DE2304075A1 - Electrochemical measuring probe - for monitoring the oxygen content of exhaust gases after catalytic treatment - Google Patents

Electrochemical measuring probe - for monitoring the oxygen content of exhaust gases after catalytic treatment

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DE2304075A1 DE19732304075 DE2304075A DE2304075A1 DE 2304075 A1 DE2304075 A1 DE 2304075A1 DE 19732304075 DE19732304075 DE 19732304075 DE 2304075 A DE2304075 A DE 2304075A DE 2304075 A1 DE2304075 A1 DE 2304075A1
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Richard Bertsch
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Abstract

In an electrochemical measuring senser for the determination of the O content for exhaust gases from ic engines, with an ion-conducting solid-electrolyte insert, 1 end of which has an electron-conducting catalyst layer electrically connected to earth and facing only the exhaust gases, while the other end is connected to atmos. via a tubular electrically conducting connector. The solid electrolyte insert lies flush on the inner shoulder of an electrically conducting, heat-resisting pipe. The connector running spaced from the outer pipe presses with an end surface on the solid electrolyte insert, but permits the passage of gas between the connector and surface and the insert. The interspace between the outer pipe and the connector is connected to a reduced press. producing element.

Description

Elektrochemischer Meßfühler für die <estimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Meßfühler fir die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden Festelektrolyt-Einsatz, dessen eine Seite eine elektronenleitende Katalysator-Schicht aufweist, die elektrisch mit Masse in Verbindung steht und nur den Abgasen zugewendet ist, und dessen andere Seite durch ein rohrförmiges, elektrisch leitfähiges Anschlußteil mit der Umgebungsluft in Verbindung steht.Electrochemical measuring probe for the determination of the oxygen content in exhaust gases, in particular in exhaust gases from internal combustion engines The invention relates relies on an electrochemical sensor for determining the oxygen content in exhaust gases, in particular in exhaust gases from internal combustion engines, with an ion-conducting Solid electrolyte insert, one side of which has an electron-conducting catalyst layer has, which is electrically connected to ground and only facing the exhaust gases is, and the other side by a tubular, electrically conductive connector is in contact with the ambient air.

Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren enthalten in ihren Abgasen unter anderem Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie unverbrannte oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe, die zur Luftverunreinigung beitragen. Um die durch diese Stoffe hervorgerufene Luftverunreinigung auf einen Minimalwert herabzudrücken, ist es erforderlich, die Abgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren möglichst weitgehend von diesen Stoffen zu befreien, d. h., die schädlichen Anteile des Abgases in unschädliche Verbindungen wie Kohlendioxid, Stickstoff. und Wasser zu überführen. Dieses kann z. B. dadurch geschehen, daß man die Abgase einer Nachverbrennung unterwirft, indem man sie bei Temperaturen oberhalb etwa 6000 C über Katalysatoren leitet. Zur Kontrolle, ob die Abgase eines Verbrennungsmotors ausreichend nachverbrannt wurden, wird bekannterweise in den Weg des Abgases ein elektrochemischer Meßfühler wie vorstehend beschrieben eingebaut, der auf dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten beruht.Motor vehicle internal combustion engines contain under in their exhaust gases other carbon monoxide, nitrogen oxides and unburned or partially burned Hydrocarbons that contribute to air pollution. To get through these fabrics to reduce air pollution to a minimum, it is necessary to the exhaust gases of motor vehicle internal combustion engines as much as possible from these To free substances, d. That is, the harmful components of the exhaust gas are converted into harmless ones Compounds such as carbon dioxide, nitrogen. and transfer water. This can z. B. done by subjecting the exhaust gases to afterburning by they are passed over catalysts at temperatures above about 6000 C. For control, It is known whether the exhaust gases of an internal combustion engine have been sufficiently afterburned in the path of the exhaust gas an electrochemical sensor as described above built-in based on the principle of the oxygen concentration chain with ion-conducting Solid electrolyte based.

Bei bekannten elektrochemischen Meßfühlern dieser Art bereitet die gegenseitige gasdichte Abdichtung zwischen den beiden den Abgasen bzw. der Umgebungsluft ausgesetzten Seiten des Festelektrolyt-Einsatzes erhebliche Schwierigkeiten und Kosten; dabei wurden für die Abdichtung elastische Dichtungsringe oder Verbindungen mittels Glasschmelzfluß verwendet. Die Notwendigkeit der Trennung der beiden Seiten des Festelektrolyt-Einsatzes liegt darin begründet, daß Abgase, die mit der der Umgebungsluft ausgesetzten Seite des Festelektrolyt-Einsatzes in Berührung kommen, zu einer Änderung des Sauerstoffpartialdrckes an der mit der Umgebungsluft in Verbindung stehenden Elektrode führt, und damit Mischpötentiale gemessen werden.In known electrochemical sensors of this type, the prepares mutual gas-tight seal between the two exhaust gases or the ambient air exposed sides of the solid electrolyte insert considerable difficulties and Costs; elastic sealing rings or connections were used for sealing used by means of molten glass flow. The need to separate the two sides the solid electrolyte use is due to the fact that exhaust gases with the The side of the solid electrolyte insert exposed to ambient air come into contact, to a change in the oxygen partial pressure in connection with the ambient air standing electrode leads, and mixed potentials can be measured with it.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu schaffen der nicht die aufgeführten Abdichtungsprobleme und die damit verbundenen hohen Kosten aufweist.The invention is based on the object of an electrochemical To create a sensor that does not have the sealing problems listed and those associated with it has associated high costs.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Festelektrolyt-Einsatz mit der Katalysator-Schicht bündig auf der inneren Schulter eines elektrisch leitfShigen, hoch warmfesten Rohres aufliegt, daß das mit Abstand innerhalb des äußeren Rohres verlaufende Anschlußteil mit einer Stirnfläche auf den Festelektrolyt-Einsatz drückt, aber zwischen Anschlußteil-Stirnfläche und Festelektrolyt-Einsatz den Gasdurchtritt erlaubt, und daß der zwischen dem äußeren Rohr und dem Anschlußteil befindliche Zwischenraum an einen Unterdruckerzeuger angeschlossen ist. Zur sicheren Vermeidung einer Messung von erwähnten Mischpotentialen ist es empfehlenswert, wenn die mit der Innenseite des äußeren Rohres und dem Zwischenraum direkt in Berührung stehenden Teile des Festelektrolyt-Einsatzes mit einem gasundurchlässigen Überzug versehen sind; dem gleichen Zweck dient auch das Eintauchen der Stirnfläche des Anschlußteils in eine Vertiefung des Festelektrolyt-Einsatzes.This object is achieved according to the invention in that the Solid electrolyte insert flush with the catalyst layer on the inner shoulder of an electrically conductive highly heat-resistant tube rests that the distance within the outer tube running connecting part presses with one end face on the solid electrolyte insert, but between the connector end face and the solid electrolyte insert the gas passage allowed, and that located between the outer tube and the connecting part Space is connected to a vacuum generator. For safe avoidance When measuring the above-mentioned mixed potentials, it is recommended that the with the inside of the outer tube and the space in direct contact Provide parts of the solid electrolyte insert with a gas-impermeable coating are; The immersion of the end face of the connecting part also serves the same purpose into a recess in the solid electrolyte insert.

Bei einer bevorzugten Ausführung wird der Druck auf das rohrförmige Anschlußteil durch Tellerfedern erzeugt, die sich einerseits auf einem Flansch des Anschlußteils und andererseits direkt oder indirekt an einem gegen Masse isolierenden Gegenlager abstützen.In a preferred embodiment, the pressure on the tubular Connection part produced by disc springs, which are on the one hand on a flange of the Connection part and on the other hand directly or indirectly to an isolating against ground Support the counter bearing.

Durch diese Gestaltung des elektrochemischen Meßfühlers kann auf eine absolut gasdichte Abdichtung zwischen den gegenUberliegenden Seiten des Festelektrolyt-EnsatzeS verzichtet werden, da ein Unterdruckerzeuger, z. B. das Luftansaugrohr des Motors, stets Frischluft durch das rohrförmige Anschlußteil, den Spalt zwischen Stirnfläche des Anschlußteils und dem Festelektrolyt-Einsatz in den Zwischenraum zwischen Anschlußteil und Außenrohr zieht und dadurch eventuell zwischen äußerem Rohr und Festelektrolyt-Einsatz in die Sonde eintretende Abgase absaugt; außerdem wird durch diese Anodnung gewährleistet, daß der mit dem Anschlußteil in Verbindung stehende Teil des Festelektrolyt-Einsatzes stets in Berührung mit der Frischluft ist.By this design of the electrochemical sensor can on a absolutely gas-tight seal between the opposite sides of the solid electrolyte assembly can be dispensed with, since a vacuum generator, e.g. B. the air intake pipe of the engine, always fresh air through the tubular connecting part, the gap between the end face of the connector and the solid electrolyte insert in the space between the connector and outer tube pulls and thus possibly between the outer tube and the solid electrolyte insert evacuates exhaust gases entering the probe; In addition, this arrangement ensures that that the one in connection with the connector standing part of the solid electrolyte insert is always in contact with the fresh air.

Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben und näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühler' in vergrößertem Maßstab und Fig. 2 einen Längsschnitt durch das abgasrohrseitige Ende des Meßfühlers nach Fig. 1 in noch weiter vergrößertem Maßstab.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing and is described and explained in more detail below; They show: FIG. 1 a longitudinal section by an electrochemical sensor according to the invention on an enlarged scale and FIG. 2 shows a longitudinal section through the end of the measuring sensor on the exhaust pipe side Fig. 1 on an even larger scale.

Der in Fig. 1 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 hat ein Gehäuse 11 mit einer Längsbohrung 12, die anschlußseitig zu einem Senkloch 13 erweitert ist; für den Einbau des Meßfühlers 10 in ein nichtgezeichnetes Abgasrohr eines Motors ist ein Einschraubgewinde 14 vorgesehen. In die Längsbohrung 12 des Gehäuses 11 ist ein hochwarmfestes Rohr 15 hart eingelötet, dessen freies Ende abgasrohrseitig aus dem Gehäuse 11 hervorragt; die Stirnseite 16 des Außenrohres 15 ist als nach innen gebogene Schulter 17 gestaltet, die eine Zutrittsöffnung 18 umgibt und einen im wesentlichen plattenförmigen Festelektrolyt-Einsatz 19 trägt, welcher vorzugsweise aus Zirkondioxid besteht. Die zur Schulter 17 des Rohres 15 weisende Seite des Festelektrolyt-Einsatzes 19 ist mit einer Katalysator-Schicht 20 aus Platin überzogen und liegt mit dieser Katalysator-Schicht 20 elektrisch leitend auf der Schulter 17 auf. (siehe Fig. 2). Der nicht durch diese Schulter 17 abgedeckte Bereich der Katalysator-Schicht 20 ist bei in ein Abgasrohr eines Motors eingebautem Meßfühler 10 den Abgasen zugewendet. Die dem anschlußseitigen Ende des Meßfühlers 10 zugewendete Seite des Festelektrolyt-Einsatzes 19 ist mit einer Vertiefung 21 verstehen, in die die Stirnfläghe 22 eines rohrförmiges elektrischen Anschlußteiles 23 eintaucht und worin sie fixiert ist. In der Stirnfläche 22 des Anschlußteils 23 befinden sich einige kleine Durchlässe 24, die die Rohrbohrung 25 des Anschlußteiles 23 mit dem von Anschlußteil 23 und Außenrohr 15 gebildeten Zwischenraum 26 verbindet. Das Anschlußteil 23 ragt innerhalb des Außenrohres 15 durch die Längsbohrung 12 des Gehäuses 11 und fUhrt weiter durch das Senkloch 13 über das Gehäuse 11 hinaus, die diesseitige öffnung der Rohrbohrung 25 ist für den Zutritt der Umgebungsluft des Motors offengehalten und mit einem als Flachstecker ausgebildeten, angeschweißten Kontaktglied 27 versehen. Ein innerhalb des Gehäuse-Senkloches 13 außen am Anschlußteil 23 angeschweißter Rohrflansch 28 trägt einige auf das Anschlußteil 23 aufgefädelte Tellerfedern 29, denen eine Metallringscheibe 30 und eine Isolierringscheibe 31 folgen; nach dem Zusammenpressen der Tellerfedern 29 wird der von der Stirnfläche 22 des Anschlußteiles 23 auf den Festelektrolyt-Einsatz 19 erzeugte Kontakt druck dadurch aufrechterhalten, daß die Isolierringscheibe 31 durch eine Bördellippe 32 am Gehäuse 11 befestigt und in Lage gehalten wird.The electrochemical sensor 10 shown in Fig. 1 has a housing 11 with a longitudinal bore 12 which widens to a countersunk hole 13 on the connection side is; for installing the sensor 10 in an exhaust pipe (not shown) of an engine a screw-in thread 14 is provided. In the longitudinal bore 12 of the housing 11 a highly heat-resistant pipe 15 is brazed in, the free end of which is on the exhaust pipe side protrudes from the housing 11; the end face 16 of the outer tube 15 is as after designed inwardly curved shoulder 17 which surrounds an access opening 18 and a essentially plate-shaped solid electrolyte insert 19 carries, which preferably consists of zirconium dioxide. The side of the solid electrolyte insert facing the shoulder 17 of the tube 15 19 is coated with a catalyst layer 20 made of platinum and lies with this Catalyst layer 20 is electrically conductive on shoulder 17. (see Fig. 2). The area of the catalyst layer 20 not covered by this shoulder 17 is facing the exhaust gases when the sensor 10 is installed in an exhaust pipe of an engine. The side of the solid electrolyte insert facing the connection-side end of the measuring sensor 10 19 is understood with a recess 21 into which the end face 22 of a tubular electrical connection part 23 is immersed and in which it is fixed. In the frontal area 22 of the connecting part 23 are some small passages 24 that the pipe bore 25th of the connecting part 23 with the space formed by the connecting part 23 and the outer tube 15 26 connects. The connecting part 23 protrudes inside the outer tube 15 through the longitudinal bore 12 of the housing 11 and continues through the countersunk hole 13 beyond the housing 11, the opening of the pipe bore 25 on this side is for the admission of the ambient air of the motor kept open and welded on with a flat connector designed as a flat connector Contact member 27 is provided. One inside the housing plunger 13 on the outside of the connector 23 welded pipe flange 28 carries some threaded onto the connecting part 23 Disk springs 29, which have a metal ring washer 30 and an insulating ring washer 31 follow; after the plate springs 29 are pressed together, that of the end face 22 of the connector 23 on the solid electrolyte insert 19 generated contact pressure maintained in that the insulating ring washer 31 by a flange lip 32 attached to the housing 11 and held in position.

Das Gehäuse 11 des MeßiAhlers 10 ist mit einer Q?lerbohtung 33 versehen, die einerseiF-s in d:s Senkloch 13 führt und andererseits mit einem rohri^5rmigen Absaugstutzen 3 durch Nartt£öten verbunden ist.The housing 11 of the measuring sensor 10 is provided with a Q? Lerbohtung 33, one of them leads into the countersunk hole 13 and on the other hand with a tubular one Suction nozzle 3 is connected by Nartt £ öten.

Bei der in Fig. 2 dargestellten bevorzugten Ausführung des abgasrohrseitigen Abschnittes des elektrochemischen Meßfühlers 10 ist der mit der Innenseite des Außenrohres 15 und mit dem Zwischenraum 26 direkt in Berührung stehende Teil des Festelektrolyt Einsatzes 19 mit einem gasundurchlässigem Überzug 35, z. B. in Form einer Glasur bedeckt.In the preferred embodiment of the exhaust pipe side shown in FIG. 2 The section of the electrochemical sensor 10 is the one with the inside of the outer tube 15 and part of the solid electrolyte which is in direct contact with the intermediate space 26 Insert 19 with a gas-impermeable coating 35, e.g. B. in the form of a glaze covered.

Die von der Schulter 17 des Außenrohres 15 gebildete Zutrittsöffnung 18 ist von einem Sieb 36 abgedeckt, das-am Außenrohr 15 durch Schweißen befestigt ist.The access opening formed by the shoulder 17 of the outer tube 15 18 is covered by a screen 36 which is attached to the outer tube 15 by welding is.

Durch den Anschluß des Absaugstutzens 34 an den nicht dargestellten Unterdruckerzeuger, z. B. an das Luftansaugrohr des Motors, werden durch die Rohrbohrung 25 das Anschlußteil 23, durch die kleinen Durchlässe 24 im Stirnabschnitt 22 des Anschlußteils 23 dauernd geringe Mengen Frischluft angesaugt und damit die anschlußseitige Oberfläche des Festelektrolyt-Einsatzes 19 stets mit Frischluft in Berührung gehalten.By connecting the suction nozzle 34 to the not shown Vacuum generator, e.g. B. to the air intake pipe of the engine, are through the pipe bore 25 the connector 23, through the small passages 24 in the front section 22 of the connecting part 23 constantly sucked in small amounts of fresh air and thus the the connection-side surface of the solid electrolyte insert 19 always with fresh air kept in touch.

Eventuell zwischen dem Außenrohr 15 und dem Festelektrolyt-Einsatz 19 durchtretende Abgase mischen sich dabei im Zwischenraum 26 mit Frischluft und werden abgesaugt; die Glasur 35 verhindert dabei vollkommen den direkten Kontakt von Abgasen mit dem Festelektrolyt-Einsatz 19.Possibly between the outer tube 15 and the solid electrolyte insert 19 passing exhaust gases mix in the space 26 with fresh air and are sucked off; the glaze 35 completely prevents direct contact of exhaust gases with the solid electrolyte insert 19.

Das Sieb 36 vor der Zutrittsöffnung 18 am Außenrohr 15 besteht aus hoch~warmfeSten Material und sorgt für eine Homogenisierung des Abgases und bewirkt damit eine geringere Abtragung der Katalysator-Schicht 20 auf dem Festelektrolyt-Einsatz 19.The sieve 36 in front of the access opening 18 on the outer tube 15 consists of highly warm-resistant material and ensures a homogenization of the exhaust gas and causes thus less erosion of the catalyst layer 20 on the solid electrolyte insert 19th

Es sei erwähnt, daß das in eingebautem Zustande an Masse gelegte Gehäuse ii des Meßfühers 10 mit dem Außenrphr 15 zusammen ein einziges Teil bilden kann.It should be mentioned that the housing is connected to ground in the installed state ii of the measuring sensor 10 together with the outer tube 15 can form a single part.

Claims (6)

AnsprUche Expectations Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von-Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden Festelektrolyt-Einsatz, dessen eine Seite eine elektronenleitende Katalysator-Schicht aufweist, die elektrisch mit Masse in Verbindung steht und nur den Abgasen zugewendet ist, und dessen andere Seite durch ein rohrförmiges, elektrisch leitfähiges Anschlußteil mit der Umgebungsluft in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt-Einsatz (19) mit der Katalysator-Schicht (20) bündig auf der inneren Schulter (17) eines elektrisch leitfähigen, hochwarmfesten Rohres (15) aufliegt, daß das mit Abstand innerhalb des äußeren Rohres (15) verlaufende Anschlußteil (23) mit einer Stirnfläche (22) auf den Festelektrolyt-Einsatz (19) drückt, aber zwischen Anschlußteil-Stirnfläche (22) und Festelektrolyt-Einsatz (19) den Gasdurchtritt erlaubt, und daß der zwischen dem äußeren Rohr (15) und dem Anschlußteil (23) befindliche Zwischenraum (?6) an einen Unterdruckerzeuger angeschlossen ist.Electrochemical measuring probe for the determination of the oxygen content in exhaust gases, in particular in exhaust gases from internal combustion engines, with an ion-conducting Solid electrolyte insert, one side of which has an electron-conducting catalyst layer has, which is electrically connected to ground and only facing the exhaust gases is, and the other side by a tubular, electrically conductive connector is in contact with the ambient air, characterized in that the solid electrolyte insert (19) with the catalyst layer (20) flush with the inner shoulder (17) of one electrically conductive, highly heat-resistant tube (15) rests that the distance connecting part (23) with an end face extending inside the outer tube (15) (22) presses on the solid electrolyte insert (19), but between the connector end face (22) and solid electrolyte insert (19) allows gas to pass through, and that the between the outer tube (15) and the connecting part (23) located intermediate space (? 6) a vacuum generator is connected. 2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Innenseite des äußerenRohres tal5) und dem Zwischenraum (26) direkt in Berührung stehenden Teile des Festelektrolyt-Einsatzes (19) mit einem gasundurchlässigen Überzug (35) versehen sind. 2. Electrochemical measuring sensor according to claim 1, characterized in that that with the inside of the outer tube valley 5) and the space (26) directly parts of the solid electrolyte insert (19) in contact with a gas-impermeable Cover (35) are provided. 3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (22) des Anschlußteils (23) in eine Vertiefung des Festelektrolyt-Einsatzes (19) taucht.3. Electrochemical measuring sensor according to claim 1 or 2, characterized in that that the end face (22) of the connection part (23) in a recess of the solid electrolyte insert (19) dives. 4. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf das rohrförmige Anschlußteil (23) durch Tellerfedern (29) erzeugt wird, die sich einerseits auf einem Flansch (28) des Anschlußteils (23) und andererseits direkt oder indirekt an einem gegen Masse isolierenden Gegenlager (31) z. B. in Form einer Isolierringscheibe abstützen.4. Electrochemical measuring sensor according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the pressure on the tubular connecting part (23) by plate springs (29) is generated, on the one hand on a flange (28) of the connecting part (23) and, on the other hand, directly or indirectly on a counter-bearing that isolates against ground (31) e.g. B. in the form of an insulating washer. 5. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochwarmfestes Sieb (36) am äußeren Rohr (15) angeordnet wird, wobei das Sieb (36) den Bereich der Katalysator-Schicht (20) des Festelektrolyt-Einsatzes (19) bedeckt, der den Abgasen ausgesetzt ist.5. Electrochemical measuring sensor according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that a highly heat-resistant screen (36) is arranged on the outer tube (15) is, the sieve (36) the area of the catalyst layer (20) of the solid electrolyte insert (19) which is exposed to the exhaust gases. 6. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruckerzeuger das Luftansaugrohr des Motors is.6. Electrochemical measuring sensor according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that the vacuum generator is the air intake pipe of the engine.
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