JP5098539B2 - ガスセンサの取付構造 - Google Patents

Description

本発明は、ガスセンサの取付構造に関する。

内燃機関においては、排気通路内に空燃比センサや酸素センサなどのガスセンサが取り付けられている。このようなガスセンサは、センサ素子と、センサ素子を活性化させるヒータと、センサ素子を覆うカバーとを有しているものが一般的である。カバーには、センサ素子を排気ガスに晒すために通気孔が形成されている。

特許文献１には、流体用センサの取付構造が開示されている。具体的には、流体用センサの中心軸線を流体の流れ方向に垂直な方向に対し傾斜させて流体の通路に取り付けられている構造が開示されている。このような取付構造により、カバー内に流体中の異物がセンサ素子へ付着することを低減できる。

特開平１０−１４８６２３号公報

ところで内燃機関の始動時には、前回の機関停止後に排気通路内に排気ガスが凝縮した凝縮水が残っていたり、始動後に機関より排出される排気ガスが低温の排気通路の内壁に触れて凝縮水が発生する場合がある。センサ素子がヒータによって加熱されている場合に、このような凝縮水がセンサ素子に被水すると、センサ素子が割れる恐れがある。排気通路内に発生した凝縮水は、排気ガスの流動によって様々な方向へ飛散する。従って、上記特許文献１に開示されている取付構造を、上記空燃比センサ等に適用した場合であっても、センサ素子への凝縮水の被水を防止できない恐れがある。

したがって本発明の目的は、カバー内への凝縮水の浸入を抑制し凝縮水の被水による素子割れを防止できるガスセンサの取付構造を提供することである。

上記目的は、内燃機関の排気通路に取り付けたガスセンサの取付構造であって、前記ガスセンサは、センサ素子と、前記センサ素子を覆い且つ先端部に通気孔が形成されたカバーとを含むと共に、前記排気通路の複数の導入口から前記先端部が視認できないように前記排気通路に取り付けられている、ことを特徴とするガスセンサの取付構造によって達成できる。
この構成により、カバーの先端部に形成された通気孔から、カバー内に凝縮水が浸入することを抑制できる。これにより、凝縮水の被水による素子割れを防止できる。

また、上記目的は、内燃機関の排気通路に取り付けたガスセンサの取付構造であって、前記ガスセンサは、センサ素子と、前記センサ素子を覆い且つ先端部に通気孔が形成されたカバーとを含むと共に、前記排気通路の導入口から前記排気通路の湾曲部を介して前記先端部が視認できないように前記排気通路に取り付けられている、ことを特徴とするガスセンサの取付構造によって達成できる。
この構成によっても、カバーの先端部に形成された通気孔から、カバー内に凝縮水が浸入することを抑制できる。

上記構成において、前記ガスセンサは、前記排気通路の導入口から前記排気通路の湾曲部を介して前記先端部を視認できないように前記排気通路に取り付けられている、構成を採用できる。
この構成により、カバーの先端部に形成された通気孔からの凝縮水の浸入を抑制する。

上記構成において、前記ガスセンサは、ｈを前記排気通路の径とし、ｔを前記排気通路の内壁面から前記ガスセンサの前記先端部までの突出長さとし、ｌを前記排気通路の導入口から前記ガスセンサまでの距離とし、θを前記排気通路に対する前記ガスセンサの傾斜角とすると、θ≦９０°−ａｒｃｔａｎ｛（ｈ−ｔ）／ｌ｝の条件式を満たすように前記排気通路に取り付けられている、構成を採用できる。

本発明によれば、カバー内への凝縮水の浸入を抑制し凝縮水の被水による素子割れを防止できるガスセンサの取付構造を提供できる。

以下、図面を参照して本発明に係る実施例について説明する。

図１は、本実施例に係るガスセンサの取付構造の説明図である。本実施例に係るガスセンサ２０は、排気ガス中の酸素濃度に基づき空燃比をリニアに検出するための空燃比センサである。但しこれに限られず、ガスセンサ２０は排気ガス中の酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出するための酸素センサやＮＯｘ濃度、ＣＯ濃度、ＨＣ濃度などを測定する各種のガスセンサであってもよい。ガスセンサ２０は積層型のセンサ素子２１を備えている。但し、代わりにコップ型のセンサ素子を備えていてもよい。

ガスセンサ２０は、排気通路１０内に突出するように取り付けられている。また、図１に示すように、ガスセンサ２０は、排気通路１０に対して傾斜した状態で取り付けられている。排気通路１０の導入口１１は、内燃機関の排気ポート４０に接続されている。導入口１１はリング状に形成されている。ガスセンサ２０は、導入口１１から直線状に形成された排気通路１０に取り付けられている。尚、図１においては、排気通路１０の導入口１１を明確に示すために、導入口１１と排気ポート４０とを切り離して示している。排気ポート４０は、内燃機関のシリンダヘッド３０に形成されている。排気ポート４０から排出された排気ガスは、排気通路１０内に導入され、排気通路１０の下流に設けられた排気浄化触媒（不図示）によって有害成分が浄化されて外部へと排出される。

ガスセンサ２０のセンサ素子２１を覆うカバーは、アウターカバー２２とインナーカバー２３とで構成された二重構造となっている。インナーカバー２３は円筒型に形成されており、円形の先端面（先端部）２３２を有している。また、アウターカバー２２は、円筒形に形成され、先端面を有しておらず、インナーカバー２３の先端面２３２を開放するように構成されている。

アウターカバー２２及びインナーカバー２３の側面には、それぞれ通気孔２２１、２３１が形成されている。また、インナーカバー２３の先端面２３２にも、通気孔２３３が形成されている。排気ガスは、通気孔２２１、２３１、２３３を介してアウターカバー２２及びインナーカバー２３内に流れ込み、センサ素子２１に接触して排出されるように流動する。

また、センサ素子２１には、センサ素子２１を活性化温度まで昇温させるためのヒータ（不図示）が内蔵されている。このヒータの作動は、電子制御ユニット（不図示）によって制御されている。

ここで、従来のガスセンサの取付構造によって生じる問題点について説明する。図２は、従来のガスセンサの取付構造によって生じる問題点の説明図である。尚、図２において、図１と同様の部分については同様の符号を付することによりその説明を省略する。図２に示すように、従来のガスセンサ２０ｘの取付構造においては、ガスセンサ２０ｘは、排気通路１０に対して僅かに傾斜した状態で取り付けられている。このため、排気通路１０内に発生した凝縮水ＦＷが、通気孔２３３ｘを介してセンサ素子２１ｘへと到達する恐れがある。

しかしながら、図１に示した本実施例に係るガスセンサの取付構造の場合、従来の取付構造よりも更に傾斜した状態でガスセンサ２０が排気通路１０に取り付けられている。このため、凝縮水ＦＷは、アウターカバー２２の先端部に付着する恐れはあるが、通気孔２３３を介してインナーカバー２３内に浸入する恐れを抑制できる。従って、凝縮水による素子割れを防止できる。

次に、上記作用について説明する。図３は、本実施例に係るガスセンサの取付構造と従来のガスセンサの取付構造とを比較した図である。図３（ａ）は、本実施例にかかるガスセンサの取付構造の説明図である。図３（ｂ）は、従来のガスセンサの取付構造の説明図である。尚、図３においては、説明を容易にするためにガスセンサ２０、２０ｘａの構成を模式的に示しており、図３（ｂ）においては、ガスセンサ２０ｘａが排気通路１０に対して垂直に取り付けられた場合を示している。

図３（ａ）に示すように、ガスセンサ２０の先端面２３２が導入口１１から視認できないように、ガスセンサ２０が排気通路１０に対して大きく傾斜した状態で取り付けられている。詳細にはガスセンサ２０は、導入口１１の端面を含むと共に導入口１１に囲まれた仮想平面上の視点から、先端面２３２が視認できないように所定の傾斜角を有して排気通路１０に取り付けられている。

図３（ａ）において、導入口１１の縁部から先端面２３２の中心へと結んだ線分を視線方向ＯＬとすると、いずれの視線方向ＯＬからも先端面２３２の中心は見えない。このため、導入口１１から先端面２３２に形成された通気孔は視認できない。従って、導入口１１の内周壁面、又は排気ポートの内周壁面に付着した凝縮水が、排気ガスの流動によって飛散して先端面２３２に形成された通気孔に浸入することを防止できる。これにより、凝縮水による素子割れを防止できる。

一方、図３（ｂ）に示すように、ガスセンサ２０ｘａは排気通路１０に対して垂直に取り付けられているので、先端面２３２ｘａが導入口１１の一部分から見える状態で取り付けられている。図３（ｂ）において、導入口１１の縁部の上部側から先端面２３２ｘａの中心へと結んだ線分を視線方向ＯＬとし、導入口１１の縁部の下部側から先端面２３２ｘａの中心へと結んだ線分を視線方向ＮＬとし、視線方向ＯＬからは先端面２３２ｘａの中心は見えないが、視線方向ＮＬの視点からは、先端面２３２ｘａは見える。

従って、視線方向ＯＬの視点周辺に付着した凝縮水が、先端面２３２ｘａに付着する可能性は少ないが、視線方向ＮＬの視点周辺に付着した凝縮水は、排気ガスの流動によって飛散して先端面２３２ｘａに付着する可能性がある。先端面２３２ｘａに付着すると、凝縮水が先端面２３２ｘａに形成された通気孔から、インナーカバー内に浸入して、センサ素子に到達する恐れがある。

しかしながら、図３（ａ）に示したように、先端面２３２が導入口１１から見えないように、ガスセンサ２０が排気通路１０に対して傾斜した状態で取り付けられていることにより、凝縮水による被水を防止できる。

次に、本実施例に係るガスセンサの、排気通路に対する取付角度について説明する。図４は、本実施例に係るガスセンサの取付角度の説明図である。ここでは、排気通路１０の直線状に形成された部分にガスセンサ２０を取り付ける場合について説明する。

ｈは、排気通路１０の径である。ｔは、排気通路１０の内壁面からガスセンサ２０の先端面２３２までの突出長さであり、詳細にはｔは、排気通路１０の内壁面から先端面２３２の中心までの突出長さである。ｌは、導入口１１からガスセンサ２０までの距離であり、詳細には、排気通路１０の軸心ＥＡと平行であって導入口１１から先端面２３２の中心までの距離である。θは、排気通路１０に対するガスセンサ２０の傾斜角（取付角度）であり、詳細には、排気通路１０の軸心ＥＡとガスセンサ２０の軸心ＳＡとの間の角度である。ここで、図４に示すように、導入口１１の下端部を視点として先端面２３２を見た場合の視認方向と、先端面２３２とが平行になる場合には、以下の式が成立する。

ｔａｎ（９０°−θ）＝（ｈ−ｔ）／ｌ……（１）

上記式（１）は以下のように変形できる。

θ＝９０°−ａｒｃｔａｎ｛（ｈ−ｔ）／ｌ｝……（２）

従って、ガスセンサ２０の傾斜角度θが以下の条件式を満たしている場合には、導入口１１から先端面２３２を視認することができない。

θ≦９０°−ａｒｃｔａｎ｛（ｈ−ｔ）／ｌ｝……（３）

次に、本実施例に係るガスセンサの取付位置と取付角度との関係について具体例を用いて説明する。図５は、本実施例に係るガスセンサの取付位置と取付角度との関係の説明図である。図５（ａ）は、本実施例に係るガスセンサの、排気通路導入口からの距離と、取付角度との関係を示したマップである。

図５（ａ）に示した、取付角度以下の場合には、導入口１１から先端面２３２が視認できない状態となる。導入口１１からガスセンサ２０の距離が短くなるほど、ガスセンサ２０の取付角度小さくする必要がある。即ち、導入口１１からガスセンサ２０の距離が短くなるほど、ガスセンサ２０を傾斜の度合を大きくして取り付ける必要がある。図５（ｂ）は、ガスセンサ２０の取付位置が、導入口１１から６５ｍｍの場合と、２００ｍｍの場合とでの、ガスセンサ２０の取付角度を示した図である。ガスセンサ２０の取付位置が導入口１１から６５ｍｍの場合には、取付角度は約６５°以下にする必要があり、２００ｍｍの場合には、取付角度は約８２°以下にする必要がある。

このように、ガスセンサ２０の取付位置に応じて取付角度を変更することにより、凝縮水の被水を防止しつつ、ガスセンサ２０の取付位置を導入口１１の近傍に設定することができる。導入口１１の近傍にガスセンサ２０を取り付けることにより、より高温の排気ガスにガスセンサ２０を晒すことができる。これにより、例えば内燃機関の冷間始動時には、早期にガスセンサ２０のセンサ素子を活性化させることができる。尚、上記実施例に係るガスセンサの取付構造を多気筒式の内燃機関に採用する場合には、排気通路の複数の導入口のいずれに対しても、上記式（３）を満たすようにガスセンサが取り付けられていることにより、凝縮水による被水を防止できる。

次に、湾曲部を有した排気通路へのガスセンサの取付構造について説明する。図６は、湾曲部を有した排気通路へのガスセンサの取付構造の説明図である。図６（ａ）は、排気通路導入口からガスセンサの先端面が視認できる場合の説明図である。

図６（ａ）に示すように、排気通路１０ａの途中に湾曲部１２ａが形成されており、ガスセンサ２０ｘｂは、湾曲部１２ａよりも下流側に取り付けられている。導入口１１ａの縁部の下部側から先端面２３２ｘｂの中心へと結んだ線分を視線方向ＯＬとすると、視線方向ＯＬからは、湾曲部１２ａによって視界が妨げられ先端面２３２ｘｄを視認できない。導入口１１ａの縁部の上部側から先端面２３２ｘｂの中心へと結んだ線分を視線方向ＮＬとすると、視線方向ＮＬからは、湾曲部１２ａによって視界が妨げられず、先端面２３２ｘｂを視認できる。

図６（ａ）に示すように、導入口１１ａの一部分からは湾曲部１２ａによって先端面２３２ｘｂを視認できないが、導入口１１ａの他の部分からは先端面２３２ｘｂを視認できる場合には、導入口１１ａの前記他の部分周辺に付着した凝縮水が排気ガスの流動によって、先端面２３２ｘｂに付着し、先端面２３２ｘｂに形成された通気孔を介してセンサ素子が被水する恐れがある。

図６（ｂ）は、排気通路導入口からガスセンサの先端面が視認できない場合の一例の説明図である。図６（ｂ）に示すように、ガスセンサ２０ｂは、ガスセンサ２０ｘｂよりも導入口１１ａから離れた位置に取り付けられている。導入口１１ａの縁部からの先端面２３２ｂの中心へと結んだ線分を視線方向ＯＬとすると、いずれの視線方向ＯＬからも湾曲部１２ａによって視界が妨げられて、先端面２３２ｂを視認することはできない。

従って、先端面２３２ｂに形成された通気孔についても視認できない。このように、湾曲部１２ａを介して先端面２３２ｂに形成された通気孔を視認できないようにガスセンサ２０ｂを導入口１１ａに取り付けることにより、先端面２３２ｂに形成された通気孔から凝縮水が浸入することを抑制できる。

図６（ｃ）は、排気通路導入口からガスセンサの先端面が視認できる場合の他の例の説明図である。図６（ｃ）に示すように、ガスセンサ２０ｃは、ガスセンサ２０ｘｂと略同じ位置に取り付けられているが、取付角度に関しては相違している。ガスセンサ２０ｃは、ガスセンサ２０ｘｂと比較し、導入口１１ａに対して先端面２３２ｃが背くように排気通路１０ａに取り付けられている。

導入口１１ａの縁部から先端面２３２ｃの中心へと結んだ線分を視線方向ＯＬとすると、導入口１１ａの下部を視点とする視線方向ＯＬからは、湾曲部１２ａによって視界が妨げられて、先端面２３２ｃを視認することはできない。また、ガスセンサ２０ｘｂと異なり、導入口１１ａの上部を視点とする視線方向ＯＬからも、先端面２３２ｃを視認することはできない。導入口１１ａに対して先端面２３２ｃが背くように、ガスセンサ２０ｃが所定の取付角度を有して取り付けられているからである。このような構成によっても、先端面２３２ｃに形成された通気孔から凝縮水が浸入することを抑制できる。

次に、多気筒を有した内燃機関の排気通路に対するガスセンサの取付構造につついて説明する。図７は、多気筒式の内燃機関の排気通路に対するガスセンサの取付構造の説明図である。図７に示すように、排気通路１０ｂは、導入口１１ｂ１〜１１ｂ３がそれぞれ形成された１３ｂ１〜１３ｂ３が下流側で合流部１４ｂを介して一本の通路となるように形成されている。導入口１１ｂ１〜１１ｂ３は、各気筒の排気ポートにそれぞれ接続されている。図７に示すように、ガスセンサ２０ｘｃは、合流部１４ｂ近傍に取り付けられている。また、ガスセンサ２０ｄは、合流部１４ｂよりも下流側に取り付けられている。

図８は、排気通路に形成された複数の導入口から見た場合のガスセンサを示した図である。図８に示すように、導入口１１ｂ１、１１ｂ２から下流方向に見た場合、ガスセンサ２０ｘｃの先端面２３２ｘｃを視認することはできない。しかしながら、導入口１１ｂ３から下流方向に見た場合には、先端面２３２ｘｃを視認することができる。これは、導入口１１ｂ１〜１１ｂ３から先端面２３２ｘｃへの視認方向がそれぞれ異なっているからである。

従って、導入口１１ｂ３周辺に付着した凝縮水は、１３ｂ３を通過して先端面２３２ｘｃに形成された通気孔に浸入する恐れがある。一方、図７に示したガスセンサ２０ｄは、導入口１１ｂ１〜１１ｂ３のいずれからも先端面２３２ｄが視認できないように、合流部１４ｂよりも下流側に取り付けられている。このように、ガスセンサ２０ｄがこのような位置に取り付けられているため、ガスセンサ２０ｄに関しては、凝縮水による被水が抑制される。

次に、本実施例に係るガスセンサの取付構造の具体例について簡単に説明する。図９は、本実施例に係るガスセンサの取付構造の第１例示図である。図９（ａ）は、排気通路を上部から見た図であり、図９（ｂ）は、排気通路を側面から見た図である。排気通路１０ｅは、導入口１１ｅ１〜１１ｅ４を有しており、ガスセンサ２０ｅは、合流部１４ｅ近傍に取り付けられている。また、ガスセンサ２０ｅは、排気通路１０ｅに配置された触媒５０ｅよりも上流側に取り付けられている。図９（ｂ）に示すように、導入口１１ｅ１〜１１ｅ４から、ガスセンサ２０ｅ自体を視認することはできるが、その先端面２３２ｅは視認できないように、ガスセンサ２０ｅが取り付けられている。このように、ガスセンサ２０ｅの取付位置が合流部１４ｅ近傍であっても、導入口１１ｅ１〜１１ｅ４のいずれからも先端面２３２ｅが視認できないのであれば、ガスセンサ２０ｅの素子割れを防止できる。

図１０は、本実施例に係るガスセンサの取付構造の第２例示図である。図１０（ａ）は、排気通路を上部から見た図であり、図１０（ｂ）は、排気通路の斜視図であり、図１０（ｃ）は、排気通路を側面から見た図である。排気通路１０ｆは、導入口１１ｆ１〜１１ｆ４を有している。また、図１０に示すように、ガスセンサ２０ｆは、合流部１４ｆよりも下流側に取り付けられている。図１０（ｃ）に示すように、ガスセンサ２０ｆは、その先端面２３２ｆが導入口１１ｆ１〜１１ｆ４のいずれからも視認できないように取り付けられている。これにより、ガスセンサ２０ｆの素子割れを防止できる。

図１１は、本実施例に係るガスセンサの取付構造の第３例示図である。図１１に示すように、ガスセンサ２０ｘｇは、合流部１４ｇの近傍に取り付けられており、先端面２３２ｘｇは、導入口１１ｇ１〜１１ｇ３のいずれからも視認することができる。従って、ガスセンサ２０ｘｇは素子割れを防止できない恐れがある。一方、ガスセンサ２０ｘｇよりも更に下流側に取り付けられたガスセンサ２０ｇは、導入口１１ｇ１〜１１ｇ３のいずれからも先端面２３２ｇが視認できないように取り付けられている。このため、ガスセンサ２０ｇに関しては素子割れを防止できる。尚、ガスセンサ２０ｇは、触媒５０ｇよりも上流側に取り付けられている。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本実施例に係るガスセンサの取付構造の説明図である。 従来のガスセンサの取付構造によって生じる問題点の説明図である。 本実施例に係るガスセンサの取付構造と従来のガスセンサの取付構造とを比較した図である。 本実施例に係るガスセンサの取付角度の説明図である。 本実施例に係るガスセンサの取付位置と取付角度との関係の説明図である。 湾曲部を有した排気通路へのガスセンサの取付構造の説明図である。 多気筒式の内燃機関の排気通路に対するガスセンサの取付構造の説明図である。 排気通路に形成された複数の導入口から見た場合のガスセンサを示した図である。 本実施例に係るガスセンサの取付構造の第１例示図である。 本実施例に係るガスセンサの取付構造の第２例示図である。 本実施例に係るガスセンサの取付構造の第３例示図である。

符号の説明

１０ 排気通路
１１ 導入口
１２ａ 湾曲部
２０ ガスセンサ
２３２ 先端面

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路と、前記排気通路に取り付けられたガスセンサと、を含むガスセンサの取付構造であって、
   前記ガスセンサは、センサ素子と、前記センサ素子を覆い且つ先端部に通気孔が形成されたカバーとを含むと共に、前記排気通路の導入口から前記先端部が視認できないように前記排気通路に取り付けられ、
   前記排気通路は、前記ガスセンサが取り付けられた直線状部分を含み、
   前記導入口の開口面は、前記直線状部分の軸線に対して垂直に形成され、
   前記直線状部分は、前記導入口から前記ガスセンサまで直線状に形成されており、
   前記ガスセンサは、ｈを前記排気通路の径とし、ｔを前記排気通路の内壁面から前記ガスセンサの前記先端部までの突出長さとし、ｌを前記排気通路の導入口から前記ガスセンサの前記先端部までの前記直線状部分に平行な方向での距離とし、θを前記排気通路の前記直線状部分の軸心に対する前記ガスセンサの軸心の傾斜角とすると、θ≦９０°−ａｒｃｔａｎ｛（ｈ−ｔ）／ｌ｝の条件式を満たすように前記排気通路に取り付けられている、ことを特徴とするガスセンサの取付構造。

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