JP6617528B2 - ガスセンサ - Google Patents
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Description
上記ハウジングの先端側に配設されて、上記ハウジングから突出する上記センサ素子の周囲を取り囲む素子カバー(2)と、を備えており、
上記センサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(11)と、筒状に形成された該固体電解質体の表面に形成されて上記検出部を構成する電極(31、32)と、上記固体電解質体の筒内に収容されるヒータ(4)と、上記検出部の外側に形成される多孔質保護層(5)と、を有し、
上記素子カバーは、側面に内側ガス流通孔(21a)を設けたカバー体(21)を有して、該カバー体の内側面と上記センサ素子の外側面との間に内側ガス通路(23)を形成していると共に、上記カバー体の外側に同軸的に配置され、側面に外側ガス流通孔(22a)を設けたアウタカバー(22)を有して、上記カバー体の外側面との間に外側ガス通路(24)を形成しており、
上記内側ガス通路は、上記内側ガス流通孔から上記検出部に至る全領域において、上記カバー体と上記センサ素子の側面間の軸直方向距離Dが0.2mm〜0.8mmの範囲にあり、かつ、
上記カバー体の先端面と上記アウタカバーの先端面とが離間している、ガスセンサにある。
また、本発明の他の態様は、筒状のハウジング(H)内に挿通保持され、先端部に被測定ガス(G)中の特定ガス濃度を検出する検出部(3)を有するセンサ素子(1)と、
上記ハウジングの先端側に配設されて、上記ハウジングから突出する上記センサ素子の周囲を取り囲む素子カバー(2)と、を備えており、
上記センサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(11)と、筒状に形成された該固体電解質体の表面に形成されて上記検出部を構成する電極(31、32)と、上記固体電解質体の筒内に収容されるヒータ(4)と、上記検出部の外側に形成される多孔質保護層(5)と、を有し、
上記素子カバーは、側面に内側ガス流通孔(21a)を設けたカバー体(21)を有して、該カバー体の内側面と上記センサ素子の外側面との間に内側ガス通路(23)を形成していると共に、上記カバー体の外側に同軸的に配置され、側面に外側ガス流通孔(22a)を設けたアウタカバー(22)を有して、上記カバー体の外側面との間に外側ガス通路(24)を形成しており、
該上記内側ガス通路は、上記内側ガス流通孔から上記検出部に至る全領域において、上記カバー体と上記センサ素子の側面間の軸直方向距離Dが0.2mm〜0.8mmの範囲にあり、かつ、
上記軸直方向距離Dは、上記カバー体と上記アウタカバーの側面間の軸直方向距離よりも短い、ガスセンサにある。
なお、括弧内の符号は、参考のために付したものであり、発明を限定するものではない。
以下、図1〜図3を参照しながら、発明を実施するための形態について説明する。図1に示すように、実施形態1のガスセンサSは、筒状ハウジングH内に挿通保持されるセンサ素子1と、ハウジングHの先端側に配設される素子カバー2とを有する。センサ素子1は、図中の上下方向を軸方向Xとし、これと直交する方向を軸直方向Yとしている。センサ素子1は、先端部(すなわち、図の下端部)に、被測定ガス中の特定ガス濃度を検出する検出部3を有しており、ヒータ4を内蔵している。素子カバー2は、ハウジングHから突出するセンサ素子1の周囲を取り囲むように保護している。ガスセンサSは、例えば、内燃機関の排気管に設置されて、被測定ガスとなる排ガス中に含まれる特定ガス濃度を検出する排気センサ、例えば、空燃比センサ、酸素センサ等に用いることができる。
ここでは、インナカバー21の軸方向長が、アウタカバー22の軸方向長より短く形成されており、両者の先端面間に形成される空間に面して、アウタカバー22の側面の比較的大きなガス流通孔22aが配置されているが、必ずしも図示の構成に限るものではない。また、素子カバー2を、アウタカバー22を有しない一重構造又はインナカバー21の外側に複数のカバー体を設けた三重以上の構造とすることもできる。
このとき、内燃機関の燃焼状態によっては、排ガスGに燃料由来の粒子状物質が含まれ、素子カバー2内の低温部に付着して堆積すると、排ガスGの流通が妨げられる。特に、内側ガス通路23は、素子カバー2の内側に位置するため、アウタカバー22が排気管内の高温の排ガスGに晒される外側ガス通路24よりも低温となりやすい。また、機関始動時には排気管内で凝縮水が生じて、排ガスGと共にセンサ素子1表面に達しやすく、ヒータ加熱時に素子割れが発生するおそれがある。
例えば、多孔質保護層5の最外層となるトラップ層51の厚さを調整すると、軸直方向距離Dの設定が容易である。トラップ層51の厚さが250μmに満たないと、凝縮水の捕捉と伝熱の効果が十分得られず、トラップ層51の厚さが厚くなるほど、より多くの凝縮水を捕捉可能として検出部3を保護することができる。このとき、トラップ層51は、気孔率が大きく熱容量が小さいので、センサ素子1が内蔵するヒータ4の熱を、対向するインナカバー21の内側面に効率よく伝熱することができる。
その結果、排ガスGの流通を妨げることがなく、センサ素子1の検出精度を高く維持できる。また、多孔質保護層5となるトラップ層を厚く形成することで、始動時に発生する多量の凝縮水からセンサ素子を保護し、素子割れを防止する効果を高めることができる。
図4に示す試験装置100を用い、上記構成のガスセンサSについて、インナカバー21とセンサ素子1との軸直方向距離Dを変更したときの、粒子状物質の燃焼効果を調べた。試験装置100は、温風装置101に接続される管路102を有し、自動車用エンジンの排ガスに相当する所定温度の温風を、所定流量で管路102内に送出可能に構成されている。ここでは、温風の温度を400℃、流量を5Lとし、軸直方向距離Dを0.2mm〜1.3mmの範囲で変更した。
上記構成のガスセンサSについて、センサ素子1の固体電解質体11のサイズを2種類用意し(すなわち、素子サイズ:φ4.5mmとφ3.9mm)、上記試験装置100のガス流量を、1〜10L/分の範囲で変更して、試験例1と同様の試験を行った。インナカバー21とセンサ素子1との軸直方向距離Dは、0.6mm、0.8mm、1.0mmの3種類とした。結果を、表1に示す。PM燃焼率は、A:80%以上、B:75%以上、C:75%未満の3段階で評価した。また、インナカバー21の内側面の温度を測定し、軸直方向距離Dとの関係を、図6に示した。
次に、上記構成のガスセンサSについて、以下に示す方法で被水試験を行って、トラップ層51と拡散層52を含む多孔質保護層5の厚さを変更したときの、センサ素子1の固体電解質体11の割れの有無を調べた。被水試験に先立ち、まず、ガスセンサSの素子カバー2を切断して、センサ素子1の先端部を剥き出しにしたものを用意し、その状態で、ガスセンサSを駆動させた。このガスセンサSの検出部3上に、30μLの水滴を1滴垂らし、その後、固体電解質体11の割れの有無を視認により確認した。多孔質保護層5の厚さは、200μm〜1300μmとして、各厚さについて複数のサンプルを用意した。結果を、表2に示す。ここでは、サンプル数を4とし、表中に、サンプル数に対する割れ有りの数を示した。
1 センサ素子
11 固体電解質
2 素子カバー
21 インナカバー(カバー体)
3 検出部
31 測定電極(電極)
32 基準電極(電極)
4 ヒータ
5 多孔質保護層
Claims (11)
- 筒状のハウジング(H)内に挿通保持され、先端部に被測定ガス(G)中の特定ガス濃度を検出する検出部(3)を有するセンサ素子(1)と、
上記ハウジングの先端側に配設されて、上記ハウジングから突出する上記センサ素子の周囲を取り囲む素子カバー(2)と、を備えており、
上記センサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(11)と、筒状に形成された該固体電解質体の表面に形成されて上記検出部を構成する電極(31、32)と、上記固体電解質体の筒内に収容されるヒータ(4)と、上記検出部の外側に形成される多孔質保護層(5)と、を有し、
上記素子カバーは、側面に内側ガス流通孔(21a)を設けたカバー体(21)を有して、該カバー体の内側面と上記センサ素子の外側面との間に内側ガス通路(23)を形成していると共に、上記カバー体の外側に同軸的に配置され、側面に外側ガス流通孔(22a)を設けたアウタカバー(22)を有して、上記カバー体の外側面との間に外側ガス通路(24)を形成しており、
上記内側ガス通路は、上記内側ガス流通孔から上記検出部に至る全領域において、上記カバー体と上記センサ素子の側面間の軸直方向距離Dが0.2mm〜0.8mmの範囲にあり、かつ、
上記カバー体の先端面と上記アウタカバーの先端面とが離間している、ガスセンサ。 - 上記軸直方向距離Dは、上記カバー体と上記アウタカバーの側面間の軸直方向距離よりも短い、請求項1に記載のガスセンサ。
- 筒状のハウジング(H)内に挿通保持され、先端部に被測定ガス(G)中の特定ガス濃度を検出する検出部(3)を有するセンサ素子(1)と、
上記ハウジングの先端側に配設されて、上記ハウジングから突出する上記センサ素子の周囲を取り囲む素子カバー(2)と、を備えており、
上記センサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体(11)と、筒状に形成された該固体電解質体の表面に形成されて上記検出部を構成する電極(31、32)と、上記固体電解質体の筒内に収容されるヒータ(4)と、上記検出部の外側に形成される多孔質保護層(5)と、を有し、
上記素子カバーは、側面に内側ガス流通孔(21a)を設けたカバー体(21)を有して、該カバー体の内側面と上記センサ素子の外側面との間に内側ガス通路(23)を形成していると共に、上記カバー体の外側に同軸的に配置され、側面に外側ガス流通孔(22a)を設けたアウタカバー(22)を有して、上記カバー体の外側面との間に外側ガス通路(24)を形成しており、
上記内側ガス通路は、上記内側ガス流通孔から上記検出部に至る全領域において、上記カバー体と上記センサ素子の側面間の軸直方向距離Dが0.2mm〜0.8mmの範囲にあり、かつ、
上記軸直方向距離Dは、上記カバー体と上記アウタカバーの側面間の軸直方向距離よりも短い、ガスセンサ。 - 上記軸直方向距離Dが、周方向の全周において、0.2mm〜0.8mmの範囲にある、請求項1〜3のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 上記アウタカバーの上記内側ガス流通孔は、上記カバー体の先端面よりも先端側にあり、上記カバー体の上記外側ガス流通孔は、上記センサ素子の上記検出部よりも基端側にある、請求項1〜4のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 上記軸直方向距離Dが0.2mm〜0.6mmの範囲にある、請求項1〜5のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 上記多孔質保護層は、厚さが500μm〜1200μmの範囲にある、請求項1〜6のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 上記多孔質保護層は、上記検出部の外側を覆う第2層(52)及び上記第2層の外側に形成される第1層(51)を有し、上記第2層の気孔率は、上記第1層の気孔率よりも小さい、請求項7に記載のガスセンサ。
- 上記ヒータは、上記多孔質保護層を介して上記カバー体の内側面を500℃以上の温度に加熱する、請求項1〜8のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 上記被測定ガスは、内燃機関から排出され粒子状物質が含まれる排ガスである、請求項1〜9のいずれか1項に記載のガスセンサ。
- 内燃機関の排気管内に配設された触媒の下流側において、上記排気管内に上記素子カバーが突出位置するように取り付けられ、上記触媒を通過した排ガスの空燃比を検出する、請求項10に記載のガスセンサ。
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