JP2004144508A

JP2004144508A - 可燃性ガス濃度センサ

Info

Publication number: JP2004144508A
Application number: JP2002306950A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Imamura; 今村　弘男; Tasuke Makino; 牧野　太輔; Fumihiko Sato; 佐藤　文彦; Katsuya Hirai; 平井　克哉; Toshihiro Sakawa; 坂輪　年洋
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】可燃性ガス濃度センサにおいて、応答性を確保しつつ出力変動を抑制することができる技術を提供する。
【解決手段】センサ素子１と、センサ素子１の周囲を覆うとともに被測定ガスを内部に導入する通気孔４１を備えたカバー４と、を備えた可燃性ガス濃度センサにおいて、センサ素子１とカバー４との間隙Ｌの下限を出力変動の振幅が許容範囲内となるように定め、上限をセンサの応答時間が許容範囲内となるように定めた。このように、センサの出力変動と応答時間とが許容範囲に収まるようにセンサ素子１とセンサカバー４との間隙を設けることにより、応答時間と出力変動とをともに許容範囲内に収めることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可燃性ガス濃度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の空燃比制御のために吸気系へ可燃ガス濃度を検出するための可燃性ガス濃度センサを備えることがある。可燃性ガス濃度センサは、センサ素子保護及び可燃性ガス引火防止のためにカバーで覆われているが、このカバーによりセンサの応答性が悪化していた。
【０００３】
ここで、カバーの通気孔を被測定ガスの流れに向くように設け、センサ表面を通過する被測定ガスの流量を十分多くしてセンサの応答性とセンサ素子保護及び可燃性ガス引火防止とを両立させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１００８４号公報（第３−５頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、センサ素子とカバーとの間隙が小さいと、センサ素子への被測定ガスの供給が制限されてセンサ出力が変動することがある。
【０００６】
本発明は、前記したような問題点に鑑みてなされたものであり、可燃性ガス濃度センサにおいて、応答性を確保しつつ出力変動を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を達成するために本発明の可燃性ガス濃度センサは、以下の手段を採用した。即ち、
センサ素子と、
前記センサ素子の周囲を覆うとともに被測定ガスを内部に導入する通気孔を備えたカバーと、
を備えた可燃性ガス濃度センサにおいて、
前記センサ素子と前記カバーとの間隙の下限を出力変動の振幅が許容範囲内となるように定め、上限をセンサの応答時間が許容範囲内となるように定めたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の最大の特徴は、センサの出力変動と応答時間とが許容範囲に収まるようにセンサ素子とセンサカバーとの間隙を設けることにある。
【０００９】
センサ素子とセンサカバーとの間隙を狭くするとカバーの容積が小さくなるため、センサの応答時間が短くなるとともに、カバー内の通気性が低下するため出力変動が大きくなる。逆に、センサ素子とセンサカバーとの間隙を広くするとセンサの応答時間が長くなるが、出力変動が小さくなる。
【００１０】
このように、センサの応答時間とセンサの出力変動とでは、何れか一方を改善しようとすると他方が悪化してしまう。ここで、センサ素子とカバーとの間隙の下限を出力変動の振幅が許容範囲内となるように定め、上限をセンサの応答時間が許容範囲内となるように定めることにより、応答時間と出力変動とをともに許容範囲内に収めることが可能となる。
【００１１】
本発明においては、前記センサ素子と前記カバーとに２ｍｍから１０ｍｍの間隙を設けることができる。
【００１２】
このような間隙を設けることにより、応答時間と出力変動とをともに許容範囲内に収めることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る可燃性ガス濃度センサの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態に係る可燃性ガス濃度センサの断面を示す断面図である。
【００１５】
可燃性ガス濃度センサはハウジング２を備えている。このハウジング２は、中央部にセンサ素子１が保持される貫通穴を有し、外周部の螺子にて、例えば、内燃機関の吸気管５に固定される。
【００１６】
ここで、内燃機関では、燃料タンク内で蒸発した燃料を一旦キャニスタ内の活性炭に吸着させた後、活性炭に吸着させた蒸発燃料を吸気系内の負圧により吸気系に導入させている。また、ピストンとシリンダとの隙間からクランクケース内に漏れ出た未燃燃料を吸気系に再循環させるブローバイガス還流装置を備えている。このようして吸気系へ導入される燃料は、内燃機関の空燃比制御に影響を及ぼす。即ち、内燃機関の空燃比制御は、吸気系を流通する新気の量を計測し、これに対して要求空燃比となるような量の燃料が供給される。また、排気系に酸素濃度センサ等を備え、燃料供給量をフィードバック制御している。しかし、前記した未燃燃料や蒸発燃料が吸気系に導入されると、空燃比が変動するため正確な空燃比制御が困難となる。そこで、吸気系に導入された未燃燃料や蒸発燃料の濃度を可燃ガス濃度センサにて検出し、燃焼室内で要求空燃比となるよう機関に供給する燃料の量を補正することが行われている。
【００１７】
センサ素子１は、基端部がハウジング２の貫通穴内に保持固定され、先端部はハウジング２より突出して図の下方に延び、被測定ガスである吸気ガスの流通する吸気管５内に位置している。センサ素子１は、円管状に形成した安定化ジルコニア等の酸素イオン導電性固体電解質１１の内周面及び外周面に、夫々白金等の電極１２、１３を配設してなり、外周面の電極１３の表面には多孔質層よりなる拡散抵抗層１４が形成されている。また、内部には電極１２、１３の温度を例えば６００℃に維持する電気ヒータ１５が備えられている。
【００１８】
センサ素子１の外表面は一部を除いてコーティング層で被覆されており、このコーティング層を形成しない先端よりの一部が被測定ガス中の特定成分濃度を検出するガス濃度検出部として機能する。
【００１９】
前記ハウジング２の下面には、ステンレス等よりなる保護カバー３、４が固定されて、前記センサ素子１の先端部の周囲を保護している。前記カバーは二重構造で、上端が開口し下端が閉塞する円筒状の外部カバー３及び内部カバー４を同心円状に配してなる。前記外部カバー３及び内部カバー４の上端縁は、前記ハウジング２内に埋設固定されている。
【００２０】
前記外部カバー３には、被測定ガスを導入するための外部通気孔３１が形成されている。一方、前記内部カバー４には、外部カバー３に形成されたものよりも大きな内部通気孔４１が形成されている。
【００２１】
次に、前記構成の可燃性ガス濃度センサの作動について説明する。
【００２２】
可燃性ガス及び酸素を含んだ被測定ガスは、通気孔３１、４１を通過して内部カバー４内に導入される。センサ素子１の温度は電気ヒータ１５により、例えば６００℃に加熱されているため、カバー内の温度は数百℃になっている。そのため、可燃性ガスと酸素とは反応し、酸素が消費される。さらに、残りの可燃性ガスと酸素とは拡散抵抗層１４内で反応し、可燃性ガスは消費される。残りの酸素は外部電極１３に到達してイオン化する。イオン化した酸素は、固体電解質１１内を移動して内部電極１２で電子を放出する。この結果、被測定ガス中の酸素濃度に比例した電流が流れる。この電流は、可燃性ガスと反応した酸素の分だけ少なくなるので、この電流により得られた酸素濃度により可燃性ガスの濃度を検出することが可能となる。
【００２３】
一方、前記カバー３、４は、内部カバー４内にて発生した火炎を消炎させる機能を有する。内部カバー４内で発生した火炎は、通気孔３１、４１を通過する際に熱を奪われて消炎する。これにより、火炎がセンサ外部の可燃性ガスに引火することを防止できる。
【００２４】
ところで、可燃性ガスと酸素との分子量が異なる場合には、拡散速度の違いにより可燃性ガスと酸素とがセンサ素子１の検出部に到達するまでの時間に差が生じる。即ち、可燃性ガスであるブタンのように分子量が酸素より大きい可燃性ガスの場合、センサ素子１のガス濃度検出部に到達するまでの時間が長くなる。従って、ブタンと酸素とが反応した直後では、ガス濃度検知部付近の酸素濃度が一時的に高くなり、電極間に流れる電流量（センサ出力）が大きくなる。
【００２５】
ここで、図２は、センサ出力の変動を示した図である。
【００２６】
このように、電極間に流れる電流が一時的に大きくなるとセンサ出力の変動となって現れる。この変動は、酸素と可燃性ガスとの拡散速度の影響が小さくなるように、ガス濃度検知部へのガス供給量を多くすることにより改善することが可能である。このように、被測定ガスの供給量を多くする方法としてセンサ素子１と内部カバー４との間隙を広くする方法がある。即ち、センサ素子１と内部カバー４との間隙（図１中のＬ）を拡大することにより、内部カバー４内の通気性が向上してガス濃度検知部への被測定ガス供給量が多くなる。これにより、出力変動を低減させることができる。
【００２７】
しかし、センサ素子１と内部カバー４との間隙Ｌを拡大することにより、内部カバー４の容積が大きくなるため、被測定ガスが入れ替わる時間が長くなる。これにより、センサの応答時間が長くなり、応答性が悪化する。ここで、センサの応答時間とは、外部カバー３に被測定ガスが到達してから、そのときの被測定ガスの濃度がセンサの出力となって検出されるまでの時間である。
【００２８】
図３は、センサ素子１と内部カバー４との間隙Ｌと出力変動及び応答時間との関係を示した図である。被測定ガス温が常温で且つ被測定ガスの流速が０．５ｍ／ｓの場合について実験した値である。出力変動は、６重量パーセントのブタンガスを測定したときの値であり、応答時間は、ブタンガスの濃度を０から６重量パーセントに変化させたときにセンサ出力が６重量パーセントを示す値を出力するまでに要した時間を測定したものである。
【００２９】
センサ素子１と内部カバー４との間隙が大きくなるほど応答時間が長くなる一方で、出力変動の振幅は小さくなる。そこで、本実施の形態では、センサ素子１と内部カバー４との間隙Ｌの下限を出力変動の振幅が許容範囲内となるように定め、上限を応答時間が許容範囲内となるように定める。
【００３０】
ここで、センサ素子１と内部カバー４との間隙と出力変動及び応答時間との関係は、被測定ガスの温度及び流速に影響を受ける。例えば、温度が高くなると被測定ガスの拡散速度が速くなり、センサの出力変動が大きくなる。そのため、センサの用途や使用条件に応じて間隙Ｌを設定することが好ましい。本実施の形態では、常温で且つ被測定ガスの流速が０．５ｍ／ｓの場合について間隙Ｌを設定する。ここで、図３によれば、出力信号の振幅は間隙Ｌが２ｍｍ以下となると急激に大きくなる。また、間隙Ｌが１０ｍｍ以上となると応答時間が長くなり、内燃機関の吸気系に備えたセンサの場合には精度の高い空燃比制御が困難となる。そこで、センサ素子１と内部カバー４との間隙Ｌを、例えば、２ｍｍから１０ｍｍの間となるように設定することにより、出力変動の振幅及び応答時間を許容範囲内に収めることが可能となる。
【００３１】
尚、本実施の形態では、可燃性ガスにブタンを例示して説明したが、ブタン以外であっても、酸素より分子量の大きな可燃性ガスであれば同様の効果を得ることができる。
【００３２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、センサ素子１と内部カバー４との間隙Ｌを適切な値に設定することにより、センサの出力変動及び応答時間を許容範囲内に収めることができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明に係る可燃性ガス濃度センサでは、センサの出力変動の低減と応答時間の短縮とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可燃性ガス濃度センサの断面を示す図である。
【図２】センサ出力の変動を示した図である。
【図３】センサ素子と内部カバーとの間隙と出力変動及び応答時間との関係を示した図である。
【符号の説明】
１・・・センサ素子
２・・・ハウジング
３・・・外部カバー
４・・・内部カバー
１１・・酸素イオン導電性固体電解質
１２・・内部電極
１３・・外部電極
１４・・拡散抵抗層
１５・・電気ヒータ
３１・・外部通気孔
４１・・内部通気孔
Ｌ・・・間隙

Claims

センサ素子と、
前記センサ素子の周囲を覆うとともに被測定ガスを内部に導入する通気孔を備えたカバーと、
を備えた可燃性ガス濃度センサにおいて、
前記センサ素子と前記カバーとの間隙の下限を出力変動の振幅が許容範囲内となるように定め、上限をセンサの応答時間が許容範囲内となるように定めたことを特徴とする可燃性ガス濃度センサ。
前記センサ素子と前記カバーとに２ｍｍから１０ｍｍの間隙を設けたことを特徴とする請求項１に記載の可燃性ガス濃度センサ。