JP2012127864A - 脈動流の流量測定方法およびガス流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ラミナー式流量計の測定対象たるガスの流れが、レイノルズ数が十分に小さい層流でない脈動流であっても、ガスの流量を正確に測定することができる脈動流の流量測定方法およびガス流量測定装置を提供する。
【解決手段】ラミナー式流量計２を用いた流量測定方法であって、測定前に、脈動周波数を複数設定するとともに、流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量Ｑ_ａを設定し、各脈動周波数と各基準流量Ｑ_ａとを組み合わせた各パターンのガスの流れを、脈動振幅ｘを変化させながら、ラミナー式流量計２によって測定（測定流量ｙを取得）し、各パターンにおいて、ラミナー式流量計２による測定流量ｙと脈動振幅ｘとの関係を表す関数を算出しておき、測定において、当該測定の測定条件に最も近似するパターンを各パターンから選択するとともに、選択したパターンにおける関数を用いて、ラミナー式流量計２による測定流量ｙを補正する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ラミナー式流量計を用いた脈動流の流量測定方法およびガス流量測定装置の技術に関する。

流体（気体）の流量測定に用いられる流量計として、ラミナー式流量計が知られている。ラミナー式流量計は、レイノルズ数が十分に小さい層流においては、流体の粘性抵抗による圧力降下（差圧）が、流体の流速（流量）に比例するというハーゲン・ポアズイユの法則を利用するものであり、微小流量を高精度に測定できるという特性を有している。
ハーゲン・ポアズイユの法則は、体積流量をＱ（ｍ^３）、円管直径をｄ（ｍ）、圧力測定点間の距離をＬ（ｍ）、圧力測定点間の差圧をΔＰ（Ｐａ）、流体の粘度をμ（Ｐａ・ｓ）と規定するとき、以下に示す数式１の関係が成立するというものである。

このような特性を有するラミナー式流量計を用いて、自動車（エンジン）から排出される排気ガス等の脈動流の流量を測定する技術があり、例えば、以下に示す特許文献１にその技術が開示され公知となっている。
特許文献１に開示された従来技術では、排気管の直後にラミナー式流量計を配置して、該ラミナー式流量計によって、自動車（エンジン）から排出される排気ガスの全流量を測定する構成としている。

特開２００７−２４７３０号公報

ラミナー式流量計は、測定対象たる流体の流れが、レイノルズ数の十分に小さい層流である場合には、図８に示すグラフ（１）のように、測定結果（即ち、差圧と流量の関係）が線形となるが、流れ場がレイノルズ数の十分に小さい層流でない場合には、図８に示すグラフ（２）のように、測定した差圧と流量の線形性が崩れ（即ち、非線形になり）、既知の流量（真の流量）である基準流量と測定流量が一致しない（即ち、測定誤差が生じる）ことが判明している。

一般的に脈動流の流量を測定する場合には、流量計の上流側にサージタンク等のバッファを設けて、脈動を機械的にカットして測定誤差を抑制する対策がとられるが、例えば、ラミナー式流量計をエンジンにおけるＥＧＲガスラインに実装し、ＥＧＲガスの流量測定に用いるような場合には、エンジン性能に影響を与えるため、バッファを設けることができない。

また、排気管から出た（開放された）後に排気ガスの流量を測定する場合には、ラミナー式流量計の圧力損失や大きさはあまり問題とはならないが、ラミナー式流量計をエンジンに実装する場合には、ＥＧＲガスの流れを可能な限り阻害しないように、ラミナー式流量計を低圧損化することが必要になり、また、エンジン回りのスペースに実装するためには、ラミナー式流量計を小型化することが必要になる。
そして、ラミナー式流量計を低圧損化および小型化した場合には、低圧損化および小型化をしない場合に比して、ラミナー式流量計を通過する流体の流速が増大する。
このため、ラミナー式流量計の低圧損化および小型化を図ってエンジンに実装をした場合には、ラミナー式流量計の測定対象たるＥＧＲガスの流れが、レイノルズ数の十分に小さい層流ではなくなってしまうため、ラミナー式流量計によって、ＥＧＲガスの流量を正確に測定することが困難になるという問題があった。

また、ラミナー式流量計を用いた脈動流の流量測定においては、図９（ａ）に示すように、流量が既知である基準流量を測定した場合に、真の流量Ｚに対して測定流量が少ない値として測定される傾向にあることが判明している。
ラミナー式流量計では、上流側と下流側に一定の距離（距離Ｌ、数式１参照）だけ離間した位置で測定した各圧力の差圧に基づいて流量を算出するようにしている。この上流側と下流側の各圧力は、厳密には同じ時刻における同じガスの流れの圧力ではなく、上流側と下流側の各圧力には位相差が存在している。
定常流の流量測定においては、この位相差は測定誤差を生じさせる要因とはならないが、脈動流の流量測定においては、この位相差に起因して測定誤差が生じるものと考察できる。

ここで、上流側と下流側の各圧力の位相差に起因して測定誤差が生じるものとした考察について、さらに検討をする。
上流側と下流側の各圧力の位相差を考慮して、差圧ΔＰを机上においてシミュレーションすると、差圧ΔＰは以下に示す数式２のように表すことができる。
尚、以下に示す数式２では、上流側の圧力測定部における圧力をＰ_１、下流側の圧力測定部における圧力をＰ_２、位相差をα、脈動周波数をｆ、脈動振幅をＡ・Ｂ、差圧ΔＰのＤＣ成分（オフセット値）をΔＰ_ＤＣと規定している。

そして、この数式２を用いたシミュレーションにより算出した差圧ΔＰから、流量を算出すると、差圧と流量の関係は図９（ｂ）に示すようなグラフとして表される。
この図９（ｂ）では、真の流量Ｚに対して、算出した流量が少ない値として算出される傾向が示されており、この傾向は、図９（ａ）に示すラミナー式流量計により脈動流を実際に測定した場合の測定結果における傾向と良く一致している。

さらに、差圧の各平均値（即ち、ΔＰ_ＤＣ）ｐ_１・ｐ_２が同じ（ｐ_１＝ｐ_２）であり、また各脈動周波数ｆ_１・ｆ_２も同じ（ｆ_１＝ｆ_２）であって、各脈動振幅Ａ_１・Ａ_２のみが異なっている（Ａ_１＜Ａ_２）条件とした図１０（ａ）（ｂ）に示すような二つのモデル波形Ｗ_１・Ｗ_２を用いて、机上のシミュレーションを行う。

そして、このような各モデル波形Ｗ_１・Ｗ_２に基づいて算出した各平均流量ｑ_１・ｑ_２を比較すると、図１０（ａ）（ｂ）に示すように、各平均流量ｑ_１・ｑ_２は、ｑ_１＞ｑ_２となり、脈動振幅がより大きいモデル波形Ｗ_２の場合に、平均流量の値がより小さくなっている。
さらに、脈動振幅の大きさを種々変更してシミュレーションを行った場合にも、脈動振幅がより大きいモデル波形の場合に、平均流量の値がより小さくなることが確認された。

このようなシミュレーション結果から、ラミナー式流量計を用いて脈動流を測定した場合の流量は脈動振幅と相関しており、脈動振幅が大きくなるに従って測定誤差が大きくなり、また、脈動振幅が小さくなる（即ち、定常流に近づく）に従って測定誤差が小さくなることが判明した。
即ち、ラミナー式流量計による脈動流の流量測定において生じる測定誤差は、脈動振幅の大きさに影響を受けているものと考察される。

このように、ラミナー式流量計は、測定結果が脈動振幅による影響を受けるという特性を有しているため、ラミナー式流量計の低圧損化および小型化を図った場合であって、さらに、測定対象たる流体の流れが脈動流である場合には、流体の流量を正確に測定することが困難であるという問題があった。

本発明は、斯かる現状の課題を鑑みてなされたものであり、ラミナー式流量計の測定対象たるガスの流れが、レイノルズ数が十分に小さい層流でない脈動流であっても、ガスの流量を正確に測定することができる脈動流の流量測定方法およびガス流量測定装置を提供することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、ラミナー式流量計を用いた脈動流の流量測定方法であって、測定前の準備において、測定の対象とする脈動周波数を複数設定するとともに、流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量を設定し、設定した各脈動周波数と設定した各基準流量とを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅を変化させながら、前記ラミナー式流量計によって流量を測定し、前記各測定パターンにおいて、前記ラミナー式流量計による測定流量と脈動振幅との関係を表す関数を算出しておき、測定において、当該測定の測定条件に最も近似する測定パターンを前記各測定パターンから選択するとともに、選択した測定パターンにおいて算出された前記関数を用いて、前記ラミナー式流量計により測定したガスの流量を補正するものである。

請求項２においては、測定において、前記ラミナー式流量計により測定したガスの流量は、前記関数に、脈動振幅を０として代入したときの値に基づいて補正するものである。

請求項３においては、ガス流量の測定を行うラミナー式流量計と、測定の対象とする脈動周波数が複数設定されるとともに、流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量が設定され、設定された各脈動周波数と設定された各基準流量とを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅を変化させながら、前記ラミナー式流量計によって測定した結果に基づいて、前記各測定パターンにおいて、前記ラミナー式流量計による測定流量と脈動振幅との関係を表す関数を算出し、測定時における測定条件に最も近似する測定パターンを前記各測定パターンから選択するとともに、選択した測定パターンにおいて算出された前記関数を用いて、前記ラミナー式流量計により測定したガスの流量を補正するコントローラと、を備えるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、ラミナー式流量計により、レイノルズ数が十分に小さい状態ではない脈動流の流量を精度良く測定することができる。

請求項２においては、ラミナー式流量計による測定流量の補正値を、精度良く真の流量に近づけることができる。

請求項３においては、ラミナー式流量計により、レイノルズ数が十分に小さい状態ではない脈動流の流量を精度良く測定することができる。

本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置の全体構成を示す模式図。 本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置と共に用いる検定装置を示す模式図。 基準流量（１０００ｒｐｍ時）における脈動振幅の関係を示す図。 本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置における図３に基づく補正方法を示す図。 本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置のＥＧＲガスラインへの配置状況を示す模式図。 本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置における補正の流れを示す図。 補正後の流量測定結果を示す模式図。 ラミナー式流量計による差圧（流量）の測定結果を示す図。 流量の算出結果を示す図、（ａ）ラミナー式流量計による実測値（レイノルズ数が十分に小さい状態ではない脈動流を測定した場合）を示す図、（ｂ）モデル波形に基づく机上シミュレーションにより算出した値を示す図。 モデル波形を用いた場合の流量の算出結果を示す模式図、（ａ）脈動振幅が小さい場合を示す図、（ｂ）脈動振幅が大きい場合を示す図。

次に、発明の実施の形態を説明する。
まず始めに、本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置の全体構成について、図１を用いて説明をする。
図１に示す如く、本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置１は、管内を流れるガスの流量を測定するための装置であって、ラミナー式流量計２、差圧検出部３、コントローラ４等を備えている。

ラミナー式流量計２は、フランジ等の接続手段により測定対象たる流れ場を形成する配管部材５・５の中途部に気密的に接続されている。
さらにラミナー式流量計２について詳述すると、ラミナー式流量計２は、その内部にエレメント２ａを備えている。また、ラミナー式流量計２は、エレメント２ａを通過するガスのエレメント２ａの上流側における圧力Ｐ_１を検出するための部位である上流側圧力検出部２ｂと、該圧力検出部２ｂから軸心方向に距離Ｌだけ離間した位置においてエレメント２ａの下流側における圧力Ｐ_２を検出するための部位である下流側圧力検出部２ｃを備えている。

各圧力検出部２ｂ・２ｃは、それぞれ導管６・７によって差圧検出部３に接続されており、該差圧検出部３によって、圧力Ｐ_１と圧力Ｐ_２の差圧ΔＰ（即ち、ΔＰ＝Ｐ_１−Ｐ_２）を検出する構成としている。
また、エレメント２ａの内部には、温度センサ８・９が挿入されており、エレメント２ａを通過するガスの温度Ｔを検出する構成としている。

コントローラ４は、ラミナー式流量計２および差圧検出部３により検出した差圧ΔＰと、各温度センサ８・９により検出した温度Ｔおよびラミナー式流量計２の入口におけるガスの絶対圧力Ｐ_ｉｎの各情報に基づいて、ガスの質量流量Ｇｅを演算するための装置であり、差圧検出部３および各温度センサ８・９に接続されている。
そして、コントローラ４には、差圧検出部３から差圧ΔＰに係る信号と、各温度センサ８・９からは、各温度Ｔ_１・Ｔ_２に係る信号が入力される。また、コントローラ４には、ラミナー式流量計２の入口において検出した絶対圧力Ｐ_ｉｎも入力される。

尚、本実施形態では、コントローラ４に入力される絶対圧力Ｐ_ｉｎとしては、上流側の圧力Ｐ_１を採用している。また、本実施形態では、コントローラ４によって、上流側の温度センサ８により検出した温度Ｔ_１と下流側の温度センサ９により検出した温度Ｔ_２の平均値（即ち、（Ｔ_１＋Ｔ_２）／２）を算出し、この平均値をエレメント２ａ内部におけるガスの温度Ｔとして採用している。

また、コントローラ４は、検出した差圧ΔＰから、その差圧ΔＰを検出したときの脈動振幅を算出することもできる。

そして、コントローラ４は、以下の数式３〜数式７に基づいて、ガス質量流量Ｇｅを算出する。
尚、以下に示す数式３〜数式７においては、ガス質量流量をＧｅ（ｇ／Ｌ）、ガス温度をＴ（Ｋ）、ガス密度をρ_ＥＸ（ｇ／Ｌ）、実体積流量をＱ_ｏｐｅ（ｇ／Ｌ）、２０℃・１ａｔｍの状態に換算した標準換算体積流量をＱ_ｓｔｐ、２０℃における空気の粘性係数をμ_{２０（Ａｉｒ）}、Ｔ（Ｋ）におけるガスの粘性係数をμ_{Ｔ（ＥＸ）}、２０℃における流量係数をＫ_２０、ラミナー式流量計２の入口におけるガスの絶対圧力をＰ_ｉｎ（ｋＰａ）、と規定している。
また、数式４中に示すａおよびｂは、各ラミナー式流量計２に固有の定数であり、ラミナー式流量計２の校正により求められる値である。

次に、本実施形態に係るガス流量測定装置１における流量の補正方法について、図２〜図４を用いて説明をする。
本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置１は、ラミナー式流量計２を用いて測定した流量が脈動振幅と相関関係にあるという考察結果に着目し、この相関関係を利用して測定流量を補正するものであり、これによって、ガスの流れがレイノルズ数の十分に小さい層流ではなく、かつ脈動流であっても、精度良く流量の測定を行うことを可能にするものである。
尚、本実施形態では、図２に示すような検定装置２０を用いる場合を例示して説明をする。

図２に示す如く、検定装置２０は、ラミナー式流量計２の検定を行ったり（即ち、数式４における各定数ａ・ｂを算出したり）、後述する学習運転を行ったりするための装置であり、基準流量計２１、ブロア２２、回転バルブ２３、絞りバルブ２４およびこれらの各部を連通する風管２５・２５・・・等を備えている。

基準流量計２１は、既に検定等がなされ、測定対象たるガスの流れに対して流量の測定精度が確保されている流量計である。検定装置２０では、基準流量計２１による流量の測定値を真の流量として採用する。
ブロア２２は、例えば、回転数をインバータ制御等することにより送風量を変更することができる送風機である。
回転バルブ２３は、弁体を回転させることによって、流路の開状態と閉状態を周期的に切り換えることができる弁装置であり、弁体の回転数を変更することによって、ガスの流れの脈動周波数を調整することができる。
絞りバルブ２４は、測定対象たるガスの流路における管内抵抗を調整するための弁装置であり、絞りバルブ２４の開度を変更することによって、ガスの流れの脈動振幅を調整することができる。
さらに、検定装置２０は、ラミナー式流量計２による測定対象たる流れ場の温度条件を整えるためのヒータ２６等も備えている。
そして、検定装置２０は、測定対象たるガスの平均流量、脈動周波数、脈動振幅等の各条件を変化させることができ、測定対象たるガスの真の流量を把握しつつ、脈動周波数や脈動振幅が異なる種々のパターンのガスの流れを再現することができる。

ここで、図２に示す検定装置２０の使用方法の一例を、説明をする。
まず、回転バルブ２３の回転数（即ち、脈動周波数Ｒ）を、一定とする。例えば、図３では、回転数を１０００（ｒｐｍ）（即ち、脈動周波数Ｒ＝６６．６７（Ｈｚ））に固定した場合を例示している。
ここでは、絞りバルブ２４の設定により、ガスの流れを定常流（即ち、脈動振幅が「０」）としておく。
そして、基準流量計２１の測定値により流量を確認しながら、ブロア２２の送風量を変更する。
この状態で、ラミナー式流量計２による測定を行い、差圧ΔＰと測定流量ｙとの関係を得ておく。
そして、この測定結果から、ラミナー式流量計２に固有の各定数ａ・ｂ（数式４参照）が得られる。例えば、本実施形態において各係数ａ、ｂは、ａ＝１８．５３、ｂ＝−０．２４１１として導出される。

次に、同じく回転バルブ２３の回転数回転数を１０００（ｒｐｍ）（即ち、脈動周波数Ｒ＝６６．６７（Ｈｚ））に固定した状態で、基準流量計２１の測定値を、１〜１０（Ｌ／Ｓ）の範囲で、１（Ｌ／Ｓ）ずつステップ状に変化させた各測定パターンを設定する。
尚、以下では、基準流量計２１の測定値を基準流量Ｑ_ａと呼ぶ。
また、基準流量Ｑ_ａのステップ幅をどの程度に設定するかは、ラミナー式流量計２の使用条件や使用目的等に応じて適宜設定する。

次に、例えば基準流量Ｑ_ａを、１（Ｌ／Ｓ）に設定した測定パターンにおいて、絞りバルブ２４の開度を変更して、脈動振幅ｘを変化させる。
本実施形態では、脈動振幅ｘを、１〜３（ｋＰａ）の範囲で、０．５（ｋＰａ）ずつステップ状に変化させるようにしている。
また、脈動振幅の変更（ステップ）幅をどの程度に設定するかは、ラミナー式流量計２の使用条件や使用目的等に応じて適宜設定する。

そして、１〜３（ｋＰａ）の脈動振幅である各状態において、ラミナー式流量計２によって流量の測定を行い、ラミナー式流量計２により検出した差圧ΔＰや温度Ｔ等から、測定流量ｙを算出する。
これにより、脈動周波数Ｒが６６．６７（Ｈｚ）で、かつ、基準流量Ｑ_ａが、１（Ｌ／Ｓ）であって、脈動振幅が異なる各状態におけるラミナー式流量計２の測定流量が得られ、図３中に示す基準流量Ｑ_ａが１（Ｌ／Ｓ）である場合のグラフを生成することができる。

同様にして、さらに基準流量Ｑ_ａが、２〜１０（Ｌ／Ｓ）の各パターンで、脈動振幅を変化させた各状態において、ラミナー式流量計２による測定流量を得ることによって、図３に示す回転バルブ２３の回転数を１０００（ｒｐｍ）（即ち、脈動周波数Ｒ＝６６．６７（Ｈｚ））に固定した場合のグラフ全体が生成される。

さらに、回転バルブ２３の回転数（即ち、脈動周波数Ｒ）が異なる条件（例えば、回転数が、１１００ｒｐｍ、１２００ｒｐｍ、・・・）で、同様の測定を行うことによって、図３と同様のグラフが脈動周波数Ｒごとに生成される。
尚、脈動周波数の変更範囲や変更単位をどの程度に設定するかは、ラミナー式流量計２の使用条件や使用目的等に応じて適宜設定する。

次に、生成した各グラフに基づいて、測定流量ｙと脈動振幅ｘとの相関を表す関数を算出する。
具体的には、図４に示す如く、例えば基準流量Ｑ_ａが、９（Ｌ／Ｓ）であるグラフの各測定点を通過する近似曲線Ｋ_９を求める。この近似曲線Ｋ_９は、脈動振幅が「０」であるときには、流量が９（Ｌ／Ｓ）になるという条件の元で、例えば、多項式近似を行うことによって算出できる。
そして、近似曲線Ｋ_９は、例えば、次数を４次として求めた場合には、数式８のように表される。
このようにして、脈動周波数Ｒが６６．６７（Ｈｚ）であって、かつ、基準流量Ｑ_ａが９（Ｌ／Ｓ）である場合の、測定流量ｙと脈動振幅ｘの相関を表す関数が算出できる。

同様にして、各測定パターンにおける基準流量Ｑ_ａごとに、測定流量ｙと脈動振幅ｘの相関を表す関数が算出できる。
そして、本発明の一実施形態に係る脈動流の流量測定方法では、このようにして算出した、測定流量ｙと脈動振幅ｘの相関を表す各関数を用いて、ラミナー式流量計２の測定流量ｙを補正する。
また、測定流量ｙと脈動振幅ｘの相関を表す各関数を算出するために、測定条件を変更しつつ行うこのような運転を学習運転と呼ぶ。
尚、近似曲線を表す近似式を算出する際には、必ずしも一旦グラフ化をする必要はなく、各測定パターンにおける基準流量Ｑ_ａごとの一群の測定データから、直接近似式を算出することも可能である。

次に、測定流量ｙと脈動振幅ｘの相関を表す関数を用いた補正方法について、説明をする。
脈動周波数Ｒが６６．６７（Ｈｚ）である（図３が適用できる）測定パターンで、例えば、ラミナー式流量計２による流量の測定値が、５．０（Ｌ／Ｓ）であって、そのときの脈動振幅が、３．０（ｋＰａ）である場合を例示して説明をする。

図４に示す如く、この場合の測定値は、基準流量Ｑ_ａ＝９（Ｌ／Ｓ）の場合に最も近いため、基準流量Ｑ_ａ＝９（Ｌ／Ｓ）の場合の関数（即ち、数式８）を補正式として採用する。
数式８に、脈動振幅ｘ＝３（ｋＰａ）を代入したときの値は、約４．８（Ｌ／Ｓ）であり、測定値との誤差ｄが、およそ０．２（Ｌ／Ｓ）存在している。

測定値が近似曲線Ｋ_９上に位置する場合には、真の流量は、数式８に脈動振幅ｘ＝０（ｋＰａ）を代入したときの値（即ち、ｙ切片）として算出され、９（Ｌ／Ｓ）となる。
この場合の測定値は、近似曲線Ｋ_９上に位置していないため、数式８に脈動振幅ｘ＝０（ｋＰａ）を代入したときの値を基準値として、さらにその基準値に誤差ｄを加算して、ラミナー式流量計２の測定流量を補正するようにしている。
具体的には、数式８に脈動振幅ｘ＝０（ｋＰａ）を代入したときの基準値（９（Ｌ／Ｓ））に、誤差ｄ（０．２（Ｌ／Ｓ））を加算して、補正値を９．２（Ｌ／Ｓ）を算出する。

次に、本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置１を用いたガス流量の測定状況について、図５〜図７を用いて説明をする。
本実施形態では、図５に示すように、エンジン１０が備えるＥＧＲライン１１においてＥＧＲガスのガス質量流量Ｇｅを測定する用途にガス流量測定装置１を使用する場合を例示して説明をする。

エンジン１０は、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１３を備えており、シリンダヘッド１３には、排気ポート１３ａと吸気ポート１３ｂが形成されている。ＥＧＲライン１１により、排気ポート１３ａと吸気ポート１３ｂを連通させることによって、排気ガスの一部を吸気ポート１３ｂ側に還流させる構成としている。
また、ＥＧＲライン１１は配管部材５・５によってＥＧＲガスの流路を形成しており、該配管部材５・５の中途部にはＥＧＲバルブ１５およびＥＧＲクーラー１６を備えている。そして、ＥＧＲバルブ１５の開度を変更することによって、排気ポート１３ａから吸気ポート１３ｂに還流させる排気ガス（ＥＧＲガス）の流量を調整する構成としている。

ＥＧＲライン１１におけるＥＧＲガスの流量を測定するためには、ラミナー式流量計２を配管部材５・５の中途部に配設する必要がある。このため、ラミナー式流量計２は、エンジン１０に実装できる大きさにすべく小型化を図る必要があり、また、ＥＧＲライン１１における圧力損失を極力抑える必要がある。

この場合、ラミナー式流量計２における流れ場は、小型化に伴って流速が増大するため、レイノルズ数が十分に小さい層流の状態ではなくなっている。このため、ガス流量測定装置１によりＥＧＲライン１１の流量測定を行う場合には、ラミナー式流量計２による測定結果においては、差圧と流量の関係が非線形になる。

また、ＥＧＲライン１１は、エンジン１０の排気ポート１３ａと直結されているため、ＥＧＲライン１１における排気ガスの流れは脈動流となっている。
ＥＧＲバルブ１５の開度は、エンジン１０の回転数および負荷に応じて制御されているため、ＥＧＲライン１１における排気ガスの流れは、エンジン１０の回転数（即ち、脈動周波数）および負荷の変化に応じて、流量が変化している。さらにエンジン１０から排出される排気ガスのような脈動流では、脈動振幅が成り行きで変化している。

図６に示す如く、まず始めに、排気ガスの流れを定常流（即ち、脈動振幅が「０」）とした状態において、ラミナー式流量計２の検定を行う（ＳＴＥＰ−１）。
ガス流量測定装置１をエンジン１０に実装した状態で検定を行う場合には、ＥＧＲバルブ１５の開度を調整して、排気ガスの流れを定常流としておく。
また、エンジン１０の回転数（即ち、脈動周波数）を一定に保持するとともに、エンジン１０に対する負荷を調整して、基準流量Ｑ_ａである排気ガスを流通させる。
そして、このような運転状態において、ラミナー式流量計２による測定を行い、図３に示すものと同様の流量と差圧の関係を得る。そして、このようにして得た流量と差圧の関係から各係数ａ、ｂを導出しておく。

また、ガス流量測定装置１をエンジン１０に実装した状態においては、基準流量計２１を用いなくとも、ＥＧＲ率から基準流量Ｑ_ａを算出することができる。
ＥＧＲ率は、例えば、以下の数式９により算出することができる。
尚、数式９では、ＥＧＲガス質量流量をＧｅ、吸入空気質量流量をＧａと規定している

また、ＥＧＲ率は、代用特性を用いて算出することもできる。
例えば、ＥＧＲライン１１の各部においてＣＯ_２濃度を測定すれば、以下の数式１０に基づいてＥＧＲ率を算出することができる。
尚、以下の数式１０においては、ＥＧＲがＯＮ時の吸気ポート１３ｂにおけるＣＯ_２濃度を［ＣＯ_２］ｍ、ＥＧＲがＯＦＦ時の吸気ポート１３ｂにおけるＣＯ_２濃度を［ＣＯ_２］ｂ、吸気ＯＦＦ時の排気ポート１３ａにおけるＣＯ_２濃度を［ＣＯ_２］ｅと規定している。

あるいは、空燃比に基づいて、以下の数式１１からＥＧＲ率を算出することもできる。
尚、以下の数式１１においては、ＥＧＲがＯＮ時の空燃比を［Ａ／Ｆ］ｗ／ＥＧＲ、ＥＧＲがＯＦＦ時の空燃比を［Ａ／Ｆ］ｗ／ｏＥＧＲ、ＥＧＲがＯＮ時の吸気ポート１３ｂにおける圧力を［Ｐ］ｗ／ＥＧＲ、ＥＧＲがＯＦＦ時の吸気ポート１３ｂにおける圧力を［Ｐ］ｗ／ｏＥＧＲ、ＥＧＲがＯＮ時の吸気ポート１３ｂにおけるガス温度を［Ｔ］ｗ／ＥＧＲ、ＥＧＲがＯＦＦ時の吸気ポート１３ｂにおけるガス温度を［Ｔ］ｗ／ｏＥＧＲ、と規定している。

そして、この数式１０あるいは数式１１によって算出したＥＧＲ率と、測定した吸入空気質量流量Ｇａを数式９に代入して、ＥＧＲガス質量流量Ｇｅを算出することができる。
このようにして算出したＥＧＲガス質量流量Ｇｅを、検定に用いる基準流量Ｑ_ａ（真の流量）として採用する。

即ち、ガス流量測定装置１をエンジン１０に実装している状態では、ブロア２２および回転バルブ２３の役割をエンジン１０が果たし、絞りバルブ２４の役割をＥＧＲバルブ１５が果たし、さらに、前述した数式９〜数式１１に基づいて基準流量を算出すれば基準流量計２１を設ける必要もないため、検定装置２０を別途準備しなくても学習運転を行うことができる。

次に、各測定パターンで、脈動振幅ｘを変化させつつ、ラミナー式流量計２によって、排気ガスの測定流量ｙを算出する（ＳＴＥＰ−２）。
具体的には、エンジン１０の回転数（即ち、脈動周波数）を一定に保持した状態で、エンジン１０に所定の負荷を与えた状態（各基準流量Ｑ_ａ）において、ＥＧＲバルブ１５の開度（脈動振幅ｘ）を変更しながら、ラミナー式流量計２によって流量測定を行う。

より詳しくは、ラミナー式流量計２によって、エレメント２ａの上流側における圧力Ｐ_１とエレメント２ａの下流側における圧力Ｐ_２を測定するとともに、差圧検出部３により差圧ΔＰを算出し、また、温度センサ８・９によって、エレメント２ａにおける排気ガスの温度Ｔ_１・Ｔ_２を測定し、これらの測定結果および検定により導出した各係数ａ、ｂに基づき、コントローラ４により前述した数式２〜数式６に基づく演算を行うことによって、排気ガス質量流量Ｇｅを算出する。

そして、エンジン１０の回転数を種々変更しつつ、同様の測定を複数回行って、エンジン１０の回転数ごとに、図３と同様のグラフを生成しておく。
そして、生成した（図３と同様の）各グラフから、排気ガスの測定流量ｙと脈動振幅ｘの相関を表す関数を算出する（ＳＴＥＰ−３）。

次に、所定の測定パターンにおいて、脈動振幅ｘを成り行きとした状態で、排気ガスの流量測定を行う（ＳＴＥＰ−４）。
補正前における測定流量ｙは、図９（ａ）に示すグラフと同様のものとなり、誤差が生じている。

次に、生成した（図３と同様の）各グラフから、測定時におけるエンジン１０の回転数に対応したグラフを選択する。さらに、差圧ΔＰの測定値から、測定時における脈動振幅ｘを算出する。
そして、選択したグラフから、測定流量ｙおよび脈動振幅ｘの値が、どの基準流量Ｑ_ａのグラフに最も近いかを判断する。
そして、選択した基準流量Ｑ_ａに対応する補正式を用いて、測定流量ｙの補正を行う（ＳＴＥＰ−５）。
このようにして各測定流量ｙを補正した場合の測定結果は、図７のように示される。

この図７に示される補正後の測定結果は、図９（ａ）に示される測定結果に比して測定誤差が低減されており、ラミナー式流量計２を測定対象たる流体（本実施形態では排気ガス）が、レイノルズ数が十分に小さい層流でない場合であって、かつ、脈動流である場合でも、精度の良い流量測定を実現している。

即ち、本発明の一実施形態に係る脈動流の流量測定方法は、ラミナー式流量計２を用いた流量測定方法であって、測定前の準備において、測定の対象とする脈動周波数を複数設定するとともに、流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量Ｑ_ａを設定し、設定した各脈動周波数と設定した各基準流量Ｑ_ａとを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅ｘを変化させながら、ラミナー式流量計２によって流量を測定（測定流量ｙを取得）し、各測定パターンにおいて、ラミナー式流量計２による測定流量ｙと脈動振幅ｘとの関係を表す関数を算出しておき、測定において、当該測定の測定条件に最も近似する測定パターンを各測定パターンから選択するとともに、選択した測定パターンにおいて算出された関数を用いて、ラミナー式流量計２により測定したガスの流量（測定流量ｙ）を補正するものである。

また、本発明の一実施形態に係るガス流量測定装置１は、ガス流量の測定を行うラミナー式流量計２と、測定の対象とする脈動周波数が複数設定されるとともに、流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量Ｑ_ａが設定され、設定された各脈動周波数と設定された各基準流量Ｑ_ａとを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅ｘを変化させながら、ラミナー式流量計２によって測定した結果（測定流量ｙ）に基づいて、各測定パターンにおいて、前記ラミナー式流量計による測定流量ｙと脈動振幅ｘとの関係を表す関数を算出し、測定時における測定条件に最も近似する測定パターンを前記各測定パターンから選択するとともに、選択した測定パターンにおいて算出された前記関数を用いて、ラミナー式流量計２により測定したガスの流量を補正するコントローラ４と、を備えるものである。
このような構成により、ラミナー式流量計２により、レイノルズ数が十分に小さい状態ではない脈動流の流量を精度良く測定することができる。

また、本発明の一実施形態に係る脈動流の流量測定方法では、測定において、ラミナー式流量計２により測定したガスの流量（測定流量ｙ）は、前記関数に、脈動振幅ｘを０として代入したときの値に基づいて補正するものである。
このような構成により、ラミナー式流量計２による測定流量ｙの補正値を、精度良く真の流量に近づけることができる。

１ ガス流量測定装置
２ ラミナー式流量計
２ａ エレメント
２ｂ 圧力検出部（上流側）
２ｃ 圧力検出部（下流側）
３ 差圧検出部
４ コントローラ
５ 配管部材

Claims (3)

1. ラミナー式流量計を用いた脈動流の流量測定方法であって、
   測定前の準備において、
   測定の対象とする脈動周波数を複数設定するとともに、
   流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量を設定し、
   設定した各脈動周波数と設定した各基準流量とを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅を変化させながら、前記ラミナー式流量計によって流量を測定し、
   前記各測定パターンにおいて、前記ラミナー式流量計による測定流量と脈動振幅との関係を表す関数を算出しておき、
   測定において、
   当該測定の測定条件に最も近似する測定パターンを前記各測定パターンから選択するとともに、
   選択した測定パターンにおいて算出された前記関数を用いて、
   前記ラミナー式流量計により測定したガスの流量を補正する、
   ことを特徴とする脈動流の流量測定方法。
2. 測定において、
   前記ラミナー式流量計により測定したガスの流量は、
   前記関数に、脈動振幅を０として代入したときの値に基づいて補正する、
   ことを特徴とする請求項１記載の脈動流の流量測定方法。
3. ガス流量の測定を行うラミナー式流量計と、
   測定の対象とする脈動周波数が複数設定されるとともに、流量が一定であり、かつ、既知である複数の基準流量が設定され、
   設定された各脈動周波数と設定された各基準流量とを組み合わせた各測定パターンのガスの流れを、脈動振幅を変化させながら、前記ラミナー式流量計によって測定した結果に基づいて、前記各測定パターンにおいて、前記ラミナー式流量計による測定流量と脈動振幅との関係を表す関数を算出し、
   測定時における測定条件に最も近似する測定パターンを前記各測定パターンから選択するとともに、選択した測定パターンにおいて算出された前記関数を用いて、前記ラミナー式流量計により測定したガスの流量を補正するコントローラと、
   を備える、
   ことを特徴とするガス流量測定装置。

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