JP6686276B2

JP6686276B2 - エアフロメータ

Info

Publication number: JP6686276B2
Application number: JP2014249237A
Authority: JP
Inventors: 順三山口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-12-09
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2034-12-09
Also published as: DE102015121298A1; JP2016109623A; DE102015121298B4; US9964422B2; US20160161313A1

Description

本発明は、エンジン（内燃機関）に吸い込まれる吸気の湿度を検出する湿度センサを搭載するエアフロメータに関する。

近年、車両の燃費向上や排気ガスのクリーン化の目的で、エンジンに吸い込まれる吸気の湿度を測定する必要性が高まっている。
エアフロメータに湿度センサを搭載し、吸気流量とともに吸気湿度を測定する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、吸気が低温であっても、エアフロメータが取り付けられる吸気ダクトがエンジンの熱を受けて高温になり、伝熱により湿度センサも高温になると、吸気湿度を正確に測定できなくなる。

そこで、特許文献１のエアフロメータは、吸気ダクトの中央部（流量センサよりもダクト内壁から離れた側）に計測室を設け、その計測室に湿度センサを配置し、吸気ダクトの内壁から湿度センサを離すことで、吸気ダクトの熱が湿度センサに伝わらない構造を提案している。
しかし、湿度センサを吸気ダクトの中央部に配置することで、エアフロメータの構造的な自由度が著しく低下する不具合がある。

また、吸気ダクトの中央部は、流速が速いため、湿度センサを吸気ダクトの中央部に配置すると、粉塵や水などが飛来し易く、湿度センサが汚損し易くなる。
そこで、湿度センサの汚損を抑えるために、湿度センサをエアフロメータの内部通路に配置する要求が生じる。しかし、吸気ダクトが受けた熱が通路形成部材（内部通路を形成する部材）に伝わって内部通路の温度が上昇してしまうため、湿度センサの温度が伝熱により変化して吸気湿度の検出精度が低下する不具合がある。

特開２０１０−１５１７９５号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、湿度センサの搭載制約を無くし、且つ吸気湿度の検出精度を向上できるエアフロメータの提供にある。

本発明は、エアフロメータに搭載される吸気温度センサの出力信号（吸気温度信号）を利用して、湿度センサの出力信号（湿度信号）を補正する。また、流量センサおよび湿度センサは、通路形成部材内の通路に配置される。さらに、通路形成部材内の通路において、吸気は、取入口における方向から流れの方向を変えられた後、流量センサおよび湿度センサに到達する。
また、湿度補正手段は、吸気温度信号により把握した吸気温度の測定値に応じた補正値を求め、補正値を、湿度信号により把握した湿度の測定値に加算することで補正を行う。さらに、補正値と吸気温度の測定値との相関は、補正値がゼロよりも大きい範囲では、吸気温度の測定値が小さいほど補正値が大きくなるように設定されている。
このため、湿度センサがエンジン熱等からの伝熱の影響を受けても、伝熱の影響を排除した吸気湿度を測定できるため、吸気湿度の検出精度を向上できる。
このように、湿度センサが伝熱の影響を受けても、補正により吸気湿度の検出精度を向上することで、湿度センサの搭載制約を無くすことができる。即ち、本発明を採用することにより、エアフロメータの構造的な自由度を高めることができるとともに、吸気湿度を高い精度で検出することができる。

（ａ）吸気上流側から見たエアフロメータの概略図、（ｂ）吸気流に沿ってカットしたエアフロメータの概略断面図である（実施例１）。エアフロメータに搭載される電気回路の概略構成図である（実施例１）。センサ基板の概略図である。吸気温に対しての補正値を示した概略図である。本発明の適用の有無による計測誤差の比較グラフである。（ａ）吸気上流側から見たエアフロメータの概略図、（ｂ）吸気流に沿ってカットしたエアフロメータの概略断面図である（実施例２）。センサ基板の概略図である（実施例２）。

以下において「発明を実施するための形態」を詳細に説明する。

本発明の具体的な一例（実施例）を図面に基づき説明する。なお、以下の「実施例」は具体的な一例を開示するものであり、本発明が「実施例」に限定されないことは言うまでもない。

［実施例１］
実施例１を図１〜図５を参照して説明する。
エアフロメータは、車両走行用エンジンへ吸気（燃焼用の空気）を導く吸気ダクト１（エアクリーナのアウトレットや吸気管等）に搭載されるものであり、少なくともエンジンに吸い込まれる吸気流量（空気流量）の測定を行う。

エアフロメータは、
・蓋部２が設けられる通路形成部材３と、
・この通路形成部材３の内部に組付けられる流量センサ４と、
を備えて構成される。

吸気ダクト１の側面には、内外を貫通するエアフロメータ装着穴が形成されており、このエアフロメータ装着穴の外部より通路形成部材３を吸気ダクト１内に挿入配置した後、蓋部２によってエアフロメータ装着穴を閉塞し、蓋部２をタッピングスクリュ等の固定手段を用いて吸気ダクト１に固定することで吸気ダクト１にエアフロメータが組付けられる。

通路形成部材３は、例えば樹脂材料によって形成されるものであり（限定しない）、通路形成部材３の内部には、吸気ダクト１の内部（主空気通路）を流れる吸気の一部が通過するバイパス通路５（副空気通路）およびサブバイパス通路６（副々空気通路）が形成される。

バイパス通路５は、吸気ダクト１内を流れる空気の一部が通過する空気通路であり、吸気ダクト１における吸気の流れ方向に沿うように通路が形成される。そして、バイパス通路５の吸気上流側に空気取入口５ａが設けられ、バイパス通路５の吸気下流側に空気排出口５ｂが設けられる。なお、空気排出口５ｂには、バイパス通路５を通過する空気流を絞るための出口絞りが形成される。

サブバイパス通路６は、出口絞り（空気排出口５ｂ）で絞られたバイパス通路５の空気流の一部が流入する入口６ａと、サブバイパス通路６を通過した空気流を吸気ダクト１内へ戻す出口とを備え、入口６ａから流入した空気を通路形成部材３の内部で回転させて吸気ダクト１内へ戻す迂回路を形成するものである。
なお、図１では、サブバイパス通路６の出口（図示しない）を独立して設ける例を開示するが、限定するものではなく、例えば出口をバイパス通路５内に開口させて、サブバイパス通路６を通過した空気流を再びバイパス通路５内に戻すものであっても良い。

通路形成部材３と一体に設けられる蓋部２は、ＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）接続用のコネクタを備えるものであり、蓋部２と通路形成部材３は共通の樹脂材料によって設けられる。

流量センサ４は、アッシー化されて通路形成部材３の内部に配置されるものであり、
・吸気流量を測定する流量検出部７が設けられるセンサ基板８と、
・通路形成部材３に形成されたコネクタを介して電気的に接続されるセンサ回路９と、
・このセンサ回路９を収容する回路ハウジング１０と、
を備えて構成される。

具体的に、流量センサ４は、熱量に基づいて吸気量を測定する熱式であり、
・吸気の一部を加熱するヒータ制御ブリッジ１１と、
・加熱された吸気から流量に応じた流量信号を得る流量検出ブリッジ１２と、
・流量信号から流量演算を行うデジタル回路１３と、
を備えて構成される。

ヒータ制御ブリッジ１１の一例は、
・センサ基板８に設けられる３つの抵抗体と、
・センサ回路９に設けられる２つの増幅手段と、
で構成される。

ヒータ制御ブリッジ１１における３つの抵抗体は、
・通電による発熱によってサブバイパス通路６を通過する空気の一部を加熱する発熱ヒータ１４と、
・発熱ヒータ１４の近傍に配置されて、発熱ヒータ１４によって加熱された空気の温度（加熱吸気温度）に応じた電圧値Ｖ１を発生させる傍熱抵抗体１５と、
・発熱ヒータ１４によって加熱されていない吸気の温度（非加熱吸気温度）を測定する吸気温度抵抗体１６と、
・この吸気温度抵抗体１６に直列に接続されて非加熱吸気温度に応じた電圧値Ｖ２を発生させる分圧抵抗体１７と、
で構成される。

ヒータ制御ブリッジ１１における２つの増幅手段は、電圧値Ｖ１と電圧値Ｖ２の電圧差に応じた出力を発生するオペアンプ１８と、このオペアンプ１８の出力に応じた電流を発熱ヒータ１４に印加するトランジスタ１９とで構成されるものであり、電圧値Ｖ１と電圧値Ｖ２の電圧差が、予め設定された電圧差となるように発熱ヒータ１４を通電制御することで発熱ヒータ１４を基準温度に保つ。

流量検出ブリッジ１２の一例は、
・センサ基板８に設けられる４つの抵抗体と、
・センサ回路９に設けられる１つの増幅手段と、
で構成される。

流量検出ブリッジ１２における４つの抵抗体は、
・発熱部（発熱ヒータ１４および傍熱抵抗体１５）の上流側に設けられる第１、第２上流抵抗体２１、２２と、
・発熱部の下流側に設けられる第１、第２下流抵抗体２３、２４と、
で構成される。
なお、第１上流抵抗体２１と第１下流抵抗体２３は直列に接続されて吸気量に応じた電圧値Ｖ３を発生させるものであり、第２上流抵抗体２２と第２下流抵抗体２４も直列に接続されて吸気量に応じた電圧値Ｖ４を発生させるものである。

サブバイパス通路６で空気が流れると、吸気流量および吸気の流れ方向に応じて、第１、第２上流抵抗体２１、２２の検出温度と、第１、第２下流抵抗体２３、２４の検出温度とに温度差が生じるため、この温度差に基づいて吸気量および吸気の流れ方向を測定することができる。
具体的に、第１、第２上流抵抗体２１、２２の検出温度と、第１、第２下流抵抗体２３、２４の検出温度とに温度差が生じた場合、第１、第２上流抵抗体２１、２２の抵抗値と、第１、第２下流抵抗体２３、２４の抵抗値とが変化することにより電圧値Ｖ３、Ｖ４が変化する。

流量検出ブリッジ１２における１つの増幅手段は、電圧値Ｖ３、Ｖ４の電位差に応じた出力を発生するオペアンプ２５である。

デジタル回路１３は、流量検出ブリッジ１２の出力する流量信号を、メモリに保存された補正値に基づいて補正を行い、補正後の流量信号ｖｆを周波数変調して外部のＥＣＵへ出力する（一例であり、限定しない）。

（吸気温度センサ３１の説明）
この実施例のエアフロメータは、吸気ダクト１内を通過する吸気の温度（エンジンに吸い込まれる吸気の温度）を測定する吸気温度センサ３１を備える。
この実施例の吸気温度センサ３１は、図１（ａ）に示すように、通路形成部材３の外部に配置されて、吸気ダクト１の内部を流れる吸気の温度を測定する。具体的に、吸気温度センサ３１は、通路形成部材３の伝熱影響を極力受けないように、吸気温度センサ３１が通路形成部材３から所定量離れた中空に配置される。

具体的な一例として、この実施例の吸気温度センサ３１は、ボビン型の抵抗体形状を呈するサーミスタ素子であり、温度によって抵抗値が変化するサーミスタ本体と、このサーミスタ本体から延びる２本のリード線とを備える。そして、２本のリード線が蓋部２または通路形成部材３によって支持されることで、サーミスタ本体が通路形成部材３から所定量離れた中空に支持される。
吸気温度センサ３１の測定した吸気温度信号ｔａ（吸気温度に応じた信号）は、流量信号ｖｆと同様、デジタル回路１３で周波数変調した後にＥＣＵへ出力される（限定しない）。

（湿度センサ４１の説明）
この実施例のエアフロメータは、エンジンへ吸い込まれる吸気の湿度を測定し、測定した湿度信号をＥＣＵに出力するように設けられている。
具体的に、エアフロメータは、
・エンジンへ吸い込まれる吸気の湿度を測定する湿度センサ４１と、
・吸気温度センサ３１の測定した吸気温度信号ｔａを用いて湿度センサ４１の測定した湿度信号を補正する湿度補正手段４２と、
を備える。

この実施例の湿度センサ４１は、サブバイパス通路６内に配置されるものであり、具体的には流量センサ４に搭載された状態でサブバイパス通路６内に配置される。
さらに具体的な一例を開示すると、この実施例の湿度センサ４１は、センサ基板８の表面で、且つ吸気に触れる部位に搭載される。
なお、湿度センサ４１は、発熱ヒータ１４によって加熱されていない吸気の湿度を測定するように設けられる。一例として、図３に示すように、センサ基板８の表面における吸気の流れ方向に対して湿度センサ４１を流量検出部７と並列に配置し、発熱ヒータ１４の影響を受けない吸気の湿度を測定するように設けられる。もちろん、湿度センサ４１の搭載個所は並列個所に限定するものではなく、適宜変更可能なものである。

この実施例の湿度センサ４１は、周知の静電容量式であり、環境温度（湿度センサ４１の搭載箇所の温度）に応じて湿度を補正する手段（本発明の湿度補正手段４２とは異なる補正回路）を内蔵する。
具体的に、この実施例の湿度センサ４１は、市販の湿度検出用ＩＣと基本構成が略同じの周知構成を採用するものであり、
・空気が触れる部位（即ち、サブバイパス通路６を流れる空気に触れる部位）に配置され、触れる空気の相対湿度に応じて静電容量が変化する湿度検出部と、
・静電容量の変化を湿度信号（電圧信号）ｒｈ１に変換する増幅部と、
・湿度センサ４１が内蔵する回路上に搭載され、湿度センサ４１の環境温度ｔｗを測定する環境温度センサと、
・湿度信号ｒｈ１を環境温度ｔｗに基づいて補正し、補正後の湿度信号ｒｈ２を出力する内蔵補正回路４３と、
が一体化されている。

なお、内蔵補正回路４３は、環境温度ｔｗの変化によって変動する静電容量の値と、実際の相対湿度値との関係を実質的に一致させるものである。

この実施例では、湿度センサ４１の汚損を抑える目的で、湿度センサ４１をエアフロメータのサブバイパス通路６内に配置する構成を採用する。
しかし、サブバイパス通路６の内部に湿度センサ４１を搭載すると、吸気ダクト１の熱が通路形成部材３に伝わってしまい、伝熱による湿度センサ４１の温度上昇により吸気湿度の検出精度が低下する不具合がある。

そこで、湿度補正手段４２は、吸気温度センサ３１による吸気温度信号ｔａを用いて湿度センサ４１の測定した湿度信号ｒｈ２を補正する。
即ち、湿度センサ４１が伝熱により昇温した場合であっても、吸気温度センサ３１で測定した吸気温度信号ｔａ（伝熱の影響を受けていない吸気温度）に基づいて湿度センサ４１の測定した湿度信号ｒｈ２を補正することで、伝熱の影響を受けない湿度信号ｒｈ３を得るものである。

具体的な湿度補正手段４２は、センサ回路９に搭載されるものであり（限定しない）、湿度センサ４１の出力する湿度信号ｒｈ２を、吸気温度信号ｔａに基づいて補正し、補正後の湿度信号ｒｈ３を出力する。理解補助を目的として、補正制御の具体的な一例を説明すると、湿度補正手段４２は、吸気温度信号ｔａに応じた補正値を求め、求めた補正値により湿度信号ｒｈ２を加減算して補正後の湿度信号ｒｈ３を得るものである（限定しない）。より具体的な一例を示すと、吸気温度信号ｔａに応じた補正値は、図４に示すように、吸気温度が低い時に補正値が大きく、吸気温度が高くなるに従い補正値を小さくするものであり、吸気温度信号ｔａに応じた補正値は、マップにより付与しても良いし、演算式により付与しても良い。
そして、湿度補正手段４２で補正した湿度信号ｒｈ３は、流量信号ｖｆや吸気温度信号ｔａと同様、周波数変調した後にＥＣＵへ出力される（限定しない）。

（実施例１の効果１）
実施例１のエアフロメータは、湿度センサ４１を搭載するものであり、エアフロメータに搭載される吸気温度センサ３１の出力（吸気温度信号ｔａ）を用いて湿度センサ４１が出力する湿度信号ｒｈ２を補正して、補正後の湿度信号ｒｈ３（伝熱の影響を受けていない吸気湿度）を得るように設けている。
このため、湿度センサ４１がエンジン熱等からの伝熱の影響を受けても、伝熱の影響を排除した吸気湿度を測定でき、吸気湿度の検出精度を向上できる。

この実施例の具体的な効果を図５を参照して説明する。
（ｉ）本発明を用いずに、湿度センサ４１をサブバイパス通路６に設ける場合、図５のグラフＡに示すように、湿度信号ｒｈ１を環境温度ｔｗに基づいて補正しても、補正後の湿度信号ｒｈ２は通路形成部材３を介する伝熱の影響により、吸気湿度に対する相対湿度の誤差が大きいものになってしまう。
（ｉｉ）これに対し、本発明を採用して湿度補正手段４２で補正する場合は、湿度センサ４１をサブバイパス通路６に配置しても、伝熱の影響を受けない吸気温度信号ｔａで湿度信号ｒｈ２を補正することで、図５のグラフＢに示すように、補正後の湿度信号ｒｈ３の計測誤差を、湿度補正手段４２で補正しない場合（本発明を適用しない場合）の１／４に低減することができる。

このように、湿度センサ４１が吸気ダクト１の外部からの伝熱の影響を受けても、補正により吸気湿度の検出精度を向上できるため、湿度センサ４１の搭載制約を無くすことができる。このため、この実施例に示すように、伝熱の影響を受けやすい通路形成部材３の内部に湿度センサ４１を配置することができる。
即ち、湿度センサ４１の汚損を抑える目的で、湿度センサ４１をエアフロメータのサブバイパス通路６内に配置する構成を採用しても、吸気湿度の検出精度を向上できる。

（実施例１の効果２）
近年、車両の燃費向上や排気ガスのクリーン化の目的で、エンジンに吸い込まれる吸気の湿度を測定する必要性が高まっている。
そこで、流量センサ４と湿度センサ４１を一体化した複合エアフロメータは製造工程が複雑になり高価になってしまう。

これに対し、この実施例に示すように、基本構造が周知のエアフロメータに、周知の湿度センサ４１を組合せる構成を採用し、上述した湿度補正手段４２のみを新規に追加する構成を採用することで、安価で且つ高性能な「流量センサ４と湿度センサ４１を一体化した複合エアフロメータ」を得ることができる。
即ち、安価なコストで湿度センサを搭載したエアフロメータを提供することができるとともに、エアフロメータに搭載した湿度センサによって吸気の湿度を高精度に測定することが可能になる。

［実施例２］
実施例２を図６、図７を参照して説明する。なお、以下の実施例では、上記実施例１と同一符号は同一機能物を示すものである。
上記の実施例１では、吸気温度センサ３１が通路形成部材３の外部に設けられるエアフロメータに湿度センサ４１を搭載する例を示した。
これに対し、この実施例２では、吸気温度センサ３１がセンサ基板８に設けられるエアフロメータに湿度センサ４１を搭載するものである。

具体的に、図７に示すように、サブバイパス通路６の内部に配置されるセンサ基板８の上に、上述した吸気温度抵抗体１６とは別に、発熱ヒータ１４によって加熱されていない吸気の温度を測定する吸気温度センサ３１を設けるタイプのエアフロメータが知られている。
そこで、この実施例２は、センサ基板８に設けられる吸気温度センサ３１で測定した吸気温度信号ｔａに基づいて湿度センサ４１の出力する湿度信号ｒｈ２を補正するように設けるものである。
このように設けても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお、この実施例２において吸気温度センサ３１の測定した吸気温度信号ｔａは、通路形成部材３の伝熱の影響を受ける。吸気温度センサ３１の伝熱の影響は、内蔵温度センサの伝熱の影響より小さい。そこで、「吸気温度センサ３１が計測した吸気温度信号ｔａと内蔵温度センサが計測した環境温度ｔｗとの偏差（ｔａ−ｔｗ）」と「測定した吸気流量信号ｖｆ」に基づいて、湿度センサ４１の湿度信号ｒｈ２を補正するように設けても良い。

また、この実施例２は、上記実施例１とは異なる部位に湿度センサ４１を搭載する具体例を示すものであり、湿度センサ４１は、回路ハウジング１０の表面、またはセンサ回路９に搭載された状態で吸気に触れるように配置される。
なお、湿度センサ４１は、発熱ヒータ１４によって加熱されていない吸気の湿度を測定するものであり、一例としてこの実施例では図６（ｂ）に示すように、サブバイパス通路６の内壁に凹部を設けて、その凹部に湿度センサ４１を配置するこで、発熱ヒータ１４の影響を受けない吸気の湿度を測定するように設けている。

上記の実施例では、専用の吸気温度センサ３１（吸気温度抵抗体１６とは独立した温度検出素子）を設ける例を示したが、専用の吸気温度センサ３１を搭載しないエアフロメータであっても、吸気流量測定用に設けられる吸気温度抵抗体１６によって吸気温度信号ｔａを測定しても良い。即ち、吸気温度抵抗体１６の吸気温度信号を用いて湿度センサ４１の湿度信号を補正しても良い。

上記の実施例では、流量検出部７の具体例として、センサ基板８を用いたチップタイプを例に示したが、チップタイプに限定されるものではなく、ボビン型の抵抗体を用いるなど、他の構成の流量検出部７を採用しても良い。

上記の実施例では、通路形成部材３の内部に２つの空気通路（バイパス通路５とサブバイパス通路６）が形成されるエアフロメータを示したが、通路形成部材３の内部に１つの空気通路（吸気量測定通路）だけが形成されるエアフロメータに本発明を適用しても良い。

上記の実施例では、流量検出部７を通過する被測定空気の流れ方向が吸気ダクト１を流れる空気の流れ方向とは逆向きの例を示したが、流量検出部７を通過する被測定空気の流れ方向は、吸気ダクト１を流れる空気の流れ方向に沿う順方向や、吸気ダクト１を流れる空気の流れ方向に対して垂直方向など、限定されるものではない。

３通路形成部材
４流量センサ
５バイパス通路（通路）
５ａ取入口
６サブバイパス通路（通路）
３１吸気温度センサ
４１湿度センサ
４２湿度補正手段

Claims

エンジンへ吸い込まれる吸気流量を測定する流量センサ（４）を具備するエアフロメータにおいて、
このエアフロメータは、
前記エンジンへ吸い込まれる吸気の湿度を測定する湿度センサ（４１）と、
吸気温度を測定する吸気温度センサ（３１）と、
この吸気温度センサ（３１）の測定した吸気温度信号（ｔａ）を用いて前記湿度センサ（４１）が出力する湿度信号（ｒｈ２）を補正する湿度補正手段（４２）と、
吸気の一部が通過する通路（５、６）および吸気の取入口（５ａ）を形成し、前記流量センサ（４）および前記湿度センサ（４１）が前記通路（６）内に配置される通路形成部材（３）とを備え、
前記通路（５、６）には、吸気の流れの方向を前記取入口（５ａ）における方向から変化させる位置が存在し、前記取入口（５ａ）から取り入れられた吸気は、前記取入口（５ａ）における方向から流れの方向を変えられた後、前記流量センサ（４）および前記湿度センサ（４１）に到達し、
前記湿度補正手段は、前記吸気温度信号により把握した吸気温度の測定値に応じた補正値を求め、この補正値を、前記湿度信号により把握した湿度の測定値に加算することで補正を行い、
前記補正値と前記吸気温度の測定値との相関は、前記補正値がゼロよりも大きい範囲では、前記吸気温度の測定値が小さいほど前記補正値が大きくなるように設定されていることを特徴とするエアフロメータ。
請求項１に記載のエアフロメータにおいて、
前記吸気温度センサ（３１）は、前記通路形成部材（３）の外部に配置されることを特徴とするエアフロメータ。
請求項１に記載のエアフロメータにおいて、
前記吸気温度センサ（３１）は、前記通路（６）内に配置されるセンサ基板（８）上に設けられることを特徴とするエアフロメータ。