JP2013092504A

JP2013092504A - 流量測定方法及び装置

Info

Publication number: JP2013092504A
Application number: JP2011236188A
Authority: JP
Inventors: Toshikuni Kurokawa; 敏邦黒川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-05-16

Abstract

【課題】脈動流に対して精度よく流量を測定できる流量測定方法及び装置を提供する。
【解決手段】差圧ΔＰが生じる流路におけるガス流量を、差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの積を求める算出項を有する原理式により演算する流量測定において、位相補正演算部２ａにより差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの位相差を補正する。流量演算部２ｂは、その位相差を補正をした差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsを用いて脈動流のガス流量を演算し、測定値とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気再循環）流量測定に好適な流量測定方法及び装置に関するものである。

従来、流路の上下流間の差圧及び絶対圧等から流量を測定するガス流量測定技術として、特許文献１に記載のものがあった。
これは、層流式の流量計であって、外側管の内周とその内部の内側管の外周で形成する環状流路を一重又は複数重用いて、差圧発生に必要なラミナー素子とするというもので、流量の数値を所定値以内の偏差に収め、また構成の簡便化を図ることを課題としたものである。

特開２０１０−２７６４４０号公報

しかしながら上記従来技術では、エンジンの排出ガスやＥＧＲガス等の脈動流の流量（平均流量）を測定すると、実際の流量と比べて小さく測定されてしまい、流量測定の精度が低い。

本発明は、上記のような実情に鑑みなされたもので、脈動流に対して精度よく流量測定可能な流量測定方法及び装置を提供することを課題とする。

上記課題は、流量測定方法及び装置を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。

以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（２）項が請求項２に、（３）項が請求項３に、各々対応する。

（１）上下流間に差圧が生じる流路におけるガス流量を、前記差圧と絶対圧の積を求める算出項を有する原理式により演算し、測定値とする流量測定方法であって、前記差圧と絶対圧の位相差を補正し、該位相差を補正をした差圧と絶対圧を用いて前記原理式により脈動流のガス流量を演算し、測定値とすることを特徴とする流量測定方法。
（２）上下流間に差圧が生じる流路におけるガス流量を、前記差圧と絶対圧の積を求める算出項を有する原理式により演算回路が演算し、測定値として出力する流量測定装置であって、前記演算回路は、前記差圧と絶対圧の位相差を補正する位相補正演算部と、該位相補正演算部により位相差が補正された差圧と絶対圧を用いて前記原理式により脈動流のガス流量を演算し、測定値として出力する流量演算部とを具備することを特徴とする流量測定装置。
（３）前記位相補正演算部は、前記差圧又は絶対圧の時系列データのうちのいずれか一方を基準として他方の位相を変化させながら前記差圧と絶対圧の相互相関係数又は差の自乗和を演算し、相互相関係数が最大又は差の自乗和が最小となる位相を他方の位相とすることで前記差圧と絶対圧の位相差をなくす位相差補正を行うことを特徴とする（２）項に記載の流量測定装置。

（１）項に記載の発明によれば、差圧と絶対圧の位相差を補正し、この位相差を補正をした差圧と絶対圧を用いて脈動流のガス流量を演算するようにしたので、脈動流に対して精度よく流量測定可能な流量測定方法を提供できる。
（２）項に記載の発明によれば、流量演算部は、差圧と絶対圧の位相差を補正する位相補正演算部により位相差が補正された差圧と絶対圧を用いて脈動流のガス流量を演算し、測定値として出力するようにしたので、脈動流に対して精度よく流量測定可能な流量測定装置を提供できる。
（３）項に記載の発明によれば、簡易な構成にて（２）項に記載の流量測定装置を実現できる。

本発明による流量測定装置の一実施形態を示す全体構成図である。ＥＧＲ流量計による脈動流の流量測定において差圧と絶対圧の間に位相差が生じる様子を示すグラフである。差圧及び絶対圧の時系列データを曲線で模式的に示す図である。図１中の位相補正演算部による位相補正を説明するためグラフである。１／２周期の位相差を有する差圧と絶対圧を例示するグラフである。本実施形態の作用効果の一例を説明するための表図である。

以下、本発明の実施の形態を説明するが、それに先立ち、まず、本発明に至った経緯について述べる。
層流式のＥＧＲ流量計では、基本的に下記原理式（１）によって流量を演算するが、この原理式（１）中には、差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの積（ΔＰ×Ｐabs）を求める項ＰＴが存在する。

原理式（１）において、
Ｍは質量流量、
ΔＰは差圧（ラミナー素子による圧損の検出値）、
Ｐabsはガス絶対圧、
Ｔはガス温度、
Ｋはガス組成と温度にて決まる定数、
Ａ、Ｂは定速流にて基準流量計との比較にて決まるフルスケールとリニアリティ調整係数、
である。

上記原理式（１）中の各検出値、物性値は、理想的には完全に同一の位置における値とされるべきであるが、一定速度の流れ等の時空間的に大きな変化がない場合に限って、位置のずれが許容される。しかし、ＥＧＲ流量計の場合、ラミナー素子の上下流の差圧（圧損）を検出するため差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの検出位置は必然的にずれざるを得ない。したがって、脈動流に対し、差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの間に時間的位相差（以下、単に位相差と記す。）が発生する。このことは、発明者等の実験によっても確認されている（図２参照）。
本来は同位相で積を求めるべき差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsが、位相がずれた状態で積が求められると、その値（積）が小さくなる。つまり、実際の流量と比べて小さい流量が測定されてしまう。
発明者等は、実験、解析等によって、このことが従来、脈動流に対して精度の高い流量測定ができない要因であるとの知見を得、これに基づき、差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの間を位相差を補正によってなくし、脈動流に対しても精度よく流量（平均流量）測定すべく、本発明に至った。
なお、以上の知見及びこれに基づく位相差の補正による本発明の効果は、流量演算の原理式中に差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの積を求める項ＰＴが存在すれば同様に発揮できる。したがって、流量演算の原理式中に差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの積を求める項ＰＴが存在する他の流量計、例えば差圧式あるいは超音波式等の流量計であっても、上記の層流式の流量計と同様に本発明を適用でき、同様の効果を発揮できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図１は、本発明による流量測定装置（流量測定方法）の一実施形態を示す全体構成図である。
この図１に示すように、本発明の流量測定装置は、層流式ＥＧＲ流量計１及び演算回路ユニット２を備えてなる。

ここで、層流式ＥＧＲ流量計１は、流量測定流路（以下流路と略記する。）３の上下流間に挿入されている。
本実施形態では、自動車等のエンジンのＥＧＲガス１１の流量を測定すべく、エンジンの排気管に通じるＥＧＲガス入口３ａ及びインテークマニホールド（インマニ）４へのＥＧＲガス供給口（ＥＧＲガス出口３ｂ）相互間に挿入されている。
層流式ＥＧＲ流量計１は、その出入口相互間にラミナー素子（層流生成素子）１ａを備え、また、差圧検出ポート１ｂ、絶対圧検出ポート１ｃ及び熱電対１ｄを備える。
層流式ＥＧＲ流量計１の差圧計１ｅは上記差圧検出ポート１ｂからの信号により差圧ΔＰ（ラミナー素子による圧損：ラミナー素子１ａを挟んだ上下流間の圧力差）を測定し、絶対圧計１ｆは絶対圧検出ポート１ｃからの信号により絶対圧Ｐabsを測定し、温度計１ｇは熱電対１ｄからの信号により温度Ｔを測定する。

図１中のバルブ５は、流路３のＥＧＲガス入口３ａにて同流路３を開閉する弁である。流路３に供給されるＥＧＲガス１１のＣＯ2ex濃度、インマニ４へのＥＧＲガス１１のＣＯ2in濃度及びインマニ４内への吸気量は、適宜計測される。インマニ４内への吸気１２の量（吸気量）は、例えば熱線式エアフローメータ（ＡＦＭ）により計測される。

上記演算回路ユニット２は、位相補正演算部２ａと流量演算部２ｂとを備えてなる。
ここで位相補正演算部２ａは、ＥＧＲガス１１の差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの位相差を補正する演算回路部である。

流量演算部２ｂには、差圧計１ｅにより検出された差圧ΔＰ、絶対圧計１ｆにより検出された絶対圧Ｐabs及び温度計１ｇにより検出された温度Ｔが入力される。この場合、差圧ΔＰ、絶対圧Ｐabsは、位相補正演算部２ａにより位相差が補正された後の差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsである。
流量演算部２ｂは、上記原理式（１）によってＥＧＲ流量を演算する。この演算は、上記ΔＰ、Ｐabs及びＴと、これら以外の予め計算され又は特定されて内部のメモリに保持されている後記する各検出値、物性値を用いて行われる。

流量演算部２ｂは、上記のように位相補正演算部２ａによって、ＥＧＲガス１１の差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの位相差に対して補正が加えられた、具体的には位相差が０とされた後の差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsを用い、上記原理式（１）によってＥＧＲ流量を演算する。したがって、上記原理式（１）中の差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの積（ΔＰ×Ｐabs）を演算しても誤差を生じさせないＥＧＲ流量の演算が行える。このＥＧＲ流量の演算結果（流量測定値）は出力部６に出力、例えばディスプレイに表示される。

上記の位相補正演算部２ａによる位相補正は、本実施形態では次のように行われる。
まず位相補正演算部２ａは、差圧計１ｅ、絶対圧計１ｆ及び温度計１ｇより、ＥＧＲガス１１の差圧ΔＰ、絶対圧Ｐabs及び温度Ｔの時系列データを脈動周期の２周期以上取得し、内部のバッファメモリに記録する。
図３に、上記の２周期以上の差圧ΔＰ及び絶対圧Ｐabsの時系列データを曲線で模式的に示す。破線は絶対圧Ｐabs、実線は差圧ΔＰを示す。破線で囲んだ区間は脈動周期の２周期を示す。

次に位相補正演算部２ａは、上記ＥＧＲガス１１の差圧ΔＰ又は絶対圧Ｐabsの曲線（時系列データ）のうちのいずれか一方を基準として他方の位相を一定幅τずつシフトさせながら、各位相における差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの相互相関係数又は差の自乗和を演算する。
そして、相互相関係数が最大又は差の自乗和が最小となる位相τｓ（他方の曲線が一方の曲線に最も重なる位相）を他方の位相とすることで、差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの位相差をなくす位相差補正が行われる。

図４を参照しながら、上記の位相差補正について更に詳しく説明する。
まず位相補正演算部２ａは、上記のバッファメモリからＥＧＲガス１１の差圧ΔＰ及び絶対圧Ｐabsの時系列データを読み出す。
読み出された差圧ΔＰ及び絶対圧Ｐabsの時系列データは、図４中の期間Ｉにおける差圧ΔＰ（ｔ）（実線で示す曲線：黒丸データ点列）及び絶対圧Ｐabs（ｔ）（破線で示す曲線：白丸データ点列）である。

次に位相補正演算部２ａは、差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの位相差を以下のように計算する。
すなわち位相補正演算部２ａは、いずれか一方のデータ、ここでは差圧ΔＰ（ｔ）を基準として絶対圧Ｐabs（ｔ）の位相を一定幅τずつシフトさせながら、各位相における差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの相互相関係数又は差の自乗和を演算する。
そして、相互相関係数が最大又は差の自乗和が最小となる位相τｓ（他方の曲線が一方の曲線に最も重なる位相）を次のように求める。

相互相関係数が最大となる絶対圧Ｐabsの位相は、

τ＝−（Ｔｎ−Ｔ１）／２〜（Ｔｎ−Ｔ１）／２にて、
Ｒ_ΔPPabs（τ）が最大となるτｓを計算することによって求まる。

差の自乗和が最小となる絶対圧Ｐabsの位相は、

τ＝−（Ｔｎ−Ｔ１）／２〜（Ｔｎ−Ｔ１）／２にて、
Ｅ_ΔPPabs（τ）が最小となるτｓを計算することによって求まる。

図４中の期間II〜Ｖまでの差圧ΔＰ（ｔ）、絶対圧Ｐabs（ｔ）及び相互相関係数、差の自乗和を示す各グラフは、期間IVにおいて相互相関係数が最大、かつ差の自乗和が最小となることが求まるまでの様子を模式的に示す。

相互相関係数が最大又は差の自乗和が最小となる位相τｓが求まると、差圧ΔＰに対する絶対圧Ｐabs（又は絶対圧Ｐabsに対する差圧ΔＰ）の位相差を０にする。すなわち、上記原理式（１）を演算する際のＰabs（ｔ）にＰabs（ｔ一τｓ）を代入するように、位相補正演算部２ａのバッファメモリ等にその値Ｐabs（ｔ一τｓ）を保持する。

温度Ｔ（ｔ）に対しても、上述した差圧ΔＰ（ｔ）〔又は絶対圧Ｐabs（ｔ）〕を基準に絶対圧Ｐabs（ｔ）〔又は差圧ΔＰ（ｔ）〕の位相差を０にする方法と同様にして、差圧ΔＰ（ｔ）〔又は絶対圧Ｐabs（ｔ）〕との位相差を０にする（要するに、ＥＧＲガス１１の差圧ΔＰ、絶対圧Ｐabs及び温度Ｔの各時系列データ間の位相差を０にする）。

最後に、上記のようにＥＧＲガス１１の差圧ΔＰ、絶対圧Ｐabs及び温度Ｔの位相補正がされて位相差が０とされた際の差圧ΔＰ、絶対圧Ｐabs及び温度Ｔの値を用い、上記原理式（１）によってＥＧＲ流量を演算し、演算結果（流量測定値）を出力部６に表示する。

本実施形態では、差圧ΔＰが生じる流路におけるガス流量を、差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの積を求める算出項を有する原理式〔本実施形態では上記原理式（１）〕により演算し、測定値とする流量測定において、位相補正演算部２ａにより差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの位相差を補正する。そして流量演算部は、その位相差を補正をした差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsを用いて脈動流のガス流量を演算し、測定値とするようにした。
したがって本実施形態によれば、差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの積の演算が、同じ位相による差圧ΔＰと絶対圧Ｐabsの値で演算されるので、演算される脈動流のガス流量の値（測定値）の精度を高めることができる。

なお、差圧と絶対圧の位相差を補正せず、その位相差が例えば図５に示すように１／２周期ある場合、上記原理式（１）中の（ΔＰ×Ｐabs）^１+B（Ｂは−０．２５近傍）の値は、位相差がないときの２０％低下する。一方、位相差を補正すれば、誤差が０％に近くなるという発明者等の実験結果（図６参照）が得られている。図６には、位相差が１／２周期以外の値である場合の発明者等の実験結果も示す。
原理式（１）中の（ΔＰ×Ｐabs）^１+Bの値は、ＥＧＲ流量計の流量測定値に比例する値であるから、脈動流に対する流量測定の精度の高低の評価に使用できる。

１：層流式ＥＧＲ流量計、１ａ：ラミナー素子、１ｂ：差圧検出ポート、１ｃ：絶対圧検出ポート、１ｄ：熱電対、２：演算回路ユニット、２ａ：位相補正演算部、２ｂ：流量演算部、３：流路、４：インテークマニホールド（インマニ）、１１：ＥＧＲガス、ΔＰ：差圧、Ｐabs：絶対圧。

Claims

上下流間に差圧が生じる流路におけるガス流量を、前記差圧と絶対圧の積を求める算出項を有する原理式により演算し、測定値とする流量測定方法であって、
前記差圧と絶対圧の位相差を補正し、
該位相差を補正をした差圧と絶対圧を用いて前記原理式により脈動流のガス流量を演算し、測定値とすることを特徴とする流量測定方法。
上下流間に差圧が生じる流路におけるガス流量を、前記差圧と絶対圧の積を求める算出項を有する原理式により演算回路が演算し、測定値として出力する流量測定装置であって、
前記演算回路は、
前記差圧と絶対圧の位相差を補正する位相補正演算部と、
該位相補正演算部により位相差が補正された差圧と絶対圧を用いて前記原理式により脈動流のガス流量を演算し、測定値として出力する流量演算部とを具備することを特徴とする流量測定装置。
前記位相補正演算部は、
前記差圧又は絶対圧の時系列データのうちのいずれか一方を基準として他方の位相を変化させながら前記差圧と絶対圧の相互相関係数又は差の自乗和を演算し、相互相関係数が最大又は差の自乗和が最小となる位相を他方の位相とすることで前記差圧と絶対圧の位相差をなくす位相差補正を行うことを特徴とする請求項２に記載の流量測定装置。