JP2016200084A - 空燃比センサ、及びそれを用いたインバランス判定システム - Google Patents

Abstract

【課題】保護チューブの影響による検出素子の被毒を防止し、インバランスが生じた気筒を適切に判定することが可能な空燃比センサ、及びそれを用いたインバランス判定システムを提供する。【解決手段】検出素子１０と、検出素子の周囲を取り囲む筒状のハウジング５０と、ハウジングの後端側に接続された筒状のケース６５と、検出素子に電気的に接続され、ケースの内部から外部に取り出されたリード線６４と、ケースの外部でリード線を覆う保護チューブ６８と、を備え、多気筒内燃機関１００の気筒＃１〜＃４間の空燃比のインバランスを判定するインバランス判定用の空燃比センサ１において、保護チューブは、ガラス繊維の編組体の表面にアクリル樹脂が塗布されてなるか、又はポリフェニレンサルファイド繊維とポリエーテルエーテルケトン繊維との編組体からなる。【選択図】図２

Description

本発明は、多気筒内燃機関の気筒間の空燃比のインバランスを判定するインバランス判定に用いられる空燃比センサ、及びそれを用いたインバランス判定システムに関する。

複数の気筒を有する多気筒内燃機関においては、各気筒に設けられたインジェクタの噴射性能や気筒毎の吸入空気配分量がばらつき、気筒間で実際の空燃比がばらつく結果として、特定気筒の燃焼が悪化し、排気エミッションが悪化するおそれがある。そこで、多気筒内燃機関の排気側に空燃比センサを取り付け、この空燃比センサの出力に基づいて、気筒間の空燃比ばらつき（空燃比インバランス）の有無を判定している。
ところで、空燃比センサは、排気ガス中の酸素等のガスの濃度を検出する検出素子をハウジングやケース等に収容すると共に、検出素子に電気的に接続されたリード線をケースの内部から外部に引き出した構成を有している。そして、このリード線にコネクタ等を介して外部回路（ＥＣＵ）が接続され、検出素子からの出力信号を取り出してインバランスの異常検出を行っている。
さらに、ケースの外部に露出したリード線を保護チューブで覆うことで、リード線の破損を防止したり、外部からの熱によるリード線の劣化を抑制している（特許文献１参照）。

特開２００８−３０７６号公報（段落０００２、００３５）

ところで、保護チューブとしては、ガラス繊維の編組体にシリコーンワニスを塗布したものが知られている。このような保護チューブは、空燃比センサのケースの外部に引き出したリード線を覆った状態で出荷される。ところが、出荷中に保護チューブのシリコーンワニスに含まれるシロキサンが揮発して検出素子の検知部（特に、電極）に付着して、電極が被毒することが判明した。この場合、センサ使用時に、センサ出力に遅れを生じさせることとなる。
センサ出力に遅れが生じると、図４に示すように、例えば４気筒エンジンの第３気筒のセンサ出力（空燃比）はタイミングｔ３で本来の出力特性（図４の実線）が得られるのに対し、センサ出力が遅れると第４気筒のセンサ出力（空燃比）を検出するタイミングｔ４で誤った出力特性（図４の破線）を取得してしまい、インバランスが生じた気筒を適切に判定することが困難になる。
従って、本発明は、保護チューブの影響による検出素子の被毒を防止し、インバランスが生じた気筒を適切に判定することが可能なインバランス判定に用いられる空燃比センサ、及びそれを用いたインバランス判定システムの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の空燃比センサは、軸線方向に延びる検出素子と、前記検出素子の周囲を取り囲む筒状のハウジングと、前記ハウジングの後端側に接続された筒状のケースと、前記検出素子に電気的に接続され、前記ケースの内部から外部に取り出されたリード線と、前記ケースの外部で前記リード線を覆う保護チューブと、を備え、多気筒内燃機関の気筒間の空燃比のインバランスを判定するインバランス判定用の空燃比センサにおいて、前記保護チューブは、ガラス繊維の編組体の表面にアクリル樹脂が塗布されてなるか、又はポリフェニレンサルファイド繊維とポリエーテルエーテルケトン繊維との編組体からなる。
この空燃比センサによれば、保護チューブが、ガラス繊維の編組体の表面にアクリル樹脂が塗布されてなるか、又はポリフェニレンサルファイド繊維とポリエーテルエーテルケトン繊維との編組体からなる。これにより、リード線を保護チューブで覆った状態で空燃比センサを出荷している途中で、保護チューブにシロキサンが含まれないので、シロキサンが揮発して検出素子の検知部（特に電極）に付着し、電極が被毒することを防止できる。その結果、センサ出力に遅れを生じさせることが無く、インバランスが生じた気筒を適切に判定することができる。また、上述の保護チューブを用いることで、保護チューブの本来の役割である、リード線の破損を防止したり、外部からの熱によるリード線の劣化を抑制することができる。

本発明のインバランス判定システムは、多気筒内燃機関の排気側に取り付けられた空燃比センサと、前記空燃比センサの出力に基づいて、前記多気筒内燃機関の気筒間の空燃比のインバランスを判定する判定手段と、を備えたインバランス判定システムにおいて、前記空燃比センサとして請求項１に記載の空燃比センサを用い、前記判定手段が前記リード線と電気的に接続されている。
このような、インバランス判定システムに、上述の保護チューブを用いた空燃比センサを用いることで、センサ出力に遅れを生じさせることが無く、インバランスが生じた気筒を適切に判定することができる。

この発明によれば、保護チューブの影響による検出素子の被毒を防止し、インバランスが生じた気筒を適切に判定することができる。

本発明の空燃比インバランス判定システムを適用するエンジンの一例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態に係る空燃比センサの外観図である。 本発明の実施形態に係る空燃比センサの軸線方向に沿う断面構造図である。 従来の空燃比センサを用いたインバランス判定の模式図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の空燃比インバランス判定システムを適用するエンジン１００の一例を示す概略構成図である。
エンジン１００は、車両に搭載されるポート噴射式４気筒エンジン（火花点火式内 燃機関）であって、各気筒＃１，＃２，＃３，＃４を構成するシリンダブロック（図示せず）内にピストン（図示せず）が設けられている。エンジン１００の燃焼室には点火プラグ１０３が配置されている。エンジン１００には吸気通路１１１と排気通路１１２とが接続され、吸気通路１１１の一部は吸気ポート１１１ａ及び吸気マニホールド（図示せず）によって形成されている。また、排気通路１１２の一部は排気ポート１１２ａ及び排気マニホールド１１２ｂによって形成されている。
エンジン１００の吸気通路１１１には、吸気を濾過するエアクリーナ１０７、熱線式のエアフロメータ１３３、吸気温センサ１３４（エアフロメータ１３３に内蔵）、ターボチャージャ３００、インタークーラ１０４及び、エンジン１００の吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ１０５などが配置されている。スロットルバルブ１０５はスロットルモータ１０６によって駆動される。スロットルバルブ１０５の開度はスロットル開度センサ１３５によって検出される。

そして、吸気通路１１１の吸気ポート１１１ａには、燃料を噴射可能なインジェクタ（燃料噴射弁）１０２が配置されている。インジェクタ１０２は各気筒＃１〜＃４毎に設けられている。これらインジェクタ１０２・・１０２は共通のデリバリパイプ１９１に接続され、デリバリパイプ１９１には燃料が供給される。そして、インジェクタ１０２で噴射された燃料が吸入空気と混合されて混合気となって各気筒＃１〜＃４内で、第１気筒＃１→第３気筒＃３→第４気筒＃４→第１０２気筒＃２の順で燃焼・爆発する。燃焼ガスは排気通路１１２に排出される。
以上のエンジン１００の運転状態はＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２００によって制御される。

一方、エンジン１００の排気通路１１２には上流触媒１８１と下流触媒１８２とが直列に配置されている。これら上流触媒１８１及び下流触媒１８２は共に三元触媒を構成する。上流触媒１８１の上流側（排気流れの上流側）の排気通路１１２には空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）１が設けられている。また、上流触媒１８１の下流側（排気流れの下流側）の排気通路１１２にはＯ２センサ（酸素センサ）１３８が配置されている。Ｏ２センサ１３８は、理論空燃比（ストイキ）近傍で出力値がステップ状に変化する酸素濃度センサである。
空燃比センサ１については後述する。又、空燃比センサ１はリード線６４及びリード線６４を覆う保護チューブ６８を備えており（図２参照）、リード線６４を介して空燃比センサ１がＥＣＵ２００に電気的に接続されている。空燃比センサ１が特許請求の範囲の「空燃比センサ」に相当する。又、空燃比センサ１及びＥＣＵ２００が特許請求の範囲の「インバランス判定システム」に相当し、ＥＣＵ２００が特許請求の範囲の「判定手段」に相当する。
以上の空燃比センサ１及びＯ２センサ１３８の各出力信号はＥＣＵ２００に入力される 。ＥＣＵ２００は、空燃比センサ１及びＯ２センサ１３８の出力に基づいて空燃比フィードバック制御（ストイキ制御）を実行する。

ＥＣＵ２００は、公知のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒ ａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などを備えている。ＲＯＭには、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭは、ＣＰＵでの演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶する。
そして、ＥＣＵ２００は、上記した各種センサの検出信号に基づいて、エンジン１００の各種制御の他、上記した空燃比フィードバック制御を実行する。さらに、ＥＣＵ２００は、空燃比インバランスを判定する。
空燃比インバランス判定は、インジェクタ１０２などの燃料供給系やエアフロメータ１３３などの空気系に、エンジン１００の全気筒＃１〜＃４に影響を及ぼすような異常が発生した場合、空燃比のメインフィードバック制御の補正量の絶対値が大きくなるため、これをＥＣＵ２００でモニタすることで検出できる。例えば、料噴射量が全体的にストイキ相当量に対して、所定量ずれている場合、そのずれ量を補正するような補正量で補正を行う。このフィードバック補正量が所定の判定閾値以上となったときに、燃料供給系もしくは空気系が異常であることを検出することができる。
又、上述のように第１気筒＃１→第３気筒＃３→第４気筒＃４→第１０２気筒＃２の順で燃焼・爆発することから、上述の図４に示したように、各気筒ごとにこの順のタイミングで空燃比センサ１の出力特性が得られるので、これら出力特性に基づいて各気筒ごとのストイキ相当量を取得することができる。

次に、図２、図３を参照し、空燃比センサ１について説明する。
図２は、本発明の実施形態に係る空燃比センサ１の外観図である。空燃比センサ１は、検出素子１０（図３参照）と、検出素子１０の周囲を取り囲む筒状の主体金具（特許請求の範囲の「ハウジング」に相当）５０と、ハウジングの後端側に接続された外筒（特許請求の範囲の「ケース」に相当）６５と、ケース６５の内部から外部に取り出されたリード線６４と、ケース６５の外部でリード線６４を覆う保護チューブ６８と、リード線６４の端部に接続されたコネクタ部６９等とを備えている。そして、コネクタ部６９（例えば、雄コネクタ）が、ＥＣＵ２００の対コネクタ（例えば、雌コネクタ；図示せず）に電気的に接続されている。
図３は、本発明の実施形態に係る空燃比センサ１の軸線Ｏ方向に沿う断面構造を示す。この実施形態において、空燃比センサ１は自動車の排気管内に挿入されて先端（図３の矢印Ｆ側）が排気ガス中に曝され、排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出する全領域空燃比センサになっている。そして、検出素子１０は、酸素イオン伝導性の固体電解質体に一対の電極を積層した酸素濃淡電池を構成し、酸素量に応じた検出値を出力する公知の検出素子である。
なお、図３の下側（矢印Ｆ側）を空燃比センサ１の先端側とし、図３の上側を空燃比センサ１の後端側とする。

空燃比センサ１は、排気管に固定されるための雄ねじ部５１が外表面に形成された筒状の主体金具５０と、主体金具５０の後端に接続される外筒６５と、主体金具５０の先端に接続されるプロテクタ８と、軸線Ｏ方向に延びる板状形状をなす検出素子１０と、検出素子１０の径方向周囲を取り囲むように主体金具５０内に配置される筒状のフランジ部２４、シール材２６及びセラミックスリーブ２７と、検出素子の後端部を取り囲むセパレータ６０と、セパレータ６０を保持する保持金具７０と、検出素子１０の後端に電気的に接続される接続端子６１と、外筒６５の後端を閉塞するグロメット７５等とを備えている。

検出素子１０は先端に検出部１１（上記した酸素濃淡電池の電極）を有し、又、図示しないヒータを積層してなる。検出素子１０の後端には、検出部１１から出力される検出値を取り出したり、ヒータを動作させるための５つの電極パッド１６（図３では、２個図示）を設けた電極部１２が形成されている。

主体金具５０は略筒状に構成され、先端側から後端側にかけて順に、先端係合部５６、雄ねじ部５１、六角レンチ等を係合するための拡径された鍔部５２、後端部５７、加締め部５３とを備えている。又、鍔部５２の先端面と雄ねじ部５１の後端との間の段部には、排気管に取付けた際のガス抜けを防止するガスケット５５が嵌挿されている。
さらに、主体金具５０は、軸線Ｏ方向に貫通する貫通孔５８を有し、貫通孔５８の径方向内側に棚部５４が突出し、棚部５４は、軸線Ｏ方向に垂直な平面に対して傾きを有する内向きのテーパ面として形成されている。

主体金具５０の貫通孔５８の内部には、検出素子１０の径方向周囲を取り囲む状態で環状形状のセラミックリング２１、滑石からなるシール材２２、２６、および上述のセラミックスリーブ２７がこの順に先端側から後端側にかけて積層されている。セラミックリング２１及びシール材２２と主体金具５０との間には金属カップ２０が配置され、金属カップ２０は棚部５４に係止している。そして、シール材２２が押し潰されることによりセラミックリング２１、シール材２２及び金属カップ２０が一体のフランジ部２４となって検出素子１０を保持すると共に気密性を維持する。
従って、検出素子１０の先端側が貫通孔５８の先端側から突出し、電極パッド１６が貫通孔５８の後端側から突出した状態で、検出素子１０が主体金具５０に保持される。
なお、セラミックスリーブ２７と主体金具５０の加締め部５３との間には、セラミックスリーブ２７の肩部２８に沿って加締めパッキン２９が配置されており、加締めパッキン２９を介して加締め部５３を下方（先端側）へ加締めることにより、セラミックスリーブ２７が先端側に押し付けられ、シール材２２、２６を押し潰している。

一方、主体金具５０の先端係合部５６の外周には、検出素子１０の突出部分を覆うと共に、複数の孔部８５、９５を有する有底筒状で金属製（例えば、ステンレスなど）二重の外側プロテクタ８０および内側プロテクタ９０が、溶接等によって取り付けられている。

そして、主体金具５０の後端部５７の外周を囲んで筒状の外筒６５が固定され、外筒６５は検出素子１０の後端側を収容している。外筒６５の内部には、検出素子１０の電極部１２を取り囲むセパレータ６０が配置されている。セパレータ６０は軸線方向に貫通するコンタクト挿通孔６０ａを有する筒状をなし、コンタクト挿通孔６０ａの内面に設けられた接続端子６１が検出素子１０の各電極パッド１６にそれぞれ電気的に接続するようになっている。そして、接続端子６１に接続された５本のリード線６４（図３では３本のみ）がコンタクト挿通孔６０ａを通って外筒６５の後端側に引き出されている。
なお、セパレータ６０と外筒６５の間に筒状金属製の保持金具７０が配置され、保持金具７０の後端が内側に折り曲げられて支持部７１を形成している。そして、セパレータ６０の後端側に設けた拡径の鍔部６２を支持部７１に係止させて、セパレータ６０が保持金具７０に保持される。保持金具７０は、外筒６５と共に内側へ向かって加締められて外筒６５の所定位置に固定される。
さらに、外筒６５の後端開口部をグロメット７５が閉塞し、各リード線６４はグロメット７５を軸線方向に貫通するリード線挿通孔７６を通って気密に挿通され、外部に引き出される。グロメット７５は外筒６５と共に内側へ向かって加締められて外筒６５の後端に固定され、さらにセパレータ６０の後面を先端側へ押圧している。
なお、図３では、保護チューブ６８の表示を省略してある。

本発明において、保護チューブ６８は、ガラス繊維の編組体の表面にアクリル樹脂が塗布されてなるか、又はポリフェニレンサルファイド繊維とポリエーテルエーテルケトン繊維との編組体からなり、保護チューブ６８の成分にシロキサンが含まれない。
このため、リード線６４を上述の保護チューブ６８で覆った状態で空燃比センサ１を出荷している途中で、保護チューブ６８にシロキサンが含まれないので、シロキサンが揮発して検出素子１０の検知部（特に電極）に付着し、電極が被毒することを防止できる。その結果、センサ出力に遅れを生じさせることが無く、インバランスが生じた気筒を適切に判定することができる。また、上述の保護チューブ６８を用いることで、保護チューブ６８の本来の役割である、リード線６４の破損を防止したり、外部からの熱によるリード線６４の劣化を抑制することができる。
なお、ガラス繊維の編組体にアクリル樹脂を塗布するとは、ガラス繊維の編組体の少なくとも表面にアクリル樹脂が塗着されていればよいが、ガラス繊維の編組体の内部にアクリル樹脂が含浸されているとさらに好ましい。
また、このようなインバランス判定システムに、上述の保護チューブ６８を用いた空燃比センサ１を用いることで、センサ出力に遅れを生じさせることが無く、インバランスが生じた気筒を適切に判定することができる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。

１ 空燃比センサ
１０ 検出素子
５０ 主体金具（ハウジング）
６４ リード線
６５ 外筒（ケース）
６８ 保護チューブ
１００ 多気筒内燃機関（エンジン）
＃１〜＃４ 気筒
２００ 判定手段（ＥＣＵ）
Ｏ 軸線方向

Claims (2)

1. 軸線方向に延びる検出素子と、
   前記検出素子の周囲を取り囲む筒状のハウジングと、
   前記ハウジングの後端側に接続された筒状のケースと、
   前記検出素子に電気的に接続され、前記ケースの内部から外部に取り出されたリード線と、
   前記ケースの外部で前記リード線を覆う保護チューブと、を備え、多気筒内燃機関の気筒間の空燃比のインバランスを判定するインバランス判定用の空燃比センサにおいて、
   前記保護チューブは、ガラス繊維の編組体の表面にアクリル樹脂が塗布されてなるか、又はポリフェニレンサルファイド繊維とポリエーテルエーテルケトン繊維との編組体からなる空燃比センサ。
2. 多気筒内燃機関の排気側に取り付けられた空燃比センサと、
   前記空燃比センサの出力に基づいて、前記多気筒内燃機関の気筒間の空燃比のインバランスを判定する判定手段と、を備えたインバランス判定システムにおいて、
   前記空燃比センサとして請求項１に記載の空燃比センサを用い、前記判定手段が前記リード線と電気的に接続されているインバランス判定システム。

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