JP4169803B2 - 流れる媒体の質量を測定するための測定装置 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は請求項１の上位概念に記載した形式の、流れる媒体の質量を測定するための装置から出発する。
すでにドイツ連邦共和国特許出願公開第４４０７２０９号明細書には、媒体の流れに対して横方向に延びる支持体を備えていて、この支持体が流れの制限壁に形成された開口内へ差込み式に挿入されている形式の装置が公知である。制限壁は例えば吸気管の壁から成り、この吸気管を通して内燃機関が周囲から空気を吸い込む。支持体は縦長の形状を有しており、かつ流れる媒体内へ突入した自由なその端部領域のところに、媒体により貫流される測定通路を備えている。測定通路内には、いわゆるマイクロメカニカルな構造で構成された温度依存性の測定素子が取付けられている。この種の測定素子は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５２４６３４号明細書から公知であり、かつ板状の支持体上に珪素ウェーハのエッチングにより製作されたセンサ領域を備えており、このセンサ領域は複数の抵抗層で少なくとも１つの温度依存性の測定抵抗を形成している。センサ領域は、流れ速度の変化、もしくは流れる媒体の質量の変化を迅速な反応時間で検出するために、支持体上のごくわずかな部分を占めており、かつ極めてわずかな厚さを有している。
内燃機関の運転時に内燃機関の吸入弁の開閉によって、乱流の性質を有する著しく脈動する流れが吸気管内に生じる。流れ内の脈動の影響は測定通路内に測定素子を収納することにより減衰される。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４４４１８７４号明細書からは、測定通路の入口ポートのところに、測定通路にとって有効な規定された流れ剥離を生ぜしめる流れ障害物を設けることが公知である。この流れ障害物は例えばトリップエッジまたはトリップワイヤであることができる。この手段により流れ通路内の乱流が軽減され、このことが信号ノイズを軽減せしめる。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３４０８８２号明細書からは、流れる媒体の質量を測定するための装置の測定通路内に、摩擦面を備えたインナスリーブを設けることが公知である。摩擦面により渦が誘発され、この渦が流れ抵抗を変化せしめて意図的な測定修正をもたらす。インナスリーブの代わりに、流れに影響を与えるための手段として積層薄板を設けることもできる。
発明の利点
これに対して、請求項１に記載した特徴を有する本発明による測定装置が有する利点は、測定装置が隆起部の適当なディメンジョニングによって特に鋭敏に調和することができ、かつ系に由来して流れの脈動により生じる測定エラーが排除され、または少なくとも軽減することができることにある。測定通路の長さ、流れ抵抗および通路横断面の適当なディメンジョニングによりすでに脈動エラーがおおまかに減少させられる一方で、変向通路の出口ポートの周辺に設けられた隆起部の位置、形状、長さ、高さおよびその他のパラメータを最適にすることによって、極めて鋭敏な影響ひいては脈動エラー軽減が得られる。
請求項２以下に記載の手段によれば、請求項１に記載した測定装置の有利な改良および改善が可能である。
隆起部は導管の主流方向でみて変向通路の出口ポートの上流側の周辺領域内にも、導管の主流方向でみて変向通路の出口ポートの下流側の周辺領域内にも設けられることができる。隆起部を出口ポートの上流側に設けた場合には、脈動エラーが減少表示方向にずれる。逆に、隆起部を主流方向でみて出口ポートの下流側に設けた場合には脈動エラーは増大表示方向にずれる。
隆起部を主流方向でみて出口ポートの上流側に設けた場合には、この隆起部が鋭いエッジ状に形成されるかまたは極めて小さな曲率半径を有する剥離縁を備えると有利である。その場合、隆起部は出口ポートにかぶさるように突出して配置されると、要するに剥離縁に接して導管の主流方向に対して直角に延びる平面が出口ポートと交わるように配置されると有利である。隆起部はほぼ三角形の横断面輪郭を有するのが有利であり、その場合、三角形の横断面輪郭の１つの角が剥離縁を形成し、かつ三角形の横断面輪郭の別の１つの角が出口ポートの上流側の端部と合致する。
隆起部が主流方向でみて出口ポートの下流側の周辺領域内に配置された場合には、隆起部は少なくとも主流方向でみて上流側の端面領域内に丸みを備えていると有利である。隆起部は波形状に形成され、かつ導管の主流方向に関して下流側の領域内では、縁形成なしに、出口ポートを有する外面と同一の１平面に連続的に移行していると有利である。その場合、隆起部の領域内では流れの渦流化が比較的わずかとなり、かつ隆起部は導管の主流方向に比較的わずかな流れ抵抗を対向せしめる。
図面
本発明の実施例を図面に簡単に示し、以下の記載において詳細に説明する。ここに、
第１図は本発明により形成された測定装置の第１実施例に相応する部分断面側面図を示し、
第２図は本発明により形成された測定装置の第２実施例に相応する拡大部分断面側面図を示し、
第３図は本発明により形成された測定装置の第３実施例に相応する拡大部分断面側面を示す。
第１図は流動する媒体の質量、特に内燃機関の吸込空気質量の測定に役立つ符号１で示された測定装置の部分断面側面図を示す。
この測定装置１は有利にはその縦軸線１０方向で半径方向に長く延びる直方体状の細長な形状を有しており、かつ導管２の制限壁５に形成された開口６内へ例えば差込み式に挿入されている。制限壁５は例えば吸気管の壁から成り、この吸気管を通して内燃機関が周囲から空気を吸込む。制限壁５は流れ横断面７を制限しており、流れ横断面は例えば円筒形の吸気管ではほぼ円形横断面を有しており、その中央には軸方向で制限壁５に対して平行に中央軸線１１が延びており、この中央軸線は本実施例では測定装置１の縦軸線１０に対して直角に向いている。測定装置１は制限壁５内のシールリング３によってシールされており、かつ例えば詳細に図示されていないねじ結合によって制限壁５に固定的に結合されている。
測定装置１は以下に測定部１７と記載する部分で流れる媒体内へ突入しており、その場合、この測定部１７は例えば流れ横断面７のほぼ中央で中央軸線１１により対称的に分割されており、これにより、流れる媒体は、可能な限り制限壁５の有害な縁効果の影響なしに、測定部１７内に収納された温度依存性の測定素子２０に向かって流れる。第１図、第２図および第３図の実施例では媒体は右から左へ流れ、その場合、主流方向は対応する矢印３０により示されている。
測定装置１は測定部１７、支持部１８および保持部１９から一体に構成されており、かつ例えばプラスチック射出成形技術でプラスチックから製作されている。測定素子２０は半導体例えば珪素ウエーハのエッチングによりいわゆるマイクロメカニカルな構造で製作されており、かつ例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５２４６３４号明細書から引用することのできる構造を有している。測定素子２０はエッチングにより形成されたダイヤフラム状のセンサ領域２１を備えており、このセンサ領域は第１図および第２図において線IIにより制限される。センサ領域２１は極めてわずかな厚さを有しており、かつ同様にエッチングにより形成された複数の抵抗層を備えており、これらの抵抗層は少なくとも１つの温度依存性の測定抵抗と、例えば１つの加熱抵抗とを形成している。
測定素子２０をいわゆる熱フィルムセンサ素子として設けることも可能であり、その構造は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第３６３８１３８号明細書から引用することができる。この種の熱フィルムセンサ素子は同様に板状のサブストレート上に設けられた個々の抵抗層を有しており、これらの抵抗層は少なくとも１つの温度依存性の測定抵抗と、例えば少なくとも１つの加熱抵抗とを有している。
測定素子２０もしくはセンサ素子２１の個々の抵抗層は測定装置１の内部で延びる接続導線２２によって、第１図に破線で示された電子的な評価回路２３に電気的に結合されている。この電子的な評価回路２３は例えばブリッジ状の抵抗測定回路を有している。評価回路２３は例えば測定装置１の支持部１８または保持部１９に取付けられている。保持部１９に設けられた差込結合部材２４によって、評価回路２３により準備された電気的な信号が例えば別の電子的な制御装置に評価のために供給され、この制御装置は特に内燃機関の電子的なアイドリング制御装置またはエンジン出力制御装置の機能を制御する。図示の実施例では測定素子２０は有利には金属から成る小板２６内に挿入されており、この小板は主流方向３０とは逆方向に向いた刃２７を有することができる。温度依存性の測定素子２０の機能および構造の説明は当業者が背景技術から理解することができるので省略する。
測定装置１の測定部１７は例えば直方体状の形状と、測定部１７内で軸方向に延びる測定通路３３と、例えばＳ字形を有する変向通路３４とを有している。測定通路３３は中央軸線１１の方向で測定部１７内で軸方向に例えば方形横断面を有する入口ポート３６から開口３５まで延びている。測定通路３３は中央軸線１１から遠い上面３８と、中央軸線１１に近い下面３７と、２つの側面とにより制限されている。測定通路３３を中央軸線１１に対して偏心的に配置する代わりに、測定通路を同心的にまたは制限壁５の中央軸線１１の領域内に配置することもできる。板状の測定素子２０は測定通路３３内でその最大延在長さを縦軸線１０方向で半径方向に向けられており、かつこの縦軸線１０により対称的に分割されている。測定素子２０はその細い端部の一方で上面３８のところで支持部１８内に保持されており、その結果、測定素子はその両方の側面で中央軸線１１に対してほぼ平行に媒体の流れにより囲まれる。媒体は測定通路３３の入口ポート３６から測定素子２０へ、かつ測定素子から変向通路３４へ流れる。これにより媒体は、変向通路３４から半径方向で第１図および第２図に示された矢印３１の方向に出口ポート４６から流出する。
出口ポート４６から流出した媒体は次いで再び測定装置１の周りを流れる媒体に合流する。出口ポート４６は変向通路３４と同様に例えば方形横断面を有しており、かつ測定部１７の、中央軸線１１に対して平行に向けられた外面４５に設けられている。主流方向３０に関して方形の出口ポート４６の上流側には、下方の外面４５に対して横方向に、測定部１７の、主流方向３０とは逆方向に向けられた境界面４２が続いており、この境界面４２は入口ポート３６より上流で、外面４５から測定通路３３の下面３７へ丸みを有する形状で入口ポート３６まで案内されている。
本発明によれば、測定装置１の出口ポート４６を有する外面４５には出口ポート４６の周辺に少なくとも１つの隆起部５０が設けられている。
第１図に示す実施例では、この隆起部５０は主流方向３０でみて出口ポート４６の上流側の周辺領域５１内に配置されており、かつ剥離縁５２を有している。第１図に示された実施例ではこの剥離縁５２は鋭いエッジ状に形成されている。
第２図は測定装置１を中央軸線１１の領域内で拡大して示す。すでに記載したエレメントは同一符号を備えている。第１図に示された実施例と異なる点は、第２図に示された実施例では剥離縁５２が鋭いエッジ状ではなく、むしろ極めて小さな曲率半径ｒを有していることにある。
鋭いエッジ状の剥離縁５２を有する第１図に示された実施例でも、丸みを有する剥離縁５２を有する第２図に示された実施例でも、隆起部５０はそれぞれ、主流方向３０に関して出口ポート４６の上流側の端部５３にかぶさるように突出している。換言すれば、剥離縁５２に接して導管２の主流方向３０に対して直角に延びる平面５４が出口ポート４６と交わっている。隆起部５０はほぼ三角形状の横断面輪郭を有しており、その場合、三角形状の横断面輪郭の１つの角が剥離縁５２を形成しており、かつ三角形状の横断面輪郭の別の１つの角が導管２の主流方向３０に関して出口ポート４６の上流側の端部５３と合致している。三角形状の横断面輪郭の第３の角が接点５５を形成しており、この接点のところで隆起部５０が湾曲した縁面４２へ移行している。
主流方向３０でみて出口ポート４６の上流側の周辺領域５１内に隆起部５０を配置することにより、この隆起部５０なしでは系に由来する測定エラーとして生じる脈動エラーが減少表示の方向に移動し、それゆえ補正される。
第３図は本発明による測定装置１の第３実施例を示し、この場合、隆起部５０は主流方向３０でみて出口ポート４６の下流側の周辺領域６０内に配置されている。その場合、隆起部５０は波形状に成形されており、かつ主流方向３０でみて上流側の端面領域６１内に丸みを備えている。隆起部５０のこの端面領域６１内には動圧が形成され、これが測定通路３３および変向通路３４の貫流を妨げる。系に由来する測定エラーとして生じる脈動エラーは増大表示の方向に移動し、かつ相応して補正されることができる。それと同時に、主流方向３０とは逆方向に導管２内に逆流が生じた場合には変向通路３４および測定通路３３の逆流方向の貫流が抑制される。
第３図から分かるように、第３図に示された実施例での隆起部５０は連続的に湾曲しており、かつ主流方向３０でみて下流側の領域６２内で縁形成なしに、出口ポート４６を有する外面４５と同一の１平面６３へ移行している。
測定通路３３および変向通路３４の長さ、流れ抵抗および通路横断面の適当なディメンジョニング（幾何学的形状の形成）によって、実際において生じる脈動エラーがすでに大ざっぱに減少することができる一方で、変向通路３４の出口ポート４６の周辺領域内に本発明により設けられた隆起部５０によって、脈動エラーを極めて鋭敏に補正し、ひいては排除することができる。本発明による隆起部５０なしで測定装置１が脈動エラーにもとづき減少表示または増大表示のいずれに傾くかに応じて、隆起部５０が、第１図および第２図に示す実施例に相応して主流方向３０でみて出口ポート４６の上流側の周辺領域５１内に配置されるか、または第３図に示す実施例に相応して出口ポート４３の下流側の周辺領域６０内に配置される。実験によれば隆起部５０の高さがほぼ０．５ｍｍですでに脈動エラーが５％ないし１０％減少する。それゆえ、隆起部５０の高さおよび形状を最適にすれば脈動エラーをさらに減少または排除することができる。

Claims (4)

1. 導管（２）内で主流方向（３０）に沿って流れる媒体の質量、特に内燃機関の吸込空気質量を測定するための測定装置（１）であって、導管（２）内に設けられた測定通路（３３）内に配置されていて流れる媒体により囲まれる測定素子（２１）を備えており、測定通路（３３）がその軸方向で測定通路（３３）の入口ポート（３６）から変向通路（３４）へ延びており、変向通路が、測定装置（１）の外面（４５）に設けられていて導管（２）内に開口した出口ポート（４６）へ通じており、測定装置（１）の出口ポート（４６）を有する外面（４５）には出口ポート（４６）の周囲に少なくとも１つの隆起部（５０）が設けられており、隆起部（５０）が、主流方向（３０）でみて出口ポート（４６）の上流側の周囲領域（５１）内に配置されている形式のものにおいて、隆起部（５０）が先端部に、流れの剥離作用の生じる剥離縁（５２）を有しており、剥離縁（５２）が主流方向（３０）に関して出口ポート（４６）の上流側の端部（５３）にかぶさるように突出しており、その結果、導管（２）の中心軸線に沿った断面図でみて、隆起部（５０）の剥離縁（５２）に接してかつ導管（２）の主流方向（３０）に対して直角に延びる仮想の平面（５４）が、出口ポート（４６）の横断面内に位置するようになっていることを特徴とする流動する媒体の質量を測定するための測定装置。
2. 隆起部（５０）がほぼ三角形の横断面輪郭を有しており、その場合、三角形の横断面輪郭の第１の角が剥離縁（５２）を形成しており、かつ三角形の横断面輪郭の第２の角が、導管（２）の主流方向（３０）に関して出口ポート（４６）の上流側の端部（５３）と合致しており、三角形の横断面輪郭の第３の角が、主流方向と逆方向を向いていて湾曲した縁面（４２）へ隆起部（５０）が移行しているところの接点（５５）を形成していることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
3. 剥離縁（５２）が鋭いエッジ状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
4. 剥離縁（５２）が極めて小さな曲率半径（ｒ）を有していることを特徴とする請求項１記載の測定装置。

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