JPH10293113A - 酸素センサ及びその取付通路構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 カバーの気体導入部、或いは検出素子といっ
た検出部への煤の付着を抑制し、良好な検出状態を保持
することのできる酸素センサ及びその取付通路構造を提
供する。 【解決手段】 排気再循環ガスと吸入空気との混合吸気
が流入する吸気管１２内に設けられた酸素センサ２０
は、その先端部にあるセンサ素子を覆い、且つ混合吸気
の通気孔２３を有するカバー２２を吸気管１２の内壁に
突出させている。その突出したカバー２２の上流側に
は、凹曲面を有して、混合吸気を酸素センサ２０の検出
部先端方向に局新的に偏向収束せしめるフィン２４が吸
気管口の内壁に沿って設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関等に用い
られる酸素センサ及びその取付通路構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より酸素センサの構成としては、例
えば固体電解質（ジルコニア等）により内部空間を有す
る形状に形成された素子部と、同素子部の内外面に設け
られた一対の電極とを備えたものが一般的である。素子
部の外周には、同素子部を保護するためのカバーが設け
られており、同カバーはその内部に気体を導入できるよ
う開口部を有している。

【０００３】素子部の内部空間には、酸素濃度が既知で
ある基準ガスが供給されることにより、同素子部の内面
に設けられた電極はその基準ガスに接した状態になる。
一方、酸素センサが検出対象となる検出ガスの雰囲気中
に配置されることにより、両電極間には両ガスの酸素濃
度差に応じた起電力が発生し、或いは電流が流れる。し
たがって、この起電力又は電流値の大きさから検出ガス
の酸素濃度を知ることができる。

【０００４】上記のような酸素センサを用いた内燃機関
の空燃比制御にあっては、図６に示すように内燃機関１
００の排気通路１０１に設けられた酸素センサ（排気側
酸素センサ）１０２によって排気の酸素濃度が検出さ
れ、その酸素濃度に基づいて実際の空燃比が算出され
る。そして、その空燃比が目標空燃比（通常、理論空燃
比）になるようにフィードバック制御される。

【０００５】ところで、内燃機関１００においては、排
気中におけるＮＯｘ（窒素酸化物）を低減させるための
排気再循環装置（ＥＧＲ装置）や、同機関１００のクラ
ンクケース（図示略）内に漏出した排気及び混合気等
（ブローバイガス）を排出するためのブローバイガス還
元装置（ＰＣＶ装置）が用いられることがある。

【０００６】同図に示すように、ＥＧＲ装置２００で
は、排気通路１０１と吸気通路１０３とがＥＧＲ通路２
０１によって連通される。そして、同通路２０１を通じ
て排気通路１０１から吸気通路１０３に戻されるＥＧＲ
ガス（排気）の量（ＥＧＲ量）が流量調節弁２０２によ
って調節される。

【０００７】また、ＰＣＶ装置３００では、内燃機関１
００のシリンダヘッドカバー（図示略）内と吸気通路１
０３においてスロットル弁１０４よりも上流側の部分と
が圧力通路３０１により連通されるとともに、内燃機関
１００のクランクケース（図示略）内と吸気通路１０３
においてスロットル弁１０４よりも下流側の部分とがＰ
ＣＶ通路３０２により連通される。ＰＣＶ通路３０２の
途中には、流量調節弁３０３が設けられ、同弁３０３に
よりクランクケース内から吸気通路１０３に導入される
ブローバイガスの量（ＰＣＶ量）が調節される。

【０００８】このようにＥＧＲ装置２００或いはＰＣＶ
装置３００が設けられた内燃機関１００においては、Ｅ
ＧＲ量、ＰＣＶ量の変化により吸入空気の酸素濃度が異
なったものになる。その結果、実際の空燃比を目標空燃
比の変化に的確に追従させて制御することが困難になる
ことがあった。

【０００９】そこで、同図６に示すように、前述した排
気側酸素センサ１０２に加えて、ＥＧＲ通路２０１或い
はＰＣＶ通路３０２よりも下流側の空気通路１０３に別
の酸素センサ（吸気側酸素センサ）１０５を設け、この
吸気側酸素センサ１０５によってＥＧＲガス或いはブロ
ーバイガスの影響を含めた吸入空気の酸素濃度を併せ検
出する方法なども講じられている。こうして、吸入空気
の酸素濃度も併せ参照することで、上述した空燃比制御
における制御精度を向上させることができるようにな
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、排気通路１
０１或いは吸気通路１０３に設けられた上記各酸素セン
サ１０２，１０５では、内燃機関１００が運転状態とな
ることにより排気、又はＥＧＲガスやブローバイガスを
含んだ吸入空気に常時晒されることになるため、以下に
示す問題も無視できないものとなっている。

【００１１】すなわち、こうした吸排気にはカーボン・
エンジンオイル等の混合物からなる微粒子（以下、
「煤」という）が含まれている。そして、この煤は酸素
センサ１０２，１０５のカバー１０６，１０７や、同カ
バー１０６，１０７内の素子（図示略）に付着すること
がある。そして、カバー１０６，１０７や素子の表面に
付着した煤が堆積することにより、同カバー１０６，１
０７の通気孔や、素子の外周面に形成された多孔質層に
目詰まりが発生することがある。こうした目詰まりが発
生すると、カバー１０６，１０７の内外における酸素濃
度に差が生じたり、或いは多孔質層を吸排気が通過し難
くなるため、酸素センサ１０２，１０５の検出精度、特
に応答性が悪化することとなる。

【００１２】特に、吸気側酸素センサ１０５にあって
は、吸気通路１０３を通過する吸入空気（ＥＧＲガス或
いはブローバイガスを含む）の温度が排気温度と比較し
て低温であり煤の粘性が比較的高い傾向にあることか
ら、上記のような目詰まりがより発生しやすい状況にあ
る。

【００１３】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、カバーの気体導入部、
或いは検出素子といった検出部への煤の付着を抑制し、
良好な検出状態を保持することのできる酸素センサ及び
その取付通路構造を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の発明では、気体通路中に検出部
が配設される態様で同通路の壁に装着されて同通路を流
れる気体の酸素濃度を測定する酸素センサにおいて、前
記気体の流れを前記検出部に収束せしめる気体収束機構
を備えることを要旨とする。

【００１５】同構成によれば、局所的に強い気体の流れ
の中に酸素センサの検出部をおくことができ、気体中に
含まれる煤等が酸素センサの検出部に付着することを好
適に抑制することができるとともに、同検出部に付着し
ている煤等があってもこれをはたき落とすことができる
ようになる。このため、同酸素センサの検出精度も安定
に保持されるようになる。

【００１６】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の酸素センサにおいて、前記気体収束機構は、前記検
出部の装着基端部分上流の気体を同検出部の先端方向に
局所的に偏向収束せしめるフィン手段であることを要旨
とする。

【００１７】請求項３に記載の発明では、請求項１に記
載の酸素センサにおいて、前記気体収束機構は、前記検
出部の装着基端部分上流の気体を導入してこれを収束し
つつ同検出部の先端部分に排出する偏向通路手段である
ことを要旨とする。

【００１８】上記請求項２及び３に記載した発明の構成
によれば、上記フィン手段あるいは偏向通路手段を通じ
て、上記局所的に強い気体の流れを簡単且つ的確に作り
出すことができるようになる。

【００１９】請求項４に記載の発明では、気体の酸素濃
度を測定する酸素センサの検出部に測定対象気体を供給
すべくその気体通路を構成しつつ同酸素センサを取付支
持する酸素センサの取付通路構造であって、前記酸素セ
ンサの検出部の上流に設けられて前記気体の流れを同検
出部に収束せしめる気体収束機構を備えることを要旨と
する。

【００２０】同構成によれば、酸素センサの取付通路と
して、局所的に強い気体の流れの中に酸素センサの検出
部をおくことができ、気体中に含まれる煤等が酸素セン
サの検出部に付着することを好適に抑制することができ
るとともに、同検出部に付着している煤等があってもこ
れをはたき落とすことができるようになる。このため、
同酸素センサの検出精度も安定に保持されるようにな
る。

【００２１】請求項５に記載した発明では、請求項４に
記載の酸素センサの取付通路構造において、前記気体収
束機構は、前記酸素センサの支持部分上流の気体を同酸
素センサの検出部先端方向に局所的に偏向収束せしめる
フィン手段であることを要旨とする。

【００２２】請求項６に記載した発明では、請求項４に
記載の酸素センサの取付通路構造において、前記気体収
束機構は、前記酸素センサの支持部分上流の気体を導入
してこれを収束しつつ同酸素センサの検出部先端部分に
排出する偏向通路手段であることを要旨とする。

【００２３】上記請求項５及び請求項６に記載した発明
の構成によっても、上記フィン手段あるいは偏向通路手
段を通じて、上記局所的に強い気体の流れを簡単且つ的
確に作り出すことができるようになる。

【００２４】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、本発明をディーゼルエンジンに
設けられた吸気側酸素センサの取付通路構造として具体
化した第１の実施形態について図１〜図４を参照して説
明する。

【００２５】図１は本実施形態が適用されるディーゼル
エンジン（以下、単に「エンジン」という）１１の概略
構成を示している。同図に示すように、エンジン１１の
燃焼室（図示略）には吸気管１２及び排気管１３が接続
されている。

【００２６】エアクリーナ（図示略）等を通過して吸気
管１２内に取り込まれた吸入空気は同管１２内を通過し
てエンジン１１の燃焼室（図示略）内に取り込まれる。
吸気管１２内にはスロットル弁１４が設けられている。
スロットル弁１４は運転者により操作されるアクセルペ
ダル（図示略）の踏込量に応じてその開度が決定され
る。エンジン１１の燃焼室内に取り込まれる吸入空気量
はこのスロットル弁１４の開度によって決まる。燃焼室
内においてはインジェクタ（図示略）から噴射された燃
料と吸入空気とが混合され、この混合気が爆発燃焼する
ことによりエンジン１１の駆動力が得られる。燃焼後の
排気は燃焼室から排気管１３に導入された後、三元触媒
（図示略）を通過して外部に排出される。

【００２７】エンジン１１には排気再循環（ＥＧＲ）装
置１５が設けられている。このＥＧＲ装置１５は、吸気
管１２と排気管１３においてスロットル弁１４よりも下
流側の部分とを連通するＥＧＲ通路１６と、同通路１６
の途中に設けられた流量調節弁１７とを備えている。排
気管１３における排気の一部はＥＧＲ通路１６を通過し
て吸気管１２内に戻される。流量調節弁１７は電子制御
装置（ＥＣＵ、図示略）によって制御されることによ
り、ＥＧＲ通路１６を通過する排気の量を調節する。

【００２８】このようなエンジン１１にあっては、その
燃焼室に導入される吸入空気の一部に排気（ＥＧＲガ
ス）、すなわち燃焼に供されない不活性ガスが混入さ
れ、燃焼室における燃焼ガスの最高温度が下げられるこ
とで、ＮＯｘの低減が図られる。

【００２９】一方、吸気管１２において、ＥＧＲ通路１
６の開口部分１６ａよりも下流側の位置には酸素センサ
２０が取り付けられており、同センサ２０の先端の検出
部が吸気管１２内に突出している。この酸素センサ２０
は、スロットル弁１４を通過した空気とＥＧＲガスとか
らなる吸入空気の酸素濃度を検出し、その検出信号をＥ
ＣＵに出力する。そしてＥＣＵは、酸素センサ２０から
の検出信号と排気管１３に別途設けられた別の酸素セン
サ（図示略）からの検出信号に基づいて、エンジン１１
の空燃比制御を実行する。

【００３０】図２は、本実施形態に係る酸素センサの取
付通路である吸気管１２（図１参照）の断面構造を拡大
して示す。さらに、図３には、同吸気管１２を酸素セン
サ２０の下流側から見た断面図を示す。因みに、図２は
図３の２−２断面を示し、また図３は図２の３−３断面
を示す。

【００３１】両図に示すように、酸素センサ２０は、カ
バー２２に覆われた先端部が吸気管１２内に突出するよ
う同吸気管１２に取り付けられており、同カバー２２の
内部に吸気管１２内を流れる混合吸気の酸素濃度を検出
するセンサ素子（図示略）を備えている。カバー２２は
その表面に複数の通気孔２３を有しており、同通気孔２
３を介して吸気管１２内の混合吸気が流通し、前記セン
サ素子へ達する構成となっている。

【００３２】また、吸気管１２内における酸素センサ２
０の上流側近傍には、同図２及び図３に示す態様で、フ
ィン２４が同吸気管１２の内壁に沿って設けられてい
る。すなわち同フィン２４は、吸気管１２の内壁からほ
ぼ垂直に突出された壁のような様態を有し、同吸気管１
２内において酸素センサ２０の上流から流入してくる吸
入空気（混合吸気）の流れを同酸素センサ２０の検出部
を構成する先端部分に局所的に収束させるべく吸入空気
の流れに直面する側（上流側）が凹曲面をなしている。

【００３３】次に、上記のように構成された本実施形態
の作用について説明する。図４に示すように、エンジン
１１の運転が開始されることにより、吸気管１２にはス
ロットル弁１４の開度とＥＧＲ装置１５の動作に応じた
所定量の吸入空気とＥＧＲガスがそれぞれ流入される。
同吸入空気とＥＧＲガスとの混合吸気は、エンジン１１
の運転状態に応じて所定の流速をもって吸気管１２内を
流通し、同エンジン１１の燃焼室に取り込まれる。この
際、酸素センサ２０の検出部は前記フィン２４を通過し
た混合吸気の流れにさらされる。同混合吸気はカバー２
２の通気孔２３を通じてセンサ素子の外面に形成された
電極に接触する。これに対して、センサ素子の内部には
例えば酸素濃度が既知である大気が導入され、その大気
はセンサ素子の内面に設けられた電極に接触する。この
ように、酸素濃度に差がある大気及び混合吸気が接触す
ることにより、両電極間にはその酸素濃度差に応じた起
電力が発生する。従って、この起電力から混合吸気の酸
素濃度が検出できる。

【００３４】ここで、本実施形態の吸気管１２では、酸
素センサ２０の検出部に混合吸気が達する態様として、
吸気管１２内の上流から流入してきた混合吸気がフィン
２４の曲面沿いに流れを形成しつつ、酸素センサ２０の
先端部に向かって収束される。このため、前記フィン２
４の先端部分、つまり酸素センサ２０の検出部の先端近
傍では、混合吸気の流速が速くなり、混合吸気中の煤が
カバー２２やその通気孔２３に付着しにくくなる。ま
た、一旦そこに付着した煤も、混合吸気の流れの勢いに
よって取り除かれる（はたき落とされる）。この結果、
同煤が酸素センサ２０のカバー２２に付着して通気孔２
３を塞ぐなどの不都合は好適に回避されるようになる。
また、上記フィン２４の配設により、上記混合吸気にス
ワール渦等が生じてこれが濃淡なく混ぜ合わされること
ともなり、より正確な酸素濃度測定が実現されることと
もなる。

【００３５】以上説明したように、本実施形態によれば
以下に示す効果が得られる。 ・フィン２４により収束され流速を増した混合吸気の流
れが酸素センサ２０の検出部に吹き付けられ、混合吸気
中に含まれる煤がカバー２２やその内部のセンサ素子に
付着することが好適に抑制される。

【００３６】・またこのため、煤が酸素センサ２０のカ
バー２２に設けられた通気孔２３を塞ぐこともなく、同
酸素センサ２０の検出感度が安定に保たれる。 ・混合吸気の攪拌によって、より正確な酸素濃度測定が
実現される。

【００３７】なお、上記実施形態において用いたフィン
２４は、混合吸気の流れの上流側に凹曲面を有するが、
酸素センサの検出部に混合吸気の流れを収束し得るもの
であればいかなる形状のものであってもよい。 （第２実施形態）次に、本発明の第２の実施形態を、前
記第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【００３８】図５に、本実施形態に係る酸素センサの取
付通路である吸気管１２の断面構造を拡大して示す。本
実施形態にあっては、吸気管１２内の酸素センサ２０の
上流側近傍に、同図５に示す態様で、偏向通路２４Ｂが
同吸気管１２の内壁に沿って設けられている。すなわち
同偏向通路２４Ｂは、吸気管１２の内壁からほぼ垂直に
突出し、所定の厚みを有する壁のような形状をなしてい
る。さらに同偏向通路２４Ｂには、その内部を貫通する
通路部２５が設けられている。同通路２５は、流入して
くる混合吸気の上流側と、酸素センサ２０の先端側に向
かってそれぞれ開口している。混合吸気の上流側開口部
（以下導入口という）２６の開口面積は酸素センサ２０
側の開口部（以下排出口という）２７の開口面積に比し
て大きく形成されている。

【００３９】次に、上記のように構成された本実施形態
の作用について説明する。図５に示すように、エンジン
１１の運転が開始されると、吸気管１２には煤を含んだ
混合吸気が流入する。この流入した混合吸気の一部は前
記偏向通路２４Ｂの導入口２６に導入され、排出口２７
から排出されて酸素センサ２０の検出部に吹きつけられ
る。そして、この吹き付けられた混合吸気がカバー２２
の通気孔２３を介してその内部のセンサ素子に達するこ
とにより、混合吸気中の酸素濃度が検出される。

【００４０】ここで、本実施形態の吸気管１２では、混
合吸気が偏向通路２４Ｂ内部の通路部２５を流通する
際、導入口２６の開口面積が排出口２７の開口面積に比
して大きく形成されているために、導入口２６から導入
された混合吸気は同偏向通路２４Ｂ内部で収束され、勢
いを増して排出口２７から酸素センサ２０の検出部に向
かって噴出されることになる。このため、カバー２２や
カバー２２の通気孔２３には煤が付着しにくく、又一旦
そこに付着した煤も噴出される混合吸気によってはたき
落とされる。この結果、本実施形態によっても、前記混
合吸気中の煤が酸素センサ２０のカバー２２に付着し
て、通気孔２３を塞ぐなどの不都合は好適に回避される
ようになる。また本実施形態にあっても、上記偏向通路
２４Ｂの配設により、上記混合吸気にスワール渦等が生
じてこれが濃淡なく混ぜ合わされることともなり、より
正確な酸素濃度測定が実現されることともなる。

【００４１】以上説明したように、本実施形態によれば
以下に示す効果が得られる。 ・偏向通路２４Ｂにより収束され流速を増した混合吸気
の流れが酸素センサ２０の検出部に吹き付けられ、混合
吸気中に含まれる煤がカバー２２やその内部のセンサ素
子に付着することが好適に抑制される。

【００４２】・またこのため、煤が酸素センサ２０のカ
バー２２に設けられた通気孔２３を塞ぐこともなく、同
酸素センサ２０の検出感度が安定に保たれる。 ・混合吸気の攪拌によって、より正確な酸素濃度測定が
実現される。

【００４３】なお、本実施形態においては、偏向通路２
４Ｂはその内部に只１つの通路部２５を有するとした
が、こうした通路部は一本に限らず複数設けられてもよ
い。さらに、複数の導入口を有する通路部が内部で一本
に収束され排出口を共有する構成であってもよい。要
は、導入口の総開口面積が排出口の総開口面積に比して
大きく形成されてさえいれば、本実施形態と同等の効果
を得ることはできる。

【００４４】また、上記各実施形態においては、フィン
２４，あるいは偏向通路２４Ｂを吸気管１２内に配設す
ることとしたが、他に例えば、酸素センサ２０のカバー
２２の基端部等、酸素センサ本体に直接それらフィン２
４あるいは偏向通路２４Ｂを取り付ける構成としてもよ
い。

【００４５】また、上記各実施形態において用いるフィ
ン２４，あるいは偏向通路２４Ｂは、例えばアルミ合金
や樹脂等所定の強度と耐熱性を有するいかなる材質のも
のを用いてもよい。さらに、ＦＡＳ（フルオロアルキル
シラン）等の撥水性・撥油性被膜によりコーティングを
施してもよい。

【００４６】さらに、上記各実施形態では、酸素センサ
２０のセンサ素子に、被検出気体と酸素濃度が既知であ
る大気との相対的な酸素濃度値を検出する濃淡電池型の
ものを用いたが、センサ素子としては他に例えば、被検
出気体中酸素濃度の絶対値を検出する限界電流型のもの
を採用することもできる。

【００４７】また、上記各実施形態においては便宜上、
ＥＧＲ装置１５を備えるエンジンを想定してその吸気管
１２に配される酸素センサ２０について言及したが、他
にＰＣＶ装置を備えるエンジン、あるいは図６に例示し
たそれらの両方を備えるエンジンであっても、その吸気
管に配される酸素センサ及びその取付通路構造として本
発明を適用することはできる。

【００４８】さらに、上記各実施形態においては、ディ
ーゼルエンジン１１の吸気管１２に取り付けられる酸素
センサについて言及したが、本発明はこれに限らず、各
種煤等の付着が懸念される環境で用いられる全ての酸素
センサ及びその取付通路構造に適用することができる。

【００４９】

【発明の効果】請求項１及び４に記載した発明によれ
ば、局所的に強い気体の流れの中に酸素センサの検出部
をおくことができ、気体中に含まれる煤が酸素センサの
カバー表面等に付着することを好適に抑制することがで
きる。そしてこのため、同酸素センサの検出精度を安定
に保持することができる。

【００５０】請求項２及び３、あるいは請求項５及び６
に記載の発明によれば、フィン手段や偏向通路手段を通
じて上記局所的に強い気体の流れを簡単且つ的確に作り
出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態が適用されるディーゼルエ
ンジンシステムを示す略図。

【図２】第１の実施形態に係る酸素センサの取付通路構
造を示す断面図。

【図３】図２の３−３線に沿った断面図。

【図４】第１の実施形態の作用を模式的に示す断面略
図。

【図５】第２の実施形態に係る酸素センサの取付通路構
を示す断面略図。

【図６】酸素センサを備えた内燃機関の一例を示す略
図。

【符号の説明】

１２…吸気管、２０…酸素センサ、２２…カバー、２３
…通気孔、２４…フィン、２４Ｂ…偏向通路、２５…通
路部、２６…導入口、２７…排出口。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気体通路中に検出部が配設される態様で同
   通路の壁に装着されて同通路を流れる気体の酸素濃度を
   測定する酸素センサにおいて、 前記気体の流れを前記検出部に収束せしめる気体収束機
   構を備えることを特徴とする酸素センサ。
2. 【請求項２】前記気体収束機構は、前記検出部の装着基
   端部分上流の気体を同検出部の先端方向に局所的に偏向
   収束せしめるフィン手段である請求項１記載の酸素セン
   サ。
3. 【請求項３】前記気体収束機構は、前記検出部の装着基
   端部分上流の気体を導入してこれを収束しつつ同検出部
   の先端部分に排出する偏向通路手段である請求項１記載
   の酸素センサ。
4. 【請求項４】気体の酸素濃度を測定する酸素センサの検
   出部に測定対象気体を供給すべくその気体通路を構成し
   つつ同酸素センサを取付支持する酸素センサの取付通路
   構造であって、 前記酸素センサの検出部の上流に設けられて前記気体の
   流れを同検出部に収束せしめる気体収束機構を備えるこ
   とを特徴とする酸素センサの取付通路構造。
5. 【請求項５】前記気体収束機構は、前記酸素センサの支
   持部分上流の気体を同酸素センサの検出部先端方向に局
   所的に偏向収束せしめるフィン手段である請求項４記載
   の酸素センサの取付通路構造。
6. 【請求項６】前記気体収束機構は、前記酸素センサの支
   持部分上流の気体を導入してこれを収束しつつ同酸素セ
   ンサの検出部先端部分に排出する偏向通路手段である請
   求項４記載の酸素センサの取付通路構造。