JP2020084905A - 車両の吸気配管構造 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気配管内における吸入空気の速度分布に揺らぎが生じる過渡状態であっても、従来よりも高精度に吸入空気量を算出可能とする。【解決手段】配管４４０には、車外から取り込まれた吸入空気が流れる。エアフローメータ３００はバイパス管３１２及びセンサ素子３２０を有する。バイパス管３１０には配管４４０内を流れる吸入空気の一部が流れ込む。エアフローメータ３００は、バイパス管３１０内に収容され空気流の流速を測定する。バイパス管３１０の流入口３１２は配管４４０の径方向中心に配置される。配管４４０には、バイパス管３１０の流入口３１２よりも上流に、配管４４０内に突出する断面凸曲面の凸部であるエアロスタビライジングフィン１２２が形成される。【選択図】図２

Description

本発明は、車外の空気を車内に取り込む、車両の吸気配管構造に関する。

車両には吸気配管構造として、エアクリーナ及びエアインレットホースが設けられる。エアクリーナは吸気配管構造の上流端（取り込み口）に設けられる。エアクリーナはエレメントとも呼ばれるフィルタ部材を収容するケーシングを備える。フィルタ部材によって空気中の塵埃等の異物が除去される。ケーシングの下流端にはエアインレットホースが接続される。

また、この吸気配管構造には、吸入空気量（吸気量）を測定するためのエアフローメータが設けられる。例えば特許文献１には、エアインレットホースの長手方向中間位置にエアフローメータが設けられる。

例えば図７に例示されるように、エアフローメータ５００のバイパス管５１０がエアインレットホース６００の流路内に配置される。さらにバイパス管５１０内に流速を測定するセンサ素子５２０が設けられる。

エアインレットホース６００内を流れる空気流の一部はバイパス管５１０にサンプリングされ、センサ素子５２０に流速を測定される。センサ素子５２０によって測定された流速に応じてエアフローメータ５００から信号が出力される。さらに図示しない制御部（ＥＣＵ）がこの信号を受信して、当該信号に応じた吸入空気量［ｇ／ｓ］を求める。

また、図７に例示されるように、空気の粘性に起因して、エアインレットホース６００の内壁６０２付近は空気流が低速となり、内壁６０２から離間されるに連れて流速が増える。このように、エアインレットホース６００内を流れる空気流は速度分布Ｄ１を有する。例えば速度分布Ｄ１は定常流における速度分布を示す。また速度分布Ｄ１に記載された矢印は流速を示す。

この速度分布Ｄ１に基づき、バイパス管５１０の流入口５１２は、内壁６０２から離間し流速が比較的安定した場所、例えばエアインレットホース６００の管内中央に配置される。

特開２００４−１８２２２０号公報

ところで、車両の発進時や加速時には吸入空気量が変化する。車両発進時点や加速開始時点から吸入空気量が安定する（定常状態になる）までの過渡状態において、エアインレットホース６００内の空気流の速度分布には、定常状態に対する揺らぎが生じる。例えば図７において破線で示す過渡状態における速度分布Ｄ２は、その最大流速がエアインレットホース６００の径方向中央から外側にずれた位置に分布される。

このとき、バイパス管５１０の流入口５１２には、最大流速の空気流が外される形で空気流が導入（サンプリング）される。その結果、定常状態と空気量は同一であるにも拘らず、流速が低めに検出されてしまうことで、定常状態と比較して少ない空気量が算出されてしまうおそれがある。

そこで本発明は、吸気配管内における吸入空気の速度分布に揺らぎが生じる過渡状態であっても、従来よりも高精度に吸入空気量を算出可能な、車両の吸気配管構造を提供することを目的とする。

本発明は、車両の吸気配管構造に関する。当該構造は、配管及びエアフローメータを備える。配管には、車外から取り込まれた吸入空気が流れる。エアフローメータはバイパス管及びセンサ素子を有する。バイパス管には配管内を流れる吸入空気の一部が流れ込む。エアフローメータは、バイパス管内に収容され空気流の流速を測定する。バイパス管の流入口は配管の径方向中心に配置される。配管には、バイパス管の流入口よりも上流に、配管内に突出する断面凸曲面の凸部が形成される。

上記構成によれば、配管内に凸部が設けられることで、いわゆる流線曲率の定理により、配管内壁付近の吸入空気の流速が増加される。これにより、配管内の速度分布の尖度が低減される（ピークが平坦化される）。その結果、速度分布の揺らぎが生じても、バイパス管の流入口に流れ込む吸入空気の流速の変動が抑制される。

本発明によれば、吸気配管内における吸入空気の速度分布に揺らぎが生じる過渡状態であっても、従来よりも高精度に吸入空気量を算出可能となる。

本実施形態に係る車両の吸気配管構造を例示する平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 コアンダ効果について説明する図である。 流線曲率の定理について説明する図である。 図３のＣ−Ｃ断面図である。 従来の吸気配管構造について説明する図である。

図１に、本実施形態に係る車両の吸気配管構造が例示される。なお、図１〜図６において、車両前後方向を記号ＦＲで表される軸で示し、車幅方向を記号ＲＷで表される軸で示し、車両上下方向を記号ＵＰで表される軸で示す。車両前後軸ＦＲは車両前方方向を正方向とする。車幅軸ＲＷは右幅方向を正方向とする。また車両上下軸ＵＰは上方向を正方向とする。これら３軸は互いに直交する。

本実施形態に係る吸気配管構造は、例えば内燃機関を駆動源とする車両や、燃料電池を電源とする燃料電池車両に搭載される。

本実施形態に係る吸気配管構造は、エアクリーナ１００、エアインレットホース２００、及びエアフローメータ３００を備える。後述するように、エアクリーナ１００の下流側に設けられたアウトレットパイプ１２０と、エアインレットホース２００とによって吸気配管構造の配管４４０が構成される。この配管４４０に、車外から取り込まれた吸入空気が流れる。

エアインレットホース２００は、エアクリーナ１００と図示しないスロットルバルブとを繋ぐ配管部材である。なお、本実施形態に係る吸気配管構造が燃料電池車両に搭載される場合には、エアインレットホース２００は、スロットルバルブの代わりにコンプレッサに繋がれる。

例えばエアインレットホース２００の上流端とエアクリーナ１００のアウトレットパイプ１２０の下流端とがクランプ４２０で接続される。同様にして、エアインレットホース２００の下流端とスロットルバルブ（またはコンプレッサ）の上流端とがクランプ４３０で接続される。

エアクリーナ１００は、車外から取り込まれた空気中の異物を除去する。例えばエアクリーナ１００は、車両前方に設けられた図示しないラジエータサポートの上方に設けられる。

エアクリーナ１００の上流及び車両前後方向前方には、インレットダクト４００が設けられる。例えば車両前面のフロントグリルからエンジンコンパートメントに入り込んだ空気の一部がラジエータ（図示せず）に流れ込み、また他の一部はラジエータ上方のインレットダクト４００からエアクリーナ１００内に流れ込む。

エアクリーナ１００は、ケーシング１１０及びアウトレットパイプ１２０を備える。ケーシング１１０は図示しないフィルタ部材を収容する筐体である。フィルタ部材は例えばろ紙や不織布等で構成され、車外からインレットダクト４００を介して取り込まれた吸入空気中の塵埃等の異物を除去（捕捉）する。

ケーシング１１０の下流端にはアウトレットパイプ１２０が接続される。ケーシング１１０内のフィルタ部材を通過した空気は、アウトレットパイプ１２０に流れ込む。

アウトレットパイプ１２０は例えばケーシング１１０と一体成形される。アウトレットパイプ１２０は例えば水平方向に延設され、その下流端はクランプ４２０を介してエアインレットホース２００の上流端に接続される。

本実施形態に係る車両の吸気配管構造では、アウトレットパイプ１２０にエアフローメータ３００が設けられる。例えば図２を参照して、アウトレットパイプ１２０の側方に貫通孔が形成され、当該貫通孔にエアフローメータ３００のバイパス管３１０が挿入される。例えばエアフローメータ３００はアウトレットパイプ１２０の上流端から車両後方に３ｃｍ以上１５ｃｍ以下の範囲に設置される。

なお、本実施形態ではアウトレットパイプ１２０にエアフローメータ３００を配置したが、この形態に限らない。要するに配管４４０にエアフローメータ３００が設けられればよいので、例えばアウトレットパイプ１２０に代えて、エアインレットホース２００にエアフローメータ３００を設けてもよい。

図２、図６を参照して、エアフローメータ３００は、エアクリーナ１００及びエアインレットホース２００を流れる吸入空気量を求めるために設けられる。より具体的には、エアフローメータ３００はセンサ素子３２０を通過する空気流の流速を測定する。この流速に基づいて、配管４４０（アウトレットパイプ１２０）を流れる空気量（吸入空気量）が求められる。

エアフローメータ３００はいわゆるホットワイヤ式のエアフローメータであってよい。エアフローメータ３００はバイパス管３１０、センサ素子３２０、及び端子３３０を備える。

バイパス管３１０にはアウトレットパイプ１２０内を流れる吸入空気の一部が流れ込む。図２を参照して、バイパス管３１０の流入口３１２は上流側に向けられ、流出口３１４は下流側に向けられる。

さらに図６にはバイパス管３１０の断面図が例示される。バイパス管３１０の流入口３１２の車両後方には、流入空気中の塵埃（エアクリーナ１００で捕捉できなかった微小な塵埃）を排出するダスト出口３１６が形成される。さらにバイパス管３１０には、渦巻状の流路が形成される。さらにその末端は二股に分かれて図２に例示される流出口３１４，３１４に繋がる。

また、バイパス管３１０にはセンサ素子３２０が収容される。具体的にはバイパス管３１０の上記の渦巻状の流路上にセンサ素子３２０が配置される。センサ素子３２０は例えば加熱抵抗から構成される。センサ素子３２０に空気が流れるとセンサ素子３２０はその流速を測定する。

ホットワイヤ式エアフローメータの測定原理は既知であるためここでは簡単に説明する。加熱抵抗であるセンサ素子３２０に空気流が流れることで加熱抵抗が冷やされる（放熱する）。この放熱量と空気の流速とが比例関係にある（早いほど冷える）ことから、放熱量に基づいて流速Ｖ_１を求めることができる。さらにアウトレットパイプ１２０の内径Ｒ_１（図６参照）を用いて吸入空気量Ｑ_１が求められる。例えばＶ_１×π（Ｒ_１／２）^２＝Ｑ_１により吸入空気量Ｑ_１が求められる。

なお、吸入空気の温度を測定する温度センサをアウトレットパイプ１２０に設けて、吸入空気の温度に応じてセンサ素子３２０の放熱量と空気の流速との関係を適宜補正してもよい。

センサ素子３２０の放熱量に応じた信号がエアフローメータ３００から端子３３０を介して、車両の制御部に送信される。例えば図６を参照して、端子３３０を介して、内燃機関を制御するエンジンＥＣＵ４５０（電子コントロールユニット）にエアフローメータ３００からの信号が送られる。例えば放熱量が多いほど周波数［Ｈｚ］が高くなるような信号がエアフローメータ３００から出力される。

エンジンＥＣＵ４５０は受信した信号に応じた吸入空気量Ｑ_１を求める。例えば上述の式に基づいて、信号の周波数［Ｈｚ］に応じた吸入空気量Ｑ_１［ｇ／ｓ］の対応関係が記憶された表（マップ）がエンジンＥＣＵ４５０に記憶される。この表と受信した信号とに基づいて、エンジンＥＣＵ４５０は配管４４０（アウトレットパイプ１２０）を流れる吸入空気量Ｑ_１を求める。

上述したように、アウトレットパイプ１２０を流れる吸入空気流は速度分布を有する。具体的には、空気の粘性に起因して、アウトレットパイプ１２０の内壁面１２４付近は空気流が低速となり、内壁面１２４から径方向中心に向かうに連れて流速が早くなるような速度分布となる。

例えば内壁面１２４付近を流れる空気層は境界層とも呼ばれる。一般的に境界層とは、流速０の物体表面（内壁面１２４）から流れの速度が主流の速度の９９％になる点までの流体の層を指す。本実施形態に係る吸気配管構造では、境界層を避けるために、バイパス管３１０の流入口３１２を、アウトレットパイプ１２０の内壁面１２４から離間するように配置している。具体的にはバイパス管３１０の流入口３１２は、アウトレットパイプ１２０の径方向中心に配置される。

さらに本実施形態では、アウトレットパイプ１２０内に凸部であるエアロスタビライジングフィン１２２を設けることによって、境界層の厚さを低減させ、それによって空気流の速度分布のピークを平坦化（尖度を小さく）させる。

図２、図３には、アウトレットパイプ１２０内に形成されたエアロスタビライジングフィン１２２が例示される。エアロスタビライジングフィン１２２は、アウトレットパイプ１２０（配管４４０）の、バイパス管３１０の流入口３１２よりも上流側に設けられる。このような配置により、エアロスタビライジングフィン１２２により整流された空気流がバイパス管３１０を通過する。

エアロスタビライジングフィン１２２はアウトレットパイプ１２０（配管４４０）内に突出する。例えばエアロスタビライジングフィン１２２は、アウトレットパイプ１２０の内壁面１２４の上方及び下方に一対設けられる。またこれら一対のエアロスタビライジングフィン１２２の、最も径方向内側に突出する頂点１２３と、バイパス管３１０の流入口３１２とが正面視（アウトレットパイプ１２０の延設方向視）で一直線上に配置されるように、エアロスタビライジングフィン１２２が形成される。

また、図２、図３では、エアロスタビライジングフィン１２２を一対のみ設けていたが、この形態に限らない。例えば、頂点１２３とバイパス管３１０の流入口３１２とが正面視で一直線上に配列される、一対のエアロスタビライジングフィン１２２が複数対に亘って設けられてもよい。

例えばエアクリーナ１００は樹脂から構成され、エアロスタビライジングフィン１２２は、エアクリーナ１００の形成時に型合わせによって形成される。図３に例示されるように、エアロスタビライジングフィン１２２は、アウトレットパイプ１２０内に突出する、断面凸曲面の凸部であり、上流側の上り勾配よりも下流側の下り勾配が緩やかになるような「への字」（またはブーメラン）形状となっている。

エアロスタビライジングフィン１２２を設けることで、コアンダ効果及び流線曲率の定理により、内壁面１２４周辺の境界層の厚さが低減される。

図４にはコアンダ効果を説明する図が例示される。一般的に流体は、断面凸の曲面４６０に沿って流れようとする性質を備える。例えば図４の流線Ｌ１について、流体はその慣性によって破線矢印で示すような直線方向に進もうとする。このとき、破線矢印の脇の、楕円で囲む領域４６２の圧力が相対的に低くなる。この圧力差により、流体は低圧領域４６２側に引っ張られる。その結果流体は曲面４６０に沿って流れる。

さらに図５を参照し、曲面４６０に沿って流れる流線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３には遠心力Ｆｃが外向きに（曲面４６０の曲率中心から離間する方向に）働き、曲面４６０側が相対的に低圧になる。

このとき、エネルギー保存則、あるいはベルヌーイの定理に基づいて、相対的に低圧の流線Ｌ１の速度が相対的に高圧の流線Ｌ３の速度と比較して高くなる（速くなる）。すなわち、物質表面を流れる空気流が曲面４６０に沿って加速される。

この結果、アウトレットパイプ１２０を流れる空気流のうち、速度０から主流速度の９９％までの空気流の層である境界層が薄くなり、速度分布はそのピークがなだらかに（尖度が小さく）なる。

図６を参照し、ピークがなだらかになったことで、アウトレットパイプ１２０を流れる吸入空気の速度分布は、定常状態の速度分布Ｄ３と過渡期の速度分布Ｄ４とで大きな変化は現れない。その結果、流入口３１２に流入する空気流の速度変動も抑制される。なお、速度分布Ｄ３，Ｄ４において矢印は流速を示す。

定常状態と過渡状態とでバイパス管３１０に流入する空気流の速度変動が抑制されることから、両者間で吸入空気量の変動が抑制される。これにより、特に過渡状態における吸入空気量が従来よりも高精度に求められる。したがって、例えば加速時に実際よりも吸入空気量が少なく算出されることが避けられ、実際の吸入空気量に基づいた空燃比に基づいた燃料が噴射され、いわゆるアクセルレスポンスを向上させることができる。

１００ エアクリーナ、１１０ ケーシング、１２０ エアクリーナのアウトレットパイプ、１２２ エアロスタビライジングフィン（凸部）、１２３ エアロスタビライジングフィンの頂点、１２４ アウトレットパイプの内壁面、２００ エアインレットホース、３００ エアフローメータ、３１０ バイパス管、３１２ バイパス管の流入口、３１４ バイパス管の流出口、３１６ バイパス管のダスト出口、３２０ センサ素子、３３０ 端子、４００ インレットダクト、４２０，４３０ クランプ、４４０ 配管、４５０ エンジンＥＣＵ。

Claims (1)

1. 車外から取り込まれた吸入空気が流れる配管と、
   前記配管内を流れる吸入空気の一部が流れ込むバイパス管と、前記バイパス管内に収容され空気流の流速を測定するセンサ素子を有するエアフローメータと、
   を備える車両の吸気配管構造であって、
   前記バイパス管の流入口は前記配管の径方向中心に配置され、
   前記配管には、前記バイパス管の前記流入口よりも上流に、前記配管内に突出する断面凸曲面の凸部が形成された、
   車両の吸気配管構造。
   

Images