JP2016003887A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の空燃比制御をより高精度に行うことができるガスセンサを提供すること。【解決手段】ガスセンサ１は、センサ素子１０と内側カバー２１及び外側カバー２２からなる被測定ガス側カバー２０とを備える。内側カバー２１の側壁２１ａと外側カバー２２の側壁２２ａとの間には先端側Ｙ１に第１ガス流通部３１が形成され、基端側Ｙ２に第２ガス流通部３２が形成されている。センサ素子１０の取り込み部１３の軸方向Ｙの長さをａ、内側カバー２１において第２ガス流通部３２に対向する位置に形成された内側側壁孔２３と取り込み部１３との軸方向Ｙにおける距離をｂとしたとき、ｂ＜２ａの関係を満たす。第１ガス流通部３１における側壁２１ａと側壁２２ａとの距離をｃとし、第２ガス流通部３２における内側側壁孔２３の軸方向Ｙの位置での側壁２１ａと側壁２２ａとの距離をｄとしたとき、ｄ＞１．５ｃの関係を満たす。【選択図】図２

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

従来、自動車等の内燃機関における空燃比制御のために、排ガスにおける被測定ガス中の特定ガスを検出するガスセンサが用いられている。このようなガスセンサとして、特許文献１には、先端側に被測定ガス中の特定ガスを検出する検出部を備える棒状のセンサ素子を有するガスセンサが開示されている。当該ガスセンサでは、センサ素子の検出部に、被測定ガス（排ガス）が流通する孔を有する二重構造のカバーが設けられている。そして、カバーの孔は、センサ素子の被水や被毒を抑制するため、被測定ガス流れがセンサ素子の検出部に直接当たらないように所定の形状で所定の位置に設けられている。

特許第４１２４１３５号公報

近年、内燃機関における空燃比制御の精度向上が求められている。例えば、多気筒の内燃機関では、各気筒の排気ポートは排気マニホールドの枝管を介して排気集合部に連結されており、当該排気集合部に設けられたガスセンサによって集合排気から被測定ガス中の特定ガス濃度を検出して空燃比（Ａ／Ｆ）を検出するように構成されている。そして、インジェクタの故障などによって一つの気筒から排気がリッチ側に変動した場合には、当該気筒の空燃比（Ａ／Ｆ）が理論空燃比からずれるため、気筒間にＡ／Ｆのばらつき（インバランス）が発生することとなる。かかるＡ／Ｆのインバランスを検出することにより各気筒に発生した異常を検出することができる。ガスセンサによるＡ／Ｆのインバランスの検出精度を向上することによって、空燃比制御をより高精度に行うことができる。しかしながら、従来の構成では、センサ素子の検出部を覆うカバーがセンサ素子の被水や被毒を抑制するように構成されているため、被測定ガスがカバー内を円滑に流通できずに検出部に到達しにくい場合がある。この場合には、十分高い検出精度が得られないことから、改良の余地がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、内燃機関の空燃比制御をより高精度に行うことができるガスセンサを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出部を備えるセンサ素子と、
上記検出部を覆う内側カバーと、該内側カバーとの間に被測定ガスが流通するガス流通部を形成するように上記内側カバーを覆う外側カバーとからなる被測定ガス側カバーと、
を備え、
上記検出部には、被測定ガスを取り込む取り込み部が形成されており、
上記ガス流通部は、上記内側カバーの側壁と上記外側カバーの側壁との間において、先端側に位置する第１ガス流通部と、該第１ガス流通部よりも基端側に位置するとともに該第１ガス流通部よりも幅広に形成される第２ガス流通部とを有しており、
上記内側カバーの側壁には、上記第２流通部に対向する位置に被測定ガスが流通する内側側壁孔が形成されており、
上記外側カバーの側壁には、上記内側側壁孔よりも先端側の位置に、被測定ガスが流通する外側側壁孔が形成されており、
上記センサ素子の軸方向における取り込み部の長さをａとし、上記軸方向における上記内側側壁孔と上記取り込み部との距離をｂとしたとき、ｂ＜２ａの関係を満たすとともに、
上記第１ガス流通部における上記内側カバーの側壁と上記外側カバーの側壁との距離をｃとし、上記第２ガス流通部における上記内側側壁孔の上記軸方向の位置での上記内側カバーの側壁と上記外側カバーの側壁との距離をｄとしたとき、ｄ＞１．５ｃの関係を満たすことを特徴とするガスセンサにある。

上記ガスセンサにおいては、上記第１ガス流通部における上記内側カバーの側壁と上記外側カバーの側壁との距離ｃと、上記第２ガス流通部における上記内側側壁孔と上記外側カバーの側壁との距離ｄとが、ｄ＞１．５ｃを満たしており、第２ガス流通部は第１ガス流通部よりも十分に幅広に形成されている。これにより、外側カバーの先端側に設けられた外側側壁孔から流入してきた被測定ガスが、幅が狭く形成された第１ガス流通部において整流化された後、幅が広く形成された第２ガス流通部に流通することとなる。その結果、外側側壁孔から流入してきた被測定ガスが第１ガス流通部及び第２流通部を円滑に流通して、内側側壁孔から内側カバー内に流入することとなる。そして、上記取り込み部の軸方向の長さａ、上記内側側壁孔と上記取り込み部との軸方向における距離ｂがｂ＜２ａを満たすように構成されている。これにより、取り込み部と内側側壁孔とが互いに十分近接して配置されることとなるため、内側側壁孔から内側カバー内に流入してきた被測定ガスが取り込み部に到達しやすくなる。すなわち、上記ガスセンサによれば、被測定ガスが内側カバー内に円滑に流入されるとともに、取り込み部に到達しやすいため、センサ素子の検出精度を向上することができる。

以上のごとく、本発明によれば、内燃機関の空燃比制御をより高精度に行うことができるガスセンサを提供することができる。

実施例１における、ガスセンサの断面図。 図１における、ガスセンサの一部拡大図。 実施例１におけるガスセンサを備えるエンジンの模式図。 実施例１における、クランクアングル、Ａ／Ｆ及びΔＡ／Ｆと時間との関係を表したグラフ。 比較例１における、ガスセンサの一部拡大図。 実施例１及び比較例１における、インバランス値とセンサ素子の向きとの関係を表したグラフ。 実施例１及び比較例１における、センサ素子の向きによるインバランス値の変化率を表したグラフ。 実施例１における、センサ素子の向きを説明する模式図。 実施例１における、インバランス値とｂ／ａとの関係を表したグラフ。 実施例１における、インバランス値の検出値ばらつきとｄ／ｃとの関係を表したグラフ。 実施例２における、ガスセンサの断面図。

本発明のガスセンサは、自動車の内燃機関における空燃比制御に使用することができる。中でも多気筒の内燃機関における空燃比制御に好適に使用することができる。なお、本明細書では、センサ素子の検出部が設けられる側を先端側とし、先端側と反対側を基端側とする。

（実施例１）
本実施例に係るガスセンサにつき、図１〜図１０を用いて説明する。
本例のガスセンサ１は、図１に示すように、センサ素子１０及び被測定ガス側カバー２０を備える。センサ素子１０は、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出部１１を備える。被測定ガス側カバー２０は、検出部１１を覆う内側カバー２１と、内側カバー２１との間に被測定ガスが流通するガス流通部３０を形成するように内側カバー２１を覆う外側カバー２２とからなる。

図２に示すように、検出部１１には、被測定ガスを取り込む取り込み部１３が形成されている。
ガス流通部３０は、内側カバー２１の側壁２１ａと外側カバー２２の側壁２２ａとの間において、先端側Ｙ１に位置する第１ガス流通部３１と、該第１ガス流通部３１よりも基端側Ｙ２に位置するとともに該第１ガス流通部３１よりも幅広に形成される第２ガス流通部３２とを有している。
内側カバー２１の側壁２１ａには、第２流通部３２に対向する位置に被測定ガスが流通する内側側壁孔２３が形成されている。
外側カバー２２の側壁２２ａには、内側側壁孔２３よりも先端側Ｙ１の位置に、被測定ガスが流通する外側側壁孔２４が形成されている。

取り込み部１３の軸方向Ｙの長さをａとし、内側側壁孔２３と取り込み部１３との軸方向Ｙにおける距離をｂとしたとき、ｂ＜２ａの関係を満たしている。
第１ガス流通部３１における内側カバー２１の側壁２１ａと外側カバー２２の側壁２２ａとの距離をｃとし、第２ガス流通部３２における内側側壁孔２３の軸方向Ｙの位置での内側カバー２１の側壁２１ａと外側カバー２２の側壁２２ａとの距離をｄとしたとき、ｄ＞１．５ｃの関係を満たしている。

以下、本例のガスセンサ１について詳述する。
ガスセンサ１は自動車の内燃機関の排気系に取付けられて、内燃機関の空燃比制御に利用されるものである。本例では、４気筒のエンジンにおける排気マニホールドの排気集合部に取り付けられている。

図１に示すように、センサ素子１０は、軸方向Ｙに延びる棒状に形成され、先端に被測定ガスを検出する検出部１１を備え、基端に検出部１１の検出結果を出力する出力部１２を備える。センサ素子１０は筒状のインシュレータ４０の内部４０ａに保持されており、インシュレータ４０は略筒状のハウジング５０の内部５０ａに収納されている。また、ハウジング５０の基端側Ｙ２には大気側カバー５１が設けてある。大気側カバー５１の基端側の外周面には図示しない大気導入孔が備えられている。また、大気導入孔には撥水フィルタが設けられており、大気導入孔から当該撥水フィルタを介して大気が大気側カバー５１内に流入されるように構成されており、大気側カバー５１の内部に大気側雰囲気５２が形成されている。

図１に示すように、インシュレータ４０の内部４０ａは、軸方向Ｙにおける中央から先端側Ｙ１においてセンサ素子１０の外形に沿う形状を成している。インシュレータ４０の内部４０ａにはセンサ素子１０が挿通されており、センサ素子１０とインシュレータ４０との間は封止ガラス４３によって封止されている。

図１に示すように、インシュレータ４０の基端側Ｙ２には大気側インシュレータ４１が配置されている。大気側インシュレータ４１の内部にはリード端子４２が配置され、リード端子４２はセンサ素子１０の出力部１２と電気的導通が取れるように接触している。なお、本例では、センサ素子１０は積層型の空燃比（Ａ／Ｆ）検出用素子である。

図１に示すように、ハウジング５０の先端側Ｙ１には、センサ素子１０の検出部１１を覆う被測定ガス側カバー２０が設けられる。被測定ガス側カバー２０は、内側カバー２１と外側カバー２２とからなる二重構造を有している。図２に示すように、内側カバー２１の側壁２１ａには内側側壁孔２３が設けられており、外側カバー２２の側壁２２ａの先端側Ｙ１には外側側壁孔２４が設けられている。内側側壁孔２３及び外側側壁孔２４を介して、被測定ガスが内側カバー２１の内部に流入するように構成されている。これにより、内側カバー２１の内部に被測定ガス側雰囲気２５が形成されている。

図２に示すように、内側カバー２１は有底の略円筒形を成しており、基端側Ｙ２に開口している。内側カバー２１における基端側Ｙ２の端部には、ハウジング５０の先端部５３に沿って拡径された拡径部２１ｂが形成されている。そして、当該拡径部２１ｂがハウジング５０の先端部５３に嵌合されている。これにより、内側カバー２１の内部に、センサ素子１０の検出部１１が位置することとなる。

図２に示すように、内側カバー２１の側壁２１ａに形成されている内側側壁孔２３は、軸方向Ｙにおいて、センサ素子１０の検出部１１に設けられた取り込み部１３よりも基端側Ｙ２に位置しており、後述の第２ガス流通部３２に対向している。内側側壁孔２３は周方向に等間隔に８個設けられている。そして、取り込み部１３の軸方向Ｙの長さをａとし、軸方向Ｙにおいて、取り込み部１３の基端側Ｙ２の端部から内側側壁孔２３の中心までの距離をｂとすると、ｂ＜２ａの関係を満たしている。なお、内側カバー２１の底部２１ｃには底部孔２６が形成されており、内側側壁孔２３から内側カバー２１の内部に流入した被測定ガスが当該底部孔２６を介して流出するように構成されている。

図２に示すように、外側カバー２２は有底の略円筒状を成しており、基端側Ｙ２に開口している外側カバー２２における基端側Ｙ２の端部２２ｂは、内側カバー２１の拡径部２１ｂに沿った形状をなしており、拡径部２１ｂに嵌合している。これにより、外側カバー２２が内側カバー２１を覆っている。内側カバー２１と外側カバー２２との間には、拡径部２１ｂと端部２２ｂとの係合箇所を除いて、間隙が設けられており、被測定ガスが流通するガス流通部３０が形成されている。ガス流通部３０は、内側カバー２１の側壁２１ａと外側カバー２２の側壁２２ａとの間に形成される第１ガス流通部３１及び第２ガス流通部３２を備える。さらに、内側カバー２１の底部２１ｃと外側カバー２２の底部２２ｃとの間に形成される第３ガス流通部３３を備える。第２ガス流通部３２の一部は内側側壁孔２３に対向している。第１ガス流通部３１は、第２ガス流通部３２よりも先端側Ｙ１に位置している。

図２に示すように、外側カバー２２の側壁２２ａには、内側側壁孔２３よりも先端側Ｙ１の位置に、被測定ガスが流通する外側側壁孔２４が形成されている。また、外側カバー２２の底部２２ｃには被測定ガスが流通する底部孔２７が形成されている。そして、外側側壁孔２４及び底部孔２７を介して、被測定ガスが外側カバー２２の内部に流入し、外側カバー２２の内部から外部へ流出するように構成されている。

図２に示すように、第１ガス流通部３１における内側カバー２１の側壁２１ａと外側カバー２２の側壁２２ａとの距離（軸方向Ｙに直交する径方向Ｘにおける第１ガス流通部３１の幅）をｃとし、第２ガス流通部３２における内側側壁孔２３の軸方向Ｙの位置での内側カバー２１の側壁２１ａと外側カバー２２の側壁２２ａとの距離（径方向Ｘにおける第２ガス流通部３２の幅）をｄとすると、ｄ＞１．５ｃの関係を満たしている。

図３に示すように、本例のガスセンサ１は、４気筒エンジン１００の排気集合部１０１において、触媒部１０３よりも上流側に設けられている。４つの気筒１０２から排出された排気は、排気集合部１０１で集合されて集合排気となる。ガスセンサ１は、当該集合排気から被測定ガス中の特定ガス濃度を検出し、Ａ／Ｆを検出するように構成されている。

次に、インバランス値の検出試験方法、及びインバランスの判定方法を以下に示す。まず、４つ気筒１０２のうち一つの気筒の排気をリッチ側に変動させて、気筒１０２間にＡ／Ｆのばらつき（インバランス）が発生する状態にする。そして、図４に示すように、ガスセンサ１によって、４ｍｓごとにＡ／Ｆを検出する。さらに、検出したＡ／Ｆから、直前のＡ／Ｆ値との差分ΔＡ／Ｆを算出する。

図４に示すように、ガスセンサ１により検出されるＡ／Ｆは、概ね１エンジンサイクル（クランクアングル７２０ＣＡ）ごとに周期的に変動することとなる。そして、サイクルごとにΔＡ／Ｆが正（＋）である値の平均値（ΔＡ／Ｆ（＋）平均値、符号４０１）と、ΔＡ／Ｆが負（−）である値の平均値（ΔＡ／Ｆ（−）平均値、符号４０２）を算出する。次に、１００サイクル間におけるΔＡ／Ｆ（＋）平均値の最大値（平均１回微分値）と、ΔＡ／Ｆ（−）平均値の最小値（平均１回微分値）とを抽出し、それぞれの絶対値をインバランス値とする。当該インバランス値と基準値とを比較して、インバランス値が基準値を上回っている場合には異常と判定し、下回っている場合には正常と判定する。

実施例１のガスセンサ１及び、図５に示す比較例１のガスセンサ９００について、排気流れ方向に対するセンサ素子１０の向きとインバランス値との関係を図６に示し、インバランス値の変化率を図７に示す。比較例１のガスセンサ９００は、図５に示すように、ガスセンサ９００において、第１ガス流通部３１における内側カバー２１の側壁２１ａと外側カバー２２の側壁２２ａとの距離をｃ１とし、第２ガス流通部３２における内側側壁孔２３の軸方向Ｙの位置での内側カバー２１の側壁２１ａと外側カバー２２の側壁２２ａとの距離をｄ１とし、取り込み部１３の軸方向Ｙの長さをａ１とし、内側側壁孔２３と取り込み部１３との軸方向Ｙにおける距離をｂ１としたとき、ｄ１＝ｃ１、ｂ１＞２ａ１の関係を満たしている。

上述の排気流れ方向に対するセンサ素子１０の向きとは、図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）、図８（Ｄ）にそれぞれ示すように、排気マニホールド（排気集合部１０１、図３参照）内の排気流れ方向Ｐに対するセンサ素子１０のヒータ面１４の法線とのなす角（０°、９０°、１８０°及び２７０°）をいうものとする。取り込み部１３は多孔質層からなる拡散抵抗層であって、取り込み部１３を介して被測定ガスが測定側電極１５に到達するように構成されている。また、図７に示したインバランス値の変化率（％）は、排気流れ方向に対するセンサ素子１０の各向き（４方向）のうち、インバランス値の最大値から最小値を差し引いた値を、４方向における平均インバランス値で除して１００倍したものである。

図６に示すように、排気流れ方向に対するセンサ素子１０の向きがいずれの場合も、比較例１のガスセンサ９００のサンプル１〜３によって検出されたインバランス値の大きさよりも、実施例１のガスセンサ１のサンプル１〜３によって検出されたインバランス値の大きさの方が大きくなっていた。さらに、図７に示すように、比較例１のガスセンサ９００のサンプル１〜３では、排気流れ方向に対するセンサ素子１０の向きによってインバランス値の変化率が大きく、実施例１のガスセンサ１のサンプル１〜３では当該インバランス値の変化率が小さくなっていた。これらの結果から、比較例１のガスセンサ９００に比べて、実施例１のガスセンサ１では、検出されるインバランス値が大きく、排気流れ方向に対するセンサ素子１０の向きによるインバランス値の検出値のばらつきが少ないことから、インバランス値の検出精度に優れていることが示された。

さらに、実施例１のガスセンサ１の構成においてｂ／ａを変化させた場合の、４方向における平均インバランス値とｂ／ａとの関係を図９に示した。ガスセンサにより検出されるインバランス値は大きい方が検出精度を向上させやすい。具体的にはガスセンサ１により検出されるインバランス値が０．３５よりも大きければ、検出精度の向上が十分に図られる。図９に示すように、ｂ／ａ＜２、すなわちｂ＜２ａであれば、検出されるインバランス値が０．３５よりも大きくなっていた。これにより、ｂ＜２ａを満たす本例のガスセンサ１によれば検出精度の向上が図られることが確認された。

さらに、実施例１のガスセンサ１の構成においてｄ／ｃを変化させた場合の、センサ素子１０の各向き（４方向）における検出されるインバランス値の最大値から最小値を差し引いた値（インバランス値の検出値ばらつき）とｄ／ｃとの関係を図１０に示した。ガスセンサにより検出されるインバランス値の検出値のばらつきは小さい方が検出精度を向上させやすい。図１０に示すように、ｄ／ｃ＞１．５、すなわちｄ＞１．５ｃのとき、センサ素子１０の向きによるインバランス値の検出値ばらつきが小さくなっていた。これにより、ｄ＞１．５ｃを満たす本例のガスセンサ１によれば、検出精度の向上が図られることが確認された。

本例のガスセンサ１によれば、ｄ＞１．５ｃを満たすように構成されていることから、第２ガス流通部３２は第１ガス流通部３１よりも十分幅広に形成されている。これにより、外側カバー２２の先端側Ｙ１に設けられた外側側壁孔２４から流入してきた被測定ガスが、幅が狭く形成された第１ガス流通部３１において整流化された後、幅が広く形成された第２ガス流通部３２に流通することとなる。その結果、外側側壁孔２４から流入してきた被測定ガスが第１ガス流通部３１及び第２流通部３２を円滑に流通して、内側側壁孔２３から内側カバー２１内に流入することとなる。そして、ｂ＜２ａを満たすように構成されていることから、取り込み部１３と内側側壁孔２３とが互いに十分近接して配置されている。これにより、内側側壁孔２３から内側カバー内に流入してきた被測定ガスが取り込み部１３に到達しやすくなる。すなわち、ガスセンサ１によれば、被測定ガスが内側カバー２１内を円滑に流入するとともに、取り込み部１３に到達しやすいため、センサ素子１０の検出精度を向上することができる。

本例では、センサ素子１０は積層型であるため、図８（Ａ）〜図８（Ｄ）に示すように、センサ素子１０は排気流れ方向Ｐに対して様々な向きで配置されうる。しかし、本例のガスセンサ１のインバランス検出性は、排気流れ方向Ｐに対するセンサ素子１０の向きによってばらつきが少ないため、本例のガスセンサ１によれば、積層型のセンサ素子１０を採用する場合に、インバランス値の検出精度を一層向上させることができる。

本例では、４気筒のエンジンに適用したがこれに限らない。例えば、６気筒や８気筒等の多気筒のエンジンに適用すれば、従来、インバランス検出性の向上が求められているこれらの多気筒エンジンにおいて、インバランス検出精度を向上させることができる。そのためインバランス量が少なくても十分検出できることから、６気筒や８気筒等の多気筒のエンジンにおいてもインバランスＯＢＤ（On Board Diagnostics）への適合が容易となる。

以上のごとく、本例によれば、内燃機関の空燃比制御をより高精度に行うことができるガスセンサを提供することができる。

（実施例２）
図１１に示すように、本例のガスセンサ１は、実施例１の場合に比べて、内側側壁孔２３が基端側Ｙ２に形成されている。本例のガスセンサ１においても、ｂ＜２ａ、ｄ＞１．５ｃの関係を満たしているため、実施例１の場合と同様の作用効果を奏する。

１ ガスセンサ
１０ センサ素子
１１ 検出部
１３ 取り込み部
２０ 被測定ガス側カバー
２１ 内側カバー
２２ 外側カバー
２３ 内側側壁孔
２４ 外側側壁孔
３０ ガス流通部
３１ 第１ガス流通部
３２ 第２ガス流通部

Claims (2)

1. 被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出部（１１）を備えるセンサ素子（１０）と、
   上記検出部（１１）を覆う内側カバー（２１）と、該内側カバー（２１）との間に被測定ガスが流通するガス流通部（３０）を形成するように上記内側カバー（２１）を覆う外側カバー（２２）とからなる被測定ガス側カバー（２０）と、
   を備え、
   上記検出部（１１）には、被測定ガスを取り込む取り込み部（１３）が形成されており、
   上記ガス流通部（３０）は、上記内側カバー（２１）の側壁（２１ａ）と上記外側カバー（２２）の側壁（２２ａ）との間において、先端側（Ｙ１）に位置する第１ガス流通部（３１）と、該第１ガス流通部（３１）よりも基端側（Ｙ２）に位置するとともに該第１ガス流通部（３１）よりも幅広に形成される第２ガス流通部（３２）とを有しており、
   上記内側カバー（２１）の側壁（２１ａ）には、上記第２流通部（３２）に対向する位置に被測定ガスが流通する内側側壁孔（２３）が形成されており、
   上記外側カバー（２２）の側壁（２２ａ）には、上記内側側壁孔（２３）よりも先端側（Ｙ１）の位置に、被測定ガスが流通する外側側壁孔（２４）が形成されており、
   上記取り込み部（１３）の軸方向（Ｙ）の長さをａとし、上記内側側壁孔（２３）と上記取り込み部（１３）との軸方向（Ｙ）における距離をｂとしたとき、ｂ＜２ａの関係を満たすとともに、
   上記第１ガス流通部（３１）における上記内側カバー（２１）の側壁（２１ａ）と上記外側カバー（２２）の側壁（２２ａ）との距離をｃとし、上記第２ガス流通部（３２）における上記内側側壁孔（２３）の上記軸方向（Ｙ）の位置での上記内側カバー（２１）の側壁（２１ａ）と上記外側カバー（２２）の側壁（２２ａ）との距離をｄとしたとき、ｄ＞１．５ｃの関係を満たすことを特徴とするガスセンサ。
2. 上記ガスセンサ素子（１０）は、積層型であることを特徴とするガスセンサ（１）。

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