KR20040031010A - 제어된 유동 분리 위치를 구비한 공기 질량 유량계 - Google Patents

Abstract

유동 분리가 약 90°로 채널 안에서 공기 유동을 변환시키는 공기 잘량 센서에서 발생한다. 채널 내의 분리/ 재순환 지역의 단면 지역은 축소되고, 유동의 속도가 증가한다. 재순환 지역의 크기 및 위치는 외곡에 민감하다. 측정 장치를 위한 규정된 유동 조건을 얻기 위하여, 유동 부재가 반화 지역에 제공되고, 이는 방향 전환 지역으로 돌출하고, 내부 채널 벽으로부터 공기 유동의 분리를 유발시킨다.

Description

제어된 유동 분리 위치를 구비한 공기 질량 유량계 {AIR MASS FLOWMETER WITH CONTROLLED FLOW SEPARATION POSITION}

본 발명은 내연 기관으로 흡입되는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계에 관한 것이다.

내연 기관의 흡기 덕트와 배기 덕트에 위치한 공기 질량 유량계가 공지되어 있다. 이는 연소시의 화학 반응 동안 그에 따른 질량비를 결정하고 제어할 수 있도록, 공기의 질량 유량 또는 흡기/배기량을 측정하기 위한 것이다.

EP 0 908 704 A1호에 공지된 공기 질량 유량계는 열에 의해 공기 질량을 특정한다. 상기 공기 질량 유량계는 내연기관의 흡기 덕트 안에서 주 공기 흐름의 일단에 배열된다. 주 공기 흐름의 특정 비율은 공기 질량 센서로 유도되는 제 1 채널로 직접 들어간다. 공기 질량 센서는 열에 의해 그를 통과하는 공기 질량을 결정한다. 그 후 공기 흐름은 전환하여, 연소 작동에 공급되도록 주 공기 흐름으로 복귀한다. 공지된 공기 잘량 센서의 단점은 상기 공기 유동이 내부 채널 벽으로부터 분리된다는 것이다. 상기와 같은 분리는 하류의 공기 질량 센서의 측정 신호를 왜곡시킨다. 내부 채널 벽으로부터 분리되는 지점의 위치는 강한 유동에서조차 심각하게 변할 수 있는 것으로 나타났다. 유동 조건이 조금만 변해도 분리 지점의 위치가 변하게 된다. 그러나, 내부 채널 벽으로부터의 분리 지점의 변화는 다른 크기 및 위치의 분리된 유동을 구비한 지역에 영향을 준다.

본 발명의 목적은 내부 채널 벽으로부터 공기 유동이 분리됨으로써 검출되는 공기 질량이 영향을 받고 변조되는 것을 막기 위한 공기 질량 센서를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적은 청구항 1의 형상을 가진 공기 질량 유량계에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 공기 질량 유량계는 통과하는 공기 질량을 검출하기 위하여 유동 경로에 배열된 센서 유닛을 포함한다. 공기 질량은 채널의 제 1 섹션으로부터 방향 전환 지역을 통하여 채널의 제 2 섹션으로 연결된다. 방향 전환 지역에는 내부 채널 벽으로부터 공기 유동이 분리되도록 방향 전환 지역 내에서 돌출한 하나 이상의 유동 부재가 제공된다. 상기 유동 부재는 공기 유동의 분리 지점 또는 분리 에지를 규정하도록 형성된다. 유동 부재를 사용하는 이러한 해결책은 분리된 유동을 구비한 지역을 없도록 하는 것이 아니라 센서 유닛의 눈금을 정할 때 고려될 수 있는 규정 위치가 정해진 유동 부재에서 제어된 분리가 발생하도록 하는 것에 기초한다. 유동 부재 및 센서 유닛은 서로 유동 부재가 센서 유닛에 대하여 규정된 유동 조건을 크게 만들 수 있는 정도의 거리에 위치한다.

공기 유동을 거의 90°로 전환하는 방향 전환 지역에 유동 부재를 위치시키는 것이 특히 효과적이다. 그러한 방향 전환 지역을 통과하는 유동은 상기 굽은 지역에서 채널 벽으로부터 분리된다. 이때 방향 전환 지역의 내측, 즉 방향 전환 지역의 곡선의 중심 지점을 향하는 면에서 접촉이 발생한다.

공기 질량 유량계의 바람직한 실시예에서, 제 1 및 제 2 채널의 내측벽은 직접 접하거나, 또는 연장된 경우에 방향 전환 지역에서 접한다. 방향 전환 지역은 방향 전환 지역의 곡선의 중심 지점을 향하는 면에서 직각을 이루며 위치하는 것이 바람직하다. 이하에서는 방향 전환 지역의 곡선의 중심지점을 향하는 면이 방향 전환 지역의 내측으로서 언급된다.

유동 부재는 채널 섹션 중 하나의 측벽에서 내측에 확보된 방향 전환 지역안으로 돌출하는 부재를 포함하는 것이 바람직하다. 판 형상의 삽입물이 상기 부재로서 제공되는 것이 바람직한데, 이는 상기 방향 전환 지역으로 돌출하여 하류 채널 섹션의 측벽으로 확보되고 그 자유단에서 공기 유동을 위한 브레이킹 에지(breaking edge)를 만드는 것이 바람직하다. 상기 판 형상의 삽입물은 그것이 확보되는 전체 측벽에 걸쳐 연장하는 것이 바람직하다.

상기 삽입물은 센서 유닛용 금속 홀더인 것이 바람직하다.

대안적인 실시예에 있어서, 유동 부재는 제 1 채널 섹션에서 유동의 방향으로 기울어진 경계면을 포함하는 것이 바람직한데, 이는 브레이킹 에지를 형성하는 부재의 하류 벽과 예각을 이루고 접하도록 형성된다. 상기 부재는 삼각형 단면의 윤곽을 가진 봉 형상으로 형성될 수 있다. 상기 부재는 플라스틱 소재로 이루어지는 것이 바람직하다. 방향 전환 지역에서 유동 부재의 바람직한 배열에 있어서, 그 하류 벽은 하류 채널 섹션의 측벽과 동일한 높이에서 끝난다. 대안적으로 상기 요소는 또한 방향 전환 지역으로 돌출한 채널 벽 모양의 섹션으로서 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 공기 질량 유량계 의 바람직한 실시예는 도면을 참조하여 하기에서 자세하게 설명되고:

도 1은 유동 부재로서 금속 삽입물을 구비한 본 발명에 따른 공기 질량 유량계의 단면을 도시하고,

도 2는 삼각형의 경계 구성요소를 구비한 본 발명에 따른 공기 질량 유량계의 단면을 도시하고,

도 3은 방향 전환 지역에서 분리 지점을 포함하는 방향 전환 지역을 도시하고,

도 4는 그 하류에 추가 분리 지점을 구비한 도 3에서의 반환지점을 도시하고,

도 5는 삽입물을 구비한 도 1에서의 반환지점의 개략도를 도시하고,

도 6은 도 5에서의 방향 전환 지역의 톱 뷰(top view)를 도시하고,

도 7은 채널 벽의 돌출부로서 삼각형 유동 부재를 구비한 방향 전환 지역의 단면을 도시하고, 그리고

도 8은 방향 전환 지역에서의 굽은 브레이킹 에지를 도시한다.

도 1은 본 발명에 따른 공기 질량 유량계(10)를 도시한다. 공기 질량 유량계(10)는 흡기 매니폴드에서 그 일단(12)에 위치할 수 있다. 그 결과 밀봉부(14)가 그 주위로부터 흡기 매니폴드를 밀봉한다. 흡기 매니폴드에 위치한 공기 질량 유동 센서 부분(12)은 입구 개구(16)를 포함하고, 그 안으로 주 공기 유동이 유동한다. 제 1 채널 섹션(18)은 깔대기 형상으로 끝이 점점 감소한다. 방향 전환 지역(20)은 제 1 채널 섹션(18)과 만난다. 상승 채널 섹션(22)은 상기 방향 전환 지역(20)의 하류에 위치한다. 통과 공기의 측정 장치(24, 26)가 상기 상승 채널 섹션(22)에 위치한다. 예를 들어, 측정 신호는 균일 온도 열막 풍력 측정(constant-temperature hot-film anemometry)의 원리를 이용하여 측정될 수 있다.

채널 섹션(22)으로부터의 공기 유동은 개구(30)에서 하강 채널 섹션(28)을 통하여 배출되고, 흡기 매니폴드에서 주 공기 유동으로 재입력된다. 개구(30)는 직접적인 주 공기 유동으로부터 끝이 점점 가늘어지는 제 1 채널 섹션에 의해 차단됨으로서 주 공기 유동은 배출되는 공기 유동을 위한 개구(30)에서 흡입력을 생성한다.

도 3 및 4는 하류 채널 섹션(32)의 방향 전환 지역에서 공기 유동을 도시한다. 공기 유동은 곡선부에서 반환지점의 내측 벽으로부터 지점(34)에서 분리한다. 재순환 지점(36)은 상기 분리 지점의 하류에 형성된다. 선 A-A에서의 공기 유동의 속도 프로파일이 채널 섹션(32)에서 예로서 도시된다. 재순환 지역(36)에서의 속도가 급속도로 0까지 떨어지는 것이 확실하게 도시된다. 비교를 위하여, 도 4는 재순환 지역(38), 분리지점(34)보다 더 하류에 위치한 분리지점(40)을 도시한다. 재순환 지역(38)은 더 작은 표면적을 구비한다. 또한 선B-B을 따르는 속도 프로파일 부분은 -여기에서의 유동 속도는 0이거나 또는 거의 0에 가까운데- 현저하게 작다. 재순환 지역에서의 유동 속도가 거의 0에 가깝기 때문에, 유동에 대한 효과적인 단면 지역이 축소된다. 따라서 축소된 단면 지역은 이러한 단면 지역에서 더 높은 유동 속도를 유발한다.

공기 질량 유량계가 사용될 때 공기 유동에서 항상 왜란이 발생한다. 왜란은 분리 지점(34, 40)의 이동을 유발하고, 이는 작은 이동이 생기 경우에라도 재 순환 지역에서의 확실한 변화를 가져온다. 그러나 이러한 변화는 측정 신호에서의 변화를 유발하여 검출값이 왜곡된다.

도 1은 삽입가능한 판(42)을 도시하는데, 이는 방향 전환 지역(20) 안으로 돌출한다. 이 때 상기 삽입가능한 판(42)은 상승 채널 섹션(22)의 안을 따라 더 연장한다. 상기 판(42)은 또한 측정 유닛(24, 26)의 지지부로서 제공되어, 측정 유닛과의 관계에서 유동 부재의 위치를 정하고 고정을 확실하게 하는 것이 바람직하다.

작동하는 동안 유동은 도 5 및 6에 보여지는 것과 같이 삽입물(42)에 대항하여 흐른다. 재순환 지역은 평균 유동 속도의 함수로서 삽입물(42)로부터 하류에 형성된다. 따라서 공기 유동이 규정된 유동 에지(44)에서 갈라지기 때문에, 재순환 지역은 왜곡이 발생할 여지가 없다. 이와 관련한 평균 유동 속도를 가진 도 6에 형성된 재순환 지역은 단순화를 위하여 도시되지 않는다.

도 2는 대안적인 경계 부재(46)를 도시한다. 유동 부재(46)는 도 2에서 보여지는 단면 섹션에서 삼각형 윤곽을 구비한다. 도면에서 보여지는 바와 같이, 정삼각형이 배열되어, 입구 개구(16)에 대한 빗변 지점 및 다리 중의 하나는 상승 채널(22)의 내부 벽과 동일평면에서 끝난다.

도 7은 제 1 채널 섹션(18)의 내부 벽에 형성된 섹션의 형태로 제공되는 경계 요소(48)의 대안적인 실시예를 도시한다. 유동 부재(48)는 브레이킹 에지(50)를 포함하고, 이는 도 6에서의 브레이킹 에지(44)와 유사한 효과를 가진다.

도 5에서 보여지는 바와 같이, 경계 부재는 유동 채널의 전체 깊이를 따라 연장할 수 있다. 그러나 유동 부재가 단지 유동 채널의 부분을 따라서만 연장하는 것도 고려할 수 있다. 브레이킹 에지는 또한 유동 채널의 전체 깊이 또는 부분을 따라 아치 형성을 구비할 수 있다. 도 8은 브레이킹 에지(52)를 도시하는데, 이는 일단에 대하여 방향 전환 지역(20)안으로 훨씬 덜 돌출하여, 브레이킹 에지가 굽은 형상을 가진다.

Claims (15)

1. 통과 공기의 질량을 검출하는 센서 유닛(24, 26),

   제 1 채널 섹션(18)으로부터 상기 센서 유닛(24, 26)을 지나도록 공기 유동을 인도하는 제 1 및 제 2 채널 섹션(18, 22),

   상기 제 1 및 제 2 채널(18, 22)을 서로 연결하는 하나 이상의 방향 전환 지역(20), 및

   공기 유동이 상기 센서 유닛 상류의 채널 섹션 중 하나의 내부 벽으로부터 분리되도록 상기 방향 전환 지역으로 돌출하는, 상기 방향 전환 지역(20)에 위치한 하나 이상의 유동 부재(42, 46)를 포함하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계(10).
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 채널 섹션(18, 20)은 서로 거의 90° 각도인 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 채널 섹션의 벽은 직접 직각을 형성하거나 또는 연장되었을 때 직각을 형성하는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
4. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 부재는 상기 채널 섹션 중 어느 하나의 측벽의 면에 위치하고, 상기 측벽은 상기 방향 전환 지역의 곡선의 중심지점을 향하고 있는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 유동 부재가 고정되는 측벽을 따라 상기 유동 부재가 완전히 연장하는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 유동 부재는 상기 방향 전환 지역으로 돌출한 그 일단을 따라 다른 정도로 돌출하는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 유동 부재의 측면은 중심보다 상기 방향 전환 지역에 덜 돌출하고, 상기 돌출된 일단은 바람직하게는 굽은 형상(52)을 가진 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 부재로서 판 형상의 삽입물(42)이 제공되고, 이것이 상기 채널 섹션의 하나의 측벽에 고정되고, 그자유단이 공기 유동을 위한 브레이킹 에지(44)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 삽입물은 금속으로 만들어진 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 삽입물이 센서 유닛을 고정하는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
11. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 부재(46)는 상기 제 1 채널 섹션에서 유동의 방향에 대하여 기울어진 경계 표면을 포함하고, 이는 예각으로 유동 부재의 하류 벽과 만나고, 공기 유동을 위한 브레이킹 에지(50)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 유동 부재(46)는 삼각형 단면의 윤곽을 가진 봉 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 유동 부재는 플라스틱 재료로 만들어진 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 유동 부재는 상기 방향 전환 지역에서 하류의 채널 섹션의 측벽과 동일한 높이에서 끝나는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.
15. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 부재는 상기 채널 벽의 형상 섹션(48)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 내연기관에서 흡입하는 공기 질량을 측정하기 위한 공기 질량 유량계.