JP5641439B2 - ガスセンサの被水防止装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気管に設けられたガスセンサの検出部が、吸気に含まれる凝縮水の付着による熱衝撃によって損傷するのを防止可能にしたガスセンサの被水防止装置に関する。

ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関の吸気管や排気管には、吸気中の特定ガス成分を検出するセンサが設けられている。このようなセンサとして、例えば、ジルコニアなどの固体電解質からなるガス検出素子を用いて、Ｏ_２濃度を検出する空燃比センサや、排気中のＮＯ_Ｘ濃度を検出するＮＯ_Ｘセンサ等がある。これらのガスセンサは、ガス検出素子を内蔵した検出部が吸気又は排気に曝される位置に配置され、この検出部で特定ガス成分を検出する。例えば、空燃比センサの検出部にはヒータが内蔵され、このヒータを用いてガス検出素子を高温に加熱し活性化することで、特定ガス成分を検出する。

エンジンの停止後など、吸気又は排気の温度が低下した時、凝縮水が析出する。前記センサのガス検出素子は、熱衝撃に弱いセラミックで形成されているため、低温の凝縮水がガス検出素子に付着すると、ガス検出素子が急冷され、熱衝撃によりガス検出素子にクラックや割れが発生するおそれがある。内燃機関の運転中高温の排気は、凝縮水の析出量は少ないため、あまり問題とならない。一方、吸気流路のうち、インタークーラの下流側では、インタークーラで吸気が冷却されるため、凝縮水が析出しやすい。燃料の燃焼により水蒸気が生成されるため、吸気より排気のほうが水蒸気分圧が高い。そのため、特に、排気を吸気流路に再循環するＥＧＲ装置を備えた内燃機関では、インタークーラの下流側吸気流路で凝縮水の析出量が多い。

特許文献１には、排気マニホールドに設けられたガスセンサに対する被水防止手段が開示されている。この被水防止手段は、排気流路に突設された検出部の周囲に、ガスセンサと一体に凝縮水の浸入を防止する円筒形の保護カバーを設けて、検出部に凝縮水が付着するのを防止している。

特許文献２にも、水平方向に配置された排気管に設けられたガスセンサに対する被水防止手段が開示されている。この被水防止手段は、ガスセンサの上流側に排気をガスセンサの検出部から離れる方向に偏向させる整流板を設けることで、凝縮水が検出部に付着する確率を低減させるようにしている。

特許文献３には、吸気管に設けられたサージタンクにガスセンサを配置する場合の被水防止手段が開示されている。この被水防止手段は、サージタンクの内部空間に突設された検出部に対し、該検出部を取り巻くように環状凸部を形成してなるものである。この環状凸部によってサージタンクの壁面を伝って流れてくる凝縮水やオイルを堰き止めるようにしている。

図３〜図６に、吸気マニホールドに装着された空燃比センサの構成を示す。吸気マニホールド１２０は、垂直部１２０ａと水平部１２０ｂとで構成され、垂直部１２０ａの管壁に空燃比センサ１００が設けられている。水平部１２０ｂは、４本の分岐管１２２ａ〜ｄに分かれ、各分岐管は、夫々がシリンダブロック１２４に設けられた４個のシリンダヘッドに接続されている。吸気ａは凝縮水を含み、吸気マニホールド１２０の壁面に付着した大きな水滴ｗ１は、壁面を旋回しながら進み、小さな水滴ｗ２は吸気に含まれて、吸気ａと共に流れる。内燃機関の停止後、吸気マニホールド１２０の上部壁に付着した水滴ｗ３は、空燃比センサ１００の検出部１０６のほうへ落下してくる。

ガスセンサ１００の軸方向中央に雄ネジ１０２及びナット１０４が一体形成されている。垂直部１２０ａの管壁に設けられたボス部１２６に雌ネジ孔１２８が形成され、該雌ネジ孔１２８に雄ネジ１０２が螺合している。ガスセンサ１００の検出部１０６が、垂直部１２０ａの管壁から吸気流路に突設されている。検出部１０６のケースは外壁１０８及び内壁１１０からなり、夫々に吸気導入孔１１２が穿設されている。内壁１１０の内側にガス検出素子１１４が配置され、ガス検出素子１１４の内側にヒータ１１６が配置されている。

特開２００５−８３２３０号公報 特開２００７−３２１５９３号公報 特開２００３−６５１７１号公報

特許文献１に開示された被水防止手段は、保護カバーがガスセンサの検出部の先端まで覆っているため、排気に含まれるガス成分の検出精度が低下し、誤検知や応答遅れを引き起こすおそれがある。特許文献２に開示された被水防止手段は、整流板で吸気を偏向させるだけのもので、ガスセンサに対する被水防止効果はあまり期待できない。特許文献３に開示された被水防止手段は、サージタンクの壁面を伝って流れてくる凝縮水は阻止できるが、吸気に含まれる凝縮水に対する被水防止効果は期待できない。

図６において、吸気ａは、管壁の近傍で管壁との摩擦により流速が小さく、かつ静圧力が高い。逆に流速が大きい流路中央域では静圧力が低い。そのため、吸気ａは、管壁近傍に配置された吸気導入孔１１２から検出部１０６の内部に進入し、ガス検出素子１１４に接触した後、流路中央側の吸気導入孔１１２から出て行く。この時、吸気ａに含まれる水滴がガス検出素子１１４に付着することで、前述の熱衝撃による破損の問題が起こる。また、管壁近傍では吸気ａの流速が小さくため、ガスセンサ１００の応答性が悪くなると共に、管壁付近の吸気のガス成分を検出し、吸気ａの主流のガス成分を検出しないので、吸気ａの平均酸素濃度を正確に検出できないという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、吸気流路に突設された検出部が、吸気に含まれる凝縮水の付着による熱衝撃で損傷するのを防止し、かつガス成分の検出精度を高く維持できるガスセンサの被水防止装置を実現することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明のガスセンサの被水防止装置は、内燃機関の吸気流路内に突設された検出部を備えたガスセンサの被水防止装置において、検出部の周囲に該検出部に設けられた吸気導入口を覆う位置まで吸気流路内に突出配置され、その内壁の突出方向の先端部から吸気導入口に至るまでの領域に螺旋溝が形成された筒状カバーを備え、前記筒状カバーは、前記螺旋溝の根元側終端部に設けられ、内壁の接線方向に配置されて吸気下流側外壁に開口する貫通孔が穿設され、前記螺旋溝の根元側終端部及び前記貫通孔は、前記吸気導入口よりも前記筒状カバーの先端側に配置されているものである。

本発明では、筒状カバーで検出部の吸気導入口を覆うことで、吸気に含まれる凝縮水が直接吸気導入孔から検出部の内部に進入するのを防止できる。また、筒状カバーの先端部から筒状カバーの内部に進入した吸気は、螺旋溝に沿って旋回する。この旋回力によって吸気は筒状カバーの奥に進入し、検出部に設けられた吸気導入孔から検出部の内部へ進入する。そのため、吸気導入孔が検出部の根元側に設けられているときでも、吸気の主流のガス成分を検出できる。また、螺旋溝の深さ又幅を調整することで、吸気の旋回速度及び凝縮水に作用する遠心力を調整できる。

本発明において、筒状カバーの内壁は、突出方向先端側で拡径されたテーパ壁で形成されているとよい。これによって、吸気が筒状カバーの内部に進入しやすくなると共に、筒状カバーの内径は根元部に向かって徐々に狭まるので、吸気は旋回速度を増しながら筒状カバーの奥に進入し、検出部に設けられた吸気導入孔から検出部の内部へ進入する。このように、吸気の旋回速度を増大できるので、ガス成分を応答性良く検出できる。

また、本発明は、筒状カバーは、螺旋溝の根元側終端部に設けられ、内壁の接線方向に配置されて吸気下流側外壁に開口する貫通孔が穿設され、前記螺旋溝の根元側終端部及び前記貫通孔は、前記吸気導入口よりも前記筒状カバーの先端側に配置されていることを特徴とする。筒状カバーの内部で、吸気に旋回力が付与されるので、吸気に含まれる重い水滴に遠心力が加わる。そのため、水滴は螺旋溝の底に押し付けられた状態で、前記貫通孔から筒状カバーの外部へ流出する。該貫通孔は、吸気導入孔より先端側に配置されているので、水滴は吸気導入孔に到達する前に筒状カバーの外部へ排出される。また、該貫通孔は、内壁の接線方向に配置され、かつ負圧状態の吸気下流側の外壁に開口しているので、水滴をスムーズに筒状カバーの外部へ排出できる。

本発明において、筒状カバーの外壁面に、吸気下流側に向かうスリット状の溝が形成されているとよい。このスリット状の溝に付着した水滴は、飛散せずに筒状カバーの下流側にガイドされるので、筒状カバーの内部に進入しない。また、内燃機関の停止後、上方から落ちてくる水滴は、スリット状の溝にガイドされて上流側へガイドされるので、再飛散して筒状カバーの内部に進入しない。

本発明において、筒状カバーの先端部に吸気流路の中心側に向けて傾斜したテーパ面が形成されているとよい。このテーパ面に付着し水滴は、吸気流の慣性力によって該テーパ面を滑り、吸気流路の中央側に押し出されるので、筒状カバーの内部に進入する確率が低減する。

本発明において、前記筒状カバーの表面が撥水性被膜で被覆されているとよい。これによって、筒状カバーの表面に撥水性を付与できるので、筒状カバーの外壁に付着した水滴をスムーズに下流側に排出できる。また、筒状カバーの内壁が撥水性を増すことにより、吸気の旋回速度をさらに増大でき、筒状カバーの内部への吸気の主流の導入と貫通孔からの水滴の排出が促進される。

本発明によれば、内燃機関の吸気流路に突設された検出部を備えたガスセンサの被水防止装置において、検出部の周囲に該検出部に設けられた吸気導入口を覆う位置まで吸気流路に突出配置され、その内壁の突出方向の先端部から前記吸気導入口に至るまでの領域に螺旋溝が形成された筒状カバーを備えているので、吸気に含まれる凝縮水が直接吸気導入孔から検出部の内部へ進入するのを防止できると共に、筒状カバーの内部で吸気に旋回力を付与するので、吸気の主流のガス成分を応答性良く検出できる。

本発明装置の一実施形態に係る断面図である。 図１中のＣ方向から視た図である。 内燃機関に設けられた吸気マニホールドの正面図である。 図３中のＡ―Ａ線に沿う断面図である。 図３中のＢ―Ｂ線に沿う断面図である。 従来の空燃比センサの断面図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

本発明装置の一実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。本実施形態は、内燃機関に設けられた吸気マニホールド又は吸気管の垂直管壁に装着された空燃比センサに適用された例である。吸気マニホールド又は吸気管の垂直管壁３０に、雌ネジ孔３４を有するボス部３２が、圧入又はねじ込み等の手段で固定されている。空燃比センサ１０は、出力端子が内蔵され、リード線１１が接続された基部１２と、雌ネジ孔３４に螺合する雄ネジ１４と、雄ネジ１４と一体形成されたナット１６と、垂直管壁３０から吸気流路内に突出配置される検出部１８とで構成されている。

空燃比センサ１０は、雄ネジ１４が雌ネジ孔３４に螺合することで、垂直管壁３０に固定される。検出部１８の垂直管壁３０に近い根元部には、周方向に複数の吸気導入孔２０が穿設されている。吸気導入孔２０から検出部１８の内部に進入した吸気ａが、検出部１８に内蔵されたガス検出素子（図示省略）に接触することで、吸気中の酸素濃度を検出する。

ボス部３２と一体に円筒形の保護カバー２２が設けられ、保護カバー２２は検出部１８の周囲に配置され、吸気流路内に突出配置されている。保護カバー２２の吸気流路内への突出量Ｌは、少なくとも吸気導入孔２０を覆うように設定され、例えば、検出部１８の突出量の２／３程度とする。保護カバー２２の内壁２２ａは、先端側が拡径された円錐形のテーパ面を形成している。吸気導入孔２０より先端側の内壁２２ａには、螺旋形状に刻設された円弧状断面の螺旋溝２４が設けられている。螺旋溝２４の根元側終端部に貫通孔２６が穿設されている。

図２に示すように、貫通孔２６は内壁２２ａの接線方向に配置され、かつ保護カバー２２の外壁における貫通孔２６の外壁開口２６ａは、保護カバー２２の中心より吸気下流側に配置されている。外壁開口２６ａの領域は負圧状態となっている。螺旋溝２４の根元側終端部及び貫通孔２６は、吸気導入孔２０より保護カバー２２の先端側に配置されている。保護カバー２２の先端部には、平坦なテーパ面２２ｂが形成されている。テーパ面２２ｂは、垂直管壁３０の軸方向と直角方向の面に対し、θ（＜９０°、好ましくは３０〜６０°）の角度をもつように形成されている。

テーパ面２２ｂより根元側の保護カバー２２の外壁には、周方向に複数のスリット状溝２８が刻設されている。スリット状溝２８はリング状をなし、並列に配置されている。空燃比センサ１０より吸気上流側（下方位置）の垂直管壁３０の内面には、複数のリング状の凹溝３６が刻設されている。また、空燃比センサ１０の上流側吸気流路には、インタークーラ及びＥＧＲガスの導入口（図示省略）が設けられている。

かかる構成において、インタークーラで冷却された吸気ａ及びＥＧＲガスは凝縮した水滴ｗを含んでいる。この吸気ａが吸気マニホールドの垂直管壁３０の内部を流れると、水滴ｗが垂直管壁３０に付着する。垂直管壁３０に付着した水滴ｗは、凹溝３６が抵抗となって下流側へ進入するのを阻まれる。吸気ａに含まれる水滴ｗは、保護カバー２２に阻まれ、吸気導入孔２０に浸入するのを阻止される。保護カバー２２の外壁に設けられたスリット状溝２８に付着した水滴ｗは、吸気流に押され、スリット状溝２８に沿って滑り、保護カバー２２の下流側へ案内される。

保護カバー２２の先端部近辺の吸気ａは、テーパ面２２ｂに沿って流れ、吸気流路の中心側に偏向される。吸気流路の中央領域を流れる吸気ａの一部は、保護カバー２２の先端部から保護カバー２２の内部に回り込み、螺旋溝２４に沿って旋回を開始する。旋回を開始した吸気ａは、内壁２２ａが根元側に向かって徐々に縮径しているので、徐々に旋回速度を増す。そのため、吸気中に含まれる重い水滴ｗに徐々に大きな遠心力が付加され、水滴ｗは螺旋溝２４の底に押し付けられる。

大きな遠心力を付加された水滴ｗは、貫通孔２６を通って保護カバー２２の吸気下流側へ流れる。貫通孔２６は、内壁２２ａの接線方向に配置されているので、水滴ｗはスムーズに貫通孔２６に流入する。保護カバー２２の吸気下流側は、負圧になっているので、水滴の下流側への流出が助長される。内燃機関の停止後、上方から落ちてくる水滴ｗは、スリット状溝２８によって上流側へガイドされる。また、凹溝３６に滞留した水滴ｗは、稼動中の内燃機関の熱で蒸発し、水蒸気となって下流側に流れるか、あるいは内燃機関の停止後、下方へ流下する。

本実施形態によれば、保護カバー２２で検出部１８を覆うことで、吸気ａに含まれる水滴ｗが吸気導入孔２０から検出部１８の内部へ浸入するのを防止できる。また、保護カバー２２の先端側から保護カバー２２の内部へ進入した水滴ｗは、螺旋溝２４に沿って旋回力を付与され、根元側に向かって徐々に旋回速度が速くなるので、吸気導入孔２０から検出部１８の内部に到達できる。そのため、吸気ａの主流のガス成分を応答性良く検出できる。

また、重量がある水滴に大きな遠心力が働き、そのため、水滴ｗは螺旋溝２４の底に押し付けられた状態であり、かつ貫通孔２６の外壁側開口は保護カバー２２の下流側にあるので、水滴ｗは貫通孔２６からスムーズに保護カバー２２の外側に流出する。従って、水滴ｗは吸気導入孔２０に到達しないので、検出部１８の内部に水滴ｗが進入することはない。これによって、検出部１８に内蔵されたガス検出素子が水滴の熱衝撃により損傷するのを防止できる。

また、保護カバー２２の外壁に周方向にスリット状溝２８が刻設されているので、スリット状溝２８に付着した水滴ｗは、飛散することなく、吸気ａの慣性力によって下流側に押される。そして、スリット状溝２８に沿って保護カバー２２の下流側にスムーズに流出させることができる。

また、保護カバー２２の先端部にテーパ面２２ｂを形成したので、テーパ面２２ｂに付着した水滴ｗは、テーパ面２２ｂに沿って吸気流路の中心側へ流出させることができる。そのため、この水滴ｗが保護カバー２２の内部に進入するのを防止できる。

なお、保護カバー２２の外壁及び内壁の表面に、例えば、フッ素樹脂などの撥水性材料からなる被膜を被覆するとよい。これによって、保護カバー２２の外壁に付着した水滴を保護カバー２２の外壁に沿って下流側へ流出させるのが容易になる。また、保護カバー２２の内部に進入した水滴の旋回速度が増加し、水滴に働く遠心力を増大できるので、貫通孔２６を通して流出させるのが促進される。

また、リング状の凹溝３６を設ける代わりに、螺旋状の凹溝を設け、保護カバー２２の下流側の垂直管壁３０の内面にも螺旋状の凹溝を設け、さらにこれら両凹溝間を結ぶ連絡溝を設けるようにしてもよい。これによって、吸気上流側凹溝に付着した水滴を、吸気ａの流れによって該連絡溝を通して下流側凹溝に導くことができる。

なお、前記実施形態は、吸気マニホールド又は吸気管の垂直方向に配置された管壁に保護カバー２２を設けているが、本発明は、吸気マニホールド又は吸気管の水平方向に配置された管壁に、保護カバー２２を設けるようにしてもよい。

本発明によれば、内燃機関の吸気管に設けられたガスセンサを、吸気に含まれる凝縮水による熱衝撃から保護し、かつガス成分の検出精度を高く維持できる。

１０ 空燃比センサ（ガスセンサ）
１１ リード線
１２ 基部
１４ 雄ネジ
１６ ナット
１８ 検出部
２０ 吸気導入孔
２２ 保護カバー（筒状カバー）
２２ａ 内壁
２２ｂ テーパ面
２４ 螺旋溝
２６ 貫通孔
２６ａ 外壁開口
２８ スリット状溝
３０ 垂直管壁
３２ ボス部
３４ 雌ネジ孔
３６ 凹溝
ａ 吸気
ｗ 水滴（凝縮水）

Claims (5)

1. 内燃機関の吸気流路内に突設された検出部を備えたガスセンサの被水防止装置において、
   前記検出部の周囲に該検出部に設けられた吸気導入口を覆う位置まで吸気流路内に突出配置され、その内壁の突出方向の先端部から前記吸気導入口に至るまでの領域に螺旋溝が形成された筒状カバーを備え、
   前記筒状カバーは、前記螺旋溝の根元側終端部に設けられ、内壁の接線方向に配置されて吸気下流側外壁に開口する貫通孔が穿設され、前記螺旋溝の根元側終端部及び前記貫通孔は、前記吸気導入口よりも前記筒状カバーの先端側に配置されていることを特徴とするガスセンサの被水防止装置。
2. 前記筒状カバーの内壁は、前記突出方向の先端側で拡径されたテーパ壁で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサの被水防止装置。
3. 前記筒状カバーの外壁面に、吸気下流側に向かうスリット状の溝が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサの被水防止装置。
4. 前記筒状カバーの外壁先端部に、先端側に向けて縮径されたテーパ面が形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のガスセンサの被水防止装置。
5. 前記筒状カバーの表面が撥水性被膜で被覆されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のガスセンサの被水防止装置。
   

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