空气过滤器及发动机控制系统 技术领域 本发明涉及空气过滤器及发动机控制系统， 特别是涉及使供给至发动机的空气的 流量稳定化的空气过滤器及发动机控制系统。
背景技术 目前， 已知一种排气再循环装置即所谓排气循环 (Exhaust gasrecirculation， EGR) 系统， 其将从发动机排出的排气的一部分供给至吸气管道， 以使柴油发动机的燃烧温 度下降而抑制 NOX 的产生。
另外， 在这样的 EGR 系统中， 有一种将可变涡轮增压器设置在吸入外部空气的空 气过滤器下游侧、 将经由空气过滤器吸入的空气加压并供给至发动机的系统， 通过控制器 对 ERG 阀或可变涡轮增压器喷嘴的开度进行电子控制。
其中， 使用质量流量计来测量经空气过滤器过滤后的空气的流量， 控制器基于测 得的空气流量进行控制， 因此， 质量流量计的流量测定值精度对控制器的控制精度有很大 影响。
专利文献 1 ： ( 日本 ) 特开平 10-48021 号公报
需要说明的是， 在建筑机械等所使用的大型柴油发动机中， 为了提高空气过滤器 对空气中的灰尘的捕获效果， 使用了具有呈同心圆状配置的内筒过滤器及外筒过滤器、 收 容该内筒过滤器及外筒过滤器的壳体的空气过滤器。
该空气过滤器具有以下优点， 即， 由于从外部吸入的空气经过内筒过滤器及外筒 过滤器双重结构的过滤， 因此排出的空气的清洁度提高。
在这种空气过滤器中， 通常， 内筒过滤器固定在收容过滤器的壳体内， 根据过滤器 的污浊情况来更换外筒过滤器。
但是， 在这种空气过滤器中， 壳体内部的空气流动因外筒过滤器自身的滤纸的偏 差、 固定在壳体内部的内筒过滤器与安装后的外筒过滤器的位置关系而产生微妙的变化， 如果单纯地使用所述专利文献 1 中公开的技术， 会产生不能通过质量流量计高精度地测量 空气流量的问题。
发明内容
本发明的目的在于， 提供一种能够高精度地测量从空气过滤器排出的空气的流量 并能够大幅度地提高过滤后的空气的清洁度的空气过滤器及发动机控制系统。
本发明的空气过滤器将外部空气吸入并在去除该空气中的灰尘后排出， 其特征在 于， 具有 ： 内筒过滤器及外筒过滤器， 其呈同心圆状配置 ； 壳体， 其收容所述内筒过滤器及 外筒过滤器， 有底筒状体的开口端面由盖部件封闭 ； 所述壳体具有 ： 上游侧配管， 其设于所 述有底筒状体的外周侧面， 将外部空气吸入该壳体内部 ； 下游侧配管， 其设于所述有底筒状 体的空气流动方向下游侧的底面的大致中央， 将从所述上游侧配管吸入并经所述内筒过滤 器及所述外筒过滤器过滤后的空气排出 ； 在所述下游侧配管的内部设有测量该下游侧配管中的空气流量的质量流量计， 在所述质量流量计的上游侧设有对所述下游侧配管内的空气 流进行整流的整流格栅。
其中， 所述整流格栅为金属网、 钻孔金属板等。
在本发明中， 优选使所述整流格栅的外径尺寸与所述下游侧配管的配管直径大致 相同或比所述下游侧配管的配管直径大， 将所述整流格栅安装在所述底面与所述内筒过滤 器之间。另外， 也可将整流格栅焊接在底面与内筒过滤器之间。
在本发明中， 优选使所述内筒过滤器的内径尺寸与所述下游侧配管的内径大致相 同或者比所述下游侧配管的内径大。
在本发明中， 优选使所述整流格栅由金属网状格栅部件构成， 使该整流格栅的空 隙率为 30％～ 50％。
其中， 参考图 2， 通过以下公式 (1) 求出空隙率 (％ )。
空隙率 (％ ) ＝ (B2/A2)×100 式 (1)
在本发明中， 优选使所述整流格栅由线径在 0.2mm 以上的线材呈格栅状编制而 成。
其中， 线径是指构成整流格栅的线材的粗细。 本发明的发动机控制系统的特征在于， 具有 ： EGR 阀， 其设置在使发动机的排气的 一部分在吸气侧再循环的排气再循环通路中 ； 空气过滤器， 其为所述任一种空气过滤器中 ； 可变涡轮增压器， 其由来自所述发动机的排气驱动， 将经所述空气过滤器过滤后的空气吸 入、 加压后供给至所述发动机 ； 控制机构， 其对所述 EGR 阀及所述可变涡轮增压器进行控 制； 所述控制机构具有 ： 流量检测部， 其检测来自设置在所述空气过滤器上的质量流量计 的信号 ； EGR 阀开度控制部， 其对所述 EGR 阀的开度进行控制 ； 喷嘴开度控制部， 其对构成所 述可变涡轮增压器的喷嘴的开度进行控制 ； 所述 EGR 阀开度控制部及所述喷嘴开度控制部 基于由所述流量检测部检测出的检测信号对所述 EGR 阀及所述喷嘴的开度进行控制。
根据本发明， 由于在质量流量计的上游侧设有整流格栅， 因此能够对下游侧配管 中的空气流进行整流， 从而能够通过质量流量计高精度地测量流量。 另外， 由于采用具有内 筒过滤器及外筒过滤器这样的双重结构的过滤器结构， 因此能够提高过滤效率， 提高排出 的空气的清洁度。
另外， 由于整流格栅安装在底面与内筒过滤器之间， 因此能够通过整流格栅对通 过内筒过滤器后的空气进行整流， 即使因内筒过滤器及外筒过滤器的位置关系等而使空气 流发生变化， 也能够通过整流格栅进行整流， 从而使下游侧配管中的空气流不会发生乱流、 偏流。
而且， 由于内筒过滤器的内径尺寸与下游侧配管的内径大致相同或比下游侧配管 的内径大， 因此能够防止从内筒过滤器向下游侧配管流动的空气流因扩大而发生紊乱， 从 而能够进一步可靠地防止下游侧配管内部发生乱流、 偏流。
此外， 由于整流格栅的空隙率为 30％～ 50％、 线径在 0.2mm 以上， 因此能够提高质 量流量计所测得的流量测定值的精度， 并且不会使空气过滤器内的空气流发生压力损失。 通过使线径在 0.2mm 以上， 能够防止因长期使用而导致构成整流格栅的金属线老化、 破损， 因混入异物而导致网破裂。
并且， 由于控制机构的流量检测部检测来自质量流量计的检测信号并计算出流
量， 根据该流量对设置在排气再循环通路中的 EGR 阀的阀开度以及可变涡轮增压器的喷嘴 开度进行控制， 测量整流后的空气的质量流量， 因此， 能够根据该空气的质量流量高精度地 对 EGR 进行控制， 从而能够良好地对发动机进行控制。 附图说明
图 1 是本发明实施方式的空气过滤器的剖视图。
图 2 是所述空气过滤器所使用的整流格栅的放大图。
图 3 是所述实施方式的发动机控制系统的示意图。
图 4 是所述发动机控制系统的框图。
图 5 是所述发动机控制系统的流程图。
图 6 是表示外壳 1(15 英寸 ) 中整流格栅的空隙率与误差率及压力损失的关系的 曲线图。
图 7 是表示外壳 2(13 英寸 ) 中整流格栅的空隙率与误差率及压力损失的关系的 曲线图。
图 8 是表示外壳 3(11 英寸 ) 中整流格栅的空隙率与误差率及压力损失的关系的 曲线图。
图 9 是表示外壳 4(10 英寸 ) 中整流格栅的空隙率与误差率及压力损失的关系的 曲线图。
附图标记说明
10 空气过滤器
11 壳体
11A 外壳主体 ( 有底筒状体 )
12 外筒过滤器
13 内筒过滤器
14 盖部件
15 吸气口 ( 上游侧配管 )
16 排气口 ( 下游侧配管 )
18 整流格栅
19 质量流量传感器 ( 质量流量计 )
20 发动机控制系统
21 发动机
24 可变涡轮增压器
25EGR 管道 ( 排气再循环通路 )
27EGR 阀
30 控制器 ( 控制机构 )
31 流量检测部
32EGR 阀开度控制部
33 喷嘴开度控制部
111 底面具体实施方式
以下， 基于附图对本发明的实施方式进行说明。
( 空气过滤器 10 的结构 )
图 1 是本实施方式的空气过滤器 10 的剖视图。
该空气过滤器 10 为气流过滤装置， 将外部空气吸入并在去除该空气中的灰尘后 排出， 将去除灰尘后的空气供给至发动机等。空气过滤器 10 具有壳体 11、 外筒过滤器 12、 内筒过滤器 13 及整流格栅 18。外筒过滤器 12 及内筒过滤器 13 呈同心圆状配置在壳体 11 的内部。
壳体 11 用于收容过滤空气的外筒过滤器 12 及内筒过滤器 13， 具有外壳主体 11A、 封闭外壳主体 11A 的开口端面的盖部件 14。
外壳主体 11A 是合成树脂等制成的有底圆筒状体。 盖部件 14 由覆盖外壳主体 11A 开口端面的圆板状体构成。 在盖部件 14 的外周形成有朝面外方向突出的凸缘 141， 凸缘 141 与外壳主体 11A 的外周面卡合。
在外壳主体 11A 的外周侧面上设置有吸气口 15， 吸气口 15 作为将外部空气吸入壳 体 11 内部的上游侧配管。该吸气口 15 相对于外壳主体 11A 的中心偏心配置。另外， 空气 从外筒过滤器 12 的外周侧面流入。并且， 开口的外壳主体 11A 的开口端面由盖部件 14 封 闭， 在外壳主体 11A 的底面 111 的大致中央处设置有排气口 16， 排气口 16 作为将经外筒过 滤器 12 及内筒过滤器 13 过滤后的空气排出的下游侧配管。由此， 当外筒过滤器 12 因污浊 而老化时， 能够拆下盖部件 14， 从而更换外筒过滤器 12。此外， 在壳体 11 的底面 111 的内 表面上形成有环状突起部 17， 环状突起部 17 呈环状突起， 径向尺寸比排气口 16 的内径尺寸 大， 后述的内筒过滤器 13 与该环状突起部 17 卡合。 外筒过滤器 12 具有 ： 筒部 122， 其是将通用过滤器 ( 过滤吸入壳体 11 内部的空气 ) 呈筒状折叠 ( ひだ折り ) 而成 ； 圆形保持部件 123， 其是聚氨酯制， 用于保持筒部 122 的一 端； 环状保持部件 124， 其是聚氨酯制， 用于保持筒部 122 的另一端。
圆形保持部 123 与壳体 11 的底面 111 抵接， 拆装自如地安装在环状突起部 17 的 外周面上。在环状保持部件 124 的外表面侧形成有环状突起部 125， 突起部 125 与盖部件 14 抵接。
即， 在更换外筒过滤器 12 后， 盖部件 14 向突起部 125 施力， 从而使作为弹性体的 聚氨酯制环状保持部件 124 收缩， 进而使盖部件 14 与环状保持部件 124 紧密贴合。而且， 通过向突起部 125 施力， 能够使作为弹性体的聚氨酯制圆形保持部件 123 挤压底面 111， 从 而能够使底面 111 与圆形保持部件 123 紧密贴合。由此， 从吸入口 15 进入的空气只从筒部 122 的外周侧面流入。
内筒过滤器 13 用于进一步过滤经外筒过滤器 12 过滤后的空气， 并且防止更换外 筒过滤器 12 时污浊的空气进入下游侧。内筒过滤器 13 被收容在外筒过滤器 12 的中空部 121 内， 与外筒过滤器 12 同样， 具有 ： 筒部 131， 其是将通用过滤器呈筒状折叠而成 ； 圆形保 持部件 132， 其是聚氨酯制， 用于保持筒部 131 的一端 ； 环状保持部件 133， 其是聚氨酯制， 用 于保持筒部 131 的另一端。
在圆形保持部件 132 的外表面侧形成有环状的突起部 134， 突起部 134 与外筒过
滤器 12 的环状保持部件 124 抵接。环状保持部件 133 嵌合并固定于环状突起部 17 的内周 面。
在外筒过滤器 12 及内筒过滤器 13 的内周面及外周面上覆盖有未图示的平板状金 属网。该金属网为圆筒状体， 两端焊接在外筒过滤器 12 及内筒过滤器 13 上。该焊接部分 相对于外筒过滤器 12 及内筒过滤器 13 的位置关系是使壳体 11 内的空气流发生变化的主 要原因之一。
整流格栅 18 用于对从壳体 11 的内部排出的过滤后的空气流进行整流， 由不锈钢 制线材呈格栅状编制而成。另外， 对整流格栅 18 的外周部的全周实施树脂模制。而且， 整 流格栅 18 经由树脂部件 181 而被熔接在环状突起部 17 上。
其中， 外筒过滤器 12 的环状保持部件 124 向内筒过滤器 13 的突起部 134 施力， 从 而使作为弹性部件的聚氨酯制环状保持部件 124 与圆形保持部件 132 紧密贴合。由于突起 部 134 向环状保持部件 124 施力， 因此环状保持部件 133 对树脂部件 181 施力， 挤压整流格 栅 18， 从而使环状保持部件 133 与树脂部件 181 紧密贴合。从而， 抑制了整流格栅 18 的变 形。
本实施方式中使用的整流格栅 18 选择使实际流量 ( 预先在吸气口 15 侧测得的质 量流量 ) 与测定流量 ( 在排气口 16 侧测得的质量流量 ) 的差除以实际流量的值 ( 以下， 称 为误差率 ) 较小且因整流格栅 18 而产生的压力损失较小的部件， 本实施方式的规格为 ： 网 眼数 30、 线径 0.29(mm)、 空隙率 43.2(％ )。 需要说明的是， “网眼数” 是表示每平方英寸的网眼的个数的单位。 “空隙率” 是参 考图 2 而通过所述式 (1) 计算出的。使用该规格的整流格栅 18 的理由随后说明。
另外， 整流格栅 18 并不限于不锈钢制， 也可以为其他材质， 例如， 镍、 铝、 铜等， 而 且并不限于金属网， 也可以为钻孔金属板。
其中， 内筒过滤器 13 的内径尺寸与排气口 16 的内径尺寸大致相同或比排气口 16 的内径尺寸大。由此， 虽然经外筒过滤器 12 及内筒过滤器 13 过滤后的空气通过内筒过滤 器 13 的内表面后被排出至排气口 16， 但由于内筒过滤器 13 的内径尺寸与排气口 16 的内径 尺寸大致相同或比排气口 16 的内径尺寸大， 因此能够防止从内筒过滤器 13 流向排气口 16 的空气流因扩大而产生紊乱， 从而不会产生乱流等。能够起到对空气流整流的效果。并且， 在排气口 16 上安装有质量流量传感器 19， 该质量流量传感器 19 是作为测量通过排气口 16 内空气的流量的质量流量计。该质量流量传感器 19 在测量出空气的流量后生成检测信号 并将该检测信号发送至作为控制机构的控制器 30。
( 空气过滤器 10 的作用 )
外部空气在从空气过滤器 10 的吸气口 15 被吸入壳体 11 内部后， 首先经外筒过滤 器 12 过滤， 再经内筒过滤器 13 过滤。然后， 过滤后的空气在经整流格栅 18 整流后被从排 气口 16 排出。
( 发动机控制系统 20 的结构 )
图 3 是本实施方式的发动机控制系统 20 的示意图。
发动机控制系统 20 具有 ： 柴油发动机 ( 以下， 简称发动机 )21、 可变涡轮增压器 24、 作为排气再循环通路的 EGR 管道 25、 设置在 EGR 管道 25 中途的 EGR 冷却器 26 及 EGR 阀 27、 所述空气过滤器 10、 作为质量流量计的质量流量传感器 19、 作为控制机构的控制器 30。
可变涡轮增压器 24 与发动机 21 的吸气管道 22 及排气管道 23 相连接， 具有 ： 设置 在向发动机 21 供给空气的吸气管道 22 中途的压缩机 241、 设置在排出发动机 21 的排气的 排气管道 23 中途的涡轮机 242。
涡轮机 242 由来自发动机 21 的排气驱动， 使由与该涡轮机 242 共同旋转的压缩机 241 增压的吸气通过后冷却器 28 并供给至发动机 21。其中， 在可变涡轮增压器 24 上设有 未图示的用于调节喷嘴部的开度的开度调整机构， 控制器 30 通过向开度调整机构发出信 号来控制喷嘴部的开度。
EGR 管道 25 是从排气管道 23 分支出的排气再循环通路， 使吸气管道 22 及排气管 道 23 短接， 将发动机 21 的排气的一部分抽出并吸入吸气管道 22， 使排气再循环。在 EGR 管 道 25 的中途设有用于冷却返回吸气侧的排气的 EGR 冷却器 26 及 EGR 阀 27。
EGR 阀 27 是电磁阀， 其开闭及开度根据从控制器 30 发出的信号而被控制。
质量流量传感器 19 为通用质量流量传感器 (mass airflow sensor， MAFsensor)。 该质量流量传感器 19 安装在空气过滤器 10 的下游侧， 测量从排气口 16 通过的空气流量， 将检测信号输出至控制器 30。
( 控制器 30 的结构 ) 图 4 是发动机控制系统 20 所使用的控制器 30 的框图。
如图 3 所示， 控制器 30 分别与可变涡轮增压器 24 的开度调整机构、 EGR 阀 27、 质 量流量传感器 19 电连接， 基于从质量流量传感器 19 发出的检测信号来控制 EGR 阀 27 及构 成可变涡轮增压器 24 的喷嘴部 ( 图示省略 )。
在控制器 30 中设有流量检测部 31、 EGR 阀开度控制部 32、 喷嘴开度控制部 33。
如图 4 所示， 流量检测部 31 检测从质量流量传感器 19 发出的检测信号， 计算出质 量流量， 并将计算出的质量流量发送至 EGR 阀开度控制部 32 及喷嘴开度控制部 33。
EGR 阀开度控制部 32 基于从流量检测部 31 发出的质量流量计算出 EGR 阀 27 的开 度， 并向 EGR 阀 27 发出信号。
喷嘴开度控制部 33 基于从流量检测部 31 发出的质量流量计算出可变涡轮增压器 24 的喷嘴开度， 并向开度调整机构发出信号。
参考图 5 对发动机控制系统 20 的流程进行说明。
质量流量传感器 19 测量从排气口 16 流过的空气流量， 并将检测信号发送至控制 器 30 的流量检测部 31。流量检测部 31 基于该检测信号计算出流量 ( 步骤 1)。流量检测 部 31 将计算出的流量发送至喷嘴开度控制部 33， 喷嘴开度控制部 33 基于该流量计算出可 变涡轮增压器 24 的喷嘴部的开度 ( 步骤 2)， 然后， 将信号发送至可变涡轮增压器 24 的开度 调整机构。流量检测部 31 将计算出的流量发送至 EGR 阀开度控制部 32， EGR 阀开度控制部 32 基于该流量计算出 EGR 阀 27 的开度 ( 步骤 3)， 然后将信号发送至 EGR 阀 27。接下来， 可变涡轮增压器 24 的开度调整机构以使喷嘴部的开度成为计算出的喷嘴开度的方式对喷 嘴部进行控制 ( 步骤 4)。以使 EGR 阀 27 的开度为计算出的 EGR 阀 27 的开度的方式对 EGR 阀 27 的开度进行控制 ( 步骤 5)。
根据本实施方式， 作为整流格栅 18， 由于选择了使质量流量传感器 19 测量出的空 气的质量流量与预先在吸气口 15 侧测量出的空气的质量流量的误差率小， 压力损失少的 最适合的结构， 因此不管外筒过滤器 12 与内筒过滤器 13 的位置关系如何， 能够高精度地测
量从空气过滤器 10 排出的空气流量。并且， 由于在空气过滤器 10 的壳体 11 内部收容有外 筒过滤器 12 及内筒过滤器 13， 为双重结构， 因此能够可靠地去除从外部吸入的空气中所含 有的灰尘等， 从而提高空气的清洁度。 另一方面， 由于基于高精度测得的空气流量来控制发 动机 21， 因此控制器 30 能够进行高精度的 EGR 控制。
基于以下实验结果来确定以上实施方式中使用的整流格栅 18 的规格。基于以下 实验方法， 根据空气过滤器 10 的尺寸而按照外壳 1 ～ 4 的类型进行实验。外壳 1 为 15 英 寸， 外壳 2 为 13 英寸， 外壳 3 为 11 英寸， 外壳 4 为 10 英寸。
< 实验方法 >
与上述实施方式同样， 在空气过滤器 10 内配置多个试样的整流格栅。实验中使用 的整流格栅的参数在表 1 ～表 4 中示出。由于更换外筒过滤器 12 时会使外筒过滤器 12 的 安装位置发生变动等、 使空气流发生变动、 使流量产生误差， 因此， 在本实验中， 按以下方式 进行实验， 即， 每使外筒过滤器 12 旋转 45°测量一次误差率 (％ ) 及压力损失 (kPa)， 采用 其中误差率 (％ ) 最小的整流格栅 18。其结果如图 6 至图 9 所示。
表 1 至表 4 中的网眼 (mm) 为图 2 所示的线材之间的尺寸 B。
[ 表 1]
外壳 1(15 英尺 )
[ 表 2] 外壳 2(13 英尺 )
[ 表 3] 外壳 3(11 英尺 )
[ 表 4]外壳 4(10 英尺 )
参考表示测量结果的图 6 至图 9 的曲线图， 能够推测出以下结论。
1. 压力损失 (kPa) 有随着空隙率 (％ ) 的减小而增大的倾向， 并且该倾向在不足 40％时特别明显， 在不足 30％时由于压力损失过大而不能向吸气管道 22 供给充足的空气。
2. 另一方面， 误差率整体有随空隙率的增加而增大的倾向， 在空隙率为 40 ％～ 50％的范围内能够使误差率最小。
3. 为了使空气过滤器 10 充分发挥其功能， 优选采用使空隙率在不使压力损失过 大的 30％以上、 使误差率最小的 50％以下的整流格栅。
下面， 参考表 1 至表 4 对图 6 至图 9 的各结果进行说明。
根据图 6 所示的外壳 1(15 英寸 ) 的曲线图， 误差率最小、 空隙率第三小的试样最 合适。即， 根据表 1， 线径 0.29(mm)、 网眼数 30 的整流格栅最合适。
根据图 7 所示的外壳 2(13 英寸 ) 的曲线图， 误差率最小、 空隙率第二小的试样最 合适。即， 根据表 2， 线径 0.29(mm)、 网眼数 30 的整流格栅最合适。
根据图 8 所示的外壳 3(11 英寸 ) 的曲线图， 误差率最小、 空隙率第二小的试样最 合适。即， 根据表 3， 线径 0.29(mm)、 网眼数 30 的整流格栅最合适。
根据图 9 所示的外壳 4(10 英寸 ) 的曲线图， 误差率最小、 空隙率第三小的试样最 合适。即， 根据表 4， 线径 0.29(mm)、 网眼数 30 的整流格栅最合适。
根据以上结果， 误差率在 2( ％ ) 以内并且空隙率在 30 ～ 50( ％ ) 以内时， 在一 定程度上能够将压力损失 (kPa) 抑制得较小， 不管空气过滤器 10 的大小如何， 都是线径 0.29(mm)、 网眼数 30 的整流格栅最合适。此情况下， 空隙率为 43.2(％ )。
另外， 在上述记载中已公开了实施本发明的最优结构、 方法等， 但本发明并不限于 此。 即， 已图示并说明了本发明主要的特定实施方式， 但本领域技术人员可在不脱离本发明 技术思想及目的的范围内， 在形状、 数量及其他详细结构方面， 对上述实施方式进行各种变 更。
因此， 上述记载中的形状、 数量等限定性描述仅是为了便于理解本发明的示例， 并 不限定本发明， 因此， 本发明还包括去除了关于上述形状、 数量等的限定的一部分或全部， 而以部件的名称进行的记载。
在上述实施方式中， 未在排气管道 23 中配置处理装置， 但也可在可变涡轮增压器 24 的下游侧设置柴油烟尘过滤器 (Diesel Particulate Filter) 等排气处理装置。
工业实用性
本发明的空气过滤器及发动机控制系统能够较好地适用于建筑机械、 土木工程机 械、 农业机械、 发电装置、 运输车辆等。