JP2015516577A - 酸素センサ及び該酸素センサを備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

内燃機関の吸気管内の酸素濃度を検出するセンサが記載される。このセンサは、測定電極を有したセンサエレメントと、該センサエレメントを取り囲む金属キャップと、前記センサエレメントと前記金属キャップとを結合する熱導出エレメントと、プラスチックハウジングとして形成されていて、前記センサエレメント用の評価電子機器を収容する、前記センサエレメント用の保持体とを有している。さらに内燃機関が記載されていて、該内燃機関の吸気管内には、インタークーラとシリンダブロックとの間にこのような形式のセンサが配置されている。

Description

本発明は、内燃機関の吸気管内の酸素濃度（酸素含有量）を検出するためのセンサに関する。本発明はさらに、このような酸素センサを備えた内燃機関に関する。

内燃機関では多くの場合、内燃機関の吸気管内の吸込空気中の酸素濃度を検出することが所望される。これは例えば、内燃機関に、吸気管内への排ガス戻し装置が設けられている場合に所望される。この場合、酸素濃度の検出によって排ガス戻し率が算出されるものである。排ガス戻しが行われない場合、吸込空気中のＯ_２濃度は約２１％であり、この濃度は、排ガス戻しの割合が増加すると減少する。

先行技術ではこの場合、酸素センサとして、内燃機関の排気管内で使用されているような従来の線状のラムダセンサが使用される。このラムダセンサは排ガス中で極めて熱くなるので、高温で使用可能な高価なハウジングを備えている。従って先行技術では、吸込空気中の酸素の割合を測定するために、手間のかかる高価な装置を使用している。

本発明の課題は、特に安価な構造により優れている、内燃機関の吸気管内の酸素濃度を検出するセンサを提供することである。

この課題は本発明によれば、測定電極を有したセンサエレメントと、該センサエレメントを取り囲む金属キャップと、前記センサエレメントと前記金属キャップとを結合する熱導出エレメントと、プラスチックハウジングとして形成されていて、前記センサエレメント用の評価電子機器を収容する、前記センサエレメント用の保持体とを備えた、内燃機関の吸気管内の酸素濃度を検出するセンサにより解決される。

本発明により形成されるセンサ構造では、センサエレメント自体によって発生される熱は、熱導出エレメントを介して、センサエレメントを取り囲む金属キャップへと導出されるので、このようにしてセンサエレメント用の保持体が高温になりすぎることはない。従ってこの保持体は、高い熱負荷にさらされないので、本発明によればプラスチックハウジングとして形成することができる。本発明はさらに、このプラスチックハウジング内にセンサエレメント用の評価電子機器が取り付けられていることを特徴としており、これにより構造はさらに簡単なものとなる。センサに直接取り付けられた電子機器により、信号の評価は、特に相応の特性線の記憶は容易になる。

このような形式の酸素センサに加えて付加的に、多くの場合、吸気管内の圧力を測定し、この測定に基づき相応の圧力補正を行うことができるように、吸気管内に圧力センサが必要とされる。この場合、先行技術では、酸素センサの横に、固有の組み付け孔を備えた付加的な圧力センサが設けられる。

本発明の別の構成では、酸素濃度を検出するセンサは、組み込まれた圧力センサを有するように形成されている。従って本発明のこのような構成では、１つの組み合わされた酸素センサと圧力センサとを有する１つのセンサ構造が使用される。従って、付加的な別個の圧力センサを省くことができる。

このような構造では、酸素センサのプラスチックハウジングはさらに、圧力センサのセンサエレメントを保持している。この場合、別の構成では、前記プラスチックハウジングはさらに前記圧力センサ用の評価電子機器を収容している。

酸素センサのセンサエレメントは特に、縦長の板状の支持体と、該支持体上に配置された測定電極を有している。この場合、センサエレメントは金属キャップに対して同心的に延在していて、金属キャップには、センサエレメントの測定電極が吸込空気に接触することができるように１つ又は複数の開口が設けられている。

センサエレメント自体によって発生させられた熱は、センサエレメント用の保持体に到達する前に導出されることが重要である。このために本発明によれば熱導出エレメントが設けられていて、この熱導出エレメントは、間隔を置いてセンサエレメントを取り囲む金属キャップに、センサエレメントを結合させている。この場合特に、前記熱導出エレメントは、前記センサエレメントを取り囲み、前記金属キャップの内面に接触する板状のエレメントとして形成されている。従って、熱導出エレメントは同時に、金属キャップ用の支持部材を形成している。

プラスチックハウジングとして形成されたセンサエレメント用の保持体は、好適にはエポキシ樹脂から成っていて、好適にはトランスファ成形によって製造される。この好適な構成は、極めて良好なシール性を提供する。シール性は、低電流の相応のセンサコンセプトのために重要である。プラスチックハウジングは評価電子機器を収容しているので、ケーブル接続を省くことができ低コストで済む。

本発明はさらに、吸気管と、該吸気管内に配置されたインタークーラを有した内燃機関に関する。本発明によれば当該内燃機関は、内燃機関のインタークーラとシリンダブロックとの間で吸気管内に配置された上記形式のセンサを有している。これにより本発明により形成された酸素センサ、又は本発明により形成された酸素センサと圧力センサの組み合わせ体は、インタークーラ後方の好適な位置に配置されている。この位置では温度は比較的低いので、センサ保持体の構成はプラスチックハウジングとして形成することができる。従って、センサのこのような配置では、センサエレメント用の保持体は、測定すべきガス流によっても、センサエレメント自体によっても（金属キャップへの熱導出により）過剰に強く熱負荷されることはない。

本発明はさらに、吸気管への排ガス戻し管路を有した内燃機関に関する。この場合、センサ（酸素センサ）は、排ガス戻し率を検出するために働く。センサは、吸気管への排ガス戻し管路の接続個所の下流側で吸気管内に配置されていることがわかる。

本発明によりセンサエレメントの保持体をプラスチックハウジングとして形成することによりさらに、吸気管内におけるセンサの方向付けられた組み込みが可能になる。これにより水撃問題を克服する可能性が向上する。さらに、本発明により形成されたセンサはいずれにせよ高い耐水撃性を有しているので、インタークーラ後方の組み込みは問題ではない。

以下に本発明の実施態様を図面につき詳しく説明する。

酸素濃度を検出するセンサの概略的な縦断面図である。 排ガス戻し管路と、吸気管内に配置されたセンサとを備えた内燃機関を図式化して示した図である。

図１に単に概略的にのみ示したセンサ１はセンサエレメント６を有している。センサエレメント６は棒状の支持体を有しており、この支持体の前端部には測定電極２が配置されている。この電極は例えばインターデジタル電極であって良い。測定電極の導体路は図１の右側に向かってコンタクト領域（図示せず）に到るまで延在している。プラスチックハウジング５はセンサエレメント用の保持体を形成していて、センサエレメント用の評価電子機器（図示せず）を有している。

センサエレメント６は保護管３としての金属キャップによって取り囲まれている。センサエレメント６は金属キャップ３に対して同心的に延在していて、金属キャップ３には、センサエレメント６の測定電極２が、その酸素濃度を測定すべき吸込空気に接触することができるように複数の開口（図示せず）が設けられている。センサエレメント６自体によって発生させられた熱は、センサエレメント６用の保持体５を形成するプラスチックハウジングに到達する前に導出される。このために、センサエレメント６を金属キャップ３に結合させる板状の熱導出エレメント４が設けられている。この場合、熱導出エレメント４は同時に、金属キャップ３用の支持部材である。

図２には、シリンダブロック１０と、吸気管１１と、排気管１２とを備えた内燃機関が概略的に示されている。排気管１２からは、排ガス戻し管路１３が吸気管１１まで延びている。さらに吸気管１１にはインタークーラ１４が概略的に示されている。

図１に示されたセンサ１は、この実施態様では、吸込空気中の酸素濃度を測定するために用いられ、この場合、吸気管内に内燃機関のインタークーラ１４とシリンダブロック１０との間で、排ガス戻し管路１３の吸気管１１への接続個所の下流側に配置されている。吸気管１１内のこの個所は比較的低い温度なので、センサエレメント６の保持体５はプラスチックハウジングとして形成することができる。この場合、全体として保持体５は、センサエレメント６自体によっても（金属キャップへの熱導出によって）、ガス流によっても過剰に加熱されることはない。

Claims (8)

1. 測定電極を有したセンサエレメントと、該センサエレメントを取り囲む金属キャップと、前記センサエレメントと前記金属キャップとを結合する熱導出エレメントと、プラスチックハウジングとして形成されていて、前記センサエレメント用の評価電子機器を収容する、前記センサエレメント用の保持体とを備えた、内燃機関の吸気管内の酸素濃度を検出するセンサ。
2. 組み込まれた圧力センサを有している、請求項１記載のセンサ。
3. 前記プラスチックハウジングはさらに、前記圧力センサのセンサエレメントを保持している、請求項２記載のセンサ。
4. 前記プラスチックハウジングはさらに、前記圧力センサ用の評価電子機器を収容している、請求項２又は３記載のセンサ。
5. 前記センサエレメントは縦長の板状の支持体と、該支持体上に配置された測定電極とを有している、請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ。
6. 前記熱導出エレメントは、前記センサエレメントを取り囲み、前記金属キャップの内面に接触する板状のエレメントとして形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のセンサ。
7. 吸気管と、該吸気管内に配置されたインタークーラとを備えた内燃機関であって、該内燃機関の前記インタークーラとシリンダブロックとの間で前記吸気管内に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサを有することを特徴とする内燃機関。
8. 前記吸気管内への排ガス戻し管路を有していて、前記センサが排ガス戻し率を検出するために用いられる、請求項７記載の内燃機関。

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