JP2004144509A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセンサにおいて、応答時間を短縮することができる技術を提供する。
【解決手段】被測定ガスのガス成分を検出する検出部１３を備えたセンサ素子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３１を備えたカバー３と、を設けたガスセンサにおいて、通気孔３１及び検出部１３を、被測定ガスの流通方向に対して下流側であって、カバー３の下流側に回り込んだ被測定ガスが衝突する位置Ｌに備えた。このようにして、カバー３内に導入される被測定ガスの量を増加させ、ガス交換時間を短縮させてガスセンサの応答時間を短縮することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、内燃機関の空燃比制御のために排気系へ酸素濃度や空燃比を検出するためのガスセンサを備えることがある。ガスセンサには、排気とともに流れてくる水滴による毀損や、衝撃等による毀損からセンサ素子を保護するためにカバーが備えられている。一方、内燃機関の吸気系に可燃性ガス濃度を検出するためのガスセンサを備えることがある。このような可燃性ガス濃度を検出するセンサでは、センサ素子を加熱するためのヒータにより可燃性ガスに引火する虞があるため、これを防止するためのカバーが備えられている。
【０００３】
ここで、センサ素子を二重構造のカバーで覆い、夫々のカバーに通気孔を設けて被測定ガスをカバー内に導入しつつ、この通気孔によりカバー内で発生する火炎から熱を奪い、消炎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２００１−１０８６５０号公報（第３−６頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このカバーにより該カバー内の被測定ガスの交換に時間を要し、センサの応答時間が長くなっていた。
【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、ガスセンサにおいて、応答時間を短縮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ガスセンサは、以下の手段を採用した。即ち、
被測定ガスのガス成分を検出する検出部を備えたセンサ素子と、
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、
を設けたガスセンサにおいて、
前記通気孔及び検出部は、被測定ガスの流通方向に対して下流側であって、前記カバーの下流側に回り込んだ被測定ガスが衝突する位置に備えられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の最大の特徴は、ガスセンサの下流側に回り込んだ被測定ガスによりカバー内に導入する被測定ガスの量を多くしてセンサの応答時間を短縮させることにある。
【０００９】
このように構成されたガスセンサでは、被測定ガスがカバーに到達すると、カバーの下流側に被測定ガスが回り込む。そして、カバー下流側では、回り込んだ被測定ガスの流れ方向が、カバー上流側と反対方向となる箇所がある。このような箇所に通気孔を設けると、カバー下流側の通気孔であっても被測定ガスを導入することが可能となる。また、下流側から導入された被測定ガスがセンサ素子に衝突する位置に検出部を設けることにより、カバー内のガス交換時間を短縮させることが可能となる。
【００１０】
本発明においては、前記通気孔及び検出部は、前記カバーの先端より２０ｍｍから３０ｍｍの間に設けることができる。
【００１１】
このような箇所では、ガスセンサ下流側に回り込んだ被測定ガスがカバー壁面に多く衝突するため、ここに通気孔及び検出部を設けることにより被測定ガスをカバー内に多く導入し、カバー内のガス交換時間を短縮させることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガス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。
【００１３】
図１は、本実施の形態に係るガスセンサの断面を示す断面図である。本実施の形態では、可燃性ガス濃度を検出するガスセンサを採用した。
【００１４】
ガス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、内燃機関の吸気管５に固定される。
【００１５】
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性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。
【００１６】
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、夫々白金等の内部電極１２及び外部電極１３を配設してなり、外周面の外部電極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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。外部カバー３の外周部の直径は１８ｍｍとなるように形成され、内部カバー４の外周の直径は１５ｍｍとなるように形成されている。
【００１９】
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。外部通気孔３１は、例えば直径０．９ｍｍの丸穴で８０個形成され、内部通気孔４１は、例えば４×２０ｍｍの長穴で長手方向が内部カバー４の中心軸と平行になるように等間隔に４つ形成されている。
【００２０】
次に、前記構成のガスセンサの作動について説明する。
【００２１】
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。
【００２２】
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。また、外部カバー３により、水滴等からセンサ素子が保護される。
【００２３】
ところで、カバー３、４を設けたことにより、被測定ガスがガスセンサ内を通過するために要する時間が長くなってしまう。これにより、センサの応答時間が長くなり、センサの応答性が悪化する。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。
【００２４】
このように、センサの応答時間が長くなると、内燃機関のフィードフォアード制御やフィードバック制御にセンサ出力が間に合わなくなり、運転状態によってはこれらの制御が困難となる虞がある。従って、ガスセンサの応答時間を短くすることが重要となる。
【００２５】
そこで、本実施の形態では、被測定ガスの流れに対しガスセンサの下流側にガスが回り込んで渦が発生するという点に着目し、通気孔３１、４１及び外部カバー３の長さを調整して下流側の通気孔３１、４１からも被測定ガスを導入することができるようにする。
【００２６】
図２は、ガスセンサ周辺の被測定ガスの流れ方向を示した図である。図の左側が被測定ガス流れの上流で、右側が下流である。
【００２７】
図２に示されているように、ガスセンサの下流側には、被測定ガスが回り込んで渦が発生している。このようにして発生した渦により被測定ガスが、勢いよく下流側の外部カバー３へ衝突するので、この位置に通気孔３１、４１を設けておけば、ガスセンサの下流側から被測定ガスをカバー３、４内に導入することが可能となる。また、下流側から導入された被測定ガスの流れ方向にセンサ素子１の検出部を設定することにより、被測定ガスが電極１２、１３に到達するまでの時間を最短とすることが可能となり、センサの応答時間を最短とすることが可能となる。
【００２８】
ここで、ガスセンサの下流側に衝突する被測定ガスの量及び方向は、外部カバー３の先端からの距離により異なるため、この距離によって外部カバー３内に導入することができる被測定ガスの量が異なる。従って、被測定ガスを多く導入することができる位置に通気孔３１、４１を設けておき、さらにその延長線上に電極１２、１３を設けておくと、ガス交換時間を短縮することが可能となり、センサの応答時間を短縮させることができる。尚、図２に示すガスセンサにおいては、カバー３、４の長さを延長することにより、下流側から電極１２、１３に被測定ガスが導入されるようにしている。このようにして、カバー３、４内に導入される被測定ガスの量を増加させることが可能となる。
【００２９】
本実施の形態では、ガス交換時間が最短となるような外部電極１３の中央と外部カバー３の先端部との距離（図１中のＬに相当）を求め、この位置に電極１２、１３及び通気孔３１、４１を設ける。
【００３０】
図３は、外部電極１３と外部カバー３の先端部との距離Ｌとガス交換時間との関係を示した図である。
【００３１】
このように、ガス交換時間には最短時間があり、外部電極１３と外部カバー３の先端部との距離Ｌが２０〜３０ｍｍの間にあるときにガス交換時間が最短となり、応答時間が最短となる。また、本実施の形態で採用したガスセンサは、内燃機関の吸気系に備えられているが、例えば、流速１〜１５ｍ／ｓの実使用域では、流速が変化しても、また、外部カバー３の直径を変更しても、ガスセンサの下流側から導入される被測定ガスの量にはほとんど影響がない。従って、実使用域においては、距離Ｌを調整することのみによってガス交換時間を短縮することが可能となる。距離Ｌは、外部カバー３の長さにより調整しても良く、また、電極１３、１４の位置により調整しても良い。
【００３２】
尚、本実施の形態では、可燃性ガス濃度を検出するガスセンサを例示して説明したが、カバーを有するセンサであれば適用可能である。例えば、内燃機関の排気管に設けた酸素濃度センサや空燃比センサで適用可能である。
【００３３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、電極１２、１３と外部カバー３の先端部との距離Ｌを２０〜３０ｍｍとすることで、カバー３、４内に導入される被測定ガスの量を増加させることができ、従って、ガス交換時間を短縮することができるので、ガスセンサの応答時間を短縮することができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明に係るガスセンサでは、センサの下流側から被測定ガスを導入することにより、センサの応答時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガスセンサの断面を示す図である。
【図２】ガスセンサ周辺の被測定ガスの流れ方向を示した図である。
【図３】外部電極と外部カバーの先端部との距離とガス交換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
５・・・吸気管
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 (2)

1. 被測定ガスのガス成分を検出する検出部を備えたセンサ素子と、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、
   を設けたガスセンサにおいて、
   前記通気孔及び検出部は、被測定ガスの流通方向に対して下流側であって、前記カバーの下流側に回り込んだ被測定ガスが衝突する位置に備えられていることを特徴とするガスセンサ。
2. 前記通気孔及び検出部は、前記カバーの先端より２０ｍｍから３０ｍｍの間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。

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