WO1981001879A1 - Gas mass flow rate detector and fuel injection system using the same for internal combustion engine - Google Patents

Description

' 明 細 書

気体の質量流量検出装置

この発明は気体の質量流量を検出するための 装置に関する も の で、 と わけ内燃機関の燃料 噴射 シ ス テ ム で使用 さ れる空気計量装置に適用 さ れる も のであ る。

自動車等の内燃機関に於ては、 エ ン ジ ン効率 ゃ排 ガ ス対策の観点か ら、 エ ン ジ ン に吸入され る燃料に対する空気の質量比を所望の値に維持 する よ う に精度良 く 制御する こ と が特に重要で あ る。 このためには精度の高い空気の質量流量 測定装置が必要と され る。 こ の種の測定装置 と して、 吸気管中に吸入空気量を決める ス σ ッ ト ル弁 と は別に今 / つの弁素子を配置し、 こ の弁 素子をその前後の圧力差が一定に る よ う にサ —ボ機構を使って調整する こ と に よって この弁 素子の開度 と i わけ開口面積を該部を流過する 空気の流量に比例せしめ、 而 してその弁素子の 開度を空気流量の メ ジ ャ 一 と して利用する よ う にし-た も のが知 られてい る。 そのサーボ機構は 、 弁素子前後の圧力差の所定の値からのずれを 感知する と 共にそれに応じて増幅された操作圧 力を創出する感圧增福機構と、 その操作圧力を 受け取 ]? それで以て弁素子を該弁素子前後の圧 力差の. 定値から のずれが零にな る よ う に調節 する弁操作器 とか ら成る フ ィ 一 ドパッ ク ープ を構成 している。 この従来の装置は更に、 サ一 ボ機構の中に組み込ま れた補正素子を含んでお

、 こ の補正素子は温度及び圧力の変化に基因 する空気の密度変化を補正する よ うに.してある o これに よ ？、 この従来の装置は温度及び圧力 の変化に関係る く 、 空気の質量流量を検出する こ と がで き る。 弁素子のこのよ う な調整に燃料 計 量器の調整が追随 し、 結局空気の燃枓に対す る質量比が一定に維持される。

しかしながら、 上で言及した よ う サ ー ボ機 構を用いた公知の装置は構造が複雑である とい う難点を有してお 、 安定した確実 ¾制御動作 を させるためには精密な調整が必要であ 、 そ れには特別 ¾技術が要求される場合も ある。

この発明は従って気体の質量流量を正確に検 出 でき、 しか も構造の簡単る装置を提供する こ と をその主 目的 と し ている。

こ のために この発明は、 その中を気体が流れ る流路内に配置 した弁素子にその前後の圧力差 に よ つて該弁素子に作用する力 と丁度釣合 う弁 操作力を作用 させる こ とに よって、 弁素子の開 口面積が気体の流量に比例する よ う に前記圧力

O? ί?Ι

J 差を一定に保ち、 而して弁素子の開度と わけ 開口面積を気体流量の メ ジ ャ 一 と して検出する よ う に してあ ]?、 前記弁操作力が液圧に よ って 与え られ、 且つ弁素子の開口面積が気体の質量 流量に比例する よ う にその液圧を気体の密度に 応 じて調整する補正素子を設けてある気体流量 検出装置を提供する。 弁操作力を与える液圧は 圧力調整器の制御下に あ 、 その圧力調整器は 感圧ダイ ャ フ ラ ム で仕切られた J の室を有 し、 その う ち の一方の室には前記液圧が作用 してお

1)、 他方の室には流路 内の気体が導かれている と共に液圧の大 き さ を決定する スプ リ ン グと一 定量のあ る気体を封入したぺ σ —ズとを互いに 並列に 配置 してあ )、 而 してこ のべ ローズが前 記補正素子を構 成する。 補正素子は更にべロ ー ズの内又は周囲に配置 した ヒータ を含んでも よ く 、 該 ヒ 一タ に印加す る電流を加弒する こ と に よ っ てべ ロ ーズ内の気体圧力を変化させる と、 実漦の気体流量よ も 多め又は少なめの気体流 量メ ジ ャ一が得られる こ とにな る。 この こ とは

、 特に内燃機関の燃料噴射シ ス テ ムで 使用する 空気計量装置に応用する場合に有利であ る。

この発明のこれらの及びその他の持徵は添付 の図面を参照して下記する と ころから一層明 ら

O FI かに る害である。 図面において、

第 / 図は こ の発明に よ る気体流量検出装置の 実施態様を示す説明図 ； 及び

第 J 図は この発明に よる気体流量検出装置を 使用 した内燃機関の燃料噴射シ ス テ ムを示す説 明図。 .

両図を通して同 じ又は類似の部品は同 じ参照 字で示 してある。 第 / 図は こ の発明に よ る気体 流量検出装置の全体橄略搆成を示してあ ]?、 そ れは気体流路（4)に形成 した Ρ3筒形穴（3)内 に気密 を保って摺動自在に嵌入した プ ラ ン ジ ャ ） とそ の一端に固定した弁素子（⁵) とから成る気体セ ン サ（1 )及び気体セ ン サ（1)の変位を感知してそれに 対応する電気信号を発生する発信器（⁶)を有し て い る。 気体セ ン サ（1 )の変位を電気信号に変換す る ための変位 一電 E変換器と しては例 えばポテ ン シ ョ メ ー タ、 差動変圧器等が用いられる。 こ の気体流量検.出装置は定差圧 · 可変面積式の計 量方式を基にしている。 ra筒形穴（3)内に プ ラ ン ジ ャ ）の弁素子 ） と は反対側の端面 ）で規定さ れる圧力室（⁷)内には液圧 Pfが作用 してお ]?、 こ の液圧 Pfを圧力調整器、⁹)で.一定に維持 し てやる と 、 液圧 Pfによ ]? プ ラ ン ジ ャ ）に図中下向 き に 作用する弁操作力 も一定と な ]?、 結果、 弁 (5)前後の圧力差 Pi—： P₂= P d はその故に弁素子（⁵) に作用 する力が前記一定の弁操作力と釣合 う と き の前記圧力差の値にて一定 と な る。 従ってォ リ フ ィ スを流過する流体の (質量)流量を表す式

¥ = A\ ¾g · ρ - Pd

こ こ に

W ( 質量 ）流量

A 有効流過面積

g 重力の加速度

流体の密度

Pi オリフィス前後の圧力差（ ！³ !" ₂ )

か ら判る通 、 弁素子(§)の開口面積 （ 即ち上式 中 Aに相当 ） は気体の密度 （ 上式中 p に相当 ） が一定の と き気体の質量流量 （ 上式中 W に相当

) に比例する。 靳 く して気体セ ン サ（1)の変位を 気体流量の メ ジャ ーと して利用するこ と がで き 、 その変位は発信器（6) に よ っ て電気信号に変換 して利用 される。

弁操作力を与える液圧の媒体たる液体はボ ン ブ（10)で タ ン ク （11)か ら吸い上げられ、 加圧されて 流路 (1 に供袷される。 流路 ( 内の液体圧力は レ リ 一フ弁 .で一定に保たれる。 流路 il2;は固定絞

IM を介して圧力室（⁷)へ通じ てい る。 こ の圧力 室 ':⁷) の圧力は圧力調整器（⁹)の制御下に ある。_

~ νϊ?ο- 圧力調整器（⁹)のハク ジ ング (）内は感圧ダイ ャ フ ラ ム daで以て、 圧力室（⁷)と連通する第 / の室

(16) と気体流路（4 )の気体セ ン サ（1)下流側 と連通す る第 J の室^とに分割 してあ る。 第 J の室 (17)は 気体流路 )内を流れる気体を導いてあればよ く 、 従って図示例に限 らず、 空気セ ン サ（1 )下流側 の気体流路 と接続する こ と も で き る し、 ま た例 えば空気を計る場合、 直接大気に開放して も よ い。 第 2 の室（17)内には、 第 / の室 内の液圧 Pf に よ ]? 生じ ダ イ ヤ フ ラ ム （181 の上面に作用する力 と丁度釣合 う よ う に し.てベ ローズ ） と ス プ リ ン グ ） と を互いに並列に配置 してある。 ダ イ ヤ フ ラ ム （18)にはハ ウ ジ ン グ（ ）の上壁に形成 してある 弁座 ( の ra錐面 と協働 して タ ン ク （ へ通ずる可 変絞 D (23)を構成する球形弁 )を装架してあ る。

靳 く して、 液圧 Pfが予め選定した基準値か らず れる と上記構成要素間の力の釣合関係が く ずれ て可変絞 （23) の開度が変化する。 こ れに伴いそ こ を通って タ ン ク ：11)へ昃る液体の量が増加また は減少し、 この増加ま たは減少は拮局第 / の室 (IS)内の従ってまた圧力室（ 内の液圧 Pfが上記基 準値へ落ち着 く 迄続 く 。 と ころで、 上記の液圧 の予め選定 した基準値 とは、 ベ σ—ズ ¾ と ス プ リ ン グ ( の弾性力に よ って决ま る。

一 C:：?1 ベ ° —ズ (1 内はある一定量のある気体で満た さ れ てお ！） 、 こ のべロ ーズの弾 '注力はべロ ーズ ）を と 1)囲んでいる気体即ち気体流路（⁴)内の気 体の温度及び圧力に依存して変化 して上述の基 準値を修正する よ う に働 く 。 この よ う に して-液 圧 Pf従って弁素子（⁵)前後の圧力差は、 温度及び 圧力の変化に基因する気体の密度変化に応じて

、 圧力差 と変化する密度 p との積が常時一定 に維持される よ う に修正され、 その結果、 前述 の流体の質量流量を表す式を想起すれば、 気体 セ ン サ（1 )の変位は気体の密度変化に関係 ¾ く 気 体の質量流量に比例する よ う にるる こ と がわか る。 これがベ —ズ (1 の密度変化補正機能であ

0 ο

第 e2 図は内燃機関の燃枓噴射シ ス テ ムを示し てお 、 その中で本発明を適用 した空気計量装 置は概略的に参照欽字^で指 してある。 図示の 通 、 燃料噴射シ ス テ ムは上に述べた よ う に気 体流路つま この場合吸気管（1 )内を流れる空気 の流量を検出してそれに対応 した電気信号を発 生する空気計量装置 と、 主燃料供袷ラ イ ン (26) に燃枓を圧送する燃料供給装置 (2 と、 空気流量 に比例 した量の燃杵を配量する よ うに空気計量 装置^から の信号に応 じて電子制御ュニ ッ ト ) に よ 制御される電気制御式の燃料計量装置 δ7) と を含んでい る。 燃料噴射 シ ス テ ムは更に、 燃 枓計量装置^で配量された燃料を受け取って 吸 気管内に放流し、 霧化そして空気 と混 せしめ る燃料霧化装置 29)を含んでい る。 こ の燃料噴射 シ ス テ ムは吸気管内の空気流量を検出する空気 計量装置の調整に燃料計量装置の調整を追随さ せる こ とに よ って エ ン ジ ン の シ リ ン ダに吸入さ れる混合気の空燃比を一定に保つよ う に した タ ィ プの も のである。 尙、 シ リ ン ダ （ 図示せず ） 内へ吸入される空気の従って混合気の流量は吸 気管部分 (31) に配置 したス σ ッ ト /レ弁 (30)で決め ら 3し る ο

上述 した装置の各々 について以下に よ 詳 し く 説明する。 空気計量装匱 は前に第 / 図を参 照 して詳し く 述べた気体流量検出装置 と実質的 に同 じであ るので緣返し説明を要する こ とは い よ う に思われる。 第 2 図の実施冽では弁操作 力 を与える 圧力室（⁷)内の液圧： Pf の媒体と して燃 枓を利用 している。 燃料供袷装置 (25)か らの加圧 燃枓は固定絞 ]9 (I⁴)の上流側で コ ンジ ッ ト 'と分 れた主燃料供袷ラ イ ン （26)を通って燃料計量装置

^へも 入る。 燃料計量装置 と しては開閉時間比 が電気信 号で制御される電磁弁、 若し く は開度

OMFI

/ WIFO ATi 定絞 と電磁弁 (37)と を接続 してある流路 (35)は 、 圧力室（⁷)内の液圧！⁵ f を意図的に且つ一時的に 変更したいとき に利用 される。 つま ！）、 電磁弁 (37) が開 く と液圧 Pfは圧力調整器（⁹)に於ける予め選 定された基準値と は無関係に、 · 固定絞 (14) (36)の 大 き さ に よ って決ま る一定の値に ¾ る。 新る機 能は例えばス ロ ッ ト 弁 (30)を全開にした と き、 空気セ ン サ（1 )前後の圧力差を小さ く して燃料供 袷量 を増加させる （ 言い換える と、 燃料分の濃 い混合気.をつ く る ） と 共に体積効率を高めてェ ン ジ ン の出力増加 を図るのに役立つ。

ベロ 一ズ（19)内にはェ ン ジ ン のある運転状態に 応 じて空燃比を修正すべ く ベ D —ズ (1 内の気体 の温度を従ってま たべ ロ ーズ内の圧力を、 一時 的に変えたいと き に使われる ヒ ー タ（38)を設けて ある。 これは λ セ ン サ（33)を利用 したフ ィ ー ドパ ッ ク制御のィ ン タ 一 フ ェ イ ス と して禾 IJ用する こ と がで き る。 ヒ ー タ（38)に電源 39)力ゝ ら印加される 電流は、 電子制御ユニ ッ ト )か らの電気信号に よ つ て操作される電流制御器^に よ 加減され

O o

主燃料供袷ラ イ ン (26)の燃料計量装置^下流側 に接続 された燃杵霧化装置 ¾は、 空気セ ン サ（1) 上流側の吸気管部分 (41)に始ま つて空気セ ン サ（1 )

/ノ,, WIPO 9 が電気信号で制御 され る可変流量ォ リ フ ィ ス等 の如 き電気制御式の も のが用いられる。 燃料計 量装置 )は ユ ン ジ ン へ供袷する燃料の量を制御 するの であ るが、 その制御は電子制御ュニ ッ ト

28)から供袷される電気信.号で行るわれる。 通常

、 電子制御ュニッ ト（2⁸)は気体セ ン サ つま ]? こ の 場合空気セ ン サ (1)の発信器（⁶)からの空気の質量 流量に対応する電気信号を受け取 、 そして燃 料計量装置 ）を して対応した量の燃料を配量せ し める。 更に、 電子制御ュニ ッ ト（28)は種々'のェ ン ジ ン運転パ ラ メ ー タ を示す電気信号を受け取 る ： 例えば温度セ ン サ（31)か ら のエ ン ジ ン の冷却 水温度の信号 ； ス π ッ ト 'レ 弁 (30)と 関連づけられ た ス ロ ッ ト 位置セ ン サ 一（32)か らのス ロ ッ ト 'レ 弁 (30)の開度を示す信号 ； 理論空燃 itに対する実 際の空燃此の関係を示す ^λセンサ (33;からの信号 ； 吸気管負圧セ ン サ （3 で感知した吸気マ ニ ホ 'レ ド 内 の吸気マ 二ホ ド圧の信号等 々 。 而して、 燃 料計量装置 (27)に よ 配量さ れる燃枓量は、 電子 制御ュ ニッ ト（28)が受け取る種 々 の ヱ ン ジ ン運転 状態及びと D わけ空気計量装置' を通過する空 気の質量流量を示す電気信号の函数と して調整 される。 圧力調整器（⁹)の可変絞 （23)をパイ パ ス して固 7IiO 下流側でス D ッ ト 弁 (30)上流側の吸気管部分 (31) に開口する少る く と も / の空気 ノ ズ ^にて終 結する パィ パ ス（ と、 空気ノ ズ ゾレ (43)と整列して 配置 してあって燃料計量装置^)からの燃料を受 け取る燃料ノ ズ か ら成る。 空気セ ン サ（1 )前 後の圧力差 （ P ι -Ρ ₂ ) の故にバイ パ ス に空気 の流れが生 じ、 空気ノ ズ )部分では圧力が低 下 し速度が上昇する。 而して空気ノ ズ 部に生 ずる こ の高速気流中に燃料ノ ズ ^か らの燃料 が放流せしめ られるわけであ るが、 これに よ j 良耔な る燃料の霧化が達成される。

燃料霧化装置 ^を設けたこ とに よ る効果は、 燃料計量装置^で計量 されて燃料ノ ズ (44)から 流出した燃料が空気ノ ズ 'レ ^ ( 図示実施例では ベ ン チユ リ の形を している ） に於ける高速の空 気流中に放流せしめ られる こ と に よって良好 燃料の霧化が達成され、 延いてはエ ン ジ ン の運 転が滑 らかになって操縦性が良 く 、 また燃 枓消費量 も 少 く ¾る とい う こ とである。

本発明に よ る と、 電気制御式の燧枓計量装置 27)の採用 に よ 、 空気計量装置 と燃料計量装 置 27)と を互いに離 して設置する こ とがで き る。

こ こ とは設置ス ペー ス上の制約が う る さい自 動草に当該装置を搭載する場合に と わけその

ΟΜΠ _ 有利さ を発揮する。 尙、 図面では燃料計量装置 δ7)は燃料霧化装置 (29)か ら分離 して設けてある よ う に示してあるが、 それに一体的に取 つけて も よい。

以—下に気体の密度変化に対する圧力差

Pd = P!-P₂ の正確 修正を達成するための条 件を満たす諸構成要素間の寸法及び圧力闋係を 導いてみる。 圧力調整器（⁹)の ダイ ヤ フ ラ ム （18)下 面に p— ypd る圧力が作用する も のと する。 先 ず、 弁操作力を与える液圧を気体の質量流量に 比例 させるための条件は

Ύ · <i=一定

である。 7 の変化が小 さいと きは、

△ (γ . Pd )=P d₀ Δ7+¾ ΔΡ ά= 0 (1) と い う式が成立する。 .こ こ に サフ ィ ッ ク ス ^κ 0 " は基準状態を示し、 以下で も 同様 とする。 ボイ クレ . シ ヤ ー ，レの法則即ち γ_=Ρζ(Ι . Τ ) よ ])流路 内の気体に闋 しては

Δ7 ΔΡ_Ί Δ _Ί

(2)

Ύ ο Ρ ο τ "ο' ベ 口 —ズ 'aa内の気体の圧力 p 及び温度 τ¾は、 雰 囲気従って流路内 の気体が予め選定 した基準 と な る温度 Toの下では各 々 Po及び Toと な るが、 温 度が ΔΤ だけ変化する とそれに伴って圧力力；

OMPI

, WIPO Δ ¾ だけ変化する。 定常状態に於てはべ σ —ズ (IS)の容積変化が無視で き るほど小さいか ら、

P13ノ T ¾=—定であ る。 従って、

ΔΡ b AT ¾

= 0 (3)

T b.

o

気体セ ン サ（1) の弁素子（δ)に作用する諸力め釣合 関係は次式で表わ される

( -L— P₂ ) S a=( Pf — P -, ) Sf -, +Fs！

ΔΡ d - S a= (ΔΡ f— ) S f -]_ · · · (4) ま た圧力調整器（⁹) の ダ イ ャ フ ラ ム &S に作用する 諸力の釣合関係は次式で表わ される

Pf ·

-Pd)+Ps₂

APf ■ Sf₂=AP"b · Sb+(Sf₂— S"b) ^P^- ^Pd.)—(5) ΔΡί"· Sf ₂=¾^P"b · S-b+S₂ P_q— StiA !— ( Sf ₂— Sb)7Z^Pd こ こ に

S f ブ ラ ン ジ ャ （2)の有効受圧面積

S f 18)

2 ダイ ャ フ ラ ム （ の有効受圧面積 · S a 弁素子（5)の有効受圧面積

S T3 ベ n —ズ の有効受圧面積

F s ス プ リ ン グ（δθ)の力

F s₂ ス プ リ ング（ ）の力

故に

(ZSFf— Ρ i ) S f 2 = (A ¾ _χ ) S¾— ( Sf ~ S¾) これに式（⁴)を入れる と Sf 1

Sa d=( i 'b-^P₁)Sb— (Sf ₂— Sb)'yAPd. ··· (6)

Sf 2 式（1)、 （2)、 及び（3) よ 、 ¾ Pb₀ =Τ ο とす る と

厶 P— d Δ つ ·ΔΤ

P d

o P o. T o.

P P

o

即ち

1 . 、 ^Pd

(7) o 丄 o

式（⁷)を式（⁶)に入れる と

Sf2 P

0

Sa Pd= APdSt)— ( Sf — S"b jTAPd

Sfl Pd。 ^Λ

Sfs Sa P₀ Sf₂

Sfi St "Pd₀ Sf ) Ύ 従って

S¾ Sa

— l γ (8)

Pdo Sfi S¾ 、S = 0 の と き即ち ダイ ャ フ ラ ム の下面に ？ェが作 用する と き は

2 Sa

o

dQ Sfi S¾

。 ？1 WI?〇

Claims

請 求 の 範 囲

/· その中を気体が流れる流路内に配置 した弁 素子にその前後の圧力差に よ って該弁素子に作 用する力と丁度釣合う 弁操作力を作用 させる こ • 5 と に よ って、 弁素子の開口面積が気体の流量に

比例する よ う に前記 E力差を一定に保ち、 而し て弁素子の開口面積従ってまた開度を気体流量 の メ ジャ 一 と に検出する よ う にしてあ 、 刖記 弁操作力が液圧に よ って与え られ、 且つ弁素子

10 の開口面積が気体の質量流量に比例する よ う に

その液圧を気体の密度に応じて調整する補正素 子を設けてあ 、 前記弁操作力たる液圧が圧力 調整器の制御下にあ 、 該圧力調整器は感圧ダ ィ ャ フ ラ ム で仕 ¾ られた の室を有し、 その う

15 ちの一方の室には前記液圧が作用 してお 、 他

方の室には流路内 の気体が導かれてい る と共に 液圧の大 き さを決定する ス ブ リ ン グと 一定量の あ る気体を封入したベ D —ズとを互いに並列に 配置 してあ ]?、 而 して このべ ロ ーズが i3U記補正

20 素子を 構^する こ とを特徵 とする気体の質量流

量検出装置。

2. 弁素子が気体の流れと 直交する弁体と一端 にてその弁体を気体の流れ方向に摺動可能に支 持する プ ラ ン ジ ャ とか ら成 、 プ ラ ン ジ ャ の他

〇 ？ I

、/ WIFO . 端面には弁操作力たる液圧が作用 してお ]? 、 諸 構成要素間の面積並びに圧力の関係が式 ノ

で表わされる こ と を特徴とする請求の 囲の記 載 /.の気体の質量流量検出装置。

S. 福正素子が更にべ σ—ズの内又は周囲に配 置した ヒ ー タ を含み、 該ヒ ー タ に印加する電流 を加減する こ とに よってべ σ —ズ内の気体圧力 を変化 させる様に した こ とを特徴とする請求の 範囲の記載 /.または =2.の気体の質量流量検出装 . 吸気管内に配置してあつてその前後の圧力 差に よ つて生ずる力と丁度釣合 う 液圧に よ 与 え られる操作力を受ける空気セ ン サ と 、 空気セ ン サ に作用 している操作力を予め選定した基準 値にて一定に保つこ と に よ 空気セ ン サの変位 が吸入空気流量に比例する様に前記圧力差を一 定に保っための圧力調整器と、 空気セ ンサの変 位に応 じてそれに対応した電気信号を発生する 発信器と、 空気セ ン サ の変位を吸入空気の質量 流量に i 例せしめるベ く 吸気の温度及び圧力に 応 じて圧力調整器に置かれた前記基準を修正す る密度襦正素子と を含んでな る空気計量装置 ；

0' ί?Ι 一 燃料供袷 ラ イ ン に加圧燃料を供袷する燃料供袷 装置 ； 燃料供袷ラ イ ン に接続 してあって空気計 量装置の発信器か らの信号に応じて電子制御ュ ニ ッ ト に よ 制御され空気流量に比例 した量の 燃料を配置する燃料計量装置 ； 及び吸気管の空

—気セ ン サ上流部に始ま 吸気管のス ロ ッ ト レ弁 の直 ぐ上流部付近に開口する少 く と も / の空 気 ノ ズ にて終結する パイ パ ス と該空気 ノ ズ の手前にそれと整列して配置して あつて燃料計 量装置からの配置 された燃料を空気ノ ス /レ ¾c ¾ し て吸気管内に放流せしめるための燃籽 ノ ズノレ と を有する燃料霧化装置から成る内燃機関の燃 料噴射シ ス テ ム。