JP2012057988A - 発熱抵抗体式空気流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】副空気通路の副空気通路出口部付近に生じる剥離渦による空気流量計測への影響を抑制して脈動流下でも高い計測精度を有する発熱抵抗体式空気流量測定装置を提供する。
【解決手段】本発明の発熱抵抗体式空気流量測定装置１００は、副空気通路出口部２０４の流路壁（カバー部材）２０６を切り欠いて、副空気通路出口部２０４の一部を主空気の順流方向に直交する方向に向かって開放する構造とすることで、副空気通路構成部２０５よりも順流方向下流で発生する剥離渦が副空気通路出口部２０４から副空気通路２０２内に侵入するのを抑制した。
【選択図】図５

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に関する。

内燃機関用の流量測定技術としては、引用文献１に記載のような発熱抵抗体式空気流量測定装置が知られている。これは発熱抵抗体の奪われる熱量が吸入空気の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、本発明に最も近い公知技術として、特許文献２に記載のように、より高精度な空気流量計測技術として吸気管内に発生する逆流量を計測する発熱抵抗体式空気流量測定装置も広く使われている。本公知技術では、副空気通路は通路の入り口が吸気管の順流の流れ方向に開口し、通路はループ状にほぼ360度迂回をしており、上下流の中央付近で主空気通路と合流する構造を有している。

特開平０９−１７０６３０号公報 特許第３７６４８６０号公報

発熱抵抗体式空気流量測定装置は、特許文献２の図２３に示すように、空気流量に対する出力電圧の関係が非線形な出力である。更に、発熱抵抗体式空気流量測定装置が設置される吸気管内は、吸排気バルブの開閉に伴う吸気脈動が生じ、この脈動流が発熱抵抗体式空気流量測定装置に様々な影響を及ぼす。その影響の一つとして、吸気脈動と出力の非線形により、図７に示すように、実際の空気流量に対して過小となる計測誤差が生じることがある。更に、吸気脈動が更に大きくなった場合には、吸気管内に逆流が生じ、その逆流によって今度は過大な計測誤差を生じてしまうこともある。

このような影響に対応するため、発熱抵抗体式空気流量測定装置では様々な工夫をしている。その一つは発熱抵抗体の上下流に感温抵抗体を配置し、その温度差を測ることで吸気管内の流量を計測すると同時に流れの方向までも計測することである。

但し、流れの方向を計測することを優先させて主空気通路内に直接計測素子を配置してしまうと、エンジン方向からの主にオイル成分が原因となる汚損性が課題視される。また、計測素子を直接主空気通路へ配置すると、前記した吸気脈動と出力の非線形により生じる実際の空気流量に対して過小となる計測誤差が生じ易くなる。

このため、実際には流量計測素子をバイパス通路と呼ばれる複雑な構造をした副空気通路に配置することが一般的に行なわれている。つまり、複雑な通路構造でありながら流れの方向を計測すると共に、副空気通路の持つ慣性効果を利用し脈動による過小誤差を低減するだけでなく、オイル成分等による耐汚損性に関しても向上させ、相反する課題に対する両立を図っている。

しかし、ここで新たな課題となるのが副空気通路を構成する構造体により副空気通路の出入り口付近に生じる剥離渦の影響である。この剥離渦の一部が副空気通路に入り込むと順方向の流れの際に逆方向の流れが副空気通路内に入り込んでしまい、誤差を生ずる可能性がある。副空気通路出口部に入り込む剥離渦の影響を少なくするためには、剥離渦が入り込まない通路構造とすることが望まれるが、逆流も入り込み難い構造になってしまうと、逆流の計測精度に影響を及ぼしてしまう。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、副空気通路の出口部付近に生じる剥離渦による空気流量計測への影響を抑制できる発熱抵抗体式空気流量測定装置を提供することである。

上記の課題を解決する本発明の発熱抵抗体式空気流量測定装置は、主空気通路内を流れる主空気の一部が通過する副空気通路を有する副空気通路構成部と、副空気通路構成部の副空気通路内に配置された発熱抵抗体とを備え、副空気通路内で発熱抵抗体を発熱させて主空気の流量を測定する発熱抵抗体式空気流量測定装置であって、副空気通路構成部は、主空気の順流方向上流に向かって開口する副空気通路入口部と、主空気の順流方向下流に向かって開口する副空気通路出口部と、副空気通路出口部の流路壁を切り欠いて副空気通路出口部の一部を主空気の順流方向に直交する方向に向かって開放する切り欠き部を有することを特徴としている。

本発明の発熱抵抗体式空気流量測定装置によれば、副空気通路構成部は、切り欠き部によって副空気通路出口部の流路壁が切り欠かれて、副空気通路出口部の一部が主空気の順流方向に直交する方向に向かって開放されているので、副空気通路構成部よりも順流方向下流で発生する剥離渦が副空気通路出口部から副空気通路内に侵入するのを抑制することができる。

したがって、吸気通路内に生じる脈動影響による計測誤差の低減に関し、特に発熱抵抗体式空気流量測定装置の下流側に生じる剥離渦の流れの一部が副空気通路内に侵入することで生じる計測誤差の低減を改善することができる。

本発明の発熱抵抗体式空気流量測定装置の構成を説明するための参照図。 図１の断面Ａ−Ａにおける空気通路内の空気の流れを示す図。 図１の断面Ａ−Ａにおける空気通路内の流体解析結果を示す図。 脈動流下における主空気通路内と副空気通路内の空気流れの変化を示す図。 本発明の発熱抵抗体式空気流量測定装置の構成を示す図。 図５における副空気通路出口部付近の断面形状を示す図。 図５の断面Ｄ−Ｄにおける空気通路内の流体解析結果を示す図。 本発明の脈動流下における主空気通路内と副空気通路内の空気流れの変化を示す図。 代表的な発熱抵抗体式空気流量測定装置の概略構成の横断面。 図９を吸入空気の流れ上流方向からみた図。 発熱抵抗体式空気流量測定装置の概略回路構成図。 発熱抵抗体式空気流量測定装置を使った内燃機関の概略システム構成図。

本発明の実施例を以下の図面に従い詳細に説明する。
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１１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の間に一定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９は、発熱抵抗体式空気流量計の一例を示す横断面であり、図１０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１０等があり、副空気通路構成部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、これらを発熱抵抗体式空気流量測定装置の一体のモジュールとして構成されている。

また、吸気管路を構成する主空気通路構成部２０の壁面には穴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１０の壁面とハウジング部材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１０と主空気通路構成部２０の間にシール材６を取付けて、吸気管内外との気密性を保っている。

次に、本発明の発熱抵抗体式空気流量測定装置に近い機能を持つ比較例ついて、図１を用いて以下に説明する。
比較例の発熱抵抗体式空気流量測定装置２００は、主空気通路構成部２５１によって構成される主空気通路２５０に、流量計測素子２０１を内部に配置した副空気通路構成部２０５を挿入した形で装着されている。流量計測素子２０１は、流量を計測する機能の他に流れの方向を検出する機能も持ち合わせている。流量計測素子２０１は、発熱抵抗体ＲＨの上下流側に感温抵抗体を配置し、その温度差を測ることで吸気管内の流量を計測すると同時に流れの方向までも計測する構成を有する。流量計測素子２０１は、公知のものを用いるので、その構成についての詳細な説明は省略する。

副空気通路構成部２０５は、主空気通路２５０内を通過する空気の一部が流入する副空気通路２０２を有している。副空気通路２０２は、内部に流量計測素子２０１が配置されるループ状の通路形状を有しており、主空気通路２５０内で、エアクリーナ側からエンジン側への流れである順流２５２に対向して副空気通路入口部２０３が開口し、エンジン側からエアクリーナ側への流れとなる逆流２５３に対向して副空気通路出口部２０４が開口する構造となっている。

図２は、図１のＡ−Ａ線断面図であり、主空気通路２５０内における空気流れを示したものである。順流２５２は、発熱抵抗体式空気流量測定装置２００の副空気通路構成部２０５下流で剥離渦２６１を発生してしまう。つまり、副空気通路出口部２０４付近には、順流２５２とは違う方向の流れが発生する。より詳細な流れの状態を流体解析結果として図３に示す。剥離渦２６１によって生じた空気の流れは、副空気通路出口部２０４から副空気通路２０２内に入り込み、副空気通路２０２内に、あたかも逆流が生じたような状態となっている。順流時の流速ベクトルは、剥離渦の影響により、完全に副空気通路出口部２０４の後ろから副空気通路２０２内に向いている。

これを、脈動流化において同様に解析をして、主空気通路２５０の平均流速（メイン流速）と、副空気通路２０２内における流量計測素子２０１付近の検出流速（バイパス流速）とを、時間を追ってグラフ化したのが図４の解析結果である。

主空気通路２５０では加速と減速を繰り返す流れではあるが、逆流（マイナスの流速）にはなっていないのに対して、副空気通路２０２内の流量計測素子２０１周辺では逆流の流れとなっているのが判る。この逆流として検出されているのが、上記で記載した剥離渦２６１によって副空気通路出口部２０４に入り込んだ流れである。

上記のように、順流２５２の流れの一部が逆方向の流れとして副空気通路２０２内に入り込んでしまうと、前記したように流量計測素子２０１は順流２５２と逆流２５３を区別して計測するため、計測誤差が大きくなり、流量の計測精度が低下するおそれがある。そこで、本発明においては、副空気通路出口部２０４の形状に改良を加え、本計測誤差の改善を行なった。

図５は、本発明の一実施例を示す発熱抵抗体式空気流量測定装置の構成を示す図である。本発明の発熱抵抗体式空気流量測定装置１００は、副空気通路出口部２０４の流路壁を構成するカバー部材２０６を切り欠いて副空気通路出口部２０４の一部を主空気の順流方向に直交する方向に向かって開放する切り欠き部２０８を有することを特徴としている。なお、図１に示す比較例の装置２００と同様の構成要素には、同一の符号を付することでその詳細な説明を省略する。

副空気通路構成部２０５は、ハウジング部材２０７とカバー部材２０６によって構成されている。ハウジング部材２０７は、所定の肉厚を有する板状部材からなり、副空気通路２０２の少なくとも順流方向下流側となる部分に断面コ字型の溝部２１１を有している。溝部２１１は、ハウジング部材２０７の一方の側面に凹設されており、順流方向下流端部が副空気通路出口部２０４に連通している。

副空気通路２０２は、ハウジング部材２０７単体では、溝部２１１によって３面が囲まれて一面が開放された通路構造となってしまうので、カバー部材２０６を用いて、溝部２１１の開放された一面を塞いで４面が閉じられた閉断面の通路構造を構成している。すなわち、副空気通路２０２の順流方向下流側となる部分は、ハウジング部材２０７とカバー部材２０６との協働によって構成される。

そして、図１に示す装置では、溝部２１１の開放側を全面に亘って塞いで副空気通路２０２の順流方向下流側となる部分を構成する構造を有していたが、本発明の発熱抵抗体式空気流量測定装置１００では、図５に示すように、カバー部材２０６に切り欠き部２０８を設けて、副空気通路出口部２０４の一部において一面が開放された構成とした。

切り欠き部２０８は、副空気通路出口部２０４の流路壁となるカバー部材２０６を切り欠いて、副空気通路出口部２０４の一部を主空気の流れに直交する方向に向かって開放するように形成されている。切り欠き部２０８は、溝部２１１の順流方向下流端部よりも順流方向上流側に所定距離だけ離間した位置まで溝部２１１を開放するように形成されている。

図６は、図５に示す断面Ｂ-Ｂと断面Ｃ-Ｃを示したものである。副空気通路２０２は、断面Ｂ-Ｂに示すように、切り欠き部２０８よりも順流方向上流側の位置では、溝部２１１の開放面がカバー部材２０６で塞がれており、４面が閉じられた通路構造となっているのに対して、断面Ｃ-Ｃに示すように、切り欠き部２０８の位置では、溝部２１１の一面が開放された通路構造となっている。そして、副空気通路出口部２０４は、逆流方向に対向して開口しているので、逆流時には副空気通路出口部２０４から空気を流入させることができ、逆流の検出精度には影響を及ぼさない。

図７と図８は、図３と図４と同様な流体解析を、図５の切り欠き部２０８を有する副空気通路２０２で実施したものである。図７の流速ベクトルでは、順流時に副空気通路出口部２０４の下流側に剥離渦２６１は発生しているが、図３の比較例とは、剥離渦２６１の形状が大きく異なり、副空気通路２０２内部への剥離渦２６１の侵入が無いことが判る。本発明の図７では、比較例との出口部の形状の違いにより、副空気通路出口部２０４に向かう流速ベクトルが、大きく崩れて、出口方向に向いている量が少なくなっており、剥離渦が副空気通路出口部２０４から入り難くなっている。

また、図８に記載した主空気通路２５０の平均流速と、流量計測素子２０１付近の検出流速を、時間を追ってグラフ化した結果でも、マイナスとなる流速は無く、副空気通路２０２内への逆流の侵入が無いことが判る。したがって、副空気通路２０２の副空気通路出口部２０４に切り欠き部２０８を設けることで、比較例の発熱抵抗体式空気流量測定装置１００よりも脈動時に於ける流量計測精度を向上させることが可能となる。

最後に、図１２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、発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の主空気通路構成部２５１、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。

発熱抵抗体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を制御する。

上記した本発明の発熱抵抗体式空気流量測定装置１００によれば、副空気通路構成部２０５は、切り欠き部２０８によって副空気通路出口部２０４のカバー部材（流路壁）２０６が切り欠かれて、副空気通路出口部２０４の一部が主空気の順流方向に直交する方向に向かって開放されているので、副空気通路構成部２０５よりも順流方向下流で発生する剥離渦が副空気通路出口部２０４から副空気通路２０２内に侵入するのを抑制することができる。したがって、吸気通路内に生じる脈動影響による計測誤差の低減に関し、特に発熱抵抗体式空気流量測定装置の下流側に生じる剥離渦の流れの一部が副空気通路２０２内に侵入することで生じる計測誤差の低減を改善することができる。

本発明は、上述の実施例の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

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。吸入空気流量を正確に計測することは車輌の最適な燃料制御を行うことであり、これにより地球温暖化に代表される環境保護のための排ガスのクリーン化だけでなく、低燃費を実現させることで有限埋蔵量とされている化石燃料を最大限に利用できることが可能となる。本発明の発熱抵抗体式空気流量計測装置を用いた内燃機関によれば、計測精度の高い流量を得ることができ、最適な燃料制御を行うことができる。

本発明の発熱抵抗体式空気流量計測装置は、自動車用としてのエンジン制御用が主な使用用途になり、全ての内燃機関エンジンに対して利用が可能となる。

１…ハウジング構成部材、２…回路基板、３…発熱抵抗体、４…感温抵抗体、５…導電性支持体、６…シール材、７…ネジ部材、１０…副空気通路構成部、１４…副空気通路、２０…主空気通路構成部、２２…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、２００…比較例、２０１…流量計測素子、２０２…副空気通路、２０３…副空気通路入口部、２０４…副空気通路出口部、２０５…副空気通路構成部、２０６…カバー部材、２０７…ハウジング部材、２０８…切り欠き部、２１０…副空気通路内空気流れ、２５０…主空気通路、２５１…主空気通路構成部、２５２…順流、２５３…逆流、２６０…主空気通路内空気流れ、２６１…剥離渦

Claims (6)

1. 主空気通路内を流れる主空気の一部が通過する副空気通路を有する副空気通路構成部と、該副空気通路構成部の副空気通路内に配置された発熱抵抗体とを備え、前記副空気通路内で前記発熱抵抗体を発熱させて前記主空気の流量を測定する発熱抵抗体式空気流量測定装置であって、
   前記副空気通路構成部は、前記主空気の順流方向上流に向かって開口する副空気通路入口部と、前記主空気の順流方向下流に向かって開口する副空気通路出口部と、該副空気通路出口部の流路壁を切り欠いて前記副空気通路出口部の一部を前記主空気の順流方向に直交する方向に向かって開放する切り欠き部を有することを特徴とする発熱抵抗体式空気流量測定装置。
2. 前記副空気通路構成部は、ハウジング部材と、カバー部材を備え、
   前記ハウジング部材は、該ハウジング部材の側面に凹設されて順流方向下流端部が前記副空気通路出口部に連通する溝部を有し、
   前記カバー部材は、前記溝部の開放面を塞いで前記副空気通路を閉断面の通路構造とする構成を有することを特徴とする請求項１に記載の発熱抵抗体式空気流量測定装置。
3. 前記切り欠き部は、前記カバー部材を切り欠いて形成されており、溝部の順流方向下流端部から順流方向上流側に所定距離だけ離間した位置まで前記溝部の開放面を開放することを特徴とする請求項２に記載の発熱抵抗体式空気流量測定装置。
4. 前記副空気通路構成部は、前記主空気の順流方向に沿ってループ状に360度迂回する通路形状を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発熱抵抗体式空気流量測定装置。
5. 前記発熱抵抗体の順流方向上流側と順流方向下流側に感温抵抗体を配置し、該感温抵抗体の温度差を測ることによって、前記空気流量と前記空気の流れ方向を計測する流量計測素子を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発熱抵抗体式空気流量測定装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の前記発熱抵抗体式空気流量測定装置を使用する内燃機関の燃料噴射システム。

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