JP3696456B2

JP3696456B2 - 防爆型可燃性ガスセンサ

Info

Publication number: JP3696456B2
Application number: JP29011399A
Authority: JP
Inventors: 隆之竹内; 尚久大山; 重樹大道; 文彦佐藤
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 1999-10-12
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2019-10-12
Also published as: JP2001108650A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素等の可燃性ガスを広い濃度範囲で検出可能であり、しかも可燃性ガスの燃焼による熱や火炎等が外部へ漏れるのを防止するための防爆型構造を備えた可燃性ガス濃度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料タンク内の燃料の蒸発により発生した可燃性ガス（燃料蒸気）を、吸着材を充填したキャニスタに一時的に吸着捕集し、内燃機関の運転時にパージして吸気系に送出する燃料蒸気処理システムが知られている。このシステムでは、吸気負圧を利用してキャニスタに大気を導入し、吸着材から燃料蒸気を脱離させている。一方で、排気系に設置した空燃比センサの検出結果に基づいて内燃機関の燃料噴射量を制御する燃料噴射制御が行われており、厳しくなる排出ガス規制に対応するために、より精度よい制御を行って、排気エミッションを低減することが必要となっている。
【０００３】
ところが、燃料蒸気処理システムを備えた内燃機関では、パージ通路を経て燃料蒸気が吸気系に流入するために、燃焼室内の空燃比が変動する。空燃比センサは排気系に設置されて間接的に燃焼室内の空燃比を測定しており、吸気系に流入する燃料蒸気濃度も把握できないため、燃料蒸気濃度の変動によって制御精度が悪化する問題があった。
【０００４】
そこで、吸気系に流入される燃料蒸気濃度を直接検出し、その濃度に応じて燃料噴射量を補正することが検討されている。従来、燃料蒸気のような可燃性ガスを検出するためのセンサとしては、接触燃焼式、半導体式のガスセンサが一般的であるが、検出濃度範囲が限られ、爆発範囲内の濃度を精度良く検出できない。一方、空燃比センサに用いられる限界電流式の酸素センサは、酸素濃度を広い濃度範囲で精度よく検出可能であることから、これを応用して、可燃性ガスを酸化反応させた後の残留酸素濃度から可燃性ガスを検知することが考えられる。このセンサは、図９に示すように、筒状ハウジング６１内に固体電解質を用いた限界電流式の酸素センサ素子部６２を保持してなり、その先端部は二重筒状のカバー体６３で保護されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、限界電流式の酸素センサを可燃性ガスの検出に用いる場合、センサ素子部６２がヒータ６５により約７００℃の高温に加熱されるため、可燃性ガス濃度が爆発範囲内にあると、可燃性ガスが発火するおそれがある。また、カバー体６３の通気孔６４径は通常φ１．５〜２．５ｍｍ程度であり、カバー体６３内で発生した火炎は、通気孔６４を容易に通過できるため、カバー体６３外部の可燃性ガスに引火するおそれがあった。
【０００６】
なお、燃料蒸気処理システムにおいて、吸気系に可燃性ガスセンサを設けた例としては、特開平４−３６０５６号公報に、キャニスタと吸気系の間のパージ通路に可燃性ガスセンサを設けた例があるが、これはシステムの故障診断用として設けられたものである。この場合も、素子温度が７００℃程度の高温になるのは同様であるが、パージ通路へ洩れ出てくる燃料蒸気を検出するため、爆発濃度範囲（ガソリンの爆発濃度下限値（１．４％））未満で使用しており、爆発範囲内で使用されている例はない。
【０００７】
そこで、本発明は、爆発濃度範囲にある可燃性ガス中でも使用でき、カバー体内で火炎を生じてもセンサ外部の可燃性ガスに引火・爆発することがない、高性能な防爆型の可燃性ガスセンサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の防爆型可燃性ガスセンサは、筒状ハウジング内に保持され、被測定ガス中の可燃性ガスを酸素と反応させた後の酸素量から可燃性ガス濃度を検出する可燃性ガス検出素子と、上記ハウジングの一端側から被測定ガス存在空間に突出する上記可燃性ガス検出素子先端部の外周囲を保護する耐熱性カバー体とを設けてなる。そして、上記カバー体を、通気孔を備えた内側カバーおよび外側カバーの二重構造とするとともに、上記外側カバーの通気孔を、上記内側カバー内で発生する火炎を上記通気孔の通過時に壁面による奪熱で消炎させる消炎構造となしてある。
【０００９】
上記可燃性ガス検出素子は、素子表面が高温になるために、可燃性ガス濃度が高いと発火するおそれがある。上記構成では、上記外側カバーの通気孔が消炎構造となしてあるので、仮に火炎が発生しても、火炎の熱が上記通気孔を通過する際に、壁面に奪われて火炎が消失し、単なる圧力波として上記外側カバーの外部へ伝播する。よって、火炎が上記被測定ガス存在空間の可燃性ガスに引火・爆発することはなく、安全に、かつ広い濃度範囲の可燃性ガスを精度よく検出することができる。従って、例えば、燃料蒸気処理システムの燃料蒸気濃度検出に好適に利用され、燃料噴射量の制御精度を大幅に向上できる。
【００１０】
そして、請求項１の発明では、上記可燃性ガスがガソリン蒸気またはこれと同等以下の燃焼エネルギーの可燃性ガスであり、上記外側カバーの通気孔の相当直径Ｄ（ｍｍ）が、上記外側カバーの板厚をｔ（ｍｍ）、最高表面温度をＴ（℃）とした時に、下記式
Ｄ≦（１．６４×１０^-1）・ｌｏｇｔ−（１．４３×１０^-3）・Ｔ＋１．３８
を満足するように設定する。
【００１１】
上記消炎効果を得るためには、上記外側カバーの通気孔の大きさ、すなわち相当直径Ｄ（動水半径×４）が小さく、上記通気孔を通過する間に火炎の熱を壁面で吸収できることが必要である。また、消炎可能な相当直径Ｄは、可燃性ガスの種類、上記外側カバーの板厚ｔ、および最高表面温度Ｔにも影響される。例えば、可燃性ガスの種類がガソリン蒸気（または同等のもの）の時には、上記式を満足する相当直径Ｄであれば、消炎効果が得られることが実験的に分かっており、これを基に上記外側カバーの通気孔の大きさを設定することで、火炎伝播を確実に防止することができる。
【００１２】
請求項２の発明では、上記可燃性ガスがブタンガスまたはこれと同等以下の燃焼エネルギーの可燃性ガスであり、上記外側カバーの通気孔の相当直径Ｄ（ｍｍ）が、上記外側カバーの板厚をｔ（ｍｍ）、最高表面温度をＴ（℃）とした時に、下記式
Ｄ≦（１．６４×１０^-1）・ｌｏｇｔ−（１．４３×１０^-3）・Ｔ＋１．５８
を満足するように設定する。
【００１３】
可燃性ガスの種類がブタンガス（または同等のもの）の時には、上記式を満足するように、上記外側カバーの通気孔の大きさを設定することで、同様の消炎効果が得られ、火炎伝播を確実に防止することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。図２は燃料蒸気処理システムの概略構成を示す図で、本発明の防爆型可燃性ガスセンサＳは燃料蒸気濃度を検出するために用いられる。図中、自動車エンジンの燃焼室Ｅには、燃料タンクＴから供給されるガソリン等の燃料がインジェクタＩを介して噴射されるようになしてある。燃料タンクＴは通路５１にてキャニスタＣに連通し、燃料タンクＴ内の燃料蒸気は、該通路５１からキャニスタＣに送られて活性炭等の吸着材に一時的に吸着保持される。キャニスタＣはパージ通路５２によってスロットル弁５３とサージタンク５４間の吸気路に連通しており、エンジン運転時に吸気負圧を利用してキャニスタＣ内の燃料蒸気をパージする。燃料蒸気は、パージ通路５２を経て吸気とともに燃焼室Ｅ内に導入され、インジェクタＩから噴射される燃料とともに燃焼する。なお、図中、５５はＥＧＲ通路である。
【００１７】
本発明の防爆型可燃性ガスセンサＳは、サージタンク５４内に配置されて被測定ガス中の可燃性ガス、すなわち吸気中の燃料蒸気濃度を測定する。図１に示すように、両端開口の筒状ハウジング１内には、可燃性ガス検出素子２が挿通保持され、ハウジング１より突出する検出素子２の先端部（図の下端部）は、ハウジング１の下端に固定されるカバー体３内に収容されている。検出素子２の後端部（図の上端部）外周は大気カバー４で覆われている。ハウジング１は、下端部外周に形成したねじ部によって、図２のサージタンク５４壁に固定され、これにより、カバー体３および検出素子２の先端部が被測定ガスが存在する空間、すなわちサージタンク５４内空間に位置する。
【００１８】
大気カバー４は筒状で、ハウジング１の上端開口に固定されており、検出素子２の後端部および該後端部に接続されるリード線４１の外周を保護している。大気カバー４は上端部を二重筒状として、その内外筒の対向位置にそれぞれ大気口４２、４３を設けてあり、これら大気口４２、４３から大気カバー４内に基準酸素濃度ガスとなる大気を導入するようになしてある。
【００１９】
可燃性ガス検出素子２には、固体電解質の酸素イオン導電性を利用した限界電流式の酸素センサ構造を有するものが好適に使用される。可燃性ガス検出素子２は、試験管状に形成されたジルコニア固体電解質２１と、その先端部近傍において内外周面の対向位置に設けた白金等の電極２２、２３とからなる。固体電解質２１の外表面には、拡散抵抗手段として多孔質アルミナ等からなる拡散抵抗層（図略）が形成されており、外周側の電極２３に拡散抵抗層を通過した被測定ガスが到達するようになしてある。一方、固体電解質２１の中空部は大気カバー４内と連通し、大気口４２、４３より導入される大気が、内周側の電極２２に到達するようになっている。固体電解質２１の中空部にはヒータ２４が収容され、その発熱部が固体電解質２１の電極２２、２３に対向している。電極２２、２３は、固体電解質２１表面に形成したリード部（図略）を通じてリード線４１に接続される。
【００２０】
上記構成の可燃性ガス検出素子２の検出原理を説明する。被測定ガスは、拡散抵抗層を介して所定の拡散抵抗で外周側の電極２３に到達する。一方、内周側の電極２２は、中空部内に導入される基準酸素濃度ガスである大気と接触している。これら電極２２、２３間に、所定の電圧を印加すると、固体電解質２１に、被測定ガス中の酸素濃度に応じた限界電流が流れる。この被測定ガスに可燃性ガスが混入した場合、可燃性ガスが電極２３において酸化され、酸素が消費されるため、検出される酸素濃度は、可燃性ガスが酸化反応を起こした後の、残留酸素濃度となる。よって、この時の酸素の変化量を検出することで、可燃性ガスの濃度を知ることができる。
【００２１】
カバー体３は、可燃性ガス検出素子２の保温および保護のために設けられ、図３〜５に示すように、有底容器状の内部カバー３１と外部カバー３２の二重構造となっている。内部カバー３１および外部カバー３２は、熱伝導性および耐熱性に優れる金属材料、例えばステンレス等で構成され、側壁と底壁に被測定ガスの導入口または導出口となる複数の通気孔３３、３４をそれぞれ有している。
【００２２】
内部カバー３１の通気孔３３の配置や大きさは、内外のガス交換を良好に行い、応答性を確保できるように適宜設定することができる。本実施の形態では、図３、４のように、側壁にはハウジングに近い基端半部（Ａ部）と先端半部（Ｂ部）において、それぞれ周方向の４か所に通気孔３３を均等配置するとともに、底壁（Ｃ部）には中央部１か所に通気孔３３を設けている。内部カバー３１の通気孔３３の大きさは、通常、１．５〜２．０ｍｍ程度であり、ここでは、例えば、側壁で直径１．５ｍｍ、底壁で２．０ｍｍとした。
【００２３】
外部カバー３２の通気孔３４の配置や大きさは、本発明の特徴部分であり、以下、詳細に説明する。外部カバー３２の通気孔３４は、内部カバー３１内で発生した火炎が外部へ伝播してサージタンク５４内を流通する燃料蒸気に引火するのを防止する、消炎孔として機能する。この効果を得るために、通気孔３４の孔径は内部カバー３１の通気孔３３より小径としてあり、内部の火炎は通気孔３４を通過する際に壁面に熱を奪われて消炎する。この消炎効果が得られる孔径は、火炎の燃焼エネルギー、すなわち可燃性ガスの種類と、外部カバー３２の板厚および外部カバー３２の表面温度によって異なるので、これらを考慮して孔径を適切に規定する必要がある。表１、表２は、それぞれ、板厚を０．５ｍｍ、０．０３ｍｍとした場合について、可燃性ガスとしてのガソリン蒸気およびブタンガスに対し種々の表面温度で消炎に必要な孔径（相当直径）を調べた結果である。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【表２】

【００２６】
表１、２より、可燃性ガスの種類が同じであれば、板厚が薄く、表面温度が高いほど、消炎可能な孔径（相当直径）は小さくなっている。例えば、通常、絞り加工で製作される外部カバー３２の板厚は、０．５ｍｍ程度であり、表面温度は、カバー表面に断熱のための処理をしない場合でも２００℃程度であるから、この場合には、確実に消炎できる孔径（相当直径）は、ガソリン蒸気では、０．９ｍｍ以下となる。また、燃焼エネルギーがこれより小さいブタンガスでは、１．１ｍｍ以下であれば、消炎効果が得られることがわかる。
【００２７】
ここで、相当直径は、通気孔３４の形状が円以外の場合、例えば、図６（ａ）、（ｂ）に示す瓢箪形や矩形の場合にも、適用可能とするために導入したもので、流れの断面積Ｓ、浸辺長Ｌを用いると、下記式（１）で与えられる。

【００２８】
次に、この板厚および表面温度と消炎効果のより一般的な関係を調べた。図７（ａ）、（ｂ）は、可燃性ガスをガソリン蒸気とし、外部カバー３２の表面温度をそれぞれ２０℃、１６０℃とした時の、板厚と消炎可能な孔径（相当直径）の関係を示したものである。このように、消炎可能な孔径（相当直径）は、外部カバー３２の板厚と表面温度の関数で表されることがわかる。具体的には、可燃性ガスがガソリン蒸気である時、外部カバー３２の板厚をｔ（ｍｍ）、最高表面温度をＴ（℃）とすると、相当直径Ｄ（ｍｍ）が、下記式（２）を満足すれば、消炎孔として機能する。

【００２９】
また、図８（ａ）、（ｂ）は、可燃性ガスがブタンガスである場合であり、同様に、外部カバー３２の板厚をｔ（ｍｍ）、最高表面温度をＴ（℃）とすると、相当直径Ｄ（ｍｍ）が、下記式（３）を満足すれば、消炎孔として機能する。

【００３０】
従って、外部カバー３２においては、通気孔３４の相当直径Ｄが、上記式（２）、（３）を満足するように設定することで、発生した火炎を確実に消炎して外部へ伝播するのを防止することができる。また、外部カバー３２の温度上昇を防ぐには、内部カバー３１と外部カバー３２の間に間隔を設けて配置するのがよい。これら内部カバー３１と外部カバー３２の間隔は、例えば、０．５〜１ｍｍ程度とする。なお、カバー体３内部の容積が大きいほど爆発で発生するエネルギーは増加するから、消炎可能な孔径には、厳密にはカバー体３内部の容積も影響するが、実際に、通常のカバー体３の約３．３倍程度まで、容積を変化させてその影響を調べたところ、結果はほぼ同等であり、通常、使用される範囲であれば、容積の影響はほとんどないと見なすことができる。
【００３１】
外部カバー３２の通気孔３４の孔数は、その総面積が、内部カバー３１の通気孔３３の総面積と同等ないしそれ以上となるように設定するのがよい。ただし、孔径が小さくなることで通気抵抗が増加するので、センサ応答性が低下するのを防止するには、外部カバー３２の通気孔３４の総面積を、内部カバー３１の通気孔３３の総面積より大きくすることが好ましい。また、カバー体３内に流入する吸気の流れは、基端側（図３のＡ部側）から流入して底部（Ｃ部）方向へ向かうことが分かっており、特に、外部カバー３２の基端半部（Ａ部）の通気孔３４を多くすると効果的である。この場合、好ましくは、基端側（Ａ部側）の通気孔３４の数を増加させて、その総面積が同部位の内部カバー３１の１．５〜２．５倍程度となるようにすると、カバー体３内に滞留するガスを低減して、ガス交換をスムーズに行い、応答性を向上させることができる。
【００３２】
以上のように、本発明によれば、安全に、広い濃度範囲で精度よく可燃性ガス濃度を検出することができる。よって、例えば、燃料蒸気処理システムに適用されて、従来、直接検出されなかった、吸気中の燃料蒸気濃度の測定に利用することができるので、これを基に燃料噴射量の補正を行って、燃料噴射の制御精度を大幅に改善することができる。
【００３３】
なお、上記実施の形態では、試験管状の固体電解質を用いた可燃性ガス検出素子２を用いたが、平板状の固体電解質を積層した構成の可燃性ガス検出素子を用いることもできる。また、可燃性ガスとして、上記したガソリン蒸気やブタンガス等以外にも種々の可燃性ガスの検出に適用できることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の防爆型可燃性ガスセンサの全体断面図である。
【図２】本発明の防爆型可燃性ガスセンサを用いた燃料蒸気処理装置の全体構成図である。
【図３】（ａ）は本発明の防爆型可燃性ガスセンサの正面図、（ｂ）は要部側面図である。
【図４】（ａ）は内側カバーの正面図、（ｂ）は内側カバーの側面図である。
【図５】（ａ）は外側カバーの正面図、（ｂ）は外側カバーの側面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は通気孔形状の他の例を示す図である。
【図７】可燃性ガスがガソリンの時の板厚と消炎可能な相当直径の関係を示す図で、（ａ）は外側カバー表面温度が２０℃の場合、（ｂ）は外側カバー表面温度が１６０℃の場合を示す図である。
【図８】可燃性ガスがブタンガスの時の板厚と消炎可能な相当直径の関係を示す図で、（ａ）は外側カバー表面温度が２０℃の場合、（ｂ）は外側カバー表面温度が１６０℃の場合を示す図である。
【図９】従来の可燃性ガスセンサの全体断面図である。
【符号の説明】
１ハウジング
２可燃性ガス検出素子
３カバー体
３１内側カバー
３２外側カバー
３３通気孔
３４通気孔
４大気カバー
４１リード線
４２、４３大気口

Claims

筒状ハウジング内に保持され、被測定ガス中の可燃性ガスを酸素と反応させた後の酸素量から可燃性ガス濃度を検出する可燃性ガス検出素子と、上記ハウジングの一端側から被測定ガス存在空間に突出する上記可燃性ガス検出素子先端部の外周囲を保護する耐熱性カバー体とを設け、上記カバー体を、通気孔を備えた内側カバーおよび外側カバーの二重構造とするとともに、上記外側カバーの通気孔を、上記内側カバー内で発生する火炎を上記通気孔の通過時に壁面による奪熱で消炎させる消炎構造となしてあり、かつ上記可燃性ガスがガソリン蒸気またはこれと同等以下の燃焼エネルギーの可燃性ガスであり、上記外側カバーの通気孔の相当直径Ｄ（ｍｍ）が、上記外側カバーの板厚をｔ（ｍｍ）、最高表面温度をＴ（℃）とした時に、下記式
Ｄ≦（１．６４×１０ ^-1 ）・ｌｏｇｔ−（１．４３×１０ ^-3 ）・Ｔ＋１．３８
を満足することを特徴とする防爆型可燃性ガスセンサ。
筒状ハウジング内に保持され、被測定ガス中の可燃性ガスを酸素と反応させた後の酸素量から可燃性ガス濃度を検出する可燃性ガス検出素子と、上記ハウジングの一端側から被測定ガス存在空間に突出する上記可燃性ガス検出素子先端部の外周囲を保護する耐熱性カバー体とを設け、上記カバー体を、通気孔を備えた内側カバーおよび外側カバーの二重構造とするとともに、上記外側カバーの通気孔を、上記内側カバー内で発生する火炎を上記通気孔の通過時に壁面による奪熱で消炎させる消炎構造となしてあり、かつ上記可燃性ガスがブタンガスまたはこれと同等以下の燃焼エネルギーの可燃性ガスであり、上記外側カバーの通気孔の相当直径Ｄ（ｍｍ）が、上記外側カバーの板厚をｔ（ｍｍ）、最高表面温度をＴ（℃）とした時に、下記式
Ｄ≦（１．６４×１０ ^-1 ）・ｌｏｇｔ−（１．４３×１０ ^-3 ）・Ｔ＋１．５８
を満足することを特徴とする防爆型可燃性ガスセンサ。