JPS5919306B2

JPS5919306B2 - ガス検知装置

Info

Publication number: JPS5919306B2
Application number: JP6254476A
Authority: JP
Inventors: 太郎田中; 満浅野; 正服部
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1976-05-28
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1984-05-04
Also published as: JPS52145292A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は内燃機関から排出される排気ガス中のＯ。

（酸素）、Ｃｏ（一酸化炭素）、ＨＣ（炭化水素）等の
ガス成分の濃度変化を総体的な雰囲気の変化として検出
するガス検知装置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検知装置が
提案されている。

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、通常のガソリン、ＬＰガス等の内燃機
関における気化器とか燃料噴射装置では、混合器の空燃
比が一定になるよう設定したとしても種々の要因により
実際には空燃比が大幅に変化する。従つて、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、
その信号を気化器とか燃料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、空燃比を検出するに
は、ガス検知装置で、排気ガスの成分の濃度変化が混合
気の空燃比に密接に関係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知装置が望まれている。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、差動演算増幅
器（以下ＯＰアンプという）１の例えば非反転入力端子
に固定抵抗２、３によつて定まる設定電圧を印加すると
ともにＯＰアンプ１の反転入力端子に直流電圧が加えら
れた固定抵抗４ならびに遷移金属酸化物が示す抵抗５に
よつて定まる電圧を印加し、両電圧を比較しこの出力信
号によつて理論空燃比を検出するものである。しかし、
この種のガス検知器に単に直流電圧を加えて、その電気
抵抗を検出する方法をとると、高温の排気ガスの状態に
より遷移金属酸化物は酸化もしくは還元され、正負の電
荷を持つイオン状態（例えばＴｉＯ２→ＴｉＯ＋＋Ｏ−
）となつているため、ガス検知器の陽極側に負イオン、
陰極側に正イオンが吸引され、この結果陽極付近は負の
イオンが又陰極付近は正のイオンが過剰となる。

しかして、遷移金属酸化物を二酸化チタニウム（ＴｉＯ
２）、電極を白金（Ｐｔ）で構成したとすると、陽極、
陰極付近の過剰のイオンと、ＴｉＯ２中の不純物、白金
、さらに排気ガス中に含まれるリン、鉛、イオウ等の複
合化物を生成し、この結果、陽、陰極間の組成が変化す
ることとなり、電気抵抗特性に差が生じる。このことは
、排気ガスの状態を検出するため、ガス検知器の抵抗値
を求めても、ガス検知器の使用耐久時間により同一抵抗
値であつても排気ガスの状態が異なるということを意味
しており、結局正確な排気ガス組成の検出ができないと
いう問題があつた。

本発明は上記問題を解決しようとするもので、ガス検知
器に加える電圧として機関回転に同期して発生する交流
電圧を用いることにより、電極付近に過剰にイオンが集
まるのを防止して排気ガス状態を正確に検出し、かつ電
極の消耗、電極の金属酸化物との化学物生成を防止して
耐久性向上を図ることを目的とするものである。

以下、本発明を図に示す実施例について説明する。

第２図において、内燃機関１０は通常の４サイクルレジ
プロエンジンであつて、気化器１１から吸気マニホール
ド１２を介して混合気が供給され、他方燃焼後の排気ガ
スは排気マニホールド１３、排気管１４、排気ガスを浄
化するための３元触媒コンバータ１５を介して大気に放
出される。そして、排気管１４には排気ガス中のガス成
分を検出するためのガス検知器２０が設置されている。
制御ユニツト４０はガス検知器２０に交流電圧を加える
とともにガス検知器２０の電気抵抗値を検出して電気信
号を発生するもので、主に電子回路より構成されている
。この制御ユニツト４０の出力は気化器１１の図示しな
い空燃比補正ユニツトに与えられ、混合気の空燃比のフ
イードバツク補正が行なわれる。もちろん、気化器のか
わりに周知の燃料噴射装置を適用してもよい。次に第３
図においてガス検知器２０の構造について説明する。

ハウジング２１は耐熱耐食性の秀でた金属で形成してお
り、排気管１４に取付けるためのねじ部２１ａと締付部
２１ｂとを有している。ガス検知素子２２は半導電性を
有する金属酸化物の焼結体よりなる円板状のガス検知素
子で、白金等、金等の耐熱耐食性に秀でた金属よりなる
棒状の１対の電極２３ａ，２３ｂがガス検知素子２２の
電気抵抗値を取出すため離間して設けられている。

また、ガス検知素子２２は電気絶縁性を有するアルミナ
（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミツクス焼結体よりなるセラミ
ツクスボデイ２４の先端（排気ガスにさらされる側）の
凹部に組み込まれており、２本の電極２３ａ，２３ｂは
制御ユニツト４０に接続するための端子２４ａ，２４ｂ
の固定部２５ａ，２５ｂで電気導電性を有する銅ガラス
等の接着材で端子２４ａ，２４ｂに結合されている。な
お、このガス検知素子２２は酸化チタン（ＴｉＯ２）、
酸化ニツケル（ＮｉＯ）、酸化コバルト（ＣＯＯ）、酸
化マンガン（ＭｎＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化銅（
ＣｕＯ）もしくは酸化錫等の金属酸化物を用いるのが望
ましい。

セラミツクスボデイ２４とハウジング２１とは上部にて
ステンレス鋼よりなるＯリング２６、スペーサ２７，２
８を間に挟んで排気ガスが漏れないように熱かしめによ
り結合され、下部にてガス検知素子２２を保護するため
のフード２９、スペーサ３０を間に挟んで結合されてい
る。

また、セラミツクボデイ２４の下部即ちガス検知素子２
２の取付部には、排気ガスとの流通を良くするため貫通
孔３１が設けてある。そして、このガス検知器２０は、
内燃機関１０の排気管１４に装着され、ガス検知素子２
２は排気ガスにさらされる。

なお、排気ガスはこの周知のごとく、０２、ＮＯｘ．Ｃ
Ｏ．ＨＣ．Ｈ２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焼結前の混合気の空燃比（もしくは
当量比）によつて変化する。ガス検知素子２２は上記ガ
ス成分のうち主として０２、ＣＯ．ＨＣ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
変化よりも、これらがもたらす総体的な雰囲気の変化に
応じて例えば第４図に示すような電気抵抗値を示す。第
５図は制御ユニツト４０の電気回路図で、以下、第５図
について説明する。

制御ユニツト４０は交流発生回路４０ａ、ガス検知器２
０の抵抗ガス検知素子２２と対をなす分割抵抗４０ｂ、
コンデンサ１１１，１１２、ダイオード１１３，１１４
、抵抗１１５で形成される整流積分回路４０ｃ、抵抗１
２１，１２２，１２３，１２４、０Ｐアンプ１２５で形
成される比較回路４０ｄ、機関１０のキースイツチに連
動するスイツチ４０ｅ、およびバツテリ等の直流電源４
０ｆから構成されている。交流発生回路４０ａは、機関
１０のクランク軸回転に同期して発生する断続信号を用
いて交流を発生するもので、点火コイル５１．断続器５
２よりなる点火装置５３の点火コイルイル５１の一次側
のマイナス端子より点火の断続信号をとり、抵抗１４１
，１４２，１４３，１４４、コンデンサ１４５，１４６
、トランジスタ１４７からなる回路４０ａに入力し、交
流をとり出す。即ち、断続信号を抵抗１゛４１．コンデ
ンサ１４５にて波形整形し、それをトランジスタ１４７
で電流増幅し、コンデンサ１４６で交流カツプリングを
行なつて交流電圧を作る。

この交流電圧は、分割抵抗４０ｂを介してガス検知器２
０に加えられる。

そして、ガス検知器２０の電気抵抗値は電圧に置換され
、整流積分回路４０ｃで整流、積分され比較回路４０ｄ
で抵抗１２２，１２３により決定される設定レベル、例
えば第４図のＡで示される抵抗値に相当する電圧と比較
され負荷（空燃比補正ユニツト）に出力される。したが
つて、気化器１１から供給される混合気の空燃比が設定
空燃比（理論空燃比）より小さい側（濃側）にあればガ
ス検知器２０のガス検知素子２２の抵抗値は低くなり、
整流積分回路４０ｃの出力直流レベルは、比較回路４０
ｄの設定レベルより小さくなるため、比較回路４０ｄ（
７）０Ｐアンプ１２５の出力は“１゛レベルとなり、一
方、空燃比が設定空燃比（理論空燃比）より大きい側（
薄い側）にあれば、ガス検知素子２２の抵抗は高くなり
、整流積分回路４０ｃの出力直流レベルは比較回路４０
ｄの設定レベルより大きくなり、０Ｐアンプ１２５の出
力は″０゛レベルとなる。

しかして、ガス検知装置により混合気の空燃比が理論空
燃比より小さいか大きいかが検出され、この信号が気化
器１１の空燃比補正ユニツトに加えられ、混合気は理論
空燃比にフイードバツク補正される。このとき、ガス検
知器２０のガス検知素子２２には交流電圧が加えられる
ため、電極２３ａ，２３ｂの近傍には、交流電圧の周期
に応じてガス検知素子２２の正負イオンが吸引される。

しかし、イオンは移動度が非常に小さく、交流の周期に
追従できないため、電極付近に過剰にイオンが存在する
ようなことがなく、ガス検知素子２２の電極２３ａ，２
３ｂにて取出される電気抵抗は正確に排気ガスの状態に
応じたものとなる。また、機関回転数に同期して発生す
る交流電圧をガス検知素子に加えているので、イオンの
移動度が多い機関高回転時には高周波の交流電圧を印加
でき、イオンの移動度が少ない機関低回転時には低周波
の交流電圧を印加できて電極付近へのイオンの集まり具
合をほぼ一定なものにできて検出精度の点でさらに優れ
たものになる。また、同時に過剰イオンの存在による電
極２３ａ，２３ｂの消耗、電極２３ａ，２３ｂとガス検
知素子２２の組成物、不純物との化合物生成も防止され
る。

以上詳述したごとく、本発明においては、ガス成分に応
じた電気抵抗値を示す金属酸化吻よりなるガス検知器に
よつて内燃機関から排出される排気ガスのガス成分を検
出するようにし、ガス検知器の電極間に、機関回転に同
期して発生する正負交互の交流電圧を印加してガス検知
素子電気抵抗値を取出して混合気の空燃比を検出してい
るから、ガス検出素子がイオン化しても、イオンが電極
近傍に過剰に依存するようなことがなく化合物の生成を
防止することができ、ガス検知器の耐久性を格段に増す
ことができるという効果が大であり、また電極付近への
イオンの集まり具合を機関回転に応じて制御しているか
ら排気ガスの状態を正確に検出できるという優れた効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の説明に供する制御ユニツトの構成を示す
電気回路図、第２図は本発明の一実施例を示す全体構成
図、第３図は第２図図示のガス検知器を示す断面図、第
４図は第３図図示のガス検知器の特性図、第５図は第２
図図示の制御ユニツトを示す電気回路図である。１０・・・・・・内燃機関、１４・・・・・・排気管、
２０・・・・・・ガス検知器、２２・・・・・・ガス検
知素子、２３ａ，２３ｂ・・・・・・電極、４０・・・
・・・制御ユニツト。

Claims

【特許請求の範囲】

１内燃機関から排出される排気ガスにさらされ、排気
ガス中のガス成分に応じた電気抵抗値を示す半導電性の
金属酸化物よりなるガス検知素子と、このガス検知素子
に離間して設けられた１対の電極とを有するガス検知器
、および前記ガス検知器の両電極に前記機関の回転に同
期して発生する交流電圧を印加するとともに、前記ガス
検知素子の両電極間の電気抵抗値を検出しそれに応じた
電気信号を出力する制御ユニットからなることを特徴と
するガス検知装置。