JP3582933B2 - 流量計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、管体内を流れる気体の流速または流量（以下、流量という）を計測する流量計測装置に関し、例えば自動車等のエンジンにおいて吸入空気量を計測するのに用いて好適な流量計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車等のエンジンでは、エンジンの各気筒に吸入される吸入空気の流量を吸気管の途中に設けた流量計測装置によって計測し、この計測結果に応じて噴射弁等により燃料を吸入空気に混合させることで、燃焼に適切な濃度（混合比）の混合気を各気筒に供給するようにしている。
【０００３】
この種の従来技術による流量計測装置では、流量計測装置のハウジングが吸気管内に取付けられると共に、このハウジングには吸入空気量を計測するための計測用通路が主通路として形成され、この計測用通路は吸気管の軸方向に延びる貫通穴となっている。そして、吸気管内を流通する吸入空気は、大部分が吸気管の内壁とハウジングとの間に形成された隙間を介してハウジングの下流側に流れ、一部が計測用通路内を介してハウジングの下流側に流れる。
【０００４】
また、計測用通路内には、例えば白金線等の感熱抵抗体により形成され被測気体の流速に応じて発熱量を変化する流量検出素子が露出した状態で設けられ、この流量検出素子は吸気管の外部に配設された流量検出回路等に接続されている。
【０００５】
このように構成される従来技術の流量計測装置では、吸気管内を流れる吸入空気の一部が計測用通路内を流通し、その流量に応じて流量検出素子を冷却する。この結果、流量検出素子の抵抗値が減少するから、この抵抗値の減少量を流量検出回路によって検出し、この検出結果に基づいて吸気管内の吸入空気量を計測する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来技術では、流量検出素子が吸入空気によって冷却されるときの抵抗値の変化に基づいて流量を検出しているため、流量検出素子は吸気管の吸気口からエンジンの各気筒に向けて順方向に流れる空気流によって冷却されると共に、この逆方向に流れる空気流によっても冷却されてしまい、この逆方向の空気流により吸入空気量を誤って計測するという問題がある。
【０００７】
即ち、吸気管内を流通する吸入空気は、各気筒内でピストンが往復動するのに応じて吸気弁が開弁したときに気筒内へと吸込まれるから、吸入空気は吸気管内で脈動するようになる。そして、この状態で吸気弁と排気弁とのオーバーラップによって排気が吸気管内に吹返したり、吸気弁が開，閉弁動作等によって吸入空気を押圧したりすると、吸入空気が一時的に逆流することがある。
【０００８】
このため、従来技術では、吸入空気が逆流したときに流量の検出値が実際よりも大きくなることがあるから、この検出値に基づいた吸入空気量の計測精度が低下するという問題がある。
【０００９】
また、吸入空気量が急激に変化した場合には、計測用通路内に生じた空気流の乱れにより流量検出素子が不安定な状態で冷却されるため、吸入空気量を緩やかに変化させた場合とは異なった検出値が得られることがあり、吸入空気量を正確に計測できないという問題がある。
【００１０】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、逆流した気体の流量が計測されるのを防止でき、気体の流れを安定化し過渡状態での計測誤差を小さくできると共に、計測精度を向上できるようにした流量計測装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために請求項１に記載の発明は、内部が被測気体を流通させる通気路となった管体と、該管体内を直径方向に横切るように設けられたハウジングと、該ハウジングの直径方向中央部に位置して軸方向に貫通して設けられ、流入口が該ハウジングの上流側端面に開口し流出口が該ハウジングの下流側端面に開口する主通路と、該主通路の途中に設けられ該主通路を流れる気体の流量を検出する流量検出素子と、上流側が該流量検出素子よりも下流側に位置して前記主通路の途中から分岐し下流側が前記管体の内壁近傍に位置して前記ハウジングの下流側端面または側面に開口するバイパス通路とからなる構成を採用している。
【００１２】
このように構成することにより、気体の圧力が管体の中央部よりも内壁近傍で小さくなって安定することを利用し、管体内を逆流する気体が管体中央部の主通路内に侵入したときには、この逆流をバイパス通路を介して管体の内壁近傍へと速やかに流出でき、逆流が流量検出素子に達するのを防止できる。また、主通路がその途中でバイパス通路を介して管体の内壁近傍に連通されているから、管体内の気体流量が急激に変化したときでも、主通路内の圧力変動を内壁近傍での安定した圧力によって緩衝できる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明では、前記主通路の流入口には、その開口端に全周拡開部を形成している。
【００１４】
これにより、主通路の上流側開口端では、管体内の気体が全周拡開部により絞られつつ主通路内に流入するから、流入口から主通路内に流入する気体の速度を大きくでき、ハウジングの下流側で発生した圧力変動等が流出口から主通路内に伝わったときでも、この圧力変動が流量検出素子まで伝播するのを流入口から流入した気体によって防ぐことができる。
【００１５】
さらに、請求項３に記載の発明では、前記バイパス通路には、前記主通路から分岐する分岐流入口に面取り部を形成している。
【００１６】
これにより、主通路内に侵入した逆流を面取り部によって分岐流入口からバイパス通路内へと円滑に導くことができ、バイパス通路を介して管体の内壁近傍へと流出させることができる。
【００１７】
また、請求項４に記載の発明では、前記バイパス通路を、前記ハウジングに対してＬ字状に形成している。
【００１８】
これにより、バイパス通路内に流出側から逆流が侵入した場合に、この逆流が主通路内に流入するのを抑制できると共に、バイパス通路の通路寸法を長く形成でき、圧力変動等に対するバイパス通路の緩衝作用を大きくできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に従い、自動車等のエンジンの吸入空気量を計測するのに用いた場合を例に挙げて詳細に説明する。
【００２０】
ここで、図１ないし図５は本発明による第１の実施例を示している。
【００２１】
図中、１は本実施例による流量計測装置を構成するために、例えば両側端部がフランジ等の接続部となった管体を示し、該管体１は例えば金属材料，樹脂材料等によって内径Ｄを有する長尺な円筒体として形成されている。そして、管体１は上流側端部が外気を吸込むエアクーナ等に接続され、下流側端部がエンジンの各気筒に向けて延びるインテークマニホールド等に接続されている。そして、管体１の内部は上流側から下流側に向けて吸入空気が流通する通気路２となり、その内壁１Ａには後述のハウジング３が取付けられている。
【００２２】
３は管体１内に設けられたハウジングを示し、該ハウジング３は例えば金属材料，樹脂材料により略直方体状に形成されている。そして、ハウジング３はその上端側および下端側が管体１の内壁１Ａに固定され、通気路２を直径方向に横切るように配設された状態で管体１内を軸方向に延びている。また、ハウジング３の上流側端面３Ａと下流側端面３Ｂとの間には後述の計測用通路４が形成されている。
【００２３】
４は通気路２内の吸入空量を計測する主通路としての計測用通路を示し、該計測用通路４は図２に示す如く管体１の軸方向に延びる断面積Ｓの貫通穴としてハウジング３内に形成され、一端側がハウジング３の直径方向中央部に位置して上流側端面３Ａに開口する流入口４Ａとなり、他端側が下流側端面３Ｂに開口する流出口４Ｂとなっている。
【００２４】
５は計測用通路４内を流れる流量または流速を検出する流量検出素子としての感熱抵抗体５を示し、該感熱抵抗体５は例えば白金線等の感熱材料により形成され、吸気温度測定用の抵抗体（図示せず）等と共に支持部６の先端側に取付けられた状態で計測用通路４内に露出されている。また、感熱抵抗体５と前記抵抗体とは、後述する回路ケーシング７内の流量検出回路に支持部６内の配線等（いずれも図示せず）を介して接続されている。
【００２５】
そして、感熱抵抗体５は、前記流量検出回路から通電されることにより所定の抵抗値を有するように発熱した状態で、計測用通路４内を流通する空気流によって冷却され、この空気流の流速（流量）に応じて抵抗値を変化させる。
【００２６】
７は管体１の外壁に取付けられた回路ケーシングで、該回路ケーシング７内には前記流量検出回路が収容され、この流量検出回路は感熱抵抗体５と前記抵抗体と共に例えばブリッジ回路等を構成し、感熱抵抗体５等の抵抗値の変化を電圧信号として検出するようになっている。
【００２７】
８，８は本実施例によるバイパス通路を示し、該各バイパス通路８は図１および図２に示す如く全体としてＬ字状をなし、管体１の直径方向で計測用通路４を挟むようにハウジング３内に形成されている。そして、バイパス通路８は、計測用通路４の途中から管体１の内壁１Ａに向けて径方向に延びる径方向通路８Ａ，８Ａと、該各径方向通路８Ａの先端側から管体１の下流側に向けて軸方向に延びる軸方向通路８Ｂ，８Ｂとから構成されている。
【００２８】
また、各径方向通路８Ａの基端側は感熱抵抗体５よりも下流側に位置して計測用通路４内に開口し、各バイパス通路８が計測用通路４から分岐する分岐流入口８Ｃ，８Ｃとなっている。そして、各分岐流入口８Ｃは互いに等しい軸方向位置で計測用通路４内に開口している。
【００２９】
一方、各軸方向通路８Ｂの先端側は管体１の内壁１Ａ近傍に位置してハウジング３の下流側端面３Ｂに開口し、分岐流入口８Ｃから各バイパス通路８内に流入した気体の一部をハウジング３の下流側に流出させる分岐流出口８Ｄ，８Ｄとなっている。
【００３０】
ここで、各分岐流出口８Ｄは、その開口面積Ｓ１ が計測用通路４の断面積Ｓに対して、
【００３１】
【数１】

となるように形成され、また管体１の内壁１Ａから径方向内側に向けて最も離間した位置での離間距離ｄが管体１の内径Ｄに対して、
【００３２】
【数２】

となるように形成されている。
【００３３】
本実施例による流量計測装置は上述の如き構成を有するもので、次に図３および図４に基づきその作動について説明する。
【００３４】
まず、吸入空気が図３中の左側に示す如く管体１内を順方向に流通すると、この吸入空気の一部は流入口４Ａから計測用通路４内に矢示Ａの如く流入し、感熱抵抗体５の周囲を通過する。これにより、感熱抵抗体５の抵抗値が通過した空気の流速（流量）に応じて減少するから、この抵抗値の変化を前述した流量検出回路によって検出し、検出結果に基づいて管体１内の吸入空気量を計測する。
【００３５】
そして、感熱抵抗体５を通過した空気流は３方向に分流し、一部が計測用通路４の流出口４Ｂから流出すると共に、残りが分岐流入口８Ｃから各バイパス通路８内に如く流入し、各分岐流出口８Ｄからハウジング３の下流側にそれぞれ流出する。
【００３６】
また、管体１内の吸入空気量が急激に変化し、計測用通路４内に空気流の乱れや圧力変動等が生じた場合には、管体１の内壁１Ａ近傍の空気流が各バイパス通路８を介してこれらの乱れや圧力変動等を抑制し、計測用通路４内の空気流を速やかに定常状態に復帰させる。
【００３７】
即ち、管体１内の圧力は図３中の右側に示す如く、管体１の内壁１Ａから内径Ｄの１／５以内の範囲（内壁１Ａの近傍）において、特性線Ｐのように中央部よりも小さくなって安定する。このため、計測用通路４を各バイパス通路８を介してこの位置に連通させることにより、計測用通路４内の空気流や圧力変動が緩衝される。
【００３８】
次に、吸入空気が図４に示すように、脈動等によって管体１内の下流側から逆流した場合には、この逆流の一部が流出口４Ｂから計測用通路４内に矢示Ｂの如く侵入し、感熱抵抗体５に達する前に分岐流入口８Ｃから各バイパス通路８内に流れ込み、分岐流出口８Ｄからハウジング３の下流側にそれぞれ流出する。
【００３９】
この場合、各バイパス通路８では、前述したように分岐流出口８Ｄ側の圧力が分岐流入口８Ｃ側よりも小さくなって安定している上、計測用通路４内に侵入した逆流は前述した矢示Ａ方向の空気流によって押圧されるから、この逆流は前記矢示Ａ方向の流れと共に低圧側となった分岐流出口８Ｄに向けて各バイパス通路８内に流れ込み、感熱抵抗体５には到達しない。
【００４０】
かくして、本実施例では、各バイパス通路８を感熱抵抗体５よりも下流側に位置して計測用通路４から分岐させ、該各バイパス通路８の分岐流出口８Ｄを管体１の内壁１Ａ近傍に開口させる構成としたから、管体１内に逆流が発生した場合には、この逆流を図４中の矢示Ｂに示す如くバイパス通路８を介してハウジング３の下流側に円滑に流出させることができ、この逆流が感熱抵抗体５に達するのを確実に防止することができる。
【００４１】
また、管体１内の吸入空気量が急激に変化した場合でも、これに伴う計測用通路４内の空気流の乱れや圧力変動等を各バイパス通路８を介して管体１の内壁１Ａ近傍の圧力により確実に緩衝でき、計測用通路４内の空気の流れを速やかに安定した状態に戻すことができる。
【００４２】
従って、本実施例によれば、感熱抵抗体５により管体１内を逆流する空気の流量が検出されるのを確実に防止でき、過渡状態での空気流量の検出誤差を確実に減少できると共に、吸入空気が脈動している場合や過渡状態にある場合の計測精度を大幅に向上させることができる。
【００４３】
また、管体１内の逆流が感熱抵抗体５まで到達しないから、例えば逆流分の補正が可能な感熱抵抗等を用いたりすることなく、従来技術と同様の感熱抵抗体５を用いて逆流に対応可能な流量計測装置を構成でき、コストアップ等を招くことなく流量計測装置の性能を向上させることができる。
【００４４】
さらに、各バイパス通路８により計測用通路４内の空気流の一部を低圧となった管体１の内壁１Ａ近傍に流出させるから、計測用通路４内での空気流の圧力損失を小さくすることができる。
【００４５】
また、各バイパス通路８をＬ字状に形成したから、各バイパス通路８の分岐流出口８Ｄから逆流が侵入した場合に、この逆流が計測用通路４内に流入するのを抑制できると共に、該各バイパス通路８の通路寸法を長く形成でき、圧力変動等に対する各バイパス通路８の緩衝作用を確実に大きくすることができる。
【００４６】
さらに、分岐流入口８Ｃを計測用通路４の等しい軸方向位置で互いに対向させたから、例えば各バイパス通路８の分岐流出口８Ｄ側から圧力の脈動等が伝播した場合には、各バイパス通路８間でこの脈動を互いに干渉させ、減衰させることができる。
【００４７】
なお、図５に本実施例の変形例として示すように、例えば４本のバイパス通路９，９，…を計測用通路４と管体１の内壁１Ａ近傍との間に形成する構成としてもよい。
【００４８】
次に、図６は本発明による第２の実施例を示し、本実施例では、前記第１の実施例と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。しかし、本実施例の特徴は、計測用通路４の流入口４Ａに後述の全周拡開部１１を形成し、各バイパス通路８の分岐流入口８Ｃに面取り部１２を形成したことにある。
【００４９】
ここで、本実施例による流量計測装置は前記第１の実施例とほぼ同様に、管体１内に配設されたハウジング３と、計測用通路４、感熱抵抗体５および各バイパス通路８等を備えている。
【００５０】
１１は計測用通路４の流入口４Ａに形成された全周拡開部を示し、該全周拡開部１１は、計測用通路４の流入口４Ａ側がその開口端に向けて凸湾曲状に拡径することによって形成され、流入口４Ａから計測用通路４内に流入する空気流の絞りとなっている。
【００５１】
１２，１２は各バイパス通路８の分岐流入口８Ｃに形成された面取り部を示し、該各面取り部１２は分岐流入口８Ｃの開口端下流側が凸湾曲状に面取りされることによって形成されている。
【００５２】
このように構成される本実施例でも、前記第１の実施例とほぼ同様の作用効果を得ることができるが、特に本実施例では、流入口４Ａから流入する空気流が全周拡開部１１によって絞られるから、その流入速度を大きくすることができ、この空気流により逆流が流出口４Ｂから感熱抵抗体５に到達するのをさらに確実に防止できる。さらに、この逆流を各面取り部１２によって計測用通路４内から各バイパス通路８の分岐流入口８Ｃ内へと円滑に導くことができる。
【００５３】
次に、図７は本発明による第３の実施例を示し、本実施例では、前記第１の実施例と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。しかし、本実施例の特徴は、各バイパス通路２１の分岐流出口２１Ｄをハウジング３の側面３Ｃに開口させたことにある。
【００５４】
ここで、バイパス通路２１，２１（一方のみ図示）は前記第１の実施例と同様に、計測用通路４を上，下方向に挟む位置でハウジング３内に形成され、感熱抵抗体５よりも下流側で計測用通路４から分岐する分岐流入口２１Ａと、該分岐流入口２１Ａから内壁１Ａの近傍に向けて径方向に延びる径方向通路２１Ｂとを有している。
【００５５】
しかし、本実施例では、各バイパス通路２１に、径方向通路２１Ｂの先端側から斜め下流側に向けてハウジング３の側面３Ｃへと延びる側方通路２１Ｃが形成され、該側方通路２１Ｃの先端側には、ハウジング３の側面３Ｃに開口する分岐流出口２１Ｄが形成されている。
【００５６】
そして、分岐流出口２１Ｄは、分岐流入口２１Ａよりも下流側に位置して管体１の内壁１Ａ近傍に開口し、管体１の内壁１Ａから径方向内側に向けて最も離間した位置での離間距離ｄが前記数２の式を満たすように形成されている。
【００５７】
このように構成される本実施例でも、前記第１の実施例とほぼ同様の作用効果を得ることができるが、特に本実施例では、各バイパス通路２１の分岐流出口２１Ｄをハウジング３の側面３Ｃに開口させたから、逆流が各バイパス通路２１内に侵入するのを確実に防ぐことができる。
【００５８】
なお、前記第１および第２の実施例では、各バイパス通路８の分岐流出口８Ｄを管体１の内壁１Ａに接するように形成したが、本発明はこれに限らず、管体１の内壁１Ａから内径Ｄの１／５以内となる範囲であれば、分岐流出口８Ｄを内壁１Ａから離間させてもよい。
【００５９】
また、前記各実施例では、ハウジング３の上，下両端側を管体１の内壁１Ａに固定する構成としたが、本発明はこれに限らず、上端側または下端側のみを固定する構成としてもよく、また管体１と一体形成してもよい。
【００６０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、請求項１に記載の発明によれば、バイパス通路を流量検出素子よりも下流側に位置して主通路から分岐させ、該バイパス通路の下流側を管体の内壁近傍に開口させる構成としたから、気体が管体内を逆流した場合には、気体の圧力が管体中央部よりも内壁近傍で小さくなることを利用して、この逆流をバイパス通路を介してハウジングの下流側に円滑に流出させることができ、この逆流が流量検出素子に達するのを確実に防止することができる。また、管体内の流量が急激に変化した場合でも、この変化による主通路内の圧力変動を安定した管体の内壁近傍の圧力によりバイパス通路を介して確実に緩衝できる。従って、逆流の流量が検出されるのを確実に防止でき、過渡状態での流量の検出誤差を確実に減少できると共に、気体が脈動している場合や過渡状態にある場合の計測精度を大幅に向上させることができる。
【００６１】
また、請求項２に記載の発明によれば、主通路の流入口開口端に全周拡開部を形成したから、管体内の気体を全周拡開部によって絞りつつ主通路内に流入させることができ、流入口から主通路内に流入する気体の速度を確実に大きくできる。従って、ハウジングの下流側で発生した圧力変動等が流出口から主通路内に伝わったときでも、この圧力変動が流量検出素子まで伝播するのを流入口から流入した気体によって確実に防ぐことができる。
【００６２】
さらに、請求項３に記載の発明によれば、バイパス通路の分岐流入口に面取り部を形成したから、主通路内に侵入した逆流を面取り部によって分岐流入口からバイパス通路内へと円滑に導くことができ、バイパス通路を介して管体の内壁近傍へと確実に流出させることができる。
【００６３】
また、請求項４に記載の発明によれば、バイパス通路をＬ字状に形成したから、バイパス通路内に流出側から逆流が侵入した場合に、この逆流が主通路内に流入するのを確実に抑制できると共に、バイパス通路の通路寸法を長く形成でき、圧力変動等に対するバイパス通路の緩衝作用を確実に大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による流量計測装置を示す要部破断の斜視図である。
【図２】図１中の矢示ＩＩ−ＩＩ方向からみた縦断面図である。
【図３】吸入空気が管体内を順方向に流通する状態を示す説明図である。
【図４】吸入空気が管体内を逆流した状態を示す説明図である。
【図５】本発明の第１の実施例の変形例による流量計測装置を示す横断面図である。
【図６】本発明の第２の実施例による流量計測装置を示す縦断面図である。
【図７】本発明の第３の実施例による流量計測装置を示す要部破断の斜視図である。
【符号の説明】
１ 管体
１Ａ 内壁
２ 通気路
３ ハウジング
３Ａ 上流側端面
３Ｂ 下流側端面
３Ｃ 側面
４ 計測用通路（主通路）
５ 感熱抵抗体（流量検出素子）
８，９，２１ バイパス通路
８Ｃ，２１Ａ 分岐流入口
８Ｄ，２１Ｄ 分岐流出口
１１ 全周拡開部
１２ 面取り部

Claims (4)

1. 内部が被測気体を流通させる通気路となった管体と、該管体内を直径方向に横切るように設けられたハウジングと、該ハウジングの直径方向中央部に位置して軸方向に貫通して設けられ、流入口が該ハウジングの上流側端面に開口し流出口が該ハウジングの下流側端面に開口する主通路と、該主通路の途中に設けられ該主通路を流れる気体の流量を検出する流量検出素子と、上流側が該流量検出素子よりも下流側に位置して前記主通路の途中から分岐し下流側が前記管体の内壁近傍に位置して前記ハウジングの下流側端面または側面に開口するバイパス通路とから構成してなる流量計測装置。
2. 前記主通路の流入口には、その開口端に全周拡開部を形成してなる請求項１に記載の流量計測装置。
3. 前記バイパス通路には、前記主通路から分岐する分岐流入口に面取り部を形成してなる請求項１または２に記載の流量計測装置。
4. 前記バイパス通路は、前記ハウジングに対してＬ字状に形成してなる請求項１，２または３に記載の流量計測装置。

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