JP2007183212A - 発熱抵抗体式流体流量測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低流速範囲で発熱抵抗体が設置される副空気通路内への水等の液体付着等による発熱抵抗体の出力特性変化を抑制可能な流体流量測定装置を実現する。
【解決手段】副空気通路１１０は四角形状の副空気通路入口１１１から始まり曲り通路部１１３を有する第１の副空気通路１１０と、出口部１１２と、副空気通路入口１１１と曲り通路部１１３の間にある第２の副空気通路１１４とを備える。第１の副空気通路１１０は内回り面部１２５と外回り面部１２３と、両側面部１１７、１１８とを備える。第２の副空気通路１１４の一壁面は傾斜面１１６の一部により形成され、他の壁面１２２は、一壁面に対向するとともにほぼ平行である。第１の副空気通路１１０内に水が浸入し高流速状態から低流速状態に急激に変化した場合、水滴は空気流により移動されることはなく重力により傾斜面１１６に沿って地方向に集まり第２の副空気通路１１４から外部に排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の流量を測定するために用いられる発熱抵抗体式流体流量測定装置に係わり、特に、ガス状流体と一緒に吸入される水等の液体による流量計測誤差の低減に関する。

流体流量測定装置の一例として、内燃機関用の空気流量を測定する発熱抵抗体式空気流量測定装置が知られている。これは発熱抵抗体の奪われる熱量が空気流入流量に対して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、特に自動車で空燃比制御用の流量計として広く使われている。

発熱抵抗体式空気流量測定装置は、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。車輌の吸気ダクトは、通常、アクセルに連動して吸入空気流量が流れるが、雨天時等においては空気と一緒に水滴等も吸入されてしまう。

吸入された水滴が、流量検出素子である発熱抵抗体に衝突すると、発熱抵抗体式空気流量測定装置の発熱量が過大となり、計測誤差を生じてしまう。これは、空気への熱伝達と比べ、水滴への熱伝達が大きいために生じるものである。

このため、特許文献１には、発熱抵抗体の上流側に迂回部を設け、遠心力により水滴と空気とを分離させる通路が記載されている。

また、特許文献１には、副空気通路内で遠心力方向に通路内を分離させて発熱抵抗体が設置される通路以外に水滴を遠心力を使って排出させる機能を持つ排出穴も合わせて記載されている。

特開２００４−３７１３１号公報

従来技術の発熱抵抗体流量測定装置においては、充分に流体の流速の速い条件では、水等が副空気通路内に飛散した時に、曲り通路の遠心力により、液体を曲り通路に沿って移動させ、発熱抵抗体に接触させること無く、副通路の外側に分離させる事が可能で有る。

しかし、例えば、車輌が急停止した時等には、流体流速が速い状況から、流体流速が遅くなる状況に急激に変化するため、副空気通路内に残った液体が流体によって移動させることができず残留してしまう。

残留した水分により、副空気通路の有効断面積が変化し、その結果、発熱抵抗体の計測する流速が変化して発熱抵抗体の出力特性に誤差が生じてしまう。

近年においては、エンジンの空燃比制御の高精度化が望まれており、空気流量計に代表される流体流量計測装置の計測精度の向上化も望まれている。

しかし、上述のような、高流量から低流量への急激な変化による水分残留現象は、認識されておらず、このための有効な対策もなされてはいなかった。

本発明の目的は、広範囲な流体流量範囲において、流量検出素子である発熱抵抗体が設置される副空気通路内への水等の液体付着等による発熱抵抗体の出力特性の変化量を最小限に抑える事が可能な流体流量測定装置を実現することである。

本発明による発熱抵抗体式流体流量計測装置は、主通路に流れる流体を流体入り口部から流入する副流体通路と、この副流体通路内に配置される発熱抵抗体と、この発熱的抵抗体に加熱電流を供給し、流体の流量を計測する流量計測部とを有する。

そして、副流体通路は、内回り面部及び外回り面部を有する第１の副流体通路と、第１の副流体通路の残留水分を副流体通路外には排出する第２の副流体通路とを備え、上記外回り面部は、上記流体入り口部に続く第１の平面部と、第１の平面部に対して傾斜する傾斜面部と、曲面部と、第２の平面部とを有する。

また、第２の副流体通路は、第１の副流体通路の第１の平面部と傾斜面部との間に形成され、傾斜面部の延長面である一壁面と、この一壁面に対向し、ほぼ平行な壁面とを有する。

また、本発明の発熱抵抗体式流体流量測定装置は、加熱電流を流して発熱し、吸入流体への放熱を基に流体流量を測定する発熱抵抗体式流体流量測定装置であり、少なくとも一つの曲り部を有し、主通路に流れる流体が流入される副流体通路を備え、上記副流体通路内の曲り部の下流側に、流体流量を計測するための発熱抵抗体が配置される。

そして、この発熱抵抗体式流体流量測定装置において、副流体通路は、副流体通路入口と曲り部との間で少なくとも二つの通路に分流し、上記発熱抵抗体と曲り部とを有する第１の副流体通路と、この第１の副流体通路を流れる流体の持つ慣性力とは異なる方向に通路方向を有する第２の副流体通路とを備え、第２の副流体通路の出口は、上記主通路に流れる流体の流れ方向とほぼ直交して開口している。

上記構成により、広範囲な流体流量範囲において、流量検出素子である発熱抵抗体が設置される副空気通路内への水等の液体付着等による発熱抵抗体の出力特性の変化量を最小限に抑える事が可能な流体流量測定装置を実現することができる。

つまり、水等が吸気管内に飛散した時に曲り通路の遠心力により、液体を曲り外側に分離させ、更に急激に車輌が停止した時等に副空気通路内に残った水等を重力により副空気通路外に排出する事ができる。

また、本発明の第２の副流体通路は流れの慣性力とは違う方向に開口させるため、副流体通路から流出する流体量は殆ど無く、仮に表面張力等により水膜が穴を塞いだとしても、発熱抵抗体設置部の流速変化は少なくて済む。

このため、広範囲な流体流量範囲において、流量検出素子である発熱抵抗体が設置される副流体通路内への水等の液体付着等による発熱抵抗体の出力特性の変化量を最小限に抑える事が可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について、説明する。

なお、発熱抵抗体式流体流量計測装置として、自動車用の内燃機関に吸入される空気流量を測定するために用いられる発熱抵抗体式空気流量測定装置を例として説明する。

まず、最初に発熱抵抗体式空気流量測定装置の動作原理について説明する。

図７は、発熱抵抗体式空気流量測定装置の概略構成回路図である。発熱抵抗体式空気流量測定装置の駆動回路ＣＢは大きく分けてブリッジ回路とフィードバック回路とを備えている。

吸入空気流量測定を行うための発熱抵抗体ＲＨと、吸入空気温度を補償するための感温抵抗体ＲＣ及びＲ１０、Ｒ１１とでブリッジ回路を組む。そして、オペアンプＯＰ１とトランジスタＴｒとを使いフィードバックをかけながら発熱抵抗体ＲＨと感温抵抗体ＲＣとの間に一定温度差を保つように発熱抵抗体ＲＨに加熱電流Ｉｈを流して空気流量に応じた出力信号を出力する。

つまり、空気流速が速い場合には、発熱抵抗体ＲＨから奪われる熱量が多いため加熱電流Ｉｈを多く流す。これに対して、空気流速が遅い場合には、発熱抵抗体Ｒｈから奪われる熱量が少ないため加熱電流も少なくてすむのである。

図５は、本発明とは異なり、一般的な発熱抵抗体式空気流量計の一例における横断面図であり、図６は図５の空気流量計を、上流（左側）から見た外観図である。

図５及び図６において、発熱抵抗体式空気流量測定装置の構成部品としては駆動回路を構成する回路基板２を内蔵するハウジング部材１及び非導電性部材により形成される副空気通路構成部材１０等がある。

副空気通路構成部材１０の中には空気流量検出のための発熱抵抗体３と、吸入空気温度を補償するための感温抵抗体４とが導電性部材により構成された支持体５を介して回路基板２と電気的に接続されるように配置される。そして、ハウジング構成部材１、回路基板２、副空気通路１４、発熱抵抗体３、感温抵抗体４等は、発熱抵抗体式空気流量測定装置に一体となったモジュールとして構成されている。

また、吸気管路を構成する主空気構成部材２０の壁面には穴２５が形成されており、この穴２５より発熱抵抗体式空気流量測定装置の副空気通路１４部分を外部より挿入して副空気通路構成部材１０の壁面とハウジング部材１とをネジ７等で機械的強度を保つように固定されている。

また、副空気通路構成部材１０と主空気通路構成部材２０との間にシール材６を取り付けて、吸気管内外との気密性を保っている。

次に、水滴飛散時の発熱抵抗体式空気流量測定装置の計測誤差について図３を使い説明する。

図３は、発熱抵抗体に水滴が付着する様子を簡易モデルで記載した図である。図３において、水滴２０２は、吸入空気２０３により吸気管の入口から移動され、エアクリーナ２００内のエアフィルタ２０１でトラップされる。

このエアフィルタ２０１における水滴のトラップ量が多くなると、エアフィルタ２０１でトラップ出来る限界を超えてしまい、エアフィルタ２０１から吸気管内に水滴２０４が飛散してしまう。

このため、エアフィルタ２０１の下流にある発熱抵抗体式空気流量測定装置２０５まで再飛散した水滴２０４が飛んでくると、発熱抵抗体２０６に水滴が衝突してしまう。

発熱抵抗体２０６は、常時１００℃以上に加熱するため、水滴が衝突すると水を加熱するための加熱電流を必要とする。このため、発熱抵抗体２０６の計測信号が瞬時に跳ね上がり、水が蒸発してしまうと通常の加熱電流に戻る。したがって、発熱抵抗体の計測信号は、図４に示すようにスパイク状のような波形となる。

また、水滴が連続して発熱抵抗体２０６に衝突すると、スパイク波形が連続して生じ、水の蒸発が終わる前に次の水滴が衝突し、発熱抵抗体の計測空気流量信号の平均値自身が上昇してしまう計測誤差となってしまう。

したがって、水滴の発熱抵抗体への衝突は、極力回避しなければならず、副通路内の水滴は、発熱抵抗体に衝突する以前に外部に排出する必要がある。

次に、本発明の一実施形態における発熱抵抗体式空気流量測定装置の副空気通路構造について図１、図２を参照して説明する。

図1は、本発明の一実施形態である発熱抵抗体式空気流量測定装置の要部縦断面図であり、図２の（Ａ）は、図1のＡ−Ａ線に沿った断面図（ただし、ターミナル部材１０２は省略）、図２の（Ｂ）は、図１に示した発熱抵抗体式空気流量測定装置を底面から見た図である。

図１及び図２において、副空気通路は、副空気通路構成部材１２０により形成され、四角形状の副空気通路入口１１１から始まり、曲り通路部１１３を有する第１の副空気通路１１０と、出口部１１２（１１２ａ、１１２ｂ）と、副空気通路入口１１１と曲り通路部１１３の間にある第２の副空気通路１１４とを備える。

第１の副空気通路１１０は、内回り面部１２５と、外回り面部１２３と、両側面部１１７、１１８とを備える。そして、外回り面部１２３は、入り口１１１と連絡する第１の平面部１２７と、傾斜面部１１６と、この傾斜面部１１６に続く曲面部１２６と、この曲面部１２６に続く、第２の平面部１２４とを備えている。

第１の平面部１２６の延長面と傾斜面部１１６とのなす角度は、０度を超え、９０度未満となっている。

第１の副空気通路１１０内の、上記平面部１２４及び内回り面部１２５により形成される通路１２１内には、吸入空気流量測定を行うための発熱抵抗体１００と、この発熱抵抗体１００に近接して吸入空気温度の補償用の感温抵抗体１０１とが設置される。これら発熱抵抗体１００及び感温抵抗体１０１は、各々ターミナル部材１０２を介して制御回路（図示せず）と電気的に接続されている。

また、第２の副空気通路１１４の一壁面は傾斜面１１６の延長面により形成される。そして、第２の副空気通路１１４は、上記傾斜面１１６の延長面よりなる一壁面と、この一壁面に対向するとともにほぼ平行な他の壁面１２２と、側面部１１７及び１１８とにより形成される。

また、第２の副空気通路１１４の出口面上流側（空気流れの上流側）面１１５は斜面又は翼型になっている。そして、第２の副空気通路１１４の空気流れ方向は、翼型に沿うような流れ方向となっており、曲り通路部１１３の空気流れ方向とほぼ一致する方向となる。これにより、入り口１１１から第１の副空気通路１１０に入った空気は、第２の副空気通路１１４から排出されることはない。出口面上流側面１１５のさらに上流側は、平面部（底面部）１１９が形成されている。

また、第２の副空気通路１１４の通路長さは図示の破線の範囲となっており非常に短い距離で、穴に近いような通路構成となっている。この第２の副空気通路１１４の通路長さは、幅寸法（図２の（Ｂ）に示す寸法Ｗ）より短い値となっている。

流量検出部である発熱抵抗体１００の上流側における曲り通路部１１３は進入してきた水滴を遠心分離の効果により曲りの外側壁面１２６に追いやる働きを持っている。この効果により、発熱抵抗体１００には水滴が衝突せず、前記したようなスパイク波形のような計測誤差を発生する事は無い。

ここで、第１の副空気通路１１０の設置は図示したように図１の上側が天方向であり、下側が地方向になるように設置される。このため、第２の副空気通路１１４は地方向に出口が開口するような向きに取り付けられる。

このため、仮に図１に示すような状態で、第１の副空気通路１１０内に水が浸入し、高流速状態から、低流速状態に急激に変化した場合、水滴は、空気流により移動されることはなく、重力により傾斜面１１６に沿って地方向に集まり、第２の水抜き穴である第２の副空気通路１１４から外部に排出されてしまう。

これにより、第１の副空気通路１１０内に水は溜まらず、上述したように、急激に車輌が停止した時等に副空気通路内に水等が残らず、水等の液体による空気流量計測誤差を低減することが可能となる。

この第２の副空気通路１１４の開口断面積は、水膜が形成されない程度の大きさとする必要がある。水膜が形成されると、充分に水滴が排出されない可能性があるからである。例えば、４ｍｍ×４ｍｍ以上の開口面積を有すればよい。

以上のように、本発明の一実施形態によれば、空気流量計測装置の副空気通路に、空気流の流れ方向に変動を与えることなく、かつ、空気流の流速が低流速の状態で、副空気通路内に滞留した水滴を、重力方向に副空気通路から排出する第２の副空気通路１１４とを備え、水滴による有効断面積の減少を防止することができる。

したがって、広範囲な空気流量範囲において、流量検出素子である発熱抵抗体が設置される副空気通路内への水等の液体付着等による発熱抵抗体の出力特性の変化量を最小限に抑える事が可能な空気流量測定装置を実現することができる。

本発明の一実施形態は、上述と言い方を変えれば、副流体通路入口と曲り部との間で少なくとも二つの通路に分流し、発熱抵抗体と曲り部とを有する第１の副流体通路と、この第１の副流体通路を流れる空気の持つ慣性力とは異なる方向に通路方向を有する第２の副流体通路とを備え、第２の副流体通路の出口は、上記主通路に流れる流体の流れ方向とほぼ直交して開口している。

また、第２の副空気通路１１４の出口の、主通路に流れる空気の上流側には、斜面又は翼型部材１１５が形成され、主流体通路の流れ方向から第２の副流体通路１１４の出口を投影した際に、上記斜面又は翼型の形状により第２の副空気通路１１４の出口が隠されている。

次に、本発明の他の実施形態について、図８を参照して説明する。
この実施形態は、本発明を電子燃料噴射方式の内燃機関制御システム（内燃機関の燃料噴射システム）に適用した場合の例である。

図８において、エアクリーナ５４から吸入された吸入空気６７は、図１、図２に示した副空気通路１１０を有する発熱抵抗式空気流量測定装置のボディ５３、吸入ダクト５５、スロットルボディ５８及び燃料が供給されるインジェクタ６０を備えたインテークマニホールド５９を経て、エンジンシリンダ６２に吸入される。一方、エンジンシリンダ６２で発生したガス６３は排気マニホールド６４を経て外部に排出される。

発熱抵抗式空気流量測定装置の回路モジュール５２から出力される空気流量信号、温度センサ５１からの吸入空気温度信号、スロットル角度センサ５７から出力されるスロットルバルブ角度信号、排気マニホールド６４に設けられた酸素濃度計６５から出力される酸素濃度信号及び、エンジン回転速度計６１から出力されるエンジン回転速度信号等は、コントロールユニット６６に入力される。

そして、コントロールユニット６６は、入力されたこれらの信号を逐次演算して最適な燃料噴射量とアイドルエアコントロールバルブ５６の開度を求め、その値を使って前記インジェクタ６０及びアイドルコントロールバルブ５６を制御する。

以上のように、本発明の一実施形態による空気流量計測装置を電子燃料噴射方式の内燃機関に適用すれば、高精度に吸入空気流量を測定することができ、高精度のエンジン制御を行うことができる。

なお、上述した例は、空気車輌でのエンジン制御が主な使用用途になるが、船舶や発電機等のディーゼルエンジンを使った制御に対しても同様に利用が可能となる。

また、上述した例は、本発明を空気流量測定装置に適用した場合の例であるが、空気以外の流体、例えば、水素ガス等のガス状流体の流量計測装置にも、本発明は適用可能である。

本発明の一実施形態である空気流量計測装置の要部縦断面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面及び底面を示す図である。 吸気系における流量計計測相装置への水飛散を説明する図である。 吸気系の水飛散時の計測誤差発生の説明図である。 一般的な空気流量測定装置における発熱抵抗体の配置構造の説明図である。 図５に示した装置を空気が流れる上流側から見た図である。 発熱抵抗体式空気流量測定装置の概略回路構成図である。 本発明の他の実施形態である発熱抵抗体式空気流量測定装置を使った電子燃料噴射方式の内燃機関制御システムの全体概略構成図である。

符号の説明

５１ 吸気温度センサ
５２ 回路モジュール
５３ 発熱抵抗体式空気流量測定装置のボディ
５４ エアクリーナ
５５ 吸入ダクト
５６ アイドルエアコントロールバルブ
５７ スロットル角度センサ
５８ スロットルボディ
５９ 吸気マニホールド
６０ インジェクタ
６１ エンジン回転速度計
６２ エンジンシリンダ
６３ ガス
６４ 排気マニホールド
６５ 酸素濃度計
６６ コントロールユニット
６７ 吸入空気
１００ 発熱抵抗体
１０１ 感温抵抗体
１０２ ターミナル部材
１１０ 第１の副空気通路
１１１ 副空気通路入口
１１２ 副空気通路出口
１１３ 曲り通路
１１４ 第２の副空気通路
１１５ 第２の副空気通路１１４の出口傾斜面
１１６ 第１の副空気通路の傾斜面
１１７、１１８ 側面部
１１９ 平面部（底面部）
１２０ 副空気通路構成部材
１２２ 他の壁面
１２３ 外回り面部
１２４ 第２の平面部
１２５ 内回り面部
１２６ 曲面部
１２７ 第１の平面部

Claims (7)

1. 主通路に流れる流体を流体入り口部から流入する副流体通路と、この副流体通路内に配置される発熱抵抗体と、この発熱的抵抗体に加熱電流を供給し、流体の流量を計測する流量計測部とを有する発熱抵抗体式流体流量計測装置において、
   上記副流体通路は、内回り面部及び外回り面部を有する第１の副流体通路と、この第１の副流体通路に残留する水分を副流体通路外に排出する第２の副流体通路とを備え、
   上記第１の副流体通路の外回り面部は、上記流体入り口部に続く第１の平面部と、この第１の平面部に対して傾斜する傾斜面部と、この傾斜面部に続く曲面部と、この曲面部に続く第２の平面部とを有し、
   上記第２の副流体通路は、上記第１の副流体通路の第１の平面部と傾斜面部との間に形成され、上記傾斜面部の延長面である一壁面と、この一壁面に対向し、ほぼ平行な壁面とを有することを特徴とする発熱抵抗体式流体流量計測装置。
2. 加熱電流を流して発熱し、吸入流体への放熱を基に流体流量を測定する発熱抵抗体式流体流量測定装置であり、少なくとも一つの曲り部を有し、主通路に流れる流体が流入される副流体通路を備え、上記副流体通路内の曲り部の下流側に、流体流量を計測するための発熱抵抗体が配置される発熱抵抗体式流体流量測定装置において、
   上記副流体通路は、副流体通路入口と曲り部との間で少なくとも二つの通路に分流し、上記発熱抵抗体と曲り部とを有する第１の副流体通路と、この第１の副流体通路を流れる流体の持つ慣性力とは異なる方向に通路方向を有する第２の副流体通路とを備えることを特徴とする発熱抵抗体式流体流量測定装置。
3. 請求項１又は２記載の発熱抵抗体式流体流量測定装置において、上記第２の副流体通路の流体の流れ方向長さは、この第２の副流体通路の幅寸法よりも短いことを特徴とする発熱抵抗体式流体流量測定装置。
4. 請求項１又は２記載の発熱抵抗体式流体流量測定装置において、上記第２の副流体通路の出口開口面積は、少なくとも４ｍｍ×４ｍｍを有することを特徴とする発熱抵抗体式空気流量測定装置。
5. 請求項１又は２記載の発熱抵抗体式流体流量測定装置において、上記第２の副流体通路の出口の、主通路に流れる流体の上流側には、斜面又は翼型部材が形成され、主流体通路の流れ方向から第２の副流体通路の出口を投影した際に、上記斜面又は翼型の形状により第２の副流体通路の出口が隠されていることを特徴とする発熱抵抗体式流体流量測定装置。
6. 請求項１又は２記載の発熱抵抗体式流体流量測定装置において、上記流体は空気であることを特徴とする発熱抵抗体式流体流量測定装置。
7. 内燃機関と、この内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁と、上記内燃機関に空気を供給する主通路と、この空気通路内に配置され、内燃機関に供給される空気流量を調節する空気量調整手段と、上記空気通路を流れる空気流量を測定する空気流量測定手段と、この空気流量測定手段からの空気流量信号に基づいて、上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量を制御するコントロールユニットとを有する内燃機関の燃料噴射システムにおいて、
   上記空気流量測定手段は、
   主通路に流れる空気を空気入り口部から流入する副流体通路と、この副空気通路内に配置される発熱抵抗体と、この発熱的抵抗体に加熱電流を供給し、空気流量を計測する流量計測部とを有し、
   上記副空気通路は、内回り面部及び外回り面部を有する第１の副空気通路と、この第１の副空気通路に残留する水分を副空気通路外には排出する第２の副空気通路とを備え、
   上記第１の副空気通路の外回り面部は、上記空気入り口部に続く第１の平面部と、この第１の平面部に対して傾斜する傾斜面部と、この傾斜面部に続く曲面部と、この曲面部に続く第２の平面部とを有し、
   上記第２の副空気通路は、上記第１の副空気通路の第１の平面部と傾斜面部との間に形成され、上記傾斜面部の延長面である一壁面と、この一壁面に対向し、ほぼ平行な他の壁面とを有することを特徴とする内燃機関の燃料噴射システム。

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