JP4955288B2

JP4955288B2 - 流量測定装置

Info

Publication number: JP4955288B2
Application number: JP2006069400A
Authority: JP
Inventors: 直生斉藤; 彰夫保川; 千尋小林; 幸夫加藤
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2026-03-14
Also published as: JP2007248137A

Description

本発明は、流量計に係わり、特に、自動車エンジンの吸気量及び吸気温度を検出する発熱抵抗体式流量測定装置に関する。

空気流量を計測する計測流量計測装置として、熱式抵抗体を加熱制御し発熱抵抗体の放熱量によって流量を計測するものがある。また、発熱抵抗体を加熱制御し、発熱抵抗体の近傍に配置した感温抵抗体の温度変化によって流量を計測するもの等の発熱抵抗体式流量測定装置が知られている。

発熱抵抗体式流量測定装置は、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。その車輌の吸気ダクトは、通常、エンジンルーム内に取付けられており、エンジンのオン、オフによる温度変化が常に起きる環境にある。

発熱抵抗体式流量測定装置の流量計測素子及び温度計測素子は、金属製の支持ターミナルに溶接され、この支持ターミナルは、プラスチック材の枠体により支持されている。

このため、温度変化の繰り返しにより、支持ターミナルとプラスチック材で構成された枠体などの、線膨張係数の異なる部材の組み合わせにより、支持ターミナルに変形が生じ、流量計測素子及び温度計測素子にまで過大な応力が生じてしまうことが考えられる。

この過大な応力を低減するために、特許文献１に記載された技術では、流量計測素子及び温度計測素子を支持する支持ターミナル形状を枠体部とは垂直な方向に長く伸ばし、できるだけ流量計測素子及び温度計測素子との溶接部を枠体部から遠ざける構造としている。

特開平１１−１４４２３号公報

ところで、近年、流量計測装置のコスト低減、部品数低減等の目的で流量計測装置の小型化が進み、流量計測素子及び温度計測素子を支持する枠体外へ突き出す支持ターミナル長も短くなってきている。

このため、上記特許文献１記載の技術では、支持ターミナル形状を枠体部とは垂直な方向に長く伸ばす必要があるため、近年の流量計測装置の小型化に対応することができない。

本発明の目的は、支持ターミナルの延長化を伴うこと無く、支持ターミナルの変形による流量検出素子及び温度計測素子への応力を最小限に抑え、各種計測素子の長寿命化が可能で、装置全体として耐久性及び信頼性の向上化が可能な発熱抵抗体式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量測定装置は、被測定流体通路部に配置される流量検出用素子と、流量検出用素子の検出信号が供給される回路部と、上記流量検出素子の両端部を支持すると共に上記流量検出用素子と回路部とを電気的に接続する金属製の支持ターミナルと、上記回路部及び支持ターミナルを一体的に支持する樹脂製の枠体とを備える。

そして、上記発熱抵抗体式流量測定装置において、上記支持ターミナルは、上記枠体の内部から外部に突出し上記流量検出素子の一端部を支持する第１の支持部と、上記枠体の内部から外部に突出し上記流量検出素子の他端部を支持する第２の支持部とを有し、上記第１の支持部と第２の支持部とは、上記枠体内部で互いに対向し、互いに対向するの第１の支持部と第２の支持部との間の上記枠体内部に金属製部材が配置されている。

支持ターミナルの延長化を伴うこと無く、支持ターミナルの変形による流量検出素子及び温度計測素子への応力を最小限に抑え、各種計測素子の長寿命化が可能で、装置全体として耐久性及び信頼性の向上化が可能な発熱抵抗体式流量測定装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明による第１の実施形態である発熱抵抗体式流量測定装置の断面図である。

図１において、コネクタターミナル１及び金属製支持ターミナル２１は、電子回路６と電気的に接続する。金属板２２を一体構成とした支持部３は、流体管路構成部材であるボディ１５と固定するため部材である。コネクタ２は外部機器とを電気的に接続するためのものである。これらコネクタターミナル、支持ターミナル２１、支持部３、コネクタ２とは、電子回路６を保護・維持するハウジングの枠体部（樹脂）４とともにプラスチックモールドにて一体構成される。

コネクタターミナル１は、ワイヤボンディング２０により、電子回路６の回路側端部に形成したウエルディングパッド１９と導通している。

支持ターミナル２１には、流量計測素子である発熱抵抗体７及び感温抵抗体８、温度計測素子である吸気温度センサ９が、副吸気通路１２中に配置するようにスポットウエルディングにより固定されている。そして、支持ターミナル２１は、コネクタターミナル１と同様に、支持ターミナル回路側端部に形成された電子回路６のウエルディングパッド１９とワイヤボンディング２０を介して接続されている。

電子回路６を固定するための金属ベース５は、ハウジングの枠体部４及びバイパスモールド１０を覆う位置に形成される。発熱抵抗体７及び感温抵抗体８は副吸気通路１２中に配置される。そして、吸気温度センサ９は、副吸気通路１２の入り口近辺に配置されている。なお、２７は後述する突起であり、１６はシール材、１８は電流増幅用トランジスタ、２５は接着溝である。

また、副吸気通路１２を形成するプラスチックモールドにて成形されたバイパスモールド１０は、ハウジングの枠体部４と結合し、流体管路を構成するボディ１５に形成された矩形の穴から挿入され、固定ネジ１４によりボディ１５に締め付け固定される。

これにより、吸気通路１３を流れるエンジンへの吸気の一部が副吸気通路１２へ分流し、その分流した吸気から全流量を検出する。

上記発熱抵抗体式流量測定装置を、例えば、自動車などの内燃機関の流体管路を構成するボディ１５に取り付け、吸気ダクトと共にエンジンルーム内に設置した場合、温度変化による影響が考えられる。

次に、温度変化による流量計測素子及び温度計測素子への応力発生の形態を、吸気温度センサ９を例に説明する。図２は本発明とは異なる場合の一例を示す図であり、吸気温度センサ９付近の拡大断面図である。図３は、図２に示した場合の例における応力発生の形態を確認するために実施したＣＡＥ解析による変形及び応力分布図である。

図２に示すように、吸気温度センサ９の両端部は、ハウジングの枠体部４から突き出し対となる支持ターミナル２１に溶接により固定されている。そのため、温度が急激に下がった場合には、対となる支持ターミナル２１間に挟まれたプラスチックモールド部分は、支持ターミナル部材より線膨張係数の大きいため、縮小し、対となる支持ターミナル２１はハの字に開くような形で変形する。

その変形は、吸気温度センサ９への応力発生の原因であることが、図３に示すＣＡＥ解析結果により確認できる。この変形により、吸気温度センサ９を短寿命化すると考えられる。

図４は、本発明の第１の実施形態である発熱抵抗体式流量測定装置の吸気温度センサ９付近の拡大断面図である。図４において、発熱抵抗体式流量測定装置における支持ターミナル２１の吸気温度センサ９を支持する支持部２１ａ、２１ｂとは別個に分岐し、ハウジング枠体部４に内包され、支持ターミナル２１と同部材による、例えば、１ｍｍ以上の突起２７ａ、２７ｂを形成する。そして、これら突起２７ａ、２７ｂ間に挟まれた部分のプラスチックモールドの肉厚部を極力少なくしている。

図５は、本発明の第１の実施形態による効果を確認するために実施した、ＣＡＥ解析による変形及び応力分布図である。図５に示すように、支持ターミナル２１の突起２７ａ、２７ｂ間に挟まれた部分のプラスチックモールドの変形が小さくなり、吸気温度センサ９に対する応力を大幅に低減できることが確認できる。すなわち、発熱抵抗体式流量測定装置の耐久性及び信頼性を向上することができる。

この第１の実施形態によれば、吸気温度センサ９に発生する応力は本発明を実施しなかった場合の３０３ＭＰａに対し、１５７．２ＭＰａにまで大幅に低減できることがＣＡＥ解析により確認することができる。

以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、支持ターミナル２１から、支持部２１ａ、２１ｂとは別個に分岐し、プラスチックモールド内に伸び、互いに対向する突起２７ａ、２７ｂを形成している。これにより、の突起２７ａ、２７ｂ間に挟まれた部分のプラスチックモールドの変形が小さくなり、吸気温度センサ９の支持ターミナル２１への変形量を最小限に抑え、吸気温度センサ９の長寿命化が可能であり、装置の耐久性及び信頼性の向上化が可能な発熱抵抗体式流量測定装置を実現することができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図６、図７を参照して説明する。
図６は、第２の実施形態である吸気温度センサ９付近の拡大断面図である。他の構成は、上述した第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図６において、発熱抵抗体式流量測定装置の、支持ターミナルの支持部２１a又は２１ｂのうちのどちらか一方側から、支持ターミナル２１から分岐し、ハウジング枠体部４に内包され、支持ターミナル２１と同部材による１ｍｍ以上の突起２７を形成している。
この突起２７によりプラスチックモールドの肉厚部を極力少なくした構造の一例である。

図７は、本発明の第２の実施形態による効果を確認するために実施した、ＣＡＥ解析による変形及び応力分布図である。図７に示すように、突起２７が存在するプラスチックモールドの変形が小さくなり、第１の実施形態と同様の効果があることが確認できる。

この第２の実施形態によれば、吸気温度センサ９に発生する応力は本発明を実施しなかった場合の３０３ＭＰａに対し、１２７ＭＰａにまで大幅に低減できることがＣＡＥ解析により確認することができる。

次に、本発明の第３の実施形態を図８を参照して説明する。
図８は、第３の実施形態である吸気温度センサ９付近の拡大断面図である。他の構成は、上述した第１の実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。

図８において、発熱抵抗体式流量測定装置の吸気温度センサ９の両端部を支持する対となる支持ターミナル２１間に挟まれたプラスチックモールド部に、肉厚部をなくすように支持ターミナル２１とは別体の金属２８が埋め込まれている。

この金属２８を埋め込む構成も、対となる支持ターミナル２１間に挟まれた部分のプラスチックモールドの変形を小さくすることを目的とした構造であり、第１、２の実施形態と同様の効果が期待できる。

また、プラスチックモールドに埋め込む金属２８部材と支持ターミナル２１部材の線膨張係数は、できるだけ近い係数（好ましくは互いに同一）のものを選択することで効果を高めることができる。

また、更なる効果としては、第１、２、３の実施形態における支持ターミナル２１に吸気温度センサ９を取付けた場合、対となる支持ターミナル２１に設けられた突起２７（２７ａ、２７ｂ）、又は金属２８の放熱効果により、発熱抵抗体式流量測定装置の電子回路６上に実装された電流増幅用パワートランジスタ１８からの熱影響を低減することが可能となり、吸気温度センサ９の計測誤差低減効果も期待できる。

ここで、支持ターミナル２１から分岐する突起２７の長さ（ターミナル長Ｌ）と、対となる支持ターミナル２１と２１の間隔（ピッチＰ）との比（Ｌ/Ｐ）と、吸気温度センサ９に発生する応力との関係についてのＣＡＥ解析結果（第２の実施形態についてのＣＡＥ解析結果）を説明する。

図９は、上記ＣＡＥ解析結果を示すグラフであり、縦軸が吸気温度センサ９に発生する応力を示し、横軸は上記比（Ｌ/Ｐ）を示す。

図９に示すように、本発明を適用しない場合は、３０３．２ＭＰａであったのであるから（図３）、Ｌ/Ｐが０．１以上であれば、吸気温度センサ９に発生する応力の低減効果があることが分かる。

好ましくは、吸気温度センサ９に発生する応力値がほぼ飽和状態となる０．４以上とする。すなわち、Ｌが０．４Ｐと同一又はそれ以上とすることが望ましい。

本発明の第１の実施形態や第３の実施形態においても、突起２７ａ及び２７ｂの合計長さとＰとの比、金属部材２８の長さとＰとの比も図９に示したグラフと同様な関係になると考える。したがって、これらの長さとＰとの比は、０．１以上であれば吸気温度センサ９に発生する応力の低減効果があることが分かり、好ましくは、ほぼ飽和状態となる０．４以上とする。すなわち、Ｌが０．４Ｐと同一又はそれ以上とすることが望ましい。

次に、上記第１〜第３の実施形態に対して、他構造で応力低減を図った構成例を図１０に示す。この図１０は、図１の発熱抵抗体７及び感温抵抗体８付近の断面の拡大図であり、発熱抵抗体７及び感温抵抗体８を支持する、支持ターミナル２１に本発明を適用した例である。このような構成においても、発熱抵抗体７及び感温抵抗体８に対する応力を大幅に低減できることができる。

図１１は、本発明の発熱抵抗体式流量測定装置１０１を用いた電子燃料噴射方式の、内燃機関の動作制御システムの具体的構成例を示す図である。

図１１において、エアクリーナ１００から吸入された吸入空気２９は、発熱抵抗体式流量測定装置１０１が配置されたボディ１５、吸気ダクト１０３、スロットルボディ１０４及び燃料が供給されるインジェクタ（燃料噴射弁）１０５を備えたインテークマニホールド１０６を経て、エンジンシリンダ１０７に吸入される。そして、エンジンシリンダ１０７で発生したガス１０８は排気マニホールド１０９を経て外部に排出される。

発熱抵抗体式流量測定装置１０１から出力される空気流量信号及び吸入空気温度信号と、スロットル角度センサ１１１から出力されるスロットルバルブ角度信号と、排気マニホールド１０９に設けられた酸素濃度計１１２から出力される酸素濃度信号と、エンジン回転速度計１１３から出力されるエンジン回転速度信号とは、コントロールユニット１１４に供給される。

コントロールユニット１１４は、供給された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開度とを求め、その値を使ってインジェクタ１０５及びアイドルエアコントロールバルブ１１５を制御する。

本発明による発熱抵抗体式流量測定装置１０１を電子燃料噴射方式の内燃機関に使用すれば、発熱抵抗体式流量測定装置１０１の耐久性及び信頼性が向上されているため、長期に渡って正確な流量を測定することができ、内燃機関の正確な動作制御を行なうことができる。

なお、本発明は、自動車の内燃機関に供給される空気流量測定用の発熱抵抗体式流量測定装置のみならず、船舶や発電機等のディーゼルエンジンを使った制御に用いられる流量測定についても適用が可能である。

本発明による第１の実施形態である発熱抵抗体式流量測定装置の断面図である。本発明を適用しなかった場合の吸気温度センサ付近の拡大断面図である。図２の例における応力発生の形態を確認するために実施したＣＡＥ解析による変形及び応力分布図である。本発明による第１の実施形態である発熱抵抗体式流量測定装置の吸気温度センサ付近の拡大断面図である。本発明の第１の実施形態による効果を確認するために実施した、ＣＡＥ解析による変形及び応力分布図である。第２の実施形態である吸気温度センサ９付近の拡大断面図である。本発明の第２の実施形態による効果を確認するために実施した、ＣＡＥ解析による変形及び応力分布図である。第３の実施形態である吸気温度センサ付近の拡大断面図である。ターミナル長ＬとピッチＰとの比（Ｌ/Ｐ）と、吸気温度センサに発生する応力との関係についてのＣＡＥ解析結果を示すグラフである。発熱抵抗体及び感温抵抗体について、本発明を適用した例の部分断面の拡大図である。本発明の発熱抵抗体式流量計測装置を用いた電子燃料噴射方式の内燃機関の具体的構成例を示す図である。

符号の説明

１コネクタターミナル
２コネクタ
３支持部
４ハウジングの枠体部
５金属ベース
６電子回路（回路基板）
７発熱抵抗体
８感温抵抗体
９吸気温度センサ
１０バイパスモールド
１２副吸気通路
１３吸気通路
１４固定ネジ
１５ボディ
１６シール材
１８電流増幅用トランジスタ
１９ウエルディングパッド
２０ワイヤボンディング
２１支持ターミナル
２１ａ、２１ｂ支持部
２２金属板
２５接着溝
２７突起
２７ａ、２７ｂ突起
２８金属
２９吸入空気
１００エアクリーナ
１０１発熱抵抗体式流量計測装置
１０３吸気ダクト
１０４スロットルボディ
１０５インジェクタ
１０６マニホールド
１０７エンジンシリンダ
１０９排気マニホールド
１１１スロットル角度センサ
１１２酸素濃度計
１１３エンジン回転速度計
１１４コントロールユニット
１１５アイドルエアコントロールバルブ

Claims

被測定流体通路部に配置され、直線形状の流量検出用素子と、流量検出用素子の検出信号が供給される回路部と、上記流量検出用素子の両端部を支持すると共に上記流量検出用素子と回路部とを電気的に接続する金属製の支持ターミナルと、上記回路部及び支持ターミナルを一体的に支持する樹脂製の枠体とを備える発熱抵抗体式流量測定装置において、
上記支持ターミナルは、上記枠体の内部から外部に突出し上記流量検出用素子の一端部を支持する第１の支持部と、上記枠体の内部から外部に突出し上記流量検出用素子の他端部を支持する第２の支持部とを有し、
上記第１の支持部と第２の支持部は、直線形状を有し、これら直線形状の第１の支持部と第２の支持部は、上記枠体内部および外部にて、上記流量検出用素子の長手方向とほぼ直交する方向に延び、かつ、互いに平行となるように、上記枠体内部から外部に突出し、上記枠体内部には、直線形状の金属製部材が配置され、この金属製部材は、上記流量検出用素子の長手方向に延び、かつ、上記流量検出用素子と互いに平行となるように対向し、上記金属製部材の長手方向の長さは、上記第１支持部と第２の支持部との間の距離であって、上記流量検出用素子の長手方向の距離である対向距離の０．４倍以上であり、０．８倍以下であることを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
請求項１記載の発熱抵抗体式流量測定装置において、上記枠体内部に配置される金属製部材は、上記第１支持部から突出する突起部と、第２の支持部から突出する突起部であることを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
請求項１記載の発熱抵抗体式流量測定装置において、上記枠体内部に配置される金属製部材は、上記第１支持部又は第２の支持部のいずれかから突出する突起部であることを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
請求項１記載の発熱抵抗体式流量測定装置において、上記枠体内部に配置される金属製部材は、上記第１支持部及び第２の支持部とは、分離した別個の金属製部材であることを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
請求項１記載の発熱抵抗体式流量測定装置において、上記枠体内部に配置される金属製部材の長さは、１ｍｍ以上であることを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
請求項１記載の発熱抵抗体式流量測定装置において、上記第１支持部及び第２の支持部に支持される流量検出用素子は、吸気温度検出素子であることを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
請求項１記載の発熱抵抗体式流量測定装置において、上記第１支持部及び第２の支持部に支持される流量検出用素子は、発熱抵抗体素子、感温抵抗体素子であることを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
請求項４記載の発熱抵抗体式流量測定装置において、上記枠体内部に配置される金属製部材は、上記第１支持部及び第２の支持部の線膨張係数とほぼ同一の線膨張係数を有することを特徴とする発熱抵抗体式流量測定装置。
吸気流量測定手段と、空気供給量調節手段と、燃料噴射手段と、上記吸気流量測定手段からの出力と外部からの指令信号に基づいて、燃料噴射手段の燃料噴射量を制御する制御手段を有する内燃機関の制御システムにおいて、
上記吸気流量測定手段は、
被測定流体通路部に配置され、直線形状の流量検出用素子と、流量検出用素子の検出信号が供給される回路部と、上記流量用検出素子の両端部を支持すると共に上記流量検出用素子と回路部とを電気的に接続する金属製の支持ターミナルと、上記回路部及び支持ターミナルを一体的に支持する樹脂製の枠体とを備え、
上記支持ターミナルは、上記枠体の内部から外部に突出し上記流量検出用素子の一端部を支持する第１の支持部と、上記枠体の内部から外部に突出し上記流量検出用素子の他端部を支持する第２の支持部とを有し、
上記第１の支持部と第２の支持部は、直線形状を有し、これら直線形状の第１の支持部と第２の支持部は、上記枠体内部および外部にて、上記流量検出用素子の長手方向とほぼ直交する方向に延び、かつ、互いに平行となるように、上記枠体内部から外部に突出し、上記枠体内部には、直線形状の金属製部材が配置され、この金属製部材は、上記流量検出用素子の長手方向に延び、かつ、上記流量検出用素子と互いに平行となるように対向し、上記金属製部材の長手方向の長さは、上記第１支持部と第２の支持部との間の距離であって、上記流量検出用素子の長手方向の距離である対向距離の０．４倍以上であり、０．８倍以下であることを特徴とする内燃機関の制御システム。