JP4315656B2 - Gas sensor mounting structure and mounting method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素センサ、NOXセンサ等、被測定ガスに曝した状態で用いられ、内部に収納しているガス検出素子を被測定ガスに含まれている水分などから保護するプロテクタを備えたガスセンサと、そのガスセンサの取り付け構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、自動車のエンジンなどの内燃機関に取りつけられ、排気ガス(被測定ガス)中の特定ガス成分を検出するガスセンサが開発されている。そして、その中の一つとして、例えばジルコニアなどの固体電解質からなるガス検出素子を用い、酸素濃度を検出するガスセンサ(酸素センサ)や酸化窒素ガス濃度を検出するNOXセンサなどが知られている。
【0003】
一般的に、この形態のガスセンサは、ガス検出素子に形成されたガス接触部を排気ガスに曝した構造をしており、ヒータを用いてガス検出素子を高温(約300℃)に加熱して活性化し、排気ガス中の特定ガス成分を検出している。
ところで、ガス検出素子はセラミックから形成されることから熱衝撃に対して脆いので、高温に加熱された状態のガス検出素子に排気ガス中の水分が付着すると、クラックが発生するなどして破損する虞がある。
【0004】
このため、ガスセンサにはガス検出素子のガス接触部を覆うプロテクタが装着され、ガス検出素子に水滴が付着しないように保護している。
このプロテクタは、側壁や底壁に被測定ガスの導入口と排出口を備え、被測定ガスをプロテクタの導入口から導入してガス検出素子のガス接触部に導き、排出口より排出するというような被測定ガスの導入と排出を行う。
【0005】
このようなプロテクタとして、を内側筒状部(第一筒状部)と外側筒状部(第二筒状部)とからなる二重構造にしたガスセンサが特開2001−099807公報に開示されている。
特開2001−099807公報に開示されているガスセンサは、内側筒状部の側壁と外側筒状部の側壁が空隙を介し同軸状に配置され、これらの側壁には、被測定ガスの導入口(第一側ガス入口と第二側ガス入口)が形成されている。また、外側筒状部の導入口に、内側筒状部の側壁外面を取り囲む旋回流を発生させるためのガイド体を配置している。そして、被測定ガスを内側筒状部の導入口から内側筒状部内に流入させてガス検出素子に接触させることにより、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する。その後、被測定ガスを内側筒状部の底壁に設けた排出口(第一側ガス出口)を通過させ、外側筒状部の底壁に設けた排出口(第二側ガス出口)から排出させている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記ガスセンサが取り付けられる排気管は、必ずしも直線状に形成されておらず蛇行して配管される場合がある。
図1を用いて、ガスセンサと排気管との取り付け例を説明する。
【0007】
図1(b)は、蛇行した排気管P1にガスセンサのプロテクタ4を突き出して取り付けた例を表す図、図1(c)は、直線状の排気管P2にガスセンサのプロテクタ4を突き出し、センサ中心軸U(以下、センサ軸Uという)を傾けて取り付けた例を表す図である。
【0008】
図1(b)に表したように、蛇行した排気管P1にガスセンサのプロテクタ4を取り付ける場合は、取り付け位置がS1、S2のように異なると、ガスセンサのセンサ軸Uに対して、被測定ガスの流れる方向Qが異なる。
また、図1(C)に示すように、直線状の排気管P2を用いた場合においても、排気管周辺の構造に制約を受けてガスセンサのセンサ軸Uを傾斜して取り付けることがあり、その傾斜角が異なると、ガスセンサのセンサ軸Uに対して、被測定ガスの流れる方向Qが異なる。
【0009】
そのため、ガスセンサのセンサ軸Uに対して、被測定ガスの流れる方向Qが異なっても、プロテクタ内の被測定ガスの置換を良好に行うことができ、被測定ガスの特定ガス成分を検出する応答性と検出精度が優れたガスセンサの取り付け構造が求められている。
【0010】
しかしながら、特開2001−099807公報に開示されたガスセンサによれば、プロテクタのうちで外部に露出してなる排出口を有する底壁と導入口を有する側壁とが略直角状に形成されているので、ガスセンサのセンサ軸Uに対して、被測定ガスの流れる方向Qが鈍角となるように、ガスセンサを排気管に取り付けると、プロテクタ内の被測定ガスの置換が不十分となり、被測定ガスのガス成分を検出する検出精度が排気管への取り付け方向に依存してしまうという問題があった。
【0011】
つまり、排出口を有する外側筒状部の底壁と外側筒状部の側壁が、略直角状に形成されているガスセンサは、図1(b)のS1や図1(c)のS3のように被測定ガスの流れ方向Qに対して、ガスセンサのセンサ軸Uを鈍角に傾斜して取り付けると、上記底壁が排気管P1中を流れる被測定ガスと対向するように傾斜し、被測定ガスが被測定ガスの排出口を備えた底壁に当たる向きに流れることになるので、プロテクタ内部から排出口を経て排出する被測定ガスの排出が妨げられることになり、更には排出口から被測定ガスが流入することもある。
【0012】
一方(b)のS2のように、被測定ガスの流れ方向Qに対して、ガスセンサのセンサ軸を鋭角に傾斜して取り付けられると、排出口の底面には負圧が生じてプロテクタ内部からの被測定ガスの排出が促進されている。
その結果、図1(b)のS1、図1(c)のS3に示すように、被測定ガスの流れ方向Qとガスセンサのセンサ軸Uとの傾斜角が鈍角になると、被測定ガスのガス成分を検出する応答速度に遅延が生じたり、検出精度を損なったりするという問題があった。
【0013】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、ガスセンサを排気管に取り付ける際に、ガスセンサのセンサ軸に対して被測定ガスの流れる方向が鈍角となるように取り付けても、プロテクタ内の被測定ガスの置換を良好に行うことができ、被測定ガスのガス成分を検出する応答性と検出精度が優れたガスセンサの取り付け構造を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
かかる目的を達成するためになされた請求項1に記載の発明は、ガス検出素子の先端側に形成される被測定ガスと接触するガス接触部を覆い、側壁に被測定ガスの導入口を形成するとともに、底壁に被測定ガスの排出口を形成し、前記側壁のうちで少なくとも前記底壁に連結するとともに外部に露出してなる先端側に、該底壁に向かって外径が小径となるテーパを付けてテーパ部を形成したプロテクタを備えたガスセンサを、排気管内に突き出して取り付けるガスセンサの取り付け構造であって、前記テーパ部が前記底壁と交わる外角をβ°、ガスセンサの軸方向を被測定ガスの流れる方向に対して傾斜させるガスセンサの軸傾斜角度をα°とし、α°が鈍角であると共に135°以下、かつ、β°が45°以下のとき、β°≦(180°−α°)の関係式を満たすように取り付けることを特徴とするガスセンサの取り付け構造である。
【0015】
請求項1に記載のガスセンサの取り付け構造によれば、ガスセンサを排気管に取り付ける際に、ガスセンサのセンサ軸を被測定ガスの流れる方向に対して鈍角となるように傾斜して取り付けても、プロテクタ内の被測定ガスの置換を良好に行うことができ、被測定ガスのガス成分を検出する応答性と検出精度を向上できるという作用効果が実験によって得られた。
【0016】
つまり、図1(a)に示すように、ガスセンサのセンサ軸Uに対して被測定ガスの流れる方向Qが鈍角となる(換言すれば、ガスセンサの軸傾斜角度α°が鈍角となる)ようにガスセンサを排気管に取り付ける場合、ガスセンサのプロテクタの側壁に上述するように底壁と交わる外角がβ°となるテーパ部を形成して、β°≦(180°−α°)の関係式を満たすようにガスセンサを取り付けると、プロテクタ4の外周囲を流れる被測定ガスがテーパ部22に当接し、このテーパ部22に沿ってプロテクタ4の底壁17方向に流れるガス流Q2が発生する。そして、このガス流Q2と被測定ガスの流れQが底壁17の近傍で合流することにより、被測定ガスの流れ方向Qによってプロテクタ4の底壁17が受ける流圧が低減し、更には底壁17の排出口15近傍に負圧が生じるので、被測定ガスの流れQによってプロテクタ4内部からの被測定ガスの排出が妨げられることなく、排出口15から速やかに排出でき、被測定ガス中のガス成分を検出する応答速度と検出精度を向上できる。
【0017】
ガスセンサの軸傾斜角度α°は、さらに135°以下であることが好ましい。その理由は、ガスセンサの軸傾斜角度α°が135°を越えると、被測定ガスのガス成分を検出する応答速度が増すからである。
また、ガスセンサの軸傾斜角度α°が135°であって、プロテクタのテーパが底壁と交わる外角β°は45°以下であることが好ましい。その理由は、ガスセンサの軸傾斜角度α°が135°を越えると、被測定ガスのガス成分を検出する応答速度が増すからであり、プロテクタのテーパ部が底壁と交わる外角β°を45°以下にすると、被測定ガスの流れ方向Qによってプロテクタの底壁が受ける流圧が一層低減し、被測定ガス中のガス成分を検出する応答速度が向上するからである。
【0018】
次に、請求項2に記載の発明は、ガス検出素子の先端側に形成される被測定ガスと接触するガス接触部を覆い、側壁に被測定ガスの導入口を形成するとともに、底壁に被測定ガスの排出口を形成し、前記側壁のうちで少なくとも前記底壁に連結するとともに外部に露出してなる先端側に、該底壁に向かって外径が小径となるようにテーパを付けてテーパ部を形成したプロテクタを備えたガスセンサを、排気管内に突き出して取り付けるガスセンサの取り付け方法であって、前記テーパ部が前記底壁と交わる外角をβ°、ガスセンサの軸方向を被測定ガスの流れる方向に対して傾斜させるガスセンサの軸傾斜角度をα°とし、α°が鈍角であると共に135°以下、かつ、β°が45°以下のとき、β°≦(180°−α°)の関係式を満たすように取り付けることを特徴とするガスセンサの取り付け方法である。
【0019】
請求項2に記載のガスセンサの取り付け方法によれば、請求項1に記載の発明と同じように、ガスセンサを排気管に取り付ける際に、ガスセンサのセンサ軸を被測定ガスの流れる方向に対して鈍角となるように傾斜して取り付けても、プロテクタ内の被測定ガスの置換を良好に行うことができ、被測定ガスのガス成分を検出する応答性と検出精度を向上できる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
図2は本発明が適用された実施形態のガスセンサの構成を表す断面図、図3は同実施形態のガスセンサにおける内側筒状部を表す半断面図、図4は実施形態のガスセンサにおける外側筒状部を表す半断面図と図中のB−B断面図である。
【0026】
図2〜図4において、1はガスセンサであり、このガスセンサ1には、先端側(図中下側)に被測定ガスに接触させるガス接触部を有するガス検出素子2と、先端からガス接触部を突き出させた状態でガス検出素子2を把持する筒状のケース3と、ガス検出素子2のガス接触部周囲を覆うように、ケース3の先端側外周に固定された有底筒状のプロテクタ4とが備えられている。
【0027】
図2に示すように、ガス検出素子2は、ケース3の先端側より配置されるセラミックホルダー52、タルク粉末53、セラミックスリーブ54を介してケース3に固定されている。また、ケース3の後端側外周には、外筒55が溶接等により固定されている。また、外筒55の後端側の内側には、ガス検出素子2との電気的接続を、リードフレーム51を介して外部と行うためのリード線56が挿通されるセラミックセパレータ57とグロメット59とが配置されている。なお、セラミックセパレータ57は、軸線方向の略中央の外周面に外向きに突出するフランジ部58が形成され、このフランジ部58が外筒55において内向きに突出する形態で形成された外側支持部60により支持されている。また、グロメット59は、外筒55の内側に弾性的に嵌入されている。
【0028】
プロテクタ4は、内側筒状部6と、この内側筒状部6の外側に空隙8を介し同軸状に配置した外側筒状部7とから成り、二重構造に形成されている。
外側筒状部7の側壁12には、被測定ガスを空隙8に導入するために、内側に向けて延出するガイド体10を付設した外壁ガス導入口13が、円周における45°間隔で複数形成されている(図4(b)参照)。このガイド体10は外側筒状部7の外周の接線に対し、内側に向けて略45度に曲げ加工して形成されている。また、ガイド体10は、外側筒状部7の側壁12を、図4に示すごとく、コ字状に切り欠いて、その切り欠け片を曲げ加工することにより形成される。このガイド体10は、被測定ガスを内側筒状部6の外周面を取り囲む状態で旋回流を生じさせる機能を有し、この旋回流に伴い発生する慣性力により、相対的に重い水滴と相対的に軽いガス成分とが分離されることになる。
【0029】
内側筒状部6の側壁9には、被測定ガスをガス検出素子2周囲に導入するために、内壁ガス導入口11が、外壁ガス導入口13よりもケース3に近傍する位置に、ガス検出素子2に対向するように形成されている。また、この内壁ガス導入口11は、外壁ガス導入口13に対して、円周方向において22.5°ずらして配置され、円周における45°間隔で複数形成されている。外壁ガス導入口13に対向する位置における内側筒状部6の側壁9の外周面は、外側筒状部7の側壁12の外周面と平行に形成されている。
【0030】
そして、このガスセンサ1は、内側筒状部6が有底筒状に形成されると共に、外側筒状部7が有底筒状に形成され、外側筒状部7の底壁16に設けた挿通孔25(図4(a)参照)に内側筒状部6が挿通され、この外側筒状部7の底壁16より先端側に内側筒状部6の底壁17が突き出され、この内側筒状部6の底壁17に排出口15が形成されている。つまり、内側筒状部6の底壁17が、プロテクタ4の最先端側に位置する底壁となる。
【0031】
また、外側筒状部7の底壁16よりも先端側に突き出した内側筒状部6の側壁9に、先端側に向かって外径が小径となるようにテーパが付けられたテーパ部22が形成されている。
このテーパ部22は底壁10と交わる外角をβ°(図2中のβ°)としたとき、β°を60°以下に形成している。
【0032】
前記ガスセンサ1を排気管に取り付ける際には、ガスセンサの取り付け構造及び方法は、次のように行うとよい。
ガスセンサの取り付け構造及び方法を、図1(a)を用いて説明する。
図1(a)は、ガスセンサの取り付け構造及び取り付け方法の説明図であり、図2で表したガスセンサ1の構成中、排気管に付き出して表れるプロテクタ4の部分を表し、他の構成部分を省いている。
【0033】
図1(a)において、プロテクタ4には先端に向かう軸方向に外径が小さくなる斜面状のテーパ部22が形成され、最先端の底壁17に排出口15が形成されている。尚、図1(a)においては、外側筒状部7の図示は省略し、内側筒状部6のみを示している。
【0034】
そして、プロテクタ4が、被測定ガスが流れる排気管内に突き出すように取り付けられている。
このとき、テーパ部22が底壁17と交わる外角をβ°、ガスセンサの軸U方向を被測定ガスの流れる方向Qに対して傾斜させるガスセンサの軸傾斜角度をα°とし、α°が鈍角のとき、β°≦(180°−α°)の関係式を満たすように、ガスセンサを被測定ガスが流れる排気管内に取り付けるとよい。
【0035】
以下に、被測定ガス中のガス成分を検出する応答速度試験を行った結果について説明する。
ここで用いたガスセンサ1は、プロテクタ4のうちで外側筒状部7の外径寸法が略15mm、内壁ガス導入口11が形成される内側筒状部6の側壁の外径寸法が略9mm、外側筒状部7の底壁16から内側筒状部6の底壁17までの突き出し寸法を2.8mm、排出口15の径寸法が略2mm、内壁ガス導入口11の径寸法が略3.5mm、外壁ガス導入口13の径寸法が略4mm、外側筒状部7と内側筒状部6との間の空隙8の寸法を略5mmとした。
【0036】
また、本実施形態の効果を確認するために、比較例として内側筒状部6の側壁9にテーパ部22を形成しないガスセンサを準備し、本実施形態の実施例1〜3とともに試験を行った。
尚、応答速度試験は、プロテクタ4を内径が50mmの排気管内に突き出すように取り付け、次いで、ガスバーナを用いてプロパンガスを燃焼させ、排気管内に2.5m/sec.の流速で燃焼ガスを噴射した。このとき、ガスバーナの噴射開始の0〜2秒間は、空気の過剰率λを0.95とし、2秒間経過後に空気の過剰率λを1.05に切り換えた。
【0037】
応答速度試験の結果を図5〜図8に示す。図5〜図8において、横軸はガスバーナによる燃焼ガスの噴射時間、縦軸はガス成分を検出した出力値である。ここでは、0〜2秒間における平均出力値を0%、18秒から20秒間における平均出力値を100%として表した。そして、100%の出力値にいたるまでの推移をグラフで表した。
【0038】
図5は、実施例1の応答速度試験結果を表し、前記プロテクタの内側筒状部の側壁を前記底壁に向かって外径が小径となるテーパを付けてテーパ部22を形成し、このテーパ部22が前記底壁17と交わる外角をβ°、ガスセンサの軸方向を被測定ガスの流れる方向に対して傾斜させるセンサの軸傾斜角度をα°としたとき、β°が60°、センサ軸の設置角度αがβ°≦(180°−α°)の関係式を満たす110°と90°の両者について試験したものである。
【0039】
図6は、実施例2の応答速度試験結果を表し、β°が60°、センサ軸の設置角度αがβ°≦(180°−α°)の関係式を満たす120°と90°の両者について試験したものである。
図7は、実施例3の応答速度試験結果を表し、β°が45°、センサ軸の設置角度αがβ°≦(180°−α°)の関係式を満たす120°と90°の両者について試験したものである。
【0040】
図8は、比較例の応答速度試験結果を表し、プロテクタの内側筒状部の側壁には底壁に向かって縮小するテーパを付けることなく、センサ軸の設置角度αが110°と90°の両者について試験したものである。
実施例1〜3は、比較例と比較すると、ガスバーナによる燃焼ガスの噴射時間の変化に対してガス成分の出力値が、センサ軸の設置角度αを変えても、差が少なく応答速度が良好な結果が得られた。
【0041】
実施例1は、比較例と比較すると、センサ軸の設置角度αが90°と110°の両者において、被測定ガスのガス成分を検出する応答速度に差が少なく検出精度も良好であることが判る。
また、実施例3は、実施例2と比べると、センサ軸の設置角度αが90°と120°の両者において、被測定ガスのガス成分を検出する応答速度に差が少なく、β°が60°より45°が好ましいことが判る。
【0042】
さらに、本実施形態の作用効果を確認するために、実施例2と実施例3において用いた、β°が60°、45°のガスセンサを用い、センサ軸設置角度α°を順次変化させながらガス成分の出力値50%を検出するまでの時間を測定し、この結果を、実施例4とし、図9に表した。
【0043】
ガス成分の出力値50%を検出するまでの時間は、図10に示すように、横軸にガスバーナによる燃焼ガスの噴射時間、縦軸にガス成分を検出した出力値としたときに、出力値が50%に至ったときの応答時間ΔTである。
図9に表したように、プロテクタのテーパ角度β°が60°のものは、α°が鈍角であって、β°≦(180°−α°)の関係式を満たす120°以下の範囲において、50%応答時間が0.26秒以下であり、センサ軸設置角度α°の変化に対して、50%応答時間の変化が少なく安定した応答速度が得られることが判った。
【0044】
また、プロテクタのテーパ角度β°が45°のものは、α°が鈍角であって、β°≦(180°−α°)の関係式を満たす135°以下の範囲において、50%応答時間が0.26秒以下となりセンサ軸設置角度α°の変化に対して、50%応答時間の変化が少なく安定した応答速度が得られることが判った。
【0045】
また、プロテクタのテーパ角度β°が45°のものは、60°と比べると、センサ軸設置角度の変化に対して50%応答時間の変化が少なくて安定しているので一層好ましいことが判った。
以下に、前記の構成を有する実施の形態のガスセンサの取り付け構造及び方法並びガスセンサの作用効果を記載する。
【0046】
本発明の実施の形態によれば、ガスセンサを排気管に取り付ける際に、ガスセンサのセンサ軸を被測定ガスの流れる方向に対して鈍角となるように傾斜して取り付けても、プロテクタ内の被測定ガスの置換を良好に行うことができ、被測定ガスのガス成分を検出する応答性と検出精度を向上できる。
【0047】
また、本発明の実施の形態によれば、外壁ガス導入口から導入した被測定ガスとガス成分が検出されて排出口から排出される被測定ガスがプロテクタ内で混じりあうことがなく、プロテクタ内の被測定ガスの置換を良好にし、被測定ガス中のガス成分を検出する応答速度と検出精度を向上できる。
【0048】
また、本発明の実施の形態によれば、被測定ガスを安定して内側筒状部に導入することができ、ガス成分の出力値のバラツキが少なく、プロテクタ内の被測定ガスの置換を良好にし、被測定ガス中のガス成分を検出する応答速度と検出精度を向上できる。
【0049】
尚、本発明の実施の形態によれば、排出口15の形状は、底壁17の厚み分の孔形状としたが、さらにこの排出口15をバーリング加工などして外側に突き出すようにしても良い。
また、本発明の実施の形態によれば、内側筒状部6の側壁9と外側筒状部7の側壁12とを略平行状に形成したが、センサ軸設置角度α°やプロテクタのテーパβ°の設置条件に合わせて、傾斜状に形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明が適用されるガスセンサの取り付け構造を説明する図である。
【図2】 本発明が適用された実施形態のガスセンサの構成を表す断面図である。
【図3】 実施形態のガスセンサにおける内側筒状部の半断面図である。
【図4】 実施形態のガスセンサにおける外側筒状部の半断面図と図中のB−B断面図である。
【図5】 実施例1の、応答速度試験結果を表す図である。
【図6】 実施例2の、応答速度試験結果を表す図である。
【図7】 実施例3の、応答速度試験結果を表す図である。
【図8】 比較例の、応答速度試験結果を表す図である。
【図9】 実施形態のガスセンサの取り付け構造において、センサ軸設定角度の変化による50%応答時間の変化を表す図である。
【図10】 センサ軸設定角度の変化による50%応答時間の変化を説明する図である。
【符号の説明】
1…ガスセンサ、2…ガス検出素子、3…ケース、4…プロテクタ、6…内側筒状部、7…外側筒状部、8…空隙、9,12…側壁、10…ガイド体、11…内壁ガス導入口、13…外壁ガス導入口、15…排出口、16…外側筒状部の底壁、17…内側筒状部の底壁、22…テーパ、25…挿通孔、51…リードフレーム、52…セラミックホルダー、53…タルク粉末、54…セラミックスリーブ、55…外筒、56…リード線、57…セラミックセパレータ、58…フランジ部、59…グロメット。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention includes a protector that is used in a state exposed to a gas to be measured, such as an oxygen sensor and a NO x sensor, and that protects a gas detection element housed in the gas from moisture contained in the gas to be measured. The present invention relates to a gas sensor and a structure for mounting the gas sensor.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, gas sensors that are attached to an internal combustion engine such as an automobile engine and detect a specific gas component in exhaust gas (a gas to be measured) have been developed. As one of them, a gas sensor (oxygen sensor) that detects a gas concentration using a solid electrolyte such as zirconia, for example, and an NO x sensor that detects a nitrogen oxide gas concentration are known. .
[0003]
In general, this type of gas sensor has a structure in which a gas contact portion formed on the gas detection element is exposed to exhaust gas, and the gas detection element is heated to a high temperature (about 300 ° C.) using a heater. It activates and detects specific gas components in the exhaust gas.
By the way, since the gas detection element is made of ceramic and is fragile to thermal shock, if moisture in the exhaust gas adheres to the gas detection element heated to a high temperature, the gas detection element breaks due to a crack or the like. There is a fear.
[0004]
For this reason, a protector that covers the gas contact portion of the gas detection element is attached to the gas sensor to protect the gas detection element from water droplets.
This protector has an inlet and an outlet for the gas to be measured on the side wall and bottom wall, introduces the gas to be measured from the inlet of the protector, leads it to the gas contact portion of the gas detection element, and discharges it from the outlet. Introduce and discharge the gas to be measured.
[0005]
As such a protector, a gas sensor having a double structure composed of an inner cylindrical portion (first cylindrical portion) and an outer cylindrical portion (second cylindrical portion) is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-099807. Yes.
In the gas sensor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-099807, the side wall of the inner cylindrical portion and the side wall of the outer cylindrical portion are arranged coaxially with a gap between them, and a gas inlet to be measured ( A first side gas inlet and a second side gas inlet) are formed. Moreover, the guide body for generating the swirl | flow which surrounds the side wall outer surface of an inner side cylindrical part is arrange | positioned at the inlet of an outer side cylindrical part. Then, the specific gas component in the measurement gas is detected by causing the measurement gas to flow into the inner cylindrical portion from the inlet of the inner cylindrical portion and contact the gas detection element. Thereafter, the gas to be measured is passed through the discharge port (first gas outlet) provided on the bottom wall of the inner cylindrical part, and discharged from the discharge port (second gas outlet) provided on the bottom wall of the outer cylindrical part. I am letting.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the exhaust pipe to which the gas sensor is attached is not necessarily formed in a straight line and may be meandered.
An example of attachment of the gas sensor and the exhaust pipe will be described with reference to FIG.
[0007]
FIG. 1B is a diagram showing an example in which the gas sensor protector 4 is attached to the meandering exhaust pipe P1, and FIG. 1C shows the sensor center of the gas sensor protruding from the linear exhaust pipe P2. It is a figure showing the example which inclined and attached the axis | shaft U (henceforth the sensor axis | shaft U).
[0008]
As shown in FIG. 1B, when the protector 4 of the gas sensor is attached to the meandering exhaust pipe P1, if the attachment positions are different as shown in S1 and S2, the gas to be measured is measured with respect to the sensor axis U of the gas sensor. The flowing direction Q is different.
In addition, as shown in FIG. 1C, even when a straight exhaust pipe P2 is used, the sensor shaft U of the gas sensor may be attached with an inclination due to restrictions on the structure around the exhaust pipe. When the inclination angle is different, the direction Q of the gas to be measured flows with respect to the sensor axis U of the gas sensor.
[0009]
Therefore, even if the direction Q of the measurement gas flows with respect to the sensor axis U of the gas sensor, the measurement gas in the protector can be satisfactorily replaced, and a response for detecting a specific gas component of the measurement gas. There is a need for a gas sensor mounting structure that is excellent in performance and detection accuracy.
[0010]
However, according to the gas sensor disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-099807, the bottom wall having the discharge port exposed to the outside and the side wall having the introduction port in the protector are formed substantially at right angles. If the gas sensor is attached to the exhaust pipe so that the direction Q of the gas to be measured flows obtusely with respect to the sensor axis U of the gas sensor, the gas to be measured in the protector becomes insufficiently replaced. There has been a problem that the detection accuracy for detecting the component depends on the direction of attachment to the exhaust pipe.
[0011]
That is, the gas sensor in which the bottom wall of the outer cylindrical portion having the discharge port and the side wall of the outer cylindrical portion are formed in a substantially right angle is like S1 in FIG. 1 (b) or S3 in FIG. 1 (c). When the sensor axis U of the gas sensor is inclined at an obtuse angle with respect to the flow direction Q of the gas to be measured, the bottom wall is inclined so as to face the gas to be measured flowing in the exhaust pipe P1, and the gas to be measured Will flow in a direction that hits the bottom wall with the measured gas discharge port, so that the measured gas discharged from the inside of the protector through the discharge port is prevented from being discharged, and further, the measured gas is discharged from the discharge port. May flow in.
[0012]
On the other hand, as shown in S2 of (b), when the sensor axis of the gas sensor is inclined at an acute angle with respect to the flow direction Q of the gas to be measured, a negative pressure is generated on the bottom surface of the discharge port, and from the inside of the protector. The discharge of measured gas is promoted.
As a result, as shown in S1 of FIG. 1B and S3 of FIG. 1C, when the inclination angle between the flow direction Q of the gas to be measured and the sensor axis U of the gas sensor becomes an obtuse angle, the gas of the gas to be measured There has been a problem that the response speed for detecting the component is delayed or the detection accuracy is impaired.
[0013]
The present invention has been made in view of such problems. Even when the gas sensor is attached to the exhaust pipe, even if the gas sensor is attached so that the direction in which the gas to be measured flows is obtuse with respect to the sensor axis of the gas sensor, the object in the protector is not provided. An object of the present invention is to provide a gas sensor mounting structure capable of satisfactorily replacing a measurement gas and having excellent responsiveness and detection accuracy for detecting a gas component of the gas to be measured.
[0014]
[Means for Solving the Problems and Effects of the Invention]
In order to achieve this object, the invention according to
[0015]
According to the gas sensor mounting structure of
[0016]
That is, as shown in FIG. 1 (a), the direction Q of the gas to be measured flows with an obtuse angle with respect to the sensor axis U of the gas sensor (in other words, the axis tilt angle α ° of the gas sensor becomes an obtuse angle). When the gas sensor is attached to the exhaust pipe, a tapered portion having an outer angle of β ° intersecting with the bottom wall is formed on the side wall of the protector of the gas sensor as described above, and the relational expression of β ° ≦ (180 ° −α °) is satisfied. When the gas sensor is attached as described above, the gas to be measured flowing around the outer periphery of the protector 4 comes into contact with the tapered
[0017]
The axial inclination angle α ° of the gas sensor is preferably 135 ° or less. The reason is that if the axial inclination angle α ° of the gas sensor exceeds 135 °, the response speed for detecting the gas component of the gas to be measured increases.
Moreover, it is preferable that the axial inclination angle α ° of the gas sensor is 135 ° and the outer angle β ° at which the taper of the protector intersects the bottom wall is 45 ° or less. The reason is that when the axial inclination angle α ° of the gas sensor exceeds 135 °, the response speed for detecting the gas component of the gas to be measured increases, and the outer angle β ° at which the taper portion of the protector intersects the bottom wall is 45 °. This is because the flow pressure received by the bottom wall of the protector due to the flow direction Q of the measured gas is further reduced, and the response speed for detecting the gas component in the measured gas is improved.
[0018]
Next, the invention according to
[0019]
According to the gas sensor mounting method of the second aspect, as in the first aspect of the invention, when the gas sensor is mounted on the exhaust pipe, the sensor axis of the gas sensor is obtuse with respect to the direction in which the gas to be measured flows. Even if it is attached so as to be inclined, it is possible to satisfactorily replace the gas to be measured in the protector, and to improve the response and detection accuracy for detecting the gas component of the gas to be measured.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
2 is a cross-sectional view showing a configuration of a gas sensor according to an embodiment to which the present invention is applied, FIG. 3 is a half cross-sectional view showing an inner cylindrical portion in the gas sensor of the embodiment, and FIG. 4 is an outer cylindrical shape in the gas sensor of the embodiment. They are a half sectional view showing a section and a BB sectional view in a figure.
[0026]
2 to 4,
[0027]
As shown in FIG. 2, the
[0028]
The protector 4 includes an inner
On the
[0029]
In the
[0030]
In the
[0031]
Further, a tapered
The
[0032]
When the
A gas sensor mounting structure and method will be described with reference to FIG.
FIG. 1A is an explanatory diagram of a gas sensor mounting structure and a mounting method. In the configuration of the
[0033]
In FIG. 1A, the protector 4 is formed with a sloped tapered
[0034]
And the protector 4 is attached so that it may protrude in the exhaust pipe into which to-be-measured gas flows.
At this time, the outside angle at which the
[0035]
Below, the result of having performed the response speed test which detects the gas component in to-be-measured gas is demonstrated.
The
[0036]
Moreover, in order to confirm the effect of this embodiment, the gas sensor which does not form the
In the response speed test, the protector 4 was mounted so as to protrude into the exhaust pipe having an inner diameter of 50 mm, and then propane gas was burned using a gas burner, and 2.5 m / sec. The combustion gas was injected at a flow rate of. At this time, the excess air ratio λ was set to 0.95 for 0 to 2 seconds after the start of gas burner injection, and after 2 seconds, the excess air ratio λ was switched to 1.05.
[0037]
The results of the response speed test are shown in FIGS. 5 to 8, the horizontal axis represents the combustion gas injection time by the gas burner, and the vertical axis represents the output value obtained by detecting the gas component. Here, the average output value from 0 to 2 seconds is represented as 0%, and the average output value from 18 seconds to 20 seconds is represented as 100%. And the transition to the output value of 100% is represented by a graph.
[0038]
FIG. 5 shows the response speed test result of Example 1, in which a
[0039]
FIG. 6 shows the response speed test results of Example 2, where β ° is 60 °, and the installation angle α of the sensor shaft is both 120 ° and 90 ° satisfying the relational expression of β ° ≦ (180 ° −α °). This is a test.
FIG. 7 shows the response speed test results of Example 3, where β ° is 45 ° and the sensor shaft installation angle α is 120 ° and 90 ° satisfying the relational expression of β ° ≦ (180 ° −α °). This is a test.
[0040]
FIG. 8 shows the response speed test result of the comparative example. The side angle of the inner cylindrical portion of the protector is not tapered toward the bottom wall, and the sensor shaft installation angle α is 110 ° and 90 °. Both were tested.
In Examples 1 to 3, compared with the comparative example, the output value of the gas component with respect to the change in the combustion gas injection time by the gas burner is small and the response speed is good even if the installation angle α of the sensor shaft is changed. Results were obtained.
[0041]
Compared with the comparative example, in Example 1, when the installation angle α of the sensor shaft is both 90 ° and 110 °, the difference in the response speed for detecting the gas component of the gas to be measured is small and the detection accuracy is good. I understand.
Further, in the third embodiment, compared with the second embodiment, the difference in the response speed for detecting the gas component of the gas to be measured is small when the installation angle α of the sensor shaft is 90 ° and 120 °, and β ° is 60 It can be seen that 45 ° is preferable to °.
[0042]
Further, in order to confirm the operational effects of the present embodiment, the gas sensors having β ° of 60 ° and 45 ° used in Example 2 and Example 3 were used, and the gas was measured while sequentially changing the sensor shaft installation angle α °. The time until the output value of 50% of the components was detected was measured, and the result was shown as Example 4 and shown in FIG.
[0043]
As shown in FIG. 10, the time until the 50% gas component output value is detected is the output value when the horizontal axis represents the combustion gas injection time by the gas burner and the vertical axis represents the gas component detected output value. Is the response time ΔT when reaches 50%.
As shown in FIG. 9, when the protector has a taper angle β ° of 60 °, α ° is an obtuse angle, and in a range of 120 ° or less that satisfies the relational expression β ° ≦ (180 ° −α °). The 50% response time was 0.26 seconds or less, and it was found that a stable response speed was obtained with little change in the 50% response time with respect to the change in the sensor shaft installation angle α °.
[0044]
Further, when the protector has a taper angle β ° of 45 °, 50% response time is obtained when α ° is an obtuse angle and is 135 ° or less that satisfies the relational expression β ° ≦ (180 ° −α °). It was found that a stable response speed can be obtained with less change of 50% response time with respect to the change of the sensor shaft installation angle α ° in 0.26 seconds or less.
[0045]
Further, it was found that a protector having a taper angle β ° of 45 ° is more preferable because it is stable with less change in response time of 50% with respect to a change in sensor shaft installation angle than 60 °. .
The gas sensor mounting structure and method according to the embodiment having the above-described configuration, and the operation and effect of the gas sensor will be described below.
[0046]
According to the embodiment of the present invention, when the gas sensor is attached to the exhaust pipe, even if the sensor axis of the gas sensor is attached at an obtuse angle with respect to the flow direction of the gas to be measured, the measurement in the protector is performed. Gas replacement can be performed satisfactorily, and the responsiveness and detection accuracy for detecting the gas component of the gas to be measured can be improved.
[0047]
Further, according to the embodiment of the present invention, the gas to be measured introduced from the outer wall gas inlet and the gas to be measured which are detected and discharged from the outlet are not mixed in the protector. Therefore, it is possible to improve the response speed and the detection accuracy for detecting the gas component in the measured gas.
[0048]
Further, according to the embodiment of the present invention, the gas to be measured can be stably introduced into the inner cylindrical portion, the variation in the output value of the gas component is small, and the substitution of the gas to be measured in the protector is good. Thus, the response speed and the detection accuracy for detecting the gas component in the gas to be measured can be improved.
[0049]
According to the embodiment of the present invention, the shape of the
Further, according to the embodiment of the present invention, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a gas sensor mounting structure to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a gas sensor according to an embodiment to which the invention is applied.
FIG. 3 is a half sectional view of an inner cylindrical portion in the gas sensor of the embodiment.
FIG. 4 is a half sectional view of an outer cylindrical portion in the gas sensor of the embodiment and a sectional view taken along the line BB in the drawing.
5 is a graph showing the response speed test results of Example 1. FIG.
6 is a diagram illustrating a response speed test result of Example 2. FIG.
7 is a diagram illustrating a response speed test result of Example 3. FIG.
FIG. 8 is a diagram illustrating a response speed test result of a comparative example.
FIG. 9 is a diagram illustrating a change in response time of 50% due to a change in sensor axis setting angle in the gas sensor mounting structure of the embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating a change in 50% response time due to a change in sensor axis setting angle.
[Explanation of symbols]
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