JP6519517B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
該センサ素子を内側に挿通して保持するハウジング(3)と、
該ハウジングの先端に取り付けられて該ハウジングから突出する上記検出部を覆う側壁部(41)及び底部(42)を有し、該側壁部に第1インナ流通孔(411)が形成され、該底部に第2インナ流通孔(421)が形成されたインナカバー(4)と、
該インナカバーを覆う側壁部(51)及び底部(52)を有し、該側壁部に第1アウタ流通孔(511)が形成されたアウタカバー(5)と、を備えるガスセンサ(1)であって、
上記センサ素子が上記ハウジングに挿通された方向である軸線方向(L)において、該ハウジングに対して上記インナカバーが設けられた側を先端側(L2)、その反対側を基端側(L1)としたとき、
上記第1インナ流通孔の基端部(412)には、内周側に突出するガイド体(43)が設けられており、
上記第1インナ流通孔の上記基端部は、上記センサ素子の上記軸線方向の先端(203)から基端側に2mm離れた位置を、該軸線方向に垂直に上記インナカバーに投影した基端位置(P1)と、上記センサ素子の上記軸線方向の先端から先端側に2mm離れた位置を、該軸線方向に垂直に上記インナカバーに投影した先端位置(P2)との間に位置しており、
上記センサ素子の上記軸線方向の先端は、該先端に、上記ガイド体の先端側の表面(430)における基端(434)と先端(435)とを通る仮想ライン(K)が交差する位置にある、又は上記仮想ラインよりも上記軸線方向の基端側の位置にあり、
上記センサ素子の上記軸線方向の先端は、該センサ素子の上記軸線方向の先端の中心(O)を該軸線方向に沿って通る中心ライン(C)及び上記仮想ラインの交点位置(P3)と、該交点位置から上記軸線方向の基端側に1.5mm離れた位置(P4)との間に位置している、ガスセンサにある。
第1の位置関係として、第1インナ流通孔の基端部は、センサ素子の軸線方向の先端から基端側に2mm離れた位置を軸線方向に垂直にインナカバーに投影した基端位置と、センサ素子の軸線方向の先端から先端側に2mm離れた位置を軸線方向に垂直にインナカバーに投影した先端位置との間に位置している。すなわち、センサ素子の軸線方向において、第1インナ流通孔の基端部がセンサ素子の軸線方向の先端の近くにあり、第1インナ流通孔からインナカバーの内周側に流入する被測定ガスは、ガイド体によって案内されながら、センサ素子の軸線方向の先端部に設けられた検出部の周辺に素早く導かれる。これにより、第1インナ流通孔からインナカバーの内周側に流入する被測定ガスが、センサ素子の検出部に到達するまでの時間を短くすることができる。そのため、センサ素子の検出部によって特定ガス成分を検出するための応答性を高めることができる。
(実施形態1)
本形態のガスセンサ1は、図1に示すように、センサ素子2、ハウジング3、インナカバー4及びアウタカバー5を備える。センサ素子2は、長尺形状を有しており、センサ素子2の軸線方向Lの先端部には、被測定ガスG中の特定ガス成分を検出するための検出部20が設けられている。ハウジング3は、センサ素子2を内側に挿通して保持する。インナカバー4は、ハウジング3の先端に取り付けられており、ハウジング3から突出する検出部20を覆う側壁部41及び先端側L2の底部42を有する。インナカバー4の側壁部41には、第1インナ流通孔411が形成されており、インナカバー4の底部42には、第2インナ流通孔421が形成されている。アウタカバー5は、ハウジング3の先端に取り付けられており、インナカバー4を覆う側壁部51及び先端側L2の底部52を有する。アウタカバー5の側壁部51には、第1アウタ流通孔511が形成されており、アウタカバー5の底部52には、第2アウタ流通孔521が形成されている。
図2、図3に示すように、第1インナ流通孔411の基端部412には、内周側に突出するガイド体43が設けられている。第1インナ流通孔411の基端部412は、センサ素子2の軸線方向Lの先端203から基端側L1に2mm離れた位置を、軸線方向Lに垂直にインナカバー4に投影した基端位置P1と、センサ素子2の軸線方向Lの先端203から先端側L2に2mm離れた位置を、軸線方向Lに垂直にインナカバー4に投影した先端位置P2との間に位置している。センサ素子2の軸線方向Lの先端203は、ガイド体43の先端側L2の表面430における基端434と先端435とを通る仮想ラインKよりも軸線方向Lの基端側L1に位置する。
ここで、第1インナ流通孔411の基端部412の位置は、インナカバー4に設けられたガイド体43の内周側の基端の位置とする。ガイド体43が、インナカバー4の一部が屈曲した部分によって形成されている場合には、基端部412とは、ガイド体43の内周側の屈曲起点のことをいう。内周側の基端又は内周側の屈曲起点とは、インナカバー4の内周面における位置のことをいう。
ガスセンサ1は、内燃機関の排気管に配置され、排気管を流れる排ガスを被測定ガスGとして、この被測定ガスG中の特定ガス成分を検出するために用いられる。本形態の特定ガス成分は、一酸化窒素、二酸化窒素等の窒素酸化物(NOx)である。基準ガスAは、酸素濃度が一定の大気である。
ガスセンサ1のハウジング3は、排気管に取り付けられており、ガスセンサ1のインナカバー4及びアウタカバー5は、排気管内に配置される。
固体電解質体21は、イットリア安定化ジルコニアによって構成されている。被測定ガス室241は、固体電解質体21の第1表面201に積層された板状のスペーサとしての第1絶縁体22Aと、板状の第2絶縁体22Bとによって囲まれて形成されている。基準ガス室242は、固体電解質体21の第2表面202に積層された板状のスペーサとしての第3絶縁体22Cと、板状のヒータ23とによって囲まれて形成されている。ヒータ23は、セラミックスの基板231と、この基板231の内部に埋設された、通電によって発熱する発熱体232とを有している。
センサ電極212は、ポンプ電極211に対する、被測定ガス室241内の被測定ガスGの流れ方向の下流側に配置されている。センサ電極212は、ポンプ電極211によって酸素濃度が調整された後の被測定ガスG中の特定ガス成分を検出するために用いられる。センサ電極212と基準電極213との間に流れる電流を検出することによって、被測定ガスG中の特定ガス成分の濃度が検出される。
第1絶縁体22Aの先端部には、被測定ガス室241に被測定ガスGを導入するためのガス導入口25が形成されている。ガス導入口25には、被測定ガス室241に所定の拡散抵抗の下で被測定ガスGを導入するための拡散抵抗体251が設けられている。拡散抵抗体251は、セラミックスの多孔質体によって構成されている。
センサ素子2の検出部20に接触する被測定ガスGは、保護層26及び拡散抵抗体251を通過して被測定ガス室241に導入される。そして、被測定ガス室241内の被測定ガスGの酸素濃度は、ポンプ電極211と基準電極213との間に電圧が印加されて調整される。また、酸素濃度が調整された後の被測定ガスG中の特定ガス成分は、センサ電極212において分解され、センサ電極212と基準電極213との間に流れる電流によって検出される。
例えば、図6に示すように、センサ素子2の軸線方向Lの先端203は、先端203に、ガイド体43の先端側L2の表面430における基端434と先端435とを通る仮想ラインKが交差する位置にあってもよい。先端203は、センサ素子2の先端面のことを意味する。
これ以外にも、図8に示すように、ガイド体43は、基端部431に対して先端部432が軸線方向Lの基端側L1に位置するよう傾斜して、インナカバー4の内周側に突出していてもよい。また、図示は省略するが、ガイド体43は、軸線方向Lに垂直になるよう、インナカバー4の内周側に突出していてもよい。
第1の位置関係として、第1インナ流通孔411の基端部412は、センサ素子2の軸線方向Lの先端203から基端側L1に2mm離れた位置を、軸線方向Lに垂直にインナカバー4に投影した基端位置P1と、センサ素子2の軸線方向Lの先端203から先端側L2に2mm離れた位置を、軸線方向Lに垂直にインナカバー4に投影した先端位置P2との間に位置している。つまり、センサ素子2の軸線方向Lにおいて、第1インナ流通孔411の基端部412は、センサ素子2の軸線方向Lの先端203の近くにある。
一方、第1インナ流通孔411の基端部412が先端位置P2よりもさらに先端側L2に位置する場合には、ガイド体43に沿ってインナカバー4の内周側に流入する被測定ガスGが、センサ素子2の検出部20に到達しにくくなり、検出部20によって特定ガス成分を検出する応答性が悪化する。
また、センサ素子2の軸線方向Lの先端203が、交点位置P3から軸線方向Lの基端側L1に1.5mm離れた位置P4よりもさらに基端側L2に位置する場合には、ガイド体43に沿ってインナカバー4の内周側に流入する被測定ガスGが、センサ素子2の検出部20に到達しにくくなり、検出部20によって特定ガス成分を検出する応答性が悪化するおそれがある。
本形態においては、ガイド体43の形状の他の態様を示す。
本形態のガイド体43は、図9〜図11に示すように、基端部431から先端部432に向けて幅が広がる一対の側部433がインナカバー4に接続されるとともに、先端部432がインナカバー4から離れた形状を有する。ガイド体43は、インナカバー4の内周面における基端側L1に、基端部431としての頂点部を位置させて内周側に突出する三角状部分によって形成されている。
ガイド体43の形状は、図10に示すように、幅方向に分けられた2つの平面状部分が繋がる形状とすることができる。また、ガイド体43の形状は、図11に示すように、幅方向において内周側に湾曲する曲面状の形状とすることもできる。これらの場合において、仮想ラインKは、ガイド体43の先端側L2の表面430における周方向R(図5参照)の中心位置430Aの基端434と先端435とを通るラインとする。
また、図示は省略するが、ガイド体43は、台形を含む四角状部分によって形成することもできる。
なお、本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。
本確認試験においては、実施形態1に示したガイド体43を有するガスセンサ1(試験品1)と、ガイド体43を有しないガスセンサ(比較品)とについて、エンジンの始動後に生じるセンサ電極212の温度の変動範囲を測定した。試験品1においては、第1インナ流通孔411の基端部412は、センサ素子2の軸線方向Lの先端203から基端側L1に0.6mm離れた位置とし、センサ素子2の軸線方向Lの先端203は、交点位置P3よりも軸線方向Lの基端側L1に1mm離れた位置とした。
ここで、センサ電極212の温度は、センサ電極212による特定ガス成分の触媒活性性能と相関関係がある。センサ電極212の温度が変動すると、特定ガス成分の検出精度も変動するため、センサ電極212の温度はできる限り変動しない方がよいといえる。
本確認試験においては、実施形態1に示したガイド体43を有するガスセンサ1に関し、センサ素子2の軸線方向Lの先端203が交点位置P3よりも軸線方向Lの基端側L1に1mm離れた場合(試験品1)と、センサ素子2の軸線方向Lの先端203の中心Oが交点位置P3上にある場合(試験品2)とについて、センサ出力の応答性を測定した。試験品1,2のいずれについても、第1インナ流通孔411の基端部412は、センサ素子2の軸線方向Lの先端203から軸線方向Lの基端側L1に0.6mm離れた位置とした。本確認試験においても、ガスセンサ1を用いるエンジン、排気管等の構成は確認試験1と同様である。
また、本確認試験においては、センサ出力の応答性を、エンジンの空燃比を30から40にステップ状に変化させた場合に、センサ出力が、0%からステップ入力による最大変化量の63%に達するまでに要した時間(63%応答時間)として測定した。この測定結果を図14に示す。63%応答時間は、試験品1の値を1とした場合に、試験品1の値に対する試験品2の値の相対値として示す。
同図に示すように、試験品1の63%応答時間に比べて、試験品2の63%応答時間が短くなることが確認できた。従って、センサ素子2の軸線方向Lの先端203の中心Oは、中心ラインCと仮想ラインKとの交点位置P3上にあることがより好ましいことが分かった。
本確認試験においては、センサ素子2の軸線方向Lの先端203に対する第1インナ流通孔411の基端部412の軸線方向Lの位置を変化させた場合に、センサ電極212の温度変動量(℃)及び63%応答時間(−)がどれだけ変化するかを測定した。この測定結果を図15に示す。なお、センサ素子2の軸線方向Lの先端203の中心Oは、中心ラインCと仮想ラインKとの交点位置P3上に設定した。
同図に示すように、センサ素子2の軸線方向Lの先端203に対する第1インナ流通孔411の基端部412の軸線方向Lの位置は、先端側L2に3.0mm離れた位置から基端側L1に3.0mm離れた位置まで変化させた。また、先端203に対する基端部412の軸線方向Lの位置(mm)は、先端側L2に離れた場合をマイナス(−)で示し、基端側L1に離れた場合をプラス(+)で示す。
一方、先端203に対する基端部412の位置が−2.0mmよりもさらにマイナス側になる場合、及び2.0mmよりもさらにプラス側になる場合には、63%応答時間が増加していくことが分かる。この理由は、第1インナ流通孔411の基端部412が、センサ素子2の軸線方向Lの先端203からより遠くに離れることにより、第1インナ流通孔411からインナカバー4内に流入する被測定ガスGが、センサ素子2の検出部20に到達しにくくなるためであると考える。
2 センサ素子
20 検出部
3 ハウジング
4 インナカバー
41 側壁部
411 第1インナ流通孔
412 基端部
43 ガイド体
5 アウタカバー
Claims (8)
- 被測定ガス(G)中の特定ガス成分を検出するための検出部(20)を有するセンサ素子(2)と、
該センサ素子を内側に挿通して保持するハウジング(3)と、
該ハウジングの先端に取り付けられて該ハウジングから突出する上記検出部を覆う側壁部(41)及び底部(42)を有し、該側壁部に第1インナ流通孔(411)が形成され、該底部に第2インナ流通孔(421)が形成されたインナカバー(4)と、
該インナカバーを覆う側壁部(51)及び底部(52)を有し、該側壁部に第1アウタ流通孔(511)が形成されたアウタカバー(5)と、を備えるガスセンサ(1)であって、
上記センサ素子が上記ハウジングに挿通された方向である軸線方向(L)において、該ハウジングに対して上記インナカバーが設けられた側を先端側(L2)、その反対側を基端側(L1)としたとき、
上記第1インナ流通孔の基端部(412)には、内周側に突出するガイド体(43)が設けられており、
上記第1インナ流通孔の上記基端部は、上記センサ素子の上記軸線方向の先端(203)から基端側に2mm離れた位置を、該軸線方向に垂直に上記インナカバーに投影した基端位置(P1)と、上記センサ素子の上記軸線方向の先端から先端側に2mm離れた位置を、該軸線方向に垂直に上記インナカバーに投影した先端位置(P2)との間に位置しており、
上記センサ素子の上記軸線方向の先端は、該先端に、上記ガイド体の先端側の表面(430)における基端(434)と先端(435)とを通る仮想ライン(K)が交差する位置にある、又は上記仮想ラインよりも上記軸線方向の基端側の位置にあり、
上記センサ素子の上記軸線方向の先端は、該センサ素子の上記軸線方向の先端の中心(O)を該軸線方向に沿って通る中心ライン(C)及び上記仮想ラインの交点位置(P3)と、該交点位置から上記軸線方向の基端側に1.5mm離れた位置(P4)との間に位置している、ガスセンサ。 - 上記ガイド体は、基端部(431)が上記インナカバーに接続されるとともに、先端部(432)及び一対の側部(433)が該インナカバーから離れた形状を有する、請求項1に記載のガスセンサ。
- 上記ガイド体の先端部の幅は、該ガイド体の基端部の幅よりも大きい、請求項2に記載のガスセンサ。
- 上記ガイド体は、基端部(431)から先端部(432)に向けて幅が広がる一対の側部(433)が上記インナカバーに接続されるとともに、上記先端部が該インナカバーから離れた形状を有する、請求項1に記載のガスセンサ。
- 上記ガイド体の表面は、平面状又は曲面状である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のガスセンサ。
- 上記センサ素子は、
酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(21)と、
該固体電解質体の第1表面(201)に接して形成された、被測定ガスが導入される被測定ガス室(241)と、
該固体電解質体の上記第1表面とは反対側の第2表面(202)に接して形成された、基準ガス(A)が導入される基準ガス室(242)と、
上記第1表面に設けられ、上記被測定ガス室内の酸素濃度を調整するためのポンプ電極(211)と、
上記第1表面に設けられ、上記ポンプ電極によって酸素濃度が調整された後の被測定ガス中の特定ガス成分を検出するためのセンサ電極(212)と、
上記第2表面に設けられた基準電極(213)と、を備え、
上記センサ素子には、上記固体電解質体を加熱するためのヒータ(23)が積層されている、請求項1〜5のいずれか一項に記載のガスセンサ。 - 上記センサ素子の温度は、上記固体電解質体を介した上記ポンプ電極と上記基準電極との間のインピーダンスが所定の値になるよう上記ヒータの加熱量を制御して調整される、請求項6に記載のガスセンサ。
- 上記センサ素子の温度は、上記固体電解質体を介した上記センサ電極と上記基準電極との間のインピーダンスが所定の値になるよう上記ヒータの加熱量を制御して調整される、請求項6に記載のガスセンサ。
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