JPS63168550A - 空燃比測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は酸素濃度センサを用いて内燃機関の排気ガス用
の残留酸素濃度を検出することにより、燃焼用混合気の
空燃比を測定する装置に関するものである。

〔従来の技術〕

内燃機関の性能試験や診断においては、シリンダ内に供
給される燃焼用混合気の空燃比を測定することが必要で
ある。従来、空燃比の測定は排気系に配置された酸素濃
度センサを用いて排気ガス中の残留酸素濃度を検出する
ことにより行うことが知られている６例えば特開昭５９
−２１１８４０号公報に開示された空燃比測定装置にお
いては、エンジンの排気系から採取した排気ガスに外界
から取入れた新鮮な空気を所定割合で混合することによ
り既知層の酸素を添加し、この混合ガスを酸化触媒装置
に送って排気ガス中の未燃焼成分を完全燃焼させた後混
合ガス中の残留酸素濃度を検出し、この検出された残留
酸素濃度を所定の計算式に代入して計算し燃焼用混合気
の空燃比を求めるようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のような、酸素濃度センサを用いる空燃比測定装置
において、その測定精度を上げるには、酸素濃度センサ
の温度を一定に保つ必要があるが、このセンサの周りを
囲む壁面の温度の変化によりセンサ温度が影響を受け、
測定精度が低下するという問題がある。

また酸素濃度センサの出力安定化のためにはセンサ温度
を約７００℃の高温に維持する必要があるが、従来の装
置ではその放熱損失を低減するために大きな厚さの断熱
材を要し、そのため空燃比測定装置が大型化しこれが車
輌搭載上の障害となるという問題がある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記の間π点を、酸素濃度センサの周囲に排気
ガスの熱を利用した保温、排熱回収及び熱交換の手段を
施すことにより解決する。すなわち上記問題点を解決す
るための本発明の構成は、排気ガス中に新鮮な空気を混
合しこの混合ガスの完全燃焼後の残留酸素濃度を検出す
る空燃比測定装置において、酸素濃度センサの周りを前
記混合ガスが通過する環状通路からなる２重壁にて取巻
き、この２重壁の外周に前記混合ガスが通過する円筒状
の排熱回収器を配置し、さらにこの排熱回収器の外周に
前記排気ガス通路と前記新鮮空気の通路とを相互に近接
配置した熱交換器を配置したことを特徴とするものであ
る。

〔作　用〕

上記構成からなる本発明においては、排気ガスと外界か
ら取入れられた新鮮空気とは熱交換器により熱交換され
て均一温度となって混合され、この混合ガスが触媒を介
して完全燃焼した後酸素濃度センサにより混合ガス中の
残留酸素濃度が検出され、この検出された残留酸素濃度
に基づき燃焼用混合気の空燃比が算出される。酸素濃度
センサを通過した高温の混合ガスはこのセンサ周りの２
重壁内を通過してこれを保温した後、排熱回収器を流れ
ながらその外周の熱交換器中を流れる排気ガスと新鮮空
気とを加熱し、その後外部に排出される。このようにし
て、酸素濃度センサの周りの温度は一定に保たれかつこ
のセンサの温度も高温に維持され、そのためセンサの測
定精度が向上し、その出力が安定化される。

〔実施例〕

本発明の実施例について図面を参照して以下に説明する
。

第１図は本発明の第１の実施例を示すもので、空燃比測
定装置は、検出ユニット１９、バッテリ１６、ヒータコ
ントローラ１５、空燃比演算表示装置１４、圧力計１３
で構成される。検出ユニット１９は機関排気系のテール
パイプ１７にクランプ１８により固定されたハウジング
１０を有し、このハウジング１０内には断熱材詰物１１
を介してステンレス製ブロック１が保持されている。ブ
ロック１内には、相互に近接し、２重らせんをなすよう
交互に配置された排気ガスの通路１０１および新鮮な空
気の通路１０２、混合ｔｌ！ｌ構１０５、撹拌機構１０
０、二重壁の保温用管１０３および排熱回収器１０４が
形成されている。

排気ガス通路１０１および空気通路１０２は、夫々排気
ガス採取管８および空気取入管９に接続されている。排
気ガス採取管８の上流端８３はテールパイプ１７中に挿
入しており、上流端８３には動圧用ボート８１と静圧用
ボート８２が設けである。

空気取入管９の上流管９３には大気に開口した空気取入
ボート９２が設けである。空気取入管９の中間部９１は
Ｕ字形に弯曲させてあり、テールパイプ１７内に延長し
ている。

排気ガス通路１０１と空気通路１０２とは２重らせんを
なし、熱交換器を形成している。

混合機構１０５は排気ガス計量オリフィス４と空気計量
オリフィス５を有する。

混合ガス通路１０７内には、電熱ヒータ３、触媒コンバ
ータ６、熱電対７、および酸素濃度センサ２が配置され
ている。

混合ガス通路１０７には撹拌機ｔＲ１００が設けである
。

この撹拌機構１００は、混合ガス流路の向きを１８０°
、複数回変化させ、かつその向きの変化時に流路の急縮
小、急拡大をなすｍ造を有している。

２重壁管１０３及び排熱回収器１０４は、混合ガス通路
１０７を順次囲む位置に配置されている。排熱回収器１
０４は、２重円筒状通路の軸方向に複数枚のフィンが形
成され、排熱回収器１０４を囲む２重らせん流路１０１
　、１０２との間で、対向流形式の熱交換器を形成する
。

排熱回収器１０４下流端は、排出管２０に接続する。排
出管２０は真空ポンプ１２に接続する。

検出ユニット１９は、排気系から排気ガスを採取し、採
取した排気ガスに所定割合で新鮮な空気を混合して酸素
と添加し、この混合ガスを酸化させて未燃焼成分を完全
燃焼させ、混合ガス中の残留酸素濃度を検出することに
より、燃焼用混合気の空燃比に応じたアナログ信号を空
燃比演算表示装置１４に出力する。

テールパイプ１７内を流れる排気ガスの一部は、排気ガ
ス採取管８の上流端８３より採取される。

このとき、テールパイプ１７内を流れる排気ガスの動圧
と静圧を相殺し、はぼ大気圧の排気ガスを採取管８内に
導入するため、採取管上流端８３には動圧用ボート８１
と静圧用ボート８２が設けである。

空気取入管９の上流管９３より取入れられた空気は、空
気取入管中間部９１にて、テールパイプ１７内を流れる
排気ガスの熱により予熱される。

２重らせんをなす排気ガス通路１０１と空気通路１０２
を流れる採取排気ガスと新鮮空気は、２重らせんを形成
する隔壁を通じて互いに熱交換し、両者の温度は均一化
されると同時に、排熱回収器１０４との間で熱交換し、
予熱される。

真空ポンプ１２の様な吸引手段により混合室１０６に負
圧を作用させると、採取排気ガスおよび空気はそれぞれ
採取管８および空気取入管９内に吸い込まれ、通路１０
１　、１０２を経てほぼ大気圧でオリフィス４．５に到
達し、オリフィスで計量されながら所定の流量で混合室
１０６に流入し混合される。

混合ガス通路１０７内に設けられた熱電対７の出力はヒ
ータコントローラ１５に入力される。このヒータコント
ローラ１５は熱電対７で検出した混合ガスの温度を酸素
濃度センサ２の活性化温度範囲に側御する。触媒コンバ
ータ６は多孔質セラミックからなる担体に白金等の酸化
触媒を担持させた公知のもので、混合ガス中の未燃焼成
分を完全燃焼させるものである。酸素濃度センサ２はジ
ルコニア素子から成る公知の型式のもので、混合ガス中
の残留酸素濃度に比例したアナログ信号を空燃比演算表
示装置１４に出力する０周知の様に酸素濃度センサ２は
電熱ヒータ（図示せず）を内蔵しており、ヒータコント
ローラ１５により一定出力に制御される。

撹拌機構１００は混合ガスを十分撹拌し、混合ガスの混
合むらをなくし酸素濃度センサ２の出力精度を向上させ
ると同時に、混合ガスの温度むらをなくし熱電対７の出
力精度を向上させる。

２重壁管１０３は、その内壁内を混合ガスが通過後、さ
らにその外側を流れるよう環状の通路を有する構造であ
り、混合ガスの保温効果により２重壁管１０３の温度変
化を減少させ、周囲壁面温度の影響を大きく受ける酸素
濃度センサ２の出力精度を向上させている。

排熱回収器１０４は、２重壁管１０３の外側に位置し、
２重壁管１０３を通過した混合ガスは排熱回収器１０４
に流入し、排熱回収器１０４の外側に位置する２重らせ
ん流路１０１　、１０２を流れる採取排気ガスおよび空
気を予熱する。ここで、温度の最も高い酸素濃度センサ
２を中心に、外側へ向って順次温度の低い２重壁管１０
３、排熱回収器１０４．２重らせん流路１０１　、１０
２を配置することにより、放熱損失を低減している。

排出管２０内の絶対圧力は圧力計１３により計測され、
その出力は空燃比演算表示装置１４に入力される。空燃
比演算表示装置１４はマイクロコンピュータを含んで成
り、酸素濃度センサ２からのアナログ信号と圧力計１３
からのアナログ信号を２進数データに変換し、これらの
データに基いて所定の計算式により空燃比を演算し表示
する様にプログラムされている。

この検出ユニット１９および空燃比測定装置の作動は次
のとおりである。真空ポンプ１２を作動させると、排気
ガスの一部は採取管８により採取され、新鮮な空気は空
気取入管９から取入られる。

この空気は予熱部９１により予熱される。空気と採取排
気ガスは２重らせん構造の通路１０１　、１０２内を流
れながら隔壁を介して熱交換して温度が均一化されると
共に、排熱回収器１０４の混合ガスにより加熱され、オ
リフィス４．５を通過して混合される。混合ガスは触媒
コンバータ６により完全酸化処理され、ヒータ３により
約６５０℃に加熱され、撹拌機構１００により十分に撹
拌され、酸素濃度センサ２に接触する。酸素濃度センサ
２は混合ガス中の残留酸素濃度に応じたアナログ信号を
空燃比演算表示装置１４に出力する。空燃比演算表示装
置１４は酸素濃度センサ２および圧力計１３からの信号
に基いて所与の計算式に従い燃焼用混合気の空燃比を演
算し表示する。

空燃比計算式を以下に示す。

Ａ／Ｆ＝　人、Ｘ（Ａ／Ｆｂ　　　　　　　　　　　　
　　・・・式（Ｉン但し、Ａ／Ｆ・・・空燃比（質量比
定義）（Ａ／Ｆ）ｔ・・・理論空燃比 ＾８・・・排ガスの酸素過剰率 ＾、・・・混合ガスの酸素過剰率 Ｘ　・・・空気用オリフィスと排ガス用オリフィスとの
質量流量比（同一条件 の同一気体に対して） ρ０・・・排気ガスの密度（λ８に対応）ρ。・・・空
気の密度 Ｃ，Ｉ・・・混合ガス中の酸素濃度 ＣＡ・・・空気中の酸素濃度 η　・・・燃料の成分について炭素原子１個あたりの水
素原子の個数 ＰＯ２・・・酸素濃度センサ部での混合ガス中の酸素分
圧 Ｐｃｌ・・・酸素濃度センサ部での混合ガスの絶対圧力 第２図は本発明の第２の実施例における検出ユニットの
ブロックを示す。

第２の実施例では、排熱回収器１０４．２重らせんをな
す排気ガス通路および空気通路１０１　、１０２の軸方
向の長さを伸ばし、ヒータ３および撹拌機構１００の外
側をも囲む構造とすることにより、放熱損失を一層減少
させる効果を得るようにしている。

〔発明の効果〕

本発明は、酸素濃度センサの周りに配置された２重壁、
排熱回収器及び熱交換器により、酸素濃度センサの温度
は一定に保たれその測定精度を上げることができる。ま
た上記の酸素濃度センサ周りの配置構造により酸素濃度
センサの温度は高温に維持されそのため出力の安定化を
図ることができるとともに、この高温維持に大きな厚さ
の断熱材を要しないため空燃比測定装置の大型化を回避
することができ車輌搭載上有利なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の全体構成図、第２図は本
発明の第２実施例の要部の縦断面図である。 １・・・検出ユニットブロック、 ２・・・酸素濃度センサ、６・・・触媒コンバータ、８
・・・排気ガス採取管、９・・・空気取入管、１２・・
・真空ポンプ、　１３・・・圧力計、１４・・・空燃比
演算表示装置、 １５・・・ヒーターコントローラ、 １６・・・バッテリ、　　　１９・・・検出ユニット、
２０・・・排気管、　　　１０１・・・排気ガス通路、
１０２・・・空気通路、　　　１０３・・・２重壁管、
１０４・・・排熱回収器、　　１０５・・・混合機構、
１０６・・・混合室、　　　　１０７・・・混合ガス通
路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、内燃機関の排気系から採取した排気ガスに新鮮空気
   を混合することにより該排気ガス中に酸素を添加し、こ
   の混合ガス中の未燃焼成分を完全燃焼させた後、酸素濃
   度センサにより前記混合ガス中の残留酸素濃度を検出す
   る空燃比測定装置において、前記酸素濃度センサの周り
   を、前記混合ガスが通過する環状通路を有する２重壁に
   て取巻き、該２重壁の外周に、前記混合ガスが通過する
   円筒状の排熱回収器を設け、該排熱回収器の外周に、前
   記排気ガスの通路と前記新鮮空気の通路とを近接配置し
   て構成した熱交換器を設けたことを特徴とする空燃比測
   定装置。 ２、前記排熱回収器が、軸方向に複数枚のフィンを有す
   る円筒体からなる特許請求の範囲第１項記載の空燃比測
   定装置。 ３、前記熱交換器が、排気ガス通路と新鮮空気通路とを
   交互に近接配置した２重らせん構造の熱交換器である特
   許請求の範囲第１項記載の空燃比測定装置。