JP4807572B2 - 空気流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気流路を流れる空気流量及び空気温度を測定する空気流量測定装置に関する。

空気流路を流れる空気流量を検出する従来技術の空気流量測定装置としては、特許文献１に開示される空気流量測定装置を挙げることができる。特許文献１に開示される空気流量測定装置は、熱線として発熱抵抗体を用いて流体の流量を検出する熱線式流量センサであって、図６に示すように、横断面形状が角形の入口側バイパス通路９１７の一部に形成される絞り部９２０は、空気流れ方向に対し絞り部始端９２５から絞り部終端９２６まで両側壁に形成され、また支持部材９２７、９２９は絞り部終端９２６の絞り部出口側空間部９２１に絞り部９２０の入口側からみて凸状の絞り面の陰に隠れる位置に設けられるため、入口側バイパス通路９１７を流れる空気流が直接的に支持部材９２７、９２９に当たらないので、空気の乱れが発生しにくい。従って、整流された空気流の中で良好な空気流量信号が出力される。空気流量の小領域から大領域までの幅広い範囲において空気流の乱れが発生し難い状況で流量検出を行うので、熱式センシング部の出力変動を抑えられる。また、空気流路の空気温度を測定する温度測定素子としてのサーミスタ３５を備えている。
特開平１１−１１８５５９号公報

ところで、本発明者が鋭意検討を行った結果、空気流量測定装置において空気温度を測定する温度測定素子は流れる空気からの伝熱以外の要因により測定温度が高温側にずれることがあることを発見した。すなわち、空気流量測定装置は空気流量を測定する手段と空気温度を測定する手段とが近設されており、これら空気流量及び空気温度を測定する手段を制御する手段は、空気流路の空気温度を測定する場合に無視できない程度の発熱を伴い、空気温度の測定結果の精度に影響を与えることが判った。そこで、本発明者は制御手段からの発熱を考慮して測定した空気温度を補正しながら測定することに想到した。

本発明は上記実情に鑑み完成されたものであり、空気流路における空気温度の測定を精度良く行うことができる空気流量測定装置を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の空気流量測定装置は、空気流路を流れる空気の流量を測定する流量測定素子と、
前記空気流路を流れる空気の温度を測定する温度測定素子と、
前記流量測定素子及び／又は前記温度測定素子を駆動する駆動手段と、前記流量測定素子から入力される流量測定信号に基づき前記空気の流量を算出する流量算出手段と、前記温度測定素子から入力される温度測定信号に基づき前記空気の温度を算出する温度算出手段と、をもつ制御手段と、
を有する空気流量測定装置であって、
前記制御手段は、前記制御手段から前記温度測定素子への伝熱を推測して前記温度算出手段により算出された空気の温度を補正する伝熱推測手段と、前記流量算出手段から入力される流量信号に基づき前記温度測定素子から前記空気への放熱量を推測して前記温度算出手段により算出された空気の温度を補正する放熱推測手段とを備える温度補正手段をもつことを特徴とする。

空気の温度を測定する温度測定素子に対して大きな熱的影響を与える制御手段からの伝熱の程度や空気の流れにより放熱される程度を考慮して測定値を補正することで正確な空気温度の測定が実現できる。具体的には制御手段から温度測定素子への伝熱の程度を推測する伝熱推測手段と、温度測定素子から流れる空気への放熱の程度を推測する放熱推測手段とを設け、推測された伝熱の程度及び放熱の程度に基づき空気温度の測定値を補正するものである。

本発明の空気流量測定装置が内燃機関の吸気流路の流量測定に用いられている場合には、空気の流量に代えて、内燃機関の運転状態に応じて放熱の程度を推測することができる。例えば、自動車用の内燃機関を例に挙げて説明すると、エンジンを始動する前、エンジン始動後のアイドリング時、通常運転時といった数段階に分けて運転状態を分類して、その運転状態毎に温度測定素子からの放熱の程度を推測し測定結果を補正する。その放熱の程度は予め設定しておくことで演算の負荷が低減できる。

そして、制御手段からの伝熱による温度測定素子の温度は制御手段が起動してからの時間経過によりある温度にまで漸近するので、前記伝熱推測手段は、前記制御手段が起動してから経過した時間に基づき伝熱の程度を推測して前記空気の温度を低温側に補正する手段を採用することができる。

本発明の空気流量測定装置は、上記構成を有することから以下の作用効果を発揮する。すなわち、温度測定素子への伝熱と温度測定素子からの放熱とをそれぞれ考慮して温度測定結果を補正する温度補正手段を有することで、温度測定素子に対する外部からの熱的影響を排除することができ、空気の温度測定の精度を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態を示す実施例を図面に基づいて説明する。本発明の空気流量測定装置（以下、「エアフローメータ」という）を内燃機関の吸入空気流量を測定する装置に適用した一実施例について以下説明する。エアフローメータ２は、図１〜３に示すように、内燃機関の吸気管１に取り付けられている。このエアフローメータ２は、取付部７、ベンチュリ流路部５、バイパス流路部６、センシング部（流量測定素子）及び回路モジュール部９から構成されている。

取付部７は、このエアフローメータ２を吸気管１に取り付ける部分で、吸気管１に形成される取付穴にプラグイン方式により取り付けられている。この取付部７は、ベンチュリ流路部５とバイパス流路部６と樹脂により一体成形されている。ベンチュリ流路部５は、吸気管１の内部の空気流路３のほぼ中央部分に位置する。このベンチュリ流路部５は、吸気管１内を流れる吸入空気の一部を通過させるベンチュリ通路１３を有する。このベンチュリ通路１３の内壁は、吸気管１の軸方向に沿って空気流路３と平行に位置する。

バイパス流路部６は、取付部７とベンチュリ流路部５とを接続する部分に形成される。バイパス流路部６は取付部７とベンチュリ流路部５と樹脂により一体成形されている。このバイパス流路部６は、筒状の外管１５とこの外管１５の内部に形成される仕切壁１６とを有する。外管１５は、内部に、仕切壁１６と、この外管１５の内壁と仕切壁１６とにより仕切られるバイパス通路１４を有する。バイパス通路１４は、図３及び４に示すように、ほぼ逆Ｕ字状の通路に形成され、横断面形状が矩形である。仕切壁１６の上端２３の上流側に入口側バイパス通路１７が形成され、下流側に出口側バイパス通路１８が形成される。

センシング部は、前述の絞り部から絞り部出口側空間部２１にかけて設けられている。センシング部は、４本の支持部材２７、２８、２９及び３０と、流量測定素子としての発熱素子３１と、感温素子３２とからなる。

発熱素子３１及び感温素子３２は、入口側バイパス通路１７に配置される。発熱素子３１は感温素子３２よりもわずかに下流側に配置される。発熱素子３１及び感温素子３２は抵抗体の両端に配線部材が延設された全体として棒状の部材であり、バイパス通路１４内の空気の流れに直交する方向に向いており、バイパス通路１４内で空気が流れる方向から見ると並列して配置されている。

発熱素子３１の両端は、支持部材２７及び２８の自由端に支持され、感温素子３２の両端も、支持部材２９及び３０の自由端に支持されている。支持部材２７、２８、２９及び３０の固定端は取付部７の内壁に固定されており、両素子３１及び３２の配線を兼ねている。

絞り部２０は、外管１５の内壁に両側から凸状に入口側バイパス通路１７の流路面積を小さくするように形成された凸状部材である。絞り部２０により入口側バイパス通路１７の通路横断面積が上流側から下流側に次第に緩慢に小さくなり、やがて入口側バイパス通路１７の通路横断面積が最小になり、この最小通路横断面積部の下流側で通路横断面積が連続的に急速に大きくなる。

絞り部出口側空間部２１は、絞り部終端の下流側に形成され、バイパス通路１４の通常の有効開口面積を有する。この絞り部出口側空間部２１は、仕切壁１６の上端２３の部分で終了し、その下流側が出口側バイパス通路１８に接続される。出口側バイパス通路１８は、取付部７からベンチュリ流路部５に向けてほぼ一様な有効開口面積をもつように形成され、出口側バイパス通路１８の終端がベンチュリ通路１３に連通する。

また、支持部材２７、２８、２９及び３０は、入口側バイパス通路１７の上流側から下流側の開口を覗くと、絞り部２０の最小通路横断面積部の山の陰になる程度に外管１５の両側の内壁に近いに位置する。これにより、入口側バイパス通路１７の絞り部２０を通り絞り部終端から絞り部出口側空間部２１に入る空気流が乱れを発生することなしに最も安定した流れを形成する。

回路モジュール部９は、回路部と、空気流路３の空気温度を測定する温度測定素子としてのサーミスタ３５を備えている。回路部は、ハウジング３４、制御手段の一部としての制御回路３９、放熱板、コネクタ３６及びカバー３８を有する。制御回路３９は、発熱素子３１及び感温素子３２への通電を制御する駆動手段としての機能と共に、流量測定信号を出力する手段及び温度測定信号を出力する手段としての機能を有している。駆動手段の制御や、流量測定信号及び温度測定信号を受けて空気の流量や温度を算出する流量算出手段及び温度算出手段としての機能がＥＣＵ（図略）上のロジックとして設けられている。

ＥＣＵには温度補正手段として機能するロジックも実装されている。温度補正手段は伝熱推測手段と放熱推測手段とを備える。

伝熱推測手段は制御回路３９の作動により発生する熱がサーミスタ３５に伝熱して与える影響を推測する手段である。具体的には、図４（ａ）に示すように、システム（本実施例の空気流量測定装置）のスイッチがオンになった後の経過時間に伴い、制御回路３９で発生した熱がサーミスタ３５に伝熱していくことでサーミスタ３５にて測定される温度の誤差が大きくなっていく。ここで、制御回路３９から単位時間当たりに発生する熱は、ほぼ一定なので、この温度誤差はある一定量で飽和することが予測される。そこで、システムのスイッチがオンになった後の経過時間を用いることでサーミスタ３５に発生する温度誤差が予測できる。

放熱推測手段はサーミスタ３５の温度が空気流路を流れる空気に放熱することで、温度誤差が低減する程度を推測する手段である。すなわち、空気流路を流れる空気の流量が多くなると、制御回路３９からの伝熱が流れる空気へ充分に放熱することが可能になり、制御回路３９もよる測定温度への影響が段々少なくなっていく。例えば、図４（ｂ）に示すように、システムの電源が入ったのみでエンジンが停止して空気流路に空気の流れが発生していない場合には大きな温度誤差が発生するが、アイドル時には空気の流れが存在して放熱が大きくなって温度誤差が小さくなる。通常走行時などのように、更に空気流路中の空気の流れが多くなると、制御回路３９から発生する伝熱の影響を殆ど無視することができるようになる。ここで、図４（ｂ）で示したグラフはシステムの電源が入った後、サーミスタ３５が加熱されて温度誤差が飽和した時の値である。

従って、温度補正手段は、システムの電源を入れた後（イグニッションをＯＮにした後）、経過した時間により推測される温度誤差の値に対して、測定した空気流量（又はエンジンの運転状態）により算出される放熱の程度（図４（ｂ）によれば、本実施例のシステムの場合にはエンジン停止時よりもアイドル時には温度誤差が半分から３分の１程度に減少する）を考慮した割合を乗ずることで温度誤差を算出する。そして、温度算出手段により算出した空気の温度から算出した温度誤差を減ずることで、より精確な空気温度を得ることができる。ここで、空気の流量に基づいて放熱の程度を推測することに代えて、エンジンの運転状態に応じて放熱の程度を推測することができる。例えば、エンジン停止時、アイドル時、そして通常走行時の３つの運転状態にて代表させることができる。通常走行時には殆ど制御回路３９から発生する熱の影響を受けないものと考えられるので、エンジン停止時とアイドル時とについてのみ温度補正を行えばよい。

具体的には、図５に示すように、イグニッションＯＮによりシステムに電源が入った後（Ｓ１）、エンジンが始動されているかどうかを判断する（Ｓ３）。エンジンが停止している場合にはサーミスタ３５から出力された温度測定信号から算出される空気温度に対してエンジン停止時の補正として、空気流路内が無風時の補正を行い（Ｓ４）、補正後の空気の温度を算出する（Ｓ８）。

Ｓ３にてエンジンが始動されている場合にはアイドル状態であるかどうかを判断する（Ｓ７）。アイドル状態であればアイドル時の補正を行い（Ｓ６）、補正後の空気の温度を算出する（Ｓ８）。Ｓ５にてアイドル状態ではないと判断したら（つまり通常走行時であると判断）、温度測定信号に対して補正を行わずに空気の温度を算出する（Ｓ８）。

ここで、無風時及びアイドル時の補正としては、まず、システムの電源が入ってからの時間を測定してその時間における伝熱の程度を算出する。例えば、図４（ａ）に示す関係などに基づいて決定する。その後、無風時の補正としては図４（ｂ）におけるエンジン停止時の補正（伝熱がそのままサーミスタ３５に影響を与える）を行う。そしてアイドル時の補正としては図４（ｂ）におけるアイドル時の温度誤差を考慮した補正（図４（ａ）で求めた温度誤差に対して、エンジン停止時の温度誤差を１とした場合にアイドル時の温度誤差を乗ずる）を行い空気の温度を算出する。

従って、制御回路から発生する熱の影響を考慮して空気温度が測定できるので精度良く空気の温度を測定することができる。また、システムの作動時間とエンジンの運転状態とに応じて簡単に温度誤差が決定できるので、温度補正に要する演算能力の負荷を低減することができる。

本実施例のエアフローメータの一部切欠断面を示した側面図である。 本実施例のエアフローメータの一部切欠断面を示した正面図である。 本実施例のエアフローメータの取付状態を示す断面図である。 本実施例のエアフローメータにおける温度測定素子への伝熱及び温度測定素子からの放熱の様子を示すグラフである。 実施例のエアフローメータにおいて空気の温度を算出する際のフローチャートである。 従来のエアフローメータの一部切欠断面を示した正面図である。

符号の説明

１…吸気管
２…エアフローメータ（空気流量測定装置）
５…ベンチュリ流路部
６…バイパス流路部
７…取付部
９…回路モジュール部
１１…取付穴
１３…ベンチュリ通路
１４…バイパス通路
１５…外管
１６…仕切壁
１７…入口側バイパス通路
１８…出口側バイパス通路
２０…絞り部
２１…絞り部出口側空間部
２３…上端
２７、２８、２９、３０…支持部材
３１…発熱素子（流量測定素子）
３２…感温素子
３５…サーミスタ

Claims (4)

1. 空気流路を流れる空気の流量を測定する流量測定素子と、
   前記空気流路を流れる空気の温度を測定する温度測定素子と、
   前記流量測定素子及び／又は前記温度測定素子を駆動する駆動手段と、前記流量測定素子から入力される流量測定信号に基づき前記空気の流量を算出する流量算出手段と、前記温度測定素子から入力される温度測定信号に基づき前記空気の温度を算出する温度算出手段と、をもつ制御手段と、
   を有する空気流量測定装置であって、
   前記制御手段は、前記制御手段から前記温度測定素子への伝熱を推測して前記温度算出手段により算出された空気の温度を補正する伝熱推測手段と、前記流量算出手段から入力される流量信号に基づき前記温度測定素子から前記空気への放熱量を推測して前記温度算出手段により算出された空気の温度を補正する放熱推測手段とを備える温度補正手段をもつことを特徴とする空気流量測定装置。
2. 内燃機関の吸気流路である空気流路を流れる空気の流量を測定する流量測定素子と、
   前記空気流路を流れる空気の温度を測定する温度測定素子と、
   前記流量測定素子及び／又は前記温度測定素子を駆動する駆動手段と、前記流量測定素子から入力される流量測定信号に基づき前記空気の流量を算出する流量算出手段と、前記温度測定素子から入力される温度測定信号に基づき前記空気の温度を算出する温度算出手段と、をもつ制御手段と、
   を有する空気流量測定装置であって、
   前記制御手段は、前記制御手段から前記温度測定素子への伝熱を推測して前記温度算出手段により算出された空気の温度を補正する伝熱推測手段と、前記内燃機関の運転状態に基づき前記温度測定素子から前記空気への放熱量を推測して前記温度算出手段により算出された空気の温度を補正する放熱推測手段とを備える温度補正手段をもつことを特徴とする空気流量測定装置。
3. 前記放熱推測手段は前記内燃機関の運転状態が、運転停止状態又はアイドル状態の場合に前記空気の温度を低温側に補正する手段である請求項２に記載の空気流量測定装置。
4. 前記伝熱推測手段は、前記制御手段が起動してから経過した時間に基づき伝熱の程度を推測して前記空気の温度を低温側に補正する手段である請求項１〜３のいずれかに記載の空気流量測定装置。

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