JP2008304232A - 吸入空気流量測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
吸気管内の圧力を計測する装置の、圧力導入管への水等の進入による圧力導入管の目詰まりは、圧力の計測精度や製品の信頼性を悪化させる原因となる。
【解決手段】
吸気管内の吸入空気流量を計測する空気流量測定装置１００と、吸気管内の圧力を検知する圧力検出部１５０とを一体で構成する装置であって、前記圧力を検知するために主空気通路内に開口する開口面は、主空気通路内へ空気流量測定装置１００の計測部を挿入する際に主空気通路構成部材２００と空気流量測定装置１００の挿入部との間に生じる隙間を使い圧力を導入する。これにより水等による圧力導入部の目詰まりし難い構造を提供できる。
【選択図】図１
吸気管内の圧力を計測する装置の、圧力導入管への水等の進入による圧力導入管の目詰まりは、圧力の計測精度や製品の信頼性を悪化させる原因となる。
【解決手段】
吸気管内の吸入空気流量を計測する空気流量測定装置１００と、吸気管内の圧力を検知する圧力検出部１５０とを一体で構成する装置であって、前記圧力を検知するために主空気通路内に開口する開口面は、主空気通路内へ空気流量測定装置１００の計測部を挿入する際に主空気通路構成部材２００と空気流量測定装置１００の挿入部との間に生じる隙間を使い圧力を導入する。これにより水等による圧力導入部の目詰まりし難い構造を提供できる。
【選択図】図１
Description
本発明は、内燃機関の吸気流量計測用に好適な発熱抵抗体式の空気流量測定装置と、これを使用した内燃機関制御装置に関する。
内燃機関用の流量測定技術としては発熱抵抗体式空気流量測定装置が知られている（特許文献１参照）。これは発熱抵抗体の奪われる熱量が流入流量に対し相関関係があることを利用したものであり、エンジンの燃焼制御で必要となる質量流量を直接測定出来るため特に自動車の空燃比制御用の流量計として広く使われている。
また、吸気管内の圧力を検出する圧力検出装置は、半導体の圧力検知部を有し、圧力導入管を用いる方式が一般的に用いられている（特許文献２参照）。
また、本発明に最も近い公知技術として、発熱抵抗体式空気流量測定装置と圧力導入管を用いた圧力検出装置を一体化した例が示されている（特許文献３参照）。
近年は、電子制御燃料噴射システムを用いた自動車が一般化しているが、この場合、エンジンルームの内部には様々なセンサや制御機器が所狭しと配置されている。
また、この場合、各種のセンサや制御機器及びそれらをコントロールするためのコントロールユニットなどを相互に接続するワイヤハーネスも複雑に入り組んだものとなっている。
このため、複数のセンサや制御機器を一体化することによる部品点数の低減が望まれ、例えば前記の発熱抵抗体式空気流量測定装置と半導体式圧力変換器を一体化しコネクタを共用化する方策などはその一例であり、これにより車両への部品組み付け工数の低減や、ワイヤハーネスの簡略化が可能となる。
また、圧力検出装置の圧力導入管は、一般的に細い管により構成される。これは、圧力検出部に塵や水等が入り込むと、圧力検出に誤差が生じるためである。圧力検出部は半導体式のシリコンダイヤフラムにより形成しているため、非常に小さい構造となっている。このため、圧力導入管は塵や水等が入り難い構造が必要となるのである。
一方、圧力導入管を細い管とすると、管内に仮に水が入ってしまうと、水膜や氷結等も生じ易くなり、圧力検出精度が悪化する要因の一つとなる。
内燃機関の吸気管上流にはエアクリーナが設置されており、大気中の塵等を除去した空気がエンジン内へ送り込まれる。しかしながら、エアクリーナの集塵能力は完全ではなく、細かな塵成分などはエアクリーナを通過して吸気管を通りエンジンへ吸入されてしまう。圧力検出装置の圧力導入管は吸気管内で吸入空気に晒して設置するため、上記のような塵等の浸入が生じてしまう。
また、水はエアクリーナフィルタで捕らえられるが、水分のためフィルタに染込んでしまい、フィルタの許容量を超えると吸気管に放出されてしまう。この放出された水が圧力導入管にまで到達する可能性がある。
本発明の目的は、吸入空気圧力計測装置を一体化するのに適した吸入空気流量測定装置の構成を提供することにある。
上記課題に対応するため、空気流量測定装置を吸気管内に挿入するために吸気管に設けた挿入穴（開口部）にできる、吸気管路構成部材と空気流量測定装置との間の隙間（クリアランス）に着目した。例えば発熱抵抗体式の空気流量測定装置では、流量検出素子の他に、感温抵抗体やバイパス通路も一体化した構造で吸気管内に挿入されるため、圧力導入管に比べて非常に大きな構造となる。
空気流量測定装置の挿入部周囲には、必ず隙間が生じており、隙間の寸法自身は狭いが、空気流量測定装置の挿入部全周の隙間で考えると、かなり広い開口面積が得られる。隙間に水膜等が張る確率は、従来の圧力導入管と基本的には変わらないが、周囲全てに水膜が張る確率は極めて低くなる。但し、この場合の隙間は必ずしも全周である必要は無く、圧力が計測出来、全てに水膜が張らないような隙間であれば良く、例えば部分的に空気流量測定装置と吸気管とが部分的に接触しているような隙間でも構わない。
上記のように空気流量計測装置と吸気管路を構成する吸気管路構成部材との隙間から圧力を導入するため、空気流量計測装置本体に形成される圧力導入部の開口位置は、吸気管の径方向からみて、吸気管路構成部材により構成される吸気管路内壁面よりも外側の隙間部に位置する事が望ましい。ここで、挿入穴（開口部）の部分では吸気管路内壁面が存在しない。従って、挿入穴（開口部）の部分では、周方向両側の吸気管路内壁面をその形状に沿って延長し、その延長線を基準にして吸気管路内壁面よりも外側の位置を定義すれば良い。
また、空気流量計本体に形成される圧力導入部は、管路により構成される導入路が、吸入空気流量測定装置本体の外壁面に設けた凹み部に一旦開口させる事が望ましい。これは、空気流量計外壁面には塵等の付着物が付着し易く圧力導入の妨げになることを防止するためである。
更に、上記の凹み部は、吸入空気流量測定装置本体上において、吸気流れの下流側に位置するように配置されている事が望ましい。これは空気流量計本体に空気が衝突すると、動圧の影響や空気の乱れの影響が生じ正確な圧力の導入が難しくなるためである。
更に、圧力検知部の設置位置は、空気流量計を吸気管へ取付ける際にねじ等を使い固定するために用いられる取付けフランジ部に設置される事が望ましい。これは、圧力検知部をサブモジュール化した場合には、圧力検知部の装着性を良くすると共に、装置全体のコストダウンにも繋がるためである。サブモジュール化しないと、圧力検知部と圧力導入部を通路内に設置する必要が生じる。このため、圧力と出力の関係を電気的に調整する場合には吸気管内での作業となるため作業し難く、その結果、製造コストが上がってしまうのである。
現在、地球温暖化等、世界的に環境に関して目が向けられている。このため、本発明の前記の構成により、内燃機関制御装置の部品点数削減による資源物資量の低減に寄与する事が可能となる。更に排ガス規制に対応するためには、高精度な燃料制御を長期間に渡って保つために、発熱抵抗体式空気流量測定装置や、圧力検出装置の経年による特性変化量を低減する事が可能となる。これにより、地球環境に優しく、低燃費且つ、排出ガスのクリーンなエンジン制御システムを市場に送り込むことが可能となる。
まず、最初に吸入空気計測装置の一例として、発熱抵抗体を使った発熱抵抗体式空気流量測定装置の動作原理について説明する。図７は発熱抵抗体式空気流量測定装置の概略構成回路図である。発熱抵抗体式空気流量測定装置の駆動回路は大きく分けてブリッジ回路とフィードバック回路から成り立っている。吸入空気流量測定を行うための発熱抵抗体ＲＨ、吸入空気温度を補償するための感温抵抗体ＲＣ及びＲ１０，Ｒ１１でブリッジ回路を組み、オペアンプＯＰ１を使いフィードバックをかけながら発熱抵抗体ＲＨと感温抵抗体ＲＣとの間に一定の温度差を保つように発熱抵抗体ＲＨに加熱電流Ｉｈを流して空気流量に応じた出力信号Ｖ２を出力する。つまり流速の速い場合には発熱抵抗体ＲＨから奪われる熱量が多いため加熱電流Ｉｈを多く流す。これに対して流速の遅い場合には発熱抵抗体ＲＨから奪われる熱量が少ないため加熱電流も少なくてすむのである。
図５は発熱抵抗式空気流量測定装置の一例を示す横断面であり、図６はその上流（左側）から見た外観図である。
発熱抵抗体式空気流量測定装置の構成部品としては駆動回路を構成する回路基板２を内蔵するハウジング構成部材１及び非導電性部材により形成される副空気通路構成部材１０等があり、副空気通路構成部材１０の中には空気流量検出のための発熱抵抗体３，吸入空気温度を補償するための感温抵抗体４が導電性部材により構成された支持体５を介して回路基板２と電気的に接続されるように配置され、ハウジング，回路基板，副空気通路，発熱抵抗体，感温抵抗体等が一体のモジュールとして発熱抵抗体式空気流量測定装置を構成している。また、吸気管路を構成する主空気通路構成部材２０の壁面には穴（開口部）２５があけられており、この穴２５より発熱抵抗体式空気流量測定装置の副空気通路部分を外部より挿入して副空気通路構成部材の壁面とハウジング構成部材１とをネジ７等で機械的強度を保つように固定されている。また、副空気通路構成部材１０と主空気通路構成部材との間にシール材６を取付けて、吸気管の内側と外側との気密性を保っている。
次に一般的な圧力検出装置の一例を図９及び図１０を用いて説明する。
図９は圧力検出装置の略断面構造である。圧力検出装置は外装ケースとなるハウジング構成部材４０１，圧力導入管４０３，圧力検知部４０２，外部とのインターフェースとなるコネクタ端子４０５，圧力検知部４０２とコネクタ端子４０５を電気的に接続するボンディング部材４０４からなる。尚、取付け固定のためのねじやシール材及び吸気管等は図示していない。圧力検知部４０２はおおよそ図１０のような回路構成となっており、半導体技術により造られるゲージ部５００のブリッジ回路で圧力を検出し、増幅回路５０１，５０２を経て圧力信号を得る構成となっている。
本発明の具体的な構成例について図１を使い説明する。
主空気通路（吸気管路又は単に吸気管ともいう）２０１を構成する主空気通路構成部材（吸気管路構成部材）２００には、一部に発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の一部が挿入される挿入口１５５（図２に記載）が設けられ、圧力検知部１５０を一体とした発熱抵抗体式空気流量測定装置１００が設置されている。取付けは発熱抵抗体式空気流量測定装置１００のケース材となるハウジング構成部材１０１をねじ１０４を介して、吸気管路構成部材２００へと固定する方法である。
発熱抵抗体式空気流量測定装置１００はハウジング構成部材１０１の他に、金属材料等からなるベース材１０７，回路基板１０６を保護するためのカバー構成部材１０９，空気流量を計測するための発熱抵抗体１１２，発熱抵抗体１１２を設置するための副空気通路２０２を構成するための、副空気通路構成部材１１０，主空気通路２０１と外部とをシールするためのシール材１０５等から構成されている。電気的な信号は、発熱抵抗体１１２から、ターミナル部材１１１，ボンディング部材１０８，回路基板１０６，ボンディング部材１０８を経て、コネクタ端子１０３に接続され、ＥＣＵ等（図示せず）と電気的に接続されている。
図３は図１の上側（Ｑ）から見た図である。発熱抵抗体式空気流量測定装置１００のハウジング構成部材１０１の一部には圧力検知部１５０が設置されており、コネクタ端子１５１を使い圧力信号を外部へ送る。
再び図１に戻る。圧力検知部１５０の圧力検出のため、圧力導入管（圧力導入部）１５２がハウジング構成部材１０１の一部に設けられており、一端がシール材１０５よりも主空気通路２０１側で、且つ、主空気通路構成部材２００の内径の外側に位置する凹み部１１３へ開口する構成となっている。
図２は図１をＰ方向からみた図である。主空気通路構成部材２００に設けられた挿入口１５５と、発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の主空気通路挿入部との２つの部材の間には隙間１５３が生じている。一般的にはこの隙間１５３は発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の挿入部の全周に設けられる構造となる。発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の挿入部の周囲に生じる隙間の寸法自身は狭いが、挿入部自体が構造体としてかなりの大きさを有しているため、挿入部全周の隙間で考えると、かなり広い開口面積が得られることになる。隙間に水膜等が張る確率は、従来の圧力導入管と基本的には変わらないが、周囲全てに水膜が張る確率は極めて低くなる。また、隙間１５３は特に全周である必要は無く、例えば２つの部材の一部が接触している構成であっても問題は無い。
また隙間１５３は、発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の主空気通路挿入部が主空気通路内に挿入されるため必要な遊び程度の大きさを有していれば良いが、これに限定する必要は無く、遊びよりも大きな寸法の間隙としてもよい。しかし、挿入口１５５を発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の主空気通路挿入部に対して大きくすればするほど、その外側にシールを配置する必要があるため、発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の外形寸法が大きくなってしまう。このため、従来からの遊びとしての隙間を利用する方が、発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の外形寸法をいたずらに大きくすることなく、有利である。
図４は図１に対してコネクタ部の端子構成を変更した例である。図１では、発熱抵抗体式空気流量測定装置１００用のコネクタ端子１０３と、圧力検知部１５０用のコネクタ端子１５１はそれぞれ独立した構成となっている。一般的に発熱抵抗体１１２は白金を使ったワイヤ等が用いられ、内燃機関に用いる場合にはバッテリー電圧（約１２Ｖ）を必要とする。これに対して圧力検出装置は半導体技術による極めて小さなセンシング素子であるため、ＥＣＵの基準電圧（約５Ｖ）で駆動する。しかし、例えば発熱抵抗体１１２を圧力検知部１５０と同様な半導体技術で形成すればバッテリー電圧を必要とせずに、ＥＣＵの基準電圧で駆動する事が可能となり、電源電圧端子３００と、グランド端子３０１を発熱抵抗体式空気流量測定装置１００と圧力検知部１５０とで共用化でき、部品点数の削減に繋がるのである。また、コネクタ端子が設けられるコネクタ部を小さくできる。
上述の実施例における特徴を列記すれば、以下のようになる。
吸気管内の吸入空気流量を計測する空気流量計測部と、吸気管２０１内の圧力を検知する圧力検知部１５０とを備え、吸気管２０１内へ空気流量計測部を挿入する際に吸気管路構成部材２００との間に生じる隙間を通じて圧力検知部１５０に吸気管２０１内の圧力を導入する。
吸気管内の吸入空気流量を計測する空気流量計測部と、吸気管２０１内の圧力を検知する圧力検知部１５０とを備え、圧力検知部１５０に吸気管２０１内の圧力を導入する圧力導入部１５２は、吸気管２０１内へ空気流量計測部を挿入する際に吸気管路構成部材２００との間に生じる隙間１５３に開口する。このとき、圧力導入部の間隙１５３への開口部に間隙１５３が大きくなるように形成した（間隙１５３から遠ざかる向きに窪んだ）凹部１１３を設けるとよい。
間隙１５３は、空気流量計測部が吸気管２０１内に挿入される際にその挿入方向に対して直交する方向を向く吸入空気流量測定装置の外面と、空気流量計測部を吸気管２０１内に挿入するために吸気管路構成部材２００に形成した開口部１５５における、吸気管路構成部材２００の厚さ方向に形成される面（切り欠き面）との間に構成される。
最後に、図８を使い電子燃料噴射方式の内燃機関に本発明品を適用した一実施例を示す。エアクリーナ５４から吸入された吸入空気６７は、発熱抵抗式空気流量測定装置１００が挿入されるボディ５３，吸入ダクト５５，スロットルボディ５８及び燃料が供給されるインジェクタ６０を備えたインテークマニホールド５９を経て、エンジンシリンダ６２に吸入される。一方、エンジンシリンダ６２で発生したガス６３は排気マニホールド６４を経て排出される。
発熱抵抗式空気流量測定装置１００の回路モジュール５２から出力される空気流量信号と圧力信号，温度センサからの吸入空気温度信号，スロットル角度センサ５７から出力されるスロットルバルブ角度信号，排気マニホールド６４に設けられた酸素濃度計６５から出力される酸素濃度信号及び、エンジン回転速度計６１から出力されるエンジン回転速度信号等、これらを入力するコントロールユニット６６はこれらの信号を逐次演算して最適な燃料噴射量とアイドルエアコントロールバルブ開度を求め、その値を使って前記インジェクタ６０及びアイドルコントロールバルブ５６を制御する。
１，１０１，４０１ ハウジング構成部材
２，１０６ 回路基板
３，１１２ 発熱抵抗体
４ 感温抵抗体
５ 導電性支持体
６，１０５ シール材
７ ネジ部材
１０，１１０ 副空気通路構成部材
１４，２０２ 副空気通路
２０，２００ 主空気通路構成部材
２２，２０１ 主空気通路
２５ 副空気通路挿入穴
５１ 吸気温度センサ
５２ モジュール
５３ ボディ
５４ エアクリーナ
５５ ダクト
５６ アイドルエアコントロールバルブ
５７ スロットル角度センサ
５８ スロットルボディ
５９ 吸気マニホールド
６０ インジェクタ
６１ 回転速度計
６２ エンジンシリンダ
６３ ガス
６４ 排気マニホールド
６５ 酸素濃度計
６６ コントロールユニット
６７ 吸入空気
１００ 発熱抵抗体式空気流量測定装置
１０３ 発熱抵抗体式空気流量測定装置コネクタターミナル構成部材
１０４ 取付けねじ
１０７ ベース構成部材
１０８ ，４０４ ボンディング部材
１０９ カバー構成部材
１１１ ターミナル部材
１１３ 凹み部
１５０，４０２ 圧力検知部
１５１ 圧力検出装置コネクタターミナル構成部材
１５２，４０３ 圧力導入管
１５３ 隙間
１５５ 発熱抵抗体式空気流量測定装置挿入穴
１９９ 主空気通路流れ
３００ 電源端子
３０１ ＧＮＤ端子
３０２ 流量信号端子
３０３ 圧力信号端子
４００ 圧力検出装置
４０５ コネクタ端子
２，１０６ 回路基板
３，１１２ 発熱抵抗体
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１０，１１０ 副空気通路構成部材
１４，２０２ 副空気通路
２０，２００ 主空気通路構成部材
２２，２０１ 主空気通路
２５ 副空気通路挿入穴
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５８ スロットルボディ
５９ 吸気マニホールド
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６２ エンジンシリンダ
６３ ガス
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６７ 吸入空気
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１０７ ベース構成部材
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１１３ 凹み部
１５０，４０２ 圧力検知部
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１９９ 主空気通路流れ
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３０１ ＧＮＤ端子
３０２ 流量信号端子
３０３ 圧力信号端子
４００ 圧力検出装置
４０５ コネクタ端子
Claims (10)
- 吸気管内の吸入空気流量を計測する空気流量測定装置と、吸気管内の圧力を検知する圧力検出装置とを一体で構成する装置であって、前記圧力を検知するために吸気管内に開口する開口面は、吸気管内へ前記空気流量計の計測部を挿入する際に吸気管構成部材との間に生じる隙間を使い圧力を導入することを特徴とする吸入空気流量測定装置。
- 請求項１に記載した吸入空気流量測定装置において、吸入空気流量測定装置本体に形成される、圧力導入部の開口位置は、吸気管路構成部材により構成される吸気管路内壁面よりも吸気管の径方向からみて、外側に位置することを特徴とする吸入空気流量測定装置。
- 請求項２に記載した吸入空気流量測定装置において、吸入空気流量測定装置本体に形成される圧力導入部は、管路により構成される導入路が、吸入空気流量測定装置本体の外壁面に設けた凹み部に一旦開口し、その凹み部を介して圧力を導入することを特徴とする吸入空気流量測定装置。
- 請求項３に記載した吸入空気流量測定装置において、前記凹み部は吸入空気流量測定装置本体上において、吸気流れの下流側に位置するように配置されていることを特徴とする吸入空気流量測定装置。
- 吸気管内の吸入空気流量を計測する空気流量測定装置と、吸気管内の圧力を検知する圧力検出装置とを一体で構成する装置であって、前記圧力検出装置は、圧力を検出する検知部と圧力を導入する導入部とを備え、圧力検知部の設置位置は、空気流量計を吸気管へ取付ける際にねじ等を使い固定するための取付けフランジ部に設置され、圧力導入部の吸気管内に開口する開口面は、吸気管構成部材へ前記空気流量測定装置の計測部を吸気管へ挿入する際に生じる隙間を使い圧力を導入することを特徴とする吸入空気流量測定装置。
- 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の吸入空気流量測定装置を用いたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射システム。
- 吸気管内の吸入空気流量を計測する空気流量計測部と、吸気管内の圧力を検知する圧力検出部とを備え、吸気管内へ前記空気流量計測部を挿入する際に吸気管構成部材との間に生じる隙間を通じて前記圧力検出部に吸気管内の圧力を導入することを特徴とする吸入空気流量測定装置。
- 吸気管内の吸入空気流量を計測する空気流量計測部と、吸気管内の圧力を検知する圧力検出部とを備え、前記圧力検出部に吸気管内の圧力を導入する圧力導入部は、吸気管内へ前記空気流量計測部を挿入する際に吸気管構成部材との間に生じる隙間に開口することを特徴とする吸入空気流量測定装置。
- 請求項８に記載した吸入空気流量測定装置において、前記圧力導入部の前記間隙への開口部に前記間隙が大きくなるように形成した凹部を設けたことを特徴とする吸入空気流量測定装置。
- 請求項７乃至９のいずれか１項に記載した吸入空気流量測定装置において、前記間隙は、前記空気流量計測部が吸気管内に挿入される際にその挿入方向に対して直交する方向を向く吸入空気流量測定装置の外面と、前記空気流量計測部を吸気管内に挿入するために吸気管構成部材に形成した開口部における、吸気管構成部材の厚さ方向に形成される面との間に構成されることを特徴とする吸入空気流量測定装置。
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