JP5183402B2

JP5183402B2 - 発熱抵抗体式空気流量測定装置

Info

Publication number: JP5183402B2
Application number: JP2008252122A
Authority: JP
Inventors: 千尋小林; 崇裕三木
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP2010085136A

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でき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（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−１４４２３号公報

発熱抵抗体式空気流量測定装置は小型で応答性に優れ、更に質量空気流量が計測できる利点があり自動車用等の内燃機関の空気流量計として広く使われている。内燃機関に使われる場合、吸入空気は吸気バルブの開閉に伴い脈動流となり、時には逆流を伴うような脈動流となる。このため、流量検出素子である発熱抵抗体を副空気通路内に設置して脈動流の影響を低減させる必要がある。

副空気通路内に発熱抵抗体を設置する際には発熱抵抗体式空気流量測定装置の駆動回路と発熱抵抗体を電気的に繋ぐための金属により構成される発熱抵抗体支持部材が必要となる。この発熱抵抗体支持部材は一般的に副空気通路の一部を構成する樹脂部材と一体成型されている。

金属の発熱抵抗体支持部材を一体成型される際には、金型で分割して成型する方法をとるのが一般的である。この型分割部は初期的には問題なく成型できるが、長期間使用した場合などでは型分割が旨くできずに薄皮状のバリが発生することがある。このバリが発生すると、発熱抵抗体付近の空気の流れが乱されてしまうこととなる。つまり、バリの有無やバリの大きさ等で発熱抵抗体の計測値にばらつきが生じてしまうのである。このばらつきは、空気流量の計測ばらつきに直接影響してしまうため、車両での高精度な燃料噴射制御に悪影響を及ぼしてしまうのである。

本発明の目的は、高精度な流量計測が可能な発熱抵抗体式空気流量測定装置を提供することにある。

一般的には上記のばらつきを抑えるためにパーティングラインを平らにし、更にバリが生じないように金型のメンテナンス等を頻繁に行う事が必要となる。これに対して、本発明においては、逆にこのパーティングを利用して、わざと段差を造ってしまい、初期的に空気を乱してしまうことで、例えバリが発生してもその影響を少なくすることを発案した。筆者らの検討結果によればパーティングライン部に初期的に０.３mm程度の段差を設けることで、バリの発生有無で発熱抵抗体の計測する空気の流れの計測値に大差が出ないことを確認した。

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。この両立のためには、エンジンの高精度な燃料制御が不可欠であり、本発明はこの高精度燃料制御のための高精度空気流量計測を可能とするものである。

本発明の実施例を以下の図面に従い詳細に説明する。

まず、最初に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１０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１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８は発熱抵抗式空気流量計の一例を示す横断面であり、図９はその上流（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３，吸入空気温度を補償するための感温抵抗体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，回路基板，副空気通路，発熱抵抗体，感温抵抗体等、これらを発熱抵抗体式空気流量測定装置の一体のモジュールとして構成されている。また、主空気通路２２となる吸気管を構成する主空気通路構成部材２０の壁面には副空気通路挿入穴２５があけられており、この副空気通路挿入穴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。

図１は本発明の一実施例を示す発熱抵抗体式空気流量測定装置の横断面を、図２は図１を上流側から見た際の縦断面図を示す。主空気通路である吸入空気通路１０３の一部を構成する吸気管構成部材１０５には発熱抵抗体式空気流量測定装置２００が組み付けられる穴（挿入孔）が開いており、ハウジング部材２１２がネジ２１１等を使い吸気管構成部材１０５に固定される。発熱抵抗体式空気流量測定装置２００のハウジング部材２１２には、外部との電気信号のインターフェースのためのコネクタターミナル２０１，発熱抵抗体２０５，感温抵抗体２０６が固定されるターミナル部材２０７が樹脂材等により一体成型されている。また、ハウジング部材２１２の内部には発熱抵抗体式空気流量測定装置２００の駆動回路基板２０２が内設されており、ベース部材２１０，カバー部材により保護固定される構成となっている。また、駆動回路基板２０２と、コネクタターミナル２０１やターミナル部材２０７はアルミワイヤー等の接続部材２０３，２０８を介して電気的に接続されている。

空気流１００を計測するための発熱抵抗体２０５や感温抵抗体２０６は副空気通路構成部材２０４によって構成された、副空気通路１０６内に設置されており、副空気通路１０６内の空気の流れ１０１を計測することにより全体の空気流１００を代表して計測するものである。

ハウジング部材２１２の副空気通路１０６に面する面から、発熱抵抗体２０５や感温抵抗体２０６の端子を兼ねる支持部材であるターミナル部材２０７が突き出している。ターミナル部材２０７は、発熱抵抗体２０５と感温抵抗体２０６とに対して、それぞれ２本ずつ設けられている。各ターミナル部材２０７の根元部分のハウジング部材２１２には、段差２１２ａが形成されている。

次に図５を使い図１の断面Ａ−Ａの部分詳細を説明する。副空気通路１０６はハウジング部材２１２，副空気通路構成部材２０４，ベース部材２１０により構成されている。ハウジング部材２１２にはターミナル部材２０７（２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄ）が４箇所に一体成型されている。ターミナル部材２０７ａ，２０７ｂには発熱抵抗体２０５が取り付けられ、ターミナル部材２０７ｃ，２０７ｄには感温抵抗体２０６が取り付けられている。

このターミナル部材２０７は平面で構成されているが、複雑に入り組んだ形をしているため、成型時の金型構成は図の上下方面に割ることになる。この金型構成を示したのが図６及び図７である。

金型４００と金型４０１はターミナル２０７を押さえるために、部分的に櫛型に割る構造となる。このため、ハウジング部材２１２の壁面には４１０に示すようなパーティングライン（型分割）が発生する。このパーティングは副空気通路１０６を構成した際に副空気通路内流れに対してほぼ垂直に構成される事となる。

通常、このパーティングライン４１０はバリ（凸量）が最小に押さえるように金型４００と金型４０１の型合わせの設計をする。しかし、経時変化等により金型の合わせに徐々に隙間が発生し、徐々にバリの高さが増えてしまう。高さが増えると副空気通路内の流れが微妙に変化し、発熱抵抗体の計測流量に変化が生じてしまう。

このバリの高さによる発熱抵抗体の影響を筆者らの実験により検討した結果、図３のような結果が得られた。図２は横軸に空気流量を示し、図左側は少ない空気流量を示し、右側ほど空気流量が多くなる。また、縦軸は発熱抵抗体が計測する空気流れの乱れの度合いを示す出力ノイズの値を示している。出力ノイズは値が大きいほど、計測部の流れが乱れている事を示している。バリの高さがゼロの時は出力ノイズの値は少なくなる。しかし、バリの高さが０.２mmの時は特定の流量で出力ノイズが大きくなる。更に大きくしていくと出力ノイズは小さくなり、バリの高さゼロの値に近づくことになる。つまり、バリの高さは特定の高さの時に大きくなり、ある程度高くなるとその影響が少なくなるのである。

その理由として図１２に示すような事が考えられる。副空気通路内にバリ３００があると、その下流に空気流れの剥離渦が発生する剥離領域３０１が生じる。この剥離渦はバリ３００の高さが低いと、剥離渦の発生が生じたり消えたりを繰り返すため、空気の流れが不安定となり発熱抵抗体の計測する出力ノイズの値が大きくなる。一方、バリ３００の高さが充分に高いとバリの下流に剥離領域が充分に発達することになり、その場所では空気の流れが３０２のように絞られることとなる。空気の流れが絞られると部分的に空気の流速が上がり、その場所での流れが安定する。つまり、この絞られた場所に発熱抵抗体２０５が設置されていると、出力ノイズの値が小さくなるのである。

バリを常にゼロに管理できれば問題は無い。しかし、金型のメンテナンスを頻繁に行う必要があり、管理が難しくなってしまう。このため、図４に示すように、初期的にバリを模擬した段差２１２ａを金型で形成しおくことで、その後にバリが発生してもその影響度を少なくすることが可能となるのである。図５，図６，図７から分かるように、段差２１２ａはパーティングライン４１０に沿って形成している。本実施例では、段差２１２ａをターミナル２０７ａ，２０７ｂ，２０７ｃ，２０７ｄのそれぞれに対して設けているが、いずれか一つに設けてもよい。特に、段差２１２ａを最上流側に位置するターミナル２０７ａに対して設けた場合に、最も大きな効果が得られる。

最後に、図１１を使い電子燃料噴射方式の内燃機関に本発明品を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、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を備えた吸気マニホールド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、これらを入力す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。

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の構成図である。図１を空気の流れ上流側から見た縦断面図である。バリの高さと出力ノイズの値を示すグラフである。副空気通路内の詳細図である。図１の断面Ａ−Ａを示す図である。ハウジング部材の金型の合わせを示す図である。図５の金型が開いた状態を示す図である。代表的な発熱抵抗体式空気流量測定装置の横断面図である。図７を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。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である。バリと出力ノイズの関係を説明するための副空気通路内の図である。

符号の説明

１，２１２ハウジング部材
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
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回路モジュール
５３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主空気通路空気流れ
１０１副空気通路内空気流れ
１０２副空気通路内空気流れ（出口）
１０３吸入空気通路
１０５吸気管構成部材
１０６副空気通路
２００発熱抵抗体式空気流量測定装置
２０１コネクタターミナル
２０２駆動回路基板
２０３接続部材
２０４副空気通路構成部材
２０５発熱抵抗体
２０６感温抵抗体
２０７ターミナル部材
２０８接続部材
２０９カバー
２１０ベース部材
２１１ネジ
３００バリ
３０１剥離領域
４００金型１
４０１金型２
４１０パーティングライン

Claims

主空気通路内に配置される副空気通路内に設置され、副空気通路を流れる空気への放熱
を基に主空気通路を流れる空気の流量を測定する発熱抵抗体を具備し、副空気通路を構成
する内壁から突き出した支持部材を介して前記発熱抵抗体を副空気通路内に支持した発熱
抵抗体式空気流量測定装置において、
前記支持部材の根元部付近の副空気通路内壁に段差を設け、
前記副空気通路は樹脂材によりその内壁面から金属である支持部材が突き出すように複
数の金型を用いて成型されており、前記段差は、成型の際の金型分割によって生じるパー
ティングラインを利用して、副空気通路内の空気の流れに対して垂直方向に形成されてい
ることを特徴とする発熱抵抗体式空気流量測定装置。
請求項１に記載の発熱抵抗体式空気流量測定装置において、副空気通路内壁の段差の高
さは、おおよそ０.３mm以上の段差であることを特徴とする発熱抵抗体式空気流量測定装
置。