JP3398275B2 - 内燃機関の空燃比センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気管
に装着して該機関に供給される混合気の空燃比と密接な
関係にある排気中の酸素等特定成分の濃度に感応して空
燃比を測定する空燃比センサに関し、特に、触媒下流の
排気管に設けられる空燃比センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】空燃比センサとしての酸素センサは、ジ
ルコニア等よりなるセンサ素子を機関排気中に臨ませ
て、大気中の酸素濃度（一定）と排気中の酸素濃度との
比に基づいて発生する起電力を取り出し、これにより、
排気中の酸素濃度を介して機関に吸入される混合気の空
燃比（リッチ／リーン）を検出するもので、空燃比フィ
ードバック制御に用いられている（実開昭６３−４１７
６１号公報等参照）。

【０００３】従来、この種の酸素センサとしては、例え
ば図４に示すような構造を有したセラミック管型の酸素
センサがある。この酸素センサ11は、ホルダ12の先端部
に、センサ素子としてのセラミック管13を保持させ、こ
れを排気を導入するための通気用開口部14ａを有するプ
ロテクタ14によって覆ってある。図５は、センサ素子の
構造の一例を詳細に示したものである（特開昭５８−２
０４−３６５号公報等参照）。先端部を閉塞した酸化ジ
ルコニウム（ＺｒＯ₂ ）を主成分としたセラミック管13
の内表面と外表面との各一部には白金（Ｐｔ）ペースト
を塗布した後、セラミック管13を焼成することで、起電
力取り出し用の白金電極15、16をそれぞれ形成してあ
る。セラミック管13の外表面には、更に白金を蒸着して
触媒層17を形成し、その上からマグネシウムスピネル等
の金属酸化物を溶射して、保護層18を形成してある。

【０００４】そして、前記セラミック管13の内側に基準
気体として大気が導かれるようにする一方、セラミック
管13の外側を機関排気通路に臨ませて被検出気体である
排気と接触させ、内表面に接触する大気中の酸素濃度と
外表面に接触する排気中の酸素濃度との比に応じた電圧
を白金電極15、16間に発生させることにより、排気中の
酸素濃度を検出するものである。

【０００５】前記白金触媒層17は、一酸化炭素や炭化水
素の酸化反応を促進し、濃混合気で燃焼させた時にその
部分に残存する低濃度の酸素を一酸化炭素や炭化水素と
良好に反応させて酸素濃度をゼロに近くし、セラミック
管13内外の酸素濃度比を大きくして、大きな起電力を発
生させる。逆に、希薄混合気で燃焼させた時には、排気
中に高濃度の酸素と低濃度の一酸化炭素や炭化水素が存
在する。このため、白金触媒層17の作用による酸化反応
後にもまだ酸素が余り、セラミック管13内外の酸素濃度
比は小さくなるので、ほとんど起電力は発生しない。

【０００６】ところで、上記のような酸素センサは、排
気浄化用触媒の上流側に設けるのが一般的であるが、特
開昭６２−２２３４３３号公報等に開示されるような空
燃比制御システムにおいては、図６に示すように、触媒
19の上流側および下流側の両方に、それぞれ酸素センサ
11を設けて空燃比を制御するようにしている。このよう
な場合、触媒の下流側では排気温度が低いため、図４に
示すように、酸素センサ11を加熱・活性化させるために
棒状のヒータ20をセンサ素子であるセラミック管13の空
洞内に配置して、所定の運転条件でヒータ20に通電して
セラミック管13を加熱するようにしている。

【０００７】一方、燃焼によって発生した水蒸気は触媒
19を通過する際に冷却され、特に機関始動直後の低温時
にはこの水蒸気が凝縮し、触媒19下流側で水滴になると
いう現象が生じている。そして、これらの水蒸気や水滴
がプロテクタ14の通気用開口部14ａから侵入し、ヒータ
20で十分な活性温度にまで暖められているセラミック管
13に付着すると、熱衝撃が発生して素子割れの生じる原
因となっていた。

【０００８】このため、従来の酸素センサ11では、図７
に示すように、プロテクタ14の通気用開口部14ａの面積
を必要最小限に抑えることで、プロテクタ14内への水の
侵入を可及的に防止する構造としていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の空燃比センサでは、プロテクタの通気用開口
部の面積が小さいため、プロテクタ内にガスが滞留して
入れ換わりが遅く、排気の変化に対するセンサの応答性
が鈍くなるという問題点があった。このため、前述した
空燃比制御システムの制御周波数を上げることができな
いという問題も生じていた。

【００１０】また、開口面積は小さいものの、これを通
して直接センサ素子が覗ける構造になっているため、通
気用開口部に水が直接当たるような場合には、プロテク
タ内に水が侵入する可能性もあり、センサ素子を完全に
保護することができないという問題点もあった。さら
に、プロテクタ内部への水の侵入は、センサ素子の直接
的な損傷（割れ）には到らないまでも、水に溶解してい
るＳ、Ｆe 、Ｃa 、Ｚn 等がセンサ素子表面の保護層に
付着することにより該保護層の目詰まりを引き起こす場
合があり、この目詰まりにより保護層を通過する排気の
通過量が制限され、センサの応答性に悪影響を及ぼし、
センサ特性の劣化につながるといった問題点もあった。

【００１１】本発明はこのような従来の問題点に鑑み、
センサ素子を確実に保護しつつ、優れた応答性を有する
空燃比センサを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に係
る発明では、機関の排気系のうち排気浄化用触媒の下流
側に介装され、排気流通可能に形成した略筒状のプロテ
クタにより覆われて排気中に臨むセンサ素子部により排
気中の特定成分の濃度に感応して機関に供給される混合
気の空燃比を検出する内燃機関の空燃比センサにおい
て、前記プロテクタを内外二重筒構造とし、内筒と外筒
とのそれぞれの周壁面に通気用開口部を設け、前記内筒
と前記外筒とを、前記外筒の通気用開口部が前記内筒の
壁面に対応し、かつ前記内筒の通気用開口部が前記外筒
の壁面に対応するように前記内筒及び外筒の基端部が重
なり合う状態で、センサ素子部のホルダ先端に形成され
た突起部にはめ込むとともに、この嵌合部において外周
全体に渡ってレーザ溶接して前記ホルダに固定したこと
を特徴とする。

【００１３】これにより、排気管内に生じた水滴が直接
センサ素子に当たることを防止するとともに、プロテク
タとホルダとの間で防水性を向上させる。また、請求項
２に係る発明では、前記外筒の通気用開口部と前記内筒
の通気用開口部とは、同形状の孔が同数ずつ、同一の規
則に従って配列されたものであることを特徴とし、通気
用開口部をプロテクタの外筒と内筒との周壁に均一に配
置する。

【００１４】また、請求項３に係る発明では、前記外筒
の通気用開口部の面積と前記内筒の通気用開口部の面積
とは、共にそれぞれの周壁の表面積の５〜10％の範囲で
あることを特徴とし、センサ素子の保護に支障のない範
囲内で通気用開口部の面積を拡大する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は本発明の空燃比センサ（酸
素センサ）１の構造を示す断面図である。機関排気管に
取り付けられるホルダ２の先端部に、センサ素子として
のセラミック管３を保持させ、これをプロテクタ４によ
って覆ってある。このセラミック管３の構造およびその
内部に設置されるヒータ（図示せず）等は、図４に示し
た従来のものと同様である。

【００１６】図２はプロテクタ４の構造を示す断面図で
ある。このプロテクタ４は内外二重筒構造を成し、内筒
５の周壁には、周囲複数箇所から排気を取り入れるため
に、通気用開口部としての排気取入孔６が所定数だけ規
則的に設けてある。図２に示した例では、直径２mmの丸
孔を軸線方向に３つ穿孔し、これを周方向に６列設ける
ことにより、計18個の排気取入孔６を配設してある。

【００１７】外筒７の周壁にも内筒５と同形の排気取入
孔８を同数だけ同様の規則に従って設けてあるが、内筒
５の排気取入孔６とは位置をずらし、内筒５の排気取入
孔６が外筒７の壁面に対応し、外筒７の排気取入孔８が
内筒５の壁面に対応するように配設してある。これによ
り、排気はプロテクタ４の外筒７の排気取入孔８から取
り入れられ、内筒５との環状の隙間を通過して、内筒５
の排気取入孔６からその内部空間へ導かれる。そして、
セラミック管３に接触した後、逆の経路をたどって外部
へ排出される。

【００１８】このような構造では、通気用開口部の面積
を大きくとれるため、プロテクタ４内外の気体の流通が
円滑・迅速に行われる。また、プロテクタ４によって覆
われるセラミック管３を外部から直接覗くことはでき
ず、排気管内に発生した水が直接セラミック管３に当た
ることがなくなる。従って、空燃比センサ１の活性化の
ためにセラミック管３がヒータによって加熱されている
場合でも、熱衝撃を防止するとともに、水に含まれる不
純物のセラミック管３への付着をなくして、空燃比セン
サ１の延命を図ることができる。

【００１９】尚、プロテクタ４は、従来、ホルダ２に加
締め加工により固定されていたが、これを全周レーザ溶
接等によって固定することで、より防水性を高めること
ができる。プロテクタ４の半径方向から見たときに内筒
５の排気取入孔６と外筒７の排気取入孔８とが重ならな
いようにするためには、その開口面積の上限が制限され
るが、プロテクタ４内部の換気性をも考慮して、排気取
入孔６の合計面積および排気取入孔８の合計面積を、そ
れぞれの周壁面の表面積の５〜10％にするのが望まし
い。

【００２０】図３は、空燃比センサのプロテクタの表面
積に対する通気用開口部の面積の比率と空燃比制御シス
テムの制御周波数との関係を表すグラフであり、実線Ａ
は本発明の空燃比センサを用いた場合を、破線Ｂは従来
の空燃比センサを用いた場合を示している。通気用開口
部の面積比が小さい領域に制限された従来の空燃比セン
サでは、点ｂのように、制御周波数も頭打ちになってい
る。一方、本発明の空燃比センサでは、同一開口面積比
においては、通気抵抗の少ない従来の空燃比センサより
もやや劣るものの、開口面積比を大きくとることができ
るため、例えば点ａのように、結果的により高い制御周
波数を実現することが可能となっている。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に係る発
明によれば、外部から直接センサ素子を覗くことができ
ないため、排気管内に発生した水が、活性化のために加
熱されたセンサ素子に直接当たることはなく、熱衝撃に
よる損傷を防止することができ、水に含まれる不純物に
よるセンサ特性の劣化も防止できるという効果がある。
また、通気用開口部を大きくとることができるので、プ
ロテクタ内外の気体の流通が円滑になり、空燃比制御シ
ステムの制御周波数を高くしても、それに追随した有効
な応答を得ることができるという効果がある。さらに、
プロテクタを構成する内筒と外筒とをレーザにより全周
に渡って溶接したため、防水性を高めることができる。

【００２２】また、請求項２に係る発明によれば、通気
用開口部をプロテクタの外筒と内筒との周壁に均一に配
置することで、通気抵抗を減少させ、プロテクタ内部へ
の排気の流入と排出とをスムーズにし、空燃比制御シス
テムのより高い制御周波数を実現できるという効果があ
る。また、空燃比センサの排気管への取り付け方に影響
されず、正確なデータ検出が可能になるという効果もあ
る。

【００２３】また、請求項３に係る発明によれば、セン
サ素子の保護と通気用開口部の面積拡大とを高いレベル
で両立させることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の空燃比センサの構造を示す断面図

【図２】 プロテクタの構造を示す断面図

【図３】 空燃比センサのプロテクタの表面積に対する
通気用開口部の面積の比率と空燃比制御システムの制御
周波数との関係を表すグラフ

【図４】 従来の空燃比センサの構造を示す一部切欠き
断面図

【図５】 従来の空燃比センサのセンサ素子の構造を示
す断面図

【図６】 空燃比センサの機関への取り付け位置を示す
概略図

【図７】 従来の空燃比センサのプロテクタの構造を説
明する断面図

【符号の説明】

１ 酸素センサ ２ ホルダ ３ セラミック管 ４ プロテクタ ５ 内筒 ６ 内筒の排気取入孔 ７ 外筒 ８ 外筒の排気取入孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−196886（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−249069（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−26842（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−285849（ＪＰ，Ａ) 実開 昭53−103785（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−82264（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭53−16491（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−137363（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/409 G01N 27/12 G01N 27/41

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機関の排気系のうち排気浄化用触媒の下流
   側に介装され、排気流通可能に形成した略筒状のプロテ
   クタにより覆われて排気中に臨むセンサ素子部により排
   気中の特定成分の濃度に感応して機関に供給される混合
   気の空燃比を検出する内燃機関の空燃比センサにおい
   て、 前記プロテクタを内外二重筒構造とし、内筒と外筒との
   それぞれの周壁面に通気用開口部を設け、前記内筒と前
   記外筒とを、前記外筒の通気用開口部が前記内筒の壁面
   に対応し、かつ前記内筒の通気用開口部が前記外筒の壁
   面に対応するように前記内筒及び外筒の基端部が重なり
   合う状態で、センサ素子部のホルダ先端に形成された突
   起部にはめ込むとともに、この嵌合部において外周全体
   に渡ってレーザ溶接して前記ホルダに固定したことを特
   徴とする空燃比センサ。
2. 【請求項２】前記外筒の通気用開口部と前記内筒の通気
   用開口部とは、同形状の孔が同数ずつ、同一の規則に従
   って配列されたものであることを特徴とする請求項１記
   載の空燃比センサ。
3. 【請求項３】前記外筒の通気用開口部の面積と前記内筒
   の通気用開口部の面積とは、共にそれぞれの周壁の表面
   積の５〜10％の範囲であることを特徴とする請求項１ま
   たは請求項２記載の空燃比センサ。