JPH10253576A

JPH10253576A - 酸素センサ

Info

Publication number: JPH10253576A
Application number: JP9054926A
Authority: JP
Inventors: Rentaro Mori; 連太郎森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1998-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】カバーによるガス置換効率を高めて、センサ素
子部の検出感度及び応答性を向上することのできる酸素
センサを提供する。【解決手段】カバー２２の排気流上流側には、排気流を
カバー２２内において、その先端側から基端側にらせん
状に回転させながら導く上向きルーバ２６を有する導入
孔２４を設け、カバー２２の排気流下流側には、同らせ
ん状に回転する排気流をカバー２２基端側から排出する
排出孔２５を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、酸素濃度検出用の
素子部と、同素子部を覆うようにして設けられたカバー
とを備える酸素センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的な酸素センサでは、ジルコニア等
の固定電解質により形成されたセンサ素子部に一対の電
極が設けられており、センサ素子部に接触する検出ガス
の酸素濃度に応じた検出信号がそれら電極から出力され
る。

【０００３】例えば、エンジンの空燃比制御にあって
は、排気管に取り付けられた酸素センサによって排気の
酸素濃度が検出される。そして、エンジンの電子制御装
置は、この酸素濃度から算出される空燃比が目標値（例
えば理論空燃比）と一致するようにエンジンを制御す
る。

【０００４】また、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ装置）
あるいはブローバイガス還元装置（ＰＣＶ装置）を備え
たエンジンにあっては、その吸気管にも酸素センサを取
り付け、同センサにより検出される吸気の酸素濃度と排
気の酸素濃度とを併せ参照することにより空燃比の制御
精度を向上させる方法も講じられている。

【０００５】ところで、このような酸素センサには通
常、センサ素子部を覆うカバーが設けられている。この
カバーによってセンサ素子部が保護されることにより、
同素子部の損傷等が防止される。そして従来より、こう
したカバーとしては、ガスミキシング性を高めるべく二
重構造としたものが知られている（例えば、特開平５−
２６８４２号公報に記載された「酸素センサ」）。

【０００６】図７に、こうした二重構造のカバーを有す
る酸素センサの構成例を示す。同図に示すように、こう
した酸素センサ１００にあってそのカバー１０１は、そ
れぞれ断面略縦コの字状となっている（したがって、略
有底円筒状となっている）外カバー１０２と内カバー１
０３とにより構成されている。これら外カバー１０２及
び内カバー１０３はいずれも、酸素センサ１００のハウ
ジング１０４に固定されている。

【０００７】外カバー１０２の側面には、複数の孔１０
６が形成されており、内カバー１０３の側面には、同じ
く複数の孔１０７が形成されている。これらの孔１０
６，１０７のうちガス流に対し上流側に設けられた孔１
０６，１０７はガス導入孔として形成されており、一
方、同ガス流に対し下流側に設けられた孔１０６，１０
７はガス排出孔として形成されている。そして同図７に
矢印にて示すように、孔１０６から外カバー１０２内に
導入された被検出ガスは、更に孔１０７から内カバー１
０３内に導入される。そして、この導入の過程において
十分なガスミキシングがなされた被検出ガスの酸素濃度
がセンサ素子部１０５により検出された後、孔１０７か
ら内カバー１０３外に排出され、更に孔１０６から外カ
バー１０２外、すなわち外部に排出される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように二重構造の
カバー１０１を有する酸素センサ１００では、孔１０６
から外カバー１０２内に導入された被検出ガスが、更に
孔１０７から内カバー１０３内に導入されてセンサ素子
部１０５に到達する。このため、いわゆるガスミキシン
グ性に優れたものとなっている。しかし、同素子部１０
５による酸素濃度の検出に供された被検出ガスは、孔１
０７から内カバー１０３外に排出され、更に孔１０６か
ら外カバー１０２外、すなわち外部に排出されることと
なるため、いわゆるガス置換効率は低下する。このよう
にガス置換効率が低い場合、センサ素子部１０５の周辺
と外カバー１０２の外側とで被検出ガスの酸素濃度に差
が生じてしまい、酸素センサ１００としての検出感度及
び応答性も悪化する。

【０００９】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、カバーによるガス置換効率を高め
て、センサ素子部の検出感度及び応答性を向上すること
のできる酸素センサを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、気体通路を流れる気体の酸
素濃度を検出する素子部と、該素子部を覆うようにして
設けられたカバーとを備える酸素センサにおいて、前記
カバーは、その気体流上流側の少なくとも先端部に気体
導入孔を有し、その気体流下流側の基端部に気体排出孔
を有することをその要旨とするものである。

【００１１】請求項１記載の発明では、気体通路を流れ
る気体流速が上記カバー先端側は速く、同基端側は遅い
という特性の考慮のもと、上記気体導入孔を通じてカバ
ー先端側から比較的高流速の気体流をカバー内部に取り
込む。そして、この取り込んだ気体流は、同カバー基端
側の気体排出孔から速やかに排出される。したがって、
カバー内部を流れる気体は、十分にミキシングされ且
つ、ガス置換効率も向上されるようになる。

【００１２】請求項２記載の発明は、請求項１記載の酸
素センサにおいて、前記カバーはその外形が流面形から
なることをその要旨とするものである。請求項２記載の
発明では、上記カバーの流面形状によって、気体通路の
気体流の乱れが最小限に抑制される。

【００１３】請求項３記載の発明は、請求項１又は２に
記載の酸素センサにおいて、前記気体導入孔は、導入さ
れる気体をらせん状に回転させながら当該カバーの先端
側から基端側に導くルーバを有して構成されることをそ
の要旨とするものである。

【００１４】請求項３記載の発明では、カバー内部に取
り込まれた気体がうず流となり、ガスミキシング効果が
更に促進される。請求項４記載の発明では、気体通路を
流れる気体の酸素濃度を検出する素子部と、該素子部を
覆うようにして設けられたカバーとを備える酸素センサ
において、前記カバーは、側面に設けられた気体導入孔
と先端部に設けられた気体排出孔とを有してなり、前記
気体導入孔は、導入される気体をらせん状に回転させな
がら当該カバーの側部から先端側に導くルーバを有し、
前記気体排出孔は、前記らせん状に回転する気体流に基
づき回転して同孔からの気体の排出を助勢する羽根車を
その近傍に有することをその要旨とするものである。

【００１５】請求項４記載の発明では、気体通路を流れ
る気体流はカバー内部に取り込まれる際、上記気体導入
孔のルーバによりらせん状に回転させられつつ同カバー
先端側に導かれる。そしてこのらせん状に回転する気体
流は、上記羽根車を回転させるように作用しながら同カ
バー先端側の気体排出孔から排出される。すなわち、上
記ルーバによって十分なガスミキシングが図られるとと
もに、上記羽根車の回転によってガス置換効率も促進さ
れる。

【００１６】請求項５記載の発明は、請求項４に記載の
酸素センサにおいて、前記羽根車は、当該カバーの外部
にあって前記気体通路内の気体流に基づき回転する外部
羽根車に連結されてなることをその要旨とするものであ
る。

【００１７】請求項５記載の発明では、カバー外部の比
較的高流速の気体流に基づき回転する外部羽根車によっ
て上記カバー内部にある羽根車の回転が助勢される。し
たがってカバー内での気体流の循環並びに排出がより促
進されることとなり、ガスミキシング並びにガス置換効
率が更に向上されるようになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、本発明をガソリンエンジン
の空燃比制御のために用いられる酸素センサに具体化し
た第１の実施の形態について図１〜４を参照して説明す
る。

【００１９】図１は本実施の形態におけるガソリンエン
ジンシステムの概略構成を示している。同図に示すよう
に、ガソリンエンジン１１には吸気管１２が接続されて
おり、同管１２を通じて吸気がエンジン１１の燃焼室
（図示略）内に導入される。吸気管１２内に設けられた
スロットル弁１３は燃焼室に導入される空気の流量を調
節する。燃焼室内において吸気ポート（図示略）に設け
られたインジェクタ（図示略）から噴射された燃料と吸
気との混合気が燃焼することによりエンジン１１に駆動
力が得られる。燃焼後の排気は燃焼室から排気管１４に
放出された後、触媒等（図示略）を通過して外部に排出
される。

【００２０】排気管１４には酸素センサ２０が取り付け
られており、同センサ２０の先端部が排気管１４内に突
出している。この酸素センサ２０によって排気の酸素濃
度が検出される。そして、エンジンの電子制御装置は、
この酸素濃度から算出される空燃比が目標値と一致する
ようにエンジンを制御する。

【００２１】図２は、酸素センサ２０の先端側を示す断
面図である。同図に示すように、酸素センサ２０は、セ
ンサ素子部２１と、同素子部２１の外周を覆うようにし
て設けられたカバー２２とを備えている。センサ素子部
２１は酸素センサ２０のハウジング２３に固定されてい
る。

【００２２】本実施の形態におけるカバー２２は断面略
Ｕ字状の流面形となっており、その基端側がハウジング
２３に固定されている。また、カバー２２側面には、排
気管内を流れる排気の上流側に、複数の導入孔２４が形
成されている。一方、カバー２２側面の排気管内を流れ
る排気の下流側に、排出孔２５が形成されている。この
排出孔２５は、カバー２２の基端側に設けられている。

【００２３】こうしたカバー２２の構造並びにその機能
について、図３を参照して更に詳述する。なお、図３に
おいて、図３（ａ）は同カバー２２の斜視図であり、図
３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図であ
る。

【００２４】一般に、排気管１４を流れる排気流は、そ
の流速がカバー２２の先端側において速く、同基端側に
おいて遅いという特性がある。そこで同カバー２２にあ
っては、こうした特性に鑑みて、カバー２２の排気流上
流側にあたる一方の側面には、少なくともその先端部が
含まれるかたちで複数（同図では６つ）の導入孔２４を
形成している。また、排気流下流側にあたる他方の側面
には、その基端側に排出孔２５を形成している。そして
カバー２２の導入孔２４下端には、該導入孔２４の形成
に併せて、上向きルーバ２６を同図３に示される態様で
形成している。

【００２５】したがって同カバー２２によれば、図３
（ｂ）に矢印にて示すように、導入孔２４からカバー２
２内に導入された排気は、らせん状に回転しながらうず
流となってカバー２２内を上昇し、その下流側基端部に
設けられた排出孔２５から速やかに排出されるようにな
る。このため、カバー２２内の排気の循環が促進され、
十分なガスミキシングが行われるとともに、ガス置換効
率も大幅に向上されることとなる。そして、このように
ガス置換効率が向上されることで、酸素センサ２０とし
ての応答性も向上されることとなり、例えば図４に示す
ように、従来の酸素センサの応答特性（点線）に比べ、
同実施の形態にかかる酸素センサ２０によれば実線のよ
うにその応答性が改善されるようになる。なお図４は、
先の図７に例示した二重構造のカバー１０１を用いたも
のと本実施の形態にかかるカバー２２を用いたものと
で、各々モデルガスを使用して行った、同応答特性につ
いての実験結果をまとめたものである。

【００２６】以上詳述したように、本実施の形態によれ
ば、以下に示す効果が得られるようになる。・カバー２２内の排気の循環が促進され、十分なガスミ
キシングが行われるとともに、ガス置換効率も向上され
る。このためひいては、酸素センサ２０の応答性も向上
する。

【００２７】・酸素センサ２０の応答性が高くなること
で、高精度にエンジン制御を行うことも可能となる。（第２の実施の形態）以下、本発明をガソリンエンジン
の空燃比制御のために用いられる酸素センサに具体化し
た第２の実施の形態について、第１の実施の形態との相
違点を中心に図５を参照して説明する。

【００２８】図５（ａ）は、本実施の形態にかかる酸素
センサのカバー３２を示す断面図であり、図５（ｂ）
は、同カバー３２の平面図である。図５に示すように、
本実施の形態におけるカバー３２は断面略縦コの字状と
なっている（したがって、カバー３２は略有底円筒状と
なっている）。カバー３２の側面には、複数の導入孔３
４が形成されている。一方、カバー３２の底面３２ａに
は、複数（同図では８つ）の排出孔３５が形成されてい
る。カバー３２の導入孔３４上端には、導入孔３４の形
成に併せて、下向きルーバ３６が形成されている。した
がって、図５（ａ）に矢印にて示すように、導入孔３４
からカバー３２内に導入された排気は、らせん状に回転
しながらカバー３２内を下降し、排出孔３５から排出さ
れる。

【００２９】一方、本実施の形態においては、カバー３
２底面３２ａには同底面３２ａに対し内側垂直方向に回
転軸心が伸びる回転軸３７が設けられている。この回転
軸３７は、上記底面３２ａに対し回転自在に連結されて
いる。また、同回転軸３７の先端側には円盤３８が固定
されている。この円盤３８には、複数（同図では４つ）
の孔３９が形成されており、この孔３９の形成に併せ
て、羽根４０が形成されている。

【００３０】上述のように、カバー３２内に導入された
排気はらせん状に回転しながら下降しており、この排気
の回転が上記羽根４０に作用して羽根４０を含む円盤
（羽根車）３８が回転することとなる。このとき羽根４
０は、上記排気が下降して排出孔３５から排出されるの
を助勢する方向に回転するよう形成されている。このた
め、本実施の形態にあっても、カバー３２内の排気の循
環が促進され、十分なガスミキシングが行われるととも
に、ガス置換効率も大幅に向上されることとなる。そし
て、このようにガス置換効率が向上されることで、酸素
センサとしての応答性も向上されることとなる。

【００３１】以上詳述したように、本実施の形態によっ
ても、以下に示す効果が得られるようになる。・カバー３２内の排気の循環が促進され、十分にガスミ
キシングが行われるとともに、ガス置換効率も向上され
る。このためひいては、酸素センサ２０の応答性も向上
する。

【００３２】・酸素センサ２０の応答性が高くなること
で、高精度にエンジン制御を行うことも可能となる。な
お、本実施の形態は上記に限定されるものではなく、次
のように変更してもよい。

【００３３】・本実施の形態においては、カバー３２の
底面３２ａに対し回転自在な回転軸３７に円盤３８を固
定して、羽根４０を設ける構成とした。これに対し、カ
バー３２の底面３２ａに回転軸３７を固定し、この回転
軸３７に対し回転自在となる円盤３８を設けて羽根４０
を構成してもよい。

【００３４】・本実施の形態においては、円盤３８に形
成される孔３９に併せて羽根４０を設けたが、これに対
し、円盤３８に別途羽根４０を配設してもよい。・本実施の形態においては、４つの羽根４０を設ける構
成としたが、これは３つ以下でも５つ以上でもよい。

【００３５】（第３の実施の形態）以下、本発明をガソ
リンエンジンの空燃比制御のために用いられる酸素セン
サに具体化した第３の実施の形態について、第２の実施
の形態との相違点を中心に図６を参照して説明する。な
お、第２の実施の形態と同様の構成については、同じ番
号を付してその説明を省略する。

【００３６】図６に示すように、本実施の形態における
カバー４２も断面略縦コの字状となっている（したがっ
て、カバー４２は略有底円筒状となっている）。カバー
４２には、第２の実施の形態と同様、複数の導入孔３
４、複数の排出孔３５及び下向きルーバ３６が形成され
ており、図６に矢印にて示すように導入孔３４からカバ
ー４２内に導入された排気は、らせん状に回転しながら
カバー４２内を下降し、排出孔３５から排出される。

【００３７】本実施の形態においては、カバー４２の底
面４２ａを貫通し、同底面４２ａに対し垂直方向に回転
軸心の伸びる回転軸４７が設けられている。そしてこの
回転軸４７は、軸受け４９により、底面４２ａに対し回
転自在に支持されている。また、同回転軸４７の上方先
端には円盤３８が固定されており、この円盤３８には第
２の実施の形態と同様に羽根４０が形成されている。

【００３８】一方、本実施の形態にあっては、上記回転
軸４７の下方先端にも円盤４８が固定されている。この
円盤４８には、複数の孔（図示略）が形成されており、
この孔の形成に併せて、外部羽根５０が形成されてい
る。そして、円盤３８，４８及び回転軸４７は一体回転
する構成となっている。

【００３９】ここで、外部羽根５０を有する円盤（外部
羽根車）４８は、排気管内の比較的流速の速い排気流に
よって回転するものであり、しかもその回転方向は、上
記一体に連結された円盤（羽根車）３８の排気排出作用
を助勢する回転方向と一致するようにその外部羽根５０
の配設方向が設定されている。このため、本実施の形態
にあっては、第２の実施の形態よりも更にカバー４２内
の排気の循環が促進され、十分なガスミキシングが行わ
れるとともに、ガス置換効率もより向上されることとな
る。そして、このようにガス置換効率がより向上される
ことで、酸素センサとしての応答性もより向上されるこ
ととなる。

【００４０】以上詳述したように、本実施の形態によっ
ても、以下に示す効果が得られるようになる。・カバー４２内の排気の循環が促進され、十分なガスミ
キシング作用に加えてガス置換効率がより一層向上さ
れ、ひいては酸素センサ２０の応答性が更に向上され
る。

【００４１】・酸素センサ２０の応答性が更に高くなる
ため、より高精度なエンジン制御が可能となる。なお、
本実施の形態は上記に限定されるものではなく、次のよ
うに変更してもよい。

【００４２】・本実施の形態においては、円盤３８，４
８に形成される孔に併せて羽根４０及び外部羽根５０を
設けたが、これに対し、円盤３８，４８にそれぞれ別途
に羽根４０及び外部羽根５０を配設してもよい。

【００４３】ところで、以上の各実施の形態において
は、ガソリンエンジン１１の排気管１４に取り付けられ
る酸素センサに本発明が適用される場合について示した
が、ＥＧＲ装置やＰＣＶ装置を備えるガソリンエンジン
にあっては、その排気管のみならず、吸気管に取り付け
られる酸素センサにも本発明は同様に適用することがで
きる。

【００４４】また、上記各実施の形態においては、ガソ
リンエンジン用の酸素センサとして説明したが、これを
ディーゼルエンジン用としてもよい。更に、エンジン用
に限定せず、各種燃焼装置用の酸素センサとしてもよ
い。

【００４５】

【発明の効果】請求項１記載の発明では、気体通路を流
れる気体流速が上記カバー先端側は速く、同基端側は遅
いという特性の考慮のもと、上記気体導入孔を通じてカ
バー先端側から比較的高流速の気体流をカバー内部に取
り込む。そして、この取り込んだ気体流は、同カバー基
端側の気体排出孔から速やかに排出される。したがっ
て、カバー内部を流れる気体は、十分にミキシングされ
且つ、ガス置換効率も向上されるようになる。

【００４６】請求項２記載の発明では、上記カバーの流
面形状によって、気体通路の気体流の乱れが最小限に抑
制される。請求項３記載の発明では、カバー内部に取り
込まれた気体がうず流となり、ガスミキシング効果が更
に促進される。

【００４７】請求項４記載の発明では、気体通路を流れ
る気体流はカバー内部に取り込まれる際、上記気体導入
孔のルーバによりらせん状に回転させられつつ同カバー
先端側に導かれる。そしてこのらせん状に回転する気体
流は、上記羽根車を回転させるように作用しながら同カ
バー先端側の気体排出孔から排出される。すなわち、上
記ルーバによって十分なガスミキシングが図られるとと
もに、上記羽根車の回転によってガス置換効率も促進さ
れる。

【００４８】請求項５記載の発明では、カバー外部の比
較的高流速の気体流に基づき回転する外部羽車によって
上記カバー内部にある羽根車の回転が助勢される。した
がってカバー内での気体流の循環並びに排出がより促進
されることとなり、ガスミキシング並びにガス置換効率
が更に向上されるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ガソリンエンジンシステムを示す概略構成図。

【図２】本発明にかかる酸素センサの第１の実施の形態
を示す断面図。

【図３】同実施の形態の酸素センサのカバー構造を示す
斜視図及び断面図。

【図４】同実施の形態の酸素センサの応答特性を示すタ
イムチャート。

【図５】本発明にかかる酸素センサの第２の実施の形態
についてその主にカバー構造を示す断面図。

【図６】本発明にかかる酸素センサの第３の実施の形態
についてその主にカバー構造を示す断面図。

【図７】従来の酸素センサのカバー構造を示す断面図。

【符号の説明】

１２…吸気管、１４…排気管（気体通路）、２０…酸素
センサ、２１…センサ素子部、２２，３２，４２…カバ
ー、２４，３４…導入孔（気体導入孔）、２５，３５…
排出孔（気体排出孔）、２６…上向きルーバ、３６…下
向きルーバ、３８，４８…円盤、４０…羽根、５０…外
部羽根。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】気体通路を流れる気体の酸素濃度を検出
する素子部と、該素子部を覆うようにして設けられたカ
バーとを備える酸素センサにおいて、前記カバーは、その気体流上流側の少なくとも先端部に
気体導入孔を有し、その気体流下流側の基端部に気体排
出孔を有することを特徴とする酸素センサ。
【請求項２】請求項１記載の酸素センサにおいて、前記カバーはその外形が流面形からなることを特徴とす
る酸素センサ。
【請求項３】前記気体導入孔は、導入される気体をら
せん状に回転させながら当該カバーの先端側から基端側
に導くルーバを有して構成される請求項１又は２に記載
の酸素センサ。
【請求項４】気体通路を流れる気体の酸素濃度を検出
する素子部と、該素子部を覆うようにして設けられたカ
バーとを備える酸素センサにおいて、前記カバーは、側面に設けられた気体導入孔と先端部に
設けられた気体排出孔とを有してなり、前記気体導入孔は、導入される気体をらせん状に回転さ
せながら当該カバーの側部から先端側に導くルーバを有
し、前記気体排出孔は、前記らせん状に回転する気体流に基
づき回転して同孔からの気体の排出を助勢する羽根車を
その近傍に有することを特徴とする酸素センサ。
【請求項５】請求項４記載の酸素センサにおいて、前記羽根車は、当該カバーの外部にあって前記気体通路
内の気体流に基づき回転する外部羽根車に連結されてな
ることを特徴とする酸素センサ。