JP2015099142A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
Description
特に、近年、内燃機関の排気エミッションに対する規制が強化されてきており、これに伴い、排気ガスの気筒差をモニタ可能なガスセンサが求められている。気筒差をモニタするには、気筒毎にガスセンサを設置すればよいが、コスト増となることから、多気筒エンジンの排気管集合部に単一のガスセンサを設置して、各気筒毎の空燃比をモニタする方法が知られている。このような方法を行う場合、各気筒毎に排出されるガスに対して、ガスセンサが迅速に応答することが求められている。
なお、「軸線方向における最短距離」とは、各孔同士の軸線方向の最短の直線距離であり、例えば最短距離D3は、第1外孔と第1内孔とを軸線方向に垂直な径方向に沿って見たときに、第1外孔の基端側の周縁と、第1内孔の先端側の周縁とを結ぶ軸線方向の最短の直線距離である。又、以下のように第1外孔が軸線方向に複数個並ぶ場合、最短距離D3は、複数の第1外孔のうち、最も基端側の第1外孔における基端側の周縁と、第1内孔の先端側の周縁との軸線方向の最短距離である。
これに対し、上述のガスセンサでは、外側プロテクタの第2外側壁の基端部が、内側プロテクタの第1内側壁の先端部と、軸線周りの全周にわたって、気密に(ガス流通不能に)結合している。
このため、第1外孔を通じて外部から第1空間内に導入された被検出ガスは、第1空間から第2空間に直接流入することがなく、確実に、第1空間内を軸線方向基端側に流れ、第1内孔を通じて内側プロテクタの内部空間(検出素子の検出部を収容する空間)内に導入される。これにより、第1内孔を通じて内側プロテクタの内部空間内に導入されたガスを、スムーズに、第2内孔を通じて内側プロテクタの外部に排出することができる。
なお、第2外側壁の基端部と第1内側壁の先端部との結合態様としては、例えば、加締めによる結合、嵌合による結合、溶接による結合などが挙げられる。
上述のように、最短距離D3を最も短くする、つまり軸線方向に第1外孔を第1内孔に近付けるほど、ガスセンサの応答性を高めることができる。しかしながら、第1外孔が第1内孔に近付くと、第1外孔と第1内孔とが軸線方向に重なり、外部から水が第1外孔に進入すると、第1内孔(内側プロテクタ内)に直接水が進入し易くなる。そこで、第1外孔を軸線方向に複数個並べて設けることにより、第1外孔から内部に進入した水が外部に抜けやすくなって内側プロテクタ内への進入が抑制され、内側プロテクタ内に収容されている検出素子を、被水から適切に保護することができる。
図4に示すように、排気ガスGは、外底壁に沿って排気管の上流側(左側)から下流側(右側)へ流れるが、このときに外底壁をテーパ状にすると、ベンチュリ効果によって外底壁の先端側の第2外孔近傍に負圧が生じ、プロテクタ内の被検出ガスが第2外孔から排出され易くなる。従って、上述のガスセンサでは、ガス排出性がより一層良好となる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明の第1の態様に係る実施形態のガスセンサ100の半断面図である。図2は、ガスセンサ100の内側プロテクタ161の断面図である。図3は、ガスセンサ100の外側プロテクタ171の断面図である。図4は、ガスセンサ100を図示しない自動車の排気管に取り付けた状態において、排気管内のガスセンサ100の先端部を拡大した図であり、排気ガス(被検出ガス)Gの流れを説明する図である。
具体的には、図4に示すように、ガスセンサ100に向かって排気管内を上流側(図4において左側)から流れてきた排気ガスGは、外側プロテクタ171の第1外孔177(外側ガス導入孔)を通じて、プロテクタ160内の第1空間S1(第1外側壁174と第1内側壁164との間の空間)に導入される。
ところで、開口面積が小さい孔ほど排気ガスGは通過し難くなる。従って、第2外孔176と第2内孔166と第1内孔167のうち、最も開口面積(総開口面積)が小さい孔によって、プロテクタ160の外部への排気ガスGの排出量(排出能力)が決まることになる。
図5は、本発明の第2の態様に係る実施形態のガスセンサ200のプロテクタ近傍の半断面図である。なお、ガスセンサ200は、プロテクタ260(特に外側プロテクタ271)が異なること以外はガスセンサ100と構成が同一であるので、プロテクタ260以外の説明は省略すると共に、プロテクタ260についても同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
具体的には、図5に示すように、ガスセンサ200に向かって排気管内を上流側(図5において左側)から流れてきた排気ガスGは、外側プロテクタ271の第1外孔2771、2772を通じて、プロテクタ160内の第1空間S1(第1外側壁274と第1内側壁164との間の空間)に導入される。
このように、最短距離D3を、D1及びD2に比べて短くしている。プロテクタ160内に導入されるガスは、最初に第1外孔2771、2772と第1内孔167との間を通過するから、上記距離D3を短くすることにより、外部からプロテクタ160内にガスが導入されやすくなる。これにより、ガスセンサ200の応答性を高めることができる。
なお、「軸線方向における最短距離」とは、各孔同士の軸線AX方向の最短の直線距離であり、例えば最短距離D3は、第1外孔2771、2772と第1内孔167とを軸線方向に垂直な径方向に沿って見たときに、2段の第1外孔2771、2772のうち、より第1内孔167に近い第1外孔2772の基端側の周縁と、第1内孔167の先端側の周縁とを結ぶ軸線方AX向の最短の直線距離である(図5参照)。換言すると、図5に示すように、紙面上にプロテクタを投影した際に、投影された各孔(第1外孔2771、2772、第1内孔167、第2内孔166、第2外孔276)のそれぞれにおける軸線AX方向の最短距離を示す。
例えば、実施形態では、ガスセンサ100、200として全領域空燃比センサを例示したが、本発明は、酸素センサ、NOxセンサ、HCセンサ等にも適用することができる。
さらに、本実施形態では、第2外側壁175の基端部175bと、第1内側壁164の先端部164cとを気密に結合させていたが、これに限られず、基端部175bと先端部164cとが径方向に重なるものの、両者が離間していても良い。
さらに、第2の態様では、第1外孔2771、2772はいずれも周方向の同一位置に同一形状で同一個数形成されたが、第1外孔2771、2772を軸線AX方向に複数個並べる場合、必ずしも軸線AX方向に平行に各第1外孔が並んでいる必要はないし、軸線AX方向のそれぞれ異なる位置に並ぶ第1外孔の個数が一致しなくてもよい。例えば、第1外孔2771を4個とし、第1外孔2772を6個としてもよく、第1外孔2771、2772の各孔の大きさを変えてもよい。
条件A:エンジン回転数3000rpm、インテークマニホールドの負圧が−46kPa、ガスセンサ100近傍の排気ガス温度540℃
条件B:エンジン回転数5000rpm、インテークマニホールドの負圧が−62kPa、ガスセンサ100近傍の排気ガス温度710℃
なお、ガスセンサ100の応答性は、インバランス時のセンサ信号の振幅で評価した。センサ信号の振幅の値が大きいほど、振幅が大きく、応答性が高い。
第2外孔176の外径を、表1の値から表2に示すようにして、第2外孔176の外径を変化させたガスセンサ100をそれぞれ用意し、条件Bでエンジンを運転したときのガスセンサ100の応答性を測定した結果を表2に示す。なお、実験1では、最短距離D1を4.0mm、最短距離D2を13.1mm、最短距離D3を5.4mmとしている。
各孔166、167、176、177の位置を変え、表3に示すように最短距離D1〜D3を変化させたガスセンサ100をそれぞれ用意し、条件Aでエンジンを運転したときのガスセンサ100の応答性を測定した結果を表3に示す。なお、各孔166、167、176、177の寸法、個数は表1に示す値としている。
110 主体金具(ハウジング)
113 主体金具の先端固定部(ハウジングの先端部)
120 検出素子
121 検出部
123 ガス導入部
160 プロテクタ
161 内側プロテクタ
162 内底壁
164 第1内側壁
164c 第1内側壁の先端部
165 第2内側壁
166 第2内孔
167 第1内孔
171、271 外側プロテクタ
172、272 テーパ壁(外底壁)
174、274 第1外側壁
175、275 第2外側壁
175b、275b 第2外側壁の基端部
176、276 第2外孔
177、277、2771、2772 第1外孔
AX 軸線
G 排気ガス(被検出ガス)
D1 第1内孔の直径(第1内孔の内接円の直径)
D2 第1外孔の直径(第1外孔の内接円の直径)
S1 第1空間
S2 第2空間
S3 内部空間
S4 テーパ内空間
Claims (6)
- 軸線方向に延びる形態をなし、先端側に被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検出部を有する検出素子と、
自身の先端から上記検出部を突出させた状態で、上記検出素子の径方向周囲を取り囲むハウジングと、
上記ハウジングに固定されると共に、上記検出部の周囲を取り囲むプロテクタと、を備え、
上記プロテクタは、
自身の内部空間内に上記検出部を収容する内側プロテクタと、
上記内側プロテクタを収容する外側プロテクタと、を有する
ガスセンサにおいて、
上記内側プロテクタは、
筒状をなし、自身を貫通する第1内孔を有する第1内側壁と、
上記第1内側壁よりも軸線方向先端側に位置し、上記第1内側壁よりも小径の筒状をなす第2内側壁であって、自身を貫通する第2内孔を有する第2内側壁と、
上記第2内側壁の先端側を閉塞する内底壁と、を備え、
上記外側プロテクタは、
上記第1内側壁との間に筒状の第1空間を形成しつつ上記第1内側壁の周囲を取り囲む筒状の第1外側壁であって、自身を貫通する第1外孔を、上記第1内孔よりも上記軸線方向先端側に有する第1外側壁と、
上記第1外側壁よりも上記軸線方向先端側に位置し、上記第1外側壁よりも小径で且つ上記第1内側壁よりも大径の筒状をなし、上記第2内側壁との間に筒状の第2空間を形成しつつ上記第2内側壁の周囲を取り囲む第2外側壁であって、自身の基端部が上記第1内側壁の先端部と前記径方向に重なりつつ、上記内底壁よりも上記軸線方向先端側にまで延びる第2外側壁と、
上記第2外側壁よりも上記軸線方向先端側に位置し、第2外孔を有する外底壁と、を備え、
前記第2外孔の総開口面積A、前記第2内孔の総開口面積B、前記第1内孔の総開口面積C、及び、前記第1外孔の総開口面積Dが、A≦B<C<D、かつ(0.6×B)≦Aの関係を満たす
ガスセンサ。 - 軸線方向に延びる形態をなし、先端側に被検出ガス中の特定ガス成分を検出する検出部を有する検出素子と、
自身の先端から上記検出部を突出させた状態で、上記検出素子の径方向周囲を取り囲むハウジングと、
上記ハウジングに固定されると共に、上記検出部の周囲を取り囲むプロテクタと、を備え、
上記プロテクタは、
自身の内部空間内に上記検出部を収容する内側プロテクタと、
上記内側プロテクタを収容する外側プロテクタと、を有する
ガスセンサにおいて、
上記内側プロテクタは、
筒状をなし、自身を貫通する第1内孔を有する第1内側壁と、
上記第1内側壁よりも軸線方向先端側に位置し、上記第1内側壁よりも小径の筒状をなす第2内側壁であって、自身を貫通する第2内孔を有する第2内側壁と、
上記第2内側壁の先端側を閉塞する内底壁と、を備え、
上記外側プロテクタは、
上記第1内側壁との間に筒状の第1空間を形成しつつ上記第1内側壁の周囲を取り囲む筒状の第1外側壁であって、自身を貫通する第1外孔を、上記第1内孔よりも上記軸線方向先端側に有する第1外側壁と、
上記第1外側壁よりも上記軸線方向先端側に位置し、上記第1外側壁よりも小径で且つ上記第1内側壁よりも大径の筒状をなし、上記第2内側壁との間に筒状の第2空間を形成しつつ上記第2内側壁の周囲を取り囲む第2外側壁であって、自身の基端部が上記第1内側壁の先端部と前記径方向に重なりつつ、上記内底壁よりも上記軸線方向先端側にまで延びる第2外側壁と、
上記第2外側壁よりも上記軸線方向先端側に位置し、第2外孔を有する外底壁と、を備え、
前記第2外孔の総開口面積A、前記第2内孔の総開口面積B、前記第1内孔の総開口面積C、及び、前記第1外孔の総開口面積Dが、A≦B<C<Dの関係を満たし、
前記第2外孔と前記第2内孔との軸線方向における最短距離D1、前記第2内孔と前記第1内孔との軸線方向における最短距離D2、前記第1内孔と前記第1外孔との軸線方向における最短距離D3としたとき、D3がD1、D2よりも短い
ガスセンサ。 - 請求項1又は2に記載のガスセンサであって、
前記第2外側壁の基端部と、前記第1内側壁の先端部とは、気密に結合してなる
ガスセンサ。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記第1外孔が前記軸線方向に複数個並ぶ
ガスセンサ。 - 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記外底壁は、前記軸線方向の先端側に向かって小径となるテーパ状になっている
ガスセンサ。 - 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記検出素子には、前記検出部に前記被検出ガスを導入するためのガス導入部が設けられており、
前記第1内孔は、前記ガス導入部よりも前記軸線方向の基端側に配置されている
ガスセンサ。
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