(57)【要約】【課題】  凝縮水を被水し難いセンサの取付構造を提供することを目的とする。【解決手段】  内燃機関の排気系にセンサを取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に、断面積の大きい拡張部を設け、該拡張部の上流側端部から下流側に所定距離だけ隔たった位置で、かつ、該拡張部の床部分よりも高い位置に前記センサを取付けたセンサの取付構造とする。【選択図】  図１
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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に、断面積の大きい拡張部を設け、
該拡張部の上流側端部から下流側に所定距離だけ隔たった位置で、かつ、該拡張部の床部分よりも高い位置に前記センサを取付けた
センサの取付構造。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサの取付構造であって、
前記拡張部は、前記排気管よりも管径の大きい配管であるセンサの取付構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載のセンサの取付構造であって、
前記所定距離は、前記拡張部の上流側の排気管に付着した凝縮水が前記内燃機関の排気により飛散して到達する距離よりも長い距離であるセンサの取付構造。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載のセンサの取付構造であって、
前記上流側端部から前記センサの取付け位置までの前記拡張部内部で、かつ、前記センサの近傍に、排気を浄化する第１の触媒を配置したセンサの取付構造。
【請求項５】
請求項４に記載のセンサの取付構造であって、
前記第１の触媒に加えて、前記センサの取付け位置から前記拡張部の下流側端部までの前記拡張部内部で、かつ、前記センサの近傍に、第２の触媒を配置したセンサの取付構造。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のセンサの取付構造であって、
前記センサは、ヒータを用いた加熱型のセンサであるセンサの取付構造。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載のセンサの取付構造であって、
前記センサは、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一つであるセンサの取付構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気系のセンサの取付構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
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付け位置、取付け構造は、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、内燃機関の低温始動時に、内燃機関の燃焼に伴い発生する水蒸気が、排気管中に凝縮して溜まる凝縮水への対応である。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、高温となったセンサに凝縮水がかかると、センサの素子が急激に冷やされ、測定精度に影響を及ぼす他、急冷により素子を損傷することもあった。このため、排気管に取付けるセンサには様々な被水対策が施されてきた。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、排気系の触媒コンバータの下流側配管の下面側に、Ｖ字形状の溝を設け、その上面側にセンサを取付け、そのセンサの取付け位置よりも更に下流の排気管に窪みを設けた構造が開示されている。こうした構造を採用することで、センサの上流に発生した凝縮水はＶ字形状溝を通過して下流の窪みへ流れ、センサの上流に溜まる凝縮水を抑えることができる。その結果、上流の凝縮水による被水はほとんど生じないとされている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２１２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、かかるセンサの取付構造では、センサの被水対策を確実なものとすることが困難であった。これは、例えば傾斜地に停車するなど、車体が傾くことによって、本来、窪みに溜まるはずの凝縮水がセンサ上流に溜まることがあるからである。上流に溜まった凝縮水は、内燃機関からの排気により巻き上げられ、配管上面側に取付けたセンサにかかることがあった。加えて、排気管の一部にＶ字形状の溝を設ける必要があるため構造が複雑となり、生産コストがかかってしまう。
【０００６】
本発明は、こうした問題を解決し、凝縮水が被水し難い簡易なセンサの取付構造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】
【０００７】
本発明のセンサの取付構造は、上記課題の少なくとも一部を解決するため、以下の手法を採った。すなわち、内燃機関の排気系にセンサを取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に、断面積の大きい拡張部を設け、該拡張部の上流側端部から下流側に所定距離だけ隔たった位置で、かつ、該拡張部の床部分よりも高い位置に前記センサを取付けたことを要旨としている。
【０００８】
本発明のセンサの取付構造によれば、内燃機関から排出される排気の流速は、上流側の排気管よりも断面積の大きい拡張部へ流入することで低下する。排気の流速が低下することで、内燃機関の排気に含まれる水蒸気が上流側の排気管に冷やされて発生する凝縮水が飛散して到達する距離を短くすることができる。したがって、凝縮水の到達位置を考慮した所定の位置にセンサを設けることができ、センサの凝縮水の被水対策に効果を奏する。
【０００９】
センサの取付構造の拡張部は、断面積が大きいものであれば、円形，楕円形，四角形など断面形状を問わず、排気系の配管とは別形状の断面積を有する部材によって形成しても良いが、特に、排気管よりも管径の大きい配管により実現しても良い。排気管の直径よりも大きな直径を有する円形状断面の配管を採用することで、構造が簡素化され、拡張部を容易に構成することができる。また、排気管と拡張部とを別の部材とはせず、一本の配管用部材を拡開して拡張部を形成し、排気管と拡張部とを一体で構成するものとしても良い。
【００１０】
上記の構成を有するセンサの取付構造の所定距離は、前記拡張部の上流側の排気管に付着した凝縮水が前記内燃機関の排気により飛散して到達する距離よりも長い距離とすることができる。排気により飛散する凝縮水が到達する位置よりも、下流側にセンサを配置することで、センサの被水を防止することができる。
【００１１】
上記の構成を有するセンサの取付構造において、上流側端部から前記センサの取付け位置までの前記拡張部内部で、かつ、前記センサの近傍に、排気を浄化する第１の触媒を配置するものとしても良い。かかるセンサの取付構造によれば、拡張部によって排気の流速が低下すると共に、センサの上流側に設けた第１の触媒によって、凝縮水の飛散の一部を妨げることができる。したがって、センサの被水対策に効果を奏する。加えて、既存の触媒取付位置の下流にセンサを設けることができ、製作コストを低減することができる。
【００１２】
上記の構成を有するセンサの取付構造において、第１の触媒に加えて、前記センサの取付け位置から前記拡張部の下流側端部までの前記拡張部内部で、かつ、前記センサの近傍に、第２の触媒を配置するものとしても良い。かかるセンサの取付構造によれば、第１の触媒と第２の触媒との間にセンサを設けることで、センサは凝縮水の飛散から保護される。
【００１３】
本発明の取付構造に用いるセンサは、ヒータを用いた加熱型のセンサであるものとしても良い。センサを加熱して用いるタイプでは、高温のセンサに対する被水対策が施されることで、センサの誤動作などの防止に特に効果がある。
【００１４】
本発明の取付構造に用いるセンサは、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一つを想定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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を採用した自動車の排気系の概略構成図である。図１に示すように、この排気系システムは、主に、エンジン１０からの排気を外部に導く排気管２０、排気管２０と接続する拡張配管３０、拡張配管３０に設けた酸素濃度センサ３５、エンジン１０からの排気を浄化する触媒コンバータ４０、排気を消音するマフラ５０、これらを接続する配管４５，５５、エンジン１０の燃焼を制御するＥＣＵ７０等から構成されている。
【００１６】
このシステムでは、エンジン１０での燃焼により生じた排気は、排気管２０から配管断面積の大きい拡張配管３０へ流入し、触媒コンバータ４０，マフラ５０等を経て、車両外部に排出される。触媒コンバータ４０は、排気中の有害成分であるＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ等を除去する触媒であり、本実施例では三元触媒を用いている。排気系の酸素濃度は、エンジン１０の燃料を制御する上で重要な情報であり、これは、拡張配管３０に設けられた酸素濃度センサ３５により検出される。
【００１７】
本実施例で採用した酸素濃度センサ３５の構造を図２に示す。酸素濃度センサ３５は、主に、ハウジング３６、検出素子３７、検出素子３７を動作温度まで過熱するヒータ３８、検出素子３７を保護する素子カバー３９等から構成される。検出素子３７は、ジルコニアセラミックスを主成分とする固体電解質３７１の両側に白金電極３７２を備えた構造となっている。ヒータ３８は、検出素子３７の内空間に配置され、エンジン１０の始動と共に通電されることで検出素子３７を約４００[℃]程度に加熱する。
【００１８】
素子カバー３９は略円筒形状をしており、その周面に小径の穴（スリット３９１）が設けられている。素子カバー３９は、検出素子３７を覆い、排気が直接触れ難いように検出素子３７を保護している。この酸素濃度センサ３５は、素子カバー３９のスリット３９１を通過する排気中に含まれる酸素の濃度に応じて、起電力を変化させる。こうして酸素濃度センサ３５は、排気中に含まれる酸素の濃度を電気的に検出する。
【００１９】
この酸素濃度センサ３５からの検出値は、ＥＣＵ７０に出力される。ＥＣＵ７０は、この検出値に基づいて、酸素濃度がリッチかリーンかを判断し、触媒コンバータ４０の浄化能力を引き出す最適な空燃比が得られるように、燃料噴射量を計算する。そして、この燃料噴射量を実現するように、燃料噴射装置等に指令を出す。こうして様々な運転状態に対応した排気の浄化が行なわれている。
【００２０】
こうした排気系システムに採用された酸素濃度センサ３５の取付構造について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の第１実施例における酸素濃度センサ３５の取付部付近を拡大した断面模式図である。図示するように、拡張配管３０は直径Ｄの鋼管配管であり、上流側の直径ｄの排気管２０と、下流側の配管４５とそれぞれ接続されている。この拡張配管３０は、排気管２０との接続位置から下流側へ所定距離Ｌの位置で、拡張配管３０の上面側に酸素濃度センサ３５を設けている。なお、拡張配管３０の直径Ｄは、排気管２０の直系ｄの約１．４倍で、断面積比は約２倍となっている。
【００２１】
この拡張配管３０を設けた排気系システムでは、エンジン１０からの排気は、排気管２０を通過して拡張配管３０へ流入する際、急激な断面積変化の影響を受け、排気流速を低下させる。拡張配管３０内での排気流速自体を低下する結果、排気流速の単位時間当たりの変化量（つまり、加速度）も低減する。こうして流速が低下した排気は、触媒コンバータ４０を経て、マフラ５０から外部へ排出される。
【００２２】
一般的に、図４に示すように、排気流速の加速度が低下すると、凝縮水は飛散し難い傾向にあり、酸素濃度センサ３５が被水する可能性は低くなる。定速走行時などの定常時には、排気の速度変化が少ない（加速度が小さい）状態となり、排気は排気管内を定常状態で流れる。そのため、凝縮水が巻き上げられ、飛散する可能性は低い。他方、エンジン１０の始動時や車両の加速時などの過渡時には、排気の速度変化が大きい（加速度が大きい）状態となり、排気は排気管内を乱れた状態で流れる。そのため、凝縮水が巻き上げられ、飛散する可能性は高い。例えば、加速のためアクセルを急激に踏み込んだ場合には、凝縮水が飛散する可能性が高くなる。つまり、排気管内に滞留する凝縮水が飛散するか否かは、排気流速の加速度に依存することとなる。
【００２３】
本実施例では、拡張配管３０を設け、排気流速の加速度を低減した箇所に、酸素濃度センサ３５を取付けた。したがって、排気管２０に凝縮水が滞留したとしても、エンジン１０からの排気によって拡張配管３０内で凝縮水が飛び散ることはほとんどなく、酸素濃度センサ３５が凝縮水を被水する可能性もほとんどない。
【００２４】
よって、エンジン１０の低温始動時に、排気に含まれる水蒸気が排気管２０で冷却されて発生する凝縮水が飛散して、ヒータ３８で加熱された検出素子３７にかかり、測定精度に影響を及ぼすことはない。つまり、酸素濃度センサ３５の測定精度、耐久性を維持することができ、触媒の浄化性能を充分に引き出すことができる。
【００２５】
なお、本実施例では、排気管２０に発生した凝縮水の飛散について説明したが、拡張配管３０の床部分に凝縮水が発生した場合についても同様である。つまり、断面積が急増する拡張配管３０では、排気流速が低下するため、床部分の凝縮水が巻き上げられて飛散することはほとんどない。また、本実施例では、拡張配管３０の断面積を排気管２０の断面積の約２倍としたが、これに限らず、所定量の凝縮水を想定し、その凝縮水が飛散しない排気流速から拡張配管３０の断面積を求めるものとしても良い。
【００２６】
次に本発明の第２実施例について説明する。図５は、本発明の第２実施例としての酸素濃度センサ３５の取付部付近の拡大図である。この酸素濃度センサ３５の取付構造を採用した排気系システムの全体構造は図１とほぼ同様であり、排気管２０から配管５５までの間の排気系構造のみ異なる。即ち、第２実施例の排気系システムは、排気管２０に直接、接続した触媒コンバータ８０に、酸素濃度センサ３５を取付けた構造である。したがって、この触媒コンバータ８０以外は、符号を同一とし、説明を省略する。なお、便宜上、触媒コンバータ８０は、排気を浄化する三元触媒９０と、三元触媒９０を収容するケース９５とからなるものとして説明する。
【００２７】
図５に示すように、この酸素濃度センサ３５を取付けた触媒コンバータ８０のケース９５は、第１実施例の拡張配管３０と同様、排気管２０に比べて大きい断面積を有し、上流の排気管２０側に三元触媒９０を配置し、三元触媒９０の下流でケース９５の上面側に酸素濃度センサ３５を取付けた構造である。すなわち、本実施例では、触媒コンバータ８０のケース９５が、第１実施例の拡張配管３０を兼用している。
【００２８】
この触媒コンバータ８０を設けた排気系システムでは、エンジン１０からの排気は、排気管２０を通過して触媒コンバータ８０へ流入する際、排気流速を低下させる。つまり、触媒コンバータ８０の構造は、第１実施例の拡張配管３０の機能を有する。この低速の排気と共に、排気管２０に発生した凝縮水は触媒コンバータ８０内を通過する。この過程で、凝縮水の水量は三元触媒９０によって低減される。三元触媒９０を通過した排気は、酸素濃度センサ３５の取付位置を通過し、配管５５を経て、マフラ５０から排出される。
【００２９】
こうしたセンサの取付構造を採用することで、第１実施例同様、排気流速の低下により凝縮水が飛散し難いのに加えて、三元触媒９０により、飛散した凝縮水の一部を取り除くことができる。したがって、酸素濃度センサ３５の被水対策に効果を奏する。また、既存の触媒コンバータに酸素濃度センサ３５を設ければ良いため、構造が簡素化され、容易にシステムを構築することができる。
【００３０】
なお、エンジン１０の暖機により、三元触媒９０部分は、排気管２０，配管５５に比べて高温となり易い。そのため三元触媒９０付近に付着した凝縮水は、蒸発し易く、滞留し難い。また、エンジン１０停止後、三元触媒９０に付着した凝縮水は、徐々に触媒コンバータ８０の床部分へ流れる。したがって、こうした触媒コンバータ８０付近の凝縮水によりセンサが被水することはほとんどない。
【００３１】
この第２実施例の酸素濃度センサ３５の取付構造は、触媒コンバータを２つ配置したタンデム型の排気系システムにも応用できる。図６は、タンデム型の触媒コンバータの排気系システムに採用した酸素濃度センサ３５の取付部付近の拡大模式図である。図示するように、第２実施例の触媒コンバータ８０に替えて、２つの三元触媒９１，９２を備えた触媒コンバータ８５を設け、上流の三元触媒９１と下流の三元触媒９２との間に酸素濃度センサ３５を取付ける構造である。こうしたセンサの取付構造を採用することで、酸素濃度センサ３５は三元触媒９１，９２に保護され、凝縮水を被水することはほとんどない。
【００３２】
なお、第１実施例および第２実施例では、ヒータ３８付きの酸素濃度センサ３５を用いて説明したが、これ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のセンサを用いるものとしても良い。こうしたセンサの取付構造を採用することで、センサの被水防止に効果を奏する。もとより、ヒータ３８などによる加熱型のセンサでなくても良い。加熱型でないセンサに対しても、被水対策を施すことで測定精度を向上することができる。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例では、酸素濃度センサ３５を拡張配管３０，触媒コンバータ８０，８５などの上面に設ける構造としたが、床部分よりも高い位置であれば、どのような角度に設けるものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のセンサの取付構造を採用した自動車の排気系の概略構成図である。
【図２】本実施例の酸素濃度センサの構造を示す説明図である。
【図３】本発明の第１実施例における酸素濃度センサの取付部付近を拡大した断面模式図である。
【図４】排気流速の加速度と凝縮水量との関係を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施例における酸素濃度センサの取付部付近を拡大した断面模式図である。
【図６】タンデム型触媒コンバータを用いた排気系における酸素濃度センサの取付部付近を拡大した断面模式図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０...エンジン
２０...排気管
３０...拡張配管
３５...酸素濃度センサ
３６...ハウジング
３７...検出素子
３８...ヒータ
３９...素子カバー
４０，８０，８５...触媒コンバータ
４５，５５...配管
５０...マフラ
７０...ＥＣＵ
９０，９１，９２...三元触媒
９５...ケース
３７１...固体電解質
３７２...白金電極
３９１...スリット
【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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