JPS58150853A - ガス成分検出器 - 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】 本発明は例えば内燃機関から排出される排気ガス中のＯ
ｘ（酸素）、Ｃ０（−酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）等
のガス成分の嬢度変化を総体的な雰囲気の変化として検
出するガス成分検出器に関するものである。

近年、内燃機関の排気ガス対策に関連して、内燃機関で
燃焼に供せられる混合気の空燃比を検出する手段として
ガス成分検出器が使用されている。

即ち、内燃機関の排気ガス対策として例えば排気ガス浄
化用の触媒を用いる場合、この触媒に最大限の機能を発
揮させるには、混合気の空燃比を適正の値に常に保持す
る必要があるが、通常の内（２） 燃機関における気化器とか燃料噴射式の内燃機関におけ
る噴射装置とかでは、混合気の空燃比が一定になるよう
設定したとしても実際には空燃比は大幅に変化する。従
って、空燃比を一体に保つには、何らかの方法で実際の
空燃比を検出し、その信号を上記気化器とか噴射装置に
フィードバックする必要が生じるのである。

そして、ガス成分検出器によって空燃比を検出するには
、このガス成分検出器で、直接的に排気ガスの各成分の
濃度変化が混合気の空燃比に密接に関連することを利用
して空燃比を検出する。この場合、排気ガスは周知の通
りその温度変化およびガス成分の濃度変化が急激かつ大
幅であり、このためこの点を考慮した正確な検出器が望
まれている。

従来、内燃機関の空燃比を検出する方法の１つとして、
ガス成分に感応する遷移金属酸化物を用い、これの電気
抵抗値の変化を検出する方法がある。これについて説明
する。第１図において、比較ａＣの例えば非反転入力端
子に固定抵抗Ｒｚ、（３） Ｒ２によって定まる設定電圧を印加し、比較ＩＩＣの反
転入力端子に固定抵抗Ｒ３ならびに遷移金属酸化物が示
す抵抗Ｒ４によって定まる電圧を印加し、両電圧を比較
しこの出力信号によって空燃比を制御するのである。

しかしながら、第２図に示すように遷移金属酸化物が示
す電気抵抗値は、ガス成分の濃度はもとより温度によっ
ても変化するため、理論空燃比に制御するために上記比
較器の非反転入力端子に印加される設定電圧（第２図で
は二点鎖線Ａで示しである）を決めると、排気ガス温度
８５０℃では理論空燃比を制御できるが、排気ガス温度
３５０℃では理論空燃比より濃い空燃比にて制御するこ
とになり、理論空燃比に制御することができず、従って
排気ガス温度によって変化する抵抗の補償つまり温度補
償を行なわないと空燃比が正しく制御できないという問
題がある。

本発明は上記の問題を解決するため、検出ガスのガス成
分ならびに検出ガスの温度による電気抵抗値を示す第１
の検出素子と、主に検出ガスの温（４） 度による電気抵抗値を示す第２の検出素子とを備えるこ
とにより、検出ガス温度にほとんど影響されずに検出ガ
スのガス成分に応じた電気抵抗値を取出すことができ、
従って、例えば上記の理論空燃比点等、空燃比を正しく
制御できるガス成分検出器を提供することを目的とする
ものである。

また、本発明では上記第１の検出素子を構成する金属酸
化物を、その内部まで検出ガスが浸透するよう多孔質構
造になし、かつガス成分を酸化する触媒を担持し、他方
第２の検出素子を構成する金属酸化物は検出ガスが内部
に浸透しないよう緻密構造になすとともに触媒を担持し
ない構造とすることにより、第１の検出素子はガス成分
の濃度変化に対し鋭敏に応答し、かつ第２の検出素子は
ガス成分の濃度変化に応答せず、従って上記温度補償が
格段に精度向上するガス成分検出器を提供することを目
的とするものである。

以下、本発明を具体的実施例により詳細に説明する。

まず、本発明における第１の検出素子ならびに（５） 第２の検出素子の構造を第３図に示し、本発明の概略的
作用を説明する。第３図において、第１の検出素子１は
酸化チタンの板状焼結体より成り、この第１の検出素子
ｌはその外表面ならびに内部にまで例えば白金より成る
触媒３が担持してあり、この第１の検出素子１のうち触
媒３の作用（触媒作用）を受ける位置に２本の電極１ａ
、ｌｂが取付けである。また、第２の検出素子２は酸化
チタンの板状焼結体より成り、この第２の検出素子２に
は触媒は担持してない。この第２のガス威分検出素子２
にも２本の電極１ｃ’ｂ、１ｄが取付けである。上記第
１の検出素子ｌは、検出ガスが内部に容昌に浸透するよ
う十分な多孔質構造にしてあり、一方第２の検出素子２
は検出ガスが内部に浸透しないよう緻密構造にしである
。このようにすることによって、Ｉｌｌの検出素子１は
ガス成分の濃度（分圧）変化に鋭敏に応答できて応答暗
闘が早くなり、第２の検出素子２はガス成分の濃度変化
に対して応答性が非常に遅くなり、マクロ的にみてガス
成分に影響を受けなくなる。

（６） 上記の第１の検出素子１と第２の検出素子２とを内燃機
関の排気ガス中に配置した際の作用を説明する。排気ガ
スは周知のとと＜０２、Ｎ　ＯＸ　％ＧＯ２、ＨＣ，Ｈ
λ等のガス成分から構成されており、これらの各成分の
濃度は燃焼前の混合気の空燃比によって変化する。一般
にガス検出素子は各成分それぞれの分圧変化よりもこれ
らがもたらす総体的な雰囲気の変化に応じた電気抵抗値
を示し、更に排気ガスの温度の影響を受は温度に応じて
電気抵抗値を示す、第１の検出素子１は触媒３の働きに
よって、ＣＯ＋１／２０ン→ＣＯス。

ＨＣ＋ＸＯ２→ＹＣＯｚ　＋２ＨｚＯ等の反応が促進さ
れ、排気ガスの還元雰囲気中のＯ分圧と酸化雰囲気中の
０１分圧の変化が第１の検出素子１の表面で急激になり
、そのため電源１ａ、ｌｂ間では理論空燃比点を境に急
激な電気抵抗値変化を取り出せる。これに対し、第２の
検出素子２は触媒が担持されていないため、０χ分圧の
急激な変化がその表面で生じない。従って、ガス成分に
よる電気抵抗値変化は少なく主に排気ガスの温度に（７
） よる電気抵抗値変化があられれる。

それ故、上記のガス成分ならびに排気パス温度による電
気抵抗値は第１の検出素子１の電気１ａｓｉｂ間で取出
され、また、はぼ排気バス温度のみによる電気抵抗値は
第２の検出素子２の電極１０％１４間で取出される。な
お、電極１ａ、ｌｂ藺の電気抵抗値の温度変化率ならび
に電極１ｃ、ｌａ間の電気抵抗値の温度変化率は両県１
、第２の検出素子１．２が同じ金属酸化物であるため等
しい。

上記第１、第２の検出素子１．２の金属酸化物として酸
チタン（Ｔｉ０２）を用い、触媒３として白金を用いた
場合の上記各電極間（ｌａ−１ｂ。

１ｃ−１ｄ）の空燃比に対する電気抵抗値変化音測定し
た結果を第４図に示す、なお、測定排気ガス温度を６０
０℃とする。同図は縦軸に電気抵抗値（ＫΩ）を対数目
盛であられしており横軸に空燃比（Ａ／Ｆ）を等分目盛
で表わしている。第４図において、曲線■が上記電極１
ａ−１ｂ間の特性で排気ガス温度とガス成分によるもの
であり、曲線■が電極１ｂ−１ｃ間の特性でほとんど排
気（８） ガス温度が変化しても各電極間１ａ−１，１ｂ−１ｃ間
の抵抗温度特性の活性化エネルギー（電気抵抗値の温度
変化率）は同一なので、任意の排気ガス温度においても
第３図の曲線■、■と同じような特性が得られる。つま
り、第１の検出素子ｌの電気抵抗値の変化を第２の検出
素子２で温度補償しつつ検出でき、温度が変化しても正
確な理論空燃比点を検出できるのである。

次に、本発明ガス成分検出器の構造の一実施例を説明す
る。第５図乃至第７図において、１．２は酸化チタンの
板状焼結体よりなる第１、第２の検出素子である。この
第１、第２の検出素子１゜２の製造決方を説明すると、
１２００℃で仮焼した酸化チタン粉末（ルチル型）をボ
ールミル等によって粉子径を比較的細かく例えば平均粒
径０．１〜３μに揃える。その粉末を有機バインダー溶
液とともにニーグーで混練しステリーを形成する０次に
ドクターブレード方により０．２鶴位のシートを作成し
、数枚重ねて厚さを制御する。電極はシートの重ね合わ
せた間に挿入し、一体型で圧縮成形（９） 焼成を行なって第１、第２の検出素子１．２を得る。な
お、第２の検出素子２は緻密構造になるごとく焼成する
。第１の検出素子１ならびに第２の検出素子２には各々
２本の白金製電極１ａ、１ｂＩＣ１１ｄが取付けてあり
、第１の検出素子ｌに触媒３を担持後、第１．第２の検
出素子１，２の電極１ｂ、ｌｃを別の白金製電極ｉｏと
ともに溶接し、両県１、第２の検出素子１．Ｓｌ直列に
連結しである。なお、第１の検出素子１に対する触媒３
の担持方法は、例えば塩化白金酸塩（Ｈ，Ｐ　ｔＣＩ４
　・６Ｈ２０）の中に第１の検出素子ｌを漫潰し、その
後、水素ガス気流中で還元後再び焼成する。これによっ
て、白金より成る触媒３は第１の検出素子１の外表面な
いしは内部までにも担持される。また、触媒３の担持方
法としては蒸着法がある。いずれの担持方法にしても電
極１ａと電極１ｂとが電気的に短絡しないようにする。

上記第１、第２の検出素子１，２の電極１ａ〜１ｄの端
面は各県１、第２の検出素子１．２の表面に露出してい
る。

（１０） ４はアルミナ等の耐熱電気絶縁性の材質より成る保持体
であり、第１、第２の検出素子１．　２に一部が埋設さ
れた電極１ａ、ｌｄ、ｌｅは保持体４の工法に設けられ
た貫通穴４ａに挿入されている。

保持体４の工法に設けられた貫通穴４ｂにはっは部５ａ
とローレット部５ｂとを有する金属製リード線５が挿入
されている。保持体４とリード線５との間はローレット
部５ｂにおいてガラスセラミック接着剤５０等でシール
固定しである。また、電極１ａＳｌｄ、ｌａとリード線
５とは保持体４に設けた穴部４ｃ内において外部よりレ
ーザースポットにて溶接固定しである。６は例えば自動
車排ｆｉ管（図示しない）に取り付けるためのネジ部６
ａを有する、耐熱性金属よりなるハウジングである。保
持体４下部のテーバ部４ｄに耐熱性金属のワッシャ７及
び排ガスが通過できる穴８ａ資有する耐熱性金属よりな
る保護カバー８を挿入し、さらに上部テーパ部４ｅに比
較的軟かい金属（例えば銅）のリング９及びワッシャ１
０を挿入して、ハウジング６の上部６ｂをかしめること
によって保持体４とハウジング６とは固定される。

そして、上記構造のガス成分検出器を空燃比制御回路に
組込んだ一例を説明すると、例えば電極ｌａ、ｌｂ％ｌ
ｅを第８図のごとく接続し、中間点Ｘでの電圧を比較Ｉ
ＩＣの例えば反転入力端子に印加し、また固定抵抗Ｒ１
１ＲＺを直列接続して両抵抗Ｒｚ、Ｒλによって定まる
設定電圧を比較器Ｃの非反転入力端子に印加する。中間
点Ｘでは電極１ａ、ｌｂ閏に現われる温度による電気抵
抗値の変化分と、電極１ａ、ｌａ間に現われる温度によ
る電気抵抗値の変化分がほとんど相殺され、結局はとん
ど電極１ａ、ｌａ間に現われる、ガス成分による電気抵
抗値の急激な変化分にｌｌｌ係した電圧が得られる。換
言すれば、中間点Ｘではほとんどガス成分の濃度（空燃
比）のみに左右される電圧が得られるのである。そして
、前記したように、検出素子２が示すガス成分による電
気抵抗値の急激な変化は理論空燃比の近傍を境にして行
なわれるから、この論理空燃比にｍ−するには、理論空
燃比に対応する電圧（第４図の二点鎖線＾に示す）を上
記の比較器Ｃの■側に設定電圧として入力すればよい。

比較ＷｈＣは、人力された電圧を比較してアクチェエー
タＤ（例えば気化器のスロットル弁）を作動させる信号
を発するものである。そして、例えば、理論空燃比より
検出空燃比が薄くて中間点Ｘでの電圧が設定電圧より大
きい場合は、空燃比を薄くして理論空燃比にするようア
クチェエータＤを作動させる信号を発し、また理論空燃
比より検出空燃比が濃くて中間点Ｘでの電圧が設定電圧
より小さい場合は、空燃比を薄くして理論空燃比にする
ようアクチュエータＤを作動させる信号を発する。

以上の説明から理解されるように、第１の検出素子ｌの
電気抵抗値の変化を、第２の検出素子２で温度補償しつ
つ検出でき、この結果、常にほぼ正確な空燃比の検出が
行なわれるのである。

なお、第８図に示した空燃比制御回路は一例を示すもの
であり、例えば第９図に示すごとく結線した空燃比制御
回路でもよい。

第１Ｏ図は第１の検出素子の一方の電極１ｂお（１３） よび第２の検出素子２の一方の電極１ｃを保護カバー８
に溶接固定してアースした本発明の更に他の実施例を示
すものである。

上記各実施例において、第１、第２の検出素子１．２は
共にＴｉ上（酸化チタン）で構成したが、ＳｎＯえ（酸
化スズ）で構成してもよく、あるいはＺｒＯ２（酸化ジ
ルコニウム）、Ｎ１ｐ（酸化ニアケル）、Ｃｅ０ｚ（酸
化セリウム）、ｚｎＯ（酸化亜鉛）等の抵抗温度特性の
活性化エネルギーがほぼ等しい異種金属酸化物を組合せ
て構成してもよい。

また、上記のごとく緻密構造に焼成した第２の検出素子
２にガス濃度変化を更に受けないようにする酸化クロム
、酸化マンガンを予め添加してもよい。例えば、’ｒｔ
ｏＬに対して５ａｔｍ％以上のＣｒｚ　０３．Ｔｉｅ、
に対してｌａｔｍ％４以上のＭｎＯ≧を添加する。

更に、上記各実施例においては第１１第２の検出素子１
．２としては金属酸化物の焼結体より構成しであるが、
例えば耐熱性電気絶縁性の金属酸（１４） 化物よりなる基本表面に、薄膜体より構成した第１、第
２の検出素子を担持、形成してもよい。この場合、真空
蒸着、スパツタリング等の方法で上記基本の表面に厚さ
１００λ〜１００μ程度の薄膜として形成する。触媒は
電子ビーム蒸着等の方法で担持し、電極は導電（白金）
ペースト焼付は法、蒸着法等にて形成する。

また、第１、第２の検出集子１，２の外表面に検出ガス
中の不純物（リン、鉛等）が付着することを紡糸するた
め、電気絶縁性でかつ検出ガスを通過させることのでき
る多孔性のセラミック膜（例えばｒ−アルミナ）を第１
、第２の検出素子１、　２のうち検出ガスが晒される側
の外表面に形成してもよい。

以上詳述したごとく、本発明においては、検出ガスが内
部に浸透するよう多孔質であるとともに、検出ガスの成
分を酸化反応させる触媒が担持された金属酸化物より成
り、検出ガス中のガス成分およびが大温度の両方に依存
した電気抵抗変化を示す第１の検出集子と、検出ガスが
内部に浸透しないよう緻密構造であるとともに、検出ガ
スのガス成分を酸化反応させる触媒が担持されていない
金属酸化物より成り、主にガス温度に依存した電気抵抗
変化を示す第２の検出素子とを備え、この雨検出素子に
それぞれ電極を設け、このそれぞれの電極により前記雨
検出素子が示す電気抵抗変化を取出すようにしたから、
検出ガス温度による電気抵抗値の変化分をほとんど相殺
することができ、検出ガス温度の影響をほとんど受ける
ことなくほぼガス成分の濃度に応じた出力を取出すこと
ができるため、従って正確な空燃比の制御が可能となる
。

また、本発明では上記のごとく、第１の検出素子は多孔
質構造で、かつ触媒が担持されており、一方第２の検出
素子は緻密構造で触媒が担持つされていない構成を備え
ているから、第１の検出素子はその内部までも検出ガス
が浸透し、しかも触媒を有するために検出ガスのガス成
分の濃度変化に対して鋭敏に応答することになり、一方
第２の検出素子は緻密構造がゆえに検出ガスは内部へ浸
透できず、また触媒も備えていないためにガス成分に対
する応答性は極めて遅く、実質的に応答しなくなる。

従って、温度補償を極めて正確に行なうことができ、ガ
ス成分の濃度変化に対応した正確な電気抵抗変化を取出
すことができると同時に、僅かなガス成分の濃度変化を
も見逃さずに検出できるのである。

更に、本発明では第１の検出素子ならびに第２の検出素
子という独立した２個の検出素子を備えているから、上
記のごとく多孔質構造、緻密構造を極めて簡単に構成で
き、従って製作の点でも有利である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の説明に供する空燃比検出回路の構成を示
す電気結線図、第２図は排気ガス温度←よって空燃比特
性が変化することを示した特性図、第３図は本発明の概
略説明に供する第１、第２の検出素子部分を示す断面図
、第４図は第３図に示した第１１第２の検出素子による
空燃比特性を示（１７） す特性図、第５図は本発明のガス成分検出器の一実施例
を示す断面図、第６図は第５図における第１１第２の検
出素子部分を拡大して示す断面図、第７図は第５図にお
ける電極１ｂ、ｌｃ、ｌｅの溶接方法を示す断面図、第
８図は第５図図示検出器を用いた空燃比検出回路の一例
を示す電気結線図、第９図は空燃比検出回路の他の例を
示す電気結線図、第１０図は本発明における検出器の他
の実施例を示す断面図である。 １・・・第１の検出素子、ｌａ、ｌｂ、ｌｃ、ｌｄ。 １ｅ・・・電極、２・・・第２の検出素子、３，３ａ・
・・触媒。 代理人弁理士　岡　部　　　隆 （１８） 第１図 空燃屯　（酵） ＊３図 ′ｍ　４　凶 ＠　９　■ 第１０　１ 容１頁の続き ０発　明　者　青木敬二 裾野市今里３７播地の１

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）検出ガスが内部に浸透するよう多孔質であるとと
   もに、検出ガスの成分を酸化反応させる触媒が担持され
   た金属酸化物より成り、検出ガス中のガス成分およびが
   大温度の両方に依存した電気抵抗変化を示す第１の検出
   素子と、検出ガスが内部に浸透しないよう緻密構造であ
   るとともに、検出ガスのガス成分を酸化反応させる触媒
   が担持されていない金属酸化物より成り、主にガス温度
   に依存した電気抵抗変化を示す第２の検出素子とを備え
   、この雨検出素子にそれぞれ電極を設け、このそれぞれ
   の電極により前記雨検出素子が示す電気抵抗変化を取出
   すようにしたガス成分検出器。
2. （２）前記雨検出素子は同一の金属酸化物で構成されて
   いる特許請求の範囲第１項記載のガス検出器。
3. （３）前記電極は３本であり、うち２本のそれぞれは前
   記雨検出素子に設けられており、残り１本の（１） 電極は前記雨検出素子のそれぞれで共有する構造になっ
   ている特許請求の範囲第１項記載のガス成分検出器。
4. （４）前記第１の検出素子ならびに前記第２の検出素子
   は、互いに抵抗温度性の活性化エネルギーがほぼ等しい
   異種の金属酸化物である特許請求の範囲第１項記載のガ
   ス成分検出器。