流量测量装置、燃料消耗量测量装置和流量测量方法技术领域
本发明涉及测量从例如内燃机排出的排气的流量的流量测量装置等。
背景技术
为了测量包含在内燃机的排气中的各种成分的量和燃料消耗量等，除了需要测量
所述成分的浓度以外，还需要测量排气流量，以往，如专利文献1所示，在与车辆和内燃机的
例如排气管串联连接的管体上安装有超声波式等的流量计来测量排气流量。
此时，设置温度传感器来对流量测量时的排气温度进行测量。作为其理由，可以例
举的是，对测量到的流量进行标准(normal)换算(将测量流量换算为标准状态亦即0℃、
101.325kPas·abs下的体积流量)时需要流量测量时的排气温度，不仅在超声波流量计中，
在各种类型的流量计中，流体温度是流量测量时的参数。
温度传感器通常配置成其传感器主体位于流道的中央附近，测量在流道中央流动
的排气的温度。
在内燃机的燃料消耗量测量和排气成分测量中，排气流的中央附近的温度就是表
示该排气的温度，将该温度作为排气流量计算时的参数是一般常识。此外，并未发现这样做
会产生特别的不好的问题的事实。
但是，在柴油发动机的油混入测试等特殊的测试状况下，在所述流量测量方式中，
发现测量流量产生误差，作为本发明的发明人经过专心研究的结果，首次找到了其原因。
即，为了防止安装有流量计的管体在其内壁面上产生水分和THC(碳氢化合物)凝
结，利用加热器将该管体加热至大约100℃。在所述油混入测试中，使内燃机的转速急速上
升，在相当长的时间使最高达到300℃的排气流动并对其流量进行持续测量。在这样的特殊
条件下，由于在排气流动开始后的一段时间内，与排气温度相比，管体内壁的温度相当低，
排气的周围部分被管体冷却，所以与维持温度的中央附近产生大的温度差。其结果，在测量
中央的温度的以往方式中，无视了因排气周围部分的温度下降产生的影响，由此产生了测
量误差。
相对于此，在通常的模式行驶测试等中，例如，并不是从初期动作时起就一下子持
续流动温度高的排气，在以往的测量方法中在流量测量中几乎不会产生不好的问题。
现有技术文献
专利文献1：日本专利公开公报特开2015-36623号
发明内容
本发明是鉴于所述的问题而做出的发明，本发明的主要目的在于提供一种流量测
量装置，即使在管体内流通的试样流体沿径向产生温度不均，也能够高精度地测量其流量。
即，本发明提供一种流量测量装置，其具备温度测量器，所述温度测量器测量在管
体内流动的试样流体的平均温度或所述试样流体的沿径向的温度分布，所述流量测量装置
基于所述温度测量器测量到的所述平均温度或所述温度分布，测量所述试样流体的流量。
具体地说，所述试样流体是从内燃机排出并在管体内流动的排气，所述温度测量
器测量从内燃机排出并在管体内流动的排气的平均温度或排气的沿径向的温度分布。
如果是这样的装置，则即使在管体内流动的作为试样流体的排气的温度存在不
匀，也能够更准确地测量流量，其结果，能够减少例如作为进行标准换算时的排气流量的标
准流量的误差。
更具体地说，可以举出下述的装置：所述流量测量装置具备一对超声波收发器，并
且基于在所述一对超声波收发器之间传播的超声波的传播时间，测量所述试样流体的流
量。此时，优选的是，所述温度测量器基于所述传播时间，计算试样流体的平均温度。
按照这种构成，由于将流量计的一部分用作温度测量器，所以可以不在管体内配
置专用的温度传感器，能够实现结构的简单化，并且能够使试样流体在管体内没有阻力地
流动。
更优选的是，可以举出下述的装置：所述温度测量器还基于空燃比传感器测量到
的内燃机内的空燃比，计算排气的平均温度。
作为用于基于所述传播时间计算排气流量和排气温度的具体结构，可以举出下述
的装置：所述流量测量装置具备一对超声波收发器，并且基于在所述一对超声波收发器之
间向排气的上游方向和下游方向传播的超声波的各传播时间的倒数差，计算排气流量，还
基于根据所述各传播时间的倒数和计算出的排气温度，计算排气流量。
本发明还提供一种燃料消耗量测量装置，其包括：本发明的流量测量装置；以及燃
料消耗量计算器，基于所述流量测量装置测量到的排气流量，计算燃料消耗量。按照该燃料
消耗量测量装置，能够基于与以往相比更准确的排气流量，实现更准确的燃料消耗量的测
量。
为了能够在以往的流量测量装置中实现与本发明同样的功能，更准确地测量试样
流体的流量，只要将程序安装在以往的流量测量装置中即可。所述程序安装在流量测量装
置内，所述流量测量装置具备：一对超声波收发器；以及计算部，基于在所述一对超声波收
发器之间通过所述试样流体并进行传播的超声波的传播时间，计算试样流体的流量，所述
程序使所述计算部发挥下述功能：基于所述传播时间，计算试样流体的平均温度，并且进一
步基于所述平均温度，计算排气的流量。
此外，本发明还提供一种流量测量方法，其包括下述工序：测量在管体内流动的试
样流体的平均温度或所述试样流体的沿径向的温度分布；基于测量到的所述平均温度或所
述温度分布，测量所述试样流体的流量。
按照所述构成的本发明，即使试样流体的温度存在不均，也能够更准确地测量其
流量，其结果，例如能够减少作为进行标准换算时的试样流体的流量的标准流量的误差。
附图说明
图1是示意性地表示本发明一种实施方式的燃料消耗量测量装置的整体结构的
图。
图2是同一实施方式的超声波流量计的计算部的功能框图。
图3是使同一实施方式的平均温度计算部计算温度时使用的图成为曲线图的温
度-传播时间相关图。
附图标记说明
100···燃料消耗量测量装置
8···管体
2···超声波流量计
21、22···超声波收发器
23b···温度测量器(平均温度计算部)
3···空燃比传感器
4···燃料消耗量计算器(计算装置)
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的燃料消耗量测量装置进行说明。
本实施方式的燃料消耗量测量装置100测量内燃机的燃料消耗量，如图1所示，其
包括：排气流过的管体8，串联安装在内燃机的排气管上；空燃比传感器3，测量空燃比；作为
排气流量测量装置的超声波流量计2，测量在所述管体8内流动的排气的流量；温度传感器6
和压力传感器7，分别测量温度和压力；以及作为燃料消耗量计算器的计算装置4，基于通过
所述各传感器等得到的测量值，计算内燃机的燃料消耗量Fe等。
所述管体8例如由不锈钢制成，与排气管连续地串联连接，使从内燃机排出的排气
的全部的量在该管体8中流通。
在所述管体8的外侧周面上安装有加热器H，将该管体8加热到大约100℃，防止排
气中的各种成分凝结在所述管体8的内壁面上。
所述空燃比传感器3是以贯通的方式安装于所述管体8的管壁的直插型传感器，在
此配置在所述超声波流量计2的下游侧。所述空燃比传感器3是二氧化锆式传感器，该二氧
化锆式传感器在二氧化锆(ZrO2)固体电解质体的两面上设置有电极，检测与所述两面的氧
浓度差对应的电动势。具体地说，空燃比传感器3包括：检测部31，内置有所述二氧化锆固定
电解质、所述电极和用于对所述固定电解质进行加热的加热器等；以及计算单元32，根据所
述电动势来测量排气中的氧浓度，并且根据所述氧浓度计算空燃比。另外，可以省略所述计
算单元32的全部或一部分功能，并且使后述的计算装置4具有所述功能。
所述超声波流量计2具有：成对的第一超声波收发器21和第二超声波收发器22，以
相对于所述管体8的轴向倾斜的方式相互相对配置；以及计算单元23。
所述成对的第一超声波收发器21和第二超声波收发器22安装在所述管体8的管壁
上。
计算单元23是具有CPU和存储器等的计算机，通过按照存储在所述存储器内的规
定的程序使所述CPU及其外围设备协同动作，发挥作为传播时间检测部23a、作为温度测量
器的平均温度计算部23b和排气流量计算部23c等的功能。另外，可以省略所述计算单元23
的一部分或全部的功能，并且使后述的计算装置4具有所述功能。
接着，对所述传播时间检测部23a～排气流量计算部23c各部分进行说明。
所述传播时间检测部23a通过向一方的超声波收发器21(或超声波收发器22)输出
发送信号，并且从另一方的超声波收发器22(或超声波收发器21)取得接收信号，检测超声
波脉冲的传播时间亦即向下游方向的超声波的传播时间(以下也称为顺向传播时间)和向
上游方向的超声波的传播时间(以下也称为逆向传播时间)。
平均温度计算部23b将通过所述传播时间检测部23a得到的声波的顺向传播时间
和逆向传播时间以及通过空燃比传感器得到的空燃比作为参数，计算排气的温度。
首先，对能够根据所述参数计算排气温度的概念性理由进行说明。
由于如果温度变化，则超声波的传播速度(音速)变化，所以通过测量该音速，能够
计算排气的温度。但是，音速也因排气密度而变化，然而由于根据作为空燃比传感器的测量
值的空燃比，得到排气的成分，也得到其密度，所以能够根据所述参数计算排气的温度。
更具体地进行说明。
在音速C[m/s]与、所述顺向传播时间Tdn[s]、逆向传播时间Tup[s]和超声波收发器
21、22之间的距离L[m]之间具有以下关系。
[数学式1]
此外，在音速C和温度t之间具有以下关系。
[数学式2]
其中，κ是排气的比热比，R是气体常数，M是排气的平均分子量。
根据所述数学式1和数学式2可以导出以下的数学式。
[数学式3]
在所述数学式3中，由于右边第一项可以根据空燃比求出，并且L已知，所以只要测
量顺向传播时间Tdn和逆向传播时间Tup，就能够根据其倒数和求出排气温度TEX。
另外，简单地说，通过将排气的组成看作始终大体不变，并且将右边第一项作为常
数，可以求出排气温度TEX。在这种情况下，可以不使用空燃比。即，也可以仅将顺向传播时间
Tdn和逆向传播时间Tup作为变量，求出排气温度TEX。
因此，所述平均温度计算部23b基于所述数学式3或通过进行与其等同的计算，计
算出温度TEX。
实际上，针对每个作为空燃比传感器的测量值的空燃比，将表示温度t与、顺向传
播时间Tdn和逆向传播时间Tup的关系的曲线图(图3所示)作为图存储在存储器内，所述平均
温度计算部23b将测量到的空燃比与计算出的顺向传播时间Tdn和逆向传播时间Tup的倒数
和应用于所述图，计算出温度TEX。
但是，由于基于超声波沿着排气的径向得到所述温度TEX，所以可以将所述温度TEX
视为沿着排气的径向的温度的平均值。
所述排气流量计算部23c接收所述平均温度计算部23b计算出的排气温度TEX，根据
包含所述排气温度TEX的以下的数学式或通过进行与其等同的计算，计算标准状态下的排气
流量QEX。这是所谓的标准换算。此外，所述排气流量计算部23c以能够显示的方式将排气流
量QEX向另外设置的显示器输出、或向外部信息处理装置输出。
[数学式4]
在此，QEX是所述标准状态的排气体积流量[m3/min]，kprofile是基于管体8内的排气
速度分布的修正系数，A是管体8的流道截面面积[m2]，T0是标准温度(＝293.15)[K]，TEX是
排气温度[K]，pEX是排气压力[kPa]，p0是标准压力(＝101.3)[kPa]。
此外，v是能够通过以下的数学式计算的、未考虑温度的假设排气流速[m/s]。从该
数学式可以判明，根据顺向传播时间Tdn和逆向传播时间Tup的倒数差能够求出v。
[数学式5]
计算装置4是专用或通用的计算机，其包括：CPU、存储器、输入输出接口和AD转换
器等，如图1所示，该计算装置4收容在壳体5内，所述壳体5以包围的方式配置在所述管体8
的外侧。所述计算装置4通过按照存储在所述存储器内的规定的程序使CPU及其外围设备协
同动作，发挥计算燃料消耗量的功能。
具体地说，所述计算装置4取得所述超声波流量计2测量到的排气流量QEX和空燃比
传感器3测量到的空燃比AFR，使用它们并通过以下的数学式或通过进行与其等同的计算，
逐次计算瞬时燃料消耗量Fe(t)。此外，将所述瞬时燃料消耗量Fe(t)的值以能够显示的方
式向另外设置的显示器输出、或向外部信息处理装置输出。
[数学式6]
在此，Fe(t)是时间t的燃料消耗率[g/s]，QEX(t)是时间t的标准状态(温度
293.15K、压力101.3kPa)的排气流量[L/min]，AFR(t)是时间t的空燃比，DEX是排气密度[kg/
m3]。
由此，如果是这样的装置，则能够在管体8内流动的排气的温度下更准确地测量流
量，其结果，能够减少例如作为进行标准换算时的排气流量的标准流量的误差。
此外，由于利用超声波流量计2的一部分功能来测量温度，所以可以无需在管体8
内配置专用的温度传感器，能够实现结构的简单化，并且可以使排气没有阻力地在管体8内
流动。
另外，本发明并不限于所述实施方式。
例如，在所述实施方式中设置有温度传感器6，但是也可以利用由所述温度传感器
6测量的测量温度，对所述平均温度计算部23b计算出的温度进行校准。优选的是，所述温度
传感器6能够装拆，以便能够仅在校准时使用。
此外，可以将所述温度传感器6的传感器面配置在管体8的径向中心，由于是用于
校准，所以也可以配置在管体8的内壁面附近。作为流动方向上的设置位置优选的是超声波
流量计2的附近。
可以不利用超声波流量计来测量排气温度而是在管体内以分别沿径向位置不同
的方式预先设置多个温度传感器，测量排气的径向的温度分布，并且根据该温度分布来计
算排气流量。例如可以沿径向在管体的中心、管体的内周面附近、管体的中心与内周面之间
等两个部位或三个以上的部位分别设置多个温度传感器。多个温度传感器作为测量在管体
内流动的试样流体的平均温度或温度分布的温度测量器发挥功能。
如果是这样的装置，则由于不是基于排气的平均温度而是基于温度分布进行测
量，所以能够进行精度更高的流量测量。但是，由于与利用所述超声波流量进行测量的温度
测量相比，将温度传感器配置在管体8内，所以存在这些温度传感器成为流体阻力的缺点。
作为流量计并不限于超声波流量计，也可以使用其它流量计。
不仅可以将本发明应用于排气，也可以将本发明应用于其它各种各样的试样流
体。
作为试样流体的排气以外的具体例子，可以例举吸入内燃机的空气。可以将所述
实施方式所示的结构预先设置在作为空气的吸入通道的管体内，测量在管体内流动的空气
的平均温度或空气的沿径向的温度分布，并且基于该值测量空气的流量。此外，本发明的测
量对象并不限于气体，也可以测量包含气体和液体的试样流体。
另外，本发明并不限于所述实施方式，能够在不脱离本发明宗旨的范围内进行各
种变形。
可以相互组合本发明的各个实施方式(实施例)中所记载的技术特征形成新的技
术方案。