JP2017062171A - 主空気通路構成部材 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車のエンジンに吸入される空気流量を測定する熱式流量計１で、吸入空気に水や汚損物質が含まれていても、これら汚損物質や水の影響を受けることなく、経時劣化が無く、高精度な測定を実現する。【解決手段】本発明の主空気通路構成部材は、被計測流体の一部を取り込む副通路３を備えた熱式流量計１が取り付けられ、被計測流体が流れる吸気管１１を構成するものである。そして、熱式流量計１の上流側で副通路３の吸気口２から離れた位置に設けられ、主通路１２の軸方向から投影したときに吸気口２が覆われるように設けられた保護部材５を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、流体の流量を計測する熱式流量計の吸気管に係わり、例えば、内燃機関の吸入空気流量を測定するのに好適な熱式流量計に関する。

自動車などの内燃機関の吸入空気量を検出する熱式流量計として、質量流量を直接測定できる熱式の熱式流量計が主流である。
前記熱式熱式流量計は計測する空気温度より高い温度に加熱されたセンサ素子から空気中へ奪われる熱量を電気信号として取り出している。このため、センサ素子表面への汚損物質の堆積や水など液体の被覆はセンサ出力の劣化や誤動作の原因となる。

そこで、計測する空気と供に侵入した汚染物質や水などからセンサ素子を保護する構造が提案されてきた。特開２００５―１２８０３８では吸気通路から分離した渦巻状の副通路中にセンサ素子を配置することが提案されている。渦巻状の構造で空気と汚損物質や水とを慣性分離し、センサ素子は汚損物質や水の到達しにくい場所に配置されている。

本方法は、例えば白金巻線抵抗をセンサ素子に用いた熱式流量計では非常に有効であった。

しかし、近年ではマイクロマシン技術を用いてシリコンなどの半導体基板上に熱式流量計のセンサ素子を製造するものが提案されている。このような半導体タイプのセンサ素子は前記白金巻線抵抗型のセンサ素子に比べて寸法が非常に小さい。形状は薄膜の板状であるため、特に厚さ寸法が数ミクロンと薄くなっている。熱容量が小さいので流量変化への高速応答化や起動時間の短縮、低消費電力などの面では有利であるが、センサ素子への汚損物質や水の衝突や付着の影響が大きくなる点と機械的強度が低下する点で不利である。

特開２００５―１２８０３８号公報

前記渦巻状の副通路構造でも非常に小さく軽い汚損物質や霧のように粒径の小さな水は分離されずにセンサ素子に到達するものがある。白金巻線抵抗では影響の少なかったこれらの小さな汚損物質や水でも、半導体タイプの小形センサ素子へは、出力特性の変化やセンサ素子の破壊など、大きな影響を与える。

本発明の目的は、吸気管内に汚損物質や水が浸入する環境であっても信頼性の高い半導体タイプの小形センサ素子を用いた熱式流量計を提供することである。

上記課題はセンサ素子が配置された副通路の吸気管内上流部に、吸入空気に混じった汚損物質や水が副通路の入り口へ到達することを防ぎ、空気のみを副通路内へ導く保護部材を配置することで達成される。

好ましくは、前記保護部材は、被計測流体の一部を取り込む副通路を備えた熱式流量計が取り付けられ、前記被計測流体が流れる主空気通路を構成する主空気通路構成部材であって、前記熱式流量計の上流側で前記副通路の流入開口面から離れた位置に設けられ、前記主空気通路の軸方向から投影したときに前記流入開口面が覆われるように設けられた保護部材を有することを特徴とする主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記保護部材は、前記熱式流量計の上流側に位置するところに前記副通路に被計測流体を導入する第２副通路を備えていることを特徴とする主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記保護部材は、前記熱式空気流量計より幅が広いことを特徴とする請求項１に記載の主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記保護部材は、前記熱式流量計の上流側に位置するところに分流板を備えていることを特徴とする請求項１に記載の主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記保護部材は、吸気管に固定されており、前記副通路の流入開口面側にその下流側へ連通する排水口を備えていることを特徴とする請求項１に記載の主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記排水口は、下流に向かってその断面積が絞られていることを特徴とする請求項５に記載の主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記排水口は、前記副通路の流入開口付近に設けられている通路を特徴とする請求項６に記載の主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記第２副通路は、空気流の上流側から吸気管断面の垂直方向へ投影した場合に、第２吸気口投影面と熱式流量計の吸気口投影面が重ならないようにそれぞれの吸気口を配置することを特徴とする請求項２に記載の主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記第２副通路は、第１傾斜面と第２傾斜面を備えていることを特徴とする請求項２に記載の主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面は、熱式流量計の空気流れの上流側に備えていることを特徴とする請求項９に記載の主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記第１傾斜面と前記第２傾斜面は、吸気管壁面と第１傾斜面から成る傾斜角度より吸気管壁面と第２傾斜面から成る傾斜角度が大きいことを特徴とする請求項９に記載の主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記第２副通路の第２吸気口の面積は熱式流量計の吸気口の面積より大きいことを特徴とする請求項２に記載の主空気通路構成部材である。

好ましくは、前記第２副通路の第２傾斜面に繋がる底面は、吸気管壁面から離れていることを特徴とする請求項２に記載の主空気通路構成部材である。

好ましくは、第２副通路の第２傾斜面に繋がる底面と吸気管壁面を連結する支柱を設けたことを特徴とする請求項１３に記載の主空気通路構成部材である。

本発明によれば、吸気管に吸入された空気流に非常に小さく軽い汚損物質や水が含まれていても、これら汚損物質や水の影響を受けることなく、信頼性の高い、高精度な熱式流量計を実現できる。

従来の熱式流量計による水の侵入経路図 本発明の第１の実施形態を示す吸気管の投影図。 本発明の第１の実施形態を示す吸気管の断面図。 本発明の第１の実施形態を示す吸気管の背面図。 本発明の第１の実施形態の空気の流れを示した吸気管の断面図１。 本発明の第１の実施形態の空気の流れを示した吸気管の断面図２。 本発明の第１の実施形態の詳細を示す断面図１。 本発明の第１の実施形態の詳細を示す断面図２。 本発明の第２の実施形態を示す吸気管の投影図。 本発明の第２の実施形態を示す吸気管の断面図。

図１に従来の熱式流量計１と吸気管１１による汚損物質や水の侵入経路を示す。吸気管１１に侵入した汚損物質や水１６は主通路１２を伝わって吸気口２へ侵入する。侵入したものが少量であれば問題はないが、多量に侵入した場合、センサ素子４に付着物が多くなり、高精度な計測が難しくなる。

そこで本発明では、吸気管１１に吸入された空気流に非常に小さく軽い汚損物質や水が含まれていても、信頼性が高く、高精度な測定ができる熱式流量計１を提案した。本発明の手法として、保護部材で熱式流量計１を保護することで水や汚損物質の付着を防ぐことが可能である。

吸気管１１に構造物を設けることで吸気管内の圧力損失は増加するが、本発明は圧力損失の抑制も考慮された吸気管１１となっている。以下、本発明に係る実施の形態について説明する。

［実施例１］
図２と図３に本発明の第１の実施形態である吸気管１１の構造を示す。図２および図３示す吸気管（主空気通路構成部材）１１は、例えばエンジンの吸気管１１として熱式流量計１と一緒に取り付けられている。吸気管１１は、熱式流量計１の上流側に位置するところに熱式流量計１の副通路３に被計測流体を導入する第２副通路１０を備えている。吸気管１１に流れ込んだ吸入空気は主通路１２と第２副通路１０とに分流される。第２副通路１０を流れる空気流の一部は副通路３へ流れ、残りは主通路１２へ流れる。副通路３を流れた空気がセンサ素子４により空気量として測定される。副通路３を流れた空気も主通路１２へ戻る。吸気管１１に流れ込んだ空気は全てエンジンへ供給される。

図３は図２に熱式流量計１を取り付けた断面図である。吸気管１１には、熱式流量計１の手前に配置される保護部材５を備えている。保護部材５は、吸入空気に含まれた汚損物質や水が熱式流量計１の副通路３に入らず、汚損物質や水を含まない空気のみが熱式流量計１の副通路３に入るようにする。保護部材５は、熱式流量計１の上流側で副通路３の吸気口（流入開口面）２から離れた位置に設けられ、主通路（主空気通路）１２の軸方向から投影したときに吸気口２が覆われるように設けられている。保護部材５は、吸気管１１に固定されており、副通路３の吸気口２側（熱式流量計１の先端側）にその下流側へ連通する排水口１３を備えている。

保護部材５を熱式流量計１手前に備えることで、吸入空気に含まれた水や汚損物質と空気を分離することができる。これは水や汚損物質と空気の質量の違いを利用している。第２吸気口９へ入った空気流が熱式流量計１の副通路３へ入るためには流れの方向を変える必要がある。第２副通路１０は、第１傾斜面７と第２傾斜面８を備えている。第１傾斜面と第２傾斜面は、熱式流量計の空気流れの上流側に設けられている。そして、第１傾斜面７と第２傾斜面８は、熱式流量計１の副通路３へ向かって構成されている。

このため、空気流が第２吸気口９へ取り込まれると第２傾斜面８付近の圧力が第１傾斜面７付近の圧力より高くなる。この第２副通路１０内に生じる圧力差で空気流の流れ方向が変えられる。空気は質量が軽いため吸気口２へ向かって流れるが、水や汚損物質は質量が重いため流れ方向がほとんど変わらず下流側の排水口１３へ向かって流れる。この慣性効果による空気と水や汚損物質との分離により、熱式流量計１の副通路３への水や汚損物質の侵入を防ぐことができる。すなわち、水や汚損物質と空気の質量の違いによる慣性効果を利用し、空気と水や汚損物質とを分離する。第１傾斜面７と第２傾斜面８は、吸気管１１の軸方向に沿った吸気管壁面と第１傾斜面７とから成る傾斜角度よりも、吸気管壁面と第２傾斜面８とから成る傾斜角度の方が大きい。

図４に図３の構造を下流側から見た様子を示す。水や汚損物質が熱式流量計１の吸気口に侵入するのを防ぐために、保護部材５の横幅は熱式流量計１よりも広くなっている。

図５に図３の第２副通路付近を拡大した図を示す。空気流の上流側から吸気管断面の垂直方向に投影した場合に、第２吸気口９の投影面と熱式流量計１の吸気口２の投影面が重ならないようにそれぞれの吸気口を配置する。これは水や汚損物質が直接副通路３へ侵入することを防ぐためである。

本発明の実施例では第２吸気口９上端（第１傾斜面７側）と熱式流量計１の底面は同じ高さの位置にある。汚損物質や水は重力によって下降する為、第２吸気口９上端と熱式流量計１の底面の高さを同じ位置にすることで汚損物質や水が吸気口２へ侵入することを防ぐことができる。

前記のような保護部材５を熱式流量計１手前に設けたことにより汚損物質や水の付着を防止することが可能だが、それによりセンサ素子４に到達する空気流が減少してしまい、空気の流れが不安定になってしまい熱式流量計１の計測精度が低下してしまうという問題が生じる。

この問題に対して、本発明品の保護部材５は第２吸気口９と第１傾斜面７、第２傾斜面８とから形成されている第２副通路１０を有することで解決した。
また、各傾斜面の開始位置は図５に示すように第１傾斜面の位置１８と第２傾斜面の位置１９であり、熱式流量計１よりも手前に設置されている。これによって空気流１５が熱式流量計１へ向かう割合が増加し、センサ素子４に必要な空気量を供給することが可能となっている。

第２吸気口９に取り込まれる空気流に水や汚損物質が混ざっている場合、本発明では汚損物質や水が多く含まれた空気は排水口１３の方へ流れ、汚損物質や水を含まない空気のみが熱式流量計１の吸気口２へ取り込まれる。このため、熱式流量計１の吸気口２に取り込まれる空気は、第２吸気口９に取り込まれる空気より排水口１３に流れる空気の分だけ少なくなる。すると熱式流量計１の副通路３内の特に低流量時に空気の流れが不安定になり、計測精度が低下する。本発明では、第２吸気口９の開口面積は熱式流量計１の吸気口２の開口面積より大きくすることで熱式流量計１の吸気口２に取り込まれる空気を十分確保するようにしている。

慣性分離により、熱式流量計１の吸気口２への流れから外れた汚損物質や水は排水口１３から吸気管１１の下流側へ速やかに排出される必要がある。このために、排水口１３の開口面積は第２副通路１０内の開口面積の中で一番小さくなっている。開口面積を小さくすることで排水口１３部の流速を速くし、第２通路内に侵入した水が下流側へ流れやすい構造となっている。排水口１３は、下流に向かってその断面積が絞られている。排水口１３は、副通路３の吸気口２付近に設けられている。絞られた先の出口は、主通路の中心付近に設けられている。

図６を用いて分流板について説明する。保護部材５のような障害物を吸気管１１内に設けた場合、主通路１２を流れる空気流１５は保護部材５に当たる。空気の当たる面の縁の角が垂直や鋭角になっていると保護部材５近辺の流れには乱流や剥離、渦が発生してしまい、熱式空気流量計の副通路出口付近の流れが乱れ、熱式流量計１の出力ノイズ増加の原因となる。本発明では分流板６を保護部材５の上流部分に設け、保護部材５周辺に流れる空気をスムーズにし、乱流や剥離、渦の発生を低減している。

また、分流板６には構造強度の面からも有利になる役目がある。分流板６を吸気管１１壁面に固定することで保護部材５と吸気管１１の接着面積が増え、集中荷重による保護部材５の破損に強くなる。

図７に第２副通路底面と吸気管が一体になっている図を示す。本発明の第２副通路１０の底面は吸気管１１壁面とから離れている。第２副通路１０と吸気管１１が一体になっている場合、吸気管１１壁面に付着して空気に押されて伝わってきた水１４は、第２副通路１０へ侵入すると、第２傾斜面８始点に滞留してしまう。溜まった水の体積が大きくなると空気流に弾かれた水が熱式流量計１の吸気口２へ飛散してしまい、熱式流量計１の計測精度を低下させる。これを防ぐために、本発明は図８のように分離構造１７を用いることで、第２副通路１０の底面と吸気管１１壁面を分離させた。第２副通路１０の第２傾斜面８に繋がる底面は、吸気管壁面から離れている。これによって、吸気管１１から伝わってくる水１４は第２副通路１０を伝わることなく主通路１２の下流へ流れる為、熱式流量計１の副通路３へ取り込まれることが無くなる。

前記の第２副通路１０の底面を吸気管１１壁面から分離させることで、水の侵入を防ぐことが可能である。だが、それによって片持ち梁構造となり集中荷重が発生してしまう。この結果、保護部材５の耐久性に問題が生じてしまう。そこで、分離箇所に一本の支柱で接続させることで両持ち梁構造にした。すなわち、第２副通路１０の第２傾斜面８に繋がる底面と吸気管壁面を連結する支柱を設けた。これによって片持ち梁に対する根元の集中荷重を抑えることができる。

［実施例２］
次に第２の実施形態を図９に示す。本実施形態の特徴は、保護部材５の第２吸気口９が熱式流量計１の取り付け口方向に設けられていることである。これにより、吸気管１１上流側から見た投影面積が第１の実施形態よりも小さくなるため、吸気管１１内の圧力損失を小さくすることができる。吸気管１１内の圧力損失は自動車エンジンにとって重要な性能の一つである。ディーゼルエンジンの場合、圧力損失が大きいとエンジンへの吸入により多くのエネルギーを必要とするため、エンジンの燃料消費効率が悪化する。また、ガソリンエンジンの場合では、スロットルバルブ全開時の吸入空気量が少なくなるためエンジンの最大出力値が小さくなる。このため、吸気管１１の圧力損失は小さいほうが望ましい。

図１０に実施形態２の断面図を示す。排水口１３は熱式流量計１の底面に備えており、第２副通路１０に侵入した水は排水口１３をたどって主通路１２の下流へ流れていく。

第２傾斜面８は熱式流量計１を第２副通路１０へ侵入した水から防いでおり、空気の流れ方向を吸気口２へ導く構造となっている。

吸気管１１壁面へ付着した水は空気流に押されて他の水滴と一緒になりながら壁面を下流方向へ進む。吸気管１１壁面に付着した水滴の体積が大きくなると重力の影響を受けるため、水滴は吸気管１１の底の部分へ溜まり下流方向へ流れる。第２の実施形態では第２吸気口９が吸気管１１の上側にあるため、水の侵入する割合を少なくすることができる。

また、分流板６を設けることで両持ち梁構造にすることでき、片持ち梁構造による根元の集中荷重を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、前記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 熱式流量計
２ 吸気口
３ 副通路
４ センサ素子
５ 保護部材
６ 分流板
７ 第１傾斜面
８ 第２傾斜面
９ 第２吸気口
１０ 第２副通路
１１ 吸気管（主空気通路構成部材）
１２ 主通路
１３ 排水口
１４ 水
１５ 空気流
１６ 汚損物や水
１７ 分離構造
１８ 第１傾斜面の位置
１９ 第２傾斜面の位置

Claims (14)

1. 被計測流体の一部を取り込む副通路を備えた熱式流量計が取り付けられ、前記被計測流体が流れる主空気通路を構成する主空気通路構成部材であって、
   前記熱式流量計の上流側で前記副通路の流入開口面から離れた位置に設けられ、前記主空気通路の軸方向から投影したときに前記流入開口面が覆われるように設けられた保護部材を有することを特徴とする主空気通路構成部材。
2. 前記保護部材は、前記熱式流量計の上流側に位置するところに前記副通路に被計測流体を導入する第２副通路を備えていることを特徴とする請求項１に記載の主空気通路構成部材。
3. 前記保護部材は、前記熱式空気流量計より幅が広いことを特徴とする請求項１に記載の主空気通路構成部材。
4. 前記保護部材は、前記熱式流量計の上流側に位置するところに分流板を備えていることを特徴とする請求項１に記載の主空気通路構成部材。
5. 前記保護部材は、吸気管に固定されており、前記副通路の流入開口面側にその下流側へ連通する排水口を備えていることを特徴とする請求項１に記載の主空気通路構成部材。
6. 前記排水口は、下流に向かってその断面積が絞られていることを特徴とする請求項５に記載の主空気通路構成部材。
7. 前記排水口は、前記副通路の流入開口付近に設けられている通路を特徴とする請求項６に記載の主空気通路構成部材。
8. 前記第２副通路は、空気流の上流側から吸気管断面の垂直方向へ投影した場合に、第２吸気口投影面と熱式流量計の吸気口投影面が重ならないようにそれぞれの吸気口を配置することを特徴とする請求項２に記載の主空気通路構成部材。
9. 前記第２副通路は、第１傾斜面と第２傾斜面を備えていることを特徴とする請求項２に記載の主空気通路構成部材。
10. 前記第１傾斜面と前記第２傾斜面は、熱式流量計の空気流れの上流側に備えていることを特徴とする請求項９に記載の主空気通路構成部材。
11. 前記第１傾斜面と前記第２傾斜面は、吸気管壁面と第１傾斜面から成る傾斜角度より吸気管壁面と第２傾斜面から成る傾斜角度が大きいことを特徴とする請求項９に記載の主空気通路構成部材。
12. 前記第２副通路の第２吸気口の面積は熱式流量計の吸気口の面積より大きいことを特徴とする請求項２に記載の主空気通路構成部材。
13. 前記第２副通路の第２傾斜面に繋がる底面は、吸気管壁面から離れていることを特徴とする請求項２に記載の主空気通路構成部材。
14. 前記第２副通路の第２傾斜面に繋がる底面と吸気管壁面を連結する支柱を設けたことを特徴とする請求項１３に記載の主空気通路構成部材

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