JP5542614B2 - 流量測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、流量計に係わり、特に自動車エンジンの吸気系を構成して、その吸気量を検出、さらには制御するのに適する流量測定装置に関する。

空気流量を計測する流量測定装置として、発熱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や、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などが知られている。

流量測定装置は、車両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。通常、吸気ダクト内にはエアフィルタが設けられており、吸気ダクト内に流入する空気に含まれるダストをエアフィルタで取り除いている。しかし、ダストの大きさによってはエアフィルタを通過してしまうものがあり、またエアフィルタ交換後の装着不具合によりダストが吸気ダクト内へ入り込んでしまったりすることがある。吸気ダクト内に入り込んだダストは、アクセルの踏み込み量が増加すると流体とともに数十ｍ／ｓにまで加速され、流量測定装置の副通路内にまで到達することがある。副通路内に配置された流量計測素子には、非常に薄い部分があり、ダストが衝突することにより破壊される可能性が考えられる。また、吸気ダクト内に入り込んだダストが流量測定装置の流量計測素子に付着すると、流量計測素子の放熱特性が変化して出力特性変化を引き起こす可能性が考えられる。

吸気ダクト内に進入したダストなどから流量計測素子を保護し、汚損による経時劣化を防止する構造として、流量検出部が下面側になるように、感熱抵抗体を流体の流れ方向に対して、２０〜６０度の角度を設けて配置した感熱式流量測定装置が知られている（特許文献１参照）。また、反センシング部分が上流を向くように、流路の軸方向に対して角度αだけ傾斜させて流量計測素子を装着した流量測定装置が知られている（特許文献２参照）。

実公平６−０２０９７４号公報 特開２００３−２６２１４４号公報

しかしながら、上述した技術は、流体の流れる速度が一定の定常流に対してはダストなどから流量計測素子を保護する効果はあるものの、脈動流のような流体の流れる速度が遅くなったり速くなったりする非定常な流れに対しては、ダストの運動方向が流体から受ける力によって変則的に変わりセンシング部分へダストが到達してしまうといった課題がある。

そこで、本発明の目的は、脈動流のような非定常な流れ場においても耐ダスト性に優れ、特性誤差が生じにくく信頼性の高い流量測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の流量測定装置は、流体が流れる主通路内に配置され前記流体の一部を取り込む副通路と、前記副通路内に配置され発熱抵抗体パターンが形成された流量計測素子と、前記流量計測素子が搭載される支持体と、を有し、前記流量計測素子が搭載される面と前記副通路の通路形成面とで構成される第一の流体通路部と、前記流量計測素子が搭載される面とは反対側の面と前記副通路の通路形成面とで構成される第二の流体通路部と、を備えた流量測定装置において、前記流量計測素子に対して前記流体の流れの上流側に対向する前記第一の流体通路部の前記通路形成面は、前記流体の流れを前記流量計測素子へ向けるような傾斜面を有し、前記傾斜面は、異なる向きの二面以上の面から構成されている。

本発明によれば、ダストが発熱抵抗体パターン側流体通路部の発熱抵抗体のパターンよりも上流側の対向する面に設けた傾斜面で跳ね返されたのち、流体の流れに乗って発熱抵抗体のパターンに向かって流れるのを抑制することができる。そのため、発熱抵抗体パターンで構成される流体計測素子の破損あるいは汚損を抑制することができ、脈動流のような非定常な流れ場においても耐ダスト性に優れ、特性誤差が生じにくく信頼性の高い流量測定装置を提供できる。

本発明の一実施形態である流量測定装置の縦断面図。 図１（ａ）のＡ−Ａ断面拡大図。 図１（ｂ）のＢ−Ｂ断面拡大図。 吸入空気の流れる速度が一定の定常流の場合、ダストの飛跡の形態を確認するために実施したＣＡＥ解析による粒子分布図。 吸入空気の流れる速度が非定常な流れの場合、本発明による一実施形態によるダストの飛跡の形態を確認するために実施したＣＡＥ解析による粒子分布図。 本発明の他の実施形態である流量測定装置の縦断面図。 図４（ａ）のＡ−Ａ断面拡大図。 図４（ｂ）のＢ−Ｂ断面拡大図。 本発明の他の実施形態である流量測定装置の縦断面図。 図５（ａ）のＡ−Ａ断面拡大図。 図５（ｂ）のＢ−Ｂ断面拡大図。 図５（ｂ）のＣ−Ｃ断面拡大図。 本発明の他の実施形態である流量測定装置の縦断面図。 図６（ａ）のＡ−Ａ断面拡大図。 図６（ｂ）のＢ−Ｂ断面拡大図。 図６（ｂ）のＣ−Ｃ断面拡大図。 本発明の他の実施形態である流量測定装置の縦断面図。 図７（ａ）のＡ−Ａ断面拡大図。 図７（ｂ）のＢ−Ｂ断面拡大図。 図７（ｂ）のＣ−Ｃ断面拡大図。 発明の流量測定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。

本発明に係る以下の実施例は、自動車用の内燃機関に吸入される空気流量を測定するために用いられる流量測定装置に係り、吸入される空気に混じって吸気ダクト内を流れるダストなどの異物によって流量計測素子が破損することを防止し、また安定した流量測定を行えるような構造を提供するものである。以下の説明では、ダストなどの異物を単にダストと呼んで説明する。

以下、本発明の実施例について説明する。

図１は本発明の一実施例の流量測定装置を示した図であり、具体的には、図１（ａ）は流量測定装置の正面図、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面拡大図、図１（ｃ）はＢ−Ｂ断面拡大図である。図１に従い本実施例の構成部品について説明する。

図１（ａ）に示すように、電子回路５と外部機器とを電気的に接続するためのコネクタターミナル１を有するコネクタ２と、流量測定装置を流体管路構成部材であるボディ１５に固定するためのモジュール支持部３と、電子回路５を保持するハウジング枠体部４とがプラスチックモールドにて一体成型されている。コネクタターミナル１は電子回路５の端部に形成したボンディングパッド１１とボンディングワイヤ１２により電気的に接続されている。電子回路５は、平板状部材である基板上に回路素子を配置し、配線によって接続した回路基板として構成される。

また、ハウジング枠体部４には副通路８が形成されたバイパスモールド部７が結合されている。流量計測素子６は、電子回路５に搭載された状態で、副通路８内に配置される。ハウジング枠体部４及びバイパスモールド部７は、流体管路を構成するボディ１５に開けた矩形の穴からボディ１５内に挿入され、固定ネジ１０によりボディ１５に締めつけ固定される。これにより、吸気通路９を流れるエンジンへの吸入空気２９の一部が副通路８へ分流する。その分流した吸入空気２９の流量を流量計測素子６により検出してエンジンに吸入される空気の全流量を検出する。

図１（ｂ）に示すように、流量計測素子６は平板状部材である基板とこの基板上に薄膜形成プロセスにより形成された発熱抵抗体などの抵抗体のパターン６ａとによって構成されている。流量計測素子６の基板面が電子回路５の基板面とほぼ平行になるように電子回路５に固定されている。電子回路５はハウジング枠体部４に内包され、副通路８内を流れる流体３０の流れの方向に対して平行になるように固定される。尚、本実施例において、流体３０は副通路８に取り込まれたボディを流れる吸入空気２９である。

このとき、電子回路５における発熱抵抗体のパターンの設けられた面５ａは、副通路８内の流体３０の流れに沿うように配置され、電子回路５における発熱抵抗体パターン構成面５ａと副通路８の通路形成面８ｄとの間には流体が流れる発熱抵抗体パターン側流体通路部８ａが構成され、電子回路５における発熱抵抗体パターン構成面５ａとは反対側の面５ｂと副通路８の通路形成面８ｃとの間には背面側流体通路部８ｂが構成される。すなわち、電子回路５の両面５ａ，５ｂに流体３０が流れるように構成されている。

図１（ｃ）に示すように、通路形成面８ｄには、抵抗体のパターン６ａよりも上流側に、流体３０を抵抗体のパターン６ａの中心から外側へ誘導する誘導部として誘導面１３ａ，１３ｂが構成される。

誘導面１３ａ，１３ｂは、流体３０の流れを抵抗体のパターン６ａへ向ける、異なる向きの二面の傾斜面であり、流体３０の流れを抵抗体のパターン６ａの中心にある稜線１３から外側へ誘導するように構成されている。

すなわち、通路形成面８ｄは、誘導面１３ａ，１３ｂを構成する傾斜面を有している。傾斜面である誘導面１３ａ，１３ｂは、流体３０を抵抗体のパターン６ａの中心より外側へ流れるように傾斜している。

このような構成により、流体３０を抵抗体のパターン６ａの中心より外側へ流すことができるため、流体３０の流れに乗って吸入空気２９に混じって吸気ダクト内を流れるダストなどの異物が発熱抵抗体のパターン６ａに向かって流れるのを抑制することができ、発熱抵抗体パターン６ａで構成される流体計測素子６の破損あるいは汚損を抑制することができる。

なお、誘導面１３ａ，１３ｂが構成されている通路形成面８ｄとは反対側の背面側流体通路部８ｂの通路形成面８ｃは、絞り形状を有している。

ここで、図１に示した実施例の効果を確認するために、図２，図３を使って流量計測素子６へのダストなどの飛跡の形態を説明する。

図２は、副通路８に吸入空気２９の流れる速度が一定の定常流の場合、ＣＡＥ解析による一定時間ごとのダスト１４の飛跡を示す。時間Ｔ１では、副通路８内に進入してきたダスト１４は、副通路８が曲がりを持つ構造であるため、慣性力により外周側へと向かう飛跡となる。時間Ｔ２では、ダスト１４は、電子回路５の裏面を通り抜け、時間Ｔ３では、下流側へと流れていく。このように、定常流の場合、ダスト１４が通り抜ける飛跡は一定であり、飛跡にかからないように電子回路５を配置することで、流量計測素子６へ向かうことなく、電子回路５の裏面を通り抜けていくことが確認できる。

ここで、電子回路５の裏面とは、電子回路５における発熱抵抗体パターン構成面５ａとは反対側の面５ｂのことであって、背面（背面側）ということにする。これに対して、電子回路５における発熱抵抗体パターン構成面５ａを、電子回路５の表面あるいは流量計測素子構成面（表面側）ということにする。また、電子回路５の上流側側面５ｃとは、電子回路５を構成する回路基板の厚さ方向に沿う面のうち、流体の流れ方向において、上流側に位置する面のことである。一方、下流側には下流側側面５ｄが存在する。

次に、本発明の一実施例の副通路８における場合の結果を図３に示す。図３は、通路形成面８ｄに設けた抵抗体のパターン６ａよりも上流側の誘導面１３ａ，１３ｂを形成した副通路８を流れる吸入空気２９の速度が遅くなったり速くなったりする非定常な流れの場合の、ＣＡＥ解析による一定時間ごとのダスト１４の飛跡を示す。

図３に示すように、副通路８内に進入してきたダスト１４は電子回路５に達するまでは、副通路８が曲がりを持つ構造であるため、慣性力により外周側へと向かう飛跡となる。しかし、電子回路５の流れに垂直である上流側側面５ｃに衝突したダスト１４は、図３（ａ）時間Ｔ１では流れとは逆の方向へ大きく跳ね返され、図３（ｂ）時間Ｔ２では逆に流れに押し戻されてダスト１４の一部が、電子回路５の表面に向かう。さらに、図３（ｃ）時間Ｔ３では、ダスト１４の一部が、電子回路５の表面に向かうが、通路形成面８ｄに誘導部を設けたことで、誘導面１３ａ，１３ｂにダスト１４が衝突し、抵抗体のパターン６ａの中心から外側へ誘導されることが確認される。また、図３（ｄ）に示すダストの飛跡より抵抗体のパターン６ａの中心から外側へ誘導されることが確認される。このように、非定常な流れの場合、ダスト１４が通り抜ける飛跡は不規則であるが、誘導面１３ａ，１３ｂを設けるだけで、流量計測素子６中心線上から遠ざかる方向へダストを導くことが可能となり、流量計測素子６への衝突を抑制することができる。

図４に第二の実施例を示す。図１に示した実施例に対し、図４（ｃ）に示す誘導面１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄの誘導面の形状を、二面以上の面、あるいは平面で形成したもので、ダスト１４が衝突したときに抵抗体のパターン６ａの中心に向かって跳ね返るのを抑制する効果が期待できる。少なくても稜線の１本は、抵抗体のパターン６ａの中心に形成されると効果的である。

図５に第三の実施例を示す。図１に示した実施例に対し、図５（ｃ）に示す誘導面１７ａ，１７ｂの誘導面の形状を、各々凹曲面で形成したもので、ダスト１４が衝突したときに抵抗体のパターン６ａの中心に向かって跳ね返るのを抑制する効果が期待できる。稜線は、抵抗体のパターン６ａの中心に形成されると効果的である。

図６に第四の実施例を示す。図１に示した実施例に対し、図６（ｄ）に示す通路形成面１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄの誘導面に接合した抵抗体のパターン６ａに平行向きに変える通路形成面の形状を、二面以上の面、あるいは平面で形成したもので、流体３０の流れを抵抗体のパターン６ａから離すことなく、ダスト１４を中心から外側へ誘導する効果が期待できる。少なくても稜線の１本は、抵抗体のパターン６ａの中心に形成されると効果的である。

図７に第五の実施例を示す。図１に示した実施例に対し、図７（ｄ）に示す通路形成面１９ａ，１９ｂの誘導面に接合した抵抗体のパターン６ａに平行向きに変える通路形成面の形状を、各々凹曲面で形成したもので、流体３０の流れを抵抗体のパターン６ａから離すことなく、ダスト１４を中心から外側へ誘導する効果が期待できる。稜線は、抵抗体のパターン６ａの中心に形成されると効果的である。したがって、コストアップすることなく、実装時等における流量計測素子６へ信頼性を確保し、小型化に際しての特性変化を抑制可能な流量測定装置を実現することができる。

以上の説明では、流量計測素子６が電子回路５に搭載された状態で副通路８内に配置される構成としているが、流量計測素子６を電子回路５に搭載することなく直接配置するような構成もあり得る。この場合、電子回路５の「裏面」は流量計測素子６を構成する基板において抵抗体のパターン６ａが形成された側の基板面とは反対側の基板面に対応することになる。あるいは、電子回路５の代わりに他の支持部材に流量計測素子６を搭載して副通路８内に配置する構成も考えられる。この場合は、電子回路５を他の支持部材に置き換えて電子回路５の「裏面」を考えればよい。

図８は、本発明の流量測定装置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８において、エアクリーナ１００から吸入された吸入空気２９は、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。

流量測定装置１０１から出力される空気流量信号，吸入空気温度信号、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、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、及び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等は、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、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うことができる。

上述した実施例により、以下のような効果が得られる。

流体が流れる主通路内に配置された副通路内に、流体の流れに平行に配置された電子回路を構成する回路基板の対向する面に、副通路内の流量計測素子側へ流体に流れてきたダストを、流量計測素子の上流側に発熱抵抗体のパターンの中心より外側へ誘導する誘導部或いは傾斜面を設けることで、流体計測素子のダストの衝突を抑制することが可能となり、流体計測素子の破損或いは汚損を防止することができる。

そして、脈動流といった非定常流に対しても、ダストの影響を受け難い流量測定装置とすることで、信頼性の高い内燃機関の動作制御システムを提供することができる。

１ コネクタターミナル
２ コネクタ
３ モジュール支持部
４ ハウジング枠体部
５ 電子回路（回路基板）
６ 流量計測素子
６ａ 抵抗体のパターン
７ バイパスモールド部
８ 副通路
９ 吸気通路
１０ 固定ネジ
１１ ボンディングパッド
１２ ボンディングワイヤ
１３ 稜線
１３ａ，１３ｂ，１６ａ〜１６ｄ，１７ａ，１７ｂ 誘導面
１４ ダスト，塵など
１５ ボディ
１８ａ〜１８ｄ，１９ａ，１９ｂ 通路形成面
２９ 吸入空気
３０ 流体
１００ エアクリーナ
１０１ 流量測定装置
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
１０８ ガス
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 (9)

1. 流体が流れる主通路内に配置され前記流体の一部を取り込む副通路と、前記副通路内に配置され発熱抵抗体パターンが形成された流量計測素子と、前記流量計測素子が搭載される支持体と、を有し、前記流量計測素子が搭載される面と前記副通路の通路形成面とで構成される第一の流体通路部と、前記流量計測素子が搭載される面とは反対側の面と前記副通路の通路形成面とで構成される第二の流体通路部と、を備えた流量測定装置において、
   前記流量計測素子に対して前記流体の流れの上流側に対向する前記第一の流体通路部の前記通路形成面は、前記流体の流れを前記流量計測素子へ向けるような傾斜面を有し、
   前記傾斜面は、異なる向きの二面以上の面から構成されていることを特徴とする流量測定装置。
2. 請求項１に記載の流量測定装置において、
   前記傾斜面を構成する異なる向きの二面以上の面は、平面あるいは凹曲面であることを特徴とする流量測定装置。
3. 請求項１または２に記載の流量測定装置において、
   前記傾斜面を構成する異なる向きの二面で構成される稜線の少なくとも一本は、前記発熱抵抗体のパターンの中心線上に形成されていることを特徴とする流量測定装置。
4. 請求項３に記載の流量測定装置において、
   前記傾斜面を構成する前記発熱抵抗体のパターンの中心線上に稜線を形成する二面は、前記傾斜面に衝突したダストを前記発熱抵抗体のパターンの中心線上から遠ざかる方向へ誘導する向きであることを特徴とする流量測定装置。
5. 請求項１に記載の流量測定装置において、
   前記発熱抵抗体のパターンが形成される面と対向する前記第一の流体通路部の前記通路形成面は、前記流体の流れを前記発熱抵抗体のパターンに平行に向きを変える対向面を有し、
   前記対向面は、異なる向きの二面以上の面で構成されていることを特徴とする流量測定装置。
6. 請求項５に記載の流量測定装置において、
   前記対向面を構成する異なる向きの二面以上の面は、平面あるいは凹曲面であることを特徴とする流量測定装置。
7. 請求項５または６に記載の流量測定装置において、
   前記対向面を構成する異なる向きの二面で構成される稜線の少なくとも一本は、前記発熱抵抗体のパターンの中心線上に形成されていることを特徴とする流量測定装置。
8. 請求項７に記載の流量測定装置において、
   前記対向面は、前記傾斜面に衝突したダストを前記発熱抵抗体のパターンの中心線上から遠ざかる方向へ誘導する向きであることを特徴とする流量測定装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の流量測定装置を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射システム。

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