JP5663447B2 - 気体流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、気体流量測定装置に関わり、特に、エンジンの吸入空気流量測定に関する。

自動車用エンジンにおいては、燃料噴射量を制御するために吸入空気流量を測定する必要がある。この吸入空気流量を測定する装置の一種に、発熱抵抗体式気体流量測定装置がある。この発熱抵抗体式気体流量測定装置の出力信号は温度が変化しても出力信号変化が小さい、すなわち、温度依存誤差が小さいことが望ましい。

この温度依存誤差を小さくするために、気体温度、基板温度検出信号から、気体流量検出信号の温度依存誤差を補正する必要がある。

必要最小限の分解能の向上をさせるために、不等間隔の補正テーブルで、局所的に分解能を向上させる特開２００７−０７１８８９号公報に記載されている技術がある。一般的に発熱抵抗体式気体流量測定装置では、空気流量−出力特性に関するテーブルデータを有し、このテーブルデータの領域を分割して各空気流量領域ごとに出力特性の補正式を変更して空気流量を算出する演算回路を備え、前記テーブルデータの領域分割は、空気流量の低流量域を高流量域よりも細かく分割してなる。これにより、テーブルのデータ数を極端に増やすことなく低流量精度を向上させることができる。

特開２００７−０７１８８９号公報

一般に、デジタル補正において、補正誤差を低減し、かつ全流量域において高精度化するためには、テーブルの分解能を向上させる必要があるが、テーブルのデータ数が増えることで検索数が増加し演算処理が遅くなってしまう。

特許文献１では、気体流量信号の補正および気体温度依存性の補正において、関数による補間ではなく、テーブルを用いて補正を行うことで、気体流量信号および気体温度依存性の非線形性を補正することができる。しかし、テーブルを用いた補正を行う場合、データ数に応じて補正精度が決定するため、データ数が多い程、高精度な補正ができるが、データ数が少ないと、補正誤差が大きくなってしまう。

そのため、精度を向上させるためにテーブルのデータ数を増やすことが考えられるが、演算回路が大きくなることからコストが上昇してしまう。また、テーブルのデータ数を増やさずに精度を向上させる方法として、テーブルのデータ間隔を不等間隔にすることで、局所的に分解能を向上させることが考えられる。しかし、不等間隔のテーブルを用いると演算負荷が大きくなってしまい演算処理が遅くなるおそれがある。

さらに、低流量以外に局所的に分解能を向上させるためには、あらかじめテーブルのデータ間隔を決めておく必要があった。

本発明の目的は、流量信号を補正する際の補正精度を向上することにある。

上記目的を達成するために、本発明の気体流量測定装置は、気体流路中に配置される一又は複数の抵抗体に流れる電流又はこの電流に応じて発生する電圧を検出することにより前記気体流路中に流れる気体流量に応じた気体流量検出信号を出力する気体流量検出回路と、前記気体流路中の気体温度を検出するための気体温度検出素子あるいは集積回路内部に設けた基板温度を検出するための基板温度検出素子と、を有し、前記気体温度検出素子あるいは前記基板温度検出素子から得られる温度検出信号を基に前記気体流量検出信号の特性補正を行う気体流量測定装置において、前記気体流量検出信号の目標特性からある一定量以上外れた特性曲がりを有した場合、前記特性曲がりの探索領域の最小値をa、前記特性曲がりの探索領域の最大値をb、aとbの間の分割数をnとし、このaとbの間の特性曲がりがある一定量以上であったときに、aとbの間で特性曲がりの大きさに応じて前記分割数nを増やして目標特性を補正する信号変換手段を備える。

本発明によれば、流量信号を補正する際の補正精度を向上することが可能である。

空気流量測定装置のボディへの装着図。 図１のＡ-Ａ′断面図。 第１の実施形態の空気流量測定装置の回路図。 空気流量検出信号の特性。 第１の実施形態における検出信号の変換図。 流量信号の座標変換図。 第１の実施形態における空気流量検出信号の特性曲がり。 流量信号特性変換の図。 テーブルを用いた補正のフロー図。 迂回副通路形状の空気流量測定装置のボディへの装着図。 コの字副通路形状の空気流量測定装置のボディへの装着図。 α型副通路形状の空気流量測定装置のボディへの装着図。 第２の実施形態における検出信号の変換図。 第３の実施形態における検出信号の変換図。 第３の実施形態における座標変換組合せ図。

本発明による空気流量測定装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。以下、空気流量測定装置について説明する。

まず、本発明の第１の実施形態について、図１から図６を用いて説明する。

図１において、吸気温度検出素子１が設けられた、空気流量測定装置２が気体流路ボディ３に挿入されている。

図２において、空気流量測定装置２は内燃機関の吸気流路を形成する気体通路ボディ３に取り付けて主通路６を流れる気体８にさらす構成である。そのため、気体温度検出素子（サーミスタあるいは気体温度測定抵抗体とも呼ばれる）１は吸気流体に直接さらされるように、空気流量測定装置２の上流側に備えられている。また、気体流量検出素子４は、基板５上に取り付けられており、気体流量検出素子４が取り付けられた部分のみが副通路７内に設置されている。基板５には、気体温度検出回路２２も備えられており、副通路７とは隔離されている。

図３において、気体温度検出素子１で検出した気体温度は、基板５上の気体温度検出回路２２により電圧信号に変換されアナログ−デジタル変換器ＡＤ３ １４に入力される。また、集積回路２１内には、基板５相当の温度を検出するための基板温度を検出するために集積回路内の温度センサ１２が備え付けられている。これにより、気体温度と空気流量測定装置２のそれぞれの温度を検出することができる。
また、気体温度検出回路２２は、吸気流路に配置した気体温度検出素子１と固定抵抗９を直列接続して構成されており、気体温度検出回路２２にはレギュレータ２３出力の定電圧が供給される。

また、補正を行うにあたって、気体流量検出素子４からの気体流量検出信号Ｔａをアナログ−デジタル変換器ＡＤ１ １１によって変換したデジタル値、集積回路内の温度センサ１２からの基板温度信号をアナログ−デジタル変換器ＡＤ２ １３によって変換したデジタル値、気体温度検出素子１からの気体温度信号Ｔａをアナログ−デジタル変換器ＡＤ３ １４によって変換したデジタル値、これらのデジタル信号を元にテーブルにより補正を行う。テーブルとは、規格化された気体流量信号と気体温度信号に対する補正定数を格子状に並べたものをテーブルいい、このテーブルを用いて、流量信号及び温度信号に応じて補正値を算出する方法をテーブル補正という。規格化された流量信号と温度信号の交点を格子点と呼び、補正定数を与える。テーブル補正に用いられる補正定数は、あらかじめＰＲＯＭ１５内に保存されている定数を元にデジタル信号処理ＤＳＰ１０によって補正演算処理される。このように補正された気体流量信号および気体温度信号のデジタル値は、デジタル−アナログ変換器ＤＡ１ １６およびデジタル−アナログ変換器ＤＡ２ １８を用いてアナログ変換され、電圧信号として出力される。一方、気体流量信号のデジタル値をフリーランニングカウンタＦＲＣ１ １７を用いてアナログ変換すると、周波数信号として出力さる。同様に、気体温度信号のデジタル値をフリーランニングカウンタＦＲＣ２ １９を用いてアナログ変換すると、周波数信号として出力される。デジタル−アナログ変換器ＤＡ１ １６とフリーランニングカウンタＦＲＣ１ １７の選択はマルチプレクサＭＵＸ１ ２４の設定で選択実施できる、デジタル−アナログ変換器ＤＡ２ １８とフリーランニングカウンタＦＲＣ２ １９の選択はマルチプレクサＭＵＸ２ ２５の設定で選択実施できる。また、発振器２０により回路全体を駆動している。さらに、空気流量測定装置は電気的にＥＣＵ２６と接続されている。

図４は、気体流量検出信号と目標出力を示している。流体には、層流と乱流があり、層流が乱流に遷移する点が存在し、この影響で気体流量検出信号に特性曲がりが生じる。この特性曲がりは、空気流量計測装置の構造、特に気体流量検出素子４近傍の構造によって、特性曲がりの大きさや特性曲がりの生じる場所が異なる。ここで特性曲がりとは、図４に示す目標特性から、ある一定量以上外れてしまった曲がりのことをいう。

図５に特性曲がりを補正するための方法を示す。気体流量信号、基板温度信号、気体温度信号をデジタル値に変換した信号を用いて補正を行うにあたって、温度信号に関しては、基板温度信号Ｔｌと気体温度信号Ｔａのどちらを用いるかを選択できるスイッチが設けられており、このスイッチはＰＲＯＭ１５内の定数によって切り替えることが可能である。気体流量検出信号Ｑを第１座標変換テーブルによりＱ１、気体温度検出信号Ｔａを第２座標変換テーブルによりＴ１に変換する。このとき、第１座標変換テーブルは気体流量信号Ｑを特性変換するためのテーブルで、１７点の格子点をもったテーブルである。これに対し、第２座標変換テーブルは気体温度信号Ｔｌを特性変換するためのテーブルで５点の格子点をもったテーブルである。気体流量信号と気体温度信号の特性は異なるため、座標変換テーブルも異なる座標変換テーブルを用いる。このように、元の特性を座標変換し、特性変換した信号Ｑ１、Ｔ１を用いることにより、ＱおよびＴａを用いて補正テーブルで補正するよりも、Ｑ１およびＴ１で補正したほうが補正テーブルでの特性曲がり近傍の分解能が向上する。補正テーブルにより補正した出力Ｑ２に元の気体流量検出信号Ｑに加えて出力する。これらＱ１、Ｔ１を入力信号として補正テーブルによる気体流量信号および気体温度依存誤差を補正することで、温度及び流量の特性曲がり近傍の分解能を向上させ高精度に補正することができる。図６に座標変換前後の特性を示す。特性曲がりの大きな部分を座標変換により特性変換することで、特性曲がりの部分に割り当てられる格子数が増え、分解能が向上する。

一方、局所的な特性曲がり部分を高精度に補正するためには、特性曲がり部分の分解能を第１及び第２座標変換テーブルにて向上させる必要がある。このため、局所的な特性曲がりの大きさを判断し曲がりの大きさによって特性曲がりの近傍の分解能を決定する方法を図７を用いて説明する。図７には、横軸に気体流量信号Ｑ、縦軸には目標出力と気体流量検出素子４によって検出された気体流量検出信号との差ΔＹを示したグラフである。但し、このグラフは、気体流量検出信号を目標出力に対して、高流量と低流量の２点でゼロスパン調整した時の差を示している。ここで、特性曲がりの判断に（１）式の値を用いて判断をする。

Ｓは、特性曲がりの大きさを示す値で、この値の大きさで特性曲がりの大きさを判断し、ａ−ｂの範囲で、どこに特性曲がりが存在するかを判断する。このように、場所と大きさを特定することで、第１及び第２座標変換テーブルによって特性曲がり部近傍の分割数を決定することが可能となる。図８に示すように、Ｓが０.０５５以上となるａ及びｂがそれぞれａ＝６０kg／ｈ、ｂ＝２２０kg／ｈであるとき、６０kg／ｈと２２０kg／ｈの間の格子分解能が２倍となるように座標変換テーブルで特性変換する。Ｓが０.０５５は流量誤差で約２％に相当する。ａとｂは、特性曲がりを覆うように決定する。ａとｂの間に特性曲がりが半分しか入らなかった場合にＳを正しく計算できないからである。そのため、特性曲がりの大きさによってａとｂの間隔が決まる。特性曲がりの大きさが大きい場合にはａとｂの間隔が大きくなり、特性曲がりが小さいとａとｂの間隔も小さくなる。

また、第１及び第２座標変換でテーブルを用いる場合、図９に示すテーブルを用いる。特性曲がりの大きさを表すＳから変換量Ｙが決定し、入力Ｘと変換量Ｙの関係を表すテーブルが複数のデータ（入力はｘ１〜ｘｎまでｎ個、変換量はｙ１〜ｙｎまでのｎ個）で構成されている。変換後の出力ΔＹは、入力Ｘにテーブルによって算出された変換量Ｙを加えることで算出される。但し、テーブルのデータ数ｎが多ければ、補正精度が向上するが、ＰＲＯＭ１５内に書き込むデータ容量が増大してしまいコストが上昇してしまう。逆に、データ数ｎが少なければ、ＰＲＯＭ１５内に書き込むデータ容量が小さいため、コスト上昇を防ぐことができるが、補正精度が低下してしまう。そのため、テーブルに用いるデータ数ｎは、気体流量検出信号の特性曲がりの大きさや数から最適なデータ数に設定する必要がある。このテーブルを用いた手法にすることで、関数を用いた補正方法よりも演算処理量を小さくすることが可能である。

以上、説明したように、本実施例では流量信号を特性変換することで、テーブルのデータ数を増やすことなく、かつ間隔を不等間隔にすることなく、局所的な曲がりを高精度に補正することができるので流量計測の精度を向上させることができる。

また、本実施例は、図２に示す副通路７のように、主通路６に平行な形状だけでなく、図１０に示す副通路７のような渦巻き状で、副通路入り口２８から入った気体は副通路７に沿って気体流量検出素子４を通過し、副通路出口２９から出ていく構造にも適応できる。さらには、渦巻き状以外にも図１１に示すようなコの字形や図１２に示すようなα形などの副通路でも実施することが可能である。

なお、空気流量測定装置の実施例は、空気を測定する場合について説明したが、本発明は、空気以外の気体の流量を検出する場合にも適応できる。

次に、第２の実施形態について図１３を用いて説明する。第２の実施形態では、図１３に示すように、第１の実施形態の気体温度の信号を用いたのに変え、基板温度の信号を用いたものである。気体温度信号Ｔａを用いて温度依存誤差を補正している。しかし、気体温度検出素子１は、気体温度を検出するため、吸気流体に直接さらされるように、空気流量測定装置２の上流側に備えられている。気体温度検出素子１が断線した場合には、気体温度が検出できなくなるため、気体温度依存誤差補正ができなくなってしまう。そこで、集積回路２１内には、基板５相当の温度を検出するための基板温度を検出するために集積回路内の温度センサ１２が備え付けられており、この温度信号Ｔｌを基に温度依存誤差補正を行う。温度依存誤差補正を行うために用いる温度信号は、気体温度検出素子１からの温度信号Ｔａを用いるか基板温度を検出するための集積回路内の温度センサからの温度信号Ｔｌを用いるかは、ＰＲＯＭ１５内にあらかじめ設定する情報によって切り替えることができる。このように、集積回路内の温度センサからの温度信号Ｔｌを用いることで、気体温度検出素子を支えるターミナルが無くなり、断線することがなくなる。また、集積回路内の温度センサは吸気流体に直接さらされることがないため、気体温度検出素子のように汚損することがない。そのため、汚損による抵抗値の変化の影響を受けないので、温度特性の耐久変化を低減でき、精度が向上する。

次に、第３の実施形態について図１４を用いて説明する。第１及び第２の実施形態に対して座標変換がテーブルではなく、Ｎ次の関数を用いている。気体流量検出信号Ｑを第１座標変換によりＱ１に変換する。この座標変換は、Ｎ次の関数で変換する。また、気体温度信号Ｔを第２座標変換によりＴ１に変換する。この座標変換もＮ次の関数を用いて変換する。図１５に示すように、この第１座標変換と第２座標変換においてテーブルとＮ次関数の変換の組み合わせはいくつかある。第１座標変換、第２座標変換共にテーブルによる変換。第１座標変換はテーブルで第２座標変換はＮ次関数による変換。第１座標変換がＮ次関数で第２座標変換はテーブルによる変換。第１座標変換、第２座標変換共にＮ次関数による変換による補正ができる。補正テーブルもＮ次関数による補正もできるが、補正テーブルでは、気体流量検出信号の特性曲がりを関数で対応することが難しくテーブルで特性曲がり部の分解能が低下してしまう。それに対し、第１及び第２座標変換においては、それぞれ気体流量信号及び気体温度信号の非線形性を緩和するための変換であり、補正テーブルで特性曲がり部の分解能を向上させるための変換であるため、Ｎ次関数でも対応できる。第１座標変換がテーブルで第２座標変換がＮ次関数の場合、実施例１と同等に精度を向上することが可能である。

１ 気体温度検出素子
２ 空気流量測定装置
３ ボディ
４ 気体流量検出素子
５ 基板
６ 主通路
７ 副通路
８ 空気の流れ
９ 固定抵抗
１０ デジタル信号処理ＤＳＰ
１１ アナログ−デジタル変換器ＡＤ１
１２ 集積回路内の温度センサ
１３ アナログ−デジタル変換器ＡＤ２
１４ アナログ−デジタル変換器ＡＤ３
１５ ＰＲＯＭ
１６ デジタル−アナログ変換器ＤＡ１
１７ フリーランニングカウンタＦＲＣ１
１８ デジタル−アナログ変換器ＤＡ２
１９ フリーランニングカウンタＦＲＣ２
２０ 発振器
２１ 集積回路
２２ 気体温度検出回路
２３ レギュレータ
２４ マルチプレクサＭＵＸ１
２５ マルチプレクサＭＵＸ２
２６ エンジンコントロールユニットＥＣＵ
２７ 副通路入り口
２８ 副通路出口

Claims (8)

1. 気体流路中に配置される一又は複数の抵抗体に流れる電流又はこの電流に応じて発生する電圧を検出することにより前記気体流路中に流れる気体流量に応じた気体流量検出信号を出力する気体流量検出回路と、前記気体流路中の気体温度を検出するための気体温度検出素子あるいは集積回路内部に設けた基板温度を検出するための基板温度検出素子と、を有し、前記気体温度検出素子あるいは前記基板温度検出素子から得られる温度検出信号を基に前記気体流量検出信号の特性補正を行う気体流量測定装置において、
   前記気体流量検出信号の目標特性からある一定量以上外れた特性曲がりを有した場合、前記特性曲がりの探索領域の最小値をa、前記特性曲がりの探索領域の最大値をb、aとbの間の分割数をnとし、このaとbの間の特性曲がりがある一定量以上であったときに、aとbの間で特性曲がりの大きさに応じて前記分割数nを増やして目標特性を補正する信号変換手段を備えることを特徴とする気体流量測定装置。
2. 請求項１に記載の気体流量測定装置において、
   前記信号変換手段は、
   気体流量をＱ、補正後の目標とする気体流量検出信号の出力特性と前記抵抗体の気体流量信号の出力をゼロスパンした値をΔＹとし、
   前記ａとｂの間で分割した区間ごとのΔＹとＱの勾配の和を分割数ｎで割った値と前記ａとｂの間で最もΔＹが大きかったときの値をΔＹmax、あるいは、ａとｂの間で最もΔＹが小さかったときの値ΔＹmaxの積をＳとしたとき、
   前記ａ及びｂにより前記特性曲がりの場所を探索し、前記Ｓの大きさによって前記特性曲がりの大きさを判断し、前記Ｓの絶対値｜Ｓ｜の値が０.０５５以上のとき、前記ａ及びｂ及びＳの値に応じて前記気体流量検出信号を｜Ｓ｜の値が０.０５５以下となるように補正する信号変換手段であることを特徴とする気体流量測定装置。
3. 請求項２に記載の気体流量測定装置において、
   前記信号変換手段は、
   前記気体流量検出信号の非線形性を緩和するための第１座標変換テーブルと、
   前記温度検出信号の非線形性を緩和するための第２座標変換テーブルと有し、
   前記座標変換された信号を元に補正行う補正テーブルを有する気体流量測定装置。
4. 請求項３に記載の気体流量測定装置において、
   前記第１及び第２座標変換テーブルは、任意の分割数の等間隔テーブルであることを特徴とする気体流量測定装置。
5. 請求項２に記載の気体流量測定装置において、
   前記気体流量測定装置は前記気体流量検出回路からの出力と前記気体温度検出素子からの出力信号をデジタル信号に変換し、それぞれの信号を補正した出力信号をアナログ信号に変換し出力する集積回路を備えることを特徴とする気体流量測定装置。
6. 請求項３に記載の気体流量測定装置において、
   前記補正テーブルに用いる気体温度検出信号は、前記気体温度検出素子からの気体温度信号であることを特徴とする気体流量測定装置。
7. 請求項３に記載の気体流量測定装置において、
   前記補正テーブルに用いる気体温度検出信号は、前記集積回路内に備えられた基板温度センサからの温度信号であることを特徴とする気体流量測定装置。
8. 請求項２に記載の気体流量測定装置において、
   デジタル信号に変換された前記気体温度検出信号および前記集積回路内に備えられた基板温度センサからの基板温度検出信号および前記気体流量検出回路からの気体流量検出信号が入力され、入力されたデジタル信号に基づいて補正演算処理を行うことを特徴とする気体流量測定装置。