JP6065734B2 - 流量測定装置 - Google Patents
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Description
従来より、内燃機関(エンジン)の吸気流量を測定する手段として熱式空気流量計(エアフロメータ)を備えた熱式空気流量測定装置が知られている(例えば、特許文献1等)。このエアフロメータは、エンジンの吸気通路に突出するように設置されるハウジングと、このハウジング内に組み込まれた熱式流量センサとを備えている。
バイパス流路の途中には、流量測定素子をバイパス流路内に露出するように配置するセンサ配置部が設けられている。このセンサ配置部よりも吸気の流れ方向の上流側には、所定の曲率半径で湾曲する第1曲がり部(屈曲部)が設けられている。また、センサ配置部よりも吸気の流れ方向の下流側には、所定の曲率半径で湾曲する第2曲がり部(屈曲部)が設けられている。
そして、第2曲がり部の後に、絞り方向の幅(バイパス流路の流路高さ)を複数の段差で拡大することにより、吸気脈動等を要因として吸気の流れ方向が逆流した場合のオイルや固体粒子を複数の段差で渦を作ることにより、トラップしてセンサチップ上の抵抗体を保護している。
ところが、従来の熱式空気流量測定装置においては、エアフロメータのハウジング内のセンサ配置部よりも下流側の第2曲がり部の曲がり内側の内壁面に沿って流れる吸気の境界層が第2曲がり部の曲がり内側の内壁面から剥離したり、剥離しなかったりして、熱式流量センサの流量測定素子周りを流れる吸気の流れが安定しない。
これにより、熱式流量センサの流量測定素子周りのセンサ配置部を流れる吸気の流速が安定せず、熱式流量センサの流量測定素子における計測結果が不安定になるという問題があった。
そして、曲がり部において、流体の流れる方向を流れ方向、上記の両曲面の法線方向を流路高さ方向、これらの流れ方向および流路高さ方向の両方向に直交する方向を流路幅方向と定義した場合、突起は、流れ方向の上流から下流へ向かって流路高さが狭まる方向の傾斜部分および頂き部分を有している。
上記構成によれば、センサよりも流体の流れ方向の下流側の曲がり部において境界層剥離の発生を積極的に促進することができる。これによって、センサの流量測定素子周辺の流体の流れを安定させることができるので、センサの流量測定素子における流量測定値の変化を低減することができる。
図1ないし図3は、本発明の流量測定装置を適用した熱式のエアフロメータ(実施例1)を示したものである。
流量測定装置は、吸気管の吸気通路(内燃機関の吸気通路:流体通路)を流れる吸入空気(吸気)の流量(吸気流量)に対応したセンサ出力信号を、外部回路であるエンジン制御ユニット(電子制御装置:ECU)に対して出力する熱式の空気流量計(以下エアフロメータ1)を備えている。
ECUは、エアフロメータ1より出力されるセンサ出力信号に基づいて吸気流量や流速を計測(算出)し、この算出した流量測定値をエンジン制御(例えば空燃比制御、燃料噴射制御等)に使用する。
ここで、エンジン制御では、例えば検出した流量測定値に基づいて、インジェクタの噴孔からエンジンに噴射供給する燃料噴射量を演算する。そして、この演算された燃料噴射量に応じてインジェクタの通電時間(開弁期間)を可変制御する。
エアフロメータ1のセンサケースは、中空角筒状のバイパスハウジング3と、このバイパスハウジング3の上部にモールド成形されたコネクタハウジング4とを備えている。
バイパスハウジング3の内部には、吸気管の吸気通路を流れる吸気の一部が流入するバイパス流路5、6が形成されている。このバイパスハウジング3は、吸気管の外部から、吸気管の所定の位置に形成された取付孔を貫通して吸気管の内部に、しかも吸気通路内に突き出すように挿し込まれている。
また、バイパス流路5の下流端には、吸気管の吸気通路の下流側に臨むようにバイパスハウジング3の下流側端面(後端面)で開口し、バイパス流路5を通り抜けて吸気通路の下流側へ向けて吸気を排出する第1バイパス出口部(第1バイパス出口:以下第1流路出口)8が設けられている。
また、バイパス流路5の第1流路出口側には、吸気主流方向の下流側に向かう程、流路断面積が減少するテーパ状の流路絞り部10が設けられている。
なお、バイパスハウジング3の詳細は、後述する。
コネクタハウジング4には、流量センサ2のセンサターミナル11と外部回路(ECU)との電気接続を行う外部接続用コネクタが設けられている。
複数のターミナルは、コネクタハウジング4の内部に埋設固定(インサート成形)され、複数の電線(ワイヤハーネス)を介して、ECUにそれぞれ電気接続(導通接合)されている。
なお、モールド樹脂、回路チップ、この回路チップ上に搭載される回路部、および吸気温センサは、いずれも図示を省略している。
センサ支持体は、センサチップ21の流量検出部がバイパス流路6内に露出するように、センサチップ21を収容する収容凹部を有している。このセンサ支持体は、センサチップ21を搭載するだけでなく、回路チップも搭載している。また、センサ支持体は、センサチップ21および回路チップを搭載した状態で、バイパスハウジング3の所定の取付箇所に取り付けられている。
センサチップ21の基端側(流量検出部以外の部位)には、ボンディングワイヤ(図示せず)を介して、回路チップの電極部(電極パッド群)と電気接続するための電極部(電極パッド群)が形成されている。
流量検出部は、センサチップ21のメンブレン22の中央部に、自身を流れる加熱電流により高温に発熱する発熱抵抗体(以下ヒータ抵抗体)23を配置し、且つヒータ抵抗体23を中心にして吸気の流れ方向(吸気順流方向)に沿った上下流側に、温度検出抵抗体31〜34を配置している。
流量検出部は、温度検出抵抗体31と温度検出抵抗体32とが直列接続され、温度検出抵抗体33と温度検出抵抗体34とが直列接続された空気流量検出用のブリッジ回路を備えている。
温度検出抵抗体31〜34は、センサチップ21のメンブレン22上においてヒータ抵抗体23の発熱の影響を受け易い場所に設置されている。また、センサチップ21上において、ヒータ抵抗体23の発熱の影響を受けない場所(メンブレン22以外の場所)には、吸気温センサが配置されている。この吸気温センサは、周囲の温度(吸気温度)により抵抗値(RK)が変化する薄膜抵抗体である。
温度検出抵抗体31〜34は、自身の配線部、自身の電極部(以下電極パッド35〜38)およびボンディングワイヤ(図示せず)を介して、回路チップの電極パッド(図示せず)に電気接続されている。
回路部は、ヒータ抵抗体23の駆動を制御するヒータ駆動回路部、およびセンサチップ21から出力される信号(例えばアナログ電圧信号)に各種の処理を施して出力する信号処理回路部(集積回路部)等を備えている。
ヒータ駆動回路部は、ヒータ抵抗体23の加熱温度と吸気温センサで検出される吸気温度との温度偏差が一定値になるように、ヒータ抵抗体23に供給する電力(加熱電流)を制御している。つまりヒータ駆動回路部は、ヒータ抵抗体23を通電(電流)制御するヒータ制御回路である。
なお、本実施例では、DSPから出力されるデジタル値をアナログ値に変換してECUへ出力する例を示しているが、DACに代えて、デジタル値をパルス信号の周波数に変換して出力するDFC(デジタル・フリークエンシー・コンバータ)を採用することもできる。また、デジタル値をそのままECUへ出力するようにしても構わない。
リードフレームの一部は、ボンディングワイヤを介して、回路チップの電極パッドと電気接続する外部接続用コネクタのセンサターミナル11を構成している。
これにより、温度検出抵抗体31、32の抵抗値RD1、RU1は互いにほぼ等しく、また、温度検出抵抗体33、34の抵抗値RU2、RD2は互いにほぼ等しくなる。
したがって、無風状態では、温度検出抵抗体31、32間の接続点の電位(VSNS1)と温度検出抵抗体33、33間の接続点の電位(VSNS2)とは互いに等しく、電位差(VSNS2−VSNS1)はゼロとなる。
したがって、電位差(VSNS2−VSNS1)は、もはやゼロとなならず、この場合、電位差(VSNS2−VSNS1)は、符号が+(正)の流量測定値をとる。そして、この流量測定値に対応したアナログ電圧信号(空気流量信号)をECUに対して出力する。
したがって、この場合、電位差(VSNS2−VSNS1)は、符号が−(負)の流量測定値をとる。そして、この流量測定値に対応したアナログ電圧信号(空気流量信号)をECUに対して出力する。
また、吸気の流量が多い場合、温度分布は大きく移動するので、温度検出抵抗体31〜34の抵抗値(RD1、RU1、RU2、RD2)も大きく変動し、電位差(VSNS2−VSNS1)も大きく変動する。
このように、吸気の流量と電位差には、相関関係があり、電位差(VSNS2−VSNS1)の絶対値を測定することにより、吸気の流量が検出される。
次に、本実施例のバイパスハウジング3の詳細を図1ないし図3に基づいて簡単に説明する。
バイパスハウジング3の内部には、吸気管の吸気通路を流れる吸気流の一部が取り込まれるバイパス流路5、6が形成されている。
バイパス流路6は、バイパス流路5を流れる吸気(バイパス流れ)の一部が流入し、且つ吸気管の吸気通路を迂回する空気流路(旋回流路)である。
バイパス流路5、6の流路入口7は、楕円形状に形成されて、バイパスハウジング3の上流端面(先端面)で開口している。この流路入口7は、円筒状の吸気管の中心付近で開口している。
バイパス分岐流路は、バイパス流路6において最も出口側に設けられる出口側流路であって、バイパスハウジング3の両側面と各膨出部(図示せず)の内面との間に形成されている。なお、第2流路出口は、バイパス分岐流路の下流端(バイパスハウジング3の下流端)で開口している。
また、センサ配置部45は、センサチップ21の流量検出部をバイパス流路6内に露出するように配置するセンサ収容流路である。また、中間流路46は、第2分岐部42に略直角に接続する中継流路である。
突起61の段差部分は、中間流路46の内壁面と同一面となるように、センサ配置部45の内壁面に対して直交する垂直面(段差面)を有している。この突起61の段差部分は、大きい渦を形成して吸気の流れを安定させる渦流発生部である。
なお、突起61の頂き部分に、第2曲がり部54の表面に沿って流れる吸気を凹曲面56側へ跳ね上げることで、突起61の頂部で吸気を第2曲がり部54の表面から剥離させる跳ね上げ部を設けても良い。
以上のように、本実施例のエアフロメータ1においては、バイパスハウジング3内のバイパス流路6のセンサ配置部45よりも下流側の第2曲がり部54の曲がり内側の凸曲面55から、第2曲がり部54の曲がり外側の凹曲面56へ向かって突出する突起61を設け、且つこの突起61を、第2曲がり部54の流路高さを狭めるように形成したことにより、センサ配置部45よりも吸気の流れ方向の下流側の第2曲がり部54において境界層剥離の発生を積極的に促進することができる。
図4は、本発明の流量測定装置を適用した熱式のエアフロメータ(実施例2)を示したものである。ここで、実施例1と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。
第1、第2分割部62、63の傾斜部分には、その表面に沿う吸気の流れの境界層を形成する曲面形状(またはテーパ形状)の境界層形成部がそれぞれ設けられている。
また、第1分割部62の段差部分には、実施例1の突起61と同様に、大きい渦を形成して吸気の流れを安定させる渦流発生部が設けられている。
これによって、本実施例のエアフロメータ1においては、実施例1と同様な効果を達成することができる。
図5は、本発明の流量測定装置を適用した熱式のエアフロメータ(実施例3)を示したものである。ここで、実施例1及び2と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。
突起64の傾斜部分の表面には、高さが低い小さな段差と、長さが短い小さな棚とが多数交互に設けられている。
なお、突起64の傾斜部分の表面に球面状の微小凹部を流路幅方向や流路長さ方向に多数設けても良い。
これによって、本実施例のエアフロメータ1においては、実施例1及び2と同様な効果を達成することができる。
図6は、本発明の流量測定装置を適用した熱式のエアフロメータ(実施例4)を示したものである。ここで、実施例1〜3と同じ符号は、同一の構成または機能を示すものであって、説明を省略する。
なお、微小突起65の形状を、平面視多角形状または平面視半円形状または平面視半楕円形状としても構わない。
これによって、本実施例のエアフロメータ1においては、実施例1〜3と同様な効果を達成することができる。
本実施例では、本発明の流量測定装置を、内燃機関(エンジン)の燃焼室に供給される空気の流量や空気の流れ方向を検出する流量測定装置に適用しているが、本発明の流量測定装置を、ガス器具に供給されるガスや内燃機関(エンジン)の燃焼室に供給される気体燃料または液体燃料等の吸気の流量を検出する流量測定装置に適用しても良い。
なお、温度検出抵抗体をヒータ抵抗体23の熱の影響を受けず、周囲の空気の温度を検出する場所に配置しているが、温度センサ抵抗体をヒータ抵抗体23の熱により発生する温度分布を検出できるようにヒータ抵抗体23の下流側または上下流両側に位置するようにセンサチップ21のメンブレン22上に形成しても良い。
また、突起61の頂き部分よりも上流側の傾斜部分の表面に曲面(凸曲面または凹曲面)を有するテーパ面を形成しても良い。
また、曲面を、凹形状の凹曲面のみ、あるいは凹形状の凹曲面と凸形状の凸曲面とを滑らかに接続した連続曲面で形成しても良い。
2 流量センサ
3 バイパスハウジング
5 バイパス流路
6 バイパス流路
21 センサチップ
45 センサ配置部
51 第1曲がり部
54 第2曲がり部
61 突起
Claims (4)
- (a)流体通路を流れる流体の一部を取り込んで通過させるためのバイパス流路(5、6)を有するハウジング(3)と、
(b)前記バイパス流路(6)を流れる流体流量に対応した信号を出力する流量測定素子(21)を有するセンサ(2)と
を備え、
前記バイパス流路(6)内に前記流量測定素子(21)が露出するように配置される流量測定装置において、
前記バイパス流路(6)は、前記流量測定素子(21)よりも流体の流れ方向の下流側に、前記バイパス流路(6)を所定の曲率半径で、且つ略直角に湾曲させる曲がり部(54)を有し、
前記ハウジング(3)は、前記曲がり部(54)の曲がり内側の内壁面をなす凸曲面(55)から、前記曲がり部(54)の曲がり外側の内壁面をなす凹曲面(56)へ向かって突出する突起(61)を有しており、
前記曲がり部(54)において、流体の流れる方向を流れ方向、前記両曲面(55、56)の法線方向を流路高さ方向、前記流れ方向および流路高さ方向の両方向に直交する方向を流路幅方向と定義した場合、
前記突起(61)は、前記流れ方向の上流から下流へ向かって前記流路高さが狭まる方向の傾斜部分および頂き部分を有していることを特徴とする流量測定装置。 - 請求項1に記載の流量測定装置において、
前記突起(61)は、前記流れ方向を前記流路高さ方向で複数に分岐する分割部(62、63)を有していることを特徴とする流量測定装置。 - 請求項1に記載の流量測定装置において、
前記突起(61)は、前記流路幅方向に多数設置される突起(65)を有していることを特徴とする流量測定装置。 - 請求項1ないし請求項3のうちのいずれか1つに記載の流量測定装置において、
前記突起(61)の傾斜部分は、その表面が階段状に形成されていることを特徴とする流量測定装置。
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