JP2004144510A

JP2004144510A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2004144510A
Application number: JP2002306952A
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】ガスセンサにおいて、通気孔の目詰まりを抑制して、センサの応答時間が遅くなること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の周辺のカバー３の温度が所定の温度以下となるように、カバー３を形成する。これにより、カバー３を液滴状の炭化水素成分（ＨＣ）等の固着温度よりも低い温度に維持することが可能となり、通気孔３１の目詰まりを抑制することが可能となる。
【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】
また、内燃機関の吸気系にガスセンサを備えた場合、被測定ガスにはエンジンオイル、燃料等の液滴状の炭化水素成分が含まれている。
【０００４】
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）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１０８６５０号公報（第３−６頁、図１）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このカバーの通気孔に付着した被測定ガス中の液滴状の炭化水素（ＨＣ）等が、センサ素子を加熱するためのヒータの熱により酸化され該カバーに固着することがある。そして、カバーに固着した液滴状の炭化水素（ＨＣ）等により、カバーに設けられた通気孔が閉塞して被測定ガスの導入を阻害することがあった。これにより、カバー内の被測定ガスの交換時間が長期化し、センサの応答時間が遅くなっていた。
【０００７】
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、通気孔の目詰まりを抑制して、センサの応答時間が遅くなること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。
【０００８】
【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、
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、
前記通気孔の周辺のカバーの温度が所定の温度以下となるように、カバーが形成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の最大の特徴は、ガスセンサに付着した液滴状の炭化水素（ＨＣ）等が固化する前の温度以下にカバーの温度を維持し、通気孔の目詰まりを抑制することにある。
【００１０】
ガスセンサはセンサ素子の性質上、ヒータにより該センサ素子を所定温度以上に維持する必要がある。ここで、カバーの材質や大きさを変更することにより、センサ素子の温度を維持しつつ該カバーの温度を液滴状の炭化水素（ＨＣ）等の固化する温度である所定の温度以下まで低下させることが可能となる。
【００１１】
本発明においては、前記通気孔の周辺のカバーの温度が所定の温度以下となるような熱伝導率を有する材質により前記カバーを形成することができる。熱伝導率の大きな材料を使用することにより、カバーから熱が逃げ易くなり、カバー温度を低下させることが可能となる。
【００１２】
本発明においては、前記カバーの材質の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であっても良い。
【００１３】
本発明においては、前記カバーの材質がアルミニウム若しくは銅であるか、またはアルミニウム、銅を主成分とした合金であっても良い。
【００１４】
本発明においては、前記通気孔周辺のカバーの温度が所定の温度以下となるように前記カバー長さ、カバー径を定めても良い。カバーを延長することにより、センサ素子からの輻射熱の受熱部を大きくすることができるため、カバーの温度上昇を抑制することが可能となる。しかし、カバーの長さが長くなりすぎると、カバーからセンサ被取付部への伝熱による温度低下が小さくなるため、温度の上昇を抑制することが困難となる。従って、所定温度以下となるカバーの長さを求めてカバーを形成することにより、所定の温度以下に維持することが可能となる。一方、カバーの径を大きくすることにより、センサ素子からの輻射熱の受熱部を大きくすることができるため、カバー温度の上昇を抑制することが可能になる。しかし、カバーの径が大きくなりすぎると、カバー内の容積が大きくなり、被測定ガスのガス濃度が変化したとき、ガス交換時間が長くなり、センサの応答時間が遅くなるので、これらのことを考慮してカバー径を決定することが好ましい。
【００１５】
本発明においては、前記カバーが二重構造であり、前記カバー底面とセンサ素子の先端との距離Ｌ１（ｍｍ）、前記カバー外面とセンサ素子表面との距離Ｌ２（ｍｍ）、ヒータ電力Ｗ（Ｗ）としたときに、
カバーの材料の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以下の場合には、
１８０＞１．２５×Ｌ２^２−２０×Ｌ２＋｛（１４．６×Ｗ−５７．３）−１５×Ｌ１｝
カバーの材料の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の場合には、
１８０＞１．２５×Ｌ２^２−２０×Ｌ２＋｛（１４．６×Ｗ−５７．３）−１５×Ｌ１｝−４０
の関係を満たしていても良い。本発明においては、カバー温度を決める要因は、カバーの材質と、カバーの径と、カバーの長さと、センサ素子の温度と、の４点とし、実験式によりカバー温度を抑制できる３つの要因の範囲を決定する。本発明では、この実験式を上記式のように定める。ここで、Ｌ１の範囲は３から１０ｍｍ、Ｌ２の範囲は４から１２ｍｍが好適である。
【００１６】
また、本発明においては、前記カバーの直径の下限を前記通気孔の周辺のカバーの温度が所定の温度以下となるように定め、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ができる。カバーの直径を大きくすることにより、該カバーの温度を低下させることが可能となるが、一方で、カバー内の容量拡大によりガス交換に時間を要し、センサの応答時間が遅くなってしまう。そこで、センサの温度及び応答時間が許容範囲内となるようにセンサを形成することにより、センサの温度及び応答時間を両立させることが可能となる。
【００１７】
本発明においては、前記所定の温度は、炭化水素の固着開始温度の１８０℃であっても良い。内燃機関では、未燃燃料である液滴状の炭化水素（ＨＣ）がカバーに付着することがある。この液滴状の炭化水素（ＨＣ）は、約１８０℃以上で酸化して固着する。従って、この温度以下にカバーの温度を維持することにより、通気孔の目詰まりを抑制することが可能となる。
【００１８】
本発明においては、カバーの少なくとも前記通気孔の周辺にフッ素樹脂加工を施すことができる。フッ素樹脂加工を施すことにより、炭化水素（ＨＣ）等の付着を抑制し、仮に炭化水素（ＨＣ）等が付着したとしても容易に除去することが可能となる。
【００１９】
【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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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１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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
次に、前記構成のガスセンサの作動について説明する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
ところで、内燃機関の吸気には、前記したように液滴状のエンジンオイル、燃料等が含まれており、その中の液滴状の炭化水素（ＨＣ）がガスセンサに付着することがある。ガスセンサは、電気ヒータ１５により加熱されているため、外部カバー３の温度も例えば２００℃となる。ここで、外部カバー３に付着した液滴状の炭化水素（ＨＣ）は、例えば１８０〜３５０℃の範囲で濃縮、重合、酸化等により固化する。従って、炭化水素（ＨＣ）が外部通気孔３１に付着して、電気ヒータ１５の熱により固着する虞がある。このように、外部通気孔３１に液滴状の炭化水素（ＨＣ）が固着してしまうと、被測定ガスの導入量が減少し、センサの応答時間が遅くなってしまう。一方、固着した炭化水素（ＨＣ）は、例えば３５０℃以上で燃焼して除去することが可能となる。
【００３１】
そこで、本実施の形態では、外部カバー３の熱伝導率を大きくし、外部カバー３から熱を逃がすことにより、外部カバー３の温度を１８０℃以下に低下させ、液滴状の炭化水素（ＨＣ）の固着を抑制する。尚、本実施の形態では、液滴状の炭化水素（ＨＣ）の固化温度である１８０℃以下となるようにカバーを形成させるが、ガスセンサの使用状態によっては、他の物質がガスセンサに付着して固化することがあるので、ガスセンサの使用状態により外部カバー３の目標温度を設定することが望ましい。
【００３２】
また、本実施の形態では、外部カバー３の外周面とセンサ素子１の外周面との距離（図１中のＬ１）を大きくすることにより、外部カバー３の受熱部を大きくして温度上昇を抑制する。
【００３３】
さらに、外部カバー３の先端とセンサ素子１の先端との距離（図１中のＬ２）を大きくして、外部カバー３の受熱部を大きくして温度上昇を抑制する。
【００３４】
図２は、外部カバー３の材料にステンレスを採用した場合の、距離Ｌ１及び距離Ｌ２とカバー温度との関係を示した図である。
【００３５】
図３は、外部カバー３の材料に銅を採用した場合の、距離Ｌ１及び距離Ｌ２とカバー温度との関係を示した図である。
【００３６】
図２及び図３によれば、距離Ｌ２が８ｍｍのときに外部カバー３の温度が最低となることが分かる。距離Ｌ２が８ｍｍよりも小さくなると、センサ素子１からの輻射熱の影響を受けるため外部カバー３の温度が上昇し、一方、距離Ｌ２が８ｍｍよりも大きくなると、ハウジング２への伝熱量が減少して温度が上昇する。
【００３７】
図４は、外部カバー３の材料にステンレス、Ｌ１＝６ｍｍ、Ｌ２＝８ｍｍを採用した場合のヒータ電力とカバー温度との関係を示した図である。このように、カバー温度はヒータ電力に比例する。尚、内部カバー４の材料はステンレスを用いたが、内部カバー４の材料が他の材料であっても外部カバー３の温度は同程度である。
【００３８】
また、距離Ｌ１を大きくするほどセンサ素子１からの輻射熱の受熱部を大きくすることができ、外部カバー３の温度を低下させることができる。
【００３９】
以上より、外部カバー３の温度は、カバーの材質とカバーの径とカバーの長さとセンサ素子の温度との４要因により決まっている。上記測定結果を考慮し、カバー材料がステンレス（熱伝導率１６Ｗ／ｍＫ）の場合、外部カバー３の温度は、次式で決まる。
【００４０】
カバー温度（℃）＝１．２５×Ｌ２^２−２０×Ｌ２＋｛（１４．６×Ｗ−５７．３）−１５×Ｌ１｝
また、外部カバー３の材料が銅（熱伝導率３８０Ｗ／ｍＫ）、アルミニウム（熱伝導率２４０Ｗ／ｍＫ）の場合の外部カバー３の温度は次式で決まる。
【００４１】
カバー温度（℃）＝１．２５×Ｌ２^２−２０×Ｌ２＋｛（１４．６×Ｗ−５７．３）−１５×Ｌ１｝−４０
ただし、距離Ｌ１を大きくするほどカバー３、４内の容積が大きくなり、カバー３、４内のガス交換時間が長くなるため、センサの応答時間が遅くなる。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。
【００４２】
このように、センサの応答時間が遅くなると、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も重要となる。
【００４３】
図５は、外部カバー３の直径と該外部カバー３の温度及びセンサの応答時間との関係を示した図である。この値は、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。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。また、カバー温度は、被測定ガスは常温とし、外部カバー３の材料にはステンレスを採用したものについての値である。
【００４４】
図５によれば、外部カバー３の直径が大きくなるほど応答時間が遅くなる一方で、カバー温度は低くなる。そこで、本実施の形態では、外部カバー３の直径の下限をカバー温度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。
【００４５】
ここで、外部カバー３の直径とカバー温度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。そのため、センサの用途や使用条件に応じて外部カバー３の直径を設定することが好ましい。また、カバー温度は、カバーの材料により変化するため、カバーの材料に応じたカバーの直径を設定することが望ましい。
【００４６】
さらに、外部カバー３の材料は、ステンレスよりも熱伝導率の大きな銅を採用することにより、距離Ｌ１及び距離Ｌ２が等しい条件下では、外部カバー３の温度を低下させることができる。ステンレスの熱伝導率は約１６Ｗ／ｍＫであり、銅の熱伝導率は約３８０Ｗ／ｍＫであるが、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の材料であれば外部カバー３の温度を容易に１８０℃以下とすることができる。例えば、熱伝導率が２４０Ｗ／ｍＫであるアルミであっても良い。
【００４７】
本実施の形態では、外部カバー３にフッ素樹脂によるコーティングを施しても良い。フッ素樹脂コーティング膜の特性を利用して、液滴状の炭化水素（ＨＣ）の付着を抑制することが可能であり、また、固着したとしても、被測定ガスの流れにより容易に固着物を取り除くことが可能となる。
【００４８】
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。
【００４９】
また、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同様の効果を得ることができる。
【００５０】
以上説明したように、本実施の形態によれば、外部カバー３の材料を熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の例えば銅やアルミとすることにより、該外部カバー３の温度上昇を抑制することができる。尚、外部カバー３の熱伝導率の最適化、距離Ｌ１の最適化、距離Ｌ２の最適化により、外部カバー３の温度を１８０℃以下に維持することが可能となり、通気孔３１の目詰まりを抑制することができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明に係るガスセンサでは、カバーの材質、長さ、直径を最適化することにより、該カバーの温度を所定の温度以下に維持することができる。従って、エンジンオイル、未燃燃料等の固着による通気孔の目詰まりを抑制することが可能となり、センサの応答時間が長期化することを抑制できる。
【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】外部カバーの材料にステンレスを採用した場合の、距離Ｌ１及び距離Ｌ２とカバー温度との関係を示した図である。
【図３】外部カバーの材料に銅を採用した場合の、距離Ｌ１及び距離Ｌ２とカバー温度との関係を示した図である。
【図４】外部カバーの材料にステンレス、Ｌ１＝６ｍｍ、Ｌ２＝８ｍｍを採用した場合のヒータ電力とカバー温度との関係を示した図である。
【図５】外部カバーの直径と該外部カバーの温度及びセンサの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
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

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、を設けたガスセンサにおいて、
前記通気孔の周辺のカバーの温度が所定の温度以下となるように、カバーが形成されていることを特徴とするガスセンサ。
前記通気孔の周辺のカバーの温度が所定の温度以下となるような熱伝導率を有する材質により前記カバーを形成したことを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記カバーの材質の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。
前記カバーの材質がアルミニウム若しくは銅であるか、またはアルミニウム、銅を主成分とした合金であることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載のガスセンサ。
前記通気孔周辺のカバーの温度が所定の温度以下となるように前記カバー長さ、カバー径を定めたことを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサ。
前記カバーが二重構造であり、前記カバー底面とセンサ素子の先端との距離Ｌ１（ｍｍ）、前記カバー外面とセンサ素子表面との距離Ｌ２（ｍｍ）、ヒータ電力Ｗ（Ｗ）としたときに、
カバーの材料の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以下の場合には、
１８０＞１．２５×Ｌ２^２−２０×Ｌ２＋｛（１４．６×Ｗ−５７．３）−１５×Ｌ１｝
カバーの材料の熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上の場合には、
１８０＞１．２５×Ｌ２^２−２０×Ｌ２＋｛（１４．６×Ｗ−５７．３）−１５×Ｌ１｝−４０
の関係を満たすことを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のガスセンサ。
前記所定の温度は、炭化水素の固着開始温度の１８０℃であることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載のガスセンサ。
カバーの少なくとも前記通気孔の周辺にフッ素樹脂加工を施したことを特徴とする請求項１から７の何れかに記載のガスセンサ。