車のエアフローメーターとは何ですか？
エアフローセンサー（エアフローメーターとも呼ばれる）は、電子燃料噴射エンジンにおいて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、燃料噴射量を決定するための基本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れを測定するセンサーでもあります。
電子制御式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ー、すなわちエアフローセンサーは、システムの制御精度を左右する重要な構成要素の一つです。エンジンが吸入する空気と混合気の空燃比（A/F）の制御精度が±1.0と規定されている場合、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構成要素に配分すると、エアフローセンサーの許容誤差は±2～3%となります。
ガソリンエンジンの最大吸気流量と最小吸気流量の比（max/min）は、自然吸気システムでは40～50、過給システムでは60～70である。この範囲内で、エアフローセンサは±2～3％の測定精度を維持できる必要がある。電子制御燃料噴射装置に使用されるエアフローセンサは、広い測定範囲で測定精度を維持するだけでなく、優れた測定応答性を持ち、脈動する空気流量を測定でき、出力信号の処理が簡便である必要がある。
吸気流量センサーの特性の違いにより、燃料制御システムは、吸気量測定方法に基づいて吸気量を直接測定するL型制御と、吸気量を間接的に測定するD型制御に分類されます。吸気量は、吸気マニホールドの負圧とエンジン回転数に基づいて間接的に測定されます。D型制御モードでは、マイクロコンピュータのROMに、エンジン回転数と吸気管内の圧力をパラメータとして、さまざまな状態における吸気量が事前に保存されます。マイクロコンピュータは、各動作状態で測定された吸気圧と回転数に基づいて、ROMに記憶された吸気量を参照し、燃料消費量を計算できます。L型制御で使用されるエアフローメーターは、基本的に一般的な産業用流量センサーと同じです。ただし、自動車の過酷な環境に適応できるだけでなく、アクセルペダルを踏んだときの流量の急激な変化に対応すること、およびセンサー前後の吸気マニホールドの形状によって生じる不均一な気流を高精度で検出することが求められます。
初期の電子燃料噴射制御システムはマイクロコンピュータを使用しておらず、アナログ回路が用いられていた。当時はバルブ式の空気流量センサーが使われていたが、燃料噴射制御にマイクロコンピュータが用いられるようになると、他の様々なタイプの空気流量センサーも登場した。
バルブ型空気流量センサーの構造。
バルブ式エアフローセンサーは、ガソリンエンジンにおいてエアフィルターとスロットルバルブの間に設置されます。その機能は、エンジンの吸気量を検出し、検出結果を電気信号に変換してマイクロコンピュータ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いきましょう。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流れます。バルブは、吸気量と戻りばねの力が釣り合った位置で停止します。つまり、バルブの開度は吸気量に比例します。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います。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。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、それを制御回路に入力します。
カマン渦流式エアフローセンサー
バルブ式空気流量センサーの欠点を克服するため、すなわち、測定精度を確保しつつ測定範囲を拡大し、摺動接点を排除するために、小型軽量の空気流量センサー、すなわちカルマン渦空気流量センサーが開発されました。カルマン渦は物理現象です。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。空気通路の面積と渦発生柱のサイズ変化が検出精度を決定します。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コンバータを省略できます。したがって、本質的にカルマン渦空気流量センサーは、マイクロコンピュータ処理に適した信号です。このセンサーには、高い測定精度、線形信号を出力できる能力、簡単な信号処理という3つの利点があります。長期間使用しても性能は変化しません。体積流量を検出するため、温度や大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その形状が変化します。流量検出の基本原理は、この渦内部の速度変化を利用することです。信号は方形波とデジタル信号です。吸気量が多いほどカルマン渦の周波数が高くなり、空気流量センサーの出力信号の周波数も高くなります。
温度と圧力補償機能を備えた空気流量センサーは、主にガス、液体、蒸気などの産業用パイプライン内のさまざまな媒体の流量測定に使用されます。低圧力損失、広い測定範囲、高精度などの特長を持ち、動作条件下で体積流量を測定する際に、流体密度、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。機器パラメータは長期間安定しています。この機器は、信頼性が高く、-10℃から+300℃の動作温度範囲で動作する圧電応力センサーを採用しています。アナログ標準信号とデジタルパルス信号の両方を出力できるため、コンピュータなどのデジタルシステムと簡単に連携して使用できます。比較的高度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、測定対象媒体の物理的特性に影響を受けず、ある代表的な媒体から他の媒体へ拡張できる点です。しかし、液体と気体の流量範囲が大きく異なるため、周波数範囲も大きく異なります。渦列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。したがって、同じ回路パラメータを使用して異なる界面を測定することはできません。
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