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JP6641789B2 - 空気流量測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンシステムに用いられる吸入空気の流量を測定する空気流量測定装置に関する。
従来、吸入空気の複数の物理量を検出しつつ、空気との伝熱を利用して吸入空気の流量を測定する熱式の空気流量測定装置が知られている。エンジンシステムでは、低燃費化を図るために、高度なエンジン制御が求められている。そのため、吸入空気の流量のみならず吸入空気の絶対湿度、温度、圧力等の物理量も高精度に、測定することが求められる。これらの物理量はエンジンシステムの燃焼過程に関わる重要な情報となり、燃料噴射時間等の計算のために用いられる。以下、吸入空気を吸気と呼ぶ。
例えば、特許文献1と特許文献2の空気流量測定装置では、吸気の絶対湿度の算出のために湿度センサが配置されている。この湿度センサは、相対湿度検出部と相対湿度から絶対湿度を算出するための温度検出部を備える。一方で、この湿度センサの温度検出部とは別に、吸気温度を検出する吸気温度専用の温度検出部が、吸気が直接接触する位置に配置されている。
特開2011−075357号公報 特開2015−004556号公報
特許文献1と特許文献2に開示された構成では、吸気の絶対湿度を算出するため、湿度センサに相対湿度検出部と温度検出部を備えている。湿度センサの温度検出部は、空気流量測定装置内で分岐する副路を介して吸気を取り込んでおり、吸気に直接接触しない位置に配置されている。このため、真の吸気温度を検出できず、吸気に直接接触する位置に温度検出部を追加して配置し、2つの温度信号を出力している。これでは吸気温度測定専用に、温度検出部を余分にもつこととなる。したがって、部品点数が多くなり、端子、ハーネス等の部品点数が増加し、装置構成が複雑となるという問題がある。
さらに、湿度センサの相対湿度検出部は、吸気に直接接触しない位置に配置されているため、吸気の相対湿度を正確に測定できず、相対湿度の測定誤差により、吸気の絶対湿度の算出の精度が低下するという問題もある。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、吸気の温度測定専用の温度センサを用いずに、吸気の絶対湿度の算出と温度の測定とを高精度に行う空気流量測定装置を提供することにある。
本発明は、エンジンシステムに吸入される吸入空気が流れる吸気流路に配置され、吸気流路を流れる吸入空気の流量を測定する空気流量測定装置である。この空気流量測定装置は、筐体と流量センサと、筐体の外壁から突出するセンサモジュールとを備える。
筐体は、吸入空気の一部を取り込み通過させるバイパス流路を形成する。
流量センサは、バイパス流路に配置され、バイパス流路に取り込まれた吸入空気の流量に応じた信号を発生する。
センサモジュールは、吸気流路に露出し、吸気流路を流れる吸入空気の相対湿度を検出する相対湿度検出部と吸気流路を流れる吸入空気の温度を検出する温度検出部とを含む複合検出部を有している。複合検出部は、センサモジュール内において筐体と離間した部位に配置されている。
合検出部は、吸気流路に露出しており、センサモジュールと結合されて一体化されており、筐体と離間して配置される。なお、複合検出部内の相対湿度検出部と温度検出部は、近隣箇所に配置されていることが好ましい。さらにセンサモジュールは、複合検出部と樹脂モールドされて一体化されることが好ましい。
本発明では、筐体の外壁から突出するセンサモジュールは、相対湿度検出部と温度検出部を有し、筐体と離間して配置され、吸気流路に露出している複合検出部を備える。複合検出部は、吸気流路に露出しているため、吸気流路の吸気に直接接触する。さらに、複合検出部は、筐体と離間して配置されるため、筐体に接触することもない。したがって、複合検出部は吸気の熱が直接熱伝達され、且つ、筐体からの熱伝達により吸気の温度上昇がなく筐体の影響を無視することができ、吸気温度を高精度に測定できる。
さらに、相対湿度検出部と温度検出部とを備える複合検出部は、相対湿度検出部の温度と吸気流路の温度を直接同時に検出できる。このため、相対湿度から絶対湿度への算出と吸気温度の測定とを、高精度にできる。したがって、従来技術に対し、吸気流路の温度測定専用の温度センサの数をゼロにすることができ、且つ、吸気の相対湿度から絶対湿度への算出と温度の測定とを高精度に行うことができる。
本発明の第1実施形態による空気流量測定装置が用いられるエンジンシステムの構成図。 本発明の第1実施形態による空気流量測定装置の斜視図。 本発明の第1実施形態による空気流量測定装置をエアダクトに装着した状態の構成図。 本発明の第1実施形態による空気流量測定装置の構成図。 本発明の第1実施形態によるセンサモジュールの構成図。 本発明の第1実施形態によるシステムブロック図。 本発明の第2実施形態によるシステムブロック図。
[エンジンシステムの構成]
まず、エンジンシステムの概略構成について図1を参照して説明する。
図1に示すように、エンジンシステム10は火花点火式のエンジン13を備えている。エンジン13は、例えば、四気筒等の多気筒エンジンであり、図1では1気筒の断面のみを図示する。以下に説明する構成は、図示しない他の気筒にも同様に設けられている。
図1のエンジンシステム10はEGR(排気還流)システムを有していないものとする。或いは、EGRシステムを有している場合でも、本実施形態の特徴とは関連性が低いため、図示を省略する。さらに、排気流路に設けられる触媒の図示も省略する。
エンジン13は、エアクリーナ12とスロットル弁14を通じて吸気マニホールド15から供給される吸気とインジェクタ16から噴射される燃料との混合気を燃焼室17内で燃焼させ、その燃焼時の爆発力によりピストン18を往復運動させる。燃焼ガスは、排気マニホールド20等を通じて大気中に放出される。
燃焼室17の入口であるシリンダヘッド21の吸気ポートには吸気弁22が設けられ、また燃焼室17の出口であるシリンダヘッド21の排気ポートには排気弁23が設けられている。吸気弁22及び排気弁23は、バルブ駆動機構24におり開閉駆動される。吸気弁22のバルブタイミングは、可変バルブ機構25により調整される。
燃焼室17の混合気の点火は、点火コイル19から点火プラグ11に高電圧を印加することにより、燃焼室17で火花放電を発生させる。
電子制御ユニット27は、CPU、ROM、RAM及び入出力ポート等からなるマイコンによって構成されており、図中は、「ECU」と表す。
破線矢印で示すように、電子制御ユニット27は、スロットル開度センサ28及び空気流量測定装置1からの検出信号が入力される。電子制御ユニット27は、これらのセンサからの検出信号に基づき、燃焼噴射時間等の計算に用いて、実線矢印で示すように、スロットル弁14及びインジェクタ16を駆動してエンジン13の運転状態を制御する。このように、空気流量測定装置1からの検出信号は、エンジンシステム10での運転状態を高精度に制御する上で、重要な情報である。
(第1実施形態)
[空気流量測定装置の構成]
第1実施形態の空気流量測定装置の構成について、図2〜図6を用いて説明する。
空気流量測定装置1は、筐体7と流量センサ80とセンサモジュール40とで構成されている。
図2に示すように、筐体7は、吸気を通すバイパス流路60が形成され、筐体7と一体に設けられるセンサコネクタ9とバイパス流路60を通る吸気との伝熱により吸気の流量に応じた出力を発生する流量センサ80とを備える。例えば、筐体7は、樹脂成形時にセンサコネクタ9と同時に成形される。樹脂は、例えば、エポキシ樹脂やフェノール樹脂が用いられる。
図3に示すように、筐体7は、バイパス流路60を形成して吸気流路2に突出するバイパス形成部30と、バイパス形成部30の根元である嵌合部12と、エアダクト4にネジ締結される取付け部13とを有する。
図2を参照して、バイパス流路60は、吸気流路2に対して吸気の流れの上流側に向かって開口する吸気の入口61を有する。また吸気流路2に対して吸気の流れの下流側に向かって開口する吸気の出口62を有する。さらに、入口61から吸気を直進させる直進路63と、直進路63を直進してきた吸気を周回させる周回路64とを有する。
これにより、バイパス流路60の流路長は、バイパス流路60に取り込まれずに吸気流路2を直進した場合の流路長よりも長くなる。周回路64は下流側で2つに分岐しており、出口62は2つ設けられている。直進路63には、ダストを排出するためのダスト排出路65が直線的に接続しており、ダスト排出路65の下端部は、吸気流路2に対し吸気の流れの下流側にむかって開口するダスト排出口66をなす。
バイパス形成部30は、嵌合部12の軸方向両面の内、一方の端面から垂直に伸びており、エアダクト4の路壁3に設けられた挿入口34から吸気流路2に挿入される。筐体7の中核部分をなし、吸気流路2を流れる吸気の一部をバイパス流路60に取り込んで通過させる。
嵌合部12は、円筒状に設けられ、外周面にはOリング35が嵌まる環状の溝が設けられている。そして、嵌合部12は、エアダクト4の路壁3の挿入口34に嵌まることで、Oリング35により吸気流路2を外部に対して封鎖する。
取付け部13は、バイパス形成部30と反対側の嵌合部12の端面に設けられ、エアダクト4にネジ締結される。
センサコネクタ90は、電源端子91、グランド端子92、センサモジュール用端子93、94、流量検出端子95とで構成され、嵌合部12と反対側の取付け部13の端面に設けられている。端子91、92、93、94、95は、センサコネクタ90の内部にあって、外部と接続可能な外部端子と結線されている。
流量センサ80は、バイパス流路60に配置され、バイパス流路60を通る吸気との伝熱により吸気の流量を検出する流量検出部81と、流量検出部81に内蔵される信号処理部82が設けられている。流量検出部81は、例えば、半導体基板の表面に薄膜抵抗体で形成された発熱素子と感温素子とで形成される。
流量検出部81は、周回路64の最も奥側であって直進路63から最も遠い位置に露出している。また、周回路64において流量検出81が配置される位置では、吸気の流れは、直進路63における流れや吸気流路2における流れとは逆向きである。
電源端子91は電源に接続され、グランド端子92はアースに接続される。これにより、流量検出部81は、吸気流路2を流れる吸気の流量の検出が可能になる。また流量検出部81で吸気の流量に応じた出力は、信号処理部82にて流量に応じた信号に処理され、空気流量測定装置1の外部にある電子制御ユニット27に、流量検出端子95を通じて出力される。
センサモジュール40は、筐体7の外壁から突出されており、吸気流路2を流れる吸気の相対湿度と温度とを検出する複合検出部41を備える。また、電源端子51とグランド端子52と出力端子53、54で構成されるモジュールコネクタ50と、信号処理回路55とを備える。センサモジュール40は、例えば、樹脂成形時に、複合検出部41とモジュールコネクタ50と信号処理回路55とが一体にして樹脂モールドされてもよい。
図4に示すように、センサモジュール40は、嵌合部12から吸気流路2の中央に向かって突出して、挿入されている。ここで、センサモジュール40が嵌合部12から突出する方向は、バイパス形成部30が吸気流路2に露出する方向、すなわちエアダクト4の径方向と同じであり、バイパス形成部30の外側面36に平行している。
複合検出部41は、吸気流路2を流れる吸気の相対湿度を検出する相対湿度検出部42と吸気流路2を流れる吸気の温度を検出する温度検出部43とを備える。相対湿度検出部42は、例えば、相対湿度の変化に伴う高分子膜の誘電率変化を利用するものであり、相対湿度に応じて誘電率が変化するポリイミド等の高分子膜を備える。温度検出部43は、例えば、温度に応じて電気抵抗が変化するセラミック半導体であるサーミスタを備える。
図5のように、複合検出部41は、センサモジュール40と結合され、一体化されている。第1実施形態では、複合検出部41は、吸気流路2に露出するように、センサモジュール41の外面に結合されている。なお、複合検出部41は、少なくとも一部が露出されるように、センサモジュール4内に結合されて一体化されてもよい。相対湿度検出部42と温度検出部43は、複合検出部41内で離間されている。
複合検出部41は、筐体7の外壁から突出するセンサモジュール40により、筐体7と離間される。さらに、エアダクト4の径方向の中心側に配置されるように、センサモジュール40の先端部45に配置される。
モジュールコネクタ50は、センサモジュール40の後端部46、すなわち、挿入側に配置される。電源端子51は、流量センサコネクタ90の電源端子91と結線されて接続される。同様に、モジュールコネクタ50のグランド端子52は、流量センサコネクタ90のグランド端子92と結線されて接続されている。これにより、複合検出部41は、吸気流路2を流れる吸気の相対湿度と温度の検出が可能になる。
ここで、電源端子とグランド端子は共用しているが、別に端子を設けて、別電源に接続又は別アースに接続してもよい。
モジュールコネクタ50の出力端子53は、センサコネクタ90のセンサモジュール用端子93と結線されて接続し、同様に、出力端子54は、センサコネクタ90のセンサモジュール用端子94と結線されて接続する。
信号処理回路55は、複合検出部41とモジュールコネクタ50の間に配置される。複合検出部41で検出した吸気流路2を流れる吸気の相対湿度と温度は、信号処理回路55により、応じた信号に処理される。そして、処理された信号は、空気流量測定装置1の外部にある電子制御ユニット27に、センサモジュール用端子93、94を通じて出力される。ここで、センサモジュール用端子93、94を1つにしてもよい。また、複合検出部41で検出した吸気の相対湿度と温度は、吸気相対湿度出力と吸気温度出力として、電子制御ユニット27に直接出力されてもよい。このとき、電子制御ユニット27は信号処理回路55の処理をしてもよい。吸気温度出力は、電子制御ユニット27を介して、エンジンシステム10の吸気温度の情報として用いられる。
例えば、出力端子53、54とセンサモジュール用端子93、94の間に、処理回路を設け、処理回路には、A/Dコンバータとインタフェース回路を備える。A/Dコンバータは、マルチプレクサ方式又は同時サンプリング方式で、複合検出部41で検出した相対湿度と温度の出力をデジタル信号へ変換する。インタフェース回路は、変換されたデジタル信号を互いに関連づけて1フレームに格納する。1フレームは、複数のデータが含まれる。
フレームに格納されたデータは、例えば、米国自動車技術会規格SAE−J2716に準拠したパルス信号の形で伝送される。つまり、複合検出部41で検出した相対湿度と温度は、SENT方式で伝達される。SENTとは、Single Edge Nibble Transmissionのことである。この処理を信号処理回路55がおこなってもよい。これにより、単線にすることができるため、センサモジュール用端子93、93を1つにすることができる。
図6を参照して、複合検出部41を用いた吸気の絶対湿度の算出と温度の測定について説明する。空気流量測定装置1の流量センサ80は、吸気との伝熱により吸気の流量Qに応じた信号を電子制御ユニット27に伝達する。複合検出部41の相対湿度検出部42は、吸気流路2から入る吸気の相対湿度Uを検出し、相対湿度Uに応じた出力をする。また温度検出部43は温度Tを検出し、温度Tに応じた出力をする。ここで、温度Tは、吸気温度Tqと相対湿度検出部の温度を表す。信号処理回路55は、取得した温度Tを用いて、取得した相対湿度Uから絶対湿度Dへ算出する。
そして、算出された絶対湿度Dと吸気温度Tqに応じた信号に処理をし、電子制御ユニット27へ情報を伝達する。電子制御ユニット27は、得た情報を制御信号としてスロットル弁14とインジェクタ16等へ伝達し、吸気量や燃料噴射量等を制御する。
そして、本実施形態では、筐体7の外壁から突出するセンサモジュール40は、吸気流路2に露出している複合検出部41を備える。複合検出部41は、吸気流路2の吸気の相対湿度を検出する相対湿度検出部42と吸気流路2の吸気の温度を検出する温度検出部43を有することを特徴とする。
(効果)
(1)センサモジュール40は、筐体7の外壁から突出しているため、複合検出部41は、吸気流路2に流れる吸気に直接接触し、温度検出部43も吸気に直接接触する。これにより、温度検出部43は吸気から直接熱伝達される。さらに、温度検出部43は、筐体7と離間して配置されているため、筐体7からの熱伝達による吸気の温度上昇がなくなり、筐体7からの熱伝達の影響を無視できる。したがって、吸気の温度を高精度に測定することができる。
(2)複合検出部41は、相対湿度検出部42と温度検出部43とを備えるため、温度検出部43は、吸気温度の測定と相対湿度検出部42の温度測定が同時にできる。温度が変化するとき、水蒸気を含む気体の体積が変化するため、高精度な絶対湿度の算出には相対湿度だけでなく、温度の情報が必要である。したがって、温度検出部43から得られる温度を用いて、吸気温度の精度向上効果とともに、吸気の相対湿度から絶対湿度をより高精度に算出することができる。
特開2013−036892号公報に、相対湿度検出部及び温度検出部をもつ空気流量測定装置の構成は開示されている。しかし、この構成では温度検出部の位置が特定されていない。第1実施形態においては、複合検出部41が有する相対湿度検出部42と温度検出部43は、センサモジュール40と結合されて一体になっている。これにより、吸気の絶対湿度の算出と温度の測定とを高精度にすることを可能にしている。また吸気の絶対湿度の算出と温度の測定は、エンジンシステムの制御に影響するため、吸気の絶対湿度と温度とを高精度に測定できる意義は大きい。
中でも、エンジンシステムにおいては、車両の運転状況によって、エアダクト4や吸気マニホールド15の環境が大きく変化する中、燃焼室の燃焼状態を良好な状態に実現するために、特に高度な制御が要求される。しかも、空気流量測定装置の搭載スペースの制約やコスト低減の要請も厳しい。よって、本実施形態により、吸気の絶対湿度の算出と温度の測定とを高精度にすることは特に有効である。
さらに、相対湿度検出部42と一体にある温度検出部43は、相対湿度から絶対湿度への算出と吸気の温度の測定とが同時に可能になるので、従来あった吸気温度測定専用センサが廃止できるようになる。したがって、吸気温度測定専用センサのコネクタ端子、エンジンECUへのハーネスを低減させることもできる。
(第2実施形態)
第2実施形態について、図7を参照して説明する。複合検出部41はさらに、圧力検出部44を備える。圧力検出部44は、例えば、圧力の変化に伴う金属又は半導体等の電気抵抗の変化を利用するものであり、圧力により変形するダイヤフラムを形成したシリコンを備える。圧力検出部44用の出力端子は、モジュールコネクタの出力端子53、54と兼用してもよいし、別に端子を追加して、別端子に接続してもよい。
圧力検出部44は吸気流路2から流れる吸気の圧力を検出し、圧力に応じた出力をする。吸気の圧力Pは、相対湿度検出部42から得た相対湿度Uと温度検出部43から得た温度Tとともに、絶対湿度Dの算出に用いられる。ここで、圧力Pは、吸気圧力Pqと相対湿度検出部42における圧力を表す。信号処理回路55は、第1実施形態と同様に、取得した温度Tと圧力Pを用いて、取得した相対湿度Uから絶対湿度Dを算出する。そして、算出した絶対湿度D、吸気温度Tqと吸気圧力Pqに応じた信号に処理をし、電子制御ユニット27へ情報を伝達する。第1実施形態と同様に、電子制御ユニット27は制御を行う。
(効果)
水蒸気を含むすべての気体は分圧の影響をうけるため、絶対湿度の算出は、圧力の影響を受ける。エアクリーナ12が正常な場合、大気から導入される吸気流路2の圧力Pは大気圧と等しいので、大気圧の値を用いれば、絶対湿度の算出の精度に影響しない。しかし、エアクリーナ12が目詰まりした場合、吸入時に吸気の圧力損失が大きくなり、吸気流路2の吸気の圧力は大気圧と比較して低下する。このような場合、圧力が変化しているため、吸気流路2の絶対湿度の算出時に誤差が生じる。したがって、圧力検出部44が吸気流路2を流れる吸気の圧力を直接測定することで、吸気流路2を流れる吸気の絶対湿度の算出をより高精度にできる。さらに、吸気圧力として、エンジンシステム10にも用いることもできる。
特開2010−151795号公報に、相対湿度検出部、温度検出部及び圧力検出部が備わる空気流量測定装置は開示されている。しかし、空気流量測定装置内で分岐する副路を介しており、吸気と直接接触しておらず、吸気を高精度に測定できる構成にはなっていない。第2実施形態では、第1実施形態と同様に、圧力検出部44は、吸気流路2に露出しており、吸気と直接接触する。したがって、吸気流路2の吸気の圧力を高精度に測定できる。
圧力検出部44が測定する圧力は、吸気圧力の情報としても用いることができるため、エンジンシステムの高精度な制御を行う場合に、有効である。さらに、エンジンシステムの高精度制御のために、別途、吸気圧力センサを設ける必要がなくなるため、コネクタ端子、電子制御ユニット27へのハーネスを低減させることにも有効である。
(その他実施形態)
(ア)複合検出部41は、センサモジュール40の後端部46又は中央部47に配置されてもよい。複合検出部41の配置位置を問わず、上記実施形態と同様の効果を奏する。
(イ)複合検出部41の相対湿度検出部42、温度検出部43及び圧力検出部44は同一箇所に集約されてもよい。同一箇所にあることで、温度検出部43は、相対湿度検出部42と密接になるため、より高精度に相対湿度検出部42の温度測定が可能になる。圧力検出部44も、同様の効果を奏する。
(ウ)複合検出部41と信号処理回路55とを同一箇所に集約してもよい。同一箇所にすることで、センサモジュール自体の大きさをさらにコンパクト化できるため、軽量化又は材料費の削減による低コスト化につながる。
(エ)モジュールコネクタ50の端子を3つにしてもよい。電源端子51とグランド端子52は確保しつつ、出力端子53、54を1つにする。SENT方式を用いて、複合検出部41が検出した物理量(相対湿度、温度、圧力)の出力を、1つの信号へ処理を行う。これにより、端子数のみならず、ハーネス等の配線部品が低減でき、構成がさらに簡素化できる。
(オ)センサモジュール40は、筐体7の樹脂成形の時に、複合検出部41と信号処理回路55とモジュールコネクタ50とともに、筐体7と一体に成形されてもよい。これにより、成形工程が簡略化され、低コスト化につながる。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
1 ・・・空気流量測定装置、
2 ・・・吸気流路、
7 ・・・筐体、
10 ・・・エンジンシステム、
60 ・・・バイパス流路、
80 ・・・流量センサ、
81 ・・・流量検出部、
40 ・・・センサモジュール、
41 ・・・複合検出部、
42 ・・・相対湿度検出部、
43 ・・・温度検出部。

Claims (4)

  1. エンジンシステム(10)に吸入される吸入空気が流れる吸気流路(2)に配置され、前記吸気流路を流れる吸入空気の流量を測定する空気流量測定装置(1)において、
    吸入空気の一部を取り込み通過させるバイパス流路(60)を形成する筐体(7)と、
    前記バイパス流路に配置され、前記バイパス流路に取り込まれた吸入空気の流量に応じた出力を発生する流量センサ(80)と、
    前記筐体の外壁から突出するセンサモジュール(40)と、
    を備え、
    前記センサモジュールは、前記吸気流路に露出し、前記吸気流路を流れる吸入空気の相対湿度を検出する相対湿度検出部(42)と前記吸気流路を流れる吸入空気の温度を検出する温度検出部(43)とを含む複合検出部(41)を有し、
    前記複合検出部は、前記センサモジュール内において前記筐体と離間した部位に配置されていることを特徴とする空気流量測定装置。
  2. 前記温度検出部が検出する温度は、吸気温度出力として電子制御ユニット(27)に出力されることを特徴とする請求項1に記載の空気流量測定装置。
  3. 前記センサモジュールは、温度に応じて絶対湿度を算出し、算出された絶対湿度と前記吸気流路の吸入空気の温度とを出力する信号処理回路(55)をさらに有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の空気流量測定装置。
  4. 前記複合検出部は、前記吸気流路を流れる吸入空気の圧力を検出する圧力検出部(44)を、さらに含むことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の空気流量測定装置。
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