(57)【要約】【課題】内燃機関の排気系に取り付けるセンサであって、排気管内部の凝縮水の被水を低減するセンサの取付構造を提供する。【解決手段】内燃機関の排気管の一部を、上流側より低く形成し、その低く形成された排気管の床部より高い位置にセンサを取り付け、排気管の床部より低い位置に貯留部を設け、貯留部と排気管とをセンサ取付位置の上流側と下流側の２箇所で連通したセンサの取付構造とする。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気系にセンサを取り付けるセンサの取付構造であって、
前記内燃機関の排気を外部に導く排気管の一部を、少なくともその上流側より低く形成し、
該低く形成された排気管の床部より高い位置に前記センサを取り付け、
前記低く形成された排気管の床部より低い位置に、所定容積の貯留部を設け、
該貯留部と前記排気管とを、前記センサの取付位置より上流側と下流側の２箇所で連通した
センサの取付構造。
【請求項２】
前記センサの取付位置に対応した前記排気管の床部は、前記貯留部との連通箇所の少なくとも一箇所に向けて下りの勾配を有する請求項１記載のセンサの取付構造。
【請求項３】
請求項１記載のセンサの取付構造であって、
前記貯留部との２箇所の連通箇所における排気管の断面積が、前記センサの上流側より下流側で狭く形成されているセンサの取付構造。
【請求項４】
請求項１記載のセンサの取付構造であって、
前記貯留部と前記排気管との２箇所の連通箇所の各々に連通路を設け、
前記センサの下流側に設けた連通路の断面積を上流側に設けた連通路の断面積より狭く形成した
センサの取付構造。
【請求項５】
内燃機関の排気系にセンサを取り付けるセンサの取付構造であって、
前記内燃機関の排気を外部に導く排気管の床部より高い位置にセンサを取り付け、
該排気管の前記センサとの取付位置より低く、かつ該センサの取付位置より下流側に、所定容積の貯留部を設けた
センサの取付構造。
【請求項６】
前記センサは、ヒータ付きセンサである請求項１または請求項５記載のセンサの取付構造。
【請求項７】
前記センサは、排気管を流れる排気中の所定成分の濃度を検出する濃度センサである請求項１または請求項５記載のセンサの取付構造。
【請求項８】
前記濃度センサは、酸素濃度センサ、ノックス濃度センサ、炭化水素濃度センサ、一酸化炭素濃度センサの少なくともひとつである請求項７記載のセンサの取付構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気系におけるセンサの取り付け構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から排気系に用いる種々のセンサ、例えば酸素濃度センサやノックスセンサの取り付け位置、取り付け構造は、センサを正確に作動させるためのみならず、耐久性やメンテナンス性といった点からも重要視されてきた。特に問題となるのは、内燃機関が停止した後、排気系に存在した水蒸気が凝縮して溜まる凝縮水への対策である。動作条件が高温であるためにヒータにより加熱して用いられるセンサでは、排気管中の凝縮水がセンサに流れつくと、センサ素子の温度が低下して測定結果に影響を及ぼすほか、凝縮水によりセンサ素子が急冷された場合には、素子に損傷を生じることもあった。このため、凝縮した凝縮水が直接センサに触れないように、センサは排気管の上側（少なくとも床部より高い位置）に配置するのが一般的であった。こうしたセンサの取付位置を示す文献としては、下記のものがある。
【特許文献１】
実開昭６２−１８３１９号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるセンサ構造を採用しても、内燃機関の再始動時に排気管内を流れる高圧の排気ガスにより、この凝縮水が飛散してセンサに付着し、検出精度の低下や耐久性の悪化といった問題を生じることがあった。内燃機関の運転に伴い、排気ガスは、排気管内を高速かつ圧力の変化を伴って流れるので、排気管下側に溜まった凝縮水は巻き上げられ、排気管上側に設置されたセンサに付着する可能性があった。従って、センサの取り付け位置を排気管の上側にする程度の対応では、かかる問題は解決することができなかった。
【０００４】
本発明のセンサの取付構造は、こうした問題を解決し、排気系に設けられたセンサの検出精度や耐久性などを確保することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するため、以下の構成をとった。すなわち、本発明は、内燃機関の排気系にセンサを取り付けるセンサの取付構造であって、前記内燃機関の排気を外部に導く排気管の一部を、少なくともその上流側より低く形成し、該低く形成された排気管の床部より高い位置に前記センサを取り付け、前記低く形成された排気管の床部より低い位置に、所定容積の貯留部を設け、該貯留部と前記排気管とを、前記センサの取付位置より上流側と下流側の２箇所で連通したことを要旨としている。
【０００６】
本発明の第１のセンサの取付構造によれば、内燃機関停止後にセンサの取付位置より上流側で生じた凝縮水は、低く形成された側に集まり、低く形成された排気管の床部より低く形成された貯留部に、センサの取付位置より上流側の連通箇所から流れ込んで蓄えられる。したがって、内燃機関の再始動後の排気により、センサ取付位置より上流側の凝縮水が、飛散してセンサに付着する可能性を低減することができる。この貯留部は、排気管床部によりセンサから隔てられており、内部に溜まった凝縮水は、内燃機関再始動後の排気により、センサ取付位置下流側の連通箇所から、排出される。なお、貯留部の大きさは内燃機関の運転状況や放置時間によって変化する凝縮水の発生量を勘案して定めれば良い。また、貯留部自体の形状は、排気管の設置個所や、部品加工の条件など、種々の要因を検討して定めればよい。
【０００７】
センサの取付位置に対応した排気管の床部は、貯留部との連通箇所の少なくとも一箇所に向けて下りの勾配を有する形状で構成することができる。下りの勾配にしておけば、センサの取付位置に対応した排気管の床部近傍で生じた凝縮水は、貯留部に導かれやすくなる。床部の勾配を、凝縮水が流れる程度の傾きとすることは有効である。こうした床部の形状としては、例えば、全体が上流側の連通箇所に向けて下り勾配、全体が下流側の連通箇所に向けて下り勾配、センサの取付位置に対応する箇所近傍が最も高く両方の連通箇所に向けて下り勾配などの態様が考えられる。こうした形状にしておけば、センサの取付位置に対応した排気管の床部に付着するわずかな凝縮水も、下り勾配により貯留部へ流れ込み、センサへの被水対策に一層効果がある。
【０００８】
また、貯留部と排気管とを連通する２箇所の連通箇所における排気管の断面積を、センサの上流側より下流側で狭く形成する構造とすることもできる。排気管断面積の減少によって、下流側の排気ガスの流速が上がり、圧力差が生じるため、貯水部の凝縮水を効率よく吸い出す効果が得られるからである。
【０００９】
あるいは、貯留部と排気管との２箇所の連通箇所の各々に連通路を設け、センサの下流側に設けた連通路の断面積を上流側に設けた連通路の断面積より狭く形成する構造とすることも可能である。内燃機関停止時に連通路に溜まった凝縮水の液面高さは、各連通路で同じになるが、高圧の排気ガスが入り込むと、断面積の狭い下流側連通路の液面はより高くなり、凝縮水の排出に一層効果がある。
【００１０】
本発明の第２のセンサの取付構造は、内燃機関の排気系にセンサを取り付けるセンサの取付構造であって、前記内燃機関の排気を外部に導く排気管の床部より高い位置にセンサを取り付け、該排気管の前記センサとの取付位置より低く、かつ該センサの取付位置より下流側に、所定容積の貯留部を設ける構成としたことを要旨としている。かかる構造を採用すると、センサの上流側で生じた凝縮水は、内燃機関が停止してる間に、センサの取付位置の下流側に設けた貯留部に貯まるため、内燃機関の再始動時にセンサが被水する可能性は低下する。また、一旦、貯留部に貯まった凝縮水は、内燃機関の運転時には排気ガスと共に外部に排出される。この構造では、貯留部とセンサを隔てる排気管の床部は必ずしも必要なく、製作コストの低減という面からも効果がある。
【００１１】
本発明の第１，第２のセンサの取付構造において用いられるセンサとしては、ヒータ付きセンサを考えることができる。ヒータ付きセンサの場合、センサはヒータにより加熱されるので、被水対策が施されることで、ヒータ付きセンサの誤動作や破損を防ぐことができ、その効果は大きい。
【００１２】
更に、本発明の第１，第２の取付構造において用いられるセンサとしては、排気管を流れる排気中の所定成分の濃度を検出する濃度センサを想定することができる。濃度センサは、排気中の所定成分の濃度を検出するため、排気管に露出して設置される。したがって、その被水対策が重要だからである。
【００１３】
こうした濃度センサとしては、様々な種類のものがあるが、特に、酸素濃度センサ、ノックス濃度センサ、炭化水素濃度センサ、一酸化炭素濃度センサの少なくともひとつを想定することができる。例えば、酸素濃度センサを採用した場合、内燃機関の再始動時などにおける被水の可能性が低減できるので、再始動の後、正確な検出が可能となり、排気系の触媒の浄化能力を充分に引き出す制御が可能となる。また、センサの検出精度、耐久性の観点からも効果がある。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実施例としてのセンサの取付構造が採用された排気ガス清浄システムの全体構成図である。このシステムは自動車に搭載されており、自動車の内燃機関（以下、エンジン７０という）からの排気ガスを外部に排出する排気管３０、排気管３０に設けられた酸素濃度センサ２０、排気ガスを浄化する触媒コンバータ８０，８１、排気ガスを消音するマフラ９０等を備えている。更に、このシステムには、酸素濃度センサ２０からの信号等を受けてエンジン７０の燃焼を制御する電子制御部１１０、電子制御部１１０からの指令を受けて燃料噴射を行なう燃料噴射装置１００を備えている。
【００１５】
この実施例で用いた酸素濃度センサ２０は、動作温度が４００［℃］程度のセンサであり、加熱用ヒータ２２を備えている。加熱用ヒータ２２は、エンジン７０の始動と共に通電され、酸素濃度センサ２０のセンサ素子２１の温度を速やかに動作温度まで上昇させる。なお、触媒コンバータ８０，８１とは、排気ガス中の有害成分、例えばＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等を除去するための触媒で、三元触媒が広く知られている。
【００１６】
エンジン７０を始動させると、エンジン７０からの排気ガスは排気管３０の内部を通過し、触媒コンバータ８０，８１で浄化されマフラ９０から外部へ排出される。この過程で排気管３０に設けられた酸素濃度センサ２０が排気ガス中の酸素濃度を検出し、酸素濃度がリッチかリーンかの検出信号を電子制御部１１０に送る。電子制御部１１０では、酸素濃度センサ２０の検出値を基に、触媒コンバータ８０，８１の浄化能力を充分に引き出すために最適な空燃比が得られるよう燃料噴射量を計算する。その上で、この燃料噴射量が実現されるように、燃料噴射装置１００に燃料噴射の指令を出す。こうした一連の制御を繰り返すことによって、様々な運転状態に対応した最適な排気ガスの浄化が行われている。
【００１７】
次に、こうしたシステムに採用されたセンサの取付構造について説明する。図２は、本発明の第１の実施例におけるセンサ取付部近傍の拡大断面図である。図示するように、排気管３０における酸素濃度センサ２０の取付箇所近傍（以下、センサ部排気管３１という）は、その上流側の排気管より低く配置されている。酸素濃度センサ２０は、センサ部排気管３１の上側に取り付けた。酸素濃度センサ２０の取付位置に対応する位置には排気管床部５０を設け、排気管床部５０より低い位置に貯留部６０を備えた。貯留部６０とセンサ部排気管３１は酸素濃度センサ２０の取付位置より上流側と下流側の２箇所で連通する構成とした。
【００１８】
したがって、エンジン７０停止後に上流側の排気管中で生じた凝縮水は、自重により、下流側にあるセンサ部排気管３１側に流れ、２箇所ある連通箇所の内、酸素濃度センサ２０の取付位置上流側から貯留部６０に流れ込み、ここに貯まる。そのため酸素濃度センサ２０の上流側に留まる凝縮水は低減される。更に、排気管床部５０近傍で生じた凝縮水の少なくとも一部は、下流側に流れ、同様に貯留部６０に溜まる。こうして貯留部６０に溜まった凝縮水と酸素濃度センサ２０とは排気管床部５０により隔てられている。このため、エンジン７０の再始動により、高圧の排気ガスが上流から下流に流れて、センサ取付部近傍に到達しても、酸素濃度センサ２０が被水する可能性はほとんど無い。
【００１９】
よって、酸素濃度センサ２０が、エンジン７０の再始動後に被水して、その検出精度が低下したり、あるいは凝縮水により高温の酸素濃度センサ２０が急冷されて、損傷を被るといった可能性は著しく低減される。センサの検出精度や耐久性などを確保できる結果、センサの検出精度が向上し、かつこれを維持することができるので、排気ガスの浄化触媒の浄化性能を充分に引き出して、排気ガスの浄化を行なうことができる。
【００２０】
なお、排気ガスは、酸素濃度センサ２０の上流側連通箇所から貯留部６０にも入り込み、貯留部６０の内部の凝縮水を下流側連通箇所から押し出す。この結果、貯留部６０に溜まっていた凝縮水は、センサ部排気管３１から更に下流へと排出され、最終的に外部に排出される。
【００２１】
次に本発明の第２の実施例について説明する。図３は、本発明の第２実施例としてのセンサの取付構造を示す説明図である。このセンサの取付構造を採用したシステム全体構造は図１に示した通りであり、センサの取付構造のみが異なる。図３に示した第２実施例では、第１実施例の酸素濃度センサ２０取付位置に対応する排気管床部５０に代えて、酸素濃度センサ２０の上流側と下流側に設けた連通箇所へ下り勾配を持った凸形状の排気管床部２５０を備えた。したがって、凸形状の排気管床部２５０に付着したわずかな凝縮水も貯留部２６０へと効率よく流れ込む。よって、第１実施例と同様の効果を奏する他、酸素濃度センサ２０の取付位置に対応する排気管床部２５０上の凝縮水を効率よく貯留部２６０に集めることができ、酸素濃度センサ２０に対する一層の被水防止を図ることができる。
【００２２】
次に本発明の第３の実施例について説明する。図４は、本発明の第３実施例としてのセンサの取付構造を示す説明図である。このセンサの取付構造を採用したシステム全体構造は図１に示した通りであり、センサの取付構造のみが異なる。図４に示した第３実施例では、第１実施例の酸素濃度センサ２０取付位置に対応する排気管床部５０に代えて、センサ下流側の連通箇所の排気管断面積を狭くする下り勾配を持った排気管床部３５０を備えた。したがって、下流側の連通箇所近郊では圧力が下がり、貯留部３６０に貯まった凝縮水を効率よく吸い出す。よって、第一実施例と同様の効果を奏する他、貯留部３６０に貯まった凝縮水を一層外部へ排出しやすくし、排気管の耐久性向上を図ることができる。なお、第３実施例では、排気管床部３５０の形状が酸素濃度センサ２０の上流側の連通箇所へ向かって下り勾配を有しているため、第２実施例と同様の効果も奏することとなる。
【００２３】
次に本発明の第４の実施例について説明する。図５は、本発明の第４実施例としてのセンサの取付構造を示す説明図である。このセンサの取付構造を採用したシステム全体構造は図１に示した通りであり、センサの取付構造のみが異なる。図５に示した第４実施例では、第１実施例のセンサ取付位置の上流側と下流側の２箇所の連通箇所に代えて、連通路６１，６２を設け、酸素濃度センサ２０の上流側の連通路６１より断面積が狭い連通路６２を下流側に備えた。したがって、エンジン７０再始動時の高圧の排気ガスが、連通路６１に入り込むと、連通路６２の凝縮水の液面は上流側より高く上がる。よって、第一実施例と同様の効果を奏する他、貯留部４６０の凝縮水を排出しやすくする効果がある。
【００２４】
次に本発明の第５の実施例について説明する。図６は、本発明の第５実施例としてのセンサの取付構造を示す説明図である。このセンサの取付構造を採用したシステム全体構造は図１に示した通りであり、センサの取付構造のみが異なる。図示するように、センサ部排気管３１の上側に酸素濃度センサ２０を取り付け、酸素濃度センサ２０の取付位置より低く、かつ下流側に貯留部５６０を備えた。また貯留部５６０は、センサ部排気管３１に対して凝縮水が下流側へ排出されやすい傾斜を有している。
【００２５】
したがって、センサ部排気管３１より上流側の凝縮水は酸素濃度センサ２０に流れ着くことなく、センサ部排気管３１の下側を通って下流側の貯留部５６０に流れ込み、一旦貯留され、エンジン７０の運転時に排気ガスと共に排出される。よって、第１実施例と同様の効果を奏する他、非所望の場所、例えば触媒コンバータなどに流れ込むことがない。また、貯留部５６０の耐久性向上にも効果がある。更には、第５実施例では、第１実施例に示す排気管床部５０が必ずしも必要とはならないため、コスト低減に効果がある。
【００２６】
また、第１実施例から第５実施例までに示したセンサは、ヒータ付きのセンサとしたが、ヒータのないセンサでも、被水対策としては有効である。更に、第１実施例から第５実施例では、酸素濃度センサ２０をセンサの例として用いたが、センサとしては酸素濃度センサに限られるものではなく、ノックス濃度センサ、炭化水素濃度センサ、一酸化炭素濃度センサなどを用いることもできる。また、排気系に２以上のセンサを取り付ける場合にも、同様に本発明を適用することができる。
【００２７】
以上説明した実施例では、センサの被水対策として、センサに凝縮水よけのガイドを設けたりカバーを設けると言った構成を採用していないので、ガイドやカバーにより排気ガスの流れが変化して、センサの検出精度に影響を与えるといった問題を生じることがない。もとより、こうした影響が無視できる場合などには、被水対策としてのガイドやカバーと、本発明の取付構造とを併用することも差し支えない。
【００２８】
なお、本実施例では、センサは、排気管上部に取り付けたが、床部より高い位置に設けられれば良く、メンテナンス性等の要請から、排気管の横方向に取り付けることも差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例が採用された排気ガス清浄システムの全体構成図である。
【図２】本発明の第１の実施例におけるセンサ取付部近傍の拡大断面図である。
【図３】本発明の第２実施例におけるセンサ取付部近傍の拡大断面図である。
【図４】本発明の第３実施例におけるセンサ取付部近傍の拡大断面図である。
【図５】本発明の第４実施例におけるセンサ取付部近傍の拡大断面図である。
【図６】本発明の第５実施例におけるセンサ取付部近傍の拡大断面図である。
【符号の説明】
２０…酸素濃度センサ
２１…センサ素子
２２…加熱用ヒータ
３０…排気管
３１…センサ部排気管
５０…排気管床部
６０…貯留部
６１…連通路
６２…連通路
７０…エンジン（内燃機関）
８０…触媒コンバータ
８１…触媒コンバータ
９０…マフラ
１００…燃料噴射装置
１１０…電子制御部
２５０…排気管床部
２６０…貯留部
３５０…排気管床部
３６０…貯留部
４６０…貯留部
５６０…貯留部
【図１】
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【図２】
2004124783.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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