(57)【要約】【課題】  被測定ガスを確実かつ迅速にガスセンサ素子に伝達させることができ、凝縮水の付着や被測定ガスの直接の流入によるガスセンサ素子の損傷などを防止することのできるガスセンサを提供する。【解決手段】  ガスセンサ１を構成するガス側カバー４は、外側カバー４ａと内側カバー４ｂの二重構造に形成されている。外側カバー４ａにはその側面に第一のガス流入孔４ａ１が１つ穿設されており、内側カバー４ｂにはその側面に第二のガス流入孔４ｂ１が単数または複数穿設されており、第一のガス流入孔４ａ１はガスの流入側に向けられている。外側カバー４ａはハウジング２に回転自在に装着されており、外側カバー４ａと排気マニホールド８に備えられた磁気発生手段の相互の磁力によって、第一のガス流入孔４ａ１を容易にガスの流入側に向けることができる。【選択図】  図１
2006177801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系統に取り付けられて、特定ガスの濃度を検出するガスセンサにおいて、該ガスセンサは、筒状のハウジングと、ハウジングの一端に装着されるガス側カバーと、ハウジングおよびガス側カバーの内部に装着されるガスセンサ素子と、から少なくとも形成されるガスセンサであって、
前記ガス側カバーは、外側カバーと内側カバーの二重構造に形成されており、外側カバーにはその側面に第一のガス流入孔が１つ穿設されており、内側カバーにはその側面に第二のガス流入孔が単数または複数穿設されており、前記第一のガス流入孔がガスの流入側に向けられていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記第一のガス流入孔と、前記第二のガス流入孔は、異なる高さレベルに穿設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。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガスセンサにおいて、
前記外側カバーは、その軸心まわりに回転可能に前記ハウジングに装着されており、前記外側カバーと前記排気系統にはそれぞれ磁気発生手段が備えられており、相互の磁気発生手段によって第一のガス流入孔がガスの流入側に向けられるように形成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
前記第一のガス流入孔の開口面積が１０ｍｍ２以下であり、好ましくは２〜１０ｍｍ２であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気系統に取り付けられて特定ガスの濃度を検出するガスセンサに係り、特に被測定ガスを確実かつ迅速にガスセンサ素子に伝達させることができ、凝縮水の付着や被測定ガスの直接の流入によるガスセンサ素子の損傷などを防止することのできるガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両の内燃機関においては、排気ガス中の酸素濃度や空燃比の状況を測定し、測定値をフィードバックすることで燃焼制御をおこなうことが一般的におこなわれている。特に近時においては、省エネルギー化や排ガス規制の強化により、被検出ガスは極低濃度化がすすんでおり、燃焼制御の果す役割は非常に高くなってきている。
【０００３】
被測定ガス中の酸素濃度を検出するガスセンサにおいては、例えば、ジルコニアなどの固体電解質からなるガスセンサ素子が使用される。
【０００４】
このガスセンサ素子は、先端が閉じたコップ型の形状をはじめ、その実施形態は多様である。いずれのガスセンサ素子であっても、その先端には被測定ガスと接触する接ガス箇所が備えられており、かかる接ガス箇所を被測定ガスに曝すことになる。ところで、ガスセンサ素子は固体電解質のセラミックスから成形されているため、その材質は極めて脆く、したがって、このガスセンサ素子を露出させた状態のガスセンサを排気マニホールドなどに装着することは困難である。そのため、通常のガスセンサにおいては、ガスセンサ素子を保護するための保護カバーがガスセンサ素子のまわりに設けられている。
【０００５】
上記する保護カバーを設けた場合に、被測定ガスをガスセンサ素子に導く必要から、該保護カバーの側面や底面にはガス流入孔が穿設されている。このガス流入孔が保護カバーに設けられることにより、このガス流入孔から流入するガスがガスセンサ素子に直接接触することになり、ガスセンサ素子の損傷原因となる。
【０００６】
そこで、保護カバーを二重構造とし、外側の保護カバーおよび内側の保護カバーのそれぞれに複数のガス流入孔を設けたガスセンサに関する発明が特許文献１に開示されている。
【０００７】
一方、保護カバーを二重構造とし、外側の保護カバーと内側の保護カバーのそれぞれに１つずつのガス流入孔を設けたガスセンサに関する考案が特許文献２に開示されている。かかる考案においては、双方のガス流入孔が対向しないように（貫通しないように）穿設されるとともに、外側の保護カバーにおけるガス流入孔がガスの下流側（ガスが入ってくる方向と反対側）に向けられた姿勢で排気ガス通路内に配設される。
【０００８】
【特許文献１】特表２０００−５０４４２７号公報
【特許文献２】実開昭６１−１２５７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１のガスセンサによれば、保護カバーが二重構造となっていることから、ガスセンサ素子に被測定ガスが急激に流入してくることを防止することができる。しかし、外側の保護カバーに複数のガス流入孔が穿設されていることから、例えば、一つのガス流入孔から入ってきた被測定ガスが、内側の保護カバー内に入る前に、外側の保護カバーの他のガス流入孔から外部へ逃げてしまうという問題が生じ得る。
【００１０】
特許文献２のガスセンサによれば、二重構造を構成する双方の保護カバーにはそれぞれ一つずつのガス流入孔が穿設されているのみであることから、特許文献１のガスセンサの場合に生じ得る問題はないものと考えられる。しかし、外側の保護カバーに穿設されたガス流入孔がガスの下流側に向けられているため、ガスが保護カバー内に流入してくるまで時間がかかることは否めず、随時被測定ガスの空燃比状況を計測しながらフィードバック制御をおこなう内燃機関においてはガスセンサのセンシング遅れの原因となりかねない。
【００１１】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、被測定ガスを確実かつ迅速にガスセンサ素子に伝達させるとともに、凝縮水の付着によるガスセンサ素子の損傷などを防止することのできるガスセンサを提供することを目的とする。また、ガスセンサ素子を保護する二重構造のガス側カバーのうち、外側カバーに穿設された一つのガス流入孔を容易にガスの流入側（上流側）に向けることのできるガスセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成すべく、本発明によるガスセンサは、内燃機関の排気系統に取り付けられて、特定ガスの濃度を検出するガスセンサにおいて、該ガスセンサは、筒状のハウジングと、ハウジングの一端に装着されるガス側カバーと、ハウジングおよびガス側カバーの内部に装着されるガスセンサ素子と、から少なくとも形成されるガスセンサであって、前記ガス側カバーは、外側カバーと内側カバーの二重構造に形成されており、外側カバーにはその側面に第一のガス流入孔が１つ穿設されており、内側カバーにはその側面に第二のガス流入孔が単数または複数穿設されており、前記第一のガス流入孔がガスの流入側に向けられていることを特徴とする。
【００１３】
従来のガスセンサと同様に、本発明のガスセンサにおいても、ハウジングの一端にはガス側カバーが装着されており、ハウジングの他端には大気側カバーが装着されている。
【００１４】
このガス側カバーは外側カバーと内側カバーの二重構造となっており、双方ともに例えばＳＵＳ材から成形することができ、外側カバーの側面にはガス流入孔が１つ穿設されている（第一のガス流入孔）。このガス流入孔はガスの流入側に向けられた姿勢でガスセンサが排気マニホールドに装着される。
【００１５】
一方、内側カバーの側面にはガス流入孔が１つ、または２つ以上穿設されており（第二のガス流入孔）、第一のガス流入孔から流入した被測定ガスは、第二のガス流入孔を通ってその内部に配設されたガスセンサ素子に導かれる。なお、外側カバーと内側カバーとの間の離隔は、被測定ガスの流入速度や第一のガス流入孔および第二のガス流入孔の開口面積などを勘案して適宜の離隔を設定することができる。
【００１６】
本発明のガスセンサによれば、被測定ガスを迅速に外側カバー内に導くとともに、外側カバー内に導かれた被測定ガスはそのほとんどが内側カバー内に導かれることとなるため、ガスセンサ素子によるセンシングの時間遅れはほとんど生じなくなる。その結果、車両の燃費の向上や低濃度排ガスの排出などに寄与することができる。
【００１７】
また、本発明によるガスセンサの好ましい実施形態は、前記第一のガス流入孔と、前記第二のガス流入孔は、異なる高さレベルに穿設されていることを特徴とする。
【００１８】
第一のガス流入孔と第二のガス流入孔が異なる高さレベルに穿設されることにより、第一のガス流入孔および第二のガス流入孔から流入してきた被測定ガスが、直接ガスセンサ素子に接触することがない。したがって、被測定ガスのガスセンサ素子への急激な接触（衝突）もさることながら、凝縮水がガスセンサ素子に付着する可能性も極めて低減することができる。
【００１９】
例えば、第一のガス流入孔を第二のガス流入孔に比して下側（排気マニホールド内側）に設けるとともに、外側カバーと内側カバーのそれぞれの底面にガス流出孔を穿設しておく。第一のガス流入孔から流入してきた被測定ガスは、上昇しながら第二のガス流入孔を通って内側カバー内に入り、流下しながらガスセンサ素子先端の接ガス箇所に導かれる。接ガス箇所を経由して、内側カバー底面のガス流出孔を通り、外側カバー底面のガス流出孔を通ってガス側カバー外に流出していく。
【００２０】
なお、第一のガス流入孔を第二のガス流入孔に比して上側に設けることも可能である。しかし、排気マニホールド内壁面に生じた結露が第一のガス流入孔内に入りやすくなるといった問題や、排気マニホールド内壁面近傍のガスの流れの不均一性から効率的な排気ガスの流入が阻害されるといった問題が想定されるため、第一のガス流入孔は第二のガス流入孔に比して下方に設けられることが好ましい。
【００２１】
また、本発明によるガスセンサの他の実施形態は、前記ガスセンサにおいて、前記外側カバーは、その軸心まわりに回転可能に前記ハウジングに装着されており、前記外側カバーと前記排気系統にはそれぞれ磁気発生手段が備えられており、相互の磁気発生手段によって第一のガス流入孔がガスの流入側に向けられるように形成されていることを特徴とする。
【００２２】
外側カバーに穿設されるガス流入孔が１つであると、該ガス流入孔を精度よくガスの流入側（上流側）に向けた姿勢でガスセンサを排気マニホールドに装着することが難しい。そこで、本発明においては、外側カバーと排気マニホールドの双方に磁気発生手段を設けておき、双方の磁気発生手段による磁力によって精度よく第一のガス流入孔がガス流入側に向けられるようにするものである。
【００２３】
外側カバーとハウジングとの取り付け箇所には、例えばベアリングを備えておき、外側カバーがハウジングに対して回転できるような接続構造としておく。外側カバーがその軸心まわりに回転できるような構成となっているため、外側カバーと排気マニホールドの双方の適宜箇所に備えられた磁気発生手段が作用し合うことにより、外側カバーは自由に回転しながら第一のガス流入孔がガス流入側（上流側）を向いた姿勢を取ることが可能となる。
【００２４】
磁気発生手段は、特に限定するものではないが、比較的磁力の強い磁石を使用し、かかる磁石を外側カバーのうち、第一のガス流入孔から左右にそれぞれ９０度の箇所に貼り付けておくとともに、排気マニホールドの内壁面のうち、この２つの磁石に対向する箇所にそれぞれ磁石を貼り付けておくなどの実施形態がある。
【００２５】
なお、上記する磁気発生手段によって第一のガス流入孔を自動的にガス流入側に向けさせる実施形態のほかに、外側カバーに翼を設けておき、ガスの流れに応じて第一のガス流入孔がガス流入側に向くような実施形態などもあり、その実施形態は多様に考えられる。
【００２６】
また、本発明によるガスセンサの他の実施形態は、前記第一のガス流入孔の開口面積が１０ｍｍ２以下であり、好ましくは２〜１０ｍｍ２であることを特徴とする。
【００２７】
発明者等の実験によれば、外側カバーに穿設された第一のガス流入孔の開口面積が１０ｍｍ２以下であって、特に２〜１０ｍｍ２の場合に、タイムラグのほとんどないセンサ出力を得ることができることが見出されている。これは、流入するガスの流速や、外側カバーと内側カバーとの隙間間隔などによっても左右されるものであるが、例えば、ガスの流速が１０ｍ／ｓｅｃ以下であって、外側カバーと内側カバーとの隙間間隔が０．３ｍｍ〜２ｍｍ程度の場合（これらの条件は、内燃機関から排出されるガスの一般的な流速であり、また、ガスセンサに取り付けられる二重構造のガス側カバーの一般的な離隔条件である）に好適な条件である。なお、第一のガス流入孔の開口面積が２ｍｍ２未満となった場合には、ガスの効率的な流入が阻害されるため、上記面積範囲が特に好適であるものと結論付けられる。
【発明の効果】
【００２８】
以上の説明から理解できるように、本発明のガスセンサによれば、外側カバーの側面に穿設された１つの第一のガス流入孔をガスの流入側に向けるとともに、内側カバーの側面に穿設された単数または複数の第二のガス流入孔を第一のガス流入孔と異なる高さレベルに設けることにより、被測定ガスを確実かつ迅速にガスセンサ素子に伝達させるとともに、被測定ガスの急激な流入や凝縮水の付着によるガスセンサ素子の損傷などを防止することができる。また、本発明のガスセンサによれば、外側カバーが回転可能にハウジングに装着されるとともに、外側カバーと排気マニホールドの双方に磁気発生手段が設けられることにより、第一のガス流入孔をガスの流入側に容易に向けた姿勢でガスセンサを排気マニホールドに設置することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明のガスセンサのうち、ハウジング〜ガス側カバーの部分を拡大した縦断図を、図２は、図１のII−II矢視図を排気マニホールドとともに示した図をそれぞれ示している。図３は、ガスセンサのセンサ出力特性に関して、外側カバーに多数のガス流入孔があるケースと、外側カバーのガス流入孔の開口面積が１５ｍｍ２のケースと、外側カバーのガス流入孔の開口面積が１０ｍｍ２のケースを比較したグラフを、排ガスがリッチ側からリーン側に移行する時系列グラフとともに示している。なお、図示する実施形態においては、第二のガス流入孔が２つの場合であって、磁気発生手段として磁石を使用する場合を示しているが、本発明のガスセンサがかかる実施形態に限定されるものでないことは勿論のことである。
【００３０】
図１は、本発明のガスセンサの一実施形態を示している。ガスセンサ１は、ハウジング２の一端に装着されたガス側カバー４と、ハウジング２の他端に装着された図示しない大気側カバーと、ハウジング２とガス側カバー４の内部に配設された固体電解質からなるガスセンサ素子３とから大略構成されている。
【００３１】
ガス側カバー４は二重構造となっており、外側カバー４ａと内側カバー４ｂが適宜の間隔を置いてそれぞれがハウジング２に装着されている。ここで、内側カバー４ｂはハウジング２に嵌着されており、外側カバー４ａは、ハウジング２の周方向に設けられた複数のベアリング５，５，…を介して該ハウジング２に対して回転可能に装着されている。
【００３２】
外側カバー４ａの側面下方には第一のガス流入孔４ａ１が１つ穿設されており、内側カバー４ｂの側面上方には第二のガス流入孔４ｂ１が２つ穿設されている。外側カバー４ａと内側カバー４ｂのそれぞれの底面にはガス流出孔４ａ２，４ｂ２が同芯軸上に穿設されている。
【００３３】
第一のガス流入孔４ａ１がガスの流入側（上流側）に向けられた姿勢で、図示しない排気マニホールドにガスセンサ１が取り付けられる。排気ガスは、図示する矢印Ｘの流れのように、第一のガス流入孔４ａ１を通り、外側カバー４ａと内側カバー４ｂの間の隙間を上昇し、第二のガス流入孔４ｂ１，４ｂ１を通り、内側カバー４ｂ内を流下する。
流下する排気ガスは、ガスセンサ素子の先端の接ガス箇所に接触し、その後、ガス流出孔４ｂ２，４ａ２を通ってガスセンサ１外に出て行く。
【００３４】
図２は、図１の横断面をガスセンサ１が排気マニホールド８に取り付けられた状態で示している。
外側カバー４ａのうち、第一のガス流入孔４ａ１から左右に９０度の箇所には比較的磁力の強い磁石６，６が貼り付けられている。一方、排気マニホールド８の内壁面においても、磁石６，６と対向する箇所に磁石７，７が貼り付けられている。
【００３５】
排気マニホールド８のガスセンサ取り付け孔にガスセンサ１のガス側カバー４を挿入すると、磁石６，７は相互の磁力によって引き付けあい、外側カバー４ａは回転しながら自動的に、第一のガス流入孔４ａ１がガスの流入側（ガスの流れる方向は図中のＸ方向）に向いた状態でガスセンサ１が排気マニホールド８に取り付けられる。
本発明のガスセンサ１によれば、外側カバー４ａにガス流入孔が１つしか備えられていなくとも、該ガス流入孔を精度よく、しかも極めて簡易にガスの流入側に向けた姿勢でガスセンサ１を設置することが可能となる。
【００３６】
図３は、ガスセンサ１における第一のガス流入孔の開口面積が１０ｍｍ２のケース（グラフＺ）と、開口面積が１５ｍｍ２のケース（グラフＹ）と、従来の外側カバーに多数のガス流入孔（本実験では６つの流入孔）が穿設されているケース（グラフＸ）において、それぞれのセンサの出力特性に関する比較実験の結果を示したグラフである。なお、排気ガスは、リッチ側からリーン側へ時系列的に漸次変化させ、図中、１６０秒後に理論空燃比となるような条件となっている。また、外側カバーと内側カバーの離隔は０．３〜２ｍｍ、流入するガスの流速は１０ｍ／ｓｅｃ以下の条件にて実験をおこなっている。
【００３７】
図３によれば、外側カバーに多数のガス流入孔が穿設されているケース３においては、センサ出力に大きな時間遅れが生じていることが分かる。
【００３８】
ガス流入孔を１つとすることでセンサ出力は改善されているが、ガス流入孔の開口面積が１５ｍｍ２のケースに比べて１０ｍｍ２のケースでは、そのセンサ特性が理論特性に極めて近似することが見て取れる。なお、その開口面積が２ｍｍ２未満の場合には、逆にガスの効率的な流入が阻害されるため、最適な開口面積は２〜１０ｍｍ２程度であるという結論に至った。
【００３９】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のガスセンサのうち、ハウジング〜ガス側カバーの部分を拡大した縦断図。
【図２】図１のII−II矢視図を排気マニホールドとともに示した図。
【図３】ガスセンサのセンサ出力特性に関して、外側カバーに多数のガス流入孔があるケースと、外側カバーのガス流入孔の開口面積が１５ｍｍ２のケースと、外側カバーのガス流入孔の開口面積が１０ｍｍ２のケースを比較したグラフ。
【符号の説明】
【００４１】
１…ガスセンサ、２…ハウジング、３…ガスセンサ素子、４…ガス側カバー、４ａ…外側カバー、４ｂ…内側カバー、４ａ１…第一のガス流入孔、４ａ２…ガス流出孔、４ｂ１…第二のガス流入孔、４ｂ２…ガス流出孔、５…ベアリング、６，７…磁石（磁気発生手段）、８…排気マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006177801.tif 000005