JP5085889B2 - 発熱抵抗体式流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気の流量を計測する発熱抵抗体式流量測定装置に関する。特には、内燃機関の空燃比制御などに用いる各種センサを始め、流体流量の計測センサ全般及びその制御システムに関するものである。

発熱抵抗体式流量測定装置は、発熱抵抗体の奪われる熱量が流入流量に対し単調に増加する関係が有ることを利用したものであり、質量流量を直接測定出来るため、特に自動車の空燃比制御用の流量計として広く使われている。

自動車用の発熱抵抗体式流量測定装置は、車輌の吸気ダクトの一部に装着され、吸入空気流量を測定する役割を持つ。ガソリンエンジンでは、通常アクセルに連動して吸気ダクト内に吸入空気が流れ、エンジンシリンダへと運ばれる。

このとき、エンジンシリンダのインレット弁が開閉することによって、流れに大きい変動若しくは脈動が発生し、発熱抵抗体式流量測定装置に測定誤差を生じるが、副通路を用いた測定誤差低減構造により実用上十分対応できる。

しかし、燃費が良く、ＣＯ２の排出量が少ないというメリットがあること、高圧をかけた燃料を霧状にして噴射し、効率よく燃やす技術（コモンレール）により、排出ガス浄化とさらなる燃費向上がなされているなどにより、利用が増えているディーゼルエンジンにおいては、発熱抵抗体式流量測定装置の計測誤差が懸念される。

それは、ディーゼルエンジンでは自然着火を利用して燃料を燃焼させるため、エンジンシリンダ内が高圧となりガソリンエンジンよりも脈動影響を受けやすいからである。

発熱抵抗体式流量測定装置の脈動による誤差を低減する構造として、特許文献１には流入開口、流入通路、流入通路内にセンサ、流出通路、流出通路開口があり、センサ下流でセンサと流出開口の間の変向通路に設けられた一つ以上の開口を設けた構造のものが記載されている。

特表２００３−５０２６８２号公報

脈動流発生時に発熱抵抗体式流量測定装置に測定誤差が発生する理由について説明する。

脈動流発生時、吸気ダクトの一部であるボディ内部に備え付けられた迂回通路を有する発熱抵抗体式流量測定装置では、逆流を順流としてカウントしてしまうプラス誤差が発生する。

また、副通路入口部と副通路出口部の圧力変動に対し、副通路内部では遅れを伴った圧力変動が生じ、これにより平均流速が増加し誤差が発生する。これらの誤差により、正確な流量計測および正確な燃料制御ができない。

そこで、副通路に水抜き穴、貫通穴を設けることで脈動影響を低減できることはわかってきているが、流量（流速）が急激に変化した場合、位置及び大きさによっては、これらの穴から空気が流出し易くなり、計測素子を流れる流量（流速）が確保できず、発熱抵抗体式流量測定装置の出力値がマイナス側へ落ち込む現象が発生し、応答性が悪化する場合がある。

本発明の目的は、この応答性を確保しながら脈動時の流量計測誤差を低減することである。

本発明は、主通路を流れる流体の一部が副通路入口部から流入し、副通路出口部に流れて行く途中に少なくとも一つの副通路迂回部を有する副通路と、前記副通路内に配置された吸気流量を計測する計測素子を有する発熱抵抗体式流量測定装置において、前記副通路入口部と前記計測素子との間にあって、前記副通路を構成する壁面に設けられ、前記副通路と前記主通路とを貫通する貫通孔を備えることを特徴とする。

本発明によれば、脈動時の流量計測誤差を低減することができる。

特に、副通路入口部と計測素子の間に副通路出口部と同じ面の流速の速くなる部分に貫通孔を設けることで、応答時には貫通孔から主通路への過剰な空気の流出を抑制することができる反面、脈動順流時には、貫通孔から主通路への空気の流出を増やす効果があり、その結果副通路内部の流速が抑制され、平均流速を下げることができ、すなわち、応答性を確保しながら脈動時の流量計測誤差を低減することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図にて説明する。

図１、２は、本発明を実施するための、第１の実施形態である。

図１、２において、流量計測装置は、流体である空気が流れる吸気ダクトの一部であるボディ２の主通路１内に配置される。

流量計測装置は、流体の一部が流れる副通路３と、流体の一部が流入する副通路入口部１０と、副通路３を流れた流体が流出する副通路出口部４と、副通路入口部１０と副通路出口部４の途中に設けた副通路迂回部１１と、副通路迂回部１１と副通路出口部４との間に配置された計測素子５を有する。

また、副通路３に配置された計測素子５、副通路３の吸入空気の温度を補償するための感温抵抗体６は、流量信号を外部に出力するための電子回路７と電気的に接続されている。

そして、この電子回路７は、カバー８、ハウジング９に格納されている。また副通路入口部１０と副通路迂回部１１の間には副通路３内への水溜り防止用の水抜き穴１２が配置されている。

副通路入口部１０と計測素子５との間に副通路３と主通路１とを貫通する貫通孔１３が副通路３を構成する壁面に設けられる。貫通孔１３は副通路迂回部１１に位置するように備わる。

貫通孔１３は副通路迂回部１１の中央を含む近傍に設けられる。

副通路迂回部１１は、流体の流速が速くなるように狭まった通路になっている。この副通路迂回部１１は、流体の流速の速い部分である。

副通路迂回部１１は円弧を描くように湾曲している。この副通路迂回部１１を流れる流体は、流速が速く、円弧を描くような流れで遠心作用をもつ。流体に含まれる塵埃が遠心力を受けて副通路３の外周側壁面に沿って流れる。このため、計測素子５に付着する塵埃が少なく、計測素子５の検知が精度良く行なわれる。

貫通孔１３は、主通路１に臨む開口が副通路出口部４と同じ方向に開放するように形成される。

副通路出口部４は、図３に示すように左右に分かれるように形成される。副通路出口部４の開口方向と、副通路入口部１０の開口方向はほぼ直角に交差するように配置されている。

さて、上述した脈動時には、この流速の速い部分（副通路迂回部１１）に設けた貫通孔１３により、副通路３と主通路１との間の流体の出入りが促進されることで、計測素子５付近の流速の増加が抑制され、流量計測装置の計測誤差を低減することができる。

この流速の増加の抑制は計測素子５の上流側で行なわれるので、流量計測装置の計測誤差を低減することができる。計測素子５の下流側で流速の増加が抑制されても、計測誤差の低減に寄与しない。

また、流速の速い部分（副通路迂回部１１）に貫通孔１３が設けることにより、流速の増加の抑制が効果的に行なわれ、計測誤差の低減に寄与するのである。

第１の実施例の効果を確認するために、貫通孔１３のあり、なしそれぞれについてＣＡＥ解析を実施した。図３には、図２の計測素子５の中央付近を断面したＡ−Ａ横断面図を示す。図４にはＣＡＥ解析結果を示す。

図４に示すグラフの横軸には、図３に図示された貫通孔１３の直径を示し、縦軸には図３に図示された点Ｐにおける定常流解析時の流速Ａと、脈動流解析時の平均流速Ｂを算出し、数式１により求めた脈動誤差を示す。

この図４に示すグラフより、貫通孔１３を設けることで、大幅に脈動誤差を低減させる効果があることが確認できる。

また、貫通孔１３の大きさは、水抜け性、ダスト詰まり防止を考慮すると１．５ｍｍ以上必要であることが実験で確認されており、最小径は１．５ｍｍ以上とすることが望ましい。

最大径については、図４に示すグラフより直径４．５ｍｍを超えると急激に脈動誤差が増加していることから４．５ｍｍ以下とすることが望ましい。

すなわち、貫通孔１３の大きさは、直径１．５〜４．５ｍｍの範囲で脈動誤差を低減させる効果があることが確認できる。

さらに、応答性についてもＣＡＥ解析を実施しており問題の無いことを確認している。

次に、第２の実施形態を図５で説明する。

第１の実施例と同様に、副通路入口部１０と計測素子５との間に副通路３と主通路１とを貫通し、副通路３を構成する壁面における流体の流速の速い部分（副通路迂回部１１）に、副通路３の出口部４と同じ方向に開口する貫通孔１３を配置し、さらには貫通孔１３よりも下流側の流速の速い部分に副通路３の出口部４と同じ方向に開口する貫通孔１３Ａを配置した構造である。

本実施例についても効果を確認するために、第１の実施例と同様のＣＡＥ解析を実施した。図６にＣＡＥ解析結果を示す。

この図６に示すグラフより、貫通孔１３を複数個設けても、第１の実施形態と同様の効果があることが確認できる。

さらには、例えばいずれかの貫通孔１３が水滴の付着、凍結、オイル、ダストなどによって塞がれたとしても、流量計測装置の計測誤差を大幅に悪化させることが無くなり、信頼性の高い発熱抵抗体式流量測定装置を実現することができる。

次に、第３の実施形態を図７で説明する。

第１の実施例と同様に、副通路入口部１０と計測素子５との間に副通路３と主通路１とを貫通し、副通路３を構成する壁面における流体の流速の速い部分に、副通路３の副通路出口部４と同じ方向に開口する空気の流線に沿って延長された貫通孔１３が配置されているのが特徴であり、長さが１．５〜４．５ｍｍの範囲であれば第１の実施形態と同様の効果がある。

さらには、貫通孔１３が空気の流線に沿って延長された形状であることから、副通路３に混入したダストや水滴が、この貫通孔１３から主通路１へ排出され易くなり、ダスト詰まりや水滴付着による水抜け性の悪化を低減させる効果もある。

図８は、上述した発熱抵抗体式流量測定装置を用いた内燃機関の制御システムの実施例を示す図である。

図８において、エアクリーナ１００、ボディ２、吸気ダクト１０３、スロットル角度センサ１１１、アイドルエアコントロールバルブ１０２、スロットルボディ１０４は、吸気マニホールド１０６と一体となり、吸気通路を形成している。

エンジンへの吸入空気１０１は、上記吸気通路を流れる途中の通路あるいは副通路３で、本実施例による発熱抵抗体式流量測定装置のモジュール１１０に流量が検知される。

そして、検知された流量の信号が電圧、周波数等の信号形態で、コントロールユニット１１４に取込まれ、インジェクタ１０５、エンジン回転速度計１１３、エンジンシリンダ１０７、排気マニホールド１０９、排気ガス１０８、酸素濃度計１１２から構成される燃料部構造及びサブシステムの制御に用いられる。

この燃料部構造及びサブシステムの制御に、本発明による発熱抵抗体式流量測定装置を適用することにより、脈動影響を低減することで正確な空気流量を測定でき、エンジンコントロール精度が向上される。

本発明は副通路を有する流量計に関わり、特に内燃機関に使用される発熱抵抗体式流量測定装置に好適である。

本発明の第１の実施形態である発熱抵抗体式流量測定装置の流れ方向に対する縦断面図。 本発明の第１の実施形態である発熱抵抗体式流量測定装置の流れ方向に対する縦断面図。 本発明の第１の実施形態である発熱抵抗体式流量測定装置のＡ−Ａ横断面図。 本発明の第１の実施形態である発熱抵抗体式流量測定装置のＣＡＥ解析結果。 本発明の第２の実施形態である発熱抵抗体式流量測定装置の流れ方向に対する縦断面図。 本発明の第２の実施形態である発熱抵抗体式流量測定装置のＣＡＥ解析結果。 本発明の第３の実施形態である発熱抵抗体式流量測定装置の流れ方向に対する縦断面図。 本発明の発熱抵抗体式流量測定装置を用いて燃料制御を行う内燃機関の制御システム図。

符号の説明

１…主通路、２…ボディ、３…副通路、４…副通路出口部、５…計測素子、６…感温抵抗体、７…電子回路、８…カバー、９…ハウジング、１０…副通路入口部、１１…副通路迂回部、１２…水抜き穴、１３、１３Ａ…貫通孔、１４…ターミナル、Ｐ…解析時の流体速度測定点、１００…エアクリーナ、１０１…吸入空気、１０２…アイドルエアコントロールバルブ、１０３…吸気ダクト、１０４…スロットルボディ、１０５…インジェクタ、１０６…吸気マニホールド、１０７…エンジンシリンダ、１０８…排気ガス、１０９…排気マニホールド、１１０…モジュール、１１１…スロットル角度センサ、１１２…酸素濃度計、１１３…エンジン回転速度計、１１４…コントロールユニット。

Claims (9)

1. 主通路を流れる流体の一部が副通路入口部から流入し、副通路出口部に流れて行く途中に少なくとも一つの副通路迂回部を有する副通路と、前記副通路内に配置された吸気流量を計測する計測素子を有する発熱抵抗体式流量測定装置において、
   前記副通路と前記主通路とを貫通する二つの貫通孔を前記計測素子の上流側でかつ前記副通路迂回部の側壁に備え、
   一つ目の貫通孔の下流側に設ける二つ目の貫通孔は、一つ目の貫通孔よりも副通路迂回部の内周側に位置することを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
2. 主通路を流れる流体の一部が流通する副通路と、前記副通路に設けられた、前記流体の一部が流れ込む副通路入口部と、前記副通路に設けられた、前記副通路を流れた流体が流れ出る副通路出口部と、前記副通路に設けられた、前記副通路入口部と前記副通路出口部の途中に存在する副通路迂回部と、前記副通路内に設けられた、前記副通路迂回部と前記副通路出口部との間に配置された吸気流量を計測する計測素子を有する発熱抵抗体式流量測定装置において、
   前記副通路と前記主通路とを貫通する貫通孔を前記計測素子の上流側でかつ前記副通路迂回部の側壁に備え、
   一つ目の貫通孔の下流側に設ける二つ目の貫通孔は、一つ目の貫通孔よりも副通路迂回部の内周側に位置することを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
3. 請求項１または２記載の発熱抵抗体式流量測定装置において、
   前記副通路迂回部は、前記副通路内を流れる流体が速くなるように狭まる流路になっていることを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載された発熱抵抗体式流量測定装置において、
   前記副通路迂回部は、円弧を描くように湾曲していることを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
5. 請求項１〜４の何れかに記載された発熱抵抗体式流量測定装置において、
   前記貫通孔は、前記副通路迂回部の中央を含む近傍に設けられることを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
6. 請求項１〜５の何れかに記載された発熱抵抗体式流量測定装置において、
   前記貫通孔は、前記主通路側に臨む開口部が前記副通路出口部と同じ方向に開口することを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
7. 請求項１〜６の何れかに記載された発熱抵抗体式流量測定装置において、
   前記貫通孔は直径が１．５〜４．５ｍｍ程度であることを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
8. 請求項１〜７の何れかに記載された発熱抵抗体式流量測定装置において、
   前記貫通孔を複数個備えたことを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
9. 請求項１〜７の何れかに記載された発熱抵抗体式流量測定装置を用いて燃料制御を行うことを特徴とする内燃機関の制御システム。

Images