DE2553292B2

DE2553292B2 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, insbesondere in abgasen von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2553292B2
Application number: DE19752553292
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Dipl.-Chem. Dr 7144 Asperg; Friese Karl-Hermann Dipl.-Phys. Dr. 7250 Leonberg; Steinke Leo 7050 Waiblingen; Weyl Helmut Dipl.-Ing. 7141 Schwieberdingen Hacker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1975-11-27
Filing date: 1975-11-27
Publication date: 1977-12-08
Also published as: NL180785C; FR2333240B1; JPS565933B2; US4065372A; NL180785B; JPS5266490A; DE2553292A1; FR2333240A1; DE2553292C3; GB1552699A; SE7601862L; NL7613229A; SE429065B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren mittels einer Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem, einseitig mit einem Boden versehenen Festelektrolytrohr, dessen Innenseite eine bis in den Bereich des Bodens reichende elektronenleitende Bahn mit Anschlußteil besitzt und der Umgebungsluft ausgesetzt ist, und dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht aufweist, die über ein metallisches Meßfühlergehäuse elektrisch mit Masse in Verbindung steht und den Abgasen zugewendet ist und dessen den Abgasen ausgesetzter Teil von einer Schutzeinrichtung umgeben ist, die mit Abstand um das Festelektrolytrohr angeordnet ist und öffnungen enthält, die Umleitmittel zum Verhindern eines direkten Abgasaufpralls' auf das Festelektrolytrohr besitzen und gegebenenfalls — in Richtung der Länge der Schutzeinrichtung — unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.

Bei einem bekannten elektrochemischen Meßfühler ist der den Abgasen ausgesetzte Teil des Festelektrolytrohres mit einer Hülse als Schutzeinrichtung versehen, die eine Anzahl von öffnungen aufweist (DT-OS 15 444); die eiektronenleitende Katalysatorschicht auf der Außenseite des Festelektrolytrohres wird jedoch dadurch schnell zerstört, daß der Abgasstrom durch die öffnungen eintritt und einschließlich seiner groben Partikel direkt auf die Katalysatorschicht aufschlägt. Außerdem wird der hinter den öffnungen der Schutzeinrichtung liegende Bereich des Festelektrolytrohres mit seiner Katalysatorschicht bei plötzlichen Temperatur- oder Druckänderungen im anströmenden Abgas nicht vor den auftretenden Schockwirkungen > geschützt.

Um diesem Mangel abzuhelfen, wurde auch schon vorgeschlagen, die Schutzeinrichtung mit Löchern zu versehen, die Umleitmittel aufweisen, welche das eintretende Gas mit seinen Partikeln am direkten ίο Auftreffen auf das Festelektrolytrohr hindern (DT-OS 23 26 086).

Bei einer anderen Schutzeinrichtung hat man aus dem gleichen Grunde zwei Schutzrohre mit Löchern koaxial mit Abstand zueinander um das Festelektrolytrohr i'i fixiert, wobei die Löcher in den Schutzrohren gegeneinander versetzt angeordnet sind (DT-OS 23 48 505).

Diese beiden letztgenannten Schutzeinrichtungen haben sich als Mittel gegen den mechanischen Angriff und in gewissem Umfange auch gegen Temperatur- und Druckschocks als geeignet erwiesen, sie befriedigen jedoch nicht in Hinsicht auf eine ausreichende Lebensdauer des Festelektrolytrohres mit seiner Katalysatorschicht, und zwar wegen des großen Temperatur-

r> gradienten zwischen dem bevorzugt vom Abgas bestrichenen Teil des Festelektrolytrohres und dem nur indirekt vom Abgas bestrichenen Festelektrolytrohr-Abschnitt.

Bekannt ist darüber hinaus auch eine diesbezügliche ίο rohrförmige, einseitig geschlossene Schutzeinrichtung, die mehrere in ihrem Mantel angeordnete öffnungen hat, welche ebenfalls Umleitmittel aufweisen, aber deren Querschnitt in der Nähe des Meßfühler-Gehäuses einen größeren Querschnitt besitzen als im Bereich des

π abgasseitigen Meßfühler-Abschnitts; der Temperaturgradient am Festelektrolytrohr ist bei dieser Ausführungsform der Schutzeinrichtung aber noch höher als bei den vorher beschriebenen Schutzeinrichtungen und die Lebensdauer entsprechender Meßfühler noch mehr gefährdet (DT-OS 24 52 924).

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Schutzeinrichtung für das Festelektrolytrohr eines elektrochemischen Meßfühlers dieser Art zu entwickeln, mit der sowohl mechanische Angriffe und Wärme- bzw. Druckschocks vom Festelektrolytrohr abgehalten werden und darüber hinaus am Festelektrolytrohr ein im wesentlichen sprunglos verlaufender Temperaturgradient erzielt wird, der eine befriedigende Lebensdauer des elektrochemischen Meßfühlers bewirkt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die mit Umleitmitteln versehenen öffnungen einen zum freien Endabschnitt der Schutzeinrichtung hin größer werdenden Querschnitt haben und sich der

größte Querschnitt der öffnungen etwa im Bereich des Festelektrolytrohr-Bodens befindet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die öffnungen in der Schutzeinrichtung als Längsschlitze ausgebildet, die sich erfindungsgemäß zum freien Ende des Meßfühlers hin

bo keilförmig erweitern. Es hat sich zumeist als zweckmäßig erwiesen, wenn die Schutzeinrichtung an ihrem freien Endabschnitt einen Boden hat.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben und näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühlers in vergrößertem Maßstab und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Meßfühler nach F i g. 1 entlang der Linie I/l.

Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte elektrochemische Meßfühler arbeitet nach dem bekannten Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit icnerileitendem Festelektrolyt; sie enthält ein ionenleitendes, einseitig mit einem Boden IO geschlossenes Festelektrolytrohr 11. das aus stabilisiertem, kubischem Zirkondioxid besteht, auf seiner Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht 1.2 aus Platin trägt und auf seiner Innenseite mit einer elektronenleitenden Leiterbahn 13 versehen ist. die bis in den Bereich des Festelektrolytrohr-Bodens 10 hineinreicht; diese Leiterbahn 13 kann auch aus Platin bestehen Die Leiterbahn 13 ist mit einem nicht dargestellten Anschlußteil verbunden, das anschliißseils mit einem Steckkontakt Λ elektrisch in Verbindung sieht. Das Festelektrolytrohr ff ist dicht an die Längsbohrung 15 eines metallischen Gehäuses 16 eingebaut, das für den Finbau in ein Abgasrohr mit einem Finschraubgewinde 17 und einem Schlüsselsechskant 18 ausgestattet ist. An das anschlußseitige Fnde des Gehäuses 16 ist ein Schutzrohr 19 angebracht, das mit Lufteintrittsöffnungen 20 für den Eintritt der Umgebungsluft in den Hohlraum 21 des Festelektrolytrohres 11 versehen ist.

Der abgasrohrseitige Fndabschnitt des Festelektrolytrohres Il mit Boden 10 ragt aus der Gthäusel.ängsbohning 15 heraus und ist den im Abgasrohr befindlichen Abgasen ausgesetzt. Um jedoch die elektronenleitende Katalysatorschicht 12 und das Festelektrolytrohr Il vor intensiven mechanischen Angriffen und Temperatur- und Druckschockwirkungen durch den auftreffenden Abgasstrom zu schützen, ist um den aus dem Gehäuse 16 ragenden Bereich des Festelektrolytrohres H eine Schutzeinrichtung 22 angebracht. Diese Schutzeinrichtung 22 ist ein robrförmiger Körper, der anschlußseits einen Flansch 23 ,iiifweist, mit dem er auf einer Schulter 24 in der Gebäuse-I.ängshohrung 15 aufliegt und sich andererseits über einen weichen Metallring 25 am Festclektro lytrohr 11 anlegt: diese Schutzeinrichtung 22 umgibt das Festelektrolytrohr Il mit Abstand und ist bei dieser bevorzugten Ausführungsform an seinem abgasseitigen Fnde mit einem Boden 26 verschlossen. In demjenigen Bereich der Schutzeinrichtung 22. der aus dem Gehäuse iS lierausragt. befinden sich öffnungen 27 für den Zutritt der Abgase zum Festelektrolytrohr 11: diese öffnungen 27 sind derart mit Umleitmitteln 28 in Form eingescherter Blechabschnitte ausgestattet, daß Hie heißen Abgase mit den darm enthaltenen Partikeln nicht direkt auf die Katalysatorschicht 12 des Festelektrolytrohres 11 aufschlagen und Beschädigungen hervorrufen können, sondern im wesentlichen seitlich um das Festelektrolytrohr 11 herumgewirbelt werden, fliese Umleitmittel 28 sorgen außerdem dafür, daß das Festelektrolytrohr 11 mit der Katalysatorschicht 12 vor Temperatur- und Druckschockwirktingen weitgehend verschont wird. Die Öffnungen 27 sind bei dieser Schutzeinrichtung 22 erfindungsgemäß als keilförmige Schlitze ausgebildet, deren Querschnitt im Bereich des abgasseitigen Endabschnilts vom Gehäuse 16 geringer ist als in der Nähe des Schutzeinrichtungsbodens 26; die schlitzförmigen Öffnungen 27 enden abgasrohrseits etwa im Bereich des Bodens 10 vom Fes'elektrolytrohr 11 und haben in diesem Bereich ihren größten Querschnitt. Diese als keilförmige Längsschiitze ausgebildeten Öffnungen 27 sorgen dafür, daß der im Bereich 10 befindliche Teil des Festelektrolytrohres 11, der als Meßstelle dient, am stärksten von den Abgasen beaufschlagt wird, während der zum und ins Gehäuse 16 verlaufende Teil des Festelektrolytrohres 11 eine stetig abnehmende Temperatur und nirgends einen hohen Temperaturgradienten aufweist, wodurch Beschädigungen an der Katalysatorschicht 12 und am Festelektrolytrohr 11 infolge Wärmespannungen vermieden werden. Dank dieser Ausbildung der Öffnungen 27 wird eine befriedigende Lebensdauer des elektrochemischen Meßfühlers bewirkt.

Fs sei erwähnt, daß anstelle der in diesem Beispiel beschriebenen öffnungen 27 in der Form von sich keilförmig erweiternden Längsschlitzen auch öffnungen fTTit Umlcitmittcln geeignet sind, deren Anzahl bzw Querschnitt zum abgasrohrseiligen F.ndabschniit der Schutzeinrichtung 22 zunimmt. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß die Schutzeinrichtung 22 auf einen Boden 26 dann vei /ichten kann, wenn der Meßfühler im Abgasrohr eine Schräglage in Richtung des Abgasstromes einnimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrochemischer Meßfühler für d^; Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen ^besondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mittels einer Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem, einseitig mit einem Boden versehenen Festelektrolytrohr, dessen Innenseite eine bis in den Bereich des Bodens reichende elektronenleitende Bahn mit Anschlußteil besitzt und der Umgebungsluft ausgesetzt ist, und dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht aufweist, die über ein metallisches Meßfühler-Gehäuse elektrisch mit Masse in Verbindung steht und den Abgasen zjgewendet ist und dessen den Abgasen ausgesetzter Teil von einer Schutzeinrichtung umgeben ist, die mit Abstand um das Festelektrolytrohr angeordnet ist und öffnungen enthält, die Umleitmittel zum Verhindern eines direkten Abgas-Aufpralls auf das Festelektrolytrohr besitzen und gegebenenfalls — in Richtung der Länge der Schutzeinrichtung — unterschiedlichen Querschnitt aufweisen, d a durch gekennzeichnet, daß die mit Umleitmitteln (28) versehenen öffnungen (27) einen zum freien Endabschnitt der Schutzeinrichtung (22) hin größer werdenden Querschnitt haben und sich der größte Querschnitt der öffnungen (27) etwa im Bereich des Festelektrolytrohr-Bodens (10) befindet.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (27) in der Schutzeinrichtung (22) Längsschlitze sind.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schuueinrichtung (22) einen Boden (26) hat.