JP2005140672A

JP2005140672A - 吸気ダクト装置

Info

Publication number: JP2005140672A
Application number: JP2003378324A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Osuga; 智啓大須賀; Shinichi Kamiya; 信一神谷
Original assignee: Toyota Boshoku Corp; Denso Corp
Current assignee: Toyota Boshoku Corp; Denso Corp
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-06-02
Also published as: EP1530029A1

Abstract

【課題】安定して流れる空気の流量を測定可能にして、流量計の測定精度を向上させる。
【解決手段】本発明に係る吸気ダクト装置では、ダクト本体２０は、筒状に形成された直管部２２と、直管部２２の下流側で、その直管部２２と同軸に形成された絞り部２４とを備えており、直管部２２には、ダクト本体２０に導かれた空気を整流するための整流部材１２が設けられており、直管部２２に対する絞り部２４の絞り率は、空気偏流を抑制可能な値に設定されており、流量計３０は、整流部材１２の出側近傍で発生した空気の渦の影響を受け難いように、その整流部材から所定距離Ｌだけ離れた位置であって、絞り部２４で絞られた空気の流量を測定可能な位置に設置されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気系においてエアクリーナの下流側に設置されたダクト本体と、前記ダクト本体に装着されて、そのダクト本体を通過する空気の流量を測定する流量計とを備える吸気ダクト装置に関する。

これに関連する従来の吸気ダクト装置が特許文献１に記載されている。
前記吸気ダクト装置は、図４に示すように、筒状のダクト本体９２を備えている。ダクト本体９２の上流端には格子状の整流部材９３が取付けられており、その整流部材９３の下流にダクト本体９２を通過する空気の流量を測定する流量計９４が装着されている。流量計９４は、熱式流量計であり、発熱体から空気が熱を運び去る程度によって、その空気の流量を測定する方法を利用している。流量計９４の検出部９４ｓはダクト本体９２の内壁面から半径方向内側に突出しており、ダクト本体９２の半径方向中央部を流れる空気の流量を測定できるように構成されている。

特開２００１−９９６８８

上記した吸気ダクト装置では、ダクト本体９２の上流端に格子状の整流部材９３が取付けられているため、その整流部材９３によってエアクリーナを通過した空気の乱れをある程度消滅させて流速を安定させることができる。しかし、整流部材９３の出側近傍には均一な渦が発生するため、流量計９４の検出部９４ｓが整流部材９３の近くに設置されていると、その渦の影響で測定精度が低下する。また、整流部材９３は空気偏流を抑える効果が低いため、空気偏流によって流量計９４の測定誤差が大きくなる場合がある。
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、流量計が空気の流量を測定する際に、整流部材による渦の影響や空気偏流の影響を受け難くすることにより、測定精度を向上させることである。

上記した課題は、各請求項の発明によって解決される。
請求項１の発明は、内燃機関の吸気系においてエアクリーナの下流側に設置されたダクト本体と、前記ダクト本体に装着されて、そのダクト本体を通過する空気の流量を測定する流量計とを備える吸気ダクト装置であって、前記ダクト本体は、筒状に形成された直管部と、前記直管部の下流側で、その直管部と同軸に形成された絞り部とを備えており、前記直管部には、前記ダクト本体に導かれた空気を整流するための整流部材が設けられており、前記直管部に対する前記絞り部の絞り率は、空気偏流を抑制可能な値に設定されており、前記流量計は、前記整流部材の出側近傍で発生した空気の渦の影響を受け難いように、その整流部材から所定距離だけ離れた位置であって、前記絞り部で絞られた空気の流量を測定可能な位置に設置されていることを特徴とする。

本発明によると、ダクト本体の直管部には整流部材が設けられているため、エアクリーナを通過した空気の乱れをある程度消滅させて空気の流速を安定させることができる。ここで、整流部材の出側近傍では均一な渦が発生するが、流量計の検出部はその整流部材から所定距離だけ離されているため、前記渦の影響をほとんど受けることはない。
また、直管部に対する絞り部の絞り率は、空気偏流を抑制可能な値に設定されている。即ち、絞り部の位置で空気の流速を増加させることで、空気偏流を抑えることができる。
したがって、流量計は整流部材で整流され、かつ絞り部で空気偏流が抑えられた空気（安定した流れの空気）の流量を測定できるようになり、空気流量の測定精度が向上する。

請求項２の発明によると、整流部材から流量計までの距離Ｌは、ダクト本体の直管部における内径寸法Ｄ１の0.7倍以上の値に設定されている。
このため、流量計が整流部材の下流側で発生した渦の影響を受けることはほとんどない。
請求項３の発明によると、ダクト本体の絞り部の内径寸法Ｄ２は、直管部における内径寸法Ｄ１の0.85倍以下の値に設定されている。
このため、絞り部の位置で空気の流速を増加させて空気偏流を抑えることができるようになる。

本発明によると、流量計は安定して流れる空気の流量を測定できるようになるため測定精度が向上する。これによって、内燃機関の空燃比をきめ細やかに制御できるようになり、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）等を低減することが可能になる。

以下、図１〜図３に基づいて、本発明の実施形態１に係る吸気ダクト装置について説明する。本実施形態に係る吸気ダクト装置は、内燃機関の吸気系に設置される装置であり、エアクリーナで濾過された空気をスロットル制御装置まで導くとともに、スロットル制御装置に供給される空気流量を測定する働きをする。ここで、図１（Ａ）は本実施形態に係る吸気ダクト装置の全体縦断面図、図１（Ｂ）は整流部材の正面図である。また、図２は吸気ダクト装置をエアクリーナに搭載した場合における流量計の出力安定性等を表すグラフ、図３は吸気ダクト装置の変更例を表す縦断面図である。

吸気ダクト装置１０は、図１（Ａ）に示すように、略円筒形のダクト本体２０を備えている。ダクト本体２０は樹脂製で、エアクリーナのハウジング１と一体化されており、そのエアクリーナのアウトレット部を構成している。このため、ダクト本体２０には、前記エアクリーナのエレメント（図示省略）によって濾過された空気が導かれるようになる。
ダクト本体２０は、円筒形状の直管部２２と絞り部２４とを備えており、その絞り部２４が直管部２２の下流端近傍の位置で、その直管部２２と同軸に全周にわたって内径が漸次減少するように形成されている。
ダクト本体２０の直管部２２の上流端は一定幅で半径方向外側に約90°曲げられている。これによって、直管部２２の上流端にはリング状の拡開部２２ｆが形成され、その拡開部２２ｆに整流部材１２の周縁が固定されている。

整流部材１２は、前記エアクリーナのエレメントを通過した空気を整流する部材であり、図１（Ｂ）に示すように、整流部材１２の周縁を構成するリング部１２ｒと、そのリング部１２ｒの内側を縦方向、横方向に均等な幅で仕切る格子部１２ｋとから構成されている。格子部１２ｋによって仕切られたリング部１２ｒ内の空間は複数の空気通路Ｔとなり、それらの空気通路Ｔが直管部２２の中心軸線と平行に構成されている。
空気通路Ｔの長さ寸法、即ち、整流部材１２の厚み寸法Ｕは、一般的に格子部１２ｋにおける格子の目の粗さ（格子ピッチＰ）の3倍以上に設定されている。
ここで、整流部材１２は、ダクト本体２０と同様に樹脂で形成しても良いし、金属で形成しても良い。

ダクト本体２０の絞り部２４は、空気の流速を増加させて偏りのある空気の流れ（空気偏流）を抑える部分である。絞り部２４は、直管部２２の内径寸法を全周にわたって漸次減少するように形成されており、上流側に絞りテーパ部２４ｔと下流側に拡開テーパ部２４ｗとを備えている。また、絞り部２４には、流量計３０の検出部３２が通される貫通孔２４ｈがその絞り部２４の半径方向に形成されている。
絞り部２４の絞りテーパ部２４ｔのテーパ角θは、約30°前後に設定されている。また、直管部２２に対する絞り部２４の絞り率（絞り部２４の内径寸法Ｄ２÷直管部２２の内径寸法Ｄ１）は0.85以下の値に設定されている。即ち、Ｄ２≦0.85×Ｄ１となる。
なお、絞り部２４に拡開テーパ部２４ｗを設けずに、図１（Ａ）の一点鎖線に示すように、段差部２４ｄを設けても良い。

ダクト本体２０には、絞り部２４の貫通孔２４ｈに対応する位置に、流量計３０が取付けられる取付け座２１が形成されている。
流量計３０は、一般的に使用される熱式流量計であり、発熱体から空気が熱を運び去る程度によって、その空気の流量を測定する方法を利用している。流量計３０は制御部３１と検出部３２とから構成されており、その検出部３２が取付け座２１から絞り部２４の貫通孔２４ｈに通される。そして、流量計３０の検出部３２の空気流入口（図示省略）が絞り部２４の半径方向における中央部分に位置決めされる。即ち、流量計３０の検出部３２は絞り部２４で絞られた空気の流量を測定可能な位置に位置決めされている。また、流量計３０の検出部３２は、整流部材１２の出側で発生する渦の影響を受けないように、その整流部材１２から距離Ｌだけ離れた位置に設置されている。ここで、距離Ｌは、直管部２２の内径寸法Ｄ１×0.7以上の値に設定されている。
流量計３０の検出部３２によって検出された空気流量信号は制御部３１で演算処理された後、その制御部３１から内燃機関の空燃比制御装置（図示省略）に入力される。

図２（Ａ）は、整流部材１２から流量計３０の検出部３２までの距離をＬとし、直管部２２の内径寸法をＤ１としたときに、（Ｌ÷Ｄ１）と流量計３０の出力安定性との関係を表すグラフである。このグラフでは、横軸にＬ÷Ｄ１を表しており、縦軸に出力安定性の悪化状態を表している。
図から明らかなように、Ｌ÷Ｄ１が小さくなるにつれて流量計３０の出力安定性が悪化する。即ち、整流部材１２から流量計３０の検出部３２までの距離Ｌが小さくなるにつれて流量計３０の出力安定性が悪化する。これは、流量計３０が測定中に整流部材１２の出側近傍で発生する渦の影響を受けるのが原因と考えられる。したがって、出力安定性の観点からは距離Ｌを大きくするのが好ましいが、距離Ｌを大きくするとダクト本体２０の長さ寸法が大きくなるという不具合が生じる。このため、本実施形態に係る吸気ダクト装置１０では、前述のように、（Ｌ÷Ｄ１）の値を流量計３０の出力安定性の許容値を満足できる必要最小限の値である0.7以上に設定している。

図２（Ｂ）は、絞り部２４の内径寸法をＤ２とし、直管部２２の内径寸法をＤ１としたときに、（Ｄ２÷Ｄ１）と流量計３０の測定誤差との関係を表すグラフである。このグラフでは、横軸にＤ２÷Ｄ１を表しており、縦軸に測定誤差を表している。なお、測定誤差が0よりも上側が正方向の測定誤差であり、下側が負方向の測定誤差である。
この実験において、ダクト本体２０に流す空気の流量は、エアクリーナのエレメントの寿命時における流量（目詰まり流量）であり、想定される最低空気流量である。
図から明らかなように、Ｄ２÷Ｄ１が0.85よりも大きくなると流量計３０の測定誤差が大きくなる。即ち、絞り部２４における絞り量が小さくなると流量計３０の測定誤差が大きくなる。これは、絞り部２４を通過した空気の流速増加が不十分なために、空気偏流を十分抑えることができないのが原因と考えられる。したがって、流量計３０の測定誤差を低下させる観点からは、絞り部２４における絞り量を大きくする（Ｄ２を小さくする）のが好ましいが、絞り量を大きくすると圧力損失が増加するという不具合が生じる。したがって、本実施形態に係る吸気ダクト装置１０では、前述のように、（Ｄ２÷Ｄ１）の値を流量計３０の測定誤差が許容値の範囲内に収まるための限界値である0.85以下に設定している。

このように、本実施形態に係る吸気ダクト装置１０では、ダクト本体２０の直管部２２には整流部材１２が設けられているため、エアクリーナを通過した空気の乱れをある程度消滅させて空気の流速を安定させることができる。ここで、整流部材１２の出側近傍では均一な渦が発生するが、流量計３０の検出部３２はその整流部材１２から所定距離Ｌ（Ｌ≧0.7×Ｄ１）だけ離されているため、前記渦の影響をほとんど受けることはない。
また、直管部２２に対する絞り部２４の絞り率、即ち、（Ｄ２÷Ｄ１）は空気偏流を抑制可能な値（0.85以下）に設定されている。即ち、絞り部２４の位置で空気の流速を増加させることで、空気偏流を抑えることができる。

したがって、流量計３０は整流部材１２で整流され、かつ絞り部２４で偏流が抑えられた空気（安定した流れの空気）の流量を測定できるようになり、空気流量の測定精度が向上する。このため、内燃機関の空燃比をきめ細やかに制御できるようになり、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）等を低減することが可能になる。
また、ダクト本体２０の絞り部２４における絞りテーパ部２４ｔのテーパ角θは約30°前後に設定されている。このため、絞り部２４の位置で空気の流れが乱れることはほとんどない。なお、テーパ角θは、20°から40°の間に設定するのが好ましい。

ここで、本実施形態に係る吸気ダクト装置１０では、ダクト本体２０の直管部２２の肉厚寸法を増加させることで絞り部２４を形成する例を示したが、図３（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、絞り部２４の部分に直管部２２よりも小径の短管を使用することも可能である。なお、絞り部２４の下流側は、図３（Ａ）に示すように、拡開部２４ｗを設けても良いし、図３（Ｂ）に示すように、段差部２４ｄを設けても良い。
また、本実施形態に係る吸気ダクト装置１０では、ダクト本体２０をエアクリーナのハウジング１と一体化した例を示したが、両者２０,１を別体にすることも可能である。
また、本実施形態では、流量計３０に熱式流量計を使用する例を示したが、熱式流量計の代わりにカルマン渦式流量計を使用することも可能である。
また、整流部材１２の空気通路Ｔを格子部１２ｋにより形成する例を示したが、所定厚みの円板に複数個の貫通孔を等間隔で開けて、空気通路Ｔを形成するようにしても良い。

ここで、実施形態に記載された発明のうちで特許請求の範囲には記載されていない発明を以下に列記する。
（１）請求項１から請求項３のいずれかに記載の吸気ダクト装置であって、
ダクト本体の絞り部における上流側のテーパ角は20°から40°の間に設定されている。このため、前記絞り部の位置で空気の流れが乱れることはほとんどない。
（２）請求項１から請求項３のいずれかに記載の吸気ダクト装置であって、
整流部材に形成されている複数本の空気通路の長さ寸法は、その空気通路の幅寸法あるいは直径寸法の3倍以上に設定されている。このため、空気の整流を良好に行うことができる。

本発明の本実施形態１に係る吸気ダクト装置の全体縦断面図（Ａ図）及び整流部材の正面図（Ｂ図）である。吸気ダクト装置をエアクリーナに搭載した場合における流量計の出力安定性を表すグラフ（Ａ図）及び流量計の測定誤差を表すグラフ（Ｂ図）である。吸気ダクト装置の変更例を表す縦断面図（Ａ図、Ｂ図、Ｃ図）である。従来の吸気ダクト装置の全体縦断面図である。

符号の説明

Ｔ空気通路
１２整流部材
２０ダクト本体
２２直管部
２４絞り部
２４ｔ絞りテーパ部
３０流量計
３２検出部
Ｌ整流部材から流量計の検出部までの距離
Ｄ１直管部の内径寸法
Ｄ２絞り部の内径寸法

Claims

内燃機関の吸気系においてエアクリーナの下流側に設置されたダクト本体と、前記ダクト本体に装着されて、そのダクト本体を通過する空気の流量を測定する流量計とを備える吸気ダクト装置であって、
前記ダクト本体は、筒状に形成された直管部と、前記直管部の下流側で、その直管部と同軸に形成された絞り部とを備えており、
前記直管部には、前記ダクト本体に導かれた空気を整流するための整流部材が設けられており、
前記直管部に対する前記絞り部の絞り率は、空気偏流を抑制可能な値に設定されており、
前記流量計は、前記整流部材の出側近傍で発生した空気の渦の影響を受け難いように、その整流部材から所定距離だけ離れた位置であって、前記絞り部で絞られた空気の流量を測定可能な位置に設置されていることを特徴とする吸気ダクト装置。
請求項１に記載された吸気ダクト装置であって、
整流部材から流量計までの距離Ｌは、ダクト本体の直管部における内径寸法Ｄ１の0.7倍以上の値に設定されていることを特徴とする吸気ダクト装置。
請求項１又は請求項２のいずれかに記載された吸気ダクト装置であって、
ダクト本体の絞り部の内径寸法Ｄ２は、直管部の内径寸法Ｄ１の0.85倍以下の値に設定されていることを特徴とする吸気ダクト装置。