JPS58120121A - 内燃機関用空気流量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は自動車の内燃機関用空気流量計に係り、特に、
熱線式の空気流量計に関するものである。

自動車用内燃機関における吸気計量方法としては従来か
ら多くの提案がなされており、公知例となっている技術
も多い。現在実用化されている方法としては、吸入した
空気流の動圧を可動ベーンで受け、このベーンの傾斜角
に見合った電気信号を得て空気流量を検出する可動ベー
ン方式、カルマン渦の周波数で空気流量を検出するカル
マン渦方式、空気流量に比例して回転するスワラ−で吸
気量を検出するスワール式、熱線の抵抗値変化を利用し
た熱線式等がある。

これらの方式は、内燃機関の定常運転時で巡行走行して
いる時は空気流量を正確に検出することができるが、気
筒数が４気筒以下で内燃機関が低速回転しているときは
、吸気が脈動流となるので真の空気流量検出法としては
多くの問題点をもっている。

第１図は４気筒エンジンの吸気流量の変化を示す線図で
、横軸はクランク角を示している。空気流量零の線の下
側の斜線を施した部分は空気の逆流を示すもので、４気
筒エンジンの低回転出力域においてはこのように脈動を
伴っている。また、エンジンの吸排気弁をオーバーラツ
プさせている場合と吸気弁だけが開いている場合とでは
吸気流の動きが異なってくる。

即ち、吸排気弁がオーバーラツプして作動している時は
ピストン上昇に伴う排気弁側からの正圧で空気が吸気弁
側に逆流させられ、いわゆる空気の吹返し現象を生じる
。また、吸気弁だけが開いている場合は、上記吹返され
た空気を含んだ空気を再び吸引することになる。このよ
うな現象はエンジンの燃焼室の形状や吸排気管の形状お
よびエアクリーナの形状等によって異なる形態を示すが
、特にエンジンの低回転（６００〜３０００ｒｐｍ）お
よび吸入負圧１００聰Ｈｇ以下の状態　即ち、低回転出
力域において多く現われる。なお、第１図の脈動波形の
うちで斜線を施した部分は吸排気弁がオーバーラツプし
ている時に生じた逆流であり、零線以上の波形部分は吸
気弁だけが開いている時の正流を示している。

このような逆流現象を生じている時は、上記各種の方式
の空気量検出装置のいずれを用いても真の吸気量を検出
することはできない。特に、低コストで高応答性を主眼
として開発された従来の熱線式空気流量計において（ハ
、脈動気流中の逆流を区別して検出する手段がなく、第
２図のような信号が得られることになる。

第２図は熱線式空気流量計の出力信号を示す線図で、右
下りの斜線を施した部分Ｑ１は逆流信号であり、左下り
の斜線を施した部分Ｑ２は正流信号であるが、両者は同
様に検出されて一方向の出力しか取り出すことができな
い。したがって、逆流方向の流量θ、と順方向の流量θ
２との和が吸気量として検出されることになるので、逆
流方向の流量Ｑ、の２倍に相当する流量の検出誤差を生
じることになる。

熱線式空気流量計は応答性が優れていること、空気の質
量流量が測定できるので気圧補正を必要としない等の利
点をもっているが、機械的強度に問題があり、直径７０
〜１００μｍの白金線を気化器の吸気路内に張り渡した
場合は、熱線が振動して耐久性に不安全生じ易い。特に
、エンジンが不調である時に発生するバツクファイアに
よって機械的な損傷を受は易く、甚だしい場合は白金線
を断線させることもある。捷た、空気中に含まれる塵埃
が白金線に付着し、熱線式空気流量計の出力信号を変化
させる等の問題点をもっている。なお、この形式の吸入
空気量測定装置については、例えば次の公知例に記載さ
れている。

特公昭４９−４８８９３号 特公昭４７−１９２２７号 ５ＡＥＩ）ａｐｅｒＡ８００４６８ ｕｓｐ４３８２４９６６ 上記の問題点を解決するために中空セラミック支持体に
白金線を巻き付け、更にその上全被覆材でカバーして機
械的な強度を向上させた熱線プローブを作り、これを吸
気路のベンチュリ部を迂回するバイパス通路に配置する
形式のものが用いられるようになった。

第３図は従来の熱線プローブを設置したバイパス通路を
もつスロットルボディの断面図である。

スロットルボディ１の吸気路２にはベンチュリ部３が形
成され、その下流には絞り弁４が設置されている。また
、ベンチュリ部３を迂回してスロットルボディ１内にバ
イパス通路５が設けられ、その入口６をスロットルボデ
ィ１の上部拡大内径部に上向きに形成し、その出口８は
ベンチュリ部３に環状の隙間として形成している。この
ような形状のバイパス通路５内には一対の熱線プローブ
７ａ、７ｂが段違いに設置されている。

第４図は第３図の熱線プローブに接続する回路図である
。空気流速測定用抵抗体７ａ、温度補償用抵抗体７ｂお
よび抵抗器９ａ、９ｂによってホイートストンブリッジ
１０を構成し、その中点の電位差をオペアンプ１１を用
いた差動増幅回路で検出している。この信号をトランジ
スタ１２のベースに入力し、中点の電位が常に等しくな
るように閉ループ制御している。

第４図において、空気流速測定用抵抗体７ａの抵抗ｋＲ
，，温度補償用抵抗体７ｂの抵抗をＲｔ。

抵抗器９ａの抵抗＋Ｒ，１、抵抗器９ｂの抵抗器Ｒ１と
すると、次式が成立する。

実際はＲ−＞　Ｒｔとなっており、流速測定用抵抗体７
ａは加熱された状態となっているが、温度補償用抵抗体
７ｂは大気＠度から僅かに加熱された状態となっている
。したがって、空気温度が上昇したときはＲｔも昇温し
て抵抗が増加し、空気温度の上昇による影響を補償して
いる。また、空気温度が一定であればＲ１は一定となり
、Ｒ，は空気流量の如何にかかわらず一足値となるよう
にオペアンプ１１が作動してホイートストンブリッジ１
０に流す電流を制御する。即ち、バイパス通路５を流れ
る空気流速信号は、このホイートストンブリッジ１０の
中点の電流、又は、トランジスタ１２のエミッタの電位
によって知ることができる。

したがって、バイパス通路５を流れる空気量が求められ
る。

このように構成された従来の空気流量計は、上記のごと
く空気流の方向に関係なく流速に応じた信号を出力して
いる。したがって、エンジンの低速・高負荷運転時に吸
排気弁のオーバーラツプ期間に気筒から吸気マニホルド
に吸気が逆流する吹（７） き返し現象を生じた場合は、吹き返し空気も吸入空気量
として出力されていた。また、吸気の脈動が大きい運転
域になると、下記の理由で、真の空気流量よりも小石な
指示値となる傾向全もっている。

即ち、空気流速Ｕに対する熱線プローブ７の出力Ｅは一
般に次式で示される。

Ｅ２＝Ａ＋Ｂ圧・・・・・・・・・・・・・・・（２〕
但し、Ａ、Ｂは定数である。

第５図は（２）式の関係を示す線図で、その特性は非線
形となっている。即ち、吸気脈動によって熱線プローブ
７の空気流速がｕｔｆ中心にしてＵ。

〜Ｕ８間で正弦波として時間的な変化を行った場合を実
線Ａとすると、この場合は、熱線プローブ７の熱容量に
起因した応答遅れによって、熱線出力（はＥ１〜Ｅ３と
（はならないで、Ｅ１′〜Ｅ　３７間全変化する実線波
形Ｂとなる。このＢの振幅はＡに比べて小さい。

逆に、この波形Ｂから求められる空気流速波形はＡ′の
ように縮小して流速ｒｒｓ　ｕ　１　’〜ｕ　、　Ｉ　
とな（８） す、その平均値はｕ、Ｉ　となる。したがって、ｕ、−
ｕ、’分だけ低い値を熱線式空気流量計に示すことにな
り、この傾向は流速の変化が大きい程、脈動振幅が大き
い程大きくなる。

第６図は熱線式空気流量計の吸入負圧と空気流量との関
係を示す線図で、絞り弁開度が大となり吸入負圧が小さ
くなると、吸気脈動が発生するようになり、矢印で示す
Ａゾーンは吸気脈動が顕著に生じる領域である。また、
矢印で示すＢゾーンは吸気脈動域の中でも特に吹き返し
が顕著となる領域である。実線で示す直線が真の空気流
量線であるとすると、熱線プローブ７の出力から求めら
れる空気流量は丸印を連ねた特性となり、Ａゾーンにな
ると空気流量を示す熱線プローブ７の出力信号は低下し
て誤差が大となる。また、Ｂゾーンに入ると吹き返しの
影響を受けて真の値よりも大となり、正の誤差を生じる
ようになる。

上記のごと〈従来用いられていた熱線式空気流量計は、
吸気脈動域および吹き返しの領域に入ると空気計量誤差
が大となり、熱線を張り渡す方式（９） 全やめて機械的な強度を増加させた熱線プローブとして
もその欠点は改善されていないという欠点をもっていた
。

本発明は吸気脈動や吹き返し時の計量誤差を解消し、エ
ンジンに吸入される空気流量をすべての運転域で正確に
計量・検出することができる内燃機関用空気流量計全提
供することを目的と踵その特徴とするところは、バイパ
ス通路の入口と出口との間隔に対してバイパス通路の長
さを少くとも３倍以上に拡大させると共に、バイパス通
路の出口を主吸気路の下流に向けて開口させるように構
成したことにある。

第７図は本発明の熱線式空気流量計の説明図で、理論的
な計算を容易にするために模式化して示しである。主吸
気路２のベンチュリ部３の上流側に入口６を設け、ベン
チュリ部３に出口８を設けてスロットボディ１内に形成
したバイパス通路５内には熱線１３を設置している。い
ま、一点鎖線ａで示す入口６を通る断面における圧力ヲ
ｐ、とし、一点鎖線すで示す出口８を通る断面における
圧力（１０） をｐ、とすると、吸気脈動時に生じる圧力差ｐ１−ｐ２
は次式で表わされる。

Ａ！ ＋（１−（−））ρ・ｕ２２・曲間（２］ｌ 但し、Ｌは主吸気路２のａ、ｂ間の距離ρは空気密度 ξは摩擦損失係数 Ａ１は主吸気路のベンチュリ部３における断面積 Ａ２はバイパス通路５の断面積 ｕ、は断面すにおける主吸気路の空気流速である。

また、圧力差ｐｔ　　　ｐｇによって生じるバイパス通
路の空気流速Ｗは次式で表わされる。

但しｔはバイパス通路の長さである。なお、上記（２１
，（３）式の右辺第１項は空気流の慣性を示してい（１
１） る。

第８図はバイパス通路の出口における主吸気流速Ｕ、を
正弦波で変化させた場合のバイパス通路内の空気流速Ｗ
の計算結果を示す線図である。即ち、破線で示すＵ、の
振幅に比べて実線で示すＷの振幅が減少しているのは、
慣性遅れ効果によるものである。また、第７図の断面ａ
、ｂ間におけるベンチュリ効果、即ち”　１　　１）２
　ｏｅｌｌ、２の関係から、その平均値Ｗはｕ２よりも
大きくなる傾向を示す。このことはｔ／Ｌ（ｒ）値に関
連１１次。

ような特性を示すことになる。

第９図は第７図のバイパス通路による特性を示す線図で
、横軸は！、、／ＩＪ示し、縦軸にはｗ　／　ｕ。

の値を示している。即ち、Ｌ／Ｌｆ適切に選択すること
によって第６図のＡゾーンの吸気脈動の顕著な領域にお
ける熱線出力の低下金、慣性遅れ効果に伴うバイパス通
路の平均流速の増加でキャンセルすることが可能となる
。ただしこの場合はＢゾーンの吹き返し域ではその効果
が小さいのでＮ第６図に一点鎖線で示したような特性と
なること（１２） が予想される。

第１０図は吹き返し時のバイパス通路内の空気流速を示
す線図で、実線で示すＵ、は第７図のｂ断面における吸
気流速であり、破線Ｗはバイパス通路５内の空気流速で
ある。吹き返し時に逆流が生じる領域Ｘにおいて、主空
気流速Ｕ、は逆流の場合でも！、／Ｌを大きくしたバイ
パス通路５の空気流速ｗｉｔ正流となっている。したが
って、破線で示しているＷの波形をＸの領域だけ主空気
の逆流の動圧をバイパス通路５の出口８に作用させて正
流全抑制するようにすればバイパス通路５の空気流速が
零に近づいて一点鎖線で示すような特性となる。このよ
うにすると第６図のＢゾーンにおける一点鎖線は更に実
線で示す理想的な値に近づいて空気計量誤差を低減させ
ることが可能となる筈である。

第１１図は本発明の一実施例である空気流量計を備えた
スロットルボディの断面図で、第３図と同じ部分には同
一符号を付しである。この場合は絞り弁４を設けていな
いが、空気流１計としての（１３） 作用に変化はない。１４は第４図に示した熱線プローブ
７に接続した熱線駆動回路で、１５はバイパス通路５の
出口８に嵌合させた出口管である。

この出口管１５は主吸気路２の中心部まで突出してその
下面に出口８を設はバイパス通路の長さｔを伸ばしてい
る。その結果バイパス通路５の入口６と出口８との距離
ｔｔａバイパス通路５の両端部間の主吸気路２中の間隔
りの３〜４倍にも達する。

したがって、バイパス空気流に上記した慣性遅れ効果を
与えると共に、バイパス通路５の出口８を逆流の動圧が
作用する方向に開口させであるので、吹き返し時のバイ
パス空気流の正流を抑制して計量誤差の低減を図ること
ができる。

第１２図、第１３図および第１４図は第１１図の変形例
である空気流量計を備えたスロットルボディの断面図で
ある。第１２図はバイパス通路５の入口側にもＬ字形の
入口管１６を取り付けたもの、第１３図はバイパス通路
５の出口管１６をベンチュリ部３内を半周させた環状通
路１７の先端に取り付けたもの、第１４図は環状通路１
７を出（１４） 口側に形成したバイパス通路５の入口側に入口管１６を
取り付けたものである。第１２図は、バイパス通路５の
長さ全史に拡張させ４〜６倍として慣性遅れ効果を助長
させると共に、第６図のＡゾーンでの熱線出力から求め
られる空気流量指示値の低下を防止して計量誤差を低減
させている。また、吹き返しに関しては第１１図の場合
と同様である。

第１３図の場合は出口８が下流側に開口して逆流の動圧
を取り入れている点は第１１図、第１２図の場合と同様
である。また、第１４図はｔｆ大きくするために入口管
１７を設けた点は第１２図と同じであるが、逆流の動圧
を出口８に作用させるために、環状通路１７に沿って環
状スリット状の出口８を下向きに開口して同様な効果を
得ようとしたものである。

このようなスロットルボディ１のバイパス通路５を形成
することによって、従来第６図のＡゾーンで生じていた
空気流量指示値の低下と、Ｂゾーンで生じていた指示値
が大きくなるという２種の（１５） 計量誤差を大幅に低減させることができる。

第１５図は第１２図の熱線式空気流量計の吸入負圧と空
気流量との関係を示す線図で、従来の第６図に対応する
ものである。実線で示す理初的な空気流量線に対し、丸
印のごとく本実施例の特性ｆ′ｉＡ、Ｂゾーンにおいて
も殆んど空気計量誤差を生じていない。この場合はＬ＝
　３０Ｍ、　７＝　１２０簡でｔ／Ｌ＝４となっている
。また、他の実施例についてもほぼ同等の結果が得られ
た。なお、エンジン回転数は１１０００ｒｌ）の場合に
ついての実験結果を示しであるが、１０００〜６０００
ｒｌ）ｍの範囲でも効果を得ることができるし、気筒数
が４以下であっても顕著な効果が得られる。

本実施例の熱線式空気流量計は、バイパス通路の長さを
増加させると共に、吹き返し時の逆風圧力をバイパス通
路に取り込むような下向きの開口をバイパス通路の出口
に設けることによって、エンジン吸入負圧が小さく吸気
流量が多い脈動が多い運転状態においても、また、吹き
返し逆流の多い状態においても空気量の計量誤差を大幅
に減少（１６） させることができるという効果が得られる。

本発明の内燃機関用空気流量計は、吸気脈動や吹き返し
による＃量誤差をバイパス通路の僅かな改良によって解
消させることが可能となり、すべての運転域で正確に計
量して好適な運転全行うことができるという効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は４気筒エンジンの吸気流量の変化を示す線図、
第２図は熱線式空気流量計の出力信号を示す線図、第３
図は従来の熱線プローブを設置したバイパス通路をもつ
スロットルボディの断面図、第４図は第３図の熱線プロ
ーブに接続する回路図、第５図は空気流速と熱線出力と
の関係を示す線図、第６図は熱線式空気流量計の吸入負
圧と空気流量との関係を示す線図、第７図は本発明の熱
線式空気流量計の説明図、第８図はバイパス通路の出口
における主吸気流速ｕｚｆｆｉ正弦波で変化させた場合
のバイパス通路内の空気流速Ｗの計算結果を示す線図、
第９図は第７図のバイパス通路による特性を示す線図、
第１０図は吹き返し時のバイパス（１７） 通路内の空気流速を示す線図、第１１図は本発明の一実
施例である空気流量計を備えたスロットルボディの断面
図、第１２図〜第１４図は第１１図の変形例である空気
流量計を備えたスロットルボディの断面図、第１５図は
第１２図の熱線式空気流量計の吸入負圧と空気流量との
関係を示す線図である。 １・・・スロットルボディ、２・・・主吸気路、３・・
・ヘンチュリ部、５・・・バイパス通路、６・・・入口
、７・・・熱線プローブ、８・・・出口、９・・・抵抗
器、１０・・・ホイートストンブリッジ、１１・・・オ
ペアンプ、１２・・・トランジスタ、１３・・・熱線、
１４・・・熱線駆動回路、（１８） 第　１　図 寥３　図 第４図 １０６ 第　乙　図 第　７　図 第　δ　図 第　／θ　図 第　／２　図 茹／４　図 第　７５　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、主吸気路のベンチュリ部とその上流部とを連通させ
   るためにスロットルボディ内に設けたバイパス通路と、
   このバイパス通路内に設置した熱線プローブとを有し、
   上記バイパス通路内の空気流速を測定して内燃機関への
   吸入空気量を求める内燃機関用空気流量計において、上
   記バイパス通路の入口と出口との間隔に対して上記バイ
   パス通路の長さを少くとも３倍以上に拡大させると共に
   、上記バイパス通路の上記出口を上記主吸気路の下流に
   向けて開口させるように構成したことを特徴とする内燃
   機関用空気流量計。