JP5010877B2 - 熱式ガス流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス流量を測定する流量計に係わり、特に、自動車の内燃機関の吸入空気流量の測定に好適な熱式ガス流量測定装置に関する。

従来、図２にしめすように発熱抵抗体式空気流量測定装置２０３は、自動車、バイク等の吸気管内に実装される。吸入空気量を検出し、ＥＣＵへその信号を送る。

吸入空気はインテークバルブ２１０が開閉することにより脈動流を発生する。このとき定常時の流速分布と、脈動時の流速分布は異なる。発熱抵抗体式空気流量測定装置は発熱抵抗体近傍の流速による放熱量を検出してその流量を算出するため、この流速分布の影響を受け誤差を持つ。

この対策のため、発熱抵抗体式空気流量測定装置は副通路を有する構成で副通路の形状を最適化させることが必要となる。

また、上流側から飛来するエンジンや他の車が排出する排気ガス等によってその発熱抵抗体式空気流量測定装置の発熱抵抗体が汚損する。また、雨天時等の運転においてはエアクリーナエレメント２０２に付着した水滴が飛来する。この発熱抵抗体が汚損すると、発熱抵抗体の表面の熱伝達率が変化し、初期状態の放熱特性と異なり、これにより同一流量が発熱抵抗体に触れたとしても、その出力値は出荷時と異なり、誤差となる。また水滴の飛来は発熱抵抗体に水滴が付着した際にその気化熱により出力波形はスパイク状となり、誤差となる。この対策として特許文献１や特許文献２のようにセンシング部となる発熱抵抗体の上流側の副通路形状を迂回状あるいは渦巻き状としている。この仕組みを図９で示す。すなわち、空気流量計の上流側から、汚損物あるいは水滴が飛来した場合、汚損物もしくは水滴９０３は迂回または渦巻き形状の遠心力９０２および９０１により清浄な空気と分離し、副通路内の発熱抵抗体を避けるように通過させることで対策している。

特開平１１−２４８５０５号公報 特開２００５−１２８０３８号公報

さて一般的にエンジンの吸気管内では、脈動流が発生する。この場合、発熱抵抗体式空気流量測定装置は真の空気流量に対して誤差を持つ。

発熱抵抗体式空気流量測定装置が脈動流中でもつ誤差は副通路の形状、またはセンシング部の駆動方式に依存する。いずれの形状においても上記汚損問題に対して発熱抵抗体式空気流量測定装置の上流側副通路に迂回形状もしくは渦巻き形状を採用した場合、それを採用しない形状に比べプラス誤差を持つ。これは副通路内の迂回部を通過する空気等の流体がその遠心力により加速され、定常時の流速分布に比べ過渡時の速度分布が加速されたためである。

上記プラス誤差を低減もしくは除去するためには、迂回部のＲを大きくする等、遠心力を弱めるための形状変更が必要となる。一方耐汚損性の観点から言えば、迂回部Ｒを大きくすることは汚損物質を分離する効果も弱めることとなるため、結局２者択一の選択となってしまう。

そこで、遠心分離力を弱めることなく遠心分離により強まったプラス誤差を低減する方法を確立することが課題となる。

下流部に突起等の流れを乱す形状、例えば図１−ａに示すような段差１０５等を設け、圧力損失を局所的に発生させる形状を副通路内部に設ける。これにより、この段差等の流れを乱す形状を採用しなかった副通路と比較し高流量ほど流速が低下する。その結果、図７に示すように、脈動波形の高い流量値ほど低下する傾向となり、その結果脈動波形の平均値はマイナスに下がる。以上のメカニズムにより迂回通路特有の脈動時のプラス誤差を、遠心分離効果を損なうことなく最適化する。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図１３を参照し説明する。図１−ａは、本発明による一実施例の発熱抵抗体式空気流量測定装置を示す正面（断面）図である。図２は、発熱式空気流量計の搭載されるシステムについて説明している。図１−ａ、ｂを参照して説明する。発熱抵抗体式空気流量測定装置（以下、流量測定装置という）は、流量測定用の測定モジュール１０６と、主空気通路１０７を形成するボディ１０８と、ボディ１０８に測定モジュール１０６を取り付ける部品としてのネジ５４ａやシール５４ｂ等を含む構成である。

即ち、主空気通路１０７を形成するボディ１０８としての主空気通路１０７の壁面には、穴２５が開けられており、該穴２５に測定モジュール１０６が挿入されて、主空気通路１０２の取付面とハウジング１の取付面とがネジ７等で機械的強度を保つように固定されている。また、測定モジュール５２とボディ５３（主空気通路体２０）の間にシール５４ｂを取り付けて気密性が保たれている。

一方、測定モジュール１０６は、後述の駆動回路を搭載する回路基板２を内蔵するハウジング１０６と非導電性部材から成る副空気通路１０６とから主に構成され、副空気通路１０４には、空気流量検出のための発熱抵抗体３と、吸入空気温度を補償するための感温抵抗体４とが、導電性部材から成る支持体５を介して、回路基板２と電気的に接続されるように配置されている。すなわち、ハウジング１，回路基板２，発熱抵抗体３，感温抵抗体４，副空気通路体１０等が、測定モジュール５２として一体化されている。

上記流量測定装置の流量測定の動作原理について、回路構成から説明する。図２は、図１の発熱抵抗体式空気流量測定装置を示す回路構成図である。流量測定装置の回路基板２に形成されている駆動回路は、大きく分けてブリッジ回路とフィードバック回路から成り立っている。吸入空気流量測定を行うための発熱抵抗体３（ＲＨ），吸入空気温度を補償するための感温抵抗体４（ＲＣ），抵抗Ｒ１０及びＲ１１で上記ブリッジ回路を組み、オペアンプＯＰ１を使いフィードバックをかけながら発熱抵抗体ＲＨと感温抵抗体ＲＣの間に一定温度差を保つように発熱抵抗体ＲＨに加熱電流Ｉｈを流して、空気流量に応じた出力信号Ｖ２を出力する。つまり、流速の速い場合には、発熱抵抗体ＲＨから奪われる熱量が多いため加熱電流Ｉｈを多く流す。これに対して流速の遅い場合には、発熱抵抗体Ｒｈから奪われる熱量が少ないため加熱電流も少なくて済むものである。

この流量測定装置を脈動流中で使用した場合、出力波形は図７のとおりとなる。

発熱式流量計はその発熱抵抗体周辺の流速でその放熱量が決まるため、流量測定装置の出力は発熱抵抗体周辺の流速変動に従う。

今の真の空気流量に対する出力波形の誤差を下記のように表すこととする。

また脈動の大きさを示す指標として下記のように定義する。

脈動振幅比を横軸、脈動誤差を縦軸に表すと図１２のようになる。

ここで、図９〜図１１に戻り汚損や水滴の飛来対策として、発熱抵抗体の上流に迂回もしくは渦巻き形状の通路を採用した場合を考える。

定常流において副通路内の流速分布は図１０の１００１、１００２、１００３のようになる。つまり、中心付近が最速となり、壁面近傍が遅くなる流速分布で、副通路内に吸気が侵入してくる。迂回通路中においては、定常流では流体には９０２に示すような遠心力は働かず、迂回部の内周側が最速となる流速分布となる。

一方脈動流等の過渡時における流速分布の定性的な特徴を図１１に示す。定常流と同様に副通路内に侵入した流速分布１１０１は迂回部へ進む。このとき、迂回中の流体には過渡的な遠心力が働き、副通路内で旋回流となる。この旋回流により迂回部の出口に向かう大きな圧力差が生じる。この圧力差が駆動力となって発熱抵抗体近傍の流速分布を加速させる。この結果、１１０２のような流速分布となる。これにより、同一の流量においては定常流と比較して脈動流の方が発熱抵抗体近傍の流速は速くなる。これに伴い、図７に示すとおり、発熱抵抗体の上流側が迂回通路を採用しない形状での脈動波形７０８に比べ、高流量ほど出力が高くなるよう加速される波形７０６のようになる。したがって脈動波形の時間平均値も上流側が迂回通路でない波形に比べ、迂回通路で構成された流量測定装置の時間平均値の方が高くなる（７０７）。その結果、迂回もしくは渦巻き通路を構成しない通路に比べ脈動誤差はプラスとなる。

ここで本発明の構成について、以下に説明していく。副通路の発熱抵抗体上流部に迂回形状を採用した空気流量計において、副通路の出口部付近に図１に示すとおり、段差１０５を設ける。これにより副通路内の通路抵抗が増加し、高流量になるほど該発熱抵抗体近傍の流速が遅くなる特性となる。実験により比較した結果を図８に示す。図８は副通路の発熱抵抗体より上流側に迂回通路を採用した場合、本発明の実施例の有無による発熱抵抗体近傍の流速差を比較した結果である。

この効果による脈動波形の変化を再び図７に戻って説明する。副通路の発熱抵抗体より上流側の形状に迂回通路等を採用した場合、空気流量計の出力波形７１０は高流量ほど発熱抵抗体近傍の流速が低下する特性により、波形７１１のように高流量の信号ほど減速し、これに時間平均値も７１２から７１４へ低下する。図１２に本実施例を採用した場合の実験結果をしめす。

以上のことから、本実施例のように発熱抵抗体の下流側に段差を設けることで、遠心分離の機能を保ったままバイパス通路内の圧力損失を変化させ、脈動特性を改善することが可能となる。

別の実施例を図３、図４に示す。流量測定装置において、測定流量が低い場合、自然対流の影響により出力波形が不安定となる場合がある。この対策として同一流量で発熱抵抗体近傍の流速は速い方がよく、副通路内に圧力損失をつけすぎることはデメリットとなる。そこで図３のように出口部側壁のみをふさぐ、あるいは図４のように発熱抵抗体の下流で出口よりは上流の副通路の一部をふさぐことで圧力損失を作る方法も考えられる。これにより適度な脈動特性の改善と、低流量の発熱抵抗体近傍の流速の両者が確保できる。実験による脈動誤差低減効果の確認結果を図８、図１２に示す。

また更に別の実施例を図５に示す。

空気流量計の上流側から水滴が飛来した場合、吸気系に対する空気流量計の取り付け角度によっては段差により水がたまり、副通路の有効断面積が変化する等の理由により、流量特性が変化し問題となる。この問題を避けるため、図５に示すようにＶ型断面とすることでこの問題と、脈動誤差低減に有効な圧力損失をつける手段とを両立することができる。実験による脈動誤差低減効果の確認結果を図１２に示す。

更に別の実施例を図６に示す。

脈動誤差低減効果は発熱抵抗体の上流側迂回形状のＲにより異なる。従って、上記実施例により脈動誤差低減が十分でない場合、例えば図６のように、段差をさらに上流まで伸ばす等の形状変更により圧力損失を調節することで脈動誤差低減効果を調節することが可能である。

図１３に圧力損失の調節の一例として図１における段差１０５の高さｈを変えた場合の脈動測定結果を示す。このように段差と脈動誤差の低減には相関があり、ｈが大きくなるほどその効果が得られることが確認できた。

本発明による一実施例の発熱抵抗体式空気流量測定装置を示す正面（断面）図である。 発熱抵抗体式空気流量計の回路構成を示す図である。 本実施例の流量測定装置を実装した一実施例の電子燃料噴射制御方式の内燃機関を示す図である。 実施例の一例を示す図である。 実施例の一例を示す図である。 実施例の一例を示す図である。 実施例の一例を示す図である。 発熱式空気流量計が脈動時に示す波形を示す図である。 本実施例を採用した際の発熱抵抗体近傍での流速の変化を確認した実験結果を示す図である。 副通路に迂回形状を採用した際の感性分離の効果を定性的に示す図である。 定常流において副通路に迂回形状を採用した際の副通路内に発生する流速分布を定性的に説明する図である。 脈動流において副通路に迂回形状を採用した際の副通路内に発生する流速分布を定性的に説明する図である。 本実施例を採用した際の脈動誤差の改善効果を示す実験結果である。 段差の高さを変えた場合の脈動測定結果を示す図。

符号の説明

１０１…副通路出口、１０２…回路基板、１０３…発熱抵抗体、１０４…副通路迂回部、１０５…副通路内障害物、２０１…エアクリーナ、２０２…エアクリーナエレメント、２０３…空気流量計、２０４…圧力センサ、２０５…スロットルバルブ、２０７…インマニ圧力センサ、２０８…シリンダヘッド、２０９…、２１０…インテークバルブ、２１１…エグゾーストバルブ、２１２…ＥＧＲバルブ、２１３…点火コイル、２２０…吸入空気、２３０…排気空気、２４１…インテークマニホールド、２４２…エグゾーストマニホールド、７０１…脈動波形の最大値、７０２…脈動波形の最小値、７０３…副通路の発熱抵抗体より上流側に迂回部を有する流量測定装置の脈動波形の時間平均値、７０４、７０８…副通路の発熱抵抗体より上流側に迂回形状等を有しない流量測定装置の脈動波形、７０５、７０９…副通路の発熱抵抗体より上流側に迂回形状等を有しない流量測定装置の脈動波形の時間平均値、７０６、７１０…副通路の発熱抵抗体より上流側に迂回部を有する流量測定装置の脈動波形、７０７、７１２…副通路の発熱抵抗体より上流側に迂回部を有する流量測定装置の脈動波形の時間平均値、７１１…本発明の効果による脈動波形、７１４…本発明による脈動波形の時間平均値、９０１、９０２…副通路内に侵入する汚損物に働く遠心力、９０３…副通路内に進入する汚損物等、１００１、１１０５…定常流における副通路内の発熱抵抗体近傍の流速分布、１００２、１１０３…定常流における副通路内の迂回部での流速分布、１００３…定常流における副通路内の入口近傍での流速分布、１１０１…脈動流における副通路内の入口近傍での速度分布、１１０２…脈動流における副通路内の迂回部での流速分布、１１０４…脈動流における副通路内の発熱抵抗体近傍での流速分布。

Claims (5)

1. 主通路を流れる流体の一部を取り込む副通路と、前記副通路内に設置され流体の流量を検出する熱式センサ素子と、を備え、前記副通路に前記熱式センサよりも上流側に少なくとも９０°以上の迂回部を設けた熱式ガス流量測定装置において、
   前記副通路の出口部に少なくとも１つの副通路内の流れに対して障害となる形状を設け、
   前記形状は、前記出口部の前記迂回部の外周側の壁面に、前記外周側の壁面から１mmよりも高い高さを持つ形状であり、
   前記形状により圧力損失を増加させた熱式ガス流量測定装置。
2. 請求項１において前記副通路から流出する穴の側壁を一部ふさいだ形状により、副通路内の圧力損失を増加させたことを特徴とする熱式ガス流量測定装置。
3. 請求項１において前記熱式センサ素子よりも下流側に少なくとも１つの圧力損失増加のための障害物を持つことを特徴とする熱式ガス流量測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記形状は段差であることを特徴とする熱式ガス流量測定装置。
5. 上記請求項１〜４を用いた内燃機関制御システム。

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