JPS5847660B2 - ガスセイブンケンシユツキ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の詳細な説明は検出ガス中の０２（酸素）、αバ
酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）等の成分の濃度変化を総
体的な雰囲気の変化として応答性よく検出し得る、特に
内燃機関の排気ガスのガス成分検出器に関するものであ
る。

ガス成分検出器は一般に広く使用されているが、近年、
内燃機関の排気ガス対策と関連して、内燃機関で燃焼に
供される混合気の空燃比を検出する手段としても使用さ
れるに至っている。

即ち、内燃機関の排気ガス対策として例えば排気ガス洗
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、通常の機関における気化器とか燃料噴
射式の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。

従って空燃比を一定に保つには、何らかの方法で実際の
空燃比を検出し、その信号を前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。

しかして、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る。

従来、内燃機関の空燃比の検出は、ジルコニア等の固体
電解質を用いて、これを酸素濃淡電池として作用させ、
起電力の変化を検出する方法、あるいは遷移金属酸化物
を用いて、これの電気抵抗値の変化を検出する方法にて
行なわれている。

しかしながら、前記の方法においては固体電解質のイオ
ン伝導が格子間に存在するイオン欠陥中を熱振動による
イオンの移動によって起こることから、起電力が生じる
。

このため、固体電解質の温度が４００℃以下の低温では
起電力が生じず、従って排気ガス温度の低い内燃機関の
始動時などには応答性が著しく低下するという欠点を有
している。

一方後者の方法では、第１０図に示すごとく前者の方法
に比較して特性曲線の傾きがなだらかであるため、ある
一点の空燃比を検出しようとすると非常に精度が悪いと
いう欠点を有している。

また排気ガス温度によっても電気抵抗値が変化するため
、温度補償を行なわないと任意の空燃比が制御できず、
また温度補償によって応答遅れが生じるという欠点があ
る。

本発明は後者の遷移金属酸化物よりなるガス成分検出素
子を用い、このガス成分検出素子に触媒を担持すること
により、所要空燃比を検出ガスの温度に影響を受けずに
、しかも精度よく検出しようとすることを目的とするも
のである。

また、本発明は上記ガス成分検出素子の電気抵抗値を取
出す一対の棒状部材の先端側を、ガス成分検出素子のう
ち検出ガスに晒される側の表面の内郡に埋設し、ガス成
分検出素子のうち上記一対の棒状部材が突出している側
の面ならびに該一対の棒状部材の突出部分を各々囲む金
属ハウジングを有し、このハウジングによってガス戒分
検出素子の上記面、ならびに棒状部材の上記突出部分を
検出ガスに対して隔離することにより、検出ガス中の不
純物、例えばカーボンのごとき導電性物質が棒状部材に
付着して棒状部材間の短絡を起こさせないようにするこ
とを目的とするものである。

以下本発明のガス或分検出器を内燃機関の空燃比を検出
する手段として用いる場合の実施例について説明する。

第１図および第２図において、１はハウジングで電気良
導体の金属よりなり、内燃機関の排気管などに取り付け
られるためのねじ部１ａおよび締付部１ｂを有する。

ハウジング１の下端部には、遷移金属酸化物の焼結体よ
りなるガス成分検出素子１３が収納され、このガス成分
検出素子１３は、その上端面とハウジング１との間にパ
ッキングワツシャ３を介在させ、かつガス或分検出素子
１３の下方とハウジング１の下端との間には電気良導体
の金属リング４を介在させて、前記ハウジング１の下端
を内側に熱かしめすることにより固定されている。

また、ハウジング１の上端部には、電気絶縁性のセラミ
ックよりなる円柱状で上端部にテーパ部５ａを有する上
部保持体５がハウジング１との間にパッキングワツシャ
６および金属リング７を介在させて熱かしめされている
。

上部保持体５にはそれぞれ軸方向の２個の貫通穴５ｂ，
５ｃが設けてあり、上部保持体５の一方の貫通穴５ｂに
は第１のリード線８が、また上部保持体５の曲方の貫通
穴５ｃには第２のリード線９がそれぞれ嵌挿してある。

前記各リード線８，９はＳＵＳ４２とかインコネル６０
０（商品名）などの電気良導性の耐熱金属よりなる。

このリード線８，９には第１、第２の電極ｉｏ，ｉ１が
設けてあり、この第１、第２の電極ｉｏ，ｉ’ｉはガス
成分検出素子１３の内部に配設してある。

これら各電極１ｏ，ｉｉは金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）な
どの耐熱耐蝕性に優れた金属より構成してある。

この第１、第２の電極１０，１１はそれぞれ前記第１、
第２のリード線８，９と熱かしめ、プラズマ溶接等の方
法で接続されている。

ところで、第１図から明らかなように、上記ハウジング
１によってガス成分検出素子１３のうちリード線８，９
が突出している側の面、ならびにこのリード線８，９が
ガス成分検出素子１３より突出している部分は検出ガス
に対して隔離されている。

上記ガス成分検出素招１３の表面には白金（Ｐｔ）パラ
ジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒ，ｈ）等の触媒１４を付
着させて担持してある。

この触媒１４の付着方法は、これを例えば塩化白金酸塩
（Ｈ２ＰｔＣｌｂ・６Ｈ２０）中に含浸させ、水素気流
中で還元後焼成し、触媒１４としてｐｔをガス成分検出
素子１３に付着せしめる。

但し触媒１４は第１、第２の電極１０．１１間で電気的
に導通するほど多くガス成分検出素子１３に付着させて
はならない。

ガス成分検出素子１３の遷移金属酸化物としては、酸化
チタン（ＴｉＯ２）、酸化ニッケル（ Ｎ ｉ Ｏ ）
、酸化コバルト（ＯｏＯ）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、
亜鉛（ＺｎＯ）、酸化銅（ＯｕＯ）、酸化チタン（Ｔｉ
Ｏ２）、酸化錫（ＳｎＯ２）などがあるが前記ガス成分
検出素子１３の配設は、これら遷移金属酸化物のうち適
当なものを選ぶ。

上部保持体５の各貫通穴５ｂ，５ｃはそれぞれ上方部が
第１、第２のリード全８，９の径よりもかなり大きく形
成されており、この部分にそれぞれ管状の第１、第２の
端子１５，１６が収納してある。

第１、第２の端子１５．１６の下端にはそれぞれつば１
５ａ，１６ａが設けられ第１、第２の端子１５，１６は
前記つば１５ａ，１６ａとその上方にそれぞれ圧入され
たリング１７．１８とによって上部保持体５の各貫通穴
５ｂ ，５ｃ内にそれぞれ保持され、かつ前記つば１５
ａ，１６ａとリング１７．１８と上部保持体５の貫通穴
５ｂ ，５ｃとから形成される空間にそれぞれガラスシ
ール１９，２０などを充填して固定されている。

そして、第１のリード線８は第１の端子１５内に挿入さ
れて上端で第ｌの端子１５の上端に溶接され、また、第
２のリード線９は第２の端子１６内に挿入されて上端で
第２の端子１６の上端に溶接されている。

なお、２１はガスケットである。

上記構成においてその作用を説明する。

上記構成のガス成分検出器はハウジング１を用いて内燃
機関の排気管に装着され、従ってガス成分検出素子１３
は排気ガスに晒される。

排気ガスは、周知のごとく、０２，ＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣ
，Ｈ２，ＣＯ２，Ｎ２等のガス成分から構成されており
、こ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。

ガス成分検出素子１３をなす遷移金属酸化物は上記の各
ガス成分のうち主として０２，ＣＯ，ＨＣ，Ｈ２等の濃
度即ち分圧の影響を受け、しかも、これら各成分それぞ
れの分圧の変化よりもこれがもたらす総体的な雰囲気の
変化に応じた抵抗値を示す。

しかして本発明において、ガス成分検出素子１３のガス
成分に晒される側の表面には触媒１４が付着してあるた
め、０２，ＣＯ，ＨＣ，Ｈ２等のガス成分に対する反応
性を高め、とくにガス成分検出素子１３の周囲の０２分
圧変化による該ガス成分検出素子１３の電気抵抗値が変
化する特性を増大させ、０２分圧変化に対して急激な電
気抵抗変化を得ることができる。

この理由は次のように考えられる。

即ち、遷移金属酸化物のガス成分に晒されている側の表
面付近にＣＯ，ＨＣ，Ｈ２等の可燃性のガス成分と０２
が存在すると、触媒１４の作用によって００＋１〜２０
２→ＣＯ２、ＨＣ＋ＸＯ２→ｙＣＯ２＋ＺＨ２０，Ｈ２
＋１／２０２→Ｈ２０等の反応が起きる。

しかして、燃焼前の混合気の空燃比が理論空燃比よりも
濃い側では、ガス成分の０２が全てＣＯ，ＨＣ等の反応
に供されてもなおＣＯ ， ＨＣは残っている状態なの
で、ガス成分検出素子１３の表面には上記反応によって
０２はほとんど存在しないことが推察される。

一方、燃焼前の混合気の空燃比が理論空燃比よりも薄い
側では、可燃性のガス戒分との反応に０２が供されても
なお０２は残っている状態なので、ガス成分検出素子１
３の表面には０２が多く存在することが推察される。

つまりガス成分検出素子１３の表面には０２が存在する
か否かという二つの状態しかあり得ないことが理解され
る。

このような触媒１４の作用によってガス戒分検出素子１
３の電気抵抗値は理論空燃比もしくはその近傍を境に急
激に変化するものと考えられる。

前記構成よりなるガス成分検出器において、ガス成分検
出素子１３としてＮ型の半導体であるＴ ｉ０２を用い
た場合の電気抵抗値変化を測定した結果が第３図である
。

この第３図からわかるように、理論空燃比近傍を境にガ
ス成分検出素子１３の電気抵抗値が急激に変化している
。

同図は縦軸に検出素子１３の電気抵抗値（Ｋ，２）を対
数目盛で表しており、横軸に空燃比（ Ａ／Ｆ ）を等
分目盛で表している。

この第３図において、排気ガス温度４００℃でＡの検出
レベルを設定するれば、ガス成分検出素子１３の電気抵
抗値が検出レベルより大きければ空燃比太（薄混合気）
、逆に電気抵抗値が検出レベルより小さければ空燃比小
（濃混合気）と判定でき、従って理論空燃比点の近傍を
境に空燃比（ガス成分）を検出でき、これをもとに空燃
比制御を行なうことができる。

また、検出レベルを正確に設定すれば、排気ガス温度の
補償は不要であることが第３図からわかる。

従って運転条件によって温度の変動が大きい自動車の排
気ガスの空燃比制御に極めて好都合である。

ここにおいて、第１図および第２図の構造を有したガス
成分検出器を２つ用意した。

一方は触媒１４が付着してあり、池方は触媒１４が付着
していない。

この２つのガス成分検出器の内燃機関の排気ガス温度５
００℃における電気抵抗値の空燃比に対する特性を第４
図に示す。

なおガス成分検出素子１３としてＴｉＯ２を用いた。

この第４図において、所定検出レベルＡで空燃比を制御
すると仮定する。

この場合、検出回路の応答遅れ、内燃機関へのフィード
バックにより空燃比が変化した排気ガスが検出器に到達
するまでの遅れ等の総合遅れによって検出器の検出する
電気抵抗値はＡ１からＡ２の間の値を取ると考えられる
。

このため空燃比についてみてみると、触媒１４が付着し
てない従来の検出器イではｂ１からｂ２の検出空燃比の
誤差が生じる。

なお触媒１４が付着している検出器口でもａ１からａ２
の検出空燃比の誤差が生じるが、その誤差範囲は小さい
ことがわかる。

この結果を更に検討するに、検出器の電気抵抗値の空燃
比に対する特性曲線の傾きが小さい程、検出空燃比の誤
差は小さくなる。

従って触媒１４を備えていなければ上記特性曲線の傾き
は大きくなり、検出空燃比の誤差が大きく、ある一点の
所望空燃比を制御する場合に適していないことがわかる
。

特に触媒コンバーターの洗化性能から空燃比の誤差をあ
る範囲に押える必要があり、この点からも検出空燃比の
誤差は小さい方が望ましい。

ところで、本実施例においては、ガス成分検出素子１３
の表面には触媒１４が付着させてあり、この触媒１４の
作用にてガス成分である０２と００．０２とＨＣ等が反
応する際には反応熱が生じ、この反応熱によってガス成
分検出素子１３の表面温度が上昇する。

従って内燃機関開始動時等のように排気ガス温度が低い
場合でも、ガス成分検出素子１３の応答性が良くなる。

また、この実施例によれば、第１、第２の電極１０．１
１はガス成分検出素子１３の内部に埋め込んであるため
、ガス成分検出素子１３のガス成分に晒される側の表面
に排気ガス中の不純物（例えばカーボン等）が付着して
も第１、第２の電極１０．１１はその不純物により短絡
することはない。

また、第９図から明らかなように、ガス成分検出素子１
３の内部に数ミクロン程度、第１、第２の電極ｉｏ，１
ｉを埋め込んだだけではガス成分検出素子１３の電気抵
抗値変化の応答時間は長くならない。

なお、第１、第２の電極１０，１１のガス或分検出素子
１３における位置とガス戒分濃度の変化に対する電気抵
抗値変化の応答時間との関係を示したのが第９図である
。

この第９図からわかるように、本実施例のごとくガス成
分検出素子１３のガス成分に晒される側の表面の内部に
第１、第２の電極１０．１１を位置さしめればガス成分
濃度の変化に対するガス成分検出素子１３の電気抵抗値
変化の応答時間を速めることができる。

次に、前記実施例の構造のガス成分検出器において、ガ
ス成分検出素子１３としてＺ ｎ Ｏ ，Ｓ ｎ ０２
、酸化ニオビウム（Ｎｂ２０５）、およびＮｉＯを用い
た場合のガス成分検出素子１３の電気抵抗値の空燃比お
よび温度に対する特性をそれぞれ順次、第５図乃至第８
図に示す。

この第５図乃至第８図から明らかなように、理論空燃比
近傍で電気抵抗値が急激に変化しており、かつ理論空燃
比近傍では排気ガス温度によって電気抵抗値が変化して
いないことがわかる。

なお、上述の実施例においては、触媒１４はガス成分検
出素子１３のガス成分に晒される側の表面に付着したが
、別にこれに限定されることはなく、ガス成分検出素子
１３の内部に触媒１４を分散してもよい。

この場合、分散された触媒１４によってリード線８，９
あるいは第１、第２の電極１０．１１が互いに短絡しな
いようにする必要がある。

また、触媒１４の表面にガス通過可能な気孔を有するコ
ーティング材（例えばガンマアルミナ）を設けてもよい
。

これにより、検出ガ゛ス中のＳ，Ｐ，Ｐｂ，Ｃ！などの
不純物が触媒１４に付着するのを防ぐことができる。

更に、リード線８，９と電極１０．１１とを一体化し、
リード線の部分までも電極としてもよい。

この場合は、電極の端部がガス成分検出素子１３の内部
に配設されることになる。

以上詳述したように本発明においては、遷移金属酸化物
よりなるガス成分検出素子に触媒を担持したから、この
触媒の作用によってガス成分検出素子の電気抵抗値の空
燃比に対する特性はある空燃比を境に急激に変化し、従
って所望空燃比の検出誤差が極めて小さく、かつ精度よ
くその所望空燃比を検出することができる。

また、ごれを検出ガスの温度の影響を受けることなく行
なうことができる。

また、本発明では、ガス成分検出素子の電気抵抗値変化
を取出す一対の棒状部材の先端をガス成分検出素子のう
ち検出ガスに晒される側の表面の内側に埋設し、ガス成
分検出素子のうち棒状部材が突出している側の面ならび
に該棒状部材の前記突出部分をそれぞれ筒状の金属ハウ
ジングで囲み、該ハウジングによってガス成分検出素子
の前記面ならびに棒状部材の前記突出部分を検出ガスに
対して隔離したから、ガス成分検出素子のうち棒状部材
が突出している面、ならびに棒状部材のその突出部分に
は検出ガス中のカーボンなどの導電性物質が付着するこ
とがなく、従って検出ガス中の導電性物質による一対の
棒状部材の短絡を防ぐことができ、故にガス成分検出素
子が示す電気抵抗値を確実に取出すことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になるガス成分検出器の実施例を示す断
面正面図、第２図は第１図の底面図、第３図は本発明の
説明に供するもので、ガス成分検出素子としてＴ ｉ
０２を用いた場合の電気抵抗値の空燃比および温度に対
する特性図、第４図は本発明の説明に供するもので、Ｔ
ｉＯ２よりなるガス成分検出素子に触媒を付着させたも
のと付着させないものとを比較した、電気抵抗値の空燃
比に対する特性図、第５図乃至第８図はガス成分検出素
子としてそれぞれＺｎＯ，Ｓｎ０２，Ｎｂ２，０５，Ｎ
ｉＯを用いた場合の電気抵抗値の空燃比に対する特性図
、第９図は本発明の説明に供するもので、ガス或分検出
素子の表面からの電極の深さに対する電気抵抗値の応答
時間の関係を表わした特性図、第１０図は遷移金属酸化
物であるＴ ｔ ０ ２と固体電解質であるＺｒＯ２素
子との空燃比に対する出力変化を示す特性図である。 １０，１１・・・・・・電極をなす第１、第２の電極、
１３・・・・・・ガス成分検出素子、１４・・・・・・
触媒。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 検出ガス中のガス成分に応じた電気抵抗値を示す遷
   移金属酸化物焼結体からなるガス成分検出素子と、該ガ
   ス成分検出素子の電気抵抗値変化を取出すものであって
   、先端が前記ガス成分検出素子のうち検出ガスに晒され
   る側の表面の内側に埋設された一対の棒状部材と、前記
   ガス戒分検出素子に担持された触媒と、前記ガス成分検
   出素子のうち前記棒状部材が突出している側の面ならび
   に該棒状部材の前記突出部分をそれぞれ囲む筒状の金属
   ハウジングとを具備し、該ハウジングによって前記ガス
   成分検出素子の前記面ならびに前記棒状部材の前記突出
   部分を検出ガスに対して隔離したことを特徴とするガス
   成分検出器。