JP2012172602A

JP2012172602A - 内燃機関の空燃比検出装置

Info

Publication number: JP2012172602A
Application number: JP2011035829A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Minooka; 武志箕岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-09-10

Abstract

【課題】気筒ごとに均等な検出条件で空燃比を検出することができる内燃機関の空燃比検出装置を提供する。
【解決手段】内管３０の分岐管部に空間Ｓへの排気ガスの流れを許容する穴３２、集合管部に内管の内方に膨出する膨出部３４、及び膨出部３４に内側取付穴３６が、外管４０には外側取付穴４２が形成された二重管排気マニホールド２０と、基部に吸気穴５５が形成されると共に先端部に排気穴５８が形成され、検出本体部５２を覆う筒状のケーシング５４を有する空燃比センサ５０とを備え、空燃比センサ５０は、前記ケーシング５４の先端部が膨出部３４から内管３０の内側に突出すると共に、基部の吸気穴５５が空間Ｓに位置するように、集合管部に取り付けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の空燃比検出装置に関する。

一般に、内燃機関において、大気汚染抑制技術の一環として、空燃比フィードバック制御技術が知られている。例えば、特許文献１参照。ここでは、触媒より上流の排気通路の集合部に空燃比センサを設け、各気筒から排出される排気ガス中の酸素濃度を検出することによって、リッチ又はリーンの判断を含む空燃比を検出するようにしている。

特開２０１０−１６９０３８号公報

ところで、特許文献１に記載のように、単に排気通路の集合部に空燃比センサを設けた場合には、排気マニホールドの形状や、空燃比センサの取付け位置などの要因によって、空燃比センサの検出部を流れる排気ガスの流量や流速にばらつきが生じてしまう。この結果、各気筒から排出される排気ガスが均等に空燃比センサの検出部に接触せず、気筒ごとに検出条件が異なることから、検出値に気筒間のインバランスが生ずるという問題がある。

そこで、本発明の課題は、上述の問題を解消し、気筒ごとに均等な検出条件で空燃比を検出し気筒間のインバランスを低減することができる内燃機関の空燃比検出装置を提供することにある。

上記課題を解決する本発明係る内燃機関の空燃比検出装置の一形態は、内燃機関の複数の気筒の排気ポートにそれぞれ連通される複数の分岐管部と該分岐管部が集合された集合管部とが、内管と該内管を所定の厚さの空間を介して囲繞する外管との二重管に形成された排気マニホールドであって、前記内管には、前記分岐管部のそれぞれに前記空間への排気ガスの流れを許容する穴、前記集合管部に前記内管の内方に膨出する膨出部、及び該膨出部に内側取付穴がそれぞれ形成されると共に、前記外管には、該内側取付穴に対応する位置に外側取付穴が形成されている二重管排気マニホールドと、検出本体部を覆う筒状のケーシングであって、その基部に吸気穴が形成されると共に先端部に排気穴が形成されたケーシングを有する空燃比センサと、を備え、前記空燃比センサは、前記筒状のケーシングの先端部が前記膨出部から前記内管の内側に突出すると共に、前記基部に形成された吸気穴が前記空間に位置するように、前記集合管部に取り付けられていることを特徴とする。

この形態によれば、内燃機関の排気ポートから排出された排気ガスは、二重管排気マニホールドの内管の分岐管部と集合管部とを通って流れることになる。このとき、排気ガスの一部は内管の分岐管部に形成された穴を介して内管と外管の間の空間へ流れることができる。一方、排気ガスの主流は、内管の分岐管部を経て内管の下流の集合管部に流れるが、この集合管部に形成された膨出部を通過する際に断面積の減少により流速が速められて、この膨出部付近で圧力低下し負圧が生じる。この結果、内管の内側に突出する空燃比センサのケーシングの先端部に形成された排気穴にこの負圧が作用し、ケーシングと検出本体部との間の隙間及びケーシングの基部に形成された吸気穴を介して空間内の排気ガスを吸引する。したがって、内管の分岐管部に形成された穴を介して導入された上記一部の排気ガスが、排気ガスの主流による負圧発生のタイミングに合わせて吸気穴を介して検出本体部に吸引されると共に、そこから掃気される。かくて、気筒ごとに均等な検出条件で空燃比を検出することができる。

ここで、前記内管の内方に膨出する膨出部は、ベンチュリーを形成することが好ましい。

なお、上記形態において、前記空間には、前記分岐管部の穴から前記集合管部の空燃比センサに向かう方向に排気ガス流れを方向付ける案内手段が設けられてもよい。

この形態によれば、排気ポートから排出され分岐管部の穴を介して内管と外管の間の空間へ流れた排気ガスは、案内手段によって空燃比センサに向かう方向に方向付けられるので、他の気筒の排気ポートから排出された排気ガスと混合する機会が減少される。したがって、気筒ごとにより均等な検出条件で確実に空燃比を検出することができる。

本発明によれば、気筒ごとに均等な検出条件で空燃比を検出することができる。

本発明に係る内燃機関の空燃比検出装置の第１実施形態を概略的に示す模式的平面図である。図１のＡ−Ａ線に沿って採った模式的断面図である。図２の破線円で囲った部位の拡大図であり、空燃比センサに関しては半断面を示す。本発明に係る内燃機関の空燃比検出装置の第２実施形態を概略的に示す模式的平面図である。図４のＢ−Ｂ線に沿って採った模式的断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。図１には、本発明に係る内燃機関の空燃比検出装置の第１の実施形態の模式的平面図、及び図２には図１のＡ−Ａ線に沿って採った模式的断面図が示されている。

まず、本実施形態における内燃機関１０は、４気筒の火花点火式機関であり、それぞれ不図示のシリンダーブロックと、シリンダーブロックの下部に設けられたクランクケースと、シリンダーブロックの上部に設けられたシリンダーヘッド１２と、シリンダーヘッドの上部に設けられてこれを上方から覆う不図示のヘッドカバーと、クランクケースの下部に設けられてこれを下方から覆うオイルパンとを備えている。

シリンダーヘッド１２には不図示の動弁室が区画形成されている。具体的には、動弁室はシリンダーヘッド１２とヘッドカバーにより画成され、両者に囲まれた空間領域からなる。動弁室には、不図示の吸気ポート及び排気ポート１４をそれぞれ開閉する吸気弁及び排気弁と、吸気弁及び排気弁をそれぞれ閉方向に付勢するバルブスプリングと、吸気弁及び排気弁をそれぞれ開方向に駆動する吸気カムシャフト及び排気カムシャフトとからなる動弁機構が設けられている。

そして、かかる内燃機関１０のシリンダーヘッド１２には、本実施形態における排気マニホールド２０が取り付けられている。この排気マニホールド２０は、内燃機関１０の複数の気筒（本実施形態では＃１ないし＃４の４つ）の排気ポート１４に連通される複数の排気入口が形成されたヘッドフランジ２１とこれに固着されたマニホールド本体を備えている。そして、マニホールド本体の＃１ないし＃４の４つの分岐管部２２と該分岐管部が集合される集合管部２４とが、内管３０と該内管３０を所定の厚さの空間Ｓ（図２参照）を介して囲繞する外管４０との二重管に形成されている。

排気マニホールド２０の内管３０において、その分岐管部のそれぞれには、空間Ｓへの排気ガスの流れを許容する＃１ないし＃４の穴３２が形成されている。また、内管３０の集合管部には、排気ガス通路の断面積を絞りベンチュリーを形成するために、内管３０の内方に膨出する膨出部３４が形成されると共に、該膨出部３４に後述する空燃比センサ取付け用の内側取付穴３６が形成されている。さらに、外管４０には、この内側取付穴３６に対応する位置に外側取付穴４２が形成されている。なお、この排気マニホールド２０の集合管部２４の下流には不図示の触媒装置が装着されている。この触媒装置は、集合管部２４を通過した排気ガス中の窒素酸化物等の有害物質を還元又は酸化させて水、二酸化炭素、窒素といった無害な物質にするものであり、内燃機関１０の空燃比を所定範囲に制御し、排気ガス中の酸素濃度を一定範囲内に維持することで、高効率の排気ガス浄化作用が得られるという性質のものである。

さらに、図１ないし３において、５０は前述の空燃比センサを示す。本実施形態における空燃比センサ５０は、排気ガス中の酸素濃度などを検出するための酸素センサである。但し、この酸素センサは、理論空燃比を境としたリーン域又はリッチ域を判別するものであってもよいし、広域かつリニアに空燃比を検出するものでもよい。この空燃比センサ５０は、排気ガス中の酸素濃度などを検出するために排気ガスに直接に接触する検出本体部５２と、それを覆う保護用の筒状の第１のケーシング５４及び第２のケーシング５６を有している。そして、第１のケーシング５４及び第２のケーシング５６の基部には、それぞれ、第１の吸気穴５５及び第２の吸気穴５７が形成されている。但し、これらの第１の吸気穴５５及び第２の吸気穴５７は、空燃比センサ５０の軸方向において互いに重ならないように軸方向に位置をずらして、周方向に複数個形成されている。さらに、筒状の第１のケーシング５４及び第２のケーシング５６の先端部には、それぞれ、第１の排気穴５８及び第２の排気穴５９が形成されている。なお、第１の排気穴５８は第１のケーシング５４と第２のケーシング５６との間に形成される環状の穴である。

そこで、空燃比センサ５０は、第１のケーシング５４及び第２のケーシング５６の先端部が内管３０の膨出部３４の内側取付穴３６から内管３０の内側に突出するように、排気マニホールド２０の集合管部２４の外側取付穴４２に取り付けられている。このとき、少なくとも第１のケーシング５４の基部の第１の吸気穴５５が、内管３０と外管４０の間の空間Ｓに位置するように、集合管部２４に取り付けられている。

ここで、上記構成になる第１実施形態に係る内燃機関の空燃比検出装置の作用を説明する。内燃機関の運転中には、各気筒から排気ガスがその点火順序（例えば、＃１‐＃３‐＃４‐＃２の気筒順）に従って排出され、排気ポート１４から排気マニホールド２０に導入される。そこで、例えば、＃１の気筒から排気ガスが排出されるとすると、通常音速を超える流速を有する排気ガスの主流（図２に白抜きの矢印ｍｓで示す）は、二重管の排気マニホールド２０の内管３０の分岐管部と集合管部とを通ってさらに下流に流れる。このとき、排気ガスの一部は、内管３０の＃１の分岐管部に形成された＃１の穴３２を介して、内管３０と外管４０の間の空間Ｓへも流れる（以下、これを副流と称し、図２，３には矢印ｓｓで示す）。

一方、排気ガスの主流においては、分岐管部を経て、内管３０の集合管部に形成された膨出部３４によるベンチュリーを通過する際に流速が速められて、この膨出部３４によるベンチュリーにおいて圧力が低下し負圧が生じる。この結果、この膨出部３４において、内管３０の内側に突出する、空燃比センサ５０の第１及び第２のケーシング５４及び５６の先端部に形成された第１及び第２の排気穴５８及び５９にこの負圧が作用し、第１及び第２のケーシング５４及び５６の基部に形成された第１及び第２の吸気穴５５及び５７を介して空間Ｓ内の排気ガスが吸引される。より詳しくは、図示の実施形態では、第１のケーシング５４と第２のケーシング５６との間に形成される環状の穴である第１の排気穴５８からは、第１の吸気穴５５と第１及び第２のケーシング５４及び５６との間を介して、空間Ｓ内の排気ガスが吸引される。また、第２の排気穴５９からは、第１の吸気穴５５、第１及び第２のケーシング５４及び５６の間、第２の吸気穴５７、さらに第２のケーシングと検出本体部５２との間の隙間を介して、空間Ｓ内の排気ガスが吸引される。

したがって、内管３０の分岐管部に形成された穴３２を介して導入された一部の排気ガス（副流）は、排気ガスの主流による負圧発生のタイミングに合わせて、本実施の形態では、第１の吸気穴５５、第１及び第２のケーシング５４及び５６の間、第２の吸気穴５７、さらに第２のケーシング５６と検出本体部５２との間の隙間を介して、第２の排気穴５９から吸引される。この結果、同一気筒から排出された排気ガスの主流と副流とが同期されて、副流が空燃比センサ５０の検出本体部５２に導かれる。しかも、負圧により吸引されて、検出本体部５２から速やかに掃気される。かくて、気筒ごとに均等な検出条件で空燃比を検出することができるのである。

なお、本実施の形態においては、第１の吸気穴５５及び第２の吸気穴５７が、空燃比センサ５０の軸方向において互いに重ならないように軸方向に位置をずらして形成されていることから、仮に、排気ガスが水分を含有しているような場合にも、この水分を含有する排気ガスが直接に空燃比センサ５０の検出本体部５２に当ることが抑制され、検出本体部５２の水分付着に起因する割れなどの損傷を防止することができる。

次に、本発明の第２実施形態について、図４及び５を参照して説明する。この第２実施形態は、上述の第１実施形態に対して、空燃比センサに向かう方向に排気ガス流れを方向付ける案内手段を付加した点が異なるのみであるから、同一機能部位には図１ないし３と同一の符号を付して重複説明を回避することにする。

具体的には、この第２実施形態においては、図４及び５に示すように、内管３０と外管４０との間の空間Ｓに、内管３０の分岐管部の第１ないし第４の穴３２から集合管部の空燃比センサ５０に向かう方向に排気ガス流れを方向付ける案内手段としての第１ないし第４のワイヤーメッシュ壁６０（６０_１，６０_２、６０_３，６０_４）が設けられ、これらのワイヤーメッシュ壁６０の間に第１ないし第３の案内通路６２（６２_１，６２_２，６２_３）が形成されている。なお、図示の形態では、＃２及び＃３の分岐管部に形成された＃２及び＃３の穴３２については、両者に共通の第２の案内通路６２_２が利用されるようになっているが、これは＃２及び＃３気筒においては、その排気ガスの排出タイミングが機関の１回転分、離れており、両者の排気ガスが混ざるおそれが低いからである。ワイヤーメッシュ壁６０をもう１列増やし、＃２及び＃３の案内通路を分離してもよいことは勿論である。

この形態によれば、各気筒の排気ポート１４から排出され、各分岐管部の穴３２を介して内管３０と外管４０の間の空間Ｓへ流れた排気ガスは、ワイヤーメッシュ壁６０によって形成された案内通路６２によって空燃比センサ５０に向かう方向に方向付けられるので、他の気筒の排気ポート１４から排出された排気ガスと混合する機会が減少される。したがって、気筒ごとにより均等な検出条件で確実に空燃比を検出することができる。

なお、上述の実施形態では、空燃比センサ５０に向かう方向に排気ガス流れを方向付ける案内手段としてワイヤーメッシュ壁６０を用いたが、これに替えて、図４に示すワイヤーメッシュ壁６０の設置部位における内管３０及び／又は外管４０にリブを設けることによって、上述の案内通路を形成するようにしてもよい。このようなリブを設ける形態によれば、排気マニホールド２０全体の剛性を高めて、放射音を低減することができる。

また、本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１０内燃機関
２０排気マニホールド
２１ヘッドフランジ
２２分岐管部
２４集合管部
３０内管
３２穴
３４膨出部
３６内側取付穴
４０外管
４２外側取付穴
５０空燃比センサ
５２検出本体部
５４第１のケーシング
５５第１の吸気穴
５６第２のケーシング
５７第２の吸気穴
５８第１の排気穴
５９第２の排気穴
Ｓ空間

Claims

内燃機関の複数の気筒の排気ポートにそれぞれ連通される複数の分岐管部と該分岐管部が集合された集合管部とが、内管と該内管を所定の厚さの空間を介して囲繞する外管との二重管に形成された排気マニホールドであって、前記内管には、前記分岐管部のそれぞれに前記空間への排気ガスの流れを許容する穴、前記集合管部に前記内管の内方に膨出する膨出部、及び該膨出部に内側取付穴がそれぞれ形成されると共に、前記外管には、該内側取付穴に対応する位置に外側取付穴が形成されている二重管排気マニホールドと、
検出本体部を覆う筒状のケーシングであって、その基部に吸気穴が形成されると共に先端部に排気穴が形成されたケーシングを有する空燃比センサと、を備え、
前記空燃比センサは、前記筒状のケーシングの先端部が前記膨出部から前記内管の内側に突出すると共に、前記基部に形成された吸気穴が前記空間に位置するように、前記集合管部に取り付けられていることを特徴とする内燃機関の空燃比検出装置。
前記空間には、前記分岐管部の穴から前記集合管部の空燃比センサに向かう方向に排気ガス流れを方向付ける案内手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比検出装置。