JP3985801B2 - 空気流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、空気通路内にバイパス通路を形成し、そのバイパス通路内に空気流量を測定するためのセンシング部を配置した空気流量測定装置に関する。

従来技術として、例えば、特許文献１に記載された空気流量測定装置がある。
この空気流量測定装置は、例えば、内燃機関の吸入空気量を測定するもので、図１１（ｂ）に示す様に、吸入空気の一部が流れるバイパス通路１００を有し、そのバイパス通路１００の内部にセンシング部を備えている。
バイパス通路１００は、吸入空気の流れ方向に対向して開口する入口１１０を有すると共に、図示矢印で示す様に、入口１１０より流入した空気が略直角方向に曲がって流れる通路形状を有している。また、バイパス通路１００の途中には、空気の流れ方向を変える曲がり部が設けられ、この曲がり部より上流側の通路と下流側の通路との間が仕切壁１２０によって区画されている。

センシング部は、空気流量を測定するための発熱素子１３０を有し、この発熱素子１３０が、バイパス通路１００の曲がり部より上流側の通路内に配置されている。但し、発熱素子１３０は、図１１（ａ）に示す様に、自身の長手方向が、バイパス通路１００を形成する両側面と直交する方向（図示左右方向）に配設され、且つバイパス通路１００内の中央部より仕切壁１２０側に偏った位置に配置されている（図１１（ｂ）参照）。

上記の空気流量測定装置では、入口１１０より流入した空気が略直角方向に曲がって流れるため、曲がり部より上流側の通路内では、図１２（ａ）に示す様に、バイパス通路１００に流入する空気流速が速くなる程、最高流速が仕切壁１２０側に偏った流速分布（実線Ｘで示す）を生じる。つまり、曲がり部より上流側の通路内では、中央部より仕切壁１２０側に偏って空気流速が安定するため、発熱素子１３０を仕切壁１２０側に偏った位置に配置することにより、計測精度が向上する。
特開平９−２８７９８５号公報

ところが、上記の従来技術は、吸入空気量が多い時（空気流速が速い時）に有効であるが、吸入空気量が少ない低流量時には、図１２（ｂ）に示す様に、バイパス通路１００内（曲がり部より上流側の通路内）の中央部を中心に流速分布Ｘが形成されるため、以下の問題を生じる。
つまり、低流量時には、バイパス通路１００内の流速分布Ｘが放物線状になるため、発熱素子１３０を仕切壁１２０側に偏った位置に配置していると、流速分布Ｘ内の流速が遅くなる部分で流量を計測することになる。その結果、低流量時の計測精度が悪化するため、流量測定のダイナミックレンジが狭くなると言う欠点がある。

本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、空気流量の多少に係わらず、計測精度を向上でき、流量測定のダイナミックレンジを拡大できる空気流量測定装置を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、バイパス通路内に発熱素子を備える空気流量測定装置であり、バイパス通路は、空気通路を流れる空気の流れ方向に対向して開口する入口を有すると共に、この入口より流入した空気が所定方向に曲がって流れる流入通路と、この流入通路から更に空気の流れ方向が変化する曲がり部を介して流入通路に繋がる流出通路とを有し、発熱素子は、流入通路内に配置され、且つ、発熱素子の長手方向が、空気通路を流れる空気の流れ方向と略平行な向きに配置されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、流入通路内で空気流速の遅い領域と速い領域とが分布する方向に発熱素子の長手方向を配置するので、空気通路を流れる空気流量の変化により、流入通路内の流速分布が変化しても、その影響を受けにくくできる。すなわち、高流量の時は、入口より所定方向に曲がる空気流れの外側寄りに最高流速が偏った流速分布を生じるが、上記の如く発熱素子を配置することにより、発熱素子の長手方向の範囲内で最高流速を計測可能である。
一方、低流量の時は、最高流速が空気流れの外側寄りに偏ることはなく、流入通路内の中央部を中心に流速分布が形成されるため、高流量の時と同様に、発熱素子の長手方向の範囲内で最高流速を計測可能である。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した空気流量測定装置において、発熱素子は、入口より所定方向に曲がって流れる空気が縮流する領域に配置されていることを特徴とする。
流入通路を流れる空気は、入口から所定方向に曲がって流れるため、空気流れの慣性力によって縮流し、その後発生する二次流れや、曲がりによる偏流が回復して拡流する。この場合、空気が拡流する領域では、空気の流れが乱れるため、この拡流する領域に発熱素子を配置すると、計測精度が悪くなる。これに対し、空気が縮流する領域では、空気の流れが整流されて安定するため、この縮流する領域に発熱素子を配置することで、計測精度を向上できる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した空気流量測定装置において、発熱素子は、入口より空気が所定方向に曲がった直後に配置されていることを特徴とする。
入口より空気が所定方向に曲がった直後では、空気流れの慣性力が働くことで空気が縮流するため、この位置に発熱素子を配置することで、請求項２の発明に記載した様に、計測精度を向上できる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの空気流量測定装置において、流入通路には、発熱素子の長手方向と直交する方向の側面に、発熱素子が配置される部位の上流から発熱素子が配置される部位に向かって、通路断面積を徐々に減少させる絞り部が設けられていることを特徴とする。
上記の構成によれば、入口から所定方向に曲がって流れる空気が絞り部を通過する際に整流されて、空気流が安定するため、計測精度を向上できる。
さらに、発熱素子の長手方向以外の他の方向成分を整流し、空気流れを安定できるため、計測精度を向上できる。

（請求項５の発明）
請求項４に記載した空気流量測定装置において、入口より所定方向に曲がって流入通路に流入した空気の流速が遅くなる曲がりの内側を内側流路と呼び、空気の流速が速くなる曲がりの外側を外側流路と呼ぶ時に、絞り部は、内側流路の延長上に位置する一端側より、外側流路の延長上に位置する他端側の方が、絞り部の高さが低く設けられていることを特徴とする。
上記の構成では、絞り部の一端側より他端側の方が通路幅が広くなるため、流入通路内の流速分布が平均化されて、流速分布の偏りが抑制される。その結果、発熱素子の組み付け位置がばらついた時でも、空気流量測定装置の特性ばらつきを抑制できる。

（請求項６の発明）
請求項５に記載した空気流量測定装置において、絞り部は、一端側から他端側に向かって、絞り部の高さがテーパ状に低くなる様に設けられることで、発熱素子の組み付け位置がばらついた時でも、空気流量測定装置の特性ばらつきを抑制できる。

（請求項７の発明）
請求項５に記載した空気流量測定装置において、絞り部は、一端側から他端側に向かって、絞り部の高さがＲ状に低くなる様に設けられることで、発熱素子の組み付け位置がばらついた時でも、空気流量測定装置の特性ばらつきを抑制できる。

（請求項８の発明）
請求項５に記載した空気流量測定装置において、絞り部は、一端側から他端側に向かって、絞り部の高さが段付き状に低くなる様に設けられることで、発熱素子の組み付け位置がばらついた時でも、空気流量測定装置の特性ばらつきを抑制できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１はエアフロメータ１の断面図である。
実施例１に記載する空気流量測定装置は、内燃機関の吸入空気量を測定するエアフロメータ１として使用されるものであり、図３に示す様に、本発明の空気通路を形成する吸気ダクト２に取り付けられる。このエアフロメータ１は、以下に説明する測定用ボディ３と、センシング部４、および回路モジュール５等より構成される。

測定用ボディ３は、吸気ダクト２に形成された取付け孔２ａより吸気ダクト２の内部に挿入され、吸気ダクト２を流れる空気に晒されている。
この測定用ボディ３は、図１（ｂ）に示す横幅方向に対し、図１（ａ）に示す厚み方向が薄い偏平形状に設けられ、その横幅方向が、吸気ダクト２を流れる空気の流れ方向に沿って配置されている（図３参照）。なお、以下の説明では、吸気ダクト２を流れる空気を主流と呼び、その主流の流れを主流流れと呼ぶ。

測定用ボディ３の内部には、図１に示す様に、主流の一部が測定空気として流れるバイパス通路６が形成されている。そのバイパス通路６は、図１（ｂ）に示す様に、仕切壁７を介してＵ字状（図１では逆Ｕ字状）に形成され、測定空気の流れ方向が１８０度変化するＵターン部（本発明の曲がり部）が設けられている。このバイパス通路６は、Ｕターン部より上流側の通路（流入通路６ａと呼ぶ）と、Ｕターン部より下流側の通路（流出通路６ｂと呼ぶ）とが、吸気ダクト２の径方向に沿って形成されている。

また、測定用ボディ３には、測定空気がバイパス通路６に流入するバイパス入口８と、測定空気がバイパス通路６から流出するバイパス出口９、１０とが形成されている。
バイパス入口８は、図１（ｂ）に示す様に、主流流れに対向する測定用ボディ３の前面から測定用ボディ３の底面にかけて大きく開口している。従って、バイパス入口８より流入する測定空気は、図中の矢印で示す様に、バイパス入口８から略直角方向に曲がって流入通路６ａを流れることになる。
バイパス出口９、１０は、バイパス通路６の下流端に開口するメイン出口９と、バイパス通路６のＵターン部とメイン出口９との間に設けられるサブ出口１０とを有している。

センシング部４は、空気流量を測定するための発熱素子４ａと、温度補償用の感温素子４ｂとを有し、それぞれターミナル１１を介して回路モジュール５の内部に収容される回路基板（図示せず）に接続されている。
このセンシング部４は、バイパス通路６のＵターン部より上流側、つまり流入通路６ａ内に配置されている。具体的には、バイパス入口８から流入通路６ａに流入した測定空気が、略直角方向に曲がって流れる際に縮流する領域、あるいは、バイパス入口８より略直角方向に曲がった直後に配置されている。

また、発熱素子４ａと感温素子４ｂは、図１（ｂ）に示す様に、それぞれ、長手方向の両端部が前記ターミナル１１に電気的に接続され、且つそれぞれの長手方向が、吸気ダクト２を流れる主流流れ（図示印で示す）と略平行な向きに配置されている。言い換えると、発熱素子４ａと感温素子４ｂは、それぞれの長手方向が、測定用ボディ３の厚み方向の両側面と平行に配置されている。
さらに、発熱素子４ａと感温素子４ｂは、図２に示す様に、長手方向の中心が、流入通路６ａ内の中央部に位置する様に配置されている。なお、図２（ａ）は、エアフロメータ１を底面側（反回路モジュール側）から見た平面図であり、図２（ｂ）は、流入通路６ａ内でのセンシング部４の配置を示す拡大図である。

回路モジュール５は、測定用ボディ３の上部に一体的に設けられ、図３に示す様に、吸気ダクト２の外側に取り出されている。この回路モジュール５は、発熱素子４ａの発熱温度と感温素子４ｂの検出温度（吸入空気の温度）との温度差を一定に保つように、発熱素子４ａに流れる電流を制御する。また、回路モジュール５は、図示しないワイヤハーネスを介してＥＣＵ（電子制御装置／図示せず）に接続され、発熱素子４ａに流れる電流に比例した電圧信号をＥＣＵへ出力する。ＥＣＵでは、回路モジュール５より出力される電圧信号を基に吸入空気量を測定する。なお、回路モジュール５の側部には、ワイヤハーネスを接続するためのコネクタ１２（図１参照）が一体成形されている。

（実施例１の作用および効果）
上記の構成を有するエアフロメータ１は、バイパス入口８より流入した測定空気が略直角方向に曲がって流入通路６ａを流れるため、流入通路６ａ内では、測定空気の流入量が多くなる程、最高流速が仕切壁７側に偏った流速分布を生じる。
これに対し、実施例１に記載した発熱素子４ａは、長手方向を主流流れと略平行な向きに配置しているので、測定空気の流量が変化しても、その影響を受けにくくできる。すなわち、高流量の時は、図４（ａ）に示す様に、バイパス入口８より略直角方向に曲がる空気流れの外側寄りに最高流速が偏った流速分布Ｘを生じるが、上記の如く発熱素子４ａを配置することにより、発熱素子４ａの長手方向の範囲内で最高流速を計測可能である。

一方、低流量の時は、最高流速が空気流れの外側寄りに偏ることはなく、図４（ｂ）に示す様に、流入通路６ａ内の中央部を中心に流速分布Ｘが形成されるため、高流量の時と同様に、発熱素子４ａの長手方向の範囲内で最高流速を計測可能である。これにより、図１１に示す従来のエアフロメータ、つまり、発熱素子１３０の長手方向がバイパス通路１００を形成する両側面と直交する方向に配置されている従来品と比較すると、図５に示す様に、低流量時での流速変化が大きくなり、計測精度が向上することで、流量測定のダイナミックレンジを拡大できる。なお、図５は、従来品を基準として、実施例１に記載したエアフロメータ１の空気流量に応じた流速変化の割合を測定した結果であり、縦軸の０（％）の位置が従来品に相当する。この図５では、低流量時ほど、実施例１に記載したエアフロメータ１の方が、従来品に対して流速が大きくなっていることを示している。

また、実施例１では、バイパス入口８から流入通路６ａに流入した測定空気が略直角方向に曲がって流れる際に縮流する領域、あるいは、バイパス入口８より略直角方向に曲がった直後に発熱素子４ａを配置しているので、測定空気の乱れが抑制された状態で空気流量を測定できるため、計測精度を向上できる。

図６は絞り部１３を有する流入通路６ａの断面図である。
この実施例２は、実施例１に記載したエアフロメータ１において、発熱素子４ａおよび感温素子４ｂの長手方向と直交する方向の両側、つまり測定用ボディ３の厚み方向の両側内面に、センシング部４が配置される部位の上流からセンシング部４が配置される部位に向かって、図６に示す様に、通路断面積を徐々に減少させる絞り部１３を設けた場合の一例である。
この絞り部１３を設けることにより、バイパス入口８から略直角方向に曲がって流入した測定空気の流れが絞り部１３によって整流され、測定空気の流れが安定する（測定空気の乱れが抑制される）ため、計測精度を向上できる。
さらに、センシング部４の長手方向以外の他の方向成分を整流し、空気流れを安定できるため、計測精度を向上できる。

但し、図７（ｂ）に示す様に、発熱素子４ａの長手方向に沿って絞り部１３の高さが一定であると、以下の不具合を生じる恐れがある。
つまり、実施例１に記載したエアフロメータ１は、測定空気がバイパス入口８から略直角方向に曲がって流入通路６ａに流入するため、実施例１でも述べた様に、測定空気の流入量が多くなる程、最高流速が仕切壁７側に偏った流速分布Ｘを生じる（図７（ａ）参照）。この場合、発熱素子４ａの組み付け位置が長手方向にずれると、流速分布Ｘの一番速いところで計測できなくなる可能性がある。

そこで、発熱素子４ａの長手方向に沿って、絞り部１３の高さに変化を付けることで、発熱素子４ａの組み付け位置（特にターミナル１１との接続位置に係わる長手方向の組み付け位置）がばらついた時でも、エアフロメータ１の特性ばらつきを抑制できる効果が得られる。具体的には、バイパス入口８より略直角方向に曲がって流入通路６ａに流入した測定空気の流速が遅くなる曲がりの内側を内側流路と呼び、測定空気の流速が速くなる曲がりの外側を外側流路と呼ぶ時に、例えば、図８（ｂ）に示す様に、内側流路の延長上に位置する絞り部１３の一端側（反仕切壁側）から、外側流路の延長上に位置する絞り部１３の他端側（仕切壁７側）に向かって、絞り部１３の高さが次第に低くなるテーパ状に設けられている。

上記の構成によれば、図８（ａ）に示す様に、流入通路６ａ内の流速分布Ｘが放物線状に形成され、最高流速の偏りが抑制されるので、発熱素子４ａの組み付け位置がばらついた時でも、エアフロメータ１の特性ばらつきを抑制できる。
この絞り部１３は、図８（ｂ）に示したテーパ状以外にも、例えば、図９に示す様に、反仕切壁側から仕切壁７側に向かって、絞り部１３の高さが緩やかに湾曲しながら低くなるＲ状に設けることもできる。あるいは、図１０に示す様に、反仕切壁側から仕切壁７側に向かって、絞り部１３の高さが段付き状に低くなる様に設けることもできる。
なお、図７〜図１０では、発熱素子４ａおよび感温素子４ｂの長手方向と直交する方向の両側に絞り部１３を設けた例を示したが、何方か一方の片側のみに絞り部１３を設けることもできる。

（ａ）エアフロメータの厚み方向を示す断面図、（ｂ）エアフロメータの横幅方向を示す断面図である。 （ａ）エアフロメータを底面側から見た平面図、（ｂ）流入通路内のセンシング部の配置を示す拡大図である。 エアフロメータを吸気ダクトに取付けた状態を示す断面図である。 （ａ）高流量時の流速分布を示す断面図、（ｂ）低流量時の流速分布を示す断面図である。 従来品に対する実施例１の流速変化の割合を示す測定結果である。 （ａ）センシング部が配置されている流入通路内の断面図、（ｂ）流入通路内の絞り部を示す断面図（Ａ−Ａ断面図）である。 （ａ）センシング部が配置されている流入通路内の断面図、（ｂ）測定用ボディを底面側から見た平面図である。 （ａ）センシング部が配置されている流入通路内の断面図、（ｂ）測定用ボディを底面側から見た平面図である。 測定用ボディを底面側から見た平面図である。 測定用ボディを底面側から見た平面図である。 従来技術に係わり、（ａ）エアフロメータの厚み方向を示す断面図、（ｂ）エアフロメータの横幅方向を示す断面図である。 従来技術に係わり、（ａ）高流量時の流速分布を示す断面図、（ｂ）低流量時の流速分布を示す断面図である。

符号の説明

１ エアフロメータ（空気流量測定装置）
２ 吸気ダクト（空気通路）
３ 測定用ボディ
４ センシング部
４ａ 発熱素子
６ バイパス通路
６ａ 流入通路
６ｂ 流出通路
８ バイパス入口（入口）
１３ 絞り部

Claims (8)

1. 空気通路を流れる空気の一部が通過できるバイパス通路と、
   このバイパス通路内に配設され、空気への放熱量を基に空気流量を測定するための発熱素子とを備えた空気流量測定装置において、
   前記バイパス通路は、前記空気通路を流れる空気の流れ方向に対向して開口する入口を有すると共に、この入口より流入した空気が所定方向に曲がって流れる流入通路と、この流入通路から更に空気の流れ方向が変化する曲がり部を介して前記流入通路に繋がる流出通路とを有し、
   前記発熱素子は、前記流入通路内に配置され、且つ、前記発熱素子の長手方向が、前記空気通路を流れる空気の流れ方向と略平行な向きに配置されていることを特徴とする空気流量測定装置。
2. 請求項１に記載した空気流量測定装置において、
   前記発熱素子は、前記入口より所定方向に曲がって流れる空気が縮流する領域に配置されていることを特徴とする空気流量測定装置。
3. 請求項１または２に記載した空気流量測定装置において、
   前記発熱素子は、前記入口より空気が所定方向に曲がった直後に配置されていることを特徴とする空気流量測定装置。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの空気流量測定装置において、
   前記流入通路には、前記発熱素子の長手方向と直交する方向の側面に、前記発熱素子が配置される部位の上流から前記発熱素子が配置される部位に向かって、通路断面積を徐々に減少させる絞り部が設けられていることを特徴とする空気流量測定装置。
5. 請求項４に記載した空気流量測定装置において、
   前記入口より所定方向に曲がって前記流入通路に流入した空気の流速が遅くなる曲がりの内側を内側流路と呼び、空気の流速が速くなる曲がりの外側を外側流路と呼ぶ時に、
   前記絞り部は、前記内側流路の延長上に位置する一端側より、前記外側流路の延長上に位置する他端側の方が、前記絞り部の高さが低く設けられていることを特徴とする空気流量測定装置。
6. 請求項５に記載した空気流量測定装置において、
   前記絞り部は、前記一端側から前記他端側に向かって、前記絞り部の高さがテーパ状に低くなる様に設けられていることを特徴とする空気流量測定装置。
7. 請求項５に記載した空気流量測定装置において、
   前記絞り部は、前記一端側から前記他端側に向かって、前記絞り部の高さがＲ状に低くなる様に設けられていることを特徴とする空気流量測定装置。
8. 請求項５に記載した空気流量測定装置において、
   前記絞り部は、前記一端側から前記他端側に向かって、前記絞り部の高さが段付き状に低くなる様に設けられていることを特徴とする空気流量測定装置。
   

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