JP2019101018A - センサ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
また、特許文献1に記載されるPMセンサでは、素子カバーをインナカバーとアウタカバーの二重構造とし、インナカバーの側面に形成されたガス流通孔を、先端面に検出部を配置したセンサ素子よりも先端側に配置して、組付方向が制約されないようにしている。アウタカバーの側面のガス流通孔は、インナカバーの側面に対向する位置に設けられ、排ガスは、両カバーの間の空間を経てインナカバーの側面のガス流通孔から、センサ素子へ導入される。センサ素子に接触した排ガスは、インナカバー及びアウタカバーの先端面に、センサ素子と同軸配置されたガス流通孔から外部へ流出する。
被測定ガス中の特定成分を検出する検出部(21)を備えるセンサ素子(2)と、
上記センサ素子を内側に挿通して、軸方向(X)の先端側に上記検出部が位置するように保持するハウジング(H)と、
上記ハウジングの先端側に配設された素子カバー(1)と、を備え、
上記素子カバーは、上記センサ素子の先端側を覆うように配設されたインナカバー(11)と、上記インナカバーの外側に空間を有して配設されたアウタカバー(12)と、を有するセンサ装置(S)であって、
上記インナカバーは、側面(111)及び先端面(112)に、被測定ガスが流通するインナ側面孔(11a)及びインナ先端面孔(11b)がそれぞれ設けられ、
上記アウタカバーは、側面(121)に、被測定ガスが流通する複数のアウタ側面孔(12a)が設けられると共に、上記アウタ側面孔の先端位置が上記インナカバーの先端位置よりも先端側にあり、上記アウタカバーの上記先端面の内側に、上記軸方向と直交する方向をガス流れ方向とする第1流路(F1)を形成し、
上記インナ側面孔は、上記インナカバーの外側面と上記アウタカバーの内側面との間に設けられる第2流路(F2)に開口すると共に、上記インナ側面孔の先端縁部から上記インナカバーの内方へ傾斜して延出するガイド体(13)が設けられ、上記ガイド体の延出方向の延長線(L)上に、上記検出部が配置される検出面(20)が位置する、センサ装置にある。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
以下に、センサ装置の実施形態について、図面を参照して説明する。図1〜図3に示すように、本形態におけるセンサ装置は、粒子状物質を検出するためのPMセンサSであり、例えば、図4に示す内燃機関Eの排ガス浄化装置に適用される。図1において、PMセンサSは、検出部21を備えるセンサ素子2と、センサ素子2を内側に挿通して、軸方向Xの先端側に検出部21が位置するように保持するハウジングHと、ハウジングHの先端側に配設された素子カバー1と、を備える。
素子カバー1の詳細構成については、後述する。
図9に示すように、排ガスGは、PMセンサSの側方から素子カバー1へ向けて流れ、アウタカバー12の側面121に開口するアウタ側面孔12aに導入される。アウタ側面孔12aは、インナカバー11の先端位置よりも先端側に位置するので、素子カバー1内において、排ガスGは、インナカバー11の先端面112とアウタカバー12の先端面122との間の第1流路F1を、十分な流速でそのまま流れ、対向方向に位置するアウタ側面孔12aへ向かう(例えば、図9中の点線矢印参照)。
図11左図に示すように、本形態の構成とした場合には、第2流路F2における渦流の発生が抑制されることに加え、インナカバー11の内部における渦流の影響を抑制することができる。すなわち、アウタカバー12に流入した排ガスGは、対向方向へ流れると共に、アウタ側面孔12aから流出する手前にて一部が大クリアランス部31にスムーズに流入している。この流れは、第2流路F2に沿って上昇し、基端側の小クリアランス部32の近傍で流速が増してインナ側面孔11aへ流入する。さらに、ガイド体13の傾斜表面131に沿う噴流となって、センサ素子2へ向かう。
搭載時の組付角度による検出感度の低下について、本形態の構成の素子カバー1を有するPMセンサSを評価した。評価試験には、図4に示した排ガス浄化装置を模したPMモデルガスベンチを用い、粒子状物質を含むモデルガスが流通する配管にPMセンサSを組み付けて、組付角度を中心軸に対して回転させたときの検出感度のバラツキを調べた。また、比較のため、素子カバー1にガイド体13を設けない構成について、同様に評価し、結果を図12に比較して示した。
図14に示す評価装置200を用いて、本形態の構成の素子カバー1を有するPMセンサSの耐水性を評価した。評価装置200は、エアが流通する流路201を有し、流路201を形成する管壁に、注水用の液送ポンプ202を配置し、その下流にPMセンサSを配置して構成される。PMセンサSは、先端側が上流側を向くように斜め搭載されており、下記の条件で、液送ポンプ202から送出される水滴Wを、素子カバー1内に噴射したときの、センサ素子2の検出部21に到達する最大被水量を測定した。また、図15に示す従来構成の素子カバー100を有するPMセンサS1について、同様に被水性を評価し、結果を図16に比較して示した。
エア流速:12m/s
エア温度:280±20℃
素子カバー温度:250℃
図17に示すように、本形態の構成の素子カバー1を用いたPMセンサSにおいて、センサ素子2の軸方向位置を変化させて、ガイド体13の傾斜表面131との相対位置を変化させたときに、検出面20に導入される排ガスGの流量を評価した。図17の右図は、傾斜表面131の延長線Lと、センサ素子2の検出面20とが交わる位置にある、本形態の構成の試験例1である。これに対して、図17の左図に示すように、傾斜表面131の延長線L上に、センサ素子2の先端部よりやや基端側の側面が位置する構成を比較例1とし、図17の中図に示すように、傾斜表面131の延長線L上に、センサ素子2の先端部側面が位置する構成を比較例2とした。
図20に示すように、本形態の構成の素子カバー1を用いたPMセンサSにおいて、ガイド体13の傾斜表面131の基端から延出端までの長さL1を変化させて、検出面20までの長さL2との比:L1/L2が、上述した指向性に与える影響を評価した。図21に、L1/L2が0.05〜0.4程度の範囲について、指向性(単位:±%)との関係を調べた結果を示す。
図21に示すように、具体的には、L1/L2が0.05〜0.25までの範囲では、指向性はほとんど変化がなく、L1/L2が0.25を超えると、指向性が急減している。したがって、好適には、L1/L2が0.25を超える範囲となるように、ガイド体13の傾斜表面131の長さL1を設定すると、指向性を小さくすることができる。
図22に示すように、大クリアランス部31におけるクリアランス(すなわち、最大クリアランス)をd1とし、小クリアランス部32におけるクリアランス(すなわち、最小クリアランス)をd2としたときに、それらの比率であるクリアランス比d1/d2を、1.5〜20の範囲で変更した素子カバー1を用意した。これら素子カバー1を備えるPMセンサSを、それぞれPMモデルガスベンチに取り付けて、所定のPM濃度としたモデルガスを導入し、センサ素子2の検出部21における出力の立ち上がり時間を評価した。試験条件は、以下の通りとし、図23に評価結果を示した。
評価ベンチ:PMモデルガスベンチ
ガス流速:10m/s
PM濃度:6mg/m3
このため、本形態の構成では、組付角度0°に対して22.5°のときのガス供給量が、約0.8倍と高く保たれるのに比べて、段差面117を有する構成では、22.5°のときのガス供給量が、約0.5倍となり大きく減少する。
図25、図26により、センサ装置としてのPMセンサSの実施形態2について説明する。上記実施形態1では、センサ素子2の先端面に検出部21を設けた構成としているが、図25に示すように、センサ素子2の側面に検出部21を有する構成であってもよい。センサ素子2以外のPMセンサSの構成は、上記実施形態1と同様であるので説明を省略し、以下、相違点を中心に説明する。
なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
図27により、センサ装置としてのPMセンサSの実施形態3について説明する。
インナカバー11の第1筒部113は、先端側の大クリアランス部31から基端側の小クリアランス部32へ向けて、徐々に縮径している形状であればよく、必ずしも全体がテーパ状でなくてもよい。本形態では、例えば、大クリアランス部31となる先端部に、概略一定径の筒部113aを有する形状となっている。筒部113aを除く第1筒部113は、一定のテーパ角度を有するテーパ状に形成される。
それ以外の本形態の基本構成は、上記実施形態1と同様であり、説明を省略する。
そこで、組付角度によらず第1流路F1におけるガス流れを均一にするように、アウタ側面孔12aを配置することが望ましい。このような配置例について、次に説明する。
図29〜図31により、センサ装置としてのPMセンサSの実施形態4について説明する。図29に示すように、本形態において、アウタカバー12は、先端面122に近い側面121に、アウタ側面孔12aが軸方向Xに2列に配置される。各列において、アウタ側面孔12aは、周方向の8箇所に等間隔で均等配置され、先端側の第1列に属するアウタ側面孔12aと基端側の第2列に属するアウタ側面孔12aとは、軸方向Xにおいて、孔中心が重ならないように互い違いに位置する。ここでは、第1列のアウタ側面孔12aは、全体が、インナ先端面孔11bとアウタカバー12の先端面122との間に位置し、基端位置が、インナ先端面孔11bの先端位置と概略一致するように隣接して位置している。第2列のアウタ側面孔12aは、インナカバー11の先端部を取り囲んで配置され、インナ先端面孔11bと、先端位置がほぼ一致している。
なお、本形態では、先端側から第1列と第2列のアウタ側面孔12aを同径の円形孔としているが、必ずしも同一形状でなくてもよく、また、均等配置されていなくてもよい。すなわち、アウタカバー12のアウタ側面孔12aは、軸方向において、隣り合う2つの列に属するアウタ側面孔12aの孔中心が、同一線上に位置しておらず、互いにずれて位置していればよい。
また、アウタ側面孔12aの列の数や、各列のアウタ側面孔12aの数、インナ先端面孔11bとの位置関係等は、適宜変更することができる。例えば、第2列のアウタ側面孔12aの先端位置が、インナ先端面孔11bより先端側となっていてもよいし、第1列のアウタ側面孔12aの基端位置が、インナ先端面孔11bより基端側となっていてもよい。
この場合も、第1筒部113の全体が滑らかに接続され、基端側から先端側へ向けて縮径する概略テーパ状に形成されることで、同様の効果が得られる。
また、図31右図に示すアウタカバー12は、インナカバー11が一定径であり、2列のアウタ側面孔12aはインナ先端面孔11bを挟んで近接している。この場合も、アウタ側面孔12aから第1流路F1へ合流する流れと共に、インナカバー11の外側を通過する流れが形成されるために、インナ先端面孔11bの近傍のガス流量を増加させる効果が低下する。
図32〜40により、センサ装置としてのPMセンサSの実施形態5について説明する。図32に示すように、本形態においても、アウタカバー12には、先端面122に近い側面121に、複数のアウタ側面孔12aが軸方向Xに2列に配置され、各列において、アウタ側面孔12aは、周方向の8箇所に等間隔で均等配置されている。このとき、先端側から第1列のアウタ側面孔12a(図32中図参照)と、第2列のアウタ側面孔12a(図32右図参照)とは、必ずしも同一形状でなくてもよく、アウタ側面孔12aを形成する貫通孔の貫通方向を変更することで、検出感度や搭載指向性のさらなる向上が可能となる。
なお、上記実施形態1〜4において、インナカバー11のインナ側面孔11a及びアウタカバー12のアウタ側面孔12aは、このような放射状に形成された貫通孔(以下、適宜、放射状孔と称する)となっている。
その一例として、一対となる第1列のアウタ側面孔12aの貫通方向(T1)と、第2列のアウタ側面孔12aの貫通方向(T2)の位置関係を、図中に示す。
ただし、ガス流速や組付角度によっては、渦流の発生による検出感度への影響が大きくなり、搭載指向性の改善効果に差が生じることが判明した。この場合の第2列のアウタ側面孔12aの形状の効果について、次に説明する。
このとき、図33左図に示すように、第1列と第2列のアウタ側面孔12aの両方が放射状孔である構成では(例えば、実施形態4の構成)、第1列のアウタ側面孔12aから流入する主流G1に対して、第2列のアウタ側面孔12aから流入する2つの副流G2が、第1筒部113に沿って合流する際に衝突する。そのため、主流G1の流速が低下して、インナカバー11の上流側で渦流を発生しやすくなる。図34左図の上段に示すように、2つの副流が形成される2箇所のアウタ側面孔12aの近傍で、渦流損による圧力低下が見られ、これに伴い、図34左図の下段に示すように、第1列のアウタ側面孔12aの近傍においても、インナ先端面孔11bの上流側で渦流損による圧力低下が生じる。その結果、インナ先端面孔11bの近傍に負圧が発生しにくくなり、検出感度が低下する。
この場合も、図35左図に示すように、第1列と第2列のアウタ側面孔12aの両方が放射状孔である構成では(例えば、実施形態4の構成)、第1列のアウタ側面孔12aから流入する主流G1に対して、第2列のアウタ側面孔12aから流入する副流G2が合流する際に衝突する。このとき、2つの主流G1の間に1つの副流G2が合流するので、衝突による流速の低下は緩和されるものの、同様に渦流が発生しやすくなる。そのため、図36左図の上段、中段に示すように、アウタ側面孔12aの近傍で、渦流損による圧力低下が見られる。図36左図の上段、下段に示すように、上流側のアウタ側面孔12aの近傍で、渦流損による圧力低下が見られる。
この結果は、図40のCAE解析結果にも示されており、第1列及び第2列のアウタ側面孔12aが放射孔である図40左図の構成に比べて、第2列のアウタ側面孔12aが平行孔となる図40右図の本形態の構成では、第1流路F1から第2流路F2へ向かうガス流れに発生する渦流が、大きくなる傾向が見られている。
このように、本形態の構成とすることで、排ガスGの流速によらず、超低流速域から低流速域、さらに高流速域にかけて、良好な搭載指向性が得られる。
例えば、上記各実施形態では、センサ装置が自動車用エンジンの排ガス浄化システムに適用される場合について説明したが、内燃機関は自動車用に限らず、各種装置からの排ガスを被測定ガスとすることができる。また、被測定ガスは内燃機関からの排ガスに限らず、各種ガス中に含まれる特定成分を検出するためのセンサ装置に適用することができる。
F1 第1流路
F2 第2流路
1 素子カバー
11 インナカバー
11a インナ側面孔
11b インナ先端面孔
12 アウタカバー
12a アウタ側面孔
2 センサ素子
Claims (13)
- 被測定ガス中の特定成分を検出する検出部(21)を備えるセンサ素子(2)と、
上記センサ素子を内側に挿通して、軸方向(X)の先端側に上記検出部が位置するように保持するハウジング(H)と、
上記ハウジングの先端側に配設された素子カバー(1)と、を備え、
上記素子カバーは、上記センサ素子の先端側を覆うように配設されたインナカバー(11)と、上記インナカバーの外側に空間を有して配設されたアウタカバー(12)と、を有するセンサ装置(S)であって、
上記インナカバーは、側面(111)及び先端面(112)に、被測定ガスが流通するインナ側面孔(11a)及びインナ先端面孔(11b)がそれぞれ設けられ、
上記アウタカバーは、側面(121)に、被測定ガスが流通する複数のアウタ側面孔(12a)が設けられると共に、上記アウタ側面孔の先端位置が上記インナカバーの先端位置よりも先端側にあり、上記アウタカバーの上記先端面の内側に、上記軸方向と直交する方向をガス流れ方向とする第1流路(F1)を形成し、
上記インナ側面孔は、上記インナカバーの外側面と上記アウタカバーの内側面との間に設けられる第2流路(F2)に開口すると共に、上記インナ側面孔の先端縁部から上記インナカバーの内方へ傾斜して延出するガイド体(13)が設けられ、上記ガイド体の延出方向の延長線(L)上に、上記検出部が配置される検出面(20)が位置する、センサ装置。 - 上記第2流路は、上記インナカバーの上記先端面の外周側において、最大クリアランスとなる大クリアランス部(31)を有し、上記大クリアランス部よりも基端側において、最小クリアランスとなる小クリアランス部(32)を有すると共に、上記大クリアランス部と上記小クリアランス部とが段差なく接続された流路形状を有する、請求項1に記載のセンサ装置。
- 上記大クリアランス部の上記軸方向と直交する方向におけるクリアランスをd1、上記小クリアランス部の上記軸方向と直交する方向におけるクリアランスをd2としたとき、クリアランス比d1/d2は2.45以上である、請求項2に記載のセンサ装置。
- 上記ガイド体の傾斜表面(131)の延出方向の長さをL1、上記傾斜表面の基端位置から上記検出面までの長さをL2としたとき、長さの比L1/L2は0.25より大きい、請求項1〜3のいずれか1項に記載のセンサ装置。
- 上記アウタカバーは、上記インナ先端面孔と上記軸方向に対向する位置に孔を有しておらず、複数の上記アウタ側面孔は、上記アウタカバーの上記側面に周方向に均等配置される、請求項1〜4のいずれか1項に記載のセンサ装置。
- 上記軸方向において、複数の上記アウタ側面孔は、上記アウタカバーの上記側面に複数列に配置される、請求項1〜5のいずれか1項に記載のセンサ装置。
- 上記軸方向において、複数の上記アウタ側面孔は、上記複数列のうち隣り合う2つの列に属する上記アウタ側面孔の孔中心が、同一線上に位置していない、請求項6に記載のセンサ装置。
- 上記軸方向において、先端側から第1列に属する複数の上記アウタ側面孔は、それぞれ、上記側面を軸中心へ向けて貫通する貫通孔であり、先端側から第2列に属する複数の上記アウタ側面孔は、それぞれ、先端側から第1列に属する上記アウタ側面孔の1つと平行に上記側面を貫通する貫通孔である、請求項6又は7に記載のセンサ装置。
- 上記インナカバーの上記側面は、先端側から基端側へ拡径するテーパ状の第1筒部(113)と、上記第1筒部の基端側に連続する一定径の第2筒部(114)とを有しており、かつ、上記軸方向において、先端側から第2列に属する上記アウタ側面孔の先端位置が、上記第1筒部と上記第2筒部の接続位置よりも先端側にある、請求項6〜8のいずれか1項に記載のセンサ装置。
- 上記インナカバーの上記側面は、先端側から基端側へ拡径するテーパ状の第1筒部(113)と、上記第1筒部の基端側に連続する一定径の第2筒部(114)とを有する、請求項1〜7のいずれか1項に記載のセンサ装置。
- 上記第2筒部の周方向に、複数の上記インナ側面孔が設けられる、請求項9又は10に記載のセンサ装置。
- 上記検出部は、上記センサ素子の先端面又は先端側の側面に設けられる、請求項1〜11のいずれか1項に記載のセンサ装置。
- 上記被測定ガスは、内燃機関からの排ガスであり、上記特定成分は、粒子状物質又は特定ガス成分である、請求項1〜12のいずれか1項に記載のセンサ装置。
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