CN100424332C - 带自检的汽车发动机空气流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带自检的汽车发动机空气流量测量装置及方法，包括设置在内燃机进气主管道中的测量装置与测量和自检电路，测量装置呈直通连接体形状，传感器固定在工业陶瓷基片上设置在插片的通孔壁上，裸露在空气中，测量和自检电路包括独立的中央处理器和设置其上的输入装置、显示装置和输出装置及与传感器相连的运算处理模块；通过测量的零点数据与输入的零点数据相比得出零点的漂移并修正，测量空气流动时电压的变化，再通过运算与电压信号输出和气体流量关系得出空气的流量。结构简单，制造方便，制造成本与维护成本低，采用微电子机械系统技术提高测量精度，缩短响应时间，大幅降低芯片的热惯性。

Description

带自检的汽车发动机空气流量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种车辆的空气流量测量装置及方法，尤其是涉及一种能自动检测并显示的带自检的汽车发动机空气流量测量装置及方法。

背景技术

热式气体质量流量测量是利用传热原理，即流动中的流体与热源流体中加热的物体或测量管外加热体之间热量交换关系来测量流量的技术。

传统测热式原理中，通常采用热流体传感器包括加热器和温度传感器两部分，在加热丝上下游对称分布一对或数对铂质温度敏感丝，且为了提高单元器件之间的隔热性，加热丝与温度敏感丝之间采用微桥式悬空结构。

流量计用来测量机动车吸入空气流量，进而用于发动机控制系统确定燃烧条件、控制空然比、起动和点火等，发动机控制系统则根据空气流量计测出的进气量及当时的引擎转速来和预先设定的供油程序比较后，算出所需的供油量和相对的喷射时间，通常这种空气流量计有一组不带外套的热线，悬挂在内燃机吸入气流经过的旁路之中，以测量空气流量。虽然不带外套的热线具有响应速度高的优点，但有缺陷，因为空气旁路中的逆火，容易使它们受到损坏。

为了克服这一缺陷，已提出过几种方案，例如日本专利公布号16259/82中所述，采用一种具有文氏管的热线式空气流量计，文氏管装在内燃机吸入气流经过的主气道的，旁路与主气道相通，使得通过主气道的一部分空气能分流，利用文氏管主气道上流部分与靠近文氏管最窄部位的主气道之间压力差，使经过的气流形成一股旁流。此外，还有一个装在旁路内的热线式空气流量传感器，来监测旁路气流，根据空气流量传感器获得的流速，确定吸入内燃室全部空气的流量。采用有旁路的热线式空气流量计有一个问题：当被测气流为脉动流时，热线的响应延迟，使测得结果小于实际平均空气流量。

为了解决这一问题，日本专利公布号135916/83中曾提出一个方案，使得旁路中进气口与出气口之间的距离，与测量主气道轴向距离得到的距离相比，有所增加，以补偿测量中的误差。在这种热线式空气流量计中，进入空气流量计的气流在旁路的进气口或联接口分成两股，有一股气流继续通过主气道，另一股气流通过旁路，最后这两股气流在旁路的出气口或汇流口相汇合，流出空气流量计。但是，这种热线式空气流量计也存在缺点。当空气流量计的管壁受热时经过旁路的空气流量将小于经过主气道的空气流量，从而使旁路中的空气温度高于主气道中的空气温度。其结果是，旁路中的空气膨胀，旁路对气流的阻力增加，最后使经过旁路的空气流量小于经过主气道的空气流量。因此，上述结构的热线式空气流量计有这样一个缺陷：空气流量计通道壁的冷热使空气流量计测得的空气流量的数值精度降低。

为克服上述原来设计的缺陷，发明专利公布号：CN 85 1 06537A提出的空气流量计有一支装在主气道内的空气流量测定管，此空气流量测定管有一个进气口与出气口，用作旁路；此外，还有一个装在空气流量测定管内的热线或空气流量传感器，这个空气流量传感器实际上装在主气道断面的中心部分，用以检测经过旁路的空气流速。这样，就有可能使经过旁路的空气流量与经过主气道的空气流量之比值实际上保持不变，不论吸气管是否受热，消除了发生测量误差的危险。

根据现有的技术及使用情况，还没有实现传感器测量精度下降时的有效自检。

发明内容

本发明主要目的是克服上述现有技术无法在传感器测量空气流量前进行有效自检的不足，提供一种通过对比检测零点位置的带自检的汽车发动机空气流量测量装置及方法。

本发明还解决了现有技术中由于传感器被污染或是有异物附着在传感器上而导致传感器采集的数据产生误差或数据无法处理的不足.提供一种能有效解决传感器测得的数据的准确性，无需考虑是否传感器被污染而导致问题的带自检的汽车发动机空气流量测量装置及方法。

本发明还解决了现有技术对空气流通造成阻碍降低流速，可能产生紊流的问题，提供一种有效解决紊流，减小空气流通的阻力的带自检的汽车发动机空气流量测量装置及方法。

本发明的再一目的解决了现有技术中热丝式测量在低速测量中，测量性能不稳定的不足，提供一种采用热分布原理、测量稳定的带自检的汽车发动机空气流量测量装置及方法。

本发明还解决了现有技术中制造不方便，结构复杂的问题，提供一种结构简单，制造方便，生产成本及维护成本较低的带自检的汽车发动机空气流量测量装置及方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种带自检的汽车发动机空气流量测量装置及方法，该测量装置设置在发动机进气主管道中，装置内部设有传感器，其特征是：所述的传感器由若干个加温元件和若干个电热堆元件排列而成；传感器与发动机控制系统和车载微处理器控制单元(简称MCU)之间连接有测量和自检电路，所述的测量和自检电路带独立的中央处理器，中央处理器上设有信号输入装置、信号输出装置和自检显示装置。当气体流过时，沿气体流动方向位于加温元件上游的电热堆元件的温度变化随流量的变大而增大，在上游阵列分布的N个电热堆分别测定气体流动通过其所在区域表面所产生的温度变化并且把温度分布变化转换为电压信号，N个电热堆产生的电压信号串联后综合输出和气体流量为单值非线性曲线关系的电压信号，测量空气流量；如果MCU允许，自检显示装置可以设置在汽车仪表盘上，如果不允许则可以自行在合适的位置设置自检显示装置，装置的形式可以采用多种形式，如屏幕字幕显示或与车辆水温表显示方式相同的标注显示或直接就是采用信号灯显示。

作为优选，所述的传感器为基于热分布测量原理采用微电子机械系统技术(简称MEMS)制造的全硅集成微结构器件，其中，设置在岛形单晶硅一侧的加温元件为电热丝，设置在另一侧与电热丝平行的为电热堆，在电热丝和电热堆的两端各设有一个触角。只在一侧设置电热堆，在温度变化时只需测量一侧的温度变化模拟信号，在后续的模数转换和信号差动运算及比较运算时，只需运算少量的数据，出错几率小，电路简单，运算的速度提高；MEMS技术的最大特点是通过将器件或系统的尺度微型化来提高其灵敏度与频响特性，并大幅度降低器件质量与惯量，实现大批量低成本制造，将MEMS工艺引入到热式流量传感器的设计中，可以轻易实现温度敏感器件的微型化并精确控制电热丝与电热堆之间的微米级间距，与此同时，MEMS器件的微型化特征可大幅度降低芯片的热惯性，实现低功耗、高频响要求。

或者采用另一种方案，所述的传感器为基于热分布测量原理采用MEMS制造的全硅集成微结构器件，其中，设置在岛形单晶硅中间的加温元件为电热丝，电热堆设置在加温元件的两侧并与电热丝平行，在电热丝和电热堆的两端各设有一个触角。采用对称布置电热堆，在空气流量为零时传感器测得的零点数据信号，通过两侧电热堆的电压信号绝对值的和运算与原始零点数据比较，测量空气流量时可以提高流量测量范围。

其中，所述的测量装置为呈圆柱形的直通连接体，连接体上设有端部带接头的插盘，所述的传感器设置在插盘上且直接裸露在空气通道中。直通的目的是使空气流通顺畅，不会产生紊流的现象，传感器放置在通道上可以第一时间作出反应，减少响应时间，提高响应精度，而且直通结构简单，制作方便，成本低；传感器测得的数据经过处理需通过传输线传递到MCU和发动机控制系统，在插盘的端部设置接头，结构简单，使用和维护方便。

作为优选，所述的连接体中间设有滑道，插盘呈长条形，中间设有与连接体同轴的通孔。滑道结构可以方便传感器因失灵或损坏及时更换；通孔与连接体同轴不会扰乱空气的流动，传感器在测量时测得的数据与实际相符，滞后时间短；与连接体同轴的通孔使空气流通顺畅。

所述的插盘上设有与传感器相连的测量和自检电路的线路板。测量和自检电路与传感器距离短，减小了信号在电路中传输的衰减。

其中，所述的测量和自检电路包括与传感器连接的电热堆信号运算处理模块，内部设有信号运算电路和信号预处理放大电路；处理后的电热堆信号经过D/A转换连接到中央处理器(E)。传感器在空气流量为零时测得的零点数据与有空气流量时的流量数据无法直接进行比较，首先需通过处理才能在独立的中央处理器中分别与输入的零点数据和标定曲线数据比较。

采用第一种传感器结构，其中，所述的传感器上连有恒功率源，传感器设置在插盘中间的孔壁上，呈电热堆远离发动机进气门，电热丝靠近发动机进气门布置。空气从电热堆往电热丝吹进入发动机，电热堆靠近电热丝的那边温度高于远离电热丝的那边，电热堆的两边会产生温差，通过温差的变化获得电压的变化，从而测量出空气流量；传感器上设置恒功率源保证了传感器工作的稳定性。

所述的方法包括下列步骤：a.初始设置时给独立的中央处理器提供一个原始零点数据和电压信号与气体流量对比关系的标定曲线；b.当MCU显示发动机进气主管道空气流量为零时，传感器检测零点数据；c.电路独立的中央处理器比较测得的零点数据与原始零点数据，得出变化是否在允许的范围内；d.若是变化超出了允许的范围在显示装置上显示变化超出范围需更换传感器；e.若是变化在允许的范围内，通过独立中央处理器实现零点校正；  f.当气体流过传感器时，电热堆所在区域温度分布产生变化；g.传感器测量电热堆温度的变化而引起的电压的变化，形成电压与空气流量对比关系；h.通过电压和空气流量的对应关系运算出流经传感器的气流流量。

其中，所述的信号经过运算及信号放大，并通过模数转换器转换成数字信号，该数字信号在独立的中央处理器中与原始数据对比并通过对应关系进行运算处理。

在上游阵列分布的N个电热堆分别测定气体流动通过其所在区域表面所产生的温度变化，输出加温元件上游的温度变化产生的电压信号.测量空气流量，电压信号输出和气体流量为单值非线性曲线关系，可用以下数学模型描述，对于一个简单的一维热式流体传感器，加热丝的温度可表述为：

$T_h=\frac{P}{k_F{w}_h(\frac{l_h}{\mathrm{\δ}}+\sqrt{\frac{{\mathrm{v\δ}}^2}{{4\mathrm{\α}}^2}+4k})}---\left(1\right)$

式中Th-加热丝温度

P-加热功率

kF-流体热导率

wh-加热丝宽度

lh-加热丝长度

δ-热边界层

v-平均流速

α-流体热扩散率

其中k可表述为：

$k=\frac{1}{2}+\frac{k_{\mathrm{si}}{t}_d}{k_F\mathrm{\δ}}---\left(2\right)$

式中ksi-衬底材料热导率

td-横膈膜厚度

则上游电热堆冷端和热端之间的温度差表述为：

ΔT_up＝T_b[exp(γ₁l_u1)-exp(γ₁l_u2)]  (3)

${\mathrm{\γ}}_1=\frac{v-\sqrt{v^2+16{\mathrm{\α}}^{2}k/{\mathrm{\δ}}^2}}{4\mathrm{\αk}}---\left(4\right)$

式中lu1-加热丝到上游电热堆冷端的距离

lu2-加热丝到上游电热堆热端的距离

加温元件上游的温度变化产生的总信号可表示为：

$\mathrm{\ΔT}=\underset{i=1,N}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{up}}\left(i\right)---\left(7\right)$

从上式可以得出，如果传感器表面受到污染时，以下参数发生变化：

δ-热边界层

α-流体热扩散率

所以，气体流速为静止时的零点电压信号和原始零点数据相比会有漂移。

如果传感器内部微结构器件被损伤，无论是加温元件或者是阵列分布N个位置不同的电热堆元件中任何一个或多个异常，同样会出现气体流速为静止时的零点电压信号和原始零点数据相比会有漂移。从而，能够有效地通过监测传感器零点电压信号漂移来自检查所述微结构热分布式空气流量传感器是否因为空气杂质冲击导致微结构元件异常，或者因为空气油性成分导致流量传感器表面污染，以便及时给出调整或更换维护汽车内空气流量测量部件的提示。

因此，本发明的有益效果是：连接体中间的通道设置成通孔，减少了空气流动时的阻力和绕流，制造简单，成本低，自检电路使传感器在使用中不会因为受传感器表面的污染而产生误差，保证了传感器的准确度，而且可以通过显示装置知道传感器的工作情况，传感器是否超出了允许范围需要更换，采用热分布原理测量，改善了热丝式测量的低速不稳定性，依靠MEMS技术实现微结构器件使得空气流量测量范围和响应速度明显提高，具备通过零点电压信号漂移来自检的特性，从而能够进行空气流量的测量。

附图说明

附图1是本发明的一种使用状态图；

附图2是本发明的一种传感器的内部结构图；

附图3是本发明的一种电热堆信号运算处理模块的原理示意图；

附图4是本发明的一种测量装置的剖视图；

附图5是本发明的一种测量装置的俯视图；

附图6是本发明的一种电压信号输出和气体流量的典型曲线图；

附图7是本发明的一种传感器测量原理图；

图中：1、发动机进气主管道，2、传感器，3、测量装置，4、测量和自检电路，5、电热堆，6、岛形单晶硅，7、电热丝，8、触角，9、电热堆输出，10、输入，11、连接体，12、线路板，13、接头，14、工业陶瓷基片，15、插盘，B、恒功率源，C、运算处理模块，D、模拟/数字转换模块，E、中央处理器，G、、显示装置，I、输入装置，0、输出装置，X、变化曲线，Y、原始曲线，U、电压输出信号，L、空气流量。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：在发动机进气主管道1中设有测量装置3，装置上设有传感器2，传感器与恒功率源B相连，传感器的输出端与测量和自检电路4相连，测量和自检电路上包括处理传感器测得的数据的运算处理模块C，处理模块经过模拟/数字转换模块D与中央处理器E相连，中央处理器上连有输出装置0与显示装置G，中央处理器还连有输入装置I，运算电路处理传感器测得的数据后通过模拟/数字转换模块转换传输到中央处理器，与输入装置输入的数据相比较在相应的输出装置或显示装置输出(参见附图1)；

所述的传感器为岛形单晶硅6上设置相应的加温元件和电热堆5，所述的加温元件为电热丝7，电热丝设置在岛形单晶硅的一侧，电热堆设置在另一侧与电热丝平行，电热丝和电热堆的两端分别设有连接触角8，传感器整体为采用微电子机械系统技术的微结构(参见附图2)；

测量装置为呈圆柱形的直通连接体11，连接体中间设有滑道，滑道上设有端部带接头13的插盘15，插盘与连接体之间设有密封装置保证管道的密封，插盘呈长条形，设置在插盘上的传感器固定在工业陶瓷基片14上，直接裸露在空气通道中，插盘的中间设有与连接体同轴的通孔，工业陶瓷基片设置在通孔的壁上，传感器按照电热丝端朝向发动机的进气门，电热堆远离发动机的进气门布置(参见附图4附图5)；

带自检的发动机空气流量测量方法：a.初始设置时给独立的中央处理器提供一个原始零点数据和电压信号与气体流量对比关系的曲线信号；通过输入装置I输入10；b.当MCU显示发动机进气主管道空气流量为零时，传感器测得零点数据；c电路独立的中央处理器比较测得的电热堆输出9数据与原始零点数据，得出变化是否在允许的范围内；d.若是变化超出了允许的范围在显示装置上显示变化超出范围需更换传感器；e.若是变化在允许的范围内，通过独立的中央处理器实现零点校正；f.当气体流过传感器时，电热堆所在区域温度分布产生变化，温度的变化曲线X在有空气通过时，与原始曲线Y相比较零点会产生漂移(参见附图7)；g.传感器测量因电热堆温度的变化而引起的电压的变化；h.通过电压和空气流量的对应关系运算出流经传感器的气流流量，电压输出信号U会随空气流量L的增大而减小(参见附图3附图6)。

实施例2：所述的传感器为采用微电子机械系统技术的微结构，岛形单晶硅中间设有加温元件电热丝7，电热堆5布置在电热丝的两侧并与电热丝平行，由于两侧布置电热堆，为得到准确的数据，在所述的运算电路中增加绝对值和的运算电路，通过测得的和值与输入的零点和值相比较，得出零点的漂移，从而实现自检并在显示装置上显示；其他与实施例1相同。

Claims (10)

1. 一种带自检的汽车发动机空气流量测量装置，该测量装置设置在发动机进气主管道中，装置内部设有传感器，其特征是：所述的传感器由若干个加温元件和若干个电热堆元件排列而成；传感器与发动机控制系统和车载单片机之间连接有测量和自检电路(4)，所述的测量和自检电路带独立的中央处理器(E)，中央处理器上设有信号输入装置(I)、信号输出装置(O)和自检显示装置(G)；所述的自检电路在进行空气流量测量前，通过监测传感器零点电压信号漂移来判断传感器是否工作正常，当零点电压信号漂移量超出允许的范围时，需要更换传感器，当零点电压信号漂移量在允许的范围，则只需进行零点校正。

2. 根据权利要求1所述的带自检的汽车发动机空气流量测量装置，其特征在于所述的传感器为基于热分布测量原理采用微电子机械系统技术制造的全硅集成微结构器件，其中，设置在岛形单晶硅(6)一侧的加温元件为电热丝(7)，设置在另一侧与电热丝平行的为电热堆(5)，在电热丝和电热堆的两端各设有一个触角(8)。

3. 根据权利要求1所述的带自检的汽车发动机空气流量测量装置，其特征在于所述的传感器为基于热分布测量原理采用微电子机械系统技术制造的全硅集成微结构器件，其中，设置在岛形单晶硅中间的加温元件为电热丝，电热堆设置在加温元件的两侧并与电热丝平行，在电热丝和电热堆的两端各设有一个触角。

4. 根据权利要求1所述的带自检的汽车发动机空气流量测量装置，其特征在于所述的测量装置为呈圆柱形的直通连接体(11)，连接体上设有端部带接头(13)的插盘(15)，所述的传感器(2)设置在插盘上且直接裸露在空气通道中。

5. 根据权利要求4所述的带自检的汽车发动机空气流量测量装置，其特征在于所述的连接体中间设有滑道，插盘呈长条形，中间设有与连接体同轴的通孔。

6. 根据权利要求5所述的带自检的汽车发动机空气流量测量装置，其特征在于所述的插盘上设有与传感器相连的测量和自检电路的线路板(12)。

7. 根据权利要求6所述的带自检的汽车发动机空气流量测量装置，其特征在于所述的测量和自检电路包括与传感器连接的电热堆信号运算处理模块(C)，内部设有信号运算电路和信号预处理放大电路；处理后的电热堆信号经过D/A转换连接到中央处理器(E)。

8. 根据权利要求5所述的带自检的汽车发动机空气流量测量装置，其特征在于所述的传感器上连有恒功率源，传感器设置在插盘中间的通孔壁上，呈电热堆远离发动机进气门，电热丝靠近发动机进气门布置。

9. 一种带自检的汽车发动机空气流量测量方法，其特征在于所述的方法包括下列步骤：

a.初始设置时给独立的中央处理器提供一个原始零点数据和电压信号与气体流量对比关系的标定曲线；

b.当车载微处理器控制单元显示发动机进气主管道空气流量为零时，传感器测得零点数据；

c.电路独立的中央处理器比较测得的零点数据与原始零点数据，得出变化是否在允许的范围内；

d.若是变化超出了允许的范围在显示装置上显示变化超出范围需更换传感器；

e.若是变化在允许的范围内，通过独立中央处理器实现零点校正；

f.当气体流过传感器时，电热堆所在区域温度分布产生变化；

g.传感器测量电热堆温度的变化而引起的电压的变化，形成电压与空气流量对比关系；

h.通过电压和空气流量的对应关系运算出流经传感器的气流流量。

10. 根据权利要求9所述的带自检的汽车发动机空气流量测量方法，其特征在于所述的信号经过运算及信号放大，并通过模数转换器转换成数字信号，该数字信号在独立的中央处理器中与原始数据对比并通过对应关系进行运算处理。

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