JP6208251B2 - 物理量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、自動車の内燃機関の燃焼室に連結する吸気管に挿入される湿度センサを備えた物理量測定装置に関するものである。

自動車分野においては燃費、ＣＯ２、排気ガス（主に窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭ））規制は年々厳しくなっており、将来の内燃機関制御では規制達成のために新たな制御手法が数多く検討されている。その中で、各種制御に使用される物理量計測装置は多種多様となっている。特に、内燃機関の燃焼室に連結する吸気管の空気、温度、湿度、圧力等の物理量は、燃費、排ガス等に直接影響するため正確な測定が要求される。

燃費、ＣＯ２、排気ガス規制は、欧州のＮＥＤＣに代表されるような走行サイクルに基づき算出され規定されるものである。将来規制では、規定値のみならず走行サイクル条件や車載診断システム（ＯＢＤ）規制値も変更が実施される。

現在、吸気管内に挿入される物理量計測装置としては、質量流量、圧力、温度の計測が一般的に使用されているが上記を背景に、内燃機関制御で絶対湿度（空気中の水分量）を使用した制御が注目されている。

空気中の水分は、内燃機関の燃焼制御では火炎伝播時間に影響するため、例えばガソリンエンジンでは燃焼効率が悪化する。または、ディーゼルエンジンにおいては、燃焼温度低下にともないＰＭの排出量増加などの影響が知られている。

ここで絶対湿度とは、空気中に含まれる水分量（ｇグラム／ｋｇキログラム）を示し、空気中の温度、相対湿度、圧力より算出することが可能である。一方、相対湿度は空気中の水分量の割合（％パーセント）を示す。

前記述べたように温度、圧力センサは、古くから自動車分野で使用されているが、吸気管を流れる空気中の相対湿度センサとしてはあまり知られていない。

現在自動車分野では、湿度センサが空気流量測定装置に一体で構成されたものが公知技術としてあげられる。（特許文献１乃至３参照。）
特許文献１および２の空気流量測定装置は、主空気通路（単に吸気管ともいう）を流れる空気を取込む副通路を備え、さらには副通路を流れる空気を取込む第２副通路を備える。副通路ないには空気流量を計測する発熱式抵抗体が配置され質量流量を検出する。また第２副通路内に配置された湿度センサで空気の相対湿度検出を行うものである。

特開２０１０−４３８８３号公報 特開２０１２−１６３５０５号公報 特開２０１３−３６８９２号公報

近年は、自動車分野において，車両基本性能に加えて，排ガス規制や安全性，快適性，利便性などを向上させるためにさまざまな技術的改良がなされている。そうした、技術改良においては多種多様なセンサが使用されている。そのため、センサとエンジンコントロールユニット（以下ＥＣＵ）とを繋ぐワイヤハーネス数も増加し複雑化しておりコスト面およびエンジンルーム内のスペース面で課題を抱えている。

このため、現在は複数のセンサや制御機器を一体化した物理量計測装置のニーズが高まっている。現在では吸気管内の物理量計測で使用される温度、流量センサを一体化した空気流量測定装置が一般的である。更には、特許文献１〜３参照の湿度センサや圧力センサを一体化した空気流量測定装置がある。

前記空気流量測定装置のように、内燃機関の燃焼室に連結する吸気管内で使用されるセンサにおいては、塵やダスト（以下汚損物とする）または水滴の付着防止や物理量の過渡的変化への追従（単に応答性能ともいう）などを考慮した一体化が必要となる。

吸気管の最上流部（最下流部は燃焼室側とする）には大気中の空気を取込む際、空気中に含まれる汚損物または雨水の浸入を除去するためフィルターエレメントを備えたエアクリーナが配置される。しかし、フィルターエレメントによる汚損物や水滴の除去能力は完全ではなく一定量が吸気管内に侵入する。センサには、通常物理量を検出するためのセンサを空気中に暴露させ物理量を計測する。そのため、汚損物または水滴が検出素子に付着することで恒久的な性能劣化または一時的な出力異常が発生する。特に、自動車で使用されるセンサは数十年にも及ぶ動作時間を要求されるためその防止策は必須となる。

また、自動車走行中の加減速により、吸気管内の空気は過渡的に変化する。そのため、吸気管内の物理量計測に使用されるセンサはその過渡的変化に追従する必要がある。例えば、ガソリンエンジンに使用される空気流量測定装置は燃焼室に取込まれる空気の質量流量を測定し、その質量流量に基づき燃料噴射量が決められている。そのため、空気の過渡的変化時にセンサ出力の応答遅れが発生すると質量流量計測に誤差が生じ、燃費悪化につながる。

自動車分野で一般的に使用される空気流量測定装置では、前記環境条件を考慮するため主空気通路を迂回する副通路を備える。副通路内には、流量センサが配置されるが、汚損物や水滴が流量センサに付着するのを抑制する構造を備える。例えば、特許文献１および２記載のように、副通路の中に第２副通路を設けている。

また、吸気管内空気の過渡的な変化に追従するために、副通路入口は吸気管の中央付近に配置可能なように筐体長さが設置される。理想的な空気流においては、吸気管中央が最も流速が早く安定した流れとなるため過渡的変化に追従し易くなる。一方、壁面付近は、壁面抵抗が発生しもっとも流速が遅くなる。

つまり、複数のセンサをひとつの物理量測定装置に一体化する場合、第１に環境条件を考慮し、個々のセンサ性能を維持することが重要である。第２にそのセンサ性能を維持するための最適な搭載位置をひとつの筐体で実現する必要がある。

ここで、特許文献１および２の湿度センサを一体化した空気流量測定装置は、主空気通路を迂回する副通路に流量センサ配置し、さらには副通路を迂回する第２副通路内に湿度センサが配置されている。この場合、第２副通路内に配置される湿度センサの応答性能は、副通路内に取込まれる流速に依存する。また、湿度センサに到達する空気は副通路および第２副通路の壁面抵抗をうけ流速が低下するため改善の余地が残る。

一方、特許文献３の空気流量測定装置は、筐体の外壁から主空気通路に露出して湿度センサを備える。前記湿度センサは、空気流量測定装置の筐体を樹脂成形する際に樹脂モールドされて筐体に一体化している。この場合、吸気管内の空気と共に飛来する汚損物や水滴に湿度センサが直接暴露されることとなる。湿度センサに汚損物が付着した場合は、長期的な特性ずれが発生するリスクを伴う。一方、水滴が付着した場合は、結露状態となり湿度センサが飽和状態となり湿度検出として一定期間所望の値を得られないおそれがある。

本発明の目的は、複数の物理量センサを一体化しても応答性を維持しつつ耐環境性能を維持した物理量計測装置を提供することにある。

本発明では湿度センサを一体化させる際に上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

具体的には、吸気管に支持固定されるフランジと、前記フランジと樹脂で一体成形され吸気管内部に挿入される筐体部と、前記筐体部を構成するハウジングおよびカバーと、を備え、内燃機関の燃焼室に連結され吸気管内部の主空気通路を流れる空気の物理量を測定するセンサを少なくとも一つ以上備えた物理量測定装置において、前記筐体部または前記フランジ部に設けられ主空気通路の空気を迂回させる少なくとも一つの副通路または主空気通路と連結する導入孔と、前記筐体部に前記副通路または導入孔とは構造的に分離された第２副通路と、有し、前記副通路内もしくは導入孔内に空気の物理量を検出するセンサを備え、前記第２副通路内部に空気の湿度を測定する湿度センサを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複数の物理量センサを一体化しても応答性を維持しつつ耐環境性能を維持した物理量計測装置を提供することが可能となる。

湿度センサを備えた物理量測定装置の実施例１を示した図である。 湿度センサを備えた物理量測定装置内部構成を示す例である。 図２における物理量測定装置の正面図である。 図２における回路パッケージを示した図である。 図２における第２副通路内部構成（横断面）を示した図である。 湿度センサを備えた物理量装置の実施例２を示した側面図（断面）である。 図６における物理量測定装置の正面図（断面図）である。 湿度センサを備えた物理量装置の実施例３を示した側面図（断面図）である。

以下、実施例について図面を用いて詳細に説明する。

本実施例では、物理量測定装置として空気流量測定装置を例に挙げ説明する。

図１〜図５は、湿度センサを備えた空気流量測定装置の構成例を示す。内燃機関で使用される空気流量測定装置は、通常エアクリーナ下流部に配置される。そして、エアクリーナに連結される吸気管または専用ダクト１０６に挿入される。

ここでエアクリーナとは、空気中の塵・ダスト等を濾過するフィルターエレメントを有し、清浄な空気を吸気管内へ取込むために内燃機関に連結される吸気管の最上流部に設置される。空気流量測定装置は、回路パッケージ（または回路基板）４００等を備える筐体部が吸気管または専用ダクト１０６の開口部に挿入され筐体部とともに樹脂成形されるフランジ部１０１がねじ（図には記載していない）にて締付固定される。また、ゴム材料で成形されたシール材１０４を設けることで、吸気管ダクトまたは専用ダクト１０６内からの流体の漏れおよび外部環境からの塵、ダスト等の進入を防止する。

空気流量測定装置は、ハウジング１０２とカバー１０３ａ、１０３ｂとで構成される筐体と、ハウジング１０２とカバー１０３ａ、１０３ｂの内壁形状で構成される副通路３００と、前記副通路３００とは独立した第２副通路２００と、前記筐体内に配置される回路パッケージ４００と、前記副通路３００内に空気流量を計測する流量センサ４０１と、前記第２副通路２００内に空気の湿度を計測する湿度センサ４０２を備える。

樹脂材料で成形されるハウジング１０２は、金属部材で形成されたコネクタターミナル１０５と、ＥＣＵ側のコネクタと機械的に接続されるコネクタ１００形状を備える。コネクタターミナル１０５は、ハウジング１０２の樹脂成形時にインサート成形され、コネクタターミナル１０５は回路パッケージ４００のリードフレーム４０３に溶接され電気的に接続される。一方、コネクタターミナル１０５の先端部は、車両側のＥＣＵとハーネスを介して電気的に接続される。

樹脂材料で成形されるカバー１０３ａ、１０４ｂは、ハウジング１０２内に配置される回路パッケージ４００、湿度センサ４０２、流量センサ４０１、リードフレーム４０３、コネクタターミナル１０５等を保護するためハウジング１０２の外周に設けられた溝形状に勘合され、接着固定される。

回路パッケージ４００としては、電子部品をはんだ等で搭載するセラミック基板やプリント基板などがあるが、本例では半導体パッケージとして知られるリードフレーム４０３上に、電子部品を搭載しエポキシ樹脂で封士したものをさす。

ハウジング１０２とカバー１０３ａ、１０３ｂとで形成される副通路３００および第２副通路２００は、主空気通路３０１を流れる空気（以下主空気という）を迂回させ、主空気とともに飛来する汚損物または水滴等が流量センサ４０１および湿度センサ４０２に直接付着することを抑制する役割をもつ。また同時に、副通路３００内に迂回される空気は整流効果が得られ、空気の乱れを抑制する効果を果たし安定した物理量計測が可能となる。さらには、副通路３００および第２副通路２００はそれぞれ独立して形成され、それぞれ主空気を直接取込む構造となる。

これにより、副通路３００、第２副通路２００には内部にそれぞれ流量センサ４０１および湿度センサ４０２が独立して配置することが出来るため、それぞれのセンサに適した通路構造とすることができ、互いのセンサの性能に影響を与えることなく、性能確保および一体化が容易となる。

一般的に、空気中の物理量である流量および湿度は、過渡的に変化する時間（以下応答時定数という）はそれぞれ異なる。空気流量の応答時定数が数ミリ秒に対し、湿度の応答時定数は数秒である。湿度変化は、温度および圧力変化に依存するが、おもに温度の応答時定数によるものである。理想的な吸気管内の主空気流れは、中心付近が最も流速が早く壁面に近づくほど流速が低下する分布をもつ。そのため、流量センサ４００が配置される副通路３００を、主空気通路３０１内の流速分布で流速がもっとも速い箇所となる主空気通路中心１０付近に配置することで、主空気の過渡的変化に追従し易くなる。一方、応答時定数の遅い湿度センサ４０２が配置される第２副通路２００は、比較的流速の遅い箇所となる主空気通路中心１０とフランジ１０１との間となる空気量測定装置の筐体部に形成可能である。
さらには、主空気通路を飛来する汚損物または水滴付着を抑制する副通路構造とすることで耐環境性能を維持することが可能となる。

図１〜図５をもちいて第２副通路の詳細について説明する。

湿度センサ４０２が配置される第２副通路２００は主空気を迂回させるため入口２０１と出口２０２を有しており、入口２０１はハウジング１０２の一部に形成され、主空気通路３００の上流側に配置される。一方、出口２０２は、空気流量測定装置の側壁となるカバー１０３ａに形成され、主空気通路３００の下流側に配置される。また、入口２０１は、主空気流れ１１に対して垂直方向に開口している。

これにより、空気流れで発生する動圧で主空気を第２副通路２００内に取込むことが可能となり、応答性を向上させることができる。

さらには、入口２０１はハウジング１０２で形成される傾斜部２０３を備え、出口２０２は主空気流れ１１に対して入口２０１とは垂直方向にオフセットした位置に配置され、第２副通路２００は少なくともひとつの曲がり部を有している。

これにより、主空気通路１１内を飛来する汚損物および水滴が入口２０１の壁面に衝突するため直接第２副通路２００内部へ侵入するのを抑制することができ、湿度センサ４０２の耐環境性能を向上させることができる。

一方、前記出口２０２の開口面積は、入口２０１の開口面積よりも大きく設定されている。これにより、出口２０２部の開口面積に依存して入口―出口部間の圧力差が変化し、湿度センサ４０２の応答性能を調整することが可能となる。さらには、カバー１０３ａは、ハウジング１０２よりも構造形状が簡単なため構造変更にともなるコスト影響を極力抑制することができる。

実施例１では、湿度センサを備えた物理量測定装置として空気流量測定装置の例を示した。本実施例２では、物理量測定装置として吸気管内の圧力を測定する圧力測定装置に湿度センサを一体化させた例を示す。

図６は、実施例１で示した同形状の湿度センサ４０２が配置される第２副通路２００を有した圧力測定装置の構成例である。

図６〜図７の湿度センサを備えた圧力測定装置のうち、既に説明した図１〜図５に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

実施例２の圧力測定装置は、吸気管または専用ダクト１０６に挿入され、支持されるフランジ１０１を有し、フランジ１０１部に電子部品を搭載する回路基板５００が回路室５０３に配置され、圧力センサ５０２が回路基板５００裏面に実装される。回路基板５００とコネクタターミナル１０５はアルミワイヤ５０１により接続され、ＥＣＵとの電気的接続を可能にしている。図７に示すように圧力センサ５０２は、フランジ１０２部に形成される主空気通路３０１に連結する導入孔５０４内部に配置され、主空気通路３０１内部の圧力測定を可能にしている。導入孔５０４は１つの開口部を有し、開口部は筐体部を挿入する吸気管の内壁部に位置しており。圧力センサ５０２は、主空気通路内の静圧（ここで静圧とは空気が静止状態で働く圧力をいう）を計測するため極力流速変化を伴わない位置に導入孔が配置するのが好ましい。そのため、本実施例の構成とすることで、主空気流れの影響を受けず安定した静圧計測可能としている。同時に、主空気とともに飛来してくる汚損物および水滴が副通路内に侵入しづらい構成となる。

実施例１同様に、導入孔５０４は第２副通路２００と独立して形成され、それぞれ圧力センサ５０２および湿度センサ４０２の性能（応答性や計測安定性）や耐環境性能を考慮した場所に配置される。これにより、各センサの性能確保および一体化が容易となる。

実施例１または２では、流量センサ４０１または圧力センサ５０２など少なくともひとつの物理量センサと湿度センサ４０２を一体化した物理量測定装置の例を示した。

本実施例３では、流量センサ４０１、圧力センサ５０２、湿度センサ４０２を一体化した物理量測定装置の例を図８に示す。

図８は、実施例１および２で示した同形状の湿度センサ４０２が配置される第２副通路２００と、流量センサ４０１が配置される副通路３００と、圧力センサ５０２が配置される導入孔５０４がそれぞれ独立して形成され、主空気通路３０１の空気を取込むまたは連結した構成をとり、３種類のセンサを一体化した物理量測定装置の構成例である。

図８の湿度センサ４０２、流量センサ４０１、圧力センサ５０２を備えた物理量測定装置のうち、既に説明した図１〜図７に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

これまで述べてきたように、各物理量センサを配置する副通路をそれぞれ独立させることでセンサ性能確保および一体化が容易となる。複数の物理量センサ一体化することで部品点数やコスト低減など前に述べた通り今後ニーズが高い物理量測定装置となる。

１０ 主空気通路中心
１１ 主空気通路流れ方向
１００ コネクタ
１０１ フランジ
１０２ ハウジング
１０３ａ カバー
１０３ｂ カバー
１０４ シール材
１０５ コネクタターミナル
１０６ 吸気管（または専用ダクト）
２００ 第２副通路
２０１ 第２副通路 入口
２０２ 第２副通路 出口
２０３ 第２副通路 傾斜部
３００ 副通路
３０１ 主空気通路
４００ 回路パッケージ
４０１ 流量センサ
４０２ 湿度センサ
４０３ リードフレーム
５００ 回路基板
５０１ アルミワイヤ
５０２ 圧力センサ
５０３ 回路室
５０４ 導入孔

Claims (4)

1. 吸気管に支持固定されるフランジと、前記フランジと樹脂で一体成形され吸気管内部に挿入される筐体部と、前記筐体部を構成するハウジングおよびカバーと、を備え、内燃機関の燃焼室に連結され吸気管内部の主空気通路を流れる空気の物理量を測定するセンサを少なくとも一つ以上備えた物理量測定装置において、
   前記筐体部または前記フランジ部に設けられ主空気通路の空気を迂回させる少なくとも一つの副通路または主空気通路と連結する導入孔と、
   前記筐体部に前記副通路または導入孔とは構造的に分離された第２副通路と、有し、
   前記副通路内もしくは導入孔内に空気の物理量を検出するセンサを備え、
   前記第２副通路は、前記フランジと主空気通路中心との間に設けられ、
   前記第２副通路内部に空気の湿度を測定する湿度センサを備え、
   前記第２副通路の入口は、前記主空気通路内の空気流れに対して垂直方向に開口し、
   前記第２副通路の出口は、主空気流れ方向に対して平行に開口し、前記主空気通路内の空気流れの下流側のカバー側壁に形成され、前記主空気通路内の空気流れに対して前記入口から垂直方向にオフセットした位置に配置されることを特徴とする物理量測定装置。
2. 請求項１に記載の物理量測定装置において、
   前記第２副通路の入口は、主空気流れ上流部に配置され、かつ、傾斜部を有し、
   前記傾斜部は、前記ハウジングおよび前記カバーで構成される筐体部に形成されることを特徴とする物理量測定装置。
3. 請求項１に記載の物理量測定装置において、
   前記第２副通路は、少なくとも一つ以上の曲がり部を有することを特徴とする物理量測定装置。
4. 請求項１に記載の物理量測定装置において、
   前記出口の開口部の開口面積は、前記入口の開口部の開口面積よりも大きいことを特徴とする物理量測定装置。

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