JP4477481B2 - 酸素濃度センサの取付構造 - Google Patents

Description

本発明は、酸素濃度センサの取付構造に係り、特に自動二輪車のエンジン排気ガス中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサの取付構造に関する。

一般に、車両用エンジンにおいて、燃料制御の精度を向上させ、或いは排気ガスの清浄化、低燃費化等の観点から燃料供給装置として、キャブレターに代えて燃料噴射装置を採用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、近年では、自動二輪車においてもキャブレターに代えて燃料噴射装置を採用したものが提案されるようになっている。
車両用エンジンは、燃料の燃焼が可能なかぎり効率良く行われるよう設計され、また制御されるべきものであるが、環境温度や空気の混合比などの変動条件によって、燃焼状態が理想的でなくなってしまうと、排気ガス中には、有害な一酸化炭素（CO）や窒素酸化物（NOx）、未燃の炭化水素（HC）が含まれることとなる。

このため、従来の車両用エンジンにおいては、安定化ジルコニアを使用した酸素濃度センサを用いた空気と燃料の割合（空燃費；A／F）の精密な制御をはじめとして、空気流入経路と混合の制御、電子制御による着火時期制御などを行うことにより、排気ガス中の一酸化炭素（CO）、窒素酸化物（NOx）あるいは未燃の炭化水素（HC）を低減し、無害な排気ガスとして排出するようにしたものが提案されている。
特開平６−３２３１８７号公報

ところで、安定化ジルコニアを使用した酸素濃度センサは、排気ガス中に含まれる酸素が、電極において電子を受け取り、酸素イオンとなり、この酸素イオンがジルコニア層を透過して電子を放出し酸素となって滞留するに際し、酸素の酸化還元反応の量に比例して電極間に生じる電流量を酸素濃度に比例する電流量として検出することとなっている。
この安定化ジルコニアを使用した酸素濃度センサは、低温では内部抵抗が非常に大きくなるため、酸素イオンの移動が妨げられて電流量が小さくなってしまうという不具合がある。

そこで、従来においては、酸素濃度センサとして、安定化ジルコニア層を有する酸素濃度センサ本体を加熱するためのヒータを設けたヒータ付酸素濃度センサが用いられることとなっていた。
しかしながらヒータ付酸素濃度センサは、形状も大きくなり、自動二輪車に取り付けるにはレイアウト性も悪く、コストも高くなってしまうという課題があった。
そこで、本発明の目的は、レイアウト性が高くコストの低減を図ることが可能な酸素濃度センサの取付構造を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、エンジンの排気中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサを前記エンジンに配置するための酸素濃度センサの取付構造において、前記エンジンは単気筒エンジンであり、該エンジンの排気ポートに連接された排気口にエンジン用排気管が接続され、前記エンジン用排気管が排気口側から直管部および曲げ部を有し、前記酸素濃度センサは、ヒータレス酸素濃度センサとして構成され、前記エンジン用排気管の排気口近傍の前記直管部に、前記酸素濃度センサの酸素検出側を、前記直管部内に前記排気の上流側から下流側に向かって斜めに挿入されていることを特徴としている。
これにより、酸素濃度センサは、高温の排気により酸素濃度検出に最適な温度に迅速に至ることとなり、正確な酸素濃度測定を迅速かつ最適に行える。

この場合において、前記酸素濃度センサの出力信号線は、前記エンジンのシリンダヘッド側に位置するように配置されてもよい。

本発明によれば、酸素濃度センサは、エンジンの排気ポートに取り付けられた排気マニホールドの比較的排気ガスの温度が高い排気ポート近傍に配置されているので、エンジン駆動時に酸素濃度センサが迅速に活性化温度領域に達することとなり、迅速、かつ、正確に排気ガス中の酸素濃度を検出することが可能となる。

次に図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
以下の説明においては、「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」は運転者から見た方向に従い、Ｆｒは前側、Ｒｒは後側、Ｌは左側、Ｒは右側を示すものとする。

図１は、実施形態の自動二輪車の左側面図である。
自動二輪車１０は、スクータ型車両であり、車体フレーム１１と、車体フレーム１１のヘッドパイプ１２に取り付けたフロントフォーク１３と、フロントフォーク１３に取り付けられた前輪１４と、フロントフォーク１３に連結したハンドル１５と、車体フレーム１１の後上部に取り付けたスイング式パワーユニット１６と、パワーユニット１６の後部に取り付けた後輪１７と、車体フレーム１１の後部上部にパワーユニット１６を懸架するリヤサスペンション１８と、車体フレーム１１の後部上部に取り付けた収容部２１と、収容部２１の上部に取り付けたシート２２と、収容部２１の後方で車体フレーム１１の後部上部に取り付けた燃料タンク２３と、車体フレーム１１を覆うボディカバー３０と、を備えている。
収容部２１はヘルメット等の各種物品Ｐを収納する収納ボックスとして構成されている。

ボディカバー３０は、ヘッドパイプ１２の前部を覆うフロントカバー３１と、運転者の脚部を覆うためのレッグシールド３２と、運転者の足載せのためのステップフロア３３と、ステップフロア３３の下方に配置して車体フレーム１１の下部を覆うアンダカバー３４と、車体フレーム１１の後半部を覆うリヤサイドカバー３５と、を備えている。
さらに、自動二輪車１０は、フロントサスペンション４１、ヘッドランプ４２、メータ４３、フロントフェンダ４４、ハンドルカバー４５、メインスタンド４６およびリヤフェンダ４７を備えている。

図２は、実施形態の自動二輪車の後部拡大側面図である。
車体フレーム１１は、ステップフロア３３の下方で、前部の前フレーム６０と、後部の後フレーム７０と、に前後二分割した分割フレームとして構成されている。後フレーム７０の後端部には、サブフレーム８０がボルト止めされている。
パワーユニット１６は、収容部２１及びシート２２の下方に配置されており、前部に配置されたエンジン１１０と、後部に配置された無段変速機１７１と、を備えている。エンジン（内燃機関）１１０は、シリンダを車体前方へ向けてほぼ水平に配置した、単気筒４サイクル水冷式エンジンとして構成され、無段変速機１７１はベルト式変速機として構成されている。

図２において、エアクリーナ１３１は、後輪１７の左側方、かつ、パワーユニット１６の後部上部に取り付けられている。
また、エンジン１１０の排気ポートに連設された排気口１１０Ａには、エンジン用排気管５１およびマフラ５２が接続されている。
エンジン用排気管５１は、直管部５１Ａおよび曲げ部５１Ｂを有し、排気ポートに連設された排気口１１０Ａに接続された排気マニホールド５１Ｃと、排気マニホールド５１Ｃに接続された排気パイプ５１Ｄと、を備えている。

図３は、実施形態の自動二輪車の後部拡大平面図である。
図３において、パワーユニット１６の右側には、エンジン用ラジエータ５３が一体に設けられている。
また、サブフレーム８０は、左右の起立した収容部用ポスト８１，８１と、収容部用ポスト８１，８１間を繋いだ連結ステー８２と、を備えている。また、シリンダヘッド１１５の左側方には、点火プラグ５４が配置されている。

図４は、パワーユニット周りの側面図である。
エンジン１１０は、クランクケース１１１から車体前方へ向って、シリンダブロック１１２並びにその内部のシリンダ（図示せず）を前方略水平に延出し、シリンダブロック１１２の前端にシリンダヘッド１１５をボルト止めにて接合されている。さらにエンジン１１１０は、シリンダヘッド１１５の前端にヘッドカバー１１７がボルト止めにて接合されている。

エンジン１１０の吸気系１３０は、図４に示すように、エアクリーナ１３１と、エアクリーナ１３１の出口に接続したコネクティングチューブ（連結チューブ）１３２と、コネクティングチューブ１３２の下流端に接続したスロットルボディ１３３と、スロットルボディ１３３の下流端に接続したインレットパイプ１３４と、インレットパイプ１３４の下流端に接続した吸気通路１２２と、を備えている。
この吸気系１３０のうち、エアクリーナ１３１、コネクティングチューブ１３２、スロットルボディ１３３およびインレットパイプ１３４は、車体後方から前方へ向けて略水平な状態で、エンジン１１０の上方に配置され、さらに、インレットパイプ１３４の下流端はエンジン１１０の吸気通路１２２に接続されている。

スロットルボディ１３３は、インレットパイプ１３４の上流端に接続されるとともに、クランクケース１１１の略上方に配置されている。さらにスロットルボディ１３３は、
絞り弁１３５を内蔵しており、この絞り弁１３５は、吸気通路１２２の上流側に配置されて、吸気通路１２２の流路断面積を調節する。
シリンダヘッド１１５の上方側には、燃料噴射装置１４０が配置されている。燃料噴射装置１４０は、図示しない電子制御ユニットで演算された噴射信号に基づいて、燃料を噴射するインジェクタであり、例えば、ソレノイドバルブ式ノズルを備えている。この燃料噴射装置１４０の上端の燃料入口部には、フィードパイプ１４２が嵌合されて取り付けられ、このフィードパイプ１４２を介して燃料ホース１４６が接続されている。

シリンダヘッド１１５の下方側には、上述した排気ポートに連設された排気口１１０Ａが配置されており、この排気ポートに連設された排気口１１０Ａに接続された排気マニホールド５１Ｃの曲げ部５１Ａには、エンジン１１０の排気中の酸素濃度を検出し、図示しない電子制御ユニットにおいて、最適な空燃比制御を行うための酸素濃度センサ１５０が設けられている。

ここで、酸素濃度センサ１４０の構成について説明する。
図５は、酸素濃度センサの断面図である。また、図６は、図５のＡ−Ａ断端面矢視図である。
酸素濃度センサ１５０は、ヒータレス酸素濃度センサとして構成されており、酸素濃度センサ１５０を排気マニホールド５１Ｃに取り付ける際に、酸素濃度センサ１５０全体を支持するためのホルダ１５１を備えている。
ホルダ１５１の外周、中間部には、つば部１５１が設けられ、ホルダ１５１の先端部には、取り付け用のねじ部１５１Ｂが形成されている。

ホルダ１５１内部の先端側には、内外表面の一部に電極としての白金をコーティングしたジルコニアチューブ１５２が保持されている。ここで、ジルコニアチューブは、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｎＯ2 ）を主成分として形成されている。ジルコニアチューブ１５２の周囲は、複数の孔１５４Ａを有するプロテクタ１５３で覆っている。このプロレテクタ１５３は、外筒１５４および内筒１５５の二重構造となっており、外筒１５４および内筒１５５の間には、有害物質を捕獲するためのフィルタ１５６が設けられている。ジルコニアチューブ１５２の基端部には、金属製のコンタクトプレート１５７が設けられている。

このコンタクトプレート１５７の表面側（図５中、左側）は、ホルダ１５１の基端部に嵌合されたセラミクス製の絶縁ブッシュ１５８の先端部が当接されて、ジルコニアチューブ１５２に電気的に接続されている。
一方、コンタクトプレート１５７の裏面側（図５中、右側）には、リード線部１５９が電気的に接続され、絶縁ブッシュ１５８およびリード線部１５９は、ホルダ１５１に嵌合されたケーシング１６０により覆われている。また、ケーシング１６０の一端からは、出力信号線１６１が導出されている。

酸素濃度センサ１５０は、ジルコニアチューブ１５２の内表面１５２Ａ側に基準気体として大気が導かれ、外表面１５２Ｂ側に検出対象である排気ガスが導かれるようになっている。この結果、白金コーティング電極間に大気中の酸素濃度と排気ガス中の酸素濃度との比に応じた起電力が発生する。
より詳細には、酸素分圧の高い大気側から排気ガス側に向かって酸素イオンが移動し、起電力が発生する。この起電力は、濃度差が大きいほど大きくなる。

従って、この起電力に基づいて出力信号線１６１に出力される検出信号に基づいて図示しない電子制御ユニットにより検出された排気ガス中の酸素濃度に対応させて空燃比を最適に制御することとなっている。
ところで、酸素濃度センサ１５０を構成するジルコニアチューブ１５２は、低温では内部抵抗が非常に大きくなり、酸素イオンの移動が妨げられて、起電力が小さくなってしまい、測定誤差が大きくなる。あるいは、測定そのものが行えないこととなる。

次に酸素濃度センサの取付構造について説明する。
図７は、酸素濃度センサの取付状態説明図である。
図７に示すように、酸素濃度センサ１５０は、排気マニホールド５１Ｃの直管部５１Ａに設けられた取付部５１Ｅにねじ込まれている。このとき、酸素濃度センサ１５０のホルダ１５１のつば部１５１Ａが取付部５１Ｅの端面に当接するようになっている。

したがって、酸素濃度センサ１５０は、排気マニホールド５１Ｃの排気ポートに連設された排気口１１０Ａの近傍に取り付けられることとなるので、酸素濃度センサ１５０としてヒータレス型の酸素濃度センサを用いているにも拘わらず、高温の排気ガスにより急速にジルコニアチューブ１５２を加熱することができ、早期に正確な測定が行えるようになっている。

さらに酸素濃度センサ１５０は、ヒータレス型を用いているので、コスト低減を図ることができるとともに、ヒータを内蔵していない分だけ酸素濃度センサのサイズの小型化を図ることができ、より一層、コンパクト性が求められ、レイアウトにより制限がある自動二輪車等において適用が可能となる。また、ヒータ制御用のコントロール回路も設ける必要がないため、制御が簡略化し、コストの低減も図れる。

図８は、酸素濃度センサの取付状態説明断面図である。
図８に示すように、取付部５１Ｅは、排気マニホールド５１Ｃの直管部５１Ａに溶接されて設けられており、その内周面には、酸素濃度センサ１５０のねじ部１５１Ｂ（雄ねじ）に対応するねじ部５１Ｆ（雌ねじ）が設けられている。
このとき、取付部５１Ｅは、排気マニホールド５１Ｃの直管部５１Ａに斜めに溶接されており、酸素濃度センサ１５０は、取付状態で、プロテクタ１５３側（酸素検出側）が排気マニホールド５１Ｃ内に排気ガスの上流側から下流側に向かって（図８中、矢印Ｘ方向）斜めに挿入されている。すなわち、酸素濃度センサ１５０の出力信号線１６１側（配線側）がエンジン１１０のシリンダヘッド１１５側に位置するようになる。

したがって、酸素濃度センサ１５０は、排気ガスの流れに乱れが少ないマニホールド５１Ｃの直管部５１に取り付けられ、かつ、取付状態で、プロテクタ１５３側（酸素検出側）が排気マニホールド５１Ｃ内に排気ガスの上流側から下流側に向かって（図８中、矢印Ｘ方向）斜めに挿入されているので、排気マニホールド５１Ｃ内における排気ガスの流路抵抗を低減し、排気ガスの流れを阻害することなく、正確な酸素濃度測定を行える。

また、酸素濃度センサ１５０を、排気マニホールド５１Ｃの外周面に垂直に取り付ける場合と比較して、自動二輪車の１０の側方への突出量を少なくすることができ、出力信号線１６１の取り回しも容易となるとともに、設置スペースを削減でき、特に自動二輪車（自動三輪車なども含む）などのように、設置スペースを大きくとれない車両において効果が得られる。

以上の説明のように、本実施形態によれば、酸素濃度センサとしてヒータレス型の酸素濃度センサを用いたとしても、排気ガスによりジルコニアチューブを測定に最適な、所定の温度とすることができ、ヒータレス型の酸素濃度センサを用いているにも拘わらず、酸素濃度の検知開始が早くなる。

また、ヒータレス型の酸素濃度センサ１５０を用いているので、コスト低減を図ることができるとともに、ヒータを内蔵していない分だけ酸素濃度センサのサイズの小型化を図ることができ、四輪車に比較してコンパクト性が求められ、レイアウトにより制限がある自動二輪車においても、容易に適用が可能となる。また、ヒータ制御用のコントロール回路も設ける必要がないため、制御が簡略化し、コストの低減も図れる。

以上の説明においては、酸素濃度センサ１５０を排気ポートに連設された排気口１１０Ａに接続された排気マニホールド５１Ｃの直管部５１Ａに設けていたが、排気ポートに連設された排気口１１０Ａに設けるように構成することも可能である。

実施形態の自動二輪車の左側面図である。 実施形態の自動二輪車の後部拡大側面図である。 実施形態の自動二輪車の後部拡大平面図である。 パワーユニット周りの側面図である。 酸素濃度センサの断面図である。 図５のＡ−Ａ断端面矢視図である。 酸素濃度センサの取付状態説明図である。 酸素濃度センサの取付状態説明断面図である。

符号の説明

１０…自動二輪車、１１…車体フレーム、１６…スイング式パワーユニット、２１…収容部、２２…シート、５１Ａ…直管部、５１Ｂ…曲げ部、５１Ｃ…排気マニホールド、５１Ｄ…排気管、５１Ｅ…取付部、１１０…内燃機関（エンジン）、１１０Ａ…排気口、１１１…クランクケース、１１２…シリンダブロック、１１３…シリンダ、１１５…シリンダヘッド、１１６…燃焼室、１２１…吸気弁、１２２…吸気通路、１２２ａ…吸気通路の上流端、１２８…冷却液通路、１３０…吸気系、１３１…エアクリーナ、１３２…コネクティングチューブ、１３３…スロットルボディ、１３４…インレットパイプ、１３５…絞り弁、１４０…燃料噴射装置、１５０…酸素濃度センサ、１５１…ホルダ、１５ＡＡ…、つば部、１５２…ジルコニアチューブ、１５３…プロテクタ、１５４…外筒、１５５…内筒、１５６…フィルタ、１５７…コンタクトプレート、１５８…絶縁ブッシュ、１５９…リード線部、１６０…ケーシング、１６１…出力信号線、１７１…ベルト式無段変速機。

Claims (2)

1. エンジンの排気中の酸素濃度を検出するための酸素濃度センサを前記エンジンに配置するための酸素濃度センサの取付構造において、
   前記エンジンは単気筒エンジンであり、
   該エンジンの排気ポートに連接された排気口にエンジン用排気管が接続され、前記エンジン用排気管が排気口側から直管部および曲げ部を有し、
   前記酸素濃度センサは、ヒータレス酸素濃度センサとして構成され、
   前記エンジン用排気管の排気口近傍の前記直管部に、前記酸素濃度センサの酸素検出側を、前記直管部内に前記排気の上流側から下流側に向かって斜めに挿入されていることを特徴とする酸素濃度センサの取付構造。
2. 請求項１記載の酸素濃度センサの取付構造において、
   前記酸素濃度センサの出力信号線は、前記エンジンのシリンダヘッド側に位置するように配置されていることを特徴とする酸素濃度センサの取付構造。

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