JP2010174863A - 内燃機関、輸送機器およびリング状部材 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスを測定対象とするセンサを内燃機関に取り付けるためのコストおよび工数を削減する。
【解決手段】本発明による内燃機関は、シリンダヘッド１３を含む内燃機関本体１０と、シリンダヘッド１３に接続され、内燃機関本体１０からの排気ガスが通過する排気管２０と、排気ガスを測定対象とするセンサ３０と、排気管２０の内燃機関本体１０側の端部とシリンダヘッド１３との間に挟持され、排気ガスが通過する開口部４１を有するリング状部材４０であって、センサ３０が挿入されるセンサ取付け孔４２をさらに有するリング状部材４０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、排気ガスを測定対象とするセンサを備えた内燃機関に関する。また、本発明は、そのような内燃機関を備えた輸送機器や、内燃機関にセンサを取り付けるためのリング状部材にも関する。

環境問題やエネルギー問題の観点から、内燃機関の燃費を向上させたり、内燃機関の排気ガス中に含まれる規制物質（ＮＯｘなど）の排出量を低減したりすることが求められている。このためには、常に最適な条件で燃料の燃焼が行えるよう、燃焼状態に応じて燃料と空気との比率を適切に制御する必要がある。空気と燃料との比率は空燃比（Ａ／Ｆ）と呼ばれ、三元触媒を用いる場合、最適な空燃比は理論空燃比である。理論空燃比とは、空気と燃料とが過不足なく燃焼する空燃比である。

理論空燃比で燃料が燃焼している場合、排気ガス中には一定の酸素が含まれる。空燃比が理論空燃比よりも小さい場合、つまり、燃料の濃度が相対的に高い場合には、排気ガス中の酸素量が、理論空燃比の場合の酸素量に比べて減少する。一方、空燃比が理論空燃比よりも大きい（燃料の濃度が相対的に低い）場合には、排気ガス中の酸素量は増加する。このため、排気ガス中の酸素濃度を酸素センサを用いて計測することによって、空燃比が理論空燃比からどの程度ずれているかを推定し、空燃比を調節して最適な条件で燃料が燃焼するように制御することが可能となる。

排気ガス中の酸素濃度を計測するための酸素センサとしては、特許文献１に開示されているような起電力型の酸素センサや、特許文献２に開示されているような抵抗型の酸素センサが知られている。

起電力型の酸素センサは、固体電解質層の表面に設けられた基準電極および測定電極（それぞれ空気および排気ガスに曝される）間での酸素分圧の違いを起電力として検出することによって酸素濃度を測定する。これに対して、抵抗型の酸素センサは、排気ガスに曝される酸化物半導体層の抵抗率の変化を検出することによって酸素濃度を測定する。

図１９に、酸素センサを備えた従来の内燃機関８００を示す。内燃機関８００は、内燃機関本体８１０と、内燃機関本体８１０からの排気ガスが通過する排気管８２０と、排気ガス中の酸素を検出する酸素センサ８３０とを備える。

内燃機関本体８１０は、シリンダブロック８１１と、シリンダブロック８１１の下に設けられたクランクケース８１２と、シリンダブロック８１１の上に設けられたシリンダヘッド８１３とを有している。

シリンダブロック８１１内には、所定の大きさのシリンダ８１１ａが形成されている。シリンダ８１１ａ内に、ピストン８１４が上下に往復可能に設けられている。

クランクケース８１２内にはクランクシャフト８１５が収容されている。クランクシャフト８１５とピストン８１４とは、コンロッド８１６によって連結されている。

シリンダヘッド８１３は、吸気ポート８１３Ａおよび排気ポート８１３Ｂを有し、シリンダヘッド８１３とピストン８１４との間に燃焼室ＣＣが形成される。吸気ポート８１３Ａ内には燃焼室ＣＣ内に混合気を供給するための吸気弁８１７が設けられており、排気ポート８１３Ｂ内には燃焼室ＣＣ内の排気を行うための排気弁８１８が設けられている。また、シリンダヘッド８１３には、燃焼室ＣＣ内に供給された混合気を点火するためのスパークプラグ８１９が設けられている。

また、内燃機関本体８１０内には、シリンダブロック８１１および排気ポート８１３Ｂを冷却するためのウォータージャケットＷＪが設けられている。ウォータージャケットＷＪ内を冷却水が循環することにより、シリンダブロック８１１および排気ポート８１３Ｂの冷却が行われる。

吸気ポート８１３Ａには、吸気管８２２が接続されている。吸気管８２２には、吸入空気の温度を検出する吸気温センサ８２３と、吸気管８２２内の圧力を検出する吸気管圧力センサ８２４とが取り付けられている。また、吸気管８２２内には、吸入空気の量を調節するためのスロットルバルブ８２５が設けられている。さらに、吸気管８２２には、燃料を吸気管８２２内に噴射して混合気を生成するためのインジェクタ８２６も取り付けられている。インジェクタ８２６には、フューエルポンプ８２７から燃料が供給される。

排気管８２０は、シリンダヘッド８１３に接続されている。より具体的には、排気管８２０の内燃機関本体８１０側の端部が、シリンダヘッド８１３の排気ポート８１３Ｂに接続されている。また、排気管８２０には、排気ガス中のＮＯｘ等を浄化するための三元触媒８２８が取り付けられている。

図２０に、排気管８２０とシリンダヘッド８１３との接続部近傍を拡大して示す。図２０に示すように、排気管８２０のシリンダヘッド８１３側（つまり内燃機関本体８１０側）の端部（ストップリングと呼ばれることもある）８２０ａと、シリンダヘッド８１３との間には、気密性を確保するためのガスケット８５０が設けられている。排気管８２０のストップリング８２０ａの手前には、他の部分よりも大きな外径を有する鍔状の部分（フランジと呼ばれる）８２０ｂが設けられている。排気管８２０は、このフランジ８２０ｂにおいて、スタッドボルト８５１およびナット８５２によってシリンダヘッド８１３に締結されている。

酸素センサ８３０は、図１９に示すように、排気管８２０の途中に取付けられている。酸素センサ８３０は、ねじ山が形成された部分をその側面に有しており、この部分を排気管８２０に設けられたボス（内側にねじ溝が形成されている）８２０Ｂにねじ込むことにより、酸素センサ８３０が排気管８２０に固定される。

このように、従来の内燃機関８００では、酸素センサ８３０は、排気管８２０の途中に設けられたボス８２０Ｂに、ねじ込みによって取付けられる。

特開平８−１１４５７１号公報 特開平５−１８９２１号公報

しかしながら、上述したようなねじ込み方式は、ボスを製造するためのボス製作費、排気管に孔を形成するための排気管穿孔費、ボスを溶接により排気管に取り付けるためのボス溶接費などが必要であり、製造コストが増加してしまう。また、取付けに要する工数が多く、取付けに要する時間が長くなる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気ガスを測定対象とするセンサを内燃機関に取り付けるためのコストおよび工数を削減することにある。

本発明による内燃機関は、シリンダヘッドを含む内燃機関本体と、前記シリンダヘッドに接続され、前記内燃機関本体からの排気ガスが通過する排気管と、前記排気ガスを測定対象とするセンサと、前記排気管の前記内燃機関本体側の端部と前記シリンダヘッドとの間に挟持され、前記排気ガスが通過する開口部を有するリング状部材であって、前記センサが挿入されるセンサ取付け孔をさらに有するリング状部材と、を備える。

ある好適な実施形態において、前記センサおよび前記リング状部材は、前記センサ取付け孔内で前記センサを位置決めする位置決め構造を有する。

ある好適な実施形態において、前記位置決め構造は、前記センサに設けられた凸部と、前記センサ取付け孔の内周面に設けられ、前記凸部に嵌合する凹部と、を含む。

ある好適な実施形態において、前記位置決め構造は、前記センサに設けられた凹部と、前記センサ取付け孔の内周面に設けられ、前記凹部に嵌合する凸部と、を含む。

ある好適な実施形態において、前記センサは、前記リング状部材の前記開口部内に位置する検出部と、前記検出部を取り囲むプロテクタと、を有し、前記センサに設けられた凸部または凹部は、前記プロテクタに設けられた凸部または凹部である。

ある好適な実施形態において、前記センサは、前記リング状部材の前記開口部内に位置する検出部と、前記検出部を取り囲むプロテクタであって、側面および底面を含む筒状のプロテクタと、を有し、前記プロテクタは、前記側面に形成され、前記排気ガスの流れる方向に略直交する方向に開口するガス導入孔と、前記底面に形成され、前記底面内で前記排気ガスの流れる方向における下流側に位置するガス排出孔と、を有する。

ある好適な実施形態において、前記排気管の前記内燃機関本体側の端部と前記リング状部材との間、および、前記シリンダヘッドと前記リング状部材との間に配置された一対のガスケットをさらに備える。

ある好適な実施形態において、前記一対のガスケットのうち、前記シリンダヘッドと前記リング状部材との間に配置されたガスケットは、グラファイトから形成されている。

ある好適な実施形態において、前記センサは、前記排気ガス中の所定の成分を検出するガスセンサである。

ある好適な実施形態において、前記ガスセンサは、前記排気ガス中の酸素を検出する酸素センサである。

本発明による輸送機器は、上記構成を有する内燃機関を備える。

本発明によるリング状部材は、排気ガスを測定対象とするセンサを内燃機関に取付けるためのリング状部材であって、センサが挿入されるセンサ取付け孔と、前記センサ取付け孔の内周面に設けられた凸部または凹部であって、センサに設けられた凹部または凸部と嵌合する凸部または凹部と、を有する。

本発明による内燃機関は、排気管の内燃機関本体側の端部とシリンダヘッドとの間に挟持され、排気ガスが通過する開口部を有するリング状部材を備える。このリング状部材は、センサが挿入されるセンサ取付け孔をさらに有する。従って、本発明による内燃機関では、センサ取付け孔にセンサが挿通されたリング状部材を、排気管の端部とシリンダヘッドとの間に挟持することによって、排気ガスを測定対象とするセンサを内燃機関に取付けることができる。従って、排気管に設けたボスにセンサをねじ込む方式に比べ、簡便にセンサの取付けを行うことができる。そのため、内燃機関に排気ガスを測定対象とするセンサを取付けるためのコストおよび工数を削減することができる。

また、従来のねじ込み方式では、排気管の途中にセンサが取付けられるので、マフラー側から排気管内に侵入した水をセンサが被ってしまうことがあった。これに対し、本発明による内燃機関では、センサは、上述したようにリング状部材を介して取り付けられるので、内燃機関本体の近傍に位置する。そのため、センサの被水確率を低減することができる。

センサおよびリング状部材が、センサ取付け孔内でセンサを位置決めする位置決め構造を有していると、センサをガス流方向（排気管内で排気ガスの流れる方向）に対して常に同じ角度で取り付けることができるので、取り付け角度のばらつきに起因した応答性（応答時間）のばらつきを抑制できる。

位置決め構造は、例えば、センサに設けられた凸部と、センサ取付け孔の内周面に設けられ、センサの凸部に嵌合する（嵌め合わされる）凹部とを含む。あるいは、位置決め構造は、センサに設けられた凹部と、センサ取付け孔の内周面に設けられ、センサの凹部に嵌合する（嵌め合わされる）凸部とを含んでもよい。凸部と、凸部に嵌合する凹部とを位置決め構造として用いることにより、簡易な構成で精度の高い位置決めを実現することができる。

センサは、典型的には、リング状部材の開口部内に位置する検出部と、検出部を取り囲むプロテクタとを有する。センサに設けられ位置決め構造の一部として機能する凸部（または凹部）は、例えば、このプロテクタに設けられた凸部（または凹部）である。

プロテクタは、典型的には、側面および底面を含む筒状であり、排気ガスをプロテクタの内部に導入するためのガス導入孔と、排気ガスをプロテクタ内部から外部に排出するためのガス排出孔とを有する。ガス導入孔は、側面に形成され、且つ、ガス流方向に略直交する方向に開口していることが好ましい。ガス導入孔がこのように配置されていることにより、排気ガスに含まれる凝縮水の水滴やガス検出部に有害な物質がガス検出部に到達する可能牲を低減することができる。ガス導入孔をこのように配置する場合、ガス排出孔は、底面に形成され、且つ、底面内でガス流方向における下流側に位置していることが好ましい。ガス排出孔がこのように配置されていることにより、ガス導入孔からプロテクタ内部に導入された排気ガスをプロテクタ外部に好適に排出することができる。

リング状部材近傍における気密性を十分に高くする観点からは、リング状部材を挟むように一対のガスケットを配置することが好ましい。つまり、本発明による内燃機関は、排気管の内燃機関本体側の端部とリング状部材との間、および、シリンダヘッドとリング状部材との間に配置された一対のガスケットを備えることが好ましい。

一対のガスケットのうち、シリンダヘッドとリング状部材との間に配置されたガスケットは、グラファイトから形成されていることが好ましい。グラファイトをガスケットの材料として用いると、ガスケット材料として一般的な金属を用いる場合に比べ、ガスケット自体の厚さを小さくすることができる。従って、シリンダヘッドとセンサとの距離を小さくすることができるので、センサの放熱（シリンダヘッドを介した放熱）をより効果的に行うことができる。そのため、センサの信頼性が向上する。

本発明による内燃機関が備えるセンサは、例えば、排気ガス中の所定の成分を検出するガスセンサである。このガスセンサは、例えば、排気ガス中の酸素を検出する酸素センサである。内燃機関が酸素センサを備えることにより、排気ガス中の酸素濃度に応じて空燃比を調節するフィードバック制御を行うことができる。

本発明による内燃機関は、各種の輸送機器に好適に用いられる。

本発明によるリング状部材は、センサが挿通されるセンサ取付け孔を有するので、このリング状部材によって、排気ガスを測定対象とするセンサを内燃機関に取付けることができる。また、本発明によるリング状部材は、センサ取付け孔の内周面に設けられた凸部または凹部であって、センサに設けられた凹部または凸部と嵌合する凸部または凹部を有する。そのため、センサをガス流方向（排気管内で排気ガスの流れる方向）に対して常に同じ角度で取り付けることができるので、取り付け角度のばらつきに起因した応答性（応答時間）のばらつきを抑制できる。

本発明によると、排気ガスを測定対象とするセンサを内燃機関に取り付けるためのコストおよび工数を削減することができる。

本発明の好適な実施形態における内燃機関１００を模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、内燃機関１００が備えるリング状部材を模式的に示す図であり、（ａ）は、ガス流方向に直交する方向に沿った断面図であり、（ｂ）は、（ａ）中の２Ｂ−２Ｂ’線に沿った断面図である。 内燃機関１００のリング状部材が配置されている領域の近傍（つまり排気管とシリンダヘッドとの接続部近傍）を拡大して示す図である。 内燃機関１００が備える酸素センサの具体的な構造の一例を示す断面図である。 酸素センサが有するセンサ素子の具体的な構造の一例を示す分解斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、酸素センサが有するプロテクタの具体的な構造の一例を示す図であり、（ａ）は、内燃機関１００に取り付けられた状態における酸素センサのプロテクタ近傍を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）中の６Ｂ−６Ｂ’線に沿った断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、酸素センサのリング状部材への取付け工程（酸素センサの組立て工程でもある）を模式的に示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、酸素センサのリング状部材への取付け工程（酸素センサの組立て工程でもある）を模式的に示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、酸素センサのリング状部材への取付け工程（酸素センサの組立て工程でもある）を模式的に示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、酸素センサのリング状部材への取付け工程（酸素センサの組立て工程でもある）を模式的に示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、位置決め構造の一部として機能する凸部を有するプロテクタを模式的に示す側面図であり、（ａ）は、プロテクタをガス導入孔の中心軸方向から見た側面図であり、（ｂ）は、プロテクタをガス導入孔の中心軸方向と直交する方向から見た側面図である。 図１１に示すプロテクタの凸部に嵌合する凹部を有するリング状部材を模式的に示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、位置決め構造の一部として機能する凹部を有するプロテクタを模式的に示す側面図であり、（ａ）は、プロテクタをガス導入孔の中心軸方向から見た側面図であり、（ｂ）は、プロテクタをガス導入孔の中心軸方向と直交する方向から見た側面図である。 図１３に示すプロテクタの凹部に嵌合する凸部を有するリング状部材を模式的に示す断面図である。 シリンダヘッドとリング状部材との間にグラファイト製ガスケットを配置した場合と、Ｃｕ−ＳＵＳ製ガスケットを配置した場合とについて、リング状部材のシリンダヘッド端面からの距離と、リング状部材の表面温度との関係とを示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、リング状部材およびガスケットの表面温度の測定条件を説明するための図であり、（ａ）はグラファイト製ガスケットを用いる場合に対応し、（ｂ）はＣｕ−ＳＵＳ製ガスケットを用いる場合に対応する。 内燃機関１００が備える酸素センサの具体的な構造の他の一例を示す断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、内燃機関１００の排気量が５０ｃｃ、１５０ｃｃ、２５０ｃｃおよび４００ｃｃの場合について、酸素センサおよびリング状部材のサイズの例を示す図である。 従来の内燃機関８００を模式的に示す図である。 内燃機関８００の排気管とシリンダヘッドとの接続部近傍を拡大して示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１に、本実施形態における内燃機関１００を示す。内燃機関１００は、図１に示すように、内燃機関本体１０と、内燃機関本体１０からの排気ガスが通過する排気管２０と、排気ガスを測定対象とするセンサ３０とを備える。

内燃機関本体１０は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の下に設けられたクランクケース１２と、シリンダブロック１１の上に設けられたシリンダヘッド１３とを有している。

シリンダブロック１１内には、所定の大きさのシリンダ１１ａが形成されている。シリンダ１１ａ内に、ピストン１４が上下に往復可能に設けられている。

クランクケース１２内にはクランクシャフト１５が収容されている。クランクシャフト１５とピストン１４とは、コンロッド１６によって連結されている。

シリンダヘッド１３は、吸気ポート１３Ａおよび排気ポート１３Ｂを有し、シリンダヘッド１３とピストン１４との間に燃焼室ＣＣが形成される。吸気ポート１３Ａ内には燃焼室ＣＣ内に混合気を供給するための吸気弁１７が設けられており、排気ポート１３Ｂ内には燃焼室ＣＣ内の排気を行うための排気弁１８が設けられている。また、シリンダヘッド１３には、燃焼室ＣＣ内に供給された混合気を点火するためのスパークプラグ１９が設けられている。

また、内燃機関本体１０内には、シリンダブロック１１および排気ポート１３Ｂを冷却するためのウォータージャケットＷＪが設けられている。ウォータージャケットＷＪ内を冷却水が循環することにより、シリンダブロック１１および排気ポート１３Ｂの冷却が行われる。

吸気ポート１３Ａには、吸気管２２が接続されている。吸気管２２には、吸入空気の温度を検出する吸気温センサ２３と、吸気管２２内の圧力を検出する吸気管圧力センサ２４とが取り付けられている。また、吸気管２２内には、吸入空気の量を調節するためのスロットルバルブ２５が設けられている。さらに、吸気管２２には、燃料を吸気管２２内に噴射して混合気を生成するためのインジェクタ２６も取り付けられている。インジェクタ２６には、フューエルポンプ２７から燃料が供給される。

排気管２０は、シリンダヘッド１３に接続されている。より具体的には、排気管２０の内燃機関本体１０側の端部が、シリンダヘッド１３の排気ポート１３Ｂに接続されている。排気管２０には、排気ガス中のＮＯｘ等を浄化するための三元触媒２８が取り付けられている。

センサ３０は、本実施形態では、排気ガス中の所定の成分を検出するガスセンサであり、より具体的には、排気ガス中の酸素を検出する酸素センサである。酸素センサ３０としては、公知の種々の方式の酸素センサを用いることができ、例えば、抵抗型の酸素センサや起電力型の酸素センサが用いられる。

本実施形態における内燃機関１００は、図１に示すように、排気管２０の内燃機関本体１０側の端部とシリンダヘッド１３との間に挟持されたリング状部材４０をさらに備える。図２に、リング状部材４０のみを拡大して示す。図２（ａ）は、排気ガスの流れる方向（ガス流方向）に直交する方向に沿った断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中の２Ｂ−２Ｂ’線に沿った断面図である。

図１、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、リング状部材４０は、排気ガスが通過する開口部４１を有する。リング状部材４０は、さらに、酸素センサ３０が挿通されるセンサ取付け孔４２を有する。開口部４１の中心軸ｃａ１がガス流方向と略平行であるのに対し、センサ取付け孔４２の中心軸ｃａ２は、典型的には、ガス流方向と略直交する。

リング状部材４０の両端面には、一対のガスケット５０Ａおよび５０Ｂが貼り付けられている。ガスケット５０Ａおよび５０Ｂの一方は、排気管２０の内燃機関本体１０側の端部とリング状部材４０との間に位置することになる。また、ガスケット５０Ａおよび５０Ｂの他方は、シリンダヘッド１３とリング状部材４０との間に位置することになる。

図３に、内燃機関１００においてリング状部材４０が配置されている領域の近傍（つまり排気管２０とシリンダヘッド１３との接続部近傍）を拡大して示す。図３に示すように、リング状部材４０は、排気管２０のシリンダヘッド１３側（つまり内燃機関本体１０側）の端部（ストップリング）２０ａと、シリンダヘッド１３とによって挟持されている。排気管２０のストップリング２０ａの手前には、他の部分よりも大きな外径を有する鍔状の部分（フランジ）２０ｂが設けられている。排気管２０は、このフランジ２０ｂにおいて、スタッドボルト５１およびナット５２によってシリンダヘッド１３に締結されている。一対のガスケット５０Ａおよび５０Ｂのうちの一方５０Ａは、ストップリング２０ａとリング状部材４０との間に位置し、他方５０Ｂは、シリンダヘッド１３とリング状部材４０との間に配置されている。

上述したように、本実施形態における内燃機関１００では、センサ取付け孔４２に酸素センサ（ガスセンサ）３０が挿通されたリング状部材４０を、排気管２０の端部２０ａとシリンダヘッド１３との間に挟持することによって、酸素センサ３０が内燃機関１００に取付けられている。従って、図１７に示したように排気管８２０に設けたボス８２０Ｂに酸素センサ８３０をねじ込む方式に比べ、簡便に酸素センサ３０の取付けを行うことができる。そのため、内燃機関１００に酸素センサ３０を取付けるためのコストおよび工数を削減することができる。

また、従来のねじ込み方式では、排気管８２０の途中に酸素センサ８３０が取付けられるので、マフラー側から排気管８２０内に侵入した水を酸素センサ８３０が被ってしまうことがあった。酸素センサ８３０は、検出精度を高めるために昇温された状態で使用されるので、被水すると、熱衝撃（サーマルショック）によって破損する（「被水割れ」と呼ばれる。）ことがある。

これに対し、本実施形態における内燃機関１００では、酸素センサ３０は、上述したようにリング状部材４０を介して取り付けられるので、内燃機関本体１０の近傍に位置する。そのため、酸素センサ３０の被水確率を低減することができ、被水割れを防止することができる。

図４に、酸素センサ３０の具体的な構造の一例を示す。酸素センサ３０は、検出部１ａを含むセンサ素子１と、少なくとも検出部１ａを取り囲むプロテクタ３１とを有する。

検出部（ガス検出部）１ａは、センサ素子１の先端部に設けられている。検出部１ａは、酸素センサ３０が内燃機関１００に取り付けられたときに、リング状部材４０の開口部４１内に位置する。

図４に示す例では、プロテクタ３１は、検出部１ａだけでなく、センサ素子１全体を取り囲んでいる。プロテクタ３１内には、一対のセラミックススリーブ３２および３３が設けられている。セラミックススリーブ３２および３３は、耐熱性および絶縁性に優れたセラミックス材料（例えばアルミナ）から形成されている。セラミックススリーブ３２および３３のそれぞれには、貫通孔が形成されており、センサ素子１は、これらの孔に挿通されている。一対のセラミックススリーブ３２および３３の間には、気密封止のための滑石（タルク）３４が圧縮した状態で保持されている。

センサ素子１と外部との電気的な入出力は、リード線３５を介して行われる。リード線３５は、金属材料（例えば銅）から形成されており、絶縁材料（ＰＴＦＥなどの樹脂）によって被覆されている。

リード線３５とセンサ素子１とは、金属（例えばステンレス鋼やニッケル合金）製の端子３６によって接続されている。端子３６の先端部３６ａは、板ばね材から形成されている。端子３６とセンサ素子１との接続は、端子３６の先端部３６ａをセラミックスリーブ３３に形成されている端子挿入孔３３ａに挿入することにより行われている。このように、セラミックススリーブ３３は、端子３６を固定するための端子ホルダとして機能する。

端子３６の先端部３６ａ以外の部分は、セラミックス材料（例えばアルミナ）から形成されたセパレータ３７を被せられている。具体的には、先端部３６ａ以外の部分は、セパレータ３７に形成された貫通孔３７ａに挿入されており、これによって端子３６間での短絡が防止されている。

プロテクタ３１の基端側には、セパレータ３７等を収容するように筒状のカバー３８が設けられている。カバー３８は、ステンレス鋼などの金属材料から形成されている。カバー３８の内部に、リード線３５を挿通させるための貫通孔を有するゴムキャップ３９が配置されている。金属材料から形成されているカバー３８の一部（ゴムキャップ３９が配置されている部分）を内側にかしめることによって、リード線３５が固定されるとともに、カバー３８が封口されている。

図５に、センサ素子１の構造の一例を示す。図５に示すセンサ素子１は、抵抗型の酸素センサ用のセンサ素子である。センサ素子１の検出部１ａは、酸化物半導体層２と、酸化物半導体層２の抵抗率を検出する検出電極３とを含む。酸化物半導体層２および検出電極３は、基板４の主面４ａ上に設けられており、基板４によって支持されている。

酸化物半導体層２は、多孔質構造を有し、雰囲気の酸素分圧に応じて酸素を放出あるいは吸収する。これにより、酸化物半導体層２中の酸素空孔濃度が変化し、酸化物半導体層２の抵抗率が変化する。そのため、この抵抗率の変化を検出電極３で計測することにより、酸素濃度を検出できる。酸化物半導体層２の材料としては、例えばチタニア（二酸化チタン）が用いられる。また、セリア（酸化セリウム）を用いてもよい。セリアは、耐久性や安定性に優れている。

検出電極３は、導電性を有する材料から形成されており、例えば、白金や白金ロジウム合金、金などの金属材料から形成されている。検出電極３は、酸化物半導体層２の抵抗率の変化を効率よく計測できるよう、図５に示しているように櫛歯状に形成されていることが好ましい。

基板４は、絶縁性を有する材料（例えばアルミナや窒化珪素などのセラミックス材料）から形成されている。基板４の裏面４ｂ側には、酸化物半導体層２を昇温させるためのヒータ５が設けられている。ヒータ５によって酸化物半導体層２を昇温させて速やかに活性化させることにより、内燃機関１００の始動時における検出精度を向上させることができる。ヒータ５としては、例えば、抵抗損失を利用して加熱を行う抵抗加熱型の発熱素子が用いられる。

検出電極３から延在する接続電極３ａやヒータ５から延在する接続電極５ａに、セラミックスリーブ３３の端子挿入孔３３ａ内で端子３６の先端部３６ａが当接することにより、センサ素子１と端子３６とが電気的に接続される。

なお、図５には抵抗型の酸素センサ用のセンサ素子１を例示したが、勿論、酸素センサ３０としては酸素を検出し得る種々の方式の酸素センサを用いることができる。従って、センサ素子１として、例えば、起電力型の酸素センサ用のセンサ素子を用いてもよい。

既に述べたように、センサ素子１の検出部１ａは、プロテクタ３１によって取り囲まれている。プロテクタ３１は、典型的には、ステンレス鋼などの金属材料から形成されている。ここで、プロテクタ３１の具体的な構造の例を、図６を参照しながら説明する。図６（ａ）は、内燃機関１００に取り付けられた状態における酸素センサ３０のプロテクタ３１近傍を模式的に示す斜視図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中の６Ｂ−６Ｂ’線に沿った断面図である。

プロテクタ３１は、側面３１ｓおよび底面３１ｂを有する筒状である。プロテクタ３１の側面３１ｓには、排気ガスをプロテクタ３１の内部に導入するためのガス導入孔Ｈ１が形成されている。また、プロテクタ３１の底面３１ｂには、排気ガスをプロテクタ３１の外部に排出するためのガス排出孔Ｈ２が形成されている。

ガス導入孔Ｈ１は、ガス流方向に略直交する方向に開口している。本実施形態では、図６（ｂ）に示されているように、基板４の主面４ａ側と裏面４ｂ側の両方に対応するように２つのガス導入孔Ｈ１が設けられている。また、ガス排出孔Ｈ２は、底面３１ｂ内でガス流方向における下流側に位置している。

ガス導入孔Ｈ１がガス流方向に略直交する方向に開口していると、図６（ｂ）からもわかるように、排気ガスは、回り込むようにしてプロテクタ３１内部に導入される。そのため、排気ガスに含まれる凝縮水の水滴や検出部１ａに有害な物質が検出部１ａに到達する可能牲を低減することができる。また、ガス導入孔Ｈ１をこのように配置する場合、ガス排出孔Ｈ２を、プロテクタ３１の底面３１ｂ内でガス流方向における下流側に位置するように配置することが好ましい。これにより、ガス導入孔Ｈ１からプロテクタ３１の内部に導入された排気ガスをプロテクタ３１の外部に好適に排出することができる。

なお、図６（ｂ）には、基板４の主面４ａ側と裏面４ｂ側の両方に対応するように２つのガス導入孔Ｈ１が設けられた構成を例示したが、必ずしも複数のガス導入孔Ｈ１を設ける必要はない。例えば、基板４の主面４ａ側に対応するようにただ１つのガス導入孔Ｈ１を設けてもよい。また、ガス導入孔Ｈ１およびガス排出孔Ｈ２の形状は、例示しているような円形（勿論真円形および楕円形の両方を含む）に限定されるものではなく、例えば矩形であってもよい。

ここで、図７〜図１０を参照しながら、酸素センサ３０のリング状部材４０への取付け方法の一例を説明する。以下に説明する方法では、酸素センサ３０のリング状部材４０への取付けは、酸素センサ３０自体の組立てとともに行われる。

まず、図７（ａ）に示すように、リング状部材４０を用意する。リング状部材４０は、典型的には、炭素鋼やステンレス鋼などの金属材料から形成されている。リング状部材４０の外径ｄ１は、典型的には２５ｍｍ〜６０ｍｍであり、リング状部材４０の内径（開口部４１の直径に相当する）ｄ２は、典型的には１２ｍｍ〜４２ｍｍである。リング状部材４０の外径ｄ１および内径ｄ２は、内燃機関１００の排気量によって異なる。また、リング状部材４０の厚さｔは、典型的には６ｍｍ〜１５ｍｍである。センサ取付け孔４２は、例えば機械加工によって形成されている。

次に、図７（ｂ）に示すように、リング状部材４０のセンサ取付け孔４２内にプロテクタ３１を挿入し、プロテクタ３１をリング状部材４２に接合する。この接合は、例えば溶接により行われる。

続いて、図７（ｃ）に示すように、プロテクタ３１内にセラミックススリーブ３２およびセンサ素子１を挿入する。センサ素子１は、予めセラミックススリーブ３２の貫通孔に挿通されて固定されている。

その後、図８（ａ）に示すように、プロテクタ３１内のセラミックススリーブ３２上に滑石３４を載置する。滑石３４は、ブロック状に成形されている。

次に、図８（ｂ）に示すように、プロテクタ３１内の滑石３４上に端子ホルダとして機能するセラミックススリーブ３３を載置する。

続いて、図８（ｃ）に示すように、セラミックススリーブ３３に荷重を印加することによって、滑石３４を圧縮する。

その後、図９（ａ）に示すように、セラミックススリーブ３３の端子挿入孔３３ａ内に、端子３６の先端部３６ａを挿入することによって、端子３６とセンサ素子１とを接続する。端子３６は、予めリード線３５と接続されている。

次に、図９（ｂ）に示すように、セパレータ３７を端子３６の先端部３６ａ以外の部分に被せる。具体的には、先端部３６ａ以外の部分をセパレータ３７の貫通孔３７ａに挿入する。

続いて、図９（ｃ）に示すように、セパレータ３７等を覆うようにカバー３８を被せ、カバー３８とプロテクタ３１とを接合する。この接合は、例えば溶接により行われる。

次に、図１０（ａ）に示すように、カバー３８内にゴムキャップ３９を挿入する。

続いて、図１０（ｂ）に示すように、カバー３８の上部を内側にかしめることによって、カバー３８を封口する。

その後、図１０（ｃ）に示すように、リング状部材４０の両端面に、一対のガスケット５０Ａおよび５０Ｂを貼り付ける。

このようにして、リング状部材４０に取付けられた酸素センサ３０が得られる。なお、図７〜図１０には、酸素センサ３０のリング状部材４０への取付けが、酸素センサ３０自体の組立てとともに行われる例を示したが、組立て後の酸素センサ３０を、適当な方法によってリング状部材４０のセンサ取付け孔４２に挿通・接合してもよい。

続いて、本実施形態の内燃機関１００における好ましい構成を説明する。

内燃機関１００の酸素センサ３０およびリング状部材４０は、センサ取付け孔４２内で酸素センサ３０を位置決めする位置決め構造を有することが好ましい。酸素センサ３０およびリング状部材４０が、このような位置決め構造を有していると、酸素センサ３０をガス流方向に対して常に同じ角度で取り付けることができるので、取り付け角度のばらつきに起因した応答性（応答時間）のばらつきを抑制できる。例えば、図５に例示したようなセンサ素子１を用いる場合、基板４の主面４ａがガス流方向に対してなす角度が一定でないと（つまり酸素センサ３０ごとにばらつくと）、検出部１ａ近傍の排気ガスの流れ方が一定でなくなるので、応答性がばらついてしまうが、上述した位置決め構造を設けることにより、そのような応答性のばらつきを抑制できる。

これに対し、従来のねじ込み方式では、酸素センサ８３０をボス８２０Ｂにねじ込む際に、酸素センサ８３０がその中心軸周りに回転する。そのため、酸素センサ８３０をガス流方向に対して常に同じ角度で取り付けることが難しい。そのため、応答性（応答時間）のばらつきが生じてしまう。

位置決め構造は、例えば、酸素センサ３０に設けられた凸部と、リング状部材４０のセンサ取付け孔４２の内周面に設けられた凹部である。あるいは、位置決め構造は、酸素センサ３０に設けられた凹部と、リング状部材４０のセンサ取付け孔４２の内周面に設けられた凸部である。酸素センサ３０の凸部（あるいは凹部）とリング状部材４０の凹部（あるいは凸部）とが互いに嵌合する（嵌め合わされる）ことにより、酸素センサ３０の位置決めが行われ、酸素センサ３０の取り付け角度（例えばガス流方向に対してセンサ素子１の基板４の主面４ａがなす角度）が一義的に決定される。このように、凸部と、凸部に嵌合する凹部とを位置決め構造として用いることにより、簡易な構成で精度の高い位置決めを実現することができる。

酸素センサ３０に設けられ位置決め構造の一部として機能する凸部は、例えば、プロテクタ３１に設けられた凸部である。このような凸部を有するプロテクタ３１を図１１（ａ）および（ｂ）に示し、この凸部に嵌合する凹部を有するリング状部材４０を図１２に示す。

図１１（ａ）および（ｂ）に示すプロテクタ３１は、その側面３１ｓに、凸部３１ｐを有する。また、図１２に示すリング状部材４０は、この凸部３１ｐに嵌合する凹部４２ｈを有する。凹部４２ｈは、センサ取付け孔４２の内周面４２ｓに設けられている。プロテクタ３１の凸部３１ｐとリング状部材４０の凹部４２ｈとが嵌合することにより、センサ取付け孔４２内で酸素センサ３０の位置決めがなされる。

同様に、酸素センサ３０に設けられ位置決め構造の一部として機能する凹部は、例えば、プロテクタ３１に設けられた凹部である。このような凹部を有するプロテクタ３１を図１３（ａ）および（ｂ）に示し、この凹部に嵌合する凸部を有するリング状部材４０を図１４に示す。

図１３（ａ）および（ｂ）に示すプロテクタ３１は、その側面３１ｓに、凹部３１ｈを有する。また、図１４に示すリング状部材４０は、この凹部３１ｈに嵌合する凸部４２ｐを有する。凹部４２ｐは、センサ取付け孔４２の内周面４２ｓに設けられている。プロテクタ３１の凹部３１ｈとリング状部材４０の凸部４２ｐとが嵌合することにより、センサ取付け孔４２内で酸素センサ３０の位置決めがなされる。

リング状部材４０近傍における気密性を十分に高くする観点からは、図２および図３などに示したように、リング状部材４０を挟むように一対のガスケット５０Ａおよび５０Ｂを配置することが好ましい。つまり、内燃機関１００は、排気管２０の内燃機関本体１０側の端部とリング状部材４０との間、および、シリンダヘッド１３とリング状部材４０との間に配置された一対のガスケット５０Ａおよび５０Ｂを備えることが好ましい。なお、一対のガスケット５０Ａおよび５０Ｂは、リング状部材４０の両端面に必ずしも貼り付けられている必要はない。

一対のガスケット５０Ａおよび５０Ｂのうち、シリンダヘッド１３とリング状部材４０との間に配置されたガスケット５０Ｂは、グラファイトから形成されていることが好ましい。グラファイトをガスケット５０Ｂの材料として用いると、ガスケット材料として一般的な金属を用いる場合に比べ、ガスケット５０Ｂ自体の厚さを小さくすることができる。例えば、同程度の気密性を確保するために、一般的なＣｕ−ＳＵＳ製のガスケットが４ｍｍ程度の厚さを有するのに対し、グラファイト製のガスケットは、０．８ｍｍ程度の厚さを有する。これは、グラファイト製のガスケットは金属製のガスケットよりも柔らかく、なじみが良いためである。従って、ガスケット５０Ｂがグラファイトから形成されていると、シリンダヘッド１３と酸素センサ３０との距離（つまりリング状部材４０のシリンダヘッド１３からの距離）を小さくすることができるので、酸素センサ３０の放熱（シリンダヘッド１３を介した放熱）をより効果的に行うことができる。そのため、酸素センサ３０の信頼性が向上する。グラファイトから形成されたガスケット５０Ｂとしては、例えば、日本バルカー工業社製の膨張黒鉛シートガスケット（商品名：バルカホイル）を用いることができる。

図１５に、グラファイト製のガスケット５０Ａおよび５０Ｂを用いる場合と、Ｃｕ−ＳＵＳ製のガスケット５０Ａおよび５０Ｂ用いる場合とについて、シリンダヘッド１３端面からの距離と、リング状部材４０、ガスケット５０Ａまたは５０Ｂの表面温度との関係とを示す。グラファイト製のガスケット５０Ａおよび５０Ｂを用いる場合、温度の測定は、図１６（ａ）に示すように、それぞれ０．８ｍｍの厚さを有するガスケット５０Ａおよび５０Ｂを、１０．４ｍｍの厚さを有するリング状部材４０の両側に配置した上で、熱電対ＴＣをシリンダヘッド１３側からストップリング２０ａ側まで２ｍｍ間隔で７本配置することにより行った。一方、Ｃｕ−ＳＵＳ製のガスケット５０Ａおよび５０Ｂを用いる場合、温度の測定は、図１６（ｂ）に示すように、それぞれ４ｍｍの厚さを有するガスケット５０Ａおよび５０Ｂを、１０ｍｍの厚さを有するリング状部材４０の両側に配置した上で、熱電対ＴＣをシリンダヘッド１３側からストップリング２０ａ側まで２ｍｍ間隔で１０本配置することにより行った。また、測定は、内燃機関１００の回転数が６３００ｒｐｍ、スロットル開度が１００％の条件で行った。

図１５からわかるように、Ｃｕ−ＳＵＳ製ガスケット５０Ｂを用いた場合のセンサ取付け位置（９ｍｍ）における温度は４４０℃である。これに対し、グラファイト製ガスケット５０Ｂを用いた場合のセンサ取付け位置（６ｍｍ）における温度は３６０℃である。このように、グラファイト製ガスケット５０Ｂを用いることにより、リング状部材４０の（ひいては酸素センサ３０の）放熱が効果的に行われる。

また、本実施形態では、プロテクタ３１が、センサ素子１の検出部１ａだけでなく、センサ素子１全体を取り囲むように延びているが、必ずしもこのような長いプロテクタ３１を用いる必要はない。例えば、図１７に示すように、滑石３４やセラミックススリーブ３３を取り囲む部分を有しない、比較的短いプロテクタ３１’を用いてもよい。このような比較的短いプロテクタ３１’を用いると、プロテクタ３１’が短い分、低コスト化を図ることができる。また、酸素センサ３０の細径化を図ることができる。

これに対し、図４などに示したように、比較的長い（センサ素子１全体を取り囲む）プロテクタ３１を用いると、以下の理由により、酸素センサ３０の汎用性が向上する。

既に述べたように、リング状部材４０のサイズ（外径ｄ１および内径ｄ２）は、内燃機関１００の排気量によって異なる。図１８（ａ）〜（ｄ）に、排気量が５０ｃｃ、１５０ｃｃ、２５０ｃｃおよび４００ｃｃの場合について、酸素センサ３０およびリング状部材４０のサイズの例を示す。図１８（ａ）〜（ｄ）に示されているように、酸素センサ３０のサイズが排気量によらず同じであるのに対し、リング状部材４０のサイズは、排気量によって異なっており、排気量が大きいほど大きくなる。

センサ素子１全体を取り囲むようなプロテクタ３１を用いると、リング状部材４０とは独立に（つまりプロテクタ３１がリング状部材４０に接合されていない状態で）酸素センサ３０を組立てることができるので、酸素センサ３０と、リング状部材４０とを別々に用意することができる。そのため、排気量によってサイズの異なる（つまり複数種類の）リング状部材４０に対して、共通のサイズの（つまり１種類の）酸素センサ３０を用意しておけばよいので、これらを排気量ごとの受注量に応じて組み合わせることにより、無駄のない生産を行うことができる。

本実施形態における内燃機関１００は、自動二輪車をはじめとする各種輸送機器に好適に用いられる。なお、本実施形態では、センサ３０がガスセンサである場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。センサ３０は、排気ガスを測定対象とする種々のセンサであってよい。例えば、センサ３０は、排気ガスの温度を検出する温度センサや、排気ガスの圧力を検出する圧力センサであってもよい。また、本実施形態では、ガスセンサとして酸素センサを例示したが、ガスセンサは酸素センサに限定されない。例えば、ガスセンサ３０は、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサであってもよい。

本発明によると、排気ガスを測定対象とするセンサを内燃機関に取り付けるためのコストおよび工数を削減することができる。

本発明による内燃機関は、乗用車、バス、トラック、オートバイ、自動三輪車、トラクター、飛行機、モーターボート、土木車両などの種々の輸送機器に好適に用いられる。

１ センサ素子
１ａ 検出部
１０ 内燃機関本体
１１ シリンダブロック
１２ クランクケース
１３ シリンダヘッド
２０ 排気管
２０ａ ストップリング
２０ｂ フランジ
３０ ガスセンサ（酸素センサ）
３１ プロテクタ
４０ リング状部材
４１ 開口部
４２ センサ取付け孔
５０Ａ、５０Ｂ ガスケット
１００ 内燃機関
Ｈ１ ガス導入孔
Ｈ２ ガス排出孔

Claims (12)

1. シリンダヘッドを含む内燃機関本体と、
   前記シリンダヘッドに接続され、前記内燃機関本体からの排気ガスが通過する排気管と、
   前記排気ガスを測定対象とするセンサと、
   前記排気管の前記内燃機関本体側の端部と前記シリンダヘッドとの間に挟持され、前記排気ガスが通過する開口部を有するリング状部材であって、前記センサが挿入されるセンサ取付け孔をさらに有するリング状部材と、を備える内燃機関。
2. 前記センサおよび前記リング状部材は、前記センサ取付け孔内で前記センサを位置決めする位置決め構造を有する請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記位置決め構造は、前記センサに設けられた凸部と、前記センサ取付け孔の内周面に設けられ、前記凸部に嵌合する凹部と、を含む請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記位置決め構造は、前記センサに設けられた凹部と、前記センサ取付け孔の内周面に設けられ、前記凹部に嵌合する凸部と、を含む請求項２に記載の内燃機関。
5. 前記センサは、前記リング状部材の前記開口部内に位置する検出部と、前記検出部を取り囲むプロテクタと、を有し、
   前記センサに設けられた凸部または凹部は、前記プロテクタに設けられた凸部または凹部である請求項３または４に記載の内燃機関。
6. 前記センサは、前記リング状部材の前記開口部内に位置する検出部と、前記検出部を取り囲むプロテクタであって、側面および底面を含む筒状のプロテクタと、を有し、
   前記プロテクタは、前記側面に形成され、前記排気ガスの流れる方向に略直交する方向に開口するガス導入孔と、前記底面に形成され、前記底面内で前記排気ガスの流れる方向における下流側に位置するガス排出孔と、を有する請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関。
7. 前記排気管の前記内燃機関本体側の端部と前記リング状部材との間、および、前記シリンダヘッドと前記リング状部材との間に配置された一対のガスケットをさらに備える請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関。
8. 前記一対のガスケットのうち、前記シリンダヘッドと前記リング状部材との間に配置されたガスケットは、グラファイトから形成されている請求項７に記載の内燃機関。
9. 前記センサは、前記排気ガス中の所定の成分を検出するガスセンサである請求項１から８のいずれかに記載の内燃機関。
10. 前記ガスセンサは、前記排気ガス中の酸素を検出する酸素センサである請求項９に記載の内燃機関。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載の内燃機関を備える輸送機器。
12. 排気ガスを測定対象とするセンサを内燃機関に取付けるためのリング状部材であって、
    センサが挿入されるセンサ取付け孔と、
    前記センサ取付け孔の内周面に設けられた凸部または凹部であって、センサに設けられた凹部または凸部と嵌合する凸部または凹部と、を有するリング状部材。

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