JP2008026237A

JP2008026237A - ガスセンサの取付構造

Info

Publication number: JP2008026237A
Application number: JP2006201154A
Authority: JP
Inventors: Yoichiro Goya; 陽一郎合屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2008-02-07
Also published as: DE112007001499T5; WO2008012639A1; CN101495858A; US20100000290A1

Abstract

【課題】ガスセンサ素子が被水することを防止可能なガスセンサの取付構造を提供する。
【解決手段】ガスセンサ素子２と、ガスセンサ素子２を覆うセンサカバー３とを有して構成されるガスセンサ１をエキゾーストマニホールド５に取り付けたときのガスセンサの取付構造１０であって、エキゾーストマニホールド５の内部を流通する排気ガスの流れ方向に応じて、被測定ガスに含まれる水がガスセンサ素子２に到達し難い取付角度で、ガスセンサ１がエキゾーストマニホールド５に取り付けられていることを特徴とする。また、ガスセンサ１の軸線Ｐとエキゾーストマニホールド５とが取付位置で略直交しないように、ガスセンサ１はエキゾーストマニホールド５に取り付けられている。さらにガスセンサ１は通路曲がり部Ｒの直後に取り付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサの取付構造に関し、特に内燃機関の吸気系や排気系を構成する通路部材にガスセンサを取り付けたときのガスセンサの取付構造に関する。

従来、内燃機関の吸気系や排気系に取り付けられるガスセンサとしては、酸素センサ、空燃比センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサなどが知られている。図３に一般的なガスセンサ１の検出部の要部を模式的に示す。一般的なガスセンサ１は、筒型のハウジング４と、ハウジング４に挿通固定したガスセンサ素子２と、ガスセンサ素子２を覆うセンサカバー３とを有して構成されている。さらにセンサカバー３は一般にインナーカバー３ａとアウターカバー３ｂとで構成されている。インナーカバー３ａ及びアウターカバー３ｂには夫々ガス流通穴Ｈが形成され、ガス流通穴Ｈの位置は互いに重ならないようになっている。これにより、アウターカバー３ｂのガス流通穴Ｈから凝縮水等の水が侵入してもインナーカバー３ａが障害となるため、ガスセンサ素子２の被水を抑制できる。なお、センサカバーに関しては、ガスセンサの被水性や応答性などを考慮した種々の形状や構造が提案されている（例えば特許文献１、２及び３参照）。

特開２００３−７５３９６号公報特開２００４−２４５８２８号公報特開２００４−２９４２９９号公報

ところで、ガスセンサ素子の被水対策等は、一般にガスセンサが通路部材に対して略垂直に取り付けられることを前提として行われており、またこの取付状態でガスセンサが被測定ガスの流通方向とも略直交することを前提としている。一方、ガスセンサの取付位置に関しては、その位置における被測定ガスの濃度の均一性やガスセンサの取付容易性やメンテナンス容易性などの観点から決定される。このときガスセンサを通路部材に対して略垂直に取り付けようとした場合に、実際には必ずしもガスセンサが被測定ガスの流通方向とも略直交するとは限らない。図４はガスセンサの取付構造（以下、単に取付構造とも称す）を模式的に示す図である。具体的には図４はエキゾーストマニホールド（通路部材）５に対するガスセンサ１の取付角度が略９０度のときのガスセンサの取付構造を示す図であり、取付位置Ａ、Ｂ及びＣの３種類の取付位置にガスセンサ１を取り付けた場合のガスセンサの取付構造１０Ｘａ、１０Ｘｂ及び１０Ｘｃを比較のために同時に示している。なお、エキゾーストマニホールド５の下流側には触媒６が接続してある。

取付構造１０Ｘａ、１０Ｘｂ及び１０Ｘｃはエキゾーストマニホールド５と、このエキゾーストマニホールド５に対して図４に示す状態で取り付けられたガスセンサ１夫々とからなる。ガスセンサ１は取付構造１０Ｘａ、１０Ｘｂ及び１０Ｘｃでともにエキゾーストマニホールド５のうち、各気筒からの配管が合流した部分の配管に取り付けられている。取付位置Ａはエキゾーストマニホールド５の曲がり通路部Ｒの直後の位置となっており、取付位置Ｂは曲がり通路部Ｒの入り口の位置となっており、取付位置Ｃは取付位置Ａよりも更に下流の位置になっている。このため、取付構造１０Ｘｂ及び１０Ｘｃでは、ガスセンサ１の軸線Ｐと排気ガスの流通方向とが略直交するのに対して、取付構造１０Ｘａでは、ガスセンサ１の軸線Ｐと排気ガスの流通方向とが鈍角をなす。

また、図５はガスセンサの取付構造１０Ｘａ、１０Ｘｂ及び１０Ｘｃでガスセンサ素子２の被水を再現すべく、注水試験を行ったときの試験結果を示す図である。この注水試験はガスセンサ素子２の被水を再現すべく、ガスセンサの取付構造１０Ｘａ、１０Ｘｂ及び１０Ｘｃを適用した内燃機関（図示省略）を２，０００ｒｐｍで台上試験運転しているときに、エキゾーストマニホールド５の上流側から１００ｃｃの水を注水して行ったものである。なお、図５（ｄ）は注水方法を模式的に示す図である。注水試験では、ガスセンサ素子２の被水を再現すべく、注水量は実際に発生する凝縮水の量よりも相当多めの量となっている。また、この注水試験ではガスセンサ素子２、インナーカバー３ａ及びアウターカバー３ｂの夫々に測温センサを設置し、ガスセンサ素子２の温度低下具合で被水性を検証した。図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示す取付構造１０Ｘａ、１０Ｘｂ及び１０Ｘｃの試験結果夫々で、注水後にインナーカバー３ａ及びアウターカバー３ｂの温度が急激に低下していることがわかる。また、取付構造１０Ｘｂ及び１０Ｘｃでは、注水後にガスセンサ素子２の素子温が比較的なだらかに低下していることがわかる。これに対して図５（ａ）に示す取付構造１０Ｘａでは、注水後に素子温が急激に低下していることがわかる。このことから、取付構造１０Ｘａでは、水がガスセンサ素子２にまで到達していると推定できる。

すなわち、ガスセンサの被水対策等は一般に前述した前提に基づいて行われているため、例えば取付位置Ａのような位置にガスセンサを通路部材に対して略垂直に取り付けた場合には、図５（ｅ）に示すように取付角度が被検出ガスの流通方向と鈍角をなし、水がガスセンサ素子に到達し易くなる結果、素子割れが発生してしまう虞があった。

そこで、本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、ガスセンサ素子が被水することを防止可能なガスセンサの取付構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を覆うセンサカバーとを有して構成されるガスセンサを通路部材に取り付けたときのガスセンサの取付構造であって、前記通路部材の内部を流通する被測定ガスの流れ方向に応じて、被測定ガスに含まれる水が前記ガスセンサ素子に到達し難い取付角度で、前記ガスセンサが前記通路部材に取り付けられていることを特徴とする。本発明によれば、取付上の便宜等から特段の配慮なしにガスセンサが通路部材に対して略垂直になるように取り付けられる代わりに、被測定ガスの流通方向を考慮してガスセンサが取り付けられているため、ガスセンサ素子が被水することを防止可能である。

なお、ガスセンサは一般にはその軸線が通路部材に対して略垂直になるように取り付けられている状態で、被測定ガスがガスセンサに略直交するように流通する場合に、ガスセンサ素子の被水を防止できるようになっていることから、ガスセンサ素子に水が到達し難い取付角度は、通路部材の内部を流通する被測定ガスの流通方向と、前記ガスセンサの軸線とがなす角度が略９０度、または鋭角となる角度であることが好ましい。これは、図３に示すようにアウターカバーのガス流通穴Ｈは一般にはインナーカバーのガス流通穴Ｈよりも先端側に形成されるため、取付角度が被測定ガスの流通方向と鈍角をなす場合には、インナーカバーに形成されたガス流通穴に水が浸入しやすくなるためである。一方、取付角度が鋭角をなす場合にはそれだけ水がインナーカバーに浸入し難くなる傾向にあるが、鋭角をなす場合の取付角度は、被測定ガスの検出応答性も考慮して決定することが好ましい。

また本発明は、前記ガスセンサの軸線と前記通路部材とが取付位置で略直交しないように、前記ガスセンサが前記通路部材に取り付けられていてもよい。これは、ガスセンサの軸線が更に通路部材と取付位置で略直交するときには、一般的なガスセンサにおいて被水防止効果を奏する場合となることから、本発明は係る場合を除外する趣旨である。

また本発明は、前記通路部材の通路曲がり部、または該通路曲がり部の直後に前記ガスセンサが取り付けられていてもよい。より具体的には例えば本発明のように通路部材の通路曲がり部やその直後にガスセンサが取り付けられているときに、好適に被水防止効果を奏することができる。

また本発明は、さらに前記センサカバーが、取付状態で鉛直下方向を法線とするガス流通穴を有してもよい。また本発明のようなガス流通穴を有することでセンサカバーに凝縮水が溜まり、その結果ガスセンサ素子が被水することを防止可能である。

本発明によれば、ガスセンサ素子が被水することを防止可能なガスセンサの取付構造を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

本実施例に示すガスセンサ１の検出部の要部を前述した図３を用いて詳述する。本実施例に示すガスセンサ１は、排気ガス（被測定ガス）中の酸素濃度に基づき空燃比をリニアに検出するための空燃比センサである。但しこれに限られず、ガスセンサ１は排気ガス中の酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出するための酸素センサやＮＯｘ濃度、ＣＯ濃度、ＨＣ濃度などを測定する各種のガスセンサであってもよい。ガスセンサ１は積層型のガスセンサ素子２を備えている。但し、代わりにコップ型のガスセンサ素子を備えていてもよい。センサカバー３はインナーカバー３ａとアウターカバー３ｂとで構成された二重構造となっている。但しセンサカバー３の代わりに例えば三重構造のセンサカバーや、それ以上の多重構造のセンサカバーを備えていてもよい。

インナーカバー３ａ及びアウターカバー３ｂはともに有底円筒型で先端側に底面を備えている。なおこれに限られず、インナーカバー３ａ及びアウターカバー３ｂのうち、少なくとも一方の先端が底面を備えず開放されていてもよい。また、インナーカバー３ａ及びアウターカバー３ｂは断面形状が円である代わりに楕円などであってもよく、断面積が基端側から先端側にかけて一様でなくてもよい。インナーカバー３ａ及びアウターカバー３ｂはその側面にガス流通穴Ｈを夫々備えている。またインナーカバー３ａ及びアウターカバー３ｂはその底面にもガス流通穴Ｈを夫々備えている。ガス流通穴Ｈの数量や配置や夫々の形状及び大きさなどは、少なくともガスセンサ１の軸線Ｐと排気ガスの流通方向とが略直交する状態で被水防止効果を有するものであれば特に限定されず、適宜のものであってよい。インナーカバー３ａ及びアウターカバー３ｂはその軸線がガスセンサ１の軸線Ｐと略一致するように夫々ハウジング４にかしめ固定される。

図１は本実施例に係るガスセンサの取付構造１０を模式的に示す図である。具体的には図１（ａ）が本実施例に係るガスセンサの取付構造１０を示す図となっており、図１（ｂ）が比較例としてのガスセンサの取付構造１０Ｘａを示す図となっている。また、図１（ｃ）ではガスセンサ１の被水防止効果を模式的に示している。なお、ガスセンサの取付構造１０Ｘａは図４で示したものと同一のものとなっている。本実施例ではガスセンサの取付構造１０はエキゾーストマニホールド（通路部材）５と、このエキゾーストマニホールド５に対して図１（ａ）に示す状態で取り付けられたガスセンサ１とで実現されている。ガスセンサ１は取付構造１０及び１０Ｘａでともにエキゾーストマニホールド５のうち、各気筒からの配管が合流した部分の配管に取り付けられている。また取付構造１０及び１０Ｘａで、ガスセンサ１の取付位置Ａの手前は通路曲がり部Ｒとなっている。換言すればガスセンサ１は通路曲がり部Ｒの直後に取り付けられている。

エキゾーストマニホールド５はガスセンサ１取付用のボス（図示省略）を備えている。ボスはエキゾーストマニホールド５に溶接されており、図１（ａ）に示す取付構造１０では、ボスの座面はガスセンサ１を取り付けたときに、ガスセンサ１の軸線Ｐと排気ガスの流通方向とが略直交するように形成されている。また、このボスの座面はガスセンサ１の軸線Ｐとエキゾーストマニホールド５とが取付位置で略直交しないように斜めに形成されている。なお、ボスを貫通するガスセンサ１取付用のねじ穴はボスの座面に略直交するように形成されている。一方、センサカバー３は図１（ｃ）に示すようにガスセンサ１の軸線Ｐが排気ガスの流通方向に対して略直交する状態で被水防止効果を発揮するように形成されている。これにより図１（ａ）に示す取付構造１０では、ガスセンサ１はエキゾーストマニホールド５の内部を流通する排気ガスの流通方向に応じて、排気ガスに含まれる凝縮水がガスセンサ素子２に到達し難い取付角度で、エキゾーストマニホールド５に取り付けられる。具体的にはガスセンサ１は、ガスセンサ１の軸線Ｐと排気ガスの流通方向とが略直交するような取付角度で、且つガスセンサ１の軸線Ｐとエキゾーストマニホールド５とが取付位置で略直交しないような取付角度でエキゾーストマニホールド５に取り付けられる。

一方、図１（ｂ）に示す取付構造１０Ｘａでは、ボスの座面はガスセンサ１を取り付けたときに、ガスセンサ１の軸線Ｐとエキゾーストマニホールド５とが略直交するように形成されている。これによりガスセンサ１は、ガスセンサ１の軸線Ｐとエキゾーストマニホールド５とが取付位置で略直交するように取り付けられる。図１（ａ）及び（ｂ）に示す取付位置では、排気ガスは通路曲がり部Ｒの内壁に衝突するまで直進しようとするため、排気ガスは必ずしも通路曲がり部Ｒの配管形状に沿って流通しない。このため図１（ｂ）に示す取付構造１０Ｘａでは、ガスセンサ１の軸線Ｐと排気ガスの流通方向とが鈍角をなすことに起因して、排気ガスとともに凝縮水がガスセンサ素子２に到達し易くなり、素子割れが発生する虞が高くなる。

これに対して図１（ａ）に示す取付構造１０では、ガスセンサ１の軸線Ｐと排気ガスの流通方向とが略直交する。このため、アウターカバー３ｂのガス流通穴Ｈを通過した排気ガス及び凝縮水は、図１（ｃ）に示すようにインナーカバー３ａに衝突して分離される。さらに本実施例ではセンサカバー３（具体的にはインナーカバー３ａ及びアウターカバー３ｂ）が、取付状態で鉛直下方向を法線とするガス流通穴Ｈを底面に夫々有しているため、凝縮水はガスセンサ１内に溜まることなく、底面に形成されたガス流通穴Ｈを通じて排出される。これにより図１（ａ）に示す取付構造１０では、ガスセンサ素子２が被水することを防止できる。

図２は取付構造１０及び１０Ｘに対して行った注水試験の試験結果を模式的に示す図である。この注水試験はガスセンサ素子２の被水を再現すべく、ガスセンサの取付構造１０及び１０Ｘａを適用した内燃機関（図示省略）を２，０００ｒｐｍで台上試験運転しているときに、エキゾーストマニホールド５の上流側から１００ｃｃの水を注水して行ったものである。なお、ガスセンサ素子２の被水を再現すべく、この注水量は実際に発生する凝縮水の量よりも相当多めの量となっている。また、注水試験は夫々形状が異なる３種類のセンサカバー３Ａ、３Ｂ及び３Ｃを用いて行った。これらのセンサカバーのうち、センサカバー３Ａはセンサカバー３Ｂ及び３Ｃのベース品となっており、センサカバー３Ｂは排気ガスの流通方向に対してガスセンサ１の取付角度が略１４０度のときに、センサカバー３Ａよりも高い被水防止効果を狙ったものとなっており、センサカバー３Ｃは排気ガスの流通方向に対して取付角度略９０度のときに、更にセンサカバー３Ａよりも高い被水防止効果を狙ったものとなっている。

排気ガスの流通方向に対してガスセンサ１の取付角度が略１４０度のときの試験結果では、センサカバー３Ａ及び３Ｃでガスセンサ素子２に顕著な被水が見られた。これは排気ガスの流通方向に対してガスセンサ１の取付角度が鈍角となっているため、ガスセンサ素子２に水が到達し易くなっていることに起因する。一方、センサカバー３Ｂは取付角度が略１４０度のときに被水防止効果を発揮するようカバー形状を工夫したため、あまり被水が見られなかった。次に排気ガスの流通方向に対してガスセンサ１の取付角度が略９０度のときの試験結果では、センサカバー３Ａ、３Ｂ及び３Ｃのいずれのセンサカバーでも被水量が低減され、特にセンサカバー３Ｃでは被水が見られなかった。

これらの試験結果から、ガスセンサの取付構造１０によれば、通路曲がり部Ｒの直後にガスセンサ１を取り付ける場合でも、既存のガスセンサ１を用いて被水防止効果を発揮できることがわかる。また、既存のガスセンサ１の代わりにセンサカバー３を改良したガスセンサを用いることで更に被水防止効果を高めることができることがわかる。なお、本実施例ではガスセンサ１の取付角度を排気ガスの流通方向に対して略９０度にしたときについて詳述したが、ガスセンサ１の取付角度は排気ガスの流通方向に対して鋭角であってもよい。この場合には、排気ガスが傾向的にガスセンサ素子２に到達し難くなることから、ガスセンサ１の応答性も考慮して取付角度を決定することが好ましい。また、ガスセンサの取付構造１０は、曲がり通路部Ｒの直後にガスセンサ１を取り付けた場合に限られず、曲がり通路部Ｒに取り付けようとする場合などにも変形して適用可能である。以上により、ガスセンサ素子２が被水することを防止可能なガスセンサの取付構造１０を実現可能である。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

ガスセンサの取付構造１０を模式的に示す図である。ガスセンサの取付構造１０及び１０Ｘａで注水試験の試験結果を模式的に示す図である。一般的なガスセンサ１の検出部の要部を模式的に示す図である。ガスセンサの取付構造１０Ｘａ、１０Ｘｂ及び１０Ｘｃを模式的に示す図である。ガスセンサの取付構造１０Ｘａ、１０Ｘｂ及び１０Ｘｃで注水試験を行ったときの試験結果を模式的に示す図である。

符号の説明

１ガスセンサ
２ガスセンサ素子
３センサカバー
３ａインナーカバー
３ｂアウターカバー
４ハウジング
５エキゾーストマニホールド
６触媒
１０ガスセンサの取付構造

Claims

ガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子を覆うセンサカバーとを有して構成されるガスセンサを通路部材に取り付けたときのガスセンサの取付構造であって、
前記通路部材の内部を流通する被測定ガスの流れ方向に応じて、被測定ガスに含まれる水が前記ガスセンサ素子に到達し難い取付角度で、前記ガスセンサが前記通路部材に取り付けられていることを特徴とするガスセンサの取付構造。
前記ガスセンサの軸線と前記通路部材とが取付位置で略直交しないように、前記ガスセンサが前記通路部材に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のガスセンサの取付構造。
前記通路部材の通路曲がり部、または該通路曲がり部の直後に前記ガスセンサが取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のガスセンサの取付構造。
さらに前記センサカバーが、取付状態で鉛直下方向を法線とするガス流通穴を有することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のガスセンサの取付構造。