JP2006125332A - 排ガスセンサのプロテクタ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】プロテクタ内に凝縮水が侵入しにくい排ガスセンサのプロテクタ構造を提供する。
【解決手段】センサ素子を覆うプロテクタ１９を備える排ガスセンサにおいて、複数の通気孔１９１ａを有する内側プロテクタ１９１と、内側プロテクタを覆う複数の通気孔１９２ａを有する外側プロテクタ１９２とを備え、常温では、内側プロテクタ１９１の通気孔１９１ａと外側プロテクタ１９２の通気孔１９２ａとが連通せず、排ガス温度の上昇にともなって、内側プロテクタ１９１の通気孔１９１ａと外側プロテクタ１９２の通気孔１９２ａとが連通する。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の排ガスの成分を検出する排ガスセンサのプロテクタ構造に関する。

内燃機関においては、排気管内に排ガスセンサ（例えば、酸素センサ）を臨ませて、排ガスの成分（例えば、酸素濃度）を検出し、空燃比制御等に用いている。

このような排ガスセンサの本体（センサ素子）はセラミックで作られており、排ガス中の異物の衝突による破損を防止するために、金属製の二重構造のプロテクタによって保護されている。また、センサ素子を排ガスと接触させるためにプロテクタには通気孔を設けている。

しかしながら、このようなプロテクタの表面には排ガス中の水分が凝縮した水滴（凝縮水）が付着しやすい。そのため、プロテクタを二重構造に形成していても、付着した水滴が外側プロテクタの通気孔から外側プロテクタ内に侵入する場合があり、外側プロテクタ内に侵入した水滴が、さらに内側プロテクタの通気孔からその内側に入って、センサ素子に付着することがある。したがって、センサのヒータ装置が稼動しているときに、水滴がセンサ素子に付着した場合、熱衝撃による素子割れを起こす可能性がある。

そこで、外側プロテクタ内に入った水滴を外部に導く案内手段によって、凝縮水が内側プロテクタ内に侵入しにくい構造のプロテクタが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−１１３７２７号公報

しかしながら、従来の二重プロテクタは構造上、常に排ガス導入口が開口しているため、水滴の侵入を確実に防ぐことは不可能であった。

特に、炭化水素トラップ触媒を床下装着する場合など、床下触媒より下流に排ガスセンサを設ける場合には、上流の排気管内の温度よりも低く常温近くとなることから、凝縮水の量が多くなる。したがって、プロテクタが二重構造であってもセンサ素子に水滴が付着する可能性が高くなる。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、プロテクタ内に凝縮水が侵入しにくい排ガスセンサのプロテクタ構造を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、センサ素子（１７）を覆うプロテクタ（１９）を備える排ガスセンサ（１６）において、複数の通気孔（１９１ａ）を有する内側プロテクタ（１９１）と、前記内側プロテクタを覆う複数の通気孔（１９２ａ）を有する外側プロテクタ（１９２）とを備え、常温では、前記内側プロテクタ（１９１）の通気孔（１９１ａ）と前記外側プロテクタ（１９２）の通気孔（１９２ａ）とが連通せず、排ガス温度の上昇にともなって、前記内側プロテクタ（１９１）の通気孔（１９１ａ）と前記外側プロテクタ（１９２）の通気孔（１９２ａ）とが連通することを特徴とする。

本発明によれば、高温時には通気孔が開口し、センサ機能を維持することができ、低温時には通気孔が開口せず、プロテクタ内に凝縮水を侵入しにくくすることができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による排ガスセンサが使用される位置を説明する図である。

エンジン１の排ガスを浄化する排ガス浄化システム１０は、排気管１１に設けられたマニフォールド触媒１２と、床下触媒１３とを有する。また排気管１１にはフロント酸素センサ１４と、リア酸素センサ１５と、サード酸素センサ１６とを有する。

マニフォールド触媒１２は、エンジン１のエキゾーストマニフォールドの直下流に配置される。マニフォールド触媒１２は、エンジン１から排出される排ガスを浄化する。マニフォールド触媒１２は、排気空燃比が理論空燃比近傍のときに、排ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）を酸化すると同時に酸化窒素（ＮＯｘ）を還元可能な三元触媒である。

床下触媒１３は、車体の床下に配置される。床下触媒１３は、エンジン１から排出される排ガスを浄化する。床下触媒１３は、三元触媒機能付炭化水素トラップ触媒である。

フロント酸素センサ１４は、マニフォールド触媒１２の上流に設けられる。フロント酸素センサ１４は、マニフォールド触媒１２に流入する排ガス中の酸素成分を検出する。

リア酸素センサ１５は、マニフォールド触媒１２の下流に設けられる。リア酸素センサ１５は、マニフォールド触媒１２を通過した排ガス中の酸素成分を検出する。

サード酸素センサ１６は、床下触媒１３の下流に設けられる。サード酸素センサ１６は、床下触媒１３を通過した排ガス中の酸素成分を検出する。

図２は本発明による排ガスセンサ（サード酸素センサ）を示す図である。

サード酸素センサ１６は、センサ素子１７と、ホルダ１８と、プロテクタ１９と、セラミックヒータ２０とを有する。

センサ素子１７は、排ガス中の酸素成分に反応し、起電力を発生する。センサ素子１７は、ジルコニア等のセラミックスからなる。センサ素子１７は、先端が閉塞されたチューブ状をなしている。ホルダ１８はセンサ素子１７を保持する。ホルダ１８は、金属製である。プロテクタ１９はセンサ素子１７を保護する。プロテクタ１９は、排ガス中の異物の衝突による破損を防止するため、センサ素子１７を覆っている。プロテクタ１９は、金属製である。セラミックヒータ２０は、センサ素子１７の内部に配設されている。セラミックヒータ２０は、センサ素子１７を加熱し、早期に活性化させる。

図３は、本発明による排ガスセンサのプロテクタ構造の第１実施形態を示す図である。プロテクタ１９は、内側プロテクタ１９１と、外側プロテクタ１９２とを有する。

内側プロテクタ１９１は、ホルダ１８に固定されている。内側プロテクタ１９１は、略有底円筒形である。内側プロテクタ１９１の側周面には通気孔１９１ａが形成されている。内側プロテクタ１９１は、金属製である。本実施形態で使用する内側プロテクタ１９１の材質はＳＵＳ４０３（膨張係数１０．２×１０^-6）であり、寸法は常温において内径９ｍｍ、外径１０．５ｍｍ、板厚１．５ｍｍである。外側プロテクタ１９２は、略有底円筒形である。外側プロテクタ１９２は、内側プロテクタ１９１の外周に設けられる。外側プロテクタ１９２の内径は、常温時において、内側プロテクタ１９１の外径と等しい。外側プロテクタ１９２は、金属製であり、内側プロテクタ１９１よりも膨張係数の大きい材質を用いる。本実施形態で使用する外側プロテクタ１９２の材質は、ＳＵＳ３０５（膨張係数１７.３×１０^-6）であり、寸法は常温において内径１０．５ｍｍ、外径１２ｍｍ、板厚１．５ｍｍである。外側プロテクタ１９２の側周面には通気孔１９２ａが形成されている。通気孔１９２ａは、内側プロテクタ１９１と外側プロテクタ１９２を重ね合わせたときに、内側プロテクタ１９１の通気孔１９１ａと重ならない位置に形成される。外側プロテクタ１９２は、底部１９２ｂにおいて、内側プロテクタの底部１９１ｂにスポット溶接されている。

図４は、本発明による排ガスセンサのプロテクタ構造の第１実施形態における常温時の状態を示す図であり、図４（Ａ）は平面図、図４（Ｂ）は側面図、また、図４（Ｂ）の矢印は排ガスの流れを示す。温度は、２０℃を想定している。内側プロテクタ１９１及び外側プロテクタ１９２の寸法は上述の通りであり、内側プロテクタ１９１の外径は、外側プロテクタ１９２の内径と等しいので、内側プロテクタ１９１と外側プロテクタ１９２の間に隙間は存在しない。ただし、図４（ａ）では内側プロテクタ１９１及び外側プロテクタ１９２の識別をしやすいように隙間を設けて図示してある。また、図４（ｂ）に示すように、内側プロテクタ１９１の通気孔１９１ａは、外側プロテクタ１９２の通気孔１９２ａと重ならない位置に形成されている。このため、排ガスは、プロテクタ１９内に侵入しない。

図５は、本発明による排ガスセンサのプロテクタ構造の第１実施形態における高温時の状態を示す図であり、図５（Ａ）は平面図、図５（Ｂ）は側面図、また、図５（Ｂ）の矢印は排ガスの流れを示す。温度は、６５０℃を想定している。

エンジンから排出される排ガスによって、プロテクタ１９が熱せられると、外側プロテクタ１９２が内側プロテクタ１９１よりも大きく膨張し、外側プロテクタ１９２と内側プロテクタ１９１の間に隙間ができる。すると、排ガスは外側プロテクタ１９２の通気孔１９２ａから内側プロテクタ１９１の通気孔１９１ｂを通流して、センサ素子１７に到達する。本実施形態では、外側プロテクタ１９２と内側プロテクタ１９１の間に隙間は、６５０℃において０．１６ｍｍである。

エンジンから排出される高温の排ガスによって、サード酸素センサ１６が加熱され、活性化する。これとともに外側プロテクタ１９２が内側プロテクタ１９１よりも大きく膨張し、外側プロテクタ１９２と内側プロテクタ１９１との間に隙間ができ、開口し、排ガスがセンサ素子１７に到達するので、サード酸素センサ１６は排ガス中の酸素を検出することができる。一方、エンジンが停止し、排気管内の温度が低下すると、排気管１１内に凝縮水が生じる可能性がある。しかし、排気管１１内の温度が低下するのにしたがって、内側プロテクタ１９１及び外側プロテクタ１９２が収縮し、内側プロテクタ１９１と外側プロテクタ１９２の間に隙間がなくなり、プロテクタ１９内が密閉される。これによって、凝縮水の浸入を防止できるので、凝縮水によるセンサ素子１７の素子割れを防止することができる。

（第２実施形態）
図６は、本発明による排ガスセンサのプロテクタ構造の第２実施形態を示す図である。

なお、以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

プロテクタ２９は、内側プロテクタ２９１と、外側プロテクタ２９２と、結合部３０とを有する。

内側プロテクタ２９１は、略有底円筒形である。内側プロテクタ２９１の側周面には通気孔２９１ａが形成されている。内側プロテクタ２９１は、金属製である。外側プロテクタ２９２は、略有底円筒形である。外側プロテクタ２９２は、内側プロテクタ２９１の外周に設けられる。外側プロテクタ２９２の側周面には通気孔２９２ａが形成されている。外側プロテクタ２９２の内径は、内側プロテクタ２９１の外径と等しい。外側プロテクタ２９２は、内側プロテクタ２９１の外周でスライド可能となっている。外側プロテクタ２９２は、金属製であり、内側プロテクタ２９１と同じ材質を用いる。通気孔２９２ａは、外側プロテクタ２９２がスライドしていないときは内側プロテクタ２９１の通気孔２９１ａと重ならず、外側プロテクタ２９２をスライドさせることにより、内側プロテクタ２９１の通気孔２９１ａと重なる位置に設けられる。結合部３０は、内側プロテクタ２９１と外側プロテクタ２９２の底部で結合している。結合部３０は、膨張係数の高い金属が用いられる。

図７は、本発明による排ガスセンサのプロテクタ構造の第２実施形態の作用を示す図であり、図７（ａ）は常温時、図７（ｂ）は高温時を示す。

図７（ａ）は、常温時の内側プロテクタ２９１の通気孔２９１ａと外側プロテクタ２９２の通気孔２９２ａの位置関係を示している。常温時には図７（ａ）のように、内側プロテクタ２９１の通気孔２９１ａと外側プロテクタ２９２の通気孔２９２ａが重ならず、通気孔（２９１ａ、２９２ａ）が開口しない。

図７（ｂ）は、高温時の内側プロテクタ２９１の通気孔２９１ａと外側プロテクタ２９２の通気孔２９２ａの位置関係を示している。高温時には結合部３０が膨張するため、図７（ｂ）のように、外側プロテクタ２９２がスライドし、内側プロテクタ２９１の通気孔２９１ａと外側プロテクタ２９２の通気孔２９２ａが重なり、通気孔（２９１ａ、２９２ａ）が開口する。

したがって、常温時は通気孔（２９１ａ、２９２ａ）が開口せず、排ガスがセンサ素子１７に到達することはできない。一方、高温時は通気孔（２９１ａ、２９２ａ）が開口し、排ガスがセンサ素子１７に到達することができる。以上の作用により、第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

フロント酸素センサ１４やリア酸素センサ１５は、排気コントロール制御を行うため、早期活性が要求される。また、安定した性能が要求されるため、温度により開口面積が変動することは望ましくない。

一方、触媒診断として使用する床下触媒１３の下流に設けるサード酸素センサ１６については、性能の変化に敏感である必要がなく、開口面積の変動が影響を与えない。また、仕様領域は排気温度、排気管壁温が高い領域に限られる。この場合、サード酸素センサ１６のプロテクタ１９の温度が上昇するまでに十分な時間があるため、本発明にかかるサード酸素センサ１６のプロテクタ構造は非常に効果的である。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

内燃機関の排ガス浄化装置の構成と排ガスセンサの位置関係を示す図である。 排ガスセンサ全体の断面を示す図である。 本発明による排ガスセンサのプロテクタ構造の第１実施形態を示す図である。 本発明による排ガスセンサのプロテクタ構造の第１実施形態の常温時の作用を示す図である。 本発明による排ガスセンサのプロテクタ構造の第１実施形態の高温時の作用を示す図である。 本発明による排ガスセンサのプロテクタ構造の第２実施形態を示す図である。 本発明による排ガスセンサのプロテクタ構造の第２実施形態の作用を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
１１ 排気管
１２ マニフォールド触媒
１３ 床下触媒
１４ フロント酸素センサ
１５ リア酸素センサ
１６ サード酸素センサ
１７ センサ素子
１９ プロテクタ
１９１ 内側プロテクタ
１９１ａ 通気孔
１９２ 外側プロテクタ
１９２ａ 通気孔
３０ 結合部

Claims (3)

1. 排ガス通路に設けられた排ガスセンサのプロテクタ構造であって、
   排ガスの成分を検出するセンサ素子と、
   前記センサ素子の周囲を取り囲んで設けられ、排ガスを通流可能な通気孔を有する内側プロテクタと、
   前記内側プロテクタの周囲を取り囲んで設けられ、常温において、内側の寸法が前記内側プロテクタの外側の寸法と同じであって、前記内側プロテクタの通気孔に対してずれた位置に形成された通気孔を有する外側プロテクタと、
   を備え、
   常温では、前記内側プロテクタの通気孔と前記外側プロテクタの通気孔とが連通せず、排ガス温度の上昇にともなって、前記内側プロテクタの通気孔と外側プロテクタの通気孔とが連通する、
   ことを特徴とする排ガスセンサのプロテクタ構造。
2. 前記外側プロテクタの膨張係数は前記内側プロテクタの膨張係数よりも大きく、
   排ガス温度の上昇にともなって熱膨張し、前記内側プロテクタと前記外側プロテクタとの間に隙間が開き、前記内側プロテクタと前記外側プロテクタとが連通する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の排ガスセンサのプロテクタ構造。
3. 前記内側プロテクタと前記外側プロテクタの間に設けた熱膨張部が、
   排ガス温度の上昇にともなって熱膨張し、前記内側プロテクタと前記外側プロテクタとがスライドし、前記内側プロテクタと前記外側プロテクタとが連通する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の排ガスセンサのプロテクタ構造。

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