JPH09196888A

JPH09196888A - ガス検出素子

Info

Publication number: JPH09196888A
Application number: JP8024604A
Authority: JP
Inventors: Keigo Mizutani; 圭吾水谷; Masanori Yamada; 正徳山田; Satoshi Nakamura; 中村　　聡; Tasuke Makino; 太輔牧野; Hideomi Kawachi; 秀臣河内
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1996-01-17
Filing date: 1996-01-17
Publication date: 1997-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関の排気管内に、排気ガス流通孔を形
成したカバー体で覆ったガス検出管が突出する構造のガ
ス検出素子において、ガス検出管の外表面等に付着する
排気ガス中のパティキュレートが高温の排気ガスから受
熱して燃焼することで排気ガスの組成が変化し、検出誤
差が生じるのを抑えることである。【解決手段】排気管７内に突出するガス検出管１を、
ヒータ２で高温に保持されるガス感応部１ａより排気管
７壁側の部分とカバー体３の間の空間Ｓを閉鎖部材４で
閉鎖してパティキュレートの付着面積を減らすととも
に、カバー体３内の保温効果を高める。排気ガス流通孔
を、カバー体３の周壁には排気ガス流通孔３４を排気ガ
スがガス感応部１ａのヒータ２付設位置付近に正面から
流れ込む位置と、カバー体３の底壁３５とに形成し（図
中、３６）て空間Ｓ側に流入する排気ガスの量を抑えて
パティキュレートの付着をさらに抑えるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガス検出素子に関
し、特に内燃機関の排気管に配設されて内燃機関から排
出される排気ガス中のガス成分を検出するガス検出素子
に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気管にガス検出素子を配設
して排気ガス中の酸素等の濃度を検出して燃料の噴射量
や、排気ガス環流装置の排気ガス環流量をフィードバッ
ク制御することが行われている。図２はガス検出素子の
一例を示すもので、ガス検出素子９１は排気管９９壁に
貫通して設けられたハウジング９２に収容されたガス検
出管９３が排気管９９内に突出して、先端のガス感応部
９４が排気管９９内の排気ガス流れの中に位置してい
る。ガス検出管９３は例えばジルコニア等の固体電解質
材の表裏にそれぞれ白金薄膜等の電極が形成され、これ
ら電極は一方が排気ガスに、他方が基準ガス（通常、大
気）に曝露するようになっている。排気ガス中の酸素濃
度の検出は、ケーシング９８から突出する端子９７から
上記電極間に電圧を印加して、排気ガスと基準ガスの酸
素濃度差に応じて固体電解質材中を流れるイオン電流を
測定することで行われる。

【０００３】そして検出感度を高めるため、ガス感応部
９４を内蔵のヒータ９５で加熱して高温にするようにな
っている。またガス検出管９３の排気管９９内の突出部
は通常、ガス感応部９４の保温および機械的な衝撃から
の保護のため、カバー体９６で被覆されている。図例の
カバー体９６は二重構造で、外側および内側の周壁にそ
れぞれ排気ガスをガス感応部９４に導入する排気ガス流
通孔９６１、９６２が形成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】かかるガス検出素子９
１を、ガソリンエンジンに比べて排気ガスにパティキュ
レートが多く含まれているディーゼルエンジンに装着し
た場合、ガス検出管９３の外表面やカバー体９６の内表
面（以下、被曝面という）は、カバー体９６内に侵入し
た大量のパティキュレートに曝される。パティキュレー
トはＳoot （煤）、粘性が高いＳＯＦ（Ｓoluble Ｏrg
anic Ｆraction ）を成分として含み、粘性が高いＳＯ
ＦがＳoot の上記被曝面への付着を媒介し、上記被曝面
の温度が低いほどＳＯＦが揮発しにくくパティキュレー
トが付着しやすいことは知られており、被曝面のうち、
ヒータ９５による加熱が及びにくいガス検出管９３のハ
ウジング９２側の外表面９４ａやカバー体９６のハウジ
ング９２側の内周面９６ａでパティキュレートが付着、
堆積しやすい。

【０００５】この付着、堆積したパティキュレートの一
部は、エンジンの高出力運転時にカバー体９６内に流入
する高温（６００°Ｃ程度）の排気ガスから受熱して燃
焼し、カバー体９６内の排気ガス中の酸素が消費される
とともに、炭化水素や一酸化炭素等の濃度が変化する。
このためにガス感応部９４に導入される排気ガスと、排
気管９９内を流れる排気ガスとの間に排気ガスの成分の
濃度に差が生じ、検出誤差が生じるという問題があっ
た。

【０００６】そこで本発明ではガス感応部に導入される
排気ガスと、排気管内を流れる排気ガスとの間の成分の
濃度に差が生じず、検出精度良好なガス検出素子を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のガス検出
素子によれば、内燃機関の排気管内に突出するガス検出
管の、ヒータで加熱されるガス感応部よりも排気管壁側
の部分と、上記ガス感応部を囲むカバー体の間の空間を
実質的に閉鎖することにより、上記ヒータによる加熱が
及びにくい上記空間に排気ガスが流入するのを防止し、
上記ガス検出管の外表面や上記カバー体の内表面へのパ
ティキュレートの付着が抑えられる。しかも上記カバー
体内の熱が上記空間から上記ガス検出管の基部側の方へ
逸散することを防止し、よりパティキュレートの付着が
抑えられる。しかして上記内燃機関から高温の排気ガス
が上記カバー体内に流入しても、パティキュレートの燃
焼で炭化水素や一酸化炭素等の濃度が変化することな
く、ガス感応部に導入される上記カバー体内の排気ガス
と、排気管内を流れる排気ガスとの間の成分の濃度に差
が生じず、検出誤差が低減する。

【０００８】請求項２記載のガス検出素子によれば、上
記空間に断熱材で構成した閉鎖部材を配設することによ
り上記空間を閉鎖するから、上記断熱材の作用で上記カ
バー体内の熱の、上記空間から上記ガス検出管の基部側
への逸散をより防止でき、上記ガス検出管の外表面や上
記カバー体の内表面へのパティキュレートの付着が抑え
られる。

【０００９】請求項３記載のガス検出素子によれば、上
記カバー体の排気ガス流通孔を上記カバー体の周壁に、
排気ガスを上記ガス感応部の上記ヒータ付設位置付近に
向かって正面から流れ込ませる位置に形成するととも
に、上記カバー体の底壁に形成することにより上記カバ
ー体の周壁に形成した排気ガス流通孔から流入した排気
ガスが上記ガス感応部の上記ヒータ付設位置付近から、
上記カバー体の底壁に沿って流れる上記内燃機関から排
出された排気ガス流れの作用により負圧となる上記カバ
ー体の底壁に形成した排気ガス流通孔より吸引、流出さ
れる。したがって上記空間側へ流入する排気ガスは少量
であり、上記空間側ではパティキュレートの付着がさら
に抑えられる。パティキュレートの付着が抑えられるこ
とに加えて上記内燃機関からの高温の排気ガスが空間側
に少量より流入しないことで付着したパティキュレート
は上記高温の排気ガスからの受熱量が抑えられ、パティ
キュレートの燃焼はより僅かなものになる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明のガス検出素子を示
すもので、内燃機関の排気管７壁に貫通してステンレス
スチール製のフランジ５２を溶接固定したハウジングた
るステー５１が設けてあり、ステー５１はフランジ５２
を介して排気管７壁と図略のボルトで結合している。ス
テー５１には貫通孔５１ａが形成され、そこに長寸のガ
ス検出管たる酸素濃度検出管１が挿通してある。酸素濃
度検出管１は先端が閉鎖した筒状で、先端部が排気管７
内に突出し、基部がステー５１に固定された後述する閉
鎖部材４の上端面に当接して位置決めされている。また
ステー５１の貫通孔５１ａには排気管７の外側からセラ
ミック製の蓋部材５４が嵌着してあり、蓋部材５４の下
端面は酸素濃度検出管１の上端面を押圧して酸素濃度検
出管１をステー５１に固定している。

【００１１】酸素濃度検出管１はジルコニアからなる酸
素イオン伝導性固体電解質材を試験管状に成形して（図
の１１。以下、固体電解質材という）その内表面、外表
面にそれぞれ白金薄膜でなる陰陽一対の電極１２ａ、１
２ｂを形成したもので、内表面側の電極１２ａが陽極、
外表面側の電極１２ｂが陰極１２ｂとなっている。そし
てその外表面に耐熱性の多孔質セラミック層１３が被覆
されている。すなわち陰極１２ｂを形成した外表面には
上記多孔質セラミック層１３を介して排気ガスが導入さ
れ、陽極１２ａを形成した内表面には基準ガスとなる排
気管７の外側の空気が導入されるようになっている。ま
た酸素濃度検出管１の内部は、空気導入路５３を介し
て、ステー５１に形成された図略の空気導入孔と連通し
ており、排気管７の外側の空気が酸素濃度検出管１の内
部に導入されるようになっている。また蓋部材５４に
は、上方に金属製の筒状のケーシング５６が嵌着してあ
る。

【００１２】酸素濃度検出管１の上側には、電極１２
ａ，１２ｂより伸びるリード部６１ａ，６１ｂが引き出
してあり、これと導通するリード線６２ａ，６２ｂを介
して検出用端子６３ａ，６３ｂと導通するようにしてあ
る。検出用端子６３ａ，６３ｂは、セラミック製の電気
絶縁部材５７に貫通、保持され、先端が電気絶縁部材５
７から外部に突出している。

【００１３】また酸素濃度検出管１の内部に蓋部材５４
から下方にアルミナ棒５５が垂下し、その先端部はヒー
タ２となっている。ヒータ２はアルミナ棒５５の表面に
ニクロム線をコーティングしたもので、ガス感応部１ａ
の内表面と近接、対向している。ニクロム線の両端は図
略のリード線を介して、電気絶縁部材５７に貫通、保持
される一対のヒータ用端子（図中、一方のみ６３ｃで示
す）と接続している。上記一対のヒータ用端子に図略の
電源から給電することでヒータ２が発熱し、ガス感応部
１ａが加熱される。

【００１４】ステー５１には排気管７内に突出する酸素
濃度検出管１の先端部を囲んでカバーユニット３が設け
てあり、ステー５１と嵌合している。カバーユニット３
はステンレススチール製で、ガス感応部１ａを囲む先端
部が周壁を内外二重に構成してあり、内側の周壁３３に
は、ヒータ２と同じ高さに軸対称に複数の排気ガス流通
孔３４が形成され、外側の周壁３１には排気ガス流通孔
３４より上方に軸対称に複数の排気ガス流通孔３２が形
成してある。またカバーユニット３の底壁３５には中心
に排気ガス流通孔３６が形成してある。

【００１５】閉鎖部材４は断熱材たるタルクを筒状に成
形したもので、カバーユニット３のステー５１側と酸素
濃度検出管１の間にこれらと同軸に内挿してあり、ステ
ー５１側の外周に形成した環状溝とステー５１内周面下
端の凸部との接続により、ステー５１に固定されてい
る。閉鎖部材４は、外周面がカバーユニット３と当接す
るとともに、内周面が酸素濃度検出管１のステー５１側
のテーパ面と略接触し、カバーユニット３とガス検出管
１の間の空間Ｓを閉鎖している。

【００１６】上記ガス検出素子の作動を説明する。排気
管７内を流れる排気ガスがカバーユニット３の各排気ガ
ス流通孔３２，３４からガス感応部１ａに導入され、ガ
ス感応部１ａの外表面が排気ガスに曝露される。検出用
端子６３ａ，６３ｂから固体電解質材１１を挟む電極１
２ａ，１２ｂ間に電圧を印加すると、排気ガス中の酸素
分子は排気ガス中の酸素濃度に比例した量がセラミック
保護層１３を透過して陰極１２ｂに到り、ここで電子を
付与されて固体電解質材１１内を移動し陽極１２ａにお
いて電子を放出する。しかして排気ガス中の酸素濃度に
比例して、固体電解質材１１を陽極１２ａから陰極１２
ｂに流れる電流が発生する。この電流の大きさを測定す
ることで排気ガス中の酸素濃度が検出される。そしてヒ
ータ用端子からヒータ２に給電して酸素濃度検出管１を
加熱することにより、ガス感応部１ａが高温（約６５０
°Ｃ）に保持され酸素濃度の検出感度が高められる。

【００１７】カバーユニット３のステー５１側と、酸素
濃度検出管１のステー５１側の間の空間Ｓは閉鎖部材４
により閉鎖されているから、カバーユニット３のステー
５１側の内周面と、酸素濃度検出管１のステー５１側の
外表面は実質的に排気ガスにさらされることはなく、閉
鎖部材４の下端面４１だけが排気ガスにさらされるから
パティキュレートの付着が抑えられる。そして閉鎖部材
４の断熱作用によりカバーユニット３内の熱が空間Ｓか
らステー５１や酸素濃度検出管１の基部側へ逸散するこ
とが防止されてカバーユニット３内が高温に保持される
から閉鎖部材４の下端面４１、カバーユニット３内表面
でパティキュレートが付着しにくくなり、よりパティキ
ュレートの付着が抑えられる。

【００１８】また、排気ガスは排気ガス流通孔３２から
カバーユニット３内に入り、外側の周壁３１と内側の周
壁３３の間の空間を通って排気ガス流通孔３４からガス
感応部１ａのヒータ２付設位置付近に向けて正面から流
れ込む。排気ガス流通孔３６は、カバーユニット３の底
壁３５の外表面に沿って排気ガス流れが形成されている
から負圧となっており、カバーユニット３内の排気ガス
を吸引してカバーユニット３外へ流出せしめる作用をす
る。しかして大部分の排気ガスは、図中の矢印のごとく
ヒータ２の加熱で検出感度が高められているガス感応部
１ａと接触しつつ排気ガス流通孔３６へ抜ける経路を流
通良好に通り、閉鎖部材４側には排気ガスは僅かしか流
れない。したがって閉鎖部材４の下端面４１へのパティ
キュレートの付着がさらに抑えられる。

【００１９】閉鎖部材４側に排気ガスが僅かしか流れな
いのは、エンジンの高出力運転時においても同様であ
り、付着したパティキュレートが排気ガスから受け取る
熱は僅かである。しかしてパティキュレートの燃焼はご
く僅かであり、燃焼による酸素の消費、炭化水素や一酸
化炭素等の濃度の変化が抑えられ、ガス感応部１ａに導
入される排気ガスと、排気管７内を流れる排気ガスとの
間で排気ガスの成分の濃度に差が殆どなくなり検出誤差
が低減する。

【００２０】また排気ガスが排気ガス流通孔３２，３４
からガス感応部１ａに接触しつつ排気ガス流通孔３６へ
抜ける経路を流通良好に通るから、カバーユニット３へ
のパティキュレートの付着が排気ガス流れによるせん断
力により抑えられ排気ガス流通孔３２，３４，３６の目
詰まりが抑えられる。

【００２１】なお上記実施形態では、カバーユニットと
酸素濃度検出管の間の空間を閉鎖部材で閉鎖したが、必
ずしもこれに限定されるものではなく、酸素濃度検出管
の排気管内側の突出部をステー側で大径とし、大径部が
カバーユニットの内周面に内接するようにしてもよい。
あるいはカバーユニットを酸素濃度検出管の突出部のス
テー側の外形に合わせて成形し、カバーユニットが酸素
濃度検出管の突出部のステー側と外接するようにしても
よい。

【００２２】また本発明は酸素濃度を検出するガス検出
素子に適用したが、内燃機関から排出される排気ガス中
に含まれる炭化水素や一酸化炭素等の他の排気ガス成分
を検出するガス検出素子にも適用できる。

【００２３】また本発明は板状の固体電解質材の表裏に
電極を形成した積層型のガス検出セルにヒータを内蔵し
てガス感応部とする構成のガス検出素子にも適用でき
る。

【００２４】また二重構造のカバーユニットの外側の周
壁の排気ガス流通孔は図例のごとく内側の周壁の排気ガ
ス流通孔よりステー側の位置に設けるのが、ガス感応部
からカバーユニットの底壁の排気ガス流通孔へより流れ
やすく望ましいが必ずしもこれに限定されるものではな
い。またカバーユニットの底壁の排気ガス流通孔は底壁
の中心に１箇所だけ形成したが、例えば底壁の中心に対
称位置に複数形成してもよい。

【００２５】カバーユニットを二重に構成したが、一重
のカバーユニットとすることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス検出素子の全体断面図である。

【図２】従来のガス検出素子の部分断面側面図である。

【符号の説明】

１酸素濃度検出管（ガス検出管）１ａガス感応部２ヒータ３カバーユニット（カバー体）３３周壁３５底壁３２，３４，３６排気ガス流通孔４閉鎖部材５１ステー（ハウジング）７排気管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村聡愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者牧野太輔愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者河内秀臣愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地日本電装株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気管壁に貫通して設けられ
たハウジングに、ガス検出管を挿通してそのガス感応部
を排気管内に突出せしめ、上記ガス感応部を排気ガス流
通孔を形成したカバー体で被覆するとともに、上記ガス
感応部をヒータで加熱して高温下で上記ガス感応部を作
動せしめるようになしたガス検出素子において、上記ガ
ス検出管の上記ガス感応部よりも排気管壁側の部分と、
上記カバー体の内表面とで挟まれた空間を実質的に閉鎖
せしめたことを特徴とするガス検出素子。
【請求項２】請求項１記載のガス検出素子において、
上記空間に断熱材で構成した閉鎖部材を配設したガス検
出素子。
【請求項３】請求項１または２記載のガス検出素子に
おいて、上記排気ガス流通孔をカバー体の周壁と底壁と
に形成し、カバー体の周壁の排気ガス流通孔はこれを排
気ガスが上記ガス感応部の上記ヒータ付設位置付近に向
けて導入される位置に形成したことを特徴とするガス検
出素子。