JPH11325998A - ガス流量測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 良好な測定精度を確保しつつ、圧力損失の低
減を図ることのできるガス流量測定装置を提供する。 【解決手段】 空気流量測定装置１０は、クリーナパイ
プ１１に取り付けられたエアフロメータ２０と、同クリ
ーナパイプ１１内に設けられたオリフィス３０とを備え
る。オリフィス３０は、吸入空気の流れ方向に対して略
垂直になるように、その外周部分がクリーナパイプ１１
の内周壁に固定されている。オリフィス３０に形成され
た切欠き３１の周縁部とクリーナパイプ１１の内周壁と
によりクリーナパイプ１１内の通路断面積を部分的に縮
小する開口３２が形成される。エアフロメータ２０の測
定部２２は、開口３２を吸入空気が通過する際に形成さ
れる縮流中に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ガス流量測定装
置に係り、例えば内燃機関の吸気通路内を流れる吸入空
気の流量を測定するガス流量測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の燃料噴射制御においては、吸
気通路内を流れる空気の流量、即ち吸入空気量を測定す
るとともに、その吸入空気量に基づいて同機関への燃料
供給量を決定するようにしている。この吸入空気量を測
定するための測定装置としては、例えば、ヒートレジス
タ式やカルマン渦式といった方式を採用したものが従来
より知られている。こうした測定装置では、吸気通路の
内部に測定部を配置し、この測定部の近傍を通過する吸
入空気の流速に基づいて吸入空気量を測定するようにし
ている。

【０００３】ところで、吸気通路内における吸入空気の
流速は、吸入空気量を一定とした状況下であっても、同
通路内に発生する渦によって部分的に或いは時間的に変
動することがあり、特に、こうした変動は吸入空気量が
少ない場合により顕著になる傾向がある。このように吸
入空気量の変化とは無関係に吸入空気の流速が変動して
しまうと、吸入空気量の測定誤差の増大を招くこととな
り、ひいては機関運転状態、特にアイドリング運転状態
の不安定化を招くおそれがある。

【０００４】そこで、従来では、特開平８−２８５６５
９号公報等に記載されるように、上記測定部の上流側に
整流格子を配置し、吸気通路内を流れる吸入空気を一
旦、この整流格子に通過させて渦を消滅させることによ
り、測定部の近傍における吸入空気の流速を安定化させ
て良好な測定精度を得るようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように整流格子を
用いて吸入空気の流速を安定化させるようにした場合、
同整流格子によって渦を確実に消滅させるためには、そ
の格子間隔を十分に小さく設定して整流格子の格子数を
増加させる必要がある。この格子間隔が吸気通路内に発
生する渦よりも大きい場合には、渦が格子枠に接触する
ことなく通過するようになるため、その渦を消滅させる
ことができなくなるからである。

【０００６】ところが、格子間隔を小さく設定し、格子
数を増加させるようにすると、吸入空気が整流格子を通
過する際に同整流格子に接触する部分、即ち各格子枠に
おける内壁部分の総面積が増大するため、通気抵抗（摩
擦抵抗）が著しく増大することとなる。

【０００７】従って、整流格子を用いて吸入空気量の測
定精度を確保するようにした従来の測定装置にあって
は、その原理上、整流格子における過大な圧力損失の発
生が避け得ないものとなっていた。

【０００８】この発明は、こうした実情に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、良好な測定精度を確保しつ
つ、圧力損失の低減を図ることのできるガス流量測定装
置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載した発明では、被測定ガスが流れる
通路に設けられ被測定ガスの流速に基づいて通路内にお
ける被測定ガスの流量を測定する測定部を備えたガス流
量測定装置において、前記通路の通路断面積を縮小する
オリフィスが同通路内において測定部の上流側に配設さ
れるとともに、測定部は被測定ガスがオリフィスの開口
を通過することにより生じる縮流中に位置するように前
記通路に配置される構成とする。

【００１０】上記構成によれば、オリフィスの下流側に
生じる被測定ガスの縮流が測定部の近傍を通過するよう
になる。この縮流中においては、被測定ガスの流速が上
昇することにより渦の大部分が消滅するため、測定部の
近傍を通過する被測定ガスの流速変動が減少するように
なる。また、このようにオリフィスによって生じる縮流
により渦を消滅させるようにしているため、整流格子を
用いた従来の構成と比較して、通気抵抗の増大も僅かな
ものとなる。

【００１１】また、上記のように縮流中の流速上昇を利
用して渦を効果的に消滅させるうえでは、通路の通路断
面積に対するオリフィスの開口の面積比が適切に設定さ
れていることが望ましい。即ち、この比が過大である場
合には、縮流中における流速の上昇率が小さくなるた
め、渦を十分に消滅させることができなくなり、逆に過
小である場合には、被測定ガスの流れがオリフィスによ
って急激に絞られるようになるため、通気抵抗の増大を
招くこととなるからである。

【００１２】この点、請求項２に記載した発明のよう
に、前記通路の通路断面積に対する開口の面積比を０．
４５〜０．６５の範囲に設定すれば、上記流速変動及び
通気抵抗が更に減少するようになる。

【００１３】また、請求項３に記載した発明のように、
オリフィスは被測定ガスが通過可能な通過部を前記開口
とは各別に有する、とした構成にすれば、通路内にオリ
フィスを設けたことによる通気抵抗の増大が更に抑えら
れるようになる。

【００１４】

【発明の実施の形態】［第１の実施形態］以下、本発明
をエンジンの吸気通路に設けられる空気流量測定装置に
適用した第１の実施形態について説明する。

【００１５】図１は空気流量測定装置１０を示す部分断
面図である。また、図２は図１の２−２線に沿った断面
図（後述するエアクリーナ４０は省略）であり、図３は
図２の３−３線に沿った断面図である。

【００１６】空気流量測定装置１０は、クリーナパイプ
１１に取り付けられたエアフロメータ２０と、同クリー
ナパイプ１１内に設けられたオリフィス３０とを備えて
いる。

【００１７】クリーナパイプ１１は、樹脂材料等によっ
て円管状に形成されており、その内部空間は吸気通路の
一部を構成している。このクリーナパイプ１１の下流側
（図１の左側）部分は、スロットルボディ及びサージタ
ンク（いずれも図示略）を介してエンジンのインテーク
マニホルド（図示略）に接続されている。

【００１８】クリーナパイプ１１の上流側（図１の右
側）部分には、エアクリーナ４０が取り付けられてい
る。このエアクリーナ４０は、ケース４１と、同ケース
４１に形成された導入孔４１ａ及び接続孔４１ｂと、同
ケース４１の内部に配設されたフィルタ（図示略）とを
備えている。クリーナパイプ１１の上流側部分は、接続
孔４１ｂに挿入された状態でケース４１に固定されてい
る。

【００１９】導入孔４１ａからケース４１内に導入され
た吸入空気は、前記フィルタによって塵埃等が捕捉され
た後、クリーナパイプ１１に導入される。このようにク
リーナパイプ１１に導入された吸入空気は、更に同パイ
プ１１の内部を通過し、前記インテークマニホルド等を
介してエンジンの燃焼室に供給される。

【００２０】エアフロメータ２０は、ヒートレジスタ式
のセンサであり、クリーナパイプ１１の外周壁に取り付
けられたハウジング２１と、同ハウジング２１からクリ
ーナパイプ１１の内部に突出する測定部２２とを備えて
いる。また、この測定部２２は、クリーナパイプ１１内
を流れる吸入空気に接触し、同吸入空気の流速に応じて
その抵抗値が変化する測定用抵抗体２２ａと、同測定用
抵抗体２２ａを加熱する加熱用抵抗体２２ｂとによって
構成されている。

【００２１】エアフロメータ２０は、エンジン制御用の
制御装置（図示略）に対してクリーナパイプ１１を通過
する吸入空気の質量流量（吸入空気量）に応じた検出信
号を出力する。制御装置は、このエアフロメータ２０か
らの検出信号に基づいて吸入空気量に応じた燃料噴射量
を決定する。

【００２２】オリフィス３０は、クリーナパイプ１１内
において前記測定部２２より所定距離Ｌだけ上流側の位
置に配設されている。このオリフィス３０は、樹脂材料
等によって略円板状に形成されており、クリーナパイプ
１１の軸線方向、即ち、吸入空気の流れ方向に対して略
垂直になるように、その外周部分がクリーナパイプ１１
の内周壁に固定されている。図２に示すように、オリフ
ィス３０には略矩形状をなす切欠き３１が形成されてい
る。この切欠き３１の周縁部とクリーナパイプ１１の内
周壁によって、クリーナパイプ１１内の通路断面積を部
分的に縮小する開口３２が形成されている。

【００２３】図３に示すように、クリーナパイプ１１を
流れる吸入空気が上記開口３２を通過すると、その下流
側には同吸入空気による縮流が形成されるようになる。
この縮流中では、圧力低下に伴って流速が一時的に上昇
するため、オリフィス３０の上流側部分で渦が発生して
いても、その渦の大部分はこの縮流中において消滅する
ようになる。従って、この縮流は流速の変動、換言すれ
ば圧力変動の少ない安定した流れとなる。

【００２４】そこで、本実施形態では、このオリフィス
３０により形成される縮流中に前記測定部２２を配置す
るようにしている。このように縮流中に測定部２２が位
置するための条件としては、［１］開口３２をクリーナ
パイプ１１の軸線方向（吸入空気の流れ方向）に投影し
た投影領域Ｓ内に測定部２２が存在していること（図２
及び図３参照）、［２］測定部２２及びオリフィス３０
間における前記所定距離Ｌがクリーナパイプ１１の径Ｄ
の２倍、好ましくは径Ｄより短いこと、が挙げられる。

【００２５】このように条件を設定したのは、図３に示
すように、オリフィス３０による縮流は常に、開口３２
の投影領域Ｓ内に形成されるからである。また、オリフ
ィス３０による縮流は、同オリフィス３０から離間する
ほど、徐々に元の状態（オリフィス３０の上流側での状
態）にまで回復するため、前述したような渦を消滅させ
る効果を得るためには、この所定距離Ｌを十分に小さく
設定する必要があるからである。より具体的に説明する
と、この所定距離Ｌは、クリーナパイプ１１の径Ｄの２
倍よりも短く設定する必要があり、好ましくは径Ｄより
も短く設定することが望ましい。本実施形態では、この
所定距離ＬをＬ＝０．７Ｄに設定するようにしている。

【００２６】本実施形態では、上記のように測定部２２
をオリフィス３０による縮流中に配置するようにしてい
るため、同測定部２２の近傍を通過する吸入空気の流速
変動が減少し、その流速変動に起因してエアフロメータ
２０の検出信号が吸入空気量の変化とは無関係に変動し
てしまうことを抑制することができる。

【００２７】また、吸入空気がオリフィス３０を通過す
る際に同オリフィス３０に接触する部分は、開口３２の
周縁部分に限られるため、その通気抵抗（摩擦抵抗）は
整流格子と比較して極めて小さい。従って、本実施形態
によれば整流格子を用いた場合と比較して圧力損失の低
減を図ることができる。

【００２８】また、本実施形態では、以下に説明するよ
うに、オリフィス３０の位置におけるクリーナパイプ１
１の通路断面積Ｓｐと、前記開口３２の面積Ｓｏとの比
（以下、「面積比」と略記する）ｍ（＝Ｓｏ／Ｓｐ）
を、上記検出信号の変動を抑えつつ圧力損失の低減を図
るうえで好適な値に設定するようにしている。以下、こ
の面積比ｍと上記検出信号の変動及び圧力損失との関係
について図４及び図５に示す実験結果を参照して説明す
る。

【００２９】図４は、面積比ｍと圧力損失△Ｐの関係を
示すグラフであり、図５は、面積比ｍと検出信号の変動
量△Ｖとの関係を示すグラフである。また、これら各図
において、整流格子を用いた場合における上記圧力損失
△Ｐ及び変動量△Ｖの大きさを比較例として破線にて示
している。

【００３０】図４に示すように、圧力損失△Ｐは、面積
比ｍが小さくなるほど増大することがわかる。これは、
面積比ｍが小さくなるほど、即ち、開口３２の面積Ｓｏ
が小さくなるほど、吸入空気の流れがオリフィス３０に
より急激に絞られるようになり、吸入空気流の方向変化
が大きくなるためである。

【００３１】また、図５に示すように、検出信号の変動
量△Ｖは、面積比ｍが０．５２〜０．６４の範囲内では
略一定値となることがわかる。更に、検出信号の変動量
△Ｖは、面積比ｍが０．５２以下の範囲においては、同
面積比ｍが小さくなるほど増大することがわかる。これ
は以下の理由によるものと考えられる。即ち、オリフィ
ス３０を通過する際に吸入空気は開口３２の内壁面から
剥離するため、図３に示すように、オリフィス３０の下
流側であり、且つ、開口３２の周縁近傍には、吸入空気
の渦が発生するようになる。そして、こうした渦の発生
は、吸入空気がオリフィス３０によって急激に絞られる
ほど顕著になる。従って、上記のように面積比ｍが小さ
くなると、この渦の影響によって検出信号の変動量△Ｖ
が増大するものと考えられる。また、検出信号の変動量
△Ｖは、面積比ｍが約０．４５以下になると比較例にお
ける変動量を上回るようになる。

【００３２】一方、検出信号の変動量△Ｖは、面積比ｍ
が０．６４以上の範囲においては同面積比ｍが大きくな
るほど増大することがわかる。これは、面積比ｍが大き
くなるほど縮流中における流速の上昇率が減少し、同縮
流中における渦の強度が増大するため、この渦に起因し
た流速の変動が大きくなるからである。また、検出信号
の変動量△Ｖは、面積比ｍが約０．６５以上になると、
比較例における変動量を上回るようになる。

【００３３】従って、検出信号の変動量△Ｖを整流格子
を用いた比較例の場合と略同じ大きさに抑えるために
は、面積比ｍが０．４５〜０．６５の範囲内に設定され
ていることが望ましい。

【００３４】以上の考察に基づくと、検出信号の変動量
△Ｖを抑えて整流格子を用いた場合と略同等の測定精度
を維持しつつ、圧力損失△Ｐの低減を図るうえでの好適
な面積比ｍの値は、０．４５〜０．６５の範囲にあると
いえる。また、図４に示す圧力損失△Ｐの特性を考慮す
ると、この面積比ｍが０．５０〜０．６５の範囲に設定
されていれば、圧力損失△Ｐをより大きく低減させるこ
とができるようになる。更に、面積比ｍを０．５５〜
０．６０の範囲に設定するようにすれば、圧力損失△Ｐ
及び検出信号の変動量△Ｖを更に低減することができる
ようになる。本実施形態では、面積比ｍをこの最適な範
囲（０．５５〜０．６０）内の値（０．５７）に設定し
ている。

【００３５】以下、本実施形態における効果について説
明する。 ・本実施形態によれば、吸入空気量の測定に際して、良
好な測定精度を確保しつつ、その測定に伴う圧力損失の
低減を図ることができる。その結果、吸気効率の低下を
招くことなく、安定した機関運転、特にアイドリング運
転を実現することができるようになる。

【００３６】・特に、面積比ｍを前述した最適範囲
（０．５５〜０．６０）内にある値（０．５７）に設定
するようにしているため、測定精度を向上させることが
できるとともに、圧力損失の大幅な低減を図ることがで
きる。

【００３７】［第２の実施形態］次に、本発明に係る第
２の実施形態について上記第１の実施形態との相違点を
中心に説明する。尚、上記第１の実施形態と同等の構成
については同一の符号を付して説明を省略する。

【００３８】図６に示すように、本実施形態におけるオ
リフィス３０には、前記切欠き３１の両側にそれぞれ別
の切欠き３３ａ，３３ｂが形成されている。これら各切
欠き３３ａ，３３ｂの周縁部とクリーナパイプ１１の内
周壁によって、前記開口３２の両側には通過孔３５ａ，
３５ｂがそれぞれ形成されている。従って、オリフィス
３０を通過する吸入空気の一部は各通過孔３５ａ，３５
ｂを通過するようになる。

【００３９】ここで、本実施形態とは異なり、通過孔３
５ａ，３５ｂを有していない構成にあっては、吸入空気
量が多くなった場合に、開口３２の周囲部分に衝突する
吸入空気の量が増加し、オリフィス３０における圧力損
失が吸入空気量が少ない場合と比較して増大する傾向が
ある。

【００４０】この点、本実施形態によれば、吸入空気が
通過孔３５ａ，３５ｂを通過することにより、オリフィ
ス３０に衝突する吸入空気の量が減少するため、圧力損
失の増大を極力抑えることができる。

【００４１】尚、このように吸入空気の一部が通過孔３
５ａ，３５ｂを流れるようになると、測定部２２を通過
する縮流中の流速が低下して前記変動量△Ｖが増大し、
ひいては測定精度に悪影響を及ぼしてしまうことが懸念
される。

【００４２】しかしながら、吸入空気量が多い場合に
は、渦の成長が抑制され、吸入空気の流速が安定するこ
とから、上記変動量△Ｖはそもそも低いレベルにある。
一方、吸入空気量が少ない場合には、図３に示すよう
に、比較的滑らかな流線に沿って吸入空気が流れるよう
になるため、オリフィス３０に衝突する吸入空気の量は
少なく、通過孔３５ａ，３５ｂを通過する吸入空気の割
合は極めて小さい。従って、上記いずれの場合において
も、検出信号の変動量が大幅に増大してしまうことはな
く、通過孔３５ａ，３５ｂを設けたことに起因する測定
精度の低下は殆ど無視できる範囲にある。

【００４３】以上説明した本実施形態によれば、第１の
実施形態の効果に加えて更に、 ・オリフィス３０における圧力損失を更に低減すること
ができ、ひいては吸気効率の低下を更に抑制することが
できる、といった効果を奏することができる。

【００４４】以上、本発明を具体化した第１及び第２の
実施形態について説明したが、これら各実施形態は以下
のように構成を変更して実施することもできる。 ・上記各実施形態では、前記開口３２の形状を矩形状に
形成するようにしたが、例えば、図７に示すように、円
形状に形成するようにしてもよい。或いは、図８に示す
ように、開口３２の長手方向を測定部２２の突出方向と
垂直に設定するようにしてもよい。

【００４５】・上記第１の実施形態では、オリフィス３
０をクリーナパイプ１１内において吸入空気の流れ方向
に対して略垂直になるように配設するようにしたが、例
えば、図９に示すように、開口３２の周囲部分を吸入空
気の流れ方向に垂直な面に対して下流側に傾斜させるよ
うにしてもよい。このように構成すれば、オリフィス３
０における圧力損失を更に低減することができる。

【００４６】・上記各実施形態では、エアフロメータ２
０としてヒートレジスタ方式のものを採用するようにし
たが、カルマン渦式のものを採用するようにしてもよ
い。 ・上記各実施形態では本発明を吸入空気量を測定する空
気流量測定装置として具体化するようにしたが、測定対
象となる測定ガスは空気に限らず、その他の気体であっ
てもよい。

【００４７】上記各実施形態から把握できる技術的思想
について以下に効果とともに記載する。 （１）請求項１記載のガス流量測定装置において、前記
通路の通路断面積に対する前記オリフィスの開口の面積
比が０．５５〜０．６０の範囲に設定されることを特徴
とする。

【００４８】このように構成すれば、請求項１に記載し
た発明の効果に加えて、測定精度を向上させることがで
きるとともに、圧力損失を更に低減することができる。 （２）請求項１記載のガス流量測定装置において、前記
オリフィスにおおける前記開口の周囲部分を被測定ガス
の流れ方向に垂直な面に対して下流側に傾斜させたこと
を特徴とする。

【００４９】このように構成すれば、請求項１に記載し
た発明の効果に加えて、圧力損失の更なる低減を図るこ
とができる。

【００５０】

【発明の効果】請求項１に記載した発明では、通路内に
おいて測定部の上流側にオリフィスを配設し、このオリ
フィスによって生じる被測定ガスの縮流中に測定部を配
置するようにしている。従って、縮流における流速の上
昇によって渦が消滅することにより、測定部の近傍を通
過する被測定ガスの流速変動が減少するようになる。ま
た、このようにオリフィスによって生じる縮流により渦
を消滅させるようにしているため、整流格子を用いた従
来の構成と比較して、通気抵抗の増大も僅かなものとな
る。その結果、本発明によれば、良好な測定精度を確保
しつつ、圧力損失の低減を図ることができる。

【００５１】また、請求項２に記載した発明では、前記
通路の通路断面積に対するオリフィスの開口の面積比を
０．４５〜０．６５の範囲に設定するようにしているた
め、上記流速変動及び通気抵抗が更に減少するようにな
る。その結果、請求項１に記載した発明の効果に加え
て、測定精度を向上させることができるとともに、更な
る圧力損失の低減を図ることができる。

【００５２】更に、請求項３に記載した発明によれば、
被測定ガスが通過可能な通過部を有するオリフィスを用
いるようにしているため、請求項１又は２に記載した発
明の効果に加えて、通気抵抗の増大が更に抑えられ、圧
力損失をより大きく低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】空気流量測定装置の部分断面図。

【図２】図１の２−２線に沿った断面図。

【図３】図２の３−３線に沿った断面図。

【図４】面積比と圧力損失との関係を示すグラフ。

【図５】面積比と圧力損失との関係を示すグラフ。

【図６】第２の実施形態におけるオリフィスの形状を示
す断面図。

【図７】その他の実施形態におけるオリフィスの形状を
示す断面図。

【図８】その他の実施形態におけるオリフィスの形状を
示す断面図。

【図９】その他の実施形態におけるオリフィスの形状を
示す断面図。

【符号の説明】

１０…空気流量測定装置、１１…クリーナパイプ、２０
…エアフロメータ、２１…ハウジング、２２…測定部、
２２ａ…測定用抵抗体、２２ｂ…加熱用抵抗体、３０…
オリフィス、３１，３３ａ，３３ｂ…切欠き、３５ａ…
通過孔、３５ｂ…通過孔、３２…開口、４０…エアクリ
ーナ、４１…ケース、４１ａ…導入孔、４１ｂ…接続
孔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 哲也 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車 株式会社内 (72)発明者 神谷 信一 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定ガスが流れる通路に設けられ前記
   被測定ガスの流速に基づいて前記通路内における前記被
   測定ガスの流量を測定する測定部を備えたガス流量測定
   装置において、 前記通路の通路断面積を縮小するオリフィスが同通路内
   において前記測定部の上流側に配設されるとともに、 前記測定部は前記被測定ガスが前記オリフィスの開口を
   通過することにより生じる縮流中に位置するように前記
   通路に配置されることを特徴とするガス流量測定装置。
2. 【請求項２】 前記通路の通路断面積に対する前記オリ
   フィスの開口の面積比が０．４５〜０．６５の範囲に設
   定されることを特徴とする請求項１に記載したガス流量
   測定装置。
3. 【請求項３】 前記オリフィスは前記被測定ガスが通過
   可能な通過部を前記開口とは各別に有することを特徴と
   する請求項１又は２に記載したガス流量測定装置。