JP6085158B2 - ガス流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス流量計測装置に関するものである。

一般に、ディーゼルエンジン等のエンジンにおいては、排気側から排ガスの一部を抜き出して吸気側へ戻し、該吸気側に戻された排ガスにて燃焼室内での燃料の燃焼を抑制し燃焼温度を下げることにより、ＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）が行われている。

前記エンジンの更なる低エミッション化を実現するためには、前記ＥＧＲの精密な制御が必要であるが、該ＥＧＲを精密に制御するためには、高応答高精度でＥＧＲガス流量を計測する技術の開発が不可欠となる。

従来、ガス流量を測定する装置としては、例えば、ガス流通路途中に設けたオリフィス前後の差圧測定から流量を算出する装置が知られている。

尚、オリフィス前後の差圧測定から流量を算出する装置と関連する一般的技術水準を示すものとしては、例えば、特許文献１、２がある。

特開２０１０−２６６２０８号公報 特開２００８−２２４４６６号公報

しかしながら、前記排ガスを再循環させるＥＧＲパイプ内にオリフィスを設置した場合、例えば、低速低負荷運転時のようにＥＧＲガス流量が少ないときは、オリフィスの上下流位置における差圧ΔＰが小さいため、図６に示される如く、実流量と算出流量の誤差［％］が大きくなって、算出流量精度が著しく低くなってしまう。

これに対し、精度を確保するためにオリフィスを絞って差圧ΔＰを大きくすると、列えば、高速高負荷運転時のようにＥＧＲガス流量が多いときは、前記差圧ΔＰが著しく大きくなって、ＥＧＲパイプ内でのＥＧＲガスの圧力損失（ポンピング損失）が大きくなり、燃費が大幅に悪化してしまう。

即ち、ＥＧＲガス流量が少ない運転域から多い運転域に亘って算出流量精度の確保と圧力損失の抑制を両立することができなかった。

一方、特許文献１に開示されている絞り式流量計は、小流量を高精度で計測し且つ大流量を低損失で計測可能なものであるが、該絞り式流量計をＥＧＲガス流量の測定に用いた場合、可動オリフィスを固定オリフィスに押し付けるばね部材が高温の排ガスにより酸と水を含む雰囲気中に晒されて劣化することに加え、エンジンの運転に伴う排ガスの脈動に対し前記ばね部材ではＥＧＲガスの通過面積を所望の値に保持することが非常に難しくなるため、長期間に亘り精密且つ高応答でＥＧＲガス流量を測定することは困難となる。

又、特許文献２に開示されている可変断面積オリフィスを備えた流量計は、オリフィス流路の断面形状を三角形とし、該三角形のオリフィス流路に対し四角形の板を三角形の高さ方向へスライド自在に配設することにより、オリフィス流路の断面積を可変としているため、該流量計をＥＧＲガス流量の測定に用いた場合、前記四角形の板並びに該板をスライドさせるアクチュエータが管路の外部に大きく張り出し、設置スペースを確保することが難しくなる。

尚、近年、吸気マニホールド内の温度と圧力とエンジンの回転数とに基づいて単位時間当たりに各気筒が吸い込み得る作動ガス量を算出すると共に、同じ単位時間当たりに吸気管を流れる新気量を実測し、該新気量を前記作動ガス量から減算して排ガスの再循環量（ＥＧＲガス流量）を求める手法も提案されており、この手法は、ＥＧＲガス流量を直接測定する特別なセンサを新たに追加しなくて済むという点で非常に優れているものの、あくまでもＥＧＲガス流量を計算によって推定するものであるため、やはりＥＧＲガス流量を直接測定する装置を開発することは非常に重要となる。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなしたもので、ガス流量が少ない運転域から多い運転域に亘って、ガス流量を高応答高精度に且つガス流通路の圧力損失を抑制しつつ測定し得るガス流量計測装置を提供しようとするものである。

本発明は、ガス流通路途中に配設され且つ固定通過孔が穿設されたオリフィス固定板と、
該オリフィス固定板に対しガス流通方向へ隣接するよう前記ガス流通路途中に配設され且つ複数枚の絞り羽根によって形成される可変通過孔の拡縮により前記固定通過孔のガスの通過面積を変化させる絞り機構と、
前記オリフィス固定板及び絞り機構の上下流位置における差圧を測定する差圧計と、
該差圧計で測定された差圧に基づきガス流量を演算する制御器と
を備え、
前記絞り機構は、
前記オリフィス固定板の内周縁部に、周方向へ等間隔に且つガス流通方向へ延びるよう配設された複数の支点ピンと、
該支点ピンを中心として回動自在に配設された複数枚の絞り羽根と、
前記支点ピンの外周側に、該支点ピンを包囲し且つ前記ガス流通路と同心状となるよう配設された環状リンクと、
該環状リンクと前記支点ピンとをつなぐよう前記オリフィス固定板に沿って放射状に配設された複数の連結リンクと、
前記環状リンクをガス流通路軸心を中心として回動させることにより、前記連結リンクを介して前記絞り羽根を回動させ前記可変通過孔を拡縮させる駆動装置と
を備え、
排ガス再循環が行われるエンジンのＥＧＲガス流量計測に適用するよう前記ガス流通路としてのＥＧＲパイプ内に前記オリフィス固定板及び絞り機構を配設し、前記エンジンの運転状態に基づくＥＧＲガス流量の増減設定に対応させて前記通過面積を増減させる駆動信号を前記制御器から駆動装置へ出力するよう構成したことを特徴とするガス流量計測装置にかかるものである。

前記ガス流量計測装置においては、前記オリフィス固定板の固定通過孔の面積を前記ＥＧＲパイプの断面積と等しくＡとした場合、前記絞り機構の可変通過孔の面積Ａ_Ｍを、ＥＧＲガス流量計測時には、
０．３Ａ＜Ａ_Ｍ＜０．７Ａ
の範囲で変化させ、ＥＧＲガス流量非計測時には、
Ａ_Ｍ＝Ａ
とするよう構成することが好ましい。

本発明のガス流量計測装置によれば、ＥＧＲガス流量が少ない運転域から多い運転域に亘って、ＥＧＲガス流量を高応答高精度に且つガス流通路の圧力損失を抑制しつつ測定し得るという優れた効果を奏し得る。

本発明のガス流量計測装置の実施例を示す側断面図である。 本発明のガス流量計測装置の実施例における絞り機構を示す正面図であって、絞り羽根を最大限開いた状態を示す図であり、図１のＩＩ−ＩＩ矢視相当図である。 図２に示す状態から絞り羽根を閉じる方向へ回動させて可変通過孔を形成した状態を示す図である。 図３に示す状態から更に絞り羽根を閉じる方向へ回動させて可変通過孔の面積を減少させた状態を示す図である。 本発明のガス流量計測装置の実施例における絞り羽根の変形例を示す正面図であって、（ａ）は絞り羽根を台形に近い形状とした図、（ｂ）は絞り羽根をティアドロップ状とした図である。 差圧と算出流量精度との関係を示す線図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。

図１〜図４は本発明のガス流量計測装置の実施例であって、ガス流通路としてのＥＧＲパイプ１途中に、固定通過孔Ｈ_Ｓが穿設されたオリフィス固定板Ｓを配設すると共に、該オリフィス固定板Ｓに対しガス流通方向上流側へ隣接するよう絞り機構２を配設し、前記オリフィス固定板Ｓ及び絞り機構２の上下流位置における差圧ΔＰを差圧計３で測定し、該差圧計３で測定された差圧ΔＰに基づきＥＧＲガス流量を制御器４で演算するよう構成したものである。

本実施例の場合、前記絞り機構２は、前記オリフィス固定板Ｓの内周縁部に、周方向へ等間隔に且つガス流通方向へ延びるよう複数（図の例では八本）の支点ピン５を配設し、該支点ピン５を中心として回動自在に且つ可変通過孔Ｈ_Ｍを形成するよう二等辺三角形状を有する複数枚（図の例では八枚）の絞り羽根６を配設し、前記支点ピン５の外周側に、該支点ピン５を包囲し且つ前記ＥＧＲパイプ１と同心状となるよう環状リンク７を配設し、該環状リンク７と前記支点ピン５とをつなぐよう前記オリフィス固定板Ｓに沿って放射状に複数（図の例では八本）の連結リンク８を配設し、該複数の連結リンク８のうちの一本に対し、駆動リンク９，１０を介してモータ等の駆動装置１１を連結し、該駆動装置１１によって駆動リンク９，１０を介し前記環状リンク７をＥＧＲパイプ１の軸心Ｏを中心として回動させることにより、前記連結リンク８を介して前記絞り羽根６を回動させ、前記可変通過孔Ｈ_Ｍを拡縮させて前記固定通過孔Ｈ_Ｓのガスの通過面積を変化させるようにしてある。

尚、前記環状リンク７によって複数の連結リンク８を固定の支点ピン５を中心に回動させようとした場合、該連結リンク８の環状リンク７に対する枢着点（連結ピン１２の位置）をずらす必要があるため、該環状リンク７には半径方向へ延びる長孔１３を穿設し、該長孔１３に連結ピン１２をスライド自在に係合させるようにしてある。又、前記絞り羽根６の枚数は八枚に限らず、増減可能であることは言うまでもない。更に又、前記オリフィス固定板Ｓ及び絞り機構２は、ＥＧＲパイプ１途中に設けられるケーシング１４によって覆うようにしてある。

前記制御器４は、自動車の場合、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）と称され、例えば、低速低負荷運転時にはＥＧＲガス流量を少なく設定し、高速高負荷運転時にはＥＧＲガス流量を多く設定するよう予めプログラミングされているため、前記エンジンの運転状態に基づくＥＧＲガス流量の増減設定に対応させて前記通過面積を増減させる駆動信号１５を前記駆動装置１１へ出力するよう構成してある。

そして、前記オリフィス固定板Ｓの固定通過孔Ｈ_Ｓの面積を前記ＥＧＲパイプ１の断面積と等しくＡとした場合、前記絞り機構２の可変通過孔Ｈ_Ｍの面積Ａ_Ｍは、ＥＧＲガス流量計測時、小さすぎると圧力損失が増加しすぎ、逆に大きすぎると差圧ΔＰが確保できなくなるため、
０．３Ａ＜Ａ_Ｍ＜０．７Ａ
の範囲で変化させ、ＥＧＲガス流量非計測時には、前記オリフィス固定板Ｓの固定通過孔Ｈ_Ｓの面積を絞る必要はないため、
Ａ_Ｍ＝Ａ
とし得るよう構成してある。

尚、前記０．３Ａ及び０．７Ａという数値は、実験から得られた数値であって、算出流量精度の確保と圧力損失の抑制を両立する上で必要となる範囲である。

次に、上記実施例の作用を説明する。

例えば、低速低負荷運転時にＥＧＲガス流量が少なくなるよう設定されているときは、該設定に対応させてＥＧＲガスの通過面積を減少させる駆動信号１５が制御器４から絞り機構２の駆動装置１１へ出力され、図４に示す如く、該駆動装置１１によって駆動リンク９，１０を介し前記環状リンク７がＥＧＲパイプ１の軸心Ｏを中心として回動することにより、前記連結リンク８を介して前記絞り羽根６が支点ピン５を中心に回動し、可変通過孔Ｈ_Ｍが収縮する形となって固定通過孔Ｈ_ＳのＥＧＲガスの通過面積が減少する。

前記可変通過孔Ｈ_Ｍを収縮させて、図４に示す如く、固定通過孔Ｈ_ＳのＥＧＲガスの通過面積を減少させると、低速低負荷運転時のようにＥＧＲガス流量が少なくても、隣接して配設されたオリフィス固定板Ｓ及び絞り機構２の上下流位置における差圧ΔＰが確保され、該差圧ΔＰが差圧計３で測定され、該差圧計３で測定された差圧ΔＰに基づきガス流量が制御器４で演算され、この結果、実流量と算出流量の誤差［％］が大きくならず、算出流量精度が向上する。

これに対し、高速高負荷運転時にＥＧＲガス流量が多くなるよう設定されているときは、該設定に対応させて前記通過面積を増加させる駆動信号１５が制御器４から絞り機構２の駆動装置１１へ出力され、図３に示す如く、該駆動装置１１によって駆動リンク９，１０を介し前記環状リンク７がＥＧＲパイプ１の軸心Ｏを中心として回動することにより、前記連結リンク８を介して前記絞り羽根６が支点ピン５を中心に回動し、可変通過孔Ｈ_Ｍが図４に示す状態より拡張する形となって固定通過孔Ｈ_ＳのＥＧＲガスの通過面積が増加する。

前記可変通過孔Ｈ_Ｍを図４に示す状態より拡張させて、図３に示す如く、固定通過孔Ｈ_ＳのＥＧＲガスの通過面積を増加させると、高速高負荷運転時のようにＥＧＲガス流量が多くても、前記差圧ΔＰが著しく大きくならず、ＥＧＲパイプ１内でのＥＧＲガスの圧力損失（ポンピング損失）が抑えられ、燃費が良くなる。

前記低速低負荷運転と高速高負荷運転との中間における運転時には、前記可変通過孔Ｈ_Ｍを図４及び図３に示す状態の中間の範囲で拡縮させて、固定通過孔Ｈ_ＳのＥＧＲガスの通過面積を変化させることにより、算出流量精度を向上させつつ、ＥＧＲガスの圧力損失（ポンピング損失）を抑えることが可能となる。又、ＥＧＲガス流量非計測時には、前記オリフィス固定板Ｓの固定通過孔Ｈ_Ｓの面積を絞る必要はないため、図２に示す如く、絞り羽根６を最大限開いた状態とする、若しくは前記絞り機構２の可変通過孔Ｈ_Ｍの面積Ａ_Ｍを少なくとも前記オリフィス固定板Ｓの固定通過孔Ｈ_Ｓの面積Ａと等しく
Ａ_Ｍ＝Ａ
とすれば良い。

尚、前記絞り羽根６の回動に伴うＥＧＲガスの通過面積の変化により、差圧ΔＰからＥＧＲガス流量を算出するための流量係数が変わるため、該流量係数を実験等から事前に求め、制御器４に予め入力しておけば良い。

又、前記ＥＧＲガス流量を算出するために、差圧計３によって測定される差圧ΔＰを用いているが、該差圧計３は数［ｍｓ］の応答が可能のため、ＥＧＲガス流量の算出も高応答が可能である。

一方、本実施例では、特許文献１に開示されている絞り式流量計とは異なり、ばね部材を使用していないため、該ばね部材が高温の排ガスにより酸と水を含む雰囲気中に晒されて劣化する心配がないことに加え、エンジンの運転に伴う排ガスの脈動に対しても絞り羽根６がぶれることはなくＥＧＲガスの通過面積を所望の値に保持することが容易となるため、長期間に亘り精密且つ高応答でＥＧＲガス流量を測定することが可能となる。

又、本実施例では、特許文献２に開示されている可変断面積オリフィスを備えた流量計とは異なり、オリフィス固定板Ｓに対し絞り羽根６を回動自在に配設することにより、ＥＧＲガスの通過面積を可変としているため、該オリフィス固定板Ｓ及び絞り羽根６はＥＧＲパイプ１の外部に大きく張り出さず、ケーシング１４の内部に収められ、絞り機構２の駆動装置１１のみをＥＧＲパイプ１外部に配置すれば良く、設置スペースを確保することが容易となる。

こうして、ＥＧＲガス流量が少ない運転域から多い運転域に亘って、ＥＧＲガス流量を高応答高精度に且つガス流通路の圧力損失を抑制しつつ測定し得る。

因みに、絞り羽根６の形状は、図２〜図４に示した支点ピン５を頂点とした二等辺三角形に限らず、図５（ａ）に示す如く、前記二等辺三角形の一方の底角部分を切除して台形に近い形状としたり、或いは、図５（ｂ）に示す如く、前記二等辺三角形の二等辺部分を支点ピン５から離反するにつれて間隔が広がっていく滑らかな湾曲線とし且つ該湾曲線の先端部分を円弧状につないだティアドロップ状としたりすることも可能である。

尚、本発明のガス流量計測装置は、上述の実施例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ＥＧＲパイプ（ガス流通路）
２ 絞り機構
３ 差圧計
４ 制御器
５ 支点ピン
６ 絞り羽根
７ 環状リンク
８ 連結リンク
１１ 駆動装置
１５ 駆動信号
Ｓ オリフィス固定板
Ｈ_Ｓ 固定通過孔
Ｈ_Ｍ 可変通過孔
Ｏ 軸心

Claims (2)

1. ガス流通路途中に配設され且つ固定通過孔が穿設されたオリフィス固定板と、
   該オリフィス固定板に対しガス流通方向へ隣接するよう前記ガス流通路途中に配設され且つ複数枚の絞り羽根によって形成される可変通過孔の拡縮により前記固定通過孔のガスの通過面積を変化させる絞り機構と、
   前記オリフィス固定板及び絞り機構の上下流位置における差圧を測定する差圧計と、
   該差圧計で測定された差圧に基づきガス流量を演算する制御器と
   を備え、
   前記絞り機構は、
   前記オリフィス固定板の内周縁部に、周方向へ等間隔に且つガス流通方向へ延びるよう配設された複数の支点ピンと、
   該支点ピンを中心として回動自在に配設された複数枚の絞り羽根と、
   前記支点ピンの外周側に、該支点ピンを包囲し且つ前記ガス流通路と同心状となるよう配設された環状リンクと、
   該環状リンクと前記支点ピンとをつなぐよう前記オリフィス固定板に沿って放射状に配設された複数の連結リンクと、
   前記環状リンクをガス流通路軸心を中心として回動させることにより、前記連結リンクを介して前記絞り羽根を回動させ前記可変通過孔を拡縮させる駆動装置と
   を備え、
   排ガス再循環が行われるエンジンのＥＧＲガス流量計測に適用するよう前記ガス流通路としてのＥＧＲパイプ内に前記オリフィス固定板及び絞り機構を配設し、前記エンジンの運転状態に基づくＥＧＲガス流量の増減設定に対応させて前記通過面積を増減させる駆動信号を前記制御器から駆動装置へ出力するよう構成したことを特徴とするガス流量計測装置。
2. 前記オリフィス固定板の固定通過孔の面積を前記ＥＧＲパイプの断面積と等しくＡとした場合、前記絞り機構の可変通過孔の面積Ａ_Ｍを、ＥＧＲガス流量計測時には、
   ０．３Ａ＜Ａ_Ｍ＜０．７Ａ
   の範囲で変化させ、ＥＧＲガス流量非計測時には、
   Ａ_Ｍ＝Ａ
   とするよう構成した請求項１記載のガス流量計測装置。

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