JPH11200913A

JPH11200913A - 内燃機関の排気ガスセンサ配置構造

Info

Publication number: JPH11200913A
Application number: JP515998A
Authority: JP
Inventors: Koichi Shimamura; 幸一嶋村; Koji Kano; 宏司狩野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 1999-07-27

Abstract

(57)【要約】【解決手段】酸素濃度センサ９は排気ガス４９に直接
接触する素子部２３と、素子部２３を支える本体部２４
とからなり、本体部２４は空気導入孔を有さない密閉型
センサであり、素子部２３を排気ポート８内に、本体部
２４を排気ポート外で且つ冷却水１３に配置したことを
特徴とする。【効果】燃焼直後の高温な排気ガス４９で素子部２３
を加熱するため、始動から短時間で素子部２３を高温に
できる。高温になると、安定的に酸素濃度を検知できる
ので、始動から短時間で空燃比を範囲内に制御できる。
また、本体部２４を冷却水１３で冷却するので、リード
線３７が耐熱以上の高温になる心配はない。

Description

【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ガス
センサの配置構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は代表的な三元触媒浄化システムの
原理図であり、この浄化システム１００は、酸素濃度を
検知する酸素センサ１０１と、フィードバック制御をす
るコントロールユニット１０２と、燃料噴射弁１０３
と、排気ガスを浄化する三元触媒１０４とからなる。ま
た、吸気管１０５にスロットルセンサ１０６及びエアク
リーナ１０７を取付け、本体部１０８に水温センサ１０
９、冷却水１１１、点火プラグ１１２及びサーモスタッ
ト１１３を備えたことを示す。１１４は排気管、１１５
はラジェータである。

【０００３】三元触媒１０４は、酸化及び還元反応で排
気ガスの有害な３成分（一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素
（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯ_X））を同時に清浄にし、
無害な排気ガスを大気に排出するものである。高い効率
で浄化するためには、３成分のバランスをとらなければ
ならず、空燃比が重要になる。

【０００４】コントロールユニット１０２は、空燃比を
所定範囲内に保つよう制御するものである。酸素センサ
１０１により排気ガス中の酸素濃度を検知するととも
に、スロットルセンサ１０６で吸入空気量を検知し、水
温センサ１０８で水温を検知し、その他の情報とともに
コントロールユニット１０２によって総合的に処理す
る。出力信号を燃料噴射弁１０３に送り、吸入空気量に
合った燃料量を供給することで、空燃比を範囲内に保
つ。

【０００５】図８（ａ），（ｂ）は従来の代表的な酸素
センサの断面図であり、（ａ）は酸素センサ全体の部分
断面図、（ｂ）は要部拡大図である。酸素センサ１０１
は、試験管状のジルコニア素子１２１の内側に白金電極
１２２及び外側に白金電極１２３を設け、さらに外側の
白金電極１２３に多孔質層のセラミック１２４をコーテ
ィングしたものである。このジルコニア素子１２１を支
持する本体１２５に、大気を導入するための通気孔１２
６…（…は複数を示す。以下同様。）を設け、この通気
孔１２６…を通してジルコニア素子１２１の内側（白金
電極１２２側）へ大気を導入してこの大気を酸素濃度の
基準とする。一方、ジルコニア素子１２１を囲うカバー
１２６に、排気ガスを通すための孔１２７…を設け、こ
の孔１２７…を通して排気ガスをジルコニア素子１２１
の外側（白金電極１２３側）へ導入する。１２８はリー
ド線である。

【０００６】ジルコニア素子１２１の片面に大気、他面
に酸素濃度の低い排気ガスを接触させる。この結果、酸
素分圧の高い大気側から排気ガス側に向って酸素イオン
が移動し、起電力が発生する。濃度差が大きほど起電力
は大きくなる。

【０００７】しかし、上記のジルコニア素子１２１は、
低温では内部抵抗が非常に大きくなるため、酸素イオン
の移動が妨げられ、起電力の発生が不十分となる。従っ
て、前記のジルコニア素子１２１は、比較的高温の条件
で使用する必要がある。

【０００８】このため、排気ガス温度があまり低下しな
いうちに酸素センサに触れるようにする技術として、例
えば実公昭５９−１３３０８号公報「多気筒エンジンの
排気ガス浄化装置」がある。

【０００９】上記公報の図面によれば、第１排気管群２
５の集合部３２に排気ガス成分検出装置３３を配置した
ことを特徴とする。第１・第２連結管２７，２８の集合
部２９に排気ガス成分検出装置を配置した場合に比べ、
比較的高い温度の排気ガスが排気ガス成分検出装置３３
に触れるため、排気ガス成分検出装置３３をより正確に
作動させることができるというものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記公報の技術によっ
ても、センサ自体の熱容量等によって温度上昇に時間が
かかる課題がのこる。これに対し、熱容量自体を単純に
小さくすると、内燃機関の運転状態の変動に伴なって排
気温度が変動することによる影響や、走行風等による冷
却によってセンサ温度が変動するという影響をうけてし
まう。また、センサをより排気管上流側に移した場合、
より高温の排気ガスにセンサの素子が触れることとなる
ため温度上昇が早くなることが期待できるが、今度はセ
ンサ本体の他のリード線等が過熱する虞れが生じてしま
う。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に請求項１は、燃焼室、この燃焼室に連なる吸気通路及
び排気通路を備えた内燃機関であって、内燃機関自身を
冷却する冷媒通路を備え、燃焼室より排出側に排気ガス
センサを備えたものにおいて、排気ガスセンサは、排気
ガスに直接接触する素子部とこの素子部を支える本体部
とからなるとともに、この本体部に空気導入孔を有さな
い密閉型センサであり、素子部を排気通路内に配置する
とともに、本体部を排気通路外で且つ冷媒中に配置した
ことを特徴とする。排気ガスセンサを燃焼室に連なる排
気通路に配置し、高温の排気ガスに素子部を直接接触さ
せたので、素子部を素速く高温にすることができる。ま
た、密閉型センサを採用することで、本体部を冷媒で強
制冷却することができ、内燃機関の燃焼室近傍の排気通
路に排気ガスセンサを配置したにもかかわらず、本体部
の過熱を防ぐことができる。

【００１２】請求項２の冷媒は、内燃機関の冷却水であ
ることを特徴とする。内燃機関の冷却水は、水温が管理
されているので、排気ガスセンサの本体部を所定の温度
に保つことができ、排気ガスセンサの性能を良好に維持
することができる。

【００１３】請求項３の排気ガスセンサは、酸素濃度セ
ンサであることを特徴とする。センサの素子部はより高
温に、逆にセンサの本体部は常温に近く、という二律背
反することが要求される酸素濃度センサに特に好適であ
り、酸素濃度センサの性能を良好に発揮、維持すること
ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図に基
づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見る
ものとする。図１は本発明に係る内燃機関の斜視図であ
り、内燃機関１は、シリンダブロック２と、このシリン
ダブロック２の下に取付けたクランクケース３と、シリ
ンダブロック２の上に取付けたシリンダヘッド４と、こ
のシリンダヘッド４の側面に設けた酸素センサ配置部５
と、シリンダヘッド４の上に取付けたシリンダヘッドカ
バー６とからなる。７…は吸気ポートである。

【００１５】図２は図１の２−２線断面図であり、酸素
濃度センサ９の取付け状態を示す。具体的には、収納部
１２側から酸素濃度センサ９を差込み、酸素濃度センサ
９の素子部２３を排気ポート８に臨ませ、本体部２４を
収納部１２に残し、その後にカバー１４で盲をすること
で、収納部１２に冷却水１３を流せるようにしたもので
ある。１５はグロメット、１６は点火プラグ取付ねじで
ある。

【００１６】図３は図１の３−３線断面図であり、吸気
バルブ１８、排気バルブ１９、カム２２ａ，２２ｂの配
置例を示すとともに、酸素濃度センサ９の取付け位置を
示す。即ち、酸素濃度センサ９は排気バルブ１９のごく
近い所に取付けたことを示す。

【００１７】図４（ａ），（ｂ）は本発明に係る酸素濃
度センサの断面図であり、（ａ）は全体の断面図、
（ｂ）は（ａ）のｂ部を拡大した断面図である。酸素濃
度センサ９は、排気ガスに直接接触する素子部２３と、
この素子部２３を支える本体部２４とからなる。素子部
２３は、多層からなるベース層２５と、第１の白金（Ｐ
ｔ）電極２６と、薄膜のジルコニア層２７と、第２の白
金電極２８と、これらを囲う保護キャップ２９と、ヒー
ター２５ｃに結線するための端子圧着部３５と、第１・
第２の白金電極２６，２８に結線するための端子圧着部
３６と、これら端子圧着部３５，３６に圧着したリード
線３７，３７とからなる。３８…は排気ガスを通すため
の通気孔である。ベース層２５は、薄膜のジルコニア層
２５ａと、絶縁層２５ｂと、ヒーター２５ｃと、絶縁層
２５ｄと、薄膜のジルコニア層２５ｅとからなる。な
お、ジルコニア層２７はイットリア（Ｙ₂Ｏ₃−酸化イッ
トリウム）で安定化したジルコニア（Ｚ_RＯ₂−酸化ジル
コニウム）を薄膜化して固体電解質としたが、安定化剤
及び固体電解質はこれに限らない。

【００１８】また、本体部２４は、本体４１と、この本
体４１の長手方向の孔に嵌合しかつ前記ベース２５を保
持するシール４２と、本体４１の端部に溶接したパイプ
４３と、このパイプ４３の開口部を封じるゴム栓４４と
からなる。４５はガスケットである。

【００１９】以上に述べた内燃機関の排気ガスセンサ配
置構造の作用を図２〜図４で説明する。図３において、
ピストン２１の吸気工程、並びにカム２２ａによって吸
気バルブ１８が開くと、混合気４８は吸気ポート７を通
過し、シリンダ１７の燃焼室に至る。圧縮、膨張工程
後、ピストン２１の排気工程、並びにカム２２ｂによっ
て排気バルブ１９が開くと、排気ガス４９は押出され排
気ポート８を抜ける。その際、この高温の排気ガス４９
が酸素濃度センサ９と接触するので、酸素濃度センサ９
は短時間のうちに所定の温度になる。

【００２０】図２に戻って、素子部２３は高温になる。
一方、本体部２４はシリンダヘッド４を冷却する冷却水
１３で囲まれているので、高温になる心配はない。この
結果、リード線３７及びゴム栓４４が耐熱温度以上にな
る心配はない。

【００２１】図４において、検出抵抗（不図示）を介し
て第１の白金電極２６に正、第２の白金電極２８に負の
電圧をかけると、第２の白金電極２８側では排気ガス中
に含まれる酸素が電子を受取り酸素イオンとなり、この
酸素イオンがジルコニア層２７中を透過して第１の白金
電極２６側で電子を放出し酸素となって滞留する。酸素
の酸化還元反応の発生具合により電極間に電流が生じる
こととなるので、排気ガス中の酸素濃度の変動を検出抵
抗の両端に電圧変動として検出する。酸素発生のための
電源印加制御及び電圧変動の測定は、制御装置で制御す
る。酸素濃度センサ９は、ジルコニア層２７を固体電解
質として排気ガス中の酸素濃度をその酸化還元反応とし
て検出するものなので、大気の酸素を必要としないか
ら、本体部２４は空気導入孔を必要とせず、密閉型にで
きる。

【００２２】図８に示した従来の酸素センサ１０１に比
較して、図４に示した本実施例での酸素濃度センサ９は
次の点で相違する。大気を導入する必要がないので、本体部２４を小径に
小型にすることができる。大気を導入する必要がないので、試験管状のジルコニ
ア素子１２１が不要となり、先端部の保護キャップ２９
を小径に小型にすることができる。この結果、本実施例
の酸素濃度センサ９では、熱容量が極く小さなものとな
り、短時間で所定の温度に到達する。しかし、従来は大
気で本体１２５を冷却していたが、本実施例ではこれを
止めたために、本体部２４を別の手段で冷却する必要が
ある。この冷却を本実施例では冷却水などの冷媒で行う
ようにしたことを特徴とする。

【００２３】図５は本発明の排気ガスセンサ配置構造の
別実施例に係る断面図であり、この実施例は潤滑油を冷
媒としたことを特徴とする。上記図１〜図４と同様の構
成については、同一符号を付し、その説明を省略する。
内燃機関６０では、フィン付きのシリンダブロック６１
と、このシリンダブロック６１の上に取付けたシリンダ
ヘッド６２と、このシリンダヘッド６２に配置したカム
シャフト６３，６３と、シリンダヘッド６２の排気側に
設けた酸素濃度センサ配置部６４とで構成したことを示
す。この実施例では、収納部６５側から酸素濃度センサ
９を差込み、酸素濃度センサ９の素子部２３を排気ポー
ト８に臨ませ、本体部２４を収納部６５に残し、その後
にカバー６６で盲をすることで、収納部６５に潤滑油６
７を流せるようにしたものである。６８は収納部６５の
底に開けた戻し油路である。

【００２４】潤滑油６７で吸気・排気バルブ１８，１９
やカムシャフト６３，６３を潤滑し、更に潤滑油６７の
飛沫で酸素濃度センサ９の本体部２４を冷却する。潤滑
油６７で冷却するので、リード線３７及びゴム栓４４が
耐熱温度以上になる心配はない。従って、空冷式内燃機
関６０でも高温の排気ポート８に酸素濃度センサ９を配
置することができる。

【００２５】図６（ａ）（ｂ）は本発明の排気ガスセン
サ配置構造の更なる別実施例図であり、内燃機関７０は
２サイクル・水冷エンジンであり、シリンダブロックに
掃気孔及び排気ポートを設けたものである。（ａ）は内
燃機関７０の斜視図であり、内燃機関７０は、シリンダ
ブロック７２と、このシリンダブロック７２の下に取付
けたクランクケース７３と、シリンダブロック７２の上
に取付けたシリンダヘッド７４と、シリンダブロック７
２の側面に設けた酸素センサ配置部７５とからなる。７
６は排気タイミング制御バルブカバー、７７はサーモス
タットキャップである。

【００２６】（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図であり、
シリンダブロック７２は主に、掃気孔７８と、シリンダ
７９と、排気タイミング制御バルブ８１と、排気ポート
８２とからなる。この実施例では、収納部８３側から酸
素濃度センサ９を差込み、酸素濃度センサ９の素子部２
３を排気ポート８２に臨ませ、本体部２４を収納部８３
に残し、その後にカバー８４で盲をすることで、収納部
８３に冷却水８５を流せるようにしたものである。

【００２７】（ｂ）において、混合気８６は掃気孔７８
からシリンダ７９に入り、排気ガス８７を押し出す。こ
の燃焼直後の排気ガス８７が当る排気ポート８２に素子
部２３を配置すると、排気ガス８７が酸素濃度センサ９
を急速に加熱するため、素子部２１は短時間のうちに所
定の温度になる。一方、冷却水８５が循環する収納部８
３に酸素濃度センサ９の本体部２４を配置すると、冷却
水８５が本体部２４を冷却するので、リード線３７及び
ゴム栓４４が耐熱温度以上になる心配はない。

【００２８】尚、本実施例の内燃機関は４サイクル４気
筒エンジン及び２サイクル単気筒エンジンであるが、こ
れに限らず、例えば、Ｖ型３気筒エンジンでもよく、エ
ンジン型式は限定しない。

【００２９】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。請求項１では、排気ガスセンサを燃焼室に連なる
排気通路に配置し、高温の排気ガスに素子部を直接接触
させたので、素子部を素速く高温にすることができる。
また、密閉型センサを採用することで、本体部を冷媒で
強制冷却することができ、内燃機関の燃焼室近傍の排気
通路に排気ガスセンサを配置したにもかかわらず、本体
部の過熱を防ぐことができる。その結果、導線の被覆材
及びシール材が耐熱温度以上になる心配はない。

【００３０】請求項２では、冷媒は内燃機関を冷却する
管理された冷却水なので、排気ガスセンサの本体部を効
率良く冷却ができるとともに安定した冷却ができ、性能
を良好に維持することができる。

【００３１】請求項３では、排気ガスセンサを酸素濃度
センサにすることで、素子部はより高温に、逆に本体部
は高温を避けるという酸素濃度センサに特に好適であ
り、酸素濃度センサの性能を良好に発揮、維持すること
ができる。また、排気ガスが短時間でジルコニア層を所
定の温度にするので、酸素濃度の検知開始が早くなり、
始動から短時間で空燃比を所定の範囲に制御できる。従
って、始動後短時間で排気ガスの３成分を浄化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係る内燃機関の斜視図

【図２】図１の２−２線断面図

【図３】図１の３−３線断面図

【図４】本発明に係る酸素濃度センサの断面図

【図５】本発明の排気ガスセンサ配置構造の別実施例に
係る断面図

【図６】本発明の排気ガスセンサ配置構造の更なる別実
施例図

【図７】代表的な三元触媒浄化システムの原理図

【図８】従来の代表的な酸素センサの断面図

【符号の説明】

１，６０，７０…内燃機関、４…シリンダヘッド、７…
吸気ポート、５，６４，７５…酸素濃度センサ配置部、
８…排気ポート、９…酸素濃度センサ、１３…冷媒（冷
却水）、２３…素子部、２４…本体部、３７…リード
線、４９，８７…排気ガス、６７…冷媒（潤滑油）、７
２…シリンダブロック。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃焼室、この燃焼室に連なる吸気通路及
び排気通路を備えた内燃機関であって、内燃機関自身を
冷却する冷媒通路を備え、燃焼室より排出側に排気ガス
センサを備えたものにおいて、前記排気ガスセンサは、排気ガスに直接接触する素子部
とこの素子部を支える本体部とからなるとともに、この
本体部に空気導入孔を有さない密閉型センサであり、前
記素子部を排気通路内に配置するとともに、前記本体部
を排気通路外で且つ冷媒中に配置したことを特徴とした
内燃機関の排気ガスセンサ配置構造。
【請求項２】前記冷媒は、内燃機関の冷却水であるこ
とを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気ガスセン
サ配置構造。
【請求項３】前記排気ガスセンサは、酸素濃度センサ
であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の排気
ガスセンサ配置構造。