プローブと
しては、自動車での使用という見地から、比較的構造が
簡単で、しかも耐久性に富んだものが要求されることか
ら、例えば、第４図，第５図に示すものの使用が従来か
ら提案されている。

ここで、第４図は、特願昭５３−４２５４７号の出願な
どで提案されているもので、セラミツクス製の円筒６０
をボビンとし、これに細い白金線６１を巻き、さらに、
その表面をガラスなどの被覆材６２で覆い、適当なリー
ド線６３を介して支持材６４に保持させたものであり、
また、第５図は、同じくセラミツクス製の平板６５の表
面に、薄膜，厚膜技術により、その抵抗値が温度依存性
を有する所定の抵抗材料からなる膜抵抗体６６を形成さ
せ、所定の支持部材６７に取りつけたものである。

従つて、このような熱線プローブを用いると、その熱容
量がかなり大きくなるので、この熱線プローブに対する
電流の供給，遮断に際して現れる温度変化は、あまり大
きくならず、このため、これを検出するための比較器と
して、かなり高精度のものが必要になり、コストアツプ
になる上、この比較器が有するオフセツト特性などによ
り、高精度の保持が困難になつてしまうのである。

本発明の目的は、吸入空気流量の計測を、常に充分な信
頼性のもとで、高精度を保つて行なうことができ、自動
車用として実用上充分な機能を与えることができる熱線
式空気流量計をローコストで提供することにある。

［課題を解決するための手段］上記目的は、吸入空気脈動に対する補償機能や、その他
の各種の補償機能や調整機能を付加することにより達成
される。すなわち、エンジン回転数と、絞り弁などのエ
ンジンの吸入空気流量を制御する手段の開度との関係と
して補正信号を発生する手段や、電流の断続制御用のフ
リツプ・フロツプ回路のリセツトを保持する手段、エン
ジンの点火信号をマスクする手段、或いは熱線プローブ
の温度判定用の比較器のオフセツトを補正する手段を設
けることにより達成されるのである。

［作用］吸入空気の脈動は、エンジン回数数が低く、かつ絞り弁
の開度が大きくなれば、それに応じて増加するから、こ
れらの回転数や開度の関数として与えられる補償データ
で補正を行なうことにより、高精度が得られ、フリツプ
・フロツプ回路のリセツトが確実に保持されたり、点火
信号がマスクされれば誤動作がなくなり、比較器のオフ
セツトが無くなれば精度が増し、高精度と高信頼性が得
られる。

［実施例］以下、本発明による熱線式空気流量計について、図示の
実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例で、この第１図において、１
は熱線、２は抵抗線、３，１１はコンパレータ、４はフ
リツプ・フロツプ、７，８はトランジスタ、９，１０，
１２，１４は抵抗、１３は可変抵抗、１５はクランク角
センサ、１６は起動用電源、１７はマスク回路、１８は
出力調整回路、２０は制御用のマイクロコンピユータで
ある。

フリツプ・フロツプ４がクランク角センサ１５からの信
号によりセツトされると、その出力端子はＬＯＷにな
り、この結果、トランジスタ７がオフし、トランジスタ
８はオンする。

他方、フリツプ・フロツプ４がコンパレータ３の出力に
よりリセツトされると出力端子はHIGHになり、トラン
ジスタ７がオンで、トランジスタ８はオフになる。

この結果、トランジスタ８が第２図の従来例におけるス
イツチ５として機能し、フリツプ・フロツプ４の出力Ｑ
端子から空気流量Ｑ_ａに応じてパルス幅が変化している
パルス信号が得られることになる。

ところで、トランジスタ８がオンしているときでの、こ
のトランジスタ８のベース電流はコンパレータ１１から
供給されるが、このコンパレータ１１は、定電圧源から
抵抗１２と可変抵抗１３で分圧されて与えられる所定の
基準電圧Ｖ_ｒと、抵抗９による電圧降下ＩＲ_９とを比較
し、それらの差に応じた電流を出力するようになつてお
り、この結果、電源から熱線１に供給される加熱電流Ｉ
は、基準電圧Ｖ_ｒで定まる所定値に定電流化されること
になり、熱線１の加熱電流Ｉの定電流化が充分に与えら
れることになつている。

ところで、このような機器で使用するコンパレータとし
ては、当然のこととして、素子として供給されるものが
使用され、このため、個々の素子ごとに存在する特性の
ばらつきを避けることができない。この結果、コンパレ
ータ３として組み込まれたものによつては、その入力オ
フセツト電圧のばらつきなどにより、電流供給遮断時に
も、その出力がＨＩＧＨになつてしまうものがある。

しかして、このような素子が組み込まれてしまつた場合
には、フリツプ・フロツプ４ＳＥＴ入力が変化しても、
状態が反転せず、熱線１に電流が供給されず、流量計と
しての動作が開始せず、無調整での使用が困難になる。

そこで、この実施例では、起動用電源回路16が設けてあ
り、所定の定電圧源からダイオード16ａを介して、コン
パレータ３の−入力に微小電位が印加されるように構成
してあり、これにより、無調整で常に確実に動作する空
気流量計が容易に提供できるようにしている。

次に、マスク回路１７は、点火信号をマスクしてノイズ
による誤動作を防止するためのもので、その詳細は第６
図に示すように構成されており、ここで、１７ａは電子
スイツチ、１７ｂはモノマルチバイブレータである。

電子スイツチ１７ａはアナログスイツチや論理回路の組
み合わせからなるデジタルスイツチで構成され、クラン
ク角センサ１５からの信号が、この電子スイツチ１７ａ
を介してフリツプ・フロツプ４のセツト入力に供給され
るように接続されている。

モノマルチバイブレータ１７ｂは、点火信号によつてト
リガされ、以後、所定の時定数を持つてリセツトし、ト
リガされている間だけ電子スイツチ１７ａを閉じる働き
をする。

第７図のに示すように、クランク角センサ15からの信
号に点火ノイズが重畳されていたときでも、この点火ノ
イズが現われる期間では、電子スイツチ１７ａがモノマ
ルチバイブレータ１７ｂの働きによりオフ制御されるた
め、点火ノイズはマスクされ、誤動作を防止することが
できる。

ところで、このような流量計では、空気流量信号となる
熱線１の加熱電流供給時間を所定の特性に合わせるため
には、ゲイン調整とゼロ点調整が必要である。

まず、ゲイン調整は、第１図の抵抗１３をトリミングし
て熱線１への供給電流を調整することにより、或いは、
抵抗１０をトリミングして熱線１の到達設定温度を換え
ることにより、それぞれ実現することができる。

次に、この実施例では、出力調整回路１８が設けてあ
り、これにより、ゼロ点調整を行なうことができるよう
になつている。

第８図は、この出力調整回路１８の詳細を示したもの
で、２個のトランジスタ１８ａ，１８ｂと、コンパレー
タ１８ｃ、それに３個の固定抵抗１８ｄないし１８ｆと
可変抵抗１８ｇ，１８ｈ、さらにはコンデンサ１８ｉで
構成されているもので、この動作を第９図によつて説明
する。

まず、フリツプ・フロツプ４のＱ出力端子に現れる信号
は、図のに示すようになるが、この信号はトランジス
タ１８ａ，１８ｂと抵抗１８ｄないし１８ｆ、それにコ
ンデンサ１８ｇにより処理され、図示のに示すよう
に、立ち上がりと立ち下がりに時定数を持つ波形に変換
される。

次に、このの信号は、コンパレータ１８ｃの＋入力端
子に入力され、２個の可変抵抗１８ｇ，１８ｈにより設
定されている、所定のレベルＬと比較され、このコンパ
レータ１８ｃの出力にで示す波形の信号が得られるこ
とになる。

従つて、このコンパレータ１８ｃの−入力端子の電位レ
ベルＬを可変抵抗１８ｇ，１８ｈの調整により変化させ
てやれば、コンパレータ１８ｃの出力端子に得られる
信号のパルス幅を調整出来、出力調整回路１８によりゼ
ロ点調整が可能になるのである。

次に、コンピユータ２０による信号処理について説明す
る。

出力調整回路１８の出力は、まず、空気流量演算手段２
０ａに入力される。この演算手段２０ａによる処理は加
熱電流供給時間Ｔと、吸気工程時間Ｔ_０から、吸気工程
中にシリンダ内に吸入された空気量ＩＱａを求める処理
であり、その詳細を第１０図と第１１図により説明す
る。

一般に、この加熱電流供給時間Ｔと吸気工程時間Ｔ
_０（エンジン回転速度の逆数）、それにシンリンダ吸入
空気量ＩＱａの３者の関係は、第１０図のようになる。
ここで、図の縦軸におけるＣは、定数（０を含む）であ
る。

そこで、この実施例えは、この第１０図の関係をテーブ
ル化し、これをデータＴとＴ_０、それに定数Ｃで検索
し、所定のデータＩＱａを求めるようになつている。

第１１図は、このときの処理内容を示すフローチヤート
で、演算手段２０ａにより実行されるものであり、この
処理に入ると、まず、必要なデータの取り込みを行なう
（ステツプ３２）。次に、第１０図のテーブルを検索す
るのに必要な演算を行なう（ステツプ３３）。そのあ
と、テーブル検索によりシリンダ吸入空気量ＩＱａを演
算するのである（ステツプ３４）。

ところで、このようにして演算し、計測した空気量は、
吸入空気がほぼ一定になつているときには、充分に高い
精度が得られるが、この吸入空気に脈動があると、かな
りの誤差を生じ、精度が低下する。

そこで、この実施例では、補正演算手段２０ｂを設け、
常に高精度が得られるようにしており、以下、この処理
について説明する。

まず、このときの吸入空気の脈動による誤差は、第１２
図のようになつている。すなわち、吸入空気流量を制御
する絞り弁の開度が小さくなると吸入空気の脈動が増
し、このため真の空気量に対して測定値が減少してく
る。そこで、この実施例では、第１３図のようなマツプ
を用意し、このマツプをエンジ回転数Ｎ（１／Ｔ_０）と
絞り弁開度で検索し、補正値αを求め、これにより、デ
ータＩＱａを補正して真の空気量が得られるようにして
いるのである。

このときの、補正演算手段２０ｂによる処理を示したの
が第１４図のフローチヤートで、この処理の実行に入る
と、まず、マツプ検索に必要な各種のデータの取り込み
を行なう（ステツプ３６）。次に、第１３図のマツプを
検索して補正値αを求める（ステツプ３７）。最後に、
この補正値αを演算手段２０ａの出力信号に乗算（ステ
ツプ３８）して補正処理を終るのである。

従つて、この実施例によれば、エンジンの運転状態がど
のような場合でも、常に正確な吸入空気流量の計測が可
能で、高精度の空燃比制御を得ることができる。ここ
で、２０ｃは、この空燃比制御のための燃料供給量を演
算する燃料量演算手段である。

ところで、以上の説明では、各手段２０ａ，20ｂ，２０
ｄをそれぞれブロツクに分けて説明したが、これらによ
る処理は、全体として、コンピユータ２０によつて実行
されている。

第１５図は、このコンピユータ２０の構成を示したもの
で、ＣＰＵ４１を備え、入力信号のうち、エンジンの冷
却水温度や絞り弁開度などのアナログ信号は、アナログ
入力ポート４２から入力され、他方、クランク角センサ
１５（エンジン回転数計測用）からの信号や出力調整回
路１８からの信号などのパルス信号は、デジタル入力ポ
ート４３から取り込まれるようになつている。

ＣＰＵ４１はデジタル演算を行なうセントラルプロセツ
シングユニツトで、演算中のデータなどの一時的な記憶
のためのＲＡＭ４４、プログラムが記憶してあるＲＯＭ
４５と共に上記した各種の演算処理を実行する。ここ
で、出力回路４６，47はそれぞれ燃料噴射弁や点火装置
などである。

次に、第１６図は本発明の他の一実施例で、これは、上
記した特開昭６１−１６０２号公報で開示されている熱
線流量計駆動回路に本発明を適用したもので、熱線１の
両端の電位を抵抗５０と５１で分割して取り出すと共
に、温度補償用の抵抗線２を第２コンパレータ５３の帰
還回路に挿入したもので、このコンパレータ５３の出力
は、もとからあるコンパレータ３の−入力に接続するよ
うになつている。

この実施例では、抵抗線２に流れる電流を小さくするこ
とができ、この結果、抵抗線２の抵抗値が少なくても動
作でき、従つて、熱線１と抵抗線２として、同一形状、
同一抵抗値のものが使用できるという効果があるもので
ある。

また、この実施例では、コンパレータ５３の出力インピ
ーダンスが極めて低いことから、起動用電源回路１６と
して、図示のように、所定の電位点とコンパレータ３の
−入力とを、単に抵抗１６ｂを介して接続するようにし
たものを用いるだけでよく、第１図の実施例のように、
ダイオード16ａを用いる必要はない。

第１７図は、さらに本発明の他の一実施例で、コンパレ
ータ３の入力オフセツトについて、対処したものであ
る。

周知のように、このようなコンパレータには、その入力
にオフセツト特性がある。そして、既に、説明したよう
に、このようなコンパレータとしては、素子として供給
されるものをそのまま使用せざるを得ず、このため、そ
の特性にもばらつきがあり、このオフセツト電圧ΔＵに
ついても、使用するコンパレータごとに、かなりのばら
つきを示す。

一方、この流量計では、図示の量Ｖａ，ＶｂがＶａ＋ΔＵ＝Ｖｂとなつたとき、コンパレータ３の出力信号が切り替わ
る。

従つて、このままでは、このオフセツト電圧ΔＵのた
め、流量計の精度が低下し、かつ、特性にもばらつきが
現われ、高精度が保てない。

また、このオフセツト電圧ΔＵには、温度依存性があ
り、この結果、さらに精度に悪影響を与える。

そこで、この実施例では、抵抗６０と可変抵抗６１から
なる電圧設定回路を設け、ここで設定された所定の電圧
Ｖｃを、抵抗６２を介してコンパレータ３の入力端子に
印加し、これによりオフセツト電圧ΔＵを打ち消すよう
にしている。なお、このオフセツト電圧ΔＵの極性は、
使用するコンパレータにより反転する場合があり、この
ため、極性に応じて、図の破線で示してあるように、接
続を替えてやる必要がある。

従つて、この実施例によれば、使用したコンパレータに
拘らず、常に高精度の空気流量計測が可能である。な
お、このとき、実際には、コンパレータ３の出力電圧を
測定しながら、可変抵抗６１をトリミングしてやればよ
い。

次に、このオフセツト調整の他の一実施例を第１８図に
示す。

この実施例は、コンパレータ３がオペアンプであること
を利用したもので、このオペアンプの回路構成は第１９
図に示すようになつているので、その端子とにそれ
ぞれ可変抵抗６３，６４を接続することによりオフセツ
ト電圧を打ち消すようにしたものである。

次に、第２０図は、さらに本発明の別の一実施例で、第
１６図で説明した、第２のコンパレータ５３を用いた流
量計にオフセツト電圧の打ち消し方式を適用した例であ
り、抵抗６０と可変抵抗61を付加することにより、コン
パレータ５３と、さらにコンパレータ３の双方による総
合オフセツト電圧が相殺できるようにしたものである。
また、この場合でも、この総合オフセツト電圧の極性に
より、破線で示すように接続替えを行なえばよい。そし
て、このときも、可変抵抗６１のトリミングにより、最
適な動作点に設定してやればよいことも、同じである。

ところで、この実施例でも、コンパレータ３の入力端子
のいずれかに、所定の定電圧を印加してやるようにして
もよいが、このとき、このコンパレータ３は、実質的に
は増幅率が無限大のオペアンプとなつているから、この
ような構成では、印加すべき定電圧が僅か変化しても、
総合オフセツト電圧の打ち消しに大きな変化が現われて
しまう。

しかして、この実施例では、コンパレータ５３にオフセ
ツト電圧打ち消し用の電圧を印加しており、このとき、
このコンパレータ５３のオペアンプとしての増幅率は、
かなり小さく抑えられているため、上記の電圧の変化に
対する応答は、かなり緩やかで、この結果、オフセツト
調整を簡単に行なうことができる。

［発明の効果］本発明によれば、どのような場合でも、常に適切な対応
が可能で、使用条件の如何を問わず、必要な精度を確保
し、正確な空気流量の計測を行なうことができるから、
自動車用の空燃比制御などを常に高精度で行なうことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による熱線式空気流量計の一実施例を示
すブロツク図、第２図は熱線式空気流量計の従来例を示
すブロツク図、第３図は熱線式空気流量計の動作原理の
説明図、第４図および第５図は熱線プローブの構造例を
示す説明図、第６図はマスク回路の詳細ブロツク図、第
７図はマスク回路の動作説明図、第８図は出力調整回路
の詳細を示す回路図、第９図は出力調整回路の動作説明
図、第１０図は空気流量の特性図、第１１図は空気流量
算定処理を示すフローチヤート、第１２図は空気脈動誤
差を説明する特性図、第１３図は補正用マツプの説明
図、第１４図は補正処理を示すフローチヤート、第１５
図はコンピユータのブロツク図、第１６図は本発明の他
の一実施例を示すブロツク図、第１７図は本発明のさら
に別の一実施例を示すブロツク図、第１８図はオフセツ
ト調整回路の一実施例を示す説明図、第１９図はオフセ
ツト調整回路の詳細回路図、第２０図は本発明のさらに
別の一実施例を示すブロツク図である。１……熱線（熱線プローブ）、２……抵抗線（温度プロ
ーブ）、３，１１，５３……コンパレータ、４……フリ
ツプ・フロツプ、１５……クランク角センサ、１６……
起動用電源回路、１７……マスク回路、１８……出力調
整回路、２０……コンピユータ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジン吸入空気流量検出用の熱線プロー
ブに対する加熱電流の供給をエンジンの回転に同期して
断続させることにより、流量検出用の信号をパルス幅信
号として直接発生させる方式の熱線式空気流量計におい
て、エンジンの回転周期と吸入空気流量制御手段の制御
開度とを変数として補正データを発生する演算手段を設
け、該補正データにより上記パルス幅信号から演算した
空気流量データを補正するように構成したことを特徴と
する熱線式空気流量計。
【請求項２】エンジン吸入空気流量検出用の熱線プロー
ブに対する加熱電流の供給をエンジンの回転に同期して
断続させることにより、流量検出用の信号をパルス幅信
号として直接発生させる方式の熱線式空気流量計におい
て、上記熱線プローブの電流が遮断されているときに、
上記加熱電流の供給を断続させるためのフリツプ・フロ
ツプ回路のリセツト入力の論理レベルを強制的に０に保
つレベル設定手段が設けられていることを特徴とする熱
線式空気流量計。
【請求項３】エンジン吸入空気流量検出用の熱線プロー
ブに対する加熱電流の供給をエンジの回転に同期して断
続させることにより、流量検出用の信号をパルス幅信号
として直接発生させる方式の熱線式空気流量計におい
て、上記エンジンの点火時期を含む所定の時間ごとに動
作するマスク手段を設け、このマスク手段を介して上記
加熱電流の供給を断続させるためのフリツプ・フロツプ
回路に対するセツト入力信号を伝達するように構成した
ことを特徴とする熱線式空気流量計。
【請求項４】エンジン吸入空気流量検出用の熱線プロー
ブに対する加熱電流の供給をエンジンの回転に同期して
断続させることにより、流量検出用の信号をパルス幅信
号として直接発生させる方式の熱線式空気流量計におい
て、上記熱線プローブ加熱時での該熱線プローブの温度
が所定値に達したことを検出する比較器に所定の電圧を
印加する電圧供給手段を設け、該比較器のオフセツトを
打ち消すように構成したことを特徴とする熱線式空気流
量計。
【請求項５】特許請求の範囲第１項ないし第４項のいず
れかにおいて、上記パルス幅信号のパルス幅を調整する
処理回路を設け、検出信号の較正が行えるように構成し
たことを特徴とする熱線式空気流量計。