JPS632449B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の吸入空気量を検出するカル
マン渦流量センサの信号処理装置に関する。

流れの中に置かれた物体の下流に流速に比例し
て規則正しく交互に発生する渦をカルマン渦とい
い、このカルマン渦の発生周波数若しくは発生周
期を計測し、これに基づいて流量を検出するよう
にしたものがカルマン渦流量センサである。

渦周波数の測定は、例えば棒状の渦発生体に対
する渦発生時の流体の剥離に基づく交番的な圧力
変化を、熱線や超音波などの手段により検出して
行なう。

第１図はこのようなカルマン渦流量センサ（以
下「カルマンセンサ」という）を吸入空気量検出
手段として用いた電子制御燃料噴射機関の例で、
機関吸気通路１の途中に設けたカルマンセンサ２
の吸気量信号及びその他機関運転状態を代表する
信号（主に機関回転数信号）に基づいて、制御回
路３で電磁燃料噴射弁４の開弁時間を制御し、内
燃機関５に供給する燃料の量を運転状態に応じた
適正値に制御するようになつている。

ところで、このようにカルマンセンサを内燃機
関の吸気量検出に適用した場合に、特に気筒数の
少ない機関ほど著しいのであるが、高負荷運転域
で生じる吸気脈動やこの脈動に重畳する乱れ及び
雑音に原因して大きな検出誤差が出るという問題
点がある。これは、第２図に示したように絞り弁
全開付近で吸気脈動が激しいときには吸気脈動の
流速立ち上り域（渦発生体後流に生成する渦形態
が双子渦からカルマン渦に遷移する領域）ではセ
ンサ出力が微少となり、原波形を整形する段階で
矩形波の欠落、いわゆる歯抜け現象を起こすため
であり、この場合は検出周期が異常に長くなる結
果、見かけ上は吸気量が減少することになる。ま
た。全開運転域で吸気が逆流すると、この逆流分
をも実際の吸気流量として検出してしまうため、
正方向の誤差が現われて見かけ上の吸気量が増加
する（第３図参照）。

第４図は上述の現象に関する実験結果で、乗用
車用４気筒機関を1200RPMの定速で運転したと
きの負荷（吸入空気流量）とセンサ周波数との関
係を示したものであるが、図示したように機関吸
入負圧にして−40mmHg程度から負の誤差を生じ、
−20mmHgで誤差率は最大で20％に達している。
また全開域での吸気逆流の影響による正誤差は40
％にまでなつている。

このため、従来は第１図に示したように吸入負
圧に応動するバキユームスイツチ６を設けて負荷
状態を検出し、例えば吸入負圧にして０〜−50mm
Hgの高負荷運転域ではカルマンセンサ２の出力
信号を採用せずに主として機関回転数のみに依存
した燃料噴射量制御に切換えるなどの対策を講じ
ていた（例えば特開昭55−46033号）。

しかしながら、機関回転数に依存した制御で
は、回転数が変化しない限り燃料噴射量は一定で
あるから、第５図に示したようにこの制御域での
空燃比（Ａ／Ｆ）が負荷状態によつて変動するの
が避けられず、また制御切換点（バキユームスイ
ツチ６の動作点）での空熱比変動が大きくて運転
性が悪化するなど依然として問題点があつた。

また、カルマンセンサ出力信号の周期の所定数
（例えば、８周期又は16周期）の平均値Tiと標準
偏差σとから周期変動率（σ／Ti）を求め、これを 周期変動率として前記平均値を修正するために考
慮するように構成したカルマンセンサの信号処理
装置を本出願人が提案したが（特開昭55−106314
号）演算処理時間が増大してしまうこと、あるい
は標準偏差のみからは必ずしも上述した歯抜け現
象をきめ細かく補正し得ない等の問題点がある。

本発明はこのような従来の問題点を踏まえてな
されたもので、吸気脈動時にカルマンセンサの出
力パルスの周期が著しく変動することに着目し
（第２図参照）、センサ出力パルスの歯抜け現象で
急変した周期値を、その前後の正常な周期値との
関係において個々に適当な周期値に補正し、これ
を流量検出用の信号として採用することにより制
御誤差を可及的に減少するとともに、流量演算時
間の短縮を図ることを目的とするものである。

このために本発明では、カルマンセンサからの
パルス信号の周期を検出する周期検出回路と、検
出周期値を遂次記憶する記憶回路と、相前後して
記憶される周期値相互の比較に基づいて吸気脈動
時の過大周期変動を検出する比較回路と、検出周
期の記憶値を所定の割合で補正する補正回路とを
設け、前記補正処理済の周期記憶値（補正処理さ
れなかつた記憶値を含む）を流量信号として採用
するようにする。すなわちこれにより、吸気脈動
に原因するセンサ出力の誤差が発生したとして
も、燃料噴射制御装置等の制御系に供給される流
量信号としては実際の吸気流量に対応した値に極
く近いものに補正されるので、最終的な制御目標
値に現われる誤差を著しく減少できる。

以下、本発明を図面に示した実施例に基づいて
説明する。

第６図は本発明を内燃機関の燃料噴射制御に適
用した実施例で、１０は本発明に係る信号処理回
路、２０は機関回転数を検出する回転センサ７及
び前記信号処理回路１０からの信号に基づいて基
本燃料噴射量、つまり燃料噴射弁４の開弁時間
（基本パルス幅）を制御する制御回路である。

信号処理回路１０は、既述した周期検出回路１
１、比較回路１２、補正回路１３、記憶回路１４
からなり、基本的にはカルマンセンサ２からのパ
ルス信号の周期を検出回路１１で検出し、これを
記憶回路１４に収納するカルマン周期IRQという
仕事を行なう。一方、制御回路２０は前記記憶回
路１４に記憶された周期値を流量検出のための最
終的な情報として採用し、燃料噴射制御を行なう
ことになる。

信号処理回路１０を形成する各回路並びに動作
について第７図に示したフローチヤートに沿つて
説明すると、まず周期検出回路１１は、カルマン
センサ２からのパルス波を整形する波形成形回路
及び整形波の立ち上りを捉えて周期を測るカウン
タなどからなり、第８図に示したように矩形波に
整形したパルス波の周期を１周期毎に検出する。
ここでは、第８図のＡ点（整形波立ち上り点）で
検出した周期（または周期値）Taを中心として
その後の処理を説明する。

比較回路１２は、上記周期値Taに定数Ｃを乗
じたものと、すでに記憶回路１４に収納されてい
る先行周期値（例えば、第８図でTa−１）とを
比較する。定数Ｃは使用するカルマンセンサ２の
寸法（流れ方向の渦発生体投影巾）によつて定ま
るが、たとえば、４気筒1600c.c.程度のエンジンで
あつてカルマンセンサ２の寸法が略17mmの比較的
大型のものを使用する場合にはＣ≒１／２とするの が望ましく、一方、全開吸入空気量より大きな機
関（たとえば、６気筒2800c.c.程度）に適用する場
合は、小型のカルマンセンサ２が要求される。ま
た、たとえばカルマンセンサ２の寸法が略３mmの
比較的小型のものを使用する場合にあつては、Ｃ
≒１／４とする等、カルマンセンサ２の寸法に応じ て設定するのが望ましいことが実験的に確かめら
れている。

すなわち、第１３図に示すような、互いに隣接
する周期値、TaとTa−１との比Ta／Ta−１と
歯抜率（全計測期間に対するパルス出力ゼロの割
合（％））との関係を、カルマンセンサ２の寸法
をパラメータとして得られた実験結果に徴すれ
ば、カルマンセンサの寸法と対象機関の排気量と
にもとづいて、歯抜け現象を呈するTa／Ta−１
の値を設定しうるのである。たとえば、大型のカ
ルマンセンサの場合歯抜け率が略40％（この値
は、実験的に定めうるもので略40％以下であれば
好ましい結果がえられた）であれば、周期値の修
正の必要があるとすれば、隣り合う周期値の比
Ta／Ta−１でいえば２（すなわちＣ＝１／２）とな つたとき、当該周期値Taに定数ｄ（たとえばｄ＝
１／２）を乗じて補正するのである。

なお、同図中、一点鎖線は小型カルマンセンサ
の周期値を、整形パルスが２つ発生するごとに読
み込むようにした場合であり、おなじく小型カル
マンセンサを使用する場合でも１パルス毎に読み
込むようにした実線の特性と比較して検出可能な
最大流量は抑えられるが、代わりに周期値を読み
込む頻度が少くなることにより、結果として流量
演算に要する時間が短縮されるという利点が得ら
れる。

補正回路１３は上記比較回路１２と協働し比較
結果に応じて周期値Taを補正する。すなわち、
いま大型カルマンセンサを使う場合であつて、か
つ〔Ta−１＜１／２Ta〕の条件が成立したとする と、TaがTa−１に対して過大な変動を生じたも
のと判断し、Taに１以下の定数ｄ（たとえば１／２、 ……）を乗じて短縮方向に補正し、これを新たに
Taとして記憶回路１４に送る〔Ta−１≧１／２ Ta〕のときは、検出回路１１からの周期値Taを
補正することなく、そのまま記憶回路１４に送
る。

記憶回路１４は、補正回路１３からの周期値を
記憶するRAM（読み出し並びに書き込み可能な
記憶素子）及び次々に入力する周期値を順次番地
指定して前記RAMの周期記憶エリアに収納する
アドレス回路などからなり、制御回路２０によつ
てすでに使用された旧データを順次新たな周期値
に書き直して、常に多数の新データを読み出し得
る状態になつている。

このように、信号処理回路１０では、カルマン
センサ２からのパルス信号個々の出力が妥当であ
るか否か判断して、周期変動が過大であるとこの
過大変動に係る周期値を先行周期値との関係にお
いて所定の割合で補正して正常な周期値に接近す
るように補正し、これを記憶回路１４に収納す
る。従つて記憶回路１４に記憶された周期値を流
量信号として参照すれば、吸気脈動等が生じた場
合でも実吸気流量からの誤差の少ない吸気流量算
出が可能であり、この吸気流量算出値に基づく燃
料噴射量制御の正確度を高めることができるので
ある。

なお、上記実施例では、周期値を記憶するまで
の間で補正処理するようにしているが、一度記憶
した周期値相互を比較して、補正すべき周期値を
書き直すようにしてもよい。

次に、制御回路２０について第９図に示したフ
ローチヤートに沿つて説明する。

制御回路２０では、記憶回路１４に記憶された
補正処理済の周期値に基づき、流量演算回路２１
で時間あるいは機関回転に同期して吸気流量Qa
が演算（テーブルルツクアツプまたは計算、以下
同様）される。この場合、第９図に示したように
機関負荷状態に応じて多数の周期値を読み取り、
その平均値を採るのが精度上好ましく、読み取る
個数としてはクランク軸回転にして１〜４回転
分、例えば高負荷域で32個、低負荷域で10個程度
が適当である（低負荷域では運転状態の変化が比
較的激しいので、読み取る個数を少なくした方が
応答性の点で好ましい）。

次に、噴射量演算回路２２で、上記流量Qaと
回転センサ７からの機関回転数Nrとに基づいて、
基本燃料噴射量（噴射弁駆動信号のパルス幅）
Tpが演算される。なお、回転同期噴射にあつて
は、噴射弁特性等に応じて定まる定数をＫとする
とき、Tp＝Ｋ・Qa／Nrである。

一方、最大噴射量演算回路２３では、そのとき
の回転数Nrに応じた最大噴射量Tp・_MAXが決定
される。

上記２つの噴射量値Tp並びにTp・_MAXは比較
回路２４を介して比較され、〔TP＜TP・_MAX〕の
ときはTpがそのまま、〔Tp≧Tp・_MAX〕のとき
はTp・_MAXが新たなTpとして記憶回路２５に記
憶される。

制御回路２０は、このようにして上記記憶回路
２５に次々と納められた噴射量Tpを順次読み出
し、これに基づいて燃料噴射弁４を駆動する。ま
た、Tpは機関運転状態を正確に反映しているの
で、必要に応じて排気還流制御ないし点火時期制
御等のために利用される。

なお、信号処理回路１０及び制御回路２０は、
いずれもマイクロプロセツサで構成して演算を行
うことも可能であることは勿論である。

また、本実施例では上述したようにTp・_MAXを
設定して最大噴射量を規制しているが、これは全
負荷運転域での吸気逆流に原因する過大な誤差
（第４図参照）の発生に対処したものであり、従
つて吸気逆流現象が顕著でない場合にはこのよう
な対策を講じる必要はない。因みに、最大噴射量
を規制するには、他に例えば回転同期噴射方式に
あつては機関回転数に応じて平均周期Taの最小
値もしくは流量信号Qaの最大値を設定し、カル
マン周期に同期した噴射方式（この場合、噴射弁
パルス幅はほぼ一定）にあつては噴射周期の最小
値を設定するようにしてもよい。

第１０図は上記実施例の態様で燃料噴射装置を
構成した場合の本発明の効果を示すもので、第４
図または第５図との比較から明らかなように、カ
ルマンセンサ信号の補正処理により、最終的に噴
射弁パルス幅に現われる誤差が著しく減少する。
特に高負荷運転域での空燃比について見ると、そ
の誤差は濃側に０〜３％と従来の半分以下であ
る。また、急激な空燃比の変化が起らないことか
ら、運転性を良好に保てることがわかる。

ところで、上記実施例は、各々の整形パルス立
ち上り時点で検出したカルマン周期Taを、これ
に先行する周期との比較に基づいて補正するもの
であるが、第１１図及び第１２図に示したよう
に、さらに後続する周期Ta＋１等との比較にお
いて補正するようにしてもよい。すなわち、例え
ば〔１／２Ta＞Ta−１〕のときにTaを過大周期と 判定して、これを短周期に補正するのである。

このようにすると、急加速時など機関の吸気流
量が急増してカルマン周期が急速に小さくなつた
ときに、この周期に先行する周期（上記の例で
Ta）が短周期に補正される結果、燃料の供給量
が増量側に変化して機関の加速応答性が向上する
という利点がある。

以上のように本発明によれば、脈動現象等に原
因するカルマン渦流量センサの出力信号周期の誤
差を補正して実際の流量に相当する周期値が得ら
れるよう個々の整形パルス（周期値）を補正する
ようにしたので、この補正後の周期値あるいは流
量信号に基づいて作動する燃料噴射装置等の制御
系の精度を著しく向上できるという効果を生じ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はカルマン渦流量センサを介して吸気流
量を検出するようにした燃料噴射式内熱機関の従
来例の概略構成図である。第２図、第３図は、そ
れぞれ吸気脈動、吸気逆流が流量検出に及ぼす影
響を示すための説明図、第４図は同じく影響誤差
を表わす流量及び誤差率の特性線図である。第５
図は第１図の装置における高負荷運転域での燃料
噴射量の誤差を表わす特性線図である。第６図は
本発明の一実施例のブロツク図、第７図はその信
号処理回路の動作内容を表わすフローチヤートで
ある。第８図は同じくカルマン渦発生周期の検出
について説明するための波形図である。第９図は
前記実施例の制御回路の動作内容を表わすフロー
チヤートである。第１０図は同じく実施例の効果
を熱料噴射量について表わす特性線図である。第
１１図は本発明の他の実施例の信号処理動作を表
わすフローチヤート、第１２図は同じく渦発生周
期の検出について説明するための波形図である。
第１３図は互いに隣接する周期の比と歯抜率との
関係図である。 ２……カルマン渦流量センサ、１０……信号処
理回路、１１……周期検出回路、１２……比較回
路、１３……補正回路、１４……記憶回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ カルマン渦流量センサからのパルス信号の周
   期を検出する周期検出回路と、周期検出回路を介
   しての検出周期値を逐次記憶する記憶回路と、記
   憶回路に相前後して記憶される周期値相互の比較
   に基づき過大周期変動を検出する比較回路と、比
   較回路を介して検出された周期の記憶値を所定割
   合で短周期化する補正回路とを備え、上記過大周
   期の記憶値を補正処理済の記憶値で置き換え、前
   記記憶回路に格納された記憶値の平均値を流量信
   号として採用するようにしたことを特徴とするカ
   ルマン渦流量センサの信号処理装置。