多路径空气质量流量传感器组件.pdf

一种多路径空气质量流量传感器组件，包括入口管道，其被分隔成至少两个独立的管道。第一管道具有以传统方式设置在其里面的空气质量流量传感器。第二管道包括闸门或阀门，其可选择性地、部分地或完全地打开。在低的空气流率下，关闭闸门，强制所有空气穿过第一管道。随着发动机速度增加和空气质量流率的增加，闸门打开，其要么在预定的流率下完全打开或在预定的流率范围内按比例地打开，以容许更大体积的空气穿过入口管道。发动机控制器调整来自空气质量流量传感器的信号，以补偿流过第二管道的(旁路)空气。

1.  一种空气质量流量传感器组件，以组合方式包括：
入口管道，其具有第一通道和第二通道，
设置在所述第一通道中的空气质量流量传感器，
设置在所述第二通道中的闸门，及
控制器，用于在预定的空气流量下打开所述闸门，并修正来自所述空气质量流量传感器的空气质量流量指示，以补偿穿过所述第二通道的空气流量。

2.  根据权利要求1所述的空气质量流量传感器组件，其特征在于，所述控制器是旋转促动器。

3.  根据权利要求1所述的空气质量流量传感器组件，其特征在于，所述控制器包括弹簧。

4.  根据权利要求1所述的空气质量流量传感器组件，其特征在于，所述控制器包括传感器，其用于指示所述闸门的位置。

5.  根据权利要求1所述的空气质量流量传感器组件，其特征在于，还包括定位在所述第二通道中的孔板。

6.  根据权利要求1所述的空气质量流量传感器组件，其特征在于，所述空气质量流量传感器包括电阻元件。

7.  根据权利要求1所述的空气质量流量传感器组件，其特征在于，还包括位于所述第二通道中，与所述闸门相邻的密封唇。

8.  一种改进的空气质量流量传感器组件，以组合方式包括：
进气管道，其限定第一通道和第二通道；
安装在所述第一通道中的空气质量流量传感器；
安装在所述第二通道中的闸门；
用于打开和关闭所述闸门的促动器；及
用于提供信号的装置，所述信号指示所述闸门的位置。

9.  根据权利要求8所述的改进的空气质量流量传感器，其特征在于，所述进气管道包括分隔件。

10.  根据权利要求8所述的改进的空气质量流量传感器，其特征在于，所述促动器包括弹簧。

11.  根据权利要求8所述的改进的空气质量流量传感器，其特征在于，所述促动器是电动机。

12.  根据权利要求8所述的改进的空气质量流量传感器，其特征在于，所述用于提供信号的装置包括发动机控制模块。

13.  根据权利要求8所述的改进的空气质量流量传感器，其特征在于，所述用于提供信号的装置是双位置开关。

14.  根据权利要求8所述的改进空气质量流量传感器，其特征在于，还包括跨越所述第二通道而设置的孔板。

15.  一种用于内燃机的空气质量流量传感器组件，以组合方式包括：
进气管道，其限定第一感应管道部分和第二旁路管道部分，
安装在所述第一感应管道部分中的空气质量流量传感器，
安装在所述第二旁路管道部分中的闸门，
用于打开和关闭所述闸门的控制器，及
用于提供信号的装置，所述信号与所述闸门的位置相关。

16.  根据权利要求15所述的空气质量流量传感器，其特征在于，所述控制器包括促动器。

17.  根据权利要求15所述的空气质量流量传感器，其特征在于，所述控制器包括弹簧。

18.  根据权利要求15所述的空气质量流量传感器，其特征在于，所述用于提供信号的装置是变换器。

19.  根据权利要求18所述的空气质量流量传感器，其特征在于，所述变换器是双位置开关。

20.  根据权利要求15所述的空气质量流量传感器，其特征在于，还包括跨越所述第二旁路管道部分而设置在所述闸门上游的孔板。

多路径空气质量流量传感器组件
技术领域
本发明大致涉及空气质量流量传感器，更具体地说，涉及一种多路径空气质量流量传感器，其具有改进的测量精度。
背景技术
通常意图用于客车和货车的现代内燃机，其包括广泛使用操作传感器和微处理器来控制发动机的操作，提高性能和燃料经济性，并减少排放。事实上，这些方面极大的改进时常与最近几十年的操作参数相冲突，不使用这些系统获得这些改进是完全不可行的。
其中一种供内燃机和电子控制器使用的最常见的传感器是空气质量流量传感器。通常，空气质量流量传感器包括电阻元件，其定位在进气管道中，时常直接位于空气过滤器之后，之前该管道被细分为进气歧管或其它结构的分支。经过如此设置，空气质量流量传感器暴露于流向发动机的瞬时的空气流中。发动机控制器利用来自传感器的数据计算瞬时的空气质量流量，其被用于例如，根据预定的参数而调整空气燃料混合物和优化发动机性能。
理想地，空气质量流量传感器将定位在进气管道中，以确保撞击在其上面的空气代表总的空气流，从而传感器的输出精确地反映流过管道的总的瞬时的空气质量。这可能是个挑战，因为时常旋绕的管道和变化的气流速度可能产生复杂的流动模式，其产生了精确测量流量的难度。从排放和燃料经济性的观点来看，这个问题在低流率下特别尖锐，其代表了最关键的发动机操作状态。虽然减少进气管道的尺寸好像是一种解决这个问题的方法，因为进气管道的尺寸在满负荷下受到发动机气流要求的约束，减少其在传感器位置上的尺寸以提高测量精度，其减少了提供给发动机的空气体积，增加了流动阻力，并且因而将对取得最大的发动机输出功率形成干扰。然而，较大的进气管道减小了流率，并使空气质量流量测量变得更加困难，尤其在低流量状态下-精确地说，是那些对发动机的最佳操作最为关键的状态。
前面的讨论提出了空气质量流量传感器组件的设计上的改进是合乎需求的。
发明内容
一种用于内燃机的多路径空气质量流量传感器组件，其包括进气管道，其被分隔成至少两个独立的管道。第一管道具有以传统方式设置在其里面的空气质量流量传感器。第二管道包括闸门或阀门，其可选择性地、部分地或完全地打开。在低的空气流率下，关闭闸门，强制所有空气穿过第一管道。随着发动机速度增加和空气流率的增加，闸门打开，其要么在预定的流率下完全打开或在预定的范围内按比例地打开，以容许更大体积的空气穿过进气管道。发动机控制器或其它处理器对空气质量流量传感器的信号进行处理，用以补偿流过第二管道的(旁路)空气。
本发明还公开了一种空气质量流量传感器组件，其具有被动式弹簧偏压的闸门。这里，由于气流的增加而打开闸门，并且传感器提供了信号，其指示闸门对发动机控制器或其它处理器开放，发动机控制器或其它处理器基于打开的闸门和所得的旁路气流而重新计算空气质量流量。
根据本发明的空气质量流量传感器组件呈现了在低流率下改进的测量精度，因为传感器定位在管道中，其比当前可比拟的发动机所使用的管道更小，同时提供了减少的流动阻力和改进的高的空气体积流量。限定了平行和非平行路径的平行和非平行管道、以及多个分级的或按顺序的旁路管道和具有不同区域或流率的管道也在本发明的范围内。
因而本发明的一个目的是提供一种空气质量流量传感器组件，其具有改进的低流率测量精度。
本发明的另一目的是提供一种空气质量流量传感器组件，其具有改进的高流率能力(high flow rate capability)。
本发明还有另一目的是提供一种空气质量流量传感器组件，其具有改进的低流率测量精度和高流率能力。
本发明还有另一目的是提供一种空气质量流量传感器组件，其具有设置在管道中的闸门，所述管道平行于包含质量空气流量传感器的管道。
本发明还有另一目的是提供一种空气质量流量传感器组件，其具有设置在管道中的被动式弹簧偏压的闸门和位置传感器，所述管道平行于包含质量空气流量传感器的管道。
通过参考以下细节和附图将明晰本发明的其它的目的和优势，其中相似的标号表示相同的构件、元件或特征。
附图说明
图1是根据本发明的与内燃机的进气系统相关联的空气质量流量传感器组件的第一实施例的简图；
图2是根据本发明的空气质量流量传感器组件的第一实施例的简图，其中旁路闸门是打开的；
图3是根据本发明的空气质量流量传感器组件的另一实施例的简图；且
图4是显示在穿过内燃机的进气管道的空气流量和根据本发明的空气质量流量传感器组件的闸门开度之间的两种关系的图表。
具体实施方式
现在参看图1，图中显示了用于内燃机的入口或进气管道组件，其由标号10表示。进气管道组件10包括空气过滤器组件12，其抽吸环境空气，并包括空气过滤元件14。空气过滤器组件12与空气入口或进气管道16相通，其为内燃机18提供燃烧空气。在根据本发明的空气质量流量传感器组件20的第一实施例中，分隔件或隔板26将空气入口或进气管道16分隔成第一感应管道22和第二旁路管道24。虽然所示为平行，但应该懂得第一感应管道22和第二旁路管道24可以是例如独立的非平行的，且弯曲的或旋绕的，以装配在护罩下可用的空间内，或配合并连接到空气入口和发动机构件上。
设置在第一感应管道22中的是传统的空气质量流量传感器30。空气质量流量传感器30配置并设置成可提供穿过第一感应管道22的瞬时空气质量流量的精确指示。通常，空气质量流量传感器30可包括电阻元件，例如碳质电阻器或绕线电阻器。空气质量流量传感器30还包括输出导管或线缆32，其将数据信号从空气质量流量传感器30携带至微处理器，例如发动机控制器或发动机控制模块36。进气管道16延伸至，并包括示例性的进气歧管40。虽然没有显示，但是如果需要，进气管道组件10还可包括涡轮增压器或增压器。
设置在第二旁路管道24中的是校准孔42，其具有已知的或限定的面积。校准孔42提高了发动机控制模块36承担的空气质量流量计算的精度，其将在下面进行更完整的描述。第二旁路管道24还包括可移动的闸门(damper)、挡板(flap)、隔板或阀门44。闸门或阀门44大小适合于完全关闭第二旁路管道24，这时其处于其关闭位置，与旁路管道24的壁和空气流动方向垂直或基本垂直，如图1中所示。因而，如果第二旁路管道24在横截面上是例如方形的或矩形的，那么就使闸门或阀门44形成相应的形状。位于第二旁路管道24的开口周边，并与闸门或阀门44相邻的位置可设置密封唇、密封垫圈或密封凸缘46，其有助于当闸门或阀门44处于其关闭位置时，在闸门或阀门44和第二旁路管道22的壁之间保持紧密密封，如图1中所示。
如图1和图2中所示，通过电动、电子或气动促动器48可使闸门或阀门44从图1所示的其关闭位置，穿过中间位置而移动至图2所示的完全打开位置。促动器48通过导体或线缆52而接受来自发动机控制模块36的信号，其命令阀门移动至完全关闭位置、完全打开位置或中间位置。
图3显示了本发明的另一实施例20′，其中大多数构件是相同的，但已经将闸门促动器48替换为具有双位置开关或旋转变换器(rotarytransducer)56的组件54，其通过导体或线缆58而将有关闸门或阀门44位置的数据提供给发动机控制模块36。如箭头所示，组件54包括弹簧偏压特征，其推动闸门或阀门44克服密封垫圈或密封凸缘46而朝着关闭位置移动。随着进气管道16中的空气体积增加，克服闸门或阀门44的压力增加，其克服弹簧的阻力，并使闸门或阀门44朝着打开位置移动，如图3中所示。当闸门或阀门44旋转并打开时，开关或变换器56改变状态或提供连续的信号，从而为发动机控制模块36指示闸门或阀门44的位置。
图4是一种图表，其展现了相对于图1和图2中所示的本发明实施例，在进气管道16中的总的瞬时空气质量流量和闸门或阀门44的开度百分比之间的两种示例性的操作关系。下面的线指定为“A”，其显示了其中当进气管道16中的空气质量流量达到或超过某一预定的速率时，发动机控制模块36命令促动器48，以使闸门或阀门44从其完全关闭位置移动至其完全打开位置(没有任何中间位置)的操作模式。换句话说，当总的瞬时空气质量流量低于线“A”时，闸门或阀门44将关闭；当其高于线“A”，闸门或阀门44将打开。这个阀值可由例如内燃机18的速度或加速度或来自空气质量流量传感器30的数据来确定。
在图4中，第二线“B”代表一种备选操作模式，其中空气质量流量增加而高于某一预定的阀值，其造成闸门或阀门44随着空气质量流量持续增加而相应地或按比例地打开。应该懂得，在空气质量流量和闸门或阀门44的开度百分比之间的比例关系由线“B”表示，虽然其开始于0百分比，但在显著打开闸门或阀门44之后，其不再按比例有效。这是很好地理解控制闸门和阀门特征的结果，由此在阀门或闸门大约打开2/3之后，没有实现受控流体的控制或按比例控制。然而，应该懂得75％的值只是示例性的，并且该值可根据特定的应用和操作状态而更高或更低。
当闸门或阀门44部分或完全打开时，需要发动机控制模块36(在闸门或阀门44完全关闭时，从其承担的感应和计算过程中)修正或重新校准其对穿过进气管道16的瞬时空气质量流量的计算结果，因为穿过进气管道16的所有空气不再穿过第一感应管道22。这种修正或重新校准可在发动机控制模块36中通过电子方式进行，或者如果传感器组件10是独立装置，那么就在独立的微处理器(未显示)中进行。在根据线“A”的操作情况下，当闸门或阀门44完全打开时，这种修正只是简单地需要将所感应的空气质量流量乘以穿过第一感应管道22和进气管道16的空气比的倒教。在根据线“B”的操作情况下，在阀门或闸门44的开度百分比和穿过第二旁路管道24的实际流量之间的关系，其首先必须是已知的或已确立的，并且利用该关系，根据上面刚才描述的所感应的空气质量流量和总的空气质量流量的反比进行必要的修正。
关于图3中所示的本发明的实施例20′，必须进行相似的操作考虑，特别是修正或重新校准基于穿过第二旁路管道24的流率而由空气质量流量传感器30所感应的空气质量流量值，以反映实际的总的空气质量流量。然而，双位置开关或变换器56将与闸门或阀门44的当前位置相关的数据提供发动机控制模块36，该数据是由于移动空气作用在闸门或阀门44上的力而引起的。根据在闸门或阀门44的位置和由第一感应管道22中的空气质量流量传感器30所感应的空气质量流量之间的已知关系，发动机控制模块36(或其它处理器)从而可计算穿过入口管道16的实际的瞬时空气质量流量。
虽然前面的细节描述集中于具有两条路径或管道的空气质量流量传感器组件20：第一主要或感应路径或管道和第二辅助或旁路路径或管道，但是应该懂得，本发明和其操作原理包含多路径空气质量流量传感器，其具有两条、三条、四条或更多条操作上与单个感应管道平行的旁路管道。在任何这种多路径或管道传感器组件中，感应管道总是打开的，并且响应于更高的发动机速度和负荷而打开一条、两条或更多条旁路管道。随着旁路管道顺序地且渐次地打开，发动机控制模块36或其它控制器修正或重新校准空气质量流量传感器30的输出，以补偿穿过感应管道而减少的空气质量流量和穿过旁路管道而增加的流量。例如，如果组件包括三条相等流率的管道，即，一条感应管道和两条旁路管道，并且所有这三条管道都是打开的，那么空气质量流量传感器的输出将增至三倍，以补偿其只感应穿过入口管道16的总的空气质量流量的三分之一这一事实。
另外，应该懂得，虽然前面的细节描述集中于具有两条相等流率的管道的空气质量流量传感器组件20上，但是具有两条或更多条流率或面积已知但不相等的管道的空气质量流量传感器组件也在本发明的范围内。例如，主感应管道22可具有一个单位的流率或面积，而旁路管道24和其校准孔42可具有两个单位或三个单位的流率或面积。当打开这种旁路管道24时，发动机控制模块36或其它控制器按程序工作，并对空气质量流量传感器30的输出应用恰当的比修正或重新校准。如果主管道对旁路管道的流率比为1∶2，那么当旁路管道完全打开时，总的空气质量流量只有三分之一穿过感应管道22，发动机控制模块36将空气质量流量传感器30所感应的值增至三倍；如果主管道对旁路管道的流率比为1∶3，那么当旁路管道完全打开时，发动机控制模块36将感应值增至四倍。
本发明的前述细节描述在性质上仅仅是示例性的，因而那些没有脱离本发明要点的变型意味着，并且应该处于本发明的范围内。这种变型并不被认为脱离了本发明的精神和范围。