JP4752472B2 - 空気流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気通路の内部にバイパス流路を形成し、そのバイパス流路内に配設される発熱素子の放熱量を基に空気流量を測定する空気流量測定装置に関する。

従来、内燃機関の吸入空気量を測定する手段として、熱線の抵抗温度特性を利用して空気流量を測定する熱式エアフロメータが公知である。
例えば、特許文献１に記載される熱式エアフロメータは、内燃機関の吸気管内に挿入されるセンサボディを有し、このセンサボディの内部に空気の一部をバイパスさせるバイパス流路が形成され、そのバイパス流路内に配置される発熱素子の放熱量を基に、吸気管を流れる空気流量（吸入空気量）を測定している。
特開平９−２８７９８５号公報

ところで、従来の熱式エアフロメータは、空気の流れが安定している定常流に対しては、バラツキの無い安定した流量測定が可能であるが、内燃機関の吸気脈動に伴って生じる脈動流に対しては、バイパス流路内の流速が低下するため、測定精度が悪化する問題がある。即ち、定常流では、図５（ａ）に示す様に、センサボディ１００の両側に空気の剥離現象が生じるため、バイパス流路の出口から流出するバイパス流の流速が大きく低下することはない。言い換えると、バイパス流路の出口から流出するバイパス流が、センサボディ１００の周囲を流れる主流に合流する時の損失が比較的小さいため、バイパス流路を流れるバイパス流の流速が低下せず、安定した流量測定が可能である。

これに対し、脈動流では、図５（ｂ）に示す様に、センサボディ１００の両側に空気の剥離現象が小さくなり、バイパス流路の出口付近の流速（主流の流速）が高くなるため、バイパス流が主流に合流する時の損失が大きくなる。その結果、バイパス流路内の流速が低下して、測定誤差を生じることがある。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、脈動時の測定誤差を低減できる空気流量測定装置を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、空気通路の内部に配置され、空気通路を流れる空気の一部をバイパスさせるバイパス流路を形成するセンサボディと、バイパス流路内に配設され、空気流量を測定するためのセンシング部とを備える空気流量測定装置であって、空気通路を流れる空気（主流と呼ぶ）の流れ方向と直交するセンサボディの両側に一組の整流板を配置すると共に、この整流板は、主流の流れ方向と平行に、且つ、主流の流れ方向に沿ったセンサボディの全幅以上の領域に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、センサボディの両側に配置される一組の整流板の効果により、整流板の内側をセンサボディの側面に沿って流れる主流の流れが定常流と脈動流とで近似するため、脈動流時の測定誤差を低減できる。つまり、定常流の時は、センサボディの両側に生じる空気の剥離現象が整流板によって抑制される。一方、脈動流の時は、整流板の内側をセンサボディの側面に沿って流れる主流の流れが、整流板の外側を流れる主流の影響を受けないため、定常流と近似した流れを作り出すことができる。その結果、定常流の場合と脈動流の場合とで、測定結果が大きく異なることはなく、脈動流に対する測定誤差を低減できる。
また、主流の流れ方向に沿ったセンサボディの全幅以上の領域に整流板を配置することにより、本発明の目的とする効果を最大限に得ることができる。つまり、定常流と脈動流とで、より近似した流れを作り出すことができる。

特に、本発明によれば、空気通路の内部で整流板の外側（反センサボディ側）の下流端に、外側通路の通気損失を増大させる空気抵抗手段として、外側通路に突出する突起が設けられている。
したがって、整流板の内側に形成される内側通路には、センサボディが配置されるため、内側通路の方が外側通路より通気損失が大きくなり、定常時に対し脈動時には、外側通路と比較して内側通路の空気流量が低減する事態を招くのに対し、本発明では、空気抵抗手段によって外側通路の通気損失を増大させることで、相対的に内側通路の通気損失が小さくなるため、その分、内側通路を流れる空気流量が増大して、脈動時の流量測定誤差を低減することが可能となる。

しかも、上述のごとく、空気抵抗手段は、整流板の外側（反センサボディ側）の下流端に設けられ、外側通路に突出する突起であるため、整流板に突起を設けるだけの簡易な構成によって、より効果的に外側通路の通気損失を増大させることができる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した空気流量測定装置において、空気通路は、内燃機関の吸気ポートに接続される吸気通路であり、この吸気通路を通って内燃機関に吸引される吸入空気量を計測することを特徴とする。
内燃機関では、高負荷運転時に吸気脈動が大きくなるため、脈動流に対する測定誤差を低減することが重要である。これに対し、本発明の空気流量測定装置は、ボディ側面の両側に主流の流れ方向と平行に整流板を配置することにより、定常流と脈動流とで近似した流れを実現できるので、脈動流に対する測定誤差を低減でき、信頼性の高い空気流量測定装置を提供できる。

（請求項３の発明）
請求項２に記載した空気流量測定装置において、吸気通路の一部を形成するエアクリーナのアウトレットパイプあるいはスロットルボディの壁面に取付け孔が形成され、この取付け孔よりセンサボディが吸気通路の内部に挿入されるプラグイン方式によって取り付けられることを特徴とする。
本発明の空気流量測定装置は、吸気通路（エアクリーナのアウトレットパイプあるいはスロットルボディ）に対し、着脱可能なプラグイン方式によって容易に取り付けることができる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は空気流量測定装置１及び整流板の取付け状態を示す三面図、図２は空気流量測定装置１の断面図である。
実施例１に示す空気流量測定装置１は、例えば、自動車用エンジンの吸入空気量を計測するエアフロメータであり、図１に示す様に、本発明の空気通路を形成するエアクリーナのアウトレットパイプ２にプラグイン方式によって着脱可能に取り付けられている。
この空気流量測定装置１は、図２に示す様に、センサボディ３、センシング部４、及び回路モジュール５等より構成される。

センサボディ３は、図１に示す様に、アウトレットパイプ２に開けられた取付け孔よりアウトレットパイプ２の内部に挿入され、アウトレットパイプ２の径方向（図示上下方向）に配置されている。センサボディ３の内部には、アウトレットパイプ２の内部を流れる空気（以下、主流と呼ぶ）の一部をバイパスさせるバイパス流路６（図２参照）が形成されている。
バイパス流路６は、センサボディ３に形成される入口３ａと出口３ｂとの間で空気の流れ方向が１８０度変化（Ｕターン）する様に形成されている。なお、以下の説明では、バイパス流路６を流れる空気をバイパス流と呼ぶ。

センシング部４は、バイパス流路６のＵターン部より上流側に配置される発熱素子４ａと感温素子４ｂとを有し、それぞれ専用のターミナル７を介して、回路モジュール５の内部に収容される回路基板（図示せず）に接続されている。
回路モジュール５は、センサボディ３の上端部に設けられ、アウトレットパイプ２の取付け孔より外側に配置される（図１参照）。この回路モジュール５は、発熱素子４ａの温度と感温素子４ｂで検出される空気温度との差を一定に保つように、発熱素子４ａに供給される電流値を制御している。

上記のセンサボディ３が挿入されるアウトレットパイプ２の内部には、図１に示す様に、センサボディ３の両側に一組の整流板８が設置され、この整流板８が、主流の流れ方向と平行に配置されている。但し、センサボディ３の側面と整流板８との間には、主流の一部が通過できる様に、所定の隙間が確保されている〔図１（ａ）、（ｃ）参照〕。
また、整流板８は、主流の流れ方向に沿ったセンサボディ３の全幅以上の領域に配置されている。具体的には、図１（ｃ）に示す様に、整流板８の上流端（図示左端）が、センサボディ３の上流端より上流側に位置し、整流板８の下流端が、センサボディ３の下流端より下流側に位置している。特に、整流板８の上流端は、センサボディ３の上流端より上流側へ大きく突き出た位置にあり、本実施例ではアウトレットパイプ２の入口まで到達している。

更に、整流板８の上端及び下端は、それぞれアウトレットパイプ２の内周面に当接している。これにより、アウトレットパイプ２の内部で整流板８が配置される範囲では、アウトレットパイプ２の内部が一組の整流板８によって３つの領域に仕切られている。ここで、一組の整流板８の内側に形成される領域、つまりセンサボディ３が配置される領域を内側通路９と呼び、一組の整流板８の外側に形成される領域を外側通路１０と呼ぶ。

続いて、空気流量測定装置１の作用を説明する。
エンジンの始動により、アウトレットパイプ２の内部に空気の流れ（主流）が発生すると、内側通路９を流れる主流の一部がセンサボディ３のバイパス流路６に流入する。この時、バイパス流路６に配置されたセンシング部４では、バイパス流の流速が大きくなると、発熱素子４ａの放熱量が増大するため、感温素子４ｂで検出される空気温度との差を一定に保つために、発熱素子４ａに通電される電流値が大きくなる。逆に、バイパス流の流速が小さくなると、発熱素子４ａの放熱量が低減するため、発熱素子４ａに通電される電流値が小さくなる。この発熱素子４ａに通電される電流値に応じた電気信号（例えば電圧信号）が、回路モジュール５から外部のＥＣＵ（電子制御装置）へ出力され、そのＥＣＵにより吸気量が測定される。

（実施例１の効果）
本実施例では、センサボディ３の両側に一組の整流板８が設置され、この整流板８が主流の流れ方向と平行に配置されているため、その整流板８の効果により、内側通路９をセンサボディ３の側面に沿って流れる主流の流れが定常流と脈動流とで近似する。つまり、定常流の時は、図３（ａ）に示す様に、センサボディ３の両側に生じる空気の剥離現象が整流板８によって抑制される。一方、脈動流の時は、図３（ｂ）に示す様に、内側通路９をセンサボディ３の側面に沿って流れる主流の流れが、外側通路１０を流れる主流の影響を受けないため、定常流と近似した流れを作り出すことができる。その結果、定常流の場合と脈動流の場合とで、測定結果が大きく異なることはなく、脈動流に対する測定誤差を低減できる。なお、図３（ａ）及び（ｂ）は、定常流と脈動流を想定したシミュレーションによる実験結果である。

図４は空気流量測定装置１及び整流板８の取付け状態を示す三面図である。
この実施例２では、図４に示す様に、整流板８に外側通路１０へ突き出る突起８ａを設けた一例である。実施例１に記載した様に、一組の整流板８によってアウトレットパイプ２の内部を３つの領域に仕切ると、整流板８の内側に形成される内側通路９には、センサボディ３が配置されるため、内側通路９の方が外側通路１０より通気損失が大きくなる。その結果、定常時に比べて脈動時には、外側通路１０と比較して内側通路９の空気流量が低下するため、流量測定誤差を生じる。
そこで、本実施例では、整流板８に外側通路１０へ突き出る突起８ａを設けて、外側通路１０の通気損失を増大させている。これにより、相対的に内側通路９の通気損失が小さくなるため、その分、脈動時に内側通路９を流れる空気流量が増大して、より正確な流量測定が可能となる。

なお、本実施例では、図４に示す様に、整流板８の下流端に突起８ａを設けているが、下流端に限定する必要はなく、外側通路１０の通気損失を増大できれば、整流板８のどの位置に突起８ａを設けても良い。但し、実験結果によると、整流板８の下流端に突起８ａを設けることで、より効果的に外側通路１０の通気損失を増大させることができる。つまり、必要以上に突起８ａを大きくすることなく、最小限の突起８ａによって外側通路１０の通気損失を増大できる。
また、この実施例２では、整流板８に突起８ａを設けているが、外側通路１０の通気損失を増大するための空気抵抗手段を整流板８とは別に設けることも可能である。例えば、アウトレットパイプ２の内周に、整流板８の突起８ａに相当する空気抵抗手段を設けることもできる。

（変形例）
実施例１及び２では、空気流量測定装置１をエアクリーナのアウトレットパイプ２に取り付ける例を記載したが、アウトレットパイプ２に限定されるものではなく、例えば、スロットルボディに取り付けることもできる。

実施例１に係る空気流量測定装置及び整流板の取付け状態を示す三面図である。 空気流量測定装置の断面図である。 定常流と脈動流を想定したシミュレーション結果である。 実施例２に係る空気流量測定装置及び整流板の取付け状態を示す三面図である。 定常流と脈動流を想定したシミュレーション結果である（従来技術）。

符号の説明

１ 空気流量測定装置
２ エアクリーナのアウトレットパイプ（空気通路）
３ センサボディ
４ センシング部
６ バイパス流路
８ 整流板
８ａ 突起（空気抵抗手段）
１０ 外側通路

Claims (3)

1. 空気通路の内部に配置され、前記空気通路を流れる空気の一部をバイパスさせるバイパス流路を形成するセンサボディと、
   前記バイパス流路内に配設され、空気流量を測定するためのセンシング部とを備える空気流量測定装置であって、
   前記空気通路を流れる空気（主流と呼ぶ）の流れ方向と直交する前記センサボディの両側に一組の整流板を配置すると共に、この整流板は、主流の流れ方向と平行に、且つ、主流の流れ方向に沿った前記センサボディの全幅以上の領域に配置されており、
   前記空気通路の内部で前記整流板の外側（反センサボディ側）の下流端に、外側通路の通気損失を増大させる空気抵抗手段として、前記外側通路に突出する突起が設けられていることを特徴とする空気流量測定装置。
2. 請求項１に記載した空気流量測定装置において、
   前記空気通路は、内燃機関の吸気ポートに接続される吸気通路であり、
   この吸気通路を通って前記内燃機関に吸引される吸入空気量を計測することを特徴とする空気流量測定装置。
3. 請求項２に記載した空気流量測定装置において、
   前記吸気通路の一部を形成するエアクリーナのアウトレットパイプあるいはスロットルボディの壁面に取付け孔が形成され、この取付け孔より前記センサボディが前記吸気通路の内部に挿入されるプラグイン方式によって取り付けられることを特徴とする空気流量測定装置。

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