JP4174321B2 - 発熱抵抗体式流量測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の吸気通路を流れる吸入空気量を測定する発熱抵抗式空気流量測定装置に係り、特に、自動車用エンジンに吸入される空気流量を測定するのに好適な発熱抵抗体式流量測定装置に関する。
従来の発熱抵抗体式流量測定装置においては、様々な計測誤差が知られているが、その中で発熱抵抗体式流量測定装置自身の構造体を伝わった熱により、発熱抵抗体等の検出素子が加熱されることにより発生する温度特性誤差がある。熱の発生源としては、代表的な物は、1)エンジン及び排気管を熱源とするもの、2)発熱抵抗体式流量測定装置の電子回路部において信号増幅回路を形成しているパワートランジスタを熱源とするものが上げられる。熱の伝達経路としては、A)発熱抵抗体式流量測定装置自身の構造体を伝わり検出素子に直接到達するもの、B)発熱抵抗体式流量測定装置自身の構造体を伝わった熱が副通路壁の温度を上昇させ、副通路壁に接する空気流の温度が上昇し、検出素子に到達するものの二つが考えられる。
ここで、空気温度を測定する温度センサに熱が伝わった場合は、温度センサの温度が伝わった熱量の分だけ周囲の空気温度より高くなり、その熱量が直接計測温度の誤差として発生する。発熱抵抗体に熱が伝わった場合には、検出素子が受けた熱量分だけ、発熱抵抗体を電気的に加熱する必要が無くなるため、発熱抵抗体式流量測定装置の出力が減少する。これは、発熱抵抗体式流量測定装置は、常に、発熱抵抗体の温度を感温抵抗体の温度に対して常に一定値高くなるように制御しており、その制御に必要な電力を計測値として取出しているためである。熱が感温抵抗体に伝わった場合には、検出素子が受けた熱量分だけ、発熱抵抗体の加熱量が多くなり、発熱抵抗体式流量測定装置の出力が増加する。このようにして、発熱抵抗体式流量測定装置では、熱による誤差が発生する。
従来の発熱抵抗式流量測定装置においては、構造部材を介して発熱抵抗体等の検出素子が受ける熱影響を低減もしくは調整するものとして、例えば、特開60−36916号公報に記載されたものが知られている。特開60−36916号公報に記載されたものでは、構造部材からの熱影響を調整するために、検出素子を支持するターミナルの形状,材質を変化させるようにしている。
特開60−36916号公報
しかしながら、ターミナルの形状や材質を変える方式では、検出素子支持体の材質を変更した場合の検出素子との溶接性悪化や、支持体が複雑な構造となった場合の生産性の悪化等の問題がある。
本発明の目的は、生産性の向上した発熱抵抗式流量測定装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、空気流量を検出する検出素子と、この検出素子の加熱温度を補償するために周囲温度を測定する感温抵抗体と、この検出素子と感温抵抗体を内部に配置するとともに、吸気通路を流れる空気の一部が流入出する副通路を有する発熱抵抗体式流量測定装置において、上記検出素子及び感温抵抗体それぞれ、もしくは何れかの近傍であって、上記副通路の壁に形成されるとともに、上記副通路と上記吸気通路を連通する孔を備え、上記検出素子及び上記感温抵抗体及び上記温度センサの横幅をL1とし、上記副通路の断面形状を方形としてその幅をL3とするとき、上記孔の横幅L2をL1≦L2≦L3としたものである。
かかる構成により、孔の位置を変えるのみで、検出素子若しくは感温抵抗体に対する温度影響を低減して、生産性を向上し得るものとなる。
本発明によれば、発熱抵抗式流量測定装置の生産性を向上することができる。
以下、図1〜図11を用いて、本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の構成について説明する。
最初に、図1及び図2を用いて、本実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の全体構成について説明する。
図1は、本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の全体構成を示す縦断面透視図であり、図2は、本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の副通路の縦断面図であり、図1のA−A断面図である。
図1に示すように、発熱抵抗体式流量測定装置のモジュールハウジング4は、自動車用内燃機関の吸気通路1に、モジュールフランジ3を介して取りつけられる。モジュールフランジ3には、外部との電気接続用のコネクタ2が設けられている。モジュールハウジング4の先端部には副通路6が形成されている。副通路6の内部には、空気温度検出素子12と、感温抵抗体13と、発熱抵抗体14とが設置されている。
吸気通路1から内燃機関に吸入される空気の一部は、副通路入口7から副通路6の内部に流入し、副通路出口8から吸気通路1に流出する。副通路7に流入した空気の温度は、空気温度検出素子12によって検出される。副通路7に流入した空気の流量は、発熱抵抗体14によって検出されるとともに、感温抵抗体13によって吸気温が補正される。
空気温度検出素子12,感温抵抗体13,発熱抵抗体14は、モジュールハウジング4内部に設置された電子回路と電気的に接続されている。この電子回路は、コネクタ2を介して外部と接続され、外部に空気流量の検出信号及び空気温度の検出信号を出力する。モジュールハウジング4の内部に設置された電子回路は、カバー5によって封止されている。
次に、図2に示すように、空気温度検出素子12が近接している副通路側壁15には、空気温度検出素子12の近傍に、副通路壁孔9が設けられている。また、感温抵抗体13が近接している副通路側壁15には、感温抵抗体13の近傍に、副通路壁孔10が設けられている。さらに、発熱抵抗体14が近接している副通路側壁16には、発熱抵抗体14の近傍に、副通路壁孔11が設けられている。
また、図2に示すように、空気温度検出素子12,感温抵抗体13は、空気の流れXに対して、同一平面上に配置されている。一方、発熱抵抗体14は、空気の流れXに対して、空気温度検出素子12,感温抵抗体13の下流であって、空気温度検出素子12,感温抵抗体13とは異なる平面に配置されている。空気温度検出素子12及び感温抵抗体13は、流入する空気の温度を検出するものであるため、発熱抵抗体14が上流にあると、発熱抵抗体14の熱によって正確な温度検出が行えなくなるため、発熱抵抗体14は、空気温度検出素子12及び感温抵抗体13の下流に配置されている。また、発熱抵抗体14の上流に空気の流れを乱す素子が配置されていると、正確な空気流量の測定が行えないため、発熱抵抗体14は、空気の流れXに対して、空気温度検出素子12,感温抵抗体13とは異なる平面に配置されている。
次に、図3及び図4を用いて、本実施形態による発熱抵抗式流量測定装置に設けられた副通路壁孔の寸法形状について説明する。
図3は、本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の要部構成を示す縦断面透視図であり、図4は、本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の要部の平面図である。なお、図1及び図2と同一符号は、同一部分を示している。
図3に示すように、副通路壁孔9,10,11の形状は、矩形のスリット状である。そして、図3及び図4に示すように、空気温度検出素子12,感温抵抗体13及び発熱抵抗体14の近傍に設けられた副通路壁孔9,10,11の横幅L2は、空気温度検出素子12,感温抵抗体13及び発熱抵抗体14のそれぞれの横幅L1以上(L2≧L1)であり、副通路6の幅L3以下(L2≦L3)としている。なお、副通路壁孔9,10,11の形状は、スリット状に限らず、楕円形もしくは円形等の形状としてもよいものである。
以上のように、空気温度検出素子12,感温抵抗体13,発熱抵抗体14が、副通路6の内部に配置されている構成では、次の2つの問題が生じる。
1)空気温度検出素子12,感温抵抗体13,発熱抵抗体14等の検出素子が、副通路壁15,16に近接して設置されている場合、副通路6を通過する空気流は、流れ抵抗が小さい部分を主に通過するため、検出素子と副通路壁面間を流れる空気流量が非常に小さくなる傾向にある。このため、外部からの熱もしくは制御回路のパワートランジスタ部発熱により加熱されている検出素子が、副通路を流れる空気流により冷却される効果が減少する。
2)また、外部もしくはパワートランジスタ部より伝達する熱は、空気流量計の構造部材を伝達するため、副通路壁自体の温度も上昇する。この時、副通路壁15,16に接している副通路6の内部を流れる空気流も加熱され、副通路壁からある程度の距離までの空気は温度が上昇することとなる。この空気温度が上昇する範囲は、副通路壁の最上流端点から徐々に成長していく。発熱抵抗体等の検出素子がこの空気温度の上昇する範囲内に設置されている場合は、熱が構造部材を伝わって検出素子の温度が直接上昇した場合と同様に、温度による誤差を生じることとなる。
次に、図5を用いて、(1)冷却効果の減少に対して、流速を増加して、冷却効果を増加するための、本実施形態による副通路壁孔の寸法形状について説明する。
図5は、本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の副通路の縦断面図である。なお、図1〜図4と同一符号は、同一部分を示している。
空気温度検出素子12と副通路壁15との間を流れる空気流の流速を向上させるためには、空気温度検出素子12の近傍に設けられた副通路壁孔9は、空気温度検出素子12に対し、副通路6内の空気流れ下流方向に距離m1だけオフセットしている。オフセット量m1は、空気温度検出素子12の中心と、副通路壁孔9の中心との間の空気流れ方向の距離である。副通路壁孔9を、距離m1だけオフセットさせて、副通路6内の空気流れ下流方向に設けることにより、副通路入口7から流入した空気の一部は、副通路壁孔9から流出することになる。その結果、空気温度検出素子12と副通路壁15の間を流れる空気流量を増加して、空気温度検出素子12の周囲の空気流速が増加して、外部からの熱等により加熱されている検出素子が、副通路を流れる空気流により冷却される効果が増加することができる。
また、同様に、感温抵抗体13と副通路壁15との間を流れる空気流の流速を向上させるためには、感温抵抗体13の近傍に設けられた副通路壁孔10は、感温抵抗体13に対し、副通路6内の空気流れ下流方向に距離m2だけオフセットしている。副通路壁孔10を、距離m2だけオフセットさせて、副通路6内の空気流れ下流方向に設けることにより、感温抵抗体13と副通路壁15の間を流れる空気流量を増加して、感温抵抗体13の周囲の空気流速が増加して、外部からの熱等により加熱されている検出素子が、副通路を流れる空気流により冷却される効果が増加することができる。
さらに、発熱抵抗体14と副通路壁16との間を流れる空気流の流速を向上させるためには、発熱抵抗体14の近傍に設けられた副通路壁孔11は、発熱抵抗体14に対し、副通路6内の空気流れ下流方向に距離m3だけオフセットしている。副通路壁孔11を、距離m3だけオフセットさせて、副通路6内の空気流れ下流方向に設けることにより、発熱抵抗体14と副通路壁16の間を流れる空気流量を増加して、発熱抵抗体14の周囲の空気流速が増加して、外部からの熱等により加熱されている検出素子が、副通路を流れる空気流により冷却される効果が増加することができる。
オフセット量m1,m2,m3は、例えば、−1mm〜+3mmとする。ここで、符号(+)は、検出素子から下流方向へのオフセット量を示し、符号(−)は、検出素子から下流方向へのオフセット量を示している。オフセット量m1,m2,m3は、検出素子の寸法等によって変える必要があり、その具体例については、図7において後述する。
次に、図6を用いて、(2)副通路壁の温度上昇による温度誤差に対して、温度境界層を分断するための、本実施形態による副通路壁孔の寸法形状について説明する。
図6は、本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の副通路の縦断面図である。なお、図1〜図4と同一符号は、同一部分を示している。
副通路壁15の熱の影響を低減するためには、副通路壁15から発生する熱が空気温度検出素子12に伝搬しないように、温度境界層を分断する。そのためには、空気温度検出素子12の近傍に設けられた副通路壁孔9’は、空気温度検出素子12に対し、副通路6内の空気流れ上流方向に距離n1だけオフセットしている。オフセット量n1は、空気温度検出素子12の中心と、副通路壁孔9’の中心との間の空気流れ方向と逆方向の距離である。副通路壁孔9’を、距離n1だけオフセットさせて、副通路6内の空気流れ上流方向に設けることにより、副通路壁孔9’から流入する空気によって温度境界層が分断され、副通路壁15からの熱が、空気温度検出素子12に伝搬されれにくくなる。その結果、副通路壁15からの熱の影響を低減することができ、検出素子周囲の空気温度を低下させることができる。
また、同様に、副通路壁15からの熱が感温抵抗体13に影響することを低減するため、感温抵抗体13の近傍に設けられた副通路壁孔10’は、感温抵抗体13に対し、副通路6内の空気流れ上流方向に距離n2だけオフセットしている。副通路壁孔10’を、距離n2だけオフセットさせて、副通路6内の空気流れ上流方向に設けることにより、副通路壁孔10’から流入する空気によって温度境界層が分断され、副通路壁15からの熱が、感温抵抗体13に伝搬されれにくくなる。その結果、副通路壁15からの熱の影響を低減することができる。
さらに、副通路壁16からの熱が発熱抵抗体14に影響することを低減するため、発熱抵抗体14の近傍に設けられた副通路壁孔11’は、発熱抵抗体14に対し、副通路6内の空気流れ上流方向に距離n3だけオフセットしている。副通路壁孔11’を、距離n3だけオフセットさせて、副通路6内の空気流れ上流方向に設けることにより、副通路壁孔11’から流入する空気によって温度境界層が分断され、副通路壁16からの熱が、発熱抵抗体14に伝搬されれにくくなる。その結果、副通路壁16からの熱の影響を低減することができる。
オフセット量n1,n2,n3は、例えば、0mm〜+5mmとする。ここで、符号(+)は、検出素子から上流方向へのオフセット量を示している。オフセット量n1,n2,n3は、検出素子の寸法等によって変える必要があり、その具体例については、図7において後述する。
次に、図7を用いて、上述の(1)(2)に対する本実施形態による副通路壁孔の寸法形状について説明する。
図7は、本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の副通路の縦断面図である。なお、図1〜図6と同一符号は、同一部分を示している。
空気温度検出素子12の近傍に設けられた副通路壁孔9は、空気温度検出素子12に対し、副通路6内の空気流れ下流方向に距離m1だけオフセットしており、空気温度検出素子12と副通路壁15との間を流れる空気流の流速を向上させるようにしている。これによって、空気温度検出素子12と副通路壁15の間を流れる空気流量を増加して、外部からの熱等により加熱されている空気温度検出素子12を、副通路を流れる空気流により冷却する。
ここで、空気温度検出素子12の長さL1(12)を2.5mmとし、副通路6の幅L3を9.5mmとするとき、副通路壁孔9の横幅L2(9)は、9.5mmとしており、L1(12)≦L2(9)≦L3の関係を満たしている。
また、空気温度検出素子12を円筒形状として、その直径φ12を1.0mmφとし、副通路壁孔9の高さH(9)を1.0mmとするとき、オフセット量m1は、+0.5mmとしている。
また、感温抵抗体13の近傍に設けられた副通路壁孔10は、感温抵抗体13に対し、副通路6内の空気流れ下流方向に距離m2だけオフセットしており、感温抵抗体13と副通路壁15との間を流れる空気流の流速を向上させるようにしている。これによって、感温抵抗体13と副通路壁15の間を流れる空気流量を増加して、外部からの熱等により加熱されている感温抵抗体13を、副通路を流れる空気流により冷却する。
ここで、感温抵抗体13の長さL1(13)を2.0mmとし、副通路6の幅L3を9.5mmとするとき、副通路壁孔10の横幅L2(10)は、8.5mmとしており、L1(13)≦L2(10)≦L3の関係を満たしている。
また、感温抵抗体13を円筒形状として、その直径φ13を0.8mmφとし、副通路壁孔10の高さH(10)を1.5mmとするとき、オフセット量m2は、+2.5mmとしている。
さらに、発熱抵抗体14の近傍に設けられた副通路壁孔11’は、発熱抵抗体14に対し、副通路6内の空気流れ上流方向に距離n3だけオフセットしており、副通路壁孔11’から流入する空気によって温度境界層が分断している。これによって、副通路壁16からの熱が、発熱抵抗体14に伝搬されれにくくなり、副通路壁16からの熱の影響を低減することができる。
ここで、発熱抵抗体14の長さL1(14)を2.0mmとし、副通路6の幅L3を9.5mmとするとき、副通路壁孔11’の横幅L2(11’)は、8.5mmとしており、L1(14)≦L2(11’)≦L3の関係を満たしている。
また、発熱抵抗体14を円筒形状として、その直径φ14を0.5mmφとし、副通路壁孔11’の高さH(11’)を1.0mmとするとき、オフセット量n3は、+2.5mmとしている。
すなわち、図7に示した例は、空気温度検出素子12及び感温抵抗体13に対する副通路壁孔9,10は、副通路6内の空気流れ下流方向に距離m1,m2だけオフセットさせることにより、素子12を、副通路を流れる空気流により冷却するようにしている。一方、発熱抵抗体14の近傍に設けられた副通路壁孔11’は、副通路6内の空気流れ上流方向に距離n3だけオフセットさせることにより、副通路壁16からの熱の影響を低減するようにしている。
次に、図8〜図11を用いて、図7に示した構成とした場合の温度影響の低減効果について説明する。
図8〜図11は、本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置における温度影響の低減効果の説明図である。
図8及び図9は、副通路壁孔9,10の有無による空気流速分布について示しており、副通路壁孔の効果をCAE解析により検証した副通路内の空気流速分布解析結果を示している。
図8は、副通路壁孔9,10が無い場合の流速分布である。図8に示すように、空気温度検出素子12,感温抵抗体13の近傍に副通路壁孔が無い場合には、空気温度検出素子12及び感温抵抗体13とこれらの検出素子が近傍している副通路壁15が形成する隙間では、副通路6の中心部に比較して、非常に空気流速が遅くなっており、副通路内を流れる空気流による空気温度検出素子12及び感温抵抗体13の冷却効果が半減している
一方、図9は、副通路壁孔9,10を設けた場合の流速分布である。図9に示すように、空気温度検出素子12,感温抵抗体13の近傍に副通路壁孔9,10を設けることにより、副通路壁15の空気温度検出素子12及び感温抵抗体13近傍に設けられた副通路壁孔9,10に空気流の流れ込みが発生し、検出素子のほぼ全周に比較的早い空気流が接している。この結果副、通路内を流れる空気流による空気温度検出素子12及び感温抵抗体13の冷却効果が増加している。
また、図10及び図11は、副通路壁孔11’の有無による温度分布について示しており、副通路壁孔の効果をCAE解析により検証した副通路6内の空気温度分布解析結果を示している。図10は、副通路壁孔11’が無い場合の温度分布である。
図10に示すように、発熱抵抗体14の近傍に副通路壁孔が無い場合には、副通路6内を流れる空気流は外部もしくは電子回路の発熱により暖められている副通路壁16により加熱され、副通路壁16近傍で温度の高い流れを形成しており、この副通路壁16により加熱された空気流が発熱抵抗体14に到達している。その結果、発熱抵抗体14は、副通路壁16からの熱の影響を受け、温度による誤差を生じることとなる。
一方、図11は、副通路壁孔11’を設けた場合の温度分布である。図11に示すように、発熱抵抗体14の近傍に副通路壁孔11’を設けることにより、副通路壁孔11’により、副通路壁16の近傍に発生した温度の高い空気流が分断され、発熱抵抗体14の周囲の空気流温度を低下させ、副通路壁16からの熱の影響を低減することができる。
なお、図7にて説明した例では、副通路壁孔9,10,11’の形状は、矩形のスリット状としている。しかしながら、副通路壁孔の形状は、楕円形とすることもできるので、その場合の具体的な寸法について説明する。
副通路壁孔9が、長半径がRL(9)であり、短半径Rs(9)の楕円形とする。空気温度検出素子12の長さをL1(12)とし、副通路6の幅をL3とするとき、L1(12)≦RL(9)≦L3の関係を満すようにする。オフセット量m1は、−1mm〜+3mmの範囲とする。
また、副通路壁孔10が、長半径がRL(10)であり、短半径Rs(10)の楕円形とする。感温抵抗体13の長さをL1(13)とし、副通路6の幅をL3とするとき、L1(13)≦RL(10)≦L3の関係を満すようにする。オフセット量m2は、−1mm〜+3mmの範囲とする。
さらに、副通路壁孔11’が、長半径がRL(11)であり、短半径Rs(11)の楕円形とする。発熱抵抗体14の長さをL1(14)とし、副通路6の幅をL3とするとき、L1(13)≦RL(11’)≦L3の関係を満すようにする。オフセット量n3は、0mm〜+5mmの範囲とする。
副通路壁孔の形状が、円形の場合は、上述した楕円形の例において、長半径RL(9)=短半径Rs(9),長半径RL(10)=短半径Rs(10),長半径RL(11’)=短半径Rs(11’)とすればよいものである。
以上説明したように、本実施形態によれば、発熱抵抗体式流量測定装置の流量計測素子を改良すること無く、また特別な電子回路による補正を行うこと無く、その通路構造のみにより、発熱抵抗体式流量測定装置の温度特性を改善することができる。
また、各検出素子近傍に設置される孔の大きさ,位置の組み合わせを変更することにより、容易に発熱抵抗体式流量測定装置の温度特性を調整することが可能となるため、発熱抵抗体式流量測定装置の構成、自動車用内燃機関の吸気通路の形状、温度条件によらず、簡単に最適な温度特性を得ることができる。
さらに、従来の発熱抵抗体式流量測定装置の製造方法を変更すること無く、従来構造品と同等のコストと製造することができる。
なお、本発明は、上述した空気流の計測のみならず、他の流体,例えば、水素,窒素若しくは水などの計測にも有効である。
本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の全体構成を示す縦断面透視図である。 本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の副通路の縦断面図である。 本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の要部構成を示す縦断面透視図である。 本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の要部の平面図である。 本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の副通路の縦断面図である。 本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の副通路の縦断面図である。 本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置の副通路の縦断面図である。 本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置における温度影響の低減効果の説明図である。 本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置における温度影響の低減効果の説明図である。 本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置における温度影響の低減効果の説明図である。 本発明の一実施形態による発熱抵抗式流量測定装置における温度影響の低減効果の説明図である。

Claims (2)

  1. 空気流量を検出する検出素子と、この検出素子の加熱温度を補償するために周囲温度を測定する感温抵抗体と、この検出素子と感温抵抗体を内部に配置するとともに、吸気通路を流れる空気の一部が流入出する副通路を有する発熱抵抗体式流量測定装置において、
    上記検出素子及び感温抵抗体それぞれ、もしくは何れかの近傍であって、上記副通路の壁に形成されるとともに、上記副通路と上記吸気通路を連通する孔を備え、
    上記検出素子及び上記感温抵抗体及び上記温度センサの横幅をL1とし、上記副通路の断面形状を方形としてその幅をL3とするとき、上記孔の横幅L2をL1≦L2≦L3としたことを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
  2. 請求項1記載の発熱抵抗体式流量測定装置において、
    上記副通路内に配置され、流体温度を測定する温度センサと、
    上記温度センサの近傍であって、上記副通路の壁に形成された孔を備えたことを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
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