JPH09145668A - 酸素濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関の排気管内に排気ガス流通孔を形成
したカバー体で覆った酸素濃度検出部を突出せしめて高
温下で作動させる酸素濃度検出装置において、排気ガス
流通孔が排気ガス中のススで目詰まりするのを防止する
ことである。 【解決手段】 カバー体５Ａを内側から第１、第２、第
３のカバー体５１，５２，５３で内外三重に構成し、第
３のカバー体５３の第３の排気ガス流通孔５３１は第２
のカバー体５２の第２の排気ガス流通孔５２１に対向す
る位置に、これをラッパ形状に形成するとともに開口端
を第２の排気ガス流通孔５２１よりも大径としてススに
よる目詰まりを抑え、上記開口端を第２の排気ガス流通
孔５２１まわりに近接せしめて第２のカバー体５２と第
３のカバー体５３の間を実質的に閉塞して第２のカバー
体５２の排気ガスによる奪熱を抑えて第２の排気ガス流
通孔５２１のススによる目詰まりを抑える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は酸素濃度検出装置に関
し、特に内燃機関の排気管に配設されて内燃機関から排
出される排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気管に酸素濃度検出装置を
配設して排気ガス中の酸素濃度を検出して空気燃料比を
フィードバック制御することが行われている。

【０００３】酸素濃度検出装置は、図４に示すように内
燃機関の排気管７壁に貫通して設けられた略筒状のハウ
ジング９１に酸素濃度検出素子９２が挿通され、排気管
７内に突出している先端部が酸素濃度検出部９３となっ
ており、基部が排気管７壁外に設けられたケーシング９
４内に収納されている。酸素濃度検出部９３はセンシン
グセル９３１とその保護層９３２とからなり、センシン
グセル９３１は一方の面が排気ガスに接触し、他方の面
が基準ガス（大気）と接触するようにしたＺrＯ2 等の
固体電解質層を備えており、被検出ガスとなる排気ガス
と基準ガスの酸素濃度の差に応じて上記２つの面の間に
起電力が発生するようになっている。発生した起電力は
ケーシング９４の上端に設けられたリード端子９７から
取り出すようになっている。

【０００４】酸素濃度検出部９３はステンレス等の材質
のカバー体９４，９５で覆われており、その周壁に形成
された排気ガス流通孔９４１，９５１を排気ガスが流通
するようになっている。また酸素濃度検出部９３は、セ
ンシングセル９３１に内蔵されたヒータで排気ガスより
も高温に加熱されるともに、上記カバー体９４，９５を
内外二重とすることにより断熱効果を高めることにより
高温に保持され、酸素濃度の検出感度を高めるようにな
っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記酸素濃度
検出装置では、カバー体９４，９５を内外二重としてい
るために酸素濃度検出部９３からの輻射熱が外側のカバ
ー体９５には到らず、排気ガス流れにさらされている外
側のカバー体９５の温度は低くなっている。

【０００６】この種のカバー体では、温度が低いほど排
気ガス中に含まれるススが付着、堆積しやすいことは知
られており、かかる酸素濃度検出装置を、ガソリンエン
ジンに比べて排気ガスにススの量が多く含まれているデ
ィーゼルエンジンに装着した場合、温度が低くススが付
着しやすくなっている外側のカバー体９５の排気ガス流
通孔９５１が排気ガス中のススで目詰まりする。これに
より排気ガスの流通が悪くなり検出応答が遅れるという
問題がある。排気ガス流通孔９５１で目詰まりしないよ
うに排気ガス流通孔９５１を広げると酸素濃度検出部９
３への排気ガスの流入量が増加して酸素濃度検出部９
３、内側のカバー体９４が冷却されやすく、上記ヒータ
の負担が大きくなる。実開平６−７４９６０号公報記載
の酸素センサのように、内側のカバー体の表面には外側
のカバー体の排気ガス流通孔に対向する位置にススを捕
捉するトラップ層を形成したものがあるが、内側のカバ
ー体の排気ガス流通孔や酸素濃度検出部の上記保護層で
の目詰まりを防止するには効果があるものの、低温でス
スが付着、堆積しやすい外側のカバー体の排気ガス流通
孔へのススの付着を低減することはできない。

【０００７】そこで本発明では排気ガスの流通が良好
で、しかもヒータの負担が軽くてすむ酸素濃度検出装置
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、図１に示す
ように内燃機関の排気管７内に突出する酸素濃度検出部
２をヒータ加熱により高温下で作動せしめるようになし
た酸素濃度検出装置において、酸素濃度検出部２を覆い
多数の排気ガス流通孔を有するカバー体５Ａを内外三重
に構成し、最も内側の第１のカバー体５１の排気ガス流
通孔５１１と、上記第１のカバー体５１の周囲に設けら
れた第２のカバー体５２の排気ガス流通孔５２１とを互
いに対向しない位置に形成し、第２のカバー体５２の排
気ガス流通孔５２１と、第２のカバー体５２の周囲に設
けられた第３のカバー体５３の排気ガス流通孔５３１と
を互いに対向する位置に形成し、排気ガス流通孔５３１
は、排気ガス流通孔５２１よりも大径として、かつ排気
ガス流通孔５２１側の開口端を排気ガス流通孔５２１ま
わりに近接して位置せしめて第２のカバー体５２の外周
囲と第３のカバー体５３の内周囲との間に空間Ｓを形成
する構造とした（請求項１）。

【０００９】温度が低い最外周の第３のカバー体５３の
排気ガス流通孔５３１を排気ガス流通孔５２１より大径
としたことで排気ガス中のススの付着を少なくできる。
排気ガス流通孔５３１の開口端が排気ガス流通孔５２１
まわりに近接しているから、上記空間Ｓは実質的に閉塞
して排気ガスの流入が抑えられ、第３のカバー体５３の
排気ガス流通孔５３１から入った排気ガスの大部分は直
接に第２のカバー体５２の排気ガス流通孔５２１に入
る。しかして第２のカバー体５２の奪熱が防止されて高
温に保持され排気ガス流通孔５２１でのスス付着は少な
い。また、第２および第１のカバー体５２，５１の排気
ガス流通孔５２１，５１１は交互位置にあるから低温の
排気ガスが直接的に酸素濃度検出部２に吹きつけられる
ことはない。

【００１０】また本発明では、図２に示すように酸素濃
度検出部２を覆うカバー体５Ｂを二重に構成し、内側の
カバー体５４には多数の排気ガス流通孔５４１を形成
し、外側のカバー体５５には排気管７内の排気ガス流れ
の上流側に開口部５５１を形成するとともに、排気ガス
流れの下流側に開口部５５１よりも開口面積の小さい排
気ガス排出口５５２を形成し、かつ開口部５５１の内側
には内側のカバー体５４の開口部５５１との対向部を覆
うカバー板５６を配設した（請求項２）。

【００１１】外側のカバー体５５の開口部５５１から入
った多量の排気ガスは排気ガス排出口５５２で流出量が
絞られて流速を速められるから排気ガス排出口５５２へ
のススの付着が防止される。また開口部５５１から流入
する排気ガスが内側のカバー体５４に直接当たって内側
のカバー体５４が奪熱するのをおさえるようにした。

【００１２】また本発明では、図３に示すように、カバ
ー体５Ｃを構成するカバー体５７，５８のハウジング４
１側に、ハウジング４１の端縁に沿ってスリット状の長
孔５７２，５８２を形成した（請求項３）。カバー体５
７，５８からハウジング４１へと逃げる熱の経路が長孔
５７２，５８２で遮断されるから、カバー体５７，５８
の冷却が防止される。

【００１３】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）図１は本発明の第１の酸素濃度検出装
置を示すもので、内燃機関の排気管７壁に貫通して上端
にフランジ４３を溶接、固定したハウジング４１が設け
てあり、ハウジング４１はフランジ４３を介して排気管
７壁と図略のボルトで結合している。ハウジング４１に
は貫通孔４２が形成され、そこに酸素濃度検出素子１の
先端閉鎖の筒状部材３１が挿通してある。筒状部材３１
は、先端部が排気管７内に突出し、基部が排気管７の外
側に設けられたケーシング６１内に収納されており、そ
の中空部１１０が基端で大気と連通している。また筒状
部材３１は、ハウジング４１、ケーシング６１に内挿し
た中空の円筒形のホールド部材６３，６４，６５で保持
されている。

【００１４】筒状部材３１の先端部の周壁の一部にはセ
ンシングセル２１が形成してある。センシングセル２１
は板状に成形したＺr Ｏ2 等の材質の固体電解質に多孔
質の白金等の電極を表裏それぞれの面に形成したもの
で、その表面には耐熱性セラミック材料よりなる多孔質
の保護層２２が形成されて酸素濃度検出部２をなしてい
る。上記電極の一方は排気管７内に面しており、被測定
ガスである排気ガスが保護層２２を通ってセンシングセ
ル２１に到り、センシングセル２１の上記白金電極を通
って上記固体電解質に到るようになっている。また上記
電極の他方は筒状部材３１の中空部に対向しており、大
気が多孔質の白金電極を通って固体電解質に到るように
なっている。すなわちセンシングセル２１は排気ガスと
大気との間における酸素分圧の濃淡により上記電極間に
起電力を発生する電池として作用する。

【００１５】筒状部材３１の表面に形成した図略の縦溝
に沿ってリード線が配してあり一端で上記電極と接続
し、他端３２でリードコネクション３３に延びている。
リードコネクション３３では上記リード線の他端３２
と、先端がケーシング６１外へ突出した端子３４とが導
通するようにしてある。リードコネクション３３はケー
シング６１に内挿した保持部材６６に貫通、保持され、
端子３４はケーシング６１に内挿した保持部材６７に貫
通、保持されている。

【００１６】また筒状部材３１とハウジング４１との間
隙にパッキング６２が設けてあり、排気管７内外の間の
気密を保持するようになっている。

【００１７】またセンシングセル２１にはヒータ１２０
が内蔵してあり、端子３４とは別の図略の端子から筒状
部材３１の上記縦溝に沿って配したリード線で給電する
ようになっており、酸素濃度検出部２全体を加熱するよ
うになっている。

【００１８】ハウジング４１の排気管７内側にはステン
レス等の材質のカバーユニット５Ａが嵌合してあり、酸
素濃度検出部２の周囲を覆っている。カバーユニット５
Ａは有底の略円筒状のカバー体５１，５２，５３を内外
三重に構成したもので、基部側で一体に溶接されてい
る。酸素濃度検出部２に最も近接して設けられた第１の
カバー体５１の周壁には多数の排気ガス流通孔５１１が
軸対称位置に形成してある。第１のカバー体５１の周囲
に設けられた第２のカバー体５２には排気ガス流通孔５
１１に対向しない位置に排気ガス流通孔５１１と略同径
の排気ガス流通孔５２１が形成してある。最外周の第３
のカバー体５３には上記排気ガス流通孔５２１に対向し
て排気ガス流通孔５３１が形成してある。排気ガス流通
孔５３１は孔まわりがラッパ状に曲成され、排気ガス流
通孔５２１と対向する開口端は排気ガス流通孔５２１よ
りも若干大径としてある。排気ガス流通孔５３１は、そ
の開口端が排気ガス流通孔５２１のまわりで第２のカバ
ー体５２に近接せしめてあり、第３のカバー体５３と第
２のカバー体５２で囲まれた空間Ｓは実質的に閉塞して
いる。

【００１９】上記酸素濃度検出装置の作動を説明する。
排気管７を流れる排気ガスがカバー体５１，５２，５３
の各排気ガス流通孔５１１，５２１、５３１を順に通っ
て酸素濃度検出部２に流入し、保護層２２を通ってセン
シングセル２１に到り、センシングセル２１の電極間
に、大気との酸素濃度差に応じた起電力を発生させる。
起電力は酸素濃度検出信号として上記リード線を介して
端子３４に出力する。

【００２０】上記ヒータ１２０が酸素濃度検出部２を高
温に保持し検出感度を高めるとともに、酸素濃度検出部
２からの輻射熱で第１のカバー体５１を加熱する。また
第２のカバー体５２は第１のカバー体５１からの輻射熱
で加熱されている。第３のカバー体５３は第２のカバー
体５２からの輻射熱で加熱されるが、それ以上にその表
面に当たる排気ガスの流れにより奪熱される。

【００２１】排気ガスは第３のカバー体５３の排気ガス
流通孔５３１の周りからテーパ面に沿ってその開口端に
向かって流入する。排気ガス流通孔５３１は他のカバー
体５１，５２の排気ガス流通孔５１１，５２１に比べて
大径であるため、ススの付着が低減できる。

【００２２】第２のカバー体５２と第３のカバー体５３
で囲まれた空間Ｓは実質的に閉塞しているから、排気ガ
スの上記空間Ｓへの流入は抑えられ第２のカバー体５２
の奪熱が少なく、第２のカバー体５２は第１のカバー体
５１からの輻射熱で効果的に高温に保持される。しかし
て排気ガス流通孔５２１がススにより目詰まりすること
はなく、排気ガスが良好に排気ガス流通孔５２１を流通
する。

【００２３】第１のカバー体５１は酸素濃度検出部２か
らの輻射熱により効果的に高温に保持される。しかして
排気ガス流通孔５１１がススにより目詰まりすることな
く、排気ガスが良好に排気ガス流通孔５１１を流入し、
酸素濃度検出部２の保護層２２に達する。また排気ガス
流通孔５１１と排気ガス流通孔５２１とは互いに対向す
る位置にないので排気ガス流通孔５３１から排気ガス流
通孔５２１を通って流入した排気ガスが直接酸素濃度検
出部２に当たることはなく、酸素濃度検出部２での排気
ガスによる奪熱は抑えられる。

【００２４】（第２実施形態）本発明の第２の酸素濃度
検出装置の要部を図２に示す。図１の酸素濃度検出装置
のカバー体を別のカバー体に変えたもので、相違点を中
心に説明する。酸素濃度検出装置のハウジング４１に嵌
合したカバーユニット５Ｂは略円筒状のカバー体５４，
５５を内外二重に構成したもので、基部側で一体に溶接
されている。内側のカバー体５４は有底の円筒状で、そ
の周壁に多数の排気ガス流通孔５４１が軸対称位置に、
排気ガス流れの上流側と下流側とに分配して形成してあ
る。外側のカバー体５５は断面が楕円の有底の円筒で、
排気ガス流れの上流側に内側のカバー体５４の径とほぼ
同じ幅で先端から基部までが開口する開口部たる排気ガ
ス導入口５５１が形成してあり、下流側に排気ガス流通
孔５４１よりやや大径の複数の排気ガス排出口５５２が
縦に一列に形成してある。また排気ガス導入口５５１に
対向して、内側のカバー体５４の周壁に沿うように曲げ
加工した衝立状のカバー板５６が設けてある。カバー板
５６の外形は外側のカバー体５５の排気ガス導入口５５
１の開口端形状とほぼ同じである。内側のカバー体５４
とカバー板５６とは基部側で外側のカバー体５５と溶接
されている（図略）。

【００２５】上記酸素濃度検出装置の作動を説明する。
排気ガス流れの上流から外側のカバー体５５の排気ガス
導入口５５１から流入した排気ガスはカバー板５６で左
右に分かれて内側のカバー体５４と外側のカバー体５５
の間の空間を下流側に向かって流れ、一部は内側のカバ
ー体５４の排気ガス流れの上流側に形成した排気ガス流
通孔５４１から内側のカバー体５４内に入って酸素濃度
検出部２に到り、排気ガス流れの下流側に形成した排気
ガス流通孔５４１から内側のカバー体５４外へ出る。そ
して内側のカバー体５４内に入らずに内外のカバー体５
４，５５間を流れる排気ガスと合流して外側のカバー体
５５の排気ガス排出口５５１から排出される。

【００２６】上記酸素濃度検出装置では排気ガス導入口
５５１の開口面積は排気ガス排出口５５２の開口面積の
総計より遙かに大きいから、排気ガスは排気ガス排出口
５５２から噴出するように急速に流れ、排気ガス排出口
５５２のまわりに存在するススに排気ガスによりせん断
力が作用しススの付着を低減することができる。また排
気ガス導入口５５１では開口が大きいためススにより目
詰まりが生じることはない。そしてカバー板５６が排気
ガス導入口５５１から流入する排気ガスを左右に案内す
るから、内側のカバー体５４には排気ガス流れが直接当
たらず、内側のカバー体５４が排気ガスにより奪熱する
のを抑えることができる。

【００２７】（第３実施形態）本発明の第３の酸素濃度
検出装置の要部を図３に示す。図１の酸素濃度検出装置
のカバー体を別のカバー体に変えたもので、相違点を中
心に説明する。酸素濃度検出装置のハウジング４１に嵌
合したカバーユニット５Ｃは略円筒状のカバー体５７，
５８を内外二重に構成したもので、基部側で一体に溶接
されている（図略）。それぞれのカバー体５７，５８に
は排気ガス流通孔５７１，５８１が形成してあり、排気
ガスが流通可能になっている。カバー体５７，５８には
ハウジング４１側の端縁に沿って複数のスリット状の長
孔５７２，５８２が形成してある。

【００２８】ハウジング４１は排気管７壁の外側でほぼ
常温の外気と接しているから、カバー体５Ｃとハウジン
グ４１の間にはカバー体５Ｃ側が高い温度勾配がある。
そこで上記長孔５７２，５８２を形成してカバー体５
７，５８からハウジング４１側に向かう伝熱断面積を小
さくしたことにより熱伝導が抑えられ、カバー体５７，
５８とハウジング４１の間の断熱効果を奏する。しかし
て内側のカバー体５７ではカバー体５７からハウジング
４１へ逸散する熱が抑えられ、酸素濃度検出部２からの
輻射熱により効果的に加熱され高温に保持される。外側
のカバー体５８ではカバー体５８からハウジング４１へ
逸散する熱が抑えられるとともに、高温に保持されてい
る内側のカバー体５７からの輻射熱を受けることによ
り、外側のカバー体５８も高温に保持される。したがっ
て排気ガス流通孔５７１，５８１にススが付着するのを
低減することができる。

【００２９】なお排気管７内の径方向の温度分布は外気
と接している排気管７壁の近傍で遷移層を形成し、排気
管７壁の近傍が排気管７の中央より低くなっている。長
孔５７２，５８２は上記遷移層より排気管７の中央側に
位置せしめるのがよい。

【００３０】また固体電解質をチューブ状に形成し、こ
の内側に棒状のヒータを配設した構成の酸素濃度検出部
にも本発明を適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の酸素濃度検出装置の全体断面
図であり、（Ｂ）は（Ａ）のIＢ−I Ｂ線に沿う断面図
である。

【図２】（Ａ）は本発明の別の酸素濃度検出装置の要部
斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）のIIＢ−IIＢ線に沿う断
面図である。

【図３】（Ａ）は本発明のさらに別の酸素濃度検出装置
の要部の一部断面側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のIII
Ｂ−III Ｂ線に沿う断面図である。

【図４】従来の酸素濃度検出装置の一部断面側面図であ
る。

【符号の説明】

１ 酸素濃度検出素子 ２ 酸素濃度検出部 ４１ ハウジング ５Ａ，５Ｂ，５Ｃ カバーユニット（カバー体） ５１，５２，５３，５４，５５，５７，５８ カバー体 ５１１，５２１，５３１，５４１，５７１，５８１ 排
気ガス流通孔 ５５１ 排気ガス導入口（開口部） ５５２ 排気ガス排出口 ５６ カバー板 ５７２、５８２ 長孔 ７ 排気管 Ｓ 空間

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の排気管壁に貫通して設けられ
   たハウジングに、酸素濃度検出素子を挿通してその酸素
   濃度検出部を排気管内に突出せしめ、上記酸素濃度検出
   部を上記排気ガス流通可能にカバー体で被覆するととも
   に上記酸素濃度検出部をヒータで加熱して高温下で上記
   酸素濃度検出部を作動せしめるようになした酸素濃度検
   出装置において、上記カバー体を内外三重に構成し、最
   も内側の第１のカバー体に多数の排気ガス流通孔を形成
   し、上記第１のカバー体の周囲に設けた第２のカバー体
   に、上記第１のカバー体の排気ガス流通孔と対向しない
   位置に排気ガス流通孔を形成し、上記第２のカバー体の
   周囲に設けられた第３のカバー体に、第２のカバー体の
   排気ガス流通孔に対向して排気ガス流通孔を形成し、該
   排気ガス流通孔は、上記第２のカバー体の排気ガス流通
   孔よりも大径となし、かつ上記第３のカバー体の排気ガ
   ス流通孔の上記第２のカバー体の排気ガス流通孔側にお
   ける開口端を上記第２のカバー体の排気ガス流通孔周り
   に近接して位置せしめることにより、上記第２のカバー
   体の外周囲と上記第３のカバー体の内周囲との間に空間
   を形成したことを特徴とする酸素濃度検出装置。
2. 【請求項２】 内燃機関の排気管壁に貫通して設けられ
   たハウジングに、酸素濃度検出素子を挿通してその酸素
   濃度検出部を排気管内に突出せしめ、上記酸素濃度検出
   部を上記排気ガス流通可能にカバー体で被覆するととも
   に上記酸素濃度検出部をヒータで加熱して高温下で上記
   酸素濃度検出部を作動せしめるようになした酸素濃度検
   出装置において、上記カバー体を二重に構成し、内側の
   カバー体に多数の排気ガス流通孔を形成し、かつ外側の
   カバー体には上記排気管内の排気ガス流れの上流に排気
   ガスを導入する開口部を形成するとともに、排気ガス流
   れの下流に開口面積が上記開口部よりも小さい排気ガス
   排出口を形成し、かつ上記開口部の内側には上記内側の
   カバー体の上記開口部との対向部を覆うカバー板を配設
   したことを特徴とする酸素濃度検出装置。
3. 【請求項３】 内燃機関の排気管壁に貫通して設けられ
   たハウジングに、酸素濃度検出素子を挿通してその酸素
   濃度検出部を排気管内に突出せしめ、上記酸素濃度検出
   部を上記排気ガス流通可能にカバー体で被覆するととも
   に上記酸素濃度検出部をヒータで加熱して高温下で上記
   酸素濃度検出部を作動せしめるようになした酸素濃度検
   出装置において、上記カバー体の周壁の上記ハウジング
   側に、上記ハウジングの排気管側の端縁に沿ってスリッ
   ト状の長孔を形成したことを特徴とする酸素濃度検出装
   置。