JP3396963B2

JP3396963B2 - 内燃機関の吸入空気量センサ

Info

Publication number: JP3396963B2
Application number: JP20111394A
Authority: JP
Inventors: 博小林
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 2003-04-14
Anticipated expiration: 2018-04-14
Also published as: JPH0862009A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱式流量計による内燃機
関用の吸入空気量センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関用の吸入空気量センサとして、
たとえばホットフィルム式の熱式流量計の原理を利用し
たものが知られており、これは例えば特開平１−２８８
７２５号公報に示されている。この吸入空気量センサ
は、吸気通路内に当該通路を横切って配置された熱抵抗
体による流量検出素子を有し、この流量検出素子の温度
を一定に保つべく流量検出素子をブリッチ回路により駆
動し、吸入空気流量をブリッチ回路の端子間電圧をもっ
て定量的に検出する。

【０００３】また本出願人は先に、特願平５−２２２９
５号の明細書および図面において、吸気流の下流に向か
うにしたがって吸気通路断面積が徐々に縮小する絞り通
路部と、この絞り通路部よりも下流側に位置し、かつ下
流に向かうにしたがって給気通路断面積が徐々に拡大す
る拡大通路部と、絞り通路部と拡大通路部との間にあっ
て絞り通路部と拡大通路部とを接続し、吸気通路断面積
が一定のスロート部とが形成されたハウジングと、スロ
ート部に配置された多重リング形状の熱線式流量検出素
子とを有する吸入空気量センサを提案している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】内燃機関、特に自動車
エンジン用の吸入空気量センサとして必要とされるいく
つかの性能項目の一つとして、エンジン始動時の応答性
が挙げらる。エンジン始動時の排気ガス性能の悪化を防
止するため、エンジン始動時に速やかに吸気流量センサ
が応答し、吸入空気量センサの信号をもとにガソリンの
噴射量を適切に制御することが必要とされる。

【０００５】従来技術の吸入空気量センサでは、吸気通
路のスロート全体に多重リング形状の流量検出素子が配
置され、吸気通路を流れる吸入空気の流量を平均値をも
って正しく計測できる。しかしながらこの場合、流量検
出素子は所定の表面積、換言すると所定の体積（質量）
を持ち、熱容量が大きくなる傾向にある。このため従来
の吸入空気量センサは、エンジン始動時、つまり電源投
入時に流量検出素子が加熱されるまでに時間がかかり、
応答性について改善の余地がある。

【０００６】本発明は、エンジン始動時の応答性を改善
した内燃機関の吸入空気量センサを提供することを目的
としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】一実施例を示す図１〜図
３に対応づけて説明すると、本発明は、吸気流の下流に
向かうにしたがって吸気通路断面積が徐々に縮小する絞
り通路部２ａと、この絞り通路部２ａよりも下流側に位
置し、かつ下流に向かうにしたがって給気通路断面積が
徐々に拡大する拡大通路部２ｃと、絞り通路部２ａと拡
大通路部２ｃとの間にあって絞り通路部２ａと拡大通路
部２ｃとを接続し、吸気通路断面積が一定のスロート部
２ｂとが形成されたハウジング４と、スロート部２ｂに
吸気流れ方向に対し直交配置された流量検出素子５とを
備えた内燃機関の吸入空気量センサに適用される。そし
て、流量検出素子５を、スロート部２ｂを吸気流れと直
交する方向に横切って延在する細長い棒体あるいは帯状
薄板からなり、吸気流れ方向に貫通した開口部８を有し
てハウジング４に支持される支持体７と、支持体７の吸
気流れ方向下流側表面に形成された電極層１０と、細長
い棒状あるいは帯状に形成されて支持体７の吸気流れ方
向下流側から電極層１０に接続され、且つ、開口部８に
空中架設された熱抵抗体６とで構成することにより、上
述の目的を達成する。請求項２の内燃機関の吸入空気量
センサは、流量検出素子５を通過する吸気流が吸気通路
の平均的な流速分布になるように吸入空気を整流する整
流器１３を流量検出素子５の上流側のスロート部２ｂに
配置したことを特徴とする。請求項３の内燃機関の吸入
空気量センサは、整流器１３の吸気流れ方向の厚みを１
５〜２５ｍｍとし、この整流器１３をスロート部２ｂの
上流側の端部から下流側へ５〜１０ｍｍの距離に配置
し、整流器１３の下流側の端部より１５〜３０ｍｍの距
離で、かつスロート部２ｂの下流側の端部から上流側へ
０〜５ｍｍの距離内に流量検出素子５を配置したことを
特徴とする。

【０００８】

【作用】熱抵抗体６が細長い棒状あるいは帯状であり、
その熱容量が低減する。熱抵抗体６が支持体７の開口部
８に空中架設され、熱抵抗体６より支持体７への熱伝達
が低減する。発熱する熱抵抗体６からの熱流が吸気通路
の下流側へ流れ、熱抵抗体６から支持体７への熱伝導が
低減する。請求項２の吸入空気量センサでは、整流器１
３によりスロート部２ｂを流れる吸気流が整流され、熱
抵抗体６の近傍では吸気通路の平均的な流速分布とな
る。請求項３の吸入空気量センサでは、整流器１３の適
性配置位置、および形状が選定される。

【０００９】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１０】

【実施例】図１は本発明による吸入空気量センサの一実
施例の全体構成を示している。吸入空気量センサ１は、
内燃機関の吸入空気通路２を構成する吸気ダクト３の途
中に連通接続される筒状のハウジング４を有している。
ハウジング４内の吸気通路２は、図１に白抜き矢印で示
す吸気流の方向にしたがって通路断面積が徐々に縮小す
る絞り通路２ａと、この絞り通路２ａの下流に接続さ
れ、通路断面積が一定のスロート部２ｂと、このスロー
ト部２ｂの下流に接続され、下流に向かうにしたがって
通路断面積が徐々に拡大する拡大通路部２ｃとから構成
されている。換言すれば、スロート部２ｂは絞り通路部
２ａと拡大通路部２ｃとの間にあって絞り通路部２ａと
拡大通路部２ｃとを接続している。この実施例では、絞
り通路部２ａおよび拡大通路部２ｃがそれぞれ円錐状に
形成され、スロート部２ｂが円筒状に形成されている。

【００１１】スロート部２ｂには流量検出素子５が吸気
流れ方向に対し直交配置されている。図２に示すよう
に、流量検出素子５は、熱抵抗体６とこの熱抵抗体６を
ハウジング４により支持する支持体７とを有する。支持
体７は、細長い棒状あるいは帯状薄板、例えば横幅が５
ｍｍ程度の帯状薄板により構成され、スロート部２ｂを
吸気流れと直交する方向に図にて上下に横切って延在
し、その上下両端はハウジング４に接続され、略中央部
に熱抵抗体配置用の矩形の開口部８が吸気流れ方向に貫
通している。この支持体７は、一般的な電気回路基板と
して使用されているガラスエポキシ樹脂板などの電気絶
縁性樹脂板により構成され、表面には熱抵抗体６に対す
る通電用の銅箔製の電極層９，１０が所定パターンに形
成されている。

【００１２】図３は熱抵抗体配置部分の拡大図である。
熱抵抗体６は、アルミナなどのセラミックス製の基板上
に白金厚膜抵抗層とＳｉＯ₂やＳｉ−Ｎｘなどの絶縁体
からなる保護層とを積層したものであり、細長い棒状あ
るいは帯状、例えば長さが５ｍｍ程度で、横幅が０．３
ｍｍ程度、厚さ０．１５ｍｍ程度の帯状により形成さ
れ、開口部８の横幅方向中央部を上下に横切って配置さ
れている。熱抵抗体６は、その上下両端を各々電極層
９，１０に置き、この両端を各々横切って設けられた直
径が０．１ｍｍ程度の白金線、白金−パラジウム線、銅
線などによる導線１１，１２をハンダ付けにより電極層
９，１０に固着することにより、電極層９，１０に導通
接続されると同時に支持体７から支持され、開口部８に
空中架設される。

【００１３】図１に示されているように、スロート部２
ｂには流量検出素子５より上流側にハニカム整流器１３
が固定配設されている。ハニカム整流器１３は、セルサ
イズが１／８インチ程度で、吸気流れ方向に１５〜２５
ｍｍの厚み（ｂ寸法）を有し、上流側端面がスロート部
２ｂの上流側の端部から下流側へ５〜１０ｍｍ程度の距
離（ａ寸法）において位置し、下流側端面と流量検出素
子５との間に１５〜３０ｍｍ程度の離間距離（ｃ寸法）
を有すべく配置されている。なお、この場合、流量検出
素子５はスロート部２ｂの下流側の端部から上流側へ０
〜５ｍｍの距離（ｄ寸法）内に配置される。

【００１４】このように構成された吸入空気量センサの
作用について説明する。先ず最初に流量検出素子の電源
投入時の応答性と素子形状との関係について説明する。
図４は電源投入時の吸入空気量センサの出力値の時間変
化を模式的に示している。図４からわかるように、電源
投入時に出力電圧が安定するまでの間に、電流が供給さ
れた熱抵抗体６が発熱して出力値が急激に増大する初期
急騰部分Ａと、内燃機関のアイドリングに相当する一定
の吸気流量をもって吸気が流れることによる冷却作用に
よって出力値が徐々に低下する定常化部分Ｂとがあり、
Ａ＋Ｂが吸入空気量センサの応答時間になる。

【００１５】初期急騰部分Ａは電源投入時の出力値の立
ち上がり時間であり、これは熱抵抗体６の熱容量に依存
する。したがって初期急騰部分Ａは熱抵抗体６の体積
（質量）の低減により短縮される。定常化部分Ｂは熱抵
抗体６の発熱による熱量が吸気流中に放熱され、所定時
間を経て熱抵抗体６の発熱量と放熱量とが平衡し、出力
値が一定値になるまでの時間である。これは熱抵抗体６
から吸気流中へ放熱する熱量と、熱抵抗体６から支持体
７への熱伝達による熱量に依存する。したがって定常化
部分Ｂは熱抵抗体６から支持体７への熱伝達による熱量
の低減により短縮される。

【００１６】図５は流量検出素子の熱容量と電源投入時
の応答性との関係を示す実験データである。実験に使用
した検出素子は次のとうりである。Ａ：１０φ，２８φ ２重リング、０．３５ｔ、０．６
ｗ、４本梁Ｂ：１９φ １重リング、０．３５ｔ、０．６ｗ、４本
梁Ｃ：１０φ １重リング、０．３５ｔ、０．６ｗ、４本
梁Ｄ：１９φ １重リング、０．３５ｔ、０．６ｗ、２本
梁Ｅ：１０φ １重リング、０．３５ｔ、０．６ｗ、２本
梁Ｆ：１５φ １重リング、０．３ｔ、０．４ｗ、梁無しＧ：１３φ １重リング、０．２ｔ、０．３５ｗ、梁無
し図５の実験データよりわかるように、熱抵抗体の熱容量
と電源投入時の応答性との間には略比例の関係がある。

【００１７】熱抵抗体が従来技術のもののように、３重
に設けた同心円状の円環部を直線状の連結部により連結
したものであれば、スロート部の内径を５６ｍｍとし
て、３重の同心円状の円環部の内径を各々１０ｍｍ、２
８ｍｍ、４６ｍｍ、円環部の幅を１ｍｍとすると、総面
積は２７３．５ｍｍ²となる。これに対し本実施例によ
る吸入空気量センサにおける熱抵抗体６は、例えば長さ
が５ｍｍ、横幅が０．３ｍｍであると、面積は１．５ｍ
ｍ²となる。これを熱容量で換算すると、従来技術のも
のの熱抵抗体の熱容量は０．１０７Ｃal／℃になり、本
実施例のものの熱抵抗体６の熱容量は０．３７６×１０
^-3Ｃal／℃になる。このように、本実施例のものの熱抵
抗体６の熱容量は従来技術のものに対し３．５×１０^-3
の比率であり、著しく小さくなる。

【００１８】上記の説明のように本発明による吸入空気
量センサにおいては、熱抵抗体６の形状を小さくしてそ
の熱容量を小さくし、また熱抵抗体６を支持体７の開口
部８に空中架設して熱抵抗体６から支持体７へ伝達する
熱損失を少なくし、これによって電源投入時の応答性が
充分に改善される。

【００１９】次に、整流器の作用について説明する。従
来技術のものでは流路断面の全域にわたって熱抵抗体が
配置されているため、流速分布が非対称な不安定な流れ
であっても熱抵抗体の自体の形状効果により平均流量に
近い流量を計ることができる。本発明による熱抵抗体６
は従来の３重同心円環形状のものに比べて著しく形状が
小さいため、流路全体の平均流量を検出することが難し
い。内燃機関の吸入空気量センサのように、非定常な流
れを計測の対称とする場合は、また吸入空気量センサの
配置スペースの制約を受ける場合は、比較的短い流路長
のなかで、圧力損失をそれほど増大させることなく流量
計測部位において流れを安定化させる必要がある。そこ
で、ハニカム整流器１３が設けられている。

【００２０】次に熱抵抗体６の上流側に配置されたハニ
カム整流器１３の効果と適正配置位置および適正な厚み
について実験結果をもとにして説明する。実験に用いた
流路は吸入通路２の入口部の内径が７０ｍｍ、スロート
部２ｂの内径が５６ｍｍである。また、流量は流量は４
０ｋｇ／ｈ〜２０ｋｇ／ｈとした。図６は実験結果を示
すもので、ａ〜ｄは図１のａ〜ｄに対応し、誤差は、信
頼性のある他の流量計で測定した吸入空気量との差の百
分率表示である。

【００２１】ケース１〜ケース３までの実験結果によ
り、ハニカム整流器１３の厚みｂとしては２０ｍｍがベ
ストであり、１５ｍｍより整流効果が増大していること
がわかる。なお、ハニカム整流器１３の厚みｂが２５ｍ
ｍ以上では整流効果の増大よりも圧力損失の増大分が大
きくなり、内燃機関用としては適さない。したがってハ
ニカム整流器１３の厚みｂは１５〜２５ｍｍに設定する
のがよく、なかでも２０ｍｍが最も好ましい。

【００２２】また、スロート部２ｂの流路径が１．５倍
から２倍程度まで増大した場合はハニカム整流器１３の
厚みｂは２５ｍｍまで増大させる必要がある。スロート
部２ｂの流路径が０．７倍以下の場合は、ハニカム整流
器１３の厚さｂは１５ｍｍまで縮小することができる。

【００２３】ケース３〜ケース５までの実験結果より次
のことがわかる。これは距離ｃに関する考察であり、ハ
ニカム整流器１３より下流側１０ｍｍまでの距離では整
流効果が充分に現れない。ハニカム整流器１３より下流
側１５ｍｍ以上で整流効果が得られ、２０ｍｍ前後がベ
ストである。なお、ハニカム整流器１３より下流側へ３
０ｍｍ以上離れると整流効果が減少することが実験より
確認されている。したがって距離ｃは１５〜３０ｍｍに
設定するのがよく、なかでも２０ｍｍ前後が最も好まし
い。

【００２４】ケース６〜ケース８までの実験結果より次
のことがわかる。ハニカム整流器１３はスロート部２ｂ
の上流側の端部より５ｍｍ程度のわずかな距離ａを離し
て配置させることにより整流効果が大きい。また、２０
ｍｍの厚みのハニカム整流器１３の配置による圧力損失
の増大も、わずかな距離ａを離して配置させた方が小さ
い。なお、この実験では１０ｍｍ以上離しても整流効果
および圧力損失の増大分の減少には結びつかなかった。

【００２５】最後にケース８〜ケース１０までの実験結
果について述べる。スロート部２ｂの長さを変え、流量
検出素子５の下流側の長さに変化を与えた。熱抵抗体６
は、流路拡大部２ｃの直前に配置された方が、熱抵抗体
６が計測した値とラミナ・ウローメータより求めた平均
流量値との誤差量が小さかった。

【００２６】なお、以上の実験では、図１に示すよう
に、熱抵抗体６の支持体７をスロート部２ｂの吸気流れ
に直交する方向にスロート部２ｂの全体を横切って延在
する形状とした。支持体７の長さを半分にし、熱抵抗体
６をハウジング上方より吊り下げ式に配置した場合、流
量検出値の誤差が２倍から３倍程度大きくなった。した
がって、熱抵抗体６は流路に対し対称形状となるように
支持体７に配置することが重要となる。これは支持体７
の形状により支持体７、すなわち熱抵抗体６が配設され
た断面における流速分布が変り、吸気通路の平均的な分
布とならないからである。

【００２７】図７は本発明による吸入空気量センサの第
２の実施例を示している。この実施例では、電極層９，
１０のパターンが図３に示されている第１の実施例のも
のと異なっている。それ以外は第１の実施例と同様の構
成であり説明を省略する。

【００２８】図８は本発明による吸入空気量センサの第
３の実施例を示している。この実施例では、支持体７の
下流側の表面に電極層９，１０が形成されていると共
に、この下流側の面部に熱抵抗体６が配置されている。
この実施例では、発熱する熱抵抗体６からの熱流が吸気
通路２の下流側へ流れ、熱抵抗体６から支持体７へ伝達
する熱量がより一層低減する。その結果、上述の定常化
部分Ｂの時間短縮が効果的に行われ、電源投入時の応答
性がより一層に改善される。

【００２９】図９は本発明による吸入空気量センサの第
４の実施例を示している。この実施例では、熱抵抗体６
の全体が開口部８内に配置され、上下両端を導線１１，
１２によって支持体７より支持され、支持体７に直接接
触することなく開口部８に完全に空中架設されている。
電極層１０はスルーホールメッキされた貫通孔１４を介
して不図示の裏面側電極層に電気的に接続されている。

【００３０】この実施例では、熱抵抗体６が支持体７に
直接固着されず、開口部８に完全に空中架設されている
から、熱抵抗体６から支持体７への熱伝達がより一層低
減し、この場合も、上述の定常化部分Ｂの時間短縮が効
果的に行われ、電源投入時の応答性がより一層に改善さ
れる。

【００３１】図１０は本発明による吸入空気量センサの
第５の実施例を示している。この実施例では、図９に示
されている実施例に比して開口部８の横幅が増大され、
開口部８の両側の桟幅が例えば１．１ｍｍから０．５ｍ
ｍに低減されている。この場合も熱抵抗体６から支持体
７へ伝達する熱量がより一層低減し、電源投入時の応答
性がより一層に改善される。

【００３２】以上のことから、第３の実施例と第５の実
施例との組み合わせによる実施例が最も熱応答性に優れ
た吸入空気量センサとなる。

【００３３】図１１は本発明による吸入空気量センサの
第６の実施例を示している。この実施例では、開口部８
が切り欠き形状をなしている。この実施例でも、上述の
実施例と同様の作用が得られる。

【００３４】

【発明の効果】以上に説明したように、この発明による
内燃機関の吸入空気量センサによれば、熱抵抗体の容積
を少なくするとともに、熱抵抗体を支持体の開口部に空
中架設して支持体へ熱が伝達しにくい構造としたので、
エンジン始動時のセンサの応答性が向上する。また熱抵
抗体を支持体の吸気流れの下流側の面部に配置すること
により、熱抵抗体より支持体への熱伝導がより一層低減
し、エンジン始動時のセンサの応答性がより一層向上す
る。熱抵抗体より上流側の整流器によりスロート部を流
れる吸気流の流速分布が平均化され、熱抵抗体の小型化
に拘らず吸入空気量が正しく計測される。整流器を適正
位置に配置し、および形状を選定することにより、整流
器の設置にともなう圧力損失の増大を抑えて整流効果を
効果的に得ることができ、小さな形状の熱抵抗体であっ
ても計測誤差を小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による吸入空気量センサの一実施例の全
体構成を示す側断面図。

【図２】図１に示す吸入空気量センサの流量検出素子配
置部分の拡大断面図。

【図３】（ａ）は図２に示す吸入空気量センサの熱抵抗
体配置部分の拡大正面図、（ｂ）はその断面図。

【図４】電源投入時の吸入空気量センサの出力値の時間
変化を模式的に示すグラフ。

【図５】流量検出素子の熱容量と電源投入時の応答性と
の関係を示すグラフ。

【図６】実験結果を説明する図

【図７】本発明による吸入空気量センサの第２の実施例
を熱抵抗体配置部分について示す拡大正面図。

【図８】本発明による吸入空気量センサの第３の実施例
を熱抵抗体配置部分について示す拡大側断面図。

【図９】本発明による吸入空気量センサの第４の実施例
を熱抵抗体配置部分について示す拡大正面図。

【図１０】本発明による吸入空気量センサの第５の実施
例を熱抵抗体配置部分について示す拡大正面図。

【図１１】本発明による吸入空気量センサの第６の実施
例を熱抵抗体配置部分について示す拡大正面図。

【符号の説明】

１吸入空気量センサ２吸入空気通路２ａ絞り通路２ｂスロート部２ｃ拡大通路部３吸気ダクト４ハウジング５流量検出素子６熱抵抗体７支持体１３ハニカム整流器

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】吸気流の下流に向かうにしたがって吸気通
路断面積が徐々に縮小する絞り通路部、この絞り通路部
よりも下流側に位置し、かつ下流に向かうにしたがって
給気通路断面積が徐々に拡大する拡大通路部、および前
記絞り通路部と前記拡大通路部との間にあって前記絞り
通路部と前記拡大通路部とを接続し、吸気通路断面積が
一定のスロート部が形成されたハウジングと、前記スロート部に吸気流れ方向に対し直交配置され前記
ハウジング内を通過する吸入空気量を検出する流量検出
素子とを備えた内燃機関の吸入空気量センサにおいて、前記流量検出素子は、（ａ）前記スロート部を吸気流れ
と直交する方向に横切って延在する細長い棒体あるいは
帯状薄板からなり、吸気流れ方向に貫通した開口部が形
成されて前記ハウジングに支持される支持体と、（ｂ）
該支持体の吸気流れ方向下流側表面に形成された電極層
と、（ｃ）細長い棒状あるいは帯状に形成され、前記支
持体の吸気流れ方向下流側から前記電極層に接続され、
且つ前記開口部に空中架設された熱抵抗体とを具備する
ことを特徴とする内燃機関の吸入空気量センサ。
【請求項２】前記流量検出素子を通過する吸気流が前
記吸気通路の平均的な流速分布になるように吸入空気を
整流する整流器を前記流量検出素子の上流側の前記スロ
ート部に配置したことを特徴とする請求項１に記載の内
燃機関の吸入空気量センサ。
【請求項３】前記整流器の吸気流れ方向の厚みを１５
〜２５ｍｍとし、この整流器を前記スロート部の上流側
の端部から下流側へ５〜１０ｍｍの距離に配置し、前記
整流器の下流側の端部より１５〜３０ｍｍの距離で、か
つ前記スロート部の下流側の端部から上流側へ０〜５ｍ
ｍの距離内に前記流量検出素子を配置したことを特徴と
する請求項２に記載の内燃機関の吸入空気量センサ。