(57)【要約】【課題】内燃機関の吸気流量を高精度に計測する吸気流量計測方法及び吸気システムを提供する。【解決手段】本発明は内燃機関７に接続される吸気管３と、吸気管に設けられ吸気管を流れる空気流量を計測する空気流量計４と、を備えた吸気システムと、このシステムにおける吸気流量計測方法であって、空気流量計の下流側の吸気管に、空気流量の脈動に伴って空気流量計において発生する定在波を減衰させる減衰手段５を設け、減衰手段によって定在波が抑制された状態で空気流量を計測することを特徴とする。計測方法により空気流量計内の流路に生じる定在波を減衰させ、吸気流量を高精度に計測することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に接続される吸気管と、前記吸気管に設けられ前記吸気管を流れる空気流量を計測する空気流量計と、を備えた吸気システムにおける吸気流量計測方法であって、
前記空気流量計の下流側の前記吸気管に、前記空気流量の脈動に伴って前記空気流量計において発生する定在波を減衰させる減衰手段を設け、前記減衰手段によって前記定在波が抑制された状態で空気流量を計測することを特徴とする吸気流量計測方法。
【請求項２】
前記空気流量計は、その内部に前記吸気管を流れる空気の一部を流通させる主流路と、前記主流路の途中に設けられる流量検出部とを備えており、
前記定在波は、前記主流路に生じる定在波である請求項１記載の吸気流量計測方法。
【請求項３】
前記減衰手段として、その固有振動数が前記定在波の周波数に対応する共鳴器を用いる請求項１又は２に記載の吸気流量計測方法。
【請求項４】
前記減衰手段として、前記定在波と逆位相となる音波を発生するスピーカを用いる請求項１又は２に記載の吸気流量計測方法。
【請求項５】
内燃機関に接続される吸気管と、前記吸気管に設けられ前記吸気管を流れる空気流量を計測する空気流量計と、前記空気流量計の下流側の前記吸気管に設けられる減衰手段と、を備える吸気システムであって、
前記減衰手段は、前記空気流量の脈動に伴って前記空気流量計において発生する定在波を減衰させることを特徴とする吸気システム。
【請求項６】
前記空気流量計は、その内部に前記吸気管を流れる空気の一部を流通させる主流路と、前記主流路の途中に設けられる流量検出部とを備えており、
前記定在波は、前記主流路に生じる定在波である請求項５記載の吸気システム。
【請求項７】
前記減衰手段は、その固有振動数が前記定在波の周波数に対応する共鳴器である請求項５又は６に記載の吸気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸気流量計測方法及び吸気システムに関する。詳しくは、内燃機関の吸気流量を高精度に計測する吸気流量計測方法及び吸気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両等に用いられる内燃機関の運転制御をするために、その吸気流量を計量する空気流量計（エアフローメータともいう）が用いられている。例えば、空気流量計は内燃機関に接続される吸気管中に設けられ、その空気流量計に吸気管内を流れる空気の一部を導き、空気流量計内の流量検出部（センサ）を通過する空気量を計測することによって、吸気流量が検出されている。
しかし、吸気管を流れる空気流量には、内燃機関への吸気に伴って脈動が生じるため、空気流量の計測に誤差を生じたり、吸気管から吸気音が発生したりする問題がある。これらを改善するため、空気流量の脈動を低減する技術や、吸気音を低減する技術等が知られている（例えば、特許文献１〜３）。
特許文献１においては、空気流量計の下流の吸気ダクト（吸気管）に容積室（共鳴器）を設け、吸気ダクト内に生じる吸気音を低減する消音器が提案されている。この共鳴器の周波数特性等は、吸気音を打ち消すことができるように調整される。
また、特許文献２には、空気流量計より上流に設けられるエアクリーナ容器に大気解放される空気通路を設けることによって、脈動流れの圧力の高い部分を空気通路より外部へ逃がし、吸気流れの脈動振幅を平坦化させて吸気流量を高精度に計量し得る空気流量測定装置が提案されている。
更に、特許文献３には、空気流量計の両側方に整流板を設けることにより、上流に設けられた格子状の整流板によって乱れた空気の流れを安定にして、検出される吸気流量のばらつきを低減する吸気管構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２６４２９２号公報
【特許文献２】特開２００１−３５６０３５号公報
【特許文献３】特開２０１４−１０１７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年では排ガス規制等が厳しくなってきており、内燃機関のクリーンな燃焼を実現するために、吸気管における空気流量計の計測精度を更に高めることが求められている。吸気管においては、内燃機関の回転数によって変化する吸気の脈動が常に存在する。その吸気の脈動が空気流量計自体の共振特性に対応する回転域においては定在波を生じるため、計測精度を大きく低下させる。すなわち、空気流量の計測精度を更に高めるには、吸気流れの脈動に伴って空気流量計自体に発生する定在波の影響を無視することができなくなってきている。しかし、前記特許文献１〜３においては、いずれも空気流量計自体の形状・構造等によって異なる周波数で生じる定在波には着目されておらず、その影響を抑制する手段も検討されていない。
【０００５】
また、従来、吸気システムの開発に当たっては、実際の内燃機関を使用することなく、シミュレーションにより空気流量計の計測精度が高められている。しかし、空気流量計に生じる定在波の影響も無視できない程に計測精度を高めるには、内燃機関の回転状態によって変化する吸気の脈動と空気流量計に生じる定在波との関係に基づいて吸気システムの形状や構造を調整しなければならず、開発工数の増大を招いている。仮に、吸気管内に整流板等を設けることによって計測精度を改善しようとしても、整流板等により吸気通路が妨げられるばかりでなく、整流板等によって定在波を抑制することは困難である。したがって、実際の内燃機関の吸気脈動下において試験・調整を繰り返さざるを得ないこととなる。このため、内燃機関の吸気システムの開発においても、空気流量計に生じる共振を予測し、定在波による計測誤差を抑える手段が望まれていた。
【０００６】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、空気流量計に生じる定在波を抑制することにより、内燃機関の吸気流量を高精度に計測する吸気流量計測方法及び吸気システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記問題を解決するために、請求項１に記載の発明は、内燃機関に接続される吸気管と、前記吸気管に設けられ前記吸気管を流れる空気流量を計測する空気流量計と、を備えた吸気システムにおける吸気流量計測方法であって、前記空気流量計の下流側の前記吸気管に、前記空気流量の脈動に伴って前記空気流量計において発生する定在波を減衰させる減衰手段を設け、前記減衰手段によって前記定在波が抑制された状態で空気流量を計測することを要旨とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記空気流量計は、その内部に前記吸気管を流れる空気の一部を流通させる主流路と、前記主流路の途中に設けられる流量検出部とを備えており、前記定在波は、前記主流路に生じる定在波であることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記減衰手段として、その固有振動数が前記定在波の周波数に対応する共鳴器を用いることを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２において、前記減衰手段として、前記定在波と逆位相となる音波を発生するスピーカを用いることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、内燃機関に接続される吸気管と、前記吸気管に設けられ前記吸気管を流れる空気流量を計測する空気流量計と、前記空気流量計の下流側の前記吸気管に設けられる減衰手段と、を備える吸気システムであって、前記減衰手段は、前記空気流量の脈動に伴って前記空気流量計において発生する定在波を減衰させることを要旨とする。
請求項６に記載の発明は、請求項５において、前記空気流量計は、その内部に前記吸気管を流れる空気の一部を流通させる主流路と、前記主流路の途中に設けられる流量検出部とを備えており、前記定在波は、前記主流路に生じる定在波であることを要旨とする。
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６において、前記減衰手段は、その固有振動数が前記定在波の周波数に対応する共鳴器であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の吸気流量計測方法によれば、空気流量計の下流側の吸気管に、空気流量の脈動に伴って前記空気流量計において発生する定在波を減衰させる減衰手段を設け、前記定在波が抑制された状態で空気流量を計測するため、内燃機関の回転域により、その吸気の脈動に共振して空気流量計内の流路に生じる定在波を減衰させ、吸気流量を高精度に計測することができる。特に、定在波は内燃機関の一定の回転域で顕著に生じるため、減衰させることにより、その回転域における吸気流量の計測精度を効果的に改善することができる。また、空気流量計の下流側に定在波の周波数に対応する減衰手段を設けるのみであり、計測精度を高めるために吸気管内に整流板等を設ける必要もないので、吸気特性に影響を及ぼすことがなく、吸気システムを単純な構造とすることができる。
また、本吸気流量計測方法は、内燃機関の回転状態で変化する吸気量の脈動によって生じる定在波の影響を抑制するものであるため、実際の回転状態における吸気量の脈動を与えなくても吸気システムのシミュレーションが可能になる。したがって、内燃機関の実機を利用することなく、吸気システムのシミュレーションの段階から空気流量計の特性を高い精度で調整することが可能になり、吸気システムの開発を大幅に容易化することができる。
【０００９】
前記空気流量計は、その内部に前記吸気管を流れる空気の一部を流通させる主流路と、前記主流路の途中に設けられる流量検出部とを備えており、前記定在波は、前記主流路に生じる定在波である場合には、内燃機関の一定の回転域における吸気の脈動が空気流量計の主流路に顕著に定在波を生じさせる場合であっても、その定在波を前記減衰手段によって効果的に減衰させることができる。
前記減衰手段として、その固有振動数が前記定在波の周波数に対応する共鳴器を用いる場合には、吸気量の脈動に起因する定在波を受動的に抑制することができ、減衰手段に対する電源や制御を不要とすることができる。また、減衰手段となる共鳴器は、吸気官と一体的に成形することができる。
前記減衰手段として、前記定在波と逆位相となる音波を発生するスピーカを用いる場合には、複数の周波数の定在波が生じる場合であっても、定在波の周波数に対応してスピーカにより生成する音波を変化させることができ、定在波の種類に応じた調整を容易にすることができる。
【００１０】
本発明の吸気システムによれば、上記吸気流量計測方法と同様の効果を奏する吸気システムを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本吸気流量計測方法を適用する吸気システムの構成を説明するための模式図である。
【図２】吸気管に設けられている空気流量計の流路の構成を説明するための模式断面図である。
【図３】前図に示した空気流量計を吸気管の下流側から見た模式背面図である。
【図４】減衰手段がある場合及びない場合の、エンジン回転数による空気流量計近傍の圧力の変化を例示するグラフである。
【図５】減衰手段がある場合及びない場合の、空気流量計の検出値の時間的変化を示すグラフである。
【図６】減衰手段がある場合及びない場合の、エンジン回転数による吸気流量の検出誤差の変化を示すグラフである。
【図７】減衰手段としてスピーカを用いる吸気流量計測方法を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで示される事項は例示的なもの及び本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
【００１３】
本実施形態に係る吸気システム（１）は、自動車等に搭載される内燃機関（７）に対して空気を供給すると共に、その空気流量（吸気量）を計測して内燃機関（７）の制御装置に通知するシステムである。吸気システム（１）は、内燃機関（７）に接続される吸気管（３）と、吸気管（３）に設けられ、吸気管（３）を流れる空気流量を計測する空気流量計（４）と、空気流量計（４）の下流側の吸気管（３）に設けられる減衰手段（５）と、を備える。通常、吸気システム（１）の空気流量計（４）より上流の吸気管（３）には、エアフィルタを収納するエアクリーナ部（２）が接続されている（図１を参照。）。
【００１４】
また、本実施形態に係る吸気流量計測方法は、上記のように構成される吸気システム（１）における吸気流量計測方法であって、減衰手段（５）は、内燃機関（７）に対して供給される空気流量の脈動に伴って空気流量計（４）において発生する定在波を減衰させる。この減衰手段（５）によって、本吸気流量計測方法は、前記定在波が抑制された状態で空気流量を計測することを特徴とする（図１を参照。）。
【００１５】
前記空気流量計（４）は、吸気管（３）を流れる空気流量を計測する装置であり、例えば、その内部に吸気管（３）を流れる空気の一部を流通させる流路（主流路）と、前記主流路の途中に設けられる流量検出部とを備えて構成される。流量検出部としては、例えば、電熱線等の発熱素子と、空気温度を測定するサーミスタ等の温度計測素子と、が組み合わされた又は一体として構成された熱式流量計を用いることができる。また、流量検出部として、差圧式流量計や超音波流量計等が用いられてもよい。
【００１６】
空気流量計（４）には、その流路の構造（形状や壁面の材質等を例示することができる）により定まる固有振動数が存在する。このため、吸気流量の脈動の周波数成分（一次及び高次の周波数成分）がその固有振動数と同じ程度になるときには、共振により定在波が生じる。吸気管（３）においては、内燃機関（７）の動作状態（回転数）によって変化する空気流量の脈動が常に存在する。そうすると、空気流量の脈動が空気流量計（４）自体の共振特性に対応する回転域においては定在波を生じ、空気流量計（４）による計測誤差が増大する。この共振周波数は、例えば、空気流量計（４）に空気を流通させ、その空気流量を様々な周波数に変化させた場合に、最も空気流量計（４）の計量値の振幅が大きくなったときの周波数や、実際の空気流量に対する空気流量計（４）による検出値の誤差が大きくなったときの周波数等から知ることができる（空気流量計の構造によるが、例えば３００〜３５０Ｈｚ程度）。
【００１７】
上記のように、内燃機関（７）の回転に伴う吸気管（３）を流れる空気流量の脈動周波数により、空気流量計（４）には定在波が生じる。定在波は、吸気流量の脈動の一次及び高次の周波数成分において発生し得る。前記減衰手段（５）は、この定在波を減衰させるための手段である。その具体的な構成は特に問わず、例えば、吸気管（３）に設けられる共鳴器（５）等の受動的な手段であってもよいし、定在波と逆位相となる音波を吸気管（３）に出力する能動的な手段であってもよい。
減衰手段（５）は、空気流量計（４）にできるだけ近い下流側であって、発生する定在波の節とならない任意の位置に設けることができる。そのうち定在波の腹に近い位置に設けることが好ましく、定在波の振幅が最も大きくなる腹の位置とすることがより好ましい。定在波を効果的に減衰させることができるためである。
【００１８】
前記共鳴器（５）は、例えば、１つの共鳴室（５１）と喉部（５２）を備え、その固有振動数が前記定在波の周波数であるようなヘルムホルツ共鳴器とすることができる。その喉部（５２）が吸気管（３）内に開口するように接続される（図１を参照。）。
また、能動的な減衰手段（５）の例として、前記定在波と逆位相となる音波を発生するスピーカ（５５）を用いることができる（図７を参照。）。スピーカから発生させる音波は任意の手段で生成することができ、予め設定された周波数及び波形の音波が生成されてもよいし、空気流量計（４）の近傍に設けたマイク等の集音手段により定在波を検出し、その逆位相となる音波が生成されてもよい。
【００１９】
以下、本吸気流量計測方法をより具体的に説明する。
図１に示すように、吸気システム１は内燃機関７に接続されており、内燃機関７に対してエアフィルタを通過させたクリーンな空気を供給する。吸気システム１は、エアフィルタを収めたエアクリーナ部２と、エアクリーナ部２の下流側に接続される吸気管３と、吸気管３の途中に設けられる空気流量計４と、を備え、吸気管３の下流に内燃機関７の吸気口７１が接続されている。また、吸気管３の空気流量計４より下流側には、減衰手段である共鳴器５が接続されている。
【００２０】
図２及び図３は、本例で用いる空気流量計４の構造を示す断面図及び下流側から見た背面図である。空気流量計４は主流路４１を備え、主流路４１の経路の途中に流量計測部（センサ）４７が設けられている。空気流量計４の上流側（エアクリーナ部２側）の正面には流入口４３が設けられており、吸気管３を流れる空気の一部が流入口４３から取り込まれる。そして主流路４１を流通した空気は、空気流量計４の両側面に設けられた主排出口４４から下流側に排出される。また、主流路４１の空気流通を調節するために、流入口４３から流入する空気を主流路４１から分岐して排出する副流路４２が設けられていてもよい。副流路４２は、流量計測部４７より上流側の主流路４１から分岐されている。副流路４２を流通した空気は、空気流量計４の下流側背面に位置する副排出口４５から排出される。
【００２１】
吸気管３を流れ、主流路４１を流通する空気量（吸気量）は、内燃機関７の回転に伴って常に脈動し、その脈動の周波数は回転数により変化する。そして、一定の回転域においては、吸気量の脈動周波数に応じて空気流量計４内の主流路４１において共振が生じる。それにより、主流路４１に定在波が存在する状態となるため、実際の流量値に対して流量計測部４７を用いて計測される流量値の誤差が大きくなってしまう。本例では、内燃機関７の一定の回転域において、吸気量の脈動周波数の６次高調波成分に相当する周波数約３２０Ｈｚの定在波が発生した。
【００２２】
本例では、共鳴器５は共鳴室５１及び喉部５２を備えるヘルムホルツ共鳴器であり、喉部５２が空気流量計４より下流となる吸気管３に接続されている。本例において、共鳴器５の固有振動数は約３２０Ｈｚである。このような吸気システム１において空気流量計４による計量を行った結果を、図４〜６に示す。
図４は、減衰手段がある場合及びない場合の、エンジン回転数による空気流量計４近傍の圧力の変化を示すグラフである。図中（ａ）及び（ｂ）は総合的な圧力計測値であり、（ａ）は減衰手段がない場合、（ｂ）は減衰手段がある場合を示している。また、図中（ｃ）及び（ｄ）は吸気量の脈動周波数の６次成分に相当する周波数において計測した圧力計測値であり、（ｃ）は減衰手段がない場合、（ｄ）は減衰手段がある場合を示している。本図から、減衰手段がない場合には、エンジン回転数がＲ１であるときを中心として吸気脈動に共振が生じており、特に吸気脈動の６次周波数成分における共振の影響が大きいことが分かる。これに対して、減衰手段がある場合には、エンジン回転数がＲ１であるときにも、吸気脈動の共振（定在波）、特に吸気脈動の６次周波数成分の共振が抑制されていることが明らかである。
【００２３】
図５は、（ａ）減衰手段がない場合、及び（ｂ）減衰手段がある場合の、空気流量計の検出値の時間的変化を示すグラフである。エンジン回転数を前記Ｒ１に保ったときの、空気流量計４の検出値の時間的変化を表している。本図より、減衰手段がない場合には、減衰手段を備える場合に比べて空気流量計４による計測値の変動が大きいことが分かる。特に、減衰手段を備えることによって計測値の下端側の低下が抑えられ、減衰手段を有しない場合と比べて安定に吸気量を計測することができるといえる。
【００２４】
図６は、（ａ）減衰手段がない場合、及び（ｂ）減衰手段がある場合の、エンジン回転数による吸気流量の検出誤差の変化を示すグラフである。この検出誤差は、実際の吸気流量と空気流量計４による計測値との差の、計測値に対する比率である。減衰手段がない場合には、エンジン回転数がＲ１であるときを中心として計測誤差が大きくなっている。これに対して、減衰手段を備えた場合には、エンジン回転数Ｒ１周辺における誤差はほぼゼロであり、広いエンジン回転域（ＲＬ〜ＲＨ）において、計測誤差が大幅に低減されていることが分かる。
以上のような結果から、減衰手段を備えることによって、吸気の脈動に共振して空気流量計内の流路に生じる定在波を減衰させることができ、エンジンの広い回転域にわたり空気流量計により吸気流量を安定して高精度に計測可能であるといえる。
【００２５】
本吸気流量計測方法の他の構成例を説明する。図７に示すように、吸気システム１と内燃機関７が接続されており、吸気システム１は、エアクリーナ部２と、エアクリーナ部２の下流側に接続される吸気管３と、吸気管３の途中に設けられる空気流量計４と、を備え、吸気管３の下流に内燃機関７の吸気口７１が接続されている。また、吸気管３の途中には減衰手段５としてスピーカ５５が接続されている。
スピーカ５５は、駆動回路５６に接続されており、駆動回路５６から出力される信号によって音波を発するようにすることができる。スピーカ５５の発する音波の位相は、空気流量計４に生じる定在波とは逆位相となる位相である。このような減衰手段５を用いても、共鳴器５１による減衰手段５と同様の脈動の減衰効果を得ることができる。
【００２６】
本発明は上記で詳述した実施形態に限定されず、本発明の請求項に示した範囲で様々な変形又は変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、乗用車、バス、トラック等の車両などで使用されるガソリンエンジン等の内燃機関の吸気システムに適用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１；吸気システム、２；エアクリーナ部、３；吸気管、４；空気流量計、４１；主流路、４２；副流路、４３；流入口、４４；主排出口、４５；副排出口、４７；流量計測部、５；減衰手段、５１；共鳴器の共鳴室、５２；共鳴器の喉部、５５；スピーカ、５６；駆動回路、７；内燃機関（エンジン）、７１；吸気口。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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