(57)【要約】【課題】排ガスセンサのセンサ素子の被水割れその他の温度差に起因したダメージを抑制するための新規な手段を提供する。【解決手段】排ガスセンサの固定点よりも上流側の排気通路中に設置され、排ガス中の液滴の粒径を縮小させる液滴縮径部を備える。液滴縮径部の一例である網状スクリーン２０は、ＳＵＳなどの耐熱性・耐腐食性の網体からなる円盤であり、ガス透過性を有する。網状スクリーン２０はアクチュエータ２２によって回転可能にされている。排気通路内に水が生成したとしても、液滴Ｄは排ガス流Ｇに乗って移動すると共に網状スクリーン２０に衝突し、その際の衝撃によって微粒化されることになる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスセンサの固定点よりも上流側の排気通路中に設置され、排ガス中の液滴の粒径を縮小させる液滴縮径部を備えたことを特徴とする排ガスセンサ保護装置。
【請求項２】
請求項１に記載の排ガスセンサ保護装置であって、
前記液滴縮経部は、排ガスを透過可能であることを特徴とする排ガスセンサ保護装置。
【請求項３】
請求項２に記載の排ガスセンサ保護装置であって、
前記液滴縮経部は網体からなることを特徴とする排ガスセンサ保護装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガスセンサ保護装置であって、
前記液滴縮径部は板状であり、その主側面が前記排気通路に交叉する閉姿勢と、前記主側面が前記通路に平行な開姿勢とをとりうることを特徴とする排ガスセンサ保護装置。
【請求項５】
請求項４に記載の排ガスセンサ保護装置であって、
前記液滴縮径部を前記閉姿勢と前記開姿勢との間で変位させる駆動手段を更に備えたことを特徴とする排ガスセンサ保護装置。
【請求項６】
請求項５に記載の排ガスセンサ保護装置であって、
前記駆動手段を車両の運転状態に応じて制御する制御手段を更に備えたことを特徴とする排ガスセンサ保護装置。
【請求項７】
請求項１ないし３のいずれかに記載の排ガスセンサ保護装置であって、
前記液滴縮径部はファン状であることを特徴とする排ガスセンサ保護装置。
【請求項８】
請求項７に記載の排ガスセンサ保護装置であって、
前記液滴縮径部は排ガス流によって回転可能とされていることを特徴とする排ガスセンサ保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気系に用いられる排ガスセンサを保護するための排ガスセンサ保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気通路に設置される排ガスセンサとして、Ａ／Ｆ（空燃比）センサ、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサなどが知られている。排ガスセンサは高温雰囲気下で用いられるため、そのセンサ素子に水滴が付着すると熱衝撃によって破損するおそれがある。従来、被水によるセンサ素子の破損すなわち被水割れを防止する目的から、センサ素子を覆うように、通気孔を有するカバーを設置している（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４‐２４５８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の構成においても、通気孔からカバー内に水滴が侵入するおそれがあるため、被水割れがある程度の頻度で生じる。
【０００５】
本発明の発明者らは、センサ素子の被水割れについて鋭意研究した結果、図７に示されるように、被水割れの確率が素子に付着する液滴の大きさに依存し、液滴の粒径を小さくすることによって被水割れを好適に抑制できることを突きとめた。
【０００６】
本発明は、このような新知見に基づいてなされたものであり、その目的は、排ガスセンサのセンサ素子の被水割れなどの温度差に起因したダメージを抑制するための新規な手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る排ガスセンサ保護装置は、排ガスセンサの固定点よりも上流側の排気通路中に設置され、排ガス中の液滴の粒径を縮小させる液滴縮径部を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明では、排ガスセンサの固定点よりも上流側の排気通路中に設置され、排ガス中の液滴の粒径を縮小させる液滴縮経部を備えたので、粒径の縮小により、センサ素子に付着した場合における熱衝撃を抑制することができ、被水割れその他の温度差に起因したダメージを好適に抑制することができる。
【０００９】
液滴縮径部は、排ガス経路中に交叉または突出する障害物または遮蔽体とするのが好適である。排ガス中の液滴は、障害物または遮蔽体に衝突することによりその粒径が縮小する。液滴縮径部は、排ガスセンサから離間しているのが好適である。
【００１０】
液滴縮経部は、排ガスを透過可能であってもよく、排気抵抗への影響を抑制できる。液滴縮経部は網体とするのが特に好適であるが、多孔板でもよく、また、曲板状、ルーバー状、球状、針状のものであってもよい。
【００１１】
液滴縮径部を板状とし、その主側面が前記排気通路に交叉する閉姿勢と、前記主側面が前記排気通路に平行な開姿勢とをとりうることとしてもよい。この場合には、液滴縮径部を使用しない場合に開姿勢をとることにより、排気抵抗への影響を抑制できる。板状の液滴縮径部は、平坦であっても、曲面状であってもよい。液滴縮径部はまた、排気通路から退避可能、すなわち使用時に排気通路中に突出し不使用時に後退する構造としてもよい。
【００１２】
液滴縮径部を閉姿勢と開姿勢との間で変位させる駆動手段を更に備えることができる。このような駆動手段を車両の運転状態に応じて制御する制御手段を更に備えてもよい。
【００１３】
前記液滴縮径部はファン状としてもよい。この場合には旋回流の生成によって排ガスのミキシングを促進でき、多気筒エンジンの場合には、センサによる検出の特定気筒への偏りを抑制できる。このようなファン状の液滴縮径部は、これを排ガス流によって回転可能とすれば、回転によって生じる遠心力により液滴を排気通路の外周に分散させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。図１に示される本発明の実施形態の排ガスセンサ保護装置１は、車両に適用されると好適なものである。エンジン２は４気筒ガソリン内燃機関であり、その排気マニホールド３には排気管４が接続されている。排気管４には三元触媒などの触媒装置５が接続され、触媒装置５の下流側は、図示しない消音器を介して外気に開放している。排気マニホールド３の集合部と触媒装置５との間の排気管４には、Ａ／Ｆセンサ１０が配置されている。
【００１５】
図２に示されるとおり、Ａ／Ｆセンサ１０は、筒型のハウジング１１と、このハウジング１１の内部に挿通して固定されたセンサ素子１２と、このセンサ素子１２の先端側を覆うようにハウジング１１に固定されたカバー１４とを有する。カバー１４は、アウターカバー１５およびインナーカバー１６を含む。アウターカバー１５およびインナーカバー１６には、それぞれ通気孔１５ａ，１６ａが設けられている。アウターカバー１５の通気孔１５ａと、インナーカバー１６の通気孔１６ａは、互いに重ならないように配置されており、これによってセンサ素子１２への液滴の付着が或る程度抑制されている。排ガスは矢印Ｇのように、迂回した経路でセンサ素子１２に到達することになる。Ａ／Ｆセンサ１０は、センサ素子１２を所定の活性温度まで昇温可能な不図示のヒータを有する。以上は周知の構造である。
【００１６】
再び図１において、排気マニホールド３の集合部とＡ／Ｆセンサ１０との間の排気管４には、網状スクリーン２０が配置されている。網状スクリーン２０は、本発明における液滴縮径部を構成する。網状スクリーン２０は、ＳＵＳなどの耐熱性・耐腐食性の網体からなる円盤であり、ガス透過性を有する。網状スクリーン２０の線間のピッチは、網状スクリーン２０を通じて下流側に流れる液滴がセンサ素子１２に与える熱衝撃を粒径の縮小によって好適に抑制できるように、且つ網状スクリーン２０を通じた排気抵抗が許容範囲内になるように、実験的に選択することができる。網状スクリーン２０は、排気通路におけるＡ／Ｆセンサ１０より上流側の部分である排気マニホールド３および排気管４のうち、液滴が発生する可能性が高い領域よりも下流側であって、かつＡ／Ｆセンサ１０よりも上流側の領域に配置されている。
【００１７】
網状スクリーン２０はアクチュエータ２２の回転軸２１に固定され、排気管４内に回転可能に保持されている。アクチュエータ２２にはロータリソレノイドまたはステッピングモータなどのロータリアクチュエータを用いるのが好適である。
【００１８】
網状スクリーン２０はアクチュエータ２２の駆動により、図３および図４に示されるように、その主側面すなわち比較的広い側面が排気通路に直交または交叉する閉姿勢（図３）と、主側面が排気通路に平行な開姿勢（図４）とをとりうる。図３に示される閉姿勢をとった際に、網状スクリーン２０は排気管４の断面積のほぼ全体を覆う。
【００１９】
装置全体を制御する電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）３０は、その詳細は図示しないが、データバスによって相互接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリ、入出力ポート、Ａ／ＤコンバータおよびＤ／Ａコンバータを含むものである。ＥＣＵ３０の入力ポートには各種センサ類がＡ／Ｄコンバータを介して接続されており、そのようなセンサ類は、Ａ／Ｆセンサ１０のほか、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ３１、およびエンジン油温を検出する油温センサ３２を含む。ＥＣＵ３０では、エンジン２の状態を示すこれらの検出信号に基づいて夫々の値が算出され、後述のとおり処理される。ＥＣＵ３０の出力ポートには、各種アクチュエータ類に加え、上述したアクチュエータ２２が、Ｄ／Ａ変換器および駆動回路を介して接続されている。
【００２０】
ＥＣＵ３０のＲＯＭには、エンジン２の燃料噴射量やバルブタイミング等を制御するための各種の制御プログラムと共に、各種の関数や基準値が予め格納されている。ＥＣＵ３０のＲＯＭには、水温センサ３１および油温センサ３２の検出値と排気マニホールド３の内部の温度とを関連付けて記憶させた排気マニホールド温度マップが予め格納されている。同マップは、これをエンジン水温および油温によって参照することにより、排気マニホールド３の内部の現在の温度が推定できる。なお、排気マニホールド３の内部の温度を推定するために、外気温、湿度、気圧などの他のパラメータを考慮してもよい。
【００２１】
以上のとおり構成された本実施形態の動作について、以下に説明する。図５の処理ルーチンはＥＣＵ３０により、クランク角に応じた所定のタイミングで繰り返し実行される。
【００２２】
図５において、まずＥＣＵ３０は、水温センサ３１および油温センサ３２の検出値を読み込む（Ｓ１０）。次に、ＥＣＵ３０は、これら検出値を用いた上記排気マニホールド温度マップの参照により、排気マニホールド温度Ｔを推定する（Ｓ２０）。
【００２３】
次にＥＣＵ３０は、推定された現在の排気マニホールド温度Ｔを、予め定められた基準値Ｔａと比較する（Ｓ３０）。この基準値Ｔａは、水の露点温度の近傍、例えば５０〜６０°Ｃに定めることができ、固定値のほか、外気の湿度に応じて異なる値を定めてもよい。
【００２４】
温度Ｔが基準値Ｔａより大である場合には、ＥＣＵ３０はアクチュエータ２２を駆動して、網状スクリーン２０を開状態とする。すなわち、現在開状態である場合にはこれを維持し、現在閉状態である場合には開状態に移行させる。
【００２５】
温度Ｔが基準値Ｔａ以下である場合には、ＥＣＵ３０はアクチュエータ２２を駆動して、網状スクリーン２０を閉状態とする。すなわち、現在閉状態である場合にはこれを維持し、現在開状態である場合には閉状態に移行させる。
【００２６】
以上の処理の結果、排気通路内に水滴が生成する条件が成立していない通常運転中の場合には、網状スクリーン２０が開状態とされ、排気通路内に水滴が生成する条件が成立している場合には、網状スクリーン２０が閉状態とされる（図３）。したがって、排気通路内に水滴が生成したとしても、液滴Ｄは排ガス流Ｇに乗って移動すると共に網状スクリーン２０に衝突し、その際の衝撃によって微粒化されることになる。なお、排気通路内に水滴が生成する条件が成立するのは主にエンジン２の冷間始動時であるが、これに限られない。
【００２７】
以上のとおり、本実施形態では、排ガスセンサ（Ａ／Ｆセンサ１０）の固定点よりも上流側の排気通路中に、排ガス中の液滴の粒径を縮小させる液滴縮経部を配置したので、液滴が網状スクリーン２０に衝突することによる粒径の縮小により、液滴がセンサ素子１２に付着した場合における熱衝撃を抑制することができ、被水割れその他の温度差に起因したダメージを好適に抑制することができる。
【００２８】
また本実施形態では、液滴縮径部を排ガスセンサとは別体としたので、排ガスセンサのカバーをより簡易にすることができ、設計の自由度を向上できると共に、センサ素子への排ガスの流通性を高めることによって検出の応答性および精度を向上することも可能となる。
【００２９】
また本実施形態では、液滴縮径部を、排ガス経路中に交叉する障害物としたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。また本実施形態では、液滴縮経部を排ガスを透過可能に構成したので、排気抵抗への影響を抑制できる。
【００３０】
また本実施形態では、液滴縮径部を板状とし、且つその主側面が排気通路に交叉する閉姿勢と、主側面が排気通路に平行な開姿勢とをとりうることとしたので、液滴縮径部を使用しない場合に開姿勢をとることにより、排気抵抗への影響を抑制できる。
【００３１】
また本実施形態では、アクチュエータ２２の駆動によって液滴縮径部を閉姿勢と開姿勢との間で変位可能とし、且つこのようなアクチュエータ２２を車両の運転状態に応じて制御することとしたので、車両の運転状態に応じた適切な制御を行うことが可能となる。
【００３２】
なお、上記実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、本発明における液滴縮径部としては、上述した網状スクリーン２０のような平板状・網状のもののほか、多孔板でもよく、また、曲板状、ルーバー状、球状、針状など、排ガス経路中に交叉または突出する各種の障害物または遮蔽体を用いることができる。
【００３３】
網状スクリーンその他の液滴縮径部は、閉姿勢をとった際に排気通路の断面積のほぼ全体を覆う構成のほか、例えば排気通路の外周部のみを覆うものなど、排気通路の一部を覆う構成としてもよい。網状スクリーンその他の液滴縮径部はまた、排気通路から退避可能、すなわち使用時に排気通路中に突出し不使用時に後退する構造としてもよい。
【００３４】
網状スクリーンその他の液滴縮径部は、閉姿勢と開姿勢との中間の姿勢をとってもよく、その旋回角度を走行状態に応じて段階的にまたは無段階に変更可能としてもよい。
【００３５】
また、網状スクリーンその他の液滴縮径部はファン状としてもよく、その翼片は網状としてもよい。図６はファン状に構成された網状スクリーン１２０を示し、その中心軸１２２は、不図示のアクチュエータの回転軸１２１に回転可能に保持されている。すなわち網状スクリーン１２０は、中心軸１２２を中心に回転可能であると共に、アクチュエータの回転軸１２１を中心に、開姿勢および閉姿勢をとりうる。この場合には、網状スクリーン１２０の翼片の作用により旋回流が生成され排ガスのミキシングを促進でき、多気筒エンジンの場合には、センサによる検出の特定気筒への偏りを抑制できる。このようなファン状の液滴縮径部は回転不能としてもよいが、これを排ガス流によって軸１２２を中心に回転可能としたことにより、回転によって生じる遠心力により液滴を排気通路の外周に分散させることができる。
【００３６】
また、本発明はＡ／Ｆセンサ以外の排ガスセンサの保護にも広く適用でき、そのような排ガスセンサは、酸素センサ、ＮＯｘセンサ、ＨＣセンサを含むが、これらに限られない。また、本発明は４サイクルガソリン内燃機関以外に、液体燃料や気体燃料など他の燃料をエネルギ源とするエンジンについて適用することも可能であって、いずれも本発明の範疇に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態の排ガスセンサ保護装置を示す概略構成図である。
【図２】Ａ／Ｆセンサの先端部を示す断面図である。
【図３】網状スクリーンが閉姿勢をとった状態を示す概略的な斜視図である。
【図４】網状スクリーンが開姿勢をとった状態を示す概略的な斜視図である。
【図５】実施形態における処理ルーチンの一例を示すフロー図である。
【図６】網状スクリーンの変形例を示す正面図である。
【図７】液滴の大きさとセンサ素子の被水割れ確率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１      排ガスセンサ保護装置
２      エンジン
３      排気マニホールド
４      排気管
１０    Ａ／Ｆセンサ
１１    ハウジング
１２    センサ素子
２０，１２０  網状スクリーン
２１，１２１    回転軸
２２    アクチュエータ
３０    ＥＣＵ
Ｄ      液滴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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