JP2007224877A - 内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気管に結露し付着した凝縮水の飛散による排気センサ検知部への被水を防止して、凝縮水発生直後のエンジンの正常な始動を可能にする。
【解決手段】内燃機関の排気管内１１に、排気中の有害物質を除去するための排気浄化装置１２が搭載されると共に、排気管１１における排気浄化装置１２の下流部１１ａが下流方向先細形状部１１ｂに形成され、排気浄化装置１１の下流側に、排気中の成分を検出する排気センサ１８が取付けられた内燃機関の排気管１１への排気センサ取付け構造であって、排気管１１内に、排気管１１の先細形状部１１ｂを含む上流側に結露した凝縮水の飛散経路を、排気センサ１８の検知部４５を覆う素子カバー４７を通過する排気通過領域Ｗから変更させ、凝縮水通過領域Ｚへ導く凝縮水飛散経路誘導手段３０を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジン（内燃機関）の排気管への排気センサ取付け構造に関するもので、特にディーゼルエンジンの排気浄化システムにおける排気管への排気センサ取付け構造に好適なものである。

近年、地球環境保護のためにディーゼルエンジン搭載車の排気規制が年々その厳しさを増している。その対応技術として排気中の酸素濃度を検知し、その情報をエンジンの制御にフィードバックして燃料の噴射量やＥＧＲ量のバラツキを補正し、排気中の窒素酸化物や煤などの微粒炭素を減少させている。排気中の酸素濃度を検知するセンサとして酸素イオンポンピングを利用するジルコニア固体電解質型の排気酸素濃度センサが適用されている。このジルコニア固体電解質型の排気酸素濃度センサは、検知部にジルコニア固体電解質を用いることから精度の良いセンサ出力を得るために約６５０℃以上に加熱する必要がある。通常、加熱はセンサの検知部に内蔵される電熱ヒータにより行われている。

また、この種の排気酸素濃度を検知するセンサは、内燃機関の排気管内に取付けられることから次のような問題があり適用の妨げとなっている。即ち、エンジンが冷間状態で始動された時、排気管の壁面温度が低いため排気中の水蒸気が排気管壁面に触れて凝縮し排気管の内壁に凝縮水が付着し、この凝縮水が排気の流れにより飛散し、電熱ヒータが作動中にセンサ検知部にかかり過大な熱応力が発生して、センサ検知部を構成するジルコニア固体電解質を破損させる問題がある。センサ検知部が破損するとセンサ出力の精度が悪化するのみならず正常な出力が得られず、排気浄化システムが誤作動するなどの弊害が発生する。この弊害を回避するため、従来、エンジンの始動後排気系に生じた凝縮水が蒸発してからセンサに内蔵の電熱ヒータに通電を行っていたため、エンジン始動後長時間を経てからしかセンサを作動させることができなかった。

一方、排気管内部の凝縮水のセンサ検知部への被水を低減する構造は、下記特許文献１に、内燃機関の排気管の一部を、上流側より低く形成し、その低く形成された排気管の床部より高い位置にセンサを取付け、排気管の床部より低い位置に貯留部を設け、貯留部と排気管とをセンサ取付け位置の上流側と下流側の２箇所で連通したセンサ取付け構造が記載されている。しかし、この構造ではエンジンの停止時、排気管内部で生じた凝縮水を貯蓄部に溜めることはできるものの、全ての凝縮水を貯蓄部に溜めるには長時間を要し、未だ排気管内部に凝縮水が残留付着している間にエンジンを始動させた場合、残留の凝縮水が飛散しセンサ検知部が被水するという問題がある。また、下記特許文献２に、排気管の一部に、断面積の大きい拡張部を設け、拡張部の上流側端部から下流側に所定距離だけ隔たった位置で、かつ、拡張部の床部分よりも高い位置にセンサを取付けたセンサの取付け構造が記載されている。しかし、この構造は排気の流速を拡張部で低下させ凝縮水の飛散到達距離を短くする技術であるが、排気管の壁面周辺を流れる排気の流速を拡張部で低下させることができるものの、排気管の中心部を流れる排気の流速はほとんど低下せず、この流速の速い中心部を流れる排気に凝縮水が吸引されセンサ検知部が被水するという問題がある。
特開２００４−１２４７８３号公報 特開２００５−１２７２１４号公報

このように従来においては、排気管壁に生じた凝縮水の飛散によるセンサ検知部への被水を防止する技術は、凝縮水の貯留に長時間を要し、また、一部の凝縮水の飛散到達距離を短縮するだけであり、凝縮水の飛散によるセンサ検知部への被水を確実に防止できず、また、排気管壁に凝縮水が付着している状態でエンジンの正常な始動を行うことができない。そこで発明者は、排気管壁に付着している凝縮水が排気の流れによって飛散する経路を、センサの検知部を覆っている素子カバーの排気取入れ孔を通過しないよう強制的に変更させ、排気管の壁周辺を通過させることに着目した。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、排気の流れによって飛散する凝縮水の経路を、センサの検知部を覆っている素子カバー外周を通過する領域から変更させる凝縮水飛散経路誘導部材を排気管内に配置することにより、センサの検知部への凝縮水の被水を確実に防止し、排気管壁に凝縮水が付着している状態でもエンジンの正常な始動を行うことができる内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造を提供することにある。

請求項１に係る発明では、内燃機関の排気管内に、排気中の有害物質を除去するための排気浄化装置が搭載され、前記排気管における前記排気浄化装置の下流部が下流方向先細形状部に形成されると共に、前記排気浄化装置の下流側に、前記排気中の成分を検出する排気センサが取付けられた内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造において、前記排気管内に、前記排気管の先細形状部を含む上流側に結露した凝縮水の飛散経路を、前記排気センサの検知部を覆っている素子カバー外周を通過する排気通過領域から変更させ、凝縮水通過領域へ導く凝縮水飛散経路誘導手段を設ける。

上記構成によれば、従来では自然物理現象による凝縮水の滴下貯留や凝縮水の飛散速度の減速で凝縮水の被水を防止しているのに比べ、本案では、凝縮水の飛散経路を凝縮水飛散経路誘導手段で強制的に排気センサの検知部を覆っている素子カバー外周を通過する排気通過領域から確実に変更させ、凝縮水通過領域へ導いているので、素子カバーの排気取入れ孔からの凝縮水の侵入を阻止し、排気センサの検知部への凝縮水による被水を確実に防止することができる。従って、凝縮水が結露した直後であってもエンジンの正常な始動を行うことができる。

請求項２に係る発明では、前記凝縮水飛散経路誘導手段を、前記排気管内に沿って配置された筒状の誘導部材で構成し、前記排気通過領域内に前記排気センサの検知部を覆う素子カバーが配置され、かつ前記誘導部材の上流側端部は、前記排気管の先細形状部端部から排気管壁面に対して内側３０°をなす面と前記誘導部材の内壁面との交叉位置より上流側に位置し、前記誘導部材の下流側端部は、該誘導部材の外壁下流側端部を基点とし排気管内側下流方向に３０°をなす仮想面に対し前記素子カバーの排気取入れ孔が上流側に位置するように配置している。

上記構成によれば、凝縮水飛散経路誘導手段を筒状の誘導部材にすることにより、排気管との間隙は全周に亘って一定であるため、凝縮水の飛散流れを全周に亘って良好にすることができる。また、誘導部材の全長が最短長であり製作コストを最小限することができる。

請求項３に係る発明では、前記誘導部材の上流側端部を、排気管の先細形状部端部より上流側に位置させる。

上記構成によれば、排気管の先細形状部に結露付着した凝縮水の飛散経路を確実に排気センサの検知部を覆っている素子カバー外周を通過する排気通過領域から変更し、凝縮水通過領域へ導くことができる。

請求項４に係る発明では、前記誘導筒の下流側端部を、前記排気センサの取付け位置より下流側に位置させる。

上記構成によれば、排気センサの検知部を覆っている素子カバー外周を通過する排気通過領域から変更され飛散する凝縮水の通過領域を、排気センサの取付け位置を越えた下流領域まで変更状態を保持しているので、更に確実に素子カバーの排気取入れ孔からの凝縮水の侵入を阻止し、凝縮水による排気センサの検知部への被水を防止できる。

請求項５に係る発明では、誘導部材の上流側端部に、排気管形状に相応し上流側に向かって外側に開く凝縮水飛散経路ガイド部を形成している。

上記構成によれば、凝縮水飛散経路ガイド部で、排気管の先細形状部に結露し付着した凝縮水の飛散経路を更に確実に排気センサの検知部を覆っている素子カバー外周を通過する排気通過領域から変更し、凝縮水通過領域へ導くことができる。

請求項６に係る発明では、誘導部材の上流側端部の外周部に、面取り部を形成している。

上記構成によれば、面取り部を形成することで、排気の流れ抵抗を減少できると共に、より一層凝縮水の飛散経路を確実に排気センサの検知部を覆っている素子カバー外周を通過する排気通過領域から変更し、凝縮水通過領域へ導くことができる。

請求項７に係る発明では、排気センサは、電熱ヒータを内蔵し、ジルコニア固体電解質型検知素子を具備した酸素濃度センサである。

上記構成によれば、とりわけ、６５０℃以上の高温度で使用される酸素濃度センサの場合、凝縮水の被水による熱応力等の破損を防止でき、従って性能の良い排気浄化システムを提供できる。

請求項８に係る発明では、内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造は、ディーゼルエンジンの排気浄化システムにおける内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造に適用されている。

上記構成によれば、排気センサ検知部への凝縮水の被水を確実に防止できる排気管への排気センサ取付け構造を搭載しているので、高品位なディーゼルエンジンの排気浄化システムを提供することができる。

以下、本発明を図に基づき説明する。図８は、本発明になる排気センサ取付け構造を付設したディーゼルエンジンの全体概略構成図である。ディーゼルエンジン１は４気筒のエンジンであり、各気筒に共通のコモンレール２と、該コモンレール２に連結されて各気筒の燃焼室にそれぞれ燃料を噴射する４つのインジェクタ３を有している。エンジン１の吸気マニホールド４は、吸気管５に連結しており、連結部に設けられる吸気スロットル弁６によって、吸気流量が調整されるようになっている。吸気管５を流通する吸気はエアクリーナ７で濾過されエアフローメター８により検出されるようになっている。

エンジン１からの排気は排気通路９により排出されるようになっている。排気通路９は、上流側より排気マニホールド１０及び排気管１１からなり、排気管１１の途中には排気浄化装置としてのパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）１２が搭載されている。ＤＰＦ１２は公知の構成で、例えば、シリコンカーバイドやコージェライトなどの耐熱性多孔質セラミックスを排気の出入り口が交互に閉塞するよう成型加工されている。排気は入口が開口しているセルからＤＰＦ１２内に入り、多孔性の隔壁を通過する際にパティキュレート（ＰＭ）が捕集される。排気と接触するＤＰＦ１２の内表面は、ＰＭの酸化を促進する触媒を担持した構造とすることもでき、ＤＰＦ１２の低温度域で安定的のＰＭを燃焼除去することができる。

排気管１１には、ＤＰＦ１２の上流側にターボチャージャー１３のタービン１４が設けられ、吸気管５に設けられるコンプレッサ１５とタービン軸を介して連結されている。これにより、排気の運動エネルギーを利用してコンプレッサ１５を回転作動させて吸気管５に導入される吸気をコンプレッサ１５内で圧縮する。吸気スロットル弁６よりも上流の吸気管５内には、インタクーラ１７が設けられ、コンプレッサ１５で圧縮されて高温となった吸気がここで冷却される。また、排気管１１には、ＤＰＦ１２の下流側に排気中の酸素の濃度を検出するジルコニア個体電解質型の酸素濃度センサ１８が取付けられている。この酸素濃度センサ１８の構造、作用については後述する。

排気マニホールド１０は、ＥＧＲ通路１９によって吸気マニホールド４と連結されており、排気の一部がＥＧＲ通路１９を経て吸気に戻されるようになっている。ＥＧＲ通路１９の吸気マニホールド４への出口部には、ＥＧＲ弁２０が設けられ、その開度を調整することにより、吸気に還流される排気の量を調整できるようになっている。ＥＧＲ通路１９の途中には、還流されるＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２１が設けられる。２２は吸気マニホールド4内の吸気の圧力を検出する吸気圧センサである。

ＥＣＵ２３には、前記エアフローメータ８、吸気圧センサ２２、酸素濃度センサ１８などの出力信号や、ＥＧＲ弁２０の開度、エンジン回転数、車速、冷却水温、アクセル開度、クランク位置、燃料圧などを検出する各種センサからの出力信号が入力し、エンジン１各部の状態（運転状態）が知られるようになっている。そしてＥＣＵ２３は、これら各種センサの出力信号から知られるエンジン１の運転状態に基づいて運転状態に応じた最適な燃料噴射量、ＥＧＲ量を算出して、吸気スロットル弁６、インジェクタ３、ＥＧＲ弁２０、ターボチャージャー１３などをフィードバック制御する。なお、本発明排気センサ取付け構造は排気管１１において排気浄化装置１２から下流側の排気センサ１８までの範囲の構造に関する。

次に図９、図１０により本発明における排気センサ１８の構造、作用を説明する。図９は排気センサ１８の縦断面図、図１０は図９のＡ−Ａ線矢視拡大断面図である。本発明に適用している排気センサ１８は、通常使用されている公知のジルコニア固体電解質型酸素濃度センサである。金属製の筒状ハウジング４０内には絶縁部材４１に中間部外周を保持してジルコニア固体電解質シート４２を有する検知素子４３が収納されている。絶縁部材４１の中心部の凹み部には絶縁シール材４４が充填され、この部分で排気管１１内の排気と大気とを遮断している。

酸素検知部４５となる検知素子４３の先端部（図の下端部）は、ハウジング４０より突出して図の下方に延び、ハウジング４０の下端に固定された容器状の素子カバー４６、４７内に収納されている。素子カバーは２重になっており、内側カバー４６の外側に外側カバー４７が配設され、それぞれのカバー４６、４７には排気管１１内を流れる排気を取入れる排気取入れ孔４６ａ、４７ａが複数形成してある。排気取入れ孔４６ａ、４７ａは、排気の流れが直接検知部４５に当たらないよう、その中心を不一致にして配置し、外側カバー４７の排気取入れ孔４７ａの位置は、内側カバー４６の排気取入れ孔４６ａの位置より先端側に配置（排気管１１に取付けたとき、管壁から半径のほぼ７／１０の位置）してある。

検知素子４３の後端部（図の上端部）は、ハウジング４０より突出して図の上方に延び、ハウジング４０の上端に固定される筒状の大気カバー４８内に収納されている。大気カバー４８の上半部は二重筒状としてあり、その内外筒４８ｃ、４８ｄの対向位置に大気導入口４８ａ、４８ｂを有し、これら大気導入口４８ａ、４８ｂより基準電極４２ｂのための大気を大気カバー４８内に取込むようにしてある。これら大気導入口４８ａ、４８ｂの形成位置において、大気カバー４８の内外筒４８ｃ、４８ｄ間には、防水のために撥水性のフィルタ４９が配設してある。従って、センサ内部に水分は入らず、大気のみが導入される。

大気カバー４８の中央内部にはほぼリング状の絶縁保持部材５０が配設され、絶縁保持部材５０の内部には、一端が検知素子４３の後端部のリード部５１と、他端が外部リード線５４、５５と電気的に接続する板バネ状の金属端子５２、５３が配設してある。また、絶縁保持部材５０の上部には、大気導入口４８ａ、４８ｂより導入された大気をセンサ素子セル４３内に設けられた大気通路５７（図１０）と連通させるための連通口５０ａが形成されている。

外部リード線５４、５５及び金属端子５２、５３は、図９が断面を表しているため、外部リード線が２本、金属端子が２本しか図示されていないが、実際は図面の垂直方向に外部リード線が２本、金属端子が２本存在する。即ち、外部リード線が４本、金属端子が４本存在する。そして、左側に図示された外部リード線５５と金属端子５３（実際は各１対存在）が、後述する作用電極と基準電極に電気的に接続され、右側に図示された外部リード線５４と金属端子５２（実際は各１対存在）が、後述する電熱ヒータの１対のリード線と電気的に接続されている。

検知素子４３には、図１０に示すように板状のジルコニア固体電解質シート４２が配設され、その外側に排気に晒される作用電極４２ａと、内部側に基準電極４２ｂが配設され、上述のごとく検知素子４２のリード部５１で金属端子５３（もう１つの金属端子は図示されていない）と電気的に接続されている。そして、基準電極４２ｂは、大気が導入される大気導入用ダクト５６によって形成される大気通路５７に晒されている。

前記ジルコニア固体電解質シート４２の両面には電極４２ａ並びに４２ｂが対向するよう配置され、電気化学的セルを形成している。検知素子４３を構成する電気化学的セルは、正確な出力を得るために十分に内部抵抗を下げる必要があり、それゆえ６５０℃以上に加熱されなければならない。そのため、検知素子４３の検知部４５を加熱する電熱ヒータ５８が設けられ絶縁シート５９内に埋設されている。なお、電熱ヒータ５８の断面部位は通常２つのところ４つ図示されているが、これは切断面（Ａ−Ａ線）において電熱ヒータ５８が折返し屈曲しているためである。また、電熱ヒータ５８への通電は、上述のごとく、１対の外部リード線５４（もう１つの外部リード線は図示されていない）及び１対の金属端子５２（もう１つの金属端子は図示されていない）を通して行われる。

検知素子４３を構成するジルコニア固体電解質シート４２の排気に晒される面側には、作用電極４２ａの他に、排気透過層６０と排気遮蔽層６１とが順次積層されている。排気透過層６０は、作用電極４２ａへ排気を導入するための多孔質シートであり、アルミナ、スピネル、ジルコニア等のセラミックスをシート成形したものである。そして、検知素子４３全体を高比表面積アルミナの保護層６２で覆い、排気中の被毒成分により排気透過層６０が目詰まりするのを防止している。

上記の排気センサ１８は、素子カバー４６、４７及び検知部４５を排気管１１内に突出して、ハウジング４０の下端に形成されたネジ部４０ａを排気管１１に設けたメネジ座１１ｃにネジ込み固定される。そして、排気センサ１８が振動等でネジ部４０ａとメネジ座１１ｃとの螺着の緩みと排気洩れをガスケット６３で防止している。

上記構成の排気センサ１８において、排気が外側カバー４７の排気取入れ孔４７ａから入り、内側カバー４６の排気取入れ孔４６ａを通り、更に検知素子４３内の排気透過層６０を通りジルコニア固体電解質シート４２に触れる。大気通路５７中の大気に晒されている基準電極４２ｂと排気に晒される作用電極４２ａ間に、所定の電圧を印加すると排気中の酸素濃度に応じて両電極４２ａ、４２ｂ間に限界電流が現れ、この限界電流を出力電流として上記１対の外部リード線５５で（もう１つの外部リード線は図示されていない）取出し、排気管１１内の酸素濃度の情報としてＥＣＵ２３（図８）に入力する。

次に本発明の実施形態を図１、図２、図３、図４に基づき説明する。図１は、本発明になる内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造の正面断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線矢視断面図、図３は、図１のＢ部拡大図、図４は、図１のＣ部拡大図である。ほぼ円筒形の金属製の排気管１１内には、排気浄化装置１２をなすＤＰＦが搭載されている。この排気浄化装置１２が搭載れている位置の排気管１１の径は、排気浄化装置１２が排気通過有効面積を得るために外径が大きくなっている関係上、他の部分より大きくなっている。従って、排気管１１における排気浄化装置１２の下流部１１ａは、下流に続く排気管１１と接続させるため、下流方向に先細形成部１１ｂが形成されている。そして排気浄化装置１２の下流側の排気管１１に溶接によって取付けられたメネジ座１１ｃを介して排気センサとしてジルコニア固体電解質型酸素濃度センサ１８がネジ締め固定される。そして排気センサ１８を排気管１１に固定したとき、外側の素子カバー４７の排気取入れ孔４７ａは、排気管１１の管壁から半径のほぼ７／１０のところに位置する。

また、排気浄化装置１２で浄化（煤などの微粒炭素の除去）された高温の排気が排気管１１内を下流方向（図１の右方向）に流通する。冬期などの外気温度が低い時期にエンジンを停止すると排気管１１内に滞留している排気中の水蒸気が、低温の外気により低温になった排気管１１の壁に触れて凝縮し、排気管１１の内壁１１ｄに結露し付着する現象が生じる。また、冷間状態のエンジンを始動した時にも、低温の排気管１１に水蒸気が触れて凝縮し排気管１１の内壁１１ｄに付着する。この凝縮水は排気管１１の先細形成部１１ｂにも結露し付着する。そしてこの先細形成部１１ｂに結露し付着した凝縮水は、高速の排気の流れにより先細形成部１１ｂの壁面に沿って飛散し、下流方向の排気管１１へ飛散する。特に先細形成部１１ｂから排気管１１ｂへ接続される領域は、排気が先細形成部１１ｂに沿った方向から、排気管１１の中心方向へ徐々に向かって流れ、凝縮水もこの排気の流れと共に破線矢印で示すように飛散する。そのため排気センサ１８の取付け位置では、凝縮水が排気管１１の中心領域を通過し、排気センサ１８の検知部４５は素子カバー４７の排気取入れ孔４７ａから侵入する凝縮水の被水を受けやすい。

３０は凝縮水飛散経路誘導手段をなし耐熱、耐腐食性金属部材からなる薄板状で断面円形の誘導部材である。この誘導部材３０は、排気浄化装置１２の下流側の排気管１１内に沿ってその軸心を一致して配置され、周方向３箇所で固定部材３１により排気管１１に溶接固定されている。従って、排気管１１と誘導部材３０は側面から見ると図２に示すように同芯円状になっており、両者の間隙ｔは全周に亘って一定となっている。なお、固定部材３１も誘導部材３０と同様の材質で形成されている。また、誘導部材３０の排気管１１への保持は、両者の間隙ｔ内に通気性のあるメタルウールを充填して保持するようにしてもよい。さらに誘導部材３０の材質は、金属メッシュ、パンチングメタルでもよい。更に前記排気浄化装置１２はＤＰＦであったが、触媒コンバータであってもよい。

誘導部材３０の上流側の端部３０ａ及び下流側の端部３０ｂの位置について、発明者は実験により以下のような結果を得た。誘導部材３０の上流側の端部３０ａの位置については、図３に示すように、誘導部材３０の径を変えたとき、凝縮水が誘導部材３０内に入り込まない端部３０ａの位置をプロットすると、そのプロット面Ｘが排気管内壁１１ｆに対して３０°をなし、その延長が排気管１１の先細形状部１１ｂの端部１１ｅに至ることが判明した。即ち、誘導部材３０の上流側の端部３０ａの位置は、排気管１１の先細形状部１１ｂの端部１１ｅから排気管内壁１１ｆに対して内側方向に３０°を成す面Ｘと誘導部材３０の内壁３０ｂとの交叉位置Ｍであり、誘導部材３０の径を定めたとき、この交叉位置Ｍより上流側に位置していることが必要である。この場合、排気管１１の先細形状部１１ｂの傾斜度が大きい場合と小さい場合でも、凝縮水が排気管１１の先細形状部１１ｂから排気管１１に飛散して行く経路は、排気の流速が速いため凝縮水の飛散経路はほとんど同じ経路を辿ることが実験観察で確認できた。

一方、誘導部材３０の下流側の端部３０ｂの位置については、図４に示すように、誘導部材３０の径を変えたとき、誘導部材３０により飛散経路を変更され誘導部材３０を通過した凝縮水が排気センサ１８の素子カバー４７の排気取入れ孔４７ａに入り込まない下流側端部３０ｂの境界位置をプロットすると、そのプロット面Ｙが誘導部材３０の外壁面３０ｃに対して３０°をなし、その延長が素子カバー４７の排気取入れ孔４７ａの位置に至ることが判明した。即ち、誘導部材３０の下流側端部３０ｂの位置は、該誘導部材３０の外壁面下流側端部３０ｂを基点として該外壁面の延長線３０ｃに対し、排気管内側下流方向に３０°を成す仮想面Ｙに対し前記素子カバー４７の排気取入れ孔４７ａが排気上流側に位置することが必要である。 なお、上述の誘導部材３０の上流側端部３０ａ及び下流側端部３０ｂの位置に関し、排気管内壁１１ｆに対して内側方向に成すプロット面Ｘ及び外壁面の延長線３０ｃに対し排気管内側下流方向に成す仮想面Ｙの角度について更に実験を重ねた結果、プロット面Ｘ及び仮想面Ｙのなす角度が３０°の範囲で効果が得られることが確認できた。

このように誘導部材３０の上流側の端部３０ａ及び下流側の端部３０ｂの位置を設定することにより、上流側の端部３０ａ側においては、排気管１１における排気浄化装置１２の下流部１１ａの先細形状部１１ｂに結露した凝縮水が上述のごとく排気の流れによって下流側に飛散するが、凝縮水の飛散経路を、排気センサ１８の検知部４５を覆う素子カバー４７を通過する排気通過領域Ｗ（図１）から誘導部材３０によって強制的に変更させ、凝縮水を実線矢印で示すように凝縮水通過領域Ｚ（図１）、即ち、排気管１１と誘導部材３０との間隙ｔ内を飛散通過させることができる。凝縮水通過領域Ｚを通過し誘導部材３０の下流側の端部３０ｂを経た凝縮水は、排気センサ１８の検知部４５を覆う素子カバー４７を通過する排気通過領域Ｗ内に吸引されるが、誘導部材３０の下流側端部３０ｂの位置が素子カバー４７の排気取入れ孔４７ａ位置に対して上述のように設定されているので、凝縮水が排気取入れ孔４７ａから入り込むことはない。

このように、従来では自然物理現象による凝縮水の滴下貯留や凝縮水の飛散速度の減速によって凝縮水の被水を防止しているのに比べ、本案では、凝縮水の飛散経路を、誘導部材３０で強制的に排気センサ１８の検知部４５を覆う素子カバー４７外周を通過する排気通過領域Ｗから完全に変更させ、凝縮水通過領域Ｚを通過させているので、排気カバー４７の排気取入れ孔４７ａから凝縮水が侵入するのを阻止し、排気センサ１８の検知部４５への凝縮水の被水を確実に防止することができる。とりわけ、排気センサ１８の検知部４５が内蔵電熱ヒータによって６５０℃以上に加熱して使用されるジルコニア固体電解質型酸素濃度センサである場合は、凝縮水被水による熱応力破損を防止でき、性能の良好な排気浄化システムを提供できる。従って、排気中の水蒸気が結露した直後であってもエンジンの正常な始動を行うことができる。また、誘導部材３０は排気管１１と共通の中心線を有するので、両者間の間隙ｔは全周に亘って一定であり、凝縮水の飛散流れを全周に亘って良好にすることができる。更に、本実施形態で説明した誘導部材３０は、発明効果が得られる形状において、全長が最短長であり製作コストを最小限することができる。

なお、凝縮水通過領域Ｚの幅、即ち、排気管１１と誘導部材３０との間隙ｔは、実験によれば凝縮水が通過できる最小限０．５ｍｍを必要とする。一方、間隙ｔの上限は、上述の誘導部材３０の上流側の端部３０ａ及び下流側の端部３０ｂの位置の設定要領に従って大きく（誘導部材３０の径を小さく）することができる。即ち、図２に示す状態から見て誘導部材３０の内径領域内に素子カバー４７の排気取入れ孔４７ａが存在する位置まで、誘導部材３０の径を小さくして間隙ｔを大きくすることができる。

図５は、本発明の他の実施形態を示すもので、誘導部材３０の上流側端部３０ａ及び下流側端部３０ｂをそれぞれ上流側及び下流側へ延伸させた例であり、他の部位、構造については図１に示すものと同じである。誘導部材３０の上流側端部３０ａは先細形状部１１ｂの下流側端部１１ｅの位置より上流側に延伸させる。一方、下流側端部３０ｂは排気センサ１８の取付け位置を越えて下流側に延伸させる。この場合、誘導部材３０の排気センサ１８の取付け位置の部位に孔３０ｃを形成し、この孔３０ｃから排気センサ１８の検知部４５及び素子カバー４７を誘導部材３０内に配置させる。

このように誘導部材３０の上流側端部３０ａを、先細形状部１１ｂの下流側端部１１ｅの位置より上流側に延伸させ、下流側端部３０ｂを排気センサ１８の取付け位置を越えて下流側に延伸させることにより、凝縮水の飛散経路を、排気センサ１８の検知部４５を覆う素子カバー４７外周を通過する排気通過領域Ｗから変更し、排気センサ１８の取付け位置を越えた下流領域まで誘導状態を保持しているので、図１、図２で示した実施形態より、更に確実に凝縮水の排気センサ１８の検知部４５への被水を防止できる。なお、凝縮水は通常、排気管１１の下部（図面の下方）に沿い流れて多く付着するため、孔３０ｃに代わって、誘導部材３０の全長に亘って長手方向のスリットを形成し、このスリットを通して排気センサ１８の検知部４５及び素子カバー４７を誘導部材３０内に配置してもよく、同様の効果が得られる。なお、誘導部材３０の上流側端部３０ａを仮想線で示すように、排気浄化装置１２の近傍まで延伸させれば、凝縮水の飛散経路を排気通過領域Ｗから完全に変更することができる。誘導部材３０の上流側端部３０ａの延伸長さは排気流速等に応じて適宜設定すればよい。

図６は、本発明の更に他の実施形態を示すもので、誘導部材３０の上流側端部３０ａを先細形状部１１ｂの下流側端部１１ｅの位置に設定し、この上流側端部３０ａに、上流側に向かって外側に開く凝縮水飛散経路ガイド部３０ｄを形成した例である。このガイド部３０ｄの傾斜度は先細形状部１１ｂの傾斜度と同じ、即ち両者は平行になっており、材質も誘導部材３０と同様の材質である。また、ガイド部３０ｄは誘導部材３０と一体形成、或いは別体形成後溶接等接続して形成してもよい。他の部位、構造は図５に示したものと同じである。

このように構成すれば、ガイド部３０ｄの傾斜面に沿って排気の流れが整流され、凝縮水の飛散を凝縮水通過領域Ｚに通過させることができる。なお、ガイド部３０ｄの延伸長さは排気流速等に応じて適宜設定すればよい。

図７は、本発明の更に他の実施形態を示すもので、誘導部材３０の上流側端部３０ａの拡大断面図である。図７（ａ）は、誘導部材３０の上流側端部３０ａの外周部に４５°の面取り３０ｅを切削或いは押当て加工で形成した例を示す。図７は（ｂ）は、誘導部材３０の上流側端部３０ａの外周部にＲ状の面取り３０ｆを切削或いは押当て加工で形成した例である。図７（ｃ）は、誘導部材３０の上流側端部３０ａの外周部にＲ状の面取り３０ｆと内周部にＲ状の突出し部３０ｇを形成した例である。このＲ状の面取り３０ｆとＲ状の突出し部３０ｇは、誘導部材３０の端部３０ａの位置を外周から突切りローラで切断する際、同時に成形される。

このように誘導部材３０の上流側端部３０ａの外周に面取り３０ｅ、３０ｆを形成しているので、この面取り３０ｅ、３０ｆで、排気の流れ抵抗を減少させることができると共に、凝縮水の飛散経路を確実に凝縮水通過領域Ｚに導くことができる。また、上述のＲ状の突出し部３０ｇを形成することにより、この突出し部３０ｇで凝縮水が排気通過領域Ｗ内に入り込むのを防止することができる。なお、この面取り３０ｅ、３０ｆは、図６で説明したガイド部３０ｄの外周に形成してもよい。なお、誘導部材３０の上流側端部３０ａには、このガイド部３０ｄの上流側端部も含まれる。

なお、上述の排気通過領域Ｗ及び凝縮水通過領域Ｚについて、排気通過領域Ｗとは凝縮水は飛散通過せず、排気センサ１８の検知部４５を覆う素子カバー４７外周を通過する領域を意味し、凝縮水通過領域Ｚとは凝縮水と排気が一緒に通過する誘導部材３０と排気管１１との間隙ｔを意味する。また、上記実施形態では、排気センサ１８はジルコニア固体電解質型酸素濃度センサであったが、これに限定されず排気管１１における排気浄化装置１２下流側１１ａの先細形状部１１ｂより下流側に取付けられるセンサ例えば窒素酸化物濃度センサ、炭化水素濃度センサ、一酸化炭素濃度センサ等であってもよい。また、上記実施形態では、本案をディーゼルエンジンの排気浄化システムに適用した例であったが、ガソリンエンジンの排気浄化システムに適用してもよい。

本発明の実施形態を示す内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造の正面断面図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 図１のＢ部拡大図。 図１のＣ部拡大図である。 本発明の他の実施形態を示す内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造の正面断面図。 本発明の更に他の実施形態を示す内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造の正面断面図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ本発明における誘導筒の上流側端部の実施形態を示し、図３のＤ部拡大図である。 本発明になる内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造を付設したディーゼルエンジンの全体概略構成図である。 本発明における排気センサとしてのジルコニア固体電解質型酸素濃度センサの縦断面図。 図９のＡ−Ａ線矢視断面図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１１ 排気管
１１ａ 排気管１１における排気浄化装置１２の下流部
１１ｂ 排気管１１の先細形状部
１１ｅ 先細形状部１１ｂの端部
１２ 排気浄化装置
１８ 排気センサとしての酸素濃度センサ
３０ 凝縮水飛散経路分離手段をなす誘導部材
３０ａ 誘導部材３０の上流側端部
３０ｂ 誘導部材３０の下流側端部
４５ 検知部
４７ 素子カバー
４７ａ 排気取入れ孔
Ｗ 排気通過領域
Ｚ 凝縮水通過領域

Claims (8)

1. 内燃機関の排気管内に、排気中の有害物質を除去するための排気浄化装置が搭載され、前記排気管における前記排気浄化装置の下流部が下流方向先細形状に形成されると共に、前記排気浄化装置の下流側に、前記排気中の成分を検出する排気センサが取付けられた内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造において、
   前記排気管内に、前記排気管の先細形状部を含む上流側に結露した凝縮水の飛散経路を、前記排気センサの検知部を覆う素子カバー外周を通過する排気通過領域から変更させ、凝縮水通過領域へ導く凝縮水飛散経路誘導手段を設けたことを特徴とする内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造。
2. 前記凝縮水飛散経路誘導手段は、前記排気管内に沿って配置された筒状の誘導部材であって、前記排気通過領域内に前記排気センサの検知部を覆う素子カバーが配置され、かつ前記誘導筒の上流側端部は、前記排気管の先細形状部端部から下流側排気管壁面に対して内側３０°をなす面と前記誘導部材の内壁面との交叉位置より上流側に位置し、前記誘導部材の下流側端部は、該誘導部材の外壁下流側端部を基点とし排気管内側下流方向に３０°をなす仮想面に対し前記素子カバーの排気取入れ孔が上流側に位置するように配置されている請求項１記載の内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造。
3. 前記誘導部材の上流側端部は、前記排気管の先細形状部端部より上流側に位置している請求項２記載の内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造。
4. 前記誘導部材の下流側端部は、前記排気センサの取付け位置より下流側に位置している請求項２又は３記載の内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造。
5. 前記誘導部材の上流側端部に、排気管形状に相応し上流側に向かって外側に開く凝縮水飛散経路ガイド部が形成されている請求項３に記載の内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造。
6. 前記誘導部材の上流側端部の外周部に、面取り部が形成されている請求項２〜５のいずれか一つに記載の内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造。
7. 前記排気センサは、電熱ヒータを内蔵し、ジルコニア固体電解質型検知素子を具備した酸素濃度センサである請求項１〜６のいずれか一つに記載の内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造。
8. 前記内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造は、ディーゼルエンジンの排気浄化システムにおける内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造に適用されている請求項１〜７のいずれか一つに記載の内燃機関の排気管への排気センサ取付け構造。