DE102004027633A1

DE102004027633A1 - Messfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE102004027633A1
Application number: DE200410027633
Authority: DE
Inventors: Jens Schneider; James Richard Waldrop Ii; Claus Fenton Schnabel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-05
Filing date: 2004-06-05
Publication date: 2006-01-05
Also published as: WO2005121763A1

Abstract

Es wird ein Messfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen angegeben, der ein in einem Fühlergehäuse (10) aufgenommenes Sensorelement (12), das mit einem gassensitiven Abschnitt (121) aus dem Fühlergehäuse (10) vorsteht, und ein am Fühlergehäuse (10) festgelegtes, den gassensitiven Abschnitt (121) überdeckendes, haubenartiges Schutzrohr (13) aufweist, das einen über Gasdurchtrittsöffnungen (14) im Schutzrohr (13) mit dem Abgas in Gasaustauschverbindung stehenden Messraum (15) einschließt. Zur Verhinderung einer Vergiftung des Sensorelements (12) in aggressiver thermischer und chemischer Umgebung ist im Messraum (15) ein den gassensitiven Abschnitt (121) des Sensorelements (12) umschließendes, poröses, reaktionsfähiges, keramisches Absorptionsmaterial (16) zum physikalischen und/oder chemischen Binden von im Abgas enthaltenen, für das Sensorelement (12) schädlichen Bestandteilen angeordnet (Fig. 1).

Description

Die Erfindung geht aus von einem Messfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten elektrochemischen Messfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Brennkraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren ( DE 30 00 993 A1 ) besteht das durch Schweißen oder mittels eines Schraubgewindes an dem Fühlergehäuse befestigte Schutzrohr, das mit einem Abstand von 0,01 bis 20mm um den gassensitiven Vorstehabschnitt des Sensorelements angeordnet ist, aus einem porösen Sintermaterial. Dadurch wird erreicht, dass nicht mehr der gesamte Abgasstrom, sondern nur noch ein Teil davon durch die Poren des Schutzrohrs hindurch an das Sensorelement gelangt. Die Größe und die Geschwindigkeit des Abgasstromes, der auf das Sensorelement trifft, lässt sich durch Variation der Wandstärke des Schutzrohrs und der Porengröße des Sintermaterials einstellen. Das Sintermaterial verhindert eine Inaktivierung des Sensorelements infolge "Vergiftung" mit schwefel- oder phosphorhaltigen Verbindungen sowie Blei, die im Abgas enthalten sind. Außerdem hält das Sintermaterial-Schutzrohr Druck- und Temperaturschocks von dem Sensorelement fern und bewirkt eine Vergleichmäßigung der Temperatur am Sensorelement. Als Sintermaterial werden poröse keramische Materialien wie Sillimanit, Codierit, Silika, Korund, Forsterit eingesetzt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Messfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch das Einbringen des das Sensorelement vor "Vergiftung" schützenden Absorptionsmaterials in den Messraum das Design des Messfühlers unabgetastet bleibt und der Messfühler lediglich um eine Baukomponente ergänzt wird, was fertigungstechnische Vorteile bietet. Das vorzugsweise aus Metall bestehende Schutzrohr gewährleistet einen zuverlässigen Schutz des Messfühlers gegen mechanische Beschädigungen bei der Montage. Ein Funktionsausfall oder eine schleichende Funktionsdrift über die Einsatzdauer des Messfühlers aufgrund einer Vergiftung der im gassensitiven Vorstehabschnitt des Sensorelements angeordneten Außenelektrode durch im Abgas enthaltene Fremd- oder Schadstoffe, wie Silizium-, Phosphor-, Schwefel- und Bor-Verbindungen, wird verhindert. In gleicher Weise wird ein Thermoschock durch Wasserschlag verhindert, da im Abgas enthaltene Feuchtigkeit vom Absorptionsmaterial zurückgehalten wird und es nicht zur Bildung von Kondenswasser kommt, das dann in Tropfenform auf das heiße Sensorelement auftrifft.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Messfühlers möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Messraum vollständig mit dem als Granulat ausgebildeten Absorptionsmaterial ausgefüllt. Dies ist fertigungstechnisch besonders einfach durch Schüttung zu realisieren, wobei der Durchmesser der Gasdurchtrittslöcher im Schutzrohr an die Korngröße des Granulats angepasst wird oder die Gasdurchtrittslöcher mit einem Netz versehen werden, deren Maschenweite kleiner ist als die Korngröße des Granulats.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird bei einer solchen Granulatfüllung des Messraums als Absorptionsmaterial ein Granulat aus gamma- oder delta-Aluminiumoxid, Zeolith oder Boehemit verwendet.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Absorptionsmaterial eine poröse, korallen- oder schwammartige Struktur auf. Dadurch lässt sich eine größere mechanische Stabilität des Messfühlers erreichen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine solche Struktur durch Einbringen einer Paste aus gamma-Aluminiumoxid (γ-Al₂O₃) und weiteren Zuschlägen, Porenbildnern und organischen Bindern in den Messraum und anschließendes Einbrennen hergestellt, wobei die Einbrenntemperatur größer 800°C ist.

Zeichnung
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 bis 3 jeweils ausschnittweise einen Längsschnitt eines Messfühlers zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine gemäß dreier Ausführungsbeispiele
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der in 1 im Längsschnitt ausschnittweise mit seinem Messbereich dargestellte Messfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen weist ein Fühlergehäuse 10 auf, das für den Einbau in ein Abgasrohr der Brennkraftmaschine mit einem Einschraubgewinde 11 versehen ist. Im Fühlergehäuse 10 ist ein Sensorelement 12 aufgenommen, das mit einem gassensitiven Abschnitt 121 aus dem Fühlergehäuse 10 axial vorsteht. Zum Schutz des Sensorelements 12 gegen mechanische Beschädigung ist der Vorstehabschnitt 121 von einem kappenförmigen Schutzrohr 13 überdeckt, das am Fühlergehäuse 10 z.B. durch Schweißen befestigt ist. Das mit Gasdurchtrittslöchern 14 versehene Schutzrohr 13 schließt dabei einen den Vorstehabschnitt 121 umgebenden Messraum 15 ein, der über die Gasdurchtrittslöcher 14 mit dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine in Gasaustauschverbindung steht. Im Messraum 15 ist ein den gassensitiven Vorstehabschnitt 121 des Sensorelements 12 umgebendes, poröses, reaktionsfähiges keramisches Absorptionsmaterial 16 zum physikalischen und/oder chemischen Binden von für das Sensorelement 12 schädlichen Bestandteilen, die im Abgas enthalten sind, wie Silizium-, Phosphor-, Schwefel- und/oder Bor-Verbindungen, angeordnet. Das Absorptionsmaterial füllt dabei den Messraum 15 vollständig aus.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das keramische Absorptionsmaterial 16 als Granulat in den Messraum 15 eingefüllt, das aus gamma- oder delta-Aluminiumoxid, Zeolith oder Boehemit besteht. Das keramische Absorptionsmaterial verhindert durch die physikalische Bindung oder chemische Umsetzung der genannten Abgasbestandteile, dass diese für das Sensorelement 10 schädlichen Bestandteile an den gassensitiven Vorstehabschnitt 121 des Sensorelements 12 gelangen und dort durch Ablagerung oder chemischen Reaktionen eine sog. Vergiftung des Sensorelements 12 verursachen, die einen Funktionsausfall oder eine schleichende Funktionsdrift des Messfühlers über dessen Einsatzdauer bewirkt. Außerdem wird im porösen Absorptionsmaterial 16 im Abgas enthaltene Feuchtigkeit gebunden, so dass keine Kondenswassertropfen auf den heißen gassensitiven Vorstehabschnitt 121 des Sensorelements 12 gelangen und dort einen Thermoschock auslösen kann, was zu Rissen im Sensorelement 12 und ebenfalls zum Funktionsausfall des Messfühlers führt. Durch das im Messraum 15 angeordnete, dem Sensorelement 12 unmittelbar vorgelagerte, keramische Absorptionsmaterial 16 wird insgesamt die Robustheit des Messfühlers erhöht und seine Lebensdauer vergrößert.
Der in 2 dargestellte Messfühler unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Messfühler insoweit, als anstelle des Schutzrohrs 13 ein haubenförmiges Doppelschutzrohr 17 den gassensitiven Vorstehabschnitt 121 des Sensorelements 12 überdeckt und an dem Fühlergehäuse 10 befestigt ist. Das Doppelschutzrohr 17 besteht aus einem Innenschutzrohr 18 und einem Außenschutzrohr 19, in denen jeweils Gasdurchtrittslöcher 20 bzw. 21 vorhanden sind. Wie bei dem Messfühler in 1 ist auch bei dem Messfühler gemäß 2 der von dem Innenschutzrohr 18 eingeschlossene Messraum 15 vollständig mit dem porösen, reaktionsfähigen, keramischen Absorptionsmaterial 16 ausgefüllt, das anders als in 1 nicht aus Granulat besteht, sondern eine extrem poröse, korallen- oder schwammartige Struktur aufweist. Diese Struktur wird dadurch erreicht, das eine Paste aus gamma-Aluminiumoxid (γ-Al₂O₃) und weiteren Zuschlägen aus Magnesiumoxid (MgO), Magnesium-Titanoxid (MgTiO₃) oder Lithiumoxid (Li₂O₃) und Porenbildnern, z.B. Carbonaten mit Mg, Li, und organischen Bindern in den Messraum 15 eingebracht und anschließend eingebrannt wird, wobei die Einbrenntemperatur größer 700°C ist.
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel des Messfühlers unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass das im Messraum 15 vorhandene, keramische Absorptionsmaterial 16 in Form einer Keramikhülse 22 mit nur geringem Spiel auf den gassensitiven Abschnitt 121 des Sensorelements 12 aufgeschoben ist. Die Hülse 22 kann dabei stirnseitig offen oder – wie in 3 dargestellt – stirnseitig mit einem Hülsenboden versehen sein. Das Absorptionsmaterial 16 bzw. die aus diesem Absorptionsmaterial 16 gefertigte Hülse 22 besteht im wesentlichen aus stabilisiertem gamma-Aluminiumoxid oder Zeolith. Die Wandstärke der Hülse 22 ist so bemessen, dass sowohl eine hinreichende mechanische Festigkeit als auch eine genügend große Porosität bzw. Gasdurchlässigkeit gewährleistet ist.

Claims

Messfühler zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, mit einem in einem Fühlergehäuse (10) aufgenommenen Sensorelement (12), das mit einem gassensitiven Abschnitt (121) aus dem Fühlergehäuse (10) vorsteht, und mit einem am Fühlergehäuse (10) festgelegten, den gassensitiven Abschnitt (121) überdeckenden, haubenartigen Schutzrohr (13; 17), das einen über Gasdurchtrittsöffnungen (14; 20, 21) im Schutzrohr (13; 17) mit dem Abgas in Gasaustauschverbindung stehenden Messraum (15) einschließt, dadurch gekennzeichnet, dass im Messraum (15) den gassensitiven Abschnitt (121) des Sensorelements (12) umschließendes, poröses, reaktionsfähiges, keramisches Absorptionsmaterial (16) zum physikalischen und/oder chemischen Binden von im Abgas enthaltenen, für das Sensorelement (12) schädlichen Bestandteilen angeordnet ist.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsmaterial (16) auf die Bindung von Silizium-, Phosphor-, Schwefel- und/oder Bor-Verbindungen ausgelegt ist.
Messfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (15) mit dem Absorptionsmaterial (16) vollständig ausgefüllt ist.
Messfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsmaterial (16) ein Granulat ist, das aus gamma- oder delta-Aluminiumoxid, Zeolith oder Boehemit besteht.
Messfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Absorptionsmaterial (16) eine poröse, korallen- oder schwammartige Struktur aufweist.
Messfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur durch Einbringen einer Paste aus gamma-Aluminiumoxid und weiteren Zuschlägen sowie Porenbildnern und organischen Bindern in den Messraum (15) und durch anschließendes Einbrennen hergestellt ist.
Messfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschläge Magnesiumoxid (MgO), Magnesium-Titanoxid (MgTiO₃) oder Lithiumoxid (Li₂O₃) sind und als Porenbildner Carbonate zugefügt sind.
Messfühler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbrenn-Temperatur größer 700°C ist.
Messfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus dem Absorptionsmaterial (16) bestehende Hülse (22) spiellos oder mit minimalem Spiel auf den gassensitiven Abschnitt (121) des Sensorelements (12) aufgeschoben ist.
Messfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (22) an einer Stirnseite mit einem Hülsenboden versehen ist.
Messfühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (22) im wesentlichen aus stabilisiertem gamma-Aluminiumoxid oder Zeolith besteht.