排気再循環ガス流量測定装置
【課題】本発明の目的は、脈動低減効果が得られる程度の長さを確保したバイパス通路を、ガスが流れる際の圧力損失を低くすると共に、すすの付着抑制の効果を高め、高温の排気に耐え得る材料を用いて量産可能にした排気再循環ガス流量測定装置を提供することにある。
【解決手段】排気再循環ガス流量測定装置において、ケース部材４をバイパス通路１４ａ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｂの両側部と外周の一部とを覆うように金属板を絞り加工して形成し、ケース部材４の内側に配置されてバイパス通路１４ａ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｂの内周を仕切る仕切り部材５を金属板を曲げ加工して形成し、ケース部材４と仕切り部材５とを用いてバイパス通路１４を構成する。
【解決手段】排気再循環ガス流量測定装置において、ケース部材４をバイパス通路１４ａ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｂの両側部と外周の一部とを覆うように金属板を絞り加工して形成し、ケース部材４の内側に配置されてバイパス通路１４ａ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｂの内周を仕切る仕切り部材５を金属板を曲げ加工して形成し、ケース部材４と仕切り部材５とを用いてバイパス通路１４を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排気の質量流量を計測することに関するものであり、特にディーゼルエンジンの排気再循環のガス流量測定装置に有効となるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気を吸気に混ぜることで、燃焼で発生するＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲ（排気再循環）技術が用いられている。排気に含まれるＮＯｘは、燃焼中の高温火炎が生じている場で、空気中の窒素が熱乖離を起こし、それが酸素と結び付くことによって発生している。このため、一般には火炎温度（＝燃焼反応が起きている場の温度）を下げるとＮＯｘの発生が低下することから、燃焼室に吸入される空気に対し、排ガスを混ぜることで不活性ガスの濃度を増やし、かつ、酸素濃度を減らすことで、燃焼反応を緩慢にし、火炎温度を下げるとともに、酸素濃度を減らすことで熱乖離した窒素と酸素が結び付くことを抑制し、ＮＯｘの発生低減を図ってる。しかし、吸入ガスにおける酸素濃度が低下すると、燃焼反応場での酸素が不足することで、燃料が十分に燃え切らず、蒸し焼きのような状態になってすすの発生が起きる。このため、ディーゼルエンジンは高負荷で大量の燃料を燃焼させようとする場合、黒煙が発生する。最近の自動車用ディーゼルエンジンは、排気管中にフィルターを設置し、黒煙の発生を防いでいる。しかし、フィルターに堆積したすすは、定期的に燃焼させて除去する必要があり、そのフィルターの再生にエネルギー消費が起きることから、エンジンでの燃焼段階でなるべくすすを発生させないことが好ましい。このためには、燃焼時にＮＯｘとすすの両方の発生が少ない、ごく狭い領域の酸素濃度になるように吸入ガスを制御することが好ましく、ＥＧＲのガス流量を精密に制御することが求められる。ＥＧＲのガス流量は一般に、ＥＧＲ弁とスロットル弁の組み合わせで制御されるが、精密な制御のためには、ＥＧＲのガス流量を計測しながら行うことが好ましい。しかし、ＥＧＲガスは排ガスであるため、流量測定には種々の困難が発生する。
【０００３】
自動車用ディーゼルエンジンにおいて、吸入空気量を計測する装置として、エアクリーナーの下流で空気流量を計測するエアフローセンサーがあり、特許文献１に示される技術が知られている。特許文献１では熱線式流量計を構成するにあたり、流体が流れるメイン通路に対し、バイパス通路を設け、バイパス通路の中にセンサを配置して流量計測を行っている。これにより、メイン通路（主流通路）を流れる流体の流量が脈動していてもバイパス通路は定常流に近い状態にすることができ、流量の計測精度を向上させることができる。さらに特許文献１では、バイパスの通路長を長くすることで脈動振幅の低減効果増大を狙い、メイン通路の外周を迂回させてバイパス通路を形成する技術が開示されている。また、特許文献２では、バイパス通路を形成する部材の質量が大きい場合、吸気温度の急激な変化が生じた場合の温度の追従性が悪化して、流量の計測誤差が生じることに着目し、バイパス通路を、薄い鋼板の絞り加工で形成することにより、熱容量を低減し、温度追従性を良くする技術が開示されている。
【０００４】
一方、排気の質量流量を計測するための技術としては、特許文献３に示される技術があり、センサエレメントを高温に保つことで排気中の汚損物質がセンサエレメントに付着することを防止した上で、センサエレメントの発熱が、エレメントの支持部側に熱伝導で流れることを防止することで、排気環境下で流量計測を可能にするセンサエレメントを構成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−１３５９１６号公報
【特許文献２】特開昭６０−１６４２１９号公報
【特許文献３】特開２００８−２９８４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＥＧＲの配管は、排気と吸気をつなぐものであるため、排気管と吸気管の両方の圧力変動の影響を受けて脈動が生じる。吸気管と排気管の圧力変動は、エンジン燃焼室の吸気弁と排気弁の開け閉めによって生じる。すなわち、吸気工程で吸気弁が開いている時は吸気管に負圧が生じ、吸気弁を閉めた瞬間には、吸気管のガスの流れが急にせき止められることによる圧力上昇が生じる。排気管では、排気弁を開けた瞬間に燃焼室に残っている圧力が伝播して圧力上昇し、排気工程が終了して、排気弁が閉じられるとガスの流出がなくなるので圧力が低下する。このため、吸気管と排気管はそれぞれが脈動流になっているが、それらをつなぐＥＧＲ配管はさらに大きな振幅で脈動が生じる。この脈動強さは、瞬間的には逆流が生じる程であり、条件によっては、逆流の瞬間最大流量が、平均流量の数倍に達することもある。ＥＧＲ流量を計測してエンジン制御を行うにあたっては、脈動をある程度ならした平均的な流量を知ることが必要である。従来の吸気流量を計測する際に使われていたバイパス通路にも、脈動を低減して、平均的な流量を計測することを可能にする機能があったが、ＥＧＲの流量測定にあたっては、バイパス通路にさらなる脈動低減効果が求められる。
【０００７】
バイパス通路を形成するにあたっては、流量計測の感度確保のため、メイン通路からバイパス側に流れる流量の割合をある程度確保する必要がある。そのための手段として、メイン通路側の圧力損失を増大させる手法もあるが、その場合、ＥＧＲ流量を確保するためにスロットル弁を絞って負圧を作らなければならない時が出てくる。スロットル弁で作った負圧はそのまま、エンジンの吸気工程での圧力を低下させるため、その分損失仕事となり、エンジンのエネルギー効率が低下する。このため、バイパス通路の形成にあたっては、メイン通路の圧力損失が少なくて、バイパスの流量が確保されることが望ましい。そのためには、バイパス通路をガスが流れる際の圧力損失を低くする必要がある。このためにはバイパス通路を滑らかにガスが流れる形状にする必要がある。
【０００８】
バイパス通路は、メイン通路からいったん分岐して、ある程度の通路長を経た後、メイン通路に戻るものであることから、必ず曲がりを含む流路となる。しかし、脈動低減効果を高めたバイパス通路を、メイン通路の圧力損失が小さくなるように構成するには、バイパス通路において、メイン通路から分岐して再びメイン通路に合流するまでの間を、２次元的な曲がりのみで構成するのは難しく、３次元的な曲がり通路が必要となる。吸気流量を計測するエアフローセンサーの場合は、樹脂成形により３次元的な曲がり通路で構成されるバイパス通路を実現しているが、ＥＧＲ流量を計測する場合、高温の排気にさらされるため樹脂成形を採用することは難しい。そのため、３次元的な曲がり通路の形状を実現するためには、部品点数が増加したり、作業工程数が増加し、量産性が低下するという課題がある。
【０００９】
また、ＥＧＲのガス中には未燃燃料成分を含んだすすが混ざっており、このすすは通路壁面に付着しやすい性質を持つ。バイパス通路の中にすすが付着し、その付着量が増えていくと、通路断面積が変化し、バイパス通路を流れる流量の割合が変化する。このような現象が生じると流量計測値がずれてくるために、すすの付着は極力避けたい。そのための手段として、バイパス通路の曲がりを滑らかにして、すすが極力壁面に接触することを避ける方法がある。このこと自体は非常に有効であるが、量産可能な加工手段で滑らかな通路を形成するのが困難である上、滑らかというだけでは、すすが壁面に接触する機会はなくならないので、実用可能なレベルですすの付着を抑制することは非常に難しい課題である。
【００１０】
本発明の目的は、脈動低減効果が得られる程度の長さを確保したバイパス通路を、ガスが流れる際の圧力損失を低くすると共に、すすの付着抑制の効果を高め、高温の排気に耐え得る材料を用いて量産可能にした排気再循環ガス流量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明では、排気再循環ガス流量測定装置において、ケース部材をバイパス通路の両側部と外周の一部とを覆うように金属板を絞り加工して形成し、ケース部材の内側に配置されてバイパス通路の内周を仕切る仕切り部材を金属板を曲げ加工して形成し、ケース部材と仕切り部材とを用いてバイパス通路を構成する。
【００１２】
このとき、バイパス通路は、主流通路の流れ方向のままでガスが流入する向きに入口が開口し、この入口から流入したガスが主流通路の上流側から下流側に向かって流れた後、主流通路の下流側から上流側に向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており、さらにガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れた後、主流通路の中央部側へ向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており、バイパス通路の側部を覆うケース部材の部分に出口が開口するようにするとよい。
【００１３】
また、仕切り部材は、バイパス通路の入口から出口まで連続した内周面を形成するとよい。
【００１４】
また、仕切り部材には、ガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れた後に主流通路の中央部側へ向けて流れる通路部分の外周を覆う部分が設けられ、前記部分は仕切り部材におけるバイパス通路の入口開口部を形成する部分に繋がっているとよい。
【００１５】
また、バイパス通路の入口部に下流側に行くに従って外周面と内周面との間隔が狭くなるように絞られた絞り部を有し、仕切り部材における絞り部を形成する部分の裏面側にバイパス通路の出口が開口しているとよい。
【００１６】
バイパス通路に取り込んだガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れるバイパス通路の部分に、センサを配置するとよい。
【００１７】
バイパス通路のセンサが配置される部分を、主流通路の内周面の外側に位置するように構成するとよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ケース部材をバイパス通路の両側部と外周の一部とを覆うように金属板を絞り加工して形成し、ケース部材の内側に配置されてバイパス通路の内周を仕切る仕切り部材を金属板を曲げ加工して形成し、ケース部材と仕切り部材とを用いてバイパス通路を構成することにより、部品点数や作業工程数が少なく、量産性の高い排気再循環ガス流量測定装置を提供することができる。また、バイパス通路の外周を、金属板を絞り加工により形成できるので、通路形状が滑らかになり、すすの付着抑制が図られると共に、バイパス通路の圧力損失を低減してバイパス流量を確保することができる。
【００１９】
また、バイパス通路を構成するケース部材と仕切り部材とを金属板を絞り加工或いは曲げ加工することによって製作することにより、高温の排気に耐え得る材料を用いて量産が可能になり、金属を削り出して製作した場合に比べ、薄肉構造にすることが可能になる。薄肉化によって、使用する材料が減るだけでなく、バイパス通路の熱容量が削減され、ＥＧＲのガス温度に対するバイパス通路の壁面温度の追従性が良くなる。このことは温度計測の誤差を小さくするだけでなく、壁面に付着するすすの量を低減することができる。エンジンが冷えた状態から始動する場合、ＥＧＲガス温度は比較的早く昇温するものの、金属で形成されたバイパス通路壁面の温度はすぐには昇温しない。バイパス通路壁面はその表面を通過するガスから熱を受けて昇温するため、熱容量が大きいほど昇温が遅れる。逆に言うと、薄肉化して熱容量を下げると早く昇温するようになる。エンジンの排気に含まれるすすは、より冷えた表面に対して付着しやすい性質を持っていたため、壁面温度がすばやく昇温するとすすの付着を低減することができる。
【００２０】
また、バイパス通路のセンサが配置される部分を、主流通路の内周面の外側に位置するように構成することにより、主流通路の圧力損失を増大させずに、バイパス通路の通路長を伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置の正面図およびその断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置の分解図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置用のバイパス通路に対する定常流れ解析結果。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置用のバイパス通路に対する脈動流に対する非定常流れ解析結果。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置の分解図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置の正面図およびその断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明による排気再循環ガス流量測定装置の具体的な実施形態を図１〜６を用いて説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施形態であって、正面図とその断面図を表す。ＥＧＲガスはＥＧＲ配管７のパイプ８を主流通路１３として、左から右へと流れており、その質量流量を計測するために本発明の装置が取り付けられている。バイパス通路１４はケースプレート４と仕切板５によって形成されており、熱線プローブ２と温度プローブ３によって流量計測がなされている。熱線プローブ２と温度プローブ３に関しては特許文献３に詳細技術が開示されている。質量流量測定の基本的な原理としては、熱線プローブ２先端のエレメント２ａを高温の一定温度に保ち、その一定温度を保つために必要な電気ヒータの発熱量を計測することで、流量計測を行っている。エレメント２ａの表面温度が一定の場合、そこからの放熱量はガス温度と質量流量の関数となるため、温度と発熱量の計測によって質量流量を算出することが可能となる。
【００２４】
バイパス通路１４は前面下側の４ａの場所を入口１４ａとしてガスが流入し、直線通路部１４ｃの下流側で仕切板５に沿ってＵ字状に曲がり（曲がり通路部１４ｄ），主流通路１３のパイプ８より上側の空間に持ち上がる。この上側の通路（測定通路部１４ｅ）に、温度プローブ３の先端にあるエレメント３ａと、熱線プローブ２の先端にあるエレメント２ａが挿入され、それぞれ温度計測と放熱量計測がなされることで質量流量が検知される。これらのセンサ部を通過した後、通路は下に曲がり（曲がり通路部１４ｆ），バイパス通路側面に設けられた開口４ｂを出口１４ｂとしてガスは流出する。バイパス通路１４の天井１４ｇは、センサ用フランジ６によって封止され、同時にセンサ用フランジ６は熱線プローブ２と温度プローブ３の固定も担う。センサ用フランジ６が、ＥＧＲ配管用フランジ９と接合することで流量センサが配管に取り付くが、同時に、ＥＧＲ配管用フランジ９の高さによってバイパス通路１４は主流通路１３から持ち上げられている。バイパス通路１４を持ち上げることにより、パイプ８（主流通路１３）の通路断面積を減少させる量が減り、ＥＧＲ配管７のパイプ８内における圧力損失を低減することに貢献している。
【００２５】
図２は、図１と同じものを分解状態にして表示したものである。バイパス通路１４にセンサ（熱線プローブ２，温度プローブ３）が取り付いたものはセンサユニット１としてまとまり、このセンサユニット１のバイパス通路１４をＥＧＲ配管用フランジ９が設置されているＥＧＲ配管７に挿入して取り付けることになる。センサ用フランジ６に対し、ケースプレート４と仕切板５は溶接し、熱線プローブ２と温度プローブ３は取外し可能なようにネジ込み接合している。バイパス通路１４の外壁を形成するケースプレート４は、上側４ｄと前側４ｅが開き、下側４ｆと後側４ｇが閉じた袋状の形状となり（図２参照）、１枚の金属板を絞り加工することで成形される。側面の開口部４ｂの右側には、くぼみ４ｃを設けて内側にくぼませることにより、ガスがバイパス通路１４から流出する際、主流通路１３の流れに直交することをやわらげ、滑らかに流出する形にしている。このくぼみ４ｃは、仕切板５を接合する前に加工してもよいし、仕切板５とケースプレート４の接合後に加工してもよい。
【００２６】
ケースプレート４の下側４ｆは半円弧形状となってバイパス通路１４の両側面（両側部）を覆うケースプレート４の部分４ｈと４ｉとをつないでおり、その半円弧はバイパス通路１４（ケースプレート４）の下側４ｆおよび右下のコーナー部４ｊ，後側４ｇ，右上のコーナー部４ｋと続いている。ケースプレート４の下側４ｆ，右下のコーナー部４ｊ，後側４ｇ及び右上のコーナー部４ｋは、バイパス通路１４の外周の一部を覆う外周壁面を構成している。また、ケースプレート４の部分４ｈと４ｉとはバイパス通路１４の側壁面を構成している。このような形状を１枚の金属板の絞り加工で製作すると、継ぎ目がなく、角もなくなるので、すすが滞留する空間をなくせる。すすの壁面付着は、一旦起きると連鎖的に成長するため、流れの滞留が起きる場所をなくせば、すすの付着が起きて成長する現象を抑える効果が大きい。また、半円弧の形状は外壁を形成する上で最小の面積で済むことから、すすの付着が起きる機会の低減にもなっている。
【００２７】
仕切板５は左側５ａが、バイパス通路１４（ケースプレート４）の前面４ｅの外壁を担っており、その曲げ部５ｂが、バイパス通路１４の曲がり通路部１４ｆの外側のコーナーを形成している。仕切板５の左下側５ｃは、バイパス通路１４の入口１４ａの形状を形成しており、板の曲がりが、入口の広い開口から徐々にバイパス通路高さが減少して直線通路部１４ｃに繋がる形状を担っている。この形状は、バイパス通路１４の入口１４ａの部分に、下流側に行くに従ってケースプレート４に形成された外周面４ｍ（図１参照）と仕切板５の左下側５ｃ部分によって形成された内周面部分との間隔が狭くなるように絞られた絞り部１４ｈを形成している。そして、仕切板５における絞り部１４ｈを形成する部分５ｃの裏面側にバイパス通路１４の出口１４ｂが開口している。
【００２８】
仕切板５の左下側５ｃと下側５ｄ以降は、バイパス通路１４の曲がりの内側の壁（内周壁）を形成し、出口１４ｂまで連続し、「の」の字状に、一端を自身の中間部分５ｅに接合している。このような仕切板５は金属板を曲げ加工して作ることができ、本実施例ではバイパス通路１４の入口１４ａから出口１４ｂまで連続した内周面を形成しており、さらにバイパス通路１４の外周の一部を覆う外周壁面部５ａ，５ｂも備えている。外周壁面部５ａ，５ｂは、ガスが測定通路部１４ｅを主流通路１３の下流側から上流側に向かって流れた後に、主流通路１３の中央部側へ向けて流れる通路部分の外周を覆っており、仕切板５におけるバイパス通路１４の入口開口部１４ａを形成する部分５ｃに繋がっている。このように、仕切板５を、バイパス通路１４の入口１４ａから出口１４ｂまで連続した内周面５ｃ，５ｄ，５ｅと、外周壁面部５ａ，５ｂとを備えるように、一枚の板材を曲げ加工して製作することにより、部品点数を減らし、組み立て作業を容易にすることができる。また、出口１４ｂ付近には、４ｃのくぼみがあるため、そこだけ仕切板５の板の幅が削られている。ケースプレート４と仕切板５は溶接によって固定接合することが望ましい。
【００２９】
ケースプレート（ケース部材）４と仕切板（仕切り部材）５とにより、バイパス通路１４は以下のように構成される。バイパス通路１４は、主流通路１３の流れ方向のままでガスが流入する向きに入口１４ａが開口し、入口１４ａから流入したガスが主流通路１３の上流側から下流側に向かって直線通路部１４ｃを流れた後、主流通路１３の下流側から上流側に向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており（曲がり通路部１４ｄ）、さらにガスが主流通路１３の下流側から上流側に向かって測定通路部１４ｅを流れた後、主流通路１３の中央部側へ向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており（曲がり通路部１４ｆ）、バイパス通路１４の側部を覆うケースプレート４の部分に出口１４ｂが開口している。
【００３０】
センサユニット１とＥＧＲ配管７との固定は、センサ用フランジ６，ＥＧＲ配管用フランジ９の四隅のネジ穴を通して行う。センサ用フランジ６，ＥＧＲ配管用フランジ９は、簡略的に厚肉部材で表示したが、薄肉構造化することも可能である。また、フランジの接合はネジ以外の方法であってもかまわない。
【００３１】
図３，図４は、本発明によるバイパス通路１４の特性を示すため、流れ解析によって得られた結果を示している。図３（ａ）は、主流通路１３の順流方向にガスが流れる条件での定常流の解析結果であり、図１の断面図と同じ方向の断面における速度ベクトルの分布図である。流れ解析を行うにあたり、流れに関係のないセンサ用フランジ６，ＥＧＲ配管用フランジ９は形状を簡略化した。速度ベクトル図により、順流方向の定常流では、バイパス通路１４にガスが滑らかに流入し、センサのエレメント２ａ，３ａに対して、直交してガスが流れている。また、バイパス通路１４の外側の流れに関しても、バイパスの右下側のコーナー部４ｊが滑らかな曲線になっていることで、主流通路１３の流路断面積が徐々に回復する形状となり、後流で形成される渦が少なく、圧力損失が少ない流れになっている。順流方向の流れでは、違う流量でも速度分布の相似形が比較的保たれ、主流通路１３からバイパス通路１４に分流する流量の割合はほぼ一定である。このため、バイパス通路１４での流量測定によって全体流量を計測することができる。
【００３２】
図３（ｂ）は、主流通路１３の逆流方向に定常流があった場合の流れ解析結果である。ＥＧＲ配管７の主流通路１３で逆流が定常的に続くということはないが、基礎的な特性の把握のためにこの解析を行っている。主流通路１３で逆流が生じている場合、バイパス通路１４入口付近の外側に逆流の流れがあることによってバイパス通路１４内のガスが引きずられ、バイパス通路１４も順流時とは逆向きにガスが流れている。また、バイパス通路１４の出口に形成したくぼみ４ｃも、逆流の流れがバイパス通路１４に流入しやすくしており、逆流を促進している。ただし、順流時に比べれば、逆流時にバイパス通路１４に流入するガスの割合は低い。
【００３３】
図４は、非定常流れ解析によって、脈動流におけるバイパス通路１４の流量を解析した結果である。グラフの横軸は時刻であり、縦軸は流量である。主流通路１３の流量を破線で示しており、目盛は左側になる。脈動流の設定条件として、平均流量を２５kg／ｈとし、瞬間最大流量と瞬間最小流量の差である全振幅を２００kg／ｈとした。この大きな振幅の脈動により、瞬間最小流量は−７５kg／ｈに達し、絶対値として、平均流量の３倍に達する逆流が発生する条件にしている。また、脈動の周波数は１００Ｈｚに設定した。参考として、４気筒の４サイクルエンジンの場合、エンジンの回転１回で２回の吸排気弁の開閉があることから、エンジン回転数が毎分３０００回転の場合、毎分６０００回の弁の開閉があり、１秒あたり１００回の弁の開閉が起きる。この弁の開閉をもとにして複雑な脈動が起きることから、１００Ｈｚの脈動は実際に起きる現象の範囲にある。主流通路１３がこのような脈動流になっていた場合の、バイパス通路１４の流量がグラフの実線となり、目盛は右側になる。この解析結果によるバイパス通路１４の流量は、平均流量が１.４kg／ｈ、瞬間最大流量が２.９kg／ｈ、瞬間最小流量が０.２kg／ｈとなった。特徴は、主流通路１３は大きな逆流が生じる瞬間があるにも関わらず、バイパス通路１４では逆流になる瞬間がないことである。この現象は、バイパス通路１４が脈動の振幅を小さくする効果を持つことで生じる。すなわち、バイパス通路１４は主流通路１３に比べて通路長を長くしていることで、通路内のガスの慣性が主流通路１３よりも強く働き、加速しづらい状況にしている。この慣性の効果によって、バイパス通路１４の流量のピークは、主流通路１３よりも遅れて生じる。また、主流通路１３の側は、ピーク流量が平均流量の５倍になっているにも関わらず、バイパス通路１４の側は、ピーク流量は平均流量の２倍程度になっており、脈動が弱まっている。このため、バイパス通路１４には逆流が起きずに済んでいる。熱線式の流量計の場合、逆流があっても放熱量はマイナスにならないので、逆流がある脈動に対しては流量の計測誤差を生じる。しかし、本発明のバイパス通路１４を使えば、逆流のない脈動にすることができるので、流量の計測精度を向上させることができる。
【実施例２】
【００３４】
図５は、本発明の第２の実施形態を簡略的な形状で、分解図にしたものである。図６は、図５と同じものを正面図と断面図で表示したものである。第１の実施形態と同じ部品は符号を同じにすることで説明を省略する。
【００３５】
第２の実施形態においては、ケースプレート４′において第１の実施形態におけるケースプレート４の右上のコーナー４ｋを無くしている。これによりケースプレート４′の絞り加工はより容易になる。また、ケースプレート４側面のくぼみ４ｃもなくしている。バイパス通路１４′を形成するにあたっては、ケースプレート４′と仕切板５′によって行う。図６において、温度プローブ３′の位置が、第１の実施形態と異なる。すなわち、バイパス通路１４′の直線通路部１４ｃ′が上側の測定通路部１４ｅ′につながるコーナー部（曲がり通路部１４ｄ′）に温度プローブ３′のエレメント３ａ′を配置している。この場所は、ケースプレート４′と仕切板５′のすき間を狭まることでバイパス通路の流路断面積が狭まり流速を増加させることが可能であるため、高い流速を温度プローブ３′のエレメント３ａ′にあたるようにすることで、温度計測の感度を高く保った上で、バイパス通路１４′の小型化を図ることができる。それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。
【００３６】
上述の各実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【００３７】
上記のようなバイパス通路の形状および加工方法にすることにより、通路形状の滑らかさが実現され、バイパス通路の圧力損失低減によるバイパス流量の確保と、すすの付着抑制が図られる。また、バイパス通路が上に曲がってＵターンし、その後下に曲がる形状であることにより、その上側の通路をＥＧＲ配管の外側の空間に持ち出すことが可能になる。バイパス通路をＥＧＲ配管の内側に構成した場合、メイン通路の流路断面積が削減されることになり、メイン通路の圧力損失が増大する。ＥＧＲガスの流量計測にあたっては、吸気の流量計測の場合より大きな脈動に対処する必要があり、脈動低減のためのより長いバイパス通路長が求められるが、それをＥＧＲ配管の内側に形成したのであればメイン通路の圧力損失がより一層増大してしまう。このため、バイパス通路に上に向かう箇所と下に向かう箇所を設けることで通路長を伸ばしつつ、上側の流路をＥＧＲ配管の外側に持ち出すことで、メイン通路の圧力損失を増大させずに、バイパス通路の通路長を伸ばすことが可能になった。このメイン通路の圧力損失低減はエンジンのエネルギー効率向上を可能にする。
【００３８】
また、バイパス通路の形成をケースプレートと仕切板の板によって行うことにより、エアフローセンサー用のバイパス通路と同じ形状を金属を削り出して製作した場合に比べ、薄肉の構造にすることが可能になった。削り出しの加工であれば、３次元的な形状も自由に成形可能であるが、加工の際に加わる荷重に耐えられる必要があるため、全面的に薄肉化することは不可能である。それに対し、本発明の構造のように板材の組合せでバイパス通路を形成する場合、使用する板材の肉厚を薄くするだけで、薄肉化することが可能となる。この薄肉化によって、使用する材料が減るだけでなく、より大きな利点を得ることができた。すなわち、薄肉化によってバイパス通路の熱容量が削減され、ＥＧＲのガス温度に対する壁面温度の追従が良くなった。このことは温度計測の誤差を小さくするだけでなく、壁面に付着するすすの量の低減をもたらした。エンジンが冷えた状態から始動する場合、ＥＧＲガス温度は比較的早く昇温するものの、金属で形成されたバイパス通路壁面の温度はすぐには昇温しない。バイパス通路壁面はその表面を通過するガスから熱を受けて昇温するため、熱容量が大きいほど昇温が遅れる。逆に言うと、薄肉化して熱容量を下げると早く昇温するようになる。ディーゼルエンジンの排気に含まれるすすは、より冷えた表面に対して付着しやすい性質を持っていたため、壁面温度がすばやく昇温するとすすの付着が低減するという大きな利点を得ることができた。
【符号の説明】
【００３９】
１ センサユニット
２ 熱線プローブ
３，３′ 温度プローブ
４，４′ ケースプレート
５，５′ 仕切板
６ センサ用フランジ
７ ＥＧＲ配管
８ パイプ
９ ＥＧＲ配管用フランジ
１３ 主流通路
１４ バイパス通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関から排出される排気の質量流量を計測することに関するものであり、特にディーゼルエンジンの排気再循環のガス流量測定装置に有効となるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排気を吸気に混ぜることで、燃焼で発生するＮＯｘ（窒素酸化物）を低減するＥＧＲ（排気再循環）技術が用いられている。排気に含まれるＮＯｘは、燃焼中の高温火炎が生じている場で、空気中の窒素が熱乖離を起こし、それが酸素と結び付くことによって発生している。このため、一般には火炎温度（＝燃焼反応が起きている場の温度）を下げるとＮＯｘの発生が低下することから、燃焼室に吸入される空気に対し、排ガスを混ぜることで不活性ガスの濃度を増やし、かつ、酸素濃度を減らすことで、燃焼反応を緩慢にし、火炎温度を下げるとともに、酸素濃度を減らすことで熱乖離した窒素と酸素が結び付くことを抑制し、ＮＯｘの発生低減を図ってる。しかし、吸入ガスにおける酸素濃度が低下すると、燃焼反応場での酸素が不足することで、燃料が十分に燃え切らず、蒸し焼きのような状態になってすすの発生が起きる。このため、ディーゼルエンジンは高負荷で大量の燃料を燃焼させようとする場合、黒煙が発生する。最近の自動車用ディーゼルエンジンは、排気管中にフィルターを設置し、黒煙の発生を防いでいる。しかし、フィルターに堆積したすすは、定期的に燃焼させて除去する必要があり、そのフィルターの再生にエネルギー消費が起きることから、エンジンでの燃焼段階でなるべくすすを発生させないことが好ましい。このためには、燃焼時にＮＯｘとすすの両方の発生が少ない、ごく狭い領域の酸素濃度になるように吸入ガスを制御することが好ましく、ＥＧＲのガス流量を精密に制御することが求められる。ＥＧＲのガス流量は一般に、ＥＧＲ弁とスロットル弁の組み合わせで制御されるが、精密な制御のためには、ＥＧＲのガス流量を計測しながら行うことが好ましい。しかし、ＥＧＲガスは排ガスであるため、流量測定には種々の困難が発生する。
【０００３】
自動車用ディーゼルエンジンにおいて、吸入空気量を計測する装置として、エアクリーナーの下流で空気流量を計測するエアフローセンサーがあり、特許文献１に示される技術が知られている。特許文献１では熱線式流量計を構成するにあたり、流体が流れるメイン通路に対し、バイパス通路を設け、バイパス通路の中にセンサを配置して流量計測を行っている。これにより、メイン通路（主流通路）を流れる流体の流量が脈動していてもバイパス通路は定常流に近い状態にすることができ、流量の計測精度を向上させることができる。さらに特許文献１では、バイパスの通路長を長くすることで脈動振幅の低減効果増大を狙い、メイン通路の外周を迂回させてバイパス通路を形成する技術が開示されている。また、特許文献２では、バイパス通路を形成する部材の質量が大きい場合、吸気温度の急激な変化が生じた場合の温度の追従性が悪化して、流量の計測誤差が生じることに着目し、バイパス通路を、薄い鋼板の絞り加工で形成することにより、熱容量を低減し、温度追従性を良くする技術が開示されている。
【０００４】
一方、排気の質量流量を計測するための技術としては、特許文献３に示される技術があり、センサエレメントを高温に保つことで排気中の汚損物質がセンサエレメントに付着することを防止した上で、センサエレメントの発熱が、エレメントの支持部側に熱伝導で流れることを防止することで、排気環境下で流量計測を可能にするセンサエレメントを構成する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−１３５９１６号公報
【特許文献２】特開昭６０−１６４２１９号公報
【特許文献３】特開２００８−２９８４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＥＧＲの配管は、排気と吸気をつなぐものであるため、排気管と吸気管の両方の圧力変動の影響を受けて脈動が生じる。吸気管と排気管の圧力変動は、エンジン燃焼室の吸気弁と排気弁の開け閉めによって生じる。すなわち、吸気工程で吸気弁が開いている時は吸気管に負圧が生じ、吸気弁を閉めた瞬間には、吸気管のガスの流れが急にせき止められることによる圧力上昇が生じる。排気管では、排気弁を開けた瞬間に燃焼室に残っている圧力が伝播して圧力上昇し、排気工程が終了して、排気弁が閉じられるとガスの流出がなくなるので圧力が低下する。このため、吸気管と排気管はそれぞれが脈動流になっているが、それらをつなぐＥＧＲ配管はさらに大きな振幅で脈動が生じる。この脈動強さは、瞬間的には逆流が生じる程であり、条件によっては、逆流の瞬間最大流量が、平均流量の数倍に達することもある。ＥＧＲ流量を計測してエンジン制御を行うにあたっては、脈動をある程度ならした平均的な流量を知ることが必要である。従来の吸気流量を計測する際に使われていたバイパス通路にも、脈動を低減して、平均的な流量を計測することを可能にする機能があったが、ＥＧＲの流量測定にあたっては、バイパス通路にさらなる脈動低減効果が求められる。
【０００７】
バイパス通路を形成するにあたっては、流量計測の感度確保のため、メイン通路からバイパス側に流れる流量の割合をある程度確保する必要がある。そのための手段として、メイン通路側の圧力損失を増大させる手法もあるが、その場合、ＥＧＲ流量を確保するためにスロットル弁を絞って負圧を作らなければならない時が出てくる。スロットル弁で作った負圧はそのまま、エンジンの吸気工程での圧力を低下させるため、その分損失仕事となり、エンジンのエネルギー効率が低下する。このため、バイパス通路の形成にあたっては、メイン通路の圧力損失が少なくて、バイパスの流量が確保されることが望ましい。そのためには、バイパス通路をガスが流れる際の圧力損失を低くする必要がある。このためにはバイパス通路を滑らかにガスが流れる形状にする必要がある。
【０００８】
バイパス通路は、メイン通路からいったん分岐して、ある程度の通路長を経た後、メイン通路に戻るものであることから、必ず曲がりを含む流路となる。しかし、脈動低減効果を高めたバイパス通路を、メイン通路の圧力損失が小さくなるように構成するには、バイパス通路において、メイン通路から分岐して再びメイン通路に合流するまでの間を、２次元的な曲がりのみで構成するのは難しく、３次元的な曲がり通路が必要となる。吸気流量を計測するエアフローセンサーの場合は、樹脂成形により３次元的な曲がり通路で構成されるバイパス通路を実現しているが、ＥＧＲ流量を計測する場合、高温の排気にさらされるため樹脂成形を採用することは難しい。そのため、３次元的な曲がり通路の形状を実現するためには、部品点数が増加したり、作業工程数が増加し、量産性が低下するという課題がある。
【０００９】
また、ＥＧＲのガス中には未燃燃料成分を含んだすすが混ざっており、このすすは通路壁面に付着しやすい性質を持つ。バイパス通路の中にすすが付着し、その付着量が増えていくと、通路断面積が変化し、バイパス通路を流れる流量の割合が変化する。このような現象が生じると流量計測値がずれてくるために、すすの付着は極力避けたい。そのための手段として、バイパス通路の曲がりを滑らかにして、すすが極力壁面に接触することを避ける方法がある。このこと自体は非常に有効であるが、量産可能な加工手段で滑らかな通路を形成するのが困難である上、滑らかというだけでは、すすが壁面に接触する機会はなくならないので、実用可能なレベルですすの付着を抑制することは非常に難しい課題である。
【００１０】
本発明の目的は、脈動低減効果が得られる程度の長さを確保したバイパス通路を、ガスが流れる際の圧力損失を低くすると共に、すすの付着抑制の効果を高め、高温の排気に耐え得る材料を用いて量産可能にした排気再循環ガス流量測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明では、排気再循環ガス流量測定装置において、ケース部材をバイパス通路の両側部と外周の一部とを覆うように金属板を絞り加工して形成し、ケース部材の内側に配置されてバイパス通路の内周を仕切る仕切り部材を金属板を曲げ加工して形成し、ケース部材と仕切り部材とを用いてバイパス通路を構成する。
【００１２】
このとき、バイパス通路は、主流通路の流れ方向のままでガスが流入する向きに入口が開口し、この入口から流入したガスが主流通路の上流側から下流側に向かって流れた後、主流通路の下流側から上流側に向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており、さらにガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れた後、主流通路の中央部側へ向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており、バイパス通路の側部を覆うケース部材の部分に出口が開口するようにするとよい。
【００１３】
また、仕切り部材は、バイパス通路の入口から出口まで連続した内周面を形成するとよい。
【００１４】
また、仕切り部材には、ガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れた後に主流通路の中央部側へ向けて流れる通路部分の外周を覆う部分が設けられ、前記部分は仕切り部材におけるバイパス通路の入口開口部を形成する部分に繋がっているとよい。
【００１５】
また、バイパス通路の入口部に下流側に行くに従って外周面と内周面との間隔が狭くなるように絞られた絞り部を有し、仕切り部材における絞り部を形成する部分の裏面側にバイパス通路の出口が開口しているとよい。
【００１６】
バイパス通路に取り込んだガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れるバイパス通路の部分に、センサを配置するとよい。
【００１７】
バイパス通路のセンサが配置される部分を、主流通路の内周面の外側に位置するように構成するとよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ケース部材をバイパス通路の両側部と外周の一部とを覆うように金属板を絞り加工して形成し、ケース部材の内側に配置されてバイパス通路の内周を仕切る仕切り部材を金属板を曲げ加工して形成し、ケース部材と仕切り部材とを用いてバイパス通路を構成することにより、部品点数や作業工程数が少なく、量産性の高い排気再循環ガス流量測定装置を提供することができる。また、バイパス通路の外周を、金属板を絞り加工により形成できるので、通路形状が滑らかになり、すすの付着抑制が図られると共に、バイパス通路の圧力損失を低減してバイパス流量を確保することができる。
【００１９】
また、バイパス通路を構成するケース部材と仕切り部材とを金属板を絞り加工或いは曲げ加工することによって製作することにより、高温の排気に耐え得る材料を用いて量産が可能になり、金属を削り出して製作した場合に比べ、薄肉構造にすることが可能になる。薄肉化によって、使用する材料が減るだけでなく、バイパス通路の熱容量が削減され、ＥＧＲのガス温度に対するバイパス通路の壁面温度の追従性が良くなる。このことは温度計測の誤差を小さくするだけでなく、壁面に付着するすすの量を低減することができる。エンジンが冷えた状態から始動する場合、ＥＧＲガス温度は比較的早く昇温するものの、金属で形成されたバイパス通路壁面の温度はすぐには昇温しない。バイパス通路壁面はその表面を通過するガスから熱を受けて昇温するため、熱容量が大きいほど昇温が遅れる。逆に言うと、薄肉化して熱容量を下げると早く昇温するようになる。エンジンの排気に含まれるすすは、より冷えた表面に対して付着しやすい性質を持っていたため、壁面温度がすばやく昇温するとすすの付着を低減することができる。
【００２０】
また、バイパス通路のセンサが配置される部分を、主流通路の内周面の外側に位置するように構成することにより、主流通路の圧力損失を増大させずに、バイパス通路の通路長を伸ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置の正面図およびその断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置の分解図。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置用のバイパス通路に対する定常流れ解析結果。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置用のバイパス通路に対する脈動流に対する非定常流れ解析結果。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置の分解図。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る排気再循環ガス流量測定装置の正面図およびその断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明による排気再循環ガス流量測定装置の具体的な実施形態を図１〜６を用いて説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施形態であって、正面図とその断面図を表す。ＥＧＲガスはＥＧＲ配管７のパイプ８を主流通路１３として、左から右へと流れており、その質量流量を計測するために本発明の装置が取り付けられている。バイパス通路１４はケースプレート４と仕切板５によって形成されており、熱線プローブ２と温度プローブ３によって流量計測がなされている。熱線プローブ２と温度プローブ３に関しては特許文献３に詳細技術が開示されている。質量流量測定の基本的な原理としては、熱線プローブ２先端のエレメント２ａを高温の一定温度に保ち、その一定温度を保つために必要な電気ヒータの発熱量を計測することで、流量計測を行っている。エレメント２ａの表面温度が一定の場合、そこからの放熱量はガス温度と質量流量の関数となるため、温度と発熱量の計測によって質量流量を算出することが可能となる。
【００２４】
バイパス通路１４は前面下側の４ａの場所を入口１４ａとしてガスが流入し、直線通路部１４ｃの下流側で仕切板５に沿ってＵ字状に曲がり（曲がり通路部１４ｄ），主流通路１３のパイプ８より上側の空間に持ち上がる。この上側の通路（測定通路部１４ｅ）に、温度プローブ３の先端にあるエレメント３ａと、熱線プローブ２の先端にあるエレメント２ａが挿入され、それぞれ温度計測と放熱量計測がなされることで質量流量が検知される。これらのセンサ部を通過した後、通路は下に曲がり（曲がり通路部１４ｆ），バイパス通路側面に設けられた開口４ｂを出口１４ｂとしてガスは流出する。バイパス通路１４の天井１４ｇは、センサ用フランジ６によって封止され、同時にセンサ用フランジ６は熱線プローブ２と温度プローブ３の固定も担う。センサ用フランジ６が、ＥＧＲ配管用フランジ９と接合することで流量センサが配管に取り付くが、同時に、ＥＧＲ配管用フランジ９の高さによってバイパス通路１４は主流通路１３から持ち上げられている。バイパス通路１４を持ち上げることにより、パイプ８（主流通路１３）の通路断面積を減少させる量が減り、ＥＧＲ配管７のパイプ８内における圧力損失を低減することに貢献している。
【００２５】
図２は、図１と同じものを分解状態にして表示したものである。バイパス通路１４にセンサ（熱線プローブ２，温度プローブ３）が取り付いたものはセンサユニット１としてまとまり、このセンサユニット１のバイパス通路１４をＥＧＲ配管用フランジ９が設置されているＥＧＲ配管７に挿入して取り付けることになる。センサ用フランジ６に対し、ケースプレート４と仕切板５は溶接し、熱線プローブ２と温度プローブ３は取外し可能なようにネジ込み接合している。バイパス通路１４の外壁を形成するケースプレート４は、上側４ｄと前側４ｅが開き、下側４ｆと後側４ｇが閉じた袋状の形状となり（図２参照）、１枚の金属板を絞り加工することで成形される。側面の開口部４ｂの右側には、くぼみ４ｃを設けて内側にくぼませることにより、ガスがバイパス通路１４から流出する際、主流通路１３の流れに直交することをやわらげ、滑らかに流出する形にしている。このくぼみ４ｃは、仕切板５を接合する前に加工してもよいし、仕切板５とケースプレート４の接合後に加工してもよい。
【００２６】
ケースプレート４の下側４ｆは半円弧形状となってバイパス通路１４の両側面（両側部）を覆うケースプレート４の部分４ｈと４ｉとをつないでおり、その半円弧はバイパス通路１４（ケースプレート４）の下側４ｆおよび右下のコーナー部４ｊ，後側４ｇ，右上のコーナー部４ｋと続いている。ケースプレート４の下側４ｆ，右下のコーナー部４ｊ，後側４ｇ及び右上のコーナー部４ｋは、バイパス通路１４の外周の一部を覆う外周壁面を構成している。また、ケースプレート４の部分４ｈと４ｉとはバイパス通路１４の側壁面を構成している。このような形状を１枚の金属板の絞り加工で製作すると、継ぎ目がなく、角もなくなるので、すすが滞留する空間をなくせる。すすの壁面付着は、一旦起きると連鎖的に成長するため、流れの滞留が起きる場所をなくせば、すすの付着が起きて成長する現象を抑える効果が大きい。また、半円弧の形状は外壁を形成する上で最小の面積で済むことから、すすの付着が起きる機会の低減にもなっている。
【００２７】
仕切板５は左側５ａが、バイパス通路１４（ケースプレート４）の前面４ｅの外壁を担っており、その曲げ部５ｂが、バイパス通路１４の曲がり通路部１４ｆの外側のコーナーを形成している。仕切板５の左下側５ｃは、バイパス通路１４の入口１４ａの形状を形成しており、板の曲がりが、入口の広い開口から徐々にバイパス通路高さが減少して直線通路部１４ｃに繋がる形状を担っている。この形状は、バイパス通路１４の入口１４ａの部分に、下流側に行くに従ってケースプレート４に形成された外周面４ｍ（図１参照）と仕切板５の左下側５ｃ部分によって形成された内周面部分との間隔が狭くなるように絞られた絞り部１４ｈを形成している。そして、仕切板５における絞り部１４ｈを形成する部分５ｃの裏面側にバイパス通路１４の出口１４ｂが開口している。
【００２８】
仕切板５の左下側５ｃと下側５ｄ以降は、バイパス通路１４の曲がりの内側の壁（内周壁）を形成し、出口１４ｂまで連続し、「の」の字状に、一端を自身の中間部分５ｅに接合している。このような仕切板５は金属板を曲げ加工して作ることができ、本実施例ではバイパス通路１４の入口１４ａから出口１４ｂまで連続した内周面を形成しており、さらにバイパス通路１４の外周の一部を覆う外周壁面部５ａ，５ｂも備えている。外周壁面部５ａ，５ｂは、ガスが測定通路部１４ｅを主流通路１３の下流側から上流側に向かって流れた後に、主流通路１３の中央部側へ向けて流れる通路部分の外周を覆っており、仕切板５におけるバイパス通路１４の入口開口部１４ａを形成する部分５ｃに繋がっている。このように、仕切板５を、バイパス通路１４の入口１４ａから出口１４ｂまで連続した内周面５ｃ，５ｄ，５ｅと、外周壁面部５ａ，５ｂとを備えるように、一枚の板材を曲げ加工して製作することにより、部品点数を減らし、組み立て作業を容易にすることができる。また、出口１４ｂ付近には、４ｃのくぼみがあるため、そこだけ仕切板５の板の幅が削られている。ケースプレート４と仕切板５は溶接によって固定接合することが望ましい。
【００２９】
ケースプレート（ケース部材）４と仕切板（仕切り部材）５とにより、バイパス通路１４は以下のように構成される。バイパス通路１４は、主流通路１３の流れ方向のままでガスが流入する向きに入口１４ａが開口し、入口１４ａから流入したガスが主流通路１３の上流側から下流側に向かって直線通路部１４ｃを流れた後、主流通路１３の下流側から上流側に向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており（曲がり通路部１４ｄ）、さらにガスが主流通路１３の下流側から上流側に向かって測定通路部１４ｅを流れた後、主流通路１３の中央部側へ向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており（曲がり通路部１４ｆ）、バイパス通路１４の側部を覆うケースプレート４の部分に出口１４ｂが開口している。
【００３０】
センサユニット１とＥＧＲ配管７との固定は、センサ用フランジ６，ＥＧＲ配管用フランジ９の四隅のネジ穴を通して行う。センサ用フランジ６，ＥＧＲ配管用フランジ９は、簡略的に厚肉部材で表示したが、薄肉構造化することも可能である。また、フランジの接合はネジ以外の方法であってもかまわない。
【００３１】
図３，図４は、本発明によるバイパス通路１４の特性を示すため、流れ解析によって得られた結果を示している。図３（ａ）は、主流通路１３の順流方向にガスが流れる条件での定常流の解析結果であり、図１の断面図と同じ方向の断面における速度ベクトルの分布図である。流れ解析を行うにあたり、流れに関係のないセンサ用フランジ６，ＥＧＲ配管用フランジ９は形状を簡略化した。速度ベクトル図により、順流方向の定常流では、バイパス通路１４にガスが滑らかに流入し、センサのエレメント２ａ，３ａに対して、直交してガスが流れている。また、バイパス通路１４の外側の流れに関しても、バイパスの右下側のコーナー部４ｊが滑らかな曲線になっていることで、主流通路１３の流路断面積が徐々に回復する形状となり、後流で形成される渦が少なく、圧力損失が少ない流れになっている。順流方向の流れでは、違う流量でも速度分布の相似形が比較的保たれ、主流通路１３からバイパス通路１４に分流する流量の割合はほぼ一定である。このため、バイパス通路１４での流量測定によって全体流量を計測することができる。
【００３２】
図３（ｂ）は、主流通路１３の逆流方向に定常流があった場合の流れ解析結果である。ＥＧＲ配管７の主流通路１３で逆流が定常的に続くということはないが、基礎的な特性の把握のためにこの解析を行っている。主流通路１３で逆流が生じている場合、バイパス通路１４入口付近の外側に逆流の流れがあることによってバイパス通路１４内のガスが引きずられ、バイパス通路１４も順流時とは逆向きにガスが流れている。また、バイパス通路１４の出口に形成したくぼみ４ｃも、逆流の流れがバイパス通路１４に流入しやすくしており、逆流を促進している。ただし、順流時に比べれば、逆流時にバイパス通路１４に流入するガスの割合は低い。
【００３３】
図４は、非定常流れ解析によって、脈動流におけるバイパス通路１４の流量を解析した結果である。グラフの横軸は時刻であり、縦軸は流量である。主流通路１３の流量を破線で示しており、目盛は左側になる。脈動流の設定条件として、平均流量を２５kg／ｈとし、瞬間最大流量と瞬間最小流量の差である全振幅を２００kg／ｈとした。この大きな振幅の脈動により、瞬間最小流量は−７５kg／ｈに達し、絶対値として、平均流量の３倍に達する逆流が発生する条件にしている。また、脈動の周波数は１００Ｈｚに設定した。参考として、４気筒の４サイクルエンジンの場合、エンジンの回転１回で２回の吸排気弁の開閉があることから、エンジン回転数が毎分３０００回転の場合、毎分６０００回の弁の開閉があり、１秒あたり１００回の弁の開閉が起きる。この弁の開閉をもとにして複雑な脈動が起きることから、１００Ｈｚの脈動は実際に起きる現象の範囲にある。主流通路１３がこのような脈動流になっていた場合の、バイパス通路１４の流量がグラフの実線となり、目盛は右側になる。この解析結果によるバイパス通路１４の流量は、平均流量が１.４kg／ｈ、瞬間最大流量が２.９kg／ｈ、瞬間最小流量が０.２kg／ｈとなった。特徴は、主流通路１３は大きな逆流が生じる瞬間があるにも関わらず、バイパス通路１４では逆流になる瞬間がないことである。この現象は、バイパス通路１４が脈動の振幅を小さくする効果を持つことで生じる。すなわち、バイパス通路１４は主流通路１３に比べて通路長を長くしていることで、通路内のガスの慣性が主流通路１３よりも強く働き、加速しづらい状況にしている。この慣性の効果によって、バイパス通路１４の流量のピークは、主流通路１３よりも遅れて生じる。また、主流通路１３の側は、ピーク流量が平均流量の５倍になっているにも関わらず、バイパス通路１４の側は、ピーク流量は平均流量の２倍程度になっており、脈動が弱まっている。このため、バイパス通路１４には逆流が起きずに済んでいる。熱線式の流量計の場合、逆流があっても放熱量はマイナスにならないので、逆流がある脈動に対しては流量の計測誤差を生じる。しかし、本発明のバイパス通路１４を使えば、逆流のない脈動にすることができるので、流量の計測精度を向上させることができる。
【実施例２】
【００３４】
図５は、本発明の第２の実施形態を簡略的な形状で、分解図にしたものである。図６は、図５と同じものを正面図と断面図で表示したものである。第１の実施形態と同じ部品は符号を同じにすることで説明を省略する。
【００３５】
第２の実施形態においては、ケースプレート４′において第１の実施形態におけるケースプレート４の右上のコーナー４ｋを無くしている。これによりケースプレート４′の絞り加工はより容易になる。また、ケースプレート４側面のくぼみ４ｃもなくしている。バイパス通路１４′を形成するにあたっては、ケースプレート４′と仕切板５′によって行う。図６において、温度プローブ３′の位置が、第１の実施形態と異なる。すなわち、バイパス通路１４′の直線通路部１４ｃ′が上側の測定通路部１４ｅ′につながるコーナー部（曲がり通路部１４ｄ′）に温度プローブ３′のエレメント３ａ′を配置している。この場所は、ケースプレート４′と仕切板５′のすき間を狭まることでバイパス通路の流路断面積が狭まり流速を増加させることが可能であるため、高い流速を温度プローブ３′のエレメント３ａ′にあたるようにすることで、温度計測の感度を高く保った上で、バイパス通路１４′の小型化を図ることができる。それ以外の構成は第１の実施形態と同様である。
【００３６】
上述の各実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【００３７】
上記のようなバイパス通路の形状および加工方法にすることにより、通路形状の滑らかさが実現され、バイパス通路の圧力損失低減によるバイパス流量の確保と、すすの付着抑制が図られる。また、バイパス通路が上に曲がってＵターンし、その後下に曲がる形状であることにより、その上側の通路をＥＧＲ配管の外側の空間に持ち出すことが可能になる。バイパス通路をＥＧＲ配管の内側に構成した場合、メイン通路の流路断面積が削減されることになり、メイン通路の圧力損失が増大する。ＥＧＲガスの流量計測にあたっては、吸気の流量計測の場合より大きな脈動に対処する必要があり、脈動低減のためのより長いバイパス通路長が求められるが、それをＥＧＲ配管の内側に形成したのであればメイン通路の圧力損失がより一層増大してしまう。このため、バイパス通路に上に向かう箇所と下に向かう箇所を設けることで通路長を伸ばしつつ、上側の流路をＥＧＲ配管の外側に持ち出すことで、メイン通路の圧力損失を増大させずに、バイパス通路の通路長を伸ばすことが可能になった。このメイン通路の圧力損失低減はエンジンのエネルギー効率向上を可能にする。
【００３８】
また、バイパス通路の形成をケースプレートと仕切板の板によって行うことにより、エアフローセンサー用のバイパス通路と同じ形状を金属を削り出して製作した場合に比べ、薄肉の構造にすることが可能になった。削り出しの加工であれば、３次元的な形状も自由に成形可能であるが、加工の際に加わる荷重に耐えられる必要があるため、全面的に薄肉化することは不可能である。それに対し、本発明の構造のように板材の組合せでバイパス通路を形成する場合、使用する板材の肉厚を薄くするだけで、薄肉化することが可能となる。この薄肉化によって、使用する材料が減るだけでなく、より大きな利点を得ることができた。すなわち、薄肉化によってバイパス通路の熱容量が削減され、ＥＧＲのガス温度に対する壁面温度の追従が良くなった。このことは温度計測の誤差を小さくするだけでなく、壁面に付着するすすの量の低減をもたらした。エンジンが冷えた状態から始動する場合、ＥＧＲガス温度は比較的早く昇温するものの、金属で形成されたバイパス通路壁面の温度はすぐには昇温しない。バイパス通路壁面はその表面を通過するガスから熱を受けて昇温するため、熱容量が大きいほど昇温が遅れる。逆に言うと、薄肉化して熱容量を下げると早く昇温するようになる。ディーゼルエンジンの排気に含まれるすすは、より冷えた表面に対して付着しやすい性質を持っていたため、壁面温度がすばやく昇温するとすすの付着が低減するという大きな利点を得ることができた。
【符号の説明】
【００３９】
１ センサユニット
２ 熱線プローブ
３，３′ 温度プローブ
４，４′ ケースプレート
５，５′ 仕切板
６ センサ用フランジ
７ ＥＧＲ配管
８ パイプ
９ ＥＧＲ配管用フランジ
１３ 主流通路
１４ バイパス通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流通路を流れるガスの一部を取り込み、取り込んだガスの流れ方向を変えるバイパス通路と、前記バイパス通路に流れるガスの流量を計測するセンサとを備え、前記バイパス通路のガス流量測定によって主流通路のガス流量を測定する排気再循環ガス流量測定装置において、
前記バイパス通路を、
前記バイパス通路の両側部と外周の一部とを覆うように、金属板を絞り加工して形成したケース部材と、
金属板を曲げ加工して形成され、前記ケース部材の内側に配置されて前記バイパス通路の内周を仕切る仕切り部材と、
を用いて構成したことを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記バイパス通路は、主流通路の流れ方向のままでガスが流入する向きに入口が開口し、前記入口から流入したガスが主流通路の上流側から下流側に向かって流れた後、主流通路の下流側から上流側に向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており、さらにガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れた後、主流通路の中央部側へ向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており、前記バイパス通路の前記側部を覆う前記ケース部材の部分に出口が開口していることを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記仕切り部材は、前記バイパス通路の入口から出口まで連続した内周面を形成していることを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記仕切り部材には、ガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れた後に主流通路の中央部側へ向けて流れる通路部分の外周を覆う部分が設けられ、前記部分は前記仕切り部材における前記バイパス通路の入口開口部を形成する部分に繋がっていることを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記バイパス通路の入口部に下流側に行くに従って外周面と内周面との間隔が狭くなるように絞られた絞り部を有し、前記仕切り部材における前記絞り部を形成する部分の裏面側に前記バイパス通路の出口が開口していることを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記バイパス通路に取り込んだガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れる前記バイパス通路の部分に、前記センサを配置したことを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記バイパス通路の前記センサが配置される部分を、主流通路の内周面の外側に位置するように構成したことを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項１】
主流通路を流れるガスの一部を取り込み、取り込んだガスの流れ方向を変えるバイパス通路と、前記バイパス通路に流れるガスの流量を計測するセンサとを備え、前記バイパス通路のガス流量測定によって主流通路のガス流量を測定する排気再循環ガス流量測定装置において、
前記バイパス通路を、
前記バイパス通路の両側部と外周の一部とを覆うように、金属板を絞り加工して形成したケース部材と、
金属板を曲げ加工して形成され、前記ケース部材の内側に配置されて前記バイパス通路の内周を仕切る仕切り部材と、
を用いて構成したことを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記バイパス通路は、主流通路の流れ方向のままでガスが流入する向きに入口が開口し、前記入口から流入したガスが主流通路の上流側から下流側に向かって流れた後、主流通路の下流側から上流側に向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており、さらにガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れた後、主流通路の中央部側へ向けて流れ方向を変えるように通路が曲がっており、前記バイパス通路の前記側部を覆う前記ケース部材の部分に出口が開口していることを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記仕切り部材は、前記バイパス通路の入口から出口まで連続した内周面を形成していることを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記仕切り部材には、ガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れた後に主流通路の中央部側へ向けて流れる通路部分の外周を覆う部分が設けられ、前記部分は前記仕切り部材における前記バイパス通路の入口開口部を形成する部分に繋がっていることを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記バイパス通路の入口部に下流側に行くに従って外周面と内周面との間隔が狭くなるように絞られた絞り部を有し、前記仕切り部材における前記絞り部を形成する部分の裏面側に前記バイパス通路の出口が開口していることを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記バイパス通路に取り込んだガスが主流通路の下流側から上流側に向かって流れる前記バイパス通路の部分に、前記センサを配置したことを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【請求項７】
請求項６に記載の排気再循環ガス流量測定装置において、
前記バイパス通路の前記センサが配置される部分を、主流通路の内周面の外側に位置するように構成したことを特徴とする排気再循環ガス流量測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−９４５４２（Ｐ２０１１−９４５４２Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４９６４５（Ｐ２００９−２４９６４５）
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月３０日（２００９．１０．３０）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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