JPS6215451A - 空燃比検出装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関等各種燃焼機器の空燃比を、排気中の
酸素分圧に応じて抵抗値の変化するガス感応体素子を用
いて検出する空燃比検出装置に関し、特にそのガス感応
体素子の一時的な特性劣化を防止するよう構成された空
燃比検出装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、例えば、内燃機関等の各種燃焼機器において
、燃費やエミッションの改善を図るために、排気中の酸
素分圧に基づき燃焼容器中で燃焼される混合気を理論空
燃比近傍に制御するといった、いわゆる空燃比のフィー
ドバック制御を実行するものがある。そして、この種の
制御ｌ装置に用いられ、排気中の酸素分圧から混合気の
空燃比を検出する空燃比検出装置の１つとして、例えば
、Ｔ　ｉ　０２．５ｎＯｚ等の酸化物半導体からなるガ
ス感応体素子を用いたものがある。

これは、ガス感応体素子の、周辺ガスの酸基分圧に応じ
て抵抗値が変化する性質を利用して、排気中の酸素分圧
がら空燃比を検出するものであるが、この種の検出装置
では、ガス感応体素子の抵抗値の変化を電圧信号として
出力するため、第５図に示す如く、ガス感応体素子３１
と直列に所定抵抗値の抵抗体３２を設け、この抵抗体３
２とガス感応体素子３１との直列回路に直流電圧Ｖを印
加し、抵抗体３２の両端に生ずる電圧ＶＯを空燃比信号
として検出するよう構成されている。即ち、空燃比がリ
ッチ域で排気中の酸素分圧が小さく、ガス感応体素子３
１の抵抗値が小さい時には、抵抗体３２の両端に生ずる
電圧ＶＯが大きくなり、逆に空燃比がリーン域で排気中
の酸素分圧が大きく、ガス感応体素子３１の抵抗値が大
きい時には、抵抗体３２の両端に生ずる電圧ＶＯが小さ
くなることから、この電圧ｖＯを空燃比信号として検出
すれば、空燃比がリーン域にあるのか、リッチ域にある
のか、知ることができるのである。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが、この種の空燃比検出装置においては、空燃比
制御によって空燃比を理論空燃比近傍に制御し、空燃比
がリッチ域とリーン域との間をくり返し反転している場
合には、空燃比に対応した良好な空燃比信号を検出する
ことができるのであるが、例えば、内燃機関低負荷運転
の踏石カッ１〜制御等により、空燃比が継続してリーン
域にされるような場合には、その後、通常の空燃比制御
に移行した時、一時的に空燃比に対応しない空燃比信号
を検出してしまうことがわかった。

そこで、本発明は、空燃比を理論空燃比近傍に制御する
通常の空燃比制御が実行されず、空燃比のリーン状態が
頻繁に続いた場合にでも、通常の空燃比制御に移行した
際には、常に空燃比に対応した空燃比信号を検出し得る
空燃比検出装置を提供することによって、良好な空燃比
制御が実行できるようにすることを目的としてなされた
ものであって、以下の如き構成をとった。

［問題点を解決するための手段］ 即ち、上記問題を解決するための手段としての、本発明
の構成は、第１図に示す如く、 排気中の酸素分圧に応じて抵抗値の変化するガス感応体
素子Ｍ１と、 該ガス感応体素子Ｍ１に直列に接続される抵抗体Ｍ２と
、 該抵抗体Ｍ２と上記ガス感応体素子Ｍ１とで形成される
直列回路に、所定の直流電圧を印加する第１の電圧印加
手段Ｍ３と、 を備え、上記抵抗体Ｍ２両端に生ずる電圧ＶＯを空燃比
信号として検出する空燃比検出装置において、 上記空燃比信号の検出が不要な時、上記ガス感応体素子
Ｍ１両端に電位差が生じないよう、上記ガス感応体素子
Ｍ１と上記抵抗体Ｍ２との接続点に所定の電圧を印加す
る第２の電圧印加手段Ｍ４を設けたことを特徴とする空
燃比検出装置を要旨としている。

ここで、本発明を上記の如く構成したのは、前述の問題
がガス感応体素子Ｍ１両端に電位差が生じた場合、素子
内部の不純物（例えば素子内のアルカリ成分等）が高電
位の電極側より低電位の電極側に移動して蓄積すること
に起因することがわかったからである。つまり、空燃比
がリーン域におる時、ガス感応体素子Ｍ１の抵抗値は第
２図に示す如く大きくなってガス感応体素子Ｍ１の両端
に大きな電位差が生じ、素子の低電位の電極側に不純物
が蓄積し、通常の空燃比制御に移行しても不純物の蓄積
による素子の一時的な劣化によって正常な空燃比信号が
得られなくなることがわかったことから、空燃比を理論
空燃比（第２図に示す空気過剰率λ−１の点）近傍に制
御する通常の空燃比制御を実行しない、空燃比信号の検
出信号が不要な時には、ガス感応体素子Ｍ１の両端に電
位差が生じないよう、上記の如き構成をとったのである
。

尚、空燃比がリーン域とリッチ域との間をくり返し反転
する、通常の空燃比制御を実行している状態では、空燃
比のリッチ域で、第２図に示す如くガス感応体素子の抵
抗値が小さくなって、素子両端に大きな電位差が生ずる
ことなく、素子内の不純物が熱拡散によって素子内に均
等に分散されることから、正常な空燃比信号が検出でき
るのである。

次に、上記本発明を構成する各部のうち、まず、ガス感
応体素子Ｍ１としては、周辺ガスの酸素分圧によって第
２図に示すように抵抗値の変化する酸化物半導体、例え
ばＴｉ　０２．５ｎ０２等を用いることができる。また
抵抗体Ｍ２は通常電気回路に用いられる抵抗器を用いれ
ばよいが、その値としては、ガス感応体素子の抵抗値の
変化に応じて変化する電圧が、良好に検出できるよう、
ガス感応体素子Ｍ１の酸素分圧によって変化する抵抗値
の中間の値とすることが望ましい。

更に第２の電圧印加手段Ｍ４は空燃比制御が実行されず
空燃比信号の検出が不要な時に、上記ガス感応体素子Ｍ
１と抵抗体Ｍ２どの接続点に、ガス感応体素子Ｍ１のも
う一方の端子、即ち、第１の電圧印加手段Ｍ３に接続さ
れた端子と同電位の電圧を印加することによって、ガス
感応体素子Ｍ１の両端に電位差が生じないようするため
のものである。尚、空燃比信号の検出が不要な時とは、
この空燃比検出装置が用いられる空燃比制御装置によっ
て空燃比制御が実行されていない時のことであって、例
えば空燃比制御装置で空燃比制御を実行しない時導通さ
れるスイッチを用い、上記接続点に所定電圧を印加する
ようすればよい。

［作用］ このように構成された本発明の空燃比検出装置において
は、空燃比の検出が不要な時、即ち、当該空燃比検出装
置で検出された空燃比信号に基づき、空燃比制御が実行
されない時には、ガス感応体素子Ｍ１の両端に電位差が
生じないよう、ガス感応体索子Ｍ１と抵抗体Ｍ２との接
続点に所定の電圧が印加される。従って、空燃比制御が
実行されず、空燃比が継続してリーンとなった場合にで
も、ガス感応体素子Ｍ１の両端には電位差が生ずること
はなく、素子が一時的に劣化するといったこともない。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。

第３図は内燃機関の排気系に設けられ、排気中の酸素分
圧に応じて抵抗値の変化する（前記ガス感応体索子Ｍ１
に相当する）チタニア素子１を備えた検出素子部２の構
成を表わす分解斜視図である。

図に示す如く、検出素子部２は、アルミナ等からなる厚
さ０．７ｍｍ程度の平板状の電気絶縁性部材３の一側面
に厚膜技術を用いて、ヒータとなる発熱抵抗体パターン
４を形成すると共に、チタニア素子の電極となる電極パ
ターン５ａ及び５ｂを形成し、これらパターン面上に、
電極５ａ、５ｂを露出させるよう設けられた開口部６ａ
を有する厚さ０．１ｍｍ程度の電気絶縁性部材６を接合
し、更に開口部６ａに電極パターン５ａ及び５ｂに接合
されるチタニアを主成分とする厚さ約１５０μ程度のチ
タニア素子１を設けることによって作成される。また、
図に示すＡ、Ｂ、Ｃは夫々当該検出素子部２に電圧を印
加したり検出信号を抽出したりするために用いられる端
子であって、端子Ａ及びＣは発熱抵抗体パターン４の両
端に設けられ、端子Ｂはチタニア素子１の設けられる電
極パターン５ｂの一端に設けられている。チタニア素子
１の設けられるもう一方の電極パターン５ａは、発熱抵
抗体パターン４の途中に接続されてお−〇　− り、発熱抵抗体パターン４に印加するヒータ電圧を分圧
してチタニア素子に所定の電圧を印加するよう構成され
ている。尚、発熱抵抗体パターン４はチタニア素子１を
加熱して活性化させ、空燃比の検出が良好に実行できる
ようにするためのものである。

次に第４図は上記検出素子部２を含む空燃比検出装置全
体を表わす電気回路図である。

図において、抵抗Ｒ１及びＲ２は上記検出素子部２の発
熱抵抗体パターン５を表わし、この両端の端子Ａ−Ｃ間
にヒータ電圧ｖ１が印加されるようバッテリＢ］が接続
されている。また、この抵抗Ｒ１及びＲ２の中点に接続
されたボリュームＶＲ１は、排気中の酸素分圧に応じて
抵抗値の変化する上記チタニア素子１を表わしており、
このチタニア素子１の電極パターン５ａ側には抵抗Ｒ１
及びＲ２、即ち発熱抵抗体パターン５により分圧された
電圧Ｖ２が印加される。一方、チタニア素子１の電極パ
ターン５ｂ端部に形成された端子Ｂには所定抵抗値の（
前記抵抗体３に相当する）抵抗Ｒ３が接続され、接地さ
れている。このように構成することによって空燃比がリ
ッチ域で排気中の酸素分圧が小さい時にはチタニア素子
１の抵抗値が小さくなって端子Ｂの電圧が大きくなり、
逆に空燃比がリーン域で排気中の酸素分圧が大きい時に
はチタニア素子１の抵抗値が大きくなって端子Ｂの電圧
が小さくなる。従って、端子Ｂの電圧を空燃比信号ＶＯ
として検出し、この値が所定値以上であるか否かを判断
することによって空燃比のリーン・リッチを容易に検出
することができるようになる。

次に端子Ｂには抵抗Ｒ３の他にダイオードＤ１及びトラ
ンジスタＴｒ１を介してバッテリＢ２が接続されている
。トランジスタＴｒ１は抵抗Ｒ４及びＲ５と共にスイッ
チング回路を構成し、スイッチ信号ＶＳによって０Ｎ−
ＯＦＦされる。つまりスイッチ信＠ＶＳがＨｉｇｈレベ
ルにおるときはＯＦＦ状態とされ、ＬＯＷレベルになる
とＯＮ状態とされるのである。従って、トランジスタＴ
ｒ１がＯ’Ｎ状態であれば、バッテリＢ２から端子Ｂに
電圧が印加され、トランジスタＴｒ１がＯＦＦ状態であ
れば、電圧は印加されなくなるのでおる。尚、この端子
Ｂに印加されるバッテリＢ２からの電圧は、Ｖ２となる
よう設定されている。

ここで、上記１〜ランジスタＴｒ１を０Ｎ−ＯＦＦする
スイッチ信号Ｖ　Ｓ　１，１．、当該検出装置を用いて
内燃機関の空燃比を制御づる空燃比制御装置より出ツノ
される信号であって、空燃比制御実行中に１〜１ｉＱｈ
レベルとされる。

以上の如く構成することににって、空燃比制御が実行さ
れない、空燃比信号ＶＯの不要な時には、端子Ｂの電圧
が強制的にＶ２とされる。従って、ボリュームＶＲ１で
示すチタニア素子１の両端には電位差が生じなくなり、
内燃機関低負荷運転時の燃′ｌｌカッ１〜制御等、空燃
比のリーン状態が継続するような場合にでも、チタニア
素子１内の不純物は素子内に分散して存在し、チタニア
素子１が劣化するといったことはない。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明の空燃比検出装置によれば、
空燃比制御が実行される空燃比信号の検出が不要な時に
は、第２の電圧印加手段によってガス感応体素子両端に
電位差が生じないようガス感応体素子と抵抗体との接続
点に電圧が印加されることとなる。従って、空燃比のリ
ーン状□態が継続するような場合にでも、ガス感応体素
子両端に電位差が生ずることはなく、素子内の不純物が
低電位側に移動して一時的にガス感応体素子が劣化して
しまうといったことはない。よって、空燃比信号の必要
な時、即ち、空燃比信号を用いて空燃比制御を実行する
時には常時良好に空燃比を検出することができ、空燃比
制御も良好に実行することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を表わす構成図、第２図はガス感応体素
子の検出特性を表わす線図、第３図及び第４図は本発明
の実施例を示し、第３図は検出素子部を表わす分解斜視
図、第４図は本実施例の空燃比検出装置全体を表わす電
気回路図、第５図は従来の空燃比検出装置を表わす電気
回路図である。 Ｍｌ・・・ガス感応体素子 Ｍ２・・・抵抗体 Ｍ３・・・第１の電圧印加手段 Ｍ４・・・第２の電圧印加手段 １・・・チタニア素子 ″　２・・・検出素子部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 排気中の酸素分圧に応じて抵抗値の変化するガス感応体
   素子と、 該ガス感応体素子に直列に接続される抵抗体と、該抵抗
   体と上記ガス感応体素子とで形成される直列回路に、所
   定の直流電圧を印加する第１の電圧印加手段と、 を備え、上記抵抗体両端に生ずる電圧を空燃比信号とし
   て検出する空燃比検出装置において、上記空燃比信号の
   検出が不要な時、上記ガス感応体素子両端に電位差が生
   じないよう、上記ガス感応体素子と上記抵抗体との接続
   点に所定の電圧を印加する第２の電圧印加手段を設けた
   ことを特徴とする空燃比検出装置。