JP2006234757A - ガスセンサの評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス検出素子を有するガスセンサの評価方法において、ガス検出素子が被水により割れたか否かを精度良く評価する評価方法を提供する。
【構成】評価対象のガスセンサ１０が取り付けられる位置よりも上流側に、排気管４に貯水部５を設ける。次に、貯水部５に一定量の水を溜めた後、排気管５のセンサ取付口８にガスセンサ１０を取り付けた状態で、ガス検出素子１２を所定温度に加熱する。そして、ガス検出素子１２をその所定温度に保持した状態で、エンジン２を始動させ、レーシングにより、エンジン２から排出される排気ガスを送って、貯水部５に溜まった水を飛ばし、ガスセンサ１０を被水させる。被水後、ガスセンサ１０をセンサ取付口８から取出し、ガス検出素子１２の被水状態を評価する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス検出素子を有するガスセンサの評価方法に関する。特に、自動車エンジン等の内燃機関の排気管に使用される、Ｏ_２センサ、ＮＯｘセンサ等のガスセンサの評価方法に関する。

従来、ガス流通管に、ガス検出素子の少なくとも一部を配置させた状態でガスセンサを取り付け、そのガスセンサを使って特定ガスのガス濃度を検知、測定する方法が知られている。例えば、自動車エンジンの排気管に、空燃比制御に利用するためにガスセンサを取り付け、エンジンから排出された排気ガス中の酸素濃度を測定することがある。

ところで、エンジンの停止中や冷間始動時に、排気ガス中に含まれる水分が凝縮して（以下、凝縮水という）、排気管の内壁面に凝縮水が付着することがある。この状態でエンジンを始動させると、排気管の内壁面に付着した凝縮水は、エンジンの振動や排気ガスの流れにより飛散する。そして、飛散した凝縮水が、加熱されたガス検出素子に付着すると、熱衝撃によってガス検出素子に亀裂が生じることがある。そこで、ガスセンサは、エンジンに取り付けて使用する前に、ガス検出素子が被水により割れるか否かを評価される。その方法として、ガス検出素子を組み付けたガスセンサに、水滴を含んだエアーを吹き付ける方法が挙げられる。（特許文献１参照）
特開２００４−２４５８２８

ところで、最近では、排気管の種類は多種多様になっている。その排気管の中には、凝縮水等の水が、ガスセンサよりも上流側で溜まりやすい形状をした排気管もある。このような特異な排気管にガスセンサを取り付けて使用すると、ガス検出素子は従来と異なる（特異な）被水状況となる。
しかしながら、このような特異な排気管で使用するガスセンサにおいて、そのガス検出素子が被水により割れるか否かを評価する方法として、従来の評価方法を用いても、従来の評価方法は特異な排気管で使用されるガスセンサの被水状況を想定していないので、十分な評価精度は得られない虞がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、評価対象のガスセンサの上流側で水が溜まりやすい特異なガス流通管に使用されるガスセンサであっても、ガス検出素子が被水により割れたか否かを精度良く評価する評価方法を提供することを目的とする。

上記目的を達するために、本発明は、ガス検出素子を有するガスセンサの評価方法において、評価対象の前記ガスセンサが取り付けられる位置よりも上流側に貯水部を設けたガス流通管を備え、前記貯水部に一定量の水を溜める貯水工程と、ガス流通管内にガス検出素子の少なくとも一部を配置させた状態で、前記ガス検出素子を所定温度となるように加熱する加熱工程と、前記ガス検出素子が前記所定温度に達した後、前記貯水部よりも上流側から下流に向かって送風し、該貯水部に溜まった水を該ガス検出素子に向けて飛ばす被水工程と、前記ガス検出素子が被水により割れたか否かを評価する評価工程とを有することを特徴とするガスセンサの評価方法である。

本発明では、評価対象のガスセンサが取り付けられる位置よりも上流側に貯水部を設けたガス流通管を用いて、評価する。これにより、ガスセンサへの特異な被水状況を作り出すことができるので、ガス検出素子が被水により割れたか否かを精度良く評価することができる。そして、この評価結果に基づき、例えば評価対象と同構造のガスセンサが、ガスセンサの上流側で水が溜まりやすいガス流通管への適用に適しているかを判定したり、ガス検出素子の肉厚の条件出しを行ったりすることができる。

さらに、本発明では、ガス検出素子を所定温度となるように加熱し、その所定温度に達した後、ガス検出素子に被水させている。これにより、ガス検出素子が被水した際に熱衝撃で割れやすい状況を作り出すことができるので、ガス検出素子が被水により割れたか否かを精度良く評価することができる。
なお、特許請求の範囲の「所定温度」とは、ガス検出素子が活性化する温度より高い温度のことを指す。

つまり、本発明では、評価対象のガスセンサが取り付けられる位置よりも上流側に貯水部を設けたガス流通管を用いて、ガス流通管内にガス検出素子の少なくとも一部を配置させた状態で、ガス検出素子を所定温度となるように加熱し、その所定温度に達した後、貯水部に溜まった水をガス検出素子に向けて飛ばしている。これにより、ガスセンサの上流側で水が溜まりやすい特異なガス流通管に使用されるガスセンサであっても、ガス検出素子が被水により割れたか否かを精度良く評価することができる。

また、本発明では、貯水部はガス流通管を屈曲させて形成すると良い。これにより、ガス流通管に貯水部を容易に設けることができる。

さらに、本発明では、ガス流通管としてエンジンの排気管を用いつつ、貯水部よりも上流側から下流に向かって、エンジンから排出される排気ガスを送って、貯水部に溜まった水をガス検出素子に向けて飛ばすようにして被水工程を行うと良い。これにより、エンジンの排気管で使用されるガスセンサにおいて、評価状況が実際の使用状況により近くなるので、ガス検出素子が被水により割れたか否かを精度良く評価することができる。さらに、エンジンをレーシングするだけで、排気管に排気ガスを流して、貯水部に溜まった水を良好に飛ばせるので、送風器を別途用意する必要もなく、手間やコストを削減することも可能である。

本発明の実施形態であるガスセンサの評価方法を、図面と共に説明する。なお、本発明は、以下の本実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。

図１は本実施形態のガスセンサ１０の評価装置１である。なお、本実施形態では、ガスセンサとして、セラミック製のガス検出素子を有する酸素センサを用いている。本実施形態のガスセンサ１０の評価装置１は、主としてエンジン２、排気ガス導入管３、排気管４から構成される。

エンジン２は、吸入、圧縮、爆発及び排気の４つの工程を繰り返して出力を得る４サイクル４気筒エンジンである。

排気ガス導入管３は、エンジン２より排出された排気ガスを後述する排気管４に導入するための通路であり、エンジン２の下流側に取り付けられている。

排気管４は、排気ガス導入管３の下流側に取り付けられている。排気管４の略中央には、貯水部５を設けている。この貯水部５は、排気管４を屈曲させて形成したものである。また、排気管４には、水注入口６、ドレイン７、センサ取付口８がそれぞれ設けられている。水注入口６は、貯水部５の下流側に設けられており、水注入口６から水を注入することで貯水部５に水を貯めることができる。ドレイン７は貯水部５の底部に設けられ、貯水部５に貯められた水を排出することができる。センサ取付口８は、貯水部５の下流側（具体的には、水注入口の下流側）に設けられ、後述する評価用のガスセンサ１０のネジ部６１と螺合することで、ガスセンサ１０を排気管４に取り付けることができる。

次に、評価対象に用いるガスセンサ１０の構造及び機能について説明する。図２に示す様に、ガスセンサ１０は、ガス検出素子１２とヒータ１３とを備えている。ガス検出素子１２は、先端が閉じた有底筒状に形成されている。また、ヒータ１３は、棒状のセラミックヒータ等からなり、ガス検出素子１２の内部に挿入されている。

ガス検出素子１２は、ジルコニア等を主体とする酸素イオン伝導性固体電解質部材からなる素子本体（基体）３０を具備している。そして、その先端部（図中下側）が検知部３１とされ、検知部３１の後端側（図中上側）には、径方向外側に突出する鍔部３２が形成されている。
また、素子本体３０の外側には、例えばＰｔあるいはＰｔ合金により多孔質に形成された外側電極（図示しない）が形成されている。さらに、検知部３１を覆っている外側電極（図示しない）の外側には、スピネル等のセラミック溶射層からなる保護層（図示しない）が形成されている。
一方、素子本体３０の内側には、例えばＰｔ或いはＰｔ合金により多孔質に形成された内側電極（図示しない）が設けられている。

図２に示すように、上記ガス検出素子１２の鍔部３２付近の周囲を取り囲むＳＵＳ４３０製の主体金具１５が設けられている。この主体金具１５には、ガスセンサ１０を排気管等の取付部に取り付けるためのネジ部６１と、排気管の取付部への取り付け時に取付金具をあてがう六角部６３を有している。なお、六角部６３の先端面には、ガスケット１７が設けられている。そして、主体金具１５の内周面には、先端部に向かって縮径する金具側段部６４が設けられており、この金具側段部６４にパッキン６５を介してセラミックホルダ１９を支持している。

主体金具１５とガス検出素子１２との間には、セラミックホルダ１９の後端側に、滑石（タルク）等の粉末層２０と、絶縁性セラミックから形成された筒状部材１８とが順に配置されている。この粉末層２０は、ガス検出素子１２と主体金具１５との間を封止している、また、筒状部材１８の後端側には、環状リング６７が設けられている。

また、主体金具１５の先端側には、ガス検出素子１２の先端側（検知部３１）を覆うように、プロテクタ２１が取り付けられている。このプロテクタ２１には、被測定ガスを導入してガス検出素子１２の先端側（検知部３１）と接触させるための複数のガス透過口２２が設けられている。

そして、主体金具１５の後端側には、主体金具１５の後端部に設けられた加締め部６６によって固定されるＳＵＳ３０４Ｌ製の内筒部材３３が取り付けられている。内筒部材３３は、略中間位置にて後端側に向かって径小となる段部３４を有し、段部３４よりも後端側に基準ガスをガス検出素子１２内部に取り込むガス導入孔３５が周方向に沿って所定間隔で複数設けられている。また、内筒部材３３の段部３４よりも先端側にてＳＵＳ３０４Ｌ製の外筒部材３６と加締められ、固定されている。この外筒部材３６にもガス導入孔３５に対応する位置に複数の補助ガス導入孔３７との間には、ガス導入孔３５を覆うフィルタ２３が配置されている。このフィルタ２３は、外筒部材３６の補助ガス導入孔３７の先端側及び後端側を加締めることで固定されている。

また、内筒部材３３の内側には、セラミックセパレータ２５が配置されている。このセラミックセパレータ２５は、外側電極（図示しない）と接続する外側電極接続金具２９、内部電極（図示しない）と接続する内側電極接続金具２８及びヒータ１３と接続する一対のヒータ接続端子３８（尚、一方は図示していない）を、それぞれに対応するリード線２６、２７、３９と接続するようにして内装する。また、リード線２６、２７、３９は、外筒部材３６の後端側に固定されたゴム製のグロメット２４を貫通して外部と接続する。

上記ガスセンサ１０は、先端側（図２において下側）が排気管内等に位置し、後端側（図２において上側）が外部の大気中に位置した状態で使用される。

次に、本発明の評価方法について説明する。
まず、貯水部５に、所定量の水を注入口６から注入する。（貯水工程）
なお、注入する水量は、評価条件に応じて適宜設定することができる。

次に、１つのガスセンサ１０をセンサ取付口８に取り付けた状態で、ガスセンサ１０のヒータ１３に通電させて、ガス検出素子１２が所定温度となるように加熱する。（加熱工程）
これにより、ガス検出素子１２が被水した際に熱衝撃で割れやすい状況を作り出すことができるので、ガス検出素子１２が被水により割れたか否かを精度良く評価することができる。

なお、ガスセンサの検出素子１２の加熱温度は、ガス検出素子１２が活性化する温度より高い温度とする。望ましくは、ガス検出素子１２が被水により割れやすい温度とする方がよい。ガスセンサ１０のガス検出素子１２の場合、３００℃〜８００℃において、被水により割れやすくなるので、この温度範囲内で加熱温度を設定したほうがよい。

ガス検出素子１２を前記加熱温度に達した後、エンジン２を始動させ、所定時間アイドリングした後、所定条件のレーシングを複数回行うことにより、エンジン２から排出される排気ガスを送って、貯水部５に溜めた水を飛ばして、ガス検出素子１２を被水させる。（被水工程）
これにより、自動車エンジンの排気管で使用されるガスセンサ１０において、評価状況が実際の使用状況により近くなるので、ガス検出素子１２が被水により割れたか否かを精度良く評価することができる。

なお、アイドリングとレーシング条件は、適宜設定することができる。
また、排気管４をエンジン２から取り外し、送風器を用いて、貯水部５よりも上流側から下流に向かって送風し、貯水部５に溜めた水を飛ばして、ガスセンサ１０を被水させてもよい。

ガスセンサ１０を被水させた後、ヒータ１３の通電を切り、ガスセンサ１０をセンサ取付口８から取り出す。
図４に示すように、ガス検出素子１２の水中での絶縁抵抗値を、ガスセンサ１０を水中に浸漬させた後、所定電圧を印加し、絶縁抵抗計７１で測定する。その絶縁抵抗値により、ガス検出素子１２が被水により割れたか否かを評価する。（評価工程）
ガス検出素子１２に割れが生じた場合、ガス検出素子１２の水中での絶縁抵抗値は、その割れに水が入り込むので、被水させる前と比較して低下する。すなわち、ガス検出素子１２の水中での絶縁抵抗値を測定することにより、ガス検出素子１２が被水により割れたか否かを評価することができる。
なお、ガス検出素子１２が被水により割れたか否かの評価は、水中絶縁抵抗の低下によって評価するだけに限らない。例えば、赤色の水溶性インクをガス検出素子１２に塗布し、そのインクが割れに染み込んでいるか否かを目視することによって、評価することもできる。

本発明の評価方法の実施例について、上記ガスセンサ１０を用いて具体的に説明する。なお、実施例の評価方法は、ガス検出素子１２の肉厚と被水状態の関係について評価を行ったものである。

まず、評価を行うサンプル１〜３の各ガスセンサ１０について説明をする。
サンプル１
上記ガスセンサ１０であって、検知部３１の素子本体３０の肉厚が０．８ｍｍで、保護層の厚みが０．２ｍｍである。
サンプル２
上記ガスセンサ１０であって、検知部３１の素子本体３０の肉厚が０．６５ｍｍで、保護層の厚みが０．２ｍｍである。
サンプル３
上記ガスセンサ１０であって、検知部３１の素子本体３０の肉厚が０．６５ｍｍで、保護層の厚みが０．２ｍｍである。そして、その保護層の上には、チタニア等のセラミック層（図示しない）が１５０μｍ形成している。

そして、上記サンプル１〜３の各ガスセンサ１０をそれぞれ１０本用意し、ガスセンサ被水評価装置１を用いて評価試験を行った。また、ガスセンサ被水評価装置１の排気管４は公知な排気管を使用した。その寸法は、ａ＝４０ｍｍ、ｂ＝５０ｍｍ、ｃ＝１０ｍｍ、ｄ＝４０ｍｍ、ｅ＝１８０ｍｍ、ｆ＝７０ｍｍである。

まず、貯水部５に水１００ｃｃを注入口６から注入し、ガスセンサ１０をセンサ取付口８に取り付けた。

その後、ガスセンサ１０のヒータ１３に通電し、ガス検出素子１２が４５０℃となるように加熱した。

ガス検出素子１２を４５０℃に達した後、エンジン２を始動させ、アイドリング（回転数：７００〜８００ｒｐｍ）を６０秒間行う。

アイドリング後、レーシング（回転数：３０００〜４０００ｒｐｍ）を４秒間隔で５回行って、エンジン２から排出される排気ガスを送って、貯水部５に溜めた水を飛ばして、ガスセンサ１０を被水させた。

被水後、エンジン２を停止し、ヒータ１３の通電を切り、ガスセンサ１０をセンサ取付口８から取り出した。その後、図４に示すように、ガス検出素子１２の水中絶縁抵抗値を、ガスセンサ１０を水中に浸漬させた後、直流５００Ｖを印加し、絶縁抵抗計７１で測定した。そして、水中絶縁抵抗値が評価前より低下したガスセンサの数より、ガス検出素子１２に被水割れ（被水により生じた割れ）が発生した数を求めた。

サンプル１〜３のガス検出素子１２に被水割れが発生した数を表１に示す。
表１より、サンプル１のガス検出素子１２が最も被水割れを生じた。また、ガス検出素子１２の肉厚が薄い方が、被水割れを生じにくいことが分かった。このように上記評価方法を用いることで、特異な被水状況に曝されるガス検出素子が被水により割れたか否かを精度良く評価することができ、この評価結果に基づき、ガス検出素子の肉厚の条件出しを行うことができる。

なお、貯水部５は、排気管４の一部を屈曲させて形成するだけでなく、別途用意した貯水部５を排気管４に取り付ける等、様々な方法で形成することができる。

ガスセンサ被水評価装置の概略図。 ガスセンサの構成を示す図。 ガスセンサの水中絶縁試験の実施法を説明するための図。

符号の説明

１・・・ガスセンサ被水評価装置、２・・・エンジン、３・・・ガス導入管、４・・・排気管、５・・・貯水部、６・・・水中注入口、７・・・ドレイン、８・・・センサ取付口、１０・・・ガスセンサ、１２・・・ガス検出素子、１３・・・ヒータ、１５・・・主体金具、１７・・・ガスケット、１８・・・筒状部材、１９・・・セラミックホルダ、２０・・・粉末層、２１・・・プロテクタ、２２・・・ガス透過口、２３・・・フィルタ、２４・・・グロメット、２５・・・セラミックセパレータ、２６，２７，３９・・・リード線、２８・・・内側電極接続金具、２９・・・外側電極接続金具、３０・・・素子本体、３１・・・検知部、３２・・・鍔部、３３・・・内筒部材、３４・・・段部、３５・・・ガス導入孔、３６・・・外筒部材、３７・・・補助ガス導入孔、３８・・・ヒータ接続端子、６１・・・ネジ部、６２・・・六角部、６３・・・六角部、６４・・・金具側段部、６５・・・パッキン、６６・・・加締め部、６７・・・環状リング

Claims (3)

1. ガス検出素子を有するガスセンサの評価方法において、
   評価対象の前記ガスセンサが取り付けられる位置よりも上流側に貯水部を設けたガス流通管を備え、
   前記貯水部に一定量の水を溜める貯水工程と、
   ガス流通管内にガス検出素子の少なくとも一部を配置させた状態で、前記ガス検出素子を所定温度となるように加熱する加熱工程と、
   前記ガス検出素子が前記所定温度に達した後、前記貯水部よりも上流側から下流に向かって送風し、該貯水部に溜まった水を該ガス検出素子に向けて飛ばす被水工程と、
   前記ガス検出素子が被水により割れたか否かを評価する評価工程とを有することを特徴とするガスセンサの評価方法。
2. 前記貯水部は、前記ガス流通管を屈曲させて形成することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサの評価方法。
3. 前記ガス流通管はエンジンの排気管であって、
   前記被水工程は、前記貯水部よりも上流側から下流に向かって、前記エンジンのレーシングによって排出される排気ガスを送って、該貯水部に溜まった水を前記ガス検出素子に向けて飛ばすことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサの評価方法。