JP4600150B2

JP4600150B2 - ガス濃度センサ

Info

Publication number: JP4600150B2
Application number: JP2005149850A
Authority: JP
Inventors: 聡志金子
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: JP2006329670A

Description

本発明は、ガス中に含有される特定の種類のガスの濃度を検出するガス濃度センサに関し、特に、内燃機関の排気通路に設けられて排気ガス中の酸素濃度を検出するガス濃度センサに用いて好適である。

一般的なエンジン（内燃機関）では、燃料を吸気ポートや燃焼室に噴射して空気と混合し、この混合気をピストンの圧縮行程で圧縮してから火花着火することで爆発させ、燃焼したガスを排気行程で排気ガスとして排気ポートから外部に排出するようにしている。この場合、吸入空気量に対して空燃比が所定値（理論空燃比＝ストイキ）となるように燃料噴射量が設定されると共に、排気ガス中の酸素濃度を検出し、燃焼前の混合気が理論空燃比となっているかどうか推定し、空燃比が理論空燃比近傍となるようにフィードバック制御している。

排気ガス中の酸素濃度を検出するセンサとして、一般に、排気通路における触媒の上流側または下流側に酸素濃度センサが設けられている。この酸素濃度センサは、ハウジング内に検出素子が装着され、この検出素子が保護カバーにより被覆されている。この検出素子は、ジルコニア固体電解質の内面に内側電極が取付けられると共に、外面に外側電極が装着され、この外側電極の外側にコーティング層が設けられている。従って、内側電極に大気を導入し、コーティング層に排気ガスを導入すると、ジルコニア固定電解質が内外面の酸素濃度差に応じて起電力を発生し、この起電力に基づいて酸素濃度を検出することができる。

なお、このような酸素濃度センサとして、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

特開２００４−２１９０８１号公報

上述した従来の酸素濃度センサにあっては、保護カバーに形成された複数の通気孔を通して内部に導入された排気ガスに対して、ジルコニア固定電解質で発生した起電力に基づいて酸素濃度を求めている。この場合、排気通路を流れる排気ガスの流量（流速）は、エンジン回転数やエンジン負荷などのエンジン運転状態に応じて変化するため、酸素濃度センサの入口側と出口側で排気ガスの圧力差が生じ、酸素濃度センサ内、つまり、検出素子の表面を流れる排気ガスの流量（流速）が変化し、同じ空燃比であっても酸素濃度センサは異なる出力を示してしまう。

即ち、排気ガスが保護カバー内に流入して外側電極の表面のコーティング層に至ると、排気ガス中に残存する酸素が触媒作用により排気ガス中の一酸化炭素及び炭化水素と反応し、ここに境界層が形成される。このとき、コーティング層近傍での排気ガスの流速が変化すると、形成される境界層の厚さが変化し、排気ガス成分（ＣＯ，ＨＣ，Ｈ₂，Ｏ₂)ごとの拡散速度が変化することで、同じガス組成（空燃比）であっても酸素濃度センサは異なる出力を示すこととなる。排気ガスが高濃度ガスの場合、外側電極での反応が律速となって拡散速度の影響は小さいが、低濃度ガスの場合、外側電極での反応が律速とならずに拡散が律速となるため、排気ガスの流量変化が顕著となる。このように同じ空燃比であっても酸素濃度センサの出力が異なると、高精度な空燃比制御を行うことができず、燃費や排気ガス特性が悪化してしまうという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、検出精度の向上を図ったガス濃度センサを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のガス濃度センサは、複数の通気孔を有する保護カバー内に特定のガス濃度に応じた起電力を発生する検出素子が設けられたガス濃度センサにおいて、前記保護カバーに移動自在に支持されるスライドカバーと、該スライドカバーを移動して前記通気孔の開口面積を調整可能な駆動装置と、前記通気孔から前記保護カバー内に流入したガスの流速が一定となるように前記駆動装置を駆動して前記スライドカバーにより前記通気孔の開口面積を調整可能な制御装置と、を備えることを特徴とするものである。

本発明のガス濃度センサでは、前記制御装置は、ガス流量とセンサ形状に基づいて前記保護カバーの上流側を流れるガスと下流側を流れるガスの圧力差を求め、この圧力差に基づいて前記スライドカバーにより前記通気孔の開口面積を調整することを特徴としている。

本発明のガス濃度センサでは、前記検出素子は、固体電解質の内面に内側電極が固定され、前記固体電解質の外面に外側電極が固定されると共に、該外側電極の表面にコーティング層が形成されてなり、前記通気孔から前記保護カバー内に流入したガスに対して、前記外側電極と内側電極との間に含有する酸素濃度に応じた起電力を発生することを特徴としている。

本発明のガス濃度センサでは、前記スライドカバーは、前記複数の通気孔の開口量を変更することを特徴としている。

本発明のガス濃度センサによれば、複数の通気孔を有する保護カバー内に特定のガス濃度に応じた起電力を発生する検出素子を設けて構成し、保護カバーに移動自在に支持されるスライドカバーと、このスライドカバーを移動して通気孔の開口面積を調整可能な駆動装置と、通気孔から保護カバー内に流入したガスの流速が一定となるように駆動装置を駆動してスライドカバーにより通気孔の開口面積を調整可能な制御装置とを設けるので、センサの外側を流れるガスの流速に応じてスライドカバーにより通気孔の開口面積が調整されることで、通気孔から保護カバー内に流入したガスの流速が一定となり、検出素子に形成される境界層の厚さが均一化されてガス成分ごとの拡散速度が一定となり、ガス濃度を高精度に検出することができる。

以下に、本発明に係るガス濃度センサの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る酸素濃度センサにおける保護カバーの縦断面図、図２は、図１のII−II断面図、図３は、実施例１の酸素濃度センサにおける保護カバーの開口面積の調整制御を表すフローチャート、図４は、実施例１の酸素濃度センサが適用されたエンジンを表す概略構成図、図５は、実施例１の酸素濃度センサの概略図、図６は、実施例１の酸素濃度センサの検出素子を表す断面図である。

実施例１の酸素濃度センサが適用された内燃機関において、図４に示すように、この内燃機関としてのエンジン１０は筒内噴射式の多気筒型であって、シリンダブロック１１上にシリンダヘッド１２が締結されており、このシリンダブロック１１に形成された複数のシリンダボア１３にピストン１４がそれぞれ上下移動自在に嵌合している。そして、シリンダブロック１１の下部にクランクケース１５が締結され、このクランクケース１５内にクランクシャフト１６が回転自在に支持されており、各ピストン１４はコネクティングロッド１７を介してこのクランクシャフト１６にそれぞれ連結されている。

燃焼室１８は、シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とピストン１４により構成されており、この燃焼室１８は、上部（シリンダヘッド１２の下面）の中央部が高くなるように傾斜したペントルーフ形状をなしている。そして、この燃焼室１８の上部、つまり、シリンダヘッド１２の下面に吸気ポート１９及び排気ポート２０が対向して形成されており、この吸気ポート１９及び排気ポート２０に対して吸気弁２１及び排気弁２２の下端部がそれぞれ位置している。この吸気弁２１及び排気弁２２は、シリンダヘッド１２に軸方向に沿って移動自在に支持されると共に、吸気ポート１９及び排気ポート２０を閉止する方向に付勢支持されている。また、シリンダヘッド１２には、吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４が回転自在に支持されており、吸気カム２５及び排気カム２６が図示しないローラロッカアームを介して吸気弁２１及び排気弁２２の上端部に接触している。

従って、エンジン１０に同期して吸気カムシャフト２３及び排気カムシャフト２４が回転すると、吸気カム２５及び排気カム２６がローラロッカアームを作動させ、吸気弁２１及び排気弁２２が所定のタイミングで上下移動することで、吸気ポート１９及び排気ポート２０を開閉し、吸気ポート１９と燃焼室１８、燃焼室１８と排気ポート２０とをそれぞれ連通することができる。

また、このエンジン１０の動弁機構は、運転状態に応じて吸気弁２１を最適な開閉タイミングに制御する吸気可変動弁機構（ＶＶＴ：Variable Valve Timing-intelligent）２７となっている。この吸気可変動弁機構２７は、例えば、吸気カムシャフト２３の軸端部に図示しないＶＶＴコントローラが設けられて構成され、カムスプロケットに対する吸気カムシャフト２３の位相を変更することで、吸気弁２１の開閉時期を進角または遅角することができるものである。この場合、吸気可変動弁機構２７は、吸気弁２１の作用角（開放期間）を一定としてその開閉時期を進角または遅角する。また、吸気カムシャフト２３には、その回転位相を検出するカムポジションセンサ２８が設けられている。

吸気ポート１９には、インテークマニホールド３１を介してサージタンク３２が連結され、このサージタンク３２に吸気管３３が連結されており、この吸気管３３の空気取入口にはエアクリーナ３４が取付けられている。そして、このエアクリーナ３４の下流側にスロットル弁３５を有する電子スロットル装置３６が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、燃焼室１８に直接燃料を噴射するインジェクタ３７が装着されており、このインジェクタ３７は、吸気ポート１９側に位置して上下方向に所定角度傾斜している。更に、シリンダヘッド１２には、燃焼室１８の上方に位置して混合気に着火する点火プラグ３８が装着されている。

一方、排気ポート２０には、エギゾーストマニホールド３９を介して排気管４０が連結されており、この排気管４０には排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害物質を浄化処理する触媒装置４１，４２が装着されている。

ところで、車両には電子制御ユニット（ＥＣＵ）４３が搭載されており、このＥＣＵ４３は、インジェクタ３７や点火プラグ３８などを制御可能となっている。即ち、吸気管３３の上流側にはエアフローセンサ４４及び吸気温センサ４５が装着されており、計測した吸入空気量、吸気温度をＥＣＵ４３に出力している。また、電子スロットル装置３６にはスロットルポジションセンサ４６が装着されており、現在のスロットル開度をＥＣＵ４３に出力している。更に、クランク角センサ４７は、検出した各気筒のクランク角度をＥＣＵ４３に出力し、このＥＣＵ４３は検出したクランク角度に基づいて各気筒における吸気、圧縮、膨張（爆発）、排気の各行程を判別すると共に、エンジン回転数を算出している。また、シリンダブロック１１にはエンジン冷却水温を検出する水温センサ４８が設けられており、検出したエンジン冷却水温をＥＣＵ４３に出力している。従って、ＥＣＵ４３は、検出した吸入空気量、吸気温度、スロットル開度(または、アクセル開度)、エンジン回転数、エンジン冷却水温などのエンジン運転状態に基づいて、燃料噴射量、噴射時期、点火時期などを決定している。

この場合、ＥＣＵ４３は、燃費や排気ガス特性を考慮し、吸入空気量に対して空燃比が理論空燃比（ストイキ）となるように燃料噴射量を設定すると共に、排気ガス中の酸素濃度を検出し、燃焼前の混合気が理論空燃比となっているかどうか推定し、この空燃比が理論空燃比となるようにフィードバック制御している。即ち、触媒装置４１，４２は三元触媒であって、排気ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害物質を浄化処理するものであり、特に、空燃比が理論空燃比近傍にあるときに、排気ガス中の有害物質を効率良く浄化処理することができる。

そのため、排気管４０における触媒装置４１の上流側には、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ４９が設けられており、現在の排気ガス中の酸素濃度をＥＣＵ４３に出力している。そして、ＥＣＵ４３は、酸素濃度センサ４９が検出した排気ガス中の酸素濃度に基づいて混合気が理論空燃比となっているかどうか推定し、この空燃比が理論空燃比となるようにフィードバック制御している。

この酸素濃度センサ４９は、排気ガス中の酸素の濃度に応じて発生する起電力に基づいて酸素濃度を検出するものである。ところが、エンジン回転数やエンジン負荷などのエンジン運転状態に応じて排気管４０を流れる排気ガスの流量（流速）が変化すると、酸素濃度センサ４９の入口側と出口側で排気ガスの圧力差が生じ、内部を流れる排気ガスの流量（流速）が変化し、同じ空燃比であっても酸素濃度センサ４９は異なる出力を示してしまう。そこで、本実施例では、エンジン運転状態に応じて排気管４０を流れる排気ガスの流量が変化しても、酸素濃度センサ４９内を流れる排気ガスの流量を一定とし、この酸素濃度センサ４９が酸素濃度を高精度に検出可能としている。

ここで、酸素濃度センサ４９の構造を詳細に説明する。この酸素濃度センサ４９において、図５及び図６に示すように、ハウジング５１には検出素子５２の基端部が装着され、検出素子５２の先端部は保護カバー５３に被覆されて排気管４０内に挿入されている。この検出素子５２は、ジルコニア固体電解質５４の内面に内側白金電極５５が固定される一方、外面に外側白金電極５６が固定されると共に、この外側白金電極５６の表面に電極を保護するためにセラミック等のコーティング層５７が形成されている。そして、内側白金電極５５と外側白金電極５６には、図示しないリード線が接続され、起電力（電流値）を検出可能となっており、内側白金電極５５に対して大気が導入される一方、コーティング層５７に対して排気ガスが導入可能となっている。また、図示しないが、検出素子５２には、素子温度を一定に保持するためのヒータが内蔵されている。

また、保護カバー５３は、基端部がハウジング５１に固定された外側カバー５８と、基端部がこの外側カバー５８に固定された内側カバー５９とから構成され、各カバー５８，５９には、複数の通気孔６０，６１が対向しないようにずれた位置に形成されている。そして、本実施例では、外側カバー５８及び内側カバー５９の各通気孔６０，６１の開口面積を調整可能なスライドカバー６２，６３が設けられ、各通気孔６０，６１から保護カバー５３内に流入した排気ガスの流速が一定となるように、スライドカバー６２，６３により通気孔６０，６１の開口面積を調整可能となっている。

即ち、図１及び図２に示すように、円筒形状をなす外側カバー５８の内周面には、同じく円筒形状をなすスライドカバー６２が嵌合し、軸心方向に沿って移動自在となっており、このスライドカバー６２には、外側カバー５８の通気孔６０とほぼ同形をなす複数の通気孔６４が対応して形成されている。また、酸素濃度センサ４９のハウジング５１（図６参照）には駆動装置６５が設けられており、この駆動装置６５を駆動すると、スライドカバー６２を上方または下方へ移動し、外側カバー５８の通気孔６０における開口量を変更し、この通気孔６０の開口面積を調整することができる。なお、内側カバー５９に対するスライドカバー６３にも、図示しないが、この内側カバー５９の通気孔６１とほぼ同形の通気孔が形成され、駆動装置により移動して通気孔６１の開口面積を調整することができる。

従って、排気ガスが保護カバー５３の通気孔６０，６１を通して検出素子５２に導入されると、内側白金電極５５と外側白金電極５６との間に酸素濃度の差が生じ、酸素濃度の高い内側白金電極５５から酸素濃度の低い外側白金電極５６へジルコニア固体電解質５４を通って酸素イオンが流れて起電力が発生する。この場合、リッチ混合気で燃焼すると、排気ガス中に残存する酸素が少ないため、外側白金電極５６の触媒作用により微量の酸素が排気ガス中の一酸化炭素や炭化水素と反応し、外側白金電極５６の表面に酸素がほとんどなくなり、内側白金電極５５との酸素濃度差が最大となって大きな起電力が発生する。一方、リーン混合気で燃焼すると、排気ガス中に残存する酸素が多いため、外側白金電極５６の触媒作用により多量の酸素が排気ガス中の微量の一酸化炭素や炭化水素と反応し、外側白金電極５６の表面に余剰の酸素が残存することとなり、内側白金電極５５との酸素濃度差が小さくなって起電力がほとんど発生しない。そのため、理論空燃比を境として起電力の大きな変化をえることができ、この起電力に基づいて酸素濃度を検出することができる。

また、このとき、エンジン回転数やエンジン負荷などのエンジン運転状態に応じて排気管４０を流れる排気ガスの流量（流速）が変化し、酸素濃度センサ４９の入口側と出口側で排気ガスの圧力差が生じるため、この排気ガスの圧力差に基づいてスライドカバー６２，６３により保護カバー５３の通気孔６０，６１の開口面積を調整することで、検出素子５２の表面を流れる排気ガスの流量（流速）が一定となるようにしている。

ここで、実施例１の酸素濃度センサ４９における保護カバー５３の開口面積の調整制御について、図３のフローチャートに基づいて詳細に説明する。

酸素濃度センサ４９における保護カバー５３の開口面積の調整制御において、図３に示すように、ステップＳ１１では、ＥＣＵ４３は、エアフローセンサ４４が計測した吸入空気量に基づいて排気管４０を流れる排気ガス流量を算出する。ステップＳ１２では、酸素濃度センサ４９における検出素子５２の表面を流れる排気ガスの流量が一定となるように、通気孔６０，６１の開口面積を算出する。即ち、吸入空気量と排気管４０及び酸素濃度センサ４９の形状に基づいて酸素濃度センサ４９の上流側と下流側の排気ガスの圧力差ΔＰを算出する。この排気ガスの圧力差ΔＰは、酸素濃度センサ４９の保護カバー５３内を流れる排気ガスの流量（流速）の２乗と比例するため、通気孔６０，６１の開口面積をＳとしたとき、下記数式１が成立するようにこの通気孔６０，６１の開口面積Ｓを求める。

ステップＳ１２にて、保護カバー５３における通気孔６０，６１の開口面積が算出されると、ステップＳ１３では、スライドカバー６２，６３の制御量ｈを算出する。そして、ステップＳ１４にて、ＥＣＵ４３は駆動装置６５を駆動し、スライドカバー６２，６３を制御量ｈだけ下方へ移動し、通気孔６０，６１の開口量を変更し、この通気孔６０，６１の開口面積が算出した開口面積Ｓとなるように調整する。

このように実施例１の酸素濃度センサ４９にあっては、ハウジング５１に検出素子５２を収容し、この検出素子５２の先端部を保護カバー５３により被覆して排気管４０内に挿入し、この保護カバー５３を複数の通気孔６０，６１を有する外側カバー５８及び内側カバー５９とから構成し、この外側カバー５８及び内側カバー５９の各通気孔６０，６１の開口面積を調整可能なスライドカバー６２，６３を設け、各通気孔６０，６１から保護カバー５３内に流入した排気ガスの流速が一定となるように、駆動装置６５によりスライドカバー６２，６３を移動して通気孔６０，６１の開口面積を調整可能としている。

従って、排気管４０を流れるガスの流量（流速）に応じてスライドカバー６２，６３により保護カバー５３の通気孔６０，６１の開口面積が調整されることで、この通気孔６０，６１から保護カバー５３内に流入した排気ガスの流量（流速）が一定となるため、排気ガスが検出素子５２に到達したとき、その表面に形成される境界層の厚さが均一化されてガス成分ごとの拡散速度が一定となり、酸素濃度を高精度に検出することができる。その結果、酸素濃度センサ４９は正確な排気ガス中の酸素濃度をＥＣＵ４３にフィードバックし、高精度な空燃比制御を行うことができ、燃費や排気ガス特性を向上することができる。

また、実施例１の酸素濃度センサ４９にあっては、保護カバー５３を構成する外側カバー５８及び内側カバー５９の内側にスライドカバー６２，６３を移動自在に設け、駆動装置６５によりこのスライドカバー６２，６３を移動することで、各カバー５８，５９の通気孔６０，６１の開口面積を調整し、各通気孔６０，６１から保護カバー５３内に流入した排気ガスの流速が一定となるようにしている。従って、簡単な構成で保護カバー５３内に流入した排気ガスの流速を一定とすることができ、構成の複雑化、重量化、高コスト化を抑制することができる。

図７は、本発明の実施例２に係る酸素濃度センサにおける保護カバーの縦断面図である。なお、実施例２の酸素濃度センサの基本的な構成は、前述した実施例１で説明したものとほぼ同様であるため、図４乃至図６を用いて説明すると共に、同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例２の酸素濃度センサにおいて、図４乃至図６に示すように、ハウジング５１に検出素子５２の基端部が装着され、この検出素子５２の先端部が保護カバー５３に被覆されて排気管４０内に挿入されている。この保護カバー５３は、外側カバー５８と内側カバー５９とから構成され、各カバー５８，５９に複数の通気孔６０，６１が対向しないように形成されている。そして、この実施例２では、図７に示すように、外側カバー５８の各通気孔６０の開口面積を調整可能なスライドカバー７１が設けられ、各通気孔６０から保護カバー５３内に流入した排気ガスの流速が一定となるように、スライドカバー７１により通気孔６０の開口面積を調整可能となっている。

即ち、円筒形状をなす外側カバー５８の内周面には、同じく円筒形状をなすスライドカバー７１が嵌合し、周方向に沿って回動自在となっており、このスライドカバー７１には、外側カバー５８の通気孔６０とほぼ同形をなす複数の通気孔７２が形成され、スライドカバー７１の下部には、通気孔６０に対応して複数の通気溝７３が形成されている。そして、駆動装置７４によりスライドカバー７１を周方向へ回動し、外側カバー５８の通気孔６０における開口量を変更し、この通気孔６０の開口面積を調整することができる。

なお、図示しないが、内側カバー５９に対してスライドカバーが設けられ、この内側カバー５９の通気孔６１とほぼ同形の通気孔が形成され、駆動装置により移動して通気孔６１の開口面積を調整することができる。

従って、排気ガスが保護カバー５３の通気孔６０を通して検出素子５２に導入されると、内側白金電極５５と外側白金電極５６との間に酸素濃度の差が生じ、ジルコニア固体電解質５４を通って酸素イオンが流れて起電力が発生するため、この起電力に基づいて酸素濃度を検出することができる。このとき、エンジン回転数やエンジン負荷などのエンジン運転状態に応じて排気管４０を流れる排気ガスの流量（流速）が変化し、酸素濃度センサ４９の入口側と出口側で排気ガスの圧力差が生じる。そのため、この排気ガスの圧力差に基づいてスライドカバー７１により保護カバー５３の通気孔６０の開口面積を調整することで、検出素子５２の表面を流れる排気ガスの流量（流速）が一定となるように制御する。その結果、エンジン運転状態が変化しても、正確な酸素濃度を検出することができる。なお、ここでは、内側カバー５９に関する説明は省略している。

このように実施例２の酸素濃度センサ４９にあっては、検出素子５２の先端部を被覆する保護カバー５３としての外側カバー５８の内側にスライドカバー７１を周方向に沿って回動自在に設け、駆動装置７４によりこのスライドカバー７１を移動することで、外側カバー５８の通気孔６０の開口面積を調整し、通気孔６０から保護カバー５３内に流入した排気ガスの流速が一定となるようにしている。

従って、排気管４０を流れるガスの流量（流速）に応じてスライドカバー７１により保護カバー５３の通気孔６０の開口面積が調整されることで、この通気孔６０から保護カバー５３内に流入した排気ガスの流量（流速）が一定となるため、排気ガスが検出素子５２に到達したとき、その表面に形成される境界層の厚さが均一化されてガス成分ごとの拡散速度が一定となり、酸素濃度を高精度に検出することができる。また、簡単な構成で保護カバー５３内に流入した排気ガスの流速を一定とすることができ、構成の複雑化、重量化、高コスト化を抑制することができる。

図８は、本発明の実施例３に係る酸素濃度センサにおける保護カバーの縦断面図である。なお、実施例３の酸素濃度センサの基本的な構成は、前述した実施例１で説明したものとほぼ同様であるため、図４乃至図６を用いて説明すると共に、同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

実施例３の酸素濃度センサにおいて、図４乃至図６に示すように、ハウジング５１に検出素子５２の基端部が装着され、この検出素子５２の先端部が保護カバー５３に被覆されて排気管４０内に挿入されている。この保護カバー５３は、外側カバー５８と内側カバー５９とから構成され、各カバー５８，５９に複数の通気孔６０，６１が対向しないように形成されている。そして、この実施例３では、図８に示すように、外側カバー５８の各通気孔６０の開口面積を調整可能なスライドカバー８１が設けられ、各通気孔６０から保護カバー５３内に流入した排気ガスの流速が一定となるように、スライドカバー８１により通気孔６０の開口面積を調整可能となっている。

即ち、円筒形状をなす外側カバー５８の外周面には、同じく円筒形状をなすスライドカバー８１が嵌合し、軸心方向に沿って移動自在となっており、このスライドカバー８１には、外側カバー５８の通気孔６０とほぼ同形をなす複数の通気孔８２が形成されている。そして、駆動装置８３によりスライドカバー８１を軸心方向へ移動し、外側カバー５８の通気孔６０における開口量を変更し、この通気孔６０の開口面積を調整することができる。

従って、排気ガスが保護カバー５３の通気孔６０を通して検出素子５２に導入されると、内側白金電極５５と外側白金電極５６との間に酸素濃度の差が生じ、ジルコニア固体電解質５４を通って酸素イオンが流れて起電力が発生するため、この起電力に基づいて酸素濃度を検出することができる。このとき、エンジン回転数やエンジン負荷などのエンジン運転状態に応じて排気管４０を流れる排気ガスの流量（流速）が変化し、酸素濃度センサ４９の入口側と出口側で排気ガスの圧力差が生じる。そのため、この排気ガスの圧力差に基づいてスライドカバー８１により保護カバー５３の通気孔６０の開口面積を調整することで、検出素子５２の表面を流れる排気ガスの流量（流速）が一定となるように制御する。その結果、エンジン運転状態が変化しても、正確な酸素濃度を検出することができる。なお、ここでは、内側カバー５９に関する説明は省略している。

このように実施例３の酸素濃度センサ４９にあっては、検出素子５２の先端部を被覆する保護カバー５３としての外側カバー５８の外側にスライドカバー８１を軸心方向に沿って移動自在に設け、駆動装置８３によりこのスライドカバー８１を移動することで、外側カバー５８の通気孔６０の開口面積を調整し、通気孔６０から保護カバー５３内に流入した排気ガスの流速が一定となるようにしている。

従って、排気管４０を流れるガスの流量（流速）に応じてスライドカバー８１により保護カバー５３の通気孔６０の開口面積が調整されることで、この通気孔６０から保護カバー５３内に流入した排気ガスの流量（流速）が一定となるため、排気ガスが検出素子５２に到達したとき、その表面に形成される境界層の厚さが均一化されてガス成分ごとの拡散速度が一定となり、酸素濃度を高精度に検出することができる。また、簡単な構成で保護カバー５３内に流入した排気ガスの流速を一定とすることができ、構成の複雑化、重量化、高コスト化を抑制することができる。

なお、上述した各実施例では、保護カバー５３を構成するカバー５８，５９の内側または外側にスライドカバー６２，６３，７１，８１を設けたが、酸素濃度センサの構成に応じてどちらに設けてもよく、また、スライドカバー６２，６３，７１，８１をカバー５８，５９に対して軸心方向に移動自在、または、周方向に回動自在としたが、酸素濃度センサの構成に応じてどちらでもよい

また、保護カバー５３を外側カバー５８と内側カバー５９とから構成したが、カバーの数は２つに限らず、１つまたは３つ以上であってもよい。更に、検出素子５２の構成も実施例に限るものではなく、例えば、ジルコニア固体電解質に代えてチタニア固体電解質などを用いてもよい。

また、本発明のガス濃度センサを酸素濃度センサに適用したが、空燃比センサなどに適用することもでき、また、このガス濃度センサを筒内噴射式の多気筒内燃機関に適用して説明したが、内燃機関に限らず、他の分野にも適用することもできる。

以上のように、本発明に係るガス濃度センサは、検出素子の表面を流れるガスの流速が一定となるように保護カバーの開口面積を調整可能としたものであり、ガス濃度を検出するセンサであれば、いずれの種類のセンサに用いても好適である。

本発明の実施例１に係る酸素濃度センサにおける保護カバーの縦断面図である。図１のII−II断面図である。実施例１の酸素濃度センサにおける保護カバーの開口面積の調整制御を表すフローチャートである。実施例１の酸素濃度センサが適用されたエンジンを表す概略構成図である。実施例１の酸素濃度センサの概略図である。実施例１の酸素濃度センサの検出素子を表す断面図である。本発明の実施例２に係る酸素濃度センサにおける保護カバーの縦断面図である。本発明の実施例３に係る酸素濃度センサにおける保護カバーの縦断面図である。

符号の説明

１０エンジン（内燃機関）
１８燃焼室
１９吸気ポート
２０排気ポート
２１吸気弁
２２排気弁
３７インジェクタ
３８点火プラグ
４３電子制御ユニット、ＥＣＵ
４９酸素濃度センサ（ガス濃度センサ）
５１ハウジング
５２検出素子
５３保護カバー
５４ジルコニア固体電解質
５５内側白金電極
５６外側白金電極
５７コーティング層
５８外側カバー
５９内側カバー
６０，６１通気孔
６２，６３，７１，８１スライドカバー
６５，７４，８３駆動装置

Claims

複数の通気孔を有する保護カバー内に特定のガス濃度に応じた起電力を発生する検出素子が設けられたガス濃度センサにおいて、
前記保護カバーに移動自在に支持されるスライドカバーと、
該スライドカバーを移動して前記通気孔の開口面積を調整可能な駆動装置と、
前記通気孔から前記保護カバー内に流入したガスの流速が一定となるように前記駆動装置を駆動して前記スライドカバーにより前記通気孔の開口面積を調整可能な制御装置と、
を備えることを特徴とするガス濃度センサ。
請求項１に記載のガス濃度センサにおいて、前記制御装置は、ガス流量とセンサ形状に基づいて前記保護カバーの上流側を流れるガスと下流側を流れるガスの圧力差を求め、この圧力差に基づいて前記スライドカバーにより前記通気孔の開口面積を調整することを特徴とするガス濃度センサ。
請求項１または２に記載のガス濃度センサにおいて、前記検出素子は、固体電解質の内面に内側電極が固定され、前記固体電解質の外面に外側電極が固定されると共に、該外側電極の表面にコーティング層が形成されてなり、前記通気孔から前記保護カバー内に流入したガスに対して、前記外側電極と内側電極との間に含有する酸素濃度に応じた起電力を発生することを特徴とするガス濃度センサ。
請求項１から３のいずれか一つに記載のガス濃度センサにおいて、前記スライドカバーは、前記複数の通気孔の開口量を変更することを特徴とするガス濃度センサ。