JP2009063391A - 発熱抵抗体式空気流量測定装置が装着される吸気系部品 - Google Patents

Abstract

【課題】
発熱抵抗体式空気流量測定装置の計測空気流量範囲を拡大する。
【解決手段】
主空気通路１５５の発熱抵抗体式空気流量測定装置１００よりも上流側に絞り１５７を設けて低流量側における計測空気流量範囲を拡大する。さらに、主空気通路入り口１５６を経由することなく主空気通路１５５の外側から絞り１５７の下流側で流れの剥離が発生する位置に空気を導入するスリット１５８を設け、高流量時の圧力損失の増大を防止して高流量側における計測空気流量範囲を拡大する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気流量計測用に好適な発熱抵抗体式の空気流量測定装置が装着される吸気系部品に関する。

内燃機関用の流量測定技術としては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流入流量に対し相関関係があることを利用したものであり、エンジンの燃焼制御で必要となる質量流量を直接測定出来るため特に自動車の空燃比制御用の流量計として広く使われている（特許文献１参照）。

また、本発明に最も近い公知技術として、吸気管構成部材の発熱抵抗体式空気流量測定装置の副空気通路上流に絞りを設けた例が示されている（特許文献２参照）。

特願平０９−１７０６３０号公報 特願平０８−２３１６２０号公報

エンジンが必要とする空気流量は、アイドルの場合には回転数が低いため少量であるが、エンジンのパワーを必要とする高回転条件では多量となる。このとき、発熱抵抗体式空気流量測定装置が装着される吸気管の断面積は常に一定であるため、発熱抵抗体が計測する空気流速は、低流量では低くなり、高流量では速くなる。

発熱抵抗体は空気への放熱量を計量して空気流量信号として出力する働きを持っており、理屈上では、微小流量でも、音速に近いような高流速でも空気流量を計測する事が可能である。しかし実際には、発熱抵抗体の計測精度や、空気中に含まれる塵の付着等による耐久性を考慮すると、流量計測範囲には限度がある。つまり、微小流速では発熱抵抗体の放熱量が極めて少ないため、発熱による自然対流の影響や、発熱抵抗体の個体ばらつき等による計測誤差が相対的に大きくなってしまい、その結果、計測精度が低下してしまう。また、高流速では、塵の持つ衝突エネルギーが大きく、発熱抵抗体に塵が付着し易くなってしまう。おおよそではあるが、実際に発熱抵抗体式空気流量測定装置として使用する流速範囲は、０.５ｍ／ｓ〜５０ｍ／ｓが適切であると考えられている。

しかし、近年の自動車業界においては、車両の燃費とパワーを両立させる動きがある。このため、燃費改善のための低アイドル回転数化による低流量化と、エンジンパワー確保のための高流量化とがそれぞれ必要となっている。

低流量化に対応するためには、発熱抵抗体が設置される吸気系部品（ダクト等）の通路面積を小さくし、流量が低くなっても流速を確保する必要がある。しかし、吸気系部品の通路面積を小さくすると、高流量時には空気通路の圧力損失が増大してしまい、エンジンのパワー出力するために必要な空気流量を得る事が出来なくなってしまうのである。

本発明の目的は、発熱抵抗体式空気流量測定装置の計測空気流量範囲を拡大することにある。

発熱抵抗体式空気流量測定装置の場合には、逆流による計測誤差低減等の目的のために、吸気系部品によって構成される主空気通路内に副空気通路を配置し、この副空気通路内に発熱抵抗体を設置する必要がある。副空気通路及び発熱抵抗体を含む計測部を空気通路内に設置すると、主空気通路内における空気の流れる有効断面積が極端に減ってしまう。よって、主空気通路における圧力損失も極端に増大してしまう。

このため、計測部の上流側において主空気通路に絞り構造を設けることが考えられる。これにより、絞りにより主空気通路中心部の流れを増速させて、この増速させた付近に副空気通路の入口を設置することで、少ない流量においても発熱抵抗体の放熱量を増加させる事が出来る。

また、この絞り構造は空気流の流れ方向において主空気通路の一部に設けられており、計測部が配置された位置における主空気通路の断面積は、絞り構造を設けた部分における主空気通路の断面積よりも大きくなっている。また、計測部の設置位置において空気が流れる主空気通路の有効断面積を、絞り構造を設けた部分において空気が流れる有効断面積と同じような大きさにしている。これにより、計測部の設置位置において、主空気通路の断面積が狭まることが無く、圧力損失の増大を抑えることが出来る。

上述したような絞り構造を設けることにより、発熱抵抗体式空気流量測定装置の計測空気流量範囲を拡大することが可能になる。

しかし、流速を増速させた場所に計測部があるため、この計測部が障害物となり、実際には圧力損失の増加を完全に押さえることは不可能である。これを防ぐためには、計測部と絞り構造との距離を離す事が必要になる。しかし、そうすると発熱抵抗体部における流速が低下してしまい、絞り構造の効果が失われてしまい、計測空気流量範囲を拡大させる効果も低下してしまう事になる。

そこで、本発明では、この圧力損失の増加を抑えるために、絞り構造の下流に生じる剥離部分に、絞り構造の上流側に設けられた主空気通路入口から流入する空気とは別の空気を導入する空気導入通路を形成した。この空気導入通路は、絞り構造の下流側でかつ計測部よりも上流側の主空気通路に、その周方向に沿ってスリット状に形成されるとよい。

主空気通路の入口から流入する空気とは別の空気を絞り構造の下流に送り込む事で、主空気通路中心部の流速を増速させたまま、主空気通路内を流れる空気流量を増加させる事が可能となる。この空気導入通路を流れる空気は、絞り構造を流れる流量が多い時ほど、すなわち絞り構造を流れる流速が速い時ほど、多く流れる。これは、絞り構造の下流側では空気流れに剥離が発生して圧力が低下するが、絞り構造を流れる流量が多い時ほど圧力が大きく低下し、大きくなった圧力差のために空気導入通路を通じて絞り構造の下流に生じる剥離部に導入される空気が増えるためである。このため、空気導入通路を流れる空気の量は主空気通路の流量が低流量の状態で少なく、高流量の状態で多くなる。

本発明によれば、絞り構造を設けて低流量時における計測部への空気流速を早め、高流量時には空気導入通路を通じて絞り構造の下流に生じる剥離部へ空気を導入し、主空気通路に空気を補充することができるので、計測空気流量範囲を拡大することができる。

以下、本発明に係る実施例を説明する。

吸入空気計測装置の一例として、発熱抵抗体を使った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８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は大きく分けてブリッジ回路とフィードバック回路から成り立っている。吸入空気流量測定を行うための発熱抵抗体ＲＨ，吸入空気温度を補償するための感温抵抗体ＲＣ及びＲ１０，Ｒ１１でブリッジ回路を組み、オペアンプＯＰ１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Ｖ２を出力する。つまり流速の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。これに対して流速の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６は発熱抵抗式空気流量計の一例を示す横断面であり、図７はその上流側（左側）から見た外観図である。

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等があり、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（ＲＨ）３，吸入空気温度を補償するための感温抵抗体（ＲＣ）４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、ハウジング１，回路基板２，副空気通路，発熱抵抗体３、感温抵抗体４他を一体のモジュールとして発熱抵抗体式空気流量測定装置を構成している。また、吸気管路を構成する主空気通路構成部材２０の壁面には穴（開口）２５があけられており、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部分を外部より挿入して副空気通路構成部材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している。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を取付けて、吸気管の内側と外側との気密性を保っている。

図９に、発熱抵抗式空気流量測定装置１００を電子燃料噴射方式の内燃機関に適用した一実施例を示す。エアクリーナ５４から吸入された吸入空気６７は、主空気通路構成部材２０によって形成される発熱抵抗式空気流量測定装置１００のボディ５３（単に、ダクトとも言う），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、エンジンシリンダで発生したガス６３は排気マニホールド６４を経て排出される。

発熱抵抗式空気流量測定装置１００の回路モジュール５２から出力される空気流量信号と圧力信号、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がコントロールユニット６６に入力される。コントロールユニット６６は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及びアイドルエアコントロールバルブ５６を制御する。

次に発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の出力について、図１０及び図１１を用いて説明する。

図１０は発熱抵抗式空気流量測定装置をある主空気通路構成部材２０に装着して流速に対して発熱抵抗体３の出力（放熱量）を示したものである。横軸が流速、縦軸が発熱抵抗体３の出力を示したものである。発熱抵抗体３の出力は流速に対して４乗の関係になるため図に示すような非線形な出力となる。

発熱抵抗体３は理論上では極低流速でも、音速に近いような高流速でも放熱量を計測する事が可能である。しかしながら、実際に自動車用等の空気流量計として使う場合には、その流速範囲には制限がある。これは、高流速では発熱抵抗体３への塵の付着が懸念され、低流速では製造による個体差のばらつきや自然対流の影響が懸念される。

自動車用の発熱抵抗体式空気流量測定装置１００は一般的には図９に示すようにエアクリーナに設けられたエアフィルタ１５３の下流に配置され、空気中に含まれる塵はエアフィルタ１５３で集塵され、きれいな空気しか発熱抵抗体式空気流量測定装置１００のところには到達しない。しかし、実際にはエアフィルタ１５３の集塵能力は完全では無く、少なくとも数ミクロン程度の塵はエアフィルタ１５３を通過して発熱抵抗体式空気流量測定装置１００へ到達してしまう。

発熱抵抗体式空気流量測定装置１００のセンシング部である発熱抵抗体３は塵が付着し難いような構造を採用しているが、高流速で塵が衝突した場合には塵の持つ衝突エネルギーが大きく、発熱抵抗体３へ付着する可能性が高い。このため、発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の計測する最大の空気流速には制限を設ける必要がある。

最低流速に関しては、二つの課題がある。一つは発熱抵抗体３の製造ばらつきによる個体差である。例えば発熱抵抗体３は塵が付着し難いように発熱抵抗体３の周囲をガラス等によりコーティングを施す事が一般的である。このコーティングの厚みには製造上必ずばらつきが生じ、このばらつきが発熱抵抗体３の放熱量に影響してしまう。この影響は極低流速の場合に顕著に表れる。

二つ目は自然対流による影響である。発熱抵抗体３は加熱体であるため、発熱抵抗体３の周囲の空気は加熱される事になる。このため、静止中の空気においては、加熱された空気は重力の関係より、温度の低い上部へと移動することになる。また、移動した空気の分を下部から補給する必要が生じる。このため発熱抵抗体３の周囲には上記した空気の流れが生じる事となる。一般的に充分に速い流速においては、強制的な流れとなるため、この自然対流の影響は無視できる。しかし、極低流速においてはこの自然対流の影響は無視出来なくなり、実際の流速だけでなく、この自然対流の影響も計測してしまうため正確な空気流量の計測が出来なくなってしまうのである。

以上の説明のように、自動車用に用いる発熱抵抗体式空気流量測定装置１００においては最低流速と最大流速には制限を設ける必要がある。筆者らの経験上ではあるが、おおよそこの流速範囲は、最低流速（Ｕｍｉｎ）は約０.５ｍ／ｓ、最高流速（Ｕｍａｘ）は約５０ｍ／ｓである。もちろん、この数値は、構造や使用環境によっては違いが出るため、参考的な数値である。

次に図１１を用いて発熱抵抗体式空気流量測定装置１００が装着される主空気通路のダクト径と計測流量範囲について説明する。流速は瞬時的な速度を示すものであるが、流量は単位時間内に流れる量を示すものであり、一般的に、流量＝流速×断面積×時間 で表される。

このため、流速と流量はダクト径（断面積）により一義的に決まるものである。例えば、小さいダクト径と、大きなダクト径では同じ流量が流れた場合には、内部の流速は変わってくる。つまり同じ流量の場合には、小さいダクト径に比べて大きなダクト径の場合には流速は低い流速になる。

自動車のエンジンにおいては小さいエンジン容量の物もあれば、大きなエンジン容量の物もあり、このエンジンの容量によってダクトを流れる流量も変わってくる。当然ではあるが、一般的にはエンジン容量の大きなものは高流量を必要とし、エンジン容量の小さなものは低流量しか必要としない。このため、一般的に容量の大きなエンジンの場合には発熱抵抗体式空気流量測定装置１００を装着するダクト径を大きくし、小さなダクト径の場合にはダクト径を小さくして前記した発熱抵抗体の流速範囲を調整しているのである。

図１１に示したグラフでは、Ｄ１〜Ｄ３は発熱抵抗体式空気流量測定装置１００が装着されるダクト径の大きさを示したものである。Ｄ１はエンジン容量の小さなエンジンでの流量範囲を、Ｄ２では中容量のエンジン、Ｄ３は大容量のエンジン容量におけるそれぞれの、発熱抵抗体３の計測可能な流量範囲を示したグラフであり、一般的にはこのような使われ方をする。

ここで単純に小さなダクト径であるＤ１のダクトで、大容量まで計測しようとすると、低流量での流速は確保できる反面、高流量では流速が速まってしまい、発熱抵抗体が汚損し易くなってしまう。また、高流量での圧力損失が大きくなってしまい、エンジンを最高回転数で回しても、必要な空気流量が得られないといった問題が出てくる。

このため、課題で説明したような低流量から高流量までを一つのダクト径で計測するためには構造的な対応策が必要となる。

次に、図１〜図３を使い具体的な本発明の構造を示す。

図１は、エアクリーナの一部となる主空気通路１５５を形成するダクト１５４に発熱抵抗体式空気流量測定装置１００を装着する部分を設け、その上流に絞り１５７及び、絞り下流のスリット１５８を設置した例を示したものである。図１の発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の近傍における点線四角の内部を図２に示した。

エアクリーナ５４は、主としてエアフィルタ１５３の上流側のケース部分を構成するケース部材であるダーティサイドケース１５１と、主としてエアフィルタ１５３の下流側のケース部分を構成するケース部材であるクリーンサイドケース１５２とによって構成されるケースの中に、エアフィルタ１５３を備えて構成される。主空気通路入口１５６を形成するダクト部分がクリーンサイドケース１５２の内部に突き出るように設けられている。絞り１５７とスリット１５８とが、主空気通路入口１５６の下流側に位置するように、クリーンサイドケース１５２の内部に突き出したダクト部分に設けられている。これにより、主空気通路入口１５６からの空気の流れ１５９とスリット１５８からの空気の流れ１６０とは、いずれもエアフィルタ１５３を通過した空気によって形成される。また、スリット１５８は主空気通路入口１５６を経由することなく主空気通路入口１５６の下流側のダクト内部とダクト外部とを連通する空気通路を成す。従って、スリット１５８から絞り１５７の下流に流れ込む空気は、主空気通路入口１５６を経由することなく、主空気通路内に導入されることになる。

次にスリット１５８を流れる空気の流れについて説明する。絞り１５７の下流では図３に示すように、圧力の低い領域が発生して剥離渦が生じる。この剥離渦の出方は、流速によって変わり、流速が速いときほど顕著な剥離渦が生じる。ここで、スリット１５８を設ける事で、圧力の高いところから低いところへ連通する流路が形成される事になる。空気は圧力の高いところから低いところへ流れ込むため、エアクリーナのクリーンサイドケース１５２の内部に突き出るようなダクト部分の周囲（外側）から絞り１５７の下流へ空気が流れ込む事となる。このため、このスリット１５８を流れる空気の量は低流量で少なく、高流量で多く流れる事となる。

これにより低流量では絞りの効果により、ある程度絞られた空気が発熱抵抗体式空気流量測定装置１００のところまで到達するため、低流量における計測精度を向上する事が可能となる。また、高流量においては絞りの効果により流速が若干アップはするが、スリットに空気が流れることによって絞りを付けた事による圧力損失の増加を抑える事ができる。実際には、ダクト径・絞り径・スリットの大きさ・絞りから発熱抵抗体式空気流量測定装置１００までの距離により発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の検出する流速は大きく異なるため、実験などにより最適化をする必要がある。

本発明における発熱抵抗体式空気流量測定装置１００の計測流量範囲を理想的に最適化した際の計測空気流量範囲を図１２を用いて説明する。従来であれば異なる流量範囲を計測するためには、小さいダクト径Ｄ１と、大きなダクト径Ｄ３を必要としていたが、絞り１５７とスリット１５８とを設けたことにより、ダクト径Ｄ１からＤ３によって実現される流量範囲に近い範囲を一つのダクトで対応する事が可能となる。

次に他の実施例を図４及び図５を用いて説明する。基本的な構成は図１と同じであるが、本実施例においては図１で用いていた、エアクリーナのクリーンサイドケース１５２の内部に突き出るようなダクトは用いていない。その代わりにスリット１７３に流れ込む空気を浄化するためのエアフィルタ１７０を用いている。実施例１と同様に、スリット１７３は主空気通路入り口１７４を経由することなく主空気通路入り口１７４の下流側のダクト内部とダクト外部とを連通する空気通路を成し、スリット１７３から絞り１７２の下流に流れ込む空気は、主空気通路入り口１７４を経由することなく、主空気通路内に導入されることになる。

本実施例においても図１と同じような効果を得る事が可能ではあるが、別フィルタを必要とするため、クリーンサイドケース１５２の内部に突き出るようなダクトを設けた場合とコストと効果を比較してどちらを選択するかを良く見極める必要がある。

現在、地球温暖化等、世界的に環境に関して目が向けられている。このため、低燃費の車両が求められている。一方で車のユーザーは、車を人や荷物を運ぶ手段だけでなく、車の運転自体を楽しむために、エンジンのパワーも必要としている。従来であれば、この二つは相反する事象であったが、本発明に係る実施例により、エンジンの低燃費とパワーを両立させた車両を成立させる事が可能となる。これにより、地球環境に優しく、低燃費且つ、パワー性能に優れたエンジン制御システムを市場に送り込むことが可能となる。

また、本発明に係る実施例は、自動車用としてのエンジン制御が主な使用用途になり、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンに対して利用が可能となる。

本発明の一実施例を示す空気流量測定装置構成図。 図１の空気流量測定装置の部分拡大図。 図１でスリットの無い状態を示す図。 本発明の他の実施例を示す空気流量測定装置構成図。 図４の空気流量測定装置の部分拡大図。 代表的な発熱抵抗体式空気流量測定装置の概略構成の横断面。 図６を吸入空気の流れ上流方向からみた図。 発熱抵抗体式空気流量測定装置の概略回路構成図。 発熱抵抗体式空気流量測定装置を使った内燃機関の概略システム構成図。 発熱抵抗体式空気流量測定装置の流速に対する出力を示すグラフ。 発熱抵抗体式空気流量測定装置の通路径（断面積）を変えた場合の流速に対する出力を示すグラフ。 本発明品における流速に対する出力を示すグラフ。

符号の説明

１ ハウジング構成部材
２ 回路基板
３ 発熱抵抗体
４ 感温抵抗体
５ 導電性支持体
６ シール材
７ ネジ部材
１０ 副空気通路構成部材
１４ 副空気通路
２０ 主空気通路構成部材
２２ 主空気通路
２５ 副空気通路挿入穴
５１ 吸気温度センサ
５２ モジュール
５３ ボディ
５４ エアクリーナ
５５，１５４ 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 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 発熱抵抗体式空気流量測定装置
１５１ ダーティサイドケース
１５２ クリーンサイドケース
１５３ エアフィルタ
１５５ 主空気通路
１５６ 主空気通路入口
１５７ 絞り
１５８ スリット
１５９ 主空気通路入口空気流れ
１６０ スリット部空気流れ
１６１ ダクト内部空気流れ
１７０ スリット用エアフィルタ
１７１ スリット用エアフィルタの空気流れ
１７２ 絞り

Claims (6)

1. 加熱電流を流して発熱し吸入空気への放熱を基に空気流量を測定する発熱抵抗体式空気流量測定装置が装着される吸気系部品において、発熱抵抗体式空気流量測定装置が装着される吸気ダクトの前記発熱抵抗体式空気流量測定装置よりも上流側に、吸気ダクト内部を流れる流速を部分的に速める増速手段と、前記増速手段の下流側にダクト内部の圧力を低下させる圧力低減手段を設け、吸気ダクトの入り口を経由することなく前記圧力低減手段によって圧力が低くなった部位と吸気ダクトの外部とを連通する連通路を設けたことを特徴とする吸気系部品。
2. 請求項１に記載の吸気系部品において、前記増速手段及び前記圧力低減手段は、吸気ダクトの通路断面積が局部的に小さくなる絞りとして構成され、前記連通路は、前記絞りの下流側の吸気ダクトに形成されたスリット状の通路によって構成されることを特徴とする吸気系部品。
3. 請求項２に記載の吸気系部品において、エアクリーナのクリーンサイドケース内に前記吸気ダクトの一部が内部ダクトとなって存在し、前記内部ダクトの内側に吸気通路の断面積が局部的に小さくなる絞りが設けられると共に、吸入空気が流入するスリット状の通路が開口することを特徴とする吸気系部品。
4. 請求項３に記載の吸気系部品において、吸入空気が流入するスリット状の通路は、内部ダクトの内側のほぼ全周に開口することを特徴とする吸気系部品。
5. 請求項１又は２に記載の吸気系部品において、前記連通路の入り口側はエアクリーナの外側に設けられ、前記連通路の入り口側にエアクリーナに設けたエアフィルタとは別のフィルタを設けたことを特徴とする吸気系部品。
6. 請求項１又は２に記載の吸気系部品において、前記連通路の入り口側はエアクリーナの内側でかつエアクリーナに設けたエアフィルタの下流側に設けられていることを特徴とする吸気系部品。

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