車の空気流量計とは
エアフローセンサー（エアフローメータとも呼ばれる）は、電子燃料噴射エンジンにおける重要なセンサーの一つです。吸入された空気の流れを電気信号に変換し、電子制御ユニット（ECU）に送信します。ECUは燃料噴射を決定するための基本的な信号の一つとして機能し、エンジンに吸入される空気の流量を測定するセンサーです。
電子制御燃料噴射装置において、エンジンが吸入する空気量を測定するセンサ、すなわちエアフローセンサは、システムの制御精度を左右する重要な部品の一つです。エンジンが吸入する空気と混合気の空燃比（A/F）の制御精度を±1.0と規定した場合、システムの許容誤差は±6%～7%となります。この許容誤差をシステムの各部品に分配すると、エアフローセンサの許容誤差は±2%～3%となります。
ガソリンエンジンの吸入空気量（最大流量）と吸入空気量（最小流量）の比（max/min）は、自然吸気システムでは40～50、ターボチャージャー付きシステムでは60～70です。この範囲において、エアフローセンサは±2～3[%]の計測精度を維持する必要があります。電子制御燃料噴射装置に用いられるエアフローセンサは、広い計測範囲で計測精度を維持するだけでなく、優れた計測応答性、脈動する空気流の計測が可能であること、そして出力信号の処理が簡便であることが求められます。
エアフローセンサーの特性の違いにより、燃料制御システムは、吸入空気量を直接測定するL型制御と、吸入空気量の測定方法に基づいて間接的に吸入空気量を測定するD型制御に分類されます。吸入空気量は、吸気マニホールドの負圧とエンジン回転数に応じて間接的に測定されます。D型制御モードでは、エンジン回転数と吸気管内の圧力をパラメータとして、様々な状態における吸入空気量をマイコンROMに予め記憶しています。マイコンは、各運転状態で測定された吸入圧力と回転数に基づき、ROMに記憶された吸入空気量を参照して、燃料消費量を算出します。L型制御で使用されるエアフローメーターは、一般的な産業用フローセンサーと基本的に同じです。自動車の過酷な環境に適応できる一方で、アクセルを踏んだ際の急激な流量変化への対応や、センサー前後の吸気マニホールドの形状に起因する気流の不均一性に対する高精度な検出が求められます。
初期の電子燃料噴射制御システムにはマイクロコンピュータは使用されていませんでした。代わりにアナログ回路が使用されていました。当時はバルブ式のエアフローセンサーが使用されていましたが、燃料噴射制御にマイクロコンピュータが適用されるにつれて、他の種類のエアフローセンサーもいくつか登場しました。
バルブ型エアフローセンサーの構造。
バルブ型エアフローセンサーは、ガソリンエンジンのエアフィルターとスロットルの間に取り付けられています。その機能は、エンジンの吸入空気量を検出し、検出結果を電気信号に変換してマイコンに入力することです。このセンサーは、エアフローメーターとポテンショメーターの2つの部分で構成されています。
まず、エアフローセンサーの動作プロセスを見てみましょう。エアフィルターによって吸い込まれた空気はバルブに向かって勢いよく流れ、バルブは吸入量とリターンスプリングの力のバランスが取れた位置で停止します。つまり、バルブの開度は吸入量に正比例します。バルブの回転軸にはポテンショメータも取り付けられており、ポテンショメータのスライドアームはバルブと同期して回転します。このスライド抵抗の電圧降下を利用して、測定プレートの開度を電気信号に変換し、制御回路に入力します。
カマン渦式空気流量センサー
バルブ式エアフローセンサーの欠点を克服し、測定精度を確保しながら測定範囲を拡大し、摺動接点をなくすために、小型軽量のエアフローセンサー、すなわちカルマン渦式エアフローセンサーが開発されました。カルマン渦は物理現象であり、渦の検出方法や電子制御回路は検出精度とは全く関係ありません。検出精度は、空気通路の面積と渦発生柱の大きさの変化によって決まります。また、このタイプのセンサーの出力は電子信号（周波数）であるため、システムの制御回路に信号を入力する際に、ADコンバーターを省略できます。したがって、本質的にカルマン渦式エアフローセンサーは、マイコン処理に適した信号です。このセンサーは、高い検査精度、線形信号を出力できること、信号処理が簡単であることの3つの利点があります。長期間使用しても性能が変化しません。体積流量を検出するため、温度や気圧の補正は不要です。
カルマン渦が発生すると、速度と圧力の変化に応じて変化します。流量検出の基本原理は、その中の速度変化を利用することです。信号は矩形波とデジタル信号です。吸入量が多いほどカルマン渦の周波数が高くなり、エアフローセンサーの出力信号の周波数も高くなります。
温度・圧力補償式エアフローセンサーは、主にガス、液体、蒸気などの工業用パイプラインにおける各種媒体の流量測定に用いられます。圧力損失が低く、測定範囲が広く、高精度であることが特徴です。また、動作条件下での体積流量測定において、流体の密度、圧力、温度、粘度などのパラメータの影響をほとんど受けません。可動機械部品がないため、信頼性が高く、メンテナンスもほとんど必要ありません。機器のパラメータは長期間にわたって安定した状態を維持できます。本製品は圧電式応力センサーを採用しており、信頼性が高く、-10℃～+300℃の動作温度範囲で動作可能です。アナログ標準信号とデジタルパルス信号出力の両方を備えているため、コンピュータなどのデジタルシステムとの併用が容易で、比較的先進的で理想的な流量計です。
空気流量センサーの最大の利点は、機器係数が測定対象媒体の物理的特性に左右されず、ある典型的な媒体から他の媒体へと拡張できることです。しかし、液体と気体の流量範囲には大きな違いがあるため、周波数範囲も大きく異なります。渦流信号を処理する増幅回路では、フィルタの通過帯域が異なり、回路パラメータも異なります。そのため、同じ回路パラメータを異なるインターフェースの測定に使用することはできません。
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